JP2010077968A - 高度スキッシュピストンを有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】煤煙を最小限にしかつ燃焼効率を増大させるための構成を有するピストンを提供すること。
【解決手段】ディーゼル機関用のピストンクラウンであり、このクラウンは、燃料を放射状の非渦流パターンで噴射する噴射機と同軸の環状凹部を有する。この凹部は、噴射された燃料の角度にほぼ平行な内方中心クラウン部分と、混合を促進しかつ煤煙形成を低減するために、ピストンによって圧縮された空気が、中心軸に向かって戻るように誘導されかつ内方中心クラウン部分に沿って噴射された燃料と混合するのにかなり十分なほどにこの圧縮空気を曲げるための湾曲外方区間とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関し、より具体的には、そのような機関用のピストンに関する。

内燃機関におけるピストンの構成は、何十年もの間設計および開発の主題であった。特に、圧縮着火、すなわちディーゼル機関の分野では、燃焼過程に曝されるピストン部分の構成が高度に開発されてきた。この理由は、圧縮着火機関が、最大の効率および動力をもたらす適切な燃焼を実現するように計測されかつ時間調整された量で噴射された燃料を着火させるために、圧縮熱に依存するからである。ＥＰＡ（米国環境保護庁）によって内燃機関からの排出物に課せられた規制の登場により、燃焼室の設計は多大な注目を浴びてきた。

往復動ピストンを有するシリンダ内部にディーゼル機関燃焼室を設けることは一般的である。これらのピストンは最大容積から最小容積まで変位され、その間に、燃焼室に進入した空気が圧縮されてその温度が上昇する。最小容積、すなわち上死点（ＴＤＣ）の付近で、燃料が圧縮空気の中へ噴射されて、得られた混合気が着火してピストンの膨張行程を実現する。ピストンに対する燃料噴射の向きを決めるための２つの主要なシステムが存在する。第１のシステムは、燃料が噴射されかつ空気がピストンのクラウンの周囲を円運動で流れる高度渦流システムである。他方のシステムは、燃料が均一な放射状のパターンおよび分布で中心箇所から噴射される静的または零渦流機構である。圧縮空気と燃料との混合を高めるために、いわゆるメキシカンハットが、ピストンクラウンに提案されてきた。これは、空気および燃料の分子内部における混合を促進するために、湾曲した環状外方区間を有する中心尖頭を伴うものである。

しかし、絶えず低下する排出物制限値では、特に煤煙形成の分野において、伝統的なクラウン構成は、煤煙低減および酸化に制約を課すものである。

したがって当技術分野で必要とされるものは、煤煙を最小限にしかつ燃焼効率を増大させるための構成を有するピストンである。

本発明は、一形態では、内燃（ＩＣ）往復動機関用のピストンである。このピストンは、空気と、燃料噴射を中心箇所から放射状の実質的に非渦流パターンで行う噴射機から噴射された燃料の量とを伴う燃焼事象に応答して、往復動運動を実現するための連結部を有する円筒形を含む。クラウンがこの円筒形の端部に形成され、このクラウンは、噴射機に関する中心箇所と実質的に同軸の回転中心を備える環状凹部を有する。中心尖頭がこの凹部の中にあり、この尖頭は中心軸に対して、噴射された燃料とほぼ平行である角度を形成する。実質的に湾曲した外方区間が、噴射された燃料と混合しかつこの燃料によって尖頭に沿って誘導されるように、ピストンによって圧縮された空気をこの湾曲部の周囲にかつ中心軸に向かって誘導する。

本発明は、別の形態では、ピストンを受け入れるための少なくとも１つのシリンダを有するシリンダブロックを含む内燃機関である。円筒ピストンが、空気と、燃料噴射を中心箇所から放射状の実質的に非渦流パターンで行う噴射機から噴射された燃料の量とを伴う燃焼事象に応答して、シリンダの内部で往復動可能である。燃料噴射機が、燃料を計測されかつ時間調整された量で燃焼室の中へ噴射する。ピストンは、その端部に形成された、燃焼室に面するクラウンを有し、このクラウンは、噴射機に関する中心箇所と実質的に同軸の中心軸を備える環状凹部と、この中心軸に対して、噴射された燃料とほぼ平行である角度を形成する内方中心クラウン部分と、実質的に湾曲した外方部分であって、燃料と混合しかつこの燃料によって尖頭に沿って誘導されるように、ピストンによって圧縮された空気をこの湾曲部の周囲にかつ前記中心軸に向かって誘導する実質的に湾曲した外方部分とを有する。

本発明の上述のならびに他の特徴および利点と、これらを実現する様態とがより明白になるであろうし、かつ本発明は、添付の図面と組み合わせて採用された本発明の実施形態に関する以下の説明を参照することによってより適切に理解されよう。

本発明を具現化するピストンを有する機関の断面図である。 図１に組み込まれたピストンの拡大詳細図である。

対応する参照記号は、複数の図を通して対応する部分を示す。本明細書に記載された例証は、１つの形態として本発明の一実施形態を例示するものであり、このような例証は、いかなる様態であっても本発明の範囲を限定するものと考えられるべきではない。

図１は、往復動内燃機関型の機関１０を示す。機関１０は、燃焼室内の燃焼事象に応答して移動させられる往復動ピストンの原理で動作する。本明細書に例示されたように、ピストンの往復動運動は、クランクシャフトという手段を介して回転運動に変換される。しかし、ピストンの往復動運動は、ピストンおよび強磁性体材料の移動が電力出力を誘導するリニア発電機の形態で利用されてもよいことが当業者には明白であろう。

機関１０は、往復動ピストン１６を受け入れるための複数のボア１４（これらの１つのみを図示する）を有するブロック１２を含む。シリンダボア１４は、ブロック１２と一体鋳造されてもよいし、本明細書に例示されたように、再生過程を改善するように別体のライナであってもよい。

ピストン１６は、連接棒２４に連結されたリストピン２２を受け入れるための枢動連結部２０を有する円筒形１８を含む。連接棒２４は、ピストン１６の往復動に応答して回転力出力を供給するために、ブロック１２の内部に適切にジャーナル軸受けされたクランクシャフト２８上のクランクスローまたはクランクピン２６に回転可能に連結される。複数のピストンが、機関１０の要件およびデューティサイクルに応じて設けられもよいことに留意されるべきである。

ピストン１６は、シリンダ１４、ピストン１６のクラウン３２、およびヘッド３４によって境界が定められた燃焼室３０を画定するようにシリンダ１４の内部で往復動する。ヘッド３４は、吸気通路３６および排気通路３８を有する。燃焼空気は、燃焼室３０へ進入するために吸気弁４０を過ぎて吸気通路３６を通過する。燃焼の生成物は、排気弁４２を過ぎて排気口３８に向かって燃焼室３０を出る。

吸気は、当業者には明白であるように、過給機の圧縮機によって加圧され、かつ後置冷却機によって冷却されてもよい。排気口３８から通過してくる排気ガスは、典型的には過給機タービンを通過し、次いで排気後置処理装置に達する。燃焼温度を低下させかつ窒素の酸化物を低減するために、冷却されたまたは冷却されていない、排気ガスの一部を吸気口３６に供給する排気ガス再循環を実現することも一般的である。

機関１０は、例示されたように、吸気口３６および吸気弁４０を過ぎて燃焼室３０に進入した空気が、燃料噴射システム４８から管４６を経由して適切な時点にかつ適切な量で噴射機ノズル４４から噴射された燃料が圧縮熱によって着火させられるような程度にまで加圧される圧縮着火サイクルで動作する。ノズル４４からの噴射は、高圧コモンレール、分配機ポンプ、圧力がノズルで生成される直接噴射を含めて、様々なシステムから行われてもよい。燃料噴射システム４８の制御は、相互接続５０を経由してＥＣＭ（対電子配置）５２から行われる。

いずれのシステムでも、燃料は、燃焼室３０に行き渡るように噴射機４４の軸と同軸の軸Ａから放射状パターンで噴射される。当業者によく知られているように、噴射機４４の中に設けられた別個の穴の数と、それらの流動横断面積と、これらの穴が噴射機４４の中心軸Ａに対して作る角度とが、機関１０の設計要件に従って選択される。噴射機４４の推奨される位置は燃焼室３０の軸と同軸であるが、噴射機４４が中心軸からずらされてもよいことは当業者に明白であろう。

本発明に従えば、ピストン１６は、燃焼過程を改善するクラウン３２を有する。クラウン３２の構成が、図２に拡大詳細図で示されている。ピストンクラウン３２は、ピストン本体１８と連結する上部表面５４を有する。ピストン本体１８は、適切に圧縮するための周方向溝５６、５８、および６０と、オイルかき取りリング（図示せず）とを有することに留意されるべきである。

上部表面５４は、外径６４によって画定された環状凹部６２を有する。環状凹部６２は、噴射機４４が燃焼室３０の中心線上にあってもまたは他のどこかの位置にあっても、噴射機４４の軸と同軸である。凹部６２は、軸Ａと同軸の尖頭６８を備える中心クラウン部分６６を有する。中心クラウン部分６６は、外径６４に至る実質的な湾曲部を有する環状湾曲部分７０に合一し、凹部６２の内部で圧縮された空気が、この部分７０の周囲で曲がり、かつ中心軸Ａに向かって誘導されるようになっている。

中心クラウン部分６６の構成は、その部分が、噴射機４４上の点７４からの噴射７２の角度に対してほぼ平行であるようになっている。図２に示されたように、軸Ａに対する角度Φ−βの範囲は、０°と５°との間である。このクラウン部分の表面が軸Ａと成す夾角は約５０°と８０°との間である。凹部６２の外径６４はピストン直径の４０％以下であり、よって凹部６２の内部に強引なスイッシュ運動をもたらす。中心クラウン部分に対する外方湾曲部分７０の構成は、それが１８０°を超えて流体の向きを変えるようになっている。

動作に際して、ピストン１６は、下死点からヘッド３４に向かって移動して燃焼室３０の容積を減少させ、したがって燃焼室３０の内部の空気を加圧しかつその温度を上昇させる。ピストンが上死点に向かって移動すると、尖頭６６からの中心クラウン部分６６によって、空気が尖頭に沿って下降させられ、湾曲区間７０の周囲でそれ自体に追い重なる。噴射事象が開始されるとき、噴射の高圧が空気の運動に加わって混合を強化および増大させる。この正味成果は、煤煙形成の実質的な抑制である。さらには、相対的に小さい鉢状体を離れる燃料／空気の混合気の増大した乱流が、微粒子の生成を防止するように煤煙の酸化を高める。図２では、外径６４および尖頭６８は、鋭いかどの発生を防止し、よって局所的な熱点および応力の発生源を妨げるように湾曲していることに留意されるべきである。噴射機４４から噴射された燃料は、空気内部に燃料粒子を効率的に飛沫同伴することを促進するために、中心軸Ａに対して渦流を成すことができないことに留意されるべきである。また凹部６２は、この凹部６２の中心軸が燃料噴射機の軸と同軸である限り、ピストン１６の中心軸からずらされてもよいことに留意されるべきである。

本発明が少なくとも１つの実施形態に関して説明されたが、本発明は、本開示の趣旨および範囲内でさらに変更可能である。したがって本出願は、本発明の一般的な原理を利用する本発明の変形、用途、または適応例をいずれも網羅しようとするものである。さらに、本出願は、本発明が関連しかつ添付の特許請求の範囲内にある、当技術分野で知られたまたは通例の実施の範囲内に入るような本開示からの逸脱を網羅しようとするものである。

１０ 往復動内燃機関
１２ シリンダブロック
１４ シリンダボア
１６ 往復動ピストン
１８ 円筒形、ピストン本体
２０ 枢動連結部
２２ リストピン
２４ 連接棒
２６ クランクスローまたはクランクピン
２８ クランクシャフト
３０ 燃焼室
３２ ピストンクラウン
３４ ヘッド
３６ 吸気通路、吸気口
３８ 排気通路、排気口
４０ 吸気弁
４２ 排気弁
４４ 噴射機ノズル、噴射機
４６ 管
４８ 燃料噴射システム
５０ 相互接続
５２ ＥＣＭ
５４ 上部表面
５６、５８、６０ 周方向溝
６２ 環状凹部
６４ 外径
６６ 中心クラウン部分
６８ 尖頭
７０ 環状湾曲部分
７２ 噴射
７４ 噴射機上の点７４
Ａ 中心軸

Claims (20)

1. 内燃（ＩＣ）往復動機関用のピストンであって、
   空気と、燃料噴射を中心箇所から放射状の実質的に非渦流パターンで行う噴射機から噴射された燃料の量とを伴う燃焼事象に応答して、往復動運動を実現するための連結部を有する円筒形と、
   前記円筒形の端部に形成されたクラウンであって、前記噴射機に関する前記中心箇所と実質的に同軸の中心軸を備える環状凹部を有し、かつ前記中心軸に対して、前記噴射された燃料とほぼ平行である角度を形成する内方中心クラウン部分および尖頭、ならびに実質的に湾曲した外方部分であって、前記燃料と混合しかつ前記燃料によって前記尖頭に沿って誘導されるように、前記ピストンによって圧縮された空気を前記湾曲部の周囲にかつ前記中心軸に向かって誘導する実質的に湾曲した外方部分を含む、クラウンと、を備えるピストン。
2. 前記環状凹部の外径が前記ピストンの直径の４０％以下である、請求項１に記載のピストン。
3. 前記内方中心クラウン部分と燃料噴射経路との間の角度が０度と５度との間である、請求項１に記載のピストン。
4. 前記中心箇所は前記ピストン軸と同軸である、請求項１に記載のピストン。
5. 前記凹部の前記湾曲部分は、前記部分が１８０°を超えて流体の向きを変えるように、前記内方中心クラウン部分に対して構成される、請求項１に記載のピストン。
6. 前記内方中心クラウン部分の夾角が５０°と８０°との間である、請求項１に記載のピストン。
7. 前記尖頭と前記噴射された燃料との間の角度が０パーセントと５パーセントとの間である、請求項２に記載のピストン。
8. 前記ピストンの中心軸に対する前記内方中心クラウン部分の夾角が５０°と８０°との間である、請求項７に記載のピストン。
9. 前記中心軸は前記シリンダの中心軸と同軸である、請求項８に記載のピストン。
10. 前記凹部と前記ピストンクラウンとの間における交差部は円形である、請求項９に記載のピストン。
11. ピストンを受け入れるための少なくとも１つのシリンダを有するシリンダブロックと、
    空気と、燃料噴射を中心箇所から放射状の実質的に非渦流パターンで行う噴射機から噴射された燃料の量とを伴う燃焼事象に応答して、前記シリンダの内部で往復動可能な円筒ピストンと、
    燃料を計測されかつ時間調整された量で燃焼室の中へ噴射する燃料噴射機と、を備え、
    前記ピストンは、前記ピストンの端部に形成された、前記燃焼室に面するクラウンを有し、前記クラウンは、前記噴射機に関する前記中心箇所と実質的に同軸の中心軸を備える環状凹部と、前記中心軸に対して、前記噴射された燃料とほぼ平行である角度を形成する内方中心クラウン部分と、実質的に湾曲した外方部分であって、前記燃料と混合しかつ前記燃料によって尖頭に沿って誘導されるように、前記ピストンによって圧縮された空気を前記湾曲部の周囲にかつ前記中心軸に向かって誘導する実質的に湾曲した外方部分とを有する、内燃機関。
12. 前記環状凹部の外径が前記ピストンの直径の４０％以下である、請求項１１に記載の内燃機関。
13. 前記内方中心クラウン部分は、燃料が前記燃焼室の中へ噴射される角度の０パーセントと５パーセントとの間の角度を有するように構成される、請求項１１に記載のピストン。
14. 前記中心箇所は前記ピストン軸と同軸である、請求項１１に記載の内燃機関。
15. 前記凹部の前記湾曲部分は、前記部分が１８０°を超えて流体の向きを変えるように、前記内方中心クラウン部分に対して構成される、請求項１１に記載のピストン。
16. 前記内方中心クラウン部分の夾角が５０°と８０°との間である、請求項１１に記載の内燃機関。
17. 前記内方中心クラウン部分は、前記燃焼室の中へ噴射された前記燃料に対して０°と５°との間の角度を形成する、請求項１２に記載の内燃機関。
18. 前記内方中心クラウン部分の夾角が５０°と８０°との間である、請求項１７に記載の内燃機関。
19. 前記中心軸は前記ピストンの中心軸と同軸である、請求項１８に記載の内燃機関。
20. 前記クラウンとの前記凹部の交差部は円形である、請求項１９に記載の内燃機関。

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