JP3903581B2 - 筒内噴射式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】
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。
【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。
【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、特開平８−３５４２９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ボウル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このボウル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。上記ボウルは、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、このボウル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。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、成層希薄燃焼時には、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ボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷運転時の出力を向上させるには吸気の充填効率を向上させる必要があり、例えば、吸気弁の最大リフト量を大きくすることが考えられる。この場合、吸気弁をできるだけ早期から開き始めるのが好ましい。また、低中速運転時には吸気弁を早期に閉じると充填効率が向上し、高速運転時には吸気弁の閉じ時期を遅らせると充填効率が向上するので、例えば、吸気側カムシャフトのクランクシャフトに対する位相を遅進させる可変動弁機構を用いてバルブリフト特性を可変制御することが考えられる。この場合、吸気弁を早期に閉じるときにはその分開時期も早まることになる。
【０００６】
このように、高負荷運転時の出力向上を図ろうとすると吸気弁の開時期を早める必要が生じる場合が多く、このときには、吸気上死点付近でも吸気弁がリフトを開始することになるため、吸気弁とピストンとの干渉を回避するバルブリセスをピストン冠面に凹設することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、上記従来の筒内噴射式内燃機関用ピストンに、吸気弁との干渉を避けるためにバルブリセスを付加したとすると、ボウルとバルブリセスとが部分的に重なったものとなる。つまり、ボウルの外周部に臨んだバルブリセスが、ボウルに比して相対的に浅底で、特に圧縮上死点付近で狭い領域となる。このため、ボウル内に噴射された燃料の一部が狭いバルブリセス側へ侵入して、火炎の伝播が困難となり、未燃燃料の増加，並びに燃費，排気性能の悪化等の燃焼性能の低下を招聘する虞がある。
【０００８】
この発明は、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能な筒内噴射式内燃機関のピストンで、燃焼性能を更に改善することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、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ている。
【００１０】
そして、請求項１の発明は、ピストン頂部に、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及び排気弁側傾斜面と、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略皿形のボウルと、このボウルと部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を有し、上記ボウルの底面を上記吸気弁側傾斜面に略平行な平面とし、かつ、上記成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するように、上記ボウルの底面と上記バルブリセスの底面とを連続する同一平面に形成したことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２の発明は、ピストン頂部に、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及び排気弁側傾斜面と、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略皿形のボウルと、このボウルと部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を有し、上記ボウルの底面を上記吸気弁側傾斜面に略平行な平面とし、かつ、上記成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するように、上記バルブリセスの底面を、上記ボウルの底面へ接続する傾斜面に形成したことを特徴としている。
【００１３】
更に好ましくは、請求項３の発明のように、上記吸気弁のバルブリフト特性を可変制御する可変動弁機構を備えている。
【００１４】
上記の構成により、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。ここで、ピストン上死点においてシリンダヘッド側の燃焼室とピストン頂部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。従って、シリンダ内に生成されたスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル（及びバルブリセス）内に良好に封じ込められる。そして、上死点近傍で燃料がボウル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。
【００１５】
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ボウル（及びバルブリセス）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。
【００１６】
そして、請求項１，２の発明では、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に一対のバルブリセスが凹設されているため、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能となり、均質燃焼時の出力向上を図る場合に有利である。
【００１７】
ここで、請求項１の発明では、ボウルの底面とバルブリセスの底面とを連続する同一平面に形成しているので、従来例のようにバルブリセスの部分が局所的に狭くなることはなく、ボウルからバルブリセスにわたって全体的に火炎が伝播するようになる。この結果、特に成層燃焼時の燃焼性能が向上し、具体的には、未燃燃料の排出が抑制されるとともに、燃費や排気性能が向上する。
【００１８】
また、請求項２の発明では、バルブリセスの底面を、上記ボウルの底面へ接続する傾斜面に形成したため、特に成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するようになる。この結果、燃焼性能が向上し、具体的には、未燃燃料の排出が抑制されるとともに、燃費や排気性能が向上する。
【００１９】
一方、請求項３の発明では、吸気弁の弁頭部との干渉を回避するようにボウルが凹設されているため、吸気上死点付近で吸気弁にリフトを与えることが可能である。
【００２０】
そして、請求項３の発明のボウルは、その開口部が楕円状をなす略椀状に形成されており、隅角部分のない滑らかな形状となっている。この結果、燃焼室内のガス流れが円滑になるとともに、ヒートスポットが発生し難くなり、均質燃焼時の全開性能が向上するとともに、成層燃焼時にボウル内で火炎が良好に伝播するようになり、燃焼特性の更なる向上を図ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能で、特に高負荷運転時の出力向上に有利である。
【００２２】
そして、請求項１，２の発明では、成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって全体的に火炎が伝播するようになり、未燃燃料の排出が抑制されるとともに、燃費や排気性能の向上を図ることができる。
【００２３】
また、請求項３の発明では、燃焼室内のガス流れが円滑になるとともに、ヒートスポットが発生し難くなり、均質燃焼時の全開性能が向上するとともに、成層燃焼時にボウル内で火炎が良好に伝播するようになり、燃焼特性の更なる向上を図ることができる。
【００２４】
【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。
【００２５】
始めに、この発明に係るピストン４が適用さ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。上記吸気弁５に対しては、詳細には図示していないが、公知の可変動弁機構が設けられており、機関運転条件に応じてバルブリフト特性を可変制御できる構成となっている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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ボウル１２が凹設されており、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の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。
【００２９】
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、この吸気通路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。
【００３０】
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、ボウル１２や後述するバルブリセス３１，３２（図３〜５）内に滞留することなく均質化が促進される。
【００３１】
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からボウル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頂部のボウル１２やバルブリセス３１，３２（図３〜５）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。
【００３２】
次に、図３〜５に基づいて、本発明の第１実施例に係わるピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００３３】
このピストン４の頂部をなす凸部２１には、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（図１，２）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が形成されているとともに、吸気弁側に偏心した位置にボウル１２が凹設されている。そして、このボウル１２と部分的に重なるように、吸気弁５の弁頭部に対応して一対のバルブリセス３１，３２が吸気弁側傾斜面２２に凹設されている。
【００３４】
ボウル１２は、平面視で略円形をなし、かつピストン４の半径よりも大きい直径を有しており、吸気弁側傾斜面２２から排気弁側傾斜面２３に亙って凹設されている。またボウル１２は、その底面１２ａが円形の平面に形成されるとともに、その側壁面１２ｂが上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった皿形をなし、かつ、その両側がバルブリセス３１，３２によって部分的に切り欠かれた形状となっている。なお、ピストン４が上死点にあるときに、点火プラグ７がボウル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。
【００３５】
上記バルブリセス３１，３２は、吸気弁５の傾斜方向に沿う円柱状に凹設されているものであるが、上記ボウル１２と重なり合っているので、それぞれ略半円状に現れている。
【００３６】
そして、本実施例では、バルブリセス３１，３２の底面３１ａ，３２ａを、ボウル１２の底面１２ａと連続する同一平面に形成している。言い換えると、ボウル１２とバルブリセス３１，３２とを同じ深さに設定しており、バルブリセス底面３１ａ，３２ａと、ボウル底面１２ａとは、吸気弁側傾斜面２２に略平行な同一平面となっている。
【００３７】
また、図５に示すように、吸気弁５とバルブリセス底面３１ａ，３２ａとの間には十分な間隙が確保されており、吸気弁５がピストン４と干渉することはない。この結果、吸気上死点付近でも吸気弁５にリフトを与えることができる。
【００３８】
図６は、成層燃焼時におけるピストン４や燃料噴霧等の挙動を示している。（ａ）に示すように圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて噴射された燃料噴霧Ｆは、（ｂ）に示すようにボウル１２内を旋回するスワールに乗って点火プラグ７側へ移動し、この点火プラグ７周辺に可燃混合気Ｆを形成する。そして、適宜なタイミングで混合気Ｆが着火されると、ボウル底面１２ａとバルブリセス底面３１ａ，３２ａとが同一平面に形成されているため、（ｃ）に示すように、その火炎Ｇがボウル１２からバルブリセス３１，３２にわたって良好に伝播される。そして最終的には、（ｄ）に示すように火炎Ｇがボウル１２並びにバルブリセス３１，３２の全体にわたって良好に広がり、未燃燃料を残さずに良好な燃焼が行われる。
【００３９】
なお、バルブリセス３１，３２は吸気弁側傾斜面２２の内側に凹設されているため、バルブリセス３１，３２の外周部には吸気弁側傾斜面２２の一部が残存している。従って、ピストン４が上死点に近づくと、凸部２１の各面がシリンダヘッド２側の対応する面にそれぞれ近接するため、ボウル１２及びバルブリセス３１，３２が全周に亙って良好にシールされた状態となる。従って、ボウル１２及びバルブリセス３１，３２内のスワールや混合気が外部へ漏出せずに燃焼が良好に進行する。
【００４０】
一方、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、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）の上にボウル１２が位置し、かつ、上記ボウル１２並びにバルブリセス３１，３２が薄底の略皿形をなしているので、ボウル１２やバルブリセス３１，３２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。
【００４１】
次に、図７〜９に基づいて、本発明の第２実施例に係わるピストンについて説明する。なお、後述する第２実施例及び参考例において、上記第１実施例と同一の構成には同じ参照符号を付して、重複する構成及び作用効果の説明を適宜省略する。
【００４２】
この第２実施例では、一対のバルブリセス４１，４２の底面４１ａ，４２ａが、ボウル１２の底面１２ａの外周縁部に接続する傾斜面となっている。つまり、上記底面４１ａ，４２ａは、吸気弁側傾斜面２２に沿って、ピストンピンに直交する中心線Ｌ１の方向へ傾斜する略半円弧状の平面となっている。なお、バルブリセス４１，４２の内周面４１ｂ，４２ｂは、上記第１実施例と同様、吸気弁５の弁頭部に対応して、吸気弁５の傾斜方向に沿う周壁面となっている。
【００４３】
また、図９に示すように、吸気弁５がピストン４冠面と干渉することのないように、バルブリセス４１，４２の最短深さＤ１が設定されている。従って、圧縮上死点付近でも吸気弁５にリフトを与えることが可能である。
【００４４】
このような第２実施例の構成によれば、バルブリセス４１，４２の底面４１ａ，４２ａがボウル１２の底面１２ａに接続する傾斜面となっているため、上記第１実施例と同じ様に、成層燃焼時にボウル１２からバルブリセス４１，４２にわたって火炎が良好に伝播し、燃焼が良好なものとなる。
【００４５】
また、この実施例のバルブリセス４１，４２は、上記第１実施例のバルブリセス３１，３２に比して、図９に網線で示した領域Ｒの分だけ容積が実質的に低減されており、圧縮比低下に起因する出力低下を抑制することができる。
【００４６】
次に、図１０〜１２を参照して、参考例に係るピストンについて説明する。
【００４７】
この参考例のボウル５０は、吸気弁５がピストン４冠面と干渉することのないように、その開口部５０ａがピストンピン軸方向に長尺な楕円状をなす略椀状に凹設されている。つまりボウル５０の表面が滑らかな１つの半球状の湾曲面となっている。すなわちボウル５０は、吸気弁５の弁頭部を実質的に収容し得るように凹設されており、上記第１，第２実施例のバルブリセスの機能を兼用している。従って、圧縮上死点付近で吸気弁５がリフトしても、図１２に示すように吸気弁５がピストン４冠面に干渉することはない。
【００４８】
この参考例によれば、ピストン４冠面にバルブリセスがなく、かつ、ボウル５０が滑らかな湾曲形状となっているため、均質燃焼時においては、ガス流れが良好になるとともに、ヒートスポットが発生し難くなり、異常燃焼が抑制されるとともに、全開性能の更なる向上を図ることができる。また、ボウル５０が滑らかな湾曲形状をなしていることから、成層燃焼時においては、火炎がボウル５０内で良好に伝播し、燃料が滞留することなく良好に燃焼が進行する。
【００４９】
更に、参考例では、上記第１，第２実施例のようにバルブリセスをボウルと別個に凹設する必要がないので、その製造が更に容易となる。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す斜視図。
【図４】第１実施例のピストンの平面図。
【図５】図４のＡ１−Ａ１線に沿う断面図。
【図６】第１実施例のボウル内に噴射された燃料の挙動を示す説明図。
【図７】この発明に係るピストンの第２実施例を示す斜視図。
【図８】第２実施例のピストンの平面図。
【図９】図８のＡ２−Ａ２線に沿う断面図。
【図１０】 この発明に係るピストンの参考例を示す斜視図。
【図１１】 上記参考例のピストンの平面図。
【図１２】図１１のＡ３−Ａ３線に沿う断面図。
【符号の説明】
４…ピストン
５…吸気弁
１２…ボウル
２１…凸部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
３１，３２…バルブリセス
３１ａ，３２ａ…底面
４１，４２…バルブリセス
４１ａ，４２ａ…底面
５０…ボウル
【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。
【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。
【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、特開平８−３５４２９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ボウル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このボウル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。上記ボウルは、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、このボウル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。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、成層希薄燃焼時には、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ボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷運転時の出力を向上させるには吸気の充填効率を向上させる必要があり、例えば、吸気弁の最大リフト量を大きくすることが考えられる。この場合、吸気弁をできるだけ早期から開き始めるのが好ましい。また、低中速運転時には吸気弁を早期に閉じると充填効率が向上し、高速運転時には吸気弁の閉じ時期を遅らせると充填効率が向上するので、例えば、吸気側カムシャフトのクランクシャフトに対する位相を遅進させる可変動弁機構を用いてバルブリフト特性を可変制御することが考えられる。この場合、吸気弁を早期に閉じるときにはその分開時期も早まることになる。
【０００６】
このように、高負荷運転時の出力向上を図ろうとすると吸気弁の開時期を早める必要が生じる場合が多く、このときには、吸気上死点付近でも吸気弁がリフトを開始することになるため、吸気弁とピストンとの干渉を回避するバルブリセスをピストン冠面に凹設することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、上記従来の筒内噴射式内燃機関用ピストンに、吸気弁との干渉を避けるためにバルブリセスを付加したとすると、ボウルとバルブリセスとが部分的に重なったものとなる。つまり、ボウルの外周部に臨んだバルブリセスが、ボウルに比して相対的に浅底で、特に圧縮上死点付近で狭い領域となる。このため、ボウル内に噴射された燃料の一部が狭いバルブリセス側へ侵入して、火炎の伝播が困難となり、未燃燃料の増加，並びに燃費，排気性能の悪化等の燃焼性能の低下を招聘する虞がある。
【０００８】
この発明は、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能な筒内噴射式内燃機関のピストンで、燃焼性能を更に改善することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、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ている。
【００１０】
そして、請求項１の発明は、ピストン頂部に、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及び排気弁側傾斜面と、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略皿形のボウルと、このボウルと部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を有し、上記ボウルの底面を上記吸気弁側傾斜面に略平行な平面とし、かつ、上記成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するように、上記ボウルの底面と上記バルブリセスの底面とを連続する同一平面に形成したことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２の発明は、ピストン頂部に、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及び排気弁側傾斜面と、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略皿形のボウルと、このボウルと部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を有し、上記ボウルの底面を上記吸気弁側傾斜面に略平行な平面とし、かつ、上記成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するように、上記バルブリセスの底面を、上記ボウルの底面へ接続する傾斜面に形成したことを特徴としている。
【００１３】
更に好ましくは、請求項３の発明のように、上記吸気弁のバルブリフト特性を可変制御する可変動弁機構を備えている。
【００１４】
上記の構成により、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。ここで、ピストン上死点においてシリンダヘッド側の燃焼室とピストン頂部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。従って、シリンダ内に生成されたスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル（及びバルブリセス）内に良好に封じ込められる。そして、上死点近傍で燃料がボウル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。
【００１５】
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ボウル（及びバルブリセス）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。
【００１６】
そして、請求項１，２の発明では、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に一対のバルブリセスが凹設されているため、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能となり、均質燃焼時の出力向上を図る場合に有利である。
【００１７】
ここで、請求項１の発明では、ボウルの底面とバルブリセスの底面とを連続する同一平面に形成しているので、従来例のようにバルブリセスの部分が局所的に狭くなることはなく、ボウルからバルブリセスにわたって全体的に火炎が伝播するようになる。この結果、特に成層燃焼時の燃焼性能が向上し、具体的には、未燃燃料の排出が抑制されるとともに、燃費や排気性能が向上する。
【００１８】
また、請求項２の発明では、バルブリセスの底面を、上記ボウルの底面へ接続する傾斜面に形成したため、特に成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するようになる。この結果、燃焼性能が向上し、具体的には、未燃燃料の排出が抑制されるとともに、燃費や排気性能が向上する。
【００１９】
一方、請求項３の発明では、吸気弁の弁頭部との干渉を回避するようにボウルが凹設されているため、吸気上死点付近で吸気弁にリフトを与えることが可能である。
【００２０】
そして、請求項３の発明のボウルは、その開口部が楕円状をなす略椀状に形成されており、隅角部分のない滑らかな形状となっている。この結果、燃焼室内のガス流れが円滑になるとともに、ヒートスポットが発生し難くなり、均質燃焼時の全開性能が向上するとともに、成層燃焼時にボウル内で火炎が良好に伝播するようになり、燃焼特性の更なる向上を図ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能で、特に高負荷運転時の出力向上に有利である。
【００２２】
そして、請求項１，２の発明では、成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって全体的に火炎が伝播するようになり、未燃燃料の排出が抑制されるとともに、燃費や排気性能の向上を図ることができる。
【００２３】
また、請求項３の発明では、燃焼室内のガス流れが円滑になるとともに、ヒートスポットが発生し難くなり、均質燃焼時の全開性能が向上するとともに、成層燃焼時にボウル内で火炎が良好に伝播するようになり、燃焼特性の更なる向上を図ることができる。
【００２４】
【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。
【００２５】
始めに、この発明に係るピストン４が適用さ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。上記吸気弁５に対しては、詳細には図示していないが、公知の可変動弁機構が設けられており、機関運転条件に応じてバルブリフト特性を可変制御できる構成となっている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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ボウル１２が凹設されており、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の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。
【００２９】
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、この吸気通路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。
【００３０】
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、ボウル１２や後述するバルブリセス３１，３２（図３〜５）内に滞留することなく均質化が促進される。
【００３１】
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からボウル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頂部のボウル１２やバルブリセス３１，３２（図３〜５）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。
【００３２】
次に、図３〜５に基づいて、本発明の第１実施例に係わるピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００３３】
このピストン４の頂部をなす凸部２１には、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（図１，２）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が形成されているとともに、吸気弁側に偏心した位置にボウル１２が凹設されている。そして、このボウル１２と部分的に重なるように、吸気弁５の弁頭部に対応して一対のバルブリセス３１，３２が吸気弁側傾斜面２２に凹設されている。
【００３４】
ボウル１２は、平面視で略円形をなし、かつピストン４の半径よりも大きい直径を有しており、吸気弁側傾斜面２２から排気弁側傾斜面２３に亙って凹設されている。またボウル１２は、その底面１２ａが円形の平面に形成されるとともに、その側壁面１２ｂが上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった皿形をなし、かつ、その両側がバルブリセス３１，３２によって部分的に切り欠かれた形状となっている。なお、ピストン４が上死点にあるときに、点火プラグ７がボウル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。
【００３５】
上記バルブリセス３１，３２は、吸気弁５の傾斜方向に沿う円柱状に凹設されているものであるが、上記ボウル１２と重なり合っているので、それぞれ略半円状に現れている。
【００３６】
そして、本実施例では、バルブリセス３１，３２の底面３１ａ，３２ａを、ボウル１２の底面１２ａと連続する同一平面に形成している。言い換えると、ボウル１２とバルブリセス３１，３２とを同じ深さに設定しており、バルブリセス底面３１ａ，３２ａと、ボウル底面１２ａとは、吸気弁側傾斜面２２に略平行な同一平面となっている。
【００３７】
また、図５に示すように、吸気弁５とバルブリセス底面３１ａ，３２ａとの間には十分な間隙が確保されており、吸気弁５がピストン４と干渉することはない。この結果、吸気上死点付近でも吸気弁５にリフトを与えることができる。
【００３８】
図６は、成層燃焼時におけるピストン４や燃料噴霧等の挙動を示している。（ａ）に示すように圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて噴射された燃料噴霧Ｆは、（ｂ）に示すようにボウル１２内を旋回するスワールに乗って点火プラグ７側へ移動し、この点火プラグ７周辺に可燃混合気Ｆを形成する。そして、適宜なタイミングで混合気Ｆが着火されると、ボウル底面１２ａとバルブリセス底面３１ａ，３２ａとが同一平面に形成されているため、（ｃ）に示すように、その火炎Ｇがボウル１２からバルブリセス３１，３２にわたって良好に伝播される。そして最終的には、（ｄ）に示すように火炎Ｇがボウル１２並びにバルブリセス３１，３２の全体にわたって良好に広がり、未燃燃料を残さずに良好な燃焼が行われる。
【００３９】
なお、バルブリセス３１，３２は吸気弁側傾斜面２２の内側に凹設されているため、バルブリセス３１，３２の外周部には吸気弁側傾斜面２２の一部が残存している。従って、ピストン４が上死点に近づくと、凸部２１の各面がシリンダヘッド２側の対応する面にそれぞれ近接するため、ボウル１２及びバルブリセス３１，３２が全周に亙って良好にシールされた状態となる。従って、ボウル１２及びバルブリセス３１，３２内のスワールや混合気が外部へ漏出せずに燃焼が良好に進行する。
【００４０】
一方、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、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）の上にボウル１２が位置し、かつ、上記ボウル１２並びにバルブリセス３１，３２が薄底の略皿形をなしているので、ボウル１２やバルブリセス３１，３２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。
【００４１】
次に、図７〜９に基づいて、本発明の第２実施例に係わるピストンについて説明する。なお、後述する第２実施例及び参考例において、上記第１実施例と同一の構成には同じ参照符号を付して、重複する構成及び作用効果の説明を適宜省略する。
【００４２】
この第２実施例では、一対のバルブリセス４１，４２の底面４１ａ，４２ａが、ボウル１２の底面１２ａの外周縁部に接続する傾斜面となっている。つまり、上記底面４１ａ，４２ａは、吸気弁側傾斜面２２に沿って、ピストンピンに直交する中心線Ｌ１の方向へ傾斜する略半円弧状の平面となっている。なお、バルブリセス４１，４２の内周面４１ｂ，４２ｂは、上記第１実施例と同様、吸気弁５の弁頭部に対応して、吸気弁５の傾斜方向に沿う周壁面となっている。
【００４３】
また、図９に示すように、吸気弁５がピストン４冠面と干渉することのないように、バルブリセス４１，４２の最短深さＤ１が設定されている。従って、圧縮上死点付近でも吸気弁５にリフトを与えることが可能である。
【００４４】
このような第２実施例の構成によれば、バルブリセス４１，４２の底面４１ａ，４２ａがボウル１２の底面１２ａに接続する傾斜面となっているため、上記第１実施例と同じ様に、成層燃焼時にボウル１２からバルブリセス４１，４２にわたって火炎が良好に伝播し、燃焼が良好なものとなる。
【００４５】
また、この実施例のバルブリセス４１，４２は、上記第１実施例のバルブリセス３１，３２に比して、図９に網線で示した領域Ｒの分だけ容積が実質的に低減されており、圧縮比低下に起因する出力低下を抑制することができる。
【００４６】
次に、図１０〜１２を参照して、参考例に係るピストンについて説明する。
【００４７】
この参考例のボウル５０は、吸気弁５がピストン４冠面と干渉することのないように、その開口部５０ａがピストンピン軸方向に長尺な楕円状をなす略椀状に凹設されている。つまりボウル５０の表面が滑らかな１つの半球状の湾曲面となっている。すなわちボウル５０は、吸気弁５の弁頭部を実質的に収容し得るように凹設されており、上記第１，第２実施例のバルブリセスの機能を兼用している。従って、圧縮上死点付近で吸気弁５がリフトしても、図１２に示すように吸気弁５がピストン４冠面に干渉することはない。
【００４８】
この参考例によれば、ピストン４冠面にバルブリセスがなく、かつ、ボウル５０が滑らかな湾曲形状となっているため、均質燃焼時においては、ガス流れが良好になるとともに、ヒートスポットが発生し難くなり、異常燃焼が抑制されるとともに、全開性能の更なる向上を図ることができる。また、ボウル５０が滑らかな湾曲形状をなしていることから、成層燃焼時においては、火炎がボウル５０内で良好に伝播し、燃料が滞留することなく良好に燃焼が進行する。
【００４９】
更に、参考例では、上記第１，第２実施例のようにバルブリセスをボウルと別個に凹設する必要がないので、その製造が更に容易となる。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す斜視図。
【図４】第１実施例のピストンの平面図。
【図５】図４のＡ１−Ａ１線に沿う断面図。
【図６】第１実施例のボウル内に噴射された燃料の挙動を示す説明図。
【図７】この発明に係るピストンの第２実施例を示す斜視図。
【図８】第２実施例のピストンの平面図。
【図９】図８のＡ２−Ａ２線に沿う断面図。
【図１０】 この発明に係るピストンの参考例を示す斜視図。
【図１１】 上記参考例のピストンの平面図。
【図１２】図１１のＡ３−Ａ３線に沿う断面図。
【符号の説明】
４…ピストン
５…吸気弁
１２…ボウル
２１…凸部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
３１，３２…バルブリセス
３１ａ，３２ａ…底面
４１，４２…バルブリセス
４１ａ，４２ａ…底面
５０…ボウル
Claims (3)
- 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、
ピストン頂部に、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及び排気弁側傾斜面と、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略皿形のボウルと、このボウルと部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を有し、
上記ボウルの底面を上記吸気弁側傾斜面に略平行な平面とし、かつ、上記成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するように、上記ボウルの底面と上記バルブリセスの底面とを連続する同一平面に形成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。 - 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、
ピストン頂部に、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及び排気弁側傾斜面と、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略皿形のボウルと、このボウルと部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を有し、
上記ボウルの底面を上記吸気弁側傾斜面に略平行な平面とし、かつ、上記成層燃焼時にボウルからバルブリセスにわたって良好に火炎が伝播するように、上記バルブリセスの底面を、上記ボウルの底面へ接続する傾斜面に形成したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。 - 上記吸気弁のバルブリフト特性を可変制御する可変動弁機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
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