(57)【要約】【課題】  ピストンスラップ音を有効に抑制することができる内燃機関およびピストン部材を提供することを目的とする。【解決手段】  断面円弧状でピストン３０の外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有した首振り防止部材４０を、ピストン３０とシリンダ２０との間に介在させるようにし、ピストン３０が首振りしてピストン３０とシリンダ２０のクリアランスが小さくなると、ピストン３０とシリンダ２０との間に挟み込まれた首振り防止部材４０が弾性変形し、それによって発揮する反発力（セット荷重）により、ピストン３０の首振りを防止する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のシリンダと、
前記シリンダ内で往復動するピストンと、
断面円弧状で前記ピストンの外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有し、前記ピストンと前記シリンダの間に外方に向けて凸となるよう介在し、前記ピストンとともに往復動する弾性部材と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記弾性部材は、前記ピストンの外周部に、前記ピストンよりも外方に突出するように装着されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記弾性部材は、その開き角が３０〜９０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記ピストンは、前記ピストンの往復動方向および前記ピストンの周方向への前記弾性部材の移動を規制する移動規制部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記弾性部材は、その表面に摺動性を高めるための表面処理がなされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項６】
内燃機関のピストン部材であって、
ピストン本体と、
断面円弧状で前記ピストン本体の外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有し、前記ピストン本体を前記内燃機関に組み込んだときに、前記ピストン本体と前記内燃機関のシリンダとの間に外方に向けて凸となる状態で介在するよう、前記ピストン本体の外周部に装着される弾性部材と、
を備えることを特徴とするピストン部材。
【請求項７】
前記弾性部材は、断面円弧状で、前記ピストン本体の外周面に沿うように位置する湾曲面部と、前記湾曲面部からその湾曲方向内方に向けて突出するつば部と、を有し、
前記ピストン本体には、前記つば部が挿入される溝が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のピストン部材。
【請求項８】
前記ピストン本体には、前記湾曲面部を収める凹部が設けられ、
前記弾性部材は、前記湾曲面部を前記凹部に収めた状態で、前記ピストン本体よりも外方に突出することを特徴とする請求項７に記載のピストン部材。
【請求項９】
前記ピストン本体には、前記弾性部材を収める段部が形成されるとともに、前記ピストン本体の周方向への前記弾性部材の移動を規制するストッパ部材が設けられ、
前記弾性部材は、前記湾曲面部を前記段部に収めた状態で、前記ピストン本体よりも外方に突出することを特徴とする請求項７に記載のピストン部材。
【請求項１０】
前記つば部は、前記湾曲面部の周方向において一部が切り欠かれていることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載のピストン部材。
【請求項１１】
前記つば部および／または前記湾曲面部の内周側の面の両端部は、前記ピストン本体の外周面と略等しい曲率半径で形成されていることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載のピストン部材。                                                     
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、およびそれに用いられるピストン部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の作動時に発生する騒音の一つに、ピストンスラップ音がある。これは、シリンダ内でピストンが往復動する際、上死点を僅かに過ぎた位置で燃焼室内での燃料の燃焼による圧力を受けると、上死点を過ぎた位置ではコンロッド（連接棒）が斜めになっているため、前記の圧力に対する反力がコンロッドの軸線方向に作用し、その結果、ピストンがピストンピンを中心として揺動（以下、これをピストンの首振りと称する）して、ピストンのスカート部がシリンダライナに衝突することによって発生するものである。
【０００３】
このピストンスラップ音を抑えるために、従来より様々な工夫がなされてきた。断面形状がほぼ真円に近いピストン頭部に対し、スカート部の断面を楕円形状とし、これによって、ピストンの首振り方向におけるピストンのスカート部とシリンダとのクリアランスを小さくするのが一つの手法である。
この他に、ピストンの外周部に、ピストン外周面に沿った円弧状断面の外環部材を設け、この外環部材を、バネや油圧等によって外方、すなわちシリンダに向けて押圧することで、ピストンの首振りが生じようとしたときに抗力を発揮し、ピストンの首振りを抑えよう、という提案等がなされている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−７１３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したような外環部材を設けた従来の技術においては、以下に示すような問題が存在する。
一つには、特許文献１に記載の技術では、ピストンに対し、外環部材、バネ、さらに衝撃を緩和するための緩衝部材を取り付けなければならず、部品点数が多く、内燃機関の組み立てに手間がかかり、コスト上昇にもつながる。
【０００６】
また、ピストンが首振りを生じたときに、外環部材、バネ等の弾性部材で、ピストンスラップ音を有効に抑制するためには、弾性部材が高いセット荷重を発揮する必要がある。ところが、ピストンとシリンダとのクリアランスは、１ｍｍ以内の微小なものである。このため、図１０に示すように、微小な変位量で高い荷重を発揮するには、初期の状態、つまりピストンが首振りを生じていない状態でも、高いセット荷重を有することとなる。なお、図１０において、点ｐは、初期状態でのセット荷重、点ｑは、ピストンが首振りを生じ、微小な変位を生じたときの荷重を示すものである。
このように、初期状態でも高いセット荷重を有したバネを用いると、外環部材は常にシリンダライナに押圧されることになる。その結果、ピストンがシリンダ内を往復動する際のフリクションが増大し、内燃機関の出力ロスに繋がるばかりか、シリンダライナの摩耗を早め、内燃機関の耐久性にも悪影響を与える。
【０００７】
上記のような問題が存在するため、様々な提案がなされてはいるものの、外環部材等の部材を別途付加する構成は実際には採用されていないのが実情である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ピストンスラップ音を有効に抑制することができる内燃機関およびピストン部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもと、本発明の内燃機関は、筒状のシリンダと、シリンダ内で往復動するピストンと、断面円弧状でピストンの外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有し、ピストンとシリンダの間に外方に向けて凸となるよう介在し、ピストンとともに往復動する弾性部材と、を備えることを特徴とする。
このように、断面円弧状でピストンの外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有した弾性部材を、ピストンとシリンダの間に外方に向けて凸となるよう介在させると、弾性部材は、ピストンの外周部に、ピストンよりも外方に突出する。
これにより、シリンダ内でピストンが首振りしようとしたときには、弾性部材が弾性変形することで、ピストンがシリンダに衝突するのを防止できる。このとき、上記したような弾性部材は、通常の板バネやコイルバネに比較すれば、高い弾性を発揮することができる。
この弾性部材は、その開き角が３０〜９０°となるように形成するのが好ましい。開き角が小さすぎると剛性が高くなりすぎ、逆に開き角が大きすぎると、剛性が低くなり、さらには、弾性部材も大きくなるため重量増にもつながる。
ところで、ピストンには、ピストンの往復動方向およびピストンの周方向への弾性部材の移動を規制する移動規制部を形成するのが好ましい。このような移動規制部は、溝や凹部、段部等、いかなる構成であっても良い。
また、弾性部材には、その表面に摺動性を高めるための表面処理を施してもよい。
【０００９】
本発明は、内燃機関のピストン部材であって、ピストン本体と、断面円弧状でピストン本体の外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有し、ピストン本体を内燃機関に組み込んだときに、ピストン本体と内燃機関のシリンダのとの間に外方に向けて凸となる状態で介在するよう、ピストン本体の外周部に装着される弾性部材と、を備えることを特徴とする。
弾性部材は、断面円弧状で、ピストン本体の外周面に沿うように位置する湾曲面部と、湾曲面部からその湾曲方向内方に向けて突出するつば部と、を有したものとすることができる。つば部を形成する場合、ピストン本体に、つば部が挿入される溝を形成するのが好ましい。
【００１０】
ピストン本体に、湾曲面部を収める凹部を設け、弾性部材は、湾曲面部を凹部に収めた状態で、ピストン本体よりも外方に突出するようにしても良い。
また、ピストン本体に、弾性部材を収める段部を形成し、弾性部材の湾曲面部を段部に収めた状態で、ピストン本体の周方向への弾性部材の移動を規制するストッパ部材を設けても良く、その場合、弾性部材は、湾曲面部を段部に収めた状態で、ピストン本体よりも外方に突出するようにするのが良い。
【００１１】
つば部は、湾曲面部の周方向において一部を切り欠いても良い。これによりつば部の剛性を調整することができる。
また、つば部および／または湾曲面部の内周側の面の両端部は、ピストン本体の外周面と略等しい曲率半径で形成するようにしても良い。これにより、つば部および／または湾曲面部の内周側の両端部は、ピストン本体の外周面に面接触することになる。その結果、ピストンと弾性部材との接触部分における摩耗を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、断面円弧状でピストンの外周面の曲率半径より小さな曲率半径を有した弾性部材によりピストンの首振りを抑え、ピストンスラップ音の発生を有効に抑制することができる。また、弾性部材をピストンに付加するのみでよいため、部品点数の増加も最小限で済み、組み立ての手間が大幅に増大することや、コストが大幅に上昇するのを回避することができる。さらに、ピストン外周部の曲率半径より小さな曲率半径で形成した弾性部材は、通常のバネよりも剛性が高く、微小なストロークでも高い荷重を発揮することができる。そして、ピストンに首振りが生じていない初期状態では、ピストンとシリンダの間で弾性変形をほとんど生じない状態とすることができ、無用なフリクションの増大を防止でき、内燃機関の出力ロス、内燃機関の耐久性低下を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における内燃機関１０の構成を説明するための図である。なお、以下の説明において、上、下といった方向を用いることがあるが、これは、図１における上下方向を指すものであり、実際のピストンの設置状態における上下方向を指すものではない。
この図１に示すように、内燃機関１０は、筒状のシリンダ２０と、このシリンダ２０内に収められたピストン（ピストン本体）３０、を備えている。
ピストン３０は、図示しないクランクシャフトに、コンロッド２１を介して連結され、クランクシャフトの回転がコンロッド２１を介してピストン３０に伝達されることで、シリンダ２０内でシリンダ２０の軸線に沿った方向に往復動するようになっている。
【００１４】
図１および図２に示すように、ピストン３０は、上面にヘッド面３１が形成され、ヘッド面３１の外周部から下方に向けて延びるスカート部３２が一体に形成された形状を有している。本実施の形態において、スカート部３２は、その上部３２ａがヘッド面３１と同様の断面形状、すなわち円形断面とされ、下部３２ｂは相対向する部分が切り欠かれて一対の平行面部３２ｃ、３２ｃが形成され、残る部分が上部３２ａに連続する湾曲面部３２ｄ、３２ｄとされている。
図１および図３に示すように、スカート部３２の平行面部３２ｃ、３２ｃには、コンロッド２１にピストン３０を連結するためのピストンピン（図示無し）を挿入するためのピン孔３３が形成されている。
図１および図２に示したように、スカート部３２の上部３２ａには、ピストンリング（図示無し）を装着するため、周方向に連続するリング溝３４が、上下に間隔を隔てて所定数形成されている。ここに装着されるピストンリング（図示無し）により、シリンダ２０とピストン３０との隙間でのシール性が確保される。
【００１５】
図１から図３に示したように、スカート部３２の湾曲面部３２ｄには、リング溝３４のさらに下方に、周方向に連続する溝（移動規制部）３５が形成されている。この溝３５は、両端が平行面部３２ｃ、３２ｃに到達するよう形成されている。
図１から図４に示したように、湾曲面部３２ｄには、溝３５の下方に連続して凹部（移動規制部）３６が形成されている。この凹部３６は、湾曲面部３２ｄに対する深さが、溝３５よりも小さくなるように形成されている。またこの凹部３６は、両端が平行面部３２ｃ、３２ｃに到達しないように形成され、これによって凹部３６の両側には湾曲面部３２ｄが位置している。
【００１６】
図２から図４に示したように、このような溝３５および凹部３６には、ピストン３０の首振りを防止する首振り防止部材（弾性部材）４０が設けられている。この首振り防止部材４０は、その表面に、二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化黒鉛等の固体潤滑剤を含有させた分散めっき等の手法により、表面処理を施すのが好ましい。これによりピストン３０がシリンダ２０内で往復動するときの首振り防止部材４０とシリンダ２０の間での摩擦を抑え、摺動性を高めることができる。
図５（ａ）に示すように、首振り防止部材４０は、所定の曲率半径で湾曲した湾曲面部４１と、湾曲面部４１の上端部から湾曲方向内方に向けて突出したつば部４２とから形成されている。図３および図４に示したように、湾曲面部４１の厚さは凹部３６の深さと同等とされ、つば部４２の厚さは溝３５の深さと同等とされている。
【００１７】
図５（ｂ）に示すように、湾曲面部４１は、その内周面側の曲率半径Ｒ１が、ピストン３０の凹部３６の曲率半径Ｒ２より小さくなるように形成されている。また、湾曲面部４１の両端部４１ａ、４１ａは、その内周面側の曲率半径Ｒ３が、ピストン３０の凹部３６の曲率半径Ｒ２と略等しくなるように形成されている。
図３に示したように、つば部４２も、同様に、その内周面側の曲率半径Ｒ４が、ピストン３０の溝３５の曲率半径Ｒ５より小さくなるように形成されている。また、つば部４２の両端部４２ａ、４２ａは、その内周面側の曲率半径が、ピストン３０の溝３５の曲率半径Ｒ５と略等しくなるように形成されている。
そして、このように全体が円弧状をなした首振り防止部材４０は、その開き角θを３０〜９０°とするのが好ましい。
【００１８】
図３および図４に示すように、このような首振り防止部材４０は、つば部４２がピストン３０の溝３５に挿入され、湾曲面部４１がピストン３０の凹部３６に収められた状態で外方に凸となるよう、ピストン３０に対して装着される。
このとき、湾曲面部４１、つば部４２は、その内周面側の曲率半径Ｒ１、Ｒ４が、凹部３６、溝３５の曲率半径Ｒ２、Ｒ５よりも小さいため、湾曲面部４１、つば部４２は、その外周面側の中央部４１ｂ、４２ｂが、ピストン３０の湾曲面部３２ｄよりも外方に突出した状態となる。
この状態で、湾曲面部４１、つば部４２は、ピストン３０の凹部３６と溝３５に接触するが、湾曲面部４１の両端部４１ａ、４１ａは内周面側の曲率半径Ｒ３が凹部３６の曲率半径Ｒ２と略等しく、つば部４２の両端部４２ａ、４２ａは内周面側の曲率半径Ｒ４が溝３５の曲率半径Ｒ５と略等しいので、湾曲面部４１の両端部４１ａ、４１ａ、つば部４２の両端部４２ａ、４２ａは、ピストン３０の凹部３６と溝３５に面接触する状態となる。これにより、ピストン３０と首振り防止部材４０との接触部の摩耗を抑えることができる。
【００１９】
このようにしてピストン３０に装着される首振り防止部材４０は、つば部４２が溝３５に挿入された状態でピストン３０とシリンダ２０の間に挟み込まれることで、脱落しないようになっている。この状態で、首振り防止部材４０は、溝３５により上下方向への移動が規制され、ピストン３０とともにシリンダ２０内で往復動する。また、首振り防止部材４０は、凹部３６によりピストン３０の周方向への移動が規制されるようになっている。
ピストン３０がシリンダ２０内に組み込まれた状態では、ピストン３０の湾曲面部３２ｄよりも外方に突出した状態の湾曲面部４１、つば部４２の中央部４１ｂ、４２ｂが、シリンダ２０に接触する。この状態で、首振り防止部材４０は、シリンダ２０に対し、湾曲面部４１、つば部４２の中央部４１ｂ、４２ｂが上下方向に延びる線状の領域で接触、すなわち線接触する。
【００２０】
ピストン３０が首振りしてピストン３０とシリンダ２０のクリアランスが小さくなると、ピストン３０とシリンダ２０との間に挟み込まれた首振り防止部材４０は、弾性変形し、それによって発揮する反発力（荷重）により、ピストン３０の首振りを防止する。このとき、首振り防止部材４０は、通常のコイルばねや板ばね等に比較すれば、剛性が高い。ピストン３０が首振りを生じようとすると、湾曲した首振り防止部材４０には、湾曲面部４１、つば部４２の中央部４１ｂ、４２ｂと、湾曲面部４１、つば部４２の両端部４１ａ、４２ａとから、相対向する方向の外力が入力される。このとき、接点が少なく、しかも高剛性の首振り防止部材４０は、断面二次モーメントも大きいため、僅かな変位で大きな荷重を発揮することができる。
また、ピストン３０がピストンピン回りに揺動しても、このときには首振り防止部材４０が弾性変形しながら、シリンダ２０に対して最も強く接触する位置が、上下方向に連続的に移動するので、ピストン３０がシリンダ２０に衝撃的に接触するのを防止できる。
このようにして、首振り防止部材４０によって、ピストン３０の首振りを有効に防止することができ、ピストンスラップ音の発生を抑制することが可能となる。
【００２１】
また、首振り防止部材４０は、ピストン３０とシリンダ２０とに挟み込まれ、ピストン３０が首振りを生じていないときには、弾性変形を生じていない状態とすることもできる。接触したとしても、首振り防止部材４０は、シリンダ２０に対し、湾曲面部４１、つば部４２の中央部４１ｂ、４２ｂが線接触するのみである。これにより、通常状態においては、ピストン３０がシリンダ２０内を往復動する際のフリクションの増大を最小限に抑え、内燃機関１０の出力ロスや内燃機関１０の耐久性にも悪影響を与えることなく上記効果を得ることができる。
【００２２】
ところで、通常のピストンは、スカート部の最下端が最大径になるように設定される。これは、スカート部の最下端が、燃焼ガスの熱を受けるピストンのヘッド面から最も遠く温度上昇が最も少ないことと、スカート部の下端部は肉厚も薄く剛性も低いため、ピストンとシリンダとの接触面圧が上がったときにはスカート部の下端部が撓むことで、接触面圧が過度に上がるのを回避できるからである。
これに対し、上記実施の形態の内燃機関１０では、首振り防止部材４０がリング溝３４の下部に設けられた溝３５から下方にかけて設けられているので、ピストン３０のスカート部３２の上部においても、ピストン３０のシリンダ２０内における径方向への移動を規制できる。これにより、シリンダ２０内におけるピストン３０の姿勢変化を確実に抑え、ピストン３０がシリンダ２０に直接接触するのを防止することも可能となり、焼き付き現象を確実に回避できる。
さらに、上記のような効果を得るには、首振り防止部材４０以外に部品を装着する必要もないことから、最小限の手間とコストで有効な効果が得られる。
【００２３】
また、首振り防止部材４０の表面に、二硫化モリブデン、グラファイト、フッ化黒鉛等の固体潤滑剤を含有させた分散めっき等の手法により、表面処理を施し、ピストン３０とシリンダ２０の間での摩擦を抑えることで、ピストン３０の往復動時の摺動性を高めることができる。ピストンの往復動時の摺動性を高めるために、ピストンの下部に同様の表面処理を施すことは従来より行われていたが、上記のように首振り防止部材４０に表面処理を施す構成では、表面処理を施す面積が少なくて済み、低コストで同様の効果を得ることができる。
【００２４】
なお、上記実施の形態においては、凹部３６により、ピストン３０の周方向に対する首振り防止部材４０の移動を規制するようにしたが、これに代えて、図６、図７に示すように、溝３５にストッパ部材（移動規制部）５０、５０を設け、これによって首振り防止部材４０の周方向への移動を規制するようにしてもよい。この場合、図１に示したような凹部３６ではなく、図６から図８に示すように、ピストン３０の湾曲面部３２ｄに段部を形成することで、湾曲面部３２ｄに対する深さが溝３５よりも小さい首振り防止部材収容スペース５１を、両端が平行面部３２ｃ、３２ｃに到達するように形成してもよい。
この場合、首振り防止部材収容スペース５１は、機械加工により形成される。図１に示したような凹部３６を形成する場合、鋳造時にこれを形成することもできるが、十分な精度が得られない場合には、追加の機械加工が必要となり工程およびコストの増加を招く。これに対し、上記構成では、首振り防止部材収容スペース５１を機械加工のみで容易に形成できるので、前記したような問題は生じない。
【００２５】
また、図９に示すように、首振り防止部材４０のバネ性を調整するため、つば部４２の一部を切り欠いてもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施の形態における内燃機関の主要部の構成を示す図である。
【図２】ピストンの縦断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ矢視図である。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】首振り防止部材を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は湾曲面部の断面図である。
【図６】ピストンの他の例を示す斜視図である。
【図７】図６に示したピストンに首振り防止部材を組み込んだ状態を示す図であり、図３と同様の位置における断面図である。
【図８】同、図４と同様の位置における断面図である。
【図９】首振り防止部材の他の例を示す図である。
【図１０】従来の弾性部材における変位と荷重の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…内燃機関、２０…シリンダ、３０…ピストン（ピストン本体）、３２…スカート部、３２ｄ…湾曲面部、３５…溝（移動規制部）、３６…凹部（移動規制部）、４０…首振り防止部材（弾性部材）、４１…湾曲面部、４１ａ…両端部、４２…つば部、４２ａ…両端部、５０…ストッパ部材（移動規制部）、５１…首振り防止部材収容スペース   
【図１】
2006266124.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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