JP2013525684A - 対向ピストン式エンジン用の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

対向ピストン式エンジン用の燃焼室は、ピストンの対向する端面の円周方向周辺領域の間に画定されるスキッシュ・ゾーンと、端面において１つまたは複数のボウルによって画定されるキャビティと、スキッシュ・ゾーンを通してキャビティの中に半径方向に延在する少なくとも１つの噴射ポートとを含む。キャビティは、スキッシュ・ゾーンからキャビティの中に流れる空気にタンブリング運動を強いる断面形状を有する。

Description

本分野は、内燃機関用の燃焼室である。本分野は、特に、燃焼室がポート付きシリンダのボア内に向かい合って配置されるピストンの端面の間に画定される、対向ピストン式エンジン用の構造を含んでいる。より詳細には、本分野は、ピストンの端面の間でシリンダの中に導入されるチャージエアのタンブリング運動を引き起こす燃焼室構造を有する、対向ピストン式エンジンを含む。

図１のように、対向ピストン式エンジンは、ボア１２を有する少なくとも１つのシリンダ１０と、その中に機械加工または形成される、長手方向に変位される吸気ポート１４および排気ポート１６とを含んでいる。１つまたは複数の燃料噴射器１７が、シリンダの側面を通して開口する噴射器ポート（噴射器が配置されているポート）に固定される。先行技術による２つのピストン２０、２２は、ボア１２内に配置され、それらの端面２０ｅ、２２ｅは、互いに向かい合っている。便宜上、ピストン２０は、吸気ポート１４にそれが近いため「吸気」ピストンと称される。同様に、ピストン２２は、排気ポート１６にそれが近いため「排気」ピストンと称される。

シリンダ１０などの１つまたは複数のポート付きシリンダ（その中に形成される吸気ポートおよび排気ポートのうちの１つまたは複数を有するシリンダ）を有する対向ピストン式エンジンの動作は、よく理解されている。この点について、燃焼に応じて、対向するピストンは、これらがシリンダ１０のそれらの最も奥の位置にあるそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置から遠ざかるように移動する。ＴＤＣから移動しながら、各ピストンは、これらがシリンダのそれらの最も外側の位置にあるそれぞれの下死点（ＢＤＣ）位置に近づくまで、それらの関連するポートを閉鎖しておく。各ピストンは、吸気ポート１４および排気ポート１６が同時に開口し閉鎖するように、同調して移動することができる。あるいは、一方のピストンは、同調して他方のピストンを先導することができ、その場合は、吸気ポートおよび排気ポートは、開口時間および閉鎖時間が異なる。

多くの対向するピストンの構造では、位相オフセットが、ピストンの移動に導入される。たとえば、図１で示されるように、排気ピストンが吸気ピストンを先導し、位相オフセットにより、各ピストンは順番にそれらのＢＤＣ位置を中心に移動することになり、その中で、排気ポート１６は、燃焼ガスが排気ポート１６の中から外へ流れ始めるように吸気ポート１４がまだ閉鎖されている間に、排気ピストン２２がＢＤＣを通って移動すると開口する。各ピストンが互いから遠ざかるように移動し続けると、吸気ピストン２０がＢＤＣを通って移動し、排気ポート１６がまだ開口している間に、吸気ポート１４は開口することになる。加圧空気のチャージは、開いた吸気ポート１４を通してシリンダ１０の中に押し込まれ、排気ガスを排気ポート１６を通してシリンダの中から外へ追いやる。図１で見られるように、各ピストンのさらなる移動の後に、排気ポート１６は、吸気ピストン２０がＢＤＣから遠ざかるように引き続き移動している間に、吸気ポート１４よりも前に閉鎖する。通常、新鮮な空気のチャージは、吸気ポート１４の傾斜した開口を通過するにつれて旋回させられる。図１を参照して、旋回運動（または単に、「スワール」）３０は、シリンダの長手方向軸線を中心として循環し、かつシリンダ１０のボアを通して長手方向に移動する、チャージエアの略螺旋状の運動である。図２によれば、ピストン２０、２２はＴＤＣに向かって移動し続け、吸気ポート１４が閉鎖され、シリンダに残っている旋回チャージエアは、端面２０ｅおよび２２ｅの間で圧縮される。各ピストンがシリンダ・ボアのそれらのそれぞれのＴＤＣ位置に近づくと、燃料４０が、ピストンの端面２０ｅと端面２２ｅとの間で、圧縮されたチャージエア３０の中に噴射される。噴射が継続しながら、ピストン２０および２２がそれらのそれぞれのＴＤＣ位置を通って移動すると、空気および燃料の旋回混合気は、端面２０ｅと端面２２ｅとの間に画定される燃焼室３２でますます圧縮される。混合気が点火温度に達すると、燃料は燃焼室で点火し、その結果、各ピストンをそれらのそれぞれのＢＤＣ位置に向かって別々に追いやる。

乱流は、燃料噴射が開始する際にチャージエアの運動の望ましい特徴である。乱流は、別様に生じるであろうよりもさらに完全でさらに均一な点火ができるように、燃料とのチャージエアの混合を促進する。吸気ポート開口の幾何学的形状および対向ピストン式エンジンのシリンダは、排気ガスの除去（掃気）とチャージエアの乱流との両方を促進するチャージエアの強い旋回運動を発生させるための、非常に有効なプラットフォームを形成する。しかし、スワールによって支配されるチャージエアの運動は、燃焼中に望ましくない影響をもたらす場合がある。たとえば、平坦なピストンの端面の間に画定される円筒形燃焼室内の燃焼中に、スワールは、シリンダ・ボアに向かって火炎を押し進め、その結果、（比較的）より冷たいシリンダ壁による熱損失をもたらす。スワールのより高い速度ベクトルがシリンダ壁の近くに生じ、これは、熱損失について最悪のシナリオ、すなわちシリンダ壁に熱を伝達しかつエンジンの熱効率を低下させる速度を有する、高温ガスを生成する。また、ピストンの端面の周縁部は、比較的高い熱負荷を受け入れ、それにより、潤滑油が高いエンジン温度において分解すると、ピストン／シリンダの界面に残っているオイル・コークスの固形残渣の形成がもたらされる。したがって、この種の対向ピストン式エンジンでは、スワールによってもたらされる望ましくない影響を軽減しながら、噴射が開始する際にチャージエアの乱流を維持することが望ましい。

ある対向ピストン式燃焼室構造では、乱流は、燃焼室の周縁部からシリンダの軸線に向かうシリンダの半径方向へのスキッシュ流によって引き起こされる。スキッシュ流は、ピストンの端面の周縁部での比較的高圧領域から、少なくとも１つのピストンの端面に形成されるボウルによって作り出されるより低圧の領域への圧縮空気の移動によって作り出される。スキッシュ流は、燃焼室内のチャージエアの乱流を促進する。たとえば、米国特許第６，１７０，４４３号明細書は、相補形の端面構造を有する一対の対向するピストンを有するシリンダを開示している。１つの端面に形成される円形凹状陥没部は、そのピストンの軸線に対して対称であり、その中心の点の方へ立ち上がる。対向する端面の周縁部は、半トロイダル形状の（半ドーナツ形の）トレンチが形成されるその中央に凸面形状を有する。各ピストンがＴＤＣに近づくと、これらは、シリンダの長手方向軸線上で心出しされる概ねトロイダル形状の燃焼室を画定する。燃焼室は、凹面形状と凸面形状との間に画定される円周方向スキッシュ・バンドによって取り囲まれる。各ピストンがＴＤＣに近づくと、スキッシュ・バンドは、トロイダル形状のトレンチの中に内部に方向付けられるスキッシュ流を作り出し、「上死点近くの高強度のスワール」を発生する。米国特許第６，１７０，４４３号明細書のコラム１９、ライン２５〜２７を参照されたい。燃料は、ボアの半径方向にトロイダル（toridal）形状の燃焼室の中に噴射される。

燃焼室のチャージエアの乱流を増大させると、空気／燃料混合の有効性が増大する。スワールまたはスキッシュ流だけによってチャージエアの運動を支配すると、一定のレベルの乱流が本当に実現される。それにもかかわらず、チャージエアのさらに多くの乱流を引き起こし、それによって、スワールまたはスキッシュだけで獲得し得るよりもより良好な空気／燃料混合を実現するために、噴射が開始する際にチャージエアの運動の追加の要素を作り出すことが望ましい。

米国特許第６，１７０，４４３号明細書

上記で説明した目的に関して完成された発明の態様は、スワールおよびスキッシュに加えてチャージエアの運動成分を作り出す燃焼室を画定するピストンの端面を有することである。

上記で説明した目的に関して完成された発明の他の態様は、燃焼室内にチャージエアの運動に１つまたは複数のタンブリング成分を生成するように、スキッシュおよびスワールと相互に作用する燃焼室を画定するピストンの端面を有することである。

タンブリング運動は、シリンダの長手方向軸線に対して直角であり、かつそれを横切って循環するチャージエアの回転移動であることが好ましい。タンブリング運動は、シリンダ・ボアの直径の周りに循環するチャージエアの循環であることが好ましい。

好ましい構造では、対向する端面の間に画定される燃焼室は、シリンダ・ボアに対して斜めに向けられた少なくとも１つのスキッシュ流路を画定するスキッシュ・ゾーンによって界接される。燃焼室は、少なくとも１つのピストンの端面に形成されるボウルによって画定されることが好ましい。いくつかの例では、ボウルは、クラム・シェル形状である。他の例では、ボウルは、細長いテーパ状のシリンダの形状を有する。いくつかの態様では、ボウルは、概ね細長い楕円形状を有する。

他の好ましい構造では、燃焼室は、ＴＤＣにおいて対向するピストンの端面によって画定され、一方のピストンの端面は、ピストンの長手方向軸線上で心出しされる円周方向領域と円周方向領域内のボウルとを有し、他方のピストンの端面は平坦である。燃焼室は、クラム・シェル形状であることが好ましい。

他の好ましい構造では、燃焼室は、対向するピストンの端面の間で画定され、各ピストンの端面は、ピストンの長手方向軸線上で心出しされる円周方向領域と、円周方向領域内のボウルとを有し、このボウルは、円周方向接触領域を含む平面からピストンの内部に向かって内方へ湾曲する第１の部分と、ピストンの内部から円周方向接触領域を含む平面を通って外に向かって湾曲する第２の部分とで凹面を画定する。燃焼室は、細長い楕円体の形状を有することが好ましい。

更に他の好ましい構造では、ピストンがそれぞれのＴＤＣ位置に向かって移動すると、ピストンの端面の間に細長い楕円形状を有する燃焼室を形成することと、燃焼室の長軸に対して斜めに向けられた方向を有するチャージエアのスキッシュ流を作り出すことと、スキッシュ流および旋回チャージエアに応じて燃焼室にチャージエアの少なくとも１つのタンブリング運動を発生させることと、燃焼室の中に燃料を噴射することとによって、長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、シリンダのボア内で往復運動できるように向かい合って配置される一対のピストンとを含む、内燃機関を運転する方法が提供される。

それぞれの下死点位置近くに先行技術の対向するピストンを有する、対向ピストン式エンジンのシリンダの側断面一部概略図であり、「先行技術（Ｐｒｉｏｒ Ａｒｔ）」と適切に標記された図である。

ピストンの平坦な端面が先行技術の燃焼室を画定するそれぞれの上死点位置近くに先行技術の対向するピストンを有する、図１のシリンダの側断面一部概略図であり、「先行技術」と適切に標記された図である。

ピストンの端面が第１の燃焼室構造を画定する、一対の対向するピストンの側面概略図である。

その中に形成されたボウルを有する端面を示す、図３のピストンのうちの１つの端面図である。

一対のピストンの端面が第２の燃焼室構造を画定するように形成される、一対のピストンのうちのそれぞれのピストンの立面透視図である。 一対のピストンの端面が第２の燃焼室構造を画定するように形成される、一対のピストンのうちのそれぞれのピストンの立面透視図である。

図５および図６による一対のピストンを含む対向ピストン式エンジンの作動シーケンスを示す側断面図である。 図５および図６による一対のピストンを含む対向ピストン式エンジンの作動シーケンスを示す側断面図である。 図５および図６による一対のピストンを含む対向ピストン式エンジンの作動シーケンスを示す側断面図である。

第２の燃焼室構造をより大きく詳細に示す、図９の一部の拡大図である。

その中に形成されるボウルを有するピストンの端面と燃料噴射のパターンとを示す、図５のピストンの端面図である。

一対のピストンの同一の端面が第３の燃焼室構造を画定するように形成される、一対のピストンのうちの１つのピストンの立面透視図である。

一対の図１１によるピストンを含む、対向ピストン式エンジンの作動シーケンスを示す側断面図である。 一対の図１１によるピストンを含む、対向ピストン式エンジンの作動シーケンスを示す側断面図である。 一対の図１１によるピストンを含む、対向ピストン式エンジンの作動シーケンスを示す側断面図である。

第３の燃焼室構造をより大きく詳細に示す、図１４の一部の拡大図である。

第３の燃焼室構造内のスキッシュおよびタンブル空気流示す、図１５Ａの拡大図である。

その中に形成されるボウルを有する端面と燃料噴射のパターンとを示す、図１１のピストンのうちの１つの端面図である。

スワールのない端面とスキッシュ流との間の相互作用を示す、図１６のピストンの端面図の略図である。 スワールのある端面とスキッシュ流との間の相互作用を示す、図１６のピストンの端面図の略図である。

説明される燃焼室構造に関して、内燃機関は、長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを含み、たとえば、図１および図２に示されるシリンダ１０を参照されたい。一対のピストンが、シリンダのボア内に向かい合って配置され、燃焼室構造は、各ピストンが上死点位置に向かって移動するにつれてピストンの対向する端面の間に画定される。円周方向領域は、端面のそれぞれに周縁部を画定する。燃焼室は、端面の間に画定されるキャビティを含み、燃料が噴射される少なくとも１つの開口（以下「噴射ポート」）を有し、この開口は、少なくとも概ねシリンダの半径方向に延在し、キャビティの中に開口する。

内燃機関の作動中に、各ピストンがＴＤＣに近づくと、１つまたは複数のスキッシュ・ゾーンが、ボアの直径方向に対して斜めに向けられた少なくとも１つの方向に、燃焼室の中へ圧縮空気の流れ（「スキッシュ流」と呼ばれる）を方向付ける。このプロセスは、「スキッシュの生成（ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｑｕｉｓｈ）」と呼ばれる。スキッシュを生成する端面の一部は、スキッシュ面と呼ばれ、スキッシュ面の間に画定される径路は、スキッシュ径路と呼ばれる。スキッシュ流は、燃焼室キャビティ内で１つまたは複数の湾曲面によって一方に逸らされ、または向け直されてキャビティ内で循環する少なくとも１つのタンブル運動をする。

次に述べる説明では、「燃料」は、対向ピストン式エンジンで使用され得る任意の燃料である。燃料は、比較的均質な組成物、または配合物であり得る。たとえば、燃料は、ディーゼル燃料、または圧縮点火によって点火される任意の他の燃料であり得る。さらに、本説明では、空気／燃料混合気の圧縮から生じる点火について熟考しているが、圧縮点火を助けるように、グロー・プラグなどの追加の機構を設けることが望ましい場合がある。本説明では、対向するピストンがＴＤＣ位置に、またはそれの近くにある場合に、燃焼室内の圧縮ガスの中への燃料の噴射について熟考している。ガスは、加圧された周囲空気であることが好ましいが、これは、排気ガスや他の希釈剤などの他の成分を含むことができる。任意のこのような場合に、ガスは「チャージエア」と呼ばれる。

第１の燃焼室構造：図３は、各ピストンがそれぞれのＴＤＣ位置に近づく時に第１の燃焼室構造を画定する端面を有する一対の対向するピストンの概略図である。各ピストンが配置されるシリンダは、各ピストンの軸線が同一線上にある軸線によって表されている。燃焼室は、シリンダの軸線を横切って湾曲するタンブリング運動を引き起こすように形成される１つのピストンの端面を含む。この構造は、端面の間の湾曲したキャビティがスキッシュ・ゾーンの中央に向かって流れる空気を向け直してタンブリング運動にする、スキッシュ・ゾーンを含む。キャビティは、ピストンのうちの１つの端面の一部に形成されるボウルによって画定され、そのピストンは吸気ピストンであることが好ましいが、必然的なものではない。端面の平坦な周辺部分はボウルを取り囲む。噴射ポートは、周辺部分を通してボウルの中に開口する。噴射ポートは、ピストンに対して半径方向に方向付けられることが好ましいが、必然的なものではない。対向するピストン（好ましくは、排気ピストン）は、平坦な、本質的に平面の端面を有する。空気は、ピストンの端面の平坦部の間で圧縮され、その結果、シリンダの半径方向に、ボウルの中へ移動する圧縮空気の高速のスキッシュ流を生じる。スキッシュ流の一部は、ボウルの湾曲面に沿って半径方向から一方に逸らされ、またはそれから向け直されて、燃焼室内にシリンダの軸線を横切って循環するタンブル流を発生させる。燃料がタンブリング空気の移動によって運ばれ得るように、燃料は、タンブル運動と同じ方向に噴射されることが好ましい。チャージエアが、吸気ポート（図示せず）を通してシリンダに入る時に最初に旋回される場合には、燃焼室内のチャージエアの運動は、スワール、スキッシュ、およびタンブルの要素を含んでいる。

図３では、吸気ピストン１０５および排気ピストン１０６は、軸線１３５を有するシリンダ内のそれぞれのＴＤＣ位置に、またはそれの近くにある。図４のように、吸気ピストン１０５は、不規則な形状の、非円形のボウル１２０が形成される端面１１０を有する。いくつかの態様では、ボウル１２０は、クラム・シェルの形状を有する。ボウル１２０は、噴射ポートを構成するノッチ１３０が形成される端面１１０の周辺部分に向かってオフセットされる。ボウル１２０は、幅が変化する大きな平坦な周面領域１４０によって実質的に取り囲まれる。ボウルは、表面領域１４０を含む平面からピストン１０５の内部に向かって、内方へ湾曲する凹面１２１を有する。凹面は、非対称である。より詳細には、図３に見られるように、凹面１２１は、ノッチ１３０の近くの第１のレベルから、第１のレベルよりもピストンの中により深い、ピストンの中央の近くの第２のレベルまで移行する横断面がフック状の形状を有し、次いで、ノッチ１３０の方向に後方に湾曲するアンダーカット部１２２を通ってリップ１２３に至るまで折り返す。排気ピストン１０６の端面１１１は、本質的に平面であり、いかなるボウルもない。

さらに図３を参照して、ピストン１０５および１０６がそれらのそれぞれのＴＤＣ位置に近づくと、シリンダ内の空気は、端面１１０と端面１１１との間の収縮空間内で圧縮され、シリンダの軸線１３５に向かって半径方向スキッシュ流に引き込まれる。半径方向に移動するスキッシュ流がボウル１２０に入ると、これは、湾曲したボウル表面１２１に出会う。湾曲したボウル表面１２１は、半径方向に移動するスキッシュ流を半径方向に対して斜めに向けられた方向に向け直す。今や斜めに向けられたスキッシュ流がシリンダ軸線１３５を横切ると、これは、アンダーカット部１２２の鋭い後ろ向き湾曲に出会い、空気が軸線１３５を横切って横断方向に循環するタンブリング運動１３６を与えるリップ１２３に向かって後方に曲がる。燃料は、ノッチ１３０を介してタンブリング空気の中に噴射される。スキッシュ隙間（ｄ）、すなわち、ＴＤＣでのピストンの端面の平坦領域の間の距離は、非常に小さいことが望ましく、たとえば、本願発明者らは、スキッシュ隙間が０．２ｍｍから０．５ｍｍの端面を設計している。非常に小さなスキッシュ隙間により、非常に高い速度、ならびに噴射の開始時および噴射中に所望のタンブルを発生するエネルギー・レベルで、圧縮空気がボウル１２０の中に押し込まれる。

第２の燃焼室構造：図５〜図９、図９Ａ、および図１０は、第２の燃焼室構造を示しており、スキッシュ面領域は、第１の構造よりも燃料およびガスの一層完全な混合を容易にするために比較的より大きなスキッシュ流速を可能にしかつ比較的より強いスキッシュ流の運動を引き起こすように、第１の構造のスキッシュ面領域に対して増加される。キャビティは、対向するピストンの端面に形成される凹面を有するボウルの間に形成される。この点について、突出側面を有するボウルが、対向するピストンのそれぞれの端面に形成され、各ピストンは、互いに向かい合ってボウルの凹面／凸面を相補的に配置するように、シリンダ内で回転して方向付けられる。相補形の凹面／凸面部分は、シリンダの直径方向に関して異なる方向に斜めに向けられたスキッシュ径路を画定する。これらの２つの端面の間に画定される燃焼室キャビティは、各端部に向かって先細りになる、細長く不規則な形状のシリンダであることが好ましいが、必然的なものではない。燃焼室の閉じられた、連続して湾曲した幾何学的形状、および向い合せに斜めに向けられたスキッシュ流は、シリンダ軸線を横切って循環するタンブル運動を引き起こし、持続させる。本願発明者らは、この燃焼室構造が第１の構造よりも最大３．５倍のより高いタンブル比を与え得ることを計算している。

第２の構造では、噴射ポートは、燃焼室の周縁部に沿って配置され、燃焼室の長軸に対して概ね横断方向に方向付けられ、その結果、多数の穴を有する噴射器ノズルによって生成され得る幅広のスプレー配列を可能にする。噴射ポートは、長軸に対して少なくとも概ね半径方向、または垂直に方向付けられることが好ましい。

図５では、吸気ピストン１８０は、ピストン１８０の長手方向軸線上で心出しされる平坦な円周方向領域１８４を持つ端面１８２を有する。平坦な円周方向領域１８４は、端面１８２の周縁部を画定する。ボウル１８６は、周縁部内に形成される。ボウル１８６は、平坦な周辺領域１８４を含む平面からピストン１８０の内部に向かって内方へ湾曲する第１の部分１９０と、ピストンの内部から平坦な周辺領域１８４を含む平面を通って外に向かって湾曲する第２の部分１９２とを有する凹面１８８を有する。ノッチ１９４は、周縁部を通り抜けてボウル１８６の中に半径方向に延在する。端面１８２は、平坦な円周方向領域１８４を含む平面から外に向かって湾曲する周縁部内に凸面１９５をさらに含む。凸面１９５は、端面１８２から外に向かって突出するリッジ１９６を形成するように、凹面１８８の第２の部分１９２に出会う。

図６のように、排気ピストン２００は、ピストン２００の長手方向軸線上で心出しされる平坦な円周方向領域２０４を持つ端面２０２を有する。平坦な円周方向領域２０４は、端面２０２の周縁部を画定する。ボウル２０６は、周縁部内に形成される。ボウル２０６は、ピストン２００の長手方向軸線からオフセットされる。ボウル２０６は、平坦な円周方向領域２０４を含む平面からピストン２００の内部に向かって内方へ湾曲する第１の部分２１０と、ピストンの内部から平坦な円周方向領域２０４を含む平面を通って外に向かって湾曲する第２の部分２１２とを有する凹面２０８を有する。端面２０２は、平坦な円周方向領域２０４を含む平面から外に向かって湾曲する周縁部内に凸面２１５をさらに含む。凸面２１５は、端面２０２から外に向かって突出するリッジ２１６を形成するように、凹面２０８の第２の部分２１２に出会う。ノッチ２１４は、周縁部およびリッジ２１６を通り抜けてボウル２０６の中に延在する。

図５に見られるリッジ１９６は、図６に見られるリッジ２１６が排気ピストンの端面２０２に対するよりも、吸気ピストンの端面１８２に対して実質的により高い。また、リッジ１９６は、リッジ２１６がピストン２００の軸線に対するよりも、ピストン１８０の中心軸に対してそれ以上に中心に配置される。これらの非対称性が、スキッシュ・ゾーンと、幾分非対称な形状である第２の構造の燃焼室とを与えている。

以下、図７を参照して、２つのピストン１８０および２００が、シリンダ２２０内でそれぞれのＢＤＣ位置に、またはそれの近くに示されている。各ピストンは、互いにノッチ１９４、２１４を整列させるように、シリンダ２２０のボア内に回転して方向付けられる。排気生成物がシリンダの中から外へ排気ポート２２６を通って流れると、空気が、吸気ポート２２４を通ってシリンダ２２０の中に方向付けられる。図８のように、各ピストンがＢＤＣからＴＤＣに向かって移動すると、ポートが閉鎖され、シリンダ内の空気は、端面１８２と端面２０２との間でますます圧縮される。図８、図９、および図９Ａを参照して、各ピストンがＴＤＣに近づくと、圧縮空気は、リッジ１９６の凸面１９５と凹面部２１０との間で押し潰され、また、リッジ２１６の凸面２１５と凹面部１９０との間で押し潰される。押し潰された空気は、端面１８２と端面２０２との間に画定される燃焼室空間２４０の中に流れ、そこで、これは、凹面部１９２および２１２によって一方に逸らされてタンブル運動２２８をする。図９および図９Ａから明らかなように、ピストン１８０および２００がそれぞれのＴＤＣ位置を通って移動すると、表面１９６および２１６は対向する凹面部２１０および１９０と噛み合い、燃焼室空間２４０を不規則なシリンダ形状の空間とする。

図９Ａ、および図１０に見られるように、ノッチ１９４および２１４によって画定される噴射ポートは、燃焼室空間２４０の周縁部に沿って配置され、ピストンに対して概ね半径方向に、または燃焼室の「長軸」２４２に対して横断方向に方向付けられ、その結果、噴射器ノズル２５０によって生成される幅広の噴霧プルーム２４８を可能にする。噴射ポートは、ピストン１８０および２００に対して半径方向に、または長軸２４２に対して垂直に方向付けられることが好ましい。噴射器ノズル２５０によって燃焼室空間２４０の中に噴射される燃料２４８は、凹面部１９２によって一方に逸らされてタンブリング空気を有する混合気になり、したがって、空気／燃料混合気を、十分に燃焼室空間２４０の内部に、かつシリンダ壁から遠ざかるようにしておく。

第３の燃焼室構造：図１１〜図１４、図１５Ａ，図１５Ｂ、および図１６は、対向するピストン・エンジンのポート付きシリンダに配置される対向するピストンの、相補形の端面構造によって画定される第３の燃焼室構造を示している。第３の燃焼室構造は、第１および第２の構造が行うよりも比較的より大きなスキッシュ流速を可能にし、かつ比較的より強いスキッシュ流の運動を引き起こすように、第１の構造および第２の構造の両方のスキッシュ領域よりもより大きなスキッシュ面領域によって界接される。同一の概ね対称なボウルが、対向するピストンの端面に形成され、各ピストンは、スキッシュ・ゾーンのスキッシュ面領域を最大化するために、向かい合ってボウルの相補形の湾曲面を配置するように回転して方向付けられる。

各ピストンの端面構造は、凹面を画定するボウルを取り囲む周縁部を有する。凹面は、周縁面を含む平面から遠ざかるようにピストンの内部に向かって湾曲する第１の部分と、第１の部分から遠ざかるように湾曲しかつ平面から幾分外に向かって突出する第２の部分とを含む。ボウルの向こう側の凸面は、周縁部から遠ざかるように湾曲し、平面から外に向かって突出している。凸面は、それと共にリッジを形成するように、凹面の第２の部分に出会う。ボウルは、半楕円形状を有することが好ましいが、必然的なものではない。端面構造は、両方のピストンに設けられ、各ピストンは、ポート付きシリンダのボア内に配置され、それらの端面は、燃焼室を画定するために、向かい合って端面構造の相補形の湾曲面を配置するように方向付けられる。これらの２つの端面の間に画定される燃焼室空間は、細長い楕円体のシリンダであり、またはそれに非常に類似しており、その結果、タンブル運動を補強し持続させるように概ね対称な幾何学的形状となることが好ましいが、必然的なものではない。この燃焼室構造は第２の構造のタンブル比の２倍のタンブル比を可能にすると推定されている。第３の構造では、少なくとも１つのポートが燃焼室の長軸に配置されることが望ましい。

第３の構造を画定するピストンの端面の構造は、本質的に互いに同一であり、したがって、図１１に示されるピストン２８０は、吸気ピストンと排気ピストンの両方を表している。ピストン２８０は、端面２８２を有する。ピストン２８０の長手方向軸線上で心出しされる平坦な円周方向領域２８４は、端面２８２の周縁部を画定する。ボウル２８６は、周縁部内に形成される。ボウル２８６は、平坦な円周方向領域２８４を含む平面からピストン２８０の内部に向かって内方へ湾曲する第１の部分２９０と、ピストンの内部から平面を通って外に向かって湾曲する第２の部分２９２とを有する凹面２８８を有する。端面２８２は、平面から外に向かって湾曲する周縁部内に凸面２９５をさらに含む。凸面２９５は、端面２８２から外に向かって突出するリッジ２９６を形成するように、凹面２８８の第２の部分２９２に出会う。少なくとも１つのノッチ２９４が周縁部を通り抜けてボウル２８６の中に延在し、２つの整列されたノッチ２９４が設けられることが好ましい。

次いで図１２〜図１４を参照して、図１１のように形成される端面を有する２つのピストン２８０が、ポート付きシリンダ２２０内に、それぞれのＢＤＣ位置に、またはそれの近くに示されている。７７７各ピストンは、補完時に端面を整列させるように、シリンダ２２０のボア内に回転して方向付けられており、すなわち、一方のピストン２８０の凹面部２９０は、他方のピストンの凸面２９５に面している。排気生成物がシリンダの中から外へ排気ポート２２６を通って流れると、チャージエアは、吸気ポート２２４を通ってシリンダの中に押し込まれる。掃気および空気／燃料混合のために、チャージエアは、吸気ポート２２４を通過するにつれて旋回させられる。図１３のようにＢＤＣからＴＤＣに向かって各ピストン２８０が移動すると、吸気ポート２２４および排気ポート２２６は、閉鎖し、旋回チャージエアは、端面２８２の間でますます圧縮される。図１５Ａおよび図１５Ｂを参照して、各ピストン２８０がＴＤＣに近づくと、圧縮空気は、端面の周縁部から凹面２９０ー凸面２９５の対の間に画定されるスキッシュ径路２９９を通して流れる。これらのスキッシュ空気流は、端面のボウルの間に画定されるキャビティを有する燃焼室３００の中に流れる。同時に、シリンダの長手方向軸線により近くの圧縮されたチャージエアは、引き続き旋回する。各ピストン２８０がそれらのそれぞれのＴＤＣ位置を通って移動すると、対向する凹面２９０−凸面２９５は、燃焼室キャビティが細長い、概ね楕円形状となるように、互いにぴったり合う。端面２８２のノッチ２９４の対向する対（図１１を参照されたい）は、楕円形状の対向する極位置において燃焼室３００の中に開口する噴射ポート３０３を画定する（図１５Ａを参照）。図１６のように、細長い、楕円形状は、対向する極位置の間に延在する長軸３０２を有する。換言すれば、噴射ポート３０３は、長軸３０２に沿って整列される。

端面２８２とチャージエアとの間の相互作用が、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されている。図１７Ａは、チャージエアのスワールのない燃焼室３００の中へのスキッシュ流を示し、図１７Ｂは、いかにスキッシュ流が影響を及ぼし、スワールにより影響を及ぼされるかを示している。各ピストンがＴＤＣに向かって移動すると、（対向する凹面２９０−凸面２９５の対の間の）スキッシュ領域は、チャージエアのスキッシュ流を燃焼室３００の中央領域に方向付ける高圧を局部的に生じる。この点について、図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１７Ａを参照して、噴射の開始時に、各ピストンがそれらのそれぞれのＴＤＣ位置の近くにある場合には、凹面２９０−凸面２９５の対は、スキッシュ流３４１、３４２を燃焼室３００の中に発生させる。図１５Ｂに示されるように、これらのスキッシュ流は、長軸３０２に対して反対に方向付けられ、平行で、かつ斜めに向けられる。この空間的関係により、スキッシュ流が外に向かって方向付けられる端面部２９２に出会うとタンブリング運動３４３が発生する。この点について、タンブリング運動は、シリンダの長手方向軸線を少なくとも概ね横断する燃焼室内のチャージエアの循環運動であり、タンブリング運動３４３に関しては、循環は、長軸３０２を概ね中心としている。図１７Ｂのように、スワール３４７がチャージエアの運動に加えられると、その強さに応じて、旋回運動は、燃焼室領域３４８内でスキッシュ流に対抗しまたはそれに打ち勝ち、燃焼室領域３４９の間の界面においてスキッシュ流を高める。これらのスワールとスキッシュの相互作用は、スキッシュ流だけが行うよりも長軸３０２を中心とした一層激しいタンブリング運動を発生させる。モデリングは、初期のスワールの強さが増加されると、ＴＤＣの近くに引き起こされるこのタンブリング運動の強さもまた増加することを示している。さらに、燃焼室３００内のピストンの端面とのスワールとスキッシュの相互作用は、長軸に対して直角である軸線を中心として第２のタンブリング運動を引き起こす。たとえば、この種の軸線は、細長い楕円形状の赤道直径に対応し、またはそれに概ね平行である。したがって、噴射の開始時に、燃焼室３００内のチャージエアの乱れた運動は、スワール成分、入ってくるスキッシュ流、および直角なタンブル軸線を中心としたタンブル成分を含む。

図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１６を参照して、燃料２４８は、対向する噴射器２５０によって燃焼室空間３００内のタンブリング空気の中に噴射される。第３の構造によれば、燃焼室は、シリンダおよびピストンの長手方向軸線に関して本質的に心出しされる。各ピストンがＴＤＣの近くにある場合には、少なくとも一対の整列されたノッチ２９４が、燃焼室キャビティ３００の中に開口する少なくとも１つの噴射ポート３０３を画定する。少なくとも１つの噴射ポート３０３は、燃料プルーム２４８が対向する凹面部２９２の間に閉じ込められ、かつこの凹面部２９２によって案内されるように、燃焼室の１つの端部に、またはそれの近くに配置され、それの長軸３０２と同心にされる。２つの噴射ポートは、燃焼室キャビティ３００の各端部に設けられ、それの長軸と同心にされ、燃料は、２つの対向する噴射器２５０から噴射ポートを通して噴射されることが好ましい。

いくつかの態様では、少なくとも１つの燃料の噴霧を細長い楕円形状を有する燃焼室の中に噴射することが望ましい。しかし、一対の対向する燃料の噴霧を、スワールとスキッシュの相互作用によって燃焼室内に発生される乱れたチャージエアの運動の中に噴射することが好ましく、そこでは、対向する噴霧は、燃焼室内で出会い、乱流のため圧縮されたチャージエアと十分に混合される燃料の雲を形成する。図１６を参照して、図は、シリンダ２２０の長手方向中心点での、またはそれに近くの断面図であり、その位置がおよび目に見えないピストンの端面が燃焼室３００を画定する位置で、ボア内に配置されるピストンの端面２８２に向かってシリンダのボア２２１の中を直接見たものである。シリンダの軸線は、参照符号２２３によって示されている。第３の構造によれば、燃焼室３００は、シリンダの軸線２２３に関して長手方向に本質的に心出しされる。燃料噴射器２５０は、噴射器ポート２６５に配置されるそれらのノズル・チップ２５１と共に配置される。各噴射器のノズル・チップは、燃料２４８がそれぞれの噴射器ポートを通して燃焼室３００の中に噴射される１つまたは複数の穴を有する。各噴射器チップ２５１は、燃焼室３００の中央部分の中へ、楕円体燃焼室３００の長軸３０２に沿って噴射ポート３０３と同心にされ、かつそれを通して移動する燃料２４８を末広がりのパターンで噴霧することが好ましい。燃料の対向する噴霧パターンは、燃焼室３００内で乱れた空気の運動の中に噴射されることが好ましい。いくつかの態様では、対向する噴霧パターンは、燃焼室の中央で、またはそれの近くで出会い、スワール、スキッシュ、およびタンブル成分を含む複雑な乱れた運動を有するチャージエアで混合される燃料液滴の雲を形成する。燃料噴射器２５０は、それらの軸線Ａが互いに、かつボア２２１の直径方向に一直線になるように配置されることが好ましいが、必然的なものではない。これにより、噴射器チップは、長軸３０２と同心にされるシリンダ２２０の直径に沿って向かい合って方向付けられることになる。

上に図示され、説明された燃焼室構造は、シリンダの中に押し込まれる空気のチャージにスワールを強いる、対向ピストン式燃焼−点火エンジンに利用されることが意図される。それにもかかわらず、燃焼室構造は、チャージエアを旋回させないそれらの対向ピストン式燃焼−点火エンジンに利用され得る。

ピストンおよび関連するシリンダは、鋳物および／または金属材料を機械加工することによって製造される。たとえば、ピストンは、ピストンの端面が形成されるクラウンに組み立てられるスカートから構成され得る。さらなる例としてであるが、他の材料を含まずに、クラウンは、４１−４０または４３−４０などの高炭素鋼を含むことができ、スカートは、４０３２−Ｔ６５１アルミニウムを用いて形成され得る。このような場合には、シリンダは、鋳鉄組成物を含むことが好ましい。

好ましい構造を参照して本発明を説明したが、さまざまな変更例が、本発明の趣旨を逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。したがって、本発明は、次に述べる特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (37)

1. 長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのボア内に互いに向かい合って配置される一対のピストンとを含む内燃機関用の燃焼室構造であって、前記ピストンの対向する端面の周辺領域の間に画定されるスキッシュ・ゾーンと、前記端面の間に画定される細長いキャビティと、前記スキッシュ・ゾーンを通して前記キャビティの中に延在する少なくとも１つの噴射ポートとを含む、燃焼室構造。
2. 前記キャビティが、第１の端面のボウルと第２の端面の平坦面との間に画定される、請求項１に記載の燃焼室構造。
3. 前記ボウルが、クラム・シェル形状を有する、請求項２に記載の燃焼室構造。
4. 前記キャビティが、第１の端面のボウルと第２の端面のボウルとの間に画定される、請求項１に記載の燃焼室構造。
5. 各ピストンの前記ボウルが、前記ピストンの内部向かって前記端面から内方へ湾曲する第１の部分と、前記端面から外に向かって突出する第２の部分とを有する凹面を画定するボウルである、請求項４に記載の燃焼室構造。
6. 前記キャビティが、概ね細長い楕円形状を有する、請求項５に記載の燃焼室構造。
7. 前記少なくとも１つの噴射ポートが、スキッシュ・ゾーンを通して概ね半径方向に延在する、請求項１に記載の燃焼室構造。
8. 長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのボア内に互いに向かい合って配置される一対のピストンとを含む内燃機関であって、燃焼室が、前記ピストンの対向する端面の間に画定され、前記ピストンのうちの少なくとも１つの端面が、前記端面の周縁部を画定する円周方向領域と周縁部内のボウルとを有し、前記ボウルが、前記円周方向接触領域を含む平面から前記ピストンの内部に向かって内方へ湾曲する第１の部分と、前記ピストンの内部から前記円周方向接触領域を含む平面を通って外に向かって湾曲する第２の部分とを有する凹面を画定する、内燃機関。
9. 各ボウルが、概ね半楕円形状を有する、請求項８に記載の内燃機関。
10. 前記対向するピストンは、前記ピストンが前記ボア内でそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置の近くにある場合に、細長い楕円形状を有する燃焼室が前記ボウルの間に画定されように、前記ボア内に方向付けられる、請求項８に記載の内燃機関。
11. 少なくとも１つの噴射器ポートが、前記燃焼室の長軸上の位置において前記シリンダに設けられる、請求項１０に記載の内燃機関。
12. 前記対向するピストンは、前記各ピストンがそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置の近くにある場合に細長いテーパ状のシリンダの形状を有する燃焼室がボウルの間に画定され、かつ少なくとも１つの噴射ポートが前記燃焼室の長軸を横断する線上で前記シリンダに設けられるように、前記ボア内に方向付けられる、請求項８に記載の内燃機関。
13. 前記噴射器ポートが、前記燃焼室の長軸に対して概ね垂直な線上で前記シリンダに設けられる、請求項１２に記載の内燃機関。
14. 各端面が、前記周縁部内に、前記円周方向接触領域を含む前記平面から外に向かって湾曲する、凸面をさらに含み、前記凸面が、リッジを形成するように前記凹面の第２の部分に出会う、請求項８に記載の内燃機関。
15. 前記対向するピストンは、前記各ピストンが前記ボア内でそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置の近くにある場合に各ピストンの端面の凸面が、他のピストンの凹面の第２の部分でスキッシュ・ゾーンを画定するように、前記ボア内に方向付けられる、請求項１４に記載の内燃機関。
16. 前記ピストンが前記ボア内でそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置の近くにある場合に、各スキッシュ・ゾーンの対向する凹面部分および凸面部分が、前記ボウルの間で画定されるキャビティに向かってスキッシュ流を生じる、請求項１５に記載の内燃機関。
17. 少なくとも１つの噴射器ポートが、前記キャビティの長軸上の位置において前記シリンダに設けられる、請求項１６に記載の内燃機関。
18. 少なくとも１つの噴射器ポートが、前記キャビティの長手方向軸線を横断する線上で前記シリンダに設けられる、請求項１６に記載の内燃機関。
19. 前記噴射器ポートが、前記キャビティの長手方向軸線に対して概ね垂直な線上で前記シリンダに設けられる、請求項１８に記載の内燃機関。
20. 対向するピストンの端面で燃焼室を画定するための端面を有するピストンであって、前記端面が、前記端面の周縁部および前記周縁部内のボウルを画定するように、前記ピストンの長手方向軸線上で心出しされる円周方向領域を有し、前記ボウルが、前記円周方向接触領域を含む平面から前記ピストンの内部に向かって内方へ湾曲する第１の部分と、前記ピストンの内部から前記平面を通して外に向かって湾曲する第２の部分とで凹面を画定する、ピストン。
21. 前記端面が、前記周縁部内に、前記円周方向接触領域を含む平面から外に向かって湾曲する、凸面をさらに含み、前記凸面が、リッジを形成するように前記凹面の前記第２の部分に出会う、請求項２０に記載のピストン。
22. 前記ボウルが、半楕円形状を有する、請求項２０に記載のピストン。
23. 少なくとも１つのノッチが、前記ボウルの長軸上の位置において前記周縁部に設けられる、請求項２１に記載のピストン。
24. 少なくとも１つのノッチが、前記ボウルの長軸を横断する線上で前記周縁部に設けられる、請求項２１に記載のピストン。
25. 前記ノッチが、概ね半楕円形状の前記長手方向軸線に対して概ね垂直な線上で前記周縁部に設けられる、請求項２４に記載のピストン。
26. 長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのボア内に互いに向かい合って配置される一対のピストンとを含む内燃機関を運転する方法であって、前記ピストンが前記ボア内でそれぞれの下死点位置から移動するにつれて前記吸気ポートを通して前記ボアの中に空気を導入することと、前記ピストンが前記ボア内でそれぞれの上死点位置に向かって移動すると、前記ピストンの対向する端面の間で空気の充填時にタンブリング運動を引き起こすことと、燃焼室の中に燃料のチャージを噴射することとによって、運転する方法。
27. 細長い楕円形状を有する燃焼室を画定するように、共に向き合った前記ピストンの端面上の前記対向するボウルを移動させることを含む、請求項２６に記載の方法。
28. 空気の前記チャージの中に燃料のチャージを噴射することが、前記燃焼室の長軸に沿って前記燃料を噴射することを含む、請求項２６に記載の方法。
29. 空気の前記チャージの中に燃料のチャージを噴射することが、前記燃焼室の長軸を横切って前記燃料を噴射することを含む、請求項２６に記載の方法。
30. 空気の前記チャージの中に燃料のチャージを噴射することが、前記長軸に垂直に前記燃料を噴射することを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 旋回運動が、前記ボアの中に導入される前記空気に強いられる、請求項２６に記載の方法。
32. 長軸を有する細長い楕円形状を有する燃焼室を画定するように、共に向き合った前記ピストンの端面で前記対向するボウルを移動させることを含む、請求項３１に記載の方法。
33. 空気の前記チャージの中に燃料のチャージを噴射することが、前記長軸に沿って前記燃料を噴射することを含む、請求項３２に記載の方法。
34. 長手方向に離間された排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのボア内で往復運動できるように向かい合って配置される一対のピストンとを含む内燃機関を運転する方法であって、前記ピストンが前記ボア内でそれぞれの上死点位置に向かって移動すると、前記ピストンの端面の間に細長い楕円形状を有する燃焼室を形成することと、前記細長い楕円形状の長軸に対して斜めに向けられた方向に前記燃焼室の中にチャージエアのスキッシュ流を形成することと、前記スキッシュ流および旋回チャージエアに応じて前記燃焼室内にチャージエアの少なくとも１つのタンブリング運動を発生させることと、前記燃焼室の中に燃料を噴射することとによって、運転する方法。
35. 前記燃焼室の中に燃料のチャージを噴射することが、前記長軸に沿って前記燃料を噴射することを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 少なくとも１つのタンブリング運動を発生させることが、長軸の周りに第１のタンブリング運動を発生させることと、前記長軸に直交する軸の周りに第２のタンブリング運動を発生させることとを含む、請求項３４に記載の方法。
37. 前記燃焼室の中に燃料のチャージを噴射することが、前記長軸に沿って燃料の対向する噴霧を噴射することを含む、請求項３４に記載の方法。

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