(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気側寄りに配置されるとともに、シリンダ略中央に点火プラグが配置され、かつ、ピストンの頂面に、ボウルがピストン外形円の中心に対して上記燃料噴射弁側に偏心した位置に凹設され、成層燃焼時にはボウル内で燃焼が進行する筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンにおいて、
上記ピストンの頂面と上記ピストンの外周面との隅角部分の中で、上記ボウル近傍のヒートスポットとなり易い吸気側の区間に、上記ヒートスポットの発生を防止するためのＲ面取り部を形成したことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン。
【請求項２】
上記Ｒ面取り部がピストン全周にわたって形成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火花点火内燃機関のピストン。
【請求項３】
上記Ｒ面取り部の中で、上記ボウル近傍の吸気側の第１区間の曲率半径を、この第１区間以外の第２区間の曲率半径よりも大きく設定したことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火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火花点火内燃機関、特に、シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン機関に代表される火花点火内燃機関において、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の火花点火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火花点火内燃機関のピストンとしては、例えば、特開平５−７１３８３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、ピストンの頂面に、ピストン外形円の中心に対し偏心した円形のボウル（キャビティ）が形成されているとともに、シリンダヘッド側に、ピストン上死点付近において上記ボウルへ向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁が配置されている。また、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。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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように成層燃焼を可能とした筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンにおいては、ピストン頂面のピストン外形円の中心に対して偏心した位置にボウルが凹設され、かつ、成層燃焼時にはボウル内で燃焼が進行することから、特にボウルに近接するピストン外周部分が局所的に高温化したヒートスポットとなり易く、この部分で高負荷運転時等にノッキングを発生し易いという問題がある。
【０００５】
この発明は、頂面の燃料噴射弁側に偏心した位置にボウルを形成したピストンの隅角部分に特に生じ易いヒートスポットに起因するノッキングの発生を効果的に抑制する新規な構造の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気側寄りに配置されるとともに、シリンダ略中央に点火プラグが配置され、かつ、ピストンの頂面に、ボウルがピストン外形円の中心に対して上記燃料噴射弁側に偏心した位置に凹設され、成層燃焼時にはボウル内で燃焼が進行する筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンにおいて、上記ピストンの頂面と上記ピストンの外周面との隅角部分の中で、少なくとも上記ボウル近傍のヒートスポットとなり易い吸気側の区間に、上記ヒートスポットの発生を防止するためのＲ面取り部を形成したことを特徴としている。
【０００７】
好ましくは、上記Ｒ面取り部をピストン全周にわたって形成する。更に好ましくは、上記Ｒ面取り部の中で、上記ボウル近傍の吸気側の第１区間の曲率半径を、この第１区間以外の第２区間の曲率半径よりも大きく設定する。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、ピストンの頂面とピストンの外周面との隅角部分の中で、少なくともボウル近傍の吸気側の区間に、ヒートスポットの発生を防止するＲ面取り部を形成したため、特にボウル近傍で生じやすいヒートスポット及びこれに起因するノッキングの発生を効果的に抑制することができる。
【０００９】
【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。
【００１０】
始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。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がシリンダガスケット１７を介して固定されている。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。この燃料噴射弁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及びピストン４の外形円の中心Ｘ１（図１）ヘ噴霧軸線が指向している。
【００１３】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４の頂面には、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。
【００１４】
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、略直線状のポート形状をなしている。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
次に、図１〜図３に基づいて、第１実施例に係るピストン４の構成を詳細に説明する。
【００１８】
このピストン４においては、上死点において、ボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、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。
【００１９】
そして、上記凸部２１の外周には、環状水平面２６が形成されている。この環状水平面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の全周に亙って細い環状に連続している。また、環状水平面２６における吸，排気弁側の一部が略三日月形をなす水平面となっており、ここでは図示していないがシリンダヘッド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とともにスキッシュの形成に寄与している。
【００２０】
また、上記のボウル１２が、上記吸気弁側傾斜面２２を中心とした範囲に凹設され、その一部が排気弁側傾斜面２３に差しかかっている。このボウル１２は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、かつ、その中心Ｘ２が、ピストン４の外形円の中心Ｘ１と燃料噴射弁１０とを結ぶ線、つまり図１のＡ−Ａ線上で、かつ燃料噴射弁１０側（つまり吸気弁側）に偏心した位置に配置されている。そして、ボウル１２は、その底面がピストン４中心線と直交する面に沿っているとともに、内周壁面が上方へ立ち上がった皿形をなしている。また図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。
【００２１】
ところで、ピストン４の外周面には周方向に延びるリング溝３０が軸方向に適宜間隔を置いて複数本（１本でも良い）凹設されており、各リング溝３０に、シリンダ３壁面との間をシールする環状のピストンリング３２がそれぞれ嵌合されている。従って、ピストン４のトップランド３４の外周面と、シリンダ３の壁面と、最上段のピストンリング３２との間にピストンクレビス３６が画成され、このピストンクレビス３６はシリンダ３内に形成される燃焼室へ臨んでいる。
【００２２】
ここで、ピストン４頂面の環状水平面２６と、ピストン４のトップランド３４の外周面との隅角部分には、いわゆるＲ面取り部４０がピストン４全周にわたって湾曲形成されている。そして、このＲ面取り部４０の中で、ボウル１２に相対的に近接する第１区間４２の曲率半径Ｒ１が、この第１区間４２以外の第２区間４４の曲率半径Ｒ２よりも大きく設定されている。
【００２３】
詳述すると、第１区間４２は、Ｒ面取り部４０の中でボウル１２の外周縁部に最も近接する位置４６を中心とした所定の範囲に設定されており、この実施例では、ピストン４外周部の中で吸気弁側半周及び排気弁側の一部を含む領域に設定されている。また、Ｒ面取り部４０の中で、吸気行程中に燃料噴射弁１０から噴射される燃料噴霧が直接的に干渉する領域、つまり図１，２で噴霧角度θ１の範囲内に位置する領域が、第２区間４４内に設定されている。言い換えると、Ｒ面取り部４０の中で、燃料噴霧角度θ１内に位置する範囲が第２区間４４内に設定され、それ以外の範囲が第１区間４２に設定されている。
【００２４】
一例として、第１区間４２の曲率半径Ｒ１は０．５ｍｍ程度、第２区間４４の曲率半径Ｒ２は０．１ｍｍ程度に設定される。
【００２５】
以上のように、ピストン４の頂面とピストン４の外周面との隅角部分に、ヒートスポットの発生を防止するＲ面取り部４０がピストン４全周にわたって形成され、かつ、Ｒ面取り部４０の中で、ヒートスポットとなり易いボウル１２に近接する第１区間４２の曲率半径Ｒ１が相対的に大きく設定されているから、ヒートスポットの発生及びこれに起因するノッキングの発生を効果的に抑制することができる。
【００２６】
また、Ｒ面取り部４０の中で、第１区間４２以外の第２区間４４の曲率半径Ｒ２が相対的に小さく設定されているから、この第２区間４４ではピストンクレビス３６の容積が比較的小さくなり、ピストンクレビス３６に滞留する未燃ＨＣの排出量が効果的に低減される。すなわち、未燃ＨＣ排出量の増加を最小限に抑制しつつ、ノッキングの発生を効果的に抑制することができる。
【００２７】
特に、この実施例では、ボウル１２の中心Ｘ２が図１のＡ−Ａ線に沿う噴霧軸線上に位置し、かつ燃料噴射弁１０側に偏心した位置に配置されているため、燃料噴射弁１０からの燃料噴霧が直接的に干渉する領域、すなわち燃料噴射角度θ１内の領域が必然的に第２区間４４となる。この結果、燃料冷却により比較的温度が低く、未燃ＨＣが排出され易い領域が、曲率半径Ｒ２が比較的小さい第２区間４４となり、未燃ＨＣ排出量を更に効果的に低減することができる。
【００２８】
次に、図４，図５は、この発明に係るピストン４の第２実施例を示している。なお、後述する第２，第３実施例において、上記した実施例と同一構成部分には同じ参照符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００２９】
この第２実施例では、上記第１実施例と同様、ピストン４頂面とピストン４外周面との隅角部分にＲ面取り部４０がピストン４全周にわたって形成され、このＲ面取り部４０は、ボウル１２に近接する第１区間４２の曲率半径が第２区間４４の曲率半径よりも大きく設定されている。
【００３０】
ここで、燃料噴射弁１０から噴射される燃料噴霧の噴霧角度は、シリンダ３内に生成するガス流動によって、所期の噴霧角度θ１（図５）より下向きに偏向され、実際には図４，５に示す噴霧角度θ２となる。そこで、この第２実施例では、シリンダ３内のガス流動による噴霧角度の偏向，拡大を考慮して、第２区間４４を第１実施例よりも相対的に大きく設定してある。つまり噴霧角度θ２内に位置する領域を第２区間４４内に設定している。より具体的には、第１区間４２が吸気弁側の約半周を占め、第２区間４４が排気弁側の約半周を占めるように設定されている。
【００３１】
この第２実施例によれば、シリンダ３内のガス流動を考慮して第２区間４４が拡大されているため、ノッキングの発生を効果的に抑制しつつ、未燃ＨＣ排出量を第１実施例よりも一層低減することが可能となる。
【００３２】
図６，図７は、本発明に係わるピストン４の第３実施例を示している。
【００３３】
この実施例では、ピストン４平面上で見てボウル１２の中心Ｘ２が、ピストン４中心Ｘ１と燃料噴射弁１０とを結ぶ線（図６のＣ−Ｃ線）に対して図６の上方に偏心している。そして、第１区間４２は、Ｒ面取り部４０の中でボウル１２の外周縁部に最も近接する位置４６を中心とする所定の範囲にのみ設定され、残りが第２区間４４となっている。具体的には、第２区間４４の方が第１区間４２よりも大きく設定されている。
【００３４】
このような第３実施例においても、Ｒ面取り部４０の中でボウル１２に近接する第１区間４２の曲率半径が相対的に大きくなっており、ノッキングの発生が有効に抑制されるとともに、残る第２区間４４の曲率半径が相対的に小さく設定されているから、そのピストンクレビス３６の容積が最小限に抑制され、ピストンクレビス３６に滞留する未燃ＨＣ排出量を効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例に係るピストンが適用された筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図。
【図３】図２の要部拡大図。
【図４】この発明の第２実施例に係るピストンが適用された筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を示す平面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図。
【図６】この発明の第３実施例に係るピストンが適用された筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を示す平面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ線に沿う縦断面図。
【符号の説明】
３…シリンダ
４…ピストン
７…点火プラグ
１０…燃料噴射弁
１２…ボウル
４０…Ｒ面取り部
４２…第１区間
４４…第２区間
【図１】
0003690384.tif 000002
【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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