JP4785540B2 - 内燃機関およびそのピストン - Google Patents

Description

この発明は、タンブル流を利用した筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンに関する。

シリンダ内のガス流動としてタンブル流を利用した内燃機関において、吸気行程において生じたタンブル流が圧縮行程においても良好に保存されるように、ピストン冠面に、ピストンピン中心軸線と平行な円筒面を凹設したピストンが、例えば特許文献１に開示されている。このような構成によれば、シリンダヘッド側に凹設された燃焼室凹部との間で、ピストンピン軸方向から見て、円形ないしは楕円形の空間が形成され、シリンダの上下方向に沿ったタンブル流が円滑に旋回するようになる。
特開２０００−１８６５５６号公報

筒内直接噴射式内燃機関では、一般に、圧縮行程後期に燃料を噴射することで成層希薄燃焼を実現するのであるが、上記のようなピストンを用いた構成では、シリンダ側方に配置した燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部へ安定的に案内することが難しく、燃焼が安定しない。従って、例えば始動直後のＨＣ低減のために点火時期をリタードしようとしても、燃焼安定限界の制約によって大幅なリタードが困難となる。

また、燃料噴霧を点火プラグ近傍へ供給するために、燃料噴霧をピストン冠面に衝突させて点火プラグ側へ反射させるような構成とすると、燃料の一部がピストン冠面に付着し、ＨＣ増加の要因となる。

この発明は、シリンダ頂面の略中心部に点火プラグが配置されるとともに、吸気弁側の燃焼室側方に燃料噴射弁が配置され、相対的に負荷が高い領域では吸気行程中に燃料を噴射してシリンダ内のタンブル流を用いた均質燃焼を行うとともに、相対的に負荷が低い領域では圧縮行程中に燃料を噴射して成層希薄燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンであって、ピストン冠面に、該冠面上を排気弁側から吸気弁側へ向かう方向に流れるシリンダ内のタンブル流に沿うように、ピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面が凹設されてなる内燃機関のピストンにおいて、上記湾曲面は、上記冠面周囲の基準面よりも深く窪んだ凹部として形成され、上記点火プラグの直下となる上記湾曲面の略中央部に、ピストンピン中心軸線と平行に延びた突条部が形成されている。そして、上記湾曲面から該突条部へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部および排気弁側の立ち上がり部が、それぞれ円弧面をなし、かつ、上記タンブル流が該突条部を乗り越えて上記湾曲面上を排気弁側から吸気弁側へと流れるように排気弁側の立ち上がり部の曲率半径が吸気弁側の立ち上がり部の曲率半径よりも大きく設定されている。

望ましくは、上記突条部の吸気弁側の立ち上がり部が上記点火プラグの直下に位置している。

具体的な一つの態様では、上記ピストン冠面の略全面に、シリンダヘッド側へ膨らんだ凸部が設けられ、この凸部のピストンピン軸方向の端部寄りの部分を残すように上記湾曲面が矩形状に凹設されている。

すなわち、上記のように突条部を備えた構成では、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、突条部の上方を噴霧が通過することによって該突条部に沿って上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧が上方の点火プラグ側へ向かう。特に、噴霧の噴射方向に対向する突条部の吸気弁側の立ち上がり部が滑らかな円弧面をなすので、より円滑に上昇流が生じる。従って、点火プラグ近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。

一方、例えば多量の排気還流を行いつつ均質燃焼する場合などに、シリンダ内にタンブル流が生成されると、このタンブル流は、ピストン冠面の湾曲面に沿って旋回することになるが、突条部の排気弁側の立ち上がり部が曲率半径の大きな円弧面をなすので、タンブル流が円滑に突条部を乗り越えることができ、突条部を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。

この発明によれば、シリンダ側方の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部へ安定的に案内することができ、安定した成層希薄燃焼が得られる。従って、例えば始動直後のＨＣ低減のために点火時期をリタードするに際して、点火時期の燃焼安定限界がより遅角側となり、大幅な点火時期リタードが可能となる。また同時に、タンブル流の低下を最小限にできる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

始めに、この発明のピストン４が用いられる筒内直接噴射式内燃機関の構成を図１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、その一方の傾斜面に一対の吸気弁５が、他方の傾斜面に一対の排気弁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が形成されているとともに、一対の排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。

筒内へ直接に燃料を噴射する電磁式燃料噴射弁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、上記燃料噴射弁１０は、２つの吸気弁５の間に配置され、点火プラグ７が位置するシリンダ３中心ヘ向かって、水平に近い傾斜角度でもって燃料を噴射するように構成されている。

なお、上記吸気ポート８は、シリンダ３内にいわゆる順方向のタンブル流を生成するのに適した形状を有しているが、さらに、ポート内を上下の流路に仕切る隔壁やその一方の流路を開閉するタンブル制御弁などのタンブル生成手段を必要に応じて設けることもできる。

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、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給され、シリンダ３内に生成されるタンブル流によって積極的に拡散される。

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、燃料は、圧縮行程の後半において、燃料噴射弁１０から燃焼室１１壁面とピストン４との間の空間へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、後述するように点火プラグ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。なお、タンブル制御弁のようなタンブル流を可変制御する手段を有する場合には、成層希薄燃焼時には、タンブル流を抑制することが望ましい。

次に、図２は、本発明に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を示している。図示するように、このピストン４は、冠面の略全面に、周囲の基準面２０からシリンダヘッド１側へ膨らんだ凸部２１を有しているとともに、この凸部２１の中央部に、上面から見て矩形状をなす凹部２２が設けられている。上記凸部２１は、上死点位置においてシリンダヘッド１側の燃焼室１１内に入り込み、その容積の一部を占めるように、ドーム型に膨らんでいるが、上記凹部２２が大きく設けられていることから、実際には、ピストンピン軸方向の両端部に、それぞれ冠面の中の三日月型の領域を占める凸部２１ａ，２１ｂが部分的に残った形となっている。そして、ピストンピンと直交する方向の両端（つまり吸気弁側および排気弁側の端部）の２箇所には、三日月形のスキッシュエリア２３，２４が、基準面２０と同一の平面として形成されている。

上記凹部２２は、ピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面からなる底面２２ａと、ピストンピンと直交する方向に沿って延びた一対の側壁面２２ｂ，２２ｃと、から形成されている。上記底面２２ａは、一定の曲率半径を有する単純な円筒面であってもよく、曲率半径が部分的に異なる湾曲面であってもよいが、全体として、シリンダ３内のタンブル流の流れに沿うように湾曲している。

そして、この湾曲面からなる底面２２ａの長手方向の略中央部には、ピストンピン中心軸線と平行に直線状に延びた突条部２５が設けられている。この突条部２５は、図３に示すように、断面が略台形状をなし、かつ、底面２２ａから該突条部２５へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部２５ａおよび排気弁側の立ち上がり部２５ｂが、それぞれ滑らかに連続する円弧面をなしている。ここで、排気弁側の立ち上がり部２５ｂの曲率半径は、吸気弁側の立ち上がり部２５ａの曲率半径よりも大きく設定されている。また、吸気弁側の立ち上がり部２５ａが、上記点火プラグ７の電極部の直下に位置している。なお、吸気弁側の立ち上がり部２５ａの上方部分つまり突条部２５の先端側の部分は、点火プラグ７へ向かって略垂直に直立している。

上記のような実施例の構成においては、図４の説明図に示すように、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、噴霧Ｆは、その進行方向が突条部２５の吸気弁側の立ち上がり部２５ａに沿って点火プラグ７へ向けられ、あるいは、突条部２５の上方を噴霧Ｆが通過することによって、該突条部２５の吸気弁側の立ち上がり部２５ａに沿って矢印で示すような上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧Ｆが上方の点火プラグ７側へ案内される。特に、噴霧の噴射方向に対向する突条部２５の吸気弁側の立ち上がり部２５ａが滑らかな円弧面をなすので、より円滑に上昇流が生じる。従って、点火プラグ７近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。

一方、均質燃焼の際には、前述したように、シリンダ内のタンブル流を利用して燃焼が行われるが、図５および図６の説明図に示すように、矢印Ｔで示すタンブル流は、湾曲面からなる凹部２２の底面２２ａの上を、排気弁側から吸気弁側へと流れ、シリンダ３内で旋回する。ここで、突条部２５の排気弁側の立ち上がり部２５ｂが曲率半径の大きな円弧面をなすので、タンブル流が円滑に突条部２５を乗り越えることができ、突条部２５を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。

なお、仮に、吸気弁側の立ち上がり部２５ａのみが生じるように凹部２２底面２２ａに段差部を設けるように構成した場合には、ピストン冠部の肉厚が、吸気弁側で薄く、排気弁側で厚くなり、ピストン鋳造時に熱歪を生じやすいものとなるが、上記構成では、相対的に小さな体積の突条部２５が存在するだけなので、ピストンを鋳造で製造した場合に熱歪を生じることがない。またピストン冠部の肉厚の増加により機関の圧縮比を低下させることもない。

図７は、上記の突条部２５を設けたことによる成層希薄燃焼時の安定性向上についての実験結果を示したものであり、特に、冷間始動直後の触媒早期活性化のために点火時期をリタードしたときの特性を、突条部２５を具備しない比較例と突条部２５を備えた実施例とで対比して示している。なお、実験条件としては、１２５０ｒｐｍのファストアイドル状態、空燃比１６、水温２０℃、である。

図の（ｃ）は、燃焼変動を示す筒内圧のばらつきσＰｉと点火時期との関係を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴って燃焼変動が大となる。ここで、Ｌ１が燃焼安定限界である。比較例では、点火時期が上死点後１０°ＣＡ付近で燃焼安定限界Ｌ１を越えてしまい、これよりも遅角することはできない。これに対し、突条部２５を備えた実施例では、筒内圧のばらつきσＰｉが相対的に小さくなり、上死点後１８°ＣＡ付近まで遅角することが可能である。

図の（ａ）は、機関で発生するＨＣの特性を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴ってＨＣが減少する。同一の点火時期で比較すると、実施例の方が比較例よりもＨＣ発生量が大となるが、燃焼安定限界まで遅角することを前提とすると、上死点後１０°ＣＡ付近の点火時期の下での比較例のＨＣ発生量（点Ａ１で示す）に比較して、上死点後１８°ＣＡ付近の点火時期の下での実施例のＨＣ発生量（点Ａ２で示す）の方が、４０％程度低くなる。

また、図の（ｂ）は、内燃機関の排気マニホルドに取り付けられた触媒装置入口での排気温度を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴って排気温度が上昇する傾向となる。同一の点火時期で比較しても、実施例の方が比較例よりも高い排気温度が得られるが、燃焼安定限界まで遅角することを前提とすると、上死点後１０°ＣＡ付近の点火時期の下での比較例の排気温度（点Ｂ１で示す）に比較して、上死点後１８°ＣＡ付近の点火時期の下での実施例の排気温度（点Ｂ２で示す）は、２００℃近く高く得られる。

このように、本実施例によれば、燃焼安定性が向上する結果、始動直後などに点火時期の大幅な遅角が可能となり、ＨＣ発生量を低減するとともに、排気温度が高く得られ、触媒の早期活性化が図れる。

この発明に係るピストンが用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を示す断面図。 この発明に係るピストンの頂部の斜視図。 その要部の断面図。 燃料噴霧の挙動を示す説明図。 タンブル流との関係を示す説明図。 同じく斜視図。 点火時期と、（ａ）ＨＣ発生量、（ｂ）触媒入口排気温度、（ｃ）筒内圧のばらつきσＰｉ、との関係を、実施例と比較例とで対比して示した特性図。

符号の説明

４…ピストン
２２…凹部
２２ａ…底面（湾曲面）
２５…突条部
２５ａ…吸気弁側の立ち上がり部
２５ｂ…排気弁側の立ち上がり部

Claims (4)

1. シリンダ頂面の略中心部に点火プラグが配置されるとともに、吸気弁側の燃焼室側方に燃料噴射弁が配置され、相対的に負荷が高い領域では吸気行程中に燃料を噴射してシリンダ内のタンブル流を用いた均質燃焼を行うとともに、相対的に負荷が低い領域では圧縮行程中に燃料を噴射して成層希薄燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンであって、ピストン冠面に、該冠面上を排気弁側から吸気弁側へ向かう方向に流れるシリンダ内のタンブル流に沿うように、ピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面が凹設されてなる内燃機関のピストンにおいて、
   上記湾曲面は、上記冠面周囲の基準面よりも深く窪んだ凹部として形成され、
   上記点火プラグの直下となる上記湾曲面の略中央部に、ピストンピン中心軸線と平行に延びた突条部が形成されているとともに、上記湾曲面から該突条部へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部および排気弁側の立ち上がり部が、それぞれ円弧面をなし、かつ、上記タンブル流が該突条部を乗り越えて上記湾曲面上を排気弁側から吸気弁側へと流れるように排気弁側の立ち上がり部の曲率半径が吸気弁側の立ち上がり部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 吸気弁側の立ち上がり部が上記点火プラグの直下に位置することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 上記ピストン冠面の略全面に、シリンダヘッド側へ膨らんだ凸部が設けられ、この凸部のピストンピン軸方向の端部寄りの部分を残すように上記湾曲面が矩形状に凹設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のピストンを備えた内燃機関。

Images