(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる排気弁側傾斜面と、同じくペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面もしくは仮想平面からなる吸気弁側傾斜面と、上記両傾斜面によって形成される凸部の側部を構成する一対の側面と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設された略円形のボウルと、上記凸部を囲むように、上記ピストンの外周に沿ってピストン全周にわたって連続して形成され、かつ、ピストン中心線と直交する平面からなるピストン基準水平面と、を有し、
上記ボウルの外周縁が、上記凸部と上記ピストン基準水平面との稜線に、吸気弁側の一箇所でのみ交差しており、
かつ、上記ピストン基準水平面の上方にスワール通路がピストン全周にわたって確保され、このスワール通路によって上記成層燃焼を実現するときのスワール成分が保存され、このスワール成分が上記交差している部分から上記ボウル内へ誘導されて、上記ボウル内のガス流動が強化される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】
上記ピストン基準水平面は、上記ボウルにより切り欠かれた部分を除いてピストン全周にわたって一定幅に設定さ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】
上記ボウルは、その内周側壁面が上方へ向かってテーパ状に拡がった皿形をなす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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に、シリンダ内に生成されるタンブル成分およびスワール成分を利用して、均質燃焼と成層燃焼の双方が可能な筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空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。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平８−３５４２９号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ペントルーフ型燃焼室の吸，排気弁側の傾斜面に略平行な吸気弁側傾斜面及び排気弁側傾斜面が形成されるとともに、両傾斜面を有する凸部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のボウルが形成されており、ピストン上死点付近においてこのボウルへ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。上記ボウルは、内部に燃料およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型の構成となっている。また、このボウルに強いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポートのみから新気を導入し、シリンダ内に強いスワールを生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特公平８−３５４２９号公報に記載された従来の筒内噴射式内燃機関用ピストンにあっては、ピストン頂部に形成された吸，排気弁側傾斜面がピストン外周縁まで延在しており、言い換えると、ピストン頂部に水平面がほとんど存在していない。このため、特にピストン上死点付近において、シリンダ壁面に沿って旋回するスワール成分が大きく阻害され、ひいてはボウル内に導入されるスワール成分が減衰し、成層希薄燃焼が不安定となって、燃費の悪化やＨＣの増加を招来するという問題がある。
【０００６】
また、ピストン頂面に基準となる水平面がほとんど存在していないから、例えば押し込み治具等を用いてピストンをシリンダへ自動的に押し込もうとした場合に、ピストンの位置決め精度を上げることが極めて困難であり、その組付作業が煩雑となる。
【０００７】
この発明は、成層希薄燃焼と均質燃焼とを高いレベルで両立でき、かつ、シリンダへの組付が容易な筒内噴射式内燃機関のピストンを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明は、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる排気弁側傾斜面と、同じくペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面もしくは仮想平面からなる吸気弁側傾斜面と、上記両傾斜面によって形成される凸部の側部を構成する一対の側面と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設された略円形のボウルと、上記凸部を囲むように、上記ピストンの外周に沿ってピストン全周にわたって連続して形成され、かつ、ピストン中心線と直交する平面からなるピストン基準水平面と、を有することを特徴としている。
【０００９】
上記の構成では、吸気弁側傾斜面と排気弁側傾斜面と周囲の円錐形側面とによって、ピストン頂部の凸部が構成されている。この凸部は、ピストン上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室との間の空間が可及的に小さくなるように構成されており、かつこの凸部の外側には、ピストン基準水平面が存在している。
【００１０】
成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の手段によって、シリンダ内にスワールが生成される。ここで、ピストンの外周部には全周にわたってピストン基準水平面が形成されているため、シリンダ内を旋回するスワール成分は、ピストン上死点付近においても上記ピストン基準水平面の上方を良好に流れることができ、十分な強さで保存される。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に適宜導入され、封じ込められる。ここで、ボウルが略円形であるため、十分な強さのスワールをボウル内に確保できる。そして、上死点近傍でボウルへ向けて噴射される燃料は、ボウル内に確保されたスワールによって良好に空気と混合されるとともに、ピストン基準水平面上に保持された上記シリンダ内スワールの中心負圧によって点火プラグ位置まで吸い上げられて点火され、良好な成層燃焼を実現できる。
【００１１】
また均質燃焼時には、一対の吸気弁を介してシリンダ内に流入した新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近で燃料が噴射される。ここでボウル内に入った燃料は、上記タンブル流によって洗い流されて、その滞留が防止されるため、均質な混合気による均質燃焼を実現できる。
【００１２】
また、上記ボウルの外周縁が、上記凸部と上記ピストン基準水平面との稜線に交差しており、かつ、上記ピストン基準水平面の上方にスワール通路がピストン全周にわたって確保され、このスワール通路によって上記成層燃焼を実現するときのスワール成分が保存され、このスワール成分が上記交差している部分から上記ボウル内へ誘導されて、上記ボウル内のガス流動が強化されることを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、ボウルの一部分がピストン基準水平面に差し掛かる形となり、この部分を介して、ピストン基準水平面の上方を旋回するスワール成分がボウル内にスムースに誘導される。この結果、ボウル内のガス流動が更に強化され、特に成層燃焼が良好なものとなる。
【００１４】
請求項２の発明では、上記ピストン基準水平面は、上記ボウルにより切り欠かれた部分を除いてピストン全周にわたって一定幅に設定されていることを特徴としている。
【００１５】
また請求項３の発明では、上記ボウルは、その内周側壁面が上方へ向かってテーパ状に拡がった皿形をなしている。これにより、均質燃焼時に、ボウル内の燃料がタンブル流によって洗い流されるようになり、混合気が均質化する。
【００１６】
【発明の効果】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、ピストン上死点付近においても、ピストン外周部に形成されたピストン基準水平面の上方に、十分な強さのスワールを保存できる。このため、ボウル内に十分な強さのスワールを導入でき、ボウル内における空気と燃料との混合が良好となる。また、上記シリンダ内スワールの中心負圧によってボウル内に形成された混合気を点火プラグ位置まで効果的に吸い上げることができるから、良好な成層燃焼が可能となる。
【００１７】
また、ピストン外周部の全周にわたってピストン基準水平面が形成されているから、例えば押し込み治具の先端面を上記ピストン基準水平面に当接させることで、ピストンを位置精度良く自動的にシリンダへ押し込むことができ、その組付作業が極めて容易なものとなる。この結果、製造コストを大幅に削減することができる。
【００１８】
加えて、請求項２の発明によれば、ピストン頂部の外周部が全周にわたって均一な高さ及び径方向幅となるから、シリンダ壁面に摺接するピストン外周部の肉厚を全周にわたって均一化することができ、このピストン外周部の放熱特性や熱変形量等が全周にわたって均一化される。この結果、例えばピストンの周方向の一部分が局所的に熱変形してしまい、シリンダ壁の早期焼き付きを招く虞はない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
始めに、この発明のピストン４が用い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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁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、図２に示すように、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置されている。
【００２３】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４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。
【００２４】
上記の一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド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。
【００２５】
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、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。
【００２６】
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、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。
【００２７】
次に、図３〜５を参照して、ピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００２８】
このピストン４においては、シリンダヘッド２側の形状に応じて、その頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に４つの面から構成されている。すなわち、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（図１，２）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と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面２４，２５とによって、凸部２１が構成されている。一対の円錐形側面２４，２５は、凸部２１の側部を構成している。
【００２９】
なお、上記吸気弁側傾斜面２２の中で、後述するボウル１２が形成されている部分は、仮想の平面となっている。また、上記円錐形側面２４，２５は、この実施例では、排気弁側傾斜面２３の下縁を通って互いに一体に連続している。さらに、上記凸部２１における円錐形側面２４，２５の頂角は非常に小さく、図３，５に示すように、円錐形側面２４，２５は切り立ったものとなっている。
【００３０】
そして、上記凸部２１の外周には、ピストン基準水平面２６が形成されている。このピストン基準水平面２６は、ピストン４の中心線と直交する一つの平面から構成されているものであり、ピストン４の全周に亙って環状に連続している。なお、このピストン基準水平面２６のスラスト，反スラスト側の部分は、シリンダヘッド２側の燃焼室１１の両側に平坦面として残されたスキッシュエリア２ａ，２ｂ（図１参照）にそれぞれ対応し、スキッシュの生成に寄与している。
【００３１】
また、上記のボウル１２が、上記吸気弁側傾斜面２２と排気弁側傾斜面２３とに亙って凹設されている。上記ボウル１２は、ピストン４の平面上で見て略円形をなし、その底面が略平面に形成されるとともに、内周側壁面が上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった皿形をなしている。
【００３２】
ここで、ボウル１２の外周縁は、吸気弁５側で、凸部２１とピストン基準水平面２６との稜線２７に交差している。つまり、ボウル１２の一部分がピストン基準水平面２６へ差し掛かっており、逆に言えばピストン基準水平面２６の一部分がボウル１２によって切り欠かれた形状となっている。
【００３３】
そして、上記ピストン基準水平面２６は、ボウル１２により切り欠かれた仮想ピストン基準水平面を含めて、全周にわたって一定の径方向幅Ｌ１となっている。このピストン基準水平面２６の径方向幅Ｌ１は、少なくともスキッシュエリア２ａ，２ｂ（図１参照）の幅よりも長く設定されている。従って、ピストン４が上死点近くに位置するときにも、ピストン基準水平面２６の上方には、ピストン全周にわたって連続する空間すなわちスワール通路が残存する。
【００３４】
なお、図２に示すように、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。
【００３５】
また上記のように構成されたピストン４頂部の構造は、ピストンピンと直交する方向の直径線（つまり図４のＣ−Ｃ線）を中心として、対称に構成されている。なお、燃料噴射弁１０は、この対称軸となるＣ−Ｃ線に沿って燃料を噴射するように配置されている。
【００３６】
以上のような本実施例の構成では、ピストン４が上死点に近づくと、ピストン４の吸気弁側傾斜面２２及び排気弁側傾斜面２３が、図１に示すシリンダヘッド２側の対応する傾斜面１１ａ，１１ｂにそれぞれ近接するため、シリンダ３内に残る容積の大部分を、ボウル１２及びピストン基準水平面２６上方のスワール通路が占有する。つまり、ピストン４外周に沿ってピストン基準水平面２６が形成されているため、ピストン４が上死点付近に位置するときにも、ピストン基準水平面２６の上方にスワール通路がピストン全周にわたって確保される。このため、ピストン４上死点付近においても十分な強さのスワールＳ１を保存することができる。この結果、ボウル１２へ導入されるスワール成分Ｓ２が十分な強さのものとなるとともに、十分な強さで保存されているスワール成分Ｓ１の中心負圧によって、ボウル１２内の混合気を良好に点火プラグ７の位置まで吸い上げることができるので、良好な成層燃焼を実現できる。
【００３７】
また、均質燃焼時には、一対の吸気ポート８から流入した新気によってシリンダ３内にタンブル流が形成され、かつ吸気行程中に燃料噴射が行われるが、上記ボウル１２は、上方が緩いテーパ状に拡がった皿形をなしており、かつ、タンブル流が集中する一対の吸気ポート８の中心線（図４のＣ−Ｃ線）の上に略円形のボウル１２が位置しているので、このボウル１２内に入った燃料はタンブル流によって容易に洗い流される。従って、高負荷時にも均質な混合気を形成でき、良好な均質燃焼が可能である。つまり成層燃焼と均質燃焼とを高いレベルで両立することができる。
【００３８】
更に、ボウル１２の一部分Ｒ（図３，４参照）がピストン基準水平面２６に差し掛かっているから、この部分Ｒを介してピストン基準水平面２６の上方を旋回するスワール成分Ｓ１が効果的にボウル１２内へ誘導される。この結果、ボウル１２内のガス流動（スワール成分）Ｓ２が更に強化され、特に成層燃焼時における燃焼効率が向上する。
【００３９】
しかも、ボウル１２が略円形であるため、ボウル１２内に導入されたスワール成分Ｓ２を十分な強さを保ったまま保存することができる。
【００４０】
図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ図４のＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。同図において、破線は、比較例に係わるピストン４０を示しており、この比較例では、凸部４１の外縁がピストン外周縁に連なっており、本実施例のようなピストン基準水平面２６が存在していない。このような比較例では、（ａ）に示す周方向位置では相対的に凸部４１がシリンダ３壁面に近接し、（ｂ）に示す周方向位置では相対的に凸部４１がシリンダ３壁面から遠くなる。つまり、周方向位置によってピストン４０の肉厚が異なる形となるから、ピストン４０の放熱特性並びに熱変形量等が周方向で不均一となる。この結果、例えば周方向の一部分で局所的にピストン４０の熱変形量が大きくなり、ピストン４０の傾動に伴うシリンダ３壁部の早期焼き付き現象を生じる虞がある。
【００４１】
これに対し、本実施例のピストン４では、ピストン全周にわたって均一な径方向幅Ｌ１のピストン基準水平面２６が形成されているから、ピストン４頂部の外周部が全周にわたって均一な高さ及び径方向幅Ｌ１となる。従って、シリンダ３壁面に摺接するピストン４外周部の肉厚を全周にわたって均一化することができ、このピストン４外周部の放熱特性や熱変形量等が全周にわたって均一化される。この結果、比較例のようにピストンの周方向の一部分が局所的に熱変形したり、シリンダの早期焼き付きを招く虞はない。
【００４２】
図７は、上記ピストン４をシリンダ３内に組み付ける際に使用される押し込み治具を示している。
【００４３】
この押し込み治具３０は、ピストン４と略同径の円柱部３１を有し、この円柱部３１先端の外周部に、３つの位置決め突起３２が適宜間隔を置いて設けられている。これら位置決め突起３２の先端面３２ａは、組付時に基準となる同一平面に設定されており、これら位置決め突起３２の先端面３２ａを、ピストン４のピストン基準水平面２６に当接させながら、ピストン４がシリンダ３内へ押し込まれる。このように本実施例では、ピストン４の頂面にピストン基準水平面２６が全周にわたって形成されているから、適宜な押し込み治具３０を用いることによって、ピストン４のシリンダ３への組付作業を、高精度かつ自動的に行うことができ、極めて組付作業性が良い。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば図９，１０に示す第２実施例のように、ピストン基準水平面２６の径方向幅が一定でないものであっても良い。すなわち、この第２実施例では、ピストン基準水平面２６の径方向幅が、吸気弁５側で相対的に大きくなるように設定されている。
【００４５】
なお、ピストン基準水平面２６の径方向幅が、第２実施例とは逆に排気弁６側で大きくなるように設定されていてもよい。
【００４６】
上記第２実施例に示すような構成においても、第１実施例と同様に、成層燃焼と均質燃焼とを高いレベルで両立しつつ、ピストン４の組付作業性を向上するといった本発明の特徴的な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底面図。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す斜視図。
【図４】図３のピストンの平面図。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図６】実施例及び比較例のピストンを示し、（ａ）が図４のＢ−Ｂ線，（ｂ）がＣ−Ｃ線に沿う断面対応図。
【図７】ピストン押し込み用治具の平面図。
【図８】図７のＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【図９】本発明の第２実施例に係わるピストンの平面図。
【図１０】図９のＥ−Ｅ線に沿う断面図。
【符号の説明】
４…ピストン
１２…ボウル
２１…凸部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
２４，２５…円錐形側面（側部）
２６…ピストン基準水平面
２７…稜線
【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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