JPH11280545A - 筒内噴射式内燃機関のピストン - Google Patents
筒内噴射式内燃機関のピストンInfo
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- JPH11280545A JPH11280545A JP10080636A JP8063698A JPH11280545A JP H11280545 A JPH11280545 A JP H11280545A JP 10080636 A JP10080636 A JP 10080636A JP 8063698 A JP8063698 A JP 8063698A JP H11280545 A JPH11280545 A JP H11280545A
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Abstract
減する。 【解決手段】 シリンダ内に直接燃料が噴射される筒内
噴射式内燃機関に設けられるピストン4であって、その
ピストン本体4aがアルミ合金により鋳造されている。
ピストン4のトップランド部の吸気弁側及び排気弁側
に、アルミ合金よりも熱拡散率が小さい排気弁側金属材
40及び吸気弁側金属材42をそれぞれ設ける。
Description
代表される筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関す
る。
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。
うな筒内噴射式内燃機関においては、シリンダ内に直接
燃料が噴射されることから、蒸発,気化されずに残留す
る未燃燃料が生じ易く、この結果、燃焼効率が悪化する
とともに、未燃HCが増加して排気性能に悪影響を及ぼ
す虞がある。
に付着して、シリンダ壁面とピストン外周面との摺接部
分を潤滑する潤滑油が希釈され、つまりオイル希釈が進
行して、ピストンの早期磨耗やスカッフ等の問題を生じ
る虞がある。
関では、ピストン冠面に、成層燃焼時に混合気を封じ込
めるボウル等の凹凸が形成されていることから、シリン
ダ内のガス流動によどみ点が生じ易く、上記の未燃燃料
が滞留し易い。
公報に記載された筒内噴射式内燃機関においては、燃料
噴射弁の取付角度や噴霧角度を適宜な値に設定して、シ
リンダ壁面に付着する未燃燃料の低減化を図っている
が、この場合でも、その未燃燃料を十分に抑制すること
はできず、より一層の改善が求められている。
は、シリンダ内に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃
機関に設けられ、そのピストン本体がアルミ合金により
鋳造される筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、少
なくとも上記ピストンのトップランド部の一部に、上記
アルミ合金よりも熱拡散率が小さい金属材を設けたこと
を特徴としている。
材が設けられている部分では、ピストン表面温度が上昇
し易いことから、未燃燃料の蒸発,気化が促進される。
従って、未燃燃料を効率的に低減することができる。
に設けらるから、アルミ合金より比重の大きい鉄系の材
料を金属材として用いた場合であっても、ピストン自体
の重量の増加を必要最小限に抑制することができる。
の発明は、上記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、この燃料噴射弁の噴霧方向に対応する上記トッ
プランド部の排気弁側の一部に、上記金属材が設けられ
ていることを特徴としている。
渉するシリンダ壁面に対向して設けられる。この結果、
シリンダ壁面に付着する燃料を一層効率的に低減するこ
とができる。
略皿形のボウルが吸気弁側に凹設され、このボウルに近
接する上記トップランド部の吸気弁側の一部に、少なく
とも上記アルミ合金よりも硬質な上記金属材が設けられ
ていることを特徴としている。
されたボウルに近接する部分では、相対的に剛性が弱く
なっており、このような部分に、アルミ合金よりも硬質
な金属材が設けられている。つまり、この金属材は、未
燃燃料の蒸発,気化を促進する機能に加え、ピストン自
体の剛性を効率的に高める機能を兼ね備えている。
4の発明のように、上記ボウルの側壁面又は底面にわた
って延在している。
や底面には燃料が付着,滞留し易く、このような箇所に
金属材が設けられている。従って、ボウル内に付着,滞
留する未燃燃料をも効果的に低減することができる。
に、上記ピストンの下端部にスカート部が設けられ、こ
のスカート部の外周面と上記シリンダの壁面との摺接部
分に対応する上記トップランド部の一部に、上記金属材
が設けられている。
接部分は、通常、摺動抵抗が大きく磨耗が進行し易いス
ラスト,反スラスト方向に設定されており、このような
摺動部分に対応して上記金属材が設けられている。従っ
て、このような摺接部分におけるオイル希釈の進行が効
果的に抑制される。
のように、予め成形され、上記ピストン本体の鋳造時に
一体に鋳込まれる。
接合する必要がないから、製造工程が簡素化される。
明では、上記金属材は、上記ピストン本体と接合する接
合面に、予め凹凸部が形成されている。
ピストン本体との接合強度を一層向上することができ
る。
吸気弁側に設けられる第1の金属材と、排気弁側に設け
られる第2の金属材とを、ブリッジ部を介して予め一体
に成形する。
金属材とが予め一体化されていると、部品点数が低減さ
れるとともに、鋳造時における金属材の位置決めが容易
となる等の効果を得ることができる。
明のように、上記ピストン本体の表面にコーティングさ
れるものであっても良い。
トン自体の重量増加を更に抑制できるとともに、必要箇
所に応じて金属材を後から適宜設けることができ、その
適用が容易となる。
内に残留する未燃燃料を効率的に低減することができ
る。この結果、燃焼効率や排気特性が改善されるととも
に、オイル希釈が抑制され、ピストンの早期磨耗,スカ
ッフ等を抑制することができる。
ることによって、アルミ合金より比重の大きい鉄系の金
属材を用いた場合であっても、ピストン自体の重量の増
加を必要最小限に抑制することができる。
形態を図面に基づいて詳細に説明する。
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。
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。
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。
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。
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、この吸気通路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。
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。
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。
に係るピストン4の構成を詳細に説明する。
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、その冠面に凸部21が設けられている。この凸
部21には、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23が形成されている。この結果、ピストン4が
上死点にあるときに、凸部21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
のとなり、シリンダ3内に残る容積の大部分をボウル1
2が占有する。
トン4中心線と直交する面に沿っているとともに、その
周壁面12bが上方へ立ち上がった皿形をなし、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。
また、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。なお、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。
グ溝30a,30b,30cがシリンダ軸方向に適宜間
隔を置いて形成されており、各リング溝30a,30
b,30cには、図1に示すように、シリンダ3壁面と
の間をシールするピストンリング32a,32b,32
cがそれぞれ嵌合されている。また、ピストン4の外周
部には、トップリング溝30aよりも上方にトップラン
ド部34が形成されるとともに、トップリング溝30a
とセカンドリング溝30bとの間にセカンドランド部3
5が形成され、かつ、セカンドリング溝30bとサード
リング溝30cとの間にサードランド部36が形成され
ている。
ようにスカート部38が形成されている。このスカート
部38は、ピストンピン軸方向の両側が部分的に切り欠
かれた形状をなし、従って、スラスト,反スラスト方向
(図3のA−A線に沿う方向)の切り欠かれていない摺
動範囲Dでのみ、その外周部がシリンダ3壁面と摺接す
るようになっている。
側と吸気弁側とに、排気弁側金属材40並びに吸気弁側
金属材42がそれぞれ設けられている。ここで、ピスト
ン本体4aが軽量なアルミ合金で鋳造される一方、金属
材40,42は、少なくともアルミ合金より熱拡散率が
小さく、かつアルミ合金よりも硬質な例えば鉄系の金属
材料によって成形されている。そして、予め成形された
金属材40,42をピストン鋳造用金型内にセットした
上で、ピストン本体4aを鋳造することで、金属材4
0,42が一体に鋳込まれるようになっている。
に略三日月形に露出しているとともに、ピストン4の外
周面に略帯状に露出しており、かつ、そのシリンダ軸方
向高さが、少なくともトップランド部34を含み、セカ
ンドランド部35に差し掛かるように設定されている。
また、各金属材40,42は、上述したスカート部38
の摺接範囲Dに対応して、この摺接範囲Dと同じ周方向
範囲に設けられている。しかも、各金属材40,42
は、図3のA−A線上に位置する中央部の径方向幅t1
が、両端部の径方向幅t2よりも大きくなるように、す
なわち中央部に向かって徐々に径方向に厚肉となるよう
に形成されている。
弁10の燃料噴霧が指向する方向に設けられ、つまり燃
料噴射弁10からの燃料噴霧が直接的に干渉する排気弁
側のシリンダ3壁面に摺接,対向している。一方、吸気
弁側金属材42は、ボウル12に最も近接する部分を中
心にピストン4の外周部分に延在している。
い金属材40,42が設けられている部分では、アルミ
合金で形成されたピストン本体4aに比して、その表面
温度が上昇し易いから、シリンダ3壁面やピストン4冠
面に付着する未燃燃料の蒸発,気化が促進される。この
結果、未燃燃料が低減され、燃焼効率や排気性能が向上
するとともに、シリンダ3壁面に付着した燃料に起因す
る潤滑油の希釈が抑制され、このオイル希釈に起因する
ピストン4の磨耗やスカッフの発生が抑制される。
付着し易い部分や、ピストン4が磨耗し易い部分に対応
して、必要な箇所にのみ部分的に設けられている。従っ
て、例えば鉄系の比重の大きい金属材を用いた場合であ
っても、ピストン4自体の重量増加を最小限に抑制する
ことができる。
ト部38とシリンダ3壁面との摺接範囲Dのように、磨
耗が生じ易く潤滑の必要性が大きい範囲に設けられてい
る。このため、この範囲Dのオイル希釈を抑制して、ピ
ストン4の早期磨耗やスカッフの発生を効果的に抑制す
ることができる。
中でも特に摺動抵抗の大きい中央部に近づく程厚肉とな
っており、より一層効率的にピストン4の早期磨耗やス
カッフの発生を抑制することができる。
10の噴霧方向に位置し、最も燃料が付着し易いシリン
ダ3壁面に対向しているから、シリンダ3壁面に付着す
る燃料を効率的に低減することができる。
部34の中でもスラスト加重を受け易いスラスト,反ス
ラスト方向の所定範囲に設けられており、ピストン自体
の剛性を効率的に高めている。特に、ピストン4冠面に
凹設されたボウル12に近接する吸気弁側のピストン4
外周部分では、相対的に剛性が弱くなっており、このよ
うな部分に吸気弁側金属材42が配設されているから、
ピストン自体の剛性が一層効率的に高められている。
トンの第2実施例を示している。
は、第1実施例のピストン4と同様、図1,2に示す内
燃機関に適用できる。また、上述した構成と同じ部分に
は同一参照符号を付して重複する説明を適宜省略する。
材44は、第1実施例の吸気弁側金属材42に比して径
方向に厚肉に形成されており、その一部がボウル12の
周壁面12bに差し掛かっている。具体的には、吸気弁
側金属材44は、最も径方向幅が大きくなる中央部で
は、図7に示すように、トップリング溝30aの底面
と、ボウル12の底面12a並びにボウル12の上縁と
を結ぶ略三角断面の領域Rを含む形で延在している。
施例と同様の位置に鋳込まれており、両金属材40,4
4は、略同じ軸方向高さ並びに周方向長さに設定されて
いる。
実施例と同様の効果が得られることに加え、図7に示す
ように、トップランド部34の中でボウル12に近接す
る部分、つまりピストン径方向厚さが小さくなる部分
で、吸気弁側金属材44が径方向に大きく延在する形と
なっており、ピストン自体の剛性が更に効果的に高めら
れている。
ストンを示している。この実施例では、第2実施例の金
属材40,44が外部に露出する表面領域に、それぞれ
排気弁側金属材46と吸気弁側金属材48とがコーティ
ング処理によって設けられている。
ング処理によって設けた場合には、第1,2実施例のよ
うに金属材を鋳込んだ場合に比して、既存ピストンへの
適用が容易であるとともに、金属材が更に薄肉となって
ピストンの重量増加を抑制することができる。
係るピストンを示している。この実施例においては、そ
の吸気弁側金属材50が、ボウル12の周壁面12bと
底面12aとにわたる隅R部を覆うように延在してい
る。つまり吸気弁側金属材50は、上記吸気弁側金属材
44と同じ様にピストン4の外周部に沿って延在する外
周部52の内側に、薄肉環状の環状部54が一体に形成
された形状をなしている。
同様の効果が得られることに加え、ボウル12内で特に
ガス流動がよどみ易く燃料が滞留し易い隅R部に付着す
る燃料を効果的に低減することができ、更なる燃焼効率
の向上を図ることができる。
金属材40,50が露出する表面に、上記第3実施例の
ようにコーティング処理を施す構成としても良い。
るピストンを示している。この実施例の吸気弁側金属材
56は、上記外周部52の内側に、ボウル12における
底面12aの全面を覆う薄板状の円盤部58が一体に成
形されている。なお、円盤部58が延在するボウル底面
12aは、十分な広さに設定されており、具体的には、
その半径r2がボウル12外周の半径r1の半分(r1
/2)よりも大きく設定されている。
が全体的に上昇し、ボウル12に滞留する未燃燃料の蒸
発,気化が促進され、更なる燃焼効率の向上を図ること
ができる。
ピストンを示している。この実施例では、第5実施例の
金属材40,56が表面に露出する領域に、アルミ合金
よりも熱拡散率の小さい金属材46,60がコーティン
グ処理により設けられている。このような実施例では、
上記第5実施例と同様の効果が得られることに加え、ピ
ストン自体の重量増加を更に抑制できる等の効果が得ら
れる。
トンを示し、図17は、この実施例の排気弁側金属材6
2を単独で示している。この実施例の金属材62,64
は、第5実施例の金属材40,56と比較して、ピスト
ン本体4aと接合する表面に、複数の凹部66(凸部で
もよい)が予め形成されている点で異なっている。な
お、ここでは図示していないが、吸気弁側金属材64に
も排気弁側金属材62と同様に凹部66が形成されてい
る。
単な形状の変更で、ピストン本体4aを鋳造する際に、
ピストン本体4aと金属材62,64との結合強度を効
果的に強化することができる。
るピストンを示している。この実施例では、第7実施例
と同様の排気弁側金属材62と吸気弁側金属材64と
が、2本のブリッジ68を介して予め一体的に成形され
ている。上記のブリッジ68は、排気弁側金属材62の
両端と、吸気弁側金属材64における円盤部58の外周
部とを連結しており、図19に示すように、ピストン4
頂部の形状に応じて適宜に湾曲する形でピストン本体4
a内に鋳込まれている。
64が一体化されているため、部品点数が低減されるこ
とに加え、金型内にセットする際の位置決めを簡単かつ
精度良く行うことができ、その作業性が向上するといっ
た実用的な効果を得ることができる。
るピストンを示している。この実施例では、上記吸気弁
側金属材64の円盤部58と、排気弁側金属材62と
を、ピストン冠面に延在する金属材(ブリッジ部)70
で一体に連結した構造となっている。この金属材70
は、図20に示すように平面視で略扇状をなし、図22
に示すように、燃料噴射弁10から噴射される燃料噴霧
F1と昇降するピストン4冠面との干渉軌跡F2を覆う
様に設定されている。従って、ピストン4冠面の中で燃
料噴霧と干渉し易い領域が金属材によって覆われる形と
なり、ピストン冠面に付着する燃料をより確実に蒸発,
気化することができる。
係るピストンを示している。この実施例では、上記第9
実施例の金属材62,64,70が露出する表面領域
に、コーティング処理による金属材72が設けられてい
る。この場合、第9実施例の効果に加え、ピストン自体
の重量増加を更に抑制することができる。
す縦断面図。
面図。
面図。
面図。
面図。
平面図。
平面図。
平面図。
平面図。
平面図。
平面図。
す平面図。
Claims (9)
- 【請求項1】 シリンダ内に直接燃料が噴射される筒内
噴射式内燃機関に設けられ、そのピストン本体がアルミ
合金により鋳造される筒内噴射式内燃機関のピストンに
おいて、 少なくとも上記ピストンのトップランド部の一部に、上
記アルミ合金よりも熱拡散率が小さい金属材を設けたこ
とを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。 - 【請求項2】 上記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、この燃料噴射弁の噴霧方向に対応する上記
トップランド部の排気弁側の一部に、上記金属材が設け
られていることを特徴とする請求項1に記載の筒内噴射
式内燃機関のピストン。 - 【請求項3】 上記ピストンの冠面に略皿形のボウルが
吸気弁側に凹設され、このボウルに近接する上記トップ
ランド部の吸気弁側の一部に、少なくとも上記アルミ合
金よりも硬質な上記金属材が設けられていることを特徴
とする請求項1又は2に記載の筒内噴射式内燃機関のピ
ストン。 - 【請求項4】 上記吸気弁側の金属材は、上記ボウルの
側壁面又は底面にわたって延在していることを特徴とす
る請求項3に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。 - 【請求項5】 上記ピストンの下端部にスカート部が設
けられ、このスカート部の外周面と上記シリンダの壁面
との摺接部分に対応する上記トップランド部の一部に、
上記金属材が設けられていることを特徴とする請求項に
1〜4のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関のピスト
ン。 - 【請求項6】 上記金属材は、予め成形され、上記ピス
トン本体の鋳造時に一体に鋳込まれることを特徴とする
請求項1〜5のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の
ピストン。 - 【請求項7】 上記金属材は、上記ピストン本体と接合
する接合面に、予め凹凸部が形成されていることを特徴
とする請求項6に記載の筒内噴射式内燃機関のピスト
ン。 - 【請求項8】 吸気弁側に設けられる第1の金属材と、
排気弁側に設けられる第2の金属材とを、ブリッジ部を
介して予め一体に成形したことを特徴とする請求項6又
は7に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。 - 【請求項9】 上記金属材は、上記ピストン本体の表面
にコーティングされることを特徴とする請求項1〜5の
いずれかに記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
Priority Applications (1)
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