(57)【要約】【課題】圧縮行程において、ピストンの上昇に伴ってシリンダ内のタンブル流が横方向へ傾くことによって誘発されるノッキングの発生を防止できるようにする。【解決手段】シリンダ内に吸気のタンブル流を生成させる手段を備える内燃機関に用いられるピストンにおいて、ピストン冠面１２の中央部に形成される凹部２０のピストンピン中心軸と直交する方向の両側部にそれぞれ略中央からピストン中心へ向けて内側へ突出する凸部２５を設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に吸気のタンブル流を生成させる手段を備える内燃機関に用いられるピストンにおいて、ピストン冠面の中央部に形成される凹部のピストンピン中心軸と直交する方向の両側部にそれぞれ略中央からピストン中心へ向けて内側へ突出する凸部を設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
シリンダヘッド下面とピストン冠面とシリンダ側壁とから画成される燃焼室と、燃焼室の上面のピストンピン中心軸方向の一側に配置される２つの吸気弁と、同じく他側に配置される２つの排気弁と、ピストン上死点におけるピストン冠面とシリンダヘッド下面との中心間距離を確保すべくピストン冠面の中央部に形成される凹部と、ピストン冠面に配設される各吸気弁のバルブリセスおよび各排気弁のバルブリセスと、を備える内燃機関にあって、前記凸部は、吸気弁のバルブリセスと排気弁のバルブリセスとの間をこれらバルブリセスの外周に沿ってピストン中心へ向けて突き出るように形成した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。
【請求項３】
前記凸部は、燃焼室の上面を構成するシリンダヘッド下面に対向する上面がピストン中心側が高くなる傾斜面に形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、燃焼性状を改善するため、ピストン冠面の中央部に凹部（ピストンキャビティ）を設け、吸気行程で吸気ポートからシリンダ内に吸入される吸気のタンブル流（縦方向の渦流）が、ピストンの圧縮上死点付近においても、勢力を保持しやすくしたものがある（特許文献１、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１８６５５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１９２１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧縮行程においては、ピストンの上昇に伴ってシリンダ内のタンブル流が横方向へ付勢され、横方向の渦成分が発生する。そのため、ピストンの上死点付近において、横方向の渦成分により、凹部の周辺の流速が増し、点火プラグにて形成された初期火炎核が流されることで、火炎伝播が偏り、ノッキングを発生させやすい、という不具合が考えられる。
【０００５】
この発明は、このような不具合に注目してなされたものであり、タンブル流以外の渦成分を抑える手段の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、シリンダ内に吸気のタンブル流を生成させる手段を備える内燃機関に用いられるピストンにおいて、ピストン冠面の中央部に形成される凹部のピストンピン中心軸と直交する方向の両側部にそれぞれ略中央からピストン中心へ向けて内側へ突出する凸部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、シリンダ内のタンブル流（縦方向の渦流）は、ピストンの上昇に伴って横方向へ付勢され、横方向の渦流が発生するが、凹部のピストンピン中心軸と直交する方向の両側部の略中央からそれぞれピストン中心へ向けて内側へ突出する凸部により、横方向への渦成分が堰き止められ、その渦の流れが崩壊させられるようになる。従って、ピストン上死点付近において、燃焼室中央に配された点火プラグ着火部における流速が抑えられ、初期火炎核の形成が阻害されたり、火炎伝播に偏りが発生するようなこともなく、ノッキングの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施形態に係る内燃機関の構成を説明する概要図である。
【図２】同じくピストン冠面の斜視図である。
【図３】同じくピストン冠面の凸部と各バルブリセスとの関係を説明する平面図である。
【図４】同じく(a)はピストン冠面の平面図、同じく(b)はそのＡ−Ａ断面図である。
【図５】同じく(a)は燃焼室の平面図、同じく(b)はそのＢ−Ｂ断面図を含む説明図である。
【図６】同じく(a)はピストン冠面の平面図、同じく(b)はＣ−Ｃ断面図である
【図７】別の実施形態に係るピストン冠面の斜視図である。
【図８】同じく(a)はピストン冠面の平面図、同じく(b)はＤ−Ｄ断面図である。
【図９】同じく燃焼室の断面図を含む説明図である。
【図１０】この発明の前提技術に係るピストン冠面の説明図である。
【図１１】同じく(a)はピストン冠面の平面図、同じく(b)はそのＥ−Ｅ断面図である。
【図１２】燃焼室内のガス流動（流速）の解析結果を例示する説明図である
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１において、１０はシリンダヘッド下面１１とピストン冠面１２とシリンダ側壁１３とから画成される燃焼室であり、燃焼室１０はペントルーフ型に形成される。燃焼室１０の上面において、ピストンピン中心軸と平行な仮想直線（図示せず）を挟む一方の傾斜面（ルーフ面）に２つの吸気弁１５が配置され、同じく他方の傾斜面（ルーフ面）に２つの排気弁１６（図５、参照）が配置される。燃焼室１０の上面の各１対の吸排気弁１５，１６で囲まれる略中央部に点火プラグ１７（図５、参照）が配置される。
【００１０】
吸気ポート１８は、吸気行程でシリンダ内に吸入される吸気が縦方向（シリンダ中心軸線方向）の旋回流（タンブル流）を生成しえるように構成される。ピストン冠面１２は、その周縁部に環状の基準平面２１（図２、参照）を残して隆起する凸形状に形成され、その隆起面の略中央部にタンブル流がピストンの圧縮上死点付近においても勢力を保持しえるように凹部２０（図２〜図６、参照）が設けられる。
【００１１】
凹部２０（ピストンキャビティ）は、ピストン冠面１２を上から見ると、略矩形状に形成され、ピストン冠面１２に凹部２０を囲む隆起面２２，２３が残される。凹部２０の底面の中央部２０ａは、深さが一定の平面に形成される。凹部２０の底面のピストンピン中心軸と直交する方向の両側部２０ｂは、シリンダ内のタンブル流（図１、参照）に沿って湾曲する曲面に形成される。凹部の底面の中央部２０ａ（平面）は、この緩やかな湾曲面（両側部２０ｂ）を介して隆起面２２に接続する。
【００１２】
凹部２０の底面のピストン中心軸方向の両側部２０ｃは、略中央からピストン中心へ向けて突出する凸部２５が設けられる。凸部２５は、両側の隆起面２３を凹部２０（ピストンキャビティ）の内側へ略水平に延長するように形成される（図４、参照）。両側部は、複数の傾斜面によって構成され、凹部２０の底面の中央部２０ａ（平面）は、これら傾斜面を介して凸部の上面を含む隆起面２３に接続する。
【００１３】
ピストン冠面２０は、各吸気弁１５のバルブリセスおよび各排気弁１６のバルブリセスが備えられる。図３の破線Ｉは、吸気弁１５のバルブリセスの底面の輪郭を表示する仮想円であり、図３の破線Ｅは、排気弁１６のバルブリセスの底面の輪郭を表示する仮想円であり、各吸気弁１５および各排気弁１６のバルブリセスの底面は、吸気弁１５および排気弁１６のバルブ面と略平行な傾斜面２６，２７に形成されるが、仮想円Ｉ，Ｅが凹部２０（ピストンキャビティ）とオーバラップするため、凹部２０の底面の方がバルブリセスの底面（傾斜面２６，２７）よりも深くなる領域においては、バルブリセスの傾斜面２６，２７（底面）は、凹部２０の底面に吸収され、底面（傾斜面２６，２７）の一部分が形になって残される。吸気弁１５は排気弁１６よりもバルブ径が大きく、１対の吸気弁１５のバルブリセスにおいては、これらの仮想円Ｉが隣接するため、両者の底面（傾斜面２６）が仮想円の接線方向に繋がるように延長される。
【００１４】
凹部２０（ピストンキャビティ）の凸部２５については、吸排気弁１５，１６のバルブリセスの外周に沿ってこれらバルブリセスの間をピストン中心へ向けて突き出るように形成される（図３の細かい破線、参照）。
【００１５】
図１において、吸気行程で吸気ポート１８からシリンダ内に吸入される吸気は、シリンダ中心軸方向（縦方向）への旋回流（タンブル流）を生成しつつ、ピストン冠面１２の凹部２０（ピストンキャビティ）のピストンピン中心軸と直交する方向へ凹部２０の底面の湾曲面（両側部２０ｂ）に沿って流れ、凸部２５を含む傾斜面（両側部２０ｃ）の整流作用によって吸気流ｇ（タンブル流以外の渦流を含む）が勢力の強いタンブル流Ｇになって巻き上げられる。
【００１６】
圧縮行程においては、ピストン１２Ａの上昇に伴ってタンブル流が横方向へ付勢され、容積が縮小するシリンダ１１ａ内のタンブル流が横方向へ傾くようになる。つまり、ピストン１２Ａの上昇に伴って横方向への渦成分が次第に大きくなるが、ピストン上死点付近においては、凹部２０の凸部２５により、横方向への渦成分が堰き止められ、その渦の流れが崩壊させられる。従って、ピストン上死点付近において、点火プラグ１７の着火に先立ち、凹部２０の周辺（隆起面２２、２３と燃焼室１１の上面との狭い空間）に早期着火が発生しても、その火炎が流されて火炎伝播に偏りが発生するようなこともなくなり、ノッキングの発生を防止することができる。
【００１７】
図１０は、この発明に係るピストンの前提技術を説明するものである。ピストン５０Ａは、この発明に係るピストン１２Ａと同じく、シリンダヘッド下面とピストン冠面とシリンダ側壁とから画成される燃焼室と、燃焼室の上面のピストンピン中心軸方向の一側に配置される２つの吸気弁と、同じく他側に配置される２つの排気弁と、ピストン上死点におけるピストン冠面とシリンダヘッド下面との中心間距離を確保すべくピストン冠面の中央部に形成される凹部と、ピストン冠面に配設される各吸気弁のバルブリセスおよび各排気弁のバルブリセスと、を備える内燃機関（図１、参照）に用いられる。
【００１８】
ピストン冠面５０は、その略中央部にタンブル流がピストンの圧縮上死点付近においても勢力を保持しえるように凹部５１（ピストンキャビティ）が設けられる。
【００１９】
凹部５１は、ピストン冠面５０を上から見ると、略矩形状に形成され、ピストン冠面５０に凹部５１を囲む隆起面５２，５３が形成される。凹部５１の底面の中央部５１ａは、深さが一定の平面に形成される。凹部５１の底面のピストン中心軸と直交する方向の両側部５１ｂは、シリンダ内のタンブル流に沿って湾曲する曲面に形成される。凹部の底面の中央部５１ａ（平面）は、この緩やかな湾曲面（両側部５１ｂ）を介して隆起面５２に接続する。
【００２０】
図１０の破線Ｉは、吸気弁のバルブリセスの底面の輪郭を表示する仮想円であり、図１０の破線Ｅは、排気弁のバルブリセスの底面の輪郭を表示する仮想円であり、各吸気弁および各排気弁のバルブリセスの底面は、吸気弁および排気弁のバルブ面と略平行な傾斜面５６，５７に形成されるが、凹部５１の底面の方がバルブリセスの底面（傾斜面）が深くなる領域においては、バルブリセスの傾斜面５６，５７（底面）は、凹部５１の底面に吸収され、底面（傾斜面５６，５７）の一部が残る形になっている。１対の吸気弁のバルブリセスにおいては、これらの仮想円が隣接するため、両者の底面（傾斜面５６）が仮想円の接線方向に繋がり、凹部５１の底面の側部５１に沿ってその両隅部を囲うように形成される。
【００２１】
このような前提技術によると、吸気行程で吸気ポートからシリンダ内に吸入される吸気は、シリンダ中心軸方向（縦方向）への旋回流（タンブル流）を生成しつつ、凹部（ピストンキャビティ）の底面の湾曲面（両側部５１ｂ）に沿って流れ、傾斜面（両側部５１ｃによって整流されるが、圧縮行程においては、ピストン５０Ａの上昇に伴ってタンブル流が横方向へ付勢され、横方向への渦成分が大きくなり、ピストン上死点付近においては、燃焼室中央に配された点火プラグ着火部の流速が増大するため、初期火炎核が流され、火炎伝播が偏り、ノッキングの発生を誘発しやすくなる。
【００２２】
図１２は、ピストン上死点付近における、燃焼室内のガス流動（流速）の解析結果を例示するものであり、流速が高い２つの渦流ｙが発生しており、点火プラグが配置される燃焼室中央部にはノッキングを誘発させる排気側への流れを確認できる。矢印はタンブル流であり、ピストン５０Ａの上昇に伴って横方向へ付勢され、タンブル流以外の渦成分を含む２つの流れに分かれて旋回する。
【００２３】
この発明に係るピストンは、ピストン冠面１２の凹部２０に凸部２５を備えるので、前記の如く、ピストン上死点付近において、燃焼室１１内の横方向への渦成分が堰き止められ、その渦の流れを崩壊させることにより、ノッキングを誘発する原因となる渦流の発生を未然に防止できるのである。図１０においては、凸部２５の適用により、ｘ領域の渦流が崩壊してガス流動の流速が抑制されることになる。
【００２４】
凸部２５については、吸排弁１５，１６のバルブリセスの外周に沿って形成することにより、凹部２５の底面がバルブリセスに沿って拡張される。この拡張部３０（図６、参照）により、バルブリセスの傾斜面２６，２７（底面）として残る部分（面積）が小さくなり、図６のＣ−Ｃ断面において、バルブリセスの傾斜面２６が凹部２０の底面に吸収される。この点、図１１のＥ−Ｅ断面においては、凹部５１の底面からバルブリセスの底面（傾斜面５６）になり、その傾斜面５６の最深部からバルブリセスの側面が立ち上がり、隆起面２５，２６に繋がる形になり、図６のＣ−Ｃ断面と較べると、拡張部３０に対応する部位６０の表面積が大きくなる。つまり、この発明に係るピストンによれば、凸部２５を吸排弁のバルブリセスの外周に沿って形成することより、燃焼室のＳＶ比（燃焼室の表面積／燃焼室の容積）が低減され、エンジンの排気性能や熱効率を改善しえるという効果も得られる。
【００２５】
図７〜図９は、この発明に係る別の実施形態を表すものであり、凸部２５は、シリンダヘッド下面（燃焼室の上面）に対向する上面が略水平な平面でなく、ピストン中心側が高くなる傾斜面２５ａに形成される。この例においては、ピストン冠面１２の凹部２０（ピストンキャビティ）を囲む隆起面２２ａ，２３ａは、燃焼室１０の上面に対応する傾斜角度の円錐面に加工され、凸部２５の上面２５ａは、その円錐面をピストン中心側へ延長する形に形成される。
【００２６】
このような構成により、ピストン上死点において、ピストン冠面１２の隆起面２２ａおよび凸部２５を含む隆起面２３ｂがシリンダヘッド側の燃焼室１０に進入可能となり、内燃機関の圧縮比を高めることができる（図９、参照）。また、傾斜面２５ａを持つ凸部２５は、図１〜図６の凸部２５（上面が略水平な平面に形成される）に較べると、凹部２０へ突き出る先端側の高さが大きくなり、その分、横方向の渦流を堰き止める面積が増えるので、ノッキングを防止する上から、タンブル流以外の渦流を崩壊させる作用効果の向上が得られるのである。図７〜図９において、図１〜図６と同一の部位は、同一の符号を付け、重複説明は、省略する。
【００２７】
この発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  燃焼室
１１  シリンダヘッド下面
１２  ピストン冠面
１３  シリンダ側壁
１５  吸気弁
１６  排気弁
１８  吸気ポート
２０  凹部（ピストンキャビティ）
２５  凸部
２５ａ  凸部の上面
３０  凹部（ピストンキャビティ）の拡張部
【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１】
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【図１２】
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