JP2006220095A

JP2006220095A - 頂面回転式ピストン

Info

Publication number: JP2006220095A
Application number: JP2005035313A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室内に均一な気流を発生させる頂面回転式ピストンを提供する。
【解決手段】ピストン本体２と、ピストン頂面の一部の面を回転させる頂面回転体１Ａとに２分割し、頂面回転体１Ａを、ピストン本体２と周方向へピストン連結具を介して摺動自在に係合した頂面回転式ピストン１００Ａであって、頂面回転体１Ａの頂面中心部に、頂面の他の部分よりも多く第１突起１ａを備える。このような構成で、頂面回転体１Ａが回転すると、角速度が大きい外周付近に少なく、角速度が小さい中心部に多く第１突起１ａを形成しているため、燃焼室内に均一な気流を発生させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に気流を発生させる頂面回転式ピストンに関する。

従来、内燃機関においては、燃焼速度向上を目的として、燃焼室に空気を吸入する吸気ポートを螺旋状に形成したヘリカルポートや、コントロールバルブを備えた可変吸気ポートが提案されている。これらの吸気ポートにより吸気すると、燃焼室内にはスワール（横渦）やタンブル（縦渦）といった気流が発生する。このような気流は、燃焼室内の空気と燃料との混合及び燃焼を促進する。充分な気流を得るため、ヘリカルポートの先端部には、絞りが形成される。また、可変吸気ポートは、気流を発生させるため、コントロールバルブで一部のポートを遮断する。

このような吸気ポートを採用した場合には、燃焼室内に充分な気流を発生させることができる。その一方、内燃機関の吸気行程で気流を発生させているため、圧縮行程では、発生させた気流が相当減衰してしまう。また、このような吸気ポートでは、絞りやコントロールバルブにより気体の吸入量が制限されるため、ポート流量係数が低下してしまう。そのため、特許文献１では、以下のような技術が提案されている。特許文献１によると、油圧を動力源として、ピストン上部に備えられた有底円筒体の側面にオイルを噴射して、この円筒体を回転させる。この円筒体の円筒内周面には、フィンが設けられており、回転により燃焼室内に旋回空気流を発生させる。また、非特許文献１によれば、ピストン内に備えられた羽根車にオイルを噴射することにより、ピストン頂面に設けられて、羽根車と連結した回転体を回転させる。この回転体上面にフィンを備えることにより、回転時に燃焼室内に旋回空気流を発生させることが可能である。

また、特許文献２によれば、図５に示すように、ピストン上方部分２１の下面に円周方向へ第１歯車２２を配設し、この第１歯車２２と噛合する第２歯車２３をコネクティングロッド２４の小端部２５に刻設することにより、ピストン往復運動に伴い、ピストン上方部分２１を往復回転運動させる技術が提案されている。このピストン上方部分２１の頂部に凹凸の形状を備えることで、往復回転時に燃焼室内に旋回空気流を発生させることが可能である。
特開平６−２６１４号公報特開平６−２５７５０６号公報公技番号２００３−５０３３７７号公報

しかしながら、回転体は回転中心部ほど角速度が小さいため、特許文献１、２及び非特許文献１の技術では、ピストン上部の回転体に備えられた形状によっては、回転体の回転中心部で有効な気流を発生できない。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼室内に均一な気流を発生させる頂面回転式ピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ピストン本体と、ピストン頂面の全面または一部の面を回転させる頂面回転体とに２分割し、該頂面回転体を、前記ピストン本体と周方向へ摺動自在に係合した頂面回転式ピストンであって、前記頂面回転体の頂面中心部に、頂面の他の部分よりも多く凹凸又は凹又は凸の形状を備えることを特徴とする。本発明によれば、角速度が小さい頂面回転体の頂面中心部においても、頂面回転体回転時に充分な気流を発生させることができ、内燃機関の燃焼室内に均一な気流を発生させることができる。

また、本発明は、上述した効果を得るため、ピストン本体と、ピストン頂面の全面または一部の面を回転させる頂面回転体とに２分割し、該頂面回転体を、前記ピストン本体と周方向へ摺動自在に係合した頂面回転式ピストンであって、前記頂面回転体の頂面中心部に、頂面の他の部分よりも、より延伸した凹凸又は凹又は凸の形状を備えることを特徴とする。

また、本発明は、上述した効果を得るため、ピストン本体と、ピストン頂面の全面または一部の面を回転させる頂面回転体とに２分割し、該頂面回転体を、前記ピストン本体と周方向へ摺動自在に係合した頂面回転式ピストンであって、前記頂面回転体の頂面中心部の形状が、頂面の他の部分の形状よりも、より延伸した羽根状の形状を備えることを特徴とする。

本発明によれば、頂面回転体の頂面中心部で気流を発生させることにより、内燃機関の燃焼室内に均一な気流を発生させる頂面回転式ピストンを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ａを示す図である。図１（ａ）は、頂面回転式ピストン１００Ａの断面図であり、図１（ｂ）は、頂面回転式ピストン１００Ａの上面図である。本ピストンは、例えば自動車等の内燃機関で使用される。頂面回転体１Ａを回転させる手段としては、既知の手段を用いてよい。例えば、図１（ａ）に破線で示すように、頂面回転体１Ａの下面に円周方向へ第１歯車２２を配設し、この第１歯車２２と噛合する第２歯車２３をコネクティングロッド２４の小端部２５に刻設することにより、ピストン往復運動に伴い、頂面回転体１Ａを往復回転運動させることが可能である。ただし、この手段を用いなければならないわけではなく、頂面回転体１Ａを回転させるためには、適宜の手段を用いて構わない。

図１（ａ）に示すように、頂面回転体１Ａを、ピストン本体２に形成された有底円筒状の収容部２ａに収容する。頂面回転体１Ａは、ピストン本体２の収容部２ａの底面略円中心に備えられた図示しないピストン連結具によって、ピストン本体２と円周方向へ摺動自在に係合している。図１（ｂ）に示すように、頂面回転体１Ａの頂面には、略円柱状の第１突起１ａを複数形成する。第１突起１ａは、頂面外周付近には、頂面回転体１Ａの略円中心と同心円上に４ヶ所等分に形成されている。また、第１突起１ａは、頂面中心部には頂面回転体１Ａの略円中心と同心円状に６ケ所等分に形成されている。すなわち、頂面回転体１Ａの頂面中心部に、頂面の他の部分よりも多く凹凸又は凹又は凸の形状を備えている。

このような構成で、頂面回転体１Ａが回転すると、角速度が大きい頂面外周付近に少なく、角速度が小さい頂面中心部に多く第１突起１ａを形成しているため、燃焼室内に均一な気流を発生させることができる。

図２は、本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ｂを示す図である。図２（ａ）は、頂面回転式ピストン１００Ｂの断面図であり、図２（ｂ）は、頂面回転式ピストン１００Ｂの上面図である。実施例１と同様、頂面回転体１Ｂを回転させる手段としては、既知の手段を用いてよい。

図２（ａ）に示すように、頂面回転体１Ｂを、ピストン本体２に形成された有底円筒状の収容部２ａに収容する。頂面回転体１Ｂは、ピストン本体２の収容部２ａの底面略円中心に備えられた図示しないピストン連結具によって、ピストン本体２と円周方向へ摺動自在に係合している。図２（ｂ）に示すように、頂面回転体１Ｂの頂面には、略円柱状の第２突起１ｂ及び第３突起１ｃを複数形成する。第２突起１ｂは、頂面外周付近に、頂面回転体１Ｂの略円中心と同心円上に４ヶ所等分に形成されている。また、第３突起１ｃは、頂面中心部に、頂面回転体１Ｂの略円中心と同心円上に４ヶ所等分に形成されている。図２（ａ）に示すように、第３突起１ｃは、第２突起１ｂよりもピストン運動方向へ延伸した形状で形成されている。すなわち、頂面回転体１Ｂの頂面中心部に、頂面の他の部分よりも、より延伸した凹凸又は凹又は凸の形状を備えている。

このような構成で、頂面回転体１Ｂが回転すると、角速度が大きい頂面外周付近に低く第２突起１ｂを形成し、角速度が小さい頂面中心部に高く第３突起１ｃを形成しているため、燃焼室内に均一な気流を発生させることができる。

図３は、本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ｃを示す図である。図３（ａ）は、頂面回転式ピストン１００Ｃの断面図であり、図３（ｂ）は、頂面回転式ピストン１００Ｃの上面図である。実施例１と同様、頂面回転体１Ｃを回転させる手段としては、既知の手段を用いてよい。

図３（ａ）に示すように、頂面回転体１Ｃを、ピストン本体２に形成された有底円筒状の収容部２ａに収容する。頂面回転体１Ｃは、ピストン本体２の収容部２ａの底面略円中心に備えられた図示しないピストン連結具によって、ピストン本体２と円周方向へ摺動自在に係合している。図３（ｂ）に示すように、頂面回転体１Ｃの頂面には、羽根１ｄを形成する。図３（ａ）に示すように、羽根１ｄは、頂面の略円中心を頂点として、径方向へ広がりを持つ三角形状の部材として形成されている。すなわち、頂面回転体１Ｃの頂面中心部の形状が、頂面の他の部分の形状よりも、より延伸した羽根状の形状を備えている。

このような構成で、頂面回転体１Ｃが回転すると、角速度の大きい頂面外周付近が低く、角速度の小さい頂面中心部が高くなるように羽根１ｄを形成しているため、燃焼室内に均一な気流を発生させることができる。

なお、本実施例で示したような頂面回転体は、吸気ポート内で空気によって燃料の微粒化を促進するポート噴射ガソリンエンジンへの適用により、また直噴ガソリンエンジンに適用した場合の均質燃焼領域において特に高い効果を発揮する。均質燃焼領域とは、エンジン高回転、高負荷時において、吸入行程でシリンダ内へ燃料噴射を行って燃焼させた状態をいう。ただし、均質燃焼は、従来とほぼ同様の燃焼態様であるため、その他のガソリンエンジンにおいても適用することが可能である。また、直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンにおいて、ピストンの頂面にスワール（横渦）やタンブル（縦渦）といった気流を発生させるためのキャビティ（凹状の溝）が設けられていても適用可能である。このとき、燃焼室内の気流の均一化を図るために、キャビティ内に突起や羽根状の部材を適宜形成してもよい。

例えば、図４は、頂面にキャビティ１ｆを形成した頂面回転体１Ｄを有する頂面回転式ピストン１００Ｄを示す図である。図４（ａ）に示すように、キャビティ１ｆの底面に、例えば第２羽根１ｅを形成してもよい。このようにして、角速度の小さい頂面中心部に気流を発生させることができる。さらに、燃焼室内の気流の均一化を図るために、頂面回転体１Ｄの頂面中心部以外の部分に、突起や羽根状の部材や凹状の形状を組み合わせて形成してもよい。

また、燃焼室内の気流の均一化を図るためには、頂面に凹状の形状のみを形成して頂面形状に変化を与えるほか、突起や羽根状の部材と凹状の形状を組み合わせて、頂面形状を形成してもよい。これらの形状を形成するにあたっては、頂面回転体との一体成形が好ましいが、これに限らず、溶着、溶接、鋳込みなどの適宜の手段を用いてよい。また、頂面回転体１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄは、ピストン本体２の収容部２ａに収容されているが、ピストン頂面全面を有する頂面回転体であってもよい。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ａを示す図本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ｂを示す図本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ｃを示す図本発明に係る頂面回転式ピストン１００Ｄを示す図本発明に係る頂面回転式ピストンの頂面回転体を回転させる手段の一例を示す図

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ頂面回転体
１ａ第１突起
１ｂ第２突起
１ｃ第３突起
１ｄ第１羽根
１ｅ第２羽根
１ｆキャビティ
２ピストン本体
２ａ収容部
２１ピストン上方部分
２２第１歯車
２３第２歯車
２４コネクティングロッド
２５小端部
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ頂面回転式ピストン

Claims

ピストン本体と、ピストン頂面の全面または一部の面を回転させる頂面回転体とに２分割し、該頂面回転体を、前記ピストン本体と周方向へ摺動自在に係合した頂面回転式ピストンであって、
前記頂面回転体の頂面中心部に、頂面の他の部分よりも多く凹凸又は凹又は凸の形状を備えることを特徴とする頂面回転式ピストン。
ピストン本体と、ピストン頂面の全面または一部の面を回転させる頂面回転体とに２分割し、該頂面回転体を、前記ピストン本体と周方向へ摺動自在に係合した頂面回転式ピストンであって、
前記頂面回転体の頂面中心部に、頂面の他の部分よりも、より延伸した凹凸又は凹又は凸の形状を備えることを特徴とする頂面回転式ピストン。
ピストン本体と、ピストン頂面の全面または一部の面を回転させる頂面回転体とに２分割し、該頂面回転体を、前記ピストン本体と周方向へ摺動自在に係合した頂面回転式ピストンであって、
前記頂面回転体の頂面中心部の形状が、頂面の他の部分の形状よりも、より延伸した羽根状の形状を備えることを特徴とする頂面回転式ピストン。