WO2012137288A1

WO2012137288A1 - 内燃機関のピストン

Info

Publication number: WO2012137288A1
Application number: PCT/JP2011/058536
Authority: WO
Inventors: 鈴木宏太朗
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-10-11

Abstract

　ピストン１は内燃機関１０に設けられるとともに、内燃機関１０の吸気側Ｉｎに配置される入口部２ａと、内燃機関１０の排気側Ｅｘに配置される出口部２ｂとが設けられている環状のクーリングチャンネル２を備えている。クーリングチャンネル２は、入口部２ａと出口部２ｂとの間に設けられ、内燃機関１０の回転数ＮＥの上昇に応じて、入口部２ａから供給されるオイルを排出し、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を妨げる状態から、入口部２ａから供給されるオイルの排出を許容しつつ、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を可能にする状態にオイルの流通状態を移行させる排出部２ｃを備える。　

Description

内燃機関のピストン

　本発明は内燃機関のピストンに関し、特に環状のクーリングチャンネルを備える内燃機関のピストンに関する。

　環状のクーリングチャンネルを備える内燃機関のピストンが知られている。本発明の内燃機関のピストンと組み合わせて用いることが可能な技術である点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１で開示されている。具体的には特許文献１では、燃焼熱のシリンダヘッドからの冷却損失を低減することにより、エンジンの出力向上を図ることができるエンジンの遮熱型シリンダヘッドが開示されている。このほかクーリングチャンネルに関し、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献２で開示されている。

特開平１１－２７０４０４号公報特開２００６－１９４１０９号公報

　内燃機関では、燃焼室からピストンに放熱された熱がピストン側方から燃焼室側壁部に移動する。このため、シリンダブロックを冷却していても、燃焼室側壁部の温度が高まることで、ノッキングが発生することがある。特にシリンダヘッドの断熱性を高めることで、燃焼室からシリンダヘッドへの放熱を抑制する場合には、燃焼室からピストンへの放熱性が高まることから、ピストンの温度が高まり易くなる。結果、ピストンから燃焼室側壁部への熱の移動が促進されることで、ノッキングが発生することがある。

　この点、クーリングチャンネルを流通するオイルによってピストンを冷却すれば、ピストンから燃焼室側壁部への熱の移動も抑制できる。ところが、ピストンを冷却する場合でもピストンから燃焼室側壁部へ熱が移動する結果、ノッキングが発生することがある。これに対し、クーリングチャンネルにオイルを流通させなければ、気体による断熱効果で熱の移動の大幅な抑制を図ることもできる。ところが、内燃機関ではピストンの熱変形の抑制や溶損の回避を冷却によって図ることで、ピストンの機能も確保する必要がある。

　本発明は上記課題に鑑み、機能を確保しつつノッキングの発生を抑制可能な内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

　本発明は内燃機関に設けられるとともに、前記内燃機関の吸気側に配置される入口部と、前記内燃機関の排気側に配置される出口部とが設けられている環状のクーリングチャンネルを備え、前記クーリングチャンネルが、前記入口部と前記出口部との間に設けられ、前記内燃機関の回転数の上昇に応じて、前記入口部から供給されるオイルを排出し、前記入口部から前記出口部へのオイルの到達を妨げる状態から、前記入口部から供給されるオイルの排出を許容しつつ、前記入口部から前記出口部へのオイルの到達を可能にする状態にオイルの流通状態を移行させる排出部を備える内燃機関のピストンである。

　本発明は前記クーリングチャンネルのうち、吸気側の部分の通路断面積よりも排気側の部分の通路断面積を大きく設定している構成とすることができる。

　本発明は前記クーリングチャンネルを上面視で前記入口部と前記出口部とを結ぶ直線で２つの部分に区分した場合に、前記２つの部分それぞれの排気側の部分のうち、周方向に沿った長さが長い方の部分に前記排出部を設けている構成とすることができる。

　本発明によれば、機能を確保しつつノッキングの発生を抑制できる。

ピストンの概略構成図である。内燃機関の概略構成図である。回転数に応じた油圧の変化を示す図である。クーリングチャンネルの水平断面図である。ピストンにおける第１の熱の移動態様を示す図である。ピストンにおける第２の熱の移動態様を示す図である。

　図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

　図１は内燃機関のピストン（以下、ピストンと称す）１の概略構成図である。図２は内燃機関１０の概略構成図である。図１ではピストン１の中心軸線を含み、ピストン１が設けられる内燃機関１０の吸排気方向に沿った断面でピストン１を示す。図１において、クーリングチャンネル２のうち、断面に現れない部分については破線で示す。図１に示すように、ピストン１はクーリングチャンネル２を備えている。クーリングチャンネル２はオイルを流通させる通路部であり、ピストン１に環状に設けられている。クーリングチャンネル２のうち、排気側Ｅｘの部分の通路断面積は吸気側Ｉｎの部分の通路断面積よりも大きく設定されている。

　クーリングチャンネル２には、入口部２ａと出口部２ｂとが設けられている。ピストン１を内燃機関１０に組み込んだ状態で、入口部２ａは内燃機関１０の吸気側Ｉｎに配置され、出口部２ｂは内燃機関１０の排気側Ｅｘに配置される。入口部２ａ、出口部２ｂはともにピストン１の下方に向かって開口している。入口部２ａにはクーリングチャンネル２に流通させるオイルが流入し、出口部２ｂからはクーリングチャンネル２を流通したオイルが流出する。

　図２に示すようにピストン１は内燃機関１０に設けられている。内燃機関１０は火花点火式の内燃機関であり、ピストン１のほか、シリンダブロック１１と、シリンダライナ１２と、シリンダヘッド１３と、点火プラグ１４と、ガスケット１５と、断熱部材１６と、オイルジェット１７と、リリーフ弁１８と、オイルポンプ１９とを備えている。

シリンダブロック１１にはシリンダライナ１２が設けられている。シリンダライナ１２にはピストン１が収容されている。シリンダライナ１２はシリンダヘッド１３およびピストン１とともに燃焼室Ｅを形成している。この点、シリンダライナ１２は燃焼室側壁部を構成している。シリンダヘッド１３はシリンダブロック１１に設けられている。シリンダヘッド１３には燃焼室Ｅの上部中央に電極を突出させた状態で、点火プラグ１４が設けられている。

　シリンダヘッド１３は具体的にはガスケット１５を介してシリンダブロック１１に設けられている。ガスケット１５には例えば表面にゴムがコーティングされた断熱性の高いガスケットを用いることができる。シリンダヘッド１３のうち、燃焼室Ｅを形成している部分には断熱部材１６が設けられている。断熱部材１６は例えばセラミックであり、コーティングによってシリンダヘッド１３に設けることができる。

　ガスケット１５および断熱部材１６のうち、少なくとも断熱部材１６を備える内燃機関１０は、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつ、シリンダヘッド１３における冷却損失の発生を抑制可能に構成されている。

　オイルジェット１７はオイルジェット１７は所定の位置に存在するピストン１の入口部２ａに向けてオイルを噴射できるように設けられている。したがって、入口部２ａには具体的にはオイルジェット１７からオイルが供給される。リリーフ弁１８はオイルをリリーフすることで油圧をリリーフ圧Ｐｒに抑制する。オイルポンプ１９はリリーフ弁１８を介してオイルジェット１７にオイルを供給する。

　図３は回転数ＮＥに応じた油圧Ｐの変化を示す図である。回転数ＮＥは内燃機関１０の回転数を示し、油圧Ｐはオイルポンプ１９が発生させるオイルの圧力を示す。オイルポンプ１９は内燃機関１０の出力で駆動する。このため、油圧Ｐは回転数ＮＥに応じて変化する。この点、油圧Ｐは具体的には回転数ＮＥがリリーフ圧Ｐｒに応じた回転数よりも低い場合には、回転数ＮＥが高い場合ほど高くなる。一方、回転数ＮＥがリリーフ圧Ｐｒに応じた回転数以上である場合には、リリーフ圧Ｐｒになるように抑制される。この点、所定値αはリリーフ圧Ｐｒに応じた回転数よりも低い回転数を示す。

　図１に戻り、クーリングチャンネル２はさらに排出部２ｃを備えている。排出部２ｃは入口部２ａと出口部２ｂとの間に設けられている。排出部２ｃは回転数ＮＥの上昇に応じて、入口部２ａから供給されるオイルを排出し、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を妨げる状態から、入口部２ａから供給されるオイルの排出を許容しつつ、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を可能にする状態にオイルの流通状態を移行させる。

　このため、排出部２ｃは回転数ＮＥが低回転数である場合（例えば所定値αよりも小さい場合）に、入口部２ａから供給されるオイルを排出し、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を妨げる。また、回転数ＮＥが高回転数である場合（例えば所定値α以上である場合）に、入口部２ａから供給されるオイルの排出を許容しつつ、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を可能にする。排出部２ｃでは具体的にはこのようにオイルの流通状態を移行させることができるように通路断面積が設定されている。

　このようにオイルの流通状態を移行させることができる理由は次の通りである。すなわち、回転数ＮＥに応じて油圧Ｐが変化する一方、油圧Ｐが高い場合ほどクーリングチャンネル２に供給するオイルの量や勢いを増加させることができるためである。オイルの到達を妨げるにあたって、排出部２ｃは入口部２ａから供給されるオイルをすべて排出することができる。

　排出部２ｃはさらに具体的には次のように設けられている。図４はクーリングチャンネル２の水平断面図である。図４に示すように、排出部２ｃはクーリングチャンネル２を上面視で入口部２ａと出口部２ｂとを結ぶ直線で２つの部分に区分した場合に、２つの部分それぞれの排気側の部分ｐ１、ｐ２のうち、周方向に沿った長さが長い方の部分ｐ１に設けられている。この点、入口部２ａは吸気側Ｉｎ中央の位置から、出口部２ｂは排気側Ｅｘ中央の位置からそれぞれ周方向に沿ってオフセットした位置に設けられている。これは、オイルジェット１７から入口部２ａに向けて噴射されたオイルと、出口部２ｂから流出するオイルとがコネクティングロッドと干渉することを避けるためである。

　次にピストン１の作用効果について説明する。図５はピストン１における第１の熱の移動態様を示す図である。図６はピストン１における第２の熱の移動態様を示す図である。第１の熱の移動態様は回転数ＮＥが低回転数である場合の熱の移動態様を示す。第２の熱の移動態様は回転数ＮＥが高回転数である場合の熱の移動態様を示す。図５、図６では熱の移動を矢印Ｈで示す。

　ピストン１では、排出部２ｃが回転数ＮＥの上昇に応じて、上述したようにオイルの流通状態を移行させる。このため、ピストン１は回転数ＮＥが低回転数である場合に、入口部２ａから供給されるオイルを排出し、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を妨げることができる。そしてこれにより、図５に示すように、オイルジェット１７からオイルを噴射した場合でも、クーリングチャンネル２のうち、出口部２ｂ、排出部２ｃ間の部分に気体Ｇを存在させることができる。結果、気体Ｇによる断熱効果を得ることができる。

　このため、ピストン１は回転数ＮＥが低回転数である場合には、シリンダライナ１２への熱の移動を抑制できる。結果、ノッキングの発生を抑制できる。また、回転数ＮＥが低回転数である場合には、ピストン１の冷却の必要性は相対的に低くなる。このため、この場合には熱の移動を抑制しても、機能に影響が及ぶことを回避できる。

　回転数ＮＥが高回転数である場合、ピストン１は入口部２ａから供給されるオイルの排出を許容しつつ、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を可能にする。そしてこれにより、図６に示すようにクーリングチャンネル２全体にオイルを行き渡らせることで、ピストン１の冷却も確保できる。結果、ピストン１の熱変形の抑制や溶損の回避を図ることで、ピストン１の機能も確保できる。すなわち、ピストン１は回転数ＮＥが主に高回転数である場合に機能を確保しつつ、回転数ＮＥが主に低回転数である場合にノッキングの発生を抑制できる。

　ピストン１はクーリングチャンネル２のうち、排気側Ｅｘの部分の通路断面積を吸気側Ｉｎの部分の通路断面積よりも大きく設定している。このため、ピストン１は内燃機関１０の構造上、高温になり易い排気側Ｅｘの部分の冷却性を吸気側Ｉｎの部分の冷却性よりも高めることができる。結果、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を可能にする場合に、機能を好適に確保することもできる。

　ピストン１は部分ｐ１、ｐ２のうち、周方向に沿った長さが長い方の部分ｐ１に排出部２ｃを設けている。このため、ピストン１はシリンダライナ１２のうち、特に高温になり易い排気側Ｅｘ中央の部分に対応させて、気体Ｇを存在させることができる。そしてこれにより、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を妨げる場合に、ノッキングの発生を好適に抑制することもできる。

　ピストン１はクーリングチャンネル２のうち、排気側Ｅｘの部分の通路断面積を吸気側Ｉｎの部分の通路断面積よりも大きく設定するとともに、部分ｐ１、ｐ２のうち、周方向に沿った長さが長い方の部分ｐ１に排出部２ｃを設けている。このため、ピストン１はクーリングチャンネル２のうち、気体Ｇを存在させる出口部２ｂ、排出部２ｃ間の部分の通路幅を大きく確保することもできる。結果、気体Ｇによる断熱効果を高めることで、入口部２ａから出口部２ｂへのオイルの到達を妨げる場合に、ノッキングの発生を好適に抑制することもできる。

　ピストン１は火花点火式の内燃機関である内燃機関１０に設けられている。この点、火花点火式の内燃機関では排気損失や冷却損失など正味仕事に使われない熱が多く発生する。このため、内燃機関１０が火花点火式の内燃機関である場合には、冷却損失の低減を図ることが望まれる一方で、冷却損失の低減を図ることで、ピストン１からシリンダライナ１２への熱の移動が促進される結果、回転数ＮＥが低回転数である場合でもノッキングが発生することがある。このため、ピストン１は火花点火式の内燃機関である場合に好適である。

　ピストン１はシリンダブロック１１の冷却を確保しつつ、シリンダヘッド１３における冷却損失の発生を抑制可能に構成された内燃機関１０に設けられている。この点、このように構成された内燃機関１０では、シリンダヘッド１３への放熱が抑制される分、ピストン１への放熱性が高まる結果、ピストン１の温度が高まり易くなる。結果、ピストン１からシリンダライナ１２への熱の移動が促進されることで、回転数ＮＥが低回転数である場合でもノッキングが発生することがある。このため、ピストン１は内燃機関１０がシリンダブロック１１の冷却を確保しつつ、シリンダヘッド１３における冷却損失の発生を抑制可能に構成された内燃機関である場合に好適である。

　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

　例えばピストンが設けられる内燃機関は、シリンダブロックの冷却を確保しつつ、シリンダヘッドにおける冷却損失の発生を抑制可能に構成された内燃機関とすることができるが、この場合の内燃機関は上述した内燃機関１０に限られない。

　この点、内燃機関は例えばシリンダブロックの冷却を確保しつつ、シリンダヘッドの冷却能力を抑制可能な冷却能力調整手段（例えばシリンダヘッドに流通させる冷却媒体の流量を調節可能な流量調節弁）と、冷却能力調整手段を制御することで、シリンダヘッドの冷却能力を抑制するための制御を行う制御部とを備える冷却装置が設けられている内燃機関であってもよい。かかる内燃機関では、例えば内燃機関の運転状態が低回転高負荷である場合に、シリンダヘッドの冷却能力を抑制することで、シリンダブロックの冷却を確保しつつ、シリンダヘッドの冷却能力を抑制できる。

　　ピストン　　　　　　　　１
　　クーリングチャンネル　　２
　　入口部　　　　　　　　　２ａ
　　出口部　　　　　　　　　２ｂ
　　排出部　　　　　　　　　２ｃ
　　内燃機関　　　　　　　　１０
　　シリンダブロック　　　　１１
　　シリンダライナ　　　　　１２
　　シリンダヘッド　　　　　１３
　　点火プラグ　　　　　　　１４
　　ガスケット　　　　　　　１５
　　断熱部材　　　　　　　　１６
　　オイルジェット　　　　　１７
　　リリーフ弁　　　　　　　１８
　　オイルポンプ　　　　　　１９

　

Claims

内燃機関に設けられるとともに、前記内燃機関の吸気側に配置される入口部と、前記内燃機関の排気側に配置される出口部とが設けられている環状のクーリングチャンネルを備え、
　前記クーリングチャンネルが、前記入口部と前記出口部との間に設けられ、前記内燃機関の回転数の上昇に応じて、前記入口部から供給されるオイルを排出し、前記入口部から前記出口部へのオイルの到達を妨げる状態から、前記入口部から供給されるオイルの排出を許容しつつ、前記入口部から前記出口部へのオイルの到達を可能にする状態にオイルの流通状態を移行させる排出部を備える内燃機関のピストン。
請求項１記載の内燃機関のピストンであって、
　前記クーリングチャンネルのうち、吸気側の部分の通路断面積よりも排気側の部分の通路断面積を大きく設定している内燃機関のピストン。
請求項１または２記載の内燃機関のピストンであって、
　前記クーリングチャンネルを上面視で前記入口部と前記出口部とを結ぶ直線で２つの部分に区分した場合に、前記２つの部分それぞれの排気側の部分のうち、周方向に沿った長さが長い方の部分に前記排出部を設けている内燃機関のピストン。