JP2015183647A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】バルブリセス内における空気の滞留を防いで不完全燃焼を抑制し、排気に含まれる環境負荷物質を低減できる技術を提供する。【解決手段】チャンバー１３ｃと、前記チャンバー１３ｃに一部が重なるバルブリセス１３ｖと、が形成されたピストン１３において、前記バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられ、前記エアランプ１３ａは、前記バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気を該バルブリセス１３ｖ外へ案内する、としたものである。【選択図】図３

Description

本発明は、ピストンの技術に関する。

従来より、ピストンに形成されたチャンバーへ燃料を噴射するディーゼルエンジンが知られている（一般的に直接噴射式ディーゼルエンジンという：例えば特許文献１参照）。このようなディーゼルエンジンは、車両や発電機の動力源として使用されるほか、船舶の動力源としても使用される。

ところで、ピストンには、吸気バルブや排気バルブとの干渉を避けるべく、バルブリセスが形成されたものが存在している（例えば特許文献２参照）。そのため、かかるピストンを備えるディーゼルエンジンは、バルブリセスに起因した不完全燃焼が発生し、排気に含まれる環境負荷物質が増加するという問題を有していた。つまり、バルブリセス内における空気の滞留によって局所的に不完全燃焼が発生し、排気に含まれる環境負荷物質が増加するという問題を有していたのである。

特開２０１１−１９６３３１号公報 特開２００４−１９０５７３号公報

本発明は、バルブリセス内における空気の滞留を防いで不完全燃焼を抑制し、排気に含まれる環境負荷物質を低減できる技術を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、
チャンバーと、
前記チャンバーに一部が重なるバルブリセスと、が形成されたピストンにおいて、
前記バルブリセスの周囲にエアランプが設けられ、
前記エアランプは、前記バルブリセスに流れ込んだ空気を該バルブリセス外へ案内する、としたものである。

請求項２においては、請求項１に記載のピストンにおいて、
前記エアランプは、スワール流の流動方向に対して前記バルブリセスの下流側に設けられる、としたものである。

請求項３においては、請求項２に記載のピストンにおいて、
前記エアランプは、前記チャンバーの中心から前記バルブリセスの中心を通る仮想線上の点を基準として円弧状に設けられる、としたものである。

請求項４においては、請求項３に記載のピストンにおいて、
前記エアランプは、前記バルブリセスの中心を基準として円弧状に設けられる、としたものである。

請求項５においては、請求項３に記載のピストンにおいて、
前記エアランプは、前記バルブリセスの中心よりも内側となる点を基準として円弧状に設けられる、としたものである。

請求項６においては、請求項３に記載のピストンにおいて、
前記エアランプは、前記バルブリセスの中心よりも外側となる点を基準として円弧状に設けられる、としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１に記載の発明によれば、バルブリセスの周囲にエアランプが設けられている。そして、エアランプは、バルブリセスに流れ込んだ空気を該バルブリセス外へ案内する。これにより、本実施形態に係るピストンは、バルブリセス内に空気が滞留するのを防ぐことができる。従って、バルブリセス内における不完全燃焼を抑制できる。ひいては、排気に含まれる環境負荷物質を低減させることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、エアランプは、スワール流の流動方向に対してバルブリセスの下流側に設けられる。これにより、本実施形態に係るピストンは、スワール流によってバルブリセス内の空気を引き出す効果が発生するので、バルブリセス内に空気が滞留するのを防ぐことができる。

請求項３に記載の発明によれば、エアランプは、チャンバーの中心からバルブリセスの中心を通る仮想線上の点を基準として円弧状に設けられる。これにより、本実施形態に係るピストンは、ディーゼルエンジンの個々の特性に応じてスワール流の態様を変更し、排気特性を調節することができる。

請求項４に記載の発明によれば、エアランプは、バルブリセスの中心を基準として円弧状に設けられる。これにより、本実施形態に係るピストンは、バルブリセスに流れ込んだ空気を該バルブリセス外へ均平に案内し、スワール流の乱れを防ぐことができる。

請求項５に記載の発明によれば、エアランプは、バルブリセスの中心よりも内側となる点を基準として円弧状に設けられる。これにより、本実施形態に係るピストンは、チャンバーから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）の急冷化や希薄化を防ぎ、チャンバー外における不完全燃焼を抑制することができる。

請求項６に記載の発明によれば、エアランプは、バルブリセスの中心よりも外側となる点を基準として円弧状に設けられる。これにより、本実施形態に係るピストンは、チャンバーから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）と周囲の空気との混合を早め、チャンバー外における不完全燃焼を抑制することができる。

ディーゼルエンジンの構造を示す図。 ディーゼルエンジンの作動態様を示す図。 ピストンを示す図。 第一の実施形態に係るピストンを示す図。 圧縮行程におけるチャンバー及びその近傍の空気の流れを示す図。 膨張行程におけるチャンバー及びその近傍の空気の流れを示す図。 粒子状物質の低減効果を示す図。 第二の実施形態に係るピストンを示す図。 圧縮行程におけるチャンバー及びその近傍の空気の流れを示す図。 膨張行程におけるチャンバー及びその近傍の空気の流れを示す図。 第三の実施形態に係るピストンを示す図。 圧縮行程におけるチャンバー及びその近傍の空気の流れを示す図。 膨張行程におけるチャンバー及びその近傍の空気の流れを示す図。

本願の発明に係るピストンは、ディーゼルエンジンに用いられるものである。但し、かかる発明の技術的思想は、ディーゼルエンジンのピストンに限らず、ガソリンエンジンなどのピストンにも適用することが可能である。

まず、ディーゼルエンジン１００について簡単に説明する。

図１は、ディーゼルエンジン１００の構造を示している。

ディーゼルエンジン１００は、主に主体部１と、吸気経路部２と、排気経路部３と、燃料供給部４と、で構成されている。

主体部１は、燃料を燃焼させて得た熱エネルギーを運動エネルギーに変換する。具体的には、燃料を燃焼させて得た熱エネルギーをクランクシャフト１４の回転運動に変換する。主体部１は、主にシリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、クランクシャフト１４と、カムシャフト１５と、で構成される。

主体部１には、シリンダブロック１１に設けられたシリンダ１１ｃと、該シリンダ１１ｃに摺動自在に収納されたピストン１３と、該ピストン１３に対向するように配置されたシリンダヘッド１２と、で作動室Ｗが構成されている（図２参照）。つまり、作動室Ｗとは、ピストン１３の摺動運動によって容積が変化する内部空間を指す。ピストン１３は、コネクティングロッドによってクランクシャフト１４と連結されており、該ピストン１３の摺動によってクランクシャフト１４を回転させる。また、クランクシャフト１４は、複数のギヤを介してカムシャフト１５を回転させる。

吸気経路部２は、外部から吸入された空気を作動室Ｗへ導く。吸気経路部２は、空気が流れる方向に沿って、主にコンプレッサホイル（図示せず）と、吸気マニホールド２１と、で構成される。

吸気マニホールド２１は、コンプレッサホイルによって圧縮された空気を作動室Ｗへ案内する。本ディーゼルエンジン１００は複数の作動室Ｗが設けられた多気筒エンジンであるため、吸気マニホールド２１は、各作動室Ｗにつながる吸気ポート１２Ｉｐと連通するように形成されている。なお、本ディーゼルエンジン１００は、一の作動室Ｗに対して二つの吸気ポート１２Ｉｐを有している。そのため、本ディーゼルエンジン１００は、一の作動室Ｗに対して二つの吸気バルブ１２Ｉｖを備えている。

排気経路部３は、作動室Ｗから排出された排気を外部へ導く。排気経路部３は、排気が流れる方向に沿って、主に排気マニホールド３１と、タービンホイル（図示せず）と、で構成される。

排気マニホールド３１は、作動室Ｗから排出された排気をタービンホイルへ案内する。本ディーゼルエンジン１００は複数の作動室Ｗが設けられた多気筒エンジンであるため、排気マニホールド３１は、各作動室Ｗにつながる排気ポート１２Ｅｐと連通するように形成されている。なお、本ディーゼルエンジン１００は、一の作動室Ｗに対して二つの排気ポート１２Ｅｐを有している。そのため、本ディーゼルエンジン１００は、一の作動室Ｗに対して二つの排気バルブ１２Ｅｖを備えている。

燃料供給部４は、燃料タンクから供給された燃料を作動室Ｗへ導く。燃料供給部４は、燃料が流れる方向に沿って、主に燃料噴射ポンプ４１と、燃料噴射ノズル４２と、で構成される。

燃料噴射ポンプ４１は、プランジャの往復運動によって加圧した燃料を燃料噴射ノズル４２へ送り出す。本ディーゼルエンジン１００は燃料噴射ノズル４２がシリンダヘッド１２を貫くように取り付けられているため、燃料噴射ノズル４２は、作動室Ｗの内部に燃料を噴射する。なお、本ディーゼルエンジン１００は、燃料噴射ノズル４２に電気信号を送信することによって適宜に噴射パターンに変更できる、いわゆるコモンレール式燃料噴射システムを構成している。但し、そのような機能を有しない、いわゆるジャーク式燃料噴射システムを構成したものであっても良い。

次に、ディーゼルエンジン１００の作動態様について簡単に説明する。

図２は、ディーゼルエンジン１００の作動態様を示している。なお、矢印Ｆａは、空気の流れ方向を表し、矢印Ｆｅは、排気の流れ方向を表す。矢印Ｓｐは、ピストン１３の摺動方向を表し、矢印Ｒｃは、クランクシャフト１４の回転方向を表す。また、図３は、ピストン１３を示している。

本ディーゼルエンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程をクランクシャフト１４が二回転する間に完結する４サイクルエンジンである。

吸気行程は、吸気バルブ１２Ｉｖを開弁するとともにピストン１３を下方へ摺動させて作動室Ｗ内に空気を吸い込む行程である。ピストン１３は、フライホイル１６（図１参照）の慣性モーメントを利用して摺動する。こうして、ディーゼルエンジン１００は、圧縮行程へ移行する。なお、作動室Ｗ内に吸い込まれた空気は、シリンダ１１ｃの壁面に沿って旋回する。この旋回する空気の流れをスワール流Ｓｗという（図５、６参照）。

圧縮行程は、吸気バルブ１２Ｉｖを閉弁するとともにピストン１３を上方へ摺動させて作動室Ｗ内の空気を圧縮する行程である。ピストン１３は、フライホイル１６（図１参照）の慣性モーメントを利用して摺動する。その後、圧縮されて高温高圧となった空気中に燃料噴射ノズル４２から燃料が噴射される。すると、燃料は、作動室Ｗ内で分散して蒸発し、空気と混合して燃焼を開始する。こうして、ディーゼルエンジン１００は、膨張行程へ移行する。なお、圧縮行程において、チャンバー１３ｃに流れ込む空気の流れをスキッシュ流Ｓｑという（図５参照）。チャンバー１３ｃに流れ込んだ空気は、チャンバー１３ｃの壁面に沿って旋回する。

膨張行程は、熱エネルギーによってピストン１３を下方へ摺動させて運動エネルギーに変換する行程である。ピストン１３は、膨張した空気（燃焼ガス）に押されて摺動する。そして、ピストン１３の摺動運動は、クランクシャフト１４の回転運動に変換される。このとき、フライホイル１６（図１参照）は、クランクシャフト１４の運動エネルギーを蓄える。こうして、ディーゼルエンジン１００は、排気行程へ移行する。なお、膨張行程において、チャンバー１３ｃから流れ出す空気の流れを逆スキッシュ流Ｓｑｒという（図６参照）。チャンバー１３ｃから流れ出した空気は、シリンダ１１ｃの壁面に沿って旋回する。

排気行程は、排気バルブ１２Ｅｖを開弁するとともにピストン１３を上方へ摺動させて作動室Ｗ内の空気（燃焼ガス）を排気として押し出す行程である。ピストン１３は、フライホイル１６（図１参照）の慣性モーメントを利用して摺動する。こうして、ディーゼルエンジン１００は、再び吸気行程へ移行する。なお、作動室Ｗ内に充満している空気（燃焼ガス）は、シリンダ１１ｃの壁面に沿って旋回しながら排気として押し出される。

このように、ディーゼルエンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程を繰り返すことにより、連続して運転するのである。

次に、第一の実施形態に係るピストン１３について詳細に説明する。ここでは、かかるピストン１３を「ピストン１３Ａ」とする。

図４は、第一の実施形態に係るピストン１３Ａを示している。なお、図４（Ａ）は、ピストン１３Ａの上面図である。図４（Ｂ）は、ピストン１３Ａの拡大図である。そして、図４（Ｃ）は、ピストン１３Ａの断面図である。

ピストン１３Ａは、ディーゼルエンジン１００の作動室Ｗを構成する。ピストン１３Ａの頂面１３ｔには、一つのチャンバー１３ｃと四つのバルブリセス１３ｖが形成されている。

チャンバー１３ｃは、燃料を着火・燃焼させるために形成された窪みを指す。チャンバー１３ｃは、その底面の中央に円錐形状の突起部１３ｃｐを有している。これは、チャンバー１３ｃに流れ込んだ空気を円滑に旋回させるためである（図５参照）。また、チャンバー１３ｃは、その周面の上端に円環形状の突起部１３ｃｒを有している。つまり、チャンバー１３ｃは、その周面の上端が窄まっているのである（このようなチャンバーをリエントラント型という）。これは、チャンバー１３ｃに流れ込む空気の流れ（スキッシュ流Ｓｑ）やチャンバー１３ｃから流れ出す空気の流れ（逆スキッシュ流Ｓｑｒ）を強めるためである（図５、図６参照）。

バルブリセス１３ｖは、吸気バルブ１２Ｉｖや排気バルブ１２Ｅｖとの干渉を避けるために形成された窪みを指す。バルブリセス１３ｖは、所定の深さの円筒形状となっている。これは、吸気バルブ１２Ｉｖや排気バルブ１２Ｅｖのヘッドをかわすためである。また、バルブリセス１３ｖは、その一部がチャンバー１３ｃと重なっている。つまり、バルブリセス１３ｖは、チャンバー１３ｃにつながっているのである。これは、吸気バルブ１２Ｉｖや排気バルブ１２Ｅｖの形状（ヘッドの大きさ）などによるものである。

加えて、本実施形態に係るピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられている（図４（Ｂ）のハッチング部分参照）。以下に、エアランプ１３ａの役割と効果について説明する。

図５は、圧縮行程におけるチャンバー１３ｃ及びその近傍の空気の流れを示している。図６は、膨張行程におけるチャンバー１３ｃ及びその近傍の空気の流れを示している。なお、図中の矢印は、スワール流Ｓｗ、スキッシュ流Ｓｑ、及び逆スキッシュ流Ｓｑｒを表す。

エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの周囲に形成されたスロープである。エアランプ１３ａは、ピストン１３Ａの頂面１３ｔから徐々に深くなり、バルブリセス１３ｖに接続している。つまり、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖにつながる傾斜面である。なお、エアランプ１３ａのこう配は、１／５となっているが、これより小さくしてもよい。

図５に示すように、圧縮行程においては、スワール流Ｓｗがバルブリセス１３ｖの上方に形成されている。そのため、スワール流Ｓｗの一部がバルブリセス１３ｖに流れ込み、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。従って、バルブリセス１３ｖの内部においても、円滑に空気が流れているのである。また、圧縮行程においては、チャンバー１３ｃ及びその近傍でスキッシュ流Ｓｑが形成される。このとき、本ピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖの内部に空気が滞留しないので、該バルブリセス１３ｖ内の空気が一気にチャンバー１３ｃに流れ込みにくくなる。そのため、チャンバー１３ｃの周方向でほぼ均一なスキッシュ流Ｓｑが形成されるのである。

更に、図６に示すように、膨張行程においても、スワール流Ｓｗがバルブリセス１３ｖの上方に形成されている。そのため、スワール流Ｓｗの一部がバルブリセス１３ｖに流れ込み、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。また、膨張行程においては、チャンバー１３ｃ及びその近傍で逆スキッシュ流Ｓｑｒが形成される。このとき、本ピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖの内部で空気（燃焼ガスや火炎を含む）が滞留しないので、該バルブリセス１３ｖ内で不完全燃焼が発生しにくくなる。従って、不完全燃焼による炭化水素成分（ＴＨＣ）や有機可溶成分（ＳＯＦ）が発生しにくくなる。更に、固形炭化成分（ＳＯＬＩＤ）も発生しにくくなる。そして、これらによる粒子状物質（ＰＭ）は、ディーゼルエンジン１００に掛かる負荷が大きい運転領域において、顕著に低減することが認められる（図７参照）。特に、有機可溶成分（ＳＯＦ）については、１０パーセント以上も低減し、その効果が著しい。

このように、本ピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられている。そして、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気を該バルブリセス１３ｖ外へ案内する。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖ内に空気が滞留するのを防ぐことができる。従って、バルブリセス１３ｖ内における不完全燃焼を抑制できる。ひいては、排気に含まれる環境負荷物質を低減させることが可能となる。

ここで、本ピストン１３Ａの他の特徴点について説明する。

本ピストン１３Ａのエアランプ１３ａは、スワール流Ｓｗの流動方向に対してバルブリセス１３ｖの下流側に設けられている。このようにした理由は、以下の設計思想に基づくものである。

即ち、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、該バルブリセス１３ｖによる容積の拡大によって流速が遅くなる。また、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、スキッシュ流Ｓｑや逆スキッシュ流Ｓｑｒの影響を受けて更に速度が遅くなる。このため、バルブリセス１３ｖの下流側にエアランプ１３ａを設けることにより、該バルブリセス１３ｖ内の空気を引き出すようにした。つまり、速度が早いスワール流Ｓｗに速度が遅いバルブリセス１３ｖ内の空気を徐々に合流させることで、該バルブリセス１３ｖ内の空気を引き出すようにしたのである（※印の矢印参照）。こうして、本ピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖ内に強制的な空気の流れを作り出している。

このように、エアランプ１３ａは、スワール流Ｓｗの流動方向に対してバルブリセス１３ｖの下流側に設けられている。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ａは、スワール流Ｓｗによってバルブリセス１３ｖ内の空気を引き出す効果が発生するので、バルブリセス１３ｖ内に空気が滞留するのを防ぐことができる。

更に、本ピストン１３Ａのエアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａを基準として円弧状に設けられている（図４（Ｂ）参照）。このようにした理由は、以下の設計思想に基づくものである。

即ち、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。このため、エアランプ１３ａを円弧状とすることにより、空気が放射状に広がるようにした。つまり、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気がエアランプ１３ａに沿って流れ出す際に、放射状に広がりながらスワール流Ｓｗに合流するようにしたのである。また、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａを基準として円弧状に設けられているので、流れ出す方向が偏りにくくなる。こうして、本ピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖの上方に形成されているスワール流Ｓｗを乱さないようにしている。

このように、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａを基準として円弧状に設けられている。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ａは、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気を該バルブリセス１３ｖ外へ均平に案内し、スワール流Ｓｗの乱れを防ぐことができる。

次に、第二の実施形態に係るピストン１３について詳細に説明する。ここでは、かかるピストン１３を「ピストン１３Ｂ」とする。

図８は、第二の実施形態に係るピストン１３Ｂを示している。なお、図８（Ａ）は、ピストン１３Ｂの上面図である。図８（Ｂ）は、ピストン１３Ｂの拡大図である。そして、図８（Ｃ）は、ピストン１３Ｂの断面図である。

本ピストン１３Ｂの頂面１３ｔには、一つのチャンバー１３ｃと四つのバルブリセス１３ｖが形成されている。

チャンバー１３ｃは、燃料を着火・燃焼させるために形成された窪みを指す。チャンバー１３ｃの形状は、第一の実施形態に係るピストン１３Ａと同じである。

バルブリセス１３ｖは、吸気バルブ１２Ｉｖや排気バルブ１２Ｅｖとの干渉を避けるために形成された窪みを指す。バルブリセス１３ｖの形状は、第一の実施形態に係るピストン１３Ａと同じである。

加えて、本実施形態に係るピストン１３Ｂも、バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられている（図８（Ｂ）のハッチング部分参照）。以下に、エアランプ１３ａの役割と効果について説明する。

図９は、圧縮行程におけるチャンバー１３ｃ及びその近傍の空気の流れを示している。図１０は、膨張行程におけるチャンバー１３ｃ及びその近傍の空気の流れを示している。なお、図中の矢印は、スワール流Ｓｗ、スキッシュ流Ｓｑ、及び逆スキッシュ流Ｓｑｒを表す。

エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの周囲に形成されたスロープである。エアランプ１３ａは、ピストン１３Ｂの頂面１３ｔから徐々に深くなり、バルブリセス１３ｖに接続している。つまり、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖにつながる傾斜面である。なお、エアランプ１３ａのこう配は、１／５となっているが、これより小さくしてもよい。

図９に示すように、圧縮行程においては、スワール流Ｓｗがバルブリセス１３ｖの上方に形成されている。そのため、スワール流Ｓｗの一部がバルブリセス１３ｖに流れ込み、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。従って、バルブリセス１３ｖの内部においても、円滑に空気が流れているのである。また、圧縮行程においては、チャンバー１３ｃ及びその近傍でスキッシュ流Ｓｑが形成される。このとき、本ピストン１３Ｂは、バルブリセス１３ｖの内部に空気が滞留しないので、該バルブリセス１３ｖ内の空気が一気にチャンバー１３ｃに流れ込みにくくなる。そのため、チャンバー１３ｃの周方向でほぼ均一なスキッシュ流Ｓｑが形成されるのである。

更に、図１０に示すように、膨張行程においても、スワール流Ｓｗがバルブリセス１３ｖの上方に形成されている。そのため、スワール流Ｓｗの一部がバルブリセス１３ｖに流れ込み、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。また、膨張行程においては、チャンバー１３ｃ及びその近傍で逆スキッシュ流Ｓｑｒが形成される。このとき、本ピストン１３Ｂは、バルブリセス１３ｖの内部で空気（燃焼ガスや火炎を含む）が滞留しないので、該バルブリセス１３ｖ内で不完全燃焼が発生しにくくなる。従って、不完全燃焼による炭化水素成分（ＴＨＣ）や有機可溶成分（ＳＯＦ）が発生しにくくなる。更に、固形炭化成分（ＳＯＬＩＤ）も発生しにくくなる。そして、これらによる粒子状物質（ＰＭ）は、ディーゼルエンジン１００に掛かる負荷が大きい運転領域において、顕著に低減することが認められる。特に、有機可溶成分（ＳＯＦ）については、１０パーセント以上も低減し、その効果が著しい。

このように、本ピストン１３Ｂは、バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられている。そして、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気を該バルブリセス１３ｖ外へ案内する。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ｂは、バルブリセス１３ｖ内に空気が滞留するのを防ぐことができる。従って、バルブリセス１３ｖ内における不完全燃焼を抑制できる。ひいては、排気に含まれる環境負荷物質を低減させることが可能となる。

ここで、本ピストン１３Ｂの他の特徴点について説明する。

本ピストン１３Ｂのエアランプ１３ａは、スワール流Ｓｗの流動方向に対してバルブリセス１３ｖの下流側に設けられている。このようにした理由は、以下の設計思想に基づくものである。

即ち、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、該バルブリセス１３ｖによる容積の拡大によって流速が遅くなる。また、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、スキッシュ流Ｓｑや逆スキッシュ流Ｓｑｒの影響を受けて更に速度が遅くなる。このため、バルブリセス１３ｖの下流側にエアランプ１３ａを設けることにより、該バルブリセス１３ｖ内の空気を引き出すようにした。つまり、速度が早いスワール流Ｓｗに速度が遅いバルブリセス１３ｖ内の空気を徐々に合流させることで、該バルブリセス１３ｖ内の空気を引き出すようにしたのである（※印の矢印参照）。こうして、本ピストン１３Ｂは、バルブリセス１３ｖ内に強制的な空気の流れを作り出している。

このように、エアランプ１３ａは、スワール流Ｓｗの流動方向に対してバルブリセス１３ｖの下流側に設けられている。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ｂは、スワール流Ｓｗによってバルブリセス１３ｖ内の空気を引き出す効果が発生するので、バルブリセス１３ｖ内に空気が滞留するのを防ぐことができる。

更に、本ピストン１３Ｂのエアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも内側となる点Ｃｂを基準として円弧状に設けられている（図８（Ｂ）参照）。このようにした理由は、以下の設計思想に基づくものである。

即ち、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。このため、エアランプ１３ａを円弧状とすることにより、空気が放射状に広がるようにした。つまり、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気がエアランプ１３ａに沿って流れ出す際に、放射状に広がりながらスワール流Ｓｗに合流するようにしたのである。また、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも内側となる点Ｃｂを基準として円弧状に設けられているので、流れ出す方向がやや内側に偏りやすくなる（比較のために第一の実施形態に係るピストン１３Ａの流動方向を示す：矢印Ｆａｄ参照）。これは、膨張行程において、チャンバー１３ｃから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）が急速に拡散するのを防ぐという効果を奏する。こうして、本ピストン１３Ｂは、バルブリセス１３ｖの上方に形成されているスワール流Ｓｗを乱さないようにしつつ、チャンバー１３ｃから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）の急冷化や希薄化を抑えている。

このように、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも内側となる点Ｃｂを基準として円弧状に設けられている。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ｂは、チャンバー１３ｃから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）の急冷化や希薄化を防ぎ、チャンバー１３ｃ外における不完全燃焼を抑制することができる。

次に、第三の実施形態に係るピストン１３について詳細に説明する。ここでは、かかるピストン１３を「ピストン１３Ｃ」とする。

図１１は、第三の実施形態に係るピストン１３Ｃを示している。なお、図１１（Ａ）は、ピストン１３Ｃの上面図である。図１１（Ｂ）は、ピストン１３Ｃの拡大図である。そして、図１１（Ｃ）は、ピストン１３Ｃの断面図である。

本ピストン１３Ｃの頂面１３ｔには、一つのチャンバー１３ｃと四つのバルブリセス１３ｖが形成されている。

チャンバー１３ｃは、燃料を着火・燃焼させるために形成された窪みを指す。チャンバー１３ｃの形状は、第一の実施形態に係るピストン１３Ａと同じである。

バルブリセス１３ｖは、吸気バルブ１２Ｉｖや排気バルブ１２Ｅｖとの干渉を避けるために形成された窪みを指す。バルブリセス１３ｖの形状は、第一の実施形態に係るピストン１３Ａと同じである。

加えて、本実施形態に係るピストン１３Ｃも、バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられている（図１１（Ｂ）のハッチング部分参照）。以下に、エアランプ１３ａの役割と効果について説明する。

図１２は、圧縮行程におけるチャンバー１３ｃ及びその近傍の空気の流れを示している。図７は、膨張行程におけるチャンバー１３ｃ及びその近傍の空気の流れを示している。なお、図中の矢印は、スワール流Ｓｗ、スキッシュ流Ｓｑ、及び逆スキッシュ流Ｓｑｒを表す。

エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの周囲に形成されたスロープである。エアランプ１３ａは、ピストン１３Ｃの頂面１３ｔから徐々に深くなり、バルブリセス１３ｖに接続している。つまり、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖにつながる傾斜面である。なお、エアランプ１３ａのこう配は、１／５となっているが、これより小さくしてもよい。

図１２に示すように、圧縮行程においては、スワール流Ｓｗがバルブリセス１３ｖの上方に形成されている。そのため、スワール流Ｓｗの一部がバルブリセス１３ｖに流れ込み、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。従って、バルブリセス１３ｖの内部においても、円滑に空気が流れているのである。また、圧縮行程においては、チャンバー１３ｃ及びその近傍でスキッシュ流Ｓｑが形成される。このとき、本ピストン１３Ｃは、バルブリセス１３ｖの内部に空気が滞留しないので、該バルブリセス１３ｖ内の空気が一気にチャンバー１３ｃに流れ込みにくくなる。そのため、チャンバー１３ｃの周方向でほぼ均一なスキッシュ流Ｓｑが形成されるのである。

更に、図７に示すように、膨張行程においても、スワール流Ｓｗがバルブリセス１３ｖの上方に形成されている。そのため、スワール流Ｓｗの一部がバルブリセス１３ｖに流れ込み、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。また、膨張行程においては、チャンバー１３ｃ及びその近傍で逆スキッシュ流Ｓｑｒが形成される。このとき、本ピストン１３Ｃは、バルブリセス１３ｖの内部で空気（燃焼ガスや火炎を含む）が滞留しないので、該バルブリセス１３ｖ内で不完全燃焼が発生しにくくなる。従って、不完全燃焼による炭化水素成分（ＴＨＣ）や有機可溶成分（ＳＯＦ）が発生しにくくなる。更に、固形炭化成分（ＳＯＬＩＤ）も発生しにくくなる。そして、これらによる粒子状物質（ＰＭ）は、ディーゼルエンジン１００に掛かる負荷が大きい運転領域において、顕著に低減することが認められる。特に、有機可溶成分（ＳＯＦ）については、１０パーセント以上も低減し、その効果が著しい。

このように、本ピストン１３Ｃは、バルブリセス１３ｖの周囲にエアランプ１３ａが設けられている。そして、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気を該バルブリセス１３ｖ外へ案内する。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ｃは、バルブリセス１３ｖ内に空気が滞留するのを防ぐことができる。従って、バルブリセス１３ｖ内における不完全燃焼を抑制できる。ひいては、排気に含まれる環境負荷物質を低減させることが可能となる。

ここで、本ピストン１３Ｃの他の特徴点について説明する。

本ピストン１３Ｃのエアランプ１３ａは、スワール流Ｓｗの流動方向に対してバルブリセス１３ｖの下流側に設けられている。このようにした理由は、以下の設計思想に基づくものである。

即ち、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、該バルブリセス１３ｖによる容積の拡大によって流速が遅くなる。また、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、スキッシュ流Ｓｑや逆スキッシュ流Ｓｑｒの影響を受けて更に速度が遅くなる。このため、バルブリセス１３ｖの下流側にエアランプ１３ａを設けることにより、該バルブリセス１３ｖ内の空気を引き出すようにした。つまり、速度が早いスワール流Ｓｗに速度が遅いバルブリセス１３ｖ内の空気を徐々に合流させることで、該バルブリセス１３ｖ内の空気を引き出すようにしたのである（※印の矢印参照）。こうして、本ピストン１３Ｃは、バルブリセス１３ｖ内に強制的な空気の流れを作り出している。

このように、エアランプ１３ａは、スワール流Ｓｗの流動方向に対してバルブリセス１３ｖの下流側に設けられている。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ｃは、スワール流Ｓｗによってバルブリセス１３ｖ内の空気を引き出す効果が発生するので、バルブリセス１３ｖ内に空気が滞留するのを防ぐことができる。

更に、本ピストン１３Ｃのエアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも外側となる点Ｃｃを基準として円弧状に設けられている（図１１（Ｂ）参照）。このようにした理由は、以下の設計思想に基づくものである。

即ち、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気は、エアランプ１３ａに沿って流れ出す。このため、エアランプ１３ａを円弧状とすることにより、空気が放射状に広がるようにした。つまり、バルブリセス１３ｖに流れ込んだ空気がエアランプ１３ａに沿って流れ出す際に、放射状に広がりながらスワール流Ｓｗに合流するようにしたのである。また、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも外側となる点Ｃｃを基準として円弧状に設けられているので、流れ出す方向がやや外側に偏りやすくなる（比較のために第一の実施形態に係るピストン１３Ａの流動方向を示す：矢印Ｆａｄ参照）。これは、膨張行程において、チャンバー１３ｃから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）が急速に拡散するのを進めるという効果を奏する。こうして、本ピストン１３Ｃは、バルブリセス１３ｖの上方に形成されているスワール流Ｓｗを乱さないようにしつつ、チャンバー１３ｃから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）と周囲の空気との混合を促進させ、チャンバー１３ｃ外における不完全燃焼を抑制することができる。

このように、エアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも外側となる点Ｃｃを基準として円弧状に設けられている。これにより、本実施形態に係るピストン１３Ｃは、チャンバー１３ｃから流れ出した空気（燃焼ガスや火炎を含む）と周囲の空気との混合を促進させ、チャンバー１３ｃ外における不完全燃焼を抑制することができる。

以上が、各実施形態に係るピストン１３の説明である。各ピストン１３は、円弧状としたエアランプ１３ａの基準位置（中心座標の位置）が異なる。つまり、ピストン１３Ａのエアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａを基準として円弧状に設けられているのに対し、ピストン１３Ｂのエアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも内側となる点Ｃｂを基準として円弧状に設けられている。また、ピストン１３Ｃのエアランプ１３ａは、バルブリセス１３ｖの中心Ｃａよりも外側となる点Ｃｃを基準として円弧状に設けられている。このように、エアランプ１３ａは、チャンバー１３ｃの中心Ｃからバルブリセス１３ｖの中心Ｃａを通る仮想線Ｌ上の点を基準として円弧状に設けられる（図４、図８、図１１参照）。

このように、エアランプ１３ａは、チャンバー１３ｃの中心Ｃからバルブリセス１３ｖの中心Ｃａを通る仮想線Ｌ上の点を基準として円弧状に設けられる。これにより、本実施形態に係るピストン１３は、ディーゼルエンジンの個々の特性に応じてスワール流Ｓｗの態様を変更し、排気特性を調節することができる。

１００ ディーゼルエンジン
１ 主体部
１３ ピストン
１３Ａ 第一の実施形態に係るピストン
１３Ｂ 第二の実施形態に係るピストン
１３Ｃ 第三の実施形態に係るピストン
１３ａ エアランプ
１３ｃ チャンバー
１３ｖ バルブリセス
Ｃ チャンバーの中心
Ｃａ バルブリセスの中心
Ｃｂ バルブリセスの中心よりも内側となる点
Ｃｃ バルブリセスの中心よりも外側となる点
Ｓｗ スワール流
Ｓｑ スキッシュ流
Ｓｑｒ 逆スキッシュ流

Claims (6)

1. チャンバーと、
   前記チャンバーに一部が重なるバルブリセスと、が形成されたピストンにおいて、
   前記バルブリセスの周囲にエアランプが設けられ、
   前記エアランプは、前記バルブリセスに流れ込んだ空気を該バルブリセス外へ案内する、ことを特徴としたピストン。
2. 前記エアランプは、スワール流の流動方向に対して前記バルブリセスの下流側に設けられる、ことを特徴とした請求項１に記載のピストン。
3. 前記エアランプは、前記チャンバーの中心から前記バルブリセスの中心を通る仮想線上の点を基準として円弧状に設けられる、ことを特徴とした請求項２に記載のピストン。
4. 前記エアランプは、前記バルブリセスの中心を基準として円弧状に設けられる、ことを特徴とした請求項３に記載のピストン。
5. 前記エアランプは、前記バルブリセスの中心よりも内側となる点を基準として円弧状に設けられる、ことを特徴とした請求項３に記載のピストン。
6. 前記エアランプは、前記バルブリセスの中心よりも外側となる点を基準として円弧状に設けられる、ことを特徴とした請求項３に記載のピストン。

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