(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂部に燃焼室をなすキャビティを凹設し、該キャビティに径方向内側に突出するリップを設け、上記キャビティの下方にピストンピンを挿入するためのピストンピン穴及びピストンピンボスを各々設け、それらピストンピン穴及びピストンピンボスの上方、かつ上記キャビティの径方向外側のピストン内部にその周方向に沿ってオイル等の冷却媒体が導入されるリング状のクーリングチャンネルを設けたピストンの冷却構造において、
上記クーリングチャンネルを、上記ピストンピンボスの直上に位置する前Ｆ部および後Ｒ部と、それら前Ｆ部および後Ｒ部を繋ぐ他の箇所とで、高さ位置が異なるように設定し、
上記他の箇所を上記ピストンの側面に形成されたトップリング溝と略等しい高さ位置に形成し、かつ上記前Ｆ部および後Ｒ部を上記他の箇所よりも高さ位置を下げて形成して上記前Ｆ部および後Ｒ部における頂壁を上記他の箇所よりも上記キャビティの上記リップから離したことを特徴とするピストンの冷却構造。
【請求項２】
上記クーリングチャンネルを下方に屈曲させることにより上記クーリングチャンネルの高さ位置を下げるようにした請求項１記載のピストンの冷却構造。
【請求項３】
上記クーリングチャンネルの頂壁の高さ位置を下げることにより上記クーリングチャンネルの高さ位置を下げるようにした請求項１記載のピストンの冷却構造。
【請求項４】
上記ピストンの側面における上記トップリング溝の下方にセカンドリング溝が形成されると共に、そのセカンドリング溝の下方にオイルリング溝が形成され、 上記前Ｆ部および後Ｒ部が、上記セカンドリング溝と同じ高さに形成された請求項１から３いずれかに記載のピストンの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピストンの冷却構造に係り、特に、熱負荷の高いディーゼルエンジン等に適用されるピストンの冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの分野では、年々厳しくなる排ガス規制や高出力化に対応するため、エンジンの筒内圧が益々増加傾向にある。このためピストンの強度アップが急務となっている。
【０００３】
図３にディーゼルエンジンのピストンを示す。ピストン１には、その頂部に燃焼室の一部をなすキャビティ２が設けられ、ピストンピン（図示せず）を挿入するためのピストンピン穴３及びピストンピンボス４と、複数のピストンリング溝５とが設けられる。そしてピストン内部にはオイル冷却を行うためのクーリングチャンネル６が設けられる。クーリングチャンネル６は、ピストン全周に亘って一定高さ位置に設けられ、ピストン１に貫通形成されたオイル導入口１０よりオイルジェットノズル９から噴出されたオイルを導入し、循環させ、ピストン１を内部から冷却するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内圧増加に伴いｘ１，ｘ２で示すような亀裂が問題となる。亀裂ｘ１は、キャビティ２の入口部ないし頂部周縁部を区画するリップ７を破断するような亀裂で、ピストンピン方向に進行する。これを防止するため、リップ７のアールＲを増やしてリップ７を厚肉にし、応力の分散化を図る方法がある。また材料の強度アップ、例えばアルミ合金(ex.AC8M)を繊維強化金属(FRM,ex.M142)に変更する方法がある。しかし、前者では、元々リップ７のアールＲが燃焼時の最適Ｒになっているため、これを変えると燃焼形態に影響を与え、エミッションのチューニングが困難となり、例えばパティキュレートやハイドロカーボンが増加するという問題がある。また後者ではコスト高になるという問題がある。
【０００５】
亀裂ｘ１が大きくなり、クーリングチャンネル６にまで到達してしまうと、燃焼室からクーリングチャンネル６まで連通してしまって燃焼室のガスが漏れてしまい、圧縮圧力の低下や燃焼ガスの吹き抜け等を生じさせ、最悪運転不能となってしまう。
【０００６】
亀裂ｘ２は、ピストン内部側に位置するピストンピンボス４の端部を起点として進行するような亀裂である。この対応策としては、その端部付近に仮想線３ａで示すようなテーパ角を設け応力の分散化を図る方法がある。またピストンピンの剛性を上げ、ピンの楕円変形からピストンピンボス４を押圧するモードを防ぐ方法がある。
【０００７】
本発明は、主として上記亀裂ｘ１，ｘ２のうち前者の亀裂ｘ１に対処するため創案されたもので、その目的は、ピストン頂部の亀裂が発生したとしてもピストンの延命を図り得るピストンの冷却構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るピストンの冷却構造は、ピストン頂部に燃焼室をなすキャビティを凹設し、該キャビティに径方向内側に突出するリップを設け、上記キャビティの下方にピストンピンを挿入するためのピストンピン穴及びピストンピンボスを各々設け、それらピストンピン穴及びピストンピンボスの上方、かつ上記キャビティの径方向外側のピストン内部にその周方向に沿ってオイル等の冷却媒体が導入されるリング状のクーリングチャンネルを設けたピストンの冷却構造において、上記クーリングチャンネルを、上記ピストンピンボスの直上に位置する前Ｆ部および後Ｒ部と、それら前Ｆ部および後Ｒ部を繋ぐ他の箇所とで、高さ位置が異なるように設定し、上記他の箇所を上記ピストンの側面に形成されたトップリング溝と略等しい高さ位置に形成し、かつ上記前Ｆ部および後Ｒ部を上記他の箇所よりも高さ位置を下げて形成して上記前Ｆ部および後Ｒ部における頂壁を上記他の箇所よりも上記キャビティの上記リップから離したものである。
【０００９】
ここで、上記クーリングチャンネルを下方に屈曲させることにより上記クーリングチャンネルの高さ位置を下げるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記クーリングチャンネルの頂壁の高さ位置を下げることにより上記クーリングチャンネルの高さ位置を下げるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記ピストンの側面における上記トップリング溝の下方にセカンドリング溝が形成されると共に、そのセカンドリング溝の下方にオイルリング溝が形成され、上記前Ｆ部および後Ｒ部が、上記セカンドリング溝と同じ高さに形成されたものでもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１に本発明に係るピストンの冷却構造を示す。なお図３に示した従来例と同様の部分については同一の符号を用いる。図示例のピストン１は図２を参照すると分かるように、ピストン中心Ｃを境に左半分がピストンピン軸Ｃｐに直角な断面、右半分がピストンピン軸Ｃｐに平行な断面である。言い換えれば、左半分がスラスト（Ｔ）・アンチスラスト（ＡＴ）方向に沿って切った断面、右半分がスラスト・アンチスラスト方向と直角な方向で且つピストンピン軸Ｃｐ上で切った断面である。スラスト・アンチスラスト方向と直角な方向はその一端側を前（Ｆ）、他端側を後（Ｒ）とする。従って右半分は前後に沿って切った断面ともいえる。もっとも、スラスト・アンチスラスト方向とこれと直角な方向とでは、それぞれ断面がピストン中心Ｃに対称である。
【００１６】
このピストン１はディーゼルエンジン用で、その頂部には燃焼室の一部をなすキャビティ２が凹設されている。キャビティ２は所謂リエントラント形燃焼室をなすもので、ピストン１と同心に配置されると共に、その入口部ないし頂部周縁部を区画するリップ７が設けられる。リップ７はキャビティ２の入口を絞るように径方向内側に且つ断面アール状に突出されている。キャビティ２の底壁は断面山形状に隆起されている。ピストン１の前後側にはピストンピン（図示せず）を挿入するためのピストンピン穴３及びピストンピンボス４が設けられる。ここでピストンピン軸Ｃｐの方向はエンジンのクランク軸方向と一致している。そしてピストン１の側面頂部付近には複数のピストンリング溝が設けられる。ピストンリング溝は上から順にトップリング溝５ａ、セカンドリング溝５ｂ及びオイルリング溝５ｃの三本からなる。
【００１７】
ピストン１を内部から積極的に冷却するため、ピストン内部にはクーリングチャンネル（冷却通路）６が設けられる。このクーリングチャンネル６には冷却媒体としてのオイルが流通ないし循環される。図示しない周方向箇所にオイルの導入口と排出口とが設けられ、さらには図示しないジェットノズルが導入口に指向されており、ジェットノズルから噴出されたオイルが導入口からクーリングチャンネル６内に導入され、クーリングチャンネル６内を循環された後、排出口からクランクケース内に排出されることで、ピストン１の熱を奪い去るようになっている。
【００１８】
クーリングチャンネル６は、ピストン１と同心で且つピストン全周に亘るリング状に形成される。従来のクーリングチャンネル６は、図２(b)に示すように全周同一（一定）高さとなっていた。これに対し、本実施形態のクーリングチャンネル６は図２(c)に示すように全体で略蛇行形状とされ、各周方向箇所で高さ位置が異なっている。ここでクーリングチャンネル６の高さ位置とは通路断面の中心Ｃｃの高さ位置をいう。
【００１９】
即ち、従来のクーリングチャンネル６は図３に示すように全周トップリング溝５ａと略同一高さに位置されている（これを基準高さといい、図２にＨ０で示す）。これに対し本実施形態のクーリングチャンネル６は、図１及び図２(c)に示すように、スラストＴ側とアンチスラストＡＴ側との周方向箇所では基準高さＨ０に位置されるものの、これらと９０°異なる周方向箇所である前Ｆ部と後Ｒ部とではクーリングチャンネル全体が下方に湾曲されることにより高さ位置がΔＨだけ下げられている。なお前Ｆ部と後Ｒ部とではクーリングチャンネル６がセカンドリング溝５ｂと同一高さにある。
【００２０】
こうすると、クーリングチャンネル６がリップ７から離れるため、リップ７の亀裂ｘ１（図３参照）が発生したとしてもクーリングチャンネル６に到達し難くなり、リップ７の亀裂ｘ１の進行に対してピストンを延命させることができる。即ち亀裂ｘ１がクーリングチャンネル６に到達しなければ、燃焼室からクーリングチャンネル６への連通もなくなるので、燃焼室からのガス漏れ等が防止され、ピストンをとりあえず使用可能な状態に維持できるのである。そしてこの方法によればリップ７のアールＲが変わらないため燃焼形態やエミッションに影響を与えることがない。また材料の変更も伴わないのでコスト高になることもない。
【００２１】
ここで、本実施形態のクーリングチャンネル６の径方向位置としては、トップリング溝５ａの内側且つキャビティ２の外側である。スラストＴ側とアンチスラストＡＴ側とではクーリングチャンネル６がちょうどトップリング溝５ａとキャビティ２とに挟まれた領域に位置される。本実施形態では全周箇所においてクーリングチャンネル６の径方向内側の側壁がキャビティ２の最外径位置より外側にある。
【００２２】
基準高さをトップリング溝５ａと略同一高さとするのは、トップリング溝５ａの裏側を積極的に冷やし、トップリング（図示せず）のトップリング溝５ａへの焼き付きを防止するためである。従ってクーリングチャンネル全体を下げるのは好ましくない。
【００２３】
また前Ｆ部と後Ｒ部、言い換えればピストンピン軸Ｃｐ付近の周方向箇所或いはピストンピンボス４の存在する周方向箇所でクーリングチャンネル６を下げるようにしたのは、実機試験によりかかる周方向箇所でリップ７の亀裂ｘ１が発生しやすいことが判明したからである。
【００２４】
本実施形態では、クーリングチャンネル６の通路面積及び通路形状は全周同じである。しかしながらこれらは所定の周方向箇所で変えるようにしても構わない。
【００２５】
本実施形態では、前Ｆ部と後Ｒ部とでクーリングチャンネル６の底部が下方に窪んでいる。このためそこにオイルを溜めることができ、さらなる冷却効果を発揮できる。
【００２６】
ここで、クーリングチャンネル６を下げたことでピストンピンボス４側の亀裂ｘ２（図３参照）の到達が懸念されるが、クーリングチャンネル６を下げてもなお亀裂ｘ２の発生箇所は遠く、この点は問題とならない。
【００２７】
次に、他の実施形態について説明する。図２(d)に示すように、クーリングチャンネル６は、前Ｆ部と後Ｒ部とで頂壁８のみ高さ位置を下げることによって、クーリングチャンネル全体としての高さ位置を下げるようにしてもよい。この場合下げ量はΔＨ’であり、先のΔＨより少ない。これは、スペース上等の理由でチャンネル全体を下げられないときに好適である。本実施形態の場合、単に頂壁８の位置を下げようとすると通路が絞られることになる。オイルの流通上問題なければよいが、問題あるようならチャンネル側壁を強度上問題ない範囲で径方向内側又は外側に膨出させ、同じ通路面積を確保するようにすればよい。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態は上述のものに限られない。例えば本発明はガソリンエンジン用にも適用できる。またクーリングチャンネル内に導入する冷却媒体はオイル以外のもの、例えばエア等が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３０】
ピストン頂部に亀裂が発生したとしても、亀裂がクーリングチャンネルに到達し難くなり、ピストンの延命効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示し、図２(a)のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】  (a)はピストンの各周方向箇所を示す概略平面図、(b),(c),(d)はクーリングチャンネルの展開図であり、(b)は従来、(c)は本発明の実施形態、(d)は本発明の他の実施形態である。
【図３】従来のピストンの冷却構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  ピストン
２  キャビティ
４  ピストンピンボス
５ａ  トップリング溝
６  クーリングチャンネル
７  リップ
８  頂壁
Ｃｐ  ピストンピン軸
Ｈ０  基準高さ
ΔＨ，ΔＨ’  下げ量
【図１】
0004151223.tif 000002
【図２】
0004151223.tif 000003
【図３】
0004151223.tif 000004