(57)【要約】【課題】ピストンの冷却効率を向上できる内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】内燃機関用ピストン１は、ピストンヘッド１０の内部に設けられた環状の冷却空洞２０と、ピストンヘッド１０の下方に配置された噴射ノズル４から噴射されたオイルを冷却空洞２０に導入する導入口３０と、冷却空洞２０からオイルを排出する排出口４０と、冷却空洞２０内の位置に配置され、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが短いときは、排気側の冷却空洞２０にオイルを流通させ、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが長いときは、吸気側の冷却空洞２０にオイルを流通させる切替弁５０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンヘッドの内部に設けられた環状の冷却空洞と、
ピストン軸方向における前記ピストンヘッドの下面部に開放して前記冷却空洞に連通し、前記ピストンヘッドの下方に配置された噴射ノズルから噴射されたオイルを前記冷却空洞に導入する導入口と、
前記ピストンヘッドの下面部に開放して前記冷却空洞に連通し、前記冷却空洞からオイルを排出する排出口と、
前記冷却空洞内の位置に配置され、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が短いときは、排気側の前記冷却空洞にオイルを流通させ、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が長いときは、吸気側の前記冷却空洞にオイルを流通させる切替弁と、を備えた
ことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記切替弁は、前記導入口に臨む前記冷却空洞内の位置に配置された回転弁体を有し、
前記回転弁体は、排気側の前記冷却空洞を開閉する排気側弁体部と、吸気側の前記冷却空洞を開閉する吸気側弁体部と、を含み、
前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が短いときは、前記噴射ノズルから噴射されたオイルが前記排気側弁体部に当たり、前記排気側弁体部が排気側の前記冷却空洞を開放すると共に、前記吸気側弁体部が吸気側の前記冷却空洞を閉止し、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が長いときは、前記噴射ノズルから噴射されたオイルが前記吸気側弁体部に当たり、前記吸気側弁体部が吸気側の前記冷却空洞を開放すると共に、前記排気側弁体部が排気側の前記冷却空洞を閉止する
請求項１記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用ピストンは、燃焼室内の熱がピストンヘッドに伝達されて高温になる。そのため、一般的に、ピストンは、ピストンヘッドの内部に設けられた冷却空洞にオイルを流通させる等して、積極的に冷却されるように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３８７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼室内の温度は、排気側の方が吸気側よりも高いので、ピストンの温度も、排気側の方が吸気側よりも高くなる。そのため、ピストンの排気側と吸気側を同じように油冷したのでは、ピストンの冷却効率が悪化する虞がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決して、ピストンの冷却効率を向上できる内燃機関用ピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、ピストンヘッドの内部に設けられた環状の冷却空洞と、ピストン軸方向における前記ピストンヘッドの下面部に開放して前記冷却空洞に連通し、前記ピストンヘッドの下方に配置された噴射ノズルから噴射されたオイルを前記冷却空洞に導入する導入口と、前記ピストンヘッドの下面部に開放して前記冷却空洞に連通し、前記冷却空洞からオイルを排出する排出口と、前記冷却空洞内の位置に配置され、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が短いときは、排気側の前記冷却空洞にオイルを流通させ、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が長いときは、吸気側の前記冷却空洞にオイルを流通させる切替弁と、を備えたことを特徴とする内燃機関用ピストンが提供される。
【０００７】
また、前記切替弁は、前記導入口に臨む前記冷却空洞内の位置に配置された回転弁体を有し、前記回転弁体は、排気側の前記冷却空洞を開閉する排気側弁体部と、吸気側の前記冷却空洞を開閉する吸気側弁体部と、を含み、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が短いときは、前記噴射ノズルから噴射されたオイルが前記排気側弁体部に当たり、前記排気側弁体部が排気側の前記冷却空洞を開放すると共に、前記吸気側弁体部が吸気側の前記冷却空洞を閉止し、前記導入口と前記噴射ノズルとの距離が長いときは、前記噴射ノズルから噴射されたオイルが前記吸気側弁体部に当たり、前記吸気側弁体部が吸気側の前記冷却空洞を開放すると共に、前記排気側弁体部が排気側の前記冷却空洞を閉止する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ピストンの冷却効率を向上できる内燃機関用ピストンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ピストンが下死点にあるときのピストン内部を示す概略側面図である。
【図２】図１に示すピストン内部の上面視概略図である。
【図３】図１に示すＩＩＩ部の拡大断面図である。
【図４】ピストンが上死点にあるときのピストン内部を示す概略側面図である。
【図５】図４に示すピストン内部の上面視概略図である。
【図６】図４に示すＶＩ部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に沿って説明する。なお、図中に示す各方向は、説明の便宜上定められたものに過ぎないものとする。
【００１１】
図１は、内燃機関用ピストン１が下死点にあるときのピストン１の内部を示す概略側面図であり、図２は、図１に示すピストン１内部の上面視概略図である。また、図３は、図１に示すＩＩＩ部の拡大断面図である。なお、図１中、符号２は、ピストン１を同軸で収容するシリンダを表し、符号３は、シリンダ２の上部に位置するシリンダヘッドを表す。また、符号４は、オイルジェットの噴射ノズルを表し、太線の矢印Ｏは、オイルの流れを表す。
【００１２】
図１及び図２に示すように、ピストン１は、ディーゼルエンジン用であり、ピストン１の中心線をなすピストン軸Ａ１を有する。以下、ピストン軸Ａ１を基準とした周方向を単に「周方向」とする。また、ピストン軸Ａ１の方向における上死点側（図中、上側）を「上」、下死点側（図中、下側）を「下」とする。なお、図中に示す各方向は、ピストン軸Ａ１を基準とする。
【００１３】
ピストン１は、円柱状に形成されたピストンヘッド１０と、ピストンヘッド１０の外周側下端部から下方に延びるピストンスカート１１と、を有する。また、ピストン１は、ピストンヘッド１０の外周面１２に、ピストンリング（不図示）が嵌合挿入される複数のリング溝、即ち、上方から順に、トップリング溝１３ａ、セカンドリング溝１３ｂ、サードリング溝１３ｃを有する。なお、ピストン１は、スチール（鉄）製であってもアルミ製であっても良く、また、鋳造製であっても鍛造製であっても良い。
【００１４】
また、図示しないが、ピストン１は、ピストンヘッド１０の下方の位置に、ピストンピンを回転自在に支持するピストンピン軸受を有する。なお、図２中、一点鎖線Ａ２は、ピストンピン軸を表すものとする。また、二点鎖線Ａ３は、ピストン軸Ａ１の位置でピストンピン軸Ａ２に直交する直交軸を表すものとする。
【００１５】
本実施形態のピストン１は、ピストンヘッド１０の内部に設けられた環状の冷却空洞２０を備える。また、ピストン１は、ピストンヘッド１０の下方に配置された噴射ノズル４から噴射されたオイルを冷却空洞２０に導入する導入口３０を備える。また、ピストン１は、冷却空洞２０からオイルを排出する排出口４０を備える。また、詳細は後述するが、ピストン１は、冷却空洞２０内の位置に配置された切替弁としてのバタフライ弁５０を備える。
【００１６】
ピストンヘッド１０は、ピストン頂面１４と、ピストン頂面１４に凹設されたキャビティ１５と、を有する。より詳しくは、ピストン頂面１４は、ピストン軸Ａ１の方向に垂直な円環状の平面で形成される。キャビティ１５は、リエントラント型の形状を有する。但し、キャビティ１５の形状は、例えば、浅皿型、深皿（トロイダル）型であっても良い。
【００１７】
ピストン頂面１４及びキャビティ１５は、シリンダ２及びシリンダヘッド３と共に、燃焼室Ｂを形成する。燃焼室Ｂの天井部分に位置するシリンダヘッド３には、排気弁５及び吸気弁６が設けられる。図１に示すように、本実施形態では、ピストン軸Ａ１を基準として、排気弁５が右側（以下、「排気側」とする）に設けられ、吸気弁６が左側（以下、「吸気側」とする）に設けられる。
【００１８】
冷却空洞２０は、クーリングチャンネル（オイル循環路）からなり、キャビティ１５の下方に形成される。また、冷却空洞２０は、ピストンヘッド１０の半径方向外側の位置において、周方向に延びて１周する円環状に形成される。なお、冷却空洞２０は、楕円形の断面形状を有する。但し、冷却空洞２０の断面形状は、任意であって良い。
【００１９】
導入口３０及び排出口４０は、それぞれピストンヘッド１０の下面部１０ａに開放して冷却空洞２０に連通する。より詳しくは、導入口３０及び排出口４０は、それぞれ冷却空洞２０の底部２１からピストン軸Ａ１の方向に沿って下方に延びて形成される。
【００２０】
図２に示すように、導入口３０は、周方向において、ピストンピン軸Ａ２上の前側の冷却空洞２０と、直交軸Ａ３上の排気側の冷却空洞２０との中間に位置する。また、排出口４０は、ピストン軸Ａ１に対して、導入口３０と反対側の位置に位置する。但し、導入口３０及び排出口４０の位置は、任意であって良い。
【００２１】
また、冷却空洞２０は、直交軸Ａ３上の排気側の冷却空洞２０を通過する排気側冷却空洞２０ａと、直交軸Ａ３上の吸気側の冷却空洞２０を通過する吸気側冷却空洞２０ｂとに区分される。より詳しくは、排気側冷却空洞２０ａは、導入口３０から排出口４０に至る区間であって、吸気側よりも排気側の方で長い距離通過する区間を指す。また、吸気側冷却空洞２０ｂは、導入口３０から排出口４０に至る区間であって、排気側よりも吸気側の方で長い距離通過する区間を指す。
【００２２】
図２及び図３に示すように、バタフライ弁５０は、導入口３０に臨む冷却空洞２０内の位置に配置された回転弁体５１を有する。
【００２３】
回転弁体５１は、円盤状の平板部材からなり、その直径方向に延びる回転軸５２を有する。回転軸５２は、導入口３０の軸方向（上下方向）に垂直で、且つ、冷却空洞２０の軸方向（周方向）に垂直に延び、冷却空洞２０の側壁部２３に形成された軸受孔（不図示）に回転自在に軸支される。
【００２４】
また、回転軸５２の直上位置には、断面三角形状の弁座５３が配置される。弁座５３は、冷却空洞２０の天井部２２に下向きに設けられ、排気側冷却空洞２０ａ側と吸気側冷却空洞２０ｂ側にそれぞれ斜面を有する。但し、弁座５３の形状は、任意であって良い。また、弁座５３を設けるか否かについても、任意であって良い。
【００２５】
本実施形態の回転弁体５１は、排気側冷却空洞２０ａを開閉する排気側弁体部５１ａと、吸気側冷却空洞２０ｂを開閉する吸気側弁体部５１ｂと、を含む。排気側弁体部５１ａ及び吸気側弁体部５１ｂは、回転弁体５１を回転軸５２の位置で区分して成る。また、排気側弁体部５１ａ及び吸気側弁体部５１ｂは、回転軸５２を回転中心として、それぞれ冷却空洞２０の天井部２２側と導入口３０の上縁部３１側との間で上下方向に回動する。
【００２６】
ここで、図１〜図６に基づき、バタフライ弁５０の動作について、より詳細に説明する。図４は、内燃機関用ピストン１が上死点にあるときのピストン１の内部を示す概略側面図であり、図５は、図４に示すピストン１内部の上面視概略図である。また、図６は、図４に示すＶＩ部の拡大断面図である。
【００２７】
バタフライ弁５０は、図１及び図２に示すように、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが短いときは、排気側冷却空洞２０ａにオイルを流通させる。また、バタフライ弁５０は、図４及び図５に示すように、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが長いときは、吸気側冷却空洞２０ｂにオイルを流通させる。
【００２８】
具体的には、噴射ノズル４は、導入口３０の下方に上向きに配置され、オイルギャラリ（不図示）から供給されたオイルを導入口３０に向かって上方に噴射する。そして、ピストン１が下死点側にあるとき（図１を参照）は、ピストン１が上死点側にあるとき（図４を参照）よりも、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが短くなる。
【００２９】
また、本実施形態の噴射ノズル４は、シリンダ２の軸方向に対して、吸気側に向かって微小な所定の角度（例えば、１〜２°）傾いている。よって、僅かに吸気側に傾いた状態でオイルを噴射する。
【００３０】
そして、本実施形態では、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが短いときは、噴射ノズル４から噴射されたオイルが排気側弁体部５１ａに当たり、また、距離Ｌが長いときは、噴射ノズル４から噴射されたオイルが吸気側弁体部５１ｂに当たる。より詳しくは、距離Ｌが短くなるにつれて、回転弁体５１に当たるオイルの中心位置が吸気側弁体部５１ｂ側から排気側弁体部５１ａ側に移動する。
【００３１】
図２及び図３に示すように、排気側弁体部５１ａに吸気側弁体部５１ｂよりも多くオイルが当たると、排気側弁体部５１ａは、オイルによって押し上げられる。これにより、排気側弁体部５１ａは、弁座５３の斜面に当接するまで、回転軸５２を回転中心として上方に回動される。また、この回動に伴って、吸気側弁体部５１ｂが回転軸５２を回転中心として下方に回動される。
【００３２】
そして、排気側弁体部５１ａが排気側冷却空洞２０ａを開放すると共に、吸気側弁体部５１ｂが吸気側冷却空洞２０ｂを閉止する。その結果、導入口３０から排気側冷却空洞２０ａにオイルが流れ、反対に、導入口３０から吸気側冷却空洞２０ｂにオイルが流れなくなる。
【００３３】
一方、図５及び図６に示すように、吸気側弁体部５１ｂに排気側弁体部５１ａよりも多くのオイルが当たると、吸気側弁体部５１ｂは、オイルによって押し上げられる。これにより、吸気側弁体部５１ｂは、弁座５３の斜面に当接するまで、回転軸５２を回転中心として上方に回動される。また、この回動に伴って、排気側弁体部５１ａが回転軸５２を回転中心として下方に回動される。
【００３４】
そして、吸気側弁体部５１ｂが吸気側冷却空洞２０ｂを開放すると共に、排気側弁体部５１ａが排気側冷却空洞２０ａを閉止する。その結果、導入口３０から吸気側冷却空洞２０ｂにオイルが流れ、反対に、導入口３０から排気側冷却空洞２０ａにオイルが流れなくなる。
【００３５】
次に、本実施形態に係るピストン１の作用効果について説明する。
【００３６】
ピストン１は、内燃機関の運転中、燃焼室Ｂ内の熱がピストンヘッド１０に伝達されて高温になる。一方、ピストン１では、噴射ノズル４から噴射されたオイルを導入口３０から冷却空洞２０内に導入させ、ピストン１の熱を吸収したオイルを排出口４０から排出する。これにより、ピストン１を積極的に冷却することができる。
【００３７】
しかしながら、燃焼室Ｂ内の温度は、排気側の方が吸気側より高いので、ピストン１の温度も、排気側の方が吸気側より高くなる。そのため、仮に、排気側冷却空洞２０ａと吸気側冷却空洞２０ｂの両方に同じ量のオイルを流通させると、排気側で冷却が不足したり、吸気側で冷却が過剰になる等して、ピストンの冷却効率が悪化してしまう虞がある。
【００３８】
ここで、図示しないが、噴射ノズル４から噴射されたオイルは、所定の拡がり角を有する。そのため、噴射ノズル４と導入口３０との距離Ｌが短いときは、距離Ｌが長いときよりも、噴射ノズル４から噴射されたオイルが導入口３０に捕集され易い。そのため、距離Ｌが短いときは、距離Ｌが長いときと比較して、より多くのオイルを冷却空洞２０に導入して流通させることができる。
【００３９】
そこで、本実施形態では、ピストン１が下死点側にあり、噴射ノズル４と導入口３０との距離Ｌが短いときは、排気側弁体部５１ａにオイルを当てて、これを上方に回動させ、導入口３０から排気側冷却空洞２０ａにオイルを導入させる。  また、反対に、ピストン１が上死点側にあり、噴射ノズル４と導入口３０との距離Ｌが長いときは、吸気側弁体部５１ｂにオイルを当てて、これを上方に回動させ、導入口３０から吸気側冷却空洞２０ｂにオイルを導入させる。
【００４０】
これにより、導入口３０でオイルを多く捕集できる下死点側のタイミングでは、その捕集したオイルを排気側冷却空洞２０ａに多く流通させて、ピストン１の排気側を冷却できる。また、導入口３０で捕集できるオイルが少ない上死点側のタイミングでは、その捕集したオイルを吸気側冷却空洞２０ｂに比較的少なく流通させて、ピストン１の吸気側を冷却できる。
【００４１】
よって、本実施形態のピストン１では、吸気側よりも排気側の冷却性能を高くすることで、排気側で冷却が不足したり、吸気側で冷却が過剰になるのを抑制できる。その結果、ピストン１の冷却効率を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、図１及び図３に示すように、ピストン１が下死点側にあるときは、排気側弁体部５１ａが上方に回動され、吸気側弁体部５１ｂが下方に回動されることで、導入口３０の軸方向に対して回転弁体５１を傾斜した状態にする。これにより、この傾斜した回転弁体５１の下面に沿って、導入口３０から排気側冷却空洞２０ａにオイルを円滑に導入できる。また、このとき、閉弁した吸気側弁体部５１ｂの上面によって、吸気側冷却空洞２０ｂから導入口３０に戻ろうとするオイルを遮断することができる。
【００４３】
同様に、図４及び図６に示すように、ピストン１が上死点側にあるときも、傾斜した回転弁体５１の下面に沿って、導入口３０から吸気側冷却空洞２０ｂにオイルを円滑に導入できる。また、このとき、閉弁した排気側弁体部５１ａの上面によって、排気側冷却空洞２０ａから導入口３０に戻ろうとするオイルを遮断できる。
【００４４】
更に、本実施形態では、回転弁体５１の上面が弁座５３の斜面に当接するため、回転弁体５１の端部が冷却空洞２０の天井部２２や底部２１に衝突して、破損するのを防止できる。
【００４５】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して実施することが可能である。例えば、内燃機関は、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等であっても良い。
【００４６】
また、図示しないが、上述の基本実施形態は、以下のように変形することができる。なお、下記の説明においては、上記の基本実施形態と同一の構成要素に同じ符号を用い、それらの詳細な説明は省略する。
【００４７】
（第１変形例）
回転弁体５１は、噴射ノズル４から噴射されたオイルに押し上げられて回動されるのではなく、回転軸５２に接続された電動モータによって回動されても良い。
【００４８】
具体的には、第１変形例において、電動モータは、例えば、ＤＣモータまたはステッピングモータからなり、電子制御ユニットによって制御される。
【００４９】
電子制御ユニットは、例えば、クランク角センサによって取得されるクランク角に基づき、ピストン１が下死点側にあるか上死点側にあるかを判別する。そして、ピストン１が下死点側にあるときは、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが短いため、回転弁体５１が排気側冷却空洞２０ａを開くように電動モータを制御する。反対に、ピストン１が上死点側にあるときは、距離Ｌが長いため、回転弁体５１が吸気側冷却空洞２０ｂを開くように電動モータを制御する。
【００５０】
第１変形例によれば、回転弁体５１の配置や、噴射ノズル４の配置を考慮することなく、上述の基本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
また、第１変形例では、例えば、バタフライ弁は、導入口３０に臨む冷却空洞２０内の位置に配置されていなくても良い。例えば、排気側冷却空洞２０ａ内と吸気側冷却空洞２０ｂ内のそれぞれにバタフライ弁が配置されていても良い。
【００５２】
更に、この変形例では、切替弁は、回転弁体を有するバタフライ弁でなく、例えば、シャッター弁であっても良い。
【００５３】
（第２変形例）
回転軸５２は、冷却空洞２０の側壁部２３に形成された軸受孔によって軸支されるのではなく、弁座の下端部に形成された軸受部によって回転自在に軸支されても良い。
【００５４】
（第３変形例）
回転弁体の閉弁側の弁体部は、閉弁側の冷却空洞２０を閉止しないで、多少開いていても良い。
【００５５】
具体的には、導入口３０と噴射ノズル４との距離Ｌが短いとき、吸気側弁体部５１ｂは、排気側冷却空洞２０ａに対する吸気側冷却空洞２０ｂのオイル流量比が所定の比率（例えば、８：２）で小さくなる程度に開いていても良い。
【００５６】
また、距離Ｌが長いとき、排気側弁体部５１ａは、吸気側冷却空洞２０ｂに対する排気側冷却空洞２０ａのオイル流量比が所定の比率（例えば、８：２）で小さくなる程度に開いていても良い。
【符号の説明】
【００５７】
１  内燃機関用ピストン
２  シリンダ
３  シリンダヘッド
４  噴射ノズル
５  排気弁
６  吸気弁
１０  ピストンヘッド
１０ａ  下面部
２０  冷却空洞
３０  導入口
４０  排出口
５０  バタフライ弁（切替弁）
Ｂ  燃焼室
Ｌ  距離
【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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