JPH11182250A - 筒内噴射式内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成層燃焼時にピストン４に衝突して反射した
貫徹力の大きな大粒径の液滴の付着による点火プラグ７
の濡れを回避し、失火やくすぶりを防止する。 【解決手段】 ピストン４頂面の凸部２１は、ペントル
ーフ型燃焼室の傾斜面に平行な排気弁側傾斜面２３およ
び吸気弁側傾斜面２２によって構成されている。吸気弁
側に真円形のボウル１２が形成されており、点火プラグ
７背部となる開口縁の一部に、ボウル１２内周側に張り
出した庇部３１が形成されている。成層燃焼のため圧縮
行程中にボウル１２へ向けて燃料噴射弁１０から噴射さ
れた噴霧の中で粒径の大きな液滴は、貫徹力が大きく、
ボウル１２底面１２ａで反射し、上方へ向おうとする
が、庇部３１によって受け止められ、点火プラグ７への
付着が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガソリン機関に
代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に、圧縮
行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことに
より成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関
のピストンの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】全開出力時等にシリンダ内に略均質な空
燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うととも
に、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ
近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比
を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式
内燃機関が従来から種々提案されている。

【０００３】成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃
機関のピストンとしては、例えば、特開平６−２０７５
４２号公報に記載のものが知られている。この公報に記
載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に
対し偏心した非円形のボウル（キャビティ）が形成され
ているとともに、ピストン上死点付近において該ボウル
へ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置
されている。

【０００４】つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃
焼時には、シリンダ内にスワールを形成し、かつ圧縮上
死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウ
ル内で可燃混合気が形成され、点火プラグ近傍に運ばれ
る。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火
燃焼に至ることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように成層希薄
燃焼を実現するために、頂部にボウルを凹設し、圧縮行
程付近で該ボウルへ向けて燃料噴射を行うようにした従
来の筒内噴射式内燃機関のピストンにおいては、燃料噴
射弁から噴射された燃料の中で、粒径が大きく従って貫
徹力が大きな燃料液滴が、ボウル底部に衝突して上方へ
跳ね返り、点火プラグに液状のまま衝突付着してしま
う、という問題がある。つまり、点火プラグ先端が燃料
液滴によって濡れてしまい、失火しやすくなり、燃焼が
不安定となる不具合がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る筒内噴射
式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設された
ペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気
弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有
し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置さ
れ、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行
うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式
内燃機関のピストンにおいて、上記ペントルーフ型燃焼
室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した排
気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の
傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面を
有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に
偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグがその外
周部に位置する略真円形のボウルと、このボウルの開口
縁の点火プラグ近傍部分に部分的に設けられ、かつボウ
ル内周側へ突出した庇部と、を備えていることを特徴と
している。

【０００７】上記の構成では、吸気弁側傾斜面と排気弁
側傾斜面とを有するピストン頂部の凸部が、ピストン上
死点において、シリンダヘッド側の燃焼室内に入り込む
ようになっており、両者間の空間は非常に小さなものと
なる。成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じ
る等の手段によって、シリンダ内にスワールが生成され
る。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内
に封じ込められる。そして、上死点近傍で燃料がボウル
へ向けて噴射されることにより、ボウル内に点火可能な
比較的濃い混合気が生成され、かつこれがスワールの旋
回に伴って点火プラグ付近へ向うので、成層希薄燃焼を
実現できる。ここで、燃料噴射弁からシリンダ略中央の
点火プラグへ向かって噴射された燃料噴霧は、ボウル底
部、特に点火プラグの下方付近に衝突するが、貫徹力の
大きな粒径の大きい液滴が底部で跳ね返って上方へ向お
うとしても、ボウル内周側へ張り出した庇部によって阻
止され、点火プラグへ衝突することがない。なお、ボウ
ル底部に衝突して微粒化した燃料は、庇部両側から上方
へ向うことができる請求項１の発明をさらに具体化した
請求項２の発明では、上記庇部は、その下面がボウル側
壁面に対し所定の角度で折れ曲がった状態となるように
形成されている。

【０００８】つまり、ボウル側壁面から明確に折れ曲が
った形の庇状に張り出しており、これにより、ボウル底
面で反射した液滴が確実に受け止められる。

【０００９】また請求項３の発明では、上記庇部は、そ
の下面がボウル側壁面に滑らかに連続したリエントラン
ト形状をなしている。

【００１０】この構成では、ボウル底面で反射した液滴
は、リエントラント形状をなす滑らかに連続した側壁面
および庇部下面に沿ってボウル内周側へ向うようにな
り、点火プラグへの接触が回避されるとともに、ボウル
外部への流出が抑制される。

【００１１】また請求項４の発明は、シリンダヘッドに
凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および
２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火
プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する
燃料噴射弁がシリンダ略中央を指向した姿勢で吸気弁側
に配置され、圧縮行程付近でピストン頂部へ向けて燃料
噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒
内噴射式内燃機関のピストンにおいて、上記ペントルー
フ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾
斜した排気弁側傾斜面およびペントルーフ型燃焼室の吸
気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した吸気弁側
傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン外形円に対し吸
気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ上記点火プラグ
がその外周部に位置する略真円形のボウルと、このボウ
ルの側壁面の点火プラグ下方部分に設けられ、かつボウ
ル底部からボウル開口縁に延びるとともに、点火プラグ
と燃料噴射弁とを結ぶ線に沿った稜線を有する突条部
と、を備えていることを特徴としている。

【００１２】すなわち、この発明では、圧縮行程付近で
噴射された燃料は、上記突条部に衝突し、その稜線を中
心として左右へ向うように反射する。従って、上方つま
り点火プラグ側へ向う液滴は非常に少なくなる。

【００１３】

【発明の効果】この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピ
ストンによれば、圧縮行程付近で燃料噴射を行う成層燃
焼時に、貫徹力の大きな液滴がボウル底部で反射して点
火プラグを濡らすことがなく、この点火プラグの濡れに
よる失火やくすぶり、燃焼の不安定化を防止することが
できる。

【００１４】また、請求項４の構成によれば、ボウルの
加工時にアンダーカットとなる部分がないので、鋳造や
機械加工等によるボウルの形成が容易となる利点があ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００１６】始めに、この発明のピストン４が用いられ
る筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づい
て説明する。図示するように、シリンダブロック１に
は、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上
面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。
上記シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合し
ている。また、上記シリンダヘッド２に凹設された燃焼
室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、
その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾
斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されてい
る。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気
弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火
プラグ７が配置されている。

【００１７】上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁
５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が、互いに独
立して形成されている。つまり、この一対の吸気ポート
８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリン
ダヘッド２側面において独立して開口している。また上
記排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。

【００１８】略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、
吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下
面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かっ
た姿勢で取り付けられている。特に、図２に示すよう
に、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置
され、点火プラグ７が位置するシリンダ３中心ヘ噴霧軸
線が指向している。

【００１９】上記シリンダ３内に配置されたピストン４
の頂部には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位
置に、円形のボウル１２が形成されており、ピストン４
が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁１０の噴霧
軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。

【００２０】上記の一対の吸気ポート８は、それぞれ吸
気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通
路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸
気通路１４ｂ内には、該吸気通路１４ｂを開閉するバタ
フライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。こ
の空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆
動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。な
お、上記空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気
通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流
入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポー
トではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなし
ている。

【００２１】上記の内燃機関の基本的な作用について簡
単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃
焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ
３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行わ
れる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁１５は、開
状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリン
ダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内
には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃
料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。こ
の燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に
拡散され、ボウル１２内に滞留することなく均質化が促
進される。

【００２２】一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大
きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な
着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃
焼時には、上記空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気
ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これ
により、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱
められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成さ
れる。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧
縮行程の後半において燃料噴射弁１０からボウル１２へ
向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４
頂部のボウル１２内に封じ込められたスワール流に乗っ
て点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可
能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火す
ることにより、着火燃焼が可能となる。

【００２３】次に、図３〜図７に基づいて、第１実施例
に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に
説明する。

【００２４】このピストン４においては、上死点におい
て、ボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占める
ように、頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２
１は、基本的に４つの面から構成されている。すなわ
ち、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を
構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂに対し略平行な平
面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２
３と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対
の円錐形側面２４，２５とによって、凸部２１が構成さ
れている。

【００２５】上記凸部２１における円錐形側面２４，２
５の円錐の頂角は、比較的小さく、図４に示すように、
円錐形側面２４，２５は、切り立ったものとなってい
る。そして、これに伴い、凸部２１の尾根部分はピスト
ンピン軸方向に沿ってピストン４外形円近くまで延びて
いる。これによって、ピストン４が上死点にあるとき
に、上記円錐形側面２４，２５とシリンダヘッド２側燃
焼室１１との間に生じるクリアランスが非常に小さなも
のとなっており、シリンダ３内に残る容積の大部分をボ
ウル１２が占有する。

【００２６】また、上記のボウル１２が、上記吸気弁側
傾斜面２２を中心とした範囲に凹設されている。上記ボ
ウル１２は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、
かつピストン４の半径よりも僅かに大きい直径を有して
いて、その一部が排気弁側傾斜面２３に差しかかってい
る。そして、底面１２ａがピストン４中心線と直交する
面に沿っているとともに、内周の側壁面１２ｂが上方へ
テーパ状に立ち上がった皿形をなしている。また図５に
示すように、ピストン４が上死点にあるときに、点火プ
ラグ７がボウル１２内に入り、かつその外周部に位置す
るように配置されている。

【００２７】ここで、上記ボウル１２の開口縁の一部、
詳しくは点火プラグ７に近接するとともに燃料噴射弁１
０に対向する部分には、内周側に突出した庇部３１が設
けられている。この庇部３１は、先端がボウル１２外周
円と同心円をなすように一定の突出幅を有し、かつ排気
弁側傾斜面２３に沿って、つまり上面が排気弁傾斜面２
３に連続した平面をなすように、斜めに張り出してお
り、また下面３１ａも上記排気弁傾斜面２３と平行とな
るように傾斜している。従って、図５に明らかなよう
に、庇部３１下面３１ａは、ボウル１２の側壁面１２ｂ
に対し所定の角度で折れ曲がった状態となるように接続
されている。また、庇部３１の左右両端の端縁は、ボウ
ル１２の半径方向に略沿った形となっている。

【００２８】なお、上記庇部３１の形成範囲は、点火プ
ラグ７の背部を十分に覆い得る大きさであるとともに、
図３に示すように、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧Ｆ
がボウル１２底部に衝突する際の干渉範囲よりも多少狭
い角度範囲となっている。

【００２９】上記の構成においては、成層燃焼時にシリ
ンダ３内に生成されたスワールが、ピストン４の上昇に
伴って、真円形をなすボウル１２内にスムースに案内さ
れ、十分な強さを保ったまま保存される。そして、圧縮
行程後半においてボウル１２へ向けて燃料が噴射された
後、ピストン４が上死点に近づくと、ボウル１２を有す
る凸部２１の各面が、シリンダヘッド２側の対応する面
にそれぞれ近接するため、ボウル１２が全周に亙って良
好にシールされた状態となる。従って、ボウル１２内の
スワールや混合気が外部へ漏出せずに該ボウル１２内で
燃焼が進行する。ここで、燃料噴射弁１０からボウル１
２内へ向かって噴射された燃料噴霧の多くは、ボウル１
２底部に滞留し、かつここで気化するが、粒径が大きく
貫徹力の大きな燃料液滴は、図５に矢印Ｆ１として示す
ように、ボウル１２底面１２ａで衝突反射して上方へ向
おうとする。しかしながら、この実施例では、上方へ向
おうとした燃料液滴は、庇部３１によって阻止され、矢
印Ｆ２のように、ボウル１２内側へ落ちる。従って、点
火プラグ７の濡れやそれに伴う失火やくすぶりが防止さ
れる。なお、庇部３１は点火プラグ７近傍のみに設けら
れているので、微細な液滴は、図６に示すように、庇部
３１の両側を通って上方へ向い、かつ図３の矢印Ｆ３の
ように点火プラグ７近傍に供給される。

【００３０】次に、図８〜図１２は、この発明に係るピ
ストン４の第２実施例を示している。

【００３１】この実施例においては、ボウル１２開口縁
に形成された庇部３１がリエントラント形状をなしてお
り、図１０に明らかなように、その下面３１ａがボウル
１２側壁面１２ｂに滑らかに連続している。また、この
庇部３１は、ボウル１２径方向の突出量が、点火プラグ
７背部で最大となるように徐々に変化しており、図８に
示すように、平面図上においては、庇部３１先端縁が、
円の弦に近似した形状をなしている。

【００３２】この実施例においては、粒径が大きく貫徹
力の大きな燃料液滴は、図１０に矢印Ｆ４として示すよ
うに、滑らかに連続した側壁面１２ｂおよび庇部３１下
面３１ａに沿ってボウル１２内周側へ向い、点火プラグ
７に付着することがない。特に、この実施例では、上記
第１実施例に比べて、貫徹力の大きな液滴に対しボウル
１２内周側へ向う速度成分が積極的に付与されるので、
ボウル１２外部への流出を最小限に抑制できる。なお、
この実施例でも、微細な液滴は、図１１に示すように、
庇部３１の両側を通って上方へ向い、かつ図８の矢印Ｆ
３のように点火プラグ７近傍に供給される。

【００３３】図１３〜図１７は、この発明に係るピスト
ン４の第３実施例を示している。

【００３４】この実施例においては、燃料噴射弁１０が
対向するボウル１２の側壁面１２ｂに、ボウル１２底部
からボウル１２開口縁に延びる突条部４１が設けられて
いる。つまり、この突条部４１は、点火プラグ７の背部
に沿って形成されており、かつ、ボウル１２内側へ向っ
て、断面が山型もしくは椀型をなすように突出してい
る。そして、この突条部４１の稜線４１ａは、ボウル１
２の半径方向に沿っており、特に、点火プラグ７と燃料
噴射弁１０とを結ぶ線（図１３のＢ−Ｂ線）に沿ってい
る。なお、突条部４１の断面形状が椀型のように湾曲し
ている場合には、この稜線４１ａは、必ずしも明確な折
れ線としては現れない。

【００３５】この実施例では、燃料噴射弁１０から圧縮
行程付近でボウル１２へ噴射された燃料は、点火プラグ
７下方の上記突条部４１に衝突する。この燃料噴霧の中
で粒径が大きく貫徹力が大きな液滴は、この衝突に伴
い、突条部４１の稜線４１ａを中心として左右へ向うよ
うに反射する。つまり、図１３および図１４に矢印Ｆ５
として示すように、点火プラグ７を中心として左右に別
れ、点火プラグ７側へ直接向う液滴は非常に少なくな
る。従って、上述した各実施例と同様に点火プラグ７の
濡れを回避でき、失火やくすぶりを防止できる。

【００３６】そして、この実施例によれば、ボウル１２
の加工時に庇部のようなアンダーカットとなる部分がな
いので、上述した第１実施例や第２実施例に比べて、鋳
造や鍛造あるいは機械加工等によるボウル１２の形成が
容易となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示
す縦断面図。

【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底
面図。

【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す平
面図。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図６】図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図。

【図７】この第１実施例のピストンの斜視図。

【図８】この発明に係るピストンの第２実施例を示す平
面図。

【図９】図８のＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図１０】図８のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図１１】図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図。

【図１２】この第２実施例のピストンの斜視図。

【図１３】この発明に係るピストンの第３実施例を示す
平面図。

【図１４】図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図１５】図１３のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図１６】図１３のＣ−Ｃ線に沿った断面図。

【図１７】この第３実施例のピストンの斜視図。

【符号の説明】

４…ピストン １２…ボウル ２１…凸部 ２２…吸気弁側傾斜面 ２３…排気弁側傾斜面 ３１…庇部 ４１…突条部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに凹設されたペントルー
   フ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有する
   とともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、
   シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ
   略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、圧縮行程
   付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより
   成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピ
   ストンにおいて、 上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行
   となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルー
   フ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾
   斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン
   外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ
   上記点火プラグがその外周部に位置する略真円形のボウ
   ルと、このボウルの開口縁の点火プラグ近傍部分に部分
   的に設けられ、かつボウル内周側へ突出した庇部と、を
   備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピス
   トン。
2. 【請求項２】 上記庇部は、その下面がボウル側壁面に
   対し所定の角度で折れ曲がった状態となるように形成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内
   燃機関のピストン。
3. 【請求項３】 上記庇部は、その下面がボウル側壁面に
   滑らかに連続したリエントラント形状をなしていること
   を特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関のピス
   トン。
4. 【請求項４】 シリンダヘッドに凹設されたペントルー
   フ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有する
   とともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、
   シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁がシリンダ
   略中央を指向した姿勢で吸気弁側に配置され、圧縮行程
   付近でピストン頂部へ向けて燃料噴射を行うことにより
   成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピ
   ストンにおいて、 上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行
   となるように傾斜した排気弁側傾斜面およびペントルー
   フ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾
   斜した吸気弁側傾斜面を有する頂部の凸部と、ピストン
   外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設され、かつ
   上記点火プラグがその外周部に位置する略真円形のボウ
   ルと、このボウルの側壁面の点火プラグ下方部分に設け
   られ、かつボウル底部からボウル開口縁に延びるととも
   に、点火プラグと燃料噴射弁とを結ぶ線に沿った稜線を
   有する突条部と、を備えていることを特徴とする筒内噴
   射式内燃機関のピストン。