JP2005315166A

JP2005315166A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP2005315166A
Application number: JP2004133887A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Hoshiba; 義幸干場; Katsuhiko Miyamoto; 勝彦宮本; Kiyotaka Hosono; 清隆細野; Hideki Miyamoto; 秀樹宮本; Tomo Yokoyama; 友横山; Tomoharu Sakai; 知治酒井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】混合気を良好に攪拌し燃焼効率を向上させることができるようにする。
【解決手段】ピストン１の上面に形成された凹部２と、シリンダヘッド下面２０との間でスキッシュ流を生成するべくピストン１の上面に形成されたスキッシュテーパ部４，５と、スキッシュテーパ部４，５において、２つの吸気バルブ１３，１３に対応する部位に形成された２つの吸気バルブリセス６，６と、２つの排気バルブ１４，１４に対応する部位に形成された２つの排気バルブリセス７，７とを備え、スキッシュテーパ部４，５が、２つの吸気バルブリセス６，６の間および２つの排気バルブリセス７，７の間のうち少なくとも一方からピストン中心Ｃ₁に向けて凹部２にまで延びて形成された延長部４ｂ，５ｂを有しているように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の内燃機関用ピストンに関するものである。

従来より、内燃機関の燃焼室内において、点火の際に混合気を攪拌することによって乱流を発生させ、燃焼速度を促進して燃焼効率を向上させる技術が知られている。
つまり、燃焼室内で混合気を攪拌することによって、エンジンの圧縮比を高くした場合であってもノッキングが発生しにくくできるとともに、低負荷でエンジンを運転している場合（いわゆる、低負荷運転時）や、ＥＧＲガスを含んだ混合気を導入してエンジンを運転している場合（いわゆる、ＥＧＲ導入運転時）であっても、燃焼効率を向上させて燃費を向上させることができる。

なお、燃焼室内で混合気を攪拌するための技術の一例として、例えば、以下の特許文献１の技術が挙げられる。この特許文献１においては、燃焼室の周縁全周に亘って、シリンダヘッド下面とピストン上面との間に狭い隙間（スキッシュエリア）を形成し、このスキッシュエリアから混合気をスキッシュ流として押し出すことで燃焼室内の混合気を攪拌する旨が開示されている。
特開２００１−５９４２２号公報

ところで、燃費を向上させるためには混合気に含まれるＥＧＲガスの割合を増大させることが効果的であることが知られているが、ＥＧＲガスを過剰に燃焼室へ供給すると、燃焼効率が低下し、むしろ燃費を悪化させてしまう。
また、特許文献１の技術によって生成されるスキッシュ流では、点火プラグ近傍における混合気の乱れを強化することができず、燃焼期間を十分に短縮することができないという課題がある。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、混合気を良好に攪拌し燃焼効率を向上させることができる内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の内燃機関用ピストン（請求項１）は、シリンダヘッドの下面とピストンの上面とで上下を区画される燃焼室と、該燃焼室の上面の一側に配設された２つの吸気バルブと、該燃焼室の上面の他側に配設された２つの排気バルブとをそなえ、該燃焼室の上面を形成する該シリンダヘッド下面が、該一側に形成された第１の傾斜下面と該他側に形成された第２の傾斜下面とからなるペントルーフ形状に形成された内燃機関に適用されるピストンであって、該ピストンの上面に形成された凹部と、該シリンダヘッド下面との間でスキッシュ流を生成するべく該ピストン上面に形成されたスキッシュテーパ部と、該２つの吸気バルブ及び該２つの排気バルブにそれぞれ対応する該スキッシュテーパ部に形成された２つの吸気バルブリセス及び２つの排気バルブリセスと、該２つの吸気バルブリセスの間または該２つの排気バルブリセスの間の該スキッシュテーパ部の一部を該ピストン中心に向けて該凹部まで延ばした延長部とからなることを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明の内燃機関の内燃機関用ピストンは、請求項１記載の内容において、該延長部が、該２つの吸気バルブリセスの間と該２つの排気バルブリセスの間との両方に形成されていることを特徴としている。
また、請求項３記載の本発明の内燃機関の内燃機関用ピストンは、請求項１または２記載の内容において、該２つの吸気バルブリセスの間に形成された該延長部の先端が、平面視における該吸気バルブの中心位置よりもピストン中心側に位置するように形成され、該２つの排気バルブリセスの間に形成された該延長部の先端が、平面視における該排気バルブの中心位置よりもピストン中心側に位置するように形成されていることを特徴としている。

本発明の内燃機関の内燃機関用ピストンによれば、スキッシュテーパ部によって燃焼室内にスキッシュ流が生成されるとともに、このスキッシュ流が、延長部によって、ピストン中心（即ち、燃焼室の中心部）へ向けて案内されるので、燃焼室内で混合気が良好に攪拌され、燃焼効率を向上させることができる。（請求項１）
また、延長部が、吸気バルブリセスの間と排気バルブリセスの間との両方に形成されているので、吸気バルブリセス間の延長部によって生成されたスキッシュ流と、排気バルブリセス間の延長部によって生成されたスキッシュ流とを、燃焼室の中心部で衝突して混じり合わせることで、燃焼効率の更なる向上を図ることができる。（請求項２）
また、延長部の先端が、平面視において、吸気弁又は排気弁の中心位置よりもピストン中心側に位置するように形成されているので、スキッシュ流を燃焼室の中心部まで確実に到達させて、燃焼効率の更なる向上を図ることができる。（請求項３）

以下、図１から図１０に基づき、本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンについて説明する。
図１に示すピストン１は、４バルブ・ガソリンエンジン（以下、単に「エンジン」という）に適用されるものであって、外形が円形で、その上面には凹部２，テーパ部３，第１スキッシュテーパ部（スキッシュテーパ部）４，第２スキッシュテーパ部（スキッシュテーパ部）５，排気バルブリセス６，６，吸気バルブリセス７，７が形成されている。

また、このピストン１が適用されるエンジンの燃焼室１０は、図３および図４に示すように、シリンダヘッド８の下面２０とピストン９の上面とで上下を区画されることによって形成されている。
また、このシリンダヘッド８の下面２０は、上述のように、一側１１に傾斜して形成された第１下面２０ａと、他側１２に傾斜して形成された第２下面２０ｂとから成るペントルーフ形状に形成されている。また、このシリンダヘッド８の下面の中心近傍（即ち、燃焼室１０の中央）にはスパークプラグ１５が配設されている。

そして、この燃焼室１０の上面を形成するシリンダヘッド８の下面２０の一方２０ａには２つの吸気バルブ１３が配設され吸気ポート１８を開閉できるようになっており、シリンダヘッド下面２０の他方２０ｂには２つの排気バルブ１４が配設され排気ポート１９が開閉できるようになっている。
この吸気バルブ１３は、図６〜図９に示すように、軸部１３ａとかさ部１３ｂから形成されたポペット弁であり、同様に、排気バルブ１４も軸部１４ａとかさ部１４ｂとから形成されたポペット弁である。なお、吸気バルブ１３のかさ部１３ｂの方が排気バルブ１４のかさ部１４ｂよりも大きくなるように形成されている。

また、図４に示すように、シリンダヘッド８が載置されたシリンダブロック１６内には円筒状のシリンダ１７が形成され、このシリンダ１７内には上述のピストン１が摺動自在に配設されている。
そして、このピストン１のテーパ部３は、図１および図４に示すように、ピストン１の外周縁から所定幅（図１中符号Ｗ₁参照）をもって形成され、外周縁から中心Ｃ₁へ近づくにつれて徐々にシリンダヘッド８側へ隆起するように形成されている。

また、このテーパ部３の内縁３ａよりも中心Ｃ₁側には凹部２が形成され、この凹部２はテーパ部３の内縁３ａから緩やかな円弧状に窪み、また、その底部２ａが略水平となるように形成されている。
また、図１に示すように、排気バルブ１４側のピストン１の上面に形成された第１スキッシュテーパ部４は、第１テーパ本体部４ａと第１テーパ延長部（延長部）４ｂとから構成される第１スキッシュテーパ部４が形成され、また、吸気バルブ１３側のピストン１の上面に形成された第２スキッシュテーパ部５には、第２テーパ本体部５ａと第２テーパ延長部（延長部）５ｂとから構成されている。

第１スキッシュテーパ部４の第１テーパ本体部４ａおよび第２スキッシュテーパ部５の第２テーパ本体部５ａは、その高さがピストン１の外縁から中心Ｃ₁側へ近づくにつれて徐々にシリンダヘッド８側へ隆起するように形成され、これにより、ピストン１が上死点近傍まで上昇すると、第１スキッシュテーパ部４の第１テーパ本体部４ａおよび第２スキッシュテーパ部５の第２テーパ本体部５ａとシリンダヘッド８の下面８ａ，８ｂとの間に局所的なスキッシュエリアが形成されて、燃焼室１０内にスキッシュ流が生成されるようになっている。なお、この第１スキッシュテーパ部４の第１テーパ延長部４ｂおよび第２スキッシュテーパ部５の第２テーパ延長部５ｂについては後述する。

排気バルブリセス６，６は、ピストン１が上死点近傍まで上昇した際に排気バルブ１３，１３が開弁した場合であっても、第１スキッシュテーパ部４の上面と排気バルブと１３，１３が干渉しないようにするために形成された切欠きであって、２つの排気バルブ１３，１３に対応する第１スキッシュテーパ部４の部位に２つ形成されている。
同様に、吸気バルブリセス７，７は、ピストン１が上死点近傍まで上昇した際に、開弁した吸気バルブ１３，１３と第２スキッシュテーパ部５の上面とが干渉しないようにするための切欠きであって、２つの吸気バルブ１４，１４に対応する第２スキッシュテーパ部５の部位に２つ形成されている。

そして、図５中網掛線で示されるように、燃焼室１０の内周面Ｘにおいて、ピストン１の上面と、このピストン１の上面と対向するシリンダヘッド８の下面２０との間の隙間は、２つの吸気バルブ１３，１３の間の中央Ｃ₂において図中符号Ｓ_MINで示すように、最も小さくなるように形成されている。
また、２つの吸気バルブ１３，１３の間の中心Ｃ₂から燃焼室１０の外周側へ近づくにつれて、ピストン１の上面とシリンダヘッド下面との間の隙間は徐々に大きくなり、シリンダヘッド８の下面２０のペントルーフ形状の頂辺Ｇの近傍において隙間が最大（図中符号Ｓ_MAX参照）となるように燃焼室１０が形成されている。

なお、図５では図示を省略するが、排気バルブ１４，１４側も吸気バルブ１３，１３側と同様に、燃焼室１０の内周面Ｘにおいて、排気バルブ１４，１４間の中央でピストン１の上面とシリンダヘッド８の下面との間の隙間が最も小さく、また、排気バルブ１４，１４間の中心から燃焼室１０の両側へ離れるにつれて、ピストン１の上面とシリンダヘッド８の下面２０との間の隙間は徐々に大きくなり、シリンダヘッド８の下面２０のペントルーフ形状の頂辺Ｇの近傍でその隙間が最大となるように燃焼室１０が成されている。

ところで、上記の第１スキッシュテーパ部４は、２つの排気バルブリセス６，６の間からピストン中心Ｃ₁に向けて凹部２にまで延在して形成された第１テーパ延長部４ｂを有し、また、第２スキッシュテーパ部５も、２つの吸気バルブリセス７，７の間からピストン中心Ｃ₁に向けて凹部２にまで延在して形成された第２テーパ延長部５ｂを有している。

このうち、第１テーパ延長部４ｂは、図２および図４に示すように、その先端が、平面視において、閉弁状態の排気バルブ１４の中心位置Ｃ₃よりもピストン中心Ｃ₁側（即ち、図２中下方側）に位置するように形成されている。なお、ここで、排気バルブ１４，１４の中心位置Ｃ₃とは、排気バルブ１４，１４の軸部１４ａ，１４ａの軸線（図示略）とかさ部１４ｂ，１４ｂの下面とが交差する位置をいう。

また、第２テーパ延長部５ｂは、図２に示す平面視において、その先端が、閉弁状態の吸気バルブ１３，１３の中心位置Ｃ₄よりもピストン中心Ｃ₁側に位置するように形成されている。なお、ここで、吸気バルブ１３，１３の中心位置Ｃ₄とは、吸気バルブ１４，１４の軸部１４ｂ，１４ｂの軸線とかさ部１４ａ，１４ａの下面とが交差する位置をいう。
また、図８および図９の斜視図に示すように、第１テーパ延長部４ｂは、その上端から凹部２の底部２ａに亘ってなだらかに下方へ傾斜して形成された斜面４ｃを有している。同様に、第２テーパ延長部５ｂも、その上端から凹部２の底部２ａに亘ってなだらかに下方へ傾斜して形成された斜面５ｃを有して形成されている。

本実施形態に係る内燃機関用ピストンは上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。
まず、吸気行程において、吸気バルブ１３，１３が開弁し吸気ポート１８から混合気が燃焼室１０内に吸入される。
続いて、図１０に示すように、圧縮行程においてピストン１が上死点まで上昇すると（図１０中一点鎖線参照）、排気バルブ１４，１４の間から燃焼室１０の周縁に沿って燃焼室１０の上端（即ち、ペントルーフ形状の頂辺Ｇ近傍）へ向けて噴出する混合気流（スキッシュ流；図１０中矢印Ｆ₁，Ｆ₁参照）と、排気バルブ１４，１４の間から燃焼室１０の内周に沿って燃焼室１０の上端へ向けて流れる混合気流（スキッシュ流；図１０中矢印Ｆ₂，Ｆ₂参照）とが燃焼室１０の中央で互いに衝突し、これにより、燃焼室１０内の混合気が良好に撹搾される。

これは、図５を用いて上述したように、シリンダヘッド８の下面２０がペントルーフ形状に形成されるとともに、ピストン１の上面に第１スキッシュテーパ部４および第２スキッシュテーパ部５が形成されることで、燃焼室１０の周縁におけるシリンダヘッド８の下面２０とピストン１の上面との隙間が、吸気バルブ１３，１３の間および排気バルブ１４，１４の間で小さく（図５中符号Ｓ_MIN参照）、また、燃焼室１０の上端（即ち、ペントルーフ形状の頂辺Ｇ）において最大（図５中符合Ｓ_MAX参照）となるように燃焼室１０が形成されていることによるものである。

そして、このピストン１は、これらのスキッシュ流Ｆ₁，Ｆ₂のみならず、排気バルブ１４，１４の間から第１テーパ延長部４ｂを伝って燃焼室１０の中心Ｃ₁へ向けて流れるスキッシュ流（図１０中矢印Ｆ₃参照）や、吸気バルブ１３，１３の間から第２テーパ延長部５ｂを伝って燃焼室１０の中心Ｃ₁へ向けて流れるスキッシュ流（図１０中矢印Ｆ₄参照）をも生じさせることが可能となる。これにより、燃焼室１０内の混合気の攪拌をさらに促進することができる。

特に、ピストン１が上死点近傍まで上昇した際の燃焼室１０の中央にはスパークプラグ１５が配設されており、第１テーパ延長部４ｂおよび第２テーパ延長部５ｂによって生成されたスキッシュ流Ｆ₃，Ｆ₄をスパークプラグ１５の近傍で互いに衝突させて確実に乱流を発生させることができる。
これにより、スパークプラグ１５が着火した後に混合気が燃焼を完了するまでの期間（即ち、燃焼期間）を短くすることが可能となり、エンジンの圧縮比を高く設定したような場合であっても確実にノッキングの発生を抑制することが可能となる。

また、排気ガスを多く再循環させた場合（つまり、混合気中のＥＧＲガスの割合を増量した場合）、一般的には燃焼期間が長くなり、燃焼変動が生じて燃焼効率が低下する傾向にあるが、これに対して、本実施形態のピストンによれば燃焼期間を短縮することができるため、燃焼変動の発生を抑制し、燃焼効率を大幅に高めることが可能である。したがって、混合気中のＥＧＲガスの割合を従来よりも増量することも可能であり、これにより、さらなる燃費向上に寄与することも可能である。

このように、本発明に係る内燃機関用ピストンによれば、第１スキッシュテーパ部４の第１テーパ延長部４ｂおよび第２スキッシュテーパ部５の第２テーパ延長部５ｂによって、吸気バルブリセス７，７の間または排気バルブリセス６，６の間からピストン中心Ｃ₁（即ち、燃焼室１０の中心）側へ向けたスキッシュ流Ｆ₃，Ｆ₄を生成することができるので、燃焼室１０内の混合気を良好に攪拌し燃焼効率を向上させることができる。

また、テーパ延長部４ｂ，５ｂが、吸気バルブリセス７，７の間と排気バルブリセス６，６の間との両方に形成されているので、吸気バルブリセス７，７間のテーパ延長部５ａによって生成されたスキッシュ流Ｆ₄と、排気バルブリセス６，６間のテーパ延長部４ｂによって生成されたスキッシュ流Ｆ₃とが、燃焼室１０の中心部で衝突して混じり合うことで、燃焼効率の更なる向上を図ることができる。

また、テーパ延長部４ｂ，５ｂの先端が、平面視において、閉弁状態の吸気バルブ１３，１３の中心位置Ｃ₄よりもピストン１の中心Ｃ₁側となるように形成されるとともに、閉弁状態の排気バルブ１４，１４の中心位置Ｃ₃よりもピストン１の中心Ｃ₁側となるように形成されているので、スキッシュ流Ｆ₃，Ｆ₄を燃焼室１０の中心部まで確実に到達させて、燃焼効率の更なる向上を図ることができる。

また、燃焼室１０の中央にはスパークプラグ１５が配設されており、テーパ延長部４ｂ，５ｂによって生成されたスキッシュ流Ｆ₃，Ｆ₄をこのスパークプラグ１５の近傍に集中させ、スパークプラグ１５の周囲で乱流を生じさせることで燃焼期間の短縮を図り、燃焼効率を高めて燃費を向上させることができる。
また、燃焼期間を短縮することによって燃焼変動の発生を抑制することで、混合気中のＥＧＲガスの割合を従来よりも増量することも可能となり、これにより、さらなる燃費向上に寄与することも可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態においては、吸気バルブ１３，１３が２つであり、また、排気バルブ１４，１４が２つである場合を例にとって説明したが、例えば、３つ以上の吸気バルブや、３つ以上の排気バルブがそなえられたエンジンにおいて、これら複数の吸気バルブや排気バルブに対応した複数の吸気バルブリセスまたは複数の排気バルブリセス間にテーパ延長部を形成するような構成にしてもよい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの上面形状を示す模式的な平面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な平面図であって、図１に吸気バルブおよび排気バルブを含めて示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な断面図であって、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な断面図であって、図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な側面図であって、図２のＣ矢視図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な斜視図であって、吸気バルブ側から見た場合を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な斜視図であって、図６のＤ矢視図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な斜視図であって、図７において排気バルブを省略した図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な斜視図であって、図７において一方の吸気バルブと一方の排気バルブを示した図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの模式的な斜視図であって、燃焼室内のスキッシュ流を示す図である。

符号の説明

１ピストン
２凹部
４第１スキッシュテーパ部（スキッシュテーパ部）
４ｂ第１テーパ延長部（延長部）
５第２スキッシュテーパ部（スキッシュテーパ部）
５ｂ第２テーパ延長部（延長部）
６吸気バルブリセス
７排気バルブリセス
１０燃焼室
１３吸気バルブ
１４排気バルブ
２０シリンダヘッド下面
２０ａ第１下面
２０ｂ第２下面
Ｃ₁ ピストンの中心
Ｃ₃ 排気バルブの中心位置
Ｃ₄ 吸気バルブの中心位置
Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄ スキッシュ流

Claims

シリンダヘッドの下面とピストンの上面とで上下を区画される燃焼室と、該燃焼室の上面の一側に配設された２つの吸気バルブと、該燃焼室の上面の他側に配設された２つの排気バルブとをそなえ、該燃焼室の上面を形成する該シリンダヘッド下面が、該一側に形成された第１の傾斜下面と該他側に形成された第２の傾斜下面とからなるペントルーフ形状に形成された内燃機関に適用されるピストンであって、
該ピストンの上面に形成された凹部と、
該シリンダヘッド下面との間でスキッシュ流を生成するべく該ピストン上面に形成されたスキッシュテーパ部と、
該２つの吸気バルブ及び該２つの排気バルブにそれぞれ対応する該スキッシュテーパ部に形成された２つの吸気バルブリセス及び２つの排気バルブリセスと、
該２つの吸気バルブリセスの間または該２つの排気バルブリセスの間の該スキッシュテーパ部の一部を該ピストン中心に向けて該凹部まで延ばした延長部とからなる
ことを特徴とする、内燃機関用ピストン。
該延長部が、該２つの吸気バルブリセスの間と該２つの排気バルブリセスの間との両方に形成されている
ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関用ピストン。
該２つの吸気バルブリセスの間に形成された該延長部の先端が、平面視における該吸気バルブの中心位置よりもピストン中心側に位置するように形成され、
該２つの排気バルブリセスの間に形成された該延長部の先端が、平面視における該排気バルブの中心位置よりもピストン中心側に位置するように形成されている
ことを特徴とする、請求項２記載の内燃機関用ピストン。