JP2000257504A - 内燃機関用ピストン - Google Patents
内燃機関用ピストンInfo
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- JP2000257504A JP2000257504A JP11057308A JP5730899A JP2000257504A JP 2000257504 A JP2000257504 A JP 2000257504A JP 11057308 A JP11057308 A JP 11057308A JP 5730899 A JP5730899 A JP 5730899A JP 2000257504 A JP2000257504 A JP 2000257504A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】全行程でのピストンとシリンダの摩擦損失、膨
張行程での運動エネルギ損失、更にピストンスカート部
のシリンダ壁に対するWear loadを低減する。 【解決手段】スカート部３は、反スラスト側の最大径位
置Ｂ６よりスラスト側の最大径位置Ａ５をピストン軸方
向Ｌ１に対して上方に配置した最大径曲面Ａ４〜Ａ６及
びＢ５〜Ｂ７と、スラスト側及び反スラスト側の各最大
径位置Ａ５，Ｂ６からピストン軸方向Ｌ１の上方に連続
し、スラスト側のピストン縮径方向の逃げ量Ａ０より反
スラスト側のピストン縮径方向の逃げ量Ｂ０が大きい上
側湾曲面Ａ１〜Ａ３及びＢ１〜Ｂ４と、スラスト側及び
反スラスト側の各最大径位置Ａ５、Ｂ６からピストン軸
方向Ｌ１の下方に連続する下側湾曲面Ａ７〜Ａ１２及び
Ｂ８〜Ｂ１２とがピストン外周方向に連続して滑らかに
形成されている。
張行程での運動エネルギ損失、更にピストンスカート部
のシリンダ壁に対するWear loadを低減する。 【解決手段】スカート部３は、反スラスト側の最大径位
置Ｂ６よりスラスト側の最大径位置Ａ５をピストン軸方
向Ｌ１に対して上方に配置した最大径曲面Ａ４〜Ａ６及
びＢ５〜Ｂ７と、スラスト側及び反スラスト側の各最大
径位置Ａ５，Ｂ６からピストン軸方向Ｌ１の上方に連続
し、スラスト側のピストン縮径方向の逃げ量Ａ０より反
スラスト側のピストン縮径方向の逃げ量Ｂ０が大きい上
側湾曲面Ａ１〜Ａ３及びＢ１〜Ｂ４と、スラスト側及び
反スラスト側の各最大径位置Ａ５、Ｂ６からピストン軸
方向Ｌ１の下方に連続する下側湾曲面Ａ７〜Ａ１２及び
Ｂ８〜Ｂ１２とがピストン外周方向に連続して滑らかに
形成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スラスト側と反ス
ラスト側が非対称なバレル型の縦断面プロフィールを有
する内燃機関用ピストンに関する。
ラスト側が非対称なバレル型の縦断面プロフィールを有
する内燃機関用ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、内燃機関用ピストンのスカー
ト部の縦断面プロフィールを、釣り鐘型やバレル型等に
形成することにより、ピストンスラップやピストン側壁
とシリンダ壁との摩擦抵抗を低減する技術が知られてい
る。
ト部の縦断面プロフィールを、釣り鐘型やバレル型等に
形成することにより、ピストンスラップやピストン側壁
とシリンダ壁との摩擦抵抗を低減する技術が知られてい
る。
【０００３】従来、上記縦断面プロフィールは試行錯誤
の結果で決定されるため膨大な時間を要していたが、近
年のシミュレーション技術の発達によりピストンの熱膨
張等を考慮した設計が可能になりつつある。この結果、
例えば、特開平９−２５８４９号公報には、内燃機関用
ピストンの縦断面プロフィールをスラスト側と反スラス
ト側とで非対称に形成してピストンスラップを低減する
ものが提案されている。
の結果で決定されるため膨大な時間を要していたが、近
年のシミュレーション技術の発達によりピストンの熱膨
張等を考慮した設計が可能になりつつある。この結果、
例えば、特開平９−２５８４９号公報には、内燃機関用
ピストンの縦断面プロフィールをスラスト側と反スラス
ト側とで非対称に形成してピストンスラップを低減する
ものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、レシプロエン
ジン用ピストンの特性を表わす指標として、運動エネル
ギ損失（スラップ）、Wear load（スカッフ）及び摩擦
損失が参照される。
ジン用ピストンの特性を表わす指標として、運動エネル
ギ損失（スラップ）、Wear load（スカッフ）及び摩擦
損失が参照される。
【０００５】運動エネルギ損失Ｅ１は、図４に示すよ
うに、ピストン質量ｍ、ピストンの平行移動速度ｖｅ、
ピストンピンまわりの回転速度ｖｒとすると下記式１の
ようにエネルギの時間変化率で表される。
うに、ピストン質量ｍ、ピストンの平行移動速度ｖｅ、
ピストンピンまわりの回転速度ｖｒとすると下記式１の
ようにエネルギの時間変化率で表される。
【０００６】 Ｅ１＝ｄ／ｄｔ｛ｍｖｅ＾２／２＋ｍｖｒ＾２／２｝・・・（１） 但し、＾２は二乗を表わす。
【０００７】ピストンはシリンダ壁に対して摺動しなが
ら往復運動するため、図２及び図３に示すように、ピス
トンとクランク軸とを連接するコンロッドからピストン
軸に作用する力ｆの分力ｆ１により圧縮行程（図２）か
ら圧縮上死点でスラスト側に押し付けられると共に、分
力ｆ２により圧縮上死点から膨張行程（図３）で反スラ
スト側に突き当てられる。更に、圧縮上死点から膨張行
程では、反スラスト側からスラスト側にピストンピン４
のまわりに回動してスカート部３がシリンダ壁に接触し
てスラップ音が発生する。従って、運動エネルギ損失Ｅ
１を低減することによりスラップ音が低減できるのであ
る。
ら往復運動するため、図２及び図３に示すように、ピス
トンとクランク軸とを連接するコンロッドからピストン
軸に作用する力ｆの分力ｆ１により圧縮行程（図２）か
ら圧縮上死点でスラスト側に押し付けられると共に、分
力ｆ２により圧縮上死点から膨張行程（図３）で反スラ
スト側に突き当てられる。更に、圧縮上死点から膨張行
程では、反スラスト側からスラスト側にピストンピン４
のまわりに回動してスカート部３がシリンダ壁に接触し
てスラップ音が発生する。従って、運動エネルギ損失Ｅ
１を低減することによりスラップ音が低減できるのであ
る。
【０００８】Wear load（スカッフ）Ｗは、図５に示
すように、ピストンからシリンダ壁に作用する圧力Ｐ
ｃ、ピストンのシリンダ壁に対する摺動速度ｖｓとする
と下記式２のように圧力Ｐｃ及び摺動速度ｖｓを夫々面
積ｄｓ及び１サイクル期間ｄｔで積分した値で表され
る。
すように、ピストンからシリンダ壁に作用する圧力Ｐ
ｃ、ピストンのシリンダ壁に対する摺動速度ｖｓとする
と下記式２のように圧力Ｐｃ及び摺動速度ｖｓを夫々面
積ｄｓ及び１サイクル期間ｄｔで積分した値で表され
る。
【０００９】 Ｗ＝∫∫Ｐｃ・ｖｓ ｄｓ・ｄｔ・・・（２） Wear load（スカッフ）Ｗはピストンスカート部とシリ
ンダ壁との接触面において、ピストンスカート部からシ
リンダ壁に作用する荷重であり、ピストンとシリンダ壁
とが完全に潤滑されていれば零の値となる。従って、We
ar loadＷを低減することによりピストンとシリンダ壁
との当たりが小さくなるのである。
ンダ壁との接触面において、ピストンスカート部からシ
リンダ壁に作用する荷重であり、ピストンとシリンダ壁
とが完全に潤滑されていれば零の値となる。従って、We
ar loadＷを低減することによりピストンとシリンダ壁
との当たりが小さくなるのである。
【００１０】摩擦損失は、シリンダの行程容積Ｖ、エ
ンジン回転数Ｎｒｐｍ、エンジンの摩擦出力ＮｆｋＷと
すると下記式（３）の摩擦平均有効圧力Ｐｆで表され
る。
ンジン回転数Ｎｒｐｍ、エンジンの摩擦出力ＮｆｋＷと
すると下記式（３）の摩擦平均有効圧力Ｐｆで表され
る。
【００１１】 Ｐｆ＝（１２０×Ｎｆ）／（Ｎ×Ｖ）・・・（３） 従って、摩擦平均有効圧力Ｐｆを低減することによりピ
ストンのシリンダ壁との摩擦による損失を低減できるの
である。
ストンのシリンダ壁との摩擦による損失を低減できるの
である。
【００１２】上記公報記載の従来技術では、スラスト側
のピストンスカート部の最大径部がピストンピンの中心
軸と略同じ高さに位置させてスラップ音の低減を図って
いるが、上記運動エネルギ損失、Wear load及び摩擦損
失の低減について何ら示唆されておらず、これらを解決
するのに十分なピストン特性を得られるのか不明であ
る。
のピストンスカート部の最大径部がピストンピンの中心
軸と略同じ高さに位置させてスラップ音の低減を図って
いるが、上記運動エネルギ損失、Wear load及び摩擦損
失の低減について何ら示唆されておらず、これらを解決
するのに十分なピストン特性を得られるのか不明であ
る。
【００１３】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、全行程でのピストンとシリンダの摩擦損失、膨
張行程での運動エネルギ損失、更にピストンスカート部
のシリンダ壁に対するWear loadを低減できる内燃機関
用ピストンを提供することである。
目的は、全行程でのピストンとシリンダの摩擦損失、膨
張行程での運動エネルギ損失、更にピストンスカート部
のシリンダ壁に対するWear loadを低減できる内燃機関
用ピストンを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の内燃機関用ピストンは、
ピストンピンが軸支されるボス部と、スラスト側と反ス
ラスト側が非対称なバレル型の縦断面プロフィールを有
するスカート部とを備える内燃機関用ピストンにおい
て、前記スカート部は、前記反スラスト側の最大径位置
よりスラスト側の最大径位置をピストン軸方向に対して
上方に配置した最大径部と、前記スラスト側及び反スラ
スト側の各最大径位置からピストン軸方向の上方に連続
し、該スラスト側より反スラスト側のピストン径方向の
逃げ量が大きい上側湾曲部と、前記スラスト側及び反ス
ラスト側の各最大径位置からピストン軸方向の下方に連
続する下側湾曲部とを有する。
的を達成するために、本発明の内燃機関用ピストンは、
ピストンピンが軸支されるボス部と、スラスト側と反ス
ラスト側が非対称なバレル型の縦断面プロフィールを有
するスカート部とを備える内燃機関用ピストンにおい
て、前記スカート部は、前記反スラスト側の最大径位置
よりスラスト側の最大径位置をピストン軸方向に対して
上方に配置した最大径部と、前記スラスト側及び反スラ
スト側の各最大径位置からピストン軸方向の上方に連続
し、該スラスト側より反スラスト側のピストン径方向の
逃げ量が大きい上側湾曲部と、前記スラスト側及び反ス
ラスト側の各最大径位置からピストン軸方向の下方に連
続する下側湾曲部とを有する。
【００１５】また、好ましくは、前記スラスト側の最大
径位置は、前記ピストンピンの軸中心の近傍にある。
径位置は、前記ピストンピンの軸中心の近傍にある。
【００１６】また、好ましくは、前記下側湾曲部は、前
記スラスト側より反スラスト側のピストン径方向の逃げ
量が大きい。
記スラスト側より反スラスト側のピストン径方向の逃げ
量が大きい。
【００１７】また、好ましくは、前記反スラスト側にお
いて、前記下側湾曲部の下端より前記上側湾曲部上端の
ピストン径方向の逃げ量が大きい。
いて、前記下側湾曲部の下端より前記上側湾曲部上端の
ピストン径方向の逃げ量が大きい。
【００１８】また、好ましくは、前記ピストンピンの軸
方向の中心は前記ピストンの軸方向の中心に対して所定
距離オフセットして配設されている。
方向の中心は前記ピストンの軸方向の中心に対して所定
距離オフセットして配設されている。
【００１９】また、好ましくは、前記スカート部におけ
るピストン径方向の断面形状は、前記ピストンピンの軸
方向を短径とする略楕円になっている。
るピストン径方向の断面形状は、前記ピストンピンの軸
方向を短径とする略楕円になっている。
【００２０】また、好ましくは、前記スラスト側及び反
スラスト側の縦断面プロフィールは夫々周方向に連続し
ている。
スラスト側の縦断面プロフィールは夫々周方向に連続し
ている。
【００２１】
【発明の効果】以上説明のように、請求項１の発明によ
れば、内燃機関用ピストンのスカート部は、反スラスト
側の最大径位置よりスラスト側の最大径位置をピストン
軸方向に対して上方に配置した最大径部と、スラスト側
及び反スラスト側の各最大径位置からピストン軸方向の
上方に連続し、スラスト側より反スラスト側のピストン
径方向の逃げ量が大きい上側湾曲部と、スラスト側及び
反スラスト側の各最大径位置からピストン軸方向の下方
に連続する下側湾曲部とを有することにより、全行程で
のピストンとシリンダの摩擦損失、膨張行程での運動エ
ネルギ損失、更にピストンスカート部のシリンダ壁に対
するWear loadを低減できる。
れば、内燃機関用ピストンのスカート部は、反スラスト
側の最大径位置よりスラスト側の最大径位置をピストン
軸方向に対して上方に配置した最大径部と、スラスト側
及び反スラスト側の各最大径位置からピストン軸方向の
上方に連続し、スラスト側より反スラスト側のピストン
径方向の逃げ量が大きい上側湾曲部と、スラスト側及び
反スラスト側の各最大径位置からピストン軸方向の下方
に連続する下側湾曲部とを有することにより、全行程で
のピストンとシリンダの摩擦損失、膨張行程での運動エ
ネルギ損失、更にピストンスカート部のシリンダ壁に対
するWear loadを低減できる。
【００２２】請求項２の発明によれば、スラスト側の最
大径位置はピストンピンの軸中心の近傍にあることによ
り、ピストンピン近傍のスラスト側のスカート部とシリ
ンダ壁との間隔を小さくして、膨張行程におけるスラッ
プ音を低減できる。
大径位置はピストンピンの軸中心の近傍にあることによ
り、ピストンピン近傍のスラスト側のスカート部とシリ
ンダ壁との間隔を小さくして、膨張行程におけるスラッ
プ音を低減できる。
【００２３】請求項３の発明によれば、下側湾曲部は、
スラスト側より反スラスト側のピストン径方向の逃げ量
が大きいことにより、反スラスト側の摩擦抵抗を低減で
きる。
スラスト側より反スラスト側のピストン径方向の逃げ量
が大きいことにより、反スラスト側の摩擦抵抗を低減で
きる。
【００２４】請求項４の発明によれば、反スラスト側に
おいて、下側湾曲部の下端より上側湾曲部上端のピスト
ン径方向の逃げ量が大きいことにより、圧縮行程におい
て反スラスト側からスラスト側に油膜反力が作用して、
ピストンをスラスト側に回動させるため、反スラスト側
の上側湾曲部上端とシリンダ壁との摩擦を低減できる。
おいて、下側湾曲部の下端より上側湾曲部上端のピスト
ン径方向の逃げ量が大きいことにより、圧縮行程におい
て反スラスト側からスラスト側に油膜反力が作用して、
ピストンをスラスト側に回動させるため、反スラスト側
の上側湾曲部上端とシリンダ壁との摩擦を低減できる。
【００２５】請求項５の発明によれば、ピストンピンの
軸方向の中心はピストンの軸方向の中心に対して所定距
離オフセットして配設されていることにより、膨張行程
におけるピストンのスラスト側への回動モーメントを相
殺してスラップ音を低減できる。
軸方向の中心はピストンの軸方向の中心に対して所定距
離オフセットして配設されていることにより、膨張行程
におけるピストンのスラスト側への回動モーメントを相
殺してスラップ音を低減できる。
【００２６】請求項６の発明によれば、スカート部にお
けるピストン径方向の断面形状は、ピストンピンの軸方
向を短径とする略楕円になっていることにより、ピスト
ンピンに沿ってピストン拡径方向に熱膨張して状態でも
スカート部の縦断面プロフィールが変形しないで略真円
となる。
けるピストン径方向の断面形状は、ピストンピンの軸方
向を短径とする略楕円になっていることにより、ピスト
ンピンに沿ってピストン拡径方向に熱膨張して状態でも
スカート部の縦断面プロフィールが変形しないで略真円
となる。
【００２７】請求項７の発明によれば、スラスト側及び
反スラスト側の縦断面プロフィールは夫々周方向に連続
していることにより、スカート部の全周が容易に加工で
きる。
反スラスト側の縦断面プロフィールは夫々周方向に連続
していることにより、スカート部の全周が容易に加工で
きる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】図１は、本実施形態のピストンのスカート
部の縦断面プロフィールを示す図である。
部の縦断面プロフィールを示す図である。
【００３０】図１に示すように、ピストン１はレシプロ
エンジンに使用される内燃機関用ピストンで、クラウン
部２とスカート部３が鍛造又は鋳造により一体的に形成
されている。スカート部３はピストンピン４を挿通する
ピン孔６が形成されたボス部を備える。ピストンピン４
はピン孔６でピストン１に対して回転自在に軸支される
と共に、不図示のコンロッドを回転自在に軸支する。ク
ラウン部２には、複数のピストンリング溝５がピストン
周方向に形成されている。
エンジンに使用される内燃機関用ピストンで、クラウン
部２とスカート部３が鍛造又は鋳造により一体的に形成
されている。スカート部３はピストンピン４を挿通する
ピン孔６が形成されたボス部を備える。ピストンピン４
はピン孔６でピストン１に対して回転自在に軸支される
と共に、不図示のコンロッドを回転自在に軸支する。ク
ラウン部２には、複数のピストンリング溝５がピストン
周方向に形成されている。
【００３１】本実施形態のピストン１は、ピストン本体
の中心軸Ｌ１を通る平面のうち、ピン孔６に挿通された
ピストンピン４の中心軸Ｌ２に平行な平面を基準とし
て、スカート部３のスラスト側と反スラスト側が非対称
なバレル型の縦断面プロフィールを有する。
の中心軸Ｌ１を通る平面のうち、ピン孔６に挿通された
ピストンピン４の中心軸Ｌ２に平行な平面を基準とし
て、スカート部３のスラスト側と反スラスト側が非対称
なバレル型の縦断面プロフィールを有する。
【００３２】本実施形態では、スラスト側の最大径位置
をピストンピン位置と略同じ高さとし、運動エネルギ損
失を低減することによりスラップ音を低減でき、反スラ
スト側のスカート部のピストン縮径方向への逃げ量を大
きくすることでWear load（スカッフ）や摩擦損失を低
減している。
をピストンピン位置と略同じ高さとし、運動エネルギ損
失を低減することによりスラップ音を低減でき、反スラ
スト側のスカート部のピストン縮径方向への逃げ量を大
きくすることでWear load（スカッフ）や摩擦損失を低
減している。
【００３３】スカート部３は、反スラスト側の最大径位
置Ｂ６よりスラスト側の最大径位置Ａ５をピストン軸方
向Ｌ１に対して上方に配置した最大径曲面（図１の領域
Ａ４〜Ａ６及びＢ５〜Ｂ７）と、スラスト側及び反スラ
スト側の各最大径位置Ａ５，Ｂ６からピストン軸方向Ｌ
１の上方に連続し、スラスト側のピストン縮径方向の逃
げ量Ａ０より反スラスト側のピストン縮径方向の逃げ量
Ｂ０が大きい上側湾曲面（図１の領域Ａ１〜Ａ３及びＢ
１〜Ｂ４）と、スラスト側及び反スラスト側の各最大径
位置Ａ５、Ｂ６からピストン軸方向Ｌ１の下方に連続す
る下側湾曲面（図１の領域Ａ７〜Ａ１２及びＢ８〜Ｂ１
２）とがピストン外周方向に連続して滑らかに形成され
ている。尚、上記上側湾曲面及び下側湾曲面（更に特許
請求の範囲に記載した上側湾曲部及び下側湾曲部）はテ
ーパ形状を含むことは言うまでもない。
置Ｂ６よりスラスト側の最大径位置Ａ５をピストン軸方
向Ｌ１に対して上方に配置した最大径曲面（図１の領域
Ａ４〜Ａ６及びＢ５〜Ｂ７）と、スラスト側及び反スラ
スト側の各最大径位置Ａ５，Ｂ６からピストン軸方向Ｌ
１の上方に連続し、スラスト側のピストン縮径方向の逃
げ量Ａ０より反スラスト側のピストン縮径方向の逃げ量
Ｂ０が大きい上側湾曲面（図１の領域Ａ１〜Ａ３及びＢ
１〜Ｂ４）と、スラスト側及び反スラスト側の各最大径
位置Ａ５、Ｂ６からピストン軸方向Ｌ１の下方に連続す
る下側湾曲面（図１の領域Ａ７〜Ａ１２及びＢ８〜Ｂ１
２）とがピストン外周方向に連続して滑らかに形成され
ている。尚、上記上側湾曲面及び下側湾曲面（更に特許
請求の範囲に記載した上側湾曲部及び下側湾曲部）はテ
ーパ形状を含むことは言うまでもない。
【００３４】スラスト側及び反スラスト側の各最大径位
置Ａ５、Ｂ６からの逃げ量を表１に示す。
置Ａ５、Ｂ６からの逃げ量を表１に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】表１に示すように、反スラスト側の最大径
位置Ｂ６よりスラスト側の最大径位置Ａ５をピストン軸
方向Ｌ１に対して上方に配置したことにより、図６に示
す圧縮行程での反スラスト側のくさび領域（最大径位置
より上方のピストンスカート部３とシリンダ壁の隙間）
Ｒ１がスラスト側のくさび領域Ｒ２よりピストン軸方向
に長くなる。即ち、圧縮行程においてくさび領域Ｒ１及
びＲ２に潤滑油が満たされたとき、ピストン軸方向に長
いくさび領域Ｒ１に発生する油膜反力はくさび領域Ｒ２
に発生する油膜反力より大きいので、ピストン１にはピ
ストン縮径方向の油膜反力Ｐ１が作用する。この油膜反
力Ｐ１は、図２に示す分力ｆ１を相殺し、ピストン１の
右回りの回動を防止するように作用するので、Wear loa
d（スカッフ）Ｗを低減でき、ピストン１の傾きが小さ
くなるのでスラップ音の低減もできる。
位置Ｂ６よりスラスト側の最大径位置Ａ５をピストン軸
方向Ｌ１に対して上方に配置したことにより、図６に示
す圧縮行程での反スラスト側のくさび領域（最大径位置
より上方のピストンスカート部３とシリンダ壁の隙間）
Ｒ１がスラスト側のくさび領域Ｒ２よりピストン軸方向
に長くなる。即ち、圧縮行程においてくさび領域Ｒ１及
びＲ２に潤滑油が満たされたとき、ピストン軸方向に長
いくさび領域Ｒ１に発生する油膜反力はくさび領域Ｒ２
に発生する油膜反力より大きいので、ピストン１にはピ
ストン縮径方向の油膜反力Ｐ１が作用する。この油膜反
力Ｐ１は、図２に示す分力ｆ１を相殺し、ピストン１の
右回りの回動を防止するように作用するので、Wear loa
d（スカッフ）Ｗを低減でき、ピストン１の傾きが小さ
くなるのでスラップ音の低減もできる。
【００３７】また、スラスト側及び反スラスト側の下側
湾曲面（図１の領域Ａ７〜Ａ１２及びＢ８〜Ｂ１２）に
おいてスラスト側のくさび領域Ｒ３が反スラスト側のく
さび領域Ｒ４よりピストン軸方向に長くなるので、図７
に示す膨張行程ではくさび領域Ｒ３及びＲ４に潤滑油が
満たされたとき、ピストン軸方向に長いくさび領域Ｒ３
に発生する油膜反力はくさび領域Ｒ４に発生する油膜反
力より大きいので、ピストン１にはピストン縮径方向の
油膜反力Ｐ３が作用する。この油膜反力Ｐ３は、図３に
示す分力ｆ２を相殺してWear load（スカッフ）Ｗを低
減できる。
湾曲面（図１の領域Ａ７〜Ａ１２及びＢ８〜Ｂ１２）に
おいてスラスト側のくさび領域Ｒ３が反スラスト側のく
さび領域Ｒ４よりピストン軸方向に長くなるので、図７
に示す膨張行程ではくさび領域Ｒ３及びＲ４に潤滑油が
満たされたとき、ピストン軸方向に長いくさび領域Ｒ３
に発生する油膜反力はくさび領域Ｒ４に発生する油膜反
力より大きいので、ピストン１にはピストン縮径方向の
油膜反力Ｐ３が作用する。この油膜反力Ｐ３は、図３に
示す分力ｆ２を相殺してWear load（スカッフ）Ｗを低
減できる。
【００３８】スラスト側の最大径位置Ａ５は、ピストン
ピン４の中心軸Ｌ２と略同じ高さに形成されている。
ピン４の中心軸Ｌ２と略同じ高さに形成されている。
【００３９】このようにスラスト側の最大径位置Ａ５を
ピストンピン４の中心軸Ｌ２と略同じ高さにすること
で、ピストンピン４近傍のスラスト側のスカート部３と
シリンダ壁との間隔が小さくなり、図４に示す圧縮上死
点から膨張行程でのピストンスカート部３のシリンダ壁
への平行移動速度ｖｅと、ピストン１のピストンピン４
まわりの回動速度ｖｒが小さくなってスラップ音が低減
できる。
ピストンピン４の中心軸Ｌ２と略同じ高さにすること
で、ピストンピン４近傍のスラスト側のスカート部３と
シリンダ壁との間隔が小さくなり、図４に示す圧縮上死
点から膨張行程でのピストンスカート部３のシリンダ壁
への平行移動速度ｖｅと、ピストン１のピストンピン４
まわりの回動速度ｖｒが小さくなってスラップ音が低減
できる。
【００４０】下側湾曲面は、スラスト側のピストン縮径
方向の逃げ量Ａ１３より反スラスト側のピストン縮径方
向の逃げ量Ｂ１３が大きく形成されている。
方向の逃げ量Ａ１３より反スラスト側のピストン縮径方
向の逃げ量Ｂ１３が大きく形成されている。
【００４１】また、反スラスト側において、下側湾曲面
の下端位置Ｂ１２でのピストン縮径方向の逃げ量Ｂ１３
より上側湾曲面の上端位置Ｂ１でのピストン縮径方向の
逃げ量Ｂ０が大きく形成されている。
の下端位置Ｂ１２でのピストン縮径方向の逃げ量Ｂ１３
より上側湾曲面の上端位置Ｂ１でのピストン縮径方向の
逃げ量Ｂ０が大きく形成されている。
【００４２】このように、反スラスト側のスカート部プ
ロフィールは、スラスト側に比べて運動エネルギ損失や
Wear loadの悪化に対する影響が小さいため、反スラス
ト側の上端部及び下端部のピストン縮径方向への逃げ量
Ｂ０、Ｂ１３を大きくして摩擦損失の低減を図る一方、
下側湾曲面の下端位置Ｂ１２の逃げ量Ｂ１３が大きすぎ
ると図７のくさび領域Ｒ４への潤滑油の掻き込み量が多
くなり、ピストン縮径方向への油膜反力Ｐ３が小さくな
ってWear loadＷの低減効果が小さくなる。従って、反
スラスト側において、下側湾曲面の下端位置Ｂ１２での
ピストン縮径方向の逃げ量Ｂ１３を上側湾曲面の上端位
置Ｂ１でのピストン縮径方向の逃げ量Ｂ０より小さくし
て、摩擦損失の低減と同時にWear loadＷの低減を図っ
ている。
ロフィールは、スラスト側に比べて運動エネルギ損失や
Wear loadの悪化に対する影響が小さいため、反スラス
ト側の上端部及び下端部のピストン縮径方向への逃げ量
Ｂ０、Ｂ１３を大きくして摩擦損失の低減を図る一方、
下側湾曲面の下端位置Ｂ１２の逃げ量Ｂ１３が大きすぎ
ると図７のくさび領域Ｒ４への潤滑油の掻き込み量が多
くなり、ピストン縮径方向への油膜反力Ｐ３が小さくな
ってWear loadＷの低減効果が小さくなる。従って、反
スラスト側において、下側湾曲面の下端位置Ｂ１２での
ピストン縮径方向の逃げ量Ｂ１３を上側湾曲面の上端位
置Ｂ１でのピストン縮径方向の逃げ量Ｂ０より小さくし
て、摩擦損失の低減と同時にWear loadＷの低減を図っ
ている。
【００４３】更に、ピストンピン４の中心軸Ｌ２はピス
トンの軸方向の中心に対してスラスト側に所定距離Ｅだ
けオフセットして配設されている。所定距離Ｅはピスト
ン直径Ｄとすると、Ｅ＝０．０２〜０．０３Ｄに設定さ
れる。これにより、膨張行程においてピストン１にはピ
ストンピン４まわりに右回りのモーメントが作用するの
で、ピストン１の左回りの回動モーメントが相殺されて
スラップ音の低減ができる。
トンの軸方向の中心に対してスラスト側に所定距離Ｅだ
けオフセットして配設されている。所定距離Ｅはピスト
ン直径Ｄとすると、Ｅ＝０．０２〜０．０３Ｄに設定さ
れる。これにより、膨張行程においてピストン１にはピ
ストンピン４まわりに右回りのモーメントが作用するの
で、ピストン１の左回りの回動モーメントが相殺されて
スラップ音の低減ができる。
【００４４】また、ピストン１はピストンピン４に沿っ
て熱膨張しやすいため熱膨張時に略真円になるように、
ピストンスカート部３におけるピストン軸方向Ｌ１に垂
直なピストン径方向の断面形状はピストンピン４の中心
軸Ｌ２を短径とする略楕円とされているが、ピストンス
カート部３がピストン拡径方向に熱膨張した状態（図１
の温間時の縦断面プロフィールＳ２）でも縦断面プロフ
ィールが変形しないようになっている。これにより、ピ
ストンスカート部３の全周を図１の冷間時の縦断面プロ
フィールＳ１で加工でき、ピストン加工が容易となる。
て熱膨張しやすいため熱膨張時に略真円になるように、
ピストンスカート部３におけるピストン軸方向Ｌ１に垂
直なピストン径方向の断面形状はピストンピン４の中心
軸Ｌ２を短径とする略楕円とされているが、ピストンス
カート部３がピストン拡径方向に熱膨張した状態（図１
の温間時の縦断面プロフィールＳ２）でも縦断面プロフ
ィールが変形しないようになっている。これにより、ピ
ストンスカート部３の全周を図１の冷間時の縦断面プロ
フィールＳ１で加工でき、ピストン加工が容易となる。
【００４５】本実施形態によれば、図８に示すように、
従来の釣り鐘型の縦断面プロフィールＳ３に比べて、本
実施形態の縦断面プロフィールＳ１、Ｓ２を有するピス
トン１は摩擦損失が２９％、エネルギ損失が２４％、We
ar loadが７９％低減できる結果が得られた。
従来の釣り鐘型の縦断面プロフィールＳ３に比べて、本
実施形態の縦断面プロフィールＳ１、Ｓ２を有するピス
トン１は摩擦損失が２９％、エネルギ損失が２４％、We
ar loadが７９％低減できる結果が得られた。
【００４６】また、圧縮行程ではシリンダ壁に潤滑油が
あまり付着していないので、摩擦損失低減のために上端
部の逃げ量を思いきり大きくしても潤滑油の掻き込みが
抵抗となるおそれがない。他方、膨張行程ではシリンダ
壁に多量の潤滑油が付着しているので下端部の逃げ量が
大きいと潤滑油の掻き込みが過大となり、ピストン縮径
方向の反力（油膜反力Ｐ３と逆向き）が発生して油膜反
力Ｐ３小さくなってしまう。
あまり付着していないので、摩擦損失低減のために上端
部の逃げ量を思いきり大きくしても潤滑油の掻き込みが
抵抗となるおそれがない。他方、膨張行程ではシリンダ
壁に多量の潤滑油が付着しているので下端部の逃げ量が
大きいと潤滑油の掻き込みが過大となり、ピストン縮径
方向の反力（油膜反力Ｐ３と逆向き）が発生して油膜反
力Ｐ３小さくなってしまう。
【図１】本実施形態のピストンのスカート部の縦断面プ
ロフィールを示す図である。
ロフィールを示す図である。
【図２】スラップ音の発生を説明する図である。
【図３】スラップ音の発生を説明する図である。
【図４】運動エネルギ損失の演算に用いるパラメータと
してピストンの平行移動速度ｖｅ及びピストンピンまわ
りの回転速度ｖｒを説明する図である。
してピストンの平行移動速度ｖｅ及びピストンピンまわ
りの回転速度ｖｒを説明する図である。
【図５】Wear loadの演算に用いるパラメータとしてピ
ストンからシリンダ壁に作用する圧力Ｐｃ及びピストン
のシリンダ壁に対する摺動速度ｖｓを説明する図であ
る。
ストンからシリンダ壁に作用する圧力Ｐｃ及びピストン
のシリンダ壁に対する摺動速度ｖｓを説明する図であ
る。
【図６】圧縮行程でのピストンスカート部と油膜との関
係を説明する図である。
係を説明する図である。
【図７】膨張行程でのピストンスカート部と油膜との関
係を説明する図である。
係を説明する図である。
【図８】本実施形態の縦断面プロフィールと従来の釣り
鐘型の縦断面プロフィールの摩擦損失、エネルギ損失及
びWear loadを比較した図である。
鐘型の縦断面プロフィールの摩擦損失、エネルギ損失及
びWear loadを比較した図である。
１…ピストン ２…クラウン部 ３…スカート部 ４…ピストンピン ５…ピストンリング溝 ６…ピストンピン孔
Claims (7)
- 【請求項１】 ピストンピンが軸支されるボス部と、ス
ラスト側と反スラスト側が非対称なバレル型の縦断面プ
ロフィールを有するスカート部とを備える内燃機関用ピ
ストンにおいて、 前記スカート部は、 前記反スラスト側の最大径位置よりスラスト側の最大径
位置をピストン軸方向に対して上方に配置した最大径部
と、 前記スラスト側及び反スラスト側の各最大径位置からピ
ストン軸方向の上方に連続し、該スラスト側より反スラ
スト側のピストン径方向の逃げ量が大きい上側湾曲部
と、 前記スラスト側及び反スラスト側の各最大径位置からピ
ストン軸方向の下方に連続する下側湾曲部とを有するこ
とを特徴とする内燃機関用ピストン。 - 【請求項２】 前記スラスト側の最大径位置は、前記ピ
ストンピンの軸中心の近傍にあることを特徴とする請求
項１に記載の内燃機関用ピストン。 - 【請求項３】 前記下側湾曲部は、前記スラスト側より
反スラスト側のピストン径方向の逃げ量が大きいことを
特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピスト
ン。 - 【請求項４】 前記反スラスト側において、前記下側湾
曲部の下端より前記上側湾曲部上端のピストン径方向の
逃げ量が大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいず
れか１項に記載の内燃機関用ピストン。 - 【請求項５】 前記ピストンピンの軸方向の中心は前記
ピストンの軸方向の中心に対して所定距離オフセットし
て配設されていることを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。 - 【請求項６】 前記スカート部におけるピストン径方向
の断面形状は、前記ピストンピンの軸方向を短径とする
略楕円になっていることを特徴とする請求項１乃至５の
いずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。 - 【請求項７】 前記スラスト側及び反スラスト側の縦断
面プロフィールは夫々周方向に連続していることを特徴
とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関
用ピストン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11057308A JP2000257504A (ja) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | 内燃機関用ピストン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11057308A JP2000257504A (ja) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | 内燃機関用ピストン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000257504A true JP2000257504A (ja) | 2000-09-19 |
Family
ID=13051946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11057308A Pending JP2000257504A (ja) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | 内燃機関用ピストン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000257504A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011080436A (ja) * | 2009-10-08 | 2011-04-21 | Toyota Central R&D Labs Inc | ピストン |
| JP2018145861A (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-20 | 日野自動車株式会社 | ピストン構造 |
| CN113806880A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-12-17 | 华域科尔本施密特活塞有限公司 | 一种适用于大配缸间隙活塞的塞裙部型线设计方法 |
-
1999
- 1999-03-04 JP JP11057308A patent/JP2000257504A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011080436A (ja) * | 2009-10-08 | 2011-04-21 | Toyota Central R&D Labs Inc | ピストン |
| JP2018145861A (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-20 | 日野自動車株式会社 | ピストン構造 |
| CN113806880A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-12-17 | 华域科尔本施密特活塞有限公司 | 一种适用于大配缸间隙活塞的塞裙部型线设计方法 |
| CN113806880B (zh) * | 2021-08-04 | 2024-01-05 | 华域科尔本施密特活塞有限公司 | 一种适用于大配缸间隙的活塞裙部型线设计方法 |
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