(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂部に燃焼室となる凹部を設けたピストン構造において、
上記凹部はピストン中心から偏位して形成され、同偏位方向であって上記ピストン頂部の外周縁を成すランド部上の略１/３の領域のみに上記偏位方向以外の領域より所定間隔だけ切欠したカットバック部を形成したことを特徴とするピストン構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のピストン構造、特に、ピストン頂部に燃焼室となる凹部を設けたピストン構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関はその燃焼室に供給した燃料を燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させ、その際、ピストンが燃焼ガスより受けたガス圧力をコンロッドを介してクランクシャフトに回転力として伝える。このようなエンジン駆動時に、ピストンはコンロッドに対してピストンピン回りに首振り作動し、その際、ピストン頂部やスカート部を介してシリンダライナーの内壁に側圧を伝えつつ往復摺動する。このため、ピストンは全体として十分な機械的強度を要求され、その上面は高温高圧にさらされることより十分な耐熱性が要求され、特に、ピストン外周壁はシリンダ内壁と摺接することより十分な耐摩耗性を要求され、しかも、高速化に伴い軽量化を図り易く、しかも、熱伝導性がよいことも必要とされ、アルミニウム合金で製造されることが多い。
【０００３】
ところで、要求出力に応じてリーン運転とリーン以外の運転を可能とすべく、燃焼室への直接燃料噴射のタイミングを吸気行程あるいは圧縮行程で行うことが出来る筒内噴射型の内燃機関が知られている。この筒内噴射型の内燃機関で用いるピストンは、そのピストン頂部の上面に凹部を形成し、同凹部とシリンダヘッド側の内壁とで比較的小容量の燃焼室を形成でき、同凹部にリーン運転時には燃料噴射を行い、点火プラグで着火し、希薄燃焼を可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような筒内噴射型の内燃機関の場合、凹部はピストン中心から偏位して形成され、凹部周縁の一部がピストン頂部の外周縁を成すランド部に接近配備される。このように、凹部即ち、燃焼室がランド部に接近しているため、経時的に凹部側のランド部上に固くて厚いカーボンが粘着あるいは固着し易くなり、この滞積カーボンはピストンの首振りにより押し固められ、硬い滞積物となり、これがシリンダライナーを擦り、早期に過大摩耗を生じさせることがある。
本発明は、上述の課題に基づき、シリンダライナーの早期摩耗を防止でき、耐久性を向上できるピストン構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、ピストン頂部に燃焼室となる凹部を設けたピストン構造において、上記凹部はピストン中心から偏位して形成され、同偏位方向に位置し，上記ピストン頂部の外周縁を成すランド部上の略１/３の領域のみに上記偏位方向以外の領域より所定間隔だけ切欠したカットバック部を形成している。
このように、偏位方向に位置する部分にカットバック部を形成し、そこに比較的大きな隙間を形成し、この隙間への火炎の侵入を容易化した。このため、カットバック部に生成されるカーボンを火炎によって容易に燃焼でき、ランド部に滞積カーボンが付着し硬い滞積物が生成されることを防止でき、シリンダライナーの早期摩耗が抑えられ、シリンダライナーの耐久性を向上させることができ、ブローバイガス量の低減を図れる。
【０００６】
好ましくは、上記ピストン構造は筒内噴射型の内燃機関に設けられることが良い。この筒内噴射型の内燃機関の場合、リーン運転域以外の運転域で、吸気行程での燃料噴霧がなされ、噴霧燃料がランド部とシリンダライナーとの隙間側に侵入する比率が高いが、偏位方向に位置する部分にカットバック部を形成し、そこに比較的大きな隙間を形成し、この隙間への火炎の侵入を容易化した。このため、カットバックに生成されるカーボンを火炎によって容易に燃焼でき、シリンダライナーの早期摩耗が抑えられ、シリンダライナーの耐久性を向上させることができ、ブローバイガス量の低減をも図れる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態としてのピストン構造を採用したピストン１を示した。このピストン１は筒内噴射型内燃機関（以下単にエンジン２と記す）に装着される。なお、エンジン２は４サイクル４弁式で直列４気筒であるが、各気筒の構成が同一であり、ここでは１の気筒のピストン１に関して主に説明する。
【０００８】
エンジン２はヘッドカバー３付きのシリンダヘッド４と、その下側のシリンダブロック５と、図示しないクランクケース及びクランクカバーをこの順に重ねて一体化して本体外郭部を形成している。エンジン２の本体内部には、シリンダブロック５の一部を成しピストン１を嵌挿したシリンダライナー６と、ピストン１とシリンダヘッド４の内壁４０１とに挟まれた燃焼室７と、燃焼室７に連通可能な各一対の吸排気ポート８、９（一方側のみ図示した）と、これら吸排気ポートを開閉する各一対の吸排気弁１１、１２（一方側のみ図示した）と、これらを駆動する図示しない動弁系と、ピストン１の往復動を回転運動に変換する図示しないクランクシャフト及びコンロッド１３等が配備される。
【０００９】
シリンダヘッド４はシリンダライナー６の中心に沿ったシリンダ軸線Ｌを含む図示しない縦向き平面を配備したと仮定し、その縦向き平面を挾んで一方側に一対の吸気ポート（手前側のみ図示した）８を他方側に一対の排気ポート９（手前側のみ図示した）をそれぞれ備える。なお、シリンダヘッド４に形成され燃焼室７と対向する内壁４０１は紙面垂直方向に長い楔状凹部として形成され、その楔状凹部を成す内壁４０１の左側部位に吸気弁１１で開閉される吸気ポート８が、右側部位に排気弁１２で開閉される排気ポート９がそれぞれ形成される。更に、楔状凹部を成す内壁４０１のほぼ中央位置には点火プラグ１４が装着され，吸気ポート８のシリンダ外周側部位にはインジェクタ１５が装着される。
シリンダライナー６は、図３に示すように、内壁面６０１がほぼ真円状に形成され、これに嵌着されるピストン１の外周部に設けられたピストンリングｒ１，ｒ２およびオイルリングｒ０（図４参照）が摺接する。
【００１０】
図１〜図４に示すようにピストン１は燃焼室７と対向するピストン頂部１６と、シリンダライナー６に対向するスカート部１７と、ピストン頂部１６の内側壁である下壁より下方に突設された一対のピンボス部１９とを備える。図２に示すように、ピストン頂部１６の外周壁には複数のピストンリングｒ１，ｒ２用のリング溝２２、２３およびオイルリングｒ０用のリング溝３０がこの順で上下方向に互いに所定間隔を隔てて形成される。なお、符号ｇはオイル抜き穴を示す。
【００１１】
ピストン頂部１６はその上面に凹部２０及び隆起部２１が形成される。凹部２０及び隆起部２１はほぼシリンダ軸線Ｌに沿った吸気ポート８を経て降下流動してきた吸気をスムーズに反転し、逆タンブル流ＴＦとして流動させるべく形成される。隆起部２１はその上面が楔状凹部を成す内壁４０１に一様に対向するような楔状突部を成し、吸気ポート１２との対向面側に凹部２０を偏らせて形成し、排気ポート１３との対向面側に傾斜壁面ｆを形成し、中央にエンジン本体の長手方向Ａ（図３参照）に連続する屈曲峰部ｅを形成する。なお、屈曲峰部ｅはその両端部が直状を成し、中間部が凹部２０と傾斜壁面ｆとが交わる湾曲峰部として形成される。このような形状を採ることで、ピストン２が圧縮上死点ＴＤＣ（図１の実線で示す位置）に移動した際に、傾斜壁面ｆと楔状凹部を成す内壁４０１により挟まれたすき間からのエアが峰部ｅを越えて、凹部２０側にスキッシュ流ＳＦとして押し出され、逆タンブル流ＴＦの反転流動を助長できる。
【００１２】
図３に示すように、ピストン頂部１６はその平面視において、凹部２０をシリンダ軸線と一致するピストン中心線Ｌ側よりシリンダブロック５の一側壁側である偏位方向Ｂに偏らせて形成し、しかも、凹部２０のピストン中心側周縁を点火プラグ１４と対向させる。これにより、凹部２０内で逆タンブル流ＴＦと共に流動する燃料を比較的容易に点火プラグ１４に導くことができ、着火を容易化できる。
【００１３】
図２、図３に示すように、ピストン１のトップランド部ｄ上であって、凹部２０の偏位方向Ｂであるシリンダブロック５の一側面側部位には、それ以外の領域より間隔αだけトップランド部ｄを切欠したカットバック部Ｅを形成した。ここでのカットバック部Ｅはピストン１のトップランド部ｄ上であってその略１／３の領域に形成され、凹部２０との相対間隔が比較的狭い領域を全て覆うように構成される。このようなピストン１をシリンダライナー６に嵌挿したことにより、ピストン１のトップランド部ｄとシリンダライナー６の内壁面６０１との隙間はカットバック部Ｅで比較的大きなｔ２と成り、カットバック部Ｅ以外の部位で比較的小さなｔ１（＜ｔ２）となる。
【００１４】
このようなエンジン２は吸入行程で吸気ポートより吸気を受け、圧縮行程で吸気を逆タンブル流ＴＦとして旋回させつつ圧縮し、運転域に応じて圧縮行程あるいは吸気行程で筒内に燃料噴霧を行い、ピストン１が圧縮上死点ＴＤＣ直前で燃焼室７の混合気に点火プラグ１４により着火処理がなされ、燃焼行程へと進む。その燃焼行程でピストン頂部１６が受けた燃焼ガス圧の合力は各ピンボス部１９よりピストンピン２４、コンロッド１３を介し図示しないクランクシャフト側に回転力として出力される。
【００１５】
このようなエンジン２が吸気行程噴射運転域にあると、吸気行程で、即ち、ピストン１が下死点ＢＤＣ位置側にあって、燃料噴射弁１５が凹部２０と対向しない運転域にある時、燃料噴霧が成され、この場合、燃料噴霧は燃焼室７のほぼ全域に拡散し、これが逆タンブル流ＴＦにより撹拌され、圧縮行程で圧縮の後、着火処理がなされ、燃焼行程へと進む。この吸気行程噴射運転域では、逆タンブル流ＴＦにより燃料噴霧の一部がトップランド部ｄとシリンダライナーの内壁面６０１との隙間に侵入し易く、この場合、トップランド部ｄに経時的に燃料やカーボンが粘着する傾向にある。
【００１６】
更に、エンジン２が圧縮行程噴射運転域にあると、圧縮行程で、即ち、ピストン１が上昇時にあって、燃料噴射弁１５が凹部２０と対向する運転域にあると、燃料噴霧が成された場合、燃料噴霧の大部分が凹部２０と楔状凹部を成す内壁４０１とで覆われる燃焼室７内で旋回して撹拌され、圧縮行程の後に着火処理がなされ、燃焼行程へと進む。この圧縮行程噴射運転域では、燃料噴射弁１５からの燃料噴霧が凹部２０内に比較的効率良く噴霧されるが、その一部は、やはり、トップランド部ｄとシリンダライナーの内壁面６０１との隙間に侵入し、特に、噴射初期には凹部２０の外側に噴霧が飛散しやすく、この場合も経時的にトップランド部ｄに燃料やカーボンが粘着する傾向にある。
【００１７】
しかし、このエンジン２で用いたピストン１では、比較的カーボンが生成され易い位置である、凹部２０の偏位方向Ｂに位置する部分にカットバック部Ｅを設け、ここに比較的大きな隙間ｔ２を形成した。このため、エンジンの全運転域において、この隙間ｔ２に侵入してきた火炎によって容易にトップランド部ｄに付着する燃料やカーボンを燃焼でき，トップランド部ｄに滞積カーボンが付着し硬い滞積物が生成されることを防止できる。
このため、このピストン１を装備するエンジン２は、従来のエンジンのように、稼働時間の経過に比例してシリンダライナーの摩耗が進むことがなく、カットバック部Ｅを設け硬い滞積物の生成を排除したので、稼働時間の経過によってもシリンダライナーの摩耗が進むことはほとんどない。このため、ピストン１を装備するエンジン２はそのシリンダライナー６の耐久性を向上させることができ、ブローバイガス量の低減を図ることもできる。
【００１８】
図１のエンジン２で用いたピストン１は、凹部２０の偏位方向Ｂ側のトップランド部ｄ上にシリンダ軸線と同一のピストン中心線Ｌに沿ったカットバック部Ｅを形成したが、これに代えて、図５（ａ），（ｂ）に示すように構成しても良い。ここでのピストン１ａ、１ｂは図１のピストン１に代えてエンジン２に装着でき、重複部分の説明を略す。
【００１９】
図５（ａ）に示すピストン１ａは凹部２０（図４参照）の偏位方向Ｂ側のトップランド部ｄ上にカットバック部Ｅを形成するにあたり、それ以外の領域より間隔α１だけ切欠され、円錐面ｆｃ状を成すトップランド部ｄを形成した。この場合、円錐面ｆｃ状を成すトップランド部ｄが火炎の侵入を容易化でき、そこに付着する燃料やカーボンを容易に燃焼でき、しかもピストンリングｒ１の穴深さの低下を比較的抑えることができる。図５（ｂ）に示すピストン１ｂはトップランド部ｄに間隔α２だけ切欠されたカットバック部Ｅを形成するのに加え、セカンドランド部ｄ２にもカットバック部Ｅと同じ領域にカットバック部Ｅ２を形成した。この場合、セカンドランド部ｄ２側に達した燃料やカーボンを燃焼でき，トップランド部ｄおよびセカンドランド部ｄ２に滞積カーボンが付着し硬い滞積物が生成されることを防止でき、シリンダライナー６の内壁面６０１の早期摩耗がより確実に抑えられ、シリンダライナー６の耐久性をより向上させることができ、ブローバイガス量の低減をより確実に図ることができる。
【００２０】
図１のピストン１は筒内噴射型内燃機関であるエンジン２に装着されていたが、これに限定されるものではなく、ピストン頂部に外周側に偏位した凹部を設けたその他の各種エンジンにも適用でき、これらの場合も、図１のピストン１と同様の作用効果を得られる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明は、ピストンのランド部上で、凹部がピストン中心より偏位した偏位方向に位置する部分であってランド部上の略１/３の領域のみに上記偏位方向以外の領域より所定間隔だけ切欠したカットバック部を形成し、そこに比較的大きな隙間を形成し、この隙間への火炎の侵入を容易化した。このため、カットバック部に生成されるカーボン等を燃焼でき、ランド部に滞積カーボンが付着し硬い滞積物が生成されることが防止され、シリンダライナーの早期摩耗が抑えられ、シリンダライナーの耐久性を向上させることができ、ブローバイガス量の低減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのピストン構造を適用したエンジンの要部概略断面図である。
【図２】図１中のピストンの拡大側面図である。
【図３】図１中のピストンの平面図である。
【図４】図１中のピストンの拡大側断面図である。
【図５】図１のピストンに代えて使用可能なピストンの要部断面図であり、（ａ）は第１変形例，（ｂ）は第２変形例を示す。
【符号の説明】
１      ピストン
２      エンジン
１６    ピストン頂部
７      燃焼室
２０    凹部
ｄ      トップランド部
Ｂ      偏位方向
Ｅ      カットバック部
Ｌ      ピストン中心線
【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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