(57)【要約】【課題】冷却効率に優れたクーリングチャンネルを備え、鋳巣の発生を未然に防止できて、さらに溶接加工やドリル加工を省略できる、生産性に優れたピストンを提供する。【解決手段】ピストン１０は、クラウン部１１と、クーリングチャンネル１５と、を備えている。クラウン部１１は、内燃機関１の燃焼室９を区画する冠面１１Ａと、裏面１１Ｂと、を有している。クーリングチャンネル１５は、クラウン部１１に鋳込まれた中空金属管２０の管内に区画されている。中空金属管２０は、一体成形されたＣ環部２３と、第１端部２１と、第２端部２２と、を有している。Ｃ環部２３は、冠面１１Ａと裏面１１Ｂとの間に配置されている。第１及び第２端部２１，２２は、Ｃ環部２３から裏面１１Ｂに向かってそれぞれ湾曲している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室を区画する冠面及び該冠面とは反対側の裏面を有したクラウン部と、
前記クラウン部に鋳込まれた中空金属管の管内に区画され、前記裏面に向かって噴射された潤滑油が流通するクーリングチャンネルと、を備え、
前記中空金属管は、一体成形されたＣ環部と、第１端部と、第２端部と、を有し、
前記Ｃ環部は、前記冠面と前記裏面との間に配置され、
前記第１端部及び前記第２端部は、前記Ｃ環部の一端及び他端にそれぞれ連続し、該Ｃ環部から前記裏面に向かってそれぞれ湾曲している、ピストン。
【請求項２】
前記第１端部及び前記第２端部の先端は、前記裏面から外部に露出している、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記裏面には、前記第１端部及び前記第２端部の延長線上に位置する凹部がそれぞれ形成されており
前記第１端部及び前記第２端部は、前記凹部の底から外部に露出している、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記第１端部の先端は、前記裏面に向かって潤滑油を噴射するオイルジェットに対向している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項５】
前記第１端部の先端は、前記Ｃ環部よりも拡径に形成されている、請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
前記裏面に設けられた一対のピンボスをさらに備え、
前記第２端部の先端は、前記一対のピンボスに挿通されたピストンピンに対向している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項７】
前記クラウン部は、前記裏面から前記Ｃ環部まで貫通した貫通孔をさらに有している、請求項１乃至３のいずれか一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、クーリングチャンネルを備えたピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達し、回転駆動力として出力する。燃焼室内は高温になるため、ピストンが加熱される。ピストンが過剰に加熱されると、ピストンの摩耗や内燃機関のノッキングが発生しやすくなる。そのため、ピストンにクーリングチャンネルを設けて、ピストン内にオイルジェットからの潤滑油を流通させてピストンを冷却することが知られている。
【０００３】
クーリングチャンネルは、例えば、塩や砂を固めた中子をピストンに鋳込んだのち、中子を分解して除去すれば形成できる。しかしながら、製造工程において中子に亀裂が生じることがある。中子の亀裂にアルミ溶湯が入り込むと、ピストンが不良品になって歩留りが低下する。加えて、ピストンにドリルで孔をあけて潤滑油の入口及び出口を形成し、それらの孔から中子を抜き取る工程にも時間がかかる。
【０００４】
そこで、特許文献１の図７、特許文献２の図３、特許文献３の図１９等が参照されるように、耐摩環に断面がＵ字の板金を溶接して、耐摩環と板金との間にクーリングチャンネルを設けたピストンが提案されている。ピストンの外周面には耐摩耗性に優れた耐摩環が鋳込まれる。クーリングチャンネル付きの耐摩環を鋳込み、ピストンが冷えて固まったらクーリングチャンネルにドリルで孔をあけて潤滑油の入口及び出口を形成する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１乃至３に記載のピストンでは、耐摩環の上縁及び下縁の全周に亘って板金を溶接しなければならないため加工コストが嵩む。クーリングチャンネル内に閉じ込められたガスがピストンを鋳造する際に加熱されて膨張するため、耐摩環と板金との間に溶接不良があった場合に、不良箇所からガスが漏れてピストン内に鋳巣が発生するおそれもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１４４５８０号公報
【特許文献２】特開２０１０−９６０２２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１５９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
中子をピストンに鋳込む場合、中子の亀裂に起因した歩留りの低下がある。また、中子の除去に工数がかかる。クーリングチャンネル付き耐摩環をピストンに鋳込む場合、クーリングチャンネルの溶接にコストが嵩む。溶接不良に起因した鋳巣等の不具合もある。ドリルで孔をあけて潤滑油の入口及び出口を形成する場合、ドリル加工に工数がかかる。加えて、直線状の貫通孔が形成されるため、貫通孔とクーリングチャンネルとが直交する両者の境目で曲率が大きく変化して流路抵抗が大きくなる。流路抵抗が大きいと、潤滑油の一部がクーリングチャンネルに導入されずに跳ね返ってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、流路抵抗が小さく冷却効率に優れたクーリングチャンネルを備え、クーリングチャンネルに閉じ込められたガスに起因する鋳巣の発生を未然に防止できて、さらに溶接加工やドリル加工を省略できる、生産性に優れた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】
【０００９】
一実施形態において、ピストンは、クラウン部と、クーリングチャンネルと、を備えている。クラウン部は、内燃機関の燃焼室を区画する冠面と、該冠面とは反対側の裏面と、を有している。クーリングチャンネルは、クラウン部に鋳込まれた中空金属管の管内に区画されている。裏面に向かって噴射された潤滑油が、クーリングチャンネルを流通する。中空金属管は、Ｃ環部と、第１端部と、第２端部と、を有している。Ｃ環部、第１端部及び第２端部は、一体成形されている。Ｃ環部は、冠面と裏面との間に配置されている。第１端部は、Ｃ環部の一端に連続している。第２端部は、Ｃ環部の他端に連続している。第１端部及び第２端部は、Ｃ環部から裏面に向かってそれぞれ湾曲している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のピストンによれば、クーリングチャンネルを一体成形の中空金属管で形成し、中子の除去や耐摩環の溶接を省略できる。ドリル加工も必須ではなくなる。第１及び第２端部からクーリングチャンネル内のガスをピストンの外部に逃がして鋳巣の発生を未然に防止できる。そのため、不具合の発生を抑制しつつ工数を削減してピストンの生産性を向上できる。また、第１及び第２端部が湾曲していて流路抵抗が小さい。クーリングチャンネルの冷却効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、内燃機関の概略的な構成を示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態のピストンの一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示されたピストンの底面図である。
【図４】図４は、図３中のＦ４−Ｆ４線に沿う断面図である。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例を示す断面図である。
【図６】図６は、第２実施形態のピストンの一例を示す底面図である。
【図７】図７は、第３実施形態のピストンの一例を示す底面図である。
【図８】図８は、図７中の矢印Ｆ８の方向から見た側面図である。
【図９】図９は、図７中の矢印Ｆ９の方向から見た側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のピストン１０について、図１から図９を参照して説明する。主に図２を参照して説明するが、ピストン１０は、クラウン部１１に鋳込まれた中空金属管２０を備えている。中空金属管２０の管内は、クーリングチャンネル１５として区画されている。中空金属管２０は、第１端部２１と、第２端部２２と、Ｃ環部２３と、を有している。
【００１３】
第１端部２１、第２端部２２及びＣ環部２３は、一体成形されていて滑らかに連続している。Ｃ環部２３は、クラウン部１１の冠面１１Ａと裏面１１Ｂとの間に配置されている。第１及び第２端部２１，２２は、Ｃ環部２３から裏面１１Ｂに向かってそれぞれ湾曲しており、先端２１Ｅ，２２Ｅが裏面１１Ｂからピストン１０の外部に露出している。なお、第１及び第２端部２１，２２近傍の裏面１１Ｂは、平坦でもよいし、第１及び第２端部２１，２２に合わせて凹部１７を設けてもよい。
【００１４】
曲成した中空金属管２０を用いる本発明は、第１端部２１、第２端部２２及びＣ環部２３が一体成形されていて隙間を生じないため、溶接不良の箇所からガスが漏れるおそれがない。耐摩環に断面がＵ字の板金を溶接するコストも削減できる。第１及び第２端部２１，２２が裏面１１Ｂに向かって滑らかに湾曲しているため、クーリングチャンネル１５の流路抵抗を小さくできる。潤滑油をクーリングチャンネル１５に円滑に導入して、ピストン１０の冷却効率を向上できる。
【００１５】
中空金属管２０の先端２１Ｅ，２２Ｅがピストン１０の裏面１１Ｂから外部に連通しているため、ピストン１０を鋳造するとき、管内のガスを裏面１１Ｂに面した金型１００に逃がしてガスによる鋳巣の発生を未然に防止できる。さらに、当初から開口している先端２１Ｅ，２２Ｅを潤滑油の入口１５ＩＮや出口１５ＯＵＴとしてそのまま使用できるため、後からドリルで貫通孔をあける必要がなくなり工数を削減できる。以下、各構成について詳しく説明する。
【００１６】
図１は、内燃機関１の概略的な構成を示す断面図である。図１に示すように、内燃機関１は、例えば、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に収納されたピストン１０、クランクシャフト４、コンロッド５と、を備えている。実施形態の説明の便宜上、シリンダブロック２に組み付けられたピストン１０の往復運動を基準に下死点側を「下」、下死点側とは反対側を「上」と定義する。内燃機関１を傾けて配置する場合、「上」及び「下」は重力方向と必ずしも一致しない。
【００１７】
ピストン１０は、シリンダブロック２の上部に形成されたシリンダボア６に組み付けられている。クランクシャフト４は、シリンダブロック２の下部に形成されたクランクケース７に組み付けられている。クランクケース７には、クランクシャフト４と干渉しない位置にオイルジェット８が設けられている。オイルジェット８は、図１中に矢印Ｌで示すようにピストン１０に向けて潤滑油を噴射する。ピストン１０とクランクシャフト４とは、コンロッド５によって互いに連結されている。
【００１８】
［第１実施形態］  
図２は、第１実施形態のピストン１０の一例を示す斜視図である。図２に示すように、ピストン１０は、クラウン部１１と、ピンボス１２と、スカート部１３と、サイドウォール部１４と、クーリングチャンネル１５と、を備えている。クラウン部１１は、冠面１１Ａと、冠面１１Ａとは反対側の裏面１１Ｂと、冠面１１Ａ及び裏面１１Ｂを繋ぐ外周面１１Ｃと、を有している。
【００１９】
冠面１１Ａは、シリンダブロック２のシリンダボア６とともに、図１に示された内燃機関１の燃焼室９を区画する。外周面１１Ｃには、ピストン溝１６が形成されている。外周面１１Ｃに耐摩環を鋳込んで該耐摩環にピストン溝１６を形成してもよい。耐摩環は、クラウン部１１よりも耐摩耗性に優れた金属から円環状に形成される。
【００２０】
裏面１１Ｂは、燃焼室９とは反対側に位置している。裏面１１Ｂには、一対のピンボス１２が互いに対向して配置されている。ピンボス１２には、ピン孔１２Ａが同心軸上にそれぞれ形成されている。スカート部１３は、クラウン部１１の外周縁から燃焼室９とは反対側に向かってそれぞれ延びている。
【００２１】
サイドウォール部１４は、ピンボス１２の周囲に広がりスカート部１３と連続している。クラウン部１１の内部には、クーリングチャンネル１５が形成されている。クーリングチャンネル１５は、裏面１１Ｂに開口した潤滑油の入口１５ＩＮ及び出口１５ＯＵＴを有している。
【００２２】
入口１５ＩＮは、図１に示されたオイルジェット８のノズルの先端に対向している。オイルジェット８から噴射された潤滑油は、入口１５ＩＮからクーリングチャンネル１５に導入される。導入された潤滑油は、クーリングチャンネル１５内を流通してピストン１０を冷却した後、出口１５ＯＵＴから排出されてクランクケース７底部のオイル溜まりに落下する。
【００２３】
本実施形態のピストン１０は、図２に示すように、クラウン部１１に鋳込まれた中空金属管２０を備えている。中空金属管２０の管内は、クーリングチャンネル１５として区画されている。中空金属管２０は、第１端部２１と、第２端部２２と、Ｃ環部２３と、を有している。Ｃ環部２３は、冠面１１Ａと裏面１１Ｂとの間に配置され、ピストン１０の周方向に延びる中空円環状に形成されている。より詳しくは、Ｃ環部２３は、一端及び他端の間で円環が閉じておらず、燃焼室９から見てＣ字状に形成されている。
【００２４】
ピストン１０が高温になると、ピストン溝１６が摩耗しやすくなる。Ｃ環部２３は、例えばピストン溝１６に沿って配置されている。耐摩環にピストン溝１６を形成する場合、耐摩環の内周面とＣ環部の外周面とを固定してもよい。内燃機関１がディーゼルエンジンの場合、冠面１１Ａにディーゼル燃料の燃焼を促進するキャビティ９Ａ（図１に示す）が形成される。キャビティ９Ａの縁は高温環境下で摩耗しやすいため、Ｃ環部２３をキャビティ９Ａの近傍に配置してもよい。
【００２５】
第１端部２１は、Ｃ環部２３の一端に連続している。第２端部２２は、Ｃ環部２３の他端に連続している。第１及び第２端部２１，２２は、Ｃ環部２３から裏面１１Ｂに向かってそれぞれ湾曲している。第１及び第２端部２１，２２の先端２１Ｅ，２２Ｅは、クラウン部１１の裏面１１Ｂからピストン１０の外部に露出している。
【００２６】
中空金属管２０は、例えば直管の中空金属管を曲成して形成できる。第１端部２１、第２端部２２及びＣ環部２３は、一体成形されていて滑らかに連続している。なお、第１及び第２端部２１，２２は、略同一の形状及び機能を有している。そのため、代表して第１端部２１を詳しく説明し、第２端部２２については重複する説明を省略することがある。
【００２７】
図３は、図２に示されたピストン１０の底面図である。図４は、図３中のＦ４−Ｆ４線に沿う断面図である。図４において、説明のために裏面１１Ｂに転写される金型１００を一部切り欠いて示している。図５は、図４に示された第１端部２１の変形例である。第１端部２１の先端２１Ｅは、クラウン部１１の裏面１１Ｂからピストン１０の外部に露出している。クラウン部１１の裏面１１Ｂは、図４に示すように、平坦であってもよいし、図５に示すように凹部１７を設けてあってもよい。凹部１７は、第１端部２１の中心軸の延長線上に位置している。
【００２８】
図４に示す例では、第１端部２１の先端２１Ｅは、Ｃ環部２３よりも拡径に形成されている。先端２１Ｅが拡径であると、オイルジェット８から噴射された潤滑油をＣ環部２３に導入しやすくなる。裏面１１Ｂに凹部１７を設ける場合、オイルジェット８に対向する凹部１７をすり鉢状に形成してもよい。
【００２９】
図４及び図５に示すように、金型１００は、中空金属管２０に挿入される位置決めピン１１０を備えている。位置決めピン１１０は通気口１１０Ａを有しており、ピストン１０を鋳造する際には、中空金属管２０の管内のガスが膨張してもピストン１０の外部に逃がすことができる。図５に示す例では、金型１００は、凹部１７に転写される凸部１２０をさらに備えている。凸部１２０は、位置決めピン１１０の基端に設けられ、位置決めピン１１０よりも拡径に形成されている。
【００３０】
以上のように構成された本実施形態のピストン１０は、クラウン部１１に鋳込まれた中空金属管２０を備えている。クーリングチャンネル１５に曲成した中空金属管２０を用いるため、耐摩環に断面がＵ字の板金を溶接するコストを削減できる。しかも、第１端部２１、第２端部２２及びＣ環部２３が一体成形されていて隙間を生じないため、溶接不良の箇所からガスが漏れるおそれがない。
【００３１】
仮に、ドリルで孔をあけて潤滑油の入口及び出口を形成する場合、ドリル加工に工数がかかる。また、貫通孔とクーリングチャンネルとが直交する両者の境目で曲率が大きく変化して流路抵抗が大きくなる。流路抵抗が大きいと、潤滑油の一部がクーリングチャンネルに導入されずに跳ね返ってしまう。本実施形態は、ドリル加工に起因するそれらの欠点を解消できる。
【００３２】
本実施形態は、Ｃ環部２３から裏面１１Ｂに向かって湾曲した第１及び第２端部２１，２２を備えている。第１端部２１、第２端部２２及びＣ環部２３は、一体成形されていて滑らかに連続しているため、クーリングチャンネル１５の流路抵抗を小さくできる。潤滑油をクーリングチャンネル１５に円滑に導入して、ピストン１０の冷却効率を向上できる。
【００３３】
本実施形態は、裏面１１Ｂからピストン１０の外部に露出した先端２１Ｅ，２２Ｅを備えている。中空金属管２０の先端２１Ｅ，２２Ｅがピストン１０の裏面１１Ｂから外部に連通しているため、ピストン１０を鋳造するとき、管内のガスを裏面１１Ｂに面した金型１００に逃がしてガスによる鋳巣の発生を未然に防止できる。さらに、当初から開口している先端２１Ｅ，２２Ｅを潤滑油の入口１５ＩＮや出口１５ＯＵＴとしてそのまま使用できるため、後からドリルで貫通孔をあける必要がなくなり工数を削減できる。
【００３４】
次に図６乃至図９を参照して、第２及び第３実施形態のピストン１０について説明する。なお、第１実施形態の構成と同一又は類似の機能を有する構成は、同一の符号を付して対応する第１実施形態の記載を参酌することとし、ここでの説明を省略する。また、その他の構成は、第１実施形態と同一である。
【００３５】
［第２実施形態］  
図６は、第２実施形態のピストン１０の一例を示す底面図である。第２実施形態は、第１及び端部２１，２２の少なくとも一方が、裏面１１Ｂから突出している点が第１実施形態と異なる。突出した第１及び第２端部２１，２２は、真下を向いていてもよいし、ピストン１０の中心軸すなわちピストン１０が往復運動する上下方向に対して傾斜していてもよい。
【００３６】
図６に示す例では、第２端部２２が裏面１１Ｂから突出して、ピストン１０の径方向内側に傾斜している。突出した第２端部２２の先端２２Ｅは、Ｃ環部２３の中心軸が描く円よりも内側に位置し、ピン孔１２Ａに挿通されたピストンピン１８に対向している。先端２２Ｅから吐出される潤滑油を図６中に矢印Ｌで示す。
【００３７】
第２実施形態によれば、第１及び第２端部２１，２２の長さや向きを自由に調整できるため、設計の自由度が向上する。例えば、図６に示すように第２端部２２をピストン１０の径方向内側に傾斜させると、第２端部２２の先端２２Ｅから吐出される潤滑油をピストンピン１８に給油できる。ピストンピン１８に付着する潤滑油の量を増やして内燃機関１の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
［第３実施形態］  
図７は、第３実施形態のピストン１０の一例を示す底面図である。第３実施形態は、クラウン部１１が裏面１１ＢからＣ環部２３まで貫通した貫通孔１９をさらに有している点が第１実施形態と異なる。貫通孔１９は、一箇所であってもよいし、二箇所以上であってもよい。第３実施形態では、第１及び第２端部２１，２２に加えて、貫通孔１９を有しているため、クーリングチャンネル１５の入口１５ＩＮ及び出口１５ＯＵＴの数や配置を変更できるようになり、設計の自由度が向上する。
【００３９】
図７は、第１及び第２端部２１，２２の先端２１Ｅ，２２Ｅを両端とも出口１５ＯＵＴとして用い、出口１５ＯＵＴとは反対側に貫通孔１９をあけて入口１５ＩＮを配置した一例である。ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンよりも均一にピストン１０を冷却する必要があるが、図７に示すように、二箇所の出口１５ＯＵＴからの距離が略同一になるように入口１５ＩＮを配置すれば、入口１５ＩＮに導入された潤滑油を均等に分配してピストン１０を均一に冷却しやすくなる。
【００４０】
図８は、図７中の矢印Ｆ８の方向から見たピストン１０であり、図９は、図７中の矢印Ｆ９の方向から見たピストン１０である。図８及び図９に示すように、中空金属管２０の第１及び第２端部２１，２２は、湾曲してＣ環部２３に滑らかに連続しているのに対し、ドリル加工で形成した貫通孔１９は、Ｃ環部２３と直交している。
【００４１】
第３実施形態は、入口１５ＩＮ及び出口１５ＯＵＴを合わせた三箇所以上の開口のうち、少なくとも二箇所の開口において流路が湾曲しているため、すべての開口が貫通孔１９で構成されたクーリングチャンネルに比べて流路抵抗を小さくできる。オイルジェット８から噴射された潤滑油をクーリングチャンネル１５に円滑に導入して冷却効率を向上させることができる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、中空金属管２０は、二本以上であってもよい。中空金属管２０の数に合わせてオイルジェット８の数を増やしてもよいし、オイルジェット８のノズルを分岐させて潤滑油を分配してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…内燃機関、８…オイルジェット、９…燃焼室、１０…ピストン、１１…クラウン部、１１Ａ…冠面、１１Ｂ…裏面、１２…ピンボス、１５…クーリングチャンネル、１７…凹部、１８…ピストンピン、１９…貫通孔、２０…中空金属管、２１…第１端部、２１Ｅ…第１端部の先端、２２…第２端部、２２Ｅ…第２端部の先端、２３…Ｃ環部。
【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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