WO2011064853A1

WO2011064853A1 - 内燃機関用ピストン及び内燃機関

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Publication number: WO2011064853A1
Application number: PCT/JP2009/069877
Authority: WO
Inventors: 聡大川
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-03
Also published as: JP5365700B2; CN102667127A; EP2505816A1; JPWO2011064853A1; CN102667127B; EP2505816B1; EP2505816A4

Abstract

　ピストンの早期温度上昇と過熱の抑制とを両立させる。ピストン上面からピストン下側に向かって凹んだキャビティが形成される頂部と、頂部の少なくともピストン外周側を囲んで該頂部と接合され、外周にピストンリングを保持するためのリング溝を有する外周部と、頂部と外周部との間の隙間を含み、キャビティよりもピストン外周側及びピストン下側に形成され、このピストン外周側とピストン下側とが連通されているクーリングチャンネルと、クーリングチャンネルとピストン外部とを連通し、潤滑油の入口または出口となる少なくとも２つの連通孔と、を備える。

Description

内燃機関用ピストン及び内燃機関

　本発明は、内燃機関用ピストン及び内燃機関に関する。

　ピストンの頂部に燃料を燃焼させるためのキャビティを設け、このキャビティの周辺に潤滑油が流通する環状路をクーリングチャンネルとして設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、ピストンの上部と下部とを別々に製造した後、この上部と下部とを接合したときに環状路が形成されるように、この上部及び下部の夫々に環状の溝を設けている。

　ここで、キャビティ表面の温度を機関始動後速やかに上昇させることにより、燃焼状態を安定させることができる。このため、キャビティ周辺には比較的断熱性の高い材料を用いることが考えられる。しかし、このような材料を用いると、ピストンの温度が十分に高くなった後では、クーリングチャンネルに潤滑油を供給してもすぐには温度が低下しないために、ピストンが過熱する虞がある。また、キャビティからの熱が潤滑油に伝わり難いために冷却能力が不足することもある。すなわち、キャビティの温度の調節が困難となる。さらに、キャビティからの熱により潤滑油の温度を上昇させて摩擦損失を低下させることができるが、キャビティからの熱が潤滑油に伝わり難いと潤滑油の温度上昇が緩慢となる。

特開２００７－２７０８１２号公報特開平０９－０２１３１９号公報特開平０７－０７７１０５号公報特開２００４－２８５９４４号公報特許第３２９０６７１号公報

　本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、ピストンの早期温度上昇と過熱の抑制とを両立させる技術の提供を目的とする。

　上記課題を達成するために本発明による内燃機関用ピストンは、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関用ピストンは、
　ピストン上面からピストン下側に向かって凹んだキャビティが形成される頂部と、
　前記頂部の少なくともピストン外周側を囲んで該頂部と接合され、外周にピストンリングを保持するためのリング溝を有する外周部と、
　前記頂部と前記外周部との間の隙間を含み、前記キャビティよりもピストン外周側及びピストン下側に形成され、このピストン外周側とピストン下側とが連通されているクーリングチャンネルと、
　前記クーリングチャンネルとピストン外部とを連通し、潤滑油の入口または出口となる少なくとも２つの連通孔と、
　を備えることを特徴とする。

　ここで、ピストン上面とは、燃焼室と対向する面である。また、ピストン下側とは、クランクシャフト側である。ピストン上面の一部を凹形状として、キャビティが形成されている。このピストンを備える内燃機関では、キャビティ内に燃料が噴射される。キャビティは、頂部のみで形成されている。

　外周部は、頂部の少なくともピストン外周側を囲んでいるため、キャビティよりもピストン外周側も外周部で囲われているといえる。外周部と頂部とは、夫々の一部が密着して接合される。この接合面以外において、外周部と頂部との間に隙間が設けてある。そして、この隙間が、クーリングチャンネルとなる。クーリングチャンネル内を潤滑油が流通したときに、該潤滑油が燃焼室側へ流入しないように、頂部と外周部とが接合される。また、連通孔は、潤滑油の入口または出口となる。一の連通孔からクーリングチャンネルに供給された潤滑油は、クーリングチャンネルを流通した後に他の連通孔から排出される。

　クーリングチャンネルは、キャビティよりもピストン外周側及びピストン下側に設けられる。キャビティよりもピストン下側に設けられるクーリングチャンネルの底面は、頂部の一部であっても良く、外周部の一部であっても良い。そして、キャビティを囲むようにクーリングチャンネルが形成されているため、キャビティで発生する熱が潤滑油に伝わり易い。また、キャビティよりもピストン外周側に形成されるクーリングチャンネルと、ピストン下側に形成されるクーリングチャンネルと、が連通されているため、ピストン外周側からピストン下側、または、ピストン下側からピストン外周側へ潤滑油が移動可能である。これにより、キャビティの温度を均一にすることができる。

　ここで、クーリングチャンネルに潤滑油を供給しないか供給量を少なくすれば、頂部の温度が上昇し易くなる。そのため、キャビティの早期温度上昇が可能となる。一方、クーリングチャンネルに潤滑油を流通させれば、キャビティを包み込むように潤滑油が流通するため、キャビティを均等に冷却することができる。また、キャビティの熱が潤滑油に伝わり易いので、潤滑油の温度を速やかに上昇させることにより、摩擦損失を低減させることができる。よって、ピストンの早期温度上昇と過熱の抑制とを両立させることができる。

　本発明においては、前記外周部は、前記頂部よりもピストン下側も囲み、
　前記クーリングチャンネルは、前記頂部と前記外周部との間の隙間であって、前記頂部よりもピストン外周側及びピストン下側に形成されても良い。

　すなわち、外周部は、頂部のピストン外周側及びピストン下側を囲んでいるため、キャビティのピストン外周側及びピストン下側を囲んでいるといえる。そして、外周部と頂部との接合面以外では、外周部と頂部との間に隙間が設けてあり、この隙間が、クーリングチャンネルとなる。

　本発明においては、前記頂部は、前記クーリングチャンネル側へ突出して該頂部を補強し、前記キャビティよりもピストン外周側とピストン下側とに形成される夫々のクーリングチャンネル間を潤滑油が移動するための通路を残して配置される補強部を有していても良い。

　すなわち、燃料の燃焼により発生する力による頂部の変形または破損を補強部により抑制することができる。また、頂部を補強することで、該頂部の薄肉化が可能となるので、該頂部の熱容量を小さくすることができる。そうすると、冷間始動時等でクーリングチャンネルに潤滑油を供給しないか又は供給量を少なくすれば、キャビティの温度を速やかに上昇させることができる。さらに、クーリングチャンネルへ潤滑油を供給すれば、該潤滑油の温度を速やかに上昇させることができるため、摩擦損失を低減させることができる。

　また、補強部は、潤滑油が移動するための通路を残して配置されるため、夫々のクーリングチャンネルは連通されている。そして、補強部の形状を調節することにより、潤滑油が流れる方向を調節することができる。これにより、例えば温度の上昇し易い箇所に重点的に潤滑油を流通させたり、または潤滑油を均一に流通させたりすることができる。また、補強部により頂部が補強されれば、クーリングチャンネルの容積を拡大することもできる。

　本発明においては、前記潤滑油が移動するための通路を、前記補強部よりもピストン下側に設けても良い。

　すなわち、補強部よりもピストン下側を通って潤滑油が夫々のクーリングチャンネル間を移動できる。また、内燃機関の停止時には、補強部の下側を潤滑油が流通することにより、クーリングチャンネルからピストン外部へ潤滑油を速やかに排出することもできる。

　本発明においては、前記頂部は、前記外周部と比較して、比熱の小さな材料を用いても良い。

　これにより、頂部の熱容量を小さくすることができる。そうすると、冷間始動時にキャビティの温度を速やかに上昇させることができる。また、クーリングチャンネルに潤滑油を供給したときには、キャビティの温度を速やかに低下させることができるため、キャビティの過熱を抑制できる。さらに、クーリングチャンネルを流通する潤滑油の温度を速やかに上昇させることができるため、摩擦損失を低減させることができる。

　本発明においては、前記頂部は、前記キャビティの外面から突出してピストン中心線上に前記クーリングチャンネルの底面まで延びる中心補強部を有し、
　前記クーリングチャンネルの底面では、前記中心補強部の周辺がピストン下側に向かって凹んでいても良い。

　すなわち、クーリングチャンネルの底面では、中心補強部の周辺が、該中心補強部に沿ってピストン下側に凹んだ状態となる。この凹んだ箇所には、潤滑油の供給を停止して貫通孔から潤滑油が排出された後であっても、潤滑油が貯留される。この潤滑油により中心補強部を介してキャビティの温度を低下させることができる。これにより、温度の上がり易いキャビティ中心部の壁面にヒートスポットが発生することを抑制できるので、信頼性及び耐久性をさらに向上させることができる。また、クーリングチャンネルの底面が外周部により構成されている場合には、外周部と頂部とを接合するときに、凹みにより位置合わせが容易となる。

　本発明においては、前記頂部は、ピストンのスカート部を含んで構成されていても良い。

　スカート部は、ピストンリングを保持するためのリング溝よりもピストン下側の部位である。そして、頂部がスカート部まで延びている。これにより、キャビティの熱を速やかにスカート部へ伝えることができるため、該スカート部の温度を速やかに上昇させることができる。これにより、例えばオイルの温度を上昇させることができるため、摩擦抵抗を低減することができる。なお、スカート部は、外周部及び頂部により構成しても良く、頂部のみにより構成しても良い。

　また、上記課題を達成するために本発明による内燃機関は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関は、
　前記内燃機関用ピストンと、
　前記連通孔を介して前記クーリングチャンネルに潤滑油を供給する潤滑油供給装置と、
　前記潤滑油供給装置から前記クーリングチャンネルへ供給する潤滑油の量を調節する調節装置と、
　内燃機関の温度が低いときには高いときよりも潤滑油の供給量を少なくする制御装置と、
　を備えることを特徴とする。

　すなわち、内燃機関の温度が低いときには潤滑油の供給量を比較的少なくすることで、頂部や外周部から奪う熱を少なくすることができるため、該頂部や外周部の温度を速やかに上昇させることができる。また、内燃機関の温度が高いときには潤滑油の供給量を比較的多くすることで、頂部や外周部から奪う熱を多くすることができるため、該頂部や外周部が過熱することを抑制できる。

　制御装置は、潤滑油を供給するか、供給を停止させるかの一方を選択的に制御しても良い。また、温度に応じて段階的または連続的に潤滑油の供給量を変更しても良い。そして、温度が高いほど、潤滑油の供給量を多くすることができる。

　本発明によれば、ピストンの早期温度上昇と過熱の抑制とを両立させることができる。

実施例１に係るピストンの中心軸に沿って該ピストンを縦方向に切断したときの縦断面図である。図１に示した切断線Ｚによりピストンを切断したときの横断面図である。実施例に係るピストンを組み込んだエンジンの概略構成図である。中心接合部の縦断面図を示した図である。中心接合部の縦断面図を示した図である。キャビティ壁面の温度の推移を示したタイムチャートである。実施例１に係るピストンを切断したときの他の横断面図である。実施例に係る遮断弁の制御フローを示したフローチャートである。実施例２に係るピストンの中心軸Ａに沿って該ピストンを縦方向に切断したときの縦断面図である。図９に示した切断線Ｚによりピストンを切断したときの横断面図である。実施例３に係るピストンの中心軸Ａに沿って該ピストンを縦方向に切断したときの縦断面図である。図１１に示した切断線Ｚによりピストンを切断したときの横断面図である。

　以下、本発明に係る内燃機関用ピストン及び内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

　図１及び図２はこの実施例１に係る直接噴射式ディーゼルエンジン用ピストンを示す。図１は、ピストン１の中心軸に沿って該ピストン１を縦方向に切断したときの縦断面図である。また、図２は、図１に示した切断線Ｚによりピストン１を切断したときの横断面図である。また、図３は、本実施例に係るピストン１を組み込んだエンジン１００の概略構成図である。なお、ピストン１及びエンジン１００を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。

　エンジン１００は、シリンダブロック２を備えている。シリンダブロック２には、ピストン１が収まるシリンダ３が形成されている。シリンダブロック２の上部にはシリンダヘッド４が組み付けられている。シリンダヘッド４には、シリンダ３に通じる吸気ポート５が形成されている。吸気ポート５とシリンダ３との境界には吸気弁６が設けられている。また、シリンダヘッド４には、シリンダ３に通じる排気ポート７が形成されている。排気ポート７とシリンダ３との境界には排気弁８が設けられている。また、シリンダヘッド４には、燃料を噴射する燃料噴射弁９が取り付けられている。この燃料噴射弁９は、ピストン１の中心軸Ａ上に設けられている。

　ピストン１には、コネクティングロッド１０１を介してクランクシャフト１０２が接続されている。なお、ピストン１に対して、シリンダヘッド４側を上方向とし、クランクシャフト１０２側を下方向とする。

　ピストン１は、頂部１１と外周部１２とを備えて構成されている。頂部１１は、シリンダヘッド４側で且つ中心軸Ａ側に配置される。また、外周部１２は、頂部１１の外周側及び下側（クランクシャフト１０２側）を囲むように配置される。頂部１１と外周部１２とは、別々に製造された後に接合される。頂部１１の上面と、外周部１２の上面とでピストン１の上面１３が形成されている。

　頂部１１には、キャビティ１４が設けられている。キャビティ１４は、ピストン１の上面１３から該ピストン１の下方向に凹むことにより形成される。キャビティ１４の形状は、キャビティ壁面１５により規定される。頂部１１の外面（外周部１２側の面）１６は、キャビティ壁面１５に沿って形成される。頂部１１の肉厚は、例えば、エンジン１００の運転中にキャビティ１４に発生する応力に耐え得る範囲で可及的に小さくする。なお、頂部１１の外面１６の一部であって外周側の面である外周面１７は、ピストン１の中心軸Ａを中心とした円柱形状に形成されている。なお、頂部１１の外面１６は、キャビティ１４の外面としても良い。

　なお、本実施例では、ピストン１の中心軸Ａとキャビティ１４の中心軸とが同じであるが、キャビティ１４の中心軸がピストン１の中心軸Ａからずれていても良い。また、本実施例では、キャビティ１４は横方向の断面形状が円形であるが、楕円形等の他の形状としても良い。

　外周部１２には、頂部１１を嵌め込むために上面１３から下方向に凹んだ凹部１８が形成されている。凹部１８は、横方向の断面形状が円形である。この凹部１８の開口部１９の直径は、頂部１１の外周面１７の直径よりも若干大きく、頂部１１を凹部１８に嵌め込むことができる。また、開口部１９よりも下側では、頂部１１の外周面１７よりも、凹部１８の内周面２０のほうが、直径が大きい。さらに、上面１３の任意の位置からの外面１６までの距離よりも、底面２１までの距離のほうが長い。

　外周部１２の凹部１８と、頂部１１の外面１６とは、ピストン１の上面１３及びその近傍（開口部１９としても良い）、並びにピストン中心軸Ａ及びその近傍にて接合されている。なお、上面１３及びその近傍で接合されている箇所を上面接合部２２と称し、中心軸Ａ及びその近傍で接合されている箇所を中心接合部２３と称する。

　図４及び図５は、中心接合部２３の縦断面図を示した図である。図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、接合前の状態を示し、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、接合後の状態を示している。中心接合部２３においては、頂部１１から円柱形状の中心補強部２４がピストン１の中心軸Ａ上に外周部１２の底面２１へ向かって延びている。この中心補強部２４は、先端に向かうに従って断面積が縮小するテーパ状に形成される。

　外周部１２には、中心補強部２４がはめ込まれるための貫通孔２５が形成されている。貫通孔２５の内径は、中心補強部２４の外径よりも若干大きく、貫通孔２５に中心補強部２４を嵌め込むことができる。貫通孔２５及び中心補強部２４は、頂部１１を外周部１２に取り付けるときの位置決めの役割を果たす。また、この中心補強部２４が貫通孔２５に溶接されることにより、頂部１１を補強する役割を果たす。さらに中心補強部２４は、頂部１１の熱を伝える役割も果たす。すなわち、特に高温となる中心部のキャビティ壁面１５の冷却効率が向上するようになっている。

　図４及び図５においては、貫通孔２５の上側の縁２６の断面が、上側に向かうほど拡大している。すなわち、外周部１２では、中心接合部２３の周辺がピストン下側に凹んでいる。なお、図４よりも図５のほうが、縁２６の凹みの直径が大きい場合を示している。中心補強部２４の先端がテーパ状に形成されていることと、貫通孔２５の上側の縁２６がピストン下側に凹んでいることと、により貫通孔２５へ中心補強部２４を容易に嵌め込むことができる。

　このように構成されたピストン１では、上面接合部２２及び中心接合部２３以外では、凹部１８の内周面２０及び底面２１と頂部１１の外面１６とに隙間がある。なお、凹部１８の内周面２０及び底面２１を合わせて、外周部１２の内面２７ともいう。この、外周部１２の内面２７と頂部１１の外面１６との隙間が、クーリングチャンネル２８となる。すなわち、本実施例に係るピストン１には、キャビティ１４よりも外周方向及び下方向にクーリングチャンネル２８が備わる。

　そして、凹部１８の底面２１には、ピストン１の中心軸Ａと平行に該外周部１２の下側に貫通する貫通孔２９が設けられている。この貫通孔２９は、中心軸Ａに対して線対称に２つ設けられ、一方がオイルの入口となり、他方がオイルの出口となる。また、凹部１８の底面２１には、ピストン１の中心軸Ａを中心として環状溝３０が形成されており、該環状溝３０の底面に貫通孔２９が設けられている。

　外周部１２の外周面３１には、ピストンリングを保持するためのリング溝３２が３つ形成されている。その下側には、クランクシャフト１０２側に延びるスカート部３３が形成されている。なお、コネクティングロッド１０１は外周部１２に接続されている。

　また、頂部１１の外面１６において、凹部１８の底面２１に形成されている環状溝３０と対向する部位には、ピストン１の中心軸Ａを中心として放射状に配置されるリブ３４が複数形成されている。リブ３４は、頂部１１から下方向へ板状に延びている。また、リブ３４は、外周部１２に接触しないようになっている。すなわち、リブ３４の下方向に環状溝３０が形成されているので、リブ３４の下側にオイルの通路が備わることになる。また、リブ３４は放射状に配置されているために、隣接するリブ３４との間がオイルの通路となる。すなわち、頂部１１よりも外周方向及び下方向に備わる夫々のクーリングチャンネル２８間でオイルの移動が可能である。

　頂部１１には、例えば鉄系またはステンレス鋼系の材料を用いる。すなわち、キャビティ壁面１５には、燃料の燃焼により大きな応力が発生するため、該キャビティ壁面１５が形成される頂部１１にはヤング率の高い材料又は疲れ限度の高い材料を用いる。このような材料を用いることにより、頂部１１の薄肉化を図ることができるため、該頂部１１の質量を低減することができるので、該頂部１１の熱容量を小さくすることができる。

　一方、外周部１２には、例えばアルミニウム系の材料を用いる。これにより、シリンダ壁面との摺動による摩耗を抑制できる。また、ピストンリングが固着することを抑制できる。そして、これらの材料を用いることにより、外周部１２の比熱よりも頂部１１の比熱のほうが小さくなる。なお、頂部１１と外周部１２との材料が同じであっても、クーリングチャンネル２８の効果を得ることはできる。また、上面接合部２２及び中心接合部２３は、例えば電子ビーム溶接により接合される。

　そして、図３に示すように、エンジン１００には、該エンジン１００の内部にオイルを循環させるためのオイルポンプ１０３が備わる。このオイルポンプ１０３にはオイル通路１０４が接続されており、該オイル通路１０４は各摺動部及びオイルジェット１０６へ通じている。オイルポンプ１０３は、オイルパン１０５からオイルを汲み上げて、該オイルを各摺動部及びオイルジェット１０６へ供給する。

　オイルジェット１０６は、クーリングチャンネル２８に通じる貫通孔２９の一方に向けてオイルを噴射する。オイル通路１０４の途中には、該オイル通路１０４を遮断する遮断弁１０７が設けられている。遮断弁１０７を開くとオイルジェット１０６からオイルが噴射されてクーリングチャンネル２８内へ該オイルが供給され、遮断弁１０７を閉じるとオイルジェット１０６からのオイルの噴射が停止されてクーリングチャンネル２８内へのオイルの供給が停止される。オイルジェット１０６からのオイルの噴射が停止すると、２つの貫通孔２９を介してクーリングチャンネル２８からピストン１の外部へとオイルが流出する。そして、クーリングチャンネル２８内には、ピストン１の下側に存在するガスが流入する。したがって、エンジン１００の停止時には、クーリングチャンネル２８内がガスで満たされる。

　なお、遮断弁１０７は、ＥＣＵ１１０により制御される。このＥＣＵ１１０は、他に燃料噴射弁９の制御を行う。そして、本実施例においてはオイルポンプ１０３が、本発明における潤滑油供給装置に相当する。また、本実施例においては遮断弁１０７が、本発明における調節装置に相当する。さらに、本実施例においてはＥＣＵ１１０が、本発明における制御装置に相当する。

　そして、クーリングチャンネル２８内に供給されたオイルの一部は、環状溝３０に沿って流れる。また、オイルの一部は環状溝３０から溢れ出る。環状溝３０から溢れ出たオイルは、図２の矢印に示されるように、凹部１８の内周面２０側（頂部１１の外周側）を通るオイルと、凹部１８の底面２１側（頂部１１の下側）を通るオイルとに分かれる。なお、環状溝３０から溢れ出るオイルは、リブ３４とリブ３４との間を流れる。

　そうすると、頂部１１の外周側及び下側に満遍なくオイルが行き渡るため、該頂部１１を包み込むようにオイルが流れる。これにより、頂部１１の全体を速やかに冷却することができる。また、頂部１１には比熱が小さい材料が用いられ且つ頂部１１は薄肉化されていることにより該頂部１１の熱容量が小さくなっている。このため、エンジン１００の冷間始動時等で頂部１１の温度が低いときには、遮断弁１０７を全閉としてクーリングチャンネル２８にオイルを流さなければ、燃焼による熱で頂部１１の温度が速やかに上昇する。そうすると、燃焼状態を早期に改善することができるため、ＨＣやＣＯの排出量を低減することができる。

　また、ピストン１の温度が適度に上昇した後には、遮断弁１０７を開いてクーリングチャンネル２８へオイルを供給することにより、該ピストン１の過熱を抑制することができる。また、オイルの温度が低いときにクーリングチャンネル２８へオイルを流通させることで、該オイルの温度を速やかに上昇させることができる。これにより、オイルの粘度を速やかに低下させることができるため、摩擦損失を低減することができる。

　また、図４及び図５に示したように、中心補強部２４の周りの外周部１２にオイルが貯留される構造をしているため、頂部１１の中心軸Ａ付近の温度上昇を抑制することができる。これにより、キャビティ壁面１５にヒートスポットが発生することを抑制できる。

　さらに、リブ３４により頂部１１が補強されているため、クーリングチャンネル２８の容積を拡大することができるので、オイルの暖機性能を向上させると共に、頂部１１の温度制御も容易になる。

　ここで、図６は、キャビティ壁面１５の温度の推移を示したタイムチャートである。実線は本実施例に係るピストン１の場合を示し、一点鎖線は従来からあるアルミニウム合金製のピストンの場合を示している。Ａで示される時刻においてエンジン１００が始動される。このときには、遮断弁１０７が閉じられており、オイルの供給は停止されている。エンジン１００の始動後から、キャビティ壁面１５の温度が徐々に上昇する。このときの温度上昇率は、本実施例に係るピストン１の方が高い。すなわち、頂部１１の熱容量を小さくしたことにより、キャビティ壁面１５の温度の上昇速度が高くなる。そして、本実施例１に係るピストン１では、Ｂで示される時刻においてＣで示される温度に到達している。なお、Ｃで示される温度は、スモークの増加、または充填効率の低下が許容範囲を超える温度である。Ｃで示される温度に到達すると、遮断弁１０７が開かれてオイルジェット１０６からオイルが噴射される。従来からあるピストンでは、Ｄで示される時刻にＣで示される温度まで上昇している。すなわち、エンジン１００が始動してからＣで示される温度に上昇するまでにかかる時間は、従来からあるピストンよりも本実施例に係るピストン１の方が早い。このように、本実施例に係るピストン１のほうが暖機性能は高い。

　なお、図２に示すリブ３４の形状では、オイルが一方の貫通孔２９から他方の貫通孔２９へ流れるときに中心軸Ａ付近を流れ易い。このために、クーリングチャンネル２８内のオイルの循環量を多くするという点では有利であるが、頂部１１の外周側へオイルが流れ難いという問題もある。ここで、頂部１１の外周側を流れるオイルの量と、下側を流れるオイルの量とは、リブ３４の形状により調節可能である。すなわち、リブ３４の形状によってオイルが流れ易い方向やオイルの流通量が変わるため、リブ３４の形状を調節することにより頂部１１の冷却性能等を調節することができる。例えば、頂部１１の外周側へオイルが流れ易くなるリブの形状を図７に示す。

　図７は、本実施例に係るピストン１を切断したときの他の横断面図である。リブ３５の形状以外は、図２に示したピストン１と同じである。図２に示したリブ３４はピストン１の中心軸Ａを中心として放射状に複数配置されるのに対し、図７に示したリブ３５はピストン１の中心軸Ａを中心とした円の円周に沿って複数配置されている。図７に示すリブ３５も、環状溝３０と対向する部位に形成されている。すなわち、リブ３５の下方向に環状溝３０が形成されているので、リブ３５の下側にオイルの通路が備わることになる。また、各リブ３５の間には隙間が設けてあり、この隙間がオイルの通路となる。すなわち、頂部１１よりも外周方向及び下方向に備わる夫々のクーリングチャンネル２８間でオイルの移動が可能である。

　図７に示すリブ３５の形状では、オイルが一方の貫通孔２９から他方の貫通孔２９へ流れるときに、一方の貫通孔２９から中心軸Ａ方向へオイルが流れ難くなる。このため、クーリングチャンネル２８内のオイルの循環量を多くするという点では不利であるものの、頂部１１の外周側へオイルが流れ易くなる。このように、リブの形状により冷却され易い位置が変わるため、該リブの形状はエンジン１００の種類や使用条件によって設定しても良い。なお、本実施例ではリブ３４，３５が、本発明における補強部に相当する。

　図８は、本実施例に係る遮断弁１０７の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ１１０により所定時間毎に繰り返し実行される。なお、エンジン１００の始動時には、遮断弁１０７は閉じられている。

　ステップＳ１０１では、エンジン１００が始動してからの経過時間が所定時間以上であるか否か判定される。この所定時間は、遮断弁１０７を開くタイミングを計るために設定される値である。この所定時間は、ＨＣの排出量又は摩擦損失の少なくとも一方に応じて設定される。例えば、エンジン１００が始動されてからキャビティ壁面１５の温度が上昇して、ＨＣの排出量が許容範囲となるまでの時間を所定時間とすることができる。所定時間は、例えば実験等により最適値を求める。

　ここで、エンジン１００の冷間始動時において遮断弁１０７を開く時期を遅くすると、キャビティ壁面１５の温度上昇を促進させることはできるが、遮断弁１０７を開くまではクーリングチャンネル２８にてオイルの温度を上昇させることはできない。一方、遮断弁１０７を開く時期を早くすると、オイルの温度を上昇させることはできるものの、キャビティ壁面１５の温度上昇が緩慢となる。すなわち、ＨＣの排出量の低減又は摩擦損失の低減のどちらを優先するのかにより、遮断弁１０７を開くタイミングを決定しても良い。また、エンジン１００に要求される性能に応じて所定時間を決定しても良い。

　そして、ステップ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、否定判定がなされた場合には遮断弁１０７を閉じたまま本ルーチンを終了させる。

　ステップＳ１０２では、遮断弁１０７が開かれる。これにより、クーリングチャンネル２８内にオイルが供給される。なお、本ルーチンでは、エンジン１００が始動してからの経過時間に基づいてオイルを供給しているが、これに代えて、エンジン１の冷却水又はオイルの温度に基づいてオイルを供給しても良い。すなわち、冷却水又はオイルの温度が例えば２５℃から４０℃位のときには、オイルの供給を停止させるか供給量を少なくして、キャビティ壁面１５の温度上昇を図っても良い。また、エンジン１００の始動からの経過時間または冷却水等の温度に応じてオイルの供給量を増加させても良い。

　以上説明したように本実施例によれば、頂部１１の熱容量が小さいために、冷間始動時であってもキャビティ壁面１５の温度を早期に上昇させることができる。これにより、ＨＣ等の排出量を低減することができる。また、キャビティ１４で発生する熱がオイルに伝わり易いため、該オイルの温度を速やかに上昇させることができる。これにより、摩擦損失を低減することができる。さらに、キャビティ１４の外周側及び下側にオイルを流通させるため、キャビティ壁面１５の過熱を抑制できる。

　図９及び図１０はこの実施例２に係る直接噴射式ディーゼルエンジン用ピストン２００を示す。図９は、ピストン２００の中心軸Ａに沿って該ピストン１を縦方向に切断したときの縦断面図である。また、図１０は、図９に示した切断線Ｚによりピストン２００を切断したときの横断面図である。なお、ピストン２００を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。また、ピストン２００以外の装置については、実施例１と同じため説明を省略する。

　ピストン２００は、中心部２０１と外周部２０２とを備えて構成されている。中心部２０１は、中心軸Ａ側に配置される。また、外周部２０２は、中心部２０１の外周側であって、リング溝３２を含む範囲に配置される。中心部２０１と外周部２０２とは、別々に製造された後に接合される。中心部２０１の上面と、外周部２０２の上面とでピストン２００の上面１３が形成されている。

　中心部２０１には、キャビティ１４が設けられている。キャビティ１４は、ピストン２００の上面１３から該ピストン２００の下方向に凹むことにより形成される。キャビティ１４の形状は、キャビティ壁面１５により規定される。キャビティ１４よりも下側には、クーリングチャンネル２０３が形成されている。

　クーリングチャンネル２０３の上面２０４は、キャビティ壁面１５に沿って形成される。キャビティ壁面１５とクーリングチャンネル２０３の上面２０４との間の肉厚は、例えば、エンジン１００の運転中にキャビティ１４に発生する応力に耐え得る範囲で可及的に小さくする。中心部２０１の外周側の面である外周面２０５は、ピストン２００の中心軸Ａを中心とした円柱形状に形成されている。

　なお、本実施例では、ピストン２００の中心軸Ａとキャビティ１４の中心軸とが同じであるが、キャビティ１４の中心軸がピストン２００の中心軸Ａからずれていても良い。また、本実施例では、キャビティ１４は横方向の断面形状が円形であるが、楕円形等の他の形状としても良い。

　クーリングチャンネル２０３の底面２０６には、ピストン２００の中心軸Ａと平行に中心部２０１の下側に貫通する貫通孔２９が設けられている。この貫通孔２９は、中心軸Ａに対して線対称に２つ設けられ、一方がオイルの入口となり、他方がオイルの出口となる。また、クーリングチャンネル２０３の底面２０６には、ピストン２００の中心軸Ａを中心として環状溝３０が形成されており、該環状溝３０の底面に貫通孔２９が設けられている。

　また、環状溝３０よりも外周側には、クーリングチャンネル２０３の上面２０４と底面２０６とを接続する断面が長方形の柱２０７が複数設けられている。この柱２０７は、ピストン２００の中心軸Ａを中心とした放射状に配置される。また、ピストン２００の中心軸Ａ上には、クーリングチャンネル２０３の上面２０４と底面２０６とを接続する断面が円形の中心補強部２０８が設けられている。なお、本実施例では柱２０７が、本発明における補強部に相当する。そして、クーリングチャンネル２０３よりも下側の中心部２０１は、スカート部２１２まで延びている。このスカート部２１２は、中心部２０１に含まれる。

　外周部２０２は、中心軸Ａを中心とする筒状に形成されており、その内面２１３の直径は、中心部２０１の外周面２０５の直径よりも若干大きく、中心部２０１に外周部２０２を嵌め込むことができる。また、外周部２０２の外周面３１には、ピストンリングを保持するためのリング溝３２が３つ形成されている。なお、コネクティングロッド１０１は中心部２０１に接続されている。

　外周部２０２は、キャビティ１４及びクーリングチャンネル２０３よりも外周側に設けられている。外周部２０２の内面２１３の上部２０９及び下部２１０にて中心部２０１と接合される。そして、外周部２０２の上部２０９と下部２１０との間では、外周部２０２と中心部２０１との間に隙間が設けられている。この隙間はクーリングチャンネル２１１として機能する。すなわち、本実施例に係るピストン２００には、キャビティ１４よりも外周方向及び下方向にクーリングチャンネル２０３，２１１が備わる。

　そして、キャビティ１４よりも下側に設けられているクーリングチャンネル２０３と、キャビティ１４よりも外周方向に設けられているクーリングチャンネル２１１とは、柱２０７と柱２０７との間で連通されている。

　中心部２０１には、例えば鉄系またはステンレス鋼系の材料を用いる。すなわち、キャビティ壁面１５には、燃料の燃焼により大きな応力が発生するため、該キャビティ壁面１５が形成される中心部２０１にはヤング率の高い材料又は疲れ限度の高い材料を用いる。このような材料を用いることにより、キャビティ壁面１５とクーリングチャンネル２０３の上面２０４との間の薄肉化を図ることができるため、キャビティ１４周辺の熱容量を小さくすることができる。

　一方、外周部２０２には、例えばアルミニウム系の材料を用いる。例えば、中心部２０１を鋳造にて予め製造しておき、鋳込みにて外周部２０２を製造する。そして、外周部２０２の上部２０９及び下部２１０は、例えば電子ビーム溶接により中心部２０１へ接合される。このような材料を用いることにより、シリンダ３の壁面との摺動による摩耗を抑制できる。また、ピストンリングが固着することを抑制できる。そして、外周部２０２よりも中心部２０１の比熱のほうが小さくなる。なお、中心部２０１と外周部２０２との材料が同じであっても、クーリングチャンネル２０３，２１１の効果を得ることはできる。

　このように構成されたピストン２００では、キャビティ１４の熱をスカート部２１２へ速やかに伝えることができるため、オイルの粘度を速やかに低下させることができる。また、リング溝３２周辺は熱伝導率が鉄よりも高いアルミニウム系の材料を用いているため、ピストンリングの固着を抑制することができる。

　そして、キャビティ１４周辺の熱容量が小さいために、冷間始動時であってもキャビティ壁面１５の温度を早期に上昇させることができる。これにより、ＨＣ等の排出量を低減することができる。また、キャビティ１４で発生する熱がオイルに伝わり易いため、該オイルの温度を速やかに上昇させることができる。これにより、摩擦損失を低減することができる。さらに、キャビティ１４の外周側及び下側にオイルを流通させるため、キャビティ壁面１５の過熱を抑制できる。すなわち、本実施例によれば、ピストンリングの固着を抑制しつつ摩擦損失を低減することができる。

　図１１及び図１２はこの実施例３に係る直接噴射式ディーゼルエンジン用ピストン３００を示す。図１１は、ピストン３００の中心軸Ａに沿って該ピストン３００を縦方向に切断したときの縦断面図である。また、図１２は、図１１に示した切断線Ｚによりピストン３００を切断したときの横断面図である。なお、ピストン３００を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。また、ピストン３００以外の装置については、実施例１と同じため説明を省略する。また、ピストン３００については実施例２と異なる点について説明する。

　ピストン３００は、中心部３０１と外周部３０２とを備えて構成されている。中心部３０１は、中心軸Ａ側に配置される。また、外周部３０２は、中心部３０１の外周側であって、リング溝３２の周辺及びその下側のスカート部３０３に配置される。中心部３０１と外周部３０２とは、別々に製造された後に接合される。

　スカート部３０３の中心軸Ａ側には、中心部３０１から延びるリブ３０４が設けられている。リブ３０４は、中心軸Ａを中心として放射状に複数配置されている。そして、スカート部３０３とリブ３０４とは、例えば電子ビーム溶接により接合される。

　このように構成されたピストン３００では、キャビティ１４の熱がリブ３０４を介してスカート部３０３へ速やかに伝わるため、オイルの粘度を速やかに低下させることができる。ここで、仮にスカート部３０３に全て鉄系の材料を用いると、温度が高くなりすぎることにより境界潤滑となり摩擦損失が増大する虞があるが、本実施例では、これを抑制できる。

　すなわち、本実施例によれば、ピストンリングの固着を抑制しつつ摩擦損失をより低減することができる。

１     ピストン
２     シリンダブロック
３     シリンダ
４     シリンダヘッド
５     吸気ポート
６     吸気弁
７     排気ポート
８     排気弁
９     燃料噴射弁
１１   頂部
１２   外周部
１３   上面
１４   キャビティ
１５   キャビティ壁面
１６   外面
１７   外周面
１８   凹部
１９   開口部
２０   内周面
２１   底面
２２   上面接合部
２３   中心接合部
２４   中心補強部
２５   貫通孔
２６   縁
２７   内面
２８   クーリングチャンネル
２９   貫通孔
３０   環状溝
３１   外周面
３２   リング溝
３３   スカート部
３４   リブ
３５   リブ
１００エンジン
１０１コネクティングロッド
１０２クランクシャフト
１０３オイルポンプ
１０４オイル通路
１０５オイルパン
１０６オイルジェット
１０７遮断弁
１１０ＥＣＵ

Claims

　ピストン上面からピストン下側に向かって凹んだキャビティが形成される頂部と、
　前記頂部の少なくともピストン外周側を囲んで該頂部と接合され、外周にピストンリングを保持するためのリング溝を有する外周部と、
　前記頂部と前記外周部との間の隙間を含み、前記キャビティよりもピストン外周側及びピストン下側に形成され、このピストン外周側とピストン下側とが連通されているクーリングチャンネルと、
　前記クーリングチャンネルとピストン外部とを連通し、潤滑油の入口または出口となる少なくとも２つの連通孔と、
　を備えることを特徴とする内燃機関用ピストン。
　前記外周部は、前記頂部よりもピストン下側も囲み、
　前記クーリングチャンネルは、前記頂部と前記外周部との間の隙間であって、前記頂部よりもピストン外周側及びピストン下側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
　前記頂部は、前記クーリングチャンネル側へ突出して該頂部を補強し、前記キャビティよりもピストン外周側とピストン下側とに形成される夫々のクーリングチャンネル間を潤滑油が移動するための通路を残して配置される補強部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
　前記潤滑油が移動するための通路を、前記補強部よりもピストン下側に設けることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用ピストン。
　前記頂部は、前記外周部と比較して、比熱の小さな材料を用いることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関用ピストン。
　前記頂部は、前記キャビティの外面から突出してピストン中心線上に前記クーリングチャンネルの底面まで延びる中心補強部を有し、
　前記クーリングチャンネルの底面では、前記中心補強部の周辺がピストン下側に向かって凹んでいることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関用ピストン。
　前記頂部は、ピストンのスカート部を含んで構成されることを特徴とする請求項１，３，４，５，６の何れか１項に記載の内燃機関用ピストン。
　請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関用ピストンと、
　前記連通孔を介して前記クーリングチャンネルに潤滑油を供給する潤滑油供給装置と、
　前記潤滑油供給装置から前記クーリングチャンネルへ供給する潤滑油の量を調節する調節装置と、
　内燃機関の温度が低いときには高いときよりも潤滑油の供給量を少なくする制御装置と、
　を備えることを特徴とする内燃機関。