(57)【要約】【課題】フリクションを低減する。【解決手段】内燃機関１のピストン３０は、円柱状のクラウン部４０と、クラウン部４０の下方においてクラウン部４０の径方向に移動可能に設けられたスカート部６０と、スカート部６０よりも径方向内側に設けられ、スカート部６０を形成する材料よりも熱膨張率が大きな材料からなる熱膨張部７５を含むサーモエレメント７０と、を備える。これにより、スカート部６０の温度にしたがって、熱膨張部７５が膨張および収縮し、スカート部６０が径方向に移動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状のクラウン部と、
前記クラウン部の下方において前記クラウン部の径方向に移動可能に設けられたスカート部と、
前記スカート部よりも前記径方向内側に設けられ、前記スカート部を形成する材料よりも熱膨張率が大きな材料からなる熱膨張部を含むサーモエレメントと、
を備える内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記サーモエレメントは、前記熱膨張部の膨張および収縮に応じて前記スカート部を前記径方向に移動させる請求項１に記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記スカート部は、前記クラウン部の軸を挟んで対向配置される請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記サーモエレメントは、前記内燃機関の回転数が所定回転数よりも大きな高負荷のとき、対向配置された前記スカート部の外面間の距離であるピストン外径を、前記ピストンを収容するシリンダの内径に一致させる請求項３に記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記スカート部を前記径方向内側に付勢する付勢部を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン。
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、クラウン部に対してスカート部が径方向外側に付勢される内燃機関のピストンが開示されている。かかる技術によれば、ピストンがシリンダの内面に衝突することにより生じる衝撃音（所謂、スカッフ）を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−５８８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、スカート部が常にシリンダの内面に押し当てられるため、ピストンとシリンダとの間のフリクション（摩擦）が大きい。
【０００５】
そこで、本発明は、フリクションを低減することが可能な内燃機関のピストン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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関のピストンは、円柱状のクラウン部と、クラウン部の下方においてクラウン部の径方向に移動可能に設けられたスカート部と、スカート部よりも径方向内側に設けられ、スカート部を形成する材料よりも熱膨張率が大きな材料からなる熱膨張部を含むサーモエレメントと、を備える。
【０００７】
また、サーモエレメントは、熱膨張部の膨張および収縮に応じてスカート部を径方向に移動させてもよい。
【０００８】
また、スカート部は、クラウン部の軸を挟んで対向配置されてもよい。
【０００９】
また、サーモエレメントは、内燃機関の回転数が所定回転数よりも大きな高負荷のとき、対向配置されたスカート部の外面間の距離であるピストン外径を、ピストンを収容するシリンダの内径に一致させてもよい。
【００１０】
また、スカート部を径方向内側に付勢する付勢部を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、フリクションを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態による内燃機関の構成を示す概略図である。
【図２】ピストンの構成を示す底面図である。
【図３】ピストンの構成を示す斜視図である。
【図４】スカート部の温度、具体的にはサーモエレメントの基部の温度とピストン外径との関係を説明する説明図である。
【図５】冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関の負荷が低負荷である場合の本実施形態のピストンの作用を説明する説明図である。
【図６】冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関の負荷が高負荷である場合の本実施形態のピストンの作用を説明する説明図である。
【図７】冷却水の水温が高水温であり、かつ、内燃機関の負荷が低負荷である場合の本実施形態のピストンの作用を説明する説明図である。
【図８】上記実施形態の変形例による内燃機関の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の一態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態による内燃機関１の構成を示す概略図である。内燃機関１は、例えば、レシプロエンジンである。内燃機関１は、シリンダブロック１０、シリンダヘッド２０およびピストン３０を含んで構成される。図１では、シリンダブロック１０およびシリンダヘッド２０を断面図で示し、ピストン３０を側面図で示す。
【００１５】
シリンダブロック１０には、円筒形状のシリンダ１１が形成されている。シリンダ１１には、ピストン３０が摺動可能に収容されている。ピストン３０には、コネクティングロッド１２が連結されている。コネクティングロッド１２は、不図示のクランクシャフトに連結されている。ピストン３０の構成については、後に詳述する。
【００１６】
シリンダブロック１０には、シリンダ１１の開口を覆うようにシリンダヘッド２０が接合されている。シリンダ１１、シリンダヘッド２０およびピストン３０に囲まれた空間は、燃焼室１３となる。
【００１７】
シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に開口する吸気ポート２１および排気ポート２２が形成されている。また、シリンダヘッド２０には、吸気バルブ２３および排気バルブ２４が設けられている。吸気ポート２１における燃焼室１３に臨む開口部は、吸気バルブ２３によって開閉される。排気ポート２２における燃焼室１３に臨む開口部は、排気バルブ２４によって開閉される。
【００１８】
また、シリンダヘッド２０には、インジェクタ２５および点火プラグ２６が設けられている。インジェクタ２５は、燃焼室１３に燃料を噴射する。なお、インジェクタ２５は、吸気ポート２１に設けられていてもよい。点火プラグ２６は、空気と燃料との混合気に点火する。ピストン３０は、混合気の燃焼によりシリンダ１１内で往復運動をする。ピストン３０の往復運動は、コネクティングロッド１２を通じて、クランクシャフトの回転運動に変換される。
【００１９】
また、シリンダブロック１０およびシリンダヘッド２０には、冷却水用ポンプ（図示略）に接続されるウォータジャケット（図示略）が形成される。冷却水用ポンプは、ウォータジャケットに冷却水を送出する。ウォータジャケットは、冷却水によってシリンダ１１を冷却する。
【００２０】
図２は、ピストン３０の構成を示す底面図である。図３は、ピストン３０の構成を示す斜視図である。図１、図２および図３に示すように、ピストン３０は、クラウン部４０、ピン支持部５０、ピストンピン５２、スカート部６０、サーモエレメント７０、付勢部８０を含んで構成される。なお、図２では、ピン支持部５０の軸を一点鎖線Ｃ１で示す。
【００２１】
クラウン部４０は、円柱状に形成されている。クラウン部４０の軸は、ピストン３０の軸に重なる。クラウン部４０の側面４１は、シリンダ１１の内面（ライナ）に対向する。
クラウン部４０の冠面４２は、燃焼室１３に臨む。なお、クラウン部４０は、冠面４２に窪み（キャビティ）が形成されてもよい。
【００２２】
クラウン部４０の側面４１には、クラウン部４０の径方向内側に窪む３個のリング溝４３が形成されている。リング溝４３は、クラウン部４０の周方向に沿って形成されている。リング溝４３には、ピストンリング４４が収容される。ピストンリング４４は、リング溝４３に収容された状態でクラウン部４０の側面４１よりも外側に突出する。ピストンリング４４は、シリンダ１１の内面とクラウン部４０の側面４１との隙間を無くし、燃焼室１３の気密を保つ。また、ピストンリング４４は、シリンダ１１の内面とクラウン部４０の側面４１との間に適度な油膜を形成し、ピストン３０の摺動を潤滑にする。
【００２３】
クラウン部４０における冠面４２とは反対側の下部には、クラウン部４０の底面から突出する２個のピン支持部５０が設けられている。ピン支持部５０は、例えば、四角柱状に形成される。２個のピン支持部５０は、クラウン部４０の軸を間に挟んで離隔して配置される。ピン支持部５０は、ピン支持部５０の軸がクラウン部４０の径方向に延びるように配置される。２個のピン支持部５０は、各々の軸が重なるように軸方向に直列に配置される。
【００２４】
ピン支持部５０には、ピン支持部５０の軸方向に延びる貫通穴５１が形成されている。貫通穴５１には、円柱状のピストンピン５２が挿入される。ピストンピン５２は、一端側が一方のピン支持部５０の貫通穴５１に挿入され、他端側が他方のピン支持部５０の貫通穴５１に挿入される。ピストンピン５２は、ピン支持部５０によって支持される。ピストンピン５２の軸は、ピン支持部５０の軸に重なる。
【００２５】
コネクティングロッド１２は、略棒状に形成されている。コネクティングロッド１２の一端は、２個のピン支持部５０の間に配置される。コネクティングロッド１２の一端には、貫通穴が形成されている。コネクティングロッド１２の貫通穴には、ピストンピン５２が挿入される。コネクティングロッド１２の一端は、ピストンピン５２およびピン支持部５０を介してクラウン部４０に連結される。また、コネクティングロッド１２の他端は、クランクシャフトに連結される。
【００２６】
クラウン部４０の周縁の下方には、２個のスカート部６０が配置されている。スカート部６０は、例えば、アルミニウムにより構成される。スカート部６０は、概ね樽型の部材を周方向に分割した形状に形成される。スカート部６０は、ピン支持部５０の軸に直交する方向に配置される。換言すると、スカート部６０は、クラウン部４０の軸を間に挟んで対向配置される。スカート部６０は、突出した曲面を外側に向けて配置される。スカート部６０は、ピストン３０の姿勢を適切に維持する。
【００２７】
以後、対向配置されたスカート部６０の外面間の距離をピストン外径と呼ぶことがある。また、シリンダ１１の内面間の距離をシリンダ内径と呼ぶことがある。また、シリンダ内径とピストン外径との差分をクリアランスと呼ぶことがある。
【００２８】
サーモエレメント７０は、ピン支持部５０の両側面にそれぞれ設けられる。サーモエレメント７０は、２個のピン支持部５０のそれぞれに設けられる。サーモエレメント７０は、ピン支持部５０とスカート部６０とを連結する。サーモエレメント７０は、スカート部６０をクラウン部４０の径方向に移動させる。具体的には、サーモエレメント７０は、スカート部６０をピン支持部５０の軸に直交する方向に移動させる。サーモエレメント７０は、基部７１、プランジャ部７３、熱膨張部７５を含んで構成される。
【００２９】
基部７１は、例えば、円筒状に形成されている。基部７１の軸方向の一方側は、ピン支持部５０の側面に固定されている。基部７１には、基部７１の軸方向の他方側（ピン支持部とは反対側）に開口する穴部７２が形成されている。
【００３０】
プランジャ部７３は、円柱状に形成されている。プランジャ部７３の一端は、基部７１の穴部７２に挿入されている。プランジャ部７３の他端は、スカート部６０に固定されている。サーモエレメント７０の軸は、ピン支持部５０の軸に直交する方向に延びる。
【００３１】
付勢部８０は、例えば、引張りコイルばねである。付勢部８０の一端は、基部７１におけるピン支持部５０とは反対側の端部に接続されている。付勢部８０の他端は、スカート部６０の内面に接続されている。付勢部８０は、例えば、プランジャ部７３の下方に配置される。なお、付勢部８０は、プランジャ部７３の下方に配置される態様に限らない。例えば、付勢部８０は、付勢部８０の軸がプランジャ部７３の軸に重なるように、プランジャ部７３の周囲に巻き付けられてもよい。
【００３２】
付勢部８０は、スカート部６０と、スカート部６０に固定されているプランジャ部７３とを、クラウン部４０（ピストン３０）の径方向内側（ピン支持部５０側）に付勢する。換言すると、付勢部８０は、スカート部６０およびプランジャ部７３をピストン３０の径方向内側に引き込む付勢力を発生する。
【００３３】
基部７１の穴部７２とプランジャ部７３とに囲まれた空間には、熱膨張部７５が封入されている。図１および図２では、熱膨張部７５をハッチングで示している。熱膨張部７５は、スカート部６０を形成する材料（例えば、アルミニウム）よりも熱膨張率が大きな材料からなる。熱膨張部７５は、例えば、原油から精製される直鎖状炭化水素を主成分とするパラフィンワックスである。なお、熱膨張部７５は、スカート部６０を形成する材料よりも熱膨張率が大きければよく、パラフィンワックスに限らない。
【００３４】
熱膨張部７５の熱膨張率は、熱膨張部７５の温度にしたがった値となる。また、熱膨張部７５の温度は、熱膨張部７５が封入される基部７１の温度にしたがった温度となる。例えば、熱膨張部７５の温度は、基部７１の温度が上昇すると基部７１の温度に合わせて上昇し、基部７１の温度が低下すると基部７１の温度に合わせて低下する。
【００３５】
熱膨張部７５は、温度が上昇すると、そのときの熱膨張部７５の温度についての熱膨張率（具体的には、体積膨張率）にしたがって体積が膨張（増加）する。熱膨張部７５は、体積が膨張すると、付勢部８０の付勢力に打ち勝って、プランジャ部７３を基部７１の穴部７２から押し出す方向に移動させる。
【００３６】
その結果、サーモエレメント７０は、軸方向の長さが長くなる。この場合、サーモエレメント７０は、長さが長くなった分だけ、スカート部６０をピストン３０の径方向外側に向かって移動させる。つまり、この場合、ピストン外径は大きくなり、クリアランスは小さくなる。
【００３７】
また、熱膨張部７５は、温度が低下すると、そのときの熱膨張部７５の温度についての熱膨張率にしたがって体積が収縮（減少）する。熱膨張部７５の体積が収縮すると、穴部７２におけるプランジャ部７３を挿入可能な空間が増加する。このとき、付勢部８０は、プランジャ部７３を挿入可能な空間が増加した分だけ、付勢力によって、プランジャ部７３を基部７１の穴部７２に押し込む方向に移動させる。
【００３８】
その結果、サーモエレメント７０は、軸方向の長さが短くなる。この場合、サーモエレメント７０および付勢部８０は、長さが短くなった分だけ、スカート部６０をピストン３０の径方向内側に向かって移動させる。つまり、この場合、ピストン外径は小さくなり、クリアランスは大きくなる。
【００３９】
図４は、スカート部６０の温度、具体的にはサーモエレメント７０の基部７１の温度とピストン外径との関係を説明する説明図である。
【００４０】
熱膨張部７５は、例えば、融点が１００℃以下となるように調製される。熱膨張部７５は、例えば、スカート部６０の温度が約３０℃以下のときに固体となり、スカート部６０の温度が約３０℃から約８０℃までの間にあるときに固溶体となり、スカート部６０の温度が約８０℃以上のときに液体となる。
【００４１】
熱膨張部７５は、固溶体の温度範囲における熱膨張率が、固体および液体の温度範囲における熱膨張率に比べて大きい。また、熱膨張部７５は、少なくとも固溶体の温度範囲における熱膨張率が、スカート部６０を形成する材料の熱膨張率よりも大きい。このため、固溶体の温度範囲内（約３０℃から約８０℃まで）において、ピストン外径が大幅に変化する。
【００４２】
次に、比較例のピストンと比較しつつ、本実施形態のピストン３０の作用を説明する。図５は、冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が低負荷である場合の本実施形態のピストン３０の作用を説明する説明図である。図５（ａ）は、本実施形態のピストン３０を示す。図５（ｂ）は、比較例のピストン１３０を示す。
【００４３】
比較例のピストン１３０は、クラウン部１４０とスカート部１６０とが一体成形されたものである。比較例のピストン１３０についても、本実施形態のピストン３０と同様に、ピストン外径、シリンダ内径およびクリアランスが定義される。図５（ａ）および図５（ｂ）では、シリンダ内径が等しいとする。
【００４４】
図５（ｃ）は、スカート部６０、１６０の温度とピストン外径との関係を示す。図５（ｃ）では、本実施形態のスカート部６０を実線Ａ１で示し、上述の比較例のスカート部１６０を一点鎖線Ａ２で示す。上述の比較例のピストン１３０のピストン外径は、一体成形されたスカート部１６０およびクラウン部１４０を構成する材料（例えば、アルミニウム）の熱膨張率に基づいて変化する。なお、図５（ｃ）の実線Ａ１は、図４のスカート部６０の温度とピストン外径との関係と同じである。
【００４５】
冷却水の水温は、シリンダの温度に相当する。低水温とは、冷却水の水温が所定水温以下である場合をいう。内燃機関１の負荷は、内燃機関１の回転数に相当する。内燃機関１の負荷が低負荷である場合とは、内燃機関１の回転数が所定回転数以下の場合をいう。冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が低負荷である場合としては、例えば、冷えている状態の内燃機関１の始動開始直後が考えられる。以後、冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が低負荷である場合を、第１動作パターンと呼ぶことがある。
【００４６】
第１動作パターンのとき、冷却水の水温が低水温であるため、冷却水の水温が高水温のときに比べ、シリンダ１１の温度が低い。また、内燃機関１の回転数が所定回転数以下であるため、内燃機関１の回転数が所定回転数よりも大きいときに比べ、燃焼室１３における単位時間あたりの燃焼回数が少なく、燃焼室１３の温度が低い。これらにより、第１動作パターンのとき、スカート部６０、１６０の温度は相対的に低い。例えば、第１動作パターンのとき、スカート部６０、１６０の温度は３０℃以下となる。図５（ｃ）では、第１動作パターンのときのスカート部６０、１６０の温度領域をハッチングで示している。
【００４７】
例えば、上述の比較例のピストン１３０において、スカート部１６０の温度が２０℃のとき、ピストン外径は、図５（ｂ）および図５（ｃ）で示すようにピストン外径Ｄａとなっている。ピストン外径Ｄａは、クリアランスが３０μｍとなるときのピストン外径である。
【００４８】
一方、本実施形態のピストン３０において、スカート部６０の温度が２０℃のとき、ピストン外径は、図５（ａ）および図５（ｃ）で示すようにピストン外径Ｄａから１００μｍを減算した値（Ｄａ−１００μｍ）となっている。このとき、クリアランスは、１３０μｍとなる。つまり、本実施形態のピストン３０は、上述の比較例のピストン１３０に比べて、第１動作パターンのときにクリアランスが１００μｍだけ大きくなっている。
【００４９】
このため、本実施形態のピストン３０は、上述の比較例のピストン１３０に比べて、第１動作パターンのときのピストン３０とシリンダ１１との間のフリクション（摩擦）を低減することが可能となる。
【００５０】
図６は、冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が高負荷である場合の本実施形態のピストン３０の作用を説明する説明図である。図６（ａ）は、本実施形態のピストン３０を示す。図６（ｂ）は、上述の比較例のピストン１３０を示す。図６（ａ）および図６（ｂ）では、シリンダ内径が等しいとする。図６（ｃ）は、スカート部６０、１６０の温度とピストン外径との関係を示す。図６（ｃ）では、本実施形態のスカート部６０を実線Ａ１で示し、上述の比較例のスカート部１６０を一点鎖線Ａ２で示す。なお、図６（ｃ）の実線Ａ１は、図４のスカート部６０の温度とピストン外径との関係と同じである。
【００５１】
内燃機関１の負荷が高負荷である場合とは、内燃機関１の回転数が所定回転数よりも大きい場合をいう。冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が高負荷である場合としては、例えば、冷えている状態の内燃機関１の始動開始直後にアクセルペダルを踏み込んで内燃機関１の回転数を高くした場合が考えられる。以後、冷却水の水温が低水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が高負荷である場合を、第２動作パターンと呼ぶことがある。
【００５２】
第２動作パターンのとき、冷却水の水温が低水温であるため、冷却水の水温が高水温のときに比べて、シリンダ１１の温度が低い。しかし、第２動作パターンのとき、内燃機関１の回転数が所定回転数よりも高いため、内燃機関１の回転数が所定回転数以下のときに比べて、燃焼室１３における単位時間あたりの燃焼回数が多く、燃焼室１３の温度が高い。また、スカート部６０の温度は、冷却水の水温に比べて、高温となる燃焼室１３の温度の影響を受け易い。これらにより、第２動作パターンのとき、スカート部６０の温度は相対的に高い。例えば、第２動作パターンのとき、スカート部６０、１６０の温度は、８０℃以上となる。図６（ｃ）では、第２動作パターンのときのスカート部６０、１６０の温度領域をハッチングで示している。
【００５３】
例えば、上述の比較例のピストン１３０において、スカート部１６０の温度が２０℃から９０℃に上昇（動作パターンが第１動作パターンから第２動作パターンに遷移）したとする。この際、上述の比較例のピストン１３０は、スカート部１６０を構成する材料の熱膨張率に基づいてスカート部１６０が膨張し、その熱膨張率に基づいてピストン外径が大きくなる。例えば、スカート部１６０の温度が９０℃のとき、上述の比較例のピストン１３０のピストン外径は、図６（ｂ）および図６（ｃ）で示すようにピストン外径Ｄａに３０μｍを加算した値（Ｄａ＋３０μｍ）となる。この場合、クリアランスは、ゼロとなる。
【００５４】
一方、本実施形態のピストン３０において、スカート部６０の温度が２０℃から９０℃に上昇（動作パターンが第１動作パターンから第２動作パターンに遷移）したとする。この際、本実施形態のピストン３０は、サーモエレメント７０の熱膨張部７５の熱膨張率に基づいてサーモエレメント７０の長さが長くなって、ピストン外径が大きくなる。例えば、スカート部６０の温度が９０℃のとき、本実施形態のピストン３０のピストン外径は、図６（ａ）および図６（ｃ）で示すようにピストン外径Ｄａに３０μｍを加算した値（Ｄａ＋３０μｍ）となる。この場合、クリアランスは、ゼロとなる。
【００５５】
ここで、内燃機関１の負荷が高負荷のときにクリアランスを大きくすると、内燃機関１の負荷が低負荷のときに比べ、シリンダ１１内においてピストン３０が暴れる可能性が高くなる。シリンダ１１内でピストン３０が暴れると、ピストン３０がシリンダ１１の内面に衝突することにより衝撃音（スカッフ）が生じる。
【００５６】
そこで、本実施形態のピストン３０は、上述の比較例のピストン１３０と同様に、第２動作パターンにおけるクリアランスがゼロとなるようにしている。このため、本実施形態のピストン３０は、第２動作パターンにおいて衝撃音を抑制することができる。
【００５７】
図７は、冷却水の水温が高水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が低負荷である場合の本実施形態のピストン３０の作用を説明する説明図である。図７（ａ）は、本実施形態のピストン３０を示す。図７（ｂ）は、上述の比較例のピストン１３０を示す。図７（ａ）および図７（ｂ）では、シリンダ内径が等しいとする。図７（ｃ）は、スカート部６０、１６０の温度とピストン外径との関係を示す。図７（ｃ）では、本実施形態のピストン３０を実線Ａ１で示し、上述の比較例のピストン１３０を一点鎖線Ａ２で示す。なお、図７（ｃ）の実線Ａ１は、図４のスカート部６０の温度とピストン外径との関係と同じである。
【００５８】
冷却水の水温が高水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が低負荷である場合としては、例えば、内燃機関１が始動開始してからアイドリングを継続し、冷却水の水温が所定水温よりも高くなった場合が考えられる。以後、冷却水の水温が高水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が低負荷である場合を、第３動作パターンと呼ぶことがある。
【００５９】
第３動作パターンのとき、内燃機関１の回転数が所定回転数以下であるため、内燃機関１の回転数が所定回転数よりも高いときに比べ、燃焼室１３における単位時間あたりの燃焼回数が少なく、燃焼室１３の温度が低い。しかし、冷却水の水温が高水温であるため、冷却水の水温が低水温のときに比べ、シリンダ１１の温度が高い。スカート部６０、１６０の温度は、燃焼室１３の温度の影響を受け易いが、水温の影響をまったく受けないわけではない。これらにより、第３動作パターンのとき、スカート部６０、１６０の温度は、第１動作パターンのときのスカート部６０、１６０の温度と第２動作パターンのときのスカート部６０、１６０の温度との間の温度となる。例えば、第３動作パターンのとき、スカート部６０、１６０の温度は、５０℃近傍となる。図７（ｃ）では、第３動作パターンのときのスカート部６０、１６０の温度領域をハッチングで示している。
【００６０】
例えば、上述の比較例のピストン１３０において、スカート部１６０の温度が２０℃から５０℃に上昇（動作パターンが第１動作パターンから第３動作パターンに遷移）したとする。この際、上述の比較例のピストン１３０は、スカート部１６０を構成する材料の熱膨張率に基づいてスカート部１６０が膨張し、その熱膨張率に基づいてピストン外径が大きくなる。例えば、ピストン１３０の温度が５０℃のとき、上述の比較例のピストン１３０のピストン外径は、図７（ｂ）および図７（ｃ）で示すようにピストン外径Ｄａに１０μｍを加算した値（Ｄａ＋１０μｍ）となる。この場合、クリアランスは、２０μｍとなる。
【００６１】
一方、本実施形態のピストン３０において、スカート部６０の温度が２０℃から５０℃に上昇（動作パターンが第１動作パターンから第３動作パターンに遷移）したとする。本実施形態のピストン３０は、サーモエレメント７０の熱膨張部７５の熱膨張率に基づいてサーモエレメント７０の長さが長くなって、ピストン外径が大きくなる。例えば、スカート部６０の温度が５０℃のとき、本実施形態のピストン３０のピストン外径は、図７（ａ）および図７（ｃ）で示すようにピストン外径Ｄａから５０μｍを減算した値（Ｄａ−５０μｍ）となる。この場合、クリアランスは、８０μｍとなる。つまり、本実施形態のピストン３０は、上述の比較例のピストン１３０に比べ、第３動作パターンのときにクリアランスが６０μｍだけ大きくなっている。
【００６２】
このため、本実施形態のピストン３０は、上述の比較例のピストン１３０に比べて、第３動作パターンのときのピストン３０とシリンダ１１との間のフリクション（摩擦）を低減することが可能となる。
【００６３】
また、冷却水の水温が高水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が高負荷である場合としては、例えば、高速運転している場合が考えられる。以後、冷却水の水温が高水温であり、かつ、内燃機関１の負荷が高負荷である場合を、第４動作パターンと呼ぶことがある。
【００６４】
第４動作パターンでは、燃焼室１３の温度およびシリンダ１１の温度がともに高温となるため、スカート部６０、１６０の温度は相対的に高くなる。このため、第４動作パターンのとき、スカート部６０、１６０の温度およびピストン外径は、図６で示す第２動作パターンと同様となる。つまり、第４動作パターンのとき、本実施形態のピストン３０におけるクリアランスは、上述の比較例のピストン１３０と同様に、ゼロとなる。
【００６５】
このため、本実施形態のピストン３０は、第４動作パターンにおいて衝撃音を抑制することができる。
【００６６】
以上のように、本実施形態のピストン３０は、クラウン部４０とスカート部６０とが別個に成形されてサーモエレメント７０によって連結されている。そして、本実施形態のピストン３０は、スカート部６０を形成する材料よりも熱膨張率が大きな材料からなる熱膨張部７５がサーモエレメント７０の内部に封入されている。これにより、本実施形態のピストン３０は、熱膨張部７５の膨張および収縮に応じて、ピストン外径が変化する。
【００６７】
例えば、本実施形態のピストン３０は、内燃機関１の負荷が高負荷のときに、クリアランスを無くし、内燃機関１の負荷が低負荷のときに、クリアランスを積極的に大きくすることができる。
【００６８】
したがって、本実施形態のピストン３０によれば、フリクションを低減することが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態におけるサーモエレメント７０は、内燃機関１の負荷が低負荷のときに長さが短くなることで、クラウン部１４０とスカート部１６０とが一体成形された比較例のピストン１３０のピストン外径に比べ、ピストン外径を小さくする。このため、本実施形態のピストン３０は、クラウン部１４０とスカート部１６０とが一体成形された比較例のピストン１３０よりもフリクションを低減することができる。
【００７０】
また、本実施形態におけるサーモエレメント７０は、内燃機関１の負荷が高負荷のときに長さが長くなることで、ピストン外径をシリンダ内径に一致させる。このため、本実施形態のピストン３０は、内燃機関１の負荷が高負荷のときに確実に衝撃音を抑制することができる。
【００７１】
また、他の比較例として、クラウン部４０に対してスカート部６０が径方向外側に付勢される内燃機関のピストンが挙げられる。この比較例では、内燃機関の負荷に依らず、スカート部６０が常にシリンダ１１の内面に押し当てられる。このため、かかる技術によれば、衝撃音を抑制することができるが、フリクションを低減することはできない。
【００７２】
これに対し、本実施形態のピストン３０は、内燃機関１の負荷にしたがってクリアランスを大きく変化させることができる。このため、本実施形態のピストン３０は、内燃機関１の負荷にしたがって、衝撃音を抑制することと、フリクションを低減することを両立させることができる。
【００７３】
また、本実施形態のピストン３０は、スカート部６０をクラウン部４０の径方向内側に付勢する付勢部８０を備えている。このため、本実施形態のピストン３０は、スカート部６０の温度が低下した際に、熱膨張部７５の収縮に合わせて、サーモエレメント７０の長さを確実に縮小させることができる。その結果、本実施形態のピストン３０は、ピストン外径を確実に縮小させることができる。
【００７４】
また、本実施形態のピストン３０は、第１動作パターンのときのピストン外径がＤａ−１００μｍとなっていた。この値は、クリアランスに関する文献などを参考にして決定された最適な値である。このため、本実施形態のピストン３０は、フリクションを最大限に低減することができる。また、本実施形態のピストン３０は、第１動作パターンおよび第３動作パターンのピストン外径が最適な値に設定されているため、第１動作パターンおよび第３動作パターンにおいても衝撃音を抑制することができる。
【００７５】
また、本実施形態において、スカート部６０の温度とピストン外径との関係は、熱膨張部７５の特性を変更することにより様々に設定することができる。例えば、ピストン外径の変化が大きくなり始める温度や、ピストン外径の変化が大きい温度範囲におけるピストン外径の変化量などを設定することができる。なお、図４〜図７で示したスカート部６０の温度およびピストン外径は、一例であり、例示された値に限らない。
【００７６】
また、本実施形態における熱膨張部７５は、固溶体の温度範囲のときの熱膨張率を利用していた。しかし、熱膨張部７５は、固体または液体の温度範囲の熱膨張率がスカート部６０を構成する材料の熱膨張率よりも大きければ、その固体または液体の温度範囲の熱膨張率を利用してもよい。
【００７７】
<変形例>
図８は、上記実施形態の変形例による内燃機関２００の構成を示す概略図である。この変形例の内燃機関２００は、ピストン３０に代えてピストン２３０を有する点において上記実施形態と異なる。ピストン２３０は、付勢部８０が設けられていない点においてピストン３０と異なる。
【００７８】
ここで、ピストン２３０がシリンダ１１内で往復運動する際、コネクティングロッド１２のピン支持部５０側の端部は、クランクシャフト側の端部に対して、ピン支持部５０の軸に直交する方向に傾斜する。これにより、ピン支持部５０およびクラウン部４０には、コネクティングロッド１２を通じて、シリンダ１１の軸方向の力の他に、ピン支持部５０の軸に直交する方向の力が与えられる。例えば、コネクティングロッド１２のピン支持部５０側の端部が図８の左方向に傾斜する場合、ピン支持部５０およびクラウン部４０には、図８の左方向の力が与えられる。
【００７９】
スカート部６０は、ピン支持部５０およびクラウン部４０に与えられる力の方向であるピン支持部５０の軸に直交する方向に配置される。このため、ピン支持部５０およびクラウン部４０がピン支持部５０の軸に直交する方向に移動することで、スカート部６０は、シリンダ１１の内面に接触してクラウン部４０の径方向内側に押されることがある。例えば、ピン支持部５０およびクラウン部４０に図８の左方向の力が与えられると、図８の左側のスカート部６０が、シリンダ１１の内面に接触してクラウン部４０の径方向内側に押される。
【００８０】
例えば、熱膨張部７５が収縮して穴部７２におけるプランジャ部７３を挿入可能な空間が増加したとする。この際、スカート部６０がシリンダ１１の内面に接触してクラウン部４０の径方向内側に押されると、プランジャ部７３は、スカート部６０によって基部７１の穴部７２に押し込まれる方向に移動される。その結果、ピストン外径は、穴部７２におけるプランジャ部７３を挿入可能な空間が増加した分だけ小さくなる。
【００８１】
以上のように、この変形例のピストン２３０は、付勢部８０が設けられていなくても、熱膨張部７５の収縮に応じてピストン外径を小さくすることが可能である。
【００８２】
したがって、この変形例のピストン２３０によれば、上記実施形態と同様に、フリクションを低減することが可能となる。
【００８３】
ただし、付勢部８０が設けられている方がピストン外径を確実に小さくすることができるため、この変形例のピストン２３０よりも、上記実施形態のピストン３０の方がより好ましい。
【００８４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８５】
例えば、上記実施形態のピストン３０は、付勢部８０である引張りコイルばねによってスカート部６０を径方向内側に移動させる力を発生させていた。しかし、スカート部６０を径方向内側に移動させる力を発生させる具体的な態様は、引張りコイルばねに限らない。例えば、油圧や磁石によってスカート部６０を径方向内側に移動させる力を発生させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、内燃機関のピストンに利用できる。
【符号の説明】
【００８７】
１、２００  内燃機関
１１  シリンダ
３０、２３０  ピストン
４０  クラウン部
６０  スカート部
７０  サーモエレメント
７５  熱膨張部
８０  付勢部
【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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【図７】
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【図８】
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