JP4869121B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用ピストンに係り、特に、ディーゼルエンジン用ピストンの燃焼室外側、すなわちピストン頂部の外周壁部に環状の冷却空洞を形成し、下方の噴射ノズルから冷却オイルを噴射して冷却空洞内に流し、この冷却オイルによってピストンを冷却する冷却装置を有する内燃機関用ピストンに関するものである。

従来、高出力のディーゼルエンジンで高い耐熱負荷性が要求されるピストンにおいては、燃焼室のリップ部、およびピストンリング溝部の温度上昇を抑制するために、ピストンの燃焼室の外側の外周壁部に冷却空洞を設け、下方の噴射ノズルからオイルを冷却空洞に向けて噴射することは、周知の技術であるピストンの冷却効率を向上させた事例が、実開平１−５８７１２号、特開平９−９６２４８号公報で知られている。
実開平１−５８７１２号公報 特開平９−９６２４８号公報

このような従来の技術においては、図６及び図７に示すように、ディーゼルエンジンのシリンダ１０１内を滑動するピストン１００は、頂部に環状の冷却空洞１０２を有している。この冷却空洞１０２は、環状の冷却通路１０３と、この環状の冷却通路１０３に略Ｔ字状に直交して連通される取入口１０４と、この取入口１０４から略１８０゜離隔した位置で同様に環状の冷却通路１０３と略Ｔ字状に連通される吐出口１０５とから構成されている。冷却空洞１０２は、図７に示すように、噴射ノズル１１０から噴射されて取入口１０４に供給された冷却オイルを環状の冷却通路１０３内へ互いに相反する方向へ円滑に分流して案内するための一対の円弧状の斜面Ｓ１、Ｓ２を有する山形形状のオイル分配壁１０６が一体形成されている。

ピストン１００の冷却空洞１０２に冷却オイルを供給する噴射ノズル１１０の中心と、Ｔ字状に直交したピストン１００の冷却空洞１０２のオイル分配壁１０６の中心とが同一で、一致しており、噴射ノズル１１０から取入口１０４に噴射された冷却オイルは、オイル分配壁１０６の円弧状の斜面Ｓ１、Ｓ２、もしくは山形形状部に衝突し、左右に等流量の冷却オイルが環状の冷却通路１０３を流れるようになっている。このために、ピストン１００頂部の冷却空洞１０２内の冷却が一様に行われるようになっている。

しかしながら、エンジンレイアウトの都合により、取入口１０４が環状の冷却空洞１０２と直交していなかったり、あるいは噴射ノズル１１０がピストン１００の円周方向に傾いた状態で設置されることがある。

このような場合、従来の山形形状部では、ピストン１００が上下移動する際に、ピストン１００の上死点及び下死点の時には図８、図９、図１０、図１１に示すように噴射ノズル１１０から取入口１０４に噴射された冷却オイルが山形形状部１０８の円弧状斜面もしくは山形形状の分配壁１０９の中心部に当らないために、山形形状部１０８や分配壁１０９では冷却空洞１０２内へ均等に分流されず、ピストン１００頂部が均等に冷却されないためにピストン１００の頂部温度を上昇させてピストン１００頂部に亀裂を発生し、結果的にエンジンの耐久性を低下するという問題があった。

そのために、ピストン１００の頂部の温度を下げるために冷却空洞１０２内の冷却オイルの流れを調整して効率良くピストン１００を冷却することが必要である。

本発明は、上記問題点に鑑み、ピストンに形成した冷却空洞内に下方から冷却オイルを噴射する噴射ノズルまたは取入口が冷却空洞の円周方向に対して傾いて設置されている場合でも、ピストンが上下に移動しても、常に冷却オイルが冷却空洞内に均等に分流されてピストン頂部の温度を効率良く冷却する冷却装置を有した内燃機関用ピストンを提供することを課題とするものである。

上記課題を達成するために、本発明の内燃機関用ピストンは、内燃機関用エンジンのピストン頂部の外周壁部に環状の冷却空洞が形成された冷却装置を有する内燃機関用ピストンにおいて、該冷却装置は、ピストンの軸方向において円周方向に傾斜した状態の噴射ノズルを備え、冷却空洞に向かって噴射ノズルによってピストンの軸方向において円周方向に傾斜した方向に噴射された冷却オイルを取入れる冷却オイル用取入口を有し、前記冷却空洞の冷却オイル用取入口との連結部のピストン頂部側に、噴射された冷却オイルが略直角に当るように前記冷却空洞内の一部にピストンの円周方向に傾斜した分配壁が設けられており、前記冷却オイルが前記冷却オイル用取入口から前記冷却空洞内を流れることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関用ピストンは、前記冷却オイル用取入口及び排出口が複数個設けられ、各冷却オイル用取入口および排出口に冷却オイルが指向されることを特徴とする。

更に、本発明の内燃機関用ピストンは、前記冷却オイル用取入口の冷却空洞側に平面形状に形成される壁を設け、該壁に冷却オイル用取入口を前記分配壁に対して垂直に設けることを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関用ピストンは、ピストンの円周方向に傾いた状態で設置されている噴射ノズルから冷却空洞内へ冷却オイルが噴射されて、冷却空洞に冷却オイルを分配するために噴射角度に対して略直角な分配壁を設けるようにしたことによって、分配壁に冷却オイルが略直角に当って左右に等流量の冷却オイルが冷却空洞に分流されるようになっており、このためにピストン頂部の冷却空洞内の冷却が一様に行われる。その結果、燃焼室のリップ部の温度を制御してピストン頂部の亀裂防止を計り、エンジンの耐久性が向上するという優れた効果が得られる。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施例）
図１は、本発明の内燃機関用ピストンの断面図で、図２は、図１におけるピストンの冷却空洞と冷却オイルの取入口とを示す概要図で、下死点での冷却オイルの噴射状況を実線で示し、上死点での冷却オイルの噴射状況を仮想線（一点鎖線）で示しており、図３乃至図５は、図２における冷却オイルの取入口の変形例を示す概要図である。

図１に示されるように、本発明の内燃機関用ピストン１は、例えばディーゼルエンジンのシリンダ内を滑動するように構成されており、ピストン１の頂部の外周壁部分に環状の冷却空洞２が設けられている。この冷却空洞２は、環状の冷却通路３と、この環状の冷却通路３に対して斜めに傾斜して交差して連通するように設けられた冷却オイル用の取入口４と、この取入口４から略１８０゜離隔した位置で同様に環状の冷却通路３と略直角に交差するように設けられた排出口５とを有しており、これら環状の冷却空洞２と冷却オイル用の取入口４と排出口５とによってピストン１の冷却装置が構成されている。

このように、取入口４は、ピストン１の外周壁部に垂直方向に、すなわちピストン１の中心軸心方向に対して斜めに傾斜角度をもって傾斜して設けられており、取入口４と排出口５がピストン１頂部の壁部に沿って直径方向に互いに相対して設けられるのが好適である。なお、図示実施例では、冷却オイル用の取入口４と排出口５は、各々１個宛設けられているが、必要に応じて夫々複数個設けることができる。

冷却空洞２は、ピストン１の頂部外周壁部分に沿って環状に形成されており、ピストン１の直径方向に対向して設けられた傾斜した取入口４と、略直角な排出口５とが環状の冷却空洞２に連通して設けられている。従って、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルが矢印方向に取入口４に向かって噴射されて取入口４に入って環状の冷却空洞４内を流れるので、この冷却オイルの流れによってピストン１の頂部が一様に良好に冷却されるようになり、ピストン１の耐久性が向上されるようになる。

また、このようにしてピストン１の冷却空洞２内を環流してピストン１の頂部を冷却した冷却オイルは、反対側の排出口５から排出されてシリンダ下部のオイル溜りに貯まって、適宜なオイルポンプによって再び噴射ノズル１０に供給されて噴射ノズル１０から噴射されるようになる。

冷却空洞２は、図２に示されるように、噴射ノズル１０から噴射されて取入口４に供給された冷却オイルが、環状の冷却通路３内へ互いに相反する方向へ円滑に分流して案内するための噴射方向に対して略直交する分配壁６が一体的に形成されており、図示では平面形状に設けられている。このような分配壁６は、平面形状に限られず、環状の冷却空洞２の断面形状、例えば長円形状や楕円形状等の断面形状に対応して曲面形状に形成されることもある。なお、この図２においては、ピストン１の下死点での冷却オイルの噴射状況が実線で示され、上死点での冷却オイルの噴射状況が仮想線（一点鎖線）で示されている。

図示されるように、分配壁６は、ピスト１の頂部に設けられた環状の冷却空洞２と、ピストン１の外周壁部に沿ってピストン１の垂直方向に対して傾斜して設けられた冷却オイルの取入口４との交差部分において、冷却オイルの噴射方向に対して略直角な平面部分を形成するように設けられている。また、取入口４の入口部分は、冷却オイルを良好に受けることができるように、例えば皿もみ加工して図示のような末広の形状に形成されるのが好適である。

従って、ピストン１の下死点の位置において噴射ノズル１０から所要の傾斜角度をもって噴射された冷却オイルは、図２に実線で示されるように、取入口４の左側に寄った位置の取入口４部分を通ってピストン１の冷却空洞２内に供給されて、冷却空洞２と取入口４との交差部分で冷却空洞２の、図示で上側の天井部分の分配壁６に当って左右の方向に略均等に分けられて分流される。すなわち、取入口４内に噴射された冷却オイルは、噴射方向に対して略直角になった状態で分配壁６に当たるので、この分配壁６部分において、冷却オイルは略等しく２分されて環状の冷却空洞２内を冷却通路３に沿って左右に分割されて流動するようになる。

また、ピストン１の上死点の位置において噴射された冷却オイルは、図２に仮想線（一点鎖線）で示されるように、下死点位置の噴射ノズル１０の位置の下方向に僅かにずれた位置（仮想線で示される位置）の噴射ノズル１０から噴射されて取入口４の右側に寄った位置の取入口４部分を通ってピストン１の冷却空洞２内に供給されて分配壁６に対して略直角に当って左右の方向に略均等に分けられて分流され、冷却空洞２内を流れるようになる。

このようにして、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルは、ピストン１の下死点、上死点のいずれの位置においても、噴射方向と交差するピストン１の冷却空洞２において、分配壁６の平面部分、あるいは曲面部分に対して略直角に当って左右に略等しい流量の冷却オイルとして環状の冷却空洞２の冷却通路３内へと流れるようになり、これによって、ピストン１の頂部は、冷却空洞２内を流動する冷却オイルによって一様に冷却されるようになる。冷却空洞２内を流動してピストン１を冷却したオイルは、取入口４と反対側の排出口５から好適に排出されて、シリンダ底部のオイル溜りに貯められる。オイル溜りに貯まったオイルは適宜なオイルポンプによって再び噴射ノズル１０に供給されて噴射ノズル１０から噴射されるようになる。なお、分配壁６は、平面形状の場合だけでなく、冷却空洞２の断面形状に対応して断面が長円形状や楕円形状等の曲面形状の場合においても、冷却オイルを良好に左右に略均等に分流して流すように作用することができるものである。

従って、本発明のピストン１においては、下死点および上死点のいずれの位置においても、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルが取入口４を通って分配壁６に対して略直角に当たるので、そこで冷却オイルは左右に均等に分けられて冷却空洞２内を流れることができるようになり、ピストン１の頂部を良好に冷却することができる。

従来では、ピストンが上下動してピストンが下死点および上死点に到達した時に、噴射ノズルから取入口に噴射された冷却オイルが、山形形状部の円弧状斜面もしくは山形形状の分配壁の中心部に良好に当らないために、従来での山形形状部や分配壁では冷却空洞内へ冷却オイルが均等に分流されずに、ピストンの頂部温度を上昇させてピストン頂部に亀裂を発生し、結果的にエンジンの耐久性を低下させてしまう等の問題があったが、本発明のピストン１においては、下死点および上死点に位置されたピストン１の頂部が冷却オイルによって良好に冷却されるために、ピストン１の頂部の温度を下げるべく冷却空洞２内の冷却オイルの流れを好適に調整して効率良くピストン１を冷却することができる。

本発明のピストン１においては、図２に示されるようにピストン１の頂部に設けられた環状の冷却空洞２と、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルとが交差する部分に、噴射方向に対して略直交するように分配壁６が設けられているので、ピストンが下死点および上死点のいずれに位置することにも拘わらず、冷却オイルは分配壁６に対して略直角に当り、この分配壁６に当った冷却オイルが分配壁６において良好に２分されて冷却空洞２へと流れるので、ピストン１の頂部が均等に冷却されるようになる。

上述したように形成された冷却空洞２の分配壁６に対する冷却オイルの取入口４の幾つかの変形例が図３乃至図５に示されている。これら図３乃至図５においても、ピストンの下死点での冷却オイルの噴射状況が実線で示され、ピストンの上死点での冷却オイルの噴射状況が仮想線（一点鎖線）で示されている。

図３に示されるピストン１の取入口４においては、分配壁６が冷却オイルの噴射方向に対して略直角に形成されるように冷却空洞２に設けられており、これに対向する取入口４の出口部分４Ａが直線状の通路となるように形成され、その入口部分４ａが皿形に拡大された部分として形成されていて、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルを良好に受けることができるようになっている。

従って、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルは、入口部分４ａにおいて好適に受けられて取入口４の直線状の出口部分４Ａを通って分配壁６に略直角に当って左右に均等に分流されるので、分流された冷却オイルが冷却空洞２内を均等に流れてピストン１の頂部を良好に冷却するようになる。これによって、ピストン１は、好適に冷却されるために、ピストン１の頂部が冷却オイルによって良好に冷却されて、亀裂の発生を好適に抑制でき、効率良くピストン１を冷却することができる。

また、図３に実線で示されるように、ピストンの下死点の位置での噴射ノズル１０（実線の位置）から噴射された冷却オイルは、取入口４の左側に寄った部分を通って分配壁６に略直角に当って左右に略均等に分流されて冷却空洞２内を流れるようになる。更に、ピストンの上死点の位置での噴射ノズル１０（仮想線の位置）から噴射された冷却オイルは、取入口４の右側に寄った部分を通って分配壁６に対して略直角に当って左右に略均等に分流されて冷却空洞２内を流れてピストンを良好に冷却するようになる。

図４に示されるピストン１の取入口４においては、分配壁６は、冷却オイルの噴射方向に対して略直角になるように形成されており、取入口４の出口部分４Ｂが冷却空洞に２の冷却通路３に対して略直角になるように設けられていて、その入口部分４ｂが皿形に形成されて冷却オイルを好適に受けることができるようになっている。また、出口部分４Ｂは長穴状に設けられているため、広範囲にて冷却オイルを取り入れることができる。

従って、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルは、入口部分４ｂにおいて好適に受けられて取入口４を経て分配壁６に略直角に当って左右に均等に分流され、分流された冷却オイルが冷却空洞２内を均等に流れてピストン１の頂部を良好に冷却するようになる。これによって、ピストン１は、好適に冷却されるために、ピストン１の頂部の温度上昇が抑制され、亀裂の発生を良好に防止することができ、ピストン１を効率良く冷却することができる。

また、図４に実線で示されるように、ピストンの下死点の位置での噴射ノズル１０（実線の位置）から噴射された冷却オイルは、図２や図３に関して上述したと同様に、取入口４の左側に寄った部分を通って分配壁６に略直角に当って左右に略均等に分流されて冷却空洞２内を流れるようになる。更に、ピストンの上死点の位置での噴射ノズル１０（仮想線の位置）から噴射された冷却オイルは、取入口４の右側に寄った部分を通って分配壁６に対して略直角に当って左右に略均等に分流されて冷却空洞２内を流れてピストンを良好に冷却するようになる。

図５に示されるピストン１の取入口４においては、分配壁６は、冷却オイルの噴射方向に対して略直角になるように形成されており、取入口４の出口部分４Ｃの出口穴の形状が分配壁６に対して略平行になるように設けられている。このように取入口４の出口部分４Ｃの出口穴の形状が分配壁６に対して略平行になっていると、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルは、出口部分４Ｃの出口穴から出て分配壁６に略直角に当って左右に均等に分流され、この出口部分４Ｃの出口穴の平行部分によって均等な分流が維持されるようにできるので、冷却空洞２に沿って均等に流れてピストン１が好適に冷却されるようになる。

従って、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルは、入口部分４ｃにおいて好適に受けられて取入口４の直線状の出口部分４Ｃを通って分配壁６に略直角に当って左右に均等に分流されるので、分流された冷却オイルが冷却空洞２内を均等に流れてピストン１の頂部を良好に冷却するようになる。これによって、ピストン１は、好適に冷却されるために、ピストン１の頂部が冷却オイルによって良好に冷却されて、亀裂の発生を好適に阻止することができ、効率良くピストン１を冷却することができる。

また、図５に実線で示されるように、ピストンの下死点の位置での噴射ノズル１０（実線の位置）から噴射された冷却オイルは、上記したと同様に、取入口４の左側に寄った部分を通って分配壁６に略直角に当って左右に略均等に分流されて冷却空洞２内を流れるようになる。更に、ピストンの上死点の位置での噴射ノズル１０（仮想線の位置）から噴射された冷却オイルは、取入口４の右側に寄った部分を通って分配壁６に対して略直角に当って左右に略均等に分流されて冷却空洞２内を流れてピストンを良好に冷却するようになる。

上記するように、ピストン１が上下動して下死点および上死点のいずれの位置に位置する時においても、ピストン１は、図３乃至図５に夫々示される如く取入口４の出口部分４Ａ、４Ｂ、４Ｃを冷却空洞２の分配壁６に対応して種々な形状に形成することができ、いずれの場合にも冷却オイルを好適に分流して冷却通路３に流して冷却空洞２内を還流させるので、これによってピストン１を効果的に冷却することができる。

従って、噴射ノズル１０から噴射された冷却オイルは、取入口４や、その入口部分４ａ、４ｂ、４ｃにおいて好適に受けられて取入口４および取入口４の直線状の出口部分４Ａ、４Ｂ、４Ｃを通って分配壁６に対して略直角に当って左右に略均等に分流されるので、分流された冷却オイルが冷却空洞２内を冷却通路３に沿って均等に流れてピストン１の頂部を良好に冷却するようになる。これによって、ピストン１は、好適に冷却されるために、ピストン１の頂部が冷却オイルによって良好に冷却されて、亀裂の発生を好適に抑制でき、効率良くピストン１を冷却することができる。

ディーゼルエンジンの外に、ガソリンエンジンやコンプレッサ等のピストンを好適に冷却することができる冷却装置として利用することが可能である。

本発明における内燃機関用ピストンの断面図、 図１の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口を示す断面部分図、 図２の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口の変形例を示す断面部分図、 図２の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口の別の変形例を示す断面部分図、 図２の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口の更に他の変形例を示す断面部分図、 従来の内燃機関用ピストンの断面図、 図６の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口を示す断面部分図、 図６の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口をピストン外周部に沿って９０度角度を変えて断面して示す断面部分図 図８の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口の変形例を示す断面部分図 図８の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口の別の変形例を示す断面部分図 図８の内燃機関用ピストンの環状冷却空洞と冷却オイル取入口の更に他の変形例を示す断面部分図である。

符号の説明

１ ピストン
２ 冷却空洞
３ 冷却通路
４ 取入口
５ 排出口
６ 分配壁
１０ 噴射ノズル

Claims (3)

1. 内燃機関用エンジンのピストン頂部の外周壁部に環状の冷却空洞が形成された冷却装置を有する内燃機関用ピストンにおいて、
   該冷却装置は、ピストンの軸方向において円周方向に傾斜した状態の噴射ノズルを備え、冷却空洞に向かって噴射ノズルによってピストンの軸方向において円周方向に傾斜した方向に噴射された冷却オイルを取入れる冷却オイル用取入口を有し、前記冷却空洞の冷却オイル用取入口との連結部のピストン頂部側に、噴射された冷却オイルが略直角に当るように前記冷却空洞内の一部にピストンの円周方向に傾斜した分配壁が設けられており、前記冷却オイルが前記冷却オイル用取入口から前記冷却空洞内を流れることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記冷却オイル用取入口および排出口が複数個設けられ、各冷却オイル用取入口および排出口に冷却オイルが指向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。
3. 前記冷却オイル用取入口の冷却空洞側に平面形状に形成される壁を設け、該壁に冷却オイル用取入口を前記分配壁に対して垂直に設け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。

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