JPH11210551A

JPH11210551A - 筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン

Info

Publication number: JPH11210551A
Application number: JP10015173A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukuda; 隆福田; Yuuichi Iriya; 祐一入矢; Kazuyoshi Aramaki; 和喜荒巻; Hisashi Mitsumoto; 久司光本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: JP3775038B2

Abstract

(57)【要約】【課題】未燃ＨＣ排出量の増加を最小限に抑制しつ
つ、ピストン４の隅角部分に生じるノッキングを抑制す
る。【解決手段】シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴
射弁１０を有するとともに、ピストン４の頂面に、略真
円形のボウル１２をピストン４外形円に対して偏心した
位置に凹設する。ピストン４の頂面とピストン４の外周
面との隅角部分にＲ面取り部４０をピストン４全周にわ
たって形成する。Ｒ面取り部４０の中で、ボウル１２に
相対的に近接する第１区間４２の曲率半径を第１区間４
２以外の第２区間４４の曲率半径よりも大きく設定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガソリン機関に
代表される火花点火内燃機関、特に、シリンダ内に燃料
を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリン機関に代表される火花点火内燃
機関において、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
の火花点火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火花
点火内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平５−
７１３８３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、ピストンの頂面に、ピストン外
形円に対し偏心した円形のボウル（キャビティ）が形成
されているとともに、シリンダヘッド側に、ピストン上
死点付近において上記ボウルへ向けて燃料を噴射供給す
る燃料噴射弁が配置されている。また、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。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
てボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル
内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように成層燃焼
を可能とした筒内噴射式火花点火内燃機関のピストンに
おいては、ピストン頂面のピストン外形円に対して偏心
した位置にボウルが凹設され、かつ、成層燃焼時にはボ
ウル内で燃焼が進行することから、特にボウルに近接す
るピストン外周部分が局所的に高温化したヒートスポッ
トとなり易く、この部分で高負荷運転時等にノッキング
を発生し易いという問題がある。

【０００５】このようなノッキングの発生を緩和するた
めに、ピストン頂面とピストン外周面との隅角部分にＲ
面取り部をピストン全周にわたって湾曲形成することが
考えられる。しかしながら、あまりＲ面取り部の曲率半
径を大きくすると、シリンダ壁面とピストン外周面とピ
ストンリングとにより画成されるピストンクレビスの容
積が大きくなってしまい、該ピストンクレビスに滞留す
る未燃ＨＣの排出量が増大してしまう。

【０００６】この発明は、ピストンクレビスの容積増大
に起因する未燃ＨＣ排出量の増加を最小限に抑制しつ
つ、頂面の偏心した位置にボウルを形成したピストンの
隅角部分に特に生じ易いヒートスポットに起因するノッ
キングの発生を効果的に抑制する新規な構造の筒内噴射
式火花点火内燃機関のピストンを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１の発明
は、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有す
るとともに、シリンダ略中央に点火プラグが配置され、
かつ、ピストンの頂面に、略真円形のボウルがピストン
外形円に対して偏心した位置に凹設された筒内噴射式火
花点火内燃機関のピストンにおいて、上記ピストンの頂
面と上記ピストンの外周面との隅角部分にＲ面取り部を
ピストン全周にわたって形成し、このＲ面取り部の中
で、上記ボウルに相対的に近接する第１区間の曲率半径
を、上記第１区間以外の第２区間の曲率半径よりも大き
く設定したことを特徴としている。

【０００８】また、請求項１の発明をより具体化した請
求項２の発明では、上記第１区間は、上記Ｒ面取り部の
中で上記ボウルに最も近接する位置を中心とした所定範
囲に設定されている。

【０００９】請求項３の発明は、上記Ｒ面取り部の中
で、少なくとも上記燃料噴射弁からの燃料噴霧が直接的
に干渉する範囲を、上記第２区間内に設定している。

【００１０】請求項４の発明では、ピストン平面上で見
て上記ボウルの中心は、上記燃料噴射弁と上記ピストン
の中心とを結ぶ線上で、かつ燃料噴射弁側に偏心した位
置に配置されている。

【００１１】

【発明の効果】請求項１又は２の発明によれば、ピスト
ン頂面とピストン外周面との隅角部分にＲ面取り部がピ
ストン全周にわたって形成され、かつ、Ｒ面取り部の中
で、ヒートスポットとなり易いボウルに近接する第１区
間の曲率半径が相対的に大きく設定されているから、ノ
ッキングの発生を効果的に抑制することができる。

【００１２】また、Ｒ面取り部の中で、第１区間以外の
第２区間の曲率半径が相対的に小さく設定されているか
ら、この第２区間ではピストン外周面とシリンダ壁面と
ピストンリングとの間に画成されるピストンクレビスの
容積が比較的小さくなり、このピストンクレビスに滞留
する未燃ＨＣの排出量を低減することができる。

【００１３】すなわち、未燃ＨＣの排出量を最小限に抑
制しつつ、ノッキングの発生を効果的に抑制することが
できる。

【００１４】更に、請求項３の発明によれば、燃料噴霧
が直接的に干渉する領域、つまり、燃料冷却により比較
的温度が低く、未燃ＨＣが排出され易い領域が、相対的
に曲率半径の小さい第２区間となるから、未燃ＨＣの排
出量を更に効果的に低減することができる。

【００１５】また、請求項４の発明によれば、ボウルに
近接する第１区間が燃料噴射弁側に配置され、第２区間
が燃料噴射弁に対向する形となる。この結果、燃料噴射
弁からの燃料噴霧が直接的に干渉する領域、つまり燃料
冷却により比較的温度が低く、未燃ＨＣが排出され易い
領域が、曲率半径の小さい第２区間となるから、請求項
３の発明と同様、未燃ＨＣの排出量を一層効果的に低減
することができる。

【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
る筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を図１および図２
に基づいて説明する。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がシリンダガスケット１７を介
して固定されている。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。

【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。この燃料噴射弁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及びピストン４の中心Ｘ１（図１）ヘ噴霧
軸線が指向している。

【００２０】上記シリンダ３内に配置されたピストン４
の頂面には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位
置に、円形のボウル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
軸線がこのボウル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、この吸気通路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、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、ボウル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からボウル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
頂部のボウル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１〜図３に基づいて、第１実施例
に係るピストン４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、ボウル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２
１は、基本的に４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２
３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。

【００２６】そして、上記凸部２１の外周には、環状水
平面２６が形成されている。この環状水平面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の全周に亙って細い環状に
連続している。また、環状水平面２６における吸，排気
弁側の一部が略三日月形をなす水平面となっており、こ
こでは図示していないがシリンダヘッド２側の燃焼室１
１の両側に平坦面として残されたスキッシュエリアとと
もにスキッシュの形成に寄与している。

【００２７】また、上記のボウル１２が、上記吸気弁側
傾斜面２２を中心とした範囲に凹設され、その一部が排
気弁側傾斜面２３に差しかかっている。このボウル１２
は、ピストン４の平面上で見て真円形をなし、かつ、そ
の中心Ｘ２が、ピストン４の中心Ｘ１と燃料噴射弁１０
とを結ぶ線、つまり図１のＡ−Ａ線上で、かつ燃料噴射
弁１０側（つまり吸気弁側）に偏心した位置に配置され
ている。そして、ボウル１２は、その底面がピストン４
中心線と直交する面に沿っているとともに、内周壁面が
上方へ立ち上がった皿形をなしている。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がボウル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。

【００２８】ところで、ピストン４の外周面には周方向
に延びるリング溝３０が軸方向に適宜間隔を置いて複数
本（１本でも良い）凹設されており、各リング溝３０
に、シリンダ３壁面との間をシールする環状のピストン
リング３２がそれぞれ嵌合されている。従って、ピスト
ン４のトップランド３４の外周面と、シリンダ３の壁面
と、最上段のピストンリング３２との間にピストンクレ
ビス３６が画成され、このピストンクレビス３６はシリ
ンダ３内に形成される燃焼室へ臨んでいる。

【００２９】ここで、ピストン４頂面の環状水平面２６
と、ピストン４のトップランド３４の外周面との隅角部
分には、いわゆるＲ面取り部４０がピストン４全周にわ
たって湾曲形成されている。そして、このＲ面取り部４
０の中で、ボウル１２に相対的に近接する第１区間４２
の曲率半径Ｒ１が、この第１区間４２以外の第２区間４
４の曲率半径Ｒ２よりも大きく設定されている。

【００３０】詳述すると、第１区間４２は、Ｒ面取り部
４０の中でボウル１２の外周縁部に最も近接する位置４
６を中心とした所定の範囲に設定されており、この実施
例では、ピストン４外周部の中で吸気弁側半周及び排気
弁側の一部を含む領域に設定されている。また、Ｒ面取
り部４０の中で、吸気行程中に燃料噴射弁１０から噴射
される燃料噴霧が直接的に干渉する領域、つまり図１，
２で噴霧角度θ１の範囲内に位置する領域が、第２区間
４４内に設定されている。言い換えると、Ｒ面取り部４
０の中で、燃料噴霧角度θ１内に位置する範囲が第２区
間４４内に設定され、それ以外の範囲が第１区間４２に
設定されている。

【００３１】一例として、第１区間４２の曲率半径Ｒ１
は０．５ｍｍ程度、第２区間４４の曲率半径Ｒ２は０．
１ｍｍ程度に設定される。

【００３２】以上のように、ピストン４の頂面とピスト
ン４の外周面との隅角部分にＲ面取り部４０がピストン
４全周にわたって形成され、かつ、Ｒ面取り部４０の中
で、ヒートスポットとなり易いボウル１２に近接する第
１区間４２の曲率半径Ｒ１が相対的に大きく設定されて
いるから、ノッキングの発生を効果的に抑制することが
できる。

【００３３】また、Ｒ面取り部４０の中で、第１区間４
２以外の第２区間４４の曲率半径Ｒ２が相対的に小さく
設定されているから、この第２区間４４ではピストンク
レビス３６の容積が比較的小さくなり、ピストンクレビ
ス３６に滞留する未燃ＨＣの排出量が効果的に低減され
る。すなわち、未燃ＨＣ排出量の増加を最小限に抑制し
つつ、ノッキングの発生を効果的に抑制することができ
る。

【００３４】特に、この実施例では、ボウル１２の中心
Ｘ２が図１のＡ−Ａ線に沿う噴霧軸線上に位置し、かつ
燃料噴射弁１０側に偏心した位置に配置されているた
め、燃料噴射弁１０からの燃料噴霧が直接的に干渉する
領域、すなわち燃料噴射角度θ１内の領域が必然的に第
２区間４４となる。この結果、燃料冷却により比較的温
度が低く、未燃ＨＣが排出され易い領域が、曲率半径Ｒ
２が比較的小さい第２区間４４となり、未燃ＨＣ排出量
を更に効果的に低減することができる。

【００３５】次に、図４，図５は、この発明に係るピス
トン４の第２実施例を示している。なお、後述する第
２，第３実施例において、上記した実施例と同一構成部
分には同じ参照符号を付して重複する説明を適宜省略す
る。

【００３６】この第２実施例では、上記第１実施例と同
様、ピストン４頂面とピストン４外周面との隅角部分に
Ｒ面取り部４０がピストン４全周にわたって形成され、
このＲ面取り部４０は、ボウル１２に近接する第１区間
４２の曲率半径が第２区間４４の曲率半径よりも大きく
設定されている。

【００３７】ここで、燃料噴射弁１０から噴射される燃
料噴霧の噴霧角度は、シリンダ３内に生成するガス流動
によって、所期の噴霧角度θ１（図５）より下向きに偏
向され、実際には図４，５に示す噴霧角度θ２となる。
そこで、この第２実施例では、シリンダ３内のガス流動
による噴霧角度の偏向，拡大を考慮して、第２区間４４
を第１実施例よりも相対的に大きく設定してある。つま
り噴霧角度θ２内に位置する領域を第２区間４４内に設
定している。より具体的には、第１区間４２が吸気弁側
の約半周を占め、第２区間４４が排気弁側の約半周を占
めるように設定されている。

【００３８】この第２実施例によれば、シリンダ３内の
ガス流動を考慮して第２区間４４が拡大されているた
め、ノッキングの発生を効果的に抑制しつつ、未燃ＨＣ
排出量を第１実施例よりも一層低減することが可能とな
る。

【００３９】図６，図７は、本発明に係わるピストン４
の第３実施例を示している。

【００４０】この実施例では、ピストン４平面上で見て
ボウル１２の中心Ｘ２が、ピストン４中心Ｘ１と燃料噴
射弁１０とを結ぶ線（図６のＣ−Ｃ線）に対して図６の
上方に偏心している。そして、第１区間４２は、Ｒ面取
り部４０の中でボウル１２の外周縁部に最も近接する位
置４６を中心とする所定の範囲にのみ設定され、残りが
第２区間４４となっている。具体的には、第２区間４４
の方が第１区間４２よりも大きく設定されている。

【００４１】このような第３実施例においても、Ｒ面取
り部４０の中でボウル１２に近接する第１区間４２の曲
率半径が相対的に大きくなっており、ノッキングの発生
が有効に抑制されるとともに、残る第２区間４４の曲率
半径が相対的に小さく設定されているから、そのピスト
ンクレビス３６の容積が最小限に抑制され、ピストンク
レビス３６に滞留する未燃ＨＣ排出量を効果的に低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例に係るピストンが適用さ
れた筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を示す平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図。

【図３】図２の要部拡大図。

【図４】この発明の第２実施例に係るピストンが適用さ
れた筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を示す平面図。

【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図。

【図６】この発明の第３実施例に係るピストンが適用さ
れた筒内噴射式火花点火内燃機関の構成を示す平面図。

【図７】図６のＣ−Ｃ線に沿う縦断面図。

【符号の説明】

３…シリンダ４…ピストン７…点火プラグ１０…燃料噴射弁１２…ボウル４０…Ｒ面取り部４２…第１区間４４…第２区間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者光本久司神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴
射弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグが
配置され、かつ、ピストンの頂面に、略真円形のボウル
がピストン外形円に対して偏心した位置に凹設された筒
内噴射式火花点火内燃機関のピストンにおいて、上記ピストンの頂面と上記ピストンの外周面との隅角部
分にＲ面取り部をピストン全周にわたって形成し、この
Ｒ面取り部の中で、上記ボウルに相対的に近接する第１
区間の曲率半径を、上記第１区間以外の第２区間の曲率
半径よりも大きく設定したことを特徴とする筒内噴射式
火花点火内燃機関のピストン。
【請求項２】上記第１区間は、上記Ｒ面取り部の中で
上記ボウルに最も近接する位置を中心とした所定範囲に
設定されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関のピストン。
【請求項３】上記Ｒ面取り部の中で、少なくとも上記
燃料噴射弁からの燃料噴霧が直接的に干渉する範囲を、
上記第２区間内に設定したことを特徴とする請求項１又
は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン。
【請求項４】ピストン平面上で見て上記ボウルの中心
は、上記燃料噴射弁と上記ピストンの中心とを結ぶ線上
で、かつ燃料噴射弁側に偏心した位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関のピストン。