JP2007285192A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンヘッドの裏面側にオイルを十分に滞留させてオイルによるピストンヘッドの冷却効率を高めた内燃機関のピストンを提供する。
【解決手段】ピストンヘッド２の裏面２ｂ側に向けてオイルを噴射するオイルジェット装置を備えた内燃機関に適用されるピストンにおいて、ピストンヘッド２の裏面２ｂ側に、開口部６ｃの幅Ｗ１よりも内部６ｄの幅Ｗ２が拡大する溝部６を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、オイルジェット装置を備えた内燃機関に適用されるピストンに関する。

往復動型内燃機関のピストンを冷却する目的で、内燃機関のシリンダブロックの下部に設けられたノズルからピストンヘッドの裏面側にオイルを噴射するオイルジェット装置が組み込まれた内燃機関が公知である。この種のオイルジェット装置に適用されるピストンとしては、ピストンヘッドの裏面側に複数のフィン状の突起を設けたピストンが提案されている（特許文献１〜３参照）。ピストンヘッドの裏面側に複数の冷却孔を設けるとともに、コネクティングロッドのピストン側の端部に複数のオイルノズルをピストンと一体的に移動できるように配置し、各ノズルの先端を冷却孔内に挿入したピストンも知られている（特許文献４参照）。
実開平６−４３４８号公報 特開平９−７９１１６号公報 特開２００４−２７０４８９号公報 特開平８−３３８３０４号公報

上述した従来のピストンにおいて、フィン状の突起はピストンヘッドの裏面側の表面積を増加させる手段として設けられているに過ぎず、突起間に生じる凹部は、開口部から底部まで一定の幅に形成され、あるいは開口部から底部に向かって幅が徐々に減少するように形成されている。このため、突起間の凹部にはオイルの保持作用が殆どない。従って、ピストンヘッドの裏面側にオイルを吹き付けても、そのオイルはピストンヘッドの裏面から容易に落下し、ピストンヘッドからオイルへの熱伝達効率が低く、ピストンを効率良く冷却できないおそれがある。特に、シリンダブロックの下部のノズルからオイルを噴射するタイプのオイルジェット装置では、燃焼熱の影響が最も厳しくなる圧縮上死点付近にてノズルからピストンヘッドの裏面までの距離が増加してオイルが届き難くなるため、上述した懸念が高まる。オイルジェット装置のノズルをピストンと一体的に移動可能とした場合でも、ノズルから噴射されたオイルが直ぐに冷却孔から流出するため、ピストンヘッドからオイルへの熱伝達効率が悪く、同様の問題が生じる。

そこで、本発明は、ピストンヘッドの裏面側にオイルを十分に滞留させてオイルによるピストンヘッドの冷却効率を高めることが可能な内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

本発明は、ピストンヘッドの裏面側に向けてオイルを噴射するオイルジェット装置を備えた内燃機関に適用されるピストンにおいて、前記裏面側に、開口部の幅よりも内部の幅が拡大する凹部が設けられることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明のピストンによれば、凹部の開口部の幅よりも内部の幅が拡大しているので、凹部内の拡大部分から見て凹部の開口部側の壁面が下方に回り込むように突出し、その突出部分により凹部内に入り込んだオイルの落下が抑制される。このため、ピストンヘッドの裏面側にオイルを十分に滞留させ、ピストンヘッドからオイルへの熱伝達効率を向上させ、それにより、ピストンヘッドのオイルによる冷却効率を高めることができる。

本発明の一形態においては、前記凹部として、前記裏面に沿って延びる溝部が設けられ、該溝部の長手方向と直交する断面において前記開口部の幅よりも内部の幅が拡大してもよい（請求項２）。また、本発明の他の形態においては、前記凹部として、球形状の一部が切り欠かれて前記開口部が設けられた形状の窪みが設けられ、前記窪みの開口部の幅よりも前記窪みの内部の最大幅が大きく設定されてもよい（請求項３）。これらの形態によれば、溝部又は窪みの内部にオイルを保持してピストンヘッドからオイルへの熱伝達効率を高めることができる。さらに、窪みを設ける場合においては、前記ピストンヘッドの鋳造時に鋳型内で発生する気泡を前記裏面側に取り込んでピストン材料を凝固させることにより窪みを形成してもよい（請求項４）。鋳造時に発生する気泡を利用すれば、上述した形状の窪みを簡単に形成することができ、鋳造後の工程の削減を図り、ピストンの製造コストを低減することができる。

以上に説明したように、本発明のピストンによれば、ピストンヘッドの裏面側に形成された凹部内にオイルを十分に滞留させることにより、ピストンヘッドからオイルへの熱伝達効率を向上させてピストンヘッドの冷却効率を高めることができる。

（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る内燃機関用のピストンの軸線方向断面図を示す。周知のように、ピストン１は、往復動型内燃機関のシリンダ内に摺動自在に挿入される。そのピストン１は、略円柱形状を有するピストンヘッド２と、ピストンヘッド２の外周側から下方に延びるスカート３とを備えている。ピストンヘッド２の外周面には、ピストンリングを装着するための３本の環状のピストンリング溝４が間隔を空けて形成されている。ピストンヘッド２の裏面２ｂには一対のピンボス５が形成され、それらのピンボス５にはピストンピンを挿入するためのピストンピン孔５ａが形成されている。なお、ピストンヘッド２の頂面２ａは燃焼室に臨み、ピストンヘッド２の裏面２ｂはクランク室に臨む。内燃機関のシリンダブロックの下部には、ピストン１を冷却するためのオイルジェット装置２０が設けられる。オイルジェット装置２０はピストンヘッド２の裏面２ｂ側に向けてオイルを噴射する公知の装置である。

図２は、ピストンヘッド２を裏面２ｂ側から見た様子を示す。ピストンヘッド２には、裏面２ｂに開口する複数の溝部６が形成されている。各溝部６が本発明の凹部に相当する。各溝部６は、ピストンピン孔５ａの軸線ＣＬと直交する方向に直線状に延び、かつ軸線ＣＬの方向に互いに等間隔に配置されている。図１に示すように、各溝部６の裏面２ｂからの深さは、溝部６の一端６ａから他端６ｂまで一定である。図２の軸線ＣＬに沿った溝部６の断面形状を図３に示す。溝部６は、その開口部６ｃの幅Ｗ１よりも内部６ｄの幅Ｗ２が拡大した略Ｔ字状の断面形状を有している。溝部６の内部６ｄの一対の壁面６ｅはピストン１の軸線方向に平行な平面状に形成され、溝部６の開口部６ｃ側には壁面６ｅから断面矩形状に突出する一対の突出部６ｆが設けられている。溝部６の断面形状はその長手方向の全長に亘って一定である。

上述した溝部６の形成方法としては種々の方法が存在する。例えば、ピストンヘッド２の成形後、溝部６の断面形状と等しい断面形状の刃部を有するＴ溝カッター等の切削工具を利用して溝部６を加工してもよい。この場合、溝部６の両端には切削工具を出し入れするための穴部を設ける必要がある。あるいは、ピストン１の鋳造時に溝部６を一体的に鋳造してもよい。この場合、ピストン１を成型するための鋳型には溝部６を形成するための中子を設ける必要がある。その中子は、例えば砂型のように鋳造後に形を崩して溝部６から排除できるもの、あるいは、組立中子のように鋳造後に分解して溝部６から取り出せるものを使用する必要がある。組立中子は、例えば溝部６の開口部６ｃと同一幅で溝部６の底まで達する部材と、内部６ｄの拡大部分、つまり、幅Ｗ１よりも拡大している部分を埋める部材とを組み合わせて構成することができる。

さらに、図４に示すように、ピストンヘッド２の本体８に幅Ｗ２の本体溝部９を形成し、本体溝部９の間に設けられた壁部１０の下面１０ａに、本体８とは別部品の板状部材１１をそれらの間に幅Ｗ１が空くように接合して溝部６を形成してもよい。板状部材１１の接合は溶接、溶着、接着、ボルト締め等の各種の接合手段を用いてよい。

以上の形態のピストン１によれば、各溝部６において、開口部６ｃの幅Ｗ１よりも内部６ｄの幅Ｗ２が拡大しているので、溝部６内の拡大部分から見て開口部６ｃの突出部６ｆが下方に回り込むように突出し、その突出部６ｆより溝部６の内部６ｄに入り込んだオイルの落下が抑制される。このため、ピストンヘッド２の裏面２ｂ側にオイルを滞留させ、オイルによる冷却効果を高めることができる。

なお、以上の形態では、溝部６の壁面６ｅに矩形状の突出部６ｆを設けることによって開口部６ｃの幅Ｗ１よりも内部６ｄの幅Ｗ２を拡大させたが、幅Ｗ１、Ｗ２の差別化はこのような形態に限らず、適宜の構成によって実現することができる。例えば、図５に示すように溝部６の壁面６ｅを底面６ｇから開口部６ｂに向かうに従って漸次突出するテーパ状に形成することにより、開口部６ｃの幅Ｗ１よりも内部６ｄの幅Ｗ２を拡大させてもよい。突出部６ｆをいずれか一方の壁面６ｅのみに設けてもよい。いずれか一方の壁面６ｅのみをテーパ状に形成してもよい。

（第２の形態）
次に、図６及び図７を参照して本発明の第２の形態に係るピストンを説明する。なお、第１の形態と共通する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。本形態では、図２に示した複数の溝部６に代えて複数の窪み１２がピストンヘッド２の裏面２ｂ側に設けられている。各窪み１２が本発明の凹部に相当する。窪み１２は互いに連通することなく独立し、ピストンピン孔５ａの軸線ＣＬの方向及びその軸線ＣＬと直交する方向にマトリックス状に配置されている。但し、全ての窪み１２が相互に独立している必要はなく、一部の窪み１２が互いに連通してもよい。多数の窪み１２が裏面２ｂ上で縦横に設けられていればよく、図示の如く窪み１２が規則的に配列されている必要はない。各窪み１２は、球形状の一部が切り欠かれることにより裏面２ｂに開口する開口部１２ａが設けられた形状を有している。開口部１２ａの幅Ｗ１は、窪み１２の内部１２ｂの幅方向に関する最大の幅Ｗ２よりも小さい。すなわち、窪み１２は、開口部１２ａの幅Ｗ１よりも内部１２ｂの幅Ｗ２が拡大した形状を有している。

以上のような窪み１２は、例えばピストン１の鋳造時に発生する気泡を利用して、ピストン１の鋳造と同時に形成することができる。以下に、その形成方法の一形態を説明する。図８はピストン１を形成するための鋳型１３を示す。鋳型１３は下型１４及び上型１５を組み合わせた構成を有している。下型１４及び上型１５の見切り位置、つまり合わせ面１４ａ、１５ａの位置はピストンヘッド２の裏面２ｂに沿って設定されている。そして、下型１４にはピストンヘッド２を形成するための凹所１４ｂが、上型１５にはスカート３及びピンボス５をそれぞれ形成するための凹所１５ｂが形成されている。下型１４と上型１５とを組み合わせることにより、鋳型１３の内部にはピストン１と相補的な形状の空洞部１６が形成される。但し、空洞部１６はピストン１を上下方向に関して反転させた形状である。そのため、ピストン１は鋳型１３の内部にてピストンヘッド２の裏面２ｂを上向きにして鋳造される。

上型１５には、一端が上面１５ｃに開口し、他端が空洞部１６に開口する湯口１７が形成されている。湯口１７は空洞部１６に湯、つまり溶融状態のピストン材料を注入するためのものである。図８の例では、湯口１７の下端がピンボス５の頂点に対応した位置に開口しているが、その位置は適宜に設定してよい。さらに、上型１５の裏面２ｂに対応する壁面１５ｄには、裏面２ｂの内周及び外周を一周するリング状のリブ１５ｅ、１５ｆが設けられてもよい。さらに、上型１５には鋳造時に発生するガスを鋳型１３の外部に抜くためのガス抜き孔（不図示）が適宜に形成される。

以上の鋳型１３を用いてピストン１を鋳造する場合、空洞部１６に導かれる湯から発生するガスにより上型１５の凹所１５ｂに気泡１８が溜る。それらの気泡１８が湯の凝固過程で裏面２ｂ上に取り込まれることにより図７に示すような窪み１２が形成される。特に、裏面２ｂの内周位置及び外周位置にリブ１５ｅ、１５ｆを設けた場合には気泡を裏面２ｂに積極的に残留させて多数の窪み１２を形成することができる。このようにピストン１の鋳込み中に発生する気泡を利用して窪み１２を形成すれば、ピストン１の鋳造後において、窪み１２を形成するために必要な工程を削減することができる。なお、裏面２ｂに気泡を残すため、上型１５のガス抜き孔は凹所１５ｂの裏面２ｂに対応する面を避けて設けることが望ましい。

本発明は上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、凹部はその開口部の幅よりも内部の幅が拡大している限りにおいて種々の断面形状に形成してよい。凹部の個数及び配置についても適宜に変更してよい。

本発明の第１の形態に係るピストンの軸線方向断面図。 図１のピストンをその裏面側から見た様子を示す図。 図２の軸線ＣＬに沿った溝部の断面図。 溝部の形成方法の一例を示す図。 溝部の変形例を示す断面図。 本発明の第２の形態に係るピストンを裏面側から見た様子を示す図。 図６の軸線ＣＬに沿った窪みの断面図。 窪みの形成方法の一例を示す図。

符号の説明

１ ピストン
２ ピストンヘッド
２ｂ ピストンヘッドの裏面
６ 溝部（凹部）
６ａ 溝部の開口部
６ｂ 溝部の内部
１２ 窪み（凹部）
１２ａ 窪みの開口部
１２ｂ 窪みの内部
Ｗ１ 開口部の幅
Ｗ２ 内部の幅

Claims (4)

1. ピストンヘッドの裏面側に向けてオイルを噴射するオイルジェット装置を備えた内燃機関に適用されるピストンにおいて、前記裏面側に、開口部の幅よりも内部の幅が拡大する凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記凹部として、前記裏面に沿って延びる溝部が設けられ、該溝部の長手方向と直交する断面において前記開口部の幅よりも内部の幅が拡大していることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記凹部として、球形状の一部が切り欠かれて前記開口部が設けられた形状の窪みが設けられ、前記窪みの開口部の幅よりも前記窪みの内部の最大幅が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
4. 前記窪みが、前記ピストンヘッドの鋳造時に鋳型内で発生する気泡を前記裏面側に取り込んでピストン材料を凝固させることにより形成されていることを特徴とする請求項３に記載のピストン。

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