JPH11182337A - 直噴火花点火式内燃機関のピストン - Google Patents

直噴火花点火式内燃機関のピストン

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JPH11182337A
JPH11182337A JP9348764A JP34876497A JPH11182337A JP H11182337 A JPH11182337 A JP H11182337A JP 9348764 A JP9348764 A JP 9348764A JP 34876497 A JP34876497 A JP 34876497A JP H11182337 A JPH11182337 A JP H11182337A
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JP
Japan
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piston
cavity
internal combustion
combustion engine
type internal
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JP9348764A
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Yoshihisa Jingu
宣久 神宮
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/104Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on a side position of the cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/12Other methods of operation
    • F02B2075/125Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャビティによる成層燃焼性能を確保しつ
つ、均質燃焼性能を向上させる。 【解決手段】 ピストン1の冠面に凹状でかつ周縁部が
隆起して稜線5をなすキャビティ4を有している。ここ
で、前記稜線5の外周側に、平坦部を設けることなく、
ピストンの外周側に向かって連続的に低くなる傾斜面3
を形成する。そして、この傾斜面3の水平面に対する角
度θを、10〜60°の範囲とする。また、ピストン冠
面の最外周部の平坦な基準平面2からの、キャビティ4
の底面平坦部4aの深さAを、3〜9mmの範囲とす
る。また、前記基準平面2からの、稜線5の最上部の高
さをHとしたとき、B=A+Hを、10〜20mmの範
囲とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直噴火花点火式内
燃機関のピストンに関し、特にその冠面形状に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の直噴火花点火式内燃機関のピスト
ンにおいては、例えば特開平8−312354号公報に
示されるように、その冠面に凹状でかつ周縁部が隆起し
て稜線をなすキャビティ(凹状燃焼室)を形成し、圧縮
行程にてこのキャビティに向けて燃料を噴射することに
より、点火栓回りに集中的に層状の混合気を形成して成
層燃焼を行うようにしている。
【0003】また、機関運転条件により、吸気行程にて
燃料を噴射することにより、燃焼室全体に燃料を拡散さ
せ均質の混合気を形成して均質燃焼を行うようにしてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいては、キャビ
ティを囲む稜線の外周側、特にピストンの中心より吸気
バルブ側にオフセットして設けられているキャビティの
左右(クロスフロー方向と直角な方向にある部分)の稜
線の外周側に、平坦部を設け、この平坦部の外側に傾斜
面を設けていたため(前記公報の図7、図11等参
照)、この平坦部の部分が燃焼室全体から見ると、キャ
ビティ内と外との間に位置する凸壁となり、吸気行程噴
射による均質燃焼を行う場合に、燃焼性能を悪化させる
という問題点があった。
【0005】すなわち、均質燃焼を行う場合に、凸壁に
より、キャビティ内に燃料噴霧が留まってしまうた
め、混合気が偏在し、均質混合気を形成できない。筒
内ガス流動が阻害されるため、燃料噴霧が気化せず、混
合気の均質化が不十分となる。燃焼中、キャビティ内
と外との空間不連続により、キャビティ外側が良好に燃
焼しない。これらにより、均質燃焼性能が悪化する。
【0006】また、傾斜面の角度等についても、キャビ
ティによる燃焼性能を悪化させることなく、均質燃焼性
能を改善するという観点から、最適な範囲について、未
だ解明されていないのが現状である。本発明は、このよ
うな現状に鑑み、ピストンの冠面形状を最適化すること
により、キャビティによる成層燃焼性能を悪化させるこ
となく、均質燃焼性能を改善することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1に係
る発明では、冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線を
なすキャビティを有する直噴火花点火式内燃機関のピス
トンにおいて、前記稜線の外周側又は該稜線の少なくと
も一部分を除く外周側に、ピストンの外周部に向かって
連続的に低くなる傾斜面を形成し、且つ、この傾斜面の
水平面に対する角度θを、10〜60°の範囲としたこ
とを特徴とする。
【0008】請求項2に係る発明では、前記傾斜面を1
つの円錐面で形成したことを特徴とする。請求項3に係
る発明では、ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平
面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、
前記キャビティの底面平坦部の深さAを、3〜9mmの
範囲としたことを特徴とする。
【0009】請求項4に係る発明では、ピストン冠面の
最外周部の平坦な基準平面、又はピストン冠面とピスト
ン側面との交点からの、前記キャビティの底面平坦部の
深さをA、前記基準平面又は前記交点からの、前記稜線
の最上部の高さをHとしたとき、これらの合計値(合計
深さ)B=A+Hを、10〜20mmの範囲としたこと
を特徴とする。
【0010】請求項5に係る発明では、H/Aを、1.
0〜2.0の範囲としたことを特徴とする。請求項6に
係る発明では、ピストンストロークをSとしたとき、B
/Sを0.25以下としたことを特徴とする。請求項7
に係る発明では、前記キャビティ内の隅部のアールR
を、5〜20mmの範囲としたことを特徴とする。
【0011】請求項8に係る発明では、前記キャビティ
は、その中心をピストンの中心に対し吸気バルブ側にオ
フセットして形成され、吸気バルブ側からキャビティ内
を指向するように燃料噴射弁が配置されると共に、キャ
ビティ内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓が配
置されることを特徴とする。請求項9に係る発明では、
前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周
側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたことを
特徴とする。
【0012】
【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、ピストン
冠面のキャビティを囲む稜線の外周側に、平坦部を設け
ることなく、ピストンの外周部に向かって連続的に低く
なる傾斜面を形成し、且つ、この傾斜面の角度を10〜
60°の範囲に最適化したので、キャビティにより成層
燃焼性能を確保する一方、均質燃焼時に、キャビティ内
と外との間でのガス流動を確保できて、混合気の均質化
を促進できると共に、ピストン表面積を低減して、冷却
損失を低減できるという効果が得られる。
【0013】請求項2に係る発明によれば、前記傾斜面
を1つの円錐面で形成するので、生産加工が容易とな
る。請求項3に係る発明によれば、キャビティの底面平
坦部の深さAを、3〜9mmの範囲とすることで、成層
燃焼性能を確保しつつ、均質燃焼性能を良好にすること
ができる。すなわち、キャビティにより成層燃焼性能を
確保する一方、ピストンの凹凸を必要最小限として、均
質燃焼時に、キャビティ内の燃料の留まり防止、筒
内ガス流動の減衰防止、キャビティ内外の空間不連続
によるキャビティ外燃焼悪化防止の効果を得、また、ピ
ストン表面積低減による冷却損失低減の効果を得ること
ができる。
【0014】また、請求項4に係る発明によれば、キャ
ビティの底面平坦部の深さAと稜線の最上部の高さHと
の合計値B=A+Hを、10〜20mmの範囲とするこ
とで、成層燃焼性能を確保しつつ、均質燃焼性能を良好
にすることができる。すなわち、キャビティにより成層
燃焼性能を確保する一方、ピストンの凹凸を必要最小限
として、均質燃焼時に、上記の効果を得ることができ、
更に、ピストンコンプレッションハイト(ピストンピン
中心からピストン最上部までの高さ)を短縮でき、ピス
トン軽量化と、首振り防止による音振性能向上という効
果を得ることができる。
【0015】また、請求項5に係る発明によれば、H/
Aを、1.0〜2.0の範囲とすることで、上記の効果
をより確実なものとすることができる。また、請求項6
に係る発明によれば、ピストンストロークSに対し、B
/Sを0.25以下とすることで、ピストンストローク
Sにかかわらず最適化して、上記の効果をより確実なも
のとすることができる。
【0016】また、請求項7に係る発明によれば、キャ
ビティ内の隅部のアールRを、5〜20mmの範囲とす
ることで、成層燃焼時にキャビティ内の燃料を点火栓側
へ指向させて確実に輸送する効果を最適化し得る。ま
た、請求項8に係る発明によれば、キャビティの位置を
オフセットして、燃料噴射弁及び点火栓との位置関係を
最適化することができる。
【0017】また、請求項9に係る発明によれば、キャ
ビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側に、前
記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたので、連続的な
傾斜を確保しつつ、ピストンコンプレッションハイトを
短縮することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1は本発明の実施の一形態を示
すピストン冠面の斜視図である。図2にはピストンの平
面図とそのA−A及びB−B断面図とを示している。ま
た、図3は図2のA−A断面に相当する図で、燃料噴射
弁及び点火栓の位置関係を示している。
【0019】ピストン1の冠面は、最外周側に環状の基
準平面2を残して、傾斜面3により、円錐状に隆起さ
せ、その隆起させた部分に、ピストンの中心PCに対し
吸気バルブ側にオフセットした位置CCを中心にして、
凹状(皿状)のキャビティ4を形成してある。4aはキ
ャビティ4の底面平坦部である。言い換えれば、キャビ
ティ4を囲む稜線5の外周側に、平坦部を設けることな
く、ピストン1の外周部に向かって連続的に低くなる傾
斜面3を形成してあり、この傾斜面3は1つの円錐面で
形成してある。
【0020】最外周側の環状の基準平面2は最小限の幅
(1.5〜2.0mm程度)を持たせ、生産加工時に基
準面として用いる。また、キャビティ4のピストン中心
側の周縁部の稜線5の外周側には、前記傾斜面3より緩
傾斜の緩傾斜面6を設けて、ピストン1の最高部の高さ
を抑えてある。
【0021】ここで、キャビティ4と燃料噴射弁及び点
火栓との位置関係は、図3に示すようであり、シリンダ
ヘッド10に吸気バルブ11側(吸気バルブ11より燃
焼室外周側)からキャビティ4内を指向するように燃料
噴射弁12を配置すると共に、キャビティ4内のピスト
ン中心側の周縁部の上方に点火栓13を配置してある。
14は排気バルブである。
【0022】尚、この例では省略したが、稜線5の一部
を切り欠いて、吸気バルブ11(又は排気バルブ14)
を逃げるバルブリセスを形成するようにし、バルブタイ
ミングあるいは圧縮比の要求に応えるようにしてもよ
い。上記のように、ピストン1冠面のキャビティ4を囲
む稜線5の外周側に、平坦部を設けることなく、ピスト
ン1の外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面3を形
成したので、キャビティ4により成層燃焼性能を確保で
きる一方、均質燃焼時に、キャビティ4内と外との間で
のガス流動を確保でき、混合気の均質化を促進できる。
また、平坦部を設けないので、ピストン1の表面積を低
減でき、冷却損失を低減できる。よって、均質燃焼性能
を向上できるのである。
【0023】ここにおいて、前記傾斜面3の水平面(基
準平面2と平行)に対する角度θは、10〜60°の範
囲(望ましくは、15〜45°の範囲)とする。図4
は、横軸を傾斜面角度θとして、縦軸に均質燃焼時の軸
トルク(実線示)及び成層燃焼時の燃費(点線示)をと
ったグラフであり、θ=10〜60°の範囲で、均質燃
焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できること
を示している。
【0024】但し、傾斜面角度θが大きくなると、ピス
トンコンプレッションハイトが高くなるので、同じ燃焼
性能であれば、前記範囲内でできるだけ小さく設定する
のが好ましく、また、後述するキャビティ4の深さ等の
最適化をも考慮して、前記範囲内で設定する。また、ピ
ストン冠面の最外周部の平坦な基準平面2からの、キャ
ビティ4の底面平坦部4aの深さAは、3〜9mmの範
囲とする。
【0025】図5は、横軸を深さAとして、縦軸に均質
燃焼時の軸トルク及び成層燃焼時の燃費をとったグラフ
であり、A=3〜9mmの範囲で、均質燃焼時の軸トル
クと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示してい
る。すなわち、深さAを大きくすれば、成層燃焼時にキ
ャビティ4内の燃料保持性を向上させて成層混合気を形
成し易くなり、成層燃焼性能が向上するが、均質燃焼時
にキャビティ4内外の空間不連続により、燃焼室全体に
均質混合気を形成し難くなるので、これらを両立させる
範囲とするのである。
【0026】また、ピストン冠面の最外周部の平坦な基
準平面2からの、キャビティ4の底面平坦部4aの深さ
をA、前記基準平面2からの、稜線5の最上部の高さを
Hとしたとき、これらの合計値(合計深さ)B=A+H
は、10〜20mmの範囲とする。図6は、横軸を合計
深さB=A+Hとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及
び成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、B=10〜
20mmの範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時
の燃費とを両立できることを示している。
【0027】すなわち、深さAと同様に、合計深さBを
大きくすれば、成層燃焼時にキャビティ4内に成層混合
気を形成し易くなり、成層燃焼性能が向上するが、均質
燃焼時にキャビティ4内外の空間不連続により、均質混
合気を形成し難くなるので、これらを両立させる範囲と
するのである。また、H/A(合計深さBにおけるHと
Aとの比)は、1.0〜2.0の範囲とする。
【0028】これは、図5及び図6より、均質燃焼時の
軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立させることができ
る範囲である。また、ピストンストロークSに対する合
計深さBの比B/Sは、0.25以下とする。図7は、
横軸をB/Sとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及び
成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、B/S≦0.
25の範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃
費とを両立できることを示している。
【0029】ピストンストロークSが小さい場合に、合
計深さがBが大きいと、燃焼性能が悪化するので、ピス
トンストロークSに対応させて、合計深さBを小さくし
て、燃焼性能を確保する必要があるからである。また、
キャビティ4内の隅部のアールRは、5〜20mmの範
囲とする。図8は、横軸をRとして、縦軸に均質燃焼時
の軸トルク及び成層燃焼時の燃費をとったグラフであ
り、R=5〜20mmの範囲で、均質燃焼時の軸トルク
と成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
【0030】アールRにより、成層燃焼時に成層混合気
をスムーズに点火栓13近傍に輸送する一方、均質燃焼
時にキャビティ4内外をスムーズに混合気が流れるよう
にするのであり、アールRが小さ過ぎると、その役目を
果たせず、アールRが大き過ぎても、成層混合気の点火
栓13への輸送が良好になされないからである。尚、前
記深さA及び前記高さHに関し、例えば図9に示すよう
に、ピストン冠面の最外周部に平坦な基準平面を有しな
いピストンについては、ピストン冠面とピストン側面と
の交点Qを基準として、これらを計測する。
【0031】更に、キャビティ位置については燃料噴射
弁寄りに偏在する例を基に本発明の効果を述べたが、キ
ャビティ中心が平面視においてほぼシリンダの中心付近
にある場合でも同様の効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の一形態を示すピストン冠面の
斜視図
【図2】 同上のピストンの平面図とそのA−A及びB
−B断面図
【図3】 燃料噴射弁及び点火栓の位置関係を示す図
【図4】 傾斜面角度θの適正範囲を示す図
【図5】 深さAの適正範囲を示す図
【図6】 合計深さBの適正範囲を示す図
【図7】 B/Sの適正範囲を示す図
【図8】 Rの適正範囲を示す図
【図9】 基準平面を有しないピストン形状例を示す図
【符号の説明】
1 ピストン 2 基準平面 3 傾斜面(円錐面) 4 キャビティ 4a 底面平坦部 5 稜線 6 緩傾斜面 10 シリンダヘッド 11 吸気バルブ 12 燃料噴射弁 13 点火栓 14 排気バルブ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線を
    なすキャビティを有する直噴火花点火式内燃機関のピス
    トンにおいて、 前記稜線の外周側又は該稜線の少なくとも一部分を除く
    外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くな
    る傾斜面を形成し、且つ、この傾斜面の水平面に対する
    角度θを、10〜60°の範囲としたことを特徴とする
    直噴火花点火式内燃機関のピストン。
  2. 【請求項2】前記傾斜面を1つの円錐面で形成したこと
    を特徴とする請求項1記載の直噴火花点火式内燃機関の
    ピストン。
  3. 【請求項3】ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平
    面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、
    前記キャビティの底面平坦部の深さAを、3〜9mmの
    範囲としたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載
    の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
  4. 【請求項4】ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平
    面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、
    前記キャビティの底面平坦部の深さをA、前記基準平面
    又は前記交点からの、前記稜線の最上部の高さをHとし
    たとき、これらの合計値B=A+Hを、10〜20mm
    の範囲としたことを特徴とする請求項1〜請求項3のい
    ずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関のピスト
    ン。
  5. 【請求項5】H/Aを、1.0〜2.0の範囲としたこ
    とを特徴とする請求項4記載の直噴火花点火式内燃機関
    のピストン。
  6. 【請求項6】ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平
    面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、
    前記キャビティの底面平坦部の深さをA、前記基準平面
    又は前記交点からの、前記稜線の最上部の高さをHとし
    て、これらの合計値B=A+Hとし、また、ピストンス
    トロークをSとしたとき、B/Sを0.25以下とした
    ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに
    記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
  7. 【請求項7】前記キャビティ内の隅部のアールRを、5
    〜20mmの範囲としたことを特徴とする請求項1〜請
    求項6のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関
    のピストン。
  8. 【請求項8】前記キャビティは、その中心をピストンの
    中心に対し吸気バルブ側にオフセットして形成され、吸
    気バルブ側からキャビティ内を指向するように燃料噴射
    弁が配置されると共に、キャビティ内のピストン中心側
    の周縁部の上方に点火栓が配置されることを特徴とする
    請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の直噴火花点
    火式内燃機関のピストン。
  9. 【請求項9】前記キャビティのピストン中心側の周縁部
    の稜線の外周側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を
    設けたことを特徴とする請求項8記載の直噴火花点火式
    内燃機関のピストン。
JP9348764A 1997-06-03 1997-12-18 直噴火花点火式内燃機関のピストン Pending JPH11182337A (ja)

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DE69817731T DE69817731T2 (de) 1997-06-03 1998-05-25 Kolben für eine brennkraftmaschine mit direkteinspritzung und fremdzündung
EP98921783A EP0916019B1 (en) 1997-06-03 1998-05-25 Piston for cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine
MYPI98002377A MY125879A (en) 1997-06-03 1998-05-28 Piston for cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine
TW087108307A TW403810B (en) 1997-06-03 1998-05-28 Piston for cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine
KR1019997000908A KR100305299B1 (ko) 1997-06-03 1999-02-02 실린더 내 직접 분사 스파크 점화식 내연 기관용 피스톤

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