JP2010065624A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン打音の発生を抑えながら軽量化が図れる内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】下部スカート部９７が、ピストン１３のスラスト側及び反スラスト側に設けられた主スカート部９７Ａ，９７Ｂと、ピストン１３のスラストー反スラスト方向に直交する直交方向に配置された一対の副スカート部９７Ｃと、これらの主スカート部９７Ａ，９７Ｂ及び副スカート部９７Ｃのそれぞれを繋ぐ連結スカート部９７Ｅ，９７Ｇとからなり、副スカート部９７Ｃが、ピストン１３の中心軸方向で主スカート部９７Ａ，９７Ｂよりも短く形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関用ピストンの改良に関するものである。

従来の内燃機関用ピストンとして、全周に亘ってピストンの中心軸方向の幅が一定なスカート部を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２７４８６１公報

特許文献１の図２を以下の図８で説明する。なお、符号は振り直した。
図８は従来の内燃機関用ピストンの斜視図であり、コンロッド２０１を介してクランクシャフト２０２に連結されたピストン２００を示している。

ピストン２００は、上部ピストン２０５と下部ピストン２０６とを結合したものであり、球面継手を介してコンロッド２０１の小端部と連結されている。
上部ピストン２０５の全周には、上下幅が一定の上部スカート部２０７が形成され、下部ピストン２０６の全周には、上下幅が一定の下部スカート部２０８が形成されている。

上記ピストン２００は、コンロッド２０１と球面継手で連結されているため、スラストー反スラスト方向に加えてスラストー反スラスト方向に直交する方向にも倒れやすく、ピストン打音が発生しやすいと推定され、ピストン２００の倒れを抑制するために全周にピストン中心軸方向の幅が一定の上部スカート部２０７及び下部スカート部２０８が設けられていた。
このような全周スカート構造では、ピストン重量が増えるため、機関回転数が高い高回転高出力型内燃機関への採用は難しい。

本発明の目的は、ピストン打音の発生を抑えながら軽量化が図れる内燃機関用ピストンを提供することにある。

請求項１に係る発明は、冠部と、この冠部の縁から下方に延びるランド部と、このランド部から更に下方に全周に亘って延びる全周スカート部と、冠部の裏面から突出するとともにコンロッドに設けられた球状小端部とで球面継手を形成するための凹状球面が形成された球面継手用カップ部とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、全周スカート部が、ピストンのスラスト側及び反スラスト側に設けられた主スカート部と、ピストンのスラストー反スラスト方向に直交する直交方向に配置された一対の副スカート部と、これらの主スカート部及び副スカート部のそれぞれを繋ぐ連結スカート部とからなり、副スカート部が、ピストンの中心軸方向で主スカート部よりも短く形成されていることを特徴とする。

作用として、コンロッドに球面継手を介して連結されるピストンは、ピストン挙動測定結果からスラストー反スラスト方向に直交する直交方向には倒れにくいことが判明した。
これは、ピストンに作用するスラストー反スラスト方向の側圧により、ピストンのスラスト側のスカート部がスリーブに密着し、スラストー反スラスト方向に直交する方向のピストンの倒れが抑制されることによると考えられる。

この結果から、スラストー反スラスト方向に直交する直交方向に配置された副スカート部を主スカート部よりも短くしても、ピストン打音を抑えることが可能になる。
副スカート部が主スカート部よりも短くなれば、従来の全周スカート部よりもスカート部の面積が減少し、ピストンが軽量になる。

請求項２に係る発明は、全周スカート部では、その外周面が真円形状を成していることを特徴とする。
作用として、例えば、スカート部の外周面が楕円形状であれば、カム等にならってならい旋盤でピストンのスカート部を加工する必要があるが、全周スカート部の外周面が真円形状なので、普通旋盤でスカート部が加工可能である。

請求項１に係る発明では、全周スカート部が、ピストンのスラスト側及び反スラスト側に設けられた主スカート部と、ピストンのスラストー反スラスト方向に直交する直交方向に配置された一対の副スカート部と、これらの主スカート部及び副スカート部のそれぞれを繋ぐ連結スカート部とからなり、副スカート部が、ピストンの中心軸方向で主スカート部よりも短く形成されているので、従来の全周スカート部を有するピストンと同等のピストン打音抑制効果を有しながら、スカート部の面積を減らして従来よりもピストンを軽量にすることができ、内燃機関の高回転化を図ることができて、内燃機関出力を向上させることができる。

請求項２に係る発明では、全周スカート部では、その外周面が真円形状を成しているので、例えば、スカート部の外周面を楕円形状に加工するのに比べて、スカート部の加工が容易となり、生産性を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る組立式ピストン構造を採用した内燃機関の断面図であり、内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１に設けられたシリンダボア１２に移動自在に挿入されたピストン１３と、このピストン１３に球面継手１４を介して連結されたコンロッド１６と、シリンダブロック１１の下部に回転自在に取付けられるとともに中空のクランクピン１７でコンロッド１６をスイング自在に支持する組立式のクランクシャフト１８とを備える。

シリンダブロック１１は、上部に設けられたシリンダ部２１と、このシリンダ部２１の内側に嵌合されるとともにシリンダボア１２が形成された筒状のスリーブ２２と、シリンダ部２１の下部に取付けられたアッパークランクケース２３とからなる。

コンロッド１６は、ピストン１３に連結された球形状の小端部２４と、クランクピン１７に連結された大端部２５と、これらの小端部２４及び大端部２５のそれぞれを連結するロッド部２６とが一体成形された部材であり、大端部２５がクランクピン１７に滑り軸受３１を介して連結されたものである。

ここで、符号３２はクランクシャフト１８に設けられたカウンタウエイト、３３はシリンダブロック１１の上部にヘッドガスケット（不図示）を介して取付けられたシリンダヘッド、３４は吸気バルブ、３６は排気バルブ、３７は燃焼室、３８はアッパークランクケース２３とでクランクケースを形成するためにアッパークランクケース２３の下部に複数のボルト４１で取付けられたロアクランクケース、４２はロアクランクケース３８の下部に複数のボルト４４で取付けられたオイルパンである。

ピストン１６は、例えば、材質ＡＣ８Ａ［ＪＩＳ Ｈ ５２０２］の素材が鋳造にて製造され、熱処理としてＴ６処理が施された後に機械加工が施された部材である。
コンロッド１６としては、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、又はチタン合金製が好適である。

図２は本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図であり、ピストン１３は、燃焼室３７（図１参照）を形成するための冠部５０を備える上部ピストン５１と、コンロッド１６の小端部２４の上半球部２４ａを滑り可能に保持するために上部ピストン５１の冠部５０の裏面５３から下方に突出形成された突出部５４内に配置された上部保持部材５６と、コンロッド１６の小端部２４の下半球部２４ｂを滑り可能に保持する下部保持部材５７と、この下部保持部材５７を保持するために上部ピストン５１にねじ結合された下部ピストン５８とからなる。

上部ピストン５１は、円板状に形成された冠部５０と、この冠部５０の周縁から下方に延ばされた筒状で厚肉とされたランド部６１と、このランド部６１から更に下方に延ばされた筒状でランド部６１よりも薄肉とされた上部スカート部６２と、前述の突出部５４とが一体成形された部材である。

冠部５０は、燃焼室３７（図１参照）に臨む冠面６４を備える。
ランド部６１は、冠面６４側から順に、トップランド６６、トップリング溝６７、セカンドランド６８、セカンドリング溝７１、サードランド７２及びオイルリング溝７３が設けられた部分であり、トップリング溝６７にトップリング（不図示）が嵌められ、セカンドリング溝７１にセカンドリング（不図示）が嵌められ、オイルリング溝７３にオイルリング（不図示）が嵌められる。

突出部５４は、上部保持部材５６をピストン１３の半径方向に移動可能に収納する凹部７５と、この凹部７５の開口部７６側の外周面７７に形成されたおねじ７８とを備え、凹部７５は、底部８１に小凹部８２が形成された部分である。

上部保持部材５６は、耐熱性、耐摩耗性に優れた窒化ケイ素系セラミックス製であり、コンロッド１６の小端部２４の上半球部２４ａに滑り可能に嵌合する凹状の球面としての第１球面８５と、上部ピストン５１の小凹部８２内に位置する小凸部８６とを備え、凹部７５の内周面８７と上部保持部材５６の外周面８８とは片側にそれぞれ隙間Ｃを有し、同様に、小凹部８２と小凸部８６との間にも片側にそれぞれ隙間Ｃ（不図示）を有する。
この隙間Ｃは、凹部７５の内周面８７とコンロッド１６の小端部２４との間にも片側にそれぞれ有する。
上記の窒化ケイ素系セラミックスとしては、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）が好適である。

下部保持部材５７は、コンロッド１６の小端部２４の下半球部２４ｂに滑り可能に嵌合する凹状の球面としての第２球面９１と、下部ピストン５８の中央に形成された筒部９５の内周面１０２に嵌合する外周面９２と、筒部９５の下部に形成されためすテーパ部１０１に嵌合するおすテーパ部９３と、上部ピストン５１の突出部５４の端面５４ａに当接する当接面９４とを備える４分割とした窒化ケイ素系セラミックス（上に挙げた材料が好適である。）製の部材であり、回り止め用ピン（不図示）で上部ピストン５１の突出部５４に対して回転しないようにされるとともに、コンロッド１６のロッド部２６に当てられる被案内面が設けられることでピストン１３をコンロッド１６に対して回転しないようにする部材でもある。なお、符号５７ａ〜５７ｄ（５７ｃ，５７ｄは不図示）は、下部保持部材５７を構成する４つの分割体である。

下部ピストン５８は、上部ピストン５１の突出部５４の下部、及び下部保持部材５７を囲むように配置された筒部９５と、この筒部９５から放射状に延ばされた複数のリブ９６と、これらのリブ９６の各先端に連結された円筒状の下部スカート部９７とが一体成形された部材であり、全周に備える下部スカート部９７の上端面９７ａが上部ピストン５１の上部スカート部６２の下端面６２ａに当てられた部材である。

筒部９５は、その穴部９８に、下部保持部材５７のおすテーパ部９３に密着するめすテーパ部１０１と、下部保持部材５７の外周面９２に所定の隙間を有して嵌合する内周面１０２と、上部ピストン５１のおねじ７８にねじ結合されるように内周面１０２の上部に形成されためねじ１０３とを備える。

おすテーパ部９３とめすテーパ部１０１とが嵌合することにより、筒部９５の軸線に対して下部保持部材５７の軸線が一致するように調心される。
上記した上部ピストン５１のおねじ７８及び下部ピストン５８のめねじ１０３とは、ねじ結合部１０４を構成する部分である。

上部ピストン５１と下部ピストン５８とは、それらの質量がほぼ同一とされた部材であり、上部保持部材５６と下部保持部材５７との質量もほぼ同一とされているから、上部ピストン５１及び上部保持部材５６からなる上部ピストン半体１０５Ａの質量と、下部ピストン５８及び下部保持部材５７からなる下部ピストン半体１０５Ｂの質量とはほぼ同一となる。

コンロッド１６は、ロッド部２６の内部に軽量化のための中空部１０６，１０７，１０８が設けられ、小端部２４の内部に軽量のための中空部１１０が設けられた部材であり、大端部２５（図１参照）側から、球面継手１４の滑り面にオイルを供給するためにオイル穴１１４，１１５を設けたものである。

上記した突出部５４、上部保持部材５６、下部保持部材５７、筒部９５及び小端部２４は、上記した球面継手１４を構成する部分である。
符号１１７は球状の小端部２４の中心を示す中心点であり、ピストン１３の重心でもあるが、中心点１１７をピストン１３の重心にほぼ一致させてもよい。符号１１８はピストン１３の軸線である。

図３は本発明に係るピストンの第１側面図であり、ピストン１３のスラストー反スラスト方向から見た図である。
下部ピストン５８の下部スカート部９７は、スラスト側及び反スラスト側に設けられた一対の主スカート部９７Ａ，９７Ｂ（手前側の符号９７Ａのみ示す。）と、スラストー反スラスト方向に直交する方向に設けられた一対の副スカート部９７Ｃ，９７Ｄと、これらの主スカート部９７Ａ，９７Ｂ及び副スカート部９７Ｃ，９７Ｄのそれぞれを繋ぐ連結スカート部９７Ｅ〜９７Ｈ（符号９７Ｅ，９７Ｆのみ示す。）とからなる全周スカート部である。なお、図中の符号１１９ａ，１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｂは、各スカート部の境を示す仮想線である。
主スカート部９７Ａ，９７Ｂは、側面視で幅がＷ１、高さがＨ１の矩形状の部分である。

図４は本発明に係るピストンの第２側面図であり、ピストン１３のスラストー反スラスト方向に直交する方向から見た図である。
副スカート部９７Ｃ，９７Ｄ（手前側の符号９７Ｃのみ示す。）は、側面視で幅がＷ２、高さがＨ２の矩形状の部分であり、高さＨ２は、図３に示された主スカート部９７Ａ，９７Ｂの高さＨ１よりも小さい。
即ち、副スカート部９７Ｃ，９７Ｄは、ピストン１３の軸線１１８（図２参照）の方向で主スカート部９７Ａ，９７Ｂよりも短く形成されている

図５は本発明に係るピストン及びコンロッドを示す底面図（一部断面図）であり、下部ピストン５８は、スラスト側に主スカート部９７Ａ、反スラスト側に主スカート部９７Ｂを備え、また、主スカート部９７Ａ，９７Ｂと筒部９５とを連結する複数のリブ９６を備える。

また、このようなリブ９６に相当するものを上部ピストン５１（図３参照）に設けてもよく、これにより、上部ピストン５１の冠部５０（図２参照）に発生する応力を各リブへ均等に分散することができ、上部ピストン５１に発生する応力の最大値を低くすることができる。

コンロッド１６は、小端部２４（図２参照）に近いロッド部２６の側面２６ａ，２６ａに、平坦で且つコンロッド１６がスイング（揺動）する方向（図のスラストー反スラスト方向である。）に平行な案内面２６ｂ、２６ｂをそれぞれ形成したものであり、下部保持部材５７（形状の理解を容易にするために太線で示した部分である。）は、コンロッド１６を通すために設けた矩形状開口部５７ｅに各分割体５７ａ〜５７ｄ毎に、上記の案内面２６ｂ，２６ｂに当たりながら案内される被案内面５７ｆを設けたものである。

上記したように、コンロッド１６に案内面２６ｂ、２６ｂを設け、下部保持部材５７に案内面２６ｂ，２６ｂに案内される被案内面５７ｆ、５７ｆを設けたことで、コンロッド１６に対してピストン１３のシリンダ軸回りの回転を防ぐことができる。

図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るピストンの挙動を示す作用図である。
（ａ）は内燃機関の運転中、燃焼室３７で混合気が燃焼した際に、ピストン１３が上死点から下降した直後にスラスト側に倒れた状態を示している。

即ち、スラスト側の主スカート部９７Ａの上端（図中の黒丸１２１の部分である。）がシリンダボア１２に当たるとともに、反スラスト側の主スカート部９７Ｂの下端（図中の黒丸１２２の部分である。）がシリンダボア１２に当たって、ピストン１３の姿勢が保持され、ランド部６１が当たらないようにされて、ピストン打音の発生が抑制されている。
図では、スラストー反スラスト方向（Ｔ−ＡＴ方向）に直交する方向を、例えば、内燃機関の前後方向としているので、フロント（Ｆ）ーリヤ（Ｒ）方向（Ｆ−Ｒ方向）と表している。

（ｂ）は内燃機関の運転中、排気行程が終了して、ピストン１３が上死点から下降して吸入行程に移るときにリヤ側に倒れた状態を示している。
即ち、リヤ側の副スカート部９７Ｄの上端（図中の黒丸１２３の部分である。）がシリンダボア１２に当たるとともに、スラスト側の主スカート部９７Ａの下端であって周方向の端部（図中の黒丸１２４の部分である。）及び反スラスト側の主スカート部９７Ｂの下端であって周方向の端部（図中の黒丸１２５の部分である。）がシリンダボア１２に当たって、ピストン１３の姿勢が保持され、ランド部６１が当たらないようにされて、ピストン打音の発生が抑制されている。

図７は本発明に係るピストンの挙動及び内燃機関筒内圧の各測定結果を示すグラフであり、グラフの下側が、内燃機関運転中のピストン挙動測定結果、グラフの上側が内燃機関筒内圧測定結果を示している。グラフの縦軸は、ピストンの傾き（単位はｄｅｇ）及び筒内圧、横軸はクランク角を表している。また、ピストンの傾きのグラフ中で、破線はスラストー反スラスト方向（Ｔ−ＡＴ方向）のデータ（傾きが正の場合は反スラスト側に倒れ、負の場合はスラスト側に倒れている。）、実線はフロントーリヤ方向（Ｆ−Ｒ方向）のデータである。

ピストン挙動については、ピストンとスリーブとの距離を計測するためのギャップセンサを、ピストンの全周スカート部（ピストン中心軸方向に一定の幅を有している。）のスラスト側、反スラスト側、フロント側及びリヤ側にそれぞれを２個ずつ（２個はピストン中心軸方向に距離を置いて配置される。）埋め込み、内燃機関を運転中に所定のクランク角毎にピストンとスリーブとの距離を計測し、２個のギャップセンサの距離データの差からピストンの傾きを算出することで、内燃機関の各行程でのピストン挙動が求められる。

クランク角が、筒内圧が最大値となるクランク角に近いＴＤＣ（１）（いわゆる「爆発上死点」である。）の近傍では、スラストー反スラスト方向（Ｔ−ＡＴ方向）において、筒内圧の増大に伴い、ピストンに作用する側圧によってピストンは反スラスト側への倒れからスラスト側への倒れに大きく変化し、再び、反スラスト側に倒れる。
このとき、フロントーリヤ方向（Ｆ−Ｒ方向）では、傾きはほとんど変化しない。これは、側圧によってスラスト側の主スカート部がシリンダボアに密着して拘束されるためと考えられる。

また、クランク角がＴＤＣ（３）（いわゆる、「排気上死点」である。）の近傍では、ピストンの反スラスト側への倒れが一旦スラスト側への倒れに変化するときに、ピストンへ作用する側圧の変化によって、ピストンはフロントーリヤ方向に倒れている。しかし、その傾きの絶対値は小さく、側圧の変化も小さいので、ピストン打音の発生には至らない。

以上の図２〜図４に示したように、冠部５０と、この冠部５０の縁から下方に延びるランド部６１と、このランド部６１から更に下方に全周に亘って延びる全周スカート部としての下部スカート部９７と、冠部５０の裏面５３から突出するとともにコンロッド１６に設けられた球状の小端部２４とで球面継手１４を形成するための凹状球面としての第１球面８５が形成された球面継手用カップ部としての上部保持部材５６及び下部保持部材５７とを備えた内燃機関用ピストン１３において、下部スカート部９７が、ピストン１３のスラスト側及び反スラスト側に設けられた主スカート部９７Ａ，９７Ｂと、ピストン１３のスラストー反スラスト方向に直交する直交方向に配置された一対の副スカート部９７Ｃ，９７Ｄと、これらの主スカート部９７Ａ，９７Ｂ及び副スカート部９７Ｃ，９７Ｄのそれぞれを繋ぐ連結スカート部９７Ｅ〜９７Ｈ（符号９７Ｅ〜９７Ｇのみ示す。）とからなり、副スカート部９７Ｃ，９７Ｄが、ピストン１３の中心軸としての軸線１０８の方向で主スカート部９７Ａ，９７Ｂよりも短く形成されているので、従来の全周スカート部を有するピストンと同等のピストン打音抑制効果を有しながら、下部スカート部９７の面積を減らして従来よりもピストン１３を軽量にすることができ、内燃機関１０（図１参照）の高回転化を図ることができて、内燃機関出力を向上させることができる。

また、図２〜図５に示したように、下部スカート部９７では、その外周面が真円形状を成しているので、例えば、下部スカート部の外周面を楕円形状に加工するのに比べて、下部スカート部９７の加工が容易となり、生産性を向上させることができる。

尚、本実施形態では、図３及び図４に示したように、主スカート部９７Ａ，９７Ｂ及び副スカート部９７Ｃ，９７Ｄを側面視で矩形としたが、これに限るものではない。

本発明の内燃機関用ピストンは、高回転高出力型内燃機関に好適である。

本発明に係る組立式ピストン構造を採用した内燃機関の断面図である。 本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図である。 本発明に係るピストンの第１側面図である。 本発明に係るピストンの第２側面図である。 本発明に係るピストン及びコンロッドを示す底面図である。 本発明に係るピストンの挙動を示す作用図である。 本発明に係るピストンの挙動及び内燃機関筒内圧の各測定結果を示すグラフである。 従来の内燃機関用ピストンの斜視図である。

符号の説明

１０…内燃機関、１３…ピストン、１４…球面継手、１６…コンロッド、２４…小端部、５０…冠部、５３…裏面、５６，５７…球面継手用カップ部（上部保持部材、下部保持部材）、８５，９１…凹状球面（第１球面、第２球面）、６１…ランド部、９７…全周スカート部（下部スカート部）、９７Ａ，９７Ｂ…主スカート部、９７Ｃ，９７Ｄ…副スカート部、９７Ｅ〜９７Ｈ…連結スカート部、１１８…ピストンの中心軸（ピストンの軸線）。

Claims (2)

1. 冠部と、この冠部の縁から下方に延びるランド部と、このランド部から更に下方に全周に亘って延びる全周スカート部と、前記冠部の裏面から突出するとともにコンロッドに設けられた球状小端部とで球面継手を形成するための凹状球面が形成された球面継手用カップ部とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、
   前記全周スカート部は、前記ピストンのスラスト側及び反スラスト側に設けられた主スカート部と、前記ピストンのスラストー反スラスト方向に直交する直交方向に配置された一対の副スカート部と、これらの主スカート部及び副スカート部のそれぞれを繋ぐ連結スカート部とからなり、
   前記副スカート部は、ピストンの中心軸方向で前記主スカート部よりも短く形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記全周スカート部は、その外周面が真円形状を成していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。

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