(57)【要約】【課題】内燃機関用ピストンの冷却効果を高くする。【解決手段】内燃機関用ピストン３０のピストン本体部３１には、側縁部５４が中央部５３に比べ冠面３２方向に位置する略椀状の空洞部５０が形成されている。空洞部５０の中央部５３は、冠面３２の中央に近接し、空洞部５０の側縁部５４は、ピストンリング４０に近接する。空洞部５０には、空隙５５を設けつつ熱交換部材６０が封入されている。熱交換部材６０は、ピストン本体部３１が上死点から下死点へ向かう場合、中央部５３から側縁部５４に移動し、ピストン本体部３１が下死点から上死点へ向かう場合、側縁部５４から中央部５３に移動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン本体部内において、前記ピストン本体部の冠面側の内壁面と、前記冠面側の内壁面から離隔するコネクティングロッド側の内壁面とによって形成される空洞部と、
前記空洞部内に空隙を設けつつ封入された熱交換部材と、を有し、
前記冠面側の内壁面および前記コネクティングロッド側の内壁面は、前記空洞部の中央部から前記空洞部の側縁部に至る少なくとも一部の区間において、前記側縁部が前記中央部に比べ前記冠面側に位置する方向に傾斜する内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記熱交換部材は、前記ピストン本体部の動作時に液体となる請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記空洞部は、前記側縁部が、前記冠面に最も近いピストンリングに近接する請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項４】
前記空洞部は、前記中央部がシリンダの中心軸上に位置する請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項５】
前記空洞部は、前記側縁部における前記冠面側の内壁面と前記コネクティングロッド側の内壁面との間隔に比べ、前記中央部における前記冠面側の内壁面と前記コネクティングロッド側の内壁面との間隔が狭い請求項１から４のいずれか１項に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。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用ピストンの過度な温度上昇を抑制するために、ピストン本体部内に空洞部を形成し、熱伝導率の高い金属を空洞部内に封入する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭５９−８１７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関用ピストンの過度な温度上昇を、より効果的に抑制する技術が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、冷却効果が高い内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関用ピストンは、ピストン本体部内において、ピストン本体部の冠面側の内壁面と、冠面側の内壁面から離隔するコネクティングロッド側の内壁面とによって形成される空洞部と、空洞部内に空隙を設けつつ封入された熱交換部材と、を有し、冠面側の内壁面およびコネクティングロッド側の内壁面は、空洞部の中央部から空洞部の側縁部に至る少なくとも一部の区間において、側縁部が中央部に比べ冠面側に位置する方向に傾斜する。
【０００７】
また、熱交換部材は、ピストン本体部の動作時に液体となってもよい。
【０００８】
また、空洞部は、側縁部が、冠面に最も近いピストンリングに近接してもよい。
【０００９】
また、空洞部は、中央部がシリンダの中心軸上に位置してもよい。
【００１０】
また、空洞部は、側縁部における冠面側の内壁面とコネクティングロッド側の内壁面との間隔に比べ、中央部における冠面側の内壁面とコネクティングロッド側の内壁面との間隔が狭くてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷却効果を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態による内燃機関用ピストンの構成を示す断面図である。
【図２】ピストン本体部が下死点にあるときの内燃機関用ピストンの構成を示す断面図である。
【図３】第２実施形態による内燃機関用ピストンの構成を示す断面図である。
【図４】第３実施形態による内燃機関用ピストンの構成を示す断面図である。
【図５】第４実施形態による内燃機関用ピストンの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による内燃機関用ピストン３０の構成を示す断面図である。内燃機関用ピストン３０（以下、単にピストンという）は、内燃機関（エンジン）１の一部を構成する。内燃機関１は、例えば、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程が繰り返し行われる４ストロークエンジンである。図１では、ピストン３０が上死点に位置する場合が示されている。
【００１５】
内燃機関１は、シリンダブロック１０、シリンダヘッド２０およびピストン３０を含んで構成される。シリンダブロック１０には、円筒形状のシリンダ１１が形成されている。シリンダ１１には、ピストン３０が摺動可能に収容されている。シリンダブロック１０には、シリンダ１１の開口を覆うようにシリンダヘッド２０が接合されている。
【００１６】
ピストン３０は、ピストン本体部３１を含んで構成される。ピストン本体部３１は、略円柱形状に形成されている。ピストン本体部３１は、例えば、アルミニウムを主原料とする金属などによって構成されている。ピストン本体部３１の中心軸ＣＰは、シリンダ１１の中心軸ＣＣに重なっている。
【００１７】
ピストン本体部３１におけるシリンダヘッド２０に対向する冠面３２、シリンダ１１およびシリンダヘッド２０は、燃焼室１２を形成する。なお、図１では、冠面３２がシリンダ１１の開口面に位置するため、冠面３２とシリンダヘッド２０とによって燃焼室１２が形成された状態が示されている。
【００１８】
ピストン本体部３１における冠面３２とは反対側には、略棒状のコネクティングロッド４１が配置されている。コネクティングロッド４１の一端には、貫通穴が設けられており、その貫通穴には、円筒形状のピストンピン４２が挿通されている。ピストンピン４２は、ピストン本体部３１に支持されており、コネクティングロッド４１は、ピストンピン４２を介してピストン本体部３１に連結されている。コネクティングロッド４１の他端は、クランクシャフト（図示略）に連結されている。
【００１９】
ピストン本体部３１の冠面３２には、コネクティングロッド４１方向に窪むキャビティ３３が形成されている。キャビティ３３は、シリンダヘッド２０から冠面３２を見たとき、大凡円形状に形成されている。
【００２０】
ピストン本体部３１におけるシリンダ１１に対向する側面には、ピストン本体部３１の径方向に窪む３本のリング溝３５、３６、３７が中心軸ＣＣから離隔して形成されている。リング溝３５、３６、３７は、ピストン本体部３１の周方向に沿って形成されている。リング溝３５、３６、３７は、ピストン本体部３１の側面において、冠面３２寄りに設けられている。
【００２１】
冠面３２に最も近いリング溝３５には、トップリング４５が収容される。トップリング４５が収容されるリング溝３５から見てコネクティングロッド４１方向に隣接するリング溝３６には、セカンドリング４６が収容される。セカンドリング４６が収容されるリング溝３６から見てコネクティングロッド４１方向に隣接するリング溝３７には、オイルリング４７が収容される。
【００２２】
トップリング４５、セカンドリング４６およびオイルリング４７は、リング溝３５、３６、３７に収容された状態でピストン本体部３１の側面よりも突出し、シリンダ１１の内壁面に接触する。トップリング４５およびセカンドリング４６は、シリンダ１１の内壁面とピストン本体部３１の側面との隙間を無くし、燃焼室１２の気密を保つ。オイルリング４７は、シリンダ１１の内壁面とピストン本体部３１の側面との間に適度な油膜を形成し、ピストン本体部３１の摺動を潤滑にする。以下、トップリング４５、セカンドリング４６およびオイルリング４７を総称して、ピストンリング４０という。
【００２３】
シリンダヘッド２０には、燃焼室１２に開口する吸気ポート２１および排気ポート２２が形成されている。吸気ポート２１は、シリンダヘッド２０に設けられた吸気バルブ２３によって開閉され、排気ポート２２は、シリンダヘッド２０に設けられた排気バルブ２４によって開閉される。
【００２４】
シリンダヘッド２０における吸気ポート２１と排気ポート２２の間には、インジェクタ２５および点火プラグ２６が設けられている。なお、インジェクタ２５は、吸気ポート２１に設けられていてもよい。
【００２５】
第１実施形態において、ピストン本体部３１内には、中空の空洞部５０が冠面３２付近に形成されている。空洞部５０は、冠面３２のキャビティ３３に概ね沿うように形成されている。空洞部５０は、冠面３２側の内壁面５１と、冠面３２側の内壁面５１から離隔するコネクティングロッド４１側の内壁面５２とによって略椀状に形成されている。なお、冠面３２側の内壁面５１とコネクティングロッド４１側の内壁面５２は、空洞部５０の側縁部５４において連続している。
【００２６】
より詳細には、空洞部５０の側縁部５４は、空洞部５０の中央部５３に比べ冠面３２方向に位置する。空洞部５０は、中央部５３から側縁部５４に進むに従って、冠面３２側に滑らかに湾曲している。すなわち、冠面３２側の内壁面５１およびコネクティングロッド４１側の内壁面５２は、側縁部５４が中央部５３に比べ冠面３２側に位置する方向に曲線状に傾斜する。冠面３２側の内壁面５１およびコネクティングロッド４１側の内壁面５２は、中央部５３から側縁部５４に進むに従って、中心軸ＣＣの軸方向と直交する面に対する傾斜角が大きくなる。また、空洞部５０は、シリンダヘッド２０から冠面３２を透視したときに側縁部５４が大凡円形状になるように、中央部５３を通る中心軸の周りに回転対称に形成されている。
【００２７】
空洞部５０の中央部５３は、ピストン本体部３１において最も温度が高くなる位置に近接する。例えば、空洞部５０の中央部５３は、シリンダ１１の中心軸ＣＣ（すなわち、ピストン本体部３１の中心軸ＣＰ）と冠面３２との交点に近接する。
【００２８】
空洞部５０の側縁部５４は、冠面３２に最も近いトップリング４５（より正確には、トップリング４５を収容するリング溝３５）に近接する。例えば、側縁部５４は、冠面３２におけるキャビティ３３の縁３４よりもピストン本体部３１の側面側に位置する。また、空洞部５０における冠面３２側の内壁面５１とコネクティングロッド４１側の内壁面５２との間隔は、側縁部５４から中央部５３を通って反対側の側縁部５４に至る過程において略一定となっている。
【００２９】
空洞部５０内には、熱交換部材６０が封入されている。熱交換部材６０は、ピストン本体部３１を構成する材料（例えば、アルミニウムを主原料とする金属）よりも熱伝導率が高い材料によって構成される。また、熱交換部材６０は、ピストン本体部３１の動作時（内燃機関１の運転時）に液体となる材料によって構成される。ピストン本体部３１の動作時、燃焼室１２は、燃料が燃焼することによって生じる熱によって温度が約２５０℃となる。このため、熱交換部材６０は、融点が約２５０℃よりも低く、沸点が約２５０℃よりも高い材料であることが好ましい。これらより、熱交換部材６０は、例えば、金属ナトリウムが好ましい。熱交換部材６０である金属ナトリウムは、内燃機関１が停止してピストン本体部３１が冷えると固体となり、内燃機関１が作動を開始してピストン本体部３１が温まると液体となる。
【００３０】
空洞部５０内には、熱交換部材６０が封入された状態で空隙５５（隙間）が設けられる。熱交換部材６０は、この空隙５５により、空洞部５０内において自由に移動可能となっている。熱交換部材６０の体積は、例えば、空洞部５０の容積の３割くらいである。なお、熱交換部材６０の体積は、この例に限らない。
【００３１】
ピストン本体部３１は、例えば、以下のようにして製造される。ピストン本体部３１は、ピストン本体部３１の外形状の型内に、空洞部５０の形状の中子として機能する砂を入れて鋳造される。この際、中子からピストン本体部３１の底面（冠面３２とは反対側の面）に繋がる連通穴も型抜きされる。次に、砂を溶かす溶剤が連通穴を介して空洞部５０内に入れられ、溶剤によって溶けた砂が連通穴を介して空洞部５０内から抜かれる。これにより、空洞部５０を有するピストン本体部３１が成型される。そして、連通穴を介して熱交換部材６０が空洞部５０内に入れられ、連通穴を埋める栓が施される。
【００３２】
次に、ピストン３０の作用を説明する。熱交換部材６０は、内燃機関１が作動を開始してピストン本体部３１が温まると、固体から液体に変化し、内燃機関１が停止してピストン本体部３１が冷えるまで液体の状態を維持する。
【００３３】
圧縮行程においてピストン本体部３１が上死点に移動すると、熱交換部材６０は、図１に示すように、コネクティングロッド４１側の内壁面５２に沿って中央部５３（空洞部５０におけるコネクティングロッド４１方向の最深部）およびその近傍に移動する。
【００３４】
圧縮行程から燃焼行程に移り、燃焼室１２内で燃料が燃焼すると、ピストン本体部３１は、上死点から下死点へ向かって移動する。燃料が燃焼することによって生じる熱によって、冠面３２の中央が熱せられる。燃料の燃焼によって生じた熱の一部は、冠面３２を伝わって、空洞部５０の中央部５３に位置する熱交換部材６０に伝わる。これにより、熱交換部材６０は、ピストン本体部３１に伝わった熱で温められ、結果として、熱を蓄える。
【００３５】
図２は、ピストン本体部３１が下死点にあるときのピストン３０の構成を示す断面図である。ピストン本体部３１が上死点から下死点へ向かって移動する際、熱交換部材６０には、ピストン本体部３１の摺動方向に関して慣性力が働く。具体的には、熱交換部材６０は、ピストン本体部３１の下死点への移動に従って、空洞部５０の冠面３２側の内壁面５１に押し付けられる方向の力が与えられる。空洞部５０の冠面３２側の内壁面５１は、中央部５３から側縁部５４に進むに従って冠面３２側に湾曲しているため、熱交換部材６０は、冠面３２側の内壁面５１に押し付けられる力によって、冠面３２側の内壁面５１に沿って中央部５３から側縁部５４に移動する。
【００３６】
側縁部５４に移動した熱交換部材６０の熱の一部は、ピストン本体部３１における空洞部５０の側縁部５４付近を伝わって、ピストンリング４０（主に、側縁部５４が近接するトップリング４５）に伝わる。熱交換部材６０の熱の一部がピストンリング４０に伝わることで、ピストン本体部３１が上死点にある場合に比べ、熱交換部材６０の温度が低下する。ピストンリング４０に伝わった熱は、シリンダ１１の内壁面に伝わり、シリンダ１１において消費される。すなわち、ピストン本体部３１の下死点への移動に従って中央部５３から側縁部５４に移動する熱交換部材６０を介して、ピストン本体部３１の熱の一部がシリンダ１１に放熱される。
【００３７】
燃焼行程から排気行程へ移ると、ピストン本体部３１は、下死点から上死点へ向かって移動する。この際、熱交換部材６０には、ピストン本体部３１の摺動方向に関して慣性力が働く。具体的には、熱交換部材６０は、ピストン本体部３１の上死点への移動に従って、空洞部５０のコネクティングロッド４１側の内壁面５２に押し付けられる方向の力が与えられる。空洞部５０のコネクティングロッド４１側の内壁面５２は、側縁部５４に比べ中央部５３がコネクティングロッド４１側に位置するように湾曲しているため、熱交換部材６０は、コネクティングロッド４１側の内壁面５２に押し付けられる力によって、コネクティングロッド４１側の内壁面５２に沿って側縁部５４から中央部５３に移動する。
【００３８】
中央部５３に移動した熱交換部材６０には、ピストン本体部３１における冠面３２の中央付近から熱が伝わる。排気行程から吸気行程に移ると、ピストン本体部３１は、上死点から下死点へ向かって移動し、熱交換部材６０は、中央部５３から側縁部５４に移動する。側縁部５４に移動した熱交換部材６０の熱の一部は、ピストンリング４０を介してシリンダ１１に伝わる。そして、吸気行程から圧縮行程に移ると、ピストン本体部３１は、下死点から上死点へ向かって移動し、熱交換部材６０は、側縁部５４から中央部５３に移動する。ピストン本体部３１および熱交換部材６０は、このような動作を繰り返す。
【００３９】
以上のように、第１実施形態のピストン３０は、熱交換部材６０が、ピストン本体部３１の摺動に応じて、空洞部５０の中央部５３と側縁部５４との間で移動する。このため、第１実施形態のピストン３０は、空洞部５０の中央部５３から側縁部５４に移動する熱交換部材６０によって、ピストン本体部３１の中心軸ＣＰ付近の熱を、シリンダ１１に早く移動させることができる。これにより、第１実施形態のピストン３０は、熱交換部材６０が無いピストンや熱交換部材６０がピストン本体部３１の略径方向に移動しないピストンに比べ、ピストン本体部３１の熱の一部をシリンダ１１に素早く伝えて放熱させることができる。
【００４０】
また、熱交換部材６０は、ピストン本体部３１の動作時に液体となっているため、熱交換部材６０が固体の場合に比べ、ピストン本体部３１の略径方向に早く移動することができる。
【００４１】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態による内燃機関用ピストン３０Ｂの構成を示す断面図である。第２実施形態のピストン３０Ｂは、空洞部５０Ｂの形状が第１実施形態の空洞部５０の形状と異なる。なお、図３では、シリンダヘッド２０およびシリンダブロック１０の一部を省略する。
【００４２】
空洞部５０Ｂは、中央部５３Ｂ付近が平らな略椀状に形成されている。具体的には、空洞部５０Ｂは、中央部５３Ｂから側縁部５４Ｂに至る途中まではピストン本体部３１の径方向に延びており、さらに側縁部５４Ｂに進むに従って、冠面３２側に滑らかに湾曲している。すなわち、空洞部５０Ｂの冠面３２側の内壁面５１Ｂおよびコネクティングロッド４１側の内壁面５２Ｂは、中央部５３Ｂから側縁部５４Ｂに至る一部の区間において、側縁部５４Ｂが中央部５３Ｂに比べ冠面３２側に位置する方向に傾斜する。
【００４３】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態による内燃機関用ピストン３０Ｃの構成を示す断面図である。第３実施形態のピストン３０Ｃは、空洞部５０Ｃの形状が第１実施形態の空洞部５０の形状と異なる。なお、図４では、シリンダヘッド２０およびシリンダブロック１０の一部を省略する。
【００４５】
空洞部５０Ｃは、側縁部５４Ｃ対して中央部５３Ｃ付近がコネクティングロッド４１方向に突出する略円錐状の殻状に形成されている。具体的には、空洞部５０Ｃは、側縁部５４Ｃが中央部５３Ｃよりも冠面３２側に位置し、空洞部５０Ｃの冠面３２側の内壁面５１Ｃおよびコネクティングロッド４１の内壁面５２Ｃは、中央部５３Ｃから側縁部５４Ｃに向かって真っすぐに延びている。すなわち、内壁面５１Ｃおよび内壁面５２Ｃは、側縁部５４Ｃが中央部５３Ｃに比べ冠面３２側に位置する方向に直線状に傾斜する。
【００４６】
第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態による内燃機関用ピストン３０Ｄの構成を示す断面図である。第４実施形態のピストン３０Ｄは、空洞部５０Ｄの形状が第１実施形態の空洞部５０の形状と異なる。なお、図５では、シリンダヘッド２０およびシリンダブロック１０の一部を省略する。
【００４８】
第４実施形態のピストン３０Ｄは、空洞部５０Ｄの中央部５３Ｄ付近における冠面３２側の内壁面５１Ｄとコネクティングロッド４１側の内壁面５２Ｄとの間隔が、側縁部５４Ｄ付近における冠面３２側の内壁面５１Ｄとコネクティングロッド４１側の内壁面５２Ｄとの間隔に比べ、狭くなっている。このため、第４実施形態では、熱交換部材６０が中央部５３Ｄ付近に移動した場合、中央部５３Ｄ付近の冠面３２側の内壁面５１Ｄと熱交換部材６０との接触面積が、第１実施形態に比べ多くなる。内壁面５１Ｄと熱交換部材６０との接触面積が多くなると、接触面積が少ない場合に比べ、冠面３２側からの熱が熱交換部材６０に伝わり易くなる。
【００４９】
空洞部５０Ｄの中央部５３Ｄ付近においてより多くの熱が熱交換部材６０に伝わると、熱交換部材６０が側縁部５４Ｄに移動した際に、より多くの熱が熱交換部材６０からピストンリング４０を介してシリンダ１１に伝わり易くなる。従って、第４実施形態のピストン３０Ｄは、第１実施形態に比べ、冷却効果をより高くすることができる。
【００５０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５１】
各実施形態において、熱交換部材６０は、金属ナトリウムに限らず、例えば、融点が低いビスマス合金（ビスマスを主原料とし、スズや鉛などを添加した金属）などであってもよい。
【００５２】
各実施形態において、側縁部５４〜５４Ｄは、トップリング４５に近接していた。しかし、側縁部５４〜５４Ｄは、ピストンリング４０に近接していればよく、例えば、セカンドリング４６（より正確には、リング溝３６）やオイルリング４７（より正確には、リング溝３７）に近接してもよい。ただし、側縁部５４〜５４Ｄは、中央部５３〜５３Ｄよりも冠面３２側に位置するため、中央部５３〜５３Ｄを冠面３２に極力近づけるために、トップリング４５に近接させるのが最も好ましい。
【００５３】
また、各実施形態において、空洞部５０における最深部を中央部５３としたが、中央部５３以外の部位を最深部としてもよい。
【００５４】
第４実施形態では、中央部５３Ｄ付近において内壁面５１Ｄと内壁面５２Ｄとの間隔を狭くすることで、中央部５３Ｄ付近に移動した熱交換部材６０と冠面３２側の内壁面５１Ｄとの接触面積を多くした。しかし、第１実施形態において、空洞部５０の容積に対する熱交換部材６０の体積を適切に設計することで、中央部５３付近に移動した熱交換部材６０と冠面３２側の内壁面５１との接触面積を多くしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、内燃機関用ピストンに利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
３０  内燃機関用ピストン
３１  ピストン本体部
４０  ピストンリング
５０  空洞部
５３  中央部
５４  側縁部
６０  熱交換部材
【図１】
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【図２】
2019052580.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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