JP2011506846A - 過給直接噴射式燃焼機関の燃焼室 - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関用の、特にディーゼル機関用のピストン（３）に関するものであり、前記ピストンは、スカート部によって横方向に画成される本体を備え、前記スカート部は、往復動軸Ｃを持つシリンダの壁と協働することができ、前記シリンダ内で、前記ピストン（３）が、この軸Ｃに沿って摺動することができ、前記ピストン（３）は横断面部を備え、前記横断面部は、中央突起部（３２１）と、外周リング（３２２）と、往復動軸Ｂを持つボウル（３２３）とを含み、前記ボウル（３２３）は、前記中央突起部（３２１）から前記外周リング（３２２）に向かって延び、該外周リング（３２２）に、前記ボウル（３２３）が厚さＥｐの唇状部（３２２０）で接続され、前記ボウル（３２３）は、前記唇状部（３２２０）と垂直方向にほぼ一直線に並ぶ輪環面（３２３０）を含み、該輪環面（３２３０）は、最大半径Ｒｔの好ましくはドーム状の側面を有し、前記輪環面（３２３０）は、前記唇状部（３２２０）の下に内曲ゾーンＲの領域において噴射される燃料を前記中央突起部（３２１）に向けて誘導することができるピストン（３）であって、前記突起部のうち、前記ボウル（３２３）の前記往復動軸Ｂに位置する頂部は、前記外周リングの高さよりも５．４ｍｍ〜８ｍｍの範囲の、好ましくは７．２ｍｍにほぼ等しい距離Ｄｔだけ低い高さまで隆起している。

Description

本発明は概して、燃焼機関、特に圧縮点火式内燃機関の設計に関する。

原動機付き車両製造業者に課される排出規制は、益々厳しくなってきており、規制が変更されるたびに、大幅な技術開発が行なわれ、費用が嵩むことが明白な追加の、および／または更に複雑な排出制御装置を使用することになる。

将来的に規制が掛かることにより、製造業者は、特に粉塵フィルタが余りにも速く目詰まりしてしまうことがないように、排気ガス中の窒素酸化物及び粉塵の排出量を大幅に低減するように推奨されるが、製造業者は同時に、機関性能レベル及び運転性を向上させたい、または少なくとも維持したいと考えている。

機関における排出制御を向上させるために広く採用される解決策では、粉塵フィルタのような最新後処理装置に頼るか、または英語の頭字語であるＥＧＲとしてこの技術分野において広く認識されている排気ガス再循環装置（exhaust gas recirculation）の構成を変更するが、これは、機関効率に悪影響を与える。

本発明の１つの目的は、改良され、かつ窒素酸化物及び粉塵の排気物質量を著しく低減することができる燃焼室を提案することにある。

本発明の１つの主題は、内燃機関用の、特にディーゼル機関用のピストンであり、前記ピストンは、スカート部によって横方向に画成される本体を備え、前記スカート部は、往復動軸Ｃを持つシリンダの壁と協働することができ、前記シリンダ内で、前記ピストンが、この軸Ｃに沿って摺動することができ、前記ピストンは横断面部を備え、前記横断面部は、中央突起部（central pip）と、外周クラウンリングと、往復動軸Ｂを持つボウルとを含み、前記ボウルは、前記中央突起部から前記外周クラウンリングに向かって延び、該外周クラウンリングに、前記ボウルが厚さＥｐの唇状部で接続され、前記ボウルは、前記唇状部と垂直方向にほぼ一直線に並ぶ輪環面を含み、該輪環面は、最大半径Ｒｔの好ましくは半ドーム状の側面を有し、前記輪環面は、内曲ゾーンＲの前記唇状部の下に噴射される燃料を前記中央突起部に向けて誘導することができ、前記突起部のうち、前記ボウルの前記往復動軸Ｂに位置する頂部は、前記外周クラウンリングの高さよりも５．４ｍｍ〜８ｍｍの範囲の、好ましくは７．２ｍｍにほぼ等しい距離Ｄｔだけ低い高さまで隆起していることを特徴とする。

本発明によるピストンを使用することによって特に、以下の利点を実現することができる。
−後処理システムを更に複雑化し、更に高コスト化するという必要がない。
−排出制御規制に適合するために窒素酸化物排出量が低減する。

幾つかの特定の実施形態によれば、前記ピストンは以下の特徴のうちの１つ以上を有する。
−前記中央突起部は前記輪環面に向かって、前記ボウルの前記往復動軸Ｂを基準にして幾何学的方向に測定される６５°〜６５．７°の範囲の、好ましくは６５°にほぼ等しい角度Ａで傾斜している。
−前記ボウルは、前記シリンダの中心に設けられ、前記ボウルの前記往復動軸Ｂは、前記シリンダの前記往復動軸Ｃに一致する。
−前記唇状部の前記厚さＥｐは４ｍｍ〜６ｍｍの範囲であり、好ましくは５．３ｍｍにほぼ等しい。
−前記輪環面の最大曲率半径Ｒｔは５ｍｍ〜６ｍｍの範囲であり、好ましくは５．２ｍｍにほぼ等しい。
−前記唇状部は、前記ボウルの前記往復動軸Ｂから距離Ｄｅ／２に位置し、距離Ｄｅは、４９．６ｍｍ〜５１．５ｍｍの範囲であり、好ましくは５０ｍｍにほぼ等しい。
−前記輪環面は、前記ボウルの前記往復動軸Ｂから距離Ｄｂ／２に位置し、距離Ｄｂは、５３．８ｍｍ〜５５．４ｍｍの範囲であり、好ましくは５４ｍｍにほぼ等しい。
−前記ボウルの前記往復動軸Ｂを基準とする、前記クラウンリングの端部の距離Ｄｅ／２と、前記輪環面の端部の距離Ｄｂ／２との差が、２ｍｍにほぼ等しい。
−前記ボウルの最大深さＰは、１４．８ｍｍ〜１６．２ｍｍの範囲であり、好ましくは１６．２ｍｍにほぼ等しい。

本発明の更なる主題は、窒素酸化物及び粉塵の排出量の点で厳しい排出制御規制に適合するように設計される内燃機関、更に詳細には、本発明によるピストンを少なくとも１つ備えるディーゼル式の機関である。

ディーゼル式のこの内燃機関は、往復動軸Ｃを持つシリンダを有し、このシリンダの上端部は、下面を備えるシリンダヘッドによって閉じられ、この下面は、ピストンの横断面部とともに燃焼室を規定するように機能し、このピストンのピストンボウルは、軸Ｃに一致する往復動軸Ｂを中心に設けられ、前記機関は、前記シリンダヘッドの前記下面の開口部と、吸気バルブによって閉止することができる少なくとも１つの吸気ダクト、及び排気バルブによって閉止することができる少なくとも１つの排気ダクトと、予熱プラグと、前記燃焼室に向かって、ほぼ前記シリンダの前記往復動軸Ｃの位置で開口する先端を有する燃料インジェクタとを備える。

本発明の他の特徴及び利点は、完全に非制限的な例を通して次の図を参照しながら以下に示す本発明の実施形態についての記述から明確に理解されるものと思われる。

図１は、本発明による内燃機関の部分模式断面である。 図２は、ピストンボウルの往復動軸を含む平面に沿った部分断面であり、本発明によるピストンの吸気側のクラウン部分の詳細を示している。

図１は、特にディーゼル機関用の内燃機関１００を示しており、この内燃機関１００は、往復動軸Ｃを持つ少なくとも１つのシリンダ１と、シリンダヘッド２と、ピストン３とを備える。

本記述の残りの部分では、この往復動軸Ｃは、シリンダヘッド２に向かって上に向いていると見なすことにする。

ピストン３は、当該ピストンがシリンダの往復動軸Ｃに沿って摺動することができるようにシリンダ１内に取り付けられ、ピンを受け入れて当該ピストンを駆動コネクティングロッドの小端部に接続するように設計されたピストン本体を有し、前記本体は、ピストンスカート部３１により横方向に画成され、このピストンスカート部３１は、シリンダの往復動軸Ｃに平行に延び、かつシリンダ１の内壁と協働する。ピストンは更に、横断面部３２を含み、この横断面部３２は、シリンダヘッド２の下面２０とともに、シリンダ１の燃焼室を画成するように機能する。

新気または新気と再循環排気ガスとの混合ガスが燃焼室に、シリンダヘッド２内に形成され、かつ少なくとも１つの吸気バルブ５０で閉止することができる少なくとも１つの吸気ダクト５を介して吸入される。

吸入された空気−燃料混合ガスの燃焼残渣は、シリンダヘッド２内に形成され、かつ少なくとも１つの排気バルブ６０を介して閉止することができる少なくとも１つの排気ダクト６を介して排出される。

予熱プラグ４をシリンダヘッド２に取り付け、当該プラグの端部は燃焼室に臨んで開口され、その結果、当該プラグで空気−燃料混合ガスを冷間始動時に加熱することができる。

燃料インジェクタ７はシリンダヘッド２に取り付けられ、シリンダ１の往復動軸Ｃにほぼ沿って燃焼室に臨むように開口される。

軸方向平面に部分断面として本発明によるピストン３の上側部分の詳細を描いた図２に示すように、横断面部３２は、中央突起部３２１と、外周クラウンリング３２２と、シリンダの往復動軸Ｃに一致する往復動軸Ｂを持つ環状キャビティまたはボウル３２３とを含み、前記ボウル３２３は、中央突起部３２１から外周クラウンリング３２２に向かって延びており、この外周クラウンリング３２２に当該ボウルが接続される。

別の構成として、ボウル３２３をシリンダ１内でずらすことができ、従って、シリンダ１の往復動軸Ｃ及びボウル３２３の往復動軸Ｂを、３ｍｍにほぼ等しい値よりも短いことが好ましい距離だけ互いからずらすことができる。

外周クラウンリング３２２は、ピストン３のスカート部３１からボウル３２３の往復動軸Ｂに向かって、唇状部３２２０を構成する端部にまで横方向に延び、この唇状部３２２０の下に、ボウル３２３は、５ｍｍ〜７ｍｍの範囲の、好ましくは６ｍｍにほぼ等しい最大曲率半径Ｒｔの半ドーム状の側面を持つ輪環面３２３０を有する。

唇状部３２２０は、ボウル３２３の往復動軸Ｂから距離Ｄｅ／２に位置し、距離Ｄｅは、４９．６ｍｍ〜５１．５ｍｍの範囲であり、好ましくは５０ｍｍにほぼ等しい。

輪環面３２３０は、ボウル３２３の往復動軸Ｂから距離Ｄｂ／２に位置し、距離Ｄｂは、５３．８ｍｍ〜５５．４ｍｍの範囲であり、好ましくは５４ｍｍにほぼ等しい。

インジェクタ７は燃料を、輪環面３２３０のうち、内曲縁部Ｒとしても知られる唇状部３２２０の下部縁部に隣接する上側領域に誘導される噴射流の形態で選択的に噴射するように設計されるので、燃料噴射流がこの内曲縁部Ｒから誘導されるときの流れを、ピストン３が当該ピストンの上昇行程に入るときに酸素が検出されるボウルの底部に向かって輪環面３２３０の壁に沿って流れるようにすることにより改善して、黒煙を低減することができ、ガスを中央突起部３２１に向かって循環させることができる。

好ましくは、内曲縁部Ｒは、ボウル３２３の往復動軸Ｂを基準とするクラウンリングの端部の距離Ｄｅ／２と、輪環面の端部の距離Ｄｂ／２との差を、２ｍｍにほぼ等しい値に保持することにより維持される。

好ましくは、外周クラウンリング３２２の内曲縁部Ｒの距離に対応する唇状部３２２０の厚さＥｐは、４ｍｍ〜６ｍｍの範囲であり、好ましくは５．３ｍｍにほぼ等しい。

ボウル３２３の最大深さＰは、１４．８ｍｍ〜１６．２ｍｍの範囲であり、好ましくは１６．２ｍｍにほぼ等しい。比Ｄｂ／Ｐは、ボウル３２３に実効幅を与え、この実効幅により、空気を全負荷運転状態において効果的に利用することができるので、スワール比が低い状態でも特定の高い性能を達成することができ、従ってインジェクタ７が噴射する噴射流が重なり合う危険を抑制することができる。

内曲縁部Ｒのこの設計を、輪環面３２３０、及び、最大ボウル３２３深さＰと組み合わせることにより、燃料の噴射流を、ボウル３２３の底部に捕捉される大量の空気に向かってより良好に誘導することができる。

中央突起部３２１のうち、ボウルの往復動軸Ｂに位置する頂部は、外周クラウンリングの高さよりも距離Ｄｔだけ低い高さまで隆起し、この距離Ｄｔは５．４ｍｍ〜８ｍｍの範囲であり、好ましくは７．２ｍｍにほぼ等しい。外周クラウンリングの頂部まで距離Ｄｔがあることによって、ボウルの底部に向かって噴射される燃料噴射流と中央突起部３２１との、特に中央突起部の頂部との干渉を抑制することができるので、黒煙及び未燃焼燃料の排出量を低減することができる。

中央突起部３２１は、ボウルの往復動軸Ｂを基準に幾何学的方向に測定される６５°〜６５．７°の範囲の、好ましくは６５°にほぼ等しい角度Ａで傾斜している。

このように中央突起部３２１に角度Ａの傾斜を付けることにより、燃焼によりボウル３２３の底部において生成される煤を中央突起部３２１に向かって排出して後酸化を促進することができるので、黒煙の低減につながる。

これらの特徴を組み合わせたピストン３を備える内燃機関１００は、現在の排出制御規制に適合するピストンを備えるユーロ４対応（euro 4 type）の内燃機関と比較して、使用の際に特に有利であることが分かる。これらのテストは、次の更に別の特徴、すなわち、８５ｍｍのボア、約１５の圧縮比、及び下死点における約３のスワール比Ｎｄ／Ｎを有する機関１００を使用して行なわれた。

実際に判明したのは、部分負荷運転状態において、かつ粉塵排出量を同じ水準に維持した場合に、この機関１００から排出された窒素酸化物量が、約１５％少なかったということである。

回転速度４０００ｒｐｍ、かつ全負荷運転状態におけるタービンＴＡＶＴ手前で伝達される動力、及びタービンＴＡＶＴ手前の温度を同じ水準に維持した場合、黒煙量が少なくなり、黒煙指数が、０．５ｆｓｎにほぼ等しい値だけ低下した。

Claims (10)

1. スカート部（３１）によって横方向に画成される本体を備え、前記スカート部（３１）は、往復動軸Ｃを持つシリンダ（１）の壁を摺動することができ、前記シリンダ（１）内で、ピストン（３）が、この軸Ｃに沿って摺動することができ、前記ピストン（３）は横断面部（３２）を備え、前記横断面部（３２）は、中央突起部（３２１）と、外周クラウンリング（３２２）と、往復動軸Ｂを持つボウル（３２３）と、を含み、前記ボウルは、前記中央突起部（３２１）から前記外周クラウンリング（３２２）に向かって延び、該外周クラウンリング（３２２）に、前記ボウル（３２３）が厚さＥｐの唇状部（３２２０）で接続され、前記ボウル（３２３）は、前記唇状部（３２２０）と垂直方向にほぼ一直線に並ぶ輪環面（３２３０）を含み、該輪環面（３２３０）は、好ましくは最大半径Ｒｔの半ドーム状の側面を有し、前記輪環面（３２３０）は、内曲ゾーンＲの前記唇状部（３２２０）の下に噴射される燃料を前記中央突起部（３２１）に向けて誘導することができる、内燃機関用、特にディーゼル機関用のピストン（３）であって、前記突起部のうち、前記ボウル（３２０）の前記往復動軸Ｂに位置する頂部は、前記外周クラウンリングの高さよりも５．４ｍｍ〜８ｍｍの範囲の距離Ｄｔ、好ましくは７．２ｍｍにほぼ等しい距離Ｄｔだけ低い高さまで隆起していることを特徴とする、ピストン（３）。
2. 前記中央突起部は前記輪環面（３２３）に向かって、前記ボウルの前記往復動軸Ｂを基準にして幾何学的方向に測定される６５°〜６５．７°の範囲の、好ましくは６５°にほぼ等しい角度Ａで傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関用ピストン（３）。
3. 前記ボウル（３２３）は、前記シリンダの中心に設けられ、前記ボウル（３２３）の前記往復動軸Ｂは、前記シリンダ（１）の前記往復動軸Ｃに一致することを特徴とする、請求項１および請求項２のうちの一項に記載のピストン（３）。
4. 前記唇状部（３２２０）の前記厚さＥｐは４ｍｍ〜６ｍｍの範囲であり、好ましくは５．３ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１から請求項３のうちの一項に記載のピストン（３）。
5. 前記輪環面（３２３０）の最大曲率半径Ｒｔは５ｍｍ〜７ｍｍの範囲であり、好ましくは６ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１から請求項４のうちの一項に記載のピストン（３）。
6. 前記唇状部（３２２０）は、前記ボウル（３２３）の前記往復動軸Ｂから距離Ｄｅ／２に位置し、距離Ｄｅは、４９．６ｍｍ〜５１．５ｍｍの範囲であり、好ましくは５０ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１から請求項５のうちの一項に記載のピストン（３）。
7. 前記輪環面（３２３０）は、前記ボウル（３２３）の前記往復動軸Ｂから距離Ｄｂ／２に位置し、距離Ｄｂは、５３．８ｍｍ〜５５．４ｍｍの範囲であり、好ましくは５４ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１から請求項６のうちの一項に記載のピストン（３）。
8. 前記ボウル（３２３）の前記往復動軸Ｂを基準とする、前記クラウンリングの端部の距離Ｄｅ／２と、前記輪環面の端部の距離Ｄｂ／２との差が、２ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１から請求項７のうちの一項に記載のピストン（３）。
9. 前記ボウル（３２３）の最大深さＰは、１４．８ｍｍ〜１６．２ｍｍの範囲であり、好ましくは１６．２ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１から請求項８のうちの一項に記載のピストン（３）。
10. ディーゼル式の内燃機関（１００）であって、前記機関は、請求項１から請求項９のうちのいずれか一項に記載のピストン（３）を少なくとも１つ備えることを特徴とする、内燃機関（１００）。

Images