(57)【要約】【課題】ピストンが冷却されても、熱効率低下を抑制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の内部に形成された真空室２０と、ピストン軸Ａ方向におけるピストンヘッド１０の上面及び下面の少なくとも一方から、真空室２０にかけて形成された孔３０と、孔３０に圧入され、孔３０を封止する栓部４０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形成された真空室と、
ピストン軸方向における前記ピストンヘッドの上面及び下面の少なくとも一方から、前記真空室にかけて形成された孔と、
前記孔に圧入され、前記孔を封止する栓部と、を備える
ことを特徴とする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】
一般に、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導されて高温になる。そのため、ピストンは、油冷等によっ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】特開昭６３−１６２４８９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、ピストンが冷却されると、ピストンの冷却損失として、内燃機関の熱効率が低下する可能性がある。その結果、内燃機関の燃費が悪化する等の問題が生じる虞がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題を解決して、ピストンが冷却されても、熱効率低下を抑制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形成された真空室と、ピストン軸方向における前記ピストンヘッドの上面及び下面の少なくとも一方から、前記真空室にかけて形成された孔と、前記孔に圧入され、前記孔を封止する栓部と、を備えることを特徴とする内燃機関用ピストンが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ピストンが冷却されても、熱効率低下を抑制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】
【０００８】
【図１】内燃機関用ピストンの縦断面図である。
【図２】内燃機関用ピストンの効果について説明するためのグラフである。
【図３】変形例を示す内燃機関用ピストンの縦断面図である。
【図４】他の変形例を示す内燃機関用ピストンの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を添付図面に沿って説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態に係る内燃機関用ピストン１の概略を示す縦断面図である。なお、図中、ピストン１を収容するシリンダ２と、シリンダ２の上部に位置するシリンダヘッド３とを点線で表す。
【００１１】
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Ａを有する。以下、ピストン軸Ａの方向を単に「軸方向」とし、ピストン軸Ａを基準とした半径方向および周方向を単に「半径方向」および「周方向」とする。また、ピストン軸Ａ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。
【００１２】
ピストン１は、略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４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５ａ、セカンドリング溝５ｂ、サードリング溝５ｃを有する。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、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。
【００１３】
本実施形態のピストン１は、ピストンヘッド１０の内部に形成された真空室２０と、軸方向におけるピストンヘッド１０の下面１２から、真空室２０にかけて形成された孔３０と、孔３０に圧入され、孔３０を封止する栓部４０と、を備える。
【００１４】
ピストンヘッド１０は、ピストン頂面１３と、ピストン頂面１３に凹設されたキャビティ１４と、キャビティ１４の下方に形成されたクーリングチャンネル（オイル循環路）１５と、を有する。
【００１５】
ピストン頂面１３は、軸方向に垂直な円環状の平面で形成される。キャビティ１４は、軸方向に垂直な平面状の底面１４ａを有する。また、キャビティ１４は、ピストン頂面１３から底面１４ａにかけて、軸方向に対して半径方向内側に傾斜した傾斜面１４ｂを有する。また、傾斜面１４ｂの上部には、全周に亘って半径方向内側に突出されたリップ部１４ｃが形成される。
【００１６】
これらピストン頂面１３及びキャビティ１４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。なお、図示例のキャビティ１４の形状は、リエントラント型であるが、例えば、浅皿型、深皿（トロイダル）型であっても良い。
【００１７】
クーリングチャンネル１５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。また、クーリングチャンネル１５は、下方に延びてピストン１の外部に連通する一対の油孔１６ａ，１６ｂを有する。クーリングチャンネル１５には、一方の油孔１６ａを通じて外部のオイルジェット（不図示）から冷却用オイルを噴射供給される。そして、オイルがクーリングチャンネル１５内を循環し、他方の油孔１６ｂから排出されることで、ピストン１が油冷される。
【００１８】
真空室２０は、ピストンヘッド１０の内部において、キャビティ１４とクーリングチャンネル１５との間の位置に形成される。また、真空室２０は、上面視において、ピストン軸Ａと同心の円形状に形成され、キャビティ１４を下方から覆うように形成される。また、真空室２０の最大直径は、キャビティ１４の最大直径よりも大きく形成される。
【００１９】
より詳しくは、真空室２０の天井部２１は、キャビティ１４の直下位置にて、底面１４ａ及び傾斜面１４ｂに沿うように形成される。また、真空室２０の底部２２は、クーリングチャンネル１５の直上位置から半径方向内側に延びると共に、下方に向かって緩やかに凹んで形成される。なお、真空室２０の側壁部２３は、半径方向外側に湾曲して形成され、天井部２１と底部２２とを断面アール状に接続する。
【００２０】
孔３０は、ピストンヘッド１０の下面部において、下面１２の中心位置から真空室２０の底部２２にかけて、軸方向に貫通して形成される。また、孔３０は、横断面円形状に形成され、孔３０の上端から下端にかけて一定の内径を有する。
【００２１】
栓部４０は、ピストン１と同じ材質（例えば、スチール）の円柱状部材からなり、孔３０に下方から圧入される。また、圧入方向において、栓部４０は、後端（図示、下端）から先端（図示、上端）にかけて、半径方向内側に傾斜したテーパ（不図示）を有する。栓部４０の先端は、孔３０の内径より僅かに小さい外径を有し、栓部４０の後端は、孔３０の内径より僅かに大きい外径を有する。但し、栓部４０は、テーパ形状ではなく、先端から後端にかけて、孔３０の内径よりも僅かに大きな一定の外径を有していても良い。
【００２２】
また、栓部４０は、真空状態で孔３０に圧入され、孔３０を封止する。具体的には、栓部４０は、真空ポンプによって高真空状態（例えば、１０-5［Ｐａ］）に減圧された真空チャンバ（不図示）内で圧入される。
【００２３】
孔３０に圧入された状態で、栓部４０の外周面は、孔３０の内周面全体に密着され、真空室２０内が高真空状態に維持される。なお、栓部４０は、孔３０に対して焼き嵌めによって圧入されても良い。また、栓部４０は、孔３０に圧入された後、孔３０に下方から溶接（例えば、電子ビーム溶接）されても良い。
【００２４】
次に、本実施形態に係る内燃機関用ピストン１の作用及び効果について、具体的に説明する。
【００２５】
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に伝導されて高温になるのを抑制すべく、クーリングチャンネル１５によって積極的に冷却される。
【００２６】
その一方、ピストン１は、ピストンヘッド１０の内部に形成された真空室２０によって、燃焼室Ｂ（特に、キャビティ１４）側とクーリングチャンネル１５側とを遮熱（真空断熱）している。
【００２７】
図示しないが、ここで仮に、ピストンが真空室を有しない場合には、燃焼室側からクーリングチャンネル側に熱が伝わることで、燃焼室内の熱が積極的に放熱されてしまう。そのため、ピストンの冷却損失として、内燃機関の熱効率が低下し、燃費が悪化する等の問題が生じる虞がある。
【００２８】
これに対して、本実施形態のピストン１は、真空室２０による真空断熱によって、燃焼室Ｂ側からクーリングチャンネル１５側に熱が伝わるのを抑制できる。そのため、クーリングチャンネル１５によってピストン１が積極的に冷却されても、燃焼室Ｂ内の熱が放熱されるのを抑制できる。その結果、ピストン１の冷却損失を低減して、内燃機関の熱効率低下を効果的に抑制することが可能になり、燃費の悪化を抑制できる。
【００２９】
ここで、図２（ａ）及び（ｂ）に基づいて、真空室２０の効果の具体例を説明する。図２（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、燃焼室Ｂ内に噴射される燃料の消費量［ｇ／ｋｗｈ］を示す。また、図２（ａ）の横軸は、エンジントルク［Ｎｍ］を示し、図２（ｂ）の横軸は、内燃機関から排出されるＮＯｘ量を示す。また、図中に示す曲線ａ１，ｂ１は、真空室２０を設けない場合の燃料消費量の変化を表したものであり、また、曲線ａ２，ｂ２は、真空室２０を設けた場合の燃料消費量の変化を表したものである。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、真空室２０を設けた場合には、真空室２０を設けない場合と比較して、燃焼室Ｂの断熱性が向上して燃焼効率が高まり、少ない燃料消費量で同一エンジントルクを生成できる。そして、消費される燃料が少ない分、ＮＯｘの排出を抑制できる。そのため、図２（ｂ）に示すように、真空室２０を設けた場合には、真空室２０を設けない場合と比較して、同一ＮＯｘ量で燃料消費量を減らすことができ、同一燃料消費量でＮＯｘを減らすことができる。
【００３１】
また、本実施形態では、栓部４０が孔３０に圧入されて、孔３０を封止する。具体的には、真空チャンバ内において、栓部４０を孔３０の入口に配置して、軸方向に押し込んで圧入する。そのため、溶接やろう付け等によって孔３０を封止する場合と比較して、高度な溶接技術等を必要とすることなく、作業を簡単に行うことができる。
【００３２】
また、孔３０及び栓部４０は、ピストンヘッド１０において、燃焼室Ｂから最も離れた位置である下面１２に配置される。更に、孔３０及び栓部４０は、真空室２０によって燃焼室Ｂ側から遮熱される。そのため、燃焼室Ｂ側から伝わる熱によって孔３０及び栓部４０が変形するのを抑制し、孔３０と栓部４０に隙間が生じるのを確実に防止できる。そして、真空室２０の真空状態を高い精度で維持できる。
【００３３】
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。
【００３４】
また、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、基本実施形態と対応する構成要素には記号「’」を付した符号を用いる。
【００３５】
（変形例）
図３に示すように、孔３０’は、ピストンヘッド１０の上面１７、即ち、キャビティ１４の底面１４ａの中心位置から、真空室２０の天井部２１にかけて、軸方向に貫通して形成されても良い。この場合、栓部４０’は、孔３０’に上方から圧入され、孔３０’を封止する。
【００３６】
また、図４に示すように、キャビティ１４の底面１４ａ’は、上方に円錐台形状に隆起して形成されていても良い。この場合、隆起した長さ分だけ、孔３０’と栓部４０’の圧接面積が増加するので、孔３０’と栓部４０’に隙間が生じるのを効果的に防止できる。
【００３７】
なお、図示しないが、孔及び栓部は、ピストンヘッドの上面と下面の両方に設けられても良い。また、孔及び栓部は、ピストンヘッドの上面及び下面の少なくとも一方に、複数設けられていても良い。また、孔及び栓部は、ピストンの中心線上に配置されていなくても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１  内燃機関用ピストン
１０  ピストンヘッド
１２  下面
２０  真空室
３０  孔
４０  栓部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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