JPH08505916A - ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃エンジン用のピストン（２２）は、クラウン（６０）、及びピストンリング（６８）を支持する周壁を有する。支持体（８０）は、前記壁と連結ロッド（２４）を受入れるベアリングハウジング（８４）との間を延びている。更に、円筒形支持部材（１００）が前記支持体の周りを前記壁からスカートまで延びている。支持部材（１００）は、前記壁の半径方向内方にあり、円筒形支持部材はその半径方向外面（１４８）上に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ピストン 本発明は、内燃エンジン用のピストンに関する。 大多数の内燃エンジンは、燃料の燃焼により発生した熱エネルギを機械的エネ ルギに変換するのに、シリンダ内で往復動するピストンを使用する。従って、シ リンダ内でのピストンの摺動運動がエンジンの性能にとって重要であるが、互い に矛盾する多くの要求を満たさなければならない。一方では、ピストンはシリン ダ内で自由に摺動しなければならず、他方では、ピストンはシリンダ内の燃焼生 成物を効果的にシールしなければならない。このシールには、ピストンとシリン ダとが締まり嵌めしていることを必要とする。更に、ピストンには燃焼プロセス が作用し、従って燃焼プロセスで必然的な高温及び高圧に耐えることができなけ ればならない。 ピストンがうまく支持されていない場合には、シール性能が損なわれ、シリン ダの壁が急速に摩耗する。適切なシールが維持された状態で適正な摺動運動が行 われるようにする種々の試みがなされており、これらの試みのうちの幾つかでは 、シリンダ及びピストンの低摩擦コーティングが使用されている。こうしたコー ティングはピストンの性能を向上させたが、ピストンについて摺動性能及び支持 が更に大きく改善されることが望まれている。 概括的に述べると、本発明は、クラウン及びこのクラウンの周りを延びる円筒 壁を持つピストンを提供する。支持体が円筒壁の内側に配置され、ピストンの下 端にある環状スカート部分まで延びている。かくして、クラウンとスカートとの 間に周囲凹所が形成され、ベアリング材料製のスリーブがこの凹所内に配置され 、支持体によって支持されている。連結ロッドをピストンに連結するためのベア リング支持部材は、支持体内に配置され、円筒壁に連結されている。 かくして、クラウン及び円筒壁は高性能材料から製造でき、円筒形スリーブは 、シリンダ内での摺動運動を容易にする適当なベアリング材料からつくられてい る。荷重は、ベアリング材料にこうした荷重を加えることなく、円筒壁を通して ベアリング支持体に伝達される。 本発明の一実施例を添付図面を参照して以下に説明する。 第１図は、往復動ピストン型内燃エンジンの側断面図であり、 第２図は、第１図に示すピストンの拡大断面図であり、 第３図は、第２図の３−３線での図であり、 第４図は、第２図の４−４線での図であり、 第５図は、第２図の５−５線での図であり、 第６図は、第２図に示すピストンの一部の拡大図である。 従って、第１図を参照すると、往復動ピストン内燃エンジン１０は、複数の平 行な内部ボア１４を持つシリンダブロック１２を含む。参照番号１８を附したシ リンダを構成するため、各ボアにはライナ１６が設けられている。各シリンダ１ ８の一端をシールするため、シリンダヘッド２０がシリンダブロック１２に取り 付けられている。 ピストン２２が各シリンダ１８内に配置されており、クランクシャフト２８に 回転自在に取り付けられた旋回歯車２６に連結ロッド２４で連結されている。旋 回歯車２６は、シリンダブロック１２に固定された定置の歯車３０と係合する。 クランクシャフト２８は、ベアリングアッセンブリ３２、３４によって回転自在 に支持されており、これらのベアリングの一方３２はシリンダブロックに配置さ れており、他方のベアリング３４はクランクケース３６に配置されている。連結 ロッド２４、旋回歯車２６、定置の歯車３０、及びクランクシャフト２８からな る構成は、当該技術分野で周知の旋回駆動装置即ち揺動駆動装置を形成する。こ れについてはこれ以上の説明は行わない。長手方向力をピストン２２から連結ロ ッド２４を介して及ぼし、クランクシャフト２８を回転させ、有用な出力トルク を提供するということは明らかである。 燃焼空気は、入口マニホールド３８及びブロック１２及びライナ１６の夫々に 設けられた入口ポート４０を介してシリンダ１８に提供される。燃焼生成物は、 シリンダ１８から出口ポート４２及び排気通路４４を通って排出される。通路４ ４は、クランクシャフト２８に固定された回転自在のスリーブ４８を持つ中央排 気ダクト４６と連通している。スリーブ４８は、燃焼生成物を排出するため出口 ポート４２とスリーブ４８の内部との間を連通する入口ポート５０を有する。排 気ダクト４６及び回転自在のスリーブ４８からなる構成は、本願と同日付けで出 願した継続中の出願に更に詳細に示してあり、これについては、これ以上詳細に は説明しない。クランクシャフト２８が回転するとき、排気弁がスリーブ４８の 内部を通路４４に連続的に連結し、これによって排気ガスを排出できるようにす るということは理解されよう。 燃料は、燃焼室５４に配置された噴射装置５２を通してシリンダ１８に供給さ れる。燃料は、ピストン２２がシリンダヘッド２０に近づくときに噴射され、燃 焼を開始し、ピストン２２をシリンダ１８に沿って強制的に移動する。燃料は、 夫々のシリンダ内でのピストンの移動の位相が漸次連続的に変化するように、調 時された順序でシリンダ１８の各々に噴射されるということは理解されよう。 第２図で最もよくわかるように、ピストン２２の各々はピストンクラウン６０ を有し、このクラウンから円筒形の周壁６２が垂下している。クラウン６０は、 壁６２との間に一体の構造を構成するため、壁６２の上縁部に溶接されている。 壁６２の半径方向外面６４は、クラウン６０に向かって半径方向内方にテーパし ている。テーパは、平行な状態から１／２°程度であり、そのため、クラウンと 隣接した壁６２間の隙間はクラウンから遠方の壁間の隙間よりも大きい。壁６２ の外面６４には周溝６６が形成されており、各周溝には以下に更に詳細に説明す るピストンリング６８が入っている。壁６２の半径方向内面７０には、クラウン ６０の下側に向かって差し向けられた周囲ギャラリーを形成するため、参照番号 ７２が附してあるようにアンダーカットが設けられている。半径方向外面６４は 、アンダーカット７２と隣接して位置決めされた端壁７６で終端し、一連の通路 ７８がアンダーカット７２と端壁７６の半径方向内側部分との間を延びている。 円筒壁６２は、ベアリング支持構造８０と一体に形成されており、このベアリ ング支持構造８０はアンダーカット７２と隣接して壁６２に接続する。支持構造 ８０は、円筒形ハウジング８４まで内方に延びる円錐形のシェル８２を有し、こ のシェル８２にはその内側と外側との間を連通する楕円形の開口部９８が設けら れている。ハウジング８４は、ベアリングアッセンブリ８８を受け入れるためク ラウン６０から遠ざかる方向に向いた凹所８６を有する。この凹所８６の端壁９ ０の外面９２は、クラウン６０の下側７４に向かって差し向けられている。外面 ９２には、凹所８６まで延びるボア９６を備えた中央尖頭部９４が形成されてい る。ボア９６は、流体を凹所８６からクラウン６０に向かって比較的高速で差し 向けるためのノズルを構成する。 円錐形シェル８２は、円筒壁６２の端壁７６からハウジング８４を通って延び る円筒形支持体１００によって取り囲まれている。円筒形支持体の上端１０２は 、支持構造８０の円筒形の外面１０４に載っており、ハウジング８４の円筒形の 外面１０８と係合する半径方向内方に差し向けられたフィンガ１０６を反対端に 有する。 支持体１００には、一対の周溝１１２を半径方向外面に有するスカート１１０ が一体に形成されている。溝１１２には、以下に更に詳細に説明するピストンリ ング１１４が入っている。 スカート１１０には、フィンガ１０６と同様の半径方向内方に延びるフィンガ １１６が形成されているが、これらのフィンガは、保持ナット１１８の外面と係 合する。ナット１１８はハウジング８４の外面にねじ込んであり、ベアリングア ッセンブリ８８を凹所８６内に保持する。 ベアリングアッセンブリ８８は、一対の円筒形シェル１２０、１２２を有し、 これらのシェルの各々は、その一部に球形のキャビティ１２４、１２６を夫々有 する。シェル１２０、１２２は、グラファイト、青銅、又は焼結金属複合材料等 の適当な材料から形成されており、連結ロッド２４の一端に形成されたボール端 １２８をぴったりと包囲している。シェル１２２の中央ボア１３０はボア９６と 整合しており、スラストベアリング１３２によって凹所８６の端壁９０から離間 されている。スラストベアリング１３２には、シェル１２２と支持構造８０との 間に流体力学的ベアリングを構成するためスラストベアリング１３２の面に亘っ てオイルを供給する一対の横溝１３４が形成されている（第５図参照）。 第１図で最もよくわかるように、連結ロッド２４はボールジョイントアッセン ブリ１３６で揺動歯車２６に枢着されている。ボールジョイントアッセンブリ１ ３６は、連結ロッド２４に取り付けられたボール１３６及びこのボール１３６を 受け入れるため一部が球形のキャビティ１４２を有するグラファイト製のシェル １４０を有する。更に、連結ロッド２４には中央長手方向ボア１４４が設けられ ており、このボアは、シェル１２２の中央ボア１３０と整合し、シェル１４０の 同様の中央ボア１４６と整合している。ボア１４６は、揺動歯車２６及びクラン クシャフト２８を貫通した内部通路１４８に連結されており、この通路は、ピス トンが往復動するとき、所定量のオイルを通路１４８を通して連結ロッドに沿っ て凹所８６まで送出する。 円筒形支持体１００が端壁７６と円筒壁６２の半径方向面１４８とスカート１ １０との夫々の間を延び、環状凹所１５０を構成するということが第２図からわ かる。円筒形スリーブ１５２は、壁７６と面１４８との間の凹所内に配置され、 その半径方向内面は円筒形支持体１００で支持されている。スリーブ１５２は、 オイルで含浸できる多孔質構造を持つ材料で形成されている。適当な材料は、グ ラファイト又は青銅である。スリーブ１５２の半径方向外面１５４は、ライナ１ ６の半径方向内面に対する支持面を構成し、ピストン２２を往復動中に支持する 。スリーブ１５２のオイルで含浸したグラファイトは、ライナ１６とピストン２ ２との間の摩擦係数を低くすると同時に、ピストン２２をライナ１６内で整合し た状態に維持するための比較的大きな支持面積を提供する。 スリーブ１５２の半径方向内面の隅部が通路７８と重なっており、そのため、 アンダーカット７２内のオイルは通路７８を通り、スリーブ１５２の母材内に通 過して前記母材を飽和状態に維持することができる。 オイルがスリーブ１５２からライナ１６の表面上に付着するため、第６図に更 に詳細に示すピストンリング構造を使用するのが好ましい。クラウン６０に最も 近い溝６６内に配置されたピストンリング６８ａ、６８ｂは、ライナ１６と当接 する矩形の面１５６を有する。リング６８ａ及び６８ｂの主な目的は、燃焼生成 物の流れが円筒壁６２を通過しないようにガスシールすることである。参照番号 ６８ｃを附した、円筒壁６２の第３リングはアンダーカット面１５８を有し、そ のため、後縁１６０はライナ１６の壁と線で接触する。リング６８ｃの目的は、 ピストンの降下時に、即ち、ヘッド２０から遠ざかるように移動するときに、ラ イナの壁からオイルの薄膜を除去し、燃焼プロセス中にオイルが燃焼しないよう にすることである。 スカート１１０のリング１１４は、本質的にはオイル制御リングとして使用さ れる。第１リング１１４ａは、矩形の外面１６２を有し、半径方向内縁部が参照 番号１６３が附してあるように面取りしてあり、溝１１２内で僅かに揺動できる ようになっている。リング１１４ｂ及び１１４ｃは、共通の溝１１２内に配置さ れており、ピストン２２の往復動中にタンデムをなして作動する。リング１１４ ｂはテーパした外面１６４を有し、これは、ピストン２２がシリンダヘッド２０ から遠ざかるように移動するとき、ライナ１６からオイルを除去するのに役立つ 。ライナから除去されたオイルは、溝１１２内に通り、スカートの内部通路１６ ６を通過し、ピストンの下でシリンダ１８に入る。ピストンリング１１４ｃは、 ピストン２２のシリンダヘッド２０に向かう移動中に作用し、フック状の前縁１ ６８を有し、ピストンが前進するときにこれがオイルをライナから除去する。こ の場合も、除去されたオイルは内部通路１６６を通過し、シリンダ１８に入る。 かくして、ピストンリング１１４ｂ及び１１４ｃは、ライナの表面からオイルを 除去し、これを内部通路１６６を通して圧送するためのリングの相補的対として 作用する。 ピストン２２は、スリーブ１５２を円筒形支持体１００上に配置し、次いで、 この支持体を支持構造８０の外面１０４上に配置することによって容易に組み立 てることができるということに着目されたい。これと同時に、ハウジング８４は フィンガ１０６によって支持され、その結果、ハウジングが安定的に支持体され る。ピストンの構成要素は、スリーブ１５２が円筒壁６２、スカート１１０、及 び円筒形支持体１００によって半径方向及び長手方向で支持されるようにナット １１８によって保持される。 作動に当たっては、連結ロッド２４のボア１４４を通して供給されたオイルは 、ボア９６を通ってクラウン６０の下側７４上に放出され、オイルはここで熱を クラウン領域から奪う。熱を奪うことによってピストン内に分散されたオイルの 温度が上がり、そのうちの幾分かがアンダーカット７２内に集められ、オイル供 給ギャラリーを形成する。オイルは、内部通路７８を通してスリーブ１５２の母 材構造を補給するのに使用でき、余分のオイルは円錐形シェル８２の開口部９８ を通り、フィンガ１０６、１１６を通り、シリンダ内に戻る。ピストンリング６ ８と隣接して遭遇する高温により、ギャラリー内に集まったオイルは効果的に過 熱 され、これによって、スリーブ１５２内へのその吸収が促される。クラウン６０ は、燃焼プロセス中に加わる温度に抗するため、耐熱合金材料から形成されるの がよい。便利には、クラウン６０は超合金製のシートをダイで打ち抜き加工し、 次いで鋼製の壁６２に溶接するのがよい。スカート１１０及び円筒形支持体１０ ０には高温が加わらないため、便利には、アルミニウムからつくってピストンの 質量を減少させるのがよい。更に、スリーブ１５２が設けられているため、スカ ート領域には側方荷重が加わらない、このスリーブが設けられていない場合には 、スカート１１０に耐摩耗材料が必要とされる。多孔質のスリーブ１５２を使用 することによって、ピストンとスリーブとの間で潤滑オイルを連続的に供給でき 、シリンダ内でのピストン２２の往復動が容易になる。しかしながら、円筒壁の 位置及びピストンリングにより、ベアリング材料には燃焼生成物の過酷な環境が 作用しない。 更に、支持体１００内でのベアリングハウジング８４の位置により、ベアリン グアッセンブリ８８は燃焼生成物から保護される。これは、ピストンが吸気ポー ト及び排気ポートを横切って移動する２サイクルエンジンでピストンを使用する 場合に特に有利である。 上述の実施例は、ベアリング材料を自立形スリーブと考えている。しかしなが ら、大量生産では、支持体１００の外面を粗くし、粗くした表面上にグラファイ ト支持材料を付着させるのが好ましい。このように、ベアリング材料は必ずしも 自立形でなくてもよく、厚さは最少３．１７５mm（１／８インチ）程度であるの がよい。付着後、グラファイトを研削して最終寸法にするのがよい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１１月１１日 【補正内容】 ＰＣＴ第３４条（２）（ｂ）に基づく補正の翻訳 （請求の範囲の全体を以下のものに差し替える） 請求の範囲 １．内燃エンジン用のピストンにおいて、 クラウンと、 該クラウンに亘って延び且つ前記クラウンから垂下した円筒壁と、 前記ピストンを収容したシリンダの壁に対してシールするためのピストンリン グを支持する、前記壁に設けられた少なくとも一つの周溝と、 前記壁の半径方向内方に配置され、前記ピストンを収容したシリンダの壁に対 してシールするためのピストンリングを支持する少なくとも一つの周溝を持つ環 状スカート部分まで前記ピストンに沿って軸線方向に延びる円筒形支持部材と、 前記円筒壁に連結され、前記ピストンを連結ロッドに連結するためのベアリン グを収容するため前記支持部材内に配置されたベアリング支持体と、 前記支持部材上に配置され、前記円筒壁と前記スカートとの間を延びるベアリ ング材料から形成された円筒形ベアリング部材とを有し、 前記ベアリング部材は、前記シリンダ内で摺動運動するように前記ピストンを 支持するため、前記円筒壁と係合できる半径方向外面を有し、 前記ピストンは、前記半径方向外面とは別の位置に、前記支持部材に対してオ イルを供給する内部通路を有する、ピストン。 ２．前記オイルは、前記円筒壁と前記支持部材との接合部の通路を通して前記ベ アリング材料に供給される、請求項１に記載のピストン。 ３．前記支持部材内にはオイルを前記クラウンに差し向けるノズルが設けられて いる、請求項１に記載のピストン。 ４．前記クラウンに衝突するオイルの一部が、前記ベアリング材料に供給される 、請求項３に記載のピストン。 ５．前記クラウンに衝突した後のオイルを受け入れてこれを保持するため、ギャ ラリーが前記ベアリング支持体と前記周壁との接合部に設けられている、請求項 ４に記載のピストン。 ６．通路が前記ギャラリーから前記ベアリング材料まで延びている、請求項５に 記載のピストン。 ７．前記ノズルは、前記ベアリング支持体によって支持されている、請求項３に 記載のピストン。 【図２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０１ Ｚ 6965−3Ｇ Ｆ１６Ｊ 1/08 9327−3Ｊ 1/22 9327−3Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃エンジン用のピストンにおいて、 クラウンと、 該クラウンに亘って延び且つ前記クラウンから垂下した円筒壁と、 前記ピストンを収容したシリンダの壁に対してシールするためのピストンリン グを支持する、前記壁に設けられた少なくとも一つの周溝と、 前記壁の半径方向内方に配置され、前記シリンダの壁に対してシールするため のピストンリングを支持する少なくとも一つの周溝を持つ環状スカート部分まで 前記ピストンに沿って軸線方向に延びる円筒形支持部材と、 前記円筒壁に連結され、前記ピストンを連結ロッドに連結するためのベアリン グを収容するため前記支持部材内に配置されたベアリング支持体と、 前記支持部材上に配置され、前記円筒壁と前記スカートとの間を延びるベアリ ング材料から形成された円筒形ベアリング部材とを有し、 前記ベアリング部材は、前記シリンダ内で摺動運動するように前記ピストンを 支持するため、前記円筒壁と係合できる半径方向外面を有する、ピストン。 ２．オイルが前記ベアリング材料に供給される、請求項１に記載のピストン。 ３．前記オイルは、前記円筒壁と前記支持部材との接合部の通路を通して前記ベ アリング材料に供給される、請求項２に記載のピストン。 ４．前記支持部材内にはオイルを前記クラウンに差し向けるノズルが設けられて いる、請求項２に記載のピストン。 ５．前記クラウンに衝突するオイルの一部が、前記ベアリング材料に供給される 、請求項４に記載のピストン。 ６．前記クラウンに衝突した後のオイルを受け入れてこれを保持するため、ギャ ラリーが前記ベアリング支持体と前記周壁との接合部に設けられている、請求項 ５に記載のピストン。 ７．通路が前記ギャラリーから前記ベアリング材料まで延びている、請求項６に 記載のピストン。 ８．前記ノズルは、前記ベアリング支持体によって支持されている、請求項４に 記載のピストン。