JP2021011843A - 内燃機関のピストンおよび内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スートの発生を抑制することができ、且つ、燃焼効率を向上させることができる内燃機関のピストンを提供する。【解決手段】シリンダの内部に軸方向に沿って往復動可能に構成された内燃機関のピストンであって、ピストン頂面の中央部に凹んで形成されるキャビティと、ピストン頂面におけるキャビティの径方向外側に位置する外周縁部と、を備え、キャビティは、外周縁部から径方向内側に向かって斜め下方に延在する傾斜面を有するリップ部と、キャビティの底部から上方に突出する隆起部と、隆起部とリップ部とを繋ぐ湾曲部と、を含み、湾曲部は、リップ部に連なる湾曲面を有する外周側湾曲面と、外周側湾曲面よりも径方向内側に位置するとともに、隆起部に連なる面を有する内周側凹面であって、キャビティの最深部を含む内周側凹面と、外周側湾曲面と内周側凹面との間に形成されるとともに上方に突出する凸面と、を含む。【選択図】 図２

Description

本開示は、シリンダの内部に往復動可能に収容されるピストン、および上記ピストンを備える内燃機関に関する。

従来、内燃機関として、円筒状の孔部を有するシリンダと、シリンダの上記孔部に往復摺動可能に収容されるピストンと、シリンダとピストンとにより区画される燃焼室に燃料を噴射するように構成された噴射ノズルと、を備えるレシプロエンジンが知られている。

レシプロエンジンの燃焼室として、ピストン頂面の中央部に凹んで形成されるキャビティであって、キャビティの開口部を絞る絞り部と、キャビティの中央部に設けられた突起部と、を含むキャビティを有する、いわゆるリエントラント型の燃焼室が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のキャビティは、キャビティの中央部に設けられた突起部と、上記突起部の周囲を取り囲むように設けられた湾曲部と、上記突起部に設けられる剥離用段部と、を含んでいる。上記湾曲部は、燃焼室の中央に配置された噴射ノズルから湾曲部の壁面に向かって噴射された未燃燃料（燃料噴霧）を、突起部に向かって案内するようになっている。噴射ノズルから噴射された未燃燃料は、湾曲部の壁面に到達後に、湾曲部の壁面に沿って突起部に向かって流れる。噴射ノズルから噴射された未燃燃料は、湾曲部の壁面に沿って流れるにつれて、噴射による運動エネルギーを失い流動性が低下するため、周囲の酸素を取り込み難くなる。未燃燃料に十分な酸素が取り込まれていない状態で、燃焼させると、スートが発生する虞がある。

特許文献１に記載のキャビティは、湾曲部の壁面に沿って流れて突起部に到達した未燃燃料を、上記剥離用段部によって突起部の壁面から剥離させることで、流動性が低下した未燃燃料と該未燃燃料の周囲の酸素との混合を促進させるようになっている。このようなキャビティは、突起部に到達した未燃燃料に酸素を十分に取り込んだ状態で燃焼させることができるため、突起部の周囲における燃料濃度が濃い領域を減少させることができ、突起部の周囲におけるスートの発生を抑制することができる。

特開２０１８−１３１９４２号公報

特許文献１における剥離用段部は、ピストンの軸線を含む断面において、キャビティの最深部よりも径方向内側、且つ、上記最深部よりも上方に設けられている。このため、湾曲部の壁面は、キャビティの最深部と剥離用段部との間に、キャビティの最深部から径方向内側に向かうにつれて徐々に盛り上がるように傾斜する傾斜面を含んでいる。特許文献１に記載のキャビティでは、噴射ノズルから噴射されて湾曲部の壁面に沿って流れる未燃燃料が、上記傾斜面を乗り越えることができずにキャビティの最深部と剥離用段部との間に滞留し、キャビティの最深部と剥離用段部との間に燃料濃度が濃い領域を発生させる虞がある。上記燃料濃度が濃い領域が広範囲に生じると、スートの発生を促進させる虞や、燃焼効率の低下を招く虞がある。

上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、スートの発生を抑制することができ、且つ、燃焼効率を向上させることができる内燃機関のピストンを提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態にかかる内燃機関のピストンは、
シリンダの内部に軸方向に沿って往復動可能に構成された内燃機関のピストンであって、
ピストン頂面の中央部に凹んで形成されるキャビティと、
上記ピストン頂面における上記キャビティの径方向外側に位置する外周縁部と、を備え、
上記キャビティは、
上記外周縁部から径方向内側に向かって斜め下方に延在する傾斜面を有するリップ部と、
上記キャビティの底部から上方に突出する隆起部と、
上記隆起部と上記リップ部とを繋ぐ湾曲部と、を含み、
上記湾曲部は、
上記リップ部に連なる湾曲面を有する外周側湾曲面と、
上記外周側湾曲面よりも径方向内側に位置するとともに、上記隆起部に連なる面を有する内周側凹面であって、上記キャビティの最深部を含む内周側凹面と、
上記外周側湾曲面と上記内周側凹面との間に形成されるとともに上方に突出する凸面と、を含む。

上記（１）の構成によれば、ピストンの湾曲部は、リップ部に連なる湾曲面を有する外周側湾曲面と、外周側湾曲面よりも径方向内側に位置するとともに、隆起部に連なる面を有する内周側凹面であって、キャビティの最深部を含む内周側凹面と、外周側湾曲面と内周側凹面との間に形成されるとともに上方に突出する凸面と、を含んでいる。つまり、凸面は、ピストンの軸線を含む断面において、キャビティの最深部や隆起部よりも径方向外側に設けられている。このため、上記湾曲部を含むキャビティを備えるピストンは、噴射ノズルから噴射されて外周側湾曲面に沿って隆起部に向かって流れる未燃燃料を、噴射による運動エネルギーを失う前に凸面に到達させることができるため、凸面よりも径方向外側に位置する内周側凹面に面する空間に未燃燃料が滞留することを防止することができる。内周側凹面に面する空間に未燃燃料が滞留することを防止することで、燃料濃度が濃い領域の発生を抑制することができるため、スートの発生を抑制することができ、燃焼室における燃焼効率を向上させることができる。

また、上記（１）の構成によれば、内周側凹面は、隆起部に連なる面を有するので、燃焼用気体が燃焼室の中央から隆起部に沿って内周側凹面に面する空間に導入されるのを促すことができる。このような内周側凹面を含む湾曲部は、凸面により湾曲部から剥離した未燃燃料に、上記内周側凹面に面する空間における燃焼用気体を十分に取り込ませることができるため、スートの発生を効果的に抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の内燃機関のピストンであって、上記内周側凹面は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面を含む。

上記（２）の構成によれば、内周側凹面は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面を含むので、燃焼室の中央から隆起部に沿って流れる燃焼用気体が内周側湾曲面に沿って滑らかに流れるように促すことができる。このような内周側湾曲面を含む湾曲部は、凸面により湾曲部から剥離した未燃燃料に、上記剥離した未燃燃料の流れ方向に対して交差する方向に沿って燃焼用気体を導入させることができるので、上記剥離した未燃燃料に燃焼用気体を効率良く取り込ませることができ、ひいてはスートの発生を効果的に抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関のピストンであって、上記リップ部は、上記傾斜面に連なる面を有するリップ側凸湾曲面であって、上記傾斜面よりも径方向内側に向かって張り出すリップ側凸湾曲面を有する。

上記（３）の構成によれば、リップ側凸湾曲面は、傾斜面に連なる面を有するとともに、傾斜面よりも径方向内側に向かって張り出している。上記リップ側凸湾曲面を有するリップ部は、噴射ノズルから噴射される未燃燃料の流れを、未燃燃料の流速をあまり低下させることなく分割することができるため、燃焼室内に未燃燃料を効率的に伝搬させることができる。また、上記リップ側凸湾曲面を有するリップ部は、上記リップ側凸湾曲面を含む部分を肉厚形状にすることができ、噴射ノズルから噴射される未燃燃料により加えられる熱負荷に耐える強度を確保することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の何れかに記載の内燃機関のピストンであって、上記凸面は、上記リップ部の内周端よりも径方向内側に位置するように構成された。

上記（４）の構成によれば、凸面は、リップ部の内周端よりも径方向内側に位置するように構成されているので、リップ部の内周端よりも径方向外側に位置する場合に比べて、噴射ノズルから噴射された未燃燃料を長距離にわたり、外周側湾曲面に沿って流すことができるため、燃焼室における外周側湾曲面に面する空間の燃焼用気体を燃焼に有効活用することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れかに記載の内燃機関のピストンであって、上記ピストンの外径をＤ１としたときに、上記外周側湾曲面の最大内径Ｄ２は、０．７Ｄ１以下である。

上記（５）の構成によれば、ピストンの外径をＤ１としたときに、外周側湾曲面の最大内径Ｄ２は、０．７Ｄ１以下であるため、ピストンにおける外周側湾曲面よりも径方向外側に冷却用の液体が流れる冷却通路を設けることが可能となる。上記冷却通路をピストンに設けることで、冷却通路内の液体によりピストン、特にシリンダとの摺動部を冷却することができるため、内燃機関の高出力化が可能となる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れかに記載の内燃機関のピストンであって、上記ピストンの外径Ｄ１は、１６０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。

上記（６）の構成によれば、ピストンの外径Ｄ１は、１６０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。上記条件を満たす外径Ｄ１を有するピストンは、一般的に自転車用の内燃機関よりも大型の内燃機関に搭載される。ここで、内燃機関の燃焼室が大きいほど、燃焼ノズルから噴射されて湾曲部に沿って流れる未燃燃料が隆起部に到達する可能性が低くなり、湾曲部に面する空間に燃料濃度が濃い領域が発生する可能性が高くなる。上記条件を満たす外径Ｄ１を有するピストンであっても、上記（１）に記載の構成を備えるピストンであれば、湾曲部に面する空間に燃料濃度が濃い領域の発生を抑制することができるため、スートの発生を抑制することができ、燃焼室における燃焼効率を向上させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れかに記載の内燃機関のピストンであって、上記内周側凹面は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面を含み、上記内周側湾曲面は、上記外周側湾曲面よりも曲率が大きくなるように構成された。

上記（７）の構成によれば、内周側湾曲面は、外周側湾曲面よりも曲率が大きくなるように構成されているので、仮に外周側湾曲面よりも曲率が小さくなるように構成されている場合に比べて、内周側湾曲面に面する空間の容積を大きくすることができ、上記空間に多量の燃焼用気体を充填可能となる。上記空間に多量の燃焼用気体を充填することで、凸面により湾曲部から剥離した未燃燃料への上記空間に充填された燃焼用気体の混合を促進させることができる。よって、外周側湾曲面よりも曲率が大きい内周側湾曲面は、上記剥離した未燃燃料に燃焼用気体を効率良く取り込ませることができるため、スートの発生を効果的に抑制することができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態にかかる内燃機関は、
シリンダと、
上記（１）から（７）の何れかに記載のピストンと、
上記シリンダと上記ピストンとにより区画される燃焼室に燃料を噴射するように構成された噴射ノズルと、を備える。

上記（８）の構成によれば、内燃機関は、上記（１）の構成を備えるピストンを備えるので、湾曲部に面する空間に燃料濃度が濃い領域の発生を抑制することができるため、スートの発生を抑制することができ、且つ、燃焼効率を向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、スートの発生を抑制することができ、且つ、燃焼効率を向上させることができる内燃機関のピストンが提供される。

本発明の一実施形態にかかるピストンを備える内燃機関の概略断面図である。 図１に示す内燃機関の部分拡大図である。 本発明の一実施形態にかかるピストンの概略斜視図である。 本発明の他の一実施形態にかかるピストンを備える内燃機関の図２に相当する部分拡大図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

図１は、本発明の一実施形態にかかるピストンを備える内燃機関の概略断面図である。図１では、ピストンが圧縮上死点の近傍に位置している状態を示している。
幾つかの実施形態にかかる内燃機関１は、図１に示されるように、軸方向（ピストン３の軸線ＬＡが延在する方向、図１中上下方向）に沿って延在する円筒状の孔部２１を有するシリンダ２と、シリンダ２の孔部２１の内部に配置されるとともに、上記軸方向に沿って往復動可能に構成されたピストン３と、シリンダ２とピストン３とにより区画される燃焼室１０に燃料を噴射するように構成された噴射ノズル４と、を備える。つまり、内燃機関１は、レシプロエンジンを含む。

図示される実施形態では、シリンダ２は、図１に示されるように、少なくとも一つの上述した円筒状の孔部２１を有するシリンダブロック２２と、円筒状の孔部２１の上部を塞ぐようにシリンダブロック２２上に配設されるシリンダヘッド２３と、を含む。
上述した燃焼室１０は、ピストン３の頂面３１（ピストン頂面）と、上記頂面３１に対向して配置されるシリンダヘッド２３の底面２３１と、シリンダブロック２２の孔部２１の内壁面２１１と、により区画される。

以下、軸方向において、ピストン３の頂面３１に対してシリンダヘッド２３の底面２３１が位置する側（図中上側）を上方とし、シリンダヘッド２３の底面２３１に対してピストン３の頂面３１が位置する側（図中下側）を下方とする。

ピストン３は、一般的な内燃機関のピストンと同様に、コンロッドを介してピストン３の下方に位置するクランクシャフトと連結されている。ピストン３は、図１に示されるように、外周面３２に軸線ＬＡ周りの周方向に沿って環状に形成された少なくとも一つ（図中三つ）のリング溝３３を含む。リング溝３３には、ピストンリング３４が装着される。

図示される実施形態では、噴射ノズル４は、液体燃料を霧状に噴射するように構成されたインジェクタを含む。内燃機関１は、燃焼室１０に充満する燃焼用気体に噴射ノズル４の噴孔４１から液体燃料（未燃燃料）を噴射することで、燃焼室１０にて液体燃料が燃焼用気体と混合して自己着火するように構成されている。つまり、図示される実施形態における内燃機関１は、ディーゼルエンジンを含む。
なお、他の幾つかの実施形態では、内燃機関１は、噴射ノズル４の噴孔４１から燃料ガス（気体燃料）を噴射するように構成されていてもよいし、点火プラグなどの着火装置により未燃燃料を着火（点火）するように構成されていてもよい。

図示される実施形態では、噴射ノズル４は、シリンダブロック２２に取り付けられる。噴射ノズル４は、シリンダブロック２２に形成されたノズル挿通孔２４に挿入され、少なくとも一つの噴孔４１を有する一端部４２が、シリンダヘッド２３の底面２３１よりも下方に突出している。噴射ノズル４は、燃焼室１０の径方向における中央に配置されている。図１に示される実施形態では、噴射ノズル４は、ピストン３の軸線ＬＡを延長した直線上に配置されている。

図示される実施形態では、内燃機関１は、図１に示されるように、燃焼室１０の外部から燃焼室１０に燃焼用気体を送るための吸気ポート１１（吸気流路）と、燃焼室１０から燃焼室１０の外部に排ガスを排出するための排気ポート１２（排気流路）と、吸気ポート１１を開閉する吸気弁１３と、排気ポート１２を開閉する排気弁１４と、をさらに備える。燃焼用気体としては、酸素を含む空気などが挙げられる。
なお、他の幾つかの実施形態では、内燃機関１は、燃焼室１０に上記空気として、圧縮機により大気圧よりも低圧に圧縮された圧縮空気を導入するように構成されていてもよいし、大気圧の空気を導入するように構成されていてもよい。

図１に示される実施形態では、吸気ポート１１および排気ポート１２の夫々は、シリンダヘッド２３に設けられている。吸気ポート１１は、シリンダヘッド２３の底面２３１に開口した吸気孔１１１を介して、燃焼室１０に連通している。排気ポート１２は、シリンダヘッド２３の底面２３１に開口した排気孔１２１を介して、燃焼室１０に連通している。

噴射ノズル４から未燃燃料を噴射する前に、吸気弁１３および排気弁１４の開閉を行うことにより、吸気ポート１１を通って燃焼室１０に送られた燃焼用気体が、燃焼室１０に充満するようになっている。噴射ノズル４から噴射された未燃燃料は、燃焼室１０に充満している燃焼用気体に混合した後に、燃焼室１０内で燃焼する。燃焼室１０内で燃焼後の排ガスは、排気ポート１２を通って、内燃機関１の外部に排出される。

図２は、図１に示す内燃機関の部分拡大図である。図３は、本発明の一実施形態にかかるピストンの概略斜視図である。図４は、本発明の他の一実施形態にかかるピストンを備える内燃機関の図２に相当する部分拡大図である。ピストン３は、図１〜４に示されるように、ピストン３の頂面３１の中央部に凹んで形成されるキャビティ５と、ピストン３の頂面３１におけるキャビティ５の径方向外側に位置する外周縁部６と、を備える。
図示される実施形態では、外周縁部６は、図２、４に示されるように、軸線ＬＡに交差（直交）する方向に沿って延在するとともに、周方向に沿って延在する平面６１を有する。図３に示される実施形態では、平面６１（外周縁部６）は、環状に形成されている。

キャビティ５は、図１〜４に示されるように、外周縁部６から径方向内側に向かって斜め下方に延在する傾斜面７１を有するリップ部７と、キャビティ５の底部５１から上方に突出する隆起部８と、隆起部８とリップ部７とを繋ぐ湾曲部９と、を含む。傾斜面７１（リップ部７）は、周方向に沿って延在している。図３に示される実施形態では、傾斜面７１（リップ部７）は、環状に形成されている。

図示される実施形態では、隆起部８は、図２、４に示されるように、円錐台形状に形成されている。隆起部８は、軸線ＬＡを含む断面において、湾曲部９から径方向内側に向かって軸線ＬＡに交差する方向に沿って直線状に延在する傾斜面８１と、傾斜面８１の上端において軸線ＬＡに交差（直交）する方向に沿って延在する天面８２と、を有している。天面８２は、軸線ＬＡの軸線状に設けられているとともに、噴射ノズル４の一端部４２に対向している。

上述した噴射ノズル４は、図２、４に示されるように、未燃燃料を噴孔４１からピストン３のリップ部７に向かって噴射するように構成されている。図示される実施形態では、噴射ノズル４の噴孔４１の軸線ＬＢは、リップ部７に向かって延在している。噴孔４１は、複数が周方向に沿って配設されている。

噴射ノズル４の噴孔４１から噴射された未燃燃料は、リップ部７により流れが上下２方向に分断される。未燃燃料の一部は、リップ部７の傾斜面７１に沿って外周縁部６の平面６１に面する空間に向かって流れる。未燃燃料の残りの部分は、湾曲部９に沿って隆起部８に向かって流れる。

幾つかの実施形態にかかるピストン３は、図１〜４に示されるように、リップ部７、隆起部８および湾曲部９を含む上述したキャビティ５と、上述した外周縁部６と、を備える。上述した湾曲部９は、図２、４に示されるように、外周側湾曲面９１と、外周側湾曲面９１よりも径方向内側に位置する内周側凹面９２と、外周側湾曲面９１と内周側凹面９２との間に形成されるとともに上方に突出する凸面９３と、を含む。

図示される実施形態では、図３に示されるように、外周側湾曲面９１、内周側凹面９２および凸面９３の夫々は、周方向に沿って延在している。図３に示される実施形態では、外周側湾曲面９１、内周側凹面９２および凸面９３の夫々は、環状に形成されている。なお、他の幾つかの実施形態では、外周側湾曲面９１、内周側凹面９２および凸面９３の夫々は、円弧状に形成されていてもよい。

図２に示される実施形態では、外周側湾曲面９１は、リップ部７に連なる湾曲面９１１を有している。湾曲面９１１（リップ部側湾曲面）は、リップ部７から径方向外側に向かって斜め下方に凹状に湾曲している。外周側湾曲面９１は、凸面９３に連なる湾曲面９１２をさらに有している。湾曲面９１２（凸面側湾曲面）は、凸面９３から径方向外側に向かって斜め上方に凹状に湾曲している。

図４に示される実施形態では、外周側湾曲面９１は、リップ部７および凸面９３に連なる湾曲面９１４を有している。湾曲面９１４は、リップ部７から径方向内側に向かって斜め下方に凹状に湾曲している。換言すると、湾曲面９１４は凸面９３から径方向外側に向かって斜め上方に凹状に湾曲している。

図２、４に示される実施形態では、内周側凹面９２は、キャビティ５の最深部５２を含むとともに、隆起部８に連なる面９２１を有している。面９２１（隆起部側面）は、隆起部８から径方向外側に向かって凹状に湾曲している。内周側凹面９２は、凸面９３に連なる面９２２をさらに有している。面９２２（凸面側面）は、凸面９３から径方向外側に向かって斜め上方に凹状に湾曲している。キャビティ５の最深部５２は、面９２１と面９２２の境界に設けられている。
なお、他の幾つかの実施形態では、面９２１および面９２２の少なくとも一方は、軸線ＬＡを含む断面において直線状に延在する平坦面であってもよく、凸状に湾曲していてもよい。

湾曲部９の比較例として、上述した凸面９３を含まない湾曲部９Ａを図２、４中にて点線で示している。仮にピストンのキャビティ５が、上述した凸面９３を含まない湾曲部９Ａを含む場合には、湾曲部９Ａに沿って径方向内側に向かって流れる未燃燃料が隆起部８を乗り越えることができずに、内周側凹面９２に面する空間１０Ａに相当する空間に滞留し、燃料濃度が濃い領域を発生させる虞がある。燃料濃度が濃い領域では、未燃燃料と燃焼用気体との混合が不十分な状態で燃焼するため、スートが生成される虞や、燃焼効率の低下を招く虞がある。

上記の構成によれば、図２、４に示されるように、ピストン３の湾曲部９は、リップ部７に連なる湾曲面９１１又は湾曲面９１４を有する上述した外周側湾曲面９１と、外周側湾曲面９１よりも径方向内側に位置するとともに、隆起部８に連なる面９２１を有する上述した内周側凹面９２であって、キャビティ５の最深部５２を含む上述した内周側凹面９２と、外周側湾曲面９１と内周側凹面９２との間に形成されるとともに上方に突出する上述した凸面９３と、を含んでいる。つまり、凸面９３は、図２、４に示されるように、ピストン３の軸線ＬＡを含む断面において、キャビティ５の最深部５２や隆起部８よりも径方向外側に設けられている。このため、湾曲部９を含むキャビティ５を備えるピストン３は、噴射ノズル４から噴射されて外周側湾曲面９１に沿って隆起部８に向かって流れる未燃燃料を、噴射による運動エネルギーを失う前に凸面９３に到達させることができるため、凸面９３よりも径方向外側に位置する内周側凹面９２に面する空間１０Ａに未燃燃料が滞留することを防止することができる。内周側凹面９２に面する空間１０Ａに未燃燃料が滞留することを防止することで、燃料濃度が濃い領域の発生を抑制することができるため、スートの発生を抑制することができ、燃焼室１０における燃焼効率を向上させることができる。

また、上記の構成によれば、内周側凹面９２は、隆起部８に連なる面９２１を有するので、燃焼用気体が燃焼室１０の中央から隆起部８に沿って内周側凹面９２に面する空間１０Ａに導入されるのを促すことができる。このような内周側凹面９２を含む湾曲部９は、凸面９３により湾曲部９から剥離した未燃燃料に、内周側凹面９２に面する空間１０Ａにおける燃焼用気体を十分に取り込ませることができるため、スートの発生を効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図２、４に示されるように、上述した内周側凹面９２は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面９２０を含む。つまり、内周側湾曲面９２０は、上述した隆起部８から径方向外側に向かって凹状に湾曲している上述した面９２１（隆起部側面）と、凸面９３に連なる上述した面９２２（凸面側面）であって、凸面９３から径方向外側に向かって斜め上方に凹状に湾曲している上述した面９２２と、を有している。内周側湾曲面９２０における面９２２は、面９２１に連なるとともに、面９２１と同一の曲率を有している。

上記の構成によれば、内周側凹面９２は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面９２０を含むので、燃焼室１０の中央から隆起部８に沿って流れる燃焼用気体が内周側湾曲面９２０に沿って滑らかに流れるように促すことができる。このような内周側湾曲面９２０を含む湾曲部９は、凸面９３により湾曲部９から剥離した未燃燃料に、上記剥離した未燃燃料の流れ方向に対して交差する方向に沿って燃焼用気体を導入させることができるので、上記剥離した未燃燃料に燃焼用気体を効率良く取り込ませることができ、ひいてはスートの発生を効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図２に示されるように、上述した内周側湾曲面９２０は、上述した外周側湾曲面９１よりも曲率が大きくなるように構成されている。つまり、内周側湾曲面９２０の曲率Ｒ１は、外周側湾曲面９１の曲率Ｒ２よりも大きい。ここで、外周側湾曲面９１は、上述した湾曲面９１１と、湾曲面９１１に連なるとともに、湾曲面９１１と同一の曲率を有している上述した湾曲面９１２と、を有している。

上記の構成によれば、内周側湾曲面９２０は、外周側湾曲面９１よりも曲率が大きくなるように構成されているので、仮に外周側湾曲面９１よりも曲率が小さくなるように構成されている場合に比べて、内周側湾曲面９２０に面する空間１０Ａの容積を大きくすることができ、上記空間１０Ａに多量の燃焼用気体を充填可能となる。上記空間１０Ａに多量の燃焼用気体を充填することで、凸面９３により湾曲部９から剥離した未燃燃料への空間１０Ａに充填された燃焼用気体の混合を促進させることができる。よって、外周側湾曲面９１よりも曲率が大きい内周側湾曲面９２０は、上記剥離した未燃燃料に燃焼用気体を効率良く取り込ませることができるため、スートの発生を効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図２に示されるように、上述した内周側湾曲面９２０は、上述した外周側湾曲面９１よりも軸線ＬＡを含む断面における円弧長が短くなるように構成されている。この場合には、凸面９３により湾曲部９から剥離した未燃燃料に、燃焼室１０の中央から隆起部８に沿って流れてきた燃焼用気体を直ぐに混合させることができるため、凸面９３により湾曲部９から剥離した未燃燃料への空間１０Ａに充填された燃焼用気体の混合を促進させることができる。

幾つかの実施形態では、図２に示されるように、上述したリップ部７は、上述した傾斜面７１に連なる面を有するリップ側凸湾曲面７２であって、傾斜面７１よりも径方向内側に向かって張り出すリップ側凸湾曲面７２を有する。

上記の構成によれば、リップ側凸湾曲面７２は、傾斜面７１に連なる面を有するとともに、傾斜面７１よりも径方向内側に向かって張り出している。リップ側凸湾曲面７２を有するリップ部７は、噴射ノズル４から噴射される未燃燃料の流れを、未燃燃料の流速をあまり低下させることなく分割することができるため、燃焼室１０内に未燃燃料を効率的に伝搬させることができる。また、リップ側凸湾曲面７２を有するリップ部７は、リップ側凸湾曲面７２を含む部分７２１を肉厚形状にすることができ、噴射ノズル４から噴射される未燃燃料により加えられる熱負荷に耐える強度を確保することができる。

幾つかの実施形態では、図２に示されるように、上述した凸面９３は、上述したリップ部７の内周端７２２よりも径方向内側に位置するように構成されている。内周端７２２は、リップ部７における内径が最小となる部分である。この場合には、凸面９３は、リップ部７の内周端７２２よりも径方向内側に位置するように構成されているので、リップ部７の内周端７２２よりも径方向外側に位置する場合に比べて、噴射ノズル４から噴射された未燃燃料を長距離にわたり、外周側湾曲面９１に沿って流すことができるため、燃焼室１０における外周側湾曲面９１に面する空間１０Ｂの燃焼用気体を燃焼に有効活用することができる。

幾つかの実施形態では、図４に示されるように、上述したリップ部７は、上述した傾斜面７１に連なる面を有する内面７３であって、傾斜面７１に対して交差する方向に沿って延在する内面７３を有する。図示される実施形態では、図４に示されるように、上述した内面７３は、傾斜面７１の内周端７１１から軸方向に沿って下方に向かって延在し、下端が湾曲面９１４の上端に緩やかに連なるようになっている。なお、他の幾つかの実施形態では、上述した傾斜面７１の内周端７１１が、湾曲面９１４の上端に連なるようにしてもよい。

幾つかの実施形態では、図１に示されるように、上述したピストン３の外径（外周面３２の外径）をＤ１としたときに、上述した外周側湾曲面９１の最大内径Ｄ２は、０．７Ｄ１以下である。
図１、２に示される実施形態では、外周側湾曲面９１は、湾曲面９１１と湾曲面９１２の境界が最大内径部９１３となっている。図４に示される実施形態では、外周側湾曲面９１は、湾曲面９１４の上端、つまり、内面７３との境界が最大内径部９１３となっている。外周側湾曲面９１の最大内径Ｄ２とは、最大内径部９１３の内径である。
また、図示される実施形態では、ピストン３は、外周面３２と外周側湾曲面９１との間に冷却用の液体が流れる冷却通路３５が設けられている。

上記の構成によれば、ピストン３の外径をＤ１としたときに、外周側湾曲面９１の最大内径Ｄ２は、０．７Ｄ１以下であるため、ピストン３における外周側湾曲面９１よりも径方向外側に冷却用の液体が流れる冷却通路３５を設けることが可能となる。冷却通路３５をピストン３に設けることで、冷却通路３５内の液体によりピストン３、特にシリンダ２との摺動部（図１に示すリング溝３３近傍の部分）を冷却することができるため、内燃機関１の高出力化が可能となる。

幾つかの実施形態では、上述したピストン３の外径Ｄ１は、１６０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。上記条件を満たす外径Ｄ１を有するピストン３は、一般的に自転車用の内燃機関よりも大型の内燃機関に搭載される。ここで、内燃機関１の燃焼室１０が大きいほど、噴射ノズル４から噴射されて湾曲部９に沿って流れる未燃燃料が隆起部８に到達する可能性が低くなり、湾曲部９に面する空間（内周側凹面９２に面する空間１０Ａ）に燃料濃度が濃い領域が発生する可能性が高くなる。上記条件を満たす外径Ｄ１を有するピストン３であっても、湾曲部９が上述した凸面９３を含んでいれば、湾曲部９に面する空間に燃料濃度が濃い領域の発生を抑制することができるため、スートの発生を抑制することができ、燃焼室１０における燃焼効率を向上させることができる。

上述したように、幾つかの実施形態にかかる内燃機関１は、上述したシリンダ２と、上述したピストン３と、シリンダ２とピストン３とにより区画される燃焼室１０に燃料を噴射するように構成された上述した噴射ノズル４と、を備える。この場合には、内燃機関１は、上述したピストン３の湾曲部９が上述した凸面９３を含んでいるので、湾曲部９に面する空間（内周側凹面９２に面する空間１０Ａ）に燃料濃度が濃い領域の発生を抑制することができるため、スートの発生を抑制することができ、且つ、燃焼効率を向上させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 内燃機関
２ シリンダ
２１ 孔部
２１１ 内壁面
２２ シリンダブロック
２３ シリンダヘッド
２３１ 底面
２４ ノズル挿通孔
３ ピストン
３１ 頂面
３２ 外周面
３３ リング溝
３４ ピストンリング
３５ 冷却通路
４ 噴射ノズル
４１ 噴孔
４２ 一端部
５ キャビティ
５１ 底部
５２ 最深部
６ 外周縁部
６１ 平面
７ リップ部
７１ 傾斜面
７１１ 内周端
７２ リップ側凸湾曲面
７２２ 内周端
７３ 内面
８ 隆起部
８１ 傾斜面
８２ 天面
９ 湾曲部
９１ 外周側湾曲面
９１３ 最大内径部
９２ 内周側凹面
９２０ 内周側湾曲面
９３ 凸面
１０ 燃焼室
１０Ａ 内周側湾曲面に面する空間
１０Ｂ 外周側湾曲面に面する空間
１１ 吸気ポート
１１１ 吸気孔
１２ 排気ポート
１２１ 排気孔
１３ 吸気弁
１４ 排気弁
ＬＡ 軸線
Ｄ１ 外径
Ｄ２ 最大内径
ＬＡ，ＬＢ 軸線
Ｒ１，Ｒ２ 曲率

Claims (8)

1. シリンダの内部に軸方向に沿って往復動可能に構成された内燃機関のピストンであって、
   ピストン頂面の中央部に凹んで形成されるキャビティと、
   前記ピストン頂面における前記キャビティの径方向外側に位置する外周縁部と、を備え、
   前記キャビティは、
   前記外周縁部から径方向内側に向かって斜め下方に延在する傾斜面を有するリップ部と、
   前記キャビティの底部から上方に突出する隆起部と、
   前記隆起部と前記リップ部とを繋ぐ湾曲部と、を含み、
   前記湾曲部は、
   前記リップ部に連なる湾曲面を有する外周側湾曲面と、
   前記外周側湾曲面よりも径方向内側に位置するとともに、前記隆起部に連なる面を有する内周側凹面であって、前記キャビティの最深部を含む内周側凹面と、
   前記外周側湾曲面と前記内周側凹面との間に形成されるとともに上方に突出する凸面と、を含む
   内燃機関のピストン。
2. 前記内周側凹面は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面を含む
   請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記リップ部は、前記傾斜面に連なる面を有するリップ側凸湾曲面であって、前記傾斜面よりも径方向内側に向かって張り出すリップ側凸湾曲面を有する
   請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。
4. 前記凸面は、前記リップ部の内周端よりも径方向内側に位置するように構成された
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。
5. 前記ピストンの外径をＤ１としたときに、前記外周側湾曲面の最大内径Ｄ２は、０．７Ｄ１以下である
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。
6. 前記ピストンの外径Ｄ１は、１６０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。
7. 前記内周側凹面は、下方に向かって凹状に湾曲する内周側湾曲面を含み、
   前記内周側湾曲面は、前記外周側湾曲面よりも曲率が大きくなるように構成された
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関のピストン。
8. シリンダと、
   請求項１乃至７の何れか１項に記載のピストンと、
   前記シリンダと前記ピストンとにより区画される燃焼室に燃料を噴射するように構成された噴射ノズルと、を備える
   内燃機関。

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