JP2006125388A - 二重ボウルピストン - Google Patents

Abstract

【課題】 二重ボウルピストンを提供する。
【解決手段】 内燃機関用のピストンが開示される。ピストンは、環状内縁を有する面を備えるピストンクラウンを有する。ピストンはまた、ピストンクラウンの面内で窪んだ第１のピストンボウルを有する。第１のピストンボウルは底面と外壁とを有する。面の環状内縁から延在し、かつ外壁に対して接線であるラインは、ピストンの面と共に、９０度よりも大きな内角（θ）を形成する。ピストンはまた、第１のピストンボウルの底面内で窪んだ第２のピストンボウルを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明の開示は、一般に、ピストン、より詳しくは、二重ボウル形態を有するピストンに関する。

ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジンを含むエンジン、および公知の他のエンジンは、複雑に混合した大気汚染物質を排出する可能性がある。大気汚染物質は、窒素酸化物を含み得るガス状化合物、および煤と呼ばれる未燃焼炭化水素微粒子を含み得る固体微粒子物質からなることがある。

環境に対する関心が高まったことにより、排気基準が一層厳しくなっている。エンジンから放出される大気汚染物質量は、エンジンタイプ、エンジンサイズ、および／またはエンジンクラスに応じて調整可能である。環境に排出される微粒子物質の規制に従うためにエンジン製造業者によって実行される１つの方法は、上死点（ＴＤＣ）の近くで遅い燃料噴射を可能にしつつ渦および空気／燃料混合を強化する新型のエンジンを開発することであった。

渦を強化する１つの方法は、２０００年１１月２８日にＰａｒｓｉらに交付された（特許文献１）に記載されている。（特許文献１）は、ＴＤＣの近くのエンジンサイクルの臨界期間にわたって、燃焼室内で高いガス速度を生成する能力を有する内燃機関用のピストンを記載している。具体的には、（特許文献１）のピストンは、第２の容積と連通する第１の容積を有する燃焼ボウルを有する。第１および第２の容積を連結するスロート部の最小径は、第１の容積の最大径よりも小さく、また第２の容積の最大径よりも小さい。第１の容積の最大径は燃焼ボウルの口部の直径よりも大きい。ピストンクラウン面に対して第１の容積を画成する壁部手段は９０度未満である。

（特許文献１）のピストンは、ＴＤＣの近くで高いガス速度を生成し得るが、当該ピストンは、渦を巻かせるかまたは混合するために、ピストンクラウンの面の上方の空間を完全に利用しない。特に、（特許文献１）の口部およびスロート部の両方は、第１および第２の容積の直径よりも小さな直径を有するので、また壁部手段は、ピストンクラウン面に対して９０度未満の角度を形成するので、第１および第２の容積の一方の中に噴射される燃料のほとんどすべては、ピストンクラウンの面の上方の空間内へよりも、むしろピストンの中央部に向かって半径方向内側に再方向付けされる。さらに、第１および第２の容積の内部形態はほぼ同一の輪郭を有するので、第１および第２の容積によって引き起こされるピストンシリンダ内の渦の方向を制限する可能性がある。さらに、（特許文献１）のピストンは、ピストンを冷却する方法に対処しない。

米国特許第６，１５２，１０１号明細書

開示したピストンは、上述の課題の１つ以上を克服することに関する。

一形態では、本発明の開示は、内燃機関用のピストンに関する。ピストンは、環状内縁を有する面を有するピストンクラウンを含む。ピストンはまた、ピストンクラウンの面内で窪んだ第１のピストンボウルを含む。第１のピストンボウルは底面と外壁とを有する。ピストンの面の環状内縁から延在し、かつ外壁に対して接線であるラインは、ピストンクラウンの面と共に、９０度よりも大きな内角を形成する。ピストンは、ピストンクラウンの面の下方に配置された上縁を有する中央に配置された第２のピストンボウルをさらに含む。

他の形態では、本発明の開示は、少なくとも１つのシリンダと、その中に摺動可能に配置されたピストンとを有する内燃機関を操作する方法に関する。本方法は、圧縮行程中に上死点位置に向かってピストンを移動させるステップと、第１のピストンボウル内に燃料を噴射するステップとを含む。第１のピストンボウルはピストンの面内で窪んでいる。第１のピストンボウルは底面と環状外壁とを有する。ピストンの面の環状内縁から延在し、かつ環状外壁に対して接線であるラインは、ピストンの面と共に、９０度よりも大きな内角を形成する。本方法はまた、ピストンクラウンの面の下方に配置された上縁を有する中央に配置される第２のピストンボウル内に燃料を噴射するステップを含む。

模範的な内燃機関１０が図１に示されている。内燃機関１０はディーゼルエンジンとして図示かつ記載されている。しかし、内燃機関１０は、例えばガソリンまたは天然ガスエンジンのような他の任意のタイプの内燃機関であり得ることが考えられる。内燃機関１０は、エンジンブロック１２、複数のピストンアセンブリ１４（１つのみ図示）、それぞれのピストンアセンブリ１４と関連付けられたシリンダヘッド１６、弁作動システム１８、空気誘導システム２０、燃料システム２２、および排気システム２４を含むことが可能である。

エンジンブロック１２は、複数のシリンダ２６（１つのみ図示）を画成する中央構造部材であり得る。それぞれのシリンダ２６内に、ピストンアセンブリ１４の１つを摺動可能に配置することが可能である。内燃機関１０が任意の数のシリンダ２６を含んでもよいこと、およびシリンダ２６を「直列」構造、「Ｖ型」構造、または他の任意の従来の構造で配置してもよいことが考えられる。

それぞれのピストンアセンブリ１４は、下死点（ＢＤＣ）位置またはシリンダ２６内の最下位置と、上死点（ＴＤＣ）位置またはシリンダ２６内の最上位置との間で往復運動するように構成し得る。特に、ピストンアセンブリ１４は、クランクシャフト３２に旋回可能に連結されるコネクティングロッド３０に旋回可能に連結されたピストンクラウン２８を含むことが可能である。内燃機関１０のクランクシャフト３２をエンジンブロック１２内に回転可能に配置し、またそれぞれのピストンアセンブリ１４をクランクシャフト３２に連結することが可能であり、この結果、それぞれのシリンダ２６内のそれぞれのピストンアセンブリ１４の摺動運動により、クランクシャフト３２の回転が生じる。同様に、クランクシャフト３２の回転により、ピストンアセンブリ１４の摺動運動を生じさせることが可能である。クランクシャフト３２が１８０度回転するとき、ピストンクラウン２８および連結されたコネクティングロッド３０は、１回のフルストロークによってＢＤＣとＴＤＣとの間を移動する。内燃機関１０は、完全なサイクルが、吸気行程（ＴＤＣからＢＤＣへ）、圧縮行程（ＢＤＣからＴＤＣへ）、パワー行程（ＴＤＣからＢＤＣへ）、および排気行程（ＢＤＣからＴＤＣへ）を含む４行程エンジンであり得る。代わりに、内燃機関１０は、完全なサイクルが、圧縮／排気行程（ＢＤＣからＴＤＣへ）とパワー／排気／吸気行程（ＴＤＣからＢＤＣへ）とを含む２行程エンジンであってもよいことも考えられる。

図２に示したように、ピストンクラウン２８は、長手方向軸線３４を有するほぼ円筒状の構造を有することが可能であり、また旋回軸受支持体３６、１つ以上のリング溝３８、冷却通路４０、および面４２を含み得る。旋回軸受支持体３６はほぼ管状であり、長手方向軸線３４に対して横断方向に配置され、またピストンクラウン２８をコネクティングロッド３０に連結するリストピン（図示せず）を回転可能に支持するための軸受（図示せず）を受け入れるように構成することが可能である。リング溝３８は、ピストンクラウン２８の湾曲外面に切り込まれた環状溝を含んでもよく、またオイルリング、圧縮リング、または公知の他の任意のタイプのピストンリングを受け入れるように構成し得る。冷却通路４０は、例えばエンジンオイルのような冷却媒体の循環を容易にするように構成された環状通路を含んでもよい。内燃機関１０の作動中に、冷却通路４０を通してエンジンオイルを循環させることにより、ピストンクラウン２８の温度を低減することが可能である。面４２は、燃焼ガスが圧力を及ぼす湾曲したまたは平坦なピストン面であり得る。面４２は、第１のピストンボウル４４および第２のピストンボウル４６へのアクセスを行うことが可能である。

第１のピストンボウル４４は、長手方向軸線３４と半径方向に整列されたほぼ環状の凹状窪み部であってもよい。具体的には、第１のピストンボウル４４は湾曲外壁４８と湾曲底面５０とを含み得る。湾曲外壁４８は、環状内縁５２で面４２に交差する湾曲面であってもよい。環状内縁５２から延在しかつ湾曲外壁４８に対して接線であるライン５３は、面４２と共に、９０度よりも大きな内角θを形成する。環状内縁５２を丸くして、応力集中を最小にし得ることが考えられる。面４２の表面で環状内縁５２に沿って、第１のピストンボウル４４の最大径を配置してもよい。第１のピストンボウル４４の最大径は冷却通路４０の直径よりも大きく、第１のピストンボウル４４の冷却を促進することが可能である。冷却通路４０と面４２との間の長手方向軸線３４に沿って、第１のピストンボウル４４を配置してもよい。燃料噴射が第１のピストンボウル４４内に方向付けられる場合、最初に、噴射燃料が湾曲底面５０に接触し、次に、湾曲底面５０から面４２に向かって半径方向外側および上方に再方向付けするために湾曲外壁４８に向かって流れるように、湾曲外壁４８および湾曲底面５０を構成することが可能である。

第２のピストンボウル４６は、第１のピストンボウル４４の湾曲底面５０内に配置されかつ長手方向軸線３４と半径方向に整列されたほぼ対称の窪み部であり得る。第２のピストンボウル４６は、凹状の環状外壁５４と凸状の中央底面５６とを含んでもよい。第２のピストンボウル４６の最大径は冷却通路４０の直径よりも小さく、ピストンクラウン２８の十分な構造的完全性を保証することが可能である。第２のピストンボウル４６は、冷却通路４０と第１のピストンボウル４４との間の長手方向軸線３４に沿って配置してもよく、面４２から最も遠い一部の凸状底面５６は、面４２に最も近接する冷却通路４０の表面と実質的に同一平面である。代わりに、面４２から最も遠い一部の凸状底面５６は、面４２に最も近接する冷却通路４０の表面と実質的に整列されない面に沿って配置してもよいことが考えられる。燃料噴射が第２のピストンボウル４６内に方向付けられる場合、最初に、噴射燃料が環状外壁５４に接触し、次に、凸状底面５６から面４２に向かって半径方向内側および上方に再方向付けするために凸状底面５６に向かって流れるように、環状外壁５４および凸状底面５６を構成することが可能である。凸状底面５６は、ピストンクラウン２６内の応力分布を容易にするために、ピストンクラウン２６の下方内面５７と実質的に同一の輪郭を有し得る。

第２のピストンボウル４６の環状外壁５４は、環状突出部５８で第１のピストンボウル４４の湾曲底面５０に交差することが可能である。環状突出部５８は湾曲底面５０から面４２に向かって延在することが可能であり、また面４２とほぼ同一平面であり得る。代わりに、突出部５８は、面４２よりも低い点、すなわち面４２と同一平面でない点に延在してもよく、また上方よりもむしろすぐ内側に延在してもよいことが考えられる。突出部５８内の開口直径は第２のピストンボウル４６の最大径よりも小さく、第２のピストンボウル４６内に噴射される燃料を半径方向内側に再方向付けすることが可能である。環状外壁５４と湾曲底面５０との交差部を丸くして、応力集中を最小にし得る。

第１のピストンボウル４４、第２のピストンボウル４６および突出部５８の表面のすべてが湾曲部を有してもよい。特に、表面の湾曲部は、第１および第２のピストンボウル４４と４６内に噴射される燃料の渦の制御を促進し、また前記燃料の制御されない跳ね返りを阻止することが可能である。代わりに、湾曲底面５０および／または凸状底面５６の一部は、製造を容易にするために平坦であってもよいことが考えられる。

図１を参照すると、それぞれのシリンダヘッド１６を１つのシリンダ２６と関連付けて、１つ以上のポートを有する燃焼室６０を形成することが可能である。具体的には、シリンダヘッド１６は、それぞれのシリンダ２６用の吸気ポート６４に通じる吸気通路６２を画成し得る。さらに、シリンダヘッド１６は、それぞれのシリンダ２６用の排気ポート６８に通じる少なくとも１つの排気通路６６を画成することが可能である。代わりに、１つのシリンダヘッド１６を多数のシリンダ２６およびピストンアセンブリ１４と関連付けて、多数の燃焼室を形成してもよいことが考えられる。さらに、シリンダヘッド１６は、それぞれのシリンダ２６用の２つ以上の吸気ポート６４および／または排気ポート６８を画成し得ることも考えられる。

弁作動システム１８は、それぞれの吸気ポート６４内に配置された吸気弁７０を含むことが可能である。それぞれの吸気弁７０は、個々の吸気ポート６４を選択的にブロックするように構成される弁体を含み得る。それぞれの吸気弁７０を作動して、弁体を移動または「リフト」し、これによって、個々の吸気ポート６４を開くことが可能である。一対の吸気ポート６４と一対の吸気弁７０とを有するシリンダ２６では、単一の弁アクチュエータ（図示せず）によってまたは一対の弁アクチュエータ（図示せず）によって、一対の吸気弁７０を作動してもよい。

それぞれの排気ポート６８内に、排気弁７２を配置することが可能である。それぞれの排気弁７２は、個々の排気ポート６８を選択的にブロックするように構成される弁体を含み得る。それぞれの排気弁７２を作動して、弁体を移動または「リフト」し、これによって、個々の排気ポート６８を開くことが可能である。一対の排気ポート６８と一対の排気弁７２とを有するシリンダ２６では、単一の弁アクチュエータ（図示せず）によってまたは一対の弁アクチュエータ（図示せず）によって、一対の排気弁７２を作動してもよい。

空気誘導システム２０は、内燃機関１０内に空気を吸い込むように構成可能であり、また吸気通路６２と流体連結された吸気マニホールド７４を含むことが可能である。空気誘導システム２０は、タービン駆動またはエンジン駆動の圧縮機（図示せず）を有する給気システムであり得るか、あるいは例えば、ウェイストゲート、絞り弁、ＥＧＲシステム、エアクリーナ、空気冷却器のような追加の空気取扱い構成部材、または公知の他の任意の空気取扱い構成部材を含み得ることが考えられる。

燃料システム２２は、内燃機関１０に燃料を供給するように構成可能であり、また加圧燃料源７６と少なくとも１つの燃料噴射器７８とを含むことが可能である。例えば、弁、複数の燃料噴射器に燃料を分配するように構成された燃料コモンレール、予燃焼室のような追加の構成部材、または公知の他の任意の燃料システム構成部材を含み得ることが考えられる。

加圧燃料源７６は、加圧流体流を生成するように構成可能であり、また例えば、可変容量形ポンプ、固定容量形ポンプ、可変流量ポンプのようなポンプ、または公知の他の任意の加圧流体源を含むことが可能である。例えば、カウンタシャフト（図示せず）、ベルト（図示せず）、電気回路（図示せず）によってまたは他の任意の適切な方法において、加圧燃料源７６を電源（図示せず）に駆動可能に連結し得る。代わりに、加圧燃料源７６は加圧ガス状燃料の供給部であってもよいことも考えられる。

それぞれのシリンダ２６と関連付けられたシリンダヘッド１６内に、それぞれの燃料噴射器７８を配置することが可能である。それぞれの燃料噴射器７８は、所定の燃料圧力および燃料流速において、ある量の加圧燃料を燃焼室６０内に噴射するように操作可能であり得る。それぞれの燃料噴射器７８は、機械、電気、空気圧または油圧で作動可能である。

排気システム２４は、排気をシリンダ２６から大気に方向付けるように構成可能であり、またそれぞれのシリンダ２６と関連付けられた排気通路６６と流体連通する排気マニホールド８０を含むことが可能である。排気システム２４は、例えば、タービン、排気ガス再循環システム、パティキュレートフィルタ、触媒後処理システムのような他の構成部材、または公知の他の任意の排気システム構成部材を含み得ることが考えられる。

開示した燃焼制御システムは、噴射燃料の渦および混合が重要である任意の内燃機関に適用でき得る。次に、内燃機関１０の作動について説明する。

内燃機関１０の吸気行程中、ピストンアセンブリ１４がシリンダ２６内でＴＤＣ位置とＢＤＣ位置との間を移動しているとき、図１に示したように、吸気弁７０は開位置にあり得る。吸気行程中、ＢＤＣ位置に向かうピストンアセンブリ１４の下方移動により、シリンダ２６内に低圧を生成することが可能である。吸気通路６２から吸気ポート６４を介してシリンダ２６に空気を吸い込むように、低圧が作用し得る。上述のように、代わりに、ターボ過給機を使用して、圧縮空気をシリンダ２６に流入させてもよい。

吸気行程に続いて、吸気弁７０および排気弁７２の両方が閉位置にあることが可能であり、この閉位置において、空気は、ピストンアセンブリ１４の上方圧縮行程中にシリンダ２６を出ることを阻止される。ピストンアセンブリ１４が、圧縮行程中にＢＤＣ位置からＴＤＣ位置に向かって上方に移動するとき、燃料は、シリンダ２６内で空気と混合して圧縮するためにシリンダ２６内に噴射することが可能である。圧縮行程中に常に、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジンとして作動する場合の吸気行程のある部分の間、または混合モード噴射エンジンとして作動する場合の吸気および圧縮の両方の行程中に多数回にわたって、燃料をシリンダ２６内に噴射し得ることが考えられる。一実施例では、ピストンクラウン２８を効果的に実装して、エンジン作動中の渦および混合を改善することが可能であり、このエンジン作動において、燃料は、圧縮行程中に、すなわち、クランクシャフト３２がＴＤＣの前の１２０度〜４０度の角度に回転されたときに噴射される。

燃料がシリンダ２６内に噴射されるとき、第１および第２のピストンボウル４４と４６の表面に対して、燃料噴霧を方向付けてもよい。特に、第１のピストンボウル４４内に方向付けられた燃料は、最初に湾曲底面５０に衝突し、また湾曲底面５０から面４２に向かって半径方向外側および上方に再方向付けされるように、湾曲底面５０の周りで湾曲外壁４８に向かって流れることが可能である。角度θが９０度よりも大きいので、湾曲底面５０から、ピストンクラウン２８の面４２の上方のシリンダ２６内の空間への燃料の上方の方向付けが阻止されないかもしれない。第２のピストンボウル４６内に方向付けられた燃料は、最初に環状外壁５４に衝突し、またピストンクラウン２８の長手方向軸線３４に向かって上方および半径方向内側に再方向付けされるように、環状外壁５４の周りで凸状底面５６に向かって流れることが可能である。第１および第２のピストンボウル面の湾曲部は、制御されない跳ね返りを最小にしつつ燃料の渦の制御を促進し得る。第１のピストンボウル４４内に噴霧する燃料は、ピストンクラウン２８に対して半径方向外側および上方に方向付けられ、また第２のピストンボウル４６内に噴霧する燃料は上方および半径方向内側に方向付けられるので、燃料が、一半径方向にのみ、すなわち内側だけまたは外側だけに方向付けられた場合よりも大きな、ピストンクラウン２８の上方の空間の部分を混合のために使用することが可能である。

開示した内燃機関およびピストンに様々な修正および変更をなし得ることが当業者には明白であろう。他の実施形態は、開示した内燃機関およびピストンの仕様および実施を考慮すれば当業者には明白であろう。仕様および実施例は模範的なものに過ぎないと考えるべきであり、真の範囲は、次の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示されることが意図される。

開示した模範的な内燃機関の概略図である。 図１の内燃機関用の開示した模範的なピストンクラウンの概略断面図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ エンジンブロック
１４ ピストンアセンブリ
１６ シリンダヘッド
１８ 弁作動システム
２０ 空気誘導システム
２２ 燃料システム
２４ 排気システム
２６ シリンダ
２８ ピストンクラウン
３０ コネクティングロッド
３２ クランクシャフト
３４ 長手方向軸線
３６ 旋回軸受支持体
３８ リング溝
４０ 冷却通路
４２ 面（ピストン）
４４ 第１のピストンボウル
４６ 第２のピストンボウル
４８ 湾曲外壁
５０ 湾曲底面
５２ 環状内縁
５３ ライン
５４ 環状外壁
５６ 凸状底面
５７ 下方内面（ピストンクラウン）
５８ 突出部
６０ 燃焼室
６２ 吸気通路
６４ 吸気ポート
６６ 排気通路
６８ 排気ポート
７０ 吸気弁
７２ 排気弁
７４ 吸気マニホールド
７６ 加圧燃料源
７８ 燃料噴射器
８０ 排気マニホールド

Claims (5)

1. 内燃機関用のピストンであって、
   環状内縁を有する面を有するピストンクラウンと、
   ピストンクラウンの面内で窪み、また底面と外壁とを有する第１のピストンボウルであって、面の環状内縁から延在し、かつ外壁に対して接線であるラインが、ピストンクラウンの面と共に、９０度よりも大きな内角（θ）を形成する第１のピストンボウルと、
   第１のピストンボウルの底面内で窪んだ第２のピストンボウルと
   を備えるピストン。
2. 環状内縁が丸くされ、かつ、ピストンクラウンの面と第１のピストンボウルとを接合する請求項１に記載のピストン。
3. 第１および第２のピストンボウルの最大径の間で半径方向に配置された内側の環状冷却通路をさらに含む請求項１に記載のピストン。
4. 少なくとも１つのシリンダと、少なくとも１つのシリンダ内に摺動可能に配置されたピストンとを有する内燃機関を操作する方法であって、
   圧縮行程中に上死点位置に向かってピストンを移動させるステップと、
   ピストンの面内で窪んだ第１のピストンボウル内に燃料を噴射するステップであって、第１のピストンボウルが底面と環状外壁とを有し、ピストンの面の環状内縁から延在し、かつ環状外壁に対して接線であるラインが、ピストンの面と共に、９０度よりも大きな内角（θ）を形成するステップと、
   第１のピストンボウルの底面内で窪んだ第２のピストンボウル内に燃料を噴射するステップと
   を含む方法。
5. 内燃機関であって、
   複数のシリンダを画成するエンジンブロックと、
   複数のシリンダのそれぞれの中に配置されたピストンクラウンであって、
   面と、
   ピストンクラウンの面内で窪み、また底面と外壁とを有する第１のピストンボウルであって、面の環状内縁から延在し、かつ外壁に対して接線であるラインが、ピストンクラウンの面と共に、９０度よりも大きな内角（θ）を形成する第１のピストンボウルと、
   第１のピストンボウルの底面内で窪んだ第２のピストンボウルと、
   を有するピストンクラウンと
   を備える内燃機関。
   

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