JP3716509B2 - 火花点火式直噴型エンジン用ピストン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式直噴型エンジンに用いられ、頂面に凹所が形成されたピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒状シリンダに嵌挿されたピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室が形成され、インジェクタから燃焼室内へ燃料が直接噴射される、いわゆる直噴型の火花点火式エンジンにおいて、ピストンの頂面に凹所が形成されたものは、例えば特開平５−２４００４７号公報や特開平７−１０２９７６号公報により既に知られている。
【０００３】
このようなエンジンにあっては、シリンダヘッドの吸気ポートから燃焼室内へ流入した吸気が、ピストン頂面の凹所により反転させられて燃焼室内に旋回流、例えば、スワール流や逆タンブル流を形成するので、とくに、エンジン低負荷時の圧縮行程後期に、インジェクタから上記凹所内へ燃料を噴射すると、その燃料は吸気の旋回流により点火プラグ近辺へ流動し、従って、着火性及び燃焼安定性を十分に確保してリーンバーンを達成することができ、これにより、燃費の向上や低負荷運転の安定化等を図っている。
【０００４】
この場合、ピストンの上死点において、ピストン頂面の凹所内面と点火プラグとを極力近接させて、インジェクタから噴射された燃料が点火プラグの周囲へ送給されたとき、燃料が確実に着火及び燃焼するように構成する必要があるが、ピストンを鋳造により製造すると、製造公差が比較的大きくなるので、ピストンの上死点においてピストン頂部が点火プラグと干渉するおそれがあって、凹所内面と点火プラグとが十分に近接した状態でエンジン構造を設定することかできず、また、凹所内面と点火プラグとの隙間を精度良く設定するために、ピストン頂面の全体を切削加工により仕上げるようにすれば、ピストンの製造コストが大幅に増加する不具合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、頂面に凹所が形成されて、エンジン性能を容易に向上させうる火花点火式直噴型エンジン用ピストンを安価に提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明にかかる火花点火式直噴型エンジン用ピストンは、頂面に凹所を形成したピストン本体が鋳造により成型され、エンジンシリンダに嵌挿された上死点において点火プラグと対向する上記凹所の内面が、ほぼ全面的にまたは部分的に除去加工で成形されて、上記凹所の内面と上記ピストン本体の頂面との境界が、上記除去加工により尖ったエッジに形成された部分と鋳肌のままの部分とを有している。
【０００７】
すなわち、頂面に凹所が形成されたピストン本体が鋳造により成型されているため、複雑な形状をしたピストン本体を低コストで成型することができる一方、エンジンシリンダに嵌挿されたピストンの上死点において点火プラグと対向する凹所の内面が、ほぼ全面的にまたは部分的に除去加工で成形されているので、除去加工で成形された凹所内面の精度を容易に高めることができて、ピストンの上死点において点火プラグと干渉することを確実に避けながら、ピストン頂面の凹所内面を点火プラグへ十分に近接させることが容易であり、また、上記凹所内面に沿って吸気がスムースに流動できるため、エンジンの低負荷、低速回転時でも、燃料を点火プラグの周囲へ確実に送給することができて、燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることが可能となる。
しかも、凹所の内面とピストン本体の頂面との境界が、除去加工により尖ったエッジに形成された部分と鋳肌のままの部分とを有していて、尖ったエッジに形成された部分では、凹所内の燃料が凹所内から流出することが抑制されて点火プラグまわりへの燃料集中が促進されると共に、鋳肌のままの部分では、尖った個所がないため燃焼熱の集中が防止されて高温化が抑制され、かつ、表面積の減少によって熱損失が減少し、エンジンの高出力化を図ることができる。
なお、除去加工としては、切削加工や放電加工等が含まれているが、ピストンの製作にあたっては、生産性の良い切削加工を用いることがとくに好ましい。
【０００８】
さらには、ピストン本体の頂面のうち、点火プラグに対向して燃料の着火性及び燃焼安定性において特に重要な凹所内面が除去加工により成形された場合には、ピストン本体の頂面全体が除去加工により成形される場合と比較して、ピストン本体加工時のコストアップを抑制することができ、とくに、除去加工として切削加工を上記凹所内面に施した場合、ピストン本体の頂面全体を切削加工する場合と比較して、ピストン本体加工時のコストアップを大幅に抑制することができる。
また、ピストン本体の頂面を、シリンダヘッド下面に沿うようなペントルーフ形状とし、頂面の凹所を吸気側に寄せて形成したピストンであることが好ましく、これにより、燃焼室内の圧縮比を高めることができると共に、燃焼効率の向上を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の各実施形態例について、同等部分にはそれぞれ同一符号を付けて説明する。
図１及び図２に示す４サイクル火花点火式直噴型多シリンダエンジンにおいて、各円筒状シリンダ１にピストン２が嵌挿され、ピストン２の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室４が形成されており、シリンダヘッド３の下面は、シリンダ１の中心軸線５と図示しないクランクシャフトの軸線とを含む仮想平面６を境界として、シリンダヘッド３に２本平行に形成された吸気路７が燃焼室４に開口する側と、シリンダヘッド３に２本平行に形成された排気路８が燃焼室４に開口する側とで、それぞれ反対方向へ傾斜した吸気側下面９及び排気側下面１０を形成し、吸気側下面９及び排気側下面１０によりシリンダヘッド３の下面全体がいわゆるペントルーフ形を構成している。
【００１０】
また、燃焼室４に対する吸気路７はピストン２の頂面へ向かうようにシリンダ中心軸線５と略平行に形成され、吸気路７の各開口端にはそれぞれ吸気弁１１が設けられていると共に、燃焼室４に対する排気路８の各開口端にはそれぞれ排気弁１２が設けられている一方、シリンダヘッド３の中央部に点火プラグ１３が取り付けられ、点火プラグ１３はシリンダ中心軸線４に対し若干傾斜して、その放電電極１３ａが燃焼室４内で吸気側下面９側へ片寄るように配置されており、さらに、シリンダヘッド３には燃焼室４内へ燃料を直接噴射するインジェクタ１４が設置されている。
【００１１】
ピストン２の本体は全体的に鋳造で成型され、その頂面の中央部分には、ピストン２の上死点において、シリンダヘッド３の吸気側下面９に沿って傾斜する吸気側頂面２０と、シリンダヘッド３の排気側下面１０に略沿って吸気側頂面２０と反対側へ傾斜する排気側頂面２１とで、頂面が略ペントルーフ形の隆起部２２が形成されて、ピストン頂面における隆起部２２の周囲には比較的狭い幅の平坦面２３が設けられ、また、吸気側頂面２０から排気側頂面２１及び平坦面２３にかけて凹所２４が成形されている。
【００１２】
ピストン凹所２４の内面は、図３及び図４に示されているように、点Ｏを中心とする２点鎖線の球面状鋳肌２５が、ボールエンドミルやバイトの切削加工あるいは研削加工により、または、周知の放電加工により、すなわち、加工液中において工作物と工具とを数ミクロン〜数十ミクロンの微小間隔で対向させ、陽極の工作物と陰極の工具との間にパルス電圧を加えて放電を起こさせ、工具を少しずつ工作物へ向かって送り込んで、工作物の放電部分が溶解除去されることにより、工具の外形が陰陽逆に工作物の表面へ転写されて、点Ｏを中心とするなめらかな球面状に仕上げられた底面２６からなり、または、図５及び図６に示されているように、点Ｏを中心とする球面状鋳肌２５に対して、上記切削加工や研削加工または上記放電加工等の除去加工により、点Ｏよりわずか、例えば、１ｍｍ程度シリンダ中心軸線５側へ偏った点Ｏ１を中心とし、球面状鋳肌２５と略等しい半径のなめらかな球面状に仕上げられた底面２７を有すると共に、除去加工されないで残った球面状鋳肌２５と球面状底面２７とがなめらかに接続されている。
【００１３】
従って、図４及び図６によく示されているように、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１には鋭く尖ったエッジ４０が形成されており、また、ピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２においては、鋳肌のままのゆるやかな曲面４１によってピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３とがなめらかに接続されている。
【００１４】
また、このエンジンでは、シリンダヘッド３の下面が吸気側下面９及び排気側下面１０によりペントルーフ形に構成されていると同時に、ピストン２の頂面が吸気側頂面２０及び排気側頂面２１により略ペントルーフ形に構成されているため、図７に概略示されているようにピストン２が上死点位置にあるとき、ピストン凹所２４の容積をＶａ、シリンダヘッド３における吸気側下面９及び排気側下面１０とピストン凹所２４の頂面との間の容積をＶｂ、ピストン凹所２４以外におけるピストン２の頂面とシリンダヘッド３の下面との間の容積をＶｃとすると、シリンダヘッド３の下面とピストン２の頂面との間に形成される燃焼室空間の容積（Ｖｂ＋Ｖｃ）を減少させて、ピストン凹所２４の容積Ｖａを比較的大きくすることにより、容積比Ａ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）の値が０．４〜０．７の範囲内にあるように設定されている。
【００１５】
さらに、図８に概略示されているように、シリンダヘッド３における吸気側下面９及び排気側下面１０が反対側へそれぞれ略同一の傾斜角を有し、かつ、ピストン２における吸気側頂面２０が吸気側下面９と略同一の傾斜角を有しているのに対し、ピストン２における排気側頂面２１の傾斜角が排気側下面１０よりも小さいために、ピストン２が上死点位置近傍にあるとき、排気側下面１０及び排気側頂面２１間に形成された空間５０は、燃焼室４の周縁にいくほど狭められた楔状の断面を有している。
【００１６】
また、図１に示されているようにピストン２が上死点位置にあるとき、点火プラグ１３の放電電極１３ａはピストン凹所２４内に配置されて、放電電極１３ａとピストン凹所２４内面との最短距離Ｄ１が１〜２ｍｍ程度となるように設定されていると共に、ピストン２の頂面と排気側下面１０との間隔Ｄ２が４〜８ｍｍの範囲内にあるように設定されている。
【００１７】
次に、上記エンジンの作動状態について説明する。
吸気行程時に燃焼室４に対する吸気路７の開口端を吸気弁１１が開くと、シリンダ中心軸線５と略平行に形成された吸気路７から、仮想平面６の一方側でピストン凹所２４に向かって燃焼室４内に流入した吸気は、図２の矢印で示されているように、シリンダ１の内壁面に沿ってピストン２の頂面へと流れて、ピストン凹所２４の球面状底面２６または球面状鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２に形成されたゆるやかな曲面４１により、ピストン凹所２４内へスムースに導かれ、さらに、ピストン凹所２４の球面状底面２６、または、球面状鋳肌２５及び球面状底面２７に沿って流れることにより反転し、同時にまた、球面状底面２６、または、球面状鋳肌２５及び球面状底面２７に沿って流れることにより、図１の紙面と直角方向にピストン凹所２４の中央側へ付勢されて集められながら、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１に形成され、かつ、隆起部２２上にあるため境界Ｍ２よりもシリンダヘッド３側に近接して配置されたエッジ４０により、ピストン凹所２４内面から効果的に剥離してシリンダヘッド３の下面に向かい流動し、従って、シリンダヘッド３の排気側下面１０とピストン２の排気側頂面２１との間の空間５０へ吸気が流入することは強く抑制される結果、吸気は燃焼室４内において図２の矢印のように縦渦流である強い逆タンブル流を形成する。
【００１８】
しかも、ピストン凹所２４に対向するリンダヘッド３の吸気側下面９及び排気側下面１０がペントルーフ形状をしていて、ピストン凹所２４内から排気側下面１０に向かう逆タンブル流は、吸気側下面９からピストン凹所２４に向かう流れへとスムースに変えられて、圧縮行程の後期にまでピストン凹所２４内に逆タンブル流が維持される。
【００１９】
従って、エンジンの高負荷時や高速回転時には、吸気行程の早期からインジェクタ１４で燃焼室４内へ燃料を噴射させて、吸気との混合を早めると同時に、圧縮行程後期の逆タンブル流崩壊により混合気の攪拌を強化させて、燃焼室４内に均質な混合気を形成させることにより、なめらかな急速燃焼を行わせ、これによってエンジンの高出力化を可能とする一方、燃焼室４における容積比Ａの値が０．４〜０．６の範囲内に設定されていて、燃焼室４の全容積に対するピストン凹所２４の容積Ｖａを適切な大きさとすることにより、燃費の向上と高出力化とをバランス良く実現することができ、また、ピストン凹所２４が球面状に形成されて、ピストン凹所２４の容積Ｖａに対するピストン凹所２４の表面積を最小にしすることにより、熱損失を低減させて燃焼効率を向上させることができ、この面からもエンジン出力の向上を図ることができる。
【００２０】
さらに、ピストン２の頂面と排気弁１２との間隔Ｄ２がピストン２の上死点において４〜８ｍｍの範囲内にあるように設定されていて、上記のようなエンジンの高負荷時や高速回転時でも、ピストン２の上死点近傍において、シリンダヘッド３の排気側下面１０とピストン２の排気側頂面２１との間の燃焼室空間５０に火炎が十分に伝播できる空間が確保され、しかも、上記燃焼室空間５０が燃焼室４の周縁にいくほど狭められた楔状の断面を有していて、燃焼室４における容積比Ａの値が前記の適切な範囲内に設定されているため、燃焼室４における容積Ｖｃが小さくとも、点火プラグ１３の放電電極１３ａ近傍を中心として燃焼を開始した火炎が、比較的隙間の大きい燃焼室中心側から空間５０内へ確実に伝播し、さらに、比較的隙間の小さい空間５０の燃焼室周縁側へも、他の燃焼室空間に対して遅れることなく伝播して、燃焼室４内でむらの少ない均一な燃焼を実現させることができるので、エンジンの高出力化を果たすことが可能となる。
【００２１】
また、エンジンの低負荷、低速回転時においては、上記のように、ピストン凹所２４に向かって燃焼室４内に流入した吸気が、ピストン凹所２４の球面状底面２６、または、球面状鋳肌２５及び球面状底面２７に沿って流れることにより反転し、次に、鋭く尖ったエッジ４０によりピストン凹所２４内から効果的に剥離してシリンダヘッド３の下面に向かい流動し、圧縮行程の後期でもピストン凹所２４内に逆タンブル流が形成されていると共に、ピストン２の上死点における放電電極１３ａとピストン凹所２４内面との最短距離Ｄ１が１〜２ｍｍ程度となるように、放電電極１３ａがピストン凹所２４の内面に近接して配置されているので、圧縮行程後期にインジェクタ１４からピストン凹所２４内へ燃料が噴射されると、その燃料噴霧は吸気の逆タンブル流に乗って点火プラグ１３の放電電極１３ａ近傍へ層状に送給され、しかも、ピストン２の上死点近傍において、シリンダヘッド３の排気側下面１０とピストン２の排気側頂面２１との間の燃焼室空間５０へ燃料噴霧が流入することは、ピストン２の頂面と排気弁１２との間隔Ｄ２が上記のように比較的狭く設定され、かつ、逆タンブル流が存在していることにより抑制されている。
【００２２】
従って、点火プラグ１３の放電電極１３ａ近傍に比較的濃い混合気が滞留するため、混合気が層状燃焼を行う結果、全体としては極めて希薄な混合気であるにもかかわらず、エンジンの低負荷、低速回転時において燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることができて、リーンバーンの達成によりエンジンの燃費向上に大きく貢献することができると同時に、低負荷運転の安定化が可能となり、かつ、排ガスの悪化も未然に防止することができる。
【００２３】
上記のように、ピストン凹所２４の底面が球面状に形成され、かつ、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１にエッジ４０が形成されていて、吸気がピストン凹所２４の底面に沿って流れることにより反転させられた後、エッジ４０によりピストン凹所２４内から剥離して、逆タンブル流を形成するが、ピストン凹所２４内から吸気流を効果的に剥離させるためには、エッジ４０が鋭く尖っていることが重要であり、また、このようにエッジ４０が鋭く尖っていれば、ピストン２の圧縮行程後期に凹所２４内へ向けて噴射された燃料が凹所２４内から排気側へ流出することが抑制され、点火プラグ１３まわりへの燃料集中が促進される。
【００２４】
ピストン２においては、凹所２４の底面２６または底面２７が除去加工、好ましくは切削加工により形成されているので、エッジ４０を鋭く尖らせることが容易に可能となって、吸気流の前記剥離作用を確実に行わせることができると共に、ピストン凹所２４の精度も容易に高めることが可能となって、ピストン２の上死点時に点火プラグ１３の放電電極１３ａがピストン凹所２４の内面と干渉することは確実に回避しながら、放電電極１３ａをピストン凹所２４の内面に近接して配置させることにより、エンジンの低負荷、低速回転時のピストン２上死点近傍において、放電電極１３ａの周辺へ燃料噴霧を層状に送給し、燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることができる。
【００２５】
また、ピストン凹所２４においては、底面２６または除去加工されなかった鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２に、鋳肌のままのゆるやかな曲面４１が存在しているので、燃焼室４内に流入してシリンダ１の内壁面に沿いピストン２の頂面へと流れる吸気は、ゆるやかな曲面４１によりピストン凹所２４内へスムースに導かれて、上記した逆タンブル流の生成を助長することができる一方、境界Ｍ２では、曲面４１の存在により燃焼熱の集中が防止されて、高温化が抑制されると共に、表面積の減少によって熱損失が減少し、従って、エンジンの高出力化を図ることができる。
【００２６】
さらに、鋳造により本体が成型されたピストン２の頂面は、部分的に凹所底面２６または凹所底面２７のみが除去加工、好ましくは切削加工されていて、除去加工の範囲が必要最小限度ですむため、ピストン２の製造コスト増大を効果的に抑制することができる利点がある。
【００２７】
しかも、ピストン凹所２４の内面は、球状底面２６または球状底面２７が除去加工、好ましくは切削加工により成形され、鋳肌と比較して滑らかな表面となっているため、この底面２６、２７に沿い吸気流はスムースに反転できるという効果があると共に、エンジンの低負荷、低速回転時におけるように、インジェクタ１４からピストン凹所２４内へ燃料が噴射された場合、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７に衝突した燃料は、それらの底面２６、２７に付着することなくエッジ４０へ向かって運ばれて、点火プラグ１３の放電電極１３ａ周辺へ確実に送給される長所があり、また、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７にはすすが付着しにくく、燃料の送給がすすにより大きく妨げられることを防止できるという効果もある。
【００２８】
なお、上記実施形態例においては、ピストン凹所２４の球面状鋳肌２５と球面状底面２６とが共通の中心点Ｏを有しているが、球面状底面２６が球面状鋳肌２５からほぼ全面的に除去加工されて、球面状底面２６と排気側頂面２１との境界Ｍ１に尖ったエッジ４０が形成されている限り、適宜中心点の位置を異にし、あるいは、球面状鋳肌２５に対して球面状底面２６の半径を適宜変更することができるものである。
【００２９】
また、上記実施形態例において、球面状底面２７が球面状鋳肌２５に対し部分的に形成されて、ピストン凹所２４の球面状底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１に尖ったエッジ４０が形成されている限り、球面状鋳肌２５の中心点Ｏと球面状底面２７の中心点Ｏ１との距離を適宜変更し、あるいは、球面状鋳肌２５に対して球面状底面２７の半径を適宜変更することも可能である。
【００３０】
また、上記各実施形態例において、底面２６または除去加工されなかった鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２に存在する鋳肌のままのゆるやかな曲面４１を、図９に示されたような断面直線の単一傾斜面６０に置き換え、もしくは、断面がそれぞれ直線的に折れ曲がった多段傾斜面に置き換え、もしくは、適宜の傾斜面と曲面とを組み合わせたものに置き換えても、上記各実施形態例とそれぞれ同様な作用効果を奏することができるものである。
【００３１】
図１０及び図１１に示す実施形態例では、ピストン凹所２４の底面が、適当な平面と曲面とがなめらかに接続された複合曲率面として構成され、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１には、仮想平面６と平行に延びる鋭く尖ったエッジ４０が除去加工、好ましくは切削加工により形成され、また、ピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２においては、ゆるやかな曲面４１によってピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３とが接続されており、この場合にあっても上記各実施形態例とそれぞれ同様な作用効果を奏することができる。
【００３２】
図１２に示す実施形態例では、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０との境界Ｍ３に、境界Ｍ２における曲面４１となめらかに接続されて、仮想平面６に向かい徐々に幅が狭められ、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７０が形成されており、境界Ｍ２及び境界Ｍ３の比較的長い範囲にわたってゆるやかな曲面４１及び曲面７０が存在しているので、ピストン２の頂面における比較的多くの部分で燃焼熱の集中を防止して、それらの高温化を抑制できると共に、表面積の減少によって熱損失も減少して、エンジンの高出力化を図ることができ、また、ピストン凹所２４には除去加工、好ましくは切削加工により鋭く尖ったエッジ４０が形成されているため、吸気の逆タンブル流を確実に形成させることができるので、上記各実施形態例と同等の作用効果を奏することができる。
【００３３】
図１３に示す実施形態例は、ピストン凹所２４の底面が、適当な平面と曲面とがなめらかに接続された複合曲率面として構成されて、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１に、仮想平面６と平行に延びる鋭く尖ったエッジ４０が除去加工、好ましくは切削加工により形成され、かつ、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０との境界Ｍ３に、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７０が形成されると共に、ピストン凹所２４の底面と排気側頂面２１との境界Ｍ４に、ピストン凹所２４の底面と排気側頂面２１とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７１が形成されて、ピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２におけるゆるやかな曲面４１、曲面７０及び曲面７１がそれぞれなめらかに接続されており、上記各実施形態例と同様な作用効果を奏することができるものである。
【００３４】
なお、図１１、図１２及び図１３の実施形態例において、曲面４１、曲面７０及び曲面７１の幅をそれぞれ適当な大きさとし、及びまたは、曲面４１、曲面７０及び曲面７１をそれぞれ適当な傾斜面に置き換えることができるのはいうまでもない。
【００３５】
さらに、上記実施形態例におけるピストン凹所２４の底面２６、２７は、それぞれ球面状以外に略球面状等の適当な、かつ、なめらかな曲面からなる底面、または、一部に適宜の平坦面を含んだなめらかな曲面からなる底面に変更することも可能であり、あるいはまた、シリンダヘッドにおける吸気側下面と排気側下面の傾斜角をそれぞれ異ならせても良いものである。
【００３６】
また、上記各実施形態例では隆起部を有するピストンについて説明されているが、必ずしも隆起部を有するものに限定されることはなく、ほぼ頂面全体が平坦なピストンにおいて、点火プラグと対向する部位に凹所が形成されたものであってもよいことはいうまでもない。
【００３７】
さらに、上記各実施形態例は逆タンブル流を形成する直噴型エンジンのピストンであるが、従来技術として引用した特開平７−１０２９７６号公報所載のように、スワール流を用いた直噴型エンジンのピストンに本発明を適用することもできるものである。
すなわち、図１４及び図１５に例示されているように、鋳造ピストン２の頂面に形成された凹所２４の内面は、除去加工、好ましくは切削加工により部分的に成形されて点火プラグ１３と対向するなめらかな底面２７と、除去加工されないまま残された鋳肌２５とがなめらかに接続されて形成されており、底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１には鋭く尖ったエッジ４０が形成され、また、鋳肌２５と吸気側頂面２０の一部との境界Ｍ３に、鋳肌２５と吸気側頂面２０とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７０が形成されている。
【００３８】
この場合においても、上記各実施形態例と同様に、点火プラグ１３と対向するピストン凹所２４の底面２７が除去加工されているため、底面２７と点火プラグ１３とを容易に近接させることができるので、図１４の左半分に配置された図示しない吸気ポートから吸気が曲面７１に沿って凹所２４内に流入し、図１４の矢印が示すように凹所２４内に生成されたスワール流により、インジェクタから噴射された燃料をスムースに、かつ、確実に点火プラグ１３の周囲へ集めることが可能となって、燃料の着火性及び燃焼安定性を向上させることができる。
【００３９】
また、点火プラグ１３と対向するピストン凹所２４の底面２７が除去加工によりなめらかであるため、この底面２７にはすすが付着しにくくなるので、すすの付着により点火プラグ１３まわりへの燃料の送給が妨げられることも防止され、さらに、ピストン２全体が鋳造により成形されて、凹所２４内面の一部のみに除去加工が施されているため、ピストン加工のコスト低減を図ることができる。
【００４０】
また、境界Ｍ３にゆるやかな曲面７０が形成されているため、ピストン２の圧縮行程において凹所２４内に対するスワールの流入がスムースに行われ、しかも、点火プラグ１３周辺の境界Ｍ１には除去加工によりエッジ４０が形成されているので、点火プラグ１３の周囲に集められた燃料の拡散を効果的に防止することができる。なお、スワール流の旋回方向は上記と逆とすることも可能であり、また、ピストン頂面における平坦面２３と凹所２４内面の鋳肌２５との境界がなるべく尖るように鋳造して、凹所２４内からスワール流が流出しにくいようにするのが好ましい。
【００４１】
さらに、上記各実施形態例のピストンを２サイクルエンジンに適用することも可能であって、それぞれ上記各実施形態例と同様な作用効果を奏することができるものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明にかかるエンジン用ピストンにあっては、頂面に凹所が形成されたピストン本体が鋳造により成型されていても、点火プラグに対向する凹所の内面が精度のよい除去加工、好ましくは切削加工で成形されて、ピストンの上死点において上記凹所内面を点火プラグへ十分に近接させることが容易であり、また、上記凹所内面に沿う吸気及び燃料の流動がスムースとなるため、エンジンの低負荷、低速回転時でも、燃料を点火プラグの周囲へ確実に送給することができて、燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることが可能となり、さらには、ピストン本体の頂面のうち、部分的な凹所内面が除去加工、好ましくは切削加工されているに止まるため、ピストン加工時のコストアップを抑制することができて、実用上非常に有益である。
しかも、凹所の内面とピストン本体の頂面との境界が尖ったエッジに形成された部分では、点火プラグまわりへの燃料集中が促進されると共に、上記境界が鋳肌のままの部分では、高温化の抑制と、熱損失の減少によるエンジンの高出力化とを図ることができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例における縦断面図。
【図２】上記実施形態例の概略斜視図。
【図３】上記実施形態例の要部上面図。
【図４】図３のIV−IV矢視断面図。
【図５】上記実施形態例の変形における要部上面図。
【図６】図５のVI−VI矢視断面図
【図７】上記実施形態例の要部説明図。
【図８】上記実施形態例の要部説明図。
【図９】本発明の他の実施形態例における要部縦断面図。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１１】図１０のXI−XI矢視断面図
【図１２】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１３】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１４】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１５】図１４のXV−XV矢視断面図
【符号の説明】
１ シリンダ
２ ピストン
３ シリンダヘッド
７ 吸気路
８ 排気路
９ 吸気側下面
１０ 排気側下面
１３ 点火プラグ
１３ａ 放電電極
１４ インジェクタ
２０ 吸気側頂面
２１ 排気側頂面
２３ 平坦面
２４ 凹所
２５ 球面状鋳肌
２６、２７ 底面
４０ エッジ
４１ 曲面
５０ 空間
６０ 傾斜面
７０、７１ 曲面
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４ 境界
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式直噴型エンジンに用いられ、頂面に凹所が形成されたピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒状シリンダに嵌挿されたピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室が形成され、インジェクタから燃焼室内へ燃料が直接噴射される、いわゆる直噴型の火花点火式エンジンにおいて、ピストンの頂面に凹所が形成されたものは、例えば特開平５−２４００４７号公報や特開平７−１０２９７６号公報により既に知られている。
【０００３】
このようなエンジンにあっては、シリンダヘッドの吸気ポートから燃焼室内へ流入した吸気が、ピストン頂面の凹所により反転させられて燃焼室内に旋回流、例えば、スワール流や逆タンブル流を形成するので、とくに、エンジン低負荷時の圧縮行程後期に、インジェクタから上記凹所内へ燃料を噴射すると、その燃料は吸気の旋回流により点火プラグ近辺へ流動し、従って、着火性及び燃焼安定性を十分に確保してリーンバーンを達成することができ、これにより、燃費の向上や低負荷運転の安定化等を図っている。
【０００４】
この場合、ピストンの上死点において、ピストン頂面の凹所内面と点火プラグとを極力近接させて、インジェクタから噴射された燃料が点火プラグの周囲へ送給されたとき、燃料が確実に着火及び燃焼するように構成する必要があるが、ピストンを鋳造により製造すると、製造公差が比較的大きくなるので、ピストンの上死点においてピストン頂部が点火プラグと干渉するおそれがあって、凹所内面と点火プラグとが十分に近接した状態でエンジン構造を設定することかできず、また、凹所内面と点火プラグとの隙間を精度良く設定するために、ピストン頂面の全体を切削加工により仕上げるようにすれば、ピストンの製造コストが大幅に増加する不具合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、頂面に凹所が形成されて、エンジン性能を容易に向上させうる火花点火式直噴型エンジン用ピストンを安価に提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明にかかる火花点火式直噴型エンジン用ピストンは、頂面に凹所を形成したピストン本体が鋳造により成型され、エンジンシリンダに嵌挿された上死点において点火プラグと対向する上記凹所の内面が、ほぼ全面的にまたは部分的に除去加工で成形されて、上記凹所の内面と上記ピストン本体の頂面との境界が、上記除去加工により尖ったエッジに形成された部分と鋳肌のままの部分とを有している。
【０００７】
すなわち、頂面に凹所が形成されたピストン本体が鋳造により成型されているため、複雑な形状をしたピストン本体を低コストで成型することができる一方、エンジンシリンダに嵌挿されたピストンの上死点において点火プラグと対向する凹所の内面が、ほぼ全面的にまたは部分的に除去加工で成形されているので、除去加工で成形された凹所内面の精度を容易に高めることができて、ピストンの上死点において点火プラグと干渉することを確実に避けながら、ピストン頂面の凹所内面を点火プラグへ十分に近接させることが容易であり、また、上記凹所内面に沿って吸気がスムースに流動できるため、エンジンの低負荷、低速回転時でも、燃料を点火プラグの周囲へ確実に送給することができて、燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることが可能となる。
しかも、凹所の内面とピストン本体の頂面との境界が、除去加工により尖ったエッジに形成された部分と鋳肌のままの部分とを有していて、尖ったエッジに形成された部分では、凹所内の燃料が凹所内から流出することが抑制されて点火プラグまわりへの燃料集中が促進されると共に、鋳肌のままの部分では、尖った個所がないため燃焼熱の集中が防止されて高温化が抑制され、かつ、表面積の減少によって熱損失が減少し、エンジンの高出力化を図ることができる。
なお、除去加工としては、切削加工や放電加工等が含まれているが、ピストンの製作にあたっては、生産性の良い切削加工を用いることがとくに好ましい。
【０００８】
さらには、ピストン本体の頂面のうち、点火プラグに対向して燃料の着火性及び燃焼安定性において特に重要な凹所内面が除去加工により成形された場合には、ピストン本体の頂面全体が除去加工により成形される場合と比較して、ピストン本体加工時のコストアップを抑制することができ、とくに、除去加工として切削加工を上記凹所内面に施した場合、ピストン本体の頂面全体を切削加工する場合と比較して、ピストン本体加工時のコストアップを大幅に抑制することができる。
また、ピストン本体の頂面を、シリンダヘッド下面に沿うようなペントルーフ形状とし、頂面の凹所を吸気側に寄せて形成したピストンであることが好ましく、これにより、燃焼室内の圧縮比を高めることができると共に、燃焼効率の向上を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の各実施形態例について、同等部分にはそれぞれ同一符号を付けて説明する。
図１及び図２に示す４サイクル火花点火式直噴型多シリンダエンジンにおいて、各円筒状シリンダ１にピストン２が嵌挿され、ピストン２の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室４が形成されており、シリンダヘッド３の下面は、シリンダ１の中心軸線５と図示しないクランクシャフトの軸線とを含む仮想平面６を境界として、シリンダヘッド３に２本平行に形成された吸気路７が燃焼室４に開口する側と、シリンダヘッド３に２本平行に形成された排気路８が燃焼室４に開口する側とで、それぞれ反対方向へ傾斜した吸気側下面９及び排気側下面１０を形成し、吸気側下面９及び排気側下面１０によりシリンダヘッド３の下面全体がいわゆるペントルーフ形を構成している。
【００１０】
また、燃焼室４に対する吸気路７はピストン２の頂面へ向かうようにシリンダ中心軸線５と略平行に形成され、吸気路７の各開口端にはそれぞれ吸気弁１１が設けられていると共に、燃焼室４に対する排気路８の各開口端にはそれぞれ排気弁１２が設けられている一方、シリンダヘッド３の中央部に点火プラグ１３が取り付けられ、点火プラグ１３はシリンダ中心軸線４に対し若干傾斜して、その放電電極１３ａが燃焼室４内で吸気側下面９側へ片寄るように配置されており、さらに、シリンダヘッド３には燃焼室４内へ燃料を直接噴射するインジェクタ１４が設置されている。
【００１１】
ピストン２の本体は全体的に鋳造で成型され、その頂面の中央部分には、ピストン２の上死点において、シリンダヘッド３の吸気側下面９に沿って傾斜する吸気側頂面２０と、シリンダヘッド３の排気側下面１０に略沿って吸気側頂面２０と反対側へ傾斜する排気側頂面２１とで、頂面が略ペントルーフ形の隆起部２２が形成されて、ピストン頂面における隆起部２２の周囲には比較的狭い幅の平坦面２３が設けられ、また、吸気側頂面２０から排気側頂面２１及び平坦面２３にかけて凹所２４が成形されている。
【００１２】
ピストン凹所２４の内面は、図３及び図４に示されているように、点Ｏを中心とする２点鎖線の球面状鋳肌２５が、ボールエンドミルやバイトの切削加工あるいは研削加工により、または、周知の放電加工により、すなわち、加工液中において工作物と工具とを数ミクロン〜数十ミクロンの微小間隔で対向させ、陽極の工作物と陰極の工具との間にパルス電圧を加えて放電を起こさせ、工具を少しずつ工作物へ向かって送り込んで、工作物の放電部分が溶解除去されることにより、工具の外形が陰陽逆に工作物の表面へ転写されて、点Ｏを中心とするなめらかな球面状に仕上げられた底面２６からなり、または、図５及び図６に示されているように、点Ｏを中心とする球面状鋳肌２５に対して、上記切削加工や研削加工または上記放電加工等の除去加工により、点Ｏよりわずか、例えば、１ｍｍ程度シリンダ中心軸線５側へ偏った点Ｏ１を中心とし、球面状鋳肌２５と略等しい半径のなめらかな球面状に仕上げられた底面２７を有すると共に、除去加工されないで残った球面状鋳肌２５と球面状底面２７とがなめらかに接続されている。
【００１３】
従って、図４及び図６によく示されているように、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１には鋭く尖ったエッジ４０が形成されており、また、ピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２においては、鋳肌のままのゆるやかな曲面４１によってピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３とがなめらかに接続されている。
【００１４】
また、このエンジンでは、シリンダヘッド３の下面が吸気側下面９及び排気側下面１０によりペントルーフ形に構成されていると同時に、ピストン２の頂面が吸気側頂面２０及び排気側頂面２１により略ペントルーフ形に構成されているため、図７に概略示されているようにピストン２が上死点位置にあるとき、ピストン凹所２４の容積をＶａ、シリンダヘッド３における吸気側下面９及び排気側下面１０とピストン凹所２４の頂面との間の容積をＶｂ、ピストン凹所２４以外におけるピストン２の頂面とシリンダヘッド３の下面との間の容積をＶｃとすると、シリンダヘッド３の下面とピストン２の頂面との間に形成される燃焼室空間の容積（Ｖｂ＋Ｖｃ）を減少させて、ピストン凹所２４の容積Ｖａを比較的大きくすることにより、容積比Ａ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃ）の値が０．４〜０．７の範囲内にあるように設定されている。
【００１５】
さらに、図８に概略示されているように、シリンダヘッド３における吸気側下面９及び排気側下面１０が反対側へそれぞれ略同一の傾斜角を有し、かつ、ピストン２における吸気側頂面２０が吸気側下面９と略同一の傾斜角を有しているのに対し、ピストン２における排気側頂面２１の傾斜角が排気側下面１０よりも小さいために、ピストン２が上死点位置近傍にあるとき、排気側下面１０及び排気側頂面２１間に形成された空間５０は、燃焼室４の周縁にいくほど狭められた楔状の断面を有している。
【００１６】
また、図１に示されているようにピストン２が上死点位置にあるとき、点火プラグ１３の放電電極１３ａはピストン凹所２４内に配置されて、放電電極１３ａとピストン凹所２４内面との最短距離Ｄ１が１〜２ｍｍ程度となるように設定されていると共に、ピストン２の頂面と排気側下面１０との間隔Ｄ２が４〜８ｍｍの範囲内にあるように設定されている。
【００１７】
次に、上記エンジンの作動状態について説明する。
吸気行程時に燃焼室４に対する吸気路７の開口端を吸気弁１１が開くと、シリンダ中心軸線５と略平行に形成された吸気路７から、仮想平面６の一方側でピストン凹所２４に向かって燃焼室４内に流入した吸気は、図２の矢印で示されているように、シリンダ１の内壁面に沿ってピストン２の頂面へと流れて、ピストン凹所２４の球面状底面２６または球面状鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２に形成されたゆるやかな曲面４１により、ピストン凹所２４内へスムースに導かれ、さらに、ピストン凹所２４の球面状底面２６、または、球面状鋳肌２５及び球面状底面２７に沿って流れることにより反転し、同時にまた、球面状底面２６、または、球面状鋳肌２５及び球面状底面２７に沿って流れることにより、図１の紙面と直角方向にピストン凹所２４の中央側へ付勢されて集められながら、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１に形成され、かつ、隆起部２２上にあるため境界Ｍ２よりもシリンダヘッド３側に近接して配置されたエッジ４０により、ピストン凹所２４内面から効果的に剥離してシリンダヘッド３の下面に向かい流動し、従って、シリンダヘッド３の排気側下面１０とピストン２の排気側頂面２１との間の空間５０へ吸気が流入することは強く抑制される結果、吸気は燃焼室４内において図２の矢印のように縦渦流である強い逆タンブル流を形成する。
【００１８】
しかも、ピストン凹所２４に対向するリンダヘッド３の吸気側下面９及び排気側下面１０がペントルーフ形状をしていて、ピストン凹所２４内から排気側下面１０に向かう逆タンブル流は、吸気側下面９からピストン凹所２４に向かう流れへとスムースに変えられて、圧縮行程の後期にまでピストン凹所２４内に逆タンブル流が維持される。
【００１９】
従って、エンジンの高負荷時や高速回転時には、吸気行程の早期からインジェクタ１４で燃焼室４内へ燃料を噴射させて、吸気との混合を早めると同時に、圧縮行程後期の逆タンブル流崩壊により混合気の攪拌を強化させて、燃焼室４内に均質な混合気を形成させることにより、なめらかな急速燃焼を行わせ、これによってエンジンの高出力化を可能とする一方、燃焼室４における容積比Ａの値が０．４〜０．６の範囲内に設定されていて、燃焼室４の全容積に対するピストン凹所２４の容積Ｖａを適切な大きさとすることにより、燃費の向上と高出力化とをバランス良く実現することができ、また、ピストン凹所２４が球面状に形成されて、ピストン凹所２４の容積Ｖａに対するピストン凹所２４の表面積を最小にしすることにより、熱損失を低減させて燃焼効率を向上させることができ、この面からもエンジン出力の向上を図ることができる。
【００２０】
さらに、ピストン２の頂面と排気弁１２との間隔Ｄ２がピストン２の上死点において４〜８ｍｍの範囲内にあるように設定されていて、上記のようなエンジンの高負荷時や高速回転時でも、ピストン２の上死点近傍において、シリンダヘッド３の排気側下面１０とピストン２の排気側頂面２１との間の燃焼室空間５０に火炎が十分に伝播できる空間が確保され、しかも、上記燃焼室空間５０が燃焼室４の周縁にいくほど狭められた楔状の断面を有していて、燃焼室４における容積比Ａの値が前記の適切な範囲内に設定されているため、燃焼室４における容積Ｖｃが小さくとも、点火プラグ１３の放電電極１３ａ近傍を中心として燃焼を開始した火炎が、比較的隙間の大きい燃焼室中心側から空間５０内へ確実に伝播し、さらに、比較的隙間の小さい空間５０の燃焼室周縁側へも、他の燃焼室空間に対して遅れることなく伝播して、燃焼室４内でむらの少ない均一な燃焼を実現させることができるので、エンジンの高出力化を果たすことが可能となる。
【００２１】
また、エンジンの低負荷、低速回転時においては、上記のように、ピストン凹所２４に向かって燃焼室４内に流入した吸気が、ピストン凹所２４の球面状底面２６、または、球面状鋳肌２５及び球面状底面２７に沿って流れることにより反転し、次に、鋭く尖ったエッジ４０によりピストン凹所２４内から効果的に剥離してシリンダヘッド３の下面に向かい流動し、圧縮行程の後期でもピストン凹所２４内に逆タンブル流が形成されていると共に、ピストン２の上死点における放電電極１３ａとピストン凹所２４内面との最短距離Ｄ１が１〜２ｍｍ程度となるように、放電電極１３ａがピストン凹所２４の内面に近接して配置されているので、圧縮行程後期にインジェクタ１４からピストン凹所２４内へ燃料が噴射されると、その燃料噴霧は吸気の逆タンブル流に乗って点火プラグ１３の放電電極１３ａ近傍へ層状に送給され、しかも、ピストン２の上死点近傍において、シリンダヘッド３の排気側下面１０とピストン２の排気側頂面２１との間の燃焼室空間５０へ燃料噴霧が流入することは、ピストン２の頂面と排気弁１２との間隔Ｄ２が上記のように比較的狭く設定され、かつ、逆タンブル流が存在していることにより抑制されている。
【００２２】
従って、点火プラグ１３の放電電極１３ａ近傍に比較的濃い混合気が滞留するため、混合気が層状燃焼を行う結果、全体としては極めて希薄な混合気であるにもかかわらず、エンジンの低負荷、低速回転時において燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることができて、リーンバーンの達成によりエンジンの燃費向上に大きく貢献することができると同時に、低負荷運転の安定化が可能となり、かつ、排ガスの悪化も未然に防止することができる。
【００２３】
上記のように、ピストン凹所２４の底面が球面状に形成され、かつ、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１にエッジ４０が形成されていて、吸気がピストン凹所２４の底面に沿って流れることにより反転させられた後、エッジ４０によりピストン凹所２４内から剥離して、逆タンブル流を形成するが、ピストン凹所２４内から吸気流を効果的に剥離させるためには、エッジ４０が鋭く尖っていることが重要であり、また、このようにエッジ４０が鋭く尖っていれば、ピストン２の圧縮行程後期に凹所２４内へ向けて噴射された燃料が凹所２４内から排気側へ流出することが抑制され、点火プラグ１３まわりへの燃料集中が促進される。
【００２４】
ピストン２においては、凹所２４の底面２６または底面２７が除去加工、好ましくは切削加工により形成されているので、エッジ４０を鋭く尖らせることが容易に可能となって、吸気流の前記剥離作用を確実に行わせることができると共に、ピストン凹所２４の精度も容易に高めることが可能となって、ピストン２の上死点時に点火プラグ１３の放電電極１３ａがピストン凹所２４の内面と干渉することは確実に回避しながら、放電電極１３ａをピストン凹所２４の内面に近接して配置させることにより、エンジンの低負荷、低速回転時のピストン２上死点近傍において、放電電極１３ａの周辺へ燃料噴霧を層状に送給し、燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることができる。
【００２５】
また、ピストン凹所２４においては、底面２６または除去加工されなかった鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２に、鋳肌のままのゆるやかな曲面４１が存在しているので、燃焼室４内に流入してシリンダ１の内壁面に沿いピストン２の頂面へと流れる吸気は、ゆるやかな曲面４１によりピストン凹所２４内へスムースに導かれて、上記した逆タンブル流の生成を助長することができる一方、境界Ｍ２では、曲面４１の存在により燃焼熱の集中が防止されて、高温化が抑制されると共に、表面積の減少によって熱損失が減少し、従って、エンジンの高出力化を図ることができる。
【００２６】
さらに、鋳造により本体が成型されたピストン２の頂面は、部分的に凹所底面２６または凹所底面２７のみが除去加工、好ましくは切削加工されていて、除去加工の範囲が必要最小限度ですむため、ピストン２の製造コスト増大を効果的に抑制することができる利点がある。
【００２７】
しかも、ピストン凹所２４の内面は、球状底面２６または球状底面２７が除去加工、好ましくは切削加工により成形され、鋳肌と比較して滑らかな表面となっているため、この底面２６、２７に沿い吸気流はスムースに反転できるという効果があると共に、エンジンの低負荷、低速回転時におけるように、インジェクタ１４からピストン凹所２４内へ燃料が噴射された場合、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７に衝突した燃料は、それらの底面２６、２７に付着することなくエッジ４０へ向かって運ばれて、点火プラグ１３の放電電極１３ａ周辺へ確実に送給される長所があり、また、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７にはすすが付着しにくく、燃料の送給がすすにより大きく妨げられることを防止できるという効果もある。
【００２８】
なお、上記実施形態例においては、ピストン凹所２４の球面状鋳肌２５と球面状底面２６とが共通の中心点Ｏを有しているが、球面状底面２６が球面状鋳肌２５からほぼ全面的に除去加工されて、球面状底面２６と排気側頂面２１との境界Ｍ１に尖ったエッジ４０が形成されている限り、適宜中心点の位置を異にし、あるいは、球面状鋳肌２５に対して球面状底面２６の半径を適宜変更することができるものである。
【００２９】
また、上記実施形態例において、球面状底面２７が球面状鋳肌２５に対し部分的に形成されて、ピストン凹所２４の球面状底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１に尖ったエッジ４０が形成されている限り、球面状鋳肌２５の中心点Ｏと球面状底面２７の中心点Ｏ１との距離を適宜変更し、あるいは、球面状鋳肌２５に対して球面状底面２７の半径を適宜変更することも可能である。
【００３０】
また、上記各実施形態例において、底面２６または除去加工されなかった鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２に存在する鋳肌のままのゆるやかな曲面４１を、図９に示されたような断面直線の単一傾斜面６０に置き換え、もしくは、断面がそれぞれ直線的に折れ曲がった多段傾斜面に置き換え、もしくは、適宜の傾斜面と曲面とを組み合わせたものに置き換えても、上記各実施形態例とそれぞれ同様な作用効果を奏することができるものである。
【００３１】
図１０及び図１１に示す実施形態例では、ピストン凹所２４の底面が、適当な平面と曲面とがなめらかに接続された複合曲率面として構成され、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１には、仮想平面６と平行に延びる鋭く尖ったエッジ４０が除去加工、好ましくは切削加工により形成され、また、ピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２においては、ゆるやかな曲面４１によってピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３とが接続されており、この場合にあっても上記各実施形態例とそれぞれ同様な作用効果を奏することができる。
【００３２】
図１２に示す実施形態例では、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０との境界Ｍ３に、境界Ｍ２における曲面４１となめらかに接続されて、仮想平面６に向かい徐々に幅が狭められ、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７０が形成されており、境界Ｍ２及び境界Ｍ３の比較的長い範囲にわたってゆるやかな曲面４１及び曲面７０が存在しているので、ピストン２の頂面における比較的多くの部分で燃焼熱の集中を防止して、それらの高温化を抑制できると共に、表面積の減少によって熱損失も減少して、エンジンの高出力化を図ることができ、また、ピストン凹所２４には除去加工、好ましくは切削加工により鋭く尖ったエッジ４０が形成されているため、吸気の逆タンブル流を確実に形成させることができるので、上記各実施形態例と同等の作用効果を奏することができる。
【００３３】
図１３に示す実施形態例は、ピストン凹所２４の底面が、適当な平面と曲面とがなめらかに接続された複合曲率面として構成されて、ピストン凹所２４の底面２６または底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１に、仮想平面６と平行に延びる鋭く尖ったエッジ４０が除去加工、好ましくは切削加工により形成され、かつ、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０との境界Ｍ３に、ピストン凹所２４の底面と吸気側頂面２０とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７０が形成されると共に、ピストン凹所２４の底面と排気側頂面２１との境界Ｍ４に、ピストン凹所２４の底面と排気側頂面２１とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７１が形成されて、ピストン凹所２４の底面２６または鋳肌２５と平坦面２３との境界Ｍ２におけるゆるやかな曲面４１、曲面７０及び曲面７１がそれぞれなめらかに接続されており、上記各実施形態例と同様な作用効果を奏することができるものである。
【００３４】
なお、図１１、図１２及び図１３の実施形態例において、曲面４１、曲面７０及び曲面７１の幅をそれぞれ適当な大きさとし、及びまたは、曲面４１、曲面７０及び曲面７１をそれぞれ適当な傾斜面に置き換えることができるのはいうまでもない。
【００３５】
さらに、上記実施形態例におけるピストン凹所２４の底面２６、２７は、それぞれ球面状以外に略球面状等の適当な、かつ、なめらかな曲面からなる底面、または、一部に適宜の平坦面を含んだなめらかな曲面からなる底面に変更することも可能であり、あるいはまた、シリンダヘッドにおける吸気側下面と排気側下面の傾斜角をそれぞれ異ならせても良いものである。
【００３６】
また、上記各実施形態例では隆起部を有するピストンについて説明されているが、必ずしも隆起部を有するものに限定されることはなく、ほぼ頂面全体が平坦なピストンにおいて、点火プラグと対向する部位に凹所が形成されたものであってもよいことはいうまでもない。
【００３７】
さらに、上記各実施形態例は逆タンブル流を形成する直噴型エンジンのピストンであるが、従来技術として引用した特開平７−１０２９７６号公報所載のように、スワール流を用いた直噴型エンジンのピストンに本発明を適用することもできるものである。
すなわち、図１４及び図１５に例示されているように、鋳造ピストン２の頂面に形成された凹所２４の内面は、除去加工、好ましくは切削加工により部分的に成形されて点火プラグ１３と対向するなめらかな底面２７と、除去加工されないまま残された鋳肌２５とがなめらかに接続されて形成されており、底面２７と排気側頂面２１との境界Ｍ１には鋭く尖ったエッジ４０が形成され、また、鋳肌２５と吸気側頂面２０の一部との境界Ｍ３に、鋳肌２５と吸気側頂面２０とをなめらかに接続するゆるやかな曲面７０が形成されている。
【００３８】
この場合においても、上記各実施形態例と同様に、点火プラグ１３と対向するピストン凹所２４の底面２７が除去加工されているため、底面２７と点火プラグ１３とを容易に近接させることができるので、図１４の左半分に配置された図示しない吸気ポートから吸気が曲面７１に沿って凹所２４内に流入し、図１４の矢印が示すように凹所２４内に生成されたスワール流により、インジェクタから噴射された燃料をスムースに、かつ、確実に点火プラグ１３の周囲へ集めることが可能となって、燃料の着火性及び燃焼安定性を向上させることができる。
【００３９】
また、点火プラグ１３と対向するピストン凹所２４の底面２７が除去加工によりなめらかであるため、この底面２７にはすすが付着しにくくなるので、すすの付着により点火プラグ１３まわりへの燃料の送給が妨げられることも防止され、さらに、ピストン２全体が鋳造により成形されて、凹所２４内面の一部のみに除去加工が施されているため、ピストン加工のコスト低減を図ることができる。
【００４０】
また、境界Ｍ３にゆるやかな曲面７０が形成されているため、ピストン２の圧縮行程において凹所２４内に対するスワールの流入がスムースに行われ、しかも、点火プラグ１３周辺の境界Ｍ１には除去加工によりエッジ４０が形成されているので、点火プラグ１３の周囲に集められた燃料の拡散を効果的に防止することができる。なお、スワール流の旋回方向は上記と逆とすることも可能であり、また、ピストン頂面における平坦面２３と凹所２４内面の鋳肌２５との境界がなるべく尖るように鋳造して、凹所２４内からスワール流が流出しにくいようにするのが好ましい。
【００４１】
さらに、上記各実施形態例のピストンを２サイクルエンジンに適用することも可能であって、それぞれ上記各実施形態例と同様な作用効果を奏することができるものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明にかかるエンジン用ピストンにあっては、頂面に凹所が形成されたピストン本体が鋳造により成型されていても、点火プラグに対向する凹所の内面が精度のよい除去加工、好ましくは切削加工で成形されて、ピストンの上死点において上記凹所内面を点火プラグへ十分に近接させることが容易であり、また、上記凹所内面に沿う吸気及び燃料の流動がスムースとなるため、エンジンの低負荷、低速回転時でも、燃料を点火プラグの周囲へ確実に送給することができて、燃料の確実な着火及び安定した燃焼を実現させることが可能となり、さらには、ピストン本体の頂面のうち、部分的な凹所内面が除去加工、好ましくは切削加工されているに止まるため、ピストン加工時のコストアップを抑制することができて、実用上非常に有益である。
しかも、凹所の内面とピストン本体の頂面との境界が尖ったエッジに形成された部分では、点火プラグまわりへの燃料集中が促進されると共に、上記境界が鋳肌のままの部分では、高温化の抑制と、熱損失の減少によるエンジンの高出力化とを図ることができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例における縦断面図。
【図２】上記実施形態例の概略斜視図。
【図３】上記実施形態例の要部上面図。
【図４】図３のIV−IV矢視断面図。
【図５】上記実施形態例の変形における要部上面図。
【図６】図５のVI−VI矢視断面図
【図７】上記実施形態例の要部説明図。
【図８】上記実施形態例の要部説明図。
【図９】本発明の他の実施形態例における要部縦断面図。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１１】図１０のXI−XI矢視断面図
【図１２】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１３】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１４】本発明のさらに他の実施形態例における要部上面図。
【図１５】図１４のXV−XV矢視断面図
【符号の説明】
１ シリンダ
２ ピストン
３ シリンダヘッド
７ 吸気路
８ 排気路
９ 吸気側下面
１０ 排気側下面
１３ 点火プラグ
１３ａ 放電電極
１４ インジェクタ
２０ 吸気側頂面
２１ 排気側頂面
２３ 平坦面
２４ 凹所
２５ 球面状鋳肌
２６、２７ 底面
４０ エッジ
４１ 曲面
５０ 空間
６０ 傾斜面
７０、７１ 曲面
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４ 境界
Claims (4)
- 頂面に凹所を形成したピストン本体が鋳造により成型され、エンジンシリンダに嵌挿された上死点において点火プラグと対向する上記凹所の内面が、ほぼ全面的にまたは部分的に除去加工で成形されて、上記凹所の内面と上記ピストン本体の頂面との境界が、上記除去加工により尖ったエッジに形成された部分と鋳肌のままの部分とを有する火花点火式直噴型エンジン用ピストン。
- 請求項１において、上記
凹所の内面と上記ピストン本体の排気側頂面との境界が、上記除去加工により尖ったエッジに形成された火花点火式直噴型エンジン用ピストン。 - 請求項２において、上記凹所の内面と上記ピストン本体の吸気側頂面との境界がゆるやかな曲面によってなめらかに接続された火花点火式直噴型エンジン用ピストン。
- 請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、頂面に略ペントルーフ型の隆起部が形成され、上記隆起部にかけて成形された上記凹所の内面が略球面状である火花点火式直噴型エンジン用ピストン。
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| JP23844096A JP3716509B2 (ja) | 1996-08-21 | 1996-08-21 | 火花点火式直噴型エンジン用ピストン |
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|---|---|---|---|
| JP23844096A JP3716509B2 (ja) | 1996-08-21 | 1996-08-21 | 火花点火式直噴型エンジン用ピストン |
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| JPH1061487A JPH1061487A (ja) | 1998-03-03 |
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1996
- 1996-08-21 JP JP23844096A patent/JP3716509B2/ja not_active Expired - Lifetime
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