JP6288435B2

JP6288435B2 - エンジンのピストン冷却構造

Info

Publication number: JP6288435B2
Application number: JP2014050485A
Authority: JP
Inventors: 照幸土居; 国男畑田; 将之竹田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: JP2015175245A

Description

本発明は、ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射して冷却を行うピストンの冷却構造に関する。

従来より、ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射して、ピストンの冷却を行う技術が開発されている。
例えば、特許文献１では、ピストン裏面に球面状の膨出部を設け、ピストンの下方に配置した噴射ノズル（噴射弁）から冷却用オイルを噴射して当該膨出部に当て、冷却用オイルをピストン裏面に分散させるようにしている。

これにより、冷却用オイルをピストン裏面に全体に行きわたらせるようにして、ピストンの冷却効率を向上させるようにしている。
そして、このようにピストンを十分に冷却することで、点火時期を進角させて出力等のエンジン性能を向上させることが可能となる。

実開昭６２−８３４９号公報

ところで、ピストン冷却用の冷却用オイルは、一般的にエンジンによって駆動するオイルポンプによって噴射弁に供給される。したがって、エンジンの回転速度の変化に伴ってオイルポンプの吐出圧が変化する。また、エンジンの負荷によってピストン温度が変化するため、ピストンを十分に冷却するための冷却用オイルの必要噴射量が変化する。
ところが、冷却用オイルの噴射量は、噴射弁やオイルポンプの仕様によって制限され大きく変化させることが困難である。したがって、例えば冷却用オイルの噴射量を高速高負荷時での必要量になるように噴射弁等の仕様を設定すると、低速時には噴射弁に供給される油圧が不足する可能性がある。また、低速時に油圧確保できるようにオイルポンプ等の仕様を設定した場合、低速高負荷時においてピストンを十分に冷却することが困難となる虞がある。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で噴射量を大きく変化させることを可能とし、ピストンに適量の冷却用オイルを噴射して冷却することが可能なエンジンのピストン冷却構造を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１のエンジンのピストン冷却構造は、ピストンの裏面に向けて冷却用オイルを噴射することにより前記ピストンの冷却を行うエンジンのピストン冷却構造であって、油圧供給源から供給される冷却用オイルの圧力が第１の所定圧以上の場合に開弁して前記ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射する第１の噴射弁と、前記油圧供給源から供給される冷却用オイルの圧力が前記第１の開弁圧より低い第２の所定圧以上の場合に開弁して前記ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射する第２の噴射弁と、を備え、前記ピストンは、表面が燃焼室に面する上壁部と、前記上壁部の周縁部から前記燃焼室とは反対側に延びる筒状の側壁部とを有し、前記エンジンの排気ポート側の前記側壁部の内壁面に、吸気ポート側に向かって傾斜する傾斜面が備えられ、前記第１の噴射弁は前記側壁部の前記傾斜面に向かって前記冷却用オイルを噴射するように配置され、前記第２の噴射弁は、前記第１の噴射弁よりも前記ピストンの周縁部側に配置されるとともに、前記上壁部の裏側のうち、前記排気ポートの下方位置に向かって前記冷却用オイルを噴射するように配置されていることを特徴とする。

また、請求項２のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１において、前記第１の噴射弁及び前記第２の噴射弁は、前記油圧供給源から同時に冷却用オイルを供給された場合に、前記第１の噴射弁からの冷却用オイルの噴射量が前記第２の噴射弁からの噴射量より多く設定されていることを特徴とする。
また、請求項３のエンジンのピストン冷却構造は、請求項２において、前記第１の噴射弁の開口面積は、前記第２の噴射弁の開口面積より大きく設定されていることを特徴とする。

また、請求項４のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１から３のいずれか１項において、前記油圧供給源は、前記エンジンにより駆動されるオイルポンプであることを特徴とする。

また、請求項５のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１から４のいずれか１項において、前記側壁部の内壁面と前記上壁部の裏面とが円弧状の連続面に形成されていることを特徴とする。
また、請求項６のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１から５のいずれか１項において、前記第１の噴射弁は、前記油圧供給源から前記第２の噴射弁への油圧供給路の圧力を前記第１の所定圧以下に抑制するリリーフ弁の機能を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、開弁圧の異なる第１の噴射弁と第２の噴射弁とを有しており、供給される冷却用オイルの圧力が第１の所定圧以上の場合には第１の噴射弁と第２の噴射弁の両方から冷却用オイルが噴射され、冷却用オイルの圧力が第２の所定圧より高く第１の所定圧未満である場合には第２の噴射弁のみ冷却用オイルが噴射される。
したがって、各噴射弁からの噴射量の制御を意図的に行わなくとも、簡易な構成で、供給される冷却用オイルの圧力に応じて、ピストンへの冷却用オイルの噴射量を段階的に大きく変化させることができる。これにより、ピストンに適量の冷却用オイルを噴射して冷却することが可能となり、例えばピストンの冷却に伴って進角制御を行い、エンジン性能を向上させることができる。
また、ピストンの排気ポート側の裏面に設けられた傾斜面に向かって第１の噴射弁から噴射した冷却用オイルが、傾斜面に当たり、ピストンの上壁部の裏面に沿って排気ポート側から吸気ポート側に向かうように移動する。これにより、第１の噴射弁から冷却用オイルを噴射した場合、ピストンの上壁部のうち比較的高温となる排気ポート側の部位を集中して冷却することができるとともに、ピストンの上壁部の裏面に沿って冷却用オイルが移動することで、ピストンと冷却用オイルとの熱交換率を高め、効率的にピストンの冷却を行うことができる。
したがって、供給される冷却用オイルの圧力が第１の所定圧以上の場合に、第１の噴射弁からの噴射によってより効率的にピストンの冷却を行うことができる。
また、第２の噴射弁は、第１の噴射弁よりもピストンの周縁部側に配置されるとともに、上壁部の裏側のうち、排気ポートの下方位置に向かって冷却用オイルを噴射するように配置されているので、冷却用オイルの圧力が前記第１の所定圧より低くとも第２の所定圧以上の場合には、第２の噴射弁から噴射した冷却用オイルによって、ピストンの少なくとも排気ポートの下方位置を効率的に冷却することができる。

請求項２の発明によれば、第１の噴射弁の噴射量が第２の噴射弁の噴射量よりも多く設定されているので、第２の噴射弁からの噴射量と、第１の噴射弁及び噴第２の噴射弁からの合計噴射量との差を大きくすることができる。これにより、冷却用オイルの供給圧の変化に伴ってピストンへの冷却用オイルの噴射量をより大きく変化させることができる。
請求項３の発明によれば、第１の噴射弁の開口面積を大きく設定することで、第１の噴射弁からの噴射量を大きくすることができる。したがって、簡易な構成でピストンへの冷却用オイルの噴射量を大きく変化させることができる。

請求項４の発明によれば、第１の噴射弁及び第２の噴射弁に冷却用オイルを供給する油圧供給源が、エンジンにより駆動されるオイルポンプであるので、エンジンの回転速度に応じて第１の噴射弁及び第２の噴射弁への冷却用オイルの供給圧が変化する。したがって、エンジンの運転状態に応じて第１の噴射弁及び第２の噴射弁から段階的に冷却用オイル噴射させ、エンジンの運転状態に適したピストンの冷却が可能となる。

請求項５の発明によれば、側壁部の内壁面と上壁部の裏面とが円弧状の連続面に形成されているので、側壁部の内壁面に設けられた傾斜面に向けて噴射された冷却用オイルが、円弧状の連続面に沿って上壁部の裏面に沿うように導かれる。これにより、上壁部と熱交換する冷却用オイルの流量を増加させて、ピストンの温度をより低下させることができる。

請求項６の発明によれば、第１の噴射弁が、油圧供給源から第２の噴射弁への油圧供給路の圧力を第１の所定圧以下に抑制するリリーフ弁の機能を有するので、当該油圧供給路からリリーフ弁をなくすことができ、部品コストの低減を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの筒内構造を示す縦断面図である。本実施形態に係る第１の噴射弁からの冷却用オイルの噴射位置及び移動経路を示すピストンの下面図である。エンジン低速時においてピストンの裏面に噴射された冷却用オイルの移動経路を示す縦断面図である。エンジン高速高負荷時においてピストンの裏面に噴射された冷却用オイルの移動経路を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの筒内構造を示す縦断面図である。図２は、本実施形態に係る第１の噴射弁からの冷却用オイル噴射位置及び移動経路を示すピストンの下面図である。図３は、エンジン低速時においてピストンの裏面に噴射された冷却用オイルの移動経路を示す縦断面図である。図４は、エンジン高速高負荷時においてピストンの裏面に噴射された冷却用オイルの移動経路を示す縦断面図である。

図１に示すように、本願発明の一実施形態のピストン冷却構造を採用したエンジン１は、１つのシリンダ２に吸気バルブ３及び排気バルブ４を１つずつ有するポート噴射式のガソリンエンジンである。
本実施形態のエンジン１は、略円筒状のシリンダ２内に、ピストン５が軸線方向に摺動可能に配置されており、ピストン５とシリンダ２とに囲まれて燃焼室６が形成されている。

シリンダ２の上部の略中心には、燃焼室６に面して点火プラグ７が設けられている。シリンダ２の上面には、点火プラグ７を挟んで、燃焼室６に連通し、吸気バルブ３により開閉される吸気ポート８と、排気バルブ４により開閉される排気ポート９とが形成されている。
また、エンジン１には、吸気ポート８内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が備えられている。

なお、本実施形態では、ピストン５やシリンダ２の軸線が上下方向に延び、吸気ポート８や排気ポート９がシリンダ２の上部に位置するように配置されている。
このようなエンジン１では、吸気バルブ３の開時に吸気ポート８から燃料と吸気との混合ガスが燃焼室６に導入されて、点火プラグ７により点火され、燃焼膨張してピストン５を駆動し、排気バルブ４の開時に燃焼後の排気が排気ポート９から排出される。

ピストン５は、燃焼室６に面する上面２１とは反対側の裏面２２が、ピストンピン１９の両端部を支持する２つのボス部２０を除いて肉抜きされており、略円板状の上壁部２３と円筒状の側壁部２４とを有している。即ち、ピストン５は、表面が燃焼室６に面する上壁部２３と、上壁部２３の周縁部から燃焼室６とは反対側に延びる筒状の側壁部２４とを有する。

ボス部２０は、挿入されるピストンピン１９の軸線が、吸気ポート８の中心と排気ポート９の中心とを結ぶ線に対して垂直になるように配置されている。
そして、本実施形態では、ピストン５の裏面２２は、上壁部２３と側壁部２４との境界部である上部コーナ部２５が、円弧状に滑らかな連続面に形成されている。
更に、ピストン５の側壁部２４の排気ポート９側の内壁面には、側壁部２４の上部にあるピストンリング２６の支持部の裏側に、上方に向かうに伴って内側（吸気ポート８側）に傾くように（図１中、θで示す角度で傾斜した）傾斜面２７が形成されている。

ピストン５の下方には噴射弁（３０、３５）が２個設けられている。これらの噴射弁（３０、３５）は、例えば図示しないシリンダブロックに配置されている。
第１の噴射弁３０及び第２の噴射弁３５は、エンジン１によって駆動されるオイルポンプ３７（油圧供給源）からオイルフィルタ３８を通過した潤滑油と兼用の冷却用オイルが供給される。オイルポンプ３７は、エンジン１のオイルパン３９に貯留する冷却用オイルを、第１の噴射弁３０及び第２の噴射弁３５に供給する。なお、オイルパン３９は、シリンダ２内の潤滑兼用の冷却用オイルが落下して貯留するように配置されている。

第１の噴射弁３０及び第２の噴射弁３５には、夫々チェック弁が内蔵されている。第１の噴射弁３０では、オイルポンプ３７から供給される油圧が第１の開弁圧Ｐ1以上となると当該チェック弁が開弁し、開口部３１から冷却用オイルが噴射される。第２の噴射弁３５では、オイルポンプ３７から供給される油圧が第２の開弁圧Ｐ2以上となると当該チェック弁が開弁し、開口部３６から冷却用オイルが噴射される。

第１の噴射弁３０の開口部３１、及び第２の噴射弁３５の開口部３６は、夫々、噴射した冷却用オイルがピストン５の裏面２２に当たるように上側に向けて設定されている。第１の噴射弁３０の位置及び開口部３１の開口方向は、噴射した冷却用オイルがピストン５の裏側の傾斜面２７を中心に下方から当たるように設定されている。第２の噴射弁３５の位置及び開口部３６の開口方向は、噴射した冷却用オイルがピストン５の裏側のうち排気ポート９の下方位置を中心に下方から当たるように設定されている。

更に、第１の噴射弁３０の開口部３１の開口径Ｄ1は、第２の噴射弁３５の開口部３６の開口径Ｄ2より大きく設定されている。
また、第１の噴射弁３０の開弁圧Ｐ1及び第２の開弁圧Ｐ2は、夫々噴射した冷却用オイルがピストン５の裏面に到達するのに必要な圧力以上に設定されているが、開弁圧Ｐ2は比較的低く、また開弁圧Ｐ1は開弁圧Ｐ2よりも高い値に設定されている。特に開弁圧Ｐ1はエンジン回転速度の低速時には閉弁し高速時に開弁するように設定されている。

以上のような構成により、本実施形態のエンジン１では、図２〜４に示すように、エンジン１の運転時に第１の噴射弁３０や第２の噴射弁３５から冷却用オイルが噴射して、ピストン５の裏面２２に当たるので、ピストン５と冷却用オイルとが熱交換し、ピストン５が冷却される。
第１の噴射弁３０及び第２の噴射弁３５から噴射した冷却用オイルはピストン５の裏面２２の排気ポート９側に噴射されるので、ピストン５の上壁部２３のうちでも特に温度が上昇し易い場所を重点的に冷却することができる。

特に、図２、４に示すように、第１の噴射弁３０から噴射した冷却用オイルがピストン５の裏側の傾斜面２７に下側から当たるように設定されているので、傾斜面２７に当たった冷却用オイルはボス部２０の間を吸気ポート８側に向かう。その際に冷却用オイルは上部コーナ部２５の円弧状の面に沿って、スムーズにピストン５の上壁部２３の裏面を沿うように吸気ポート８側に移動する。

このように、第１の噴射弁３０から冷却用オイルを噴射すると、ピストン５の裏面２２に沿って冷却用オイルが移動し、ピストン５の裏面２２と冷却用オイルとの接触時間を増加させることができる。なお、冷却対象に沿って熱媒体を接触させながら移動させると、冷却対象に向けて単純に熱媒体を当てる場合と比較して、熱交換率が高くなることが理論的に立証されている。したがって、本実施形態のように、冷却用オイルをピストン５の裏面に沿って接触させながら移動させることで、ピストン５の冷却効率を向上させることができる。

また、側壁部２４の上部でピストンリング２６が取り付けられる支持部の裏側に傾斜面２７が設けられるので、肉厚となっているピストン５の側壁部２４の部位を利用して、ピストン５の重量を増加させることなく容易に傾斜面２７を設けることができる。
更に、本実施形態では、冷却用オイルを噴射する噴射弁を１つの気筒に２個設けており、その開口面積及び開弁圧が異なる。

図３に示すように、エンジン１の低速時のように、第１の噴射弁３０及び第２の噴射弁３５に供給される冷却用オイルの圧力が開弁圧Ｐ2より大きくかつ開弁圧Ｐ1未満である場合には、第１の噴射弁３０は開弁せず、第２の噴射弁３５のみ開弁して冷却用オイルを噴射する。したがって、冷却用オイルの圧力が低くとも、開口面積の比較的小さい第２の噴射弁３５から少量ではあるものの、ピストン５の裏面２２に冷却用オイルを噴射してピストン５を冷却することが可能となる。

図４に示すように、エンジン１の高速時のように、第１の噴射弁３０に供給される冷却用オイルの圧力が開弁圧Ｐ1以上の場合には、第２の噴射弁３５に加えて第１の噴射弁３０が開弁して冷却用オイルを噴射する。第１の噴射弁３０の開口面積は大きく設定されており、またオイルポンプ３７が高速で駆動されることから第１の噴射弁３０に供給される冷却用オイルの圧力が高いので、多量の冷却用オイルをピストン５の裏面に到達するように噴射することが可能である。したがって、上記のように、多量の冷却用オイルをピストン５の裏面に沿って移動させ、冷却効率を大幅に向上させることができる。このときエンジン１が高負荷でピストン温度が上昇したとしても、第１の噴射弁３０からの冷却用オイルの噴射で十分に冷却することができる。

以上のように、本実施形態では、オイルポンプ３７から供給される冷却用オイルの圧力の変化に伴って、第１の噴射弁３０と第２の噴射弁３５とが段階的に開弁するので、簡易な構成で冷却用オイルの噴射量を大きく変化させることができる。
特に、第１の噴射弁３０の開口部３１の開口面積が、第２の噴射弁３５の開口部３６の開口面積より大きいので、第１の噴射弁３０の開閉によって噴射量をより大きく変化させることができる。

そして、このようにオイルポンプ３７からの冷却用オイルの供給圧の変化、即ちエンジン１の回転速度の変化に伴って、冷却用オイルの噴射量を大きく変化させることで、低速時には開口面積の小さい第２の噴射弁３５から少量ではあるものの十分にピストン５に到達するように冷却用オイルを噴射させることができる。また、高速時には開口面積の大きい第１の噴射弁３０を加えて大量の冷却用オイルを噴射して、高負荷時でも十分にピストン５を冷却することができる。これにより、高回転高負荷時にもピストン５が十分に冷却されるので、エンジン１の進角制御を十分に行うことができ、出力等のエンジン１の性能を向上させることができる。

また、オイルポンプ３７から吐出される冷却用オイルの圧力が開弁圧Ｄ1より高い場合に開口部３１の開口面積の大きい第１の噴射弁３０が開弁して多量の冷却用オイルを噴射するので、当該第１の噴射弁３０がリリーフ弁としての役割を果たすことができる。したがって、オイルポンプ３７の下流側に別途リリーフ弁を設ける必要がなく、部品コストの増加を抑えることができる。

以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
本願発明は、吸気バルブや排気バルブが複数あるエンジンや、ガソリンエンジン以外のエンジンでも適用可能であり、冷却用オイルをピストンの裏面に噴射して冷却するエンジンに対し広く適用することができる。

１エンジン
５ピストン
８吸気ポート
９排気ポート
２３上壁部
２４側壁部
２５上部コーナ部（連続面）
２６ピストンリング
２７傾斜面
３０第１の噴射弁
３１開口部
３５第２の噴射弁
３６開口部
３７オイルポンプ(油圧供給源）

Claims

ピストンの裏面に向けて冷却用オイルを噴射することにより前記ピストンの冷却を行うエンジンのピストン冷却構造であって、
油圧供給源から供給される冷却用オイルの圧力が第１の所定圧以上の場合に開弁して前記ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射する第１の噴射弁と、
前記油圧供給源から供給される冷却用オイルの圧力が前記第１の所定圧より低い第２の所定圧以上の場合に開弁して前記ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射する第２の噴射弁と、を備え、
前記ピストンは、表面が燃焼室に面する上壁部と、前記上壁部の周縁部から前記燃焼室とは反対側に延びる筒状の側壁部とを有し、
前記エンジンの排気ポート側の前記側壁部の内壁面に、吸気ポート側に向かって傾斜する傾斜面が備えられ、
前記第１の噴射弁は前記側壁部の前記傾斜面に向かって前記冷却用オイルを噴射するように配置され、
前記第２の噴射弁は、前記第１の噴射弁よりも前記ピストンの周縁部側に配置されるとともに、前記上壁部の裏側のうち、前記排気ポートの下方位置に向かって前記冷却用オイルを噴射するように配置されている
ことを特徴とするエンジンのピストン冷却構造。
前記第１の噴射弁及び前記第２の噴射弁は、前記油圧供給源から同時に冷却用オイルを供給された場合に、前記第１の噴射弁からの冷却用オイルの噴射量が前記第２の噴射弁からの噴射量より多く設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンのピストン冷却構造。
前記第１の噴射弁の開口面積は、前記第２の噴射弁の開口面積より大きく設定されていることを特徴とする請求項２に記載のエンジンのピストン冷却構造。
前記油圧供給源は、前記エンジンにより駆動されるオイルポンプであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンのピストン冷却構造。
前記側壁部の内壁面と前記上壁部の裏面とが円弧状の連続面に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジンのピストン冷却構造。
前記第１の噴射弁は、前記油圧供給源から前記第２の噴射弁への油圧供給路の圧力を前記第１の所定圧以下に抑制するリリーフ弁の機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジンのピストン冷却構造。