(57)【要約】【課題】簡易な噴射調整ノズルの冷却機構でピストンの適切な冷却を図り、同時に過剰なオイル噴射を防止することで、安定したピストンの温度制御を実現する。【解決手段】内燃機関のピストン冷却機構は、往復運動するピストン３と、ピストン３の裏面に設けた突起部３１と、ピストン３の運動に伴う突起部３１の運動経路に向けてオイルを噴射するオイルジェット装置９とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動するピストンと、前記ピストンの裏面に設けた突起部と、前記ピストンの運動に伴う前記突起部の運動経路に向けてオイルを噴射するオイルジェット装置とを備える内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項２】
前記オイルジェット装置は噴射調整ノズルをその先端に有し、該噴射調整ノズルは前記オイルが流れる流路を有し、前記流路は少なくとも一部が温度によって口径が変化する調整機構を有する、請求項１に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項３】
前記ピストンは、前記突起部の周囲に凹凸形状のオイル保持部を有する、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項４】
前記突起部は、前記噴射調整ノズル側の端部に、噴射されたオイルを反射する反射面を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項５】
前記突起部は、前記噴射調整ノズル側の端部から前記ピストンとの接合部に向かって、側面部が傾斜をもって広がっている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項６】
前記突起部は、先端部の面積が前記ピストンとの接続面の面積よりも小さい円錐台形状である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項７】
前記噴射調整ノズルは、内部に前記オイルが流れる流路を有し、該流路の少なくとも一部から噴射部に向かう前記流路の広さが次第に広がっている、請求項２に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項８】
前記噴射調整ノズルは、前記流路のうち少なくとも一部の外郭側と内郭側に異なる熱膨張率の部材を有することにより、前記オイルの温度の変化に応じて前記流路の少なくとも一部の広さが変化する流路調整機構を有する、請求項７に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【請求項９】
前記噴射調整ノズルは、前記オイルの一部が前記流路から前記噴射ノズルの外周部へ流出可能となる導出経路を、前記流路の前記調整機構よりも上流側に有する、請求項７又は８に記載の内燃機関のピストン冷却機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オイルジェット機構を用いた内燃機関におけるピストンの冷却機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に内燃機関は、シリンダー内で燃料が繰り返し爆発し、その力によってこのシリンダー内部に設けたピストンが往復運動し、動力を生み出している。そして、シリンダー内には、ピストンの内部に向けてオイルを噴射する噴射ノズルを設ける場合がある。このオイルの噴射によって摩擦を減らし、ピストンの冷却を促進し、焼き付き等の故障を予防している。
【０００３】
一方で、内燃機関の始動時には、ピストンを迅速に適切な温度まで暖機する必要があり、オイルの噴射がこれを阻害してしまう場合もある。ところが多くの場合、ピストンを冷却したい場合と加温したい場合のいずれであっても、噴射するオイルの量はほぼ一定である。
【０００４】
また、下記の特許文献１で示すように、電子制御によって、ピストンの温度に応じてオイルの噴射量を変更する技術が知られている。この場合、温度センサーや電子制御装置などが必要となり、構造が比較的複雑になる。
【０００５】
さらに、下記の特許文献２で示すように、オイル噴射ノズルよりも手前の流路に可変量式オイルポンプを設ける技術が知られているが、この可変量式オイルポンプも構造が比較的複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５５２３０８２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３７３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、簡易なオイル噴射機構を有する冷却機構によりピストンの適切な冷却を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる内燃機関のピストン冷却機構は、往復運動するピストンと、前記ピストンの裏面に設けた突起部と、前記ピストンの運動に伴う前記突起部の運動経路に向けてオイルを噴射するオイルジェット装置とを備えている。
【０００９】
また、前記オイルジェット装置は噴射調整ノズルをその先端に有し、該噴射調整ノズルは前記オイルが流れる流路を有し、前記流路は少なくとも一部が温度によって口径が変化する調整機構を有していてもよい。
【００１０】
また、本発明の一態様としては、前記ピストンは、前記突起部の周囲に凹凸形状のオイル保持部を有していてもよい。
【００１１】
また、本発明の一態様としては、前記突起部は、前記噴射調整ノズル側の端部に、噴射されたオイルを反射する反射面を有していてもよい。
【００１２】
また、本発明の一態様としては、前記突起部は、前記噴射調整ノズル側の端部から前記ピストンとの接合部に向かって、側面部が傾斜をもって広がっていていてもよい。
【００１３】
また、本発明の一態様としては、前記突起部は、先端部の面積が前記ピストンとの接続面の面積よりも小さい円錐台形状であってもよい。
【００１４】
また、本発明の一態様としては、前記噴射調整ノズルは、内部に前記オイルが流れる流路を有し、該流路の少なくとも一部から噴射部に向かう前記流路の広さが次第に広がっていてもよい。
【００１５】
また、本発明の一態様としては、前記噴射調整ノズルは、前記流路のうち少なくとも一部の外郭側と内郭側に異なる熱膨張率の部材を有することにより、前記オイルの温度の変化に応じて前記流路の少なくとも一部の広さが変化する流路調整機構を有してもよい。
【００１６】
また、本発明の一態様としては、前記噴射調整ノズルは、前記オイルの一部が前記流路から前記噴射ノズルの外周部へ流出可能となる導出経路を、前記流路の前記調整機構よりも上流側に有してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の内燃機関のピストンの冷却機構によれば、ピストンの適切な冷却を実現し、更に始動時などのピストンの温度が低い状態では過剰なオイル噴射を防止することで、安定したピストンの温度制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態における、内燃機関用シリンダーブロックを側面方向から見た断面図である。
【図２】第１の実施形態における、オイルジェット装置及び噴射調整ノズルを側面方向から見た断面図である。
【図３】第１の実施形態において、オイル温度が低い状態の、図２のＡ‐Ａ断面における上面図である。
【図４】第１の実施形態において、オイル温度が高い状態の、図２のＡ‐Ａ断面における上面図である。
【図５】第１の実施形態における、図２のＢ‐Ｂ断面における上面図である。
【図６】第１の実施形態における、内燃機関の運転状況とピストン冷却機構の動作状況を示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいてこの発明の実施形態を詳細かつ具体的に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
【００２１】
まず図１は、本発明の第１の実施形態を示すものである。図１に示すように、シリンダーブロック１は、その内部にピストン３を、シリンダーブロック１の内壁面に沿って図の上下方向に往復運動可能に備えている。ピストン３はその上部の裏面に突起部３１とオイル保持面３３を備えており、さらにその下側にピンボス３５を備えている。ピストン３にはコネクティングロッド２が接続されている。このコネクティングロッド２はその上部にあるスモールエンド２１がピンボス３５に通したピストンピン１２に回転可能に接続されており、下部にあるビッグエンド２３がクランクシャフト４４と回転可能に接続されている。ピストンピン１２は、コネクティングロッド２と直線運動するピストン３との間の摩擦によるモーメントの発生を低減する。これらの部品を備える内燃機関の運転時には、シリンダーブロック１の内部のピストン３の上側で繰り返し起きる爆発によってピストン３が図の上下方向に往復運動する。これにより、コネクティングロッド２の一端のスモールエンド２１が通っているピンボス３５が上下に動いて、コネクティングロッド２の他端に設けられたビッグエンド２３がクランクシャフト回転軌道４１に沿って回転し、クランクシャフト４４が回転する。
【００２２】
シリンダーブロック１はその内部にオイルジェット装置９を有する。オイルジェット装置９はシリンダーブロック１に固定されているオイルジェット装置９の先端に、オイルをピストン３に噴射するための噴射調整ノズル５を設ける。この噴射調整ノズル５は、エンジンの運転状況に応じて噴射量と噴射範囲を調整できるものである。オイルジェット装置９についての詳細は後述する。このオイルジェット装置９及び噴射調整ノズル５は、オイルをピストン３の裏面に向けて、より具体的には、突起部３１に向けて、あるいは突起部３１の運動経路に向けて噴射する。また、このピストン３は、オイルの到達点に突起部３１を設けており、その周囲にはオイル保持面３３を設けている。噴射調整ノズル５の位置は、例えば、ピストン３の往復運動に伴う突起部３１の延長線上に置くことができ、また、その延長線から多少外れた位置に置くこともできる。ここで、噴射されるオイルは、ピストン３を冷却するとともにシリンダーブロック１の内部にあるピストン３を含む各部品の潤滑剤としても作用する。一方、シリンダーブロック１は、ピストン３の外周部に冷却水を満たすためのウォータージャケット１１を設けており、そこに満たされた冷却水がピストン３及びシリンダーブロック１の熱を奪う。
【００２３】
図１に示すように、シリンダーブロック１内の底部には、シリンダーブロック１内に供給されたオイルを収集するオイルパン１０が設置されている。オイルジェット装置９により噴射されたオイルは、ピストン３などに供給されたのち、このオイルパン１０によって収集され、図示しないオイルギャラリーと呼ばれる流路を通り、同じく図示しないオイルポンプによって再度オイルジェット装置９に供給される。このオイルギャラリーの途中には、図示しない吐出弁が設けてあり、オイルの圧力があらかじめ設定された値を超えると、オイルジェット装置からオイルが噴射される構造になっている。また、オイルポンプは、内燃機関の回転数に応じて、オイルを搬送する圧力が変わる構造となっている、つまり、オイルポンプは内燃機関の回転数が高くなるとオイルの搬送圧力を上昇し、回転数が低くなると搬送圧力を低下する機能を持つ。
【００２４】
図１に示すように、突起部３１はコネクティングロッド２と衝突しないよう、ピストン３の中心を避けて中心と外壁の間に設けている。この突起部３１は角柱や円柱または円錐台の形状であってもよいが、好ましくは円錐形状をしており、ピストン３への接合部である上部が下部より直径が大きくなっている。また、この突起部３１の設置方向は、オイルジェット装置９の噴射調整ノズル５を指す方向が好ましく、ピストン３の運動方向とおおむね平行の下向きとなっていることが好ましいが、若干のずれは許容される。さらにこの突起部３１の長さは、ピストン３の裏面からスモールエンド２１の下端よりも短いことが望ましく、また、ピストン３の裏面からスモールエンド２１の上端までの距離よりも長いことが望ましい。突起部３１が、スモールエンド２１の下端までの距離よりも長い場合、ピストン３へコネクティングロッド２やピストンピン１２等を組み付ける際の障害となる。また、突起部３１がスモールエンド２１の上端よりも短い場合、突起部３１の熱容量が小さくなってしまう。
【００２５】
図１に示すように、オイル保持面３３は、突起部３１を取り囲むように設けている。このオイル保持面３３の設置範囲は、ピストン３の背面または裏面の全体の面積に対し、５０％未満であることが望ましい。これにより、オイル保持面３３で保持するオイルの量が適量となり、低中負荷運転時の過剰な冷却を防ぐことができる。本実施形態においてピストン３は直径約８３ｍｍのアルミ合金鋳物であるＡＣ８Ａで作成されており、突起部３１は、ピンボス３５とピストン３の外周の間の、中央よりもやや外周よりに位置している。また、オイル保持面３３は、突起部３１の周囲にあって、オイルを保持できるような凹凸を有する表面形状になっている。より具体的には、このオイル保持面３３は、ピンボス３５と突起部３１を結ぶ方向と平行に、例えば、約３０ｍｍ、垂直方向に約１０ｍｍの範囲で、突起部３１の周囲を囲うように配置してある。また、オイル保持面３３は、例えば、縦１ｍｍ、横１ｍｍ、高さ１ｍｍ程度の角柱または丸みをおびた円柱の形状の小突起または窪みを、小突起間または窪み間の間隔を約１ｍｍずつ空けて並べた形状とすることができるが、凹凸形状の大きさや数は特に限定されるものではない。このような形状により、オイル保持面３３とオイルが接する表面積が大きくなり、また、この小突起の間または窪み内で発生する表面張力によって粘度が低下したオイルであっても、効果的に熱伝達に必要な時間にわたってオイル保持面３３上に保持することができる。このため、ピストン３の冷却がより効果的に行われる。この突起部３１及びオイル保持面３３を設けたピストン３の作成方法としては様々な方法が考えられるが、その一例として突起部３１を鋳造工程で作成し、オイル保持面３３は鋳造工程後の機械加工工程で放電加工により作成するといった方法がある。
【００２６】
図２に示すように、噴射調整ノズル５は、その内周壁面に設けたネジ部５３とオイルジェット装置９先端の外周壁面に設けたネジ部９１の締結によって、オイルジェット装置９に固定されている。また、噴射調整ノズル５はボルト８によって、固定台７と噴射内径調整材６とをオイルジェット装置９と噴射調整ノズル５との間に備えている。噴射調整ノズル５のオイルの流路の内径ｄ２は、オイルジェット装置９の先端との接点では直径約１ｍｍであり、噴射調整ノズル５の先端の内径ｄ１へ向かうにつれてその内壁面５１は傾斜をもって徐々に広がっている。つまり、ｄ１＞ｄ２の関係となっている。
【００２７】
オイルジェット装置９によって供給されるオイルは、温度が低くなるほど粘度が上昇し、逆に温度が高くなるほど低下する。したがって、オイルジェット装置９から温度が低い状態で噴射されたオイルは、噴射内径調整材６の内径ｄ２の範囲で直線的に噴射される。一方、温度が高い状態で噴出したオイルは内径ｄ４よりも広い範囲に拡散する。ここで、前述したとおり、オイルジェット装置９の先端には噴射調整ノズル５が備わっているため噴射されたオイルはその内壁面５１によって噴射範囲が補正され、オイル保持面３３の設置範囲に拡散されて噴射される。例えば後述する図６において、領域２や領域３の状態ではピストン３の冷却を抑制することが望ましいが、その場合にはオイルは低温で高粘度状態にあるので、拡散せずに噴射される。したがって、噴射されたオイルは、オイルジェット装置９もしくはその流路に設けた噴射内径調整材６の内径ｄ２の範囲のまま拡散せずに、そのほとんどが突起部３１の下端に集中して到達する。このため、噴射されたオイルの多くは、ピストン３の裏面にまで到達せずに落下する。一方で、オイルが高温で低粘度状態の場合、オイルジェット装置９から噴射されたオイルは噴射調整ノズル５の内壁面５１に沿って拡散して噴射され、突起部３１及びその周囲に設けたオイル保持面３３にまで幅広く拡散して到達する。このため、オイルが効率よくピストン３の熱を奪い、冷却効果が高まる。
【００２８】
図３及び図４は、図２のＡ−Ａ断面における断面図である。図３は、温度が低い状態であり、図４は温度が高い状態での断面図を示している。オイルジェット装置９に固定された噴射内径調整材６の形状は、図３及び図４で示すように中心に孔があり、径方向に開放部６２を設けた円環に近い扇形とすることができる。図３で示すように、温度の低い状態では、噴射内径調整材６の中心部に設けた孔の内径ｄ２は、オイルジェット装置９の先端部の内径ｄ４よりも小さくなっている。
【００２９】
この噴射内径調整材６は、内周部６ａの材料を外周部６ｂの材料よりも熱膨張率の高い材質で形成している。そのため、温度が高くなると内周部６ａの材料がより膨張し、外周方向に向かう応力が生じるが、外周部６ｂでは膨張せずに形状を維持しようとする方向に応力が生じる。この結果、図４に示すように、この噴射内径調整材６の温度が高い時には、温度が低い時と比較して内径ｄ２が大きくなる。つまり、開放部６２が広がる。なお、この状態での内径ｄ２の大きさは、オイルジェット装置９の先端部の内径ｄ４とほぼ同じ大きさとなることが望ましい。
【００３０】
なお、この噴射内径調整材６の形状は、前述したものに限らない。例えば、径方向に設けた開放部６２の数を複数にし、同一平面上に扇形の噴射内径調整材６を複数個並べたような形状とすることで、円筒形状を形成することもできる。また、径方向に設けた開放部６２の幅は、噴射内径調整材６が噴射調整ノズル５の流路の断面積を調整しうる範囲で可変である。例えば、開放部６２の幅が広く、噴射内径調整材６の形状がほぼ半円形状となっても、温度変化による流路の断面積が可変であれば良い。また、噴射内径調整材６の温度が低くなった際に、開放部６２が完全に閉じる形状であっても良い。
【００３１】
噴射内径調整材６は、外周と内周のほぼ中間の位置に長円形状のボルト用通し孔６１を有していてもよく、例えばここにボルト８が若干の遊びをもって挿通することで、噴射調整ノズル５に固定することができる。このボルト用通し孔６１は、二箇所に設けることにより、噴射内径調整材６の膨張前後で孔の中心位置がずれにくくなり、オイルを安定して流すことが可能となる。本実施形態においては、二箇所に設けているが、二箇所以上で固定することも、一箇所で固定することも可能である。またこのボルト用通し孔６１は、噴射内径調整材６が変形する方向に向かう長穴とすることで、噴射内径調整材６の変形を阻害しないようにできる。さらに、この長穴の内側の端部を、噴射内径調整材６が冷えて膨張していない時のボルト８の位置に相当する箇所に設け、外側の端部を噴射内径調整材６が温まって膨張した時のボルト８の位置に相当する箇所に設けることで、噴射内径調整材６の中心位置がずれにくくなる。
【００３２】
噴射内径調整材６の製造方法としては様々な方法が採用できる。その一例として、例えば内周部６ａの部材と、外周部６ｂの部材を別々に作り、その後にこれらを接着する方法などがある。このとき、内周部６ａとなる熱膨張率が低い部材は、例えば、銅と亜鉛とを主成分とする合金や、マンガンと銅とニッケルとを主成分とする合金などの、高膨張率の金属を用いて作ることができる。一方で、外周部６ｂとなる熱膨張率が低い部材には、例えば、インバーと呼ばれる鉄とニッケルとを主成分とした低膨張率の合金などを用いて作ることができる。
【００３３】
これらの方法で製造した噴射内径調整材６を内部に有することにより、温度が低い時には内径ｄ２から比較的少量のオイルを噴射し、温度が高い時には広がった内径ｄ２から比較的多量のオイルを噴射するオイルジェット装置９を提供することができる。
【００３４】
図５は図２のＢ−Ｂ断面における断面図である。図２で示すように、噴射調整ノズル５は、オイルジェット装置９の先端の上側に、噴射内径調整材６を固定するための固定台７を備えている。図５で示すように、固定台７は中心部に孔を設けた円形状をしており、この孔の内径ｄ３は、オイルジェット装置９の内径ｄ４とほぼ同じ大きさであることが望ましい。またこの図５で示すように、固定台７は噴射内径調整材６にボルト用通し孔７５に通されたボルト８によって固定することができる。なお、図２で示すように、ボルト８の頭部は締結時に、固定台７の図２における下側に設けたボルト頭スペース７７に収まることが好ましいこれにより、固定台７とオイルジェット装置９の密着を阻害しない構造となる。また、ボルト８は、噴射内径調整材６と噴射調整ノズル５と固定台７とを若干の遊びをもって締め付けていることが好ましい。このような遊びを持った締結により、部品間で生じる摩擦が低減され、噴射内径調整材６の膨張や縮小が妨げられない。
【００３５】
図３〜図５に示すように固定台７及び噴射内径調整材６の外周には、噴射調整ノズル５との間に若干の隙間があることが好ましい。噴射内径調整材６の内径ｄ２が広がると、その外径もこれに伴って広がることになる。このとき、この隙間があることで、噴射内径調整材６が噴射調整ノズル５の内側の壁面に接触して変形が制限されるのを防ぐことができる。また、図５に示すように、固定台７には、中心部から外周へ向けて、オイルキャッチ溝７１と、オイル導出経路７３とを設けることができる。本実施形態においては、オイルキャッチ溝７１を、固定台７の上端面に、内周から外周に向かって略中央部付近まで、放射線状に４５°の間隔で８か所設けている。またこのオイルキャッチ溝７１の終点部から、固定台７の外周部まで、オイルキャッチ溝７１よりも細い溝であるオイル導出経路７３を設置している。
【００３６】
これらの構成により、固定台７の内周を流れるオイルは、その一部がオイルキャッチ溝７１に流れ込み、さらにその一部がオイル導出経路７３に流れ、固定台７と噴射調整ノズル５との間の隙間へと流れ込む。ただし、このような溝や経路の設置本数や形状、設置方向、間隔などは一例であり本実施形態に限らない。例えば、オイルキャッチ溝７１やオイル導出経路７３は螺旋状や、曲線状に設けても良いし、一箇所のオイルキャッチ溝７１に複数のオイル導出経路７３を設けるといったことも出来る。また、オイルキャッチ溝７１などの溝幅は外部に向かって徐々に小さくなることや大きくなることもできるし、途中で二股に枝分かれしてもよい。
【００３７】
図５に示す通り、噴射調整ノズル５には、オイル導出経路７３の延長線上にオイル導出溝５５が設けてある。このオイル導出溝５５によって噴射内径調整材６の外周と噴射調整ノズル５の内周の間の隙間に溜まったオイルは、さらに噴射調整ノズル５の外部へと流れることができる。なお、このオイル導出溝５５も、オイルキャッチ溝７１やオイル導出経路７３と同様に、その設置本数や形状、設置方向、間隔などは可変であり、本実施形態の形態に限らない。例えば、本実施形態においては、オイル導出経路７３と同じ太さの溝を、その延長線上に設けているが、必ずしもこのような位置に設ける必要はなく、オイル導出経路７３の延長線上を避けて設置しても良いし、その溝の太さや方向が異なっていても良い。
【００３８】
前述したこれらの構成により、シリンダーブロック１内の温度が低い場合には、噴射内径調整材６の内径ｄ２がオイルジェット装置９の内径ｄ４よりも小さくなり、この噴射内径調整材６の手前でオイルの圧力が高くなる。そしてオイルが、オイルキャッチ溝７１、オイル導出経路７３、オイル導出溝５５を通って噴射調整ノズル５の外部へと流出する。これにより、圧力の高まったオイルがオイルジェット装置９やオイルポンプに与える負荷が小さくなる。また一方で、シリンダーブロック１内の温度が高い場合には噴射内径調整材６の内径ｄ２が広がることで、この噴射内径調整材６の手前のオイルの圧力が上昇しにくくなる。前述した通り、このときの噴射内径調整材６の内径ｄ２がオイルジェット装置９の先端部の内径ｄ４とほぼ同等となると、流路内での圧力変化が起きにくくなるので好ましい。また、オイルの流出時の流れる方向に発生する慣性力も作用し、オイルのほとんどがオイルジェット装置９の噴射口へと流出する。したがって、温度が高い場合には、噴射調整ノズル５から噴出するオイルの流量は、オイルキャッチ溝７１などの有無によってはほとんど影響を受けず、噴射調整ノズル５の手前で圧力が過剰に高まるようなことは起きにくい。
【００３９】
ここで、上述したオイルジェット装置９の動作条件の一例について説明する。なお、ここで述べるものは一例であって、オイルジェット装置９の動作条件はこれに限るものではない。
【００４０】
図６は、本発明にかかるピストン冷却機構の動作状況を示した概念図である。図６の縦軸は、前述した図示しない吐出弁におけるオイル圧力を示し、横軸にはオイルの温度を示している。オイルジェット装置９は、この吐出弁におけるオイルの圧力が、あらかじめ設定した圧力を超えた時に、オイルをピストン３へ噴射して冷却する。また、オイルの圧力は、例えばオイルの温度が下がると粘度が上昇して高くなり、温度が下がると粘度が低下して低くなる。一方、前述したとおり、エンジンの回転数が上がると、図示しないオイルポンプによってオイルの圧力が高くなる。これらの作用によって、吐出弁におけるオイルの圧力が決まる。
【００４１】
次に、図６によって、内燃機関の運転状態を説明する。内燃機関には、始動直後で回転数が上昇する前の始動運転状態である領域１と、内燃機関自体の温度が上昇するために負荷をかけずに低速で空回りする暖機（アイドリング）運転状態の領域２と、内燃機関の暖機を完了しないまま冷機状態で通常運転をする領域３と、暖機が完了して低〜中負荷で運転をする状態の領域４と、暖機完了後に高負荷で運転する状態の領域５というように分類できるいくつかの状態が存在する。以下において、各領域での内燃機関の運転状態と、その際のオイルジェット装置９の動作状態を説明する。
【００４２】
図６において、領域１は、内燃機関が始動する際の状態を表している。ここでは、ピストン３の温度を早期に上昇させる必要があり、オイルジェット装置９は作動しないことが望まれる。この領域ではオイルの温度が低く粘度が高いが、回転数が上昇前であるため、結果としてオイル圧力は設定値よりも低くなり、オイルジェット装置９はオイルを噴射しない。そのため、オイルがピストン３の温度上昇を阻害することがない。
【００４３】
図６において、領域２は、内燃機関が負荷をかけずに低速で空回りして暖機（アイドリング）を行う状態を示している。ここでも、領域１と同様に、ピストン３の温度を早期に上昇させる必要があり、オイルジェット装置９は作動しないことが望ましい。しかし、この領域ではオイルの温度が低いので粘度が高く、更に内燃機関の回転数が領域１よりも上昇し、オイルの圧力が設定値を超える。したがって、オイルジェット装置９はオイルを噴射し、ピストン３の温度の上昇を阻害してしまう。
【００４４】
図６において、領域３は、内燃機関が暖機を完了していない冷機状態のまま通常運転を行った状態を示している。ここでも、領域１及び領域２と同様に、ピストン３の温度が早期に上昇し、暖機状態となることが必要であり、オイルジェット装置９は作動しないことが望ましい。しかし、この領域ではオイルの温度が低いので粘度は高く、更に内燃機関の回転数が領域１や場合によっては領域２よりも上昇し、オイルの圧力が設定値を超えるため、オイルジェット装置９はオイルを噴射し、ピストン３の温度上昇を阻害する。
【００４５】
図６において、領域４は、内燃機関が暖機を完了した後に、低中負荷で運転を行った状態を示している。ここでは、ピストン３の温度は十分に上昇し、内燃機関の運転状態が比較的安定しているため、特に冷却の必要がない。この領域ではオイルの温度が高いので粘度は低くなる。そして内燃機関の回転数は低いためポンプの搬送圧力が低く、吐出弁におけるオイル圧が設定値以下となることでオイルジェット装置９は作動しない。したがって、ピストン３は安定した温度を保っている。
【００４６】
図６において、領域５は、内燃機関が暖機を完了し、高負荷で運転した状態を示している。ここでは、ピストン３の温度が過度に高まり、ピストン３が受ける熱負荷の低減や、燃焼の安定化によるノッキングの抑制などの目的で、オイルジェット装置９の作動によりピストン３の温度を冷却することが望まれる。この領域ではオイルの温度が高いので粘度は低くなるが、内燃機関の回転数が高いためポンプの搬送圧力が高まる。そのため、吐出弁におけるオイル圧が設定値以上となることでオイルジェット装置９が作動する。したがって、オイルジェット装置９は、ピストン３の温度を効果的に冷却する。
［実験例］
【００４７】
本発明の実験例と比較例の結果を表１及び表２を用いて示す。表１は、４サイクルの単気筒ガソリンエンジンを用いて、冷機状態から暖機状態に至るまでの所要時間と単位時間あたりの平均燃料消費量を比較した表である。この表１によって、エンジン暖機時の本発明によるピストン３の冷却効果の検証結果を示す。なお、暖機完了の判断条件は、エンジンの回転数が１５００ｒｐｍ、吸気圧が４０ｋＰａ、オイルギャラリー内のオイル温度が８０℃に達することとした。冷機状態の温度条件は、ウォータージャケット１１の冷却水温度が２０℃、オイルギャラリー内のオイル温度を２０℃とした。シリンダーブロック１内への吸気温度は２５℃とし、エンジン始動後も一定とした。また、オイルジェット装置９の出口部の内径ｄ１は直径１ｍｍであり、噴射調整ノズル５の冷機状態の内径ｄ１は直径０．５ｍｍとなっている。この結果表１に示すように、従来の構成では暖機までの所要時間が１５００秒かかっていたのに対し、実験例１の構成では１２００秒と、２０％短縮することができた。また実験例１の構成では単位時間当たりの平均燃費消費量比も２％向上しており、暖機完了までに要する燃費も従来比で２２％改善するという結果が見られた。なお、実験例１の構成と従来の構成とでは、ピストン３に設けた本発明固有の形状とそれに対応して設けた本発明の噴射調整ノズル５の有無以外には、共通の部品を使用した。
【００４８】
【表１】
2016056744.tif 000003
【００４９】
次に、表２は、表１における検証と同様に、４サイクルの単気筒ガソリンエンジンを用い、高負荷運転時におけるピストン３の温度上昇の状況を検証した結果の表である。この表２によって、高負荷運転時においての本発明によるピストン３の冷却効果の検証結果を示す。この実験においては、実験例１の構成と、実験例１の構成から突起部３１及びオイル保持面３３のみを除去した実験例２の構成と、実験例１の構成から噴射調整ノズル５のみを除去した実験例３の構成とにおいて、ピストン３の温度上昇の状況を比較した。ピストン３の温度は、ピンボス３５の上部表層の深さ０．５ｍｍに固定した熱電対で測定した。ウォータージャケット１１内の冷却水温度を９０±２℃の範囲とし、吸気温度を２５℃とした。これらの条件下で、ピストン３の温度を１０秒間計測し、その平均値を表２の「ピストン温度」の結果として示した。この結果、表２に示されるように、実験例１の構成では、突起部３１とオイル保持面３３を備えない実験例２の構成と比較し、２℃温度が低くなり、また、噴射調整ノズル５を備えない実験例３の構成と比較して２５℃低くなった。したがって、実験例１の構成による冷却能力が実験例２及び実験例３の構成よりも高いという結果が見られた。なお、実験例１の構成と、実験例２及び実験例３の構成とでは、表２に示したピストン３に設けた本発明固有の形状有無とそれに対応して設けた本発明の噴射調整ノズル５の有無以外には、共通の部品を使用した。
【００５０】
【表２】
2016056744.tif 000004
【００５１】
［その他の態様］
前述した実施形態の説明は、本発明にかかるピストン冷却機構を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は前記した実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００５２】
例えば、実験例１の検証は、ガソリンエンジンを用いて行ったが、ディーゼルエンジンなど、シリンダーブロック１内を往復運動するピストン３を有する他の内燃機関にも適用可能である。
【００５３】
他にも、噴射調整ノズル５の材質は、２種類以上の熱伝導率の異なる金属（バイメタル材）のみに限定されず、単一の材料でも同様の効果が得られれば特に限定しない。また、金属以外の、例えば耐熱性を持つ樹脂材やセラミックス材などを用いることもできる。
【００５４】
さらに、ピストン３背面に配した突起部３１については、その材質や製法は前述したものに限らず、例えば実験例１に使用したピストン３の材質であるアルミナ合金鋳物よりも熱伝導率の低い、アルミナなどのセラミックス材で別に作成し、ピストン３を作成した後で接合しても良い。この場合は、熱伝導率の低い等アルミナ等を用いることで、内燃機関の冷機時における低温のオイルを突起部３１で受ける際に、オイルがピストン３から奪う熱量を減少することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１      シリンダーブロック
２      コネクティングロッド
３      ピストン
５      噴射調整ノズル
６      噴射内径調整材
６ａ    内周部
６ｂ    外周部
７      固定台
８      ボルト
９      オイルジェット装置
１０    オイルパン
１１    ウォータージャケット
１２    ピストンピン
２１    スモールエンド
２３    ビッグエンド
３１    突起部
３３    オイル保持面
３５    ピンボス
４１    クランクシャフト回転軌道
４４    クランクシャフト
５１    内壁面
５３    ネジ部
５５    オイル導出溝
６１    ボルト用通し孔
６２    開放部
７１    オイルキャッチ溝
７３    オイル導出経路
７５    ボルト用通し孔
７７    ボルト頭スペース
９１    ネジ部
ｄ１    内径
ｄ２    内径
ｄ３    内径
ｄ４    内径
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016056744.tif 000007
【図４】
2016056744.tif 000008
【図５】
2016056744.tif 000009
【図６】
2016056744.tif 000010