JP2005530084A - 低排出量の内燃機関 - Google Patents

Abstract

エンジン（１０）は、燃焼室の特徴の寸法、形状及び／又は相対位置を含んだ種々の構造パラメータを含み、これらによってＮＯ_X排出量及び微粒子を最小にする燃焼工程を生じる。燃焼室（１４）は内側ボウル床角（α）に対するスプレー角を含み、これは、ピストンボウル（５６）の先端部から噴射オリフィスまでの垂直距離、噴射オリフィス（４０）の数、スワール比、噴射オリフィスからシリンダヘッド（２０）の内面までの垂直距離、ピストン頂面からシリンダヘッドまでの距離、外側ボウル部の曲率半径、ピストンボウルのエッジでの曲率半径、ピストンボウル直径対シリンダ径の比、及びシリンダ径のうちの１つ以上と組み合わせることにより、内側ボウルと接触する燃料の量を最大にする。

Description

本発明は、排出量を最小にできる改良されたエンジンに関する。

内燃機関設計者は、政府レベルからますます厳しく求められるさまざまな排出量基準及び性能の目標に直面し続けている。１つの基準を満たすために変更がなされると、別の基準を越える排出量が増加してしまう場合がある。よって、設計者は、新しく課された排出量基準を満たすことへの挑戦だけでなく、以前に満たしていたか又は新しく課された他の排出量基準を越えないような方法でこれを行う、ということにも直面していることが多い。また、エンジンの設計者は、エンジンの性能及び燃料節約の変更によって与えられる悪影響を必ず考慮し、好ましくはこの悪影響を最小にしなくてはならない。

エンジン設計者に生じうる問題点の一例は、米国市場で適用する目的で環境保護庁によって定められたディーゼルエンジンに対する新しい排出量基準／限度のセットである。これらの基準により、ディーゼルエンジンは、燃料消費量に基づいた特定の限度を下回る極めて低レベルの排出量を生じる必要がある。具体的には、例えば、新しい道路規則により、ディーゼルエンジンは、未燃炭化水素と同時に発生する窒素酸化物（ＮＯ_X）排出量を２．５ｇ／ｂ−ｈｐ−ｈｒ未満に保ち、微粒子を０．１ｇ／ｂ−ｈｐ−ｈｒ未満に保たなくてはならない。

１以上の排出物の制御にプラス効果をもたらすように、エンジンの圧縮、燃焼室の形状、燃焼室の熱遮断率及び／又は燃料噴射スプレーパターン、圧力、タイミング、及び／又は流量など、種々のエンジン設計変数又はエンジン作動変数のうち任意の１つを変更できる。しかし、このような変更は１以上の他の排出物に悪影響を及ぼす場合がしばしばあり、排出量が規制値を越えてしまう可能性がある。例えば、正味平均有効圧（ｂｍｅｐ）を所望のように増加させると、エンジンの排気内のＮＯ_X排出量が増加する傾向にある。この問題は、燃料節約、高トルク出力、低操業費、及び／又は保守の縮小など、他の重要なエンジン作動特性を達成する必要性によって悪化する。一例として、エンジンの潤滑油に混入される煤の量は、操業費や、大規模な分解検査が必要になるまでの作動期間に深刻な影響を及ぼしうる。煤は研摩性が非常に高く、エンジンの潤滑油に大量に混入されると摩耗が激しくなる可能性がある。エンジンの潤滑油に混入される煤の量は、燃焼室の形状や燃料噴射スプレー角などの多数の要因によって影響されうるが、これらの変数を変更すると、エンジンの潤滑油に混入された排出物の量が実際に増加するという望まれない影響を及ぼす可能性がある。

内燃室の燃焼室内での給気と燃料の理想的なフローパターンを生じるために多くの試みがなされてきた。例えば、直接式噴射エンジン内で特に混合気を生じるためにピストンの上部に燃焼ボウルを設けることは、「将来の発展….」（Automotive Industries、1952年10月15日）というタイトルの記事に開示されるように周知である。この記事に開示されている燃焼ボウル設計の殆どが中心軸を中心に対称であるようだが、この記事は、本発明によって扱われる特定の問題に対し、燃焼ボウルの形状と燃料噴射経路との重要な関係や他の燃焼室の特徴に注意を向けていない。

ピストンによって部分的に形成された燃焼室内で望ましいフローパターンを得るために、ピストンクラウンの上面に形成された左右対称のボウル状凹部を含む種々のピストン設計が開示されている。これらのボウル形状はしばしば「メキシカンハット」設計と呼ばれる。例えば、特許文献１はクラウンを含む連接式ピストンアセンブリを開示していて、クラウンは、円錐状の中央床部によって画定される頂面に左右対称の燃焼ボウルを含み、中央床部はその基部において円錐面の中心軸と同軸の回転弓状面につながっていて、この回転面はピストンの最上面と結合するように上方向にフレア状に広がっている。円錐状の中央床部の基部は、最大でボウルの直径の約５０％にわたって延びている。他の類似したピストン設計が、英国特許出願番号2,075,147及び特許文献２乃至５に開示されている。しかし、これらの参考文献はいずれも、開示された燃焼ボウル及び燃焼室の設計の重要なサイズ範囲や比率を開示しておらず、燃焼ボウルの形状や、シリンダヘッド及びピストンオリフィスの双方とピストンとの間の特定の距離に関連づけられた、噴霧オリフィスからの燃料スプレーの角度の重要性を示唆していない。よって、これらの特許は、燃焼室及びピストンボウルが、低排出量を含む特定のエンジンの機能を得るために必要である決定的な寸法及び寸法関係を有することを開示していない。

本発明の譲受人に譲渡されている特許文献６は、燃焼ボウルを含むクラウンを備えたピストンを開示しており、この燃焼ボウルは、エンジンの潤滑油に混入される煤を非常に少量に保ち、かつ他のエンジン排出量を許容可能な範囲内に維持するような態様で、噴射燃料のスプレープルームを補うように形づくられている。しかしながら、この特許は、新しく規制された限度を下回るＮＯ_X及び微粒子の双方を生じるために必要な機能及び寸法の特定の組み合わせを認識していない。

ピストン設計を含む燃焼室の配置例が従来技術に多く含まれるにもかかわらず、従来技術は、新しく規制された限度と比べて許容可能な程度に低い排気量を得るように燃焼ガスを制御し、方向づけることによって燃焼の際に微粒子の酸化を効果的に促進しながらＮＯ_X排出量を最小にするように、ピストンとインジェクタースプレープルームとの間に適切な協働を生じる配置を示唆していないようである。よって、この機能の組み合わせを達成することのできるエンジン及び燃焼室の配置が必要である。
米国特許第４，３７７，９６７号明細書 米国特許第１，８６５，８４１号明細書 米国特許第３，５０８，５３１号明細書 米国特許第４，２４２，９４８号明細書 米国特許第５，０２９，５６３号明細書 米国特許第５，８６８，１１２号明細書

従って、本発明の１つの目的は、従来技術の欠点を克服し、新しく規制された限度を満たすために望ましくないエンジン排出量を十分に減少するよう設計された燃焼室配置を含む内燃機関を提供することである。

本発明の他の目的は、新しく規制された限度を満たすために望ましくないエンジン排出量を十分に減少する一方で、エンジンの潤滑油内の煤を最小にし、燃料節約など他のエンジン性能の必要条件を許容可能なレベルに保つ燃料室の配置を提供することである。

本発明の他の目的は、ピストンボウル及び噴射スプレー角を含む燃焼室配置の種々の特徴の形状、位置及び寸法により、スプレープルームがインジェクターオリフィスを出た後すぐに、そして従来の構成よりも早くピストンボウルの表面に突き当たって接触するエンジンを提供することである。

本発明の更に他の目的は、許容可能な燃料消費量及び潤滑油の煤汚染を維持しながら新しいＮＯ_X及び微粒子排出量規制を満たすことが可能なディーゼルエンジンを提供することである。

本発明の他の目的は、商業的に許容できるエンジンの機械的な設計制約も満たしつつ、２．５ｇ／ｂ−ｈｐ−ｈｒ未満のＮＯ_X排出量及び未燃炭化水素、並びに０．１ｇ／ｂ−ｈｐ−ｈｒ未満の微粒子で作動できるディーゼルエンジンを提供することである。

本発明の更に具体的な目的は、噴射の初期部分の間に燃焼室内で酸素に晒される燃料の量を最小にし、燃焼の際に十分な微粒子の酸化を確実にしながらＮＯ_X排出量を最小にし、エンジンの潤滑油への混入に用いられうる微粒子と、排気系への排出に用いられうる微粒子の双方を最小にするような寸法及び寸法関係を有する燃焼室配置を含むエンジンを提供することである。

本発明の更に具体的な目的は、従来のエンジンよりも低いＮＯ_X排出量を生じる燃焼法を共に生じる燃焼室の設計パラメータの主要な組み合わせを提供することである。

本発明によると、前述の目的及び他の更に詳細な目的は、特定の燃焼室寸法及び寸法関係を含む燃焼室設計パラメータの所定の組み合わせを有する燃焼室配置をエンジンに設けることによって達成できる。例えば、好適な実施の形態において、エンジンは、エンジンシリンダと、燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドと、シリンダヘッド内に形成されて吸気を燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートとを有するエンジン本体を含む。吸気は作動中に渦流効果を受け、０．５乃至２．５の範囲のスワール比を形成する。また、エンジンは、エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復移動するように配置されたピストンを含む。ピストンは、燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含む。ピストンクラウンは、外方向に開いたキャビティによって形成されるピストンボウルを含み、ピストンボウルは、遠位端部を有する突出部と、ピストンの往復移動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角θで内方向に延びる内側ボウル床部とを含む。ピストンボウルは、凹状で曲線の形状及び断面を有する、外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含む。エンジンは、ピストンボウルの突出部に隣接してエンジン本体に取り付けられ、燃料を燃焼室内に噴射するインジェクターを更に含む。インジェクターは、スプレープルームを形成するように配列された複数のオリフィスを含む。複数のオリフィスの各々は、スプレープルームが内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、ピストンの往復移動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を含む。スプレー角βは、スプレー角βから内側ボウル床の角度θを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しい。複数のオリフィスの各々は中心を有する出口開口を含み、この中心は突出部の遠位端部からＬ₁の距離にあり、０．５乃至４ｍｍの範囲にある。

複数のオリフィスは、６つ以下であることが好ましく、６つ未満であることが更に好ましい。また、内側ボウル床角θは１８乃至３０°の範囲にあることが好ましく、スプレー角βは、スプレー角βから内側ボウル床角θを引いた値が０乃至１３°の範囲になるような値に等しい。スワール比は０．７乃至１．５の範囲にあることが好ましい。また、エンジンは燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを含むことができ、出口開口の中心とシリンダヘッドの内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲である。燃焼室は、ピストンクラウンの頂面と出口開口の中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲になるように設計されてもよい。また、外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の凹状曲線形状は、８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ１を含むことができる。エンジンシリンダはシリンダ径ＣＤを含むことができ、ピストンボウルはボウル直径ＢＤを含むことができる。ＢＤ／ＣＤの比は０．５乃至０．９の範囲である。外方向にフレア状に広がった外側ボウル部は、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ２を有するエッジにおいて頂面と交差してもよい。距離Ｌ₁は１．５乃至３ｍｍの範囲にあることが好ましい。

本明細書に述べられる目的を達成するために、前述の燃焼室設計パラメータの種々の他の特定の組み合わせも本発明によって教示される。例えば、０．５乃至２．５の範囲のスワール比、１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角θ、８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁、スプレー角βから内側ボウル床角θを引いた値が０乃至１９の範囲になるような値に等しいスプレー角β、及び０．５乃至３ｍｍの範囲にある距離Ｌ₂を有するエンジンも本発明の内燃機関を形成する。同様に、スワール比、スプレー角、内側ボウル床角、曲率半径Ｒ₁及び曲率半径Ｒ₂の特定の組み合わせも本発明の教示内にある。また、本発明は、スワール比、内側ボウル床角、スプレー角及び６つ未満の複数の噴射オリフィスを含むエンジン本体に関する。本発明の目的のうち１つ以上も、本明細書に教示されるスワール比、内側ボウル床角、スプレー角、距離Ｌ₂及び距離ＢＨの特定の組み合わせによって達成される。また、本発明の１つ以上の目標も、内側ボウル床角、スプレー角、距離Ｌ₁、距離Ｌ₂及び距離ＢＨの組み合わせによって達成される。更に、本発明の１つ以上の目的も、本明細書に教示される、内側ボウル床角、スプレー角、距離Ｌ₁、距離Ｌ₂及びＲ₁の組み合わせを有する燃焼室をエンジンに設けることにより達成される。また、本発明は、内側ボウル床角、スプレー角、曲率半径Ｒ₂、距離Ｌ₁及び距離ＢＨを含む、本明細書に教示される設計パラメータの組み合わせを有するエンジンを提供することにより、１つ以上の目的を達成する。本明細書に教示される設計パラメータの他の特定の組み合わせも当然本発明の範囲内にあるとみなされる。

図１を参照すると、本発明は内燃機関に関し、その一部が切取断面図において概して１０で示されている。この内燃機関は、従来のエンジンによる排出レベルよりもかなり低く、また、近年の政府規制限度を下回るレベルで、ＮＯ_Xや微粒子などの排気性能を持つ。本明細書で後述するように、エンジン１０は種々の精密な構成パラメータを含み、これにより、望ましい燃料節約（燃費）や燃料効率を達成する一方で、許容可能な低排出をなすための所望の燃焼特性を達成する燃焼工程を得られる。この燃焼特性は、新しく採用され、ディーゼルエンジンに適用可能な低有害排出及び低微粒子を含むエンジン作動基準を満たすのに十分なものである。

エンジン１０は、ほんの一部が１２で示されているエンジンブロックと、少なくとも１つの燃焼室１４を含む。エンジンは一般に４乃至８である複数の燃焼室を当然含んでもよく、これらを一直線か又は「Ｖ」状に配列してもよい。各燃焼室は、エンジンブロック１２内に直接形成できるシリンダキャビティ１６の一端に形成されている。シリンダキャビティ１６は、図１に一部のみを示す取り外し可能なシリンダライナー１８を収容するように配置可能である。これも一般的であるが、シリンダキャビティの一端はエンジンシリンダヘッド２０によって閉じられている。エンジン１０は、各燃焼室に関連する対応ライナー１８に取り付けられた各ピストン２２を更に含む。ピストン２２の上部のみが図１に示されているが、ピストン２２は、本発明の達成に必要であると下記に確認される特徴を含む限りはいかなるタイプのピストンでもよい。例えば、ピストン２２を連接ピストンとしてもよいし、単一部品のピストン設計としてもよい。ピストン２２の上面又は頂面は、ヘッド２０及びヘッド２０とピストン２２との間に延びるシリンダライナー１８の部分と協働して燃焼室１４を画定する。具体的に示されていないが、ピストンは連接棒を介して内燃機関のクランク軸に接続されていて、これにより、エンジンのクランク軸が回転するにつれてピストンはシリンダライナー１８内の直線経路に沿って往復運動する。図１は、クランク軸がピストンをクランク軸の回転軸から最も離れた位置に移動するように配置されると達成される、上死点（ＴＤＣ）位置でのピストン２２の位置を示している。従来では、吸気行程及び動力行程に進むとピストンは上死点位置から下死点（ＢＤＣ）位置に移動する。本開示内容のために、「外方向の」及び「外方向に」という単語はエンジンのクランク軸から離れる方向に相当し、「内方向の」及び「内方向に」という単語はエンジンのクランク軸又はピストンの下死点位置に向かう方向に相当する。

本発明のエンジン１０は、エンジンの各燃焼室への燃料の直接噴射を用いた４サイクル圧縮点火（ディーゼル）エンジンである。吸気通路２４が、図１には１つしか示されていないが一対のポペット弁２６により、吸気を燃焼室１４内に選択的に方向づける。同様に、排気通路２８が、図１には１つしか示されていないが一対の排気ポペット弁３０により、ガスを燃焼室１４から選択的に方向づける。ピストン２２の往復運動と注意深くタイミングを合わせたシーケンスで、機械カム又は油圧作動システム、又は他の起動システムにより、弁２６及び３０の開閉を達成できる。

図１に示す最上のＴＤＣ位置において、ピストン２２はその上方向圧縮行程を完了したばかりであり、この行程の間、吸気通路２４から燃焼室１６内に流入した給気が圧縮され、これにより給気の温度がエンジンの燃料の点火温度を上回る。通常、この位置はピストン２２の４つの行程を完了するのに必要な７２０°の回転を開始するゼロ位置とみなされる。エンジンの吸気マニホールドに圧力ブーストを提供することにより、燃焼室に入れる給気の量を増やすことができる。例えば、エンジンの排気により作動されるタービンによって駆動されるか又はエンジンのクランク軸によって駆動されうるターボチャージャー（図示せず）によって圧力ブーストを提供できる。

エンジン１０は、インジェクター用穴３４内にしっかりと取り付けられたインジェクター３２も含み、ピストン２２がＴＤＣ位置に近づいている際、ＴＤＣ位置にある際、又はＴＤＣ位置から離れるように移動する際、インジェクター３２は燃料を非常に高い圧力で燃焼室１４内に噴射する。インジェクター３２は内側端部にインジェクターノズルアセンブリ３６を含み、このアセンブリはノズルリテーナ３８によって図示されていないインジェクターセンブリの残りの部分に固定されている。インジェクター３２は、ノズルアセンブリ３６の下端部に形成された複数の小さな噴射オリフィス４０を含み、この噴射オリフィスは、高圧燃料が非常に高い圧力でインジェクター３２のノズルキャビティから燃焼室内に流れ込み、燃焼室１４内の高圧の圧縮給気と燃料の十分な混合を生じるのを可能にする。インジェクター３２は、燃料のスプレー角に関して後述する態様で高圧燃料を複数のインジェクターオリフィスを介して燃焼室１４内に噴射できる、いずれのタイプのインジェクターでもよいことを理解されたい。例えば、インジェクター３２は閉止弁インジェクターでもよいし、開口弁インジェクターでもよい。更に、インジェクター３２は、インジェクター本体内に収容され、プランジャアセンブリの前進行程の際に高圧を生じる機械作動プランジャを含んでもよい。あるいは、インジェクター３２は、１つ以上の高圧ポンプ、高圧アキュムレータ及び／又は燃料ディストリビュータを含むポンプ−ライン−ノズルシステムのように、上流の高圧源から高圧燃料を受け取ってもよい。インジェクター３２は、高圧燃料をノズル弁アセンブリに供給してノズル弁要素を開かせるか、又はノズル弁キャビティからの高圧燃料の流出を制御してノズル弁要素に圧力の不均衡を生じ、これによってノズル弁要素を開閉させ、噴射事象を形成する電子作動噴射制御弁を含んでもよい。例えば、ノズル弁要素３６を、米国特許第5,326,034号に開示されるような、燃料圧によって作動される従来のばねベースの閉止弁要素としてもよく、該特許の内容は全て本明細書に援用される。インジェクター３２を米国特許第5,819,704号に開示されるインジェクターの形態としてもよく、該特許の内容は全て本明細書に援用される。

本発明のエンジンは、以下に述べるように互いに対して寸法決めされ、形状づけられ、及び／又は配置された燃焼室の構成要素及び特徴を含み、許容可能な燃料節約を維持する一方でＮＯ_X排出量及び微粒子の双方を新しい規制基準のレベルか又はこれを下回るレベルに有益に減少する。具体的には、燃焼室の構成要素及び特徴の寸法、形状及び／又は相対位置は、噴射事象の初期部分の間に燃焼室１４内で燃料が酸素に晒されるのを低減してＮＯ_X排出量を減少する一方、燃焼事象の後のほうでは微粒子の十分な酸化を確実にし、燃焼ガスとシリンダの壁との間の相互作用を最小にする。後述する燃焼室の構成要素及び特徴の寸法、形状及び／又は相対位置により、燃料噴射の双方の初期段階の間、そしてピストン２２の動力行程の際に燃焼が開始して生じたガスが広がる間に、燃焼室１４内で噴射された燃料及びガスの流れのパターンの形成、方向づけ、制御及び生成が可能な燃焼室を得る。これによって最適な排出量減少が達成される。

燃焼室１４の固有の物理的特性を理解するために、まず図１及び図２に注目する。これらの図は種々の物理的特性即ちパラメータを示していて、これらのうち少なくとも２つ、好ましくはこれら全てが、本発明の意外な排出量減少の利点を達成するのに必要である。燃焼室の一般形状は従来技術に前例があるが、本明細書で後述する特定の構造、そしてより重要なことに寸法及び寸法関係は、本発明の機能的な性能を向上させる。より具体的にいうと、ピストン２２の上部をピストンクラウン５０と呼ぶことができる。ピストンのこの領域は下に延びる円筒状の壁を含み、この壁は、外方向に開いた複数の環状溝５２を有し、これらの溝は、ピストンとシリンダライナー１８の周囲壁との間に比較的緊密な燃焼ガスシールを形成するように設計された対応するピストンリングを受ける。ピストンクラウン５０は、燃焼室１４を部分的に形成する頂面５４と、外方向に開いたキャビティによって形成されるピストンボウル５６とを含む。ピストンボウル５６は、好ましくはボウル５６の中央か又はその付近に配置される突出部５８を含む。突出部５８は遠位端部６０を含み、図１に示す好適な実施の形態では、遠位端部６０はピストンボウル５６の中央に位置し、よってピストン２２の往復運動軸に沿って位置する。突出部５８は内側ボウル床部６２も含み、これは、図１に示すように、ピストン２２の往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで突出部５８から内方向に（ピストン２２のＢＤＣ位置に向かって）延びている。後述するように、内側ボウル床角αは比較的急勾配になるように設計され、また、エンジンの排出量減少の最適化に必要な燃料スプレーパターン即ちプルーム６３（図３ａ）とピストンボウル５６との間に望ましい相互作用を生じるようにスプレー角βに相対して設計されている。好ましくは、更に具体的で望ましい内側ボウル床角αの範囲は１８乃至３０°である。

ピストンボウル５６は、外方向にフレア状に広がった外側ボウル部６４も含み、この直径断面はほぼ凹面の曲線形状である。外側ボウル部６４は、燃焼室内の燃料及び混合気の流れを有効に形成し、方向づける。スプレープルームがシリンダヘッド２０の内面６５と適切な態様で相互作用することを確実にし、シリンダライナー１８の壁との相互作用を生じずに適切な混合及び燃焼を確実にするように、外側ボウル部６４は、特定の半径Ｒ₁を有し、半径中心ＣＲ₁に対して特定の位置を占めるように設計されている。具体的には、Ｒ₁は８乃至２０ｍｍの範囲にわたり、１２乃至１６．５ｍｍの範囲内にあることが好ましい。本明細書に設けられる各寸法範囲に関して、より大きいピストン直径を有するより大きいエンジンには該範囲の上限に近い値がおそらくより適切であり、より小さい直径のピストンを有するより小さなエンジンには該範囲の下限に近い値がおそらくより望ましい。また、Ｒ₁の半径中心ＣＲ₁の位置は、ピストン２２の頂面５４を介して延びる面又はピストンボウル５６内に配置されることが好ましく、よって、Ｒ₁が図１に示す頂面５４の上に位置することはさほど望ましくない。Ｒ₁の大きさとＣＲ₁の位置を本明細書に述べるように組み合わせることにより、本発明は、スプレープルーム６３が外側ボウル部６４づたいに進む際にスプレープルーム６３の運動量を制御し、燃焼を最適化できる、外方向フレアを備えた外側ボウル部６４を形成する。本発明の重要な目標は、燃焼室１４内でガスの流れを生じたりガスを抑制したりしながら燃焼室１４内の燃料の効率的な燃焼を促進することにより、ライナー１８のシリンダ壁に形成された潤滑膜に実際に達し、これに混入される煤の量を最小にし、燃焼工程の際に形成される微粒子の完全な燃焼／酸化を確実にすることにより、膜内に煤が混入する可能性を更に最小にすることである。具体的には、ＣＲ₁の位置とＲ₁の大きさは、ボウル５６の上部エッジ６６から離れて進むスプレープルーム及び混合気がシリンダヘッド２０内に方向づけられるのに十分な運動量を有し、微粒子の混合及び酸化の程度を適切にすることを確実にする。外側ボウル部６４は、プルーム及び混合気がシリンダヘッドと相互作用しないためにプルーム及び混合気の望ましくない停滞を生じ、結果として微粒子の不適切な混合及び燃焼を生じるスプレープルーム及び混合気の不適切な運動量を防ぐように特別に設計されている。この防止は、外側ボウル部６４に湾曲を生じ、スプレープルーム及び混合気に運動量を生じてこれを維持するのに十分に大きなＲ₁を有することで達成される。外側ボウル部６４は、スプレープーム及び混合気における過剰な運動量を防ぐようにも設計されている。この過剰な運動量により、スプレープルーム及び混合気が過剰な速度でシリンダヘッドと相互作用し、これによりスプレープルーム／混合気がシリンダヘッド２０に衝突し、シリンダライナー１８によって形成されたシリンダ壁に向かって拡散し、はね返ってしまうためである。燃焼室１４のシリンダ壁上の潤滑油膜と相互作用する燃料により、混合気内の未燃焼微粒子が潤滑膜内に混入して煤を生じ、煤が遂にはピストンリングの下まで移動し、ここでエンジンの潤滑油と混合してしまう場合がある。シリンダ壁上の油と相互作用する燃料及び微粒子の量は、スプレープルーム及び混合気における過剰な運動量を回避する湾曲を生じるように十分に小さいＲ₁を用いることにより、少なくとも部分的に最小にされる。よって、Ｒ₁は、燃焼プルームの運動量を調整し、プルームがシリンダヘッドと相互作用してはね返り、燃焼室１４の空間に戻るのに十分な運動量を有することを確実にするように設計されている。Ｒ₁を減少させると、燃焼プルームの運動量が減少する傾向にある。

エッジ６６に隣接する外側ボウル部６４の上面は、ピストンの軸に対して縦に平行に延びるか又はピストン２２の往復運動軸に向かって内方向に延びることが好ましい。即ち、エッジ６６における外側ボウル部６４の上面が半径中心ＣＲ₁を有する場合、ＣＲ₁は頂面５４を介して延びる面に位置するか又はボウル５６内に位置することが好ましい。外側ボウル部６４の曲線形状は、エッジ６６の前で終端となる曲率半径Ｒ₁を有する表面によって形成でき、外側ボウル部６４の垂直な上部は曲率半径Ｒ₁を有する表面から接線方向に延び、垂直にエッジ６６まで延びる。前述のように、ＣＲ₁は頂面５４の上に位置しないことが好ましく、エッジ６６に隣接する外側ボウル部６４の上部は、シリンダライナー１８により形成されるシリンダ壁に向かってガスを外方向に方向づけるような態様でエッジ６６と交差しないことが好ましい。このようにして、シリンダ壁との相互作用を防止しながらスプレープルーム及び混合気の適切な制御及びシリンダヘッドとの相互作用の制御が向上し、これによって排出量が最小になり、煤が減少する。

図３に示すように、インジェクター３２のスプレー又は噴射オリフィス４０はインジェクターノズル３６を介して延び、燃料を燃焼室１４に供給する。本発明の重要な態様は、各オリフィス４０の中心軸を、ピストンの往復運動軸に垂直な面と各スプレーオリフィス４０の中心軸との間で測定される比較的急勾配のスプレー角βに配向することを含む（図１及び図４）。よって、βは燃料噴射オリフィス４０から発するスプレーの角度である。スプレー角βは、スプレー角βから内側ボウル床部角αを引いた値が０乃至１９°の範囲である値に等しくてもよいが、１乃至１３°の範囲内であることが好ましい。この寸法関係により、図３ａに示すように、燃料スプレープルーム６３が内側ボウル床部６２の上部エッジ付近の突出部５８の上部に向かって方向づけられる。ピストン２２の動きや空気の渦流によってスプレープルームを内側ボウル床部６２に衝突させるという一定の条件下で、燃料スプレーを内側ボウル床部６２に沿って平行方向に方向づけることも可能であるが、各スプレーオリフィス４０の各出口開口６８（図４）の中心Ｃを通過する各スプレーオリフィス４０の中心軸でもあるスプレープルーム６３の中心軸が、０°よりも大きく１３°未満である角度など、内側ボウル床部６２に向かってある角度がつけられていることが好ましい。その結果、スプレープルーム６３は出口開口６８を出るとすぐに突出部５８と係合し、図３ａ乃至図３ｃに示すようにスプレープルーム６３が下方に流れるにつれて突出部５８の内側ボウル床部６２上に広がる。βとαとの間の寸法関係、即ちβ−αによってスプレープルーム６３が突出部５８の上部に向かって方向づけられるようにα及びβを形成することで、本発明は内側ボウル床部６２と接触する燃料の量を最小にし、よって噴射事象／燃焼の初期部分の間に燃料が燃焼室１４内で酸素に晒されるのを最小にする。その結果、ＮＯ_X及び微粒子排出量の形成が所望のように最小になる。図５は、現在製造されているエンジンの排出量レベルに対してβ−α＝８°での本発明の排出量の結果を示す正規化データを示している。図５は、本発明の主な利点が一種類の排出物だけでなくＮＯ_X及び微粒子双方の排出量の減少にあることを示している。

燃料スプレープルーム６３が突出部５８に素早く接触し、内側ボウル床部６２と適切に相互作用することを確実にするために重要な、本発明の他の重要な燃焼室パラメータは、図２に示すように、突出部５８の遠位端部６０から噴射オリフィス４０の出口開口６８の中心Ｃまでの垂直距離Ｌ₁である。本発明の燃焼室の配置は具体的に、０．５乃至４ｍｍの範囲、好ましくは１．５乃至３ｍｍの範囲の大きさを有する寸法Ｌ₁を含む。この範囲にあるＬ₁の値は、スプレープルーム６３の内側ボウル床部６２との相互作用を効果的に高めてこれを確実にし、出口開口６８と内側ボウル床部６２に対するスプレーの衝突点との間のスプレープルーム６３の流路の長さを最小にし、よって燃料が酸化する機会を最小にし、ＮＯ_X排出量を最小にすることが出願人によってわかっている。また、異なる噴射タイミングを表す各データ点に対し、更に大きな距離Ｌ₁を図１に示す配置に用いると、図６に示すようにＮＯ_X排出量が大幅に増加し、微粒子が減少する。

排出量に著しく影響を及ぼす他の重要な燃焼室パラメータは、噴射又はスプレーオリフィス４０の数Ｎである。本発明に従って、最大で６つの噴射オリフィスが燃焼室１４への燃料の供給に用いられる。４つ又は５つなど、６つ未満の噴射オリフィスが用いられることが好ましい。噴射オリフィスの数Ｎは、次の理由で重要である。本発明の１つの目的は、噴射事象／燃焼の初期部分の間、スプレープルームが噴射オリフィス４０の出口開口６８から内側ボウル床部６２に移動する際に燃料を燃焼室内の空気に晒すのを最小にすることにより、ＮＯ_X排出量を最小にすることである。噴射オリフィスの数が多いほど、燃焼室を流れるスプレープルームの数が多くなり、燃焼室内の酸素に晒される燃料の表面積が大きくなる。よって、噴射オリフィスの数を減らすことにより、燃焼室内の酸素に晒される燃料の量を少なくできる。しかし、噴射オリフィスのこの減少は、燃焼室１４内の燃料の適切な分配、及び燃焼工程全体の間の燃料及び空気の効果的な混合を促す必要性と平衡を保たなくてはならない。多くの従来のインジェクターが６つより多くの噴射オリフィスを用いているが、燃料が内側ボウル床部６２に向かって移動し、ボウル５６の種々の表面をわたって流れる際に燃料が酸素に晒されるのを最小にし、よってＮＯ_X排出量を減少させるには、できれば最大で６つ、好ましくは４つか５つのオリフィスを用いることを出願人は見出した。

排出量の制御に有益な他の重要な燃焼室パラメータは、吸気ポート２４によって生成される空気の流れのスワール比である。スワール比ＳＲは、燃焼室１４の周りで回転する空気の接線速度をエンジン速度で割った比である。即ち、スワール比は、空気がシリンダヘッドの吸気ポートからエンジンシリンダに入る際の、空気の接線方向の動きの尺度である。正確には、スワール比という用語は、閉じかけている吸気弁における空気のシリンダ内の平均角速度をシリンダピストンの角速度で割ったものを指す。例えば、スワール比２で空気の動きを生じるヘッドを用いてエンジンを１８００ｒｐｍで作動させることは、閉じかけている吸気弁でのシリンダ内の空気が３６００ｒｐｍの平均角速度で回転していることを示す。スワール比が大きいほど空気又は混合気の渦流効果が大きくなり、スワール比が小さいほど渦流効果が小さくなる。渦流効果は、ピストン２２によって圧縮されると乱流を生じ、燃焼工程を助ける、ほぼ接線方向に生じる動作である。しかし、渦流効果又はスワール比が大きくなると一般にＮＯ_X排出量が増加する傾向にある。ＮＯ_X排出量のこの増加の理由は、渦流効果がプルームを望ましくない方向に逸らせ、ピストンボウルを出る燃焼プルームの運動量が減少する傾向にあるためである。その結果、ピストンボウルを出て望ましくは燃焼ヘッドと相互作用する（図３ｃ）プルームの能力は、おそらくプルームがピストンボウル内に残ることで不都合に妨げられ、自由に移動する酸素に対する最大の露出を妨げるために完全燃焼を妨害してしまう。他の燃焼室パラメータのうち１つ以上のパラメータと組み合わせてスワール比を０．５乃至２．５の範囲、好ましくは０．７乃至１．５の範囲内に保つことで渦流効果が十分に低いレベルに保たれ、燃焼に十分な乱流を依然として可能にしながらＮＯ_X排出量の減少が強化されることを出願人は見出した。スワール比を好適な範囲内に保つことにより、燃焼プルームはシリンダヘッドと有益に相互作用でき（図３ｃ）、燃焼室内の自由に移動する酸素への露出を最適化し、よって微粒子及びＮＯ_X排出量の減少が強化される。

排出量の減少を助けるために設定できる他の燃焼室パラメータは、噴射オリフィス４０の出口開口６８の中心Ｃから、燃焼室１４に対向するシリンダヘッド２０の内面６５までの垂直距離Ｌ₂である。即ち、Ｌ₂は、噴射オリフィス４０がシリンダヘッド２０の下の燃焼室に突出する距離を表している。Ｌ₂の範囲は好ましくは−０．５乃至３ｍｍであり、出口開口６８の中心Ｃがシリンダヘッド２０の穴３４のすぐ内側に配置されると負のＬ₂値が生じることを出願人は見出した。

他の重要な燃焼室パラメータは、ピストン２２が図２に示すような上死点位置にある際のピストンの頂面５４からシリンダヘッド２０の内面までの距離ＢＨである。ＢＨの好適な範囲は０．５乃至８ｍｍであることを出願人は見出した。当然ながら、ＢＨの下限値は機械的すきまの問題によって制限され、重要な上限値はより多くの燃焼ガスを燃焼室又はピストン、即ちピストンボウル５６の内部に閉じ込めるのを助ける。ＢＨが燃焼プルームのシリンダヘッドとの相互作用にかなりの影響を及ぼすことを出願人は見出した。また、好適範囲外のＢＨは、シリンダ壁上の潤滑油内の煤を増加させる可能性がより高いこともわかった。ＢＨは、排出量の減少を強化するために、本明細書に述べられる他の燃焼室パラメータのうち１つ以上のパラメータと組み合わせると特に効果的である。ピストン２２の頂面５４はピストンの最外面とみなされるため、ＢＨは、開いた吸気弁及び排気弁から間隙を提供する弁ポケットによって形成される表面のような凹面から測定されないことに注意すべきである。

他の重要な燃焼室パラメータは、図２に示す燃焼ボウル５６のリップ又はエッジ６６での曲率半径Ｒ₂である。半径Ｒ₂は図２のエッジ６６に沿った一点のみに示されているが、Ｒ₂はピストンボウル５６の円周周りのエッジ６６全体に沿って形成されていることを理解すべきである。Ｒ₂は０．５乃至１．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。上限値の１．５ｍｍは、燃焼プルームが外側ボウル部６４から離れて流れる際に燃焼プルームの流れの方向に対する制御を維持するために重要である。約１．５ｍｍよりも大きい値のＲ₂によって、望ましくないことにかなりの量の燃焼ガスがライナー１８のシリンダ壁に向かって流れてしまい、望ましくないことにシリンダ壁上の潤滑油膜に生じる微粒子／煤のレベルを高めてしまうことを出願人は見出した。また、エッジ６６での半径Ｒ₂が小さいと、シリンダヘッド２０に向かう燃焼ガスの垂直方向の流れを更に強く制御でき、よって運動量の継続及びシリンダヘッドとの所望の相互作用、即ち、燃焼室の自由空気の空間への所望の態様でのはね返りを確実にする。ピストンの構造一貫性を維持しながらできる限り小さな半径のＲ₂を形成することを目標とする。

最後に、燃焼室１４のサイズを調節して排出量を制御できる。シリンダ内径ＣＤは、９５乃至１４０ｍｍの範囲にあることが好ましい。この範囲内にある精密なシリンダ内径は、エンジンの所望のサイズと出力にかなり依存している。同様に、図１に示すピストンボウル直径ＢＤは、ボウル直径対シリンダ内径の比ＢＤ／ＣＤが０．５乃至０．９の範囲になるような大きさであることが好ましい。ピストンの構造上の限界が許容する大きさのＢＤ／ＣＤ比を形成するのが有益であることを出願人は本質的に見出した。ピストンボウル直径ＢＤを大きくすると、初期燃焼の後でプルームがシリンダヘッド（図３ｃ）と相互作用する際に、自由に移動する更に多くの酸素に更に多くの燃焼プルームを晒すことによって燃料節約が向上し、結果として燃焼が向上することを出願人は見出した。よって、出願人は、０．８乃至０．９のＢＣ／ＣＤ比を得ると非常に有益であることを見出した。

特定の範囲内で選択された前述の燃焼室パラメータの組み合わせにより、従来のエンジン設計と比較して、ＮＯ_X排出量及び微粒子に関する新しい排出量基準の具体的な達成、微粒子による潤滑油の汚染の減少などを含む排出量減少の利点がもたらされた。具体的に、燃焼室１４は内側ボウル床角αに対するスプレー角βを含み、これは、ピストンボウル５６の遠位端部６０から噴射オリフィス４０の出口開口６８の中心Ｃまでの垂直距離Ｌ₁、噴射オリフィスの数Ｎ、スワール比ＳＲ、噴射オリフィス４０からシリンダヘッド２０の内面６５までの垂直距離Ｌ₂、ピストン頂面５４からシリンダヘッド２０までの距離ＢＨ、外側ボウル部６４の曲率半径Ｒ₁、ピストンボウル５６のエッジでの曲率半径Ｒ₂、ピストンボウル直径対シリンダ径の比ＢＤ／ＣＤ、及びシリンダ径ＣＤに関連して前述した寸法及び寸法関係のうちの１つ以上と組み合わせることにより、内側ボウル床部６２に接触する燃料の量を最大にする。図７は、現在製造されているエンジンの排出量レベルに対する本発明の排出量の結果を示す正規化データを示している。例えば、グラフの一番左側にあるデータ点は、前述のエンジンパラメータの適切な組み合わせを用いるとディーゼル粒状物質を従来のディーゼル製造エンジンによって一般に生じるレベルの約３６％に減少でき、ＮＯ_Xを典型的な従来のディーゼルエンジンレベルの約６２％に減少したことを示している。よって、ＮＯ_X及び微粒子の双方を規制基準内のレベルに同時に減少できるという点で、ＮＯ_X対ＤＰＭのトレードオフ曲線は従来のエンジンとはるかに異なる。

本発明は往復運動ピストンを用いる内燃機関の全てに適用可能であることが理解される。本発明は特にディーゼルエンジンに適用可能であり、具体的には、トラックや自動車に使用される高馬力ディーゼルエンジンや、固定した動力装置などの産業用途に適用可能である。

本発明の燃焼室配置を用いた本発明の内燃機関の一部の切取図であり、ピストンは上死点位置にある。 種々の寸法を示す、図１の一部の拡大図である。 図１に類似した切取断面図であり、ピストンが上死点位置から下死点位置に向かって移動する噴射事象の間のスプレープルームの進行を連続的に示している。 図１に類似した切取断面図であり、ピストンが上死点位置から下死点位置に向かって移動する噴射事象の間のスプレープルームの進行を連続的に示している。 図１に類似した切取断面図であり、ピストンが上死点位置から下死点位置に向かって移動する噴射事象の間のスプレープルームの進行を連続的に示している。 噴射オリフィスを含む図１のインジェクターノズルアセンブリの端部を切り取った拡大切取断面図である。 現在製造されているエンジンの排出量レベルに対する本発明の排出量の結果を示す正規化データを示すグラフである。 本発明のエンジンによる距離Ｌ₁の変化の影響を示すグラフである。 現在製造されているエンジンの排出量レベルに対する本発明のエンジンの排出量の結果を示す正規化データを示すグラフである。

Claims (61)

1. 燃焼室を含む内燃機関であって、
   エンジンシリンダと、前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに形成されて吸気を前記燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートとを含むエンジン本体であって、該吸気が作動中に渦流効果を受け、該渦流効果が０．５乃至２．５の範囲のスワール比ＳＲである、エンジン本体と、
   前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含む、ピストンと、
   前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しく、該複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該中心は前記突出部の前記遠位端部からＬ₁の距離にあり、該距離Ｌ₁が０．５乃至４ｍｍの範囲にある、インジェクターと、
   を含む、内燃機関。
2. 前記複数のオリフィスが６つ以下のオリフィスである、請求項１の機関。
3. 前記内側ボウル床角αが１８乃至３０°の範囲にあり、前記スプレー角βは、前記スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１３°の範囲になるような値に等しい、請求項１の機関。
4. 前記スワール比が０．７乃至１．５の範囲にある、請求項１の機関。
5. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項１の機関。
6. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項１の機関。
7. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項１の機関。
8. 前記エンジンシリンダがシリンダ径ＣＤを有し、前記ピストンボウルがボウル直径ＢＤを有し、ＢＤ／ＣＤ比が０．５乃至０．９の範囲にある、請求項１の機関。
9. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、請求項１の機関。
10. 前記複数のオリフィスが５つ以下のオリフィスである、請求項２の機関。
11. 距離Ｌ₁が１．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項１の機関。
12. 前記ＢＤ／ＣＤ比が０．７５乃至０．９の範囲にある、請求項８の機関。
13. Ｒ₁が１２乃至１６．５ｍｍの範囲にある、請求項７の機関。
14. Ｒ₁が、前記ピストンボウルを形成する前記外方向に開いたキャビティと、前記ピストンの前記往復運動軸に垂直な前記ピストンの前記頂面を介して延びる面と、のうち一方に位置する半径中心を含む、請求項７の機関。
15. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項２の機関。
16. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項１５の機関。
17. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項１６の機関。
18. 前記エンジンシリンダがシリンダ径ＣＤを有し、前記ピストンボウルがボウル直径ＢＤを有し、ＢＤ／ＣＤ比が０．５乃至０．９の範囲にある、請求項１７の機関。
19. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、請求項１８の機関。
20. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項６の機関。
21. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項２の機関。
22. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項７の機関。
23. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項８の機関。
24. 前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドを更に含み、前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項９の機関。
25. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項２の機関。
26. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項４の機関。
27. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項７の機関。
28. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項８の機関。
29. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項９の機関。
30. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項２の機関。
31. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項４の機関。
32. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項８の機関。
33. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項９の機関。
34. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダと、前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに形成されて吸気を前記燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートとを含むエンジン本体であって、該吸気が作動中に渦流効果を受け、該渦流効果が０．５乃至２．５の範囲のスワール比ＳＲである、エンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含み、該外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の該凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しく、該複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該出口開口の該中心と前記燃焼室を形成する前記シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。
35. 前記複数のオリフィスが６つ未満のオリフィスである、請求項３４の機関。
36. 前記内側ボウル床角αが１８乃至３０°の範囲にあり、前記スプレー角βは、前記スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１３°の範囲になるような値に等しい、請求項３４の機関。
37. 前記スワール比が０．７乃至１．５の範囲にある、請求項３４の機関。
38. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項３４の機関。
39. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、請求項３４の機関。
40. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダと、前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに形成されて吸気を前記燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートとを含むエンジン本体であって、該吸気が作動中に渦流効果を受け、該渦流効果が０．５乃至２．５の範囲のスワール比ＳＲである、エンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含み、該外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の該凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有し、該外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しい、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。
41. 前記複数のオリフィスが６つ未満のオリフィスである、請求項４０の機関。
42. 前記内側ボウル床角αが１８乃至３０°の範囲にあり、前記スプレー角βは、前記スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１３°の範囲になるような値に等しい、請求項４０の機関。
43. 前記スワール比が０．７乃至１．５の範囲にある、請求項４０の機関。
44. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項４０の機関。
45. 前記エンジンシリンダがシリンダ径ＣＤを有し、前記ピストンボウルがボウル直径ＢＤを有し、ＢＤ／ＣＤ比が０．５乃至０．９の範囲にある、請求項４０の機関。
46. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダと、前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに形成されて吸気を前記燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートとを含むエンジン本体であって、該吸気が作動中に渦流効果を受け、該渦流効果が０．７乃至１．５の範囲のスワール比ＳＲである、エンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含む、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスは６つ未満のオリフィスであり、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しい、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。
47. 前記複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該中心は前記突出部の前記遠位端部からＬ₁の距離にあり、該距離Ｌ₁が０．５乃至４ｍｍの範囲にある、請求項４６の機関。
48. 前記出口開口の前記中心と前記燃焼室を形成する該シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、請求項４６の機関。
49. 前記ピストンクラウンの前記頂面と前記出口開口の前記中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、請求項４６の機関。
50. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項４６の機関。
51. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、請求項４６の機関。
52. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダと、前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに形成されて吸気を前記燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートとを含むエンジン本体であって、該吸気が作動中に渦流効果を受け、該渦流効果が０．５乃至２．５の範囲のスワール比ＳＲである、エンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含む、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しく、該複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該出口開口の該中心と前記燃焼室を形成する前記シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にあり、前記ピストンクラウンの前記頂面と該出口開口の該中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。
53. 前記複数のオリフィスが６つ未満のオリフィスである、請求項５２の機関。
54. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、請求項５２の機関。
55. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダと、前記燃焼室の内面を形成するシリンダヘッドとを含むエンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含む、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しく、該複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該中心は前記突出部の前記遠位端部からＬ₁の距離にあり、該距離Ｌ₁が０．５乃至４ｍｍの範囲にあり、該出口開口の該中心と前記燃焼室を形成する前記シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にあり、前記ピストンクラウンの前記頂面と該出口開口の該中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。
56. 前記複数のオリフィスが６つ未満のオリフィスである、請求項５５の機関。
57. 前記シリンダヘッドに形成されて吸気を前記燃焼室内に方向づける少なくとも１つの吸気ポートを更に含み、該吸気が作動中に渦流効果を受け、生じた該渦流効果が０．５乃至２．５の範囲のスワール比ＳＲである、請求項５５の機関。
58. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の前記凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、請求項５５の機関。
59. 前記外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、請求項５５の機関。
60. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダを含むエンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含み、該外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の該凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有する、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しく、該複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該中心は前記突出部の前記遠位端部からＬ₁の距離にあり、該距離Ｌ₁が０．５乃至４ｍｍの範囲にあり、該出口開口の該中心と前記燃焼室を形成する前記シリンダヘッドの前記内面との間の距離Ｌ₂が−０．５乃至３ｍｍの範囲にある、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。
61. 燃焼室を含む内燃機関であって、
    エンジンシリンダを含むエンジン本体と、
    前記エンジンシリンダ内の下死点位置と上死点位置との間を往復運動するように配置されたピストンであって、前記燃焼室に対向する頂面を含むピストンクラウンを含み、該ピストンクラウンは外方向に開いたキャビティによって形成されたピストンボウルを含み、該ピストンボウルが、遠位端部を有する突出部と、該ピストンの往復運動軸に垂直な面から１６乃至４０°の範囲の内側ボウル床角αで内方向に延びる内側ボウル床部とを含み、該ピストンボウルが、凹状曲線形状の断面を有する外方向にフレア状に広がった外側ボウル部を更に含み、該外方向にフレア状に広がった外側ボウル部の該凹状曲線形状が８乃至２０ｍｍの範囲の曲率半径Ｒ₁を有し、該外方向にフレア状に広がった外側ボウル部が、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒ₂を有するエッジにおいて前記頂面と交差する、ピストンと、
    前記ピストンボウルの前記突出部に隣接して前記エンジン本体に取り付けられ、燃料を前記燃焼室内に噴射するインジェクターであって、スプレープルームを形成するように配置された複数のオリフィスを含み、該複数のオリフィスの各々は、該スプレープルームが前記内側ボウル床部に突き当たるのに十分な、前記ピストンの往復運動軸に垂直な面からスプレー角βで配向された中心軸を有し、該スプレー角βは、該スプレー角βから前記内側ボウル床角αを引いた値が０乃至１９°の範囲になるような値に等しく、該複数のオリフィスの各々が中心を有する出口開口を含み、該中心は前記突出部の前記遠位端部からＬ₁の距離にあり、該距離Ｌ₁が０．５乃至４ｍｍの範囲にあり、前記ピストンクラウンの前記頂面と該出口開口の該中心との間の距離ＢＨが０．５乃至８ｍｍの範囲にある、インジェクターと、
    を含む、内燃機関。

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