JP2011169170A

JP2011169170A - 内燃機関用ピストン

Info

Publication number: JP2011169170A
Application number: JP2010031586A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Miyashita; 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】閉じ時期の異なる２つの吸気弁との組み合わせによって筒内のタンブル流の減衰を防止することのできる内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】閉じ時期の早い吸気弁の側のピストン冠面にはクランク軸に直交する断面において比較的緩やかな弧を描いて窪んでいる第１のキャビティ４を設け、閉じ時期の遅い吸気弁の側のピストン冠面にはクランク軸に直交する断面において比較的急な弧を描いて窪んでいる第２のキャビティ６を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、４ストロークレシプロ内燃機関用のピストンに関し、詳しくは、タンブル流の形成に用いて好適な内燃機関用ピストンに関する。

４ストロークレシプロ内燃機関（以下、単に内燃機関という）では、筒内における気流の流れが燃焼性能に大きく影響することが知られている。このため、下記の特許文献にも開示されているように、筒内の気流の流れを如何に制御にするかに関して、今日までに様々な発明がなされている。その中には、図５に示すように、ピストン１０２の冠面に断面が弧状のキャビティ１０４を設け、キャビティ１０４により燃焼室１００内の気流を案内することによって、タンブル流１１０の形成を促進する方法が含まれている。

特開２００６−３２９１３１号公報特開平８−００４６４１号公報

タンブル流の形成によって燃焼改善を図る方法は、吸気弁の閉じ時期を変更可能な可変動弁機構付きの内燃機関にも適用され得る。そのような内燃機関では、実圧縮比低減等の種々の観点から、吸気弁の閉じ時期が下死点（ＡＴＤＣ１８０°）よりも後とされる場合がある。その場合、圧縮行程において吸気弁が開いた状態となるため、筒内の空気の一部は吸気ポートに吹き戻されることになる。図５に示すように、タンブル流１１０が筒内に形成されている場合には、タンブル流１１０の成分のうち低流速成分１１４は筒内に残るものの、高流速成分１１２は吸気弁１０６の隙間から吸気ポートに排出されてしまう。このため、吹き戻されたガスの量の割合以上にタンブルエネルギーは失われることとなって、筒内の平均タンブル比は大きく低下してしまう。その結果、筒内のタンブル流１１０が減衰し、タンブル流１１０による燃焼改善の効果が損なわれてしまうおそれがある。

ところで、可変動弁機構付きの内燃機関の中には、２つの吸気弁の間で閉じ時期を異ならせることができるものが存在する。本発明は、そのような閉じ時期の異なる２つの吸気弁との組み合わせによって、筒内のタンブル流の減衰を防止することのできる内燃機関用ピストンを提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、第１の発明の内燃機関用ピストンは、
閉じ時期の異なる２つの吸気弁を有する内燃機関用のピストンにおいて、
閉じ時期の早い吸気弁の側の冠面に設けられた、クランク軸に直交する断面において弧を描いて窪んでいる第１のキャビティと、
閉じ時期の遅い吸気弁の側の冠面に設けられた、クランク軸に直交する断面において前記第１のキャビティよりも急な弧を描いて窪んでいる第２のキャビティと、
を備えることを特徴としている。

第２の発明の内燃機関用ピストンは、第１の発明の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第２のキャビティは、前記第１のキャビティよりもスラスト方向に狭いことを特徴としている。

第３の発明の内燃機関用ピストンは、第１の発明の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第２のキャビティは、ピストン中心からその外縁までの距離が短いことを特徴としている。

第４の発明の内燃機関用ピストンは、第１乃至第３の何れか１つの発明の内燃機関用ピストンにおいて、
前記第１のキャビティと前記第２のキャビティは外縁においてつながり、見掛け上は１つのキャビティを形成していることを特徴としている。

本発明の内燃機関用ピストンによれば、閉じ時期の遅い吸気弁の側には、閉じ時期の早い吸気弁の側で形成されるタンブル流よりも旋回半径の小さいタンブル流を形成することができる。これにより、タンブル流の高流速成分が吸気弁の開口部から吸気ポートへ吹き戻され難くなるので、筒内のタンブル流の減衰は防止される。

（ａ）は本発明の実施の形態の内燃機関用ピストンの平面図であり、（ｂ）は本発明の実施の形態の内燃機関用ピストンの側面図である。（ａ）は本発明の実施の形態の内燃機関用ピストンの図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施の形態の内燃機関における２つの吸気弁のそれぞれの動作特性を示す図である。（ａ）は所定タイミングにおいて閉じ時期の早い吸気弁の側に形成されるタンブル流の状態を示す図であり、（ｂ）は同所定タイミングにおいて閉じ時期の遅い吸気弁の側に形成されるタンブル流の状態を示す図である。従来の内燃機関における問題点について説明するための図である。

本発明の実施の形態について図１乃至図４の各図を参照して説明する。

本実施の形態の内燃機関用ピストン（以下、単にピストンという）は、閉じ時期の異なる２つの吸気弁を有する内燃機関に用いられるピストンである。２つの吸気弁の閉じ時期を異ならせる手段には可変動弁機構が用いられる。なお、そのような可変動弁機構は公知であり、また、本発明の実施に関し、その構造や仕組みには限定はないため、ここではその詳細な説明は行なわない。

図１の（ａ）は本実施の形態のピストン１の平面図であり、（ｂ）はピストン１の側面図である。ピストン１の冠面２にはその基準平面８から窪んだキャビティ４，６が形成されている。このキャビティ４，６は、見掛け上は１つのキャビティであるが、ピストン１の中心を通るスラスト方向の軸に関し、その両側で異なる形状的特徴を有している。したがって、このキャビティ４，６は、形状的特徴が異なる第１のキャビティ４と第２のキャビティ６とが外縁においてつながったものと解することができる。第１のキャビティ４は、閉じ時期の早い吸気弁の側の冠面に設けられている。以下、このキャビティ４を早閉じ側キャビティと呼ぶ。早閉じ側キャビティ４の輪郭は、スラスト方向の軸に平行なクランク軸方向外縁４ｂと、対向する一対の円弧状のスラスト方向外縁４ａとによって形づくられている。第２のキャビティ６は、閉じ時期の遅い吸気弁の側の冠面に設けられている。以下、このキャビティ６を遅閉じ側キャビティと呼ぶ。遅閉じ側キャビティ６の輪郭は、スラスト方向の軸に平行なクランク軸方向外縁６ｂと、対向する一対の円弧状のスラスト方向外縁６ａとによって形づくられている。

早閉じ側キャビティ４と遅閉じ側キャビティ６との違いの１つは、その大きさにある。図１の（ａ）に示すように、遅閉じ側キャビティ６におけるピストン中心からスラスト方向外縁６ａまでの距離Ｌ２は、早閉じ側キャビティ４におけるピストン中心からスラスト方向外縁４ａまでの距離Ｌ１よりも短い。ただし、ピストン中心からクランク軸方向外縁４ｂ，６ｂまでの距離には２つのキャビティ４，６の間で大きな差はない。したがって、遅閉じ側キャビティ６は、早閉じ側キャビティ４よりもスラスト方向に狭いと言うこともできる。

早閉じ側キャビティ４と遅閉じ側キャビティ６との間には、その断面形状にも違いがある。図２の（ａ）は図１におけるＡ−Ａ断面、すなわち、早閉じ側キャビティ４の断面形状を示し、（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ断面、すなわち、遅閉じ側キャビティ６の断面形状を示している。図１においてＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線とはピン中心に関して対称位置にある線である。したがって、図２は、ピストン中心から等距離における２つのキャビティ４，６の断面形状を比較した図とみることができる。図２の（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、２つのキャビティ４，６は、何れもクランク軸に直交する断面において弧を描いて窪んでいる。しかし、断面に描かれる円弧の曲率半径に差があり、遅閉じ側キャビティ６における円弧の曲率半径Ｒ２は、早閉じ側キャビティ４における円弧の曲率半径Ｒ１よりも小さくされている。すなわち、遅閉じ側キャビティ６は、クランク軸に直交する断面において早閉じ側キャビティ４よりも急な弧を描いて窪んでいる。

以上のように構成されるピストン１を本実施の形態の内燃機関に適用することで得られる作用とその効果とについて、図３及び図４を用いて説明する。

図３は、本実施の形態の内燃機関における２つの吸気弁のそれぞれの動作特性を示す図である。図３において実線で示す動作特性は閉じ時期の早い吸気弁（以下、早閉じ吸気弁という）のそれであり、破線で示す動作特性は閉じ時期の遅い吸気弁（以下、遅閉じ吸気弁という）のそれである。早閉じ吸気弁は圧縮行程の初期（ＡＢＤＣ５０°前後）において閉弁し、遅閉じ吸気弁は圧縮行程の中期（ＡＢＤＣ１２０°前後）において閉弁する。このため、早閉じ吸気弁が閉じたタイミングでは、遅閉じ吸気弁は未だ大きく開いた状態になっている。

図４の（ａ）は、早閉じ吸気弁１２の閉タイミングにおいて、燃焼室１０内の早閉じ吸気弁１２の側に形成されるタンブル流２０の状態を示す図である。早閉じ吸気弁１２の側では、比較的大きく緩い弧状の早閉じ側キャビティ４によって燃焼室１０内の気流が案内される。このため、燃焼室１０内に形成されるタンブル流２０は比較的旋回半径の大きなものとなり、その流れは早閉じ吸気弁１２の近傍まで達する。しかし、早閉じ吸気弁１２は圧縮行程の初期に閉じられるので、タンブル流２０の高流速成分が燃焼室１０内から吸気ポートへ吹き戻されることはない。

一方、図４の（ｂ）は、同タイミングにおいて、燃焼室１０内の遅閉じ吸気弁１４の側に形成されるタンブル流２２の状態を示す図である。遅閉じ吸気弁１４の側では、比較的小さく急な弧状の遅閉じ側キャビティ６によって燃焼室１０内の気流が案内される。このため、燃焼室１０内に形成されるタンブル流２２は比較的旋回半径の小さなものとなる。遅閉じ吸気弁１４は圧縮行程の初期では開いたままになっている。しかし、タンブル流２２の旋回半径が小さいために、遅閉じ吸気弁１４の開口部からタンブル流２２までの距離は遠い。このため、遅閉じ吸気弁１４の開口部から吸気ポートへ吹き戻されるタンブル流２２の高流速成分は、従来に比較して少ない量に抑えられる。

以上の作用により、本実施の形態のピストン１によれば、筒内のタンブル流の減衰を防止してタンブル流による燃焼改善効果を維持することが可能となる。

なお、本発明は上述の実施の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。例えば、各キャビティ４，６の断面形状は一定の曲率半径を有する円弧でなくともよく、実質的に弧を描くように窪んでいればよい。つまり、筒内の気流を案内してタンブル流の形成を促進できるような形状になっていればよい。したがって、キャビティ４，６の断面形状の一部に平坦部分が設けられていてもよい。

１ピストン
２冠面
４早閉じ側キャビティ
４ａスラスト方向外縁
４ｂクランク軸方向外縁
６遅閉じ側キャビティ
６ａスラスト方向外縁
６ｂクランク軸方向外縁
８基準平面
１０燃焼室
１２早閉じ吸気弁
１４遅閉じ吸気弁
２０，２２タンブル流
１００燃焼室
１０２ピストン
１０４キャビティ
１０６吸気弁
１１０タンブル流
１１２高流速成分
１１４低流速成分

Claims

閉じ時期の異なる２つの吸気弁を有する内燃機関用のピストンにおいて、
閉じ時期の早い吸気弁の側の冠面に設けられた、クランク軸に直交する断面において弧を描いて窪んでいる第１のキャビティと、
閉じ時期の遅い吸気弁の側の冠面に設けられた、クランク軸に直交する断面において前記第１のキャビティよりも急な弧を描いて窪んでいる第２のキャビティと、
を備えることを特徴とする内燃機関用ピストン。
前記第２のキャビティは、前記第１のキャビティよりもスラスト方向に狭いことを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
前記第２のキャビティは、ピストン中心からその外縁までの距離が前記第１のキャビティのそれよりも短いことを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
前記第１のキャビティと前記第２のキャビティは外縁においてつながり、見掛け上は１つのキャビティを形成していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関用ピストン。