JPH11200864A - ４サイクルエンジン用ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストン形状の工夫によってタンブル流及び
スキッシュ流の両方を発生させることができる４サイク
ルエンジン用ピストンを提供する。 【解決手段】 円盤状のヘッド部２１の上面に大略球面
状の燃焼凹部２１ａを凹設するとともに吸気，排気バル
ブとの干渉を回避するためのリセス部２１ｂ，２１ｃを
凹設し、さらに上記ヘッド部２１の上面の外周部に環状
で平坦面をなすスキッシュ部２１ｄを形成し、該スキッ
シュ部２１ｄと上記燃焼凹部２１ａとの稜線Ａが上記リ
セス部２１ｂ，２１ｃ内を通過している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、４サイクルエンジ
ン用ピストンに関し、特にタンブル流及びスキッシュ流
の発生を容易にして燃焼性を改善できるようにしたピス
トンに関する。

【０００２】

【従来の技術】４サイクルエンジンでは、シリンダボア
内に吸入した混合気流にタンブル（縦渦）を発生させる
ことにより燃焼性を改善できることが知られている。こ
のタンブル流を発生させるための構造として、従来か
ら、吸気ポートの形状をタンブル流の発生し易い形状に
設定する、吸気ポートにタンブル流を発生させるための
流動制御弁を設ける等各種の構造が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来の吸
気ポートの形状を特殊な形状としたり、タンブル流を発
生させるための流動制御弁を設ける構造の場合、構造が
複雑となり、コスト高になる問題がある。なお、ピスト
ンの形状の工夫によって燃焼性を改善するようにしたも
のもあったが十分な効果は得られていないのが実情であ
る。

【０００４】また燃焼性を改善するには、上記タンブル
流以外にもスキッシュ流を発生させる等各種の方法が知
られているが、ピストン形状の工夫によってタンブル流
とスキッシュ流の両方を効率良く発生させることができ
るようにしたものは従来提案されていない。

【０００５】本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされ
たもので、ピストン形状の工夫によってタンブル流及び
スキッシュ流の両方を発生させることができる４サイク
ルエンジン用ピストンを提供することを課題としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、円盤
状のヘッド部２１の上面に大略球面状の燃焼凹部２１ａ
を凹設するとともに吸気，排気バルブとの干渉を回避す
るためのリセス部２１ｂ，２１ｃを凹設し、さらに上記
ヘッド部２１の上面の外周部に環状で平坦面をなすスキ
ッシュ部２１ｄを形成し、該スキッシュ部２１ｄと上記
燃焼凹部２１ａとの稜線Ａが上記リセス部２１ｂ，２１
ｃ内を通過していることを特徴としている。

【０００７】

【発明の作用効果】請求項１の発明によれば、吸気行程
において吸気弁１０が開きピストン２０が下降するとそ
れに伴って混合気が、吸気弁開口４ｄの特にシリンダ中
心側寄り部分を通ってシリンダボア７ａ内に吸入され、
シリンダボア７ａの排気側内表面に沿ってシリンダ軸線
方向に流れる。そして本発明ではピストン２０の上面の
中央部に球面状のピストン側燃焼凹部２１ａを凹設した
ので、上記シリンダ軸線方向に流れる混合気流が上記球
面状の燃焼凹部２１ａに沿って反転するように流れ、タ
ンブル流が発生し易い。

【０００８】また圧縮行程においてピストン２０が上昇
する場合においても、ピストン上面の球面状の燃焼凹部
２１ａにより上記発生したタンブル流が残留し易い。さ
らにまたピストン２０の上昇に伴ってピストン側の燃焼
凹部２１ａとシリンダヘッド４側の燃焼凹部４ｂにより
燃焼室Ｂが形成されるのであるが、ピストン側の燃焼凹
部２１ａが球面形状をしていることから、ピストン上面
が平坦であったり上方に突出しているものに比べて上記
燃焼室Ｂ全体が球形状に近くなり、この点から圧縮行程
の終期においても上記タンブル流が残留する。

【０００９】また本発明では、上記ピストン２０のヘッ
ド部２１の上面の外周部に環状で平坦面をなすスキッシ
ュ部２１ｄを形成したので、圧縮行程の終期においては
上記ピストン２０のスキッシュ部２１ｄとシリンダヘッ
ド４のシリンダボディ側合面４ａと面一をなす平坦面と
でシリンダボア外周部の混合気を中心側に押し出すスキ
ッシュ流が発生し易い。これらのスキッシュ流及び上記
タンブル流によって混合気の霧化が促進され、燃焼性が
向上してエンジン性能が向上する。

【００１０】ここでエンジン性能の向上を図るために、
燃焼室容積を小さくして圧縮比を高くすべくピストンの
上死点位置をシリンダヘッドの合面側に近接させたり、
高速回転時の吸入空気量を増大するために吸気行程と排
気行程とをオーバーラップさせることが行われている。
この場合、ピストンと吸気弁，排気弁との干渉を回避す
るためにピストン上面にリセス部を凹設することが知ら
れている。

【００１１】ところが上記リセス部はピストン上面に形
成された凹部であるから、上記タンブル流の発生に対し
てはこれを阻害するように作用する。そこで本発明で
は、上記球面状の燃焼凹部２１ａを、該凹部２１ａと上
記スキッシュ部２１ｃとの稜線Ａが上記リセス部２１
ｂ，２１ｃ内を通るように形成した。そのため該燃焼凹
部２１ａのリセス部における深さの分だけ上記リセス部
２１ｂ，２１ｃの凹み深さが緩和され、その結果、リセ
ス部２１ｂ，２１ｃによる上記タンブル流に対する阻害
作用が緩和される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１〜図１０は本発明の一実
施形態による４サイクルエンジン用鍛造ピストンを説明
するための図であり、図１は該ピストンを備えた４サイ
クルエンジンの断面側面図、図２は該ピストンの平面
図、図３は一部断面側面図、図４は断面側面図、図５は
一部断面底面図、図６，図７は模式図、図８，図９は鍛
造装置の断面模式図、図１０は鍛造工程を説明するため
の模式図である。なお、本実施形態における前後左右と
は、エンジンを吸気側から見たときの前後左右の意味で
ある。

【００１３】図１において、１は本実施形態ピストンを
備えた自動二輪車用エンジンである。該エンジン１は水
冷式並列４気筒５バルブエンジンであり、クランクケー
ス２上にシリンダボディ３，シリンダヘッド４を積層し
てヘッドボルト５で結合し、該シリンダヘッド４の上側
合面４ｇにヘッドカバー６を被せた概略構造を有し、ク
ランク軸を車幅方向に向けて車体フレームに搭載され
る。

【００１４】上記シリンダボディ３に圧入によりあるい
は鋳込みにより挿入配置されたシリンダライナ７のシリ
ンダボア７ａ内にはピストン２０が摺動自在に挿入配置
されており、該ピストン２０はコンロッド８により図示
しないクランク軸に連結されている。

【００１５】また上記シリンダヘッド４のシリンダボデ
ィ側合面４ａには上記シリンダボア７ａ，ピストン２０
の上面とで燃焼室Ｂを形成する略半球状のヘッド側燃焼
凹部４ｂが凹設されている。該燃焼凹部４ｂには２つの
排気弁開口４ｉ，３つの吸気ポート４ｊが略シリンダボ
ア７ａの外周に沿うように開口しており、該各開口４
ｉ，４ｊはそれぞれ排気ポート４ｃ，吸気ポート４ｄに
よりシリンダヘッド４の前側壁４ｅ，後側壁４ｆに導出
されている。また上記燃焼凹部４ｂの略中央に点火プラ
グ２９の電極が臨んでいる。さらにまた、図示していな
いが上記吸気ポート４ｄの外方接続開口４ｈには気化器
が接続されている。なお上記吸気ポート４ｄに燃料噴射
弁を装着し、吸気弁１０の傘部１０ａの裏面に向けて燃
料を噴射するようにしても良い。

【００１６】上記排気ポート４ｃ，吸気ポート４ｄの燃
焼室側開口４ｉ，４ｊはそれぞれ２本の排気弁９，３本
の吸気弁１０の傘部９ａ，１０ａにより開閉可能となっ
ており、該各排気弁９，各吸気弁１０はバルブスプリン
グ１１ａ，１１ｂで閉方向に付勢されている。また上記
各排気弁９，吸気弁１０は上端に装着されたバルブリフ
タ１２ａ，１２ｂを介して排気カム軸１３ａ，吸気カム
軸１３ｂで開閉駆動される。

【００１７】ここで、上記３本の吸気弁１０のうち中央
の吸気弁は図１に示す左右の吸気弁１０よりシリンダボ
ア軸線となす角度が小さくなるように、つまりより起立
させた状態に配置されている。これにより上記ヘッド側
燃焼凹部４ｂの表面形状をより球面形状に近づけるとと
もに、燃焼室容積を小さくして圧縮比を高めており、さ
らにまた後述するようにピストン頂面のリセス部の深さ
を浅くしている。

【００１８】上記ピストン２０は、略円盤状のヘッド部
２１と、該ヘッド部２１の下面の左右外側部分から下方
に一体に突設する左，右一対のピンボス部２２ａ，２２
ｂと、上記ヘッド部２１の外周縁のピンボス部２２ａ，
２２ｂ間部分から該ピンボス部２２ａ，２２ｂの下端よ
り下方まで一体に延びる前，後一対のスカート部２３
ａ，２３ｂとを備えたタイプのものである。

【００１９】上記ヘッド部２１の外周面には第１，第２
圧縮リング用リング溝２１ｆ，２１ｆ及びオイルリング
用リング溝２１ｇが凹設されている。また上記ヘッド部
２１の上面の中央部には大略球面状のピストン側燃焼凹
部２１ａが凹設されている。さらに上記ヘッド部２１の
上面には、上記各排気弁９の傘部９ａとの干渉を回避す
るための２つの排気側リセス部２１ｂ及び上記各吸気弁
１０の傘部１０ａとの干渉を回避するための３つの吸気
側リセス部２１ｃが大略半円形状に、かつ上記上面の外
周に沿って位置するように凹設されている。なお、２１
ｊは上記オイルリング溝２１ｇとピストン内部とを連通
するオイル孔である。

【００２０】なお、２１ｈは上記燃焼凹部２１ａの中央
部に突設された加工用捨てボスであり、これは鍛造成形
時に形成されたもので、ピストン外周面の機械加工時に
使用され、その後切削除去される。また２１ｉは上記ピ
ストン側燃焼凹部２１ａ上に刻印された排気方向示す矢
印である。

【００２１】さらにまた上記ヘッド部２１の上面の外周
部（図２に交差する斜線を施した領域）には環状で平坦
面をなすスキッシュ部２１ｄが形成されており、該スキ
ッシュ部２１ｄと上記燃焼凹部２１ａとの稜線Ａは上記
リセス部２１ｂ，２１ｃ内を通過している。ここで、上
記燃焼凹部２１ａを、稜線Ａがリセス部２１ｂ，２１ｃ
を通る大きさに設定したことにより、該凹部２１ａのリ
セス部部分の深さの分だけ各リセス部２１ｂ，２１ｃの
実質的なピストン上面からの凹み深さが浅くなってい
る。これにより後述するように、該リセス部によるタン
ブル流阻害作用が緩和される。

【００２２】なお、上記シリンダヘッド４の上記ヘッド
側燃焼凹部４ｂの外周部の上記スキッシュ部２１ｄに対
向する外周部分４ｋは、シリンダボディ側合面４ａと面
一の平坦面をなしており、このようにピストン側及びシ
リンダヘッド側に平坦面を形成したことにより圧縮行程
の終期において混合気がシリンダボア中央側に押し出さ
れるように流れるスキッシュ流が発生する。

【００２３】また上記左右のピンボス部２２ａ，２２ｂ
にはクランク軸と平行にピストンピン穴２５が貫通形成
されている。このピストンピン穴２５の内周面の軸方向
左右両端部にはピストンピンの抜け止めを行うサークリ
ップ用溝２５ａが凹設されており、また該ピストン穴２
５の内周面上部には前後一対のオイル溝２５ｂが軸方向
に貫通するように凹設されている。なお、２５ｃは上記
サークリップを着脱する際の工具の逃げ溝、２５ｄは鍛
造工程において押し出しシリンダ４１の押し出しロッド
４２が当接する座である。

【００２４】また上記前，後スカート部２３ａ，２３ｂ
の左端部２３ｃ，２３ｃと左側のピンボス部２２ａとは
前後一対の左側のリブ部２４ａ，２４ａにより連結され
ており、また上記前，後スカート部２３ａ，２３ｂの右
端部２３ｄ，２３ｄと右側のピンボス部２２ｂとは前後
一対の右側のリブ部２４ｂ，２４ｂにより連結されてい
る。これら左側，右側のリブ部２４ａ，２４ｂは上記ヘ
ッド部２１の下面から下方に一体に延びている。

【００２５】上記リブ部２４ａ，リブ部２４ｂは軽量化
のために薄肉に形成されており、またその下端縁２４ｃ
の上記ピンボス部２２ａ，２２ｂとの接続部ａからボス
側中間部ｂまでのボス側部分２４ｄは、上記ピンボス部
２２ａ，２２ｂの下端縁と略同じ高さに位置し、ピスト
ン上面までの寸法はＨ１一定となっている。なお、該ボ
ス側部分２４ｄを、上記寸法Ｈ１が上記ボス側中間部ｂ
側ほど増加するように斜めに形成してもよい。

【００２６】また上記下端縁２４ｃの上記ボス側部分２
４ｄに続く中央部分２４ｆは略円弧の凹状に形成されて
おり、該中央部分２４ｆの最も凹んでいる部分の上記ピ
ストン上面までの寸法はＨｏ（＜Ｈ１）となっている。
なお、上記中央部分２４ｆの大部分はピストン上面まで
の寸法が上記ボス側部分２４ｄより小さくなっている。

【００２７】さらにまた上記各リブ部２４ａ，２４ｂの
下端縁２４ｃの、上記スカート部２３ａ，２３ｂとの接
続部ｄからスカート側中間部ｃまでのスカート側部分２
４ｅは上記ボス側部分２４ｄより下方に位置し、ピスト
ン上面までの寸法はＨ２（＞Ｈ１）一定となっている。
なお、該スカート側部分２４ｅを、上記寸法Ｈ２がスカ
ート側ほど増加するよう斜めに形成してもよい。

【００２８】図８は上記ピストン２０を鍛造するための
プレス装置３０を模式的に示している。同図において、
プレス装置３０は、下部に配置固定された台盤３１の上
面に下型３２及びサイド金型３３を保持する下型保持部
材３４を配置固定し、上方に上型３５を保持する上型保
持部材３６をスライダ３７の下面に固定して配置し、該
スライダ３７を支柱３８により上下移動可能に支持し、
該スライダ３７を油圧シリンダ３９のピストンロッド４
０で移動させるように構成されている。

【００２９】上記サイド金型３３は上記ピストン２０の
外周面形状に対応した形状の型穴３３ａを有し、該型穴
３３ａ内にピストン２０の内面形状に対応した形状の型
面３２ａを有する上記下型３２が嵌合配置されている。
ここで、上記下型３２の型面３２ａの、上記リブ部の下
端縁２４ｃに対応する部分は、上記ボス側部分２４ｄ，
中央部分２４ｆ，スカート側部分２４ｅに対応した形状
部分３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有している（図１０参
照）。

【００３０】また上記台盤３１内には鍛造成形品を取り
外すための押し出しシリンダ４１が配置されており、該
シリンダ４１の押し出しロッド４２は上記ピンボス部を
形成するための空隙に臨んでいる。なお、３４ａは下型
保持部材３４のに突設されたストッパ部であり、該スト
ッパ部３４ａにより上記上型保持部材３６の下降位置を
規制する。また４３は上記サイド金型３３内に配置さ
れ、該金型を所定温度に保持するヒータ、４３ａは給電
用リード線である。

【００３１】上記上型３５はその下端部に上記ピストン
２０の上面形状に対応した形状の型面３５ａを有し、そ
の内部には該上型３５を所定温度に保持するヒータ４４
が挿入配置されている。上記上型３５を上型保持部材３
６がストッパ部３４ａに当接するまで下降させると、上
記ピストン２０のピンボス部，スカート部，リブ部に対
応した空隙（キャビティ）が形成される。なお４４ａは
給電用リード線である。

【００３２】本実施形態のピストン２０の鍛造に当たっ
ては、アルミニュウム合金（表１に示す材料が採用可能
である）のインゴット等を１つのピストンに要する大き
さに切断した鍛造用アルミ素材Ｗを鍛造に適した温度に
加熱し、上記下型３２とサイド金型３３とで形成された
空間内に配置し、上型３５により油圧シリンダ３９で加
圧する。該上型３５の下降に伴って上記アルミ素材Ｗの
上面が上型３５の型面３５ａに応じた形状に成形される
とともに、該アルミ素材Ｗの一部の上記ピンボス用空
間，スカート部用空間，及びリブ部用空間への流れ込み
が始まり、下型保持部材３４のストッパ部３４ａに上型
保持部材３６の下面が当接するまで上型３５を下降させ
ると鍛造成形が終了する。

【００３３】なお、上記鍛造成形品は、硬度７０〜８０
（ＨＲＢ）とされ、４９５゜ｃに２．５時間保持した後
水冷し、さらに２００゜ｃに６時間保持する熱処理が施
すのが好ましい。

【００３４】

【表１】

【００３５】このような鍛造成形においては、上記ピス
トン素材Ｗの一部が上記ピン保持部，及びスカート部用
空間に流れ込み、続いて上記リブ部用空間に流れ込み、
このようにして上記リブ部２４ａ，２４ｂが形成される
こととなる。そのため特に該リブ部２４ａ，２４ｂの下
端縁２４ｃのヘッド部，ピン保持部及びスカート部の何
れからも離れた部分に位置する上記中央部分２４ｆには
上記ピストン素材が到達し難い傾向があり、極端な場合
には切り欠き形状の欠肉が発生する懸念がある。

【００３６】本実施形態では、上記リブ部２４ａ，２４
ｂの下端縁２４ｃの上記中央部分２４ｆをヘッド部２１
側に円弧状に凹む形状とするとともに、下型３２の型面
３２ａの、上記中央部分２４ｆに対応する部分３２ｃを
上方に凸の円弧形状としたので、該中央部分２４ｆのヘ
ッド部２１，ピンボス部，スカート部からの遠さが緩和
される。そのため上記リブ部２４ａ，２４ｂの下端縁２
４ｃは下型３２の型面３２ａの形状通りに成形され、欠
肉の発生が防止される。その結果、切り欠き状の欠肉等
による応力集中によりリブ部が破損したり、スカート部
２３ａ，２３ｂ、ピンボス部２２ａ，２２ｂ等の剛性が
低下したりする問題を回避できる。

【００３７】また本実施形態では、上記リブ部２４ａ，
２４ｂの下端縁２４ｃのボス側部分２４ｄについてはピ
ンボス部２２ａの下端付近まで延長し、スカート側部分
２４ｅについてはボス側部分２４ｄよりさらに下方に延
長したので、それだけリブ部の面積が大きくなり、この
点からリブ部自体の剛性を大きくすることができ、それ
だけピンボス部，スカート部の剛性を高めることができ
る。

【００３８】また本実施形態エンジン１では、吸気行程
において吸気弁１０が開きピストン２０が下降するとそ
れに伴って混合気が、吸気弁開口４ｊの特にシリンダ中
心側寄り部分を通ってシリンダボア７ａ内に吸入され、
シリンダボア７ａの排気側内表面に沿ってシリンダ軸線
方向に流れる。そして上記ピストン２０の上面の中央部
に球面状のピストン側燃焼凹部２１ａを形成したので、
上記シリンダ軸線方向に流れる混合気流が上記球面状の
燃焼凹部２１ａに沿って反転しつつ流れ、タンブル流が
発生し易い。

【００３９】また圧縮行程においてピストン２０が上昇
する場合においても、ピストン上面の球面状の燃焼凹部
２１ａにより上記発生したタンブル流が残留し易い。さ
らにまたピストン２０の上昇に伴ってピストン側の燃焼
凹部２１ａとシリンダヘッド４側の燃焼凹部４ｂにより
燃焼室Ｂが形成されるのであるが、ピストン側の燃焼凹
部２１ａが球面形状をなしていることから、ピストン上
面が平坦であったり上方に突出しているものに比べて上
記燃焼室Ｂ全体が球形状に近くなり、この点から圧縮行
程の終期においても上記タンブル流が残留する（図１，
図１０参照）。

【００４０】また本実施形態では、上記ピストン２０の
ヘッド部２１の上面の外周部に環状で平坦面をなすスキ
ッシュ部２１ｄを形成したので、圧縮行程の終期におい
ては上記ピストン側燃焼凹部２１ａのスキッシュ部２１
ｄとヘッド側燃焼凹部４ｂの外周部分４ｋとでシリンダ
ボア外周部の混合気が中心側に押し出されるスキッシュ
流を形成し易い。これらのスキッシュ流及び上記タンブ
ル流によって混合気の霧化が促進され、燃焼性が向上し
てエンジン性能が向上する。

【００４１】ここでエンジン性能の向上を図るために、
燃焼室容積を小さくして圧縮比を高くすべくピストンの
上死点位置をシリンダヘッドの合面側に近接させたり、
高速回転時の吸入空気量を増大するために吸気行程と排
気行程とをオーバーラップさせることが行われている。
この場合、ピストンと吸気弁，排気弁との干渉を回避す
るためにピストン上面にリセス部を凹設することが行わ
れている。

【００４２】ところが上記リセス部はピストン上面に形
成された凹部であるから、上記タンブル流の発生に対し
てはこれを阻害するように作用する。そこで本実施形態
では、上記球面状の燃焼凹部２１ａをピストン上面に形
成するに当たり、該凹部２１ａと上記スキッシュ部２１
ｃとの稜線Ａが上記リセス部２１ｂ，２１ｃ内を通るよ
うに形成した。そのため該燃焼凹部２１ａのリセス部に
おける深さの分だけ上記リセス部２１ｂ，２１ｃの凹み
深さが緩和され、その結果、リセス部２１ｂ，２１ｃに
よる上記タンブル流に対する阻害作用が緩和される。

【００４３】また本実施形態では、ピストン２０の上死
点位置をシリンダヘッド４の燃焼凹部４ｂ側に近接させ
たので、それだけエンジンの全高を低くできる。またピ
ストン２０の上面に燃焼凹部２１ａを凹設したので、該
凹部２１ａからピストンリングまでの距離に短くなり、
それだけ熱がヘッド部２１からピストンリングを介して
シリンダライナ７に伝達され易く、放熱上有利となる。

【００４４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による鍛造ピストンを備え
たエンジンの断面側面図である。

【図２】上記ピストンの平面図である。

【図３】上記ピストンの一部断面側面図である。

【図４】上記ピストンの断面側面図（図３のＩＶ−ＩＶ
線断面図）である。

【図５】上記ピストンの一部断面底面図である。

【図６】上記ピストンのリブ部を説明するための模式図
である。

【図７】上記ピストンとシリンダヘッドとで構成される
燃焼室を説明するための模式図である。

【図８】上記ピストンの鍛造用プレス装置の断面模式図
である。

【図９】上記ピストンの鍛造用プレス装置の断面模式図
である。

【図１０】上記ピストンの鍛造行程を説明するための模
式図である。

【符号の説明】

１ ４サイクルエンジン ２１ ヘッド部 ２１ａ 燃焼凹部 ２１ｂ，２１ｃ リセス部 ２１ｄ スキッシュ部 Ａ 稜線

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年１月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【図３】

【図１】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円盤状のヘッド部の上面に大略球面状の
   燃焼凹部を凹設するとともに吸気，排気バルブとの干渉
   を回避するためのリセス部を凹設し、さらに上記ヘッド
   部の上面の外周部に環状で平坦面をなすスキッシュ部を
   形成し、該スキッシュ部と上記燃焼凹部との稜線が上記
   リセス部内を通過していることを特徴とする４サイクル
   エンジン用ピストン。