(57)【要約】【課題】ピストンの重量バランスを改善しつつピストンを軽量化する。【解決手段】クラウン部(5)はピストンピンボス部(26)を挟んで吸気側が排気側に比べて相対的に重くなる形状を有している。ピストン(1)のランド部(20)の下面において、サイドウォール部(25)の上方領域に下方に向けて開放した窪み(30)が形成されている。窪み(30)内には、ランド部(20)とサイドウォール部(25)との間に延びる２つのリブ(31)が形成されており、ピストンピンボス部(26)を挟んで吸気側のリブ(31a)が肉厚に形成され、排気側のリブ(31b)が肉薄に形成されている。【選択図】図1
2008008170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに往復動可能に嵌装されてエンジンの燃焼室を画成するピストンであって、
前記燃焼室の形状を形成するクラウン部と、
該クラウン部の外周縁から垂下する外周面を備え、該外周面にシールリング、オイルリングを収容するシールリング収容溝及びオイルリング収容溝が形成されたランド部と、
該ランド部から下方に垂下する一対のスカート部と、
該一対のスカート部同士を連結するサイドウォール部と、
該サイドウォール部に形成されたピストンピンボス部とを備えたエンジンのピストン構造において、
前記クラウン部が前記ピストンピンボス部を中心にして一側が他側に比べて重量的にアンバランスな構造を有し、
前記ランド部の下面において、前記サイドウォール部の上方領域に、下方に向けて開放した窪みが形成され、
該窪み内に前記ランド部と前記サイドウォール部とを連結し且つ前記ピストンピンボス部を挟んで位置する少なくとも２つのリブを有し、
前記ピストンピンボス部を中心にして前記クラウン部の相対的に重量の軽い側に位置する第１リブが重い側に位置する第２リブよりも重量が重くなるように設定されていることを特徴とするエンジンのピストン構造。
【請求項２】
前記クラウン部の相対的に重量の軽い側に位置する第１リブが重い側に位置する第２リブよりも肉厚に形成され、
前記第１リブに、前記オイルリング収容溝と前記ピストンピンボス部のピン孔とに連通するオイル供給孔が形成されている、請求項１に記載のエンジンのピストン構造。
【請求項３】
前記クラウン部の上面に上方に隆起したリング状部分と、該リング状部分で囲まれた中央凹所とを有し、前記リング状部分が、前記ピストンピンボス部を中心にして一側と他側とで高さの異なる形状を備えている、請求項１又は２に記載のエンジンのピストン構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダに嵌装されて燃焼室を画成するエンジンのピストン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１はピストンの典型例を開示している。ピストンは、燃焼形状を形成するクラウン部と、このクラウン部の外周縁から垂下する外周面を備えたランド部とを有し、このランド部の外周面に、シールリング、オイルリングを収容する複数の円周溝が形成されている。ピストンは、また、ランド部から下方に垂下する一対のスカート部と、この一対のスカート部同士を連結するサイドウォール部に形成されたピストンピンボス部とを有し、ピストンピンボス部に穿設されたピン孔には、コンロッドの小端部を貫通したピストンピンが挿入される。
【０００３】
ピストンはエンジンのシリンダ内に嵌装されて往復動するものであり、ピストンピンを中心として、その左右の重量バランスが不適であると、シリンダ内での円滑な往復動が阻害される要因となる。
【０００４】
特許文献２は、燃焼室内にタンブル流が生成されるように、クラウン部の上面の中央部を突出させると共に上面の一部を大きく陥没させたピストンを開示している。ピストンのクラウン部は燃焼室の形状を規定する主要な要素となるため、上面の形状に関して数多くの提案が行われている。これらの提案は、地球温暖化防止のためにエンジンの燃焼効率を高めて燃料消費量の一層の低下を求める環境面からの要請に応じる意図を含んでいる。
【特許文献１】特開２００１−２９５６９６号公報
【特許文献１】特開２００１−２４１４２６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、ピストンのクラウン部の形状に関する工夫はエンジンの燃焼を最適化することを主眼としたものであり、この工夫の結果、ピストンピンを中心としたピストンの左右の重量バランスを阻害してしまう可能性を含む。ところで、自動車の燃料消費量を低下させるために、自動車部品一つ一つを軽量化する努力が絶え間なく行われており、このことはピストンとて例外ではない。
【０００６】
このような背景の下で本発明が案出されたものであり、本発明の目的は、例えばクラウン部などの形状を工夫する等のピストンの設計の際にピストンの重量バランスの確保が難しくなったときに、この重量バランスを改善しつつピストンの軽量化にも寄与することのできるエンジンのピストン構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の技術的課題は、本発明によれば、
シリンダに往復動可能に嵌装されてエンジンの燃焼室を画成するピストンであって、
前記燃焼室の形状を形成するクラウン部と、
該クラウン部の外周縁から垂下する外周面を備え、該外周面にシールリング、オイルリングを収容するシールリング収容溝及びオイルリング収容溝が形成されたランド部と、
該ランド部から下方に垂下する一対のスカート部と、
該一対のスカート部同士を連結するサイドウォール部と、
該サイドウォール部に形成されたピストンピンボス部とを備えたエンジンのピストン構造において、
前記クラウン部が前記ピストンピンボス部を中心にして一側が他側に比べて重量的にアンバランスな構造を有し、
前記ランド部の下面において、前記サイドウォール部の上方領域に、下方に向けて開放した窪みが形成され、
該窪み内に前記ランド部と前記サイドウォール部とを連結し且つ前記ピストンピンボス部を挟んで位置する少なくとも２つのリブを有し、
前記ピストンピンボス部を中心にして前記クラウン部の相対的に重量の軽い側に位置する第１リブが重い側に位置する第２リブよりも重量が重くなるように設定されていることを特徴とするエンジンのピストン構造を提供することにより達成される。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、ランド部の下面に窪みを形成し、この窪み内にリブを設けることによりピストンの軽量化が可能となるだけでなく、この窪み内のリブを、ピストンピンボス部を挟んで少なくとも２つ設けると共に、この一側と他側に位置するリブの相対的な重量を異ならせることにより、この重量の異なるリブによってクラウン部の形状に伴う当該クラウン部の重量面でのアンバランスを抑制することができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態では、クラウン部の相対的に重量の軽い側に位置する第１リブが重い側に位置する第２リブよりも肉厚に形成される。このようにリブの肉厚を変えることで上述したクラウン部の重量面でのアンバランスを抑制することができることは勿論であるが、更に、この肉厚のリブに、オイルリング収容溝とピストンピンボス部のピン孔とに連通するオイル供給孔を形成することで、オイルリング収容溝のオイルの供給通路を効率的に配置することができる。
【００１０】
本発明を適用することのできるクラウン部の形状の好適な例として、前記クラウン部の上面に上方に隆起したリング状部分と、該リング状部分で囲まれた中央凹所とを有し、前記リング状部分が、前記ピストンピンボス部を中心にして一側と他側とで高さの異なる形状を備えたピストンを挙げることができる。このピストンは後に説明するように、エンジンの燃焼形態を「後期重心型燃焼」にすることができ、これによりノッキングを防止しつつ高圧縮比を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。図１〜図７は実施例のピストンを示し、図８は、実施例のピストンのクラウン部の形態を採用することによりエンジンの耐ノッキング性能を向上させることのできる例を示す。
【００１２】
説明の都合上、先ず図８を参照して、実施例のピストン１は、ガソリンエンジンのシリンダ２内に嵌装され、このピストン１の往復動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に伝達され、このクランクシャフトによって回転運動として出力される。
【００１３】
エンジンの燃焼室４はピストン１のクラウン部５の形状及びシリンダヘッド６の表面形状によって規定され、この燃焼室４は従来から周知のペントルーフ型が採用されている。参照符号７は排気ポートを示し、８は吸気ポートを示し、これら排気ポート７と吸気ポート８は、夫々、排気バルブ９、吸気バルブ１０によってクランクシャフトの回転に同期した所定のタイミングで開閉される。また、排気ポート７と吸気ポート８はペントルーフ型燃焼室４の傾斜した一側と他側に配置され、これら排気ポート７と吸気ポート８の間の略中間部分に点火プラグ１１が配設されている。
【００１４】
ピストン１のクラウン部５は、平面視したときに、外周縁部分１３と中央部分１４とで挟まれ且つ上方に隆起したリング状部分１５を有する。すなわち、ピストン１のクラウン部５は、上方に隆起したリング状部分１５を挟んで外周側に位置する外周縁部分１３及び中央部分１４が凹所を形成している。そして、リング状部分１５の全周において、排気側部分１５ａと吸気側部分１５ｂとが比較的低く、排気側と吸気側との境界部分１５ｃが相対的に高くなる形状に形作られている。そして、好ましくは、排気側部分１５ａが吸気側部分１５ｂに比べて高くなるように形作られているのがよい。したがって、上方に隆起したリング状部分１５は、好ましくは、吸気側部分１５ｂ、排気側部分１５ａ、境界部分１５ｃの順に高さ寸法が大きくなるように設計される（吸気側部分１５ｂ＜排気側部分１５ａ＜境界部分１５ｃ）。
【００１５】
図８は、ピストン１が上死点近傍に位置している状態を図示するものであるが、同図から理解できるように、ピストン１のリング状部分１５において、その排気側部分１５ａは、吸気側部分１５ｂに比べて燃焼室４の空間（ｄ１＜ｄ２）を狭めることができる。
【００１６】
ピストン１のクラウン部５の上記の形状を採用することにより、クラウン部５の外周縁部分１３は二次的な燃焼空間を構成する。そして、ピストン１の中央凹所１４に臨む点火プラグ１１の点火によって燃焼室４に火炎核が形成されると、その火炎面が略球状に広がりながら燃焼が進行して燃焼室４内の圧力が急激に上昇する(膨張行程)。そして、上昇した筒内圧力によってピストン１が押し下げられる。この膨張行程での燃焼について説明すると、前期の主燃焼期間（燃料質量の１０％〜９０％が燃焼する主燃焼期間のうち、１０％以上５０％未満が燃焼する期間）では比較的低速で燃焼が行われ、後期の主燃焼期間（燃料質量の５０％以上９０％未満が燃焼する期間）では比較的高速で燃焼が行われる。このように、上記のクラウン部５の形状を採用することにより後期の主燃焼期間が主体となる燃焼形態にすることができる（このような燃焼形態を「後期重心型燃焼」と呼ぶことにする）。
【００１７】
具体的に説明すると、クラウン部５の中央部分１４を構成する第１凹所(中央凹所)と排気側の外周縁部分１３との間はリング状部分１５の比較的大きく隆起した排気側部分１５ａによって燃焼室４が狭められている（ｄ１）。したがって、クラウン部５の中央凹所１４で形成された火炎核が略同心球状に広がる過程で、リング状部分１５によって一種の絞り作用を受け、この影響を受けて火炎が外周方向に伝播されるのが抑制される。このことから、クラウン部５の中央凹所１４における燃焼速度が比較的低く抑えられる(前期主燃焼期間)。そして、火炎面（火炎伝播の最前線）がリング状部分１５を越えると、クラウン部５の外周縁部分１３で比較的高速に火炎が伝播する（後期主燃焼期間）。
【００１８】
上述したように、リング状部分１５のうち、比較的低温の吸気バルブ１０が臨む吸気側部分１５ｂに比べて、高温の排気バルブ９が臨む排気側部分１５ａを相対的に大きく隆起させた形状としてある。この構成による利点は、次の問題点、つまりピストン１のクラウン部５の全領域のうち排気側への火炎伝播が相対的に急速に進み、吸気側への火炎伝播が相対的に遅くなるという燃焼速度の不均一な状態の発生を抑制することにある。そして、上述のクラウン部５の形状を採用して後期重心型燃焼を実現することにより、ノッキングを防止しつつ高圧縮比を実現することができる。
【００１９】
図１、図２、図３などを参照して、ピストン１は、従来と同様に、クラウン部５の外周縁から垂下する外周面を備えたランド部２０を有し、このランド部２０の外周面に、シールリング収容溝２１、２２、オイルリング収容溝２３が形成されている。また、ピストン１は、ランド部２０から下方に垂下する一対のスカート部２４、２４と、この一対のスカート部２４、２４同士を連結するサイドウォール部２５に形成されたピストンピンボス部２６とを有する。一対のピストンピンボス部２６には、同一軸線上に位置するピストンピン(図示せず)が挿入されるピン孔２７が夫々形成されている。
【００２０】
なお、ピストン１のクラウン部５を前述した形状にしたことに関連して、図１を参照すると良く理解できるように、一対のピン孔２７、２７の軸線Ｌ（図４）を挟んで排気側と吸気側とで形状が異なっており、クラウン部５だけに注目すれば、排気側の方が吸気側に比べて重量が重い。
【００２１】
図６、図７を参照すると最も良く分かるように、ランド部２０の下面において、サイドウォール部２５の上方領域に下方に向けて開放した窪み３０が形成されている。この窪み３０は、図２から最もよく分かるように、上方つまり深部に行くほどピストン中心に接近するように斜めに配置されている。そして、図１、図５に現れてるように、窪み３０内には、ランド部２０とサイドウォール部２５との間に延び且つ両者２０、２５を連結する複数のリブ３１が形成されており、図示の実施例では、ピストンピンボス部２６を挟んで左右に一対形成されている。
【００２２】
一つ窪み３０に含まれる複数のリブ３１のうち、吸気側に位置する第１リブ３１ａは比較的肉厚のリブとされ、排気側に位置する第２リブ３１ｂは相対的に肉薄のリブとされて、クラウン部５の形状によって当該クラウン部５の重量が相対的に軽い吸気側の第１リブ３１ａが、相対的に重い排気側の第２リブ３１ｂよりも相対的に重くなるように設定されている。すなわち、上述したクラウン部５の形状に関連し、クラウン部５はピストンピンボス部２６を挟んで吸気側が排気側に比べて相対的に重くなる形状を有している。したがって、吸気側に位置する第１リブ３１ａを、排気側に位置する第２リブ３１ｂに比べて重くなるように(例えば肉厚)することで、上述したクラウン部５の形状に伴う当該クラウン部５での重量面でのアンバランスを改善することができる。つまり、クラウン部５の形状に伴う重量バランスの不均衡を第１リブ３１ａと第２リブ３１ｂの重量差によって抑制することができる。
【００２３】
吸気側に位置する比較的肉厚の第１リブ３１ａは、これを肉厚に設計したときには、その肉厚の形状を利用して、オイルリング収容溝２３に通じるオイル供給通路３２を設けてられていてもよい。このオイル供給通路３２はピストンピンボス部２６のピン孔２７に連通している。このオイル供給通路３２は、第１リブ３１ａを貫通して延びる横孔３２ａと、ピストンピンボス部２６を底面から該ボス部２６を貫通して、上述した横孔３２ａに通じる縦孔３２ｂとからなり、これら横孔３２ａと縦孔３２ｂとでオイル供給通路３２が構成されている。
【００２４】
如上のように、ピストン１のクラウン部５の形状に例えば燃料の燃焼性を改善するために工夫を施した結果、クラウン部５の重量バランスを阻害してしまう場合に、ピストン１の軽量化のために設けた上記窪み３０内の複数のリブ３１を使って、このリブ３１のうち、重量バランスが相対的に軽くなる部位のリブ３１ａを典型的には肉厚に設計し、他方、重量バランスが相対的に重くなる部位のリブ３１ｂを小さく（例えば肉薄）に設計することで、ピストン１の重量バランスを改善することができる。
【００２５】
また、ピストン１の第１のリブ３１ａを肉厚に設計したときには、この肉厚のリブ３１ａを使ってオイルリング収容溝２３からピストンピンボス部２６のピン孔２７に通じるオイル供給通路３２を形成することでオイルリング収容溝２３に設けられるオイル供給通路を効率良く配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例のピストンをピストンピンボス部側から見た側面図。
【図２】実施例のピストンをスカート部側から見た側面図。
【図３】実施例のピストンを排気側から見た斜視図。
【図４】実施例のピストンを吸気側から見た斜視図。
【図５】ピストンを下から見た底面図。
【図６】図３のVI−VI線に沿った断面図。
【図７】図６の断面構造を斜めから見た図。
【図８】シリンダに嵌装したピストンにより形成される燃焼室形状を説明するための断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１    ピストン
２    シリンダ
４    燃焼室
５    ピストンのクラウン部
７    排気ポート
８    吸気ポート
１１    点火プラグ
１４    中央部分（中央凹所）
１５    リング状部分
１５ａ    リング状部分の排気側部分
１５ｂ    リング状部分の吸気側部分
２０    ランド部
２１、２２  シールリング収容溝
２３    オイルリング収容溝
２４    スカート部
２５    サイドウォール部
２６    ピストンピンボス部
２７    ピン孔
３０    窪み
３１    リブ
３１ａ    第１リブ（吸気側：肉厚）
３１ｂ    第２リブ（排気側：肉薄）
３２    オイル供給通路
【図１】
2008008170.tif 000003
【図２】
2008008170.tif 000004
【図３】
2008008170.tif 000005
【図４】
2008008170.tif 000006
【図５】
2008008170.tif 000007
【図６】
2008008170.tif 000008
【図７】
2008008170.tif 000009
【図８】
2008008170.tif 000010