JPH06341346A - 内燃機関のピストン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピストンの冷却性を高める。 【構成】 ピストンリングが介装されるランド部１５
と、ランド部１５の下方に連なりピストン１の姿勢を保
つスカート部１６と、ランド部１５とスカート部１６の
間で凹状に窪む周溝３５と、周溝３５からピストン１の
軸方向に対して傾斜して隆起する冷却フィン３０とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のピストン装
置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関に備えられるピストンは、その
頂部で燃焼室を画成し、燃焼室に発生する燃焼圧力をコ
ンロッドを介してクランクシャフトに伝え、機関部品の
なかでも最も過酷な条件にある。ピストンはその小型化
に伴ってシリンダへの放熱量が減少するため、その冷却
性を高めることが要求される。

【０００３】従来の内燃機関は、例えば図９に示すよう
に、ピストン１はシリンダ２に摺動自在に収装され、燃
焼室３で燃焼するガス圧力を受けてシリンダ２内で往復
動し、ピストンピン４およびコンロッド５を介して図示
しないクランクシャフトの回転力に変換する。ピストン
１との間で燃焼室３を画成するシリンダヘッド６には吸
気ポート７および排気ポート８が形成され、それぞれを
開閉する吸気弁９および排気弁１０が設けられる。

【０００４】ピストン１は燃焼室３を画成する頂部１１
と、３本のリング溝１２，１３，１４が形成されたラン
ド部１５と、ランド部１５の下方に連なりピストン１の
姿勢を保つスカート部１６を有している。

【０００５】燃焼室３に近い各リング溝１２，１３には
コンプレッションリング２２，２３が介装され、クラン
ク室１７に近いリング溝１４にはオイルリング２４が介
装される。２本のコンプレッションリング２２，２３が
ピストン１とシリンダ２の隙間を塞ぐ働きをする一方、
オイルリング２４がシリンダ２に必要以上供給された潤
滑油を除き、コンプレッションリング２２，２３のため
に適正な潤滑油膜を調節する働きをする。

【０００６】シリンダ２の周囲にはウォータジャケット
１８が形成され、このウォータジャケット１８を循環す
るエンジン冷却水によってシリンダ２の熱が持ち去られ
る。

【０００７】ピストン１はその頂部１１が高温の燃焼ガ
スにさらされるが、この頂部１１に受ける熱は、図中矢
印で示すように、ランド部１５から各コンプレッション
リング２２，２３およびオイルリング２４を経てシリン
ダ２に伝導するとともに、スカート部１６からシリンダ
２に伝導し、シリンダ２を経てウォータジャケット１８
を循環するエンジン冷却水によって持ち去られる放熱経
路と、ピストンピン４を介してコンロッド５へ逃げる放
熱経路と、ピストン１とシリンダ２の間に供給される潤
滑油によって持ち去られる放熱経路があり、これらの放
熱経路を介してピストン１の冷却が行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の自動
車用エンジンに対する要求の一つとして、リング溝１２
より上方に設けられるトップランド３１とシリンダ２の
間に挟まれるクレビスの容積を小さくして、燃焼室にお
けるクエンチ域を減らし、エンジンにおける未燃焼ガス
の排出量を低減するとともに、燃費の改善をはかること
がある。

【０００９】また、各リング２２，２３，２４の幅を縮
小したり、中間に設けられるコンプレッションリング２
３を廃止して、ランド部１５の小型化がはかられる傾向
がある。

【００１０】しかしながら、このようにランド部１５の
小型化がはかられると、ランド部１５から各リング２
２，２３，２４を介してシリンダ２に逃げる放熱量が減
少し、ピストン１の冷却性が悪化するという問題点が考
えられる。

【００１１】この対策として、ピストン１の背面１９に
向けて潤滑油を噴射するオイルジェット設け、ピストン
１の熱を潤滑油によって持ち去る構造があったが、この
場合、オイルポンプの大容量化を招いたり、製品のコス
トアップを招く等の問題点が考えられる(実開昭６３−
１１９８２１号公報、参照)。

【００１２】本発明は上記の問題点に着目し、ピストン
の冷却性を高めることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
ピストンリングが介装されるランド部と、ランド部の下
方に連なりピストンの姿勢を保つスカート部と、ランド
部とスカート部の間で凹状に窪む周溝と、周溝からピス
トンの軸方向に対して傾斜して隆起する冷却フィンとを
備える。

【００１４】請求項２記載の発明は、冷却フィンの突出
高さを、ランド部の下端とスカート部の上端を直線状に
結ぶ包絡線より低く設定する。

【００１５】請求項３記載の発明は、複数の冷却フィン
をピストンの軸方向に対して傾斜して形成し、隣り合う
冷却フィンの上端部を互いに接続するとともに、隣り合
う冷却フィンの下端部の間に開口部を形成する。

【００１６】請求項４記載の発明は、複数の冷却フィン
をピストンの軸方向に対して傾斜して形成し、各冷却フ
ィンの上端部の近傍に位置して周溝とピストンの裏側を
連通するドレーン穴を形成する。

【００１７】

【作用】請求項１記載の発明において、ピストンはその
頂部が高温の燃焼ガスにさらされるが、この頂部に受け
る熱はランド部に介装されたピストンリングまたはスカ
ート部からシリンダへと逃げる放熱経路と、ピストンピ
ンを介してコンロッドへ逃げる放熱経路と、ピストンと
シリンダ壁面の間に供給される潤滑油によって持ち去ら
れる放熱経路がある。

【００１８】ランド部とスカート部の間にピストンの軸
方向に対して傾斜して隆起する冷却フィンが突出形成さ
れることにより、ピストンとシリンダ壁面の間に供給さ
れる潤滑油に対するピストンの表面積が増大し、上記潤
滑油によって持ち去られるピストンの放熱量が増える。

【００１９】この結果、ランド部の小型化がはかられ
て、ランド部からシリンダ壁面への放熱量が減少して
も、冷却フィンを介して潤滑油によって持ち去られるピ
ストンの放熱量がそれを補い、ピストンの冷却性が十分
に確保される。

【００２０】請求項２記載の発明において、冷却フィン
の突出高さを、ランド部の下端とスカート部の上端を直
線状に結ぶ包絡線より低く設定することにより、冷却フ
ィンがシリンダ壁面に接触することがなく、ピストンの
シリンダ壁面に対する接触面積を増大させることなく、
フリクションの増大が抑えられる。

【００２１】請求項３記載の発明において、複数の冷却
フィンをピストンの軸方向に対して傾斜して形成するこ
とにより、潤滑油はピストンのシリンダに対する摺動に
伴って冷却フィンに沿って移動する。

【００２２】隣り合う冷却フィンの上端部を互いに接続
することにより、ピストンの下降時に、スカート部とシ
リンダ壁面の間に介在する潤滑油の多くは冷却フィンに
よって開口部から遠ざかる方向に集められ、シリンダ壁
面に供給される潤滑油量が過剰になることを防止し、燃
焼室に持ち去られる潤滑油の消費量を低減するととも
に、ピストンのフリクションを低減できる。

【００２３】隣り合う冷却フィンの下端部の間に開口部
を形成することにより、ピストンの上昇時に、潤滑油は
冷却フィンによって開口部に集められ、開口部を通って
冷却フィンの下方に排出される。ピストンの下降時に、
潤滑油の一部は開口部からランド部へと供給され、ピス
トンリングを介してシリンダ壁面に適正な潤滑油膜を形
成することにより、シリンダ壁面に油膜が切れてスカッ
フ現象を起こすことを防止できる。

【００２４】請求項４記載の発明において、冷却フィン
の上端部の近傍に位置して周溝とピストンの裏側を連通
するドレーン穴を形成することにより、ピストンの下降
時に、スカート部とシリンダ壁面の間に介在する潤滑油
の多くは冷却フィンによってドレーン穴の方向に集めら
れる。各冷却フィンによって集められた潤滑油はドレー
ン穴を通ってピストンの裏側に排出される。ドレーン穴
の数または開口径を任意に設定することにより、冷却フ
ィンを介してシリンダ壁面に供給される潤滑油量を適正
にし、燃焼室に持ち去られる潤滑油の消費量を低減する
とともに、ピストンのフリクションを低減できる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。なお、図９との対応部分には同一符号を付し
て示すことにする。

【００２６】図１に示すように、ピストン１は燃焼室３
を画成する頂部１１と、３本のリング溝１２，１３，１
４が形成されたランド部１５と、ランド部１５の下方に
連なりピストン１の姿勢を保つ働きをするスカート部１
６を有する。

【００２７】各リング溝１２，１３，１４は、ピストン
頂部１１から連なるトップランド３１、セカンドランド
３２、サードランド３３、フォースランド３４の間にそ
れぞれ形成される。ピストン１は各リング溝１２，１
３，１４の開口幅を可能な限り小さく形成して、ランド
部１５の小型化がはかられている。

【００２８】燃焼室に近い各リング溝１２，１３にはコ
ンプレッションリングが介装され、クランク室に近いリ
ング溝１４にはオイルリングが介装される。各コンプレ
ッションリングがピストン１とシリンダの隙間を塞ぐ働
きをする一方、オイルリングがシリンダ壁面に形成され
る潤滑油膜を調節する働きをする。

【００２９】ランド部１５とスカート部１６の間に複数
の冷却フィン３０が突出形成され、ピストン１の冷却性
を高めるとともに、シリンダ壁面に必要以上に供給され
た潤滑油を除き、適正な潤滑油膜を調節する。冷却フィ
ン３０はピストン１の鋳造時に一体成型により形成され
る。

【００３０】図３にも示すように、フォースランド３４
とスカート部１６の間に凹状に窪む周溝３５が形成さ
れ、冷却フィン３０はこの周溝３５からフィン状に隆起
して形成される。冷却フィン３０の先端部３６は、フォ
ースランド３４の下端とスカート部１６の上端を直線状
に結ぶ包絡線Ｓより所定距離だけ低く形成され、シリン
ダ壁面に接触しないようになっている。なお、図示した
各部の寸法差は、便宜上実際よりも誇張して大きくして
あるが、実際にはかなり小さいものである。

【００３１】各冷却フィン３０はピストン１の軸方向に
対して傾斜し、隣り合う冷却フィン３０の上端部３０ａ
が互いに接続するヘ字状に配置されることにより、互い
に波状に連なっている。

【００３２】各冷却フィン３０の上端部３０ａはフォー
スランド３４に連接して形成されることにより、ピスト
ン１の小型化がはかられている。

【００３３】隣り合う冷却フィン３０の下端部３０ｂの
間に開口部３９が形成される。各冷却フィン３０はこの
開口部３９に向けて下降するように傾斜し、ピストン１
の上昇時に各冷却フィン３０に沿って流れる潤滑油を開
口部３９に集めるようになっている。

【００３４】フォースランド３４にリング溝１４と周溝
３５を結ぶドレーン溝２９が形成される。こドレーン溝
２９と冷却フィン３０間の開口部３９は互いにピストン
１の軸と平行な同一線上に配置される。

【００３５】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００３６】ピストン１の上昇時に、リング溝１４にオ
イルリング２４を介して集められた潤滑油は、図４に矢
印で示すように、ドレーン溝２９を通って周溝３５に拡
がり、ピストン１の摺動方向に対して傾斜する冷却フィ
ン３０に沿って開口部４０に集められ、開口部４０を通
って冷却フィン３０の下方に排出される。

【００３７】ピストン１の下降時に、スカート部１６と
シリンダ壁面の間に介在する潤滑油の多くは、図５に矢
印で示すように、ピストン１の摺動方向に対して傾斜す
る冷却フィン３０に沿って開口部４０から遠ざかる方向
に集められる。これにより、冷却フィン３０を介してシ
リンダ壁面に供給される潤滑油量が過剰なることを防止
し、燃焼室に持ち去られる潤滑油の消費量を低減すると
ともに、ピストン１のフリクションを低減できる。

【００３８】同じくピストン１の下降時に、潤滑油の一
部は、図５に矢印で示すように、開口部４０からドレー
ン溝２９を通ってリング溝１４に流入し、オイルリング
２４を介してシリンダ壁面に適正な潤滑油膜を形成す
る。これにより、シリンダ壁面に油膜が切れてスカッフ
現象を起こすことを防止できる。

【００３９】ピストン１はその頂部１１が高温の燃焼ガ
スにさらされるが、この頂部１１に受ける熱は、ランド
部１５に介装されたピストンリングまたはスカート部１
６からシリンダに逃げる放熱経路と、ピストンピン４を
介してコンロッド５へ逃げる放熱経路と、ピストン１と
シリンダ壁面の間に供給される潤滑油によって持ち去ら
れる放熱経路があり、これらの放熱経路を介してピスト
ン１の冷却が行われる。

【００４０】ランド部１５とスカート部１６の間に複数
の冷却フィン３０が突出形成されることにより、ピスト
ン１とシリンダ壁面間における潤滑油の流れに対するピ
ストン１の表面積が増大し、上記潤滑油によって持ち去
られるピストン１の放熱量が増える。

【００４１】この結果、ピストン１はランド部１５の小
型化がはかられて、ランド部１５からシリンダ壁面への
放熱量が減少しても、冷却フィン３０を介して潤滑油に
よって持ち去られるピストン１の放熱量がそれを補い、
ピストン１の冷却性が十分に確保できる。

【００４２】また、冷却フィン３０の突出高さを、ラン
ド部１５とスカート部１６を結ぶ包絡線Ｓより低く設定
することにより、冷却フィン３０がシリンダ壁面に接触
することがなく、ピストン１のシリンダ壁面に対する接
触面積を増大させることなく、フリクションを増大させ
ることが抑えられる。

【００４３】次に、図６に示した他の実施例は、ピスト
ン１に冷却フィン４０によって集められた潤滑油をピス
トン１の裏側に排出するドレーン穴４１を形成するもの
である。なお、図１、図２との対応部分には同一符号を
付して示すことにする。

【００４４】ピストン１は燃焼室を画成する頂部１１
と、２本のリング溝１２，１３が形成されたランド部１
５と、ランド部１５の下方に連なりピストン１の姿勢を
保つスカート部１６を有する。

【００４５】各リング溝１２，１３は、ピストン頂部１
１から連なるトップランド３１、セカンドランド３２、
サードランド３３の間に形成される。リング溝の本数を
減らすことにより、ランド部１５の小型化がはかられて
いる。

【００４６】燃焼室に近いリング溝１２にはコンプレッ
ションリングが介装され、クランク室に近いリング溝１
３にはオイルリングが介装される。コンプレッションリ
ングがピストン１とシリンダ壁面の隙間を塞ぐ働きをす
る一方、オイルリングがシリンダ壁面に形成される潤滑
油膜を調節する働きをする。

【００４７】サードランド３３とスカート部１６の間に
凹状に窪む周溝４５が形成され、冷却フィン４０はこの
周溝４５からフィン状に隆起して形成される。冷却フィ
ン４０の先端部４６は、サードランド３３の下端とスカ
ート部１６の上端を直線状に結ぶ包絡線より所定距離だ
け低く形成され、シリンダ壁面に接触しないようになっ
ている。

【００４８】各冷却フィン４０はそれぞれヘの字状に配
置され、互いに波状に連なっている。隣り合う冷却フィ
ン４０の上端部４０ａはサードランド３３から離して形
成される。

【００４９】隣り合う冷却フィン４０の下端部４０ｂの
間に開口部４９が形成される。各冷却フィン４０はこの
開口部４９に向けて下降するように傾斜し、ピストン１
の上昇時に各冷却フィン４０に沿って流れる潤滑油を開
口部４９に集めるようになっている。

【００５０】周溝４５には各冷却フィン４０によって集
められた潤滑油をピストン１の裏側に排出するドレーン
穴４１がそれぞれ形成される。ドレーン穴４１は冷却フ
ィン４０の上端部４０ａの直下方に近接して配置され
る。

【００５１】サードランド３３にリング溝１３と周溝３
５を結ぶドレーン溝４７が形成される。このドレーン溝
４７と冷却フィン４０間の開口部４９とは互いにピスト
ン１の軸と平行な同一線上に配置される。

【００５２】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００５３】ピストン１の上昇時に、リング溝１３にオ
イルリングを介して集められた潤滑油は、図７に矢印で
示すように、ドレーン溝２９を通って周溝３５に拡が
り、ピストン１の摺動方向に対して傾斜する冷却フィン
４０に沿って開口部４０に集められ、開口部４０を通っ
て冷却フィン４０の下方に排出される。

【００５４】ピストン１の下降時に、スカート部１６と
シリンダ壁面の間に介在する潤滑油の多くは、図８に矢
印で示すように、ピストン１の摺動方向に対して傾斜す
る冷却フィン４０によって開口部４０から遠ざかりドレ
ーン穴４１に近づく方向に集められる。各冷却フィン４
０によって集められた潤滑油はドレーン穴４１を通って
ピストン１の裏側に排出される。ドレーン穴４１の数ま
たは開口径を任意に設定することにより、冷却フィン４
０を介してシリンダ壁面に供給される潤滑油量を適正に
し、燃焼室に持ち去られる潤滑油の消費量を低減すると
ともに、ピストン１のフリクションを低減することがで
きる。

【００５５】ピストン１の下降時に、潤滑油の一部は、
図８に矢印で示すように、開口部４０からドレーン溝２
９を通ってリング溝１３に流入し、オイルリングを介し
てシリンダ壁面に適正な潤滑油膜を形成することによ
り、シリンダ壁面に油膜が切れてスカッフ現象を招くこ
とを防止することができる。

【００５６】ランド部１５とスカート部１６の間に複数
の冷却フィン４０が突出形成されることにより、ピスト
ン１とシリンダ壁面間における潤滑油の流れに対するピ
ストン１の表面積が増大し、上記潤滑油によって持ち去
られるピストン１の熱量が増えて、ピストン１の冷却性
が確保される。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
は、ピストンリングが介装されるランド部と、ランド部
の下方に連なりピストンの姿勢を保つスカート部と、ラ
ンド部とスカート部の間で凹状に窪む周溝と、周溝から
ピストンの軸方向に対して傾斜して隆起する冷却フィン
とを備えたため、冷却フィンを介して潤滑油によって持
ち去られるピストンの放熱量が増え、ピストンの冷却性
が高められる。

【００５８】請求項２記載の発明は、冷却フィンの突出
高さを、ランド部の下端とスカート部の上端を直線状に
結ぶ包絡線より低く設定したため、冷却フィンがシリン
ダ壁面に接触することがなく、ピストンのシリンダ壁面
に対する接触面積を増大させることなく、フリクション
を増大させることが抑えられる。

【００５９】請求項３記載の発明は、複数の冷却フィン
をピストンの軸方向に対して傾斜して形成し、隣り合う
冷却フィンの上端部を互いに接続するとともに、隣り合
う冷却フィンの下端部の間に開口部を形成したため、冷
却フィンを介してシリンダ壁面に供給される潤滑油量が
調節されることにより、シリンダ壁面に適正な潤滑油膜
が形成され、シリンダ壁面に油膜が切れてスカッフ現象
を起こすことを防止するとともに、燃焼室に持ち去られ
る潤滑油の消費量を低減するとともに、ピストンのフリ
クションを低減できる。

【００６０】請求項４記載の発明は、複数の冷却フィン
をピストンの軸方向に対して傾斜して形成し、各冷却フ
ィンの上端部の近傍に位置して周溝とピストンの裏側を
連通するドレーン穴を形成したため、ドレーン穴を通っ
て潤滑油の排出が行われ、ドレーン穴の数または開口径
を任意に設定することにより、冷却フィンを介してシリ
ンダ壁面に供給される潤滑油量を適正にし、燃焼室に持
ち去られる潤滑油の消費量を低減するとともに、ピスト
ンのフリクションを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すピストンの側面図。

【図２】同じくピストンの正面図。

【図３】同じくピストンの輪郭図。

【図４】同じくピストン上昇時における潤滑油の流れを
示す説明図。

【図５】同じくピストン下降時における潤滑油の流れを
示す説明図。

【図６】他の実施例を示すピストンの正面図。

【図７】同じくピストン上昇時における潤滑油の流れを
示す説明図。

【図８】同じくピストン下降時における潤滑油の流れを
示す説明図。

【図９】従来例を示すエンジンの断面図。

【符号の説明】

１ ピストン １５ ランド部 １６ スカート部 ２９ ドレーン溝 ３０ 冷却フィン ３５ 周溝 ３９ 開口部 ４０ 冷却フィン ４１ ドレーン穴 ４５ 周溝 ４９ 開口部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンリングが介装されるランド部
   と、ランド部の下方に連なりピストンの姿勢を保つスカ
   ート部と、ランド部とスカート部の間で凹状に窪む周溝
   と、周溝からピストンの軸方向に対して傾斜して隆起す
   る冷却フィンとを備えたことを特徴とする内燃機関のピ
   ストン装置。
2. 【請求項２】 冷却フィンの突出高さを、ランド部の下
   端とスカート部の上端を直線状に結ぶ包絡線より低く設
   定したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピス
   トン装置。
3. 【請求項３】 隣り合う複数の冷却フィンをピストンの
   軸方向に対して傾斜して形成し、各冷却フィンの上端部
   を互いに接続するとともに、隣り合う冷却フィンの下端
   部の間に開口部を形成したことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の内燃機関のピストン装置。
4. 【請求項４】 複数の冷却フィンをピストンの軸方向に
   対して傾斜して形成し、各冷却フィンの上端部の近傍に
   位置して周溝とピストンの裏側を連通するドレーン穴を
   形成したことを特徴とする請求項１、２または３記載の
   内燃機関のピストン装置。