WO2011099156A1 - 内燃機関のピストン - Google Patents

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crown surface
tumble flow
internal combustion
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哲生 大村
吉松　昭夫
泰司 葭原
雅史 武田
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トヨタ自動車株式会社
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/04—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts
    • F02F3/08—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts the inserts being ring-shaped
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other 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
    • F02B23/104—Other 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
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    • F02F3/14—Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other 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
    • F02B2023/106—Tumble flow, i.e. the axis of rotation of the main charge flow motion is horizontal
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This invention relates to a piston of an internal combustion engine.
  • a piston of an internal combustion engine in which a non-heat-insulating region is provided in a region of a piston crown surface that is lateral to the intake flow and a heat-insulating region is provided in other regions.
  • a heat-insulating region is provided in other regions.
  • a strong intake flow strikes the piston crown during the intake stroke.
  • the heat conductivity is high, and therefore the intake gas is heated by the piston crown surface.
  • a heat insulating region is provided in a region where a strong intake flow is applied, and the cooling loss is small, but the temperature of the heat insulating region is high. For this reason, the amount of heating of the intake gas by the piston crown surface increases. If the amount of heating of the intake gas increases, the temperature of the intake gas at the compression end increases, which may cause knocking.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in an internal combustion engine in which a tumble flow is formed in a cylinder, the internal combustion engine capable of achieving both suppression of knocking and reduction of cooling loss.
  • the object is to provide an engine piston.
  • a first invention is a piston of an internal combustion engine in which a tumble flow is formed in a cylinder, A region on the piston crown where the tumble flow abuts during the intake stroke, and a non-insulated region without a heat insulating layer; It is an at least partial region on the piston crown surface other than the non-insulating region, and a heat insulating region having a heat insulating layer.
  • the second invention is a piston of an internal combustion engine, A non-heat-insulating region having no heat insulating layer, which includes a central portion of the piston crown surface and is provided in a strip shape over the intake side and the exhaust side of the piston crown surface; And a heat insulating region having a heat insulating layer provided on the crown surface of the piston corresponding to the side of the non-insulating region.
  • a third invention is a piston of an internal combustion engine in which a tumble flow is formed in a cylinder in order to achieve the above object,
  • a non-insulating region having no heat insulating layer including at least a tumble flow contact region that is provided on a piston crown surface and in contact with the tumble flow during an intake stroke; And a heat insulating member provided inside the piston around the tumble flow contact area.
  • a piston for an internal combustion engine for achieving the above object.
  • the region of the piston crown surface other than the region where the tumble flow abuts can be set as the heat insulating region.
  • the region of the piston crown surface with which the tumble flow abuts can be set as a non-adiabatic region. In the non-adiabatic region, the temperature of the piston crown surface is reduced as compared with the adiabatic region. In the region where the tumble flow abuts, the thermal conductivity is high.
  • the temperature is reduced by using the non-adiabatic region, the amount of intake gas heated by the piston crown surface can be reduced. As a result, the temperature of the intake gas at the compression end is reduced, and knocking can be suppressed. For this reason, according to the present invention, in an internal combustion engine in which a tumble flow is formed in a cylinder, it is possible to achieve both suppression of knocking and reduction of cooling loss.
  • the temperature of the region where the tumble flow abuts can be kept low.
  • the region of the piston crown surface where the tumble flow abuts has high thermal conductivity. Therefore, heat is transferred from the piston to the intake gas, and the temperature of the region is lowered. At this time, heat moves from the other region of the piston that is at a high temperature to the region where the temperature has decreased, and tries to maintain equilibrium.
  • this heat transfer can be blocked by the heat insulating member provided inside the piston. Therefore, the temperature of the region where the tumble flow abuts can be kept low, and the amount of intake gas heating by the piston crown surface can be reduced. For this reason, according to the present invention, the temperature of the intake gas at the compression end is reduced, and knocking can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a system configuration of an internal combustion engine 10 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the system of this embodiment includes an internal combustion engine 10.
  • the internal combustion engine 10 is a four-cycle engine.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the internal combustion engine 10.
  • the internal combustion engine 10 includes a cylinder block 12.
  • a cylinder 14 is formed in the cylinder block 12.
  • the number of cylinders of the internal combustion engine 10 is not particularly limited.
  • a piston 16 is slidably disposed inside the cylinder 14. The piston 16 is connected to the crankshaft via a piston pin 18 and a connecting rod 20.
  • the cylinder head 22 is assembled to the upper part of the cylinder block 12.
  • a combustion chamber 24 of the internal combustion engine 10 is formed by a space surrounded by the inner surface of the cylinder 14 formed in the cylinder block 12, the crown surface of the piston 16, and the concave portion of the lower surface of the cylinder head 22.
  • An ignition plug 26 is attached to the cylinder head 22 so as to protrude from the top of the combustion chamber 24 into the combustion chamber 24.
  • the cylinder head 22 has an intake port 28 and an exhaust port 30 communicating with the combustion chamber 24.
  • An injector (not shown) for injecting fuel into the intake port 28 is arranged upstream of the intake port 28 toward the combustion chamber 24.
  • the system of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) (not shown).
  • the above-described spark plug 26 and injector are connected to the ECU.
  • the ECU injects fuel into the injector during the intake stroke, and spark-ignites the spark plug 26 during the compression stroke.
  • the downstream portion of the intake port 28 is branched into two.
  • An intake valve 32 for opening and closing the intake port 28 relative to the combustion chamber 24 is provided at the downstream end of the branched intake port 28.
  • the upstream portion of the exhaust port 30 is branched into two.
  • an exhaust valve 34 for opening and closing the exhaust port 30 with respect to the combustion chamber 24 is provided.
  • the number of intake ports and exhaust ports and the number of intake valves and exhaust valves are not particularly limited.
  • a spherical recess is formed in the central portion 36 of the crown surface 35 facing the combustion chamber of the piston 16.
  • an oblique squish that is inclined upward from the outer edge toward the central portion 36 toward the central portion 36 is formed on the outer edge portion 38 of the crown surface 35.
  • An oblique squish facing the outer edge 38 is also formed on the outer edge 40 of the recess on the lower surface of the cylinder head 22 forming the combustion chamber 24. That is, a squish area is formed between the outer edge portions 38 and 40.
  • FIG. 2 is a view for explaining the structure of the crown surface 35 of the piston 16 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the crown surface 35 of the piston 16 as viewed from the direction of arrow B in FIG.
  • valve recesses 48 IN corresponding to the umbrella portions of the two intake valves 32 are formed on the crown surface 35 of the piston 16.
  • valve recesses 48 EX corresponding to the umbrella portions of the two exhaust valves 34 are formed on the crown surface 35.
  • the crown surface 35 is formed with four outer edge portions 38 that form the squish area described above with the valve recesses 48 IN and 48 EX interposed therebetween.
  • FIG. 1 shows a typical flow of the intake air flow formed in the cylinder 14 in the intake stroke of the system of the present embodiment.
  • the solid line arrow a1 indicates the flow of intake gas that is sucked from the intake port 28 and led to the upper surface portion 42 of the combustion chamber 24 along the back surface of the intake valve 32 facing the intake port 28 in the intake stroke. ing.
  • a solid arrow a2 indicates the flow of the intake gas guided from the upper surface portion 42 of the combustion chamber 24 to the exhaust-side side wall 44 of the cylinder 14 along the umbrella surface of the exhaust valve 34 facing the combustion chamber 24 in the intake stroke.
  • a solid arrow a3 indicates the flow of the intake gas that is brought into contact with the crown surface 35 from the exhaust-side side wall 44 of the cylinder 14 and is guided to the intake-side side wall 46 of the cylinder 14 in the intake stroke.
  • tumble flows indicated by solid arrows a1 to a3 are formed.
  • the direction of the solid arrow a3 is perpendicular to the axis of the piston pin 18.
  • the broken line arrow a3 shown in FIG. 2 indicates the flow of the intake gas that contacts the crown surface 35 in the intake stroke, similarly to the solid line arrow a3 in FIG.
  • a region 50 on the crown surface 35 shown in FIG. 2 represents a region where the intake gas as a tumble flow flows in contact with the crown surface 35.
  • the region 50 is referred to as a tumble flow contact region.
  • the tumble flow contact region 50 is experimentally determined for each internal combustion engine. For example, an area where the tumble flow where the thermal conductivity of the crown surface 35 is equal to or greater than a threshold value is determined by an experiment or the like as the tumble flow contact area 50 where a strong air current strikes.
  • the portion of the crown surface 35 other than the tumble flow contact region 50 is a region where a weak air flow having a thermal conductivity equal to or less than a threshold is applied, and is not a region where the tumble flow contacts.
  • a tumble flow is formed in the intake stroke.
  • the intake flow which is a tumble flow, flows from the exhaust side of the cylinder 14 toward the crown surface 35 of the piston 16 and passes toward the intake side of the cylinder 14 while contacting the crown surface 35. Therefore, a strong air current hits the tumble flow contact area 50 of the crown surface 35.
  • At least a part on the crown surface 35 other than the tumble flow contact region 50 is defined as a heat insulating region in which a heat insulating layer is formed.
  • the region 52 other than the tumble flow contact region 50 is a heat insulating region in which a heat insulating layer is formed.
  • a region 52 heat insulating region
  • a member having a heat insulating effect such as ceramic is used.
  • the tumble flow contact region 50 where a strong air current strikes is set as a non-insulated region having no heat insulating layer.
  • the tumble flow contact region 50 is experimentally determined for each internal combustion engine, and here, a representative example is shown.
  • the long side of the tumble flow contact region 50 is determined so as to pass through the central portion 36 of the crown surface 35 from the position in contact with the exhaust side wall 44 to the position in contact with the intake side wall 46.
  • the short side of the tumble flow contact area 50 is determined as follows. First, the opposing intake valve 32 and exhaust valve 34 are set as one set. In the system of the present embodiment, two sets of intake valves 32 and exhaust valves 34 are arranged side by side.
  • the umbrella portions of both valves are projected onto the crown surface 35 for each set.
  • Parallel lines are drawn for the two sets.
  • the distance between the parallel line segments is determined as the short side of the tumble flow contact region 50.
  • the tumble flow contact region 50 is defined in a band shape as a range sandwiched between the parallel line segments on the crown surface 35.
  • the amount of heat received from the combustion gas to the piston 16 is determined by setting the region 52 where a strong air flow is not applied during the intake stroke as a heat insulating region. Can be reduced, and cooling loss can be reduced.
  • the tumble flow contact region 50 where a strong tumble flow hits during the intake stroke is a region having a high heat transfer rate
  • the tumble flow contact region 50 is a non-adiabatic region.
  • the temperature of the tumble flow contact region 50 can be reduced as compared with the case where the heat insulating layer is formed.
  • the amount of intake gas heated by the piston crown surface can be reduced.
  • the temperature of the intake gas at the compression end is reduced, and knocking can be suppressed.
  • the short side of the tumble flow contact region 50 is drawn for each group by drawing a line segment connecting the centers of the projected umbrella portions of both valves.
  • the method of determining the short side of the tumble flow contact region 50 is not limited to this.
  • a tangent on the piston center side is drawn among the projected common tangents of the umbrella portions of both valves, and the distance between the parallel tangents drawn for each set is expressed as a tumble flow contact region 50. It may be determined as the short side of.
  • a tangent on the piston outer edge side is drawn out of the common tangent of the umbrella portion of both valves projected for each set, and the distance of the parallel tangent drawn for each set is expressed as a tumble flow contact region. It may be determined as 50 short sides. This also applies to the following embodiments.
  • a port injection type injector is used as the injector, but an in-cylinder direct injection type injector may be used. This also applies to the following embodiments.
  • the piston 16 is the “piston” in the first and second inventions
  • the crown surface 35 is the “piston crown” in the first and second inventions.
  • the contact area 50 corresponds to the “non-insulating area” in the first and second inventions
  • the area 52 corresponds to the “insulating area” in the first and second inventions.
  • Embodiment 2 FIG. (Basic configuration) Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (A) and 3 (B).
  • the system of this embodiment is substantially the same as the configuration shown in FIG. 1 except that a piston 60 described later is used instead of the piston 16 in the configuration shown in FIG.
  • FIG. 3A is a top view showing the structure of the crown surface 62 of the piston 60 in the system of the present embodiment.
  • valve recesses 64 IN corresponding to the umbrella portions of the two intake valves 32 are formed on the crown surface 62 of the piston 60.
  • valve recesses 64 EX corresponding to the umbrella portions of the two exhaust valves 34 are formed on the crown surface 62.
  • the crown surface 35 is formed with two outer edge portions 66 forming a squish area with the valve recesses 64 IN and 64 EX interposed therebetween.
  • FIG. 3 (B) is a longitudinal sectional view of the piston 60 along the C surface shown in FIG. 3 (A).
  • a piston pin boss 68 is provided below the piston 60.
  • the piston pin bosses 68 are respectively provided on the side portions of the crown surface 62 that are positioned perpendicular to the intake-exhaust direction.
  • the piston pin 18 shown in FIG. 1 is inserted into the piston pin boss 68.
  • an intake air flow (hereinafter referred to as an intake gas flow composed of a mixture of fuel and fresh air) in the system of the present embodiment will be described.
  • an intake gas flow composed of a mixture of fuel and fresh air
  • a tumble flow indicated by solid arrows a1 to a3 is formed as in FIG.
  • the arrow a3 shown in FIG. 3A indicates the flow of the intake gas that comes into contact with the crown surface 62 in the intake stroke, like the solid arrow a3 in FIG.
  • a region 70 on the crown surface 62 shown in FIG. 3A represents a region where the intake gas as a tumble flow flows in contact with the crown surface 62.
  • the region 70 is referred to as a tumble flow contact region.
  • FIG. 3A shows an elliptical tumble flow contact region 70 that includes the central portion of the piston 60 and has a long side in the direction in which the intake air flows.
  • a tumble flow is formed in the intake stroke.
  • the intake flow that is a tumble flow flows from the exhaust side of the cylinder 14 toward the crown surface 62 of the piston 60 and passes toward the intake side of the cylinder 14 while contacting the crown surface 62. Therefore, a strong air current hits the tumble flow contact area 70 of the crown surface 62.
  • At least the tumble flow contact area 70 where a strong air current hits is set as a non-insulated area without a heat insulating layer.
  • the portion other than the tumble flow contact region 70 on the crown surface 62 is also configured as a non-insulating region.
  • a heat insulating material 72 is inserted so as to be buried in a shallow position from the crown surface 62 inside the piston 60 as shown in FIG.
  • the heat insulating material 72 is provided at the boundary between the tumble flow contact region 70 and the other regions in the top view of the piston.
  • the heat insulating material 72 is provided in two locations in parallel to the flow of the intake air flow.
  • the heat insulating material 72 is a rectangular parallelepiped, for example, it is not limited to this.
  • a member having a heat insulating effect such as ceramic is used.
  • the heat insulating material 72 shown in FIG. 3B is inside the piston 60 above the piston pin boss 68, and is perpendicular to the axial direction of the piston pin boss 68 (the axial direction of the piston pin 18), and the crown surface 62. It is provided in parallel with.
  • the tumble flow contact region 70 where a strong tumble flow hits during the intake stroke is a region having a high heat transfer coefficient. Since heat conductivity is high, heat moves from the piston 60 to the intake gas. Therefore, the temperature of the tumble flow contact area 70 is lowered. At this time, since the portion other than the tumble flow contact region 70 is at a high temperature, the heat moves to the tumble flow contact region 70 whose temperature has been lowered and tries to maintain equilibrium.
  • the heat transfer can be blocked by inserting the heat insulating material 72.
  • the temperature of the tumble flow contact region 70 where the strong tumble flow strikes can be kept low. Therefore, the amount of heating to the intake gas can be reduced. As a result, the temperature of the intake gas at the compression end is reduced, and knocking can be suppressed. Therefore, according to the present invention, knocking can be suppressed in the internal combustion engine in which a tumble flow is formed in the cylinder.
  • the heat insulating material 72 is provided in two locations in the piston 60 in parallel to the flow of the intake air flow, but the arrangement of the heat insulating material 72 is limited to this. It is not a thing. For example, it may be provided so as to surround the entire outer periphery of the tumble flow contact region 70 or a part thereof.
  • the non-insulating region of the crown surface 62 is the entire crown surface 62, but the region other than the tumble flow contact region 70 is a heat insulating region in which a heat insulating layer is formed. It is good.
  • the piston 60 is the “piston” in the third and fourth inventions
  • the crown surface 62 is the “piston crown” in the third and fourth inventions
  • the heat insulating material includes the tumble flow contact region 70 in the “heat insulating member” in the third and fourth inventions, and the tumble flow contact region 70 in the “tumble flow contact region” in the third invention.
  • the upper region corresponds to the “non-insulating region” in the third and fourth inventions
  • the piston pin boss 68 corresponds to the “piston pin boss” in the fourth invention.

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Abstract

　気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減との両立を図ることのできる内燃機関のピストン（１６）を提供する。　気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンにおいて、吸気行程中にタンブル流が当接するピストン冠面（３５）上の領域であり、断熱層を有さない非断熱領域（５０）を備える。さらに、非断熱領域以外の前記ピストン冠面上の少なくとも一部の領域であり、断熱層を有する断熱領域（５２）を備える。

Description

内燃機関のピストン
　この発明は、内燃機関のピストンに関する。
　従来、例えば特許文献１に開示されるように、吸気流に対して側方にあたるピストン冠面の領域に非断熱領域が設けられ、それ以外の領域に断熱領域が設けられた内燃機関のピストンが知られている。断熱領域が設けられることによって、冷却損失の低減を図ることができる。
日本特開２００８－１１１３６７号公報 日本特開２００９－１２１４２５号公報 日本特開２００９－０３６１２６号公報 日本特開２００９－０４１３８８号公報 日本特開２００９－０６２９７５号公報
　ところで、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関においては、吸気行程中に、ピストン冠面に強い吸気流（吸気ガスの流れ）が当たる。強い吸気流が当たる領域は、熱伝導率が高くなるため、ピストン冠面によって吸気ガスが加熱されることとなる。上記従来のピストンにおいては、強い吸気流が当たる領域に断熱領域が設けられており、冷却損失が少ない反面、断熱領域の温度が高温となる。そのため、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量が大きくなる。吸気ガスの加熱量が大きくなれば、圧縮端における吸気ガスの温度が高くなるため、ノッキングの発生が懸念される。
　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減との両立を図ることのできる内燃機関のピストンを提供することを目的とする。
　第１の発明は、上記の目的を達成するため、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンであって、
　吸気行程中に前記タンブル流が当接するピストン冠面上の領域であり、断熱層を有さない非断熱領域と、
　前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面上の少なくとも一部の領域であり、断熱層を有する断熱領域と、を備えることを特徴とする。
　また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のピストンであって、
　ピストン冠面の中央部を含み、該ピストン冠面の吸気側と排気側とに渡って帯状に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
　前記非断熱領域の側方にあたる前記ピストン冠面に設けられた、断熱層を有する断熱領域と、を備えることを特徴とする。
　また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンであって、
　ピストン冠面上に設けられ、吸気行程中に前記タンブル流が当接するタンブル流当接領域を少なくとも含む、断熱層を有さない非断熱領域と、
　前記タンブル流当接領域の周辺部のピストン内部に設けられた断熱部材と、を備えることを特徴とする。
　また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のピストンであって、
　少なくともピストン冠面の中央部を含む該ピストン冠面に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
　ピストンピンボスの上部に位置するピストン内部であり、該ピストンピンボスの軸方向に垂直かつ、前記ピストン冠面に平行に設けられた断熱部材と、を備えることを特徴とする。
　第１及び第２の発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される場合において、タンブル流が当接する領域以外のピストン冠面の領域を断熱領域とすることができる。断熱領域を設けることにより、燃焼ガスからピストンへの受熱量が低減され、冷却損失の低減を図ることができる。また、第１及び第２の発明によれば、タンブル流が当接するピストン冠面の領域を非断熱領域とすることができる。非断熱領域では、断熱領域に比してピストン冠面の温度が低減される。タンブル流が当接する領域では熱伝導率の高くなるが、非断熱領域とすることで温度が低減されるため、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量を低減することができる。その結果、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減とを両立させることができる。
　第３及び第４の発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される場合において、タンブル流が当接する領域の温度を低い状態に保つことができる。具体的に説明する。タンブル流が当接するピストン冠面の領域は、熱伝導率が高い。そのため、ピストンから吸気ガスに熱が移動し、当該領域の温度が低下する。このとき、高温であるピストンの他領域から、温度が低下した当該領域に熱が移動して平衡を保とうとする。しかしながら、本発明の構成によれば、ピストン内部に設けられた断熱部材により、この熱の移動を遮ることができる。そのため、タンブル流が当接する領域の温度を低い状態に保つことができ、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量を低減することができる。このため、本発明によれば、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。
本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるピストン１６の冠面３５の構造について説明するための図である 本発明の実施の形態２におけるピストン６０の冠面６２の構造を示す上面図である。 本発明の実施の形態２におけるピストン６０の縦断面図である。
１０　内燃機関
１２　シリンダブロック
１４　気筒
１６、６０　ピストン
１８　ピストンピン
２０　コネクティングロッド
２２　シリンダヘッド
２４　燃焼室
２６　点火プラグ
２８　吸気ポート
３０　排気ポート
３２　吸気バルブ
３４　排気バルブ
３５、６２　冠面
３６　中央部
３８、６６　ピストン冠面の外縁部
４０　シリンダヘッドの下面凹部の外縁部
４２　燃焼室の上面部
４４　気筒の排気側の側壁
４６　気筒の吸気側の側壁
４８ＥＸ、４８ＩＮ、６４ＩＮ、６４ＥＸ　バルブリセス
５０、７０　タンブル流当接領域
５２　タンブル流当接領域以外の領域
６８　ピストンピンボス
７２　断熱材
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
実施の形態１．
（基本的構成）
　図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。ここでは、内燃機関１０は４サイクルエンジンであるものとする。図１には、内燃機関１０の縦断面が表されている。
　内燃機関１０は、シリンダブロック１２を備えている。シリンダブロック１２には、気筒１４が形成されている。本発明において、内燃機関１０の気筒数は特に限定されるものではない。気筒１４の内部には、ピストン１６が摺動可能に配置されている。ピストン１６は、ピストンピン１８及びコネクティングロッド２０を介して、クランク軸に連結されている。
　シリンダブロック１２の上部には、シリンダヘッド２２が組み付けられている。シリンダブロック１２に形成された気筒１４の内面と、ピストン１６の冠面と、シリンダヘッド２２の下面の凹部とで囲まれた空間によって、内燃機関１０の燃焼室２４が形成されている。また、シリンダヘッド２２には、燃焼室２４の頂部から燃焼室２４内に突出するように点火プラグ２６が取り付けられている。
　シリンダヘッド２２には、燃焼室２４に連通する吸気ポート２８と排気ポート３０とが形成されている。吸気ポート２８の上流部には、燃焼室２４に向けて、吸気ポート２８内に燃料を噴射するための図示しないインジェクタが配置されている。本実施形態のシステムは図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵには、上述の点火プラグ２６、インジェクタが接続されている。ＥＣＵは、吸気行程においてインジェクタに燃料を噴射させ、圧縮行程において点火プラグ２６に火花点火させる。
　また、吸気ポート２８の下流部は２つに分岐されている。分岐された吸気ポート２８の下流端には、吸気ポート２８を燃焼室２４に対して開閉するための吸気バルブ３２がそれぞれ設けられている。同様に、排気ポート３０の上流部は２つに分岐されている。分岐された排気ポート３０の上流端には、排気ポート３０を燃焼室２４に対して開閉するための排気バルブ３４がそれぞれ設けられている。なお、本発明において、吸気ポートや排気ポートの分岐数、吸気バルブや排気バルブの数は特に限定されるものではない。
　ピストン１６の燃焼室に面する冠面３５には、中央部３６に球面状の凹部が形成されている。また、冠面３５の外縁部３８には、外縁から中央部３６に向けて燃焼室上方に傾斜した斜めスキッシュが形成されている。また、燃焼室２４を形成するシリンダヘッド２２の下面凹部の外縁部４０にも、外縁部３８に対向する斜めスキッシュが形成されている。すなわち、外縁部３８、４０との間にスキッシュエリアが形成されている。
　図２は、本発明の実施の形態１におけるピストン１６の冠面３５の構造について説明するための図である。図２は、図１の矢印Ｂ方向からピストン１６の冠面３５を見た上面図である。図２に示す通り、ピストン１６の冠面３５には、２つの吸気バルブ３２の傘部それぞれに対応するバルブリセス４８ＩＮが形成されている。同様に、冠面３５には、２つの排気バルブ３４の傘部それぞれに対応するバルブリセス４８ＥＸが形成されている。そして、冠面３５には、バルブリセス４８ＩＮ、４８ＥＸを挟んで、上述したスキッシュエリアを形成する外縁部３８が４箇所形成されている。
（特徴的構成）
　次に、本実施形態のシステムにおける吸気流（以下、燃料と新気との混合気からなる吸気ガスの流れをいう。）について説明する。図１には、本実施形態のシステムの吸気行程において、気筒１４内に形成される吸気流の代表的な流れが示されている。実線の矢印ａ１は、吸気行程において、吸気ポート２８から吸入され、吸気ポート２８側に面する吸気バルブ３２の傘裏面に沿って、燃焼室２４の上面部４２に導かれる吸気ガスの流れを示している。実線の矢印ａ２は、吸気行程において、燃焼室２４の上面部４２から燃焼室２４に面する排気バルブ３４の傘表面に沿って、気筒１４の排気側の側壁４４に導かれる吸気ガスの流れを示している。実線の矢印ａ３は、吸気行程において、気筒１４の排気側の側壁４４から冠面３５に当接して、気筒１４の吸気側の側壁４６に導かれる吸気ガスの流れを示している。このように、本実施形態のシステムでは、実線の矢印ａ１～ａ３に示すタンブル流が形成される。実線の矢印ａ３の方向はピストンピン１８の軸線に対し垂直である。
　また、図２に示す破線の矢印ａ３は、図１における実線の矢印ａ３と同様に、吸気行程において、冠面３５に当接する吸気ガスの流れを示している。図２に示す冠面３５上の領域５０は、タンブル流としての吸気ガスが冠面３５に当接して流れる領域を表している。以下、領域５０をタンブル流当接領域という。
　なお、ピストン１６の冠面３５のどのような領域を、タンブル流当接領域５０とするかは、本発明を適用する内燃機関の仕様、例えば、吸気ポート２８や冠面３５の形状、吸気バルブ３２の配置や開弁特性等によって種々異なることが想定される。そのため、一般的には内燃機関毎に実験的にタンブル流当接領域５０を定めるものとする。例えば、強い気流が当たるタンブル流当接領域５０として、冠面３５の熱伝導率が閾値以上となるタンブル流が接触する領域を実験等で定める。この場合、タンブル流当接領域５０以外の冠面３５の部分は、熱伝導率が閾値以下の弱い気流が当たる領域であり、タンブル流が当接する領域とはしないこととする。
　上述した通り、本実施形態の構成においては、吸気行程においてタンブル流が形成される。タンブル流である吸気流は、気筒１４の排気側からピストン１６の冠面３５に向かって流れ込み、冠面３５に当接しながら、気筒１４の吸気側に向かって通過する。そのため、冠面３５のタンブル流当接領域５０には、強い気流が当たることとなる。
　本実施形態のシステムでは、タンブル流当接領域５０以外の冠面３５上の少なくとも一部を、断熱層が形成された断熱領域とする。例えば、タンブル流当接領域５０以外の領域５２を、断熱層が形成された断熱領域とする。図２では、排気側から吸気側に向けてピストン冠面に当接するタンブル流の側方に領域５２（断熱領域）が設けられている。断熱層を形成する断熱材としては、セラミック等の断熱効果を有する部材が用いられる。
　加えて、本実施形態のシステムでは、強い気流が当たるタンブル流当接領域５０を、断熱層を有さない非断熱領域とする。上述した通り、タンブル流当接領域５０は内燃機関毎に実験的に定めるものであり、ここでは代表的な例を示す。タンブル流当接領域５０の長辺は、排気側の側壁４４に接する位置から吸気側の側壁４６に接する位置に渡って、冠面３５の中央部３６を通過するように定められている。また、タンブル流当接領域５０の短辺は次のように定められている。まず、対向する吸気バルブ３２と排気バルブ３４とを１組とする。本実施形態のシステムでは、吸気バルブ３２と排気バルブ３４とからなる組が、２組並設されている。次に、各組について、両バルブの傘部を冠面３５にそれぞれ投影する。投影された両バルブの傘部の中心を結ぶ線分を描く。２組について平行な線分が描かれる。この平行な線分の距離が、タンブル流当接領域５０の短辺として定められている。タンブル流当接領域５０は、冠面３５上において上記平行な線分に挟まれた範囲として帯状に定められている。
　以上説明したように、図１～図２に示す本実施形態の構成によれば、吸気行程中に強い気流が当たらない領域５２を断熱領域とすることで、燃焼ガスからピストン１６への受熱量が低減され、冷却損失を低減することができる。
　また、本実施形態の構成によれば、吸気行程中に強いタンブル流が当たるタンブル流当接領域５０は、熱伝達率が高い領域であるところ、タンブル流当接領域５０を非断熱領域とすることで、断熱層が形成される場合に比して、タンブル流当接領域５０の温度を低減することができる。タンブル流当接領域５０の温度が低減されることにより、ピストン冠面による吸気ガスの加熱量を低減することができる。その結果、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。
　このように、本実施形態のシステムによれば、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングの抑制と、冷却損失の低減とを両立させることができ、好適な熱効率を実現することができる。
　ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、タンブル流当接領域５０の短辺を、各組について、投影された両バルブの傘部の中心を結ぶ線分を描き、２組について描かれた平行な線分の距離とすることとしているが、タンブル流当接領域５０の短辺の定め方はこれに限定されるものではない。第１の変形例として、各組について、投影された両バルブの傘部の共通接線のうちピストン中心側の接線を描き、各組について描かれた平行な接線の距離をタンブル流当接領域５０の短辺として定めることとしてもよい。また、第２の変形例として、各組について投影された両バルブの傘部の共通接線のうちピストン外縁側の接線を描き、各組について描かれた平行な接線の距離をタンブル流当接領域５０の短辺として定めることとしてもよい。なお、この点は以下の実施の形態においても同様である。
　また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、インジェクタとして、ポート噴射式のインジェクタを用いることとしているが、筒内直接噴射式のインジェクタを用いることとしても良い。なお、この点は以下の実施の形態においても同様である。
　尚、上述した実施の形態１においては、ピストン１６が前記第１及び第２の発明における「ピストン」に、冠面３５が前記第１及び第２の発明における「ピストン冠面」に、タンブル流当接領域５０が前記第１及び第２の発明における「非断熱領域」に、領域５２が前記第１及び第２の発明における「断熱領域」に、それぞれ相当している。
実施の形態２．
（基本的構成）
　次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１に示す構成におけるピストン１６に代えて、後述するピストン６０が用いられる点を除き、図１に示す構成と略同様である。
　図３（Ａ）は、本実施形態のシステムにおけるピストン６０の冠面６２の構造を示す上面図である。図３（Ａ）に示す通り、ピストン６０の冠面６２には、２つの吸気バルブ３２の傘部それぞれに対応するバルブリセス６４ＩＮが形成されている。同様に、冠面６２には、２つの排気バルブ３４の傘部それぞれに対応するバルブリセス６４ＥＸが形成されている。そして、冠面３５には、バルブリセス６４ＩＮ、６４ＥＸを挟んで、スキッシュエリアを形成する外縁部６６が２箇所形成されている。
　図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＣ面によるピストン６０の縦断面図である。ピストン６０の下部には、ピストンピンボス６８が設けられている。ピストンピンボス６８は、冠面６２の吸気－排気方向に対して、垂直方向に位置する側部にそれぞれ設けられている。ピストンピンボス６８には、図１に示すピストンピン１８が挿入されている。
（特徴的構成）
　次に、本実施の形態のシステムにおける吸気流（以下、燃料と新気との混合気からなる吸気ガスの流れをいう。）について説明する。本実施形態のシステムでは、上述した図１と同様に、実線の矢印ａ１～ａ３に示すタンブル流が形成される。
　また、図３（Ａ）に示す矢印ａ３は、図１における実線の矢印ａ３と同様に、吸気行程において、冠面６２に当接する吸気ガスの流れを示している。図３（Ａ）に示す冠面６２上の領域７０は、タンブル流としての吸気ガスが冠面６２に当接して流れる領域を表している。以下、領域７０をタンブル流当接領域という。
　なお、ピストン６０の冠面６２のどのような領域を、タンブル流が流れるタンブル流当接領域７０とするかは、上述した実施の形態１におけるタンブル流当接領域５０と同様に、本発明を適用する内燃機関の仕様によって種々異なることが想定される。そのため、一般的には内燃機関毎に実験的にタンブル流当接領域７０を定めるものとする。タンブル流当接領域７０の定め方については、上述したタンブル流当接領域５０と同様であるため、ここではその説明を省略する。一例として、図３（Ａ）には、ピストン６０の中央部を含み、吸気流が流れる方向を長辺とする楕円状のタンブル流当接領域７０が表されている。
　上述した通り、本実施形態の構成においては、吸気行程においてタンブル流が形成される。タンブル流である吸気流は、気筒１４の排気側からピストン６０の冠面６２に向かって流れ込み、冠面６２に当接しながら、気筒１４の吸気側に向かって通過する。そのため、冠面６２のタンブル流当接領域７０には、強い気流が当たることとなる。
　本実施形態のシステムでは、少なくとも、強い気流が当たるタンブル流当接領域７０を、断熱層を有さない非断熱領域とする。図３（Ａ）においては、冠面６２上のタンブル流当接領域７０以外の部分も非断熱領域として構成されている。
　加えて、本実施形態のシステムでは、図３（Ｂ）に示すようにピストン６０の内部であって、冠面６２から浅い位置に埋没するように断熱材７２が挿入されている。断熱材７２は、ピストン上面視において、タンブル流当接領域７０とそれ以外の領域の境目に設けられている。代表的な例として、断熱材７２は、図３（Ｂ）に示すように、吸気流の流れに平行に２箇所設けられている。断熱材７２は、例えば直方体であるがこれに限定されるものではない。断熱材７２としては、セラミック等の断熱効果を有する部材が用いられる。
　換言すれば、図３（Ｂ）に示す断熱材７２は、ピストンピンボス６８の上部のピストン６０内部であって、ピストンピンボス６８の軸方向（ピストンピン１８の軸方向）に垂直かつ、冠面６２に平行に設けられている。
　上述した本実施形態の構成おいて、吸気行程中に強いタンブル流が当たるタンブル流当接領域７０は、熱伝達率が高い領域である。熱伝導率が高いため、ピストン６０から吸気ガスへ熱が移動する。そのため、タンブル流当接領域７０の温度が低下することとなる。このとき、タンブル流当接領域７０以外の部分は高温であるため、温度が下がったタンブル流当接領域７０へ熱が移動して平衡を保とうとする。
　しかしながら、本実施形態のピストン６０によれば、断熱材７２が挿入されていることにより、熱の移動を遮ることができる。熱の移動を遮ることで、強いタンブル流が当たるタンブル流当接領域７０の温度を低い状態に保つことができる。そのため、吸気ガスへの加熱量を低減することができる。その結果、圧縮端における吸気ガスの温度が低減され、ノッキングを抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒内にタンブル流が形成される内燃機関において、ノッキングを抑制することができる。
　ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいては、断熱材７２を、ピストン６０の内部に、吸気流の流れに平行に２箇所設けることとしているが、断熱材７２の配置はこれに限定されるものではない。例えば、タンブル流当接領域７０の外周全体又はその一部を囲むように設けることとしてもよい。
　また。上述した実施の形態２のシステムにおいては、冠面６２の非断熱領域を、冠面６２全体としているが、タンブル流当接領域７０以外の領域を、断熱層が形成された断熱領域とすることとしてもよい。
　尚、上述した実施の形態２においては、ピストン６０が前記第３及び第４の発明における「ピストン」に、冠面６２が前記第３及び第４の発明における「ピストン冠面」に、断熱材７２が前記第３及び第４の発明における「断熱部材」に、タンブル流当接領域７０が前記第３の発明における「タンブル流当接領域」に、タンブル流当接領域７０を含む冠面６２上の領域が前記第３及び４の発明における「非断熱領域」に、ピストンピンボス６８が前記第４の発明における「ピストンピンボス」に、それぞれ相当している。

Claims (4)

  1. 　気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンにおいて、
    　吸気行程中に前記タンブル流が当接するピストン冠面上の領域であり、断熱層を有さない非断熱領域と、
    　前記非断熱領域以外の前記ピストン冠面上の少なくとも一部の領域であり、断熱層を有する断熱領域と、
    　を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
  2. 　ピストン冠面の中央部を含み、該ピストン冠面の吸気側と排気側とに渡って帯状に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
    　前記非断熱領域の側方にあたる前記ピストン冠面に設けられた、断熱層を有する断熱領域と、
    　を備えることを特徴とする内燃機関のピストン
  3. 　気筒内にタンブル流が形成される内燃機関のピストンにおいて、
    　ピストン冠面上に設けられ、吸気行程中に前記タンブル流が当接するタンブル流当接領域を少なくとも含む、断熱層を有さない非断熱領域と、
    　前記タンブル流当接領域の周辺部のピストン内部に設けられた断熱部材と、
    　を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
  4. 　少なくともピストン冠面の中央部を含む該ピストン冠面に設けられた、断熱層を有さない非断熱領域と、
    　ピストンピンボスの上部に位置するピストン内部であり、該ピストンピンボスの軸方向に垂直かつ、前記ピストン冠面に平行に設けられた断熱部材と、
    　を備えることを特徴とする内燃機関のピストン。
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