JP2018044511A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を点火プラグに導くキャビティによって、流速の不均一化によるタンブル流の質の低下を抑制する。【解決手段】内燃機関のピストン２は、燃焼室の内壁面となる冠面２ａと、冠面２ａに設けられた窪みである第１キャビティ２ｄと、第１キャビティ２ｄ内に設けられた窪みである第２キャビティ２ｅと、を備え、第１キャビティ２ｄのうち、第２キャビティ２ｅに対して、冠面２ａに沿って流れるタンブル流の流れ方向の上流側に位置する上流部２ｄ４は、第１キャビティ２ｄのうち、第２キャビティ２ｅに対して、流れ方向の下流側に位置する下流部２ｄ５よりも、流れ方向に長く延在する。【選択図】図４

Description

本発明は、冠面にキャビティが設けられた内燃機関のピストンに関する。

従来、冠面にキャビティを設けたピストンが提案されている。例えば、特許文献１には、ピストンの冠面に２つのキャビティを設け、全負荷運転時にインジェクタの向きを一方のキャビティに向け、冷間始動時にインジェクタの向きを他方のキャビティに向け、２つのキャビティを使い分ける技術が開示されている。

また、特許文献２には、タンブル流に沿うようにピストンの冠面にキャビティが設けられ、また、キャビティ内に減衰部が形成されることにより、減衰部によってタンブル流のタンブル強度が部分的に低減し、タンブル強度の均一化が図られる技術が開示されている。

特開２００８−１５７１９７号公報 特開２００９−４６９８５号公報

ところで、エンジンでは、低負荷時に成層リーンバーンが行われ、負荷が高くなると均質燃焼が行われる場合がある。成層リーンバーンを実現するため、特許文献１に記載のように、噴霧された燃料を点火プラグに導くキャビティが設けられる。また、均質燃焼を実現するため、特許文献２に記載のように、タンブル流に沿うようにキャビティが設けられる。

このように、２つのキャビティを設けた場合において、噴霧された燃料を点火プラグに導くキャビティにタンブル流の一部が流入すると、流入したタンブル流の流速が低下して、タンブル流の流速が不均一となり、タンブル流の質が低下してしまう。

そこで、本発明は、燃料を点火プラグに導くキャビティによって、流速の不均一化によるタンブル流の質の低下を抑制することが可能となる内燃機関の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、本発明の内燃機関のピストンは、燃焼室の内壁面となる冠面と、冠面に設けられた窪みである第１キャビティと、第１キャビティ内に設けられた窪みである第２キャビティと、を備え、第１キャビティのうち、第２キャビティに対して、冠面に沿って流れるタンブル流の流れ方向の上流側に位置する上流部は、第１キャビティのうち、第２キャビティに対して、流れ方向の下流側に位置する下流部よりも、流れ方向に長く延在することを特徴とする。

第２キャビティは、短辺が流れ方向に沿う向きの楕円形状であってもよい。

上記課題を解決するために、本発明の他の内燃機関のピストンは、燃焼室に対向する冠面と、冠面に設けられた窪みである第１キャビティと、第１キャビティに設けられた窪みであり、冠面に沿って流れるタンブル流の流れ方向に、短辺が沿う向きの楕円形状である第２キャビティと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料を点火プラグに導くキャビティによって、流速の不均一化によるタンブル流の質の低下を抑制することができる。

エンジン（内燃機関）の概略的な説明図である。 ピストンの冠面側の斜視図である。 第１キャビティおよび第２キャビティの作用を説明するための図である。 ピストンの冠面の正面図である。 上流部の長さによる作用を説明するための図である。 変形例におけるピストンの冠面側の斜視図である。 変形例におけるピストンの冠面の正面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン１（内燃機関）の概略的な説明図であり、エンジン１におけるピストン２の中心軸を通る断面の概略図を示す。図１、および、後述する図３、図５では、理解を容易とするため、後述する吸気ポート７および排気ポート８を図示するが、実際には、吸気ポート７および排気ポート８は、図１、図３、図５に示す断面に対して、例えば、手前側に１つずつ、奥側に１つずつ形成されている。エンジン１は、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程が繰り返し行われる４スロトークエンジンであり、図１に示すように、シリンダブロック３、シリンダヘッド４およびピストン２を含んで構成されている。

シリンダブロック３には、ピストン２が摺動自在に収容されるシリンダ５が形成されている。なお、シリンダブロック３には、シリンダ５が１つのみ形成されていてもよく、また、複数形成されていてもよい。

シリンダヘッド４は、シリンダブロック３におけるシリンダ５の一端が形成された面に連結されている。エンジン１では、シリンダブロック３に形成されたシリンダ５と、ピストン２の冠面２ａと、シリンダヘッド４とにより囲まれた空間が燃焼室６として形成されている。すなわち、ピストン２の冠面２ａは、燃焼室６の内壁面の一部となっている。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート８が、１または複数（例えば２つずつ）形成されており、吸気ポート７および排気ポート８が燃焼室６と連通する。またシリンダヘッド４には、吸気弁９と、排気弁１０とが設けられている。

吸気弁９は、先端が吸気ポート７と燃焼室６との間に位置するようにシリンダヘッド４に配置され、カム機構１１ａにより移動して吸気ポート７を燃焼室６に対して連通および閉鎖させる。排気弁１０は、排気ポート８と燃焼室６との間に位置するようにシリンダヘッド４に配置され、カム機構１１ｂにより移動して排気ポート８を燃焼室６に対して連通および閉鎖させる。

また、シリンダブロック３には、点火プラグ１３およびインジェクタ１４が収容される。シリンダブロック３には、燃焼室６と連通する孔である連通部１２ａ、１２ｂが、位置を異にしてそれぞれ設けられる。連通部１２ａには、点火プラグ１３の先端が挿通され、連通部１２ｂには、インジェクタ１４の先端が挿通される。インジェクタ１４の先端は、燃焼室６の中心近傍に位置する（所謂センターインジェクション）。

コイル装置１５は、点火プラグ１３の後端部（燃焼室６と反対側の端部）に取り付けられる。コイル装置１５には、一次コイルおよび二次コイルが収容されており、バッテリーなどから供給された電力変化に応じて、一次コイルの磁界が変化すると二次コイルで高い誘導起電力が生じる。二次コイルで生じた誘導起電力が点火プラグ１３に供給され、点火プラグ１３が火花放電する。

エンジン１では、所定のタイミングでインジェクタ１４から燃料が噴射された後、点火プラグ１３によって燃料が点火されて燃焼する。かかる燃焼により、ピストン２がシリンダ５内で往復運動を行い、その往復運動が、コンロッド１６を通じてクランクシャフト１７の回転運動に変換される。

図２は、ピストン２の冠面２ａ側の斜視図である。図２に示すように、冠面２ａには、４つのリセス２ｂが形成される。リセス２ｂは、ピストン２の外周面２ｃから内径側に延在している。リセス２ｂにより、ピストン２が上死点にあるとき、ピストン２と、上記の吸気弁９の先端および排気弁１０の先端との干渉が避けられる。

また、ピストン２には、第１キャビティ２ｄおよび第２キャビティ２ｅが設けられる。第１キャビティ２ｄおよび第２キャビティ２ｅは、冠面２ａに形成された窪みである。第１キャビティ２ｄおよび第２キャビティ２ｅは、ピストン２を正面に捉えたとき（シリンダヘッド４側から見たとき）、大凡円形状となっている。

第１キャビティ２ｄは、冠面２ａのうち、最もシリンダヘッド４側に位置する頂面２ｆよりも、窪んでいる（シリンダヘッド４から離隔している）。また、第１キャビティ２ｄは、冠面２ａのうち、頂面２ｆよりも内径側に位置する。すなわち、第１キャビティ２ｄは、ピストン２の外周面２ｃから離隔して形成される。また、第１キャビティ２ｄにおける、外周２ｄ_１と底面２ｄ_２との間は、曲面２ｄ_３により接続される。

第２キャビティ２ｅは、第１キャビティ２ｄ内に設けられ、第１キャビティ２ｄよりも深い窪みである。第２キャビティ２ｅは、第１キャビティ２ｄの外周２ｄ_１から径方向内側に離隔して形成されている。また、第２キャビティ２ｅは、第１キャビティ２ｄと同様、外周２ｅ_１と底面２ｅ_２との間が曲面２ｅ_３により接続される。

４つのリセス２ｂのうち、２つのリセス２ｂ（図２中、右側の２つ）は、ピストン２の外周面２ｃから第１キャビティ２ｄの内部まで延在し、第２キャビティ２ｅから離隔している。４つのリセス２ｂのうち、他の２つのリセス２ｂ（図２中、左側の２つ）は、ピストン２の外周面２ｃから第１キャビティ２ｄの内部および第２キャビティ２ｅの内部まで延在している。

図３は、第１キャビティ２ｄおよび第２キャビティ２ｅの作用を説明するための図であり、エンジン１におけるピストン２の中心軸を通る断面について、燃焼室６近傍の概略図を示す。また、図３中、ピストン２は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面が示されている。

図３（ａ）に矢印で示すように、吸気行程で吸気ポート７から燃焼室６に流入する吸気は、燃焼室６のうち、図３（ａ）中、右下（排気ポート８側であってピストン２の冠面２ａ側）に向かって流れる。その後、吸気は、排気ポート８側のシリンダ５の内壁に沿うように導かれて、次に冠面２ａ上を図３（ａ）中、左側（吸気ポート７側）に沿って流れ、吸気ポート７側のシリンダ５の内壁に導かれて、図３（ａ）中、上側（シリンダヘッド４側）に戻る。このようにしてエンジン１では、吸気によるタンブル流が形成される。

図３（ａ）に示すように、第１キャビティ２ｄの曲面２ｄ_３の曲率中心は、ピストン２の頂面２ｆより上方に位置する。図３（ａ）中、右側（排気ポート８側）の曲面２ｄ_３は、右下に流れる吸気を、第１キャビティ２ｄに沿い左側に導くガイドとして機能する。図３（ａ）中、左側（吸気ポート７側）の曲面２ｄ_３は、第１キャビティ２ｄに沿って左側に流れた吸気を、上側に導くガイドとして機能する。

このように、第１キャビティ２ｄは、タンブル流の形成を促進する吸気のガイドとして機能する。エンジン１では、タンブル流を形成することで、タンブル流が崩壊するときに生じる強い乱流によって燃料の急速燃焼を実現し、燃費改善や燃焼安定性の向上を可能とする。

図３（ｂ）に示すように、第２キャビティ２ｅは、インジェクタ１４に対向する位置に形成される。第２キャビティ２ｅの曲面２ｅ_３の曲率中心は、底面２ｄ_２よりピストン２上方に位置する。

インジェクタ１４から、例えば、円錐状（放射状）に噴霧された燃料は、第２キャビティ２ｅの底面２ｅ_２に向かった後、曲面２ｅ_３に導かれてインジェクタ１４の隣に設けられた点火プラグ１３側に向かう。すなわち、第２キャビティ２ｅは、噴霧された燃料を点火プラグ１３に導く。そのため、エンジン１では、例えば、低負荷時にインジェクタ１４近傍に燃料の濃度が高い混合気が形成され、成層リーンバーンが実現可能となる。

このように、ピストン２には、タンブル流の形成を促進する第１キャビティ２ｄと、燃料を点火プラグ１３に導く第２キャビティ２ｅが設けられる。しかし、タンブル流が第２キャビティ２ｅに流入すると、流入したタンブル流の流速が低下して、第２キャビティ２ｅに流入しなかったタンブル流との間で、流速が不均一となってしまう。その結果、タンブル流の質の低下を招くこととなる。そこで、ピストン２は、第２キャビティ２ｅへのタンブル流の流入を抑制する構成となっている。

図４は、ピストン２の冠面２ａの正面図であり、図２におけるＩＶ矢視図である。図４では、理解を容易とするため、上記のリセス２ｂの図示を省略する。図４中、矢印は、冠面２ａに沿ったタンブル流の流れを示す。図４に示すように、タンブル流は、冠面２ａ上を、図４中、右側（排気ポート８側）から左側（吸気ポート７側）に流れる。

ここで、第１キャビティ２ｄのうち、第２キャビティ２ｅよりも、図４中、右側の領域を上流部２ｄ_４という。言い換えれば、上流部２ｄ_４は、第１キャビティ２ｄのうち、第２キャビティ２ｅよりも、排気ポート８側の領域である。また、第１キャビティ２ｄのうち、第２キャビティ２ｅよりも、図４中、左側の領域を下流部２ｄ_５という。言い換えれば、下流部２ｄ_５は、第１キャビティ２ｄのうち、第２キャビティ２ｅよりも、吸気ポート７側の領域である。

そして、上流部２ｄ_４は、下流部２ｄ_５よりも、冠面２ａに沿って流れるタンブル流の流れ方向（図４中、左右方向）に長く延在している。すなわち、第１キャビティ２ｄは、冠面２ａの大凡中央に設けられ、第２キャビティ２ｅは、冠面２ａの中央に対して吸気ポート７側にずれて設けられている。

図５は、上流部２ｄ_４の長さによる作用を説明するための図である。図５（ａ）には、本実施形態のエンジン１を示し、図５（ｂ）には、比較例のエンジンＥを示す。図５（ｂ）に示すように、比較例のエンジンＥでは、上流部Ｅａおよび下流部Ｅｂは、冠面Ｅｃ上を流れるタンブル流の流れ方向の長さが大凡等しい。すなわち、比較例のエンジンＥでは、第１キャビティＥｄおよび第２キャビティＥｅが冠面Ｅｃの大凡中央に設けられている。

比較例のエンジンＥにおいて、タンブル流は、上流部Ｅａに沿って流れるものの、上流部Ｅａの長さが不足しており、左方向への流れに十分に付勢する以前に第２キャビティＥｅに到達してしまう。そのため、タンブル流が第２キャビティＥｅに流入し、流速が低下してしまう。

一方、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、上流部２ｄ_４が長いため、上流部２ｄ_４に沿って流れたタンブル流は、左方向への流れに十分に付勢された後、第２キャビティ２ｅに到達する。第２キャビティ２ｅに到達したタンブル流は、流速が高いため冠面２ａから剥離して、第２キャビティ２ｅに流入することなく、そのまま左方向に流れる。

第２キャビティ２ｅに流入せずに第２キャビティ２ｅから距離を保ったタンブル流は、第２キャビティ２ｅの底面２ｅ_２近傍の気体の粘性を受け難くなり、タンブル流の部分的な速度低下が回避される。こうして、タンブル流の流速の不均一化を抑え、タンブル流の質の低下を抑制することが可能となる。

図６は、変形例におけるピストン１０２の冠面１０２ａ側の斜視図である。上述した実施形態では、第１キャビティ２ｄおよび第２キャビティ２ｅは、ピストン２を正面に捉えたとき（シリンダヘッド４側から見たとき）、大凡円形状となっている場合について説明した。変形例においては、図６に示すように、第１キャビティ１０２ｄは大凡円形状となっているが、第２キャビティ１０２ｅは大凡楕円形状となっている。

図７は、変形例におけるピストン１０２の冠面１０２ａの正面図である。図７中、矢印は、冠面１０２ａに沿ったタンブル流の流れを示す。図７に示すように、変形例では、上述した実施形態と同様、上流部１０２ｄ_４は、下流部１０２ｄ_５よりも、冠面１０２ａに沿って流れるタンブル流の流れ方向（図７中、左右方向）に長く延在している。

また、第２キャビティ１０２ｅは、上記のように大凡楕円形状となっており、第２キャビティ１０２ｅの楕円の短辺がタンブル流の流れ方向に沿う向き（図７中、左右方向）となっている。第２キャビティ１０２ｅの楕円の長辺は、タンブル流の流れ方向に直交する向きとなっている。

第２キャビティ１０２ｅを楕円形状とする場合、第２キャビティ１０２ｅが円形状である場合に比べて、第２キャビティ１０２ｅが同じ容積に設計されたときに、上流部１０２ｄ_４が長く確保される。すなわち、冠面１０２ａを正面に見たとき、第２キャビティ１０２ｅの面積が同じであっても、円形状の直径よりも楕円形状の短辺の方が短いため、上流部１０２ｄ_４が長く確保される。その結果、上述した実施形態と同様、上流部１０２ｄ_４に沿って流れたタンブル流は、十分に左方向への流れに付勢された後、第２キャビティ１０２ｅに到達し、その流速により冠面１０２ａから剥離して、第２キャビティ１０２ｅに流入することがない。よって、タンブル流の流速の不均一化をさらに効果的に抑え、タンブル流の質の低下を抑制することが可能となる。

また、タンブル流は、第２キャビティ１０２ｅに到達して冠面１０２ａから剥離するとき、第２キャビティ１０２ｅの外周１０２ｅ_１の接線に直交する向きに、流れが変わる傾向がある。すなわち、図７中、矢印で示すように、第２キャビティ１０２ｅの楕円形状の長辺の両端（図７中、上端と下端）近傍を流れるタンブル流は、楕円形状の中心側へやや向きを変える。

例えば、第２キャビティ１０２ｅは、楕円形状であるため、円形状に比べて（上記の面積が同じ場合を比較して）、タンブル流が剥離する外周１０２ｅ_１の曲率が大きい。そのため、タンブル流の向きが楕円形状の中心側に変わっても、僅かな向きの変化に抑えられる。その結果、タンブル流が乱れずに、タンブル流の質の低下が抑制される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態および変形例では、タンブル流が、吸気ポート７から図３（ａ）中、右下に向かった後、時計回りに流れる場合について説明した。しかし、タンブル流は、図３（ａ）中、反時計回りに流れてもよい。すなわち、タンブル流は、吸気ポート７から、図３（ａ）中、下側に流れた後、右側に向かい、その後、排気ポート８側に向かう流れであってもよい。このように、タンブル流が、図３（ａ）中、反時計回りに流れる場合、上流部２ｄ_４、１０２ｄ_４は、第１キャビティ２ｄ、１０２ｄのうち、第２キャビティ２ｅ、１０２ｅよりも、吸気ポート７側の領域となる。下流部２ｄ_５、１０２ｄ_５は、第１キャビティ２ｄ、１０２ｄのうち、第２キャビティ２ｅ、１０２ｅよりも、排気ポート８側の領域となる。

本発明は、冠面にキャビティが設けられた内燃機関のピストンに利用することができる。

１ エンジン（内燃機関）
２、１０２ ピストン
２ａ、１０２ａ 冠面
２ｄ、１０２ｄ 第１キャビティ
２ｄ_４、１０２ｄ_４ 上流部
２ｄ_５、１０２ｄ_５ 下流部
２ｅ、１０２ｅ 第２キャビティ
６ 燃焼室

Claims (3)

1. 燃焼室の内壁面となる冠面と、
   前記冠面に設けられた窪みである第１キャビティと、
   前記第１キャビティ内に設けられた窪みである第２キャビティと、
   を備え、
   前記第１キャビティのうち、前記第２キャビティに対して、前記冠面に沿って流れるタンブル流の流れ方向の上流側に位置する上流部は、該第１キャビティのうち、該第２キャビティに対して、該流れ方向の下流側に位置する下流部よりも、該流れ方向に長く延在することを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記第２キャビティは、短辺が前記流れ方向に沿う向きの楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 燃焼室に対向する冠面と、
   前記冠面に設けられた窪みである第１キャビティと、
   前記第１キャビティに設けられた窪みであり、前記冠面に沿って流れるタンブル流の流れ方向に、短辺が沿う向きの楕円形状である第２キャビティと、
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。

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