(57)【要約】【課題】ピストン打音を低減できる内燃機関用のピストンを提供する。【解決手段】コネクティングロッド３を接続するピストンピン４が取り付けられるピン孔１ｈを有する内燃機関用のピストン１であり、ピン孔１ｈの中心Ｐがピストン１の軸線Ｃｐよりもスラスト側に位置すると共に、ピストン１の重心Ｇが、ピン孔１ｈの中心Ｐを通り、ピストン１の軸線Ｃｐに平行な直線Ｃｈと軸線Ｃｐとの二等分線Ｌｂよりもスラスト側に位置する。ピン孔１ｈの中心Ｐの位置をスラスト側に位置し、かつ重心Ｇを二等分線Ｌｂよりもスラスト側に位置することで、上死点直後のピストン打音を低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コネクティングロッドを接続するピストンピンが取り付けられるピン孔を有する内燃機関用のピストンであって、
前記ピン孔の中心が、前記ピストンの軸線よりもスラスト側に位置し、
前記ピストンの重心が、前記ピン孔の中心を通り、前記ピストンの軸線に平行な直線と前記ピストンの軸線との二等分線よりもスラスト側に位置する内燃機関用のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車などに搭載される内燃機関の主運動系の要素に利用されるピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に搭載される内燃機関として、燃焼圧を利用してピストンに直線的な往復動を行わせ、この往復動によってクランク軸を回転させ、この回転運動を車両走行用の駆動力とするレシプロ型のものが知られている。ピストンは、円盤状のヘッド部と、ヘッド部の周縁から延設される一対のスカート部と、スカート部間を連結する一対のエプロン部とを備える有天筒状ものが代表的である。ピストンとクランク軸とはコネクティングロッド（以下、コンロッドと呼ぶことがある）によって接続される。ピストンとコンロッドの一端とは、ピストンピンによって連結され、エプロン部にはピストンピンが取り付けられるピン孔が設けられる。代表的には、ピストンは、対称形状であり、ピン孔の中心がピストンの軸線上に位置するようにピン孔が設けられて、ピストンの軸線とシリンダのボアの軸線とが同軸になるようにボア内に収納される。
【０００３】
燃焼圧が負荷されると、コンロッドに連結されたピストンにはボアの内壁に押し付けられる力が働く。この押付力は側圧と呼ばれ、ピストンにおいてこの側圧が作用する側をスラスト側（Ｔｈ側）と呼び、スラスト側とはピストンの径方向に対向する側を反スラスト側（ＡＴｈ側）と呼ぶ。ボアの内壁において、ピストンのスラスト側スカート部に対向する側をスラスト側、反スラスト側スカート部に対向する側を反スラスト側と呼ぶ。
【０００４】
ピストンは、シリンダのボアの内壁との間に若干の隙間を有してボア内に収納される。また、ピストンは、代表的には、コンロッドに対してピストンピンを中心として揺動可能に取り付けられる。そのため、ピストンは、コンロッドからの力や圧縮気体からの圧力、燃焼圧などを受けると、ピストンピンを中心としてボア内で揺動してボアの壁面に衝突し、ピストン打音と呼ばれる音が生じ得る。特に、圧縮行程後期から燃焼行程前期に、ピストンの頂面に圧縮混合気の圧力や燃焼圧などの圧力を受けると、ピストンが大きく揺動し易く、大きなピストン打音が生じ易い。上述のようにピン孔の中心をピストンの軸線上に設けた場合には、上死点近傍でピストンピンを中心として、スラスト側、反スラスト側のいずれにも揺動可能であり、大きなピストン打音が生じ得る。
【０００５】
そこで、上述のピストン打音を低減する対策として、ピストンピンの中心をピストンの軸線よりもスラスト側に設けたり（特許文献１）、反スラスト側に設けたり（特許文献２）、ピストンのスラスト側スカート部の剛性と反スラスト側のスカート部の剛性とを調整したり（特許文献３）することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０５０８５７号公報
【特許文献２】特開平０９−２４２６０５号公報
【特許文献３】特開２０１１−０１７２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
内燃機関に用いられるピストンに対して、上述のピストン打音をより低減することが望まれる。大きなピストン打音は、エンジン放射音に悪影響を及ぼすからである。しかし、従来の対策では、ピストン打音の低減効果が十分に得られているとは言えない。
【０００８】
図４は、特許文献１に記載されるようなピストンピン４００の中心をピストンの軸線Ｃｐよりもスラスト側に設けたピストン１００について、圧縮行程後期から燃焼行程前期に生じ得る挙動を模式的に示す。ピストン１００は、その軸線Ｃｐがシリンダ２００のボア２００ｈの軸線Ｃｂに同軸になるようにボア２００ｈ内に収納されている。このようなピストン１００において圧縮行程後期では、図４（Ａ）に示すように、ピストンピン４００によってピストン１００に連結されたコンロッド３００は、軸線Ｃｂとの間の角度αが徐々に小さくなるように移動して、ピストン１００を上死点に向かって押し上げる。この押上げ力によって反スラスト側への側圧が生じて、ピストン１００はボア２００ｈの反スラスト側内壁に押し付けられる。通常、ヘッド部の径に比較してスカート部の径が大きく設けられているため、ピストン１００の反スラスト側スカート部の全面が反スラスト側内壁を擦るように上昇する。角度αが０°となる上死点に近づくにつれて反スラスト側への側圧が小さくなる。また、角度αが０°近くでは、ピストン１００の外周面とボア２００ｈの内壁との間には上述の隙間が存在する状態になる。そのため、ピストン１００の頂面に圧縮混合気の圧力や燃焼圧などの圧力を受けると、この隙間を利用して、ピストン１００がピストンピンを中心に回転し得る。
【０００９】
ここで、ピストン１００は、ピストンピン４００の中心からみて、反スラスト側の容量がスラスト側の容量よりも大きいため、上死点直後に上述の圧力などを受けると、ピストン１００には、反スラスト側に回転しようとするモーメントが働く（図４（Ｂ））。このモーメントによって、ピストンが反スラスト側に回転すると、ピストン１００のスラスト側スカート部の端部がシリンダ２００のボア２００ｈのスラスト側内壁に衝突して、打音が生じ得る（図４（Ｃ））。
【００１０】
燃焼行程では、ピストン１００が燃焼圧を受けると共にコンロッド３００の傾きが上死点の前後で逆転することで、スラスト側に大きな側圧が生じる。上述のようにピストン１００のスラスト側スカート部の端部とシリンダ２００のボア２００ｈのスラスト側内壁とが接した状態で、このスラスト側への側圧が負荷されると、スラスト側スカート部におけるスラスト側内壁との接点を支点として、ピストン１００がスラスト側に向かって回転する（図４（Ｄ））。その結果、ピストン１００のスラスト側スカート部の最上部近傍がボア２００ｈのスラスト側内壁に衝突し得る（図４（Ｅ））。スカート部の最上部近傍は、スカート部の端部に比較して剛性が高いため変形し難く、この衝突によって大きなピストン打音が生じる。このようにピストン１００は、上死点近傍において、ピストンピン４００を中心とする回転角度が大きく、揺動し易い。
【００１１】
一方、特許文献２に記載されるようなピストンピンの中心をピストンの軸線よりも反スラスト側に設けた場合では、上述のピストン１００とは逆に、ピストンピンの中心からみて、ピストンのスラスト側の容量が反スラスト側の容量よりも大きい。そのため、上死点直後にピストンの頂面に上述の圧力などを受けると、このピストンにはピストンピンを中心としてスラスト側に回転しようとするモーメントが働く。このモーメントによって、ピストンがスラスト側に回転すると、ピストンのスラスト側ヘッド部のトップランドがシリンダのボアのスラスト側内壁に衝突し得る。ヘッド部は、通常、スカート部に比較して剛性が高いため変形し難く、この衝突によって大きなピストン打音が生じ得る。
【００１２】
そこで、本発明の目的の一つは、ピストン打音を低減できる内燃機関用のピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係る内燃機関用のピストンは、コネクティングロッドを接続するピストンピンが取り付けられるピン孔を有しており、前記ピン孔の中心が、前記ピストンの軸線よりもスラスト側に位置し、前記ピストンの重心が、前記ピン孔の中心を通り、前記ピストンの軸線に平行な直線と前記ピストンの軸線との二等分線よりもスラスト側に位置する。
【発明の効果】
【００１４】
上記の内燃機関用のピストンは、ピストンのピン孔の中心がピストンの軸線よりもスラスト側に位置し、かつピストンの重心が上記二等分線よりもスラスト側に位置するため、上死点直後においてピストンに作用するスラスト側へのモーメントを低減でき、ピストン打音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１の内燃機関用のピストンについて、（ａ）はシリンダのボア内に配置した状態を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は概略構成図である。
【図２】実施形態１の内燃機関用のピストンにおいて、圧縮行程後期から燃焼行程前期の挙動を説明する説明図である。
【図３】試験例１で行ったエンジン放射音試験の結果を示すグラフである。
【図４】ピストンピンの中心がピストンの軸線よりもスラスト側に配置されたピストンにおいて、圧縮行程後期から燃焼行程前期の挙動を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明のピストンを具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。
【００１７】
［実施形態１］
・概要
実施形態１のピストン１（図１）は、自動車などの車両に搭載される内燃機関の主運動系に利用される。内燃機関は、詳細な図示は省略するが、ピストン１を収納するシリンダ２が形成されたシリンダブロックと、吸気バルブ、排気バルブなどの動弁系を収納し、これらのバルブによって開閉される燃焼室が形成されたシリンダヘッドとを備える。レシプロ型の内燃機関では、シリンダ２内に吸い込んだ空気と燃料との混合気を燃焼室で燃焼し、このときに生じる燃焼圧によってピストン１に直線的な往復動を行わせ、この往復動を回転運動に変換することで車両走行用の駆動力を発生する。ピストン１はその軸線Ｃｐがシリンダ２のボア２ｈの軸線Ｃｂに同軸となるようにボア２ｈ内に収納される（Ｃｐ＝Ｃｂ）。このピストン１には、上記回転運動を行うクランク軸（図示せず）がコネクティングロッド３を介して接続される。
【００１８】
レシプロ型の内燃機関は、以下のように、ピストン１が上死点と下死点との間を移動して４行程を行う。シリンダ２のボア２ｈ内を下死点側に向かって移動することで空気をボア２ｈ内に吸い込み（吸気行程）、ボア２ｈ内を上死点側に向かって移動することで空気と燃料とを含む混合気を圧縮する（圧縮行程）。圧縮した混合気を燃焼するときの燃焼圧に押されて、下死点側に移動し（燃焼行程）、再度、上死点側に向かって移動することで燃焼によって生じた排気ガスをボア２ｈ内から排出する（排気行程）。
【００１９】
・全体構成
ピストン１は、図１（ｂ）に示すようにシリンダ２のボア２ｈ内に収納される有天筒状体であり、コンロッド３を接続するピストンピン４が取り付けられるピン孔１ｈを有する。詳しくは、ピストン１は、燃焼室の底部を形成する頂面（外端面）を備える円盤状のヘッド部１０と、ヘッド部１０の周縁から延設され、対向配置される一対のスカート部１２ｔ，１２ａと、スカート部１２ｔ，１２ａを連結する一対のエプロン部１４，１４とを備える。
【００２０】
ヘッド部１０の周側面には、複数のリング溝１０ｒが並列して設けられ、外端面側のリング溝にコンプレッションリング、スカート部側のリング溝にオイルリング（いずれも図示せず）が配置される。ピストン１において燃焼行程で燃焼圧を受けたときに側圧を受け得るスラスト側にスラスト側スカート部１２ｔを備え、スラスト側とはピストン１の径方向反対側である反スラスト側に反スラスト側スカート部１２ａを備える。エプロン部１４には、エプロン部１４の他部よりも肉厚なピストンボスを備える。このピストンボスにピン孔１ｈが設けられる。スカート部１２ｔ，１２ａとエプロン部１４，１４とは連続しており、楕円筒状などに形成される。エプロン部を有さず、ピストンボスのみを有することがある。ピストン１は、代表的には、アルミニウム合金などの金属の鋳物が利用される。
【００２１】
・ピン孔の位置及び重心位置の概要
ピストン１は、ピン孔１ｈの中心Ｐ、及びピストン１の重心Ｇが特定の位置に設けられている。詳しくは、図１（ａ）に示すように、ピン孔１ｈの中心Ｐは、ピストン１の軸線Ｃｐ、即ちピストン１の外端面の中心を通る中心軸線よりもスラスト側に位置することを特徴の一つとする。かつ、ピストン１の重心Ｇは、ピン孔１ｈの中心Ｐを通り、軸線Ｃｐに平行な直線Ｃｈとピストン１の軸線Ｃｐとの二等分線Ｌｂをとった場合、この二等分線Ｌｂよりもスラスト側に位置することを特徴の一つとする。
【００２２】
・ピン孔の位置
ピン孔１ｈの中心Ｐをピストン１の軸線Ｃｐよりもスラスト側に設ける理由を以下に説明する。この場合、上述の図４で説明したように、上死点直後には、反スラスト側に回転しようとするモーメントが働き、この回転によってスラスト側スカート部１２ｔの端部がシリンダ２のボア２ｈのスラスト側内壁に衝突し得る。スカート部の端部は、通常、ヘッド部やスカート部の最上部近傍に比較して剛性が低く、ある程度変形可能である。そのため、このスカート部の端部とボア２ｈの内壁との衝突によるピストン打音は、ヘッド部やスカート部の最上部近傍がボア２ｈの内壁に衝突する場合に比較して小さいと期待できる。
そこで、実施形態１のピストン１では、ピン孔１ｈの中心Ｐをピストン１の軸線Ｃｐよりもスラスト側に設ける。
【００２３】
・重心位置
ピストン１の重心Ｇを上述の二等分線Ｌｂよりもスラスト側に設ける理由を、図２を参照して説明する。図２は、ピストンピンのピン孔１ｈの中心Ｐをピストン１の軸線Ｃｐよりもスラスト側に設けたピストン１における上死点直後での挙動を模式的に示す。上死点直後に、ピストン１のスラスト側スカート部１２ｔの端部が上述のようにシリンダ２のボア２ｈのスラスト側内壁に接した状態を考える。スラスト側スカート部１２ｔにおけるボア２ｈのスラスト側内壁との接点をｘとし、接点ｘからピン孔１ｈの中心Ｐまでの水平距離をｃ、ピン孔１ｈの中心Ｐからピストン１の重心Ｇまでの水平距離をｂとする。スラスト側スカート部１２ｔがスラスト側内壁に接した状態からコンロッド３（図１（ｂ））の傾きが変わると、接点ｘを支点として、ピストン１には、スラスト側内壁に衝突しようとするスラスト側へのモーメントＭが生じ得る。このモーメントＭは、上死点直後において、クランク軸からの垂直距離ｈにおけるピストン１の下方への加速度をａ、ピストン１の質量をｍとすると、以下の式（１）で表される。
Ｍ＝（ｃ＋ｂ）×ｍ×ａ  …  式（１）
【００２４】
上記式（１）から明らかなように、水平距離（ｃ＋ｂ）を小さくすればモーメントＭを小さくできる。ひいては、上死点直後において、ピストン１のスラスト側スカート部１２ｔの最上部近傍がシリンダ２のボア２ｈのスラスト側内壁に衝突する力を小さくできる。この衝突力の低減によって、この衝突に起因するピストン打音を小さくできる。
【００２５】
ピストン１の重心を上述の二等分線Ｌｂよりもスラスト側に設けるには、ピストン１におけるスラスト側の質量を反スラスト側に比較して大きくすればよい。例えば、図１（ｂ）に示すようにスラスト側ヘッド部の厚さを反スラスト側ヘッド部に比較して局所的に厚くすることが挙げられる。より具体的には、ピストン１の内天面とスカート部の内面との隅などを厚くして肉盛り部１３を設けることが挙げられる。上記隅などは、ピストン１を鋳物とする場合に厚さの調整が容易に行えて製造性にも優れる。その他、反スラスト側ヘッド部の内天井部の厚さや反スラスト側スカート部の厚さを局所的に薄くすることが考えられる。
【００２６】
・具体的な範囲
ピン孔１ｈの中心Ｐの位置について、ピストン１の軸線Ｃｐからスラスト側への距離は、ピストン１の大きさにもよるが、ピストン１の外端面の直径の１％以内などが挙げられる。この範囲であれば、上記式（１）における水平距離ｃ，ｂがいずれも、過大になり過ぎず、モーメントＭを小さくできる。重心Ｇの位置について、二等分線Ｌｂからスラスト側への距離は、大きいほど上記式（１）における水平距離ｂを小さくでき、モーメントＭを小さくできる。しかし、重心Ｇがスラスト側に寄り過ぎると、図４で説明した上死点直後の反スラスト側に回転しようとするモーメントが大きくなり、スラスト側スカート部１２ｔの端部がシリンダ２のボア２ｈのスラスト側内壁に強く衝突する。このときのモーメントは、ピストン１の頂面に燃焼圧を受けた際の反スラスト側に回転しようとするモーメント、及び下降するピストン１に作用する慣性力によるモーメントである。この慣性力によるモーメントにおけるピストン１の回転方向は、ピン孔１ｈの中心Ｐ（ピストンピンの中心）からのピストン１の重心Ｇの位置によって決まる。従って、重心Ｇは、二等分線Ｌｂを超え、ピン１ｈの中心Ｐを通る直線Ｃｈ程度までの範囲が好ましいと考えられる。
【００２７】
・効果
実施形態１のピストン１では、ピストンピン４が取り付けられるピン孔１ｈの中心Ｐ及びピストン１の重心Ｇがいずれも、ピストン１の軸線Ｃｐよりもスラスト側に位置し、かつ重心Ｇが二等分線Ｌｂよりもスラスト側に位置する。ピン孔１ｈの中心Ｐ及びピストン１の重心Ｇが特定の位置であるピストン１は、圧縮行程後期から燃焼行程前期において、シリンダ２のボア２ｈ内での揺動を低減し、この揺動によってボア２ｈの内壁にピストン１の一部が衝突して生じ得るピストン打音を低減できる。特に、ピストン１では、ボア２ｈの内壁に衝突し得る領域を主としてスラスト側スカート部１２ｔとすることができ、剛性が高いヘッド部１０が衝突することによる大きなピストン打音を低減し易い。この効果を以下の試験例で具体的に説明する。
【００２８】
・試験例
ピン孔の中心位置及びピストンの重心位置を種々変更したピストンを備える内燃機関について、エンジン回転数を変化させたときのエンジン放射音を調べた。
【００２９】
この試験では、表１に示す仕様のピストンを用意した。表１に示すピストンピンが取り付けられるピン孔の中心位置（ｍｍ）、ピストンの重心位置（ｍｍ）、二等分線位置（ｍｍ）はいずれも、ピストンの軸線からの水平距離である。二等分線とは、上記ピン孔の中心を通り、ピストンの軸線に平行な直線とピストンの軸線との二等分線である。試料Ｎｏ．１−１のピストンは、実施例１のピストン１に該当する。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
この試験では、各試料のピストンを備える内燃機関を無響室に収納し、内燃機関から所定の方向に１ｍ離れた地点を測定点とした。所定の方向は、内燃機関の左方及び右方、上方、前方の合計四つの方向とした。これら四つの測定点にマイクロフォンなどの音圧測定器を配置して音圧を測定し、四つの音圧の平均を図３に示す。図３は、エンジン放射音のグラフであり、横軸がエンジン回転数（ｒ．ｐ．ｍ）、縦軸は音圧（ｄＢ）を示す。縦軸の一目盛が１ｄＢである。
【００３２】
図３のグラフに示すように、ピストンのピン孔の中心位置がピストンの軸線よりもスラスト側、かつピストンの重心が上記二等分線よりもスラスト側に位置する試料Ｎｏ．１−１のピストンを備えると、重心が上記二等分線よりも反スラスト側に位置する試料Ｎｏ．１−１００のピストンを備える場合と比較して、ピストン打音を１ｄＢ程度低減できることが分かる。なお、上記の試験例のピストンの仕様は例示であり、適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明のピストンは、自動車などに搭載される内燃機関の主運動系の要素に利用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１  ピストン  １ｈ  ピン孔
１０  ヘッド部  １０ｒ  リング溝
１２ｔ  スラスト側スカート部  １２ａ  反スラスト側スカート部  １３  肉盛り部
１４  エプロン部
２  シリンダ  ２ｈ  ボア  ３  コネクティングロッド  ４  ピストンピン
１００  ピストン  ２００  シリンダ  ２００ｈ  ボア
３００  コネクティングロッド  ４００  ピストンピン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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