JP2014185538A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】クーリングチャンネルの冷却性能を向上することができる内燃機関用ピストン。
【解決手段】ピストン１の上端に形成された冠部３の外周側に周方向に沿って形成された厚肉部３ａを有し、該厚肉部３ａの内部にピストンを冷却するためのほぼ円環状のクーリングチャンネル８が形成されている。縦断面が上下方向に長い長円形状に形成され、側面方向から対向する一対の内側面８ａ及び外側面８ｂと、前記ピストン１の軸方向から対向する一対の円弧面状の上端面８ｃ及び下端面８ｄと、を備えている。そして、該上端面８ｃの両側及び下端面８ｄの両側には、上下方向で対向する凹部８ｅ、８ｆが形成されている。前記各凹部８ｅ、８ｆは、それぞれ曲面状に形成されていると共に、円周方向においてほぼ等間隔位置に複数形成され、かつ径方向に対向するように複数形成されている。

【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に用いられるピストンに関する。

従来の内燃機関に用いられるピストンは、円筒状のスカート部と、該スカート部の上端に一体に有する冠部と、前記スカート部の内周面に対向するように一体に設けられて、それぞれの内部にピストンピンの両端部を支持するピン孔を有するほぼ円筒状のピンボス部と、から構成され、前記冠部は、外周側に周方向に沿って形成された厚肉部を有し、該厚肉部の内部には、潤滑油などの冷却媒体を通流させ該冠部を冷却するためのほぼ円環状の冷却通路であるクーリングチャンネルが形成されている。また、前記厚肉部の下端に前記クーリングチャンネル内に開口する導入孔及び排出孔が穿設されている。

前記クーリングチャンネルは、シリンダブロックの前記ピストンの下死点近傍に設けられたオイルジェットから噴出された潤滑油が前記導入孔から導入され内部を通流し、前記排出孔を介して排出されている。これにより、潤滑油が前記クーリングチャンネル内を通流することによってピストンから吸熱して冷却している。

さらに、前記ピストンの上下運動によってクーリングチャンネル内の潤滑油がピストンの上下方向の加速度が切り替わる際に干渉して内周を飛散するようになっている。これにより、潤滑油が前記クーリングチャンネルの内周全体に接触することによってピストンからの吸熱効率が高くなる。

特開２００９−２２１９００号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されたピストンにあっては、前記ピストンの上下運動によってクーリングチャンネル内の潤滑油がピストンの上下方向の加速度が切り替わる際に干渉して内周面に沿って流動しにくいことから、潤滑油の流速が下がってしまい冷却性能の低下を招くおそれがあった。

本発明は、前記従来のピストンの実情に鑑みて案出されたもので、クーリングチャンネルの内周面に球面状の凹部を複数設けることにより、冷却性能の向上を図り得るピストンを提供する。

請求項１に記載の発明は、内燃機関に用いられるピストンであって、燃焼室を画成する冠部と、前記冠部内に形成されたクーリングチャンネルと、を有し、
前記クーリングチャンネルの軸方向の少なくとも一方側に複数の曲面状の凹部が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、クーリングチャンネルの内周面に曲面状の凹部を複数設けることにより、前記クーリングチャンネルによるピストンの冷却性能を向上することができる。

本発明に係る内燃機関用ピストンの第１実施形態の縦断面図である。 本実施形態に供されるピストンの縦断面図である。 図２のＡ矢視図である。 図２のＢ矢視図である。 図１の要部断面図である。 本実施形態に供される可溶性中子の斜視図である。 クーリングチャンネル内における潤滑油の流動を表す展開図である。 クーリングチャンネル内における潤滑油の流動を表す展開図である。 クーリングチャンネル内における潤滑油の流動を表す展開図である。 クーリングチャンネル内における潤滑油の流動を表す展開図である。 クーリングチャンネル内における潤滑油の流動を表す展開図である。 クーリングチャンネル内における潤滑油の流動を表す展開図である。 本発明に係るピストンの第２実施形態を示すクーリングチャンネルの下面展開図である。 本発明に係るピストンの第３実施形態を示クーリングチャンネルの側面展開図である。 本発明に係るピストンの第４実施形態を示すクーリングチャンネルの下面展開図である。 本発明に係るピストンの第５実施形態を示すクーリングチャンネルの下面展開図である。 本発明に係るピストンの第６実施形態を示すクーリングチャンネルの下面展開図である。

以下、本発明に係る内燃機関に用いられるピストンの実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、レシプロ・ガソリンエンジンに適用したものである。
〔第１実施形態〕
このピストン１は、アルミニウム合金材を鋳造してなり、図１に示すように、円筒状のスカート部２と、該スカート部２の上端に一体に有する冠部３と、前記スカート部２の側面に一体に設けられて、それぞれの内部に図外のピストンピンの両端部を支持するピン孔４ａを有する２つのほぼ円筒状のピンボス部４と、から構成され、エンジンのシリンダブロック５のシリンダ５ａ内周に圧入又は鋳ぐるまれた筒状のシリンダライナー５ｂ内に軸方向へ摺動自在に設けられている。また、前記シリンダブロック５の内部にシリンダ５ａに沿って冷却水が通流するウォータジャケット１５が形成されている。

前記冠部３は、図１〜図３に示すように、外側に周方向に沿って形成された厚肉部３ａを有しており、該厚肉部３ａの外周面には、上下３つのピストンリング６ａ〜６ｃがそれぞれ嵌着される３つの環状溝３ｂ〜３ｄが所定の軸方向間隔をもって切欠形成されている。そして、前記厚肉部３ａの内部には、潤滑油Ｏを通流させてピストン１を冷却するほぼ円環状の冷却通路であるクーリングチャンネル８が形成されている。

また、前記冠部３には、図４及び図５に示すように、上面の冠面３ｅに４つの半円弧状のくぼみであるバルブリセス７が形成されている。この、各バルブリセス７は、前記冠面３ｅと動弁機構の一部である吸気バルブ１２、排気バルブ１３との干渉対策として設けられ、吸排気バルブ１２、１３、と干渉しない深さに設定されている。これにより、前記吸排気バルブ１２、１３が、前記冠面３ｅに干渉して損傷するのを抑制するようになっている。さらに、前記バルブリセス７は、前記クーリングチャンネル８との距離が前記厚肉部３ａの強度を十分確保できる距離に設定されている。

なお、バルブリセス７の個数は吸気側又は排気側の片側２つでも良い。

また、前記厚肉部３ａの内側面には、図１及び図３に示すように、それぞれ前記クーリングチャンネル８内に開口する導入穴９及び排出穴１０が穿設されており、前記シリンダ５ａの排気側の下端に導入穴９に向かって潤滑油Ｏを噴出するオイルジェット１１が設けられている。前記オイルジェット１１から噴出された潤滑油Ｏが前記導入穴９を介してクーリングチャンネル８内に導入されて内部を通流して前記排出穴１０から下方へ排出され、潤滑油Ｏの一方向の流れが構成されている。なお、前記クーリングチャンネル８内から前記排出穴１０を介して排出された潤滑油Ｏは機関内に環流されるようになっている。また、前記オイルジェット１１に潤滑油Ｏを通流させる油通路１１ａが前記シリンダ５ａの下端に形成されている。

前記クーリングチャンネル８は、図１、図２及び図５に示すように、縦断面が上下方向に長い長円形状に形成され、側面方向から対向する一対の内側面８ａ及び外側面８ｂと、前記ピストン１の軸方向から対向する一対の円弧面状の上端面８ｃ及び下端面８ｄを備えている。

そして、該上端面８ｃの両側及び下端面８ｄの両側には、上下方向で対向する凹部８ｅ、８ｆが形成されている。この各凹部８ｅ、８ｆは、それぞれ曲面状である半球面状に形成されていると共に、円周方向においてほぼ等間隔位置に複数形成され、かつ径方向に対向するように複数形成されている。また、前記各凹部８ｅ、８ｆは、高さが前記クーリングチャンネル８の全高と同等に設定されている。なお、前記各凹部８ｅ、８ｆの高さは、前記クーリングチャンネル８の全高よりも低く設定することも可能である。

前記クーリングチャンネル８は、前記ピストン１の鋳造時にほぼ円環状の可溶性中子１４を用いて成形されている。この可溶性中子１４は、図６に示すように、側面方向に対向する一対の内周側側面１４ａ及び外周側側面１４ｂと、上下面方向に対向する一対の上端側円弧部１４ｃ及び下端側円弧部１４ｄと、を有し、該上端側円弧部１４ａの両側及び下端側円弧部１４ｂの両側には、前記各凹部８ｅ、８ｆを形成する半球面状の凸部１４ｅ、１４ｆが円周方向の等間隔位置に複数形成されている。この可溶性中子１４は、図外の成形型を用いてＮａＣｌ（塩化ナトリウム）材を圧縮プレスにより押し固めることによって成形されるようになっている。

そして、鋳造時において、前記ピストン１の内側の形状を形成する図外の金属製中子の上部に前記可溶性中子１４を予め載置して両中子の構成体を図外の鋳型内に収容配置する。続いて、鋳型内に溶融アルミニウム合金材を注湯することにより、前記ピストン１が鋳造されるようになっている。

その後、前記ピストン１を鋳型内から取り出し、前記導入穴９内に図外の中子溶解用治具のノズルから水を噴射することによって、前記可溶性中子１４が溶解され、この溶解されたＮａＣｌ材を前記排出穴１０から外部に排出するようになっている。これにより、前記厚肉部３ａの内部に前記可溶性中子１４と同形状の円環状のクーリングチャンネル８が形成される。
〔第１実施形態の作用効果〕
この実施形態によれば、内燃機関の運動時に、各摺動部を潤滑する潤滑油Ｏの一部が前記オイルジェット１１から前記クーリングチャンネル８に向かって噴出される。噴出された潤滑油Ｏは、導入穴９からクーリングチャンネル８内に導入され、該クーリングチャンネル８内を通流しつつ排出穴１０から外部に排出されるが、このクーリングチャンネル８を通流している間に前記ピストン１の熱を吸収して冷却する。

さらに、前記クーリングチャンネル８内を通流している潤滑油Ｏは、前記ピストン１の上下運動によって上下方向の加速度が切り替わる際、例えば、上向きの加速度が下向きの加速度に切り替わる時は、下端面８ｄ側の潤滑油Ｏが上端面８ｃ側に干渉する一方、下向きの加速度が上向きの加速度に切り替わる時は、上端面８ｃ側の潤滑油Ｏが下端面８ｄ側に干渉する。これによって、潤滑油Ｏが前記クーリングチャンネル８の内壁に接触して前記ピストン１の熱を吸熱して冷却している。

特に、本実施形態では、前記クーリングチャンネル８の前記上端面８ｃの両側及び下端面８ｄの両側に半球面状の各凹部８ｅ、８ｆを上下対向するように複数形成しているので、図７ａ〜図７ｃに示すように、前記ピストン１に上向きの加速度が加わっている時は、潤滑油Ｏは、下端面８ｄ側を前記導入穴９から前記排出穴１０に向かって流れていが、前記ピストン１が上向きの加速度から下向きの加速度に切り替わる時は、下端面８ｄ側を流れていた潤滑油Ｏが上端面８ｃ側に飛散して干渉し、この干渉した潤滑油Ｏの一部が各凹部８ｅの球面に沿って旋回流動する。一方、図８ａ〜図８ｃに示すように、前記ピストン１に下向きの加速度が加わっている時は、潤滑油Ｏは、上端面８ｃ側を前記導入穴９から前記排出穴１０に向かって流れているが、前記ピストン１が下向きの加速度から上向きの加速度に切り替わる時は、上端面８ｃ側を流れていた潤滑油Ｏが干渉によって下端面８ｄ側に飛散して干渉し、この飛散干渉した潤滑油Ｏの一部が各凹部８ｆの球面に沿って旋回流動する。このように、潤滑油Ｏが前記各凹部８ｅ、８ｆに沿って旋回流動することによって潤滑油Ｏの流速が上がり、冠部から潤滑油Ｏへの熱交換効率が高くなって、前記クーリングチャンネル８による前記ピストン１の冷却性能が向上する。

また、前述の図７ｃに示すように、前記上端面８ｃ側に飛散干渉した潤滑油Ｏの一部が各凹部８ｅの球面に沿って多方向に旋回流動する一方、図８ｃに示すように、前記下端面８ｄ側に飛散干渉した潤滑油Ｏの一部が各凹部８ｆの球面に沿って多方向に旋回流動して、前記凹部８ｅ、８ｆに沿って多方向に旋回流動することによって前記クーリングチャンネル８の内周面に接触する面積が大きくなる。このため、前記ピストン１からの吸熱効果が大きくなる。よって、前記クーリングチャンネル８による前記ピストン１の冷却性能が一層向上する。

また、前記各凹部８ｅ、８ｆが前記クーリングチャンネル８の上端面８ｃと下端面８ｄの両側に設けられていることから、ピストン１の上下運動の両方で凹部８ｅ、８ｆ内での潤滑油Ｏの旋回流動が発生し、冷却性能をさらに向上させることができる。

また、前記各凹部８ｅ、８ｆが前記クーリングチャンネル８の径方向及び周方向に複数設けられていることから、潤滑油Ｏが凹部８ｅ、８ｆの球面に沿って旋回流動する部分を多くできる。これによって潤滑油Ｏの流速が上がり、熱交換効率が高くなって冷却性能の向上が図れる。

また、前述したように、前記凹部８ｅ、８ｆを前記クーリングチャンネル８の傾斜した位置に形成されていることから、前記凹部８ｅ、８ｆの高さを低く形成することができ、前記クーリングチャンネル８の全高と同等に設定することができる。これにより、前記クーリングチャンネル８を形成するためのレイアウト性を向上することができる。

また、前述したように、前記可溶性中子１４の成形に塩化ナトリウムを用いることによって可溶性中子１４を水によって溶解することができるので鋳造作業が容易になる。

また、前記可溶性中子１４を塩化ナトリウムを用いて圧縮プレスによって成形することによって作業性の容易化を図ることができる。
〔第２実施形態〕
図９は第２実施形態を示し、前記クーリングチャンネル８に上下に形成された各凹部８ｅ、８ｆの形成位置の位相を周方向へ変化させたものである。

すなわち、前記上側の各凹部８ｅは、形成位置の位相が前記内側面８ａ側と外側面８ｂ側とで変更され、また、下側の各凹部８ｆの形成位置の位相も前記内側面８ａ側と外側面８ｂ側とで変更されている。

したがって、この実施形態によれば、前記クーリングチャンネル８の内周に複数形成されている各凹部８ｅ、８ｆの位相を前記内側面８ａ側と外側面８ｂ側とで変更したので、第１実施形態と同様な作用効果が得られると共に、前記各凹部８ｅと８ｆの周方向の位相がずれているので前記各８ｅから飛散した潤滑油Ｏは、所定の角度をもって対向する前記各凹部８ｆ内面に干渉して内周面に沿って旋回流動することから、第１実施形態よりも流速速度が上がり、前記冠部３からの熱交換効率をさらに向上させることができる。よって、第１実施形態よりも前記クーリングチャンネル８による前記ピストン１の冷却性能が向上する。

また、他の構成は、第１実施形態と同様であるから、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
〔第３実施形態〕
図１０は第３実施形態を示し、前記クーリングチャンネル８に形成された各凹部８ｅ、８ｆの形成位置の位相を変更したものである。すなわち、前記各凹部８ｅが形成されている前記上端面８ｃ側と、前記各凹部８ｆが形成されている下端面８ｄ側とで周方向へずらしている。

したがって、この実施形態によれば、潤滑油Ｏは、前記クーリングチャンネル８の内周を一方に流れることから、前記クーリングチャンネル８の内周に複数形成されている前記各凹部８ｅ、８ｆの位相を上端面８ｃ側と下端面８ｂ側とでずらしたので、前記各８ｅから飛散した潤滑油Ｏは、所定の角度をもって対向する前記各凹部８ｆ内面に干渉して内周面に沿って旋回流動する。したがって、第１実施形態よりも流速速度が上がり、前記冠部３からの熱交換効率をさらに向上させることができる。よって、第１実施形態よりも前記クーリングチャンネル８による前記ピストン１の冷却性能が向上する。

また、他の構成は、第１実施形態と同様であるから、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
〔第４実施形態〕
図１１は第３実施形態を示し、前記クーリングチャンネル８に上下に形成された各凹部８ｅ、８ｆの形状を変更したものである。すなわち、前記各凹部８ｅ、８ｆは、前記クーリングチャンネル８の円周方向へ向かって延びた楕円状に形成されている。

また、他の構成は、第１実施形態と同様であるから、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
〔第５実施形態〕
図１２は第５実施形態を示し、前記クーリングチャンネル８に形成された各凹部８ｅ、８ｆの形状を変更したものである。すなわち、前記各凹部８ｅ、８ｆは、前記クーリングチャンネル８の円周方向に向かって長い長穴形状に形成されている。

また、他の構成は、第１実施形態と同様であるから、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
〔第６実施形態〕
図１３は第６実施形態を示し、前記クーリングチャンネル８に形成された各凹部８ｅ、８ｆの形状を変更したものである。すなわち、前記各凹部８ｅ、８ｆは、前記クーリングチャンネル８の円周方向へ向かって流線形状に形成されている。

また、他の構成は、第１実施形態と同様であるから、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

また、流線形状に形成した前記凹部８ｅ、８ｆを左右反転することも可能である。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成を変更することも可能である。

前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。

〔請求項ａ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、前記クーリングチャンネルの上端面、下端面の両側に設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

この発明によれば、ピストンの上下運動の上昇、下降の両方で凹部による旋回流動によって冷却性能を向上させることができる。

〔請求項ｂ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、前記クーリングチャンネルの径方向に複数設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

この発明によれば、径方向に凹部を複数設けることによって潤滑油が凹部の球面に沿って旋回流動する部分を多くできる。これによって潤滑油の流速が上がり、熱交換効率を向上させることができ冷却性能の向上が図れる。

〔請求項ｃ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、前記クーリングチャンネル内周の傾斜面に設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

この発明によれば、傾斜面に凹部を設けることによってクーリングチャンネルの全高が高くなるのを抑制することができることから、前記冠部の内部にクーリングチャンネルを形成するためのレイアウト性を向上することができる。

〔請求項ｄ〕請求項ｂに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、前記クーリングチャンネルの円周方向へ向かってほぼ等間隔で設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

この発明によれば、円周方向に凹部を複数設けることによって潤滑油が旋回流動する部分を多くできることから冷却効率の向上が図れる。

〔請求項ｅ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルは環が途切れていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｆ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルは、横断面がピストンの上下方向に長軸を有する楕円形状であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｇ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルは、横断面が角の丸い長方形であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｈ〕請求項１に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記ピストンは、アルミニウム合金材で鋳造されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｉ〕請求項ｈに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記クーリングチャンネルは、鋳造用金型内に可溶性中子を設置して前記ピストンを鋳造した後、前記可溶性中子を溶解することによって形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｊ〕請求項ｉに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記可溶性中子は、塩化ナトリウムを主成分とすることを特徴とする内燃機関用ピストン。

この発明によれば、前記ピストンの鋳造後に前記クーリングチャンネルに形成された導入穴と排出穴に中子溶解用治具を用いて水を噴射して可溶性中子を溶解することができ作業性の容易化を図ることができる。
〔請求項ｋ〕請求項ｊに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記可溶性中子は、圧縮プレスによって成形されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

この発明によれば、前記可溶性中子を塩化ナトリウムを用いて圧縮プレスによって成形することによって作業性の容易化を図ることができる。
〔請求項ｌ〕請求項ａに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、前記クーリングチャンネルの上下方向に対向するように設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｍ〕請求項ｌに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、前記クーリングチャンネルのピストンの上端面及び下端面に設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｎ〕請求項３に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、断面が角の丸い長方体形状であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｏ〕請求項に記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部は、断面が楕円形状であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
〔請求項ｐ〕請求項ｏに記載の内燃機関用のピストンにおいて、
前記凹部の長軸は、円周方向に沿うように設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。

１…ピストン
３…冠部
３ａ…厚肉部
７…バルブリセス
８…クーリングチャンネル
８ａ…内側面
８ｂ…外側面
８ｃ…上端面
８ｄ…下端面
８ｅ、８ｆ…凹部
９…導入穴
１０…排出穴
１１…オイルジェット
１４…可溶性中子
Ｏ…潤滑油

Claims (3)

1. 内燃機関に用いられるピストンであって、
   燃焼室を画成する冠部と、該冠部内に形成され、内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネルと、を有し、
   前記クーリングチャンネルの前記ピストン軸方向の少なくとも一方側に複数の曲面状の凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 内燃機関に用いられるピストンであって、
   燃焼室を画成する冠部と、前記冠部内に形成され、内部に冷却用オイルを通流させるクーリングチャンネルと、を有し、
   前記クーリングチャンネルの前記ピストン軸方向の少なくとも一方側に複数の半球状の凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
3. 内燃機関に用いられるピストンであって、
   燃焼室を画成する冠部と、前記冠部内に形成され、ピストン軸心方向の少なくとも片方に複数の凹部が設けられ、内部を冷却用オイルが流動するクーリングチャンネルと、を有し、
   前記凹部は、ピストンの軸方向移動に伴って内部で冷却用オイルが多方向に旋回流動可能とする凹形状であることを特徴とする内燃機関用ピストン。

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