JPS592783B2 - 内燃機関用のピストン - Google Patents

内燃機関用のピストン

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JPS592783B2
JPS592783B2 JP51071679A JP7167976A JPS592783B2 JP S592783 B2 JPS592783 B2 JP S592783B2 JP 51071679 A JP51071679 A JP 51071679A JP 7167976 A JP7167976 A JP 7167976A JP S592783 B2 JPS592783 B2 JP S592783B2
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piston
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bosses
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description

【発明の詳細な説明】 往復動型内燃機関に現在使用されているピストンは通常
アルミあるいはアルミ合金製であるが、これは上記材質
が一定寸法に対し比較的軽量である為に使用されている
ものである。
しかしこの種のピストンは主にリム周辺に生ずる亀裂の
為損傷度が極めて高い。
この種の損傷はピストンが高温でかつ応力が極めて高い
ために生ずるものであるが、今後エンジン効率はますま
す高まる傾向にあるので、この種のトラブルは増大する
ものと予想される。
鉄の如き高強度の材質のものもその使用が試みられたが
従来のピストン構造ではいずれも不十分な結果しか得ら
れなかった。
つまり従来構造のピストンに鉄を使用したものは、ピス
トン重量が過大になるため及び圧縮荷重や熱負荷を受け
て損傷するおそれがあるため不適当であった。
その上、それらの負荷重を受けるとこのタイプの従来の
ピストンは変形してシリンダー壁とピストン・リング間
から燃焼ガスが漏れ出ることがあった。
本発明の目的は、機械的荷重及び熱負荷に耐えうると共
にピストン・リング及びピストン・ピンを組立てた時点
で、従来の匹敵するアルミ若しくはアルミ合金製のピス
トンアセンブリよりも重量が大きくならない、高強度の
材質で形成されるピストンの改良構造を提供することに
ある。
そして、本発明の改良構造によれば、エンジン作動中の
ピストンの歪曲量が減少し、また、ピストンが最大限歪
曲してもピストン・リングがシリンダニ壁に対して確実
に接合して密封作用を維持できるようにピストン・リン
グが支持される。
本発明に係るピストンは、円形ドームとリング・バンド
とドームの外周縁をバンドに接続する可撓性の熱ダム(
遮断部)と、ドームの裏側に接続されてバンドから半径
方向の内方に離間した円筒状支持部材と、ピストン・ピ
ン・ボスとピストンの側部に位置する弧状のスラスト・
パッドとを具備し、上記ドーム、バンド、支持部材は同
軸上かつ軸対称に位置し、また支持部材はボスにも接続
されているので、これはボス上部のドームをも支持し、
更にパッドはボスに支持される様な構造になっており、
更にまたリング・バンドの下方端は支持されていない。
エンジンの作動中に、ピストンが高熱化され、また極め
て大きな圧縮荷重を受ける時に、ピストンのドームに生
じるあらゆる歪みは、実質的にピストンの周囲において
均一になる。
そして可撓性の熱ダム部分がドームからリング・バンド
への熱の移動を妨げ、熱負荷による歪みを減少させる。
またリング・バンドは熱ダム部分により弾力的に支持さ
れ、かつリング・バンドの下方端は支持されていないの
で、リング・バンドは屈曲自在で、ピストンの他の部分
に歪みが生じたとしても、シリンダー壁に対するピスト
ン・リングの良好な接合状態を維持する。
本発明の他の目的及び利点は、添付図面を参照した以下
の詳細な説明により明かになる。
第1図を参照すると、アセンブリはピストン11と、ピ
ストン11をエンジンの接続棒(図示せず)に接続する
ピストン・ピン12と、3個のピストン・リング13,
14,15から成る。
これらのピストン・リングは、ピストン11の円筒状リ
ング・バンド1γ内に形成されている環状溝18.19
,20(第3図参照)内に位置しており、このうち13
,14のピストン・リングは圧縮(型)リングで、15
はオイル・リングである。
第3および6図を参照すると、排油孔21がオイル・リ
ング溝20の底部のバンド17を貫通して形成されてい
る。
第2〜4図を参照すると、ピストン11は更にピストン
頂部にドーム22を有する。
ドーム22の上方部分すなわち前面はエンジンの燃焼室
に面しておQ、従来技術に於いて周知の如くエンジンが
作動している閣下方向の力を受けるものである。
ドーム22は機械的荷重に加えて燃焼室の燃焼工程によ
る熱負荷をも受ける。
ドーム22は円形でピストンの外側上方コーナ31にま
で伸張している。
ドーム22の中央部に円形小部分23(第2図)があり
、この小部分23からドーム22は下方向にテーパ状に
傾斜し、符号24にて示す領域へ放射状に外方向に向い
、次に符号26にて示す領域で上方向に向って放射状に
外方向に屈曲する。
ドーム22の環状周縁部27は部分26と31の間に位
置する。
中央部23の高さは、外縁部27よりも僅かに高くなっ
ている。
この様なドーム22の上方部分の構造は噴射された燃料
を燃焼室に分散させるとともに、燃焼室内で燃料と空気
を効率よく混合することを目的として設計されたもので
ある。
噴射器(図示せず)はピストン11の軸方向の上方に位
置しており、噴射器の噴射孔はピストンの中央部23の
すぐ上に位置している。
リング・バンド17は上述した様に円筒状であり、ドー
ム22の周囲に同軸状に配備されている。
バンド17の上端は接続部32によりドーム22の周縁
に接続されている。
ドーム22の外周縁31からバンド接続部32が垂直に
下方向に伸張しており、接続部32の外周面はバンド1
γの外面と同一平面上にある。
接続部32の厚みすなわち横断面寸法は比較的薄いので
、可撓性を具有する。
接続部32は燃焼ガスを密封する作用を行うもので、そ
れが可撓性を有しているのでドーム22とバンド17間
の温度差から生じるドーム歪みによる曲げ応力に対応す
ることができ、更にこの接続部32は薄いためドーム2
2からバンド17への熱伝導を遅延せしめるので熱ダム
(遮断部)として作用する。
バンド17の歪みは、接続部32の構造の故にまた、ピ
ストンの上方部分がピストンの軸35に対して左右対称
になっているために最少におさえられている。
更に、バンド1γはその下方端において支持されていな
い構造になっているので、バンド17の屈曲性は極めて
向上する。
仮りに、バンド17が支持部材によりピストンの他の部
分に接続されているとすれば、そのような支持部材がエ
ンジン作動中のバンド17の歪みを誘発することになる
であろう。
ドーム22、接続部32及びバンド17は、ドーム22
とバンド17と同軸上かつ軸対称にある円筒状すなわち
環状で軸対称の支持部材36により支持されている。
第3,4,6図に示す様に支持部材36はバンド17か
ら軸方向の内方に離間し、ドーム22と一体に形成され
て、その裏側すなわち下側から下方向に伸張している。
支持部材36はその下方縁部にて2個のピストンピンボ
ス37.38と一体構造になっている。
ボス37゜38はピストン軸350両側に横方向に離間
して配備され、亦その内部に一直線状のピストンピン孔
41.42を有している。
孔4L42の軸はピストン軸35を横断し、この孔4L
42は第1図との関連で述べたピストンピン12を受容
している。
孔4L42の内周縁内に環状溝43が形成されるが、こ
れはピン12をボス37、38に固着するためのもので
ある。
第4図に示す様に、ボス3γ、38は比較的近接した位
置に配備され、各々の外端部はバンド17の外表面から
内方向に離間している。
そして、ピン12をエンジンのクランクシャフトに接続
する接続棒(図示せず)のために、両ボスの近接する端
部間に空間が西?備されている。
ボス37゜38が比較的近接した位置に配備され、また
、その横寸法が比較的短見・ため、ボス37.38は比
較的短い寸法のピン12の使用を可能にし、かくして第
1図に示すアセンブリ全体の重量を軽減することができ
るものである。
上述した様に、支持部材36は円筒形状であり、ボス3
7.38上部のドーム22を支持するものである。
第3図に示す様にボス37,38の外表面は円形で1、
支持部材361dボスの頂部を横切って、ボスの両側の
周囲を下方向に向って孔41.420軸の高さ位まで伸
張している。
第4図を参照すると、ボス37.38の間で孔4L42
の軸から90°の位置における支持部材36の部分は弧
状の切断部を有している。
この切断部分は第4図に於いて符号46で示されている
この切断部分46はボス3γと38の近接する端部から
上方向に向い、リングバンド1γの下縁部高さにまで伸
張している。
かくして支持部材36はドーム22から、2個の切断部
分46を除いて、ボス3γ。
38へと下方向に伸張し、かつ完全に円筒形状を(7て
おり、またこの支持部材36は、第3図に於ける符号4
5の示す領域内に位置するボス37゜380両側面の周
囲を下方向に伸張している。
従って、ピストンの上方部は軸対称すなわちピストンの
軸35に関して完全に左右対称をなすものである。
更にピストン11は2個の弧状スカート部分すなわちス
ラストハツト51,52を有するが、これらのパッドは
リング1γ(第3図)から下方向に離間し、ピストンの
両側に配備にされて、ボス37.38の間に伸張してい
る。
更にこれらのバラドば、エンジン作動中にピストンにサ
イドスラスト(5ide fhrust) がかか
る領域内に位置している。
第5図に示す様に、スラストパッド5L52は、孔41
,42の軸を概して横切って伸張している支持部53に
より、ボス37,38に支持されるものである。
第1,3,5図に示す様に、支持部53はボス37,3
8の両側から横方向外側に伸張している。
スラストパッド5L52はボス37.38に近接した位
置まで拡がるが、孔4L42の端部を閉鎖することはな
い。
スラストパッド5L52の上縁部54はバンド17から
下方向に離間すると共に孔4L42の上縁部とほぼ一直
線をなしている。
スラストパッドはボス37.38の下面の更に下まで伸
張している。
第7〜10図はピストンのもう一つの実施例を図示した
ものであるが、ここに示したものは第1〜6図に示した
ピストンと大略同様である。
第7〜10図に示したピストンが本発明の好ましい実施
例である。
第7〜10図は、ドーム62と円筒状ドーム支持部材6
3とリングバンド64とリングバンド64とドーム62
の外周縁との間の接続部66とから成るピストンを図示
している。
ドーム62とリングバンド64と接続部66は第1〜6
図に図示するピストンの対応部分と大略同様であるが、
円筒状ドーム支持部材63は支持部材36よりも直径が
犬きく、リングバンドにより接近した位置にある。
第8,9図に図示する様に支持部材63はピストンの軸
68に平行に伸張する下方部67と、この下方部67か
らドーム62へ上方および半径方向の外側に拡がるテー
パ状をなす上方部69とを有する。
かくして円筒状支持部材63はドーム62の外周縁をよ
シ強固に支持しうるものである。
第8図を参照すると、ピストン61は更に一直線状のピ
ストンピン孔73,74を有する一対のピストンピンボ
ス71.72を具備している。
円筒状支持部材63の下方端は、第9図に示す様にボス
71,72の上方側面でそれと一体構造になっている。
ボスγ1.T2の間に弧状切断部分76が形成され、こ
れはピストンの両側の支持部材63の下方縁部に形成さ
れる。
更にピストン61は2個の弧状のスラストパッド78,
79を具備し、これらのパッドは支持部81(第9図)
によりボス71,720上に支持されている。
スラストパッド78,79及び支持部81は、第3図に
図示する対応部分と大略同様であるが、これらのスラス
トパッドの上方端部82はスラストパッド6L62より
高い位置に伸張している。
第9図に示す様にスラストパッド78.79の上方端は
ボス7L72の高さ以上に伸張し、リングバンド64に
比較的近接した位置にある。
スラストパッド78,79は垂直方向のテーパを有し、
このテーパ状態は第9図にみる如く、更にスラストパッ
ド78,79がその下方端部にて最も薄くなる様になっ
ている。
これはピストン61は鋳造されているのでテーパーを上
記の如く付することにより鋳造ピストンが鋳型から取出
しやすいという理由によるものである。
更にパッドの下方端に近接した部分への応力は、上方端
に近接した部分への応力よりも小さいので、下方端に近
接した部分への鋳造材は少なくてよいという訳である。
第9図にみる如き垂直方向のテーパに加えて、スラスト
パッド78,79の厚みは円周方向に於いても変化があ
る。
つまり最大スラストパッド荷重のかかる部分の厚みが最
も厚くなっているのである。
この部分は第5図に示す様に支持部に近接した個所であ
る。
本発明の他の実施例を第9図に示すが、これはエンジン
効率を増大せしめると共に噴射制御を良好にするという
作用効果を有するものである。
この実施例では圧縮リング溝91をドームの上面に極め
て近接して配備している。
この構成では3個の下方ピストンリング溝は除去しても
良いしそのまま配備しておいてもよい。
第11〜15図は、本発明による更に別の形のピストン
101を示す。
ピストン101は、ドーム102.2つのボス103お
よび104、ドーム102および両ボスを接続する支持
部材1062つの弧状パッドまたはスカート107およ
び108、両ボスおよび両スカートを接続する支持部1
09(第14図)およびドーム102の外周に形成され
たリング・バンド111より成る。
ピストン101は一般的に言えば既に述べた種々形式の
ピストンに類似するので構造上の相異点のみを詳細に記
載する。
ドーム102の上面には間隔を置いて複数の凸部112
および凹部113が形成され、これらの凹部は弁ポケッ
トを形成する。
このドーム上面の形状は従来通りに設計され本発明の一
部とばならない。
リング・バンド−11は3つのピストン・リング(図示
されない)用の環状溝114を有し、一般的には既述の
リング・バンドに類似する。
支持部109はピン・ボス103および104から外方
へのびて半径方向では支持部材106の外側に位置する
スカート10γおよび108の下方コーナーに機械仕上
げにより切り欠き116が形成される。
ピストン101は一体に鋳造されることが望ましく、そ
の後に切り欠き116が形成され、ピススンに対して更
に機械加工(仕上げ)が施される間この切り欠きがチャ
ック係合面として作用する。
支持部材106は概して円錐形を有し、ボス103およ
び104の上側からドーム102の裏側へのびる。
第13および14図に示すように、円錐形の支持部材1
06の下方すなわち小さい方の端部121はボス103
および104の上側と合体する。
2つのボス103および104間の2空間において支持
部材106は、ボス103および104の上面の上方に
短距離にわたってアーチ状をなす橋部122(第12お
よび13図)を含む。
半径方向の内方に突出する足部123が各橋部122の
下縁に形成されることにより橋部が強化される。
円錐形の支持部材106の上方すなわち大きい方の端1
24はドーム102の裏側に合体する。
支持部材106およびドーム102が合体する所の円線
または円帯126(第11,13図)は、ピストン10
1の垂直中心線すなわち軸127から外周までの距離の
約■の所にある。
第11図のように上方から見た場合、ドーム面積の半分
が線126内にあり、半分が線外にある。
したがって支持部材106はドーム102をその面積の
中間点で支持する。
ピストン10トは多くの利点を有する。
第1に支持部材106の円錐形により、下端121の直
径が比較的小さいので、ボス103および104を相互
に近接して配置することが可能となる。
ピストン・ピンにかかる曲げ応力はしたがって減少され
る。
第2に、支持部材106の上端124の比較的大きい直
径により、線126をドーム面積の中間点に位置付ける
ことができる。
したがってエンジン作動中、ドーム102の上面にかか
る圧縮荷重は、線126の内側および外側の表面積に均
等に分割される。
線126の両側の荷重を平均させることにより、ドーム
102の支持をより良くしそして堅固にしてより高いシ
リンダー圧力に耐えることができる。
第3に、円錐は円筒より多くの材料を含み、そして円錐
はまっすぐな円筒より当然急速(rapid )である
さらにこの円錐形は結果として、その上端に材料を追加
してドーム近傍をより堅固にすることとなる。
第4に橋部122のアーチ形および足部123により適
切な支持を行いそしてこの部分を堅固にし、またピスト
ンの中心を流れる冷却液および通気用の開口をも形成す
る。
上記の詳細な説明と添付図面から、改良したピストンの
構造が明らかになったものと思われる。
本ピストンは使用中に受ける機械的荷重及び熱負荷に耐
えるに必要な最少量の材料で製造されているので、高強
度な金属製であっても、匹敵するアルミ製のピストンア
センブリよシ重量が重くなるということはない。
ここに記載したピストンはいずれも高強度延性鋳鉄で一
体にできているが、更に強度の高い圧延鋼若しくは鋳造
品にて、あるいは鋳鉄と他の製造部品と組合わせて形成
することもできる。
更にドーム部分を高耐熱力(hightemperat
ure strength)金属で形成し、他の部分
を比較的安価な金属で形成することもできる。
ピストンの上方部分全体は軸対称になっているので、機
械的荷重及び熱負荷による応力はピストンの軸を中心に
して左右対称になっている。
従って応力配布は均一になり、ピストンの損傷は軽減さ
れる。
円筒状支持部材はドームを均一に支持し、またドームか
らピンボス及びピンに至る機械的荷重の伝達路を直線的
にすると共に短縮するものである。
ピンの長さは比較的短かい。また円筒状支持部材はドー
ムからの機械的荷重をコネクテイング・ロッド(接続棒
)に出来るだけ密接(直接)に向けることにより、ピン
にかかる曲げ動作を最少にすることができる。
リングバンドは、それ自体の質量とピストンリングを支
持するに必要なだけの材料で形成されている。
このリングバンドはピストンの上方部分が軸対称になっ
ており、またドームとバンド間の接続部分の厚みが比較
的薄くなっているので歪みは最少におさえられるもので
ある。
接続部分の厚みが薄くなっているためこの部分は比較的
可撓性を有j−1従ってドームとバンド間の温度差によ
シ生ずるドームのたわみに耐えることが可能となる。
リング・バンドの下方端は支持されていないので、バン
ドの屈曲性が一層向上し、またピストンの全体質量を軽
減させることになる。
ピストンの主要な機能を行う部分は各々他の部分とは出
来るだけ独立に機能する様に設計されている。
主要機能を行う部分とはドーム、リングバンド、円筒状
支持部材、ボス及びスラストパッドである。
本ピストンは応力に耐えるに充分な構造的厚みを有して
おり、不必要な材料は使用されていない。
このことはまず第一に重量を低減するということ第二に
熱勾配により生ずるピストン応力を最少にするという点
で極めて重要なことである。
本発明の更に従来のアルミピストンに比して勝れた点と
して、ピストンとシリンダー・ライナ間のすき間を、ピ
ストン騒音を低減する為に狭くすることができるという
こと及びリング寿命を増大しかつオイル消費量を低減す
るためにピストンリングの温度を下げることができると
いうことが挙げられる。
ドームに対するドーム支持部材の直径に関して付言すれ
ば、ドーム支持部材が包囲するドーム面積が第8,9図
に図示する様に部分69の直径の外側のドーム領域と実
質的に等しくなる様に、ドーム支持部材の直径を定める
のが望ましい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を内蔵するピストン・アセンブリの側面
図である。 第2図は第1図の線2−2に沿った上面図である。 第3図は第2図の線3−3に沿った断面図である。 第4図は第2図の線4−4に沿った断面図である。 第5図は第3図の線5−5に沿った部分断面図である。 第6図は第3図の線6−6に沿った部分断面図である。 第1図は第2図と同様の上面図であり、本発明のもう一
つのピストン構造を示している。 第8図は第7図の線8−8に沿った断面図である。 第9図は第7図の線9−9に沿った断面図である。 第10図は第9図の線10−10に沿った部分断面図で
ある。 第11図は本発明によるピストン設計の図である。 第12および13図は第11図の線12−12および線
13−13上の断面図である。 第14および15図は第13図の線14−14および線
15−15上の断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ピンを介してエンジンの接続棒に接続するための横
    方向に貫通した孔を有する一対の間隔を置いたピストン
    ピンボス37.38と、該ボス間の空間に角度的に離間
    した複数の弧状パッド51゜52と、 前記ボスおよびパッドを接続して前記ボスにパッドを支
    持する横方向に伸張した複数の支持部53と、円形ピス
    トンドーム22と、 前記ボスに接続され、かつ、該ドーム22の下方におい
    てその裏側に接続されてドームを支持する支持部材36
    と、 前記ドームの外周縁に近接するリングバンド17と、 該バンド1γと前記ドームの外周縁を接続してバンドを
    支持する可撓性接続部32とを具備し、前記支持部材3
    6は比較的薄く、かつ、略円筒状で、前記ボスから前記
    ドームへ実質的に一直線状の上向きに伸張して、ドーム
    を環状に接続しており、また、前記ドーム22、前記支
    持部材36の上部、前記リングバンド17並びに前記可
    撓性接続部32は環状で軸対称であり、更に前記リング
    バンド17の下方端は支持されていないことを特徴とす
    る内燃機関用のピストン。 2 前記可撓性接続部32はドーム22の外周縁とバン
    ド17間における熱ダム部を成すことを特徴とする特許
    請求の範囲第1項に記載のピストン。 3 前記ピストンは延性鉄で形成されることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項又は第2項に記載のピストン。 4 前記バンド17はドーム22の外周縁から軸方向に
    ずれた位置にあり、ドーム22の外周縁、リングバンド
    17、可撓性接続部32、並びにパッド5L52は全て
    実質的に同一平面内にあることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載のピストン。 5 @記ボス37.38はピストン軸350両側に横方
    向に離間して位置し、ボス37,38の間の支持部材3
    6に弧状切断部46が形成されることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項に記載のピストン。 6 前記支持部材36の直径は、支持部材36によって
    包囲されるドーム22の面積が支持部材36の外側のド
    ーム220面積と実質的に等しくなるように設定されて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第5項
    のいずれかに記載のピストン。 7 前記支持部材36のドーム22近傍部分69はドー
    ム22に向けて半径方向の外方に拡大したテーパ状をな
    すことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のピス
    トン。
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