JP5844716B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、ピストンヘッドにクーリングチャンネルが形成された内燃機関のピストンに係り、クーリングチャンネルから排出されるオイルを利用してピストンの摺動摩擦を低減させる技術に関する。

レシプロエンジンでは、ピストン−シリンダ間の摺動摩擦損失の割合が高速回転時でフリクション全体の約３割近くを占めている。そのため、ピストン−シリンダ間の摩擦を低減させるために様々な工夫がなされている。例えば、摩擦力の発生要因の１つであるサイドフォース（スラスト力）を低減させるべく、部品重量の低減や連桿比λの向上など、本体設計上の工夫は勿論のこと、潤滑状態を改善するために、ピストン側面に低摩擦係数素材をコーティングあるいはパターンコートするものや、シリンダ内面を高精度ホーニング加工（オイルポケットや鏡面仕上げ）するもの、ピストン−シリンダ間へ効果的に給油を行うなどの工夫がなされている。

シリンダ内面への給油方式としては、コネクティングロッドの大端部に形成した小孔からの間欠オイルジェットによるものや、大端部の軸受からの飛散によるもの、固定式オイルジェット装置によるものなど、飛散式のものが多い。なお、固定式オイルジェット装置は、ピストンの冷却を主目的としており、冷却効率を高めるために、冷却オイルを流通させるピストンクーリングチャンネルをピストンの内部に形成したもの（特許文献１）や、ノズルを２つ形成し、一方のノズルをピストンヘッドの裏面に向けてこのノズルから噴射されるオイルをピストン冷却に利用し、他方のノズルをコネクティングロッドに向けてこのノズルから噴射されるオイルをコネクティングロッドの小端部とピストンピンとの摺接面の潤滑に利用するようにしたもの（特許文献２）などが知られている。

実開平４−１２５６１８号公報 特開２００６−１７００６６号公報

ピストン−シリンダ間の摩擦抵抗を低減させる従来技術のうち、低摩擦係数素材をコーティングする技術は、初期なじみ性改善を主目的としており、持続的な摩擦低減効果の維持に課題が残る。一方、固定式オイルジェットによる強制給油方式は、上記したようにピストンの冷却を主目的としており、ピストン−シリンダ間の摩擦低減に最適な給油を行うことは困難である。ピストン冷却用のオイルジェットを備えている場合に、ピストン−シリンダ間の摩擦低減を図るために特許文献２の思想を転用して、ノズルをシリンダ内壁面に向ける構成とすることも可能ではあるが、ピストンの冷却のみを行うオイルジェット装置に比べてオイル吐出量が増大する。そのため、オイルポンプを大型化する必要が生じるうえ、オイルポンプ駆動のために生じるエンジン出力のロスが増大するといった大きな不利益が生じ、実用的ではない。

一方、ピストンの冷却に利用されたオイルは、従来、ピストンの下面からクランクケースに向けて落下し、コネクティングロッドの大端部やクランクシャフトのカウンタウエイトに衝突しており、衝突したオイルの攪拌によりエンジン出力にロスが生じていた。シリンダ内壁面に向けてオイルジェットを噴出する場合にも、潤滑に利用された後に落下するオイルの衝突によってエンジン出力にロスが生じる点は同様であり、使用するオイルの量が増えればその分だけ出力ロスが増加してしまうため、オイルの使用量を増やすのは好ましくない。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題を解消するべく案出されたものであり、ピストンヘッドにクーリングチャンネルが形成された内燃機関のピストンにおいて、ピストンの冷却目的で使用したオイルを潤滑油として利用することで、オイルポンプの吐出量の増大を招くことなく且つ簡単な構成でピストン−シリンダ間の摺動抵抗を低減させることをその目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の一側面によれば、シリンダ（２）内に摺動自在に設けられ、ピストンヘッド（１２）にクーリングチャンネル（２１）が形成された内燃機関（Ｅ）のピストン（３）であって、前記クーリングチャンネルは、前記ピストンヘッドの外周に沿って円環状に形成されて前記ピストンヘッドの下面に開口する円環溝（１８）と、当該円環溝を塞ぐように前記ピストンヘッドに取り付けられる蓋部材（２０）とにより画成され、かつ前記ピストンヘッドの下面にそれぞれ開口するオイル導入口（２２）およびオイル排出口（２３）を有し、前記オイル排出口から排出されるオイルをシリンダ内壁面に向けて案内するガイド手段（２４ａ）が前記蓋部材に一体に形成された構成とする。

この構成によれば、オイル排出口から排出されるオイルがガイド手段により案内されてシリンダ内壁面に付着するため、ピストン−シリンダ間の摩擦を低減させることができる。また、ピストンの冷却に用いたオイルを利用するため、オイルポンプの吐出量を増大させることがないうえ、持続的な摩擦低減効果が期待できる。

また、本発明の一側面によれば、前記ピストンヘッド（１２）の下方に前記ピストンヘッドと一体に設けられ、ピストンピン（４）を支持する一対のピン支持壁（１３）と、前記ピストンヘッドから離間した位置で前記一対のピン支持壁を連結し、前記シリンダの内壁面に摺接する一対のスカート（１４）とを備え、前記ガイド手段（２４ａ）は、前記オイル排出口から排出されるオイルを前記ピストンヘッドと前記スカートとの間（２８）に向けて案内する構成とすることができる。

この構成によれば、オイル排出口からシリンダ内壁面までの距離が大幅に短くなるため、ガイド手段をピストン軸線方向に短い小型なものにすることができる。したがって、高速で上下に往復動するピストンと一体とされるガイド手段の慣性力を小さくでき、ピストンヘッドに取り付けられる蓋部材の負荷を小さくできる。

また、本発明の一側面によれば、前記円環溝の開口縁には前記蓋部材を嵌合させる嵌合手段（１７ａ、１８ａ）が形成され、前記蓋部材が略Ｃ字状の板状をなし、前記ガイド手段が、湾曲または屈曲形成された前記蓋部材（２４）の端部（２４ａ）である構成とすることができる。ここでは、Ｃ字状とは円弧状および円環状を含む概念を云うものとする。

この構成によれば、蓋部材の重量増大を招くことなく蓋部材のピストンヘッドへの取付強度を向上させることができるうえ、ガイド手段の加工を容易にすることができる。さらに、板状の蓋部材そのものをガイド手段として用いるため、ピストンの重心位置の変化に及ぼす影響を小さくすることができる。

このように本発明によれば、ピストンヘッドにクーリングチャンネルが形成された内燃機関のピストンにおいて、オイルポンプの吐出量の増大を招くことなく且つ簡単な構成でピストン−シリンダ間の摺動抵抗を低減させることができる。

第１実施形態に係る給油装置を適用したエンジンの要部断面図 図１に示したピストンの断面図 支持壁およびスカートを透視して示す図１に示したピストンの下面図 図３中のIV−IV線に沿って示す要部断面図 図１に示したピストンにおけるオイルの流れを示す模式図

以下、図面を参照して、本発明に係る給油装置を自動車用ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンＥと記す。）に適用した実施の形態について詳細に説明する。

図１〜図４に基づいて本発明の第１実施形態について説明する。図１に示すように、このエンジンＥでは、シリンダブロック１に円筒状のシリンダ２が形成され、このシリンダ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の上端の小端部５ａが連結されている。コネクティングロッド５の下端の大端部５ｂ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。クランクピン６に対してクランクシャフト７の回転軸（以下、クランク軸線７Ｘと記す。）方向の両側には、クランク軸線７Ｘに対してクランクピン６と相反する側に突出するカウンタウェイト８が設けられている。なお、ピストンピン４およびクランクピン６はクランク軸線７Ｘと平行に延在している。

シリンダブロック１の下側には、クランクケース９が結合され、このクランクケース９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１０が画成される。クランクケース９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）が結合される。

シリンダブロック１におけるシリンダ２の下端近傍のクランク室１０側には、ピストン３を冷却するために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オイルジェットノズル１１ａを備え、下方からピストン３の裏面３ｂ、特にここでは高温となる排気側（図中右側）に向けてオイルが噴射されるようになっている。オイルジェット装置１１は、エンジンＥの始動とともに連続的にオイルを噴射するものとして説明するが、制御弁を備え、クランク角に応じて間欠的にオイルを噴射するものであってもよい。

エンジンＥが始動すると、図１中に矢印で示すようにクランクシャフト７が時計回りに回転する。したがって、燃焼空間Ｓを画成するピストン３の頂面３ａに膨張行程において燃焼ガスの圧力が作用したときに、コネクティングロッド５の傾きに応じてピストン３からシリンダブロック１にスラスト力が加わる図中左側がスラスト側となり、図中右側が反スラスト側となる。

図２および図３に併せて示すように、ピストン３は、シリンダ軸線２Ｘに沿って延在する円柱状のピストンヘッド１２と、ピストンヘッド１２の下方にピストンヘッド１２と一体に設けられ、ピストンピン４を支持する一対のサイドウォール１３、１３と、一対のサイドウォール１３、１３を連結し、シリンダ２の内壁に摺接する前後一対のスカート１４、１４とを備えている。なお、一対のサイドウォール１３、１３は、ピストンヘッド１２と一体に形成されてもよく、別体として形成された後にピストンヘッド１２に一体に取り付けられてもよい。

ピストンヘッド１２には、燃焼室１５が上面（ピストン３の頂面３ａ）に開口するように凹設されている。ピストンヘッド１２の下面（ピストン３の裏面３ｂ）には、燃焼室１５に沿うように凹む凹部１６が中央に形成されており、これにより軽量化が図られている。ピストンヘッド１２の下面においては、後述する蓋部材２０を係止するための円環状の凸部１７が凹部１６の外周側に形成され、さらにその外周側にクーリングチャンネル２１を形成するための円環溝１８が形成されている。円環溝１８の内部においては、凸部１７の上を向く面に円環状の肩面１７ａが形成されている。ピストンヘッド１２の外周面には、上から順にトップリング、セカンドリング、及びオイルリング（図示せず）が取付けられるリング溝１９が形成されている。

ピストンヘッド１２の下面には蓋部材２０が円環溝１８を塞ぐように取り付けられており、この蓋部材２０と円環溝１８とによってトンネル状かつ円環状のクーリングチャンネル２１がピストンヘッド１２の内部に画成されている。クーリングチャンネル２１は、概ね燃焼室１５の外側に位置している。図３に示すように、クーリングチャンネル２１の反スラスト側では、ピストン軸線３Ｘを通って一対のスカート１４の中心を結ぶ線（以下、スカート中心線１４Ｘと称する）からピストンピン軸線４Ｘ方向の一方に偏倚した位置にオイルジェットを受けるオイル導入口２２が形成され、クーリングチャンネル２１のスラスト側では、スカート中心線１４Ｘからピストンピン軸線４Ｘ方向の他方に偏倚した位置にオイル排出口２３が形成されている。

本実施形態では、蓋部材２０は２つの円弧状板部材２４、２５から構成され、両円弧状板部材２４、２５の端部間に形成される隙間によってオイル導入口２２およびオイル排出口２３が構成されている。円弧状板部材２４、２５は、その内周側がピストンヘッド１２の凸部１７が形成する上向きの肩面１７ａに係止され、その外周側がピストンヘッド１２の円環溝１８の外側に形成された段部１８ａに収容されることより、ピストンヘッド１２の下面に嵌合し、ピストンヘッド１２に固着される。

両サイドウォール１３は、それぞれピストンヘッド１２の下面において凸部１７および凹部１６から突出し、クランク軸線７Ｘに直交する向きに延在する。両サイドウォール１３は、ピストンピン４を保持するために比較的厚肉とされたピンボス部２６と、ピンボス部２６からクランク軸線７Ｘに直交する向きに延出する一対の延出部２７、２７とを有する。ピンボス部２６には、ピストンピン４が挿通されるピン挿通孔２６ａが形成されており、両ピンボス部２６の間にコネクティングロッド５の小端部５ａを配置した状態でピン挿通孔２６ａに挿入されたピストンピン４は、両端を一対のピンボス部２６に保持されるとともに、コネクティングロッド５の小端部５ａと回動自在に連結される。

両スカート１４は、シリンダ２の内周面に沿う円弧状断面を有し、スラスト側（吸気側）及び反スラスト側（排気側）のピストンヘッド１２から離間した位置にそれぞれ配置される。両スカート１４は、サイドウォール１３の延出部２７によって支持されることにより、ピストンヘッド１２との間に間隙２８を形成している。言い換えれば、ピストン３におけるピストンヘッド１２とスカート１４とにより形成されるスラスト側および反スラスト側の側面には、スカート１４の中心線上に開口が形成されている。

図４に示すように、２枚の円弧状板部材２４、２５のうち、オイル排出口２３が偏倚する側に設けられた一方の円弧状板部材２４のオイル排出口２３側の端部２４ａは、下方に向けて湾曲するとともに、上面がピストン３の径方向外側に向く方向に捩れるように形成されている。これに対し、他方の円弧状板部材２５のオイル排出口２３側の端部２５ａは、他の部分と同様に概ね平坦な形状とされている。

このように構成されたピストン３では、図５に併せて示すように、オイルジェット装置１１から噴射されたオイルがオイル導入口２２からクーリングチャンネル２１内に流入し、２方向に分かれてクーリングチャンネル２１内を流通してピストンヘッド１２を冷却した後、オイル排出口２３から排出される。

オイル排出口２３付近では、一方の円弧状板部材２４の端部２４ａが下方に湾曲してオイルを案内するため、オイル排出口２３から排出されるオイルは主にスカート１４の中心側に向けて排出され、ピストンヘッド１２とスカート１４との間に形成された間隙２８（図２参照）を通ってシリンダ２の内壁面に付着する。そのため、ピストン３の冷却を終えたオイルが、図５中にハッチングで示す、スラスト力を受けて最も面圧が高くなるスカート１４の下部中心線上の領域２９に供給される。また、円弧状板部材２４により案内されなかったオイルは、スカート１４の内壁面を伝ってシリンダ２の内壁面に付着し、ピストンの摺動抵抗軽減に寄与する。

このように、一方の円弧状板部材２４の端部２４ａを湾曲形成し、オイル排出口２３から排出されるオイルをシリンダ２の内壁面に向けて案内するガイド手段とすることにより、ピストン３の冷却に用いたオイルを潤滑油として利用でき、ピストン３−シリンダ２間の摩擦を低減させることができる。また、ピストン３の冷却に用いたオイルを利用するため、オイルポンプの吐出量を増大させることがないうえ、持続的な摩擦低減効果が期待できる。

本実施形態では、サイドウォール１３によって支持されるスカート１４が、ピストンヘッド１２から離間した位置で一対のサイドウォール１３、１３を連結しており、ピストンヘッド１２とスカート１４との間に間隙２８が形成されている。そのため、オイル排出口２３からシリンダ２の内壁面までの距離が大幅に短くなっており、オイルガイド手段である円弧状板部材２４の湾曲した端部２４ａをピストン軸線３Ｘ方向に短い小型なものにすることが可能となっている。したがって、高速で上下に往復動するピストン３と一体のオイルガイド手段の慣性力を小さくでき、ピストンヘッド１２に取り付けられる蓋部材２０の負荷が小さくなる。

本実施形態では、円環溝１８の開口縁に略Ｃ字状の円弧状板部材２４、２５を嵌合させるための肩面１７ａおよび段部１８ａが形成されており、ガイド手段が、湾曲または屈曲形成された一方の円弧状板部材２４の端部２４ａであるため、蓋部材２０の重量増大を招くことなく蓋部材２０のピストンヘッド１２への取付強度を向上させることができるうえ、ガイド手段の加工が容易である。さらに、円弧状板部材２４そのものをガイド手段として用いるため、ピストン３の重心位置の変化に及ぼす影響も小さい。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、シリンダ軸線２Ｘが鉛直となっているが、エンジンＥがシリンダ軸線２Ｘを傾斜させた状態で搭載されてもよい。また、上記実施形態では、クーリングチャンネル２１を画成する蓋部材２０を、２つの円弧状板部材２４、２５から構成しているが、１つの円弧状の板部材または円環状の板部材、すなわちＣ字状の板部材から構成し、オイル導入口２２およびオイル排出口２３の少なくとも一方を、この板部材に形成した貫通孔や切欠により形成してもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係る給油装置の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜取捨選択することが可能である。

２ シリンダ
３ ピストン
４ ピストンピン
１２ ピストンヘッド
１３ サイドウォール（ピン支持壁）
１４ スカート
１７ 凸部
１７ａ 肩面（嵌合手段）
１８ 円環溝
１８ａ 段部（嵌合手段）
２０ 蓋部材
２１ クーリングチャンネル
２２ オイル導入口
２３ オイル排出口
２４、２５ 円弧状板部材
２４ａ 端部（ガイド手段）
２８ 間隙
Ｅ エンジン（内燃機関）

Claims (3)

1. シリンダ内に摺動自在に設けられ、ピストンヘッドにクーリングチャンネルが形成された内燃機関のピストンであって、
   前記クーリングチャンネルは、前記ピストンヘッドの外周に沿って円環状に形成されて前記ピストンヘッドの下面に開口する円環溝と、当該円環溝を塞ぐように前記ピストンヘッドに取り付けられる蓋部材とにより画成され、かつ前記ピストンヘッドの下面にそれぞれ開口するオイル導入口およびオイル排出口を有し、
   前記オイル排出口から排出されるオイルをシリンダ内壁面に向けて案内するガイド手段が前記蓋部材に一体に形成されたことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記ピストンヘッドの下方に前記ピストンヘッドと一体に設けられ、ピストンピンを支持する一対のピン支持壁と、
   前記ピストンヘッドから離間した位置で前記一対のピン支持壁を連結し、前記シリンダの内壁に摺接する一対のスカートとを備え、
   前記ガイド手段は、前記オイル排出口から排出されるオイルを前記ピストンヘッドと前記スカートとの間に向けて案内することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記円環溝の開口縁には前記蓋部材を嵌合させる嵌合手段が形成され、
   前記蓋部材が略Ｃ字状の板状をなし、
   前記ガイド手段が、湾曲または屈曲形成された前記蓋部材の端部であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。

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