JP4276602B2

JP4276602B2 - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP4276602B2
Application number: JP2004274037A
Authority: JP
Inventors: 健太秋本; 秀隆竹内; 正孝南; 卓野田; 右野沢; 智久山田
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: JP2006090159A

Description

本発明は、内燃機関用ピストンに係り、詳しくは冷却油を循環させるほぼ環状の冷却通路を頭部内に備えた内燃機関用ピストンに関する。

内燃機関は、シリンダ内にピストンを往復動可能に配置して燃焼室を区画し、燃焼室内で燃料を燃焼爆発させることによって出力を得るようになっている。また、ピストンの外周には、圧縮及び爆発ガス圧に対して気密を保つことと、燃焼によって発生した熱のうちピストンが受ける分をシリンダ壁に伝えてピストンの過熱を防止するためのピストンリング（コンプレッションリング）が嵌合される溝が形成されている。従来、ピストン頭部及び前記溝の過熱を抑制するため、ピストンの頭部内に環状の冷却通路（クーリングチャネル）を設けるとともに、この冷却通路に冷却用オイルを環流させてピストンの冷却を行うようにしているものがある。一般に冷却通路には、ほぼ対称位置に入口通路と出口通路とがそれぞれ下向きに形成されている。そして、シリンダブロックに取り付けられた噴射ノズルからオイルが入口に向けて噴射される。入口から冷却通路に入ったオイルは冷却通路内を２系統に分かれて流れてピストンを冷却した後、図７（ａ）に示すように、２系統の各通路５１ａ，５１ｂを流れるオイルの流れが流出口５２で合流してピストン５３の外部に排出される。

ところが、前記の構造においては、各通路５１ａ，５１ｂ内を左右両側より流れてきたオイル５４（矢印で図示）が流出口５２付近で衝突し、流れが乱れて流出口５２からオイル５４が円滑に排出されることの支障となる。そして、オイル５４が円滑に排出されないと、各通路５１ａ，５１ｂ内にピストン５３との熱交換で温度が上昇したオイル５４が滞留し、熱交換前の温度の低いオイルが通路５１ａ，５１ｂに供給され難くなり冷却効果が低下する。

冷却効果を高めるため、噴射ノズルからのオイルの単位時間当たりの噴射量を増加させる方法もあるが、オイルポンプの駆動負荷増につながり、エンジン全体として燃費悪化となる。

噴射ノズルからのオイル噴射量を増加させずに、流出口におけるオイルの流れの乱れを減少させて冷却効果を高める形状の冷却通路を備えたピストンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、図７（ｂ）に示すように、流出口５２の近傍に、冷却油案内隔壁５５が設けられ、各通路５１ａ，５１ｂを流れたオイルは冷却油案内隔壁５５により２つに分けられた流出口５６ａ，５６ｂを流れ、最後に流出口５６で合流して外へ排出される構成のピストンが提案されている。また、図７（ｃ）に示すように、通路５１ａの流出口５６ａと、通路５１ｂの流出口５６ｂの流路とは相互に入り交じることなく全く別々に形成され、それぞれの流路内を流れるオイル５４ａ，５４ｂにより別々にピストンの冷却が行われる構成も提案されている。これらの構成では、通路５１ａ，５１ｂの流出口におけるオイルの衝突による流れの乱れを減少させて円滑なオイルの流れを可能とし、冷却効果を高めることが可能となる。
実開平５−６１４２３号公報（第６，７頁、図１，２）

ところが、特許文献１に記載の構成においても、冷却通路は従来の冷却通路と同様に合流する通路の出口端は両通路５１ａ，５１ｂともピストンの中心を中心とする同一円周上に存在する。従って、図７（ｂ）に示す構成では、両流出口５６ａ，５６ｂを区画する冷却油案内隔壁５５を薄く形成する必要があり製造が難しいだけでなく、冷却油案内隔壁５５の強度を確保するのも難しい。図７（ｃ）に示す構成では、両通路５１ａ，５１ｂが完全に独立しており冷却油案内隔壁５５が厚いため、強度の心配はない。しかし、流出口５６ａ，５６ｂの間隔が離れるため、その間と対応する部分の冷却効果が低下するという問題がある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、２系統の通路を経て排出される冷却油が、出口部付近で衝突するのを回避することができ、しかも製造が容易で冷却効率を高めることができる内燃機関用ピストンを提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、冷却油を循環させるほぼ環状の冷却通路を頭部内に備えた内燃機関用ピストンである。そして、前記冷却通路は入口部から互いに逆方向に冷却油を案内可能に分かれた２系統の通路を備え、前記両通路は出口部で合流するとともに、各通路の出口側端部がピストンの径方向にオフセットされるように形成されている。ここで、「ほぼ環状」とは、冷却通路を構成する２系統の通路が、共通の入口から二つに分岐した構成だけでなく、２系統の通路の入口が完全に独立している構成や、環の一部が切れた状態の通路がほぼ環状に配置されたものも含むことを意味する。ここで言うオフセットとは、従来のように２つの冷却通路が出口部付近で正面から連通するのではなく、それぞれの冷却通路が出口部付近でずれていることを意味している。

この発明では、２系統に分かれた通路を流れてピストンを冷却した冷却油は、出口部で合流してピストンの外部に流出する。両通路の出口側端部はピストンの径方向にオフセットされた状態で配置されているため、出口部が一つでも互いに逆方向から流れてきた冷却油が衝突せずに出口部から流出する。各通路の出口側端部の端面が特許文献１の冷却油案内隔壁に相当し、各通路の出口側端部が接近あるいは側面が接しても強度の問題はない。従って、２系統の通路を経て排出される冷却油が、出口部付近で衝突すること（互いに干渉すること）を回避することができ、しかも製造が容易で冷却効率を高めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記両通路の出口側端部は径方向において連通されている。一般に、両通路はピストンを鋳造する際に中子を使用して形成される。両通路の出口側端部が径方向において連通されていない構成では、中子は出口側端部が離れた構造となり、入口側端部が連続していない通路の場合は、中子が２個必要となる。また、入口側端部が連続していても中子は出口側端部において環の一部が切れた形状となるため、中子が破損し易くなって取り扱いが難しくなる。しかし、この発明では、入口側端部が連続していない通路でも１個の中子で形成でき、ピストンを鋳造する際に通路となる部分の中子の取り扱いが簡単になり、入口側端部が連続している通路では中子が環状となるため、破損し難くなって取り扱いがより簡単になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記出口部はドリル加工で形成されている。この発明では、出口部も通路形成用の中子を使用して形成する場合に比較して、型抜きが容易で製造がより簡単になる。

本発明によれば、２系統の通路を経て排出される冷却油が、出口部付近で衝突するのを回避することができ、しかも製造が容易で冷却効率を高めることができる。

以下、本発明をディーゼルエンジンに使用されるピストンに具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。図１（ａ）はピストンの断面図、（ｂ）は冷却通路の模式斜視図、図２（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図３は冷却通路の入口部の断面図である。なお、図２（ａ）は図１（ａ）の状態からピストンを９０度回転させた状態の平面図である。

図１（ａ）に示すように、ピストン１１の上面中央には燃焼室を構成する凹部１２が形成されている。ピストン１１の上部外周には、ピストンリング（図示せず）が嵌合される溝１３と、オイルリング（図示せず）が嵌合される溝１４とが形成されている。ピストン１１の頭部内には冷却油を循環させるほぼ環状の冷却通路１５が凹部１２より下方位置に設けられている。

図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、冷却通路１５は、ほぼ円環状に形成されるとともに、入口部１６と、入口部１６から互いに逆方向に冷却油を案内可能に分かれた２系統の通路１７ａ，１７ｂと、出口部１８とを備えている。通路１７ａ，１７ｂはピストン１１の軸方向と直交する平面上に位置するように形成され、入口部１６及び出口部１８はピストン１１の軸方向と平行に延びるように形成されている。

図３に示すように、入口部１６の上方には冷却油案内隔壁１９が設けられ、シリンダ（図示せず）に装備されたオイル噴射ノズル２０から入口部１６に向けて噴射されたオイルが各通路１７ａ，１７ｂの流入口１６ａ，１６ｂに円滑に案内可能に構成されている。各流入口１６ａ，１６ｂが通路１７ａ，１７ｂに連通している。各流入口１６ａ，１６ｂは、シリンダ（図示せず）に装備されたオイル噴射ノズル２０の噴射口２０ａ，２０ｂと対向するように配置されている。なお、図１（ａ）に示すように、ピストン１１のスカート部１１ａの下端には、オイル噴射ノズル２０の逃げ部１１ｂが形成されている。

両通路１７ａ，１７ｂは出口部１８で合流するとともに、各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅがピストン１１の径方向にオフセットされるように形成されている。両通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅは径方向において連通されている。両通路１７ａ，１７ｂは、断面が角部の面取りされた矩形状に形成されている。なお、入口部１６、両通路１７ａ，１７ｂ、出口部１８等のピストン１１に対する大きさの比は、図示の都合上実際とは異なっている。

ピストン１１はアルミニウム合金により鋳造されている。各流入口１６ａ，１６ｂ及び通路１７ａ，１７ｂは、ピストン１１を鋳造する際にほぼリング状の塩中子を型内に配置して鋳造した後、塩中子を水で溶解して形成される。入口部１６の下部及び出口部１８は、ピストン１１の鋳造後にドリル加工で形成される。

次に前記のように構成されたピストン１１の作用を説明する。
ピストン１１は、シリンダ内を往復移動し、所定位置に配置されたオイル噴射ノズル２０の噴射口２０ａ，２０ｂから冷却油２１（矢印で図示）が、入口部１６へ向けて噴射される。噴射された冷却油２１は、冷却油案内隔壁１９に案内されて各流入口１６ａ，１６ｂを経て各通路１７ａ，１７ｂに供給され、２系統の流れとなってピストン１１を冷却する。各通路１７ａ，１７ｂを流れてピストン１１を冷却した冷却油２１は最後に出口部１８で合流して外へ排出される。

各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅがピストン１１の径方向にオフセットされているため、２系統の通路１７ａ，１７ｂを経て排出される冷却油２１が、出口部１８において互いに干渉（衝突）するのが回避され、相互に混合、拡散することがなくなる。従って、流路抵抗が小さくなり、通路１７ａ，１７ｂを流れる間にピストン１１との熱交換で高温となった冷却油２１が円滑に排出され、高い冷却効果を得ることができる。

両通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅは径方向において連通されている。しかし、両通路１７ａ，１７ｂ内を流れる冷却油２１は、連通部においても連通部と平行に移動するため、流れの抵抗を増加させることはほとんどない。

この実施形態では以下の効果を有する。
（１）ほぼ環状の冷却通路１５は、入口部１６から互いに逆方向に冷却油２１を案内可能に分かれた２系統の通路１７ａ，１７ｂを備え、両通路１７ａ，１７ｂは出口部１８で合流するとともに、各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅがピストン１１の径方向にオフセットされるように形成されている。従って、２系統の通路１７ａ，１７ｂを経て排出される冷却油２１が、出口部１８付近で衝突すること（互いに干渉すること）を回避することができ、冷却油２１が円滑に排出されて冷却効率を高めることができる。

（２）各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅがピストン１１の径方向にオフセットされているため、各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅの端面が特許文献１の冷却油案内隔壁に相当し、各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが接近あるいは側面が接しても強度の問題はない。従って、２系統の通路１７ａ，１７ｂを製造する際、特許文献１と異なり、各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅを接近させても容易に製造することができる。

（３）両通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅはピストン１１の径方向において連通されている。両通路１７ａ，１７ｂはピストン１１を鋳造する際に中子を使用して形成されるため、両出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが径方向において連通されていない構成では、中子は出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが離れた構造となる。そのため、入口側端部が連続していない通路の場合は、中子が２個必要となる。また、入口側端部が連続していても中子は出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅにおいて環の一部が切れた形状となるため、中子が破損し易くなって取り扱いが難しくなる。しかし、この実施形態では、通路１７ａ，１７ｂは入口側端部及び出口側端部が連続しているため中子が環状となり、ピストン１１を鋳造する際に１個の環状中子で通路１７ａ，１７ｂを形成でき、中子が破損し難くなって取り扱いが簡単になる。

（４）出口部１８はドリル加工で形成されている。従って、出口部１８も通路１７ａ，１７ｂを形成するための中子を使用してピストンを鋳造する場合に比較して型抜きが容易で製造がより簡単になる。

（５）冷却通路１５の入口部１６の上方が冷却油案内隔壁１９により二つの流入口１６ａ，１６ｂに分離されており、各流入口１６ａ，１６ｂに対応した噴射口２０ａ，２０ｂを備えたオイル噴射ノズル２０から噴射された冷却油が各流入口１６ａ，１６ｂを介して各通路１７ａ，１７ｂに導かれる。従って、入口部１６における流路抵抗が小さくなり、冷却油２１がより円滑に冷却通路１５を流れることができ、冷却効率がより高められる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 出口部１８をドリル加工で形成する代わりに、塩中子を使用した鋳造で形成してもよい。この場合、図４（ａ）に示すように、各通路１７ａ，１７ｂとなる環状部２２ａと、出口部１８となる柱状部２２ｂとを備えた塩中子２２を使用する。また、入口部１６も塩中子を使用した鋳造で形成してもよい。この場合、図４（ｂ）に示すように、入口部１６及び出口部１８となる２個の柱状部２２ｂ，２２ｃを備えた塩中子２２を使用する。

○ 両通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅは径方向において連通されていなくてもよい。即ち、２系統の通路は、出口端が区画壁で仕切られていてもよい。この場合、両通路１７ａ，１７ｂを形成するための塩中子２２は、両通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅに相当する部分が離れて形成される。従って、両通路１７ａ，１７ｂの入口側端部が連続していない形状とする場合は冷却通路１５を形成するのに２個の塩中子が必要となり、中子の取り扱いが面倒になるため、図５（ａ），（ｂ）に示すように、入口側端部が連続した構成が好ましい。図５（ａ）は、冷却油案内隔壁１９が存在しない場合に対応する塩中子２２の平面図であり、図５（ｂ）は、冷却油案内隔壁１９が存在する場合に対応する塩中子２２の斜視図である。

○ 両通路１７ａ，１７ｂは出口部１８で合流するとともに、各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅがピストン１１の径方向にオフセットされるように形成されていればよく、必ずしも両出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅの出口部１８と対応する部分全体がピストン１１の径方向から見て重なる形状に限らない。例えば、図６（ａ）に示すように、両通路１７ａ，１７ｂの出口部１８と対応する部分である出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが湾曲するように形成され、出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅの途中がピストン１１の径方向から見た状態において交差するように形成されていてもよい。この場合、出口部１８は各通路１７ａ，１７ｂの断面積の合計より大きな断面積の空間部となるように形成される。

○ 図６（ｂ）に示すように、両通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが湾曲するように形成され、出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅの開口端がピストン１１の径方向から見た状態において交差するように形成されていてもよい。この場合、出口部１８は各通路１７ａ，１７ｂの断面積の合計とほぼ同じ断面積の空間部となるように形成される。

○ 各通路１７ａ，１７ｂの出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが、ピストン１１の軸方向に平行ではなく、図６（ｃ）に示すように斜めに延びるように形成してもよい。出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅが、ピストン１１の軸方向と平行に延びる構成では、出口からいったん排出された冷却油が、ピストン１１の下降行程において高速で下降するピストン１１の出口開口で捕捉され易い。しかし、出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅがピストン１１の軸方向に対して斜めに延びるように形成されている場合、出口から排出された冷却油は、ピストン１１の軸方向に対して斜めに進むため、ピストン１１の下降時に出口から再び通路１７ａ，１７ｂ内に入り込み難くなる。その結果、出口側端部１７ａｅ，１７ｂｅにおける抵抗が小さくなるとともに、冷却効率を高めることができる。

○ 出口部１８は一定の幅あるいは径ではなく、図６（ｃ）に示すように、両通路の出口端に向かって縮径となる円錐台状あるいは円錐台状に近い形状に形成されていてもよい。この形状の場合、通路１７ａ，１７ｂを流れてきた冷却油２１が通路の端部で方向を変える際、抵抗が少なくなる。この形状の出口部１８は、刃部が円錐状又は円錐台状のドリルを使用することで簡単に形成することができる。

○ 入口部１６は１個に限らず、各通路１７ａ，１７ｂ毎に完全に独立して２個設けてもよい。この場合、各通路１７ａ，１７ｂを流れる冷却油２１相互の流れの干渉は全く無く、流路抵抗がより小さくなり、更に高い冷却効果が得られる。

○ 入口部１６の冷却油案内隔壁１９をなくして、両通路１７ａ，１７ｂの入口側端部が直線上で連続する形状としてもよい。
○ 通路１７ａ，１７ｂを鋳造で製造するための中子は塩中子に限らず、砂や他の粒子で形成された中子を使用してもよい。

○ 両通路１７ａ，１７ｂの断面形状は、角部の面取りされた矩形状に限らず円形、楕円形等に適宜変更してもよい。
○ ディーゼルエンジン用のピストンに限らず、ガソリンエンジン等他の内燃機関用のピストンに適用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記出口部は両通路の出口端に向かって縮径となる円錐台状に形成されている。

（２）請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記２系統の通路は、入口端が独立して形成されている。
（３）請求項１に記載の発明において、前記２系統の通路は、出口端が区画壁で仕切られている。

（ａ）はピストンの断面図、（ｂ）は冷却通路の模式斜視図。（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における部分断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における部分断面図。冷却通路の入口部の断面図。（ａ），（ｂ）はそれぞれ別の実施形態における冷却通路形成用の塩中子の模式斜視図。（ａ）は冷却油案内隔壁が存在しない場合に対応する塩中子の平面図、（ｂ）は、冷却油案内隔壁が存在する場合に対応する塩中子の斜視図。（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ別の実施形態における出口部の断面図。（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ従来技術における通路の出口部の断面図。

符号の説明

１１…ピストン、１５…冷却通路、１６…入口部、１７ａ，１７ｂ…通路、１７ａｅ，１７ｂｅ…出口側端部、１８…出口部、２１…冷却油。

Claims

冷却油を循環させるほぼ環状の冷却通路を頭部内に備えた内燃機関用ピストンであって、前記冷却通路は入口部から互いに逆方向に冷却油を案内可能に分かれた２系統の通路を備え、前記両通路は出口部で合流するとともに、各通路の出口側端部がピストンの径方向にオフセットされるように形成されている内燃機関用ピストン。
前記両通路の出口側端部は径方向において連通されている請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
前記出口部はドリル加工で形成されている請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用ピストン。