JP4785539B2 - 内燃機関およびそのピストン - Google Patents

Description

この発明は、タンブル流を利用した筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンに関する。

シリンダ内のガス流動としてタンブル流を利用した内燃機関において、吸気行程において生じたタンブル流が圧縮行程においても良好に保存されるように、ピストン冠面に、ピストンピン中心軸線と平行な円筒面を凹設したピストンが、例えば特許文献１に開示されている。このような構成によれば、シリンダヘッド側に凹設された燃焼室凹部との間で、ピストンピン軸方向から見て、円形ないしは楕円形の空間が形成され、シリンダの上下方向に沿ったタンブル流が円滑に旋回するようになる。
特開２０００−１８６５５６号公報

筒内直接噴射式内燃機関では、一般に、圧縮行程後期に燃料を噴射することで成層希薄燃焼を実現するのであるが、上記のようなピストンを用いた構成では、シリンダ側方に配置した燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部へ安定的に案内することが難しく、燃焼が安定しない。従って、例えば始動直後のＨＣ低減のために点火時期をリタードしようとしても、燃焼安定限界の制約によって大幅なリタードが困難となる。

また、燃料噴霧を点火プラグ近傍へ供給するために、燃料噴霧をピストン冠面に衝突させて点火プラグ側へ反射させるような構成とすると、燃料の一部がピストン冠面に付着し、ＨＣ増加の要因となる。

この発明は、シリンダ頂面の略中心部に点火プラグが配置されるとともに、吸気弁側の燃焼室側方に燃料噴射弁が配置され、相対的に負荷が高い領域では吸気行程中に燃料を噴射してシリンダ内のタンブル流を用いた均質燃焼を行うとともに、相対的に負荷が低い領域では圧縮行程中に燃料を噴射して成層希薄燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンにおいて、上記タンブル流は、ピストン冠面上を排気弁側から吸気弁側へ向かう方向に流れるものであって、上記ピストン冠面に、上記タンブル流に沿うように底面がピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面をなす凹部が該冠面周囲の基準面よりも深く凹設されており、上記湾曲面の略中央部に、該湾曲面の吸気弁側部分に対し排気弁側部分が相対的に高くなった段部が設けられ、該段部は、上記基準面よりも下方に位置し、この段部の立ち上がり部が上記点火プラグの直下に位置することを特徴としている。一つの態様では、上記段部は、両端部が切り欠かれており、この切欠部分では、湾曲面の吸気弁側部分と排気弁側部分とが滑らかに連続している。

具体的な一つの態様では、上記ピストン冠面の略全面に、シリンダヘッド側へ膨らんだ凸部が設けられ、この凸部のピストンピン軸方向の端部寄りの部分を残すように上記凹部が矩形状に凹設されている。

すなわち、上記のように段部からなる立ち上がり部を備えた構成では、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、立ち上がり部の上方を噴霧が通過することによって該立ち上がり部に沿って上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧が上方の点火プラグ側へ向かう。従って、点火プラグ近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。

一方、例えば多量の排気還流を行いつつ均質燃焼する場合などに、シリンダ内にタンブル流が生成されると、このタンブル流は、ピストン冠面の湾曲面に沿って旋回することになるが、上記タンブル流は、ピストン冠面上を排気弁側から吸気弁側へ向かう方向に流れるものであって、上記段部は、湾曲面の吸気弁側部分に対し排気弁側部分が相対的に高くなるように設けられているので、タンブル流が円滑に流れる。従って、段部を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。

この発明によれば、シリンダ側方の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部へ安定的に案内することができ、安定した成層希薄燃焼が得られる。従って、例えば始動直後のＨＣ低減のために点火時期をリタードするに際して、点火時期の燃焼安定限界がより遅角側となり、大幅な点火時期リタードが可能となる。また同時に、タンブル流の低下を最小限にできる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内直接噴射式内燃機関の構成を図１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、その一方の傾斜面に一対の吸気弁５が、他方の傾斜面に一対の排気弁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。

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が形成されているとともに、一対の排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。

筒内へ直接に燃料を噴射する電磁式燃料噴射弁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、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中心ヘ向かって、水平に近い傾斜角度でもって燃料を噴射するように構成されている。

なお、上記吸気ポート８は、シリンダ３内にいわゆる順方向のタンブル流を生成するのに適した形状を有しているが、さらに、ポート内を上下の流路に仕切る隔壁やその一方の流路を開閉するタンブル制御弁などのタンブル生成手段を必要に応じて設けることもできる。

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、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給され、シリンダ３内に生成されるタンブル流によって積極的に拡散される。

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、燃料は、圧縮行程の後半において、燃料噴射弁１０から燃焼室１１壁面とピストン４との間の空間へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、後述するように点火プラグ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。なお、タンブル制御弁のようなタンブル流を可変制御する手段を有する場合には、成層希薄燃焼時には、タンブル流を抑制することが望ましい。

次に、図２は、本発明に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を示している。図示するように、このピストン４は、冠面の略全面に、周囲の基準面２０からシリンダヘッド１側へ膨らんだ凸部２１を有しているとともに、この凸部２１の中央部に、上面から見て矩形状をなす凹部２２が設けられている。上記凸部２１は、上死点位置においてシリンダヘッド１側の燃焼室１１内に入り込み、その容積の一部を占めるように、ドーム型に膨らんでいるが、上記凹部２２が大きく設けられていることから、実際には、ピストンピン軸方向の両端部に、それぞれ冠面の中の三日月型の領域を占める凸部２１ａ，２１ｂが部分的に残った形となっている。そして、ピストンピンと直交する方向の両端（つまり吸気弁側および排気弁側の端部）の２箇所には、三日月形のスキッシュエリア２３，２４が、基準面２０と同一の平面として形成されている。

上記凹部２２は、ピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面からなる底面２５と、ピストンピンと直交する方向に沿って延びた一対の側壁面２６，２６と、から形成されている。上記底面２５は、一定の曲率半径を有する単純な円筒面であってもよく、曲率半径が部分的に異なる湾曲面であってもよいが、全体として、シリンダ３内のタンブル流の流れに沿うように湾曲している。

ここで、本実施例では、上記の湾曲面からなる底面２５の長手方向の略中央部に、該底面２５の吸気弁側部分２５ａと排気弁側部分２５ｂとの間で若干の高低差が生じるように、ピストンピン中心軸線と平行に直線状に延びた段部２７が設けられている。この段部２７においては、上記の排気弁側部分２５ｂが吸気弁側部分２５ａに対し相対的に高くなっており、これにより、図３にも示すように、吸気弁側部分２５ａから上方へ立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部２７ａが形成されている。この吸気弁側の立ち上がり部２７ａは、上記点火プラグ７の電極部の直下に位置している。なお、吸気弁側の立ち上がり部２７ａの上方部分つまり点火プラグ７寄りの部分は、点火プラグ７へ向かって略垂直に直立している。

また、ピストンピン中心軸線に沿って延びた段部２７は、その両端部が切り欠かれており、この一対の切欠部分２８，２８では、底面２５の吸気弁側部分２５ａと排気弁側部分２５ｂとが、段差を生じることなく滑らかに連続している。換言すれば、上記段部２７は、凹部２２の側壁面２６，２６から離れて形成されており、湾曲面からなる底面２５の中に独立した島状に形成されている。

上記のような実施例の構成においては、図３の説明図に示すように、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、噴霧Ｆは、その進行方向が段部２７の吸気弁側の立ち上がり部２７ａに沿って点火プラグ７へ向けられ、あるいは、段部２７の上方を噴霧Ｆが通過することによって、該段部２７の吸気弁側の立ち上がり部２７ａに沿って上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧Ｆが上方の点火プラグ７側へ案内される。従って、点火プラグ７近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。

一方、均質燃焼の際には、前述したように、シリンダ内のタンブル流を利用して燃焼が行われるが、図４の説明図に示すように、矢印Ｔで示すタンブル流は、湾曲面からなる凹部２２の底面２５の上を、排気弁側から吸気弁側へと流れ、シリンダ３内で旋回する。ここで、段部２７の両側に切欠部分２８，２８が設けられ、該切欠部分２８，２８では段差のない連続面をなしているので、タンブル流が円滑に流れ、段部２７を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。

また、仮に、上記の段部２７が凹部２２の側壁面２６，２６の間に連続して設けられていると、ピストン冠部の肉厚が、吸気弁側で薄く、排気弁側で全体として厚くなり、ピストン鋳造時に熱歪を生じやすいものとなるが、上記構成では、相対的に小さな体積の段部２７が部分的に存在するだけなので、ピストンを鋳造で製造した場合に生じる熱歪が小さなものとなる。またピストン冠部の全体の肉厚の増加により機関の圧縮比を大きく低下させるようなこともない。

次に、図５および図６は、本発明の参考例を示している。この参考例のピストン４においては、凹部２２の底面２５が段差のない連続したものとなっており、かつその長手方向の略中央部に、前述の段部２７に代えて、ピストンピン中心軸線と平行に直線状に延びた突条部３１が設けられている。この突条部３１は、図７にも示すように、断面が略台形状をなし、かつ、底面２５から該突条部３１へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部３１ａおよび排気弁側の立ち上がり部３１ｂが、それぞれ滑らかに連続する円弧面をなしている。なお、前述の実施例と同じく、吸気弁側の立ち上がり部３１ａが上記点火プラグ７の電極部の直下に位置している。また、この吸気弁側の立ち上がり部３１ａの上方部分つまり突条部３１の先端側の部分は、点火プラグ７へ向かって略垂直に直立している。

そして、ピストンピン中心軸線に沿って延びた突条部３１は、その両端部が切り欠かれており、この一対の切欠部分３２，３２では、底面２５の吸気弁側部分２５ａと排気弁側部分２５ｂとが滑らかに連続している。換言すれば、上記突条部３１は、凹部２２の側壁面２６，２６から離れて形成されており、湾曲面からなる底面２５の中に独立した島状に形成されている。

上記のような参考例の構成においては、図７の説明図に示すように、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、噴霧Ｆは、その進行方向が突条部３１の吸気弁側の立ち上がり部３１ａに沿って点火プラグ７へ向けられ、あるいは、突条部３１の上方を噴霧Ｆが通過することによって、該突条部３１の吸気弁側の立ち上がり部３１ａに沿って上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧Ｆが上方の点火プラグ７側へ案内される。従って、点火プラグ７近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。

一方、均質燃焼の際には、前述したように、シリンダ内のタンブル流を利用して燃焼が行われるが、図８の説明図に示すように、矢印Ｔで示すタンブル流は、湾曲面からなる凹部２２の底面２５の上を、排気弁側から吸気弁側へと流れ、シリンダ３内で旋回する。ここで、突条部３１の両側に切欠部分３２，３２が設けられているので、タンブル流が円滑に流れ、突条部３１を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。

なお、吸気弁側の立ち上がり部３１ａのみが生じるように凹部２２底面２５全幅に亘って段部を設けると、前述したように、ピストン冠部の肉厚が、吸気弁側で薄く、排気弁側で厚くなり、ピストン鋳造時に熱歪を生じやすいものとなるが、上記構成では、相対的に小さな体積の突条部３１が存在するだけなので、ピストンを鋳造で製造した場合に熱歪を生じることがない。またピストン冠部の肉厚の増加により機関の圧縮比を低下させることもない。

図９は、上記の突条部３１を設けたことによる成層希薄燃焼時の安定性向上についての実験結果を示したものであり、特に、冷間始動直後の触媒早期活性化のために点火時期をリタードしたときの特性を、突条部３１を具備しない比較例と突条部３１を備えた実施例とで対比して示している。なお、実験条件としては、１２５０ｒｐｍのファストアイドル状態、空燃比１６、水温２０℃、である。

図の（ｃ）は、燃焼変動を示す筒内圧のばらつきσＰｉと点火時期との関係を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴って燃焼変動が大となる。ここで、Ｌ１が燃焼安定限界である。比較例では、点火時期が上死点後１０°ＣＡ付近で燃焼安定限界Ｌ１を越えてしまい、これよりも遅角することはできない。これに対し、突条部３１を備えた実施例では、筒内圧のばらつきσＰｉが相対的に小さくなり、上死点後１８°ＣＡ付近まで遅角することが可能である。

図の（ａ）は、機関で発生するＨＣの特性を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴ってＨＣが減少する。同一の点火時期で比較すると、実施例の方が比較例よりもＨＣ発生量が大となるが、燃焼安定限界まで遅角することを前提とすると、上死点後１０°ＣＡ付近の点火時期の下での比較例のＨＣ発生量（点Ａ１で示す）に比較して、上死点後１８°ＣＡ付近の点火時期の下での実施例のＨＣ発生量（点Ａ２で示す）の方が、４０％程度低くなる。

また、図の（ｂ）は、内燃機関の排気マニホルドに取り付けられた触媒装置入口での排気温度を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴って排気温度が上昇する傾向となる。同一の点火時期で比較しても、実施例の方が比較例よりも高い排気温度が得られるが、燃焼安定限界まで遅角することを前提とすると、上死点後１０°ＣＡ付近の点火時期の下での比較例の排気温度（点Ｂ１で示す）に比較して、上死点後１８°ＣＡ付近の点火時期の下での実施例の排気温度（点Ｂ２で示す）は、２００℃近く高く得られる。

このように、本発明によれば、燃焼安定性が向上する結果、始動直後などに点火時期の大幅な遅角が可能となり、ＨＣ発生量を低減するとともに、排気温度が高く得られ、触媒の早期活性化が図れる。

また、図１０は、シリンダ３内に生じるタンブル流の強さつまりタンブル比のサイクル中の変化を示したものであって、縦軸のタンブル比は、図の下方ほどタンブル流が強いものとして示してあるが、基本的に、タンブル強さは、吸気行程において大となり、圧縮上死点に向かって減衰していく傾向となる。ここで、比較例１は、突条部３１を具備しない場合の特性、比較例２は、両端が側壁面２６，２６に連続した形で突条部３１を設けた場合の特性である。図示するように、切欠部分３２，３２を備えない比較例２では、突条部３１を具備しない比較例１に比べて、タンブル比が大きく低下する。これに対し、一対の切欠部分３２，３２を有する形で突条部３１を備えた参考例では、比較例１に近い特性となり、タンブル比の低下が抑制される。

この発明に係るピストンが用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を示す断面図。 この発明に係るピストンの頂部の斜視図。 燃料噴射時の様子を示す要部の断面説明図。 タンブル流の流れを示す斜視説明図。 参考例を示す内燃機関の断面図。 この参考例のピストン頂部の斜視図。 燃料噴射時の様子を示す要部の断面説明図。 タンブル流の流れを示す斜視説明図。 点火時期と、（ａ）ＨＣ発生量、（ｂ）触媒入口排気温度、（ｃ）筒内圧のばらつきσＰｉ、との関係を、実施例と比較例とで対比して示した特性図。 タンブル比のサイクル中の変化を、実施例と比較例とで対比して示した特性図。

符号の説明

４…ピストン
２２…凹部
２５…底面（湾曲面）
２７…段部
２８…切欠部分
３１…突条部
３２…切欠部分

Claims (4)

1. シリンダ頂面の略中心部に点火プラグが配置されるとともに、吸気弁側の燃焼室側方に燃料噴射弁が配置され、相対的に負荷が高い領域では吸気行程中に燃料を噴射してシリンダ内のタンブル流を用いた均質燃焼を行うとともに、相対的に負荷が低い領域では圧縮行程中に燃料を噴射して成層希薄燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンにおいて、
   上記タンブル流は、ピストン冠面上を排気弁側から吸気弁側へ向かう方向に流れるものであって、上記ピストン冠面に、上記タンブル流に沿うように底面がピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面をなす凹部が該冠面周囲の基準面よりも深く凹設されており、
   上記湾曲面の略中央部に、該湾曲面の吸気弁側部分に対し排気弁側部分が相対的に高くなった段部が設けられ、該段部は、上記基準面よりも下方に位置し、この段部の立ち上がり部が上記点火プラグの直下に位置することを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 上記ピストン冠面の略全面に、シリンダヘッド側へ膨らんだ凸部が設けられ、この凸部のピストンピン軸方向の端部寄りの部分を残すように上記凹部が矩形状に凹設されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 上記段部は、両端部が切り欠かれており、この切欠部分では、湾曲面の吸気弁側部分と排気弁側部分とが滑らかに連続していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のピストンを備えた内燃機関。

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