JP5293842B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のピストンに関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、吸気流に対して側方にあたるピストン冠面の領域に非断熱領域が設けられ、それ以外の領域に断熱領域が設けられた内燃機関のピストンが知られている。断熱領域が設けられることによって、冷却損失の低減を図ることができる。

日本特開２００８−１１１３６７号公報 日本特開２００９−１２１４２５号公報 日本特開２００９−０３６１２６号公報 日本特開２００９−０４１３８８号公報 日本特開２００９−０６２９７５号公報

ところで、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関においては、吸気行程中に、ピストン冠面に強い吸気流（吸気ガスの流れ）が当たる。強い吸気流が当たる領域は、熱伝導率が高くなるため、ピストン冠面によって吸気ガスが加熱されることとなる。上記従来のピストンにおいては、強い吸気流が当たる領域に断熱領域が設けられており、冷却損失が少ない反面、断熱領域の温度が高温となる。そのため、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量が大きくなる。吸気ガスの加熱量が大きくなれば、圧縮端における吸気ガスの温度が高くなるため、ノッキングの発生が懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減との両立を図ることのできる内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンであって、
吸気行程中に前記タンブル流が当接するピストン冠面上の領域であり、断熱層を有さない非断熱領域と、
前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面上の少なくとも一部の領域であり、断熱層を有する断熱領域と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のピストンであって、
ピストン冠面の中央部を含み、該ピストン冠面の吸気側と排気側とに渡って帯状に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
前記非断熱領域の側方にあたる前記ピストン冠面に設けられた、断熱層を有する断熱領域と、を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンであって、
ピストン冠面上に設けられ、吸気行程中に前記タンブル流が当接するタンブル流当接領域を少なくとも含む、断熱層を有さない非断熱領域と、
前記タンブル流当接領域の周辺部のピストン内部に設けられた断熱部材と、を備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のピストンであって、
少なくともピストン冠面の中央部を含む該ピストン冠面に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
ピストンピンボスの上部に位置するピストン内部であり、該ピストンピンボスの軸方向に垂直かつ、前記ピストン冠面に平行に設けられた断熱部材と、を備えることを特徴とする。

第１及び第２の発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される場合において、タンブル流が当接する領域以外のピストン冠面の領域を断熱領域とすることができる。断熱領域を設けることにより、燃焼ガスからピストンへの受熱量が低減され、冷却損失の低減を図ることができる。また、第１及び第２の発明によれば、タンブル流が当接するピストン冠面の領域を非断熱領域とすることができる。非断熱領域では、断熱領域に比してピストン冠面の温度が低減される。タンブル流が当接する領域では熱伝導率の高くなるが、非断熱領域とすることで温度が低減されるため、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量を低減することができる。その結果、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減とを両立させることができる。

第３及び第４の発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される場合において、タンブル流が当接する領域の温度を低い状態に保つことができる。具体的に説明する。タンブル流が当接するピストン冠面の領域は、熱伝導率が高い。そのため、ピストンから吸気ガスに熱が移動し、当該領域の温度が低下する。このとき、高温であるピストンの他領域から、温度が低下した当該領域に熱が移動して平衡を保とうとする。しかしながら、本発明の構成によれば、ピストン内部に設けられた断熱部材により、この熱の移動を遮ることができる。そのため、タンブル流が当接する領域の温度を低い状態に保つことができ、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量を低減することができる。このため、本発明によれば、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるピストン１６の冠面３５の構造について説明するための図である 本発明の実施の形態２におけるピストン６０の冠面６２の構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態２におけるピストン６０の縦断面図である。

１０ 内燃機関
１２ シリンダブロック
１４ 気筒
１６、６０ ピストン
１８ ピストンピン
２０ コネクティングロッド
２２ シリンダヘッド
２４ 燃焼室
２６ 点火プラグ
２８ 吸気ポート
３０ 排気ポート
３２ 吸気バルブ
３４ 排気バルブ
３５、６２ 冠面
３６ 中央部
３８、６６ ピストン冠面の外縁部
４０ シリンダヘッドの下面凹部の外縁部
４２ 燃焼室の上面部
４４ 気筒の排気側の側壁
４６ 気筒の吸気側の側壁
４８_ＥＸ、４８_ＩＮ、６４_ＩＮ、６４_ＥＸ バルブリセス
５０、７０ タンブル流当接領域
５２ タンブル流当接領域以外の領域
６８ ピストンピンボス
７２ 断熱材

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
（基本的構成）
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。ここでは、内燃機関１０は４サイクルエンジンであるものとする。図１には、内燃機関１０の縦断面が表されている。

内燃機関１０は、シリンダブロック１２を備えている。シリンダブロック１２には、気筒１４が形成されている。本発明において、内燃機関１０の気筒数は特に限定されるものではない。気筒１４の内部には、ピストン１６が摺動可能に配置されている。ピストン１６は、ピストンピン１８及びコネクティングロッド２０を介して、クランク軸に連結されている。

シリンダブロック１２の上部には、シリンダヘッド２２が組み付けられている。シリンダブロック１２に形成された気筒１４の内面と、ピストン１６の冠面と、シリンダヘッド２２の下面の凹部とで囲まれた空間によって、内燃機関１０の燃焼室２４が形成されている。また、シリンダヘッド２２には、燃焼室２４の頂部から燃焼室２４内に突出するように点火プラグ２６が取り付けられている。

シリンダヘッド２２には、燃焼室２４に連通する吸気ポート２８と排気ポート３０とが形成されている。吸気ポート２８の上流部には、燃焼室２４に向けて、吸気ポート２８内に燃料を噴射するための図示しないインジェクタが配置されている。本実施形態のシステムは図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵには、上述の点火プラグ２６、インジェクタが接続されている。ＥＣＵは、吸気行程においてインジェクタに燃料を噴射させ、圧縮行程において点火プラグ２６に火花点火させる。

また、吸気ポート２８の下流部は２つに分岐されている。分岐された吸気ポート２８の下流端には、吸気ポート２８を燃焼室２４に対して開閉するための吸気バルブ３２がそれぞれ設けられている。同様に、排気ポート３０の上流部は２つに分岐されている。分岐された排気ポート３０の上流端には、排気ポート３０を燃焼室２４に対して開閉するための排気バルブ３４がそれぞれ設けられている。なお、本発明において、吸気ポートや排気ポートの分岐数、吸気バルブや排気バルブの数は特に限定されるものではない。

ピストン１６の燃焼室に面する冠面３５には、中央部３６に球面状の凹部が形成されている。また、冠面３５の外縁部３８には、外縁から中央部３６に向けて燃焼室上方に傾斜した斜めスキッシュが形成されている。また、燃焼室２４を形成するシリンダヘッド２２の下面凹部の外縁部４０にも、外縁部３８に対向する斜めスキッシュが形成されている。すなわち、外縁部３８、４０との間にスキッシュエリアが形成されている。

図２は、本発明の実施の形態１におけるピストン１６の冠面３５の構造について説明するための図である。図２は、図１の矢印Ｂ方向からピストン１６の冠面３５を見た上面図である。図２に示す通り、ピストン１６の冠面３５には、２つの吸気バルブ３２の傘部それぞれに対応するバルブリセス４８_ＩＮが形成されている。同様に、冠面３５には、２つの排気バルブ３４の傘部それぞれに対応するバルブリセス４８_ＥＸが形成されている。そして、冠面３５には、バルブリセス４８_ＩＮ、４８_ＥＸを挟んで、上述したスキッシュエリアを形成する外縁部３８が４箇所形成されている。

（特徴的構成）
次に、本実施形態のシステムにおける吸気流（以下、燃料と新気との混合気からなる吸気ガスの流れをいう。）について説明する。図１には、本実施形態のシステムの吸気行程において、気筒１４内に形成される吸気流の代表的な流れが示されている。実線の矢印ａ１は、吸気行程において、吸気ポート２８から吸入され、吸気ポート２８側に面する吸気バルブ３２の傘裏面に沿って、燃焼室２４の上面部４２に導かれる吸気ガスの流れを示している。実線の矢印ａ２は、吸気行程において、燃焼室２４の上面部４２から燃焼室２４に面する排気バルブ３４の傘表面に沿って、気筒１４の排気側の側壁４４に導かれる吸気ガスの流れを示している。実線の矢印ａ３は、吸気行程において、気筒１４の排気側の側壁４４から冠面３５に当接して、気筒１４の吸気側の側壁４６に導かれる吸気ガスの流れを示している。このように、本実施形態のシステムでは、実線の矢印ａ１〜ａ３に示すタンブル流が形成される。実線の矢印ａ３の方向はピストンピン１８の軸線に対し垂直である。

また、図２に示す破線の矢印ａ３は、図１における実線の矢印ａ３と同様に、吸気行程において、冠面３５に当接する吸気ガスの流れを示している。図２に示す冠面３５上の領域５０は、タンブル流としての吸気ガスが冠面３５に当接して流れる領域を表している。以下、領域５０をタンブル流当接領域という。

なお、ピストン１６の冠面３５のどのような領域を、タンブル流当接領域５０とするかは、本発明を適用する内燃機関の仕様、例えば、吸気ポート２８や冠面３５の形状、吸気バルブ３２の配置や開弁特性等によって種々異なることが想定される。そのため、一般的には内燃機関毎に実験的にタンブル流当接領域５０を定めるものとする。例えば、強い気流が当たるタンブル流当接領域５０として、冠面３５の熱伝導率が閾値以上となるタンブル流が接触する領域を実験等で定める。この場合、タンブル流当接領域５０以外の冠面３５の部分は、熱伝導率が閾値以下の弱い気流が当たる領域であり、タンブル流が当接する領域とはしないこととする。

上述した通り、本実施形態の構成においては、吸気行程においてタンブル流が形成される。タンブル流である吸気流は、気筒１４の排気側からピストン１６の冠面３５に向かって流れ込み、冠面３５に当接しながら、気筒１４の吸気側に向かって通過する。そのため、冠面３５のタンブル流当接領域５０には、強い気流が当たることとなる。

本実施形態のシステムでは、タンブル流当接領域５０以外の冠面３５上の少なくとも一部を、断熱層が形成された断熱領域とする。例えば、タンブル流当接領域５０以外の領域５２を、断熱層が形成された断熱領域とする。図２では、排気側から吸気側に向けてピストン冠面に当接するタンブル流の側方に領域５２（断熱領域）が設けられている。断熱層を形成する断熱材としては、セラミック等の断熱効果を有する部材が用いられる。

加えて、本実施形態のシステムでは、強い気流が当たるタンブル流当接領域５０を、断熱層を有さない非断熱領域とする。上述した通り、タンブル流当接領域５０は内燃機関毎に実験的に定めるものであり、ここでは代表的な例を示す。タンブル流当接領域５０の長辺は、排気側の側壁４４に接する位置から吸気側の側壁４６に接する位置に渡って、冠面３５の中央部３６を通過するように定められている。また、タンブル流当接領域５０の短辺は次のように定められている。まず、対向する吸気バルブ３２と排気バルブ３４とを１組とする。本実施形態のシステムでは、吸気バルブ３２と排気バルブ３４とからなる組が、２組並設されている。次に、各組について、両バルブの傘部を冠面３５にそれぞれ投影する。投影された両バルブの傘部の中心を結ぶ線分を描く。２組について平行な線分が描かれる。この平行な線分の距離が、タンブル流当接領域５０の短辺として定められている。タンブル流当接領域５０は、冠面３５上において上記平行な線分に挟まれた範囲として帯状に定められている。

以上説明したように、図１〜図２に示す本実施形態の構成によれば、吸気行程中に強い気流が当たらない領域５２を断熱領域とすることで、燃焼ガスからピストン１６への受熱量が低減され、冷却損失を低減することができる。

また、本実施形態の構成によれば、吸気行程中に強いタンブル流が当たるタンブル流当接領域５０は、熱伝達率が高い領域であるところ、タンブル流当接領域５０を非断熱領域とすることで、断熱層が形成される場合に比して、タンブル流当接領域５０の温度を低減することができる。タンブル流当接領域５０の温度が低減されることにより、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量を低減することができる。その結果、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。

このように、本実施形態のシステムによれば、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減とを両立させることができ、好適な熱効率を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、タンブル流当接領域５０の短辺を、各組について、投影された両バルブの傘部の中心を結ぶ線分を描き、２組について描かれた平行な線分の距離とすることとしているが、タンブル流当接領域５０の短辺の定め方はこれに限定されるものではない。第１の変形例として、各組について、投影された両バルブの傘部の共通接線のうちピストン中心側の接線を描き、各組について描かれた平行な接線の距離をタンブル流当接領域５０の短辺として定めることとしてもよい。また、第２の変形例として、各組について投影された両バルブの傘部の共通接線のうちピストン外縁側の接線を描き、各組について描かれた平行な接線の距離をタンブル流当接領域５０の短辺として定めることとしてもよい。なお、この点は以下の実施の形態においても同様である。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、インジェクタとして、ポート噴射式のインジェクタを用いることとしているが、筒内直接噴射式のインジェクタを用いることとしても良い。なお、この点は以下の実施の形態においても同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、ピストン１６が前記第１及び第２の発明における「ピストン」に、冠面３５が前記第１及び第２の発明における「ピストン冠面」に、タンブル流当接領域５０が前記第１及び第２の発明における「非断熱領域」に、領域５２が前記第１及び第２の発明における「断熱領域」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
（基本的構成）
次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１に示す構成におけるピストン１６に代えて、後述するピストン６０が用いられる点を除き、図１に示す構成と略同様である。

図３（Ａ）は、本実施形態のシステムにおけるピストン６０の冠面６２の構造を示す上面図である。図３（Ａ）に示す通り、ピストン６０の冠面６２には、２つの吸気バルブ３２の傘部それぞれに対応するバルブリセス６４_ＩＮが形成されている。同様に、冠面６２には、２つの排気バルブ３４の傘部それぞれに対応するバルブリセス６４_ＥＸが形成されている。そして、冠面３５には、バルブリセス６４_ＩＮ、６４_ＥＸを挟んで、スキッシュエリアを形成する外縁部６６が２箇所形成されている。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＣ面によるピストン６０の縦断面図である。ピストン６０の下部には、ピストンピンボス６８が設けられている。ピストンピンボス６８は、冠面６２の吸気−排気方向に対して、垂直方向に位置する側部にそれぞれ設けられている。ピストンピンボス６８には、図１に示すピストンピン１８が挿入されている。

（特徴的構成）
次に、本実施の形態のシステムにおける吸気流（以下、燃料と新気との混合気からなる吸気ガスの流れをいう。）について説明する。本実施形態のシステムでは、上述した図１と同様に、実線の矢印ａ１〜ａ３に示すタンブル流が形成される。

また、図３（Ａ）に示す矢印ａ３は、図１における実線の矢印ａ３と同様に、吸気行程において、冠面６２に当接する吸気ガスの流れを示している。図３（Ａ）に示す冠面６２上の領域７０は、タンブル流としての吸気ガスが冠面６２に当接して流れる領域を表している。以下、領域７０をタンブル流当接領域という。

なお、ピストン６０の冠面６２のどのような領域を、タンブル流が流れるタンブル流当接領域７０とするかは、上述した実施の形態１におけるタンブル流当接領域５０と同様に、本発明を適用する内燃機関の仕様によって種々異なることが想定される。そのため、一般的には内燃機関毎に実験的にタンブル流当接領域７０を定めるものとする。タンブル流当接領域７０の定め方については、上述したタンブル流当接領域５０と同様であるため、ここではその説明を省略する。一例として、図３（Ａ）には、ピストン６０の中央部を含み、吸気流が流れる方向を長辺とする楕円状のタンブル流当接領域７０が表されている。

上述した通り、本実施形態の構成においては、吸気行程においてタンブル流が形成される。タンブル流である吸気流は、気筒１４の排気側からピストン６０の冠面６２に向かって流れ込み、冠面６２に当接しながら、気筒１４の吸気側に向かって通過する。そのため、冠面６２のタンブル流当接領域７０には、強い気流が当たることとなる。

本実施形態のシステムでは、少なくとも、強い気流が当たるタンブル流当接領域７０を、断熱層を有さない非断熱領域とする。図３（Ａ）においては、冠面６２上のタンブル流当接領域７０以外の部分も非断熱領域として構成されている。

加えて、本実施形態のシステムでは、図３（Ｂ）に示すようにピストン６０の内部であって、冠面６２から浅い位置に埋没するように断熱材７２が挿入されている。断熱材７２は、ピストン上面視において、タンブル流当接領域７０とそれ以外の領域の境目に設けられている。代表的な例として、断熱材７２は、図３（Ｂ）に示すように、吸気流の流れに平行に２箇所設けられている。断熱材７２は、例えば直方体であるがこれに限定されるものではない。断熱材７２としては、セラミック等の断熱効果を有する部材が用いられる。

換言すれば、図３（Ｂ）に示す断熱材７２は、ピストンピンボス６８の上部のピストン６０内部であって、ピストンピンボス６８の軸方向（ピストンピン１８の軸方向）に垂直かつ、冠面６２に平行に設けられている。

上述した本実施形態の構成おいて、吸気行程中に強いタンブル流が当たるタンブル流当接領域７０は、熱伝達率が高い領域である。熱伝導率が高いため、ピストン６０から吸気ガスへ熱が移動する。そのため、タンブル流当接領域７０の温度が低下することとなる。このとき、タンブル流当接領域７０以外の部分は高温であるため、温度が下がったタンブル流当接領域７０へ熱が移動して平衡を保とうとする。

しかしながら、本実施形態のピストン６０によれば、断熱材７２が挿入されていることにより、熱の移動を遮ることができる。熱の移動を遮ることで、強いタンブル流が当たるタンブル流当接領域７０の温度を低い状態に保つことができる。そのため、吸気ガスへの加熱量を低減することができる。その結果、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングを抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいては、断熱材７２を、ピストン６０の内部に、吸気流の流れに平行に２箇所設けることとしているが、断熱材７２の配置はこれに限定されるものではない。例えば、タンブル流当接領域７０の外周全体又はその一部を囲むように設けることとしてもよい。

また。上述した実施の形態２のシステムにおいては、冠面６２の非断熱領域を、冠面６２全体としているが、タンブル流当接領域７０以外の領域を、断熱層が形成された断熱領域とすることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ピストン６０が前記第３及び第４の発明における「ピストン」に、冠面６２が前記第３及び第４の発明における「ピストン冠面」に、断熱材７２が前記第３及び第４の発明における「断熱部材」に、タンブル流当接領域７０が前記第３の発明における「タンブル流当接領域」に、タンブル流当接領域７０を含む冠面６２上の領域が前記第３及び４の発明における「非断熱領域」に、ピストンピンボス６８が前記第４の発明における「ピストンピンボス」に、それぞれ相当している。

Claims (4)

1. 気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンにおいて、
   吸気行程中に前記タンブル流が当接するピストン冠面上の領域であり、断熱層を有さない非断熱領域と、
   前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面上の少なくとも一部の領域であり、断熱層を有する断熱領域と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. ピストン冠面の中央部を含み、該ピストン冠面の吸気側と排気側とに渡って帯状に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
   前記非断熱領域の側方にあたる前記ピストン冠面に設けられた、断熱層を有する断熱領域と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストン
3. 気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンにおいて、
   ピストン冠面上に設けられ、吸気行程中に前記タンブル流が当接するタンブル流当接領域を少なくとも含む、断熱層を有さない非断熱領域と、
   前記タンブル流当接領域の周辺部のピストン内部に設けられた断熱部材と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
4. 気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンにおいて、
   前記ピストンの冠面は、その中央部に前記タンブル流としての吸気ガスが当接して流れる断熱層を有しないタンブル流当接領域と、それ以外の領域とを有し、
   前記ピストンの上面視において、前記タンブル流当接領域とそれ以外の領域との境目であって、前記ピストンの内部に設けられた断熱部材と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。

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