JP4222374B2

JP4222374B2 - 直噴火花点火式内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP4222374B2
Application number: JP2006032356A
Authority: JP
Inventors: 宣久神宮
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: JP2006138328A

Description

本発明は、直噴火花点火式内燃機関のピストンに関し、特にその冠面形状に関する。

従来の直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいては、例えば特許文献１に示されるように、その冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティ（凹状燃焼室）を形成し、圧縮行程にてこのキャビティに向けて燃料を噴射することにより、点火栓回りに集中的に層状の混合気を形成して成層燃焼を行うようにしている。
また、機関運転条件により、吸気行程にて燃料を噴射することにより、燃焼室全体に燃料を拡散させ均質の混合気を形成して均質燃焼を行うようにしている。
特開平８−３１２３５４号公報

しかしながら、従来の直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいては、キャビティを囲む稜線の外周側、特にピストンの中心より吸気バルブ側にオフセットして設けられているキャビティの左右（クロスフロー方向と直角な方向にある部分）の稜線の外周側に、平坦部を設け、この平坦部の外側に傾斜面を設けていたため（特許文献１の図７、図１１等参照）、この平坦部の部分が燃焼室全体から見ると、キャビティ内と外との間に位置する凸壁となり、吸気行程噴射による均質燃焼を行う場合に、燃焼性能を悪化させるという問題点があった。

すなわち、均質燃焼を行う場合に、凸壁により、(1) キャビティ内に燃料噴霧が留まってしまうため、混合気が偏在し、均質混合気を形成できない。(2) 筒内ガス流動が阻害されるため、燃料噴霧が気化せず、混合気の均質化が不十分となる。(3) 燃焼中、キャビティ内と外との空間不連続により、キャビティ外側が良好に燃焼しない。これらにより、均質燃焼性能が悪化する。

本発明は、このような現状に鑑み、ピストンの冠面形状を最適化することにより、キャビティによる成層燃焼性能を悪化させることなく、均質燃焼性能を改善することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明では、冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティを有する直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、前記冠面の平面視において吸気バルブと排気バルブとに挟まれて吸気バルブと排気バルブとの対向する方向と直角な方向に延びる領域を含んだ前記稜線の外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成し、前記キャビティは、その中心をピストンの中心に対し吸気バルブ側にオフセットして形成され、前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側で、前記傾斜面より内側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、前記傾斜面を１つの円錐面で形成したことを特徴とする。

請求項３に係る発明では、前記オフセットして形成されたキャビティに対し、吸気バルブ側からキャビティ内を指向するように燃料噴射弁が配置されると共に、キャビティ内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓が配置されることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、ピストン冠面の平面視において吸気バルブと排気バルブとに挟まれて吸気バルブと排気バルブとの対向する方向と直角な方向に延びる領域を含んだピストン冠面のキャビティを囲む稜線の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成したので、キャビティにより成層燃焼性能を確保する一方、均質燃焼時に、キャビティ内と外との間でのガス流動を確保できて、混合気の均質化を促進できると共に、ピストン表面積を低減して、冷却損失を低減できるという効果が得られる。
また、キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側で、前記傾斜面より内側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたので、連続的な傾斜を確保しつつ、ピストンコンプレッションハイト（ピストンピン中心からピストン最上部までの高さ）を短縮することができる。

請求項２に係る発明によれば、前記傾斜面を１つの円錐面で形成するので、生産加工が容易となる。

また、請求項３に係る発明によれば、キャビティの位置をオフセットして、燃料噴射弁及び点火栓との位置関係を最適化することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の一形態を示すピストン冠面の斜視図である。図２にはピストンの平面図とそのＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図とを示している。また、図３は図２のＡ−Ａ断面に相当する図で、燃料噴射弁及び点火栓の位置関係を示している。

ピストン１の冠面は、最外周側に環状の基準平面２を残して、傾斜面３により、円錐状に隆起させ、その隆起させた部分に、ピストンの中心ＰＣに対し吸気バルブ側にオフセットした位置ＣＣを中心にして、凹状（皿状）のキャビティ４を形成してある。４ａはキャビティ４の底面平坦部である。
言い換えれば、キャビティ４を囲む稜線５の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストン１の外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面３を形成してあり、この傾斜面３は１つの円錐面で形成してある。

最外周側の環状の基準平面２は最小限の幅（１．５〜２．０ｍｍ程度）を持たせ、生産加工時に基準面として用いる。
また、キャビティ４のピストン中心側の周縁部の稜線５の外周側には、前記傾斜面３より緩傾斜の緩傾斜面６を設けて、ピストン１の最高部の高さを抑えてある。

ここで、キャビティ４と燃料噴射弁及び点火栓との位置関係は、図３に示すようであり、シリンダヘッド１０に吸気バルブ１１側（吸気バルブ１１より燃焼室外周側）からキャビティ４内を指向するように燃料噴射弁１２を配置すると共に、キャビティ４内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓１３を配置してある。１４は排気バルブである。

尚、この例では省略したが、稜線５の一部を切り欠いて、吸気バルブ１１（又は排気バルブ１４）を逃げるバルブリセスを形成するようにし、バルブタイミングあるいは圧縮比の要求に応えるようにしてもよい。

上記のように、ピストン１冠面のキャビティ４を囲む稜線５の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストン１の外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面３を形成したので、キャビティ４により成層燃焼性能を確保できる一方、均質燃焼時に、キャビティ４内と外との間でのガス流動を確保でき、混合気の均質化を促進できる。また、平坦部を設けないので、ピストン１の表面積を低減でき、冷却損失を低減できる。よって、均質燃焼性能を向上できるのである。

ここにおいて、前記傾斜面３の水平面（基準平面２と平行）に対する角度θは、１０〜６０°の範囲（望ましくは、１５〜４５°の範囲）とする。
図４は、横軸を傾斜面角度θとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク（実線示）及び成層燃焼時の燃費（点線示）をとったグラフであり、θ＝１０〜６０°の範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
但し、傾斜面角度θが大きくなると、ピストンコンプレッションハイトが高くなるので、同じ燃焼性能であれば、前記範囲内でできるだけ小さく設定するのが好ましく、また、後述するキャビティ４の深さ等の最適化をも考慮して、前記範囲内で設定する。

また、ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面２からの、キャビティ４の底面平坦部４ａの深さＡは、３〜９ｍｍの範囲とする。
図５は、横軸を深さＡとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及び成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ａ＝３〜９ｍｍの範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
すなわち、深さＡを大きくすれば、成層燃焼時にキャビティ４内の燃料保持性を向上させて成層混合気を形成し易くなり、成層燃焼性能が向上するが、均質燃焼時にキャビティ４内外の空間不連続により、燃焼室全体に均質混合気を形成し難くなるので、これらを両立させる範囲とするのである。

また、ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面２からの、キャビティ４の底面平坦部４ａの深さをＡ、前記基準平面２からの、稜線５の最上部の高さをＨとしたとき、これらの合計値（合計深さ）Ｂ＝Ａ＋Ｈは、１０〜２０ｍｍの範囲とする。
図６は、横軸を合計深さＢ＝Ａ＋Ｈとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及び成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ｂ＝１０〜２０ｍｍの範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
すなわち、深さＡと同様に、合計深さＢを大きくすれば、成層燃焼時にキャビティ４内に成層混合気を形成し易くなり、成層燃焼性能が向上するが、均質燃焼時にキャビティ４内外の空間不連続により、均質混合気を形成し難くなるので、これらを両立させる範囲とするのである。

また、Ｈ／Ａ（合計深さＢにおけるＨとＡとの比）は、１．０〜２．０の範囲とする。
これは、図５及び図６より、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立させることができる範囲である。

また、ピストンストロークＳに対する合計深さＢの比Ｂ／Ｓは、０．２５以下とする。
図７は、横軸をＢ／Ｓとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及び成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ｂ／Ｓ≦０．２５の範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
ピストンストロークＳが小さい場合に、合計深さがＢが大きいと、燃焼性能が悪化するので、ピストンストロークＳに対応させて、合計深さＢを小さくして、燃焼性能を確保する必要があるからである。

また、キャビティ４内の隅部のアールＲは、５〜２０ｍｍの範囲とする。
図８は、横軸をＲとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及び成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ｒ＝５〜２０ｍｍの範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
アールＲにより、成層燃焼時に成層混合気をスムーズに点火栓１３近傍に輸送する一方、均質燃焼時にキャビティ４内外をスムーズに混合気が流れるようにするのであり、アールＲが小さ過ぎると、その役目を果たせず、アールＲが大き過ぎても、成層混合気の点火栓１３への輸送が良好になされないからである。

尚、前記深さＡ及び前記高さＨに関し、例えば図９に示すように、ピストン冠面の最外周部に平坦な基準平面を有しないピストンについては、ピストン冠面とピストン側面との交点Ｑを基準として、これらを計測する。

更に、キャビティ位置については燃料噴射弁寄りに偏在する例を基に本発明の効果を述べたが、キャビティ中心が平面視においてほぼシリンダの中心付近にある場合でも同様の効果が得られるものである。

本発明の実施の一形態を示すピストン冠面の斜視図同上のピストンの平面図とそのＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図燃料噴射弁及び点火栓の位置関係を示す図傾斜面角度θの適正範囲を示す図深さＡの適正範囲を示す図合計深さＢの適正範囲を示す図Ｂ／Ｓの適正範囲を示す図Ｒの適正範囲を示す図基準平面を有しないピストン形状例を示す図

符号の説明

１ピストン
２基準平面
３傾斜面（円錐面）
４キャビティ
４ａ底面平坦部
５稜線
６緩傾斜面
10 シリンダヘッド
11 吸気バルブ
12 燃料噴射弁
13 点火栓
14 排気バルブ

Claims

冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティを有する直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、
前記冠面の平面視において吸気バルブと排気バルブとに挟まれて吸気バルブと排気バルブとの対向する方向と直角な方向に延びる領域を含んだ前記稜線の外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成し、
前記キャビティは、その中心をピストンの中心に対し吸気バルブ側にオフセットして形成され、
前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側で、前記傾斜面より内側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けた
ことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関のピストン。
前記傾斜面を１つの円錐面で形成したことを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
前記オフセットして形成されたキャビティに対し、吸気バルブ側からキャビティ内を指向するように燃料噴射弁が配置されると共に、キャビティ内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。