内燃機関のピストン
【課題】軽量化され、往復動時に、極力その姿勢を維持することができる内燃機関のピストンを提供することを目的とする。
【解決手段】第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、ピストンピン２０の軸線２１を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる面を想定した面である仮想面Ｆに沿って延設されている。第１サイドウォール５と第３サイドウォール７とは、結合され、その結合部が、第１スカート９を形成している。第２サイドウォール６と第４サイドウォール８とは、結合され、その結合部が第２スカート１０を形成している。第１スカート９、第２スカート１０はその表面がピストン頂部２の外径と略同一の径によって形成される円筒面からなり、機関運転時に内燃機関のボアと摺接する。
【解決手段】第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、ピストンピン２０の軸線２１を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる面を想定した面である仮想面Ｆに沿って延設されている。第１サイドウォール５と第３サイドウォール７とは、結合され、その結合部が、第１スカート９を形成している。第２サイドウォール６と第４サイドウォール８とは、結合され、その結合部が第２スカート１０を形成している。第１スカート９、第２スカート１０はその表面がピストン頂部２の外径と略同一の径によって形成される円筒面からなり、機関運転時に内燃機関のボアと摺接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピストンの軽量化と、往復動中のピストンの姿勢を安定させることを目的として改良されたピストンが知られている。例えば、クラウン部と、クラウン部よりも下方のスカート部と、クラウン部とスカート部との内側に一体に設けられ且つ向い合う対のピンボス部とを有し、スカート部の中間部が削除されるピストンが知られている（特許文献１参照）。その他にも、例えば、ランド部とスカート部とが不連続に形成された内燃機関用ピストンが知られている（特許文献２参照）。また、冠部の下部に有する円筒状のスカート部を、上下左右方向に分割形成すると共に、該分割された上部スカート部位と下部スカート部位を、ピストンピンを保持する一対のピンボス部の両側部から延出した複数の支持アームによって支持してなる内燃機関のピストンが知られている（特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１９３７３３号公報
【特許文献２】特開平６−１０１５６６号公報
【特許文献３】特開平６−５３７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピストンの軽量化は、フリクションの低減やシリンダライナとの摺動部の摩耗低減に寄与する。また、ピストンは、往復動時の揺動現象を抑制し、姿勢を安定させることによってオイル消費量の低減や、ブローバイの抑制を図ることができる。上記特許文献に開示されたピストンは、ピストンの軽量化や、ピストンの姿勢を維持することを目的としているが、いずれも、改善の余地を有している。
【０００５】
そこで、本発明は、さらに軽量化され、往復動時に、極力その姿勢を維持することができる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】
【０００６】
かかる課題を解決する本明細書開示の内燃機関のピストンは、ピストン頂部の裏面側に形成され、ピストンピンが装着されるピンボスと、当該ピンボスの側方に設けられたサイドウォールとを備える。そして、ピストンは、当該サイドウォールの端部に設けられたスカートを備える。サイドウォールは、ピストンピンの軸線を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる仮想面に沿うように前記ピンボスから延設される。
【０００７】
ピストンの揺動は、ピストンピンの軸線を中心として発生する。そこで、ピストンピンの軸線を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる仮想面を想定し、この仮想面に沿うようにサイドウォールを設ける。そして、このサイドウォールの端部にスカートを設けることによって効果的にピストンの揺動を抑制することができる。特に、上下死点時おけるピストンの揺動を効果的に抑制することができ、ピストンの姿勢を維持することができる。
【０００８】
本明細書開示のピストンは、このようにピストンの揺動を効果的に抑制することができる方向にサイドウォールを延設し、その端部にスカートを設けている。そして、ピストンの強度が確保される限度内において極力肉抜きを行い、ピストンの軽量化が図られている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の内燃機関のピストンによれば、ピストンの軽量化と、ピストンの往復動時の姿勢維持を図ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本実施例に係る内燃機関のピストン（以下、単に「ピストン」という）１の斜視図である。また、図２はピン穴、すなわちピストンピンの軸線方向からみたピストン１を模式的に示す図である。図３は底面側からみたピストン１を模式的に示す図である。図４はスラスト側からみたピストン１を模式的に示す図である。図５はピン穴（ピストンピン）の軸線方向からみた場合のピストン１を図４におけるＡ−Ａ線で断面として模式的に示した図である。
【００１２】
ピストン１は、アルミ製であり、ピストン頂部２を備え、その裏面側に対向配置された第１ピンボス３と第２ピンボス４を備えている。第１ピンボス３と第２ピンボス４は、それぞれ、ピン穴３ａ、４ａを備えている。ピン穴３ａ、４ａには、図２に示すようにピストンピン２０が嵌め込まれ、ピストン１に図示しないコンロッドが取り付けられる。図２中、参照番号２１は、ピストンピンの軸線を示し、参照符号Ｒは、ピストンピン２０の直径寸法を表している。
【００１３】
第１ピンボス３の側方には、第１サイドウォール５、第２サイドウォール６が設けられている。また、第２ピンボス４の側方には、第３サイドウォール７、第４サイドウォール８が設けられている。
【００１４】
第１サイドウォール５は第１ピンボス３からスラスト方向に延設されている。第２サイドウォール６は第１ピンボス３から反スラスト方向に延設されている。第３サイドウォール７は第２ピンボス４からスラスト方向に延設されている。第４サイドウォール８は第２ピンボスから反スラスト方向に延設されている。
【００１５】
これらの第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、図に示す仮想面Ｆに沿って延設されている。仮想面Ｆは、ピストンピン２０の軸線２１を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる面を想定したものである。
【００１６】
第１サイドウォール５と第３サイドウォール７とは、結合され、その結合部が、第１スカート９を形成している。第２サイドウォール６と第４サイドウォール８とは、結合され、その結合部が第２スカート１０を形成している。第１スカート９、第２スカート１０はその表面がピストン頂部２の外径と略同一の径によって形成される円筒面からなり、機関運転時に内燃機関のボア（図示省略）と摺接する。
【００１７】
このような第１スカート９、第２スカート１０の高さ方向の厚みＴｓは、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗ以下とされている。仮に、第１スカート９、第２スカート１０の高さ方向の厚みＴｓが、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗよりも厚く、第１ピンボス３、第２ピンボス４に近いほど、厚みが薄くなると、強度は低い。そこで、ピストン１では、第１スカート９、第２スカート１０の寸法を上記のように設定し、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８に支持される第１スカート９、第２スカート１０の強度を確保している。特に、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８と第１スカート９、第２スカート１０の連続部において上記寸法関係を維持することにより、第１スカート９、第２スカート１０の強度を確保することができる。これにより、第１スカート９、第２スカート１０の倒れや、き裂発生を抑制することができる。
【００１８】
このような第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗは、ピストンピン２０の直径寸法Ｒよりも薄くなっている。また、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、仮想面Ｆに含まれる。すなわち、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、ピストンピン２０の中心の高さ位置と一致している。
【００１９】
ピストン頂部２は円盤状に形成されており、その外周にはコンプレッションリングおよびオイルリング（図示省略）を装着するためのリング溝２５が形成されている。なお、リング溝２５の本数は図示の２本に限定されるものではなく、例えば一般に採用されることが多い３本であってもよい。
【００２０】
以上のようなピストン１は、ピストン頂部２と第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８とが連結されておらず、いわゆるスケルトン構造となっている。第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、必要な剛性を確保することができる寸法、例えば、幅、高さ方向の厚さ、第１ピンボス３、第２ピンボス４との接合部のＲ形状の大きさを考慮して設計される。ピストン１は、必要な剛性を確保することができる範囲内で、極力肉抜きが行われ、軽量化が施されている。ピストン頂部２と第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８とが連結されていないことにより、ピストン頂部２に加わる力が直接第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８に伝達されることがない。これは、ピストン１の揺動抑制にも繋がる。
【００２１】
図６は、比較例として示す、従来のピストン１０１の斜視図である。ピストン１０１は、ピストン頂部１０２から下方に延設されたスカート１０３を有する。そして、このスカート１０３は、ピストン頂部１０２の裏面側に対向配置された第１ピンボス１０４、第２ピンボス１０５の側方に設けられたサイドウォール１０６と接続されている。
【００２２】
本実施例のピストン１は、比較例のピストン１０１と比較して、スカートの面積、サイドウォールの面積を大幅に縮小することにより、軽量化を達成している。
【００２３】
第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗも、前記のようにピストンピン２０の直径寸法Ｒよりも薄くしている。さらに、第１スカート９、第２スカート１０の高さ方向の厚みＴｓは、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗ以下とされている。しかしながら、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、図に示す仮想面Ｆに沿って延設されている。さらに、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、仮想面Ｆに含まれる。すなわち、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、ピストンピンの中心の高さ位置と一致している。
【００２４】
ピストン１の往復動時の揺動は、ピストンピン２０の軸線２１回りに生じる。そこで、上記のように第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８、第１スカート９、第２スカート１０を設けることにより、効果的にピストン１の揺動を抑制することができる。特に、上下死点時おけるピストン１の揺動を効果的に抑制することができ、ピストン１の姿勢を維持することができる。ピストン１の姿勢が維持することができれば、スラスト力が低減して第１スカート９、第２スカート１０における面圧が低下し、スカート面積を縮小することも可能となる。スカート面積の低下は、さらなる軽量化を可能とする。さらなる軽量化が進めば、さらにスラスト力を低下させることができる。このように、ピストン１の姿勢の維持と、軽量化は相乗効果をもたらす。
【００２５】
このようなピストン１は、その軽量化によるフリクションの低減はもとより、摩耗、騒音の低減及びピストン１の姿勢が良好に維持されることによりブローバイ、オイル消費量の低減も可能となる。以下、ピストン１の構成とすることによる効果を列記する。
【００２６】
まず、ピストン１の軽量化により、慣性質量が低下し、この結果、スラスト力が低下する。スラスト力が低下するとピストン往復動時のフリクションが低減され、この結果、内燃機関の燃費向上が期待される。燃費が向上すれば、ＣＯ２の排出量も抑制される。
【００２７】
ピストン１の軽量化は、内燃機関のボアとの摺動部の摩耗低減にも寄与する。従来、ピストンは、摩擦の低減を目的として摺動部に表面処理が施されている。この表面処理は、加工に手間がかかり、製造コスト上昇の原因ともなりうる。本実施例のピストン１であれば、その摩耗低減効果により信頼性が向上し、表面処理も簡易なものとすることができる。簡易な表面処理とすることにより、製造コスト上昇を抑制することができる。
【００２８】
また、ピストン１は、その軽量化によって慣性力が低下し、これに起因するスラスト力の低減により、振動、騒音を低下させることもできる。スラスト力の低減は、前記のようにスカート面圧を低下させ、スカート面積の縮小を可能としている。
【００２９】
また、本実施例のピストン１は、揺動現象を抑制し、往復動時の姿勢を維持することができる。これにより、オイル消費、ブローバイの低減が図られる。この結果、スラッジやデポジットの堆積抑制効果を得ることもでき、オイルメンテナンスのインターバルを長くすることができ、オイルのメンテナンスフリーに近づけることができる。また、スラッジやデポジットの堆積抑制に伴い低粘度オイルの使用が可能となり、この結果、燃費向上も期待される。
また、ピストン１では、ピストンの軽量化に伴い特に冷間始動時の機関始動性が向上する。冷間時において、アルミ製のピストン１は、収縮しており、ボアとの隙間が大きくなり、揺動しやすい状態となる。しかしながら、本実施例のピストン１は、非常に軽量であり、スラスト力が低く、フリクションが小さいため、ピストン１がスムーズに動き出す。このため、ピストン１は、冷間始動時の始動性が良好である。ひいては、補機容量の低減により有害排気ガスの低減やコストの低減も可能になる。
【００３０】
図７は、市街地走行時のフリクション低減効果を本実施例のピストン１と図６に示した従来のピストン１０１とで比較して示したグラフである。グラフから明らかなように、本実施例のピストン１は、従来のピストン１０１と比較して、大幅なフリクションの低下が認められた。なお、フリクションの低下効果は、軽量化効果によるもの、スラスト力低下によるもの及びスカート面積縮小によるものの複合的なものであると考えられる。
【００３１】
図８は、オイル消費低減効果を本実施例のピストン１と図６に示した従来のピストン１０１とで比較して示したグラフである。グラフから明らかなように、本実施例のピストン１は、従来のピストン１０１と比較して、オイル消費量の低下が認められた。オイル消費は、内燃機関が高速、高負荷条件で運転となるほど増大するが、ピストン１のオイル消費低減効果も内燃機関が高速、高負荷条件での運転となるほど顕著なものとなる傾向にある。
【実施例２】
【００３２】
次に、実施例２のピストン２１について、図９、図１０を参照しつつ説明する。図９は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。図１０は、スラスト側からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。実施例２のピストン２１が実施例１のピストン１と異なる点は、実施例２のピストン２１が、ピストン頂部２の下方に上下方向に延設された上下方向スカート２２、２３をさらに備えている点である。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
上下スカート２２は、第１サイドウォール５と第３サイドウォール７とを接合した部分に形成された第１スカート９の両側に設けられている。また、上下スカート２３は、第２サイドウォール６と第４サイドウォール８とを接合した部分に形成された第２スカート１０の両側に設けられている。
【００３４】
上下スカート２２、２３は、第１スカート９、第２スカート１０の変形を抑制する補強となる。第１スカート９と第２スカート１０との間隔が狭まるとピストンは揺動し易くなるが、このように上下スカート２２、２３を設けることによりピストン２１の揺動を抑制している。ピストン２１の揺動が抑制されれば、オイル消費を抑制し、騒音の悪化も抑制することができる。
【００３５】
また、上下スカート２２、２３が設けられたことにより、スカート面圧の低下が図られ、摩耗低減効果が期待される。
【実施例３】
【００３６】
次に、実施例３のピストン３１について、図１１、図１２を参照しつつ説明する。図１１は、ピン穴、すなわちピストンピンの軸線方向からみた場合のピストン３１を模式的に示す図である。図１２はピストンピンの軸線方向からみた場合のピストン３１を図１１におけるＢ−Ｂ線で断面として模式的に示した図である。
【００３７】
実施例３のピストン３１が実施例１のピストン１と異なる点は、実施例３のピストン３１が、第１スカート９、第２スカート１０の中央部に面積拡大部９ａ、１０ａをさらに有する点である。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
面積拡大部９ａは、第１スカート９の中央部に上方、すなわち、ピストン頂部２側に突出するように設けられている。同様に、面積拡大部１０ａは、第２スカート部１０の中央部に上方、すなわち、ピストン頂部２側に突出するように設けられている。
面積拡大部９ａ、１０ａが設けられたことにより、ボアと摺動する面積が増大するため、スカート面圧の低下が図られる。これにより、ピストン３１におけるボアとの摩耗低減が図られる。
【００３９】
なお、面積拡大部９ａ、１０ａの大きさ、位置は、要求に応じて適宜決定することができる。ピストン３１では、ピストン頂部２に近い側、すなわち、内燃機関の燃焼室に近い側の温度が高くなることを考慮し、温度が高くなる側の面圧低下を企図して第１スカート９、第２スカート１０の上方に突出するように設けられている。
【実施例４】
【００４０】
次に、実施例４のピストンについて、図１３を参照しつつ説明する。図１３は、第２スカート１０の周辺を断面とし、拡大して示した説明図である。実施例４が実施例３と異なる点は、面積拡大部１０の中央部上縁に面取り部１０ａ１が設けられている点である。図面に現れていないが、面積拡大部９の中央上縁にも面取り部が設けられている。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
面取り部１０ａ１は、面積拡大部１０ａにおいて、内燃機関のボアとの間に油膜を形成し、スクィーズ効果を得る。スクィーズ効果により、ボアとの非摺動部が形成され、摩耗低減が図られる。
【００４２】
なお、実施例４では、面積拡大部１０ａ（９ａ）に面取り部１０ａを設けた構成としているが、面積拡大部９ａ、１０ａを有していない実施例１のピストン１において、面取り部を設けた構成とすることもできる。すなわち、第１スカート部９、第２スカート部１０の上縁に面取り部を設け、スクィーズ効果を得るようにしてもよい。
【実施例５】
【００４３】
次に、実施例５のピストン４１について、図１４、図１５を参照しつつ説明する。図１４は、ピストン４１の断面を示す説明図である。図１５は、断面とした第２スカートの周辺を拡大して示した説明図である。実施例５のピストン４１が、実施例１のピストン１と異なる点は、実施例５のピストン４１が有する第１スカート９、第２スカート１０にリング溝１１を設け、このリング溝１１にシリンダボアと接触することができるリング１２を装着した点である。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
リング１２は、内燃機関のボアに接触することによってピストン４１の姿勢の維持を図ることができる。
内燃機関の低回転、低負荷域のようなスラスト力が弱い稼動条件下では、リング１２は、内燃機関のボアに接触することによってリング１３のシール力によりオイル消費を抑制し、ブローバイの低減にも資する。
【００４５】
また、内燃機関の高回転、高負荷領域では、リング１２は、リング溝１１内に押し込まれる。これにより第１スカート９、第２スカート１０と内燃機関のボアとが接触し、ピストン４１の揺動を抑制する。これにより、摺動部の摩耗が抑制される。
【００４６】
なお、リング１２の諸元は、要求に応じて種々変更可能である。例えば、コンプレッションリングに要求される機能を持たせたり、オイルリングに要求される機能を持たせたりすることができる。
【００４７】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば上述した実施例ではヘッドの下部に一対のピンボスを備えたピストンの場合について説明したが、ピストンはヘッドの下部中央にピンボスを一体的に備えた所謂シングルピンボスタイプのピストンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、実施例１のピストンの斜視図である。
【図２】図２は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例１のピストンを模式的に示す図である。
【図３】図３は、底面側からみた実施例１のピストンを模式的に示す図である。
【図４】図４は、スラスト側からみた実施例１のピストンを模式的に示す図である。
【図５】図５は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例１のピストンを図４におけるＡ−Ａ線で断面として模式的に示した図である。
【図６】図６は、比較例のピストンの斜視図である。
【図７】図７は、市街地走行時のフリクション低減効果を示したグラフである。
【図８】図８は、オイル消費低減効果を示したグラフである。
【図９】図９は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、スラスト側からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例３のピストンを模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例３のピストンを図１１におけるＢ−Ｂ線で断面として模式的に示した図である。
【図１３】。図１３は、実施例４の第２スカートの周辺を断面とし、拡大して示した説明図である。
【図１４】図１４は、実施例５のピストンの断面を示す説明図である。
【図１５】図１５は、図１４に示すピストンの第２スカートの周辺を拡大して示した説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，２１，３１，４１…ピストン ２…ピストン頂部
３…第１ピンボス ３ａ，４ａ…ピン穴
４…第２ピンボス ５…第１サイドウォール
６…第２サイドウォール ７…第３サイドウォール
８…第４サイドウォール ９…第１スカート
１０…第２スカート １１…リング溝
１２…リング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピストンの軽量化と、往復動中のピストンの姿勢を安定させることを目的として改良されたピストンが知られている。例えば、クラウン部と、クラウン部よりも下方のスカート部と、クラウン部とスカート部との内側に一体に設けられ且つ向い合う対のピンボス部とを有し、スカート部の中間部が削除されるピストンが知られている（特許文献１参照）。その他にも、例えば、ランド部とスカート部とが不連続に形成された内燃機関用ピストンが知られている（特許文献２参照）。また、冠部の下部に有する円筒状のスカート部を、上下左右方向に分割形成すると共に、該分割された上部スカート部位と下部スカート部位を、ピストンピンを保持する一対のピンボス部の両側部から延出した複数の支持アームによって支持してなる内燃機関のピストンが知られている（特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１９３７３３号公報
【特許文献２】特開平６−１０１５６６号公報
【特許文献３】特開平６−５３７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピストンの軽量化は、フリクションの低減やシリンダライナとの摺動部の摩耗低減に寄与する。また、ピストンは、往復動時の揺動現象を抑制し、姿勢を安定させることによってオイル消費量の低減や、ブローバイの抑制を図ることができる。上記特許文献に開示されたピストンは、ピストンの軽量化や、ピストンの姿勢を維持することを目的としているが、いずれも、改善の余地を有している。
【０００５】
そこで、本発明は、さらに軽量化され、往復動時に、極力その姿勢を維持することができる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】
【０００６】
かかる課題を解決する本明細書開示の内燃機関のピストンは、ピストン頂部の裏面側に形成され、ピストンピンが装着されるピンボスと、当該ピンボスの側方に設けられたサイドウォールとを備える。そして、ピストンは、当該サイドウォールの端部に設けられたスカートを備える。サイドウォールは、ピストンピンの軸線を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる仮想面に沿うように前記ピンボスから延設される。
【０００７】
ピストンの揺動は、ピストンピンの軸線を中心として発生する。そこで、ピストンピンの軸線を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる仮想面を想定し、この仮想面に沿うようにサイドウォールを設ける。そして、このサイドウォールの端部にスカートを設けることによって効果的にピストンの揺動を抑制することができる。特に、上下死点時おけるピストンの揺動を効果的に抑制することができ、ピストンの姿勢を維持することができる。
【０００８】
本明細書開示のピストンは、このようにピストンの揺動を効果的に抑制することができる方向にサイドウォールを延設し、その端部にスカートを設けている。そして、ピストンの強度が確保される限度内において極力肉抜きを行い、ピストンの軽量化が図られている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の内燃機関のピストンによれば、ピストンの軽量化と、ピストンの往復動時の姿勢維持を図ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本実施例に係る内燃機関のピストン（以下、単に「ピストン」という）１の斜視図である。また、図２はピン穴、すなわちピストンピンの軸線方向からみたピストン１を模式的に示す図である。図３は底面側からみたピストン１を模式的に示す図である。図４はスラスト側からみたピストン１を模式的に示す図である。図５はピン穴（ピストンピン）の軸線方向からみた場合のピストン１を図４におけるＡ−Ａ線で断面として模式的に示した図である。
【００１２】
ピストン１は、アルミ製であり、ピストン頂部２を備え、その裏面側に対向配置された第１ピンボス３と第２ピンボス４を備えている。第１ピンボス３と第２ピンボス４は、それぞれ、ピン穴３ａ、４ａを備えている。ピン穴３ａ、４ａには、図２に示すようにピストンピン２０が嵌め込まれ、ピストン１に図示しないコンロッドが取り付けられる。図２中、参照番号２１は、ピストンピンの軸線を示し、参照符号Ｒは、ピストンピン２０の直径寸法を表している。
【００１３】
第１ピンボス３の側方には、第１サイドウォール５、第２サイドウォール６が設けられている。また、第２ピンボス４の側方には、第３サイドウォール７、第４サイドウォール８が設けられている。
【００１４】
第１サイドウォール５は第１ピンボス３からスラスト方向に延設されている。第２サイドウォール６は第１ピンボス３から反スラスト方向に延設されている。第３サイドウォール７は第２ピンボス４からスラスト方向に延設されている。第４サイドウォール８は第２ピンボスから反スラスト方向に延設されている。
【００１５】
これらの第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、図に示す仮想面Ｆに沿って延設されている。仮想面Ｆは、ピストンピン２０の軸線２１を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる面を想定したものである。
【００１６】
第１サイドウォール５と第３サイドウォール７とは、結合され、その結合部が、第１スカート９を形成している。第２サイドウォール６と第４サイドウォール８とは、結合され、その結合部が第２スカート１０を形成している。第１スカート９、第２スカート１０はその表面がピストン頂部２の外径と略同一の径によって形成される円筒面からなり、機関運転時に内燃機関のボア（図示省略）と摺接する。
【００１７】
このような第１スカート９、第２スカート１０の高さ方向の厚みＴｓは、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗ以下とされている。仮に、第１スカート９、第２スカート１０の高さ方向の厚みＴｓが、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗよりも厚く、第１ピンボス３、第２ピンボス４に近いほど、厚みが薄くなると、強度は低い。そこで、ピストン１では、第１スカート９、第２スカート１０の寸法を上記のように設定し、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８に支持される第１スカート９、第２スカート１０の強度を確保している。特に、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８と第１スカート９、第２スカート１０の連続部において上記寸法関係を維持することにより、第１スカート９、第２スカート１０の強度を確保することができる。これにより、第１スカート９、第２スカート１０の倒れや、き裂発生を抑制することができる。
【００１８】
このような第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗは、ピストンピン２０の直径寸法Ｒよりも薄くなっている。また、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、仮想面Ｆに含まれる。すなわち、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、ピストンピン２０の中心の高さ位置と一致している。
【００１９】
ピストン頂部２は円盤状に形成されており、その外周にはコンプレッションリングおよびオイルリング（図示省略）を装着するためのリング溝２５が形成されている。なお、リング溝２５の本数は図示の２本に限定されるものではなく、例えば一般に採用されることが多い３本であってもよい。
【００２０】
以上のようなピストン１は、ピストン頂部２と第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８とが連結されておらず、いわゆるスケルトン構造となっている。第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、必要な剛性を確保することができる寸法、例えば、幅、高さ方向の厚さ、第１ピンボス３、第２ピンボス４との接合部のＲ形状の大きさを考慮して設計される。ピストン１は、必要な剛性を確保することができる範囲内で、極力肉抜きが行われ、軽量化が施されている。ピストン頂部２と第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８とが連結されていないことにより、ピストン頂部２に加わる力が直接第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８に伝達されることがない。これは、ピストン１の揺動抑制にも繋がる。
【００２１】
図６は、比較例として示す、従来のピストン１０１の斜視図である。ピストン１０１は、ピストン頂部１０２から下方に延設されたスカート１０３を有する。そして、このスカート１０３は、ピストン頂部１０２の裏面側に対向配置された第１ピンボス１０４、第２ピンボス１０５の側方に設けられたサイドウォール１０６と接続されている。
【００２２】
本実施例のピストン１は、比較例のピストン１０１と比較して、スカートの面積、サイドウォールの面積を大幅に縮小することにより、軽量化を達成している。
【００２３】
第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗも、前記のようにピストンピン２０の直径寸法Ｒよりも薄くしている。さらに、第１スカート９、第２スカート１０の高さ方向の厚みＴｓは、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の厚みＴｗ以下とされている。しかしながら、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８は、図に示す仮想面Ｆに沿って延設されている。さらに、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、仮想面Ｆに含まれる。すなわち、第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８の高さ方向の中心は、ピストンピンの中心の高さ位置と一致している。
【００２４】
ピストン１の往復動時の揺動は、ピストンピン２０の軸線２１回りに生じる。そこで、上記のように第１サイドウォール５〜第４サイドウォール８、第１スカート９、第２スカート１０を設けることにより、効果的にピストン１の揺動を抑制することができる。特に、上下死点時おけるピストン１の揺動を効果的に抑制することができ、ピストン１の姿勢を維持することができる。ピストン１の姿勢が維持することができれば、スラスト力が低減して第１スカート９、第２スカート１０における面圧が低下し、スカート面積を縮小することも可能となる。スカート面積の低下は、さらなる軽量化を可能とする。さらなる軽量化が進めば、さらにスラスト力を低下させることができる。このように、ピストン１の姿勢の維持と、軽量化は相乗効果をもたらす。
【００２５】
このようなピストン１は、その軽量化によるフリクションの低減はもとより、摩耗、騒音の低減及びピストン１の姿勢が良好に維持されることによりブローバイ、オイル消費量の低減も可能となる。以下、ピストン１の構成とすることによる効果を列記する。
【００２６】
まず、ピストン１の軽量化により、慣性質量が低下し、この結果、スラスト力が低下する。スラスト力が低下するとピストン往復動時のフリクションが低減され、この結果、内燃機関の燃費向上が期待される。燃費が向上すれば、ＣＯ２の排出量も抑制される。
【００２７】
ピストン１の軽量化は、内燃機関のボアとの摺動部の摩耗低減にも寄与する。従来、ピストンは、摩擦の低減を目的として摺動部に表面処理が施されている。この表面処理は、加工に手間がかかり、製造コスト上昇の原因ともなりうる。本実施例のピストン１であれば、その摩耗低減効果により信頼性が向上し、表面処理も簡易なものとすることができる。簡易な表面処理とすることにより、製造コスト上昇を抑制することができる。
【００２８】
また、ピストン１は、その軽量化によって慣性力が低下し、これに起因するスラスト力の低減により、振動、騒音を低下させることもできる。スラスト力の低減は、前記のようにスカート面圧を低下させ、スカート面積の縮小を可能としている。
【００２９】
また、本実施例のピストン１は、揺動現象を抑制し、往復動時の姿勢を維持することができる。これにより、オイル消費、ブローバイの低減が図られる。この結果、スラッジやデポジットの堆積抑制効果を得ることもでき、オイルメンテナンスのインターバルを長くすることができ、オイルのメンテナンスフリーに近づけることができる。また、スラッジやデポジットの堆積抑制に伴い低粘度オイルの使用が可能となり、この結果、燃費向上も期待される。
また、ピストン１では、ピストンの軽量化に伴い特に冷間始動時の機関始動性が向上する。冷間時において、アルミ製のピストン１は、収縮しており、ボアとの隙間が大きくなり、揺動しやすい状態となる。しかしながら、本実施例のピストン１は、非常に軽量であり、スラスト力が低く、フリクションが小さいため、ピストン１がスムーズに動き出す。このため、ピストン１は、冷間始動時の始動性が良好である。ひいては、補機容量の低減により有害排気ガスの低減やコストの低減も可能になる。
【００３０】
図７は、市街地走行時のフリクション低減効果を本実施例のピストン１と図６に示した従来のピストン１０１とで比較して示したグラフである。グラフから明らかなように、本実施例のピストン１は、従来のピストン１０１と比較して、大幅なフリクションの低下が認められた。なお、フリクションの低下効果は、軽量化効果によるもの、スラスト力低下によるもの及びスカート面積縮小によるものの複合的なものであると考えられる。
【００３１】
図８は、オイル消費低減効果を本実施例のピストン１と図６に示した従来のピストン１０１とで比較して示したグラフである。グラフから明らかなように、本実施例のピストン１は、従来のピストン１０１と比較して、オイル消費量の低下が認められた。オイル消費は、内燃機関が高速、高負荷条件で運転となるほど増大するが、ピストン１のオイル消費低減効果も内燃機関が高速、高負荷条件での運転となるほど顕著なものとなる傾向にある。
【実施例２】
【００３２】
次に、実施例２のピストン２１について、図９、図１０を参照しつつ説明する。図９は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。図１０は、スラスト側からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。実施例２のピストン２１が実施例１のピストン１と異なる点は、実施例２のピストン２１が、ピストン頂部２の下方に上下方向に延設された上下方向スカート２２、２３をさらに備えている点である。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
上下スカート２２は、第１サイドウォール５と第３サイドウォール７とを接合した部分に形成された第１スカート９の両側に設けられている。また、上下スカート２３は、第２サイドウォール６と第４サイドウォール８とを接合した部分に形成された第２スカート１０の両側に設けられている。
【００３４】
上下スカート２２、２３は、第１スカート９、第２スカート１０の変形を抑制する補強となる。第１スカート９と第２スカート１０との間隔が狭まるとピストンは揺動し易くなるが、このように上下スカート２２、２３を設けることによりピストン２１の揺動を抑制している。ピストン２１の揺動が抑制されれば、オイル消費を抑制し、騒音の悪化も抑制することができる。
【００３５】
また、上下スカート２２、２３が設けられたことにより、スカート面圧の低下が図られ、摩耗低減効果が期待される。
【実施例３】
【００３６】
次に、実施例３のピストン３１について、図１１、図１２を参照しつつ説明する。図１１は、ピン穴、すなわちピストンピンの軸線方向からみた場合のピストン３１を模式的に示す図である。図１２はピストンピンの軸線方向からみた場合のピストン３１を図１１におけるＢ−Ｂ線で断面として模式的に示した図である。
【００３７】
実施例３のピストン３１が実施例１のピストン１と異なる点は、実施例３のピストン３１が、第１スカート９、第２スカート１０の中央部に面積拡大部９ａ、１０ａをさらに有する点である。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
面積拡大部９ａは、第１スカート９の中央部に上方、すなわち、ピストン頂部２側に突出するように設けられている。同様に、面積拡大部１０ａは、第２スカート部１０の中央部に上方、すなわち、ピストン頂部２側に突出するように設けられている。
面積拡大部９ａ、１０ａが設けられたことにより、ボアと摺動する面積が増大するため、スカート面圧の低下が図られる。これにより、ピストン３１におけるボアとの摩耗低減が図られる。
【００３９】
なお、面積拡大部９ａ、１０ａの大きさ、位置は、要求に応じて適宜決定することができる。ピストン３１では、ピストン頂部２に近い側、すなわち、内燃機関の燃焼室に近い側の温度が高くなることを考慮し、温度が高くなる側の面圧低下を企図して第１スカート９、第２スカート１０の上方に突出するように設けられている。
【実施例４】
【００４０】
次に、実施例４のピストンについて、図１３を参照しつつ説明する。図１３は、第２スカート１０の周辺を断面とし、拡大して示した説明図である。実施例４が実施例３と異なる点は、面積拡大部１０の中央部上縁に面取り部１０ａ１が設けられている点である。図面に現れていないが、面積拡大部９の中央上縁にも面取り部が設けられている。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
面取り部１０ａ１は、面積拡大部１０ａにおいて、内燃機関のボアとの間に油膜を形成し、スクィーズ効果を得る。スクィーズ効果により、ボアとの非摺動部が形成され、摩耗低減が図られる。
【００４２】
なお、実施例４では、面積拡大部１０ａ（９ａ）に面取り部１０ａを設けた構成としているが、面積拡大部９ａ、１０ａを有していない実施例１のピストン１において、面取り部を設けた構成とすることもできる。すなわち、第１スカート部９、第２スカート部１０の上縁に面取り部を設け、スクィーズ効果を得るようにしてもよい。
【実施例５】
【００４３】
次に、実施例５のピストン４１について、図１４、図１５を参照しつつ説明する。図１４は、ピストン４１の断面を示す説明図である。図１５は、断面とした第２スカートの周辺を拡大して示した説明図である。実施例５のピストン４１が、実施例１のピストン１と異なる点は、実施例５のピストン４１が有する第１スカート９、第２スカート１０にリング溝１１を設け、このリング溝１１にシリンダボアと接触することができるリング１２を装着した点である。
なお、他の構成については、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
リング１２は、内燃機関のボアに接触することによってピストン４１の姿勢の維持を図ることができる。
内燃機関の低回転、低負荷域のようなスラスト力が弱い稼動条件下では、リング１２は、内燃機関のボアに接触することによってリング１３のシール力によりオイル消費を抑制し、ブローバイの低減にも資する。
【００４５】
また、内燃機関の高回転、高負荷領域では、リング１２は、リング溝１１内に押し込まれる。これにより第１スカート９、第２スカート１０と内燃機関のボアとが接触し、ピストン４１の揺動を抑制する。これにより、摺動部の摩耗が抑制される。
【００４６】
なお、リング１２の諸元は、要求に応じて種々変更可能である。例えば、コンプレッションリングに要求される機能を持たせたり、オイルリングに要求される機能を持たせたりすることができる。
【００４７】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば上述した実施例ではヘッドの下部に一対のピンボスを備えたピストンの場合について説明したが、ピストンはヘッドの下部中央にピンボスを一体的に備えた所謂シングルピンボスタイプのピストンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、実施例１のピストンの斜視図である。
【図２】図２は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例１のピストンを模式的に示す図である。
【図３】図３は、底面側からみた実施例１のピストンを模式的に示す図である。
【図４】図４は、スラスト側からみた実施例１のピストンを模式的に示す図である。
【図５】図５は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例１のピストンを図４におけるＡ−Ａ線で断面として模式的に示した図である。
【図６】図６は、比較例のピストンの斜視図である。
【図７】図７は、市街地走行時のフリクション低減効果を示したグラフである。
【図８】図８は、オイル消費低減効果を示したグラフである。
【図９】図９は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、スラスト側からみた実施例２のピストンを模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例３のピストンを模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、ピストンピンの軸線方向からみた実施例３のピストンを図１１におけるＢ−Ｂ線で断面として模式的に示した図である。
【図１３】。図１３は、実施例４の第２スカートの周辺を断面とし、拡大して示した説明図である。
【図１４】図１４は、実施例５のピストンの断面を示す説明図である。
【図１５】図１５は、図１４に示すピストンの第２スカートの周辺を拡大して示した説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，２１，３１，４１…ピストン ２…ピストン頂部
３…第１ピンボス ３ａ，４ａ…ピン穴
４…第２ピンボス ５…第１サイドウォール
６…第２サイドウォール ７…第３サイドウォール
８…第４サイドウォール ９…第１スカート
１０…第２スカート １１…リング溝
１２…リング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂部の裏面側に形成され、ピストンピンが装着されるピンボスと、
当該ピンボスの側方に設けられたサイドウォールと、
当該サイドウォールの端部に設けられたスカートとを備え、
前記サイドウォールは、ピストンピンの軸線を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる仮想面に沿うように前記ピンボスから延設されたことを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記サイドウォールの高さ方向の厚みは、前記ピストンピンの直径寸法よりも薄いことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記サイドウォールの高さ方向の中心線は、前記仮想面に含まれることを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記ピンボスは、ピストン頂部の裏面側において対向配置された第１ピンボスと第２ピンボスを含み、
前記サイドウォールは、前記第１ピンボスからスラスト方向に延設された第１サイドウォール及び反スラスト方向に延設された第２サイドウォールと、前記第２ピンボスからスラスト方向に延設された第３サイドウォール及び反スラスト方向に延設された第４サイドウォールと、を含み、
前記スカートは、前記第１サイドウォールと前記第３サイドウォールとの結合部に形成された第１スカートと、前記第２サイドウォールと前記第４サイドウォールとの結合部に形成された第２スカートと、を含む
ことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記スカートの高さ方向の厚みは、前記サイドウォールの高さ方向の厚み以下としたことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記ピストン頂部の下方に上下方向に延設された上下方向スカートをさらに備えたことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項７】
前記スカートは、面積拡大部を有することを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項８】
前記スカートは、上縁に面取り部が設けられたことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項９】
前記スカートにリング溝を設け、当該リング溝にシリンダボアと接触することができるリングを装着したことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項１】
ピストン頂部の裏面側に形成され、ピストンピンが装着されるピンボスと、
当該ピンボスの側方に設けられたサイドウォールと、
当該サイドウォールの端部に設けられたスカートとを備え、
前記サイドウォールは、ピストンピンの軸線を含み、かつ、スラスト方向及び反スラスト方向に広がる仮想面に沿うように前記ピンボスから延設されたことを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記サイドウォールの高さ方向の厚みは、前記ピストンピンの直径寸法よりも薄いことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記サイドウォールの高さ方向の中心線は、前記仮想面に含まれることを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記ピンボスは、ピストン頂部の裏面側において対向配置された第１ピンボスと第２ピンボスを含み、
前記サイドウォールは、前記第１ピンボスからスラスト方向に延設された第１サイドウォール及び反スラスト方向に延設された第２サイドウォールと、前記第２ピンボスからスラスト方向に延設された第３サイドウォール及び反スラスト方向に延設された第４サイドウォールと、を含み、
前記スカートは、前記第１サイドウォールと前記第３サイドウォールとの結合部に形成された第１スカートと、前記第２サイドウォールと前記第４サイドウォールとの結合部に形成された第２スカートと、を含む
ことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記スカートの高さ方向の厚みは、前記サイドウォールの高さ方向の厚み以下としたことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記ピストン頂部の下方に上下方向に延設された上下方向スカートをさらに備えたことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項７】
前記スカートは、面積拡大部を有することを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項８】
前記スカートは、上縁に面取り部が設けられたことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項９】
前記スカートにリング溝を設け、当該リング溝にシリンダボアと接触することができるリングを装着したことを特徴とした請求項１記載の内燃機関のピストン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−３８０４８（Ｐ２０１０−３８０４８Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０２５４６（Ｐ２００８−２０２５４６）
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３９０００８８２２）アート金属工業株式会社 (39)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３９０００８８２２）アート金属工業株式会社 (39)
【Ｆターム（参考）】
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