JP7303002B2

JP7303002B2 - 内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP7303002B2
Application number: JP2019064350A
Authority: JP
Inventors: 志典黒木
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020165337A

Description

本願発明は内燃機関のピストンに関するものであり、特に、ペントルーフ型燃焼室を有する内燃機関のピストンを好適な対象にしている。

火花点火式の内燃機関において、シリンダボアに吸入した吸気にタンブル流を付与すると、燃料と空気との混合性が高まって出力向上や排気ガスの成分悪化防止に貢献できる。そこで、強いタンブル流を生成するために多くの改良策が提案されているが、この改良策は、吸気ポートに関する改良とピストンに関する改良とに分けられる。

ピストンに関する改良策では、混合気の流れをスムーズ化することに主眼が置かれることが多いが、ピストンの頂面に、吸気行程初期において吸気バルブを逃がすための吸気側リセスと、排気行程終期において排気バルブを逃がすための排気側リセスが形成されている場合、これらのリセスが混合気のスムーズな流れを阻害することが有り得る。

そこで特許文献１には、吸気行程での混合気の流れをスムーズ化することを目的として、リセスを挟んで外周側と軸心側とに位置した稜線にそれぞれ丸みを付けると共に、外周側の稜線の丸みの曲率半径を軸心側の稜線の丸みの曲率半径よりも小さくすることが開示されている。

特開２０１４－１２２５８９号公報

さて、ペントルーフ型燃焼室を有する内燃機関において、吸気行程及び圧縮行程初期に生成したタンブル流は、圧縮行程では吸気側から排気側に向かうように流れ方向が変化して、圧縮が進むに従って流れが潰されて多数の小さな流れに分解していき、最終的には微細な渦の集まりになり、その結果、火炎伝播速度を速めて均一な燃焼を実現できる。

従って、タンブル流の効果を十分に享受するためには、吸気行程において強いタンブル流を生成させるのみでなく、圧縮行程において流れを均等に潰して微細化することが必要であり、そのためには、混合気がピストンの頂面に沿ってスムーズに流れることが必要である。

しかし、本願発明者が解析したところ、頂面にリセスが形成されていると、圧縮行程において混合気がリセスの稜線を越えるときに、圧力変化によると思われる渦流（淀み）の発生現象が見られ、結果として、混合気の混ざり合いが抑制されて燃焼の均一化が不十分になったり、混合気が部分的に滞留してノッキングを引き起こしたりするおそれがあった。

他方、特許文献１には、稜線に丸みを設けて混合気の流れをスムーズ化することが開示されてはいるが、これは圧縮行程での混合気の挙動を分析したものではなく、圧縮行程での混合性向上の構成は示唆していないと云える。

本願発明はこのような現状を契機に成されたものであり、吸気行程で形成されたタンブル流を圧縮行程において均等に分散化させる構成を実現しようとするものである。

本願発明のピストンは、
「シリンダヘッドと対向した頂面に、吸気バルブを逃がすための吸気側リセスが形成されて、前記吸気側リセスは、最深部を挟んで外周側に位置した外側傾斜面と軸心側に位置した内側傾斜面とを有しており、このため、前記吸気側リセスは、外周側に位置した外側稜線と軸心側に位置した内側稜線とで挟まれており、
かつ、前記内側稜線と外側稜線とには丸みが形成されている」
という基本構成において、
「前記内側稜線の丸みは、圧縮行程において混合気が軸心側から外周を通って流れるにおいて渦流の発生を防止し得る３ｍｍ以上の曲率半径に形成されて、前記外側稜線の丸みは、前記内側稜線よりも小さい曲率半径に形成されており、
かつ、前記外側傾斜面は、クランク軸線方向から見て上に行くに従って前記吸気バルブの軸心から離れるように傾斜している」
という特徴を有している。

さて、ペントルーフ型内燃機関では、圧縮行程において、混合気は、軸心から外周部に向かい、外周部を通って排気側に戻るように流れる傾向を呈するが、バルブを逃がすためのリセスは、排気側よりも吸気側が深くなっており、稜線のエッジが立っていた従来技術では、圧縮行程において、深さが深い吸気側リセスから混合気が排気側に流れていくにおいて、内側稜線を越えるときに圧力変化が生じて渦流が発生しやすくなっていたと推測される。圧縮行程では加圧されているため、流速が速くなって渦流ができやすくなっていることも考えられる。

しかし、本願発明のように、少なくも吸気側リセスの内側稜線に曲率半径が３ｍｍ以上の丸みを付けていると、混合気は内側稜線を舐めるようにしてスムーズに流れていき、圧力変化は生じない。従って、稜線の箇所での渦流（淀み）の発生を防止して、燃焼空間全体での混合気の均一化を向上できる。その結果、燃焼空間全体で燃焼を均一化して出力と燃費の向上に貢献できると共に、ノッキング防止にも貢献できる。

そして、本願発明は稜線に丸みを持たせる構成であって既存のピストンにもそのまま適用できるため、現実性・汎用性に優れている。混合気の流れのスムーズ化の点からは、稜線の丸みの曲率半径は大きいほど好ましいが、過度に大きくすると、燃焼室の容積が大きくなって圧縮比維持のためには各部の設計をやり直さねばならなくなるおそれがある。この点、丸みの最大値を５～６ｍｍの曲率半径に留めておくと、圧縮比の変化を招来することなく渦流を防止できるため、特に好適である。

本願発明において、全ての稜線に丸みを持たせることも可能であるが、既述のとおり、吸気側リセスが深くてその内側稜線の箇所において渦流が発生しやすいため、吸気側リセスのみに丸みを形成しても高い効果を享受できる。この場合は、既存のピストンに適用しても体積の変化は殆どないため、圧縮比と関連して設計のやり直しのような手間を皆無にできる。

実施形態の縦断正面図である。（Ａ）はピストンの平面図で、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図である。吸気行程終了時点の縦断正面図である。圧縮行程終期での図２の IV-IV視断面図である。比較例（従来例）を示す図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関のピストンに適用している。

(1).基本構造
本願発明のピストンが適用される内燃機関の基本構造は従来と同様であり、複数のシリンダボア１がクランク軸線方向に並べて形成されたシリンダブロック２と、その上面に固定されたシリンダヘッド３とを備えており、シリンダヘッド３には、クランク軸線方向に並んだ一対ずつの吸気ポート４と排気ポート５とが、シリンダボア軸心を挟んだ両側に形成されている。吸気ポート４は吸気バルブ６で開閉され、排気ポート５は排気バルブ７で開閉される。

シリンダヘッド３には、各シリンダボア１と同心の状態でペントルーフ型（山型）の燃焼室８が形成されており、吸気バルブ６及び排気バルブ７は、燃焼室８の傾斜面と直交した状態で配置されている。シリンダボア１には、ピストン９が摺動自在に嵌め込まれている。

図２に示すように、ピストン９の頂面には、外周近くまで広がる浅い凹所１０が形成されており、凹所１０のうち外周寄りの部分は緩く湾曲した湾曲面１０ａになっている。このため、図３に示すタンブル流１１の生成を促進できる。凹所１０の外側の部分は、基本的には軸心と直交した平坦面になっているが、燃焼室８の傾斜角度と略同じ角度で上窄まりに傾斜したテーパ状のスキッシュ面と成すことも可能である。

ピストン９の頂面には、吸気側リセス１２と排気側リセス１３とが形成されている。両リセス１２，１３は、バルブ６，７がシリンダボア１の軸心（及びピストン９の軸心）に対して傾斜していることから三日月形に近い平面視形状になっており、また、断面は山形になっている。
従って、図４に示すように、吸気側リセス１２を例にとると、吸気側リセス１２は、最深部１２ａを挟んで外周側に位置した外側傾斜面１２ｂと軸心側に位置した内側傾斜面１２ｃとを有しており、外側傾斜面１２ｂは、クランク軸線方向から見た図４の状態で、上に行くに従って吸気バルブ６の軸心Ｏから離れるように傾斜している。

リセス１２，１３は凹みであるため、リセス１２，１３を形成すると、リセス１２，１３の外側に位置した外側稜線１４，１５と、リセス１２，１３の内側に位置した内側稜線１６，１７とが形成されている。外側稜線１４，１５の外側は平坦面になっており、内側稜線１６，１７は、凹所１０とリセス１２，１３との境界を成している。また、内側稜線１６，１７は、外側稜線１４，１５よりも高さが低くなっている。

そして、図４に吸気側リセス１２の内側稜線１６を代表して示すとおり、各内側稜線１６，１７と外側稜線１４，１５との全体に丸みを形成している。丸みの曲率半径Ｒ１，Ｒ２は３～５ｍｍ程度でよいが、図４のとおり、外側稜線１４の丸みの曲率半径Ｒ１は内側稜線１６の丸みの曲率半径Ｒ２よりも小さくなっている。

さて、吸気行程において図３に示すタンブル流１１が生成されるが、タンブル流１１は、図２に点線矢印で示すように、排気側から軸心部を通って２つの吸気側リセス１２の間を通って吸気側に向かい、吸気側においてシリンダボア１の内周にガイドされて排気側に戻るような流れになることが多く、タンブル流１１は、圧縮行程の初期では増強されて、その後、加圧によって潰されて多数の乱流に分離する。

そして、圧縮行程の終期では、燃焼室８がペントルーフ型であって軸心部が最も断面積が大きくなっていることにも関係して、図２（Ａ）に点線矢印で示すように吸気側において方向変換した混合気は、図４に矢印２０で示すように、外周部から排気側に向かうように流れる傾向を呈する。

従って、吸気側で方向変換した混合気は、図４に矢印２０に示すように、吸気側リセス１２を横切って流れるが、図５のように、内側稜線１６にエッジが立っていると、混合気が横切って流れるにおいて、内側稜線１６の下流側（軸心側）で渦流２１が発生して、混合気に淀み・滞留が発生することが有り得る。そして、混合気に淀み・滞留が発生すると、混合気の拡散性が阻害されて燃焼の均一性が損なわれると共に、局部的な降温化によってノッキングが発生やすくなるおそれも出ている。

これに対して、本実施形態のように内側稜線１６に３～５ｍｍ程度の丸みを持たせると、混合気は、図４の矢印２０のとおり、内側稜線１６を舐めるようにしてスムーズに通過するため、渦流の発生はなくて、混合気を燃焼空間に均一に分散させることができる。従って、タンブル流１１を有効利用して、出力と燃費とを向上できると共に、ノッキングも抑制できる。

排気側リセス１３の箇所でも、これを横切って吸気側に向かう流れが発生することが有り得るため、排気側リセス１３の内側稜線１７に３～５ｍｍ程度の曲率半径の丸みを形成しておくのは有益である。

但し、排気側リセス１３の深さは吸気側リセス１２に比べて浅いため、渦流の発生度合いも低い。また、外側稜線１４，１５の箇所では、圧縮行程において混合気は下向きに押されることから渦流の発生頻度は吸気側に比べると少ないため、丸みを設けなくてもさほどの問題はない。従って、渦流発生防止を目的とした丸みは、吸気側リセス１２の内側稜線１６のみに形成するだけでもよい。

本願発明は、内燃機関のピストンに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダボア
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４吸気ポート
５排気ポート
６吸気バルブ
８燃焼室
９ピストン
１０凹所
１１タンブル流
１２吸気側リセス
１２ａ最深部
１２ｂ外側傾斜面
１２ｃ内側傾斜面
１３排気側リセス
１４，１５外側稜線
１６，１７内側稜線
２０混合気の流れ
２１渦流
Ｒ１外側稜線の丸みの曲率半径
Ｒ２内側稜線の丸みの曲率半径

Claims

シリンダヘッドと対向した頂面に、吸気バルブを逃がすための吸気側リセスが形成されて、前記吸気側リセスは、最深部を挟んで外周側に位置した外側傾斜面と軸心側に位置した内側傾斜面とを有しており、このため、前記吸気側リセスは、外周側に位置した外側稜線と軸心側に位置した内側稜線とで挟まれており、
かつ、前記内側稜線と外側稜線とには丸みが形成されているピストンであって、
前記内側稜線の丸みは、圧縮行程において混合気が軸心側から外周を通って流れるにおいて渦流の発生を防止し得る３ｍｍ以上の曲率半径に形成されて、前記外側稜線の丸みは、前記内側稜線よりも小さい曲率半径に形成されており、
かつ、前記外側傾斜面は、クランク軸線方向から見て上に行くに従って前記吸気バルブの軸心から離れるように傾斜している、
内燃機関のピストン。