(57)【要約】【課題】上死点前後でのノッキングの発生を抑制することができる内燃機関のピストンを提供する。【解決手段】内燃機関のピストン１０は、シリンダ１４内を摺動する内燃機関のピストンであって、ヘッド部３１の頂面に形成された凹部３３と、凹部に係合する係合部材を備え、係合部材は、凹部との係合状態が上死点の前後で変更するように、ピストンの摺動方向に作動可能に構成されている。係合部材は、凹部に対応した形状を有する蓋部３４と、蓋部に設けられた貫通孔３６と、貫通孔を貫通する支軸３５と、該支軸の先端に設けられ、貫通孔の内径よりも大きい径を有する拡径部３７とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を摺動する内燃機関のピストンであって、
ヘッド部の頂面に形成された凹部と、該凹部に係合する係合部材を備え、
該係合部材は、前記凹部との係合状態が上死点の前後で変更するように、前記ピストンの摺動方向に作動可能に構成されたことを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記係合部材は、
上死点に到達する前は前記凹部に係合し、この状態で上死点に到達した際に前記係合部材が凹部から外れるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記係合部材は、
上死点に到達する前は前記凹部から外れ、この状態で上死点に到達した際に前記係合部材が凹部に係合するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記係合部材は、
凹部に対応した形状を有する板状部材と、板状部材に設けられた貫通孔と、該貫通孔を貫通する支軸と、該支軸の先端に設けられ、前記貫通孔の内径よりも大きい径を有する拡径部とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記拡径部の板状部材と前記拡径部との間には弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項４記載の内燃機関のピストン。
【請求項６】
前記凹部は、周縁部が斜面状となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン
【請求項７】
前記弾性部材がバネであることを特徴とする請求項５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】
本発明は内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に用いられるピストンとしては、例えば、ピストン本体を、ピストン頂部を形成する第１構成部材と、ピストンスカート部を形成する第２構成部材とに分割し、第１構成部材と第２構成部材とを弾性体を介して連結したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなピストンでは、燃焼圧力が基準値以上になった場合に、ピストン頂部を構成する第１構成部材が弾性体を圧縮してピストンスカート部を形成する第２構成部材に対する衝撃を和らげている。このように構成されていることで、このピストンは、基準値を超える異常な燃焼圧力の発生があっても破損しない耐久性に優れたものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９―２１３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたようなピストン頂部が平面状となっている構成のピストンでは、点火前にピストン外周付近の混合気が高温、かつ高圧となった場合に、自着火してしまう。即ち、このようなピストンでは、ピストンが上死点前後に存在する間に、いわゆるノッキングと呼ばれる異常燃焼が発生することがあるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、上死点前後でのノッキングの発生を抑制することができる内燃機関のピストンを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内燃機関のピストンは、シリンダ内を摺動する内燃機関のピストンであって、ヘッド部の頂面に形成された凹部と、該凹部に係合する係合部材を備え、該係合部材は、前記凹部との係合状態が上死点の前後で変更するように、前記ピストンの摺動方向に作動可能に構成されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、係合部材と凹部との係合状態が上死点前後で変更されることで、係合部材と凹部との間に間隙が形成され、又はこの間隙が消滅する。これにより、燃焼室内の気流が流動して、より早く燃焼を促進することで、ノッキングを抑制する。
【０００９】
前記係合部材は、上死点に到達する前は前記凹部に係合し、この状態で上死点に到達した際に前記係合部材が凹部から外れるように構成されたことが好ましい。このように形成することで、上死点で係合部材と凹部との間に間隙が形成され、この間隙に混合気が流入するので、混合気の温度が下がると共に、圧力が下がる。さらに、燃焼室内の気流が流動して、より早く燃焼を促進する。従って、ノッキングを抑制する。
【００１０】
前記係合部材は、上死点に到達する前は前記凹部から外れ、この状態で上死点に到達した際に前記係合部材が凹部に係合するように構成されたことが好ましい。このように形成することで、上死点で係合部材と凹部との間の間隙が消滅し、間隙から混合気が流出するので、燃焼室内の気流が流動して、より早く燃焼を促進する。従って、ノッキングを抑制する。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態としては、前記係合部材は、凹部に対応した形状を有する板状部材と、板状部材に設けられた貫通孔と、該貫通孔を貫通する支軸と、該支軸の先端に設けられ、前記貫通孔の内径よりも大きい径を有する拡径部とを備えることが挙げられる。
【００１２】
前記拡径部の板状部材と前記拡径部との間には弾性部材が設けられていることが好ましい。弾性部材により、板状部材と拡径部とのぶつかり音を抑制することができる。
【００１３】
前記凹部は、周縁部が斜面状となっていることが好ましい。周縁部が斜面状であることで、より混合気が間隙へ流出・間隙から流入しやすく、ノッキングを効果的に抑制できる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態としては、前記弾性部材がバネであることが挙げられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の内燃機関のピストンによれば、ノッキングの発生を抑制することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１の燃焼室の構成例を示すエンジンの模式的断面図。
【図２】実施形態１の燃焼室の構成例を示すエンジンの模式的断面図。
【図３】実施形態１のピストンの構成例を示すピストンの模式的拡大斜視図。
【図４】実施形態１のピストンの作動を説明するためのエンジンの模式的断面図。
【図５】実施形態１のピストンの作動を説明するためのエンジンの模式的断面図。
【図６】実施形態２のピストンの作動を説明するためのエンジンの模式的断面図。
【図７】実施形態３のピストンの作動を説明するためのエンジンの模式的断面図。
【図８】別の実施形態のピストンの作動を説明するためのエンジンの模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（実施形態１）
図１に示すように、ピストン１０を備えるエンジン（内燃機関）１１は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とを有する。ピストン１０は、シリンダブロック１２の各シリンダ１４内を摺動して往復移動自在に収容されている。なおピストン１０には、ピストンピン１５によってコンロッド１６が固定されており、ピストン１０は、このコンロッド１６を介してクランクシャフト（図示なし）に接続されている。
【００１８】
シリンダヘッド１３の下面にはヘッド凹部１７が形成され、このヘッド凹部１７とピストン１０の頂面とで、いわゆるペントルーフ型の燃焼室１８が形成されている。すなわちヘッド凹部１７は、逆方向に傾斜する二つの第１の傾斜面１７ａ及び第２の傾斜面１７ｂで構成されている。シリンダヘッド１３には、燃焼室１８の中央部に対応する位置に点火プラグ１９が設けられている。またシリンダヘッド１３には、この点火プラグ１９を挟んで両側、一対の吸気ポート２０及び一対の排気ポート２１がそれぞれ形成されている。本実施形態では、各吸気ポート２０が第１の傾斜面１７ａに設けられ、各排気ポート２１が第２の傾斜面１７ｂに設けられている。なお各吸気ポート２０には吸気弁２２が設けられ、この吸気弁２２によって吸気ポート２０が開閉可能に構成されている。同様に、各排気ポート２１には排気弁２３が設けられ、この排気弁２３によって排気ポート２１が開閉可能に構成されている。
【００１９】
以下、燃焼室１８を形成するピストン１０の構造について詳しく説明する。
【００２０】
図２、図３に示すように、ピストン１０は、シリンダ１４内を摺動して燃焼室１８を形成する円筒状のヘッド部３１と、その下側に設けられる一対のスカート部３２とを備えている。
【００２１】
ヘッド部３１の頂面には、中央部に凹部３３が形成されている。凹部３３は、上面視において円形状であり、その中央部は平面で、かつその周縁部は下に向かう傾斜面となっている。
【００２２】
ヘッド部３１には、この凹部３３に係合するように形成された蓋部（板状部材）３４が設けられている。即ち、蓋部３４は、上面視において円形状である。また、蓋部３４のヘッド部３１側（裏面側）は、凹部３３に対応してその中央部は平面で、その周縁部は上に向かう傾斜面となっている。蓋部３４の表面側（シリンダヘッド側）は、凹部３３に蓋部３４の裏面側が係合した場合にヘッド部３１の頂面と面一になるように構成されている。また、蓋部３４の上面は平面となっていて燃焼室１８を構成する。即ち、本実施形態では、ヘッド部３１の頂面及び蓋部３４の上面とでピストン１０の頂面が形成されており、このピストン１０の頂面とヘッド凹部１７とで燃焼室１８が形成されている。
【００２３】
凹部３３の中央には、支軸３５が設けられている。支軸は、蓋部３４には貫通孔３６が設けられ、この貫通孔３６を支軸３５が貫通している。即ち、支軸３５は蓋部３４の厚みより長く、シリンダヘッド１３側に突出している。支軸３５の先端には拡径部３７が設けられている。拡径部３７は、貫通孔３６の内径及び支軸３５の軸径よりも径が大きい。従って、蓋部３４はこの支軸３５を凹部３３から拡径部３７で移動可能である。
【００２４】
拡径部３７と蓋部３４との間には、拡径部３７をバネ座とし、支軸３５が貫通したバネ３８が設けられている。バネ３８は、下向きに、即ち蓋部３４側に付勢している。これにより、圧力がかからない状態で蓋部３４は凹部３３に係合している。
【００２５】
また、蓋部３４には複数の開口３９が設けられている。本実施形態では例として、蓋部３４には上面視において円形状の開口３９を４つ設けている。各開口３９からは、ヘッド部の頂面が露出している。
【００２６】
かかるピストンの圧縮行程における作動について図４、５を用いて説明する。
【００２７】
図４は圧縮行程におけるシリンダ１４内の状態を示す。図４に示すように、圧縮行程においてはピストンが上昇する。この場合には、バネ３８により蓋部３４は下方へ押圧されているので、蓋部３４は閉状態（蓋部３４は凹部３３に係合）である。そして、ピストン１０が上死点に到達する直前には、燃焼室１８の隅の混合気は高温、高圧状態となっている。
【００２８】
そして、図５に示すようにピストン１０は上昇して上死点に達すると、ピストン１０が移動方向を変えて下降に転じる。この下降に転じる瞬間に、蓋部３４は蓋部３４自身にかかる慣性力によって上昇する。即ち、蓋部３４が上昇することで、蓋部３４は開状態（蓋部３４は凹部３３に係合せず）となる。なお、蓋部３４は上昇しても支軸３５の拡径部３７によりその上昇が規制される。この蓋部３４の上昇により蓋部３４と凹部３３との間に間隙４０が形成される。
【００２９】
そして、この間隙４０が形成されると、間隙４０には混合気が流入する。混合気が間隙４０に流入すると、混合気は高圧状態でなくなると共に混合気の温度が瞬間的に低下して高温状態でもなくなる。これにより、混合気が高圧・高温状態となることで生じるノッキングを抑制することができる。
【００３０】
さらに、このように混合気が間隙４０に流入することで、燃焼室１８内における気流の流動が激しくなることから、点火時の火炎伝播の速度が速まる。仮に点火時に燃焼室１８内の隅に未燃焼の混合気が残っていたとしても、このように火炎伝播の速度が速まることで、ノッキングが発生するより前に火炎が未燃焼の混合気に到達することができるので、ノッキングを抑制できる。
【００３１】
このように本実施形態においては、ピストン１０は、その頂面の燃焼室１８に面している部分に蓋部３４を設けてあり、圧縮行程において蓋部３４を閉状態とし、上死点において蓋部３４を開状態とするように構成されている。蓋部３４を上死点付近で開閉状態を変更することで燃焼室内で混合気が高温・高圧状態ではなくなるようにし、かつ、点火時の火炎伝播の速度を早めることができるので、ノッキングを効果的に抑制できる。
【００３２】
その後は、慣性力も小さくなるので蓋部３４も支軸３５を中心に下降して凹部３３と係合する。この係合により、蓋部３４と凹部３３との間隙４０から混合気が抜け出して燃焼室に戻される。この混合気の流動によって燃焼がさらに促進される。凹部３３に蓋部３４が係合した状態でピストンが下降する。
【００３３】
このように、本実施形態ではピストンの上下動において、上死点での慣性力を利用して蓋部３４を閉動作している。そして、蓋部３４が開状態、即ち間隙４０が形成される状態となると混合気が間隙４０に流入することで、ノッキングを抑制することができる。
【００３４】
また、本実施形態では蓋部３４と拡径部３７との間にバネ３８が設けてあることで拡径部３７と蓋部３４とが直接接触しない。従って、蓋部３４の開閉動作によるぶつかり音を抑制することができる。
【００３５】
また、凹部３３の周縁部及び蓋部３４の周縁部が傾斜面となっていることで、凹部３３と蓋部３４との間の間隙４０に混合気が流入しやすい。これにより、より多くの混合気を間隙４０に流入させやすいので、よりノッキングを抑制することができる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、蓋部３４に開口が設けられていることで、ピストンは上昇から下降に転じる際に、蓋部３４のみが慣性力で上昇しつつ、ピストン本体（ヘッド部３１及びスカート部３２）が下降することができる。
【００３７】
このように、本実施形態に示すピストン１０によれば、ノッキングを効果的に抑制することができる。
【００３８】
（実施形態２）
実施形態２に示すピストンでは、実施形態１とはバネ３８Ａの設けられている位置が異なる。具体的に以下説明する。実施形態２においては、凹部３３Ａの中央部底面にバネ３８Ａが収納されるために収納部４１Ａがさらに形成されている。収納部４１Ａの底面には支軸３５Ａが設置されるとともに、この収納部４１Ａの底面がバネ座となっている。バネ３８Ａの内部を支軸３５Ａが貫通すると共にバネ３８Ａの他端側が蓋部３４Ａの裏面側に設置されている。このバネ３８Ａは、上向きに付勢している。
【００３９】
図６（１）に示すように、本実施形態では、圧縮行程初期においては、バネ３８Ａが上向きに付勢していることから、ピストン１０Ａでは蓋部３４Ａと凹部３３Ａとの間に間隙４０Ａが生じる。その後、ピストン１０Ａの頂面に圧縮行程において圧力が高まると、蓋部３４Ａが凹部３３Ａ側へ移動する。そして、図６（２）に示すように、上死点付近では蓋部３４Ａが凹部３３Ａに係合して間隙４０Ａが消滅する。なお、その後はピストン１０Ａの下降に伴ってバネが上向きに付勢していることから、ピストンでは蓋部３４Ａと凹部３３Ａとの間に間隙４０Ａが再び生じる。
【００４０】
即ち、本実施形態では、バネ３８Ａによる力及び蓋部３４Ａの重さは、圧縮行程初期では蓋部３４Ａが開状態（凹部３３Ａに係合せず）、上死点付近では蓋部３４Ａが閉状態（凹部３３Ａに係合）となるように構成されている。
【００４１】
このように本実施形態では、圧縮行程初期では間隙４０Ａが形成され、かつ上死点付近では間隙４０Ａが消滅することで、即ち上死点の前後で蓋の開閉状態が変更されることで、はじめに間隙４０Ａに回り込んでいた混合気が燃焼室１８Ａ内に押し出されて気流の流動が生じる。気流の流動が激しくなることから、点火時の火炎伝播の速度が速まる。これにより、仮に点火時に燃焼室１８Ａ内の隅に未燃焼の混合気が残っていたとしても、火炎伝播の速度が速まることで、ノッキングが生じるより前に火炎が到達することができるので、ノッキングを抑制できる。
【００４２】
即ち、本実施形態ではピストンの上下動において、上死点付近における圧力を利用して蓋部３４Ａを閉動作している。そして、蓋部３４Ａが上死点において開状態から閉状態となることで、即ち上死点において間隙４０が消滅することで混合気が燃焼室１８Ａ内に押し出されて気流の流動を生じさせて、ノッキングを抑制することができる。
【００４３】
このように、本実施形態に示すピストン１０Ａによれば、ノッキングを効果的に抑制することができる。
【００４４】
（実施形態３）
本実施形態に示すピストン１０Ｂでは、実施形態２とは同一の構成であるが実施形態２に示す実施形態よりもバネ３８Ｂの付勢力が大きく、ピストン１０Ｂの摺動時における蓋部３４Ｂの挙動が異なる。
【００４５】
本実施形態では、図７（１）に示すように、ピストン１０Ｂが圧縮行程初期にある場合にはバネ３８Ｂの付勢力により蓋部３４Ｂは浮き上がった状態である。そして、ピストン１０Ｂが上昇すると、燃焼室１８Ｂ内の圧力の高まりにより蓋部３４Ｂが下方へ移動する。図７（２）に示すように、ピストン１０Ｂが上死点に到達する前に蓋部３４Ｂが完全に閉じる状態となる。
【００４６】
そして、図７（３）に示すように、ピストン１０Ｂが上死点に達してピストン１０Ｂの摺動方向が逆になると、慣性力により蓋部３４Ｂが上方に移動して、間隙４０Ｂが形成される。
【００４７】
即ち、本実施形態におけるピストン１０Ｂでは、バネ３８Ｂによる力及び蓋部３４Ｂの重さは、圧縮行程の初期では蓋部３４Ｂが開状態（凹部３３Ｂに係合せず）であり、圧縮行程において蓋部３４Ｂが徐々に閉状態（凹部３３Ｂに係合）となり、上死点で再度蓋部３４Ｂが開状態（凹部３３Ｂに係合せず）となるように構成されている。
【００４８】
このように構成された本実施形態におけるピストンでは、実施形態１のように、上死点で蓋部３４Ｂが上方に移動することで、蓋部３４Ｂと凹部３３Ｂとの間に間隙４０Ｂが形成される。
【００４９】
そして、この間隙４０Ｂが形成されると、実施形態１と同様に間隙４０Ｂには混合気が流入する。混合気が間隙４０Ｂに流入すると、混合気は高圧状態でなくなると共に混合気の温度が瞬間的に低下して高温状態でもなくなる。これにより、混合気が高圧・高温状態となることで生じるノッキングを抑制することができる。
【００５０】
さらに、このように混合気が間隙４０Ｂに流入することで、燃焼室１８Ｂ内における気流の流動が激しくなることから、点火時の火炎伝播の速度が速まる。これにより、仮に点火時に燃焼室１８Ｂ内の隅に未燃焼の混合気が残っていたとしても、火炎伝播の速度が速まることで、ノッキングするより前に火炎が未燃焼の混合気に到達することができるので、ノッキングを抑制できる。
【００５１】
このように、本実施形態においても、実施形態１と同様にピストン１０Ｂの上下動において、上死点での慣性力を利用して蓋部３４Ｂを開閉動作している。そして、蓋部３４Ｂが開状態、即ち間隙４０Ｂが形成されると混合気が間隙４０Ｂに流入することで、ノッキングを抑制することができる。
【００５２】
このように、本実施形態に示すピストン１０Ｂによれば、ノッキングを効果的に抑制することができる。
【００５３】
（他の実施形態）
上述した実施形態１では、蓋部３４に開口３９を設けたがこれに限定されない。なお、蓋部３４のみが慣性力で上昇しつつ、爆発によりピストン本体が下降することができるように、慣性力がピストン１０にかかる圧力よりも大きくなるように構成する場合には、開口３９を設けなくても良い。また、開口３９の大きさや開口３９の数も上述した実施形態に限定されない。例えば、開口３９を一つだけ設けたり、また、上面視において矩形型の開口を５つ設けてもよい。さらに、実施形態２，３に係る蓋部３４Ａ、３４Ｂにも開口３９を設けても良い。
【００５４】
上述した各実施形態では、蓋部３４、３４Ａ、３４Ｂの中央に位置するように支軸３５、３５Ａ、３５Ｂを設けたが、これに限定されない。例えば、支軸３５、３５Ａ、３５Ｂを、蓋部３４、３４Ａ、３４Ｂの中心からずらして配置してもよい。また、支軸３５、３５Ａ、３５Ｂを各蓋部３４、３４Ａ、３４Ｂに対して複数設けても良い。
【００５５】
上述した実施形態１では、蓋部３４は上面視において円形状であったがこれに限定されないが、未燃焼の混合気が溜まりやすい位置にこの蓋部３４の縁部が配されるように構成することで、よりノッキングを抑制することができる。実施形態２、３についても同様である。
【００５６】
上述した実施形態１ではバネ３８を設けたが、これに限定されない。バネ３８を設けなくてもよい。また、実施形態２、３の場合においても拡径部３７Ａ、３７Ｂと蓋部３４Ａ、３４Ｂとの間に別のバネが設けてあってもよい。これにより、実施形態２、３の場合においても拡径部３７Ａ、３７Ｂと蓋部３４Ａ、３４Ｂとのぶつかり音を低減することができる。
【００５７】
上述した実施形態では、支軸３５、３５Ａ、３５Ｂが蓋部３４、３４Ａ、３４Ｂを貫通していたが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、支軸３５Ｃが蓋部３４Ｃの裏面に設けられ、この支軸３５Ｃの他端側にバネ３８Ｃを設けて構成してもよい。このバネ３８Ｃは収納部４１Ｃに収納される。このような構成によれば、実施形態３と同様に作動し、バネ３８Ｃにより蓋部３４Ｃが上向きに付勢されつつ、燃焼室１８Ｃでの圧力の高まりにより蓋部３４Ｃが閉状態となった後に、上死点で蓋部３４Ｃが開状態となることで、蓋部３４Ｃと凹部３３Ｃとの間に混合気が流入してノッキングを抑制することが可能である。
【００５８】
上述した実施形態１では、凹部３３に対応して蓋部３４が設けられているが、これに限定されない。凹部３３に蓋部３４が収納されていればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の内燃機関のピストンは、ノッキングの発生を抑制することができる。従って車両製造業分野で利用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ    ピストン
１２   シリンダブロック
１３   シリンダヘッド
１４   シリンダ
１５   ピストンピン
１６   コンロッド
１７   ヘッド凹部
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ   燃焼室
１９   点火プラグ
２０   吸気ポート
２１   排気ポート
２２   吸気弁
２３   排気弁
３１   ヘッド部
３２   スカート部
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ   凹部
３４、３４Ａ、３４Ａ、３４Ｃ   蓋部
３５、３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ   支軸
３６   貫通孔
３７、３７Ａ，３７Ｂ   拡径部
３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ   バネ
３９   開口
４０、４０Ａ、４０Ａ   間隙
４１、４１Ａ、４１Ｃ   収納部
【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８】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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