JP2020172869A - エンジンのピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンがオイル誘導部の位置で破損することを未然に防止する。【解決手段】ピストン５は、気筒２（シリンダ）の内壁面に対向する外周面７０と、この外周面７０に形成されたオイルリング溝７３と、このオイルリング溝７３に装着されたオイルリング７５と、ピストン５の反スラスト側の領域（高圧領域）に設けられるオイル誘導部７４とを備える。オイルリング溝７３は、内底面７３ａと、この内底面７３ａの上端から伸びる上側面７３ｂと、内底面７３ａの下端から伸びて上側面７３ｂと対向する下側面７３ｃとで構成される。オイル誘導部７４は、オイルリング溝７３の下側面７３ｃに形成された凹部であって当該下側面７３ｃの外周端Ｅｄから内底面７３ａの手前側の所定位置までピストン径方向に延びる凹部７４１からなる。【選択図】図７

Description

本発明は、エンジンのピストンに関する。

ピストンがシリンダ内を往復運動するレシプロ型のエンジンでは、ピストンの外周に形成された溝に、エンジンオイルの余剰分を掻き落とすためのオイルリングが装着されている。オイルリングが装着されたオイルリング溝にはオイル誘導部が設けられ、オイルリングによって掻き落とされたオイルがこのオイル誘導部を通じてピストンの下方に滴下される。

例えば、特許文献１には、オイル誘導部として、ピストン側壁を貫通してシリンダ壁面側とピストン内側とを連通させるオイル戻し孔がオイルリング溝に設けられたピストンが開示されており、当該ピストンには、そのスラスト側及び反スラスト側の各々に、複数のオイル戻し孔が設けられている。なお、スラスト側とは、ピストンのうち、燃焼工程において燃焼圧力によりシリンダ壁面に押し付けられる側を指し、反スラスト側とは、ピストンの径方向においてスラスト側とは反対側を指す。

特開２０１６−２２３５８３号公報

近年、ガソリンエンジンの燃焼態様として、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼（ＳＩ燃焼）させ、その他の混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させることを企図した部分圧縮着火燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼）が知られている。例えば、特開２０１８−８７５６６号公報には、主に高回転域でＳＩ燃焼が実行され、それ以外の運転域ではＳＰＣＣＩ燃焼が実行されるように、エンジン各部を制御する技術が開示されている。

この種のエンジンでは、ＳＩ燃焼が実行されるべき高回転域（ＳＩ領域）での出力及び熱効率（燃費）の向上を図るべく、従来のエンジン（全運転域においてＳＩ燃焼のみが実行されるエンジン）に比して点火時期が進角される傾向がある。ところが、このように点火時期が進角されることで、ＳＩ領域において意図しないＣＩ燃焼が起こる場合があり、最悪の場合にはピストンを破損するおそれがある。

「発明を実施するための形態」で詳細に説明するが、これは、例えばピストンのスラスト側が排気ポート側である場合、燃焼室のうち温度の高いスラスト側でＣＩ燃焼が発生し、これに起因して、当該スラスト側から反スラスト側に向かってＣＩ燃焼が伝搬するようにピストン外縁に沿って発生することに起因する。つまり、このＣＩ燃焼による燃焼圧力が反スラスト側においてピストンとシリンダ壁面との間の狭い隙間に伝搬し、オイルリング溝の位置を支点としてピストンの上端部をスラスト側に押圧する力が作用してピストンを破損する場合があるのである。具体的には、ピストンのうち、オイルリング溝の内底面と、これに繋がる側面と、オイル戻し孔の内壁面との３面が交わる位置（境目となる位置）に応力が集中してクラックが発生する場合がある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされものであり、オイル誘導部においてピストンが破損することを未然に防止することが可能な技術を提供する、ことを目的とする。

本発明の一局面に係るエンジンのピストンは、シリンダの内壁面に沿って上下方向に往復移動するピストンを備えたエンジンの前記ピストンであって、前記シリンダの内壁面に対向する外周面と、前記外周面に形成されて当該外周面の全周に亘って延在するオイルリング溝と、前記オイルリング溝に装着されたオイルリングと、前記オイルリング溝における周方向の複数の位置に設けられて前記オイルリングによって掻き落とされたオイルを誘導する複数のオイル誘導部と、を備え、前記オイルリング溝は、内底面と、この内底面の上端からピストン径方向外向きに伸びる上側面と、前記内底面の下端からピストン径方向外向きに伸びて前記上側面に対向する下側面とで構成され、前記複数のオイル誘導部は、前記外周面のうち周方向における他の領域よりも高い燃焼圧力を受ける高圧領域に設けられる第１オイル誘導部を含み、前記第１オイル誘導部は、前記下側面に形成された凹部であって前記下側面の外周端から前記内底面の手前側の所定位置までピストン径方向に延びる凹部からなるものである。

このピストンによれば、少なくとも高圧領域に設けられる第１オイル誘導部は、オイルリング溝の下側面に形成された凹部であって当該下側面の外周端からオイルリングの内底面の手前側の所定位置までピストン径方向に延びる凹部からなる。このような構造では、オイルリングの内底面と、下側面と、第１オイル誘導部（凹部）の内側面との３面が交わる位置（３面の境目となる位置）が物理的に存在しないため、高圧領域においてピストン上端部を当該高圧領域とは反対側に押圧する力が作用しても応力の集中が抑制される。従って、前記３面が交わる従来のピストンのようなクラックの発生を抑制でき、オイル誘導部においてピストンが破損することを未然に防止することができる。

上記のピストンにおいて、前記凹部は、前記外周端から前記内底面に向かって断面積が小さくなるように形成されているのが好適である。

この構造によれば、オイルリング溝の内底面に相対的に近い位置の第１オイル誘導部（凹部）の占有面積が相対的に遠い位置の当該占有面積よりも小さくなるため、前記押圧力に対するピストンの耐力がより大きくなる。これによりクラック発生がより起き難くなる。

上記の各ピストンにおいて、前記高圧領域は、前記外周面のうち、スラスト側とは径方向における反対側である反スラスト側の領域である。

すなわち、反スラスト側は、燃焼工程においてシリンダ壁面とピストンの外周面との間に燃焼圧力が伝搬してピストン上端部がスラスト側に押圧されるため、上記クラック等の発生リスクが他の部分に比べて高い。そのため、上記のようなピストンの構成は、当該反スラスト側を上記高圧領域とするピストンに有用である。

この場合、前記複数のオイル誘導部は、前記外周面のうち、当該ピストンの径方向におけるスラスト側の領域に設けられる第２オイル誘導部を含み、前記第２オイル誘導部は、オイルリング溝の前記内底面に形成されて前記シリンダの壁面側と当該ピストンの内側とを連通させる貫通孔を有する。

この構造によれば、ピストンの外周面のうち高圧領域よりも低い燃焼圧力を受けるスラスト側の領域では、貫通孔（第２オイル誘導部）を通じてピストン内部へオイルを誘導しながら当該オイルを効率良く滴下させることができ、また、ピストンの外周面のうち高圧領域である反スラスト側の領域では、クラックの発生を抑制しながら凹部（第１オイル誘導部）を通じてオイルを円滑に滴下させることが可能となる。

上記の各ピストンにおいて、当該ピストンの径方向における前記外周端から前記内底面までの距離をＬ、前記径方向における前記外周端から前記凹部の末端までの距離をＲとするとき、前記距離Ｒと前記距離Ｌとの比であるＲ／Ｌが０．６９以上１．０未満であるのが好適である。前記Ｒ／Ｌは、０．７０以上であるのがより好適である。

この構造によれば、オイルリング溝の内底面に到達しない範囲でピストンの径方向における前記凹部の長さを可及的に長く確保しながら、すなわちオイルリング溝内のオイルをピストンの外周面側に円滑に誘導できるオイル誘導部を設けながら、前記クラックの発生を抑制することが可能となる。換言すれば、Ｒ／Ｌが０．６９未満の場合にはオイルリング溝内にオイルが残留し易くやる一方、Ｒ／Ｌが１以上となると、オイルリングの内底面に孔が形成されて、当該内底面と、下側面と、第１オイル誘導部（凹部）の内側面との３面が交わる部分が存在することとなり、当該部分への応力集中が生じるおそれが出てくる。

なお、燃焼室において前記ピストンの反スラスト側に点火プラグの着火部が配置されている場合には、反スラスト側の燃焼圧力が相対的に高くなるため、反スラスト側においてピストン上端部がスラスト側に押圧され易く、上記クラック等の発生リスクが高い。

従って、上記各態様のピストンの構成は、前記点火プラグの着火部が、燃焼室の中心よりも前記ピストンの反スラスト側に配置されているような場合にも有用となる。

上記の各態様に係るエンジンのピストンによれば、オイル誘導部においてピストンが破損することを抑制することが可能となる。

本発明に係るピストンが適用されるエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。 上記エンジンが備える１つの気筒の模式的な斜視図である。 上記エンジンの制御系統を示すブロック図である。 上記エンジンの運転領域を燃焼形態の相違によって区分けした運転マップである。 本発明に係るピストンの斜視図である。 上記ピストンの側面図（図５のＶＩ矢視図）である。 上記ピストンの断面図（図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図）である。 オイルリング溝とオイルリングを示すピストンの断面図である。 オイルリングを示す図８のＩＸ矢視図である。 第１オイル誘導部の長さと、応力と、通路面積との関係を示すグラフである。 第１オイル誘導部を示すピストンの要部断面図である。 ＳＩ領域でＣＩ燃焼が発生した状況を示す燃焼室内の平面模式図である。 クラックの発生原理を説明するための気筒（シリンダ）及びピストンの断面図である。 ピストンの要部斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

［１．エンジンの全体構成］
図１は、本発明が適用される車両用エンジン（以下、単にエンジンという）の好ましい実施形態を示す図である。この図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流する外部ＥＧＲ装置５０とを備えている。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、コネクティングロッド８を介してピストン５と連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、後述するＳＰＣＣＩ燃焼（部分圧縮着火燃焼）に好適な値として、１３以上３０以下、好ましくは１４以上１８以下の高圧縮比に設定される。幾何学的圧縮比を１４以上の高圧縮比に設定することで、燃焼室６内において混合気に圧縮着火が発生し易い環境とすることができる。

シリンダブロック３には、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転数（エンジン回転数）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート９と、燃焼室６で生成された排気ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１０と、吸気ポート９の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１２とが設けられている。

図２は、１つの気筒２を模式的な斜視図にて示している。本実施形態のエンジンのバルブ形式は、図２に示すように、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式である。すなわち、シリンダヘッド４には、２つの吸気ポート９と、これらの開口を各々開閉する２つの吸気弁１１と、２つの排気ポート１０と、これらの開口を各々開閉する２つの排気弁１２とが設けられている。

吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁１１用の動弁機構には、吸気弁１１の開閉時期を変更可能な吸気Ｓ-ＶＴ１３が内蔵されている。同様に、排気弁１２用の動弁機構には、排気弁１２の開閉時期を変更可能な排気Ｓ-ＶＴ１４が内蔵されている。吸気Ｓ-ＶＴ１３（排気Ｓ-ＶＴ１４）は、いわゆる位相式の可変機構であり、電動モータの作動により吸気弁１１（排気弁１２）の開弁時期および閉弁時期を同時にかつ同量だけ変更する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と吸入空気とが混合された混合気に点火する点火プラグ１６とが設けられている。この点火プラグ１６の着火部１６ａは、燃焼室６において吸気ポート９に臨む側（反スラスト側）、換言すれば燃焼室６の中心よりも吸気ポート９に近い側に配置されている。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。吸気通路３０には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３２と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機３３と、過給機３３により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３５と、サージタンク３６とが設けられている。

吸気通路３０の各部には、吸気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２と、吸気の温度を検出する吸気温センサＳＮ３と、吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ４とが設けられている。エアフローセンサＳＮ２および吸気温センサＳＮ３は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とスロットル弁３２との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。吸気圧センサＳＮ４は、サージタンク３６に設けられ、当該サージタンク３６内の吸気の圧力を検出する。

過給機３３は、エンジン本体１と機械的に連係された機械式の過給機（スーパーチャージャ）である。過給機３３としては、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを用いることができる。

過給機３３とエンジン本体１との間には、締結／解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ３４が介設されている。電磁クラッチ３４が締結されると、エンジン本体１から過給機３３に駆動力が伝達されて、過給機３３による過給が行われる。一方、電磁クラッチ３４が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機３３による過給が停止される。

吸気通路３０には、過給機３３をバイパスするためのバイパス通路３８が設けられている。バイパス通路３８は、サージタンク３６と後述するＥＧＲ通路５１とを互いに接続している。バイパス通路３８には開閉可能なバイパス弁３９が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガスは、排気ポート１０および排気通路４０を通じて外部に排出される。

排気通路４０には触媒コンバータ４１が設けられている。触媒コンバータ４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４１ａと、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４１ｂとが内蔵されている。

外部ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも下流側の部位と、吸気通路３０におけるスロットル弁３２と過給機３３との間の部位とを互いに接続している。ＥＧＲクーラ５２は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（外部ＥＧＲガス）を熱交換により冷却する。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側（吸気通路３０に近い側）のＥＧＲ通路５１に開閉可能に設けられ、ＥＧＲ通路５１を流通する排気ガスの流量を調整する。

［２．制御系統］
図３は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジン等を統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、吸気温センサＳＮ３、吸気圧センサＳＮ４と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転数、吸気流量、吸気温、吸気圧）がＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検出するアクセルセンサＳＮ５と、車両の走行速度（以下、車速という）を検出する車速センサＳＮ６と、が設けられており、これらのセンサＳＮ５、ＳＮ６による検出信号もＰＣＭ１００に逐次入力される。

ＰＣＭ１００は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、吸気Ｓ-ＶＴ１３、排気Ｓ-ＶＴ１４、インジェクタ１５、点火プラグ１６、スロットル弁３２、電磁クラッチ３４、バイパス弁３９、ＥＧＲ弁５３等と電気的に接続されており、上記演算等の結果に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

［３．運転状態に応じた制御］
図４は、エンジンの回転数／負荷に応じた制御の相違を説明するための運転マップである。本図に示すように、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって２つの運転領域Ａ１，Ａ２に大別される。それぞれ第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２とすると、第２運転領域Ａ２は、回転数が高い高速領域であり、第１運転領域Ａ１は、第２運転領域Ａ２以外の残余の領域、つまり回転数が低いか中程度の低・中速領域である。これら第１・第２運転領域Ａ１，Ａ２では、それぞれ次のような燃焼制御が実行される。

＜第１運転領域＞
エンジンの低・中速領域である第１運転領域Ａ１では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼（以下、これをＳＰＣＣＩ燃焼という）が実行される。ＳＩ燃焼とは、点火プラグ１６から発生する火花により混合気に点火し、その点火点から周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことである。ＣＩ燃焼とは、ピストン５の圧縮等により十分に高温・高圧化された環境下で混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。そして、これらＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室６内の混合気の一部をＳＩ燃焼させ、当該ＳＩ燃焼の後に（ＳＩ燃焼に伴うさらなる高温・高圧化により）燃焼室６内の他の混合気を自着火によりＣＩ燃焼させる、という燃焼形態のことである。なお、「ＳＰＣＣＩ」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。

ＳＰＣＣＩ燃焼では、ＳＩ燃焼による熱発生とＣＩ燃焼による熱発生とがこの順に連続して発生する。このＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との比率を運転条件に応じてコントロールすることがＳＰＣＣＩ燃焼を安定させる上で重要となる。当実施形態では、ＳＰＣＣＩ燃焼（ＳＩ燃焼およびＣＩ燃焼）による全熱発生量に対するＳＩ燃焼による熱発生量の割合であるＳＩ率が適正な値になるようにエンジンの各部が制御される。

ＳＰＣＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１では、このＳＩ率が予め定められた目標値に一致するように、エンジンの各部が制御される。すなわち、第１運転領域Ａ１では、エンジン負荷・回転数が異なる種々の条件ごとに、ＳＩ率の目標値である目標ＳＩ率がそれぞれ定められている。そして、点火プラグ１６による火花点火の時期（点火時期）、インジェクタ１５からの燃料の噴射量／噴射時期、およびＥＧＲ率（外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率）といった複数の制御量が、上記目標ＳＩ率を実現可能な組合せとなるように制御される。なお、外部ＥＧＲ率とは、燃焼室６内の全ガスのうち外部ＥＧＲガス（ＥＧＲ通路５１を通じて燃焼室６に還流される排気ガス）が占める重量割合のことであり、内部ＥＧＲ率とは、燃焼室６内の全ガスのうち内部ＥＧＲガス（内部ＥＧＲにより燃焼室６に残留する既燃ガス）が占める重量割合のことである。

例えば、点火時期および燃料の噴射量／噴射時期は、上記目標ＳＩ率などを考慮して予め定められたマップにより決定される。すなわち、マップには、エンジン負荷・回転数の条件ごとに、上記目標ＳＩ率を実現するのに適した点火時期および燃料の噴射量／噴射時期がそれぞれ記憶されている。ＰＣＭ１００は、このマップに記憶された点火時期および噴射量／噴射時期に従って、インジェクタ１５および点火プラグ１６を制御する。

一方、外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率は、所定のモデル式を用いた演算により決定される。すなわち、ＰＣＭ１００は、燃焼サイクルごとに、上記目標ＳＩ率を実現するために火花点火の時点で必要とされる筒内温度（目標筒内温度）を所定のモデル式を用いて算出するとともに、この算出した目標筒内温度に基づいて、ＥＧＲ弁５３の開度および吸・排気弁１１，１２のバルブタイミングを決定する。より具体的に、ＰＣＭ１００は、吸気温センサＳＮ３により検出される吸入空気（新気）の温度と、燃焼室６の圧縮が実質的に開始される時点である吸気弁１１の閉弁時期（ＩＶＣ）とを含む各種パラメータを、当該パラメータを入力要素とする上記モデル式に代入することにより、上記目標筒内温度を実現するのに必要な外部ＥＧＲ率および内部ＥＧＲ率を算出する。そして、算出された外部ＥＧＲ率を実現するのに必要なＥＧＲ弁５３の開度を目標開度として算出し、この目標開度が実現されるようにＥＧＲ弁５３を制御する。

なお、上記第１運転領域Ａ１においては、図４に示される過給ラインＴの下側領域で過給機３３がＯＦＦ状態とされ、過給ラインＴの上側領域で過給機３３がＯＮ状態とされる。過給機３３がＯＦＦ状態とされる過給ラインＴの下側領域、つまり第１運転領域Ａ１の中低負荷側の領域では、電磁クラッチ３４が解放されて過給機３３とエンジン本体１との連結が解除されるとともに、バイパス弁３９が全開とされることにより、過給機３３による過給が停止される。一方、過給機３３がＯＮ状態とされる過給ラインＴの上側領域、つまり第１運転領域Ａ１の高負荷側の領域では、電磁クラッチ３４が締結されて過給機３３とエンジン本体１とが連結されることにより、過給機３３による過給が行われる。

＜第２運転領域＞
第１運転領域Ａ１よりも回転数が高い第２運転領域Ａ２では、通常のＳＩ燃焼が実行される。例えば、少なくとも吸気行程の一部と重複する所定期間にわたりインジェクタ１５から燃料が噴射されるとともに、圧縮行程後期に点火プラグ１６による火花点火が実行される。そして、この火花点火をきっかけにＳＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。なお、第２運転領域Ａ２では、その全領域で過給機３３がＯＮ状態とされる。

［４．ピストンの構造］
続いて、図５〜図７を参照して、ピストン５の構造について説明する。図５は、ピストンの斜視図、図６は、ピストンの側面図（図５のＶＩ矢視図）、図７は、ピストンの断面図（図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図）である。各図には、エンジン本体１のフロント側、リア側という意味においてＦ側、Ｒ側との標記が付され、吸気ポート９及び排気ポート１０と各々対向する側であるという意味においてＩＮ側、ＥＸ側との表記が付されている。

ピストン５は、ピストンヘッド５Ａと、ピストンヘッド５Ａの外周が下方に延設されてなる一対のスカート部５Ｓａ、５Ｓｂとを含む。ピストンヘッド５Ａは円柱体からなり、燃焼室６の壁面の一部（底面）を形成する冠面６０を上面に備えると共に、気筒２の内壁面と摺接する外周面７０とを備える。ピストンヘッド５Ａの下方には、ピン孔を区画するピストンボス５Ｂが設けられている。ピストンボス５Ｂの前記ピン孔には、コネクティングロッド８との連結のためのピストンピンが挿通される。

前記一対のスカート部５Ｓａ、５Ｓｂのうち、一方側のスカート部５Ｓａは、ピストンヘッド５Ａの外周面のうちスラスト側に設けられ、他方側のスカート部５Ｓｂは、ピストンヘッド５Ａの外周面のうち反スラスト側に設けられている。これらスカート部５Ｓａ、５Ｓｂが気筒２の内壁面に摺接することで、ピストン５の往復運動の際の首振り揺動が抑制される。なお、スラスト側とは、ピストン５のうち、燃焼工程において燃焼圧力により気筒２の壁面（シリンダ壁面）に押し付けられる側を指し、反スラスト側とは、ピストン５の径方向においてスラスト側とは反対側（周方向に１８０°離間した側）を指す。当例では、図２に示す通り、ピストン５のうち、排気ポート１０に臨む側がスラスト側であり、吸気ポート９に臨む側が反スラスト側である。

ピストンヘッド５Ａの前記冠面６０は、ペントルーフ型の燃焼室天井面と対向する面である。冠面６０は、その径方向の概ね中央部分に配置された椀状のキャビティ６１を含む。キャビティ６１は、インジェクタ１５から燃料の噴射を受ける部分であって、冠面６０が下方に凹設された部分である。

冠面６０のうちキャビティ６１を囲む外周部分には、Ｆ側凸部６２Ｆ、Ｒ側凸部６２Ｒ、ＩＮ側平面部６３、ＥＸ側平面部６４、ＩＮ側斜面部６５及びＥＸ側斜面部６６が配置されている。Ｆ側凸部５２Ｆはキャビティ５１のＦ側に、Ｒ側凸部５２ＲはＲ側に、各々隣接する凸面であり、各々燃焼室天井面のペントルーフ形状に沿う山型の形状を有している。ＩＮ側平面部６３はキャビティ６１のＩＮ側に、ＥＸ側平面部６４はＥＸ側に、各々位置する平面である。ＩＮ側斜面部６５は、キャビティ６１のＩＮ側端縁とＩＮ側平面部６３との間に配置された斜面である。ＥＸ側斜面部６６は、キャビティ６１のＥＸ側端縁とＥＸ側平面部６４との間に配置された斜面である。

ピストンヘッド５Ａの前記外周面７０には、ピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。具体的には、冠面６０に近い側から順に、第１コンプレッションリング溝７１、第２コンプレッションリング溝７２及びオイルリング溝７３が形成されている。各リング溝７１〜７３は、互いに平行に外周面７０の全周に亘って形成されている。

第１、第２のコンプレッションリング溝には、図外のコンプレッションリング（トップリング、セカンドリング）が装着され、前記オイルリング溝７３にはオイルリング７５（図８に示す）が装着されている。

コンプレッションリングは、燃焼室６で発生した燃焼ガスがクランク室側に漏洩しないようにピストン５と気筒２の内壁面との間をシールするものである。オイルリング７５は、気筒２の内壁面に付着した余分はオイルを掻き落として気筒２の内壁面のオイル量をコントロールするものある。

図示を省略するが、コンプレッションリング（トップリング、セカンドリング）は、各々気筒軸方向に偏平なリングからなる。一方、オイルリング７５は、いわゆる３ピース型のオイルリングからなる。

図８は、オイルリング溝７３とオイルリング７５を示すピストン５の要部断面図であり、図９は、オイルリング７５を示す図８のＩＸ矢視図である。図８及び図９に示すように、オイルリング７５は、上下一対のサイドレール７６と、これらサイドレール７６の間に介設されて当該サイドレール７６をピストン５の径方向外側へ付勢するスペーサエキスパンダ７７とを備えている。各サイドレール７６は、気筒軸方向偏平なリングであり、スペーサエキスパンダ７７は、周方向に亘って規則的に上下に変化する側面視波形の形状を有するリングである。スペーサエキスパンダ７７には、各サイドレール７６の内周部に当接して当該サイドレール７６を径方向外側に押圧する傾斜面を備えた耳部７７ａが形成されている。これにより各サイドレール７６が気筒２の内壁面に押し付けられている。

オイルリング溝７３は、図８に示すように、内底面７３ａと、この内底面７３ａの上端からピストン５の径方向外向きに伸びる上側面７３ｂと、前記内底面７３ａの下端からピストン５の径方向外向きに伸びて前記上側面７３ａに対向する下側面７３ｃとで構成されている。オイルリング溝７３には、オイルリング７５によりオイルリング溝７３内に掻き落されたたオイルを下方（クランク室側）に滴下させるために誘導するオイル誘導部７４が設けられている。

オイル誘導部７４は、オイルリング溝７３の周方向における複数の位置に設けられている。詳しくは、図７に示すように、ピストン５の中心軸回りにＥＸ側、ＩＮ側、Ｆ側、Ｒ側に対応する９０°間隔の４つの領域Ｒｅ１〜Ｒｅ４（ＥＸ側領域Ｒｅ１、ＩＮ側領域Ｒｅ２、Ｆ側領域Ｒｅ３、Ｒ側領域Ｒｅ４という）を規定した場合に、各領域Ｒｅ１〜Ｒｅ４に各々２つのオイル誘導部７４が設けられている。Ｆ側領域Ｒｅ３の２つのオイル誘導部７４は、ピストン５とコネクティングロッド８とを連結する前記ピストンピンの中心軸Ａｘ１を境にその両側の互いに対象な位置に設けられており、Ｒ側領域Ｒｅ４の２つのオイル誘導部７４も同様に前記中心軸Ａｘ１を境にその両側の互いに対象な位置に設けられている。

また、ＥＸ側領域Ｒｅ１の２つのオイル誘導部７４は、前記中心軸Ａｘ１に直交する直交軸Ａｘ２を境にその両側の互いに対象な位置に設けられており、ＩＮ側領域Ｒｅ２の２つのオイル誘導部７４も同様に前記直交軸Ａｘ２を境にその両側の互いに対象な位置に設けられている。なお、ＥＸ側領域Ｒｅ１の２つのオイル誘導部７４は、ピストン５の周方向において、ＥＸ側のスカート部５Ｓａの両端よりも内側の位置に設けられており、ＩＮ側領域Ｒｅ２の２つのオイル誘導部７４は、ピストン５の周方向において、ＩＮ側のスカート部５Ｓｂの両端よりも内側の位置（図５、図６参照）に設けられている。

ここで、図７に示すように、前記複数のオイル誘導部７４のうち、ＩＮ側領域Ｒｅ２（すなわち反スラスト側）の各オイル誘導部７４（本発明の第１オイル誘導部に相当する）は、オイルリング溝７３の下側面７３ｃに形成された断面半円形状の凹部７４１からなる。

この凹部７４１は、下側面７３ｃの外周端Ｅｄから内底面７３ａの手前側の所定位置までピストン５の径方向に延びている。なお、オイルリング溝７３の下側面７３ｃと内底面７３ａとの間に明確な境界線（交差線）が存在する場合には、当該凹部７４１は、オイルリング溝７３の下側面７３ｃの外周端Ｅｄから境界線（交差線）の手前側の所定位置まで延びている、と表現することができる。

図７及び図８に示すように、凹部７４１は、外周端Ｅｄ側からオイルリング溝７３の内底面７３ａ側に向かって先細りに形成されている。詳しくは、凹部７４１は、一定幅を保って外周端Ｅｄから内底面７３ａ側に向かって延びるストレート部７４１ａと、その末端（先端）に繋がり、当該末端から内底面７３ａに向かって先窄まりとなる先窄まり部７４１ｂとを有する。

一方、ＩＮ側領域Ｒｅ２以外のＥＸ側領域Ｒｅ１、Ｆ側領域Ｒｅ３及びＲ側領域Ｒｅ４の各オイル誘導部７４（本発明の第２オイル誘導部に相当する）は、オイルリング溝７３の下側面７３ｃに形成されてピストン５の径方向に延びる断面半円形の凹部７４２と、この凹部７４２に連続してオイルリング溝７３の内底面７３ａに形成された貫通孔７４３とを備えている。ＥＸ側領域Ｒｅ１、Ｆ側領域Ｒｅ３及びＲ側領域Ｒｅ４の各オイル誘導部７４は、貫通孔７４３を通じて気筒２の壁面側とピストン５の内側の空間Ｓｐとを連通させる。

［５．作用効果］
上記のようなピストン５によると、気筒２内を上死点から下死点に向かって移動するときに、オイルリング７５が気筒２の内壁面に摺接し、ピストン５と気筒２の内壁面との間に存在する余分なオイルが掻き落とされる。掻き落とされたオイルは、上側のサイドレール７６とスペーサエキスパンダ７７との間や、下側のサイドレール７６と下側面７３ｃとの隙間を介してオイルリング溝７３内に導入された後、オイル誘導部７４を通じてクランクケース側に滴下される。

この際、ＥＸ側領域Ｒｅ１、Ｆ側領域Ｒｅ３及びＲ側領域Ｒｅ４については、オイルリング溝７３内のオイルが、主にオイル誘導部７４（すなわち貫通孔７４３）を通じてピストン５の内側の空間Ｓｐに誘導され、当該空間Ｓｐ内の壁面を伝ってクランクケース内に滴下される。一方、ＩＮ側領域Ｒｅ２については、オイルリング溝７３内のオイルが、オイル誘導部７４（すなわち凹部７４１）を通じてピストン５の外周面７０側に戻され、当該外周面７０を伝ってクランクケース内に滴下されることとなる。

上記のピストン５では、このように、ＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４がその他の領域Ｒｅ１、Ｒｅ３，Ｒｅ４のオイル誘導部７４とは異なり、貫通孔（７４３）を備えない凹部７４１のみの構造となっている。当該ピストン５では、このような構成により、ＳＩ燃焼が実行されるべき第２運転領域Ａ２において意図しないＣＩ燃焼が発生したような場合でも、当該ピストン５が破損することが抑制され、高度な耐久性が達成される。以下、この点について図１２〜図１４を参照しつつ説明する。

図１２は、第２運転領域Ａ２（ＳＩ領域）でＣＩ燃焼が発生した場合の状況を示す燃焼室６内の平面模式図であり、図１３は、クラックの発生原理を説明するための気筒２（シリンダ）及びピストン５の断面図であり、図１４は、ピストンの要部斜視図である。

なお、図１３及び図１４では、説明の便宜上、ＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４が凹部７４２と貫通孔７４３とを備えたものと仮定して図示している。

上記の通り、エンジン本体１においては、第１運転領域Ａ１よりも回転数が高い第２運転領域Ａ２ではＳＩ燃焼が実行される。この第２運転領域Ａ２では、少なくとも吸気行程の一部と重複する所定期間にわたりインジェクタ１５から燃料が噴射されるとともに、圧縮行程後期に点火プラグ１６による火花点火が実行される。この火花点火をきっかけにＳＩ燃焼が開始され、燃焼室６内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。ところが、ＳＩ燃焼が主にピストン中央部のキャビティ６１内で進むことで、ピストン５の周縁部に未燃ガスが発生し、温度が比較的高くなる排気ポート１０側においてこの未燃ガスが自己着火し意図しないＣＩ燃焼が発生する場合がある。排気ポート１０側でＣＩ燃焼が発生すると、その燃焼熱によりピストン５の周縁部の未燃ガスが連鎖的に自己着火し、図１２に示すように、排気ポート１０側から吸気ポート９側、すなわちスラスト側から反スラスト側に向かってＣＩ燃焼が伝搬するようにピストン外縁に沿って発生する場合がある。

そして、ピストン５の両側を各々伝搬してきたＣＩ燃焼による燃焼圧力が反スラスト側で合流してピストン５と気筒２の内壁面との隙間に伝搬し、図１３に示すように、反スラスト側、すなわちＩＮ側領域Ｒｅ２におけるオイルリング溝７３の位置を支点としてピストン５の上端部をスラスト側に押圧力Ｆ１で押圧する。ここで、ＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４が、図１４に示すように、その他の領域Ｒｅ１、Ｒｅ３，Ｒｅ４のオイル誘導部７４と同様に凹部７４２と貫通孔７４３とを備えていると仮定すると、前記押圧力Ｆ１によって、オイルリング溝７３の内底面７３ａと、これに繋がる下側面７３ｃと、オイル誘導部７４の内壁面７４ａ（すなわち凹部７４２及び貫通孔７４３の内壁面）との３面が交わる位置、換言すれば３面の境目となる位置（図１４中の丸枠で示す位置）に応力が集中し、当該位置にクラックが発生する場合がある。

しかし、上記実施形態のピストン５のＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４は、実際には、図５〜図７に示した通り、その他の領域Ｒｅ１、Ｒｅ３，Ｒｅ４のオイル誘導部７４とは異なり貫通孔７４３を備えておらす、しかも、凹部７４１は、オイルリング溝７３の下側面７３ｃのうち、その外周端Ｅｄから内底面７３ａの手前側の所定位置までにしか設けられていない。つまり、この実施形態のピストン５によれば、オイルリング溝７３の内底面７３ａと、これに繋がる下側面７３ｃと、オイル誘導部７４の内壁面（凹部７４１の内壁面）との３面が交わるような位置が物理的に存在しない。従って、上記のような意図しないＣＩ燃焼の発生により、ピストン５のＩＮ側領域Ｒｅ２の上端部がスラスト側に押圧力Ｆ１で押圧されたとしても応力の集中が抑制される。従って、上記クラックの発生が抑制され、これによりピストン５の耐久性が高められる。

なお、上記実施形態では、燃焼室６においてピストン５のＩＮ側、すなわち燃焼室６の中心よりも反スラスト側に点火プラグ１６の着火部１６ａが配置されており、上記のような意図しないＣＩ燃焼の発生に拘わらず（ＳＩ燃焼においても）、反スラスト側の燃焼圧力がスラスト側の燃焼圧力に比して高くなる傾向がある。そのため、反スラスト側においてピストン上端部がスラスト側に押圧され易く、上記クラック等の発生リスクが少なからずあるが、このようなクラックの発生も効果的に抑制される。

また、上記実施形態によれば、ＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４である前記凹部７４１は、外周端Ｅｄ側からオイルリング溝７３の内底面７３ａ側に向かって先細りに形成されている。このような凹部７４１の形状によれば、オイルリング溝７３の内底面７３ａに相対的に近い位置における当該凹部７４１の占有面積が相対的に遠い位置の占有面積よりも小さくなるため、前記押圧力Ｆ１に対するピストン５の耐力がより大きくなる。従って、この点でもピストン５の耐久性が高められる。

特に、前記凹部７４１は、一定の幅を保って外周端Ｅｄから内底面７３ａ側に向かって延びるストレート部７４１ａと、その末端に繋がる先窄まり部７４１ｂとで構成されており、先細りでありながらもストレート部７４１ａの部分によって比較的大きなオイルの通路面積が確保される。従って、ピストン５の耐久性向上に寄与する一方で、オイルリング溝７３内のオイルを、オイル誘導部７４（凹部７４１）を通じて円滑に外周面７０側に誘導することができる。

図１０は、図１１に示すように、オイルリング溝７３の下側面７３ｃの外周端Ｅｄから内底面７３ａまでの距離をＬ（ｍｍ）、同外周端Ｅｄから凹部７４１の末端（先端）までの距離をＲ（ｍｍ）としたときの、距離Ｌに対する距離Ｒの比（Ｒ／Ｌ）と、凹部７４１により形成されるオイルの通路面積（ｍｍ^２）と、ピストン５に働く応力（ＭＰａ）との関係を示したグラフである。距離Ｒ、Ｌは何れもピストン５の径方向の距離であり、図１０中のＲ／Ｌの値が１を超える範囲は、オイルリング溝７３の内底面７３ａに、凹部７４１に連続して孔が形成されていることを示している。

通路面積は、スペーサエキスパンダ７７の内側端面の位置Ｐｉ（図８参照）における通路断面積（凹部７４１の内部空間の断面積）である。従って、オイルの通路面積は、凹部７４１の前記距離Ｒが前記位置Ｐｉに達した後の所定の範囲内では漸増し、凹部７４１のストレート部７４１ａの先端が前記位置Ｐｉを超える長さになると一定となる。

応力は、オイル誘導部７４の近傍であってかつオイルリング溝７３における内底面７３ａと下側面７３ｃとの境界付近に作用する応力である。同図に示すように、応力は、凹部７４１の前記距離Ｒが長くなるに伴い大きくなる。これは距離Ｒが伸びて前記境界付近に凹部７４１が形成されることで応力集中し易くなるためと考えられる。

ところで、オイルリング溝７３に溜まったオイルは、図８の白抜き矢印に示すように凹部７４１（オイル誘導部７４）を通じてピストン５の外周面７０側に誘導される。そのため、当該誘導性を考慮すると、凹部７４１による通路面積は大きく、又凹部７４１の前記距離Ｒは長いのが望ましい。一方、応力集中によるピストン５の耐力低下を考慮すると、凹部７４１による通路面積は小さく、又凹部７４１の距離Ｒは、距離Ｌ未満であるのが望ましい。これらの点を総合的に勘案し、上記実施形態のピストン５において、ＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４を構成する凹部７４１については、前記Ｒ／Ｌが、０．６９、好ましくは０．７０以上１．０未満の範囲に設定されている。これにより、応力集中によるピストン５の著しい耐力低下を伴うことなく、オイルの誘導性が高度に達成されている。

［６．変形例等］
上述した実施形態のピストン５は、本発明に係るエンジンのピストンの好ましい実施形態の例示であって、その具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、ピストン５の周方向おける各域Ｒｅ１〜Ｒｅ４には各々２つのオイル誘導部７４が設けられているが、各域Ｒｅ１〜Ｒｅ４のオイル誘導部７４の数や配置は実施形態に限定されるものではない。例えば各域Ｒｅ１〜Ｒｅ４のオイル誘導部７４は３つ以上であってもよいし、また、各域Ｒｅ１〜Ｒｅ４のオイル誘導部７４の数は互いに異なっていてもよい。

また、上記実施形態では、ＩＮ側領域Ｒｅ２のオイル誘導部７４を構成する凹部７４１は、ストレート部７４１ａとその末端（先端）に繋がる先細り部７４１ｂとを有しているが、ストレート部７４１ａのみを有する形状であってもよい。また、凹部７４１は断面円形状であるがそれ以外の形状であってもよい。

１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
６０ 冠面
７０ 外周面
７１ 第１コンプレッションリング
７２ 第２コンプレッションリング
７３ オイルリング溝
７３ａ 内底面
７３ｂ 上側面
７３ｃ 下側面
７４ オイル誘導部
７４１ 凹部
７４１ａ ストレート部
７４１ｂ 先窄まり部
７５ オイルリング

Claims (7)

1. シリンダの内壁面に沿って上下方向に往復移動するピストンを備えたエンジンの前記ピストンであって、
   前記シリンダの内壁面に対向する外周面と、
   前記外周面に形成されて当該外周面の全周に亘って延在するオイルリング溝と、
   前記オイルリング溝に装着されたオイルリングと、
   前記オイルリング溝における周方向の複数の位置に設けられて前記オイルリングによって掻き落とされたオイルを誘導する複数のオイル誘導部と、を備え、
   前記オイルリング溝は、内底面と、この内底面の上端からピストン径方向外向きに伸びる上側面と、前記内底面の下端からピストン径方向外向きに伸びて前記上側面に対向する下側面とで構成され、
   前記複数のオイル誘導部は、前記外周面のうち周方向における他の領域よりも高い燃焼圧力を受ける高圧領域に設けられる第１オイル誘導部を含み、
   前記第１オイル誘導部は、前記下側面に形成された凹部であって前記下側面の外周端から前記内底面の手前側の所定位置までピストン径方向に延びる凹部からなる、ことを特徴とする、エンジンのピストン。
2. 請求項１に記載のエンジンのピストンにおいて、
   前記凹部は、前記外周端から前記内底面に向かって断面積が小さくなるように形成されている、ことを特徴とする、エンジンのピストン。
3. 請求項１又２に記載のエンジンのピストンにおいて、
   前記高圧領域は、前記外周面のうち、スラスト側とは径方向の反対側である反スラスト側の領域である、ことを特徴とする、エンジンのピストン。
4. 請求項３に記載のエンジンのピストンにおいて、
   前記複数のオイル誘導部は、前記外周面のうち、スラスト側の領域に設けられる第２オイル誘導部を含み、
   前記第２オイル誘導部は、オイルリング溝の前記内底面に形成されて前記シリンダの壁面側と当該ピストンの内側とを連通させる貫通孔を有する、ことを特徴とする、エンジンのピストン。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のエンジンのピストンにおいて、
   当該ピストンの径方向における前記外周端から前記内底面までの距離をＬ、前記径方向における前記外周端から前記凹部の末端までの距離をＲとするとき、前記距離Ｒと前記距離Ｌとの比であるＲ／Ｌが０．６９以上１．０未満である、ことを特徴とする、エンジンのピストン。
6. 請求項５に記載のエンジンのピストンにおいて、
   前記Ｒ／Ｌは０．７０以上である、ことを特徴とする、エンジンのピストン。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のエンジンのピストンにおいて、
   前記エンジンは点火プラグを備え、
   前記点火プラグの着火部は、燃焼室の中心よりも前記ピストンの反スラスト側に配置されている、ことを特徴とする、エンジンのピストン。