JP5365728B2 - 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、その通路断面がピストン軸方向に長い長円形状又は円形形状をなしていたため、ピストンの往復運動に伴う慣性により潤滑油が通路内で上下に動き回り、冠面側の内壁に接する時間及び面積が小さかった。また、潤滑油が通路内で上下に動き回ることで、潤滑油に空気の気泡が混入することもあった。このため、潤滑油とピストン冠面との熱交換効率が良好でなく、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通路断面形状を工夫することで、潤滑油が上下に動き回ることを抑制し、ピストン冠面の冷却能力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通路断面を、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが長くなる幅広形状に形成することで、ピストン軸方向の長さを短くしつつ、ピストン冠面から熱量を受熱する面積を増大させた。前記通路断面は、ピストン半径外方に延びた後、ピストン冠面から遠ざかる方向に曲がって延びる逆Ｌ字形状をなしている。そして、ピストン平面視における前記クーリングチャンネルの径が、スラスト方向に対してクランク軸方向が相対的に小さくなる形状をなし、前記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、クーリングチャンネルの通路断面が、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成されているため、ピストン軸方向の長さが短くなり、ピストン往復運動に伴う慣性による潤滑油の上下挙動が抑制される。また、クーリングチャンネルの通路断面が幅広形状に形成されていることから、ピストン冠面から熱量を受熱する受熱面積が増大する。このため、潤滑油に空気の気泡が混入することを抑制しつつ、冠面を効率的に冷却することが可能となり、冠面の冷却性能を向上させることができる。さらに、クーリングチャンネルの通路断面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、燃費向上も図ることができる。

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実施形態の基本的構成を示し、（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 クーリングチャンネル断面形状の参考例を示す部分縦断面図 クーリングチャンネル断面形状の他の参考例を示す部分縦断面図 クーリングチャンネル断面形状の実施例を示す部分縦断面図 クーリングチャンネルの経路を変更した第２実施形態を示す要部横断面図 クーリングチャンネル経路の第１変形例を示す要部横断面図 クーリングチャンネル経路の第２変形例を示す要部横断面図 クーリングチャンネル経路の第３変形例を示す要部横断面図

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実施形態の基本的構成を示す。

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。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、同図（Ｂ）に示すように、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。

ここで、本発明の特徴として、クーリングチャンネル３８の通路断面は、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成される。なお、クーリングチャンネル３８の通路断面積は、徒に大きくすると潤滑油量増加により燃費低下を来たすので、従来技術と同程度とする。

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、クーリングチャンネル３８の通路断面が、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成されているため、ピストン軸方向の長さが短くなり、ピストン往復運動に伴う慣性による潤滑油の上下挙動が抑制される。また、クーリングチャンネル３８の通路断面が幅広形状に形成されていることから、ピストン冠面から熱量を受熱する受熱面積が増大する。このため、潤滑油に空気の気泡が混入することを抑制しつつ、冠面を効率的に冷却することが可能となり、冠面の冷却性能を向上させることができる。さらに、クーリングチャンネル３８の通路断面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、燃費向上も図ることができる。

図３は、クーリングチャンネル３８の通路断面の参考例を示す。
クーリングチャンネル３８の通路断面は、幅広形状を前提として、長辺がピストン冠面と平行に延びる長方形をなす形状に形成される。

このようにすれば、クーリングチャンネル３８の通路断面が長方形形状をなしていることで、ピストン軸方向の長さが短くなる一方、ピストン半径方向の長さが長くなる。このため、図２のピストン１８と比較して、潤滑油に空気の気泡が混入すること、及び、冠面を効率的に冷却することの実効を図ることができる。また、クーリングチャンネル３８の冠面側内壁が冠面と平行な面となり、両者の距離が短くなることから、冠面と潤滑油との間で行われる熱交換が促進され、冠面の冷却性能をより向上させることができる。なお、他の作用及び効果については、先の図２の構成と同様であるので、その説明は割愛する（以下同様）。必要があれば、図２についての説明を参照されたい。

図４は、クーリングチャンネル３８の通路断面の他の参考例を示す。

クーリングチャンネル３８の通路断面は、幅広形状を前提として、ピストン冠面と平行に延びる辺、及び、ピストン外縁において軸方向に延びる辺により確定される逆三角形をなす形状に形成される。

このようにすれば、クーリングチャンネル３８の通路断面が逆三角形状をなしていることで、ピストン外縁において軸方向に延びる内壁の面積が増大する。このため、図３の参考例の作用及び効果に加えて、ピストンリング装着部３６と潤滑油との間で行われる熱交換が促進され、熱的に厳しいトップリング溝１８Ｃの冷却性能をさらに向上させることができる。

図５は、クーリングチャンネル３８の通路断面の実施例を示す。

クーリングチャンネル３８の通路断面は、幅広形状を前提として、ピストン半径外方に延びた後、ピストン冠面から遠ざかる方向に曲がって延びる逆Ｌ字をなす形状に形成される。すなわち、クーリングチャンネル３８通路断面の逆Ｌ字形状は、ピストン冠面と平行に延びる第１の部分３８ａと、この第１の部分３８ａのピストン外周側においてピストン軸方向に延びる第２の部分３８ｂと、からなり、前記第２の部分３８ｂのピストン軸方向の長さに比べて前記第１の部分３８ａのピストン半径方向の長さの方が長い。第１の部分３８ａおよび第２の部分３８ｂは、それぞれ一定の幅の直線状をなす。

このようにすれば、クーリングチャンネル３８の通路断面が逆Ｌ字形状をなしていることで、図３の参考例及び図４の参考例と同等の通路断面積とした場合、ピストン冠面に面する通路面積がより増大する。このため、上述した作用及び効果に加え、ピストン冠面と潤滑油との間で行われる熱交換がより促進され、ピストン冠面の冷却性能をさらに向上させることができる。

ところで、ピストン１８においては、ピストン冠面のうち中央部が高温となり易い特性がある。このため、前述した第１実施形態のピストン１８を前提として、次に示す第２実施形態のように、クーリングチャンネル１８の経路を工夫することで、ピストン冠面中央部の冷却能力を向上させることができる。

図６は、本発明を具現化したピストンの第２実施形態（参考例）を示す。

クーリングチャンネル３８は、その径がクランク軸方向とスラスト軸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、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。

このようにすれば、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、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さらに小さくすることが可能となり、さらなる燃料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との間隔が狭くなる。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。

なお、図２〜図５に示す第１実施形態において、ピストン中心軸を通ってスラスト方向に延びる線上で潤滑油の導入孔１８Ｈ及び排出孔１８Ｉを夫々開口させるようにしてもよい。この場合の作用及び効果は、第２実施形態と同様である。

図７は、クーリングチャンネル３８の経路の第１変形例（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２実施形態のピストン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２実施形態と同様であるので、その説明は割愛する（以下同様）。必要があれば、第２実施形態の説明を参照されたい。

図８は、クーリングチャンネル３８の経路の第２変形例（実施例）を示す。

クーリングチャンネル３８は、図７に示す第１変形例の形状を基本とし、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１変形例のピストン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９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。

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 (4)

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通路断面が、ピストン軸方向に比べてピストン半径方向の長さが大きくなる幅広形状に形成されており、ピストン半径外方に延びた後、ピストン冠面から遠ざかる方向に曲がって延びる逆Ｌ字形状をなしており、
   ピストン平面視における前記クーリングチャンネルの径が、スラスト方向に対してクランク軸方向が相対的に小さくなる形状をなし、前記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. 前記通路断面の逆Ｌ字形状は、ピストン冠面と平行に延びる第１の部分と、この第１の部分のピストン外周側においてピストン軸方向に延びる第２の部分と、からなり、前記第２の部分に比べて前記第１の部分が長いことを特徴とする請求項１に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または２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 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〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。

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