JP2018119492A - 内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】内部に冷却通路を有する内燃機関用のピストンにおいて、冷却効率を更に高めること。【解決手段】ピストン内部の冷却通路は、ピストンの移動方向と交差する方向に延在している。冷却通路に沿ってオイル供給口からオイル排出口に向かう方向は、第１方向であり、第１方向と逆方向は第２方向である。冷却通路の上面と下面の少なくとも一方は、凹凸形状を有している。凹凸形状の表面は、冷却通路の内部に向かう法線方向が第１方向の成分を有する第１面と、法線方向が第２方向の成分を有する第２面とを含んでいる。第１面の面積は、第２面の面積より大きくなっている。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用のピストンに関する。特に、本発明は、内部に冷却通路を有する内燃機関用のピストンに関する。

特許文献１は、内燃機関用のピストンを開示している。当該ピストンの内部には、冷却通路（クーリングチャンネル）が形成されている。より詳細には、ピストン頂部の内部に円環状の冷却通路が形成されており、ピストン頂部の裏面側にはオイル供給通路とオイル排出通路が設けられている。ピストン頂部の下方に設けられたノズルは、ピストン頂部の裏側に向けてオイルを噴射する。噴射されたオイルは、オイル供給通路を通して冷却通路に入り、冷却通路の内部を通過し、オイル排出通路から排出される。

特開２００６−２００４１０号公報

本発明の１つの目的は、内部に冷却通路を有する内燃機関用のピストンにおいて、冷却通路による冷却効率を更に高めることができる技術を提供することにある。

本発明によれば、内燃機関用のピストンが提供される。
当該ピストンは、ピストンの内部に形成され、ピストンの移動方向と交差する方向に延在する冷却通路を備えている。
冷却通路は、
ピストンの上昇方向側の内壁面である上面と、
ピストンの下降方向側の内壁面である下面と、
冷却通路にオイルを供給するためのオイル供給口と、
冷却通路からオイルを排出するためのオイル排出口と
を有している。
冷却通路に沿ってオイル供給口からオイル排出口に向かう方向は、第１方向であり、第１方向と逆方向は第２方向である。
冷却通路の上面と下面の少なくとも一方の少なくとも一部は、凹凸形状を有している。
凹凸形状の表面は、
冷却通路の内部に向かう法線方向が第１方向の成分を有する第１面と、
法線方向が第２方向の成分を有する第２面と
を含んでいる。
第１面の面積は、第２面の面積より大きい。

冷却通路における第１方向（オイル排出口に向かう方向）のオイル移動速度を考える。オイル移動速度が低くなるほど、オイルがオイル供給口からオイル排出口に到達するまでの移動時間が増加する。移動時間が長くなると、オイル排出口に到達するまでにオイル温度がかなり高くなってしまい、オイル排出口付近において十分な冷却能力（抜熱能力）が得られなくなる。すなわち、オイル移動速度が低いと、効果的な冷却を実現しにくくなる。

本発明によれば、冷却通路の上面と下面の少なくとも一方が凹凸形状を有している。凹凸形状の表面は、第１方向（オイル排出口に向かう方向）を向いた第１面と、第２方向（オイル供給口に向かう方向）を向いた第２面とを含んでいる。そして、第１方向を向いた第１面の面積は、第２方向を向いた第２面の面積よりも大きくなっている。つまり、第２方向を向いた第２面よりも、第１方向を向いた第１面が支配的となっている。

このような非対称的な凹凸形状は、冷却通路における第１方向へのオイル移動を促進する役割を果たす。これにより、冷却通路における第１方向のオイル移動速度が高くなり、オイルがオイル排出口に到達するまでの時間が短縮される。その結果、オイルがオイル排出口に到達するまでのオイル温度の上昇が抑制され、オイル排出口付近においても十分な冷却能力（抜熱能力）が得られることになる。すなわち、冷却効率が向上する。

本発明の実施の形態に係る内燃機関用のピストンの基本構成を模式的に示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関用のピストンの基本構成を模式的に示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るピストンの冷却通路の構造的特徴を説明するための概略図である。 比較例に係るピストンの冷却通路におけるオイルの動きを説明するための概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係るピストンの冷却通路におけるオイルの動きを説明するための概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係るピストンの冷却通路の変形例を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るピストンの冷却通路の構造的特徴を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るピストンの冷却通路の構造的特徴を説明するための断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るピストンの冷却通路の構造的特徴を説明するための平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るピストンの冷却通路の構造的特徴を説明するための断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るピストンの冷却通路の変形例を示す平面図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．基本構成
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関用のピストン１の基本構成を模式的に示している。ピストン１は、内燃機関のシリンダ内を上下に往復移動する。以下、ピストン１の上昇方向及び下降方向は、それぞれ「Ｕ方向」及び「Ｄ方向」と呼ばれる。ピストン１の移動方向（Ｕ方向、Ｄ方向）と直交する平面は、以下「ＸＹ平面」と呼ばれる。

ピストン１のＵ方向側には燃焼室が存在しており、その燃焼室からピストン１に熱が入ってくる。そのような入熱に対処するため、ピストン１の内部には、冷却用の冷却通路１０（クーリングチャンネル）が形成されている。

より詳細には、冷却通路１０は、ピストン１の移動方向（Ｕ方向、Ｄ方向）と交差する方向に延在するように形成されている。例えば、図１に示されるように、冷却通路１０は、ピストン１の頂部の内部において、ＸＹ平面と平行に延びるように形成されている。冷却通路１０の内壁面のうちＵ方向側の面は、以下「上面１１」と呼ばれる。一方、冷却通路１０の内壁面のうちＤ方向側の面は、以下「下面１２」と呼ばれる。上面１１と下面１２とは、互いに対向している。

冷却通路１０の下面１２には、オイル供給口２０及びオイル排出口３０が形成されている。オイル供給口２０は、冷媒としてのオイルを冷却通路１０の内部に供給するために用いられる開口部である。オイル供給通路２１は、オイル供給口２０からＤ方向に延びており、ピストン１の頂部の裏面においてＤ方向に開口している。一方、オイル排出口３０は、冷媒としてのオイルを冷却通路１０から外部に排出するために用いられる開口部である。オイル排出通路３１は、オイル排出口３０からＤ方向に延びており、ピストン１の頂部の裏面においてＤ方向に開口している。

オイル供給通路２１の下方（Ｄ方向）には、オイルジェット装置１００が設けられている。このオイルジェット装置１００は、ピストン１のオイル供給通路２１に向けてオイルを噴射する。オイルジェット装置１００から噴射されたオイルは、オイル供給通路２１及びオイル供給口２０を通して、冷却通路１０内に入る。冷却通路１０に入ったオイルは、冷却通路１０の内部を通過し、オイル排出口３０及びオイル排出通路３１を通してピストン１の外部に排出される。

図２は、Ｕ方向から見たピストン１の基本構成を模式的に示すＸＹ平面図である。図２おいて、オイル供給口２０とオイル排出口３０は、ピストン１の中心軸を挟んで対称的な位置に形成されている。そして、冷却通路１０は、オイル供給口２０とオイル排出口３０との間をつなぐように、円環状に形成されている。円環状の冷却通路１０は、半円状の２つの冷却通路１０−１、１０−２に区分けされる。

このように冷却通路１０を有する内燃機関用のピストン１において、冷却通路１０による冷却効率を更に高めることが望まれている。以下、冷却効率を高めるために有効な様々な構造的特徴を説明する。

２．第１の実施の形態
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る冷却通路１０の構造的特徴を説明するための概略図である。より詳細には、図３には、オイル供給口２０とオイル排出口３０との間の冷却通路１０に沿った断面構造が示されている。冷却通路１０に沿ってオイル供給口２０からオイル排出口３０へ向かう方向（前進方向）は、以下「Ｆ方向」と呼ばれる。逆に、冷却通路１０に沿ってオイル排出口３０からオイル供給口２０へ向かう方向（後退方向）は、以下「Ｂ方向」と呼ばれる。Ｆ方向とＢ方向とは、互いに逆向きである。

第１の実施の形態によれば、冷却通路１０の下面１２が、凹凸形状４０を有している。図３に示される例では、凹凸形状４０は、非対称的な“のこぎり歯（sawtooth）形状”である。より詳細には、１つの歯に相当する単位構造５０が、Ｆ方向に沿って繰り返し形成されている。言い換えれば、複数の単位構造５０が、Ｆ方向に沿って連続的に形成されている。このような単位構造５０（凹凸形状４０）の表面が、冷却通路１０の下面１２に相当する。

単位構造５０の表面は、その法線方向によって２種類に区分可能である。具体的には、図３中の単位構造５０の拡大図に示されるように、単位構造５０の表面は、第１面５１と第２面５２とを含んでいる。冷却通路１０の内部に向かう法線方向を考えたとき、第１面５１の法線ｎ１の方向は、Ｆ方向の成分を有している。一方、第２面５２の法線ｎ２の方向は、Ｂ方向の成分を有している。すなわち、第１面５１はＦ方向を向いた表面であり、第２面５２はＢ方向を向いた表面である。

更に、第１の実施の形態によれば、Ｆ方向を向いた第１面５１の面積は、Ｂ方向を向いた第２面５２の面積よりも大きい。つまり、下面１２の凹凸形状４０において、Ｂ方向を向いた第２面５２よりも、Ｆ方向を向いた第１面５１が支配的となっている。

以下、第１の実施の形態に係る構造的特徴により得られる効果を説明する。そのために、まず最初に、比較例を説明する。比較例では、下面１２が凹凸形状４０を有しておらず、平面形状を有しているとする。

図４は、比較例の場合の冷却通路１０におけるオイルの動きを説明するための概念図である。図４において、矢印Ａｉｎは、オイル供給口２０を通して冷却通路１０内に供給されるオイルの方向を示している。矢印Ａｆは、外部から冷却通路１０にオイルが押し込まれる力によって移動するオイルの方向（Ｆ方向）を示している。矢印Ａｄは、ピストン１がＵ方向に上昇する時の慣性力によるオイルの移動方向（Ｄ方向）を示している。矢印Ａｕは、ピストン１がＤ方向に下降する時の慣性力によるオイルの移動方向（Ｕ方向）を示している。

ここで、冷却通路１０におけるＦ方向のオイル移動速度を考える。オイル移動速度が低くなるほど、オイルがオイル供給口２０からオイル排出口３０に到達するまでの移動時間（滞在時間）が増加する。移動時間が長くなると、オイル排出口３０に到達するまでにオイル温度がかなり高くなってしまい、オイル排出口３０付近において十分な冷却能力（抜熱能力）が得られなくなる。すなわち、オイル移動速度が低いと、効果的な冷却を実現しにくくなる。冷却効率を高めるためには、冷却通路１０におけるＦ方向のオイル移動速度を高めることが好ましい。

図５は、第１の実施の形態の場合の冷却通路１０におけるオイルの動きを説明するための概念図である。図４で示された比較例の場合と重複する説明は適宜省略する。上述の通り、第１の実施の形態によれば、冷却通路１０の下面１２が凹凸形状４０を有している。従って、矢印Ａｄは、Ｄ方向だけでなく、Ｄ方向と交差する方向（Ｆ方向、Ｂ方向）の成分も有することになる。同様に、矢印Ａｕも、Ｕ方向だけでなく、Ｕ方向と交差する方向（Ｆ方向、Ｂ方向）の成分を有することになる。

更に、第１の実施の形態によれば、凹凸形状４０において、Ｆ方向を向いた第１面５１の面積は、Ｂ方向を向いた第２面５２の面積よりも大きくなっている。つまり、Ｂ方向を向いた第２面５２よりも、Ｆ方向を向いた第１面５１が支配的となっている。従って、慣性力によるオイルの移動方向（矢印Ａｕ、Ａｄ）に関しても、Ｂ方向成分よりもＦ方向成分が支配的となる。Ｆ方向成分がＢ方向成分よりも大きいということは、オイルが全体としてＦ方向に進行することを意味する。

このように、第１の実施の形態に係る非対称的な凹凸形状４０は、冷却通路１０におけるＦ方向へのオイル移動を促進する役割を果たす。図４で示された比較例の場合、外部からオイルが押し込まれる力だけが、冷却通路１０におけるＦ方向のオイル移動に寄与していた（矢印Ａｆ参照）。第１の実施の形態によれば、それに加えて、非対称的な凹凸形状４０も、冷却通路１０におけるＦ方向のオイル移動に寄与する。従って、比較例の場合よりも、冷却通路１０におけるＦ方向のオイル移動速度が高くなり、オイルがオイル排出口３０に到達するまでの時間が短縮される。その結果、オイルがオイル排出口３０に到達するまでのオイル温度の上昇が抑制され、オイル排出口３０付近においても十分な冷却能力（抜熱能力）が得られることになる。これにより、冷却効率が向上する。

図６は、第１の実施の形態の変形例を示している。本変形例では、冷却通路１０の上面１１が、凹凸形状４０を有している。凹凸形状４０の特徴は図３で示されたものと同じであり、Ｆ方向を向いた第１面５１の面積は、Ｂ方向を向いた第２面５２の面積よりも大きい。これにより、図３の場合と同じ効果が得られる。

冷却通路１０の上面１１と下面１２の両方が凹凸形状４０を有していてもよい。その場合、冷却通路１０におけるＦ方向へのオイル移動が更に促進される。

冷却通路１０の上面１１と下面１２の少なくとも一方が凹凸形状４０を有していれば、第１の実施の形態の効果は得られる。また、上面１１あるいは下面１２の全体が凹凸形状４０となっている必要はない。上面１１あるいは下面１２の少なくとも一部が凹凸形状４０を有していれば、第１の実施の形態の効果は得られる。

また、凹凸形状４０は、図３で示されたような“のこぎり歯形状”に限られない。Ｆ方向を向いた第１面５１の面積がＢ方向を向いた第２面５２の面積よりも大きければ、第１の実施の形態の効果は得られる。

３．第２の実施の形態
冷却通路１０へのオイルの流入率を考える。流入率は、「冷却通路１０の中を流れるオイルの量／オイルジェット装置１００から噴射されたオイルの量」で定義される。流入率が高いほど冷却効率も高くなる。

流入率を下げる１つの要因は、冷却通路１０のオイル供給口２０におけるオイルの“外部流出”である。例えば、オイルジェット装置１００から噴射されたオイルは、オイル供給口２０を通して冷却通路１０に一旦入るが、冷却通路１０の上面１１ではね返ったオイルの一部が、オイル供給口２０を通して外部に出て行ってしまうことが考えられる。また、冷却通路１０に一旦入ったオイルが、ピストン１の上昇時の慣性力によって、オイル供給口２０を通して外部に出て行くことも考えられる。

流入率を高めるためには、オイル供給口２０におけるオイルの外部流出を抑制することが重要である。本発明の第２の実施の形態は、そのような外部流出を抑制するための工夫を提案する。尚、第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略する。

図７は、第２の実施の形態に係る冷却通路１０の構造的特徴を説明するための平面図である。図７のフォーマットは、既出の図２のものと同じである。図８は、図７中の線Ｐ−Ｐ’に沿った断面構造を示しており、冷却通路１０のオイル供給口２０の位置における構造的特徴を示している。

図７及び図８に示されるように、冷却通路１０のオイル供給口２０の近傍には、円環状の入口構造６０が設けられている。より詳細には、入口構造６０は、冷却通路１０の側面１３から冷却通路１０の内部に突出するように形成されている。更に、入口構造６０は、冷却通路１０の中に向かうにつれて上面１１に近づくように形成されている。つまり、入口構造６０は、冷却通路１０の側面１３から上面１１に向かって曲がった形状を有している。

このような形状の入口構造６０がオイル供給口２０の近傍に設けられるため、オイル供給口２０の位置において、オイルは冷却通路１０に入りやすく、且つ、冷却通路１０から出にくくなる。すなわち、オイル供給口２０におけるオイルの外部流出が抑制される。その結果、流入率が向上する。

また、図８に示されるように、オイル供給口２０の位置における上面１１に突起６５が設けられてもよい。オイルジェット装置１００からＵ方向に噴射されたオイルは、オイル供給口２０を通して冷却通路１０に入り、上面１１に当たる。突起６５は、そのような上面１１に当たるオイルをＸＹ平面方向に分散させる効果を有する。つまり、突起６５は、上面１１でのオイルのはね返りを抑制する効果を有する。このことも、オイル供給口２０におけるオイルの外部流出の抑制に寄与する。その結果、流入率が向上する。

流入率が向上することは、冷却通路１０の中を流れるオイルの量が増加することを意味する。従って、流入率が向上すると、冷却通路１０の全体にわたって、冷却能力（抜熱能力）の向上効果が得られる。また、冷却通路１０の中を流れるオイルの量を増加させるために、オイルポンプの能力（サイズ）を増加させる必要はない。このことは、内燃機関のサイズ及びコストの削減の観点から好ましい。

４．第３の実施の形態
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る冷却通路１０の構造的特徴を説明するための平面図である。図９のフォーマットは、既出の図２のものと同じである。図１０は、図９中の線Ｑ−Ｑ’に沿った断面構造を示している。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略する。

図９及び図１０に示されるように、冷却通路１０の上面１１は、Ｆ方向に沿って延在するひだ形状７０を有している。この場合、上面１１の表面積は、上面１１が平面である場合よりも大きくなる。上面１１の表面積が大きくなると、冷媒であるオイルと上面１１との接触面積が大きくなる。このことは、上面１１の冷却能力（抜熱能力）が高くなることを意味する。

冷却通路１０の上面１１は、内燃機関の燃焼室（発熱部）に近い面である。第３の実施の形態によれば、発熱部に近い上面１１の冷却能力が高くなるため、より効率的な冷却が可能となる。すなわち、冷却効率が向上する。

図１１は、第３の実施の形態の変形例を示している。図１１のフォーマットは、既出の図９のものと同じである。本変形例では、冷却通路１０の上面１１のひだ形状７０は、Ｆ方向ではなく、Ｆ方向と直交する径方向に沿って形成されている。この場合でも、上面１１の表面積が大きくなるため、同様の効果が得られる。

５．第４の実施の形態
上述の第１〜第３の実施の形態のうち２以上を組み合わせることも可能である。それにより複合的な効果が得られる。

１ ピストン
１０、１０−１、１０−２ 冷却通路
１１ 上面
１２ 下面
１３ 側面
２０ オイル供給口
２１ オイル供給通路
３０ オイル排出口
３１ オイル排出通路
４０ 凹凸形状
５０ 単位構造
５１ 第１面
５２ 第２面
６０ 入口構造
６５ 突起
７０ ひだ形状
１００ オイルジェット装置

Claims (1)

1. 内燃機関用のピストンであって、
   前記ピストンの内部に形成され、前記ピストンの移動方向と交差する方向に延在する冷却通路を備え、
   前記冷却通路は、
   前記ピストンの上昇方向側の内壁面である上面と、
   前記ピストンの下降方向側の内壁面である下面と、
   前記冷却通路にオイルを供給するためのオイル供給口と、
   前記冷却通路からオイルを排出するためのオイル排出口と
   を有し、
   前記冷却通路に沿って前記オイル供給口から前記オイル排出口に向かう方向は、第１方向であり、前記第１方向と逆方向は第２方向であり、
   前記上面と前記下面の少なくとも一方の少なくとも一部は、凹凸形状を有し、
   前記凹凸形状の表面は、
   前記冷却通路の内部に向かう法線方向が前記第１方向の成分を有する第１面と、
   前記法線方向が前記第２方向の成分を有する第２面と
   を含み、
   前記第１面の面積は、前記第２面の面積より大きい
   ピストン。

Images