特許 7585764 ピストンおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】ピストンおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/00 20060101AFI20241112BHJP

   F16J 1/00 20060101ALI20241112BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

F02F3/00 301B

F02F3/00 E

F02F3/00 G

F16J1/00

F16F15/02 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020211570

(22)【出願日】2020-12-21

(65)【公開番号】P2022098177

(43)【公開日】2022-07-01

【審査請求日】2023-10-19

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【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】100133916

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 興

(72)【発明者】

【氏名】阪井 博行

(72)【発明者】

【氏名】市川 和男

【審査官】鶴江 陽介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２０３４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９５２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８６７２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｆ ３／００

Ｆ１６Ｊ １／００

Ｆ１６Ｆ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、ことを特徴とするピストン。

【請求項2】

請求項１に記載のピストンにおいて、
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ている、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ている、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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１５－１６１３２２号公報

【文献】特開平６－２８８４６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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。

【0008】

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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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）。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0014】

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。

【0015】

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）。

【0016】

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。

【0017】

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）。

【0018】

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。

【発明の効果】

【0021】

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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】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。

【図2】上記ピストンの斜視図である。

【図3】上記ピストンの正面図である。

【図4】上記ピストンの平面図である。

【図5】上記ピストンの側面図である。

【図6】上記ピストンの底面図である。

【図7】図３のVII－VII線に沿った上記ピストンの断面図である。

【図8】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。

【図9】上記空洞部を中子に代替して示す正面図である。

【図10】上記空洞部を中子に代替して示す平面図である。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【発明を実施するための形態】

【0023】

（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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

（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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

（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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

（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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

（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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【符号の説明】

【0071】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】