(57)【要約】【課題】簡単かつ低コストな手段で、高負荷時にピストンの冷却効果を向上させ、低負荷時にピストンの熱損失を低減できるピストン冷却装置を実現する。【解決手段】ピストンヘッド１４ａの内部にリング形状の冷却用空洞２６を設け、冷却用空洞２６の周方向に放射状に複数の潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２を接続している。潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２の他端はオイルリング溝２５の上半分の領域に連通している。潤滑油ｒは冷却用空洞２６から潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２の下方領域を通ってシリンダ壁１２に流れる。一方、燃焼室１６からブローバイガスｇがシリンダ壁１２とピストンヘッド外側壁との間の隙間ｓに進入し、潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２から冷却用空洞２６に流入する。潤滑油ｒとブローバイガスｇとが気液二相流を形成して、ピストンヘッド１４の冷却効果を向上させる。【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下方に開口した連通孔を有する冷却空間に潤滑油噴射ノズルから潤滑油を供給してピストンを冷却するようにした内燃機関のピストン冷却方法において、
内燃機関の高負荷時に、ブローバイガスがもつ動圧によりブローバイガスをコンプレッションリングの合口からオイルリング溝に導入する第１工程と、
オイルリング溝に達したブローバイガスを、前記冷却空間とオイルリング溝の上半分の領域とを接続する潤滑油及びブローバイガス兼用通路から冷却空間に導入してピストンを冷却する第２工程と、からなることを特徴とする内燃機関のピストン冷却方法。
【請求項２】
前記第２工程において、潤滑油及びブローバイガス兼用通路に導入したブローバイガスを潤滑油と混合し、該潤滑油及びブローバイガス兼用通路及び冷却空間でブローバイガスと潤滑油とが混合した気液二相流を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン冷却方法。
【請求項３】
ピストンヘッドの内部に設けられた冷却空間と、該冷却空間に向けて潤滑油を噴射する潤滑油噴射ノズルと、該潤滑油噴射ノズルに接続された潤滑油供給路と、該潤滑油供給路に設けられた潤滑油ポンプとを備えた内燃機関のピストン冷却装置において、
前記冷却空間の周囲に放射状に設けられ、前記冷却空間とオイルリング溝の上半分の領域とを連通する複数の潤滑油及びブローバイガス兼用通路を設けたことを特徴とする内燃機関のピストン冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば小型ディーゼルエンジン等の内燃機関に適用されて好適なピストンの冷却方法及び冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、ピストン、特にピストンヘッドに大きな熱負荷が加わる。その熱負荷によっては、ピストンが極度に高温になり、溶損するおそれがある。そこで、従来、ピストンヘッドの内部に冷却用空洞を形成し、潤滑油を該冷却用空洞内で循環させ、ピストンを冷却する技術が従来より知られている。
【０００３】
特許文献１には、かかる冷却用空洞を設けた冷却手段が開示されている。この冷却手段は、ピストン内側空間に開口して冷却用空洞に接続された潤滑油供給孔及び潤滑油排出孔と、オイルリング溝と該冷却用空洞とに連通する潤滑油導入孔とを設けている。また、該冷却用空洞の下方に潤滑油ポンプから圧送された潤滑油を該潤滑油供給孔及び潤滑油排出孔の開口に向かって噴射する潤滑油噴射ノズルが配設されている。
【０００４】
該潤滑油導入孔をオイルリング溝に対してピストンの円周接線方向に接続したことで、オイルリングで掻き集められた潤滑油がピストンの円周方向に速度をもって冷却用空洞内に導入される。この速度をもった潤滑油が冷却用空洞内の潤滑油と合流して冷却用空洞内の潤滑油の流れを良くし、これによって、冷却効果を良くしている。
【０００５】
次に、特許文献２に開示された冷却手段を図４及び図５により説明する。図４及び図５において、シリンダ壁１０２の内部でピストンヘッド１０４が摺動する。ピストンヘッド１０４の側面には、燃焼室１０６からガス抜けするブローバイガスを減少させるためのシールとして作用するコンプレッションリング１１０及び１１２と、潤滑油漏れを防止するオイルリング１１４とが、夫々のリング溝に収容されている。
【０００６】
ピストンヘッド１０４の内部には、リング状の冷却用空洞１１６が設けられ、冷却用空洞１１６には、夫々下方のピストン内側空間１０８に開口を有する潤滑油供給路１１８及び潤滑油排出路１２０が連通している。潤滑油供給路１１８の真下には、潤滑油を潤滑油供給路１１８に向かって噴射する潤滑油噴射ノズル（図示省略）が設けられている。潤滑油供給路１１８とオイルリング溝１１４ａとは、第１連通孔１２２により連通し、潤滑油排出路１２０とオイルリング溝１１４ａとは、第２連通孔１２４により連通している。第１連通孔１２２及び第２連通孔１２４は、夫々垂直方向（ピストン摺動方向）に対して、鋭角な角度α及びβをなしている。
【０００７】
かかる構成において、潤滑油ｒは、潤滑油噴射ノズルによって潤滑油供給路１１８から冷却用空洞１１６に供給される。一方、ブローバイガスｇが、燃焼室１０６からコンプレッションリング１１０及び１１２の合口を通り、第１連通孔１２２を進入してくる。このブローバイガスｇが潤滑油供給路１１８内の潤滑油ｒを冷却用空洞１１６に導入するように作用する。また、同様に、第２連通孔１２４を通ってきたブローバイガスｇは、潤滑油排出路１２０内の潤滑油ｒをピストン内側空間１０８に排出するように作用する。これによって、冷却用空洞１１６の潤滑油ｒの循環量を増加させ、ピストンの冷却効果を向上させるようにしている。
【０００８】
しかしながら、ピストンを冷却することは、高負荷時においてはピストンの熱負荷を低減できるので有効であるが、低負荷時にはピストンの熱損失を増大させ、燃費を悪化させるので好ましくない。そのため、高負荷時と低負荷時とで、冷却用潤滑油の流量を調整する必要がある。しかし、高温環境下で、電気的な制御装置を用いた調整機構では、その信頼性や応答性に疑問がある。
【０００９】
特許文献３には、ピストンヘッドの内部に設けられた冷却用空洞と、該冷却空間に向けて潤滑油を噴射する潤滑油噴射ノズルと、該潤滑油噴射ノズルが先端に装着された潤滑油供給管と、該潤滑油供給管に設けられた潤滑油ポンプとを備えたピストンの冷却機構が開示されている。この潤滑油ポンプは、機械式ポンプであり、クランクシャフトで直接駆動されるか、又はクランクシャフトの回転をチェーンやスプロケット等を介して伝達させて駆動するものである（特許文献３の段落［００５３］参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】実開平１−１４２５４８号公開公報
【特許文献２】特開平１０−１８４４４９号公開公報
【特許文献２】特開２００６−２９１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１及び特許文献２に開示されたピストンの冷却手段は、高負荷時に発生する異常高温に対して、潤滑油がもつ熱伝達係数以上の冷却効果を得ることはできない。また、特許文献２の冷却手段は、第１連通孔１２２がオイルリング溝１１４ａの内部の側面に接続されている。そのため、ブローバイガスｇが第１連通孔１２２に向うとき、オイルリング１１４が邪魔になり、ブローバイガスｇによる潤滑油の循環量増加作用を発揮できるかどうか疑問がある。また、潤滑油が第１連通孔１２２からシリンダ壁１０２に向うときも、オイルリング１１４が邪魔になり、シリンダ壁１０２の潤滑に支障をきたすおそれがある。
【００１２】
特許文献３に開示された冷却手段では、潤滑油ポンプはクランク軸と連動するため、クランク軸の回転数の制約を受ける。そのため、高負荷時の異常高温に対して、ピストンの十分な冷却効果を得ることができない。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、簡単かつ低コストな手段で、高負荷時にピストンの冷却効果を向上させ、低負荷時にピストンの熱損失を低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる目的を達成するため、本発明の内燃機関のピストン冷却方法は、ピストンヘッドの内部に設けられ下方に開口した連通孔を有する冷却空間に潤滑油噴射ノズルから潤滑油を供給してピストンを冷却するようにした内燃機関のピストン冷却方法において、内燃機関の高負荷時に、ブローバイガスがもつ動圧によりブローバイガスをコンプレッションリングの合口からオイルリング溝に導入する第１工程と、オイルリング溝に達したブローバイガスを、前記冷却空間とオイルリング溝の上半分の領域との間を接続する潤滑油及びブローバイガス兼用通路から冷却空間に導入してピストンを冷却する第２工程と、からなるものである。
【００１５】
本発明方法において、高負荷時に、ブローバイガスを燃焼室からオイルリング溝に進入させ、さらに、ブローバイガスをオイルリング溝の上半分の領域から潤滑油及びブローバイガス兼用通路に進入し、冷却空間に達する。ブローバイガスは、シリンダ壁とピストン外側壁間を通るとき冷却され、冷却されたブローバイガスが冷却空間に達することにより、潤滑油の冷却効果以外に、ブローバイガスの冷却効果が加わる。そのため、ピストンの冷却効果を向上できる。
【００１６】
ピストンの冷却が不要で、熱損失による燃費率悪化が懸念される低負荷時は、オイルリング溝に進入するブローバイガス量が少ないため、ピストンの冷却効果が低減する。そのため、ピストンの熱損失を低減できる。
本発明方法によれば、特別の駆動装置や稼動部又は電気的な制御装置を設けることなく、ピストンの冷却効果を向上できるため、駆動装置や稼動部の異常発生や故障のおそれがなく、信頼性を確保できると共に、簡易かつ低コストな手段を実現できる。
【００１７】
このとき、潤滑油とブローバイガスとが混ざり合って気液二相流を形成するようにするとよい。気液二相流となることで、熱伝達係数が増大する。この気液二相流が潤滑油及びブローバイガス兼用通路及び冷却空間を通ることで、ピストンの冷却効果を高めることができる。
【００１８】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の内燃機関のピストン冷却装置は、ピストンヘッドの内部に設けられた冷却空間と、該冷却空間に向けて潤滑油を噴射する潤滑油噴射ノズルと、該潤滑油噴射ノズルに接続された潤滑油供給路と、該潤滑油供給路に設けられた潤滑油ポンプとを備えた内燃機関のピストン冷却装置において、前記冷却空間の周囲に放射状に設けられ、冷却空間とオイルリング溝の上半分の領域とを連通する複数の潤滑油及びブローバイガス兼用通路を設けたものである。
【００１９】
本発明装置では、前記潤滑油及びブローバイガス兼用通路をオイルリング溝の上半分の領域に接続しているので、潤滑油及びブローバイガス兼用通路の下方領域を通る潤滑油が障害となることなく、ブローバイガスがスムーズに潤滑油及びブローバイガス兼用通路に進入できる。そして、潤滑油とブローバイガスとが交じり合って、熱伝達係数が大きい気液二相流を形成できる。この気液二相流が潤滑油及びブローバイガス兼用通路及び冷却空間を流れることで、ピストンの冷却効果を向上できる。
【００２０】
また、前述のように、ピストンの冷却が不要で、熱損失による燃費率悪化が懸念される低負荷時は、オイルリング溝に進入するブローバイガス量が少ないため、ピストンの冷却効果が低減する。そのため、ピストンの熱損失を低減できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明方法によれば、ピストンヘッドの内部に設けられ下方に開口した連通孔を有する冷却空間に潤滑油噴射ノズルから潤滑油を供給してピストンを冷却するようにした内燃機関のピストン冷却方法において、内燃機関の高負荷時に、ブローバイガスがもつ動圧によりブローバイガスをコンプレッションリングの合口からオイルリング溝に導入する第１工程と、オイルリング溝に達したブローバイガスを、前記冷却空間とオイルリング溝の上半分の領域とを接続する潤滑油及びブローバイガス兼用通路から冷却空間に導入してピストンを冷却する第２工程と、からなるので、高負荷時に、潤滑油とブローバイガスとの相乗効果でピストンの冷却効果を向上できると共に、低負荷時にピストンの熱損失を低減できる。また、これを簡素かつ低コストな手段で実現できる。
【００２２】
また、本発明装置によれば、ピストンヘッドの内部に設けられた冷却空間と、該冷却空間に向けて潤滑油を噴射する潤滑油噴射ノズルと、該潤滑油噴射ノズルに接続された潤滑油供給路と、該潤滑油供給路に設けられた潤滑油ポンプとを備えた内燃機関のピストン冷却装置において、前記冷却空間の周囲に放射状に設けられ、前記冷却空間とオイルリング溝の上半分の領域とを連通する複数の潤滑油及びブローバイガス兼用通路を設けたので、前記本発明を同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明装置の一実施形態に係るピストンヘッドの正面視断面図である。
【図２】前記実施形態に係るピストンヘッドの平面視断面図である。
【図３】図１の一部拡大断面図である。
【図４】従来の内燃機関のピストン冷却装置を示す正面視断面図（左半分）である。
【図５】従来の内燃機関のピストン冷却装置を示す正面視断面図（右半分）である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２５】
本発明装置の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１及び図２に本実施形態のピストン冷却装置１０を示す。シリンダ壁１２の内部で、ピストン１４は、連接棒３８やクランク軸４０に連結され、燃焼室１６の爆発力で摺動する。これによって、クランク軸４０に軸出力を発生させる。ピストンヘッド１４ａの側面には、リング溝２０ａ及び２２ａが刻設されている。リング溝２０ａには、第１コンプレッションリング２０が取り付けられ、リング溝２２ａには、第２コンプレッションリング２２が装着されている。
【００２６】
これらコンプレッションリングは、シリンダ壁１２を押圧する張力を付与された状態でリング溝２０ａ、２２ａに装着されている。そして、燃焼室１６からシリンダ壁１２とピストン外側面との間の隙間ｓに進入するブローバイガスｇを減少させるためのシールとして作用する。リング溝２２ａの下方にオイルリング溝２５が刻設され、該オイルリング溝２５にオイルリング２４が装着されている。オイルリング２４は、シリンダ壁１２に付着する潤滑油の膜厚を調整する役目を有する。
【００２７】
特に図２に明示されているように、ピストンヘッド１４の内部には、リング形状を有する冷却用空洞２６が設けられている。冷却用空洞２６には、ピストン周方向に１８０°離れた位置に、潤滑油供給路２８と潤滑油排出路３０とが接続されている。潤滑油供給路２８及び潤滑油排出路３０は、下方に向けて配置され、下方のピストン内側空間１８に開口する開口２８ａ及び３０ａを有している。冷却用空洞２６の周方向には、等間隔で８本の潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２が放射状に接続されている。
【００２８】
また、第１コンプレッションリング２０及び第２コンプレッションリング２２には、合い口４４が形成されており、ブローバイガスｇは、合い口４４からオイルリング溝側に進入する。ピストンヘッド１４の動作中、合い口４４はピストン１４の周方向に移動する。従って、製作時、合い口４４のピストン周方向位置を定めてもあまり意味がない。
【００２９】
潤滑油供給路２８の真下には、潤滑油を潤滑油供給路２８に向かって噴射する潤滑油噴射ノズル３６が設けられている。ピストン１４は上死点と下死点との間を移動するので、その点を考慮した上で、潤滑油噴射ノズル３６の向きや形状、及び潤滑油供給路２８の開口２８ａの位置等を適宜設定する。
【００３０】
潤滑油噴射ノズル３６は、潤滑油供給管３２の先端に取り付けられており、潤滑油供給管３２には潤滑油ポンプ３４が設けられている。高圧の潤滑油ｒが潤滑油ポンプ３４によって潤滑油供給管３２に送られ、潤滑油噴射ノズル３６から潤滑油供給路２８の開口２８ａに向かって噴射される。こうして、潤滑油ｒが開口２８ａから潤滑油供給路２８を通り、冷却用空洞２６に供給される。
【００３１】
図３に示すように、潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２は、オイルリング溝２５の上面２５ａ及びシリンダ壁１２とピストンヘッド１４ａの外側壁に開口している。なお、場合によっては、潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２の開口は、オイルリング溝２５の側面２５ｂの上部、又はオイルリング溝２５の上方のピストン外側壁に及んでもよい。
【００３２】
かかる構成において、潤滑油ｒは、潤滑油噴射ノズル３６によって潤滑油供給路２８の開口２８ａに向けて噴射され、潤滑油供給路２８から冷却用空洞２６に供給される。冷却用空洞２６に供給された潤滑油ｒは、図３に示すように、さらに潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２の下方空間を通って、シリンダ壁１２とピストン１４の外側壁間の隙間ｓに供給され、隙間ｓの潤滑に供される。
【００３３】
一方、内燃機関の高負荷時、燃焼室１６内の燃焼ガスが高圧化するため、燃焼室１６から隙間ｓに進入するブローバイガスｇの流量が多くなる。ブローバイガスｇは、隙間ｓを通る間に冷却され、第１コンプレッションリング２０及び第２コンプレッションリング２２の合い口４４を通り、オイルリング溝２５に達する。通常、オイルリング２４は、オイルリング溝２５の下面２４ｃに接した位置にあるので、オイルリング溝２５に到達したブローバイガスｇは、潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２の上方空間を通って冷却用空洞２６にスムーズに進入できる。
【００３４】
潤滑油ｒとブローバイガスｇとは、オイルリング溝２５及び潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２内で交じり合い、気液二相流を形成する。この気液二相流が潤滑油及びブローバイガス兼用通路４２及び冷却用空洞２６内で攪拌される。この気液二相流は熱伝達係数が増大しており、攪拌されることで、ピストン１４の冷却能力が増大する。
ピストン１４の冷却が不要で、潤滑油ｒの冷却作用による熱損失で燃費率の悪化が懸念される低負荷時には、ブローバイガスｇの流量が少ないため、該気液二相流による冷却能力は低下する。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、ピストン１４の冷却が必要な高負荷時には、潤滑油ｒ及びブローバイガスｇからなる気液二相流でピストン１４の冷却効果を高めることができ、ピストン１４の冷却が不要な低負荷時には、ピストン１４の冷却効果を抑えることができる。そのため、高負荷時にピストン１４の溶損等を防止できると共に、低負荷時に、燃費率が悪化しない。しかも、本実施形態では、冷却能力調整のための特別の駆動装置や稼動部又は制御装置を必要としないので、従来どおりの信頼性を確保できると共に、簡単活かつコストな手段でこれを実現できる。
【００３６】
なお、図３において、２点鎖線４６は、オイルリング溝２５に対する従来の潤滑油供給路の接続位置を示している。従来、潤滑油供給路は、オイルリング溝２５の側面２５ｂに接続している。この接続位置ではオイルリング２４によって潤滑油供給路を遮断され、潤滑油ｒやブローバイガスｇのスムーズな流通はできない。従って、ピストン１４の冷却効果を高めることはできない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、内燃機関において、簡易かつ低コストな構成で、高負荷時にピストンの冷却効果を高め、低負荷時にピストンの熱損失を抑制できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０                  ピストン冷却装置
１２，１０２          シリンダ壁
１４，１０４          ピストン
１４ａ                ピストンヘッド
１６，１０６          燃焼室
１８，１０８          ピストン内側空間
２０                  第１コンプレッションリング
２０ａ、２２ａ        リング溝
２２                  第２コンプレッションリング
２４，１１４          オイルリング
２５，１１４ａ        オイルリング溝
２５ａ                上面
２５ｂ                側面
２５ｃ                下面
２６，１１６          冷却用空洞
２８，１１８          潤滑油供給路
２８ａ、３０ａ        開口
３０，１２０          潤滑油排出路
３２                  潤滑油供給管
３４                  潤滑油ポンプ
３６                  潤滑油噴射ノズル
３８                  連接棒
４０                  クランク軸
４２                  潤滑油及びブローバイガス兼用通路
４４                  合い口
４６                  従来の潤滑油供給路
１１０，１１２        コンプレッションリング
１２２                第１連通孔
１２４                第２連通孔
ｇ                    ブローバイガス
ｒ                    潤滑油
【図１】
2012132343.tif 000003
【図２】
2012132343.tif 000004
【図３】
2012132343.tif 000005
【図４】
2012132343.tif 000006
【図５】
2012132343.tif 000007