(57)【要約】【課題】点火時期を遅角した成層燃焼による排気温度上昇と気筒内に形成されるタンブルの維持とを両立できる内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】筒内直接噴射式の内燃機関に適用され、気筒内に形成されるタンブルの維持に適した形状を持つ凹部１５が頂部１３に形成された内燃機関用ピストン１０であって、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が衝突する位置に平面状の衝突部１６が凹部１５の一部と重なるようにして設けられており、気筒に挿入された状態で、衝突部１６に対する燃料噴霧の衝突角が３０°に設定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の中心線と交差する方向に燃料噴射方向が設定された燃料噴射弁と、前記気筒の天井面中央部に設けられた点火プラグとを有する筒内直接噴射式の内燃機関に適用され、前記気筒内に形成されるタンブルの維持に適した形状を持つ凹部が頂部に形成された内燃機関用ピストンにおいて、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が衝突する位置に平面状の衝突部が前記凹部の一部と重なるようにして設けられ、
前記気筒内に挿入された状態で前記燃料噴射弁の噴射方向と前記衝突部との間で形成される衝突角が、前記衝突部に衝突した燃料噴霧の先端の巻き上がりが前記点火プラグに導かれるように設定されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
【請求項２】
前記衝突角が３０°に設定されている請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
【請求項３】
前記凹部は、吸気側及び排気側のそれぞれの側に位置して前記頂部の周縁の高さよりも高く盛り上がり互いに平行に延びる一対の尾根部を有することにより凹曲面形状に形成されており、
前記衝突部は、前記気筒内の温度上昇に応じて前記一対の尾根部の高さよりも低い位置から前記一対の尾根部の高さまで立ち上がることが可能な可動部材を含んでいる請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直接噴射式の内燃機関に適用される内燃機関用ピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内直接噴射式の内燃機関に適用されるピストンには、気筒内に噴射された燃料噴霧を巻き上げる機能を持つキャビティが頂部に形成されていることが多い。そのキャビティによる燃料噴霧の巻き上げ効果を利用して、燃料噴霧の先端部を気筒の天井面に設けられた点火プラグに導くとともに点火時期を遅角させて成層燃焼を行い排気温度を上昇させて内燃機関の暖機促進を図る技術が広く知られている。このような成層燃焼に適したピストンとして、キャビティの底面に続く側壁面に対する燃料噴霧の直接的な衝突を回避するため、コアンダ効果を利用してキャビティの底面側に燃料噴霧を偏向させるようにしたものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０２４５２号公報
【特許文献２】特開２００３−６５０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のピストンは、上述したキャビティが形成されているので点火時期を遅角した成層燃焼による排気温度上昇には有利であるが、このキャビティの存在によって燃料噴霧の混合を促進するタンブルの維持には不向きである。
【０００５】
そこで、本発明は、点火時期を遅角した成層燃焼による排気温度上昇と気筒内に形成されるタンブルの維持とを両立できる内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関用ピストンは、気筒の中心線と交差する方向に燃料噴射方向が設定された燃料噴射弁と、前記気筒の天井面中央部に設けられた点火プラグとを有する筒内直接噴射式の内燃機関に適用され、前記気筒内に形成されるタンブルの維持に適した形状を持つ凹部が頂部に形成された内燃機関用ピストンにおいて、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が衝突する位置に平面状の衝突部が前記凹部の一部と重なるようにして設けられ、前記気筒内に挿入された状態で前記燃料噴射弁の噴射方向と前記衝突部との間で形成される衝突角が、前記衝突部に衝突した燃料噴霧の先端の巻き上がりが前記点火プラグに導かれるように設定されているものである（請求項１）。
【０００７】
このピストンによれば、燃料噴霧の先端を点火プラグに導くことができる平面状の衝突部がタンブルの維持に適した凹部の一部に重なるようにして頂部に設けられているので、衝突部を利用した燃料噴霧の巻き上げを行うことができるとともに、その衝突部と重なっていない凹部の残りの部分を利用してタンブルを維持できる。これにより、点火時期を遅角した成層燃焼による排気温度上昇とタンブルの維持とを両立することができる。
【０００８】
衝突角の大きさは衝突部に衝突した燃料噴霧の先端の巻き上がりが点火プラグに導かれる範囲内で適宜設定してよいが、その衝突角は３０°に設定されることが好ましい（請求項２）。点火時期を所定時期に遅角させて成層燃焼を達成するためには、燃料噴霧の先端が点火プラグに位置している噴霧滞在期間内に点火時期が到来しなければならない。従って、噴霧滞在期間と点火時期とが重なる範囲内で燃料噴射時期の適合範囲を定めることができる。衝突角が大きくなるほど燃料噴霧の運動量が低下するため、衝突部への衝突後の燃料噴霧の移動速度は衝突角が大きくなるほど遅くなる関係が成立する。そのため、衝突角が大きすぎると、燃料噴霧の移動速度が遅くなる結果として噴霧滞在期間が点火時期に対して遅れ側にずれる。つまり、噴霧滞在期間の長さが同様であっても噴霧滞在期間の全体が点火時期に対して遅くなる。これにより、噴霧滞在期間と点火時期とが重なる範囲が狭くなるので、燃料噴射時期の適合範囲が狭まる又は存在しなくなる。反対に、衝突角が小さすぎると、燃料噴霧の移動速度が速くなる結果として噴霧滞在期間が点火時期に対して進み側にずれる。つまり、噴霧滞在期間の長さが同様であっても噴霧滞在期間の全体が点火時期に対して遅くなる。これにより、噴射角が大きすぎる場合と同様に、燃料噴霧の滞在期間と点火時期とが重なる範囲が狭くなるので、燃料噴射時期の適合範囲が狭まる又は存在しなくなる。このように、衝突角の大きさによって燃料噴射時期の適合範囲が変化する。そこで、衝突角を３０°とした場合に噴霧滞在期間と点火時期とが重なる範囲が最大となることが分かった。従って、燃料噴射時期の適合範囲を最大とするには衝突角を３０°に設定することが好ましい。
【０００９】
本発明の一態様において、前記凹部は、吸気側及び排気側のそれぞれの側に位置して前記頂部の周縁の高さよりも高く盛り上がり互いに平行に延びる一対の尾根部を有することにより凹曲面形状に形成されており、前記衝突部は、前記気筒内の温度上昇に応じて前記一対の尾根部の高さよりも低い位置から前記一対の尾根部の高さまで立ち上がることが可能な可動部材を含んでいてもよい（請求項３）。この場合には、筒内温度が高まったときに可動部材が一対の尾根部の高さまで立ち上がるので、凹部と衝突部との間に形成される高低差が緩和される。これにより、その高低差によってタンブルの維持が阻害されることを抑制できるので筒内温度が高まった際にタンブルの維持効果を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の内燃機関用ピストンによれば、燃料噴霧の先端を点火プラグに導くことができる平面状の衝突部がタンブルの維持に適した凹部の一部に重なるようにして頂部に設けられているので、点火時期を遅角した成層燃焼による排気温度上昇とタンブルの維持とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は本発明の第１の形態に係る内燃機関用ピストンが適用された内燃機関の要部を示した図。
【図２】図１のII−II線に関する断面図。
【図３】ピストンの作用を説明する説明図であって、点火時期を遅角して成層燃焼を行う際の気筒内の状態を示した図。
【図４】ピストンの作用を説明する説明図であり、気筒内に形成されたタンブルを維持する状態を示した図。
【図５】ピストンの作用を説明する説明図であって、図４の状態からピストンが上昇した点火時期直前の状態を示した図。
【図６】図７〜図９を用いた説明で使用する各パラメータ等の名称を示した参考図。
【図７】燃料噴射時期と点火時期との対応関係を説明する説明図。
【図８】衝突角θが大きすぎる場合における燃料噴射時期と点火時期との対応関係を示した図。
【図９】衝突角θが小さすぎる場合における燃料噴射時期と点火時期との対応関係を示した図。
【図１０】第２の形態に係るピストンが適用された内燃機関の要部を示した図。
【図１１】図１０のXI−XI線に関する断面図。
【図１２】内燃機関の暖機完了前の冷間時におけるピストンを示した図。
【図１３】内燃機関の暖機完了後の温間時におけるピストンを示した図。
【図１４】第３の形態に係るピストンが適用された内燃機関の要部を示した図。
【図１５】図１４のXV−XV線に関する断面図。
【図１６】凹部のみが形成されたピストンが適用された比較例の要部を示した図。
【図１７】図１６の比較例と第３の形態との気筒内の乱れ強さの変化を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る内燃機関用ピストンが適用された内燃機関の要部を示した図であり、図２は図１のII−II線に関する断面図である。内燃機関１は気筒２内に燃料が直接噴射される筒内直接噴射式の内燃機関として構成されている。内燃機関１は気筒２が形成されたシリンダブロック３と、気筒２の上部開口を塞ぐようにしてシリンダブロック３に取り付けられたシリンダヘッド４とを有している。
【００１３】
シリンダヘッド４には吸気ポート５と排気ポート６とがそれぞれ形成され、吸気ポート５は吸気バルブ７にて、排気ポート６は排気バルブ８にてそれぞれ開閉される。各バルブ７、８は不図示のバルブガイド介して開閉動作可能な状態でシリンダヘッド４に取り付けられている。ペントルーフ型の燃焼室を形成する気筒２の天井面にはその中央部に点火プラグ９が設けられている。気筒２にはピストン１０が挿入されており、そのピストン１０には不図示のコネクティングロッドが連結されている。なお、図１に示されたピストン１０の断面は、図２のI−I線に関する断面に相当する。シリンダヘッド４の吸気側ＩＮには燃料噴射弁１１が設けられている。燃料噴射弁１１は燃料噴霧１２の噴射方向が気筒２の中心線ＣＬと交差する方向に設定されている。
【００１４】
ピストン１０の頂部１３には、中心線ＣＬ方向の下側に凹んだ凹部１５が形成され、その凹部１５の一部と重なるようにして平面状の衝突部１６が形成されている。凹部１５は、吸気側ＩＮ及び排気側ＥＸのそれぞれの側に位置して頂部１３の周縁１３ａの高さより高く盛り上がり互いに平行に延びる一対の尾根部１７を有している。これにより、凹部１５は凹曲面形状に形成される。凹部１５の凹曲面形状は、逆かまぼこ形状と呼ばれることがあり、その断面形状は図１の紙面と直交する方向に関して一定になっている。凹部１５のこうした形状は気筒２内に形成されるタンブルの維持に適した形状として広く知られている。
【００１５】
衝突部１６は頂部１３に形成された吸気側ＩＮの二つのバルブリセス１９間に位置していて、気筒２の中心線ＣＬと直交する方向に延びている。衝突部１６は図２に示されているように平面視で吸気側ＩＮから排気側ＥＸに向かって幅が徐々に拡大する三角形状に形成されている。この形状は燃料噴霧１２の広がり角φに対応する。衝突部１６と燃料噴射方向との成す角である衝突角θは本形態では３０°に設定されている。
【００１６】
図３〜図５はピストン１０の作用を説明する説明図であり、図３は点火時期を遅角して成層燃焼を行う際の気筒内の状態を、図４は気筒内で発生したタンブルを維持する状態を、図５は図４の状態からピストンが上昇した点火時期直前の状態をそれぞれ示している。
【００１７】
図３に示すように、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧１２は衝突部１６に衝突し、その先端１２ａの巻き上がりが点火プラグ９に導かれる。衝突角θが３０°に設定されているため、衝突部１６への燃料噴霧１２の衝突により運動量が低下して適度に減速される。これにより、衝突部１６に衝突した燃料噴霧１２の先端１２ａが点火プラグ９の位置に留まる期間と、成層燃焼のために遅角された点火時期とを合わせることができる。
【００１８】
図４に示すように、衝突部１６と重なっていない凹部１５の残りの部分はタンブルの維持に適した形状を持っている。従って、その凹部１５の曲面に沿ってタンブルＴｆが流れることによりタンブルＴｆを圧縮上死点（ＴＤＣ）直前まで維持することができる。図４の状態からピストン１０が上昇してＴＤＣ直前に至ると、頂部１３の界面付近の流れであるバルク流Ｂｆを崩壊させることができるので筒内における乱れ強さを増加させることができる。
【００１９】
このように、本形態のピストン１０によれば、衝突部１６を利用した燃料噴霧１２の巻き上げを行うことができるとともに、その衝突部１６と重なっていない凹部１５の残りの部分を利用してタンブルを維持できる。これにより、点火時期を遅角した成層燃焼による排気温度上昇とタンブルの維持とを両立することができる。
【００２０】
次に、衝突角θを３０°に設定した理由について図６〜図９を参照しながら説明する。図６は以下の説明で使用する各パラメータ等の名称を示した参考図であり、図７は燃料噴射時期と点火時期との対応関係を説明する説明図である。図７の横軸はクランク角で規定される燃料噴射時期を示し、縦軸は時間を示している。図７の曲線Ａ１、Ａ２は燃料噴霧１２の先端１２ａが点火プラグ９の位置Ｌに到達するまでに要する時間を燃料噴射時期毎に繋げた時間曲線を示している。実際には、燃料噴霧１２の先端１２ａは大きさを持つため、点火プラグ９の位置Ｌに最も速く到達する部分が曲線Ａ１として、位置Ｌに最も遅く到達する部分が曲線Ａ２として示される。従って、先端１２ａの到達に要する平均的な時間曲線は、２本の曲線Ａ１、Ａ２で挟まれたハッチングを施した帯状の領域Ａとして観念され、時間軸方向の幅Ｗが燃料噴霧１２の先端１２ａの噴霧滞在期間に相当する。図６に示すように、燃料噴射時期がＴＤＣに近いほど燃料噴霧１２の空間飛行距離ａが短くなるため、燃料噴射時期がＴＤＣに近いほど点火プラグ９の位置Ｌに燃料噴霧１２の先端１２ａが到達するまでの時間が長くなる。そのため、帯状の領域Ａの傾斜がＴＤＣに近づくと一気に急峻になる。
【００２１】
図７に示された右下がりの直線Ｂ１は、所定回転数における燃料噴射時期から点火時期までの時間間隔に相当する。なお、燃料噴射時期がＴＤＣに対して過進角になると燃料噴霧１２の衝突位置が点火プラグ９の位置Ｌを超えた排気側ＥＸとなるので、点火時期を遅角させて成層燃焼を行うことは不可能となる。以上のことから、領域Ａと直線Ｂ１とが重なり合う範囲Ｓ内に燃料噴射時期を設定することにより、燃料噴霧１２の先端１２ａが点火プラグ９に位置している噴霧滞在期間内に点火時期が到来することになるので成層燃焼を達成できる。言い換えれば、領域Ａと直線Ｂ１とが重なり合う範囲Ｓが成層燃焼実施時における燃料噴射時期の適合範囲に相当する。
【００２２】
燃料噴射時期の適合範囲は衝突角θの大きさによって変化する。図８は衝突角θが大きすぎる場合における燃料噴射時期と点火時期との対応関係を示しており、図９は衝突角θが小さすぎる場合における燃料噴射時期と点火時期との対応関係を示している。図８から明らかなように、衝突角θが大きすぎると燃料噴霧１２の先端１２ａが点火プラグ９の位置Ｌに到達するまでに要する時間が長くなるので、矢印で示すように領域Ａが全体的に上側にずれる。このため、図８の状態では、領域Ａと直線Ｂ１とが重なり合う範囲が存在しなくなるため燃料噴射時期の適合範囲が存在しない。一方、図９から明らかなように、衝突角θが小さすぎると燃料噴霧１２の先端１２ａが点火プラグ９の位置Ｌに到達するまでに要する時間が短くなるので、矢印で示すように領域Ａが全体的に下側にずれる。このため、図９の状態では、領域Ａと直線Ｂ１とが重なり合う範囲Ｓ１、Ｓ２が図７の場合よりも狭くなる。つまり、燃料噴射時期の適合範囲が図７の場合よりも狭まる。
【００２３】
このように、衝突角θの大きさに応じて燃料噴射時期の適合範囲が変化するが、衝突角θを３０°に設定した場合にその範囲が最大となることが判明した。よって、燃料噴射時期の適合範囲を拡大するために最も有利な衝突角θは３０°である。
【００２４】
（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図１０〜図１３を参照して説明する。図１０は第２の形態に係るピストンが適用された内燃機関の要部を示した図であり、図１１は図１０のXI−XI線に関する断面図である。なお、図１０に示されたピストンの断面は図１１のX−X線に関する断面に相当する。以下、第１の形態と共通する構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。ピストン２０はその衝突部２６が可動できるように構成されている。衝突部２６は、基端２７ａを中心に回転できる可動部材２７を備えている。可動部材２７はその基端２７ａが蝶板等のリンク結合部材２８を介してピストン２０の頂部１３に回転可能に結合されており、可動部材２７の裏面側には頂部１３に形成された穴２９に封入されたワックス等の熱膨張材２７ａが設けられている。可動部材２７の表面は平面状に形成されている。熱膨張材２７ａは気筒２内の温度が高まると膨張して可動部材２７を尾根部１７の高さまで立ち上げる機能を有している。これにより、可動部材２７は以下のように動作する。
【００２５】
図１２は内燃機関１の暖機完了前の冷間時におけるピストン２０を示し、図１３は内燃機関１の暖機完了後の温間時におけるピストン２０を示している。図１２に示すように、冷間時においては熱膨張材２７ａの体積が小さいため可動部材２７は第１の形態と同様に中心線方向と直交する方向に延びて一対の尾根部１７よりも低い位置に収まっている。このため、第１の形態と同様に点火時期を遅角した成層燃焼を達成できる。気筒２内の温度が上昇して暖機が完了すると、図１３に示すように熱膨張材２７ａの体積が膨張することにより可動部材２７が矢印方向に押し上げられて、一対の尾根部１７の高さまで立ち上がる。これにより、図１２に示された衝突部２６と凹部１５との高低差Ｇが図１３に示すように緩和される。これにより、高低差Ｇによってタンブルの維持が阻害されることを抑制できるので、筒内温度が高まった際にタンブルの維持効果を向上させることができる。
【００２６】
（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態を図１４〜図１７を参照して説明する。図１４は第３の形態に係るピストンが適用された内燃機関の要部を示した図であり、図１５は図１４のXV−XV線に関する断面図である。なお、図１４に示されたピストンの断面は図１５のXIV−XIV線に関する断面に相当する。以下、第１の形態と共通する構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。第３の形態に係るピストン３０は、その衝突部３６が第１の形態の衝突部１６と比べて大きくなっており、排気側ＥＸの尾根部１７まで延びている。衝突部３６の形状は燃料噴霧１２の広がり角φに合わせて吸気側ＩＮから排気側ＥＸに向かって幅が徐々に拡大する三角形状になっている。
【００２７】
図１６は凹部１５のみが形成されたピストン１００が適用された比較例の要部を示した図であり、図１７は図１６の比較例と第３の形態との気筒２内の乱れ強さの変化を示した図である。第３の形態のピストン３０は衝突部３６が排気側ＥＸにまで拡大した結果、尾根部１７が削られるため、ＴＤＣにおける燃焼室の容積が比較例に比べて大きくなる。そのため、図１７に示したように、破線で囲まれたＴＤＣ付近でのバルク流の崩壊を遅らせることができる。これにより、ピストン３０は、気筒２内の乱れ強さを比較例よりもＴＤＣに近い時期まで保持することができる。
【００２８】
本発明は、上記各形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。上記各形態のように、衝突部が気筒の中心線と直交する方向に延びていなくてもよい。衝突部が気筒の中心線と直角以外の角度で交差する方向に延びている形態で実施しても、そのピストンをシリンダに挿入した結果として衝突角が３０°を含む所定範囲に設定されればよい。また、衝突部の形状は平面視で吸気側から排気側に向かって幅が徐々に広がるもので無くてもよく、衝突部の形状を吸気側から排気側に向かって平面視で一定の幅を持つ矩形状にして実施してもよい。また、衝突部の面積も適宜設定することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  内燃機関
２  気筒
９  点火プラグ
１０、２０、３０  ピストン
１１  燃料噴射弁
１２  燃料噴霧
１２ａ  燃料噴霧の先端
１３  頂部
１３ａ  周縁
１５  凹部
１６、２６、３６  衝突部
１７  尾根部
２７  可動部材
ＣＬ  気筒の中心線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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