JP7585764B2

JP7585764B2 - Piston and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP7585764B2
Application number: JP2020211570A
Authority: JP
Inventors: 博行阪井; 和男市川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2024-11-19
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: JP2022098177A

Description

本発明は、エンジンのシリンダ内に往復動可能に収容されかつコンロッドを介してクランクシャフトに連結されるピストンおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a piston that is reciprocally housed in an engine cylinder and connected to a crankshaft via a connecting rod, and a method for manufacturing the same.

シリンダ内に往復動可能に収容されるピストンを備えたエンジン（レシプロエンジン）では、燃焼圧力を起振力とした振動がピストンからコンロッドを介してクランクシャフトに伝達され、さらにクランクシャフトの振動が軸受部等を介してシリンダブロック等の筐体に伝達される。エンジンが車載用エンジンである場合において、シリンダブロック等の筐体に大きな振動が生じると、その振動は車両に伝達されて車両の乗り心地を悪化させる。特に、近年のエンジンでは、熱効率の一層の向上を目的として、高圧縮比化やピストン等の部品の軽量化が図られているため、燃焼圧力に起因したエンジンの振動が増大し易くなっている。このため、車両の乗り心地を良好に維持する等の観点から、エンジンの振動低減を図るためのより有効な対策が求められている。 In an engine (reciprocating engine) with a piston housed in a cylinder so that it can reciprocate, vibrations caused by the combustion pressure as an excitation force are transmitted from the piston to the crankshaft via the connecting rod, and the vibrations of the crankshaft are then transmitted to a housing such as a cylinder block via bearings, etc. If the engine is an in-vehicle engine, and large vibrations occur in a housing such as a cylinder block, the vibrations are transmitted to the vehicle and cause the ride quality of the vehicle to deteriorate. In particular, in recent engines, efforts have been made to increase the compression ratio and reduce the weight of parts such as pistons in order to further improve thermal efficiency, which makes it easier for engine vibrations caused by combustion pressure to increase. For this reason, more effective measures are needed to reduce engine vibrations in order to maintain a good ride quality of the vehicle.

例えば、下記特許文献１には、ピストンとコンロッドの小端部とを連結する中空のピストンピンの内部にピンダンパを設けることが開示されている。ピンダンパは、ピストンピンの内部に圧入された固定部と、ピストンピンの内径よりも小さい外形を有する可動部と、可動部を固定部に対し径方向に振動可能に支持する支持部とを有している。このような構造のピンダンパは、ピストンの共振およびこれに基づくエンジンの振動を低減する機能を発揮するとされている。 For example, the following Patent Document 1 discloses providing a pin damper inside a hollow piston pin that connects the piston and the small end of a connecting rod. The pin damper has a fixed part that is press-fitted inside the piston pin, a movable part that has an outer diameter smaller than the inside diameter of the piston pin, and a support part that supports the movable part so that it can vibrate radially relative to the fixed part. A pin damper with this structure is said to function to reduce piston resonance and the resulting engine vibration.

上記のようにピストンにピンダンパが追加された特許文献１では、ピンダンパの分だけピストンの重量が増加するため、軽量化による熱効率の向上効果が減損されかねない。そこで、例えば下記特許文献２に開示される吸振技術をピストンに適用することが提案される。 In Patent Document 1, where a pin damper is added to the piston as described above, the weight of the piston increases by the weight of the pin damper, which may reduce the effect of improving thermal efficiency through weight reduction. Therefore, it is proposed to apply the vibration absorption technology disclosed in Patent Document 2 below, for example, to the piston.

具体的に、下記特許文献２には、エンジンのタイミングプーリに空洞部を形成し、形成した空洞部内に粉状体を配置することが開示されている。粉状体は、タイミングプーリの回転時に摩擦（粒子間の摩擦もしくは各粒子と空洞部の壁面との摩擦）による熱を発生させ、タイミングプーリの振動エネルギーを熱エネルギーに変換することで振動を抑制する。そこで、これと同様の方法をピストンに適用し、ピストンの内部に形成した空洞部に粉状体を配置することが提案される。このようにすれば、重量の増分を少なくしながら、ピストンにおいて発生し得る比較的広い周波数範囲の振動を抑制できると考えられる。 Specifically, Patent Document 2 below discloses forming a cavity in an engine timing pulley and placing a powder inside the formed cavity. The powder generates heat due to friction (friction between particles or between each particle and the wall of the cavity) when the timing pulley rotates, and suppresses vibration by converting the vibration energy of the timing pulley into thermal energy. It is therefore proposed to apply a similar method to a piston, placing a powder inside a cavity formed inside the piston. In this way, it is believed that it is possible to suppress a relatively wide frequency range of vibrations that can occur in the piston while minimizing the increase in weight.

特開２０１５－１６１３２２号公報JP 2015-161322 A 特開平６－２８８４６３号公報Japanese Patent Application Publication No. 6-288463

しかしながら、上記特許文献２を応用した後者の方法、つまりピストン内部の空洞部に粉状体を配置する方法では、比較的広い周波数範囲での振動低減効果は得られるものの、特定の周波数で生じるピストンの共振を十分に抑制することができない。特に、熱効率向上のために高圧縮比されたエンジンでは、燃焼圧力の増大によって共振のレベルが高まる傾向にある。このため、熱効率を向上しつつエンジンの低振動化を図るには、燃焼圧力に起因した共振を十分に抑制することが求められる。 However, the latter method of applying the above-mentioned Patent Document 2, that is, placing powder in the cavity inside the piston, can reduce vibration over a relatively wide frequency range, but cannot fully suppress piston resonance that occurs at specific frequencies. In particular, in engines with high compression ratios to improve thermal efficiency, the level of resonance tends to increase as the combustion pressure increases. For this reason, in order to reduce engine vibration while improving thermal efficiency, it is necessary to fully suppress resonance caused by combustion pressure.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、広域での振動低減を図りながら特定の周波数での共振を十分に抑制することが可能なピストンおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a piston and a manufacturing method thereof that can sufficiently suppress resonance at a specific frequency while reducing vibration over a wide range.

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジンのシリンダ内に往復動可能に収容されかつコンロッドを介してクランクシャフトに連結されるピストンであって、ピストン本体と、前記ピストン本体の内部に形成された密閉された空洞部内に配置され、所定の周波数において前記ピストン本体と逆位相に振動する特性を有する動吸振器と、前記空洞部内に封入され、前記ピストン本体の往復動時に摩擦熱を発生可能な粉体とを備え、前記動吸振器は、前記空洞部内に配置された質量体と、当該質量体を前記空洞部の壁面に結合する支持部とを有し、前記支持部は、前記質量体が前記シリンダの軸方向に振動可能なように前記質量体を弾性的に支持している、ことを特徴とするものである（請求項１）。 In order to solve the above problem, the present invention provides a piston that is accommodated in a cylinder of an engine so as to be able to reciprocate and is connected to a crankshaft via a connecting rod, the piston comprising: a piston body; a dynamic vibration absorber that is disposed in a sealed cavity formed inside the piston body and has a characteristic of vibrating in opposite phase to the piston body at a predetermined frequency; and powder that is sealed in the cavity and is capable of generating frictional heat when the piston body reciprocates, the dynamic vibration absorber having a mass that is disposed in the cavity and a support part that connects the mass to a wall surface of the cavity, and the support part elastically supports the mass so that the mass can vibrate in the axial direction of the cylinder (claim 1).

ピストン本体と、コンロッドのピストン本体側の端部（小端部）と、当該端部をピストン本体に結合する部品（例えばピストンピン）とを含む構造体をピストン構造体としたとき、このピストン構造体は、ピストン本体が往復動するエンジンの稼働時に、コンロッドのクランクシャフト側の端部（大端部）に対し振動し、その振動レベルは特定の共振周波数において極大化する性質がある（共振現象）。ピストン構造体の共振が起きると、比較的大きな振動がクランクシャフト等を通じてエンジンの筐体（シリンダブロック等）に伝達され、エンジン全体に不快な振動が生じる可能性がある。これに対し、本発明では、所定の周波数においてピストン本体と逆位相に振動することが可能な動吸振器がピストン本体の空洞部内に配置されるので、当該所定の周波数を上述した共振周波数に略一致させることにより、動吸振器によるダイナミックダンパ効果を効果的に発揮させることができ、ピストン構造体の共振を十分に抑制することができる。 When a piston structure is a structure including a piston body, an end (small end) of a connecting rod on the piston body side, and a part (e.g., a piston pin) that connects the end to the piston body, the piston structure vibrates with respect to the end (large end) of the connecting rod on the crankshaft side during operation of an engine in which the piston body reciprocates, and the vibration level has the property of maximizing at a specific resonance frequency (resonance phenomenon). When the piston structure resonates, a relatively large vibration is transmitted to the engine housing (cylinder block, etc.) through the crankshaft, etc., and there is a possibility that unpleasant vibrations will occur throughout the engine. In response to this, in the present invention, a dynamic vibration absorber capable of vibrating in antiphase with the piston body at a specified frequency is disposed in the cavity of the piston body, and by roughly matching the specified frequency to the above-mentioned resonance frequency, the dynamic damping effect of the dynamic vibration absorber can be effectively exerted, and the resonance of the piston structure can be sufficiently suppressed.

また、本発明では、空洞部内に粉体が封入されるので、ピストン構造体の振動時に、粉体の粒子どうしの摩擦および当該粒子と空洞部の壁面との摩擦による摩擦熱を発生させることができる。これにより、振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、ピストン構造体の振動が低減される。しかも、このような摩擦熱による振動低減のメカニズムは、周波数依存性が低く、広範な周波数範囲においてピストン構造体の振動を低減させ得る。このことは、上述した動吸振器による共振抑制効果と相俟って、種々の周波数におけるエンジンの振動を十分に低減する効果をもたらし、非常に制振性に優れたエンジンを実現することを可能にする。 In addition, in the present invention, since the powder is sealed in the cavity, frictional heat can be generated due to friction between the powder particles and between the particles and the wall of the cavity when the piston structure vibrates. This converts vibration energy into thermal energy, reducing the vibration of the piston structure. Moreover, this mechanism of vibration reduction using frictional heat has low frequency dependency and can reduce the vibration of the piston structure over a wide frequency range. This, combined with the resonance suppression effect of the dynamic vibration absorber described above, provides the effect of sufficiently reducing engine vibration at various frequencies, making it possible to realize an engine with excellent vibration control.

さらに、本発明では、ピストン本体の内部に形成された空洞部に動吸振器および粉体が配置されるので、これら動吸振器および粉体を用いた振動低減を図りながらも、ピストン本体の重量を空洞部の形成により軽減することができ、ピストンの重量増加を全体として抑制することができる。 In addition, in the present invention, the dynamic vibration absorber and powder are placed in a cavity formed inside the piston body, so while vibrations are reduced using the dynamic vibration absorber and powder, the weight of the piston body can be reduced by forming the cavity, and the overall increase in weight of the piston can be suppressed.

また、動吸振器は、空洞部内に配置された質量体と、当該質量体を空洞部の壁面に結合する支持部とを有するので、空洞部内の質量体を支持部により安定的に支持しながら、エンジンの稼働時には質量体をシリンダ軸方向に振動させることができ、上述したダイナミックダンパ効果を効果的に発揮させることができる。 In addition, since the dynamic vibration absorber has a mass body arranged within the hollow portion and a support portion that connects the mass body to the wall surface of the hollow portion , the mass body within the hollow portion can be stably supported by the support portion while the mass body can be vibrated in the cylinder axial direction when the engine is operating, thereby effectively exerting the dynamic damper effect described above.

好ましくは、前記質量体は、前記ピストン本体よりも密度の高い金属材料により構成される（請求項２）。 Preferably, the mass body is made of a metal material having a higher density than the piston body ( claim 2 ).

この構成によれば、比較的密度の高い質量体の逆位相の振動により前記ピストン構造体の共振を効果的に抑制することができる。 With this configuration, the antiphase vibration of the relatively dense mass body can effectively suppress resonance of the piston structure.

好ましくは、前記ピストン本体は、前記シリンダの軸方向と直交する所定方向に延びるピストンピンを介して前記コンロッドの小端部と結合され、前記支持部は、前記質量体から前記所定方向の一方側および他方側に延びて前記空洞部の壁面に固着される一対の脚部を有し、一対の前記脚部は、前記質量体と一体の金属材料により構成される（請求項３）。 Preferably, the piston body is connected to the small end of the connecting rod via a piston pin extending in a predetermined direction perpendicular to the axial direction of the cylinder, and the support portion has a pair of legs extending from the mass body to one side and the other side in the predetermined direction and fixed to the wall surface of the hollow portion, the pair of legs being made of a metal material that is integral with the mass body ( Claim 3 ).

この構成によれば、例えばピストンの製造時に、質量体および支持部を包み込んだ中子を用いてピストン本体を鋳造することにより、質量体が空洞部内で弾性的に支持された構造を得ることができ、ダイナミックダンパ効果を発揮し得る上述した動吸振器を適切に実現することができる。 With this configuration, for example, when manufacturing a piston, a core encasing the mass body and the support part is used to cast the piston body, resulting in a structure in which the mass body is elastically supported within the cavity, and the above-mentioned dynamic vibration absorber capable of exerting a dynamic damping effect can be appropriately realized.

以上説明したように、本発明によれば、広域での振動低減を図りながら特定の周波数での共振を十分に抑制することが可能なピストンおよびその製造方法を提供することができる。 As described above, the present invention provides a piston and a manufacturing method thereof that can sufficiently suppress resonance at a specific frequency while reducing vibration over a wide range.

本発明の一実施形態に係るピストンを備えたエンジンの断面図である。1 is a cross-sectional view of an engine equipped with a piston according to an embodiment of the present invention. 上記ピストンの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the piston. 上記ピストンの正面図である。FIG. 上記ピストンの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the piston. 上記ピストンの側面図である。FIG. 4 is a side view of the piston. 上記ピストンの底面図である。FIG. 4 is a bottom view of the piston. 図３のVII－VII線に沿った上記ピストンの断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the piston taken along line VII-VII in FIG. 3. ピストン本体の内部の空洞部を中子に代替して示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing an internal cavity of a piston body in place of a core. 上記空洞部を中子に代替して示す正面図である。FIG. 4 is a front view showing the hollow portion in place of a core. 上記空洞部を中子に代替して示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing the cavity portion in place of a core. 上記実施形態の構造により得られる振動低減効果を説明するための図であり、周波数に応じたピストン構造体の振動倍率の変化を示すグラフである。FIG. 13 is a graph illustrating the vibration reduction effect obtained by the structure of the above embodiment, showing the change in vibration magnification of the piston structure according to frequency. 上記実施形態の変形例を説明するための図７相当図である。FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 7 for explaining a modification of the above embodiment. 上記実施形態の他の変形例を説明するための図７相当図である。FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 7 for explaining another modified example of the above embodiment.

（１）エンジンの構成
図１は、本発明の一実施形態に係るピストン１を備えたエンジンＥの断面図である。本図に示されるエンジンＥは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのガソリン直噴エンジンである。このエンジンＥは、シリンダ２を内部に備えるシリンダブロック３と、シリンダ２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、シリンダブロック３の下面に取り付けられ、当該シリンダブロック３と協働してクランク室１７を形成するクランクケース５と、シリンダ２に往復動可能に挿入された上記ピストン１とを有している。 (1) Engine Configuration Fig. 1 is a cross-sectional view of an engine E equipped with a piston 1 according to one embodiment of the present invention. The engine E shown in this figure is a four-stroke gasoline direct injection engine mounted on a vehicle as a power source for running. This engine E has a cylinder block 3 equipped with a cylinder 2 therein, a cylinder head 4 attached to the upper surface of the cylinder block 3 so as to close the cylinder 2 from above, a crankcase 5 attached to the lower surface of the cylinder block 3 and forming a crank chamber 17 in cooperation with the cylinder block 3, and the piston 1 inserted in the cylinder 2 so as to be capable of reciprocating motion.

ピストン１の上方には燃焼室７が画成されている。燃焼室７には、ガソリンを含有する燃料が図外のインジェクタからの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室７で空気と混合されつつ図外の点火プラグによる点火により燃焼し、その燃焼による膨張力を受けてピストン１が上下方向に往復動する。 A combustion chamber 7 is defined above the piston 1. Fuel containing gasoline is supplied to the combustion chamber 7 by injection from an injector (not shown). The supplied fuel is mixed with air in the combustion chamber 7 and ignited by a spark plug (not shown) and combusted. The expansion force caused by the combustion causes the piston 1 to reciprocate up and down.

ピストン１の下方には、エンジンＥの出力軸であるクランクシャフト８が設けられている。クランクシャフト８は、コンロッド（コネクティングロッド）９を介してピストン１と連結されている。詳しくは、コンロッド９の上側の端部である小端部９ａがピストンピン６を介してピストン１に結合されるとともに、コンロッド９の下側の端部である大端部９ｂがクランクシャフト８に結合されることにより、ピストン１とクランクシャフト８とがコンロッド９を介して連結されている。ピストン１の往復運動（上下運動）は、コンロッド９により回転運動に変換された上でクランクシャフト８に伝達され、クランクシャフト８を中心軸回りに回転させる。 Below the piston 1 is a crankshaft 8, which is the output shaft of the engine E. The crankshaft 8 is connected to the piston 1 via a connecting rod 9. More specifically, the small end 9a, which is the upper end of the connecting rod 9, is connected to the piston 1 via the piston pin 6, and the large end 9b, which is the lower end of the connecting rod 9, is connected to the crankshaft 8, thereby connecting the piston 1 and the crankshaft 8 via the connecting rod 9. The reciprocating motion (up and down motion) of the piston 1 is converted into rotational motion by the connecting rod 9 and transmitted to the crankshaft 8, causing the crankshaft 8 to rotate around its central axis.

シリンダヘッド４には、燃焼室７に空気を導入するための吸気ポート１０と、燃焼室７で生成された排気ガスを導出するための排気ポート１１と、吸気ポート１０の燃焼室７側の開口を開閉する吸気弁１２と、排気ポート１１の燃焼室７側の開口を開閉する排気弁１３とが設けられている。なお、本実施形態のエンジンＥのバルブ形式は、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式である。すなわち、シリンダヘッド４には、１つのシリンダ２に対し、図１の紙面に直交する方向に並ぶ２つの吸気ポート１０および２つの排気ポート１１が設けられるとともに、各ポートに対応した２つの吸気弁１２および２つの排気弁１３が設けられている。 The cylinder head 4 is provided with an intake port 10 for introducing air into the combustion chamber 7, an exhaust port 11 for drawing out exhaust gas generated in the combustion chamber 7, an intake valve 12 for opening and closing the opening of the intake port 10 on the combustion chamber 7 side, and an exhaust valve 13 for opening and closing the opening of the exhaust port 11 on the combustion chamber 7 side. The valve type of the engine E in this embodiment is a four-valve type with two intake valves and two exhaust valves. That is, the cylinder head 4 is provided with two intake ports 10 and two exhaust ports 11 aligned in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 for one cylinder 2, and two intake valves 12 and two exhaust valves 13 corresponding to each port.

吸気弁１２および排気弁１３は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランクシャフト８の回転に連動して開閉駆動される。 The intake valve 12 and exhaust valve 13 are opened and closed in conjunction with the rotation of the crankshaft 8 by a valve mechanism including a pair of camshafts arranged in the cylinder head 4.

シリンダブロック３の内部には、潤滑用のオイル（エンジンオイル）が流通するオイルギャラリ１４が設けられている。シリンダブロック３の内壁にはオイルジェット１５が取り付けられている。オイルジェット１５は、その先端のノズル１５ａがピストン１の下方に位置するように配設されている。オイルジェット１５は、図外のオイルポンプからオイルギャラリ１４に送出されたオイルをノズル１５ａを通じてピストン１の下側から噴射する。 Inside the cylinder block 3, there is an oil gallery 14 through which lubricating oil (engine oil) flows. An oil jet 15 is attached to the inner wall of the cylinder block 3. The oil jet 15 is arranged so that the nozzle 15a at its tip is located below the piston 1. The oil jet 15 sprays oil sent to the oil gallery 14 from an oil pump (not shown) from the underside of the piston 1 through the nozzle 15a.

（２）ピストンの構造
図２～図７は、ピストン１の具体的構造を示す図であり、図２は斜視図、図３は正面図、図４は平面図、図５は側面図、図６は底面図、図７は断面図（図３のVII－VII線断面図）である。なお、ピストン１に関する以下の説明において、「上下方向」はシリンダ２の中心軸の方向（シリンダ軸方向）と同義であり、燃焼室７側が「上」、その反対側（クランク室１７側）が「下」である。また、「前後方向」とはクランクシャフト８の軸方向と平行な方向のことであり、その一方側を「前」、他方側を「後」とする。さらに、「左右方向」とは「上下方向」および「前後方向」の双方に直交する方向のことであり、その一方側を「左」、他方側を「右」とする。この場合、左側は排気側から吸気側を向く側であるから、左側は吸気側と同義である。また、右側は吸気側から排気側を向く側であるから、右側は排気側と同義である。図中において、「左」「右」の表記に括弧付きで「ＩＮ」「ＥＸ」を併記しているのはこのためである。 (2) Structure of the Piston Figures 2 to 7 show the specific structure of the piston 1, in which Figure 2 is a perspective view, Figure 3 is a front view, Figure 4 is a plan view, Figure 5 is a side view, Figure 6 is a bottom view, and Figure 7 is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line VII-VII in Figure 3). In the following description of the piston 1, the "vertical direction" is synonymous with the direction of the central axis of the cylinder 2 (cylinder axial direction), the combustion chamber 7 side is "upper", and the opposite side (crank chamber 17 side) is "lower". In addition, the "front-rear direction" is a direction parallel to the axial direction of the crankshaft 8, one side of which is "front" and the other side is "rear". Furthermore, the "left-right direction" is a direction perpendicular to both the "vertical direction" and the "front-rear direction", one side of which is "left" and the other side is "right". In this case, the left side is the side facing from the exhaust side to the intake side, so the left side is synonymous with the intake side. In addition, since the right side is the side facing the exhaust side from the intake side, the right side is synonymous with the exhaust side. For this reason, "IN" and "EX" are written in parentheses next to the notations "left" and "right" in the drawings.

ピストン１は、ピストン本体２０と、ピストン本体２０の内部に配置された動吸振器５０および粉体６０（図７）とを備える。 The piston 1 comprises a piston body 20, a dynamic vibration absorber 50 and powder 60 (Figure 7) arranged inside the piston body 20.

ピストン本体２０は、ピストンヘッド２１と、ピストンヘッド２１の外周から下方に延びる一対のスカート部２６とを有している。 The piston body 20 has a piston head 21 and a pair of skirt portions 26 that extend downward from the outer periphery of the piston head 21.

ピストンヘッド２１は、比較的扁平な円柱状の部材であり、燃焼室７の底面を形成する冠面２２と、シリンダ２の側周面と摺接する外周面２４とを備える。冠面２２は、ペントルーフ型の燃焼室７の天井面と対向する面であり、その外縁部分を除く主要領域が、当該天井面に対応するように山型に突出するように形成されている。冠面２２には、下方に窪むキャビティ２３が形成されている。キャビティ２３は、燃焼室７の天井面に配置された図外のインジェクタからの燃料噴射を受けるための凹部であり、本実施形態では平面視で略楕円形に形成されている。詳しくは、キャビティ２３は、前後方向に長尺な略楕円形の上縁２３ａと、略円形の底面２３ｃと、当該底面２３ｃの周縁と上縁２３ａとを接続する湾曲した周面２３ｂとを有している。キャビティ２３は、底面２３ｃから上方に離れるほど（上縁２３ａに近づくほど）面積が拡大するように形成されている。 The piston head 21 is a relatively flat cylindrical member, and has a crown surface 22 that forms the bottom surface of the combustion chamber 7, and an outer peripheral surface 24 that slides against the side peripheral surface of the cylinder 2. The crown surface 22 is a surface that faces the ceiling surface of the pent roof type combustion chamber 7, and its main area except for its outer edge portion is formed so as to protrude in a mountain shape to correspond to the ceiling surface. The crown surface 22 has a cavity 23 that is recessed downward. The cavity 23 is a recess for receiving fuel injection from an injector (not shown) arranged on the ceiling surface of the combustion chamber 7, and in this embodiment, it is formed in a substantially elliptical shape in a plan view. In detail, the cavity 23 has a substantially elliptical upper edge 23a that is long in the front-rear direction, a substantially circular bottom surface 23c, and a curved peripheral surface 23b that connects the periphery of the bottom surface 23c and the upper edge 23a. The cavity 23 is formed so that its area increases the further it is from the bottom surface 23c (the closer it is to the upper edge 23a).

ピストンヘッド２１の外周面２４には、ピストンリング（図示省略）が嵌め込まれる複数の（ここでは３つの）リング溝２５が形成されている。ピストンリングは、燃焼室７からクランク室１７への燃焼ガスの漏出を防ぐ機能、および、シリンダ２の側周面に付着した余分なオイルを掻き落とす機能を有している。 The outer peripheral surface 24 of the piston head 21 is formed with multiple (three in this case) ring grooves 25 into which piston rings (not shown) are fitted. The piston rings have the function of preventing leakage of combustion gas from the combustion chamber 7 to the crank chamber 17, and the function of scraping off excess oil adhering to the side peripheral surface of the cylinder 2.

一対のスカート部２６は、その一方が左側（吸気側）に、他方が右側（排気側）に位置するように配置されている。各スカート部２６がシリンダ２の側周面に摺接することにより、ピストン１が往復動する際の首振り振動が抑制される。 The pair of skirt portions 26 are arranged so that one is located on the left side (intake side) and the other is located on the right side (exhaust side). Each skirt portion 26 slides against the side circumferential surface of the cylinder 2, suppressing the oscillation vibration that occurs when the piston 1 reciprocates.

ピストンヘッド２１の下側であって両スカート部２６の間の部位には、前後一対の縦壁２７が設けられている。前側の縦壁２７は、両スカート部２６の前端どうしをつなぐように左右方向に延びる壁部であり、後側の縦壁２７は、両スカート部２６の後端どうしをつなぐように左右方向に延びる壁部である。 A pair of front and rear vertical walls 27 are provided below the piston head 21 in a region between the two skirt portions 26. The front vertical wall 27 is a wall portion that extends in the left-right direction so as to connect the front ends of the two skirt portions 26, and the rear vertical wall 27 is a wall portion that extends in the left-right direction so as to connect the rear ends of the two skirt portions 26.

一対の縦壁２７は、その左右方向の中間部にピンボス部２８を有している。各ピンボス部２８は、前後方向に貫通するピン孔２８ａを規定する環状の壁部である。ピン孔２８ａには、前後方向に延びるピストンピン６（図１）が固定的に挿入される。すなわち、ピストンピン６は、その前端部および後端部がそれぞれ各ピンボス部２８のピン孔２８ａに嵌入されることにより、一対の縦壁２７に跨るような状態でピストン本体２０に固定される。さらに、両ピンボス部２８の間に位置するピストンピン６の中間部には、コンロッド９の小端部９ａ（上端部）が外挿される。すなわち、ピストン本体２０は、ピストンピン６を介してコンロッド９の小端部９ａに結合される。 The pair of vertical walls 27 have pin bosses 28 in the left-right middle. Each pin boss 28 is an annular wall that defines a pin hole 28a that penetrates in the front-rear direction. A piston pin 6 (FIG. 1) extending in the front-rear direction is fixedly inserted into the pin hole 28a. That is, the piston pin 6 is fixed to the piston body 20 in a state in which it straddles the pair of vertical walls 27 by fitting its front end and rear end into the pin hole 28a of each pin boss 28. Furthermore, the small end 9a (upper end) of the connecting rod 9 is inserted into the middle part of the piston pin 6 located between the pin bosses 28. That is, the piston body 20 is connected to the small end 9a of the connecting rod 9 via the piston pin 6.

ピストンヘッド２１の内部には、空洞部３０が形成されている。空洞部３０には、動吸振器５０および粉体６０（図７）が配置されている。以下、空洞部３０、動吸振器５０、および粉体６０の詳細について説明する。 A cavity 30 is formed inside the piston head 21. A dynamic vibration absorber 50 and powder 60 (Figure 7) are arranged in the cavity 30. Details of the cavity 30, the dynamic vibration absorber 50, and the powder 60 are described below.

図８～図１０は、空洞部３０の形状を説明するための図であり、空洞部３０を中子の状態で間接的に示している。すなわち、ピストン本体２０は鋳造によって製造されるものであり（詳細は後述する）、この鋳造時に使用される中子によって空洞部３０が形成される。そこで、図８～図１０においては、図示の便宜上、空洞部３０を中子に代替して図示している。ただし説明では、３０を中子ではなく空洞部として扱う。 Figures 8 to 10 are diagrams for explaining the shape of the cavity 30, and indirectly show the cavity 30 in the form of a core. That is, the piston body 20 is manufactured by casting (details will be described later), and the cavity 30 is formed by the core used during this casting. Therefore, for convenience of illustration, in Figures 8 to 10, the cavity 30 is shown as a core. However, in the explanation, 30 will be treated as a cavity and not a core.

空洞部３０は、図３～図１０に示すように、メイン空洞部３１と、サイド空洞部３２と、内側空洞部３３とを有している。 As shown in Figures 3 to 10, the cavity 30 has a main cavity 31, a side cavity 32, and an inner cavity 33.

メイン空洞部３１は、ピストンヘッド２１の前部に形成された第１メイン空洞部３１ａと、ピストンヘッド２１の後部に形成された第２メイン空洞部３１ｂとを有している。第１および第２のメイン空洞部３１ａは、一対のピンボス部２８の上方においてそれぞれ左右方向に延びるように形成されている。各メイン空洞部３１ａ，３１ｂは、その前後方向に沿った断面（左右方向と直交する切断面により切断した断面）が中央側ほど拡大するように形成されている（例えば図３、図８、図９参照）。詳しくは、各メイン空洞部３１ａ，３１ｂは、前後方向視で下側に凸となるようにＶ字状に突出した底面を有しており、その突出量がピストン本体２０の左右方向の中央位置において最も大きくなるように形成されている。言い換えると、各メイン空洞部３１は、その断面積がピン孔２８ａの中心Ｐ（図３）に近づくほど拡大するように形成されている。このため、各メイン空洞部３１ａ，３１ｂの断面積は、ピン孔２８ａの中心Ｐに対応する位置（左右方向の中央）において最も大きくなる。また、図７に示すように、各メイン空洞部３１ａ，３１ｂは、その前後方向の幅が下側ほど縮小するように形成されている。各メイン空洞部３１ａ，３１ｂの最大断面積は、後述する他の空洞部（３２ａ，３２ｂ，および３３ａ～３３ｄ）のいずれの断面積よりも大きくなるように設定されている。 The main cavity 31 has a first main cavity 31a formed in the front of the piston head 21 and a second main cavity 31b formed in the rear of the piston head 21. The first and second main cavities 31a are formed to extend in the left-right direction above the pair of pin bosses 28. Each main cavity 31a, 31b is formed so that its cross section along the front-rear direction (cross section cut by a cut surface perpendicular to the left-right direction) expands toward the center (see, for example, Figures 3, 8, and 9). In detail, each main cavity 31a, 31b has a bottom surface that protrudes in a V-shape so as to be convex downward when viewed in the front-rear direction, and is formed so that the protrusion amount is largest at the center position in the left-right direction of the piston body 20. In other words, each main cavity 31 is formed so that its cross-sectional area expands as it approaches the center P (Figure 3) of the pin hole 28a. For this reason, the cross-sectional area of each main cavity 31a, 31b is largest at the position (left-right center) corresponding to the center P of the pin hole 28a. Also, as shown in FIG. 7, each main cavity 31a, 31b is formed so that its front-to-rear width decreases toward the bottom. The maximum cross-sectional area of each main cavity 31a, 31b is set to be larger than the cross-sectional area of any of the other cavities (32a, 32b, and 33a to 33d) described below.

サイド空洞部３２は、第１および第２のメイン空洞部３１ａ，３１ｂの左側の端部どうしを連結する第１サイド空洞部３２ａと、第１および第２のメイン空洞部３１ａ，３１ｂの右側の端部どうしを連結する第２サイド空洞部３２ｂとを有している。第１サイド空洞部３２ａは、ピストンヘッド２１の左側の外周に沿うように湾曲しつつ前後方向に延びている。第２サイド空洞部３２ｂは、ピストンヘッド２１の右側の外周に沿うように湾曲しつつ前後方向に延びている。 The side cavity 32 has a first side cavity 32a that connects the left ends of the first and second main cavity portions 31a, 31b, and a second side cavity portion 32b that connects the right ends of the first and second main cavity portions 31a, 31b. The first side cavity portion 32a extends in the front-rear direction while curving to fit along the outer periphery of the left side of the piston head 21. The second side cavity portion 32b extends in the front-rear direction while curving to fit along the outer periphery of the right side of the piston head 21.

内側空洞部３３は、特に図８および図１０に示すように、前サブ空洞部３３ａと、後サブ空洞部３３ｂと、左サブ空洞部３３ｃと、右サブ空洞部３３ｄとを有している。これらサブ空洞部３３ａ～３３ｄは、上述したメイン空洞部３１およびサイド空洞部３２の内側において略リング状の空洞を形成している。具体的に、左サブ空洞部３３ｃは、第１サイド空洞部３２ａからピストン内側（シリンダ軸に近い側；ここでは右側）に離れた位置において第１サイド空洞部３２ａと略平行に延びるように形成され、右サブ空洞部３３ｄは、第２サイド空洞部３２ｂからピストン内側（左側）に離れた位置において第２サイド空洞部３２ｂと略平行に延びるように形成されている。また、前サブ空洞部３３ａは、第１メイン空洞部３１ａからピストン内側（後側）に離れた位置において第１メイン空洞部３１ａと略平行に延びるように形成され、後サブ空洞部３３ｂは、第２メイン空洞部３１ｂからピストン内側（前側）に離れた位置において第２メイン空洞部３１ｂと略平行に延びるように形成されている。左右のサブ空洞部３３ｃ，３３ｄは、第１および第２のサイド空洞部３２ａ，３２ｂよりもピストン内側において第１および第２のメイン空洞部３１ａ，３１ｂどうしを前後方向に連結している。前後のサブ空洞部３３ａ，３３ｂは、左右のサブ空洞部３３ｃ，３３ｄどうしを左右方向に連結している。 As shown in Figures 8 and 10, the inner cavity 33 has a front sub-cavity 33a, a rear sub-cavity 33b, a left sub-cavity 33c, and a right sub-cavity 33d. These sub-cavities 33a to 33d form a substantially ring-shaped cavity inside the main cavity 31 and the side cavity 32 described above. Specifically, the left sub-cavity 33c is formed to extend substantially parallel to the first side cavity 32a at a position away from the first side cavity 32a toward the inside of the piston (the side closer to the cylinder axis; here, the right side), and the right sub-cavity 33d is formed to extend substantially parallel to the second side cavity 32b at a position away from the second side cavity 32b toward the inside of the piston (left side). The front sub-cavity 33a is formed so as to extend substantially parallel to the first main cavity 31a at a position away from the first main cavity 31a toward the inside (rear) of the piston, and the rear sub-cavity 33b is formed so as to extend substantially parallel to the second main cavity 31b at a position away from the second main cavity 31b toward the inside (front) of the piston. The left and right sub-cavities 33c, 33d connect the first and second main cavities 31a, 31b in the front-rear direction on the piston inner side than the first and second side cavities 32a, 32b. The front and rear sub-cavities 33a, 33b connect the left and right sub-cavities 33c, 33d in the left-right direction.

動吸振器５０は、主に図７に示すように、第１質量体５１と、第２質量体５２と、第１質量体５１を空洞部３０内に支持する第１支持部５３と、第２質量体５２を空洞部３０内に支持する第２支持部５４とを有している。 As shown primarily in FIG. 7, the dynamic vibration absorber 50 has a first mass 51, a second mass 52, a first support portion 53 that supports the first mass 51 within the cavity portion 30, and a second support portion 54 that supports the second mass 52 within the cavity portion 30.

第１および第２の質量体５１，５２は、それぞれピストン本体２０よりも密度の高い金属製の球状体からなり、互いに同一の質量を有している。例えば、ピストン本体２０がアルミニウム合金製である場合、第１および第２の質量体５１，５２は鉛製の球状体とすることができる。第１質量体５１は第１メイン空洞部３１ａに配置され、第２質量量５２は第２メイン空洞部３１ｂに配置されている。 The first and second mass bodies 51, 52 are each made of a metallic sphere having a higher density than the piston body 20, and have the same mass. For example, if the piston body 20 is made of an aluminum alloy, the first and second mass bodies 51, 52 can be lead spheres. The first mass body 51 is disposed in the first main cavity portion 31a, and the second mass body 52 is disposed in the second main cavity portion 31b.

第１支持部５３は、第１質量体５１から前後方向に延びる一対の脚部５３ａ，５３ｂを有している。各脚部５３ａ，５３ｂは、第１質量体５１と同一の金属材料（例えば鉛）により構成された比較的小径のピン状部材であり、第１質量体５１と一体に形成されている。前側の脚部５３ａは、第１質量体５１から前方に延びて、第１メイン空洞部３１ａにおける径方向外側（前側）の壁面に固着されている。後側の脚部５３ｂは、第１質量体５１から後方に延びて、第１メイン空洞部３１ａにおける径方向内側（後側）の壁面に固着されている。これら一対の脚部５３ａ，５３ｂを介して、第１質量体５１は、第１メイン空洞部３１ａの上下方向中間部に当該空洞部３１ａの壁面に接触しない状態で支持されている。 The first support portion 53 has a pair of legs 53a, 53b extending from the first mass 51 in the front-rear direction. Each leg 53a, 53b is a relatively small-diameter pin-shaped member made of the same metal material (e.g., lead) as the first mass 51, and is formed integrally with the first mass 51. The front leg 53a extends forward from the first mass 51 and is fixed to the radially outer (front) wall surface of the first main cavity 31a. The rear leg 53b extends rearward from the first mass 51 and is fixed to the radially inner (rear) wall surface of the first main cavity 31a. Through this pair of legs 53a, 53b, the first mass 51 is supported in the vertical middle of the first main cavity 31a without contacting the wall surface of the cavity 31a.

第２支持部５４の構成も上記第１支持部５３と同様である。すなわち、第２支持部５４は、第２質量体５２から前後方向に延びる一対の脚部５４ａ，５４ｂを有している。各脚部５４ａ，５４ｂは、第２質量体５２と同一の金属材料（例えば鉛）により構成された比較的小径のピン状部材であり、第２質量体５２と一体に形成されている。後側の脚部５４ａは、第２質量体５２から後方に延びて、第２メイン空洞部３１ｂにおける径方向外側（後側）の壁面に固着されている。前側の脚部５４ｂは、第２質量体５２から前方に延びて、第２メイン空洞部３１ｂにおける径方向内側（前側）の壁面に固着されている。これら一対の脚部５４ａ，５４ｂを介して、第２質量体５２は、第２メイン空洞部３１ｂの上下方向中間部に当該空洞部３１ｂの壁面に接触しない状態で支持されている。 The second support 54 has the same configuration as the first support 53. That is, the second support 54 has a pair of legs 54a, 54b extending from the second mass 52 in the front-rear direction. Each leg 54a, 54b is a relatively small-diameter pin-shaped member made of the same metal material (e.g., lead) as the second mass 52, and is formed integrally with the second mass 52. The rear leg 54a extends rearward from the second mass 52 and is fixed to the radially outer (rear) wall surface of the second main cavity 31b. The front leg 54b extends forward from the second mass 52 and is fixed to the radially inner (front) wall surface of the second main cavity 31b. Through the pair of legs 54a, 54b, the second mass 52 is supported in the vertical middle of the second main cavity 31b without contacting the wall surface of the cavity 31b.

上述のとおり、第１支持部５３（第２支持部５４）は、前後方向（言い換えればピストンピン６の軸方向の一方側および他方側）に延びる一対のピン状の脚部５３ａ，５３ｂ（５４ａ，５４ｂ）から構成される。このような第１支持部５３（第２支持部５４）は、ピストン１が往復動するエンジンＥの稼働時に上下方向に弾性変形することが可能であり、第１質量体５１（第２質量体５２）を弾性的に支持する機能を有している。また、第１支持部５３（第２支持部５４）により弾性的に支持された第１質量体５１（第２質量体５２）は、エンジンＥの稼働時に上下方向（シリンダ軸方向）に振動することが可能である。 As described above, the first support portion 53 (second support portion 54) is composed of a pair of pin-shaped legs 53a, 53b (54a, 54b) extending in the front-rear direction (in other words, one side and the other side in the axial direction of the piston pin 6). Such a first support portion 53 (second support portion 54) can elastically deform in the vertical direction when the engine E is operating and the piston 1 reciprocates, and has the function of elastically supporting the first mass body 51 (second mass body 52). In addition, the first mass body 51 (second mass body 52) elastically supported by the first support portion 53 (second support portion 54) can vibrate in the vertical direction (cylinder axial direction) when the engine E is operating.

言い換えると、動吸振器５０は、第１および第２の質量体５１，５２からなる質量体と、第１および第２の支持部５３，５４からなるバネとを含むバネマス系を構成している。このような動吸振器５０は、質量体の質量とバネのバネ定数から定まる固有振動数を有し、当該固有振動数においてピストン本体２０と逆位相に振動する特性を有する。本実施形態において、動吸振器５０の固有振動数は、ピストン本体２０を含むピストン構造体の共振周波数と略一致するように設定されている。すなわち、ピストン本体２０、ピストンピン６、およびコンロッド９の小端部９ａの組合せをピストン構造体としたとき、このピストン構造体は、ピストン本体２０に加わる燃焼圧力を起振力としてコンロッド９の大端部９ｂ（もしくはクランクシャフト８）に対し主に上下方向に振動する。このピストン構造体の振動レベルは、周波数に応じて変化し、特定の周波数において極大化する（共振現象）。このようにピストン構造体の共振が起きる特定の周波数を共振周波数としたとき、動吸振器５０の固有振動数は、当該ピストン構造体の共振周波数と略一致するように設定されている。言い換えると、動吸振器５０は、ピストン構造体の共振周波数もしくはその近傍において、ピストン構造体と逆位相に振動する特定を有する。 In other words, the dynamic vibration absorber 50 constitutes a spring mass system including a mass body consisting of the first and second mass bodies 51, 52 and a spring consisting of the first and second support parts 53, 54. Such a dynamic vibration absorber 50 has a natural frequency determined by the mass of the mass body and the spring constant of the spring, and has the characteristic of vibrating in antiphase with the piston body 20 at the natural frequency. In this embodiment, the natural frequency of the dynamic vibration absorber 50 is set to approximately match the resonance frequency of the piston structure including the piston body 20. That is, when the combination of the piston body 20, the piston pin 6, and the small end 9a of the connecting rod 9 is made into a piston structure, this piston structure vibrates mainly in the vertical direction relative to the large end 9b of the connecting rod 9 (or the crankshaft 8) with the combustion pressure applied to the piston body 20 as the vibrating force. The vibration level of this piston structure changes depending on the frequency and is maximized at a specific frequency (resonance phenomenon). In this way, when the specific frequency at which the piston structure resonates is defined as the resonant frequency, the natural frequency of the dynamic vibration absorber 50 is set to approximately match the resonant frequency of the piston structure. In other words, the dynamic vibration absorber 50 has the characteristic of vibrating in antiphase with the piston structure at or near the resonant frequency of the piston structure.

粉体６０は、多数の微細な粒子の集合体である。例えば、粉体６０の各粒子は、１０μｍ以上５０μｍ以下の粒径（直径）を有する硬質の球体とすることができる。粉体６０の各粒子の材質は、耐衝撃性などの所要の性質を有するものであれば特に限定されないが、例えば純アルミニウム（ＡＬ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、アルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）、もしくはガラス（ＳｉＯ_２）が好適である。粉体６０は、空洞部３０の各部（メイン空洞部３１、サイド空洞部３２、内側空洞部３３）にまんべんなく封入されている。また、粉体６０は、空洞部３０の容積に対する粉体６０の体積の割合である充填率が２５％以上６０％以下になるように空洞部３０に封入されている。 The powder 60 is an aggregate of many fine particles. For example, each particle of the powder 60 can be a hard sphere having a particle size (diameter) of 10 μm or more and 50 μm or less. The material of each particle of the powder 60 is not particularly limited as long as it has the required properties such as impact resistance, but for example, pure aluminum (AL), zirconia (ZrO ₂ ), alumina (AL ₂ O ₃ ), or glass (SiO ₂ ) is preferable. The powder 60 is evenly filled in each part of the cavity 30 (the main cavity 31, the side cavity 32, and the inner cavity 33). The powder 60 is filled in the cavity 30 so that the filling rate, which is the ratio of the volume of the powder 60 to the volume of the cavity 30, is 25% or more and 60% or less.

（３）製造方法
次に、以上のような構造のピストン１を製造する方法について説明する。本実施形態におけるピストン１の製造方法は、鋳造によりピストン１を製造する方法であり、準備工程、中子セット工程、注湯工程、取出工程、および充填工程とを含む。 (3) Manufacturing Method Next, a description will be given of a method for manufacturing the piston 1 having the above-described structure. The manufacturing method for the piston 1 in this embodiment is a method for manufacturing the piston 1 by casting, and includes a preparation step, a core setting step, a pouring step, an extraction step, and a filling step.

まず、準備工程として、ピストン本体２０の形状（外形）に対応した成形空間を有する鋳型を準備するとともに、空洞部３０を形成するための中子を準備する。中子としては、空洞部３０に対応した形状を有する図８～図１０に示したような中子を準備する。この中子の内部には動吸振器５０を配置する。すなわち、準備工程では、中子として、動吸振器５０を包み込んだ状態の中子を準備する。このとき、動吸振器５０は、その第１質量体５１（第２質量体５２）が中子における第１メイン空洞部３１ａ（第２メイン空洞部３１ｂ）に対応する部位に包み込まれる。また、第１支持部５３（第２支持部５４）は、その脚部５３ａ，５３ｂ（５４ａ，５４ｂ）の先端部が中子から外部に突出するように配置される。 First, in the preparation process, a mold having a molding space corresponding to the shape (outer shape) of the piston body 20 is prepared, and a core for forming the cavity 30 is prepared. As the core, a core having a shape corresponding to the cavity 30 as shown in Figures 8 to 10 is prepared. The dynamic vibration absorber 50 is placed inside this core. That is, in the preparation process, a core is prepared in a state in which the dynamic vibration absorber 50 is enclosed. At this time, the first mass 51 (second mass 52) of the dynamic vibration absorber 50 is enclosed in a portion of the core corresponding to the first main cavity 31a (second main cavity 31b). In addition, the first support portion 53 (second support portion 54) is arranged so that the tip portions of its legs 53a, 53b (54a, 54b) protrude to the outside from the core.

次に、中子セット工程として、上述した中子およびこれに包まれた動吸振器５０を鋳型にセットする。このとき、中子は、鋳型内で複数の支柱により支持される。この支柱は、後述する開口４０（図７）を形成するための中子として機能する。 Next, in the core setting process, the above-mentioned core and the dynamic vibration absorber 50 enclosed within it are set in the mold. At this time, the core is supported by multiple supports within the mold. These supports function as the core for forming the opening 40 (Figure 7) described below.

次に、注湯工程として、中子および動吸振器５０がセットされた鋳型に溶融したアルミニウム合金（溶湯）を流し込む。その後、流し込んだ溶湯を冷却して凝固させることにより、鋳型内の成形空間に対応した形状のピストン本体２０を成形する。このとき、動吸振器５０は、中子から突出した脚部５３ａ，５３ｂ（５４ａ，５４ｂ）の先端部がピストン本体２０に鋳込まれることにより、ピストン本体２０に固定される。 Next, in the pouring process, molten aluminum alloy (molten metal) is poured into the mold in which the core and dynamic vibration absorber 50 are set. The poured molten metal is then cooled and solidified to form the piston body 20 in a shape that corresponds to the molding space in the mold. At this time, the dynamic vibration absorber 50 is fixed to the piston body 20 by casting the tips of the legs 53a, 53b (54a, 54b) protruding from the core into the piston body 20.

次に、取出工程として、鋳型からピストン本体２０を取り出す。また、上述した支柱により形成される複数の開口４０（図７）のいずれかから水を注入する等により、支柱および中子をピストン本体２０から除去する。すなわち、注入した水によって支柱および中子を溶かしつつ開口４０から排出することにより、支柱および中子をピストン本体２０から除去する。これにより、ピストン本体２０の内部には、中子の形状に対応した空洞部３０が形成されるとともに、この空洞部３０に連通する複数の開口４０が形成される。 Next, in the removal process, the piston body 20 is removed from the mold. The pillars and core are removed from the piston body 20 by, for example, injecting water through one of the multiple openings 40 (FIG. 7) formed by the pillars described above. That is, the pillars and core are removed from the piston body 20 by dissolving them with the injected water and discharging them from the opening 40. As a result, a cavity 30 corresponding to the shape of the core is formed inside the piston body 20, and multiple openings 40 communicating with this cavity 30 are formed.

次に、充填工程として、ピストン本体２０の空洞部３０内に開口４０を通じて粉体６０（図７）を充填する。そして、粉体６０の充填後、開口４０を溶接により塞ぐ。例えば、ピストン本体２０と同様の金属材料（例えばアルミニウム合金）を開口４０にロウ付けする等により、開口４０を塞ぐ。 Next, in the filling process, powder 60 (FIG. 7) is filled into the cavity 30 of the piston body 20 through the opening 40. After the powder 60 is filled, the opening 40 is sealed by welding. For example, the opening 40 is sealed by brazing the same metal material (e.g., aluminum alloy) as the piston body 20 to the opening 40.

以上の各工程により、ピストン本体２０と動吸振器５０と粉体６０とを含むピストン１、言い換えると空洞部３０内に動吸振器５０および粉体６０が配置されたピストン１が完成する。 Through the above steps, a piston 1 including the piston body 20, the dynamic vibration absorber 50, and the powder 60 is completed, in other words, a piston 1 in which the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60 are arranged within the cavity 30.

（４）作用効果
以上説明したとおり、本実施形態のピストン１は、空洞部３０を含むピストン本体２０と、空洞部３０内に取り付けられた動吸振器５０と、空洞部３０内に封入された粉体６０とを有するので、ピストン１の振動を広範な周波数範囲で低減できる上に、特定の周波数で生じるピストン１の共振を十分に抑制できるという利点がある。 (4) Action and Effect As described above, the piston 1 of this embodiment has the piston body 20 including the hollow portion 30, the dynamic vibration absorber 50 attached within the hollow portion 30, and the powder 60 sealed within the hollow portion 30. Therefore, it has the advantage that the vibration of the piston 1 can be reduced over a wide frequency range and resonance of the piston 1 that occurs at a specific frequency can be sufficiently suppressed.

具体的に、本実施形態では、第１・第２質量体５１，５２とこれを空洞部３０内で弾性的に支持する第１・第２支持部５３，５４とを含む動吸振器５０が空洞部３０内に取り付けられる。このような構造の動吸振器５０は、所定の周波数（動吸振器５０の固有振動数）においてピストン本体２０と逆位相に振動し、当該逆位相の振動によって対象物の振動を吸収する、いわゆるダイナミックダンパ効果を発揮し得る。一方、ピストン本体２０を含むピストン構造体（ピストン本体２０、ピストンピン６、およびコンロッド９の小端部９ａの組合せ）は、ピストン本体２０に加わる燃焼圧力を起振力としてコンロッド９の大端部９ｂ（もしくはクランクシャフト８）に対し主に上下方向に振動し、その振動レベルは特定の共振周波数において極大化する性質がある（共振現象）。ピストン構造体の共振が起きると、比較的大きな振動がクランクシャフト８等を通じてエンジンＥの筐体（シリンダブロック３等）に伝達され、エンジンＥ全体に不快な振動が生じる可能性がある。このような現象を回避するには、上述した共振周波数において動吸振器５０によるダイナミックダンパ効果が最大限発揮されるようにすればよい。そこで、本実施形態では、動吸振器５０の固有振動数が、上述したピストン構造体の共振周波数に略一致するように設定されている。これにより、ピストン構造体の共振周波数において動吸振器５０によるダイナミックダンパ効果が最大限発揮されて、ピストン構造体の共振を十分に抑制することができる。 Specifically, in this embodiment, a dynamic vibration absorber 50 including first and second mass bodies 51, 52 and first and second support parts 53, 54 that elastically support the mass bodies 51, 52 within the cavity 30 is attached to the cavity 30. The dynamic vibration absorber 50 having such a structure vibrates in antiphase with the piston body 20 at a predetermined frequency (the natural frequency of the dynamic vibration absorber 50), and can exert a so-called dynamic damping effect in which the antiphase vibration absorbs the vibration of the target object. On the other hand, the piston structure including the piston body 20 (the combination of the piston body 20, the piston pin 6, and the small end 9a of the connecting rod 9) vibrates mainly in the vertical direction relative to the big end 9b of the connecting rod 9 (or the crankshaft 8) with the combustion pressure applied to the piston body 20 as the vibratory force, and the vibration level has the property of being maximized at a specific resonance frequency (resonance phenomenon). When the piston structure resonates, relatively large vibrations are transmitted to the housing of the engine E (cylinder block 3, etc.) through the crankshaft 8, etc., which may cause unpleasant vibrations throughout the engine E. To avoid this phenomenon, the dynamic damping effect of the dynamic vibration absorber 50 can be maximized at the above-mentioned resonance frequency. Therefore, in this embodiment, the natural frequency of the dynamic vibration absorber 50 is set to approximately match the above-mentioned resonance frequency of the piston structure. This maximizes the dynamic damping effect of the dynamic vibration absorber 50 at the resonance frequency of the piston structure, allowing the resonance of the piston structure to be sufficiently suppressed.

また、本実施形態では、ピストン本体２０の空洞部３０内に粉体６０が封入されるので、ピストン構造体の振動時に、粉体６０の粒子どうしの摩擦および当該粒子と空洞部３０の壁面との摩擦による摩擦熱を発生させることができる。これにより、振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、ピストン構造体の振動が低減される。しかも、このような摩擦熱による振動低減のメカニズムは、周波数依存性が低く、広範な周波数範囲においてピストン構造体の振動を低減させ得る。このことは、上述した動吸振器５０による共振抑制効果と相俟って、種々の周波数におけるエンジンＥの振動を十分に低減する効果をもたらし、非常に制振性に優れたエンジンＥを実現することを可能にする。 In addition, in this embodiment, the powder 60 is sealed in the cavity 30 of the piston body 20, so that frictional heat can be generated due to friction between the particles of the powder 60 and between the particles and the wall surface of the cavity 30 when the piston structure vibrates. This converts vibration energy into thermal energy, reducing the vibration of the piston structure. Moreover, this mechanism of vibration reduction using frictional heat has low frequency dependency and can reduce the vibration of the piston structure over a wide frequency range. This, combined with the resonance suppression effect of the dynamic vibration absorber 50 described above, brings about the effect of sufficiently reducing the vibration of the engine E at various frequencies, making it possible to realize an engine E with excellent vibration control properties.

さらに、本実施形態では、ピストン本体２０の内部に形成された空洞部３０に動吸振器５０および粉体６０が配置されるので、これら動吸振器５０および粉体６０を用いた振動低減を図りながらも、ピストン本体２０の重量を空洞部３０の形成（特に動吸振器５０を配置するために通常のピストンよりも拡大されたメイン空洞部３１の形成）により軽減することができ、ピストン１の重量増加を全体として抑制することができる。 Furthermore, in this embodiment, the dynamic vibration absorber 50 and powder 60 are disposed in the cavity 30 formed inside the piston body 20, so that while vibrations can be reduced using the dynamic vibration absorber 50 and powder 60, the weight of the piston body 20 can be reduced by forming the cavity 30 (particularly the main cavity 31, which is larger than that of a normal piston in order to accommodate the dynamic vibration absorber 50), and the increase in weight of the piston 1 can be suppressed overall.

図１１は、動吸振器５０および粉体６０による振動低減効果を説明するための図であり、周波数に応じたピストン構造体の振動倍率の変化（振動特性）を示すグラフである。本グラフにおいて、波形Ｗ１は、動吸振器５０および粉体６０の双方を用いた場合に得られる振動特性を示し、波形Ｗ２は、動吸振器５０のみを用いた場合（粉体６０を省略した場合）に得られる振動特性を示し、波形Ｗ３は、動吸振器５０および粉体６０をいずれも省略した場合に得られる振動特性を示している。 Figure 11 is a diagram for explaining the vibration reduction effect of the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60, and is a graph showing the change in the vibration magnification (vibration characteristics) of the piston structure according to frequency. In this graph, waveform W1 shows the vibration characteristics obtained when both the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60 are used, waveform W2 shows the vibration characteristics obtained when only the dynamic vibration absorber 50 is used (when the powder 60 is omitted), and waveform W3 shows the vibration characteristics obtained when both the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60 are omitted.

図１１のグラフに示すように、動吸振器５０および粉体６０をいずれも省略したケース（波形Ｗ３）では、周波数ｆ０においてピストン構造体が共振し、振動倍率が１を遥かに超える値まで増大する。これに対し、動吸振器５０を空洞部３０に配置したケース（波形Ｗ２）では、当該動吸振器５０のダイナミックダンパ効果により、周波数ｆ０でのピストン構造体の振動（共振）が打ち消され、周波数ｆ０での振動が極小まで抑えられる。一方、動吸振器５０の追加によるバネマス系の変化に伴い、共振周波数ｆ０よりも低い第１周波数ｆ１と、共振周波数ｆ０よりも高い第２周波数ｆ２において、新たな振動のピークが発生する。言い換えると、動吸振器５０の追加は、共振周波数を離散させる効果をもたらす。ここで、エンジンＥの稼働時にピストン１に加わる燃焼圧力による起振力の周波数（起振周波数）は、共振周波数ｆ０を含む特定の周波数範囲に限定されるため、動吸振器５０の追加に伴い生じる新たなピーク振動の周波数（第１周波数ｆ１および第２周波数ｆ２）が共振周波数ｆ０から離れるほど、各周波数ｆ１，ｆ２に一致もしくは近い周波数の起振力がピストン１に加わる可能性は低くなる。ただし、動吸振器５０の構造上の制約などから、実際には、エンジンＥの稼働時に発生し得る起振周波数の範囲から第１周波数ｆ１および第２周波数ｆ２を十分に離すことは困難である。このため、空洞部３０に動吸振器５０を配置しただけでは、燃焼圧力による起振周波数が比較的低いもしくは高い運転条件のときに、エンジンＥの振動が有意に増大する可能性がある。 As shown in the graph of FIG. 11, in the case where both the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60 are omitted (waveform W3), the piston structure resonates at frequency f0, and the vibration magnification increases to a value far exceeding 1. In contrast, in the case where the dynamic vibration absorber 50 is placed in the cavity 30 (waveform W2), the dynamic damping effect of the dynamic vibration absorber 50 cancels out the vibration (resonance) of the piston structure at frequency f0, and the vibration at frequency f0 is suppressed to a minimum. On the other hand, due to the change in the spring mass system caused by the addition of the dynamic vibration absorber 50, new vibration peaks occur at the first frequency f1, which is lower than the resonance frequency f0, and the second frequency f2, which is higher than the resonance frequency f0. In other words, the addition of the dynamic vibration absorber 50 has the effect of scattering the resonance frequency. Here, the frequency of the excitation force (excitation frequency) due to the combustion pressure applied to the piston 1 when the engine E is operating is limited to a specific frequency range including the resonance frequency f0, so the further the frequency of the new peak vibration (first frequency f1 and second frequency f2) generated by the addition of the dynamic vibration absorber 50 is from the resonance frequency f0, the lower the possibility that an excitation force of a frequency equal to or close to each frequency f1 and f2 is applied to the piston 1. However, due to structural constraints of the dynamic vibration absorber 50, it is actually difficult to sufficiently separate the first frequency f1 and the second frequency f2 from the range of excitation frequencies that may occur when the engine E is operating. For this reason, simply arranging the dynamic vibration absorber 50 in the cavity 30 may significantly increase the vibration of the engine E when the operating conditions are such that the excitation frequency due to the combustion pressure is relatively low or high.

これに対し、動吸振器５０に加えて粉体６０を空洞部３０に配置したケース（波形Ｗ１）では、第１周波数ｆ１および第２周波数ｆ２での振動のピークが低下する。これは、粉体６０による摩擦熱が広範な周波数範囲においてピストン構造体の振動を低減する効果をもたらした結果であると考えられる。すなわち、波形Ｗ１のケースでは、動吸振器５０による効果（共振周波数の離散化）と粉体６０による効果（摩擦熱による振動低減）との組合せにより、第１周波数ｆ１から第２周波数ｆ２までの広い周波数範囲においてピストン構造体の振動レベルが低減されている。これにより、第１周波数ｆ１および第２周波数ｆ２が起振周波数の範囲から十分に離れていなくても、種々の運転条件におけるエンジンＥの振動を十分に抑制することが可能になる。 In contrast, in the case where the powder 60 is placed in the cavity 30 in addition to the dynamic vibration absorber 50 (waveform W1), the vibration peaks at the first frequency f1 and the second frequency f2 are reduced. This is believed to be the result of the frictional heat from the powder 60 reducing the vibration of the piston structure over a wide frequency range. That is, in the case of waveform W1, the vibration level of the piston structure is reduced over a wide frequency range from the first frequency f1 to the second frequency f2 due to the combination of the effect of the dynamic vibration absorber 50 (discretization of the resonance frequency) and the effect of the powder 60 (vibration reduction due to frictional heat). As a result, even if the first frequency f1 and the second frequency f2 are not sufficiently far from the range of the excitation frequency, it is possible to sufficiently suppress the vibration of the engine E under various operating conditions.

また、本実施形態において、動吸振器５０の第１・第２質量体５１，５２は、これを弾性的に支持する第１・第２支持部５３，５４によって空洞部３０内で上下方向（シリンダ軸方向）に振動可能に支持されるので、質量体５１，５２を空洞部３０内で安定的に支持しながら、エンジンＥの稼働時には質量体５１，５２を上下方向に振動させることができ、上述したダイナミックダンパ効果を効果的に発揮させることができる。 In addition, in this embodiment, the first and second mass bodies 51, 52 of the dynamic vibration absorber 50 are supported by the first and second support parts 53, 54 that elastically support them so that they can vibrate in the vertical direction (cylinder axial direction) within the cavity 30. Therefore, while the mass bodies 51, 52 are stably supported within the cavity 30, the mass bodies 51, 52 can be vibrated in the vertical direction when the engine E is operating, thereby effectively exerting the dynamic damping effect described above.

また、本実施形態では、動吸振器５０の第１・第２質量体５１，５２がピストン本体２０よりも密度の高い金属材料（例えば鉛）により構成されるので、このような密度の高い質量体５１，５２の逆位相の振動により上記ピストン構造体の共振を効果的に抑制することができる。 In addition, in this embodiment, the first and second mass bodies 51, 52 of the dynamic vibration absorber 50 are made of a metal material (e.g., lead) that is denser than the piston body 20, so that the antiphase vibration of these dense mass bodies 51, 52 can effectively suppress resonance of the piston structure.

また、本実施形態において、第１支持部５３（第２支持部５４）は、ピストンピン６の軸方向と平行な方向（前後方向）の一方側および他方側に延びる脚部５３ａ，５３ｂ（５４ａ，５４ｂ）を有し、各脚部５３ａ，５３ｂ（５４ａ，５４ｂ）は第１質量体５１（第２質量体５２）と一体の金属材料により構成されるので、例えばピストン１の製造時に、質量体５１（５２）および支持部５３（５４）を包み込んだ中子を用いてピストン本体２０を鋳造することにより、質量体５１（５２）が空洞部３０内で弾性的に支持された構造を得ることができ、ダイナミックダンパ効果を発揮し得る上述した動吸振器５０を適切に実現することができる。 In addition, in this embodiment, the first support portion 53 (second support portion 54) has legs 53a, 53b (54a, 54b) extending to one side and the other side in a direction (front-rear direction) parallel to the axial direction of the piston pin 6, and each leg 53a, 53b (54a, 54b) is made of a metal material that is integral with the first mass body 51 (second mass body 52). Therefore, for example, when manufacturing the piston 1, by casting the piston body 20 using a core that encases the mass body 51 (52) and the support portion 53 (54), a structure can be obtained in which the mass body 51 (52) is elastically supported within the cavity portion 30, and the dynamic vibration absorber 50 described above that can exert a dynamic damping effect can be appropriately realized.

（５）変形例
上記実施形態では、一体の中子を用いて形成された一連の空洞部３０の内部に動吸振器５０および粉体６０の双方を配置したが、例えば図１２に示すように、上下２段の空洞部１３０，１３１をピストン本体２０の内部に形成し、動吸振器５０および粉体６０を各空洞部１３０，１３１に分けて配置してもよい。すなわち、図１２の変形例において、ピストン本体２０の内部には、第１空洞部１３０と、当該第１空洞部１３０よりも下側に位置する第２空洞部１３１とが形成されており、両空洞部１３０，１３１は互いに独立した非連通の空間とされている。そして、上側の第１空間部１３０に動吸振器５０（質量体５１，５２および支持部５３，５４）が配置されるとともに、下側の第２空間部１３１に粉体６０が封入されている。 (5) Modifications In the above embodiment, both the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60 are disposed inside the series of cavities 30 formed by using an integral core, but as shown in Fig. 12, for example, two upper and lower cavities 130, 131 may be formed inside the piston body 20, and the dynamic vibration absorber 50 and the powder 60 may be disposed separately in each of the cavities 130, 131. That is, in the modification shown in Fig. 12, a first cavity 130 and a second cavity 131 located below the first cavity 130 are formed inside the piston body 20, and the two cavities 130, 131 are independent and non-communicating spaces. The dynamic vibration absorber 50 (masses 51, 52 and support parts 53, 54) are disposed in the upper first space 130, and the powder 60 is enclosed in the lower second space 131.

上記実施形態では、動吸振器として、質量体５１，５２とこれと一体の支持部５３，５４とを含む動吸振器５０を用いたが、動吸振器は、空洞部内で振動可能なように弾性的に支持された質量体を含むものであればよく、その構造は上記実施形態のものに限られない。例えば、図１３に示すように、質量体１５１，１５２と、当該質量体１５１，１５２を包み込む弾性体からなる支持部１５３，１５４とを含む動吸振器１５０を用いることが考えられる。動吸振器１５０は、上記実施形態と同様の空洞部３０（メイン空洞部３１）に粉体６０と共に配置されている。支持部１５３，１５４は、例えば、金属製の質量体１５１，１５２の外周面に接合された所定厚みの耐熱性のゴム材により構成され、動吸振器１５０が空洞部３０内の定位置に保持されるように、空洞部３０の複数の壁面と接触した状態で配置されている。このような支持部１５３，１５４を介して空洞部３０に支持された質量体１５１，１５２は、上記実施形態の質量体５１，５２と同様、エンジンの稼働時に上下方向に振動することが可能である。 In the above embodiment, the dynamic vibration absorber 50 including the mass bodies 51, 52 and the support parts 53, 54 integral therewith is used as the dynamic vibration absorber, but the dynamic vibration absorber may be any one that includes a mass body elastically supported so as to be able to vibrate within the cavity, and its structure is not limited to that of the above embodiment. For example, as shown in FIG. 13, it is possible to use a dynamic vibration absorber 150 including mass bodies 151, 152 and support parts 153, 154 made of an elastic body that encases the mass bodies 151, 152. The dynamic vibration absorber 150 is disposed together with the powder 60 in the cavity part 30 (main cavity part 31) similar to the above embodiment. The support parts 153, 154 are, for example, made of a heat-resistant rubber material of a predetermined thickness bonded to the outer circumferential surface of the metal mass bodies 151, 152, and are disposed in contact with a plurality of wall surfaces of the cavity part 30 so that the dynamic vibration absorber 150 is held in a fixed position within the cavity part 30. The mass bodies 151 and 152 supported in the cavity 30 via such supports 153 and 154 can vibrate in the vertical direction when the engine is running, similar to the mass bodies 51 and 52 in the above embodiment.

上記実施形態では、粉体６０の粒子として、所定の（１０～５０μｍの）粒径を有する硬質の球体を用いたが、粒子の形状は球形に限られず、例えば楕円球形であってもよい。また、粉体６０の粒子は一種類に限定されず、材質や形状の異なる２種類以上の粒子からなる粉体を使用することも可能である。 In the above embodiment, hard spheres having a predetermined particle size (10 to 50 μm) are used as the particles of powder 60, but the shape of the particles is not limited to a sphere and may be, for example, an elliptical sphere. Furthermore, the particles of powder 60 are not limited to one type, and it is also possible to use a powder consisting of two or more types of particles with different materials and shapes.

上記実施形態では、ガソリン直噴エンジンＥに適用されるピストン１を例示したが、本発明は、シリンダ内に往復動可能に収容されるレシプロエンジン用のピストンに広く適用可能であり、例えばディーゼルエンジン用のピストンにも本発明を適用可能である。 In the above embodiment, a piston 1 applied to a gasoline direct injection engine E is illustrated, but the present invention is broadly applicable to pistons for reciprocating engines housed in a cylinder so that they can reciprocate, and the present invention can also be applied to pistons for diesel engines, for example.

Ｅエンジン
１ピストン
２シリンダ
６ピストンピン
８クランクシャフト
９コンロッド
９ａ（コンロッドの）小端部
２０ピストン本体
３０空洞部
５０動吸振器
５１第１質量体（質量体）
５２第２質量体（質量体）
５３第１支持部（支持部）
５３ａ，５３ｂ脚部
５４第２支持部（支持部）
５４ａ，５４ｂ脚部
６０粉体 E Engine 1 Piston 2 Cylinder 6 Piston pin 8 Crankshaft 9 Connecting rod 9a (of connecting rod) small end 20 Piston body 30 Cavity 50 Dynamic vibration absorber 51 First mass (mass)
52 Second mass body (mass body)
53 First support part (support part)
53a, 53b Leg portion 54 Second support portion (support portion)
54a, 54b Legs 60 Powder

Claims

A piston reciprocally accommodated in a cylinder of an engine and connected to a crankshaft via a connecting rod,
A piston body,
a dynamic vibration absorber disposed in a sealed cavity formed inside the piston body and having a characteristic of vibrating in an opposite phase to the piston body at a predetermined frequency;
a powder that is sealed in the hollow portion and is capable of generating frictional heat when the piston body reciprocates ;
The dynamic vibration absorber includes a mass body disposed in the cavity and a support portion that connects the mass body to a wall surface of the cavity,
A piston, characterized in that the support portion elastically supports the mass body so that the mass body can vibrate in the axial direction of the cylinder .

2. The piston according to claim 1 ,
The piston, characterized in that the mass body is made of a metal material having a higher density than the piston body.

3. The piston according to claim 2 ,
the piston body is coupled to a small end of the connecting rod via a piston pin extending in a predetermined direction perpendicular to an axial direction of the cylinder,
the support portion has a pair of legs extending from the mass body to one side and the other side in the predetermined direction and fixed to a wall surface of the hollow portion,
A piston, characterized in that the pair of legs are made of a metal material that is integral with the mass body.