JP7137786B2

JP7137786B2 - 内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP7137786B2
Application number: JP2018178850A
Authority: JP
Inventors: 尚幸須田
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2038-09-25
Also published as: JP2020051278A; FR3086347A1; US20200095952A1; US10890135B2; DE102019117355A1; FR3086347B1

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

内燃機関のピストンは、ピンボスに取り付けられたピストンピン等を介して、燃焼圧力をクランク軸の回転力に変換する装置である。例えば、特許文献１に開示されているように、ピストンは、燃焼圧力及びピストンの慣性等により生ずるスラスト力をシリンダボアに分散して伝えるために、ピストンピンボスの両側にスカートを有している。また、スカートとピンボスはサイドウォールで繋がれている。

ピストンとシリンダの間の摺動はスカートで発生する。燃焼圧が負荷されると、スカートは、ピストン中心に向かって径方向内側に変形し、サイドウォールは、径方向外側に向かって変形する。ピストンは、ピストンピン中心軸を中心に回転自由度を有するため、スカートが内側に変形すると、ピストンは回転し傾斜する。

特開平１１－３０３６７４号公報

上記例では、ピストン内面のサイドウォールとスカートの稜線に、曲率の変化が大きい変化点がある。該変化点では、燃焼圧を受けた場合において、スカートに集中的な変形が発生し、スカートがピストン中心に向かって変形し、ピストンが傾斜し、摩擦損失が発生する可能性がある。

燃焼圧を受けた場合において、ピストンの下端側におけるサイドウォールについて、ピストンの外側方向（ピストン中心から外側に向かう方向）へ変形し、スカート下端ほどサイドウォールの変形領域がピストン外側方向に広がる「ハ」の字形状となり、ピストンが傾斜し、摩擦損失が発生する。そのため、スカート及びサイドウォールの曲げ剛性の向上には、改善の余地があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、スカートからサイドウォールまでを偏りなく広範囲に均一に変形させ、ピストンの下端側におけるサイドウォールについて、ピストン外側方向への変形量を低減し、ピストンの傾斜を抑制でき、摩擦損失を低減可能な内燃機関のピストンを提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関のピストンは、ピストンヘッドの下側
面に設けられ互いに間隔を空けて対向するように配置された２つのピンボスと、前記ピス
トンヘッドの下側面に設けられ、前記各ピンボスの両側に配置されているサイドウォール
と、該サイドウォールに連続して設けられているスカートと、を有し、２つの前記ピンボ
スのそれぞれには、水平に延びるピストンピンが挿入可能なピン孔が形成されている。当
該内燃機関のピストンにおいて、前記サイドウォール及び前記スカートの内壁は連続して
おり、該内壁は、２つの前記ピン孔の中心を結ぶピンボス軸線を間に置いて前記ピンボス
軸の両側に対向して配置されており、前記各内壁の水平断面は、特定の楕円形状に沿って
形成され、前記ピストンヘッドと前記サイドウォールとの間に設けられた連結部には、２つの貫通孔が設けられ、２つの前記貫通孔は、前記サイドウォールの上方に互いに間隔を空けて配置され、該間隔は、前記スカートの下端の幅と同じに設定され、前記各貫通孔の中心線は、前記スカートの外周面を前記サイドウォールに向かって延長させた延長線と、前記サイドウォールの外周面を前記スカートに向かって延長させた延長線との交点に交差するように設定されており、前記スカートの上端の前記幅は、２つの前記貫通孔の中心間の距離よりも、短く設定されている。

本発明によれば、スカートからサイドウォールまでを偏りなく広範囲に均一に変形させ、ピストンの下端側におけるサイドウォールについて、ピストン外側方向への変形量を低減し、ピストンの傾斜を抑制できる。

本発明に係る内燃機関のピストンの正面図である。図１のＡ１－Ａ１断面図である。図１のＡ２－Ａ２断面図である。図１のピストンを右方から見た側面図である。図２の楕円形状の水平断面の変形の様子を示す模式図である。図１の断面図であり、（Ａ）は図１のＢ１－Ｂ１断面を示し、（Ｂ）はＢ２－Ｂ２断面を示し、（Ｃ）はＢ３－Ｂ３断面を示す。図４のＡ３－Ａ３断面図である。図２の水平断面の変形例を示す断面図であり、（Ａ）は、スカートの上部の断面を示し、（Ｂ）は（Ａ）よりも下方の断面を示し、（Ｃ）は（Ｂ）よりも下方の断面を示している。

以下、本発明に係る内燃機関のピストン１の実施形態について、図面（図１～図７）を参照しながら説明する。なお、図において、矢印Ｕは上方、矢印Ｄは、下方を示している。また、ピストン中心Ｏとは、円形のピストンヘッド２の中心を示し、ピストン径方向は、ピストンヘッド２の径方向を示している。

本実施形態のピストン１は、ピストンヘッド２の下面に設けられ互いに間隔を空けて対向するように配置された２つのピンボス３と、ピストンヘッド２の下側面に設けられ各ピンボス３の両側に配置されているサイドウォール４と、サイドウォール４に連続して設けられているスカート５と、を有している。また、２つのピンボス３のそれぞれには、水平に延びるピストンピン１ａが挿入可能なピン孔３ａが形成されている。当該内燃機関のピストン１において、サイドウォール４及びスカート５の内壁１０は連続しており、該内壁１０は、２つのピン孔３ａの中心を結ぶピンボス軸線Ｃ１を間に置いてピンボス軸線Ｃ１の両側に対向して配置されており、各内壁１０の水平断面は、特定の楕円形状Ｅに沿って形成されている。以下、各部について説明する。

ピストンヘッド２は、図１に示すように、円筒状で、外周部には、オイルリング溝２ａが形成されている。

２つのピンボス３は、図１及び図２に示すように、ピストン中心Ｏを間に置いて互いに間隔を空けて、ピストン１の外周付近に配置されている。２つのピンボス３のそれぞれには、ピストン１の径方向に貫通するピン孔３ａが設けられている。２つのピン孔３ａには、ピストンピン１ａが挿入可能である。

２つのピン孔３ａは、図２に示すように、互いに対向するように配置されている。ピンボス軸線Ｃ１は、上記したように、対向するピン孔３ａの孔中心を結ぶ直線として定義される。ピストンピン１ａは、ピンボス軸線Ｃ１に沿って水平に延びている。

各ピンボス３は、ピストンヘッド２の下面から下方に突出しており、ピンボス３の下部には、所定の曲率の曲面が形成されている。また、ピン孔３ａの両側部（ピンボス軸線Ｃ１に直交する方向に配置される側部）は、所定の壁厚（ピンボス軸線Ｃ１に直交する方向の厚み）を有している。また、ピンボス３のピストン径方向外側は、ピンボス３の両側のサイドウォール４よりも、外側に突出している。

サイドウォール４は、図２に示すように、ピンボス３の側部から、ピストン１の外周に沿って延びており、サイドウォール４の外側部には、所定の曲率を有する曲面が形成されている。サイドウォール４は、各ピンボス３の両側に設けられている。すなわち、各ピンボス３に繋がるサイドウォール４は、対向配置されている。サイドウォール４の内壁１０については、後で説明する。

スカート５は、図２に示すように、対向するサイドウォール４を繋ぐように連続して、ピストン１の外周に沿って設けられている。スカート５は、ピンボス軸線Ｃ１を間に置いて両側に配置されている。すなわち、２つのスカート５は、ピンボス軸線Ｃ１を挟んで対向するように配置されている。スカート５の外側部には、サイドウォール４の外面の曲率とは異なる所定の曲率を有する曲面が形成されている。

サイドウォール４及びスカート５の内壁１０は、図２に示すように、連続している。詳細には、対向するサイドウォール４の内壁１０と、これらを繋ぐスカート５の内壁１０とは、連続している。当該内壁１０は、上記の通り、ピンボス軸線Ｃ１を間に置いてピンボス軸線Ｃ１の両側に対向配置されている。内壁１０の水平断面は、単一の定義された特定の楕円形状Ｅに沿って形成されている。この例では、楕円形状Ｅは、ピンボス３の両側に配置され、ピンボス軸線Ｃ１に沿って延びている。

上記のように内壁１０を特定の楕円形状Ｅに沿って形成することにより、スカート５とサイドウォール４の境界において、内面の稜線における極端に曲率が変化するような変化点を発生させないことを可能とする。

また、一定の領域に収まる楕円と、同様の領域に収まる円（楕円短軸を直径とする円）との対比において、楕円短軸方向に圧縮の力が負荷された際の変形領域と、円における径方向に力が負荷された際の変形領域とを比較すると、楕円の変形領域は、円の変形領域よりも広い。すなわち、本実施形態では、スカート５からサイドウォール４までの広範囲で、変形が可能となる（図５）。

また、燃焼圧を受けた場合において、燃焼圧をスカート５とサイドウォール４の両方が、広範囲で受けることができるため、スカート５からサイドウォール４までを偏りなく広範囲に均一に変形させることができる。上記のような曲率の変化点の存在する場合に比べて、スカート５側への集中した変形の発生を抑制できる。

また、スカート５のピストン中心Ｏに向かう方向への変形量を低減できる。その結果、ピストン１の傾斜を抑制できる。さらに、スカート５に作用するシリンダの面圧を低減で、摩擦抵抗を低減でき、摩擦損失を低減できる。

また、内壁１０の水平断面が楕円形状Ｅであるために、ピストン１の下部の断面が中空の中空楕円柱となる。一般に、中空楕円柱は、中空円柱に対して約１０倍の高い剛性を得られるため、スカート５及びサイドウォール４の剛性が向上する。

また、燃焼圧を受けた場合において、ピストン１の下端側におけるサイドウォール４について、ピストン１の外側方向への変形量を低減できる。すなわち、スカート５の下部ほどサイドウォール４の変形領域がピストン１の外側方向に広がること、例えば「ハ」の字形状になることを抑制できる。

また、図２に示すように、本実施形態の内壁１０の楕円形状Ｅの短軸は、ピンボス軸線Ｃ１に対して直交している。このように構成することで、スカート５が燃焼圧を受けた場合、短軸方向に力を受けることとなる。その結果、水平断面が楕円曲線からなり、上下方向に延びる楕円柱は、短軸方向の力に対して、上下方向に延びる円柱と比較して、広範囲で圧力を分担する特性を有する。このため、短軸方向に力を受けて変形した場合、その変形は、広範囲に及ばずに長軸付近で止まる。そのため、サイドウォール４が外側方向に変形する範囲は、主に長軸Ｘ１よりも、スカート５に近い側、すなわち、従来に対してスカート５に近い側に設定され、さらに、当該変形する範囲は、略円柱を有する従来に比べ、狭い範囲となる。

また、燃焼圧を受けた場合において、ピストン１の下端側におけるサイドウォール４について、ピストン１の外側方向への変形量を低減できる。

また、図２に示すように、ピンボス軸線Ｃ１と楕円形状Ｅの長軸Ｘ１との間の距離Ｌ１は、スカート５の外壁面に接しピンボス軸線Ｃ１に平行なスカート接線Ｈと、楕円形状Ｅの長軸Ｘ１との距離Ｌ２よりも大きい。このように構成することで、楕円形状Ｅの重心軸（長軸Ｘ１）は、ピンボス軸線Ｃ１よりも、スカート５に近い方に設定されることになる。サイドウォール４が外側方向に変形する範囲（サイドウォール４の変形範囲）は、スカート５に、より近い方に設定できる。

また、図１、図３及び図４に示すように、ピストンヘッド２とサイドウォール４と間には、連結部７が設けられている。連結部７は、オイルリング溝２ａの下部に設けられている。楕円形状Ｅの長軸Ｘ１の真上に位置する連結部７のサイドウォール４の径方向壁厚Ｄ１は、長軸方向壁肉厚に比べて薄い。すなわち、連結部７に対応する位置のサイドウォール４には、径方向壁厚が薄くなる薄肉部９が設けられる。

連結部７に設けられた後述する貫通孔６の上方側のピストン１の内部の水平方向幅は、図６に示すように、図６（Ｂ）に示す長軸Ｘ１に対応する位置の水平方向幅との対比において、図６（Ａ）に示すピンボス軸線Ｃ１に近い方は狭く、図６（Ｃ）に示す遠い方は広くなるように形成されている。

短軸方向の変形の軸となる長軸Ｘ１上に薄肉部９を設けることで、連結部７の剛性を低下させることができる。その結果、連結部７、すなわち、スカート上端５ａでの変形量を大きくでき、スカート５の上下間での変形量の差を低減できる。

また、本実施形態では、図２に示すように、サイドウォール４及びスカート５の壁厚中心を通る中心線Ｃ２と、ピン孔３ａの外側に位置するピンボス３の壁厚中心を通る中心線Ｃ３（基準線）との交点Ｑ１は、ピンボス軸線Ｃ１の方向で、楕円形状Ｅの焦点Ｓ１，Ｓ２の外側（２つの焦点Ｓ１，Ｓ２が互いに離れる方向）に設定されている。ここで、スカート５の壁圧中心を通る中心線Ｃ２は、スカート５等の外壁と内壁１０との中心位置を通る曲線である。また、ピンボス３の壁厚中心を通る中心線Ｃ３は、サイドウォール４から突出する部分の外壁面で、ピン孔３ａの開口縁からのピンボス３の端まで距離の中心を示している。

図５に示すように、短軸Ｘ２の方向からの荷重Ｆが作用するとき、楕円形状Ｅは、楕円形状Ｅ’に示すように変形する。楕円形状Ｅの焦点Ｓ１，Ｓ２より、ピストン１の外側（長軸Ｘ１の方向の外側）では、図５のＺ２の領域に示されるように、楕円曲線Ｅは外側への変形（プラス変形）となる。逆に、焦点Ｓ１，Ｓ２よりピストン１の内側（図５のＺ１に示す領域）では、楕円曲線Ｅはピストン１の内側への変形（マイナス変形）となる。外側への変形（プラス変形）の領域Ｚ２でサイドウォール４とピンボス３を繋ぐことで、サイドウォール４のピストン中心Ｏの方向への変形を抑制できる。その結果、スカート５のピストン中心Ｏに向かう方向に変形する量を低減できる。

図４に示すように、ピストンヘッド２とサイドウォール４と間に設けられた連結部７には、剛性を低下させるために、２つの貫通孔６が設けられている。２つの貫通孔６は、スカート上端５ａの上方に配置され、且つピストン１の周方向に互いに間隔を空けて配置されている。当該間隔は、スカート下端５ｂの幅Ｗ２と同じに設定されている。ここで、スカート下端５ｂの幅Ｗ２は、図４に示すように、スカート５の下部の最も幅広の部分に相当する。また、スカート上端５ａの幅Ｗ１は、サイドウォール４との境界から反対側の境界までの距離を示す。スカート下端５ｂの幅Ｗ２は、スカート上端５ａの幅Ｗ１よりも大きい。

燃焼圧が負荷されたスカート上端５ａの変形量は、スカート５のピストン周方向領域の中心位置から離れるに従い減少する。しかしながら、サイドウォール４がピストンヘッド２の裏側に位置しており、連結部７とスカート５とサイドウォール４の境界を結ぶ領域の剛性は、周辺の領域の比べて高いため、変形しにくい。すなわち、スカート上端５ａの剛性が高いため、スカート５とサイドウォール４までの広範囲で変形ができない。

この高剛性の領域に貫通孔６を設け、更にスカート上端５ａの幅を下端の幅より狭くすると、サイドウォール４とスカート５の境界となる位置に、貫通孔６が形成されることになる。その結果、スカート５の上下間における剛性の差を小さくすることが可能となる。

図７に示すように、２つの貫通孔６の貫通方向に延びる中心線Ｃ３は、スカート５の外周面をサイドウォール４に向かって延長させた延長線５ｅと、サイドウォール４の外周面をスカート５に向かって延長させた延長線４ｅとの交点Ｑ２に交差するように設定されている。

このように設定することで、連結部７の剛性が低下し、スカート５の上下端での変形量の差を小さくすることができる。これにより、ピストン１の傾斜角とシリンダとの接触面圧が抑制され摩擦損失が低減される。

本実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、図８（Ａ）～（Ｃ）に示すように、薄肉部９を、サイドウォール４の内壁１０において上下方向に延びるように設けてもよい。この場合、薄肉部９は、図８（Ａ）に示す位置から、図８（Ｂ）に示す断面を経て、図８（Ｃ）に示す断面に向かって、重心線上（長軸Ｘ１に対応する位置）に上下に繋がっている。この場合、図８（Ｃ）に示すスカート下端５ｂでの薄肉部９は、図８（Ａ）に示す薄肉部９に比べて小さい。当該薄肉部９は、上方に向かうに従い大きくなる。これにより、前述した上下方向におけるスカート５の剛性差を小さくし、スカート５の上下の変形を小さくすることが可能となる。

１ピストン
１ａピストンピン
２ピストンヘッド
２ａオイルリング溝
３ピンボス
３ａピン孔
４サイドウォール
５スカート
５ａスカート上端
５ｂスカート下端
６貫通孔
７連結部
９薄肉部
１０内壁

Claims

ピストンヘッドの下面に設けられ、互いに間隔を空けて対向するように配置された２つのピンボスと、前記ピストンヘッドの下面に設けられ、前記各ピンボスの両側に配置されているサイドウォールと、該サイドウォールに連続して設けられているスカートと、を有し、２つの前記ピンボスのそれぞれには、ピストンピンが挿入可能なピン孔が形成されている、内燃機関のピストンにおいて、
前記サイドウォール及び前記スカートの内壁は連続しており、該内壁は、２つの前記ピン孔の中心を結ぶピンボス軸線を間に置いて前記ピンボス軸線の両側に対向して配置されており、
前記各内壁の水平断面は、特定の楕円形状に沿って形成され、
前記ピストンヘッドと前記サイドウォールとの間に設けられた連結部には、２つの貫通孔が設けられ、２つの前記貫通孔は、前記サイドウォールの上方に互いに間隔を空けて配置され、該間隔は、前記スカートの下端の幅と同じに設定され、
前記各貫通孔の中心線は、前記スカートの外周面を前記サイドウォールに向かって延長させた延長線と、前記サイドウォールの外周面を前記スカートに向かって延長させた延長線との交点に交差するように設定されており、
前記スカートの上端の前記幅は、２つの前記貫通孔の中心間の距離よりも、短く設定されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
前記楕円形状の短軸は、前記ピンボス軸線に対して直交していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関にピストン。
前記ピンボス軸線と前記楕円形状の長軸との間の距離は、
前記スカートの外壁に接し前記ピンボス軸線に平行なスカート接線と、前記楕円形状の長軸との距離よりも長いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。
前記楕円形状の長軸の真上に位置する前記連結部のピストン径方向の壁厚は、長軸方向の壁厚に比べて、薄いことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。
前記ピン孔に隣接する前記ピンボスの壁部の水平方向厚さの中心を通り前記ピンボス軸線に平行な基準線と、前記スカートの壁厚中心を通る中心線との交点は、ピンボス軸線方向で、前記楕円形状の焦点の外側に設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。