(57)【要約】【課題】  レシプロ内燃機関のピストンの軽量化を図るとともに、ピストンとシリンダ内壁面との間に生じる打音およびフリクションロスを低減する。【解決手段】  ピストンスカート部２２に２対のローラＲ，Ｒ…を組み付ける。２対のローラＲ，Ｒ…は、側面視においてピストンピン３１の下方位置に配置されるとともに、平面視において、ピストンピン３１を挟む対称位置に１対当て振分け配置され、各１対のローラＲ，Ｒは、ピストンピン３１に直交する連接棒３２の運動基準面Ｐ１を挟む対称位置に振分け配置される。この２対のローラＲ，Ｒ…は、従来のピストンのピストンスカートに代わってシリンダ内壁面に転動接触し、ピストン２０Ａの往復運動姿勢を安定化する。【選択図】  図１
2008038748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
爆発圧力を受け止めるピストン冠面部と、シリンダ内壁面に摺接することによってピストンの往復運動姿勢を安定化するピストンスカート部と、連接棒小端に挿通したピストンピンの両端を受け止める１対のボス部とを軽金属合金より一体成形してなるレシプロ内燃機関のピストンにおいて、
前記ピストンスカート部に２対のローラを組み付けてなり、該２対のローラは、前記ボス部にピストンピンを取り付けた場合のピストンピンを基準として、ピストンを側方から見た側面視においてピストンピンの下方位置に配置されるとともに、ピストンをピストン冠面部側から見た平面視において、ピストンピンを挟む対称位置に１対当て振分け配置され、各１対のローラは、ピストンピンに直交する連接棒の運動基準面を挟む対称位置に振分け配置され、
前記２対のローラは、前記ピストンスカートに代わってシリンダ内壁面に転動接触することによってピストンの往復運動姿勢を安定化することを特徴とするレシプロ内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記２対のローラにおける各１対のローラは、弾発部材を介してローラ間距離が拡大する向きに付勢されていることを特徴とする請求項１に記載のレシプロ内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記２対のローラにおける各１対のローラが一体成形または連結されていることを特徴とする請求項１に記載のレシプロ内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記２対のローラが弾発部材を介して前記ピストンスカート部に組み付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレシプロ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、ピストンの往復運動をクランクの働きを利用して回転運動に変換して出力するようにしたレシプロ内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
レシプロ内燃機関は、自動車用の原動機として最も多用されている内燃機関であり、改良の歴史も長い。今日、環境問題等の視点から、電気モータとのハイブリッド化や完全電気自動車への移行が模索されているが、運転可能状態の機関の重量に対する出力の大きさや出力の立ち上がりの鋭敏さにおいて、電気自動車等の追随を容易には許さない。したがって、レシプロ内燃機関は、使用燃料の多様化等の時代の要求に即した更なる改良を受けることを条件に、今後も相当期間、自動車用の原動機として主役の座を維持するものと思われる。
【０００３】
レシプロ内燃機関は、多数の機械要素と機能部分からなり、その改良は、多岐に及んでいる。本発明は、このうちのピストンに関する。ピストンは、シリンダヘッドと対向するようにシリンダボア内に摺動自在に装填されて機関の燃焼室を形成している。ピストンの下方には、クランクシャフトが配設され、ピストンとクランクシャフトとは、連接棒を介して連結されている。連接棒の一端は、連接棒小端と称し、ピストンピンを挿通するためのピン孔が形成されている。一方、連接棒の他端は、連接棒大端と称し、クランクシャフトのクランク部を把持するための分割構造の軸孔が形成されている。
【０００４】
ピストンには、ピストンピンの両端部を支持するための１対のボス部が形成され、ピストンと連接棒小端とは、１対のボス部間に連接棒小端を位置決めし、一方のボス部から他方のボス部側にピストンピンを挿通することによって連結されている。つまり、ピストンは、ピストンピンを回転軸として首を振る構造になっている。
【０００５】
レシプロ内燃機関においては、ピストンと連接棒とクランクシャフトとの組合せによって、往復運動と回転運動とが機械的に連携して行われる。レシプロ４行程機関では、爆発行程においてピストンが連接棒を介してクランクシャフトを駆動し、吸気行程、圧縮行程および排気行程においては、クランクシャフトがピストンを駆動する。このように動力の伝達方向が行程によって異なる場合であっても、ピストンが往復運動をし、クランクシャフトが回転運動をすることには変わりがない。この際、連接棒は、ピストンピンを中心とする首振り運動とクランクシャフトに伴う往復運動と旋回運動との複合運動をする。この複合運動は、ピストンピンおよびクランクシャフトに直交し、ピストンの中心を通る１平面に属する運動であり、本願においては、連接棒の「運動基準面」と表現している。
【０００６】
機関の運動部材中、回転部材が有する回転慣性質量は、機関の回転の円滑化に寄与することから必ずしもマイナス要因とはならない。一方、往復運動部材が有する往復慣性質量は、爆発行程によって発生したエネルギを無駄に消費することから、機関の運転上、マイナス要因となる。そこで、往復運動部材であるピストンの軽量化を図るためにピストンスカート部が徐々に短くされる傾向にある。例えば、
【特許文献１】特開平８−３３８５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ピストンスカートを短くしてピストンの軽量化を実現しようとするアイデアは、シリンダ内においてピストンの往復運動姿勢を安定化するというピストンスカートが本来有する機能を犠牲にすることなくしては実現することができないアイデアである。爆発行程における燃焼室内の圧力の瞬時的な偏在や、連接棒の首振り運動成分の反力は、ピストンを傾ける力として作用する。そして、ピストンを傾けようとする力は、ピストン冠面部の側面部分に嵌め込まれたピストンリングとピストンスカートとによって受け止められる。
【０００８】
この際にピストンスカートの部分が短いと、ピストンスカート部とシリンダ内壁面との間で不快な打音及び大きな摩擦力が生じるという問題がある。ピストン直径とシリンダボアとの間には、シリンダの熱変形等を考慮した所定のギャップが設定されているからである。そして、このようなピストンとシリンダ間における不快音や不安定な摩擦力の発生は、爆発エネルギを無駄に消費する要因となる他、体感的エンジン性能、いわゆるエンジンフィーリングを損ねる。エンジンフィーリングは、そのエンジンを搭載した車両に対する需要者側の大きな評価ポイントである。
【０００９】
本発明は、ピストンとシリンダ間において発生する打音や摩擦が、ピストンピンを軸としてピストンが傾こうとすることに起因し、したがって、ピストンスカートの特定の箇所、具体的には、ピストンスカート下端部の連接棒の運動基準面を含む限局された部分において発生することに着目し、この部分に摩擦を減少させる部材を介在させること、さらに好ましくは、摩擦を減少させる部材をシリンダボアとの間にギャップを設定することなく介在させることによって、軽量化と打音を伴わない円滑な往復運動を両立させるとともに、快適なエンジンフィーリングを有するレシプロ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】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を採用する。
【００１１】
本発明の請求項１に記載のレシプロ内燃機関のピストンは、爆発圧力を受け止めるピストン冠面部と、シリンダ内壁面に摺接することによってピストンの往復運動姿勢を安定化するピストンスカート部と、連接棒小端に挿通したピストンピンの両端を受け止める１対のボス部とを軽金属合金より一体成形してなるレシプロ内燃機関のピストンにおいて、ピストンスカート部に２対のローラを組み付けてなり、２対のローラは、ボス部にピストンピンを取り付けた場合のピストンピンを基準として、ピストンを側方から見た側面視においてピストンピンの下方位置に配置されるとともに、ピストンをピストン冠面部側から見た平面視において、ピストンピンを挟む対称位置に１対当て振分け配置され、各１対のローラは、ピストンピンに直交する連接棒の運動基準面を挟む対称位置に振分け配置され、この２対のローラは、ピストンスカートに代わってシリンダ内壁面に転動接触することによってピストンの往復運動姿勢を安定化することを特徴とする。
【００１２】
上記構成に係るピストンは、ピストンスカート部にピストンスカートに代わってシリンダ内壁面に転動接触する２対のローラを有する。すなわち、シリンダボア内に装填されたピストンは、ピストン冠面部の側面部分に必要的に嵌め込まれるピストンリングと２対のローラとによってシリンダ内壁面に接触する。ここで、２対のローラとピストンとの位置関係は、２地のローラが、ピストンピンを基準として、側面視においてピストンピンの下方位置に、かつ、平面視において、ピストンピンを挟む対称位置に１対当て振分け配置され、各１対のローラは、ピストンピンに直交する連接棒の運動基準面を挟む対称位置に振分け配置されている。一方、ピストンが傾こうとする運動は、ピストンピンに直交する平面に属する運動、すなわち、連接棒の運動基準面に属する運動である。したがって、ピストンを傾けようとする応力は、連接棒の運動基準面を挟んで振分け配置される各１対のローラに略均等に分散負荷される。ここに、ピストンスカートの一箇所に応力が集中していた従来のピストンとの比較において第１の相違が見られる。また、各１対のローラに分散負荷された応力によって、ローラとシリンダ内壁面との間には摩擦が発生することとなるが、この際の摩擦損失は、ローラが転動することによって極めて小さく抑えることができる。ここに、ピストンスカートとシリンダ内壁面との間の摩擦が摺接摩擦である従来のピストンとの第２の相違がある。
【００１３】
本発明の請求項２に記載のレシプロ内燃機関のピストンは、請求項１に記載のレシプロ内燃機関のピストンにおける各１対のローラが、弾発部材を介してローラ間距離が拡大する向きに付勢されていることを特徴とする。
【００１４】
上記構成に係る各１対のローラにおいて、直径部分以外の位置において一定のボア径のシリンダ内壁面に内接している状態の各１対のローラ間距離が拡大するということは、各１対のローラがシリンダ内壁面に押し付けられるということである。すなわち、弾発部材を介して1対のローラ間距離を拡大する方向に付勢する結果として、1対のローラを弾性的にシリンダ内壁面に押し付けることができるのである。そしてこの場合には、２対のローラとシリンダ内壁面との間にギャップを設定することを要しないので、ギャップに起因する打音の発生を阻止することができる。
【００１５】
本発明の請求項３に記載のレシプロ内燃機関のピストンは、請求項１に記載のレシプロ内燃機関のピストンにおける、各１対のローラが、一体成形または連結されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成に係る各１対のローラは、一体成形または連結することによって独立構造では不可能な相補的な構造を採用することが可能となり、重量当たりの強度が高く耐久性の大きいローラを実現することができる他、ピストンに対する取付け工数等も軽減される。
【００１７】
本発明の請求項４に記載のレシプロ内燃機関のピストンは、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレシプロ内燃機関のピストンにおける２対のローラが、弾発部材を介してピストンスカート部に組み付けられていることを特徴とする。
【００１８】
本発明のレシプロ内燃機関のピストンにおける２対のローラは、その全数が常にシリンダ内壁面に適切な当接圧で接触していることが好ましいのであるが、このような状態を実現することには、非現実的な機械精度が要求されるとともに、却ってシリンダの熱変形に適応することが困難となる。そこで、２対のローラが固定的に取り付けられている場合には、２対のローラの外接円の直径とシリンダ内径との間に適切なギャップを設定することが求められる。この場合は、ピストンの往復運動に際して２対のローラのうちのいずれか１対のみがシリンダ内壁面に当接し、他の１対のローラは、シリンダ内壁面から浮いている状態で作動することとなり、打音の発生が避けられない。そこで、２対のローラを、弾発部材を介してピストンスカート部に取り付けることによって、２対のローラを同時にかつ安定にシリンダ内壁面に当接させることができるのである。そして、弾発部材がローラのサスペンションとして機能するので、極めて円滑なピストンの往復運動を実現することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレシプロ内燃機関のピストンは、ピストンスカートに代ってシリンダ内壁面に転動接触する２対のローラによってピストンの往復運動姿勢を円滑に安定化させることができるので、ピストンとシリンダ内壁面間のフリクションロスを低減し、エンジンフィーリングを改善することができるとともに、２対のローラを取り付ける部分以外のピストンスカート部分を大幅に省略することができるので、ピストンの軽量化をも達成することができる。
【００２０】
また、２対のローラを弾発部材を介してピストンに組み付ける場合には、２対のローラとシリンダ内壁面との間にギャップを設けることを要しないので、上記効果のほか、ギャップの存在に起因する打音の発生が効果的に抑制されると同時に、エンジンフィーリングも改善される。また、弾発部材がローラのサスペンションとして機能し、爆発行程等における過渡的な外力を吸収するので、ローラの耐用期間を長期化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明のレシプロ内燃機関のピストン（以下単に「ピストン」という）は、様々な形態をとり得るが、以下に代表的な実施の形態を２例説明する。
【００２２】
本発明のピストン２０Ａは、ピストン冠面部２１と、ピストンスカート部２２と、ピストンピン３１の両端部を受け止める１対のボス部２３，２３と、２対のローラＲ，Ｒ…と、ローラＲ，Ｒ…を取り付けるための２対のフランジ２４，２４…とからなる（図１ないし図３）。これらの部材には、特別な材質要求はなく、ローラＲ，Ｒ…を除きアルミニウムを主体とする軽金属合金から一体成形されている。なお、図１はピストン２０Ａの斜視図、図２はピストン２０Ａの側面図、図３はピストン２０Ａの底面図である。
【００２３】
ピストン冠面部２１には、爆発圧力を受け止めるために十分な肉厚が付与され、ピストン冠面部２１の側面部分には、圧縮リングおよびオイルリングを装着するためのリング溝２Ｇ，２Ｇ…が切り込まれている。ピストンスカート部２２は、ごく短く設定され、その内側面には、１対のボス部２３，２３が形成されている。なお、ピストンスカート２２のボス部２３，２３に対応する部分は、部分的に面取りされてくぼみ平面２Ｂ、２Ｂとされている。
【００２４】
連接棒３２の小端部３Ｓは、ピストンピン３１を介してボス部２３，２３によって支持され、連接棒３２の大端部３Ｂは、クランクシャフトＣＳのクランク部Ｃ２を把持するように連結されている（図１）。クランクシャフトＣＳが回転するとき連接棒３２の大端部３Ｂは旋回運動をし、連接棒３２は、ピストンピン３１を中心に首振り運動しながら上下動する。このような連接棒３２の運動は、ピストンピン３１に直交する１平面に属するように行われ、この１平面を本願において連接棒３２の運動基準面Ｐ１と称する。なお、運動基準面Ｐ１は、現実には存在しない観念上の平面であり、図１に示すのは、その一部分である。
【００２５】
ピストン２０Ａにおいて、ローラＲ，Ｒ…を取り付けるための２対のフランジ２４，２４…は、１対当て、ピストンスカート２２の下部に下垂する姿勢で設けられている。この際、各１対のフランジ２４，２４の基部は、ピストンスカート部２２の内側面とボス部２３，２３とに接続している。２対のフランジ２４，２４…は、全体としてボス部２３，２３に挿通したピストンピン３１の軸Ｐ２方向に直交する方向に向けて形成され、各１対のフランジ２４，２４間には、１対のローラＲ，Ｒを一体成形した形態のローラＲ，Ｒがピストンピン３１の軸Ｐ２の方向と平行に組み付けられている（図３）。
【００２６】
ここで、２対のローラＲ，Ｒ…は、ピストンピン３１を基準として、ピストン２０Ａを側方から見た側面視においてピストンピン３１の下方位置に配置されるとともに（図２）、ピストン２０Ａをピストン冠面部２１側から見た平面視において、ピストンピン３１を挟む対称位置に１対当て振分け配置され（図３）、各１対のローラＲ，Ｒは、ピストンピン３１に直交する連接棒３２の運動基準面Ｐ１を挟む対称位置に振分け配置されている。なお、図３は、底面図であるが、ピストンピン３１と２対のローラＲ，Ｒ…の配置関係は、平面図であっても同一に現れるため、平面図に代えて引用している。
【００２７】
そして、２対のローラＲ，Ｒ…は、このような配置条件を充足した上で、連接棒３２の運動基準面Ｐ１に接近して配置され、シリンダボアとの関係においては、シリンダ内壁面ＬＢとの間に所定のギャップを介して内接するように設定されている。
【００２８】
各１対のローラＲ，Ｒは、中間に胴部Ｒ１を介在させて一体成形され、全体としては、鼓形を呈する（図４）。一体成形された各１対のローラＲ，Ｒは、各１対のフランジ間２４，２４に横設する取付け軸２５によって回転自在に支持されている。１対のローラＲ，Ｒの内部には、それぞれ２組のボールベアリングＢ１，Ｂ１が並列配置で装填されており、耐荷重容量を高めながら低摩擦で回転することができる。
【００２９】
上記実施の形態にかかるピストン２０Ａにおいては、使用上、リング溝２Ｇ，２Ｇ…に嵌め込まれる圧縮リングおよびオイルリングと、２対のローラＲ，Ｒ…のみがシリンダ内壁面ＬＢに転動接触する状態で作動させることができるので、極めて低損失で円滑な作動状態が実現される。したがって、ピストンスカート部２２は、ピストン２０Ａの動作上では不要であり、図１ないし図３における図示表現に拘わらず、フランジ２４，２４…の強度を確保できる範囲で、ピストンスカート部２２をさらに削減し、軽量化することが可能である。
【００３０】
上記実施の形態において設定されたシリンダボアＬＢと２対のローラＲ，Ｒ…間のギャップは、ピストン２０Ａのより円滑な往復運動を確保する上では設定しない方が好ましい。このためには、シリンダボアおよびピストン各部の熱膨張や熱変形に対する何らかの方策が必要である。この方策としては、２対のローラＲ，Ｒ…を弾発部材２６を介して取り付けることができる（図５）。
【００３１】
図５においては、ローラＲ，Ｒの取付け軸２５とフランジ２４，２４との間にスリーブ状の弾発部材２６，２６が介装されている。弾発部材２６としては、テフロン（登録商標）スリーブやフッ素ゴム管、ウエーブ加工した金属管等を用いることができるが、ここでは、簡便にロールピンを２重にしたものを用いている。ロールピン自体は、本来弾発性状の部材ではないのであるが、完全な円筒形ではあり得ないので２重にして用いることによって、使用上において適度に弾発性を発揮することができる。弾発部材２６の弾性変位範囲は０．２ミリメートルもあれば足りるからである。弾発部材２６の介在によって２対のローラＲ，Ｒ…は、エンジンが冷えている冷機状態においても、エンジンが温まった暖機状態においても、シリンダ内壁面ＬＢに対して安定な接触状態を維持することができる。
【００３２】
２対のローラＲ，Ｒ…の各個を独立に設ける場合には、連接棒３２の運動基準面Ｐ１を挟んで対峙する各１対のローラＲ，Ｒ間に弾発部材２７を介装し、そのローラ間距離が拡大する向きに付勢することができる（図６）。本実施の形態において用いられている弾発部材２７は、金属管に多数の独立したスリットを周方向に刻設することによって、軸方向に変位性を付与した形態のものが用いられている。これは、例えば、回転伝達用のシャフトのフレキシブルカップリング用に用いられているような構成である。
【００３３】
このような形態の弾発部材２７は、ローラＲ，Ｒの取付け軸２５を利用してローラＲ，Ｒ間に組み込まれている。この際には、１対のローラＲ，Ｒがシリンダ内壁面ＬＢに接触した状態において、各ローラＲ，Ｒと隣接するフランジ２４，２４との間に所定のクリアランスＧ１，Ｇ１を設定することが必要である。また、各ローラＲには弾発部材２７によるスラスト荷重が常時負荷されるので、ボールベアリングＢ１，Ｂ１には、アンギュラコンタクト型のものを採用している。弾発部材２７の弾性力を加減することによって、シリンダ内壁面ＬＢに対する各ローラＲの接触圧を簡単に最適化することができる。
【００３４】
本発明の別の実施の形態にかかるピストン２０Ｂは、ピストンスカート部２２に２対のローラＲ，Ｒ…を埋め込む態様で取り付けてなる（図７ないし図９）。なお、ピストンピン３１および連接棒３２の運動基準面Ｐ１を基準とする２対のローラＲ，Ｒ…の配置関係は、前実施の形態におけるピストン２０Ａと同様である。
【００３５】
ピストン２０Ｂにおけるピストンスカート部２２には、ピストンピン３１を挟む対称位置にそれぞれ２面当て、合計４面の平面部２２Ｓ，２２Ｓ…が形成され、各平面部２２Ｓには、角孔が形成されている。この際の、各平面部２２Ｓは、その位置におけるピストン２０Ｂの半径方向に直交する姿勢に設定されている。各ローラＲは、左右１対のフランジ２８Ｆ，２８Ｆを有するケース２８に収納され、ケース２８内に横設する軸２５Ｓによって回転自在に支持されている（図９）。なお、軸２５ＳとローラＲ間には、ニードルローラベアリングＢ２が介装されている。また、ローラＲの一部は、ケース２８の外部に突出している。
【００３６】
各ローラＲは、ケース２８ごとピストンスカート部２２の平面部２２Ｓに設けた角孔に埋め込まれ、ケース２８のフランジ２８Ｆ，２８Ｆによって位置決めされる構造である。各ローラＲは、ピストン２０Ｂがシリンダボア内に装填され、ケース２８から突出した部分がシリンダ内壁面ＬＢに当接することによって、脱出不能に拘束される。この際に、ケース２８のフランジ２８Ｆ，２８Ｆの裏面とピストンスカート部２２の平面部２２Ｓとの間に弾発部材２９を介装することによって、ケース２８ごと各ローラＲを弾性支持することができる。この場合の弾発部材２９には、凹面または凸面、あるいはＷ字形に加工した板ばねが適切である。この実施の形態に示すタイプのピストン２０Ｂにおいては、各ローラＲがシリンダ内壁面ＬＢに理想的な姿勢で当接することができるという利点がある。
【００３７】
以上のいずれの実施の形態のピストン２０Ａ，２０Ｂにおいても、連接棒３２の運動基準面Ｐ１を挟んで配置される１対のローラＲ，Ｒの配置角度Ａは、３０度ないし５０度の範囲とすることが好ましい。ピストンを傾けようとする応力は、運動基準面Ｐ１の近傍に集中するからである。また、ローラＲの材質については、現時点では、ベアリング用鋼材を使用しているが、一層の軽量化、静粛性の追及および動作の円滑性の観点からシリンダ内環境に耐える樹脂材料、または樹脂材料と金属材料との複合材料、セラミックス、発泡金属等の使用可能性が今後の検討課題である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のピストンの実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明のピストンの実施の形態を示す側面図である。
【図３】本発明のピストンの実施の形態を示す底面図である。
【図４】図２のＸ−Ｘ線矢視拡大断面図である。
【図５】本発明のピストンの他の実施の形態を示す図４相当図である。
【図６】本発明のピストンの他の実施の形態を示す図４相当図である。
【図７】本発明のピストンの他の実施の形態を示す斜視図である。
【図８】本発明のピストンの他の実施の形態を示す底面図である。
【図９】図７の要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
２０Ａ    ピストン
２０Ｂ    ピストン
Ｐ１      運動基準面
ＬＢ      シリンダ内壁面
Ｒ        ローラ
２１      ピストン冠面部
２２      ピストンスカート部
２３      ボス部
２４      フランジ
２６      弾発部材
２７      弾発部材
２９      弾発部材
３２      連接棒
３Ｓ      連接棒小端
３Ｂ      連接棒大端
【図１】
2008038748.tif 000003
【図２】
2008038748.tif 000004
【図３】
2008038748.tif 000005
【図４】
2008038748.tif 000006
【図５】
2008038748.tif 000007
【図６】
2008038748.tif 000008
【図７】
2008038748.tif 000009
【図８】
2008038748.tif 000010
【図９】
2008038748.tif 000011