JP3644359B2

JP3644359B2 - Piston for in-cylinder internal combustion engine

Info

Publication number: JP3644359B2
Application number: JP2000210835A
Authority: JP
Inventors: 剛司桝田; 宣久神宮
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: JP2001041046A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストン、特に圧縮行程での燃料噴射により成層燃焼が可能な筒内噴射式内燃機関のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が従来から種々提案されている。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平８−３５４２９号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のキャビティ燃焼室が形成されているとともに、ピストン上死点付近において該キャビティ燃焼室へ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。上記キャビティ燃焼室は、内部に燃料およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型の構成となっている。また、このキャビティ燃焼室に強いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポートのみから新気を導入し、シリンダ内に強いスワールを生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってキャビティ燃焼室内に導入されるので、圧縮上死点付近でキャビティ燃焼室内に燃料を噴射することにより、キャビティ燃焼室内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
なお、内燃機関の吸気弁や排気弁の開閉時期や作動角等のバルブリフト特性を機関運転条件に応じて可変制御する可変動弁機構が従来から種々提案されており、一部で既に実用に供されている。例えば、実開昭５７−１９８３０６号公報や特開平６−１８５３２１号公報には、カムシャフトの不等速回転によりバルブ作動角を変化させることができる可変動弁機構が開示されている。このほか、２種類のカムを使い分ける形式のものや、カムシャフトのクランクシャフトに対する位相を遅進させる形式のもの、などが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の筒内噴射式内燃機関用ピストンに、例えば、上記のような可変動弁機構を用いようとすると、上死点における吸排気弁とピストンとの干渉が問題となる。また、ピストン頂面にバルブリセスを凹設すると、キャビティ燃焼室の外周縁がバルブリセスによって部分的に切り欠かれた形となり、圧縮上死点付近でキャビティ燃焼室へ燃料が噴射供給された後に、燃料がキャビティ燃焼室の外部へ持ち出されやすく、その結果、成層希薄燃焼が不安定となりやすい。
【０００７】
この発明は、成層希薄燃焼を成立させつつ、バルブリセスにより上死点での吸気弁リフト量を大きく与えることが可能な筒内噴射式内燃機関のピストンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、圧縮行程で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる排気弁側傾斜面と、同じくペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる吸気弁側傾斜面と、圧縮行程で噴射された燃料噴霧を受けるようにピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設されたキャビティ燃焼室と、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を備え、少なくとも上記吸気弁側傾斜面の上縁寄りの部分において、上記バルブリセスの外縁に沿って該吸気弁側傾斜面の一部が残存していることを特徴としている。
【０００９】
あるいは、請求項２のように、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、圧縮行程で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
上記ペントルーフ型燃焼室の排気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる排気弁側傾斜面と、同じくペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる吸気弁側傾斜面と、圧縮行程で噴射された燃料噴霧を受けるようにピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設されたキャビティ燃焼室と、上記吸気弁の弁頭部に対応して上記吸気弁側傾斜面に凹設された一対のバルブリセスと、を備え、少なくともピストン中央寄りの部分において、上記バルブリセスの外縁に沿って段差部が形成されているとともに、上記段差部の外側に上記吸気弁側傾斜面の一部が残存していることを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明をさらに具体化した請求項３の発明は、上記バルブリセスの外縁は、ピストン中央寄りの部分において、上記キャビティ燃焼室の外周縁と上記吸気弁側傾斜面の側部稜線とにそれぞれ交差しており、両者の間に亘って上記段差部が延びていることを特徴としている。
【００１１】
あるいは、請求項４のように、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、圧縮行程で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
ピストン頂部に、上記ペントルーフ型燃焼室の凹部形状にほぼ対応した形状の凸部を備えるとともに、圧縮行程で噴射された燃料噴霧を受けるようにピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設されたキャビティ燃焼室を備え、かつこのキャビティ燃焼室と部分的に重なるように、上記吸気弁の弁頭部に対応した一対のバルブリセスが形成され、少なくともピストン中央寄りの部分において、上記バルブリセスの外縁に沿って段差部が生じており、
上記凸部は、上記ペントルーフ型燃焼室の吸気弁側の傾斜面に略平行となるように傾斜した平面からなる吸気弁側傾斜面を有し、少なくとも上記吸気弁側傾斜面の上縁寄りの部分において、上記バルブリセスの外縁に沿って該吸気弁側傾斜面の一部が残存していることを特徴としている。
【００１２】
本発明をより具体化した請求項５の発明では、上記のように吸気弁側傾斜面の一部を残存させ、あるいは段差部を形成することによって、上記バルブリセスの外縁に沿ってピストンの吸気弁側へ堰状に延びた凸部外縁部が残存している。
【００１３】
本発明のピストンは、請求項６のように、吸気弁のバルブリフト特性を可変制御する可変動弁機構を備えた内燃機関に好適である。
【００１４】
上記の構成では、ピストン頂部に凸部が構成されている。この凸部は、ピストン上死点において、シリンダヘッド側の燃焼室との間の空間が可及的に小さくなるように構成されている。成層燃焼時には、上死点近傍で燃料がキャビティ燃焼室へ向けて噴射されることにより、良好な成層燃焼を実現できる。ここで、上記凸部の吸気弁側傾斜面には、バルブリセスが凹設されており、このバルブリセスによって吸気弁との干渉が回避されるとともに、このバルブリセス以外の部分がシリンダヘッド側の燃焼室に相対的に近接したものとなる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、バルブリセスの形成によって上死点時に大きなバルブリフト量を与えることが可能になるとともに、ピストンが上死点近傍にあるときに、シリンダ内とキャビティ燃焼室との間でバルブリセスを介して生じるガス流動が抑制され、バルブリフトを大きく確保することに伴う成層燃焼時の性能低下を抑制できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。上記シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、上記シリンダヘッド２に凹設された燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。上記吸気弁５に対しては、詳細には図示していないが、公知の可変動弁機構が設けられており、機関運転条件に応じてバルブリフト特性を可変制御できる構成となっている。
【００１８】
上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が、互いに独立して形成されている。つまり、この一対の吸気ポート８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また上記排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。
【００１９】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。特に、図２に示すように、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置されている。
【００２０】
上記シリンダ３内に配置されたピストン４の頂部には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位置に、円形のキャビティ燃焼室１２が形成されており、ピストン４が上死点近傍にあるときに、上記燃料噴射弁１０の噴霧軸線がこのキャビティ燃焼室１２を指向するようになっている。
【００２１】
上記の一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸気通路１４ｂ内には、該吸気通路１４ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、上記空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポートではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなしている。
【００２２】
上記の内燃機関の基本的な作用について簡単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、上記空気制御弁１５は、開状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリンダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。この燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に拡散され、キャビティ燃焼室１２内に滞留することなく均質化が促進される。
【００２３】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、上記空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０からキャビティ燃焼室１２へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４頂部のキャビティ燃焼室１２内に封じ込められたスワール流に乗って点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。
【００２４】
次に、図３および図４に基づいて、この発明の第１実施例に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００２５】
このピストン４においては、上死点において、キャビティ燃焼室１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に５つの面から構成されている。すなわち、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂに対し略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３と、上記吸気弁側傾斜面２２の上縁と上記排気弁側傾斜面２３の上縁とを接続するように帯状に設けられ、かつピストン４中心線と直交する平面からなる頂部水平面３０と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面２４，２５とによって、凸部２１が構成されている。一対の円錐形側面２４，２５は、凸部２１の側部を構成している。
【００２６】
なお、この実施例では、上記吸気弁側傾斜面２２は、後述するバルブリセス３１，３２やキャビティ燃焼室１２の形成によって、実際には頂部付近に僅かに残存しているに過ぎず、大部分は、図４に想像線で示すように、仮想の平面となっている。また、上記円錐形側面２４，２５は、この実施例では、排気弁側傾斜面２３の下縁を通って互いに一体に連続している。
【００２７】
上記凸部２１における円錐形側面２４，２５の円錐の頂角は、非常に小さく、図４に示すように、円錐形側面２４，２５は、切り立ったものとなっている。そして、これに伴い、円錐形側面２４，２５と頂部水平面３０との間の稜線３５，３６の位置がピストン４外周側に近寄っている。これによって、ピストン４が上死点にあるときに、上記円錐形側面２４，２５とシリンダヘッド２側燃焼室１１との間に生じるクリアランスが非常に小さなものとなっており、シリンダ３内に残る容積の大部分をキャビティ燃焼室１２が占有する。
【００２８】
そして、上記凸部２１の外周には、ピストン基準水平面２６が形成されている。このピストン基準水平面２６は、ピストン４の中心線と直交する一つの平面から構成されているものであり、ピストン４の全周に亙って連続している。なお、このピストン基準水平面２６のスラスト，反スラスト側の部分は、シリンダヘッド２側の燃焼室１１の両側に平坦面として残されたスキッシュエリア２ａ，２ｂ（図１参照）にそれぞれ対応し、スキッシュの生成に寄与している。
【００２９】
また、上記のキャビティ燃焼室１２が、上記頂部水平面３０と吸気弁側傾斜面２２とに亙って凹設されている。上記キャビティ燃焼室１２は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、かつピストン４の半径よりも大きい直径を有している。そして、底面がピストン４中心線と直交する面に沿っているとともに、内周側壁面が上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった皿形をなしている。また、このキャビティ燃焼室１２の外周縁は、円錐形側面２４，２５と上記吸気弁側傾斜面２２との間に生じる一対の仮想の側部稜線の内側に位置している。つまり、ピストンピン軸方向においては、吸気弁側傾斜面２２の方がキャビティ燃焼室１２よりも大きなものとなっている。これに対し、キャビティ燃焼室１２の外周縁の排気弁寄りの部分は、頂部水平面３０と排気弁側傾斜面２３との間の排気弁側頂部稜線３３よりも僅かに排気弁寄りにはみ出ている。なお、これは、本実施例が比較的小径のピストン４であるためであり、ピストン４が大径である場合には、上記排気弁側頂部稜線３３からはみ出さないように構成することが望ましい。また図２に示すように、ピストン４が上死点にあるときに、点火プラグ７がキャビティ燃焼室１２内に入り、かつその外周部に位置するように配置されている。
【００３０】
また上記吸気弁側傾斜面２２には、吸気弁５の弁頭部に対応して一対のバルブリセス３１，３２が凹設されている。このバルブリセス３１，３２は、バルブ傾斜角に沿って比較的浅い円形に形成されているものであるが、上記キャビティ燃焼室１２と重なり合っているので、それぞれ三日月形に現れている。図４の符号Ｌは、吸気弁５の中心線を示している。本実施例では、このバルブリセス３１，３２は、円錐形側面２４，２５と吸気弁側傾斜面２２との間に生じる一対の仮想の側部稜線付近に外周の一部が差し掛かっている。つまり、バルブリセス３１，３２の外縁は、上記側部稜線とキャビティ燃焼室１２外周縁とにそれぞれ交差している。そして、図３に示すように、バルブリセス３１，３２の外縁に沿って吸気弁側傾斜面２２の一部が部分的に残存している。
【００３１】
また上記のように構成されたピストン４頂部の構造は、ピストンピンと直交する方向の直径線（つまり図３のＡ−Ａ線）を中心として、対称に構成されている。なお、燃料噴射弁１０は、この対称軸となるＡ−Ａ線に沿って燃料を噴射するように配置されている。
【００３２】
さらに、上記のように凸部２１の吸気弁側傾斜面２２にバルブリセス３１，３２を凹設することにより、該バルブリセス３１，３２の外縁に沿って段差部３８が生じ、かつ凸部外縁部２１ａが円弧形の堰状に残存している。この凸部外縁部２１ａは、吸気弁側傾斜面２２の傾斜に従い、ピストン４の吸気弁側つまり図３の右側へ向うに従って、徐々に低くなる。そして、最終的には、バルブリセス３１，３２の底面と同一高さとなって点３７において消失する。
【００３３】
上記の構成においては、キャビティ燃焼室１２が単純な真円形であるため、成層燃焼時にシリンダ３内に生成されたスワールが、該キャビティ燃焼室１２内にスムースに案内され、十分な強さを保ったまま保存される。そして、圧縮行程後半においてキャビティ燃焼室１２へ向けて燃料が噴射された後、ピストン４が上死点に近づくと、キャビティ燃焼室１２を有する凸部２１の各面が、図１に想像線で示すように、シリンダヘッド２側の対応する面にそれぞれ近接するため、キャビティ燃焼室１２が全周に亙って良好にシールされた状態となる。従って、キャビティ燃焼室１２内のスワールや混合気が外部へ漏出せずに該キャビティ燃焼室１２内で燃焼が進行する。
【００３４】
特に、キャビティ燃焼室１２に重なってバルブリセス３１，３２が凹設されているが、バルブリセス３１，３２の外縁に沿って段差部３８を有し、該バルブリセス３１，３２の側方部分が凸部外縁部２１ａによって囲まれているため、ピストン４が上死点近傍にあるときに、ピストン基準水平面２６の上を流れるガス流動がバルブリセス３１，３２を介してキャビティ燃焼室１２へ流れ込むことが抑制される。また、キャビティ燃焼室１２やバルブリセス３１，３２と排気弁側傾斜面２３との間に、ピストンピン軸方向に長く延びた頂部水平面３０が存在しているため、シリンダ３の排気弁側からキャビティ燃焼室１２へ向うガス流動は、ここでせき止められ、かつ弱められる。従って、キャビティ燃焼室１２内のスワール流や燃料が、キャビティ燃焼室１２外部から流入するガス流動によって乱されることがなく、バルブリセス３１，３２の形成による悪影響が非常に少なくなって、十分に良好な成層燃焼を確保できる。
【００３５】
また、均質燃焼時には、一対の吸気ポート８から流入した新気によってシリンダ３内にタンブル流が形成され、かつ吸気行程中に燃料噴射が行われるが、上記キャビティ燃焼室１２は、上方が緩いテーパ状に拡がった皿形をなしており、かつ、タンブル流が集中する一対の吸気ポート８の中心線（図３のＡ−Ａ線）の上に真円形のキャビティ燃焼室１２が位置しているので、該キャビティ燃焼室１２内に入った燃料がタンブル流によって容易に洗い流され、滞留してしまうことがない。従って、高負荷時にも均質な混合気を形成でき、良好な均質燃焼が可能である。
【００３６】
図５は、この発明に係るピストンの第２実施例を示している。この第２実施例のピストンでは、第１実施例のピストンに比して、頂部水平面３０のピストンピン軸方向両端の稜線３５，３６が、ピストン４外周寄りに位置しており、ピストンピン軸方向について見た場合に、各バルブリセス３１，３２のピストンピン軸方向の端縁位置よりも、上記の稜線３５，３６の方が外側に位置している。
【００３７】
図６は、稜線３５，３６のピストンピン軸方向位置による影響を実験した結果を示すものであり、特性イは、図６に示すように稜線３５，３６をピストンピン軸方向に十分長く確保した第２実施例におけるＨＣ排出量の特性、特性ロは、図３に示すように稜線３５，３６をバルブリセス３１，３２のピストンピン軸方向外縁よりも短くした第１実施例におけるＨＣ排出量の特性を示している。これらの比較から明らかなように、稜線３５，３６をピストンピン軸方向に十分に長く延ばすことで、ＨＣ排出量の更なる低減化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底面図。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図５】この発明に係るピストンの第２実施例を示す平面図。
【図６】頂部水平面のピストンピン軸方向両端の稜線の位置とＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【符号の説明】
４…ピストン
１２…キャビティ燃焼室
２１…凸部
２１ａ…凸部外縁部
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
２４，２５…円錐形側面（側部）
２６…ピストン基準水平面
３０…頂部水平面
３１，３２…バルブリセス
３８…段差部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston of a direct injection internal combustion engine represented by a gasoline engine, and more particularly to a piston of a direct injection internal combustion engine capable of stratified combustion by fuel injection in a compression stroke.
[0002]
[Prior art]
A so-called homogeneous combustion is formed by forming a substantially homogeneous air-fuel ratio mixture in the cylinder at the time of fully open output, etc., and a relatively rich mixture is formed only in a part of the cylinder, that is, in the vicinity of the spark plug in the low load range. Various in-cylinder injection internal combustion engines that perform stratified combustion so as to obtain an extremely large average air-fuel ratio have been proposed.
[0003]
As a piston of a direct injection internal combustion engine capable of stratified lean combustion, for example, a piston described in Japanese Patent Publication No. 8-35429 is known. In the internal combustion engine described in this publication, a non-circular cavity combustion chamber eccentric to the piston outer circle is formed at the top of the piston, and fuel is injected toward the cavity combustion chamber near the top dead center of the piston. A fuel injection valve is arranged so that it can be supplied. The cavity combustion chamber has a reentrant type configuration so as to contain fuel and swirl inside. In addition, in order to generate a strong swirl in the cavity combustion chamber, one of the pair of intake ports is configured as a helical port, and an air control valve that opens and closes the other intake port is provided.
[0004]
That is, in the internal combustion engine disclosed in this publication, at the time of lean combustion, the air control valve is closed and fresh air is introduced only from one helical port to generate a strong swirl in the cylinder. Since this swirl is introduced into the cavity combustion chamber as the piston rises, a fuel mixture is formed in the cavity combustion chamber by injecting fuel into the cavity combustion chamber near the compression top dead center, and the spark plug Carried to the neighborhood. Therefore, ignition is performed by igniting at an appropriate timing.
[0005]
Various variable valve mechanisms that variably control valve lift characteristics such as opening and closing timings and operating angles of internal combustion engines according to engine operating conditions have been proposed, and some have already been put into practical use. It is provided. For example, Japanese Utility Model Laid-Open No. 57-198306 and Japanese Patent Laid-Open No. 6-185321 disclose a variable valve mechanism that can change a valve operating angle by an inconstant speed rotation of a camshaft. In addition, a type that uses two types of cams properly and a type that delays the phase of the camshaft relative to the crankshaft are known.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, for example, if the variable valve mechanism as described above is used for the conventional piston for a cylinder injection type internal combustion engine, the interference between the intake and exhaust valves and the piston at the top dead center becomes a problem. In addition, when the valve recess is recessed in the piston top surface, the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber is partially cut out by the valve recess, and after the fuel is injected and supplied to the cavity combustion chamber near the compression top dead center, Is easily taken out of the cavity combustion chamber, and as a result, stratified lean combustion tends to become unstable.
[0007]
An object of the present invention is to provide a piston of a direct injection internal combustion engine capable of giving a large intake valve lift amount at top dead center by valve recess while establishing stratified lean combustion.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A piston of a direct injection internal combustion engine according to the present invention has two intake valves and two exhaust valves in a pent roof type combustion chamber recessed in a cylinder head, and has an ignition plug in the approximate center of the cylinder, and In a piston of a direct injection internal combustion engine in which a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder is arranged on the intake valve side and stratified combustion is realized by performing fuel injection in a compression stroke,
The exhaust valve side inclined surface which is a plane inclined substantially parallel to the inclined surface on the exhaust valve side of the pent roof type combustion chamber and the inclined surface on the intake valve side of the pent roof type combustion chamber so as to be substantially parallel to the inclined surface. An intake valve side inclined surface comprising an inclined plane, a cavity combustion chamber recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer circle so as to receive fuel spray injected in the compression stroke, and the intake valve A pair of valve recesses recessed in the intake valve side inclined surface corresponding to the valve head, and at least a portion near the upper edge of the intake valve side inclined surface along the outer edge of the valve recess. A part of the valve-side inclined surface remains.
[0009]
Alternatively, as in claim 2, the pent roof type combustion chamber recessed in the cylinder head has two intake valves and two exhaust valves, and has an ignition plug in the center of the cylinder, and directly in the cylinder. In a piston of a cylinder injection internal combustion engine in which a fuel injection valve for injecting fuel is arranged on the intake valve side and stratified combustion is realized by performing fuel injection in a compression stroke,
The exhaust valve side inclined surface which is a plane inclined substantially parallel to the inclined surface on the exhaust valve side of the pent roof type combustion chamber and the inclined surface on the intake valve side of the pent roof type combustion chamber so as to be substantially parallel to the inclined surface. and inclined flat faces or Ranaru intake valve-side inclined surface, the cavity combustion chamber is recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer yen to receive a fuel spray injected in the compression stroke, the intake A pair of valve recesses recessed in the intake valve side inclined surface corresponding to the valve head of the valve, and at least a portion near the center of the piston is formed with a step portion along the outer edge of the valve recess. In addition, a part of the inclined surface on the intake valve side remains outside the stepped portion .
[0010]
According to a third aspect of the present invention, which further embodies the second aspect of the present invention, the outer edge of the valve recess is located at the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber and the side ridge line of the inclined surface on the intake valve side at a portion near the center of the piston. Each of them intersects, and the stepped portion extends between the two.
[0011]
Alternatively, as in claim 4, the pent roof type combustion chamber recessed in the cylinder head has two intake valves and two exhaust valves, and has an ignition plug substantially in the center of the cylinder, and directly in the cylinder In a piston of a cylinder injection internal combustion engine in which a fuel injection valve for injecting fuel is arranged on the intake valve side and stratified combustion is realized by performing fuel injection in a compression stroke,
The top of the piston is provided with a convex portion substantially corresponding to the concave shape of the pent roof type combustion chamber, and is recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer circle so as to receive fuel spray injected in the compression stroke. A pair of valve recesses corresponding to the valve head of the intake valve is formed so as to have a cavity combustion chamber provided and partially overlap with the cavity combustion chamber, and at least in the portion near the center of the piston, There is a step along the outer edge ,
The convex portion has an intake valve side inclined surface formed of a plane inclined so as to be substantially parallel to the intake valve side inclined surface of the pent roof type combustion chamber, and at least near the upper edge of the intake valve side inclined surface. In the portion, a part of the inclined surface on the intake valve side remains along the outer edge of the valve recess .
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention that further embodies the present invention, a part of the inclined surface on the intake valve side is left as described above, or a step portion is formed, whereby the intake valve of the piston is formed along the outer edge of the valve recess. A convex outer edge portion extending in a dam shape to the side remains.
[0013]
The piston of the present invention is suitable for an internal combustion engine having a variable valve mechanism that variably controls the valve lift characteristics of the intake valve.
[0014]
In said structure, the convex part is comprised by the piston top part. The convex portion is configured such that a space between the piston top dead center and the combustion chamber on the cylinder head side is as small as possible. At the time of stratified combustion, good stratified combustion can be realized by injecting fuel toward the cavity combustion chamber in the vicinity of the top dead center. Here, a valve recess is provided in the inclined surface of the convex portion on the intake valve side, and interference with the intake valve is avoided by this valve recess, and a portion other than the valve recess is provided in the combustion chamber on the cylinder head side. It will be relatively close.
[0015]
【The invention's effect】
According to the piston of the direct injection internal combustion engine according to the present invention, it is possible to give a large valve lift amount at the top dead center by forming the valve recess, and when the piston is in the vicinity of the top dead center, The gas flow that occurs through the valve recess between the gas and the cavity combustion chamber is suppressed, and the performance degradation during stratified combustion that accompanies a large valve lift can be suppressed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
First, the configuration of a direct injection internal combustion engine in which the piston 4 of the present invention is used will be described with reference to FIGS. As illustrated, a plurality of cylinders 3 are arranged in series on the cylinder block 1, and a cylinder head 2 is fixed so as to cover the upper surface thereof. A piston 4 is slidably fitted in the cylinder 3. The combustion chamber 11 recessed in the cylinder head 2 has a so-called pent roof type, and a pair of intake valves 5 is provided on one inclined surface 11a and a pair of exhaust valves 6 is provided on the other inclined surface 11b. Are arranged respectively. A spark plug 7 is disposed at a substantially central position of the cylinder 3 surrounded by the pair of intake valves 5 and the pair of exhaust valves 6. Although not shown in detail for the intake valve 5, a known variable valve mechanism is provided so that the valve lift characteristics can be variably controlled according to the engine operating conditions.
[0018]
The cylinder head 2 is formed with a pair of intake ports 8 corresponding to the pair of intake valves 5 independently of each other. That is, the pair of intake ports 8 do not merge in the cylinder head 2 and open independently on the side surfaces of the cylinder head 2. An exhaust port 9 is formed corresponding to the exhaust valve 6.
[0019]
The electromagnetic fuel injection valve 10 having a substantially cylindrical shape is disposed on the lower surface portion of the cylinder head 2 near the side wall of the cylinder 3 on the intake valve 5 side, and is attached in such a posture that its central axis is directed obliquely downward. In particular, as shown in FIG. 2, the fuel injection valve 10 is disposed between two intake valves 5.
[0020]
As will be described later, a circular cavity combustion chamber 12 is formed at the top of the piston 4 disposed in the cylinder 3 at a position eccentric to the intake valve 5 side, and the piston 4 is located near the top dead center. At some point, the spray axis of the fuel injection valve 10 is directed toward the cavity combustion chamber 12.
[0021]
The pair of intake ports 8 are connected to a pair of intake passages 14a and 14b that are independently formed on the intake manifold 13 side. A butterfly valve type air control valve 15 for opening and closing the intake passage 14b is interposed in the one intake passage 14b. The air control valve 15 is controlled to open and close according to engine operating conditions by a drive mechanism (not shown) via a shaft 16. In the state where the air control valve 15 is closed, fresh air flows only through the intake port 8 connected to the other intake passage 14a. However, the intake port 8 is not a helical port, but is a loosely curved substantially straight line. Port shape.
[0022]
The basic operation of the internal combustion engine will be briefly described. First, a homogeneous air-fuel mixture is formed in the cylinder 3 at the time of full load of the engine or in a region where the air-fuel ratio is relatively small in the lean combustion region. Homogeneous combustion is performed. During the homogeneous combustion, the air control valve 15 is controlled to be in an open state, and fresh air is introduced into the cylinder 3 from both the pair of intake ports 8. Thereby, a strong tumble flow (longitudinal vortex) is generated in the cylinder 3. The fuel is injected and supplied into the cylinder 3 during the intake stroke. This fuel is actively diffused in the cylinder 3 by the tumble flow, and homogenization is promoted without staying in the cavity combustion chamber 12.
[0023]
On the other hand, in a lean combustion region where the air-fuel ratio is very large in a low load region, stratified lean combustion is performed that enables reliable ignition by stratification of the air-fuel mixture. During this stratified lean combustion, the air control valve 15 is closed, and fresh air flows into the cylinder 3 from only one intake port 8. Thereby, in the cylinder 3, the tumble component is relatively weakened and a swirl flow along the horizontal direction is generated strongly. During the stratified lean combustion, fuel is injected from the fuel injection valve 10 toward the cavity combustion chamber 12 in the latter half of the compression stroke. This injected fuel travels on the swirl flow confined in the cavity combustion chamber 12 at the top of the piston 4 and moves toward the spark plug 7 to form an ignitable mixture around the spark plug 7. Ignition combustion is possible by igniting at the timing.
[0024]
Next, based on FIG. 3 and FIG. 4, the structure of the piston 4 according to the first embodiment of the present invention, in particular, the structure of the top thereof will be described in detail.
[0025]
In the piston 4, a convex portion 21 is provided on the top surface so that the cavity combustion chamber 12 occupies most of the space in the cylinder 3 at the top dead center. The convex portion 21 is basically composed of five surfaces. That is, the intake valve side inclined surface 22 and the exhaust valve side inclined surface 23, which are substantially parallel to the two inclined surfaces 11a and 11b constituting the pent roof type combustion chamber 11 on the cylinder head 2 side, and the intake valve side inclined surface. A top horizontal plane 30 which is provided in a strip shape so as to connect the upper edge of the surface 22 and the upper edge of the exhaust valve side inclined surface 23 and which is a plane perpendicular to the center line of the piston 4, and concentric with the outer circle of the piston 4 The convex part 21 is comprised by a pair of conical side surfaces 24 and 25 which consist of this conical surface. The pair of conical side surfaces 24 and 25 constitutes the side portion of the convex portion 21.
[0026]
In this embodiment, the inclined surface 22 on the intake valve side is only slightly left in the vicinity of the top due to the formation of the valve recesses 31 and 32 and the cavity combustion chamber 12 which will be described later. As shown by an imaginary line in FIG. 4, it is a virtual plane. In this embodiment, the conical side surfaces 24 and 25 are continuous with each other through the lower edge of the exhaust valve side inclined surface 23.
[0027]
The apex angle of the cones of the conical side surfaces 24 and 25 in the convex portion 21 is very small, and the conical side surfaces 24 and 25 are standing as shown in FIG. Accordingly, the positions of the ridge lines 35 and 36 between the conical side surfaces 24 and 25 and the top horizontal surface 30 approach the piston 4 outer peripheral side. Thereby, when the piston 4 is at the top dead center, the clearance generated between the conical side surfaces 24 and 25 and the cylinder head 2 side combustion chamber 11 is very small and remains in the cylinder 3. The cavity combustion chamber 12 occupies most of the volume.
[0028]
A piston reference horizontal surface 26 is formed on the outer periphery of the convex portion 21. The piston reference horizontal plane 26 is composed of a single plane orthogonal to the center line of the piston 4, and is continuous over the entire circumference of the piston 4. The thrust and anti-thrust portions of the piston reference horizontal surface 26 correspond to the squish areas 2a and 2b (see FIG. 1) left as flat surfaces on both sides of the combustion chamber 11 on the cylinder head 2 side, respectively. Contributes to the generation of
[0029]
The cavity combustion chamber 12 is recessed over the top horizontal surface 30 and the intake valve side inclined surface 22. The cavity combustion chamber 12 has a true circular shape when viewed on the plane of the piston 4 and has a diameter larger than the radius of the piston 4. The bottom surface is along a plane orthogonal to the center line of the piston 4 and the inner peripheral side wall surface is formed in a dish shape that is loosened upwardly in a tapered shape. Further, the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12 is located inside a pair of virtual side ridge lines generated between the conical side surfaces 24, 25 and the intake valve side inclined surface 22. That is, the intake valve side inclined surface 22 is larger than the cavity combustion chamber 12 in the piston pin axial direction. On the other hand, the portion near the exhaust valve on the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12 protrudes slightly closer to the exhaust valve than the exhaust valve side top ridge line 33 between the top horizontal surface 30 and the exhaust valve side inclined surface 23. . This is because the present embodiment is a piston 4 having a relatively small diameter, and when the piston 4 has a large diameter, it is desirable not to protrude from the exhaust valve side top ridge line 33. . Further, as shown in FIG. 2, when the piston 4 is at the top dead center, the spark plug 7 is disposed so as to enter the cavity combustion chamber 12 and to be positioned on the outer periphery thereof.
[0030]
A pair of valve recesses 31, 32 are recessed in the intake valve side inclined surface 22 corresponding to the valve head of the intake valve 5. Although the valve recesses 31 and 32 are formed in a relatively shallow circle along the valve inclination angle, they overlap with the cavity combustion chamber 12 and thus appear in a crescent shape. A symbol L in FIG. 4 indicates a center line of the intake valve 5. In the present embodiment, the valve recesses 31 and 32 have a part of the outer periphery near a pair of virtual side ridge lines generated between the conical side surfaces 24 and 25 and the intake valve side inclined surface 22. That is, the outer edges of the valve recesses 31 and 32 intersect the side ridge line and the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber 12, respectively. As shown in FIG. 3, part of the intake valve side inclined surface 22 partially remains along the outer edges of the valve recesses 31 and 32.
[0031]
Moreover, the structure of the top part of the piston 4 configured as described above is configured symmetrically around a diameter line (that is, a line AA in FIG. 3) in a direction orthogonal to the piston pin. In addition, the fuel injection valve 10 is arrange | positioned so that a fuel may be injected along the AA line | wire used as this symmetry axis.
[0032]
Furthermore, by providing the valve recesses 31 and 32 on the intake valve side inclined surface 22 of the convex portion 21 as described above, a stepped portion 38 is formed along the outer edge of the valve recess 31 and 32, and the convex outer edge portion 21a. Remains in an arc-shaped weir shape. The convex outer edge portion 21a gradually decreases as the intake valve side inclined surface 22 inclines toward the intake valve side of the piston 4, that is, toward the right side in FIG. Finally, it becomes the same height as the bottom surfaces of the valve recesses 31 and 32 and disappears at the point 37.
[0033]
In the above configuration, since the cavity combustion chamber 12 has a simple perfect circle, swirls generated in the cylinder 3 during stratified combustion are smoothly guided into the cavity combustion chamber 12 to maintain sufficient strength. Stored as is. Then, after the fuel is injected toward the cavity combustion chamber 12 in the latter half of the compression stroke, when the piston 4 approaches top dead center, each surface of the convex portion 21 having the cavity combustion chamber 12 is shown by an imaginary line in FIG. As shown in the figure, the cavity combustion chambers 12 are well sealed over the entire circumference because they are close to the corresponding surfaces on the cylinder head 2 side. Accordingly, the swirl and the air-fuel mixture in the cavity combustion chamber 12 do not leak to the outside, and combustion proceeds in the cavity combustion chamber 12.
[0034]
In particular, the valve recesses 31 and 32 are recessed so as to overlap the cavity combustion chamber 12, but have stepped portions 38 along the outer edges of the valve recesses 31 and 32, and the side portions of the valve recesses 31 and 32 are convex outer edges. Since it is surrounded by the portion 21a, when the piston 4 is in the vicinity of the top dead center, the gas flow flowing on the piston reference horizontal plane 26 is suppressed from flowing into the cavity combustion chamber 12 via the valve recesses 31 and 32. . Further, since there is a top horizontal surface 30 extending in the piston pin axial direction between the cavity combustion chamber 12 and the valve recesses 31 and 32 and the exhaust valve side inclined surface 23, the cavity combustion is performed from the exhaust valve side of the cylinder 3. The gas flow towards the chamber 12 is now damped and weakened. Therefore, the swirl flow and the fuel in the cavity combustion chamber 12 are not disturbed by the gas flow flowing from the outside of the cavity combustion chamber 12, and the adverse effects due to the formation of the valve recesses 31 and 32 are extremely reduced and sufficiently good. Stratified combustion can be secured.
[0035]
At the time of homogeneous combustion, a tumble flow is formed in the cylinder 3 by the fresh air flowing in from the pair of intake ports 8 and fuel injection is performed during the intake stroke. And a perfectly circular cavity combustion chamber 12 is positioned on the center line (line AA in FIG. 3) of the pair of intake ports 8 where the tumble flow is concentrated. Therefore, the fuel that has entered the cavity combustion chamber 12 is not easily washed away by the tumble flow and stays there. Therefore, a homogeneous air-fuel mixture can be formed even at high loads, and good homogeneous combustion is possible.
[0036]
FIG. 5 shows a second embodiment of the piston according to the present invention. In the piston of the second embodiment, the ridge lines 35 and 36 at both ends of the top horizontal plane 30 in the axial direction of the piston pin are located closer to the outer periphery of the piston 4 than in the piston of the first embodiment. , The ridge lines 35 and 36 are located outside the end positions of the valve recesses 31 and 32 in the piston pin axial direction.
[0037]
FIG. 6 shows the results of experiments on the influence of the positions of the ridge lines 35 and 36 due to the piston pin axial direction, and the characteristic i secures the ridge lines 35 and 36 sufficiently long in the piston pin axial direction as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the characteristics and characteristics of the HC emission amount in the second embodiment are as follows. Is shown. As is clear from these comparisons, the HC emission amount can be further reduced by extending the ridges 35 and 36 sufficiently long in the piston pin axial direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a direct injection internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a bottom view showing a state in which the cylinder head is viewed from the lower surface side.
FIG. 3 is a plan view showing a first embodiment of a piston according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3;
FIG. 5 is a plan view showing a second embodiment of the piston according to the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the positions of ridge lines on both ends of the top horizontal plane in the piston pin axial direction and the HC discharge amount.
[Explanation of symbols]
4 ... Piston 12 ... Cavity combustion chamber 21 ... Convex part 21a ... Convex outer edge part 22 ... Intake valve side inclined surface 23 ... Exhaust valve side inclined surface 24, 25 ... Conical side surface (side part)
26 ... Piston reference horizontal plane 30 ... Top horizontal plane 31, 32 ... Valve recess 38 ... Step

Claims

A pent roof type combustion chamber recessed in the cylinder head has two intake valves and two exhaust valves, and has a spark plug in the center of the cylinder, and a fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder In the piston of the direct injection internal combustion engine that is arranged on the valve side and realizes stratified combustion by performing fuel injection in the compression stroke,
The exhaust valve side inclined surface which is a plane inclined substantially parallel to the inclined surface on the exhaust valve side of the pent roof type combustion chamber and the inclined surface on the intake valve side of the pent roof type combustion chamber so as to be substantially parallel to the inclined surface. An intake valve side inclined surface comprising an inclined plane, a cavity combustion chamber recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer circle so as to receive fuel spray injected in the compression stroke, and the intake valve A pair of valve recesses recessed in the intake valve side inclined surface corresponding to the valve head, and at least a portion near the upper edge of the intake valve side inclined surface along the outer edge of the valve recess. A piston of a cylinder injection internal combustion engine, wherein a part of the valve-side inclined surface remains.

A pent roof type combustion chamber recessed in the cylinder head has two intake valves and two exhaust valves, and has a spark plug in the center of the cylinder, and a fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder In the piston of the direct injection internal combustion engine that is arranged on the valve side and realizes stratified combustion by performing fuel injection in the compression stroke,
The exhaust valve side inclined surface which is a plane inclined substantially parallel to the inclined surface on the exhaust valve side of the pent roof type combustion chamber and the inclined surface on the intake valve side of the pent roof type combustion chamber so as to be substantially parallel to the inclined surface. and inclined flat faces or Ranaru intake valve-side inclined surface, the cavity combustion chamber is recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer yen to receive a fuel spray injected in the compression stroke, the intake A pair of valve recesses recessed in the intake valve side inclined surface corresponding to the valve head of the valve, and at least a portion near the center of the piston is formed with a step portion along the outer edge of the valve recess. In addition, the piston of the cylinder injection internal combustion engine, wherein a part of the inclined surface on the intake valve side remains outside the stepped portion .

The outer edge of the valve recess intersects the outer peripheral edge of the cavity combustion chamber and the side ridge line of the inclined surface on the intake valve side at a portion near the center of the piston, and the stepped portion extends between the two. The piston of the direct injection internal combustion engine according to claim 2, wherein

A pent roof type combustion chamber recessed in the cylinder head has two intake valves and two exhaust valves, and has a spark plug in the center of the cylinder, and a fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder In the piston of the direct injection internal combustion engine that is arranged on the valve side and realizes stratified combustion by performing fuel injection in the compression stroke,
The top of the piston is provided with a convex portion substantially corresponding to the concave shape of the pent roof type combustion chamber, and is recessed at a position eccentric to the intake valve side with respect to the piston outer circle so as to receive fuel spray injected in the compression stroke. A pair of valve recesses corresponding to the valve head of the intake valve is formed so as to have a cavity combustion chamber provided and partially overlap with the cavity combustion chamber, and at least in the portion near the center of the piston, There is a step along the outer edge ,
The convex portion has an intake valve side inclined surface formed of a plane inclined so as to be substantially parallel to the intake valve side inclined surface of the pent roof type combustion chamber, and at least near the upper edge of the intake valve side inclined surface. A part of the intake valve-side inclined surface remains along the outer edge of the valve recess in the portion .

5. The piston of the direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein a convex outer edge portion extending in a dam shape remains along the outer edge of the valve recess toward the intake valve side of the piston.

6. The piston of a direct injection internal combustion engine according to claim 1, further comprising a variable valve mechanism that variably controls the valve lift characteristic of the intake valve.