JP2004225596A

JP2004225596A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP2004225596A
Application number: JP2003013557A
Authority: JP
Inventors: Takao Suzuki; 孝男鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】余剰のオイルを効率的に回収できるようにして、ピストン周囲において設定通りのオイル厚さを維持できるようにする。回収したオイルによるピストンヘッドの直接的な冷却が可能で、ピストンの強制冷却が必要な過給型エンジン等にも対応できる内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】ピストンリング取付け部１とスカート部２が形成されているピストン３において、ピストンリング取付け部１とスカート部下端との間にスカート部円周方向に沿ったオイル溜め用凹部４を形成するとともに、このオイル溜め用凹部４にピストン内部に貫通する貫通孔５を形成し、この貫通孔５をオイル溜め用凹部４におけるピストンヘッド６側に位置するように形成し、余剰のオイル７をピストン内部側に導入しやすいように構成した。これにより、ピストン３の下降行程において余剰オイルの排出効率が高まる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンに関し、詳細にはピストン周辺の潤滑と冷却を改善するようにしたピストンの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関、殊にレシプロエンジンにおいてはエンジンオイルの潤滑の良否が機関の性能と寿命を左右する重要な要素となっている。とりわけ、燃料の燃焼室の一部を構成するピストンヘッド周辺の潤滑は、他の部分に比較して潤滑が困難であるとされている。この部位は、高温高圧の燃焼ガスの圧力と温度が直接に作用するので、種々の精密な調整が必要である。
【０００３】
例えば、ピストンの温度上昇を抑制し、ピストンとシリンダ内面との適切なクリアランスを保持する必要があり、かつ、潤滑油消費量を減少させ、ガス抜け（ブローバイ）の防止、または、油膜厚さとフリクションの関係の調整等が指摘できる。
【０００４】
これらの課題において、ピストンの温度上昇を抑える必要性と油膜厚さとフリクションの問題について着目すると、まず、ピストンの上面は高温となり、特にターボエンジンなどではその傾向が顕著であるために、適切な冷却を行う必要がある。従来は、ピストンヘッドが特に高温になる内燃機関では、ピストンの下方からオイルを噴射（オイルジェット）し、これをピストンヘッド裏面に当てて冷却する手法等が採られている。
【０００５】
しかし、この方法では、少なくともオイルをピストンヘッドに向けて噴射する機構の設置が必要で、ピストン周辺の構造が複雑になり、コスト高となるため採用できる機種に限りがある。
【０００６】
一方、油膜厚さとフリクションの調整では、一般に油膜が厚いことは耐久性の面では有利でもあるが、内燃機関の高回転時で出力低下が起こる原因ともなる。また、油膜が厚過ぎるとピストンリングが掻き残した余剰のオイルが燃焼したり、ブローバイガス化してしまう。したがって、フリクションやオイル消費が低くなるように油膜厚さを適切な範囲になるようにコントロールする必要がある。
【０００７】
そこで、従来はオイルリングの張力を強くして、シリンダ壁面のオイルを強制的にかき下げる手法も採用されていたが、ピストンの摺動抵抗が増大することは避けられず、フリクションの増加による内燃機関の出力低下や燃費の悪化が生じる。
【０００８】
これらの観点から、油膜厚さをほどよく調整するための構造として、図５に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。このピストンでは、ピストン２０の上部の側面円周部に沿ってピストンリング２１が設けられており、このピストンリング２１の下方に側面円周部に沿った溝２２が形成されている。そしてこの溝２２によって余剰のオイルを回収するようにしている。さらに、溝２２の底部に数箇所のオイル排出孔２３が設けられている。
【０００９】
上記の構造により、ピストン２０とシリンダ２４との間に存在する余剰のオイルは、このオイル排出孔２３からピストン２０の内側へ回収され、さらにオイルの回収効率を向上させている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−５０１０７号公報（第７頁、図１０）
【特許文献２】
特開平３−１０４１４７号公報
【特許文献３】
特開平６−４９７４５号公報
【特許文献４】
特開平１０−２２０５７８号公報
【特許文献５】
特開平１０−１７６５９９号公報
【特許文献６】
特開平１０−７８１２９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記した特許文献１に示すピストンでは、オイルの回収効率という点では充分なものとはいえず、余剰のオイルがシリンダ壁面に残留する可能性があった。ここで、シリンダとピストンとの動作関係に着目すると、シリンダとピストンは、常にオイルを介して互いに擦れ合っている状態にある。したがって、ピストンのシリンダ内での往復動において、ピストンスピードが最も上昇する中間工程では、オイルが溝２２内からピストン内部空間へ戻りにくく滞留するオイルが多くなる。
【００１２】
ここでは、溝２２内の空間でのオイルに作用する圧力は、ピストンの移動方向（矢印Ａで示す）に沿って発生すると考えられる。したがってオイルかき効果を最も必要とするピストン下降工程では、オイルに作用する圧力は、ピストンの移動方向にほぼ直交するオイル排出孔２３が設けられている方向（矢印Ｂで示す）には生じない。したがって、オイル排出孔２３を溝２２の底面とピストン内部空間とを連通するように形成したのみでは、充分なオイル排出効果は期待できない。
【００１３】
なお、ピストンに溝を設けることなく、スカート部２５に単にオイル戻し孔を設けるということも考えられるが、この場合はオイル排出孔の部分ではピストン側の壁面が無い状態となるのでオイルの厚みが無限大となり、油膜形成が充分にできない。この場合は、局所的ではあるがオイルが不足する状態が生じてピストンの摩耗、スカッフ、または焼き付きなどが生ずる虞れがある。
【００１４】
本発明はかかる従来の問題点を解決するためになされたもので、余剰のオイルを効率的に回収できるようにして、ピストン周囲において適切な油膜の厚さを維持できるようにすると共に、ピストンヘッドの冷却が可能な内燃機関用ピストンを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、オイルかき効果を最も必要とするピストン下降工程では、オイルに作用する圧力がオイルを溜める溝内の上端部で発生することに着目して完成されたものであって、前述した技術的課題を解決するために以下のように構成されている。
【００１６】
すなわち、ピストンリング取り付け部とスカート部とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、
ピストンリング取付け部とスカート部下端との間に、スカート部の周方向に沿ったオイル溜め用凹部を形成するとともに、このオイル溜め用凹部にピストン内部に貫通する貫通孔を設け、この貫通孔はオイル溜め用凹部のピストンヘッド側に位置するように形成して、余剰のオイルをピストン内部に導入するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
上記のように貫通孔の位置をオイル溜め用凹部におけるピストンヘッド側に位置するように形成することで、ピストンの下降行程（爆発行程または吸入行程）における余剰オイルの排出を確実なものとすることができる。粘性のあるオイルは、ピストンとシリンダ壁面（ボア面）との間で双方の壁面に密着しているため、ピストンが移動する行程では両壁面の中間部分で剪断力が作用することとなる。すなわち、オイルはピストン表面から離れるほどにピストンスピードに追随できずその速度が低下する。このため、オイル厚さが極端に厚くなるオイル溜め用凹部では、ピストンの進行方向とは逆の面に圧力が発生することとなる。本発明では、オイル厚さをより厳密に管理すべきピストンの下降行程においては、オイル溜め用凹部のピストンヘッド側に面圧力が集中する。そこで、本発明では、前記面圧力が集中するピストンヘッド側にオイル導入用の貫通孔を設けることで、オイルを急速にピストン内側へ排出させるようにした。前記オイル溜め用凹部の上部に衝突したオイルはボア面上に跳ね返ることなく、貫通孔を介して多量のオイルがピストン内部に戻されるので、オイル消費が低減する。
【００１８】
また、前記貫通孔の中心軸の延長線がピストンヘッド裏面方向となるように前記貫通孔が傾斜して設けることが好ましい。
【００１９】
このようにすれば、ピストンの下降時に、ピストン内側に導入されたオイルが、高温に晒されるピストンヘッドの裏面に向けて飛散し、少なくともその一部は前記裏面に接するようになるため、ピストンヘッド全体を効率的に冷却することができるようになる。
【００２０】
前記オイル溜め用凹部は、必ずしもピストン全周に設けることを要しない。また、スカート部もピストン全周に設ける必要はない。在来の典型的なピストンが、いわゆる有蓋の円柱状であるのに対して近年は、ピン穴（ピストンとコンロッドを接続する部分）に面するスカート部を切り欠いた形状のピストンを用いる場合があり、かかる場合は、当然、スカート部もオイル溜め用凹部もピストン全周に設けられないことになる。
【００２１】
なお、貫通孔の断面積や形成個数、あるいは形成場所については、意図する理想的なオイル厚さが得られるように適宜設定すればよい。
【００２２】
本発明は、オイルかき効果を最も必要とするピストン下降工程でオイルに圧力が作用するオイル溜め用凹部の上端にオイル戻し用の貫通孔を形成したので、効率的なオイル回収が可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の内燃機関用ピストンを、図面に示される実施形態について更に詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の内燃機関用ピストンのスラスト側を示す側面図であり、図２は、その部分断面図である。
【００２５】
ピストン３は、図外の内燃機関のシリンダ内に挿入され、燃焼室を画するピストンヘッド部６と、ピストンピンボス１０が設けられた基部８と、この基部８の外周を覆い、ピストンリング取付け部１と、その下部のスカート部２が一体となったピストン外周部９とを備えている。
【００２６】
ピストン３の側面上部には、計三カ所のピストンリング取付け部１が形成されているとともに、その下方にはスカート部２が形成されている。ピストンリング取付け部１のうち上の２つはコンプレッションリング用であり、最下の１つがオイルリング用である一般的な構成である。
【００２７】
図示のピストン３はいわゆる円柱状の形状ではなく、軽量化とフリクションロスの低減を図るために、相対的に側圧が小さくなるようにピストンピン軸方向のスカート部２を切り欠いた形状としたものである。
【００２８】
図１は、ピストンのスラスト側を示しており、上述したように切り欠きを設けたことから幅が狭くなったスカート部２が、図面において手前側と向こう側（反対側）に位置している。また、ピストンヘッド６の裏面には、基部８を介してピンボス１０が形成されており、このピンボス１０にはコンロッド（図示しない）に接続するためのピン穴１１が形成されている。
【００２９】
ピストンリング取付け部１とスカート部２の下部との間、すなわち、スカートの摺動面の高さ方向のほぼ中央部には、スカート部２の円周方向に沿ったオイル溜め用凹部４が形成されている。このオイル溜め用凹部４は、図２に示すように断面が長方形のいわゆる［コ］字の凹部となっており、このオイル溜め用凹部４にピストン内部に貫通する貫通孔５が形成されている。このオイル溜め用凹部４を設けることで、スカート部２の摺動面の面積を減少させフリクションを低減させることができる。
【００３０】
この貫通孔５は、オイル溜め用凹部４におけるピストンヘッド６側に位置し、オイル溜め用凹部４の中央部からオフセットして形成してある。すなわち、貫通孔５は、図面においてはオイル溜め用凹部４の上端に設けられている。
【００３１】
このように、ピストン３の下降行程においてオイル溜め用凹部４の上縁部分４ａに圧力が集中するので、貫通孔５の位置をオイル溜め用凹部４におけるピストンヘッド６側にオフセットさせてある。すなわち、このオイル溜め用凹部４の上縁部分４ａ近くに前記貫通孔５が設けられているため、特にピストンの下降時には、余剰のオイル７は容易にピストン３の内側へ排出される。このとき、オイルは加圧されているので、素早く貫通孔５内に流れ込む。なお、ピストン裏面はクランクケースと連通しているため、クランクケース内の負圧がオイルの貫通孔５からの流入を補助することが期待できる。
【００３２】
このようにしてピストン表面のオイルの残留量が少なくなるために、この実施の形態１のピストンでは、オイルリングの張力をオイルのかき落としのために強くする必要がなくなり、ピストンのフリクションロスの低減と耐久性の向上とを図ることができる。
【００３３】
また、オイルが確実に回収されることでオイル消費量が低減し、かつシリンダボア面に付着したオイルが燃焼するので、有害な排気の排出も抑制される。
（実施の形態２）
図３と図４は、他の実施の形態を示している。なお、上記の実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
この実施の形態２では、前記貫通孔５全体を、図４に示すように所定角度を有するように傾斜させて形成し、貫通孔５の中心軸の延長線がピストンヘッド裏面６ａ方向となるようにしている。この角度は、貫通孔５が形成される位置やピストンの径などによって適宜設定するが、例えば、４５度程度に設定することができる。
【００３５】
この実施の形態では、ピストンの下降時においてオイル７が加圧される方向と貫通孔５の方向とがより近くなるため、図１に示すものよりも更に、ピストン３内に導入されるオイルの飛散力が高くなり、ピストンヘッド６の裏面に接触することが充分に期待できる。すなわち、オイルが加圧される方向はピストンの移動方向と一致しているが、この圧力を例えば４５度の角度で逃がすことになるため、より抵抗が少なくなるためにピストンヘッド方向に飛散する度合いが強くなる。
【００３６】
このようにピストン３の内側に導入されたオイルが、高温に晒されるピストンヘッド６の裏面に向けて飛散してこれに接触することで、ピストンヘッド全体を効率的に冷却することができる。このためポンプを用いてピストン裏面にオイルを噴射するオイルジェット方式に匹敵するピストン冷却効果と、ピストンの冷却による内燃機関の燃焼が改善されることで、ノッキング抑制効果が期待できる。充分な冷却効果が得られることで、オイルジェットを設ける必要がなくなれば、複雑な機構が廃止できるので低コスト化が期待できる。
【００３７】
また、ピストンの冷却が確実に行える結果、ピストンの強度を下げることが可能となり、ピストンの軽量化も図ることができる。このようなピストンの軽量化の設計では、材料の重量を削減するものと、耐熱性が比較的低い軽量な粗材を多く使用する場合とがあり、いずれにせよ軽量化による出力向上等が期待できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、貫通孔をオイル溜め用凹部におけるピストンヘッド側に形成したので、シリンダ壁面における余剰のオイルを貫通孔からピストンの内側へ容易に回収することができる。このため、シリンダ壁面とピストンの間のオイル厚さの管理を的確に行うことができるのでフリクションロス、及びオイル消費の低減を図ることができる。このようなフリクションロスの低減によって、燃費の向上及び内燃機関の出力の向上が期待できる。
【００３９】
さらに、貫通孔を傾斜させてピストンの内側に導入されたオイルがピストンヘッドの裏面方向に飛散するように構成すれば、ピストンヘッドを効率的に冷却することができ、ノッキング抑制効果をも得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である内燃機関用ピストンのスラスト側を示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態である内燃機関用ピストンの断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態である内燃機関用ピストンのスラスト側を示す側面図である。
【図４】本発明の他の実施形態である内燃機関用ピストンの断面図である。
【図５】従来の内燃機関用ピストンを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ピストンリング取付け部
２スカート部
３ピストン
４オイル溜め用凹部
５貫通孔
６ピストンヘッド
７オイル
８基部
９ピストン外周部
１０ピンボス
１１ピン穴

Claims

ピストンリング取り付け部とスカート部とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、
ピストンリング取付け部とスカート部下端との間に、スカート部の周方向に沿ったオイル溜め用凹部を形成するとともに、このオイル溜め用凹部にピストン内部に貫通する貫通孔を設け、この貫通孔はオイル溜め用凹部のピストンヘッド側に位置するように形成して、前記オイル溜め用凹部内の余剰のオイルをピストン内部に導入することを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記貫通孔の中心軸の延長線がピストンヘッド裏面方向となるように前記貫通孔が傾斜して設けられてい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。
ピストンとコンロッドを接続するピンが挿入されるピン穴に面するスカート部を切り欠いた形状である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。