JP2021175888A - 内燃機関のピストン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のピストン冷却装置において冷却用流体の循環効率およびそれに付随した冷却効率を改善する。【解決手段】ピストン（４）の冠部（４６）に形成した冷却通路に、コンロッド（２）、ピストンピン（３）を介して冷却用流体を供給する手段（１０，２０，３０）を備え、前記冷却通路は、内燃機関の点火プラグ（６２）に対向する前記冠部の第１の領域（７２）内部を通過する第１区間（４２）と、前記内燃機関の排気バルブ（６３）に対向する前記冠部の第２の領域（７３）内部を通過する第２区間（４３）と、前記ピストンピンを嵌合するピン孔（４０）から前記第１区間、前記第２区間の一方に連通する導入区間（４１）と、前記第１区間、前記第２区間の他方から前記冠部の下面側に連通する排出区間（４４）と、を含む連続流路として形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストン冷却装置に関する。

往復動式内燃機関において、ピストン裏面にオイルを吹きかけてピストンを冷却する装置や、ピストン内部のオイル溜りに冷却用オイルを供給するピストン冷却装置が提案されている。例えば、特許文献１には、クランクピンからコンロッド、ピストンピンを経てピストン内部のクーリングチャネルに連通する冷却用オイル通路を有するピストン冷却装置が開示されている。

特開２０００−５４８１６号公報

ピストン内部に冷却用オイルを供給する方式は、ピストン裏面にオイルを吹きかける方式に比べてより高温なピストンの冠部を冷却できる利点がある。しかし、ピストン内部の周辺部に環状に設けられているクーリングチャネル（オイル溜り）は、シリンダー側面からオイルジェットにより空中を経由して供給されるため全量が冷却に利用されることがなく、冷却用オイルの循環効率およびそれに付随した冷却効率の点で改善の余地があった。

本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のピストン冷却装置において冷却用流体の循環効率およびそれに付随した冷却効率を改善することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
内燃機関のピストン冷却装置であって、
前記ピストンの冠部に形成した冷却通路と、
前記冷却通路に、コンロッド、ピストンピンを介して冷却用流体を供給する手段と、
を備えるものにおいて、
前記冷却通路は、前記内燃機関の点火プラグに対向する前記冠部の第１の領域内部を通過する第１区間と、前記内燃機関の排気バルブに対向する前記冠部の第２の領域内部を通過する第２区間と、前記ピストンピンを嵌合するピン孔から前記第１区間、前記第２区間の一方に連通する導入区間と、前記第１区間、前記第２区間の他方から前記冠部の下面側に連通する排出区間と、を含む連続流路として形成されていることを特徴とする。

本発明は、上記のように、冷却通路が、点火プラグに対向する領域（第１区間）、排気バルブに対向する領域（第２区間）を含む連続流路として形成されているので、冷却用流体の循環効率が向上するとともに、ピストン冠部でも相対的に高温になる領域に集中的に冷却用流体を送達でき、冷却効率の向上が期待できる。

本発明第１実施形態に係るピストン冷却装置を示す一部破断した斜視図である。 本発明第１実施形態に係るピストン冷却装置を示す図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明第１実施形態に係るピストンを示す図４のＣ−Ｃ断面図である。 本発明第１実施形態に係るピストンを示す図３のＢ−Ｂ断面図である。 本発明第１実施形態に係るピストンの製造方法を示す一部破断した分解斜視図である。 本発明第２実施形態に係るピストンを示す斜視図である。 本発明第２実施形態に係るピストンを示す図８のＤ−Ｄ断面図である。 本発明第２実施形態に係るピストンを示す平面図である。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明第１実施形態に係る内燃機関のピストン冷却装置を示している。実施例の内燃機関は、シリンダ５内に往復摺動可能に収容されたピストン４を備えるピストン往復動式ガソリンエンジンであり、ピストン４は、コンロッド２を介してクラックシャフト１に連結され、ピストン４の往復直線運動がクランクシャフト１の回転運動に変換される。

図２に二点鎖線で概略的に示されているように、シリンダ５を構成するシリンダブロックの上部には、ピストン４の冠部４６との間に燃焼室６０を画成するシリンダヘッド６が配設され、燃焼室６０の天井面の中央に燃焼室６０内に臨ませて点火プラグ６２が配設されている。図2は、エンジンを吸気ポート側から見た断面図であり、吸気ポートの反対側には２つの排気バルブ６３が配設されている。

このようなエンジン、例えば、ピストン４により圧縮された燃焼室６０内の混合気に点火プラグ６で火花着火するポート噴射式エンジン（ＰＦＩエンジン）では、上死点付近にあるピストン４の中央部、点火プラグ６２の近傍で燃焼が開始され、ピストン４を押し下げた後、排気行程では、ピストン４の上昇と共に、開いた排気バルブ６３の近傍から高温の排気ガスが排出される。

そのため、エンジン運転時におけるピストン４の冠部４６の温度部分布は一様ではなく、低温の混合気が流入する吸気側に比べて、図４に符号７２で示される点火プラグ６直下の領域（第１領域）および符号７３で示される排気バルブ６３直下の領域（第２領域）は高温になる。そこで、これらの高温領域（７２，７３）を集中的に冷却し、冠部４６全体を効率よく冷却するとともに温度分布を均一化することができるように、冷却通路（４１〜４４）が設けられている。

冷却通路（４１〜４４）を含む冷却装置は、図２に示すように、ピストン４の冠部４６に形成された冷却通路（４１〜４４）と、この冷却通路に冷却用流体としてオイルを供給するための供給通路（１０，２０，３０）、および、供給通路を介して冷却通路にオイルを圧送する圧送手段で構成されている。本実施形態においては、エンジン潤滑用のオイルを冷却用流体として使用し、エンジン潤滑系のオイルポンプを圧送手段として利用する構成となっている。

すなわち、図２に示すように、シリンダブロック内のオイルギャラリーから、ベアリング部５１およびベアリングキャップ５２のオイル溝５０に圧送され、さらに、クランクシャフト１のジャーナル部１１からクランクウエブ１３を貫通してクランクピン部１２に至るオイル孔１０を介して圧送される潤滑用オイルを、コンロッド２（大端部２３）のベアリング２６の供給口２１を介して、コンロッド２を貫通する供給通路２０に導入し、その出口２２と同じ軸方向位置に開口されているピストンピン３の入口３１から、ピストンピン３の内部に形成された蓄圧部３０に導入する。

ピストンピン３は、その中央部をコンロッド２の小端部２４に嵌合した状態で、ピストン４の両側のピンボス部４８を貫通するピン孔４０に嵌合されることで、コンロッド２の小端部２４にピストン４を回動可能に連結しており、ピン孔４０の両端の溝４９に装着されたスナップリング（不図示）で軸方向位置が規制され、抜け止めされている。

ピストンピン３の周面の中央と両端近くには周溝が設けられ、中央の周溝にオイルの入口３１が穿設され、両端側の周溝には出口３２が穿設されており、この出口３２からピストン４の冷却通路（導入区間４１）にオイルが供給されるように構成されている。なお、中央および両端の周溝（入口３１，出口３２）は、コンロッド２の小端部２４およびピンボス４８の内周面に設けられてもよく、何れの場合にも、それぞれの嵌合部にオイルを潤滑油として供給する機能も有している。

ピストン４は、円盤状の冠部４６、そのスラスト側および反スラスト側の下方に延びる部分円筒状のスカート部４５、それらの間に延在する両側一対のエプロン部４７、および、それらの内側に突出した両側一対のピンボス部４８を備え、冠部４６の周囲にはピストンリングおよびオイルリングを装着するためのリング溝が設けられ、ピンボス部４８を貫通するピン孔４０にピストンピン３が嵌合されている。

このような基本構造を有するピストン４は、冠部４６の冷却通路として、ピストンピン３の蓄圧部３０の出口３２（周溝）に臨むピン孔４０の内面から冠部４６の点火プラグ６２直下の第１領域７２（図４）に向けて斜上方に延びる導入区間４１、その上端から、第１領域７２の周辺領域７２′の下方を周回（４２′）してから中央側にカーブし、第１領域７２の下方を横断して直線的に延びる第１区間４２、排気バルブ６３直下の第２領域７３の下方を周回する第２区間４３、および、その終端部から下方に延びる排出区間４４を含む連続流路が内部に形成されており、これらの区間４１〜４４を流通したオイルは、排出口４４ｄからピストン４の下方凹部４ｃ、クランクケース内に吐出される。

上記冷却通路の第１区間４２および第２区間４３は、図３に示されるように、ピストン４の冠面（４６）から同一の深度（距離）に配置されることが好適である。また、各図に示されるように、冷却通路（４１〜４４）は、左右の排気バルブ６３に対応させて左右対称な２つの流路で構成されている。冷却通路（４１〜４４）の流路断面積は、排出区間４４のみやや小さいものの、導入区間４１から第１区間４２、第２区間４３にかけては一様であり、途中にオイルジャケットのような拡大部は設けられていない。

また、冷却通路（４１〜４４）の断面形状は、オイルを高い流速で淀みなく流通させることができるように、小径（例えば直径１〜４ｍｍ程度）の円形断面積相当に設定され、円形以外では、四角形（正方形）、Ｕ字形など、流路抵抗が小さく加工に適した形状が好適である。さらに、図示例のように、排気バルブ６３の数に対応して複数の冷却通路で構成される場合は、それらの合計の流路断面積が、コンロッド２内の供給通路２０の流路断面積と同等またはそれ以下になるようにすることが好ましい。

以上のような構成を有する冷却通路（４１〜４４）は、ロストワックス法などでピストン４を鋳造する際に一体的に形成することができる。また、図５に示すように、ピストン１０４の冠部４６の冠面部４６ａを別体で形成するとともに、冠面部４６ａと同形状の凹部４６ｂを冠部４６に形成し、それらの接合面の一方（凹部４６ｂまたは冠面部４３ａ）または両方に分割して冷却流路を形成することもできる。

上記実施形態では、冠部４６が僅かに凹陥したピストン４，１０４の場合を示した。ＰＦＩエンジンでは、このような実質的に平坦な形状か、ペントルーフ型燃焼室に準じた山型のピストンが採用される。一方、ＤＩエンジンでは、冠面に凹部（キャビティなど）を有するピストンが使用されるので、冷却通路もその形状に合わせて設定される。

（第２実施形態）
図６〜図８は、本発明の第２実施形態に係る冷却通路（２４１〜２４４）を有するピストン２０４を示しており、基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、同じ構成には同じ記号を付して説明を省略し、以下、変更点について述べる。

各図において、ピストン２０４は、冠部２４６に、ピン孔４０と平行な方向に延びる稜部４６１を有し、その両側に吸排気バルブに沿った傾斜面４６３，４６４を有する山型の基本形状に対して、中央部の吸気側寄りにキャビティ４６０が形成されている。

冷却通路の導入区間２４１、および、排出区間２４４は、第１実施形態のピストン４と概ね同様であるが、第１区間２４２は、図中右側となる吸気側に向けて周回する区間からカーブして直線的に延びる区間では、キャビティ４６０の底部に沿って僅かな傾斜を有しているが、第２区間に向かう後部は、キャビティ４６０の斜面に沿った上昇区間２４２ａとなっている。

第１区間２４２の上昇区間２４２ａは、キャビティ４６０の縁部における上昇端で、傾斜面４６３に沿って下降する第２区間２４３に連続している。第２区間２４３は、傾斜面４６３に沿って周回し僅かに上昇した地点でキャビティ４６０の縁部に到達し、この地点からキャビティ４６０の斜面に沿った下降区間２４３ｂとなっており、その終端で排出区間２４４に連続している。

以上述べたように、本発明に係る冷却装置は、ピストン４，１０４，２０４の冠部４６，２４６の内部に、小径かつ一様な流路断面積を有する冷却通路（４１〜４４、２４１〜２４４）を備え、このような冷却通路に高い流速でオイルを圧送することにより、ピストン４，１０４，２０４の冠部４６，２４６の点火プラグ直下の高温領域（７２）や、排気バルブ近傍の高温領域（７３）を効果的に冷却することができ、ノック耐性の向上とそれに伴う圧縮比の向上、さらには、熱効率の向上に伴う出力や燃費向上にも有利である。

なお、上記各実施形態では、冷却用流体として、エンジンの潤滑オイルを利用する場合を示したが、他の流体、例えば比熱の大きい水などを用いることもできる。その場合、冷却用流体をクランクケース内に排出する代わりに、ピストンピン３内部の空間（３０）を二重構にし、コンロッド２からクランクシャフト１に至る帰還流路を設けるか、コンロッド２に連結された揺動リンクなどに帰還流路を設ける。

以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

１ クランクシャフト
２ コンロッド
３ ピストンピン
４，１０４，２０４ ピストン
５ シリンダ
６ シリンダヘッド
１０ オイル孔
２０ 供給通路
３０ 蓄圧部
４０ ピン孔
４１，２４１ 導入区間
４２，２４２ 第１区間
４３，２４３ 第２区間
４４，２４４ 排出区間
４６ 冠部
６０ 燃焼室
６２ 点火プラグ
６３ 排気バルブ

Claims (7)

1. 内燃機関のピストン冷却装置であって、
   前記ピストンの冠部に形成した冷却通路と、
   前記冷却通路に、コンロッド、ピストンピンを介して冷却用流体を供給する手段と、
   を備えるものにおいて、
   前記冷却通路は、前記内燃機関の点火プラグに対向する前記冠部の第１の領域内部を通過する第１区間と、前記内燃機関の排気バルブに対向する前記冠部の第２の領域内部を通過する第２区間と、前記ピストンピンを嵌合するピン孔から前記第１区間、前記第２区間の一方に連通する導入区間と、前記第１区間、前記第２区間の他方から前記冠部の下面側に連通する排出区間と、を含む連続流路として形成されていることを特徴とする、内燃機関のピストン冷却装置。
2. 前記導入区間は、前記ピン孔から前記第１区間に連通し、前記第２区間は、前記第１区間の下流側に連通し、かつ、前記排出区間は、前記第２区間から排出口に連通することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関のピストン冷却装置。
3. 前記内燃機関は複数の排気バルブを備え、前記冷却通路は、前記排気バルブの各々に対応する個別の連続流路として形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関のピストン冷却装置。
4. 前記冷却通路は、前記導入区間から前記第１区間および前記第２区間を経て前記排出区間まで、一様な流路断面積を有する連続流路として形成されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項記載の内燃機関のピストン冷却装置。
5. 前記ピストンは、前記冠部に凹部または隆起部を有し、前記第１区間または前記第２区間は、前記凹部または前記隆起部に沿って傾斜した傾斜区間を含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項記載の内燃機関のピストン冷却装置。
6. 前記冷却用流体は、前記内燃機関の潤滑用のオイルであり、前記オイルは、前記内燃機関のクランクシャフト、コンロッド、ピストンピンを介して前記冷却通路に圧送され、前記排出区間から下方に排出されるように構成され、かつ、前記ピストンにおける前記冷却通路の流路断面積は、前記コンロッドにおける供給流路の断面積以下であることを特徴とする、請求項４または５記載の内燃機関のピストン冷却装置。
7. 内燃機関のピストンであって、燃焼室に臨む冠面を含む冠部と、ピストンピンを嵌合するピン孔と、前記冠部に形成した冷却通路と、を備えるものにおいて、
   前記冷却通路は、前記内燃機関の点火プラグに対向する前記冠部の第１の領域内部を通過する第１区間と、前記内燃機関の排気バルブに対向する前記冠部の第２の領域内部を通過する第２区間と、前記ピン孔から前記第１区間、前記第２区間の一方に連通する導入区間と、前記第１区間、前記第２区間の他方から前記冠部の下面側に連通する排出区間と、を含み、かつ、一様な流路断面積を有する連続流路として形成されていることを特徴とする、内燃機関のピストン。

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