JP2014034917A - エンジンのピストン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの高騰を招くことなく熱効率を向上し得るエンジンのピストン構造を提供する。
【解決手段】ピストン１の上側内部にオイルギャラリ７を環状に穿設し、該オイルギャラリ７に潤滑油を導入して冷却するようにしたエンジンのピストン構造に関し、前記オイルギャラリ７の内壁上部の所要範囲を未コーティング部８として確保し且つ該未コーティング部８を除いた残りの内壁部分に断熱材料９をコーティングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのピストン構造に関するものである。

内燃機関の熱力学的サイクルにおいては、燃料の持つ発熱量の約４割が有効な機械的エネルギーに変換されるだけで残りは熱損失として失われているのが実情であり、この熱損失のうちの冷却水への損失は２０〜３５％程度もあるため、この冷却水への損失を低減することで熱効率の向上を図ることが可能となる。

このため、ピストンの燃焼室壁面に該ピストンの材質より熱伝導率の低い断熱材料をコーティングし、燃焼により生じた熱がシリンダ壁やピストン内部を伝わってシリンダ外へ放出されてしまうことを防ぎ、冷却水への熱損失を低減することが既に下記の特許文献１〜３として提案されている。

特開２０１２−７２７４９号公報 特開２０１２−４７１３４号公報 特開２０１１−２５６７５７号公報

しかしながら、ピストンにおける燃焼室の壁面は約４５０℃にも達するため、高い耐熱性能を有する断熱材料（コート剤）と、高温下でもコーティングが剥がれない高いコート技術が必要であり、その実施に要するコストが高くつくという問題があった。しかも、将来の高出力エンジンでは、更に筒内温度が高くなるものと考えられており、使用できる断熱材料やコート技術が著しく限られ、その実施に要するコストも更に増大してしまうことが懸念されている。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、コストの高騰を招くことなく熱効率を向上し得るエンジンのピストン構造を提供することを目的とする。

本発明は、ピストンの上側内部にオイルギャラリを環状に穿設し、該オイルギャラリに潤滑油を導入して冷却するようにしたエンジンのピストン構造であって、前記オイルギャラリの内壁上部の所要範囲を未コーティング部として確保し且つ該未コーティング部を除いた残りの内壁部分に断熱材料をコーティングしたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ピストンの燃焼室における入口リップ部や側面のトップリングといった熱負荷の高い部位に近いオイルギャラリの上部を未コーティング部として確保したことにより、入口リップ部やトップリングからの熱を多量に奪って適切な冷却を図ることが可能となる一方、前記未コーティング部を除いた残りの内壁部分に断熱材料をコーティングしたことにより、燃焼室からオイルギャラリへの放熱量が従来より大幅に低減され、燃料の持つ発熱量のうちの熱損失として無駄に捨てられる分が減ることで熱効率の大幅な向上が図られる。

この際、燃焼室からの熱がピストンの内部を伝わった後に断熱材料により断熱されるので、該断熱材料での温度が燃焼室の壁面における非常に高い温度と比較して低くなり、燃焼室の壁面にコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料やコート技術を適用することが可能となる。

更に、本発明においては、ピストンの裏面に断熱材料をコーティングしたり、ピストンの側面に断熱材料をコーティングしたりしても良く、このようにすれば、燃焼室からの熱がピストンの裏面や側面でも断熱されることになり、更なる熱損失の低減化が図られて熱効率が一層向上されることになる。

尚、このようにした場合にも、燃焼室からの熱がピストンの内部を伝わった後に断熱材料により断熱されるので、該断熱材料での温度が燃焼室の壁面における非常に高い温度と比較して低くなり、燃焼室の壁面に断熱材料をコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料やコート技術を適用することが可能となる。

上記した本発明のエンジンのピストン構造によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、入口リップ部やトップリング等の熱負荷の高い部位に対する適切な冷却を図りながらも、燃焼室からオイルギャラリへの放熱量を従来より大幅に低減して熱効率の向上を図ることができるので、熱負荷の高い部位の信頼性を維持しつつ燃費の大幅な向上を図ることができ、しかも、燃焼室の壁面にコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料やコート技術を適用することができるので、その実施に要するコストを抑えて該コストの大幅な高騰を回避することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２，３に記載の発明によれば、燃焼室からの熱をピストンの裏面や側面でも断熱することができるので、更なる熱損失の低減化を図ることができて熱効率を一層向上することができ、しかも、燃焼室の壁面に断熱材料をコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料やコート技術を適用することができ、その実施に要するコストを抑えて該コストの大幅な高騰を回避することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。 図１のピストンの内部における温度分布を示す等温線図である。 オイルギャラリ内壁に断熱材料がある場合の温度分布を示すグラフである。 オイルギャラリの内壁に断熱材料がない場合の温度分布を示すグラフである。 燃焼室の壁面に断熱材料がある場合の温度分布を示すグラフである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はディーゼルエンジンの各シリンダに昇降自在に収容されるピストンを示し、該ピストン１の頂面には、下方向きに窪む燃焼室２が形成されているが、ここに図示している例では、前記燃焼室２の開口外周部に、ピストン１の頂面に対し所要深さだけ窪んで段差を成す抉り部３が設けられており、この抉り部３の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描くように上昇してピストン１の頂面に到り且つ前記抉り部３の底面の内周部と燃焼室２の底面から立ち上がる燃焼室壁面部４とによりピストン１の頂面から一段下がった位置に入口リップ部５が形成されるようになっている。

ここで、前記燃焼室壁面部４は、前記入口リップ部５から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部５より半径方向外側へ張り出した後に半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を成し且つ燃焼室２底面に扁平な円錐状を成すセンターコーン６を形成するようになっている。

また、ピストン１の上側内部には、オイルギャラリ７が環状に穿設されており、該オイルギャラリ７の円周方向適宜位置に下向きに開口されているオイル入口（図示せず）に対しシリンダ下部に装備された図示しないオイル噴射ノズルから潤滑油を上向きに噴射し、該潤滑油を主にピストン１の下降時にオイルギャラリ７内へ導入して行き亘らせ、ピストン１の上下動による慣性力でシェーキングして効率良く熱交換させ、この熱交換によりピストン１から熱を奪って昇温した潤滑油をオイルギャラリ７の円周方向適宜位置に下向きに開口されているオイル出口（図示せず）から流下させてエンジン下部のオイルパンに回収するようにしてある。

そして、本形態例にあっては、前記オイルギャラリ７の内壁上部の所要範囲が未コーティング部８として確保されていると共に、該未コーティング部８を除いた残りの内壁部分に少なくともピストン１の材質より熱伝導率の低い断熱材料９がコーティングされている。尚、前記未コーティング部８が確保されることになる前記オイルギャラリ７の内壁上部の所要範囲とは、入口リップ部５やトップリング１０といった熱負荷の高い部位の配置位置に合わせて、これら入口リップ部５やトップリング１０に対する適切な冷却を図り得るように決定されたものである。

更に、本形態例においては、ピストン１の裏面にも断熱材料１１がコーティングされていると共に、ピストン１の側面にも断熱材料１２がコーティングされている。ここで、前記オイルギャラリ７の断熱材料９や前記ピストン１の裏面及び側面の断熱材料１１，１２には、例えば、セラミック系断熱材料、ジルコニア系断熱材料、ニッケルクロム合金、酸化クロム等を適宜に選択して用いることが可能であり、また、そのコーティング方法としては、溶射、溶着、メッキ、接着、塗装等を適宜に選択して用いることが可能である。

尚、図１中における符号の１３は前記トップリング１０下のセカンドリング、１４は更にその下のオイルリングを示し、セカンドリング１３はトップリング１０と共にシリンダ内の混合気や爆発ガス及び排気ガスをシリンダ外へ逃がさない役目を果たすもので、オイルリング１４はシリンダ壁面に残る潤滑油を燃焼室２に入らないよう掻き落とす役目を果たすものである。

而して、このように構成すれば、ピストン１の燃焼室２における入口リップ部５や側面のトップリング１０といった熱負荷の高い部位に近いオイルギャラリ７の上部を未コーティング部８として確保したことにより、入口リップ部５やトップリング１０からの熱を多量に奪って適切な冷却を図ることが可能となる一方、前記未コーティング部８を除いた残りの内壁部分に断熱材料９をコーティングしたことにより、燃焼室２からオイルギャラリ７への放熱量が従来より大幅に低減され、燃料の持つ発熱量のうちの熱損失として無駄に捨てられる分が減ることで熱効率の大幅な向上が図られる。

より具体的に説明すると、ピストン１の内部における温度分布は、図２に等温線を付して示す如きものとなり、熱負荷の高い入口リップ部５の熱が熱流線α（等温線に垂直）に沿いオイルギャラリ７に伝わるが、この熱流線αと対峙するオイルギャラリ７の上部を未コーティング部８として確保しておけば、入口リップ部５の熱がオイルギャラリ７内の潤滑油に効率良く伝わって前記入口リップ部５の適切な冷却が図られることになる。

尚、熱負荷の高いトップリング１０付近についても未コーティング部８として確保しておけば、前記トップリング１０の熱がオイルギャラリ７内の潤滑油に効率良く伝わって前記トップリング１０の適切な冷却が図られることになる。

一方、入口リップ部５より下の燃焼室壁面部４からの熱が熱流線β（等温線に垂直）に沿いオイルギャラリ７に伝わった際には、断熱材料９のコーティングにより断熱されてオイルギャラリ７内の温度があまり高まらず、図３に熱流線βに沿った温度分布をグラフで示す通り、燃焼室２とオイルギャラリ７との温度差ΔＴ_Aが大きくなる。

ここで、オイルギャラリ７の内壁に断熱材料９が全くコーティングされていない場合には、図４に示す如き温度分布となり、燃焼室２とオイルギャラリ７との温度差ΔＴ_Bが本形態例の温度差ΔＴ_Aと比較して大幅に小さくなるので、本形態例の方が燃焼室２からオイルギャラリ７への放熱量が大幅に少なくなっていることが判る。

尚、ピストン１の燃焼室２の壁面に断熱材料９をコーティングした場合には、図５に示す如き温度分布となって、本形態例と大差ない燃焼室２とオイルギャラリ７との温度差ΔＴ_Cが得られるが、断熱材料９での温度が本形態例よりも大幅に高くなる結果、耐熱性能の高い断熱材料９やコート技術が必要となってコストの高騰を招いてしまうことになる。

これに対し、本形態例においては、先の図３のグラフで示した通り、燃焼室２からの熱がピストン１の内部を伝わった後に断熱材料９により断熱されるようになっているので、該断熱材料９での温度が燃焼室２の壁面における温度と比較して低くなり、燃焼室２の壁面に断熱材料９をコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料９やコート技術を適用することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、入口リップ部５やトップリング１０等の熱負荷の高い部位に対する適切な冷却を図りながらも、燃焼室２からオイルギャラリ７への放熱量を従来より大幅に低減して熱効率の向上を図ることができるので、熱負荷の高い部位の信頼性を維持しつつ燃費の大幅な向上を図ることができ、しかも、燃焼室２の壁面にコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料９やコート技術を適用することができるので、その実施に要するコストを抑えて該コストの大幅な高騰を回避することができる。

また、燃焼室２からの熱を断熱材料１１，１２によりピストン１の裏面や側面でも断熱することができるので、更なる熱損失の低減化を図ることができて熱効率を一層向上することができ、しかも、燃焼室２の壁面に断熱材料９をコーティングする場合と比較して、耐熱性能の低い断熱材料９やコート技術を適用することができるので、その実施に要するコストを抑えて該コストの大幅な高騰を回避することができる。

尚、本発明のエンジンのピストン構造は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、ピストンの裏面又は側面への断熱材料のコーティングは必用に応じて追加すれば良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ピストン
２ 燃焼室
５ 入口リップ部
７ オイルギャラリ
８ 未コーティング部
９ 断熱材料
１０ トップリング
１１ 断熱材料
１２ 断熱材料

Claims (3)

1. ピストンの上側内部にオイルギャラリを環状に穿設し、該オイルギャラリに潤滑油を導入して冷却するようにしたエンジンのピストン構造であって、前記オイルギャラリの内壁上部の所要範囲を未コーティング部として確保し且つ該未コーティング部を除いた残りの内壁部分に断熱材料をコーティングしたことを特徴とするエンジンのピストン構造。
2. ピストンの裏面に断熱材料をコーティングしたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンのピストン構造。
3. ピストンの側面に断熱材料をコーティングしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンのピストン構造。

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