JP6715614B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、ピストン頂部の裏面に対してオイルジェット装置から冷却用オイルを噴射してピストンを効果的に冷却するようにした内燃機関用ピストンに関する。

従来、エンジン等の内燃機関のピストンは、燃焼ガスの爆発ガス圧を受ける頂部と周囲にピストンリング溝を設けたランド部から形成されたピストンクラウン部と、ピストンピンを介してコンロッドの小端部に連結された一対のピンボス部と、ピストンの上下往復動をガイドする一対のスカート部とが形成されたものが知られている。このピストンクラウン部の頂部は、高温の燃焼ガスに曝されることが避けられず、エンジンの高出力化に伴いピストン温度の高温化が問題となってきている。特に、ピストンのフロント、リア側のピン軸方向（ピストンクラウン部のピンボス部付近）が高温となり、ピストンリング溝にアルミ凝着等の不具合が発生するという問題があった。

そのため、例えば特許文献１においては、ピストンを冷却するために、ピストン内部に環状のオイル通路（以下、クーリングチャンネルと呼ぶ）が設けられたピストン構造が知られている。このクーリングチャンネルには、オイル導入口及びオイル排出口が設けられている。このオイル導入口からクーリングチャンネル内にオイルを供給することで、ピストンが内部から冷却される。しかし、ピンボス部にオイル通路と連通するボス冷却通路を設けるため、クーリングチャンネルを形成するための十分な肉厚が必要となる。このため、特許文献１のピストン構造はピストンの軽量化を同時に実現することが難しく、形状が複雑でコストもかかるという不都合を有するものであった。

また、例えば、特許文献２においては、ピストン頂部の裏面に一対のスカート部間に亘って延在するオイル案内路が形成され、オイルジェット装置からオイル案内路の一端側に向けて噴射されたオイルがオイル案内路の他端側に向けて案内されると共に、オイル案内路の両脇に沿って、一対のスカート部を相互に連結するサイドウォール部側に向かうオイルの流れを規制する肉盛り部が形成されたピストンが提案されている。しかし、そのようなピストンにおいては、噴射されたオイルの必要量を案内路によって冷却を必要とする箇所に確実に導くことが困難で、冷却効率は必ずしも満足のいくものではなかった。

特表２００９−５２０９０１号公報 特開２００９−１９１７７９号公報

そこで、本発明は冷却オイルの必要量を冷却の必要箇所に確実に導いてピストン冷却を効率的に行い、軽量化を図ることができるピストンを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関用ピストンはかかる課題を解決するためになされたもので、頂部を有するピストンクラウン部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン孔をそれぞれ有する一対のピンボス部とを有し、ノズルを有するオイルジェット装置から前記頂部の裏面に向けて噴射された冷却用のオイルにより冷却されるピストンであって、前記頂部は、少なくとも一方の前記ピンボス部の近傍であって、前記頂部の内部に設けられた冷却空洞と、前記ノズルから噴射されるオイルを前記冷却空洞に導く前記頂部の裏面に設けられた入口開口部とを有し、前記頂部は、前記入口開口部より前記冷却空洞へ流入したオイルを前記ピンボス部または前記サイドウォール部の外側から排出させる側面開口部を前記裏面に有し、前記側面開口部は、前記入口開口部側の前記サイドウォール部近傍に設けられた第１側面開口部と、前記ピストンピンの軸方向に関して前記第１側面開口部に対称となる位置に設けられる第３側面開口部と、を有し、前記冷却空洞は、前記入口開口部から離れるにしたがって前記頂部の表面側に大きくなるように形成された内径を有することを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、頂部を有するピストンクラウン部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン孔をそれぞれ有する一対のピンボス部とを有し、ノズルを有するオイルジェット装置から前記頂部の裏面に向けて噴射された冷却用のオイルにより冷却されるピストンであって、前記頂部は、少なくとも一方の前記ピンボス部の近傍であって、前記頂部の内部に設けられた冷却空洞と、前記ノズルから噴射されるオイルを前記冷却空洞に導く前記頂部の裏面に設けられた入口開口部とを有し、前記頂部は、前記入口開口部より前記冷却空洞へ流入したオイルを排出させる出口開口部を前記裏面に有し、前記出口開口部は、前記ピストンピンの軸方向に関して前記入口開口部に対称となる位置に設けられ、前記冷却空洞は、前記入口開口部から離れるにしたがって前記頂部の表面側に大きくなるように形成された内径を有することを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、前記冷却空洞は、両方の前記ピンボス部の近傍に１個ずつ設けられたことを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、前記頂部は、前記冷却空洞の一端に突き当り部を有し、前記入口開口部および前記突き当り部は、前記冷却空洞の端部にそれぞれ設けられたことを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンは、前記頂部は、前記ノズルから噴射されたオイルを前記入口開口部に案内する溝を前記裏面に有することを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、前記頂部は、前記裏面において前記ノズルから噴射されるオイルが当る位置に突起を有し、前記突起は、当った前記オイルが前記冷却空洞に導かれるように、前記入口開口部に向かって低くなる傾斜面を有することを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、前記傾斜面は、前記裏面のうち前記ピンボス部間にオイルが導かれるように傾斜していることを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、前記ノズルは前記入口開口部の近傍に配置されたことを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関用ピストンにおいては、前記ピストンはガソリンエンジン用ピストンであることを特徴とする。

本発明によれば、効率的にピストンを冷却し、ピストンの熱負荷を低減することができ、ピストンの強度を保ちながら軽量化を図ることができる。

本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図。 本発明の第１実施形態のピストンを裏面から見た斜視図。 図４のIII-III線に沿うピストンの横断面図。 ピストン孔の軸方向に直交する方向に沿うピストンの縦断面図。 図４のV-V線に沿うピストンの横断面を示す斜視図。 本発明の第２実施形態のピストンの横断面図。 変形例としてのピストンの横断面図。 ピストン孔の軸方向に直交する方向に沿う変形例としてのピストンの縦断面図。

以下、本発明の第１および第２実施形態を添付図面に沿って説明するが、本発明は図示した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係るピストンをガソリンエンジンに適用されるピストンに適用して説明するが、ディーゼルエンジン、ＬＰＧエンジン、メタノールエンジン、水素エンジンなどあらゆるエンジンに適用できる。

［第１実施形態］
図１は、本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。このピストン３は、ガソリンエンジンに適用されるピストンである。この内燃機関では、シリンダブロック１に円筒状のシリンダボア２が形成され、このシリンダボア２の内側にピストン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の上端が連結されている。コネクティングロッド５の下端は、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。

シリンダブロック１の図示下側に設けられたクランクケース８とシリンダブロック１の下部により、クランクシャフト７を収容するクランク室９が形成されている。クランク室９側に位置するシリンダボア２の下端近傍には、ピストン３を冷却するためのオイルを噴射するオイルジェット装置１１が備えられている。このオイルジェット装置１１は、先端を上方に向けたノズル１２を備え、図示下方からピストン３に向けてオイルを噴射する。

図２は、本発明の第１実施形態のピストン３を裏面から見た斜視図である。

ピストン３は、ピストンクラウン部２４と、一対のスカート部２５ａ、２５ｂと、一対のピンボス部２６ａ、２６ｂと、サイドウォール部２８ａ、２８ｂとを有している。

ピストンクラウン部２４は、頂部２１と、ピストンリング溝２２を有するランド部２３とを有している。また、ピストンクラウン部２４は、後述する冷却空洞２９（図３参照）を有している。スカート部２５ａ、２５ｂ（以下、特に区別しない場合は、単にスカート部２５という。以下同様。）は、ピストンクラウン部２４の外周縁から立ち上がり延びている。ピンボス部２６ａ、２６ｂ（ピンボス部２６）は、面方向がスカート部２５ａ、２５ｂとほぼ直交するように頂部２１の裏面側に設けられている。以後、スカート部２５とサイドウォール部２８とで形成される空間より内側に位置する頂部２１の裏面を「裏面３０ａ」とし、上記空間よりも外側に位置する頂部２１の裏面を「裏面３０ｂ」とする。ピンボス部２６ａ、２６ｂは、ピストンピン４が挿入されるピストンピン孔２７ａ、２７ｂ（ピストンピン孔２７）を有している。サイドウォール部２８ａ、２８ｂ（サイドウォール部２８）は、ピストンピン孔２７ａ、２７ｂ（ピストンピン４）の中心軸方向と交差する交差方向に延び、ピンボス部２６ａ、２６ｂとスカート部２５ａ、２５ｂの端部をそれぞれ連結する。

次に、ピストンクラウン部２４に設けられた冷却空洞２９について説明する。

図３は、図４のIII-III線に沿うピストン３の横断面図である。図４は、ピストンピン孔２７の軸方向に直交する方向に沿うピストン３の縦断面図である。図５は、図４のV-V線に沿うピストン３の横断面を示す斜視図である。

冷却空洞２９ａ、２９ｂ（冷却空洞２９）は、ピストンクラウン部２４の外周縁に沿うように頂部２１の内部に形成された円弧形状の空洞である。冷却空洞２９は、両方のピンボス部２６（およびサイドウォール部２８）の近傍に設けられている。冷却空洞２９は、各ピンボス部２６の外周を囲うようにスカート部２５間に（スカート部２５ａ、２５ｂが設けられていない位置に）形成されている。冷却空洞２９は、塩中子を用いて形成されるのが好ましいが特に限定されない。

第１実施形態においては、冷却空洞２９ａ、２９ｂはピンボス部２６a、２６ｂに沿って２個設けられているが、一方のみ設けられてもよい。

ピストンクラウン部２４（頂部２１）は裏面３０ａに、入口開口部３５ａ、３５ｂと、突き当り部３６ａ、３６ｂと、第１〜第３側面開口部３７ａ〜３９ａ、３７ｂ〜３９ｂと、溝４０とを有する。

入口開口部３５ａ、３５ｂ（入口開口部３５）は、オイルジェット装置１１のノズル１２から噴射されるオイルを冷却空洞２９に導き、流入させる。入口開口部３５は、頂部２１の裏面３０ａに設けられ、各冷却空洞２９の一端であってサイドウォール部２８の内側に設けられる。入口開口部３５ａ、３５ｂは、ノズル１２から噴射されたオイルが当る位置を中心にして対称の位置に配置されるのが好ましい。突き当り部３６ａ、３６ｂ（突き当り部３６）は、冷却空洞２９の他端であって、サイドウォール部２８の内側に設けられる。

冷却空洞２９の内径は、入口開口部３５から突き当り部３６に向けて大きくなるように形成されている。具体的には、頂部２１の表面側に向って、径が大きくなる（表面側に向って傾斜する）ように形成されている。冷却空洞２９の径を大きくすることにより、オイルが流れる面は勾配を有する。これにより、オイルは冷却空洞２９全体にスムーズに流れる。また、なるべく多くのオイルが冷却空洞２９内に流入され、ピストン３は効果的に冷却される。

第１〜第３側面開口部３７ａ〜３９ａ、３７ｂ〜３９ｂ（第１〜第３側面開口部３７〜３９）は、入口開口部３５より各冷却空洞２９へ流入したオイルをピンボス部２６またはサイドウォール部２８の外側から排出させる。第１〜第３側面開口部３７〜３９は、裏面３０ｂに設けられる。

第１側面開口部３７は、入口開口部３５側のサイドウォール部２８近傍に設けられる。第２側面開口部３８は、ピンボス部２６近傍に設けられる。第３側面開口部３９は、突き当り部３６側のサイドウォール部２８近傍に設けられる。溝４０は、裏面３０ａに設けられ、ノズル１２から噴射されたオイルを各入口開口部３５に案内する。溝４０の両端部は、それぞれ入口開口部３５ａと入口開口部３５ｂとに接続されている。

次に、第１実施形態におけるピストン３の作用について説明する。

オイルジェット装置１１は、溝４０の長さ方向ほぼ中央（頂部２１の裏面３０ａ）に向けて冷却用のオイルをノズル１２より噴射する。なお、設計上は上記ほぼ中央に向けてオイルは噴射されるが、実際にはいずれかの入口開口部３５側に偏って噴射される場合もある。溝４０に当ったオイルは、溝４０に案内され分岐し、各入口開口部３５より冷却空洞２９に流入する。また、溝４０からあふれたオイルは、裏面３０ａを通ってスカート部２５ａ側からスカート部２５ｂ側へ流れ、頂部２１を冷却する。

冷却空洞２９に流入したオイルは、ピストンの摺動に伴う慣性力を受けながら冷却空洞２９を伝い、ピストンクラウン部２４の内部からピンボス部２６の周囲を効率的に冷却する。オイルの一部は、突き当り部３６まで流れる。突き当り部３６まで流れたオイルおよびオイルの他部は、第１〜第３側面開口部３７〜３９や入口開口部３５より排出される。第１および第３側面開口部３７、３９から排出されたオイルは、サイドウォール部２８や、ピンボス部２６の側壁を流れ、これらを冷却する。また、第２側面開口部３８から排出されたオイルは、ピストンピン孔２７周縁近傍を流れ、これらを冷却する。

このような第１実施形態におけるピストン３は、ピストンクラウン部２４内に冷却空洞２９を設けることにより、ピンボス部２６の周囲を効率的に冷却することができる。また、冷却空洞２９は、ピストンリング溝２２近傍を効率的に冷却するため、ピストンリング溝２２に対するアルミ凝着を抑制することもできる。このような第１実施形態におけるピストン３は、冷却効率の向上に伴いピストン３に発生する不具合を防止することができ、ひいてはエンジン性能を向上させることができる。

また、通常、ディーゼルエンジン用ピストンと比べて、ピストンクラウン部２４（ランド部２３）の肉厚が大きくはないガソリンエンジン用ピストンであっても、冷却空洞２９が空間効率よく配置されたことで、使用時における所要の強度を確保したまま、軽量化を実現することができる。また、ピストン３は３個の第１〜第３側面開口部３７〜３９を有するため、大幅な軽量化が達成できる。

なお、ピストンクラウン部２４は、１個、２個、または３個より多い側面開口部を有していてもよい。また、ピストンクラウン部２４は、側面開口部３７〜３９を有していなくてもよい。この場合、入口開口部３５より流入したオイルは、冷却空洞２９内で冷却した後、入口開口部３５より排出されるが、オイルの冷却効果を考慮すると側面開口部または後述する出口開口部６１を設けるのが好ましい。

［第２実施形態］
本発明の内燃機関用ピストンの第２実施形態について説明する。

図６は、本発明の第２実施形態のピストン５０の横断面図であり、図３に対応する図である。第２実施形態におけるピストン５０が第１実施形態のピストン３と異なる点は、頂部２１の裏面３０ａに、溝４０に代えて突起５１が設けられた点である。ピストン５０のその他の構成については、第１実施形態のピストン３とほぼ同一であるため、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

ピストンクラウン部２４の頂部２１は、裏面３０ａにおいてオイルジェット装置１１のノズル１２から噴射されるオイルが当る位置に突起５１を有する。突起５１は、当ったオイルが冷却空洞２９に導かれるように、各入口開口部３５ａ、３５ｂに対するほぼ中心が最も高く、各入口開口部３５ａ、３５ｂに向かって低くなるように傾斜面５２ａ、５２ｂ（傾斜面５２）を有している。また、この傾斜面５２は、裏面３０ａのうちピンボス部２６間にオイルが導かれるように、スカート部２５ａ側からスカート部２５ｂ側に向かって低くなるように傾斜している。

次に、第２実施形態におけるピストン５０の作用について説明する。なお、第１実施形態と異なる点のみ説明し、重複する説明を省略する。

オイルジェット装置１１は、突起５１に向けてオイルをノズル１２より噴射する。オイルは、突起５１の傾斜面５２に案内されて分岐し、各入口開口部３５より各冷却空洞２９に流入する。流入したオイルは、ピストンの摺動に伴う慣性力を受けながら冷却空洞２９を伝い、ピストンクラウン部２４の内部からピンボス部２６の周囲を効率的に冷却する。また、オイルは、傾斜面５２に案内されてピンボス部２６間の裏面３０ａに向って流れることにより、頂部２１の全体を冷却する。

このような第２実施形態におけるピストン５０は、突起５１の傾斜面５２により冷却空洞２９に好適にオイルを導くことができる。また、傾斜面５２はスカート部２５ｂに向けてさらに傾斜しているため、ピンボス部２６間の裏面３０ａの冷却も確実に行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１および第２実施形態のピストン３、５０は、冷却空洞２９の突き当り部３６に代えて、出口開口部６１ａ、６１ｂを有してもよい。

図７は、変形例としてのピストン６０の横断面図であり、図３、図６に対応する図である。図８は、ピストンピン孔２７の軸方向に直交する方向に沿うピストン６０の縦断面図である。

このピストン６０は、一例として第２実施形態のピストン５０の変形例として説明する。第１および第２実施形態のピストン３、５０と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

出口開口部６１ａ、６１ｂ（出口開口部６１）は、入口開口部３５から冷却空洞２９へ流入したオイルを排出させる。出口開口部６１は、ピストンピン４の軸方向に関して入口開口部３５に対称となる位置に設けられる。すなわち、出口開口部６１は、冷却空洞２９の他端であって、サイドウォール部２８の内側に設けられる。出口開口部６１を設けた場合、第１〜第３側面開口部３７〜３９は省略してもよい。

また、冷却空洞２９の形状は円弧形状に限定されるものではなく、ピンボス部２６を中心にピストンを効果的に冷却できる形状であれば特に限定されるものではない。

さらに、入口開口部３５は、スラスト側または反スラスト側のいずれに設けられていてもよい。

１ シリンダブロック
２ シリンダボア
３、５０、６０ ピストン
４ ピストンピン
５ コネクティングロッド
６ クランクピン
７ クランクシャフト
８ クランクケース
９ クランク室
１１ オイルジェット装置
１２ ノズル
２１ 頂部
２２ ピストンリング溝
２３ ランド部
２４ ピストンクラウン部
２５ａ、２５ｂ（２５） スカート部
２６ａ、２６ｂ（２６） ピンボス部
２７ａ、２７ｂ（２７） ピストンピン孔
２８ａ、２８ｂ（２８） サイドウォール部
２９ａ、２９ｂ（２９） 冷却空洞
３０ａ、３０ｂ 裏面
３５ａ、３５ｂ（３５） 入口開口部
３６ａ、３６ｂ（３６） 突き当り部
３７ａ〜３９ａ、３７ｂ〜３９ｂ（３７〜３９） 第１〜第３側面開口部
４０ 溝
５１ 突起
５２ａ、５２ｂ（５２） 傾斜面
６１ａ、６１ｂ（６１） 出口開口部

Claims (9)

1. 頂部を有するピストンクラウン部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン孔をそれぞれ有する一対のピンボス部とを有し、ノズルを有するオイルジェット装置から前記頂部の裏面に向けて噴射された冷却用のオイルにより冷却されるピストンであって、
   前記頂部は、少なくとも一方の前記ピンボス部の近傍であって、前記頂部の内部に設けられた冷却空洞と、前記ノズルから噴射されるオイルを前記冷却空洞に導く前記頂部の裏面に設けられた入口開口部とを有し、
   前記頂部は、前記入口開口部より前記冷却空洞へ流入したオイルを前記ピンボス部または前記サイドウォール部の外側から排出させる側面開口部を前記裏面に有し、
   前記側面開口部は、前記入口開口部側の前記サイドウォール部近傍に設けられた第１側面開口部と、前記ピストンピンの軸方向に関して前記第１側面開口部に対称となる位置に設けられる第３側面開口部と、を有し、
   前記冷却空洞は、前記入口開口部から離れるにしたがって前記頂部の表面側に大きくなるように形成された内径を有することを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 頂部を有するピストンクラウン部と、ピストンピンが挿入されるピストンピン孔をそれぞれ有する一対のピンボス部とを有し、ノズルを有するオイルジェット装置から前記頂部の裏面に向けて噴射された冷却用のオイルにより冷却されるピストンであって、
   前記頂部は、少なくとも一方の前記ピンボス部の近傍であって、前記頂部の内部に設けられた冷却空洞と、前記ノズルから噴射されるオイルを前記冷却空洞に導く前記頂部の裏面に設けられた入口開口部とを有し、
   前記頂部は、前記入口開口部より前記冷却空洞へ流入したオイルを排出させる出口開口部を前記裏面に有し、前記出口開口部は、前記ピストンピンの軸方向に関して前記入口開口部に対称となる位置に設けられ、
   前記冷却空洞は、前記入口開口部から離れるにしたがって前記頂部の表面側に大きくなるように形成された内径を有することを特徴とする内燃機関用ピストン。
3. 前記冷却空洞は、両方の前記ピンボス部の近傍に１個ずつ設けられた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. 前記頂部は、前記冷却空洞の一端に突き当り部を有し、
   前記入口開口部および前記突き当り部は、前記冷却空洞の端部にそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記頂部は、前記ノズルから噴射されたオイルを前記入口開口部に案内する溝を前記裏面に有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の内燃機関用ピストン。
6. 前記頂部は、前記裏面において前記ノズルから噴射されるオイルが当る位置に突起を有し、
   前記突起は、当った前記オイルが前記冷却空洞に導かれるように、前記入口開口部に向かって低くなる傾斜面を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の内燃機関用ピストン。
7. 前記傾斜面は、前記裏面のうち前記ピンボス部間にオイルが導かれるように傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用ピストン。
8. 前記ノズルは前記入口開口部の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の内燃機関用ピストン。
9. 前記ピストンはガソリンエンジン用ピストンであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の内燃機関用ピストン。

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