JP5073522B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、オイルジェット装置から頂部の裏面に向けて冷却用のオイルを噴射して冷却するようにした内燃機関のピストンに関するものである。

自動車用内燃機関においては、ピストンにおける頂部の裏面に向けて冷却用のオイルを噴射してピストンを冷却する技術が広く採用されているが、近年、高出力化に伴ってピストンの熱負荷が増大することでピストンの温度が上昇する傾向にあり、ピストンの冷却性能のより一層の向上が求められている。

このようなピストンの冷却に関して、従来、スラスト側のスカート部の近傍位置に向けてオイルを噴射して、頂部の裏面に沿ってオイルをスラスト側から反スラスト側に向けて流すようにした技術が知られている（特許文献１参照）。
特許第２６６９１２６号公報

しかるに、前記従来の技術では、ピストンピンを保持する一対のピンボス部間を通ってオイルがスラスト側から反スラスト側に流れるが、このピンボス部が内向きに大きく突出していることから、オイルの流れの邪魔となり、オイルの一部が不要な方向、すなわちピストンピンの軸方向に流れて、反スラスト側へ向かうオイルが減少することから、冷却効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、オイルが不要な方向に流れることを抑制して冷却効率を高めることができるように構成されたピストンを提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、頂部（２１）と、この頂部から垂下した一対のスカート部（２２・２３）と、この一対のスカート部を互いに連結する一対のサイドウォール部（２４・２５）と、この一対のサイドウォール部に設けられてピストンピン（４）を保持する一対のピンボス部（２６・２７）とを有し、オイルジェット装置から前記頂部の裏面に向けて冷却用のオイルを噴射して冷却するようにしたピストン（３）において、前記頂部の裏面に前記一対のスカート部間に亘って延在するオイル案内路（３１）が形成され、オイルジェット装置から前記オイル案内路の一端側に向けて噴射されたオイルが前記オイル案内路の他端側に向けて案内されるようにすると共に、前記オイル案内路の両脇に沿って、前記一対のスカート部を相互に連結する態様で、前記サイドウォール部側に向かうオイルの流れを規制する肉盛り部（段部４５・４６）が形成され、この肉盛り部が、前記頂部の裏面と前記サイドウォール部の内面との隅部を埋めるように形成された段部であるものとした。

これによると、肉盛り部によりサイドウォール部側（ピストンピンの軸方向）に向かうオイルの流れが規制されるため、オイル案内路に沿って他端側に流れるオイルが減少することを避けることができ、これにより頂部の全体が適切に冷却されて、冷却効率を高めることができる。

さらに、肉盛り部が、頂部の裏面とサイドウォール部の内面との隅部を埋めるように形成された段部である構成とすることで、段部を介して頂部とサイドウォール部とが連結されるため、ピストンの剛性を向上させることができる。この場合、オイル案内路の底面から一段高くなった段部の段差面でオイルの流れが規制される。

前記ピストンにおいては、請求項２に示すとおり、前記肉盛り部が、前記ピンボス部と前記スカート部とを相互に連結する態様で形成された構成とすることができる。

これによると、段部を介してピンボス部がスカート部に連結されるため、ピンボス部の支持剛性を向上させることができる。

なお、肉盛り部は、ピンボス部とスカート部とを相互に連結する形態の他、ピンボス部と連結されることなく、一対のスカート部を相互に連結する形態も可能である。

前記ピストンにおいては、請求項３に示すとおり、前記肉盛り部の下面が、前記ピンボス部の外周面から連続して湾曲した略円弧状の断面をなす凹面状に形成された構成とすることができる。

これによると、無駄肉を減らしてピストンの重量を低減することができる。

前記ピストンにおいては、請求項４に示すとおり、前記肉盛り部が、前記ピンボス部の両側に形成され、この両側の肉盛り部の下面の曲率が互いに異なる構成とすることができる。

これによると、肉盛り部の下面の曲率に応じて肉盛り部の体積が変化し、ピストンのアンバラスの度合いに応じて肉盛り部の下面の曲率を両側の肉盛り部で変えることにより、ピストンの重量バランスを適正化することができる。

前記ピストンにおいては、請求項５に示すとおり、前記ピストンピンのオフセット側に位置する前記肉盛り部の下面の曲率が、反オフセット側に位置する前記肉盛り部の下面の曲率よりも大きい構成とすることができる。

これによると、オフセット側の肉盛り部が反オフセット側の肉盛り部より大きくなるため、オフセット側の質量を相対的に増すことができ、これによりピストンピンのオフセットによって反オフセット側に偏った重心を補正することができる。

このように本発明によれば、肉盛り部によりサイドウォール部側に向かうオイルの流れが規制されるため、オイル案内路に沿って他端側に流れるオイルが少なくなることを避けることができ、これにより頂部の全体が適切に冷却されて、冷却効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。この内燃機関では、シリンダブロック１に円筒状のシリンダボア２が形成され、このシリンダボア２の内部にピストン３が摺動可能に収容されている。ピストン３には、ピストンピン４を介してコネクティングロッド５の上端が連結され、コネクティングロッド５の下端はクランクピン６を介してクランクシャフト７に連結されている。

シリンダブロック１の下側には、クランクケース８が結合され、このクランクケース８とシリンダブロック１の下部とで、クランクシャフト７を収容するクランク室９が画成される。クランクケース８の下側には、上方から降下したオイルを受けるオイルパン（図示せず）が設けられている。シリンダブロック１の上側には、吸気バルブ及び排気バルブによりそれぞれ開閉される吸気ポート及び排気ポートが設けられたシリンダヘッド（図示せず）が結合され、このシリンダヘッドの内壁面とピストン３の上面とシリンダボア２の内周面とで燃焼室が画成される。

シリンダブロック１におけるシリンダボア２の下端近傍のクランク室９側には、ピストン３の冷却のためのオイルを噴射するオイルジェット装置１１が配設されている。このオイルジェット装置１１は、先端を上方に向けたノズル１２を備え、下方からピストン３、特にここでは高温となる排気側に向けてオイルが噴射されるようになっている。

図２は、図１に示したピストンの斜視図である。図３は、図２に示したピストンを軸線に沿った平面で切断した断面図である。図４は、図２に示したピストンの下面図である。

ピストン３は、図２に示すように、燃焼ガスの圧力が作用する頂部２１と、この頂部２１から垂下した態様で設けられた一対のスカート部２２・２３と、この一対のスカート部２２・２３を互いに連結する態様で設けられた一対のサイドウォール部２４・２５と、この一対のサイドウォール部２４・２５に設けられた一対のピンボス部２６・２７とを有している。

頂部２１の外周には、トップリング、セカンドリング、及びオイルリング（図示せず）がそれぞれ取り付けられるリング溝２９が形成されている。ピンボス部２６・２７には、ピストンピン４が挿通されるピン挿通孔３０が形成され、ピストンピン４の両端が一対のピンボス部２６・２７に保持される。

一対のスカート部２２・２３は、シリンダボア２の内周面に沿うように円弧状断面に形成され、反スラスト側（吸気側）及びスラスト側（排気側）にそれぞれ配置されており、一対のサイドウォール部２４・２５は、ピストンピン４の軸線に直交する向きに延在し、一対のスカート部２２・２３と一対のサイドウォール部２４・２５とで全体として略小判形断面をなす閉断面構造が形成される。

頂部２１の裏面には、一対のスカート部２２・２３間に亘って延在するオイル案内路３１が形成されており、オイルジェット装置１１からオイル案内路３１の一端側（排気側）に向けて噴射されたオイルがオイル案内路３１の他端側（吸気側）に向けて案内されるようになっている。

一対のピンボス部２６・２７は、サイドウォール部２４・２５の内面側に突出する内側の突出部３２と、サイドウォール部２４・２５の外面側に突出する外側の突出部３３とを備えており、内側の突出部３２は、サイドウォール部２４・２５の内面から大きく突出して、ピンボス部２６・２７の両側に、ピンボス部２６・２７の突出部３２とサイドウォール部２４・２５とスカート部２２・２３とで３方を囲まれた態様の凹所３５・３６が画成されている。

サイドウォール部２４・２５には、下端に沿って肉厚部３８が形成されており、またスカート部２２・２３にも、下端近傍に周方向に肉厚部３９が形成されており、サイドウォール部２４・２５の肉厚部３８が、スカート部２２・２３の肉厚部３９と、ピンボス部２６・２７の内側の突出部３２の下端部分とを互いに連結するように設けられている。

オイル案内路３１の底面は、図３に示すように、凹凸状断面に形成され、排気側のスカート部２３の近傍に形成された膨出部４１に向けてオイルが噴射される。また吸気側のスカート部２２の近傍に形成された膨出部４２によりオイルが案内されて下向きに流向が変化するようになっている。

頂部２１の表面には、吸気バルブ及び排気バルブ（図示せず）にそれぞれ対応して吸気側及び排気側のリセス４３・４４が凹設されている。吸気側のリセス４３では、２つの吸気バルブに対応する凹部を相互に連通する態様で（図４参照）、裏面側のオイル案内路３１に対応する中心部分も凹設されており、この表面形状に対応して、頂部２１の裏面側では、オイル案内路３１の中間部分が最も低く、またオイル案内路３１の吸気側が排気側に比較して高く形成され、吸気側の膨出部４２が排気側の膨出部４１より大きく膨出した状態となっている。

ピンボス部２６・２７の排気側には、図２に示したように、排気側のスカート部２３の近傍の膨出部４１に向けて噴射されたオイルがサイドウォール部２４・２５側に向かうことを規制する段部（肉盛り部）４５が形成されている。またピンボス部２６・２７の吸気側にも、オイル案内路３１に沿って流れるオイルがサイドウォール部２４・２５側に向かうことを規制する段部（肉盛り部）４６が形成されている。これらの段部４５・４６は、オイル案内路３１の両脇に沿って対称的に設けられる。

段部４５・４６は、オイル案内路３１の底面から一段高くなった態様で頂部２１とサイドウォール部２４・２５との隅部を埋めるように形成され、この段部４５・４６の段差面４５ａ・４６ａでオイルの流れが規制される。また段差面４５ａ・４６ａは、ピンボス部の内側の突出部３２の内側端面と略面一に形成されており、オイル案内路３１に沿ってオイルが円滑に流れるようになっている（図４参照）。

また段部４５・４６を介してスカート部２２・２３とピンボス部２６・２７とが相互に連結されるため、ピンボス部２６・２７の支持剛性を向上させることができる。さらに段部４５・４６を介して頂部２１とサイドウォール部２４・２５とが相互に連結されるため、ピストン３全体の剛性を向上させることができる。

段部４５・４６の下面４５ｂ・４６ｂは、ピンボス部２６・２７においてピン挿通孔３０を中心とした半円弧状部分３２ａの外周面から連続して湾曲した略円弧状の断面をなす凹面状に形成され、ピンボス部２６・２７からスカート部２２・２３に向けて勾配が次第に緩やかになり、スカート部２２・２３の内面において、頂部２１のリング溝２９が形成される部分に対応して形成された段部４８に接続されている。このように段部４５・４６の下面４５ｂ・４６ｂを凹面状に形成することで、無駄肉を減らしてピストン３の重量を低減することができる。

図５は、図２に示したピストンにおける段部の形態を模式的に示す断面図である。このピストン３は、ピストンピン４がオフセットされた、いわゆるオフセットピストンであり、ピストンピン４の中心軸線がピストン３の中心線より側方にオフセットされた状態で形成されている。特にここでは、ピストンピン４が排気側にオフセットされている。

このようにピストンピン４がオフセットされていると、ピストンピン４を中心として反オフセット側が重くなることから、オフセット側の質量を相対的に増してピストン３の重量バランスを適正化する必要があり、ここでは、ピンボス部２６・２７の両側に設けられた段部４５・４６の体積を変える、すなわちオフセット側（排気側）に位置する段部４５の体積を反オフセット側（吸気側）に位置する段部４６に比較して大きくすることで、オフセット側の質量を相対的に増して、反オフセット側に偏った重心を補正することができる。

段部４５・４６の体積は、凹面状をなす下面４５ｂ・４６ｂの曲率で調整することができ、オフセット側（排気側）に位置する段部４５の下面４５ｂの曲率ｒ１を、反オフセット側（吸気側）に位置する段部４６の下面４６ｂの曲率ｒ２よりも大きく設定することで、オフセット側の段部４５の体積を反オフセット側の段部４６より大きくすることができる。

具体的には、ピンボス部２６・２７の半円弧状部分３２ａの外面から、ピストン３の中心線に対して平行あるいは若干傾斜させた方向に延長させた平面が、段部を設けない従来のピンボス部２６・２７の外面５１となり、この従来の外面５１より外側の部分が段部４５・４６により体積が増加した部分となる。ここで、下面４５ｂ・４６ｂが概ね１／４円弧状の断面形状をなし、この下面４５ｂ・４６ｂの上端を通り且つピストン３の中心線に対して直交する平面と従来の外面５１と下面４５ｂ・４６ｂとで挟まれた部分５３ａ・５４ａの体積は、下面４５ｂ・４６ｂの曲率が大きくなるのに応じて増大し、大きな曲率ｒ１の部分５３ａの体積が小さな曲率ｒ２の部分５４ａより大きくなる。

なお、下面４５ｂ・４６ｂより上の部分５３ｂ・５４ｂの体積に応じて段部４５・４６全体の体積も変化し、オフセット側の部分５３ｂの体積が反オフセット側の部分５４ｂより大きいか、あるいはオフセット側の部分５３ｂの体積が反オフセット側の部分５４ｂに比較して部分５３ａ・５４ａの体積差以上に小さくなければ、オフセット側の段部４５の体積を反オフセット側の段部４６より大きくすることができる。

図６は、図２に示したピストンにおけるオイルが流れる状況を示す斜視図である。オイルジェット装置１１から排気側の膨出部４１に向けて噴射されたオイルは、オイル案内路３１に沿って排気側から吸気側に向けて流れ、吸気側の膨出部４２により下向きに流向を変更されて、ピストン３からオイルパンへ戻される。

このとき、段部４５・４６の段差面４５ａ・４６ａでサイドウォール部２４・２５側（ピストンピン４の軸方向）に向かうオイルの流れが規制されて、ピンボス部２６・２７とサイドウォール部２４・２５とスカート部２２・２３とで３方を囲まれた凹所３５・３６（図２・図４参照）にオイルが入り込むことが回避され、オイル案内路３１に沿って吸気側に流れるオイルが減少することを避けることができ、これにより頂部２１の全体が適切に冷却されて、冷却効率を高めることができる。

特にここでは、オイルジェット装置１１が、シリンダボア２の中心線に対してピストンピン４の軸方向にずれた位置に配置されており、シリンダボア２の中心線に対してわずかに傾斜した方向にオイルが噴射されるようにノズル１２が設けられている。このため、図６（Ａ）に示す上死点と図６（Ｂ）に示す下死点との間で、ピストン３の位置に応じてオイルが吹き付けられる部位がオイル案内路３１の幅方向に若干ずれるが、両側の段部４５・４６の段差面４５ａ・４６ａでオイルの流れが適切に規制されて、オイル案内路３１に沿ってオイルを円滑に流すことができる。

なお、前記の例では、吸気側に比較して高温となる排気側（スラスト側）に向けてオイルを噴射する構成としたが、低温の混合気による吸気側の冷却が不十分な場合に、ノッキングタフネスの向上を図る観点から、吸気側（反スラスト側）に向けてオイルを噴射する構成も可能である。

本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。 図１に示したピストンの斜視図である。 図２に示したピストンを軸線に沿った平面で切断した断面図である。 図２に示したピストンの下面図である。 図２に示したピストンにおける段部の形態を模式的に示す断面図である。 図２に示したピストンにおけるオイルが流れる状況を示す斜視図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
２ シリンダボア
３ ピストン
４ ピストンピン
１１ オイルジェット装置
１２ ノズル
２１ 頂部
２２・２３ スカート部
２４・２５ サイドウォール部
２６・２７ ピンボス部
３１ オイル案内路
３５・３６ 凹所
４１・４２ 膨出部
４５・４６ 段部（肉盛り部）、４５ａ・４６ａ 段差面、４５ｂ・４６ｂ 下面

Claims (5)

1. 頂部と、この頂部から垂下した一対のスカート部と、この一対のスカート部を互いに連結する一対のサイドウォール部と、この一対のサイドウォール部に設けられてピストンピンを保持する一対のピンボス部とを有し、オイルジェット装置から前記頂部の裏面に向けて冷却用のオイルを噴射して冷却するようにしたピストンであって、
   前記頂部の裏面に前記一対のスカート部間に亘って延在するオイル案内路が形成され、オイルジェット装置から前記オイル案内路の一端側に向けて噴射されたオイルが前記オイル案内路の他端側に向けて案内されるようにすると共に、
   前記オイル案内路の両脇に沿って、前記一対のスカート部を相互に連結する態様で、前記サイドウォール部側に向かうオイルの流れを規制する肉盛り部が形成され、
   この肉盛り部が、前記頂部の裏面と前記サイドウォール部の内面との隅部を埋めるように形成された段部であることを特徴とするピストン。
2. 前記肉盛り部が、前記ピンボス部と前記スカート部とを相互に連結する態様で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記肉盛り部の下面が、前記ピンボス部の外周面から連続して湾曲した略円弧状の断面をなす凹面状に形成されたことを特徴とする請求項２に記載のピストン。
4. 前記肉盛り部が、前記ピンボス部の両側に形成され、この両側の肉盛り部の下面の曲率が互いに異なることを特徴とする請求項３に記載のピストン。
5. 前記ピストンピンのオフセット側に位置する前記肉盛り部の下面の曲率が、反オフセット側に位置する前記肉盛り部の下面の曲率よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のピストン。

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