(57)【要約】【課題】  ピストン頭頂部にキャビティが形成されたピストンにおいて、キャビティの側縁部への応力集中を抑制する。【解決手段】  キャビティ４０が凹設された頂面２７を有するピストン頭頂部２１と、ピストン頭頂部の頂面と相反する裏面２８の対角位置から垂下した一対の支持壁部２２と、ピストンピン６１を受容するべく、支持壁部のそれぞれに互いに同軸となるように形成されたピン孔４７とを有する内燃機関２のピストン１であって、支持壁部のそれぞれは、頂面の吸気ポート７に対応する吸気側から排気ポート８に対応する排気側へと延在し、キャビティは、ピストン頭頂部の吸気側から中央部にかけて延在し、支持壁部の互いに対向する面５５のピン孔よりも上方の部分であって、キャビティの排気側側縁の直下方に位置する部分に肉抜き部５６がそれぞれ凹設されていることを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティが凹設された頂面を有するピストン頭頂部と、前記ピストン頭頂部の前記頂面と相反する裏面から互いに対向して垂下した一対の支持壁部と、ピストンピンを受容するべく、前記支持壁部のそれぞれに互いに同軸となるように形成されたピン孔とを有する内燃機関のピストンであって、
前記支持壁部のそれぞれは、前記頂面の吸気ポートに対応する吸気側から排気ポートに対応する排気側へと延在し、
前記キャビティは、前記ピストン頭頂部の吸気側から中央部にかけて延在し、
前記支持壁部の互いに対向する面の前記ピン孔よりも上方の部分であって、前記キャビティの排気側側縁の直下方に位置する部分に肉抜き部がそれぞれ凹設されていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記ピン孔の軸線方向に沿って見た側面視において、前記凹部は、吸気側から排気側へと、前記キャビティの前記排気側側縁を跨いで延在していることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記ピン孔の軸線方向に沿って見た側面視において、
前記支持壁部の吸気側及び排気側における側縁と前記ピストンの中心軸線に平行な直線とのなす角度を第１角度とし、
前記凹部の吸気側及び排気側における端部と前記ピン孔の中心とを結ぶ直線と前記ピストンの中心軸線に平行な直線とのなす角度を第２角度とすると、
前記第１角度は前記第２角度よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに係り、詳しくは筒内噴射内燃機関において使用される頭頂部にキャビティを有するピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射装置を用いて気筒内に直接に燃料を噴射する筒内噴射内燃機関（直噴内燃機関）において、ピストン頭頂部の頂面（冠面）にキャビティを凹設し、燃料をキャビティに向けて噴射することによって、ピストンの熱によって燃料を気化させると共に、キャビティの縁壁によって可燃混合気の進行方向をガイドし、点火プラグ近傍に導くようにしたピストンがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８２８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に係るピストンでは、ピストン頭頂部の頂面と相反する裏面が平坦に形成され、頂面にキャビティが凹設されているため、キャビティが形成された部分は、ピストン頭頂部の他の部分に比べて肉厚が薄くなっている。また、キャビティの縁壁（側縁部）は、可燃混合気の進行方向を点火プラグ側へと変化させるべく、ピストンの軸線方向に沿って立ち上がっているため、肉厚が急激に変化している。そのため、ピストン頭頂部に燃焼圧が加わる際には、肉厚の変化が大きく、薄肉となったキャビティの側縁内方部に応力が集中し易くなる。
【０００５】
本発明は、以上の背景を鑑みてなされたものであって、ピストン頭頂部にキャビティが形成されたピストンにおいて、キャビティの側縁部への応力集中を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、キャビティ（４０）が凹設された頂面（２７）を有するピストン頭頂部（２１）と、前記ピストン頭頂部の前記頂面と相反する裏面（２８）から互いに対向して垂下した一対の支持壁部（２２）と、ピストンピン（６１）を受容するべく、前記支持壁部のそれぞれに互いに同軸となるように形成されたピン孔（４７）とを有する内燃機関（２）のピストン（１）であって、前記支持壁部のそれぞれは、前記頂面の吸気ポート（７）に対応する吸気側から排気ポート（８）に対応する排気側へと延在し、前記キャビティは、前記ピストン頭頂部の吸気側から中央部にかけて延在し、前記支持壁部の互いに対向する面（５５）の前記ピン孔よりも上方の部分であって、前記キャビティの排気側側縁の直下方に位置する部分に肉抜き部（５６）がそれぞれ凹設されていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、キャビティの排気側側縁の直下方の支持壁に肉抜き部を設け、支持壁部の剛性を低下させたため、キャビティ側縁内方の薄肉部への応力集中を緩和することができる。ピストン頭頂部にキャビティを凹設することによって、その側縁内方は薄肉となる一方で側縁外方は厚肉となるため、側縁近傍において肉厚が大きく変化することになる。そのため、燃焼圧がピストン頭頂部に加わる際には、キャビティ側縁内方の薄肉部に応力が集中し易くなる。本発明では、支持壁部に肉抜き部を形成し、意図的に肉厚が薄い低剛性部を形成することで、応力を支持壁に分散し、キャビティ側縁内方の薄肉部への応力集中を緩和することができる。また、肉抜き部によって、ピストンの軽量化が図れる。
【０００８】
上記の発明において、前記ピン孔の軸線方向に沿って見た側面視において、前記凹部は、吸気側から排気側へと、前記キャビティの前記排気側側縁を跨いで延在していることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、キャビティの排気側側縁と肉抜き部とが上下方向において重なるため、応力は肉抜き部に加わり易くなり、キャビティの排気側側縁内方の薄肉部への応力集中が緩和される。
【００１０】
上記の発明において、前記ピン孔の軸線方向に沿って見た側面視において、前記支持壁部の吸気側及び排気側における側縁（５１、５２）と前記ピストンの中心軸線に平行な直線（Ｂ）とのなす角度を第１角度（α１、α２）とし、前記凹部の吸気側及び排気側における端部（５８、５９）と前記ピン孔の中心（Ｃ）とを結ぶ直線と前記ピストンの中心軸線に平行な直線（Ｂ）とのなす角度を第２角度（β１、β２）とすると、前記第１角度は前記第２角度よりも小さいことが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、支持壁部のピストン頭頂部との連結部における断面積が小さくなり、燃焼圧がピストンに加わった際に、支持壁部のピストン頭頂部との連結部の周縁に応力が加わり易くなる。そのため、応力が分散され、キャビティ側縁内方の薄肉部への応力集中が緩和される。
【発明の効果】
【００１２】
以上の構成によれば、ピストン頭頂部にキャビティが形成されたピストンにおいて、キャビティの側縁部への応力集中を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ピストンが組み付けられたエンジンを示す断面図
【図２】ピストンの断面斜視図
【図３】ピストンの断面図
【図４】ピストンの断面図
【図５】ピストンにピストンピン及びコンロッドを取り付けた状態を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明を４バルブのガソリン直噴エンジンのピストンに適用した実施形態について詳細に説明する。以下の説明では、ピストン１がエンジン２に組み付けられた状態を基準として各方向を定める。
【００１５】
図１に示すように、エンジン２は、シリンダブロック３と、シリンダブロック３の上端面に締結されたシリンダヘッド４とを有している。シリンダブロック３には、シリンダブロック３の上端面に開口する複数のシリンダ（気筒）５が列設されている。シリンダ５を基準として、シリンダ軸線方向を上下方向、シリンダ列方向を左右方向として定める。
【００１６】
シリンダヘッド４の下端面には、シリンダ５と連続する燃焼室凹部６が凹設されている。燃焼室凹部６は、略円錐面状に形成され、２つの吸気ポート７と、２つの排気ポート８とが開口している。燃焼室凹部６において、上下方向及び左右方向に直交する方向の一側に２つの吸気ポート７が配置され、他側に２つの排気ポート８が配置されている。上下方向及び左右方向に直交する方向の一側を吸気側、他側を排気側とする。２つの吸気ポート７は、燃焼室凹部６の吸気側部分において互いに左右対称となる位置に配置されており、２つの排気ポート８は、燃焼室凹部６の排気側部分において互いに左右対称となる位置に配置されている。吸気ポート７及び排気ポート８には、ポペットバルブである吸気バルブ及び排気バルブ（いずれも図示しない）が設けられている。
【００１７】
燃焼室凹部６の中央部には、シリンダヘッド４の上面へと貫通する点火プラグ孔１１が形成され、点火プラグ孔１１には、点火プラグ１２が挿入されている。点火プラグ１２は、その先端に設けられた接地電極１３が点火プラグ孔１１から下方に突出する形で配置されている。燃焼室凹部６の吸気側部分であって、２つの吸気ポート７の間の部分には、シリンダヘッド４の側面へと貫通する噴射ノズル孔１４が形成されている。噴射ノズル孔１４には、燃料噴射ノズル１５が挿入されている。燃料噴射ノズル１５は、その軸線が、上方から見てシリンダ５の径方向と一致し、かつ吸気側から排気側へと延在するようにシリンダヘッド４に配置されている。また、燃料噴射ノズル１５は、その軸線が、左右方向から見て上下方向に対して傾斜し、シリンダ５内においてシリンダ５の軸線と交差するようにシリンダヘッド４に配置されている。
【００１８】
シリンダ５内には、ピストン１が上下動自在に配置されている。図１〜図５に示すように、ピストン１は、左右対称形をなし、円板状のピストン頭頂部（クラウン部）２１と、ピストン頭頂部２１から互いに離間し、かつ対向して垂下した左右一対の支持壁部（ピンボス部）２２と、ピストン頭頂部２１の周縁部の吸気側部分及び排気側部分から下方へと突設された一対のスカート部２３とを有している。ピストン１の中心軸線であるピストン軸線Ａは上下方向と一致している。
【００１９】
ピストン頭頂部２１は、円板状の天板２５と、天板２５の周縁部から下方へと突出すると共に、周縁部に沿って延設された円筒壁２６とを有している。天板２５の上方を向く面を頂面（冠面）２７とし、頂面２７と相反する下方を向く面を裏面２８とする。円筒壁２６の外周面には、周方向に延在する第１環状溝３１、第２環状溝３２及び第３環状溝３３が上から順に形成されている。第３環状溝３３の吸気側部分及び排気側部分のそれぞれには、第３環状溝３３の底面と円筒壁２６の内周面とを連通する第１オイル孔３４が複数形成されている。第１環状溝３１及び第２環状溝３２にはコンプレッションリングが、第３環状溝３３にはオイルリングが、それぞれ嵌め付けられる。
【００２０】
図１〜図３に示すように、ピストン頭頂部２１の頂面２７は、中央部が周縁部に比べて上方へと隆起し、ピストン軸線Ａに直交する平面と平行な面を形成している。ピストン頭頂部２１の頂面２７の吸気側部分であって、左右方向における中央部には、周縁部（吸気側縁）から中央部へと頂面２７の径方向に延在するキャビティ４０が凹設されている。キャビティ４０は、ピストン軸線Ａと直交する平面と概ね平行となる底面４１と、底面４１の周囲に延設された縁壁（側縁）４３〜４５とを有している。キャビティ４０は略長方形を呈し、その排気側及び吸気側に左右方向と平行に延在する排気側縁壁（排気側側縁）４３及び吸気側縁壁４４が配置されている。排気側縁壁４３及び吸気側縁壁４４の左右端部同士は左右縁壁４５によって連結されている。キャビティ４０の吸気側縁壁４４は、底面４１に対する角度が小さく形成され、ピストン頭頂部２１の上下方向における肉厚変化は比較的小さくなっている。一方、キャビティ４０の排気側縁壁４３は、吸気ポート７から流入する吸気の流れをガイドし、点火プラグ１２側に導くべく、底面４１に対して角度が大きく形成され、ピストン頭頂部２１の上下方向における肉厚が大きく変化している。左右縁壁４５は、吸気側から排気側に向うにつれて、底面４１に対する角度が漸増している。
【００２１】
左右一対の支持壁部２２は、互いに対称形をなし、それぞれ天板２５の裏面２８から下方へと突設されている。各支持壁部２２は、主面が左右方向を向き、左右方向に所定の厚みを有する板状に形成され、ピストン軸線Ａを挟んで互いに対向するように配置されている。
【００２２】
図４に示すように、各支持壁部２２の先端部（下端部）は、その互いの相反する面（外面）が略平行に形成されている一方、その互いに対向する面（内面）が先端側に進むほど互いに離間するように傾斜した傾斜面４６を形成している。そのため、各支持壁部２２の先端部は、先端側に進むほど肉厚が薄くなっている。各支持壁部２２の先端部には、左右方向に貫通するピン孔４７が形成されている。ピン孔４７は、円形の断面を有し、その軸線が左右方向に延在している。左右方向に沿った方向から見て、ピン孔４７の軸線は、ピストン軸線Ａと近接した位置に配置されている。図４に示すように、支持壁部２２の先端部の内面に傾斜面４６が形成されているため、ピン孔４７は、その下端部が上端部に対して孔の長さが短くなっている。また、各ピン孔４７は、その内端側部分（ピストン１の中心側部分）に、開口端側に進むほど径が漸増するテーパ面４８を形成している。各ピン孔４７の外端側部分には、周方向に延在する環状のリング溝４９が凹設されている。
【００２３】
図３に示すように、各支持壁部２２の吸気側側縁５１及び排気側側縁５２は、概ね直線状に形成されている。左右方向に沿った方向から見た場合に、各支持壁部２２の吸気側側縁５１と、ピストン軸線Ａと平行に上下方向に延在する直線Ｂとのなす角度を支持壁部２２の吸気側開き角α１とし、各支持壁部２２の排気側側縁５２と直線Ｂとのなす角度を支持壁部２２の排気側開き角α２とする。本実施形態では、吸気側開き角α１及び排気側開き角α２は等しく、略０°に設定されている。各支持壁部２２の基部５４、すなわちピストン頭頂部２１側の部分は、吸気側及び排気側に所定の曲率を有して各幅されている。
【００２４】
図２〜図４に示すように、各支持壁部２２の内面５５であってピン孔４７の直上方に位置する部分には、左右方向に凹設された有底孔（凹部）である肉抜き部５６が形成されている。本実施形態では、肉抜き部５６はピストン頭頂部２１の裏面から離間して各支持壁部２２に形成されている。換言すると、肉抜き部５６を画成する壁は、ピストン頭頂部２１の裏面２８と連続しておらず、支持壁部２２の内面５５に連続している。なお、他の実施形態では、支持壁部２２の内面５５とピストン頭頂部２１の裏面２８の境界に肉抜き部５６を形成し、ピストン頭頂部２１の裏面２８が肉抜き部５６の一部を画成するようにしてもよい。
【００２５】
図３に示すように、左右方向に沿った方向から見て、肉抜き部５６は、キャビティ４０の排気側縁壁４３の直下方に形成され、排気側縁壁４３を跨いで吸気側から排気側へと延在している。左右方向に沿った方向から見た場合に、キャビティ４０の吸気側端縁５８とピン孔４７の中心Ｃとを結ぶ直線と直線Ｂとのなす角度を吸気側肉抜き角β１とし、キャビティ４０の排気側端縁５９とピン孔４７の中心Ｃとを結ぶ直線と直線Ｂとのなす角度を排気側肉抜き角β２とすると、吸気側肉抜き角β１及び排気側肉抜き角β２のそれぞれは、吸気側開き角α１及び排気側開き角α２のいずれよりも大きく設定されている。本実施形態では、左右方向に沿った方向から見た場合に、肉抜き部５６は直線Ｂを対称軸として対称形に形成されており、吸気側肉抜き角β１及び排気側肉抜き角β２は等しくなっている。
【００２６】
各スカート部２３は、円筒壁２６の吸気側部分及び排気側部分から下方へと突設されている。各スカート部２３は、円筒壁２６の下端に沿って周方向に延在し、その外面は円筒壁２６の外周面に連続した円周面となっている。各スカート部２３の外面には、シリンダ５の内周面との摩擦抵抗を低減するために、オイル保持孔が表面に形成された樹脂被膜が形成されていてもよい。各スカート部２３の左端縁及び右端縁は、支持壁部２２の吸気側側縁５１及び排気側側縁５２に結合している。これにより、一対の支持壁部２２及び一対のスカート部２３によって、閉環状の横断面が形成される。スカート部２３は、支持壁部２２に比べて薄肉に形成されており、スカート部２３と支持壁部２２の境界には支持壁部２２の吸気側側縁５１及び排気側側縁５２による段部が形成されている。
【００２７】
図５に示すように、各ピン孔４７には、円筒状のピストンピン６１が挿入される。ピストンピン６１はリング溝４９に嵌め付けられたスナップリング６２によって両端部が係止され、ピン孔４７内に位置決めされる。コンロッド６３の先端部に形成された貫通孔である軸受孔６４に、ピストンピン６１が挿通され、コンロッド６３はピストンピン６１に軸支される。コンロッド６３の先端部は、先端側に進むほど左右方向における幅が狭くなっている。これにより、軸受孔６４の内面は、コンロッド６３の先端側に対応する部分（先端側部分）の面積が、コンロッド６３の基端側に対応する部分（基端側部分）の面積よりも小さくなる。すなわち、軸受孔６４は先端側部分において、基端側部分よりもピストンピン６１との接触面積が小さくなる。
【００２８】
以上のように構成したピストン１の作用効果について説明する。通常、ピストン頭頂部２１は、燃焼圧を受けた際に周縁部が下方へと押し込まれ、中央部が上に凸となるように湾曲する。ピストン頭頂部２１にキャビティ４０を形成すると、キャビティ４０が設けられた部分の肉厚が薄くなり、キャビティ４０の縁壁４３〜４５が設けられた部分で肉厚が急激に厚くなるため、キャビティ４０の底面４１の縁壁４３〜４５近傍の部分に、燃焼圧を受けた際の応力が集中し易くなる。特に、縁壁４３〜４５の内で、ピストン頭頂部の肉厚変化が最も大きくなる排気側縁壁４３付近の底面４１に応力が集中し易くなる。本実施形態に係るピストン１では、排気側縁壁４３の下方の支持壁部２２に肉抜き部５６を形成して肉厚を局部的に薄くしたため、燃焼圧が頂面２７に加わる際に、応力が分散されるようになる。すなわち、支持壁部２２に剛性が低い肉抜き部５６を意図的に形成したことによって、肉抜き部５６へと応力を分散させ、底面４１の排気側縁壁４３近傍への応力集中を抑制することができる。
【００２９】
また、支持壁部２２の吸気側開き角α１及び排気側開き角α２を比較的小さくし、支持壁部２２とピストン頭頂部２１との結合部分を小さくすることによって、ピストン頭頂部２１の変形の支点が支持壁部２２の基部５４の周縁（支持壁部２２がピストン頭頂部２１を支持する部分の境界）となり、この部分に応力が加わり易くなり、底面４１の排気側縁壁４３近傍への応力集中が緩和される。
【００３０】
また、ピストン１では、ピン孔４７の内端側にテーパ面４８を設けたため、燃焼圧が加わり、ピン孔４７がピストンピン６１に荷重を加える際の、ピン孔４７の応力集中が緩和される。テーパ面４８を有さない通常の等径のピン孔では、ピン孔の内端側に応力が集中するが、ピストン１では内端側のテーパ面４８によってピストンピン６１との接触圧が低下し、応力集中が緩和される。
【００３１】
また、ピストン１では、コンロッド６３の先端側の幅を狭くしたことによって、コンロッド６３の軽量化が図れる。コンロッド６３の先端側は、燃焼圧に起因するピストンピン６１からの荷重を受けないため、コンロッド６３の幅を狭くしても十分な剛性を確保することができる。
【００３２】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、キャビティ４０の形状は適宜変更可能であり、肉抜き部５６の形状はキャビティ４０の形状に対応して適宜変更してよい。このとき、肉抜き部５６はキャビティ４０の排気側縁壁４３を跨ぐように配置されていることが好ましい。
【符号の説明】
【００３３】
１…ピストン、２…エンジン、２１…ピストン頭頂部、２２…支持壁部、２３…スカート部、２５…天板、２６…円筒壁、２７…頂面、２８…裏面、４０…キャビティ、４１…底面、４３…縁壁、４３…排気側縁壁（排気側側縁）、４４…吸気側縁壁、４５…左右縁壁、４７…ピン孔、５１…吸気側側縁、５２…排気側側縁、５５…内面、５６…肉抜き部、５８…吸気側端縁、５９…排気側端縁、Ａ…ピストン軸線、Ｂ…直線、Ｃ…ピストンピンの中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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