JP5098679B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用ピストンにおいて、冠面中央部の冷却性能を向上させる技術に関する。

内燃機関用ピストンにおいては、燃焼ガスに晒される冠面中央部、及び、コネクティングロッドの往復回転運動に伴う首振り運動によりシリンダ壁面に押し付けられるトップリングが高温になり易いという特性がある。このため、ピストンの冠面中央部及びトップリング溝部は、高回転・高負荷時などに温度が過度に上昇すると、破損に至ってしまうおそれがある。そこで、特開２００２−４８００１号公報（特許文献１）に記載されるように、ピストン内部にクーリングチャンネルと称される環状の冷却通路を形成し、オイルジェットから噴射される潤滑油を循環させることで、冠面中央部及びトップリング溝部を強制冷却する技術が実用化されている。
特開２００２−４８００１号公報

しかしながら、従来技術におけるクーリングチャンネルは、平面視でピストン中心軸に対して点対称をなす円形に形成されていたため、冠面中央部の冷却能力が不足しがちであった。このため、高回転・高負荷時には、クーリングチャンネルを循環する潤滑油量増加、点火時期遅角又は／及び空燃比適合による燃焼温度低下で対応していたが、これらの対応では燃費に影響を及ぼすおそれがあった。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、クーリングチャンネルの形状を工夫することで、ピストンの冠面中央部の冷却性能を向上させた内燃機関用ピストン（以下「ピストン」という）を提供することを目的とする。

このため、本発明では、ピストンヘッド裏面に吹き付けられた潤滑油を取り込んで循環させる環状のクーリングチャンネルの径を、クランク軸方向とスラスト方向とで異ならせることで、クーリングチャンネルの経路の一部が冠面中央部に近づくようにした。詳しくは、クーリングチャンネルは、スラスト方向の径に対してクランク軸方向の径が相対的に小さく、かつ、このクーリングチャンネルのスラスト方向に延びる部分の中間部が、ピストン中心軸方向に向けて屈曲された形状をなしている。

本発明によれば、ピストンヘッド裏面に吹き付けられた潤滑油は、その一部がクーリングチャンネルに取り込まれて循環し、ピストン冠面中央部及びトップリング溝を強制冷却する。このとき、クランク軸方向とスラスト方向とでクーリングチャンネルの径が異なっているので、その経路の一部が冠面中央部に近づき、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換が促進される。このため、ピストン冠面中央部の冷却が促進されて温度上昇が抑制されることから、冠面中央部の冷却性能が改善され、ピストンの信頼性を向上させることができる。また、クーリングチャンネルの形状を変更することでピストン冠面中央部の冷却が促進されることから、潤滑油量増加、点火時期遅角又は／及び空燃比適合の度合いを小さくすることが可能となり、燃費向上を図ることもできる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の適用対象たる内燃機関の概要を示す。
シリンダブロック１０の内部に形成されたシリンダ１０Ａには、コンプレッションリングとしてのトップリング１２及びセカンドリング１４、並びに、オイルリング１６が嵌合されたピストン１８が往復運動可能に嵌挿される。ピストン１８は、その往復運動を回転運動に変換すべく、ピストンピン２０により揺動可能に結合されるコネクティングロッド２２を介して、クランク軸２４のクランクアーム２４Ａに連結される。また、シリンダブロック１０の上面に締結されたシリンダヘッド２６には、燃焼室を形成する凹部２６Ａが形成され、ここに吸気ポート２６Ｂを開閉する吸気弁２８、排気ポート２６Ｃを開閉する排気弁３０、及び、燃料と空気との混合気を着火する点火プラグ３２が夫々配設される。さらに、シリンダブロック１０の下部には、その内部に形成されたオイルギャラリィ１０Ｂを介して供給された潤滑油をピストンヘッド裏面に吹き付けて強制冷却するオイルジェット３４が配設される。なお、オイルジェット３４は、ピストンヘッドを全面的に冷却すべく、その裏面全体に亘って潤滑油を吹き付ける。

図２は、本発明を具現化したピストンの第１の参考例を示す。
ピストン１８は、同図（Ａ）に示すように、燃焼室の底面を形成するピストンヘッド１８Ａと、往復運動時の挙動を安定させるピストンスカート１８Ｂと、が一体化された構造をなしている。ここで、ピストンヘッド１８Ａとピストンスカート１８Ｂを一体化する手法として、これらを製造時に一体成形したり、ピストンピン２０により相互に結合される２分割構造とすることができる。

ピストンヘッド１８Ａの外周上部には、ピストンリング装着部３６として、トップリング１２，セカンドリング１４及びオイルリング１６が嵌合されるトップリング溝１８Ｃ，セカンドリング溝１８Ｄ及びオイルリング溝１８Ｅが夫々陥凹形成される。また、ピストンヘッド１８Ａの裏面は、軽量化の観点から肉抜部を形成すべく陥凹形成され、これとピストンリング装着部３６との間には、ピストン冠面に対向した位置から見て、ピストン中心軸の周りに延びる環状のクーリングチャンネル３８が形成される。さらに、ピストンヘッド１８Ａの裏面には、ピストン１８とコネクティングロッド２２を揺動可能に結合すべく、ピストンピン２０が嵌合固定されるピストンピン穴１８Ｆが開設された平行に延びる一対のピストンピンボス１８Ｇが立設される。

クーリングチャンネル３８は、オイルジェット３４からピストンヘッド１８Ａの裏面に吹き付けられた潤滑油を取り込んで循環させ、ピストンヘッド１８Ａのうち、特に、冠面中央部及びトップリング溝１８Ｃを重点的に強制冷却する。具体的には、クーリングチャンネル３８は、同図（Ｂ）に示すように、その径がクランク軸方向とスラスト方向とで異ならせた形状、即ち、クランク軸方向の径ａがスラスト方向の径ｂより小さくなる形状（ａ＜ｂ）に形成される。ここで、「クランク軸方向」とは、クランク軸２４の主軸が延びる方向、「スラスト方向」とは、クランク軸方向に直交する方向（スラスト力が作用する方向）を意味する。また、オイルジェット３４からピストンヘッド１８Ａの裏面に吹き付けられた潤滑油の一部をクーリングチャンネル３８に導入及び排出すべく、ピストンヘッド１８Ａの裏面には、ピストン１８の軸方向に沿って延びる潤滑油の導入孔１８Ｈ及び排出孔１８Ｉが夫々形成される。導入孔１８Ｈ及び排出孔１８Ｉは、ピストンヘッド１８Ａの裏面において、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で夫々開口する。

このようにすれば、オイルジェット３４からピストンヘッド１８Ａの裏面に吹き付けられた潤滑油の一部は、導入孔１８Ｈを介してクーリングチャンネル３８に取り込まれて循環し、排出孔１８Ｉを経てクランクケース内へと排出される。そして、潤滑油がクーリングチャンネル３８を循環することで、ピストン冠面中央部及びトップリング溝１８Ｃが強制冷却される。

このとき、クランク軸方向とスラスト方向でクーリングチャンネル３８の径が異なっているので、図２（Ｂ）に示すように、クーリングチャンネル３８の経路の一部が冠面中央部に近づき、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換が促進される。このため、ピストン冠面中央部の冷却が促進されて温度上昇が抑制されることから、ピストン１８の信頼性を向上させることができる。また、クーリングチャンネル３８の形状を変更することでピストン冠面中央部の冷却が促進されることから、潤滑油量増加、点火時期遅角又は／及び空燃比適合の度合いを小さくすることが可能となり、燃費向上を図ることもできる。

さらに、クーリングチャンネル３８に潤滑油を導入する導入孔１８Ｈ及び潤滑油を排出する排出孔１８Ｉは、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で夫々開口するため、スラスト方向におけるクーリングチャンネル３８とトップリング溝１８Ｃの間隔が狭くなる。このため、クーリングチャンネル３８を循環する潤滑油により、トップリング溝１８Ｃのスラスト方向に位置する部分が効率よく冷却され、その冷却能力を向上させることができる。

図３は、本発明を具現化したピストンの第２の参考例を示す。
クーリングチャンネル３８は、スラスト方向の径ｂに対してクランク軸方向の径ａが相対的に小さくなる形状、即ち、長径がスラスト方向に延びる一方、短径がクランク軸方向に延びる略長円形状に形成される。

このようにすれば、第１の参考例のピストン１８と比較して、クーリングチャンネル３８の経路の一部が冠面中央部により近づき、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換がより促進される。このため、ピストン冠面中央部の冷却がより促進されて温度上昇が一層抑制されることから、さらなるピストン信頼性及び燃費の向上を図ることができる。ここで、ピストン１８においては、ピストン中心軸を通ってクランク軸方向へと延びる線上に位置するトップリング溝１８Ｃの部分は、首振り運動によりシリンダ壁面に押し付けられないため、クランク軸方向のクーリングチャンネル３８の径を小さくしても何ら問題は発生しない。なお、他の作用及び効果については、先の第１の参考例と同様であるので、その説明は割愛する（以下同様）。必要があれば、第１の参考例の説明を参照されたい。

図４は、本発明を具現化したピストンの実施形態を示す。
クーリングチャンネル３８は、図３に示す第２の参考例の形状に加え、そのスラスト方向に延びる部分の中間部、即ち、長径部分の中間部が、ピストン中心軸方向に向けて円弧状に屈曲した形状に形成される。

このようにすれば、第２の参考例のピストン１８と比較して、クーリングチャンネル３８の経路の一部が冠面中央部にさらに近づく。また、ピストン冠面中央部周辺を通るクーリングチャンネル３８の経路が長くなることから、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換の時間が十分確保される。このため、冠面中央部と潤滑油との間で行われる熱交換が一層促進され、ピストン冠面中央部の冷却がより促進されて温度上昇が一層抑制されることから、さらなるピストン信頼性及び燃費の向上を図ることができる。また、同図に示すように、クーリングチャンネル３８の屈曲部分は、ピストン冠面に対向した位置から見て、ピストンピンボス１８Ｇとピストンピン２０との接合部を避けるようになるので、クーリングチャンネル３８を形成することに起因するピストン強度の低下を抑制することができる。このとき、ピストン強度低下の実効を図るべく、クーリングチャンネル３８の屈曲部分は、ピストンピンボス１８Ｇとピストンピン２０との接合部を避けた位置まで屈曲させることが望ましい。

なお、ピストン冠面中央部のみを重点的に冷却する必要がある場合には、図５に示すように、潤滑油の導入孔１８Ｈ及び排出孔１８Ｉを直線により最短距離で結ぶようにするとよい。このようにすれば、ピストン冠面中央部が重点的に冷却されるので、ピストン信頼性及び燃費を向上させることができる。

本発明は、図１に示す内燃機関に限らず、吸気ポートに燃料噴射を行うガソリン機関，燃焼室内に燃料噴射を行う筒内噴射式ガソリン機関、及び、ディーゼル機関などの各種内燃機関に適用することができる。

本発明の適用対象たる内燃機関の概要図 本発明を具現化したピストンの第１の参考例を示し、（Ａ）はピストンの中心軸を通るスラスト方向の要部縦断面図、（Ｂ）はそのＸ−Ｘ横断面図 本発明を具現化したピストンの第２の参考例を示す要部縦断面図 本発明を具現化したピストンの実施形態を示す要部縦断面図 クーリングチャンネルの変形例を示す要部横断面図

符号の説明

１８ ピストン
１８Ａ ピストンヘッド
１８Ｇ ピストンピンボス
１８Ｈ 導入孔
１８Ｉ 排出孔
２０ ピストンピン
２４ クランク軸
３８ クーリングチャンネル

Claims (3)

1. ピストンヘッド裏面に吹き付けられた潤滑油を取り込んで循環させる環状のクーリングチャンネルの径が、クランク軸方向とスラスト方向とで異なっていて、スラスト方向の径に対してクランク軸方向の径が相対的に小さく、かつ、このクーリングチャンネルのスラスト方向に延びる部分の中間部が、ピストン中心軸方向に向けて屈曲された形状をなしていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記クーリングチャンネルの屈曲部分は、ピストン冠面に対向した位置から見て、ピストンピンボスとピストンピンとの接合部を避けた位置まで屈曲されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記クーリングチャンネルに潤滑油を導入する導入孔及び潤滑油を排出する排出孔は、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で夫々開口することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。

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