JP5652466B2 - 内燃機関のピストン及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内にタンブル流を発生させる内燃機関のピストン及び同ピストンを備える内燃機関に関する。

吸気ポートから燃焼室に流入した吸入空気によって同燃焼室内にタンブル流が発生すると、吸入空気の流れに乱れが生成される。これにより、混合気の燃焼速度が高められ、同混合気が安定して燃焼されるようになる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−５３７１０号公報

ところで、ピストンとして、その頂面に吸気バルブや排気バルブとの接触を回避するためのリセスを形成したものが知られている。こうしたピストンを採用した内燃機関においては、燃焼室内でのタンブル流の発生によってピストンの頂面に沿って混合気が流動する際に、混合気がリセス内に流入したり同リセスから混合気が流出したりすることでタンブル流の減衰を招くこととなる。

本発明の目的は、燃焼室内に発生したタンブル流の減衰を抑制することができる内燃機関のピストン及び内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関のピストンは、ピストン頂面に形成された吸気バルブ用の吸気側リセスと排気バルブ用の排気側リセスとが並ぶ方向を規定方向としたとき、前記ピストン頂面上に前記規定方向における一方側から前記規定方向における他方側へと流れる吸入空気の流れを生じさせるタンブル流を燃焼室内に発生させる内燃機関に適用されるものを前提としている。こうしたピストンにおいては、吸気側リセス及び排気側リセスの少なくとも一方のリセスの周縁では、同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における一方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径が、同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における他方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径よりも小さくされている。

上記構成のピストンは、燃焼室内にタンブル流を発生させる内燃機関に適用される。この場合、リセスの周縁の一方側部分の曲率半径を他方側部分の曲率半径よりも小さくしたことにより、規定方向における一方側からリセス近傍まで流れてきた混合気がリセス内に流入しにくくなる。そして、同リセス内に流入することなく混合気が同リセスの周縁の他方側部分に達した際、他方側部分の曲率半径が一方側部分の曲率半径よりも大きいため、混合気の流れが、他方側部分によってピストン頂面の形状に沿った流れに円滑に調整される。すなわち、混合気は、リセス内への流入が抑制されつつピストン頂面に沿って規定方向における一方から他方に向けて流動することとなり、燃焼室内に発生したタンブル流の減衰を抑制することができるようになる。

なお、周縁の一方側部分の曲率半径を他方側部分の曲率半径よりも小さくする構成のリセスを規定方向に並ぶ吸気側リセス及び排気側リセスの何れか一方にのみ採用してもよいが、タンブル流の減衰の抑制効果を高めるためには、上記構成のリセスを吸気側リセス及び排気側リセスの両リセスに採用することが好ましい。

また、吸気側リセス及び排気側リセスの一方のリセスの周縁における一方側部分の曲率半径を、他方のリセスの周縁における他方側部分の曲率半径よりも小さくしてもよい。これにより、混合気が一方のリセスを規定方向に通過する際に、混合気が一方のリセスに流入しにくくなる。これにより、燃焼室内に発生したタンブル流の減衰を抑制することができるようになる。

また、上記課題を解決する内燃機関は、ピストン頂面に形成された吸気バルブ用の吸気側リセスと排気バルブ用の排気側リセスとが並ぶ方向を規定方向としたとき、前記ピストン頂面上に前記規定方向における一方側から前記規定方向における他方側へと流れる吸入空気の流れを生じさせるタンブル流を燃焼室内に発生させる内燃機関を前提としている。そして、こうした内燃機関に設けられるピストンを上記構成のピストンとする。この構成によれば、上記内燃機関のピストンと同等の作用効果を得ることができるようになる。

内燃機関の一実施形態を模式的に示す断面図。 ピストン頂面を模式的に示す平面図。 （ａ）は図２における３−３線矢視断面図、（ｂ）〜（ｅ）は図３（ａ）における一部を拡大した拡大図。 （ａ）は比較例のピストンの一部を示す断面図、（ｂ）〜（ｅ）は図４（ａ）における一部を拡大した拡大図。 クランク軸の回転角とタンブル比との関係を示すグラフ。 クランク軸の回転角と燃焼室内での混合気の流れの乱れとの関係を示すグラフ。

以下、燃焼室内でタンブル流を発生させる内燃機関の一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１に示すように、内燃機関１１のシリンダブロック１２にはシリンダヘッド１３が組み付けられており、こうしたシリンダブロック１２のシリンダ１４内には、シリンダヘッド１３に近づく方向及び離れる方向に往復動するピストン１５が設けられている。そして、シリンダ１４内におけるシリンダヘッド１３とピストン１５との間に、燃焼室１６が形成されている。

なお、本実施形態では、シリンダ１４内でのピストン１５の往復動する方向を「駆動方向」というものとする。そして、燃焼室１６の容積を狭くする方向、即ち図１における上方側を「駆動方向一方側」といい、燃焼室１６の容積を広くする方向、即ち図１における下方側を「駆動方向他方側」という。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１４の中央に対向する位置に点火プラグ１７が取り付けられている。そして、点火プラグ１７の図１における左側には複数（本実施形態では２つ）の吸気ポート１８が設けられるとともに、点火プラグ１７の図１における右側には吸気ポート１８と同数（本実施形態では２つ）の排気ポート１９が設けられている。

各吸気ポート１８は、紙面と直交する方向に沿って並置されている。そして、吸気バルブ２０が開弁動作すると、各吸気ポート１８からは、少なくとも吸入空気を含む気体が燃焼室１６内に吸入される。本実施形態の吸気ポート１８は、吸気ポート１８を通じて燃焼室１６内に吸入される気体の大部分がシリンダ１４の内周面において吸気ポート１８から最も離れた排気側領域に向けて流動するように形成されている。その結果、吸気行程時においては、吸気ポート１８を通じて燃焼室１６に気体が流入することにより、タンブル流Ｔが形成される。

なお、本実施形態における「タンブル流Ｔ」とは、吸気ポート１８から点火プラグ１７近傍に直接向かう気体の流れを含んだ気体の旋回流であって、図１における時計方向に流れる気体の旋回流のことを示している。本実施形態では、２つの吸気ポート１８が設けられているため、燃焼室１６内には紙面と直交する方向に沿って２つのタンブル流Ｔが形成されることとなる。

各排気ポート１９は、各吸気ポート１８と同様に、紙面と直交する方向に沿って並置されている。そして、排気行程で排気バルブ２１が開弁状態になると、各排気ポート１９を通じて燃焼室１６から排気が排出される。

本実施形態では、一つのシリンダ１４に対して２種類の噴射弁２２，２３が設けられている。各噴射弁２２，２３のうち一方の噴射弁は、吸気ポート１８内に燃料を噴射するための通路噴射弁２２である。また、他方の噴射弁は、シリンダ１４内に燃料を噴射するための筒内噴射弁２３である。これら各噴射弁２２，２３のうち少なくとも一方の噴射弁から噴射された燃料を含んだ混合気が点火プラグ１７によって燃焼され、この燃焼に基づいた力によってピストン１５が往復動する。

次に、図２〜図４を参照して、ピストン頂面１５１の形状について説明する。なお、図４には、比較例のピストン１５Ａの一部の断面形状を示している。
図２に示すように、ピストン頂面１５１には、吸気バルブ２０との接触を回避するための吸気側リセス３１，３２と、排気バルブ２１との接触を回避するための排気側リセス３３，３４とが形成されている。本実施形態では、各排気側リセス３３，３４のうち図２における上側に位置する排気側リセス３３と、各吸気側リセス３１，３２のうち図２における上側に位置する吸気側リセス３１との並ぶ方向、及び図２における下側に位置する排気側リセス３４と吸気側リセス３２との並ぶ方向を、「規定方向」とそれぞれいうものとする。

なお、燃焼室１６内にタンブル流Ｔが発生すると、図１の時計方向に流れる気体がピストン頂面１５１上を排気側から吸気側に向けて流動することとなる。このとき、気体は、排気側リセス３３，３４を排気側（図２における右側であって、規定方向における一方側）から吸気側（図２における左側であって、規定方向における他方側）に向けて通過する。そして、排気側リセス３３，３４を通過した気体は、吸気側リセス３１，３２を排気側から吸気側に向けて通過する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、ピストン１５を規定方向に沿って切断した場合の一部の断面図である。図３（ａ），（ｂ）に示すように、ピストン頂面１５１における排気側リセス３３，３４の排気側（図３（ａ）における左側であって、規定方向における一方側）の部分１５２は、排気側リセス３３，３４に近づくに連れて次第に上記駆動方向一方側に位置するように傾斜状をなしている。そして、排気側リセス３３，３４の周縁３５において規定方向における一方側部分としての排気側部分３５１の曲率半径は、第１の曲率半径Ｒ１となっている。また、図３（ｃ）に示すように、排気側リセス３３，３４の周縁３５において規定方向における他方側部分としての吸気側部分３５２の曲率半径は、排気側部分３５１の曲率半径（Ｒ１）よりも大きい第２の曲率半径Ｒ２となっている。

また、図３（ａ），（ｄ）に示すように、ピストン頂面１５１における吸気側リセス３１，３２の排気側の部分１５３は、吸気側リセス３１，３２に近づくに連れて次第に駆動方向一方側に位置するように傾斜状をなしている。そして、吸気側リセス３１，３２の周縁３６において規定方向における一方側部分としての排気側部分３６１の曲率半径は、第３の曲率半径Ｒ３となっている。そして、この第３の曲率半径Ｒ３は、第２の曲率半径Ｒ２よりも小さい。

また、図３（ｅ）に示すように、吸気側リセス３１，３２の周縁３６において規定方向における他方側部分としての吸気側部分３６２の曲率半径は、排気側部分３６１の曲率半径（Ｒ３）よりも大きい第４の曲率半径Ｒ４となっている。そして、この第４の曲率半径Ｒ４は、第１の曲率半径Ｒ１よりも大きい。

ここで、図４を参照して、従来のピストン頂面１５１Ａの形状を比較例として説明する。
図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、比較例のピストン頂面１５１Ａにおいて、排気側リセス３３Ａ，３４Ａの周縁３５Ａの排気側部分３５１Ａは、吸気側部分３５２Ａと同じ第１１の曲率半径Ｒ１１となっている。この第１１の曲率半径Ｒ１１は、第１の曲率半径Ｒ１よりも大きく、且つ第２の曲率半径Ｒ２よりも小さい。言い換えると、本実施形態の排気側リセス３３，３４の周縁３５の排気側部分３５１の曲率半径（Ｒ１）は、比較例の排気側リセス３３Ａ，３４Ａの周縁３５Ａの排気側部分３５１Ａの曲率半径（Ｒ１１）よりも小さい。また、本実施形態の排気側リセス３３，３４の周縁３５の吸気側部分３５２の曲率半径（Ｒ２）は、比較例の排気側リセス３３Ａ，３４Ａの周縁３５Ａの吸気側部分３５２Ａの曲率半径（Ｒ１１）よりも大きい。

また、吸気側リセス３１Ａ，３２Ａの周縁３６Ａの排気側部分３６１Ａは、吸気側部分３６２Ａと同じ第１２の曲率半径Ｒ１２となっている。この第１２の曲率半径Ｒ１２は、第３の曲率半径Ｒ３よりも大きく、且つ第４の曲率半径Ｒ４よりも小さい。言い換えると、本実施形態の吸気側リセス３１，３２の周縁３６の排気側部分３６１の曲率半径（Ｒ３）は、比較例の吸気側リセス３１Ａ，３２Ａの周縁３６Ａの排気側部分３６１Ａの曲率半径（Ｒ１２）よりも小さい。また、本実施形態の吸気側リセス３１，３２の周縁３６の吸気側部分３６２の曲率半径（Ｒ４）は、比較例の吸気側リセス３１Ａ，３２Ａの周縁３６Ａの吸気側部分３６２Ａの曲率半径（Ｒ１２）よりも大きい。

次に、図５及び図６に示す各グラフを参照して、本実施形態の内燃機関１１の作用について説明する。
吸気ポート１８を通じて燃焼室１６内に気体が吸入されると、燃焼室１６内にタンブル流Ｔが形成される。すると、吸入空気及び燃料を含む混合気がピストン頂面１５１上を排気側から吸気側に向けて流動することとなる。このように混合気がピストン頂面１５１上を流動するに際し、混合気が排気側リセス３３，３４を通過する。

このとき、上記比較例のように周縁３５Ａの曲率半径が第１１の曲率半径Ｒ１１である場合、排気側部分３５１Ａの曲率半径が大きいために、混合気が排気側リセス３３Ａ，３４Ａ内に案内されやすい。そのため、混合気の多くが排気側部分３５１Ａから排気側リセス３３Ａ，３４Ａ内に流入し、その後、吸気側部分３５２Ａを介して排気側リセス３３Ａ，３４Ａから混合気が流出することとなる。

そして、排気側リセス３３Ａ，３４Ａから流出した混合気は、ピストン頂面１５１Ａに沿って吸気側に流動し、吸気側リセス３１Ａ，３２Ａの直前位置に至る。このときにおいても、上記比較例のように周縁３６Ａの曲率半径が第１２の曲率半径Ｒ１２である場合、排気側部分３６１Ａの曲率半径が大きいために、混合気が吸気側リセス３１Ａ，３２Ａ内に案内されやすい。そのため、混合気の多くが排気側部分３６１Ａから吸気側リセス３１Ａ，３２Ａ内に流入し、その後、吸気側部分３６２Ａを介して吸気側リセス３１Ａ，３２Ａから混合気が流出することとなる。

すなわち、比較例のピストン頂面１５１Ａを排気側から吸気側に向けて混合気が流れる際には、混合気のリセス内への出入りによって、その流速、即ちタンブル流Ｔが減衰される。

これに対し、本実施形態では、排気側リセス３３，３４の周縁３５の排気側部分３５１の曲率半径は、第１１の曲率半径Ｒ１１よりも小さい第１の曲率半径Ｒ１となっている。そのため、排気側リセス３３，３４を混合気が排気側から吸気側に通過するに際し、混合気は排気側リセス３３，３４内に案内されにくい。そのため、混合気の多くは、排気側リセス３３，３４に流入することなく、排気側リセス３３，３４の上方を通過するようになる。

そして、排気側リセス３３，３４の上方を通過する混合気が排気側リセス３３，３４の周縁３５の吸気側部分３５２近傍に至ると、混合気の流れる方向が、吸気側部分３５２によってピストン頂面１５１に沿った方向に円滑に変更される。これは、吸気側部分３５２の曲率半径が、第１の曲率半径Ｒ１及び第１１の曲率半径Ｒ１１よりも大きい第２の曲率半径Ｒ２であるためである。

その後、排気側リセス３３，３４を通過した混合気は、ピストン頂面１５１に沿って吸気側に流動すると、吸気側リセス３１，３２の直前位置に至る。なお、吸気側リセス３１，３２の周縁３６の排気側部分３６１の曲率半径は、第１２の曲率半径Ｒ１２よりも小さい第３の曲率半径Ｒ３となっている。そのため、吸気側リセス３１，３２を混合気が排気側から吸気側に向けて通過するに際し、混合気は吸気側リセス３１，３２内に案内されにくい。そのため、混合気の多くは、吸気側リセス３１，３２に流入することなく、吸気側リセス３１，３２の上方を通過する。

そして、吸気側リセス３１，３２の上方を通過する混合気が吸気側リセス３１，３２の周縁３６の吸気側部分３６２近傍に至ると、混合気の流れる方向が、吸気側部分３６２によってピストン頂面１５１に沿った方向に円滑に変更される。これは、吸気側部分３６２の曲率半径が第３の曲率半径Ｒ３及び第１２の曲率半径Ｒ１２よりも大きい第４の曲率半径Ｒ４であるためである。

このように混合気がピストン頂面１５１に沿って流れる際における流速の減衰が抑制されると、図５及び図６に示すように、燃焼行程時におけるタンブル比及びタンブル流Ｔの乱れを示す値が、比較例の場合よりもそれぞれ大きくなる。そのため、混合気の燃焼速度が高められ、混合気が安定して燃焼されるようになる。

なお、「タンブル比」とは、ピストン１５が一往復する間にタンブル流Ｔが旋回する回数である。また、「乱れを示す値」とは、燃焼室１６内における流速の平均値と、燃焼室１６内の所定のポイントでの流速との差を示す値であって、同差が大きいほどタンブル流Ｔの乱れが大きいこととなる。

以上説明したように、本実施形態では、以下に示す効果を得ることができる。
（１）リセス３１〜３４の周縁３５，３６において排気側部分３５１，３６１の曲率半径を吸気側部分３５２，３６２の曲率半径よりも小さくした。これにより、混合気がピストン頂面１５１上を排気側から吸気側に流れるに際し、混合気がリセス３１〜３４内に流入しにくくなる。そして、リセス３１〜３４上を通過する混合気の流れる方向が、吸気側部分３５２，３６２によって、ピストン頂面１５１に沿う方向に円滑に調整される。その結果、ピストン頂面１５１に沿って混合気が流れる際における流速の減衰が抑制され、燃焼室１６内におけるタンブル流Ｔの減衰を抑制することができるようになる。したがって、内燃機関１１の燃料消費量を向上させることができるようになる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・排気側リセス３３，３４の周縁３５において排気側部分３５１の曲率半径が吸気側部分３５２の曲率半径よりも小さいのであれば、吸気側リセス３１，３２の周縁３６において排気側部分３６１の曲率半径を吸気側部分３６２の曲率半径と同じとしてもよい。

・吸気側リセス３１，３２の周縁３６において排気側部分３６１の曲率半径が吸気側部分３６２の曲率半径よりも小さいのであれば、排気側リセス３３，３４の周縁３５において排気側部分３５１の曲率半径を吸気側部分３５２の曲率半径と同じとしてもよい。

・内燃機関１１は、ピストン頂面１５１上を吸気側から排気側に向けて混合気が流れるようなタンブル流を発生させるものであってもよい。この場合、リセス３１〜３４の周縁３５，３６における吸気側部分３５２，３６２が「規定方向における一方側部分」に相当し、排気側部分３５１，３６１が「規定方向における他方側部分」に相当する。そして、吸気側部分３５２，３６２の曲率半径を、排気側部分３５１，３６１の曲率半径よりも小さくすることが好ましい。

１１…内燃機関、１５…ピストン、１５１…ピストン頂面、１６…燃焼室、３１，３２…吸気側リセス、３３，３４…排気側リセス、３５，３６…周縁、３５１，３６１…排気側部分、３５２，３６２…吸気側部分。

Claims (4)

1. ピストン頂面に形成された吸気バルブ用の吸気側リセスと排気バルブ用の排気側リセスとが並ぶ方向を規定方向としたとき、前記ピストン頂面上に前記規定方向における一方側から前記規定方向における他方側へと流れる吸入空気の流れを生じさせるタンブル流を燃焼室内に発生させる内燃機関に適用される内燃機関のピストンであって 、
   前記吸気側リセス及び前記排気側リセスの少なくとも一方のリセスの周縁では、
   同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における一方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径が、
   同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における他方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径よりも小さくされてなる
   ことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記吸気側リセス及び前記排気側リセスの両リセスの周縁において、
   リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における一方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径が、
   同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における他方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径よりも小さくされてなる
   請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記吸気側リセス及び前記排気側リセスの一方のリセスの周縁における同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における一方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径が、
   他方のリセスの周縁における同リセスと前記ピストン頂面の同リセスよりも前記規定方向における他方側の部分とが接続している部分の同規定方向に沿った断面における曲率半径よりも小さくされてなる
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のピストン。
4. ピストン頂面に形成された吸気バルブ用の吸気側リセスと排気バルブ用の排気側リセスとが並ぶ方向を規定方向としたとき、前記ピストン頂面上に前記規定方向における一方側から前記規定方向における他方側へと流れる吸入空気の流れを生じさせるタンブル流を燃焼室内に発生させる内燃機関であって、
   請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の内燃機関のピストンを備える
   ことを特徴とする内燃機関。