JP3671739B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の高出力化に伴う熱負荷増大や筒内圧増大に対応するとともに軽量化を図る目的で、アルミ合金一体鋳造又は鍛造製であった内燃機関のピストンをピストンクラウン部とスカート部とに２分割して、ピストンクラウン部を鋳鋼で、スカート部をアルミ合金により形成されたたものが知られている（実公平３−５１５５２号公報等参照）。
【０００３】
このように、ピストンクラウン部を鉄材により形成することにより、熱負荷及び燃焼室内の筒内圧に対する耐久度が向上して、高出力化が可能となり、スカート部をアルミ製とすることにより、ピストンの重量増大を最小限に抑えることができる。
しかし、ピストンに対する熱負荷がさらに増大すると、燃焼室側に最も近いトップリングに作用する熱負荷が大きくなり、トップリングが焼き付けを起こすといった問題が生じる場合がある。なお、このようなトップリングは、ピストンのリングランド部に形成されたトップリング溝に嵌入しており、また、リングランド部には、このようなトップリング以外のリングが嵌入するリング溝も形成されている。
【０００４】
このトップリングの焼き付け防止として、例えば特開平２−９１４５２号公報には、ピストン上面部とリングランド部との間の内面に周方向に延びて閉空間をなすクローズドギャラリを設けた技術が開示されている。
このようなクローズドギャラリはピストン本体と一体に形成されており、また、このクローズドギャラリの下面壁には、冷却油入口が穿設されている。そして、この冷却油入口から流入した冷却油によってピストン本体、特にピストンリング溝近傍が冷却されて、熱負荷の増大に伴うピストン本体の熱変形やピストンリングなどの焼き付けを防止することができる構成となっている。なお、クローズドギャラリに流入してピストンヘッドの熱を吸収した冷却油は、冷却油入口と同様にピストンヘッド下面に穿設された冷却油出口より流出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなクローズドギャラリを有するピストンでは、クローズドギャラリの下面壁が周方向全域に亘って設けられているので、鋳鋼などにより形成されるピストン本体の重量がより大きくなり、ピストン本体の重量増大による駆動損失が大きくなるといった問題がある。
【０００６】
また、上記特開平２−９１４５２号公報は、クローズドギャラリから下面壁をなくしたオープンギャラリタイプのピストン本体に、アルミ合金によって形成される円筒状のピストンスカートを固着させるとともに、このピストンスカートの上端内周にオープンギャラリの下方を遮蔽する縁部を設けた技術が開示されている。そして、このような技術によれば、クローズドギャラリを有するピストンヘッドと同等の冷却性を得ることができるとともに、ピストンの重量を軽減することができる。
【０００７】
しかしながら、このようなピストンスカートによりオープンギャラリを遮蔽するタイプのピストンでは、リングランド部の下端にピストンスカートが固着されて、オープンギャラリの下方を遮蔽する縁部がピストンスカートの上端部に構成され、リングランド部は上方においてピストン上面部と連結される構成であるために、リングランド部の径方向への強度が低下して、高圧化に伴うピストン本体の変形を抑制することができずに、ピストンリング溝が変形しリング挙動に悪影響が出て、オイル消費量が増大するばかりでなく、ピストンリングが焼き付けを起こすといった問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ピストンを効率よく冷却できるようにするとともに、ピストンの重量低減を図りながらピストンの強度を向上させてピストンの変形を抑制することができるようにした、内燃機関のピストンを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の内燃機関のピストンは、ピストン上面部と該ピストン上面部の外周部より下方に延出するように一体に形成されピストンリングが嵌入されるピストンリング溝が外周面に設けられたリングランド部とを有するピストンクラウン部と、コネクティングロッドと係合又は結合されるピストンピンを回転可能に支持するピンボス部と、上記ピストンクラウン部及び上記ピンボス部と一体に形成されるとともに両者を連結する連結部材とからなるピストン本体を有する内燃機関のピストンにおいて、上記リングランド部の内面側であって、上記ピストンリング溝に近接した位置に周方向に環状溝が延設され、上記連結部材が、ピストン中心軸に対して径方向に放射状に延びて形成されるとともにその外周部が上記リングランド部の内面に結合されたリブ部材と、上記リブ部材の上記環状溝に対応する位置に開口した貫通孔とをそなえ、且つ該ピストンクラウン部とピンボス部との間に円盤状のプレート部材が配設され、このプレート部材により、各リブ部材が互いに連結されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、連結部材がピストン中心軸に対して径方向に放射状に延びるように配置されるリブ部材によって構成されるので、連結部材における重量が低減されるとともに、リブ部材の外周部がリングランド部の内面に結合されるのでリングランド部の径方向への強度が向上する。また、このリブ部材には、環状溝に対応した位置に開口した貫通孔が形成されるので、環状溝に供給される冷却油が連結部材によって遮断されることなくピストン本体の内面全周を効率よく冷却することができる。
また、各リブ部材が互いにプレート部材によって連結されることにより、リブ部材の剛性が高められるとともに、ピストン本体の剛性も高められて、ピストン本体の変形をより抑制することができる。また、ピストンがより効果的に冷却される。
また、請求項２記載の本発明の内燃機関のピストンは、上記請求項１記載の構成において、該円盤状のプレート部材が、ピストン中心軸線に対して略垂直に配設されていることを特徴としている。そして、このように構成した場合には、ピストン本体の剛性をさらに高めることができる。
また、請求項３記載の本発明の内燃機関のピストンは、上記請求項１又は２記載の構成において、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該ピストンスカートのプレート部材に対向した内周面に、プレート部材に近接するように内径側に突出した内突部が周方向全域に亘って形成されていることを特徴としている。そして、このように構成することにより、ピストン本体がより効果的に冷却される。
また、請求項４記載の本発明の内燃機関のピストンは、上記請求項１又は２記載の構成において、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該プレート部材の外縁部が該ピストンスカートの内周面に近接するように延設されて構成されていることを特徴としている。そして、このように構成した場合にも、ピストン本体をより効果的に冷却することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。
図１はディーゼルエンジン用のピストン１のピストン本体１ａをピストンピンの軸線と垂直な方向から見た図であり、右半面図が外観形状を示す模式図で左半面図がピストンピンの軸線上における模式的な断面図、図２はピストン１のピストンピン軸線上における要部断面図、図３はピストン１におけるピストン本体１ａの下面図、図４はピストン１におけるピストン本体１ａのピストンピン軸線方向から見た図であり、右半面図が外観形状を示す模式的側面図で左半面図がピストン中心でのピストンピンの軸線に対する垂直線上における模式的な断面図、図５はピストン中心におけるピストンピンの軸線に対する垂直線上の要部断面図である。なお、以下では、ディーゼルエンジン用のピストン１を用いて説明するが、本発明の内燃機関のピストンはディーゼルエンジン用のものに限定されるものではない。
【００１２】
図１に示すように、ピストン本体１ａは、ピストンクラウン部６と、ピストンピン（図２の符号９参照）が挿入されるピンボス部７と、これらピストンクラウン部６及びピンボス部７に一体に形成され両者を連結する連結部材としてのピストンリブ部材（以下、リブ部材）８とから構成されている。このうち、ピストンクラウン部６は、上面に円形凹陥状の燃焼室（キャビティ）２が形成されたピストン上面部３と、該ピストン上面部３の外縁より下方に延びるように形成されたリングランド部５とを有している。
【００１３】
リングランド部５の外周面には、周方向に延びる複数のピストンリング溝４が形成されている。また、ピストンリング溝４は、図示しないトップリング，セカンドリング及びオイルリングがそれぞれ外嵌されるトップリング溝４ａ，セカンドリング溝４ｂ及びオイルリング溝４ｃから構成され、これらのリング溝４ａ〜４ｃは、リングランド部５の外周に上方から順次形成されている。
【００１４】
また、図２及び図５に示すように、ピストン本体１ａの下方には、ピストン本体１ａとともに摺動するピストンスカート１２が配設されている。このピストンスカート１２は、ピストンピン９をピンボス部７に挿入することによりピストン本体１ａに結合されるように構成されている。
図２はピストン本体１ａとピストンスカート１２とがピストンピン９を介して結合したときのピストンピン９の中心軸線上における要部断面図である。この図２に示すように、ピストン本体１ａのピンボス部７にはピストンピン９が挿入され、ピストンピン９は、ピンボス部７の両端部において軸受部材２０を介して全周がピンボス部７によって回転可能に支持されている。また、ピストンピン９の中央部分では、軸受部材２０の下方が切り欠かれており、ピストンピン９はその上面側半部が軸受部材２０を介してピンボス部７に支持されるようになっている。
【００１５】
また、このピストンピン９の中央部下方（中央下端部）には、コネクティングロッド（以下コンロッドという）１０の上端部がボルト１１によって結合されており、これにより、ピストンピン９がピンボス部７で回転するとコンロッド１０もピストンピン９と一体に揺動（回転）するように構成されている。
なお、本実施形態では、コンロッド１０の上端部とピストンピン９の中央下端部とをボルト１１により結合した例を説明したが、本発明では、このような構成に限定されるものではなく、例えばピストンピン９の中央下端部とコンロッド１０の上端部とが一体に形成されるなどして、ピストンピン９とコンロッド１０とが一体に回転するように構成してもよく、また、従来技術と同様に、コンロッド１０の上端にピストンピン９を挿通させ、コンロッド１０がピストンピン９に回転可能に支持されるとともに、ピンボス部７によりピストンピン９の両端部のみが支持されるように構成してもよい。
【００１６】
ピンボス部７は、上述したようにその両端部においてピストンピン９を全周に亘って支持するとともに、ピストンピン９の軸方向における中央上半部（中央上端部）、具体的には軸方向全長にわたる上半面をも軸受部材２０を介して支持するように形成されている。即ち、ピストンピン９は、両端部の全周及び軸方向全長にわたる上半部（上端部）を軸受部材２０を介してピンボス部７で回転可能に支持されているのである。なお、ピストンピン９とピンボス部７との間に介装される軸受部材２０は省略してもよい。
【００１７】
また、ピストンスカート１２は、円筒状に形成されており、ピンボス部７にピストンピン９を挿通することによりピストン本体１ａに結合されるようになっている。そして、このようなピストン本体１ａへの結合時に、リングランド部５の下端部から下方に向かって延びるように、ピストンスカート１２は形成されている。
【００１８】
このピストンスカート１２には、ピストン本体１ａのピンボス部７に対応する位置にピストンピン孔１２ａが穿設されており、このピストンピン孔１２ａにピストンピン９の両方の最側端部がそれぞれ嵌入することによりピストンスカート１２とピストン本体１ａとが結合されるようになっている。また、ピストンピン９は、ピストンピン孔１２ａ内に配設されるスナップリング１２ｂによって軸方向への移動が規制されるようになっている。なお、本実施形態ではピストンピン９はコンロッド１０に結合されているため、ピストンピン９はコンロッド１０のピストンピン軸方向へのクリアランス分しか移動しない。したがって、ピストンピン９がピンボス部７及びピストンピン孔１２ａから抜き出ることはなく、スナップリング１２ｂを省略して構成してもよい。
【００１９】
ところで、ピストン１は、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを有するピストン本体１ａと、ピストンスカート１２との２つの部材からなる２分割型に構成されているが、ピストン本体１ａとピストンスカート１２とは、それぞれ異なる材料が用いられている。つまり、ピストン本体１ａは鋳鋼又はダクタイル鋳鉄などによって形成され、ピストンスカート１２はアルミニウム合金によって形成されているのである。そして、このような構成により、ピストン本体１ａの強度が増大して、高出力化に伴う筒内圧の増大によるピストン本体１ａの変形が抑制されるとともに、ピストンスカート１２を軽量化してピストン１の重量増大を抑制することができるのである。
【００２０】
また、ピンボス部７がピストンピン９の両側端部全周と中央上端部（中央部上半面）とを支持するように構成されるとともに、ピストンピン９の中央下端部にコンロッド１０の上端部が結合されているので、実公平５−２９５８０号公報に開示された従来技術同様に、ピストン１の摺動時にピストンピン９がピンボス部７から受ける荷重が、軸方向全長にわたって均一に作用して、ピストンピン９の両端部のみにピンボス部７からの荷重が集中することはなくなる。
【００２１】
よって、ピストン摺動時に、ピンボス部７からの荷重がピストンピン９の中央部に与えられてもこの荷重がピストンピン９の両端部に集中しない構成、つまり、ピストンピン９がピンボス部７から受ける荷重が軸方向全長にっわたって均一となり、ピストンピン９の両端部に与えられる荷重が低減される構成となっているので、ピストンピン９の変形が抑制される。また、ピストンピン９に作用する荷重が均一化することにより、ピストンピン９の縮径が可能となり、ピストンピン９の重量を低減してピストン１自体の重量を低減することができる。
【００２２】
また、これと同様に、ピンボス部７から受ける荷重とは反対方向の荷重がコンロッド１０からピストンピン９の中央部に与えられても、やはり、ピストンピン９からピンボス部７に入力される荷重が軸方向全長にっわたって均一となる。
また、ピストンスカート１２をアルミ合金により形成するとともに、ピストンピン９を縮径してピストン１の重量を軽減することにより、ピストン１の上下死点におけるピストンの慣性力が軽減されてディーゼル機関の高速化を図ることができる。これにより、機関の駆動損失が低減して燃費が向上するとともに、ピストン１のコストも低減することができる。
【００２３】
ところで、ピストン本体１ａのピストンクラウン部６とピンボス部７とは、リブ部材８を介して一体に結合されている。すなわち、リブ部材８は、その上端が凹陥状の燃焼室２を有するピストン上面部３の下面に、またその外周部がリングランド部５の内面下端部に一体に連結されるとともに、その下端がピンボス部７に一体に連結され、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを連結するように形成されている。なお、このリブ部材８は、後述する貫通孔１５とともに連結部材を構成している。
【００２４】
このように、重量低減のために薄肉構造とされているピストン上面部３及びリングランド部５をリブ部材８によって互いに連結するように構成されているので、ピストンを薄肉構造としても強度低下を抑制することができ、ピストン本体１ａの変形を防止することができる。
また、リブ部材８は、図３の下面視に示すように、ピストン中心軸Ｌ２から放射状に設けられ、ピストン中心軸Ｌ２から等角度に８方向に延びるように設けられている。また、リブ部材８は、図１及び図４に示すように、ピストン中心軸Ｌ２の近傍には形成されておらず、ピストン上面部３とピンボス部７との間のピストン中心軸Ｌ２近傍には空間が設けられるように形成されている。
【００２５】
このように、リブ部材８が、放射状に配設されるとともに、ピストン中心軸Ｌ２線近傍に空間が設けられるように形成されることにより、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを連結するリブ部材８の重量低減を図ることができ、ピストン本体１ａ及びピストン１自体の重量低減を図ることができる。
さらに、リブ部材８は、図１，図２及び図４に示すように、ピストン上面部３の下面及びリングランド部５の内面との連結部からピンボス部７に向かって、ピストンピン９の略中心Ｐに集中するような形状とされている。
【００２６】
そして、リブ部材８が、ピストンクラウン部６との連結部からピストンピン９の中心Ｐに集中するような形状に形成されてピンボス部７に連結されているので、例えば膨張行程時のようにピストン本体１ａのピストンクラウン部６に作用する応力がリブ部材８を介してピンボス部７に伝達される際に、該応力がリブ部材８によってピストンピン９の中心Ｐ近傍に集中することとなり、ピストンクラウン部６からピストンピン９に作用する応力は、ピストンピン９の中心Ｐの下方に配設されているコンロッド１０に直に作用することとなる。
【００２７】
また、例えば圧縮行程時のようにコンロッド１０からピストンピン９に作用する応力がピンボス部７からリブ部材８を介してピストンクラウン部６に伝達される際には、コンロッド１０の上端部の上方に位置するピストンピン９の中心Ｐからリブ部材８へ直に力が作用してピストンクラウン部６に伝達されることになる。
【００２８】
したがって、本実施形態におけるピストン１では、ピストンクラウン部６及びコンロッド１０からの応力が、ピストンピン９の中心部に集中するため、ピストンピン９全体にかかる負荷を軽減することができ、ピストンピン９自体の要求強度を軽減することができる。
したがって、このような理由からも、ピストンピン９を縮径することが可能となり、ピストンピン９を支持するピンボス部７をコンパクトに形成して、ピストンピン９の重量及びピンボス部７の重量を軽減することができ、ピストン本体１ａの重量を軽減することができる。
【００２９】
さらに、上述したようなピストン１の重量低減により、駆動損失の低減に伴う燃費の向上やコストの低減といった効果をより確実に得ることができる。
また、ピストン本体１ａのピストンクラウン部６とピンボス部７との間には、ピストン本体１ａと一体に形成される円盤状のプレート部材１３がピストン中心軸Ｌ２線に対して略垂直となるように配設されている。そして、このプレート部材１３により、各リブ部材８が互いに連結されている。
【００３０】
そして、各リブ部材８が互いにプレート部材１３によって連結されることにより、リブ部材８の剛性が高められるとともに、ピストン本体１ａの剛性も高められて、ピストン本体１ａの変形をより抑制することができる。
また、本実施形態におけるピストン本体１ａのピストンクラウン部６には、図１に示すように、環状溝１４が形成されている。この環状溝１４は、ピストンクラウン部６に形成されたリングランド部５の内面上端部であって、リングランド部５の内面とピストン上面部３の下面との間に周方向に延びるように形成されている。
【００３１】
また、リブ部材８の環状溝１４に対応した位置には、貫通孔１５が形成されている。この貫通孔１５は、環状溝１４に対して周方向に向けて開口するように形成されており、この貫通孔１５により、環状溝１４は、ピストン上面部３の下面とリングランド部５の内周面とに連結されるリブ部材８を貫通するように形成されている。
【００３２】
一方、図示しないエンジンのシリンダブロックには、図５に示すように、シリンダブロックに配設された図示しないオイルギャラリからの冷却油を、ピストン上面部３に向かって噴出するオイルジェットノズル１６が設けられている。このオイルジェットノズル１６は、ピストン１が下死点に位置する状態で、その上端部が円盤状のプレート部材１３の下面に対して若干の間隙を有するように配設されるている。また、オイルジェットノズル１６は、ピストン１の中心軸方向から見て、ピストンピン９の軸線の垂直線上に配設されるリブ部材８ａ（図３及び図４参照）に対して円周方向に若干ずれた位置に配設されている。
【００３３】
そして、円盤状のプレート部材１３には、図３及び図５に示すように、このオイルジェットノズル１６の上端部に対向した位置に流入孔１３ａが穿設されている。なお、本実施形態では、オイルジェットノズル１６が図示しないシリンダブロックの２箇所に配設され、プレート部材１３には、このオイルジェットノズル１６に対向した２箇所に流入孔１３ａが設けられる構成となっているが、これに限定されることなく、オイルジェットノズル１６と流入孔１３ａとが対向するように１箇所だけ配設しても良く３箇所以上配設してもよい。
【００３４】
このように配設されたオイルジェットノズル１６の下端部は、例えばシリンダブロック内のオイルギャラリに連結されている。また、このオイルギャラリには、クランクシャフトの回動により駆動されるオイルポンプ（図示省略）から潤滑油等が供給されるようになっており、オイルジェットノズル１６からは、オイルギャラリ内の油圧に応じて潤滑油（冷却油として機能する）が常時上方に向けて噴出するように構成されている。なお、この実施形態の構成では、冷却油が常時噴出するように構成した例を説明したが、ピストン１が下死点近傍に位置するときにのみ冷却油を噴出するように構成してもよい。なお、このオイルジェットノズル１６によるピストン１の冷却構造は、従来周知技術と同様のものである。
【００３５】
オイルジェットノズル１６から噴出した冷却油は、プレート部材１３の流入孔１３ａを通って、プレート部材１３の上方に供給される。上述したように、オイルジェットノズル１６及び流入孔１３ａは、ピストン中心軸Ｌ２線方向から見てリブ部材８と重合しない位置に配設されているので、オイルジェットノズル１６から噴出して流入孔１３ａを通過した冷却油は、ピストン上面部３の下面３ｂに当たり、下面３ｂに沿って環状溝１４の方へ流動していく。このようにして環状溝１４に供給された冷却油は、この環状溝１４を形成しているピストン上面部３とリングランド部５とを冷却することになる。
【００３６】
なお、図示するように、環状溝１４は、ピストンリング溝４により近接した位置に形成されており、特にトップリング溝４ａに極力近接するように形成されている。これは、リングランド部５のトップリング溝４ａに嵌入されるトップリングの熱負荷が非常に大きいために、トップリング溝４ａの熱負荷も非常に大きいものとなり、環状溝１４に供給される冷却油による冷却効果がより要求されるためである。
【００３７】
なお、図示しないトップリングの配設位置を下げるほど燃焼室に連通する未完全燃焼領域が増大して排ガスが悪化する。このため、トップリングが嵌入されるトップリング溝４ａは、排ガスを悪化させないためにリングランド部５のより上方に配設されている。したがって、トップリング及びトップリング溝４ａ近傍における熱負荷量がより大きいものとなり、環状溝１４の冷却油によるトップリング溝４ａ近傍の冷却効果がより要求されるのである。
【００３８】
このように、環状溝１４に供給される冷却油によって、リングランド部５、特にピストンリング溝４近傍を効果的に冷却することができ、ピストンリング溝４の熱変形やピストンリングの焼き付けなどを防止することができる。
そして、本実施形態におけるピストン１のピストン本体１ａでは、図１に示すように、環状溝１４が、リングランド部５の内面上端に形成されるとともに、環状溝１４の上端部とピストン上面部３の上面との距離Ａ（図１参照）がより短くなるように、トップリング溝４ａに極力近接して配設されている。したがって、環状溝１４の冷却油によってトップリング溝４ａ近傍をより効果的に冷却することができるとともに、ピストン上面部３をも冷却することができ、ピストンクラウン部６の冷却性が向上して、高出力化に伴うピストンクラウン部６の熱負荷、特にトップリング溝４ａ近傍における熱負荷を低減することができ、ピストンクラウン部６の熱変形やピストンリング、特にトップリングの焼き付けが確実に抑制される。
【００３９】
さらに、リブ部材８には、環状溝１４に対応した位置に貫通孔１５が形成されているので、環状溝１４に供給された冷却油は環状溝１４に沿って円周方向全域に亘って流動することが可能となる。これにより、トップリング溝４ａ近傍を円周方向全域に亘って十分に冷却することができ、また、ピストンクラウン部６についても十分に冷却することができる。
【００４０】
つまり、ピストン１の上下方向の摺動により、環状溝１４に供給された冷却油がリブ部材８によって遮断されることなく環状溝１４内を円周方向に流動することにより、ピストン本体１ａが効果的に冷却されることとなる。
また、上記距離Ａがより短くなるように環状溝１４を配設することにより、ピストン上面部３及びリングランド部５をより薄肉構造とすることができ、ピストン本体１ａの重量をより低減することができる。
【００４１】
一方、ピストン上面部３及びリングランド部５を薄肉構造となることにより、ピストンクラウン部６の強度が低下して、ピストン本体１ａが変形しやすくなり、ピストンリング溝４の変形によりリング挙動に悪影響が出て、オイルの消費量が増大したり、ピストンリングが焼き付けを起こす等が考えられる。
しかし、本実施形態では、リブ部材８によりピストンクラウン部６とピンボス部７とが一体に連結され、リングランド部５の内面に、このリブ部材８の外周部が結合されているので、環状溝１４がトップリング溝４ａへ近接するように配設されて（即ち、環状溝１４の上端とピストン上面部３の上面との距離Ａがより短くなるように配設されて）ピストン本体１ａが薄肉構造となっても、リングランド部５の径方向における強度が向上することにより、ピストン本体１ａの強度を維持することができ、高筒内圧化に伴うピストン本体１ａの変形が抑制され、ピストン本体１ａの変形によるオイル消費の増大やピストンリングの焼き付きなどを防止することができる。
【００４２】
また、図１，図２，図４及び図５に示すように、本実施形態におけるピストン本体１ａには、ピンボス部７のピストン中心軸Ｌ２上における上端部に、オイル供給孔１７が形成されている。このオイル供給孔１７には、シリンダブロックのオイルギャラリからクランクシャフト，コンロッド１０及びピストンピン９を介して冷却油が供給されるようになっている。
【００４３】
また、ピストン上面部３とピンボス部７とを連結するリブ部材８は、オイル供給孔１７が位置するピストン中央部分においては形成されていないので、オイル供給孔１７に供給された冷却油は、オイル供給孔１７から上方に向かって噴出して、ピストン上面部３とピンボス部７との間の空間を通り、ピストン上面部３の中央下面に当てられる。
【００４４】
したがって、ピストン本体１ａは、環状溝１４の冷却油によって円周部が冷却されるとともに、上述のようにオイル供給孔１７からの冷却油によって中央部が冷却されることとなる。
環状溝１４及びピストン上面部３の中央下面に供給された冷却油は、冷却油自体の重量やピストン１の摺動慣性によって徐々にリブ部材８等に沿って下方へ流動するが、ピストン本体１ａには放射状のリブ部材８を互いに連結して円盤状に形成されるプレート部材１３が配設されているので、冷却油はプレート部材１３上面に貯留されることとなる。
【００４５】
したがって、ピストン本体１ａは、プレート部材１３の上面に貯留された冷却油によっても冷却されることとなる。
さらに、図２及び図５に示すように、ピストンスカート１２には、プレート部材１３に対向した内周面に、プレート部材１３に近接するように内径側に突出した内突部１２ｃが周方向全域に亘って形成されている。
【００４６】
したがって、環状溝１４及びピストン上面部３の中央下面部より下方に流動した冷却油は、この内突部１２ｃ上面にも貯留されることとなり、また、ピストン上面部３，リングランド部５，ピストンスカート１２及びプレート部材１３によって形成される空間内に供給された冷却油がこの空間内で循環するので、この空間内の冷却油によってピストン本体１ａがより効果的に冷却される。
【００４７】
プレート部材１３上に貯留された冷却油は、プレート部材１３の外縁部と内突部１２ｃの内縁部との間の隙間を通りエンジンのオイルパン（図示省略）等に落下していくことにより循環される。
なお、本実施形態では、ピストンスカート１２に内突部１２Ｃを設けて、プレート部材１３とピストンスカート１２との間の隙間が最小限となるように構成されているが、ピストンスカート１２に内突部１２ｃを設けることなく、プレート部材１３の外縁部をピストンスカート１２の内周面まで延設して、両者の隙間が最小限となるように構成してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを連結するリブ部材８が、ピストンクラウン部６との連結部からピンボス部７側に向かってピストンピン９の中心Ｐに集中するように形成されている例について説明したが、本発明の内燃機関のピストンは、このような構成に限定されるものではなく、例えばリブ部材８が鉛直状に延びるように形成されてもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、リブ部材８が等角度毎に放射状に配設された例について説明したが、リブ部材８の配置についてはこのようなものに限定されるものではなく、少なくともピストン１の中心軸に対して対称に複数配設されていればよい。
また、本実施形態では、鋳鋼により形成されるピストン本体１ａとアルミ合金により形成されるピストンスカート１２とによって構成される２分割型ピストンについて説明したが、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、ピストン本体１ａとピストンスカート１２とが一体に形成されるものでもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、環状溝１４にエンジンのシリンダブロックに配設されるオイルジェットノズル１６により冷却油を供給して、ピストン本体１ａをより効果的に冷却する例について説明したが、このようなオイルジェットノズル１６により冷却油が供給されるように構成されたものに限定されるものではない。
なお、オイルジェットノズル１６により冷却油を供給するように構成した場合には、シリンダ内に飛散している潤滑油（冷却油）がピストン本体１ａの内面に付着して、この付着した潤滑油が流動して環状溝１４に供給されピストン本体１ａを冷却する。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関のピストンによれば、ピストン上面部と該ピストン上面部の外周部より下方に延出するように一体に形成されピストンリングが嵌入されるピストンリング溝が外周面に設けられたリングランド部とを有するピストンクラウン部と、コネクティングロッドと係合又は結合されるピストンピンを回転可能に支持するピンボス部と、上記ピストンクラウン部及び上記ピンボス部と一体に形成されるとともに両者を連結する連結部材とからなるピストン本体を有する内燃機関のピストンにおいて、上記リングランド部の内面側であって、上記ピストンリング溝に近接した位置に周方向に環状溝が延設され、上記連結部材が、ピストン中心軸に対して径方向に放射状に配設されるとともにその外周部が上記リングランド部の内面に結合されたリブ部材と、上記リブ部材の上記環状溝に対応する位置に開口した貫通孔とをそなえ、且つ該ピストンクラウン部とピンボス部との間に円盤状のプレート部材が配設され、このプレート部材により、各リブ部材が互いに連結されているという構成により、連結部材の重量を低減することができ、これにより駆動損失が減少して燃費の向上を図ることができるという利点があるほか、環状溝に供給される冷却油によってリングランド部のピストンリング溝近傍の冷却効果が向上するという利点がある。また、貫通孔によって環状溝の冷却油がリブ部材に遮断されることなくピストンの内面全周を流動することができ、ピストンを効果的に冷却することができる。
【００５２】
また、リングランド部の内面が、ピストンクラウン部とピンボス部とを連結するリブ部材の外周部に連結されているので、ピストンクラウン部の強度を維持または向上することができ、ピストンの変形を抑制して、ピストンの変形に伴うオイル消費の増大やピストンリングの焼き付きなどを防止することができるという利点がある。
また、各リブ部材が互いにプレート部材によって連結されることにより、リブ部材の剛性が高められるとともに、ピストン本体の剛性も高められて、ピストン本体の変形をより抑制することができる。また、ピストンをより効果的に冷却することができる。
また、請求項２記載の本発明の内燃機関のピストンによれば、円盤状のプレート部材が、ピストン中心軸線に対して略垂直に配設されているので、ピストン本体の剛性をさらに高めることができる。
また、請求項３記載の本発明の内燃機関のピストンによれば、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該ピストンスカートのプレート部材に対向した内周面に、プレート部材に近接するように内径側に突出した内突部が周方向全域に亘って形成されるので、ピストン本体をより効果的に冷却することができる。
また、請求項４記載の本発明の内燃機関のピストンは、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該プレート部材の外縁部が該ピストンスカートの内周面に近接するように延設されて構成されるので、ピストン本体をより効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンのピストン本体をピストンピン軸線と垂直な方向から見た図であって、右半面が外観形状を示す図、左半面図が断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンの全体構成をピストンピン軸線と垂直な方向から見た断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンにおけるピストン本体の下面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンにおけるピストン本体のピストンピン軸線方向から見た図であって、右半面が外観形状を示す図、左半面図が断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンにおけるピストンピンの軸線方向から見た模式的な断面図であって、ピストンが下死点近傍にある状態を示す図である。
【符号の説明】
１ ピストン
１ａ ピストン本体
３ ピストン上面部
５ リングランド部
６ ピストンクラウン部
７ ピンボス部
８ リブ部材
９ ピストンピン
１０ コネクティングロッド
１２ ピストンスカート
１３ プレート部材
１４ 環状溝
１５ 貫通孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の高出力化に伴う熱負荷増大や筒内圧増大に対応するとともに軽量化を図る目的で、アルミ合金一体鋳造又は鍛造製であった内燃機関のピストンをピストンクラウン部とスカート部とに２分割して、ピストンクラウン部を鋳鋼で、スカート部をアルミ合金により形成されたたものが知られている（実公平３−５１５５２号公報等参照）。
【０００３】
このように、ピストンクラウン部を鉄材により形成することにより、熱負荷及び燃焼室内の筒内圧に対する耐久度が向上して、高出力化が可能となり、スカート部をアルミ製とすることにより、ピストンの重量増大を最小限に抑えることができる。
しかし、ピストンに対する熱負荷がさらに増大すると、燃焼室側に最も近いトップリングに作用する熱負荷が大きくなり、トップリングが焼き付けを起こすといった問題が生じる場合がある。なお、このようなトップリングは、ピストンのリングランド部に形成されたトップリング溝に嵌入しており、また、リングランド部には、このようなトップリング以外のリングが嵌入するリング溝も形成されている。
【０００４】
このトップリングの焼き付け防止として、例えば特開平２−９１４５２号公報には、ピストン上面部とリングランド部との間の内面に周方向に延びて閉空間をなすクローズドギャラリを設けた技術が開示されている。
このようなクローズドギャラリはピストン本体と一体に形成されており、また、このクローズドギャラリの下面壁には、冷却油入口が穿設されている。そして、この冷却油入口から流入した冷却油によってピストン本体、特にピストンリング溝近傍が冷却されて、熱負荷の増大に伴うピストン本体の熱変形やピストンリングなどの焼き付けを防止することができる構成となっている。なお、クローズドギャラリに流入してピストンヘッドの熱を吸収した冷却油は、冷却油入口と同様にピストンヘッド下面に穿設された冷却油出口より流出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなクローズドギャラリを有するピストンでは、クローズドギャラリの下面壁が周方向全域に亘って設けられているので、鋳鋼などにより形成されるピストン本体の重量がより大きくなり、ピストン本体の重量増大による駆動損失が大きくなるといった問題がある。
【０００６】
また、上記特開平２−９１４５２号公報は、クローズドギャラリから下面壁をなくしたオープンギャラリタイプのピストン本体に、アルミ合金によって形成される円筒状のピストンスカートを固着させるとともに、このピストンスカートの上端内周にオープンギャラリの下方を遮蔽する縁部を設けた技術が開示されている。そして、このような技術によれば、クローズドギャラリを有するピストンヘッドと同等の冷却性を得ることができるとともに、ピストンの重量を軽減することができる。
【０００７】
しかしながら、このようなピストンスカートによりオープンギャラリを遮蔽するタイプのピストンでは、リングランド部の下端にピストンスカートが固着されて、オープンギャラリの下方を遮蔽する縁部がピストンスカートの上端部に構成され、リングランド部は上方においてピストン上面部と連結される構成であるために、リングランド部の径方向への強度が低下して、高圧化に伴うピストン本体の変形を抑制することができずに、ピストンリング溝が変形しリング挙動に悪影響が出て、オイル消費量が増大するばかりでなく、ピストンリングが焼き付けを起こすといった問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ピストンを効率よく冷却できるようにするとともに、ピストンの重量低減を図りながらピストンの強度を向上させてピストンの変形を抑制することができるようにした、内燃機関のピストンを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の内燃機関のピストンは、ピストン上面部と該ピストン上面部の外周部より下方に延出するように一体に形成されピストンリングが嵌入されるピストンリング溝が外周面に設けられたリングランド部とを有するピストンクラウン部と、コネクティングロッドと係合又は結合されるピストンピンを回転可能に支持するピンボス部と、上記ピストンクラウン部及び上記ピンボス部と一体に形成されるとともに両者を連結する連結部材とからなるピストン本体を有する内燃機関のピストンにおいて、上記リングランド部の内面側であって、上記ピストンリング溝に近接した位置に周方向に環状溝が延設され、上記連結部材が、ピストン中心軸に対して径方向に放射状に延びて形成されるとともにその外周部が上記リングランド部の内面に結合されたリブ部材と、上記リブ部材の上記環状溝に対応する位置に開口した貫通孔とをそなえ、且つ該ピストンクラウン部とピンボス部との間に円盤状のプレート部材が配設され、このプレート部材により、各リブ部材が互いに連結されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、連結部材がピストン中心軸に対して径方向に放射状に延びるように配置されるリブ部材によって構成されるので、連結部材における重量が低減されるとともに、リブ部材の外周部がリングランド部の内面に結合されるのでリングランド部の径方向への強度が向上する。また、このリブ部材には、環状溝に対応した位置に開口した貫通孔が形成されるので、環状溝に供給される冷却油が連結部材によって遮断されることなくピストン本体の内面全周を効率よく冷却することができる。
また、各リブ部材が互いにプレート部材によって連結されることにより、リブ部材の剛性が高められるとともに、ピストン本体の剛性も高められて、ピストン本体の変形をより抑制することができる。また、ピストンがより効果的に冷却される。
また、請求項２記載の本発明の内燃機関のピストンは、上記請求項１記載の構成において、該円盤状のプレート部材が、ピストン中心軸線に対して略垂直に配設されていることを特徴としている。そして、このように構成した場合には、ピストン本体の剛性をさらに高めることができる。
また、請求項３記載の本発明の内燃機関のピストンは、上記請求項１又は２記載の構成において、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該ピストンスカートのプレート部材に対向した内周面に、プレート部材に近接するように内径側に突出した内突部が周方向全域に亘って形成されていることを特徴としている。そして、このように構成することにより、ピストン本体がより効果的に冷却される。
また、請求項４記載の本発明の内燃機関のピストンは、上記請求項１又は２記載の構成において、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該プレート部材の外縁部が該ピストンスカートの内周面に近接するように延設されて構成されていることを特徴としている。そして、このように構成した場合にも、ピストン本体をより効果的に冷却することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。
図１はディーゼルエンジン用のピストン１のピストン本体１ａをピストンピンの軸線と垂直な方向から見た図であり、右半面図が外観形状を示す模式図で左半面図がピストンピンの軸線上における模式的な断面図、図２はピストン１のピストンピン軸線上における要部断面図、図３はピストン１におけるピストン本体１ａの下面図、図４はピストン１におけるピストン本体１ａのピストンピン軸線方向から見た図であり、右半面図が外観形状を示す模式的側面図で左半面図がピストン中心でのピストンピンの軸線に対する垂直線上における模式的な断面図、図５はピストン中心におけるピストンピンの軸線に対する垂直線上の要部断面図である。なお、以下では、ディーゼルエンジン用のピストン１を用いて説明するが、本発明の内燃機関のピストンはディーゼルエンジン用のものに限定されるものではない。
【００１２】
図１に示すように、ピストン本体１ａは、ピストンクラウン部６と、ピストンピン（図２の符号９参照）が挿入されるピンボス部７と、これらピストンクラウン部６及びピンボス部７に一体に形成され両者を連結する連結部材としてのピストンリブ部材（以下、リブ部材）８とから構成されている。このうち、ピストンクラウン部６は、上面に円形凹陥状の燃焼室（キャビティ）２が形成されたピストン上面部３と、該ピストン上面部３の外縁より下方に延びるように形成されたリングランド部５とを有している。
【００１３】
リングランド部５の外周面には、周方向に延びる複数のピストンリング溝４が形成されている。また、ピストンリング溝４は、図示しないトップリング，セカンドリング及びオイルリングがそれぞれ外嵌されるトップリング溝４ａ，セカンドリング溝４ｂ及びオイルリング溝４ｃから構成され、これらのリング溝４ａ〜４ｃは、リングランド部５の外周に上方から順次形成されている。
【００１４】
また、図２及び図５に示すように、ピストン本体１ａの下方には、ピストン本体１ａとともに摺動するピストンスカート１２が配設されている。このピストンスカート１２は、ピストンピン９をピンボス部７に挿入することによりピストン本体１ａに結合されるように構成されている。
図２はピストン本体１ａとピストンスカート１２とがピストンピン９を介して結合したときのピストンピン９の中心軸線上における要部断面図である。この図２に示すように、ピストン本体１ａのピンボス部７にはピストンピン９が挿入され、ピストンピン９は、ピンボス部７の両端部において軸受部材２０を介して全周がピンボス部７によって回転可能に支持されている。また、ピストンピン９の中央部分では、軸受部材２０の下方が切り欠かれており、ピストンピン９はその上面側半部が軸受部材２０を介してピンボス部７に支持されるようになっている。
【００１５】
また、このピストンピン９の中央部下方（中央下端部）には、コネクティングロッド（以下コンロッドという）１０の上端部がボルト１１によって結合されており、これにより、ピストンピン９がピンボス部７で回転するとコンロッド１０もピストンピン９と一体に揺動（回転）するように構成されている。
なお、本実施形態では、コンロッド１０の上端部とピストンピン９の中央下端部とをボルト１１により結合した例を説明したが、本発明では、このような構成に限定されるものではなく、例えばピストンピン９の中央下端部とコンロッド１０の上端部とが一体に形成されるなどして、ピストンピン９とコンロッド１０とが一体に回転するように構成してもよく、また、従来技術と同様に、コンロッド１０の上端にピストンピン９を挿通させ、コンロッド１０がピストンピン９に回転可能に支持されるとともに、ピンボス部７によりピストンピン９の両端部のみが支持されるように構成してもよい。
【００１６】
ピンボス部７は、上述したようにその両端部においてピストンピン９を全周に亘って支持するとともに、ピストンピン９の軸方向における中央上半部（中央上端部）、具体的には軸方向全長にわたる上半面をも軸受部材２０を介して支持するように形成されている。即ち、ピストンピン９は、両端部の全周及び軸方向全長にわたる上半部（上端部）を軸受部材２０を介してピンボス部７で回転可能に支持されているのである。なお、ピストンピン９とピンボス部７との間に介装される軸受部材２０は省略してもよい。
【００１７】
また、ピストンスカート１２は、円筒状に形成されており、ピンボス部７にピストンピン９を挿通することによりピストン本体１ａに結合されるようになっている。そして、このようなピストン本体１ａへの結合時に、リングランド部５の下端部から下方に向かって延びるように、ピストンスカート１２は形成されている。
【００１８】
このピストンスカート１２には、ピストン本体１ａのピンボス部７に対応する位置にピストンピン孔１２ａが穿設されており、このピストンピン孔１２ａにピストンピン９の両方の最側端部がそれぞれ嵌入することによりピストンスカート１２とピストン本体１ａとが結合されるようになっている。また、ピストンピン９は、ピストンピン孔１２ａ内に配設されるスナップリング１２ｂによって軸方向への移動が規制されるようになっている。なお、本実施形態ではピストンピン９はコンロッド１０に結合されているため、ピストンピン９はコンロッド１０のピストンピン軸方向へのクリアランス分しか移動しない。したがって、ピストンピン９がピンボス部７及びピストンピン孔１２ａから抜き出ることはなく、スナップリング１２ｂを省略して構成してもよい。
【００１９】
ところで、ピストン１は、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを有するピストン本体１ａと、ピストンスカート１２との２つの部材からなる２分割型に構成されているが、ピストン本体１ａとピストンスカート１２とは、それぞれ異なる材料が用いられている。つまり、ピストン本体１ａは鋳鋼又はダクタイル鋳鉄などによって形成され、ピストンスカート１２はアルミニウム合金によって形成されているのである。そして、このような構成により、ピストン本体１ａの強度が増大して、高出力化に伴う筒内圧の増大によるピストン本体１ａの変形が抑制されるとともに、ピストンスカート１２を軽量化してピストン１の重量増大を抑制することができるのである。
【００２０】
また、ピンボス部７がピストンピン９の両側端部全周と中央上端部（中央部上半面）とを支持するように構成されるとともに、ピストンピン９の中央下端部にコンロッド１０の上端部が結合されているので、実公平５−２９５８０号公報に開示された従来技術同様に、ピストン１の摺動時にピストンピン９がピンボス部７から受ける荷重が、軸方向全長にわたって均一に作用して、ピストンピン９の両端部のみにピンボス部７からの荷重が集中することはなくなる。
【００２１】
よって、ピストン摺動時に、ピンボス部７からの荷重がピストンピン９の中央部に与えられてもこの荷重がピストンピン９の両端部に集中しない構成、つまり、ピストンピン９がピンボス部７から受ける荷重が軸方向全長にっわたって均一となり、ピストンピン９の両端部に与えられる荷重が低減される構成となっているので、ピストンピン９の変形が抑制される。また、ピストンピン９に作用する荷重が均一化することにより、ピストンピン９の縮径が可能となり、ピストンピン９の重量を低減してピストン１自体の重量を低減することができる。
【００２２】
また、これと同様に、ピンボス部７から受ける荷重とは反対方向の荷重がコンロッド１０からピストンピン９の中央部に与えられても、やはり、ピストンピン９からピンボス部７に入力される荷重が軸方向全長にっわたって均一となる。
また、ピストンスカート１２をアルミ合金により形成するとともに、ピストンピン９を縮径してピストン１の重量を軽減することにより、ピストン１の上下死点におけるピストンの慣性力が軽減されてディーゼル機関の高速化を図ることができる。これにより、機関の駆動損失が低減して燃費が向上するとともに、ピストン１のコストも低減することができる。
【００２３】
ところで、ピストン本体１ａのピストンクラウン部６とピンボス部７とは、リブ部材８を介して一体に結合されている。すなわち、リブ部材８は、その上端が凹陥状の燃焼室２を有するピストン上面部３の下面に、またその外周部がリングランド部５の内面下端部に一体に連結されるとともに、その下端がピンボス部７に一体に連結され、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを連結するように形成されている。なお、このリブ部材８は、後述する貫通孔１５とともに連結部材を構成している。
【００２４】
このように、重量低減のために薄肉構造とされているピストン上面部３及びリングランド部５をリブ部材８によって互いに連結するように構成されているので、ピストンを薄肉構造としても強度低下を抑制することができ、ピストン本体１ａの変形を防止することができる。
また、リブ部材８は、図３の下面視に示すように、ピストン中心軸Ｌ２から放射状に設けられ、ピストン中心軸Ｌ２から等角度に８方向に延びるように設けられている。また、リブ部材８は、図１及び図４に示すように、ピストン中心軸Ｌ２の近傍には形成されておらず、ピストン上面部３とピンボス部７との間のピストン中心軸Ｌ２近傍には空間が設けられるように形成されている。
【００２５】
このように、リブ部材８が、放射状に配設されるとともに、ピストン中心軸Ｌ２線近傍に空間が設けられるように形成されることにより、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを連結するリブ部材８の重量低減を図ることができ、ピストン本体１ａ及びピストン１自体の重量低減を図ることができる。
さらに、リブ部材８は、図１，図２及び図４に示すように、ピストン上面部３の下面及びリングランド部５の内面との連結部からピンボス部７に向かって、ピストンピン９の略中心Ｐに集中するような形状とされている。
【００２６】
そして、リブ部材８が、ピストンクラウン部６との連結部からピストンピン９の中心Ｐに集中するような形状に形成されてピンボス部７に連結されているので、例えば膨張行程時のようにピストン本体１ａのピストンクラウン部６に作用する応力がリブ部材８を介してピンボス部７に伝達される際に、該応力がリブ部材８によってピストンピン９の中心Ｐ近傍に集中することとなり、ピストンクラウン部６からピストンピン９に作用する応力は、ピストンピン９の中心Ｐの下方に配設されているコンロッド１０に直に作用することとなる。
【００２７】
また、例えば圧縮行程時のようにコンロッド１０からピストンピン９に作用する応力がピンボス部７からリブ部材８を介してピストンクラウン部６に伝達される際には、コンロッド１０の上端部の上方に位置するピストンピン９の中心Ｐからリブ部材８へ直に力が作用してピストンクラウン部６に伝達されることになる。
【００２８】
したがって、本実施形態におけるピストン１では、ピストンクラウン部６及びコンロッド１０からの応力が、ピストンピン９の中心部に集中するため、ピストンピン９全体にかかる負荷を軽減することができ、ピストンピン９自体の要求強度を軽減することができる。
したがって、このような理由からも、ピストンピン９を縮径することが可能となり、ピストンピン９を支持するピンボス部７をコンパクトに形成して、ピストンピン９の重量及びピンボス部７の重量を軽減することができ、ピストン本体１ａの重量を軽減することができる。
【００２９】
さらに、上述したようなピストン１の重量低減により、駆動損失の低減に伴う燃費の向上やコストの低減といった効果をより確実に得ることができる。
また、ピストン本体１ａのピストンクラウン部６とピンボス部７との間には、ピストン本体１ａと一体に形成される円盤状のプレート部材１３がピストン中心軸Ｌ２線に対して略垂直となるように配設されている。そして、このプレート部材１３により、各リブ部材８が互いに連結されている。
【００３０】
そして、各リブ部材８が互いにプレート部材１３によって連結されることにより、リブ部材８の剛性が高められるとともに、ピストン本体１ａの剛性も高められて、ピストン本体１ａの変形をより抑制することができる。
また、本実施形態におけるピストン本体１ａのピストンクラウン部６には、図１に示すように、環状溝１４が形成されている。この環状溝１４は、ピストンクラウン部６に形成されたリングランド部５の内面上端部であって、リングランド部５の内面とピストン上面部３の下面との間に周方向に延びるように形成されている。
【００３１】
また、リブ部材８の環状溝１４に対応した位置には、貫通孔１５が形成されている。この貫通孔１５は、環状溝１４に対して周方向に向けて開口するように形成されており、この貫通孔１５により、環状溝１４は、ピストン上面部３の下面とリングランド部５の内周面とに連結されるリブ部材８を貫通するように形成されている。
【００３２】
一方、図示しないエンジンのシリンダブロックには、図５に示すように、シリンダブロックに配設された図示しないオイルギャラリからの冷却油を、ピストン上面部３に向かって噴出するオイルジェットノズル１６が設けられている。このオイルジェットノズル１６は、ピストン１が下死点に位置する状態で、その上端部が円盤状のプレート部材１３の下面に対して若干の間隙を有するように配設されるている。また、オイルジェットノズル１６は、ピストン１の中心軸方向から見て、ピストンピン９の軸線の垂直線上に配設されるリブ部材８ａ（図３及び図４参照）に対して円周方向に若干ずれた位置に配設されている。
【００３３】
そして、円盤状のプレート部材１３には、図３及び図５に示すように、このオイルジェットノズル１６の上端部に対向した位置に流入孔１３ａが穿設されている。なお、本実施形態では、オイルジェットノズル１６が図示しないシリンダブロックの２箇所に配設され、プレート部材１３には、このオイルジェットノズル１６に対向した２箇所に流入孔１３ａが設けられる構成となっているが、これに限定されることなく、オイルジェットノズル１６と流入孔１３ａとが対向するように１箇所だけ配設しても良く３箇所以上配設してもよい。
【００３４】
このように配設されたオイルジェットノズル１６の下端部は、例えばシリンダブロック内のオイルギャラリに連結されている。また、このオイルギャラリには、クランクシャフトの回動により駆動されるオイルポンプ（図示省略）から潤滑油等が供給されるようになっており、オイルジェットノズル１６からは、オイルギャラリ内の油圧に応じて潤滑油（冷却油として機能する）が常時上方に向けて噴出するように構成されている。なお、この実施形態の構成では、冷却油が常時噴出するように構成した例を説明したが、ピストン１が下死点近傍に位置するときにのみ冷却油を噴出するように構成してもよい。なお、このオイルジェットノズル１６によるピストン１の冷却構造は、従来周知技術と同様のものである。
【００３５】
オイルジェットノズル１６から噴出した冷却油は、プレート部材１３の流入孔１３ａを通って、プレート部材１３の上方に供給される。上述したように、オイルジェットノズル１６及び流入孔１３ａは、ピストン中心軸Ｌ２線方向から見てリブ部材８と重合しない位置に配設されているので、オイルジェットノズル１６から噴出して流入孔１３ａを通過した冷却油は、ピストン上面部３の下面３ｂに当たり、下面３ｂに沿って環状溝１４の方へ流動していく。このようにして環状溝１４に供給された冷却油は、この環状溝１４を形成しているピストン上面部３とリングランド部５とを冷却することになる。
【００３６】
なお、図示するように、環状溝１４は、ピストンリング溝４により近接した位置に形成されており、特にトップリング溝４ａに極力近接するように形成されている。これは、リングランド部５のトップリング溝４ａに嵌入されるトップリングの熱負荷が非常に大きいために、トップリング溝４ａの熱負荷も非常に大きいものとなり、環状溝１４に供給される冷却油による冷却効果がより要求されるためである。
【００３７】
なお、図示しないトップリングの配設位置を下げるほど燃焼室に連通する未完全燃焼領域が増大して排ガスが悪化する。このため、トップリングが嵌入されるトップリング溝４ａは、排ガスを悪化させないためにリングランド部５のより上方に配設されている。したがって、トップリング及びトップリング溝４ａ近傍における熱負荷量がより大きいものとなり、環状溝１４の冷却油によるトップリング溝４ａ近傍の冷却効果がより要求されるのである。
【００３８】
このように、環状溝１４に供給される冷却油によって、リングランド部５、特にピストンリング溝４近傍を効果的に冷却することができ、ピストンリング溝４の熱変形やピストンリングの焼き付けなどを防止することができる。
そして、本実施形態におけるピストン１のピストン本体１ａでは、図１に示すように、環状溝１４が、リングランド部５の内面上端に形成されるとともに、環状溝１４の上端部とピストン上面部３の上面との距離Ａ（図１参照）がより短くなるように、トップリング溝４ａに極力近接して配設されている。したがって、環状溝１４の冷却油によってトップリング溝４ａ近傍をより効果的に冷却することができるとともに、ピストン上面部３をも冷却することができ、ピストンクラウン部６の冷却性が向上して、高出力化に伴うピストンクラウン部６の熱負荷、特にトップリング溝４ａ近傍における熱負荷を低減することができ、ピストンクラウン部６の熱変形やピストンリング、特にトップリングの焼き付けが確実に抑制される。
【００３９】
さらに、リブ部材８には、環状溝１４に対応した位置に貫通孔１５が形成されているので、環状溝１４に供給された冷却油は環状溝１４に沿って円周方向全域に亘って流動することが可能となる。これにより、トップリング溝４ａ近傍を円周方向全域に亘って十分に冷却することができ、また、ピストンクラウン部６についても十分に冷却することができる。
【００４０】
つまり、ピストン１の上下方向の摺動により、環状溝１４に供給された冷却油がリブ部材８によって遮断されることなく環状溝１４内を円周方向に流動することにより、ピストン本体１ａが効果的に冷却されることとなる。
また、上記距離Ａがより短くなるように環状溝１４を配設することにより、ピストン上面部３及びリングランド部５をより薄肉構造とすることができ、ピストン本体１ａの重量をより低減することができる。
【００４１】
一方、ピストン上面部３及びリングランド部５を薄肉構造となることにより、ピストンクラウン部６の強度が低下して、ピストン本体１ａが変形しやすくなり、ピストンリング溝４の変形によりリング挙動に悪影響が出て、オイルの消費量が増大したり、ピストンリングが焼き付けを起こす等が考えられる。
しかし、本実施形態では、リブ部材８によりピストンクラウン部６とピンボス部７とが一体に連結され、リングランド部５の内面に、このリブ部材８の外周部が結合されているので、環状溝１４がトップリング溝４ａへ近接するように配設されて（即ち、環状溝１４の上端とピストン上面部３の上面との距離Ａがより短くなるように配設されて）ピストン本体１ａが薄肉構造となっても、リングランド部５の径方向における強度が向上することにより、ピストン本体１ａの強度を維持することができ、高筒内圧化に伴うピストン本体１ａの変形が抑制され、ピストン本体１ａの変形によるオイル消費の増大やピストンリングの焼き付きなどを防止することができる。
【００４２】
また、図１，図２，図４及び図５に示すように、本実施形態におけるピストン本体１ａには、ピンボス部７のピストン中心軸Ｌ２上における上端部に、オイル供給孔１７が形成されている。このオイル供給孔１７には、シリンダブロックのオイルギャラリからクランクシャフト，コンロッド１０及びピストンピン９を介して冷却油が供給されるようになっている。
【００４３】
また、ピストン上面部３とピンボス部７とを連結するリブ部材８は、オイル供給孔１７が位置するピストン中央部分においては形成されていないので、オイル供給孔１７に供給された冷却油は、オイル供給孔１７から上方に向かって噴出して、ピストン上面部３とピンボス部７との間の空間を通り、ピストン上面部３の中央下面に当てられる。
【００４４】
したがって、ピストン本体１ａは、環状溝１４の冷却油によって円周部が冷却されるとともに、上述のようにオイル供給孔１７からの冷却油によって中央部が冷却されることとなる。
環状溝１４及びピストン上面部３の中央下面に供給された冷却油は、冷却油自体の重量やピストン１の摺動慣性によって徐々にリブ部材８等に沿って下方へ流動するが、ピストン本体１ａには放射状のリブ部材８を互いに連結して円盤状に形成されるプレート部材１３が配設されているので、冷却油はプレート部材１３上面に貯留されることとなる。
【００４５】
したがって、ピストン本体１ａは、プレート部材１３の上面に貯留された冷却油によっても冷却されることとなる。
さらに、図２及び図５に示すように、ピストンスカート１２には、プレート部材１３に対向した内周面に、プレート部材１３に近接するように内径側に突出した内突部１２ｃが周方向全域に亘って形成されている。
【００４６】
したがって、環状溝１４及びピストン上面部３の中央下面部より下方に流動した冷却油は、この内突部１２ｃ上面にも貯留されることとなり、また、ピストン上面部３，リングランド部５，ピストンスカート１２及びプレート部材１３によって形成される空間内に供給された冷却油がこの空間内で循環するので、この空間内の冷却油によってピストン本体１ａがより効果的に冷却される。
【００４７】
プレート部材１３上に貯留された冷却油は、プレート部材１３の外縁部と内突部１２ｃの内縁部との間の隙間を通りエンジンのオイルパン（図示省略）等に落下していくことにより循環される。
なお、本実施形態では、ピストンスカート１２に内突部１２Ｃを設けて、プレート部材１３とピストンスカート１２との間の隙間が最小限となるように構成されているが、ピストンスカート１２に内突部１２ｃを設けることなく、プレート部材１３の外縁部をピストンスカート１２の内周面まで延設して、両者の隙間が最小限となるように構成してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、ピストンクラウン部６とピンボス部７とを連結するリブ部材８が、ピストンクラウン部６との連結部からピンボス部７側に向かってピストンピン９の中心Ｐに集中するように形成されている例について説明したが、本発明の内燃機関のピストンは、このような構成に限定されるものではなく、例えばリブ部材８が鉛直状に延びるように形成されてもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、リブ部材８が等角度毎に放射状に配設された例について説明したが、リブ部材８の配置についてはこのようなものに限定されるものではなく、少なくともピストン１の中心軸に対して対称に複数配設されていればよい。
また、本実施形態では、鋳鋼により形成されるピストン本体１ａとアルミ合金により形成されるピストンスカート１２とによって構成される２分割型ピストンについて説明したが、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、ピストン本体１ａとピストンスカート１２とが一体に形成されるものでもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、環状溝１４にエンジンのシリンダブロックに配設されるオイルジェットノズル１６により冷却油を供給して、ピストン本体１ａをより効果的に冷却する例について説明したが、このようなオイルジェットノズル１６により冷却油が供給されるように構成されたものに限定されるものではない。
なお、オイルジェットノズル１６により冷却油を供給するように構成した場合には、シリンダ内に飛散している潤滑油（冷却油）がピストン本体１ａの内面に付着して、この付着した潤滑油が流動して環状溝１４に供給されピストン本体１ａを冷却する。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関のピストンによれば、ピストン上面部と該ピストン上面部の外周部より下方に延出するように一体に形成されピストンリングが嵌入されるピストンリング溝が外周面に設けられたリングランド部とを有するピストンクラウン部と、コネクティングロッドと係合又は結合されるピストンピンを回転可能に支持するピンボス部と、上記ピストンクラウン部及び上記ピンボス部と一体に形成されるとともに両者を連結する連結部材とからなるピストン本体を有する内燃機関のピストンにおいて、上記リングランド部の内面側であって、上記ピストンリング溝に近接した位置に周方向に環状溝が延設され、上記連結部材が、ピストン中心軸に対して径方向に放射状に配設されるとともにその外周部が上記リングランド部の内面に結合されたリブ部材と、上記リブ部材の上記環状溝に対応する位置に開口した貫通孔とをそなえ、且つ該ピストンクラウン部とピンボス部との間に円盤状のプレート部材が配設され、このプレート部材により、各リブ部材が互いに連結されているという構成により、連結部材の重量を低減することができ、これにより駆動損失が減少して燃費の向上を図ることができるという利点があるほか、環状溝に供給される冷却油によってリングランド部のピストンリング溝近傍の冷却効果が向上するという利点がある。また、貫通孔によって環状溝の冷却油がリブ部材に遮断されることなくピストンの内面全周を流動することができ、ピストンを効果的に冷却することができる。
【００５２】
また、リングランド部の内面が、ピストンクラウン部とピンボス部とを連結するリブ部材の外周部に連結されているので、ピストンクラウン部の強度を維持または向上することができ、ピストンの変形を抑制して、ピストンの変形に伴うオイル消費の増大やピストンリングの焼き付きなどを防止することができるという利点がある。
また、各リブ部材が互いにプレート部材によって連結されることにより、リブ部材の剛性が高められるとともに、ピストン本体の剛性も高められて、ピストン本体の変形をより抑制することができる。また、ピストンをより効果的に冷却することができる。
また、請求項２記載の本発明の内燃機関のピストンによれば、円盤状のプレート部材が、ピストン中心軸線に対して略垂直に配設されているので、ピストン本体の剛性をさらに高めることができる。
また、請求項３記載の本発明の内燃機関のピストンによれば、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該ピストンスカートのプレート部材に対向した内周面に、プレート部材に近接するように内径側に突出した内突部が周方向全域に亘って形成されるので、ピストン本体をより効果的に冷却することができる。
また、請求項４記載の本発明の内燃機関のピストンは、該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、該プレート部材の外縁部が該ピストンスカートの内周面に近接するように延設されて構成されるので、ピストン本体をより効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンのピストン本体をピストンピン軸線と垂直な方向から見た図であって、右半面が外観形状を示す図、左半面図が断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンの全体構成をピストンピン軸線と垂直な方向から見た断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンにおけるピストン本体の下面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンにおけるピストン本体のピストンピン軸線方向から見た図であって、右半面が外観形状を示す図、左半面図が断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる内燃機関のピストンにおけるピストンピンの軸線方向から見た模式的な断面図であって、ピストンが下死点近傍にある状態を示す図である。
【符号の説明】
１ ピストン
１ａ ピストン本体
３ ピストン上面部
５ リングランド部
６ ピストンクラウン部
７ ピンボス部
８ リブ部材
９ ピストンピン
１０ コネクティングロッド
１２ ピストンスカート
１３ プレート部材
１４ 環状溝
１５ 貫通孔
Claims (4)
- ピストン上面部と該ピストン上面部の外周部より下方に延出するように一体に形成されピストンリングが嵌入されるピストンリング溝が外周面に設けられたリングランド部とを有するピストンクラウン部と、
コネクティングロッドと係合又は結合されるピストンピンを回転可能に支持するピンボス部と、
上記ピストンクラウン部及び上記ピンボス部と一体に形成されるとともに両者を連結する連結部材とからなるピストン本体を有する内燃機関のピストンにおいて、
上記リングランド部の内面側であって、上記ピストンリング溝に近接した位置に周方向に環状溝が延設され、
上記連結部材が、ピストン中心軸に対して径方向に放射状に配設されるとともにその外周部が上記リングランド部の内面に結合されたリブ部材と、上記リブ部材の上記環状溝に対応する位置に開口した貫通孔とを備え、且つ該ピストンクラウン部とピンボス部との間に円盤状のプレート部材が配設され、このプレート部材により、各リブ部材が互いに連結されている
ことを特徴とする、内燃機関のピストン。 - 該円盤状のプレート部材が、ピストン中心軸線に対して略垂直に配設されている
ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関のピストン。 - 該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、
該ピストンスカートのプレート部材に対向した内周面に、プレート部材に近接するように内径側に突出した内突部が周方向全域に亘って形成されている
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関のピストン。 - 該ピストン本体の下方に、該ピストン本体とは別体に形成されて該ピストン本体とともに摺動するピストンスカートが設けられ、
該プレート部材の外縁部が該ピストンスカートの内周面に近接するように延設されて構成されている
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関のピストン。
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