JP3284922B2 - Piston for in-cylinder injection internal combustion engine - Google Patents

Piston for in-cylinder injection internal combustion engine

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JP3284922B2
JP3284922B2 JP12905397A JP12905397A JP3284922B2 JP 3284922 B2 JP3284922 B2 JP 3284922B2 JP 12905397 A JP12905397 A JP 12905397A JP 12905397 A JP12905397 A JP 12905397A JP 3284922 B2 JP3284922 B2 JP 3284922B2
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cylinder
intake
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、ガソリン機関に
代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に、シリ
ンダ内に生成されるタンブル成分およびスワール成分を
利用して、均質燃焼と成層燃焼の双方が可能な筒内噴射
式内燃機関のピストンの改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cylinder of a cylinder injection type internal combustion engine represented by a gasoline engine, and more particularly to a homogeneous combustion and a stratified combustion utilizing a tumble component and a swirl component generated in a cylinder. The present invention relates to an improvement in a piston of a direct injection type internal combustion engine that can perform both.

【0002】[0002]

【従来の技術】全開出力時等にシリンダ内に略均質な空
燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うととも
に、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ
近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比
を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式
内燃機関が従来から種々提案されている。
2. Description of the Related Art At the time of full-open output or the like, a so-called homogeneous combustion is performed by forming a mixture having a substantially homogeneous air-fuel ratio in a cylinder, and in a low load range, a relatively small portion of the cylinder, that is, only in the vicinity of a spark plug, is comparatively formed. 2. Description of the Related Art Various direct injection internal combustion engines that perform stratified combustion so as to obtain a very large average air-fuel ratio by forming a rich air-fuel mixture have been conventionally proposed.

【0003】成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃
機関のピストンとしては、例えば、特公平8−3542
9号公報に記載のものが知られている。この公報に記載
の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対
し偏心した非円形のキャビティ燃焼室が形成されている
とともに、ピストン上死点付近において該キャビティ燃
焼室へ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が
配置されている。上記キャビティ燃焼室は、内部に燃料
およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型
の構成となっている。また、このキャビティ燃焼室に強
いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方
をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気
ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
As a piston of a direct injection type internal combustion engine capable of stratified lean combustion, for example, Japanese Patent Publication No. 8-3542
No. 9 is known. In the internal combustion engine described in this publication, a non-circular cavity combustion chamber eccentric to the piston outer circle is formed at the top of the piston, and fuel is injected toward the cavity combustion chamber near the piston top dead center. A fuel injection valve is arranged to be able to supply. The cavity combustion chamber is of a reentrant type so as to contain fuel and swirl therein. In addition, in order to generate a strong swirl in the cavity combustion chamber, one of the pair of intake ports is configured as a helical port, and an air control valve for opening and closing the other intake port is provided.

【0004】つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃
焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポー
トのみから新気を導入し、シリンダ内に強いスワールを
生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってキ
ャビティ燃焼室内に導入されるので、圧縮上死点付近で
キャビティ燃焼室内に燃料を噴射することにより、キャ
ビティ燃焼室内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラ
グ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うこ
とにより、着火燃焼に至ることになる。
That is, in the internal combustion engine of this publication, at the time of lean burn, the air control valve is closed and fresh air is introduced only from one of the helical ports to generate a strong swirl in the cylinder. Since this swirl is introduced into the cavity combustion chamber as the piston rises, by injecting fuel into the cavity combustion chamber near the compression top dead center, a combustible mixture is formed in the cavity combustion chamber, and the spark plug is formed. It is carried nearby. Therefore, by performing ignition at an appropriate timing, ignition combustion is reached.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、ピストン頂部のキャビティ燃焼室を非円
形の略三角形ないしまゆ形の形状としているため、ここ
に十分な強度のスワールを保存するためには、上述のよ
うにヘリカルポートを利用して、シリンダ内に非常に強
いスワールを生成しなければならない。
However, in the above-mentioned conventional construction, the cavity combustion chamber at the top of the piston is formed in a non-circular triangular scallop shape, so that a swirl of sufficient strength is stored here. Must utilize the helical port as described above to create very strong swirl in the cylinder.

【0006】従って、このようなヘリカルポートを使用
することから、全開出力時に、吸気抵抗が大きく、最大
出力が抑制されてしまう、という欠点がある。
Accordingly, the use of such a helical port has a drawback that the intake resistance is large and the maximum output is suppressed when the output is fully opened.

【0007】また上記のようにキャビティ燃焼室をリエ
ントラント型とすることにより、成層希薄燃焼時には該
キャビティ燃焼室内にスワールおよび混合気を確実に保
持できる反面、高負荷時等において吸気行程中に燃料を
噴射して均質燃焼を行おうとしても、キャビティ燃焼室
内に燃料が滞留し易く、十分な性能を確保することがで
きない。
[0007] Further, by making the cavity combustion chamber a reentrant type as described above, swirl and air-fuel mixture can be reliably held in the cavity combustion chamber during stratified lean combustion, but fuel is supplied during the intake stroke at high load or the like. Even if an attempt is made to perform homogeneous combustion by injection, fuel tends to stay in the cavity combustion chamber, and sufficient performance cannot be ensured.

【0008】つまり、成層希薄燃焼と高負荷時の均質燃
焼とを十分に両立させることができない。
That is, stratified lean combustion and homogeneous combustion under a high load cannot be sufficiently compatible.

【0009】この発明は、ヘリカルポートを用いずに成
層希薄燃焼を実現でき、かつこの成層希薄燃焼と均質燃
焼とを十分に両立させることを可能とする筒内噴射式内
燃機関のピストンを提供することを目的とする。
The present invention provides a piston of a direct injection type internal combustion engine which can realize stratified lean combustion without using a helical port and can sufficiently achieve both stratified lean combustion and homogeneous combustion. The purpose is to:

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】この発明に係る筒内噴射
式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設された
ペントルーフ型燃焼室に2つの吸気弁および2つの排気
弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有
し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
が吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を
付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことによ
り均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール
成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うこ
とにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃
機関のピストンにおいて、上記ペントルーフ型燃焼室を
構成する2つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾
斜した吸気弁側傾斜面および排気弁側傾斜面と、この吸
気弁側傾斜面の上縁と排気弁側傾斜面の上縁とを接続
し、かつ、ピストン中心線と直交する平面からなる頂部
水平面と、スキッシュエリアを構成するように上記吸気
弁側傾斜面および排気弁側傾斜面の外側に略三日月形に
形成された吸気弁側水平面および排気弁側水平面と、上
記両傾斜面および上記頂部水平面によって形成される凸
部の側部を構成し、かつピストン外形円と同心の円錐面
からなる一対の円錐形側面と、ピストン外形円に対し吸
気弁側に偏心した位置に凹設された真円形のキャビティ
燃焼室と、を備えている。 そして、上記頂部水平面と上
記排気弁側傾斜面との間の排気弁側頂部稜線に、上記キ
ャビティ燃焼室の外周縁が交差しておらず、該外周縁の
排気弁寄りの部分と上記稜線との間に、上記頂部水平面
が残存している。
SUMMARY OF THE INVENTION A piston of a direct injection internal combustion engine according to the present invention has two intake valves and two exhaust valves in a pent roof type combustion chamber recessed in a cylinder head, and has a cylinder substantially similar to that of the first embodiment. A fuel injection valve that has a spark plug in the center and directly injects fuel into the cylinder is arranged on the intake valve side, and performs fuel injection near the intake stroke with the tumble flow component provided in the cylinder. In the piston of the direct injection type internal combustion engine, which realizes stratified combustion by performing fuel injection near the compression stroke in a state in which a swirl component is provided in the cylinder while realizing homogeneous combustion, the pent roof type combustion chamber And an intake valve side inclined surface and an exhaust valve side inclined surface which are inclined so as to be substantially parallel to the two inclined surfaces constituting And the upper edge of the exhaust valve-side inclined surface, and a top horizontal surface composed of a plane orthogonal to the piston center line, and the outside of the intake valve-side inclined surface and the exhaust valve-side inclined surface so as to form a squish area. An intake valve side horizontal surface and an exhaust valve side horizontal surface formed in a substantially crescent shape, and a side portion of a convex portion formed by the two inclined surfaces and the top horizontal surface, and a conical surface concentric with the piston outer circle. a pair of conical side face formed a perfect circular cavity combustion chamber is recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer yen, that features. And above the top horizontal plane
The above key is attached to the top ridgeline on the exhaust valve side between the
The outer peripheral edge of the cavity combustion chamber does not intersect,
The top horizontal surface between the portion near the exhaust valve and the ridgeline
Remains.

【0011】また請求項1の発明をさらに具体化した請
求項2の発明では、上記凸部および上記キャビティ燃焼
室が、ピストンピンと直交する方向の直径線を中心とし
て対称に形成されている。
According to a second aspect of the present invention, the convex portion and the cavity combustion chamber are formed symmetrically about a diameter line in a direction perpendicular to the piston pin.

【0012】上記の構成では、吸気弁側傾斜面と排気弁
側傾斜面と頂部水平面と一対の円錐形側面とによって、
ピストン頂部の凸部が構成されている。この凸部は、ピ
ストン上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室との
間の空間が可及的に小さくなるように構成されている。
成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の
手段によって、シリンダ内にスワールが生成される。こ
のスワールは、ピストンの上昇に伴ってキャビティ燃焼
室内に封じ込められるが、キャビティ燃焼室が真円形で
あるため、ヘリカルポートに依存しなくとも、十分なス
ワールをキャビティ燃焼室内に確保できる。そして、上
死点近傍で燃料がキャビティ燃焼室へ向けて噴射される
ことにより、良好な成層燃焼を実現できる。また均質燃
焼時には、一対の吸気弁を介してシリンダ内に流入した
新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近
で燃料が噴射される。このタンブル流によってキャビテ
ィ燃焼室内の燃料の滞留が防止され、均質な混合気によ
る均質燃焼を実現できる。特に、キャビティ燃焼室が単
純な真円形であるため、燃料が滞留しにくいものとな
る。
In the above configuration, the intake valve side inclined surface, the exhaust valve side inclined surface, the top horizontal surface, and the pair of conical side surfaces provide:
A projection at the top of the piston is formed. The projection is configured such that the space between the piston and the combustion chamber on the cylinder head side at the top dead center is as small as possible.
During stratified combustion, swirl is generated in the cylinder by, for example, closing one intake port. This swirl is confined in the cavity combustion chamber as the piston rises, but since the cavity combustion chamber is a perfect circle, a sufficient swirl can be secured in the cavity combustion chamber without depending on the helical port. Then, the fuel is injected toward the cavity combustion chamber near the top dead center, so that good stratified combustion can be realized. At the time of homogeneous combustion, a tumble flow is generated by fresh air flowing into the cylinder via the pair of intake valves, and fuel is injected near the intake stroke. This tumble flow prevents the fuel from remaining in the cavity combustion chamber, and realizes homogeneous combustion with a homogeneous mixture. In particular, since the cavity combustion chamber is a simple perfect circle, fuel does not easily stay.

【0013】そして、上記キャビティ燃焼室外周縁が排
気弁側頂部稜線と交差して切り欠かれたものとならず、
キャビティ燃焼室外周が頂部水平面によって囲まれてい
るため、ピストンが上死点近傍にあるときに、該キャビ
ティ燃焼室内とその外部との間でのガス流動が抑制され
る。つまり、成層燃焼時に、キャビティ燃焼室内にスワ
ールおよび混合気を確実に封じ込めておくことができ、
成層燃焼が良好なものとなる。
The outer periphery of the cavity combustion chamber is exhausted.
It is not cut off crossing the top ridge line on the valve side,
The outer periphery of the cavity combustion chamber is surrounded by a horizontal top
When the piston is near the top dead center,
Gas flow between the combustion chamber and the outside
You. In other words, during stratified charge combustion,
Tools and air-fuel mixtures,
Good stratified combustion.

【0014】また請求項の発明では、上記円錐形側面
と吸気弁側傾斜面との間の一対の吸気弁側側部稜線の内
側にキャビティ燃焼室の外周縁が位置しており、該外周
縁と上記吸気弁側側部稜線との間に、上記吸気弁側傾斜
面が残存している。
According to the third aspect of the present invention, the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber is located inside a pair of intake valve side ridge lines between the conical side surface and the intake valve side inclined surface. The intake valve side inclined surface remains between the peripheral edge and the intake valve side side ridge line.

【0015】この請求項3の構成では、上記キャビティ
燃焼室外周縁が吸気弁側側部稜線と交差して切り欠かれ
たものとならず、キャビティ燃焼室外周が吸気弁側傾斜
面によって囲まれているため、ピストンが上死点近傍に
あるときに、該キャビティ燃焼室内とその外部との間で
のガス流動が抑制される。つまり、成層燃焼時に、キャ
ビティ燃焼室内にスワールおよび混合気を確実に封じ込
めておくことができ、成層燃焼が良好なものとなる。
[0015] In the configuration of the third aspect, not intended to the cavity combustion outside periphery is notched intersects the intake valve side side ridgeline, the cavity combustion chamber outer periphery is surrounded by the intake valves side inclined surface Therefore, when the piston is near the top dead center, gas flow between the cavity combustion chamber and the outside thereof is suppressed. That is, at the time of stratified charge combustion, the swirl and the air-fuel mixture can be reliably contained in the cavity combustion chamber, and stratified charge combustion is improved.

【0016】また請求項の発明においては、上記排気
弁側傾斜面の下縁と上記排気弁側水平面との間に段差部
を有している。この段差部は、圧縮比の調整のために用
いられる。
According to the fourth aspect of the present invention, a step portion is provided between a lower edge of the exhaust valve side inclined surface and the exhaust valve side horizontal surface. This step is used for adjusting the compression ratio.

【0017】また請求項の発明では、上記キャビティ
燃焼室は、その内周側壁面が上方へ向かってテーパ状に
拡がった皿形をなしている。これにより、均質燃焼時
に、キャビティ燃焼室内の燃料がタンブル流によって一
層容易に洗い流されるようになり、混合気が均質化す
る。
According to the fifth aspect of the invention, the cavity combustion chamber has a dish shape in which the inner peripheral side wall surface is tapered upward. Thereby, at the time of homogeneous combustion, the fuel in the cavity combustion chamber is more easily washed away by the tumble flow, and the mixture is homogenized.

【0018】[0018]

【発明の効果】この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピ
ストンによれば、ヘリカルポートのような手段を利用し
なくともシリンダ内に発生したスワール流がキャビティ
燃焼室内に十分に保存されるので、安定した成層燃焼を
実現できる。また、キャビティ燃焼室を複雑形状としな
いことで、タンブル流を利用した均質燃焼の際に、キャ
ビティ燃焼室内での燃料の滞留を回避でき、良好な均質
燃焼が可能となる。つまり、低負荷時の成層希薄燃焼と
高負荷時の均質燃焼とを非常に高いレベルで両立させる
ことができる。
According to the piston of the direct injection internal combustion engine according to the present invention, the swirl flow generated in the cylinder can be sufficiently stored in the cavity combustion chamber without using means such as a helical port. And stable stratified combustion can be realized. In addition, since the cavity combustion chamber does not have a complicated shape, fuel can be prevented from staying in the cavity combustion chamber during homogeneous combustion using a tumble flow, and favorable homogeneous combustion can be achieved. In other words, stratified lean combustion at low load and homogeneous combustion at high load can be made compatible at a very high level.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0020】始めに、この発明のピストン4が用いられ
る筒内噴射式内燃機関の構成を図1および図2に基づい
て説明する。図示するように、シリンダブロック1に
は、複数のシリンダ3が直列に配置されており、その上
面を覆うように、シリンダヘッド2が固定されている。
上記シリンダ3内には、ピストン4が摺動可能に嵌合し
ている。また、上記シリンダヘッド2に凹設された燃焼
室11は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、
その一方の傾斜面11aに一対の吸気弁5が、他方の傾
斜面11bに一対の排気弁6がそれぞれ配置されてい
る。そして、これらの一対の吸気弁5および一対の排気
弁6によって囲まれたシリンダ3の略中心位置に、点火
プラグ7が配置されている。
First, the configuration of a direct injection internal combustion engine using the piston 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in the drawing, a plurality of cylinders 3 are arranged in series in a cylinder block 1, and a cylinder head 2 is fixed so as to cover the upper surface thereof.
A piston 4 is slidably fitted in the cylinder 3. The combustion chamber 11 recessed in the cylinder head 2 is configured as a so-called pent roof type.
A pair of intake valves 5 are arranged on one inclined surface 11a, and a pair of exhaust valves 6 are arranged on the other inclined surface 11b. An ignition plug 7 is arranged at a substantially central position of the cylinder 3 surrounded by the pair of intake valves 5 and the pair of exhaust valves 6.

【0021】上記シリンダヘッド2には、一対の吸気弁
5にそれぞれ対応する一対の吸気ポート8が、互いに独
立して形成されている。つまり、この一対の吸気ポート
8は、シリンダヘッド2内で合流せず、それぞれシリン
ダヘッド2側面において独立して開口している。また上
記排気弁6に対応して排気ポート9が形成されている。
In the cylinder head 2, a pair of intake ports 8 respectively corresponding to the pair of intake valves 5 are formed independently of each other. That is, the pair of intake ports 8 do not merge in the cylinder head 2, and are independently opened on the side surface of the cylinder head 2. An exhaust port 9 is formed corresponding to the exhaust valve 6.

【0022】略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁10は、
吸気弁5側のシリンダ3側壁寄りのシリンダヘッド2下
面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かっ
た姿勢で取り付けられている。特に、図2に示すよう
に、上記燃料噴射弁10は、2つの吸気弁5の間に配置
されている。
The substantially cylindrical electromagnetic fuel injection valve 10 includes:
It is arranged on the lower surface of the cylinder head 2 near the side wall of the cylinder 3 on the side of the intake valve 5, and is mounted with its central axis directed obliquely downward. In particular, as shown in FIG. 2, the fuel injection valve 10 is disposed between two intake valves 5.

【0023】上記シリンダ3内に配置されたピストン4
の頂部には、後述するように、吸気弁5側に偏心した位
置に、円形のキャビティ燃焼室12が形成されており、
ピストン4が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁
10の噴霧軸線がこのキャビティ燃焼室12を指向する
ようになっている。
A piston 4 arranged in the cylinder 3
As described later, a circular cavity combustion chamber 12 is formed at a position eccentric to the intake valve 5 side.
When the piston 4 is near the top dead center, the spray axis of the fuel injection valve 10 is directed toward the cavity combustion chamber 12.

【0024】上記の一対の吸気ポート8は、それぞれ吸
気マニホルド13側に独立して形成された一対の吸気通
路14a,14bに接続されている。そして、一方の吸
気通路14b内には、該吸気通路14bを開閉するバタ
フライバルブ型の空気制御弁15が介装されている。こ
の空気制御弁15は、シャフト16を介して図示せぬ駆
動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。な
お、上記空気制御弁15が閉じた状態では、他方の吸気
通路14aに連なる吸気ポート8のみを通して新気が流
入するのであるが、この吸気ポート8は、ヘリカルポー
トではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなし
ている。
The pair of intake ports 8 are connected to a pair of intake passages 14a and 14b formed independently on the intake manifold 13 side. A butterfly valve type air control valve 15 for opening and closing the intake passage 14b is provided in one intake passage 14b. The opening and closing of the air control valve 15 is controlled by a drive mechanism (not shown) via a shaft 16 in accordance with engine operating conditions. When the air control valve 15 is closed, fresh air flows only through the intake port 8 connected to the other intake passage 14a. However, this intake port 8 is not a helical port, but a gently curved substantially straight line. It is shaped like a port.

【0025】上記の内燃機関の基本的な作用について簡
単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃
焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ
3内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行わ
れる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁15は、開
状態に制御され、一対の吸気ポート8の双方からシリン
ダ3内へ新気が導入される。これにより、シリンダ3内
には、強いタンブル流(縦渦)が生成される。また、燃
料は、吸気行程中にシリンダ3内に噴射供給される。こ
の燃料は、タンブル流によってシリンダ3内で積極的に
拡散され、キャビティ燃焼室12内に滞留することなく
均質化が促進される。
The basic operation of the internal combustion engine will be briefly described. First, when the engine is fully loaded or in a region where the air-fuel ratio is relatively small in the lean combustion region, a homogeneous air-fuel mixture is formed in the cylinder 3. Homogeneous ignition is performed. During this homogeneous combustion, the air control valve 15 is controlled to be open, and fresh air is introduced into the cylinder 3 from both the pair of intake ports 8. As a result, a strong tumble flow (longitudinal vortex) is generated in the cylinder 3. The fuel is injected and supplied into the cylinder 3 during the intake stroke. This fuel is actively diffused in the cylinder 3 by the tumble flow, and the homogenization is promoted without staying in the cavity combustion chamber 12.

【0026】一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大
きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な
着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃
焼時には、上記空気制御弁15が閉じられ、一方の吸気
ポート8のみからシリンダ3内に新気が流入する。これ
により、シリンダ3内では、タンブル成分が相対的に弱
められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成さ
れる。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧
縮行程の後半において燃料噴射弁10からキャビティ燃
焼室12へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、
ピストン4頂部のキャビティ燃焼室12内に封じ込めら
れたスワール流に乗って点火プラグ7側へ移動し、点火
プラグ7周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜
なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能と
なる。
On the other hand, in the lean load region where the air-fuel ratio is extremely large in the low load region, stratified lean combustion is performed that enables reliable ignition by stratification of the air-fuel mixture. During the stratified lean combustion, the air control valve 15 is closed, and fresh air flows into the cylinder 3 from only one of the intake ports 8. Thereby, in the cylinder 3, the tumble component is relatively weakened, and the swirl flow along the horizontal direction is strongly generated. During the stratified lean combustion, fuel is injected from the fuel injection valve 10 to the cavity combustion chamber 12 in the latter half of the compression stroke. This injected fuel is
The piston 4 moves toward the spark plug 7 on the swirl flow sealed in the cavity combustion chamber 12 at the top of the piston 4 and forms an ignitable air-fuel mixture around the spark plug 7. Ignition combustion becomes possible.

【0027】次に、図3〜図6に基づいて、ピストン4
の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
Next, the piston 4 will be described with reference to FIGS.
, In particular, the configuration of the top portion will be described in detail.

【0028】このピストン4においては、上死点におい
て、キャビティ燃焼室12がシリンダ3内の空間の大部
分を占めるように、頂面に凸部21が設けられている。
この凸部21は、基本的に5つの面から構成されてい
る。すなわち、シリンダヘッド2側のペントルーフ型燃
焼室11を構成する2つの傾斜面11a,11bに対し
略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面22および排気弁
側傾斜面23と、上記吸気弁側傾斜面22の上縁と上記
排気弁側傾斜面23の上縁とを接続するように帯状に設
けられ、かつピストン4中心線と直交する平面からなる
頂部水平面30と、ピストン4の外形円と同心の緩く傾
斜した円錐面からなる一対の円錐形側面24,25とに
よって、凸部21が構成されている。
In the piston 4, a projection 21 is provided on the top surface so that the cavity combustion chamber 12 occupies most of the space in the cylinder 3 at the top dead center.
The projection 21 is basically composed of five surfaces. That is, the intake valve side inclined surface 22 and the exhaust valve side inclined surface 23, which are planes substantially parallel to the two inclined surfaces 11a and 11b constituting the pent roof type combustion chamber 11 on the cylinder head 2 side, and the intake valve side inclined surface A top horizontal plane 30 formed of a plane that is formed in a band shape so as to connect the upper edge of the surface 22 and the upper edge of the exhaust valve-side inclined surface 23 and that is orthogonal to the center line of the piston 4, and concentric with the outer circle of the piston 4 A convex portion 21 is constituted by a pair of conical side surfaces 24 and 25 each formed of a gentle inclined conical surface.

【0029】そして、上記吸気弁側傾斜面22および排
気弁側傾斜面23の外側に、それぞれ略三日月形をなす
吸気弁側水平面26および排気弁側水平面27が形成さ
れている。この吸気弁側水平面26および排気弁側水平
面27は、ピストン4の中心線と直交する一つの平面か
ら構成されているものであり、シリンダヘッド2側の燃
焼室11の両側に平坦面として残されたスキッシュエリ
ア2a,2b(図1参照)にそれぞれ対応している。な
お、円錐形側面24,25の円弧形をなす下縁とピスト
ン4外周縁との間には、非常に狭い幅の水平面28,2
9が残されている(図5参照)。これらの水平面26,
27,28,29は、一つの平面として同一の高さ位置
にある。さらに、この実施例においては、圧縮比の関係
から、排気弁側傾斜面23の下縁23aと上記排気弁側
水平面27との間に、段差部34が存在しており、この
段差部34は、排気弁側傾斜面23よりも大きく傾斜し
た平面にて構成されている。
Outside the intake valve side inclined surface 22 and the exhaust valve side inclined surface 23, a substantially crescent shaped intake valve side horizontal surface 26 and exhaust valve side horizontal surface 27 are formed, respectively. The intake valve side horizontal surface 26 and the exhaust valve side horizontal surface 27 are formed of one plane orthogonal to the center line of the piston 4 and are left as flat surfaces on both sides of the combustion chamber 11 on the cylinder head 2 side. Squish areas 2a and 2b (see FIG. 1). A very narrow horizontal surface 28, 2 is provided between the lower edge of the conical side surfaces 24, 25, which forms an arc, and the outer peripheral edge of the piston 4.
9 are left (see FIG. 5). These horizontal planes 26,
27, 28 and 29 are located at the same height as one plane. Further, in this embodiment, due to the compression ratio, a step 34 exists between the lower edge 23a of the exhaust valve side inclined surface 23 and the exhaust valve side horizontal surface 27, and the step 34 is , And a flat surface that is larger than the exhaust valve side inclined surface 23.

【0030】また、上記のキャビティ燃焼室12が、上
記頂部水平面30と吸気弁側傾斜面22と吸気弁側水平
面26との三者に亙って凹設されている。上記キャビテ
ィ燃焼室12は、ピストン4の平面上で見て真円形をな
し、かつピストン4の半径よりも大きい直径を有してい
る。そして、底面がピストン4中心線と直交する面に沿
っているとともに、内周側壁面が上方へ向かって緩くテ
ーパ状に拡がった皿形をなしている。また、このキャビ
ティ燃焼室12の外周縁は、円錐形側面24,25と上
記吸気弁側傾斜面22との間の一対の吸気弁側側部稜線
31,32の内側に位置しており、このキャビティ燃焼
室12の両側に、吸気弁側傾斜面22が帯状に残存して
いる。同様に、キャビティ燃焼室12の外周縁の排気弁
寄りの部分は、頂部水平面30と排気弁側傾斜面23と
の間の排気弁側頂部稜線33よりも僅かに吸気弁寄りに
位置しており、上記稜線33とキャビティ燃焼室12外
周縁との間に、狭い幅ではあるものの頂部水平面30が
残存している。換言すれば、キャビティ燃焼室12の外
周縁は、各稜線31,32,33と交差しておらず、こ
れらによって切り欠かれてはいない。また図2に示すよ
うに、ピストン4が上死点にあるときに、点火プラグ7
がキャビティ燃焼室12内に入り、かつその外周部に位
置するように配置されている。
The cavity combustion chamber 12 is recessed over the top horizontal surface 30, the intake valve side inclined surface 22, and the intake valve side horizontal surface 26. The cavity combustion chamber 12 has a true circular shape when viewed on the plane of the piston 4 and has a diameter larger than the radius of the piston 4. The bottom surface is along a plane perpendicular to the center line of the piston 4, and the inner peripheral side wall surface is formed in a dish shape which is gently tapered upward. The outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12 is located inside a pair of intake valve side ridge lines 31 and 32 between the conical side surfaces 24 and 25 and the intake valve side inclined surface 22. On both sides of the cavity combustion chamber 12, the intake valve side inclined surface 22 remains in a strip shape. Similarly, the portion of the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12 closer to the exhaust valve is located slightly closer to the intake valve than the exhaust valve side top ridgeline 33 between the top horizontal surface 30 and the exhaust valve side inclined surface 23. The top horizontal plane 30 remains between the ridge 33 and the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12 though the width is narrow. In other words, the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12 does not intersect with each of the ridgelines 31, 32, 33, and is not notched by these. As shown in FIG. 2, when the piston 4 is at the top dead center, the ignition plug 7
Is disposed so as to enter the cavity combustion chamber 12 and to be located on the outer peripheral portion thereof.

【0031】なお、上記凸部21における円錐形側面2
4,25の円錐の頂角θ(図5参照)は、円錐形側面2
4,25と頂部水平面30との間の稜線35,36の位
置がピストン4外周側となるように、可及的に小さく設
定されている。これによって、ピストン4が上死点にあ
るときに、上記円錐形側面24,25とシリンダヘッド
2側燃焼室11との間に生じるクリアランスが非常に小
さなものとなっており、シリンダ3内に残る容積の大部
分をキャビティ燃焼室12が占有する。
The conical side surface 2 of the projection 21
The apex angle θ of the 4 and 25 cones (see FIG. 5) is
The positions of the ridgelines 35, 36 between the fourth horizontal plane 25 and the top horizontal plane 30 are set as small as possible so as to be on the outer peripheral side of the piston 4. Thereby, when the piston 4 is at the top dead center, the clearance generated between the conical side surfaces 24 and 25 and the combustion chamber 11 on the cylinder head 2 side is very small, and remains in the cylinder 3. Most of the volume is occupied by the cavity combustion chamber 12.

【0032】また上記のように構成されたピストン4頂
部の構造は、ピストンピンと直交する方向の直径線(つ
まり図3のA−A線)を中心として、対称に構成されて
いる。なお、燃料噴射弁10は、この対称軸となるA−
A線に沿って燃料を噴射するように配置されている。
The structure of the top portion of the piston 4 configured as described above is symmetrical with respect to a diameter line (that is, line AA in FIG. 3) in a direction perpendicular to the piston pin. In addition, the fuel injection valve 10 has a symmetrical axis A-
It is arranged to inject fuel along line A.

【0033】上記の構成においては、キャビティ燃焼室
12が単純な真円形であるため、成層燃焼時にシリンダ
3内に生成されたスワールが、該キャビティ燃焼室12
内にスムースに案内され、十分な強さを保ったまま保存
される。そして、圧縮行程後半においてキャビティ燃焼
室12へ向けて燃料が噴射された後、ピストン4が上死
点に近づくと、キャビティ燃焼室12を囲む頂部水平面
30と吸気弁側傾斜面22と吸気弁側水平面26との3
つの平面が、図1に想像線で示すように、シリンダヘッ
ド2側の対応する平面にそれぞれ近接するため、キャビ
ティ燃焼室12が全周に亙って良好にシールされた状態
となる。従って、キャビティ燃焼室12内のスワールや
混合気が外部へ漏出せずに該キャビティ燃焼室12内で
燃焼が進行する。そのため、吸気ポート8をヘリカルポ
ートとせずとも安定した成層希薄燃焼が可能となり、ヘ
リカルポートを用いることによる最大出力の低下を回避
できる。
In the above configuration, the swirl generated in the cylinder 3 at the time of stratified combustion causes the swirl generated in the cavity combustion chamber 12 because the cavity combustion chamber 12 has a simple true circular shape.
It is smoothly guided inside and stored with sufficient strength. Then, after the fuel is injected toward the cavity combustion chamber 12 in the latter half of the compression stroke, when the piston 4 approaches the top dead center, the top horizontal surface 30 surrounding the cavity combustion chamber 12, the intake valve side inclined surface 22, and the intake valve side 3 with horizontal surface 26
As shown by the imaginary line in FIG. 1, the two planes are close to the corresponding planes on the cylinder head 2 side, respectively, so that the cavity combustion chamber 12 is in a state of being well sealed over the entire circumference. Therefore, the swirl and the mixture in the cavity combustion chamber 12 do not leak to the outside, and the combustion proceeds in the cavity combustion chamber 12. Therefore, stable stratified lean combustion can be performed without using the intake port 8 as a helical port, and a decrease in the maximum output due to the use of the helical port can be avoided.

【0034】また、均質燃焼時には、一対の吸気ポート
8から流入した新気によってシリンダ3内にタンブル流
が形成され、かつ吸気行程中に燃料噴射が行われるが、
上記キャビティ燃焼室12は、上方が緩いテーパ状に拡
がった皿形をなしており、かつ、タンブル流が集中する
一対の吸気ポート8の中心線(図3のA−A線)の上に
真円形のキャビティ燃焼室12が位置しているので、該
キャビティ燃焼室12内に入った燃料がタンブル流によ
って容易に洗い流され、滞留してしまうことがない。従
って、高負荷時にも均質な混合気を形成でき、良好な均
質燃焼が可能である。
At the time of homogeneous combustion, fresh air flowing from the pair of intake ports 8 forms a tumble flow in the cylinder 3 and fuel is injected during the intake stroke.
The cavity combustion chamber 12 has a dish shape in which the upper portion is gently expanded in a tapered shape, and is positioned above a center line (A-A line in FIG. 3) of a pair of intake ports 8 where the tumble flows are concentrated. Since the circular cavity combustion chamber 12 is located, the fuel entering the cavity combustion chamber 12 is easily washed away by the tumble flow and does not stay. Therefore, a homogeneous air-fuel mixture can be formed even under a high load, and good homogeneous combustion can be achieved.

【0035】次に、図6および図7は、この発明に係る
ピストン4の第2実施例を示している。この実施例にお
いては、上述した排気弁側傾斜面23と排気弁側水平面
27との間の段差部34が取り除かれており、排気弁側
傾斜面23の下縁23aが排気弁側水平面27に達して
いる。
FIGS. 6 and 7 show a second embodiment of the piston 4 according to the present invention. In this embodiment, the step 34 between the exhaust-valve-side inclined surface 23 and the exhaust-valve-side horizontal surface 27 is removed, and the lower edge 23a of the exhaust-valve-side inclined surface 23 becomes the exhaust-valve-side horizontal surface 27. Has reached.

【0036】この第2実施例の構成においては、図8に
示すように、両吸気ポート8から新気が導入される均質
燃焼時に、矢印で示すタンブル流が、排気弁側水平面2
7から排気弁側傾斜面23へと一層滑らかに流れるよう
になる。換言すれば、前述した実施例の段差部34のよ
うな凹凸によるタンブル流の減衰が少なくなり、圧縮行
程中まで長くタンブル成分を保存できる。そのため、特
に全開時における排気中のHCを改善できる。
In the configuration of the second embodiment, as shown in FIG. 8, at the time of homogeneous combustion in which fresh air is introduced from both intake ports 8, a tumble flow indicated by an arrow is generated on the exhaust valve side horizontal plane 2 as shown in FIG.
7 to the exhaust valve side inclined surface 23 to flow more smoothly. In other words, the attenuation of the tumble flow due to the unevenness such as the step portion 34 in the above-described embodiment is reduced, and the tumble component can be stored for a long time during the compression stroke. Therefore, it is possible to improve HC in the exhaust gas particularly when the engine is fully opened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示
す縦断面図。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a direct injection internal combustion engine according to the present invention.

【図2】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底
面図。
FIG. 2 is a bottom view showing a state where the cylinder head is viewed from a lower surface side.

【図3】この発明に係るピストンの第1実施例を示す平
面図。
FIG. 3 is a plan view showing a first embodiment of the piston according to the present invention.

【図4】図3のA−A線に沿った断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3;

【図5】図3のB−B線に沿った断面図。FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 3;

【図6】この発明に係るピストンの第2実施例を示す平
面図。
FIG. 6 is a plan view showing a second embodiment of the piston according to the present invention.

【図7】図6のC−C線に沿った断面図。FIG. 7 is a sectional view taken along the line CC of FIG. 6;

【図8】このピストンによるシリンダ内のタンブル流の
流れを示す説明図。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a flow of a tumble flow in a cylinder by the piston.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

4…ピストン 12…キャビティ燃焼室 21…凸部 22…吸気弁側傾斜面 23…排気弁側傾斜面 24,25…円錐形側面 26…吸気弁側水平面 27…排気弁側水平面 30…頂部水平面 34…段差部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Piston 12 ... Cavity combustion chamber 21 ... Convex part 22 ... Intake valve side inclined surface 23 ... Exhaust valve side inclined surface 24, 25 ... Conical side surface 26 ... Intake valve side horizontal surface 27 ... Exhaust valve side horizontal surface 30 ... Top horizontal surface 34 … Steps

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−299537(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02B 23/10 F02F 3/26 F02F 3/28 F02B 23/08 Continuation of the front page (56) References JP-A-10-2999537 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) F02B 23/10 F02F 3/26 F02F 3/28 F02B 23 / 08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリンダヘッドに凹設されたペントルー
フ型燃焼室に2つの吸気弁および2つの排気弁を有する
とともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、
シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側
に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状
態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼
を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与
した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成
層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピス
トンにおいて、 上記ペントルーフ型燃焼室を構成する2つの傾斜面にそ
れぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面およ
び排気弁側傾斜面と、この吸気弁側傾斜面の上縁と排気
弁側傾斜面の上縁とを接続し、かつ、ピストン中心線と
直交する平面からなる頂部水平面と、スキッシュエリア
を構成するように上記吸気弁側傾斜面および排気弁側傾
斜面の外側に略三日月形に形成された吸気弁側水平面お
よび排気弁側水平面と、上記両傾斜面および上記頂部水
平面によって形成される凸部の側部を構成し、かつピス
トン外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面
と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹
設された真円形のキャビティ燃焼室と、を備えており、 上記頂部水平面と上記排気弁側傾斜面との間の排気弁側
頂部稜線に、上記キャビティ燃焼室の外周縁が交差して
おらず、該外周縁の排気弁寄りの部分と上記稜線との間
に、上記頂部水平面が残存して いることを特徴とする筒
内噴射式内燃機関のピストン。
1. A pent-roof type combustion chamber recessed in a cylinder head has two intake valves and two exhaust valves, has a spark plug substantially at the center of the cylinder, and
A fuel injection valve that injects fuel directly into the cylinder is arranged on the intake valve side, and achieves homogeneous combustion by performing fuel injection near the intake stroke with a tumble flow component added to the cylinder, In a piston of an in-cylinder injection type internal combustion engine in which stratified combustion is realized by performing fuel injection near a compression stroke in a state where a swirl component is applied, each of the two inclined surfaces constituting the pent roof type combustion chamber is substantially The intake valve side inclined surface and the exhaust valve side inclined surface inclined so as to be parallel, the upper edge of the intake valve side inclined surface and the upper edge of the exhaust valve side inclined surface are connected, and are orthogonal to the piston center line. A top horizontal plane composed of a flat surface, and a substantially crescent-shaped horizontal plane outside the intake valve-side inclined surface and the exhaust valve-side inclined surface so as to form a squish area. And a pair of conical side surfaces comprising a conical surface concentric with the piston outer circle, and a pair of conical side surfaces forming a side portion of the convex portion formed by the two inclined surfaces and the top horizontal plane, and a piston outer circle. and and a perfect circular cavity combustion chamber is recessed in a position eccentric to the intake valve side against the exhaust valve side between the top horizontal surface and the exhaust valve-side inclined surface
The outer edge of the cavity combustion chamber intersects the top ridgeline
Between the portion of the outer peripheral edge near the exhaust valve and the ridgeline.
The piston of a direct injection internal combustion engine, wherein the top horizontal surface remains .
【請求項2】 上記凸部および上記キャビティ燃焼室
は、ピストンピンと直交する方向の直径線を中心として
対称に形成されていることを特徴とする請求項1記載の
筒内噴射式内燃機関のピストン。
2. The piston of a direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the projection and the cavity combustion chamber are formed symmetrically with respect to a diameter line in a direction orthogonal to the piston pin. .
【請求項3】 上記円錐形側面と吸気弁側傾斜面との間
の一対の吸気弁側側部稜線の内側にキャビティ燃焼室の
外周縁が位置しており、該外周縁と上記吸気弁側側部稜
線との間に、上記吸気弁側傾斜面が残存していることを
特徴とする請求項1または2に記載の筒内噴射式内燃機
関のピストン。
3. An outer peripheral edge of the cavity combustion chamber is located inside a pair of intake valve side ridge lines between the conical side surface and the intake valve side inclined surface, and the outer peripheral edge and the intake valve side. 3. The piston of a direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the intake valve side inclined surface remains between the side ridge line.
【請求項4】 上記排気弁側傾斜面の下縁と上記排気弁
側水平面との間に段差部を有していることを特徴とする
請求項1〜のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の
ピストン。
Wherein the cylinder according to any one of claims 1 to 3, characterized by having a step portion between the lower edge and the exhaust valve side horizontal surface of the exhaust valve-side inclined surface injection Pistons for internal combustion engines.
【請求項5】 上記キャビティ燃焼室は、その内周側壁
面が上方へ向かってテーパ状に拡がった皿形をなすこと
を特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の筒内噴射
式内燃機関のピストン。
Wherein the cavity combustion chamber is a direct injection type according to any one of claims 1-4 that inner peripheral side wall surface and wherein the forming a dished that has spread tapered upwardly Internal combustion engine piston.
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