JPH09329056A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は内燃機関用ピストンに関し、ピスト
ンヘッドの変形を最適に抑制し得る内燃機関用ピストン
を提供することを目的とする。 【解決手段】 ピストン１０のピンボス２２の外側端面
に、ピストンヘッド１２側ほど外側に向かう補強部２２
ｂが形成されることにより、ピストンヘッド１２のピン
ボス２２より外側の部位が補強され、ピストンヘッド１
２に燃焼圧が作用した際の撓み変形が抑制されている。
特に、ピストンヘッド１２のピンボス２２中央部から外
側に延びる部位では、ピンボスからの突出量が大きいた
め、撓み剛性が小さく、燃焼圧が作用した際に大きな変
形が生じやすい。このため、かかる部位の補強がなされ
ることで、ピストンヘッド１２の変形が効果的に抑制さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピスト
ンに係わり、特に、ピストンヘッドへの補強がなされた
内燃機関用ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用ピストンは、ピストンヘッド
と、中央部にピストンピンを保持するピン穴を備えたピ
ンボスとを有している。ピストンの軽量化を図るため、
一般に、ピンボスはピストンヘッドの外周縁より内側に
設けられる。従って、ピンボスからピストンヘッドの外
周縁に至る間の部位は、ピンボスより外周側に突出した
形状を有することになる。このため、ピストンヘッドの
かかる突出部位においては撓み剛性が小さくなり、ピス
トンヘッドに燃焼室から燃焼圧が作用した場合に撓み変
形が生じやすい。ピストンヘッドの周囲には、リング溝
が形成されており、このリング溝には、ピストンとシリ
ンダとの間のシールを行うピストンシールが設けられて
いる。従って、ピストンヘッドに上述の如き撓み変形が
生ずると、ピストンリングを保持するリング溝が変形し
て、リング溝によるピストンリングの保持が適切に行わ
れなくなることがある。この場合、ピストンリングによ
るシール機能が損なわれて、ブローバイガスの増大や、
潤滑油の消費の増大等を招くことになる。

【０００３】かかる不都合を解消するため、例えば、実
開平４−１３２２５９号に開示される内燃機関用ピスト
ンにおいては、ピンボス外側端面のピン穴両側の部位
と、ピストンヘッドのピンボスより外側の部位とを連結
するリブを設けることで、ピストンヘッドを補強し、こ
れにより、ピストンヘッドの変形の抑制を図っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ピストンヘ
ッドは略円盤状の形状を有しており、一方、ピンボスは
略平面状の形状を有している。このため、ピストンヘッ
ド外周部におけるピンボスからの突出量はピンボス中央
部において最大となり、従って、ピストンヘッドの撓み
剛性はピンボス中央部からピストンヘッドの外周縁に至
る部位において最小となる。燃焼圧に起因するピストン
ヘッドの変形を抑制する上では、変形が生じやすい部位
を補強することが効果的である。従って、ピンボス中央
部からピストンヘッドの外周縁に至る間の部位を補強す
ることにより、ピストンヘッドの変形を最も効果的に抑
制することができる。しかしながら、上記従来の内燃機
関のピストンにおいては、上述の如く、ピストンヘッド
の補強は、ピンボス中央部ではなく、ピンボス中央に位
置するピン穴の両側の部位において行われている。この
点、上記従来の内燃機関用ピストンにおいては、ピスト
ンヘッドの変形を効果的に抑制することについての考慮
がなされていなかったことになる。

【０００５】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、燃焼圧に起因するピストンヘッドの変形を効果
的に抑制し得る内燃機関のピストンを提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、請求項１
に記載する如く、中央部にピン穴を備え、ピストンヘッ
ドの外周縁より内側に設けられたピンボスを有する内燃
機関用ピストンにおいて、前記ピン穴に対応し、前記ピ
ンボスより前記ピストンヘッドの外周縁に至る間の部位
を補強する補強手段を備える内燃機関用ピストンにより
達成される。

【０００７】本発明において、ピンボスはピストンヘッ
ドの外周縁より内側に設けられている。従って、ピンボ
スからピストンヘッド外周縁に至る間の部位は、ピンボ
スより外側へ突出している。特に、ピンボス中央部から
ピストンヘッドの外周縁に至る間の部位は、ピンボスか
らの突出量が大きい。ピンボスは中央部にピン穴を備え
ている。従って、ピンボスからピストンヘッドの外周縁
に至る間の部位のうち、ピン穴に対応する部位における
ピンボスからの突出量が大きいことになる。このため、
かかる部位においては剛性が低く、ピストンヘッドに燃
焼圧が作用した場合に大きな変形が生じ易い。本発明に
おいては、ピン穴に対応し、ピンボスからピストンヘッ
ド外周縁に至る間の部位は補強手段により補強される。
従って、本発明によれば、剛性が低い部位の補強がなさ
れることになり、ピストンヘッドの変形が効果的に抑制
される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図４を参照して、本
発明の一実施例に係わるピストン１０について説明す
る。図１は、ピストン１０をピンボス側から見た際の正
面図である。図１において、図中上側が燃焼室側に相当
し、図中下側がクランク軸側に相当している。図２はピ
ストン１０を、スカート側から見た際の正面図である。
また、図３はピストン１０をクランク軸側から見た際の
図である。更に、図４はピストン１０を図１に示す直線
IV-IV に沿って切断した際の断面図である。

【０００９】ピストン１０はアルミ合金等の軽量合金か
ら一体に鋳造された部材である。図１〜図４に示す如
く、ピストン１０は、ピストン１０の燃焼室側に設けら
れたピストンヘッド１２を備えている。ピストンヘッド
１２の外周面には、複数の環状のリング溝１４が形成さ
れている。リング溝１４に図示しないピストンリングが
装着されることで、ピストン１０は燃焼室の気密性を保
ちつつシリンダ内を摺動することができる。

【００１０】図１に示す如く、ピストンヘッド１２のク
ランク軸側の面には、径方向に対向する１対のスカート
１８が設けられている。スカート１８はピストンヘッド
１２の外周に沿ってクランク軸側に向けて延びるように
形成されている。更に、ピストンヘッド１２のクランク
軸側の面には、ピストンヘッド１２からクランク軸側に
向けて平面状に延び、互いに対向する一対の連結体２０
が設けられている。図３に示す如く、連結体２０はそれ
ぞれ、スカート１８の端部を連結するように設けられて
いる。

【００１１】連結体２０の中央部には、ピンボス２２が
設けられている。ピンボス２２は、連結体２０の中央部
の、ピストンヘッド１２から延びる略円形の領域の厚み
を他部位に比して大きく設けることにより形成されてい
る。ピンボス２２の、ピストンヘッド１２との接続部位
は、図１中左右両側へ拡がるように形成されている。ピ
ンボス２２の中央部には、ピン穴２２ａが設けられてい
る。ピン穴２２ａにはコネクティングロッド（図示せ
ず）を連結するピストンピン（図示せず）が嵌挿され
る。

【００１２】図２及び図４に示す如く、ピンボス２２の
外側端面の、ピン穴２２ａの中心より図中上方の部位か
らピストンヘッド１２との接続部位に至る領域（図１〜
図３に網線を付して示す領域）には、ピストンヘッド１
２側に向かうほど外側へ向かうように傾斜した補強部２
２ｂが設けられている。一方、ピンボス２２外側端面
の、補強面２２ｂより図中下方の部位は、ピストンヘッ
ド１２の底面に対して垂直な平面となるように形成され
ている。補強部２２ｂとピストンヘッド１２の底面との
接続部位は、ピストンヘッド１２の外周側へ向けて緩や
かに拡がるような曲面状に形成されている。これによ
り、内燃機関の運転時にピンボス２２とピストン１２と
の接続部位に生ずる応力集中が緩和されている。

【００１３】連結体２０の、ピンボス２２の両側の部位
には、それぞれ開口２４、２５が設けられている。連結
体２０に開口２４、２５が設けられることで、ピストン
１０の軽量化が図られている。内燃機関の運転時には、
燃焼室での燃焼圧がピストンヘッド１２に作用し、ピス
トン１０をクランク軸側に向けて押圧する。かかる押圧
力は、ピストンヘッド１２から、ピンボス２２のピン穴
２２ａに挿入されたピストンピン、及び、ピストンピン
に連結されたコネクティングロッドを介してクランク軸
に伝達される。そして、この力に対する反力は、コネク
ティングロッドからピストンピンを介してピンボス２２
に作用する。従って、ピストンヘッド１２のピンボス２
２が形成された部位は、燃焼室側から作用する燃焼圧に
対して、クランク軸側からピンボス２２、２３により支
持されていることになる。このため、ピストンヘッド１
２のピンボス２２、２３形成部位には、燃焼圧に起因す
る撓み変形は生じない。また、ピンボス２２の間の領域
は、ピンボス２２によりその両側を支持されることにな
るため、ピストンヘッド１２のこの領域での燃焼圧に起
因する撓み変形は僅かである。

【００１４】これに対して、ピストンヘッド１２のピン
ボス２２より外側の部位１２ａは、ピンボス２２から外
側へ向けて突出した片持ち梁状の構成である。このた
め、ピストンヘッド１２の部位１２ａには、燃焼圧に起
因して大きな撓み変形が生じやすい。特に、ピストンヘ
ッド１２の部位１２ａの、ピンボス２２の中央部から延
びる部位では、ピンボス２２からの突出量が大きくなる
ため、その撓み剛性は低下されている。このため、ピス
トンヘッド１２に燃焼圧が作用した場合、かかる部位に
おいて大きな撓み変形が生ずることとなる。

【００１５】ピストンヘッド１２にかかる撓み変形が生
ずると、それに伴って、ピストンリングを保持するリン
グ溝１４に変形が生ずる。図５に、ピストンヘッド１２
に撓み変形が生ずることにより、リング溝１４が変形し
た状態を示す。図５に示す如く、リング溝１４が変形す
ると、リング溝１４とピストンリング２６との間に隙間
が生ずる。かかる隙間を経由して、潤滑油や燃焼室のガ
スが流通する結果、オイル消費やブローバイガスの増大
等の不都合を招くことになる。

【００１６】これに対して、本実施例のピストン１０に
おいては、上述の如く、ピンボス２２の外側端面に補強
部２２ｂが設けられている。この補強部２２ｂにより、
ピストンヘッド１２の部位１２ａは、ピンボス２２との
接続部においてピンボス２２側から補強されている。こ
れにより、ピストンヘッド１２の部位１２ａにおける撓
み剛性が向上され、ピストンヘッド１２に燃焼圧が作用
した際の部位１２ａにおける撓み変形が抑制されてい
る。

【００１７】特に、補強部２２ｂがピン穴２２ａの図１
中上方の領域、即ち、ピンボス２２の中央部を含む領域
にわたって設けられることで、ピン穴２２ａを延長した
領域の図中上方に位置する、本来、撓み剛性の小さい部
位での補強が行われている。従って、本実施例において
は、ピストンヘッド１２の変形を抑制する上で効果の大
きい部位に対して集中的に補強が行われることになり、
ピストンヘッド１２の撓み変形が効果的に抑制されてい
る。

【００１８】このように、本実施例のピストン１０にお
いては、補強部２２ｂは、ピストンヘッド１２の変形を
抑制する上で効果の大きい部位に設けられる。従って、
補強部２２ｂを設けることによる、ピンボス２２の肉圧
増加、即ち、ピストン１０の重量増加は必要最小限度に
抑制されている。このように、本実施例によれば、ピス
トン１０の重量増加を抑制しつつ、ピストンヘッド１２
の変形を効果的に抑制することが可能とされている。

【００１９】また、本実施例においては、補強部２２ｂ
は単純な斜面を設けることにより実現されている。従っ
て、補強部２２ｂは、ピストン１０の鋳造の際に用いる
金型に傾斜面を設けることにより形成することができ
る。金型へのかかる傾斜面の形成には、複雑な機械加工
は必要とされないため、補強部２２ｂの形成に伴う金型
コストの上昇は僅かである。このように、本実施例にお
いては、製造コストの増大を招くことなく、ピストンヘ
ッド１２の変形が抑制されたピストン１０が実現されて
いる。

【００２０】なお、本実施例のピストン１０が、セミフ
ローティング型ピストン、即ち、ピストンピンがコネク
ティングロッド小端穴（図示せず）に圧入される型式の
ピストンとして用いられる場合には、ピストンピンのピ
ン穴２２ａに対する回転角はコネクティングロッドの揺
動以外によっては変化しない。このため、ピストンピン
のピストンヘッド１２側の面には、燃焼圧により常に大
きな圧力が作用することになる。ピストンピンに作用す
るかかる圧力が過大となると、ピストンピンに、ピン穴
２２ａとの間の焼き付きや、局部的な摩耗が発生するこ
とがある。

【００２１】これに対して、本実施例のピストン１０に
おいては、補強部２２ｂが形成されることで、ピン穴２
２ａのピストンヘッド１２側の部位での長さが大きくさ
れている。図６に、かかる形状のピン穴２２ａと、その
形状に応じて形成されたピストンピン２８の構成を示
す。ピストンピン２６を図６に示す如く形成すること
で、ピストンピン２６のピストンヘッド１２側の部位に
おいて、ピン穴２２ａとの接触面積が減少され、これに
より、ピストンピンとの間の面圧が低減されている。従
って、本実施例においては、上述の如きピストンピン２
６の焼き付きや局所的な摩耗を防止することが可能とさ
れている。

【００２２】ところで、セミフローティング型ピストン
の組み付けの際には、ピストンピンをコネクティングロ
ッド小端穴に圧入する必要がある。かかる圧入作業は、
一方のピンボスの外側端面を、圧入作業用の支持台に押
し当てることによりピストン１０を保持した状態で行わ
れる。上述の如く、本実施例のピストン１０において
は、ピンボス２２の外側端面の、補強部２２ｂより図１
中下方の部位は平面状に形成されている。このため、ピ
ストン１０が上記したセミフローティング型ピストンと
して用いられる場合、ピストンピンをコネクティングロ
ッド小端穴に圧入する際に、ピンボス２２のかかる平面
部を支持面としてピストン１０を圧入作業用の支持台上
に安定に保持することができる。従って、本実施例のピ
ストン１０によれば、ピストンピンの圧入作業を容易に
行うことが可能である。

【００２３】なお、上記実施例において、補強部２２ｂ
の傾斜角θを変化させることで、補強部２２ｂによるピ
ストンヘッド１２の補強量を調整することができる。即
ち、傾斜角θが増加されると、ピストンヘッド１２の補
強部２２ｂとの接続部位から外周縁の距離が減少される
と共に、補強部２２ｂ自体の剛性も増加され、これによ
り、ピストンヘッド１２の補強が更に増強される。しか
しながら、θを増加させると、ピンボス２２の肉圧が増
加し、従って、ピストン１０の重量が増大するという不
利益も生ずる。従って、θの選択に当たって、両者の得
失を勘案することにより、ピストン１０の重量増加を必
要最小限度に抑制しつつ、ピストンヘッド１２の変形を
効率的に抑制することができる。

【００２４】また、上記実施例においては、補強部２２
ｂをピンボス２２の外側端面の全幅にわたって形成する
こととしているが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、少なくとも、ピンボス２２の外側端面の、ピン穴
２２ａに対応する幅の領域のみに補強部２２ｂを設ける
ことによっても、ピストンヘッド１２の変形を効果的に
抑制することができる。即ち、上述の如く、ピストンヘ
ッド１２の部位１２ａの撓み剛性は、ピンボス２２の中
央部から外周縁に至る部位で特に小さいため、かかる部
位のみを補強するように補強部２２ｂを設けることによ
って、ピストンヘッド１２の変形を効率的に抑制するこ
とができるのである。

【００２５】この場合、上記実施例の如く補強部２２ｂ
をピンボス全幅に設けるのに比してピストン変形の抑制
効果は減じられるが、補強部２２ｂ形成部位の面積が減
少することで、ピストン１０の重量増加は更に抑制され
る。従って、補強部２２ｂの形成部位については、補強
部２２ｂによるピストンヘッド１２の変形抑制効果と、
ピストン１０の重量増加とを勘案し、補強部２２ｂが、
ピン穴２２ａに対応する幅の領域の少なくとも一部を含
むように、補強部２２ｂを設ければよいことになる。

【００２６】次に、図７及び図８を参照して、本発明の
第２実施例であるピストン３０について説明する。図７
は、ピストン３０をピンボス側から見た際の正面図であ
る。また、図８は、ピストン３０をスカート側から見た
際の正面図である。図７及び図８に示す如く、本実施例
のピストン３０は、ピンボス４２のクランク軸側端部か
ら、その軸方向全長にわたって、ピストンヘッド１２側
に向かうほど外側へ向けて傾斜した補強部４２ｂを設け
ることにより、ピストンヘッド１２の補強をより強化し
た点に特徴を有している。なお、図７及び図８に示すピ
ストン３０は、ピンボス４２、ピン穴４２ａ、及び補強
部４２ｂを除いて、上記第１実施例のピストン１０と同
一の構成を有している。このため、図７及び図８におい
て、図１及び図２と同様の構成部分については同一の符
号を付してその説明を省略する。

【００２７】一般に、ピストンの軽量化を図る上では、
ピストンピンの長さを減少させ得るようにピンボス間の
間隔を狭めることが好ましい。しかしながら、ピンボス
間の間隔を狭めると、ピストンヘッドの、ピンボスの外
側端面から外周縁までの距離が増加し、ピストンヘッド
のピンボスより外側の部位での撓み剛性が低下する。ま
た、フルフローティング型ピストン、即ち、ピストンピ
ンがコネクティングロッド小端穴に対して回動可能に挿
入される型式のピストンにあっては、ピストンピンがピ
ン穴から抜けるのを防止するために、ピンボスの外側か
らピストンピンにスナップリングが装着される。従っ
て、フルフローティング型ピストンにおいては、ピンボ
スの外側にスナップリングを装着するための空間を確保
する必要がある。このため、フルフローティング型ピス
トンにおいては、ピストンヘッドの、ピンボスの外側端
面から外周縁までの距離が増加し、ピストンヘッドのピ
ンボスより外側の部位での撓み剛性が低下する。

【００２８】このように、ピストンヘッドの撓み剛性が
低下する場合には、ピストンヘッドの撓み変形を抑制す
るため、その補強をより増強することが必要である。こ
れに対して、図７及び図８に示すピストン３０において
は、ピンボス４２の図中下端部から軸方向全長にわたっ
て補強部４２ｂが設けられている。このため、補強部４
２ｂ自体の剛性がより向上されており、これにより、ピ
ストンヘッド１２の部位１２ａに対する補強が増強され
ている。従って、本実施例によれば、上記した如く、ピ
ストン３０の軽量化を図るためにピンボス４２間の間隔
を狭めた場合、あるいは、フルフローティング型ピスト
ンとして用いるために、ピンボス４２をより内側に設け
る必要がある場合にも、ピストンヘッド１２の撓み変形
を十分に抑制することができる。

【００２９】なお、フルフローティング型ピストンの組
み付けにおいては、ピストンピンをコネクティングロッ
ド小端穴に圧入することが不要であり、従って、ピスト
ンピンの圧入の際にピストンを保持するための平面部
を、ピンボスの外側端面に設ける必要はない。このた
め、フルフローティング型ピストンにおいては、本実施
例の如く、ピンボス全体に補強部を設けても、その組み
付けに支障が生ずることはない。

【００３０】また、本実施例においても、上記第１実施
例の場合と同様に、ピンボス４２の中心部のピン穴２２
ａの径に相当する幅の部位にのみ補強部を設けることに
よって、ピストン３０の重量増加を抑制しつつ、ピスト
ンヘッド１２の変形を効率的に抑制することができる。

【００３１】なお、シリンダブロックに複数のシリンダ
が直列に形成された直列型多気筒内燃機関においては、
これら直列シリンダの両端部では冷却を十分に行うこと
ができるのに対して、シリンダ間には十分な量の冷却水
を供給することが困難である。このため、両端に設けら
れたシリンダに配設されるピストンについては、シリン
ダ配列の外側に位置する側の側面は比較的低温に維持さ
れるのに対して、シリンダ配列の内側に位置する側の側
面は比較的高温となる。直列型多気筒内燃機関において
は、ピストンは、ピンボスがシリンダの配列方向に対向
するように配置される。従って、上記ピストンにおいて
は、一方のピンボス側と他方のピンボス側との間に温度
差が生ずることになる。ピストンヘッドの変形は、上記
した燃焼圧に起因して生ずる他、ピストンの温度上昇に
よっても生ずる。従って、上述の如く、ピストンの各ピ
ンボス側での温度が異なる場合、ピストンヘッドの変形
抑制効果を両側で同等に得るためのピストンヘッドの補
強量を、低温側では、高温側に比して小さくすることが
できる。従って、低温側のピンボスでは、補強部による
補強量を小さくすることで重量増加を抑制し、高温側の
ピンボスでは、補強部による補強量を大きくすることで
変形抑制効果を高めることにより、重量増加を必要最小
限に抑制しつつ、ピストンヘッドの変形を効率的に抑制
することができる。

【００３２】なお、上記第１及び第２実施例において
は、斜面２２ｂ、４２ｂにより請求項１記載の補強手段
が実現されている。しかしながら、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば、ピストンヘッドの材料強
度を補強することによって、上記した補強手段を実現す
ることとしてもよい。

【００３３】図９に、ピストンヘッドに補強板を設ける
ことにより、ピストンヘッドの補強を実現された実施例
を示す。図９に示すピストン５０において、ピストンヘ
ッド５２のピンボス５４より外側の部位５２ａに鋳鉄製
あるいは鋼製の補強板５６が埋設されている。なお、補
強板５６は、部位５２ａの、少なくともピン穴５４ａに
対応する領域を含む部位に設けられている。一般に、鋳
鉄あるいは鋼は、ピストンの構成材料であるアルミ合金
に比して高い剛性を有している。このため、ピストンヘ
ッド５２の部位５２ａに補強板５６を設けることで、ピ
ストンヘッド５２の部位５２ａにおける撓み剛性が向上
され、これにより、ピストンヘッド５２の変形が抑制さ
れている。なお、図９に示す如き構成は、例えば、ピス
トン５０を鋳造する際に、ピストンヘッド５２に補強板
５６を鋳込むことにより実現することができる。

【００３４】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、ピストン
ヘッドの低剛性の部位を補強することができる。これに
より、ピストンヘッドの変形を効果的に抑制することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるピストンをピンボス側
から見た際の正面図である。

【図２】本実施例のピストンをスカート側から見た際の
正面図である。

【図３】本実施例のピストンをクランク軸側底面からみ
た際の図である。

【図４】本実施例のピストンを図１に示す直線IV-IV に
沿って切断した際の断面図である。

【図５】本実施例においてピストンヘッドに撓み変形が
生じた状態でのリング溝及びピストンリングを示す図で
ある。

【図６】本実施例におけるピン穴及びピストンピンの形
状を示す図である。

【図７】本発明の第２実施例であるピストンをピンボス
側から見た際の正面図である。

【図８】本実施例のピストンをスカート側から見た際の
正面図である。

【図９】ピストンヘッドに補強板を埋設することにより
ピストンヘッドの補強がなされたピストンの断面部分図
である。

【符号の説明】

１０、３０、５０ ピストン １２、５２ ピストンヘッド ２２、４２、５４ ピンボス ２２ａ、４２ａ、５４ａ ピン穴 ２２ｂ、４２ｂ 補強部 ５６ 補強板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部にピン穴を備え、ピストンヘッド
   の外周縁より内側に設けられたピンボスを有する内燃機
   関用ピストンにおいて、 前記ピン穴に対応し、前記ピンボスより前記ピストンヘ
   ッドの外周縁に至る間の部位を補強する補強手段を備え
   ることを特徴とする内燃機関用ピストン。