JP2021008822A - ピストン冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンを一様に冷却するピストン冷却構造を提供する。【解決手段】ピストン２の内部に形成された冷却通路１１、導入通路１２、および、分岐部１５を備えたピストン冷却構造１０において、冷却通路１１はＹ方向に延在し、そのＹ方向に隣接する第一冷却部１６と第二冷却部１７とを有し、導入通路１２はＸ方向に延在し、一端が冷却通路１１の第一冷却部１６および第二冷却部１７の境界部分に連通するとともに他端がピストン２の下面に開口し、境界部分に配置された分岐部１５により、導入通路１２から第一冷却部１６へ分岐させる冷却媒体１の分岐量Ｑ１を導入通路１２から第二冷却部１７へ分岐させる冷却媒体１の分岐量Ｑ２よりも多くする構成である。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン冷却構造に関する。

ピストン冷却構造として、ピストンの内部に形成された冷却通路の天井部にオイルの流れの向きを冷却通路の形成方向（ピストンの周方向の両側）に向ける案内壁を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９０４４８号公報

ところで、内燃機関の運転中のピストンにおける温度分布は一様ではなく、温度が高い領域や低い領域が存在する。また、冷却通路の入口と出口との配置位置によっては入口から導入されて分岐した一方の冷却媒体による冷却性能と他方の冷却媒体による冷却性能とに差が生じる。それ故、特許文献１に記載の発明のように冷却媒体を両側に等しく分岐させるピストン冷却構造では、ピストンを冷却する際に温度差が生じる。この温度差は耐久性の低下の要因となっている。

本開示の目的は、ピストンを一様に冷却するピストン冷却構造を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様のピストン冷却構造は、ピストンの内部に形成された冷却通路、導入通路、および、分岐部を備えたピストン冷却構造において、前記冷却通路は前記ピストンの周方向に延在し、その周方向に隣接する第一冷却部と第二冷却部とを有し、前記導入通路は前記ピストンの軸方向に延在し、一端が前記冷却通路の前記第一冷却部および前記第二冷却部の境界部分に連通するとともに他端が前記ピストンの下面に開口し、前記境界部分に配置された前記分岐部により、前記導入通路から前記第一冷却部へ分岐させる冷却媒体の分岐量を前記導入通路から前記第二冷却部へ分岐させる冷却媒体の分岐量よりも多くする構成であることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、ピストンの温度分布や冷却通路の構造に応じて、冷却通路の第一冷却部へ分岐する冷却媒体の分岐量を多くし、第二冷却部へ分岐する冷却媒体の分岐量を少なくすることができる。これにより、ピストンを一様に冷却するには有利になり、ピストンの耐久性を向上することができる。

第一実施形態のピストン冷却構造を例示する構成図である。 図１の矢印ＩＩで示す断面図である。 第二実施形態のピストン冷却構造を例示する構成図である。 第三実施形態のピストン冷却構造を例示する断面図である。 第四実施形態のピストン冷却構造を例示する断面図である。

以下に、本開示におけるピストン冷却構造の実施形態について説明する。図中において、白抜き矢印が冷却媒体１の流れを示しており、一点鎖線は各通路の中心線を示している。また、Ｘ方向をピストン２の軸方向でありそのピストン２が往復する方向とし、ＹＲ方向をピストン２の周方向のうちの右回りの方向とし、ＹＬ方向を左回りの方向とする。なお、ピストン２の周方向において右回りの方向および左回りの方向の両方の意味を有する場合はＹ方向を用いることとする。

図１に例示するように、第一実施形態のピストン冷却構造１０は、図示しない車両に搭載された内燃機関のピストン２のＸ方向下方に配置された冷却媒体噴射装置３から噴射された冷却媒体１をピストン２の内部に循環させてピストン２を冷却するものである。ピストン冷却構造１０は、冷却通路１１、導入通路１２、導出通路１３、筒部１４、および、分岐部１５を備える。

冷却通路１１はピストン２の冠面４の裏の内部に鋳造により形成される。冷却通路１１は、横断面形状として円形状、馬蹄形状、および、オーバル形状が例示され、Ｙ方向に環状あるいは円弧状に延在する通路である。本実施形態の冷却通路１１の内面は円環面の表面を成す。冷却通路１１はＹ方向に隣接する第一冷却部１６および第二冷却部１７を有する。

本実施形態において、第一冷却部１６は内燃機関の運転中のピストン２において高温となる高温領域２ａに存在する部位である。第二冷却部１７は内燃機関の運転中のピストン２において低温となる低温領域２ｂに存在する部位である。本開示の高温領域２ａと低温領域２ｂとはそれらの境界面に対して対称を成すことから、第一冷却部１６と第二冷却部１７ともその境界面に対して対称を成す。

本実施形態の高温領域２ａと低温領域２ｂとは内燃機関の運転中にピストン冷却構造１０により冷却しない場合に温度が異なる領域であり、高温領域２ａが低温領域２ｂよりも温度が高い領域として定義される。高温領域２ａと低温領域２ｂは予め内燃機関を実験や試験により運転したときに測定した温度分布に基づいて設定される領域であり、内燃機関の気筒配置や燃焼状態、内燃機関の運転中のピストン２の往復運動による傾きなどの様々な要因により定められる。図中で、高温領域２ａは半円柱状を成し、低温領域２ｂは半円柱状を成しているが、高温領域２ａが底面が扇形の四分の一円柱状を成し、低温領域２ｂが四分の三円柱状を成す場合もある。

導入通路１２はピストン２の内部に鋳造により形成される。導入通路１２は、横断面形状として円形状、馬蹄形状、および、オーバル形状が例示され、Ｘ方向に直線状に延在する通路である。導入通路１２の一端は導入連通口１２ａであり冷却通路１１の第一冷却部１６および第二冷却部１７の境界部分に配置されて冷却通路１１に連通し、他端は導入口１２ｂでありピストン２の下面で冷却媒体噴射装置３から噴射された冷却媒体１が導入可能に開口する。

導出通路１３も導入通路１２と同様にピストン２の内部に鋳造により形成される。導出通路１３は、横断面形状として円形状、馬蹄形状、および、オーバル形状が例示され、Ｘ方向に直線状に延在する通路である。導出通路１３の一端は導出連通口１３ａであり冷却通路１１の第一冷却部１６および第二冷却部１７の境界部分に配置されて冷却通路１１に連通し、他端は導出口１３ｂでありピストン２の下面で冷却媒体１が図示しないオイルパンに導出可能に開口する。

導入通路１２および導出通路１３のそれぞれはＹ方向に離間して配置される。また、導入通路１２および導出通路１３のそれぞれは冷却通路１１における第一冷却部１６および第二冷却部１７の境界部分で冷却通路１１と連通することが望ましく、それぞれの通路の中心線が第一冷却部１６および第二冷却部１７の境界線に一致することがより望ましい。第一冷却部１６および第二冷却部１７の境界線は、ピストン２の高温領域２ａおよび低温領域２ｂの境界線でもある。

図２に例示するように、筒部１４は導入通路１２と一体で冷却通路１１の内部に鋳造により形成される。筒部１４は、導入通路１２の導入連通口１２ａの縁部からＸ方向に立設し、Ｘ方向の両端が開口した円筒を成す。筒部１４は導入通路１２の導入連通口１２ａに連通する入口１４ａと、冷却通路１１に連通する出口１４ｂとを有し、導入通路１２を冷却通路１１の内部まで延長する筒体である。

出口１４ｂは冷却通路１１を流れる冷却媒体１の液面の高さＨ１よりも高い位置に配置される。本開示で、冷却通路１１を流れる冷却媒体１の液面の高さＨ１は、冷却通路１１の底から冷却媒体１の液面までの高さであり、内燃機関が運転中に導入通路１２から導入された噴霧状の冷却媒体１が到達する高さでは無く、噴霧状の冷却媒体１が冷却通路１１の底に溜まり、その溜まった冷却媒体１の液面が到達可能な高さを示す。この高さＨ１としては、内燃機関の運転状態が高負荷、高回転の状態のとき、換言するとピストン２に対する冷却性能を高める必要のある状態のときの冷却媒体１の液面が到達する最大の高さが例示される。

冷却通路１１の出口１４ｂの高さＨ２は冷却通路１１の底からの高さである。冷却通路１１の出口１４ｂの高さＨ２が冷却媒体１の液面の高さＨ１よりも低くなると、冷却通路１１から冷却媒体１が導入通路１２に逆流し、導入通路１２から冷却通路１１への噴霧状の冷却媒体１の導入が阻害されるおそれがある。一方、高さＨ２が高さＨ１から離間し過ぎると筒部１４の出口１４ｂと冷却通路１１の天井とが近くなり、導入通路１２から冷却通路１１への噴霧状の冷却媒体１の導入が阻害されるおそれがある。そこで、この高さＨ２は高さＨ１よりも高く、且つ、その高さＨ１に近づけることが望ましい。また、高さＨ２は冷却通路１１の通路径Ｈ３の半分の値よりも低いことが望ましい。

導入通路１２を延長する筒部１４を設けることで、冷却通路１１の底に溜まった冷却媒体１の導入通路１２への逆流を防ぐことができる。また、筒部１４の出口１４ｂの高さＨ２を冷却通路１１における冷却媒体１の液面の高さＨ１よりも高くすることで、内燃機関の運転状態がいかなる場合であっても冷却媒体１の導入通路１２への逆流を防ぐことができる。

分岐部１５は冷却通路１１と一体で、導入連通口１２ａに対向する冷却通路１１の天井の部位に鋳造により形成される。分岐部１５は導入通路１２から冷却通路１１へ導入される噴霧状の冷却媒体１をＹ方向の両側に分岐させる突起であり、導入通路１２をＸ方向上方に向かう噴霧状の冷却媒体１の進行方向をＹ方向に転換させる機能を有する。分岐部１５は噴霧状の冷却媒体１をＹ方向の両側に分岐させる突起であればよく、ピストン２の径方向に延在する板状あるいは柱状の突起が例示される。

導入連通口１２ａに対向する部位に分岐部１５を設けることで、導入連通口１２ａからＸ方向上方に進行する噴霧状の冷却媒体１の進行方向をＹ方向に転換することができる。これにより、冷却通路１１の天井で跳ね返った冷却媒体１が導入連通口１２ａを介して導入通路１２に逆戻りすることを防ぐことができる。

分岐部１５の形状は特に限定されないが、分岐部１５は、導入連通口１２ａを横断する頂部１５ａが冷却通路１１の天井から導入連通口１２ａに向かって突出し、その頂部１５ａのＹ方向両側に第一斜面１５ｂ、第二斜面１５ｃが隣接し、Ｘ方向下方から上方に向かって断面積が徐々に拡大する形状が望ましい。本実施形態の分岐部１５は、ピストン２の径方向に直交する面における断面形状が三角形状の三角柱状を成す。

分岐部１５は、頂部１５ａが導入連通口１２ａの中心線に対して第二冷却部１７の側にずれた位置に配置され、第一斜面１５ｂが導入連通口１２ａの中心線に対して交差することが望ましい。本実施形態において、ズレ量Ｄ１は断面図における頂部１５ａの中心から導入連通口１２ａの中心線までの距離、あるいは導入連通口１２ａから第一斜面１５ｂの頂部１５ａの側の縁までの距離とする。このズレ量Ｄ１は、第一冷却部１６へ分岐させる冷却媒体１の分岐量Ｑ１と第二冷却部へ分岐させる冷却媒体１の分岐量Ｑ２との比に基づいて設定される。分岐量Ｑ１と分岐量Ｑ２との比は第一冷却部１６の温度と第二冷却部１７との温度の比に基づき、第一冷却部１６と第二冷却部１７との温度差を無くす（ゼロにする）ように設定される。したがって、第一冷却部１６と第二冷却部１７との温度差が大きくなれば、ズレ量Ｄ１は大きくなり、温度差が小さくなればズレ量Ｄ１は小さくなる。ズレ量Ｄ１は、予め実験や試験により分岐部１５を設けない試験用のピストン冷却構造を有するピストンを備えた内燃機関を運転し、運転中にそのピストンの温度分布を計測することで設定される。なお、導入通路１２の中心線と筒部１４の中心線とがズレている場合には、ズレ量Ｄ１は筒部１４の中心線に対する距離とするとよい。

第一斜面１５ｂおよび第二斜面１５ｃのそれぞれは、Ｙ方向に対して所定の角度をもって設定された斜面で構成されることが望ましい。第一斜面１５ｂおよび第二斜面１５ｃのそれぞれを斜面で構成することで、噴霧状の冷却媒体１の進行方向を滑らかに転換するには有利になる。本実施形態の第一斜面１５ｂおよび第二斜面１５ｃのそれぞれは、冷却通路１１の天井に向かって窪む円弧面で構成されるが、これに限定されない。

図１および図２に例示するように、内燃機関の運転中に、冷却媒体噴射装置３からＸ方向上方に向かって噴射された噴霧状の冷却媒体１は、導入口１２ｂから導入通路１２に入って、導入通路１２の内部を進む。ついで、冷却媒体１は、導入連通口１２ａおよび入口１４ａから筒部１４に入って、筒部１４の内部を進む。ついで、冷却媒体１は、出口１４ｂから冷却通路１１に入り、分岐部１５に衝突し、Ｘ方向上方からＹ方向の両側へ進行方向が転換される。このとき、分岐部１５の頂部１５ａが導入通路１２の中心からズレ量Ｄ１分ずれた位置に配置されていることから、第一冷却部１６に分岐する分岐量Ｑ１が第二冷却部１７に分岐する分岐量Ｑ２よりも多くなる。ついで、第一冷却部１６に分岐した冷却媒体１は第一冷却部１６の内部を進み、ピストン２の高温領域を冷却する。一方、第二冷却部１７に分岐した冷却媒体１は第二冷却部１７の内部を進み、ピストン２の低温領域を冷却する。ついで、第一冷却部１６に分岐した冷却媒体１および第二冷却部１７に分岐した冷却媒体１は導出連通口１３ａから導出通路１３に入って、導出通路１３の内部を進み、導出口１３ｂから図示しないオイルパンに滴下される。

以上のように、本実施形態のピストン冷却構造１０によれば、ピストン２の温度分布に応じて、第一冷却部１６と第二冷却部１７との冷却性能を異ならせることができる。具体的に、ピストン２の高温領域２ａに配置された冷却通路１１の第一冷却部１６へ分岐する冷却媒体１の分岐量Ｑ１を多くし、ピストン２の低温領域２ｂに配置された第二冷却部１７へ分岐する冷却媒体１の分岐量Ｑ２を少なくすることで、第一冷却部１６の冷却性能を第二冷却部１７の冷却性能よりも高めることができる。これにより、ピストン２を一様に冷却するには有利になり、温度差が無い状態で冠面４を効果的に冷却して、ピストン２の耐久性を向上することができる。

図３に例示するように、第二実施形態のピストン冷却構造１０は、第一実施形態に対して第一冷却部１６と第二冷却部１７とが異なる。本実施形態の高温領域２ａと低温領域２ｂとは内燃機関の運転中にピストン冷却構造１０により冷却した場合に分岐部１５を設けないときに温度が異なる領域であり、高温領域２ａが低温領域２ｂよりも温度が高い領域として定義される。高温領域２ａと低温領域２ｂは第一冷却部１６のＹ方向の長さＬ１と第二冷却部１７のＹ方向の長さＬ２とにより定められる。図中で、高温領域２ａが底面が扇形の四分の一円柱状を成し、低温領域２ｂが四分の三円柱状を成す。本実施形態において、第一冷却部１６および第二冷却部１７はそれぞれのＹ方向の長さが異なり、第一冷却部１６における導入通路１２から導出通路１３までのＹ方向の長さＬ１は、第二冷却部１７における導入通路１２から導出通路１３までのＹ方向の長さＬ２よりも長い。

ズレ量Ｄ１は、第一冷却部１６へ分岐させる冷却媒体１の分岐量Ｑ１と第二冷却部へ分岐させる冷却媒体１の分岐量Ｑ２との比に基づいて設定される。分岐量Ｑ１と分岐量Ｑ２との比は第一冷却部１６の長さＬ１と第二冷却部１７の長さＬ２との長さの差による冷却性能の差を無くす（ゼロにする）ように設定される。したがって、第一冷却部１６と第二冷却部１７との長さの差が大きくなれば、ズレ量Ｄ１は大きくなり、長さの差が小さくなればズレ量Ｄ１は小さくなる。ズレ量Ｄ１は、予め実験や試験により分岐部１５を設けない試験用のピストン冷却構造を有するピストンを備えた内燃機関を運転し、運転中にそのピストンの温度分布を計測することで得られる冷却性能の差により設定される。

このように、冷却通路１１の第一冷却部１６および第二冷却部１７のＹ方向の長さが異なる場合に、本実施形態のピストン冷却構造１０は、分岐部１５により、長い方の第一冷却部１６へ分岐する冷却媒体１の分岐量Ｑ１を多くし、短い方の第二冷却部１７へ分岐する冷却媒体１の分岐量Ｑ２を少なくする。これにより、第一冷却部１６を流れる冷却媒体１による冷却性能と、第二冷却部１７を流れる冷却媒体１による冷却性能とを同等にすることができ、冷却性能の差で生じる冠面４の温度差を抑制することができる。

図４に例示するように、第三実施形態のピストン冷却構造１０は、第一実施形態に対して筒部１４を筒体１８で構成する点が異なる。筒体１８はピストン２とは別体の部材であり、導入通路１２に挿通されてＸ方向に延在する円筒管である。筒体１８はＸ方向の両端が開口して成り、Ｘ方向の上端のみが冷却通路１１により閉止され、上端部にＹ方向に貫通した貫通孔が形成される。なお、貫通孔は一つに限定されずに、パンチングメタルのように複数の貫通孔でもよい。

筒体１８は、導入通路１２に挿通された状態で、導入連通口１２ａよりもＸ方向下方の側の部位が導入通路１２と同様に冷却媒体噴射装置３から噴射された噴霧状の冷却媒体１の通路として機能する。また、筒体１８は、導入通路１２に挿通された状態で、導入連通口１２ａよりもＸ方向上方の側の部位が筒部１４として機能する。筒体１８における筒部１４は、出口１４ｂがＹ方向に向かって開口する。この出口１４ｂは、第一実施形態と同様に冷却通路１１を流れる冷却媒体１の液面の高さＨ１よりも高い位置に配置される。また出口１４ｂは高さＨ２から筒体１８の上端まで開口させるとよい。

図５に例示するように、第四実施形態のピストン冷却構造１０は、第三実施形態に対して分岐部１５が冷却通路１１と別体であり、分岐部１５を筒体１８で構成する点が異なる。この実施形態の筒体１８は、筒部１４として機能するとともに分岐部１５として効能する。筒体１８は、Ｘ方向の下端が開口し、Ｘ方向の上端が閉止した有底筒状を成し、上端部にＹ方向に貫通した貫通孔が形成される。

筒体１８は、導入通路１２に挿通された状態で、筒部１４の出口１４ｂよりもＸ方向上方の側の部位が分岐部１５として機能する。分岐部１５は筒体１８のＸ方向上端の底に形成される。

第三実施形態や第四実施形態のピストン冷却構造１０のように、筒部１４や分岐部１５を冷却通路１１や導入通路１２とは別体の筒体１８で構成することで、筒部１４や分岐部１５のように複雑な形状を通路とともに鋳造により形成する方法と比して歩留まりも高く、且つ、製造し易いことに加えて、調整もし易くなる。

既述した実施形態の冷却通路１１はピストン２の内部をＹ方向に一周する円環状を成すが、冷却通路１１はこれに限定されない。例えば、円弧状の複数の冷却通路１１がピストン２の内部をＹ方向に略一周するように円環状に配置されたものもでもよい。また、冷却通路１１は一つに限定されずに複数設けられてもよい。

既述した実施形態の筒部１４の出口１４ｂは、第一冷却部１６の側と第二冷却部１７の側とが同一の高さＨ２であるものを例に説明したが、これに限定されない。例えば、第一実施形態において、筒部１４の出口１４ｂの端部を第一冷却部１６の側が第二冷却部１７の側よりも高くなるように斜めに切断した状態でもよい。つまり、図２において、出口１４ｂの第一冷却部１６の側の高さを、第二冷却部１７の側の高さよりも高くしてもよい。また、第二実施形態において、筒部１４の出口１４ｂの端部を第二冷却部１７の側が第一冷却部１８の側よりも高くなるように斜めに切断した状態でもよい。つまり、図３において、出口１４ｂの第二冷却部１７の側の高さを、第一冷却部１８の側の高さよりも高くしてもよい。

第一冷却部１６の底に溜まった冷却媒体１の液面の高さと第二冷却部１７の底に溜まった冷却媒体１の液面の高さが異なる場合がある。この場合に出口１４ｂの高さを同一にすると、逆流を防ぐために液面の高さが高い方を基準にすることになり、液面の高さが低い方が不要に高くなる。そこで、出口１４ｂの第一冷却部１６の側の高さを第一冷却部１６における液面の高さに合わせて設定し、第二冷却部１７の側の高さを第二冷却部１７における液面の高さに合わせて、それぞれ異なる高さに設定するとよい。

１ 冷却媒体
２ ピストン
１０ ピストン冷却構造
１１ 冷却通路
１２ 導入通路
１３ 導出通路
１４ 筒部
１５ 分岐部

Claims (5)

1. ピストンの内部に形成された冷却通路、導入通路、および、分岐部を備えたピストン冷却構造において、
   前記冷却通路は前記ピストンの周方向に延在し、その周方向に隣接する第一冷却部と第二冷却部とを有し、
   前記導入通路は前記ピストンの軸方向に延在し、一端が前記冷却通路の前記第一冷却部および前記第二冷却部の境界部分に連通するとともに他端が前記ピストンの下面に開口し、
   前記境界部分に配置された前記分岐部により、前記導入通路から前記第一冷却部へ分岐させる冷却媒体の分岐量を前記導入通路から前記第二冷却部へ分岐させる冷却媒体の分岐量よりも多くする構成であることを特徴とするピストン冷却構造。
2. 前記ピストンが高温領域とその高温領域よりも温度の低い低温領域とを有し、前記第一冷却部が前記高温領域に存在し、前記第二冷却部が前記低温領域に存在する請求項１に記載のピストン冷却構造。
3. 前記軸方向に延在し、一端が前記冷却通路に連通するとともに他端が前記ピストンの下面に開口し、前記導入通路に対して前記周方向に離間して成る導出通路を備え、
   前記第一冷却部における前記導入通路から前記導出通路までの長さが、前記第二冷却部における前記導入通路から前記導出通路までの長さよりも長い請求項１に記載のピストン冷却構造。
4. 前記分岐部は、頂部、第一斜面、および、第二斜面を有し、前記頂部が前記導入通路の前記冷却通路への導入連通口に向かって突出するとともに前記導入連通口を横断し、前記第一斜面が前記頂部よりも前記第一冷却部の側に配置されて冷却媒体を前記第一冷却部へ導く斜面で構成され、前記第二斜面が前記頂部よりも前記第二冷却部の側に配置されて冷却媒体を前記第二冷却部へ導く斜面で構成され、
   前記頂部が前記導入通路の中心線に対して前記第二冷却部の側にずれた位置に配置されるとともに前記第一斜面が前記導入通路の中心線に対して交差する請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン冷却構造。
5. 前記導入通路に連通して、前記冷却通路を流れる冷却媒体の液面の高さよりも高い位置に配置された前記冷却通路への出口を有する筒部を備え、前記筒部を介して前記冷却通路に冷却媒体が導入される構成にし、
   前記分岐部は前記頂部が前記筒部の中心線に対して前記第二冷却部の側にずれた位置に配置されるとともに前記第一斜面が前記筒部の中心線に対して交差する請求項４に記載のピストン冷却構造。

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