JP5327112B2 - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダを摺動するピストン構造に関するものである。

従来、図８に示すように内燃機関１には、シリンダ１３と、シリンダ１３内をシリンダ１３の軸線方向に沿って摺動可能に配設されているピストン２と、ピストン２の頂面２１に対向した面を有し、シリンダブロック１２にガスケット１５を介して取付けられたシリンダヘッド１１とで囲まれた燃焼室３が形成されている。
ピストン２とシリンダ１３との気密性を保持するために、ピストン２の上部の外周部に配設したリング溝にピストンリング２２が嵌合されている。
燃料と空気が予混合された予混合ガスが燃焼室３に吸引され、ピストン２で圧縮した時期に、点火プラグ１４にて着火し火炎が燃焼室に火炎伝播して予混合ガスが燃焼して、ピストン２を押し下げて内燃機関としての出力をとりだしている。
また、シリンダブロック１２には燃焼室３を構成する部分を冷却するウォータジャケット１６が形成されている。

ところが、ピストン２の頂面２１からピストンリング２２の間の所謂、トップランド２０とシリンダ１３との隙間２３（以後クレビス部と称す）があるため、ピストン２の圧縮行程時にクレビス部２３に予混合ガスが侵入する。
クレビス部２３に侵入した予混合ガスは圧縮された状態で維持され、隙間が狭く火炎伝播がされ難く、燃焼され難いので、ピストン２の排気行程時に排気ガスと一緒に未燃焼ガスＨＣとして燃焼室３から排出される。
未燃焼ガスＨＣは光化学スモッグや酸性雨の原因になるので、大気への排出量の削減が求められている。

その対応策として、トップランド２０の高さを減少することにより、クレビス部２３の容積を小さくすることが考えられる。
ところが、図９の（イ）及び（ロ）に示すように、トップランド２０の高さを大きくするとトップランド２０の強度は増大（イ）するが、当該部のクレビス部２３は大きくなりＨＣの排出量は多くなる（ロ）。逆に、トップランド２０の高さを小さくすると強度は小さくなる（イ）が、ＨＣ排出量は減少する（ロ）背反関係の不具合がある。
尚、トップランド２０の高さを変えるピストンに関する技術の一例として、以下の特許文献１が存在する。

しかし、特開２００６−２２６２３２号公報（特許文献１）によると、図１０に示すように、シリンダヘッド０１３とピストンの頂面との間にスキッシュ空間０２１，０２３を形成するため、ピストンの頂面に平面状の棚形状をした、吸気側スキッシュ形成部０４９と排気側スキッシュ形成部０５１が配設されている。
これは、スキッシュ流ＳＦを形成するための棚部なので、ピストン上死点ではシリンダヘッドとのギャップが僅かになるようにトップランドを厚くしてある。
従って、スキッシュ形成部の面積及び体積も大きくなり、クレビス部２３（図８参照）の容積も大きくなり、未燃焼ガスＨＣ排出量が増加する。

特開２００６−２２６２３２号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、内燃機関の爆発行程時にピストンのトップランド部がピストンピンを中心にして回転し、シリンダに衝突した際に、シリンダから受ける反力に対応するようにピストンピン方向に直角のスラスト、反スラスト方向におけるトップランドの高さを、ピストンピン方向におけるトップランドの高さより高くすると共に、この高い部分の形状を前記スラスト、反スラスト方向視において、山形形状として、トップランド部の高さを最小限に抑制して軽量且つコスト低減を図ると共に、未燃焼ガスＨＣの排出量の抑制効果を得ながら強度を確保したピストン得ることを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、内燃機関のシリンダブロックに形成されるシリンダと、該シリンダ内部を摺動するピストンと、該ピストンの頂部に対向して配設されたシリンダヘッドと、前記ピストン上部の側面外周に形成されたリング溝に嵌入するピストンリングとで燃焼室を構成する内燃機関の燃焼室構造において、前記ピストンのスラスト、反スラスト方向に位置する第１トップランド部の前記ピストンリングから前記ピストンの頂部までのトップランド高さを、前記ピストンピン方向の部位である第２トップランド部より高くすると共に、第１トップランド部のスラスト、反スラスト方向視が山形形状とし、前記ピストンの頂面には前記第１トップランドの山形形状が前記スラスト、反スラスト方向に沿って前記ピストンの直径全域にわたり延設されていることを特徴とする。

かかる発明において、ピストンピンの軸線と直交する方向に位置する第１トップランド部を爆発行程時のシリンダ側からの反力に応じて補強（トップランドの高さを増加）する構造としたので、ピストンのトップランドとシリンダとの隙間部分（クレビス部）の全体容積を少なくすることにより、隙間部分（クレビス部）に侵入する予混合燃料ガスの量を少なくして、燃焼室から排出されるＨＣを減少させる効果を有している。

（削除）

（削除）

また、本願発明は、前記ピストンの頂面には前記第１トップランドの山形形状がスラスト、反スラスト方向に沿って前記ピストンの直径全域にわたり延設されている。

このような構成にすることにより、燃焼室での燃焼行程時及び、排気行程時に燃焼圧力及び排気圧力が作用するピストンの頂面にはピストンピンの軸線と直交する方向に山形形状の補強用凸条をピストンの直径全域にわたり配設することにより、ピストンピンの軸線方向に位置する第２トップランド部の高さを減少させて、燃焼室から排出されるＨＣを減少させる効果を有すると共に、ピストンの重量軽減による内燃機関の出力アップと、材料費軽減によるコスト低減が可能となり、クレビス部）の全体容積を少なくすることにより、排出ガスの環境負荷低減効果を有する。

また、本願発明において好ましくは、前記第２トップランド部には前記ピストンの母材より熱伝導率の高い材料を配設するとよい。

このような構成にすることにより、第２トップランド部は肉厚が薄くなった分、燃焼による熱吸収容量が少なく、当該部の温度上昇が高くなるため、ピストン全体への熱移動を促進させて、ピストンのトップランドの温度を下げて、機械的強度の維持、熱応力不均一による機械的なストレス発生を防止して、ピストンの耐久性向上が可能となる。
更に、燃焼室から排出されるＨＣを減少させる効果を有している。

また、本願発明において好ましくは、前記第２トップランド部の前記シリンダとの対向面は表面粗さが他の部分より面粗さを緻密にするとよい。

このような構成にすることにより、第２トップランド部は肉厚が薄くなった分、燃焼による熱吸収容量が少なく、当該部の温度上昇が高くなるため、シリンダとの実質の接触面積を大きくして、シリンダへの熱移動を促進させてピストンの温度を下げることにより、機械的強度の維持、熱応力不均一による機械的なストレス発生を防止して、ピストンの耐久性向上が可能となる。

また、本願発明において好ましくは、前記ピストン内空部の前記第２トップランドの裏側部分には冷却用オイルジェットの噴出量を他の部分より多くするとよい。

このような構成にすることにより、第２トップランド部は肉厚が薄くなった分、燃焼による熱吸収容量が少なく、当該部の温度上昇が高くなるため、ピストン内空部の第２トップランド裏側部分に噴射する冷却用オイルジェットの噴出量を他の部分より多くして、当該部分を油冷却することにより、ピストン温度を下げて、機械的強度の維持、熱応力不均一による機械的なストレス発生を防止して、ピストンの耐久性の維持が可能となる。

本発明によれば、ピストンピンの軸線と直交する方向に位置する第１トップランド部の高さを第２トップランドより高くする構造としたので、ピストンのトップランドとシリンダとの隙間部分（クレビス部）に侵入する予混合燃料ガスの量を少なくして、燃焼室から排出されるＨＣを減少させる効果を有している。
また、前記ピストンの頂面には前記第１トップランドの山形形状がスラスト、反スラスト方向に沿って前記ピストンの直径全域にわたり延設されているので、ピストンピンの軸線方向に位置する第２トップランド部の高さを減少させて、燃焼室から排出されるＨＣを減少させる効果を有すると共に、ピストンの重量軽減による内燃機関の出力アップと、材料費軽減によるコスト低減が可能となり、クレビス部）の全体容積を少なくすることにより、排出ガスの環境負荷低減効果を有する。

は本発明の第１参考例にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。 は本発明の第１実施形態にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。 は本発明の第２実施形態にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。 は本発明の第２参考例にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。 は本発明にかかる説明図であり、（Ａ）は熱伝達率の高い金属の概略配置を示す平面視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視を示す。 は本発明にかかる、第２トップランドの裏面に冷却用オイルジェットの噴霧状況のイメージ図を示す。 は本発明の第２参考例にかかる説明図であり、（Ａ）は熱伝達率の高い金属の概略配置を示す平面視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視を示す。 は内燃機関の燃焼室を形成する概略構成図を示す。 はトップランド部の大小による効果の比較図を示す。 は従来技術の燃焼室を形成する概略構成図を示す。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
尚、従来技術と変わらない部材及び箇所は従来技術と同じ符号を使用する。

（第１参考例）
図１は本発明の第１参考例における、ピストン５の模式的な形状を示し、（Ａ）はピストン５のピストンピン５１の軸線方向視を示し、（Ｂ）はその側面視を示す。
ピストン５はシリンダブロック１２（図８参照）内に形成されたシリンダ１３（図８参照）内を摺動するもので、その頂面５９とシリンダヘッド１１（図８参照）とで燃焼室３（図８参照）を形成している。
シリンダヘッド１１に設けられた吸気ポート（図示省略）から、燃料と空気とを予混合した吸気ガスがシリンダ１３内に供給され、ピストン５によって圧縮され、点火プラグ１４にて爆発的に燃焼される。

ピストン５には頂面５９から下方に位置した部分の側面全周に亘ってリング溝が下方方向に３本形成されている。該リング溝には上側からピストンリングであるトップリング５５、セカンドリング５６及びサ−ドリング（オイルリング）５７が嵌着されており、シリンダ１３内周面とピストン５との気密を保持している。
特に、トップリング５５はコンプレッションリングと称され、燃焼室３内の予混合ガスの圧縮及び予混合ガスの燃焼圧力の気密を保持する作用をしている。

ピストン５は内燃機関１（図８参照）の稼動中においては、燃焼室３における予混合ガスの圧縮行程時と爆発行程時には特に強い圧力でピストンピン５１の軸線に対し直交する方向（以後この方向を「スラスト／反スラスト方向」と称す）へ回動してシリンダ１３壁を押圧する。
従って、ピストン５のトップリング５４と頂面５９との間の部分、所謂トップランド５２のスラスト／反スラスト方向に位置する第１トップランド５３を爆発行程によってシリンダ１３側を押圧した作用力の反作用力に応じた強度を有する高さＭ１（図１参照）になっている。ピストンピン５１の軸線方向に沿ったトップランド５２の部分に位置する第２トップランド５４は燃焼室３における予混合ガスの圧縮行程時と爆発行程時には特に強い圧力でシリンダ１３の側壁に当接しないので、第１トップランド５３の高さＭ１より小さくして、爆発行程時に頂面５９へ作用する圧力に耐えることができる高さＮ１になっている。

また、図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、第１トップランド５３はトップランド５２の外周部でスラスト／反スラスト方向の両端に位置する部分の外周部に沿って半径方向に幅Ｓを有し、シリンダ１３からの反力受ける部分を円弧状に形成した突出部５３１とし、該突出部５３１はスラスト／反スラスト方向視における突出部５３１の上面から第２トップランド５４の上面へと滑らかに変化する山形形状となっている。
第１トップランド５３をスラスト／反スラスト方向視において台形状の高さＭ１と上辺幅Ｋは爆発行程によって、ピストン５の第１トップランド５３がピストンピン５１を中心にシリンダ１３に衝突し、その衝突力によるシリンダ１３側からの反作用力に応じた強度と、第２トップランド５４の高さＮ１からトップランド５２の全体強度を考慮しながら決めればよい。
このような形状にすることにより、クレビス部２３（図８参照）の容量を小さくして、
排気行程時に排気ガスと一緒に未燃焼ガスＨＣが燃焼室３からの排出量を減少できる。

一方、図５に示す通り、高さＮが小さい第２トップランド５４部分には予混合ガスの燃焼による熱が蓄積され、熱による機械的強度が減少するのを防ぐ目的で、ピストン母材より熱伝導率の高い金属材５４１を鋳込んだ構造となっている。
熱伝導率の高い金属材５４１はピストンピン５１の軸線方向両端部の第２トップランド部５４に鋳込まれている。形状はピストン５の外周に沿い、半径方向に幅Ｐを有し、円弧状に且つ、第１トップランド５３の近傍まで延在している。
これにより、第２トップランド５４部分の熱はピストン５全体に速やかに伝わり、トップランド５２の高蓄熱を防止して、ピストン５全体の耐久性を確保することができる。
熱伝導率の高い金属材としてはアルミ青銅、ネパール黄銅、リン青銅等が考えられる。

また、第２トップランド５４部分の蓄熱を防止する方法としては、図６に示すように、ピストン５の内側空間部で、第２トップランド５４部分の裏側５９の相当する部分にオイルジェットノズル９からの冷却用オイルの噴出量を、他の部分より多く吹付けて冷却を促進することにより、トップランド５２の高蓄熱化を防止して、ピストン５全体の耐久性を確保することができる。
この場合、ピストン５の製造方法に特殊な操作を必要としないので、ピストン５のコスト上昇を抑制できる効果を有する。

更に、第２トップランド５４部分の蓄熱を防止する方法としては、ピストンピン５１に沿った方向に位置するトップランド５２のシリンダ１３と対向する面の粗さを他の部分より緻密にすることにより、シリンダ１３との実質接触面積を増加させ、第２トップランド５４の熱をシリンダ１３側に伝達させ、ウォータジャケット１６により間接的に第２トップランド５４の冷却を促進させることも可能である。
尚、第２トップランド５４の冷却構造においては、上述の方法を適宜併用することで、更に効果的な冷却ができ、第２トップランド５４の高さを少なくして、クレビス部２３の容積を減少させることができる。

第１トップランド部５３を燃焼室３内で一番高い圧力がピストン５に作用する爆発行程時を想定して、シリンダ１３側からの反力に応じてトップランドの高さＭ１を抑制する構造としたので、クレビス部２３の全体容積を少なくして、燃焼室３から排出される未燃焼ガスＨＣを減少させる効果が得られる。
また、トップランド５２の高さをシリンダ１３側からの反力に応じた高さに抑制し且つ、ピストン５の外周に沿った山形形状としたので重量を軽減できると共に、シリンダからの反力がピストン５の外周部全体に滑らかに伝わり高応力の発生を防止する効果を有している。

（第１実施形態）
本実施形態は、ピストン６のトップランド６２部分の形状が変わる以外第１参考例と同じなので、トップランド６１部分の形状以外の説明は省略する。
図２は本発明の第１実施形態にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。
ピストン６のトップランド６２のスラスト／反スラスト方向に位置する第１トップランド６３は爆発行程によってシリンダ１３側を押圧した作用力の反作用力に応じた強度を有する高さＭ２（図２参照）に抑制している。第１トップランド６３はピストン６のスラスト／反スラスト方向視において台形状をなし、スラスト／反スラスト方向に沿って、ピストン６の直径略全域に亘って（図Ｃ参照）配設されている。
台形形状の上辺の高さＭ２と長さＰは爆発行程によって、ピストン６の第１トップランド６３がピストンピン６１を中心にシリンダ１３に衝突し、その衝突力によるシリンダ１３側からの反作用力に応じた強度と、第２トップランド６４の高さＮ２からトップランド６２の全体強度を考慮しながら決めればよい。
また、ピストンピン孔６１の軸線方向に沿った部分に位置する第２トップランド６４は燃焼室３における予混合ガスの圧縮行程時と爆発行程時には特に強い圧力でシリンダ１３の側壁に当接しないので、第１トップランド５３の高さＭ２より小さくして、爆発行程時に頂面６９へ作用する圧力に耐えることができる程度の高さＮ２になっている。
尚、第２トップランド６４の熱対策については、第１参考例と同じなので省略する。

本実施形態によると、ピストン６の頂面６９のスラスト／反スラスト方向全域に第１トップランド形状を延在させた構造としたので、トップランド７２全体の頂面６９の強度が向上することにより、第２トップランド６４の高さＮ３を薄くできる。
従って、既述の通り、クレビス部２３の全体容積を少なくして未燃焼ＨＣ排出量減少と、ピストン６軽量化による出力向上、コスト低減が可能となる。
更に、スラスト側（ピストンが上死点直後にシリンダ側から受ける側圧方向）から反スラスト側にむけ高さＭを減少させてもよい。
これは、ピストンが上死点直後とは燃焼行程（爆発的燃焼）が始まった直後で、上死点前の側圧方向から反転して、シリンダ１３に当たるため、シリンダ１３からの反力が一番高い。従って、反スラスト側は、スラスト側に比較してシリンダ１３側からの反力が小さいので、高さＭを減少させることが可能となる。
この結果、更に、クレビス部２３の全体容積縮小、ピストン６の重量軽減が可能となる。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態に対し、第１トップランド７３のスラスト／反スラスト方向視の山形形状が異なるのみなので、該山形形状の説明を行い、他の部分は第１実施形態に同じなので説明を省略する。
図３は本発明の第２実施形態にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。
第１トップランド７３の山形形状の頂辺幅Ｑは第１実施形態の頂辺幅Ｐより小さくし、高さＭ３＞Ｍ２として、トップランド７２の強度を維持している。頂辺幅Ｑから第２トップランド７４へ接続する傾斜部は円弧状の凹形状〔図３（Ｂ）〕参照に形成されている。
これは、既述の効果に加え、予混合された吸気ガスをピストン７が圧縮する際に、予混合ガスのタンブル流を助長させて、より効果的な燃焼を促進させ、出力向上及び省燃費を得ることができる。
台形形状の上辺の高さＭ３と長さＺは爆発行程によって、ピストン７の第１トップランド７３がピストンピン７１を中心にシリンダ１３に衝突し、その衝突力によるシリンダ１３側からの反作用力に応じた強度と、第２トップランド７４の高さＮ３からトップランド６２の全体強度を考慮しながら決めればよい。

（第２参考例）
本参考例は第１参考例に対し、トップランド８２の第１トップランド８３の高さＭ４がピストン８のスラスト側（ピストンが上死点直後にシリンダ側から受ける側圧方向）にのみ配置したものである。
即ち、図４は本発明の第２参考例にかかる説明図であり、（Ａ）はピストンピンの軸線方向視で、（Ｂ）は（Ａ）の側面視及び（Ｃ）は（Ｂ）のＺ矢視図を示す。
トップランド８２における第１トップランド８３はピストン８の外周部でスラスト方向に位置する部分に外周部に沿って半径方向に幅Ｓを有して、シリンダ１３からの作用する反力が一番大きい部分を円弧状に形成した突出形成部８３１を配設している。該突出形成部８３１の突出上面から第２トップランド８４１の上面へと滑らかに変化し、ピストンピン８１の軸線方向視において台形状をなしている。
第１トップランド８３の該台形状の高さＭ４と上辺幅Ｒは爆発行程によって作用するシリンダ１３側からの反作用力に応じた強度と、第２トップランド８４の高さＮ４等からトップランド８２の全体強度を考慮しながら決めればよい。

また、本参考例の場合、第２トップランド８４の冷却に関しては、図７に示す通り、高さＮ４が小さい第２トップランド８４部分には、ピストン母材より熱伝導率の高い金属材８４１を鋳込んだ構造となっている。
熱伝導率の高い金属材８４１はトップランド８２の第１トップランド８３部分を除いたピストン８の外周部に円弧状に配設されている。
配設する金属材料としては、第１参考例と同様の部材を使用する。
さらに、オイルジェットで冷却する場合には、ピストン８の内側空間部で、第２トップランド８４の裏側に相当する部分に他の部分より多く冷却オイルを吹付けることで、トップランド８２の高蓄熱を防止して、ピストン８全体の耐久性を確保することができる。

本参考例によると、第１トップランド８３の厚い部分がスラスト側だけなので、ピストン８の全周におけるクレビス部２３の全体容積が第１参考例に比べて、さらに少なくすることができ、ピストン重量も軽減できるので、より効果的な未燃焼ガスＨＣの排出量削減と、重量軽減に伴う内燃機関出力向上が可能となる。

ピストンのトップランドとシリンダとの間のクレビス部の容量を小さくして、未燃焼ガスＨＣの減少をはかる内燃機関に適用できる。

１ 内燃機関
２ ピストン
３ 燃焼室
４ 右側集合排気管
５ ピストン
６ ピストン
９ オイルジェットノズル
１１ シリンダヘッド
１３ シリンダ
２０ トップランド
２３ クレビス部
５２ トップランド
５３ 第１トップランド
５４ 第２トップランド
５９ 頂面
６２ トップランド
６３ 第１トップランド
６４ 第２トップランド
６９ 頂面
７２ トップランド
７３ 第１トップランド
７４ 第２トップランド
７９ 頂面
５３１ 突出部
５４１ 熱伝導率の高い金属材

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダブロックに形成されるシリンダと、該シリンダ内部を摺動するピストンと、該ピストンの頂部に対向して配設されたシリンダヘッドと、前記ピストン上部の側面外周に形成されたリング溝に嵌入するピストンリングとで燃焼室を構成する内燃機関の燃焼室構造において、
   前記ピストンのスラスト、反スラスト方向に位置する第１トップランド部の前記ピストンリングから前記ピストンの頂部までのトップランド高さを、前記ピストンピン方向の部位である第２トップランド部より高くすると共に、第１トップランド部のスラスト、反スラスト方向視が山形形状とし、
   前記ピストンの頂面には前記第１トップランドの山形形状が前記スラスト、反スラスト方向に沿って前記ピストンの直径全域にわたり延設されていることを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
2. 前記第２トップランド部には前記ピストンの母材より熱伝導率の高い材料を配設したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
3. 前記第２トップランド部の前記シリンダとの対向面は表面粗さが他の部分より面粗さを緻密にしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
4. 前記ピストン内空部の前記第２トップランドの裏側部分には冷却用オイルジェットの噴出量を他の部分より多くしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。

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