(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング下方のスカート部の外形を、ピストンリング側のスカート上端部から中途高さ部位までは下方にいくにつれて徐々に張出し、中途高さ部位からスカート下端部にかけては下方にいくにつれて徐々に張出し量が少なくなるようにした内燃機関のピストン構造であって、
スカート上端部から下方へいくにつれ張出し量が徐々に大きくなって最大値に到達する高さ位置である張出し量最大到達高さ位置が、ピストンの高さ方向においてピンボス中心高さ位置よりもスカート下端部の位置側にあって、かつ、前記張出し量最大到達高さ位置と前記ピンボス中心高さ位置との距離が、前記張出し量最大到達高さ位置と前記スカート下端部の位置との距離より大きくなるような湾曲形状にスカート部外形を形成し、
加えて、少なくとも張出し量最大到達高さ位置における横断面を、ピンボス軸線方向と直交するスラスト・反スラスト方向に長径を有し、偏平率が異なる少なくとも２つの楕円を複合させた複合楕円形状であって、長径方向両側に位置する部分が偏平率小、この部分よりもピンボス寄りに位置する部分が偏平率大となる形状としたことを特徴とする内燃機関のピストン構造。
【請求項２】
スカート部の高さ方向寸法をピストン径の１／２以下としたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン構造。
【請求項３】
ピンボス中心高さ位置からスカート下端部までの高さ方向寸法を、ピンボス中心高さ位置からピストン上端部までの高さ方向寸法よりも小さくしたことを特徴とする請求項２記載の内燃機関のピストン構造。
【請求項４】
アルミ合金製のシリンダブロックにピストンが嵌装されていることを特徴する請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関のピストン構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のピストン構造に関し、より詳しくは、スカート部の外形が上端部から中途高さ部位まで徐々に張出し、中途高さ部位から下端部にかけて徐々に張出し量が少なくなる湾曲形状とされたピストン構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関においてピストンの摺動抵抗が大きいと、フリクションロスによる燃費悪化、出力低下、機関の耐久性悪化などを招く。そこで、内燃機関におけるピストンの摺動抵抗低減等のため、ピストンリング下方のスカート部の外形を、上端部から中途高さ部位まで徐々に張出し、中途高さ部位から下端部にかけて徐々に張出し量が少なくなる湾曲形状（いわゆる樽型）としたピストン構造は従来から知られている。
【０００３】
例えば、特開平６−１８５４０５号公報に示されたピストンのスカート部は、上方部所定範囲内で下方にいくに従い径が増大する（張出し量が大きくなる）凸状の湾曲部と、この湾曲部に連なる最大径部と、この最大径部に連なり下方にいくにつれて径が小さくなるスカート下方のテーパー部とを有し、上記最大径部はピンボス中心高さ位置付近に設けられている。そして、テーパー部のピストン軸芯に対する傾斜角が冷間時において０．００１５〜０．０２ラジアンに設定されており、上記公報にはこの構成による効果として、上記テーパー部の傾斜角が０．００１５ラジアン以上であることにより摺動抵抗が低減され、また、０．０２ラジアン以下であることによりピストンスラップ音の増大が抑制されると記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のピストン構造では、実際にはピストンの摺動抵抗の低減とスラップ音の抑制とを両立させることが難しい。
【０００５】
すなわち、上記のような従来の樽型形状において、最大径部でのスカート部外周とシリンダ内周壁とのクリアランスを大きくすると、摺動抵抗低減には有利となるが、後述のような上死点付近でのピストンの首振り動作により生じるスラップ音は増大し易くなるため、スラップ音低減のためにはクリアランスをできるだけ小さくすることが要求される。
【０００６】
ところが、スラップ音を実車で問題とならないレベルまで低減させるように上記クリアランスを小さくすると、摺動抵抗が増大し、樽形形状としたことによる摺動抵抗低減の効果が打ち消されていしまう。とくに、最大径部がピンボス中心高さ位置付近に設けられている従来の樽型形状では、後に詳述するように運転中にスカート上部が大きく熱膨張することで外方に張出してシリンダ内周壁に押し付けられ、これにより摺動抵抗が増大する。このため、上記のようにスカート下方のテーパー部の傾斜角を調整しても、充分に摺動抵抗を低減することは困難である。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑み、運転中にスカート上部が熱膨張した状態でも、摺動抵抗の低減とスラップ音の抑制との両立を有効に達成することができる内燃機関のピストン構造を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ピストンリング下方のスカート部の外形を、ピストンリング側のスカート上端部から中途高さ部位までは下方にいくにつれて徐々に張出し、中途高さ部位からスカート下端部にかけては下方にいくにつれて徐々に張出し量が少なくなるようにした内燃機関のピストン構造であって、スカート上端部から下方へいくにつれ張出し量が徐々に大きくなって最大値に到達する高さ位置である張出し量最大到達高さ位置が、ピストンの高さ方向においてピンボス中心高さ位置よりもスカート下端部の位置側にあって、かつ、前記張出し量最大到達高さ位置と前記ピンボス中心高さ位置との距離が、前記張出し量最大到達高さ位置と前記スカート下端部の位置との距離より大きくなるような湾曲形状にスカート部外形を形成し、加えて、少なくとも張出し量最大到達高さ位置における横断面を、ピンボス軸線方向と直交するスラスト・反スラスト方向に長径を有し、偏平率が異なる少なくとも２つの楕円を複合させた複合楕円形状であって、長径方向両側に位置する部分が偏平率小、この部分よりもピンボス寄りに位置する部分が偏平率大となる形状としたものである。
【０００９】
この構成によると、スカート部において張出し量最大の位置がピンボス中心高さ位置付近にある従来の樽型形状のものと比べ、スカート上部の張出し量が小さくなることにより、運転中にスカート上部が大きく熱膨張しても張出しが充分に抑えられる。これにより、上死点付近での摺動抵抗の低減効果が高められる。また、このようにスカート上部の張出し量が小さくなると、ピストンの上下動に伴うスラスト・反スラスト方向へのピストンの傾きが大きくなり易いが、上死点付近でピストンの傾きが変ったときにもピストン外周がシリンダ内周壁に滑らかに当って衝撃が小さく抑えられることにより、スラップ音も充分に抑制される。更に、少なくとも張出し量最大到達高さ位置における横断面を、ピンボス軸線方向と直交するスラスト・反スラスト方向に長径を有し、偏平率が異なる少なくとも２つの楕円を複合させた複合楕円形状であって、長径方向両側に位置する部分が偏平率小、この部分よりもピンボス寄りに位置する部分が偏平率大となる形状とすることで、耐スカッフ性の悪化が防止されつつ、摺動抵抗がより一層低減される。
【００１０】
この発明において、スカート部の高さ方向寸法をピストン径の１／２以下とすることが好ましい。さらに、ピンボス中心高さ位置からスカート下端部までの高さ方向寸法を、ピンボス中心高さ位置からピストン上端部までの高さ方向寸法よりも小さくすることが好ましい。
【００１１】
このようにすると、スカート部の高さ方向寸法が小さくなることにより、シリンダ内周壁との接触面積が減少して摺動抵抗低減に有利となり、その一方でピストンの傾きが大きくなり易いが、上記のようにスカート部外形が形成されていることでスラップ音は充分に抑制される。
【００１４】
また、本発明はアルミ合金製のシリンダブロックにピストンが嵌装されるものに適用した場合に特に効果的である。すなわち、シリンダブロックがアルミ合金製である場合、温間時にシリンダブロックの熱膨張によりスカート部外周とシリンダ内周壁とのクリアランスが増大するので、それを考慮すると設計上の上記クリアランスはできるだけ小さくすることが要求されるが、上記のような本発明のピストン構造によれば、このような要求を満足するように上記クリアランスを小さくしても充分に摺動抵抗が低減される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明のピストン構造が適用されるエンジン（内燃機関）のシリンダ部分の断面構造を概略的に示したものである。この図において、１はエンジンのシリンダを構成するシリンダブロックであり、例えばアルミ合金により形成されている。
【００１７】
このシリンダブロック１に設けられたシリンダボア２内にピストン１０が嵌装され、このピストン１０とコンロッド３の上端部（小端部）とがピストンピン４により連結されている。また、ピストン１０の上部には複数のピストンリングが嵌着され、図示の実施形態では気密を保つための第１，第２の圧縮リング５Ａ，５Ｂとオイル掻き落としのためのオイルリング５Ｃとからなる３本のピストンリグが嵌着されている。なお、上記コンロッド３の下端部（大端部）は図外のクランクシャフトに連結されている。また、シリンダブロック１の上方にはシリンダヘッド６が設置されている。
【００１８】
図２および図３は本発明の一実施形態による上記ピストン１０を示し、また図４は本発明の特徴とするプロフィールを誇張してピストン１０を模式的に示している。これらの図に示すように、ピストン１０は、上端のピストンヘッド１１と、このピストンヘッド１１に連なって、外周にピストンリング５Ａ，５Ｂ，５Ｃを嵌着するためのリング溝１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを有する円筒状部分と、その下方に連なるスカート部１３と、スカート部１３の形成範囲内のピストン径方向両側に設けられた一対のピンボス１４とを一体に備え、アルミ合金等により形成されている。上記ピンボス１４は、ピストンピン４を挿通するピン穴１５を有している。
【００１９】
上記スカート部１３は、摺動抵抗低減等に有利なように高さ方向寸法（スカート高さＨ１）が小さくされており、例えば、スカート高さＨ１がピストン径Ｄの１／２以下に設定されている。さらに、ピンボス中心高さ位置からスカート下端部までの高さ方向寸法Ｈ２が、ピンボス中心高さ位置からピストン上端部までの高さ方向寸法Ｈ３よりも小さく設定されている。また、このようにスカート高さＨ１およびピンボス中心高さ位置からスカート下端部までの高さ方向寸法Ｈ２を小さくするために、スカート部下端内周部に形成される加工治具嵌合用のいんろう１６は必要最小限に短くされ、例えば１ｍｍ程度とされている。
【００２０】
上記スカート部１３のプロフィールは、スカート上端部から中途高さ部位までは下方にいくにつれて徐々に張出し、中途高さ部位からスカート下端部にかけては下方にいくにつれて徐々に張出し量が少なくなるような形状（いわゆる樽型）であって、張出し量を拡大して示すと図５のような形状となっている。
【００２１】
すなわち、図５は、オイルリング下距離（スカート上端部からの距離）をｍｍ単位で表して縦軸に取る一方、長径縮小量（の１／２）をμｍ単位で表して横軸に取ることにより、高さ方向に対して長径方向に拡大したスカート部のプロフィールを示している。ここで、長径縮小量とは、後述のような楕円形断面を有するスカート部の長径の最大値を基準長径として、この基準長径に対しスカート部の各部位の長径がどれだけ小さいかを表す量であり、最大長径（基準長径）のところで長径縮小量が０となり、長径が小さくなるにつれて長径縮小量がマイナス方向に変化する。
【００２２】
この図のように、スカート上端部からスカート下端寄りの所定高さ位置までは下方にいくにつれて長径縮小量がマイナスの値から次第に０に近づき、換言すると、張出し量が徐々に大きくなる。そして、スカート部の範囲内のピンボス中心高さ位置Ｂよりさらに下方にまでわたって張出し量が徐々に大きくなり、張出し量が最大値（長径縮小量が０）に到達する高さ位置Ｍ（以下、「張出し量最大到達高さ位置Ｍ」と呼ぶ）が、ピストンの高さ方向においてピンボス中心高さ位置Ｂよりもスカート下端部の位置Ｌ側にあって、かつ、前記張出し量最大到達高さ位置Ｍと前記ピンボス中心高さ位置Ｂとの距離が、前記張出し量最大到達高さ位置Ｍと前記スカート下端部の位置Ｌとの距離より大きくなるような湾曲形状にスカート部の外形が形成されている。ここで、上記張出し量最大到達高さ位置Ｍは、張出し量が最大となる部分がある程度の範囲にわたる場合はその範囲のうちの上端の位置を意味する。
【００２３】
上記のように張出し量最大到達高さ位置Ｍが、スカート部の範囲内のピンボス中心高さ位置Ｂとスカート下端部の位置Ｌとの中間位置よりもスカート下端寄りにあることにより、張出し量最大到達高さ位置がピンボス中心高さ位置に近い従来構造（図５中に二点鎖線で示す）と比べ、スカート上部側の張出しが抑制された形状となっている。なお、スカート上端部の０．５ｍｍ程度の範囲には面取りが施され、スカート下端部の０．１ｍｍ程度の範囲にも面取りが施されている。
【００２４】
また、スカート部の少なくとも張出し量最大到達高さ位置Ｍにおける横断面が、ピンボス軸線方向と直交するスラスト・反スラスト方向に長径を有する概略楕円形状とされ、当実施形態ではスカート部の高さ方向全体にわたって横断面が概略楕円形状されるとともに、前述のように長径の寸法が高さ方向各部位で変えられている（図４参照）。
【００２５】
上記スカート部の横断面形状は、特に好ましくは図６に示すような複合楕円形状とされる。すなわち、図６はスカート部１３の横断面を誇張した形（長径と短径の偏差を拡大した形）で表しており、この図のように、上記横断面の外形は、少なくとも２つの楕円を複合させたものであって、長径方向両側に位置する部分１３ａは比較的偏平率の小さい第１の楕円Ｅ１の一部で構成され、この部分よりピンボス寄りに位置する部分１３ｂは上記第１の楕円Ｅ１よりも偏平率の大きい第２の楕円Ｅ２の一部で構成されている。上記第１の楕円Ｅ１は、例えば楕円量（長径と短径との差）が４３０μｍ程度とされている。
【００２６】
以上のような当実施形態のピストン構造の作用を以下に説明する。
【００２７】
図４の模式図に示すように、圧縮行程でピストン１０が上死点に達するまで上向きに動くとき、ピストン１０は頂部が反スラスト側（図４で右側）に傾く。また、ピストン１０が上死点を過ぎて膨張行程に移行したとき、図４中に矢印で示すようにピストン１０は頂部がスラスト側（図４で左側）に傾くように首振り動作する。
【００２８】
そして、一般的傾向として、ピストン１０のストローク途中ではピストンスピードが速いためシリンダ内周面に付着した潤滑オイルの油膜上をピストン１０が滑って摩擦力（摺動抵抗）が小さくなるが、上死点付近では、ピストンスピードが遅くなるため、上記のような反スラスト側やスラスト側へのピストン１０の傾きによりスカート部１３の上部または下部がシリンダ内壁面に押し付けられて油膜切れが生じ易くなり、摩擦力が増大し易くなる。また、上死点付近では、上述のようなピストン１０の首振り動作でスカート部１３の一部がシリンダ内周壁に衝突することによりをスラップ音を発生する。
【００２９】
これらの傾向は、圧縮上死点付近だけでなく、吸気上死点付近でも生じる。
【００３０】
これらの傾向に対し、摩擦力の低減のためには、ピストン１０のスカート部の概略形状としてはいわゆる釣り鐘型（スカート部の上端近傍部から下端部にわたって一定断面形状）と比べて当実施形態のようないわゆる樽型の方がシリンダ内周壁に対する接触面積を小さくできて好ましい。また、ピストン１０とシリンダ内周壁とのクリアランスを大きくするほど摩擦力が低減されるが、クリアランスを大きくすると上記スラップ音が増大し易くなる。従って、張出し量最大の部位でのスカート部とシリンダ内周壁とのクリアランスはスラップ音を充分に抑制し得る程度に小さくすることが望まれる。とくに、シリンダブロックがアルミ合金製である場合、温間時にシリンダブロックの熱膨張により上記クリアランスが増大するので、それを考慮すると設計上の上記クリアランスはできるだけ小さくすることが望まれる。
【００３１】
しかし、図５に二点鎖線で示すような張出し量最大到達高さ位置がピンボス中心高さ位置に近い従来の樽型構造では、クリアランスを小さくすることに伴い、摩擦力低減効果が損なわれてしまう。これに対し、本発明の構造によると、スラップ音を充分に抑制しながら、摩擦力低減効果を高めることができる。この効果を図７によって説明する。
【００３２】
図７は、従来樽型構造（図５に二点鎖線で示すプロフィール）で、張出し量最大の部位でのスカート部とシリンダ内周面とのクリアランスをスラップ音を充分に抑制し得る程度の小さな値（１４μｍ程度）に設定したものと、当実施形態の構造（図５に実線で示すプロフィール）で、張出し量最大の部位でのスカート部とシリンダ内周面とのクリアランスを従来樽型構造と同等としたものとにつき、エンジン１サイクル中の摩擦力の変化を計測したデータを示しており、太線は当実施形態の構造による場合のデータ、細線は従来樽型構造による場合のデータである。この図において、摩擦力が０のライン（一点鎖線）より上側はピストン上昇時に生じる摩擦力、下側はピストン下降時に生じる摩擦力を表している。
【００３３】
この図のように、従来樽型構造では、圧縮上死点（クランク角３６０°）の直前および直後と、吸気上死点（クランク角０°、７２０°）の直前および直後とにおいて摩擦力が著しく増大し、これに対して当実施形態の構造では、圧縮上死点の直前および直後と吸気上死点の直前および直後とにおいてハッチングで示した分だけ従来樽型構造と比べて摩擦力が低減される。その理由としては次のようなことが考えられる。
【００３４】
上死点付近においてピストンが反スラスト側またはスラスト側に傾くときに、スカート上部が張出すとこの部分がシリンダ内周壁に押し当って油膜切れが生じ易くなり、この傾向を是正するためにスカート部が樽型とされるが、ピストンヘッドに近いスカート上部は運転中に下部側より温度が高くなり、かつ、厚肉であるため、運転中にスカート上部が大きく熱膨張することにより張出し、樽型であっても張出し量最大到達高さ位置がピンボス中心高さ位置に近い位置にある従来構造では、上記のようなスカート上部の熱膨張による張出しを充分に抑えきれない。
【００３５】
これに対し、当実施形態の構造によると、張出し量最大到達高さ位置Ｍがピストンの高さ方向においてピンボス中心高さ位置Ｂよりもスカート下端部の位置Ｌ側にあって、かつ、前記張出し量最大到達高さ位置Ｍと前記ピンボス中心高さ位置Ｂとの距離が、前記張出し量最大到達高さ位置Ｍと前記スカート下端部の位置Ｌとの距離より大きくなるような湾曲形状とされることにより、スカート上部の張出し抑制（長径縮小）の度合が大きくなるため、運転中にスカート上部が大きく熱膨張しても張出しが充分に抑えられる。これによって上死点付近での摩擦力の低減効果が高められることとなる。
【００３６】
一方、このようにスカート上部の張出し量の抑制（長径の縮小）によってピストンが傾き易くなる。また、従来ではピストンの傾きを抑制するためにスカート部のスラスト側及び反スラスト側に下方への延出部分を設けたりスカート部全体を上下方向に長く形成したりしているが、当実施形態の構造では摺動抵抗低減に有利なようにシリンダ内周壁に対する接触面積を小さくするため、下方への延出部分を削除し、スカート部全体を短く形成しており、このようにしたことによってもピストンが傾き易くなる。
【００３７】
このため、上死点の前後でピストンの傾きが変るときに生じるスラップ音が増大しや易くなるのではないかという懸念が生じる。しかし、スカート外形は張出し量が徐々に変化する滑らかな湾曲形状となっているため、上死点付近でピストンの傾きが変るときにもシリンダ内周壁に滑らかに当って衝撃が小さく抑えられることによりスラップ音が充分に低減される。実際にスラップ音を測定しても、従来と比べて殆どスラップ音が増大することはなく、実車で問題となるようなレベルのスラップ音の発生はなかった。
【００３８】
また、当実施形態では、シリンダ内周壁に対する接触面積を小さくして摺動抵抗を低減するために、上述のようにスカート部が短くされるとともに、スカート部の横断面が概略楕円形とされ、とくに、図６に示すような複合楕円形状とされることにより、耐スカッフ性の悪化が防止されつつ摺動抵抗が低減される。
【００３９】
すなわち、スカート部の横断面を概略楕円形として、その偏平率を大きくするほどシリンダ内周壁に対する接触面積が小さくなるが、偏平率が増大するとシリンダ内周壁との接触部分である長径方向両側の部分が尖ってスカッフ（部分的な焼付きによる傷）が生じ易くなる。
【００４０】
これに対し、当実施形態のようにスカート部の横断面を長径方向両側に位置する部分が偏平率小、この部分よりもピンボス寄りに位置する部分が偏平率大となる複合楕円形状とすると、シリンダ内周壁と接触する長径方向両側の部分が偏平化しすぎることがなくて耐スカッフ性が良好に保たれ、かつ、ピンボス寄りの部分の偏平率が大きいことにより摺動抵抗低減効果が高められることとなる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のピストン構造は、スカート部がいわゆる樽型のものにおいて、スカート上端部から下方へいくにつれ張出し量が徐々に大きくなって最大値に到達する高さ位置である張出し量最大到達高さ位置が、ピストンの高さ方向においてピンボス中心高さ位置よりもスカート下端部の位置側にあって、かつ、前記張出し量最大到達高さ位置と前記ピンボス中心高さ位置との距離が、前記張出し量最大到達高さ位置と前記スカート下端部の位置との距離より大きくなるような湾曲形状にスカート部外形を形成しているため、運転中にスカート上部が大きく熱膨張してもこの部分の張出しを充分に抑えて、摺動抵抗を低減することができ、しかも、上死点付近でピストンの傾きが変るときの衝撃を小さく抑えることができる。
【００４２】
従って、摺動抵抗低減による燃費、出力性能等の向上とスラップ音の抑制との両立を効果的に達成することができる。更に、少なくとも張出し量最大到達高さ位置における横断面を、ピンボス軸線方向と直交するスラスト・反スラスト方向に長径を有し、偏平率が異なる少なくとも２つの楕円を複合させた複合楕円形状であって、長径方向両側に位置する部分が偏平率小、この部分よりもピンボス寄りに位置する部分が偏平率大となる形状とすることで、耐スカッフ性の悪化を防止しつつ、摺動抵抗をより一層低減し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストン構造が適用される内燃機関の主要部の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態のピストン構造におけるピストンの正面図である。
【図３】上記ピストンの断面図である。
【図４】上記ピストン構造を模式的に示す説明図である。
【図５】ピストンのスカート部のプロフィールを示す図である。
【図６】ピストンのスカート部の横断面形状を誇張して示す図である。
【図７】本発明の一実施形態の構造による場合と従来の構造による場合とにつき、エンジン１サイクル中の摩擦力の変化を計測したデータを示すグラフである。
【符号の説明】
１  シリンダブロック
１０  ピストン
１３  スカート部
１４  ピンボス
Ｈ１  スカート高さ
Ｄ  ピストン径
Ｈ１  ピンボス中心高さ位置からスカート下端部までの高さ方向寸法
Ｈ２  ピンボス中心高さ位置からピストン上端部までの高さ方向寸法
Ｍ  張出し量最大到達高さ位置
Ｂ  ピンボス中心高さ位置
Ｌ  スカート下端部の位置
【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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