JPH10141135A - 内燃機関のピストン - Google Patents

内燃機関のピストン

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JPH10141135A
JPH10141135A JP8302995A JP30299596A JPH10141135A JP H10141135 A JPH10141135 A JP H10141135A JP 8302995 A JP8302995 A JP 8302995A JP 30299596 A JP30299596 A JP 30299596A JP H10141135 A JPH10141135 A JP H10141135A
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JP
Japan
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piston
fuel
combustion chamber
wall surface
cooling cavity
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JP8302995A
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English (en)
Inventor
Noriyuki Tokoro
憲之 所
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
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    • F02B23/0645Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • F02B23/0654Thermal treatments, e.g. with heating elements or local cooling
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼室内の温度分布及びピストン内部の円周
方向の温度分布を均一にし、かつ、熱応力をピストン内
部に発生させない。 【解決手段】 燃料衝突部位10における燃焼室3の壁
面と冷却空洞2の壁面との間隔L1 を、燃料非衝突部位
11における間隔L2 よりも大きくすることにより、燃
料6によって冷却される部位10では、冷却空洞2によ
る冷却効果を小さくし、燃料6によって冷却されない部
位11では、冷却空洞2による冷却効果を大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のピスト
ンに関し、特には、燃焼室内の温度分布及びピストン内
部の円周方向の温度分布を均一にすることができ、か
つ、熱応力がピストン内部に発生することを防止できる
内燃機関のピストンに関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、内燃機関のピストンに過大な
熱負荷がかかることを防止するために、図3及び図4に
示すような内燃機関のピストンが使用されている。図3
は、従来の内燃機関のピストンの概略の部分断面図であ
り、図4は、図3のIV−IV線に沿った断面図であ
る。11はピストンであり、12は冷却空洞であり、1
3は燃焼室であり、14はピストンリング溝であり、1
5は噴射ノズルであり、16は噴射ノズル15から噴射
される燃料である。ピストン11は、ピストン頂面中央
の燃焼室(ピストンキャビティ)13とピストンリング
溝14との間に、環状の冷却空洞12を形成している。
環状の冷却空洞12に、オイルジェット(図示せず)か
らエンジンオイルを供給することにより、ピストンリン
グ溝14の周辺の温度を下げ、ピストンリングが燃焼熱
によってスティックを起こすこと、及びピストンリング
(図示せず)にスカッフィングや異常摩耗が発生するこ
とを防止できる。この種の内燃機関のピストンの例とし
ては、例えば特開平7−54708号公報に記載された
ものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方で、燃料は、図4
に示すように、噴射ノズルから噴射され、燃焼室の壁面
に衝突して拡散する。その際、燃料は燃焼室の壁面と局
部的に衝突するために、燃料が衝突する部位は冷却され
るが、燃料が衝突しない部位は冷却されない。その結
果、燃焼室の壁面の温度は、燃料衝突部位と燃料非衝突
部位とで数百°C異なってしまう。それゆえ、燃焼室の
壁面の温度分布が不均一になり、燃焼室内の温度分布が
不均一になってしまう。更に、ピストン内部では、円周
方向の温度分布が不均一になってしまい、熱応力が発生
してしまう。
【0004】燃焼室内の温度分布が不均一になると、燃
焼室内の温度が所定温度より高い領域では、燃焼の際に
NOxが発生してしまい、燃焼室内の温度が所定温度よ
り低い領域では、燃焼の際にHCが発生してしまう。
又、ピストン内部の円周方向の温度分布が不均一になる
と、ピストンリング及びランド部への放熱が不均一にな
ってしまい、かつ、ピストン外径の熱膨張が不均一にな
ってしまう。その結果、以下のような問題が生じる。ま
ず、ピストン製作の際に、熱膨張時のピストンの最大外
径を考慮してランド部とシリンダとの間のクリアランス
を設定しなければならず、ランド部とシリンダとの間に
無駄な容積を必要としてしまう。又、シリンダとピスト
ンリングとの間に隙間が生じ易くなり、ブローバイの量
が増加してしまう。尚、燃焼時に高温になるピストン頂
面側では、熱膨張時のピストンの最大外径と最小外径と
の差が大きくなるために、ピストンリングをピストン頂
面の近くに配置する場合に、この問題は一層重大にな
る。又、熱膨張時にピストン外径が不均一に熱膨張する
ことにより、ピストンがシリンダに対して傾斜し、ピス
トンとシリンダとの間の摩擦が大きくなってしまい、潤
滑用オイルの消費が増加してしまう。又、熱膨張時にス
カート部とシリンダとの間のクリアランスが不均一にな
ってしまうために、スラップ音が発生し易くなる。又、
ピストンを楕円形状にするオーバリティ工程が必要なた
めに、コストが増加してしまう。
【0005】又、熱応力がピストン内部に発生すると、
最大熱応力に耐えうるように、ピストンの肉厚を増加し
なければならず、ピストンの重量が増大してしまう。
【0006】本発明は、前記課題に鑑み、燃焼室内の温
度分布及びピストン内部の円周方向の温度分布が均一で
あり、かつ、熱応力がピストン内部に発生しない内燃機
関のピストンを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明に
よれば、燃焼室となるピストンキャビティとピストンリ
ング溝との間に冷却空洞を具備し、前記燃焼室の壁面に
燃料を噴射衝突させる内燃機関のピストンにおいて、燃
料衝突部位における前記燃焼室の壁面と前記冷却空洞の
壁面との間隔は、燃料非衝突部位における前記間隔より
も大きいことを特徴とする内燃機関のピストンが提供さ
れる。
【0008】請求項1に記載の内燃機関のピストンは、
燃料噴射によって冷却される部位では、冷却空洞による
冷却効果を小さくし、燃料噴射によって冷却されない部
位では、冷却空洞による冷却効果を大きくする。その結
果、燃焼室内の温度分布及びピストン内部の円周方向の
温度分布が均一になり、熱応力がピストン内部に発生し
ない。
【0009】燃焼室内の温度分布が均一になると、良好
な燃焼を行うことができる。更に、ピストン内部の円周
方向の温度分布が均一になると、ピストンリング及びラ
ンド部への放熱が均一になり、かつ、ピストン外径の熱
膨張が均一になる。その結果、まず、ピストン製作の際
に、ランド部とシリンダとの間のクリアランスを均一に
設定でき、ランド部とシリンダとの間の無駄な容積を減
少することができる。又、シリンダとピストンリングと
の間に隙間が生じることを防止でき、ブローバイの量を
低減できる。又、ピストンリングをピストン頂面の近く
に配置することができ、ピストンの性能が上がる。又、
熱膨張時にピストンがシリンダに対して傾斜することが
なくなり、ピストンとシリンダとの間の摩擦が小さくな
り、潤滑用オイルの消費を低減できる。又、熱膨張時の
スカート部とシリンダとの間のクリアランスが均一にな
り、スラップ音を低減できる。又、ピストンを楕円形状
にするオーバリティ工程が不要になり、コストダウンが
可能になる。
【0010】更に、熱応力がピストン内部に発生しない
場合、熱応力に対する強度アップが不要になり、ピスト
ンの肉厚を減少することができる。その結果、ピストン
を軽量化できる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図1は、本発明の内燃機関
のピストンの一実施形態を示す概略の部分断面図であ
り、図2は、図1のII−II線に沿った断面図であ
る。
【0012】図1及び図2において、1は、例えば自動
車のエンジン本体を構成するピストンである。ピストン
1は、ピストンピンを介してコンロッドに連結され、圧
縮圧力や爆発圧力を受けながらシリンダ内を往復する。
従って、強度が十分であり、慣性力が小さく、放熱性の
よい、例えばアルミ合金等である、金属で製作される。
2はオイルジェットからエンジンオイルが供給される冷
却空洞であり、3はピストン1の頂面中央に設けた燃焼
室(ピストンキャビティ)であり、4はピストンリング
溝であり、5は燃料噴射ノズルであり、6は噴射燃料で
あり、7はランド部であり、8はスカート部である。燃
焼室3は、ピストン1とシリンダヘッドとシリンダライ
ナとにより囲まれ、燃料噴射ノズル5は、燃焼室3に燃
料6を噴射し、燃料6を燃焼室3の壁面に衝突させ拡散
する。ピストンリング溝4はピストンリングを保持し、
ピストンリングは、ピストン1とシリンダとの間を気密
保持する。冷却空洞2は、ピストンリング溝4の周辺を
冷却し、ピストンリングが、燃焼の際に温度上昇してス
ティックを起こすことを防止する。
【0013】次に、本実施形態における、燃料噴射及び
冷却空洞による、燃焼室内及びピストン内部の温度変化
を説明する。燃料噴射ノズル5は、図2に示すように、
燃焼室3内に放射状に燃料6を噴射する。この場合、燃
料6は、燃料噴射ノズル5のまわりに360°に及んで
均一に噴射されない。そのため、例えば図2に示すよう
に、燃焼室3の壁面は、燃料6が衝突する部位(燃料衝
突部位10)と、燃料6が衝突しない部位(燃料非消灯
部位11)とにわかれる。噴射燃料6の温度は、燃焼室
3の壁面の温度よりも低いため、燃料衝突部位10にお
ける燃焼室3の壁面は、噴射燃料6によって冷却され
る。一方、燃料非衝突部位11における燃焼室3の壁面
は、噴射燃料6によって冷却されない。仮に、燃料6の
噴射のみによって燃焼室3の壁面が冷却されると、燃料
衝突部位10における燃焼室3の壁面の温度は、燃料非
衝突部位11における燃焼室3の壁面の温度よりも数百
°C高くなる。
【0014】本実施形態の冷却空洞2は、ピストンリン
グ溝4の周辺を冷却し、エンジン作動中にピストンリン
グがスティックを起こすことを防止すると共に、噴射燃
料6による不均一な冷却効果を補うように構成されてい
る。詳細には、図2に示すように、燃料衝突部位10に
おける燃焼室3の壁面と冷却空洞2の壁面との間隔L 1
は、燃料非衝突部位11における燃焼室3の壁面と冷却
空洞2の壁面との間隔L2 よりも大きくなっている。そ
のため、燃料衝突部位10における冷却空洞2の冷却効
果は、燃料非衝突部位11における冷却空洞2の冷却効
果よりも小さくなる。
【0015】本実施形態のピストン1は、燃料衝突部位
10における噴射燃料6による冷却効果と冷却空洞2に
よる冷却効果との和が、燃料非衝突部位11における冷
却空洞2による冷却効果と等しくなるように構成されて
いる。それゆえ、燃焼室3の壁面の温度は均一になる。
その結果、燃焼室内の温度分布及びピストン内部の円周
方向の温度分布は均一になり、更に、ピストン内部に熱
応力は発生しない。
【0016】燃焼室3内の温度分布が均一になると、良
好な燃焼を行うことができる。更に、ピストン1の内部
の円周方向の温度分布が均一になると、ピストンリング
及びランド部7への放熱が均一になり、かつ、ピストン
1の外径の熱膨張が均一になる。その結果、まず、ピス
トン1の製作の際に、ランド部7とシリンダとの間のク
リアランスを均一に設定でき、ランド部7とシリンダと
の間の無駄な容積を減少することができる。又、シリン
ダとピストンリングとの間に隙間が生じることを防止で
き、ブローバイの量を低減できる。又、ピストンリング
溝4をピストン1の頂面の近くに配置することができ、
ピストン1の性能が上がる。又、熱膨張時にピストン1
がシリンダに対して傾斜することがなくなり、ピストン
1とシリンダとの間の摩擦が小さくなり、潤滑用オイル
の消費を低減できる。又、熱膨張時のスカート部8とシ
リンダとの間のクリアランスが均一になり、スラップ音
を低減できる。又、ピストンを楕円形状にするオーバリ
ティ工程が不要になり、コストダウンが可能になる。
【0017】更に、熱応力がピストン1の内部に発生し
なくなると、熱応力に対する強度アップが不要になり、
ピストン1の肉盗みが可能になる。その結果、ピストン
1を軽量化できる。
【0018】
【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、燃料噴
射によって冷却される部位では、冷却空洞による冷却効
果を小さくし、燃料噴射によって冷却されない部位で
は、冷却空洞による冷却効果を大きくすることにより、
燃焼室内の温度分布及びピストン内部の円周方向の温度
分布を均一にすることができ、かつ、熱応力がピストン
内部に発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示
す概略の部分断面図である。
【図2】図1のII−II線に沿った断面図である。
【図3】従来の内燃機関のピストンの概略の部分断面図
である。
【図4】図3のIV−IV線に沿った断面図である。
【符号の説明】
1…ピストン 2…冷却空洞 3…燃焼室 4…ピストンリング溝 6…燃料 10…燃料衝突部位 11…燃料非衝突部位 L1 ,L2 …間隔

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼室となるピストンキャビティとピス
    トンリング溝との間に冷却空洞を具備し、前記燃焼室の
    壁面に燃料を噴射衝突させる内燃機関のピストンにおい
    て、 燃料衝突部位における前記燃焼室の壁面と前記冷却空洞
    の壁面との間隔は、燃料非衝突部位における前記間隔よ
    りも大きいことを特徴とする内燃機関のピストン。
JP8302995A 1996-11-14 1996-11-14 内燃機関のピストン Pending JPH10141135A (ja)

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