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JP2000220520A - 内燃機関のピストン - Google Patents

内燃機関のピストン

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Publication number
JP2000220520A
JP2000220520A JP11018939A JP1893999A JP2000220520A JP 2000220520 A JP2000220520 A JP 2000220520A JP 11018939 A JP11018939 A JP 11018939A JP 1893999 A JP1893999 A JP 1893999A JP 2000220520 A JP2000220520 A JP 2000220520A
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JP
Japan
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combustion chamber
piston
top surface
internal combustion
cooling cavity
Prior art date
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Pending
Application number
JP11018939A
Other languages
English (en)
Inventor
Tadashi Iijima
正 飯島
Nobuhiko Inada
順彦 稲田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
Priority to JP11018939A priority Critical patent/JP2000220520A/ja
Priority to US09/489,148 priority patent/US6314933B1/en
Publication of JP2000220520A publication Critical patent/JP2000220520A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B23/0696—W-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder wall
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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Lubrication Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製作が容易で、しかも、燃焼室での耐久性を
向上させることができる内燃機関のピストンを提供す
る。 【解決手段】 頂面１５に燃焼室１１がくぼませて形成
されるとともに、この燃焼室１１の外周位置に冷却用空
洞２１が形成され、かつ、この冷却用空洞２１は上部内
周より下部内周が小さく形成された、内燃機関のシリン
ダ１内を往復動する内燃機関のピストン１０において、
燃焼室１１がシリンダ１内に開口する内周面部１４の上
縁とピストン１０の頂面１５との角部には、前記冷却用
空洞２１の上部内周形状に合わせて肉厚を大きく変化さ
せない程度に大きなアール１７を施す。

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
ンに係り、特に、頂面に燃焼室を有する内燃機関のピス
トンに関する。
【０００２】
【背景技術】頂面に燃焼室を有する内燃機関のピント
ン、例えば、頂面にリエントラント形燃焼室（燃焼室の
開口部がその燃焼室の最大内径より小さく、かつ、比較
的深い凹部を有する燃焼室）を有するディーゼルエンジ
ン用ピストンでは、燃焼室の外周部に冷却用空洞を形成
し、作動時に、冷却用空洞に冷却油を注入し、高温にな
るピストン頂部、特に、燃焼室がシリンダ内に開口する
内周面上縁とピストン頂面との角部（エッジ部）を冷却
することによって、燃焼室の温度上昇を抑えるようにし
たものもある。しかし、このような構成において、エン
ジンが通常出力のままでは効果があるものの、エンジン
を高出力化すると、大きい熱負荷がピストンに加わり、
前記角部（エッジ部）の温度が過度に上昇し、材料高温
強度低下、熱変形、熱応力大による亀裂発生などの不具
合が生じる可能性がある。そのため、燃焼室での耐久性
が低下するという問題がある。
【０００３】そこで、本出願人は、このような不具合を
軽減するため、実開平７−１０４４９号公報に開示され
た「ディーゼルエンジン用ピストンの冷却構造」を提案
している。これは、リエントラント形燃焼室の外周に冷
却用空洞を形成し、この冷却用空洞に冷却油を注入する
冷却油導入口を備えるディーゼルエンジン用ピストンの
冷却構造において、冷却用空洞の内径を、ピストン下部
側よりピストン頂部側の方を小さく形成したものであ
る。
【０００４】これにより、冷却用空洞の内径が、ピスト
ン下部側よりピストン頂部側の方が小さく形成されてい
るから、冷却用空洞内部のピストン頂部側を流れる冷却
油は、従来と比べ、前記角部（エッジ部）に対して接近
して流れる。その結果、冷却油による冷却性を向上させ
ることができるから、従来に比べ、耐熱負荷性の高いピ
ストンを得ることができた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来のピストンの構造
では、冷却用空洞の内径がピストン下部側よりピストン
頂部側の方が小さく形成されていることによって、冷却
用空洞の断面形状が、ピストン下部側からピストン頂面
側に向かって次第に大きい断面形状となっているため、
いわば、角部（エッジ部）内側から肉厚を削って形成し
た構造であるから、作りずらいという欠点がある。
【０００６】この理由は、リエントラント形燃焼室の場
合、ピストンが上昇するとき、ピストン頂面とシリンダ
内底面との空間（スキッシュエリア）の空気を燃焼室内
に流入させ、その燃焼室の深い凹部で旋回流を生起さ
せ、これにより燃料を微粒化させているため、旋回流を
生起させるための構成として燃焼室の角部のエッジをで
きるだけ残す必要がある関係から、燃焼室の冷却効果を
高めるためには、角部のエッジ部内側から肉厚を削って
形成しなければならないためである。
【０００７】しかも、このようにして、燃焼室の角部の
エッジ部内側から肉厚を削って形成しても、上述した理
由から、角部のエッジは依然として残っている状態にあ
るから、そのエッジにヒートポイントが生じやすく、十
分な耐久性の向上が望めないうえ、今度は、それとは反
対側、つまり、燃焼室の下部については冷却されにくい
という問題が残る。
【０００８】本発明の目的は、製作が容易で、しかも、
ヒートポイントの発生を抑え、燃焼室での耐久性を向上
させることが可能な内燃機関のピストンを提供すること
にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関のピス
トンは、次の構成を備えることによって、上記目的を達
成しようとするものである。請求項１に記載の発明は、
頂面に燃焼室がくぼませて形成されるとともに、この燃
焼室の外周位置に冷却用空洞が形成され、かつ、この冷
却用空洞は上部内周より下部内周が小さく形成された、
内燃機関のシリンダ内を往復動する内燃機関のピストン
であって、前記燃焼室がシリンダ内に開口する内周面上
縁とピストン頂面との角部には、前記冷却用空洞の上部
内周形状に合わせて肉厚を大きく変化させない程度に大
きな面取りが施されていることを特徴とする。
【００１０】ここで、冷却用空洞の上部内周形状に合わ
せて肉厚を大きく変化させない程度とは、燃焼室と冷却
用空洞との隔壁の肉厚をｔとしたとき、０．８ｔ〜１．
２ｔの範囲を言う。好ましくは、０．９ｔ〜１．１ｔの
範囲がよい。基本的には、幅が小さい方がよい。０．８
ｔ未満であると機械強度上限界であり、１．２ｔより大
きいと冷却効果が低いためである。また、燃焼室は、燃
焼室の開口部がその燃焼室の最大内径と同じかそれより
大きく、かつ、比較的浅い凹部を有する浅皿トロイダル
形や、リエントラント形のいずれであってもよい。
【００１１】この発明によれば、燃焼室がシリンダ内に
開口する内周面上縁とピストン頂面との角部には、冷却
用空洞の上部内周形状に合わせて肉厚を大きく変化させ
ない程度に大きな面取りが施されているから、つまり、
従来のように、燃焼室がシリンダ内に開口する内周面上
縁とピストン頂面との角部の内側から肉厚を削って形成
する必要がないから、容易に製作できる。また、燃焼室
と冷却用空洞との隔壁は略一様の厚みに形成されている
から、これらの一部に温度が過度に上昇するヒートポイ
ントができ難くい。従って、ヒートポイントの生起によ
って生じる問題、つまり、材料高温強度低下、熱変形、
熱応力大による亀裂発生などの不具合を防止でき、燃焼
室での耐久性を向上させることができる。
【００１２】なお、燃焼室がリエントラント形の場合、
燃焼室がシリンダ内に開口する内周面上縁とピストン頂
面との角部に面取りを施すと、スキッシュエリアの空気
を燃焼室内に流入させて旋回流を生起させる効果が薄れ
るが、これに対しては、燃料の高圧噴射によって対処で
きる。燃料の高圧噴射（たとえば、１５００Kg／ｃｍ2
〜２５００Kg／ｃｍ2、具体的には、２０００Kg／ｃ
ｍ2）では、燃料が微粒化されるため、旋回流を生起さ
せなくても、空気との充分な混合が行えるため、リエン
トラント部のエッジを必ずしも必要としない。
【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の内燃機関のピストンにおいて、前記面取りは、全体と
してアール形状であることを特徴とする。この発明によ
れば、エッジがなく、熱応力集中が少なくなるので、燃
焼室に加わる応力をより低減できる。しかも、アール形
状であれば、冷却用空洞の内周形状と相似形にできるの
で、肉厚をより均一にできる。
【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の内燃機関のピストンにおいて、前記燃
焼室は、浅皿トロイダル形であることを特徴とする。こ
の発明によれば、燃焼室が浅皿トロイダル形であるか
ら、燃料噴射ノズルなどから燃焼室内に噴射された燃料
およびそこで発生した火炎は、スキッシュエリアに流入
するから、つまり、浅皿トロイダル形燃焼室において、
燃焼室がシリンダ内に開口する内周面上縁とピストン頂
面との角部が面取りされているから、燃焼室からスキッ
シュエリアへ流入しようとする燃料および火炎の妨げと
はならず、スキッシュエリアの空気を有効利用して燃焼
効率、ひいては、排気特性を向上させることができる。
【００１５】特に、浅皿トロイダル形燃焼室において、
最近の排気規制に対応する目的で採られている対策であ
る上死点後噴射（ＡＴＤＣ）、すなわち、ピストンが上
死点位置からやや下がった位置、具体的には、クランク
角で２０度程度において噴射が終わるように、燃料噴射
ノズルから燃料を高圧噴射すると、微粒化されて噴射さ
れた燃料および火炎は、面取り部分を越えてスキッシュ
エリアにスムースに広がることができるため、スキッシ
ュエリアの空気を十分に活用できる。よって、排気特性
をより改善できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明が適用されたディ
ーゼルエンジン用ピストンを示している。同ピストン１
０は、内燃機関のシリンダ１内を往復動するもので、球
状化黒鉛鋳鉄、鋳鉄、アルミ合金系などの素材によって
円筒状に形成されている。ピストン１０の頂面には浅皿
トロイダル形燃焼室１１がくぼませて形成されるととも
に、この燃焼室１１の外周位置（燃焼室１１とピストン
１０外周との間）には冷却油の流路となる冷却用空洞２
１が環状に形成されている。なお、図１において、２は
燃料噴射ノズル、３はピストンリングである。
【００１７】前記冷却用空洞２１は、外周径が高さ方向
に亘って略同じであるが、上部内周径より下部内周径が
小さく形成されている。つまり、内周面側が、上部から
下部へ向かうに従って、ピストン中心Ｐｏに接近する方
向へ次第に傾斜するテーパ面状に形成されている。これ
により、冷却用空洞２１の断面形状は、ピストン頂面側
からピストン下部側に向かって次第に大きい断面形状に
形成されている。
【００１８】冷却用空洞２１の下部には、冷却油導入口
２２が設けられているとともに、これとは約１８０度離
れた位置に図示しない冷却油流出口が従来と同様（例え
ば、実開平７−１０４４９号公報の図２参照）に設けら
れている。冷却油導入口２２の下方には、冷却油を冷却
油導入口２２に向けて噴射するクーリングノズル２３が
設けられている。これにより、クーリングノズル２３か
ら噴射された冷却油は、冷却油導入口２２から冷却用空
洞２１を通って燃焼室１１を冷却したのち、冷却油流出
口からピストン１内面を経て別途設けられる装置に回収
され、再びクーリングノズルに送られるようになってい
る。
【００１９】前記燃焼室１１は、ピストン１０の中心Ｐ
ｏから外周に向かうに従って下方へ傾斜する円錐状部１
２と、この円錐状部１２の外周から円弧状部１３を介し
てシリンダ１内に開口する内周面部１４とを備えた浅皿
トロイダル形に形成されている。つまり、燃焼室１１の
開口が燃焼室１１の最大内径（円弧状部１３の内径）と
同じか、僅かに大きく、かつ、深さ（ピストン頂面１５
から円弧状部１３までの深さ）がリエントラント形燃焼
室の深さより浅く形成されている。内周面部１４の上縁
とピストン１０の頂面１５との角部には、前記冷却用空
洞２１の上部内周形状に合わせて肉厚を大きく変化させ
ない程度に大きな面取り１６が施されている。具体的に
は、冷却用空洞２１の上部内周形状と略同心状で比較的
大きなアール１７によって形成されている。これによ
り、燃焼室１１と冷却用空洞２１との隔壁３１の厚みｔ
は、略一様の厚みに形成されている。
【００２０】次に、上記構成のピストン１０の作用を説
明する。ピストン１０はシリンダ１内を往復動される。
ピストン１０が上死点位置からやや下がった位置、具体
的には、クランク角で２０度程度において噴射が終わる
ように、燃料噴射ノズル２から燃料が燃焼室１１へ向け
て高圧噴射（たとえば、１５００Kg／ｃｍ2〜２５００K
g／ｃｍ2、具体的には２０００Kg／ｃｍ2）される。す
ると、微粒化されて噴射された燃料および火炎は、燃焼
室１１からアール１７を越えてピストン頂面１５とシリ
ンダ１内底面の空間、つまり、スキッシュエリア３２に
流入するから、そこの空気が燃焼に利用される。従っ
て、スキッシュエリア３２の空気を有効利用できるか
ら、空気利用率が高く、燃焼効率ひいては排気特性の改
善に寄与できる。
【００２１】一方、燃焼室１１の冷却については、冷却
油導入口２２の下方に設けられたクーリングノズル２３
から冷却油が噴出される。すると、噴射された冷却油
は、冷却油導入口２２から冷却用空洞２１を通って燃焼
室１１、つまり、燃焼室１１と冷却用空洞２１との隔壁
３１を冷却する。このとき、隔壁３１の厚みｔが略一様
に形成されているから、ヒートポイントが生じ難く、燃
焼室１１の耐久性の低下を防止できる。隔壁３１を冷却
した冷却油は、冷却油流出口からピストン１内面を経て
別途設けられる装置に回収され、そこで、冷却、調整さ
れたのち、再びクーリングノズル２３に送られる。
【００２２】本実施形態によれば、燃焼室１１の内周面
部１４の上縁とピストン１０の頂面１５との角部に、冷
却用空洞２１の上部内周形状に合わせて肉厚を大きく変
化させない程度に大きな面取り１６を施しているから、
従来のように、燃焼室１１がシリンダ１内に開口する内
周面上縁とピストン頂面１５との角部の内側から肉厚を
削って形成する必要がなく、容易に製作できる。
【００２３】また、燃焼室１１と冷却用空洞２１との隔
壁３１の厚みｔは、略一様の厚みに形成されているた
め、これらの一部に温度が過度に上昇するヒートポイン
トができ難くい。従って、温度が過度に上昇することに
よって生じる不具合、つまり、変形などの不具合を防止
でき、燃焼室１１での耐久性を向上させることができ
る。特に、冷却用空洞２１の上部内周形状と略同心状で
比較的大きなアール１７によって形成されているから、
エッジがなく、熱応力集中が少なくなるので、燃焼室１
１に加わる応力を低減できる。
【００２４】特に、燃焼室１１が浅皿トロイダル形にお
いて、燃焼室１１がシリンダ１内に開口する内周面上縁
とピストン頂面１５との角部に面取り１６を施すととも
に、ピストン１０が上死点位置からやや下がった位置、
具体的には、クランク角で２０度程度において噴射が終
わるように、燃料噴射ノズル２から燃料を高圧噴射する
ようにしてあるから、噴射された燃料や火炎は、アール
１７からスキッシュエリア３２にスムースに広がること
ができるため、つまり、スキッシュエリア３２の空気を
有効利用できるから、燃焼効率や排気特性を改善でき
る。
【００２５】ちなみに、内周面部１４の上縁とピストン
１０の頂面１５との角部をエッジとした場合（比較例）
と、大きなアールとした場合（本実施形態）とにおい
て、噴射された燃料の様子を図２に示す。図２におい
て、左側が比較例、右側が本実施形態である。同図から
も判るように、比較例に比べ、本実施形態の方が、噴射
された燃料がピストン頂面１５とシリンダ１の内底面の
間のスキッシュエリア３２にスムースに流入しているこ
とが理解できる。比較例の場合には、燃料噴射ノズル２
から噴射された燃料が燃焼室１１のエッジで邪魔され、
つまり、エッジがスキッシュエリア３２への燃料の流入
の妨げとなり、そのスキッシュエリア３２の空気を有効
利用できないため燃焼効率が低く、排気特性の改善が期
待できない。
【００２６】図３および図４は、燃焼室１１の内周面部
１４の上縁とピストン１０の頂面１５との角部をエッジ
とした場合（比較例）から、大きなアールにした場合
（本実施形態）における排気性能の改善効果を示してい
る。図３は、エンジンの回転数が１８００ｒｐｍにおい
て、１００％負荷時の比較例（内周面部１４上縁とピス
トン１０の頂面１５との角部をエッジとした例）と本実
施形態との排気性能および５０％負荷時の比較例と本実
施形態との排気性能を示している。同図から判るように
ように、比較例に比べ、本実施形態の方が排気色が無色
に改善されていることが判る。図４は、エンジンの回転
数が１３００ｒｐｍにおいて、１００％負荷時の比較例
と本実施形態との排気性能および５０％負荷時の比較例
と本実施形態との排気性能を示している。同図から判る
ように、比較例に比べ、本実施形態の方が排気色が無色
に改善されていることが判る。
【００２７】なお、本発明は、前記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の目的を達成しうる範囲での変
形もしくは改良は本発明に含まれる。例えば、燃焼室１
１の内周面部１４上縁とピストン頂面１５との角部に形
成する面取り１６の形状としては、図５〜図８に示す形
状でもよい。図５に示す形状は、円周面部１４からピス
トン頂面１５に向かうに従って次第に外側へテーパ状に
広がった円錐面状部１８Ａを備えた形状である。図６に
示す形状は、円周面部１４からピストン頂面１５に向か
うに従って次第に外側へテーパ状に広がり、かつ、図５
の円錐面状部１８Ａとは異なる角度の円錐面状部１８Ｂ
を備えた形状である。図７に示す形状は、図６に示す形
状において、内側の鋭角の部分にアール１７Ｃを付けた
形状である。つまり、円周面部１４からピストン頂面１
５に向かうに従って次第に外側へ弧状に湾曲するアール
１７Ｃを備え、更に、その外側にピストン頂面１５に向
かうに従って次第に外側へテーパ状に広がった円錐面状
部１８Ｃを備えた形状である。図８に示す形状は、円周
面部１４からピストン頂面１５に向かうに従って次第に
外側へテーパ状に広がった円錐面状部１８Ｄを備え、更
に、その外側にピストン頂面１５に向かうに従って次第
に外側へ弧状に湾曲するアール１７Ｄを備えた形状であ
る。この際、図７および図８から判るように、より鋭角
な角部にアール１７Ｃ、１７Ｄを設けることがヒートポ
イントを発生させない上で有効である。
【００２８】また、前記実施形態では、燃焼室１１の形
状が浅皿トロイダル形であったが、リエントラント形に
も適用できる。ただし、燃焼室１１の形状が浅皿トロイ
ダル形であれば、リエントラント形燃焼室に比べ、燃料
噴射ノズル２から噴射された燃料や火炎が、アール１７
からスキッシュエリア３２にスムースに流入するから、
排気特性の改善効果が高い利点がある。
【００２９】なお、燃焼室１１がリエントラント形の場
合、燃焼室１１がシリンダ１内に開口する内周面部１４
の上縁とピストン頂面１５との角部に面取り１６を施す
と、スキッシュエリア３２の空気を燃焼室１１内に流入
させて旋回流を生起させる効果が薄れるが、これに対し
ては、燃料の高圧噴射によって対処すればよい。つま
り、燃料の高圧噴射（たとえば、１５００Kg／ｃｍ2〜
２５００Kg／ｃｍ2、具体的には２０００Kg／ｃｍ2）で
は、燃料が微粒化されるため、旋回流を生起させなくて
も、充分な混合が行えるため、燃焼室の角部のエッジを
必ずしも必要としない。
【００３０】また、本発明は、ディーゼルエンジンに限
らず、ガソリンエンジンにも適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】本発明の内燃機関のピストンによれば、
燃焼室がシリンダ内に開口する内周面上縁とピストン頂
面との角部に、冷却用空洞の上部内周形状に合わせて肉
厚を大きく変化させない程度に大きな面取りを施したの
で、製作が容易で、しかも、これらの一部に温度が過度
に上昇するヒートポイントができ難くいから、ヒートポ
イントの生起によって生じる問題を防止して燃焼室での
耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のピストンを示す断面図で
ある。
【図２】面取りの有無による燃料噴射の状況を示す図で
ある。
【図３】面取りの有無による排気性能（１８００ｒｐｍ
時）の改善効果を示す図である。
【図４】面取りの有無による排気性能（１３００ｒｐｍ
時）の改善効果を示す図である。
【図５】燃焼室の面取り形状を円錐面状部とした図であ
る。
【図６】燃焼室の面取り形状を図５とは異なる角度の円
錐面状部とした図である。
【図７】燃焼室の面取り形状をアールと円錐面状部との
組み合わせとした図である。
【図８】燃焼室の面取り形状を円錐面状部とアールとの
組み合わせとした図である。
【符号の説明】
１ シリンダ ２ 燃料噴射ノズル １０ ピストン １１ 燃焼室 １２ 円錐状部 １３ 円弧状部 １４ 内周面部 １５ ピストン頂面 １６ 面取り １７ アール ２１ 冷却用空洞 ２２ 冷却油導入口 ３１ 隔壁 ３２ スキッシュエリア

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 頂面に燃焼室がくぼませて形成されると
    ともに、この燃焼室の外周位置に冷却用空洞が形成さ
    れ、かつ、この冷却用空洞は上部内周より下部内周が小
    さく形成された、内燃機関のシリンダ内を往復動する内
    燃機関のピストンであって、 前記燃焼室がシリンダ内に開口する内周面上縁とピスト
    ン頂面との角部には、前記冷却用空洞の上部内周形状に
    合わせて肉厚を大きく変化させない程度に大きな面取り
    が施されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の内燃機関のピストンに
    おいて、前記面取りは、全体としてアール形状であるこ
    とを特徴とする内燃機関のピストン。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の内燃機
    関のピストンにおいて、前記燃焼室は、浅皿トロイダル
    形であることを特徴とする内燃機関のピストン。
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