(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに凹設された燃焼室の壁面の略中央に点火プラグを有し、この点火プラグを挟んで吸気弁及び排気弁を有し、かつ、吸気弁側にシリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現し、シリンダ内にタンブル成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するようにした直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、
ピストン冠面に、最外周側に平面部を残して、上面視で吸気弁側と排気弁側とを結ぶ直線方向に長い略楕円状の外形を有し、中央部に向かって山型に隆起する隆起部を形成し、
かつ、この隆起部を、上面視で前記直線方向と直角方向の幅が、吸気弁側に対し、排気弁側において、狭くなるように形成し、
この隆起部の吸気弁寄りに凹状のキャビティ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】
前記隆起部の前記直線方向で排気弁側の部分に、前記隆起部の山型の傾斜より緩傾斜の傾斜面を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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関のピストン、特にその冠面形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴火花点火式内燃機関のピストンとして、ピストン冠面に、最外周側に最小限の幅の環状の平面部を残して、上面視で円形の外形を有し、中央部に向かって例えば円錐状に隆起する隆起部を形成し、この隆起部の吸気弁寄りに凹状のキャビティを形成するようにしたものがあり、シリンダ内にスワール（横渦）成分を付与した状態で、吸気弁側に配置された燃料噴射弁から、圧縮行程にて燃料噴射を行うことにより、点火プラグ回りに集中的に層状の混合気を形成して、成層燃焼を実現する一方、シリンダ内にタンブル（縦渦）成分を付与した状態で、吸気行程にて燃料噴射を行うことにより、燃焼室全体に燃料を拡散させ均質な混合気を形成して、均質燃焼を実現するようにしている（特開平１０−３３１６４４号、特開平１１−２１０４７０号参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、現行エンジンのピストンストロークを延長して行程容積（排気量）を増大する際に所定の圧縮比を維持するために、又は、現行エンジンの圧縮比を低圧縮比化するために、燃焼室容積を大きくする場合に、キャビティ径を大きくすると、成層燃焼時のシリンダ内スワールの流速は変わらないものの、シリンダ内スワールによって誘起されるキャビティ内スワールの流速が低下（同じ誘起エネルギーであれば、キャビティ径が大きい分、流速が低下）し、両スワールのバランスが崩れて、点火プラグへの燃料輸送がうまくいかなくなるなどの不都合を生じ、成層燃焼性能が悪化することがある。
【０００４】
このような場合に、上死点付近でのシリンダ内スワールの流路を見直すなどして、シリンダ内スワールの流速を調整（例えば低下）する必要を生じるが、均質燃焼性能への影響も考慮する必要があり、従来技術のように、ピストン冠面の隆起部の外形が単純な円形であると、各種要求に対し、設計上の自由度が少ないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、各種仕様のエンジンへの適合を考え、ピストン冠面の隆起部の形状を見直すことにより、成層燃焼性能及び均質燃焼性能の向上を図ることができるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、シリンダヘッドに凹設された燃焼室の壁面の略中央に点火プラグを有し、この点火プラグを挟んで吸気弁及び排気弁を有し、かつ、吸気弁側にシリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現し、シリンダ内にタンブル成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するようにした直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、ピストン冠面に、最外周側に平面部を残して、上面視で吸気弁側と排気弁側とを結ぶ直線方向に長い略楕円状の外形を有し、中央部に向かって山型に隆起する隆起部を形成し、かつ、この隆起部を、上面視で前記直線方向と直角方向の幅が、吸気弁側に対し、排気弁側において、狭くなるように形成し、この隆起部の吸気弁寄りに凹状のキャビティを形成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明では、前記隆起部の前記直線方向で排気弁側の部分に、前記隆起部の山型の傾斜より緩傾斜の傾斜面を形成したことを特徴とする。
尚、「吸気弁側と排気弁側とを結ぶ直線方向」を本明細書では以下「クロスフロー方向」という。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、ピストン冠面の隆起部を上面視でクロスフロー方向に長い略楕円状の外形を有する形状とすることで、ピストン冠面の吸気弁側に成層燃焼のためのキャビティの壁を確保し、かつ、ピストン冠面の排気弁側に均質燃焼のためのタンブル保持用の隆起を確保した上で、隆起部のクロスフロー方向と直角方向の幅を減少させることにより、上死点付近でのシリンダ内スワールの流路面積を増大させることができ、これにより、成層燃焼時のシリンダ内スワールの流速を調整することが可能となり、設計自由度が向上するという効果が得られる。
【０００９】
従って、例えばキャビティ径の拡大により、キャビティ内スワールの流速が低下する場合に、これに合わせてシリンダ内スワールの流速を低下させることができ、両スワールのバランスを適切に維持することが可能となる。
また、隆起部の吸気弁側は成層燃焼のためにキャビティの壁を確実に確保する必要があるのに対し、排気弁側は均質燃焼時のタンブルを保持するために必要な幅があればよいことから、吸気弁側の幅に対し、排気弁側の幅をより狭くすることで、性能上必須なキャビティ容積を確保した上で、シリンダ内スワールの流路面積を最大限増大し、上記の効果を最大限発揮させることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、隆起部において均質燃焼時のタンブルを保持する部分を緩傾斜の傾斜面とすることで、タンブルの整流効果を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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は本発明の一実施形態を示すピストン冠面の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面に相当するピストンを含むエンジンの断面図である。
これらの図において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストンである。
【００１２】
シリンダヘッド１には、ペントルーフ型燃焼室４が凹設され、その燃焼室４壁面の略中央（僅かに排気弁９寄り）に点火プラグ５が配置されている。
また、シリンダヘッド１には、点火プラグ５を挟んで、各２本の吸気ポート６及び排気ポート７が対向配置され、燃焼室４への各開口部には吸気弁８及び排気弁９が配置されている。ここで、スワール生成手段として、２本の吸気ポート６のうち一方に、その少なくとも一部を閉止し得るスワール制御弁１０が設けられている。
【００１３】
また、シリンダヘッド１には、２本の吸気ポート６間で、かつ吸気ポート６より周縁部側に位置させて、燃料噴射弁１１が吸気弁８側から排気弁９側に斜め下向きに取付けられ、シリンダ内に直接燃料を噴射するようにしてある。
次にピストン３の冠面形状について説明する。
ピストン３の冠面には、最外周側に環状の平面部１２を残して、上面視でクロスフロー方向（吸気弁８−排気弁９方向）に長い略楕円状の外形１３ａを有し、中央部に向かって山型に隆起する隆起部１３を形成してある。
【００１４】
また、隆起部１３の略楕円状の外形１３ａのクロスフロー方向と直角方向の幅について、図３を参照し、吸気弁８側の幅Ｗ１より、排気弁９側の幅Ｗ２を狭くしてあり、言い換えれば、吸気弁８側の平面部１２の幅より、排気弁９側の平面部１２の幅を広くしてある。
尚、ここでは、隆起部１３の外形を「略楕円状」と表現しているが、吸気弁８側と排気弁９側とで幅が異なることからわかるように、完全な楕円ではなく、卵型に近く、実際には、図３を参照し、片側は、点ａを中心とする半径ｒ１の円弧と、点ｂを中心とする半径ｒ２の円弧と、点ｃを中心とする半径ｒ３の円弧とを、つないだ形状をしており、反対側はこれと対称になっている。
【００１５】
そして、この隆起部１３には、吸気弁８寄りに、凹状で底面１４ａが前記平面部１２より低いキャビティ１４を形成してある。すなわち、このキャビティ１４は、ピストン３の中心から吸気弁８側にオフセットした位置に中心を有し、上面視で略円形の外形を有している。従って、キャビティ１４の周縁部の稜線１４ｂは吸気弁８側が低く、排気弁９側（ピストン３中心側）が高くなっており、キャビティ１４内のピストン３中心側の周縁部の上方に点火プラグ５が位置するようにしてある。
【００１６】
また、隆起部１３のクロスフロー方向で排気弁９側の部分（キャビティ１４のピストン３中心側の周縁部の稜線１４ｂの外側）を斜めに削り落として、ピストン３の最高部の高さを抑えると共に、均質燃焼時のタンブルをより良好に保持する目的で、隆起部１３の山形の傾斜より緩傾斜の傾斜面（タンブル保持面）１５を形成してある。また、この傾斜面１５をより長くすると共に、排気弁９側の平面部１２を確保すべく、傾斜面１５より急傾斜の傾斜面１６で、平面部１２と傾斜面１５とをつないでいる。
【００１７】
更に、キャビティ１４内の底面１４ａと側面（内周面）とは基本的にはアール１４ｃによってつなぐが、本実施形態では、キャビティ１４内の燃料噴射弁１１側の側面については、肉盛りして、ピストン３中心線を中心軸とする円錐面からなり、成層燃焼時に燃料噴射弁１１からの燃料噴霧をスムーズに点火プラグ５側へ輸送すべく案内する傾斜面（噴霧案内面）１７を形成してある。ここで、図８を参照し、この傾斜面１７の傾斜角θ２は、燃料噴射弁１１の噴射方向線の傾斜角θ１より緩傾斜としてある（θ２＜θ１）。
【００１８】
次に作用を説明する。
主に低負荷領域での成層燃焼時には、２本の吸気ポート６のうち一方をスワール制御弁１０により閉止して、１本の吸気ポート６から吸気することにより、図４に示すように、シリンダ内にスワールＳ１を形成し、また、このシリンダ内スワールＳ１により、キャビティ１４内にスワールＳ２を誘起する。そして、これらのスワールＳ１，Ｓ２を圧縮行程以降も維持して、圧縮行程後期に燃料噴射弁１１よりキャビティ１４内に燃料を噴射し、噴射燃料をキャビティ１４内のスワールＳ２に乗せて、点火プラグ５近傍に輸送することで、点火プラグ５回りに燃料を集めて、成層燃焼を行わせる。
【００１９】
ここにおいて、ピストン３冠面の隆起部１３を上面視でクロスフロー方向に長い略楕円状の外形１３ａを有する形状とすることで、ピストン３冠面の吸気弁８側にキャビティ１４の十分な容積とその壁を確保し、かつ、ピストン３冠面の排気弁９側に後述する均質燃焼時のタンブルを保持するための隆起（傾斜面１５）を確保した上で、隆起部１３のクロスフロー方向と直角方向の幅を減少させることにより、また特に、隆起部１３の吸気弁８側はキャビティ１４の壁を確実に確保する必要があるのに対し、排気弁９側は均質燃焼時のタンブルを保持するために必要な幅があればよいことから、隆起部１３の吸気弁８側の幅Ｗ１に対し、排気弁９側の幅Ｗ２をより狭くすることにより、性能上必須な形状を確保した上で、上死点付近でのシリンダ内スワールＳ１の流路面積を最大限増大させ、もって、シリンダ内スワールＳ１の流速を低下させることが可能となる。
【００２０】
従って、キャビティ１４の径の拡大により、キャビティ内スワールＳ２の流速が低下する場合にも、これに合わせてシリンダ内スワールＳ１の流速を十分に低下させることができ、両スワールＳ１，Ｓ２のバランスを適切に維持することが可能となり、成層燃焼性能を向上させることができる。
一方、主に高負荷領域での均質燃焼時には、前記スワール制御弁１０を開いて、２本の吸気ポート６から吸気することにより、図５に示すように、タンブルを生成する一方、吸気行程にて燃料噴射弁１１よりシリンダ内に燃料を噴射し、噴射燃料をタンブルに乗せて、燃焼室４全体に拡散させ、均質な混合気を形成することで、均質燃焼を行わせる。
【００２１】
ここにおいて、隆起部１３の排気弁９側の部分、特に傾斜面１５は、図５に示すように、タンブルを整流・保持する働きをもち、これにより均質燃焼性能を向上させることができる。
尚、本発明は、キャビティ１４の径を拡大する場合に特にその効果を発揮するものであり、図６に示すキャビティ面積Ａｃとボア面積Ａｂとの比率Ｒａ＝Ａｃ／Ａｂ、図７に示すキャビティ容積Ｖｃと隆起部（凸部）容積Ｖｔとの比率Ｒｖ＝Ｖｃ／Ｖｔでみれば、従来一般的には、Ｒａ＝０．２８〜０．３３程度、Ｒｖ＝０．７〜１．６程度であり、本発明は、Ｒａ≧０．３５、Ｒｖ≧２．０の場合に特にその効果を発揮する。
【００２２】
次にキャビティ１４内の燃料噴射弁１１側に傾斜面１７（図８参照）を形成する理由について説明する。
キャビティ１４内の燃料噴射弁１１側の側面と底面１４ａとを参考例である図１０に示すようにアール２０によってつなぐと、燃料噴射弁１１直下のキャビティ１４隅部に燃料噴霧が溜まりやすく、未燃ＨＣの増加を招くという問題点がある。
【００２３】
また、キャビティ１４の径を拡大する場合、主に燃料噴射弁１１側にキャビティ１４の径を拡大するため、キャビティ１４とピストンリング溝１８との間の肉厚が不足して、ピストンリング溝１８部の温度が上昇し、異常摩耗などの不具合を起こしたり、肉厚不足を解消するために、ピストンリング溝１８の位置を下げると、クレビス容積が増大して、未燃ＨＣの増加を招いたりするという問題点がある。
【００２４】
そこで、燃料噴射弁１１直下のキャビティ１４隅部に燃料噴霧が溜まることを防止でき、キャビティ１４の径が大きい場合でも、ピストンリング溝１８の位置を下げることなく、キャビティ１４とピストンリング溝１８との間の肉厚を確保できるようにする必要がある。
このため、キャビティ１４内の燃料噴射弁１１側に傾斜面（噴霧案内面）１７を設け、特にその傾斜面１７を燃料噴射弁１の噴射方向線と平行（θ２＝θ１）ないし噴射方向線よりも緩傾斜（θ２＜θ１）とすることで、図９に示すように、燃料噴霧が燃料噴射弁１１直下のキャビティ１４隅部に溜まることを防止できるのみならず、燃料噴霧がスムーズに点火プラグ５側に進行することを助け、良好な成層化を実現している。この場合、傾斜面１７を燃料噴射弁１の噴射方向線よりも緩傾斜（θ２＜θ１）とすることで、より効果を上げる得る。
【００２５】
また、前記傾斜面１７により、肉盛りできるので、図９（Ｈ１）と図１０（Ｈ２）との比較から明らかなように、ピストンリング溝１８の位置を下げることなく、キャビティ１４とピストンリング溝１８との肉厚を確保できる。
更に、前記傾斜面１７を円錐面とすることにより、平面とする場合に比べ、キャビティ内スワールＳ２の流れを阻害することをより防止できると共に、ピストンリング溝１８との間の肉厚を効率的に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すピストン冠面の平面図
【図２】  図１のＡ−Ａ断面に相当するピストンを含むエンジンの断面図
【図３】  隆起部外形の説明図
【図４】  シリンダ内及びキャビティ内スワールの説明図
【図５】  タンブル生成時の説明図
【図６】  キャビティ面積及びボア面積の説明図
【図７】  キャビティ容積及び隆起部容積の説明図
【図８】  燃料噴射弁及び噴霧案内面の説明図
【図９】  燃料噴霧の案内効果を示す図
【図１０】  参考例での問題点を示す図
【符号の説明】
１  シリンダヘッド
２  シリンダブロック
３  ピストン
４  ペントルーフ型燃焼室
５  点火プラグ
６  吸気ポート
７  排気ポート
８  吸気弁
９  排気弁
１０  スワール制御弁
１１  燃料噴射弁
１２  平面部
１３  隆起部
１３ａ  略楕円状の外形
１４  キャビティ
１４ａ  底面
１４ｂ  稜線
１４ｃ  アール
１５  傾斜面（タンブル保持面）
１６  傾斜面
１７  傾斜面（噴霧案内面）
１８  ピストンリング溝
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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