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

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。