JP4643547B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は内燃機関のピストンに関し、特にトップランド部に断面コの字状のピストンリングが嵌め込まれる内燃機関のピストンに関する。

従来、内燃機関のピストンに嵌め込むピストンリングとして、断面コの字状のピストンリング（以下、単にコの字状リングとも称す）が知られている（例えば特許文献１から３）。コの字状リングは一般的な断面平板状のピストンリングと比較してボア（シリンダ壁面）との摺動部の面積をより大きく確保できるので、例えばピストンリング及びピストンリングを介したピストンの冷却促進効果を高めることができる点で有利である。このため、上記特許文献１から３ではより有用なものとすべく、コの字状リングやコの字状リングが嵌め込まれるピストンが抱える課題を解決するための技術が夫々提案されている。一方、ピストンの冷却に関してはクーリングチャンネルを形成してピストンの冷却を図る技術が知られている（例えば特許文献４から６）。特許文献５または６で開示されているクーリングチャンネル（特許文献６において冷却用空洞と称す）は主として高温に晒されるピストン頂面近傍の部分を冷却するためのものとなっている。これに対して特許文献４で開示されているクーリングチャンネル（特許文献４において冷却空洞と称す）は耐磨環に形成されたピストンリング用のリング溝を冷却するものとなっている。

特開２００５−２２６５２２号公報 実開平５−４７６１５号公報 実開平５−４２６６１号公報 特開平１１−８２７３８号公報 実公平８−４８７号公報 特開２０００−２２０５２０号公報

ピストンの材質には重量低減のためアルミニウム合金がしばしば適用される。ところが、アルミニウム合金の機械的強度は一般に内燃機関運転中のピストンの温度領域下である温度を境にして高温になるほど大きく低下するようになる。このためピストンのうちピストンリングを嵌め込む部分には、例えば特許文献４が提案する技術のようにリング溝が形成された耐磨環を適用することが有効であるといえる。しかしながら、耐磨環は重量増大の要因となる上、熱膨張率がピストンと異なってくることからピストンと耐磨環との間の界面に隙間が生じて断熱層が形成されてしまう。この場合、耐磨環及びピストンリングを介してピストンからボアに熱が伝熱され難くなることから、ピストンの温度が上昇してしまい、却ってピストンに亀裂等が発生し易くなってしまう虞がある。また特許文献４が提案する技術では一般的なピストンリングが適用されていることから、ボアと当接するピストンリングの摺動部に関してはコの字状リングと比較して磨耗抑制効果が低く、係る部分の磨耗によるブローバイガスやオイル消費量の増大が懸念される。

一方、コの字状リングはボアとの摺動部の面積を大きく確保できることから摺動部の磨耗を小さく抑制でき、前述の通りピストンリング及びピストンリングを介したピストンの冷却促進効果を高める作用も有している。また耐磨環を利用しなければ上記のような不都合が発生する虞もない。ところが冷却促進効果が高いコの字状リングをピストンリングに適用した場合でも、トップランド部からコの字状リングへの伝熱によってトップランド部の温度を必ずしも十分に低く抑制できないことから、トップランド部の機械的強度が予想以上に低下してしまう虞があることがわかった。

このためピストンリングにコの字状リングを適用した場合には、例えばトップランド部の機械的強度の低下に伴い、トップランド部のうちコの字状リングが当接する部分の磨耗が助長されてしまうことからシール性が大幅に悪化し、その結果、ブローバイガスやオイル消費量が増大する虞があることがわかった。またピストンリングにコの字状リングを適用した場合には、内燃機関運転中にピストンの往復運動に応じて作用方向の異なる力がコの字状リングからトップランド部に繰り返し作用することになる。このためピストンリングにコの字状リングを適用した場合には、トップランド部の機械的強度の低下に伴い、応力が集中するトップランド部の付け根に亀裂が発生したり、亀裂の進行に伴いコの字状リングの脱落が発生したりする虞があることがわかった。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、断面コの字状のピストンリングが嵌め込まれるトップランド部の機械的強度が熱によって低下することを抑制し、これによりトップランド部、さらにはピストン全体の機械的強度の向上を図ることが可能な内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、断面コの字状のピストンリングが嵌め込まれるトップランド部が形成された内燃機関のピストンであって、前記ピストンリングの対向部位に挟まれるとともに、前記対向部位に対向する前記トップランド部の対向面間にクーリングチャンネルが形成されていることを特徴とする。すなわち、本発明は冷却促進効果が高いコの字状リングをピストンリングに適用した場合でも、トップランド部の機械的強度が熱によって低下する虞があることに着目し、トップランド部にクーリングチャンネルを形成するものである。本発明によれば、クーリングチャンネルでトップランド部をより確実に冷却できることから、トップランド部の機械的強度が熱によって低下することを抑制できる。

なお、形状次第では形成されたクーリングチャンネルそのものによってトップランド部の機械的強度が大きく低下する可能性もある。その一方で、冷却による機械的強度の向上効果とクーリングチャンネルの形成による機械的強度の低下とを勘案してクーリングチャンネルを形成すれば、総合的にトップランド部の機械的強度の向上を図ることもできる。このため、本発明は上記課題に鑑みて特にトップランド部をより確実に冷却すべく、敢えてトップランド部、具体的にはコの字状リングの対向部位に挟まれるとともに、この部位に対向するトップランド部の２つの対向面間にクーリングチャンネルを形成している点に特徴を有するものであり、この点で機械的強度が低下し易いリング溝間にまではクーリングチャンネルを形成していない特許文献４が提案する技術とは異なるものとなっている。また本発明はこのようにして耐磨環を備えることなくトップランド部の高い耐磨耗性を実現しようとする点で特許文献４が提案する技術とは異なるものとなっており、本発明によれば、耐磨環を有しない分、コスト面でも有利な構成にすることができる。

なお、クーリングチャンネルは付け根の部分をより確実に冷却すべく、トップランド部からトップランド部よりもピストン中心側の部分に亘って形成されていることが好ましい。またクーリングチャンネルはトップランド部に沿って環状に形成されていることが好ましい。これにより高温に晒されるピストン頂面近傍の部分を広く均一に冷却できることから、ピストン全体の機械的強度も向上できる。また本発明はピストンの材質にアルミニウム合金が適用されている場合に特に好適であるが、これに限られず内燃機関の運転温度領域下で温度上昇に伴い機械的強度が低下する材質であれば、その他の材質が適用されているピストンに対しても効果を奏することができる。

また本発明は、前記クーリングチャンネルがさらに前記トップランド部よりもピストン中心側の部分にまで延伸するとともに、該部分からセカンドリング溝よりもピストン中心側の部分にまで延伸して断面Ｌ字状に形成された部分を有してもよい。本発明によれば、セカンドリング溝を同時に冷却することができることから、セカンドリング溝の磨耗の進行も抑制できる。また本発明によれば、ランド全体を冷却することでピストンからピストンリングの摺動部を介したボアへの放熱を促進することができることから、ピストン全体の機械的強度の向上を図ることもできる。

本発明によれば、断面コの字状のピストンリングが嵌め込まれるトップランド部の機械的強度が熱によって低下することを抑制し、これによりトップランド部、さらにはピストン全体の機械的強度の向上を図ることが可能な内燃機関のピストンを提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関のピストン（以下、単にピストンと称す）１Ａの要部を断面で模式的に示す図である。具体的には図１（ａ）ではピストン１Ａの要部をコの字状リング２、セカンドリング３、オイルリング４及びシリンダブロック５とともに断面で模式的に示しており、図１（ｂ）では図１（ａ）に示すピストン１Ａのトップランド部Ｔ周辺の部分をさらに拡大して示している。シリンダブロック５の各気筒にはピストン１Ａが組み込まれている。ピストン１Ａにはコの字状リング２を嵌め込むためのトップランド部Ｔと、セカンドリング３を嵌め込むためのセカンドリング溝Ｍ２ＮＤと、オイルリング４を嵌め込むためのオイルリング溝ＯＬとが夫々環状に形成されており、これらに対してコの字状リング２、セカンドリング３及びオイルリング４の３つのピストンリングが夫々嵌め込まれている。コの字状リング２は主としてガスシールを行い、セカンドリング３はガスシールとオイルコントロールを行い、オイルリング４は主としてオイルコントロールを行うための構成となっている。すなわち、これらのピストンリングはセットでガスシール性とオイルコントロール性に関する要求品質を満足できるようになっている。

図１（ｂ）に示すように、クーリングチャンネルＣ１はトップランド部Ｔに形成されている。クーリングチャンネルＣ１は具体的にはトップランド部Ｔの対向面Ｓ１、Ｓ２間に形成されている。この対向面Ｓ１、Ｓ２はコの字状リング２の対向部位Ｒ１、Ｒ２に対向するとともに当接または摺動する面となっている。なお、対向面Ｓ１と対向部位Ｒ１（或いは対向面Ｓ２と対向部位Ｒ２）とは、例えば前述した特開２００５−２２６５２２に示されるように互いに当接しないように形成されていてもよい。クーリングチャンネルＣ１は具体的にはさらにトップランド部Ｔからトップランド部Ｔの付け根Ｎ１、Ｎ２よりもピストン中心側の部分に亘って形成されている。またクーリングチャンネルＣ１は具体的にはトップランド部Ｔに沿って環状に形成されている。なお、クーリングチャンネルＣ１には図示しない入口ポートと出口ポートとが１つづつ形成されており、オイル噴射ノズル（図示省略）から噴射されたオイルが入口ポートからクーリングチャンネルＣ１に流入し、出口ポートから排出されるようになっている。

本実施例では上記のようにクーリングチャンネルＣ１が形成されていることから、クーリングチャンネルＣ１を流通するオイルによってトップランド部Ｔをより確実に冷却することができ、その結果、トップランド部Ｔの機械的強度が熱によって低下することを抑制できる。特にクーリングチャンネルＣ１がトップランド部Ｔに形成されていることから、対向面Ｓ１、Ｓ２の冷却をより確実に図ることができ、その結果、対向面Ｓ１、Ｓ２の磨耗の進行を好適に抑制することができる。また特にクーリングチャンネルＣ１がトップランド部Ｔからトップランド部Ｔの付け根Ｎ１、Ｎ２よりもピストン中心側の部分に亘って形成されていることから、付け根Ｎ１、Ｎ２をより確実に冷却することができ、その結果、付け根Ｎ１、Ｎ２に亀裂が発生することや、亀裂の進行に伴いコの字状リング２が脱落することを好適に抑制できる。また本実施例ではクーリングチャンネルＣ１がトップランド部Ｔに沿って環状に形成されていることから、クーリングチャンネルＣ１を流通するオイルによってトップランド部Ｔを全周に亘って冷却することができる。

図２はピストン１Ａのランド部の温度、或いはピストンリングの温度とピストンリングの位置との関係をグラフで示す図である。図２はピストン１Ａではランド、或いはピストンリングの位置が高いほど（ピストン１Ａ頂面側にあるほど）これらの温度が低くなっていることを示している。すなわち上記のように形成したクーリングチャンネルＣ１によって、特にコの字状リング２及びトップランド部Ｔが効果的に冷却されていることを示している。図３はピストン１Ａの強度と温度との関係をグラフで示す図である。図３は内燃機関運転中のピストン１Ａの温度領域に対応するピストン１Ａの強度特性を示しており、図３からピストン１Ａの強度は特に２００℃以上の温度領域下では高温になるほど大きく低下することがわかる。このため、上記のように形成したクーリングチャンネルＣ１によってトップランド部Ｔを冷却してわずかに温度を下げることによっても、トップランド部Ｔの強度を大幅に高めることが可能になる。

また本実施例ではクーリングチャンネルＣ１がトップランド部Ｔに環状に形成されていることから、クーリングチャンネルがトップランド部Ｔよりもピストン中心側の部分にのみ形成されている場合と比較してクーリングチャンネルＣ１の全長も長く確保することができる。この結果、同時にピストン１Ａ頂面近傍の高温部位も広く均一に冷却することができることから、ピストン１Ａ全体の機械的強度も向上させることができる。またクーリングチャンネルＣ１によってトップランド部Ｔに適度な弾性を持たせることも可能になることから、これによっても対向面Ｓ１、Ｓ２の磨耗の進行を抑制しつつ、付け根Ｎ１、Ｎ２に亀裂が発生することを抑制する効果を期待できる。以上により、断面コの字状リング２が嵌め込まれるトップランド部Ｔの機械的強度が熱によって低下することを抑制し、これによりトップランド部Ｔ、さらにはピストン１Ａ全体の機械的強度の向上を図ることが可能なピストン１Ａを実現できる。

図４は本実施例に係るピストン１Ｂのトップランド部Ｔ周辺部分の断面を模式的に示す図であり、図４ではピストン１Ｂとともにコの字状リング２とセカンドリング３とシリンダブロック５も示している。ピストン１Ｂは、クーリングチャンネルＣ１をさらにトップランド部Ｔよりもピストン中心側の部分から、セカンドリング溝Ｍ２ｎｄよりもピストン中心側の部分にまで延伸して断面Ｌ字状に形成したクーリングチャンネルＣ２をクーリングチャンネルＣ１の代わりに備えている点以外、実施例１に係るピストン１Ａと同一のものとなっている。なお、クーリングチャンネルＣ２もトップランド部Ｔに沿って環状に形成されている。

本実施例では上記のようにクーリングチャンネルＣ２が形成されていることから、セカンドリング溝Ｍ２ｎｄも同時に冷却することができる。これによりセカンドリング溝Ｍ２ｎｄの磨耗の進行も同時に抑制することが可能になる。またランド部を全体的に冷却できることから、ピストン１Ｂからコの字状リング２及びセカンドリング３の摺動部Ｌ１、Ｌ２を介したボアへの放熱も促進することができる。これによりピストン１Ｂ全体の機械的強度も向上できる。なお、クーリングチャンネルＣ２はさらに他の部分へと延伸していてもよい。すなわち、クーリングチャンネルＣ２を一部として備えたクーリングチャンネルであっても同様に上記効果を奏することができる。以上により、断面コの字状リング２が嵌め込まれるトップランド部Ｔの機械的強度が熱によって低下することを抑制し、これによりトップランド部Ｔ、さらにはピストン１Ｂ全体の機械的強度の向上を図ることが可能なピストン１Ｂを実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ピストン１Ａの要部を断面で模式的に示す図である。 ピストン１Ａのランド部の温度、或いはピストンリングの温度とピストンリングの位置との関係をグラフで示す図である。 ピストン１Ａの強度と温度との関係をグラフで示す図である。 本実施例に係るピストン１Ｂのトップランド部Ｔ周辺部分の断面を模式的に示す図である。

符号の説明

１ ピストン
２ コの字状リング
３ セカンドリング
４ オイルリング
５ シリンダブロック

Claims (2)

1. 断面コの字状のピストンリングが嵌め込まれるトップランド部が形成された内燃機関のピストンであって、
   前記ピストンリングの対向部位に挟まれるとともに、前記対向部位に対向する前記トップランド部の対向面間にクーリングチャンネルが形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記クーリングチャンネルがさらに前記トップランド部よりもピストン中心側の部分にまで延伸するとともに、該部分からセカンドリング溝よりもピストン中心側の部分にまで延伸して断面Ｌ字状に形成された部分を有す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。

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