特開 2024-171195 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】P2024171195

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】ピストン

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/22 20060101AFI20241204BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20241204BHJP

   F02B 23/06 20060101ALI20241204BHJP

   F16J 1/09 20060101ALI20241204BHJP

   F16J 1/08 20060101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

F02F3/22 A

F02F3/26 C

F02B23/06 R

F02B23/06 H

F16J1/09

F16J1/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023088146

(22)【出願日】2023-05-29

(71)【出願人】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100176304

【弁理士】

【氏名又は名称】福成 勉

(72)【発明者】

【氏名】阪井 博行

(72)【発明者】

【氏名】市川 和男

(72)【発明者】

【氏名】小湊 裕允

(72)【発明者】

【氏名】奥田 剛史

(72)【発明者】

【氏名】中橋 宏和

(72)【発明者】

【氏名】中野 光一

(72)【発明者】

【氏名】本田 雄一

【テーマコード（参考）】

3G023

3J044

【Ｆターム（参考）】

3G023AA12

3G023AB05

3G023AC05

3G023AD02

3G023AD09

3G023AD10

3J044AA09

3J044BA01

3J044CA14

3J044CA33

3J044DA09

(57)【要約】

【課題】クーリングチャンネルを有するピストンにおける冷却効率の向上を図ることが可能なピストンを提供する。
【解決手段】ピストン５の内部には、冷却用のオイル１９が流通可能な環状のクーリングチャンネル５ｇが形成されている。クーリングチャンネル５ｇは、環状の流路本体部５ｇ１と、流路本体部５ｇ１の周方向に分散して配置され、かつ、当該周方向と異なる方向、例えば流路本体部５ｇの径方向内側に当該流路本体部５ｇ１から各々突出する複数の凸部５ｇ２とを有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンのシリンダ内を往復移動するピストンであって、
前記ピストンの内部には、冷却用のオイルが流通可能な環状のクーリングチャンネルが形成され、
前記クーリングチャンネルは、
環状の流路本体部と、
前記流路本体部の周方向に分散して配置され、かつ、当該周方向と異なる方向に当該流路本体部から各々突出する複数の凸部と
を有する、
ことを特徴とするピストン。

【請求項2】

請求項１記載のピストンにおいて、
前記複数の凸部の各々は、前記流路本体部から少なくとも当該流路本体部の径方向内側または外側のいずれかに突出している、
ことを特徴とするピストン。

【請求項3】

請求項２記載のピストンにおいて、
前記複数の凸部は、前記流路本体部から前記径方向内側にのみ突出している、
ことを特徴とするピストン。

【請求項4】

請求項３記載のピストンにおいて、
前記複数の凸部の各々は、前記流路本体部の周方向に等間隔で配置されている、
ことを特徴とするピストン。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項記載のピストンにおいて、
前記エンジンは、前記シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタを有しており、
前記複数の凸部は、前記インジェクタの燃料噴射時における前記ピストンの位置において当該インジェクタの噴射方向の延長線上に配置されている、
ことを特徴とするピストン。

【請求項6】

請求項１～４のいずれか１項記載のピストンにおいて、
前記シリンダ内に燃焼室を形成する冠面をさらに有し、
前記ピストンの内部における前記クーリングチャンネルに対して前記冠面の反対側には、粉粒体が充填された空隙部が形成されている、
ことを特徴とするピストン。

【請求項7】

請求項１～４のいずれか１項記載のピストンにおいて、
前記ピストンは、前記シリンダ内に燃焼室を形成する冠面であって、当該ピストンの内方に凹んだ凹部を有する冠面を有し、
前記クーリングチャンネルは、前記ピストンの内部において前記凹部を取り囲むように配置されている、
ことを特徴とするピストン。

【請求項8】

請求項７に項記載のピストンにおいて、
前記ピストンの内部における前記クーリングチャンネルに対して前記冠面の反対側の位置には、粉粒体が充填された空隙部が形成されている
ことを特徴とするピストン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンのシリンダ内で往復移動するピストンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ディーゼルエンジンなどのエンジンでは、出力および燃費向上のために高温高圧で稼働させるので、ピストンは高温になりやすい。そのため、ピストンの冷却のために、特許文献１に記載されているように、ピストンヘッドの内部には、クーリングチャンネルと呼ばれるオイルが流通する環状の通路（オイル流路）が形成されている。

【0003】

このピストンの下面には、クーリングチャンネルに連通するオイル流入口および流出口がそれぞれ形成されている。ピストンが上昇して下死点から上死点へ向かうときに、エンジンシリンダに設けられたオイル噴射部（オイルジェット）からピストン下端のオイル流入口へオイルが噴射されることにより、クーリングチャンネル内へオイルが流入する。流入したオイルは、クーリングチャンネルを通りながら上死点付近で火炎に触れて高温となったピストンを冷却した後、流出口からピストン外部へ排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６３３５７８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のクーリングチャンネルは、オイルを流通しやすくするために、周方向において同じ断面積を有する環状の形状を有しているが、ピストンの冷却効率を向上するためには改善の余地がある。

【0006】

とくに、近年では、ピストンの軽量化のためにピストン内部に空隙部を設けたり、さらに振動抑制のために空隙部に粉体を充填した構造などが提案されているが、空隙部の内部の空気は断熱層になるのでピストンの冷却効率にとっては好ましくないので、このような空隙部を有するピストンに関しては冷却効率の向上の要求がとくに高い。

【0007】

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、クーリングチャンネルを有するピストンにおける冷却効率の向上を図ることが可能なピストンの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために本発明のピストンは、エンジンのシリンダ内を往復移動するピストンであって、前記ピストンの内部には、冷却用のオイルが流通可能な環状のクーリングチャンネルが形成され、前記クーリングチャンネルは、環状の流路本体部と、前記流路本体部の周方向に分散して配置され、かつ、当該周方向と異なる方向に当該流路本体部から各々突出する複数の凸部とを有することを特徴とする。

【0009】

かかる構成によれば、クーリングチャンネルは、環状の流路本体部の周方向に分散して配置された複数の凸部を有する。複数の凸部は、周方向と異なる方向に流路本体部から各々突出する。このような分散配置された複数の凸部を有することにより、クーリングチャンネル内を流れるオイルは、複数の凸部それぞれの内部で渦などの乱流を発生することが可能である。しかも、複数の凸部を有することにより、クーリングチャンネル全体におけるオイルに接触して熱を伝える表面積を拡大することが可能である。したがって、複数の凸部によるオイル流れの乱流の発生と伝熱面積の拡大により、クーリングチャンネルへのオイル供給量を増やさずにピストンからオイルへ伝達する熱量を増やすことが可能になる。その結果、クーリングチャンネルを有するピストンにおける冷却効率の向上を達成することが可能である。

【0010】

上記のピストンにおいて、前記複数の凸部の各々は、前記流路本体部から少なくとも当該流路本体部の径方向内側または外側のいずれかに突出しているのが好ましい。

【0011】

かかる構成によれば、複数の凸部は流路本体部の径方向内側または外側に突出しているので他の方向（例えば、流路本体部の上側または下側など）に比べて流路本体部を流れるオイルの流速の低下を抑えながら複数の凸部内で渦などの乱流を発生させてオイルの伝熱効率をより向上させることが可能である。

【0012】

上記のピストンにおいて、前記複数の凸部は、前記流路本体部から前記径方向内側にのみ突出しているのが好ましい。

【0013】

かかる構成によれば、複数の凸部は流路本体部の径方向内側に突出しているので、ピストンの半径方向における中心側の冷却を促進することができる。しかも、径方向外側の凸部に比べて流路本体部を流れるオイルの流速の低下を抑えながら複数の凸部内で渦などの乱流を発生させることができるのでオイルの伝熱効率をより一層向上させることが可能である。

【0014】

上記のピストンにおいて、前記複数の凸部の各々は、前記流路本体部の周方向に等間隔で配置されているのが好ましい。

【0015】

かかる構成によれば、流路本体部の周方向に等間隔で配置された複数の凸部により、等間隔に乱流を発生させることが可能になり、オイルの伝熱効率をさらに一層向上させることが可能である。

【0016】

上記のピストンにおいて、前記エンジンは、前記シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタを有しており、前記複数の凸部は、前記インジェクタの燃料噴射時における前記ピストンの位置において当該インジェクタの噴射方向の延長線上に配置されているのが好ましい。

【0017】

シリンダ内では、燃料を点火した時にはインジェクタの噴射方向に沿って火炎が発生する。そこで、上記のように複数の凸部をインジェクタの噴射方向の延長線上に配置することにより、当該複数の凸部をピストンにおける火炎と接触する部位に一致させることが可能になる。これにより、当該火炎接触部位を凸部で発生するオイルの乱流によって効果的に冷却することが可能になる。したがって、ピストンにおける火炎接触部位の冷却を促進することが可能になる。

【0018】

上記のピストンにおいて、前記シリンダ内に燃焼室を形成する冠面をさらに有し、前記ピストンの内部における前記クーリングチャンネルに対して前記冠面の反対側には、粉粒体が充填された空隙部が形成されているのが好ましい。

【0019】

かかる構成によれば、空隙部によってピストンの軽量化を図ることができるとともに、空隙部の内部での粉粒体の移動によってピストンの振動抑制効果が得られる。しかも、空隙部内の空気が断熱層になっていても、上記の複数の凸部によるオイル流れの乱流の発生と伝熱面積の拡大によってピストンの冷却機能を維持することが可能である。

【0020】

上記のピストンにおいて、前記ピストンは、前記シリンダ内に燃焼室を形成する冠面であって、当該ピストンの内方に凹んだ凹部を有する冠面を有し、前記クーリングチャンネルは、前記ピストンの内部において前記凹部を取り囲むように配置されているのが好ましい。

【0021】

ディーゼルエンジンのピストンなどでは、ピストンの冠面に凹部が形成されている。ディーゼルエンジンの稼働時には、燃料が高圧圧縮下で自着火することにより高温高圧の火炎が冠面の凹部で発生する。そこで、上記の構成では、クーリングチャンネルが流路本体部の周方向に分散して配置された複数の凸部を有するとともに、ピストンの内部において凹部を取り囲むように配置されていることにより、クーリングチャンネルへのオイル供給量を増やさずにピストンからオイルへ伝達する熱量を増やすことが可能になる。その結果、高温高圧のディーゼルエンジン用のピストンなどでの冷却効率の向上を達成することが可能である。

【0022】

上記のピストンにおいて、前記ピストンの内部における前記クーリングチャンネルに対して前記冠面の反対側の位置には、粉粒体が充填された空隙部が形成されているのが好ましい。

【0023】

また、上記のように冠面に凹部を有するディーゼルエンジン用のピストンなどでは、ピストンの全長が通常のガソリンエンジン用ピストンに比べて長くなるので、重量の増大および首振り振動がしやすい傾向がある。しかし、上記の構成では、ピストンの内部におけるクーリングチャンネルに対して冠面の反対側の位置には、粉粒体が充填された空隙部が形成されているので、空隙部によってピストンの軽量化を図ることができるとともに、空隙部の内部での粉粒体の移動によってピストンの振動抑制効果が得られる。また、この構成では、空隙部内の空気が断熱層になっていても、上記の複数の凸部によるオイル流れの乱流の発生と伝熱面積の拡大によってピストンの冷却機能を維持することが可能である。

【発明の効果】

【0024】

以上のように、本発明のピストンによれば、クーリングチャンネルを有するピストンにおいて冷却効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施形態に係るピストンを備えたディーゼルエンジンの全体構成を示す断面図である。

【図2】図２のピストンの縦断面図である。

【図3】図１のピストンにおける横断面図であってクーリングチャンネルの高さ位置で横に切断した図である。

【図4】図３の流路本体部の径方向内側に突出する複数の凸部がインジェクタの噴射方向の延長線上に配置されていることを示す断面説明図である。

【図5】（ａ）比較例である凸部を有しない環状のクーリングチャンネルを有するサンプル０のピストンの横断面図、（ｂ）は本発明の一実施形態である図２に対応する流路本体部の径方向内側に複数の凸部を有する環状のクーリングチャンネルを有するサンプル１のピストンの横断面図、（ｃ）は本発明の他の実施形態である径方向外側に複数の凸部を有する環状のクーリングチャンネルを有するサンプル２のピストンの横断面図、（ｄ）は本発明のさらに他の実施形態である径方向内側および外側にそれぞれ複数の凸部を有する環状のクーリングチャンネルを有するサンプル３のピストンの横断面図である。

【図6】図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネルの流入口付近、流出口付近、および流路中間位置におけるピストンとオイルの間における熱伝達係数を示すグラフである。

【図7】図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネルを流れるオイルの平均流速を示すグラフである。

【図8】図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネルを流れるオイルのレイノルズ数を示すグラフである。

【図9】図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネルの流入口付近におけるピストンの温度変化を示すグラフである。

【図10】図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネルの流入口と反対側の位置におけるピストンの温度変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態に係るピストンについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0027】

（１）エンジンの構成
図１は、本発明の実施形態に係るピストン５を備えたディーゼルエンジン１の断面図である。

【0028】

ディーゼルエンジン１は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ２（図１ではそのうちの一つのみを示す）を有し、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジンである。ディーゼルエンジン１（以下エンジン１という）は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、シリンダ２を形成するシリンダライナを有する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８（以下、コンロッド８）を介してクランクシャフト７と連結されている。コンロッド８の上端部は、ピストンピン１６によりピストン５に揺動自在に連結されている。コンロッド８の下端部は、クランクシャフト７のクランクピン７ｂに揺動自在に連結されている。これにより、ピストン５の往復運動に応じて、クランクシャフト７はその出力軸７ａを回転中心として回転することが可能である。ピストン５の構造については、後記で詳述する。

【0029】

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６は、シリンダヘッド４の下面、シリンダ２およびピストン５の冠面５ａ２によって形成されている。

【0030】

シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の下面には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気弁１１と、前記排気側開口を開閉する排気弁１２とが組み付けられている。エンジン１のバルブ形式は、例えば、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式であって、吸気ポート９及び排気ポート１０は、各シリンダ２につき２つずつ設けられるとともに、吸気弁１１及び排気弁１２も２つずつ設けられている。

【0031】

シリンダヘッド４には、カムシャフトを含む吸気側動弁機構１３及び排気側動弁機構１４が配設されている。吸気弁１１及び排気弁１２は、これら動弁機構１３、１４により、クランクシャフト７の回転に連動して開閉駆動される。

【0032】

シリンダヘッド４には、インジェクタ１５（燃料噴射弁）が、例えば各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１５は、その先端部において燃焼室６内に燃料を噴射する燃料噴射部１５ａを有する。インジェクタ１５は、図示しない燃料供給管を通して供給された燃料を燃料噴射部１５ａから燃焼室６に霧状に噴射（噴霧）する。インジェクタ１５は、燃料を噴霧する燃料噴射部１５ａが燃焼室６の径方向中心又はその近傍に位置するように、シリンダヘッド４に組み付けられ、ピストン５の冠面５ａ２に形成された後述の凹部５ｆに向けて燃料を噴射する。

【0033】

本実施形態のエンジン１は、ディーゼルエンジンであるので、ピストン５が上昇して燃焼室６内の空気が圧縮された状態でインジェクタ１５から燃料を燃焼室６内に高圧で噴霧することによって燃料を自着火により燃焼させ、その燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復動する。ピストン５の往復動に応じて、クランクシャフト７がその出力軸７ａを回転中心として回転することにより、出力軸７ａから回転駆動力が出力される。

【0034】

また、シリンダブロック３におけるシリンダ２の下端部付近には、下死点から上死点へ上昇するピストン５の下面に形成された下面流入口５ｋ（図３参照）に向けて冷却用オイルを噴射するオイル噴射部１８（オイルジェット）を有する。

【0035】

（２）ピストンの構造
図２～３は、ピストン５の具体的構造を示す図であり、図２は、図１のピストンの縦断面図、図３は、図１のピストンにおける横断面図であってクーリングチャンネルの高さ位置で横に切断した図である。

【0036】

なお、図１～３では、上下方向Ｚはシリンダ２の中心軸の方向（シリンダ軸方向）およびピストン５の往復動方向と同義であり、前後方向Ｙはクランクシャフト７の軸方向と平行な方向であり、左右方向Ｘは上下方向Ｚおよび前後方向Ｙの双方に直交する方向のことであり、その一方側のＸ２を「右」、他方側のＸ１を「左」とする。図１～３では、左側Ｘ１は排気側（図１の排気ポート１０がある側）、右側Ｘ２は吸気側（吸気ポート９がある側）としている。

【0037】

ピストン５は、図１に示されるように、エンジン１のシリンダ２内で所定の往復動方向（上下方向Ｚ）に往復移動する部材である。

【0038】

ピストン５は、図２に示されるように、クーリングチャンネル５ｇおよび空隙部５ｈを有するピストン本体５０と、当該空隙部５ｈに充填された粉粒体１７とを備える。

【0039】

ピストン本体５０は、コンロッド８との連結のためのピストンピン１６が挿入されるピンボス部５ｄを有し、かつ、ピストン本体５０の内部にクーリングチャンネル５ｇおよび空隙部５ｈが形成された構成を有する。

【0040】

具体的には、ピストン本体５０は、図２に示されるように、ピストンヘッド５ａと、ピストンヘッド５ａの外周から下方に延びる一対のスカート部５ｂとを有している。

【0041】

ピストンヘッド５ａは、円柱状の部材であり、シリンダ２の側周面と摺接する外周面５ａ１と、燃焼室６の底面を形成する冠面５ａ２とを備える。冠面５ａ２は、ピストンヘッド５ａの最上部の面（頂面）であり、当該冠面５ａ２には下方に凹む凹部５ｆ（キャビティ）が形成されている。凹部５ｆは、燃焼室６の天井面に配置されたインジェクタ１５から噴射された燃料を受けるための凹部であり、凹部５ｆ中央には燃料を分散させる凸部５ｆ１が上方に突出している。これにより、ピストン５は、当該ピストン５の内方に凹んで燃焼室６の下部を形成する凹部５ｆを有する冠面５ａ２を備えたディーゼルエンジン用のピストンの形状に形成されている。

【0042】

ピストンヘッド５ａの外周面５ａ１には、ピストンリング（図示省略）が嵌め込まれる複数の（ここでは３つの）リング溝５ｅが形成されている。

【0043】

一対のスカート部５ｂは、その一方が右側Ｘ２（吸気側）に、他方が左側Ｘ１（排気側）に位置するように配置されている。各スカート部５ｂは、ピストン５が往復動する際にシリンダ２の側周面に摺接することが可能である。

【0044】

ピストンヘッド５ａの下側であって両スカート部５ｂの間の部位には、前後方向Ｙ（図１～２の紙面垂直方向）に離間する一対の縦壁５ｃが設けられている。縦壁５ｃは、両スカート部５ｂ同士をつなぐように左右方向Ｘに延びる壁部である。

【0045】

一対の縦壁５ｃは、その左右方向Ｘの中間部にピンボス部５ｄをそれぞれ有している。各ピンボス部５ｄは、前後方向に貫通するピン孔５ｄ１を規定する環状の壁部である。ピン孔５ｄ１には、ピストン本体５０とコンロッド８とを結合するために前後方向に延びるピストンピン１６（図１）が挿入されて当該ピン孔５ｄ１に嵌合している。

【0046】

本実施形態のピストン本体５０は、ディーゼルエンジン用のピストンの形状を有する。すなわち、ピストン本体５０は、その冠面５ａ２において燃焼室６の下部を形成する凹部５ｆを有するとともに当該ピストン本体５０の内部において凹部５ｆの近傍に油冷用のクーリングチャンネル５ｇ（オイル流路）を有する。

【0047】

図２～３に示されるクーリングチャンネル５ｇは、凹部５ｆの周囲を取り囲むようにリング状（環状）に形成されている。クーリングチャンネル５ｇには、ピストンヘッド５ａの下面に開口する下面流入口５ｋおよび垂直流路５ｍを通して、ピストン５の下側から冷却用のオイル１９が供給される。具体的には、図１に示されるピストン５が下死点から上死点へ向けて上昇するときに、シリンダ２に設けられたオイル噴射部１８（オイルジェット）からオイルがピストン５の下面流入口５ｋに向けて噴射され、噴射されたオイルが垂直流路５ｍを通してクーリングチャンネル５ｇに導入される。

【0048】

クーリングチャンネル５ｇは、具体的には、図３～４に示されるように、環状の流路である流路本体部５ｇ１と、当該流路本体部５ｇ１に連通する複数（本実施形態では１０個）の凸部５ｇ２とを有する。

【0049】

環状の流路本体部５ｇ１には、上記の図２に示される下面流入口５ｋおよび垂直流路５ｍに連通する流入口５ｐと、当該流入口５ｐに対して流路本体部５ｇ１の中心の反対側に２か所の流出口５ｒが形成されている。流出口５ｒは、図示しない垂直流路などを通してピストン５の下面からピストン５の外部に開放されている。したがって、流入口５ｐからクーリングチャンネル５ｇの流路本体部５ｇ１に導入されたオイル１９は、流路本体部５ｇ１の内部を周方向に流れた後に２か所の流出口５ｒからピストン５の下面から外部に順次流出していく。

【0050】

複数の凸部５ｇ２は、図３～４に示されるように、流路本体部５ｇ１の周方向に分散して配置される。すなわち、本実施形態では、１０個の凸部５ｇ２が等間隔（３６度の間隔）で分散して配置されている。複数の凸部５ｇ２は、流路本体部５ｇ１から各々突出（膨出）する流路本体部５ｇ１と連通する空間部である。なお、凸部５ｇ２の数は、ピストン５の大きさ、または凸部５ｇ２の大きさなどに基づいて決定される。

【0051】

複数の凸部５ｇ２は、流路本体部５ｇ１から少なくとも流路本体部５ｇ１の径方向内側または外側のいずれかに突出している。本実施形態では、複数の凸部５ｇ２は、流路本体部５ｇ１から径方向内側に突出しているので、流路本体部５ｇ１よりもピストン５の冠面５ａ２の凹部５ｆに近い位置に配置されており、凹部５ｆ内に発生する火炎の熱を凸部５ｇ２内のオイル１９へ伝達し易い。

【0052】

さらに具体的には、複数の凸部５ｇ２は、流路本体部５ｇ１の周方向に等間隔で配置されているので、周方向において均一に熱伝達し易くなっている。

【0053】

また、図４に示されるように、複数の凸部５ｇ２は、インジェクタ１５の燃料噴射時におけるピストン５の位置において当該インジェクタ１５の噴射方向Ｓ（具体的には、霧状の燃料を噴霧する噴霧方向）の延長線上に配置されている。そのため、噴射方向Ｓに沿って延びる火炎の熱を凸部５ｇ２内のオイル１９へ伝達し易い。

【0054】

ピストン５の内部におけるクーリングチャンネル５ｇに対して冠面５ａ２の反対側（図２における下方の位置）には、上記の粉粒体１７が充填された空隙部５ｈが形成されている。

【0055】

粉粒体１７は、多数の微細な粒子の集合体である。粉粒体１７は、空隙部５ｈの内部で移動可能な充填率（すなわち、空隙部５ｈを粉粒体１７によって完全に塞がない程度の充填率）で空隙部５ｈに充填されている。

【0056】

粉粒体１７の充填率は、例えば、空隙部５ｈの容積に占める体積割合として、４０～６０％であれば粉粒体１７が空隙部５ｈの内部をピストン５の幅方向（左右方向Ｘ）および上下方向Ｚに円滑に移動することができ、ピストン５の首振り抑制および粉粒体１７による振動減衰の両立が可能である。

【0057】

粉粒体１７としては、ピストン鋳造時およびエンジン使用時の熱に耐えられる程度の耐熱性を有するセラミックなどの無機材料または金属材料からなる粉体または粒体が選定される。粉粒体１７の粒子の大きさおよび形状は、ピストン５の往復移動に伴って粉粒体１７が空隙部５ｈの内部で移動可能な条件を満たすように適宜選定される。

【0058】

（本実施形態の特徴）
（１）
本実施形態のピストン５では、ピストン５の内部には、図２～４に示されるように、オイル噴射部１８（オイルジェット）（図１参照）から供給された冷却用のオイル１９が流通可能な環状のクーリングチャンネル５ｇが形成されている。

【0059】

クーリングチャンネル５ｇは、環状の流路本体部５ｇ１と、流路本体部５ｇ１の周方向に分散して配置され、かつ、当該周方向と異なる方向（たとえば、流路本体部５ｇ１の径方向内側または外側、あるいは流路本体部５ｇ１の上側または下側）に当該流路本体部５ｇ１から各々突出する複数の凸部５ｇ２とを有する。

【0060】

このような分散配置された複数の凸部５ｇ２を有することにより、クーリングチャンネル５ｇ内を流れるオイル１９は、複数の凸部５ｇ２それぞれの内部で渦などの乱流を発生することが可能である。しかも、複数の凸部５ｇ２を有することにより、クーリングチャンネル５ｇ全体におけるオイル１９に接触して熱を伝える表面積を拡大することが可能である。したがって、複数の凸部５ｇ２によるオイル流れの乱流の発生と伝熱面積の拡大により、クーリングチャンネル５ｇへのオイル供給量を増やさずにピストン５からオイルへ伝達する熱量を増やすことが可能になる。その結果、クーリングチャンネルを有するピストン５における冷却効率の向上を達成することが可能である。

【0061】

（２）
本実施形態のピストン５では、複数の凸部５ｇ２の各々は、流路本体部５ｇ１から少なくとも流路本体部５ｇ１の径方向内側または外側のいずれかに突出している。

【0062】

かかる構成によれば、複数の凸部５ｇ２は流路本体部５ｇ１の径方向内側または外側に突出しているので他の方向（例えば、流路本体部５ｇ１の上側または下側など）に比べて流路本体部５ｇ１を流れるオイル１９の流速の低下を抑えながら複数の凸部５ｇ２内で渦などの乱流を発生させてオイルの伝熱効率をより向上させることが可能である。

【0063】

（３）
本実施形態のピストン５では、複数の凸部５ｇ２は流路本体部５ｇ１の径方向内側に突出しているので、ピストン５の半径方向における中心側（具体的には、冠面５ａ２の半径方向における中心側であって、図２～３の凹部５ｆ側（キャビティ側））の冷却を促進することができる。しかも、径方向外側の凸部（例えば、後述の図５（ｃ）に示される凸部５ｇ３）に比べて流路本体部５ｇ１を流れるオイル１９の流速の低下を抑えながら複数の凸部５ｇ２内で渦などの乱流を発生させることができるのでオイル１９の伝熱効率をより一層向上させることが可能である。

【0064】

（４）
本実施形態のピストン５では、複数の凸部５ｇ２の各々は、流路本体部５ｇ１の周方向に等間隔で配置されている。したがって、周方向に等間隔で配置された複数の凸部５ｇ２により、オイル１９に等間隔に乱流を発生させることが可能になり、オイル１９の伝熱効率をさらに一層向上させることが可能である。

【0065】

（５）
本実施形態のピストン５では、図４に示されるように、複数の凸部５ｇ２は、インジェクタ１５の燃料噴射時におけるピストン５の位置において当該インジェクタ１５の噴射方向Ｓの延長線上に配置されている。

【0066】

図１のシリンダ２内では、燃料を点火した時にはインジェクタ１５の噴射方向Ｓに沿って火炎が発生する。そこで、上記のように複数の凸部５ｇ２をインジェクタ１５の噴射方向Ｓの延長線上に配置することにより、当該複数の凸部５ｇ２をピストン５における火炎と接触する部位に一致させることが可能になる。これにより、当該火炎接触部位を凸部５ｇ２で発生するオイルの乱流によって効果的に冷却することが可能になる。したがって、ピストン５における火炎接触部位の冷却を促進することが可能になる。

【0067】

（６）
本実施形態のピストン５では、ピストン５は、図２に示されるように、図１のシリンダ２内に燃焼室６（具体的には、燃焼室６の底面）を形成する冠面５ａ２を有する。ピストン５の内部におけるクーリングチャンネル５ｇに対して冠面５ａ２の反対側（図２における下方の位置）には、粉粒体１７が充填された空隙部５ｈが形成されている。

【0068】

かかる構成によれば、空隙部５ｈによってピストン５の軽量化を図ることができるとともに、空隙部５ｈの内部での粉粒体１７の移動によってピストン５の振動抑制効果が得られる。しかも、空隙部５ｈ内の空気が断熱層になっていても、上記の複数の凸部５ｇ２によるオイル流れの乱流の発生と伝熱面積の拡大によってピストン５の冷却機能を維持することが可能である。

【0069】

（７）
本実施形態のピストン５では、図２に示されるように、ピストン５は、シリンダ２内に燃焼室６を形成する冠面５ａ２であって、当該ピストン５の内方に凹んだ凹部５ｆを有する冠面５ａ２を有する。クーリングチャンネル５ｇは、ピストン５の内部において凹部５ｆを取り囲むように配置されている。

【0070】

本実施形態のディーゼルエンジンのピストン５などでは、冠面５ａ２に凹部５ｆが形成されている。ディーゼルエンジンの稼働時には、燃料が高圧圧縮下で自着火することにより高温高圧の火炎がピストン５の冠面５ａ２における凹部５ｆで発生する。そこで、上記の構成では、クーリングチャンネル５ｇが流路本体部５ｇ１の周方向に分散して配置された複数の凸部５ｇ２を有するとともに、ピストン５の内部において凹部５ｆを取り囲むように配置されていることにより、クーリングチャンネル５ｇへのオイル供給量を増やさずにピストン５からオイルへ伝達する熱量を増やすことが可能になる。その結果、高温高圧のディーゼルエンジン用のピストン５などでの冷却効率の向上を達成することが可能である。

【0071】

（８）
また、ディーゼルエンジン用のピストン５などでは、上記のように冠面５ａ２に凹部５ｆを有するので、ピストン５の全長がガソリンエンジン用ピストンに比べて長くなるので、重量の増大および首振り振動がしやすい傾向がある。しかし、上記の構成では、ピストン５の内部におけるクーリングチャンネル５ｇに対して冠面５ａ２の反対側の位置には、粉粒体１７が充填された空隙部５ｈが形成されているので、空隙部５ｈによってピストン５の軽量化を図ることができるとともに、空隙部５ｈの内部での粉粒体１７の移動によってピストン５の振動抑制効果が得られる。しかも、空隙部５ｈ内の空気が断熱層になっていても、上記の複数の凸部５ｇ２によるオイル流れの乱流の発生と伝熱面積の拡大によってピストン５の冷却機能を維持することが可能である。

【0072】

（クーリングチャンネルの凸部の効果検証）
つぎに、上記のクーリングチャンネル５ｇの複数の凸部５ｇ２による冷却効率の向上の効果について検証する。

【0073】

まず、図５（ａ）～（ｄ）に示される凸部の配置が異なる４つのサンプル（サンプル０、サンプル１、サンプル２、サンプル３）を用意する。

【0074】

ここで、図５（ａ）は、比較例である凸部を有しない環状のクーリングチャンネル５ｇ（すなわち環状の流路本体部５ｇ１のみを有する形態）を有するサンプル０のピストン５（具体的にはピストン本体５０）の横断面図、（ｂ）は本発明の一実施形態である図２に対応する流路本体部５ｇ１の径方向内側に複数の凸部５ｇ２を有する環状のクーリングチャンネル５ｇを有するサンプル１のピストン５の横断面図、（ｃ）は本発明の他の実施形態である径方向外側に複数の凸部５ｇ３を有する環状のクーリングチャンネル５ｇを有するサンプル２のピストン５の横断面図、（ｄ）は本発明のさらに他の実施形態である径方向内側および外側にそれぞれ複数の凸部５ｇ２、５ｇ３を有する環状のクーリングチャンネル５ｇを有するサンプル３のピストン５の横断面図をそれぞれ示している。

【0075】

上記の図５（ａ）～（ｄ）に示される４つのサンプル０～３に関して、図６に示されるグラフのように、クーリングチャンネル５ｇの流入口５ｐ（図３参照）付近、流出口５ｒ付近、および流路中間位置（流入口５ｐと流出口５ｒの間の流路本体部５ｇ１の途中の位置）におけるピストン５とクーリングチャンネル５ｇ内のオイルの間における熱伝達係数をコンピュータシミュレーションによってそれぞれ調べる。

【0076】

図６には、図５（ａ）～（ｄ）に示される４つのサンプル０～３に関するそれぞれの熱伝達関数がＲ１０～Ｒ１３に示されている。この図６のグラフによれば、流入口５ｐ付近の熱伝達関数については、流路本体部５ｇ１の径方向内側に複数の凸部５ｇ２を有するサンプル１の熱伝達関数Ｒ１１が最も高いことがわかる。すなわち、流入口５ｐ付近では、径方向内側に複数の凸部５ｇ２のみが有るサンプル１の方が流入口５ｐから導入直後の受熱前のオイルとピストンとの間の熱伝達効率が高いことが理解される。また、流出口５ｒ付近および流路中間位置の熱伝達関数については、径方向内側および外側にそれぞれ複数の凸部５ｇ２、５ｇ３を有するサンプル３の熱伝達関数Ｒ１３が最も高いことがわかる。すなわち、流入口５ｐよりもオイル流れにおいて下流側の位置では、径方向内側および外側にそれぞれ複数の凸部５ｇ２、５ｇ３を有するサンプル３の方が受熱により温度が上昇したオイルとピストンとの間の熱伝達効率が高いと考えられる。

【0077】

図７には、図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネル５ｇを流れるオイルの平均流速Ｒ２０～Ｒ２３を示すグラフが示されている、図７のグラフを見れば、図５（ｂ）～（ｄ）のサンプル１～３（周方向に分散した複数の凸部５ｇ２または５ｇ３を有する構成）のオイルの平均流速Ｒ２１～Ｒ２３は、図５（ａ）のサンプル０（複数の凸部を有しない構成）のオイルの平均流速Ｒ２０よりも高いことが分かる。これは、周方向に分散した複数の凸部５ｇ２または５ｇ３がクーリングチャンネル５ｇ内のオイルの流れを整える効果（整流効果）を発揮したためと推定される。

【0078】

すなわち、クーリングチャンネル５ｇ内のオイルは、オイル噴射部１８（図１参照）から間欠的に送られるとともにピストン５の往復動によって絶えず揺らされるので、クーリングチャンネル５ｇ内を前進、後退を続けて断続的に流れるが、図５（ｂ）～（ｄ）のサンプル１～３のように周方向に分散して配置された複数の凸部５ｇ２、５ｇ３が乱れたオイル流れを整えてオイルの平均流速を向上させていると考えられる。

【0079】

また、図７のグラフを見れば、上記の平均流速Ｒ２１～Ｒ２３の中でも、径方向内側に複数の凸部５ｇ２のみが有るサンプル１のオイルの平均流速Ｒ２１が最も高くなることがわかる。これは、径方向内側の複数の凸部５ｇ２内で発生する乱流がクーリングチャンネル５ｇ内を流れるオイルの平均流速の向上に最も寄与している（例えば、径方向内側におけるオイルとチャンネル内壁とのせん断抵抗を低減することにより平均流速を向上させている）と推定される。

【0080】

図８には、図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネル５ｇを流れるオイルのレイノルズ数Ｒ３０～Ｒ３３を示すグラフが示されている。レイノルズ数は、流体の流れの乱れを示す指標であり、レイノルズ数が高い方が流れの乱れが大きいと考えられている。図８のグラフを見れば、図５（ｂ）～（ｄ）のサンプル１～３（周方向に分散した複数の凸部５ｇ２または５ｇ３を有する構成）のオイルのレイノルズ数Ｒ３１～Ｒ３３は、図５（ａ）のサンプル０（複数の凸部を有しない構成）のオイルのレイノルズ数Ｒ３０よりも高いことが分かる。これは、周方向に分散した複数の凸部５ｇ２または５ｇ３がオイルに局部的な乱流を発生させるためと推定される。

【0081】

また、図８のグラフを見れば、上記のレイノルズ数Ｒ３１～Ｒ３３の中でも、径方向内側および外側のそれぞれに複数の凸部５ｇ２、５ｇ３が有るサンプル３のレイノルズ数Ｒ３３が最も高い。また、径方向内側に複数の凸部５ｇ２のみが有るサンプル１のレイノルズ数Ｒ３１は、径方向外側に複数の凸部５ｇ３のみが有るサンプル２のレイノルズ数Ｒ３２よりも高くなっていることが分かる。

【0082】

したがって、図７～８のグラフを総合的に見れば、径方向内側に複数の凸部５ｇ２のみが有るサンプル１が、図７におけるオイルの平均流速Ｒ２１が最も高く、かつ、図８におけるレイノルズ数Ｒ３１が２番目に高くなっていることが分かる。したがって、径方向内側に複数の凸部５ｇ２のみが有るサンプル１は、オイルの平均流速を上げながら複数の凸部５ｇ２による局所的な乱流を効果的に発生させることによりピストンの冷却効率を最も向上させると考えられる。

【0083】

図９のグラフには、図５のサンプル０～３にするクーリングチャンネル５ｇの流入口５ｐ付近におけるピストンの温度変化Ｒ４０～Ｒ４３が示されている。図１０のグラフには、図５のサンプル０～３に関するクーリングチャンネル５ｇの流入口５ｐと反対側の位置におけるピストンの温度変化Ｒ５０～Ｒ５３が示されている。

【0084】

図９～１０のグラフを見れば、図５（ｂ）～（ｄ）のサンプル１～３（周方向に分散した複数の凸部５ｇ２または５ｇ３を有する構成）のピストンの温度変化Ｒ４１～Ｒ４３、Ｒ５１～Ｒ５３は、図５（ａ）のサンプル０（複数の凸部を有しない構成）のピストンの温度変化Ｒ４０、Ｒ５０と比較して、温度が低下する度合いが大きいことが分かる。これは、周方向に分散した複数の凸部５ｇ２または５ｇ３がオイルに局部的な乱流を発生させることにより、ピストンからオイルへの熱伝達を向上させるとともに伝熱面積を拡大させることによりピストンの冷却効果が向上しているためと推定される。

【0085】

また、図９におけるピストンの温度変化Ｒ４１～Ｒ４３の中でも、温度変化Ｒ４１が最も温度低下の度合いが大きいことが分かる。さらに、図１０におけるピストンの温度変化Ｒ５１～Ｒ５３の中でも、温度変化Ｒ５１が２番目に温度低下の度合いが大きいことが分かる。したがって、径方向内側に複数の凸部５ｇ２のみが有るサンプル１は、クーリングチャンネル５ｇの流入口５ｐの流路付近および流入口５ｐと反対側の位置においても、ピストンの冷却効率が向上していることが分かる。

【0086】

（変形例）
（Ａ）
上記実施形態では、本発明のピストンの一例としてディーゼルエンジン用のピストンを例に挙げて説明しているが、本発明はこれ限定されるものではなく、ピストンが往復動するレシプロエンジンであれば本発明のピストンを広く適用することが可能である。したがって、本発明のピストンはレシプロエンジンであればスパーク着火式のガソリンエンジンなどにも適用することが可能である。

【0087】

（Ｂ）
上記実施形態では、ピストン５の内部におけるクーリングチャンネル５ｇに対して冠面５ａ２の反対側（図における下方の位置）には、粉粒体１７が充填された空隙部５ｈが形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、粉粒体１７および空隙部５ｈが無いピストンにも本発明を適用することができる。本発明のピストンでは、クーリングチャンネル５ｇが複数の凸部を有する構成、すなわち、流路本体部５ｇ１の周方向に分散して配置され、かつ、当該周方向と異なる方向に当該流路本体部５ｇ１から各々突出する複数の凸部、例えば、図３～４、図５（ｂ）に示される流路本体部５ｇ１の径方向内側に突出する複数の凸部５ｇ２および／または図５（ｃ）、（ｄ）に示される径方向外側に突出する複数の凸部５ｇ３、を有する構成を備えていればよい。
（Ｃ）
上記実施形態では、複数の凸部５ｇ２（または５ｇ３）は、各々同じ方向、具体的には流路本体部５ｇ１の径方向内側（または径方向外側）に突出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明では複数の凸部は、流路本体部の周方向と異なる方向に各々突出していればよいので、複数の凸部が各々異なる方向に突出（例えば、径方向内側および径方向外側に交互に突出）している構成も本発明には含まれる。

【符号の説明】

【0088】

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
２ シリンダ
５ ピストン
５ａ ピストンヘッド
５ａ２ 冠面
５ｇ クーリングチャンネル
５ｇ１ 流路本体部
５ｇ２、５ｇ３ 凸部
５ｈ 空間部
５ｐ 流入口
５ｒ 流出口
６ 燃焼室
７ クランクシャフト
８ コネクティングロッド
１６ ピストンピン
１７ 粉粒体
５０ ピストン本体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】