JP3573036B2

JP3573036B2 - ピストン構造

Info

Publication number: JP3573036B2
Application number: JP33279999A
Authority: JP
Inventors: 雅彦久保; 節雄西原; 秀樹宮本; 英雄中井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JP2001152963A

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構造、特に、ピストン本体外周部に外向開放部が形成され、その外向開放部よりピストン中心側にピンボス部を配設し、同ピンボス部をピストン頂部の内壁に一体形成したピストン構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関はその燃焼室内に供給した燃料を燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させ、その際、ピストンが燃焼ガスより受けた押圧力をクランクシャフトにコンロッドを介して回転力として伝える。この場合、ピストンはエンジン駆動時にコンロッドに対してピストンピン回りに首振り作動し、その際、ピストン頂部やスカート部を介してシリンダライナーの内壁に側圧を伝えつつ往復摺動する。このため、ピストンは全体として十分な機械的強度を要求され、その上面は高温高圧にさらされることより十分な耐熱性が要求され、特に、ピストン外周壁はシリンダ内壁と摺接することより十分な耐摩耗性を要求され、しかも、軽量化や熱伝導性をも要求されることから、アルミニウム合金で製造されることが多い。
【０００３】
また、構造的にもピストン重量をできるだけ軽減することがエンジンの高速化に有利であり、側圧低減によりシリンダライナー摩耗量低減のためにも望ましいことより、特開平２−５５８７４号公報に開示のピストンではそのピストン頂部の下壁面側に直状穴を設け、軽量化を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、要求出力に応じてリッチ運転とリーン運転を可能とすべく、燃焼室への直接燃料噴射のタイミングを調整出来る筒内噴射型の内燃機関が知られている。この筒内噴射型の内燃機関で用いるピストンは、そのピストン頂部の上面に凹部を形成し、同凹部とシリンダヘッド側の内壁とで比較的小容量の燃焼室を形成でき、同凹部に燃料噴射を行って、希薄燃焼を可能としている。
【０００５】
このようにピストン頂部に凹部を設けた場合、同ピストン頂部の形状が通常のピストンと比べて大きくなり、重量増を招き、重心がピストン本体の上部、即ち、ピストンピンよりピストン頂部側にずれ易く、しかも、形状増大化に伴い、放熱性も低減し易い。このように、ピストン頂部が比較的大きく、重量増を招き易い筒内噴射型の内燃機関で用いるピストンでは、特に、エンジンの高速化に対処する上でも、側圧低減によりシリンダライナー摩耗量を低減するためにも、ピストン重量を十分に低減させることが望まれ、単に、特開平２−５５８７４号公報に開示のように、開口より最深部まで直状穴を設けただけでは、十分な軽量化を図れない。特に、ピストン頂部が比較的大きく、重量増を招き易い筒内噴射型の内燃機関で用いるピストンでは可能な限りの重量軽減を図ることが望まれている。
本発明は、上述の課題に基づき、十分な軽量化を図れるピストン構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、ピストン外周部に形成された外向開放部と同外向開放部よりピストン中心側でピストン頂部の内壁に形成されるビンボス部とを有したピストン構造において、上記ピストン頂部に楔状突起を成す隆起部を設け、該隆起部は、エンジンの吸気ポートとの対向面側に形成された凹部と、エンジンの排気ポート対向面側に形成された傾斜壁面と、該隆起部の中央にエンジン長手方向に連続する屈曲峰部と、を有し、該屈曲峰部は、その両端部が直状をなし、中間部が上記凹部と上記傾斜壁面とが交わる湾曲峰部を備え、上記ピストン頂部の上記外向開放部との対向部に該外向開放部に向けて開口し、上記屈曲峰部の直状の両端部内に最深部が形成される中空部を設け、該中空部のピストン中心線直交面での断面形状が開口位置より穴奥位置でピストンの中心側へ拡張している。
このように、中空部のピストン中心線直交面での断面形状が、その開口位置より穴奥位置でピストンの中心側へ拡張するように形成した場合、中空部を開口断面積の割には大きな空間容積の空洞に形成できる。
【０００７】
特に、隆起部内に上記中空部の最深部が形成されたので、凹部やその近傍の隆起部を備え比較的ピストン頂部が重量増を招き易いピストンの軽量化を十分に図ることができ、このピストンの首振り運動による側圧を低減し、ピストンを採用する内燃機関、たとえば、筒内噴射型の内燃機関のオイル消費量（ＬＯＣ）、ブローバイガス量、スラップ音、摩擦損失の低減を十分に図れる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態としてのピストン構造を採用したピストン１を示した。このピストン１は筒内噴射型内燃機関（以下単にエンジン２と記す）に装着される。なお、エンジン２は４サイクル４弁式で直列４気筒であるが、各気筒の構成が同一であり、ここでは１の気筒のピストン１に関して主に説明する。エンジン２はヘッドカバー３付きのシリンダヘッド４と、その下側のシリンダブロック５と、図示しないクランクケース及びクランクカバーをこの順に重ねて一体化して本体外郭部を形成している。エンジン２の本体内部には、シリンダブロック５の一部を成しピストン１を嵌挿したシリンダライナー６と、ピストン１とシリンダヘッド４の内壁４０１とに挟まれた燃焼室７と、燃焼室７に連通可能な各一対の吸排気ポート８、９（一方側のみ図示した）と、これら吸排気ポートを開閉する各一対の吸排気弁１１、１２（一方側のみ図示した）と、これらを駆動する図示しない動弁系と、ピストン１の往復動を回転運動に変換する図示しないクランクシャフト及びコンロッド１３等が配備される。
【０００９】
ここでのシリンダヘッド４はシリンダライナー６の中心に沿ったシリンダ軸線Ｌを含む図示しない縦向き平面を配備したと仮定し、その縦向き平面を挾んで一方側に一対の吸気ポート（手前側のみ図示した）８を他方側に一対の排気ポート９（手前側のみ図示した）をそれぞれ備える。なお、シリンダヘッド４に形成され燃焼室７と対向する内壁４０１は紙面垂直方向に長い楔状凹部として形成され、その楔状凹部を成す内壁４０１の左側部位に吸気弁１１で開閉される吸気ポート８が、右側部位に排気弁１２で開閉される排気ポート９がそれぞれ形成される。更に、楔状凹部を成す内壁４０１のほぼ中央位置には点火プラグ１４が装着され，吸気ポート８のシリンダ外周側部位にはインジェクタ１５が装着される。シリンダライナー６に嵌着されるピストン１は実線で示す上死点ＴＤＣ位置と、図示しない下方の下死点ＢＤＣ位置との間で往復動する。
【００１０】
図１〜図５に示すようにピストン１は燃焼室７と対向するピストン頂部１６と、シリンダライナー５に対向するスカート部１７と、そのスカート部１７の一部をピストン中央側に退却させ外向開放部として形成した外向窪み部１８と、ピストン頂部１６の内側壁である下壁より下方に突設された一対のピンボス部１９とを備える。
ピストン頂部１６はその上面に凹部２０及び隆起部２１を形成している。凹部２０及び隆起部２１はほぼシリンダ軸線Ｌに沿った吸気ポート８を経て降下流動してきた吸気をスムーズに反転し、逆タンブル流ＴＦとして流動させるべく形成される。なお、隆起部２１はその上面が楔状凹部を成す内壁４０１に一様に対向するような楔状突部を成し、吸気ポート１２との対向面側に凹部２０を偏らせて形成し、排気ポート１３との対向面側に傾斜壁面ｆを形成し、中央にエンジン本体の長手方向Ａ（図３参照）に連続する屈曲峰部ｅを形成する。なお、屈曲峰部ｅはその両端部が直状を成し、中間部が凹部２０と傾斜壁面ｆとが交わる湾曲峰部として形成される。このため、ピストン２が上死点ＴＤＣに移動した際に、傾斜壁面ｆと楔状凹部を成す内壁４０１により挟まれたすき間からのエアが峰部ｅを越えて、凹部２０側にスキッシュ流ＳＦとして押し出され、逆タンブル流ＴＦの反転流動を助長できる。
【００１１】
図２に示すように、ピストン頂部１６はその外周壁部１６１に複数のピストンリング用のリング溝２２、２３およびオイルリング用のリング溝３０がこの順で上下方向に互いに所定間隔を隔てて形成される。なお、符号ｇはオイル抜き穴を示す。図４、図５に示すように、ピストン頂部１６の内壁面である下壁面に突出し形成されるピンボス部１７は軸受状を成し、エンジン本体の長手方向Ａ（図３参照）に向けて一対配備され、これらの端部はピストン外周縁と間隔Ｃを介しピストン中央側に位置し、間隔Ｃの空間を成す外向開放部としての外向窪み部１８と対向する。
【００１２】
図４に示すように、ピストン１本体の下部側を構成するスカート部１７は変形円筒状を成し、即ち、外周壁部１６１よりそのまま下方に延出形成された周縁主部１７１と、これら周縁主部１７１より外向窪み部１８を回避すべくピストン中心側に湾曲しピンボス部１９の長手方向の中間部に一体結合されるピンボス対向部１７２とを有する。ここで、互いに対向する周縁主部１７１はシリンダライナー６に摺接でき、ピストン１が受ける側圧をシリンダライナー６に摺接面より伝達可能に形成される。ピンボス対向部１７２は互いに対向配備される周縁主部１７１を連結しそれらの剛性強化を図ると共にピンボス部１７の補強をも行える。ピストン頂部１６の下壁で外向窪み部１８と対向する下向き壁面ｆ１にはこの外向窪み部１８に向けて、即ち、下方に向けて開口する中空部２７がそれぞれ形成される。
【００１３】
中空部２７はシリンダ軸線と一致するピストン中心線Ｌの直交面（図示せず）での断面形状が、図４、図５に示すように、その開口位置ｈ１の近傍で偏平した略楕円型に形成され、隆起部２１の内側に達する穴奥位置ｈ２の最深部では開口位置ｈ１側より大きな略楕円型（図４に破線で示した）に形成される。即ち、穴奥位置ｈ２の最深部では開口位置ｈ１側の断面形状より、幅αだけ中央側内壁面ｆ２がピストン中心線Ｌ側である中央側に拡張して形成され、ピストン周方向の両側幅もβずつ拡大形成されている。ここで、図５より明らかなように、隆起部２１はピンボス部１９との間にピストン長手方向である上下方向に十分な間隔を有しており、ピンボス部１９の上方に所定の縦幅ｋを確保してピンボス部１７が受けた入力を分散するように構成したので、その上側に空洞状の最深部を設けても強度的に問題が生じることはない。これにより、穴奥位置ｈ２に開口位置ｈ１より断面形状が十分に拡大した空洞状の最深部を設け、ピストンの軽量化を十分に図ることができる。なお、中空部２７のピストン外周縁側の内壁面ｆ３はリング溝２２、２３，３０と近接することより、同部の強度確保を考慮し、その位置が設定され、しかも、鋳造時の中子の抜き取りを容易化するための傾斜角δの設定が成されている。
【００１４】
このようなエンジン２は吸入行程で吸気ポートより吸気を受け、圧縮行程で吸気を逆タンブル流ＴＦとして旋回させつつ圧縮し、リーン運転域あるいはリーン以外の運転域に応じて圧縮行程あるいは吸気行程で燃料噴射弁１５から燃料を噴霧し、ピストン１が圧縮上死点ＴＤＣ直前で燃焼室７の混合気が点火プラグ１４で着火処理され、燃焼行程へと進む。その燃焼行程でピストン頂部１６が受けた燃焼ガス圧の合力は各ピンボス部１９よりピストンピン２４、コンロッド１３を介し図示しないクランクシャフト側に回転力として出力される。
【００１５】
このようなエンジン２の駆動時に、ピストン１はそのピストン頂部１６で受けたガス圧をピンボス部１９の上方に所定の縦幅ｋを確保した部位よりピストンピン２４に十分な剛性を保って伝達できる。このピストン摺動時にピストン１中心線Ｌに対し、コンロッド１３が傾斜角を変化させ、その際生じる側圧はシリンダライナー６内を摺動するスカート部１７の周縁主部１７１を通してシリンダライナー６に受けとめられる。この場合、ピストン頂部１６は中空部２７が形成され、特に、隆起部２１が凹部２０の近傍まで十分に肉抜きされ、軽量化を図られている。
【００１６】
この結果、比較的重心位置をピストンピン２４近傍に接近させることができることより、ピストン１のピストンピン２４回りの首振り作動を減少させることができ側圧が低く抑えられる。このため、シリンダライナー６に対するフリクションの増加、炭化物付着量増加、ＬＯＣ増加を抑えることができ、シリンダライナー６の経時的な摩耗量を低減でき、エンジン２のブローバイガス量やスラップ音の低減を十分に図れる。
更に、ピストン１の降下作動時に中空部２７にはシリンダライナー６よりかき取られたオイルが開口位置ｈ１より穴奥位置ｈ２に流入し、ピストン１の上昇時に排除され、この作動の繰り返しにより中空部２７に流入したオイルが隆起部２１を冷却処理できる。
【００１７】
上述のところで、ピストン１はそのピストン頂部１６の一対の外向窪み部１８に中空部２７をそれぞれ形成していたが、これに代えて、図６、図７に示すようにピストン１ａを構成しても良い。このピストン１ａは図１のピストン１に代えてエンジン１に装着でき、重複部分の説明を略す。
ピストン１ａはそのピストン頂部１６ａに一対の中空部２７ａをそれぞれ形成され、しかも、これら両中空部２７ａを互いに一対の湾曲油路２８で連通させ、全体として平面視が環状のクーリングチャンネル２９を形成している。この場合、ピストン頂部１６ａの外周壁部１６１ａは比較的肉厚に形成され、この部位に湾曲油路２８を形成している。なお、各湾曲油路２８の複数の適所には下向き開口２８１が形成され、これら下向き開口２８１も中空部２７の開口と同様にピストン１ａの上昇、降下時にオイルを十分に給排処理できる。
【００１８】
このピストン１ａも、図１のピストン１と同様の作用効果が得られ、特に、ピストン１の放熱特性をより改善でき、重量増を抑えることができる。
図１のピストン１はそのスカート部１７の一部をピストン中央側に退却させ外向開放部空域として外向窪み部１８を形成していたが、場合によりスカート部１７のピンボス対向部１７２を排除し、周縁主部１７１のみとして形成してもよく、この場合の図示しないピストンには外向開放部としての外向切欠部を設け、同切欠部と対向するピストン頂部側の下壁面に中空部を形成することとなり、この場合も図１のピストン１と同様の作用効果を得られる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明は、中空部のピストン中心線直交面での断面形状が、その開口位置より穴奥位置でピストンの中心側へ拡張するように形成したので、この場合、中空部を開口断面積の割には大きな空間容積の空洞に形成でき、凹部やその近傍の隆起部を備え比較的ピストン頂部が重量増を招き易いピストンの軽量化を十分に図ることができ、このピストンの首振り運動による側圧を低減し、このピストンを採用する内燃機関のブローバイガス量、スラップ音や摩擦損失の低減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのピストン構造を適用したエンジンの要部概略断面図である。
【図２】図１中のピストンの拡大側面図である。
【図３】図１中のピストンの平面図である。
【図４】図２のＸ−Ｘ線断面図である。
【図５】図２のＹ−Ｙ線断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態としてのピストン構造が適用されたピストンの拡大平面図である。
【図７】図６のピストンの側断面図である。
【符号の説明】
１ピストン
２エンジン
１６ピストン頂部
１８外向開放部（外向窪み部）
１９ピンボス部
２７中空部
ｈ１開口位置
ｈ２穴奥位置
Ｌピストン中心線

Claims

ピストン外周部に形成された外向開放部と同外向開放部よりピストン中心側でピストン頂部の内壁に形成されるビンボス部とを有したピストン構造において、
上記ピストン頂部に楔状突起を成す隆起部を設け、
該隆起部は、
エンジンの吸気ポートとの対向面側に形成された凹部と、
エンジンの排気ポート対向面側に形成された傾斜壁面と、
該隆起部の中央にエンジン長手方向に連続する屈曲峰部と、を有し、
該屈曲峰部は、その両端部が直状をなし、中間部が上記凹部と上記傾斜壁面とが交わる湾曲峰部を備え、
上記ピストン頂部の上記外向開放部との対向部に該外向開放部に向けて開口し、上記屈曲峰部の直状の両端部内に最深部が形成される中空部を設け、
該中空部のピストン中心線直交面での断面形状が開口位置より穴奥位置でピストンの中心側へ拡張していることを特徴とするピストン構造。