(57)【要約】【課題】トップランド部表面に損傷（表面荒れ）が生じるのを抑制することができるピストンを提供する。【解決手段】２つの吸気バルブ４２と排気バルブ５２とを備え、シリンダヘッド下面の筒内天井部１６、シリンダブロック、及びピストンの冠面により画成される燃焼室のほぼ中央に点火栓６０が配置された火花点火式内燃機関用のピストン２０であって、ピストンの冠面に形成されたバルブリセスと、２つの吸気バルブリセス７０Ｆ，７０Ｒの間に形成され筒内天井部と協働してスキッシュ流を形成する突部７５とを備え、２つの吸気バルブリセス７０Ｆ，７０Ｒは、それぞれ、ピストンの外周側面２２との平面視における重なり量が異なるように形成されている。【選択図】図３
2012246904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの吸気バルブと排気バルブとを備え、シリンダヘッド下面の筒内天井部、シリンダブロック、及びピストンの冠面により画成される燃焼室のほぼ中央に点火栓が配置された火花点火式内燃機関用のピストンであって、
ピストンの冠面に形成され前記２つの吸気バルブと排気バルブとの干渉を回避するためのバルブリセスと、
前記２つの吸気バルブリセスの間に形成され前記筒内天井部と協働してスキッシュ流を形成する突部とを備え、
前記２つの吸気バルブリセスは、それぞれ、ピストンの外周側面との平面視における重なり量が異なるように形成されていることを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記２つの吸気バルブリセスは、それぞれ、大きさを異ならせて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記２つの吸気バルブリセスは、それぞれ、位置を異ならせて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のピストンを備えたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関用のピストン、及びそれを備えた火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火花点火式内燃機関においては、燃焼室の中央部で点火された混合気の火炎面が燃焼室外縁部へと伝播していくが、例えば燃焼室外縁部において空気と燃料の混合が十分でないと、その燃焼速度が不十分となりノッキングが発生し易くなることが知られている。そこで、このようなノッキングの発生を抑制するために、燃焼室内での混合気または燃焼流体の流れを制御すべく、ピストン形状を含む燃焼室の形状の改良が図られている。
【０００３】
このような内燃機関としては、例えば、図５及び図６に示すような燃焼室形状を備えたものが知られている。すなわち、これは、２つの吸気バルブＩＮ、ＩＮと２つの排気バルブＥＸ，ＥＸとを備え、シリンダヘッド下面の筒内天井部ＳＣ、シリンダブロック（ここでは不図示）、及びピストンＰの冠面により画成される燃焼室のほぼ中央に点火栓ＩＧＮが配置された内燃機関の燃焼室であって、ピストンの冠面に上述の吸気及び排気バルブとの干渉を回避するための吸気バルブリセスＩＮＲ，ＩＮＲ、及び排気バルブリセスＥＸＲ、ＥＸＲが形成されているピストンＰを備えている。ここで、これらの吸気バルブリセスＩＮＲ，ＩＮＲ、及び排気バルブリセスＥＸＲ、ＥＸＲは、ピストンＰの中心線Ｏを包含し径方向に延在する平面（以下、中心境界平面ＣＦと称す）に対し対称に配置されている。そして、これらの２つの吸気バルブリセスＩＮＲ，ＩＮＲの間、すなわち、中心境界平面ＣＦを含む領域には、筒内天井部ＳＣと協働してスキッシュ流を形成する吸気バルブ側の突部ＩＮＰが形成されていると共に、２つの排気バルブリセスＥＸＲ、ＥＸＲの間（同じく、中心境界平面ＣＦを含む領域）には、筒内天井部ＳＣと協働してスキッシュ流を形成する排気バルブ側の突部ＥＸＰが形成されている内燃機関が知られている。例えば、特許文献１参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０３３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述の構成のピストンＰを備える内燃機関、特に、ピストンＰの冠面にバルブリセスが形成されると共に、これらの２つの吸気バルブリセスＩＮＲ、ＩＮＲ及び２つの排気バルブリセスＥＸＲ、ＥＸＲの間に、それぞれ、シリンダヘッド下面の筒内天井部ＳＣと協働してスキッシュ流を形成する突部ＩＮＰ，ＥＸＰが形成されたピストンＰを備える内燃機関では、スキッシュ流を形成して混合気の撹拌を促進することにより、ノッキングの発生を抑制するようにしているが、その抑制作用は十分ではなく、そのピストン表面、特に、中心境界平面ＣＦを含む領域で吸気バルブ側の突部ＩＮＰが形成された部位近傍におけるトップランド部表面に損傷（表面荒れ）が生ずるという問題が散見された。このような表面荒れは、内燃機関の使用が継続するにつれ、ピストンの破損につながることから、好ましいものではない。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる従来の問題を解消し、表面の損傷、特に、吸気バルブ側の突部が形成された部位近傍のトップランド部表面に損傷（表面荒れ）が生じるのを抑制することができるピストン、及びそれを用いた火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、実機試験及びＣＦＤ解析を用いた鋭意研究の結果、上記従来の内燃機関に用いられるピストンの表面荒れの原因及びメカニズムは、以下のようであるとの知見を得た。このことを、内燃機関の燃焼室をシリンダヘッド下面に透視して示す図７に基づいて説明する。まず、図７（Ａ）は、上記の内燃機関において、点火栓ＩＧＮによって混合気に点火が行われて、火炎が伝播される状態を示している。この状態では、点火栓ＩＧＮを中心としてその周りは火炎面が燃焼して伝播した後の混合気の既燃領域ＡＣであるのに対し、点描で示す未燃領域ＮＣが２つの吸気バルブＩＮ、ＩＮの外側の燃焼室外縁部に残っている。そして、図７（Ｂ）は混合気の自発火によるノッキングが発生した状態を示している。このノッキングの発生は、未燃混合気が受けた圧力／温度履歴によるが、大半が上述の中心境界平面ＣＦの近傍で吸気バルブＩＮ側未燃領域ＮＣ内の点火栓ＩＧＮ寄りの位置（説明の便宜上、Ｘと称す）で生ずる。そして、図７（Ｃ）はその後に圧力波が衝突する様子を示している。すなわち、位置Ｘでノッキングが発生すると、それによる圧力波が燃焼室内の方々に伝播する。それらのうちの代表的な３つの経路を通る圧力波を、それぞれ、吸気バルブＩＮ側の突部ＩＮＰを乗り越えて燃焼室外縁部に至る第１の圧力波ＰＷ１、吸気バルブリセスＩＮＲの一方側から回り込んで燃焼室外縁部に至る第２の圧力波ＰＷ２、及び吸気バルブリセスＩＮＲの他方側から回り込んで燃焼室外縁部に至る第３の圧力波ＰＷ３とする。これらの第１ないし第３の圧力波ＰＷ１ないしＰＷ３のうち、第２及び第３の圧力波ＰＷ２及びＰＷ３は、２つの吸気バルブリセスＩＮＲの一方及び他方が、同じ大きさで中心境界平面ＣＦに対し対称に配置されているので、吸気バルブＩＮ側の燃焼室外縁部の中央付近に同時に到達することになる。しかし、第１の圧力波ＰＷ１とこれらの第２及び第３の圧力波ＰＷ２及びＰＷ３とは、それぞれが通る経路（距離）が異なることから、伝播速度が同じであれば同時に一点に到達し衝突することはないが、これらの経路における温度差（既燃領域ＡＣか未燃領域ＮＣかによる）とか経路抵抗ないしは障害物の有無などが原因となって、圧力波の伝播速度が異なることになる結果として、これらの第１ないし第３の圧力波ＰＷ１ないしＰＷ３が、図６（Ｂ）に示すように、吸気バルブＩＮ側の燃焼室外縁部の中央の一点Ｙに同時に到達して衝突することが判明した。このように、ピストン表面の損傷（荒れ）は、かかる圧力波が吸気バルブＩＮ側の燃焼室外縁部で一点に集中して過大な圧力が発生することに起因するエロージョンであることが判明したのである。
【０００８】
そこで、上記目的を達成する本発明の火花点火式内燃機関用のピストンの一形態は、２つの吸気バルブと排気バルブとを備え、シリンダヘッド下面の筒内天井部、シリンダブロック、及びピストンの冠面により画成される燃焼室のほぼ中央に点火栓が配置された火花点火式内燃機関用のピストンであって、ピストンの冠面に形成され前記２つの吸気バルブと排気バルブとの干渉を回避するためのバルブリセスと、前記２つの吸気バルブリセスの間に形成され前記筒内天井部と協働してスキッシュ流を形成する突部とを備え、前記２つの吸気バルブリセスは、それぞれ、ピストンの外周側面との平面視における重なり量が異なるように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
上記の火花点火式内燃機関用のピストンの一形態によれば、ピストンの冠面に形成される２つの吸気バルブリセスは、ピストンの外周側面との平面視における重なり量が、それぞれ、異なるように形成されている。ここで、仮に燃焼室内の上述の位置Ｘでノッキングが発生したとすると、それによる代表的な圧力波は、２つの吸気バルブリセスの間に形成されたスキッシュ流形成用の突部を通る第１経路、ピストンの外周側面との平面視における重なり量が異なるように形成されている２つの吸気バルブリセスの一方を通る第２経路、及びその他方を通る第３経路を経由してピストンの外周側面に伝播することになる。しかし、上記第２経路と第３経路は途中の経路抵抗の大きさが異なることから、そこを通る第２、第３の圧力波の伝播速度も異なり、ピストンの外周側面の中央付近で合流せず、これらと第１経路を通る第１の圧力波との一点における同時の重なりも回避される。かくて、吸気バルブ側の突部が形成された部位近傍のトップランド部表面に過大な圧力が発生することがなく、損傷（表面荒れ）が生じることを抑制することができる。
【００１０】
ここで、前記２つの吸気バルブリセスは、それぞれ、大きさを異ならせて形成されていてもよい。
【００１１】
また、前記２つの吸気バルブリセスは、それぞれ、大きさはおなじであるが、位置を異ならせて形成されていてもよい。
【００１２】
なお、前記２つの吸気バルブリセスに対応する吸気バルブ自体も、吸気バルブリセスとの干渉が回避される限り、それに合わせてその大きさ又は位置を異ならせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の部分断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る内燃機関における燃焼室を画成する（Ａ）シリンダヘッド下面部、及び（Ｂ）ピストン冠面部をそれぞれ示す斜視図である。
【図３】図２の（Ａ）シリンダヘッド下面部、及び（Ｂ）ピストン冠面をそれぞれ示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るピストンにおいて３者の圧力波が伝播する様子を示す平面図である。
【図５】従来の内燃機関における燃焼室を画成する（Ａ）シリンダヘッド下面部、及び（Ｂ）ピストン冠面部をそれぞれ示す斜視図である。
【図６】図４の（Ａ）シリンダヘッド下面部、及び（Ｂ）ピストン冠面をそれぞれ示す平面図である。
【図７】従来の内燃機関において、損傷（表面荒れ）が生ずる原因及びメカニズムを説明するための図であり、（Ａ）は点火時、（Ｂ）はノッキング発生時、及び（Ｃ）はその後の圧力波が伝播し衝突する様子を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
まず、本発明の実施形態に係る内燃機関１０の概要を、図１を参照して説明する。内燃機関１０は、シリンダブロック１２、これに締結されるシリンダヘッド１４、及びシリンダブロック１２に形成されたボア内を往復動するピストン２０を備え、シリンダヘッド１４の下面のペントルーフ型の筒内天井部１６、シリンダブロック１２、及びピストン２０の冠面によって燃焼室３０が画成されている。シリンダヘッド１４には、燃焼室３０に連通する２つの吸気ポート４０、４０と２つの排気ポート５０、５０とが形成され、それぞれの燃焼室３０側の開口端部に２つの吸気バルブ４２、４２と２つの排気バルブ５２，５２とを備えている（なお、図１には、吸気ポート４０及び排気ポート５０はそれぞれ１つのみが示されている）。また、燃焼室３０のほぼ中央、換言すると、ペントルーフ型の筒内天井部１６のほぼ中央に点火栓６０が配置されている。
【００１６】
さらに、ピストン２０の冠面には、上述の吸気バルブ４２及び排気バルブ５２との干渉を回避するための後述する吸気バルブリセス７０、及び排気バルブリセス８０が形成されている（なお、吸気バルブリセス７０及び排気バルブリセス８０についても、図１には、それぞれ１つのみが示されている）。そして、２つの吸気バルブリセス７０の間には、筒内天井部１６と協働してスキッシュ流を形成する吸気バルブ側の突部７５が形成されていると共に、２つの排気バルブリセス８０の間には、筒内天井部１６と協働してスキッシュ流を形成する排気バルブ側の突部８５が形成されている。なお、９０は吸気ポート４０内に燃料を噴射するインジェクターである。
【００１７】
ここで、上述の内燃機関１０における燃焼室３０を画成するシリンダヘッド下面部、及びピストン２０の冠面部をそれぞれ示す斜視図である図２の（Ａ）及び（Ｂ）と、平面図である図３の（Ａ）及び（Ｂ）とを参照して、さらに詳しく説明する。
【００１８】
図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、内燃機関１０における燃焼室３０を画成するシリンダヘッド下面部には、２つの吸気バルブ４２、４２と２つの排気バルブ５２，５２とを備え、シリンダヘッド下面の筒内天井部１６、シリンダブロック（ここでは不図示）、及びピストン２０の冠面により画成される燃焼室３０のほぼ中央に点火栓６０が配置されている。
【００１９】
そして、概ね円筒状のピストン２０は、図２（Ｂ）に示すように、外周側面２２と冠面２４とを有している（以下、それぞれ、ピストン外周側面２２及びピストン冠面２４と称す）。ピストン外周側面２２には、不図示のピストンリングを収容するための複数（通常、３つ）のリング溝が形成されている。図２（Ｂ）には、不図示のトップリングが収容される最上のリング溝、すなわち、トップリング溝２６のみが示され、他のセカンドリング及びオイルリングのためのセカンドリング溝及びオイルリング溝は図示が省略されている。
【００２０】
なお、ピストン２０において、トップリング溝２６の上方はトップランド２８として形成されている。ここでトップランド２８とは、トップリング溝２６の上方に位置するピストン２０の肉の部分全体をいう。このトップランド２８に属するピストン外周側面２２の部分が、トップランド外周側面２９を形成することになる。
【００２１】
また、ピストン冠面２４には、上述の吸気バルブ４２及び排気バルブ５２との干渉を回避するために後述する吸気バルブリセス７０、及び排気バルブリセス８０が形成されている（なお、吸気バルブリセス７０及び排気バルブリセス８０についても、図１には、それぞれ１つのみが示されている）。そして、２つの吸気バルブリセス７０の間には、筒内天井部１６と協働してスキッシュ流を形成する吸気バルブ側の突部７５が形成されていると共に、２つの排気バルブリセス８０の間には、筒内天井部１６と協働してスキッシュ流を形成する排気バルブ側の突部８５が形成されている。
【００２２】
上述のように、ピストン冠面２４には、上述の吸気バルブ４２及び排気バルブ５２との干渉を回避するために、吸気バルブリセス７０、及び排気バルブリセス８０が形成されている。ここで、これらの吸気バルブリセス７０、及び排気バルブリセス８０について、ピストン２０の中心線を包含し、２つの吸気バルブリセス７０と２つの排気バルブリセス８０とのそれぞれ同士間を通る平面（前述の中心境界平面ＣＦに相当する）を境にして、図２（Ｂ）の手前側には添字「Ｆ」を、奥側には添字「Ｒ」を付して表わすと、排気バルブリセス８０Ｆ、８０Ｒは平面視（図３（Ｂ））において同一径の略部分円状であり、中心境界平面ＣＦに対して対称に配置されている。
【００２３】
これに対し、吸気バルブリセス７０Ｆ、７０Ｒは、手前側の吸気バルブリセス７０Ｆの方が平面視（図３（Ｂ））において径が異なり奥側の吸気バルブリセス７０Ｒよりも大きい。そして、吸気バルブリセス７０Ｆ、７０Ｒは中心境界平面ＣＦに対して非対称に配置されている。
【００２４】
これらの吸気バルブリセス７０Ｆ，７０Ｒ及び排気バルブリセス８０Ｆ，８０Ｒの底面は、よく知られているように、ピストン２０の中心線から離れるほど高さ位置が下がるように傾斜されている。そして、手前側吸気バルブリセス７０Ｆ及び奥側吸気バルブリセス７０Ｒは、それぞれ、ピストンの外周側面２２、より具体的には、トップランド外周側面２９との平面視における重なり量が異なるように形成されている。これにより、トップランド２８ないしはトップランド外周側面２９の上端縁部には、手前側吸気バルブリセス７０Ｆ及び奥側吸気バルブリセス７０Ｒとの連続位置において、下方に切り欠かれたような形状、すなわち、手前側及び奥側の切欠き形状部７２Ｆ、７２Ｒが形成されている。これら手前側及び奥側の切欠き形状部７２Ｆ、７２Ｒは中心境界平面ＣＦに対し非対称に配置されていて、かつ、その大きさも異なる。換言すると、手前側の切欠き形状部７２Ｆの周方向長さＬＦは、奥側の切欠き形状部７２Ｒの周方向長さＬＲよりも長くなるように形成されている。かくて、後述するように、これらの切欠き形状部７２Ｆ、７２Ｒを通る経路抵抗が異なるようにされている。一方、手前側排気バルブリセス８０Ｆ及び奥側排気バルブリセス８０Ｒは、トップランド外周側面２９との平面視における重なり量が同一に形成されている。これにより、トップランド２８ないしはトップランド外周側面２９の上端縁部には、手前側排気バルブリセス８０Ｆ及び奥側排気バルブリセス８０Ｒとの連続位置において、手前側及び奥側の切欠き形状部８２Ｆ、８２Ｒが形成されているが、これら手前側及び奥側の切欠き形状部８２Ｆ、８２Ｒは中心境界平面ＣＦに対し対称に配置され、かつ、その大きさも同じである。
【００２５】
ここで、２つの吸気バルブリセス７０の間に形成された吸気バルブ側の突部７５、及び２つの排気バルブリセス８０の間に形成された排気バルブ側の突部８５について説明する。吸気バルブ側のスキッシュ形成用の突部７５及び排気バルブ側のスキッシュ形成用の突部８５は共に、ピストン冠面２４の外周側に位置され、平面視（図３（Ｂ））において略扇形状であり、また、中心境界平面ＣＦ方向における断面形状は略三角形状である点で共通している。したがって、スキッシュ形成用の突部７５、８５は、それぞれ、緩やかに下降しながらピストン外周側面２２に概ね滑らかにつながる外側傾斜面７５ａ、８５ａ、燃焼室の中心側に向く内側傾斜面７５ｂ、８５ｂ、及びこれらの外側傾斜面７５ａ、８５ａと内側傾斜面７５ｂ、８５ｂの間に延びるエッジ部（頂縁部）７５ｃ、８５ｃを有している。ここで、排気バルブ側のスキッシュ形成用の突部８５は中心境界平面ＣＦに対し対称に配置されているのに対し、吸気バルブ側のスキッシュ形成用の突部７５は、異なる大きさの吸気バルブリセス７０Ｆ，７０Ｒに挟まれるように形成される関係上、図３（Ｂ）から明らかなように、中心境界平面ＣＦに対し非対称でありその扇形状も奥側の吸気バルブリセス７０Ｒ側に偏倚されて配置されている。
【００２６】
なお、ピストン冠面２４の中心部には、僅かに窪まされた中心凹部９５が形成されている。そして中心凹部９５の真上に、点火栓６０がシリンダヘッド１４に取り付けられて設けられている。
【００２７】
上述の実施形態に係る内燃機関１０によれば、燃焼室３０内において、仮に前述の中心境界平面ＣＦ上の位置Ｘでノッキングが発生したとすると、それによる代表的な圧力波である第１ないし第３の圧力波ＰＷ１ないしＰＷ３は、図４に示すように、異なる大きさの２つの吸気バルブリセス７０Ｆ，７０Ｒに挟まれるように形成されたスキッシュ流形成用の突部７５を乗り越えて通る第１経路、奥側の吸気バルブリセス７０Ｒ、奥側の切欠き形状部７２Ｒを通る第２経路、及び手前側吸気バルブリセス７０Ｆ、手前側の切欠き形状部７２Ｆを通る第３経路を経由して、ピストンの外周側面２２、より具体的には、トップランド外周側面２９に伝播することになる。しかし、上記第２経路と第３経路の途中においては、奥側の切欠き形状部７２Ｒと手前側の切欠き形状部７２Ｆとが中心境界平面ＣＦに対し非対称に配置され、かつ、その大きさも異なるように形成されていて経路抵抗の大きさが異なることから、そこを通る第２の圧力波ＰＷ２と第３の圧力波ＰＷ３の伝播速度も異なり、中心境界平面ＣＦに対応するピストンの外周側面２２の中央付近（図４にＭで示す）では合流しない。したがって、これらと中心境界平面ＣＦに沿って第１経路を通る第１の圧力波ＰＷ１とが一点（３重点）において同時に重なって衝突することも回避される。かくて、各圧力波の衝突タイミングがずれて圧力増幅箇所が分散されるので、吸気バルブ４２側の突部７５が形成された部位近傍のトップランド外周側面２９の表面に損傷（表面荒れ）が生じることが抑制されるのである。
【００２８】
なお、上述においては、２つの吸気バルブリセスが、ピストンの外周側面との平面視における重なり量が異なる一形態として、それぞれの大きさが異なるように形成されている実施形態につき説明したが、他の実施形態を採用することも可能である。例えば、図示は省略するけれども、２つの吸気バルブリセスのそれぞれの大きさは同じであるが、上記重なり量を異ならせるために位置を異ならせて形成されてもよい。このようにすると、各圧力波のピストンの外周側面への侵入位置が異なることになり、同様に、圧力増幅箇所が分散されることになる。さらに、２つの吸気バルブリセスに対応する吸気バルブ自体も、吸気バルブリセスとの干渉が回避される限り、それに合わせてその大きさ又は位置を異ならせてもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２９】
２０      ピストン
２２      ピストン外周側面
２４      ピストン冠面
２９      トップランド外周側面
７０Ｆ    手前側の吸気バルブリセス
７０Ｒ    奥側の吸気バルブリセス
７２Ｆ    手前側の切欠き形状部
７２Ｒ    奥側の切欠き形状部
７５    スキッシュ形成用の突部
８０Ｆ    手前側の排気バルブリセス
８０Ｒ    奥側の排気バルブリセス
８５    スキッシュ形成用の突部
ＣＦ      中心境界平面
【図１】
2012246904.tif 000003
【図２】
2012246904.tif 000004
【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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