JP6430135B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

従来、内燃機関のピストンに関する技術文献として、特開２０１１−１７２６３号公報が知られている。この公報には、ピストン頂面に設けられた燃焼室と、燃焼室を囲むように形成されたオイルギャラリーと、を有するピストンが開示されている。

特開２０１１−１７２６３号公報

近年では、内燃機関の小型化が進んでおり、小型化しつつも十分な出力を得るために燃料の高圧噴射が行われている。しかしながら、燃料の高圧噴射により燃焼温度が高温になると、ピストン頂面側とピストンスカート側における温度が大きく異なり、温度差によるピストンの変形を招くおそれがある。ピストンにおいてピストンリング溝の変形が生じると、ピストンリングの挙動不良による焼付きやシール性の低下が発生するため問題となる。

そこで、本発明は、温度差によるピストンの変形を抑制できる内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ピストン頂面に設けられた燃焼室と、燃焼室を囲むように形成されたオイルギャラリーと、を有するピストンであって、ピストンの摺動側面からオイルギャラリーまでの肉厚は、ピストン頂面側よりピストンスカート側が厚く形成され、オイルギャラリーは、ピストン頂面側からピストンスカート側に向かうほどピストン中心軸に近づく外部傾斜面を有し、ピストン中心軸に沿った断面において、オイルギャラリーのピストン中心軸の延在方向における長さをＬ、摺動側面からオイルギャラリーのピストン頂面側までの最も薄い肉厚をＡ、オイルギャラリーの下端を通りピストン中心軸に垂直な仮想直線Ｖ１と外部傾斜面に沿った延長線Ｖ２との交点をＷとした場合における摺動側面から交点Ｗまでの肉厚をＢとしたときに、（Ｂ−Ａ）／Ｌ≧０．０５を満たすことを特徴とする。

本発明に係る内燃機関のピストンによれば、ピストンの摺動側面からオイルギャラリーまでの肉厚がピストン頂面側よりピストンスカート側が厚くなるように形成されているので、オイルギャラリーを流れるエンジンオイルによって、燃焼で高温となるピストン頂面側が十分に冷却される一方で、燃焼による温度上昇が少ないピストンスカート側が過剰に冷却されることが避けられ、ピストン頂面側とピストンスカート側との温度差を少なくしてピストンの変形を抑制することができる。

本発明に係る内燃機関のピストンにおいて、オイルギャラリーの内部側面は、燃焼室の側壁に沿うように形成されていてもよい。

本発明に係る内燃機関のピストンにおいて、燃焼室の側壁は、燃焼室の内側に突出するリップ部を有しており、オイルギャラリーの内部側面は、リップ部に向かって張り出す内部拡大面を有していてもよい。

本発明に係る内燃機関のピストンによれば、温度差によるピストンの変形を抑制できる。

第１の実施形態に係るピストンを示す断面図である。 （Ｂ−Ａ）／Ｌに対するピストンの温度差の例を示すグラフである。 第２の実施形態に係るピストンを示す断面図である。 第３の実施形態に係るピストンを示す断面図である。 第４の実施形態に係るピストンを示す断面図である。 第５の実施形態に係るピストンを示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係るピストン１は、車両のディーゼルエンジンなどの内燃機関に備えられ、シリンダーＳの内部を中心軸（ピストン中心軸）Ｃの延在方向に往復運動するものである。ピストン１は、コネクティングロッドを介して、内燃機関のクランクシャフトに接続されており、ピストン１の往復動エネルギーは、コネクティングロッドを介してクランクシャフトの回転エネルギーに変換される。なお、コネクティングロッド及びクランクシャフトの図示は省略する。

ピストン１は、ピストン頂面２と、摺動側面３と、ピストンスカート４と、を備えている。以下、ピストン１のうちピストン頂面２側を上側、ピストンスカート４側を下側として説明に用いる。

ピストン頂面２は、シリンダーＳ内で燃焼する空間Ｅを形成するピストン上端面である。内燃機関の駆動時には、燃料噴射部９から噴射された燃料が空間Ｅ内で燃焼されるため、ピストン頂面２は高温となる。ピストン１は、燃焼室５を有している。

摺動側面３は、シリンダーＳの内側面と摺動するピストン側面である。摺動側面３には、ピストンリング８Ａ〜８Ｃがそれぞれ嵌め込まれるピストンリング溝３ａ〜３ｃが形成されている。

第１のピストンリング溝３ａには、最もピストン頂面２側に位置する第１のピストンリング８Ａが配置される。第２のピストンリング溝３ｂには、第１のピストンリング溝３ａ及び第３のピストンリング溝３ｃの間に位置する第２のピストンリング８Ｂが配置される。第３のピストンリング溝３ｃには、最もピストンスカート４側に位置する第３のピストンリング８Ｃが配置される。

ピストンスカート４は、摺動側面３に沿って下側に延びるように形成されたスカート状の部位である。このピストンスカート４の内部空間７には、コネクティングロッドの小端部が配置される。

燃焼室５は、空気と混合された燃料が燃焼する空間Ｅの一部であり、ピストン１側に形成された空間である。燃焼室５は、底面５ａと側壁５ｂを有している。底面５ａは、例えば、中央（中心軸Ｃ）に近づくほど上方に向かって傾斜するように形成されている。この燃焼室５は、側壁５ｂが内側（中心軸Ｃ側）に向かって傾斜するリエントラント型の燃焼室である。燃焼室５の上側には、側壁５ｂのうち内側に最も突出する部分であるリップ部Ｌｐが形成されている。なお、燃焼室５は、リエントラント型に限られず、側壁５ｂが中心軸Ｃに沿うように垂直に形成されるトロイダル型の燃焼室であってもよく、側壁５ｂが垂直で底面５ａも平面に形成されるバスタブ型の燃焼室であってもよい。

また、ピストン１は、燃焼室５（中心軸Ｃ）を囲むように環状に形成されたオイルギャラリー６を有している。オイルギャラリー６は、ピストン１の内部に形成された空洞部であり、図示しないオイルジェット孔を通じてエンジンオイルが内部を流れることでピストン１の冷却を行う。

このオイルギャラリー６は、中心軸Ｃに沿った断面形状（図１に示す断面形状）が略長円形状を成している。具体的に、オイルギャラリー６は、外部傾斜面６ａ、内部拡大面６ｂ、及び内部傾斜面６ｃを有している。

外部傾斜面６ａは、オイルギャラリー６の外部側面（燃焼室５と反対側の側面）である。外部傾斜面６ａは、ピストン頂面２側からピストンスカート４側に向かうほど中心軸Ｃに近づく平面として形成されている。すなわち、外部傾斜面６ａは、下側に向かうほど摺動側面３から離間するように傾斜している。外部傾斜面６ａは、オイルギャラリー６のうちピストン１の摺動側面３側（中心軸Ｃと反対側）に形成されている。なお、外部傾斜面６ａは、曲面であってもよく、平面と曲面の両方を含んでいてもよい。

内部拡大面６ｂ及び内部傾斜面６ｃは、オイルギャラリー６の内部側面（燃焼室５側の側面）を形成しており、燃焼室５の側壁５ｂに沿うように形成されている。すなわち、オイルギャラリー６の内部側面は、燃焼室５の側壁５ｂに沿うように形成されている。

内部拡大面６ｂは、オイルギャラリー６の内部側面の上側（ピストン頂面２側）に形成されている。内部拡大面６ｂは、燃焼室５側（中心軸Ｃ側）に向かってオイルギャラリー６を拡大する部位である。すなわち、内部拡大面６ｂは、燃焼室５側に向かって張り出して形成されている。具体的に、内部拡大面６ｂは、燃焼室５の側壁５ｂのうち中心軸Ｃ側に最も突出するリップ部Ｌｐに向かって張り出すように形成されている。内部拡大面６ｂは、オイルギャラリー６の内部側面と燃焼室５の側壁５ｂとの間の肉厚が、内部拡大面６ｂが無い場合と比べて、均等に近づくように形成されている。なお、オイルギャラリー６の内部側面と燃焼室５の側壁５ｂとの間の肉厚は、強度を確保するために十分な厚さを有している。

内部傾斜面６ｃは、オイルギャラリー６の内部側面の下側（ピストンスカート４側）に形成され、外部傾斜面６ａと略平行に傾斜している平面である。内部傾斜面６ｃは、燃焼室５の側壁５ｂに沿うように傾斜して形成されている。

このオイルギャラリー６について、中心軸Ｃの延在方向における長さをＬ、中心軸Ｃに直交する方向おけるピストン１の摺動側面３からオイルギャラリー６までの肉厚のうち上部有効肉厚をＡ、下部有効肉厚をＢとすると、オイルギャラリー６は以下の式（１）、（２）を満たす。なお、式（２）におけるＨは、図１に示す燃焼室５の深さ（ピストン頂面２から燃焼室５の最底面までの距離）である。

本実施形態における上部有効肉厚Ａは、ピストン１の摺動側面３からオイルギャラリー６のピストン頂面２側までの最も薄い肉厚を意味している。また、本実施形態における下部有効肉厚Ｂは、図１の断面においてオイルギャラリー６の下端を通り中心軸Ｃに垂直な仮想直線Ｖ１（図１のＬを示す下側の寸法線と同一）と外部傾斜面６ａに沿った延長線Ｖ２との交点をＷとした場合におけるピストン１の摺動側面３から交点Ｗまでの肉厚を意味している。

ここで、図２は、上述した（Ｂ−Ａ）／Ｌに対するピストン１の温度差の例を示すグラフである。図２の縦軸は、ピストン頂面２側の第１のピストンリング８Ａ付近とピストンスカート４側の第３のピストンリング８Ｃ付近の温度差である。図２の横軸は、（Ｂ−Ａ）／Ｌである。

図２に示されるように、（Ｂ−Ａ）／Ｌの値が大きくなるほど、ピストン１内の温度差は小さくなる。本実施形態では、温度差によるピストン１の変形を基準値以下に抑えるため、（Ｂ−Ａ）／Ｌｑを０．０５以上としている。（Ｂ−Ａ）／Ｌｑが０．０５以上の範囲を矢印Ｐで示す。なお、図２は（Ｂ−Ａ）／Ｌに対するピストン１の温度差を示す一例であり、本発明は上述した内容に限定されない。

以上説明した第１の実施形態に係る内燃機関のピストン１によれば、摺動側面３からオイルギャラリー６までの肉厚がピストン頂面２側よりピストンスカート４側を厚く形成されているので、オイルギャラリー６を流れるオイルによって燃焼により高温となるピストン頂面２側が十分に冷却される一方で、燃焼による温度上昇が少ないピストンスカート４側が過剰に冷却されることが避けられ、ピストン頂面２側とピストンスカート４側との温度差を少なくしてピストン１の変形を抑制することができる。従って、このピストン１によれば、温度差によりピストンリング溝３ａ〜３ｃに変形が生じて、ピストンリング８Ａ〜８Ｃの挙動不良による焼付けやシール性が低下することを避けることができ、ピストンリング８Ａ〜８Ｃの信頼性向上及びシール性向上によるブローバイ量の低減などが図られる。

また、このピストン１によれば、ピストン頂面２側からピストンスカート４側に向かうほど中心軸Ｃに近づく外部傾斜面６ａをオイルギャラリー６が有するので、ピストン形状ではなくオイルギャラリー６の形状により、ピストン１の摺動側面３からオイルギャラリー６までの肉厚を下側ほど厚く形成することができ、オイルギャラリー６を流れるオイルによってピストンスカート４側が過剰に冷却されることを避けることができる。

また、図１に示されるように、ピストン１では、ピストン頂面２からオイルギャラリー６の下端までの距離Ｈ_Ｌが、ピストン頂面２から第２のピストンリング溝３ｂ（すなわち第２のピストンリング８Ｂ）までの距離Ｈｒよりも長い。具体的に、オイルギャラリー６は、第１のピストンリング溝３ａより上側から、第２のピストンリング溝３ｂを超えて第３のピストンリング溝３ｃの近くまで上下に延在するように形成されている。これにより、第２のピストンリング溝３ｂ及び第３のピストンリング溝３ｃにおいても、オイルギャラリー６内を流れるオイルの冷却効果を適切に得ることができる。

更に、このピストン１では、燃焼室５のリップ部Ｌｐに向かって張り出す内部拡大面６ｂがオイルギャラリー６に形成されているので、燃焼室５のリップ部Ｌｐを適切に冷却することができる。すなわち、リエントラント型の燃焼室５では、リップ部Ｌｐを設けることにより空気及び空気と混合された燃料の流れが適切にチューニングされ、燃焼室５内の燃焼効率を高めることができる。しかしながら、燃焼室５の側壁５ｂのうち最も内側に突出するリップ部Ｌｐには熱集中による悪影響が起きやすい。そこで、本実施形態に係るピストン１では、リップ部Ｌｐに向かって凹む内部拡大面６ｂをオイルギャラリー６が有することで、オイルギャラリー６を流れるオイルによりリップ部Ｌｐを適切に冷却することができる。

しかも、このピストン１では、オイルギャラリー６の内部側面（内部拡大面６ｂ及び内部傾斜面６ｃ）が燃焼室５の側壁５ｂに沿うように形成されているので、燃焼室５の側壁５ｂとオイルギャラリー６の内部側面との間のピストン１の肉厚を均等に近づけることができる。これにより、オイルギャラリー６の内部側面と燃焼室５の側壁５ｂとの間の肉厚が均一ではない場合と比べて、オイルの冷却により側壁５ｂの温度分布が不均一となることを避けることができる。従って、このピストン１によれば、側壁５ｂの温度分布が不均一となることで燃焼室５内の空気の温度分布が不均一となり、ピストン１の温度分布も不均一となることで生じる、温度差によるピストン１の変形を招くことを抑制できると共に、燃焼室５内の燃焼効率が低下することを抑制することができる。

［第２〜第４の実施形態］
以下、図３〜図５を参照して、第２〜第４の実施形態について説明する。第２〜第４の実施形態に係るピストン１０，２０，３０は、第１の実施形態に係るピストン１と比べて、オイルギャラリーの形状のみが異なっている。以下、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図３に示す第２の実施形態に係るピストン１０のオイルギャラリー１１は、長円状の断面形状（中心軸Ｃに沿った断面形状）を有している。オイルギャラリー１１は、第１の実施形態と同様に外部傾斜面１１ａを有しているが、内部拡大面６ｂのような部位を有していない。オイルギャラリー１１の内部側面は外部傾斜面１１ａに沿った傾斜面をなしている。

また、オイルギャラリー１１は、中心軸Ｃの延在方向における長さＬ、ピストン１の摺動側面３からオイルギャラリー６までの肉厚の上部有効肉厚Ａ、下部有効肉厚Ｂについても、第１の実施形態と同様に、上述した式（１）、（２）を満たしている。

なお、ピストン頂面２からオイルギャラリー１１の下端までの距離Ｈ_Ｌが、ピストン頂面２から第２のピストンリング溝３ｂ（すなわち第２のピストンリング８Ｂ）までの距離Ｈｒよりも長い点も第１の実施形態と同様である。中心軸Ｃの延在方向における長さＬ、上部有効肉厚Ａ、及び下部有効肉厚Ｂが上述した式（１）、（２）を満たす点と距離Ｈ_Ｌが距離Ｈｒより長い点は第３及び第４の実施形態についても同様である。

次に、図４に示す第３の実施形態に係るピストン２０について説明する。図４に示されるように、第３の実施形態に係るピストン２０のオイルギャラリー２１は、中心軸Ｃの延在方向に延在する長円の下側が中心軸Ｃに向かって、くの字型に折れ曲がった断面形状（中心軸Ｃに沿った断面形状）を有している。

また、このオイルギャラリー２１は、上側の外部垂直面２１ａ及び下側の外部傾斜面２１ｂを有している。外部垂直面２１ａ及び外部傾斜面２１ｂは、オイルギャラリー２１の外部側面を形成する。外部垂直面２１ａ及び外部傾斜面２１ｂは、オイルギャラリー２１の摺動側面３側（中心軸Ｃと反対側）に形成されている。外部垂直面２１ａは、中心軸Ｃの延在方向に延在する平面であり、外部傾斜面２１ｂは、下側に向かうほど中心軸Ｃに近づくように傾斜する平面である。なお、外部垂直面２１ａ及び外部傾斜面２１ｂは、曲面であってもよく、平面及び曲面を含んでいてもよい。また、オイルギャラリー２１は、上側の内部垂直面２１ｃ及び下側の内部傾斜面２１ｄを有している。内部垂直面２１ｃ及び内部傾斜面２１ｄは、オイルギャラリー２１の内部側面を形成する。

続いて、図５に示す第４の実施形態に係るピストン３０について説明する。図５に示されるように、第５の実施形態に係るピストン３０のオイルギャラリー３１は、中心軸Ｃの延在方向に延在する長円の上側が摺動側面３側（中心軸Ｃの反対側）に向かって、くの字型に折れ曲がった断面形状（中心軸Ｃに沿った断面形状）を有している。

また、このオイルギャラリー３１は、上側の外部傾斜面３１ａ及び下側の外部垂直面３１ｂを有している。外部傾斜面３１ａ及び外部垂直面３１ｂは、オイルギャラリー３１の摺動側面３側（中心軸Ｃと反対側）に形成されている。外部傾斜面３１ａは、下側に向かうほど中心軸Ｃに近づくように傾斜する平面であり、外部垂直面３１ｂは、中心軸Ｃの延在方向に延在する平面である。なお、外部傾斜面３１ａ及び外部垂直面３１ｂは、曲面であってもよく、平面及び曲面を含んでいてもよい。

以上説明した第２〜第４の実施形態に係るピストン１０，２０，３０においても、摺動側面３からオイルギャラリー１１，２１，３１までの肉厚がピストン頂面２側よりピストンスカート４側を厚く形成されており、第１の実施形態に係るピストン１と同様の効果を得ることができる。

［第５の実施形態］
以下、図６を参照して、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態に係るピストン４０は、第３の実施形態に係るピストン２０と比べて、燃焼室の形状のみが異なっている。

図６に示す第５の実施形態に係るピストン４０の燃焼室４１は、いわゆるバスタブ型の燃焼室である。燃焼室４１は、例えば、中心軸Ｃに垂直な底面（ピストン頂面２に対して略平行な底面）４１ａと、中心軸Ｃに沿って伸びる側壁（ピストン頂面２に対して略垂直な側壁）４１ｂと、を有している。なお、底面４１ａは、中央（中心軸Ｃ）に近づくほど上方に向かって傾斜するように形成してもよい。この燃焼室４１においては、ピストン頂面２に形成された燃焼室４１の開口上端がリップ部Ｌｐとなる。

このピストン４０では、オイルギャラリー２１の内部垂直面２１ｃが燃焼室４１の側壁４１ｂに沿うように形成されている。また、オイルギャラリー２１の内部傾斜面２１ｄが燃焼室４１の底面４１ａと側壁４１ｂとの接続部位に沿うように傾斜している。

以上説明した第５の実施形態に係るピストン４０においても、オイルギャラリー２１の内部垂直面２１ｃが燃焼室４１の側壁４１ｂに沿うように形成されているので、燃焼室４１の側壁４１ｂとオイルギャラリー２１の内部側面との間のピストン４０の肉厚を均等に近づけることができる。これにより、オイルギャラリー２１の内部側面と燃焼室４１の側壁４１ｂとの間の肉厚が均一ではない場合と比べて、オイルの冷却により側壁４１ｂの温度分布が不均一となることを避けることができる。従って、このピストン４０によれば、側壁４１ｂの温度分布が不均一となることで燃焼室４１内の空気の温度分布が不均一となり、ピストン１の温度分布も不均一となることで生じる、温度差によるピストン１の変形を招くことを抑制できると共に、燃焼室４１内の燃焼効率が低下することを抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明は、上述したディーゼルエンジン専用のピストンではなく、ガソリンエンジン用のピストンについても適用可能である。また、オイルギャラリーの形状は、上述したものに限られず、ピストンの摺動側面からオイルギャラリーまでの肉厚がピストン頂面側よりピストンスカート側を厚く形成できる形状であればよい。

また、オイルギャラリーは、必ずしも第２のピストンリング溝の位置より下まで延びている必要はなく、オイルギャラリーの下端が第２のピストンリング溝の上側に位置していてもよい。また、オイルギャラリーの外部傾斜面は、なめらかに傾斜している必要はなく、段差などを有していてもよい。また、第１の実施形態において、側壁４１ｂの温度分布が不均一となり、ピストン１の温度分布も不均一となることにより、温度差によるピストン１の変形を招かなければ、内部拡大面６ｂは、オイルギャラリー６の内部側面と燃焼室５の側壁５ｂとの間の肉厚が、内部拡大面６ｂが無い場合と比べて、完全な均等にはならなくても、均等に近づくように形成されていてもよい。

１…ピストン ２…ピストン頂面 ３…摺動側面 ３ａ…第１のピストンリング溝 ３ｂ…第２のピストンリング溝 ３ｃ…第３のピストンリング溝 ４…ピストンスカート ５，４１…燃焼室 ５ａ，４１ａ…底面 ５ｂ，４１ｂ…側壁 ６ａ…外部傾斜面 ６ｂ…内部拡大面 ６ｃ…内部傾斜面 ７…内部空間 ８Ａ…ピストンリング ８Ｂ…ピストンリング ８Ｃ…ピストンリング ９…燃料噴射部 １，１０，２０，３０，４０…ピストン ６，１１，２１，３１…オイルギャラリー １１ａ，２１ｂ，３１ａ…外部傾斜面 ２１ａ，３１ｂ…外部垂直面 ２１ｃ…内部垂直面 ２１ｄ…内部傾斜面 Ａ…上部有効肉厚 Ｂ…下部有効肉厚 Ｃ…中心軸（ピストン中心軸） Ｅ…空間 Ｓ…シリンダー Ｖ１…仮想直線 Ｖ２…延長線 Ｗ…交点

Claims (3)

1. ピストン頂面に設けられた燃焼室と、前記燃焼室を囲むように形成されたオイルギャラリーと、を有するピストンであって、
   ピストンの摺動側面から前記オイルギャラリーまでの肉厚は、ピストン頂面側よりピストンスカート側が厚く形成され、
   前記オイルギャラリーは、前記ピストン頂面側から前記ピストンスカート側に向かうほどピストン中心軸に近づく外部傾斜面を有し、
   前記ピストン中心軸に沿った断面において、前記オイルギャラリーの前記ピストン中心軸の延在方向における長さをＬ、前記摺動側面から前記オイルギャラリーの前記ピストン頂面側までの最も薄い肉厚をＡ、前記オイルギャラリーの下端を通り前記ピストン中心軸に垂直な仮想直線Ｖ１と前記外部傾斜面に沿った延長線Ｖ２との交点をＷとした場合における前記摺動側面から交点Ｗまでの肉厚をＢとしたときに、（Ｂ−Ａ）／Ｌ≧０．０５を満たすことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記オイルギャラリーの内部側面は、前記燃焼室の側壁に沿うように形成されている、請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記燃焼室の側壁は、前記燃焼室の内側に突出するリップ部を有しており、
   前記オイルギャラリーの内部側面は、前記リップ部に向かって張り出す内部拡大面を有している、請求項２に記載の内燃機関のピストン。

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