(57)【要約】【課題】シリンダボアの内面に衝突する際の衝撃力を緩和することができ、かつシリンダボアとのクリアランスを最適化することができる内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】ピストン１はピストン頂部２の外周から下方に延びるスカート部４を備え、内燃機関のシリンダボア１０内に往復運動可能な状態で収容される。内燃機関の運転によってスカート部４に温度分布が与えられた場合に、スカート部４のスラスト側の肩部４ａの剛性と反スラスト側のインロー部４ｂの剛性とが略同じになるように、スカート部４の剛性が設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂部の外周から下方に延びるスカート部を備え、内燃機関のシリンダボア内に往復運動可能な状態で収容されるべき内燃機関用ピストンにおいて、
前記内燃機関の運転によって前記スカート部に温度分布が与えられた場合に、前記スカート部のスラスト側の肩部の剛性と前記スカート部の反スラスト側のインロー部の剛性とが略同じになるように、前記スカート部の剛性が設定されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記内燃機関の運転によって前記スカート部に温度分布が与えられた場合に、前記肩部の剛性と前記インロー部の剛性とが、スラスト方向及び前記スラスト方向と直交するピストンピン軸方向のそれぞれに関して略同じになるように、前記スカート部の剛性が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記スカート部の周方向の肉厚を変化させて前記スカート部の剛性が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
前記インロー部にピストン主材よりも比重の大きい材料が埋め込まれて前記スカート部の剛性が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】
前記肩部に空洞が形成されて前記スカート部の剛性が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダボア内に往復運動可能な状態で収容されるべき内燃機関用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
スラスト側の肉厚をピストンピン孔の軸線を含む平面よりもリンググランドに近い側から遠い側に向かって徐々に厚肉となるようにした内燃機関用ピストンが知られている（特許文献１）。このピストンによれば、スカート部の上端の肉厚が薄肉で剛性が弱められているため、シリンダボアの内面に衝突する際の変形が大きくなり、その変形によって衝撃力が緩和される。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１５９９７４号公報
【特許文献２】特許第２７６２５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のピストンは、スカート部の上端の薄肉部の変形で衝撃を緩和するものであるため、その変形が許容されるようにシリンダボアとのクリアランスを大きくする必要がある。つまり、そのクリアランスをできる限り小さくしてクリアランスを最適化することが制限される。
【０００５】
そこで、本発明は、シリンダボアの内面に衝突する際の衝撃力を緩和することができ、かつシリンダボアとのクリアランスを最適化することができる内燃機関用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】
本発明の内燃機関用ピストンは、ピストン頂部の外周から下方に延びるスカート部を備え、内燃機関のシリンダ内に往復運動可能な状態で収容されるべき内燃機関用ピストンにおいて、前記内燃機関の運転によって前記スカート部に温度分布が与えられた場合に、前記スカート部のスラスト側の肩部の剛性と前記スカート部の反スラスト側のインロー部の剛性とが略同じになるように、前記スカート部の剛性が設定されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
このピストンによれば、内燃機関の運転によってスカート部に温度分布が与えられた場合に、スカート部のスラスト側の肩部の剛性と反スラスト側のインロー部の剛性とが略同じになる。そして、上死点付近でのスラップ時にスラスト側の肩部と反スラスト側のインロー部が略同時に接触し、なおかつこれらの変形量が略同じになる。そのため、スラップ時の衝撃荷重がスラスト側の肩部と反スラスト側のインロー部とで適切に配分されて緩和される。これにより、シリンダ内面との焼き付きや亀裂の発生等の弊害が抑制される。更に、本発明のピストンはスラスト側の肩部と反スラスト側のインロー部との弾性変形で衝撃を緩和するので、スラスト側の肩部の変形のみで衝撃を緩和する場合よりも変形量が少なくて済み、シリンダボアとのクリアランスを最適化することができる。
【０００８】
本発明のピストンにおいては、前記内燃機関の運転によって前記スカート部に温度分布が与えられた場合に、前記肩部の剛性と前記インロー部の剛性とが、スラスト方向及び前記スラスト方向と直交するピストンピン軸方向のそれぞれに関して略同じになるように、前記スカート部の剛性が設定されてもよい（請求項２）。この場合、スラスト側、反スラスト側、ピストンピン軸方向の一方、及びピストンピン軸方向の他方の４つの側でスカート部の肩部とインロー部の剛性が略同じになるので、例えば、仮にシリンダボアが変形した場合でもピストンピン軸方向において肩部での片当たりや摩耗、焼き付き等の弊害を抑制できる。
【０００９】
上述したピストンにおいては、内燃機関の運転により与えらる温度分布を考慮してスカート部の剛性を適宜の態様で設定してよい。例えば、前記スカート部の周方向の肉厚を変化させて前記スカート部の剛性が設定されてもよい（請求項３）。この場合には、スカート部の肉厚の変化に伴って肉厚が相対的に痩せた部位が形成されるので、ピストンの軽量化を同時に達成できる。また、前記インロー部にピストン主材よりも比重の大きい材料が埋め込まれて前記スカート部の剛性が設定されてもよい（請求項４）。この場合には、ピストン主材よりも比重の大きい材料がインロー部に埋め込まれるので、ピストンピン軸を中心とした上下の重量配分差が小さくなる。そのため、ピストンピン軸回りの揺動が抑制されるので、スラップ時の騒音が低減する。更に、前記肩部に空洞が形成されて前記スカート部の剛性が設定されてもよい（請求項５）。この場合には、スカート部の肩部に空洞が形成されるので、ピストンの軽量化を同時に達成できる。しかも空洞によって断熱効果が発揮されるのでスカート部の潤滑状態が良好となり、特に冷間運転時のフリクションを低減することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、内燃機関の運転によってスカート部に温度分布が与えられた場合に、スカート部のスラスト側の肩部の剛性と反スラスト側のインロー部の剛性とが略同じになるように、スカート部の剛性が設定されているので、シリンダ内面との焼き付きや亀裂の発生等の弊害が抑制され、更に、スラスト側の肩部の変形のみで衝撃を緩和する場合よりも変形量が少なくて済むので、シリンダボアとのクリアランスを最適化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１及び図２に本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンを示す。図１は正面側の断面図で、図２は図１の下方から見た平面図である。これらの図に示したピストン１は、アルミ合金をその主材として構成され、ピストン頂部２と、ピストン頂部２の外周に設けられたリングランド部３とを有している。ピストン頂部２には、頂面にバルブリセス２ａが形成され、リングランド部３には不図示のピストンリングが取り付けられる複数のリング溝３ａが形成される。また、ピストン１は、ピストン頂部２の外周からリングランド部３に続いて下方に延びるスカート部４が設けられ、ピストン頂部２の裏面側には一対のピンボス部５、５がピストン１の中心線ＣＬ１に関して対象に設けられる。ピンボス部５、５には中心線ＣＬ１と直交する方向に延びるピン穴５ａが形成され、そのピン穴５ａにはピストン１とコネクティングロッド（不図示）とを連結するためのピストンピン（不図示）が挿入される。ピストン１とコネクティングロッドとがピストンピンを介して連結されることにより、ピストン１は内燃機関のシリンダボア１０内に往復運動可能な状態で収容されて内燃機関の燃焼圧力がクランク軸へ伝達される（図８参照）。
【００１２】
スカート部４は全体として円筒状に形成されているが、上下方向の長さは、ピン穴５ａの中心線ＣＬ２の方向（ピストンピン軸方向）に比べてスラスト側（図１の左側）及び反スラスト側（図１の右側）の方が長く形成されている。すなわち、図１に示すように、スカート部４はピストンピン軸方向の下端が欠き切られている。また、スカート部４はピン穴５ａの中心線ＣＬ２よりもピストン頂部２側に位置する肩部４ａと、中心線ＣＬ２よりもピストン頂部２から離れる側に位置するインロー部４ｂとを有している。スカート部４のプロファイル及び剛性は、ピストン１が組み込まれた内燃機関が運転されることによって与えられるスカート部４の温度分布を考慮してそれぞれ設定される。以下、スカート部４のプロファイルと剛性の設定方法について図３〜図７を参照して詳しく説明する。
【００１３】
図３は、ピストン１が組み込まれた内燃機関が所定の運転条件で運転された場合におけるピストン１の各部の温度を示したものである。図３において、丸印とともに表示された数値は丸印の位置における温度（℃）を示している。図３における運転条件は高回転高負荷条件（機関回転数：５０００ｒｐｍ及びスロットル開度：全開）に設定されている。この図からも明らかなように、燃焼圧力を直接受けるピストン頂部２はスカート部４よりも温度が高い。そして、ピストン頂部２はその中央から外周に向かって温度が漸次低下し、スカート部４は肩部４ａからインロー部４ｂに向かって温度が漸次低下している。このような温度分布が内燃機関の運転によってスカート部４に与えられるため、その温度分布を考慮してスカート部４のプロファイルが図４及び図５に示すように設定される。以下の説明では、図３に示した温度分布が与えられる内燃機関の運転条件をエンジン稼働時という。
【００１４】
図４は、図１に示した基本径ｒ０に対するスカート部４の外径の減少量をスカート部４の上下方向の位置に対応させて示したものである。図４の実線は常温時（ピストン１の各部の温度が２０℃の時）の減少量を、破線はエンジン稼働時の減少量をそれぞれ示している。また、図５は、基本径ｒ０に対するスカート部４の外径の減少量をスカート部４の周方向の位置に対応させて示したものである。図４の場合と同様に、図５の実線は常温時の減少量を、破線はエンジン稼働時の減少量をそれぞれ示している。図５のスカート部４の周方向の位置は、図２に示すようにスラスト側及び反スラスト側のそれぞれに延びるスラスト方向を０°、ピストンピン軸方向を９０°として示されている。
【００１５】
図４及び図５から明らかなように、常温時においては、スカート部４の外径が上下方向に関して肩部４ａからインロー部４ｂに向かって徐々に小さくなるようなテーパー度が設定される。そして、スカート部４の周方向に関しては、常温時においてスラスト方向における外径がピストンピン軸方向の外径よりも小さい楕円状に設定される。これらの図に示したスカート部４のプロファイルは、スカート部４の熱膨張を考慮して、エンジン稼働時においてシリンダボアとのクリアランスが最小となり、かつスカート部４が真円に近づくように設定される。
【００１６】
次に、スカート部４の剛性の設定について説明する。ここにいう剛性は、材料に一定の外力が与えられた場合の材料の変形量として定義され、その変形量が大きいほど剛性が低いことを意味する。図６はスカート部４の構成材料であるアルミ合金の耐力と温度との関係を示した説明図である。この図に示すように、アルミ合金の耐力、すなわち永久ひずみが０．２％になるときの応力は温度依存性を有していて、温度上昇に伴い低下する傾向を示している。材料の耐力の変化は剛性の変化と相関するので、剛性においても温度上昇に伴い低下する傾向を示す。従って、スカート部４は温度が高くなるほど剛性が低下して変形し易くなる。
【００１７】
上述したように、スカート部４にはエンジン稼働時において肩部４ａからインロー部４ｂに向かって温度が徐々に低下する温度分布が与えられる。そこで、図７に示すように、このような温度分布を考慮して、エンジン稼働時における肩部４ａの剛性とインロー部４ｂの剛性とが略同じになるようにスカート部４の剛性が設定される。図７の実線は常温時の剛性を、破線はエンジン稼働時の剛性をそれぞれ示している。また、本実施形態との比較のため、比較例における常温時の剛性を一点鎖線で示し、エンジン稼働時の剛性を二点鎖線で示す。図７に示すように、本実施形態では、常温時において肩部４ａの剛性がインロー部４ｂの剛性よりも若干高くなるようにスカート部４の剛性が設定される。スカート部４の剛性の設定（調整）は種々の方法で実現できるが、本実施形態ではスカート部４の肉厚を調整することにより剛性の調整を実現している。ピストン１が常温時からエンジン稼働時に変化した場合には、図３の温度分布が与えられるので、肩部４ａの温度上昇幅がインロー部４ｂの温度上昇幅よりも大きくなる。言い換えれば、肩部４ａの剛性の低下幅がインロー部４ｂの剛性の低下幅よりも大きくなる。その結果、エンジン稼働時において肩部４ａの剛性とインロー部４ｂの剛性が略同一となる。これに対し、比較例においては、常温時における肩部４ａの剛性とインロー部４ｂの剛性との剛性差が本実施形態よりも大きいため、エンジン稼働時において肩部４ａの剛性とインロー部４ｂの剛性とが略同じにはならず、肩部４ａの剛性がインロー部４ｂの剛性よりも高いままである。
【００１８】
図７はスカート部４のスラスト側の剛性を示したものであるが、反スラスト側及びピストンピン軸方向の両側においてもスカート部４の剛性が図７と同様に設定される。これにより、スカート部４のスラスト側の肩部４ａの剛性と反スラスト側のインロー部４ｂの剛性とが略同じになり、なおかつ肩部４ａの剛性とインロー部４ｂの剛性とがスラスト方向及びピストンピン軸方向のそれぞれに関して略同じになる。
【００１９】
図８は、内燃機関のシリンダボア内に組み込まれたピストン１のスラップ時の状態を示す説明図である。ピストン１は、圧縮行程の上死点前においてシリンダボア１０の反スラスト側の内面に接して運動し、その後上死点に近づくと反時計回りのモーメントが生じ、そのモーメントによってピストン１が反時計回りに回転してピストン１の姿勢が変化する。そして姿勢が変更された後、膨張行程でピストン１はシリンダボア１０のスラスト側の内面に接して運動する。上死点付近におけるピストン１のその姿勢変化によって、図８に示すように、スカート部４のスラスト側の肩部４ａと反スラスト側のインロー部４ｂとがシリンダボア１０の内面に略同時に衝突する。このときスカート部４は図８の破線で示すように熱膨張している。エンジン稼働時においては、スカート部４におけるスラスト側の肩部４ａの剛性と反スラスト側のインロー部４ｂの剛性とが略同じであるので、図８の衝突時において肩部４ａの変形量はインロー部４ｂの変形量と略同一となる。そのため、スラップ時における衝撃荷重がスラスト側の肩部４ａと反スラスト側のインロー部４ｂとで適切に配分されて緩和される。これにより、シリンダ内面との焼き付きや亀裂の発生等の弊害が抑制される。更に、スラスト側の肩部４ａと反スラスト側のインロー部４ｂとの弾性変形で衝撃を緩和することができるので、スラスト側の肩部の変形のみで衝撃を緩和する場合よりも変形量が少なくて済む。そのため、シリンダボア１０とのクリアランスを可能な限り小さくすることでそのクリアランスを最適化できる。
【００２０】
しかも、本実施形態では、スカート部４における肩部４ａの剛性とインロー部４ｂの剛性とがエンジン稼働時においてスラスト方向及びピストンピン軸方向のそれぞれに関して略同一に設定される。そのため、スラスト側、反スラスト側、ピストンピン軸方向の一方、及びピストンピン軸方向の他方の４つの側でスカート部４の肩部４ａとインロー部４ｂの剛性が略同じになる。従って、仮にシリンダボア１０が変形した場合でもピストンピン軸方向において肩部４ａでの片当たりや摩耗、焼き付き等の弊害を抑制することができる。
【００２１】
（他の形態）
次に、スカート部の剛性の設定方法に関する複数の形態について、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は剛性の設定方法に係る第１の形態を示したもので、（ａ）はスカート部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＸ−ＩＸ線に沿ったスカート部の断面図である。これらの図に示すように、第１の形態ではスカート部４１の肩部４１ａにおいて、上下方向に延びる複数の凹部２１…２１をスカート部４１の内側に形成し、スカート部４１の周方向に関して肉厚を変化させたものである。各凹部２１の形状は適宜に設定される。例えば、エンジン稼働時においてスカート部４１に作用する荷重分布や温度分布を考慮して、スカート部４１の上下及び周方向で深さと長さを適宜に変化させることができ、その変化によってスカート部４１を所望の剛性に調整できる。図９に示した形態によれば、スカート部４１の肉厚の変化に伴って肉厚が相対的に痩せた部位が形成されるので、スカート部４１の剛性を調整しながらピストンの軽量化を達成することができる。
【００２２】
図１０は剛性の設定方法に係る第２の形態を示したもので、（ａ）はスカート部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿ったスカート部の断面図である。これらの図に示すように、第２の形態ではスカート部４２のインロー部４２ｂにスチール板等の鉄部材２２を鋳込むことにより、インロー部４２ｂの剛性を相対的に高めたものである。鉄部材２２の大きさを適宜に設定することで、剛性の増加量を適宜に調整できる。インロー部４２に埋め込む異種材料は主材よりも比重が大きい材料であれば十分で、適宜に選択できる。また、インロー部４２への異種材料の埋め込みに関しても鋳込む方法に限定されず、異種材料がインロー部４２によって囲まれるように埋め込むことができる方法であればよい。図１０に示した形態によれば、ピストン主材よりも比重の大きい材料がインロー部４２に埋め込まれるので、ピストンピン穴の中心線ＣＬ２を基準とした上下の重量配分差が小さくなる。そのため、中心線ＣＬ２回りの揺動が抑制されるので、スラップ時の騒音を低減することができる。
【００２３】
図１１は剛性の設定方法に係る第３の形態を示したもので、（ａ）はスカート部の縦断面を拡大した拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。これらの図に示すように、第３の形態ではスカート部４３の肩部４３ａに空洞２３を形成するものである。空洞２３の大きさは適宜に設定され、これによってスカート部４３の剛性の設定と同時に軽量化を達成することができる。
【００２４】
本発明は、上述した形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態で実施することができる。スカート部の肩部の剛性とインロー部の剛性とをスラスト方向及びピストンピン軸方向のそれぞれに関して略同一になるようにすることは必須ではなく、少なくともスラスト側の肩部の剛性と反スラスト側のインロー部の剛性とがエンジン稼働時において略同じになればよい。上述した形態では、図３に示した温度分布が与えられる内燃機関の運転条件をエンジン稼働時としたが、その温度分布は本発明のピストンが組み込まれる内燃機関の構成（排気量、最大出力等）に応じて異なる。従って、スカート部の剛性を設定する際に基準となる温度分布は内燃機関の構成に応じて設定してよい。また、内燃機関の機関回転数及び負荷に応じてスカート部に与えられる温度分布も変化するので、上述のように高回転高負荷時のみならず、他の運転条件でスカート部に与えられる温度分布を基準としてスカート部の剛性を設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの正面側の断面図。
【図２】図１のピストンを下方から見た平面図。
【図３】ピストンが組み込まれた内燃機関が所定の運転条件で運転された場合におけるピストンの各部の温度を示した図。
【図４】基本径に対するスカート部の外径の減少量をスカート部の上下方向の位置に対応させて示した図。
【図５】基本径に対するスカート部の外径の減少量をスカート部の周方向の位置に対応させて示した図。
【図６】スカート部の構成材料であるアルミ合金の耐力と温度との関係を示した説明図。
【図７】スカート部のスラスト側の剛性を比較例とともに示した図。
【図８】内燃機関のシリンダボア内に組み込まれたピストンのスラップ時の状態を示す説明図。
【図９】剛性の設定方法に係る第１の形態を示したもので、（ａ）はスカート部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＸ−ＩＸ線に沿ったスカート部の断面図である。
【図１０】剛性の設定方法に係る第２の形態を示したもので、（ａ）はスカート部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿ったスカート部の断面図である。
【図１１】剛性の設定方法に係る第３の形態を示したもので、（ａ）はスカート部の縦断面を拡大した拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  ピストン
２  ピストン頂部
４、４１、４２、４３  スカート部
４ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ  肩部
４ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ  インロー部
１０  シリンダボア
２２  鉄部材（ピストン主材よりも比重の大きい材料）
２３  空洞
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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