(57)【要約】【課題】  簡素な構成で、上死点付近において、ピストン頂面の周縁部を冷却することができる内燃機関を提供する。【解決手段】  ピストン１４とシリンダヘッド１３との間に画成される燃焼室３６が、ピストンの頂面２０の頂面周縁部３３に対応するスキッシュ部４２と、頂面の頂面中央部３２に対応する燃焼室主部４１とを有するエンジン１０であって、ピストンは、第１端部５１が頂面の燃焼室主部に対向する部分に開口するとともに、第２端部５３が頂面のスキッシュ部に対向する部分に開口する冷却通路５０を有することを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室が、前記ピストンの頂面の周縁部に対応するスキッシュ部と、前記頂面の中央部に対応する燃焼室主部とを有する内燃機関であって、
前記ピストンは、第１端部が前記頂面の前記燃焼室主部に対向する部分に開口するとともに、第２端部が前記頂面の前記スキッシュ部に対向する部分に開口する冷却通路を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記冷却通路の前記第２端部は、前記ピストンの前記頂面と周面との境界部分に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ピストンの前記頂面の前記周縁部は、前記ピストンの径方向内側が隆起したテーパ面に形成され、
前記冷却通路は、前記第１端部が、前記ピストンの軸線方向において、前記第２端部よりも前記シリンダヘッド側に配置され、前記第１端部から前記ピストンの軸線方向と平行に延在する第１部分と、前記第２端部から前記ピストンの軸線方向と垂直に延在する第２部分とを有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記シリンダヘッドは、前記燃焼室主部に対応する部分に、吸気通路および排気通路を有し、
前記冷却通路は、前記ピストンの頂部の前記吸気通路に対応する側に設けられていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかの項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に係り、詳しくはピストン頂面の周縁部を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関では、高圧縮比化やエンジンの軽量化を達成するために、ノッキングの抑制が重要となる。ノッキングを抑制する１つの手法として、燃焼室周囲のシリンダやピストン、シリンダヘッドを冷却することが知られている。具体的には、ピストン頭頂部（ピストンクラウン）内に、冷却通路と、冷却通路からピストン背面に連通する入口孔および出口孔とを形成し、シリンダまたはクランクケースに固定されたオイルジェット用ノズルからピストンの背面に向けて噴射したオイルを入口孔から冷却通路、出口孔へと流通させるようにしたもの（例えば、特許文献１）や、ピストン冠内に冷却通路を形成し、冷却通路に連通する供給路および戻り路を通して水や油等の冷却流体を強制的に流通させるもの（例えば、特許文献２）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−７２２１５号公報
【特許文献２】特許２５５４１６８号
【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、特許文献１の発明では、上死点付近では、ピストン背面に形成された入口孔とオイルジェット用ノズルとの距離が大きくなり、冷却通路内を流通するオイル量が低下する虞がある。ノッキングは、ピストンが上死点付近に位置するときに発生するため、上死点付近で冷却効率が低下することは好ましくない。特許文献２の発明では、ピストンの位置に関わらず、一定の冷却能力を実現できるものの冷却流体を強制的に冷却通路に流通させるためにポンプ等の付加的な構成を必要とし、さらにポンプを駆動させるためのエネルギーを必要とすることから構造およびエネルギーの観点から問題がある。また、特許文献１および２の発明は、ピストンの頂面近傍から背面へと到る冷却通路を設けなければならず、ピストン構造の複雑化や剛性低下が問題となる。
【０００５】
本発明は、以上の背景を鑑みてなされたものであって、簡素な構成で、上死点付近において、ピストン頂面の周縁部を冷却することができる内燃機関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、本発明は、ピストン（１４）とシリンダヘッド（１３）との間に画成される燃焼室（３６）が、前記ピストンの頂面（２０）の周縁部（３３）に対応するスキッシュ部（４２）と、前記頂面の中央部（３２）に対応する燃焼室主部（４１）とを有する内燃機関（１０）であって、前記ピストンは、第１端部（５１）が前記頂面の前記燃焼室主部に対向する部分に開口するとともに、第２端部（５３）が前記頂面の前記スキッシュ部に対向する部分に開口する冷却通路（５０）を有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、スキッシュ部は燃焼室主部に比べてガスの流速が速くなるため、第２端部と第１端部とでは、ガスの流速に差が生じ、圧力差が生じる。この圧力差によって、冷却通路中をガスが流通し、ピストンの頂面の周縁部が冷却される。
【０００８】
本発明の他の側面は、前記冷却通路の前記第２端部は、前記ピストンの前記頂面と周面との境界部分に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、ノッキングの発生に大きな影響を与えるピストンの頂面の周縁近傍を冷却することができる。また、冷却通路の経路長を長くして、冷却量を増大させることができる。
【００１０】
本発明の他の側面は、前記ピストンの前記頂面の前記周縁部は、前記ピストンの径方向内側が隆起したテーパ面に形成され、前記冷却通路は、前記第１端部が、前記ピストンの軸線方向において、前記第２端部よりも前記シリンダヘッド側に配置され、前記第１端部から前記ピストンの軸線方向と平行に延在する第１部分（５２）と、前記第２端部から前記ピストンの軸線方向と垂直に延在する第２部分（５４）とを有することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、冷却通路の加工が容易である。また、冷却通路が形成される部分のピストンの肉厚を確保することができ、熱応力に抗することができる。
【００１２】
本発明の他の側面は、前記シリンダヘッドは、前記燃焼室主部に対応する部分に、吸気通路（４８）および排気通路（４９）を有し、前記冷却通路は、前記ピストンの頂部の前記吸気通路に対応する側に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、燃焼室の中で、ノッキングが発生しやすい吸気通路側の部分にのみ冷却通路を配置するようにして、ピストンの剛性低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の構成によれば、簡素な構成で、上死点付近において、ピストン頂面の周縁部を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関の要部断面図
【図２】図１の要部拡大断面図
【図３】第１実施形態に係るピストンの頂面を示す平面図
【図４】第２実施形態に係る内燃機関の要部断面図
【図５】第３実施形態に係る内燃機関の要部断面図
【図６】第４実施形態に係る内燃機関の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明を自動車の筒内噴射型ガソリンエンジンに適用した一実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、筒内噴射型ガソリンエンジン（以下、エンジンという）１０は、シリンダ１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上面に締結されたシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダ１１は、一端がシリンダブロック１２の上面に開口するとともに、他端がシリンダブロック１２に形成されたクランク室（図示しない）に開口しており、ピストン１４を摺動可能に収容している。ピストン１４は、ピストンピン１５およびコネクティングロッド１６を介してクランク室内に支持されたクランクシャフト（図示しない）に連結されている。図１は、ピストン１４がシリンダ１１内において上死点に位置する状態を示している。
【００１８】
ピストン１４は、円形平坦状のピストン頭頂部１８と、ピストン頭頂部１８の周縁部からクランク室側へと垂設されたピストンスカート部１９と備え、下方（クランク室側）に向けて開口した有底の筒形を呈する。ピストン１４のシリンダヘッド１３側を向く外面をピストンの頂面２０といい、シリンダ１１の内壁に対向する外面を周面２１という。ピストンスカート部１９の互いに対向する部分には、ピストンピン１５が挿入されるピン孔２２が形成されている。ピストン１４の周面２１には、周方向に延在する環状溝である第１溝２３、第２溝２４、オイルリング溝２５がシリンダヘッド１３側より順に凹設されている。第１溝２３には第１コンプレッションリング２６が、第２溝２４には第２コンプレッションリング２７が、オイルリング溝２５にはオイルリング２８がそれぞれ嵌着されている。オイルリング溝２５の底部には、ピストンスカート部１９の内面に連通するオイル孔２９が形成されている。
【００１９】
図１および図２に示すように、ピストン１４の頂面２０は、頂面中央部３２と、頂面中央部３２を囲む環状の頂面周縁部３３とに区画されている。頂面中央部３２は、ピストン１４の軸線Ａを中心とした円形状の直交面に形成されている。頂面周縁部３３は、軸線Ａを中心とした径方向外方に進むほどクランク室側へと進むように傾斜したテーパ面となっている。換言すると、ピストン１４の頂面２０は、頂面中央部３２がシリンダヘッド１３側に突出した円錐台形状となっている。
【００２０】
シリンダヘッド１３のシリンダ１１に対応する部分には、シリンダ１１に連続するようにカップ状の凹部３５が凹設されている。凹部３５は、上死点近傍に位置するピストン１４の頂面２０との間に燃焼室３６を画成する。凹部３５は、頂面中央部３２に対向する凹部中央部３７と、頂面周縁部３３に対向する凹部周縁部３８とに区画されている。凹部周縁部３８は、頂面周縁部３３のテーパ面と対向可能なように（断面において平行となるように（図１参照））、ピストン１４の軸線Ａと概ね一致するシリンダ１１の軸線Ｂに対して傾斜した面から構成されている。凹部中央部３７は、凹部周縁部３８から稜線を介してさらに深くなるように、凹部周縁部３８よりも急勾配となる壁部を含んでいる。
【００２１】
ピストン１４が上死点に位置するときには、頂面中央部３２と対向する凹部中央部３７との間には、燃焼室主部４１が画成される。このとき、頂面周縁部３３は凹部周縁部３８と所定の微小な間隔をおいて対向し、それらの間に円環状のスキッシュ部４２が画成される。燃焼室主部４１およびスキッシュ部４２を合わせて燃焼室３６という。スキッシュ部４２は、燃焼室主部４１を囲むように配置され、その体積は燃焼室主部４１の体積に比べて十分に小さく形成されている。
【００２２】
凹部中央部３７の中央部には、インジェクタ４４が挿入されるインジェクタ孔４５と、スパークプラグ４６が挿入されるプラグ孔４７とが形成されている。また、図３に特にしめすように、凹部中央部３７の左半部には２つの吸気通路４８が開口し、右半部には２つの排気通路４９が開口している。なお、図示しないが、吸気通路４８および排気通路４９には、吸気バルブおよび排気バルブがそれぞれ開閉可能に設けられている。
【００２３】
図１および図３に示すように、ピストン１４の頂面２０の吸気通路４８に対応する左半部には、５つの冷却通路５０が形成されている。各冷却通路５０は、同様の形態を有し、図３に示すように、ピストン１４の径方向に延在し、軸線Ａを中心とした回転対称位置にそれぞれ所定の間隔をおいて配置されている。
【００２４】
図１および図２に示すように、冷却通路５０は、頂面中央部３２の周縁部（頂面周縁部３３との境界近傍部分）に開口する第１端部５１から軸線Ａと平行に延びる第１通路（第１部分）５２と、頂面周縁部３３と周面２１との境界部に開口する第２端部５３から軸線Ａと直交する方向（ピストン１４の径方向）に延び、第１通路５２に連通する第２通路（第２部分）５４と備えている。
【００２５】
以上のように構成したエンジン１０の作用効果について説明する。燃焼室主部４１に開口する第１端部５１近傍の位置Ｃ（図２参照）でのガス速度をＶ１（ｍ／ｓ）、ガス圧力をＰ１（Ｐａ）、ガス密度をρ１（ｋｇ／ｍ３）、高さをｚ１（ｍ）とし、スキッシュ部４２に開口する第２端部５３近傍の位置Ｄ（図２参照）でのガス速度をＶ２（ｍ／ｓ）、ガス圧力をＰ２（Ｐａ）、ガス密度をρ２（ｋｇ／ｍ３）、高さをｚ２（ｍ）とすると、ベルヌーイの定理より、以下の数１に示す関係が成り立つ。ｇは、重力加速度（９．８ｍ／ｓ２）である。
【数１】
2012017654.tif 000003
ここで、位置Ｃおよび位置Ｄにおけるガス密度は等しく（ρ１＝ρ２）、高さは同一と近似できる（Ｚ１≒Ｚ２）ため、数１は次の数２のように変形できる。
【数２】
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【００２６】
燃焼室３６はスキッシュ部４２を有するため、圧縮行程においてピストン１４が上死点近傍で変位することによって、ガスがスキッシュ部４２から燃焼室主部４１へと流れるスキッシュ流が発生し、位置Ｄでのガス速度Ｖ２は位置Ｃでのガス速度Ｖ１よりも大きくなる。また、膨張行程においてピストン１４が上死点近傍で変位することによって、ガスが燃焼室主部４１からスキッシュ部４２へと流れる逆スキッシュ流が発生し、位置Ｄでのガス速度Ｖ２は位置Ｃでのガス速度Ｖ１よりも大きくなる。スキッシュ流または逆スキッシュ流が発生し、位置Ｄでのガス速度Ｖ２が位置Ｃでのガス速度Ｖ１よりも大きい場合には、各位置でのガス速度の向きに関わらず、上記の数２より、位置Ｃでのガス圧力Ｐ１は位置Ｄでのガス圧力Ｐ２よりも大きくなる。これにより、冷却通路５０の第１端部５１と第２端部５３との間で圧力差が生じ、冷却通路５０内を第１端部５１から第２端部５３へとガスが流通する。冷却通路５０内をガスが流通することによって、冷却通路５０の内壁とガスとの間で熱交換が行われ、ピストン１４の頂面周縁部３３が冷却される。また、冷却通路５０内はガスで満たされるため、ピストン頭頂部１８内に断熱部（断熱層）を形成したのと同等の効果を得ることができる。また、冷却通路５０の第２端部５３から噴出されるガスが頂面周縁部３３の表面を覆い、断熱層を形成することによって、頂面周縁部３３の温度上昇が抑制される。
【００２７】
本実施形態のエンジン１０は、冷却通路５０の第１端部５１を燃焼室主部４１に連通させ、第２端部５３をスキッシュ部４２に連通させたことによって、スキッシュ流または逆スキッシュ流に起因する圧力差を利用して、冷却通路５０内にガスを流通させることができる。また、第２端部５３を頂面２０と周面２１との境界部に配置したことによって、ノッキングが発生しやすい頂面２０の縁部を冷却することができる。また、冷却通路５０の経路長を長くすることができ、冷却量を増大させることができる。
【００２８】
頂面周縁部３３をテーパ面とし、頂面中央部３２をシリンダヘッド１３側に突出させたことによって、軸線Ａと平行な直線状の第１通路５２と、軸線Ａと直交する方向に延びる直線状の第２通路５４とによって冷却通路５０を構成することができる。第１通路５２および第２通路５４は、ドリル等による穿孔で容易に形成することができ、加工の容易化が図れる。また、第２通路５４を軸線Ａと直交する方向に延在させても、第２通路５４と頂面２０との間に十分な肉厚を確保することができ、ピストン１４の剛性を確保することができ、熱応力に抗することができる。
【００２９】
また、図３に示すように、燃焼室３６の中でノッキングが発生しやすい吸気通路４８に対応する左半部のみに冷却通路５０を設けることによって、ピストン１４の剛性低下を最小限に抑えつつ、ノッキング抑制効果を高めることができる。ノッキングは、吸気工程におけるタンブル流（縦渦）に起因して、燃焼室３６の中で吸気通路４８側に対応する部分で発生しやすいことが知られている。タンブル流は、吸気通路４８から、凹部中央部３７に沿ってスパークプラグ４６、排気通路４９側へと流れた後、ピストン１４の頂面２０の排気通路４９側に対応する部分、頂面２０の中央部、頂面２０の吸気通路４８に対応する部分へと順に流れる。スパークプラグ４６によって発生した火炎は、タンブル流に乗って伝播するため、吸気通路４８に対応する左半部に存在するガスはエンドガスとなる。そのため、吸気通路４８に対応する左半部でノッキングが発生しやすくなっている。
【００３０】
次に、第１実施形態に係るエンジン１０を一部変更した第２〜第４実施形態に係るエンジン１００，２００，３００について説明する。各エンジン１００，２００，３００では、ピストン１４の頂面２０の形状およびシリンダヘッド１３の凹部３５の形状が異なるが、いずれも燃焼室主部およびスキッシュ部を画成し、冷却通路は燃焼室主部とスキッシュ部とに連通している。そして、スキッシュ流および逆スキッシュ流に起因する圧力差を利用して冷却通路にガスを流通させる。以下の説明では、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
＜第２実施形態＞
図４に示すように、第２実施形態に係るエンジン１００では、ピストン１４の頂面２０が軸線Ａに対して直交する平面状に形成されている。シリンダヘッド１３の凹部３５は、頂面２０の中央部１０１（頂面中央部３２に対応）に対向する部分のみに形成されている。図４に示すように、ピストン１４が上死点に位置する状態で、頂面２０の中央部１０１は凹部３５との間に燃焼室主部１０２を画成し、頂面２０の周縁部１０３はシリンダヘッド１３の下面１０４との間にスキッシュ部１０５を画成する。冷却通路１１０は、頂面２０の中央部１０１に開口する第１端部１１１から頂面２０に対して傾斜してピストン１４の径方向外方へと延びる第１通路１１２と、頂面２０の周縁部１０３に開口する第２端部１１３から頂面２０に対して傾斜してピストン１４の径方向内方へと延びるとともに第１通路１１２に連通した第２通路１１４とから構成されている。このように、冷却通路１１０は、平面状の頂面２０にも形成することができる。なお、図示しないが、冷却通路１１０は、第１実施形態と同様に、頂面２０に複数形成されてもよい。また、第２端部１１３は、図示例よりも頂面２０と周面２１との境界部側に寄せて配置してもよい。
【００３２】
＜第３実施形態＞
図５に示すように、第３実施形態に係るエンジン２００では、ピストン１４の頂面２０は、その中央部２０１が曲面状に凹設され（キャビティが形成され）、その周縁部２０２が平面状に形成されている。シリンダヘッド１３の凹部３５は、頂面２０の中央部２０１に対向する部分のみに形成されている。図５に示すように、ピストン１４が上死点に位置する状態で、頂面２０の中央部２０１は凹部３５との間に燃焼室主部２０４を画成し、頂面２０の周縁部２０２はシリンダヘッド１３の下面２０５との間にスキッシュ部２０６を画成する。冷却通路２１０は、中央部２０１の凹部の凹面２０７に開口する第１端部２１１からピストン１４の径方向に延びる第１通路２１２と、頂面２０の周縁部２０２に開口する第２端部２１３からピストン１４の軸線Ａと平行に延びるとともに第１通路２１２に連通した第２通路２１４とから構成されている。なお、図示しないが、冷却通路２１０は、第１実施形態と同様に、頂面２０に複数形成されてもよい。
【００３３】
＜第４実施形態＞
図６に示すように、第４実施形態に係るエンジン３００では、ピストン１４の頂面２０は、その中央部３０１が曲面状に凹設され（キャビティが形成され）、その周縁部３０２が平面状に形成されている。中央部３０１と周縁部３０２との境界部には、断面が台形状の突条３０４が環状に延設されている。突条３０４は、突出端側が先細となっており、上底（突出端側の面）３０５が、周縁部３０２のなす面と略平行となっている。
【００３４】
シリンダヘッド１３の凹部３５は、頂面２０の中央部３０１および突条３０４の中央部３０１側の斜面部３０６、突条３０４の上底３０５に対応する凹部中央部３０７と、突条３０４の周縁部３０２側の斜面部３０８に対応する凹部周縁部３０９とを有している。ピストン１４が上死点に位置するときに、頂面２０の中央部３０１および突条３０４の斜面部３０６、上底３０５は、凹部中央部３０７との間に燃焼室主部３１０を画成し、頂面２０の周縁部３０２および突条３０４の斜面部３０８は、シリンダヘッド１３の下面３１１および凹部周縁部３０９との間にスキッシュ部３１２を画成する。
【００３５】
冷却通路３１５は、突条３０４の上底３０５に開口する第１端部３１６からピストン１４の軸線Ａと平行に延びる第１通路３１７と、突条３０４の斜面部３０８に開口する第２端部３１８からピストン１４の径方向に伸びるとともに第１通路３１７に連通した第２通路３１９とから構成されている。なお、図示しないが、冷却通路３１５は、第１実施形態と同様に、頂面２０に複数形成されてもよい。
【００３６】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、冷却通路５０は、頂面２０の吸気通路４８に対応する部分に限らず、頂面２０の全周に形成されてもよい。或いは、冷却通路５０を吸気通路４８に対応する部分により限定して、例えば、図３において、左端から時計回りおよび反時計回りにそれぞれ４５°の範囲（合計９０°）の頂面２０に冷却通路５０を設けてもよい。なお、冷却通路５０の数および密度は適宜変更してよい。上述した各実施形態では、冷却通路は、平面視において、ピストンの径方向に延設されているが、径方向に対して傾斜させてもよい。また、冷却通路は、曲線状に形成してもよい。上記の第１〜第４実施形態では、燃焼室を画成するピストンおよびシリンダヘッドの代表的な形状を例示したが、これらに限られず、本発明は、燃焼室主部およびスキッシュ部を画成する様々な形状のピストンおよびシリンダヘッドを有するエンジンに適用することができる。また、実施形態では、ガソリンエンジンに適用した例を示したが、本発明はディーゼルエンジンにも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…筒内噴射型ガソリンエンジン（内燃機関）、１３…シリンダヘッド、１４…ピストン、２０…頂面、２１…周面、３２…頂面中央部、３３…頂面周縁部、３５…凹部、３６…燃焼室、３７…凹部中央部、３８…凹部周縁部、４１…燃焼室主部、４２…スキッシュ部、４８…吸気通路、４９…排気通路、５０…冷却通路、５１…第１端部、５２…第１通路（第１部分）、５３…第２端部、５４…第２通路（第２部分）
【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】
2012017654.tif 000009
【図６】
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