JP2011506848A - 熱エンジンの非対称燃焼室 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃エンジン用の、特にディーゼルエンジン用のピストン（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相互作用することができ、前記シリンダ内で、前記ピストン（３）が、前記軸Ｃに沿って摺動することができ、前記ピストン（３）は前面部を含み、前記前面部は、中央突起部（３２１）と、外周クラウン部（３２２）と、往復動軸Ｂを持つボウル（３２３）を含み、前記ボウル（３２３）は、前記中央突起部（３２１）から前記外周クラウン部（３２２）に向かって延び、且つ該外周クラウン部（３２２）に厚さＥｐを持つ縁部（３２２０）で接続され、前記ボウル（３２３）は、前記縁部（３２２０）のほぼ全体に亘って円環面（３２３０）を含み、該円環面（３２３０）は、好ましくは最大半径Ｒｔを有する半ドーム状の側面を持ち、前記円環面（３２３０）は、再流入領域Ｒの前記縁部（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、前記中央突起部は、上側斜面Ａ１及び下側斜面Ａ２を個々に有し、前記上側斜面Ａ１は前記下側斜面Ａ２よりも緩やかであることを特徴とする。

Description

本発明は概して、燃焼エンジンの構造、特に圧縮点火式内燃エンジンの構造に関する。

自動車メーカーに適用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きな技術開発が行なわれ、費用が嵩むことが明白な追加の及び／または更に複雑な排出制御装置を使用することになる。

将来的な規制では、メーカーが、特にパティキュレート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パティキュレートの排出量を大幅に低減するように推奨されているが、メーカーは同時に、エンジン性能レベル及びエンジン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。

エンジン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、例えばパティキュレートフィルタのような最新の後処理装置を利用する、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の構成を変更するが、これは、エンジン効率に悪影響を与える。

本発明の１つの目的は、改良され、かつ排気ガス中の窒素酸化物及びパティキュレートの排出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、内燃エンジン用の、特にディーゼルエンジン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区切られた本体を備え、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、中央突起部と、外周クラウンリングと、往復動軸Ｂを持つボウルを含み、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、且つ該外周クラウンリングに厚さＥｐの縁部で接続され、前記ボウルは、前記縁部とほぼ垂直に並ぶ円環面を含み、該円環面の側面は好ましくは最大半径Ｒｔを有する半ドーム状であり、前記円環面は、噴射される燃料を前記中央突起部に向けて再流入ゾーンＲの前記縁部の下に誘導することができ、前記中央突起部は、角度Ａ１の上側斜面と、異なる角度Ａ２の下側斜面を有し、角度Ａ１の前記上側斜面は角度Ａ２の前記下側斜面よりも緩やかである。

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：
−後処理システムが更に複雑化し、更に高コスト化しなくてすむ；
−窒素酸化物排出量が低減するので排出制御規制に適合する。

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つ以上の特徴を有する：
−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角度Ａ１の前記下側斜面は６９°〜８４°の範囲の傾斜であり、好ましくは７２°にほぼ等しい傾斜である；
−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角度Ａ２の前記下側斜面は４７°〜６２°の範囲の傾斜であり、好ましくは５９°にほぼ等しい傾斜である；
−前記ボウルは、前記ボウルの前記往復動軸Ｂが、前記シリンダの前記往復動軸Ｃから或る距離だけ離れて配置されるようにずれている；
−前記縁部の厚さＥｐは、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲であり、好ましくは４．５ｍｍにほぼ等しい；
−前記縁部は、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、４５ｍｍ〜４８ｍｍの範囲であり、好ましくは４７ｍｍにほぼ等しい；
−前記円環面は、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、４８ｍｍ〜５１ｍｍの範囲であり、好ましくは４９ｍｍ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、前記円環面の端部の距離Ｄｂ／２との差が、１ｍｍにほぼ等しい；
−前記ボウルの最大深さＰは、１３ｍｍ〜１４．５ｍｍの範囲であり、好ましくは１３．５ｍｍにほぼ等しい；
−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４．６ｍｍ〜６．１ｍｍの範囲の距離Ｄｔだけ、好ましくは５．１ｍｍにほぼ等しい距離Ｄｔだけ低い高さまで隆起する。

本発明の別の主題は、窒素酸化物及びパティキュレートの排出量の点で厳しい排出制御規制に適合するように構成される内燃エンジン、更に詳細には、本発明によるピストンを少なくとも１つ備えることを特徴とするディーゼル式の内燃エンジンである。

ディーゼル式のこの内燃エンジンは、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一緒になって燃焼室を画成するように機能し、このピストンのピストンボウルは、往復動軸Ｂを中心に設けられ、前記エンジンは、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、プレヒータープラグと、燃料インジェクタを備え、前記燃料インジェクタの先端面は、前記シリンダの前記往復動軸Ｃに平行であり、かつ該往復動軸Ｃから離れたインジェクタ軸Ｉの位置で前記燃焼室に臨んで開口され、前記インジェクタは前記インジェクタ軸Ｉと、１５°〜１５．５°の範囲の角度Ａｉをなし、前記シリンダの軸Ｃ、前記ボウルの軸Ｂ、及び前記インジェクタの軸Ｉは、前記シリンダ軸Ｃを前記ボウル軸Ｂから分離する距離が、ほぼ１．２５ｍｍに等しく、かつ前記シリンダ軸Ｃを前記インジェクタ軸Ｉから分離する距離が、ほぼ４ｍｍに等しくなるように並んで配置される。

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、本発明による内燃エンジンの部分模式断面図である。 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図であり、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、内燃エンジン１００、特にディーゼル内燃機関である内燃エンジン１００を示しており、この内燃エンジン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、そして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構成されるピストン本体を有し、前記本体は、ピストンスカート部３１により横方向に区切られ、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と一緒になって、シリンダ１の燃焼室を区切るように機能する。

新鮮空気が、または新鮮空気と再循環排気ガスとの混合ガスが、シリンダヘッド２内に形成され、且つ少なくとも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を介して燃焼室に吸入される。

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で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。

プレヒータープラグ４がシリンダヘッド２に取り付けられており、当該プラグの先端部が燃焼室内に開口しているため、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可能である。

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、燃焼室内に開口している。図示の実施形態によれば、インジェクタ７は、当該インジェクタがシリンダの軸Ｃからずれて位置するように配置される。インジェクタ７の先端面は、シリンダの対称軸Ｃに平行な「インジェクタ軸」として認識される軸Ｉの位置で開口される。

図示の実施形態によれば、インジェクタ７は、インジェクタ軸Ｉを基準にして反幾何学的方向に測定される１５°〜１５．５°の範囲の角度Ａｉで傾斜している。

軸方向平面に沿った部分断面として、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、往復動軸Ｂを持つ環状キャビティまたは環状ボウル３２３を含み、この往復動軸Ｂは、シリンダの往復動軸Ｃに平行であり、かつ当該軸Ｃから或る距離に配置されてインジェクタ７のずれの影響を排除するようになっており、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ている。

好ましくは、シリンダ軸Ｃ、ボウル軸Ｂ、及びインジェクタ軸Ｉは、共通の平面に並んで配置され、シリンダ軸Ｃをボウル軸Ｂから分離する距離は１．２５ｍｍにほぼ等しく、シリンダ軸Ｃをインジェクタ軸Ｉから分離する距離は４ｍｍにほぼ等しい。

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、縁部３２２０を構成する端部にまで横方向に延び、この縁部３２２０の下に、ボウル３２３は、半ドーム状の側面を持つ円環面３２３０を有し、当該円環面は、４．２ｍｍ〜５．８ｍｍの範囲の最大曲率半径Ｒｔ、好ましくは４．５ｍｍにほぼ等しい最大曲率半径Ｒｔを有する。

縁部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、４５ｍｍ〜４８ｍｍの範囲であり、好ましくは４７ｍｍにほぼ等しい。

円環面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、４８ｍｍ〜５１ｍｍの範囲であり、好ましくは４９ｍｍにほぼ等しい。

インジェクタ７は、燃料を、円環面３２２０のうち再流入エッジＲとしても知られる、縁部３２２０の下部エッジに隣接する上側領域に向けられる噴射流の形態で選択的に噴射するように構成されるため、燃料噴射流がこの再流入エッジＲから誘導されるときの流れを、円環面３２３０の壁に沿ったボウルの底部に向かう渦巻き状の流れにすることにより改善して、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て煤煙が低減し、これにより、中央突起部３２１に向かってガスを循環させることが可能になる。

好ましくは、再流入エッジ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、円環面の端部の距離Ｄｂ／２との差を、１ｍｍ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の再流入エッジＲの距離に対応する縁部３２２０の厚さＥｐは、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲であり、好ましくは４．５ｍｍにほぼ等しい。

ボウル３２３の最大深さＰは、１３ｍｍ〜１４．５ｍｍの範囲であり、好ましくは１３．５ｍｍにほぼ等しい。このような深さＰは、非常に多い量の空気をボウル３２３の底部に捕捉することを可能にするので、当該空気を燃料と混合することができるという利点をもたらす。

再流入エッジＲのこの構成を円環面３２３０と組み合わせ、更に最大ボウル３２３深さＰと組み合わせることにより、燃料噴射流を、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３２０の往復動軸Ｂに位置する頂部は、外周クラウンリング３２０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４．６ｍｍ〜６．１ｍｍの範囲であり、好ましくは５．１ｍｍにほぼ等しい。この距離Ｄｔによって、ボウル３２０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相互作用を抑制することができるので、煤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、角度Ａ１の上側斜面、及び異なる角度Ａ２の下側斜面を有し、角度Ａ１の上側斜面は角度Ａ２の下側斜面よりも緩やかである。

ボウル３２０の往復動軸Ｂを基準に幾何学的方向に測定される角度Ａ１の上側斜面は、６９°〜８４°の範囲の傾斜であり、好ましくは７２°にほぼ等しい傾斜である。

ボウル３２０の往復動軸Ｂを基準に幾何学的方向に測定される角度Ａ２の下側斜面は、４７°〜６２°の範囲の傾斜であり、好ましくは５９°にほぼ等しい傾斜である。

角度Ａ２の険しい下側斜面を使用することにより、単一の傾斜しか持たない中央突起部３２１により保持することができる空気よりも多い量の空気をボウル３２０の底部に保持することができる。

これらの特徴を組み合わせたピストン３を備える内燃エンジン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対応の内燃エンジンと比較して、使用する際に極めて有利であることが分かる。これらのテストは、次の更に別の特徴を有する：すなわち、７６ｍｍのボア、約１５の圧縮比、及び下死点における約２のスワール比Ｎｄ／Ｎを有するエンジン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、このエンジン１００から、約１０％少ない量の窒素酸化物及びパティキュレートが排出されたということである。同じ負荷運転状態では、未燃焼炭化水素ＨＣが約２０％減少したことも観測されている。

全負荷運転状態において、かつ約４０００ｒｐｍの高いエンジン回転速度では、約３％の最大動力の増加が、煤煙を抑制している状態で、すなわち約３ｆｓｎの一定量の煤煙が出る状態で、すなわち煤煙指数が３倍になっている状態で観察される。別の表現をすると、最大動力が一定の状態で結果的に達成されるのは、煤煙量の低減であり、この場合、煤煙指数は０．５〜１ｆｓｎの範囲の値だけ低下する。

Claims (12)

1. 内燃エンジン用の、特にディーゼルエンジン用のピストン（３）であって、前記ピストンは、スカート部（３１）によって横方向に区切られた本体を備え、前記スカート部（３１）は、往復動軸Ｃを持つシリンダ（１）の壁と協働することができ、前記シリンダ（１）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（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）を含み、前記ボウル（３２３）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、且つ厚さＥｐを持つ縁部（３２２０）で該外周クラウンリング（３２２）に接続され、前記ボウル（３２３）は、前記縁部（３２２０）とほぼ垂直に並ぶ円環面（３２３０）を含み、該円環面（３２３０）の側面は好ましくは最大半径Ｒｔを有する半ドーム状であり、前記円環面（３２３０）は、再流入ゾーンＲの前記縁部（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、前記中央突起部（３２１）は、角度Ａ１の上側斜面と、異なる角度Ａ２の下側斜面を有し、角度Ａ１の前記上側斜面は角度Ａ２の前記下側斜面よりも緩やかであることを特徴とする、ピストン（３）。
2. 前記ボウル（３２３）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角度Ａ１の前記下側斜面は６９°〜８４°の範囲の傾斜であり、好ましくは７２°にほぼ等しい傾斜であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃エンジン用ピストン（３）。
3. 前記ボウル（３２３）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角度Ａ２の前記下側斜面は４７°〜６２°の範囲の傾斜であり、好ましくは５９°にほぼ等しい傾斜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃エンジン用ピストン（３）。
4. 前記ボウル（３２３）の前記往復動軸Ｂが前記シリンダ（１）の前記往復動軸Ｃから或る距離だけ離れて配置されるように、前記ボウル（３２３）がずれていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のピストン（３）。
5. 前記縁部（３２２０）の厚さＥｐは、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲であり、好ましくは４．５ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のピストン（３）。
6. 前記円環面（３２３０）の最大曲率半径Ｒｔは４．２ｍｍ〜５．８ｍｍの範囲であり、好ましくは４．５ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のピストン（３）。
7. 前記縁部（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、４５ｍｍ〜４８ｍｍの範囲であり、好ましくは４７ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のピストン（３）。
8. 前記円環面（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、４８ｍｍ〜５１ｍｍの範囲であり、好ましくは４９ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のピストン（３）。
9. 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、前記円環面の端部の距離Ｄｂ／２との差が、１ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のピストン（３）。
10. 前記ボウル（３２３）の最大深さＰは、１３ｍｍ〜１４．５ｍｍの範囲であり、好ましくは１３．５ｍｍにほぼ等しいことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のピストン（３）。
11. 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、前記外周クラウンリング（３２０）の高さよりも４．６ｍｍ〜６．１ｍｍの範囲の距離Ｄｔだけ、好ましくは５．１ｍｍにほぼ等しい距離Ｄｔだけ低い高さまで隆起することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のピストン（３）。
12. ディーゼル式の内燃エンジン（１００）であって、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つのピストン（３）を備えることを特徴とする、内燃エンジン（１００）。

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