JPH0925849A

JPH0925849A - ピストン

Info

Publication number: JPH0925849A
Application number: JP7194015A
Authority: JP
Inventors: Teruo Nakada; 輝男中田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 1997-01-28
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: US5682808A; DE69601833D1; DE69601833T2; EP0752525A1; JP3541511B2; EP0752525B1

Abstract

(57)【要約】【目的】ピストンにおいて、スカート部の肩部におけ
るプロフィール形状をスラスト側と反スラスト側とで異
ならせて、スラップ音の低減を図る。【構成】このピストン１は、スカート部３の肩部７に
おける直径減少量が反スラスト側よりもスラスト側で大
きく、スラスト側と反スラスト側とで直径減少量の差が
ピストンピン４の中心高さ位置付近で最大となるプロフ
ィール形状である。圧縮行程でピストン１は反スラスト
側のシリンダライナ壁面８に押し付けられた状態で上昇
するが、その時の傾き角は小さい。上死点付近で、ピス
トン１は急速に回動してスラスト側のシリンダライナ壁
面８に衝突するが、その時のピストン１の衝突部位はピ
ストンピン４中心の高さ位置付近となる。従って、ピス
トン１の衝突力は小さくなり、スラップ音が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関に適用
されるピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の駆動によって発生する騒音の
一つにスラップ音がある。内燃機関のスラップ音は、ピ
ストンがシリンダ内を往復運動する時に該ピストンのス
カート部がシリンダライナの壁面に衝突することによっ
て発生するものである。つまり、シリンダ内をピストン
が往復運動できるように、ピストンとシリンダライナの
壁面との間には隙間が形成されている一方で、燃焼室か
らのブローダウンを防止するため、ピストンに形成され
たピストンリング溝にはピストンリングが嵌入している
ので、ピストンがシリンダ内を往復運動する時、ピスト
ンピン軸に垂直な方向即ちスラスト方向のシリンダ壁面
にピストンが衝突してスラップ音が発生する。

【０００３】上記のようなスラップ音を低減させるた
め、種々のピストンが開発されている。例えば、スラッ
プ音を低減するピストンとして、特開昭６３−３２１５
０号公報に開示されたものがある。該ピストンは、スカ
ート部のプロフィール形状を工夫することによってスラ
ップ音の低減を図ったものである。

【０００４】ところで、ピストンのスカート部のプロフ
ィール形状に関しては、他に重要な意味がある。内燃機
関に適用されるピストンは、図５に示すように、スカー
ト部３の肩部７、即ちピストンリング溝（オイルリング
溝）５の下からピストンピン（図示せず）の高さ付近の
部位にかけて、ピストン１の外径寸法が徐々に小さくな
るようなプロフィール形状に形成されている。このよう
なピストン外形のプロフィール形状は、ピストン１が熱
膨張によってシリンダライナ壁面とかじりを起こすよう
になるのを防止するという観点から採用されたものであ
る。近年、ピストン１のスカート部３の肩部７における
直径減少量を微妙に変更しながら、スラップ音を低減す
るために、最適なプロフィール形状を得る試みが試行錯
誤で繰り返されてきた。

【０００５】例えば、図６に示すようなプロフィール形
状を持つピストンについて説明すると、図６において、
実線で示すプロフィール形状Ｘ（以下、“ベース形状”
という）を有する左右対称のピストン１、及び該ピスト
ン１のスカート部３の肩部７を点線で示すようなプロフ
ィール形状Ｙ（以下、“肩部逃げ形状”という）に変更
した左右対称のピストン１の二種類のピストン１につい
て、図７に示すような装置を用いてシリンダライナ壁面
８の振動を実測した。２．５リットルＤＩディーゼルエ
ンジンのシリンダライナ壁面８に加速度センサー９を取
り付け、チャージアンプ１０を介してオシロスコープ１
１によって、ピストン作動時（１０００ｒｐｍ〜４００
０ｒｐｍ）におけるシリンダライナ壁面８の振動を計測
した。その結果を、図８に示す。図８において、実線は
ベース形状Ｘのピストン１を組み込んだ場合の振動を記
録したものであり、点線は肩部逃げ形状Ｙのピストン１
を組み込んだ場合の振動を記録したものである。ピスト
ン１のベース形状Ｘと肩部逃げ形状Ｙとを対比すると、
明らかなように、肩部逃げ形状Ｙの方が振動が大幅に低
減し、スラップ音が低減している。この実験の例からも
分かるように、スラップ音の低減を図る上で、スカート
部３の肩部７の直径減少量を変更することは有効である
ことが分かる。

【０００６】しかし、ピストンについて耐久的な特性と
のバランスも考慮しながら、スラップ音低減のための最
適なプロフィールを決定するには膨大な試験が必要であ
る。今までのところ、最適なプロフィール形状を与える
ような明確な指針は示されていないものの、スラップ音
を低減するには単に直径減少量を小さくすればよいとい
うわけではなく、スラップ音を最小にするような最適な
直径減少量というものがあるということが明らかになっ
ている。

【０００７】ところで、前掲特開昭６３−３２１５０号
公報に開示されたピストンについて検討すると、該ピス
トンは、図９において符号Ｆ及びＧで示すように、ピス
トンのスラスト側と反スラスト側とで、スカート部３の
肩部７におけるプロフィール形状ＦとＧの直径減少量を
異ならせたものである。即ち、該ピストンは、スラスト
側で直径減少量が大きく、反スラスト側で直径減少量が
小さくなるように形成されている。ピストンのスラスト
側と反スラスト側とでプロフィール形状を比較すると、
図９に記載された数値と図示された形状からみて、上方
へ行くに従って、プロフィール形状Ｆとプロフィール形
状Ｇとの直径減少量の差は大きくなっている。また、プ
ロフィール形状Ｇは、一般的に採用されているプロフィ
ール形状によく似ているが、プロフィール形状Ｆは一般
的に採用されているプロフィール形状に比べて直径減少
量がかなり小さいものである。なお、図において、符号
イの位置は肩部上端位置であり、符号ロの位置はピスト
ンピン中心位置であり、符号ハはプロフィール形状の変
化量終了位置である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ピスト
ンの反スラスト側のプロフィール形状Ｆは直径減少量が
かなり小さいので、熱膨張によってオイルリング１２の
下の部分〔図９における符号イの位置〕が大きくなり過
ぎ、かじりや焼き付きを引き起こす可能性がある。そこ
で、図９に示したピストンが熱膨張した場合、ピストン
がどのように変形するかを計算によって求めたところ、
図１１に示すような結果が得られた。なお、温度及び熱
膨張係数については図１０に示された数値を使用した。
図９における肩部上端の符号イの位置では、温度１５０
℃、熱膨張係数２．０×１０^{- 5} 、ボア径１１０ｍｍで
あるから、これらの数値を使って熱膨張量を求めると、（１５０−２０）×２．０×１０^{- 5} ×１１０／２＝１
４３μｍとなり、１４３μｍの熱膨張量が見込まれる。該熱膨張
量をプロフィール形状Ｆに加えると、スカート部３の下
端を基準にとった熱膨張時のプロフィール形状Ｈは、図
１１に長い点線Ｈで示すように、図９の（イ）の位置で
−１８μｍとなる。従って、図９の（イ）の位置で焼き
付きが起こるものと推測される。

【０００９】

【課題を解決するため手段】この発明は、ピストンのス
カート部におけるプロフィール形状を左右非対称に形成
し、特に、スカート部の肩部における直径減少量をスラ
スト側と反スラスト側とで異ならせることによって、ス
ラップ音の低減を図ると共に、熱膨張による焼き付きを
防止し、スラップ音による騒音を低減することができる
ピストンに関する。

【００１０】この発明は、ピストンリング溝を備えたク
ラウン部とピストンピンを挿通するピン孔が形成された
ボス部を備えたスカート部とから構成したピストン本体
を有するピストンにおいて、前記スカート部の肩部にお
ける直径減少量が反スラスト側よりもスラスト側で大き
く、前記スラスト側の直径減少量と前記反スラスト側の
直径減少量との差が前記ピストンピンの中心高さ位置付
近で最大となることを特徴とするピストン関する。

【００１１】この発明によるピストンは、上記のように
構成されているので、スラスト側ではシリンダライナへ
の肩部の衝突部位がピストンピン中心高さ位置付近にな
るが、反スラスト側では該衝突部位が高くなる。また、
このピストンはスラスト側の肩部で逃げた形状である
が、反スラスト側の肩部では張り出した形状である。

【００１２】このピストンは、圧縮行程で反スラスト側
のシリンダライナ壁面に押し付けられた状態で上昇して
いく。次いで、圧縮行程上死点付近で、ピストンはスラ
スト側へ急速に回動してスラスト側のシリンダライナ壁
面に衝突する。このピストンは、スカート部の肩部が反
スラスト側で張り出した形状に形成されているから、ピ
ストン上昇時のピストンの傾き角は小さい。前記傾き角
が大きい場合には、ピストンの回動角度も大きくなるの
で、その分だけシリンダライナ壁面へのピストンの衝突
力も大きくなるが、上記のとおり、このピストンは前記
上昇時のピストンの傾き角は小さいので、それだけ上記
衝突力も小さくなる。

【００１３】また、ピストン上死点付近でピストンは、
ピストンピン回りに回動してスラスト側でシリンダライ
ナ壁面へ衝突するが、ピストンの傾き角が同じであれ
ば、シリンダライナ壁面へのピストンの衝突部位がピス
トンピン中心位置から高さ方向に離れるほど、衝突力も
大きくなる。しかし、このピストンは、スラスト側の肩
部で逃げた形状としたので、ピストンピン中心の高さ位
置付近に衝突部位をもってくることができ、即ち衝突部
位を下げることができ、衝突力も小さくなる。従って、
このピストンは、スラップ音を低減し、騒音を低減する
ことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
によるピストンの実施例について説明する。図１はこの
発明によるピストンのプロフィール形状を示す説明図で
ある。図１に示すように、このピストン１は、ピストン
ヘッド部であるクラウン部２とボス部（図示せず）を備
えたスカート部３とを一体構造に構成したピストン本
体、及びピストン本体とコンロッド（図示せず）とを回
転自在に連結するピストンピン４を有している。ピスト
ン本体のクラウン部２には複数のピストンリング溝５が
形成されており、各ピストンリング溝５にはピストンリ
ング（図示せず）が嵌入される。スカート部３はクラウ
ン部２の下部に一体的に形成されている。また、ピスト
ン本体のスカート部３はピストンピン４を挿通するピン
孔６が形成されたボス部を備えている。

【００１５】図１において、ピストン１の左右に、スカ
ート部３のプロフィール形状を示している。ピストン１
の右側には反スラスト側のプロフィール形状Ｑを拡大し
て実線で示しており、ピストン１の左側にはスラスト側
のプロフィール形状Ｒを拡大して実線で示している。ス
カート部３の肩部７、即ちオイルリング溝５の下からピ
ストンピン４の高さ位置付近の部位にかけて、ピストン
１の外径寸法が徐々に小さくなるようなプロフィール形
状に形成されている。図１において左側に点線で示した
曲線は、ピストン１が左右対称な場合のプロフィール形
状を示したものである。ピストン１は、スカート部３の
肩部７における直径減少量がスラスト側で反スラスト側
よりも大きくなるように形成されている。また、ピスト
ン１は、スラスト側の直径減少量と反スラスト側の直径
減少量との差がピストンピン４の中心Ｏの高さ位置付近
Ｐで最大となるように形成されている。

【００１６】また、ピストン１はスラスト側の肩部７で
逃げた形状、即ち直径減少量の大きいプロフィール形状
Ｒであるが、反スラスト側の肩部７では張り出した形
状、即ち直径減少量の小さいプロフィール形状Ｑであ
る。このプロフィール形状は図６に示したプロフィール
形状と同じである。図６において、△印（実線がベース
形状、点線が肩部逃げ形状）で示したように、ピストン
ピンの中心Ｏの高さ位置付近Ｐで肩部逃げ形状にする
と、即ち直径減少量を大きくすると、スカート部３の肩
部７がシリンダライナ壁面８に衝突する衝突部位が下方
に下がる（点線の△印参照）。従って、この発明による
ピストン１においても、スラスト側の直径減少量をピス
トンピン４の中心高さ位置付近Ｐで反スラスト側の直径
減少量よりも大きくしたので、スカート部３の肩部７と
シリンダライナの壁面８との衝突部位はスラスト側の方
が反スラスト側よりも下に下がることになる。

【００１７】次に、図２を参照しながら、ピストン１の
スラップ音が低減するメカニズムについて説明する。図
２はピストン運動をイメージ的に表現したものである。
図中において、ピストン１の左側がスラスト側、右側が
反スラスト側である。図５に示したように、ピストン１
は一般に熱膨張を考慮して上部の径が小さくなるような
プロフィール形状に形成され、また、図２において、ピ
ストン１は吸入行程（Ａ）、圧縮行程（Ｂ）、膨張行程
（Ｃ）及び排気行程（Ｄ）の各行程において揺動運動を
繰り返す。圧縮行程について見てみると、ピストン１は
スラスト側の矢印ＳＰで示す部位がシリンダライナ壁面
８から離れた状態、即ち反スラスト側においてシリンダ
ライナ壁面８に押し付けられた状態で上昇していく。そ
して、膨張行程（爆発行程）では、上死点付近で筒内圧
力によりピストン１は反スラスト側に急速に移動する。
この時、ピストン１は矢印ＳＰ部位がシリンダライナ壁
面８に衝突することになる。

【００１８】この発明によるピストン１はスカート部３
の反スラスト側の肩部７が張り出したプロフィール形状
Ｑになっているから、ピストン上昇時のピストン１の傾
き角は小さい。反スラスト側では該傾き角が小さくなる
ように、即ちシリンダライナ壁面８へのピストン１の衝
突部位がなるべく高くなるように直径減少量を小さく
し、肩部７を張り出すようなプロフィール形状Ｑにす
る。該傾き角が大きい場合には、ピストン１の回動角度
も大きくなりスラスト側のシリンダライナ壁面８への衝
突までの距離が増えることになり、その分シリンダライ
ナ壁面８への衝突力も大きくなるが、この発明によるピ
ストン１はピストン上昇時のピストン１の傾き角が小さ
いので、それだけ上記衝突力も小さくなる。

【００１９】一方、ピストン１のスラスト側では上死点
付近でシリンダライナ壁面８へピストンが衝突するが、
この衝突は、ピストン１がピストンピン回りに回動する
ことによって生じるため、ピストンピン中心Ｏからシリ
ンダライナ壁面８へのピストン１の衝突部位までの距離
が大きいほど、衝突力も大きくなる。しかし、ピストン
１のスラスト側の肩部７で逃げた形状としたので、ピス
トンピン中心Ｏの高さ位置付近Ｐに衝突部位を下げるこ
とができ、衝突力も小さくなり、スラップ音を低減でき
る。

【００２０】次に、図３を参照しながら、ピストン１の
シリンダライナ壁面８への衝突力をシミュレーション計
算した結果〔（ロ）で示す〕について説明する。図３に
おいて、「ベース」とは図６に示したベース形状の左右
対称のピストンについての計算結果、「肩部逃げ（両面
サイド）」とは図６に示した肩部逃げ形状の左右対称の
ピストンについての計算結果、「肩部逃げ（スラストの
み）」とはこの発明によるピストン１の一例であって、
反スラスト側をベース形状とし、スラスト側を肩部逃げ
形状としたピストン１についての計算結果を意味するも
のである。なお、（＋印）は「ベース」と「肩部逃げ
（両面サイド）」のピストンを用いた実験結果であり、
本シュミレーション計算とよく一致しており、本シュミ
レーション計算の信頼性を示すために併記したものであ
る。図３によれば、「肩部逃げ（スラストのみ）」即ち
本願発明のピストン１は、「肩部逃げ（両面サイド）」
即ち従来の左右対称のピストンに比べて更に１ｄＡＢ以
上の衝撃力の低減効果があり、この発明によるピストン
１はスラップ音を大きく低減できることが分かる。

【００２１】次に、図４を参照しながら、ピストンの熱
膨張の影響について検討する。実線はこの発明によるピ
ストンの反スラスト側のプロフィール形状Ｑ、短い破線
は同じくスラスト側のプロフィール形状Ｒである。図１
１の場合と同様にして該ピストンの熱膨張量を計算する
と、熱膨張量は短い点線Ｕで示すような曲線となる。ス
カート部３の下端を基準にとった熱膨張時のプロフィー
ル形状Ｔ，Ｓは、図４のようになる（長い破線は反スラ
スト側の熱膨張時のプロフィール形状Ｓ、一点鎖線はス
ラスト側の熱膨張時のプロフィール形状Ｔを示してい
る。）。この発明によるピストン１は、図９に示した前
掲特開昭６３−３２１５０号公報に開示されたピストン
に比べると分かるように、ピストンリング溝５の下の部
分が元々シリンダライナ壁面８に当たらないように直径
減少量を大きくとってあり、あえてスラスト側と反スラ
スト側とで非対称にする必要はない。従って、このピス
トン１は、スラスト側の直径減少量と反スラスト側の直
径減少量との差がピストンピン４の高さ位置付近Ｐで最
大となるように構成し、ピストンピン４の高さ位置付近
Ｐだけが非対称になっている。熱膨張によってスカート
部３の肩部７が大きくなっても、シリンダライナ壁面８
に当たる位置はほとんど変わらず、図９に示したピスト
ンのようにスカート部３の肩部７がシリンダライナ壁面
８とかじりを起こさず、焼き付き等の問題を防止するこ
とができる。

【００２２】なお、上記実施例で説明したピストン１
は、スラップ音低減のためにピストン本体の表面に何ら
特別な部材を設けていない通常タイプのピストンにおい
て、単にスカート部のプロフィール形状を変更しただけ
で、スラップ音と焼き付き等の問題を併せて解決したも
のであるが、ピストン本体のスカート部３に外環部材
（図示せず）を嵌合し、該外環部材をスラスト方向に相
対移動可能に支持し、スカート部３と外環部材との間の
隙間にゴムや合成樹脂製の緩衝部材（図示せず）を介在
させたり、或いは該隙間に油圧を供給するように構成す
ることによって、スラップ音の低減を図るピストンに対
して、この発明のピストン１を適用してもよいことは言
うまでもないことであり、スラップ音低減効果は一層顕
著なものになる。

【００２３】

【発明の効果】この発明によるピストンは、上記のよう
に構成されているので、次のような効果を有する。即
ち、このピストンは、スカート部の肩部における直径減
少量が反スラスト側よりもスラスト側で大きく、スラス
ト側の直径減少量と反スラスト側の直径減少量との差が
ピストンピンの中心高さ位置付近で最大となるように構
成したので、反スラスト側に傾いていたピストンがスラ
スト側へ傾く時に、回動角度が小さくなると共に、スラ
スト側で肩部のシリンダライナ壁面への衝突部位をピス
トンピン中心の高さ位置に近づけることができる。従っ
て、ピストンが反スラスト側からスラスト側へ回動した
時の衝突力が小さくなり、スラップ音を低減することが
できる。

【００２４】また、このピストンは、単にスカート部に
おける肩部のプロフィール形状を変更するだけでスラッ
プ音低減効果が得られるので、スラップ音の低減を図っ
た従来のピストン、例えば、スカート部に外環部材をス
ラスト方向に相対移動自在に嵌合し、スカート部と外環
部材との間の隙間にゴム又は合成樹脂製の緩衝部材を介
在させたピストンや、或いは前記隙間に油圧を供給する
ように構成したピストンなどに比べて、重量の増加や製
造コストのアップを抑えることができ、低コストでスラ
ップ音の低減を図ることができる。勿論、前記外環部材
を有するピストンに対してこの発明のピストンを適用す
れば、スラップ音低減効果は一層顕著なものになる。

【００２５】また、この発明によるピストンは、スラス
ト側の直径減少量と反スラスト側の直径減少量との差が
ピストンピンの高さ位置付近で最大となるように構成し
たので、熱膨張によってスカート部の肩部が大きくなっ
ても、シリンダライナ壁面とかじりを起こすことはな
く、焼き付き等の問題を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるピストンの一実施例を示す概略
図である。

【図２】ピストン運動のイメージをクランク角６０゜毎
に描いた説明図である。

【図３】図１のピストンがシリンダライナ壁面に衝突す
る時の衝突力をシミュレーション計算した結果を示すグ
ラフである。

【図４】図１のピストンが熱膨張によって変形する前と
後とでスカート部のプロフィール形状の違いを計算した
グラフである。

【図５】ピストンスカート部のプロフィール形状の一例
を示す概略図である。

【図６】ピストンスカート部のプロフィール形状を変更
した場合の一例を示す概略図である。

【図７】シリンダライナ壁面の振動実測装置を示す概略
図である。

【図８】図６に示したプロフィール形状を持つピストン
を組み込んでシリンダライナの振動実験を行った場合の
計測結果を示すグラフである。

【図９】従来のピストンスカート部のプロフィール形状
を示す概略図である。

【図１０】ピストン運転時におけるピストンの熱膨張係
数及び温度を示す概略図である。

【図１１】図９のピストンが熱膨張によって変形する前
と後とでスカート部のプロフィール形状の違いを計算し
たグラフである。

【符号の説明】

１ピストン２クラウン部３スカート部４ピストンピン５ピストンリング溝６ピン孔７肩部Ｏピストンピン中心Ｐ中心高さ位置付近

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンリング溝を備えたクラウン部と
ピストンピンを挿通するピン孔が形成されたボス部を備
えたスカート部とから構成したピストン本体を有するピ
ストンにおいて、前記スカート部の肩部における直径減
少量が反スラスト側よりもスラスト側で大きく、前記ス
ラスト側の直径減少量と前記反スラスト側の直径減少量
との差が前記ピストンピンの中心高さ位置付近で最大と
なることを特徴とするピストン。