(57)【要約】【課題】ピストン基部とピストン移動部との離脱を規制する部位に受ける衝撃荷重を簡単な構成で低下させて、ピストンの保護を図る。【解決手段】アッパピストン３とアッパピストン３に対してピストン２の中心軸方向に沿って移動可能なロアピストン４とに分割されて構成された可変圧縮比エンジンのピストン２において、ロアピストン４に、ピストン中心軸に沿う方向に外径が変化するテーパ部を有する略円柱形状のコッタピン３３を固定し、アッパピストン３にコッタピン３３のテーパ部に対応したテーパ状の内周面を有する摩擦部材３４を備え、ロアピストン４の本体部２１がストッパ２８に衝突する前に、テーパ部と内周面とを当接させて、アウタピストン３とインナピストン４との相対速度を低下させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン基部と、
前記ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復運動可能なピストン移動部と、
前記ピストン基部と前記ピストン移動部のどちらか一方に配置され、ピストン中心軸に沿う方向に径が変化する挿入部を有する略円柱形状の凸部材と、
前記ピストン基部と前記ピストン移動部のどちらか他方に、前記凸部材と嵌合可能に形成され、前記挿入部に対応しピストン中心軸に沿う方向に径が変化する被挿入部を有する嵌合部材とを有し、
前記凸部材の挿入部の外径と前記嵌合部材の被挿入部の内径は、前記凸部材の挿入部の外周面と前記嵌合部の被挿入部の内周面が、少なくとも前記ピストン基部と前記ピストン移動部の距離が最大になる際に当接するように設定されることを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記ピストン基部と前記ピストン移動部の間の距離が近づくにつれて、前記凸部材の挿入部の外径は小さくなり、前記嵌合部材の被挿入部の内径は大きくなるように設定され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】
前記嵌合部材は前記ピストン基部に配置され、
前記凸部材は、前記ピストン移動部に形成された貫通孔に挿嵌されて、前記ピストン移動部に固定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン。
【請求項４】
前記ピストン基部の中心部に前記ピストン移動部と正対して配置されたボス部と、
前記ピストン移動部の中心部に前記ボス部と嵌合可能に形成された筒部と、を有し、
前記嵌合部は前記ボス部のピストン移動部に正対して開口した空間内に形成され、
前記凸部材は前記筒部の底面に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮比を可変可能なエンジンのピストン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ピストンをアッパピストンとロアピストンの２重構造にした可変圧縮比エンジンが知られている。可変圧縮比エンジンは、例えば特許文献１のように、アウタピストンの内部にコンロッドに連結されたインナピストンが配置され、インナピストンとアウタピストンとが互いにピストンの摺動方向である中心軸方向と同方向に移動可能に構成されている。
【０００３】
詳しくは、特許文献１では、アウタピストン内に円柱状の収納室が設けられ、インナピストンは収納室内をピストンの中心軸方向に沿って移動可能に配置され、インナピストンとアウタピストンとの間に更ばねが備えられている。これにより燃焼室内の圧力によってアウタピストンが皿ばねの付勢力に抗してインナピストンに向かって移動することで、燃焼室内の圧力に応じて燃焼室の容積が変化し、圧縮比が変更される構成となっている。
【０００４】
また、エンジンの燃焼室の容積を可変する構造として、特許文献２には、燃焼室に連通する副室において容積を可変可能なエンジンが提案されている。特許文献２のエンジンでは、副室内に移動可能なピストン状の移動部材を備え、移動部材の移動により副室内の容積を変化させることで、副室と燃焼室の合計容積を変化可能にしている。移動部材は燃焼室内の圧力に応じて移動し、更に移動部材に当接することで移動位置を制限するストッパ（係止部）が備えられている。また、ストッパに接触する部材（嵌合部材）を移動部材に備え、移動部材と嵌合部材との間に気体を封入するようにして、気体の圧縮による反発力を利用して、移動部材とストッパとの衝突速度を低減させる機構を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１３７０６０号公報
【特許文献２】特開２０１２−９７６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、アウタピストンに対してインナピストンが離間する方向に移動した際に、アウタピストンの収納室からインナピストンが離脱しないように、アウタピストンの内周面に円周溝が設けられ、当該円周溝にインナピストンが所定以上離間する方向への移動を規制するストッパ（スナップリング）が支持されている。
しかしながら、特許文献１のように、ストッパによりインナピストンとアウタピストンとの離脱を規制する構造の可変圧縮比エンジンでは、シリンダの往復動毎にインナピストンがストッパに衝突する。したがって、この衝突時に繰り返し受ける応力に耐えうるように、アウタピストンの円周溝の周囲の強度を確保する必要があり、ピストンの重量増加を招く虞がある。
【０００７】
そこで、インナピストンとストッパとの衝突時における衝撃荷重を低減させるために、特許文献２のような気体の圧縮を利用した衝突速度の低下を図る機構を採用しようとしても、構造が複雑化する虞がある。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ピストン基部（アウタピストン）とピストン移動部（インナピストン）との離脱を規制する部位に受ける衝撃荷重を簡単な構成で低下させ、ピストンの保護を図ることのできる可変圧縮比エンジンに用いられるピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１のピストンでは、ピストン基部と、ピストン基部に対してピストン中心軸方向に往復動可能なピストン移動部と、ピストン基部とピストン移動部のどちらか一方に配置され、ピストン中心軸に沿う方向に径が変化する挿入部を有する略円柱形状の凸部材と、ピストン基部とピストン移動部のどちらか他方に、凸部材と嵌合可能に形成され、挿入部に対応しピストン中心軸に沿う方向に径が変化する被挿入部を有する嵌合部材とを有し、凸部材の挿入部の外径と嵌合部材の被挿入部の内径は、凸部材の挿入部の外周面と嵌合部の被挿入部の内周面が、少なくともピストン基部とピストン移動部の距離が最大になる際に当接するように設定されることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２のピストンでは、請求項１において、ピストン基部とピストン移動部の間の距離が近づくにつれて、凸部材の挿入部の外径は小さくなり、嵌合部材の被挿入部の内径は大きくなるように設定されていることを特徴とする。
また、請求項３のピストンでは、請求項１又は２において、嵌合部材はピストン基部に配置され、凸部材は、ピストン移動部に形成された貫通孔に挿嵌されて、ピストン移動部に固定されることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４のピストンでは、請求項１から３のいずれか１項において、ピストン基部の中心部にピストン移動部と正対して配置されたボス部と、ピストン移動部の中心部にボス部と嵌合可能に形成された筒部と、を有し、嵌合部はボス部のピストン移動部に正対して開口した空間内に形成され、凸部材は筒部の底面に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、ピストン基部に対してピストン移動部がピストン中心軸方向に移動可能であるので、シリンダ内のピストン基部の位置を移動させることで、シリンダ内の燃焼室の容積を変更して、圧縮比を変更することができる。
そして、少なくともピストン基部とピストン移動部の距離が最大になる際に、凸部材の挿入部の外周面と嵌合部の被挿入部の内周面とが当接するので、凸部材と嵌合部との摩擦により、ピストン基部とピストン移動部との相対速度を低減させることができる。これにより、例えばストッパのようなピストン基部とピストン移動部の距離が最大を超えないように規制する部位が受ける力を抑制し、ピストンの保護を図ることができる。
【００１２】
また、請求項２の発明によれば、ピストン基部とピストン移動部の間の距離が近づくにつれて、凸部材と嵌合部との摩擦が低減される。したがって、ピストン基部とピストン移動部の間の距離に応じて、凸部材と嵌合部との摩擦力を徐々に変化させることができ、ピストン基部とピストン移動部との相対速度の急激な変化を抑え、ピストンの更なる保護を図ることができる。
【００１３】
また、請求項３の発明によれば、ピストン基部に配置された嵌合部材の貫通孔に、略円柱形状の凸部材を挿嵌してピストン移動部に固定するので、凸部材を容易にピストン移動部に設けることができる。
また、請求項４の発明によれば、ピストン基部の中心部に嵌合部が形成されるとともに、ピストン移動部の中心部にボス部に嵌合する凸部材が形成され、嵌合部及び凸部材をピストンの中心部にコンパクトに配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る可変圧縮比エンジンのピストンの構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態の衝撃吸収機構の構造を示す縦断面図である。
【図３】本実施形態の衝撃吸収機構の横断面図である。
【図４】ピストン内の移動状態を示し、（Ａ）は低圧縮比状態、（Ｂ）は高圧縮比状態を示す。
【図５】クランク角に対する筒内圧とスナップリングに受ける振動加速度の推移を示すグラフの一例である。
【図６】摩擦板の外周面の断面形状の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る可変圧縮比機構エンジンのピストン２の構造を示す断面図である。図２は、本実施形態の衝撃吸収機構３２の構造を示す縦断面図である。図３は、衝撃吸収機構３２の構造を示す横断面図であり、図２に示すＡ−Ａ部の断面図である。図４は、ピストン内の移動状態を示す断面図であり、（Ａ）は低圧縮比状態、（Ｂ）は高圧縮比状態を示す。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係る可変圧縮比機構エンジン（以下、エンジンという）のシリンダ１内には、ピストン２がその中心軸方向（図１中の上下方向）に摺動可能に配置されている。
本実施形態のピストン２は、アッパピストン３（ピストン基部）と、アッパピストン３に対してピストン２の中心軸方向に往復動可能なロアピストン４（ピストン移動部）とを備えた２重構造になっている。
【００１７】
アッパピストン３は、上部を閉鎖した円筒状に形成されており、ピストン２の外形を成し、上部のピストンヘッド５と側壁部６により構成されている。ピストンヘッド５は、円板状に形成され、上面５ａが燃焼室７に面している。側壁部６は、ピストンヘッド５の周縁部下面より下方（燃焼室７とは反対側）に延びた円筒状に形成され、上部にピストンリング８を支持するためのリング溝９が複数設けられている。
【００１８】
また、ピストンヘッド５の下面中心部には、下方に突出する円柱状のボス部１０が設けられている。
ロアピストン４は、アッパピストン３内に収納されており、アッパピストン３内を上下方向（ピストン２の中心軸動方向）に移動可能に配置されている。ロアピストン４は、円板状の本体部２１と、コネクティングロッドと連結するピンボス２２と、円筒状の筒部２３とが備えられている。
【００１９】
本体部２１の外周端部とアッパピストン３の内周壁３ａとの間に若干の隙間が設けられるように、本体部２１の直径が設定されている。
ピンボス２２は、本体部２１の下面から下方に突出するように設けられ、図示しないエンジンのコネクティングロッドの一端部にピストンピン２４を介して枢支されている。
筒部２３は、本体部２１の上面中心部から上方に突出するように設けられ、上方からアッパピストン３のボス部１０が略隙間なく滑らかに挿入されるように形成されている。ボス部１０と筒部２３は、アッパピストン３とロアピストン４が上下方向に移動可能なようにガイドをする機能を有している。また、ロアピストン４の本体部２１とアッパピストン３のピストンヘッド５とが近づく方向に移動したときに、ピストンヘッド５とロアピストン４の本体部２１との間に空間が形成されるように、筒部２３の突出長さが設定されている。
【００２０】
ピストンヘッド５とロアピストン４との間の空間である収納室２５には、皿ばね２６が収納されている。皿ばね２６は、アッパピストン３のピストンヘッド５とロアピストン４の本体部２１とが離間する方向に付勢されるように配置されている。
アッパピストン３の側壁部６の内周面の上下方向略中央部には、リング溝２７が設けられている。そして、このリング溝２７には、ばね鋼により一部が開口した円環板状に形成されたスナップリング２８が嵌入されている。
【００２１】
スナップリング２８は、アッパピストン３内に皿ばね２６とともにロアピストン４が収納された際に、ロアピストン４の本体部２１よりも下方に配置されており、ロアピストン４の所定以上の下方への移動、即ちアッパピストン３のピストンヘッド５に対してロアピストン４が離間する方向への所定以上の移動を規制するストッパとしての機能を有する。
本実施形態では、アッパピストン３の収納室２５内に皿ばね２６を入れて、ロアピストン４によって収納室２５に蓋をして、スナップリング２８をアッパピストン３に締結することで、アッパピストン３とロアピストン４とが一体化するように組み立てられる。
【００２２】
更に、図２、図３に示すように、本実施形態では、アッパピストン３のボス部１０の下端部にピン収納孔３１が設けられ、当該ピン収納孔３１に衝撃吸収機構３２が備えられている。
ピン収納孔３１は、略円柱状の孔であって、ボス部１０の中心軸と同軸上に配置され、ボス部１０の下端面で開口するように設けられている。
【００２３】
衝撃吸収機構３２は、ロアピストン４に締結されたコッタピン３３（凸部材）と、コッタピン３３と摺接する２枚の摩擦板３４（嵌合部材）と、摩擦板３４をボス部１０に支持する蓋３５とを備えて構成されている。
ロアピストン４の本体部２１の中心、即ち筒部２３の底面には、コッタピン３３の下部を挿入する貫通孔３６が軸方向（上下方向）に延びて貫通するように設けられている。コッタピン３３は、下部（先端部）に雄ねじ部３７が形成され、軸線方向中央部に径方向外方に突出する鍔部３８が設けられている。コッタピン３３は、本体部２１に設けられた貫通孔３６に上方から挿入され、本体部２１から下方に突出した雄ねじ部３７にナット３９を締結することで、鍔部３８とナット３９により本体部２１を挟んで、本体部２１に固定される。コッタピン３３の上端部には、上方に向かって徐々に外径が大きくなるテーパ部４０（挿入部）が形成されている。
【００２４】
摩擦板３４は、表面の摩擦係数が比較的高い材質によって、扇形の板状に形成されている。摩擦板３４は、アッパピストン３のピン収納孔３１内に、２枚でコッタピン３３のテーパ部４０を挟むように配置されている。２枚の摩擦板３４は、コッタピン３３の中心軸と垂直な面で移動可能に支持されており、スプリング４１により互いに中心部、即ちコッタピン３３に向かって付勢されている。摩擦板３４の内周面３４ｂ（被挿入部）は、コッタピン３３のテーパ部４０に対応して上方に向かって徐々に内径が大きくなるように形成されている。したがって、２つの摩擦板３４によって、その中心部にコッタピン３３が嵌合されるテーパ状の孔が形成される構造になっている。
【００２５】
蓋３５は、中心部にコッタピン３３が通過する孔４２を有し、外周部に雄ねじ部４３が形成された円環形状に形成されている。
ピン収納孔３１の内周壁の下部には雌ねじ部４４が形成されており、ピン収納孔３１内に摩擦板３４を収納して当該雌ねじ部４４に蓋３５が締結されることで、摩擦板３４は、ピン収納孔３１内に収納される。
【００２６】
アッパピストン３のボス部１０の先端部側面には、２つの摩擦板３４の外周面３４ａに夫々面し筒部２３の内周面２３ａに正対して開口部が設けられており、摩擦板３４がスプリング４１に抗して径方向外方に夫々移動したときに、摩擦板３４の外周面３４ａがボス部１０の開口部から外方に突出可能に構成されている。
摩擦板３４はアッパピストン３とともに上下方向に移動するように支持され、コッタピン３３はロアピストン４に固定されている。また、コッタピン３３のテーパ部４０と摩擦板３４の内周面３４ｂとが当接するように構成されているので、アッパピストン３とロアピストン４とが離間する方向に移動すると、摩擦板３４を外方に移動させ、摩擦板３４の外周面３４ａが開口部から外方に突出してロアピストン４の筒部２３の内周面２３ａに当接する。
【００２７】
以上のように、本実施形態のピストン２は、アッパピストン３とロアピストン４とが一体となって構成され、更にロアピストン４に対してアッパピストン３がピストン２の中心軸方向である上下方向に移動可能である。アッパピストン３のピストンヘッド５とロアピストン４とは皿ばね２６によって離間する方向に付勢されており、燃焼室７内の圧力が高い状態では、図４（Ａ）に示すように、アッパピストン３が皿ばね２６の付勢力に抗して下方に移動する。
【００２８】
また、燃焼室７内の圧力が低い状態では、図４（Ｂ）に示すように、ロアピストン４に対してアッパピストン３が上方へ移動する。このとき、ロアピストン４の本体部２１の外周部の下面がストッパ２８に当接して、アッパピストン３とロアピストン４との分離が規制される。
このように、アッパピストン３が、コネクティングロッドに連結されるロアピストン４に対して、ピストン２の中心軸方向に沿って移動可能であるので、アッパピストン３とロアピストン４との相対移動により燃焼室７内の容積を変化させることができ、圧縮比を変化させることができる。
【００２９】
例えばピストン２が上死点付近で燃焼室７内の圧力が必要以上に上昇したときには、アッパピストン３が下方に移動して燃焼室７内の容積を増加させることで、圧縮比を低下させてノッキングを防止することができる。また、エンジンの低負荷時に圧縮圧力が低下したような場合には、燃焼室７内の容積を減少させて圧縮比を上昇させることができ、燃費の低減を図ることができる。よって、ロアピストン４とアッパピストン３とを相対移動させるためのアクチュエータ等を用いずに皿ばね２６を用いた簡単な構成により、圧縮比を適切に設定可能なエンジンにすることができる。
【００３０】
そして、本実施形態では、アッパピストン３のボス部１０に衝撃吸収機構３２が備えられていることを特徴とする。
衝撃吸収機構３２は、図４（Ｂ）に示すようにアッパピストン３のピストンヘッド５に対してロアピストン４が離間する方向に移動すると、摩擦板３４の外周面３４ａが筒部２３の内周面２３ａに当接するので、アッパピストン３に支持された摩擦板３４とロアピストン４との摩擦により、アッパピストン３に支持されたスナップリング２８とロアピストン４との相対速度が低下し、スナップリング２８への衝突荷重を低減させることができる。したがって、アッパピストン３のスナップリング２８を支持する部位の強度を抑制することができ、ピストン２の重量を低減することが可能となる。
【００３１】
本実施形態では、衝撃吸収機構３２をコッタピン３３と摩擦板３４によって構成しているので、簡単な構成でスナップリング２８とロアピストン４との衝突速度を低下させることができる。特に、テーパ部４０を用いた構成により、スナップリング２８とロアピストン４とが近づくほど、摩擦板３４が径方向外方に突出してロアピストン４との摩擦力が増大するので、衝突直前に効果的に速度を低下させることができる。
【００３２】
また、衝撃吸収機構３２は、アッパピストン３のボス部１０に設けられたピン収納孔３１に設けられているので、ピストン２の中央部に衝撃吸収機構３２をコンパクトに構成することができる。
図５は、クランク角に対する筒内圧（燃焼室７内の圧力）とスナップリング２８が受ける振動加速度の推移を示すグラフの一例である。なお、図５中の破線で示す筒内圧（Ｃ）は、通常エンジンの高圧縮比のものであり、実線で示す筒内圧（Ｄ）が当該可変圧縮比を使ったものである。
【００３３】
図５に示すように、筒内圧は、上死点付近で最も上昇する。したがって、本実施形態のエンジンでは、筒内圧の上昇に伴って、アッパピストン３のピストンヘッド５とロアピストン４とが相対的に近づく方向に移動して、図中実線で示すように、圧縮比を低下させる。また、上死点から３０度弱進角させた位置、即ち筒内圧が低下して高圧縮比に復元したときにロアピストン４がスナップリング２８に衝突して、図５に示すように振動加速度が大きく発生するので、この高圧縮比に復元する直前に摩擦板３４の外周面３４ａと筒部２３の内周面２３ａとの摩擦力が所定値以上得られ、ロアピストン４とスナップリング２８との衝突速度が十分に低下するように、摩擦板３４の大きさ等を設定することで、振動加速度の大きな振れをタイミングよく、効果的に低減させることができる。
【００３４】
なお、上記実施形態において、更に、摩擦板３４の外周面３４ａあるいはロアピストン４の筒部２３の内周面２３ａのいずれかを、鋸状の断面とするとよい。このようにすれば、摩擦板３４と筒部２３の内周面との摩擦力を相対移動方向によって異なることができる。例えば、摩擦板３４の外周面３４ａを図６に示すように鋸状の断面にすれば、アッパピストン３のピストンヘッド５とロアピストン４とが離間する方向、即ちロアピストン４とスナップリング２８とが近づく方向への摩擦力が大きく、ピストンヘッド５とロアピストン４とが近づく方向への摩擦力を小さくすることができる。これにより、ロアピストン４とスナップリング２８との衝突速度をより低下させることができるとともに、ピストンヘッド５とロアピストン４とが近づく方向への移動を迅速に行い、低圧縮比状態への移行を迅速に行うことができる。
【００３５】
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態の衝撃吸収機構３２は、コッタピン３３により摩擦板３４を径方向外方に移動させたときに、摩擦板３４の外周面３４ａとロアピストン４の筒部２３の内周面２３ａとが接触して摩擦力が発生するが、例えば摩擦板３４の外周面３４ａをピン収納孔３１の内周面に接触させて摩擦板３４の所定以上の径方向外方への移動を規制するようにしてよい。これにより、摩擦板３４の内周面３４ｂとコッタピン３３のテーパ部４０とでの摩擦力が増加して、アッパピストン３とロアピストン４との相対的な移動速度を低下させ、ロアピストン４とスナップリング２８との衝突速度を低減させることができる。
【００３６】
また、上記衝撃吸収機構３２におけるスプリング４１をなくし、２つの摩擦板３４が互いに引き合うように、摩擦板３４を磁石にしてもよい。このようにしても、スプリング４１と同様に、２つの摩擦板３４をコッタピン３３に向けて付勢することができる。
なお、衝撃吸収機構３２は、アッパピストン３とロアピストン４との相対的な移動をテーパを用いて摩擦板の移動に変換し、摩擦板における摩擦によってアッパピストン３とロアピストン４との相対速度を低減させる機構であればよい。
【００３７】
例えば、衝撃吸収機構３２については、少なくとも、ロアピストン４の本体部２１がスナップリング２８に接触する前、即ちアッパピストン３とロアピストン４との距離が最大となる前に、コッタピン３３のテーパ部４０と摩擦板３４の内周面３４ｂとが当接し、摩擦力を発生させて、アッパピストン３とロアピストン４との相対速度が低下するように構成すればよい。
【００３８】
また、コッタピン３３をアッパピストン３に設け、摩擦板３４をロアピストン４に設けてもよい。
また、上記実施形態では、アッパピストン３とロアピストン４との間に皿ばね２６が設けられ、燃焼室７の圧力に応じて自動的にアッパピストン３とロアピストン４との相対位置が規定されるが、例えばアッパピストン３とロアピストン４との間の収納室２５に流体を封入したピストンや、収納室２５に作動油等を供給してアッパピストン３とロアピストン４との相対位置を制御可能な構造のエンジンにおいても本願発明を適用可能であり、ピストンを有するエンジンに本願発明を広く適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
２  ピストン
３  アッパピストン（ピストン基部）
４  ロアピストン（ピストン移動部）
１０  ボス部
２３  筒部
３３  コッタピン（凸部材）
３４  摩擦板（嵌合部材）
３４ｂ  内周面（被挿入部）
４０  テーパ部（挿入部）
【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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【図６】
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