JP2014517195A - 対向ピストンエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

対向ピストンエンジンは、ポート加工されたシリンダと、シリンダの孔を往復するように配置される一対のピストンを含む。ピストンが孔における互いの上死点（ＴＤＣ）の位置に近接すると、燃焼室は対向する成形されたピストン端面によって定められる。掃気の終了時に、燃焼室における給気運動で乱流を発生させるために、ピストンの成形された端面は旋回と相互作用し、追加的なバルク運動にはタンブルが含まれる。燃料は燃焼室の主軸に沿って、乱流給気運動に向かって噴射される。
【選択図】図５Ａ

Description

本分野は内燃エンジンの燃焼室に関する。特に、本分野は、ポート加工されたシリンダの孔に対向して配置されるピストン端面の間に燃焼室が定められる、対向ピストンエンジン（ｏｐｐｏｓｅｄ−ｐｉｓｔｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）構造を含む。より具体的には、本分野は、ピストン端面間でシリンダに取り込まれる給気のタンブル運動を作り出す燃焼室構造を有する対向ピストンエンジンを含む。

図１によれば、対向ピストンエンジンは、孔（ボア）１２を有する少なくとも１つのシリンダ１０と、縦方向に配置され、そこに機械加工又形成された吸気ポートおよび排気ポート１４及び１６を含む。１以上の燃料インジェクタ（燃料噴射装置）１７が、シリンダ側面を通して開口するインジェクタポート（インジェクタが設置されているポート）に固定されている。先行技術によると、２つのピストン２０、２２は孔１２に配置され、それらの端面２０ｅ、２２ｅがそれぞれ対向している。便宜上、ピストン２０は給気ポート１４と近接していることから、「給気」ピストンと称する。同様に、ピストン２２は排気ポート１６と近接していることから、「排気」ピストンと称する。

シリンダ１０のような、１又は複数のポートシリンダ（１又は複数の給気ポート及び排気ポートがそこに形成されたシリンダ）を有する対向ピストンエンジンがよく知られている。この点において、燃焼に応答して対向ピストンがシリンダ１０の最内部に位置するそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置から離れる。ＴＤＣから移動する間、ピストンは、シリンダの最外部に位置するそれぞれの下死点（ＢＤＣ）位置に到達するまで、それらに関連するポートを閉じたままにする。ピストンが同時に移動することにより、給気ポート及び排気ポート１４、１６が揃って開閉することができる。あるいは、一方のピストンが他方を導くこともでき、この場合、給気ポート及び排気ポートは異なる回数で開閉する。

多くの対向ピストン構造では、位相オフセットがピストン運動に導入されている。例えば、排気ピストンが給気ピストンを導くと仮定すると、位相オフセットによりピストンが連続してＢＤＣ位置の周囲を移動する。ここで、給気ポート１４が閉塞される間、排気ピストン２２がＢＤＣを通って移動して、排気ポート１６が開く。これにより、燃焼ガスは排気ポート１６から流出し始める。ピストンは互いに離れるよう移動し続けるため、給気ピストン２０はＢＤＣを通って移動し、それにより、排気ポート１６が開放されている間、給気ポート１４が開放した状態となる。圧縮空気が開放された給気ポート１４を通じてシリンダ１０に強制的に給気され、それにより排気ポート１６を通じて排気ガスがシリンダの外に排出される。図１に示すように、さらなるピストン運動の後、給気ピストン２０がＢＤＣから離れるよう移動し続けても、排気ポート１６が給気ポート１４よりも先に閉じる。典型的には、外気の給気は、給気ポート１４の傾斜した開口部を通過するため、渦状となる。図１を参照すると、渦（旋回）運動（あるいは単純に「渦（Ｓｗｉｒｌ）」）は、一般的に、シリンダ縦軸の周囲を円運動し、シリンダ１０の孔を縦方向に移動する給気のらせん運動である。図２によれば、ピストン２０、２２がＴＤＣに向かって移動し続けると、給気ポート１４が閉塞され、シリンダ内に残っている渦状の給気が端面２０ｅ及び２２ｅの間で圧縮される。ピストンがシリンダ孔の各ＴＤＣの位置に近づくと、燃料４０がピストンの端面２０ｅ、２２ｅの間で圧縮給気３０に対して噴射される。噴射が継続される一方、空気及び燃料の渦状混合体は、ピストン２０、２２がそれらの各ＴＤＣ位置を通って移動する際に端面２０ｅ及び２２ｅの間で定められる燃焼室３２内で次第に圧縮される。混合体が点火温度に達すると、燃料が燃焼室内で点火し、ピストンをそれらの各ＢＤＣ位置に向けて引き離させる。

給気ポートの開口部及び対向ピストンエンジンのシリンダの配置は、排気ガスの除去（掃気）及び燃料の空気に対する運動（空気と燃料との混合）の両方を促進する、渦状の給気の強力なバルク流体運動を生成するための、極めて効果的なプラットフォーム（ｐｌａｔｆｏｒｍ）を提供する。しかしながら、渦に支配される給気運動は、燃焼時に望ましくない結果を生み出す虞がある。例えば、平坦なピストン端面の間に定められる筒状燃焼室内での燃焼中に、シリンダ孔に向かって渦が炎を押しやり、結果として（相対的に）より温度の低いシリンダ壁への熱損失を生じる。渦の高速度ベクトルはシリンダ壁付近で発生し、熱損失の最悪なシナリオであるが、シリンダ壁に伝熱するとともにエンジンの熱効率を低下させる速度で高温ガスを提供する。ピストン端面外縁もまた、相対的に高温の負荷を受ける。これにより、潤滑油が高いエンジン温度において分解されるときに、ピストン／シリンダ界面に残留するオイルコークスの固形残留物を形成する。従って、該対向ピストンエンジンでは、噴射を開始するときに、燃焼の開始時に望ましくない影響を最小限に抑えながら、渦状の給気を維持することが求められている。

燃料噴射が開始するとき、燃料及び空気のより均質的な混合を促進させるために、給気運動における乱気流を起こすことが望ましい。これは同時に、より完全且つ均一な点火を作り出す。

いくつかの対向ピストン燃焼室構造では、給気の乱気流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）がシリンダの半径方向における燃焼室の周囲からシリンダの軸に向かうスキッシュ流（ｓｑｕｉｓｈ ｆｌｏｗ）により作り出される。スキッシュ流は、ピストン端面外縁の比較的に高圧な領域から、少なくとも１つのピストン端面に形成された窪み（ボウル部）によって生成された低圧領域に向かう圧縮空気の動きによって発生する。スキッシュ流は燃焼室の給気の乱気流を促進させる。例えば、米国特許第６，１７０，４４３号は相補的な端面構造を有する一対の対向ピストンのシリンダを開示している。一方の端面に形成された円状凹形の窪みはピストン軸に対して対称であり、中央部で隆起している。対向する端面の外周は、中央に半トロイダル型（半ドーナツ型）の溝が形成された凸形状を有している。ピストンがＴＤＣに接近すると、シリンダの縦軸を中心とする略トロイダル型の燃焼室が定められる。燃焼室は凹形と凸形の表面形状の間で定められた外周スキッシュバンド（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｑｕｉｓｈ ｂａｎｄ）によって包囲される。ピストンがＴＤＣに接近すると、スキッシュバンドはトロイダル型溝の内方に向かうスキッシュ流を発生させ、「上死点近傍の強渦流（ａ ｓｗｉｒｌ ｏｆ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｎｅａｒ ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）」を形成する。米国特許第６，１７０，４４３号の１９欄、２５〜２７行目を参照のこと。燃料はトロイダル型燃焼室内に孔の放射（半径）方向に噴射される。

より均一な空気及び燃料の混合体を作り出すように、燃料室における給気の乱気流を増加させることが望ましい。渦又はスキッシュ流単独による給気運動の支配は、一定のレベルの乱気流を達成する。それにもかかわらず、給気にさらなる乱気流を付加するためには、噴射を開始する際、追加の給気要素を創出することが望ましい。それにより、渦又はスキッシュ単独で得られるよりも良好な空気／燃料混合が可能となる。

上記の課題を克服した発明の形態は、渦及びスキッシュに加えて給気運動の構成要素を生成する燃焼室をピストン端面が定めることを含む。好ましくは、追加の給気構成要素は、タンブル（ｔｕｍｂｌｅ）運動を含んでいる。

上記の課題を克服した本発明の別形態は、燃焼室における給気運動において、１又は複数のタンブル構成要素を形成するように、スキッシュ及び渦が相互作用する燃焼室をピストン端面が定めることを含んでいる。好ましくは、タンブルは、シリンダ孔の直径周囲を回転する給気の運動である。

好ましい構造では、タンブルは、細長い（長手状の）形状の燃焼室で構成される対向ピストンエンジン内で形成され、該細長い形状は、ピストンがＴＤＣに近接するときにピストンの対向端面の間に定められる双方向のテーパー形状を有する。

第１の好ましい構造では、一対の対向ピストンは、相補的に対向する端面を有している。一方の端面に形成された窪み（ボウル）は、対向する端面の略凸部を受ける略凹部を有する。凸部内に形成された細長い割れ目が端面の直径方向に延び、断面視で対称に曲線を描き、幅広の中央部から幅狭い端部へ双方向にテーパーとなる平面（ｉｎ ｐｌａｎ）略楕円形状を有し、ピストンがＴＤＣに近接するときに窪みの凹部で細長いテーパー状の燃焼室を定める。

第２の好ましい構造では、一対の対向ピストンは、相補的に対応する端面を有している。ピストン端面は実質的に構造が同一であり、各々が細長い楕円形の主軸の各側に配置された第１及び第２の領域に分離された４つの四分円（ｑｕａｄｒａｎｔ）を含む。各領域は、端面外縁からピストン内部に向かって内側に湾曲した第１四分円と、端面外縁から外側に突出した第２四分円を有する。そして、第１部分の第１及び第２領域が第２部分の第１及び第２領域に向かい合うように、これら領域が構成される。ピストンがＴＤＣに近接するときに端面が相補状態で整合し、略楕円形の燃焼室を定めるように、ピストン端面が回転式にシリンダ孔に配向される。

図１は先行技術を使用した、対向ピストンが各下死点に近接する対向エンジンのシリンダの部分概略側断面図である。「先行技術」と明記されている。

図２は先行技術を使用した、対向ピストンが各上死点に近接する図１のシリンダの部分概略側断面図であり、ピストンの平らな端面が燃焼室を定める。「先行技術」と明記されている。

図３Ａ及び３Ｂはそれぞれ第１燃焼室構造を定める一対の相補型ピストン端面のうち、第１ピストンの端面の端面図及び斜視図である。

図３Ｃ及び３Ｄはそれぞれ第１燃焼室構造を定める一対の相補形ピストンの端面のうち、第２ピストンの端面の端面図及び斜視図である。

図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃは図３Ａ〜３Ｄに従った一対のピストンを含む対向ピストンエンジンの動作順序を表す側断面図である。

図５Ａはより詳細な第１燃焼室構造を表す図４Ｃの部分拡大図である。図５Ｂは燃焼室内のスキッシュ流及びタンブル流を表す図５Ａと同様の図である。

図６は細長の割れ目が形成された凸端面と、細長いテーパー状の燃焼室における燃料噴射パターンとを表した、図３Ｃ及び３Ｄのピストンの端面図である。

図７Ａ及び７Ｂは図６のピストン端面図の略図であり、渦のない状態（図７Ａ）及び渦のある状態（図７Ｂ）における端面及びスキッシュ流間の相互作用を表す。

図８Ａ及び８Ｂはそれぞれ第２ピストンの端面構造の平面図及び斜視図であり、第２燃焼室構造を定めるように形成される同一のピストン端面を表す。

図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃは、図８Ａから８Ｄに従った、端面を有する一対のピストンを含む対向ピストンエンジンの動作順序を表す部分概略側断面図である。

図１０は、タンブル気流を含むより詳細な第２燃焼室構造を表す図９Ｃの部分拡大図である。

図１１は、図８Ａに従った、端面を有するピストンの端面図であり、各ピストン端面は細長い楕円形の主軸の各側に配置された第１及び第２の領域と、楕円形の燃焼室における燃料噴射のパターンとを表す。

図１２Ａ及び１２Ｂは図１１のピストン端面図の略図であり、渦のない状態（図１２Ａ）及び渦のある状態（図１２Ｂ）における端面及びスキッシュ流間の相互作用を表す。

ここに説明される構造では、内燃エンジンは、シリンダ側壁に形成又は機械加工された、縦方向に分離された排気ポート及び給気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを含む。一対のピストンがシリンダ孔に対向配置され、ピストンが各ＴＤＣに移動するときに対向する端面間に燃焼室が定められる。外周エリアは端面の各々の外縁を定める。燃焼室構造は、少なくとも面内において、楕円を含む細長い溝状の（対向するピストンの端面によって規定される）孔にキャビティ（空洞）又は空間を含んでいる。細長い燃焼室の形状は、シリンダの直径方向に延び、長手方向における「主（ｍａｊｏｒ）」軸と、空間の中央セクションの「短（ｍｉｎｏｒ）」軸とを有し、主軸は短軸よりも長い。燃焼室は、主軸に沿って整列するとともに空洞に向かって開口する、燃料を噴射するための少なくとも１つの開口部（以下、「インジェクションポート（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｏｒｔ）」）を有する。好ましくは、燃焼室は、主軸に沿って整列するとともにキャビティに向かって開口する２つのインジェクションポートを有する。

内燃エンジンの作動中、ピストンがＴＤＣに近づくと、１又は複数のスキッシュゾーン（ｓｑｕｉｓｈ ｚｏｎｅｓ）が、圧縮空気の流れ（「スキッシュ流（ｓｑｕｉｓｈ ｆｌｏｗ）」）を、孔の直径方向に傾いた少なくとも１つの方向で燃焼室に誘導する。この工程は「スキッシュの生成」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、スキッシュ面間に定められるチャネルはスキッシュチャネルと呼ばれる。スキッシュ流は、燃焼室の１又は複数の湾曲面によって、キャビティ内を周回（円運動）する、少なくとも１つのタンブル運動に向けて偏向又は方向転換される。

ここに説明される構造の各々は、ピストンがＴＤＣに向かって移動すると、ピストン端面による排気の最後に起こるシリンダ内の渦流の相互作用により、噴射開始時に燃焼室内に様々なバルク流体運動を生み出す。給気の角運動量全体の大きさは、圧縮中にピストン端面の相互作用により減少するが、端面形状がタンブル軸の周囲にトルクを適用すると共に、空気／燃料混合体を中央に位置する燃料室内に閉じ込めるメカニズムをもたらす。これにより、ピストンがＴＤＣに近づくときに初期の渦を同時に修正してタンブル運動を生成する。

以下の記載において、「燃料」は対向ピストンエンジンで使用可能な任意の燃料を意味する。燃料は比較的均一な組成、又は混合でもよい。例えば、燃料はディーゼル燃料又は圧縮点火によって点火可能なその他の燃料でもよい。さらに、説明には空気／燃料混合体の圧縮による点火が含まれてもよい。しかしながら、グロープラグのような圧縮点火を補助する追加のメカニズムを備えることが好ましい。説明には、対向するピストンがＴＤＣの位置にあるとき又はＴＤＣに近い位置にあるとき、燃焼室内の圧縮ガスに燃料を噴射することが含まれてもよい。好ましくは、ガスは加圧された外気である。しかしながら、排気ガス又は他の希釈ガスのような他の成分を含んでもよい。いかなる場合にも、ガスは「給気（ｃｈａｒｇｅ ａｉｒ）」と呼ばれる。

（第１燃焼室構造）
図３Ａ〜３Ｄは、対向ピストンエンジンのポート加工されたシリンダ内の第１燃焼室構造を定めるための、相補ピストン端面構造のピストン冠（クラウン部）を示している。一方のピストン冠は、ピストン冠が取り付けられた又は形成されたピストンの外縁から内部方向に湾曲した凹面を規定する窪みを囲む外縁を含む端面構造を有する。他方のピストン冠は、ピストン冠が取り付けられた又は形成されたピストンの内側から外部方向に突き出た凸面を囲む外縁を含み、細長い割れ目がピストンの直径方向に延びている端面構造を有する。凹面が凸面を受け入れ、その中に燃焼室を定めるように細長（長手状）の割れ目が凸面に適合する。好ましくは、これら２つの端面の間で定められた燃焼室空間は、細長の楕円形の形態又は細長の楕円形に極めて近い形態であり、タンブル運動を強化及び維持するように略対称の配置（ジオメトリ）を提供する。

第１燃焼室構造は、図３Ａから３Ｄに示される相補形状を有する対向ピストンの端面間に定められる。図３Ａ及び３Ｂのように、ピストン冠は、第１端面の外縁１８１を定める平坦な外周エリアを含む、平面に一般的な外周（円周）構造を有する第１ピストン端面１８２ａを含む。外縁１８１は一般的な凹部１８３を構成する窪みを包囲する。直径方向に対向するノッチ（切り欠き）１８４が外縁１８１及び窪みの外部に形成される。図３Ｃ及び３Ｄのように、ピストン冠は、第２端面の外縁１８５を定める平坦な外周エリアを含む、平面に一般的な外周構造を有する第２ピストン端面１８２ｂを有する。外縁１８５は、細長の割れ目１８８が形成される一般的な凸部１８６を包囲する。図３Ｃのように、細長の割れ目は平面（視）で楕円を形成している。細長の割れ目１８８は第２端面１８２ｂの直径と同一線上の主軸１８７を有する。細長の割れ目１８８は主軸１８７に対して左右対称である。外縁１８５に形成された直径方向に対向するノッチ１８９が主軸１８７に沿って整列するとともに割れ目部１８８に向かって開口している。

次に図４Ａを参照すると、第１及び第２端面１８２ａ、１８２ｂを有するピストン冠を含む２つのピストン１８０ａ及び１８０ｂが、ポート加工されたシリンダ１２０内の各ＢＤＣ位置付近に示されている。端面１８２ａ及び１８２ｂが相補状態で整合するように、ピストンがシリンダ１２０の孔の内部で回転式に配向される。すなわち、端面１８２ａのノッチ１８４が端面１８２ｂのノッチ１８９と整合し、各ノッチ対１８４、１８９がシリンダ１２０の側壁に開口したインジェクタポート１６５と整列して配置される。給気が給気ポート１２４を通じてシリンダ１２０に流入し、排気物が排気ポート１２６を通じてシリンダの外に流出する。掃気及び空気／燃料混合を目的として、給気が給気ポート１２４を通過するときに渦が生成される。図４Ｂに示されるように、ピストン１８０ａ及び１８０ｂがＢＤＣからＴＤＣに向かって移動するときに、給気ポート１２４及び排気ポート１２６が閉塞され、旋回する給気が端面１８２ａと１８２ｂとの間でより一層圧縮される。図４Ｃ及び５Ａを参照すると、ピストン１８０ａ及び１８０ｂがＴＤＣに近づくと、燃焼室２００が端面１８２ａ及び１８２ｂの間に定められる。燃焼室２００は、凹面１８３の中央部と細長の割れ目１８８との間に定められるキャビティを有する。ピストン１８０ａ及び１８０ｂがそれぞれのＴＤＣの地点を進むと、対向する凹面部１８３及び凸面部１８６が互いに嵌合し、燃焼室２００の空間に細長の双方向テーパー形状をもたらす。

図５Ａ及び６のように、燃焼室キャビティは、細長の割れ目（トレンチ）１８８を覆う凹型のドーム状カバー１８３から成り、断面視左右対称に湾曲し、且つ、幅広の中央部からより幅狭の端部へと左右対称且つ双方向テーパーとなる、平面で楕円形状を有する。燃焼室は、シリンダ１２０の直径と共線的な主軸２０２上で、直径方向に対向する外縁位置の間で延在する。燃焼室２００の狭小の各端部において、外縁１８１及び１８５の対向する一対のノッチ１８４、１８９が燃焼室２００へのインジェクションポート２０３を定める。

図５Ｂに示されるように、ピストン１８０ａ、１８０ｂがＴＤＣに近づくと、圧縮された給気が端面外縁から、凹面部１８３及び凸面部１８６の間に定められる対向及び湾曲したスキッシュ領域を通して流れる。同時に、シリンダ１２０の長軸１２３により近い圧縮空気が旋回し続ける。渦及びスキッシュ流の相互作用は、燃料室２００の両端にタンブルを発生させる。タンブルは符番２１６で表されている。それぞれのタンブル構成要素は主軸２０２の周囲を回転する運動を有する。つまり、タンブルはシリンダ１２０の直径の周りを円運動し、主軸と共線的である。

端面及び給気の間の相互作用は図７Ａ及び７Ｂで図示されている。図７Ａは、給気の渦を伴わずに、スキッシュ流２１２、２１４が燃焼室２００へと流入したことを表す。図７Ｂは、どのようにスキッシュ流２１２及び２１４が影響を与え、且つ、どのように旋回２１７によって影響されるかを示している。ピストンがＴＤＣに向かって移動すると、スキッシュ領域（図５Ｂに示されるように、対向する凹面部１８３と凸面部１８６との間の領域）が、給気のスキッシュ流を燃焼室２００の中央領域に方向付ける局所的高圧を発生させる。このように、図５Ａ、７Ａを参照すると、噴射開始時にピストン１８０ａ及び１８０ｂがそれぞれのＴＤＣ位置に近接している場合、凹面部１８３及び凸面部１８６が燃焼室２００内にスキッシュ流２１２、２１４を発生させる。図５Ｂに示されるように、これらスキッシュ流は互いに対向している。図７Ｂを参照すると、渦２１７が給気運動に加えられ、渦運動は、その強度に依存するが、燃焼室領域２１８のスキッシュ流に対抗（反作用）し、又は、乗り越え、燃焼室領域２１９の間の界面でスキッシュ流を強化する。これらの渦＋（プラス）スキッシュの相互作用が主軸２０２周囲に各反転タンブル運動（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｒｏｔａｔｉｎｇ ｔｕｍｂｌｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）を発生させる。すなわち、一方のタンブルがＣＷを回転させる場合、他方がＣＣＷを回転させる。各タンブル運動は、燃焼室２００の各端部近傍に位置する。給気は燃焼室２００の中央部において旋回し続ける。

すなわち、旋回する給気に応答して、第１燃焼室構造が燃焼室の各端部でタンブルを発生させる。燃焼室の各端部でのタンブル流は逆方向であるので、全体的な効果として、中央燃焼室全体にゼロネットタンブル（ｚｅｒｏ ｎｅｔ ｔｕｍｂｌｅ）の反転タンブル流が発生する。

図５Ａ及び６を参照すると、燃料１４８は対向するインジェクタ１５０によって燃焼室空間２００の給気内に噴射される。第１構造によると、燃焼室は本質的にシリンダ１２０及びピストン１８０ａ、１８０ｂの長軸を中心に配置される。ピストン１８０ａ及び１８０ｂがＴＤＣに近接すると、少なくとも一対の整列するノッチ１８４、１８９が燃焼室キャビティ２００に開口する少なくとも１つのインジェクションポート２０３を定める。少なくとも１つのインジェクションポート２０３は、燃焼室２００の一端又はその近傍に位置し、その主軸２０２と整列され、それにより燃料プルーム（ｆｕｅｌ ｐｌｕｍｅ）１４８が燃焼室に閉じ込められる。好ましくは、２つのインジェクションポート２０３が、主軸２０２に整列されて、燃焼室キャビティ２００の各端部に提供され、燃料が２つの対向インジェクタ１５０からインジェクションポートを通して噴射される。

いくつかの形態では、細長のテーパー形状を有する燃焼室に少なくとも１の燃料スプレーを噴射することが望ましい。しかしながら、渦＋スキッシュの相互作用により燃焼室内で発生する乱流バルク空気運動（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｂｕｌｋ ａｉｒ ｍｏｔｉｏｎ）に、一対の対向方向の燃料スプレーを噴射することが好ましい。この対向スプレーは燃焼室内でぶつかり、乱流により圧縮給気と十分に混合される燃料クラウド（気塊、雲体）を形成する。図６はシリンダ１２０の縦（長手）方向の中間又は中間近傍での断面図であり、孔内部で、ピストン端面１８２ｂと、この図では見えないピストン端面１８２ａとが燃焼室２００を定める位置に配置される際のピストン端面１８２ｂの方向に、シリンダの孔１２１を正面から見た図である。第１構造によると、燃焼室２００は本質的にシリンダ軸１２３に対して縦方向の中央部分に位置する。燃料インジェクタ１５０は、そのノズルチップ（先端部）１５１がインジェクタポート１６５に配置されるように位置する。各インジェクタノズルチップは、１又は複数の孔を有し、該孔を通して、燃料１４８が各インジェクタポートから燃焼室２００内に噴射される。好ましくは、細長のテーパー状の燃焼室２００の主軸２０２に沿って、インジェクションポート２０３と整列すると共にインジェクションポート２０３を経由する発散パターン（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ）で、各インジェクタチップ１５１が燃焼室の中央部に燃料１４８をスプレー（噴霧）する。好ましくは、燃料の対向スプレーパターンは、燃焼室２００の乱流空気運動に向かって噴射される。いくつかの形態では、対向スプレーパターンは燃焼室の中央部又は中央部近傍でぶつかり、渦及びタンブル構成要素を含む複雑な乱流運動を有する給気と混合されたクラウドを形成する。好ましくは、必須ではないが、軸Ａが互いに（直線上に）整列すると共に孔１２１の直径方向と（直線上に）整列するように、燃料インジェクタ１５０が配置される。これにより、インジェクタチップは、主軸２０２と整列するシリンダ１２０の直径に沿って、対向するように配置される。

（第２燃焼室構造）
図８Ａ及び８Ｂは、細長の楕円形を有する第２燃焼室構造の仕組みを規定するピストン端面を有するピストン冠を示している。燃焼室は、対向ピストンエンジンのポート加工されたシリンダに配置された対向ピストンの相補的な端面構造により定められる。一般的に左右対称の同一構造が対向ピストンの各端面に形成されており、ピストンは、面の相補的形状（特徴）を対向して配置するように、回転して配向される。

ピストン冠は図８Ａ及び８Ｂで示されるピストン端面の構造を有する。ピストン端面３８２は、細長い楕円形状の主軸３８５の各側方に配置された第１領域３８４ａ及び第２領域３８４ｂに分離された４つの四分円を含み、各領域は、ピストン冠が取付又は形成されたピストン内部に向かって端面の外縁３８８から内側に湾曲した第１四分円３８７と、端面の外縁３８８から外側に突出した第２四分円３８９とを有する。該領域は、第１領域３８４ａの第１及び第２四分円と第２領域３８４ｂの第１及び第２四分円とが向かい合うように配置される。端面３８２の外縁に形成された対向するノッチ３９０が主軸３８５に整列している。

図９Ａによると、端面３８２が配置されるピストン２８０は、端面を相補的に整合させるように、シリンダ２２０の孔２２１内で回転式に配向される。すなわち、一方の端面３８２の第１及び第２四分円と、他方の端面３８２の第１及び第２四分円とが向かい合う。給気が給気ポート２２４を通じてシリンダに流入され、一方で排気物は排気ポート２２６を通じてシリンダの外に流出される。掃気及び空気／燃料混合を目的として、給気が給気ポート２２４を通過すると、渦が生成される。図９Ｂに示されるように、ピストン２８０がＢＤＣからＴＤＣに向かって移動すると、給気ポート２２４及び排気ポート２２６が閉塞されると共に、旋回する給気が端面３８２でより一層圧縮される。図９Ｂ及び９Ｃを参照すれば、ピストン２８０がＴＤＣに近づくと、一対の凹凸面３８７、３８９の間に定められるスキッシュチャネル３９９を通して、端面外縁から圧縮空気が流れる（図８Ａ及び８Ｂが最も的確に表している）。これらスキッシュ気流は、端面３８２間に定められるキャビティを有する燃焼室４００に流入する。同時に、シリンダの縦軸付近の圧縮給気が旋回し続ける。ピストン２８０がそれぞれのＴＤＣ位置を通過すると、対向する凹面部３８７及び凸面部３８９が互いに嵌合し、燃焼室キャビティに細長の略楕円形状を与える。端面３８２内で対向する切込み３９０対は、燃焼室４００内に開口するインジェクションポート４０３を楕円形の両極位置に定める。図１１によると、燃焼室４００の直径方向に対向する端部のインジェクションポート４０３が、燃焼室４００の主軸４０２に沿って整列される。

図１０によれば、ピストン２８０がＴＤＣに近づくと、端面外縁から圧縮空気が燃焼室４００内に流れ込む。同時に、シリンダ２２０の縦軸２２３により近い圧縮給気が旋回し続ける。渦及びスキッシュ流の相互作用は、燃料室４００の両端にタンブルを発生させる。タンブルは符番４１６で表されている。それぞれのタンブル構成要素は主軸４０２の周囲を回転する運動を有する。つまり、タンブル構成要素は、シリンダ２２０の直径周囲を円運動し、主軸と共線的である。

端面３８２及び給気の間の相互作用が図１２Ａ及び１２Ｂに示されている。図１２Ａは、給気の渦を伴わずに、燃焼室４００へと流入するスキッシュ流を表す。図１２Ｂは、どのようにスキッシュ流が影響を与え、且つ、どのように渦によって影響されるかについて示している。ピストンがＴＤＣに向かって移動すると、スキッシュ領域（図８Ａ及び８Ｂに示されるように、一対の対向する凹面部３８７と凸面部３８９の間の領域）が、給気のスキッシュ流を燃焼室４００の中央領域へ方向付ける局所的高圧を形成する。このように、図１０及び１２Ａを参照すると、噴射開始時、ピストンがそれぞれのＴＤＣ位置に近接している場合、凹凸面部の対が燃焼室４００内にスキッシュ流４４１、４４２を発生させる。これらのスキッシュ流は互いに対向している。図１２Ｂによれば、スキッシュ気流４４１及び４４２が、燃焼室４００のキャビティへと曲がり、それらは反対方向に回転する傾向がある。図１２Ｂを参照すると、渦４１７が給気運動に付加されると、渦運動は、その強度に依存するが、燃焼室領域４１８のスキッシュ流に対抗（反作用）し、又は、乗り越え、燃焼室領域４１９の間の界面におけるスキッシュ流を強化する。これらの渦＋スキッシュ相互作用は、主軸４０２周囲にそれぞれ反転タンブル運動を発生させる。すなわち、一方のタンブルがＣＷを回転させると、他方がＣＣＷを回転させる。各タンブル運動は、燃焼室４００の各端部付近に位置する。給気は燃焼室４００の中央部で旋回し続ける。

すなわち、旋回する給気に応答して、２つの相補的な隣接する四分円のスキッシュ流により、第２燃焼室構造は燃焼室の各端部でタンブルを形成する。タンブル流は反対方向に円運動するので、全体的な効果として、中央燃焼室全体にゼロネットタンブルの反転タンブル流を形成する。

図１０及び１１を参照すると、燃料２４８は、対向するインジェクタ２５０によって、燃焼室空間４００の給気内に噴射される。第２構造によると、燃焼室は本質的にはシリンダ及びピストンの長軸を中心に配置される。ピストンがＴＤＣに近接すると、少なくとも一対の整列したノッチ３９０が、燃焼室キャビティ４００に開口する少なくとも１つのインジェクションポート４０３を定める。少なくとも１つのインジェクションポート４０３は、主軸４０２と（直線上に）整列され、燃焼室４００の一端又はその近傍に位置し、これにより、燃料プルーム２４８が燃焼室の対向する両側部の間に閉じ込められると共に燃焼室の対向する両側部によって導かれる。好ましくは、インジェクションポート４０３が燃焼室キャビティ４００の各端部に提供され、主軸４０２に整列され、燃料が２つの対向するインジェクタ２５０からインジェクションポートを通して噴射される。

いくつかの形態では、細長の略楕円形を有する燃焼室内に少なくとも１の燃料スプレーを噴射ことが望ましい。しかしながら、渦＋スキッシュ相互作用によって燃焼室内に発生する乱流給気運動に、一対の対向する燃料スプレーを噴射することが好ましい。そこでは、対向スプレーが燃焼室内でぶつかり、乱流によって圧縮給気に良好に混合された燃料のクラウドを形成する。図１１はシリンダ２２０の縦方向の中間又は中間付近における断面図であり、孔の内部で、ピストン端面３８２と、この図では見えないピストン端面とが燃焼室４００を定める位置に配置される際のピストン端面３８２の方向に、シリンダの孔２２１を正面から見た図である。第２構造によると、燃焼室４００は本質的にシリンダ軸２２３に対して縦方向の中央に位置する。燃料インジェクタ２５０は、そのノズルチップ２５１がインジェクタポート２６５に配置されるように位置する。各インジェクタノズルチップは、１又は複数の孔を有し、該孔を通して燃料２４８が各インジェクタポートから燃料室４００内に噴射される。好ましくは、楕円状の燃焼室４００の主軸４０２に沿って、インジェクションポート４０３と（一直線に）整列し、且つ、インジェクションポート４０３を経由する発散パターンで、各インジェクタチップ２５１が燃焼室４００の中央部に燃料２４８をスプレーする。好ましくは、燃料の対向スプレーパターンが燃焼室４００の乱流空気運動に噴射される。いくつかの形態では、対向スプレーパターンは燃焼室の中央部又は中央部近傍でぶつかり、渦及びタンブル構成要素を含む複雑な乱流運動を有する、給気と混合される燃料クラウドを形成する。好ましくは、必須ではないが、燃料インジェクタ２５０は、それらの軸Ａが互いに整列すると共に孔２２１の直径方向に整列するように配置される。これにより、インジェクタチップは、主軸４０２と整列するシリンダ２２０の直径に沿って、対向する形で配向される。

対向ピストンエンジンにおける点火開始時に、旋回する給気から複雑な乱流バルク空気運動を形成するための我々の戦略は、２つの対向ピストンの各端面間で主軸を有する細長のテーパー形状の燃焼室の形成に基づいている。一対の対向ピストンで該燃料室形状を形成するための様々な手段が存在するが、２つの構造を記述及び説明した。これら２つの燃焼室構造の各々は、噴射開始時、ピストンがＴＤＣの方向に移動してピストン端面の掃気が終わる際のシリンダ内の渦流の相互作用によって、燃焼室の複雑なバルク給気運動を発生させる。角運動量全体の大きさは圧縮中にピストン端面の相互作用により減少されるが、端面形状が１又は複数のタンブル軸の周囲のトルクを適用すると共に中央に位置する燃焼室内に給気を閉じ込めるためのメカニズムをもたらす。そして、同時に初期の渦を修正し、ピストンがＴＤＣに近接するときにタンブル運動を生成する。

ピストン及び関連するシリンダは、金属物質の鋳造及び／又は機械加工により製造される。例えば、各ピストンは、ピストン端面が形成されるピストン冠に組み立てられたスカートで構成されてもよい。ピストン冠は、４１−４０又は４３−４０といった高炭素鋼を含むでもよく、スカートは４０３２−Ｔ６５１アルミニウムを使用して形成されてもよい。このような場合、好ましくは、シリンダは鋳鉄組成物を含む。

本発明は、好適な構造に関連して説明されているが、本発明の思想から逸脱することなく多様な改変を実施可能であることが理解されるべきである。従って、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのシリンダ（１２０）を含み、該シリンダには、縦方向に分離された排気ポート及び給気ポート（１２６、１２４）と、シリンダ（１２０）の孔に互いに対向して配置される一対のピストンとが備えられた、内燃エンジンの燃焼室構造であって、
   前記シリンダ内の上死点（ＴＤＣ）位置近傍に前記ピストンが位置するときに、前記ピストンは、細長のテーパー形状を有する燃料室（２００、４００）を定める形状端面（１８２ａ、１８２ｂ；３８２、３８２）を有し、且つ、少なくとも１つのインジェクションポート（２０３、４０３）が前記燃焼室の主軸（２０２、４０２）に整列し、
   前記シリンダは、前記燃焼室の前記インジェクションポートに整列する位置で、前記シリンダの半径方向に延びる少なくとも１つの燃料インジェクタポート（１６５、２６５）を含むことを特徴とする燃焼室構造。
2. 前記細長のテーパー形状は、第１端面（１８２ａ、３８２）の第１形状（１８３、３８４ａ）と、第２端面（１８２ｂ、３８２）の前記第１形状と相補的である第２形状（１８６、３８４ｂ）との間で定められることを特徴とする請求項１に記載の燃焼室構造。
3. 第１端面（１８２ａ）は、凹面を定める窪み（１８３）を含み、且つ、第２端面（１８２ｂ）は、凸面（１８６）に形成された平面略楕円形状の細長の割れ目（１８８）を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃焼室構造。
4. 各端面（３８２）は、細長のテーパー形状の主軸（３８５）の各側方に配置される第１及び第２領域（３８４ａ、３８４ｂ）を含み、各領域は、端面外縁からピストン内部に向かって内側に湾曲した第１部分（３８７）と、該端面外縁から外側に突出した第２部分（３８９）とを有し、前記第１部分の前記第１及び第２領域が前記第２部分の前記第１及び第２領域に向かい合うように前記領域が構成されることを特徴とする請求項２に記載の燃焼室構造。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼室構造を含む、対向ピストン内燃エンジン。
6. 対向ピストン内燃エンジンを作動するための方法であって、
   孔内の各上死点に向けてピストンが移動するときに前記ピストンの端面間に細長のテーパー形状を有する燃焼室（２００、４００）を形成することによって請求項２に記載の前記燃焼室を含み、旋回する給気（２１７、４１７）に応答して前記燃焼室内の給気の各タンブル運動（２１６、４１６）を生成し、そして、前記燃焼室内に燃料（１４８、２４８）を噴射することを特徴とする対向ピストン内燃エンジンを作動するための方法。
7. 前記燃焼室への燃料（１４８、２４８）供給の噴射は、前記細長のテーパー形状における主軸（１８７、２０２）に沿って前記燃料を噴射することを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記燃焼室への燃料供給の噴射は、前記主軸に沿って、対向するスプレーを噴射することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 各タンブル運動を生成することは、前記燃焼室の両端でそれぞれ反転タンブル運動を生成することを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記燃焼室への燃料供給の噴射は、主軸に沿って対向するスプレーの噴射を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記燃焼室（２００、４００）を形成する前に、前記孔に流入される給気に渦運動（２１７、４１７）を課し、前記燃焼室が形成されるときに、旋回する給気にスキッシュ運動（２１２、２１４；４４１、４４２）を課し、さらに、スキッシュ運動及び渦運動の間の相互作用によって反転タンブル運動（２１６、４１６）を生成することを特徴とする請求項６に記載の方法。
12. 前記給気への燃料（１４８、２４８）供給の噴射は、回転タンブル軸（１８７、２０２）に沿って対向する燃料スプレーの噴射を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記燃焼室（２００、４００）を形成する前に、前記孔に流入される給気に渦運動（２１７、４１７）を課し、前記端面（１８２ａ、１８２ｂ、；３８２、３８２）で前記渦運動の相互作用によって反転タンブル運動（２１６、４１６）を生成することを特徴とする請求項６に記載の方法。
14. 前記給気への燃料供給の噴射は、回転タンブル軸に沿って対向する燃料スプレーの噴射を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

Images