(57)【要約】【課題】ピストンピンを中心としたピストン１の重量バランスの不釣り合いを軽減するとともに、熱負荷の高い冠部の排気弁側の部分を効果的に冷却する。【解決手段】ピストン１の冠面には、吸気弁側に位置する燃料噴射弁からの燃料噴霧を受けるように、キャビティ２８が吸気弁６寄りに偏心して形成されており、山型に高くなった膨出部２５は、主に排気弁８寄りの領域に残存している。ピストンリング溝２１内側の厚肉部３０の内部に、オイルジェットによりオイルが導かれるクーリングチャンネル３１が形成されている。クーリングチャンネル３１は、通路断面積の小さな吸気弁側部分３１ａと通路断面積の大きな排気弁側部分３１ｂとを有する。下面のオイル入口は排気弁側部分３１ｂに配置される。通路断面積の差異により、ピストン１の重量バランスの不釣り合いが軽減される。また、排気弁側部分が効果的に冷却される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボアに嵌合する外周円筒面の上端縁の位置を基準として、これよりも上方へ高くなった膨出部を冠面中央部に有し、かつシリンダヘッドの吸気弁寄りに位置する燃料噴射弁に対応して、冠面の吸気弁寄りに偏心した位置に、燃料噴霧を受けるキャビティが凹設されてなる筒内直接噴射式内燃機関のピストンにおいて、
ピストン内部に、ピストンリング溝の内周側に沿って円環状にクーリングチャンネルが形成されており、
このクーリングチャンネルは、その通路断面積が、上記キャビティ寄りの第１の部分では相対的に小さく、該キャビティとは反対側となる排気弁寄りの第２の部分では相対的に大きい、ことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関のピストン。
【請求項２】
上記第２の部分では、上記クーリングチャンネルの通路断面形状として、ピストン上下方向に沿った寸法がピストン半径方向に沿った寸法よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関のピストン。
【請求項３】
上記クーリングチャンネルの通路断面形状におけるピストン上下方向に沿った寸法が、上記第１の部分に比較して上記第２の部分において拡大しており、
該クーリングチャンネルの通路断面におけるピストン下側の位置は、ピストン全周に亘って一定の高さ位置にある、ことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関のピストン。
【請求項４】
上記第１の部分および上記第２の部分は、それぞれ一定の通路断面形状を有し、
上記第１の部分の通路断面形状から上記第２の部分の通路断面形状へと連続的に変化する遷移部が、上記第１の部分と上記第２の部分との間にそれぞれ設けられており、
この２つの遷移部は、ピストンの平面視においてピストンピン中心軸線と交差する位置にある、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関のピストン。
【請求項５】
シリンダ下方に設けられるオイルジェットに対応するオイル入口が上記第２の部分に設けられており、オイル出口が上記第１の部分に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内直接噴射式内燃機関のピストン、特に、ピストンの冷却のためにオイルジェットによって潤滑油が導入されるピストン内部のクーリングチャンネルの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されているように、熱負荷の高い内燃機関のピストンの冷却を行うために、ピストン内部の冠面近傍に環状のクーリングチャンネルを設け、シリンダ下方に配置したオイルジェットからピストンへ向けて吹きかけたオイル（潤滑油）を、このクーリングチャンネル内に導入するようにしたピストン冷却機構が知られている。この特許文献１に記載のように、ピストン内部のクーリングチャンネルは、一般に、一定断面形状の環状の通路であり、その周方向の一箇所にオイルジェットに対向するオイル入口が設けられ、かつほぼ１８０°離れた位置にオイル出口が開口形成される。
【０００３】
また、特許文献２には、吸気弁側に燃料噴射弁を斜めに配置した筒内直接噴射式内燃機関のピストンとして、上記燃料噴射弁からの燃料噴霧を受けるように、冠面の吸気弁寄りに偏心した位置にキャビティを凹設した構成が開示されている。上記冠面は、必要な圧縮比を確保するために、中央部分が上方へ山型に膨出しており、かつピストン内部には、クーリングチャンネルとして円盤型のオイル通路が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３０３２９７号公報
【特許文献２】特開２００４−２８５９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献２に記載されているように、吸気弁側に燃料噴射弁を斜めに配置した筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンは、成層燃焼時に圧縮行程後半に噴射された燃料噴霧を受けるようにピストン冠面の吸気弁寄りに比較的大きなキャビティが凹設され、かつピストン冠面中央部には、このキャビティを除く領域で高くなった膨出部を有するので、ピストン冠部の質量分布として、キャビティ側で相対的に質量が少なく、逆に排気弁寄りで相対的に質量が多く分布する。従って、ピストンピンを中心とした吸気弁側と排気弁側との重量バランスが不釣り合いとなり、ピストン往復動作に伴うピストンの挙動が悪化しやすい。これは、例えば、高速回転時のオイル消費の悪化やブローバイガスの増加などの一因となる。
【０００６】
また、排気が流れ出る排気弁側で熱負荷が高くなり、特に、冠面の排気弁側部分は膨出部として盛り上がっており、内部のクーリングチャンネルからピストン表面までの距離が長くなるため、十分な冷却効果が得られない。
【０００７】
本発明の目的は、ピストン内部に形成されるクーリングチャンネルの改良によって、筒内直接噴射式内燃機関用のピストンの重量バランスを改善し、かつピストンの排気弁側部分の効果的な冷却を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、シリンダボアに嵌合する外周円筒面の上端縁の位置を基準として、これよりも上方へ高くなった膨出部を冠面中央部に有し、かつシリンダヘッドの吸気弁寄りに位置する燃料噴射弁に対応して、冠面の吸気弁寄りに偏心した位置に、燃料噴霧を受けるキャビティが凹設されてなる筒内直接噴射式内燃機関のピストンを前提としている。
【０００９】
ピストン内部には、、ピストンリング溝の内周側に沿って円環状にクーリングチャンネルが形成されている。このクーリングチャンネルは、その通路断面積が、上記キャビティ寄りの第１の部分では相対的に小さく、該キャビティとは反対側となる排気弁寄りの第２の部分では相対的に大きい。
【００１０】
このようにクーリングチャンネルの通路断面積がキャビティ側つまり吸気弁側に比べて排気弁側で相対的に大きいものとなっていることから、吸気弁側のキャビティと排気弁側の膨出部とによるピストンピンを中心とした重量バランスの不釣り合いが、少なくとも部分的に相殺される。そして、膨出部によってピストン冠部が厚肉となっている排気弁部分は、クーリングチャンネルの通路断面積が大きな第２の部分によってより効果的に冷却される。つまり、熱負荷の高い排気弁側の部分がより積極的に冷却される。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、冠面の吸気弁寄りに偏心した位置にキャビティが凹設されてなる筒内直接噴射式内燃機関のピストンにおいて、ピストンピンを中心とした重量バランスの不釣り合いが軽減し、ピストン往復動作に伴うピストンの挙動が抑制される。また同時に、熱負荷の高い排気弁側の部分を効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明に係るピストンの一実施例をシリンダ内に組み込んだ状態で示す内燃機関要部の断面図。
【図２】ピストン単体での断面図。
【図３】同じく底面図。
【図４】同じく平面図。
【図５】ピストンピン軸方向に沿って見たピストンの側面図。
【図６】ピストンピンと直交する方向から見たピストンの側面図。
【図７】クーリングチャンネルの立体形状を示す斜視図。
【図８】排気弁寄り部分でのクーリングチャンネルの断面図。
【図９】吸気弁寄り部分でのクーリングチャンネルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、この発明に係るピストン１が用いられる筒内直接噴射式内燃機関２の概略を示している。この内燃機関２は、シリンダヘッド３側に凹設された燃焼室４がいわゆるペントルーフ型の形状をなし、その一方の傾斜面に、吸気ポート５を開閉する一対の吸気弁６が配置され、かつ他方の傾斜面に、排気ポート７を開閉する一対の排気弁８が配置されている。これらの計４つの吸気弁６および排気弁８に囲まれた燃焼室４中央部には、点火プラグ９が配置されている。そして、燃焼室４の外周寄りでかつ一対の吸気弁６の間には、斜め下方へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１２が配置されている。
【００１５】
上記ピストン１は、シリンダブロック１３に形成されたシリンダボア１４内に摺動可能に嵌合している。上記シリンダボア１４の下部には、上記ピストン１の裏面（詳しくは後述するオイル入口）へ向けて加圧された冷却用のオイル（潤滑油）を噴射するオイルジェット１５が設けられている。なお、図１では、ピストンリングは図示省略されている。
【００１６】
図２〜図６は、上記ピストン１の詳細を示している。このピストン１は、シリンダボア１４に嵌合する外周円筒面２０に、複数（図示例では３本）のピストンリング溝２１を備え、このピストンリング溝２１の下方に、ピストンピン（図示せず）を支持する一対のピンボス部２２が設けられているとともに、ピストンピンと直交するスラスト・反スラスト方向に、上記外周円筒面２０に連続したスカート部２３が設けられている。
【００１７】
また、必要な圧縮比を確保するために、ピストン１の冠面の中央部には、ペントルーフ型燃焼室４の各傾斜壁面にそれぞれ対応した２つの傾斜面ならびに頂部の平坦面から基本的な形状が構成される膨出部２５が設けられている。この膨出部２５は、上記外周円筒面２０の上端縁２０ａ（図２，図５参照）の位置を基準としたときに、この上端縁２０ａよりも上方へ高くなった山型形状をなしている。
【００１８】
このように上方へ張り出した膨出部２５には、吸気弁６との干渉を回避するための一対の吸気弁用バルブリセス２６および排気弁８との干渉を回避するための一対の排気弁用バルブリセス２７が凹設されている。さらに、ピストン１冠面の中心から吸気弁６寄りに偏心した位置に、上記燃料噴射弁１２から噴射された燃料噴霧を受けるための略円形のキャビティ２８が凹設されている。このキャビティ２８の底面２８ａは、ピストン１の中心軸線に対し直交する平面にほぼ沿っている。また、キャビティ２８は、図４に示すように、ピストン１の中心を僅かに越えて排気弁８側にまで延びる比較的大きな形状を有する。このキャビティ２８の形成によって、上記膨出部２５は、実質的には、該キャビティ２８を除く主に排気弁８寄りの領域にのみ残存した形となっている。従って、図示せぬピストンピンを中心としたピストン１の重量バランスとしては、一方の吸気弁６側にキャビティ２８の大部分が存在し、他方の排気弁８側に膨出部２５の大部分が存在することから、基本的に、排気弁８側の方が質量が大となる傾向がある。
【００１９】
上記のピストン１は、例えばアルミニウム合金等の金属材料によって一体に鋳造されている。ここで、上記ピストンリング溝２１の内周側は、図２に示すようにスカート部２３等に比較して厚い肉を有する厚肉部３０となっており、この厚肉部３０内に、例えば中子を用いて中空通路状のクーリングチャンネル３１が形成されている。
【００２０】
上記クーリングチャンネル３１は、図４に示すように、ピストン１の外周円筒面２０と同心な円環状をなしている。また、３本のピストンリング溝２１の高さ位置にほぼ対応して、ピストン１の中心軸線に対し直交する平面に沿って配置されている。
【００２１】
図７は、理解を容易にするために、ピストン１内部に中空通路状に形成されるクーリングチャンネル３１の立体形状を斜視図として示したものである。同図および図２から明らかなように、円環状をなすクーリングチャンネル３１は、その全周に亘って一定の断面形状を有するものではなく、ほぼ半分ずつ大小異なる断面形状を有している。詳しくは、一定の通路断面形状を有する吸気弁側部分３１ａと、これとは異なる一定の通路断面形状を有する排気弁側部分３１ｂと、これらの吸気弁側部分３１ａと排気弁側部分３１ｂの間に位置し、吸気弁側部分３１ａの通路断面形状から排気弁側部分３１ｂの通路断面形状へと通路断面形状が連続的に変化する一対の遷移部３１ｃと、からクーリングチャンネル３１が構成されている。
【００２２】
吸気弁６側つまりキャビティ２８の下部に位置する吸気弁側部分３１ａは、その断面形状として、図９にも示すように、外周側の内壁面および内周側の内壁面がそれぞれピストン１中心軸線に平行な直線状をなし、かつ上壁面および底壁面がそれぞれほぼ円弧形に湾曲した形状をなし、全体としては、半径方向の寸法よりもピストン１軸方向の寸法が僅かに大きな縦長形状をなしている。
【００２３】
排気弁８側つまり膨出部２５の下部に位置する排気弁側部分３１ｂは、その断面形状として、図８にも示すように、吸気弁側部分３１ａと同様に、外周側の内壁面および内周側の内壁面がそれぞれピストン１中心軸線に平行な直線状をなし、かつ上壁面および底壁面がそれぞれほぼ円弧形に湾曲した形状をなし、全体としては、半径方向の寸法よりもピストン１軸方向の寸法が大きな縦長形状をなしている。特に、半径方向の寸法は、吸気弁側部分３１ａの半径方向の寸法と等しく、ピストン１軸方向の寸法が、吸気弁側部分３１ａのピストン１軸方向の寸法よりも大きなものとなっている。換言すれば、吸気弁側部分３１ａの断面形状におけるピストン１軸方向の寸法を拡大した形状をなしている。
【００２４】
ここで、図８および図９に符号３１ｄを付して示す吸気弁側部分３１ａおよび排気弁側部分３１ｂのそれぞれの最下部の位置は、ピストン１内部で互いに等しい高さ位置にあり、遷移部３１ｃを含めて、クーリングチャンネル３１の最下部３１ｄは、全周に亘って一定の高さ位置にある。これに対し、符号３１ｅを付して示す吸気弁側部分３１ａおよび排気弁側部分３１ｂのそれぞれの最上部の位置は、ピストン１内部で互いに異なっており、排気弁側部分３１ｂの最上部３１ｅは、吸気弁側部分３１ａの最上部３１ｅよりも相対的に高い位置にある。
【００２５】
また、吸気弁側部分３１ａと排気弁側部分３１ｂとを接続する遷移部３１ｃは、図５および図７に明らかなように、その高さが徐々に変化していく。ここで、一対の遷移部３１ｃは、図４のようなピストン１の平面視においてピストンピン中心軸線と交差する位置にあり、例えば、ピストンピンの直径を超えない程度の比較的小さな角度範囲を占めている。従って、吸気弁側部分３１ａおよび排気弁側部分３１ｂは、それぞれ、１８０°に近い角度範囲を占めている。なお、符号３２は吸気弁側部分３１ａと遷移部３１ｃとの境界を示し、符号３３は排気弁側部分３１ｂと遷移部３１ｃとの境界を示している。
【００２６】
上記クーリングチャンネル３１の下方つまり厚肉部３０の裏面側には、クーリングチャンネル３１へオイルを導くためのオイル入口３５と、クーリングチャンネル３１からオイルを排出するためのオイル出口３６と、がそれぞれ開口形成されている。上記オイル入口３５は、クーリングチャンネル３１の排気弁側部分３１ｂに開口形成されており、前述したオイルジェット１５の噴出口の直上に位置している。またオイル出口３６は、オイル入口３５からほぼ１８０°離れた位置にあり、特に、クーリングチャンネル３１の吸気弁側部分３１ａに開口形成されている。なお、これらのオイル入口３５およびオイル出口３６は、図示せぬコネクティングロッドとの干渉を避けた位置にそれぞれ配置されている。
【００２７】
内燃機関２の運転中は、オイルギャラリから導かれた高圧のオイルが上記オイルジェット１５からピストン１へ向けて噴出し、その少なくとも一部がオイル入口３５からクーリングチャンネル３１内に流入する。このオイルは、クーリングチャンネル３１内でピストン１冠部を冷却し、最終的に、オイル出口３６からクランクケース内へ排出される。
【００２８】
ここで、上記の構成においては、クーリングチャンネル３１の排気弁側部分３１ｂの通路断面積が吸気弁側部分３１ａの通路断面積よりも大きい。そのため、図示せぬピストンピンを中心として見たときに、排気弁８側により多くの中空部分が存在することになり、前述したキャビティ２８と膨出部２５との位置関係に起因した重量バランスの不釣り合いが、少なくとも部分的に相殺される。従って、重量バランスの不釣り合いに起因する好ましくないピストン１の挙動（例えばピストンスラップなど）が抑制される。
【００２９】
また、ピストン１の冠部の中で一般的に熱負荷が高い部位となる排気弁８側の部分において、クーリングチャンネル３１の通路断面積が相対的に大きいことから、内部を流れるオイルとの熱交換面積が大きく得られるとともに、より多量のオイルが通流し、従って、この熱負荷の高い排気弁８側の部分を効果的に冷却することができる。特に、排気弁側部分３１ｂの最上部３１ｅは吸気弁側部分３１ａの最上部３１ｅよりも高い位置にあるので、膨出部２５によってキャビティ２８底面２８ａよりも高い位置となるピストン１冠面（膨出部２５の表面）までの距離を比較的小さく確保でき、排気弁８側の部分をより効果的に冷却できる。しかも、オイル入口３５が通路断面積の大きな排気弁側部分３１ｂに連通しているため、低温のオイルが熱負荷の高い領域の下部に確実に供給され、良好な冷却作用が得られる。
【００３０】
一方、キャビティ２８の下部を通る排気弁側部分３１ｂにおいては、その最上部３１ｅが相対的に下方の位置にあるので、キャビティ２８底面２８ａとの間に十分な距離を確保することができ、過度に薄肉となることによる強度低下の虞がない。
【００３１】
以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、クーリングチャンネル３１の具体的な断面形状は、本発明において本質的なものではなく、図示した形状以外の種々の形状とすることが可能である。また、図示例では、クーリングチャンネル３１の第１の部分となる吸気弁側部分３１ａおよび第２の部分となる排気弁側部分３１ｂが、それぞれ、ある区間で一定断面形状をなしているが、本発明においては、必ずしも一定断面形状の区間は必要ではなく、例えば全周に亘って通路断面形状が連続的に変化するような構成も可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１…ピストン
２１…ピストンリング溝
２５…膨出部
２８…キャビティ
３１…クーリングチャンネル
３１ａ…吸気弁側部分
３１ｂ…排気弁側部分
３１ｃ…遷移部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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