JP4158271B2

JP4158271B2 - Engine piston structure

Info

Publication number: JP4158271B2
Application number: JP07776199A
Authority: JP
Inventors: 健治平本; 浩平天野; 伸秀武重
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2019-03-23
Also published as: JP2000274306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンのピストン構造、より詳しくは、ピストン頂部にキャビティが開設され、ピストン内部に該キャビティを取り囲むように冷却空洞が設けられたエンジンのピストン構造、さらに詳しくは、上記キャビティの開口部におけるリップ部の信頼性の向上を図るように上記冷却空洞の位置及び形状が設定されたエンジンのピストン構造に関し、内燃機関の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンに備えられるピストンは、燃料の燃焼、爆発による高温、高圧を受けながら高速で往復運動を繰り返す過酷な環境にさらされる。特に、ディーゼルエンジン用のピストン等、その頂部にキャビティが凹設されたものでは、疲労強度が低下する高温下において爆発応力及び熱応力が繰り返し作用することによる該キャビティの開口周縁部におけるリップ部の信頼性が問題となる。エンジンのより一層の高出力化が求められているいま、エンジン耐熱部品、とりわけピストンの信頼性確保は極めて重要な問題である。
【０００３】
ピストン内部にはその過熱を防ぐために冷却空洞が設けられる。該空洞にはシリンダ内下方に備えられたオイルジェットから冷却用オイルが噴出供給され、このオイルが空洞内を巡回して排出されることによりピストン頂面を含むピストンヘッド部が冷却される。上記のようにヘッド頂面にキャビティが開設されたピストンにおいては、冷却空洞は該キャビティを取り囲むように配置され、この冷却空洞がピストンの上側あるいは内側に配置するほどピストン頂部の冷却性が向上することが一般に知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、キャビティと冷却空洞との両方を有するピストンにおいては、前述したように、冷却空洞はキャビティの周囲に設けられ、これらは相互に近接して位置する。それゆえ、冷却空洞の上下方向あるいは水平方向の位置や形状がキャビティリップ部の信頼性に少なからず影響を及ぼすものと考えられる。
【０００５】
リップ部の信頼性確保を目的として冷却空洞の構成に変更を加えたものに、実開平２−１１８１５１号公報に開示された技術がある。これは、熱応力に起因してリップ部全周に渡って圧縮歪が発生する一方で、爆発応力に起因してリップ部ピン方向においては引張歪が、リップ部スラスト方向においては圧縮歪が発生することを前提とし、ピストンピン方向と直交するスラスト方向においては、冷却空洞の高さ位置を頂部から離すように低くして、該スラスト方向における熱勾配を小さくすることにより、リップ部スラスト方向で作用する熱応力ないし圧縮歪を減少させる一方で、ピン方向においては、冷却空洞の高さ位置を頂部へ近づけるように高くして、該ピン方向における熱勾配を大きくすることにより、リップ部ピン方向で作用する熱応力ないし圧縮歪を増大させようとするものである。
【０００６】
これにより、熱応力による圧縮歪と爆発応力による引張歪とが加わるピン方向においては、熱応力に起因する圧縮歪が強まっても爆発応力に起因する引張歪と相殺するから、リップ部ピン方向で作用する歪が全体として大きくなることを防ぐことができる。また、熱応力と爆発応力との両方による圧縮歪が加わるスラスト方向においては、熱応力に起因する圧縮歪を弱めて、リップ部スラスト方向で作用する歪を全体として弱めることができる。
【０００７】
しかしながら、ピストン頂部には爆発荷重を受け止めるために充分な肉厚が必要であるから、上記公報開示の技術のように、冷却空洞の高さ位置をピストン頂部へ近づけるように高くすることには限度があり、好ましくない。また、冷却空洞が上下に変位することにより、オイルが該空洞内を円滑に流れなくなる虞もある。
【０００８】
さらに、上記技術は、熱応力に影響を及ぼす熱勾配をコントロールする観点から冷却空洞の構成に変更を加えたものであって、前述したように、この冷却空洞の位置や形状の変化が、相互に近接配置された冷却空洞−キャビティ間、あるいは冷却空洞−ピストン外周面間の機械的剛性等に与える影響については一切考慮されておらず、未解明である。
【０００９】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、キャビティリップ部の信頼性の向上を図るに際し、冷却空洞を上下方向に変位させることなく、また該冷却空洞周辺の機械的剛性をも考慮に加えたうえで、該空洞の最適位置及び形状を設定することを課題とする。以下、その他の課題を含め、本発明を詳しく説明する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明者らは、キャビティリップ部の信頼性が向上されたエンジンのピストン構造を提供せんとして、キャビティが頂部に形成されたピストンについて、冷却空洞の高さ位置や直径（真円の場合）、あるいはリップ部の厚みやキャビティ開口部の直径をはじめ、温度、ピストン材料等を種々変えて、熱応力と爆発応力とが繰り返し作用したときのリップ部の信頼性を数値解析した結果、一般に、リップ部ピン方向においては爆発応力に基づく疲労損傷が支配的であり、リップ部スラスト方向においては熱応力に基づく疲労損傷が支配的であることを見出して、本発明を完成するに至ったものである。
【００１１】
まず、熱応力、爆発応力によりリップ部に作用する歪の程度をシミュレーション解析したところ、ピン方向、スラスト方向の別なく、リップ部全周について、冷却空洞が下側、内側に位置するほど、爆発応力に起因する歪が減少し、また、冷却空洞が下側、外側に位置するほど、熱応力に起因する歪が増大するという知見を得ると共に、さらに、冷却空洞が上側、内側に位置するほど、リップ部温度が低下するという前述の周知事実を確認した。
【００１２】
次いで、リップ部に応力が繰り返し作用したときの該リップ部の疲労損傷の程度をシミュレーション解析した。疲労損傷量は、一般に、材料がどれだけのダメージを受けているかを表わす指標であり、次式で表わされる。疲労損傷量（Ｆ）が１以上で材料が破壊する。
【００１３】
【数１】

ここで、図６に示すように、応力（Ｓ）と、材料が破壊するに至るまでの反復繰返し数（Ｎ）との関係は、Ｓ−Ｎ曲線で表わされる。例えば、図中、応力Ｓ１がＮ１回作用したとき、あるいは応力Ｓ２がＮ２回作用したときに材料が破壊する。
【００１４】
また、図７に示すように、例えば、リップ部に作用する１回の熱応力Ｓｔは爆発応力Ｓｅに比べて大きく、爆発応力Ｓｅの反復繰返し数（サイクル）は熱応力Ｓｔのそれに比べて大きいものである。爆発応力ＳｅがＮｅ回作用したとき、あるいは熱応力ＳｔがＮｔ回作用したときにリップ部が破壊する場合（すなわち、寿命Ｎｅ，寿命Ｎｔである場合）において、爆発応力Ｓｅが１回作用するごと、あるいは熱応力Ｓｔが１回作用するごとに、リップ部は、それぞれ（１／Ｎｅ），（１／Ｎｔ）のダメージを受けることになる。ゆえに、一般に、爆発応力Ｓｅがｎｅ回作用し、熱応力Ｓｔがｎｔ回作用したときにリップ部が受けるダメージ、すなわち疲労損傷量（Ｆ）は、爆発応力による疲労損傷量（ｆｅ＝ｎｅ／Ｎｅ）と、熱応力による疲労損傷量（ｆｔ＝ｎｔ／Ｎｔ）との和になる。
【００１５】
詳細な解析の結果、図８及び図９に示すように、冷却空洞の直径が大きくなるに従って、換言すれば、冷却空洞とピストン外周面との間の肉厚が小さくなり、冷却空洞とキャビティとの間の肉厚が大きくなるに従って、ピン方向におけるリップ部の疲労損傷量が大きくなり、スラスト方向におけるリップ部の疲労損傷量が小さくなることが分かった。さらに、その場合に、ピン方向においては、熱応力に基づく疲労損傷量（ｆｔ）はほとんど変化せず、これに対し、爆発応力に基づく疲労損傷量（ｆｅ）が増大する一方で、スラスト方向においては、爆発応力に基づく疲労損傷量（ｆｅ）はほとんど変化せず、これに対し、熱応力に基づく疲労損傷量（ｆｔ）が減少するということが分かった。これにより、リップ部ピン方向においては爆発応力に基づく疲労損傷が支配的であり、リップ部スラスト方向においては熱応力に基づく疲労損傷が支配的であると判断され、したがって、ピン方向においては爆発応力への対処を講じることが合理的且つ効率的であり、スラスト方向においては熱応力への対処を講じることが合理的且つ効率的であると考えられた。
【００１６】
ここで、爆発応力は燃焼室内の圧力が急増することで外部から作用するもの（外部応力）であるから、該爆発応力による機械的な変形については、これを防止することにより、リップ部の疲労損傷を低減することができ、逆に、熱応力はピストンの熱膨張が拘束されることで内部から作用するもの（内部応力）であるから、該熱応力による熱的な変形については、これを許容することにより、同じくリップ部の疲労損傷を低減することができる。そして、ピストン頂部ないしキャビティリップ部に、熱応力、爆発応力のいずれの応力が作用しても、図１０に鎖線で示すように、ピストンｐの頂部ｔないしキャビティａのリップ部ｂは、ピストンｐの外方に撓むように変形する。
【００１７】
以上のことから、爆発応力に基づく疲労損傷が支配的であるピン方向においては、その外部応力に基づくリップ部ｂの疲労損傷を低減するべく、空洞ｃとピストンｐの外周面ｄないしリング溝ｅ…ｅとの間Ｌの肉圧を厚くしてこの間Ｌの剛性を高くし、これにより、図１０に示したようなリップ部ｂの外方への撓み変形を防止することがよく、逆に、熱応力に基づく疲労損傷が支配的であるスラスト方向においては、その内部応力に基づくリップ部ｂの疲労損傷を低減するべく、空洞ｃとピストンｐの外周面ｄないしリング溝ｅ…ｅとの間Ｌの肉圧を薄くしてこの間Ｌの剛性を低くし、これにより、図１０に示したようなリップ部ｂの外方への撓み変形を許容することがよい。
【００１８】
したがって、本願の特許請求の範囲における請求項１に記載の発明は、ピストン頂部に開設されたキャビティと、このキャビティを取り囲むようにピストンに内設された冷却空洞とを有するエンジンのピストン構造であって、上記ピストンを平面視したときの上記冷却空洞の外周とピストン外周面との距離（Ｌ）が、ピストンピン方向における上記キャビティを挟んだ２つの部位において、上記ピストンピン方向と直交するスラスト方向の上記キャビティを挟んだ２つの部位に対して、大きく設定されていることを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の発明において、ピストン頂部において上記ピストンを平面視したときの上記冷却空洞の内周と上記キャビティとの距離（Ｍ）が、上記スラスト方向における上記キャビティを挟んだ２つの部位において、上記ピストンピン方向の上記キャビティを挟んだ２つの部位に対して、大きく設定されていることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに、請求項３に記載の発明は、上記請求項１又は請求項２に記載の発明において、冷却空洞は、ピストンピン方向を短径とし、スラスト方向を長径とする略長円形に形成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
一方、請求項４に記載の発明は、ピストン頂部に開設されたキャビティと、このキャビティを取り囲むようにピストンに内設された冷却空洞とを有するエンジンのピストン構造であって、上記冷却空洞が、ピストンを平面視したときにピストンピン方向の軸線を横切らないように該軸線を挟んで配置された一対の半円弧状空洞からなることを特徴とするものである。
【００２２】
そして、請求項５に記載の発明は、上記請求項４に記載の発明において、ピストンピン方向の軸線を挟んで対向する半円弧状空洞の端部の一方は冷却用オイルの供給口であり、他方は排出口であることを特徴とするものである。
【００２３】
まず、請求項１記載の発明によれば、ピストンを平面視したときの冷却空洞の外周とピストン外周面との距離（Ｌ）を、ピストンピン方向におけるキャビティを挟んだ２つの部位において、上記ピストンピン方向と直交するスラスト方向の上記キャビティを挟んだ２つの部位に対して、大きく設定したから、ピストンピン方向におけるその間の肉厚（Ｌ）が厚くなり、ピストン頂部が図１０に示したような変形を起こし難くなって、リップ部に作用する爆発応力ないし歪が低減する。これに対し、冷却空洞の外周とピストン外周面との距離（Ｌ）を、スラスト方向における上記キャビティを挟んだ２つの部位において、ピストンピン方向の上記キャビティを挟んだ２つの部位に対して、小さく設定したから、スラスト方向におけるその間の肉厚（Ｌ）が薄くなり、ピストン頂部が図１０に示すような変形を起こし易くなって、リップ部に作用する熱応力ないし歪が低減する。これにより、リップ部全周に渡って疲労損傷が抑制され、該リップ部の信頼性向上が図られる。
【００２４】
また、請求項２記載の発明によれば、ピストンを平面視したときの冷却空洞の内周とキャビティとの距離（Ｍ）を、スラスト方向におけるキャビティを挟んだ２つの部位において、上記ピストンピン方向の上記キャビティを挟んだ２つの部位に対して、大きく設定したから、スラスト方向におけるその間の熱勾配が緩やかとなり、高温のリップ部の大きな熱歪が、低温の冷却空洞周囲の部分によって規制、拘束されることが低減される。これにより、リップ部スラスト方向の熱応力が抑制され、やはり該リップ部の信頼性向上が図られる。
【００２５】
なお、この熱勾配のコントロールは、冷却空洞の冷却効率が高い場合に特に有効である。
【００２６】
また、ピストン材料が例えばローエックスアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ等）である場合、該ピストンの疲労強度（換言すれば、熱応力及び爆発応力に起因する各疲労損傷量）は、３００℃以下では温度依存性が大きく、３００℃を超えると温度依存性が小さくなる。それゆえ、リップ部の温度が低いとき、換言すれば、Ｐｍａｘ（ｋｇｆ／平方ｃｍ：ピストン頂面最大圧）が小さいときは、疲労強度の温度依存性が大きいことにより、損傷量には冷却空洞の冷却効率が大きく影響する。これに対し、リップ部の温度が高いときには、冷却空洞の冷却効率以外の要因、例えば剛性の低下、熱勾配増大による歪の増大等が、損傷量に現れてくる。
【００２７】
一方、請求項３記載の発明によれば、特に、冷却空洞を、ピストンピン方向が短径、スラスト方向が長径である略長円形に形成したから、冷却空洞とピストン外周面との間の距離（Ｌ）と、冷却空洞とキャビティとの間の距離（Ｍ）とが、ピン方向からスラスト方向にかけて連続的に変化し、これにより周方向位置に応じて、リップ部の疲労損傷要因が円滑に低減される。また、冷却空洞が上下方向ではなく水平方向に変位するので、ピストン頂部が充分に爆発荷重を受けることができ、且つオイルの流れが阻害されることがない。
【００２８】
そして、請求項４記載の発明によれば、冷却空洞を二つの半円弧状空洞に分割し、ピストンピン方向の軸線上には冷却空洞が存在しないようにしたから、該ピン方向の剛性が高くなり、このピン方向においてピストン頂部は変形し難くなる。これにより、爆発応力によるリップ部ピン方向の疲労損傷が低減される。
【００２９】
その場合に、請求項５記載の発明によれば、特に、ピストンピン方向の軸線を挟んで対向する一方の半円弧状空洞の端部を冷却用オイルの供給口とし、他方の端部をその排出口としたから、各空洞の長さが短くなり、ここを通過するオイルによる冷却効率が向上すると共に、オイルの流れが円中心について対称となってその冷却程度のむらを抑制することができる。また、各半円弧状空洞のオイル供給口に冷却オイルを噴出供給する複数のオイルジェットがシリンダ内で一側部に片寄って配置されることが回避され、レイアウト性にも優れる。
【００３０】
以下、発明の実施の形態を通して、本発明をさらに詳しく説明する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１ないし図４は、それぞれ、本発明の実施の形態に係るピストン１０の平面図、ピストンピン（図示せず）の延設方向と直交するスラスト方向に沿う縦断面図、ピストンピン方向に沿う縦断面図、及び底面図である。このピストン１０は、例えばローエックスアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ等）を鋳造してなる直噴式ディーゼルエンジン用のものであって、外周面に３条のリング溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃが刻設されたヘッド部１２と、該ヘッド部１２の外周縁から下方に延垂された円筒形状のスカート部１３とを有する。
【００３２】
ここで、図示しないが、最上方のリング溝１１ａ及び２番目のリング溝１１ｃにはコンプレッションリングが、最下方のリング溝１１ｃにはオイルリングが嵌装される。また、スカート部１３の内面にはボス部１４，１４が対向して突設され、該ボス部１４，１４に貫設された孔１５，１５にピストンピンが支承される。そして、該ピストンピンを介してコンロッドの上端部がヘッド部１２に枢着される。
【００３３】
一方、上記ヘッド部１２の頂面１６、すなわちこのピストン１０の頂面１６の中央部には、噴射された燃料の良好なスワール等を実現させるためのキャビティ２０が凹設されている。このキャビティ２０は頂面１６において円形に開口し、その窪み中央部に隆起部２１を有する。そして、上記円形開口の周縁部が全周に渡って内方向に幾分突出するリップ部２２を構成している。
【００３４】
さらに、上記ヘッド部１２には、その頂面１６を含む該ヘッド部１２を冷却するための冷却空洞３０が内設されている。この冷却空洞３０は上記キャビティ２０を取り囲むように環状に形成され、その所定の二か所の部位において、スカート部１３の内側でボス部１４，１４の側方に開口するオイル連通路３１，３２が設けられている。そして、このピストン１０がシリンダ内で下降したときに、該シリンダ下部に備えられたオイルジェット４０から上方に噴出される冷却オイルがいずれか一方の連通路（図例では連通路３１）を通って空洞３０内に入り、該オイルが空洞３０内を通過する間にヘッド部１２の熱を持ち去って他方の連通路（図例では連通路３２）から排出される。
【００３５】
以上の構成において、このピストン１０の上記冷却空洞３０は、頂面１６に対して平行な真円ではなく、頂面１６に対して平行であり、且つ、特に図４に示すように、ピストンピン方向（Ｐ）を短径とし、スラスト方向（Ｔ）を長径とする楕円形状に形成されている。すなわち、ピン方向（Ｐ）における冷却空洞３０とピストン１０の外周面ないしリング溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃとの間の肉厚（Ｌ）が、スラスト方向（Ｔ）におけるそれと比べて厚く設定され、一方、スラスト方向（Ｔ）における冷却空洞３０とキャビティ２０との間の肉厚（Ｍ）が、ピン方向（Ｐ）におけるそれと比べて厚く設定されているのである。その結果、ピン方向（Ｐ）においては空洞３０とリング溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃとの間の剛性が高くなり、前述の図１０に鎖線で示したようなリップ部２２が外方に撓むような変形が生じ難くなって、リップ部２２に作用する爆発応力ないし歪が低減する。逆に、スラスト方向（Ｔ）においては空洞３０とリング溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃとの間の剛性が低くなり、同図に鎖線で示したような変形が生じ易くなって、リップ部２２に作用する熱応力ないし歪が低減する。これにより、リップ部２２全周に渡って疲労損傷が抑制され、該リップ部２２の信頼性向上が図られることになる。
【００３６】
さらに、このような機械的剛性のコントロールと共に、リップ部２２と冷却空洞３０との間における熱勾配もまた同時にコントロールされることになる。すなわち、スラスト方向（Ｔ）における冷却空洞３０とキャビティ２０との間の肉厚（Ｍ）が厚くなり、その間（Ｍ）の熱勾配が緩やかとなって、高温のリップ部２２の大きな熱歪が、低温の冷却空洞３０周囲の部分によって規制、拘束されることが低減されることになるのである。したがって、リップ部２２のスラスト方向における熱応力が抑制され、これによってもやはり該リップ部２２の信頼性向上が図られる。
【００３７】
その場合に、特に、冷却空洞３０を、ピストンピン方向（Ｐ）が短径、スラスト方向（Ｔ）が長径である楕円形状に形成したから、冷却空洞３０とピストン外周面ないしリング溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃとの間の距離（Ｌ）、及び冷却空洞３０とキャビティ２０との間の距離（Ｍ）が、ピン方向（Ｐ）とスラスト方向（Ｔ）との間に渡ってなだらかに連続的に変化し、これによりピストン１０の周方向の位置に応じて、リップ部２２の疲労損傷要因が円滑に低減される。また、冷却空洞３０が上下方向ではなく水平方向に変位するので、ピストン頂部１６が充分に爆発荷重を受けることができ、且つ、冷却空洞３０内のオイルの流れが円滑なまま保持される。
【００３８】
なお、上記冷却空洞３０は、楕円形状に限られず、長円形状であってもよい。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施の形態を図５に基づいて説明する。なお、先の第１の実施の形態と同じ又は相当する構成部材には同じ符号を用いる。
【００４０】
このピストン１０においては、冷却空洞が二つの半円弧状空洞３０′，３０′に分割されている。その場合に、各半円弧状空洞３０′はピストンピン方向（Ｐ）の軸線を横切らず、該軸線上には存在していない。これにより、ピストン１０のピン方向（Ｐ）の剛性が高くなり、このピン方向（Ｐ）においてピストン頂部１６ないしリップ部２２が変形し難くなって、爆発応力によるリップ部２２のピン方向（Ｐ）の疲労損傷が低減されることになる。また、各空洞３０′の長さが短くなり、ここを通過するオイルによる冷却効率が向上する。
【００４１】
さらに、特に、ピストンピン方向（Ｐ）の軸線を挟んで相互に対向する各半円弧状空洞３０′の一方の端部が冷却用オイルの供給口３１、他方の端部がその排出口３２とされている。これにより、オイルの流れが、図中符号Ｎ，Ｎで示すように、円中心について対称となるから、その冷却の程度にむらがなくなり、均一となって好ましい。また、各半円弧状空洞３０′のオイル供給口３１に冷却オイルを噴出供給する二つのオイルジェット４０，４０の配置がシリンダ内で一側部に片寄らず、配置レイアウト性がよくなる。
【００４２】
なお、この第２の実施の形態の場合、上記半円弧状空洞３０′は、図示したように楕円形ないし長円形の弧形状であってもよく、また真円の弧形状であってもよい。
【００４３】
なお、本発明は、キャビティがピストン頂面の中心から偏心しているようなものであっても好ましく適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明によれば、キャビティリップ部の信頼性の向上を図る観点から、冷却空洞の位置や形状の最適条件が設定され、その結果、過酷な使用条件にも十分耐えうるエンジン用ピストンを提供することが可能となった。本発明は、例えば、ディーゼルエンジン用ピストン、直噴式ディーゼルエンジン用ピストン、直噴式ガソリンエンジン用ピストン等、キャビティと冷却空洞とが設けられたピストン一般に広く好ましく適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るピストンの平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【図３】同じくＢ−Ｂ線に沿う縦断面図である。
【図４】同ピストンの底面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るピストンの底面図である。
【図６】材料破壊までの応力と繰り返し回数との関係を示すＳ−Ｎ曲線図である。
【図７】一般にピストンに作用する熱応力及び爆発応力の経時変化の一例を示すタイムチャート図である。
【図８】ピン方向におけるリップ部の疲労損傷量と冷却空洞の径との関係、及び全疲労損傷量に占める熱応力と爆発応力との寄与率を表わすグラフ図である。
【図９】スラスト方向におけるリップ部の疲労損傷量と冷却空洞の径との関係、及び全疲労損傷量に占める熱応力と爆発応力との寄与率を表わすグラフ図である。
【図１０】爆発応力又は熱応力の作用によるピストンの変形を示す概念図である。
【符号の説明】
１０ピストン
１６ピストン頂面
２０キャビティ
２２リップ部
３０冷却空洞
３０′ 半円弧状空洞
３１オイル供給口
３２オイル排出口
Ｌ冷却空洞−ピストン外周面間距離
Ｍ冷却空洞−キャビティ間距離
Ｐピストンピン方向
Ｔスラスト方向[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an engine piston structure, more specifically, an engine piston structure in which a cavity is opened at the top of the piston and a cooling cavity is provided inside the piston so as to surround the cavity, and more specifically, in the opening of the cavity. The present invention relates to an engine piston structure in which the position and shape of the cooling cavity are set so as to improve the reliability of the lip portion, and belongs to the technical field of internal combustion engines.
[0002]
[Prior art]
Generally, a piston provided in an engine is exposed to a harsh environment in which reciprocating motion is repeated at high speed while receiving high temperature and high pressure due to fuel combustion and explosion. In particular, in the case of a piston for a diesel engine or the like having a cavity formed at the top thereof, the lip portion at the peripheral edge of the opening of the cavity due to repeated action of explosive stress and thermal stress at high temperatures at which fatigue strength decreases. Reliability becomes a problem. With the demand for higher engine output, securing the reliability of engine heat-resistant parts, especially pistons, is a very important issue.
[0003]
A cooling cavity is provided inside the piston to prevent overheating. Cooling oil is jetted and supplied to the cavity from an oil jet provided in the lower part of the cylinder, and the piston head portion including the piston top surface is cooled by circulating the oil through the cavity. In the piston having the cavity formed on the top surface of the head as described above, the cooling cavity is disposed so as to surround the cavity, and the cooling performance of the piston top is improved as the cooling cavity is disposed on the upper side or the inner side of the piston. It is generally known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the piston having both the cavity and the cooling cavity, as described above, the cooling cavity is provided around the cavity, and these are located close to each other. Therefore, it is considered that the position and shape of the cooling cavity in the vertical direction or horizontal direction have a considerable influence on the reliability of the cavity lip.
[0005]
A technique disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 2-118151 is a modification of the structure of the cooling cavity for the purpose of ensuring the reliability of the lip portion. This is because compressive strain occurs over the entire circumference of the lip due to thermal stress, while tensile strain occurs in the lip pin direction and compressive strain occurs in the lip thrust direction due to explosive stress. In the thrust direction perpendicular to the piston pin direction, the height of the cooling cavity is lowered away from the top, and the thermal gradient in the thrust direction is reduced, so that the lip portion thrust direction is reduced. While reducing the applied thermal stress or compressive strain, in the pin direction, the height of the cooling cavity is increased so as to approach the top, and the thermal gradient in the pin direction is increased to increase the lip pin direction. It is intended to increase the thermal stress or compressive strain acting on.
[0006]
As a result, in the pin direction where compressive strain due to thermal stress and tensile strain due to explosion stress is applied, even if the compressive strain due to thermal stress increases, it cancels out the tensile strain due to explosion stress. It is possible to prevent the acting strain as a whole from increasing. Further, in the thrust direction in which compressive strain due to both thermal stress and explosive stress is applied, the compressive strain caused by the thermal stress can be weakened, and the strain acting in the lip portion thrust direction can be weakened as a whole.
[0007]
However, since a sufficient thickness is required at the top of the piston to receive the explosion load, there is a limit to increasing the height of the cooling cavity so as to approach the top of the piston as in the technique disclosed in the above publication. Is not preferable. Further, when the cooling cavity is displaced up and down, the oil may not smoothly flow through the cavity.
[0008]
Furthermore, the above technique is a modification of the cooling cavity configuration from the viewpoint of controlling the thermal gradient that affects the thermal stress. As described above, the change in the position and shape of the cooling cavity The influence on the mechanical rigidity between the cooling cavity and the cavity or the cooling cavity and the outer peripheral surface of the piston arranged in proximity to each other is not taken into consideration, and is unclear.
[0009]
The present invention has been made in view of such a situation, and when improving the reliability of the cavity lip portion, the cooling cavity is not displaced in the vertical direction, and the mechanical rigidity around the cooling cavity is also increased. In addition to consideration, it is an object to set an optimal position and shape of the cavity. Hereinafter, the present invention will be described in detail including other problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present inventors provide an engine piston structure in which the reliability of the cavity lip portion is improved, and the height and diameter of the cooling cavity (in the case of a perfect circle) ) Or, as a result of numerical analysis of the reliability of the lip when repeated thermal and explosive stresses are applied to various factors such as the thickness of the lip and the diameter of the cavity opening, the temperature, and the piston material. The present invention was completed by finding that fatigue damage based on explosive stress is dominant in the lip pin direction and fatigue damage based on thermal stress is dominant in the lip thrust direction. It is.
[0011]
First, simulation analysis of the degree of strain acting on the lip due to thermal stress and explosion stress revealed that the cooling cavity was located on the lower and inner sides of the entire lip, regardless of the pin direction or thrust direction. It is found that the strain due to stress decreases, and the more the cooling cavity is located on the lower side and the outer side, the more the strain caused by thermal stress increases. The above-mentioned well-known fact that the lip portion temperature decreases was confirmed.
[0012]
Next, simulation analysis was performed on the degree of fatigue damage of the lip portion when stress was repeatedly applied to the lip portion. The amount of fatigue damage is generally an index indicating how much damage the material has received and is expressed by the following equation. When the fatigue damage amount (F) is 1 or more, the material is destroyed.
[0013]
[Expression 1]

Here, as shown in FIG. 6, the relationship between the stress (S) and the number of repetitions (N) until the material breaks is represented by an SN curve. For example, in the figure, when the stress S1 is applied N1 times or when the stress S2 is applied N2 times, the material is broken.
[0014]
Further, as shown in FIG. 7, for example, one thermal stress St acting on the lip portion is larger than the explosion stress Se, and the number of repeated repetitions (cycles) of the explosion stress Se is larger than that of the thermal stress St. Is. Every time the explosion stress Se acts once when the explosion stress Se acts Ne times, or when the lip portion breaks when the thermal stress St acts Nt times (that is, when the life Ne is the life Nt). Alternatively, each time the thermal stress St is applied once, the lip portion is damaged by (1 / Ne) and (1 / Nt), respectively. Therefore, in general, the damage that the lip portion receives when the explosive stress Se acts ne times and the thermal stress St acts nt times, that is, the fatigue damage amount (F) is the fatigue damage amount due to the explosive stress (fe = ne / Ne). ) And the amount of fatigue damage due to thermal stress (ft = nt / Nt).
[0015]
As a result of the detailed analysis, as shown in FIGS. 8 and 9, as the diameter of the cooling cavity increases, in other words, the wall thickness between the cooling cavity and the piston outer peripheral surface decreases, and the cooling cavity, the cavity, It was found that the fatigue damage amount of the lip portion in the pin direction increases and the fatigue damage amount of the lip portion in the thrust direction decreases as the wall thickness increases. Further, in that case, the fatigue damage amount (ft) based on the thermal stress hardly changes in the pin direction, whereas the fatigue damage amount (fe) based on the explosion stress increases, whereas in the thrust direction, the fatigue damage amount (fe) increases. It was found that the fatigue damage amount (fe) based on the explosion stress hardly changed, whereas the fatigue damage amount (ft) based on the thermal stress decreased. As a result, fatigue damage based on explosive stress is dominant in the lip pin direction, and fatigue damage based on thermal stress is dominant in the lip thrust direction. Therefore, explosive stress is determined in the pin direction. It was considered reasonable and efficient to take measures against and to take measures against thermal stress in the thrust direction.
[0016]
Here, since the explosion stress acts from the outside due to a sudden increase in the pressure in the combustion chamber (external stress), the mechanical deformation due to the explosion stress is prevented by preventing the fatigue of the lip portion. The damage can be reduced, and conversely, the thermal stress acts from the inside by restraining the thermal expansion of the piston (internal stress). By allowing it, fatigue damage of the lip portion can be similarly reduced. Even if thermal stress or explosion stress acts on the piston top or cavity lip, as shown by the chain line in FIG. 10, the top t of piston p or the lip b of cavity a Deforms to bend outward.
[0017]
From the above, in the pin direction in which fatigue damage based on explosive stress is dominant, the outer peripheral surface d or ring groove e of the cavity c and the piston p is reduced in order to reduce fatigue damage of the lip portion b due to the external stress. It is preferable to increase the rigidity of L during this period by increasing the L pressure between e and e, thereby preventing the outward deformation of the lip portion b as shown in FIG. In the thrust direction where fatigue damage due to thermal stress is dominant, the cavity c and the outer peripheral surface d of the piston p or the ring groove e... E are reduced in order to reduce fatigue damage of the lip portion b due to the internal stress. It is preferable to reduce the wall pressure of the space L and reduce the rigidity of the space L during this time, thereby allowing the outward deformation of the lip portion b as shown in FIG.
[0018]
Therefore, the invention described in claim 1 in the claims of the present application is an engine piston structure having a cavity opened at the top of the piston and a cooling cavity provided in the piston so as to surround the cavity. Te, the distance between the outer and the piston outer peripheral surface of the cooling cavity in a plan view of the piston (L) is in two parts sandwiching the contact Keru the cavity in the piston pin direction, perpendicular to the piston pin direction The two portions sandwiching the cavity in the thrust direction are set to be large.
[0019]
The invention of claim 2 is the invention according to the claim 1, the distance between the inner and the cavity of the cooling cavity in a plan view the piston at the piston crown (M) is the in our Keru two sites across the cavity in the thrust direction, with respect to two sites across the cavity of the piston pin direction, and is characterized in that it is largely set.
[0020]
Furthermore, the invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the cooling cavity is formed in a substantially oval shape having a short diameter in the piston pin direction and a long diameter in the thrust direction. It is characterized by being.
[0021]
On the other hand, the invention of claim 4 includes a cavity which is opened in the piston crown, a piston structure for an engine having a cooling cavity which is provided inside the piston so as to surround the cavity, the cooling cavity, The piston is composed of a pair of semicircular cavities arranged so as not to cross the axis in the piston pin direction when viewed in plan .
[0022]
And, the invention according to claim 5 is the invention according to claim 4, wherein one of the ends of the semicircular cavities facing each other across the axis in the piston pin direction is a cooling oil supply port, The other is a discharge port.
[0023]
First, according to the first aspect of the invention, the distance between the outer and the piston outer peripheral surface of the cooling cavity when the piston plan view of the (L), at two sites across the contact Keru cavity in the piston pin direction, Since the two portions sandwiching the cavity in the thrust direction perpendicular to the piston pin direction are set large, the thickness (L) between them in the piston pin direction is increased, and the top of the piston is shown in FIG. Such deformation is less likely to occur, and explosion stress or strain acting on the lip portion is reduced. In contrast, the distance between the outer and the piston outer peripheral surface of the cooling cavities (L), at two sites across the contact Keru the cavity in the thrust direction, with respect to two sites across the piston pin direction of the cavity Since it is set small, the thickness (L) between them in the thrust direction is reduced, and the piston top part is likely to be deformed as shown in FIG. 10, and the thermal stress or strain acting on the lip part is reduced. Thereby, fatigue damage is suppressed over the entire circumference of the lip portion, and the reliability of the lip portion is improved.
[0024]
Further, according to the second aspect of the invention, the distance between the inner periphery and the cavity of the cooling cavity of a plan view of the piston (M), at two sites across your Keru cavity in the thrust direction, the piston Since the two parts sandwiching the cavity in the pin direction are set large, the thermal gradient between them in the thrust direction becomes gentle, and the large thermal distortion of the high temperature lip is restricted by the part around the low temperature cooling cavity. , Being restrained is reduced. Thereby, the thermal stress in the lip portion thrust direction is suppressed, and the reliability of the lip portion is also improved.
[0025]
The control of the thermal gradient is particularly effective when the cooling efficiency of the cooling cavity is high.
[0026]
Further, when the piston material is, for example, a low-X aluminum alloy (AC8A, AC8B, etc.), the fatigue strength of the piston (in other words, the amount of fatigue damage caused by thermal stress and explosion stress) is a temperature below 300 ° C. The dependence is large, and when it exceeds 300 ° C., the temperature dependence becomes small. Therefore, when the temperature of the lip portion is low, in other words, when Pmax (kgf / square cm: maximum pressure on the piston top surface) is small, the temperature dependence of fatigue strength is large, and the amount of damage is a cooling cavity. The cooling efficiency is greatly affected. On the other hand, when the temperature of the lip portion is high, factors other than the cooling efficiency of the cooling cavity, such as a decrease in rigidity and an increase in strain due to an increase in thermal gradient, appear in the amount of damage.
[0027]
On the other hand, according to the invention described in claim 3, in particular, the cooling cavity is formed in a substantially oval shape in which the piston pin direction has a short diameter and the thrust direction has a long diameter, so the distance between the cooling cavity and the piston outer peripheral surface. (L) and the distance (M) between the cooling cavity and the cavity continuously change from the pin direction to the thrust direction, and this makes the cause of fatigue damage of the lip portion smooth according to the circumferential position. Reduced. In addition, since the cooling cavity is displaced in the horizontal direction instead of the vertical direction, the piston top part can receive a sufficient explosion load and the flow of oil is not hindered.
[0028]
According to the invention described in claim 4, since the cooling cavity is divided into two semicircular arc cavities so that the cooling cavity does not exist on the axis in the piston pin direction, the rigidity in the pin direction is high. Thus, the piston top is difficult to deform in this pin direction. Thereby, fatigue damage in the lip portion pin direction due to explosive stress is reduced.
[0029]
In that case, according to the invention described in claim 5, in particular, the end of one semicircular arc cavity opposed across the axis in the piston pin direction is used as a cooling oil supply port, and the other end is used as the end. Since the discharge port is used, the length of each cavity is shortened, the cooling efficiency by the oil passing therethrough is improved, and the oil flow is symmetric with respect to the center of the circle, and unevenness of the cooling degree can be suppressed. In addition, it is possible to avoid a plurality of oil jets that spray and supply cooling oil to the oil supply ports of the semicircular arc cavities from being offset toward one side in the cylinder, and the layout is excellent.
[0030]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through embodiments of the invention.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 4 are a plan view of a piston 10 according to an embodiment of the present invention, a longitudinal sectional view along a thrust direction orthogonal to an extending direction of a piston pin (not shown), and a direction along the piston pin. It is a longitudinal cross-sectional view and a bottom view. The piston 10 is for a direct injection type diesel engine formed by casting, for example, a low-X aluminum alloy (AC8A, AC8B, etc.), and three

ring grooves

11a, 11b, and 11c are formed on the outer peripheral surface. The head portion 12 and a cylindrical skirt portion 13 extending downward from the outer peripheral edge of the head portion 12 are provided.
[0032]
Here, although not shown, a compression ring is fitted into the uppermost ring groove 11a and the second ring groove 11c, and an oil ring is fitted into the lowermost ring groove 11c. Further,

boss portions

14 and 14 project from the inner surface of the skirt portion 13 so as to face each other, and a piston pin is supported in

holes

15 and 15 penetrating the

boss portions

14 and 14. The upper end portion of the connecting rod is pivotally attached to the head portion 12 via the piston pin.
[0033]
On the other hand, a cavity 20 for realizing a good swirl or the like of the injected fuel is recessed in the top surface 16 of the head portion 12, that is, the center portion of the top surface 16 of the piston 10. The cavity 20 has a circular opening on the top surface 16 and has a raised portion 21 at the center of the recess. And the peripheral part of the said circular opening comprises the lip | rip part 22 which protrudes inward somewhat over a perimeter.
[0034]
Further, the head portion 12 is provided with a cooling cavity 30 for cooling the head portion 12 including the top surface 16 thereof. The cooling cavity 30 is formed in an annular shape so as to surround the cavity 20, and

oil communication paths

31, 32 that open to the side of the

boss parts

14, 14 inside the skirt part 13 at two predetermined portions thereof. Is provided. When the piston 10 descends in the cylinder, the cooling oil ejected upward from the oil jet 40 provided in the lower part of the cylinder passes through one of the communication paths (communication path 31 in the illustrated example). While entering the cavity 30, the oil removes heat from the head portion 12 while passing through the cavity 30, and is discharged from the other communication path (communication path 32 in the illustrated example).
[0035]
In the above configuration, the cooling cavity 30 of the piston 10 is not a perfect circle parallel to the top surface 16, but is parallel to the top surface 16, and as shown particularly in FIG. It is formed in an elliptical shape in which the direction (P) has a short diameter and the thrust direction (T) has a long diameter. That is, the thickness (L) between the cooling cavity 30 and the outer peripheral surface of the piston 10 or the

ring grooves

11a, 11b, and 11c in the pin direction (P) is set to be thicker than that in the thrust direction (T). The thickness (M) between the cooling cavity 30 and the cavity 20 in the thrust direction (T) is set to be thicker than that in the pin direction (P). As a result, in the pin direction (P), the rigidity between the cavity 30 and the

ring grooves

11a, 11b, and 11c is increased, and the lip portion 22 as shown by the chain line in FIG. 10 is bent outward. Deformation is less likely to occur, and explosion stress or strain acting on the lip portion 22 is reduced. On the contrary, in the thrust direction (T), the rigidity between the cavity 30 and the

ring grooves

11a, 11b, and 11c becomes low, and the deformation as shown by the chain line in FIG. Thermal stress or strain is reduced. As a result, fatigue damage is suppressed over the entire circumference of the lip portion 22 and the reliability of the lip portion 22 is improved.
[0036]
In addition to the mechanical rigidity control, the thermal gradient between the lip portion 22 and the cooling cavity 30 is also controlled at the same time. That is, the wall thickness (M) between the cooling cavity 30 and the cavity 20 in the thrust direction (T) is increased, and the thermal gradient during the period (M) becomes gentle, and a large thermal distortion of the high temperature lip portion 22 occurs. Therefore, the restriction and restraint by the portion around the low-temperature cooling cavity 30 is reduced. Therefore, thermal stress in the thrust direction of the lip portion 22 is suppressed, and this also improves the reliability of the lip portion 22.
[0037]
In this case, in particular, the cooling cavity 30 is formed in an elliptical shape in which the piston pin direction (P) has a short diameter and the thrust direction (T) has a long diameter. Therefore, the cooling cavity 30 and the piston outer peripheral surface or

ring grooves

11a and 11b are formed. , 11c and the distance (M) between the cooling cavity 30 and the cavity 20 are gently and continuously between the pin direction (P) and the thrust direction (T). Accordingly, the fatigue damage factor of the lip portion 22 is smoothly reduced according to the circumferential position of the piston 10. Further, since the cooling cavity 30 is displaced in the horizontal direction instead of the vertical direction, the piston top portion 16 can sufficiently receive an explosion load, and the oil flow in the cooling cavity 30 is maintained smoothly.
[0038]
The cooling cavity 30 is not limited to an elliptical shape, and may be an oval shape.
[0039]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is used for the structural member which is the same as that of previous 1st Embodiment, or corresponds.
[0040]
In the piston 10, the cooling cavity is divided into two semicircular arc cavities 30 'and 30'. In that case, each semi-arc-shaped cavity 30 'does not cross the axis in the piston pin direction (P) and does not exist on the axis. As a result, the rigidity of the piston 10 in the pin direction (P) is increased. In this pin direction (P), the piston top portion 16 or the lip portion 22 is hardly deformed, and the pin direction (P) of the lip portion 22 due to explosive stress. The fatigue damage is reduced. Further, the length of each cavity 30 'is shortened, and the cooling efficiency by the oil passing therethrough is improved.
[0041]
Further, in particular, one end of each semicircular cavity 30 'facing each other across the axis in the piston pin direction (P) is a cooling oil supply port 31, and the other end is its discharge port 32. Has been. As a result, the oil flow is symmetric with respect to the center of the circle, as indicated by the symbols N and N in the figure, so that the degree of cooling is uniform and preferable. Further, the arrangement of the two

oil jets

40, 40 for supplying and supplying the cooling oil to the oil supply port 31 of each semicircular cavity 30 'is not shifted to one side in the cylinder, and the arrangement layout is improved.
[0042]
In the case of the second embodiment, the semicircular cavity 30 ′ may have an elliptical or oval arc shape as illustrated, or may be a perfect circular arc shape. .
[0043]
It should be noted that the present invention is preferably applicable even when the cavity is eccentric from the center of the piston top surface.
[0044]
【The invention's effect】
As described above in detail with reference to specific examples, according to the present invention, from the viewpoint of improving the reliability of the cavity lip portion, the optimum conditions for the position and shape of the cooling cavity are set, and as a result, severe use is made. It has become possible to provide an engine piston that can withstand the conditions. The present invention can be preferably applied to a piston having a cavity and a cooling cavity, such as a piston for a diesel engine, a piston for a direct injection diesel engine, and a piston for a direct injection gasoline engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a piston according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view taken along the line BB.
FIG. 4 is a bottom view of the piston.
FIG. 5 is a bottom view of a piston according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a SN curve diagram showing the relationship between the stress until material failure and the number of repetitions.
FIG. 7 is a time chart showing an example of temporal changes in thermal stress and explosion stress that generally act on a piston.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the fatigue damage amount of the lip portion in the pin direction and the diameter of the cooling cavity, and the contribution ratio of thermal stress and explosion stress to the total fatigue damage amount.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the fatigue damage amount of the lip portion in the thrust direction and the diameter of the cooling cavity, and the contribution ratio of thermal stress and explosion stress to the total fatigue damage amount.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing deformation of the piston due to the action of explosion stress or thermal stress.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piston 16 Piston top surface 20 Cavity 22 Lip part 30 Cooling cavity 30 'Semi-arc shaped cavity 31 Oil supply port 32 Oil discharge port L Distance between cooling cavity and piston outer peripheral surface M Distance between cooling cavity and cavity P Piston pin direction T Thrust direction

Claims

A piston structure of an engine having a cavity opened at the top of the piston and a cooling cavity provided in the piston so as to surround the cavity,
Thrust direction between the outer periphery and the piston outer peripheral surface of the cooling cavity in a plan view of the piston (L) is, in our Keru two sites across the cavity in the piston pin direction, perpendicular to the piston pin direction The piston structure of the engine is set to be large with respect to the two parts sandwiching the cavity .

In the piston crown, the distance between the inner and the cavity of the cooling cavity in a plan view the piston (M) is in two parts sandwiching the contact Keru the cavity in the thrust direction, of the piston pin direction 2. The piston structure for an engine according to claim 1, wherein the piston structure is set to be large with respect to two portions sandwiching the cavity .

The engine piston structure according to claim 1 or 2, wherein the cooling cavity is formed in a substantially oval shape having a short diameter in the piston pin direction and a long diameter in the thrust direction.

A piston structure of an engine having a cavity opened at the top of the piston and a cooling cavity provided in the piston so as to surround the cavity,
A piston structure for an engine, wherein the cooling cavity comprises a pair of semicircular arc-shaped cavities arranged so as not to cross the axis in the direction of the piston pin when the piston is viewed in plan .

5. The end of one semicircular arc cavity facing across the axis in the piston pin direction is a cooling oil supply port, and the other end is its discharge port. Engine piston structure.