特開 2022-12825 ピストン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022012825

(43)【公開日】2022-01-17

(54)【発明の名称】ピストン

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/22 20060101AFI20220107BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20220107BHJP

   F01P 3/10 20060101ALI20220107BHJP

   F01P 3/08 20060101ALI20220107BHJP

   F01M 1/08 20060101ALI20220107BHJP

【ＦＩ】

F02F3/22 A

F02F3/26

F01P3/10 A

F01P3/08 C

F01M1/08 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020114934

(22)【出願日】2020-07-02

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内村 豊光

【テーマコード（参考）】

3G313

【Ｆターム（参考）】

3G313CA06

3G313CA25

(57)【要約】

【課題】均一な冷却が可能なピストンを提供する。
【解決手段】ピストン１０の頂面２に開口するように燃焼室６０が設けられ、燃焼室６０の下方に環状の冷却空洞２０が設けられ、環状の冷却空洞２０は下方に向かって開口してオイルジェット４０からのオイルを受け入れる入口２１、およびオイルを排出する出口３１を有し、冷却空洞２０は燃焼室６０近い側の上側面２３と、燃焼室６０から遠い側の下側面２４とによって規定されており、入口２１における上側面２３はピストン１０のシリンダ内での往復方向に対して直交しているか、または一方向に傾斜しており、上側面２３は出口３１に近づくにつれて燃焼室６０に近づくように傾斜している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストン頂面に開口するように燃焼室が設けられ、
前記燃焼室の下方に環状の冷却空洞が設けられ、
前記冷却空洞は下方に向かって開口してオイルジェットからのオイルを受け入れる入口、およびオイルを排出する出口を有し、
前記冷却空洞は前記燃焼室に近い側の上側面と、前記燃焼室から遠い側の下側面とによって規定されており、
前記入口における前記上側面はピストンのシリンダ内での往復方向に対して直交しているか、または一方向に傾斜しており、
前記上側面は前記出口に近づくにつれて前記燃焼室に近づくように傾斜している、ピストン。

【請求項2】

前記下側面は前記出口に近づくにつれて前記燃焼室に近づくように傾斜している、請求項１に記載のピストン。

【請求項3】

前記燃焼室の開口付近において前記燃焼室の外側から内側へ突出するリップ部を有する、請求項１または２に記載のピストン。

【請求項4】

前記燃焼室内における温度差に応じて前記上側面は波形に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のピストン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ピストンに関し、より特定的には、オイル通路としての冷却空洞を有するピストンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来のピストンは、たとえば実開平２－１３７５１７号公報（特許文献１）、特開２０１０－９６０８７号公報（特許文献２）、国際公開第２００５／０６６４８１号（特許文献３）、特表２０１６－５０９１６０号公報（特許文献４）、特開平１０－１４１１３５号公報（特許文献５）、特開昭６０－１３２０５１号公報（特許文献６）に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実開平２－１３７５１７号公報

【特許文献2】特開２０１０－９６０８７号公報

【特許文献3】国際公開第２００５／０６６４８１号

【特許文献4】特表２０１６－５０９１６０号公報

【特許文献5】特開平１０－１４１１３５号公報

【特許文献6】特開昭６０－１３２０５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、下方に向かって開口する入口及び出口を備えた冷却空洞を頂壁下面内の周縁に沿って形成するとともに、入口に向って開口するオイルジェットをシリンダブロックに設けることにより、該オイルジェットから噴射されたオイルを冷却空洞に供給して冷却するようにしたレシプロエンジンのピストンにおいて、冷却空洞の上壁面をピストンの下方に向って開口する入口部分から出口部分に至るにつれてピストンの頂面に近付くように変位する一対の傾斜面で構成したことを特徴とするレシプロエンジンのピストンが開示されている。

【0005】

従来の構造では、ピストンの下方に向かって開口する入口部分から出口部分に至るにつれて、ピストンの頂面に近づくように変位する一対の傾斜面で構成しているため、オイルジェットから噴射されたオイルは一対の傾斜面により構成される嶺部分に噴射されて左右に分かれる。この嶺部分において熱流束が大きくなり、均一な冷却が困難になるという問題があった。

【0006】

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、均一な冷却が可能なピストンを提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明に従ったピストンは、ピストン頂面に開口するように燃焼室が設けられ、燃焼室の下方に環状の冷却空洞が設けられ、環状の冷却空洞は下方に向かって開口してオイルジェットからのオイルを受け入れる入口、およびオイルを排出する出口を有し、冷却空洞は燃焼室に近い側の上側面と、燃焼室から遠い側の下側面とによって規定されており、入口における上側面はピストンのシリンダ内での往復方向に対して直交しているか、または一方向に傾斜しており、上側面は出口に近づくにつれて燃焼室に近づくように傾斜している。

【0008】

このように構成されたピストンでは、入口における上側面はピストンのシリンダ内での往復方向に対して直交しているか、または一方向に傾斜しているため、上側面において、互いに反対側の傾斜面が交差することで形成される嶺部分が生じない。その結果、入口付近の上側面の表面積を小さくすることができ、入口付近が過剰に冷却されることを防止できる。上側面は出口に近づくにつれて燃焼室に近づくように傾斜しているため、出口付近で燃焼室と上側面との距離が小さくなり燃焼室から上側面へ熱が伝達されやすくなる。その結果、出口側で熱流束を増加させ、ピストンを均一に冷却することができる。

【0009】

好ましくは、下側面は出口に近づくにつれて燃焼室に近づくように傾斜している。この場合には、下側面の傾斜に沿って冷却空洞内をオイルが流れるため、下側面内においてオイルの滞留を防止できる。その結果、滞留したオイルの揮発成分が蒸発してオイルが炭化することを防止できる。

【0010】

好ましくは、燃焼室の開口付近において燃焼室の外側から内側へ突出するリップ部を有する。この場合には、出口側のリップ部において高温となりやすいが、出口側で燃焼室に近づくように冷却空洞を設けているため、出口側のチップ部が高温になることを防止できる。

【0011】

好ましくは、燃焼室内における温度差に応じて上側面は波形に形成されている。この場合、たとえば燃焼室内における燃料噴霧に起因して燃焼室内に温度差が生じたとしても、高温部分と上側面との距離が近くなるように波形に上側面を形成することで、ピストンを均一に冷却することができる。

【発明の効果】

【0012】

この発明に従えば、均一に冷却可能なピストンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１に従ったピストンの断面図である。

【図2】図１中の矢印ＩＩで示す方向から見たピストンの平面図である。

【図3】図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

【図4】実施の形態１のピストンにおいて熱の流れを説明するために示す燃焼室と冷却空洞を示す断面図である。

【図5】比較例のピストンにおいて熱の流れを説明するために示す燃焼室と冷却空洞を示す断面図である。

【図6】実施の形態２のピストンの平面図である。

【図7】実施の形態２のピストンの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の各実施形態に係るピストンを有する内燃機関について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0015】

（実施の形態１）
（構成）
図１は、実施の形態１に従ったピストンの断面図である。図１で示すように、実施の形態１に従ったピストン１０は頂面２を有する。頂面２に開口するように燃焼室６０が設けられている。燃焼室６０はピストン１０の頂面２に設けられた凹部である。

【0016】

ピストン１０は、燃焼室６０の開口付近において燃焼室６０の外側から内側へ突出するリップ部６１を有する。すなわち、燃焼室６０の上端には環状のリップ部６１が設けられている。リップ部６１は、ピストン１０の外側から内側へ向かいように延びている。なお、リップ部６１は、必ずしも設けられていなくてもよい。

【0017】

燃焼室６０に対向するようにインジェクタ７０が設けられている。インジェクタ７０はシリンダヘッドに設けられる。インジェクタ７０から燃料が噴射される。噴射された燃料は噴霧となり、燃焼室６０内で燃焼する。

【0018】

ピストン１０の燃焼室６０の下の領域には、環状の冷却空洞２０が設けられている。冷却空洞２０は、ピストン１０の矢印１１で示す往復方向に対して傾斜して延びている。冷却空洞２０にオイル５０が導入されることでピストン１０を冷却することができる。

【0019】

冷却空洞２０は、上側面２３と下側面２４とによって規定される。上側面２３は燃焼室６０に近い側の面である。下側面２４は、燃焼室６０から遠い側の面である。上側面２３および下側面２４は、ともに矢印１１で示す往復方向に対して傾斜するように配置されている。

【0020】

冷却空洞２０には入口２１および出口３１が設けられている。入口２１および出口３１はともにピストン１０の下方向（頂面２と反対側の方向）に向かって開口している。出口３１は図１の右側、入口２１は図１の左側に設けられる。

【0021】

オイルジェット４０がシリンダブロックに設けられている。オイルジェット４０はオイルを噴出するためのノズル４１を有する。ノズル４１からは、矢印４２で示す方向に入口２１に向かってオイルが噴出される。オイルはピストン１０のスカート１５に沿って上方向に移動して入口２１に入る。

【0022】

冷却空洞２０の下側面２４内にオイル５０が存在する。入口２１は主としてオイル５０を受け入れるための開口である。これに対して、出口３１はオイル５０を排出するための開口である。冷却空洞２０を燃焼室６０に対しオイル５０の入口２１が下方、出口３１が上方になるように配置する。すなわち、下側面２４は出口３１に近づくにつれて燃焼室６０に近づくように傾斜している。

【0023】

下側面２４が傾斜しているため、オイル５０は矢印５１で示す方向に流れる。ピストン１０は矢印１１で示す方向に往復運動をするため、オイル５０はピストン１０の往復運動に応じて、上側面２３および下側面２４に接触する。

【0024】

図２は、図１中の矢印ＩＩで示す方向から見たピストンの平面図である。図２で示すように、冷却空洞２０は円形状である。なお、冷却空洞２０は必ずしも円形状である必要はなく、楕円形等であってもよい。

【0025】

冷却空洞２０の互いに対称な位置に入口２１および出口３１が設けられる。この実施の形態では入口２１および出口３１の内径は冷却空洞２０の幅と等しくなっているが、必ずしも等しくする必要はなく、冷却空洞２０の幅と異なっていてもよい。

【0026】

図３は、図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３で示すように、入口２１に対向する上側面２３の部分は、被噴射面２２である。被噴射面２２には矢印４２で示す方向に噴射されるオイルが衝突する。被噴射面２２は矢印１１で示す方向と直交するように延びている。

【0027】

被噴射面２２は矢印１１で示す方向に対して一方向に傾斜していてもよい。「一方向に傾斜」とは、右上がりにのみ傾斜しているか、右下がりにのみ傾斜していることをいう。被噴射面２２が右下がりに傾斜した後、右上がりに傾斜傾斜するような、たとえば実開平２－１３７５１７の第３図のような傾斜は「一方向に傾斜」には含まれない。

【0028】

左側の上側面２３ａと右側の上側面２３ｂとが直接接触した場合には、直接接触した部分は特許文献１の第３図のように嶺状となる。嶺状の部分が入口２１に対応するように配置していると、嶺状の部分の表面積が大きいため、嶺状の部分での熱流束が大きくなる。さらに、嶺状の部分でオイルが左右に分かれて高い流速を保持したまま入口２１付近の冷却空洞２０内を流れるため、熱流束が大きくなる。これに対して、被噴射面２２を矢印１１に対して直交するように設けるか、一方向に傾斜するように設けるため嶺状部分が被噴射面２２に生じない。その結果、被噴射面２２での表面積を小さくでき、入口２１での熱流束を小さくできる。

【0029】

実施の形態１のピストン１０では、頂面２に開口するように燃焼室６０が設けられる。燃焼室６０の下方に環状の冷却空洞２０が設けられる。環状の冷却空洞２０は下方に向かって開口してオイルジェット４０からのオイルを受け入れる入口２１、およびオイルを排出する出口３１を有する。冷却空洞２０は燃焼室６０近い側の上側面２３と、燃焼室６０から遠い側の下側面２４とによって規定されており、入口２１における上側面２３はピストン１０のシリンダ内での往復方向に対して直交しているか、または一方向に傾斜しており、上側面２３は出口３１に近づくにつれて燃焼室６０に近づくように傾斜している。

【0030】

（作用および効果）
図４は、実施の形態１のピストンにおいて熱の流れを説明するために示す燃焼室と冷却空洞を示す断面図である。実施の形態１のピストン１０においては、燃焼室６０の左側部分６０ａから冷却空洞２０までの距離Ｌ１は長く、燃焼室６０の右側部分６０ｂから冷却空洞２０までの距離Ｌ２は短い。入口２１付近ではオイルの温度は低く、出口３１付近ではオイルはすでに燃焼室６０の熱を受熱しているためオイルの温度は高い。左側部分６０ａと入口２１付近のオイルとの間の温度差は大きく、右側部分６０ｂと出口３１付近のオイルとの間の温度差は小さい。これに対して伝熱経路の長さは左側部分６０ａにおいて長く（Ｌ１）、右側部分６０ｂにおいて短い（Ｌ２）。そのため、左側部分６０ａでは温度差は大きいものの伝熱抵抗は大きい。これに対して右側部分６０ｂでは温度差は小さいものの伝熱抵抗（物質固有の値と伝熱経路長によって決まる。伝熱経路長に比例する）も小さい。熱流束（単位面積当たりの熱の移動量）は温度差が大きいほど大きく、伝熱抵抗が大きいほど小さくなるため、図４の構造を採用することで、左側部分６０ａと右側部分６０ｂにおいて熱流束の大きさの差が小さくなる。

【0031】

図５は、比較例のピストンにおいて熱の流れを説明するために示す燃焼室と冷却空洞を示す断面図である。比較例のピストン１０においては、冷却空洞２０が矢印１１で示す方向に対して傾斜していない。燃焼室６０の左側部分６０ａから冷却空洞２０までの距離Ｌ３と、燃焼室６０の右側部分６０ｂから冷却空洞２０までの距離Ｌ３とが等しい。入口２１付近ではオイルの温度は低く、出口３１付近ではオイルはすでに燃焼室６０の熱を受熱しているためオイルの温度は高い。左側部分６０ａと入口２１付近のオイルとの間の温度差は大きく、右側部分６０ｂと出口３１付近のオイルとの間の温度差は小さい。伝熱経路の長さは左側部分６０ａおよび右側部分６０ｂにおいてともに、Ｌ３である。そのため、左側部分６０ａでは温度差は大きく伝熱抵抗は距離Ｌ３に比例する。右側部分６０ｂでは温度差は小さく、伝熱抵抗は距離Ｌ３に比例するため、左側部分６０ａの伝熱抵抗と同じである。熱流束（単位面積当たりの熱の移動量）は温度差が大きいほど大きくなるため、図５の構造では、左側部分６０ａと右側部分６０ｂにおいて熱流束の大きさの差が大きくなり、左側部分６０ａの熱流束は右側部分６０ｂの熱流束より大きい。

【0032】

すなわち、図５の構造では、冷却空洞２０の入口２１近傍のオイル５０はオイルジェット４０からの吐出により高い流速を発生する為、その他の部位に対し著しく熱交換が行われる。更に冷却空洞２０に入ったオイルは出口に向かうに伴い、ピストンとの熱交換により徐々に昇温される為、出口に向かう程、冷却性能は低下しピストンの温度は上昇する傾向にある。高温化する出口近傍を冷却する為に、より多くのオイルジェットの吐出量が要求されるか、出力が制限されることになる。

【0033】

さらに、図５のピストン１０において、高負荷運転後に急にエンジンを止めるデッドソークを行った場合、冷却空洞２０に残ったオイルがピストン１０から受熱し、オイルの許容限界温度を超えた高温化の際にコーキングが発生する。通常は高負荷運転時でもコーキングが起きない温度までピストン１０の冷却を行うが、近年の高比出力化に伴いピストン１０の温度は上昇傾向にあり、オイルの受ける熱量は増加傾向にある。これに対して、実施の形態１のピストン１０では、コーキングの問題は発生しない。

【0034】

このように、実施の形態１に従った構造を採用することで、燃焼室６０の左側部分６０ａと右側部分６０ｂとの熱流束の差を小さくすることができる。その結果、ピストン１０を均一に冷却することができる。

【0035】

すなわち、実施の形態１では、エンジン稼動時は入口２１側に対し出口３１側が燃焼室６０に近づき熱流束が大きくなる。出口３１に向かうに連れてオイル温度の高温化は従来技術より抑制され、かつ熱流束が向上する結果、ピストン１０の温度のバラツキが小さくなる。言い換えれば、冷却空洞２０の入口２１が燃焼室６０に対し、下方（遠方）、出口３１が上方（近方）になるように冷却空洞２０に傾きを与える事で入口は熱交換を抑え、出口３１側を積極的に冷却することでピストン１０の温度バラツキを均一化することが出来る。このことにより過剰な冷却を低減出来る為、オイルジェット４０の流量低減と冷損低減により燃費向上が見込める。

【0036】

また、デットソーク時に冷却空洞２０内部に残存したオイル５０が傾斜によって入口２１に向かって排出される。結果、冷却空洞２０に残存したオイル５０は受熱によるオイルコーキングを発生する前にピストン１０から排出される。

【0037】

実施の形態１では、被噴射面２２にはオイルジェット４０からの低温のオイルが直接噴射されるため、被噴射面２２の温度が特に低くなる。その結果、被噴射面２２と、熱源である燃焼室６０との間の温度差は大きくなる。しかしながら、被噴射面２２を燃焼室６０から遠ざけることで、被噴射面２２と燃焼室６０との間の熱抵抗（伝熱経路長に比例）を大きくすることで、燃焼室６０から被噴射面２２への熱流束を小さくすることができる。

【0038】

図３で示すように、被噴射面２２に嶺状の部分が存在しないようにすることで、被噴射面２２の面積を小さくすることができる。これにより、入口２１付近でのオイルへの熱の移動を抑制でき、入口２１付近が過冷却となることを防止できる。

【0039】

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２のピストンの平面図である。図６で示すように、実施の形態２に従ったピストン１０では、燃焼室６０にインジェクタ７０から燃料が噴射される。噴霧経路７１から７４は、インジェクタ７０から噴射された燃料の通り道であり、噴霧経路７１から７４においては燃料が燃焼するため高温となる。噴霧経路７１から７４に重なる燃焼室６０の領域が高温部６０Ｈとなり、隣り合う高温部６０Ｈの間の領域が低温部６０Ｌである。高温部６０Ｈでは高濃度の燃料が燃焼するため発熱量が大きく温度が高くなる。低温部６０Ｌでは低濃度の燃料が燃焼するため発熱量が小さく温度が低くなる。燃焼室６０内において、燃料噴霧の濃度に起因して温度のバラツキが生じる。

【0040】

図７は、実施の形態２のピストンの断面図である。図７で示すように、冷却空洞２０の上側面２３が波形に形成されている。これにより、高温部６０Ｈでは上側面２３と高温部６０Ｈとの距離が短くなり、低温部６０Ｌでは上側面２３と低温部６０Ｌとの距離が長くなる。すなわち、燃焼室６０内における温度差に応じて上側面２３は波形に形成されている。これにより、高温部６０Ｈにおいて上側面２３への熱流束を大きくし、低温部において上側面２３への熱流束を小さくできる。その結果、ピストン１０を均一に冷却することができる。

【0041】

以上のように、実施の形態１または２の構造を採用すれば燃焼室６０の温度バラツキは低減され、結果的に要求されるオイルジェット４０の流量の低下と冷損の低減により燃費を向上させることが出来る。

【0042】

冷却空洞２０に対するコーキング温度限界値が高まり、ピストン１０の設計の自由度及び高温使用時における機能信頼性が向上する。コーティング等の追加処置を施す必要が無い為、コストの低減を測る事が可能である。

【0043】

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0044】

この発明は、たとえば内燃機関のピストンにおいて用いることができる。

【符号の説明】

【0045】

２ 頂面、１０ ピストン、１５ スカート、２０ 冷却空洞、２１ 入口、２２ 被噴射面、２３ 上側面、２４ 下側面、３１ 出口、４０ オイルジェット、４１ ノズル、５０ オイル、６０ 燃焼室、６０Ｈ 高温部、６０Ｌ 低温部、６０ａ 左側部分、６０ｂ 右側部分、６１ リップ部、７０ インジェクタ、７１－７４ 噴霧経路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】