(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティを有し、該稜線の外周側にピストン冠面の外周縁に向かって低くなる円錐面からなる傾斜面を形成した構造であって、かつ、該傾斜面を前記キャビティの外縁部からピストン冠面の外周縁に向かう第１の傾斜面と、ピストン冠面の外周縁近傍で該第１の傾斜面とピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面とをつなげる第２の傾斜面とで、２段の角度で形成したことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項２】
第１の傾斜面の水平面に対する角度θを、１０〜６０°の範囲に設定した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機関のピストン。
【請求項３】
ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記第２の傾斜面の高さｈを、２ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１，２に記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項４】
ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面の幅Ｗを、３ｍｍ以上に設定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項５】
ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記キャビティの底面平坦部の深さＡを、３〜９ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項６】
ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面からの、前記稜線の最上部の高さをＨとしたとき、これらの合計値Ｂ＝Ａ＋Ｈを、１０〜２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項７】
Ｈ／Ａを、１．０〜２．０の範囲に設定したことを特徴とす
請求項６に記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項８】
ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面からの、前記稜線の最上部の高さをＨとして、これらの合計値Ｂ＝Ａ＋Ｈとし、また、ピストンストロークをＳとしたとき、Ｂ／Ｓを０．２５以下に設定したことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項９】
キャビティ内の隅部のアールＲを、５〜２０ｍｍの範囲に設定たことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン。
【請求項１０】
キャビティは、その中心をピストン冠面の中心に対して吸気バルブ側にオフセットして形成され、吸気バルブ側からキャビティ内を指向するように燃料噴射弁が配置されると共に、キャビティ内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓が配置されることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関のピストン
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式火花点火機関のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内噴射式火花点火機関のピストンにおいては、例えば特開平８−３１２３５４号公報に示されるように、その冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティ（凹状燃焼室）を形成し、圧縮行程にてこのキャビティに向けて燃料を噴射することにより、点火栓周りに集中的に層状の混合気を形成して成層燃焼を行うようにしている。
【０００３】
また、機関運転条件により、吸気行程にて燃料を噴射することにより、燃焼室全体に燃料を拡散させ均質の混合気を形成して均質燃焼を行うようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の筒内噴射式火花点火機関のピストンにおいては、キャビティを囲む稜線の外周側、特にピストン冠面の中心より吸気バルブ側にオフセットして設けられているキャビティの左右（シリンダ列方向）の稜線の外周側に平坦部を設け、この平坦部の外側に傾斜面を設けていたため（前記公報の図７，図１１等参照）、この平坦部の部分が燃焼室全体から見ると、キャビティ内と外との間に位置する凸壁となり、吸気行程噴射による均質燃焼を行う場合に燃焼性能を悪化させてしまう。
【０００５】
即ち、均質燃焼を行う場合に前記平坦な凸壁が燃焼火炎の伝播を阻害して凸壁と燃焼室周側との間への火炎伝播が良好に行われなくなって燃焼性能の悪化をもたらしてしまう。
【０００６】
特に、燃費向上のため凸壁の外側の傾斜面の傾斜角を立てて（傾斜勾配を大きくして）、ピストン側の容積を大きくして高圧縮比化を図る場合、該傾斜面の傾斜角が立ち上がることにより前記凸部の幅が拡大されることと、該凸部と燃焼室周側との間の空間が狭められてしまうために益々火炎伝播が阻害されてしまう。また、この他、前記凸壁により、▲１▼キャビティ内に燃料噴霧が留まってしまうため混合気が偏在して均質混合気を形成できない。▲２▼筒内ガス流動が阻害されるため燃料噴霧が気化せず、混合気の均質化が不十分となる。▲３▼燃焼中、キャビティ内と外との空間不連続により、キャビティ外側が良好に燃焼しない。等の不具合を生じてしまう。
【０００７】
そこで、本発明はピストンの冠面構造を最適にすることによって、キャビティによる成層燃焼を悪化させることなく均質燃焼性能を改善することができる筒内噴射式火花点火機関のピストンを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、ピストン冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティを有し、該稜線の外周側にピストン冠面の外周縁に向かって低くなる円錐面からなる傾斜面を形成した構造であって、かつ、該傾斜面を前記キャビティの外縁部からピストン冠面の外周縁に向かう第１の傾斜面と、ピストン冠面の外周縁近傍で該第１の傾斜面とピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面とをつなげる第２の傾斜面とで、２段の角度で形成したことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の第１の傾斜面の水平面に対する角度θを、１０〜６０°の範囲に設定したことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明にあっては、請求項１，２に記載のピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記第２の傾斜面の高さｈを、２ｍｍ以下に設定したことを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３に記載のピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面の幅Ｗを、３ｍｍ以上に設定したことを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜４に記載のピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記キャビティの底面平坦部の深さＡを、３〜９ｍｍの範囲に設定したことを特徴としている。
【００１３】
請求項６の発明にあっては、請求項１〜５に記載のピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面からの、前記稜線の最上部の高さをＨとしたとき、これらの合計値Ｂ＝Ａ＋Ｈを、１０〜２０ｍｍの範囲に設定したことを特徴としている。
【００１４】
請求項７の発明にあっては、請求項６に記載のＨ／Ａを、１．０〜２．０の範囲に設定したことを特徴としている。
【００１５】
請求項８の発明にあっては、請求項１〜７に記載のピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面からの、前記稜線の最上部の高さをＨとして、これらの合計値Ｂ＝Ａ＋Ｈとし、また、ピストンストロークをＳとしたとき、Ｂ／Ｓを０．２５以下に設定したことを特徴としている。
【００１６】
請求項９の発明にあっては、請求項１〜８に記載のキャビティ内の隅部のアールＲを、５〜２０ｍｍの範囲に設定たことを特徴としている。
【００１７】
請求項１０の発明にあっては、請求項１〜９に記載のキャビティは、その中心をピストン冠面の中心に対して吸気バルブ側にオフセットして形成され、吸気バルブ側からキャビティ内を指向するように燃料噴射弁が配置されると共に、キャビティ内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓が配置されることを特徴としている。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、キャビティ周縁部の稜線の外周側に設けられた円錐面からなる傾斜面を、キャビティの外縁部からピストン冠面の外周縁に向かう第１の傾斜面と、ピストン冠面の外周縁近傍で該第１の傾斜面とピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面とをつなげる第２の傾斜面とで２段の角度で形成してあるため、燃費向上のためピストン側の容積を大きくして高圧縮比化を図る場合、第２の傾斜面の立ち上がりによって第１の傾斜面を緩傾斜とさせて前記稜線につなげることができ、従って、該稜線の外側に平坦部分が生じるのを回避することができて、均質燃焼時の火炎伝播の阻害要因を生じることがないことと併せて、キャビティ内と外との間でのガス流動を確保できて燃費の向上と良好な燃焼性の保持との両立を図ることができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、第１の傾斜面の傾斜角度を、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを勘案した最適値に設定してあるため、均質燃焼時の出力の向上と成層燃焼時の燃費の向上とを図ることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１，２の発明の効果に加えて、第２の傾斜面の高さｈを、該第２の傾斜面と燃焼室周面との間にクウエンチ領域が生じない最適値に設定してあるため、均質燃焼性をより一層向上することができる。請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面の幅Ｗを最適値に設定してあるため、第２の傾斜面と燃焼室周面との間にクウエンチ領域が生じることがなく、均質燃焼性能を向上できると共に、ピストンの加工性およびシリンダブロックへの組付け性を向上することができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、キャビティの底面平坦部の深さＡを最適値に設定してあるので、成層燃焼性能を確保しつつ、均質燃焼性能を良好にすることができる。即ち、キャビティにより成層燃焼性能を確保する一方、ピストンの凹凸を必要最小限として、均質燃焼時に、▲１▼キャビティ内の燃料の留まり防止、▲２▼筒内ガス流動の減衰防止、▲３▼キャビティ内外の空間不連続によるキャビティ外燃焼の悪化防止、の効果を得ることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の発明の効果に加えて、キャビティの底面平坦部の深さＡと稜線の最上部の高さＨとの合計値Ｂ＝Ａ＋Ｈを最適値に設定してあるため、成層燃焼性能を確保しつつ、均質燃焼性能を良好にすることができる。即ち、キャビティにより成層燃焼性能を確保する一方、ピストンの凹凸を必要最小限として、均質燃焼時に前記▲１▼〜▲３▼の効果を得ることができ、更に、ピストンコンプレッションハイト（ピストンピン中心からピストン最上部までの高さ）を短縮できて、ピストンの軽量化と、ピストンの首振り防止による音振性能の向上とを図ることができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、Ｈ／Ａを最適値に設定してあるので、前記効果をより向上させることができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜７の発明の効果に加えて、ピストンストロークＳに対する、キャビティの底面平坦部の深さＡと稜線の最上部の高さＨとの合計値Ｂ＝Ａ＋Ｈを、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを勘案した最適値に設定してあるため、均質燃焼時の出力の向上と成層燃焼時の燃費の向上とをより効果的に行うことができる。
【００２５】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８の発明の効果に加えて、キャビティ内の隅部のアールＲを最適値に設定してあるので、成層燃焼時にキャビティ内の燃料を点火栓側へ指向させて確実に輸送させることができて、成層燃焼性能を更に向上することができる。
【００２６】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜９の発明の効果に加えて、キャビティの位置をオフセットして、燃料噴射弁および点火栓との位置関係を最適化することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００２８】
図１〜４において、ピストン１の冠面は最外周縁部に環状の平坦な基準平面２を残して、傾斜面３により円錘状に隆起させ、その隆起させた部分に、ピストン１の冠面の中心ＰＣに対して図外の吸気バルブ側にオフセットした位置ＣＣを中心にして、凹状（皿状）のキャビティ４を形成してある。４ａはキャビティ４の底面平坦部である。
【００２９】
換言すれば、キャビティ４を囲む稜線５の外周側に、ピストン１の冠面の外周縁に向かって低くなる円錘面からなる傾斜面３を形成してある。
【００３０】
この傾斜面３は前記キャビティ４の外縁部（本実施形態では前記稜線５）からピストン１の冠面の外周縁に向かう第１の傾斜面３Ａと、ピストン１の冠面の外周縁近傍で該第１の傾斜面３Ａと前記基準平面２とをつなげる第２の傾斜面３Ｂとで、２段の角度で形成してある。
【００３１】
本実施形態ではキャビティ４のピストン中心側の周縁部の稜線５の外周側には、前記第１の傾斜面３Ａよりも緩傾斜の緩傾斜面６を設けて、ピストン１の最高部の高さを抑えてある。
【００３２】
キャビティ４と燃料噴射弁および点火栓との位置関係は、図５に示すようにシリンダヘッド１０に吸気バルブ１１側の燃焼室周側からキャビティ４内を指向するように燃料噴射弁１２を配置すると共に、キャビティ４内のピストン中心側の周縁部の上方に点火栓１３を配置してある。
【００３３】
この例では図示は省略したが、稜線５の一部を切り欠いて、吸気バルブ１１又は排気バルブ１４を逃げるバルブリセスを設けて、バルブリフト，バルブタイミングの要求に応えるようにしてもよい。
【００３４】
以上のようにキャビティ４の周縁部の稜線５の外周側に設けられた円錐面からなる傾斜面３を、キャビティ４の外縁部からピストン１の冠面の外周縁に向かう第１の傾斜面３Ａと、ピストン１の冠面の外周縁近傍で該第１の傾斜面３Ａとピストン１の冠面の最外周縁部の平坦な基準平面２とをつなげる第２の傾斜面３Ｂとで２段の角度で形成してあるため、燃費向上のためピストン側の容積を大きくして高圧縮比化を図る場合、第２の傾斜面３Ｂの立ち上がりによって第１の傾斜面３Ａを緩傾斜とさせて稜線５につなげることができ、該稜線５の外側に平坦部分が生じるのを回避できて、均質燃焼時の火炎伝播の阻害要因をなくすことができることと併せて、キャビティ４内と外との間でのガス流動を確保できて燃費の向上と良好な燃焼性の保持との両立を図ることができる。
【００３５】
これは、例えば図４の仮想線で示すように傾斜面３を１つの円錐面で形成した場合、前記高圧縮比化のため同じピストン冠面高さの下で傾斜面３を基準平面２から立ち上がらせて傾斜勾配を大きくし、ピストン側の容積を大きくしようとすると稜線５の外側に平坦部分Ｆ・Ｓが不可避的に生じ、均質燃焼時に燃焼火炎がこの平坦部分で消勢されてピストン冠面周縁部分にクウエンチ領域が生じ、燃焼の不安定化および排気性状の悪化をもたらしてしまい、特に前記従来のようにもともと稜線５の外側に平坦部分Ｆ・Ｓを設けたものでは傾斜面３の勾配拡大により該平坦部分Ｆ・Ｓの幅が大きくなって均質燃焼の不安定化が助長されてしまうことになる。
【００３６】
ここで、前記第１の傾斜面３Ａの水平面（基準平面２と平行）に対する角度θは、１０〜６０°の範囲、望ましくは１５〜４５°の範囲に設定する。
【００３７】
図６は横軸を傾斜面角度θとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク（実線示）および成層燃焼時の燃費（点線示）をとったグラフであり、θ＝１０〜６０°の範囲で、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
【００３８】
但し、傾斜面角度θが大きくなるとピストン高さが高くなるので、同じ燃焼性能であればＳ／Ｖ比、即ち冠面表面積の観点からも前記範囲内でできるだけθを小さく設定するのが好ましく、また、後述するキャビティ４の深さ等の最適化をも考慮して前記範囲内で設定する。
【００３９】
前記第２の傾斜面３Ｂの基準平面２からの高さｈは、均質燃焼時に該第２の傾斜面３Ｂ付近にクウエンチ領域を生じさせないためには該高さｈを２ｍｍ以下に設定する。
【００４０】
また、基準平面２の幅Ｗは、同様に第２の傾斜面３Ｂ付近にクウエンチ領域を生じさせないためには該幅Ｗを３ｍｍ以上に設定する。
【００４１】
図７は横軸を基準平面２の幅Ｗとして、縦軸に均質燃焼時の未燃ＨＣ発生量をとったグラフであり、基準平面２の幅Ｗを３ｍｍ以上とすることで未燃ＨＣの発生量を低減できることを示している。
【００４２】
従って、この基準平面２の幅Ｗは、前記第１の傾斜面３Ａの傾斜角度θと、第２の傾斜面３Ｂの高さｈの設定の下で３ｍｍ以上にできるだけ大きな幅に設定することが望ましい。
【００４３】
また、このように基準平面２の幅Ｗを３ｍｍ以上に大きく設定することにより、ピストン１の加工性を向上できると共に、該基準平面２に図外の治具を係合してピストン１をシリンダブロックに組付ける際にも治具による保持性が良好となって自動組付けが容易となり、組付作業性の改善にもつながる。
【００４４】
一方、ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面２からの、キャビティ４の底面平坦部４ａの深さＡは、３〜９ｍｍに設定する。
【００４５】
図８は横軸を深さＡとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルクおよび成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ａ＝３〜９ｍｍの範囲で均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
【００４６】
即ち、深さＡを大きくすれば成層燃焼時にキャビティ４内の燃料保持性を向上させて成層混合気を形成し易くなり成層燃焼性能が向上するが、均質燃焼時にキャビティ４内外の空間不連続により燃焼室全体に均質混合気を形成し難くなるので、これらを両立させる範囲とするのである。
【００４７】
また、ピストン冠面の最外周縁部の平坦な基準平面２からの、キャビティ４の底面平坦部４ａの深さをＡ、前記基準平面２からの、稜線５の最上部の高さをＨとしたとき、これらの合計値（合計深さ）Ｂ＝Ａ＋Ｈは、１０〜２０ｍｍの範囲とする。
【００４８】
図９は横軸を合計深さＢ＝Ａ＋Ｈとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルクおよび成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ｂ＝１０〜２０ｍｍの範囲で均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
【００４９】
即ち、深さＡと同様に合計深さＢを大きくすれば成層燃焼時にキャビティ４内に成層混合気を形成し易くなり、成層燃焼性能が向上するが、均質燃焼時にキャビティ４内外の空間不連続により、均質混合気を形成し難くなるので、これらを両立させる範囲とするのである。
【００５０】
また、Ｈ／Ａ（合計深さＢにおけるＨとＡとの比）は、１．０〜２．０の範囲とする。
【００５１】
これは、図８，９より、均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立させることができる範囲である。
【００５２】
また、ピストンストロークＳに対する合計深さＢの比Ｂ／Ｓは、０．２５以下とする。
【００５３】
図１０は横軸をＢ／Ｓとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルクおよび成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ｂ／Ｓ≦０．２５の範囲で均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
【００５４】
ピストンストロークＳが小さい場合に、合計深さＢが大きいと燃焼性能が悪化するので、ピストンストロークＳに対応させて合計深さＢを小さくして燃焼性能を確保する必要があるからである。
【００５５】
また、キャビティ４内の隅部のアールＲは、５〜２０ｍｍの範囲とする。
【００５６】
図１１は横軸をＲとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルクおよび成層燃焼時の燃費をとったグラフであり、Ｒ＝５〜２０ｍｍの範囲で均質燃焼時の軸トルクと成層燃焼時の燃費とを両立できることを示している。
【００５７】
アールＲにより、成層燃焼時に成層混合気をスムーズに点火栓１３近傍に輸送する一方、均質燃焼時にキャビティ４内外をスムーズに混合気が流れるようにするのであり、アールＲが小さ過ぎるとその役目を果たせず、アールＲが大き過ぎても成層混合気の点火栓１３への輸送が良好にされないからである。
【００５８】
なお、キャビティ４の位置については燃料噴射弁寄りに偏在する例を基に本発明の効果を述べたが、キャビティ中心が平面視においてほぼシリンダ中心付近にある場合でも、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンの一実施形態を示す斜視図。
【図２】本発明の実施形態の平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図５】本発明の実施形態のピストンと燃料噴射弁および点火栓の位置関係を示す説明図。
【図６】第１の傾斜面角度θの適正範囲を示す図。
【図７】基準平面幅Ｗの適正値を示す図。
【図８】深さＡの適正範囲を示す図。
【図９】合計深さＢの適正範囲を示す図。
【図１０】Ｂ／Ｓの適正範囲を示す図。
【図１１】Ｒの適正範囲を示す図。
【符号の説明】
１  ピストン
２  基準平面
３  傾斜面
３Ａ  第１の傾斜面
３Ｂ  第２の傾斜面
４  キャビティ
４ａ  底面平坦部
５  稜線
１１  吸気バルブ
１２  燃料噴射弁
１３  点火栓
【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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