JP3835171B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主に成層燃焼を行わせることを目的としてシリンダ内にタンブル流を生起するようにした内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
筒内直接噴射式ガソリンエンジン等において、成層燃焼運転時にエンジンの燃焼安定性を確保するためには、燃料噴霧を安定して点火プラグ付近に移送させることが重要である。このための従来技術として、ピストン冠面にタンブル流に沿って凹部を設け、この凹部に保持させたタンブル流により燃料噴霧を点火プラグ付近に移送させるようにしたものがある（特開平11-343851号公報参照）。
【０００３】
しかしながら、従来のものは凹部底部の形状が平坦であるため、特に２吸気弁形式として並列的に２列のタンブルを生起するようにしたものでは、例えば高回転時のタンブル流流速が速い場合、２つのタンブル流がうまく整流されないため、流速や流れの乱れのサイクル変動が大きくなり、また点火プラグヘの噴霧の移送状態が変動することから、エンジンの燃焼安定性が悪化してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、圧縮行程から燃焼行程に至るまで２系統のタンブル流を安定的に保持して燃焼安定性を改善することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内に並列的に生起される２列のタンブル流に沿って冠面に凹部を形成した内燃機関のピストンにおいて、前記凹部の、タンブル流が交差する縦断面における、タンブル流の外周に接する底面の形状を、各タンブル流間の領域が低くなるように傾斜した形状とした。
【０００６】
第２の発明は、前記凹部の縦断面形状を、凹部の各タンブル流に対する両側方域から前記中間域に向かって直線的に傾斜する略Ｖ字形状とした。
【０００７】
第３の発明は、前記凹部底面の各タンブル流に対する両側方に、凹部内のタンブル流の側面に対向するように側壁部を形成した。
【０００８】
第４の発明は、前記側壁部をピストン内側方向に傾斜させた。
【０００９】
シリンダ内に並列的に生起される２列のタンブル流に沿って冠面に凹部を形成した内燃機関のピストンにおいて、前記凹部底面の各タンブル流に対する両側方に、凹部内のタンブル流の側面に沿って、該タンブル流の旋回面に対して平面視においてはほぼ平行であるとともに、ピストン内側方向に傾斜した側壁部を形成した。
【００１０】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明によれば、燃焼室ないしシリンダ内に導入された２列のタンブル流は、前記凹部の底面領域に向かって傾斜した断面形状に基づき、それぞれが凹部底面の向かい合う傾斜面に沿って互いの方向に傾き、この傾いた状態が維持されるため、タンブル流の回転面が変動することに原因する流速や乱れのサイクル変動が防止され、これにより圧縮行程から燃焼行程に至るまで安定したガス流動が確保される。したがって、直噴式内燃機関においてはインジェクタから噴射された燃料噴霧を安定的に点火プラグ付近へ移送して安定した着火および燃焼が得られる。また、凹部底面の中間域を低くしたことにより、点火プラグとピストン頂部（凹部底面）とのあいだの空間が広がることから、火炎の成長が妨げられず、このため燃焼期間を短縮することができる。
【００１１】
また、第２の発明として示したように前記凹部の縦断面形状を略Ｖ字形状とすること、または第３の発明として示したように凹部に側壁部を形成すること、さらには第４の発明として示したように前記側壁部をピストン内側方向に傾斜させた構成とすることにより、前述した凹部底面形状によるタンブル流の傾斜状態をより安定させることができる。
【００１２】
また、第５の発明として示したように、凹部の両側面にピストン内側方向に傾斜した側壁部を形成した構成のみによっても、前記各発明と同様に２列のタンブル流の傾きを安定させる効果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を直噴式内燃機関のピストンに適用した実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図４において、１はピストン、２はピストン１の冠面に形成された凹部、３は吸気ポート、４は吸気弁、５は排気弁、６はインジェクタ、７は点火プラグ、８は燃焼室、９は吸気制御弁、１０は排気ポートである。
【００１４】
吸気ポート３と排気ポート１０はそれぞれ２系統が対向して４弁クロスフロー形式のペントルーフ形燃焼室を形成しており、その中央部に点火プラグ７が配置されている。各吸気ポート３に設けられた吸気制御弁９は図示しないアクチュエータにより開閉駆動され、所定の運転領域で吸気ポート３を部分的に閉ざすことにより燃焼室８へと向かう吸気流を偏らせてタンブル流Ｔを生起するように構成されている。インジェクタ６は２系統の吸気ポート３の中間部に位置し、その噴射燃料噴霧が前記タンブル流Ｔに乗って点火プラグ７の付近に移送されるように方向が設定されている。
【００１５】
ピストン１の凹部２は、シリンダ内に生起されるタンブル流Ｔの旋回面に対してほぼ平行な断面の形状としては、図１に示したように底面２ａがタンブル流Ｔの流線に沿った円弧状の形状となっており、これに直交する断面の形状は、図４にも示したように２列のタンブル流Ｔの間の領域が低くなった略Ｖ字形状の底面形状となっている。また、前記凹部底面２ａの各タンブル流Ｔに対する両側方に、凹部内のタンブル流Ｔの側面に沿って、ピストン内側方向に傾斜した側壁部２ｂが形成されている。なお、この実施形態の場合、前記底面２ａの中央部における水平面に対する傾斜角度θ1は約７度、側壁部２ｂの鉛直面に対する内側への傾斜角度θ2は約１０度にそれぞれ設定されている。
【００１６】
図５〜図７に従来のピストンと比較した前記実施形態のピストンによる作用および効果を示す。従来のものでは、図５の左欄内に示したようにシリンダ内に生起された２列のタンブル流Ｔは圧縮行程初期においては整列状態にあるものの、ピストン凹部２の底面が平坦であるため旋回面が不安定であり、ピストンが圧縮上死点前約４０度の点火直前の位置に達するまでのあいだに各タンブル流が不特定の方向に傾斜してしまう。タンブル流は、圧縮行程後期の上死点近傍で流れが崩壊して乱れに変換され、このときの乱れ強さがある程度大きいほど急速燃焼が可能となる。また、圧縮行程後期に噴射した燃料をタンブル流に乗せて、点火プラグ近傍へ移送し成層燃焼を実現出来る。しかしながら、特に機関負荷または回転速度が高くてタンブル流が強い場合には、従来のものでは前述のようにしてタンブル流Ｔの挙動が不安定になり、流速や乱れのサイクル変動、および燃料の点火プラグ近傍への移送のサイクル変動が顕著になってしまう。
【００１７】
これに対して本発明では、凹部２のＶ字形の底面形状および内側に傾斜した側壁部２ｂ（それぞれ図４参照）により、図５の右欄内に示したように２列のタンブル流Ｔの傾斜方向が規制されるため、圧縮上死点に至ってもタンブル流Ｔの傾斜が維持される。このようにして上死点近傍でのタンブル流Ｔの傾き方向が一定に制限されることから、シリンダ内の流れおよび乱れが安定し、その結果として特に中速中負荷以上の運転領域においても、図６および図７に示したように燃料移送状態および燃焼期間が安定する効果が得られるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した直接噴射式内燃機関の実施形態を示す燃焼室付近の縦断面図。
【図２】図１の燃焼室の底面図。
【図３】実施形態のピストンの平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ端面図。
【図５】実施形態の作用を従来例との比較において表した説明図。
【図６】実施形態による効果を、タンブル強さと流速（乱れ）のサイクル変動との関係から、従来例との比較において表した第１の性能線図。
【図７】実施形態による効果を、機関負荷状態と燃焼期間のサイクル変動との関係から、従来例との比較において表した第２の性能線図。
【符号の説明】
１ ピストン
２ 凹部
３ 吸気ポート
４ 吸気弁
５ 排気弁
６ インジェクタ
７ 点火プラグ
８ 燃焼室
９ 吸気制御弁
１０ 排気ポート
Ｔ タンブル流

Claims (5)

  1. シリンダ内に並列的に生起される２列のタンブル流に沿って冠面に凹部を形成した内燃機関のピストンにおいて、
    前記凹部の、タンブル流が交差する縦断面における、タンブル流の外周に接する底面の形状を、各タンブル流間の領域が低くなるように傾斜した形状とした内燃機関のピストン。
  2. 前記凹部の縦断面形状は、凹部の各タンブル流に対する両側方域から前記中間域に向かって直線的に傾斜する略Ｖ字形状である請求項１に記載の内燃機関のピストン。
  3. 凹部底面の各タンブル流に対する両側方に、凹部内のタンブル流の側面に沿って側壁部を形成した請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。
  4. 前記側壁部はピストン内側方向に傾斜している請求項３に記載の内燃機関のピストン。
  5. シリンダ内に並列的に生起される２列のタンブル流に沿って冠面に凹部を形成した内燃機関のピストンにおいて、
    前記凹部底面の各タンブル流に対する両側方に、凹部内のタンブル流の側面に沿って、該タンブル流の旋回面に対して平面視においてはほぼ平行であるとともに、ピストン内側方向に傾斜した側壁部を形成した内燃機関のピストン。
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