(57)【要約】【課題】エンジンの裏面に冷却用オイルを噴射して、ピストンを効率的に冷却可能なピストンの冷却構造を提供する。【解決手段】ピストン５の裏面に向けて冷却用オイルを噴射することによりピストン５の冷却を行うピストン冷却構造であって、ピストン５は、表面が燃焼室６に面する上壁部２３と、上壁部２３の周縁部から燃焼室６とは反対側に突出する筒状の側壁部２４とを有し、エンジン１の排気ポート９側の側壁部２４の内壁に、吸気ポート８側に向かって傾斜する傾斜面２７が備えられ、傾斜面２７に向かって冷却用オイルが噴射されるとともに、上壁部２３に対して間隔をおいてピストン５の裏面２２側に配置して、上壁部２３との間に冷却用オイルの通路３６を形成する第１のオイルガイド３５を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの裏面に向けて冷却用オイルを噴射することにより前記ピストンの冷却を行うエンジンのピストン冷却構造であって、
前記ピストンは、表面が燃焼室に面する上壁部と、前記上壁部の周縁部から前記燃焼室とは反対側に延びる筒状の側壁部とを有し、
前記エンジンの排気ポート側の前記側壁部の内壁面に、吸気ポート側に向かって傾斜する傾斜面が備えられ、
前記傾斜面に向かって前記冷却用オイルが噴射されるとともに、
前記上壁部に対して間隔をおいて前記ピストンの裏面側に配置され、前記上壁部との間に前記冷却用オイルの通路を形成するガイド部材が設けられたことを特徴とするエンジンのピストン冷却構造。
【請求項２】
前記ガイド部材に、前記通路内を延び、かつ前記ピストンの上壁部の裏面に接する伝熱板を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンのピストン冷却構造。
【請求項３】
前記ピストンの上壁部の裏面に、前記通路内を延びる伝熱板を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンのピストン冷却構造。
【請求項４】
前記伝熱板は、前記通路内に互いに間隔をおいて複数設けられ、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とで当該間隔が異なることを特徴とする請求項２または３に記載のエンジンのピストン冷却構造。
【請求項５】
前記伝熱板の間隔は、前記排気ポート側よりも前記吸気ポート側が小さく設定されていることを特徴とする請求項４に記載のエンジンのピストン冷却構造。
【請求項６】
前記側壁部の内壁面と前記上壁部の裏面とが円弧状の連続面に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジンのピストン冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射して冷却を行うピストンの冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ピストンの裏面に冷却用オイルを噴射して、ピストンの冷却を行う技術が開発されている。
例えば、特許文献１では、ピストン裏面に球面状の膨出部を設け、冷却用オイルを噴射して当該膨出部に当て、冷却用オイルをピストン裏面に分散させるようにしている。
これにより、冷却用オイルをピストン裏面に全体に行きわたらせるようにして、ピストンの冷却効率を向上させるようにしている。
【０００３】
そして、このようにピストンを十分に冷却することで、点火時期を進角させて出力等のエンジン性能を向上させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６２−８３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、実際には、ピストンの裏面に噴射された冷却用オイルは、重力やピストンの移動によって、その多くが瞬間的にピストンの裏面に接触して落下するに過ぎず、熱交換率を十分に確保することが困難である。したがって、ピストンの冷却が十分に行われず、点火時期を所望のタイミングに進角してエンジン性能を向上させることが困難となる虞がある。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジンの裏面に冷却用オイルを噴射して、ピストンを効率的に冷却可能なピストンの冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１のエンジンのピストン冷却構造は、ピストンの裏面に向けて冷却用オイルを噴射することにより前記ピストンの冷却を行うエンジンのピストン冷却構造であって、前記ピストンは、表面が燃焼室に面する上壁部と、前記上壁部の周縁部から前記燃焼室とは反対側に延びる筒状の側壁部とを有し、前記エンジンの排気ポート側の前記側壁部の内壁面に、吸気ポート側に向かって傾斜する傾斜面が備えられ、
前記傾斜面に向かって前記冷却用オイルが噴射されるとともに、前記上壁部に対して間隔をおいて前記ピストンの裏面側に配置され、前記上壁部との間に前記冷却用オイルの通路を形成するガイド部材が設けられたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１において、前記ガイド部材に、前記通路内を延び、かつ前記ピストンの上壁部の裏面に接する伝熱板を備えたことを特徴とする。
また、請求項３のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１または２において、前記ピストンの上壁部の裏面に、前記通路内を延びる伝熱板を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４のエンジンのピストン冷却構造は、請求項２または３において、前記伝熱板は、前記通路内に互いに間隔をおいて複数設けられ、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とで当該間隔が異なることを特徴とする。
また、請求項５のエンジンのピストン冷却構造は、請求項４において、前記伝熱板の間隔は、前記排気ポート側よりも前記吸気ポート側が小さく設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６のエンジンのピストン冷却構造は、請求項１から５のいずれか１項において、前記側壁部の内壁面と前記上壁部の裏面とが円弧状の連続面に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、ピストンの排気ポート側の裏面に設けられた傾斜面に向かって噴射した冷却用オイルが、傾斜面に当たり、ピストンの上壁部の裏面に沿って排気ポート側から吸気ポート側に向かうように移動する。
これにより、ピストンの上壁部のうち比較的高温となる排気ポート側の部位を集中して冷却することができるとともに、ピストンの上壁部の裏面に沿って冷却用オイルが移動することで、ピストンと冷却用オイルとの熱交換率を高め、効率的にピストンの冷却を行うことができる。
【００１１】
更に、ピストンの上壁部との間に冷却用オイルの通路を形成するガイド部材が設けられているので、傾斜面に向かって噴射した冷却用オイルが、ピストンの上壁部の裏面に沿って排気ポート側から吸気ポート側に移動する際に当該通路を通過し、下方へ落下することが抑制される。したがって、ピストンの裏面に冷却用オイルが接触する時間を増加させ、ピストンを効率よく冷却することができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、ガイド部材に伝熱板が備えられ、伝熱板の端部がピストンの上壁部の裏面に接しているので、ピストンの上壁部とガイド部材との間の通路を冷却用オイルが通過する際に、伝熱板を介してピストンをより効率的に冷却することができる。
請求項３の発明によれば、ピストンの上壁部の裏面に伝熱板が備えられているので、ピストンの上壁部とガイド部材との間の通路を冷却用オイルが通過する際に、伝熱板を介してピストンをより効率的に冷却することができる。
【００１３】
請求項４の発明によれば、伝熱板の間隔が吸気ポート側と排気ポート側とで異なるので、吸気ポート側と排気ポート側とで伝熱板における熱交換率を変化させることができる。したがって、ピストンの温度分布に合わせて吸気ポート側と排気ポート側とで冷却効率を異なるように設定して、ピストンを一様に冷却することが可能となる。
請求項５の発明によれば、伝熱板の間隔が、排気ポート側よりも吸気ポート側が小さく設定されているので、給気ポート側において伝熱板における熱交換率が高くなる。冷却用オイルは、通路内を排気ポート側から吸気ポート側に向けて流れるので、排気ポート側では温度が低く吸気ポート側では温度が高い。したがって、吸気ポート側において伝熱板の間隔を狭くすることで、冷却用オイルの温度上昇による冷却効率の低下を補うことができる。よって、排気ポート側及び吸気ポート側のいずれにおいても十分に冷却することが可能となる。
【００１４】
請求項６の発明によれば、側壁部の内壁面と上壁部の裏面とが円弧状の連続面に形成されているので、側壁部の内壁面に設けられた傾斜面に向けて噴射された冷却用オイルが、円弧状の連続面に沿って上壁部の裏面に沿うように導かれる。これにより、通路を通過する冷却用オイルの流量を増加させて、ピストンの温度をより低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るエンジンの筒内構造を示す縦断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るピストンへの冷却用オイルの噴射位置及び移動経路を示す下面図である。
【図３】第１の実施形態に係るピストンの裏面に噴射された冷却用オイルの移動経路を示す縦断面図である。
【図４】第２の実施形態に係るピストンの構造及び冷却用オイルの移動経路を示す下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るエンジンの筒内構造を示す縦断面図である。図２は、第１の実施形態に係るピストンへの冷却用オイル噴射位置及び移動経路を示す下面図である。図３は、第１の実施形態に係るピストンの裏面に噴射された冷却用オイルの移動経路を示す縦断面図である。
【００１７】
図１に示すように、本願発明の第１の実施形態のピストン冷却構造を採用したエンジン１は、１つのシリンダ２に吸気バルブ３及び排気バルブ４を１つずつ有するポート噴射式のガソリンエンジンである。
本実施形態のエンジン１は、略円筒状のシリンダ２内に、ピストン５が軸線方向に摺動可能に配置されており、ピストン５とシリンダ２とに囲まれて燃焼室６が形成されている。
【００１８】
シリンダ２の上部の略中心には、燃焼室６に面して点火プラグ７が設けられている。シリンダ２の上面には、点火プラグ７を挟んで、燃焼室６に連通し、吸気バルブ３により開閉される吸気ポート８と、排気バルブ４により開閉される排気ポート９とが形成されている。
また、エンジン１には、吸気ポート８内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が備えられている。
【００１９】
なお、本実施形態では、ピストン５やシリンダ２の軸線が上下方向に延び、吸気ポート８や排気ポート９がシリンダ２の上部に位置するように配置されている。
このようなエンジン１では、吸気バルブ３の開時に吸気ポート８から燃料と吸気との混合ガスが燃焼室６に導入されて、点火プラグ７により点火され、燃焼膨張してピストン５を駆動し、排気バルブ４の開時に燃焼後の排気が排気ポート９から排出される。
【００２０】
ピストン５は、燃焼室６に面する上面２１とは反対側の裏面２２が、ピストンピン１９の両端部を支持する２つのボス部２０を除いて肉抜きされており、略円板状の上壁部２３と円筒状の側壁部２４とを有している。即ち、ピストン５は、表面が燃焼室６に面する上壁部２３と、上壁部２３の周縁部から燃焼室６とは反対側に延びる筒状の側壁部２４とを有する。
【００２１】
ボス部２０は、挿入されるピストンピン１９の軸線が、吸気ポート８の中心と排気ポート９の中心とを結ぶ線に対して垂直になるように配置されている。
そして、本実施形態では、ピストン５の裏面２２は、上壁部２３と側壁部２４との境界部である上部コーナ部２５が、円弧状に滑らかな連続面に形成されている。
更に、ピストン５の側壁部２４の排気ポート９側の内壁面には、側壁部２４の上部に設けられるピストンリング２６の支持部の裏側に、上方に向かうに伴って内側（吸気ポート８側）に傾くように（図１中、θで示す角度で傾斜した）傾斜面２７が形成されている。
【００２２】
ピストン５の下方には噴射ノズル３０(ノズル)が設けられており、当該噴射ノズル３０はエンジン１の運転時に作動する図示しないオイルポンプによって供給される冷却用オイルを噴射する。噴射ノズル３０の開口部３１は、噴射した冷却用オイルがピストン５の裏面２２に当たるように上側に向けて設定されている。
特に、噴射ノズル３０の位置及び開口部３１の開口方向は、噴射した冷却用オイルがピストン５の裏側の傾斜面２７を中心に下方から当たるように設定されている。
【００２３】
また、本実施形態では、ピストン５の上壁部２３の裏面２２と数mm〜１cm程度の隙間を設けて略平行に位置するように第１のオイルガイド３５（ガイド部材）が設けられている。第１のオイルガイド３５は、金属等の伝熱性を有する材料で形成された長方形の薄板であって、長辺が排気ポート９の中心と吸気ポート８の中心とを結ぶ線方向に延び、排気ポート９側の端部が噴射ノズル３０の上部より吸気ポート８側であって傾斜面２７と隙間をあけるような位置に設定され、吸気ポート８側の端部が吸気ポート８側の側壁部２４の内壁面より内側に隙間をあけた位置まで伸びている。第１のオイルガイド３５は、短辺側である側辺が２つのボス部２０の間にはめ込まれて固定される。また、第１のオイルガイド３５の排気ポート９側の端部、及び吸気ポート８側の端部は下方に屈曲している。
【００２４】
以上のような構成により、本実施形態のエンジン１では、図２、図３に示すように、エンジン１の運転時に噴射ノズル３０から冷却用オイルが噴射して、ピストン５の裏面２２の傾斜面２７周辺の部位に当たるので、ピストン５と冷却用オイルとが熱交換し、ピストン５が冷却される。
噴射ノズル３０から噴射した冷却用オイルはピストン５の裏面２２の排気ポート９側に噴射されるので、ピストン５の上壁部２３のうちでも特に温度が上昇し易い場所を重点的に冷却することができる。
【００２５】
また、噴射ノズル３０から噴射した冷却用オイルがピストン５の裏側の傾斜面２７に下側から当たるように設定されているので、傾斜面２７に当たった冷却用オイルはボス部２０の間を吸気ポート８側に向かう。その際に冷却用オイルは上部コーナ部２５の円弧状の面に沿って、スムーズにピストン５の上壁部２３の裏面を沿うように吸気ポート８側に移動する。
【００２６】
このように、ピストン５の裏面２２に沿って冷却用オイルが移動し、ピストン５の裏面２２と冷却用オイルとの接触時間を増加させることができる。なお、冷却対象に沿って熱媒体を接触させながら移動させると、冷却対象に向けて単純に熱媒体を当てる場合と比較して、熱交換率が高くなることが理論的に立証されている。したがって、本実施形態のように、冷却用オイルをピストン５の裏面に沿って接触させながら移動させることで、ピストン５の冷却効率を向上させることができる。
【００２７】
更に、本実施形態では、ピストン５の上壁部２３の裏面２２側に第１のオイルガイド３５が設けられることで、ピストン５の上壁部２３の裏面２２と第１のオイルガイド３５との間に冷却用オイルの通路３６が形成される。噴射ノズル３０から噴射した冷却用オイルは、第１のオイルガイド３５と傾斜面２７の間を通過してからピストン５の裏面に沿って吸気ポート８側に移動する際に、この上壁部２３と第１のオイルガイド３５との間の通路３６を通過する。したがって、ピストン５の裏面２２に沿って移動する冷却用オイルが下方へ落下することを抑え、ピストン５の裏面に沿って移動する冷却用オイルの量の減少を抑え、ピストン５の冷却効率を更に向上させることができる。
【００２８】
また、第１のオイルガイド３５が伝熱性を有し、第１のオイルガイド３５がピストン５に固定されていることから、第１のオイルガイド３５を介してもピストン５と熱交換が行なわれる。
このように、ピストン５の裏面２２側に薄板状の第１のオイルガイド３５を設けることで、容易にピストン５の冷却効率を向上させることができるので、冷却用オイルの噴射量を抑えることができ、よって冷却用オイルを噴射ノズルに供給するオイルポンプの小型化を図るとともに、オイルポンプを駆動するエンジン１の出力低下を抑制することができる。また、ピストン５が十分に冷却されることで、エンジン１を進角制御することができ、出力等のエンジン性能の向上を図ることができる。
【００２９】
次に、図４を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係るピストンの５の構造及び冷却用オイルの噴射経路を示す下面図である。なお、本図では、通路３６内の構造を明確にするために、第１のオイルガイド３５を透視した図としている。
図４に示すように、本発明の第２の実施形態のピストン冷却構造では、上記第１の実施形態のピストン冷却構造に対して、更にピストン５の上壁部２３と第１のオイルガイド３５との間の通路３６に伝熱板３７が配置される点が異なる。
【００３０】
伝熱板３７は、ピストン５の上壁部２３と第１のオイルガイド３５との間を冷却用オイルの流れる方向に、即ち排気ポート９の中心と吸気ポート８の中心とを結ぶ線と平行に延び、互いに数mm程度の間隔をおいて複数並べて設けられている。
更に、伝熱板３７は、２つのボス部２０の間に配置される上流側伝熱板群３７ａと、ボス部２０よりも吸気ポート８側に配置される下流側伝熱板群３７ｂとに分けられる。
【００３１】
伝熱板３７は、金属等の伝熱性を有する材料で形成され、上端がピストン５の上壁部２３の裏面に接するように配置される。伝熱板３７は、第１のオイルガイド３５と一体的に構成されてもよいし、第１のオイルガイド３５とは別体として上壁部２３の裏面に形成された溝に差し込むようにしてピストン５に固定してもよい。また、伝熱板３７とピストン５とを一体的に形成してもよい。
【００３２】
なお、上流側伝熱板群３７ａ及び下流側伝熱板群３７ｂは、ピストン５側に設けるものと第１のオイルガイド３５側に設けるものを、交互等に混在してもよい。
下流側伝熱板群３７ｂは、上流側伝熱板群３７ａよりも多く設けられ、間隔が小さくなるように設定されている。
また、傾斜面２７からボス部２０に向けて延び、噴射ノズル３０から噴射された冷却用オイルを上流側伝熱板群３７ａの間に導く第２のオイルガイド３８を備えている。
【００３３】
以上のように構成することで、第２の実施形態では、噴射ノズル３０から噴射した冷却用オイルが、ピストン５と第１のオイルガイド３５との間の通路３６を通過する際に伝熱板３７に接し、当該伝熱板３７を介して冷却用オイルとピストン５との熱交換が行われ、ピストン５の冷却効率を更に向上させることができる。
これらの伝熱板３７は、第１のオイルガイド３５に設けた場合にはピストン５自体の構造の複雑化を抑え、ピストン５に設けた場合には伝熱板３７とピストン５との間の熱伝導性をより向上させることができる。
【００３４】
また、上流側伝熱板群３７ａの間隔よりも下流側伝熱板群３７ｂの間隔が狭くなっているので、上流側伝熱板群３７ａよりも下流側伝熱板群３７ｂの方が、冷却用オイルが接する面積が多く熱交換率が高い。これは、冷却用オイルが上流側伝熱板群３７ａから下流側伝熱板群３７ｂに流れるので、下流側伝熱板群３７ｂを通過する冷却用オイルの温度が高いため、その分の冷却効率の低下を補うためである。したがって、上流側伝熱板群３７ａ及び下流側伝熱板群３７ｂのいずれにおいても十分に冷却することができる。
【００３５】
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。例えば、第２の実施形態において、上流側伝熱板群３７ａ及び下流側伝熱板群３７ｂのいずれか一方のみ伝熱板３７を設けてもよいし、伝熱板３７の個数や位置等を適宜設定してもよい。また、上流側伝熱板群３７ａ近傍でのピストン５の上壁部２３の温度が下流側伝熱板群３７ｂ近傍での上壁部２３の温度より大幅に高くなるエンジンでは、上記第２の実施形態とは逆に上流側伝熱板群３７ａでの間隔を下流側伝熱板群３７ｂでの間隔より狭くしてもよい。
【００３６】
また、本願発明は、吸気バルブや排気バルブが複数あるエンジンや、ガソリンエンジン以外のエンジンでも適用可能であり、冷却用オイルをピストンの裏面に噴射して冷却するエンジンに対し広く適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  エンジン
５  ピストン
８  吸気ポート
９  排気ポート
２３  上壁部
２４  側壁部
２５  上部コーナ部（連続面）
２６  ピストンリング
２７  傾斜面
３０  噴射ノズル(ノズル)
３１  開口部
３５  第１のオイルガイド（ガイド部材）
３６  通路
３７  伝熱板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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