JP2009114981A

JP2009114981A - 内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP2009114981A
Application number: JP2007289429A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shinoda; 耕一篠田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】ピストンの冷却能力を向上させる。
【解決手段】内燃機関のピストン１０において、ピストンヘッド２２の裏面に、少なくとも１つの冷却フィン４０を取り付けると共に、オイルジェットから吹き付けられた潤滑油を循環させる冷却空洞２２Ｅの内壁からピストン頂面に向かって延びる少なくとも１つの冷却穴２２Ｆを形成し、ここにナトリウム５０を封入した後、その開口をプラグ（めくら栓）２２Ｇで閉塞する。そして、冷却フィン４０及び冷却空洞２２Ｅによるピストン冷却に加え、冷却穴２２Ｆ内で液化したナトリウムを熱媒体として、ピストン頂面の熱を冷却空洞２２Ｅに伝達して冷却することで、ピストンの冷却能力を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関し、その冷却能力を向上させる技術に関する。

熱負荷の高いディーゼル機関や高出力ガソリン機関では、燃焼室を臨むピストンヘッドが高温となることから、特開２００６−２００４１０号公報（特許文献１）に記載されるように、潤滑油をピストンヘッド裏面に吹き付けるオイルジェットで強制冷却するものが実用化されている。また、同公報においては、ピストンヘッド裏面と潤滑油との接触面積を増加させ、ピストンの冷却能力を向上させるべく、ピストンヘッド裏面に複数の冷却フィンを取り付けることが提案されている。
特開２００６−２００４１０号公報

しかしながら、近年の内燃機関においては、高出力化などによって燃焼温度がさらに上昇傾向にあるため、ピストン裏面に冷却フィンを取り付けただけでは、必要とされる冷却能力を発揮できないおそれがあった。冷却能力が十分発揮できないと、ピストンヘッドの特定部分が高温となり、ここに潤滑油が吹き付けられると熱劣化を起こすおそれがある。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、冷却フィンに加え、ピストンヘッド裏面の冷却空洞からピストン頂面に向かって延びる冷却穴を追加形成し、ここにナトリウムを封入することで、ピストン頂面の熱をその冷却空洞に伝達し、その冷却能力を向上させた内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、ピストンヘッドの裏面に、少なくとも１つの冷却フィンを取り付けると共に、オイルジェットから吹き付けられた潤滑油を循環させる冷却空洞の内壁からピストン頂面に向かって延びる少なくとも１つの冷却穴を形成し、ここにナトリウムを封入したことを特徴とする。
請求項２記載の発明では、前記冷却フィンは、前記ピストンヘッドとは別体のものであり、該ピストンヘッドの裏面に圧入又は螺合により取り付けられたことを特徴とする。

請求項３記載の発明では、前記冷却フィンは、少なくとも、前記ピストンヘッドの裏面に圧入又は螺合される棒状の取付部と、薄板形状をなすフィン部と、が一体化されたものであることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記フィン部は、アルミ又はアルミ合金からなることを特徴とする。

請求項５記載の発明では、前記ピストンは、ピストンスカートが分割可能な二分割構造をなしていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、オイルジェットからピストンヘッドの裏面に向けて潤滑油が吹き付けられると、その外縁部に吹き付けられた潤滑油が冷却空洞に入り込んで循環し、ピストンヘッドの外縁部が冷却される。また、ピストンヘッドの中央部に吹き付けられた潤滑油は、その裏面に取り付けられた冷却フィンと接触し、ピストンヘッドの中央部が冷却される。このとき、潤滑油と冷却フィンとの接触面積が大であると共に冷却フィンから放熱がなされるため、熱的に厳しいピストンヘッドの中央部が効率的に冷却される。さらに、冷却穴に封入されたナトリウムが液化し、ピストンの往復動に伴って移動するため、ナトリウムを熱媒体として、ピストンヘッドの頂面の熱が冷却空洞へと伝達されて冷却され、その頂面温度を一層低下させることができる。このため、ピストンヘッドの裏面の特定部分が高温となることがなく、ここに潤滑油が吹き付けられても、その劣化が促進することを抑制できる。

請求項２記載の発明によれば、鍛造による冷却フィンの取付方法とは異なり、ピストンやコネクティングロッドなどと干渉しない限りにおいて、その高さを任意に設定することが可能となり、冷却に必要な表面積を容易に確保することができる。また、切削加工による冷却フィンの取付方法に比べて、ピストンヘッドの裏面に冷却フィンを取り付ける作業は比較的容易であるため、ピストンの製造工数の増加に伴うコスト上昇を抑制することができる。

請求項３記載の発明によれば、冷却フィンは、少なくとも、ピストンヘッドの裏面に圧入又は螺合される棒状の取付部と、薄板形状をなすフィン部と、が一体化されたものであるため、要求される冷却フィンの取付剛性及び冷却能力に合わせて、取付部及びフィン部を異なる材料から構成することができる。
請求項４記載の発明によれば、フィン部が熱伝導率の良好なアルミ又はアルミ合金から構成されるため、ピストンヘッドから放熱される単位時間あたりの熱量が増加し、冷却能力をさらに向上させることができる。

請求項５記載の発明によれば、ピストンは、ピストンスカートが分割可能な二分割構造をなしているため、ピストンスカートを取り外した状態では、冷却空洞の内壁が露出され、ここからピストン頂面に向かって延びる冷却穴を容易に形成することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１及び図２は、ディーゼル機関のピストンに対して本発明を適用した一実施形態を示す。
ピストン１０は、高負荷に耐え得る鋳鉄などの鉄系材料からなり、ピストン本体２０からピストンスカート３０が分割可能な二分割構造をなしている。

ピストン本体２０は、少なくとも、略円柱形状をなすピストンヘッド２２と、その裏面から垂直方向に平行して延びる一対のピストンピンボス２４と、が一体成形されたものである。ピストンヘッド２２の頂面には、燃焼室を形成するキャビティ２２Ａが陥凹形成されると共に、その周壁には、コンプレッションリング及びオイルリングを取り付けるためのリング溝２２Ｂ〜２２Ｄが夫々形成される。また、ピストンピンボス２４の外方に位置するピストンヘッド２２の裏面には、図示しないオイルジェットから吹き付けられる潤滑油が循環する環状の冷却空洞２２Ｅが形成される。ここで、冷却空洞２２Ｅの形成方法としては、例えば、ピストン本体２０の裏面を切削工具により切削することが適用可能である。さらに、一対のピストンピンボス２４には、コネクティングロッド小径端に連結するためのピストンピンが嵌合されるピストンピン穴２４Ａが開設される。

一方、ピストンスカート３０は、略薄肉円筒形状をなし、ピストン本体２０から隙間をあけた状態で、ピストンピン穴２４Ａにピストンピンを嵌合することで、ピストンとして機能する。また、ピストンスカート３０の一端部には、潤滑油の供給口を確保した上で油だまり部３０Ａを数ヶ所設け、冷却空洞２２Ｅの開口を塞ぐことで、潤滑油が循環する油路が形成される。

本発明の特徴として、ピストンヘッド２２の裏面に、その軸方向に向かって延びる少なくとも１つの冷却フィン４０が取り付けられる。冷却フィン４０の取付方法としては、例えば、鍛造による一体成形又は切削による機械加工が適用できる。また、ピストンヘッド２２には、ドリルなどの工具により、冷却空洞２２Ｅの内壁からピストン頂面に向かって延びる少なくとも１つの冷却穴２２Ｆが形成され、ここにナトリウム５０を封入した後、その開口がプラグ（めくら栓）２２Ｇで閉塞される。

かかる構成からなるピストン１０において、オイルジェットからピストンヘッド２２の裏面に向けて潤滑油が吹き付けられると、その外縁部に吹き付けられた潤滑油が冷却空洞２２Ｅに入り込んで循環し、ピストンヘッド２２の外縁部が冷却される。また、ピストンヘッド２２の中央部に吹き付けられた潤滑油は、その裏面に取り付けられた冷却フィン４０と接触し、ピストンヘッド２２の中央部が冷却される。

このとき、潤滑油と冷却フィン４０との接触面積が大であると共に冷却フィン４０から放熱がなされるため、熱的に厳しいピストンヘッド２２の中央部が効率的に冷却される。さらに、冷却穴２２Ｆに封入されたナトリウムが液化し、ピストン１０の往復動に伴って移動するため、ナトリウムを熱媒体として、ピストンヘッド２２の頂面の熱が冷却空洞２２Ｅへと伝達されて冷却され、その頂面温度を一層低下させることができる。このため、ピストンヘッド２２の裏面の特定部分が高温となることがなく、ここに潤滑油が吹き付けられても、その劣化が促進することを抑制できる。

また、ピストン１０は、ピストン本体２０からピストンスカート３０が分割可能な二分割構造をなしているため、ピストンスカート３０を取り外した状態では、冷却空洞２２Ｅの内壁が露出され、ここからピストン頂面に向かって延びる冷却穴２２Ｆを容易に形成することができる。
ここで、冷却フィン４０の他の取付方法としては、図３に示すように、ピストンヘッド２２の裏面に、冷却フィン４０を取り付けるための取付穴２２Ｈを形成し、図４に示すような別体の冷却フィン４０を圧入又は螺合により取り付けるようにしてもよい。このようにすれば、鍛造による冷却フィンの取付方法とは異なり、ピストンやコネクティングロッドなどと干渉しない限りにおいて、その高さを任意に設定することが可能となり、冷却に必要な表面積を容易に確保することができる。また、切削加工による冷却フィンの取付方法に比べて、ピストンヘッド２２の裏面に冷却フィン４０を取り付ける作業は比較的容易であるため、ピストン１０の製造工数の増加に伴うコスト上昇を抑制することができる。

このとき、冷却フィン４０は、図４に示すように、少なくとも、ピストンヘッド２２の取付穴２２Ｈに圧入又は螺合される棒状の取付部４２と、薄板形状をなすフィン部４４と、が一体化されたものとすることが望ましい。このようにすれば、冷却フィン４０において、取付部４２をピストン本体２０と同一材料から構成する一方、フィン部４４を熱伝導率が良好な金属、例えば、アルミ又はアルミ合金から構成することで、冷却フィン４０の取付剛性を確保しつつ冷却能力をさらに向上させることができる。

なお、本発明は、高負荷運転されるディーゼル機関に限らず、高出力ガソリン機関にも適用することができる。また、本発明は、二分割構造のピストンに限らず、一般的な一体構造のピストンにも適用することができる。

本発明を適用したピストンの一実施形態を示す縦断面図ピストン本体を下方から見た平面図本発明を適用したピストンの他の実施形態を示す縦断面図同上における冷却フィンの具体的構成を示す説明図

符号の説明

１０ピストン
２０ピストン本体
２２ピストンヘッド
２２Ｅ冷却空洞
２２Ｆ冷却穴
２２Ｇプラグ
２２Ｈ取付穴
３０ピストンスカート
４０冷却フィン
４２取付部
４４フィン部
５０ナトリウム

Claims

ピストンヘッドの裏面に、少なくとも１つの冷却フィンを取り付けると共に、オイルジェットから吹き付けられた潤滑油を循環させる冷却空洞の内壁からピストン頂面に向かって延びる少なくとも１つの冷却穴を形成し、ここにナトリウムを封入したことを特徴とする内燃機関のピストン。
前記冷却フィンは、前記ピストンヘッドとは別体のものであり、該ピストンヘッドの裏面に圧入又は螺合により取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
前記冷却フィンは、少なくとも、前記ピストンヘッドの裏面に圧入又は螺合される棒状の取付部と、薄板形状をなすフィン部と、が一体化されたものであることを特徴とする請求項２記載の内燃機関のピストン。
前記フィン部は、アルミ又はアルミ合金からなることを特徴とする請求項３記載の内燃機関のピストン。
前記ピストンは、ピストンスカートが分割可能な二分割構造をなしていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関のピストン。