JP3210638U - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンへのオイル量を増大させることなく、オイルによる効率的なピストンの冷却を可能とする内燃機関のピストンの提供にある。【解決手段】燃焼室を臨む頂面３３へ向けて凹面状に形成された背面４８を有するピストン本体３０と、ピストン本体３０の内部にて環状に形成されたクーリングチャンネル５１と、オイルジェットから噴射されるオイルを、背面４８からクーリングチャンネル５１へ流入可能とするオイル流入孔５２と、を有する内燃機関のピストン１３において、ピストン本体３０は、クーリングチャンネル５１の最上部５１Ａから、背面４８へ向けてピストン本体３０を貫通する連通孔５５を有し、連通孔５５の孔断面積は、クーリングチャンネル５１の流路断面積より小さい。【選択図】 図３

Description

本考案は、内燃機関のピストンに関し、特に、ピストン本体の内部にクーリングチャンネルを設けたピストンに関する。

内燃機関のピストンに関する従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されたピストンの給油装置が知られている。この種の給油装置では、ピストン内部に、空洞部、オイル入口通路、オイル出口通路が穿設されている。また、ピストンの背面には、溝状ガイドが設けられている。溝状ガイドの底面に空洞部のオイル出口通路の開口が設けられている。ピストンの下降行程で、オイル出口通路から流出したオイルが、溝状ガイド内の背面の中央部に集まり、下死点に達したピストンが上昇へ移ると、溝状ガイドの端部付近に溜まったオイルは、コンロッドの小端部へ落下する。コンロッドの小端部には、ピストンの背面から落下するオイルをピストンピンに案内するオイル穴が穿設されている。

実開平４−１２５６１８号公報

ところでは、近年では、内燃機関のダウンサイジング化により比出力（気筒の容積当たりの出力）の向上が図られている。このため、特許文献１に開示されたクーリングチャンネル（空洞部）を備えたピストンであっても熱量増加による高温化を回避できないという問題がある。この問題の対策として、例えば、オイルジェットのオイル噴射量の増大やオイルジェットの増設により、クーリングチャンネルを通るオイル量を増やし、ピストンの冷却を図ることは可能である。しかしながら、この種の対策では、オイルポンプの負荷が増大し、その結果、燃料消費率が増大する。

本考案は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本考案の目的は、ピストンへのオイル量を増大させることなく、オイルによる効率的なピストンの冷却を可能とする内燃機関のピストンの提供にある。

上記課題を達成するため、本考案は、燃焼室を臨む頂面へ向けて凹面状に形成された背面を有するピストン本体と、前記ピストン本体の内部にて環状に形成されたクーリングチャンネルと、オイルジェットから噴射されるオイルを、前記背面から前記クーリングチャンネルへ流入可能とするオイル流入孔と、を有する内燃機関のピストンにおいて、前記ピストン本体は、前記クーリングチャンネルの最上部から、前記背面へ向けて前記ピストン本体を貫通する連通孔を有し、前記連通孔の孔断面積は、前記クーリングチャンネルの流路断面積より小さいことを特徴とする。

本考案では、クーリングチャンネル内のオイルは、下死点から上死点へ向けて上昇するとき、ピストン上昇時の慣性力によりクーリングチャンネルの下部に留まる。ピストンが上死点へ達すると、クーリングチャンネル内のオイルは、ピストン上昇時の慣性力によりクーリングチャンネルの最上部を含む上部へ移動する。連通孔がクーリングチャンネルの最上部から、背面へ向けてピストン本体を貫通しているため、クーリングチャンネルの上部へ移動するオイルは連通孔を通って背面側の空間へ流出する。ピストンが上死点から下死点へ向けて下降するとき、背面側の空間へ流出したオイルは、下降するピストンの背面に押し付けられて背面に沿って移動する。背面に沿って移動するオイルによりピストンを効率的に冷却することができる。

また、上記の内燃機関のピストンにおいて、前記連通孔の出口は、前記背面の中央部に設けられている構成としてもよい。
この場合、背面の中央部に設けた出口からオイルが流出され、ピストンにおいて高温になりやすい部位を背面の中央部を通じて効率的に冷却することができる。

また、上記の内燃機関のピストンにおいて、前記連通孔は、前記クーリングチャンネルの通るオイルを流出するオイル流出孔として機能する構成としてもよい。
この場合、連通孔は、クーリングチャンネルからオイルを流出するオイル流出孔としての機能を兼用とすることができるから、連通孔とオイル流出孔をピストン本体にそれぞれ設ける必要が無く、ピストン本体に対する加工を削減することができる。

本考案によれば、ピストンへのオイル量を増大させることなく、オイルによる効率的なピストンの冷却を可能とする内燃機関のピストンを提供することができる。

第１の実施形態に係る内燃機関の概要を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るピストンの平面図である。 図２におけるＡ−Ａ線矢視図である。 第１の実施形態に係るピストンの作用説明図である。 （ａ）は第２の実施形態に係るピストンの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。 （ａ）は別例１に係るピストンの平面図であり、（ｂ）は別例２に係るピストンの平面図であり、（ｃ）は別例３に係るピストンの平面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態における内燃機関のピストンを図面に基づき説明する。本実施形態の内燃機関は、車両に搭載される４気筒直列ディーゼルエンジンである。本実施形態のピストンはこのディーゼルエンジンに用いるピストンである。

図１に示すディーゼルエンジン１０のシリンダブロック１１には、シリンダ１２が形成されている。図１ではシリンダ１２は１つしか図示されないが、シリンダブロック１１には、４個のシリンダ１２が形成されている。このシリンダ１２の内部には、ピストン１３が摺動自在に収容されている。なお、図１では、上死点に位置するピストン１３を実線により示し、下死点に位置するピストン１３を二点鎖線により示す。

シリンダブロック１１の上部には、シリンダヘッド１４が接合されている。ピストン１３の上方の空間は、シリンダブロック１１、ピストン１３およびシリンダヘッド１４により区画された燃焼室１５である。シリンダブロック１１のシリンダ１２の下方にはクランク室１６が形成されている。

ピストン１３はピストンピン１７によってコンロッド１８の一端（図１の上端）と回動可能に連結され、コンロッド１８の他端はクランク室１６内に配設されたクランクシャフト（図示せず）のクランクピン１９と回動可能に連結されている。

シリンダブロック１１のクランク室１６には、ピストン１３の背面へ向けてオイルを噴射するオイルジェット２０が取り付けられている。また、シリンダブロック１１には、オイルジェット２０にオイルを供給するためのオイル流路２１が形成されている。シリンダブロック１１には冷却用のウォータージャケット２２、２３が備えられている。

図２、図３に示すピストン１３のピストン本体３０は、例えばアルミニウム合金製である。ピストン本体３０は、燃焼室１５側の部位であるピストンヘッド部３１と、ピストンヘッド部３１から延在する筒状のスカート部３２を備えている。

ピストンヘッド部３１の頂面３３には、有底円筒状の凹部３４が形成されている。凹部３４内の空間部は燃焼室１５に連通する。凹部３４における側壁面３５は、凹部３４の底面側に向かって拡径するように形成されている。従って、ピストンヘッド部３１の頂面３３側には、凹部３４の中心へ向けてせり出すリップ部３６が形成されている。凹部３４の底面の中央部には、底面側から隆起して形成された凸部３７が形成されている。側壁面３５の下端部と凸部３７の外周面の下端部とは、断面円弧面を介して連続する。

ピストンヘッド部３１は、周縁部にランド部３８を有している。ランド部３８の外周面に複数のリング溝３９、４０、４１が形成されている。リング溝３９〜４０には、図示はされないピストンリングが装着される。

スカート部３２は、クランク室１６側に開口する開口４２と、ピン孔４３を有する一対のボス部４４を有している。ピン孔４３は、コンロッド１８と連結されたピストンピン１７を回動可能に支持する。ピン孔４３における内周面４５の外側寄りには、環状溝４６が設けられている。この環状溝４６は、ピストンピン１７の脱落を防止するスナップリング（図示せず）が嵌め込まれるものである。

ピストン本体３０の頂面３３の反対側には背面４８が形成されている。背面４８は、スカート部３２の内周面４９から延在し、ピストンヘッド部３１へ向けて凹面状に形成されている。背面４８は、ピストンピン１７に支持されるコンロッド１８の一端と干渉しないようにピン孔４３よりも頂面３３側に形成されている。背面４８の深さは、ピストン１３の径方向の軸線（ピストン本体３０の径方向の中心の示す線）Ｐへ向かうにつれて頂面３３側へ深くなる。

図２に示すように、ピストン本体３０の内部には、環状のクーリングチャンネル５１が形成されている。クーリングチャンネル５１は、ピストン１３を冷却する冷媒であるオイルを循環させるための中空部である。クーリングチャンネル５１は、ピストン本体３０の冷却を効率よく行うため、ピストン本体３０の内部の中心付近に配設されるように穿設されている。図１に示すように、燃焼室１５と背面４８との間であって、ピン孔４３よりも頂面３３側に位置している。

図３に示すように、クーリングチャンネル５１の流路断面は楕円状である。クーリングチャンネル５１の流路断面における楕円の長軸Ｍは、上方へ向かうにつれてピストン本体３０の径方向外側へ向かうように傾斜している。クーリングチャンネル５１の流路断面の楕円の短軸Ｎは長軸Ｍと直交する。クーリングチャンネル５１の最上部５１Ａは、クーリングチャンネル５１において頂面３３に最も近く、開口４２から最も離れた部位である。クーリングチャンネル５１の最下部５１Ｂはクーリングチャンネル５１において頂面３３から最も離れ、開口４２から最も近い部位である。

ピストン本体３０には、クーリングチャンネル５１の円周方向の１箇所から開口４２へ向けて開口させたオイル流入孔５２が形成されている。オイル流入孔５２は、クーリングチャンネル５１と連通する。オイル流入孔５２の軸線とオイルジェット２０から噴射されるオイルの噴射軸線は一致する。オイルジェット２０から噴射されたオイルは、オイル流入孔５２を通じてクーリングチャンネル５１へ注入される。

ピストン本体３０には、クーリングチャンネル５１の円周方向の１箇所から開口４２へむけて開口させたオイル流出孔５３が形成されている（図１を参照）。オイル流出孔５３は、クーリングチャンネル５１と連通しており、オイル流入孔５２から円周方向において１８０°離れた位置に形成されている。オイル流入孔５２からクーリングチャンネル５１へ注入されたオイルは、クーリングチャンネル５１を通過した後、オイル流出孔５３を通じて排出される。

オイル流入孔５２にはオイルジェット２０から供給される低温のオイルが通り、オイル流出孔５３にはオイルは冷却に使用された高温のオイルが通る。このため、オイル流入孔５２は、エンジンにてより高温となる部位（例えば、エキゾーストマニホールド設置側）と近くなるように設け、オイル流出孔５３は、エンジンにてより低温の部位（例えば、インテークマニホールド設置側）と近くなるように設けることが好ましい。

ピストン本体３０には、クーリングチャンネル５１の最上部５１Ａから背面４８へ向けて貫通する一対の連通孔５５が形成されている。連通孔５５は、クーリングチャンネル５１を通るオイルの一部を通すことにより、ピストン本体３０において高温になりがちな部位（例えば、凸部３７）の冷却を図るために設けられている。連通孔５５は背面４８からクーリングチャンネル５１へドリル工具を通す孔明け加工により形成されている。

本実施形態の連通孔５５は、図２に示すように、クーリングチャンネル５１の周方向においてオイル流入孔５２とオイル流出孔５３との中間に位置する。図３に示すように、連通孔５５の入口５６はクーリングチャンネル５１の最上部５１Ａに設けられている。連通孔５５の出口５７は背面４８の中央部に設けられている。背面４８の中央部は、凹部３４をピストン１３の軸線Ｐ方向へ向けて背面４８に投影したときに背面４８と重畳する部位である。出口５７は、ピストン１３の軸線Ｐ方向においてクーリングチャンネル５１の最下部５１Ｂよりも凹部３４側に位置する。連通孔５５の軸線方向は、ピストン１３の軸線Ｐへ向かう。連通孔５５は、入口５６から出口５７へ向かうにつれてピストン１３の軸線Ｐ方向において凹部３４から離れる。連通孔５５の軸線はピストン１３の径方向および軸線Ｐ方向に対して傾斜している。

連通孔５５の孔断面積は、連通孔５５がクーリングチャンネル５１の最上部５１Ａに連通できるようにクーリングチャンネル５１の流路断面積よりも小さく設定されている。

次に、本実施形態のピストン１３のオイルによる冷却について説明する。エンジン駆動時では、ピストン１３はシリンダ１２内において往復動を繰り返す。エンジン駆動時においてオイルジェット２０は冷却のためのオイルを常に噴射する。噴射されたオイルはオイル流入孔５２を通じてクーリングチャンネル５１に注入される。オイルジェット２０からクーリングチャンネル５１に注入されるオイルの流量は一定であり、クーリングチャンネル５１ではオイルと空気が共に存在する。

クーリングチャンネル５１のオイルは、ピストン１３の往復動による慣性力で振り動かされ、クーリングチャンネル５１の上部と下部との間を往復移動するとともに、オイル流出孔５３へ向かう。オイルはピストン１３との熱交換を行い、ピストン１３との熱交換によりピストン本体３０から熱を奪って昇温したオイルは、クーリングチャンネル５１にて開口されたオイル流出孔５３よりクランク室１６へ向けて流下される。

ところで、本実施形態では、クーリングチャンネル５１を通るオイルの一部は、連通孔５５を通り、ピストン本体３０の背面４８を通じてピストン１３を冷却する。連通孔５５を通るオイルによる冷却を説明するため、エンジン駆動時におけるピストン１３の動作毎のオイルの挙動について説明する。

図４に示すように、ピストン１３が上死点へ向けて上昇するとき、クーリングチャンネル５１内のオイルＬは、慣性力によりクーリングチャンネル５１の最下部５１Ｂを含む下部に溜まる。このとき、クーリングチャンネル５１のオイルＬは連通孔５５に届かないため、オイルＬは連通孔５５を流れず、オイル流出孔５３へ向けて移動し、オイル流出孔５３から流下する。

次に、ピストン１３が上死点に達すると、クーリングチャンネル５１のオイルＬは慣性力によってクーリングチャンネル５１の下部から最上部５１Ａを含む上部へ移動する。クーリングチャンネル５１の上部へ移動したオイルＬの一部は、入口５６から連通孔５５を通り、出口５７から背面４８側の空間へ吹き出される。連通孔５５を流れないオイルＬはオイル流出孔５３へ向けて移動する。

次に、ピストン１３が下死点へ向けて下降するとき、オイルＬは慣性力によりクーリングチャンネル５１の上部に留まり続け、連通孔５５を通るオイルＬは出口５７から背面４８側の空間へ吹き出される。背面４８側の空間へ吹き出されたオイルＬは下降中のピストン１３の背面４８に押し付けられる。背面４８が凹面状に形成されているため、背面４８に押し付けられるオイルＬは、背面４８の中心へ向けて移動し、背面４８を移動するオイルＬにより、背面４８を通じたピストン１３の冷却が行われる。背面４８のオイルＬは、背面４８の中央部および凸部３７を冷却する。連通孔５５を流れないオイルＬはオイル流出孔５３へ向けて移動する。

ピストン１３が下死点へ達すると、クーリングチャンネル５１のオイルＬは、慣性力によりクーリングチャンネル５１の上部から下部へ移動する。このため、オイルＬは連通孔５５を流れず、出口５７から背面４８へのオイルＬの吹き出しが止まる。次に、ピストン１３は上死点へ向けて再び上昇する。下死点では、他のタイミングと比べて最も多くのオイルがクーリングチャンネル５１へ注入される。

このように、オイルジェット２０によりクーリングチャンネル５１にオイルＬが注入されるが、クーリングチャンネル５１を通るオイルＬによるピストン１３の冷却と、連通孔５５を流れるオイルＬによるピストン１３の冷却が行われる。ピストン１３が上死点から下死点へ向けて下降するときに、オイルＬは連通孔５５を流れ、連通孔５５を流れるオイルＬは、背面４８を通じたピストン１３の冷却を行う。

本実施形態に係るピストン１３は以下の作用効果を奏する。
（１）クーリングチャンネル５１内のオイルＬは、ピストン１３の下死点から上死点へ向けて上昇するとき、ピストン１３上昇時の慣性力によりクーリングチャンネル５１の下部に留まる。ピストン１３が上死点へ達すると、クーリングチャンネル５１内のオイルＬは、ピストン１３の上昇時の慣性力によりクーリングチャンネル５１の最上部５１Ａを含む上部へ移動する。連通孔５５がクーリングチャンネル５１の最上部５１Ａから、背面４８へ向けてピストン本体３０を貫通しているため、クーリングチャンネル５１の上部へ移動するオイルＬは連通孔５５を通って背面４８側の空間へ流出する。ピストン１３が上死点から下死点へ向けて下降するとき、背面４８側の空間へ流出したオイルＬは、下降するピストン１３の背面４８に押し付けられて背面４８に沿って移動する。背面４８に沿って移動するオイルＬにより、ピストン１３へのオイル量を増大させることなく、ピストン１３を効率的に冷却することができる。

（２）連通孔５５の出口５７は、背面４８の中央部に設けられているため、背面４８の中央部に設けた出口５７からオイルＬが流出されるため、ピストン１３において高温になりやすい部位を背面４８の中央部を通じて効率的に冷却することができる。

（３）背面４８が凹面状であるため、背面４８に押し付けられるオイルＬは、ピストン１３の下降時に背面４８の中心へ向けて移動することができ、背面４８を移動するオイルＬにより、背面４８を通じたピストン１３の冷却を効率的に行うことができる。

（４）一対の連通孔５５を設けているため、一対の連通孔５５を通るオイルＬは、背面４８を通じたピストン１３の均等な冷却を行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るピストンについて説明する。本実施形態は、連通孔がオイル流出孔を兼用する点で、第１の実施形態と異なる。第１の実施形態と同じ構成については第１の実施形態の説明を援用し、共通の符号を用いる。

図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、ピストン６０のピストン本体３０には、クーリングチャンネル５１の円周方向の１箇所から背面４８へむけて開口させた連通孔６１が形成されている。連通孔６１は、オイル流入孔５２から円周方向において１８０°離れた位置に形成されている。

連通孔６１の入口６２はクーリングチャンネル５１の最上部５１Ａに設けられている。連通孔６１の出口６３は背面４８の中央部に設けられている。出口６３は、ピストン６０の軸線方向においてクーリングチャンネル５１の最下部５１Ｂよりも凹部３４側に位置する。連通孔６１の軸線方向は、ピストン６０の軸線（ピストン本体３０の中心線）Ｐへ向かう。連通孔６１は、入口６２から出口６３へ向かうにつれてピストン６０の軸線Ｐ方向において凹部３４から離れる。連通孔６１の軸線はピストン６０の径方向および軸線Ｐ方向に対して傾斜している。

連通孔６１は、背面４８を通じたピストン６０の冷却を図るオイルを通す機能を有するほか、クーリングチャンネル５１を通るオイルを全て通すオイル流出孔としての機能を兼用する。従って、オイル流入孔５２からクーリングチャンネル５１へ注入されたオイルは、クーリングチャンネル５１を通過した後、連通孔５５を通じて排出される。

本実施形態のピストン６０は、第１の実施形態の（１）〜（３）と同等の作用効果を奏する。また、連通孔６１は、背面４８を通じたピストン６０の冷却を図るオイルを通す機能を有するほか、クーリングチャンネル５１を通るオイルを全て通すオイル流出孔としての機能を兼用する。このため、連通孔とオイル流出孔をピストン本体３０にそれぞれ設ける必要がなく、ピストン６０に対する加工を削減することができ、製作コストを抑制することができる。

本考案は、上記の実施形態に限定されるものではなく考案の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、ピストン本体に連通孔を１本又は２本設ける場合について説明したがこの限りではない。ピストン本体に設ける連通孔の数は、特に制限されない。例えば、図６（ａ）に示す別例１のようにピストン本体３０に４本の連通孔７１を設けてもよい。連通孔７１の数が増えることにより、背面４８において広範囲にオイルを行きわたらせることができ、背面４８を通じたオイルによりピストン１３がより冷却される。また、オイル流入孔およびオイル流出孔を備えるピストン本体の場合でも１本の連通孔を設けるようにしてもよい。
○ 上記の実施形態では、ピストン本体に設けた連通孔の軸線がピストン本体の中心へ向かうとしたがこの限りではない。連通孔の軸線がピストン本体の中心へ向かわないように連通孔を設けてもよい。例えば、図６（ｂ）に示す別例２のように、連通孔７２の軸線がピストン本体３０の軸線Ｐを外れた方向へ向かう連通孔７２としてもよい。この場合、上記の実施形態と同様に背面４８を通じたピストン本体３０の冷却が可能である。また、ピストン１３における温度分布に偏りがあっても、温度分布の偏りに合わせてオイルを背面４８に行きわたらせることができる。
○ 上記の実施形態では、連通孔の軸線はピストンの径方向および軸線方向に対して傾斜しているとしたが、この限りではない。連通孔の軸線は、例えば、ピストンの径方向と一致してもよい。
○ 上記の第１の実施形態では、連通孔は、クーリングチャンネルの周方向においてオイル流入孔とオイル流出孔の間の中間に位置するとしたが、この限りではない。連通孔は周方向において設ける位置は特に制限されない。例えば、図６（ｃ）に示す別例３のように、一対の連通孔７３をクーリングチャンネル５１の周方向においてオイル流入孔５２に近い位置に設けるようにしてもよい。この場合、クーリングチャンネル５１においてオイル流入孔５２から連通孔７３までの距離が短いため、温度の低いオイルを連通孔７３に通すことができ、背面４８を通じてピストン本体３０をより冷却することができる。
○ 上記の実施形態では、内燃機関としての４気筒直列ディーゼルエンジンを例示して説明したが、内燃機関は、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンであってもよく、直列型エンジンであればよい。また、内燃機関の気筒数は４気筒に限定されない。

１０ ディーゼルエンジン
１１ シリンダブロック
１２ シリンダ
１３、６０ ピストン
１４ シリンダヘッド
１５ 燃焼室
１６ クランク室
１８ コンロッド
１９ クランクピン
２０ オイルジェット
３０ ピストン本体
３４ 凹部
４８ 背面
５１ クーリングチャンネル
５１Ａ 最上部
５２ オイル流入孔
５３ オイル流出孔
５５、６１、７１、７２、７３ 連通孔
５６、６２ 入口
５７、６３ 出口
Ｌ オイル
Ｐ 軸線（ピストン）

Claims (3)

1. 燃焼室を臨む頂面へ向けて凹面状に形成された背面を有するピストン本体と、
   前記ピストン本体の内部にて環状に形成されたクーリングチャンネルと、
   オイルジェットから噴射されるオイルを、前記背面から前記クーリングチャンネルへ流入可能とするオイル流入孔と、を有する内燃機関のピストンにおいて、
   前記ピストン本体は、前記クーリングチャンネルの最上部から、前記背面へ向けて前記ピストン本体を貫通する連通孔を有し、
   前記連通孔の孔断面積は、前記クーリングチャンネルの流路断面積より小さいことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記連通孔の出口は、前記背面の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記連通孔は、前記クーリングチャンネルの通るオイルを流出するオイル流出孔として機能することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関のピストン。

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