JP6398700B2 - 筒内噴射式エンジン - Google Patents

Description

この発明は、シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジンに関する。

シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を備えた筒内噴射式ガソリンエンジンでは、例えば、高負荷領域では、シリンダ内に均質な空燃比の混合気を導入して均質燃焼を行い、低負荷領域では、シリンダ内を燃料の濃い可燃混合気層と、燃料の薄いあるいは殆ど空気だけの希薄混合気層とに分けて、成層希薄燃焼（成層燃焼）を行う制御を行うものがある。

成層燃焼時には、ピストンの下降に伴うシリンダ内の気流等を利用し、ガソリンと空気が均一に交じり合うことを防ぎ、可燃混合気層が圧縮行程後期に点火プラグ周辺に、希薄混合気層がピストン頂面に近い側に集まるように気流を制御している。

ところで、特許文献１には、ピストン頂面のうち吸気弁側へ偏心した位置に、平面視真円形の凹部（ボウル）を形成する技術が開示されている。ピストンが上死点付近にあるときに、シリンダ内に臨む筒内噴射弁の噴霧軸線が、この凹部を指向するようになっている。

このピストンでは、均質燃焼時には、一つの気筒が備える対の吸気ポートからシリンダ内へ新気が導入され、強い縦回りの渦であるタンブル流が生成される。燃料は吸気行程中にシリンダ内に噴射され、その燃料は、タンブル流によってシリンダ内で拡散され、シリンダ内の混合気の均質化が図られる。

また、成層希薄燃焼時には、ポート内に設けた空気制御弁の制御により、対の吸気ポートのうち一方の吸気ポートのみからシリンダ内に新気が導入され、タンブル流の成分が相対的に弱められるとともに、水平方向に沿う渦であるスワール流が強められる。

そして、圧縮行程の後半に、筒内噴射弁からピストン頂部の凹部へ向けて噴射された燃料は、凹部内のスワール流に乗って燃焼室頂部の点火プラグ側へ移動し、点火プラグ周辺に着火容易な可燃混合気層を形成している。

特開平１１−２１０５５１号公報

上記の例のように、筒内噴射式ガソリンエンジンでは、筒内噴射弁から噴射された燃料を点火プラグ周辺に円滑に導き、その点火プラグ周辺に着火容易な混合気を形成する必要がある。

しかし、筒内噴射弁による燃料の噴射領域は、筒内噴射弁の噴口からピストンの軸心（平面視中心）方向に向かって徐々に拡がる扇形状であるのに対し、上記のように凹部が平面視真円形であると、その燃料の噴射領域が凹部内に収まらず、凹部の外縁よりも外側に及んでしまう場合がある。

このような場合、燃料が凹部よりも外径側へ逃げてしまい、点火プラグ周辺に必要な燃料が集まらない。このため、ノッキングを生じさせたり、あるいは、デポジットの増加等によりプレイグニッションを生じさせる原因となるので好ましくない。

また、燃料の噴射領域に対応して凹部の範囲を無条件に広げることは、ピストン剛性の低下に繋がる。また、その剛性低下を補うために、トップランド、すなわち、トップリング溝からピストン頂面までの部分を厚くすると、ピストンの重量増につながってしまう。

そこで、この発明の課題は、ピストンの剛性低下や重量増を抑制しつつ、筒内噴射弁から噴射される燃料をピストン頂面に形成した凹部内に効率的に取り込み、点火プラグ周辺に必要な燃料を集めることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、シリンダ内に収容されたピストンと、前記シリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と、前記シリンダのヘッド側に配置された点火プラグと、前記ピストン頂面に形成され前記筒内噴射弁から噴射される燃料が指向する凹部とを備え、前記ピストンの凹部は、ピストンの軸心を挟んで前記筒内噴射弁が位置する一方側の凹部始端部と他方側の凹部終端部との間に設けられ、前記凹部における前記凹部始端部と前記凹部終端部とを結び前記軸心を通る始終端中心線に直交する方向への幅が最も広い最大幅部は、前記始終端中心線に沿って前記軸心よりも前記凹部始端部側に位置し、前記始終端中心線に沿って前記最大幅部から前記凹部終端部までの距離は、前記軸心から前記凹部始端部までの距離よりも短く設定される筒内噴射式エンジンを採用した。

前記ピストンの凹部は、前記凹部始端部側の端縁に沿って始端側曲線区間を、前記凹部終端部側の端縁に沿って前記始端側曲線区間よりも相対的に曲線半径が大きい終端側曲線区間を備える構成とすることができる。

これらの各構成において、前記終端側曲線区間は、前記凹部始端部と前記凹部終端部との間の距離の２分の１よりも長い半径の部分を有し、前記始端側曲線区間は、前記凹部始端部と前記凹部終端部との間の距離の２分の１よりも短い半径の部分を有する構成とすることができる。

さらに、これらの各構成において、前記終端側曲線区間の両端に、前記終端側曲線区間よりも相対的に曲線半径が小さい側方曲線区間がそれぞれ接続される構成とすることができる。

このとき、前記側方曲線区間は、前記凹部始端部と前記凹部終端部との間の距離の２分の１よりも短い半径の部分を有する構成とすることができる。

また、前記始端側曲線区間の両端に、前記凹部始端部から離れるにつれて前記始終端中心線から徐々に遠ざかる取付区間がそれぞれ接続される構成とすることができる。

これらの各構成において、前記終端側曲線区間は単一の曲線半径からなる曲線であり、前記終端側曲線区間の円弧の中心は、１サイクル中の前記筒内噴射弁による燃料の吹き始め時点における燃料の傾斜方向噴霧中心線と前記凹部の底面との交点よりも前記凹部始端部側に配置される構成とすることができる。

また、前記終端側曲線区間は単一の曲線半径からなる曲線であり、前記終端側曲線区間の円弧の中心は、前記始終端中心線に直交する噴射幅方向に対する前記筒内噴射弁による燃料の噴射領域の外縁を示す噴射外縁ラインと、前記凹部の端縁との交点よりも前記凹部始端部側に配置される構成とすることができる。

また、これらの各構成において、１サイクル中の前記筒内噴射弁による燃料の吹き始め時点における燃料の傾斜方向噴霧中心線と前記凹部の底面との交点Ｐを、前記最大幅部に位置させる構成とすることができる。

この発明は、ピストンヘッドに形成される凹部を、ピストンの軸心を挟んで一方側の凹部始端部と他方側の凹部終端部との間に設け、凹部における凹部始端部と凹部終端部とを結び軸心を通る始終端中心線に直交する方向への幅が最も広い最大幅部を、始終端中心線に沿って軸心よりも凹部始端部側に位置させ、始終端中心線に沿って最大幅部から凹部終端部までの距離を、軸心から凹部始端部までの距離よりも短く設定したので、ピストンヘッドの凹部の範囲が過度に大きくならず、凹部は筒内噴射弁から噴射される燃料を受けるのに必要で十分な範囲となる。

このため、ピストンの剛性低下や重量増を抑制しつつ、筒内噴射弁から噴射される燃料をピストン頂部の凹部内に効率的に取り込み、点火プラグ周辺に必要な燃料が集めるエンジンとすることができる。

この発明の一実施形態を示すピストンを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 同実施形態のピストンの斜視図である。 同実施形態のピストンを収容したエンジンのシリンダ内を示す断面図である。 同実施形態のピストンの平面図及び筒内噴射弁との位置関係を示す正面視模式図である。 （ａ）〜（ｅ）は、ピストン頂面の凹部の形状を決定する手順を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ピストン頂面の凹部の詳細を示す平面図である。 他の実施形態のピストンを示す平面図及び筒内噴射弁との位置関係を示す正面視模式図である。 さらに他の実施形態のピストンを示す平面図及び筒内噴射弁との位置関係を示す正面視模式図である。 ピストンの要部拡大断面図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態は、筒内噴射式の自動車用４サイクルガソリンエンジン、及び、そのエンジンに用いられるピストンである。図１及び図２は、ピストンの詳細を示し、図３は、このエンジンが備える１つの気筒における燃焼室３の要部、及び、エンジンの構成を示すものである。図３では、この発明に直接関係する部材等のみを示し、他の部材等については図示省略している。また、図３では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは、単気筒であってもよいし、複数のシリンダ１を備えた多気筒であってもよい。

図３に示すように、エンジンのシリンダ１内にはピストン２が収容されている。シリンダ１の内壁面、及び、ピストン２の頂面等により燃焼室３が形成されている。また、シリンダ１には、空気を燃焼室３に導く吸気ポート５、燃焼室３からの排気を送り出す排気ポート６、及び、シリンダヘッド側からシリンダの軸線、すなわち、気筒の筒軸方向に沿って下向きに配置された点火プラグ４等が備えられている。なお、点火プラグの方向はこれに限定されるものではない。

シリンダ１には、燃焼室３内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁９が備えられている。筒内噴射弁９は、燃焼室３内の上方寄りの周縁部、吸気ポート５の開口の近傍に配置されている。筒内噴射弁９の燃料の噴射方向は、図３に示すように、その噴霧中心線ｊ０が燃焼室３の周縁部から中央に向かうにつれて、徐々にピストンヘッド（ピストン２の頂面）に近づく傾斜した方向である。この燃料の噴霧中心線ｊ０を、以下、傾斜方向噴霧中心線ｊ０と称する。燃料は、この傾斜方向噴霧中心線ｊ０を中心として、筒内噴射弁９の噴口から扇形状に均等に拡がるように噴射される。

この実施形態では、一つの気筒に対し、吸気ポート５は二つ備えられる。各吸気ポート５には、それぞれ燃焼室３への開口部を開閉する吸気バルブ７が設けられている。また、一つの気筒に対し、排気ポート６は二つ備えられる。２つの排気ポート６には、それぞれ燃焼室３への開口部を開閉する排気バルブ８が設けられている。これらの吸気バルブ７及び排気バルブ８は、シリンダヘッド側に設けたカムシャフトの回転によって、所定のタイミングで吸気ポート５、排気ポート６を開閉する。

吸気バルブ７や排気バルブ８、点火プラグ４、筒内噴射弁９、その他エンジンの動作に必要な機器は、このエンジンを搭載した車両が備える電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に備えられた制御手段によって制御される。

また、この実施形態では、吸気バルブ５を、例えば、一方の吸気バルブ５と他方の吸気バルブ５の開閉タイミングが同時になるよう、及び、互いに異なるように選択的に制御することができる。また、排気バルブ６を、例えば、一方の排気バルブ６と他方の排気バルブ６の開閉タイミングが同時になるよう、及び、互いに異なるように選択的に制御することができる。

これらのバルブ制御や燃料噴射時期の制御により、例えば、高負荷領域では、燃焼室３内に均質な空燃比の混合気を導入して均質燃焼を行い、低負荷領域では、燃焼室３内を燃料の濃い可燃混合気層と、燃料の薄いあるいは殆ど空気だけの希薄混合気層とに分けて、成層希薄燃焼（成層燃焼）を行うことができる。

筒内噴射弁９は、２つの吸気バルブ７の間に配置される。筒内噴射弁９は、少なくともピストン２が上死点付近にある状態において、ピストン２の軸心Ｏよりもやや筒内噴射弁９寄りの部分に対して傾斜方向噴霧中心線ｊ０が指向するように配置される。図３に示す符号Ｐは、１サイクル中の筒内噴射弁９による燃料の吹き始め時点における、傾斜方向噴霧中心線ｊ０とピストンヘッドとの交点を示している。ここで、ピストン２の軸心Ｏは、点火プラグ４が位置するシリンダ１の筒軸心と一致している。

ピストン２は、図１及び図２に示すように、ピストンヘッド側が円柱状あるいは円筒状を成すとともに、側方下部に対のピストンスカート２ａ、ピストンスカート２ａ間にピストンボス部２ｂを備える。また、周縁部には、周方向に沿って全周に亘る環状の空間であるクーリングチャンネル２ｃを備える。

ピストン２の外周面には、ピストンリング２ｄが収容される溝２ｅを備える。この実施形態では、３つのピストンリング２ｄに対応して３本の溝２ｅが形成されている。最もピストンヘッド側の溝２ｅよりも頂面側の部分がトップランドである。

ピストンヘッドには、筒内噴射弁９から噴射される燃料が指向するように凹部１０が形成されている。凹部１０は、ピストン頂面に設けられる。

凹部１０は、ピストン２の軸心Ｏを挟んで一方側、すなわち、筒内噴射弁９側の凹部始端部Ａ２と、他方側、すなわち、筒内噴射弁９の反対側の凹部終端部Ａ１との間に設けられる。

図４に示すように、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１とを結び、ピストン２の軸心Ｏを通り、その軸心Ｏと直交する始終端中心線ｊ２に沿って、軸心Ｏから凹部終端部Ａ１までの距離Ｌ１は、軸心Ｏから凹部始端部Ａ２までの距離Ｌ２よりも短く設定されている。なお、始終端中心線ｊ２は、ピストンボス部２ｂの軸線方向に対して平面視直交する方向である。

凹部始端部Ａ２の位置は、筒内噴射弁９の噴口位置Ｊ’から軸心Ｏに沿って距離Ｌ１１だけ下方に位置する直下位置Ｊを基準として、その直下位置Ｊよりも距離Ｌ３だけ軸心Ｏ側に位置する。凹部始端部Ａ２は、筒内噴射弁９からの燃料の噴射領域が、凹部１０の底面１１内に収まるように設定される。なお、直下位置Ｊは、ピストン２の外縁から距離Ｌ４だけ内側に位置する。

凹部終端部Ａ１の位置は、凹部１０の底面１１に当たった燃料が凹部終端部Ａ１側へ導かれ、その凹部終端部Ａ１の端壁に当たって点火プラグ４側へ方向を転換し、点火プラグ４周辺に濃い燃料の層を形成できる位置に設定される。この実施形態では、凹部終端部Ａ１の位置は、ピストン２の軸心Ｏと、始終端中心線ｊ２とピストン２の端縁との交点Ａ３とを、概ね１：２程度に内分する点であるが、この内分比率は、ピストン２の径や燃料の噴射圧、その他、エンジンの仕様に応じて適宜決定できる。

また、ピストン２の凹部１０は、凹部始端部Ａ２側の端縁に沿って始端側曲線区間１２を、凹部終端部Ａ１側の端縁に沿って始端側曲線区間１２よりも相対的に曲線半径が大きい終端側曲線区間１３を備える。

終端側曲線区間１３は、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１との間の距離Ｌ１＋Ｌ２の２分の１よりも長い半径ｒ−１の部分を有する。また、始端側曲線区間１２は、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１との間の距離Ｌ１＋Ｌ２の２分の１よりも短い半径ｒ−３の部分を有する。

この実施形態では、始端側曲線区間１２、終端側曲線区間１３は、それぞれ単一の曲線半径ｒ−３，ｒ−１からなる曲線区間（Ｒ３，Ｒ１）であるが、これを途中で半径が変化するようにしてもよい。ただし、途中に折れ点等がなく、且つ、曲率に不連続な部分がなく曲率が連続的に変化することが望ましい。このとき、始端側曲線区間１２は、全区間に亘って、距離Ｌ１＋Ｌ２の２分の１よりも短い半径であることが望ましい。同じく、終端側曲線区間１３は、全区間に亘って、距離Ｌ１＋Ｌ２の２分の１よりも長い半径であることが望ましい。

終端側曲線区間１３の両端に、終端側曲線区間１３の曲線半径ｒ−１よりも相対的に小さい曲線半径ｒ−２である側方曲線区間１９がそれぞれ接続される。側方曲線区間１９は、距離Ｌ１＋Ｌ２の２分の１よりも短い半径ｒ−２の部分を有する。

この実施形態では、側方曲線区間１９の曲線半径ｒ−２は、始端側曲線区間１２の曲線半径ｒ−３と同一に設定されている。側方曲線区間１９の曲線半径ｒ−２と、始端側曲線区間１２の曲線半径ｒ−３とを同一とすれば、製造時における加工の容易化が図られる。ただし、この曲線半径ｒ−２と曲線半径ｒ−３とを異なるように設定することも可能である。

また、この実施形態では、側方曲線区間１９は、単一の曲線半径ｒ−２からなる曲線区間（Ｒ２）であるが、これを途中で半径が変化するようにしてもよい。ただし、途中に折れ点等がなく、且つ、曲率に不連続な部分がなく曲率が連続的に変化することが望ましい。このとき、側方曲線区間１９は、全区間に亘って、距離Ｌ１＋Ｌ２の２分の１よりも短い半径であることが望ましい。

始端側曲線区間１２の両端に、凹部始端部Ａ２から離れるにつれて始終端中心線ｊ２から徐々に遠ざかる取付区間１８がそれぞれ接続される。この実施形態では、取付区間１８は直線状のストレート部（Ｕ１）で構成されている。なお、取付区間１８はストレート部に限定されるものではく、十分に大きな半径からなるアール状（円弧状）としてもよい。

取付区間１８は、始端側曲線区間１２の端部と、側方曲線区間１９の端部とを結んで構成される。取付区間１８は、始終端中心線ｊ２に直交する噴射幅方向に対する筒内噴射弁９による燃料の噴射領域の外縁を示す噴射外縁ラインｊ１と平行である。筒内噴射弁９による燃料の噴射領域は、平面視において、図１（ａ）に角度αで示す噴射外縁ラインｊ１内の扇形状の領域である。

ただし、このストレート部からなる取付区間１８を、噴射外縁ラインｊ１と平行とはせず、互いに僅かな角度を成すように配置してもよい。ただし、取付区間１８は、噴射外縁ラインｊ１よりも外側であることが望ましい。また、取付区間１８が噴射外縁ラインｊ１に沿っている限りにおいて、取付区間１８の一部又は全部が、折れ点のない滑らかな曲線で構成されていてもよい。このとき、取付区間１８に含まれる曲線は、燃料をスムーズに側方曲線区間１９側へ誘導できるよう、その曲線半径が、始端側曲線区間１２や終端側曲線区間１３、側方曲線区間１９よりも大きい円弧形状であることが望ましい。

この実施形態のように、終端側曲線区間１３は単一の曲線半径ｒ−１からなる曲線である場合において、終端側曲線区間１３の円弧の中心Ｏ１は、１サイクル中の筒内噴射弁９による燃料の吹き始め時点（圧縮行程後期、例えば、圧縮上死点前４０ＣＡ）における燃料の傾斜方向噴霧中心線ｊ０と、凹部１０の底面１１との交点Ｐよりも、距離Ｌ８だけ凹部始端部Ａ２側に配置される。図中の符号Ｌ５は、軸心Ｏと中心Ｏ１との始終端中心線ｊ２に沿う方向の距離である。

また、終端側曲線区間１３の円弧の中心Ｏ１は、噴射外縁ラインｊ１と凹部１０の端縁との交点Ｃ同士の中点Ｃ_０よりも、距離Ｌ８−Ｌ９だけ凹部始端部Ａ２側に配置される。ここで距離Ｌ９は、交点Ｐと中点Ｃ_０との始終端中心線ｊ２に沿う方向の距離である。

始端側曲線区間１２が単一の曲線半径ｒ−３からなる曲線である場合において、始端側曲線区間１２の円弧の中心Ｏ３は、傾斜方向噴霧中心線ｊ０と、凹部１０の底面１１との交点Ｐよりも、距離Ｌ８＋Ｌ６だけ凹部始端部Ａ２側に配置される。始端側曲線区間１２の円弧の中心Ｏ３は、噴射外縁ラインｊ１と凹部１０の端縁との交点Ｃ同士（図中の始終端中心線ｊ２からの距離Ｗ３参照）の中点Ｃ_０よりも。距離Ｌ８−Ｌ９＋Ｌ６だけ凹部始端部Ａ２側に配置される。ここで距離Ｌ６は、中心Ｏ１と中心Ｏ３との始終端中心線ｊ２に沿う方向の距離である。

交点Ｃは、側方曲線区間１９と噴射外縁ラインｊ１との交点である。また、交点Ｐを通り始終端中心線ｊ２に直交するラインを挟んで、交点Ｃのある側と反対側に最大幅部Ｗｍａｘが位置する。最大幅部Ｗｍａｘは側方曲線区間１９内に位置し、始終端中心線ｊ２に直交する噴射幅方向に対して、凹部１０の幅が最も広い位置である。

最大幅部Ｗｍａｘは、始終端中心線ｊ２に沿って軸心Ｏよりも凹部始端部Ａ２側に位置し、始終端中心線ｊ２に沿って、最大幅部Ｗｍａｘから凹部終端部Ａ１までの距離は、軸心Ｏから凹部始端部Ａ２までの距離よりも短く設定される。

図中の符号Ｂ１は、終端側曲線区間１３と側方曲線区間１９との接続点、符号Ｂ２は最大幅部Ｗｍａｘとなる地点、符号Ｂ３は側方曲線区間１９と取付区間１８との接続点、符号Ｂ４は、取付区間１８と始端側曲線区間１２との接続点である。各接続点を挟む両側の区間の線形同士は、互いの接続点での接線方向が一致しており、折れ点なく滑らかに接続されている。

なお、交点Ｐと中点Ｃ_０、最大幅部Ｗｍａｘの位置は、始終端中心線ｊ２の方向に沿って互いに一致していてもよい。例えば、３つの点のうち、交点Ｐと中点Ｃ_０の位置が始終端中心線ｊ２の方向に沿って一致している態様、最大幅部Ｗｍａｘと交点Ｐの位置が始終端中心線ｊ２の方向に沿って一致している態様、最大幅部Ｗｍａｘと中点Ｃ_０の位置が始終端中心線ｊ２の方向に沿って一致している態様、あるいは、３つの点の位置が始終端中心線ｊ２の方向に沿ってすべて一致している態様が考えられる。ただし、噴射された燃料を限られた面積である凹部１０内に効率的に捕捉する観点から、交点Ｐの位置と最大幅部Ｗｍａｘの位置とは、始終端中心線ｊ２の方向に沿って一致していることが望ましい。

また、ピストン２は、図１及び図２に示すように、凹部１０の周囲に吸排気バルブ７，８との干渉を防ぐための凹状のリセス２１，２３を備える。また、ピストン２は、吸気バルブ７側の周縁に沿って始端側周縁部２２を、排気バルブ８側の周縁に沿って終端側周縁部２４を備える。

また、ピストン２の前記噴射幅方向への周縁には、傾斜した側方頂面２５と、軸心に垂直な面方向である側方周縁部２６を備える。側方周縁部２６は、シリンダ１の上壁面と対向して、燃料を燃焼室３内の周縁部から中央へと送り出すスキッシュエリアを形成する。

凹部１０とリセス２３との間、凹部１０と側方頂面２５との間には、軸心Ｏに垂直な面方向であるピストン頂面２７を備える。なお、仕様によっては、ピストン頂面２７を設けなくともよい。

凹部１０の端縁は、図９の断面図に示すように、凹部終端部Ａ１側においては、ピストン頂面２７から底面１１に向かって順に、面取り部１４、垂直部１５、終端側アール部１６を備える。この構成は、終端側曲線区間１３と側方曲線区間１９の全区間に採用される。終端側アール部１６は、底面１１と垂直部１５とを結ぶように中心角α１（α１＝９０°）、高さＢの範囲で設けられる。垂直部１５は、図９の断面図に示すように、軸心Ｏに平行な任意の断面において、軸心Ｏに平行に形成されている。

図９において、符号Ｑ１は、凹部１０の底面１１と終端側アール部１６との接続点である。この接続点Ｑ１では、底面１１のフラット面と終端側アール部１６の曲面とが折れ点のないよう滑らかに接続されている。符号Ｑ２は、終端側アール部１６と垂直部１５との接続点である。この接続点Ｑ２も、垂直部１５の円筒状面と終端側アール部１６の曲面とが折れ点のないよう滑らかに接続されている。符号Ｑ３及び符号Ｑ４は、横寸法Ｃ１、縦寸法Ｃ２からなる面取り部１４の始終点である。この横寸法Ｃ１、縦寸法Ｃ２は、垂直部１５の高さＡを充分に確保できる限りにおいて自由に設定できる。

筒内噴射弁９から噴射された燃料は、凹部１０の底面１１に当たった後、終端側曲線区間１３に至る。あるいは、取付区間１８や側方曲線区間１９に至り、その取付区間１８や側方曲線区間１９に沿って移動し、終端側曲線区間１３に至る。ここで、燃料は、フラットな底面１１に滑らかに接側された終端側アール部１６を駆け上がり、垂直部１５に沿って軸心Ｏに平行な方向へ案内され、点火プラグ４側へ円滑に誘導される。

ここで、図９に示すように、始端側周縁部２２の上面と終端側周縁部２４の上面とを結ぶピストン２の中立線ｆ１を境として、凹部１０の底面１１が下方（クランク側）に、ピストン頂面２７が上方（シリンダヘッド側）に位置する。終端側アール部１６は、中立線ｆ１よりも上方の位置で垂直部１５に接続されている。中立線ｆ１は、コンプレッションハイト（ピストンボス部２ｂの中心、すなわち、ピストンピンの中心からピストン２の肩部までの距離）算出の基準面である。終端側アール部１６と垂直部１５とを、中立線ｆ１よりも上方の位置で接続したので、終端側アール部１６の曲線半径Ｒ１をより大きくでき、点火プラグ４側への円滑な燃料の誘導が可能となる。

中立線ｆ１からピストン頂面２７までの高さｈ２は、中立線ｆ１から凹部１０の底面１１までの高さｈ３よりも低く設定されている。凹部１０の底面１１からピストン頂面２７までの高さｈ１は、高さｈ２と高さｈ３の和である。

垂直部１５とピストン頂面２７との間の稜線部をアール状とせず、その稜線部をＣ面からなる面取り部１４で構成したので、垂直部１５をピストン２の軸心に沿ってより広い領域とできる。仮に、稜線部をアール状とすれば、垂直部１５の長さ（軸心方向への長さ）を十分に確保できないからである。また、稜線部をアール状とすることで、そのアール状部の円弧に沿って気流が流れるが、Ｃ面からなる面取り部１４とすることで、気流が剥離しプラグ近傍へ供給されやすくなる。

また、稜線部を面取り部１４で構成したことにより、凹部１０の深さ（前記高さｈ１に相当）を浅くすることができ、トップランドを厚くする等、剛性を確保するための種々の対策を不要とできる。また、凹部１０が浅ければ、クーリングチャンネル２ｃとの離隔も充分に確保できる。

なお、凹部始端部Ａ２側や取付区間１８側においては、凹部１０の端縁は、底面１１と始端側周縁部２２やリセス２１とを結ぶ始端側アール部１７で構成される、始端側アール部１７は、中心角α２（α２＜９０°）の範囲で設けられる。

この実施形態では、終端側アール部１６の曲線半径Ｒ１と、始端側アール部１７の曲線半径Ｒ２とを同一としているが、ピストンの部材の剛性確保の観点から、始端側アール部１７の曲線半径Ｒ２は、終端側アール部１６の曲線半径Ｒ１よりも小さく設定されることが望ましい。なお、曲線半径Ｒ１と曲線半径Ｒ２の数値や大小関係は、これらの実施形態に限定されるものではない。

図９において、符号Ｑ５は、凹部１０の底面１１と始端側アール部１７との接続点である。この接続点Ｑ５では、底面１１のフラット面と始端側アール部１７の曲面とが折れ点のないよう滑らかに接続されている。符号Ｑ６は、始端側アール部１７と始端側周縁部２２との接続点である。符号Ｑ７は、始端側アール部１７を中心角α２＝９０°となるまで延長した仮想点である。符号Ｑ６で示す始端側アール部１７と始端側周縁部２２との接続点の稜線部に、Ｃ面からなる面取り部を設けてもよい。

凹部終端部Ａ１の位置は、凹部１０の底面１１に当たった燃料が、その凹部終端部Ａ１の端壁に当たって点火プラグ４側へ方向を転換し、点火プラグ４周辺に濃い燃料の層を形成できる位置であれば、自由に設定できる。

凹部終端部Ａ１側の端壁に、垂直部１５や終端側アール部１６、面取り部１４を設けたことによる効果は、上記の実施形態の凹部１０の平面形状には限定されず、凹部１０の端壁によって、筒内噴射弁９から噴射された燃料を、点火プラグ４寄りの空間にスムーズに導く必要がある各種のピストン２において発揮することができる。例えば、平面視真円状の凹部１０を有するピストン２においても採用可能である。

以上のように、ピストンヘッドに形成される凹部１０を、ピストン２の軸心Ｏを挟んで一方側の凹部始端部Ａ２と他方側の凹部終端部Ａ１との間に設け、軸心Ｏから凹部終端部Ａ１までの距離Ｌ１を、軸心Ｏから凹部始端部Ａ２までの距離Ｌ２よりも短くし、且つ、凹部始端部Ａ２側の端縁に沿って始端側曲線区間１２を、凹部終端部Ａ１側の端縁に沿って始端側曲線区間１２よりも相対的に曲線半径が大きい終端側曲線区間１３を備えたので、ピストンヘッドの凹部１０の範囲を過度に大きくすることなく、凹部１０は筒内噴射弁９から噴射される燃料を受けるのに必要で十分な範囲とすることができる。終端側曲線区間１３の半径を相対的に大きく、始端側曲線区間１２の半径を相対的に小さくしたからである。

また、終端側曲線区間１３の両側に、その終端側曲線区間１３よりも相対的に曲線半径が小さい側方曲線区間１９を備えたので、点火プラグ４の直下付近において、凹部１０の範囲をより広く確保でき、筒内噴射弁９からの燃料を効率的に捕捉することができる。

さらに、始端側曲線区間１２の両側に、噴射外縁ラインｊ１に沿う取付区間１８を備え、その取付区間１８を噴射外縁ラインｊ１の外側としたので、筒内噴射弁９からの燃料を凹部１０外に逃すことなくその燃料を効率的に捕捉し、燃料を、取付区間１８、側方曲線区間１９を経て、終端側曲線区間１３に誘導することができる。

このため、凹部１０の範囲を必要最小限にとどめ、ピストン２の剛性低下や重量増を抑制しつつ、筒内噴射弁９から噴射される燃料をピストン２の凹部１０内に効率的に取り込み、点火プラグ４周辺に必要な燃料が集めることができる。

また、凹部１０の範囲を必要最小限にとどめたことから、トップランドの厚さを増大させる必要がない。この点においても、ピストン２の剛性低下や重量増を抑制することができる。また、凹部１０の端縁と、ピストン２の外縁との離隔を十分に確保できるので、クーリングチャンネル２ｃを設けた部分の剛性低下も抑制できる。

図５及び図６は、この発明における凹部１０の設計手順及び作用効果を示す模式図である。

まず、図５（ａ）に示すピストンヘッドの平面視において、筒内噴射弁９の直下位置Ｊと、燃料の吹き始め時点における傾斜方向噴霧中心線ｊ０とピストンヘッドとの交点Ｐはエンジンの仕様によって決定される。

凹部１０は、図５（ｂ）に示すように、ピストン２の軸心Ｏを挟んで筒内噴射弁９側の凹部始端部Ａ２と、筒内噴射弁９の反対側の凹部終端部Ａ１との間に設けられる。ここで、図５（ｂ）に示すように、凹部１０の形状を従来のように真円形（曲線半径ｒ−０）とすると、その真円の半径は、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１との間の距離の２分の１である。しかし、凹部１０が真円形であると、図５（ｂ）に示す領域Ｓ１が広い範囲で凹部１０外となってしまう。また、噴射外縁ラインｊ１から外側にはみ出る領域Ｓ２の存在が、凹部１０の面積を無駄に広くしており非効率である。

そこで、この発明では、図５（ｃ）に示すように、凹部終端部Ａ１側の曲線半径（終端側曲線区間１３の曲線半径ｒ−１）を、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１との間の距離の２分の１よりも大きくしたのである。これにより、上記領域Ｓ１を、領域Ｓ１’のように縮小できる。

しかし、この曲線半径ｒ−１によれば、凹部１０の側方において、ピストン２の外縁との離隔Ｔ１が小さくなってしまう。このため、終端側曲線区間１３の両側に、その終端側曲線区間１３よりも相対的に小さい曲線半径ｒ−２である側方曲線区間１９を設けたのである。これにより、図５（ｄ）に示すように、離隔Ｔ１を、離隔Ｔ１’のように広く確保できる。

ここで、終端側曲線区間１３と側方曲線区間１９との接続点Ｂ１は、始終端中心線ｊ２から距離Ｗ１を確保するものとし、ピストンの軸心Ｏ付近においては、始終端中心線ｊ２から距離Ｗ２（Ｗ２＞Ｗ０）を確保するものとする。

つぎに、図５（ｅ）に示すように、凹部始端部Ａ２側の曲線半径（始端側曲線区間１２の曲線半径ｒ−３）を、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１との間の距離の２分の１よりも小さくしたのである。結果、終端側には相対的に曲線半径が大きい終端側曲線区間１３を、始端側には相対的に曲線半径が小さい始端側曲線区間１２が配置される。

そして、側方曲線区間１９の端部と始端側曲線区間１２の端部とを、筒内噴射弁９による燃料の噴射領域の外縁を示す噴射外縁ラインｊ１に沿う、取付区間１８で結んだのである。

これにより、図６（ａ）に示すように、従来のように真円形の凹部を採用した場合と比較して、交点Ｐよりも凹部終端部Ａ１側では凹部１０を領域Ｖ１だけ広くすることができ、交点Ｐよりも凹部始端部Ａ２側では凹部１０を領域Ｖ２だけ狭くすることができる。

また、図６（ｂ）に示すように、燃料の吹き始め時点における傾斜方向噴霧中心線ｊ０とピストンヘッドとの交点Ｐを、符号Ｂ２地点間を結ぶ最大幅部Ｗｍａｘに位置させることで、燃料を効率的に凹部１０内に捕捉することができる。

さらに、図６（ｃ）に示すように、噴射外縁ラインｊ１と凹部１０の端縁との交点Ｃ同士を結ぶ線分と、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１とを結ぶ線分を対角線とする四角形を考えた場合、終端側の内角α１が始端側の内角α２よりも大きくなっている点も、燃料を効率的に凹部１０内に捕捉する上で有効な要素となっている。

これは、符号Ｂ２地点間を結ぶ最大幅部Ｗｍａｘの線分と、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１とを結ぶ線分を対角線とする四角形を考えた場合も同様である。
最大幅部Ｗｍａｘは、始終端中心線ｊ２に沿って軸心Ｏよりも凹部始端部Ａ２側に位置し、始終端中心線ｊ２に沿って、最大幅部Ｗｍａｘから凹部終端部Ａ１までの距離は、軸心Ｏから凹部始端部Ａ２までの距離よりも短く設定されているので、符号Ｂ２地点間を結ぶ最大幅部Ｗｍａｘの線分と、凹部始端部Ａ２と凹部終端部Ａ１とを結ぶ線分を対角線とする四角形を考えた場合、図６（ｃ）の例と同様に、終端側の内角α１が始端側の内角α２よりも大きくなる。

他の実施形態を図７、さらに他の実施形態を図８に示す。

図７の実施形態では、凹部始端部Ａ２側の始端側曲線区間１２の曲線半径ｒ−３を、側方曲線区間１９の曲線半径ｒ−２よりも小さく設定したものである。ここでは、噴射外縁ラインｊ１と凹部１０の端縁との交点Ｃ同士の中点Ｃ_０は、交点Ｐに一致しているが、中点Ｃ_０と交点Ｐとの一致、不一致は自由に設定できる。

また、図８の実施形態では、凹部始端部Ａ２側の始端側曲線区間１２の曲線半径ｒ−３を、図７の実施形態よりもやや大きくして、取付区間１８の向きを、噴射外縁ラインｊ１に対して傾斜する方向に配置したものである。取付区間１８と噴射外縁ラインｊ１とは交差しないが、その延長線は、凹部１０外の領域で薄い角度で交差する。このような取付区間１８の態様によっても、燃料の側方曲線区間１９への誘導は可能である。ただし、凹部始端部Ａ２側から凹部終端部Ａ１側へ向かって、取付区間１８と噴射外縁ラインｊ１とが徐々に狭まることが望ましい。

これらの実施形態では、筒内噴射弁９による燃料の噴射形態が、傾斜方向噴霧中心線ｊ０回りに均等であること、また、傾斜方向噴霧中心線ｊ０と始終端中心線ｊ２とが平面視一致していることを前提とし、凹部１０を含むピストン２の形状を、始終端中心線ｊ２を挟んで対象としたが、燃料噴射の形態、筒内噴射弁９の位置によっては、凹部１０を含むピストン２の形状を、始終端中心線ｊ２を挟んで非対象とする実施形態も考えられる。

１ シリンダ
２ ピストン
２ａ ピストンスカート
２ｂ ピストンボス部
２ｃ クーリングチャンネル
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 吸気バルブ
８ 排気バルブ
９ 筒内噴射弁
１０ 凹部
１１ 底面
１２ 始端側曲線区間
１３ 終端側曲線区間
１４ 面取り部
１５ 垂直部
１６ 終端側アール部
１７ 始端側アール部
１８ ストレート部（取付区間）
１９ 側方曲線区間
２１，２３ リセス
２２ 始端側周縁部
２４ 終端側周縁部
２５ 側方頂面
２６ 側方周縁部
２７ ピストン頂面

Claims (8)

1. シリンダ内に収容されたピストンと、
   前記シリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   前記シリンダのヘッド側に配置された点火プラグと、
   前記ピストン頂面に形成され前記筒内噴射弁から噴射される燃料が指向する凹部とを備え、
   前記ピストンの凹部は、ピストンの軸心を挟んで前記筒内噴射弁が位置する一方側の凹部始端部と他方側の凹部終端部との間に設けられ、
   前記凹部における前記凹部始端部と前記凹部終端部とを結び前記軸心を通る始終端中心線に直交する方向への幅が最も広い最大幅部は、前記始終端中心線に沿って前記軸心よりも前記凹部始端部側に位置し、
   前記始終端中心線に沿って前記最大幅部から前記凹部終端部までの距離は、前記軸心から前記凹部始端部までの距離よりも短く設定され、
   前記ピストンの凹部は、前記凹部始端部側の端縁に沿って始端側曲線区間を、前記凹部終端部側の端縁に沿って前記始端側曲線区間よりも相対的に曲線半径が大きい終端側曲線区間を備え、
   前記終端側曲線区間は単一の曲線半径からなる曲線であり、
   前記終端側曲線区間の円弧の中心は、１サイクル中の前記筒内噴射弁による燃料の吹き始め時点における燃料の傾斜方向噴霧中心線と前記凹部の底面との交点よりも前記凹部始端部側に配置される筒内噴射式エンジン。
2. シリンダ内に収容されたピストンと、
   前記シリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   前記シリンダのヘッド側に配置された点火プラグと、
   前記ピストン頂面に形成され前記筒内噴射弁から噴射される燃料が指向する凹部とを備え、
   前記ピストンの凹部は、ピストンの軸心を挟んで前記筒内噴射弁が位置する一方側の凹部始端部と他方側の凹部終端部との間に設けられ、
   前記凹部における前記凹部始端部と前記凹部終端部とを結び前記軸心を通る始終端中心線に直交する方向への幅が最も広い最大幅部は、前記始終端中心線に沿って前記軸心よりも前記凹部始端部側に位置し、
   前記始終端中心線に沿って前記最大幅部から前記凹部終端部までの距離は、前記軸心から前記凹部始端部までの距離よりも短く設定され、
   前記ピストンの凹部は、前記凹部始端部側の端縁に沿って始端側曲線区間を、前記凹部終端部側の端縁に沿って前記始端側曲線区間よりも相対的に曲線半径が大きい終端側曲線区間を備え、
   前記終端側曲線区間は単一の曲線半径からなる曲線であり、
   前記終端側曲線区間の円弧の中心は、前記始終端中心線に直交する噴射幅方向に対する前記筒内噴射弁による燃料の噴射領域の外縁を示す噴射外縁ラインと、前記凹部の端縁との交点よりも前記凹部始端部側に配置される筒内噴射式エンジン。
3. 前記終端側曲線区間は、前記凹部始端部と前記凹部終端部との間の距離の２分の１よりも長い半径の部分を有し、前記始端側曲線区間は、前記凹部始端部と前記凹部終端部との間の距離の２分の１よりも短い半径の部分を有する
   請求項１又は２に記載の筒内噴射式エンジン。
4. 前記終端側曲線区間の両端に、前記終端側曲線区間よりも相対的に曲線半径が小さい側方曲線区間がそれぞれ接続される
   請求項１から３の何れか１項に記載の筒内噴射式エンジン。
5. 前記側方曲線区間は、前記凹部始端部と前記凹部終端部との間の距離の２分の１よりも短い半径の部分を有する
   請求項４に記載の筒内噴射式エンジン。
6. 前記始端側曲線区間の両端に、前記凹部始端部から離れるにつれて前記始終端中心線から徐々に遠ざかる取付区間がそれぞれ接続される
   請求項１から５の何れか１項に記載の筒内噴射式エンジン。
7. １サイクル中の前記筒内噴射弁による燃料の吹き始め時点における燃料の傾斜方向噴霧中心線と前記凹部の底面との交点Ｐを、前記最大幅部に位置させる
   請求項１から６の何れか１項に記載の筒内噴射式エンジン。
8. シリンダ内に収容されたピストンと、
   前記シリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   前記シリンダのヘッド側に配置された点火プラグと、
   前記ピストン頂面に形成され前記筒内噴射弁から噴射される燃料が指向する凹部とを備え、
   前記ピストンの凹部は、ピストンの軸心を挟んで前記筒内噴射弁が位置する一方側の凹部始端部と他方側の凹部終端部との間に設けられ、
   前記凹部における前記凹部始端部と前記凹部終端部とを結び前記軸心を通る始終端中心線に直交する方向への幅が最も広い最大幅部は、前記始終端中心線に沿って前記軸心よりも前記凹部始端部側に位置し、
   前記始終端中心線に沿って前記最大幅部から前記凹部終端部までの距離は、前記軸心から前記凹部始端部までの距離よりも短く設定され、
   １サイクル中の前記筒内噴射弁による燃料の吹き始め時点における燃料の傾斜方向噴霧中心線と前記凹部の底面との交点Ｐを、前記最大幅部に位置させる筒内噴射式エンジン。

Images