JP7806627B2 - 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。

特許文献１に示されるように、内燃機関のピストンは、燃焼室に面する冠部を備えている。内燃機関の駆動時には、ピストンがシリンダ内で往復動することに伴い、内燃機関の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程が繰り返される。

ピストンにおける冠部の外周面には、リング溝が周方向に延びるように形成されている。リング溝にはピストンリングが収容されている。このピストンリングは、内燃機関の燃焼室とクランク室との間をシールするために、内燃機関におけるシリンダの内周面と接している。冠部の内部には、クーリングチャネルが形成されている。このクーリングチャネルには、ピストンを冷却するための流体が流し込まれる。

ピストンの冠部には、第１通路が形成されている。第１通路は、冠部の外周面からクーリングチャネルまで延び、そのクーリングチャネル内で開口している。冠部には、クーリングチャネルを内燃機関のクランク室に対し開口させる開口部が形成されている。この開口部の内部は第２通路となっている。第２通路は、クーリングチャネル内で開口するとともに、内燃機関のクランク室に繋がっている。

内燃機関は、クランク室からピストンの冠部に向けてオイルを吐出するオイルジェットを備えている。オイルジェットから吐出されたオイルは、冠部の第２通路を介してクーリングチャネルに流し込まれることによってピストンを冷却する。更に、クーリングチャネル内のオイルは、第１通路を介して冠部の外周面とシリンダの内周面との間に供給される。このオイルによってピストンリングとシリンダの内周面との間の潤滑が行われる。

特開２０１１－３８４１４号公報

ところで、内燃機関の燃料には、水素など燃焼時に多くの水が生成されるものがある。こうした燃料を用いる場合、燃焼室内での燃料の燃焼に伴って生成される水を、ピストンの冷却に利用することが考えられる。詳しくは、オイルジェットによる第２通路を介してのクーリングチャネルへのオイルの供給をやめることにより、燃焼室内での燃料の燃焼時に生成された水が、ピストンの往復動の際に第１通路を介してクーリングチャネルに流し込まれるようにする。

しかし、特許文献１のピストンでは、第１通路からクーリングチャネルに流し込まれた水は、冠部における第２通路の形成位置によっては、すぐに第２通路からクランク室に流れ出すことになる。このため、クーリングチャネル内に上記水を保持することが難しくなる。その結果、クーリングチャネル内の水によってピストンを効率よく冷却することができなくなる。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する内燃機関のピストンは、内燃機関の燃焼室に面する冠部を備える。冠部の内部にはクーリングチャネル、第１通路、及び第２通路が形成されている。第１通路は、冠部の外周面からクーリングチャネルまで延び、そのクーリングチャネルに対して開口する。第２通路は、クーリングチャネルに対して開口するとともに内燃機関のクランク室に対して開口している。上記第２通路は、クーリングチャネルに開口する入口と、クランク室に開口する出口とを有している。上記第２通路の入口と出口との少なくとも一方は、クーリングチャネルに対する第１通路の開口よりも上にあるものとされる。

上記構成によれば、燃焼室内での燃料の燃焼に伴って生成される水が、第１通路を介してクーリングチャネルに流し込まれる。第２通路の入口と出口との少なくとも一方がクーリングチャネルに対する第１通路の開口よりも上にあるため、クーリングチャネル内に流し込まれた水が、すぐに第２通路を介して内燃機関のクランク室に流れ出すことは抑制される。このため、その水をクーリングチャネル内に保持することができる。水はオイルよりも比熱が大きいため、ピストンを上記水によって効率よく冷却することができる。

上記内燃機関としては、クランク室からピストンの冠部に向けてオイルを吐出するオイルジェットを備えるものがある。そして、上記内燃機関のピストンにおいて、第２通路における出口の上記クランク室に対する開口方向は、オイルジェットからのオイルの吐出方向とは対向しない方向とすることが考えられる。

上記構成によれば、オイルジェットから吐出されたオイルが第２通路を介してクーリングチャネルに入り込むことを抑制できる。このため、クーリングチャネル内に入り込んだオイルにより、クーリングチャネル内の水が第２通路を介してクランク室に流されることを抑制できる。クーリングチャネル内に入り込んだオイルによりクーリングチャネル内の水がクランク室に流されると、クーリングチャネル内には上記オイルが溜まる。オイルは水よりも比熱が小さいため、クーリングチャネル内に上記オイルが溜まると、ピストンの冷却性能が低下する。こうしたことを抑制できる。

上記内燃機関のピストンにおいて、前記第２通路における前記出口の前記クランク室に対する開口方向は、オイルジェットからのオイルの吐出方向に対し垂直になる方向とすることが考えられる。

この構成によれば、第２通路における出口のクランク室に対する開口方向がオイルジェットからのオイルの吐出方向に対し垂直になるため、そのオイルが第２通路を介してクーグリンチャネルに入り込むことを効果的に抑制できる。

上記内燃機関としては、クランク室からピストンの冠部に向けてオイルを吐出するオイルジェットを備えるものがある。そして、上記内燃機関のピストンにおいて、冠部におけるクーリングチャネルに対応する位置に、オイルジェットから吐出されたオイルが当たるようにすることが考えられる。

この構成によれば、冠部におけるクーリングチャネルに対応する位置に対しオイルジェットから吐出されたオイルが当たると、クーリングチャネル内の水が上記オイルによって冷却される。これにより、ピストンをクーリングチャネル内の水によって効果的に冷却することができる。このため、ピストンの冷却に必要な上記水の冷却を実現するに当たり、オイルジェットから吐出するオイルの量を少なく抑えることができる。その結果、オイルジェットからオイルを吐出するための内燃機関のエネルギ損失を小さく抑えることができ、オイルジェットからのオイルの吐出に伴う内燃機関の燃費悪化を抑制することができる。

上記内燃機関のピストンにおいて、冠部の外周面には燃焼室側からクランク室側に向けて複数のリング溝が間隔をおいて形成されており、複数のリング溝にはそれぞれ内燃機関におけるシリンダの内周面に接するピストンリングが収容されている。上記第１通路は、冠部の外周面とシリンダの内周面との間であって、燃焼室に最も近いピストンリングと同ピストンリングの隣に位置するピストンリングとの間の箇所で開口するものとすることが考えられる。

内燃機関における燃焼室内のガスが、冠部の外周面とシリンダの内周面との間であって、燃焼室に最も近いピストンリングと同ピストンリングの隣のピストンリングとの間の箇所に漏れると、その箇所の圧力が上昇するおそれがある。この場合、上記箇所の圧力が燃焼室内の圧力に近づくことにより、燃焼室に最も近いピストンリングに作用する上記圧力の差に基づく力が小さくなる。その結果、上記力によってリング溝の内壁に押さえ付けられる上記ピストンリングがリング溝内で動きやすくなるため、リング溝内における上記ピストンリングの姿勢が不安定になる。このようにピストンリングの姿勢が不安定になることによって、ピストンリング及びシリンダの内周面の摩耗したり、燃焼室からクランク室内に流れるブローバイガスの量が多くなったりする。

しかし、上記構成によれば、第１通路が上記箇所で開口しているため、第１通路の分、上記箇所の容積が拡大する。これにより、燃焼室内のガスが上記箇所に漏れたとしても、その箇所の圧力が上昇しにくくなるため、上記箇所の圧力が燃焼室内の圧力に近づきにくくなる。その結果、燃焼室に最も近いピストンリングに作用する上記圧力の差に基づく力が小さくなることを抑制でき、上記力が小さくなることによってリング溝内における上記ピストンリングの姿勢が不安定になることを抑制できる。従って、ピストンリングの姿勢が不安定になることに伴い、ピストンリング及びシリンダの内周面の摩耗したり、燃焼室からクランク室内に流れるブローバイガスの量が多くなったりすることを抑制できる。

内燃機関におけるピストン及びその周辺を示す略図である。 ピストンの温度とピストンの強度との関係を示すグラフである。 図１のピストンにおける一点鎖線で囲んだ箇所を示す断面図である。 図３のピストンにおけるトップリング及びリング溝を示す拡大断面図である。 ピストンの冠部に形成された第１通路の他の例を示す断面図である。 ピストンの冠部に形成された第１通路の他の例を示す断面図である。

以下、内燃機関のピストンの一実施形態について、図１～図４を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関のピストン１１は、内燃機関のシリンダ１２内に配置されている。ピストン１１は冠部１３を備えている。冠部１３は内燃機関の燃焼室１４に面している。内燃機関は、燃焼室１４内での燃料の燃焼によって駆動される。内燃機関の燃料としては、燃焼時に多くの水が生成されるもの、例えば水素が用いられる。内燃機関の駆動時には、ピストン１１が内燃機関のシリンダ１２内で往復動する。こうしたピストン１１の往復動に伴い、内燃機関の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程が繰り返される。内燃機関のクランク室１５には、クランク室１５側からピストン１１の冠部１３に向けて、矢印で示すようにオイルを吐出するオイルジェット２６が設けられている。

図２は、ピストン１１の温度とピストン１１の強度との関係を示している。図２から分かるように、ピストン１１の温度が低くなるほどピストン１１の強度が高くなる。例えば水素を燃料とした内燃機関では燃焼室１４内での燃料の異常燃焼が生じやすいことから、その異常燃焼時におけるピストン１１の耐久性を向上させることが望まれている。そして、燃料の異常燃焼時におけるピストン１１の耐久性を向上させるため、ピストン１１の温度を低く保つことによってピストン１１の強度を高めることが考えられている。

＜ピストン１１を冷却するための構造＞
図３は、図１のピストン１１における一点鎖線で囲んだ箇所の断面を拡大して示している。図３から分かるように、ピストン１１の冠部１３の外周面には、燃焼室１４側からクランク室１５側に向けて複数のリング溝１６～１８が間隔をおいて形成されている。リング溝１６にはトップリング１９が収容されており、リング溝１７にはセカンドリング２０が収容されており、リング溝１８にはオイルリング２１が収容されている。トップリング１９、セカンドリング２０、及びオイルリング２１は、内燃機関におけるシリンダ１２の内周面に接するピストンリングとして機能する。これらピストンリングは、燃焼室１４側からクランク室１５に向けて、トップリング１９、セカンドリング２０、オイルリング２１の順に位置している。

ピストン１１の冠部１３の内部には、クーリングチャネル２２、第１通路２３、及び第２通路２４が形成されている。クーリングチャネル２２は、ピストン１１の中心線周りに円環状に延びる空間であり、ピストン１１を冷却するための流体が流し込まれるものである。冠部１３におけるクーリングチャネル２２に対応する位置には、オイルジェット２６（図１）から吐出されたオイルが当たる。

第１通路２３は、冠部１３の外周面からクーリングチャネル２２まで延び、そのクーリングチャネル２２内で開口している。詳しくは、第１通路２３は、リング溝１７内におけるトップリング１９寄りの位置で開口している。これにより、第１通路２３は、冠部１３の外周面とシリンダ１２の内周面との間であって、燃焼室１４に最も近いピストンリングであるトップリング１９と、同トップリング１９の隣に位置するピストンリングであるセカンドリング２０との間の箇所で開口する。

第２通路２４は、クーリングチャネル２２内で開口するとともにクランク室１５に繋がっている。第２通路２４は、クーリングチャネル２２に接続される入口２４ａと、クランク室１５に繋がる出口２４ｂとを有している。そして、第２通路２４の入口２４ａと出口２４ｂとの少なくとも一方が、クーリングチャネル２２に対する第１通路２３の開口よりも上、すなわち燃焼室１４寄りに位置している。この例では、第２通路２４の入口２４ａと出口２４ｂとの両方が、第１通路２３の開口よりも上に位置している。

第２通路２４における出口２４ｂのクランク室１５に対する開口方向は、オイルジェット２６からのオイルの吐出方向、すなわち図１の矢印方向とは対向しない方向とされている。より詳しくは、第２通路２４における出口２４ｂのクランク室１５に対する開口方向は、オイルジェット２６からのオイルの吐出方向に対し垂直になる方向とされている。

内燃機関の駆動時には、燃焼室１４での燃料の燃焼に伴って水が生成される。こうして生成された水は水蒸気となっている。この水蒸気は、ピストン１１が往復動する際、トップリング１９とシリンダ１２の内周面との間を介して、ピストン１１における冠部１３の外周面とシリンダ１２の内周面との間であってトップリング１９とセカンドリング２０との間の箇所に入り込む。

また、燃焼室１４内の上記水蒸気は、トップリング１９とリング溝１６との隅間を介して、上記箇所に入り込むようにもなる。上記箇所に入り込んだ水蒸気は、第１通路２３を介してクーリングチャネル２２に流し込まれる。クーリングチャネル２２内では上記水蒸気が水となって溜まる。この水によってピストン１１が冷却される。クーリングチャネル２２内の水については、第２通路２４を介して、内燃機関のクランク室１５に排出することが可能である。このため、クーリングチャネル２２内に溜まった水が過多になることはない。

次に、本実施形態における内燃機関のピストンの作用効果について説明する。
（１）ピストン１１の冠部１３における第２通路２４の入口２４ａと出口２４ｂとの両方がクーリングチャネル２２に対する第１通路２３の開口よりも上にある。このため、クーリングチャネル２２内に流し込まれた水が、すぐに第２通路２４を介して内燃機関のクランク室１５に流れ出すことは抑制される。このようにクーリングチャネル２２内に溜まった水は第２通路２４を介してクランク室１５に流れにくくなるため、その水をクーリングチャネル２２内に保持することができる。水はオイルよりも比熱が大きいため、ピストン１１を上記水によって効率よく冷却することができる。

（２）第２通路２４における出口２４ｂのクランク室１５に対する開口方向は、オイルジェット２６からのオイルの吐出方向とは対向しない方向、より詳しくはオイルの吐出方向に対し垂直になる方向とされている。これにより、オイルジェット２６から吐出されたオイルが第２通路２４を介してクーリングチャネル２２に入り込むことを抑制できる。従って、クーリングチャネル２２内に入り込んだオイルにより、クーリングチャネル２２内の水が第２通路２４を介してクランク室１５に流されることを抑制できる。クーリングチャネル２２内に入り込んだオイルによりクーリングチャネル２２内の水がクランク室１５に流されると、クーリングチャネル２２内には上記オイルが溜まる。オイルは水よりも比熱が小さいため、クーリングチャネル２２内に上記オイルが溜まると、ピストン１１の冷却性能が低下する。こうしたことを抑制できる。

（３）ピストン１１の冠部１３におけるクーリングチャネル２２に対応する位置には、オイルジェット２６から吐出されたオイルが当たる。そして、第１通路２３からクーリングチャネル２２内に流れた水蒸気が上記オイルによって冷却されて効率よく水になる。更に、クーリングチャネル２２内の水が上記オイルによって冷却される。これにより、ピストン１１をクーリングチャネル２２内の水によって効果的に冷却することができる。このため、ピストン１１の冷却に必要な上記水の冷却を実現するに当たり、オイルジェット２６から吐出するオイルの量を少なく抑えることができる。その結果、オイルジェット２６からオイルを吐出するための内燃機関のエネルギ損失を小さく抑えることができ、オイルジェット２６からのオイルの吐出に伴う内燃機関の燃費悪化を抑制することができる。

（４）内燃機関における燃焼室１４内のガスが、ピストン１１における冠部１３の外周面とシリンダ１２の内周面との間であって、トップリング１９とセカンドリング２０との間の箇所に漏れると、その箇所の圧力が上昇するおそれがある。この場合、上記箇所の圧力が燃焼室１４内の圧力に近づくことにより、トップリング１９に作用する上記圧力の差に基づく力が小さくなる。その結果、上記力によってリング溝１６の内壁に押さえ付けられるトップリング１９がリング溝１６内で動きやすくなるため、リング溝１６内におけるトップリング１９の姿勢が図４に示すように不安定になる。このようにトップリング１９の姿勢が不安定になることによって、トップリング１９及びシリンダ１２の内周面の摩耗したり、燃焼室１４からクランク室１５内に流れるブローバイガスの量が多くなったりする。

しかし、ピストン１１の冠部１３に形成された第１通路２３は、ピストン１１における冠部１３の外周面とシリンダ１２の内周面との間であって、トップリング１９とセカンドリング２０との間の箇所で開口している。このため、第１通路２３の分、上記箇所の容積が拡大する。これにより、燃焼室１４内のガスが上記箇所に漏れたとしても、その箇所の圧力が上昇しにくくなるため、上記箇所の圧力が燃焼室１４内の圧力に近づきにくくなる。その結果、トップリング１９に作用する上記圧力の差に基づく力が小さくなることを抑制でき、上記力が小さくなることによってリング溝１６内におけるトップリング１９の姿勢が不安定になることを抑制できる。従って、トップリング１９の姿勢が不安定になることに伴い、トップリング１９及びシリンダ１２の内周面の摩耗したり、燃焼室１４からクランク室１５内に流れるブローバイガスの量が多くなったりすることを抑制できる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図５に示すように、第１通路２３は、ピストン１１の中心線の延びる方向においてリング溝１７内の中央で開口していてもよい。これにより、第１通路２３は、冠部１３の外周面とシリンダ１２の内周面との間であって、燃焼室１４に最も近いピストンリングであるトップリング１９と、同トップリング１９の隣に位置するピストンリングであるセカンドリング２０との間の箇所で開口する。

・図６に示すように、第１通路２３は、冠部１３の外周面におけるリング溝１６とリング溝１７との間の箇所で開口していてもよい。これにより、第１通路２３は、冠部１３の外周面とシリンダ１２の内周面との間であって、燃焼室１４に最も近いピストンリングであるトップリング１９と、同トップリング１９の隣に位置するピストンリングであるセカンドリング２０との間の箇所で開口する。

・必ずしもピストン１１の冠部１３におけるクーリングチャネル２２に対応する位置に、オイルジェット２６から吐出されたオイルが当たるようにする必要はない。
・第２通路２４における出口２４ｂのクランク室１５に対する開口方向は、必ずしもオイルジェット２６からのオイルの吐出方向に対し垂直になる方向である必要はない。

・第２通路２４の入口２４ａと出口２４ｂとのうち、入口２４ａのみがクーリングチャネル２２に対する第１通路２３の開口よりも上にあるようにしてもよい。
・第２通路２４の入口２４ａと出口２４ｂとのうち、出口２４ｂのみがクーリングチャネル２２に対する第１通路２３の開口よりも上にあるようにしてもよい。

・内燃機関の燃料として水素を例示したが、燃料の燃焼時に多くの水が生成される他の燃料を用いてもよい。

１１…ピストン
１２…シリンダ
１３…冠部
１４…燃焼室
１５…クランク室
１６…リング溝
１７…リング溝
１８…リング溝
１９…トップリング
２０…セカンドリング
２１…オイルリング
２２…クーリングチャネル
２３…第１通路
２４…第２通路
２４ａ…入口
２４ｂ…出口
２６…オイルジェット

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室に面する冠部を備え、
   前記冠部の内部にはクーリングチャネル、第１通路、及び第２通路が形成されており、
   前記第１通路は、前記冠部の外周面から前記クーリングチャネルまで延び、そのクーリングチャネルに対して開口し、
   前記第２通路は、前記クーリングチャネルに対して開口するとともに内燃機関のクランク室に対して開口している内燃機関のピストンにおいて、
   前記第２通路は、前記クーリングチャネルに開口する入口と、前記クランク室に開口する出口とを有しており、
   前記第２通路の入口と出口との少なくとも一方が、前記クーリングチャネルに対する前記第１通路の開口よりも上にあり、
   前記冠部の外周面には前記燃焼室側から前記クランク室側に向けて複数のリング溝が間隔をおいて形成されており、
   複数の前記リング溝にはそれぞれ内燃機関におけるシリンダの内周面に接するピストンリングが収容されており、
   前記第１通路は、前記冠部の外周面と前記シリンダの内周面との間であって、前記燃焼室に最も近いピストンリングと同ピストンリングの隣に位置するピストンリングとの間の箇所で開口するものである内燃機関のピストン。
2. 前記内燃機関は、前記クランク室から前記冠部に向けてオイルを吐出するオイルジェットを備えており、
   前記第２通路における前記出口の前記クランク室に対する開口方向は、前記オイルジェットからのオイルの吐出方向とは対向しない方向とされている請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記第２通路における前記出口の前記クランク室に対する開口方向は、前記オイルジェットからのオイルの吐出方向に対し垂直になる方向とされている請求項２に記載の内燃機関のピストン。
4. 前記内燃機関は、前記クランク室から前記冠部に向けてオイルを吐出するオイルジェットを備えており、
   前記冠部における前記クーリングチャネルに対応する位置に、前記オイルジェットから吐出されたオイルが当たる請求項１に記載の内燃機関のピストン。