(57)【要約】    【課題】  キャビティによる成層燃焼性能を確保しつつ、均質燃焼性能を向上させる。    【解決手段】  ピストン１の冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線５をなすキャビティ４を有している。ここで、前記稜線５の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストンの外周側に向かって連続的に低くなる傾斜面３を形成する。【選択図】  図２
2006138328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、
前記稜線の外周側又は該稜線の少なくとも一部分を除く外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成し、且つ、この傾斜面の水平面に対する角度θを、１０〜６０°の範囲としたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記傾斜面を１つの円錐面で形成したことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項３】
ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、前記キャビティの底面平坦部の深さＡを、３〜９ｍｍの範囲としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項４】
ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面又は前記交点からの、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の範囲としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項５】
Ｈ／Ａを、１．０〜２．０の範囲としたことを特徴とする請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項６】
ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面又は前記交点からの、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以下としたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項７】
前記キャビティ内の隅部のアールＲを、５〜２０ｍｍの範囲としたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項８】
前記キャビティは、その中心をピストンの中心に対し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〜請求項７のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項９】
前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたことを特徴とする請求項８記載の直噴火花点火式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、直噴火花点火式内燃機関のピストンに関し、特にその冠面形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいては、例えば特許文献１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、点火栓回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。
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。
【特許文献１】特開平８−３１２３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の直噴火花点火式内燃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（クロスフロー方向と直角な方向にある部分）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（特許文献１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るという問題点があった。
【０００４】
すなわち、均質燃焼を行う場合に、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、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。これらにより、均質燃焼性能が悪化する。
【０００５】
また、傾斜面の角度等についても、キャビティによる燃焼性能を悪化させることなく、均質燃焼性能を改善するという観点から、最適な範囲について、未だ解明されていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、このような現状に鑑み、ピストンの冠面形状を最適化することにより、キャビティによる成層燃焼性能を悪化させることなく、均質燃焼性能を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、請求項１に係る発明では、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する直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、前記稜線の外周側又は該稜線の少なくとも一部分を除く外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成し、且つ、この傾斜面の水平面に対する角度θを、１０〜６０°の範囲としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明では、前記傾斜面を１つの円錐面で形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明では、ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、前記キャビティの底面平坦部の深さＡを、３〜９ｍｍの範囲としたことを特徴とする。
請求項４に係る発明では、ピストン冠面の最外周部の平坦な基準平面、又はピストン冠面とピストン側面との交点からの、前記キャビティの底面平坦部の深さをＡ、前記基準平面又は前記交点からの、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（合計深さ）Ｂ＝Ａ＋Ｈを、１０〜２０ｍｍの範囲としたことを特徴とする。
請求項５に係る発明では、Ｈ／Ａを、１．０〜２．０の範囲としたことを特徴とする。
請求項６に係る発明では、ピストンストロークをＳとしたとき、Ｂ／Ｓを０．２５以下としたことを特徴とする。
請求項７に係る発明では、前記キャビティ内の隅部のアールＲを、５〜２０ｍｍの範囲としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項８に係る発明では、前記キャビティは、その中心をピストンの中心に対し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９に係る発明では、前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、ピストン冠面のキャビティを囲む稜線の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成し、且つ、この傾斜面の角度を１０〜６０°の範囲に最適化したので、キャビティにより成層燃焼性能を確保する一方、均質燃焼時に、キャビティ内と外との間でのガス流動を確保できて、混合気の均質化を促進できると共に、ピストン表面積を低減して、冷却損失を低減できるという効果が得られる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、前記傾斜面を１つの円錐面で形成するので、生産加工が容易となる。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、キャビティの底面平坦部の深さＡを、３〜９ｍｍの範囲とすることで、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。すなわち、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悪化防止の効果を得、また、ピストン表面積低減による冷却損失低減の効果を得ることができる。
また、請求項４に係る発明によれば、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、１０〜２０ｍｍの範囲とすることで、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。すなわち、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、上記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、ピストン軽量化と、首振り防止による音振性能向上という効果を得ることができる。
また、請求項５に係る発明によれば、Ｈ／Ａを、１．０〜２．０の範囲とすることで、上記の効果をより確実なものとすることができる。
また、請求項６に係る発明によれば、ピストンストロークＳに対し、Ｂ／Ｓを０．２５以下とすることで、ピストンストロークＳにかかわらず最適化して、上記の効果をより確実なものとすることができる。
また、請求項７に係る発明によれば、キャビティ内の隅部のアールＲを、５〜２０ｍｍの範囲とすることで、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する効果を最適化し得る。
【００１４】
また、請求項８に係る発明によれば、キャビティの位置をオフセットして、燃料噴射弁及び点火栓との位置関係を最適化することができる。
また、請求項９に係る発明によれば、キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたので、連続的な傾斜を確保しつつ、ピストンコンプレッションハイトを短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の一形態を示すピストン冠面の斜視図である。図２にはピストンの平面図とそのＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図とを示している。また、図３は図２のＡ−Ａ断面に相当する図で、燃料噴射弁及び点火栓の位置関係を示している。
【００１６】
ピストン１の冠面は、最外周側に環状の基準平面２を残して、傾斜面３により、円錐状に隆起させ、その隆起させた部分に、ピストンの中心ＰＣに対し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。
言い換えれば、キャビティ４を囲む稜線５の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストン１の外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面３を形成してあり、この傾斜面３は１つの円錐面で形成してある。
【００１７】
最外周側の環状の基準平面２は最小限の幅（１．５〜２．０ｍｍ程度）を持たせ、生産加工時に基準面として用いる。
また、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、前記傾斜面３より緩傾斜の緩傾斜面６を設けて、ピストン１の最高部の高さを抑えてある。
【００１８】
ここで、キャビティ４と燃料噴射弁及び点火栓との位置関係は、図３に示すようであり、シリンダヘッド１０に吸気バルブ１１側（吸気バルブ１１より燃焼室外周側）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。１４は排気バルブである。
【００１９】
尚、この例では省略したが、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形成するようにし、バルブタイミングあるいは圧縮比の要求に応えるようにしてもよい。
【００２０】
上記のように、ピストン１冠面のキャビティ４を囲む稜線５の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストン１の外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面３を形成したので、キャビティ４により成層燃焼性能を確保できる一方、均質燃焼時に、キャビティ４内と外との間でのガス流動を確保でき、混合気の均質化を促進できる。また、平坦部を設けないので、ピストン１の表面積を低減でき、冷却損失を低減できる。よって、均質燃焼性能を向上できるのである。
【００２１】
ここにおいて、前記傾斜面３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）とする。
図４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）及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。
但し、傾斜面角度θが大きくなると、ピストンコンプレッションハイトが高くなるので、同じ燃焼性能であれば、前記範囲内でできるだけ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。
【００２２】
また、ピストン冠面の最外周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の範囲とする。
図５は、横軸を深さＡとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及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。
すなわち、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。
【００２３】
また、ピストン冠面の最外周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。
図６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及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。
すなわち、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。
【００２４】
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。
これは、図５及び図６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。
【００２５】
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。
図７は、横軸をＢ／Ｓとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及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。
ピストンストロークＳが小さい場合に、合計深さが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。
【００２６】
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。
図８は、横軸をＲとして、縦軸に均質燃焼時の軸トルク及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。
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への輸送が良好になされないからである。
【００２７】
尚、前記深さＡ及び前記高さＨに関し、例えば図９に示すように、ピストン冠面の最外周部に平坦な基準平面を有しないピストンについては、ピストン冠面とピストン側面との交点Ｑを基準として、これらを計測する。
【００２８】
更に、キャビティ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の中心付近にある場合でも同様の効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の一形態を示すピストン冠面の斜視図
【図２】同上のピストンの平面図とそのＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面図
【図３】燃料噴射弁及び点火栓の位置関係を示す図
【図４】傾斜面角度θの適正範囲を示す図
【図５】深さＡの適正範囲を示す図
【図６】合計深さＢの適正範囲を示す図
【図７】Ｂ／Ｓの適正範囲を示す図
【図８】Ｒの適正範囲を示す図
【図９】基準平面を有しないピストン形状例を示す図
【符号の説明】
【００３０】
１  ピストン
２  基準平面
３  傾斜面（円錐面）
４  キャビティ
４ａ  底面平坦部
５  稜線
６  緩傾斜面
10  シリンダヘッド
11  吸気バルブ
12  燃料噴射弁
13  点火栓
14  排気バルブ
【図１】
2006138328.tif 000003
【図２】
2006138328.tif 000004
【図３】
2006138328.tif 000005
【図４】
2006138328.tif 000006
【図５】
2006138328.tif 000007
【図６】
2006138328.tif 000008
【図７】
2006138328.tif 000009
【図８】
2006138328.tif 000010
【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、
前記冠面の平面視において吸気バルブと排気バルブとに挟まれて吸気バルブと排気バルブとの対向する方向と直角な方向に延びる領域を含んだ前記稜線の外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成したことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記傾斜面を１つの円錐面で形成したことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記キャビティは、その中心をピストンの中心に対し吸気バルブ側にオフセットして形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記オフセットして形成されたキャビティに対し、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３記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側で、前記傾斜面より内側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関のピストン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このため、請求項１に係る発明では、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する直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、前記冠面の平面視において吸気バルブと排気バルブとに挟まれて吸気バルブと排気バルブとの対向する方向と直角な方向に延びる領域を含んだ前記稜線の外周側に、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成したことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
請求項３に係る発明では、前記キャビティは、その中心をピストンの中心に対し吸気バルブ側にオフセットして形成されることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、前記オフセットして形成されたキャビティに対し、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５に係る発明では、前記キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側で、前記傾斜面より内側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたことを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、ピストン冠面の平面視において吸気バルブと排気バルブとに挟まれて吸気バルブと排気バルブとの対向する方向と直角な方向に延びる領域を含んだピストン冠面のキャビティを囲む稜線の外周側に、平坦部を設けることなく、ピストンの外周部に向かって連続的に低くなる傾斜面を形成したので、キャビティにより成層燃焼性能を確保する一方、均質燃焼時に、キャビティ内と外との間でのガス流動を確保できて、混合気の均質化を促進できると共に、ピストン表面積を低減して、冷却損失を低減できるという効果が得られる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、請求項３、４に係る発明によれば、キャビティの位置をオフセットして、燃料噴射弁及び点火栓との位置関係を最適化することができる。
また、請求項５に係る発明によれば、キャビティのピストン中心側の周縁部の稜線の外周側で、前記傾斜面より内側に、前記傾斜面より緩傾斜の緩傾斜面を設けたので、連続的な傾斜を確保しつつ、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）を短縮することができる。