特開 2024-83811 ピストン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024083811

(43)【公開日】2024-06-24

(54)【発明の名称】ピストン

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/00 20060101AFI20240617BHJP

   F16J 1/01 20060101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

F02F3/00 G

F02F3/00 302Z

F16J1/01

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197847

(22)【出願日】2022-12-12

(71)【出願人】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100176304

【弁理士】

【氏名又は名称】福成 勉

(72)【発明者】

【氏名】阪井 博行

(72)【発明者】

【氏名】市川 和男

(72)【発明者】

【氏名】小湊 裕允

(72)【発明者】

【氏名】奥田 剛史

(72)【発明者】

【氏名】中橋 宏和

【テーマコード（参考）】

3J044

【Ｆターム（参考）】

3J044AA05

3J044AA06

3J044BA01

3J044BC02

3J044BC04

3J044CA01

3J044CA13

3J044DA09

3J044EA01

(57)【要約】

【課題】ピストンの軽量化を図るとともに、首振り挙動による振動・騒音の低減を図ることが可能なピストンを提供する。
【解決手段】ピストン５は、ピンボス部５ｄを有し、当該ピストン本体５０の内部に空間部５ｈが形成されたピストン本体５０と、前記空間部５ｈに移動可能に充填された粉粒体１７とを備える。空間部５ｈは、ピンボス部５ｄの軸方向から見て、ピストン本体５０の幅方向においてピンボス部５ｄの上方を横切るとともに当該空間部５ｈの一方の端部から他方の端部へ漸次拡張するような形状に形成されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンのシリンダ内を往復移動するピストンであって、
コネクティングロッドを連結するためのピストンピンが挿入されるピンボスを有し、かつ、当該ピストン本体の内部に空間部が形成されたピストン本体と、
前記空間部の内部に移動可能に充填された粉粒体と、
を備え、
前記ピンボスの軸方向から見て、前記空間部は、前記ピストン本体の幅方向において前記ピンボスの上方を横切るとともに前記幅方向における一方の端部から他方の端部へ漸次拡張するような形状に形成されている、
ことを特徴とするピストン。

【請求項2】

請求項１記載のピストンにおいて、
前記ピンボスの軸方向から見て、前記他方の端部は、前記幅方向において、前記エンジンの圧縮行程において前記コネクティングロッドとクランクシャフトとを連結するクランクピンが存在する側に対応し、
前記一方の端部は、前記幅方向において、当該クランクピンが存在する側の反対側に対応する、
ことを特徴とするピストン。

【請求項3】

請求項２に記載のピストンにおいて、
前記空間部の前記他方の端部は、前記エンジンの排気側に対応し、
前記空間部の前記一方の端部は、前記エンジンの吸気側に対応する、
ことを特徴とするピストン。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載のピストンにおいて、
前記ピストン本体は、前記空間部を形成する上面と下面とを有し、
前記上面および下面のうちの少なくとも一つは、前記空間部が前記ピンボスの軸方向から見て、前記ピストン本体の幅方向に対して傾斜している、
ことを特徴とするピストン。

【請求項5】

請求項１～３のいずれか１項に記載のピストンにおいて、
前記粉粒体の前記充填率は、前記空間部の容積に占める体積割合として、４０～６０％である、
ことを特徴とするピストン。

【請求項6】

請求項１～３のいずれか１項に記載のピストンにおいて、
前記ピストン本体は、その冠面において燃焼室の下部を形成する凹部を有するとともに当該ピストン本体の内部において前記凹部の近傍にオイル流路が形成されたディーゼルエンジン用のピストンの形状を有する、
ことを特徴とするピストン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンのシリンダ内で往復移動するピストンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ピストンがシリンダ内を往復動するレシプロエンジンでは、燃費向上と出力確保の観点から、圧縮比を大きくすることに加えて、ピストン内部に空間部を設けてピストンの軽量化によりピストンの慣性重量の低減を図ることが従来から行われている。

【0003】

一方、レシプロエンジンでは、ピストンの往復動の際におけるピンボス（コネクティングロッド（コンロッド）との連結用のピストンピンが挿入されるピンを受ける部分（ボス））を回転中心としたピストンの首振り（ピストンの傾き）の問題がある。

【0004】

ピストンの首振りは、圧縮行程および膨張行程においてとくに顕著に生じる。圧縮行程では、ピスボスの軸方向から見てピストン幅方向において片側に寄ったコンロッドがピストンを押し上げる際にピストンの片側が押し上げられることによりピストンがある方向（例えば時計回りの方向）に傾く。一方、膨張行程では、圧縮行程において押し上げられたピストンの片側が膨張圧によって押し下げられることにより、逆方向（例えば反時計回りの方向）に傾く。これにより、ピストンは圧縮行程および膨張行程の間に大きな首振りが生じる。その後の排気行程および吸気工程においてもピストンの首振りはわずかに繰り返される。

【0005】

とくに、ディーゼルエンジン用のピストンは、冠面の凹部（キャビティ）および冷却用のオイル流路（クーリングチャネル）が設けられることが多いので、ピンボスとピストン頂部の冠面までの高さが、ガソリンエンジン用のピストンよりも高く、ピンボスと質量重心との距離が大きくなりやすいため、ピストンの首振りが大きくなる。

【0006】

このようなピストンに生じる首振りは、機械抵抗の増加（およびそれによる燃費悪化）やエンジンの振動・騒音の増大をもたらす。そのため、起振源となるピストンの首振りを抑制することで振動・騒音を抑制する技術が求められる。

【0007】

なお、特許文献１には、ピストンの振動を抑制可能な減衰構造として、空間部に粒子状充填材を充填することで、ピストンに生じる振動を減衰させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０２０－１８６７２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記のピストン構造では、ピストンの空間部に粒子状充填材を充填することでピストンに生じる振動を減衰させることはできるが、ピストンの首振り自体を抑制することは難しい。

【0010】

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、ピストンの軽量化を図るとともに、首振り挙動による振動・騒音の低減を図ることが可能なピストンの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記課題を解決するために本発明のピストンは、エンジンのシリンダ内を往復移動するピストンであって、コネクティングロッドを連結するためのピストンピンが挿入されるピンボスを有し、かつ、当該ピストン本体の内部に空間部が形成されたピストン本体と、 前記空間部の内部に移動可能に充填された粉粒体と、を備え、前記ピンボスの軸方向から見て、前記空間部は、前記ピストン本体の幅方向において前記ピンボスの上方を横切るとともに前記幅方向における一方の端部から他方の端部へ漸次拡張するような形状に形成されていることを特徴とする。

【0012】

かかる構成によれば、ピストン本体に空間部が形成されていることによりピストンの軽量化を可能にする。しかも、この空間部は、ピンボスの軸方向から見てピストン本体の幅方向において空間部の一方の端部から他方の端部へ漸次拡張しているので、空間部の他方側（例えばピンボスの左側）の容積が一方側（例えばピンボスの右側）の容積より大きくなっている。これにより、空間部に充填された粉粒体は、ピストンの往復動で生じる粉粒体の慣性力により、粉粒体が空間部のうちの容積が大きい側に集まる。集まった粉粒体の慣性力がピストン本体に対して首振り方向とは逆方向に作用することで、ピストンの首振りを抑制することが可能である。その結果、ピストンの軽量化を図りながらピストンの首振り挙動による振動・騒音の低減を図ることが可能である。

【0013】

上記のピストンにおいて、前記ピンボスの軸方向から見て、前記他方の端部は、前記幅方向において、前記エンジンの圧縮行程において前記コネクティングロッドとクランクシャフトとを連結するクランクピンが存在する側に対応し、前記一方の端部は、前記幅方向において、当該クランクピンが存在する側の反対側に対応するのが好ましい。

【0014】

エンジンの圧縮行程において、コネクティングロッドとクランクシャフトとを連結するクランクピンが存在する側では、コネクティングロッドがピストンを押し上げる際にピストンにおける上記クランクピンが存在する側が押し上げられることによりピストンが傾く傾向がある。そこで、上記の構成では、容積の大きい空間部の他方の端部側の部分をクランクピンが存在する側に対応することにより、空間部における容積の大きい部分に集まった粉粒体の下向きの慣性力により、ピストンにおけるクランクピンが存在する側に対応する部分の圧縮行程時の上方への変位を抑制する。また、圧縮行程の後の膨張行程では、ピストンが下向きの膨張圧を受けたときに集まった粉粒体に上向きの慣性力が生じることにより、膨張行程時の上方への変位を抑制する。これにより、ピストンの首振りを効果的に抑制することが可能である。

【0015】

上記のピストンにおいて、前記空間部の前記他方の端部は、前記エンジンの排気側に対応し、前記空間部の前記一方の端部は、前記エンジンの吸気側に対応するのが好ましい。

【0016】

ピストンが往復動するエンジンでは、ピストンにおけるエンジンの排気側に対応する部分は、エンジンの圧縮行程時にピストンが上昇する際に吸気側に対応する部分よりも上方に変位してピストンの首振りを発生しやすい傾向がある。そこで、容積の大きい空間部の他方の端部側の部分をエンジンの排気側に対応することにより、空間部における容積の大きい部分に集まった粉粒体の慣性力により、ピストンにおける排気側に対応する部分の圧縮行程時の上方への変位を抑制し、ピストンの首振りを効果的に抑制することが可能である。

【0017】

上記のピストンにおいて、前記ピストン本体は、その内側において、前記空間部を形成する上面と下面とを有し、前記上面および下面のうちの少なくとも一つは、前記空間部が前記ピンボスの軸方向から見て、前記ピストン本体の幅方向において一方の端部から他方の端部へ漸次拡張するように前記ピストン本体の幅方向に対して傾斜しているのが好ましい。

【0018】

かかる構成では、ピストンの往復動の際に空間部の内部の粉粒体が傾斜した上面または下面に衝突するため、粒状体をピストンの首振りを抑制する側、すなわち空間部のうち容積が大きい側に集めることを促進することが可能である。これにより、ピストンの首振りを効果的に抑制することが可能である。

【0019】

上記のピストンにおいて、前記粉粒体の前記充填率は、前記空間部の容積に占める体積割合として、４０～６０％であるのが好ましい。

【0020】

かかる構成では、粉粒体が空間部の内部をピストンの幅方向および上下方向に円滑に移動することができるので、ピストンの首振りを効果的に抑制するとともにピストン本体の振動エネルギーを粉粒体の摩擦エネルギーに効率よく変換して振動減衰することが可能である。その結果、粉粒体はピストンの高い免振効果を発揮することが可能である。

【0021】

上記のピストンにおいて、前記ピストン本体は、その冠面において燃焼室の下部を形成する凹部を有するとともに当該ピストン本体の内部において前記凹部の近傍にオイル流路が形成されたディーゼルエンジン用のピストンの形状を有するのが好ましい。

【0022】

ピストン本体がディーゼルエンジン用のピストンの形状、すなわち、当該ピストン本体の冠面において燃焼室の下部を形成する凹部を有するとともに当該ピストン本体の内部において前記凹部の近傍にオイル流路が形成された形状では、ガソリンエンジン用ピストンと比較して、ピストン本体におけるピンボスよりも上側の部分がストローク方向に長くなり、ピストン本体の質量重心がピンボスの上方から離れる。そのため、ピストンの往復動の際にピストンの首振りがとくに生じやすい。しかし、上記の構造のピストン本体、すなわち、ピストン本体の空間部がピンボスの軸方向から見てピストン本体の幅方向において空間部の一方の端部から他方の端部へ漸次拡張したピストン本体をディーゼルエンジン用のピストンに適用すれば、粉粒体を空間部の他方の側に集めることにより、ピストンの首振りを効果的に抑制することが可能である。

【発明の効果】

【0023】

以上のように、本発明のピストンによれば、軽量化を図るとともに、首振り挙動による振動・騒音の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施形態に係るピストンを備えたディーゼルエンジンの断面図である。

【図2】図１のピストンを縦に切断した状態の斜視図である。

【図3】図２のピストンの縦断面図である。

【図4】図３の空間部の斜視図である。

【図5】従来のピストン（ピストンヘッドが中実であるピストン）が往復動をしたときの首振り角度の変化を示す図であって、（Ｉ）はピストンの首振り角度とクランクアングルとの関係を示すグラフ、（ＩＩ）は各クランクアングルにおけるピストンの首振り状態を模式的に示した図である。

【図6】本実施形態のピストンにおける首振り抑制のメカニズムの説明図であって、（Ｉ）は従来のピストンの首振り角度とクランクアングルとの関係を示すグラフ、（ＩＩ）は本実施形態のピストンの粉粒体の慣性力とクランクアングルとの関係を示すグラフ、（Ａ）は圧縮行程時において粉粒体に下向きの慣性力が生じることを示す図、（Ｂ）は膨張行程時において粉粒体に上向きの慣性力が生じることを示す図である。

【図7】従来のピストン（曲線Ｃ１に対応）と本実施形態のピストン（曲線Ｃ２に対応）のそれぞれの首振り角度とクランクアングルとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態に係るピストンについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0026】

（１）エンジンの構成
図１は、本発明の実施形態に係るピストン５を備えたディーゼルエンジン１の断面図である。

【0027】

ディーゼルエンジン１は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ２（図１ではそのうちの一つのみを示す）を有し、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジンである。ディーゼルエンジン１（以下エンジン１という）は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、シリンダ２を形成するシリンダライナを有する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８（以下、コンロッド８）を介してクランクシャフト７と連結されている。クランクシャフト７の上端部は、ピストンピン１６によりピストン５に揺動自在に連結されている。クランクシャフト７の下端部は、クランクシャフト７のクランクピン７ｂに揺動自在に連結されている。これにより、ピストン５の往復運動に応じて、クランクシャフト７はその出力軸７ａを回転中心として回転することが可能である。ピストン５の構造については、後記で詳述する。

【0028】

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６は、シリンダヘッド４の下面、シリンダ２およびピストン５の冠面５ａ２によって形成されている。

【0029】

シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の下面には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気弁１１と、前記排気側開口を開閉する排気弁１２とが組み付けられている。エンジン１のバルブ形式は、例えば、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式であって、吸気ポート９及び排気ポート１０は、各シリンダ２につき２つずつ設けられるとともに、吸気弁１１及び排気弁１２も２つずつ設けられている。

【0030】

シリンダヘッド４には、カムシャフトを含む吸気側動弁機構１３及び排気側動弁機構１４が配設されている。吸気弁１１及び排気弁１２は、これら動弁機構１３、１４により、クランクシャフト７の回転に連動して開閉駆動される。

【0031】

シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１５（燃料噴射弁）が、例えば各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１５は、図示しない燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１５は、燃料を噴射する先端部が燃焼室６の径方向中心又はその近傍に位置するように、シリンダヘッド４に組み付けられ、ピストン５の冠面５ａ２に形成された後述の凹部５ｆに向けて燃料を噴射する。

【0032】

本実施形態のエンジン１は、ディーゼルエンジンであるので、ピストン５が上昇して燃焼室６内の空気が圧縮された状態でインジェクタ１５から燃料を燃焼室６内に高圧で噴射することによって燃料を自着火により燃焼させ、その燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復動する。ピストン５の往復動に応じて、クランクシャフト７がその出力軸７ａを回転中心として回転することにより、出力軸７ａから回転駆動力が出力される。

【0033】

（２）ピストンの構造
図２～図４は、ピストン５の具体的構造を示す図であり、図２は、図１のピストンを縦に切断した状態の斜視図、図３は図２のピストンの縦断面図、図４は図３の空間部の斜視図である。

【0034】

なお、図１～４では、上下方向Ｚはシリンダ２の中心軸の方向（シリンダ軸方向）およびピストン５の往復動方向と同義であり、前後方向Ｙはクランクシャフト７の軸方向と平行な方向であり、左右方向Ｘは上下方向Ｚおよび前後方向Ｙの双方に直交する方向のことであり、その一方側のＸ２を「右」、他方側のＸ１を「左」とする。図１～４では、左側Ｘ１は排気側（図１の排気ポート１０がある側）、右側Ｘ２は吸気側（吸気ポート９がある側）としている。

【0035】

ピストン５は、図１に示されるように、エンジン１のシリンダ２内で所定の往復動方向（上下方向Ｚ）に往復移動する部材である。

【0036】

ピストン５は、図２～３に示されるように、空間部５ｈを有するピストン本体５０と、当該空間部５ｈに充填された粉粒体１７とを備える。

【0037】

ピストン本体５０は、コンロッド８との連結のためのピストンピン１６が挿入されるピンボス部５ｄを有し、かつ、ピストン本体５０の内部に空間部５ｈが形成された構成を有する。

【0038】

具体的には、ピストン本体５０は、図２～３に示されるように、ピストンヘッド５ａと、ピストンヘッド５ａの外周から下方に延びる一対のスカート部５ｂとを有している。

【0039】

ピストンヘッド５ａは、円柱状の部材であり、シリンダ２の側周面と摺接する外周面５ａ１と、燃焼室６の底面を形成する冠面５ａ２とを備える。冠面５ａ２は、ピストンヘッド５ａの最上部の面（頂面）であり、当該冠面５ａ２には下方に凹む凹部５ｆ（キャビティ）が形成されている。凹部５ｆは、燃焼室６の天井面に配置されたインジェクタ１５から噴射された燃料を受けるための凹部であり、凹部５ｆ中央には燃料を分散させる凸部５ｆ１が上方に突出している。

【0040】

ピストンヘッド５ａの外周面５ａ１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５ｅが形成されている。

【0041】

一対のスカート部５ｂは、その一方が右側Ｘ２（吸気側）に、他方が左側Ｘ１（排気側）に位置するように配置されている。各スカート部５ｂは、ピストン５が往復動する際にシリンダ２の側周面に摺接することが可能である。

【0042】

ピストンヘッド５ａの下側であって両スカート部５ｂの間の部位には、前後一対の縦壁５ｃが設けられている。前側の縦壁５ｃは、両スカート部５ｂの前端どうしをつなぐように左右方向Ｘに延びる壁部であり、後側の縦壁５ｃは、両スカート部５ｂ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。

【0043】

一対の縦壁５ｃは、その左右方向Ｘの中間部にピンボス部５ｄを有している。各ピンボス部５ｄは、前後方向に貫通するピン孔５ｄ１を規定する環状の壁部である。ピン孔５ｄ１には、ピストン本体５０とコンロッド８とを結合するために前後方向に延びるピストンピン１６（図１）が挿入されて当該ピン孔５ｄ１に嵌合している。

【0044】

ピストン本体５０の空間部５ｈは、図２～４に示されるように、ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て、ピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）においてピンボス部５ｄの上方を横切るとともに当該空間部５ｈの一方（右側Ｘ２）の端部から他方（左側Ｘ１）の端部へ漸次拡張するような形状に形成されている。

【0045】

図３に示されるように、ピストン本体５０は、その内側において、空間部５ｈを形成する上面５ｉと下面５ｊとを有する。

【0046】

ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て、空間部５ｈは、ピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）において一方（右側Ｘ２）の端部から他方（左側Ｘ１）の端部へ漸次拡張するように、上面５ｉおよび下面５ｊのうちの少なくとも一つ、本実施形態では、上面５ｉおよび下面５ｊの両方が、ピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）に対して傾斜している。

【0047】

上面５ｉおよび下面５ｊの水平面Ｌに対する傾斜角度（勾配）θ１、θ２はそれぞれ１度前後（例えば０.５～１．５度の範囲内）に設定される。

【0048】

なお、上面５ｉのうち、後述のオイル流路５ｇに近い部分５ｉ１は、後述のオイル流路５ｇを避けるために下方に折れ曲がっている。

【0049】

本実施形態では、空間部５ｈの容積が大きくなる他方側（左側Ｘ１）は、ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て、ピストン５の幅方向（左右方向Ｘ）において、圧縮行程時（ピストン５が上昇する時）においてコンロッド８とクランクシャフト７とを連結するクランクピン７ｂが存在する側（ピン存在側）、言い換えれば、出力軸７ａが時計回りのときのクランクピン７ｂが上昇する側に対応する。一方、空間部５ｈの容積が小さくなる一方側（右側Ｘ２）は、クランクピン７ｂが存在する側（ピン存在側）の反対側、言い換えれば、出力軸７ａが時計回りのときのクランクピン７ｂが上昇する側に対して反対側に対応する。

【0050】

さらに、本実施形態の空間部５ｈの一方側（右側Ｘ２）の端部は、エンジン１の吸気側に対応する。空間部５ｈの他方側（左側Ｘ１）の端部は、エンジン１の排気側に対応する。したがって、空間部５ｈの容積が大きくなる他方側（左側Ｘ１）は、エンジン１の排気側（左側Ｘ１）に対応する。

【0051】

なお、図３に示されるように、本実施形態の空間部５ｈは、コンロッド８（図１参照）の上端部を通すための閉じた部分５ｈ３と、後述する垂直流路５ｍを通すための閉じた部分５ｈ４とが存在するが、本発明では必須の構成ではない。

【0052】

本実施形態のピストン本体５０は、ディーゼルエンジン用のピストンの形状を有する。すなわち、ピストン本体５０は、その冠面５ａ２において燃焼室６の下部を形成する凹部５ｆを有するとともに当該ピストン本体５０の内部において凹部５ｆの近傍に油冷用のオイル流路５ｇを有する。図２～３に示されるオイル流路５ｇは、凹部５ｆの周囲を取り囲むようにリング状に形成されている。オイル流路５ｇには、ピストンヘッド５ａの下側に開口する流入口５ｋおよび垂直流路５ｍを通して、ピストン５の下側から冷却用のオイルが供給される。

【0053】

ピストン本体５０の空間部５ｈには、図２～３に示されるように、粉粒体１７が配置されている。

【0054】

粉粒体１７は、多数の微細な粒子の集合体である。粉粒体１７は、空間部５ｈの内部で移動可能な充填率（すなわち、空間部５ｈを粉粒体１７によって完全に塞がない程度の充填率）で空間部５ｈに充填されている。

【0055】

粉粒体１７の充填率は、例えば、空間部５ｈの容積に占める体積割合として、４０～６０％であれば粉粒体１７が空間部５ｈの内部をピストン５の幅方向（左右方向Ｘ）および上下方向Ｚに円滑に移動することができ、ピストン５の首振り抑制および粉粒体１７による振動減衰の両立が可能である。

【0056】

粉粒体１７としては、ピストン鋳造時およびエンジン使用時の熱に耐えられる程度の耐熱性を有するセラミックなどの無機材料または金属材料からなる粉体または粒体が選定される。粉粒体１７の粒子の大きさおよび形状は、ピストン５の往復移動に伴って粉粒体１７が空間部５ｈの内部で移動可能な条件を満たすように適宜選定される。

【0057】

（ピストンの首振り抑制についての説明）
図５は、従来のピストン１０５（ピストンヘッドが中実であるピストン）が往復動をしたときの首振り角度の変化を示す図であって、（Ｉ）はピストン１０５の首振り角度とクランクアングルとの関係を示すグラフ、（ＩＩ）は各クランクアングルにおけるピストン１０５の首振り状態を模式的に示した図である。

【0058】

図５（Ｉ）、（ＩＩ）に示されるように、従来のピストン１０５（すなわち、ピストンヘッドが中実であるピストン）は、エンジン１の圧縮行程では、ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見てピストン５幅方向（左右方向Ｘ）において片側（コンロッド８とクランクシャフト７とを連結するクランクピン７ｂが存在する左側Ｘ１）に寄ったコンロッド８がピストン５を押し上げる際にピストン５の左側Ｘ１が押し上げられることによりピストン５が図５（ＩＩ）の時計回りの方向に傾く。一方、膨張行程では、圧縮行程において押し上げられたピストン５の左側Ｘ１の部分がシリンダ２の上部で生じる膨張圧によって押し下げられることにより、逆方向（反時計回りの方向）に傾く。これにより、ピストン５は圧縮行程および膨張行程の間に大きな首振りが生じる。その後の排気行程および吸気工程においてもピストン５の首振りはわずかに繰り返される。

【0059】

図５（Ｉ）、（ＩＩ）を詳細に見れば、圧縮行程（クランクアングル（角度）θｃが－１８０度付近～０度）では、首振り角度－０．１５度程度の左肩上がりの状態（排気側が高くなる状態）で上昇するので、ピストンヘッドの外周面１０５ａ１がシリンダ２のシリンダライナ（内周面）に強く押し当てられる。そして、膨張行程（クランクアングル（角度）θｃが０度～１８０度）では、ピストン１０５は、膨張圧を受けて、首振り角度０．１５度程度の左肩下がりの状態（排気側が低くなる状態）となり、この状態で下降するので、この膨張行程時にも、ピストンヘッドの外周面１０５ａ１がシリンダ２のシリンダライナ（内周面）に強く押し当てられる。その後、排気行程および吸気行程においても、微小な首振りを繰り返す。以上のように、従来のピストン１０５では、ディーゼルエンジンの圧縮、膨張、排気、吸気の４行程のうち、圧縮および膨張行程において首振り角度が大きいので、機械抵抗が増加し燃費悪化の原因になるとともにエンジンの振動・騒音も大きくなる。

【0060】

そこで、本実施形態のピストン５では、上記のように、粉粒体１７が充填された空間部５ｈがピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て一方側（吸気側に対応する右側Ｘ２）から他方側（排気側に対応する左側Ｘ１）に漸次拡張する形状にして、他方側（排気側に対応する左側Ｘ１）の部分５ｈ１を一方側（吸気側に対応する右側Ｘ２）の部分５ｈ２よりも大きくしている。

【0061】

図６は、本実施形態のピストンにおける首振り抑制のメカニズムの説明図であって、（Ｉ）は従来のピストンの首振り角度とクランクアングルとの関係を示すグラフ、（ＩＩ）は本実施形態のピストンの粉粒体の慣性力とクランクアングルとの関係を示すグラフ、（Ａ）は圧縮行程時において粉粒体に下向きの慣性力が生じることを示す図、（Ｂ）は膨張行程時において粉粒体に上向きの慣性力が生じることを示す図である。

【0062】

この本実施形態のピストン５の構成では、図６（ＩＩ）に示されるように、本実施形態のピストン５の粉粒体１７の慣性力がピストン本体５０に対して首振り角度（図６（Ｉ）参照）を抑制する方向に作用する。すなわち、圧縮行程時では、図６（Ａ）に示されるように、空間部５ｈ内部の粉粒体１７は、空間部５ｈ内部にピストン幅方向Ｘに分散していた状態から、ピストン５の上昇時に下面５ｊに沿って左側Ｘ１に寄っていき、左側Ｘ１の容積が大きい部分５ｈ１に集まった状態で下面５ｊに押し付けられる。これにより、圧縮行程では、集まった粉粒体１７に下向きの慣性力Ｆ１が生じ、この慣性力Ｆ１がピストン５の左肩上がりを抑制する方向に作用する。一方、膨張行程時では、図６（Ｂ）に示されるように、ピストン５の下降時に容積が大きい部分５ｈ１に集まった粉粒体１７が上面５ｉに押し付けられる。これにより、膨張行程では、粉粒体１７に上向きの慣性力Ｆ２が生じる。この慣性力Ｆ２がピストン５の左肩下がりを抑制する方向に作用する。

【0063】

図７は、従来のピストン（曲線Ｃ１に対応）と本実施形態のピストン（曲線Ｃ２に対応）のそれぞれの首振り角度とクランクアングルとの関係を示すグラフである。

【0064】

本実施形態のピストン５では、圧縮行程時におよび膨張行程時において、上記のように空間部５ｈにおける容積が大きい部分５ｈ１に集まった粉粒体１７の慣性力により、図７の曲線Ｃ２のように首振り角度θｓの変化を、従来のピストン１０５の場合（曲線Ｃ１）よりも抑制することが可能である。すなわち、図７の曲線Ｃ２と曲線Ｃ１とを比較した場合、曲線Ｃ２は、圧縮行程では首振り角度θｓを－０．１５度から－０．１度程度まで抑えている。また、膨張行程においても、首振り角度θｓを０．１５度から０．１度程度まで抑えている。

【0065】

また、膨張行程の後の排気行程および吸気工程では、圧縮行程および膨張行程ほどピストン５は激しく首振りをせずに緩やかに首振りしているので、粉粒体１７は、空間部５ｈ内部で水平方向になだらかに分散し平坦に広がり、分散した粉粒体１７によって排気行程および吸気工程における緩やかな首振りも抑えることが可能である。

【0066】

（本実施形態の特徴）
（１）
本実施形態のピストン５は、エンジン１のシリンダ２内で所定の往復動方向に往復移動するピストン５であって、コンロッド８を連結するためのピストンピン１６が挿入されるピンボス部５ｄを有するピストン本体５０であって、当該ピストン本体５０の内部に空間部５ｈが形成されたピストン本体５０と、空間部５ｈの内部で移動可能に充填された粉粒体１７とを備える。空間部５ｈは、ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て、ピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）においてピンボス部５ｄの上方を横切るとともに当該空間部５ｈの一方（左側Ｘ１）の端部から他方（右側Ｘ２）の端部へ漸次拡張するような形状に形成されている。

【0067】

かかる構成によれば、ピストン本体５０に空間部５ｈが形成されていることによりピストン５の軽量化を可能にする。しかも、この空間部５ｈは、ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見てピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）において空間部５ｈの一方（左側Ｘ１）の端部から他方（右側Ｘ２）の端部へ漸次拡張しているので、空間部５ｈの一方側（左側Ｘ１）の部分５ｈ１の容積が他方側（右側Ｘ２）の部分５ｈ２の容積より大きくなっている。これにより、空間部５ｈに充填された粉粒体１７は、ピストン５の往復動で生じる粉粒体１７の慣性力により、粉粒体１７が空間部５ｈのうちの容積が大きい側の部分５ｈ１に集まる。集まった粉粒体１７の慣性力がピストン本体５０に対して首振り方向とは逆方向に作用することで、ピストン５の首振りを抑制することが可能である。その結果、ピストン５の軽量化を図りながらピストン５の首振り挙動による振動・騒音の低減を図ることが可能である。

【0068】

（２）
本実施形態のピストン５では、ピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て、空間部５ｈの他方側（左側Ｘ１）の端部は、ピストン５の幅方向Ｘにおいて、エンジン１の圧縮行程においてコンロッド８とクランクシャフト７とを連結するクランクピン７ｂが存在する側に対応する。一方、空間部５ｈの一方側（右側Ｘ２）の端部は、幅方向Ｘ において、当該クランクピン７ｂが存在する側の反対側に対応する。

【0069】

エンジン１の圧縮行程において、コンロッド８とクランクシャフト７とを連結するクランクピン７ｂが存在する側（左側Ｘ１）では、コンロッド８がピストン５を押し上げる際にピストン５における上記クランクピン７ｂが存在する側（左側Ｘ１）が押し上げられることによりピストン５が左肩上がりで傾く傾向がある。そこで、上記の構成では、容積の大きい空間部５ｈの他方の端部側（左側Ｘ１）の部分５ｈ１をクランクピン７ｂが存在する側（左側Ｘ１）に対応することにより、空間部５ｈにおける容積の大きい部分５ｈ１に集まった粉粒体１７の下向きの慣性力により、ピストン５におけるクランクピン７ｂが存在する側（左側Ｘ１）に対応する部分の圧縮行程時の上方への変位を抑制する。

【0070】

また、この構成では、圧縮行程の後の膨張行程では、ピストン５が下向きの膨張圧を受けたときに上記の圧縮行程のときに空間部５ｈにおける容積の大きい部分５ｈ１に集まった粉粒体１７に上向きの慣性力が発生することにより、ピストン５におけるクランクピン７ｂが存在する側（左側Ｘ１）に対応する部分の圧縮行程時の下方への変位を抑制する。その結果、ピストン５の首振りを効果的に抑制することが可能である。

【0071】

（３）
本実施形態のピストン５では、空間部５ｈの一方側（左側Ｘ１）の端部は、エンジン１の排気側に対応する。また、空間部５ｈの他方側（右側Ｘ２）の端部は、エンジン１の吸気側に対応する。

【0072】

ピストン５が往復動するエンジン１では、ピストン５におけるエンジン１の排気側（左側Ｘ１）に対応する部分は、エンジン１の圧縮行程時にピストン５が上昇する際に吸気側（右側Ｘ２）に対応する部分よりも上方に変位してピストン５の首振りを発生しやすい傾向がある。そこで、容積の大きい空間部５ｈの一方側（左側Ｘ１）の部分５ｈ１がエンジン１の排気側に対応することにより、空間部５ｈにおける容積の大きい部分５ｈ１に集まった粉粒体１７の慣性力により、ピストン５における排気側に対応する左側Ｘ１の部分の圧縮行程時の上方への変位を抑制し、ピストン５の首振りを効果的に抑制することが可能である。

【0073】

（４）
本実施形態のピストン５では、ピストン本体５０は、その内側において、空間部５ｈを形成する上面５ｉと下面５ｊとを有する。上面５ｉおよび下面５ｊのうちの少なくとも一つは、空間部５ｈがピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見て、ピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）において一方（左側Ｘ１）の端部から他方（右側Ｘ２）の端部へ漸次拡張するようにピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）に対して傾斜している。

【0074】

かかる構成では、ピストン５の往復動の際に空間部５ｈの内部の粉粒体１７が傾斜した上面５ｉまたは下面５ｊに衝突するため、粒状体をピストン５の首振りを抑制する側、すなわち空間部５ｈのうち容積が大きい左側Ｘ１の部分５ｈ１に集めることを促進することが可能である。これにより、ピストン５の首振りを効果的に抑制することが可能である。なお、上面５ｉおよび下面５ｊのうち少なくとも１つが傾斜していればよいので、上面５ｉまたは下面５ｊのいずれか１つが傾斜している構成、または上面５ｉまたは下面５ｊの両方が傾斜している構成であればよい。

【0075】

（５）
本実施形態のピストン５では、粉粒体１７の充填率は、空間部５ｈの容積に占める体積割合として、４０～６０％である。

【0076】

かかる構成では、粉粒体１７が空間部５ｈの内部をピストン５の幅方向（左右方向Ｘ）および上下方向Ｚに円滑に移動することができるので、ピストン５の首振りを効果的に抑制するとともにピストン本体５０の振動エネルギーを粉粒体１７の摩擦エネルギーに効率よく変換して振動減衰することが可能である。その結果、粉粒体１７はピストン５の高い免振効果を発揮することが可能である。

【0077】

（６）
本実施形態のピストン５では、ピストン本体５０は、その冠面５ａ２において燃焼室６の下部を形成する凹部５ｆを有するとともに当該ピストン本体５０の内部において凹部５ｆの近傍にオイル流路５ｇが形成されたディーゼルエンジン用のピストンの形状を有する。

【0078】

ピストン本体５０がディーゼルエンジン用のピストンの形状、すなわち、当該ピストン本体５０の冠面５ａ２において燃焼室６の下部を形成する凹部５ｆを有するとともに当該ピストン本体５０の内部において凹部５ｆの近傍にオイル流路５ｇが形成された形状では、ガソリンエンジン用ピストンと比較して、ピストン本体５０におけるピンボス部５ｄよりも上側の部分がストローク方向に長くなり、ピストン本体５０の質量重心がピンボス部５ｄの上方から離れる。そのため、ピストン５の往復動の際にピストン５の首振りがとくに生じやすい。しかし、上記の構造のピストン本体５０、すなわち、ピストン本体５０の空間部５ｈがピンボス部５ｄの軸方向（前後方向Ｙ）から見てピストン本体５０の幅方向（左右方向Ｘ）において空間部５ｈの一方側（左側Ｘ１）の端部から他方側（右側Ｘ２）の端部へ漸次拡張したピストン本体５０をディーゼルエンジン用のピストンに適用すれば、粉粒体１７を空間部５ｈの一方側（左側Ｘ１）に集めることにより、ピストン５の首振りを効果的に抑制することが可能である。

【0079】

（変形例）
上記実施形態では、本発明のピストンの一例としてディーゼルエンジン用のピストンを例に挙げて説明しているが、本発明はこれ限定されるものではなく、ピストンが往復動するレシプロエンジンであれば本発明のピストンを広く適用することが可能である。したがって、本発明のピストンはレシプロエンジンであればスパーク着火式のガソリンエンジンなどにも適用することが可能である。

【符号の説明】

【0080】

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
２ シリンダ
５ ピストン
５ａ ピストンヘッド
５ａ２ 冠面
５ｄ ピンボス部
５ｄ１ ピン孔
５ｈ 空間部
５ｈ１ 他方側の容量が大きい部分
５ｈ２ 一方側の容量が大きい部分
５ｉ 上面
５ｊ 下面
６ 燃焼室
７ クランクシャフト
８ コネクティングロッド
１６ ピストンピン
１７ 粉粒体
５０ ピストン本体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】