JP2013515198A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

圧縮点火内燃機関用のピストンは、クラウン部分、トロイダル部分、およびリエントラント部分を含む。ピストンは、燃料噴射装置の先端部分の近くの温度を下げるように設計された、ピストンの中心軸のまわりの凹部部分をさらに有する。

Description

本開示は、圧縮点火内燃機関に関する。より具体的には、本開示は、性能を向上させたピストンに関する。

内燃機関の設計では、低排出物と低燃料消費との相反する要求を繊細にバランスさせる必要がある。関係官庁は通常、ＮＯｘ、煙、すす、および未燃焼炭化水素を含む様々な排出物の生成を制限している。ＮＯｘ排出物は、様々な技術によって低減することができる。これらの技術の多くは、燃焼温度を低くすること、ひいては、燃料消費を増やすことを必要とする。

作業用機械などの産業環境にあるエンジン利用者は、エンジンが、幅広い回転数および負荷にわたって動作し、それでもなお、排気規制を満たし、妥当な燃料消費を達成することを要求する。特に、作業用機械で使用する高速（最大で２５００ｒｐｍ）、中ボア（１００ｍｍ〜１７５ｍｍのシリンダボア）の圧縮点火エンジンは、高回転数、高負荷状態とアイドリング状態との間のサイクルを繰り返すことがある。これらの過渡状態を通して排気規制を満たすには、適応性のある燃焼システムが必要である。さらに、自動車エンジンに見られる軽負荷運転と比較すると、作業用機械のエンジンは、燃料噴射装置の汚損の原因となる恐れのある条件で寿命の大部分にわたり動作する。

これらの難題に対処するために、設計者は様々なツールを使って仕事をし、上記の要求を満たす燃焼サイクルを実現しなければならない。これらのツールには、燃料噴射装置、空気流制御、および燃焼室の構造が含まれる。小ボア（１００ｍｍ未満のボア径）エンジンでは、空気システムの幾何形状を利用して、燃焼室内に旋回運動を発生させる態様で、空気を燃焼室に導入することができる。ボアが小さいエンジンほど、高い回転数（２５００ｒｐｍを超える）で動作することができ、燃料および空気の速い混合を必要とする。空気システムは、燃料および空気の混合を促進する旋回運動を発生させる。旋回流のある燃焼室は、１９９１年３月１９日に登録された、Ｓｃｈｗｅｉｎｚｅｒらによる（特許文献１）、および１９９９年４月２８に公開された（特許文献２）に示されるように、全ピストン径と比較して狭いスロート領域を有する傾向がある。狭いスロート領域により、ピストンの上部とシリンダヘッドとの間のスキッシュ領域が広くなる。これらの燃焼室に噴射される燃料は、床部分に接触することなしにトロイダル部分に流入することを意図される。Ｓｃｈｗｅｉｎｚｅｒはまた、ピストンが、燃料噴射装置先端に当たることなく、シリンダ内の上死点位置に接近するのを可能にする凹部を示している。しかし、Ｓｃｈｗｅｉｎｚｅｒは、凹部の空気と噴射装置の性能との相互作用について説明していない。

大ボア（直径が１８０ｍｍ以上）、中回転数（９００〜１５００ｒｐｍ）の圧縮着火エンジンは、静止または半静止単一燃焼室構造を使用する傾向がある。これらの構造は、燃焼室の中心軸のまわりにガスの旋回運動をほとんど発生させないか、または全く発生させない態様で、空気を燃焼室に導入する。これらのタイプの燃焼室でのより高い燃料噴射圧力により、燃料および空気の混合を促進する運動が生じる。また、より微細な滴径により、空気にさらされる表面積が増える。これらの燃焼室構造ではまた、空気をトロイダル部分に供給するのに利用可能なスキッシュ領域が狭い。２００８年１０月２１日に登録された、Ｐｏｏｌａらによる（特許文献３）は、大ボア、中回転数のディーゼルに対して鋭角リエントラントを使用して、静止または半静止燃焼室内の空気流を改善することを開示している。Ｐｏｏｌａはまた、燃料噴射装置の先端の近くに凹部を配置することを教示している。Ｐｏｏｌａの凹部は一般に、サービスのためにエンジンからピストンを取り外す際の補助と考えられる。この場合も、Ｐｏｏｌａは、凹部内の空気と燃料噴射装置先端との相互作用について説明していない。

これらの参考文献のいずれも、燃料噴射装置の先端まわりの空気流を改善することの重要性について説明していない。適切な空気流がない場合、エンジンの燃焼特性は、その寿命の間に、または特定の条件時に変化することがある。例えば、噴射装置先端まわりの温度が高いことで、時間とともに燃料噴射装置先端の汚損が進むことがある。これらの変化は、低い燃料消費という顧客の要求と、低排出物に関する法的規制との両方を満たすエンジンの能力を低めることがある。

米国特許第５，０００，１４４号明細書 欧州特許第０ ９１１ ５００号明細書 米国特許第７，４３８，０３９号明細書

本願に開示した本ピストンは、中ボア、高回転数の圧縮点火エンジンの燃焼を改善するために、上記の１つまたは複数の態様に対処する。

第１の態様では、外径および内径を備えたクラウン部分を有するエンジン用のピストンが開示され、内径対外径比は０．６５よりも大きい。ピストンは、リエントラント部分、トロイダル部分、およびピストンの中心軸のまわりの凹部部分につながる床部分を含む、内曲構造のボウルである。床部分は、約６５°〜約７０°の床角を有する。凹部部分は、最大ボウル深さ未満の凹部深さを有する。

別の態様では、外径および内径を備えたクラウン部分を有する内燃機関用のピストンが開示され、内径対外径比は０．６５よりも大きい。内曲ボウル構造は、リエントラント部分、トロイダル部分、および床部分を含む。凹部部分は、凹部移行部分によって床部分につなげられる。凹部部分は、ボウル深さ未満の凹部深さを有する。

さらに別の態様では、中心軸のまわりに配置されたクラウン部分を有する内燃機関用のピストンが開示される。クラウンの外径は約１０５ｍｍであり、内径対外径比は、約０．６５〜約０．７５である。内曲ボウル構造は、約６３°〜約６８°のリエントラント角を有するリエントラント部分を含む。トロイダル部分は、最大ボール深さを画定する。凹部部分は、凹部直径対内径比が約０．０９である。

これらの、およびさらなる特徴が、好ましい実施形態の以下の説明からさらに明らかになるであろう。

圧縮点火エンジンの部分断面図を示している。 図１のピストンの断面図を示している。 図２のピストンの平面図を示している。 図２の「Ａ」部の拡大断面詳細図を示している。

特定の実施形態または特徴について以下に詳細に言及し、特定の実施形態または特徴の例は、添付の図面に示されている。全体として、同じまたは対応する部品を指すのに、各図を通じて同じまたは対応する参照番号が使用される。当然ながら、用語「上側の」、「下側の」、「上部」、「底部」、「上方に」、「下方に」、および向きに関連する他の用語は、対象が図に示された場合に、対象についての説明を容易にするためだけに使用され、この説明の範囲をこれらの各用語に関連する向きに限定するとみなすべきではない。付与されたすべての寸法は、機械加工、または鋳造などの製造プロセスに関連する従来からの許容公差を含むと理解すべきである。

図１に最もよく示すように、エンジン１０は、シリンダ３０を画定するブロック２０で構成されている。ピストン４０は、スライド可能な態様でシリンダ内に配置されている。シリンダ３０はまた、ブロック２０内に配置されたシリンダライナ（図示せず）によって形成することもでき、シリンダライナは、シリンダ３０を画定する。シリンダヘッド５０は、ブロック２０に連結している。シリンダヘッド５０は、シリンダ対向部分６０を有する。シリンダ対向部分６０、ピストン４０、およびシリンダ３０は燃焼室７０を画定する。燃料噴射装置８０は、シリンダヘッド５０内に配置され、燃料を燃焼室７０に送るように構成された複数のノズル（図示せず）を備えた先端部分９０を有する。シリンダヘッド５０はまた、少なくとも１つの吸気口１００および少なくとも１つの排気口１１０を画定する。吸気弁１２０は、吸気口１００を少なくとも部分的に遮断するために、シリンダヘッド５０内を移動する。同様に、排気弁１３０は、排気口１３０を少なくとも部分的に遮断するために、シリンダヘッド５０内に配置されている。燃料噴射装置８０の先端部分９０は、噴射角ＩＡを有し、噴射角ＩＡは、ピストン中心軸１４０とノズル中心軸１５０との間の角度として定義される。

図２に示すピストンは、ランド１６０、スカート１７０、クラウン１８０、およびボウル１９０を有する。ランド１６０は、第１の端部部分２００および第２の端部部分２１０を有する。第２の端部部分はリング溝２２０を含む。クラウン部分１８０は、ランド部分１６０の第２の端部部分２１０に近接している。スカート１７０は、ランド１６０の第１の端部部分２００に隣接している。ボウル１９０は、クラウン移行部分２５０、リエントラント部分２６０、トロイダル部分２７０、床部分２８０、および凹部部分２９０によって画定されるボウル容積Ｖｂを有する。本実施形態では、ボウル容積Ｖｂは約５７ｃｃである。クラウン１８０からリエントラント部分２６０に移行するクラウン移行部分２５０は、半径が１．５ｍｍであるのが好ましい。ただし、クラウン移行部分２５０に、より小さい半径、またはエッジを使用することもできる。リエントラント部分２６０は、クラウン移行部分２５０をトロイダル部分２７０とつなぐ部分錐面であり、クラウン１８０に対して６３°〜６８°のリエントラント角ＲＡを有する。凹部部分２９０は、半径約９ｍｍで形成された部分球面であり、クラウン１８０からの凹部深さ２９５は約９．４ｍｍである。本実施形態の凹部部分２９０は、約０．１ｃｃの容積Ｖｒを有する。凹部の容積は、式Ｖｒ≧ＫＶｂによって表すこともでき、Ｋは約０．００２の定数である。

クラウン１８０は、図３に最もよく示すように、リング形状であり、クラウン移行部分とクラウン１８０との交点から測定した内径２３０を有する。クラウンの外径２４０は、ランド１６０から測定される。凹部部分２９０は、凹部部分への接線がピストン中心軸に対して垂直である位置で測定した凹部直径２９７を有する。本実施形態では、外径は約１０５ｍｍである。内径２３０対外径２４０の比は、０．６５〜０．７５である。凹部直径２９７対内径２４０の比は約０．０９である。

図４の床部分の大詳細図は、ピストン中心軸１４０を基準として定義される、６５°〜７０°の床角ＦＡを示している。凹部移行部分３００は、床部分２８０を凹部部分２９０とつないでいる。床移行部分３１０は、床部分２８０をトロイダル部分２７０とつないでいる。凹部移行部分３００および床移行部分３１０はともに、３ｍｍ以下の半径で形成することができる。トロイダル部分２７０は半径３２０で形成され、床移行部分３１０をリエントラント部分２６０とつないでいる。この実施形態では、半径３２０は約９ｍｍであり、最大ボウル深さ３３０は約１６．８ｍｍである。

動作時、ピストン４０が下方に移動して、空気などの酸化剤が吸気口１００から吸気弁１２０を通り過ぎて引き込まれる（吸気行程）。吸気口１００は、燃料を燃焼室７０に導入する燃料噴射装置８０が作動する前のある時点で閉じる。ピストン４０は、シリンダヘッド５０の方に移動し、吸気口１００および排気口１１０はともに、それぞれ吸気弁１２０および排気弁１３０によって遮断されるので、ピントン４０は、凹部部分２９０を含む燃焼室７０内で酸化剤を圧縮する（圧縮行程）。ピストン４０はやがて遅くなり始め、シリンダヘッド５０から遠ざかるように方向を変える（働き行程）。燃料噴射装置８０は、ピストン４０が、圧縮行程から働き行程への（上死点位置としても周知の）移行部に近づくと、少なくともある程度の燃料を供給する。

本実施形態では、燃料噴射装置８０は、燃料ジェット部分３４０を、床部分２８０に接触させることなく、トロイダル部分に向けて送出する。一方、燃料プルーム部分３５０は気化し、床部分２８０と接触する。床部分２８０と接触した燃料プルーム部分３５０は、燃焼プロセスを遅らせ、温度上昇速度を遅くし、したがって、ＮＯｘの形成を抑制する。プルーム部分３５０は、床部分２８０に沿ってトロイダル部分２７０に移動し、床移行部分３１０は、トロイダル部分２７０からのさらなる空気が、未燃焼燃料（図示せず）とさらに混合するのを可能にする。このさらなる混合は、未燃焼燃料の燃焼を促進し、すすの形成を抑制する。同様に、リエントラント部分２６０のリエントラント角ＲＡは、空気と未燃焼燃料とのさらなる混合およびすすの酸化を促進する。

圧縮行程時に凹部部分２９０内に保持された空気は、燃料噴射装置８０から出た燃料との混合用のさらなる空気となる。特に、燃料噴射の開始時に、凹部部分２９０により、先端部分９０の近くの空気の運動および量がともに増えて、燃料噴射装置８０の表面温度が下がる。本実施形態は、燃焼温度を約１００Ｋ（１８０Ｒ）だけ下げ、燃料消費を改善する一方で、それでもなお排気規制を満たすために、燃料噴射のタイミングを早めることを可能にする。燃料先端部分９０の近くの燃焼温度を下げることで、先端部分９０の汚損が限定され、噴射装置８０の動作寿命を改善することができる。

本開示の好ましい実施形態が本明細書で説明されたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、改良および修正を組み込むことができる。

Claims (19)

1. 圧縮点火エンジン用のピストンであって、
   外径および内径を有するクラウン部分であって、前記内径対前記外径比が０．６５よりも大きいクラウン部分と、
   前記クラウン部分とつなげられたリエントラント部分であって、約６３°〜６８°のリエントラント角を有するリエントラント部分と、
   リエントラント部分とつなげられ、最大ボウル深さを画定するトロイダル部分と、
   前記トロイダル部分とつなげられた床部分であって、約６５°〜７０°の床角を有する床部分と、
   ピストンの中心軸のまわりに配置され、前記床部分とつなげられ、凹部深さを有する凹部部分であって、前記最大ボウル深さが前記凹部深さよりも大きい凹部部分と、
   を含むピストン。
2. 前記内径対前記外径比は０．７５未満である、請求項１に記載のピストン。
3. 凹部部分は、式Ｖｒ≧ＫＶｂによって定義される凹部容積Ｖｒを有し、Ｋは約０．００２の定数であり、Ｖｂはピストンボウルの容積である、請求項１に記載のピストン。
4. 前記床部分と前記トロイダル部分との間をつなぐ床移行部分をさらに含み、前記床移行部分は半径が約３ｍｍである、請求項３に記載のピストン。
5. クラウンとリエントラント部分との間をつなぐクラウン移行部分をさらに含み、前記クラウン移行部分は半径が約１．５ｍｍである、請求項４に記載のピストン。
6. 凹部部分は部分球面である、請求項１に記載のピストン。
7. 前記凹部部分は凹部直径を有し、凹部直径対前記内径比は約０．０９である、請求項１に記載のピストン。
8. 床部分は、燃料プルーム部分が前記床部分と接触する燃料噴射装置を備えたエンジンで動作するように構成される、請求項１に記載のピストン。
9. 圧縮点火エンジン用のピストンであって、
   外径および内径を有するクラウン部分であって、前記内径対前記外径比が０．６５よりも大きいクラウン部分と、
   前記クラウン部分とつなげられたリエントラント部分と、
   前記リエントラント部分とつなげられ、最大ボウル深さを画定するトロイダル部分と、
   前記トロイダル部分とつなげられた床部分であって、６５°以上の床角を有する床部分と、
   前記床部分とつなげられた凹部移行部分と、
   ピストンの中心軸のまわりに配置され、前記凹部移行部分とつなげられ、凹部深さを有する凹部部分であって、前記最大ボウル深さが前記凹部深さよりも大きい凹部部分と、
   を含むピストン。
10. 床角は７０°以下である、請求項９に記載のピストン。
11. 凹部部分は部分球面である、請求項１０に記載のピストン。
12. 凹部部分は凹部直径を有し、凹部直径対前記内径比は約０．０９である、請求項１１に記載のピストン。
13. 床部分は、噴射角が床角よりも大きい燃料噴射装置を備えたエンジンで動作するように構成される、請求項９に記載のピストン。
14. リエントラント角は約６３°〜約６８°である、請求項９に記載のピストン。
15. 外径が約１０５ｍｍのクラウンをさらに含む、請求項９に記載のピストン。
16. 最大ボウル深さは約１６．８ｍｍである、請求項１５に記載のピストン。
17. 凹部深さは約９．５ｍｍである、請求項１６に記載のピストン。
18. 中ボア圧縮点火エンジン用のピストンであって、
    中心軸と、
    前記中心軸のまわりに配置され、約１０５ｍｍの外径および内径を有するクラウン部分であって、前記内径対前記外径比が約０．６５〜約０．７５であるクラウン部分と、
    前記クラウン部分とつなげられたリエントラント部分であって、約６３°〜６８°のリエントラント角を有するリエントラント部分と、
    リエントラント部分とつなげられ、最大ボウル深さを画定するトロイダル部分と、
    前記トロイダル部分とつなげられた床部分であって、約６５°〜７０°の床角を有する床部分と、
    ピストンの中心軸のまわりに配置され、前記床部分とつなげられ、凹部深さを有する凹部部分であって、部分球面であり、前記最大ボウル深さが前記凹部深さよりも大きく、凹部直径対内径比が約０．０９である、凹部部分と、
    を含むピストン。
19. 凹部部分は、式Ｖｒ≧ＫＶｂによって定義される凹部容積Ｖｒを有し、Ｋは約０．００２の定数であり、Ｖｂはピストンボウルの容積である、請求項１８に記載の中ボア圧縮点火エンジン用のピストン。

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