(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部に燃焼室が凹設された往復動機関用ピストンにおいて、
前記ピストンは、前記燃焼室の少なくとも底面に弾性を有する鋼材の薄板材からなる被覆板をその上面を該燃焼室に臨ませて固着し、該被覆板の下面に対向する前記底面の一部を窪ませて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成し、前記被覆板の厚さは、機関の起動時及び低負荷運転時を含む燃焼室内のガス圧力が一定圧力以下のときには該ガス圧力による変形を起こさず、前記一定圧力を超えると該ガス圧力により変形を起こし前記空所内に押し込まれるように設定され、燃焼室内のガス圧力に応じて前記燃焼室の容積が変化するように構成されてなり、前記燃焼室の底面は上に凸の円錐状に形成されるとともに、該円錐状の中央部に上方に突出した突起部と、該突起部の外側に環状に窪んで形成された前記空所とを有し、前記被覆板を前記円錐状の底面を覆うように円錐形状に形成し、該被覆板の中央部を前記突起部にて支持するとともに外周部を底面の外周部に固着してなることを特徴とする可変圧縮比ピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関、往復動圧縮機等の往復動機関のピストンに適用され、頂部に燃焼室が凹設された往復動機関用ピストンであって圧縮比を変化可能にされた可変圧縮比ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関においては、高負荷運転時における発生量の抑制とともに、起動時や低負荷運転時における白煙排出量の抑制が排ガス浄化の重要項目として挙げられ、多くの解決手段が提案されている。
前記白煙の排出量を抑制する手段として、機関の圧縮比（ε）を大きくして起動時や低負荷運転時における燃焼を良化することは広く知られているが、該圧縮比を大きくするとシリンダ内最高圧力が上昇し、燃焼室周りの熱負荷が増大してピストン、シリンダヘッド、シリンダライナ等、燃焼室構成部材の耐久性が低下するという問題が発生する。
かかる問題点に対処する手段の一つとして、機関の圧縮比（ε）を機関の運転条件によって変化させる手段が提供されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる圧縮比を可変とする手段としては、ピストン頂面とシリンダヘッド下面との距離を機械的に変化させる手段、ピストンとコネクティングロッドとの連結部に油圧により高さが変化する油圧室を設けて該高さを自動的に変化させることにより圧縮比を調整する手段等が提供されている。
【０００４】
しかしながら、かかる従来技術の中の前者にあっては、機関の負荷変化に正しく追従して圧縮比を変化させることは実用上不可能であり、また後者にあってはピストンとコネクティングロッドとの相対位置を変化させる油圧駆動装置を必要とするため、構造が複雑かつ高コストとなる。
また前記２つ手段とも、燃焼室内の圧力変化に正確に追従して圧縮比を変化させるのは困難を伴う。
等の問題点を有している。
【０００５】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、圧縮比を変化可能にされた往復動機関のピストンにおいて、外部からの制御手段を一切必要とせず簡単かつ低コストの構造で機関の負荷変化に正しく追従して圧縮比を変化せしめることにより、高負荷運転時におけるシリンダ内最高圧力を低下させつつ起動時及び低負荷運転時において白煙の発生を低減し得る可変圧縮比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】
本発明はかかる課題を解決するため、頂部に燃焼室が凹設された往復動機関用ピストンにおいて、前記ピストンは、前記燃焼室の少なくとも底面に弾性を有する鋼材の薄板材からなる被覆板をその上面を該燃焼室に臨ませて固着し、該被覆板の下面に対向する前記底面の一部を窪ませて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成し、前記被覆板の厚さは、機関の起動時及び低負荷運転時を含む燃焼室内のガス圧力が一定圧力以下のときには該ガス圧力による変形を起こさず、前記一定圧力を超えると該ガス圧力により変形を起こし前記空所内に押し込まれるように設定され、燃焼室内のガス圧力に応じて前記燃焼室の容積が変化するように構成されてなり、前記燃焼室の底面は上に凸の円錐状に形成されるとともに、該円錐状の中央部に上方に突出した突起部と、該突起部の外側に環状に窪んで形成された前記空所とを有し、前記被覆板を前記円錐状の底面を覆うように円錐形状に形成し、該被覆板の中央部を前記突起部にて支持するとともに外周部を底面の外周部に固着してなることを特徴とする可変圧縮比ピストンを提案する。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
かかる発明によれば、機関の起動時及び低負荷運転時においては、弾性を有する薄板材からなる被覆板は変形せず、機関の燃焼室の容積は最小容積となり圧縮比は最大圧縮比となる。これにより起動時及び低負荷運転時においては、燃焼室内の圧力及び温度が上昇して燃焼が良化し、該燃焼室内の圧力及び温度の低下に伴う白煙の発生が回避される。
また機関の高負荷運転時においては、前記被覆板がガス圧力により変形してピストンの空所内に押し込まれることにより、前記燃焼室の容積は前記最小容積よりも大きくなって圧縮比は前記最大圧縮比よりも小さくなる。
これにより高負荷運転時において、シリンダ内最高圧力の上昇が抑制されて燃焼室周りの熱負荷が低減され、ピストン、シリンダヘッド、シリンダライナ等、燃焼室構成部材の耐久性が向上する。
【００１０】
また前記白煙の発生を防止するため、低負荷運転時に機関負荷を増大するとシリンダ内最高圧力が上昇するため給気の過給圧力を低下せしめざるを得ず、これにより燃料消費率の上昇をみるが、かかる発明によれば、前記のように低負荷運転時に圧縮比を大きくできるため過給圧力を低下させることを要さず、これによって白煙発生の防止に伴う燃料消費率の増大を回避できる。
【００１１】
従ってかかる発明によれば、燃焼室の少なくとも底面に弾性材からなる薄い被覆板を該燃焼室に臨ませて固着するとともに、前記底面の一部を窪ませて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成する、というきわめて簡単かつ低コストの構造で以って、機関の負荷変化に正しく追従して圧縮比を変化させる圧縮比を変化せしめ、これにより機関の高負荷運転時におけるシリンダ内最高圧力を低下させつつ起動時及び低負荷運転時において燃料消費率の増大を伴うことなく白煙の発生を低減することができる。
【００１２】
また、被覆板を中心部が上に凸の円錐形状に形成して、前記ピストンの突起部にて被覆板の中央部を支持するので、該被覆板の支持剛性が大きくなり該被覆板の耐久性が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１４】
図１は第１参考例の可変圧縮比ピストンを備えたディーゼル機関の燃焼室周りの要部断面図で、（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変形時を示す。図２は可変圧縮比ピストンの第１参考例を示し、（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変形時を示す。図３は可変圧縮比ピストンの第２参考例を示す図２（Ａ）対応図、図４は可変圧縮比ピストンの実施例を示す図２（Ａ）対応図である。
【００１５】
第１参考例に係る可変圧縮比ピストンを備えたディーゼル機関の燃焼室周りの構造を示す図１において、１０はシリンダヘッド、５はシリンダ、６は該シリンダの内部に固挿されたシリンダライナ、１は該シリンダライナ６の内面を往復摺動するアルミニウム鋳物からなるピストンである。７はコネクティングロッド、９はピストンピン、８はコネクティングロッド軸受である。１２はピストンリングである。
２は該ピストンの頂部に凹設された燃焼室、１１は前記シリンダヘッドの中央部に固着されて前記燃焼室２内に燃料を噴射する燃料噴射弁である。
以上の構成は、一般の直接噴射式ディーゼル機関と同様である。本発明においては、前記ピストン１の燃焼室２部を改良している。
【００１６】
即ち該ピストン１の第１参考例を示す図１ないし図２において、３は被覆板で、前記ピストン１に形成された燃焼室２と同形の深い椀状に形成され、上面を該燃焼室２に臨ませて該燃焼室２の底面１ｂ及び側面１ａに沿って固着されている。該被覆板３は弾性を有するとともに前記燃焼室２内の高温ガスに対して十分な耐久性を有する材料からなる薄板にて構成され、ステンレス鋼鈑（ＪＩＳ−ＳＵＳ材等）が好適であるが、高過給機関でなければ炭素鋼板でもよい。
また、該被覆板３は前記ピストン１の鋳造時に鋳包みによって該ピストン１に固着される。
【００１７】
４は前記ピストン１に凹設された空所で、前記燃焼室２の底面１ｂ中央部の、前記被覆板３の下面に対向する部位の一部を窪ませて形成されている。そして前記被覆板３の厚さは、機関の起動時及び低負荷運転時を含む燃焼室２内のガス圧力が一定圧力以下のときには該ガス圧力による変形を起こさず、前記一定圧力を超えると該ガス圧力により変形を起こすような厚さに設定される。
【００１８】
かかるピストン１を製造するにあたっては、ステンレス鋼鈑の薄板からなる前記被覆板３をプレス成形によって前記燃焼室２と同形の深い椀状に前記ピストン１とは別個に製作し、アルミニウム鋳物からなるピストン１の鋳造時に、前記燃焼室２の底面１ｂとの間に前記空所４を形成して該燃焼室２に鋳包むことによって固着する。
【００１９】
かかる構成からなる可変圧縮比ピストンを備えたディーゼル機関の起動時及び低負荷運転時においては、前記燃焼室２内のガス圧力が前記被覆板３の変形を起こさない前記一定圧力以下の圧力Ｐａであるため、図１及び図２の（Ａ）に示すように、前記被覆板３は変形せず、前記燃焼室２の容積は最小容積Ｖａ、また前記空所４は大きな間隙容積Ｖｃ１となり、
圧縮比ε１＝（Ｖａ+Ｖｓ）／Ｖａ＝１+（Ｖｓ／Ｖａ）
ただしＶｓ＝行程容積
と、最大圧縮比となる。
【００２０】
次に、ディーゼル機関の高負荷運転時においては、前記燃焼室２内のガス圧力が前記被覆板３を変形せしめる前記一定圧力を超える圧力Ｐｂであるため、図１及び図２の（Ｂ）に示すように、該ガス圧力Ｐｂにより前記被覆板３が変形して前記空所４内に押し込まれ、該空所４の間隙容積はＶｃ２（あるいはゼロ（＝０））と前記起動時及び低負荷運転時の間隙容積はＶｃ１よりも小さくなる。
従って、前記燃焼室２の容積Ｖｂ＝Ｖａ+（Ｖｃ１―Ｖｃ２）となり、
圧縮比ε２＝（Ｖｂ+Ｖｓ）／Ｖｂ＝１+（Ｖｓ／Ｖｂ）＝１+（Ｖｓ／（Ｖａ+（Ｖｃ１―Ｖｃ２））
ただしＶｓ＝行程容積
となり、前記最大圧縮比ε１よりも小さくなる。
【００２１】
従って、かかる参考例によれば、ディーゼル機関の起動時及び低負荷運転時においては、前記被覆板３は変形せず、前記燃焼室２の容積は最小容積Ｖａとなり圧縮比は最大圧縮比ε１となる。
これにより起動時及び低負荷運転時においては、燃焼室２内の圧力及び温度が上昇して燃焼が良化し、燃焼室２内の圧力及び温度の低下に伴う白煙の発生が回避される。
【００２２】
またディーゼル機関の高負荷運転時においては、被覆板３がガス圧力により変形して前記空所４内に押し込まれることにより、前記燃焼室２の容積Ｖｂは前記最小容積Ｖａよりも大きくなって圧縮比ε２は前記最大圧縮比ε１よりも小さくなる。
これにより高負荷運転時において、シリンダ内最高圧力の上昇が抑制されて、燃焼室周りの熱負荷が低減され、ピストン１、シリンダヘッド１０、シリンダライナ６等、燃焼室２構成部材の耐久性が向上する。
【００２３】
図３に示されるピストンの第２参考例においては、前記被覆板３１を円板状に形成して前記燃焼室２の底面１ｂ外周部に鋳包みにより固着している。
この場合は、前記被覆板３１が円板状であるため該被覆板３１の構造が簡単で切断加工のみで製作でき、プレス成形等の成形加工が不要となって加工工数及び加工コストが低減される。その他の構成は前記第１参考例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００２４】
図４に示されるピストンの実施例においては、前記被覆板３２を中心部が上に凸の円錐形状に形成するとともに、前記燃焼室２の底面１ｂの中央部に上方に突出した突起部１ｄを形成している。そして、前記被覆板３２の中央部を前記突起部１ｄに固着するとともに外周部を前記底面１ｂの外周部に固着して、前記突起部１ｄの外側に環状の空所４を形成している。
この場合は、前記ピストン１の突起部１ｄにて被覆板３２の中央部を支持するので、該被覆板３２の支持剛性が大きくなり該被覆板３２の耐久性が上昇する。その他の構成は前記第１参考例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
尚、前記ピストン１は、以上の実施例のようなアルミニウム鋳物に限られることなく、鋳鉄等の鋼材を用いてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、燃焼室の少なくとも底面に弾性材からなる薄い被覆板を該燃焼室に臨ませて固着するとともに、前記底面の一部を窪ませて該被覆板の変形を受け入れる空所を形成する、というきわめて簡単かつ低コストの構造で以って、機関の負荷変化に正しく追従して圧縮比を変化させる圧縮比を変化せしめ、これにより機関の高負荷運転時におけるシリンダ内最高圧力を低下させつつ起動時及び低負荷運転時において燃料消費率の増大を伴うことなく白煙の発生を低減することができる。
【００２６】
また、被覆板を中心部が上に凸の円錐形状に形成して、前記ピストンの突起部にて被覆板の中央部を支持するので、該被覆板の支持剛性が大きくなり該被覆板の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１参考例の可変圧縮比ピストンを備えたディーゼル機関の燃焼室周りの要部断面図で、（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変形時を示す。
【図２】  可変圧縮比ピストンの第１参考例を示し、（Ａ）は被覆板が変形しないとき、（Ｂ）は被覆板の変形時を示す。
【図３】  可変圧縮比ピストンの第２参考例を示す図２（Ａ）対応図である。
【図４】  可変圧縮比ピストンの実施例を示す図２（Ａ）対応図である。
【符号の説明】
１    ピストン
１ａ  側面
１ｂ  底面
２    燃焼室
３    被覆板
４    空所
５    シリンダ
６    シリンダライナ
１０  シリンダヘッド
１１  燃料噴射弁
【図１】
0004395272.tif 000002
【図２】
0004395272.tif 000003
【図３】
0004395272.tif 000004
【図４】
0004395272.tif 000005