(57)【要約】【課題】  強度、重量バランス、冷却特性に優れた、内燃機関用のピストンを提供する。【解決手段】  ピストンは、ピストンピンに垂直なピストン切断面であってピストンの中心軸を含む切断面において、ピストンのキャビティのない側に加わる応力は小さいので肉厚が薄くなるように設けられた大きな肉抜き部１２３Ｄと、キャビティのある側に加わる応力が大きいので肉厚が厚くなるように設けられた小さな肉抜き部１２３Ｅと、ピストンピンに垂直なピストン切断面であってピストンの中心軸を含まない切断面において、ピストンのバランスを取るために肉厚が薄くなるようにキャビティのない側に設けられた大きな肉抜き部と、キャビティのある側に設けられた小さな肉抜き部とを含む。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に燃料を噴射するための燃料噴射手段を備えた内燃機関用のピストンであって、
前記燃料噴射手段は、シリンダヘッドの側部からシリンダ孔内に燃料を噴射し、
前記ピストンは、
前記ピストンの頂面に設けられ、前記燃料噴射手段から噴射された燃料により形成された噴霧が当接するキャビティと、
前記ピストン裏面に設けられ、コネクティングロッドに前記ピストンを連結するためのピストンピンが挿入される穴部を有するピストンピンボスと、
前記ピストンピンボスの周囲であって、前記キャビティの位置に対応して肉抜き量が設定された、ピストン裏面に設けられた肉抜き部とを含む、内燃機関用のピストン。
【請求項２】
前記肉抜き部は、前記キャビティの下部において肉抜き量が少なく、前記キャビティ以外の下部において肉抜き量が多い、請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項３】
前記肉抜き部は、滑らかに形成された曲面を有する、請求項１または２に記載の内燃機関用のピストン。
【請求項４】
前記肉抜き部は、スラスト方向と反スラスト方向の重量バランスが等しくなるように肉抜き量が設定される、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用のピストン。
【請求項５】
前記キャビティの位置が、前記ピストンの中心から外れた位置である、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関用のピストン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のピストンを有する内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関は、吸気通路内に燃料を噴射するための燃料噴射手段をさらに含む、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記筒内に燃料を噴射するための燃料噴射手段は、筒内噴射用インジェクタであって、
前記吸気通路内に燃料を噴射するための燃料噴射手段は、吸気通路用インジェクタである、請求項７に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の内燃機関に関し、特に、ピストン頂面にキャビティを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関吸気通路内に燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタと、機関燃焼室内に燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタとを具備し、機関負荷が予め定められた設定負荷よりも低いときには吸気通路噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止するとともに機関負荷が設定負荷よりも高いときには吸気通路噴射用インジェクタから燃料を噴射するようにした内燃機関が公知である。
【０００３】
また、このような内燃機関の筒内噴射用インジェクタに関連する技術として、特開２００２−１１５５４９号公報（特許文献１）は、ピストンが圧縮上死点に近づくときに発生するスキッシュ流によってガス流動が阻害されないようにし、成層燃焼時および均質燃焼時において安定した燃焼を確保する筒内直接噴射式火花点火エンジンを開示する。この筒内直接噴射式火花点火エンジンは、燃料噴射弁から筒内に直接噴射された燃料を、筒内ガス流動を利用して点火プラグ近傍に集めて着火可能とし、全体として希薄空燃比で燃焼を行なう筒内直接噴射式火花点火エンジンであって、ピストン冠面の排気側斜面とシリンダヘッドとの隙間が、ピストン冠面の吸気側斜面とシリンダヘッドとの隙間よりも大きくなるように構成するとともに、ピストン冠面の排気側斜面とシリンダヘッドとの隙間は、キャビティ内に噴射される燃料がキャビティから溢れて排気側に流入しない範囲でピストン冠面の吸気側斜面とシリンダヘッドとの隙間よりも大きくなるように構成されることを特徴とする。
【０００４】
この筒内直接噴射式火花点火エンジンによると、吸気側の隙間よりも排気側の隙間の方が大きくなるので、ピストンが圧縮上死点に近づいたときに排気側から吸気側に向かうスキッシュ流が発生するのを抑えることができる。この排気側から吸気側に向かうスキッシュ流は、成層燃焼時においては噴射された燃料を点火プラグ近傍に集めるガス流動を阻害し、均質燃焼時においても均質な混合気形成に供されるガス流動を阻害するため、成層燃焼時および均質燃焼時における燃焼安定性を悪化させる原因となるのであるが、排気側から吸気側に向かうスキッシュ流の発生が抑制されるので、スキッシュ流によって成層燃焼時及び均質燃焼時における燃焼安定性を悪化を防止することが可能となる。また、排気側隙間を大きくすると噴射された燃料がキャビティから溢れて排気側に流れ込んでしまい、燃焼安定性を悪化させることを防止することもできる。
【特許文献１】特開２００２−１１５５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１には、ピストン頂面にキャビティが設けられ、ピストン頂面の厚みが一様な筒内直接噴射式火花点火エンジンが開示されているに過ぎない。たとえば、ピストン・ピン・ボスの周囲におけるピストン裏面の肉厚について記載されていない。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、強度、重量バランス、冷却特性に優れた、内燃機関用のピストンおよびそのピストンを有する内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係るピストンは、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射手段を備えた内燃機関に用いられる。燃料噴射手段は、シリンダヘッドの側部からシリンダ孔内に燃料を噴射する。このピストンは、ピストンの頂面に設けられ、燃料噴射手段から噴射された燃料により形成された噴霧が当接するキャビティと、ピストン裏面に設けられ、コネクティングロッドにピストンを連結するためのピストンピンが挿入される穴部を有するピストン・ピン・ボスと、ピストン・ピン・ボスの周囲であって、キャビティの位置に対応して肉抜き量が設定された、ピストン裏面に設けられた肉抜き部とを含む。
【０００８】
第１の発明によると、ピストンの頂面にはキャビティ（窪み）が形成されるが、このキャビティの下部以外のピストン裏面に大きな肉抜き部が設けられる。すなわち、ピストン頂面には強大なガス力（爆発力）が加わるが、特にキャビティの部分には応力が集中する。このため、主としてこのキャビティの下部以外においてピストン裏面の肉抜きを行なう。このようにすると、応力に十分耐えうるピストンを実現でき、応力集中によるピストンの破損の可能性を回避することができる。また、ピストン周縁部の裏面において肉抜きされると、ピストンリング溝の背面（ピストン中心軸側）の肉厚を薄くでき、摺動摩擦により発熱するピストンリングをオイルを用いて、より効率よく冷却することができる。その結果、強度および冷却特性に優れた、内燃機関用のピストンを提供することができる。
【０００９】
第２の発明に係るピストンにおいては、第１の発明の構成に加えて、肉抜き部は、キャビティの下部において肉抜き量が少なく、キャビティ以外の下部において肉抜き量が多いものである。
【００１０】
第２の発明によると、キャビティの下部において肉抜き量を少なくして厚みを厚くして、キャビティ以外の下部において肉抜き量を多くして厚みを（キャビティの窪みの分の重量だけ）より薄くして（キャビティがないので強度的にも薄くできる）、重心を中心側にしてバランスを取ることができる。その結果、強度、冷却特性および重量バランスに優れた、内燃機関用のピストンを提供することができる。
【００１１】
第３の発明に係るピストンにおいては、第１または２の発明の構成に加えて、肉抜き部は、滑らかに形成された曲面を有するものである。
【００１２】
第３の発明によると、滑らかな曲線により肉抜き部を有するので、応力集中が発生することを回避できるので、強度に優れた、内燃機関用のピストンを提供することができる。
【００１３】
第４の発明に係るピストンにおいては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、肉抜き部は、スラスト方向と反スラスト方向の重量バランスが等しくなるように肉抜き量が設定されるものである。
【００１４】
第４の発明によると、スラスト方向と反スラスト方向の重量バランスが等しくなるように肉抜きされるので、重量バランスに優れた、内燃機関用のピストンを提供することができる。
【００１５】
第５の発明に係るピストンにおいては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、キャビティの位置が、ピストンの中心から外れた位置である。
【００１６】
第５の発明によると、シリンダヘッドの側部（燃焼室のサイド）からシリンダ孔内に燃料が噴射されて（すなわち、筒内に直接燃料が噴射されて）、キャビティによりその噴射された燃料が点火プラグ近傍に向けられる。このようなキャビティを有するピストンに設けられた肉抜き部により、強度、重量バランス、冷却特性に優れたピストンを実現できる。
【００１７】
第６の発明に係る内燃機関は、第１〜５のいずれかの発明に係るピストンを有するものである。
【００１８】
第６の発明によると、強度、冷却特性および重量バランスに優れたピストンを有する内燃機関を提供することができる。
【００１９】
第７の発明に係る内燃機関は、第６の発明の構成に加えて、吸気通路内に燃料を噴射するための燃料噴射手段をさらに含む。
【００２０】
第７の発明によると、筒内噴射用インジェクタに加えて、吸気通路内に燃料を吸気通路噴射用インジェクタで噴射して、内燃機関の能力を向上させることができる。
【００２１】
第８の発明に係る内燃機関は、第７の発明の構成に加えて、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射手段は、筒内噴射用インジェクタであって、吸気通路内に燃料を噴射するための燃料噴射手段は、吸気通路用インジェクタである。
【００２２】
第８の発明によると、筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段である筒内噴射用インジェクタと吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射用インジェクタとを別個に設けて噴射燃料を分担する内燃機関であって、強度、重量バランス、冷却特性に優れたピストンを有する内燃機関を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２４】
図１に、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置であるエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）で制御されるエンジンシステムの概略構成図を示す。なお、図１には、エンジンとして直列４気筒ガソリンエンジンを示すが、本発明はこのような形式のエンジンに限定されるものではなく、Ｖ型６気筒、Ｖ型８気筒、直列６気筒などの形式であってもよい。また、以下においては、筒内噴射用インジェクタと吸気通路噴射用インジェクタとを有するエンジンについて説明するが、少なくとも筒内噴射用インジェクタを有するエンジンであれば、本発明は適用できる。
【００２５】
図１に示すように、エンジン１０は、４つの気筒１１２を備え、各気筒１１２はそれぞれ対応するインテークマニホールド２０を介して共通のサージタンク３０に接続されている。サージタンク３０は、吸気ダクト４０を介してエアクリーナ５０に接続され、吸気ダクト４０内にはエアフローメータ４２が配置されるとともに、電動モータ６０によって駆動されるスロットルバルブ７０が配置されている。このスロットルバルブ７０は、アクセルペダル１００とは独立してエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００の出力
信号に基づいてその開度が制御される。一方、各気筒１１２は共通のエキゾーストマニホールド８０に連結され、このエキゾーストマニホールド８０は三元触媒コンバータ９０に連結されている。
【００２６】
各気筒１１２に対しては、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１０と、吸気ポートまたは／および吸気通路内に向けて燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタ１２０とがそれぞれ設けられている。これらインジェクタ１１０、１２０はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。また、各気筒内噴射用インジェクタ１１０は共通の燃料分配管１３０に接続されており、この燃料分配管１３０は燃料分配管１３０に向けて流通可能な逆止弁１４０を介して、機関駆動式の高圧燃料ポンプ１５０に接続されている。なお、本実施の形態においては、２つのインジェクタが別個に設けられた内燃機関について説明するが、本発明はこのような内燃機関に限定されない。たとえば、筒内噴射機能と吸気通路噴射機能とを併せ持つような１個のインジェクタを有する内燃機関であってもよい。
【００２７】
図１に示すように、高圧燃料ポンプ１５０の吐出側は電磁スピル弁１５２を介して高圧燃料ポンプ１５０の吸入側に連結されており、この電磁スピル弁１５２の開度が小さいときほど、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０内に供給される燃料量が増大され、電磁スピル弁１５２が全開にされると、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、電磁スピル弁１５２はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいて制御される。
【００２８】
一方、各吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、共通する低圧側の燃料分配管１６０に接続されており、燃料分配管１６０および高圧燃料ポンプ１５０は共通の燃料圧レギュレータ１７０を介して、電動モータ駆動式の低圧燃料ポンプ１８０に接続されている。さらに、低圧燃料ポンプ１８０は燃料フィルタ１９０を介して燃料タンク２００に接続されている。燃料圧レギュレータ１７０は低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の一部を燃料タンク２００に戻すように構成されており、したがって吸気通路噴射用インジェクタ１２０に供給されている燃料圧および高圧燃料ポンプ１５０に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。
【００２９】
エンジンＥＣＵ３００は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１０を介して相互に接続されたＲＯＭ(Read Only Memory)３２０、ＲＡＭ(Random Access Memory)３３０、ＣＰＵ(Central Processing Unit)３４０、入力ポート３５０および出力ポート３６０を備えている。
【００３０】
エアフローメータ４２は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４２の出力電圧はＡ／Ｄ変換器３７０を介して入力ポート３５０に入力される。エンジン１０には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８０が取付けられ、この水温センサ３８０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器３９０を介して入力ポート３５０に入力される。
【００３１】
燃料分配管１３０には燃料分配管１３０内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４００が取付けられ、この燃料圧センサ４００の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４１０を介して入力ポート３５０に入力される。三元触媒コンバータ９０上流のエキゾーストマニホールド８０には、排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する空燃比センサ４２０が取付けられ、この空燃比センサ４２０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４３０を介して入力ポート３５０に入力される。
【００３２】
本実施の形態に係るエンジンシステムにおける空燃比センサ４２０は、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比に比例した出力電圧を発生する全域空燃比センサ（リニア空燃比センサ）である。なお、空燃比センサ４２０としては、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかをオン−オフ的に検出するＯ2センサを用いてもよい。
【００３３】
アクセルペダル１００は、アクセルペダル１００の踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ４４０に接続され、アクセル開度センサ４４０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４５０を介して入力ポート３５０に入力される。また、入力ポート３５０には、機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ４６０が接続されている。エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０には、上述のアクセル開度センサ４４０および回転数センサ４６０により得られる機関負荷率および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射量の値や機関冷却水温に基づく補正値などが予めマップ化されて記憶されている。
【００３４】
図２に、図１の部分拡大図を示す。図２は、図１の各気筒１１２における筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の位置関係、ならびにインテークマニホールド２０、吸気バルブ１２２、排気バルブ１２１、点火プラグ１１９およびピストン１２３の位置関係を説明する図である。
【００３５】
インテークマニホールド２０の燃焼室側には吸気バルブ１２２が設けられており、その吸気バルブ１２２の上流側に吸気通路噴射用インジェクタ１２０が配置されている。吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、吸気通路であるインテークマニホールド２０の内壁に向けて燃料を噴射する。
【００３６】
この吸気通路噴射用インジェクタ１２０の燃料噴射方向については、一例として、以下のようにすることが考えられる。
【００３７】
このインテークマニホールド２０の内壁には、吸気バルブ１２２と、排気バルブ１２１とのオーバーラップにより燃焼室内のＰＭ(Particulate Matter)がインテークマニホールド２０に逆流し、吸気通路噴射用インジェクタ１２０により噴射された燃料が噴霧され微細化された燃料が接着剤として働き、インテークマニホールド２０の吸気バルブ１２２の近い側の内壁にデポジットとして堆積することがある。吸気通路噴射用インジェクタ１２０の燃料噴射方向は、このデポジットに向けられた方向になるように設けられている。これにより、吸気通路噴射用インジェクタ１２０から噴射された燃料により、このデポジットを洗い流すことができる。
【００３８】
また、このインテークマニホールド２０には、スワールコントロールバルブなどであって、燃焼室内に渦流を形成するものが設けられない。このスワールコントロールバルブなどが設けられると、流量係数を低下せしめることになり、ＷＯＴ時に必要十分な空気を燃焼室に流入させることができない。ところが、本実施の形態における内燃機関においては、流量係数を高くするようにして、高流量ポートを実現した。なお、高流量を実現できるのであれば、タンジェンシャル型（tangential type）の吸気ポートであってもよい。こ
のタンジェンシャル型ポートは、吸気バルブ１２２の周辺で渦巻状となって左右に振れた形状とはならず、真っ直ぐに伸びて上下に大きく円弧を画いた先端部を有する。したがって吸気ポート内での流れに対する抵抗が小さく、吸気ポートの流量係数はスワールポートに比しはるかに大きくなり、エンジン１０の体積効率が高くなり、多量の空気が燃焼室内に吸入することができるものである。このときの吸気ポートの流量係数Ｃｆは０．５〜０．７以上が好ましい。
【００３９】
図２に示すように、ピストン１２３の頂部には、筒内噴射用インジェクタ１１０に対向する位置に緩やかな曲線から形成されるくぼみであるキャビティ１２３Ｃが設けられている。このキャビティ１２３Ｃに向けて筒内噴射用インジェクタ１１０から燃料が噴射される。このとき、筒内噴射用インジェクタ１１０に対向するピストン１２３の頂部は角部を有しないので、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料により形成された噴霧が角部により分裂されることがない。このような分裂があると燃焼に悪影響を与えるローカルリッチ（ここでいうローカルリッチとは、点火プラグ１１９近傍以外でリッチな混合気が形成されることを意味する）の状態になる場合があり得るが、そのような状態になることを回避できる。なお、図２に示すように配置された筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との燃料分担比率の詳細については、後述する。
【００４０】
図２に示すように、ピストン１２３においては、ピストン１２３とコネクティングロッド（図示しない）とは、ピストンピン１２３Ａで連結される。ピストン１２３には、このピストンピン１２３Ａを収めるためのピストン・ピン・ボス部１２３Ｂが設けられる。ピストン１２３の頂面には、強大なガス力とピストン１２３の慣性力とが直接加わる。
【００４１】
図３を参照して、ピストン１２３の構造について説明する。図３に示すように、ピストン１２３は、コネクティングロッドをその両側から挟むように設けられた２つのピストン・ピン・ボス部１２３Ｂを有する。この２つのピストン・ピン・ボス部１２３Ｂによりコネクティングロッドのスモールエンド部分が挟まれるようにされて、さらにピストンピン１２３Ａにより２つのピストン・ピン・ボス部１２３Ｂとコネクティングロッドのスモールエンド部分とが回転自在に連結される。
【００４２】
図３に示すように、キャビティ１２３Ｃの中心線で切断した断面におけるスラスト側（キャビティ１２３Ｃがない側）には、反スラスト側よりも大きな肉抜き部１２３Ｄが設けられる。これは、キャビティ１２３Ｃのないスラスト側のほうが、キャビティ１２３Ｃがある反スラスト側よりも、この部分においてピストン１２３が受ける応力が小さいため、この肉抜き部１２３Ｄのように大きくピストン１２３Ｃの肉厚を薄くすることができる。ただし、受ける応力に十分に耐え得るだけの厚みを有する。以下、この肉抜き部について詳細に説明する。
【００４３】
図４に、ピストン１２３の頂面を上方から見た図を示す。なお、図４に示すキャビティ１２３Ｃの形状は一例であって、本発明がこの形状のキャビティ１２３Ｃに限定されるものではない。なお、図３に合致させるように、図４に、スラスト側と反スラスト側とを記載している。
【００４４】
図５に、図４の５−５断面を、図６に、図４および図５の６−６断面を、図７に、図４および図５の７−７断面を、それぞれ示す。
【００４５】
図６に示すように、６−６断面においては、ピストン１２３の頂面の裏側に、肉抜き部１２３Ｄおよび肉抜き部１２３Ｅが設けられている。キャビティ１２３Ｃがない側の肉抜き部１２３Ｄは、キャビティ１２３Ｃがある側の肉抜き部１２３Ｅより、大きく肉抜きが施されている。肉抜き部１２３Ｄは、その肉抜き部１２３Ｄを施した残りの部分の厚みがピストン１２３の頂面にかかる応力に耐え得るように設計されている。肉抜き部１２３Ｅは、その肉抜き部１２３Ｅを施した残りの部分の厚みが、キャビティ１２３Ｃによる応力の増大があったとしても（応力集中等）、ピストン１２３の頂面にかかる応力に耐え得るように設計されている。なお、このように肉抜き部１２３Ｄおよび肉抜き部１２３Ｅの形状が異なるので、スラスト−反スラスト方向のバランスが十分にとることができない。このことを、後述するように、バランス対策としての肉抜き部を別途設けることにより解決している。
【００４６】
また、肉抜き部１２３Ｄは、大きく肉抜きが施された結果、ピストンリングのグループ（溝）まで空隙を形成している。このため、シリンダに当接して摺動することにより発熱が著しいピストンリングをオイルを用いて効率よく冷却することができる。
【００４７】
図７に示すように、７−７断面においても、６−６断面と同じように、ピストン１２３の頂面の裏側に、肉抜き部１２３Ｆおよび肉抜き部１２３Ｇが設けられている。キャビティ１２３Ｃがない側の肉抜き部１２３Ｆは、キャビティ１２３Ｃがある側の肉抜き部１２３Ｇより、大きく肉抜きが施すことができる。この場合においても、前述と同様に、肉抜き部１２３Ｆは、その肉抜き部１２３Ｆを施した残りの部分の厚みがピストン１２３の頂面にかかる応力に耐え得るように設計されている。肉抜き部１２３Ｇは、その肉抜き部１２３Ｇを施した残りの部分の厚みが、キャビティ１２３Ｃによる応力の増大があったとしても（応力集中）、ピストン１２３の頂面にかかる応力に耐え得るように設計されている。
【００４８】
すなわち、この７−７断面においても、キャビティ１２３Ｃがない側の肉抜き部１２３Ｆを大きくすることができる。このことを利用して、上述したバランスの問題を解決している。すなわち、図６に示す６−６断面および図７に示す７−７断面のいずれにおいても、キャビティ１２３Ｃのない側（スラスト側）で大きく肉抜きができ、キャビティ１２３Ｃのある側（反スラスト側）では大きく肉抜きができない。このため、スラスト−反スラスト方向のバランスが十分にとることができない。これを解決するために、図７に示す７−７断面において肉抜き部１２３Ｆの形状を、スラスト−反スラスト方向のバランスが取れるように、かつ、ピストン１２３の頂面にかかる応力に耐え得るように、設計している。
【００４９】
すなわち、まず、図６に示す、キャビティ１２３Ｃのない側（スラスト側）において必要なピストン頂面の厚みをピストン１２３が受ける応力に耐え得るように、肉抜き部１２３Ｄの形状を設計する。次いで、６−６断面におけるスラスト−反スラスト方向のバランスを優先するのではなく、キャビティ１２３Ｃがある側（反スラスト側）においてピストン１２３が受ける応力に耐え得ることを優先して、肉抜き部１２３Ｅの形状を設計する。このとき、キャビティ１２３Ｃにより反スラスト側の重量が軽くなっているので、バランスを優先すると、ピストン１２３が受ける応力に耐え得るだけの肉厚により決定される厚みよりも厚くなるので、肉抜き部１２３Ｅは大きく肉抜きができるように設計できない。
【００５０】
次いで、図７に示す、キャビティ１２３Ｃがある側（反スラスト側）においてピストン１２３が受ける応力に耐え得ることを優先して、肉抜き部１２３Ｇの形状を設計する。次いで、ピストン１２３全体におけるスラスト−反スラスト方向のバランスを取るように、肉抜き部１２３Ｆの形状を決定する。
【００５１】
このとき、バランスを優先すると大きく肉抜きができなかったがピストン１２３が受ける応力に耐え得るように肉抜き部１２３Ｅを大きく肉抜きしていることに対応して、反対側の肉抜き部１２３Ｆを大きくする。すなわち、キャビティ１２３Ｃがある側（反スラスト側）の肉抜き部１２３Ｅを大きくしたことおよびキャビティ１２３Ｃがあることにより反スラスト側の重量が軽くなっていることと平衡させるために、スラスト側の肉抜き部１２３Ｆを大きくすることにより、スラスト側の重量も軽くしている。このようにすることにより、ピストン１２３全体におけるスラスト−反スラスト方向のバランスを取ることができる。
【００５２】
なお、肉抜き部１２３Ｄ、肉抜き部１２３Ｅ、肉抜き部１２３Ｆおよび肉抜き部１２３Ｇは、滑らかな曲線で構成されている。このため、角部がないので、その角部に応力集中が発生することもない。
【００５３】
以上のようにして、本実施の形態に係るエンジン１０によると、主として、ピストン１２３の頂面に設けられたキャビティ１２３Ｃの下部以外のピストン１２３裏面に肉抜き部が設けられる。ピストン１２３の頂面には強大なガス力（爆発力）が加わるが、特にキャビティ１２３Ｃの部分には応力が集中する。このため、このキャビティ１２３Ｃの下部以外においてピストン裏面の肉抜き量が大きくなるように設計する。このようにすると、応力に十分耐え得るピストン１２３を実現でき、キャビティ１２３Ｃを有するために発生する応力集中によるピストン１２３の破損の可能性を回避することができる。また、ピストン１２３の周縁部の裏面において肉抜きされると、ピストンリング溝の背面（ピストン中心軸側）の肉厚を薄くでき、摺動摩擦により発熱するピストンリングのオイルによる冷却を促進することができる。さらに、キャビティ１２３Ｃの下部において肉抜き量が少なくして厚みを厚くして、キャビティ１２３Ｃ以外の下部において肉抜き量を多くして厚みを（キャビティ１２３Ｃの窪みの分だけ）より薄くして、バランスを取ることができる。この結果、ピストンの重量を軽くすることができる。
【００５４】
＜この制御装置が適用されるに適したエンジン（その１）＞
以下、本実施の形態に係る制御装置が適用されるに適したエンジン（その１）について説明する。
【００５５】
図８および図９を参照して、エンジン１０の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との噴き分け比率（以下、ＤＩ比率（r）とも記載する。）を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０に記憶される。図８は、エンジン１０の温間用マップであって、図９は、エンジン１０の冷間用マップである。
【００５６】
図８および図９に示すように、これらのマップは、エンジン１０の回転数を横軸にして、負荷率を縦軸にして、筒内噴射用インジェクタ１１０の分担比率がＤＩ比率ｒとして百分率で示されている。
【００５７】
図８および図９に示すように、エンジン１０の回転数と負荷率とに定まる運転領域ごとに、ＤＩ比率ｒが設定されている。「ＤＩ比率ｒ＝１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味し、「ＤＩ比率ｒ＝０％」とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味する。「ＤＩ比率ｒ≠０％」、「ＤＩ比率ｒ≠１００％」および「０％＜ＤＩ比率ｒ＜１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０とで燃料噴射が分担して行なわれる領域であることを意味する。なお、概略的には、筒内噴射用インジェクタ１１０は、出力性能の上昇に寄与し、吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、混合気の均一性に寄与する。このような特性の異なる２種類のインジェクタを、エンジン１０の回転数と負荷率とで使い分けることにより、エンジン１０が通常運転状態（たとえば、アイドル時の触媒暖気時が、通常運転状態以外の非通常運転状態の一例であるといえる）である場合には、均質燃焼のみが行なわれるようにしている。
【００５８】
さらに、これらの図８および図９に示すように、温間時のマップと冷間時のマップとに分けて、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０のＤＩ分担率ｒを規定した。エンジン１０の温度が異なると、筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の制御領域が異なるように設定されたマップを用いて、エンジン１０の温度を検知して、エンジン１０の温度が予め定められた温度しきい値以上であると図８の温間時のマップを選択して、そうではないと図９に示す冷間時のマップを選択する。それぞれ選択されたマップに基づいて、エンジン１０の回転数と負荷率とに基づいて、筒内噴射用インジェクタ１１０および／または吸気通路噴射用インジェクタ１２０を制御する。
【００５９】
図８および図９に設定されるエンジン１０の回転数と負荷率について説明する。図８のＮＥ（１）は２５００〜２７００ｒｐｍに設定され、ＫＬ（１）は３０〜５０％、ＫＬ（２）は６０〜９０％に設定されている。また、図９のＮＥ（３）は２９００〜３１００ｒｐｍに設定されている。すなわち、ＮＥ（１）＜ＮＥ（３）である。その他、図８のＮＥ（２）や、図９のＫＬ（３）、ＫＬ（４）も適宜設定されている。
【００６０】
図８および図９を比較すると、図８に示す温間用マップのＮＥ（１）よりも図９に示す冷間用マップのＮＥ（３）の方が高い。これは、エンジン１０の温度が低いほど、吸気通路噴射用インジェクタ１２０の制御領域が高いエンジン回転数の領域まで拡大されるということを示す。すなわち、エンジン１０が冷えている状態であるので、（たとえ、筒内噴射用インジェクタ１１０から燃料を噴射しなくても）筒内噴射用インジェクタ１１０の噴口にデポジットが堆積しにくい。このため、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を使って燃料を噴射する領域を拡大するように設定され、均質性を向上させることができる。
【００６１】
図８および図９を比較すると、エンジン１０の回転数が、温間用マップにおいてはＮＥ（１）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＮＥ（３）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。また、負荷率が、温間用マップにおいてはＫＬ（２）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＫＬ（４）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されるということを示す。すなわち、高回転領域や高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１０のみで燃料を噴射しても、エンジン１０の回転数や負荷が高く吸気量が多いので筒内噴射用インジェクタ１１０のみでも混合気を均質化しやすいためである。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い（燃焼室から熱を奪い）気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。
【００６２】
図８に示す温間マップでは、負荷率ＫＬ（１）以下では、筒内噴射用インジェクタ１１０のみが用いられる。これは、エンジン１０の温度が高いときであって、予め定められた低負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されるということを示す。これは、温間時においてはエンジン１０が暖まった状態であるので、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴口にデポジットが堆積しやすい。しかしながら、筒内噴射用インジェクタ１１０を使って燃料を噴射することにより噴口温度を低下させることができるので、デポジットの堆積を回避することも考えられ、また、筒内噴射用インジェクタの最小燃料噴射量を確保して、筒内噴射用インジェクタ１１０を閉塞させないことも考えられ、このために、筒内噴射用インジェクタ１１０を用いた領域としている。
【００６３】
図８および図９を比較すると、図９の冷間用マップにのみ「ＤＩ比率ｒ＝０％」の領域が存在する。これは、エンジン１０の温度が低いときであって、予め定められた低負荷領域（ＫＬ（３）以下）では吸気通路噴射用インジェクタ１２０のみが使用されるということを示す。これはエンジン１０が冷えていてエンジン１０の負荷が低く吸気量も低いため燃料が霧化しにくい。このような領域においては筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射では良好な燃焼が困難であるため、また、特に低負荷および低回転数の領域では筒内噴射用インジェクタ１１０を用いた高出力を必要としないため、筒内噴射用インジェクタ１１０を用いないで、吸気通路噴射用インジェクタ１２０のみを用いる。
【００６４】
また、通常運転時以外の場合、エンジン１０がアイドル時の触媒暖気時の場合（非通常運転状態であるとき）、成層燃焼を行なうように筒内噴射用インジェクタ１１０が制御される。このような触媒暖気運転中にのみ成層燃焼させることで、触媒暖気を促進させ、排気エミッションの向上を図る。
【００６５】
＜この制御装置が適用されるに適したエンジン（その２）＞
以下、本実施の形態に係る制御装置が適用されるに適したエンジン（その２）について説明する。なお、以下のエンジン（その２）の説明において、エンジン（その１）と同じ説明については、ここでは繰り返さない。
【００６６】
図１０および図１１を参照して、エンジン１０の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との噴き分け比率を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０に記憶される。図１０は、エンジン１０の温間用マップであって、図１１は、エンジン１０の冷間用マップである。
【００６７】
図１０および図１１を比較すると、以下の点で図８および図９と異なる。エンジン１０の回転数が、温間用マップにおいてはＮＥ（１）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＮＥ（３）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。また、負荷率が、温間用マップにおいては低回転数領域を除くＫＬ（２）以上の領域において、冷間用マップにおいては低回転数領域を除くＫＬ（４）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用される領域が多いことを示す。しかしながら、低回転数領域の高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料により形成される混合気のミキシングが良好ではなく、燃焼室内の混合気が不均質で燃焼が不安定になる傾向を有する。このため、このような問題が発生しない高回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタの噴射比率を増大させるようにしている。また、このような問題が発生する高負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させるようにしている。これらのＤＩ比率ｒの変化を図１０および図１１に十字の矢印で示す。このようにすると、燃焼が不安定であることに起因するエンジンの出力トルクの変動を抑制することができる。なお、これらのことは、予め定められた低回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させることや、予め定められた低負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を増大させることと、略等価であることを確認的に記載する。また、このような領域（図１０および図１１で十字の矢印が記載された領域）以外の領域であって筒内噴射用インジェクタ１１０のみで燃料を噴射している領域（高回転側、低負荷側）においては、筒内噴射用インジェクタ１１０のみでも混合気を均質化しやすい。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い（燃焼室から熱を奪い）気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。
【００６８】
なお、図８〜図１１を用いて説明したこのエンジン１０においては、均質燃焼は筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを吸気行程とすることにより、成層燃焼は筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることにより実現できる。すなわち、筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることで、点火プラグ周りにリッチ混合気が偏在させることにより燃焼室全体としてはリーンな混合気に着火する成層燃焼を実現することができる。また、筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを吸気行程としても点火プラグ周りにリッチ混合気を偏在させることができれば、吸気行程噴射であっても成層燃焼を実現できる。
【００６９】
また、ここでいう成層燃焼には、成層燃焼と以下に示す弱成層燃焼の双方を含むものである。弱成層燃焼とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を吸気行程で燃料噴射して燃焼室全体にリーンで均質な混合気を生成して、さらに筒内噴射用インジェクタ１１０を圧縮行程で燃料噴射して点火プラグ周りにリッチな混合気を生成して、燃焼状態の向上を図るものである。このような弱成層燃焼は触媒暖気時に好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、触媒暖気時には高温の燃焼ガスを触媒に到達させるために点火時期を大幅に遅角させ、かつ良好な燃焼状態（アイドル状態）を維持する必要がある。また、ある程度の燃料量を供給する必要がある。これを成層燃焼で行なおうとしても燃料量が少ないという問題があり、これを均質燃焼で行なおうとしても良好な燃焼を維持するために遅角量が成層燃焼に比べて小さいという問題がある。このような観点から、上述した弱成層燃焼を触媒暖気時に用いることが好ましいが、成層燃焼および弱成層燃焼のいずれであっても構わない。
【００７０】
また、図８〜図１１を用いて説明したエンジンにおいては、筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射のタイミングは、以下のような理由により、圧縮行程で行なうことが好ましい。ただし、上述したエンジン１０は、基本的な大部分の領域には（触媒暖気時にのみに行なわれる、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を吸気行程噴射させ、筒内噴射用インジェクタ１１０を圧縮行程噴射させる弱成層燃焼領域以外を基本的な領域という）、筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射のタイミングは、吸気行程である。しかしながら、以下に示す理由があるので、燃焼安定化を目的として一時的に筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程噴射とするようにしてもよい。
【００７１】
筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射時期を圧縮行程中とすることで、筒内温度がより高い時期において、燃料噴射により混合気が冷却される。冷却効果が高まるので、対ノック性を改善することができる。さらに、筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射時期を圧縮行程中とすると、燃料噴射から点火時期までの時間が短いことから噴霧による気流の強化を実現でき、燃焼速度を上昇させることができる。これらの対ノック性の向上と燃焼速度の上昇とから、燃焼変動を回避して、燃焼安定性を向上させることができる。
【００７２】
さらに、エンジン１０の温度によらず（すなわち、温間時および冷間時のいずれの場合であっても）、オフアイドル時（アイドルスイッチがオフの場合、アクセルペダルが踏まれている場合）には、図８または図１０に示す温間マップを用いるようにしてもよい。
【００７３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】ピストンの一部を展開した斜視図である。
【図４】ピストンの上面図である。
【図５】ピストンの断面図（その１）である。
【図６】ピストンの断面図（その２）である。
【図７】ピストンの断面図（その３）である。
【図８】本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの温間時のＤＩ比率マップを表わす図（その１）である。
【図９】本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの冷間時のＤＩ比率マップを表わす図（その１）である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの温間時のＤＩ比率マップを表わす図（その２）である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの冷間時のＤＩ比率マップを表わす図（その２）である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  エンジン、２０  インテークマニホールド、３０  サージタンク、４０  吸気ダクト、４２  エアフローメータ、５０  エアクリーナ、６０  電動モータ、７０  スロットルバルブ、８０  エキゾーストマニホールド、９０  三元触媒コンバータ、１００  アクセルペダル、１１０  筒内噴射用インジェクタ、１１２  気筒、１１９  点火プラグ、１２０  吸気通路噴射用インジェクタ、１２１  排気バルブ、１２２  吸気バルブ、１２３  ピストン、１２３Ａ  ピストンピン、１２３Ｂ  ピストン・ピン・ボス部、１２３Ｃ  キャビティ、１２３Ｄ，１２３Ｅ，１２３Ｆ，１２３Ｇ  肉抜き部、１３０  燃料分配管、１４０  逆止弁、１５０  高圧燃料ポンプ、１５２  電磁スピル弁、１６０  燃料分配管（低圧側）、１７０  燃料圧レギュレータ、１８０  低圧燃料ポンプ、１９０  燃料フィルタ、２００  燃料タンク、３００  エンジンＥＣＵ、３１０  双方向性バス、３２０  ＲＯＭ、３３０  ＲＡＭ、３４０  ＣＰＵ、３５０  入力ポート、３６０  出力ポート、３７０，３９０，４１０，４３０，４５０  Ａ／Ｄ変換器、３８０  水温センサ、４００  燃料圧センサ、４２０  空燃比センサ、４４０  アクセル開度センサ、４６０  回転数センサ。
【図１】
2006258013.tif 000003
【図２】
2006258013.tif 000004
【図３】
2006258013.tif 000005
【図４】
2006258013.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006258013.tif 000008
【図７】
2006258013.tif 000009
【図８】
2006258013.tif 000010
【図９】
2006258013.tif 000011
【図１０】
2006258013.tif 000012
【図１１】
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