(57)【要約】【課題】内燃機関のピストンに関し、簡素な構成で冷却性を向上させる。【解決手段】内燃機関のピストン１において、ロアピストン２にピストンピン２２を連結し、燃焼室１６の底面を成すヘッド部３ａをアッパピストン３に設ける。また、ロアピストン２とアッパピストン３との間に付勢部材４を介装し、ロアピストン２に対してアッパピストン３を気筒軸方向に摺動させることで燃焼室１６の容積を可変とする。  ロアピストン２及びアッパピストン３間に、アッパピストン３の摺動量に応じて容積が変化する第一流体室５を形成する。  また、アッパピストン３の内部に、第一流体室５と連通する第二流体室３ｍを形成する。  さらに、第一流体室５及び第二流体室３ｍ間に流体を充填し、アッパピストン３の摺動に応じてその流体を第一流体室５及び第二流体室３ｍ間で移動させる。【選択図】図５
2013083220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンピンが連結されるロアピストンと燃焼室の底面を成すヘッド部を備えるアッパピストンとの間に付勢部材を介装し、前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの気筒軸方向への摺動により燃焼室容積を可変とする内燃機関のピストンにおいて、
前記ロアピストン及び前記アッパピストン間に形成され、前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの摺動量に応じて容積が変化する第一流体室と、
前記第一流体室と連通して前記アッパピストンの内部に形成された第二流体室と、
前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの摺動に応じて前記第一流体室及び前記第二流体室間を移動する流体と
を備えたことを特徴とする、内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記ロアピストン及び前記アッパピストンが摺動自在に嵌合する凹部及び凸部を有し、
前記第一流体室が、前記凹部及び前記凸部に囲まれてなる
ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記ロアピストン及び前記アッパピストン間に設けられ、前記付勢部材が配置された付勢室を備え、
前記流体が、前記アッパピストンの動作に応じて前記第一流体室，前記第二流体室及び前記付勢室間を循環する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記ロアピストン内に形成され、前記第一流体室と前記付勢室との間を連通する第一通路と、
前記アッパピストン内に形成され、前記第二流体室と前記付勢室との間を連通する第二通路と、
前記第一通路上に介装され、前記付勢室への流体の逆流を遮断する逆止弁とを備えた
ことを特徴とする、請求項３記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記第二通路が、前記第二流体室から前記ヘッド部の裏面に向かって開放されている
ことを特徴とする、請求項４記載の内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記第二流体室に設けられ、前記第一流体室側への流体の逆流を遮断する第二逆止弁を備えた
ことを特徴とする、請求項３〜５の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力に応じて燃焼室容積を変更する圧力感応型の可変圧縮比ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の圧縮比を可変とする構造の一つとして、ピストン頂面からピストンピン中心までの距離を変更可能としたピストン構造が提案されている。すなわち、ピストンのうち、ピストンピンに支持される部位と燃焼室の底面となる部位とを別体に形成し、これらの相対距離を伸縮させることによって燃焼室の容積を変更して圧縮比を増減させるものである。
【０００３】
例えば特許文献１には、ピストンのトランク部（ピストンピンに支持される本体部）に対して、クラウン部（頂面を含む部位）をスライド式に取り付け、これらの間に皿ばねを挿入したピストン構造が記載されている。この技術では、燃焼室の圧力（シリンダ圧力）が閾値を超えたときにクラウン部がトランク部側へと移動し、燃焼室の容積を増大させることによって圧縮比を低下させている。
【０００４】
一般に、圧縮比が高いほど燃焼室内の混合気が高温，高圧となり、エンジンの熱効率が上昇する。そのため、例えばエンジンが低負荷，低回転の状態では、圧縮比を上昇させることで燃焼安定性及び燃費を改善できる。一方、圧縮比が高いほど混合気の燃焼反応性の上昇に伴いノッキング（異常燃焼）が発生しやすくなる。そのため、例えばエンジンが高負荷，高回転の状態では、圧縮比を低下させることで燃焼安定性を確保できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５７５５１９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来のピストンでは、燃焼室側からクラウン部の内側に伝達された熱の逃げ道がなく、クラウン部の温度上昇を抑制する手段にも乏しい。そのため、クラウン部を移動させるための皿ばねが介装されるクラウン部とトランク部との間の空間内部に熱が籠もりやすく、ピストンの冷却性を向上させることが難しいという課題がある。また、トランク部の下方からのオイル噴射等によって間接的に冷却することも考えられるが、クラウン部自体の温度やクラウン部とトランク部との摺動部分の温度を低下させることは難しく、破損や摩耗が発生しやすい。したがって、ピストンの耐熱疲労性を考慮した部品設計が要求されることになり、製品コストを削減することができない。
【０００７】
一方、クラウン部とトランク部との間にエンジンオイルを供給する通路を形成し、エンジンオイルを冷媒として機能させることも考えられる。例えば、コネクティングロッドの内部に形成された油路を介して、エンジンオイルをクラウン部とトランク部との間の空間に供給することで、クラウン部を冷却しながら駆動するものである（特許文献１のFig.10）。しかしながら、このような手法では、油路の構成が複雑となるほか、コネクティングロッドとピストンとの間でのオイル漏れが生じやすく、冷却効率を向上させることができない。さらに、コネクティングロッド及びピストンの両方に油路を形成する必要があり、加工に係るコストも上昇する。
【０００８】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、内燃機関のピストンに関し、簡素な構成で冷却性を向上させることである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示する内燃機関のピストンは、ピストンピンが連結されるロアピストンと燃焼室の底面を成すヘッド部を備えるアッパピストンとの間に付勢部材を介装し、前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの気筒軸方向への摺動により燃焼室容積を可変とする内燃機関のピストンである。
まず、前記ロアピストン及び前記アッパピストン間に形成され、前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの摺動量に応じて容積が変化する第一流体室を備える。また、前記第一流体室と連通して前記アッパピストンの内部に形成された第二流体室を備える。さらに、前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの摺動に応じて前記第一流体室及び前記第二流体室間を移動する流体を備える。
【００１０】
前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの移動により、前記第一流体室及び前記第二流体室の合計容積が増大する。したがって、前記第一流体室，前記第二流体室に流体を充填しておくことで、前記アッパピストンの上昇時に前記流体が下方に移動する。一方、前記アッパピストンの下降時には前記流体が上方に移動する。このように、前記アッパピストン，前記第一流体室及び前記第二流体室が流体ポンプとして機能する。
なお、前記流体とは、前記アッパピストンを冷却する冷媒であり、例えばエンジンオイルである。また、前記ピストンは、例えば車両や船舶，航空機，産業用機械等に搭載されるガソリンエンジン，ディーゼルエンジン等の内燃機関に用いて好適である。
【００１１】
（２）また、前記ロアピストン及び前記アッパピストンが摺動自在に嵌合する凹部及び凸部を有し、前記第一流体室が、前記凹部及び前記凸部に囲まれてなることが好ましい。つまり、凹部と凸部とによって囲まれた空間に流体が封入された状態とされる。これにより、空間の容積の変化は、前記ロアピストンに対する前記アッパピストンの相対移動距離に応じたものとなる。
（３）また、前記ロアピストン及び前記アッパピストン間に設けられ、前記付勢部材が配置された付勢室を備え、前記流体が、前記アッパピストンの動作に応じて前記第一流体室，前記第二流体室及び前記付勢室間を循環することが好ましい。
【００１２】
（４）また、前記ロアピストン内に形成され、前記第一流体室と前記付勢室との間を連通する第一通路と、前記アッパピストン内に形成され、前記第二流体室と前記付勢室との間を連通する第二通路と、前記第一通路上に介装され、前記付勢室への流体の逆流を遮断する逆止弁と、を備えることが好ましい。
（５）また、前記第二通路が、前記第二流体室から前記ヘッド部の裏面に向かって開放されていることが好ましい。
（６）また、前記第二流体室に設けられ、前記第一流体室側への流体の逆流を遮断する第二逆止弁を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
開示の内燃機関のピストンによれば、付勢部材の縮小状態では第二流体室に流体が流入するため、アッパピストンの頂面を冷却することができる。一方、伸長状態では第一流体室の容積が増大し、流体が第一流体室に移動するため、流体に放熱させることができる。このように、アッパピストン，第一流体室及び第二流体室を流体ポンプとして機能させることで、簡素な構成でピストンの冷却性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るピストンが適用されたエンジンの模式的な断面構成図である。
【図２】第一実施形態に係るピストンの全体構成を分解して示す模式的な分解斜視図である。
【図３】図２のピストンのうちロアピストンの構成を示す縦断面図である。
【図４】図２のピストンのうちアッパピストンの構成を示す図であり、（ａ）はその下面側を示す斜視図、（ｂ）はその縦断面図、（ｃ）は内部構成を説明するための上面図である。なお（ｄ）は内部構成の変形例を説明するための上面図である。
【図５】図２のピストンのロアピストン及びアッパピストンの組み付け状態を示す縦断面図である。
【図６】図２のピストンの動作を説明するための断面図であり、（ａ）はピストンが伸長した高圧縮比の状態、（ｂ）はピストンが縮小した低圧縮比の状態を示す。
【図７】第二実施形態に係るピストンの構成を示す図であり、（ａ）はロアピストンの縦断面図、（ｂ）はアッパピストンの縦断面図、（ｃ）は組み付け状態を示す縦断面図である。
【図８】図７のピストンの動作を説明するための断面図であり、（ａ）はピストンが伸長した高圧縮比の状態、（ｂ）はピストンが縮小した低圧縮比の状態を示す。
【図９】第三実施形態に係るピストンの構成を示す図であり、（ａ）はアッパピストンの縦断面図、（ｂ）はその水平断面図〔図９（ａ）のＡ−Ａ断面図〕、（ｃ）は組み付け状態を示す縦断面図である。
【図１０】図９のピストンの動作を説明するための断面図であり、（ａ）はピストンが伸長した高圧縮比の状態、（ｂ）はピストンが縮小した低圧縮比の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照して内燃機関のピストンについて説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００１６】
［１．第一実施形態］
［１−１．エンジン］
第一実施形態のピストン１は圧力感応型の可変圧縮比ピストンであり、図１に示す車載のエンジン１０に適用される。このエンジン１０は、シリンダーブロック１１内に複数のシリンダー１２を備えた多気筒エンジンであり、図１では複数のシリンダー１２のうちの一つを示す。ピストン１は、中空円筒状に形成されたシリンダー１２の内周面に沿って往復摺動自在に内装される。また、ピストン１の下部は、ピストンピン２２を介してコネクティングロッド１９の一端に軸支される。なお、コネクティングロッド１９の他端は、クランク軸２０の軸心から偏心した中心軸を持つクランクアームに軸支される。ピストン１の往復動作は、コネクティングロッド１９を介してクランクアームに伝達され、クランク軸２０の回転運動に変換される。
【００１７】
シリンダーブロック１１の上部には、シリンダー１２の天井面を成すシリンダーヘッド１３がガスケットを介して固定される。また、シリンダーヘッド１３の内部には、各シリンダー１２に空気を供給するための吸気ポート１４と、シリンダー１２内で燃焼した空気を排出するための排気ポート１５とが穿孔される。
【００１８】
ピストン１の頂面とシリンダー１２の内周面とシリンダーヘッド１３の下面とで囲まれた空間は、燃料混合気の燃焼室１６として機能する。また、吸気ポート１４及び排気ポート１５のそれぞれの燃焼室１６側の端部には、吸気弁１７及び排気弁１８が設けられる。これらの吸気弁１７，排気弁１８は、シリンダーヘッド１３の上部に設けられる図示しない動弁機構によって各々の動作を個別に制御される。
【００１９】
シリンダー１２の外周には、その筒面の全体を囲むようにウォータージャケット２１が設けられる。ウォータージャケット２１の内部には、エンジン冷却水が流通する。燃焼室内での燃料混合気の燃焼によって昇温したシリンダーブロック１１やシリンダーヘッド１３は、エンジン冷却水によって冷却される。また、ピストン１の熱もピストン１とシリンダー１２との摺接面を介してシリンダーブロック１１側に伝達され、エンジン冷却水に吸熱される。一方、本実施形態のピストン１には、ピストン１自身をエンジンオイルで冷却するための冷却構造が適用されている。
【００２０】
［１−２．ピストン構成］
［１−２−１．概要］
図２に示すように、ピストン１は、ロアピストン２，アッパピストン３及び皿ばね４の三部材を組み付けて形成される。ロアピストン２は、ピストンピン２２を介してコネクティングロッド１９に接続される部材であり、アッパピストン３はピストン１の頂面となる部位を有する部材である。アッパピストン３は、ロアピストン２に対してその中心軸Ｃ方向（シリンダー１２の筒軸方向）に移動可能に設けられる。また、皿ばね４は、円錐台の錐面状に形成された付勢部材であり、ロアピストン２とアッパピストン３との間に挿入される。皿ばね４は、アッパピストン３をシリンダー１２の筒軸方向の上向きに付勢する。
【００２１】
皿ばね４からアッパピストン３に与えられる付勢力の作用方向は、アッパピストン３の頂面に対して燃焼室１６から与えられるシリンダー内圧の作用方向と正反対の向きとなる。したがって、皿ばね４の付勢力がシリンダー内圧よりも高い状態では、アッパピストン３がロアピストン２から離隔する方向に押し上げられる。一方、シリンダー内圧が皿ばね４の付勢力よりも高い状態では、アッパピストン３がロアピストン２に近接する方向に押し縮められる。以下、皿ばね４の付勢力とシリンダー内圧とが釣り合った状態を基準として、ロアピストン２とアッパピストン３との相対距離が短くなったピストン１の状態を縮小状態と呼び、相対距離が長くなったピストン１の状態を伸長状態と呼ぶ。
【００２２】
縮小状態では、ピストンピン２２の中心からアッパピストン３の頂面までの距離が短くなるため、ピストン１が上死点に位置するときの燃焼室１６の容積が増大し、すなわち燃焼室１６の圧縮比が低下する。一方、伸長状態ではピストンピン２２の中心からアッパピストン３の頂面までの距離が長くなり、燃焼室１６の圧縮比が上昇する。
【００２３】
［１−２−２．ロアピストン］
続いて、ピストン１を構成する各部材の具合的な内部構造について詳述する。図２，図３に示すように、ロアピストン２には、台座部２ａ及び突出部２ｂが設けられる。
【００２４】
台座部２ａは、コネクティングロッド１９の上端に接続される筒状の部位であり、ここにはロアピストン２に連結されるピストンピン２２を挿入するためのピン穴２２ａが穿孔される。ピン穴２２ａの延設方向はクランク軸２０の延在方向に平行である。また、台座部２ａをその上面方向から見て、台座部２ａの中央からピン穴２２ａに対して垂直な方向に位置する端部となる外筒面には、下方に向けて延設されたスカート部が形成される。なお、台座部２ａの外筒面の径は、シリンダー１２の内筒面と同径か、やや小径に形成される。
【００２５】
突出部２ｂは台座部２ａよりもさらに小径の二つの筒状体をピストン１の中心軸Ｃ方向に連結した形状に形成され、台座部２ａの上に固設された部位である。第一筒面２ｃは、二つの筒状体のうち、突出部２ｂの下方に位置する筒状体の外筒面に対応し、第二筒面２ｄは、上方に位置する筒状体の外筒面に対応する。つまり、ロアピストン２は、台座部２ａの上に前者の筒状体を固設し、さらにその上に後者の筒状体を固設した格好となる。
【００２６】
第一筒面２ｃの外径は、第二筒面２ｄの外径よりも小径である。第一筒面２ｃと第二筒面２ｄとの間を接続する段部２ｅは、これらの二つの筒面の半径差に相当する幅を持ち、第一筒面２ｃの周囲を囲む環状の平面として形成される。本実施形態の段部２ｅは、第一筒面２ｃ及び第二筒面２ｄのそれぞれに対して垂直である。
【００２７】
また、突出部２ｂの上方に位置する一方の筒状体の上面２ｆには、下方に向かって中空円筒状に凹んだへこみ部２ｍ（凹部）が形成される。このへこみ部２ｍの底面２ｋは中心軸Ｃ上に中心を持つ円形であり、へこみ部２ｍの内筒面２ｈは中心軸Ｃを筒軸とした円筒面である。内筒面２ｈは、後述するアッパピストン３の突起部３ｃと摺動する部位であり、突起部３ｃの外筒面３ｈの外径に対応する内径を持つ。また、内筒面２ｈの上端部近傍には、シールリング２６を取り付けるための内溝２ｇが刻設される。シールリング２６は、内筒面２ｈと外筒面３ｈとの摺接面を封止して隙間を塞ぐための部材であり、オイル漏れを抑制するように機能する。
【００２８】
［１−２−３．アッパピストン］
アッパピストン３には、ヘッド部３ａ，リング部３ｂ及び突起部３ｃ（凸部）が設けられる。図４（ａ）は、アッパピストン３を裏返して下方（ロアピストン２側）から見た状態を示す。また、図中の一点鎖線は、アッパピストン３とロアピストン２とを組み付けたときのロアピストン２の中心軸Ｃを示す。
ヘッド部３ａは、燃焼室１６の底面を成す部位であり、ロアピストン２の台座部２ａと略同径の円盤状に形成される。アッパピストン３は、ヘッド部３ａの中心がロアピストン２の中心軸Ｃ上に位置するように組み付けられる。
【００２９】
リング部３ｂは、ヘッド部３ａの裏面３ｆの外周縁から下方〔図４（ａ），（ｂ）中では上方〕に向けて延設された部位である。図４（ａ）に示すように、リング部３ｂの形状は中空円筒状であり、その外筒面３ｅにはピストンリング２３やオイルリング２４を取り付けるための溝２３ａ，２４ａが刻設される。ピストンリング２３は、ピストン１とシリンダー１２との隙間を塞ぐための部材であり、ピストン１の熱をシリンダー１２側へ伝達するとともに燃焼室の圧力低下やオイル漏れを抑制するように機能する。また、オイルリング２４は、シリンダー１２の壁面に付着するエンジンオイルの膜厚を調整する機能を持つ。
【００３０】
一方、リング部３ｂの内筒面３ｄには、止め輪２５を取り付けるための内溝３ｇが刻設される。止め輪２５は、ピストン１の伸長時にロアピストン２の段部２ｅに当接する部材であり、ロアピストン２と組み合わされたアッパピストン３の脱落を防止するためのストッパーとして機能する。なお、リング部３ｂの内筒面３ｄは、アッパピストン３がロアピストン２に組み付けられたときにその第二筒面２ｄと対向する筒面であり、第二筒面２ｄの外径よりも大径に形成される。
【００３１】
突起部３ｃは、ヘッド部３ａの裏面３ｆの中央から下方〔図４（ａ），（ｂ）中では上方〕に向けて円筒状に膨出した部位である。突起部３ｃの外筒面３ｈの外径は、ロアピストン２の内筒面２ｈの内径に対応する大きさであり、例えばロアピストン２の内筒面２ｈと同径か、内筒面２ｈよりもやや小径に形成される。これにより、突起部３ｃはロアピストン２のへこみ部２ｍに対して摺動自在に嵌合する。
【００３２】
また、図４（ｂ）に示すように、突起部３ｃの内部には、その上面３ｋからアッパピストン３の内部に向かって掘り下げられた空洞部３ｍ（第二流体室）が形成される。空洞部３ｍは、突起部３ｃの上面３ｋのみに対して開放された袋小路状の空洞である。空洞部３ｍの平面方向の形状は、例えば図４（ｃ）に示すように、円形状に形成される。空洞部３ｍの内部には、アッパピストン３を冷却する冷媒としてのエンジンオイル８（流体）が充填される。このエンジンオイル８の成分は、エンジン１０のオイルパンに貯留される潤滑用のオイルと同一としてもよい。一方、本実施形態のピストン１では、充填されたエンジンオイル８がピストン１の外部に漏出しない構造となっているため、上記の潤滑用のオイルとは異なる成分のものを使用してもよい。
【００３３】
なお、空洞部３ｍの平面形状は、アッパピストン３の上面の温度分布に応じた形状としてもよい。すなわち、アッパピストン３のうち温度が高温になりやすい部分の下方に空洞部３ｍが位置するように、空洞部３ｍの平面形状を設定してもよい。あるいは、図４（ｄ）に示すように、アッパピストン３に要求される強度，剛性を確保することを考慮して、ヘッド部３ａの中央から外周縁に向かって放射状に広がった形状の空洞部３ｍを形成してもよい。
【００３４】
［１−２−４．組み付け］
上記のロアピストン２，アッパピストン３及び皿ばね４を組み付けた状態を図５に示す。図５中では、ピストン１の内部構造を示すべく、ピストン１の内部に封入されたエンジンオイル８の表示を省略する。ロアピストン２の上面２ｆとアッパピストン３の裏面３ｆとの間には、皿ばね４が挿入される皿ばね室６（付勢室）が形成される。皿ばね４は、その厚み方向に押し縮められた状態で上面２ｆと裏面３ｆとの間に挟装され、上面２ｆと裏面３ｆとの双方を互いに離隔する方向に常時押圧する。
【００３５】
ロアピストン２の第二筒面２ｄとアッパピストン３の内筒面３ｄとの間には、それぞれの径の差に応じた僅かな隙間７が形成される。この隙間７は、アッパピストン３とロアピストン２との離接移動時における皿ばね室６内への空気通路として機能する。
【００３６】
また、ロアピストン２のへこみ部２ｍとアッパピストン３の突起部３ｃとの間には、第一油室５（第一流体室）が形成される。第一油室５は、へこみ部２ｍの内筒面２ｈ及び底面２ｋと突起部３ｃの上面３ｋとによって囲まれた空間である。へこみ部２ｍと内筒面２ｈは、突起部３ｃの外筒面３ｈと摺動自在に接触している。また、へこみ部２ｍの底面２ｋは、皿ばね室６の皿ばね４が最も縮小した状態で突起部３ｃの上面３ｋと面接触する。
【００３７】
したがって、第一油室５の容積は、底面２ｋと上面３ｋとの距離が離れるほど、すなわちアッパピストン３がロアピストン２から離隔する方向に移動するほど増大し、底面２ｋと上面３ｋとが接触したときに最小（ほぼゼロ）となる。つまり、第一油室５の容積は、ロアピストン２に対するアッパピストン３の摺動量に応じて変化する。なお、エンジンオイル８は、第一油室５の容積が最小の状態で封入される。例えば、空洞部３ｍ及びへこみ部２ｍの内部をエンジンオイル８で満たしておき、突起部３ｃをへこみ部３ｍに嵌入させて余剰のエンジンオイル８を内筒面２ｈ及び外筒面３ｈ間から排出させ、突起部３ｃの上面３ｋがへこみ部２ｍの底面２ｋと接触するまで押し込めばよい。
【００３８】
図５に示すように、第一油室５には、アッパピストン３の内部に形成された空洞部３ｍが連通接続される。この空洞部３ｍは、ピストン１の伸縮動作にかかわらず常に第一油室５よりも上方に位置する。したがって、空洞部３ｍ内に充填されたエンジンオイル８は、ピストン１が伸長状態であるときに下方に移動して、第一油室５側へと流入する。また、ピストン１が縮小状態になると上方に移動し、空洞室３ｍ側へと流入する。つまり、エンジンオイル８は、ピストン１の伸縮動作に合わせて上方向又は下方向へと流動する。
【００３９】
［１−３．作用］
エンジン１０の燃焼サイクル行程とピストン１の内部でのエンジンオイル８の流動との関係について、図６（ａ），（ｂ）を用いて説明する。ここでは、エンジン１０が高負荷であるときに、燃焼サイクル行程の進行に沿ってピストン１が伸縮動作するような状況を想定する。
【００４０】
シリンダー内圧が比較的低圧である圧縮行程の初期には、図６（ａ）に示すように、皿ばね４がアッパピストン３の上面に作用する圧力に抗い、アッパピストン３をロアピストン２から離隔する方向に押し上げ、ピストン１が伸長状態となる。これにより、アッパピストン３の突起部３ｃの上面３ｋがロアピストン２の底面２ｋから離れて、第一油室５の容積が増大する。突起部３ｃの上面３ｋは、第一油室５の天井面に相当し、図６（ａ）中では第一油室５の上方に位置する。
【００４１】
一方、空洞部３ｍは第一油室５に連通しているため、空洞部３ｍ内のエンジンオイル８は自重により下方へ移動し、第一油室５に充填される。このとき、エンジンオイル８が充填されていない空洞部３ｍの上部は、真空又は真空に近い極低圧である。
【００４２】
続いて、シリンダー内圧が比較的高圧になる圧縮行程の後期には、図６（ｂ）に示すように、皿ばね４が中心軸Ｃ方向に圧縮され、ピストン１が縮小状態となる。これにより、第一油室５の容積が減少するため、第一油室５内を満たしていたエンジンオイル８が空洞部３ｍの内部へと上方向に移動する。このとき、燃焼室１６からアッパピストン３のヘッド部３ａに伝達された熱が空洞部３ｍ内のエンジンオイル８に吸熱され、アッパピストン３が冷却される。
【００４３】
膨張行程でシリンダー内圧が低下すると、図６（ａ）に示すように、ピストン１が再び伸長状態となる。これにより、アッパピストン３の空洞部３ｍで吸熱したエンジンオイル８が下降し、第一油室５内に移動する。このとき、第一油室５に貯留されたエンジンオイル８の熱がロアピストン２の内筒面２ｈ及び底面２ｋに伝達され、エンジンオイル８が冷却される。
【００４４】
このように、ロアピストン２のへこみ部２ｍとアッパピストン３の突起部３ｃとの間に設けられる第一油室５と空洞部３ｍとが協働して油圧ポンプとして機能し、ピストン１の伸縮動作に伴ってエンジンオイル８をピストン１の内部で流動させる。エンジンオイル８を熱媒体としたアッパピストン３側からロアピストン２側への熱交換は、ピストン１が伸び縮みする度に実施され、すなわちエンジン１０が高負荷のときには燃焼サイクル毎にピストン１が冷却されることになる。
【００４５】
［１−４．効果］
（１）上記のピストン１によれば、ピストン１の縮小状態ではエンジンオイル８が空洞部３ｍ側へと流入するため、アッパピストン３を冷却することができる。一方、ピストン１の伸長状態では第一油室５の容積が増大してエンジンオイル８が第一油室５側に移動するため、暖められたエンジンオイル８に放熱させることができる。したがって、ピストン１の冷却性を向上させることができる。
【００４６】
また、このようなエンジンオイル８を利用したアッパピストン３側からロアピストン２側への熱交換がエンジン１０の燃焼サイクル毎に実施されるため、ピストン１を効率的に冷却することができる。さらに、エンジンオイル８をピストン１の内部で移動させるための構造が簡素であり、製造コストを削減することができる。なお、ピストン１の冷却性が高まることで、アッパピストン３とロアピストン２との摺動部の破損や摩耗を減少させることができるため、低コストで耐熱疲労性を改善することができる。
【００４７】
（２）また、上記のピストン１では、ロアピストン２のへこみ部２ｍとアッパピストン３の突起部３ｃとが摺動自在に嵌合する構造とし、これらのへこみ部２ｍ及び突起部３ｃによって囲まれた部位を第一油室５として機能させている。これにより、ピストン１の伸縮動作に合わせて第一油室５の容積を容易に増減させることができ、容易に油圧ポンプとしての機能を実現することができる。つまり、簡素な構成でエンジンオイル８をピストン１内で流動させることができ、ピストン１の冷却性をさらに向上させることができる。
【００４８】
［２．第二実施形態］
［２−１．構成］
第二実施形態のピストン３１は、ロアピストン３２，アッパピストン３３及び皿ばね４の三部材を組み付けて形成される。このピストン３１には、第一実施形態のピストン１の内部に充填されるエンジンオイル８を循環させるための循環経路が形成される。ここでは、第一実施形態で説明された要素に対応する要素や同一の要素に同一符号を付してそれらの説明を省略する。ロアピストン３２及びアッパピストン３３の縦断面を図７（ａ），（ｂ）に示す。
【００４９】
ロアピストン３２は、図７（ａ）に示すように、第一実施形態のロアピストン２の構造に加えて、へこみ部２ｍの内筒面２ｈと突出部２ｂの上面２ｆとを連通する第一通路２ｐを有するとともに、この第一通路２ｐ上に介装された第一逆止弁２ｒを有する。突出部２ｂの上面２ｆは、ロアピストン３２とアッパピストン３３との間に皿ばね４を介装するための皿ばね室６に面した部位である。また、内筒面２ｈはアッパピストン３３の突起部３ｃと摺動する部位であり、第一油室５を形成する壁面の一つである。したがって、第一通路２ｐは、皿ばね室６と第一油室５とを連通状態に接続する冷媒通路として機能する。
【００５０】
第一通路２ｐが内筒面２ｈに開放される位置は、アッパピストン３の上面３ｋが底面２ｋに最も接近したとき（ピストン３１が縮小状態であるとき）に第一通路２ｐがアッパピストン３の外筒面３ｈによって完全に閉塞される位置とすることが好ましく、へこみ部２ｍの底面２ｋに近接する位置であることが好ましい。本実施形態では、図７（ａ）に示すように、縦断面での第一通路２ｐの下面が底面２ｋと同一平面を成すように、第一通路２ｐの内筒面２ｈ側の開口位置が設定されている。
【００５１】
第一逆止弁２ｒは、第一通路２ｐを流れるエンジンオイル８の流動方向を一方向に制限する弁である。ここでは、皿ばね室６側から第一油室５側へのエンジンオイル８の流通が許容されるとともに、第一油室５側から皿ばね室６側への流通が遮断される。なお、第一通路２ｐ及び第一逆止弁２ｒの数は任意である。例えば、エンジンオイル８の流通性，流動性を高めるべく、へこみ部２ｍの中央から外側に向かって放射状に第一通路２ｐを形成し、各々の第一通路２ｐ上に第一逆止弁２ｒを介装してもよい。
【００５２】
一方、アッパピストン３３は、図７（ｂ）に示すように、第一実施形態のアッパピストン３の構造に加えて、空洞部３ｍとヘッド部３ａの裏面３ｆとを連通する第二通路３ｐと、空洞部３ｍ内に介装された第二逆止弁３ｒとを有する。ヘッド部３ａの裏面３ｆは、皿ばね室６に面した部位である。したがって、第二通路３ｐは、空洞部３ｍと皿ばね室６とを連通状態に接続する冷媒通路として機能する。
また、第二逆止弁３ｒは、空洞部３ｍ内を流れるエンジンオイル８の流動方向を一方向に制限する弁である。ここでは、第一油室５側から第二通路３ｐ側へのエンジンオイル８の流通が許容されるとともに、第二通路３ｐ側から第一油室５側への流通が遮断される。
【００５３】
上記のロアピストン３２，アッパピストン３３及び皿ばね４を組み付けた状態を図７（ｃ）に示す。図７（ｃ）中では、ピストン３１の内部構造を示すべく、ピストン１の内部に封入されたエンジンオイル８の表示を省略する。ピストン３１の内部には、第一油室５から空洞部３ｍを通り、第二通路３ｐを通過して皿ばね室６を経由し、さらに第一通路２ｐを通過して再び第一油室５に至るエンジンオイル８の循環通路が形成される。この循環経路の中に適量のエンジンオイル８が封入され、ピストン３１の伸縮動作に応じてエンジンオイル８が経路内を流通する。
【００５４】
［２−２．作用］
上記のロアピストン３２，アッパピストン３３及び皿ばね４を組み付けたピストン３１の動作について、図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
シリンダー内圧が比較的低圧である状態では、図８（ａ）に示すように、皿ばね４がアッパピストン３３の上面に作用する圧力に抗してアッパピストン３３を上方に押圧し、ピストン３１が伸長状態となる。アッパピストン３３の突起部３ｃの上面３ｋはロアピストン３２の底面２ｋから離れており、第一油室５の容積が増大した状態となる。このとき、第一油室５の内部にはエンジンオイル８が貯留されており、第二逆止弁３ｒは閉止状態である。
【００５５】
シリンダー内圧が高圧になると、図８（ｂ）に示すように、皿ばね４が中心軸Ｃ方向に圧縮され、ピストン３１が縮小状態となる。これにより、第一油室５の容積が減少して圧力が増大するため、第二逆止弁３ｒが開放される。したがって、第一油室５内を満たしていたエンジンオイル８が空洞部３ｍの内部で図８（ｂ）中に白抜き矢印で示す方向へと移動し、第二通路３ｐを通過して皿ばね室６に供給される。
【００５６】
また、第一油室５内の圧力上昇に伴い、第一通路２ｐに介装された第一逆止弁２ｒは閉止状態となる。したがって、第一通路２ｐから皿ばね室６への逆流は阻止される。アッパピストン３３の上面３ｋとロアピストン３２の底面２ｋとが接触した状態になると、第一通路２ｐの内筒面２ｈ側の開口が閉鎖されるため、エンジンオイル８が第一通路２ｐ内の第一逆止弁２ｒよりも内筒面２ｈ側に残留した状態となる。
【００５７】
このときエンジンオイル８は、空洞部３ｍを流通する過程でアッパピストン３３から吸熱し、アッパピストン３３を冷却する。また、皿ばね室６の内部に供給されたエンジンオイル８は、アッパピストン３３の裏面３ｆや内筒面３ｄ，外筒面３ｈ，皿ばね４等からも熱を吸収する。
一方、第一逆止弁２ｒが閉止された状態であることから、皿ばね室６に供給されたエンジンオイル８の抜け道が封鎖されることになり、エンジンオイル８は皿ばね室６内に貯留される。なお、アッパピストン３３の内筒面３ｄとロアピストン３２の第二筒面２ｄとの間の隙間７からは、エンジンオイル８がほとんど漏洩しない。
【００５８】
その後、シリンダー内圧が低圧になると、ピストン３１が再び伸長状態となる。このとき、第一油室５の内部が負圧となり、第二逆止弁３ｒが閉止状態となる。また、図８（ａ）に白抜き矢印で示すように、第一通路２ｐを介して皿ばね室６のエンジンオイル８が第一油室５に吸引される。
皿ばね室６からのエンジンオイル８の流入によって第一油室５の油圧が上昇すると、第一逆止弁２ｒが閉止され、皿ばね室６側へのエンジンオイル８の逆流が阻止される。第一油室５に貯留されたエンジンオイル８の熱はロアピストン３２の内筒面２ｈ及び底面２ｋに伝達され、すなわちエンジンオイル８が冷却される。
【００５９】
このように、本ピストン３１では、第一油室５及びこれに連通する空洞部３ｍと皿ばね室６とを第一通路２ｐ及び第二通路３ｐで環状に接続した循環経路が形成される。また、ロアピストン３２及びアッパピストン３３は、この循環経路内でエンジンオイル８を循環させる油圧ポンプとして機能し、ピストン３１の伸縮動作に伴ってエンジンオイル８をピストン３１の内部で循環させる。エンジンオイル８を熱媒体としたアッパピストン３３側からロアピストン３２側への熱交換は、ピストン３１が伸び縮みする度に実施される。すなわち、エンジン１０が高負荷のときには燃焼サイクル毎にピストン３１が冷却されることになる。
【００６０】
［２−３．効果］
（３）上記のピストン３１によれば、エンジンオイル８を循環させることにより、循環経路内での熱的偏りを生じにくくすることができ、ピストン３１の冷却性を向上させることができる。また、第一実施形態のピストン１と比較して、エンジンオイル８の流通方向が常に一定方向となるため、エンジンオイル８の流量を増加させることができ、例えばピストン３１が一回伸縮動作したときにアッパピストン３３から吸収しうる熱量を増大させることができる。したがって、ピストン３１の冷却効率をより高めることができる。
【００６１】
（４）また、上記のピストン３１では、エンジンオイル８の循環経路上に第一逆止弁２ｒが介装されているため、第一油室５から皿ばね室６側への逆流を確実に防止することができる。例えば、ピストン３１の縮小動作の過程での逆流を防止することで、エンジンオイル８を確実に空洞部３ｍ側へと送給することができ、皿ばね室６の内部に供給することができる。また、ピストン３１の伸長動作が停止する間際で第一油室５内の油圧が上昇したときにも逆流が防止されるため、第一油室５内にエンジンオイル８を確実に貯留することができる。したがって、エンジンオイル８を円滑に循環させることが可能となり、ピストン３１の冷却性をさらに向上させることができる。
【００６２】
（５）また、上記のピストン３１では、空洞部３ｍの内部に第二逆止弁３ｒが介装されているため、第一油室５の圧力に応じてエンジンオイル８の流動方向を制御することができ、循環効率を向上させることができる。これにより、ピストン３１の冷却効率を向上させることができる。
【００６３】
［３．第三実施形態］
［３−１．構成］
第三実施形態のピストン４１は、ロアピストン４２，アッパピストン４３及び皿ばね４の三部材を組み付けて形成される。このピストン４１は、アッパピストン４３の内部構造が上述の実施形態のピストン１，３１と相違する。ここでは、第一実施形態で説明された要素に対応する要素や同一の要素に同一符号を付してそれらの説明を省略する。アッパピストン４３の縦断面を図９（ａ）に示す。
【００６４】
アッパピストン４３の内部には、図９（ａ）に示すように、空洞部３ｍから突起部３ｃの外筒面３ｈに向かって穿孔された第二通路３ｓが形成される。第二通路３ｓの外筒面３ｈ側の開口は、アッパピストン４３のヘッド部３ａの裏面３ｆに向かって開放されており、これによりエンジンオイル８が裏面３ｆに対して噴射される。したがって、皿ばね室６の天井面を成す裏面３ｆ全体がエンジンオイル８によって冷却される。なお、第二通路３ｓの具体的な形状や本数は任意である。例えば、裏面３ｆを均一に冷却することを考慮して、図９（ｂ）に示すように、空洞部３ｍの中央から外側に向かって放射状に複数の第二通路３ｓを形成してもよい。
【００６５】
上記のロアピストン４２，アッパピストン４３及び皿ばね４を組み付けた状態を図９（ｃ）に示す。ロアピストン４２は、第二実施形態のロアピストン３２と同一である。ピストン４１の内部には、第一油室５から空洞部３ｍを通り、第二通路３ｓから皿ばね室６に向かって噴射されるエンジンオイル８の流路が形成され、また、皿ばね室６から第一通路２ｐを通過して再び第一油室５に至るエンジンオイル８の循環通路が形成される。この循環経路の中に適量のエンジンオイル８が封入され、ピストン４１の伸縮動作に応じてエンジンオイル８が経路内を流通する。
【００６６】
［３−２．作用］
上記のロアピストン４２，アッパピストン４３及び皿ばね４を組み付けたピストン４１の動作について、図１０（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
シリンダー内圧が比較的低圧である状態では、図１０（ａ）に示すように、皿ばね４がアッパピストン４３の上面に作用する圧力に抗してアッパピストン４３を上方に押圧し、ピストン４１が伸長状態となる。アッパピストン４３の突起部３ｃの上面３ｋはロアピストン４２の底面２ｋから離れており、第一油室５の容積が増大した状態となる。このとき、第一油室５の内部にはエンジンオイル８が貯留されており、第二逆止弁３ｒは閉止状態である。
【００６７】
シリンダー内圧が高圧になると、図１０（ｂ）に示すように、皿ばね４が中心軸Ｃ方向に圧縮され、ピストン４１が縮小状態となる。これにより、第一油室５の容積が減少して圧力が増大するため、第二逆止弁３ｒが開放される。したがって、第一油室５内のエンジンオイル８が空洞部３ｍの内部で図１０（ｂ）中に白抜き矢印で示す方向へと移動し、第二通路３ｓを通って皿ばね室６に噴射される。ここで噴射されたエンジンオイル８は、アッパピストン４３の裏面３ｆの全体に満遍なく供給され、アッパピストン４３を冷却する。また、皿ばね室６の内部に供給されたエンジンオイル８は、アッパピストン４３の内筒面３ｄや外筒面３ｈ，皿ばね４等からも熱を吸収する。
【００６８】
また、第一油室５内の圧力上昇に伴って、第一通路２ｐに介装された第一逆止弁２ｒは閉止状態となる。したがって、第一通路２ｐから皿ばね室６への逆流は阻止される。アッパピストン４３の上面３ｋとロアピストン４２の底面２ｋとが接触した状態になると、第一通路２ｐの内筒面２ｈ側の開口が閉鎖され、エンジンオイル８が第一通路２ｐ内の第一逆止弁２ｒよりも内筒面２ｈ側に残留し、第一逆止弁２ｒが閉止される。これにより、皿ばね室６に供給されたエンジンオイル８の抜け道が封鎖されることになり、エンジンオイル８は皿ばね室６内に貯留される。
【００６９】
その後、シリンダー内圧が低圧になると、ピストン４１が再び伸長状態となる。このとき、第一油室５の内部が負圧となり、第二逆止弁３ｒが閉止状態となる。また、図１０（ａ）に白抜き矢印で示すように、第一通路２ｐを介して皿ばね室６のエンジンオイル８が第一油室５に吸引される。
皿ばね室６からのエンジンオイル８の流入によって第一油室５の油圧が上昇すると、第一逆止弁２ｒが閉止され、皿ばね室６側へのエンジンオイル８の逆流が阻止される。第一油室５に貯留されたエンジンオイル８の熱はロアピストン４２の内筒面２ｈ及び底面２ｋに伝達され、すなわちエンジンオイル８が冷却される。
【００７０】
このように、本ピストン４１では、第一油室５及びこれに連通する空洞部３ｍと皿ばね室６とを第一通路２ｐ及び第二通路３ｓで環状に接続した循環経路が形成される。また、ロアピストン４２及びアッパピストン４３は、この循環経路内でエンジンオイル８を循環させる油圧ポンプとして機能し、ピストン４１の伸縮動作に伴ってエンジンオイル８をピストン４１の内部で循環させる。この循環の過程で、エンジンオイル８がアッパピストン４３の裏面３ｆに対して噴射されるため、皿ばね室６へのエンジンオイル８の貯留量が十分でない場合であっても、効率的にアッパピストン４３が冷却されることになる。
【００７１】
また、エンジンオイル８を熱媒体としたアッパピストン４３側からロアピストン４２側への熱交換は、ピストン４１が伸び縮みする度に実施される。すなわち、エンジン１０が高負荷のときには燃焼サイクル毎にピストン４１が冷却される。
【００７２】
［３−３．効果］
（６）上記のピストン４１によれば、エンジンオイル８を循環させることにより、循環経路内での熱的偏りを生じにくくすることができ、ピストン３１の冷却性を向上させることができる。また、第二実施形態のピストン３１と比較して、エンジンオイル８がアッパピストン４３の裏面３ｆに対して噴射されるため、アッパピストン４３からの吸熱量を増加させることができ、ピストン４１の冷却効率をより高めることができる。
【００７３】
［４．変形例］
上記のピストン１，３１，４１の変形例は多種多様に考えられる。
（１）例えば第一実施形態では、ロアピストン２及びアッパピストン３を組み付けて形成されるピストン１を例示したが、ピストン１を構成する部材はこれに限定されず、三つ以上の部材に分割されたものを組み付けて形成されるものとしてもよい。少なくとも、二つの部材間に付勢部材を介装することで燃焼室１６の容積を可変としたピストン１であれば、開示の構造を適用することが可能である。例えば、スカート部がアッパピストン３に形成され、ロアピストン２がアッパピストンの内側に嵌合する構造としてもよい。
【００７４】
（２）また、ピストン１を冷却するための冷媒はエンジンオイル８に限定されない。なお、開示の構造によれば、エンジンオイル８をピストン１の外部に流出させる必要がなく、また外部から補充する必要がない。特に、第二実施形態及び第三実施形態に係るピストン３１，４１では、ロアピストン３２，４２の第二筒面２ｄとアッパピストン３３，４３の内筒面３ｄとの間の隙間７は不要である。したがって、冷却性の高い流体をエンジンオイル８の代わりに用いることが可能である。
【００７５】
（３）また、開示のピストン１の適用対象となるエンジン１０の燃焼方式や燃料の種類等は任意である。例えば、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンに適用してもよい。車両や船舶，航空機，産業用機械といった様々な機械に搭載される内燃機関のピストンに利用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  ピストン
２  ロアピストン
２ｍ  へこみ部（凹部）
２ｐ  第一通路
２ｒ  第一逆止弁
３  アッパピストン
３ｃ  突起部（凸部）
３ｍ  空洞部（第二流体室）
３ｐ  第二通路
３ｒ  第二逆止弁
３ｓ  第二通路
４  皿ばね
５  第一油室（第一流体室）
６  皿ばね室（付勢室）
【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】
2013083220.tif 000009
【図８】
2013083220.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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