JP4363385B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、冠面に形成した凹部によって燃焼室内で気流を好適に案内して希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上を図ることが可能な内燃機関用ピストンに関し、特に未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域の拡大を抑制するとともに、冠面周縁部においても気流の減衰を抑制可能な内燃機関用ピストンに関する。

従来、内燃機関においては、空気と燃料の混合及び火炎の伝播を促進するために、燃焼室内でタンブル（縦渦）やスワール（横渦）といった気流を発生させている。また、近年実用化されている直噴ガソリン機関においては、大幅な燃費向上を主な目的として、燃料を燃焼室に直接噴霧し、上述したタンブル流などの気流を利用して濃い混合気を点火プラグの周囲に集めて燃焼させる成層燃焼を行っている。この直噴ガソリン機関では、中低負荷域で上述の成層燃焼を行う一方、高負荷域では従来の内燃機関と同様な燃焼態様である均質燃焼を行う。均質燃焼においては、吸気流量を増量するとともに混合気の均質化及び火炎の伝播促進による燃焼促進を図ることが出力向上のために重要であり、そのためにタンブル流などの気流を利用している。これらの気流を燃焼室内で好適に案内し、気流の減衰を抑制することで希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上を図るために、種々のピストン冠面形状が提案されている。

例えば特許文献１では、クランク軸線と平行な中心軸線を持つ円筒面よりなる凹部を有するピストン冠面形状を開示している。この凹部をピストン冠面の中心部に形成することによって、上死点においてシリンダヘッドとピストンとの間の中心間距離を確保できる。特許文献１によると、この中心間距離を確保することによって、ガス流動の崩壊を遅らせ圧縮上死点付近まで流動エネルギーを確保することが可能である。また、特許文献１によると、吸入行程から圧縮行程上死点に至るまでガス流動を維持することで空気と燃料との混合を促進し、混合気の均質化を図ることが可能である。

特開平１０−８９６８号公報

しかしながら、特許文献１が提案するピストン冠面形状をピストンに採用すると、円筒面の底部と、トップリングを配設するトップリング溝部との間で部材の肉厚が薄くなってしまう。この場合、例えばトップリング溝部を下げることで必要な肉厚を確保することが可能であるが、トップリング溝部を下げると未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域が増大してしまう。さらに、特許文献１では、上述の凹部に加えて、加工容易化のために冠面周縁部全周に基準面を設けたピストン冠面形状を提案しているが、この場合には、冠面周縁部で気流の減衰防止効果が減少してしまう。

そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃焼室内で気流を好適に案内して希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上を図るピストン冠面形状を備えた内燃機関用ピストンにおいて、未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域の拡大を抑制するとともに、冠面周縁部においても気流の減衰を抑制可能な内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関用ピストンは、クランク軸線と略平行な中心軸線を有する第１の円筒内面および第２の円筒内面と、前記第１の円筒内面と前記第２の円筒内面とに挟まれるように形成された第１の平坦部と、を有する凹部を冠面上に有し、前記凹部は、前記クランク軸線と略平行な方向へ前記冠面の周縁部付近まで形成され、前記クランク軸線と略平行な方向の前記冠面の周縁部は、前記第１の平坦部よりも高く形成され、前記第１の平坦部よりも高く形成された前記冠面の周縁部は、前記クランク軸線と略平行な中心軸線を有する第３の円筒内面および第４の円筒内面と、前記第３の円筒内面と前記第４の円筒内面とに挟まれるように形成された第２の平坦部と、を有することを特徴とする。本発明によれば、凹部が気流を旋回させるように案内することができる。それにより、旋回した気流を圧縮行程上死点手前まで維持することができる。その結果、希薄燃焼領域の拡大を図ることができる。さらに、凹部が第１の平坦部を有することによって、圧縮行程上死点手前では、円筒内面のみで形成された凹部と比較して、第１の平坦部が旋回した気流を早期に崩壊させることができる。それにより、混合気の乱れ強さを増大させることができる。その結果、火炎の伝播を促進し、内燃機関の出力性能の向上を図ることができる。

また、本発明によれば、凹部が第１の平坦部を有することによって、第１の円筒内面および第２の円筒内面のみで形成された凹部と比較して、クランク軸線と略直交する方向の冠面周縁部の大きさを低減することができる。すなわち、圧縮行程においてかかる冠面周縁部から発生するよどみ成分を低減することが可能である。これによって、気流の減衰を抑制することができる。同時に、本発明によれば、円筒内面のみの凹部の場合と比較して、凹部の底面が第１の平坦部により底上げされた形となり、その分、凹部の底面とトップリング溝部と間で部材の肉厚を確保することが可能である。これによって、ピストン冠面に気流を案内するための凹部を形成してもトップリング溝部を大幅に下げて形成する必要がなくなり、その結果、クエンチ領域の拡大を抑制することが可能である。なお、略平行とは円筒内面の中心軸線をクランク軸線と平行にして、ピストン冠面に円筒内面を形成しようとする際の加工誤差や内燃機関にピストンを組み付けた際の位置ずれを含むものである。また、クランクシャフトとピストンピンとはコネクティングロッドで略平行に結合されることから、クランク軸線をピストンピン中心軸線或いはピストンピンボス中心軸線と言い換えてもよい。

また、本発明によれば、前記クランク軸線と略平行な方向の前記冠面の周縁部が前記第１の平坦部よりも高く形成されていることから、高く形成した冠面周縁部によって、さらにその分、冠面周縁部の上面とトップリング溝部との間で部材の肉厚を確保することが可能である。これによって、内燃機関用ピストンが低圧縮比用で、凹部の容積が大きい場合でも、上述の部材の肉厚を確保するとともに、クエンチ領域の拡大を抑制することが可能である。

また、本発明によれば、前記第１の平坦部よりも高く形成された前記冠面の周縁部は、前記クランク軸線と略平行な中心軸線を有する第３の円筒内面および第４の円筒内面と、前記第３の円筒内面と前記第４の円筒内面との間に挟まれるように形成された第２の平坦部と、を有していることから、前記第１の平坦部よりも高く形成された前記冠面の周縁部において気流が減衰することを抑制できる。

本発明によれば、燃焼室内で気流を好適に案内して希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上を図るピストン冠面形状を備えた内燃機関用ピストンにおいて、未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域の拡大を抑制するとともに、冠面周縁部においても気流の減衰を抑制可能な内燃機関用ピストンを提供可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る内燃機関用ピストン（以下、単にピストンと称す）１Ａを示す図である。より具体的には、図１（ａ）は実施例１に係るピストン１Ａ及びピストン１Ａを備える内燃機関５０Ａの要部を示す図である。ここで、図示しないクランク軸線は図１（ａ）において、紙面と直交する方向に延伸している。また、図１（ｂ）はピストン１Ａを上面視で示す図である。また、図１（ｃ）はピストン１Ａを側面視で示す図である。本実施例においては、内燃機関５０Ａは直噴ガソリン機関である。但し、ピストン１Ａは例えば所謂リーンバーンエンジンにおいても適用可能である。また、直噴ガソリン機関における均質燃焼は従来の内燃機関とほぼ同様の燃焼態様であるため、その他のガソリンエンジンやディーゼルエンジンにおいても適用することが可能である。すなわち、混合気を燃焼させるにあたって混合気のミキシング性向上により出力性能の向上等の効果が得られる内燃機関であれば、本実施例に係るピストン１Ａを適用可能である。

図１（ａ）に示すように、内燃機関５０Ａは、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン１Ａなどによって構成されている。シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａを形成し、シリンダ５１ａの内周面には図示しない略円筒状のシリンダライナを配設している。シリンダ５１ａ内には、このシリンダライナを介してピストン１Ａを収容している。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、ピストン１Ａの冠面１ｄＡには、吸気を案内してタンブル流Ｔに生成するための凹部１ａＡを形成している。また、図１（ｃ）に示すように、第１の冠面周縁部１ｂＡは、燃焼室５４を形成するシリンダヘッド５２の面と略平行に形成されている。さらに、ピストン１Ａには、図１において図示省略したトップリング２を、トップリング溝部１ｆに配設している。ピストン１Ａは図示しないコネクティングロッドと連結されており、さらにコネクティングロッドは図示しないクランクシャフトと連結されている。これによって、ピストン１Ａがシリンダ５１ａ内で往復運動すると、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに動力が伝達され、さらにクランクシャフトによって往復運動が回転運動に変換される。例えば内燃機関５０Ａを備えた車両では、この回転運動に変換された動力を利用して車両を駆動する。

図１（ａ）に示すように、シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５４は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン１Ａによって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、吸気行程で吸気を燃焼室５４内に導入するための吸気ポート５２ｂを形成し、吸気ポート５２ｂには流路を開閉するための吸気弁５５を配設している。また、シリンダヘッド５２には、燃焼したガスを燃焼室５４から排気するための排気ポート５２ａを形成し、排気ポート５２ａには流路を開閉するための排気弁５６を配設している。シリンダヘッド５２には、燃焼室５４頂部に先端が突出するように点火プラグ５３を配設している。

次に、本実施例に係るピストン１Ａの凹部１ａＡについて詳述する。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、凹部１ａＡは、冠面１ｄＡに平坦部Ｌ１と、平坦部Ｌ１を挟むようにして形成した排気ポート５２ａ側円筒内面Ｒ１と、吸気ポート５２ｂ側円筒内面Ｒ２とを有して形成されている。また、円筒内面Ｒ１、Ｒ２及び平坦部Ｌ１は、クランク軸線と略平行な方向に冠面１ｄＡの周縁まで形成されている。本実施例では、凹部１ａＡは、冠面１ｄＡの中央部からオフセットした状態に形成されている。また、平坦部Ｌ１はシリンダブロック５１及びシリンダヘッド５２の合わせ面と略平行に形成されている。図１（ａ）に示すように、円筒内面Ｒ１及びＲ２はクランク軸線と略平行な中心軸線Ｐ１、Ｐ２を有し、さらに、この中心軸線Ｐ１、Ｐ２は平坦部Ｌ１の端部を含み平坦部Ｌ１と略直交する平面上に設定されている。本実施例では円筒内面Ｒ１、Ｒ２の曲率半径は同一であるが、円筒内面Ｒ１、Ｒ２の曲率半径は異なってもよい。なお、ピストン１Ａには、図示しないピストンピンを配設するためのピストンピンボス１ｅＡが形成されている。また、冠面１ｄＡ上に２ケ所形成されているＶ１部は、吸気弁５５との干渉を回避するための逃げ構造である。

本実施例では、凹部１ａＡが平坦部Ｌ１を有することによって、円筒内面Ｒ１及びＲ２と同一曲率半径の円筒面のみで形成された凹部１ａＸと比較して、第１の冠面周縁部１ｂＡの大きさを低減可能である。すなわち、圧縮行程において第１の冠面周縁部１ｂＡから発生するよどみ成分を低減することが可能である。これによって、タンブル流Ｔの減衰を抑制可能である。また、円筒内面Ｒ１、Ｒ２を上述のように形成することによって、平坦部Ｌ１と円筒内面Ｒ１、Ｒ２とが最もスムースに繋がる形状となりタンブル流Ｔの減衰をより好適に抑制可能である。

図２は、凹部１ａＡによるタンブル流Ｔの減衰抑制効果を模式的に示す図である。より具体的には、図２（ａ）は、ピストン１Ａが内燃機関５０Ａの圧縮上死点手前に位置している状態におけるタンブル流Ｔを模式的に示す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の状態のピストン１Ａを冠面１ｄＡ側から見た場合のタンブル流Ｔを模式的に示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施例では、上述の凹部１ａＡがタンブル流Ｔを案内することで、タンブル流Ｔを圧縮行程上死点手前まで維持することが可能である。これによって、希薄燃焼領域の拡大を図ることが可能である。さらに、圧縮行程上死点手前では、円筒面のみで形成された凹部１ａＸと比較して、凹部１ａＡの場合には平坦部Ｌ１がタンブル流Ｔを早期に崩壊させるので、混合気の乱れ強さを増大させることが可能である。これによって火炎の伝播を促進し、内燃機関５０Ａの出力性能の向上を図ることが可能である。

また、本実施例では、図２（ｂ）に模式的に示すように、円筒内面Ｒ１、Ｒ２及び平坦部Ｌ１のクランク軸線と略平行な方向の第２の冠面周縁部１ｃＡまで平坦部Ｌ１と円筒内面Ｒ１及びＲ２を形成していることから、第２の冠面周縁部１ｃＡでもタンブル流Ｔの減衰を抑制することが可能である。これによって、さらに希薄燃焼領域の拡大および内燃機関５０Ａの出力性能の向上を図ることが可能である。

図３は、図３（ａ）で示す円筒面のみで形成された凹部１ａＸを有するピストン１Ｘと、図３（ｂ）で示す本実施例に係るピストン１Ａとを比較して示す図である。また、図３においては、これらピストン１Ｘ、１Ａを備える内燃機関５０Ｘ、５０Ａの要部も同時に示している。さらに、図３においては、これらピストン１Ｘ、１Ａを、内燃機関５０Ｘ、５０Ａの上死点位置で示している。なお、ピストン１Ｘとピストン１Ａとは、凹部１ａが異なる以外、材質も含めて同一であるものとし、内燃機関５０Ｘと内燃機関５０Ａとは、備えるピストン１が異なる以外、同一であるものとする。

図３に示すように、ピストン１Ｘ及び１Ａには、ともにトップリング２をトップリング溝部１ｆに配設している。ここで、トップリング溝部１ｆを形成するにあたっては、ピストン強度を確保するために、冠面１ｄＡとトップリング溝部１ｆとの間で部材の最小肉厚Ｈを確保する必要がある。最小肉厚Ｈを確保したピストン１Ｘでは、トップリング溝部１ｆは図３（ａ）に示す位置に形成される。また、図３（ａ）に示すように、ピストン１Ｘを備える内燃機関５０Ｘでは、未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域Ｋは、トップリング２と、ピストン１Ｘと、シリンダブロック５１とで囲まれた領域Ｋ１である。

一方、最小肉厚Ｈを確保したピストン１Ａでは、トップリング溝部１ｆは図３（ｂ）に示す位置に形成される。ピストン１Ｘと比較すると、ピストン１Ａでは平坦部Ｌが形成されている分底面が底上げされるため、トップリング溝部１ｆの位置が図３に示すα１分だけ高くなる。これによって、ピストン１Ａを備える内燃機関５０Ａでは、内燃機関５０Ｘと比較してクエンチ領域Ｋを領域Ｋ２に縮小させることが可能である。言い換えれば、凹部１ａＸを形成することで、ピストン１Ｘでは、最小肉厚Ｈを確保するためにトップリング溝部１ｆを下げて形成しなければならないところ、ピストン１Ａでは、凹部１ａＡを形成しても、底面が底上げされている分トップリング溝部１ｆを下げて形成する必要がないので、クエンチ領域Ｋの拡大を抑制可能である。以上により、燃焼室５４内でタンブル流Ｔを好適に案内して希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上を図る凹部１ａを備えたピストン１において、未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域Ｋの拡大を抑制するとともに、第２の冠面周縁部１ｃＡにおいてもタンブル流Ｔの減衰を抑制可能なピストン１Ａを実現可能である。

図４は、本実施例に係るピストン１Ｂを示す図である。より具体的には、図４（ａ）は、ピストン１Ｂの上面図であり、図４（ｂ）は、ピストン１Ｂの側面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示すピストン１ＢのＡ−Ａ断面図であり、図４（ｄ）は、図４（ａ）に示すピストン１ＢのＢ−Ｂ断面図である。本実施例に係るピストン１Ｂは低圧縮比用のピストンであり、凹部１ａＢの容積は、実施例１に係るピストン１Ａの凹部１ａＡの容積よりも大きくなっている。

図４（ａ）に示すように、ピストン１Ｂでは、後述する第２の冠面周縁部１ｃＢの上面にも円筒内面Ｒ５、Ｒ６及び平坦部Ｌ３を形成している。これによって、第２の冠面周縁部１ｃＢにおいてタンブル流Ｔの減衰を抑制可能である。なお、本実施例に係るピストン１Ｂでは、円筒内面Ｒ５、Ｒ６の曲率半径は円筒内面Ｒ３、Ｒ４の曲率半径と同一である。また、クランク軸線に直交する方向の幅も平坦部Ｌ３と平坦部Ｌ２とで同一である。但し、これら曲率半径及び幅を異なるように形成することも可能である。また、本実施例に係るピストン１Ｂでは、平坦部Ｌ２を冠面１ｄＢの中央部に配置している。このように、実施例１に係るピストン１Ａの凹部１ａＡとは異なり、凹部１ａＢを冠面１ｄＢの中央部からオフセットさせずに形成することも可能である。また、冠面１ｄＢ上に４ケ所形成されているＶ２部は、吸気バルブ５５及び排気バルブ５６との干渉を避けるための逃げ構造であり、Ｖ２部は、図４（ｄ）に示すような断面形状となっている。

図４（ｃ）に示すように、本実施例に係るピストン１Ｂでは、円筒内面Ｒ３、Ｒ４及び平坦部Ｌ２のクランク軸線と略平行な方向の第２の冠面周縁部１ｃＢを、ピストン１Ｂ中心軸線方向で平坦部Ｌ２よりも高く形成している。次に第２の冠面周縁部１ｃＢを、平坦部Ｌ２よりも高く形成することにより得られる効果について、図５を用いて詳述する。図５は、図５（ａ）に示すピストン１Ｂと図５（ｂ）に示すピストン１Ｃとを比較して示す図である。さらに、図５では、ピストン１Ｃの冠面１ｄＣを嵩上げした状態を図５（ｃ）で示し、ピストン１Ｃの円筒内面Ｒを縮小した状態を図５（ｄ）で示している。なお、ピストン１Ｃは、第２の冠面周縁部１ｃＢを高く形成していないことが異なる以外、材質を含めてピストン１Ｂと同一である。

図５（ｂ）に示すように、低圧縮比用のピストン１Ｃでは、平坦部Ｌ２を形成してもトップリング溝部１ｆと平坦部Ｌ２との間の部材の肉厚が不十分となってしまい、最小肉厚Ｈを確保できない場合がある。この対策としては、例えば図５（ｃ）に示すように冠面１ｄＢの高さを嵩上げすることが考えられ、これによって最小肉厚Ｈを確保することが可能である。但し、この場合には、図５（ｃ）に示すようにクエンチ領域Ｋが拡大してしまう。また別の対策としては、例えば図５（ｄ）に示すように円筒内面Ｒを縮小することが考えられ、これによって平坦部Ｌを底上げして最小肉厚Ｈを確保することも可能である。但し、この場合には、図５（ｄ）に示すように円筒内面Ｒ３及びＲ４でタンブル流Ｔをスムースに案内することができなくなってしまう。

本実施例に係るピストン１Ｂは、第２の冠面周縁部１ｃＢを高く形成しているため、図５（ａ）、（ｂ）に示すように部材の肉厚をピストン１Ｃよりもさらにα２分だけ確保することが可能である。このように第２の冠面周縁部１ｃＢを高く形成することによって、低圧縮比用のピストン１Ｂの冠面１ｄＢに凹部１ａＢを形成した場合でも、最小肉厚Ｈを確保するとともにクエンチ領域Ｋ３の拡大を抑制可能である。以上により、燃焼室５４内でタンブル流Ｔを好適に案内して希薄燃焼領域の拡大や出力性能の向上を図る凹部１ａを備えたピストン１において、未燃ガスの発生源とされるクエンチ領域Ｋの拡大を抑制するとともに、第２の冠面周縁部１ｃＢにおいてもタンブル流Ｔの減衰を抑制可能なピストン１Ｂを実現可能である。

なお、吸排気ポート５２ａ、５２ｂは、一般的にクランク軸線を挟むようにして対向して配置されるため、円筒内面Ｒ１、Ｒ２の中心軸線Ｐ１、Ｐ２がクランク軸線と略平行であれば、燃焼室５４内で吸気を減衰させないようにして案内可能である。一方、例えば吸気ポート５２ｂから燃焼室５４内に流入する吸気の流れ方向は、図示しない気流制御弁の存在や吸気ポート５２ｂが燃焼室５４に臨む角度などによって内燃機関５０毎に異なっている。このような場合には、適用しようとする内燃機関５０の吸気の流れ方向に基づいて円筒内面Ｒ１、Ｒ２の中心軸線Ｐ１、Ｐ２をクランク軸線と所定の角度をなすようにしたほうがより好適に減衰を抑制して吸気を案内できることもある。したがって、実施例１に係るピストン１Ａでは、中心軸線Ｐ１、Ｐ２がクランク軸線と略平行になるように円筒内面Ｒ１、Ｒ２を形成しているが、これに限らず、中心軸線Ｐ１、Ｐ２がクランク軸線と所定の角度をなすようにして円筒内面Ｒ１、Ｒ２を形成してもよい。実施例２に係るピストン１Ｂについても同様である。

また、本実施例では、ピストン１の加工容易性や凹部１ａでタンブル流Ｔを案内するスムースさの観点から凹部１ａに円筒内面Ｒを適用しているが、タンブル流Ｔを案内可能であれば、円筒内面Ｒの代わりに例えば楕円状の内面などを適用することも可能である。また、平坦部Ｌや円筒内面Ｒが例えば部分的に凹部を有してもよく、より具体的には、例えば実施例２で示したように円筒内面Ｒ３、Ｒ４が吸排気弁５５、５６との干渉防止用にＶ２部を有してもよい。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

実施例１に係る内燃機関用ピストン１Ａを示す図である。 凹部１ａＡによるタンブルＴの減衰抑制効果を模式的に示す図である。 円筒面のみで形成された凹部１ａＸを有するピストン１Ｘと、実施例１に係るピストン１Ａとを比較して示す図である。 実施例２に係るピストン１Ｂを示す図である。 ピストン１Ｂとピストン１Ｃとを比較して示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関用ピストン
１ａ 凹部
１ｂ 第１の冠面周縁部
１ｃ 第２の冠面周縁部
１ｄ 冠面
１ｅ ピストンピンボス
１ｆ トップリング溝部
２ トップリング
５０ 内燃機関
５１ シリンダブロック
５１ａ シリンダ
５２ シリンダヘッド
５２ａ 排気ポート
５２ｂ 吸気ポート
５３ 点火プラグ
５４ 燃焼室
５５ 吸気弁
５６ 排気弁

Claims (1)

1. クランク軸線と略平行な中心軸線を有する第１の円筒内面および第２の円筒内面と、前記第１の円筒内面と前記第２の円筒内面とに挟まれるように形成された第１の平坦部と、を有する凹部を冠面上に有し、
   前記凹部は、前記クランク軸線と略平行な方向へ前記冠面の周縁部付近まで形成され、
   前記クランク軸線と略平行な方向の前記冠面の周縁部は、前記第１の平坦部よりも高く形成され、
   前記第１の平坦部よりも高く形成された前記冠面の周縁部は、前記クランク軸線と略平行な中心軸線を有する第３の円筒内面および第４の円筒内面と、前記第３の円筒内面と前記第４の円筒内面とに挟まれるように形成された第２の平坦部と、を有することを特徴とする内燃機関用ピストン。

Images