JP2000018041A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸排気バルブのリフトタイミング或いは最大
リフト量が変更された場合であれ、好適な吸排気効率を
維持する内燃機関のピストンを提供する。 【解決手段】 ピストン３の頂面３３には、吸気バルブ
１０７の進入方向に対向して形成されたリセス部３３ａ
が形成されている。またこのリセス部３３ａには、その
底面からテーパ状に盛り上がった周縁部３３ｂへ向かう
内壁３３ｄが形成されている。この内壁３３dは、リセ
ス部３３ａの底面に対して１００°以上の鈍角をなすよ
うなだらかに形成されている。このためピストン頂面３
３の形状は、吸気バルブのリフト量が大きい場合であっ
ても、吸気ポートから流入した吸気が内壁３３ｃに沿っ
てリセス部３３ａの外側へ逃げ易いものとなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダ内を往復して
燃焼により生じた爆発力を機関トルクに変換する内燃機
関のピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のピストンは、シリンダ内を往
復動し、燃焼により生じるエネルギーをコンロッドを介
してクランクシャフトの回転エネルギーに変換する。例
えば図６には、車載用エンジンに用いられるピストン
を、シリンダやシリンダヘッド等その周辺部材とともに
概略的に示す断面図である。

【０００３】この図６に示されるように、シリンダボア
１０１の上部にはシリンダヘッド１０２が備え付けら
れ、このシリンダヘッド（天井部）１０２、シリンダボ
ア（内壁）１０１及びピストン頂面１０３ａで囲まれる
空間によって燃焼室１０４が形成される。また、吸気ポ
ート１０５及び排気ポート１０６がシリンダヘッド１０
２から燃焼室１０４にそれぞれ開口しており、吸気バル
ブ１０７及び排気バルブ１０８がそれぞれ吸気側カムシ
ャフト１０９ａ、排気側カムシャフト１０９ｂと連動し
て上下動することにより、それぞれの開口部を開閉す
る。一方、ピストン１０３の頂面１０３ａには、吸気バ
ルブ１０７及び排気バルブ１０８の燃焼室１０４への侵
入方向に対向してくぼみ（リセス）部１１０が形成され
ている。これはピストン１０３が吸気バルブ１０７や排
気バルブ１０８と干渉するのを防ぐためである。

【０００４】また、同図６に示す状態のように、ピスト
ン１０３が上死点にあるときには、吸排気バルブ１０
７，１０８と対向する箇所や点火プラグ１１１が設けれ
られている箇所が余剰空間１１４ａ（燃焼室１０４）と
なる一方、ピストン頂面１０３ａの周縁部１０３ｂは天
井部１０２と近接してわずかな間隙（スキッシュ）１０
４ｂとなる。このスキッシュ１０４ｂはピストン１０３
が下動する際、燃焼室１０４内の燃焼ガスを周縁部に向
かって引き込み、燃焼速度を高める作用を有する。この
スキッシュ１０４ｂによる燃焼ガスの引き込みの作用
は、同図６に示すように、スキッシュ１０４ｂをテーパ
状に形成すれば一層高まることが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで近年、バルブ
タイミング可変機構やバルブリフト量可変機構のような
可変動弁機構の採用により、機関運転中、シリンダ内に
おけるピストン１０３と吸排気バルブ１０７、１０８と
の相対的な位置関係が変化するといった状況が生じるこ
とがある。

【０００６】すなわち、上記テーパ状のスキッシュ１０
４ｂを形成するピストン１０３を備えたエンジンに、例
えば吸気バルブの開閉タイミングを変更可能とするバル
ブタイミング可変機構を採用して、吸気バルブ１０７の
開きタイミングを適宜進角させると、図７に拡大して示
すように、ピストン１０３の上死点付近でのそれら吸気
バルブ１０７及びピストン１０３間の相対距離が短縮さ
れるようになる。そしてこの場合には、燃焼室内に流入
してくる吸気の一部がリセス部１１０及びテーパ状周縁
部１０３ｂの境界に形成される内壁１１０ａに当たり、
吸気の吸入効率が低下するようになる。また反対に、排
気バルブ１０８（図６）の開閉タイミングを変更するバ
ルブタイミング可変機構を採用した場合にも、それら排
気バルブ１０８及びピストン１０３間の相対距離が縮小
される態様でその開閉タイミングが変更される場合に
は、やはり排気バルブ１０８に対向するリセス部１１０
の内壁１１０ａが障害となって、燃焼ガスの排気効率が
低下してしまう。

【０００７】本発明は、こうした実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、吸排気バルブの
リフトタイミング或いは最大リフト量が変更された場合
であれ、好適な吸排気効率を維持することのできる内燃
機関のピストンを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、ヘッド部の頂面に、吸
気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方に対向するリ
セス部と、同ヘッド部の周縁部から中央部に向かってテ
ーパ状に盛り上がったテーパスキッシュ部とを有してな
る内燃機関のピストンであって、前記テーパスキッシュ
部から前記リセス部の底面に向かって形成されるリセス
部の内壁に吸気及び排気の少なくとも一方を前記ヘッド
部の頂面側方に誘導するガス誘導構造を設けたことを要
旨とする。

【０００９】同構成によれば、吸気ポートからリセス部
の内壁に向かって流入してくる吸気、或いは燃焼室から
排気ポートへ向かう排気が、上記吸気逃げ構造を介して
リセス部外部へ誘導されることにより、吸気バルブ又は
排気バルブとリセス部との相対的な位置関係に関わらず
常時好適な吸排気効率が維持され、もって機関トルクを
安定に保持することができるようになる請求項２記載の
発明は、請求項１記載の内燃機関のピストンにおいて、
前記内燃機関は、前記吸気バルブ及び排気バルブの少な
くとも一方に対してそのバルブタイミング及びバルブリ
フト量の少なくとも一方を変更する可変動弁機構を備え
ることを要旨とする。

【００１０】同構成によれば、バルブタイミングの変更
やバルブリフト量の変更（増大）による吸排気効率の低
下を好適に抑制し、もって機関トルクを安定に保持する
ことができるようになる。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
記載の内燃機関のピストンにおいて、前記ガス誘導構造
は、前記テーパスキッシュ部から前記リセス部の底面に
向かって形成されるリセス部の内壁が前記リセス部の底
面と鈍角をなすことにより形成されることを要旨とす
る。

【００１２】同構成によれば、バルブのリフトが深くな
った場合であれ、吸気の流入或いは排気の流出がリセス
部の内壁に妨げられることなく、常時好適な吸排気効率
を維持し、もって機関トルクを安定に保持することがで
きるようになる。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項３記載の内
燃機関のピストンにおいて、前記テーパスキッシュ部か
ら前記リセス部の内壁と前記リセス部の底面とのなす角
度は１００°以上の鈍角であることを要旨とする。

【００１４】同構成によれば、前記請求項３記載の発明
の作用が一層顕著となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内燃機関のピ
ストンを具体化した一実施の形態について、図面を参照
して説明する。

【００１６】なお、本実施形態において、これが適用さ
れる車載用エンジン（以下、エンジンという）のうち、
ピストン以外の周辺部材としては、図６において説明し
た各部材と同一のものを想定している。

【００１７】ただし、とくに本実施形態に係るエンジン
には、クランクシャフト（図示略）に対する吸気バルブ
用カムシャフト（１０９ａ）の相対的な回転位相をエン
ジンの運転状態に応じて変更する周知の可変バルブタイ
ミング機構が搭載されているものとする。

【００１８】図１には本実施の形態に係るピストンを示
す斜視図を、さらに図２にはそのピストンを図１の矢指
方向より見たときの平面図を示す。図１に示すように、
ピストン３は、円筒形状を有し、その上部（シリンダヘ
ッド側）にあたるピストンヘッド３１、下部（クランク
シャフト側）にあたるスカート部３２から構成される。
ピストンヘッド３１の側面には円周方向に沿って複数の
溝が形成され、これらの溝にはピストンリング３１ａが
埋め込まれている。これらピストンリング３１ａは、ピ
ストン３とシリンダ内壁との隙間を埋め、ピストン３の
上下運動を円滑に行わせる役割をもつ。一方、スカート
部３２には、ピストンピン（図示略）を貫通させコンロ
ッド（図示略）との連結部を形成するためのピストンピ
ン穴３２ａが設けられている。

【００１９】さて、本実施形態に係るピストン３は、２
つの吸気バルブと２つの排気バルブを備えたエンジンに
採用されるものであり、その頂面３３には、図１及び図
２に示される態様で、それぞれのバルブに対向するよう
に吸気バルブ用リセス部３３ａが２箇所、排気バルブ用
リセス部３３ｂが２箇所形成されている。また、ピスト
ン頂面３３の周縁部３３ｃはシリンダヘッドの天井部１
０２（図６）との間にスキッシュを形成するようテーパ
状に形成されている（図６をあわせ参照）。

【００２０】次に、図３及び図４には、それぞれ図２に
示したピストン３のIII−III線に沿った断面図及びIV−
IV線に沿った断面図を示す。先ず、図３に示すように、
ピストン頂面３３は、その周縁部３３ｃが中央部に向か
ってテーパ状に盛り上がり、その盛り上がりの最頂部か
ら中心にかけてはなだらかに窪んだ盆状をなしている。

【００２１】また、図４に示すように、リセス部３３ａ
及び３３ｂは、それぞれ吸排気バルブの形状にあわせ
て、それらバルブの進入方向に対向するように形成され
ている。さらに、とくに吸気バルブに対向するリセス部
３３ａの内壁３３ｄは、同周縁部３３ｃがテーパ状に盛
り上がっているために、周縁部３３ｃが盛り上がってい
ないと想定したものに比して必然的に高くなる。また、
この内壁３３ｄはリセス部３３ａの底面に対して１００
°以上の鈍角をなすようなだらかに形成されている。

【００２２】以上のように構成されたピストン３の作用
について、以下に説明する。図５には、エンジンの運転
中、ピストン３が上死点に達した際、吸気バルブ１０７
とピストン３の頂面３３との相対的な位置関係を示すも
のである。

【００２３】同図中２点鎖線で示す吸気バルブ１０７の
位置（リフト位置）は、エンジン始動時やアイドル時の
ものである。一方、その他の運転時には、先述したバル
ブタイミング可変機構の作用によりエンジンの負荷や回
転数に応じて吸気バルブ用カムシャフトの回転位相が変
更され、結果としてピストン３が上死点にあるときの吸
気バルブ１０７のリフト位置、すなわちそれら吸気バル
ブ１０７及びピストン３間の相対距離も変更されること
となる。同図５において実線で示す吸気バルブ１０７の
リフト位置は、ピストン３が上死点にある場合で吸気バ
ルブ１０７のリフトが最も深い場合、すなわちピストン
３の頂面３３が吸気バルブ１０７と最も近接する場合の
ものである。

【００２４】また、本実施形態のピストン３の頂面３３
には、吸気バルブ１０７の進入方向に対向して形成され
たリセス部３３ａの底面からテーパ状に盛り上がった周
縁部３３ｃへ向かう内壁３３ｄが形成されている。この
内壁３３ｄは上述のように、リセス部３３ａの底面に対
して１００°以上の鈍角をなすようなだらかに形成され
ている。このため、ピストン頂面３３の形状は、吸気バ
ルブ１０７との相対距離が短くなる場合であっても、吸
気ポートから流入した吸気が内壁３３ｄに沿ってリセス
部３３ａの外側へ逃げ易いものとなっている。

【００２５】ここで、テーパ状スキッシュを燃焼室内に
形成する従来のピストンにあっては先の図７に示したよ
うに、リセス部の内壁が吸気ポートを介して流入してく
る吸気の障壁となってしまっていた。とくに可変バルブ
タイミング機構等の採用により、エンジンの運転状態に
応じてピストンの上死点位置での吸気バルブ及びピスト
ン間の相対距離が短縮される場合、このリセス部の内壁
による吸入効率の低下、及びこれに伴うエンジントルク
の低下が生じていた。ちなみに、通常の可変バルブタイ
ミング機構では、エンジンの回転数が中低速の運転領域
にある場合に、吸気バルブの回転位相が進角され、こう
した傾向が顕著となる。

【００２６】この点、本実施形態のピストン３では、前
述したようにリセス部３３ａの内壁３３ｄが底面に対し
てなだらかに形成され、吸気バルブ１０７の回転位相の
進角制御に伴って上死点付近での吸気バルブ１０７とピ
ストンとの相対距離が縮まる場合であっても、吸気ポー
トから流入した吸気が内壁３３ｄに沿ってリセス部３３
ａの外側へ逃げ易くなっている。すなわち、吸気ポート
から燃焼室内への好適な吸入効率を維持することがで
き、とくにエンジン回転数が中低速にある場合のエンジ
ントルクを好適に維持することができるようになる。

【００２７】また、上記のようなピストン３の頂面３３
に係るリセス部３３ａの形成は、素材の型成形時に容易
に行うことができ、コスト的にも有利である。さらに、
ピストン頂面３３の周縁部３３ｃをテーパ形状とするこ
とでリセス部３３ａが実質的に深くなり、これに加えて
同リセス部３３ａの内壁３３ｄをなだらかに形成するこ
とによって、吸気効率や排気効率の低下も好適に抑制で
きることとなるため、結果として、各バルブとピストン
３との干渉余裕も拡大することとなる。

【００２８】以上詳述したように、本実施の形態によれ
ば、以下に示す効果が得られるようになる。 （１）テーパ形状のスキッシュを形成するピストン３に
おいて、吸気バルブ１０７がピストン頂面３３のリセス
部３３ａの底面に近接する場合、すなわち吸気バルブ１
０７のバルブを進角させた場合であれ、所定の吸気効率
を維持し、もってエンジントルクの低下を好適に抑制す
ることができるようになる。 （２）上記リセス形状の成形も容易でコスト的にも有利
である。 （３）各バルブとピストン３との干渉余裕が拡大する。

【００２９】なお、本実施形態では、吸気バルブのバル
ブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を備
えたエンジンのピストンに本発明を適用した。これに対
し、排気バルブのバルブタイミングを変更する可変バル
ブタイミング可変機構に本発明を適用してもよい。排気
バルブの燃焼室への進入方向に対向するように形成され
たリセス部に対し、ピストン周縁部側の内壁を、リセス
部の底面となす角が鈍角をなすようなだらかに形成すれ
ばよい。このような構成とすれば、テーパ状のスキッシ
ュを形成するピストンを備えたエンジンであって、排気
バルブのバルブタイミングが変更される場合であれ、排
気効率を常時好適に維持することができるようになる。

【００３０】また、本実施形態では、可変バルブタイミ
ング機構を備えたエンジンに本発明を適用したが、吸排
気バルブの開閉タイミングではなく、吸排気バルブの上
下動に係るバルブリフト量を可変とする機構を備えたエ
ンジンに本発明を適用してもよい。さらに、上記バルブ
リフト量を可変とする機構及び可変バルブタイミング機
構の両方を備えたエンジンに本発明を適用しても、上記
実施形態と同様の効果を奏することができる。

【００３１】また、本実施形態に係るピストン３では、
吸気バルブ１０７に対向するリセス部３３ａの内壁３３
ｄをなだらかに形成することとした。これに代え、内壁
３３ｄに溝等を設けて吸気のリセス部からの逃げ路を形
成してもよい。要は、吸排気バルブのリフトが深くなっ
た場合であれ、リセス部の内壁が吸気の障壁となって、
吸気効率を低下させないようにピストン頂面のリセス部
を形成すればよい。

【００３２】また、本実施形態に係るピストン３は、１
つの燃焼室（気筒）に対し２つの吸気ポート（吸気バル
ブ）と２つの排気ポート（排気バルブ）を備えるエンジ
ンに適用することとしたが、本発明のピストンが適用さ
れるエンジンにおいて、１気筒に対する吸排気バルブの
数及びその組み合わせは任意である。要は、個々のバル
ブに対向するよう設けられたリセス部に対して上述のよ
うに吸気及び排気の少なくとも一方をヘッド３１の頂面
３３側方へ誘導するガス誘導構造が設けられるものであ
ればよい。

【００３３】また、本実施形態に係るピストン３の頂面
形状に関し、リセス部３３ａ，３３ｂと周縁部３３ｃ以
外の部位の形状は任意である。たとえば、圧縮比を高め
るためにピストン頂面の中央が盛り上がった形状を有す
るピストン等にも本発明を適用することはできる。

【００３４】以上、本発明の一実施の形態について説明
したが、当該実施の形態から把握できる請求項以外の技
術思想について、以下にその効果とともに記載する。・
請求項１又は２記載の内燃機関のピストンにおいて、前
記ガス誘導構造は、前記テーパスキッシュ部から前記リ
セス部の底面に向かって形成されるリセス部の内壁に形
成される溝構造であることを特徴とする内燃機関のピス
トン。

【００３５】上記構成によっても、バルブがピストン頂
面のリセス部の底面に近接する場合であれ、ガスの流入
出がリセス部の内壁に妨げられることなく常時好適な吸
排気効率が維持され、もって機関トルクを安定に保持す
ることができるようになる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に記載した発明によれば、吸気
ポートからリセス部の内壁に向かって流入してくる吸
気、或いは燃焼室から排気ポートへ向かう排気が、上記
吸気逃げ構造を介してリセス部外部へ誘導されることに
より、吸気バルブ又は排気バルブとリセス部との相対的
な位置関係に関わらず常時好適な吸排気効率が維持さ
れ、もって機関トルクを安定に保持することができるよ
うになる請求項２に記載した発明によれば、バルブタイ
ミングの変更やバルブリフト量の変更（増大）による吸
排気効率の低下を好適に抑制し、もって機関トルクを安
定に保持することができるようになる。

【００３７】請求項３に記載した発明によれば、バルブ
のリフトが深くなった場合であれ、吸気の流入或いは排
気の流出がリセス部の内壁に妨げられることなく、常時
好適な吸排気効率が維持され、もって機関トルクを安定
に保持することができるようになる。

【００３８】請求項４に記載した発明によれば、前記請
求項３記載の発明の作用効果が一層顕著となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るピストンの一実施の形態を示す斜
視図。

【図２】そのピストンを頂面から見た平面図。

【図３】図２のIII−III線に沿った断面図。

【図４】図２のIV−IV線に沿った断面図。

【図５】ピストン及び吸気バルブの相対位置関係を概略
的に示す断面図。

【図６】従来のピストン及びその周辺部材を概略的に示
す断面図。

【図７】従来のピストン及び吸気バルブの相対位置関係
を概略的に示す断面図。

【符号の説明】

３…ピストン、３１…ピストンヘッド、３１ａ…ピスト
ンリング、３２…スカート部、３２ａ…ピストンピン
穴、３３…ピストン頂面、３３ａ，３３ｂ…リセス部、
３３ｃ…周縁部、３３ｄ…内壁、１０１…シリンダボ
ア、１０２…シリンダヘッド（天井部）、１０３…ピス
トン、１０３ａ…ピストン頂面、１０４…燃焼室、１０
４ｂ…スキッシュ、１０７…吸気バルブ、１０８…排気
バルブ、１１０ａ…内壁、１１１…点火プラグ、１１４
ａ…余剰空間。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘッド部の頂面に、吸気バルブ及び排気バ
   ルブの少なくとも一方に対向するリセス部と、同ヘッド
   部の周縁部から中央部に向かってテーパ状に盛り上がっ
   たテーパスキッシュ部とを有してなる内燃機関のピスト
   ンであって、 前記テーパスキッシュ部から前記リセス部の底面に向か
   って形成されるリセス部の内壁に吸気及び排気の少なく
   とも一方を前記ヘッド部の頂面側方に誘導するガス誘導
   構造を設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 【請求項２】前記内燃機関は、前記吸気バルブ及び排気
   バルブの少なくとも一方に対してそのバルブタイミング
   及びバルブリフト量の少なくとも一方を変更する可変動
   弁機構を備え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。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の内燃機関のピストン
   において、 前記ガス誘導構造は、前記テーパスキッシュ部から前記
   リセス部の底面に向かって形成されるリセス部の内壁が
   前記リセス部の底面と鈍角をなすことにより形成される
   ことを特徴とする内燃機関のピストン。
4. 【請求項４】前記テーパスキッシュ部から前記リセス部
   の内壁と前記リセス部の底面とのなす角度は１００°以
   上の鈍角であることを特徴とする請求項３記載の内燃機
   関のピストン。