JP2011502226A - 車両の燃焼機関の排気を削減する装置 - Google Patents

Abstract

エンジン（１）の燃焼室（７）は、ピストン（３）と、噴射のほとんどの期間、ピストンの外側ボウル部に衝突して火炎の噴霧柱を形成するように配列される複数のオリフィスを備える噴射装置（１３）と、を含む。前記火炎の噴霧柱の衝突領域のあいだのほぼ中間で、往復移動に略垂直な平面に、前記燃焼室（７）内に突出する第１形式の突起が設けられ、前記第１形式の突起は、前記火炎の運動エネルギを保存し、かつ、周方向の火炎の進行方向を変えて、火炎と火炎の相互作用が最小の状態で、主にピストン（３）の中心軸に向かわせるように適合される滑らかな形状を有する。前記衝突領域内に、第２形式の突起が設けられ、前記第２形式の突起は、衝突領域に向かう火炎の進行方向を変えて、前記往復移動に略垂直な平面において、火炎とピストン壁の相互作用が最小で、かつ、運動エネルギの損失が最小の状態で、主に周方向の火炎進行方向に送るように適合される。
【選択図】図３a

Description

本発明は、燃焼機関の燃焼プロセスを制御する装置に関する。本発明は、特に、燃料／シリンダガスの混合物が、シリンダ内で生成される圧縮熱によって点火される燃焼機関において、特に煤煙の排出を低減することに加え、一酸化炭素および炭化水素も低減する装置に関する。

煤煙粒子（または粒子状物質）は、燃焼中に、形成され続いて二酸化炭素（ＣＯ_２）へと酸化される生成物である。排気ガス内に測定される煤煙粒子の量は、形成された煤煙と酸化された煤煙の純粋な差である。このプロセスは非常に複雑である。多燃料の燃料／空気混合物を用いた燃焼において、高温での混合が不十分であると、多くの煤煙が形成される。形成された煤煙粒子が、良好な酸化速度が得られる十分な高温で、酸素原子（Ｏ）、酸素分子（Ｏ_２）、水酸化物（ＯＨ）などの酸化物質と接触できる場合、煤煙粒子のより多くの部分が酸化され得る。ディーゼルエンジンにおいて、酸化過程は生成と同位の大きさであると考えられ、このことは、形成された煤煙の量と酸化した煤煙の量の差が煤煙の正味生成量であることを意味する。したがって、煤煙の正味の排出量は、第１に、煤煙の形成を抑制することによって、第２に、煤煙の酸化量を増やすことによって変化し得る。ディーゼルエンジンからの一酸化炭素の排出量（ＣＯ）および炭化水素の排出量（ＨＣ）は、通常、非常に少ない。ただし、この割合は、比較的低温の領域で未燃燃料が生じた場合には上昇することになる。このような領域には、特に、シリンダ壁の近くに位置して強く冷却される区域が該当する。他の例は、ピストンとシリンダライニングの間の空洞である。

窒素酸化物（ＮＯｘ）は、熱プロセスにおいて、空気中の窒素分から形成され、この熱プロセスは、強い温度依存性を有すると共に、加熱される容積のサイズおよびプロセスの期間に依存する。

燃料が、直接シリンダ内に噴射されて、シリンダ内の上昇した温度および圧力によって点火される燃焼プロセスは、一般にディーゼルプロセスと呼ばれる。シリンダ内で燃料が点火されると、シリンダ内に存在する燃焼ガスは、燃焼している燃料と乱流混合するため、混合比が制御された拡散火炎が形成される。シリンダ内での燃料／ガス混合物の燃焼によって熱が発生し、この熱は、シリンダ内のガスを膨張させ、その結果、シリンダ内のピストンを移動させる。燃料の噴射圧力、シリンダ内に再循環される排気ガスの量、燃料の噴射時間、およびシリンダ内に広がる乱流などの多数のパラメータによって、異なった効率およびエンジン排気量の値が得られる。

次に、最新の装置の２つの例を示す。これらの装置は、火炎を制御することによって煤煙とＮＯｘの両方の排出量を低減することと、煤煙の排出量と窒素酸化物の排出量の間のよく知られているトレードオフを打開することを試みるものである。前述のトレードオフはディーゼルエンジンに特有のものであり、この「トレードオフ」に対処することは困難である。煤煙の排出量を削減する手段の多くは、窒素酸化物の排出量を増大させる。

特許文献１には、煤煙およびＮＯｘの排出量を減らすことを目的として、燃焼火炎を制御することによって、燃焼機関内の燃焼プロセスを制御する装置が示されている。燃焼室内に、十分に高い運動エネルギ（高噴射圧力）で燃料を噴射することによって、噴霧内部における混合プロセスと、燃料とシリンダガスの間の大規模な全体の混合プロセスとが実現されるような方式で噴霧に運動エネルギを供給し、これによって煤煙の排気を指定のレベルより低く維持する。再循環させる排気ガスの比率は、窒素酸化物の排出量が指定のレベルより低く維持されるように選択される。

特許文献２には、ＮＯｘの排出量および煤煙微粒子を最小化する装置が示されている。この例では、噴射中に、燃料の噴霧を内側のボウル底面部に衝突させて、燃焼温度を下げることで、ＮＯｘの生成を抑制している。高圧で燃料を噴射することに加え、噴霧の煙柱／火炎、および燃料／空気混合物の運動量を維持する形状にピストンを成形して、燃焼プロセスの後期に、利用可能な酸素と煤煙の良好な混合が生じるようにしている。運動量の多くは、噴霧の煙柱が内側のボウル底面部に衝突したとき、および周方向の火炎の進行の間に２つの隣接する火炎が互いに衝突したときに失われる。

特許文献３は、燃料／空気の混合状態が改善され、かつ、燃焼空間の周方向における火炎膨張の流動損失が低減される装置を開示している。このことは、浅いピストン窪みを有するピストンを設け、更に、主にピストンの往復移動と垂直な平面において、ピストン窪みの周方向に対して波形の形状を有するように、窪みの底に凹部を設けることによって達成される。この場合も、ピストンの往復移動に対して垂直な周方向に火炎が進行するときに、多くの運動量が失われてしまう。この装置は、遅延した煤煙の酸化を向上させることには適合しない。

特許文献４は、ピストンボウルの頭部および内部に突出部１０を有する燃焼室８を開示している。各噴霧に対応して、それぞれ一つの突出部が存在する。燃料の各噴霧は、突出部に打ち付けられたときに、ピストンボウルの周壁に沿って噴霧の流速が上昇するように、その突出部を目指して吹きつけられる。多くの運動量は、特に、周方向の火炎の進行中に、隣接する火炎が衝突したときに失われる。

燃焼機関に関して今後制定される排出法案を考慮して、将来の要望を満たすように、煤煙の排出レベルを更に低減することが求められている。

欧州特許第１２１６３４７号明細書 米国特許第６７３２７０３号明細書 米国特許第５２１５０５２号明細書 特開昭５９−１０７３３号公報

したがって、本発明の目的の一つは、従来技術の欠点を克服すると共に、新たに制定される限界値を満たすように、好ましくない煤煙排出量を十分に低減するように設計された燃焼室構造を含む内燃機関エンジンを提供することである。したがって、本発明の重要な目標は、火炎の効率的な再循環を促進することで、煤煙の最終的な酸化および残りの燃料のために混合エネルギを「温存する」ことによって、煤煙の量を最小限に抑えることである。煤煙の削減は、たとえば、ディーゼルなどの燃料に関して特に重要である。本発明は、更に、一酸化炭素（ＣＯ）排出量および炭化水素（ＨＣ）排出量の抑制にも寄与する。ＣＯおよびＨＣの削減は、たとえば、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの燃料に関して特に重要になる。

本発明の他の目的は、燃焼室構造の各種の特徴の形状、位置、および寸法によって、外側のボウル部内でピストンボウル表面に噴霧／火炎を衝突および接触させることで、主に、ピストンの往復運動に垂直な平面に送られる火炎の移動の運動エネルギの保存を最適化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、たとえば、ＵＳ０２−エンジンと比べて、煤煙の排出量が大幅に改善された状態で動作できる一方で、商用化が許容されるエンジンについての機械設計制約も満たすことができるディーゼルエンジンを提供することである。

本発明のより具体的な目的は、燃焼中に十分な量の煤煙を確実に酸化させて、排気システムに排出し得る煤煙を最小限に抑えるような寸法および寸法的関係を有する燃焼室構造を含むエンジンを提供することである。このことは、ＮＯｘの生成を増やすことなく為し得る。

本発明によれば、前述の目的および他のより詳細な目的は、エンジンシリンダ、燃焼室の内面を形成するシリンダヘッド、および少なくとも一つの吸気ポートを含むエンジンボディと、前記エンジンシリンダ内で下死点位置と上死点位置の間を往復移動するように設けられるピストンとを含む、燃焼室を有するエンジンであって、前記ピストンは、前記燃焼室に面する上面を含むピストンクラウンを有し、前記ピストンクラウンは、外側に開口した空洞によって形成されるピストンボウルを含み、前記ピストンボウルは、遠位端を有する突出部と、前記ピストンの往復運動の軸に垂直な平面から効果的な内側ボウル底面角度で下方に延びる内側ボウル底面部とを含み、前記ピストンボウルは、断面において凹型の曲線形状を有する、外側に開いた外側ボウル部を更に含み、前記エンジンにおいて、前記ピストンボウルの前記突出部の近くで前記エンジンボディに搭載されて、前記燃焼室内に高噴射圧力で燃料を噴射する噴射装置を含み、前記噴射装置は、進行中に点火された火炎となって、所定の衝突領域内で前記外側ボウル部に衝突する燃料噴霧柱を形成するように配列された複数のオリフィスを含む、エンジンを提供することによって達成される。本発明は、前記衝突領域が、噴射のほぼ全期間において外側ボウル部内に位置すること、および前記外側ボウル部内の前記衝突領域のあいだのほぼ中間で、前記往復移動に垂直な平面に、前記燃焼室内に突出する第１形式の突起が設けられ、前記第１形式の突起は、前記火炎の運動エネルギを保存し、かつ、周方向の火炎の進行方向を変えて、火炎と火炎の相互作用が最小の状態で、主にピストンの中心軸に向かわせることに適した滑らかな形状を有することを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、前記衝突領域に第２形式の突起が配置される。前記第２形式の突起は、衝突領域に向かう火炎の進行方向を変えて、前記往復移動に略垂直な平面において、火炎とピストン壁との相互作用が最小で、かつ運動エネルギの損失が最小の状態で、主に周方向の火炎進行方向に送るように適合される。

本発明の更に発展した実施形態において、前記突起は、前記ピストンの前記往復移動に略平行な平面において、前記外側ボウル領域内のみに伸長する長手隆起形状を有する。他の実施形態において、前記隆起の伸長部に垂直な、前記隆起の頂部の断面は、前記ピストンのピストンボウル半径の少なくとも１／２０である平均半径で湾曲した形状に形成される。他の実施形態によれば、前記第１形式の突起は、前記第２形式の突起よりも更に内部の燃焼室内に突出する。

前記内燃機関エンジンは、噴射開始時における前記衝突領域内の第１衝突部と、噴射終了時における前記衝突領域内の第２衝突ポイントとを有することができる。前記隆起は、第１平面に設けられる第１位置から第２平面に設けられる第２位置まで少なくとも延び、前記第１平面は、前記第１衝突ポイントおよび前記第１位置に共通の平面であり、前記第２平面は、前記第２衝突ポイントおよび前記第２位置に共通の平面である。前記第１および第２平面は、前記ピストンの往復移動に垂直である。

本発明の更に他の好ましい一実施形態において、前記中心軸は、全噴射期間において前記外側ボウル部に衝突するように配置される。

本発明の更に他の好ましい実施形態において、前記吸気ポートは、動作中、スワール作用が存在しないか、または少ない状態で燃焼室内に吸気を送るように、前記シリンダヘッド内に形成される。本発明の更なる好ましい実施形態において、前記スワール作用は、０．０〜０．７の範囲のスワール比を有する。

本発明の更に他の好ましい実施形態において、噴霧軸に対する内側ボウル底面部の幾何学的配置は、内側ボウル底面部と噴霧軸（３０）の間に十分な容積および距離が存在することで、噴霧のノズル付近の未点火部分と内側ボウル部の間の外乱的接触が回避されるように配置される。

本発明の更に他の好ましい実施形態において、前記噴射燃料は、噴射時に、前記燃焼室内で前記吸気との混合物を形成するように構成され、前記混合物は、前記ピストンに圧縮されたときに混合物自体が着火する。

本発明の更に他の好ましい実施形態において、前記エンジンは、再循環される排気の所定の分量を前記吸気に追加するように構成され、前記分量は、前記燃焼によって生じる窒素酸化物の排出量を指定の低レベル未満に維持するように適合される。

本発明の更に他の有利な実施形態は、特許請求項１に続く従属特許請求項から得られる。

本発明について、付属の図面を参照しながら下記で更に詳細に説明する。図面には、例示することを目的として、本発明の更なる好ましい実施形態を示すと共に技術的背景も示した。図面は次のとおりである。

本発明の実施形態の燃焼エンジン内のピストンおよびシリンダを模式的に示す切断図である。 噴霧の幾何学的中心軸の反射角と共に、図１のピストンの右半分を模式的に示す図である。 ａは、本発明の実施形態に係る噴霧／火炎の流れと共に、図１のピストンを模式的に示す上面図である。ｂは、ａの実施形態の代替実施形態を模式的に示す図である。 ａは、図３ａの噴霧／火炎の流れの対応する模式的側面図である。ｂは、図３ｂの噴霧／火炎の流れの対応する模式的側面図である。 ａ〜ｉは、燃料の噴射および燃焼シーケンス中の９つの異なる時点の実際の状態で、本発明に係るピストンをシリンダと共に示した三次元の模式図である。 図３ａおよび図４ａに示した実施形態の立体図である。

本発明に係る燃焼室７の特有の物理特性を理解するために、まず、図１および図２に注目して、これまで予想されていない、本発明の排出量削減の利点を達成するために必要な各種の物理特性やパラメータについて説明する。

図１に、ディーゼルプロセスに従って動作するように設計された燃焼エンジン１の模式図を示す。エンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２内で往復運動すると共に、クランク軸４に連結されるピストン３とを含み、この連結により、ピストン３は、上死点および下死点位置においてシリンダ２内で逆転するように構成される。また、一般に行われるとおり、シリンダ空洞の一方の端部は、エンジンシリンダヘッド１４によって閉じられている。ピストン３は、その上面５にピストンボウル６が設けられ、このピストンボウル６は、シリンダヘッド１４の内面２１およびシリンダ２の壁面と共に燃焼室７を形成する。シリンダヘッド１４には、一つ以上の吸入ポート９が配置される。各吸入ポート９とシリンダ２との連結部は、各吸入ポート９に設けられた吸入弁１０を用いて開閉することができる。シリンダヘッド内には、一つ以上の排気ポート１１も配置される。各排気ポート１１とシリンダ２との連結部は、各排気ポート１１に設けられた排気弁１２を用いて開閉することができる。弁１０および１１の開閉は、機械式カムや、液圧作動システムや、他の動力システムによって、ピストン３の往復移動に応じて厳密に制御された時間シーケンスで実現することができる。

シリンダヘッド１４には、少なくとも一つの燃料噴射装置１３が配設され、この燃料噴射装置１３によって、燃料はシリンダ２内に燃焼噴霧として噴射されるため、燃料は、シリンダ２内で圧縮されたガスと混合して燃料／ガス混合物を形成し、この混合物が、シリンダ２内で生成される圧縮熱によって点火される。噴霧の点火された部分は火炎を形成する。噴射中、噴射装置に最も近い部分の、新たに注入された燃料を含む噴霧は、直ちには燃焼し始めない。燃料は、非常に高い圧力で噴射されることが好ましい。噴射装置１３は、高圧の燃料が、噴射装置１３のノズル空洞から燃焼室７内に非常に高い圧力で流入できるように、噴射装置１３のノズルアセンブリの下側端部に形成された複数の小さい噴射オリフィス（図示せず）を含み、燃料と圧縮された高温の給気との燃焼室７内での完全な混合を誘導する。噴射装置１３は、複数の噴射装置オリフィスから燃焼室７内に、後述する方式で高圧燃料を噴射できる任意のタイプの噴射装置であってよいことは理解されるであろう。また、噴射装置１３は、噴射装置本体に収容されて、プランジャアセンブリの前進行程中に高い圧力を生成する、機械駆動式プランジャを含むことができる。これに代えて、噴射装置１３は、一つ以上の高圧ポンプ、及び／又は、高圧アキュムレータ、及び／又は、燃料散布機を含むポンプ回路ノズルシステムなどのような上流の高圧力源から高圧燃料を受け取ってもよい。噴射装置１３は、電子的に駆動される噴射制御弁を含むことができ、この噴射制御弁は、ノズル弁アセンブリに高圧燃料を供給してノズル弁体を開くか、またはノズル弁空洞からの高圧燃料の排出を制御してノズル弁体に圧力不均衡状態を生成することによってノズル弁体を開閉して、噴射事象を発生させる。たとえば、ノズル弁体は、燃料の圧力によって駆動され、ばねに付勢されて閉じる従来のノズル弁体であってよい。燃料噴射装置１３は、図１に示すように、燃料噴射装置の幾何学的中心軸が、シリンダの幾何学的中心軸１５に一致するようにシリンダヘッド内で中央に配置されることが好ましく、前記シリンダの幾何学的中心軸は、ピストン３の往復運動の軸でもある。

図１に示した燃焼エンジン１は、４行程原理に従って動作する。エンジン１は、好ましくは、それぞれにピストン３が設けられる複数のシリンダ２を含み、各ピストン３が、連接棒を介して共通のクランク軸４に接続され、これにより、エンジンクランク軸４の回転に伴って、シリンダ２内の直線的な経路に沿ってピストンを往復運動させる。

図１は、上死点（ＴＤＣ）位置より約４５度手前のピストン３の位置を示している。ＴＤＣ位置は、クランク軸が、クランク軸の回転軸から最も遠い位置にピストンを移動するように配置されたときに到達する位置である。従来の方式において、ピストンは、吸気および爆発行程へと進むときに、上死点位置から下死点（ＢＤＣ）位置まで移動する。本開示の用途において、「上部」および「上方」という表現は、エンジンクランク軸から離れる方向に対応し、「下部」および「下方」という表現は、エンジンのクランク軸、またはピストンの下死点位置に向かう方向に対応する。

最上部のＴＤＣ位置において、ピストン３は、その上方への圧縮行程を完了する。この圧縮行程中に、吸入ポート９から燃焼室７内に入れられた給気が圧縮されることで、給気の温度は、エンジンの燃料の点火温度より高くなる。この位置は、本明細書において、ピストン３の全７２０度の４行程サイクルのうちの膨張／燃焼行程を開始する３６０度の位置であると考える。燃焼室に入るようにされる給気の量は、エンジンの吸気マニホールド内に増圧器を設けることによって増やすことができる。この増圧器は、たとえば、ターボ過給機（図示せず）によって提供されてよく、ターボ過給機は、エンジンの排気によって動力が提供されるタービンによって駆動されるか、またはエンジンのクランク軸によって駆動される場合もある。

本発明のエンジンが含む燃焼室構成要素および特徴物は、そのサイズ、形状、および互いの相対位置の少なくともいずれかが、後述するように、許容可能な燃料の節約性を維持しながら、新たな規制基準以下のレベルに粒子状物質（ＰＭ）を有利に削減するように設定される。本発明は、特に、煤煙の排出量を削減することを目指すものである。煤煙は、ＰＭの一部である。

好ましくは、燃焼室構成要素および特徴物の全体的な寸法、形状、および相対位置の少なくともいずれかは、燃料噴霧／燃焼するシリンダガス火炎の運動量が、噴射装置から内側底面ボウル部１９と外側ボウル部２０の形状に追従してやや下向きの方向に移動し、続いてシリンダヘッドの内面２１と衝突するまで上方に向かう経路において可能な限り保存され、その結果、燃焼事象の後期に十分な煤煙の酸化を確実に行わせるものである。

また、燃焼室の構成要素および特徴物の寸法、形状、および相対位置の少なくともいずれかは、燃料噴霧／火炎の（軸１５に垂直な平面に送られる）垂直方向（主に上向き）の運動量と接線方向の運動量の間に所定のレベルの均衡状態を実現するものである。この均衡状態を実現することは、非常に低いレベルの煤煙排気量を達成できるようにする上で重要である。均衡状態を制御するパラメータは、噴霧／火炎が、外側ボウル部２０に衝突した後、主にシリンダヘッドの内面２１に向かって上方に送られて、運動量の損失を最小限に抑えるように選択される。

好ましくは、火炎の垂直方向および接線方向の移動は、外側ボウル部２０と衝突した直後に扇形のパターン（後述する図５ｄも参照）を形成し、このパターンにおいて、移動する火炎の約３分の１は、図４にＹで示すように上方に送られ、残りは、図３ａおよび図３ｂに、右に旋回する火炎の部分についてはＸ_Ｒで示し、左に旋回する火炎の部分についてはＸ_Ｌで示すように、接線（水平）方向に送られる。本発明は、特に、火炎の水平移動の方向変更、すなわち、火炎が外側ボウルに向かう方向から、前記接線方向に向かうように方向を変えるときの方向変更と、接線方向の移動から図３ａおよび図３ｂに上から見た状態で示す軸１５に向かう移動に方向を変える方向変更とを強化することを目指している。

下記で説明する燃焼室の構成要素および特徴物の寸法、形状、および相対位置の少なくともいずれかによって得られる燃焼室は、噴射された燃料および燃焼室７内でほぼ全てが燃焼する燃料／シリンダガス混合物（火炎）のパターンを、燃料噴射の初期段階と、ピストン３の爆発行程中および噴射の終了後に結果的に生じたガスの燃焼および膨張の開始時との両方において、特に煤煙の排出量を始めとして、一酸化炭素および炭化水素も含めて大幅に削減するように形成、方向設定、制御、および生成することができる。

より具体的には、ピストン３の上部は、ピストンクラウン１６と呼ぶことができる。ピストンクラウン１６は、燃焼室７の一部を形成する上面５と、上方に開口した空洞によって形成されるピストンボウル６とを含む。ピストンボウル６は、ボウル６の中央部または中央部近くに配置されると好ましい突出部１７を含む。突出部１７は、図１に示した好ましい実施形態において、ピストンボウル３の中央部に配置されて、ピストン３の往復運動の軸１５に沿って位置する遠位端１８を含む。また、突出部１７は、図１に示すようにピストン３の往復運動の軸に垂直な平面に対して内側ボウル底面角度αで、突出部１７から下方に延びる内側ボウル底面部１９も含む。

ピストンボウル６は、直径に沿った断面において概して凹型の曲線形状を有する、上向きに開いた外側ボウル部２０も含む。外側ボウル部２０は、燃焼室内の燃料／空気混合物または火炎の流れを効果的に成形すると共に、特に上方に向かうように（図４に最も明瞭に図示）効果的に方向設定する。

図２に、噴霧の幾何学的中心軸３０（以下、噴霧軸と記す）の反射角度γおよび噴霧軸角度β（以下、噴霧角度と記す）と共に、図１のピストンのボウル形状の右半分を模式的に示す。外側ボウル部２０は、特定の半径Ｒ_１、半径ＣＲ_１の中心のための特定の位置を有するように設計される。更に、Ｄ_１は、遠位端１８と、噴射装置１３の複数の噴霧軸の交点Ｃとの間の距離を示している。距離Ｄ_２は、噴射の期間およびピストン３の下方への移動中の噴霧軸の衝突ポイントの変化／移動を示す。Ｄ_２の始点及び終点の位置は、噴射の時間長さ（噴射される燃料の量）およびタイミングによって異なる。噴射の開始点は、距離Ｄ_２の下方端に位置し、噴射の終了点は、距離Ｄ_２の上方端に位置する。Ｒ_２は、ピストン３の上面５に外側ボウル２０を接続する縁またはへりにおける半径を表す。半径Ｒ_２の中心は、ＣＲ_２と示されている。Ｒ_３は、ピストンボウル半径を表す。燃焼室の全体的な形状は従来技術に基づいたものであるが、この燃焼室は、固有の構造を有し、より重要な点として、本発明の改良された機能的性能をもたらす、下記で説明する必要不可欠の寸法および寸法関係を有する。

噴射中の反射角の値は、噴射タイミングおよび噴射期間に加え、Ｄ_１，Ｒ_１，β、およびピストンボウル半径Ｒ_３などの複数の幾何学的パラメータの選択に大きく左右される。

本願の発明に従って、既に上記で説明したように、図３ａおよび図３ｂに、本発明の２つの好ましい実施形態を開示し、図３ａに、外側ボウル６の円周上に均等に配置される第１形式の突起４０のみを有する実施形態を示す。この第１形式の突起は、２つの隣接する火炎（図３ａおよび図３ｂに、２つの最も大きい矢印によって示されている）の衝突領域４１のほぼ中間に設けられる。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１形式の突起は、垂直方向に延びる隆起形状を有し、この突起は、図３ａおよび図３ｂに、上から見た断面で示されている。この断面は、図２において水平線（図示せず）を形成することができ、前記水平線は、図２においてＤ_２によって示される衝突領域を横断する。したがって、前記第１形式の突起は、他の火炎の衝突領域と同一の水平面に配置される。好ましくは、第１形式の突起の隆起は、衝突領域の長さに対応する長さだけ延びる。すなわち、前記第１形式の突起の前記隆起は、第１水平面に設けられる第１位置から第２水平面に設けられる第２位置まで少なくとも延び、前記第１水平面は、第１衝突ポイント（距離Ｄ_２の下方端のポイント）と第１位置に共通の平面であり、前記第２水平面は、前記第２衝突ポイント（距離Ｄ_２の上方端のポイント）と第２位置に共通の平面である。前述したすべての平面は、前記ピストン３の往復移動、すなわちシリンダの幾何学的中心軸１５に対して垂直である。

前記突起は、図３ａおよび図３ｂに示すような断面で見た場合に異なる形式を有してもよい。一実施形態において、隆起の頂部はより尖鋭であってもよい（図示せず）。他の実施形態において、隆起の底部端は、隆起部から外側ボウル部の円形の形状への移行がより滑らかで、より尖っていないものであってもよい（図示せず）。隆起の尖鋭な頂部と、隆起から外側ボウル部の円形の形状への滑らかな移行を組み合わせることも可能である（図示せず）。隆起底部の幅４３の各半分は、たとえば、外側ボウル部の円形の形状に沿った噴霧区画の合計距離４２の約１／３まで延ばすことができる。

図３ｂに、前記第１形式の突起と第２形式の突起５０とを有する、本発明の実施形態を示す。前記第２形式の突起は、外側ボウル領域（衝突領域）に向かう方向から接線方向Ｘ_ＲおよびＸ_Ｌに向かうように、火炎の水平移動の方向を変える。

本発明の一実施形態において、前記第１または第２形式の突起の前記隆起の伸びに対して垂直な断面は、ピストンボウル半径Ｒ_３の少なくとも１／２０の平均半径で湾曲した形状に形成される前記隆起の頂部を露呈する。このような断面の一つの形状は、複数の数学的に定義される曲線から得ることができる。

本発明の他の実施形態において、前記第１形式の突起は、前記第２形式の突起よりも更に内部まで燃焼室７内に突出する。この逆であっても、または、前記第１および第２形式の突起が同一のサイズであってもよい。

前記第１または第２形式の突起の頂部は、燃焼室７内に最も深く突出する部分である。本発明の一実施形態において、前記第１形式の突起の頂部は、垂直方向に見たときに、前記衝突領域の中間に前記距離Ｄ_２に沿って配置される。本発明の他の実施形態において、第２形式の突起の頂部は、衝突領域の中央に前記距離Ｄ_２に沿って配置される。

第２形式の突起のみが存在する実施形態も利用可能である。

既に示したように、燃料は、高噴射圧力で噴射されなければならない。平均噴射圧力の区間の例は、３００から４０００バールであるが、更に他の例の実施形態において、１５００から２５００バールの範囲であってもよい。噴射圧力は、特に、ＥＯＩ後のシリンダガスの移動を含め、内側ボウル底面部に沿った移動、外側ボウル底面部に沿った移動、およびシリンダヘッドの内面との衝突の全体を通じて、噴霧／火炎の流れの高い運動量を確保する上で重要なパラメータである。

排出量を制御する他の燃焼室パラメータは、吸入ポート９によって生成される空気流のスワール比である。スワール比ＳＲは、燃焼室７の周囲で旋回する空気の接線方向の速度をエンジン速度で除算した比率である。すなわち、スワール比は、空気がシリンダヘッド１４の吸入ポート９からエンジンシリンダに入るときの空気の接線方向の運動の尺度である。厳密にいうと、スワール比という用語は、シリンダピストンの角速度で除算した、吸気弁が閉じたときの空気のシリンダ内平均角速度である。たとえば、エンジンが１８００ｒｐｍで回転し、シリンダヘッドが、スワール比が２である空気の運動を生成する状態は、吸気弁が閉じたときに、シリンダ内の空気が３６００ｒｐｍの平均角速度で回転することを意味する。スワール比が高くなると、空気または空気燃料混合物のスワール作用は大きくなり、スワール比が低くなると、スワール作用は低下する。スワール作用は、ピストン３による圧縮時に、乱流を生成して燃焼プロセスを支援する、概して接線方向の運動である。

本発明の一実施形態に従って、全燃焼期間において噴霧／火炎の移動を確実に制御できるようにするためには、噴射圧力によって生成される運動量をできる限り阻害しないようにする必要がある。したがって、本発明によれば、第１および第２形式の突起が、上記で説明すると共に図に示したように対称であるときの本発明の最大の利点を実現できるようにするには、スワールが低いことが好ましい。本明細書において、１．０より低いスワールは、低いスワールであると見なす。出願人は、前述した実施形態について、０．７より低いスワール比が好ましいこと、また、スワール比が、０．５より低くなり、更にゼロになると特に好ましいことを発見した。

本発明の更に他の実施形態では、より大きいスワールも許容できる。このような実施形態において、第１および第２形式の突起は、特定のスワール範囲に適合される。この適合は、スワールの流れ方向に沿って、ある程度吹き抜けられるような形状の突起（特に頂部）を有することによって実現できる。したがって、このような突起は非対称である。

噴霧／火炎の運動量を堅実に維持する、外側ボウル部２０の曲率を形成するためには、Ｒ_１が十分に大きくなければならない。外側ボウル部２０は、一つ以上の方向において噴霧／火炎の運動量が過量になることを防ぐようにも設計される。このような過量の運動量は、他の方向と比べて特に大きく特定の方向に火炎／噴霧を進行させ、望ましくない噴霧／火炎の停滞を引き起こすため、煤煙排出量の増加が解決されずに残ることになる。前記第１形式および第２形式の少なくともいずれかの突起の寸法を設定するときには、噴霧／火炎の過度の運動量の防止についても考慮しなければならない。

上記で既に間接的に説明したように、重要な態様は、ピストンの往復運動の軸に垂直な平面と、各噴霧の中心軸３０（図２）との間で計測される噴霧角度βを成す各オリフィスの中心軸の向きに関して、噴射期間のうちの少なくとも一部において、噴霧軸３０が外側ボウル部２０に衝突するように、前記中心軸の向きを設定することを含む。噴霧軸３０に対する内側ボウル底面部１９の幾何学的配置は、内側ボウル底面部と噴霧軸３０の間に十分な容積および距離が存在することによって、点火されないノズル近くの噴霧部分と内側ボウル部との外乱的接触を回避するものである。この処置により、噴霧軸３０は、内側ボウル底面部との接触が最小の状態で外側ボウル部２０に向かうように方向設定されるため、噴霧の着火が妨げられる事態が回避される。このような方式で、噴霧／火炎が外側ボウル部に衝突するまで、噴霧／火炎の運動量を最大限保存するという効果が得られる。

煤煙の排気量に大きく影響する他の重要な燃焼室パラメータは、噴射装置１３内の噴射または吹き付けオリフィスの数である。本発明の一実施形態によれば、燃焼室７に燃料を送るために、少なくとも４つの噴射オリフィスが用いられる。貨物自動車の大きさの燃焼エンジンでは、５つから７つの噴射オリフィスを利用できることが好ましい。ピストン直径がより大きいエンジンには、より多くのオリフィスを設ける余地がある。オリフィスの数は、２つの隣接する噴霧の衝突ポイントを互いに近接させる程度によって異なる。噴射オリフィス数Ｎは、噴霧／火炎の垂直方向と接線方向の移動の間の前述した適切な均衡状態を形成する上で重要である。あまりに多くの噴射オリフィスが存在すると、噴霧軸の衝突（外側ボウル部との衝突）の他のポイントとの距離が互いに接近するため、水平面における噴霧の滑らかな回動（再循環）が制限される一方で、上に向かう垂直移動が過度に強化され、その結果、噴霧／火炎の領域においてほぼすべての運動量が失われ、酸化後の煤煙が減少することになる。再循環に影響を与える他の重要なパラメータは、燃料注入速度である。

水平面における本発明の噴霧／火炎の制御についての理解を深めるため、図５ａ〜５ｉに、燃料の噴射および燃焼シーケンスの中の９つの異なる時点の実際の状態、すなわち、ＴＤＣの約５度手前の状態から燃焼シーケンスの後の時点、すなわち、ＴＤＣのかなり後までの状態を表した、シリンダ２を有するピストン３の模式的立体図を示す。ここで、本発明に係る突起は、図５ａ〜５ｉには含まれていないことに留意されたい。これらの図の目的は、２つの隣接する火炎の進行状態の視覚化を試みることである。図５ａ〜５ｉには、隣接して位置する２つの噴霧の噴霧軸３０の最初の状態が点線で示されている。図５ａ〜５ｉをより判りやすくするため、複数の噴霧のうちの２つのみを示した。

図５ａは、噴射の開始（ＳＯＩ）を示したものである。ここで、ＳＯＩから燃料の点火までの間に生じる点火遅延が存在する。

図５ｂは、燃焼の開始（ＳＯＣ）を示したものである。白い領域は、燃焼するシリンダガス火炎を表す。

図５ｃは、火炎が外側ボウル部２０に衝突するところ（ＦｌａｍｅＴｏＷａｌｌ（火炎と壁面））を示したものである。左側の火炎の移動方向が矢印で示されている（同様の移動は右側の火炎にも該当する）。したがって、火炎は、噴射装置１３から外側ボウル部２０に向かって移動する。

図５ｄは、火炎同士が互いに結合するところ（ＦｌａｍｅＴｏＦｌａｍｅ（火炎と火炎））を示したものである。４つの矢印のうちの２つが、互いに相手を指し示していることによって、衝突状態が表されている。垂直方向の移動と接線方向の移動の重要な均衡は、火炎が、最初に外側ボウル部と衝突した（図５ｃ）後で、図５ｄに示すように、日よけ扇状のパターンに広がる場合に得られる。これは、所定の範囲内で燃焼室パラメータを選択することによって達成される。図５ｄの垂直方向の矢印は、図４ａおよび図４ｂのＹに対応し、図５ｄにおいて右側を指している矢印は、図３ａまたは図３ｂのＸ_Ｒに対応し、最後に、図５ｄにおいて左側を指している矢印は、図３ａおよび図３ｂのＸ_Ｌに対応する。

図５ｅは、シリンダヘッドの内面２１に火炎が衝突するところ（ＦｌａｍｅＴｏＨｅａｄ（火炎とヘッド））を示したものである。この衝突は、火炎内の点線領域によって示されている。この点線領域の中で、火炎は、シリンダヘッド１４の内面２１と接触している。左側の火炎の中の２つの矢印は、前記内面２１に沿った火炎の主な移動を表す。

図５ｆは、ＦｌａｍｅＴｏＨｅａｄおよびＦｌａｍｅＴｏＦｌａｍｅの相互作用によって生じる、重要な火炎再循環を示しており、この再循環は、主に、所定の範囲内で燃焼室パラメータを選択して、垂直方向と接線方向の火炎の移動の前述の均衡を達成した結果である。本発明に係る前述の突起の寸法を決定するパラメータは、火炎の制御に利用できる複数のパラメータのうちの一つである。前記パラメータの特定の選択は、特に図５ｆに示したが、図５ｇ〜５ｉにも示されている、前述した火炎の再循環のタイミングおよび位置を制御する。本発明に係る突起は、前述した火炎の再循環の良好な作用を更に拡張させる。特に、対称なＦｌａｍｅｔｏＦｌａｍｅの相互作用は、有用な火炎再循環の渦流を生成する。矢印は、燃焼室７内に戻るように仕向けられる火炎の再循環移動の方向を示す。ここで、低いスワールは、ＦｌａｍｅＴｏＦｌａｍｅに誘導される渦流の対称に駆動される生成によって生じるより徹底した混合の間接的原因である。十分な混合エネルギ（運動量）が残っていると、この火炎の再循環は、最後に噴射された（煤煙を生成する）燃料の混合と燃焼に貢献するため、燃焼シーケンスの後期における煤煙の酸化にも貢献する。

図５ｇは、噴射の終了（ＥＯＩ）を示したもので、ここでは、噴射圧力からの運動量が得られないため、シリンダガスの更なる移動は、主に、噴射圧力から既に提供されている運動量に依存する。

図５ｈは、ＥＯＩ後に、シリンダガス／火炎の強力な混合によって生じる、煤煙の酸化および噴霧の希薄化を示したものである。

図５ｉは、燃焼のかなり後期に、十分な量の煤煙が酸化したことを示している。この酸化は、本発明で、シリンダガスの運動量をより多く保存し、ＥＯＩの後もその運動量を可能な限り保存できるようにすることを目的として、水平方向の噴霧／火炎の移動を適切に制御することによって増大させることを目指したものである。

本発明の重要な利点の一つは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を多量に形成せずに、増大された酸化後の低温の煤煙が存在できることである。粒子状物質／煤煙の排出量を削減する本発明の異なる実施形態は、ＮＯｘを削減する既知の他の排気後処理機構（煤煙トラップも含む）と有利に組み合わせて、ＮＯｘの排出量を更に低減することができる。本発明は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置とも有利に組み合わせることができ、これにより、粒子状物質／煤煙の排出とほぼ独立的して、ＮＯｘ排気のレベルを制御することができる（たとえば、特許文献１を参照）。

指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は、新しい排出基準、特に、煤煙に対する新しい排出基準を明確に満たすことを含め、従来のエンジン設計よりも煤煙／粒子状物質の排出量を削減するという利点を提供する。本発明の燃焼室７は、前述した本発明の突起に加え、特に、効果的な反射角度γ、低スワール、および高い噴射圧力を含み、本発明の有利な作用は、他の前述したパラメータの一つ以上の適切な選択と組み合わせることで更に向上し得る。

本発明は、たとえば、ディーゼルや、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの燃料によって駆動されるエンジンに利用することができる。

提示した本発明は、乗用車サイズのエンジンから大型船のサイズまでのエンジンに適用することができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されると見なされるべきでなく、むしろ、多数の更なる変形物および修正物も、付随する特許請求項の範囲に入ると考えることができる。

Claims (12)

1. 燃焼室（７）を有する内燃機関エンジン（１）であって、エンジンシリンダ（２）、前記燃焼室（７）の内面（２１）を形成するシリンダヘッド（１４）、および少なくとも一つの吸気ポート（９）を有するエンジンボディと、前記エンジンシリンダ（２）内で、下死点位置と上死点位置の間を往復移動するように配置されるピストン（３）とを含み、前記ピストン（３）は、前記燃焼室に面する上面（５）を有するピストンクラウン（１６）を含み、前記ピストンクラウンは、外側に開口した空洞によって形成されるピストンボウル（６）を含み、前記ピストンボウルは、遠位端（１８）を有する突出部（１７）と、前記ピストン（３）の往復運動の軸（１５）に垂直な平面から、効果的な内側ボウル底面角度（α）で下方に延びる内側ボウル底面部（１９）とを含み、前記ピストンボウルは、断面において凹型の曲線形状を有する、外側に開いた外側ボウル部（２０）を更に含み、前記ピストンボウルの前記突出部の近くで前記エンジンボディに搭載されて、高噴射圧力で燃焼室内に燃料を噴射する噴射装置（１３）を含み、前記噴射装置は、進行中に点火された火炎となって、所定の衝突領域内で前記外側ボウル部（２０）に衝突する燃料の噴霧柱を形成するように配列される複数のオリフィスを含む、前記内燃機関エンジン（１）において、
   前記衝突領域は、噴射のほとんどの期間において外側ボウル部（２０）内に存在すること、および前記外側ボウル部（２０）内の前記衝突領域のあいだのほぼ中間で、前記往復移動に略垂直な平面に、前記燃焼室（７）内に突出する第１形式の突起が設けられ、前記第１形式の突起は、前記火炎の運動エネルギを保存し、かつ、周方向の火炎の進行方向を変えて、火炎と火炎の相互作用が最小の状態で、主にピストン（３）の中心軸に向かわせるように適合される滑らかな形状を有することを特徴とする内燃機関エンジン（１）。
2. 前記衝突領域内に、第２形式の突起が設けられ、前記第２形式の突起は、衝突領域に向かう火炎の進行方向を変えて、前記往復移動に略垂直な平面において、火炎とピストン壁の相互作用が最小で、かつ、運動エネルギの損失が最小の状態で、主に周方向の火炎進行方向に送るように適合されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関エンジン。
3. 前記突起は、それぞれ、前記往復移動に略平行な平面において、外側ボウル領域内のみに伸長する長手隆起形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関エンジン。
4. 前記隆起の伸長部に垂直な、前記隆起の頂部の断面は、前記ピストン（３）のピストンボウル半径（Ｒ_３）の少なくとも１／２０である平均半径で湾曲した形状に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関エンジン。
5. 前記第１形式の突起は、前記第２形式の突起よりも更に深く、燃焼室（７）内に突出することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関エンジン。
6. 噴射の開始時の前記衝突領域内の第１衝突部と、噴射の終了時の前記衝突領域内の第２衝突ポイントとを有し、
   前記隆起は、第１平面に設けられた第１位置から第２平面に設けられた第２位置まで少なくとも延び、前記第１平面は、前記第１衝突ポイントと前記第１位置に共通の平面であり、前記第２平面は、前記第２衝突ポイントと前記第２位置に共通の平面であり、前記第１平面および第２平面は、前記ピストン（３）の往復移動に垂直であることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関エンジン。
7. 前記オリフィスの中心軸（３０）は、全噴射期間において、前記外側ボウル部（２０）に衝突するように配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関エンジン。
8. 前記吸気ポート（９）は、動作中にスワール作用が存在しないか、または少ない状態で、前記燃焼室内に給気を送るように、前記シリンダヘッド（１４）内に形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関エンジン。
9. 前記スワール作用によって生じるスワール比は、０．０〜０．７の範囲内であることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関エンジン。
10. 前記噴霧の軸（３０）に対する前記内側ボウル底面部（１９）の幾何学的配置は、前記内側ボウル底面部と前記噴霧の軸（３０）の間に十分な容積および距離が存在することで、前記噴霧のノズル近くの未点火部分と、前記内側ボウル部との外乱的接触が回避されるように設定されることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関エンジン。
11. 噴射された前記燃料は、噴射時に、前記燃焼室内で前記給気との混合物を形成するように構成されることと、前記ピストンによって前記混合物が圧縮されたときに、当該混合物自体が着火することとを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関エンジン。
12. 前記エンジン（１）は、再循環される排気ガスのうちの所定の分量を前記給気に加えるように構成され、前記分量は、前記燃焼によって生じる窒素酸化物の排出量を、指定の低レベル未満に維持するように適合されることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関エンジン。

Images