JP2009185745A - Piston for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関用ピストンにおいて、冠面の冷却性能を向上させる技術に関する。 The present invention relates to a technique for improving the cooling performance of a crown surface in a piston for an internal combustion engine.
内燃機関用ピストンにおいては、燃焼ガスに晒される冠面中央部、及び、コネクティングロッドの往復回転運動に伴う首振り運動によりシリンダ壁面に押し付けられるトップリングが高温になり易いという特性がある。このため、ピストンの冠面中央部及びトップリング溝部は、高回転・高負荷時などに温度が過度に上昇すると、破損に至ってしまうおそれがある。そこで、特開2002−48001号公報(特許文献1)に記載されるように、ピストン内部にクーリングチャンネルと称される環状の冷却通路を形成し、オイルジェットから噴射される潤滑油を循環させることで、冠面中央部及びトップリング溝部を強制冷却する技術が実用化されている。
しかしながら、従来技術におけるクーリングチャンネルは、その通路断面がピストン軸方向に長い長円形状又は円形形状をなしていたため、ピストンの往復運動に伴う慣性により潤滑油が通路内で上下に動き回り、冠面側の内壁に接する時間及び面積が小さかった。また、潤滑油が通路内で上下に動き回ることで、潤滑油に空気の気泡が混入することもあった。このため、潤滑油とピストン冠面との熱交換効率が良好でなく、高回転・高負荷時には、クーリングチャンネルを循環する潤滑油量増加、点火時期遅角又は/及び空燃比適合による燃焼温度低下で対応していたが、これらの対応では燃費に影響を及ぼすおそれがあった。 However, since the cooling channel in the prior art has an elliptical or circular shape whose passage section is long in the piston axial direction, the lubricating oil moves up and down in the passage due to the inertia due to the reciprocating motion of the piston. The time and area in contact with the inner wall of the were small. Further, air bubbles may be mixed into the lubricating oil due to the lubricating oil moving up and down in the passage. For this reason, the heat exchange efficiency between the lubricating oil and the piston crown surface is not good, and at high speeds and high loads, the amount of lubricating oil circulating in the cooling channel increases, the ignition timing is retarded, and / or the combustion temperature decreases due to air-fuel ratio adaptation However, these measures may affect fuel consumption.
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、クーリングチャンネルの通路断面形状を工夫することで、潤滑油が上下に動き回ることを抑制し、ピストン冠面の冷却能力を向上させた内燃機関用ピストン(以下「ピストン」という)を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the conventional problems as described above, the present invention devised the passage cross-sectional shape of the cooling channel to suppress the lubricating oil from moving up and down and improve the cooling capacity of the piston crown surface. An object of the present invention is to provide an engine piston (hereinafter referred to as “piston”).
このため、本発明では、ピストンヘッド裏面に吹き付けられた潤滑油を取り込んで循環させる環状のクーリングチャンネルの通路断面を、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが長くなる幅広形状に形成することで、ピストン軸方向の長さを短くしつつ、ピストン冠面から熱量を受熱する面積を増大させた。 For this reason, in the present invention, the passage cross section of the annular cooling channel that takes in and circulates the lubricating oil sprayed on the back surface of the piston head is formed in a wide shape in which the length in the piston radial direction is longer than in the piston axial direction. As a result, the area for receiving heat from the piston crown surface was increased while shortening the length in the piston axial direction.
本発明によれば、ピストンヘッド裏面に吹き付けられた潤滑油は、その一部がクーリングチャンネルに取り込まれて循環し、ピストン冠面中央部及びトップリング溝を強制冷却する。このとき、クーリングチャンネルの通路断面が、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成されているため、ピストン軸方向の長さが短くなり、ピストン往復運動に伴う慣性による潤滑油の上下挙動が抑制される。また、クーリングチャンネルの通路断面が幅広形状に形成されていることから、ピストン冠面から熱量を受熱する受熱面積が増大する。このため、潤滑油に空気の気泡が混入することを抑制しつつ、冠面を効率的に冷却することが可能となり、冠面の冷却性能を向上させることができる。さらに、クーリングチャンネルの通路断面形状を変更することでピストン冠面中央部の冷却が促進されることから、潤滑油量増加、点火時期遅角又は空燃比適合の度合いを小さくすることが可能となり、燃費向上も図ることができる。 According to the present invention, a part of the lubricating oil sprayed on the back surface of the piston head is taken in and circulated in the cooling channel, forcibly cooling the central portion of the piston crown surface and the top ring groove. At this time, the passage cross section of the cooling channel is formed in a wide shape in which the length in the piston radial direction is larger than that in the piston axial direction. The vertical movement of the lubricating oil due to is suppressed. Moreover, since the passage cross section of the cooling channel is formed in a wide shape, the heat receiving area for receiving the amount of heat from the piston crown surface increases. For this reason, it becomes possible to cool the crown surface efficiently while suppressing air bubbles from being mixed into the lubricating oil, and the cooling performance of the crown surface can be improved. Furthermore, since the cooling of the piston crown surface central portion is promoted by changing the passage cross-sectional shape of the cooling channel, it becomes possible to reduce the amount of lubricating oil increase, ignition timing retardation or air-fuel ratio conformity, Fuel consumption can also be improved.
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1は、本発明の適用対象たる内燃機関の概要を示す。
シリンダブロック10の内部に形成されたシリンダ10Aには、コンプレッションリングとしてのトップリング12及びセカンドリング14、並びに、オイルリング16が嵌合されたピストン18が往復運動可能に嵌挿される。ピストン18は、その往復運動を回転運動に変換すべく、ピストンピン20により揺動可能に結合されるコネクティングロッド22を介して、クランク軸24のクランクアーム24Aに連結される。また、シリンダブロック10の上面に締結されたシリンダヘッド26には、燃焼室を形成する凹部26Aが形成され、ここに吸気ポート26Bを開閉する吸気弁28、排気ポート26Cを開閉する排気弁30、及び、燃料と空気との混合気を着火する点火プラグ32が夫々配設される。さらに、シリンダブロック10の下部には、その内部に形成されたオイルギャラリィ10Bを介して供給された潤滑油をピストンヘッド裏面に吹き付けて強制冷却するオイルジェット34が配設される。なお、オイルジェット34は、ピストンヘッドを全面的に冷却すべく、その裏面全体に亘って潤滑油を吹き付ける。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an outline of an internal combustion engine to which the present invention is applied.
A
図2は、本発明を具現化したピストンの第1実施形態を示す。
ピストン18は、同図(A)に示すように、燃焼室の底面を形成するピストンヘッド18Aと、往復運動時の挙動を安定させるピストンスカート18Bと、が一体化された構造をなしている。ここで、ピストンヘッド18Aとピストンスカート18Bを一体化する手法として、これらを製造時に一体成形したり、ピストンピン20により相互に結合される2分割構造とすることができる。
FIG. 2 shows a first embodiment of a piston embodying the present invention.
As shown in FIG. 3A, the
ピストンヘッド18Aの外周上部には、ピストンリング装着部36として、トップリング12,セカンドリング14及びオイルリング16が嵌合されるトップリング溝18C,セカンドリング溝18D及びオイルリング溝18Eが夫々陥凹形成される。また、ピストンヘッド18Aの裏面は、軽量化の観点から肉抜部を形成すべく陥凹形成され、これとピストンリング装着部36との間には、ピストン冠面に対向した位置から見て、ピストン中心軸の周りに延びる環状のクーリングチャンネル38が形成される。さらに、ピストンヘッド18Aの裏面には、ピストン18とコネクティングロッド22を揺動可能に結合すべく、ピストンピン20が嵌合固定されるピストンピン穴18Fが開設された平行に延びる一対のピストンピンボス18Gが立設される。
A
クーリングチャンネル38は、オイルジェット34からピストンヘッド18Aの裏面に吹き付けられた潤滑油を取り込んで循環させ、ピストンヘッド18Aのうち、特に、冠面中央部及びトップリング溝18Cを重点的に強制冷却する。また、オイルジェット34からピストンヘッド18Aの裏面に吹き付けられた潤滑油の一部をクーリングチャンネル38に導入及び排出すべく、ピストンヘッド18Aの裏面には、同図(B)に示すように、ピストン18の軸方向に沿って延びる潤滑油の導入孔18H及び排出孔18Iが夫々形成される。
The
ここで、本発明の特徴として、クーリングチャンネル38の通路断面は、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成される。なお、クーリングチャンネル38の通路断面積は、徒に大きくすると潤滑油量増加により燃費低下を来たすので、従来技術と同程度とする。
Here, as a feature of the present invention, the passage section of the
このようにすれば、オイルジェット34からピストンヘッド18Aの裏面に吹き付けられた潤滑油の一部は、導入孔18Hを介してクーリングチャンネル38に取り込まれて循環し、排出孔18Iを経てクランクケース内へと排出される。そして、潤滑油がクーリングチャンネル38を循環することで、ピストン冠面中央部及びトップリング溝18Cが強制冷却される。
In this way, a part of the lubricating oil blown from the
このとき、クーリングチャンネル38の通路断面が、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成されているため、ピストン軸方向の長さが短くなり、ピストン往復運動に伴う慣性による潤滑油の上下挙動が抑制される。また、クーリングチャンネル38の通路断面が幅広形状に形成されていることから、ピストン冠面から熱量を受熱する受熱面積が増大する。このため、潤滑油に空気の気泡が混入することを抑制しつつ、冠面を効率的に冷却することが可能となり、冠面の冷却性能を向上させることができる。さらに、クーリングチャンネル38の通路断面形状を変更することでピストン冠面中央部の冷却が促進されることから、潤滑油量増加、点火時期遅角又は空燃比適合の度合いを小さくすることが可能となり、燃費向上も図ることができる。
At this time, the passage cross section of the
図3は、クーリングチャンネル38の通路断面の第1変形例を示す。
クーリングチャンネル38の通路断面は、幅広形状を前提として、長辺がピストン冠面と平行に延びる長方形をなす形状に形成される。
FIG. 3 shows a first modification of the passage cross section of the
The passage cross section of the
このようにすれば、クーリングチャンネル38の通路断面が長方形形状をなしていることで、ピストン軸方向の長さが短くなる一方、ピストン半径方向の長さが長くなる。このため、第1実施形態のピストン18と比較して、潤滑油に空気の気泡が混入すること、及び、冠面を効率的に冷却することの実効を図ることができる。また、クーリングチャンネル38の冠面側内壁が冠面と平行な面となり、両者の距離が短くなることから、冠面と潤滑油との間で行われる熱交換が促進され、冠面の冷却性能をより向上させることができる。なお、他の作用及び効果については、先の第1実施形態と同様であるので、その説明は割愛する(以下同様)。必要があれば、第1実施形態の説明を参照されたい。
In this way, the passage cross section of the
図4は、クーリングチャンネル38の通路断面の第2変形例を示す。
クーリングチャンネル38の通路断面は、幅広形状を前提として、ピストン冠面と平行に延びる辺、及び、ピストン外縁において軸方向に延びる辺により確定される逆三角形をなす形状に形成される。
FIG. 4 shows a second modification of the passage cross section of the
The passage cross section of the
このようにすれば、クーリングチャンネル38の通路断面が逆三角形状をなしていることで、ピストン外縁において軸方向に延びる内壁の面積が増大する。このため、第1変形例の作用及び効果に加えて、ピストンリング装着部36と潤滑油との間で行われる熱交換が促進され、熱的に厳しいトップリング溝18Cの冷却性能をさらに向上させることができる。
In this way, the passage section of the
図5は、クーリングチャンネル38の通路断面の第3変形例を示す。
クーリングチャンネル38の通路断面は、幅広形状を前提として、ピストン半径外方に延びた後、ピストン冠面から遠ざかる方向に曲がって延びる逆L字をなす形状に形成される。
FIG. 5 shows a third modification of the passage cross section of the
The passage cross section of the cooling
このようにすれば、クーリングチャンネル38の通路断面が逆L字形状をなしていることで、第1変形例及び第2変形例と同等の通路断面積とした場合、ピストン冠面に面する通路面積がより増大する。このため、第2変形例の作用及び効果に加え、ピストン冠面と潤滑油との間で行われる熱交換がより促進され、ピストン冠面の冷却性能をさらに向上させることができる。
In this way, the passage cross-section of the cooling
ところで、ピストン18においては、ピストン冠面のうち中央部が高温となり易い特性がある。このため、前述した第1実施形態のピストン18を前提として、次に示す第2実施形態のように、クーリングチャンネル18の経路を工夫することで、ピストン冠面中央部の冷却能力を向上させることができる。
Incidentally, the
図6は、本発明を具現化したピストンの第2実施形態を示す。
クーリングチャンネル38は、その径がクランク軸方向とスラスト軸方向とで異ならせた形状、即ち、クランク軸方向の径aがスラスト方向の径bより小さくなる形状に形成される。ここで、「クランク軸方向」とは、クランク軸24の主軸が延びる方向、「スラスト方向」とは、クランク軸方向に直交する方向(スラスト力が作用する方向)を意味する。また、クーリングチャンネル38に潤滑油を導入する導入孔18H及び潤滑油を排出する排出孔18Iは、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で夫々開口する。
FIG. 6 shows a second embodiment of a piston embodying the present invention.
The cooling
このようにすれば、クランク軸方向とスラスト方向でクーリングチャンネル38の径が異なっているので、クーリングチャンネル38の経路の一部が冠面中央部に近づき、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換が促進される。このため、ピストン冠面中央部の冷却が促進されて温度上昇が抑制されることから、ピストン18の信頼性を向上させることができる。また、クーリングチャンネル38の形状を変更することで、ピストン冠面中央部の冷却が促進されることから、潤滑油量増加、点火時期遅角又は/及び空燃比適合の度合いをさらに小さくすることが可能となり、さらなる燃料向上を図ることもできる。
In this case, since the diameter of the cooling
さらに、クーリングチャンネル38に潤滑油を導入する導入孔18H及び潤滑油を排出する排出孔18Iは、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で夫々開口するため、スラスト方向におけるクーリングチャンネル38とトップリング溝18Cとの間隔が狭くなる。このため、クーリングチャンネル38を循環する潤滑油により、トップリング溝18Cのスラスト方向に位置する部分が効率よく冷却され、その冷却能力を向上させることができる。
Further, since the
なお、図2〜図5に示す第1実施形態において、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で潤滑油の導入孔18H及び排出孔18Iを夫々開口させるようにしてもよい。この場合の作用及び効果は、第2実施形態と同様である。
In the first embodiment shown in FIGS. 2 to 5, the
図7は、クーリングチャンネル38の経路の第1変形例を示す。
クーリングチャンネル38は、スラスト方向の径bに対してクランク軸方向の径aが相対的に小さくなる形状、即ち、長径がスラスト方向に延びる一方、短径がクランク軸方向に延びる略長円形状に形成される。
FIG. 7 shows a first modification of the path of the cooling
The cooling
このようにすれば、第2実施形態のピストン18と比較して、クーリングチャンネル38の経路の一部が冠面中央部により近づき、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換がより促進される。このため、ピストン冠面中央部の冷却がより促進されて温度上昇が一層抑制されることから、さらなるピストン信頼性及び燃費の向上を図ることができる。ここで、ピストン18においては、ピストン中心軸を通ってクランク軸方向へと延びる線上に位置するトップリング溝18Cの部分は、首振り運動によりシリンダ壁面に押し付けられないため、クランク軸方向のクーリングチャンネル38の径を小さくしても何ら問題は発生しない。なお、他の作用及び効果については、先の第2実施形態と同様であるので、その説明は割愛する(以下同様)。必要があれば、第2実施形態の説明を参照されたい。
In this way, compared to the
図8は、クーリングチャンネル38の経路の第2変形例を示す。
クーリングチャンネル38は、図7に示す第1変形例の形状を基本とし、そのスラスト方向に延びる部分の中間部、即ち、長径部分の中間部が、ピストン中心軸方向に向けて円弧状に屈曲した形状に形成される。
FIG. 8 shows a second modification of the path of the cooling
The cooling
このようにすれば、第1変形例のピストン18と比較して、クーリングチャンネル38の経路の一部が冠面中央部にさらに近づく。また、ピストン冠面中央部周辺を通るクーリングチャンネル38の経路が長くなることから、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換の時間が十分確保される。このため、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換が一層促進され、ピストン冠面中央部の冷却がより促進されて温度上昇が一層抑制されることから、さらなるピストン信頼性及び燃費の向上を図ることができる。また、同図に示すように、クーリングチャンネル38の屈曲部分は、ピストン冠面に対向した位置から見て、ピストンピンボス18Gとピストンピン20との接合部を避けるようになるので、クーリングチャンネル38を形成することに起因するピストン強度の低下を抑制することができる。このとき、ピストン強度低下の実効を図るべく、クーリングチャンネル38の屈曲部分は、ピストンピンボス18Gとピストンピン20との接合部を避けた位置まで屈曲させることが望ましい。
In this way, a part of the path of the cooling
なお、ピストン冠面中央部のみを重点的に冷却する必要がある場合には、図9に示すように、潤滑油の導入孔18H及び排出孔18Iを直線により最短距離で結ぶようにするとよい。このようにすれば、ピストン冠面中央部が重点的に冷却されるので、ピストン信頼性及び燃費を向上させることができる。
When it is necessary to intensively cool only the central portion of the piston crown surface, as shown in FIG. 9, the lubricating
本発明は、図1に示す内燃機関に限らず、吸気ポートに燃料噴射を行うガソリン機関,燃焼室内に燃料噴射を行う筒内噴射式ガソリン機関、及び、ディーゼル機関などの各種内燃機関に適用することができる。 The present invention is not limited to the internal combustion engine shown in FIG. 1, and is applied to various internal combustion engines such as a gasoline engine that injects fuel into an intake port, a direct-injection gasoline engine that injects fuel into a combustion chamber, and a diesel engine. be able to.
18 ピストン
18A ピストンヘッド
18G ピストンピンボス
18H 導入孔
18I 排出孔
20 ピストンピン
24 クランク軸
38 クーリングチャンネル
18
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JP2011085109A (en) * | 2009-10-19 | 2011-04-28 | Niigata Power Systems Co Ltd | Piston and engine |
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JPS60110643U (en) * | 1983-12-28 | 1985-07-26 | マツダ株式会社 | engine piston cooling system |
JP2000303905A (en) * | 1999-04-16 | 2000-10-31 | Toyota Motor Corp | Cooling structure of piston |
-
2008
- 2008-02-07 JP JP2008028084A patent/JP2009185745A/en active Pending
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