JPH0648100Y2 - ピストン冷却装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案はピストン冷却装置に関し、特に空気が混入され
たオイルによってピストンを冷却するピストン冷却装置
に関する。

〔従来の技術〕

ピストンはシリンダ内において、圧縮圧力や爆発圧力を
受けるため、ピストンの頭部は常に高温高圧にさらされ
ている。そして、ピストンの温度が上昇していくと、シ
リンダの気密保持のために設けられているピストンリン
グが焼きつく可能性がある。このため、従来よりピスト
ンの頭部内側に環状通孔を形成し、この環状通孔内にオ
イルを循環させてピストンの温度が上昇することを防い
でいる。

〔考案が解決しようとする課題〕

ここで、上記のようなピストン冷却装置においては、環
状通孔内に供給されるオイル流量と環状通孔の容積に対
するオイルの充填率とによって冷却能力が決定される。
ところが、最もピストンの温度が上昇する機関の高速回
転時には、上記のオイル流量及びオイルの充填率が共に
低下するため、上記の冷却能力も低下し充分な冷却効果
が得られなかった。

本考案は上記の点に鑑みてなされたもので、機関の高速
回転時に、環状通孔内に供給されるオイル流量と環状通
孔の容積に対するオイルの充填率とが共に低下した場合
にも、冷却能力の低下を防止することが可能なピストン
冷却装置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〕

上記目的を達成するために、本考案によるピストン冷却
装置は、 オイル噴射ノズルから噴射されたオイルがピストンの壁
面内に形成された縦孔を経由し、前記ピストンの筒部内
側に環状に形成された通孔に供給されて前記ピストンを
冷却するピストン冷却装置において、 前記縦孔の一部に逆流を防止する絞り部を設け、さらに
少なくとも前記絞り部の最小径部よりも小さな径を有す
るとともに前記最小径部近傍に空気を供給する細孔を形
成し、オイルが前記絞り部を通過する時に前記細孔から
供給される空気を混入するように構成される。

〔作用〕

上記構成によれば、オイル噴射ノズルから噴射されたオ
イルが前記縦孔の一部に設けられた絞り部を通過すると
きに流速を増し、これにより生じる圧力差によって、前
記細孔から供給される空気が混入される。これにより、
絞り部を通過したオイルには空気による気泡が生じ、オ
イルは薄膜状に分割される。この薄膜状のオイルが前記
環状通孔に供給されると、オイルと前記環状通孔との接
触面積が増加し、熱交換が促進されるため、冷却能力を
向上することができる。

〔実施例〕

以下、本考案の第１実施例を図面に基づいて説明する。
第１図（ａ）において、ピストン１の外周部にリング溝
101が形成されており、このリング溝101にはピストンリ
ング（図示せず）が設けられる。ピストン１の頭部内側
には、リング溝101と同軸にトンネル状の環状通孔（以
下、クーリングチャンネルと称す。）２が形成されてい
る。このクーリングチャンネル２の軸方向断面形状は、
矩形・円形・楕円形等いずれの形状でも良く、特に限定
されるものではない。ピストン１の壁面内には、図中下
方へ開口し、クーリングチャンネル２にオイルを導入す
る縦孔３が形成されたオイル入口ポート30が設けられ、
さらにオイル入口ポート３を経てクーリングチャンネル
２に供給されるオイルを排出するオイル出口ポート４が
形成されている。オイル入口ポート30の直下には、ピス
トン１の往復運動時にもオイル入口ポート30と干渉しな
い位置にオイル噴射ノズル（オイルジェット）５が配設
される。

ここで、オイル入口ポート30の拡大図を第１図（ｂ）に
示す。

第１図（ｂ）において、オイル入口ポート30には絞り部
301が形成されており、この絞り部301はなめらかな曲面
によって構成され、内径を指数関数的に変化させたもの
である。絞り部301の形状は、この他にも例えば第２図
（ａ）〜（ｂ）に示すようなものでも良い。第２図
（ａ），（ｂ）に示されるものは、入口部ｘ側から絞り
部ｙの最小径部に向かって、なめらかな曲面によって内
径を指数関数的に（（ａ）の例では対数関数的に）小さ
くしてあり、また、絞り部ｙの最小径部を越えると同時
にその内径が出口部Ｚの内径と等しくなるように構成さ
れている。第２図（ｃ）に示されるものは、入口部ｘ側
から絞り部ｙの最小径部に向かって、その内径が直線的
に小さくなるように、また、最小径部から出口部Ｚ側に
向かって直線的に大きくなるように構成されている。第
２図（ｄ）に示されるものは、第２図（ｃ）に示される
例の最小径部を若干長伸長させたものである。第２図
（ｅ）に示されるものは、第２図（ｄ）に示す例の入口
部ｘ側の縦孔全体に関して絞り部ｙの最小径部に向かっ
て内径が直線的に小さくなるように構成されている。

以上、絞り部301の形状について説明してきたが、絞り
部301の形状は上記の例に限定されるものではなく、例
えば内径が段階的に変化するようなものでも良い。

また、第１図（ｂ）において、絞り部301には細孔302が
連通し、絞り部301を通過するオイルに空気が混合され
るように構成されている。この細孔302は、少なくとも
１本以上が絞り部301に連通し、また、第３図（ａ），
（ｂ）に示すように細孔302内へオイルが流入すること
を防止するために、縦孔３に対して少なくとも垂直方向
か、あるいは外径に向かってポート入口側へ傾けて設け
られている。

次に、オイル入口ポート30とクーリングチャンネル２と
の接合干渉状態例を第４図（ａ），（ｂ）に示す。な
お、第４図（ａ），（ｂ）には、第２図（ａ），（ｂ）
に示される例のポート入口側から絞り部301の最小径部
へ向かう内径の変化を直線的に形成した絞り部301を有
するオイル入口ポート30を示している。

第４図（ａ），（ｂ）に示されるように、オイル入口ポ
ート30はオイル入口ポート30の上端部がクーリングチャ
ンネル２の上面400に接触せず、またオイル入口ポート3
0の上端部とクーリングチャンネル２の上面400との間の
開口最小面積が、絞り部301の断面積よりも小さくなら
ない位置に取り付けられている。この際、オイル入口ポ
ート30は、打ち込み、接着、ネジ止め、溶接またはサク
リップ等の部材を用いてクーリングチャンネル２と接合
される。

上記のように構成された第１実施例の作動を第１図
（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。

第１図（ａ）において、内燃機関の回転数の上昇・機関
出力の増加に伴って、ピストン１にかかる熱負荷が増大
し、ピストン１の温度が上昇する。

ここで、本考案者らの実験によれば、最もピストンの温
度が上昇する機関の高速回転時に、クーリングチャンネ
ル２へ流入するオイル量が低下し、充分な冷却効果が得
られないという問題が明らかとなった。これは、機関の
回転が高速になるにつれて、オイルジェット５から噴射
されるオイルの流速とピストン１の昇降速度との相対速
度差が大きくなるためである。すなわち、機関の低速回
転時には、ピストン１が上昇中、下降中であるにかかわ
らず、オイルはクーリングチャンネル２内へ流入する。
ところが、機関の高速回転時には、ピストン１の上昇速
度がオイルの流速を上回り、オイルはピストン１が下降
中であるときしかクーリングチャンネル２内へ流入する
ことができない。しかも、前述の相対速度が大きいた
め、クーリングチャンネル２の入口に到達したオイルは
ほとんどはねかえされてしまい、クーリングチャンネル
２内に流入することができるのは残りの少量のオイルの
みである。

そこで、本実施例においては、第１図（ａ），（ｂ）及
び第２図に示すように、オイル入口ポート30に絞り部30
1を形成する。この絞り部は、特に第２図（ａ），
（ｂ），（ｅ）等で代表されるように、クーリングチャ
ンネル２内へオイルを供給するオイル供給方向へ流れや
すく、逆方向については流れにくい形状が与えられてい
る。つまり、前述のように機関の高速回転時には、ピス
トン１が下降中であるときしかオイルがクーリングチャ
ンネル２内へ流入しない。ここで、絞り部301がない場
合には、ピストン１下降中にオイルが逆流するばかりで
なく、ピストン１上昇中にも慣性力によってオイルの逆
流が促進される。絞り部301には、このようなオイルの
逆流を防止する効果があり、機関の高速回転時に、クー
リングチャンネル２内へ流入するオイル量を向上させる
ことができる。また、このときオイル入口ポート30とク
ーリングチャンネル２との接合を、第４図（ａ）に示す
ようにオイル入口ポート30の上端がクーリングチャンネ
ル２内へ突出するように行えば、一旦クーリングチャン
ネル２内へ流入したオイルは、この突出部によって遮ら
れ、再びオイル入口ポート30内へ流れ込むことを防止で
きる。

次に、機関の高速回転時にピストン１の温度が上昇した
場合に、少量のオイルにて充分な冷却効果を発揮し得る
手法について説明する。

クーリングチャンネル２内へ供給されたオイルは、例え
ばピストン１が上昇運動から下降運動へと反転する際
に、慣性力によってクーリングチャンネル２の下面側に
はりついた状態から上面側にはりついた状態へと移行す
る。これにより、クーリングチャンネル２の壁面をオイ
ルが流れ、熱交換が促進される。従って、クーリングチ
ャンネル２内にオイルが充満している場合には、オイル
が壁面を流れる動作が抑制され、かえって熱交換の効率
が悪化する。また、オイル量が非常に少ない場合、例え
ばクーリングチャンネル２の容積に対するオイルの充填
率が20％程度である場合、オイルの壁面を流れる範囲が
クーリングチャンネル２の全域に及ばず、やはり充分な
熱交換が得られない。そして、本考案者らの実験によっ
て、最も熱交換が促進され、冷却効果の期待できるオイ
ル量は60％程度であることが明らかとなった。

この結果から、クーリングチャンネル２の容積に対する
オイルの充填率が60％程度に満たない場合には、供給す
るオイルの油膜を薄くしてオイルをクーリングチャンネ
ル２の内壁面全域に接触するようにすれば、より有効な
冷却効果が得られることがわかる。

そこで、本実施例においては、第３図（ａ），（ｂ）に
示すように、細孔302によってオイル入口ポート30の外
部と絞り部301とを連通している。これにより、オイル
が絞り部301を通過するときにその流速が高まり、この
流速が高まることにより生じる圧力差によって、細孔30
2を介して外部から空気を引き込む。このため、絞り部3
01を通過したオイルには空気による気泡が混入され、オ
イルは薄膜状に分割される。

この薄膜状に分割されたオイルによるピストン温度の冷
却効果を第５図に示す。

第５図において、薄膜状に分割されたオイルをクーリン
グチャンネル内に供給した場合には、クーリングチャン
ネルがなく、オイルジェットのみによりピストンを冷却
した場合と比較してピストン温度が45℃低減され、従来
のオイル入口ポートの形状が単なるストレートの縦孔で
あるクーリングチャンネルを有する場合と比較して、ピ
ストン温度が15℃低減される。

次に、本考案の第２実施例について説明する。

前述の第１実施例においては、オイル入口ポート30に絞
り部301を設けていたが、第２実施例においては、オイ
ル入口ポート30を経由してクーリングチャンネル２内に
流入したオイルの逆流をより確実に防止するために、第
６図に示すように、絞り部301にチェックボールを併用
するものである。

第６図において、チェックボール500はベアリング等に
使用される標準的な剛球、あるいは耐エンジンオイル性
に優れ、かつ軽量なテフロン等の樹脂性のボールでも良
い。このチェックボール500は、その直径が絞り部301の
内径より大きく、かつオイル入口ポート30の出口側の内
径よりも小さい。ただし、ボールの直径とオイル入口ポ
ート30の出口側の内径との隙間の開口面積が、絞り部30
1の最小断面積を下回らないように設定されている。

また、オイル入口ポート30の上端部とクーリングチャン
ネル２の上面400との間の開口面積が、絞り部301の断面
積よりも大きく、かつチェックボール500がクーリング
チャンネル２内へ流出しないように、オイル入口ポート
30のクーリングチャンネル２内への突出部600を大きく
取り、この突出部600でチェックボール500の流出を防止
している。

この他のチェックボール50を内蔵した場合のオイル入口
ポート30の形状例を、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）に
示す。

第７図（ａ），（ｂ）にそれぞれ正面図及び上面図を示
すように、突出部600aにスリットを設けて絞り部301の
断面積よりも大きな開口面積を確保し、同時にクーリン
グチャンネルの壁面と突出部600aの残された壁面601aと
でチェックボール500の流出を防止するように構成して
も良い。また、第７図（ｃ）に示すように、突出部600b
に貫通孔を形成して開口面積を確保するように構成して
も良い。ただし、この貫通孔の径がチェックボール500
の直径よりも小さいことは言うまでもない。

なお、第１及び第２実施例における絞り部を、ストレー
トの縦孔にテーパ状の円環を打ち込むとか、あるいは接
着することにより構成してもよい。

また、第２実施例において、チェックボールとともにリ
ターンスプリングを配設して、チェック弁構造としても
良い。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば、薄膜状のオイル
をピストンの頭部内側に形成された環状通孔に供給して
いるために、オイルと環状通孔との接触面積が増加す
る。このため、機関の高速回転時に、環状通孔内に供給
されるオイル流量と環状通孔の容積に対するオイルの充
填率とが共に低下した場合にも、冷却能力の低下を防止
し、ピストンの温度上昇を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本考案の第１実施例の構造を示
す断面図、第２図（ａ）〜（ｅ）は第１実施例の絞り部
の他の例を示す断面図、第３図（ａ），（ｂ）は細孔の
構造を示す断面図、第４図（ａ），（ｂ）はオイル入口
ポートと環状通孔との接合状態を示す断面図、第５図は
第１実施例の効果を説明する説明図、第６図は第２実施
例の構造を示す断面図、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）
は第２実施例のオイル入口ポートの他の形状を説明する
説明図である。 １……ピストン,2……環状通孔,3……縦孔,4……オイル
出口ポート,5……オイル噴射ノズル,30……オイル入口
ポート,101……リング溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 今竹 信夫 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)考案者 橋岡 仁 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 実開 昭62−36214（ＪＰ，Ｕ) 特許87991（ＪＰ，Ｃ２)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】オイル噴射ノズルから噴射されたオイルが
   ピストンの壁面内に形成された縦孔を経由し、前記ピス
   トンの筒部内側に環状に形成された通孔に供給されて前
   記ピストンを冷却するピストン冷却装置において、 前記縦孔の一部に逆流を防止する絞り部を設け、さらに
   少なくとも前記絞り部の最小径部よりも小さな径を有す
   るとともに前記最小径部近傍に空気を供給する細孔を形
   成し、オイルが前記絞り部を通過する時に前記細孔から
   供給される空気を混入することを特徴とするピストン冷
   却装置。