ピストンおよび火花点火式内燃機関
【課題】火花点火式内燃機関において、喩え燃焼室で意図しない大きな圧力が生じた場合であっても、それに起因してピストン表面荒れが生じることを抑制する。
【解決手段】本発明に係る火花点火式内燃機関のピストン１Ａは、該ピストン１Ａの外周側面２に隣接して該ピストン１Ａの頂面３に形成された２つの凹部１２Ｆ、１２Ｒと、該２つの凹部１２Ｆ、１２Ｒに挟まれるように前記ピストン１Ａの前記外周側面２に隣接して該ピストン１Ａの前記頂面３に形成された凸部１５とを備え、前記凸部１５には、該ピストン１Ａの前記頂面３の縁部２４側に向けて延びる副凹部２０Ａが形成されている。
【解決手段】本発明に係る火花点火式内燃機関のピストン１Ａは、該ピストン１Ａの外周側面２に隣接して該ピストン１Ａの頂面３に形成された２つの凹部１２Ｆ、１２Ｒと、該２つの凹部１２Ｆ、１２Ｒに挟まれるように前記ピストン１Ａの前記外周側面２に隣接して該ピストン１Ａの前記頂面３に形成された凸部１５とを備え、前記凸部１５には、該ピストン１Ａの前記頂面３の縁部２４側に向けて延びる副凹部２０Ａが形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関用のピストン、および、それを備えた火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式内燃機関において、例えば燃焼室の混合気の燃焼または流体の流れを制御するべく、ピストンの形状を改良することが提案されまたは行われている。例えば、特許文献１の内燃機関は、ピストンの頂面の縁部に形成された燃焼室の壁面に沿った凸部と、燃焼室の前記壁面と前記凸部の外面との間に形成される押出流形成部と、前記凸部に形成された孔とを備える。該孔は、押出流形成部と燃焼室の中心側とを連通する噴孔であり、押出流形成部から燃焼室の中心側に向かうスキッシュ流を形成するように設計されている。ただし、この凸部は、ピストンの頂面の縁部であって、吸気弁リセスと排気弁リセスとの間に位置する部分が燃焼室に向けて突出するように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０３３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
火花点火式内燃機関では、ピストン表面に荒れが生じることがある。このような表面荒れの発生は、制御上または設計上、好ましいものではない。本発明者らは、この問題に対する鋭意研究の結果、そのような表面荒れが生じる原因およびメカニズムを解明するに至った。
【０００５】
そこで本発明はかかる事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、火花点火式内燃機関においてピストン表面荒れが生じることを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、火花点火式内燃機関用のピストンであって、該ピストンの外周側面に隣接して該ピストンの頂面に形成された２つの凹部と、該２つの凹部に挟まれるように前記ピストンの前記外周側面に隣接して該ピストンの前記頂面に形成された凸部とを備え、前記凸部には、該ピストンの前記頂面の縁部側に向けて延びる副凹部が形成されている、ピストンが提供される。
【０００７】
好ましくは、前記副凹部は、前記ピストンの中心線を基準に半径方向に向けて延びるように形成される。
【０００８】
好ましくは、前記副凹部は、前記ピストンの中心線に直交する方向に延びるように形成された底部を備える。
【０００９】
好ましくは、前記副凹部の前記頂面の前記縁部側の端部が円弧形状に拡がるように前記副凹部は形成される。
【００１０】
好ましくは、前記副凹部は、前記ピストンの中心線から離れるほど周方向幅が広くなるように形成される。
【００１１】
前記凸部には前記副凹部が複数形成されてもよい。この場合、該複数の副凹部の各々は前記ピストンの前記頂面の中央部側から前記縁部側に向けて延びるように形成されるとよい。
【００１２】
好ましくは、前記凸部は燃焼室の流体の流れを制御するように形成され、前記凹部の各々は対応する開閉弁と前記ピストンとの干渉を避けるように形成される。
【００１３】
本発明は、また、上記したようなピストンを備えた、火花点火式内燃機関にも存する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明が適用される前のベースピストンを示す斜視図である。
【図２】本発明が適用される前のベースピストンを示す平面図である。
【図３】実機試験に用いた試験用ピストンの平面図である。
【図４】プラグ位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図５】トップランド位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図６】プラグ位置ノック振幅とトップランド位置ノック振幅との関係を示すグラフである。
【図７】ＣＦＤ解析に用いたピストンの平面図である。
【図８】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図９】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１０】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１１】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１２】図１のピストンにおいて３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図１４】本発明の第１実施形態に係るピストンの平面図である。
【図１５】図１４の線XV−XVに沿った本発明の第１実施形態に係るピストンの一部の断面模式図である。
【図１６】第１実施形態に係るピストンにおいて３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係るピストンの平面図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係るピストンの、第１実施形態に係るピストンの一部の断面模式図である図１５に相当する図である。
【図１９】本発明の第３実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図２０】本発明の第３実施形態に係るピストンの平面図である。
【図２１】本発明の第３実施形態に係るピストンの凸部の副凹部周囲の部分的な拡大図である。
【図２２】本発明の第４実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図２３】本発明の第４実施形態に係るピストンの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
まず、本発明が適用される前のベースとなるピストン１を図１および図２に基づいて説明する。図１はピストン１の斜視図、図２はピストン１の平面図である。ピストン１は、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関のピストンであり、その用途は問わないが例えば自動車用である。
【００１７】
図２に示す平面視において、ピストン１の中心線（軸線）Ｏを原点とする直交座標を定義し、図の左右方向に延びる軸をＸ軸、図の上下方向に延びる軸をＹ軸とする。Ｘ軸は、ピストンピン穴（図示せず）の中心線およびクランク軸（図示せず）の中心線に平行である。他方、Ｙ軸はＸ軸と直交する。Ｘ軸を境に図の下側が吸気側、上側が排気側である。また説明を容易にするためにＹ軸を境に図の右側を前、左側を後とする。Ｘ軸は、ピストン１を吸気側と排気側とに仕切り、あるいは二分割する。Ｙ軸は、ピストン１を前側と後側とに仕切り、あるいは二分割する。また説明を容易にするためにピストン中心線Ｏに沿った紙面厚さ方向手前側を上、奥側を下とする。
【００１８】
図１および図２に示すように、ピストン１は外周側面２と頂面３とを有する（以下、それぞれピストン外周側面２およびピストン頂面３という）。ピストン外周側面２には、それぞれピストンリングを収容するための複数（３つ）のリング溝４，５，６が形成されている。最上のリング溝すなわちトップリング溝４にはトップリング（図示せず）が収容され、中間のリング溝すなわちセカンドリング溝５にはセカンドリング（図示せず）が収容され、最下のリング溝すなわちオイルリング溝６にはオイルリング（図示せず）が収容される。オイルリング溝６の下方にはスカート７が形成されている。
【００１９】
他方、ピストン１において、トップリング溝４の上方にはトップランド８が形成されている。ここでトップランド８とは、トップリング溝４の上方に位置するピストン１の肉の部分全体をいう。このトップランド８に属するピストン外周側面２の部分がトップランド外周側面９を形成する。なお、トップリング溝４とセカンドリング溝５との間にはセカンドランド１０が形成され、セカンドリング溝５とオイルリング溝６との間にはサードランド１１が形成されている。
【００２０】
ピストン頂面３には、複数の凹部が形成されている。具体的には、ピストン頂面３においては、その吸気側に複数の吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒが設けられ、その排気側に複数の排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒが設けられている。吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒは吸気通路の下流側端部を開閉する開閉弁である吸気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。また排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒは排気通路の上流側端部を開閉する開閉弁である排気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。
【００２１】
ここでは吸気弁リセスの数は２つである。前側の吸気弁リセスを１２Ｆで表し、後側の吸気弁リセスを１２Ｒで表す。これら吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有し、Ｙ軸に対して対称に配置されている。
【００２２】
同様に、ここでは排気弁リセスの数も２つである。前側の排気弁リセスを１３Ｆで表し、後側の排気弁リセスを１３Ｒで表す。これら排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有するが、吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒよりも小径である。そしてＹ軸に対して対称に配置されている。
【００２３】
これら吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒおよび排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒの底面は、知られているように、Ｘ軸から離れるほど位置が下がるように傾斜されている。そして前側吸気弁リセス１２Ｆおよび後側吸気弁リセス１２Ｒは、それぞれピストン外周側面２に隣接する、特に内接するように延びている。これにより、トップランド外周側面９の上端縁部は、前側吸気弁リセス１２Ｆおよび後側吸気弁リセス１２Ｒとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている。この前側および後側の切欠き形状部を図１に１４Ｆ，１４Ｒで示す。これら前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４ＲはＹ軸に対し対称に配置されていて、ここでは吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒとピストン外周側面２とを概ね滑らかにつなげる。
【００２４】
２つの吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒの間のピストン頂面３の部分は、燃焼室に向けて突出するような凸部であるスキッシュ部１５を形成する。スキッシュ部１５は、ピストン頂面３の外周側に位置され、平面視（図２）において略扇状である。また、Ｙ軸とピストン１の中心線Ｏとを含むように定義される平面上でのスキッシュ部１５の断面形状は略三角形状であり、スキッシュ部１５は、ピストン外周側面２に概ね滑らかにつながる外側傾斜面１５ａと、燃焼室の中心側に向く内側傾斜面１５ｂと、これら外側傾斜面１５ａおよび内側傾斜面１５ｂの間に延びるエッジ部（頂縁部）１５ｃとを有する（図２参照）。凸部であるスキッシュ部１５は、燃焼室の流体の流れを制御するように形成され、ここでは特にスキッシュ流の形成を促すように設けられ、機関運転時にシリンダブロックとシリンダヘッド（いずれも図示せず）の隙間から流出するスキッシュ流が積極的に当たる部位となる。スキッシュ部１５はＹ軸に対し対称に配置されている。このように、スキッシュ部１５は、２つの凹部である吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒに挟まれるようにピストン外周側面２に隣接してピストン頂面３に形成された凸部である。
【００２５】
スキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９の部分は、トップランド外周側面９のうち、図中Ｌで示される範囲の部分、すなわち吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒとスキッシュ部１５との境界が最も半径方向外側となる２つのピストン周方向位置の間におけるトップランド外周側面９の部分である。このスキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９の部分を、符号９Ｌを用いて区別して表し、スキッシュ接続トップランドともいう。スキッシュ接続トップランド９Ｌは、Ｙ軸に対し対称に配置されている。
【００２６】
スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９ＬｍはＹ軸上に存在する。そしてこの周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に最も離れた位置に、スキッシュ接続トップランド９Ｌの前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒが存在する。前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４Ｒは、これら前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒよりも、さらに周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に離れた位置に存在する。
【００２７】
ピストン頂面３の中心部には、僅かに窪まされた中心凹部１６が形成されている。そして中心凹部１６の真上に、図示しない点火プラグがシリンダヘッドに取り付けられて設けられることとなる。
【００２８】
次に、上記したようなピストンにおける表面荒れについて、本発明者らの知見により得られた発生原因とメカニズムを説明する。まず、行った種々の実験の結果を説明する。
【００２９】
まず本発明者らは実機試験を行った。図３に実機試験に用いた試験用ピストン１０１を示す。この試験用ピストン１０１は、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面１０３に吸気弁リセス１１２Ｆ，１１２Ｒと排気弁リセス１１３Ｆ，１１３Ｒとが２つずつ備えられている。また、吸気弁リセス１１２Ｆ，１１２Ｒ間にスキッシュ部１１５が設けられている。
【００３０】
図３中、着色部分は、実験より求めたノッキング発生率の分布を表す。概して着色が濃いほどノッキング発生率が高いことを意味する。第１領域Ａ１はノッキング発生率が最も高い領域であり、第２領域Ａ２は中間程度のノッキング発生率の領域であり、第３領域Ａ３はノッキング発生率が最も低い領域であった。
【００３１】
また、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌに表面荒れが顕著に見られた。但しスキッシュ部１１５にも、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌほどではないが、そのような荒れが見られた。このようなピストン表面荒れは、本発明者らが調べた結果、物理的または機械的な作用による減肉現象であるエロージョンに主に起因することが分かった。さらに、本発明者らは、種々の実験を行った。その結果がさらに以下に説明される。
【００３２】
図４〜図６に多点圧力解析の結果を示す。図４〜図６に表された結果に関する実験では、火花点火式内燃機関の燃焼室で自着火を故意に生じさせて、つまりノッキング発生時を模擬し、そのときの筒内圧を次のように計測した。図４は、点火プラグの位置（プラグ位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時の筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。図５は、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの周方向中間位置に対向するシリンダ内周面の位置（トップランド位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時の筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。
【００３３】
これら図を比較すると分かるように、トップランド位置ではプラグ位置よりも、ノッキング時の筒内圧波形が大きく振動しており、自着火に伴う圧力波が大きくなっている。
【００３４】
これら図４および図５に示したような筒内圧波形を複数取得し、その結果に基づき作成したのが図６のグラフである。横軸はプラグ位置ノック振幅であり、縦軸はトップランド位置ノック振幅である。ここでノック振幅とは、図４および図５に示したような１燃焼当たりの筒内圧波形のうちの最大振幅Ｗをいう。
【００３５】
図６から分かるように、トップランド位置ノック振幅はプラグ位置ノック振幅に対し概ね比例関係にあるが、その比例係数は１より大きく、しかも図６中円内に示すように、トップランド位置ノック振幅がプラグ位置ノック振幅より顕著に大きくなることがある。この結果から、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの位置において、自着火発生時に圧力が急激に増大していることが分かる。なお図６の円内のデータは、図４および図５の筒内圧波形に基づいたデータである。
【００３６】
次に本発明者らはＣＦＤ解析を行った。図７にＣＦＤ解析に用いたピストン２０１の頂面を示す。このＣＦＤ解析用ピストン２０１も、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面２０３に吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒと排気弁リセス２１３Ｆ，２１３Ｒとが２つずつ設けられている。また、吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒ間にスキッシュ部２１５が設けられている。なおこのＣＦＤ解析用ピストン２０１は、筒内直噴エンジンのものであり、ピストン頂面２０３には燃料衝突用凹部２１９が設けられている。
【００３７】
このＣＦＤ解析においては、初期条件として、矢印Ｂで示す領域を既燃領域として温度を２０００℃に設定し、矢印Ｃで示す領域を未燃領域として温度を１０００℃に設定し、その境界層から自着火を模擬した圧力または圧力波を伝播させた。ピストン２０１の位置は圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１５°に固定した。
【００３８】
図８〜図１１はＣＦＤ解析の結果であり、それぞれ開始から６μｓｅｃ後、１２μｓｅｃ後、１８μｓｅｃ後、２４μｓｅｃ後の状態を示している。まず図８に示す６μｓｅｃ後では、吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒから、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置（すなわちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌと、これに対向するシリンダ内周面との間の隙間）に、圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが進入した。特にこの進入は、トップランド外周側面２０９の上端縁部における切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒを通じて行われた。なお切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒがない場合もあるが、このときには吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒの内側壁を乗り越えて上記したのと同様の進入が行われ得た。
【００３９】
次に、図９に示す１２μｓｅｃ後では、スキッシュ部２１５から圧力波Ｐ２がＹ軸方向且つ半径方向外側に進み、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置に進入した。他方、既に進入した吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒは、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌとこれに対向するシリンダ内周面との隙間を、周方向に回り込んで進んだ。つまり、これら３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２は互いに合流する方向に向かうことが分かった。
【００４０】
次に、図１０に示す１８μｓｅｃ後では、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２がトップリング（図示せず）に衝突し、当該衝突位置で圧力が部分的に上昇した。
【００４１】
次に、図１１に示す２４μｓｅｃ後では、吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが、圧力上昇したスキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突した。よって３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の衝突位置で圧力が急激に上昇した。この衝突位置ないし圧力上昇位置は、Ｙ軸近傍の位置、すなわちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍の位置である。
【００４２】
このように、例えば自着火により発生した圧力波は、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍で、重ね合わさって増幅することが判明した。そしてこのことが、図３に示したような実機のピストン１０１において、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌ（特にその周方向中間位置）にエロージョンによる表面荒れが顕著に発生する理由と推測される。図１２に、ベースピストン１における、上記したような３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。
【００４３】
３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する位置は３重点をなす。このような３重点が現れる理由は、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の伝播ルートが上記３重点の発生に適しているからと考えられる。
【００４４】
そこで、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２のうちの一つの伝播ルートを変えれば、すなわち３者の伝播のバランスを崩せば、そのような３重点の発生を回避できることとなり、ピストン表面荒れの発生を抑制可能となる。
【００４５】
本発明者らは、鋭意研究の結果、上記したようにピストン表面荒れの原因およびメカニズムを見出し、このことを利用して本発明を創案するに至った。以下に、本発明が実施形態に基づいて具体的に説明されるが、それらはいずれも、ピストン表面の凸部（例えばスキッシュ部）を介する圧力波とピストン表面の凹部（例えば吸気弁リセス）を介する圧力波との衝突を複数に分散させるための構成を備える。より詳しくは、圧力波がピストン表面の凸部を同隙間に向けてより速く通過することを可能にする構成として、ピストンの頂面の凸部に形成された副凹部つまり溝を本発明は備える。したがって、以下に説明される本発明の実施形態によれば、火花点火式内燃機関において、喩え燃焼室で意図しない大きな圧力が生じた場合であっても、上記３重点の発生を回避でき、それに起因してピストン表面荒れが生じることを抑制できる。
【００４６】
ここで、本発明の第１実施形態に係るピストン１Ａが説明される。図１３および図１４に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第１実施形態に係るピストン１Ａを示す。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図示するように、第１実施形態に係るピストン１Ａにおいては、ピストン頂面３の凸部であるスキッシュ部１５に、副凹部２０Ａが形成されている。副凹部２０Ａは、ピストン１Ａの頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びる凹部である。副凹部２０Ａは、燃焼室で生じた圧力波が任意の箇所から入ることができるように燃焼室側に開いているので、以下、溝と称され得る。
【００４８】
溝２０Ａは、ピストン１Ａの中心線（軸線）Ｏを基準に半径方向に向けて延びるように形成されていて、Ｙ軸上に延在する。ここでは、溝２０Ａの深さは、図１５に示すように、溝２０Ａの中央部２２側と縁部２４側とで概ね等しい。ただし、溝２０Ａは、図１４によく表されているように、ピストン１Ａの中心線Ｏから離れるほど周方向幅が広くなるように形成されている。
【００４９】
このように溝２０Ａをスキッシュ部１５に形成するので、上記３重点の発生を回避可能になる。図１５および図１６を参照して説明する。図１５は、ピストン１Ａの一部の断面模式図であるが、圧力波Ｐ２の伝播ルートが模式的に示されている。図１６は、ピストン１Ａを備えた火花点火式内燃機関における、上記したように伝播する圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を模式的に示す。
【００５０】
ピストン１Ａを備えた火花点火式内燃機関でも、仮に自着火等により燃焼室で局所的に意図しない高圧が生じた場合、上記したのと同様に、吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒを介して圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒが伝播し得る。これに対して、そのときに生じたスキッシュ部１５の表面を伝播する圧力波Ｐ２はスキッシュ部１５の溝２０Ａを通ることができる。
【００５１】
ここで、ピストン頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びる圧力伝播ルートを考える。スキッシュ部１５の溝２０Ａ上に定められるピストン１Ａの頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びるルート１（図１５の矢印α参照）は、溝２０Ａのないスキッシュ部１５上に定められる上記ピストン１におけるルート２（図１５の矢印β参照）に対して短い。それ故、上記したように、スキッシュ部１５の表面を介する圧力波Ｐ２はスキッシュ部１５の溝２０Ａを通ることができるので、そのような圧力波Ｐ２は、溝２０Ａを通ることで、より速くにピストン外周側面２に至ることができる。したがって、図１６に示すように、圧力波Ｐ２は、圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒに比べて、速くに、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置の近傍に達することができる。その結果、圧力波Ｐ２は、例えば圧力波Ｐ２Ｆ、Ｐ２Ｒに分かれて、ピストン外周側面２上を周方向に伝播して、圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒと衝突することができ、これにより上記３重点の発生を回避することができる。
【００５２】
このようにピストン１Ａの頂面３の凸部であるスキッシュ部１５上を介してピストン外周側面２に至る圧力波Ｐ２の伝播ルートを短くするための溝部２０Ａをスキッシュ部１５に設けることで、吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒと、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２との３者の同時衝突を回避し、各圧力波の衝突タイミングをずらし、圧力増幅箇所を分散することができる。このように、第１実施形態に係るピストン１Ａを用いることで、上記３重点の発生を回避し、特にスキッシュ接続トップランド９Ｌにおいて顕著であったエロージョンによる表面荒れの発生を抑制することが可能になる。
【００５３】
次に、本発明の第２実施形態に係るピストン１Ｂが説明される。図１７および図１８に基づいて、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第２実施形態に係るピストン１Ｂが説明される。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、上記ピストン１Ａに対するピストン１Ｂの相違点つまり特徴についてのみ説明し、上記した符号を同様に用いることでそれらの共通部分または類似部分の説明を省略する。
【００５４】
上記３重点の発生を回避するためには、スキッシュ部の溝を伝播する圧力波Ｐ２の伝播ルートをさらに短くするとよく、第２実施形態に係るピストン１Ｂはそのような構成を備えている。
【００５５】
ピストン１Ｂは、スキッシュ部１５に、ピストン１Ｂの中心線（軸線）Ｏに直交する方向に延びるように形成された底面または底部２６を備える溝２０Ｂを備えている。なお、図１８ではピストン１Ｂの中心線Ｏに平行な線Ｏ´が表されている。このような溝２０Ｂを通るように定められるピストン頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びるルート３（図１８の矢印γ参照）は、上記ルート１（図１５の矢印α参照）およびルート２（図１５および図１８の矢印β参照）よりも短い。それ故、溝２０Ｂを備えるピストン１Ｂは、上記ピストン１Ａが奏する作用および効果を同様に奏し、特に、上記３重点の発生を回避することにさらに優れる。
【００５６】
次に、本発明の第３実施形態に係るピストン１Ｃが説明される。図１９および図２０に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第３実施形態に係るピストン１Ｃを示す。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、上記ピストン１Ａに対するピストン１Ｂの相違点つまり特徴についてのみ説明し、上記した符号を同様に用いることでそれらの共通部分または類似部分の説明を省略する。
【００５７】
ピストン１Ｃのスキッシュ部１５には、溝２０Ｃが、ピストン頂面３の縁部２４側の該溝２０Ｃの端部２０Ｃ´が円弧形状に拡がるように換言すると扇形になるように、形成されている。これは、圧力波Ｐ２をより適切にピストン外周側面２の周方向に方向付けて周方向に伝播させるためである（図２１の矢印参照）。これにより、ピストン１Ｃは、上記溝２０Ａを備えたピストン１Ａと同様の作用および効果をより的確に奏することが可能になる。
【００５８】
なお、溝２０Ｃは、上記溝２０Ａと同様に、溝２０Ｂの中央部２２側と縁部２４側とで深さの点で概ね等しくなるように形成されている。しかし、溝２０Ｃは、上記第２実施形態に係るピストン１Ｂの上記溝２０Ｂと同様に、同様の理由により、ピストンの中心線Ｏに直交する方向に延びる底部を備えるように設計変更され得る。
【００５９】
次に、本発明の第４実施形態に係るピストン１Ｄが説明される。図２２および図２３に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第４実施形態に係るピストン１Ｄを示す。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、上記ピストン１Ａに対するピストン１Ｄの相違点つまり特徴についてのみ説明し、上記した符号を同様に用いることでそれらの共通部分または類似部分の説明を省略する。
【００６０】
ピストン１Ｄには、凸部であるスキッシュ部１５に、３つの副凹部つまり溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃが形成されている。そして、これら溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃの各々は、ピストン１Ｄの頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びるように形成されていて、燃焼室で生じた圧力波が任意の箇所から入ることができるように燃焼室側に開いている。これらの溝２０Ｃａ、２０Ｃｂ、２０Ｃｃの各々は上記溝２０Ａと同様の作用および効果を生じるように設計されている。
【００６１】
なお、溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃの各々は、上記溝２０Ａと同様に、溝の中央部２２側と縁部２４側とで深さの点で概ね等しくなるように形成されている。しかし、溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃの各々は、上記第２実施形態に係るピストン１Ｂの上記溝２０Ｂと同様に、同様の理由により、ピストンの中心線Ｏに直交する方向に延びる底部を備えるように設計変更され得る。
【００６２】
なお、本第４実施形態のピストンでは、凸部であるスキッシュ部に３つの溝が設けられた。しかし、本発明は、ピストンの頂面の凸部に２つまたは４つ以上、複数の溝つまり副凹部が設けられることを許容する。換言すると、本発明に係るピストンでは、ピストンの頂面の凸部に少なくとも１つの副凹部が設けられ得る。
【００６３】
以上、本発明を上記した４つの実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されず、例えばこれらを部分的に任意に組み合わせた変形例をも許容する。また、上記実施形態では、ピストンの頂面の凸部はスキッシュ流に関係するように形成されたが、本発明における副凹部つまり溝が形成される凸部は、スキッシュ流に関係のあるまたは無縁の凸部であってもよく、燃焼室の流体の流れを様々に制御するように形成される凸部であり得る。なお、このような凸部に副凹部が上記の如く形成されるが、副凹部の形成により凸部の機能が実質的にまたはある程度以上低下しないように、各々が種々の形状を有し得る少なくとも１つの副凹部が凸部に形成されるとよい。また、上記実施形態では、副凹部つまり溝が形成される凸部は吸気弁リセスに挟まれるように形成されたが、本発明における凸部は、排気弁リセスに挟まれてもよく、または、吸気弁リセスと排気弁リセスとに挟まれてもよい。
【００６４】
また、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の実施形態は他にも種々考えられる。例えば、２つより多い例えば３つの吸気弁を有する内燃機関において、ピストンに同数の３つの吸気弁リセスが設けられる場合にも、本発明は適用可能である。この場合、互いに隣り合う２つの吸気弁リセスの組が２組設けられるが、それぞれの組に対して、前記実施形態で述べたような構造または構成を適用することが可能である。
【００６５】
本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ〜１Ｄ ピストン
２ 外周側面
３ 頂面
４ トップリング溝
５ セカンドリング溝
６ サードリング溝
８ トップランド
９ トップランド外周側面
９Ｌ スキッシュ接続トップランド
１２Ｆ 前側吸気弁リセス
１２Ｒ 後側吸気弁リセス
１４Ｆ 前側切欠き形状部
１４Ｒ 後側切欠き形状部
１５ スキッシュ部
２０Ａ〜２０Ｄｃ 副凹部（溝）
Ｏ ピストン中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関用のピストン、および、それを備えた火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式内燃機関において、例えば燃焼室の混合気の燃焼または流体の流れを制御するべく、ピストンの形状を改良することが提案されまたは行われている。例えば、特許文献１の内燃機関は、ピストンの頂面の縁部に形成された燃焼室の壁面に沿った凸部と、燃焼室の前記壁面と前記凸部の外面との間に形成される押出流形成部と、前記凸部に形成された孔とを備える。該孔は、押出流形成部と燃焼室の中心側とを連通する噴孔であり、押出流形成部から燃焼室の中心側に向かうスキッシュ流を形成するように設計されている。ただし、この凸部は、ピストンの頂面の縁部であって、吸気弁リセスと排気弁リセスとの間に位置する部分が燃焼室に向けて突出するように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０３３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
火花点火式内燃機関では、ピストン表面に荒れが生じることがある。このような表面荒れの発生は、制御上または設計上、好ましいものではない。本発明者らは、この問題に対する鋭意研究の結果、そのような表面荒れが生じる原因およびメカニズムを解明するに至った。
【０００５】
そこで本発明はかかる事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、火花点火式内燃機関においてピストン表面荒れが生じることを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、火花点火式内燃機関用のピストンであって、該ピストンの外周側面に隣接して該ピストンの頂面に形成された２つの凹部と、該２つの凹部に挟まれるように前記ピストンの前記外周側面に隣接して該ピストンの前記頂面に形成された凸部とを備え、前記凸部には、該ピストンの前記頂面の縁部側に向けて延びる副凹部が形成されている、ピストンが提供される。
【０００７】
好ましくは、前記副凹部は、前記ピストンの中心線を基準に半径方向に向けて延びるように形成される。
【０００８】
好ましくは、前記副凹部は、前記ピストンの中心線に直交する方向に延びるように形成された底部を備える。
【０００９】
好ましくは、前記副凹部の前記頂面の前記縁部側の端部が円弧形状に拡がるように前記副凹部は形成される。
【００１０】
好ましくは、前記副凹部は、前記ピストンの中心線から離れるほど周方向幅が広くなるように形成される。
【００１１】
前記凸部には前記副凹部が複数形成されてもよい。この場合、該複数の副凹部の各々は前記ピストンの前記頂面の中央部側から前記縁部側に向けて延びるように形成されるとよい。
【００１２】
好ましくは、前記凸部は燃焼室の流体の流れを制御するように形成され、前記凹部の各々は対応する開閉弁と前記ピストンとの干渉を避けるように形成される。
【００１３】
本発明は、また、上記したようなピストンを備えた、火花点火式内燃機関にも存する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明が適用される前のベースピストンを示す斜視図である。
【図２】本発明が適用される前のベースピストンを示す平面図である。
【図３】実機試験に用いた試験用ピストンの平面図である。
【図４】プラグ位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図５】トップランド位置におけるノッキング時筒内圧波形を示すグラフである。
【図６】プラグ位置ノック振幅とトップランド位置ノック振幅との関係を示すグラフである。
【図７】ＣＦＤ解析に用いたピストンの平面図である。
【図８】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図９】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１０】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１１】ＣＦＤ解析の結果を示す斜視図である。
【図１２】図１のピストンにおいて３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図１４】本発明の第１実施形態に係るピストンの平面図である。
【図１５】図１４の線XV−XVに沿った本発明の第１実施形態に係るピストンの一部の断面模式図である。
【図１６】第１実施形態に係るピストンにおいて３者の圧力波が衝突する様子を示す平面図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係るピストンの平面図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係るピストンの、第１実施形態に係るピストンの一部の断面模式図である図１５に相当する図である。
【図１９】本発明の第３実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図２０】本発明の第３実施形態に係るピストンの平面図である。
【図２１】本発明の第３実施形態に係るピストンの凸部の副凹部周囲の部分的な拡大図である。
【図２２】本発明の第４実施形態に係るピストンの斜視図である。
【図２３】本発明の第４実施形態に係るピストンの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
まず、本発明が適用される前のベースとなるピストン１を図１および図２に基づいて説明する。図１はピストン１の斜視図、図２はピストン１の平面図である。ピストン１は、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関のピストンであり、その用途は問わないが例えば自動車用である。
【００１７】
図２に示す平面視において、ピストン１の中心線（軸線）Ｏを原点とする直交座標を定義し、図の左右方向に延びる軸をＸ軸、図の上下方向に延びる軸をＹ軸とする。Ｘ軸は、ピストンピン穴（図示せず）の中心線およびクランク軸（図示せず）の中心線に平行である。他方、Ｙ軸はＸ軸と直交する。Ｘ軸を境に図の下側が吸気側、上側が排気側である。また説明を容易にするためにＹ軸を境に図の右側を前、左側を後とする。Ｘ軸は、ピストン１を吸気側と排気側とに仕切り、あるいは二分割する。Ｙ軸は、ピストン１を前側と後側とに仕切り、あるいは二分割する。また説明を容易にするためにピストン中心線Ｏに沿った紙面厚さ方向手前側を上、奥側を下とする。
【００１８】
図１および図２に示すように、ピストン１は外周側面２と頂面３とを有する（以下、それぞれピストン外周側面２およびピストン頂面３という）。ピストン外周側面２には、それぞれピストンリングを収容するための複数（３つ）のリング溝４，５，６が形成されている。最上のリング溝すなわちトップリング溝４にはトップリング（図示せず）が収容され、中間のリング溝すなわちセカンドリング溝５にはセカンドリング（図示せず）が収容され、最下のリング溝すなわちオイルリング溝６にはオイルリング（図示せず）が収容される。オイルリング溝６の下方にはスカート７が形成されている。
【００１９】
他方、ピストン１において、トップリング溝４の上方にはトップランド８が形成されている。ここでトップランド８とは、トップリング溝４の上方に位置するピストン１の肉の部分全体をいう。このトップランド８に属するピストン外周側面２の部分がトップランド外周側面９を形成する。なお、トップリング溝４とセカンドリング溝５との間にはセカンドランド１０が形成され、セカンドリング溝５とオイルリング溝６との間にはサードランド１１が形成されている。
【００２０】
ピストン頂面３には、複数の凹部が形成されている。具体的には、ピストン頂面３においては、その吸気側に複数の吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒが設けられ、その排気側に複数の排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒが設けられている。吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒは吸気通路の下流側端部を開閉する開閉弁である吸気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。また排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒは排気通路の上流側端部を開閉する開閉弁である排気弁（図示せず）との干渉を避けるためのものであり、ピストン頂面３に凹設されている。
【００２１】
ここでは吸気弁リセスの数は２つである。前側の吸気弁リセスを１２Ｆで表し、後側の吸気弁リセスを１２Ｒで表す。これら吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有し、Ｙ軸に対して対称に配置されている。
【００２２】
同様に、ここでは排気弁リセスの数も２つである。前側の排気弁リセスを１３Ｆで表し、後側の排気弁リセスを１３Ｒで表す。これら排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒは平面視（図２）において略半円状であり、同一径を有するが、吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒよりも小径である。そしてＹ軸に対して対称に配置されている。
【００２３】
これら吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒおよび排気弁リセス１３Ｆ，１３Ｒの底面は、知られているように、Ｘ軸から離れるほど位置が下がるように傾斜されている。そして前側吸気弁リセス１２Ｆおよび後側吸気弁リセス１２Ｒは、それぞれピストン外周側面２に隣接する、特に内接するように延びている。これにより、トップランド外周側面９の上端縁部は、前側吸気弁リセス１２Ｆおよび後側吸気弁リセス１２Ｒとの接続位置において、下方に切り欠かれたような形状となっている。この前側および後側の切欠き形状部を図１に１４Ｆ，１４Ｒで示す。これら前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４ＲはＹ軸に対し対称に配置されていて、ここでは吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒとピストン外周側面２とを概ね滑らかにつなげる。
【００２４】
２つの吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒの間のピストン頂面３の部分は、燃焼室に向けて突出するような凸部であるスキッシュ部１５を形成する。スキッシュ部１５は、ピストン頂面３の外周側に位置され、平面視（図２）において略扇状である。また、Ｙ軸とピストン１の中心線Ｏとを含むように定義される平面上でのスキッシュ部１５の断面形状は略三角形状であり、スキッシュ部１５は、ピストン外周側面２に概ね滑らかにつながる外側傾斜面１５ａと、燃焼室の中心側に向く内側傾斜面１５ｂと、これら外側傾斜面１５ａおよび内側傾斜面１５ｂの間に延びるエッジ部（頂縁部）１５ｃとを有する（図２参照）。凸部であるスキッシュ部１５は、燃焼室の流体の流れを制御するように形成され、ここでは特にスキッシュ流の形成を促すように設けられ、機関運転時にシリンダブロックとシリンダヘッド（いずれも図示せず）の隙間から流出するスキッシュ流が積極的に当たる部位となる。スキッシュ部１５はＹ軸に対し対称に配置されている。このように、スキッシュ部１５は、２つの凹部である吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒに挟まれるようにピストン外周側面２に隣接してピストン頂面３に形成された凸部である。
【００２５】
スキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９の部分は、トップランド外周側面９のうち、図中Ｌで示される範囲の部分、すなわち吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒとスキッシュ部１５との境界が最も半径方向外側となる２つのピストン周方向位置の間におけるトップランド外周側面９の部分である。このスキッシュ部１５に接続するトップランド外周側面９の部分を、符号９Ｌを用いて区別して表し、スキッシュ接続トップランドともいう。スキッシュ接続トップランド９Ｌは、Ｙ軸に対し対称に配置されている。
【００２６】
スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置９ＬｍはＹ軸上に存在する。そしてこの周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に最も離れた位置に、スキッシュ接続トップランド９Ｌの前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒが存在する。前側および後側切欠き形状部１４Ｆ，１４Ｒは、これら前端９Ｌｆおよび後端９Ｌｒよりも、さらに周方向中間位置９Ｌｍから周方向に沿って前後に離れた位置に存在する。
【００２７】
ピストン頂面３の中心部には、僅かに窪まされた中心凹部１６が形成されている。そして中心凹部１６の真上に、図示しない点火プラグがシリンダヘッドに取り付けられて設けられることとなる。
【００２８】
次に、上記したようなピストンにおける表面荒れについて、本発明者らの知見により得られた発生原因とメカニズムを説明する。まず、行った種々の実験の結果を説明する。
【００２９】
まず本発明者らは実機試験を行った。図３に実機試験に用いた試験用ピストン１０１を示す。この試験用ピストン１０１は、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面１０３に吸気弁リセス１１２Ｆ，１１２Ｒと排気弁リセス１１３Ｆ，１１３Ｒとが２つずつ備えられている。また、吸気弁リセス１１２Ｆ，１１２Ｒ間にスキッシュ部１１５が設けられている。
【００３０】
図３中、着色部分は、実験より求めたノッキング発生率の分布を表す。概して着色が濃いほどノッキング発生率が高いことを意味する。第１領域Ａ１はノッキング発生率が最も高い領域であり、第２領域Ａ２は中間程度のノッキング発生率の領域であり、第３領域Ａ３はノッキング発生率が最も低い領域であった。
【００３１】
また、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌに表面荒れが顕著に見られた。但しスキッシュ部１１５にも、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌほどではないが、そのような荒れが見られた。このようなピストン表面荒れは、本発明者らが調べた結果、物理的または機械的な作用による減肉現象であるエロージョンに主に起因することが分かった。さらに、本発明者らは、種々の実験を行った。その結果がさらに以下に説明される。
【００３２】
図４〜図６に多点圧力解析の結果を示す。図４〜図６に表された結果に関する実験では、火花点火式内燃機関の燃焼室で自着火を故意に生じさせて、つまりノッキング発生時を模擬し、そのときの筒内圧を次のように計測した。図４は、点火プラグの位置（プラグ位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時の筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。図５は、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの周方向中間位置に対向するシリンダ内周面の位置（トップランド位置という）で筒内圧センサを用いて筒内圧を計測したときのノッキング時の筒内圧波形を示す。横軸はクランク角であり、縦軸は筒内圧である。
【００３３】
これら図を比較すると分かるように、トップランド位置ではプラグ位置よりも、ノッキング時の筒内圧波形が大きく振動しており、自着火に伴う圧力波が大きくなっている。
【００３４】
これら図４および図５に示したような筒内圧波形を複数取得し、その結果に基づき作成したのが図６のグラフである。横軸はプラグ位置ノック振幅であり、縦軸はトップランド位置ノック振幅である。ここでノック振幅とは、図４および図５に示したような１燃焼当たりの筒内圧波形のうちの最大振幅Ｗをいう。
【００３５】
図６から分かるように、トップランド位置ノック振幅はプラグ位置ノック振幅に対し概ね比例関係にあるが、その比例係数は１より大きく、しかも図６中円内に示すように、トップランド位置ノック振幅がプラグ位置ノック振幅より顕著に大きくなることがある。この結果から、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌの位置において、自着火発生時に圧力が急激に増大していることが分かる。なお図６の円内のデータは、図４および図５の筒内圧波形に基づいたデータである。
【００３６】
次に本発明者らはＣＦＤ解析を行った。図７にＣＦＤ解析に用いたピストン２０１の頂面を示す。このＣＦＤ解析用ピストン２０１も、前述したベースピストン１とは異なるが、ベースピストン１と同様、ピストン頂面２０３に吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒと排気弁リセス２１３Ｆ，２１３Ｒとが２つずつ設けられている。また、吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒ間にスキッシュ部２１５が設けられている。なおこのＣＦＤ解析用ピストン２０１は、筒内直噴エンジンのものであり、ピストン頂面２０３には燃料衝突用凹部２１９が設けられている。
【００３７】
このＣＦＤ解析においては、初期条件として、矢印Ｂで示す領域を既燃領域として温度を２０００℃に設定し、矢印Ｃで示す領域を未燃領域として温度を１０００℃に設定し、その境界層から自着火を模擬した圧力または圧力波を伝播させた。ピストン２０１の位置は圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１５°に固定した。
【００３８】
図８〜図１１はＣＦＤ解析の結果であり、それぞれ開始から６μｓｅｃ後、１２μｓｅｃ後、１８μｓｅｃ後、２４μｓｅｃ後の状態を示している。まず図８に示す６μｓｅｃ後では、吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒから、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置（すなわちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌと、これに対向するシリンダ内周面との間の隙間）に、圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが進入した。特にこの進入は、トップランド外周側面２０９の上端縁部における切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒを通じて行われた。なお切欠き形状部２１４Ｆ，２１４Ｒがない場合もあるが、このときには吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒの内側壁を乗り越えて上記したのと同様の進入が行われ得た。
【００３９】
次に、図９に示す１２μｓｅｃ後では、スキッシュ部２１５から圧力波Ｐ２がＹ軸方向且つ半径方向外側に進み、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの位置に進入した。他方、既に進入した吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒは、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌとこれに対向するシリンダ内周面との隙間を、周方向に回り込んで進んだ。つまり、これら３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２は互いに合流する方向に向かうことが分かった。
【００４０】
次に、図１０に示す１８μｓｅｃ後では、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２がトップリング（図示せず）に衝突し、当該衝突位置で圧力が部分的に上昇した。
【００４１】
次に、図１１に示す２４μｓｅｃ後では、吸気弁リセス２１２Ｆ，２１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒが、圧力上昇したスキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２と衝突した。よって３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の衝突位置で圧力が急激に上昇した。この衝突位置ないし圧力上昇位置は、Ｙ軸近傍の位置、すなわちスキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍の位置である。
【００４２】
このように、例えば自着火により発生した圧力波は、スキッシュ接続トップランド２０９Ｌの周方向中間位置の近傍で、重ね合わさって増幅することが判明した。そしてこのことが、図３に示したような実機のピストン１０１において、スキッシュ接続トップランド１０９Ｌ（特にその周方向中間位置）にエロージョンによる表面荒れが顕著に発生する理由と推測される。図１２に、ベースピストン１における、上記したような３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を示す。
【００４３】
３者の圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する位置は３重点をなす。このような３重点が現れる理由は、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２の伝播ルートが上記３重点の発生に適しているからと考えられる。
【００４４】
そこで、これら圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２のうちの一つの伝播ルートを変えれば、すなわち３者の伝播のバランスを崩せば、そのような３重点の発生を回避できることとなり、ピストン表面荒れの発生を抑制可能となる。
【００４５】
本発明者らは、鋭意研究の結果、上記したようにピストン表面荒れの原因およびメカニズムを見出し、このことを利用して本発明を創案するに至った。以下に、本発明が実施形態に基づいて具体的に説明されるが、それらはいずれも、ピストン表面の凸部（例えばスキッシュ部）を介する圧力波とピストン表面の凹部（例えば吸気弁リセス）を介する圧力波との衝突を複数に分散させるための構成を備える。より詳しくは、圧力波がピストン表面の凸部を同隙間に向けてより速く通過することを可能にする構成として、ピストンの頂面の凸部に形成された副凹部つまり溝を本発明は備える。したがって、以下に説明される本発明の実施形態によれば、火花点火式内燃機関において、喩え燃焼室で意図しない大きな圧力が生じた場合であっても、上記３重点の発生を回避でき、それに起因してピストン表面荒れが生じることを抑制できる。
【００４６】
ここで、本発明の第１実施形態に係るピストン１Ａが説明される。図１３および図１４に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第１実施形態に係るピストン１Ａを示す。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図示するように、第１実施形態に係るピストン１Ａにおいては、ピストン頂面３の凸部であるスキッシュ部１５に、副凹部２０Ａが形成されている。副凹部２０Ａは、ピストン１Ａの頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びる凹部である。副凹部２０Ａは、燃焼室で生じた圧力波が任意の箇所から入ることができるように燃焼室側に開いているので、以下、溝と称され得る。
【００４８】
溝２０Ａは、ピストン１Ａの中心線（軸線）Ｏを基準に半径方向に向けて延びるように形成されていて、Ｙ軸上に延在する。ここでは、溝２０Ａの深さは、図１５に示すように、溝２０Ａの中央部２２側と縁部２４側とで概ね等しい。ただし、溝２０Ａは、図１４によく表されているように、ピストン１Ａの中心線Ｏから離れるほど周方向幅が広くなるように形成されている。
【００４９】
このように溝２０Ａをスキッシュ部１５に形成するので、上記３重点の発生を回避可能になる。図１５および図１６を参照して説明する。図１５は、ピストン１Ａの一部の断面模式図であるが、圧力波Ｐ２の伝播ルートが模式的に示されている。図１６は、ピストン１Ａを備えた火花点火式内燃機関における、上記したように伝播する圧力波Ｐ１Ｆ，Ｐ１Ｒ，Ｐ２が衝突する様子を模式的に示す。
【００５０】
ピストン１Ａを備えた火花点火式内燃機関でも、仮に自着火等により燃焼室で局所的に意図しない高圧が生じた場合、上記したのと同様に、吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒを介して圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒが伝播し得る。これに対して、そのときに生じたスキッシュ部１５の表面を伝播する圧力波Ｐ２はスキッシュ部１５の溝２０Ａを通ることができる。
【００５１】
ここで、ピストン頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びる圧力伝播ルートを考える。スキッシュ部１５の溝２０Ａ上に定められるピストン１Ａの頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びるルート１（図１５の矢印α参照）は、溝２０Ａのないスキッシュ部１５上に定められる上記ピストン１におけるルート２（図１５の矢印β参照）に対して短い。それ故、上記したように、スキッシュ部１５の表面を介する圧力波Ｐ２はスキッシュ部１５の溝２０Ａを通ることができるので、そのような圧力波Ｐ２は、溝２０Ａを通ることで、より速くにピストン外周側面２に至ることができる。したがって、図１６に示すように、圧力波Ｐ２は、圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒに比べて、速くに、スキッシュ接続トップランド９Ｌの周方向中間位置の近傍に達することができる。その結果、圧力波Ｐ２は、例えば圧力波Ｐ２Ｆ、Ｐ２Ｒに分かれて、ピストン外周側面２上を周方向に伝播して、圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒと衝突することができ、これにより上記３重点の発生を回避することができる。
【００５２】
このようにピストン１Ａの頂面３の凸部であるスキッシュ部１５上を介してピストン外周側面２に至る圧力波Ｐ２の伝播ルートを短くするための溝部２０Ａをスキッシュ部１５に設けることで、吸気弁リセス１２Ｆ，１２Ｒからの圧力波Ｐ１Ｆ、Ｐ１Ｒと、スキッシュ部１５からの圧力波Ｐ２との３者の同時衝突を回避し、各圧力波の衝突タイミングをずらし、圧力増幅箇所を分散することができる。このように、第１実施形態に係るピストン１Ａを用いることで、上記３重点の発生を回避し、特にスキッシュ接続トップランド９Ｌにおいて顕著であったエロージョンによる表面荒れの発生を抑制することが可能になる。
【００５３】
次に、本発明の第２実施形態に係るピストン１Ｂが説明される。図１７および図１８に基づいて、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第２実施形態に係るピストン１Ｂが説明される。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、上記ピストン１Ａに対するピストン１Ｂの相違点つまり特徴についてのみ説明し、上記した符号を同様に用いることでそれらの共通部分または類似部分の説明を省略する。
【００５４】
上記３重点の発生を回避するためには、スキッシュ部の溝を伝播する圧力波Ｐ２の伝播ルートをさらに短くするとよく、第２実施形態に係るピストン１Ｂはそのような構成を備えている。
【００５５】
ピストン１Ｂは、スキッシュ部１５に、ピストン１Ｂの中心線（軸線）Ｏに直交する方向に延びるように形成された底面または底部２６を備える溝２０Ｂを備えている。なお、図１８ではピストン１Ｂの中心線Ｏに平行な線Ｏ´が表されている。このような溝２０Ｂを通るように定められるピストン頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びるルート３（図１８の矢印γ参照）は、上記ルート１（図１５の矢印α参照）およびルート２（図１５および図１８の矢印β参照）よりも短い。それ故、溝２０Ｂを備えるピストン１Ｂは、上記ピストン１Ａが奏する作用および効果を同様に奏し、特に、上記３重点の発生を回避することにさらに優れる。
【００５６】
次に、本発明の第３実施形態に係るピストン１Ｃが説明される。図１９および図２０に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第３実施形態に係るピストン１Ｃを示す。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、上記ピストン１Ａに対するピストン１Ｂの相違点つまり特徴についてのみ説明し、上記した符号を同様に用いることでそれらの共通部分または類似部分の説明を省略する。
【００５７】
ピストン１Ｃのスキッシュ部１５には、溝２０Ｃが、ピストン頂面３の縁部２４側の該溝２０Ｃの端部２０Ｃ´が円弧形状に拡がるように換言すると扇形になるように、形成されている。これは、圧力波Ｐ２をより適切にピストン外周側面２の周方向に方向付けて周方向に伝播させるためである（図２１の矢印参照）。これにより、ピストン１Ｃは、上記溝２０Ａを備えたピストン１Ａと同様の作用および効果をより的確に奏することが可能になる。
【００５８】
なお、溝２０Ｃは、上記溝２０Ａと同様に、溝２０Ｂの中央部２２側と縁部２４側とで深さの点で概ね等しくなるように形成されている。しかし、溝２０Ｃは、上記第２実施形態に係るピストン１Ｂの上記溝２０Ｂと同様に、同様の理由により、ピストンの中心線Ｏに直交する方向に延びる底部を備えるように設計変更され得る。
【００５９】
次に、本発明の第４実施形態に係るピストン１Ｄが説明される。図２２および図２３に、前記ベースピストン１に対して本発明を適用した第４実施形態に係るピストン１Ｄを示す。なお、ベースピストン１と同一の構成要素には図中同一符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、上記ピストン１Ａに対するピストン１Ｄの相違点つまり特徴についてのみ説明し、上記した符号を同様に用いることでそれらの共通部分または類似部分の説明を省略する。
【００６０】
ピストン１Ｄには、凸部であるスキッシュ部１５に、３つの副凹部つまり溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃが形成されている。そして、これら溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃの各々は、ピストン１Ｄの頂面３の中央部２２側から縁部２４側に向けて延びるように形成されていて、燃焼室で生じた圧力波が任意の箇所から入ることができるように燃焼室側に開いている。これらの溝２０Ｃａ、２０Ｃｂ、２０Ｃｃの各々は上記溝２０Ａと同様の作用および効果を生じるように設計されている。
【００６１】
なお、溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃの各々は、上記溝２０Ａと同様に、溝の中央部２２側と縁部２４側とで深さの点で概ね等しくなるように形成されている。しかし、溝２０Ｄａ、２０Ｄｂ、２０Ｄｃの各々は、上記第２実施形態に係るピストン１Ｂの上記溝２０Ｂと同様に、同様の理由により、ピストンの中心線Ｏに直交する方向に延びる底部を備えるように設計変更され得る。
【００６２】
なお、本第４実施形態のピストンでは、凸部であるスキッシュ部に３つの溝が設けられた。しかし、本発明は、ピストンの頂面の凸部に２つまたは４つ以上、複数の溝つまり副凹部が設けられることを許容する。換言すると、本発明に係るピストンでは、ピストンの頂面の凸部に少なくとも１つの副凹部が設けられ得る。
【００６３】
以上、本発明を上記した４つの実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されず、例えばこれらを部分的に任意に組み合わせた変形例をも許容する。また、上記実施形態では、ピストンの頂面の凸部はスキッシュ流に関係するように形成されたが、本発明における副凹部つまり溝が形成される凸部は、スキッシュ流に関係のあるまたは無縁の凸部であってもよく、燃焼室の流体の流れを様々に制御するように形成される凸部であり得る。なお、このような凸部に副凹部が上記の如く形成されるが、副凹部の形成により凸部の機能が実質的にまたはある程度以上低下しないように、各々が種々の形状を有し得る少なくとも１つの副凹部が凸部に形成されるとよい。また、上記実施形態では、副凹部つまり溝が形成される凸部は吸気弁リセスに挟まれるように形成されたが、本発明における凸部は、排気弁リセスに挟まれてもよく、または、吸気弁リセスと排気弁リセスとに挟まれてもよい。
【００６４】
また、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の実施形態は他にも種々考えられる。例えば、２つより多い例えば３つの吸気弁を有する内燃機関において、ピストンに同数の３つの吸気弁リセスが設けられる場合にも、本発明は適用可能である。この場合、互いに隣り合う２つの吸気弁リセスの組が２組設けられるが、それぞれの組に対して、前記実施形態で述べたような構造または構成を適用することが可能である。
【００６５】
本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ〜１Ｄ ピストン
２ 外周側面
３ 頂面
４ トップリング溝
５ セカンドリング溝
６ サードリング溝
８ トップランド
９ トップランド外周側面
９Ｌ スキッシュ接続トップランド
１２Ｆ 前側吸気弁リセス
１２Ｒ 後側吸気弁リセス
１４Ｆ 前側切欠き形状部
１４Ｒ 後側切欠き形状部
１５ スキッシュ部
２０Ａ〜２０Ｄｃ 副凹部（溝）
Ｏ ピストン中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火式内燃機関用のピストンであって、
該ピストンの外周側面に隣接して該ピストンの頂面に形成された２つの凹部と、
該２つの凹部に挟まれるように前記ピストンの前記外周側面に隣接して該ピストンの前記頂面に形成された凸部と
を備え、
前記凸部には、該ピストンの前記頂面の縁部側に向けて延びる副凹部が形成されている、ピストン。
【請求項２】
前記副凹部は、前記ピストンの中心線を基準に半径方向に向けて延びるように形成されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記副凹部は、前記ピストンの中心線に直交する方向に延びるように形成された底部を備えている、請求項１または２に記載のピストン。
【請求項４】
前記副凹部の前記頂面の前記縁部側の端部が円弧形状に拡がるように前記副凹部は形成されている、請求項１から３のいずれかに記載のピストン。
【請求項５】
前記副凹部は、前記ピストンの中心線から離れるほど周方向幅が広くなるように形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のピストン。
【請求項６】
前記凸部には前記副凹部が複数形成され、該複数の副凹部の各々は前記ピストンの前記頂面の中央部側から前記縁部側に向けて延びるように形成されている、請求項１から５のいずれかに記載のピストン。
【請求項７】
前記凸部は燃焼室の流体の流れを制御するように形成され、
前記凹部の各々は対応する開閉弁と前記ピストンとの干渉を避けるように形成されている、請求項１から６のいずれかに記載のピストン。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のピストンを備えた、火花点火式内燃機関。
【請求項１】
火花点火式内燃機関用のピストンであって、
該ピストンの外周側面に隣接して該ピストンの頂面に形成された２つの凹部と、
該２つの凹部に挟まれるように前記ピストンの前記外周側面に隣接して該ピストンの前記頂面に形成された凸部と
を備え、
前記凸部には、該ピストンの前記頂面の縁部側に向けて延びる副凹部が形成されている、ピストン。
【請求項２】
前記副凹部は、前記ピストンの中心線を基準に半径方向に向けて延びるように形成されている、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記副凹部は、前記ピストンの中心線に直交する方向に延びるように形成された底部を備えている、請求項１または２に記載のピストン。
【請求項４】
前記副凹部の前記頂面の前記縁部側の端部が円弧形状に拡がるように前記副凹部は形成されている、請求項１から３のいずれかに記載のピストン。
【請求項５】
前記副凹部は、前記ピストンの中心線から離れるほど周方向幅が広くなるように形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のピストン。
【請求項６】
前記凸部には前記副凹部が複数形成され、該複数の副凹部の各々は前記ピストンの前記頂面の中央部側から前記縁部側に向けて延びるように形成されている、請求項１から５のいずれかに記載のピストン。
【請求項７】
前記凸部は燃焼室の流体の流れを制御するように形成され、
前記凹部の各々は対応する開閉弁と前記ピストンとの干渉を避けるように形成されている、請求項１から６のいずれかに記載のピストン。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のピストンを備えた、火花点火式内燃機関。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−９７６６４（Ｐ２０１２−９７６６４Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４６３２７（Ｐ２０１０−２４６３２７）
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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