JP6088016B1 - ピストン - Google Patents
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Abstract
【課題】混合気への着火性及び燃焼安定性を向上したピストンを提供する。【解決手段】シリンダ中心軸付近に配置された点火栓と、点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートと、点火栓に対して吸気ポート側にオフセットして配置されピストンの冠面に向けて複数の燃料噴霧を噴射するインジェクタとを備えるエンジンに設けられるピストンを、冠面を他の部分に対して凹ませて形成された凹部１６０を有し、凹部の外周縁部１６２，１６３，１６４は、全周にわたって冠面の他の部分１５０，１１０，１３０に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときにインジェクタと点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部１６４を有する構成とする。【選択図】図２
Description
本発明は、火花点火式の筒内燃料噴射エンジンのピストンに関し、特には混合気への着火性及び燃焼安定性を向上したものに関する。
例えば自動車の走行用動力源として用いられる火花点火式の筒内燃料噴射（直噴）エンジンにおいては、混合気の着火性及び燃焼安定性を向上するため、点火時に点火栓の周囲に混合気がリッチな領域を形成して、良好な成層燃焼を可能とすることが求められる。
従来このような混合気リッチな領域（層）を形成するため、ピストンの冠面に所定の凹凸形状を設けて、インジェクタから冠面に向けて噴射される燃料噴霧を巻き上げ、点火栓側へ誘導する手法が各種提案されている。
従来このような混合気リッチな領域（層）を形成するため、ピストンの冠面に所定の凹凸形状を設けて、インジェクタから冠面に向けて噴射される燃料噴霧を巻き上げ、点火栓側へ誘導する手法が各種提案されている。
例えば特許文献１には、成層燃焼性能と均一燃焼性能とを両立するため、吸排気各２弁を有するペントルーフ型燃焼室に組み合わせられるピストンにおいて、一対の吸気バルブリセスの中央部に、実質的に真円形のキャビティ燃焼室を形成することが記載されている。
特許文献２には、成層燃焼が行われる運転領域を拡大するため、ピストンの冠面の中央部に、燃料噴霧軸線と直交するピストン直径線に沿って延在するボウルを形成し、インジェクタ側からボウルへかけて、ボウルよりさらに凹んだ凹部を形成することが記載されている。
特許文献３には、成層燃焼時に着火可能な期間を増大させるため、ピストンの冠面の中央部に凹部を形成するとともに、凹部のインジェクタとは反対側の一部に深さを浅くした棚部を形成することが記載されている。
特許文献４には、低負荷領域での着火性等を改善するため、ピストンの冠面に、シリンダ軸線方向から見た形状が実質的に卵型となる凹部を形成することが記載されている。
特許文献５には、ピストンに深いキャビティを設けることなく点火リタード時の燃焼安定化等を図るため、冠面の点火プラグ下に吸気側が低く、排気側が高くなっている第一の段差と、第一の段差の側方に設けられシリンダ外周側が高くなる第二の段差を設けることが記載されている。
特許文献６には、冠面の中央部からインジェクタ近傍のピストン外周面にかけて延在し、ピストン中央部に近づくに応じて深くなる溝状の凹部を形成することが記載されている。
特許文献７には、インジェクタ側からピストン中央部側にかけて幅が徐々に狭まる台形状のキャビティを形成することが記載されている。
特許文献８には、インジェクタ側からピストン中央部側にかけて幅が徐々に広がる台形状のキャビティを形成することが記載されている。
特許文献２には、成層燃焼が行われる運転領域を拡大するため、ピストンの冠面の中央部に、燃料噴霧軸線と直交するピストン直径線に沿って延在するボウルを形成し、インジェクタ側からボウルへかけて、ボウルよりさらに凹んだ凹部を形成することが記載されている。
特許文献３には、成層燃焼時に着火可能な期間を増大させるため、ピストンの冠面の中央部に凹部を形成するとともに、凹部のインジェクタとは反対側の一部に深さを浅くした棚部を形成することが記載されている。
特許文献４には、低負荷領域での着火性等を改善するため、ピストンの冠面に、シリンダ軸線方向から見た形状が実質的に卵型となる凹部を形成することが記載されている。
特許文献５には、ピストンに深いキャビティを設けることなく点火リタード時の燃焼安定化等を図るため、冠面の点火プラグ下に吸気側が低く、排気側が高くなっている第一の段差と、第一の段差の側方に設けられシリンダ外周側が高くなる第二の段差を設けることが記載されている。
特許文献６には、冠面の中央部からインジェクタ近傍のピストン外周面にかけて延在し、ピストン中央部に近づくに応じて深くなる溝状の凹部を形成することが記載されている。
特許文献７には、インジェクタ側からピストン中央部側にかけて幅が徐々に狭まる台形状のキャビティを形成することが記載されている。
特許文献８には、インジェクタ側からピストン中央部側にかけて幅が徐々に広がる台形状のキャビティを形成することが記載されている。
シリンダの軸心近傍に配置された点火栓、及び、点火栓に対してオフセットして配置されたインジェクタを有し、ピストン冠面に向けて燃料噴射を行う筒内燃料噴射エンジンにおいて、点火栓の周囲の空燃比をよりリッチ化するとともに、空燃比リッチな領域を拡大して、混合気への着火性及び燃焼安定性を向上することが要望されている。
本発明の課題は、混合気への着火性及び燃焼安定性を向上したピストンを提供することである。
本発明の課題は、混合気への着火性及び燃焼安定性を向上したピストンを提供することである。
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、シリンダ中心軸付近に配置された点火栓と、前記点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートと、前記点火栓に対して前記吸気ポート側にオフセットして配置されピストンの冠面に向けて複数の燃料噴霧を噴射するインジェクタとを備えるエンジンに設けられるピストンであって、前記ピストンの冠面を他の部分に対して凹ませて形成された凹部を有し、前記凹部の外周縁部は、全周にわたって前記冠面の他の部分に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときに前記インジェクタと前記点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部と、前記凹部のボア中心側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が排気側が凸となる円弧状に形成された中央側ステップ部と、前記凹部のボア外径側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が吸気側が凸となる円弧状に形成された外径側ステップ部とを有し、前記中央側ステップは、シリンダボア軸線方向から見たときに、その内径側に前記点火栓を包含するよう配置されることを特徴とするピストンである。
これによれば、インジェクタから噴射された燃料噴霧（時間経過とともに燃料が気化して空燃比リッチな混合気の層となる）は、ピストン冠面に衝突した後、側辺部がストレートに形成された凹部によって点火栓側に直進状に案内され、その後シリンダヘッド側に巻き上げられ、点火栓の周囲に効率よく集められる。
また、凹部の外周縁部に全周にわたって段部が形成されることによって、凹部の外周縁部から燃料噴霧が漏れ出し、点火栓から遠ざかる方向に逃げることが抑制される。
これらの効果によって、点火栓の周囲の空燃比をリッチ化して着火性を向上することができ、また、点火栓周囲の空燃比がリッチな領域を拡大して燃焼安定性を向上することができる。
請求項１に係る発明は、シリンダ中心軸付近に配置された点火栓と、前記点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートと、前記点火栓に対して前記吸気ポート側にオフセットして配置されピストンの冠面に向けて複数の燃料噴霧を噴射するインジェクタとを備えるエンジンに設けられるピストンであって、前記ピストンの冠面を他の部分に対して凹ませて形成された凹部を有し、前記凹部の外周縁部は、全周にわたって前記冠面の他の部分に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときに前記インジェクタと前記点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部と、前記凹部のボア中心側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が排気側が凸となる円弧状に形成された中央側ステップ部と、前記凹部のボア外径側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が吸気側が凸となる円弧状に形成された外径側ステップ部とを有し、前記中央側ステップは、シリンダボア軸線方向から見たときに、その内径側に前記点火栓を包含するよう配置されることを特徴とするピストンである。
これによれば、インジェクタから噴射された燃料噴霧（時間経過とともに燃料が気化して空燃比リッチな混合気の層となる）は、ピストン冠面に衝突した後、側辺部がストレートに形成された凹部によって点火栓側に直進状に案内され、その後シリンダヘッド側に巻き上げられ、点火栓の周囲に効率よく集められる。
また、凹部の外周縁部に全周にわたって段部が形成されることによって、凹部の外周縁部から燃料噴霧が漏れ出し、点火栓から遠ざかる方向に逃げることが抑制される。
これらの効果によって、点火栓の周囲の空燃比をリッチ化して着火性を向上することができ、また、点火栓周囲の空燃比がリッチな領域を拡大して燃焼安定性を向上することができる。
請求項２に係る発明は、前記インジェクタは複数の燃料噴霧を形成するマルチホールインジェクタであり、前記凹部の外周縁部は少なくとも燃料噴射最終回に形成される前記複数の燃料噴霧と前記凹部内面との衝突箇所に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のピストンである。
なお、明細書及び特許請求の範囲において、「燃料噴射最終回」とは、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合には、一連の噴射のなかで最後に行われる噴射を意味するものとし、１燃焼あたり１回の燃料噴射が行われる場合には、当該噴射を意味するものとする。
これによれば、燃料噴霧が凹部の外周縁部に形成される段部に沿って確実に点火栓側へ案内され、上述した効果を確実に得ることができる。
なお、明細書及び特許請求の範囲において、「燃料噴射最終回」とは、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合には、一連の噴射のなかで最後に行われる噴射を意味するものとし、１燃焼あたり１回の燃料噴射が行われる場合には、当該噴射を意味するものとする。
これによれば、燃料噴霧が凹部の外周縁部に形成される段部に沿って確実に点火栓側へ案内され、上述した効果を確実に得ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、混合気への着火性及び燃焼安定性を向上したピストンを提供することができる。
本発明は、混合気への着火性及び燃焼安定性を向上したピストンを提供する課題を、ピストンの冠面に、シリンダ軸線方向から見てインジェクタと点火栓を結んだ方向に平行な長軸方向を有し、側辺部がストレートに形成され、外周縁部が全周にわたって周囲の面部に対して段差（ステップ）を有する凹部を形成することによって解決した。
以下、本発明を適用したピストンの実施例について説明する。
実施例のピストンは、例えば、乗用車等の自動車の走行用動力源として用いられるガソリン筒内燃料噴射（直噴）エンジンに用いられるものである。
エンジンは、気筒あたり吸気２バルブ、排気２バルブを所定のバルブ挟角で配列して構成されたペントルーフ型の燃焼室２００（図７等参照）を有する。
燃焼室２００は、その中央部（シリンダボア軸心付近）に点火栓（スパークプラグ）２１０を有する。
また、燃焼室２００は、一対の吸気ポートの間隔から、ノズル部が燃焼室２００内に挿入されたマルチホールのインジェクタ２２０を有する。
インジェクタ２２０は、圧縮後期にあるピストン１の冠面１００に向けて、複数の燃料噴霧（ビーム）を噴射するものである。
実施例のピストンは、例えば、乗用車等の自動車の走行用動力源として用いられるガソリン筒内燃料噴射（直噴）エンジンに用いられるものである。
エンジンは、気筒あたり吸気２バルブ、排気２バルブを所定のバルブ挟角で配列して構成されたペントルーフ型の燃焼室２００（図７等参照）を有する。
燃焼室２００は、その中央部（シリンダボア軸心付近）に点火栓（スパークプラグ）２１０を有する。
また、燃焼室２００は、一対の吸気ポートの間隔から、ノズル部が燃焼室２００内に挿入されたマルチホールのインジェクタ２２０を有する。
インジェクタ２２０は、圧縮後期にあるピストン１の冠面１００に向けて、複数の燃料噴霧（ビーム）を噴射するものである。
図１は、実施例のピストンの外観斜視図である。
図２は、図１のピストンの冠面をシリンダ軸線方向から見た図である。
図３は、図２のIII−III部矢視断面図である。
図４は、図２のIV−IV部矢視断面図である。
図５は、図２のＶ−Ｖ部矢視断面図である。
ピストン１は、例えばアルミニウム系合金を鋳造又は鍛造して概ねの形状を形成した後に、所定の機械加工及び表面処理を施して形成されている。
ピストン１は、実質的に円筒外面状に形成された外周面１０、及び、シリンダヘッド側の端面である冠面１００等を有して構成されている。
外周面１０は、シリンダの内周面と対向して配置され、これと摺動する面部であって、図示しないピストンリング、オイルリング等が嵌め込まれる周方向溝が形成される。
図２は、図１のピストンの冠面をシリンダ軸線方向から見た図である。
図３は、図２のIII−III部矢視断面図である。
図４は、図２のIV−IV部矢視断面図である。
図５は、図２のＶ−Ｖ部矢視断面図である。
ピストン１は、例えばアルミニウム系合金を鋳造又は鍛造して概ねの形状を形成した後に、所定の機械加工及び表面処理を施して形成されている。
ピストン１は、実質的に円筒外面状に形成された外周面１０、及び、シリンダヘッド側の端面である冠面１００等を有して構成されている。
外周面１０は、シリンダの内周面と対向して配置され、これと摺動する面部であって、図示しないピストンリング、オイルリング等が嵌め込まれる周方向溝が形成される。
冠面１００は、図示しないシリンダヘッド等と協働してエンジンの燃焼室を構成する円盤状の面部である。
冠面１００には、吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０、吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０、平坦部１５０、凹部１６０等が一体に形成されている。
冠面１００には、吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０、吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０、平坦部１５０、凹部１６０等が一体に形成されている。
吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０は、それぞれ図示しない吸気バルブ、排気バルブの傘状の弁体と対向して配置される実質的に平面状の面部であって、クランク軸方向にほぼ沿って延在している。
吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０は、ペントルーフ型の燃焼室２００の形状に適合するように、ボア中央側においてシリンダヘッド側に張り出すように、ボア中心軸と直交する平面に対して傾斜して配置されている。
吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０は、ペントルーフ型の燃焼室２００の形状に適合するように、ボア中央側においてシリンダヘッド側に張り出すように、ボア中心軸と直交する平面に対して傾斜して配置されている。
吸気側斜面１１０の排気側斜面１２０とは反対側の端部には、吸気バルブリセス１１１が形成されている。
排気側斜面１２０の吸気側斜面１１０とは反対側の端部には、排気バルブリセス１２１が形成されている。
吸気バルブリセス１１１、排気バルブリセス１２１は、吸気バルブ及び排気バルブの冠面１００への干渉を避けるために形成された凹部であって、各バルブの配置に対応して、それぞれクランク軸線方向に沿って２箇所に配列されている。
排気側斜面１２０の吸気側斜面１１０とは反対側の端部には、排気バルブリセス１２１が形成されている。
吸気バルブリセス１１１、排気バルブリセス１２１は、吸気バルブ及び排気バルブの冠面１００への干渉を避けるために形成された凹部であって、各バルブの配置に対応して、それぞれクランク軸線方向に沿って２箇所に配列されている。
吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０は、ピストン１が上死点近傍にあるときに、シリンダヘッド側の面部と微小な間隔を隔てて対向するように形成された面部である。
各スキッシュ部１３０，１４０は、ピストン１が圧縮上死点に近づいた際に、燃焼室２００の中央側へ吹き出すスキッシュ流を形成し、ガス流動を活発化させるものである。
吸気側スキッシュ部１３０は、吸気バルブリセス１１１と隣接する領域から、冠面１００の外周縁部にかけて形成されている。
排気側スキッシュ部１４０は、排気バルブリセス１２１と隣接する領域から、冠面１００の外周縁部にかけて形成されている。
吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０は、シリンダボア軸線と実質的に直交する平面状に形成されている。
各スキッシュ部１３０，１４０は、ピストン１が圧縮上死点に近づいた際に、燃焼室２００の中央側へ吹き出すスキッシュ流を形成し、ガス流動を活発化させるものである。
吸気側スキッシュ部１３０は、吸気バルブリセス１１１と隣接する領域から、冠面１００の外周縁部にかけて形成されている。
排気側スキッシュ部１４０は、排気バルブリセス１２１と隣接する領域から、冠面１００の外周縁部にかけて形成されている。
吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０は、シリンダボア軸線と実質的に直交する平面状に形成されている。
平坦部１５０は、冠面１００の中央部に設けられた面部であって、その主要部分は実質的にシリンダボア軸線と直交する平面に沿って形成されている。
平坦部１５０は、吸気側斜面１１０及び排気側斜面１２０等によって形成されるペントルーフ型形状の中央部を凹ませて形成されている。
図２等に示すように、平坦部１５０をシリンダボア軸線方向から見た平面形状は、実質的にクランク軸方向に沿った長軸方向を有する楕円状に形成されている。
平坦部１５０は、吸気スキッシュ部１３０、排気スキッシュ部１４０に対してわずかにクランク側となるように奥まって配置されている。
平坦部１５０の外周縁部は、緩やかな凹曲面を介して他の面部と接続されている。
平坦部１５０は、吸気側斜面１１０及び排気側斜面１２０等によって形成されるペントルーフ型形状の中央部を凹ませて形成されている。
図２等に示すように、平坦部１５０をシリンダボア軸線方向から見た平面形状は、実質的にクランク軸方向に沿った長軸方向を有する楕円状に形成されている。
平坦部１５０は、吸気スキッシュ部１３０、排気スキッシュ部１４０に対してわずかにクランク側となるように奥まって配置されている。
平坦部１５０の外周縁部は、緩やかな凹曲面を介して他の面部と接続されている。
凹部１６０は、冠面１００の中央部から、吸気スキッシュ部１３０にかけて、他の面部に対して凹ませて形成された部分である。
凹部１６０は、図２等に示すように、シリンダボア軸線方向から見たときに、実質的にシリンダボア中央に配置された点火栓とインジェクタとを結ぶ方向に沿った長手方向を有する長円状に形成されている。
凹部１６０は、図２等に示すように、シリンダボア軸線方向から見たときに、実質的にシリンダボア中央に配置された点火栓とインジェクタとを結ぶ方向に沿った長手方向を有する長円状に形成されている。
凹部１６０は、底面部１６１、中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４を有する。
底面部１６１は、凹部１６０の最深部に形成される実質的に平坦な面部である。
底面部１６１は、シリンダボア軸線と直交する平面と実質的に平行な平面状に形成されている。
底面部１６１は、凹部１６０の周囲の平坦部１５０の主要部分に対して、所定寸法、クランク側に凹ませて形成されている。
底面部１６１は、凹部１６０の最深部に形成される実質的に平坦な面部である。
底面部１６１は、シリンダボア軸線と直交する平面と実質的に平行な平面状に形成されている。
底面部１６１は、凹部１６０の周囲の平坦部１５０の主要部分に対して、所定寸法、クランク側に凹ませて形成されている。
中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４は、凹部１６０の外周縁部に沿って、全周にわたり連続して形成された段状の部分である。
中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４は、底面部１６１からシリンダヘッド側へ立ち上げて形成され、底面部１６１との接続部は、凹曲面状に形成されている。
一方、中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４のシリンダヘッド側の端部は、他の面部との間で鋭利なエッジを形成するように接続されている。
中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４は、底面部１６１からシリンダヘッド側へ立ち上げて形成され、底面部１６１との接続部は、凹曲面状に形成されている。
一方、中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４のシリンダヘッド側の端部は、他の面部との間で鋭利なエッジを形成するように接続されている。
中央側ステップ１６２は、凹部１６０のボア中心側（点火栓２１０側）の端部を構成する。
中央側ステップ１６２は、平坦部１５０の中央部に配置され、シリンダボア軸線方向から見た平面形は、実質的に排気側が凸となるよう配置された中心角１８０°の円弧状に形成されている。
中央側ステップ１６２は、シリンダボア軸線方向から見たときに、その内径側に点火栓２１０を包含するように配置されている。
中央側ステップ１６２は、平坦部１５０の中央部に配置され、シリンダボア軸線方向から見た平面形は、実質的に排気側が凸となるよう配置された中心角１８０°の円弧状に形成されている。
中央側ステップ１６２は、シリンダボア軸線方向から見たときに、その内径側に点火栓２１０を包含するように配置されている。
外径側ステップ１６３は、凹部１６０のボア外径側（インジェクタ２２０側）の端部を構成する。
外径側ステップ１６３は、吸気側斜面１１０及び吸気側スキッシュ部１３０にかけて形成され、シリンダボア軸線方向から見た平面形は、実質的に吸気側が凸となるように配置された中心角１８０°の円弧状に形成されている。
外径側ステップ１６３は、吸気側斜面１１０及び吸気側スキッシュ部１３０にかけて形成され、シリンダボア軸線方向から見た平面形は、実質的に吸気側が凸となるように配置された中心角１８０°の円弧状に形成されている。
ストレートガイドステップ１６４は、中央側ステップ１６２の両端部と、外径側ステップ１６３の両端部との間を、それぞれ直線的に連結するよう、一対が平行に設けられている側辺部（各円弧の共通外接線）である。
ストレートガイドステップ１６４は、シリンダボア軸線方向から見たときに、点火栓２１０とインジェクタ２２０とを結んだ直線と実質的に平行に配置されている。
ストレートガイドステップ１６４は、シリンダボア軸線方向から見たときに、点火栓２１０とインジェクタ２２０とを結んだ直線と実質的に平行に配置されている。
図２に、インジェクタ２２０が形成する燃料噴霧の冠面１００との衝突箇所Ｐを、破線丸印で示す。
ここで、衝突箇所Ｐは、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合に、圧縮行程の後期において最後に行われる噴射（燃料噴射最終回）での衝突箇所を示している。
また、１燃焼サイクルあたり１回の燃料噴射によって成層燃焼又は弱成層燃焼（成層燃焼と均質燃焼との中間的な状態）を行う場合にも、同様の衝突箇所となる。
図２に示すように、インジェクタ２２０は、例えば、６本のビーム状の燃料噴霧を形成するマルチホールインジェクタであるが、そのうち５本の衝突箇所Ｐは凹部１６０内に設定されている。
これら５本の燃料噴霧において、４本の衝突箇所Ｐは各ストレートガイドステップ１６４に隣接する領域に２箇所ずつ設定され、１本の衝突箇所Ｐは外径側ステップ１６３のボア外径側の端部に隣接する領域に設けられている。
また、他の１本の燃料噴霧の衝突箇所Ｐは、平坦部１５０の排気側の領域に設定されている。
このようにして、凹部１６０の内部に噴き込まれた燃料噴霧は、凹部１６０の内面に沿ってシリンダボア中央側へ案内され、中央側ステップ１６２の凹曲面によってシリンダヘッド側へ巻き上げられ、点火時期直前に点火栓２１０の周囲に空燃比がリッチな領域を形成する。
ここで、衝突箇所Ｐは、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合に、圧縮行程の後期において最後に行われる噴射（燃料噴射最終回）での衝突箇所を示している。
また、１燃焼サイクルあたり１回の燃料噴射によって成層燃焼又は弱成層燃焼（成層燃焼と均質燃焼との中間的な状態）を行う場合にも、同様の衝突箇所となる。
図２に示すように、インジェクタ２２０は、例えば、６本のビーム状の燃料噴霧を形成するマルチホールインジェクタであるが、そのうち５本の衝突箇所Ｐは凹部１６０内に設定されている。
これら５本の燃料噴霧において、４本の衝突箇所Ｐは各ストレートガイドステップ１６４に隣接する領域に２箇所ずつ設定され、１本の衝突箇所Ｐは外径側ステップ１６３のボア外径側の端部に隣接する領域に設けられている。
また、他の１本の燃料噴霧の衝突箇所Ｐは、平坦部１５０の排気側の領域に設定されている。
このようにして、凹部１６０の内部に噴き込まれた燃料噴霧は、凹部１６０の内面に沿ってシリンダボア中央側へ案内され、中央側ステップ１６２の凹曲面によってシリンダヘッド側へ巻き上げられ、点火時期直前に点火栓２１０の周囲に空燃比がリッチな領域を形成する。
以下、上述した実施例の効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。
比較例のピストンは、凹部１６０をシリンダ軸線方向から見た形状を、実施例の長円形に代えて、実質的に楕円状としたもの（ストレートガイドステップ１６４を持たないもの）である。
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、比較例のピストンを有するエンジンにおける混合気の挙動シミュレーション結果を時系列に示す図である。
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、それぞれクランク角にして圧縮上死点前Ａ°、圧縮上死点前Ｂ°、圧縮上死点後Ｃ°（なお、Ａ°＞Ｂ°＞Ｃ°でＣ°は点火時期）における、クランクシャフト回転軸と直交するボア中心断面を示しており、図中濃色であるほど混合気がリッチであることを示している。（図７において同じ）
比較例のピストンは、凹部１６０をシリンダ軸線方向から見た形状を、実施例の長円形に代えて、実質的に楕円状としたもの（ストレートガイドステップ１６４を持たないもの）である。
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、比較例のピストンを有するエンジンにおける混合気の挙動シミュレーション結果を時系列に示す図である。
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、それぞれクランク角にして圧縮上死点前Ａ°、圧縮上死点前Ｂ°、圧縮上死点後Ｃ°（なお、Ａ°＞Ｂ°＞Ｃ°でＣ°は点火時期）における、クランクシャフト回転軸と直交するボア中心断面を示しており、図中濃色であるほど混合気がリッチであることを示している。（図７において同じ）
比較例においても、複数の燃料噴霧を凹部１６０内に噴き込むことによって、燃料噴霧をシリンダボアの中央側に案内し、ここで点火栓２１０側へ巻き上げることによって、点火栓２１０の周囲に空燃比リッチな領域をある程度形成することは可能である。
しかし、比較例においては、吸気側に混合気が比較的多く滞留して拡散しており、点火栓２１０周囲のさらなるリッチ化が求められる。
しかし、比較例においては、吸気側に混合気が比較的多く滞留して拡散しており、点火栓２１０周囲のさらなるリッチ化が求められる。
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、実施例のピストンを有するエンジンにおける混合気の挙動シミュレーション結果を時系列に示す図である。
実施例においては、ストレートガイドステップ１６４を設けることによって、燃料噴霧が凹部１６０の吸気側から漏れ出すことを抑制しつつ効率よくシリンダボア中央側へ案内し、中央側ステップ１６２においてシリンダヘッド側へ巻き上げることができる。
その結果、図７（ｃ）に示すように、比較例に対してリッチな混合気の領域を点火栓２１０の周囲から吸気側にかけて連続して形成することができ、着火性及び燃焼安定性を向上することができる。
実施例においては、ストレートガイドステップ１６４を設けることによって、燃料噴霧が凹部１６０の吸気側から漏れ出すことを抑制しつつ効率よくシリンダボア中央側へ案内し、中央側ステップ１６２においてシリンダヘッド側へ巻き上げることができる。
その結果、図７（ｃ）に示すように、比較例に対してリッチな混合気の領域を点火栓２１０の周囲から吸気側にかけて連続して形成することができ、着火性及び燃焼安定性を向上することができる。
以上説明したように、本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）インジェクタ２２０から噴出する燃料噴霧（時間経過とともに燃料が気化して空燃比リッチな混合気の層となる）は、ピストン１の冠面１００に衝突した後、ストレートガイドステップ１６４を有する凹部１６０によって、点火栓２１０側に直進状に案内され、その後、中央側ステップ１６２の曲面に沿って巻き上げられ、シリンダヘッド側に偏向して、点火栓２１０の周囲に効率よく集められる。
また、凹部１６０の外周縁部に全周にわたって段差を有する中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４が連続的に形成されることによって、凹部１６０から燃料噴霧が点火栓２１０以外の方向に漏れ出すことが抑制される。
これらの効果によって、点火栓２１０の周囲の空燃比をリッチ化して着火性を向上することができ、また、点火栓２１０周囲の空燃比がリッチな領域を拡大して燃焼安定性を向上することができる。
（２）インジェクタ２２０が燃料噴射最終回で噴出する燃料噴霧のうち複数のビームを、凹部１６０内における外周縁部に隣接する箇所に衝突するよう設定することによって、燃料噴霧が凹部１６０の外周縁部に形成される各ステップ１６２，１６３，１６４に沿って確実に点火栓２１０側へ案内され、上述した効果を確実に得ることができる。
（３）凹部１６０の底面部１６１を平坦部１５０に対して２．５ｍｍ以上深く設定したことによって、凹部１６０内に噴きこまれた燃料噴霧を、凹部１６０の外周縁部においてシリンダヘッド側に良好に巻き上げることができ、上述した効果をよりいっそう高めることができる。
（１）インジェクタ２２０から噴出する燃料噴霧（時間経過とともに燃料が気化して空燃比リッチな混合気の層となる）は、ピストン１の冠面１００に衝突した後、ストレートガイドステップ１６４を有する凹部１６０によって、点火栓２１０側に直進状に案内され、その後、中央側ステップ１６２の曲面に沿って巻き上げられ、シリンダヘッド側に偏向して、点火栓２１０の周囲に効率よく集められる。
また、凹部１６０の外周縁部に全周にわたって段差を有する中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４が連続的に形成されることによって、凹部１６０から燃料噴霧が点火栓２１０以外の方向に漏れ出すことが抑制される。
これらの効果によって、点火栓２１０の周囲の空燃比をリッチ化して着火性を向上することができ、また、点火栓２１０周囲の空燃比がリッチな領域を拡大して燃焼安定性を向上することができる。
（２）インジェクタ２２０が燃料噴射最終回で噴出する燃料噴霧のうち複数のビームを、凹部１６０内における外周縁部に隣接する箇所に衝突するよう設定することによって、燃料噴霧が凹部１６０の外周縁部に形成される各ステップ１６２，１６３，１６４に沿って確実に点火栓２１０側へ案内され、上述した効果を確実に得ることができる。
（３）凹部１６０の底面部１６１を平坦部１５０に対して２．５ｍｍ以上深く設定したことによって、凹部１６０内に噴きこまれた燃料噴霧を、凹部１６０の外周縁部においてシリンダヘッド側に良好に巻き上げることができ、上述した効果をよりいっそう高めることができる。
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。例えば、ピストンの冠面の各部位の形状、寸法、配置等は、上述した実施例の構成に限らず、適宜変更することができる。
また、本発明のピストンは、ガソリンエンジンに限らず、液体燃料を燃焼室内に噴霧して混合気を形成し、火花点火を行う他の燃料のエンジンにも適用することが可能である。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。例えば、ピストンの冠面の各部位の形状、寸法、配置等は、上述した実施例の構成に限らず、適宜変更することができる。
また、本発明のピストンは、ガソリンエンジンに限らず、液体燃料を燃焼室内に噴霧して混合気を形成し、火花点火を行う他の燃料のエンジンにも適用することが可能である。
１ ピストン １０ 外周面
１００ 冠面 １１０ 吸気側斜面
１１１ 吸気バルブリセス １２０ 排気側斜面
１２１ 排気バルブリセス １３０ 吸気側スキッシュ部
１４０ 排気側スキッシュ部 １５０ 平坦部
１６０ 凹部 １６１ 底面部
１６２ 中央側ステップ １６３ 外径側ステップ
１６４ ストレートガイドステップ
２００ 燃焼室 ２１０ 点火栓
２２０ インジェクタ Ｐ 燃料噴霧の衝突箇所
１００ 冠面 １１０ 吸気側斜面
１１１ 吸気バルブリセス １２０ 排気側斜面
１２１ 排気バルブリセス １３０ 吸気側スキッシュ部
１４０ 排気側スキッシュ部 １５０ 平坦部
１６０ 凹部 １６１ 底面部
１６２ 中央側ステップ １６３ 外径側ステップ
１６４ ストレートガイドステップ
２００ 燃焼室 ２１０ 点火栓
２２０ インジェクタ Ｐ 燃料噴霧の衝突箇所
Claims (2)
- シリンダ中心軸付近に配置された点火栓と、
前記点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートと、
前記点火栓に対して前記吸気ポート側にオフセットして配置されピストンの冠面に向けて複数の燃料噴霧を噴射するインジェクタと
を備えるエンジンに設けられるピストンであって、
前記ピストンの冠面を他の部分に対して凹ませて形成された凹部を有し、
前記凹部の外周縁部は、全周にわたって前記冠面の他の部分に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときに前記インジェクタと前記点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部と、
前記凹部のボア中心側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が排気側が凸となる円弧状に形成された中央側ステップ部と、
前記凹部のボア外径側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が吸気側が凸となる円弧状に形成された外径側ステップ部とを有し、
前記中央側ステップは、シリンダボア軸線方向から見たときに、その内径側に前記点火栓を包含するよう配置されること
を特徴とするピストン。 - 前記インジェクタは複数の燃料噴霧を形成するマルチホールインジェクタであり、
前記凹部の外周縁部は少なくとも燃料噴射最終回に形成される前記複数の燃料噴霧と前記凹部内面との衝突箇所に隣接して配置されること
を特徴とする請求項１に記載のピストン。
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