JP2020501067A - ピストンクラウン - Google Patents

Abstract

本開示は、内燃機関の燃焼シリンダ内に取り付け可能なピストン用のピストンクラウンを提供する。ピストンクラウンは、上部環状面を含む。上部環状面の半径方向の内側は、燃焼シリンダの中へ注入される燃料を案内するためのピストンボウルである。ピストンボウルは、環状面に隣接するピストンボウルの咽喉に円錐台形のリップ面取り面を含む。直径の断面では、リップ面取り面の半径は少なくとも３０ｍｍであり、好ましくは３０ｍｍである。【選択図】図１

Description

本開示は、一般に内燃機関のピストンボウルに関する。

エンジン効率の向上と排気ガスの低減はエンジン製造業者およびユーザ両者の要望である。

エンジンの燃焼チャンバ内の燃焼特性は、とりわけ、燃焼チャンバの形状および燃焼チャンバへ注入される燃料の噴射特性によって影響を受ける場合がある。このように、燃料燃焼効率および燃焼排出物の組成などの要因は影響を受けうる。燃焼排出物の組成には、燃焼がどの程度ＮＯｘおよび粒子状物質（例えば、スートなど）を生成するかが含まれる。

エンジンは、燃焼シリンダの内部表面と、燃焼シリンダ内で往復するピストンの上面との境界を有する燃焼チャンバを有してもよい。こうした燃焼チャンバでは、燃焼シリンダに燃料を注入するように構成された燃料噴射器に面するピストンの上面を変更することによって、燃焼特性に影響を与える可能性がある。燃焼チャンバに注入される燃料の分配を変化させることにより、燃焼特性に影響を与えることも可能である。

ピストンの上面内にさまざまな異なるピストンボウルを提供することが知られている。燃焼ボウルの形状は、とりわけ、ボウルの中に燃料蒸気を分配するために燃料がピストンボウルの形状を標的にすることが意図されているか（標的ピストンボウルとして知られる）、または標的衝撃を与えずに燃料がボウルによって案内されることが意図されているか（噴霧ガイドピストンボウルとして知られる）、によって規定されてもよい。ピストンボウルが標的化のためまたは噴霧ガイドされた使用のために使用されるかどうかは、シリンダ内の燃料噴射の方法によっても決定される。噴射行動は、とりわけ、燃焼シリンダに対するそのようなオリフィスの角度を含む、噴射オリフィスの数および配置によって管理されうる。本開示は、噴霧ガイドピストンボウルに関連する。

エンジン効率の所定の増加および規制制度の変更によって、より小さいエンジンを製造する要望がある場合がある。しかし、さまざまな理由から、燃焼シリンダおよびピストンのすべての寸法を単に縮尺に応じて調整することは適切ではない場合がある。これに対する一つの理由は、燃料噴射行動が容易に拡大縮小できない可能性があり、かつ／または燃料噴射行動が拡大縮小可能でありうる範囲内で、その他の理由で望ましくない可能性がある。

より小さいエンジンの製造において、エンジン速度で除算されるシリンダ軸の周りのシリンダ内の閉じ込められたガスの角回転速度として定義されるスワール比を増加させることが望ましい場合がある。これは、燃料および空気の効率的な混合を促進し、燃焼ガスの浸透を制限するために望ましい場合がある。

本開示は、より大きい従来技術の噴霧ガイドピストンボウル（図３および４に図示）から発展した噴霧ガイドピストンボウルに関連する。本開示のピストンボウルは、高効率および低排気を伴う小さな直径の燃焼シリンダに適していてもよい。

そのため、内燃機関のピストン用のピストンクラウンが提供され、ピストンクラウンは、中心軸に沿って軸方向にかつ中心軸から半径方向外向きに延在し、軸方向にピストンクラウンの第一の端部に環状面と、環状面内で半径方向に配置され、ピストンクラウンの第一の端部に対して窪んでいるピストンボウルとを備え、ピストンボウルは、
ピストンクラウンの中心軸と一致する回転軸を持つボウルフロアであって、ピストンクラウンの第一の端部の方向に円錐台形部分を覆う球状キャップ部分に向かって先細りする円錐台形部分を含むボウルフロアと、
ボウルフロアに対して半径方向外向きに配置される弧状面と、
弧状面の半径方向外側端でピストンボウルの中心軸に平行な円周面と、
弧状面の円周部から半径方向外側にかつ環状面から半径方向内側に延在し、ピストンクラウンの第一の端部から離れて先細りする円錐台形リップ面取り面と、を備え、
直径の断面で、リップ面取り面の半径は少なくとも３０ｍｍであり、好ましくは３０ｍｍである。

図１は、エンジンシリンダ内原位置の本開示の態様によるピストンボウルを含むピストンの一端の断面概略図を示す。 図２は、図１のピストンの断面概略図を示す。 図３は、比較のための第一の従来技術のピストンボウルの断面概略図を示す。 図４は、比較のための第二の従来技術のピストンボウルの断面概略図を示す。 図５は、図１のピストンボウルのリップ形状の第一のオプションの断面概略図を示す。 図６は、図１のピストンボウルのリップ形状の第二のオプションの断面概略図を示す。 図７は、本開示のピストンボウルとの使用に適した噴射器の断面概略図を示す。 図８は、図１および図２のピストンボウルの従来技術のピストンボウル（図３および図４のものなど）に対するパフォーマンスを示すグラフを提供する。 図９は、図１および図２のピストンボウルの従来技術のピストンボウル（図３および図４のものなど）に対するパフォーマンスを示すグラフを提供する。

図１は、関連する特徴と共に内燃機関（図示せず）のシリンダ１００の断面図を示す。シリンダは、内部ボア１０１を備えてよい。内部ボア１０１は、ピストン１１０を収容してもよい。ピストン１１０は、シリンダ１００の内部ボア１０１と同軸であってもよく、それによりピストン１１０は軸方向にシリンダ１００に対して移動可能になる。

シリンダ１００は、シリンダ１００の上端部１０２に配置される燃料噴射器１３０を備えてよい。燃料噴射器１３０は、シリンダの内部ボア１０１と同軸に配置されてもよく、それにより燃料噴射器１３０で噴射した燃料は軸上で内部ボア１０１に入ることができる。燃料噴射器１３０は、所望の幾何学的配置にしたがって、燃料を分配するための燃料噴射器ヘッド（図示せず）を備えてもよい。

ピストン１１０は、ピストンクラウン１２０と、ピストン本体（図１の配置関係でピストンクラウン１２０の下に配置されるが、図示せず）とを備える。ピストンクラウン１２０は、ピストン１１０のヘッド端部に配置されてもよく、それによりピストン１１０のピストンクラウン１２０は燃料噴射器１３０に面するようになる。

シリンダ１００は、燃焼を容易にするため、空気等の酸化剤を選択的に注入させるための酸化剤注入口１４０と、シリンダ１００から燃焼生成物を選択的に放出させるための排気放出口１５０とをさらに備えてもよい。酸化剤注入口１４０および排気放出口１５０は、燃料噴射器１３０に隣接するシリンダ１００の上端部１０２に配置してもよい。

吸気通路９０は、シリンダ１００と流体連通し、シリンダ１００に空気を供給するように構成され、排気通路９２もまた、シリンダ１００と流体連通し、燃焼生成物をシリンダ１００から搬送する。吸気バルブおよび排気バルブは図１には示されていないが、典型的には従来的な方法で提供される。排気ガス再循環ループ９４は、通路９０および９４を連結してもよく、排気再循環制御バルブ９６およびその中に位置する排気ガス冷却器９８を有してもよい。

図１では、ピストン１１０が、搖動サイクルにおいて、シリンダ１００の上端部１０２から最も近い位置での、シリンダ１１０との相対的な位置関係を示す。

ピストンクラウン１２０は、図１の位置関係において垂直方向に位置する軸方向と、図１の位置関係において水平方向に位置する半径方向を有する。ピストンクラウン１２０は、中心軸２９０の周りを軸方向に回転対称であってよい。ピストンクラウン１２０の中心軸２９０は、シリンダ内の原位置に配置される場合、燃料噴射器１３０の中心軸と同軸であり得る。

図２は、シリンダ１００から分離した図１のピストンを示す。図２を参照すると、ピストンクラウン１２０は、シリンダ１００内の原位置に配置される場合、燃料噴射器１３０に面する軸方向に、ピストンクラウン１２０の第一の端部２８０で環状面２０１を備える。環状面２０１は、中心軸２９０から半径方向に最も遠くてもよい。

ピストンクラウン１２０は、環状面２０１内に半径方向に配置され、ピストンクラウンの第一の端部２８０に対して窪んでいるピストンボウル２１０をさらに備える。

ピストンボウル２１０は、ピストンボウル１２０の半径方向中央部に上げ床部２２０を備える。ピストンボウル２１０は、上げ床部２２０に対して半径方向外向きに配置される弧状面２３０をさらに備える。ピストンボウル２１０は、ピストンボウル２１０の軸に平行な、弧状面２３０に対して半径方向外側に位置する円周面２３５をさらに備える。ピストンボウル２１０は、円周面２３５から半径方向外向きかつ環状面２０１から半径方向内向きに延在するリップ面取り面２４０をさらに備える。

上げ床部２２０は、円錐台形面２２１を覆う球状キャップ２２２に向かってピストンクラウンの第一の端部２８０の方向に先細りする円錐台形面２２１を備える。軸２９０に直交する平面に対する円錐台形面２２１の角度は、円錐台形面２２１と球状キャップ２２２との間の界面でのいかなる表面の不連続も回避するように、球状キャップ２２２の最も低い部分の角度と同じでありうる。別の方法として、そのより小さい端における円錐台形面２２１の直径は、球状キャップ２２２の最も広い寸法と同じでありうる。さらに、円錐台形面２２１の直径は、球状キャップ２２２の最も広い寸法と揃えられうる。

弧状面２３０は、ピストン１２０が直径の断面で見られるとき、弧状面２３０が円錐台形面２２１の半径方向に最も外側にある端部と有する境界面と弧状面２３０がピストンボウル２１０の軸に平行な円周面２３５と有する境界面との間に単一の半径を持ちうる。

円周面２３５から半径方向外側にかつ環状面２０１から半径方向内側に延在するリップ面取り面２４０は、ピストンボウル２１０の最も広い部分がその入口にあるように先細りする。その入口は、ピストンクラウン２８０の第一の端部で環状面２０１と共有される平面内の位置である。

ピストン１２０が往復するシリンダ１００は、シリンダ１００の全体直径が２Ｄ_１であるように半径Ｄ_１を持ちうる。ピストン１２０の最大部分の直径は２Ｄ_１より小さい。ピストン１２０の円周面２３５は、円周面２３５の直径が２Ｄ_２であり得るように半径Ｄ_２を有してもよい。リップ面取り面２４０は、半径方向寸法Ｄ_８を持ちうる。このように、ピストンボウルの喉の直径は、環状面２０１の平面において、２（Ｄ_２＋Ｄ_８）であってもよい。環状面２０１の平面とそれに最も近い球状キャップの一部との間のピストンの軸に沿った寸法は、Ｄ_５としうる。

円錐台形面２２１の対向する直線部分（すなわち、直径断面で見たとき）の間の角度はＡ_１としうる。比較目的では、シリンダに燃料を注入するように構成された噴射器オリフィスの軸間の角度はＡ_２としうる。

環状面２０１とリップ面取り面２４０との間の曲率半径はＲ_１であってもよく、一部の実施形態では、Ｒ_１はゼロであってもよい。リップ面取り面２４０と円周面２３５との間の曲率半径は、Ｒ_２であってもよい。弧状面２３０の曲率半径はＲ_３であってもよい。球状キャップ２２２の曲率半径は、Ｒ_５であってもよい。

疑義を避けるために、曲率半径Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_４およびＲ_５は、ピストン１２０の軸を通る直径断面で識別可能である。説明を明確にするため、図に示す半径は、任意の長さに描かれており、それが表す半径の絶対的な長さまたは相対的長さに何ら関連しないことに留意されたい。

環状面２０１と半径Ｒ_２の基点との間の軸方向の寸法は、Ｄ_４であってもよい。

第一の実施形態では、リップ面取り面２４０は、ピストン１２０の軸を通る直径断面で見たとき、半径Ｒ_１の内側端と半径Ｒ_２の外側端との間の直線でありうる。リップ面取り面２４０の直線と環状面２０１との間の角度はＡ_４であってもよい。これは、非常に概略的であるが図５により詳細に示されている。

第二の実施形態では、リップ面取り面２４０は、ピストン１２０の軸を通る直径断面で見たとき、半径Ｒ_１の内側端と半径Ｒ_２の外側端との間で湾曲しうる。こうした実施形態ではリップ面取り面２４０の曲率半径は、Ｒ_６であってもよい。これは図６に示されているが、非常に概略である。というのも、図６に示すスケールでは即座に識別できないほど、特にＲ_６が大きいからである。半径Ｒ_６および環状面２０１の接線間の角度はＡ_４であってもよい（説明を明確にするため、接線および角度は図６には示されていない）。

図５または図６の実施形態の場合、値Ａ_４は１９°〜２１°でありうる。好ましくは、値Ａ_４は２０°であってもよい。上で説明され図に明らかにされたパラメータについての一部の特定の例示的な図を以下の表に示す。図１、２、５および６は、本開示の実施形態を示しており、図３および図４は、先行技術のピストンボウルに関連する。

使用においては、燃料は、図１および図７に示す噴射器１３０から燃焼チャンバ内に注入されてもよい。噴射器１３０は、それを通して燃料が注入されうる複数の噴霧放出オリフィス１３１を備えうる。特定の実施形態では、噴霧放出オリフィス１３１の数は６であってもよい。

各噴霧放出オリフィス１３１は、中心軸Ｑを持ちうる。中心軸Ｑは、各噴霧放出オリフィス１３１の中心点を通過しうる。一実施形態では、各中心軸Ｑは、それぞれの噴霧放出オリフィス１３１を横切って延在する平面に対して横断方向であってもよい。一実施形態では、各噴霧放出通路は、それぞれの噴霧放出オリフィス１３１の中心軸Ｑと一致する長手方向軸を持つ。それぞれの噴霧放出通路は、中心軸Ｑに沿って延在してもよく、一実施形態では、各中心軸Ｑは、それぞれの入口を横切って延在する平面に垂直であってもよい。

各中心軸Ｑのピストン２９０の中心軸と一致しうる噴射器１３０の中心軸Ｐに対する角度はγでありうる。各中心軸Ｑの中心軸Ｐに対する角度γは、およそ６４．５°〜６５．５°であってもよい。各中心軸Ｑの中心軸Ｐに対する角度γは、およそ６５°であってもよい。

燃料噴射器１０の噴射角は、角度２γ（図７参照）によって画定される噴射角Ａ_２（図１参照）であってもよい。従って、複数の噴霧放出オリフィス１３１からの燃料蒸気は、およそ１２９°〜１３１°の噴射角で放出されうる。複数の噴霧放出オリフィス１３１からの燃料蒸気は、およそ１３０°の噴射角で放出されうる。

燃料は、６８０〜７２０ｃｃ／分の流量で複数の噴霧放出オリフィス１３１から放出されうる。燃料は、流量が７００ｃｃ／分の流量で複数の噴霧放出オリフィス１３１から排出されうる。

前述のように、スワール比は、シリンダ軸の周りの角回転速度として定義されうる。好ましい実施形態において、１．８のスワール比を用いてもよい。これは、燃料および空気の効率的な混合を促進し、エンジン耐久性に影響を与えうる特定の領域に存在する燃焼生成物を回避することができる。

リップ面取り面２４０は、ピストンボウルを離れる燃料の分配を促進するため、サイズが減少したピストンで特に有益でありうる。燃焼量が大きい図３および４の従来技術の実施形態とは異なり、本開示の実施形態のリップ面取り面２４０は、特におよそ１．８のスワール比で燃料噴射器を運転する燃焼シリンダにおいて適用可能な熱分布の改善および燃焼効率の改善を促進しうる。

図８は、従来技術のピストンボウル（例えば、図３および４）に対する本開示によるピストンボウル（例えば、図１および２）のＮＯｘに対するスートのプロットを提供する。見て分かる通り、本開示のピストンボウルは、同じスワール比を使用するときに、従来技術のピストンボウルよりももたらすスートが低い。

図９は、流束対噴射タイミングのプロットを提供し、従来技術によるピストンボウル（例えば、図３および４）および本開示のピストンボウル（例えば、図１および２）の両方のプロットを示す。

本開示は、より効率的な燃焼をもたらし、ＮＯｘおよび／または粒子の排気を減少させることになる改良された燃料と空気の混合を達成するためのディーゼルエンジンに適用可能な噴霧ガイドピストンボウルに関する。

ピストンはアルミニウム製であってよい。エンジンは、ピストン直径および容積が低減され、効率を改善し、特定の排出出力を標的化するよう適合された、既知の大きなエンジンに基づいてもよい。

Claims (15)

1. 内燃機関のピストン用のピストンクラウンであって、中心軸に沿って軸方向にかつ前記中心軸から半径方向外向きに延在し、前記軸方向に前記ピストンクラウンの第一の端部の環状面と、前記環状面内で半径方向に配置され、前記ピストンクラウンの前記第一の端部に対して窪んでいるピストンボウルであって、
   前記ピストンクラウンの中心軸と一致する回転軸を有する上げ床部であって、前記ピストンクラウンの前記第一の端部の方向に円錐台形部分を覆う球状キャップ部分に向かって先細りする前記円錐台形部分を含む、上げ床部と、
   前記上げ床部に対して半径方向外向きに配置される弧状面と、
   前記弧状面の半径方向外側端で前記ピストンボウルの前記中心軸に平行な円周面と、
   前記弧状面の前記円周部から半径方向外側にかつ前記環状面から半径方向内側に延在し、前記ピストンクラウンの前記第一の端部から離れて先細りするリップ面取り面と、を含み、
   直径の断面で、前記リップ面取り面の半径が少なくとも３０ｍｍであり、好ましくは３０ｍｍである、ピストンボウルと、を含む、ピストンクラウン。
2. 前記円周面の直径が６９．７ｍｍ〜７０．１ｍｍの間であり、好ましくは６９．９ｍｍである、請求項１に記載のピストンクラウン。
3. 前記環状面から前記円錐台形リップ面取り面と前記円周面の間の曲線を画定する半径の基点に対して測定される、前記軸方向の前記円錐台形リップ面取り面の長さの構成要素が、１．３６ｍｍ〜１．４０ｍｍの間であり、好ましくは１．３８ｍｍである、請求項１または請求項２に記載のピストンクラウン。
4. 直径の断面で、前記円錐台形部分の対向する側面間に含まれる角度が１２５．２°〜１２６．２°の間であり、好ましくは１２５．７°である、請求項１〜３のいずれかに記載のピストンクラウン。
5. 直径の断面で、前記弧状面が１０．５ｍｍの半径を有する円弧を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のピストンクラウン。
6. ９７．９ｍｍ〜９８．１ｍｍの間の、好ましくは９８ｍｍの直径を有する燃焼シリンダ内に収容されるように構成される、請求項１〜５のいずれかに記載のピストンクラウン。
7. 前記球状キャップ部分が９．９ｍｍ〜１０．１ｍｍの間であり、好ましくは１０ｍｍの曲率半径を有する、請求項１〜６のいずれかに記載のピストンクラウン。
8. 前記環状面と前記リップ面取り面との間の曲率半径が、２９ｍｍ〜３１ｍｍの間であり、好ましくは３０ｍｍであり得る、請求項１〜７のいずれかに記載のピストンクラウン。
9. 前記リップ面取り面と前記円周面との間の曲率半径が１．４ｍｍ〜１．６ｍｍの間であり、好ましくは１．５ｍｍでありうる、請求項１〜８のいずれかに記載のピストンクラウン。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のピストンボウルを有するピストンと、前記ピストンボウルに面する燃焼シリンダの端に取り付けられた燃料噴射器とを備え、前記燃料噴射器が、１２９°〜１３１°の間であり、好ましくは１３０°の燃料噴射角を提供するように配置された複数の燃料噴霧放出オリフィスを備える、燃焼シリンダ。
11. 前記燃料噴射角と前記円錐台形部の対向する側面との間の角度との間の差が４．１°〜４．３°の間であり、好ましくは４．２°である、請求項１０に記載の燃焼シリンダ。
12. 前記噴射器が、１．７〜１．９の間であり、好ましくは１．８であるスワール比を提供するように構成される、請求項１０または請求項１１に記載の燃焼シリンダ。
13. 請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃焼シリンダならびに吸気バルブおよび排気バルブを備える内燃機関。
14. シリンダを提供することおよび請求項１〜９のいずれかに記載のピストンクラウンを有するピストンをシリンダ内に取り付けることを含む、燃焼シリンダを製造する方法。
15. 円筒形の燃焼チャンバ内で往復運動するピストンを提供するステップを含む内燃機関の効率を上げる方法であって、前記ピストンが、中心軸に沿って軸方向にかつ前記中心軸から半径方向外向きに延在するピストンクラウンを備え、前記ピストンクラウンが、前記軸方向に前記ピストンクラウンの第一の端部の環状面と、前記環状面内で半径方向に配置され、前記ピストンクラウンの前記第一の端部に対して窪んでいるピストンボウルであって、
    前記ピストンクラウンの中心軸と一致する回転軸を有する上げ床部であって、前記ピストンクラウンの前記第一の端部の方向に円錐台形部分を覆う球状キャップ部分に向かって先細りする前記円錐台形部分を含む、上げ床部と、
    前記上げ床部に対して半径方向外向きに配置される弧状面と、
    前記弧状面の半径方向外側端で前記ピストンボウルの前記中心軸に平行な円周面と、
    前記弧状面の前記円周部から半径方向外側にかつ前記環状面から半径方向内側に延在し、前記ピストンクラウンの前記第一の端部から離れて先細りするリップ面取り面と、を含み、
    直径の断面で、前記リップ面取り面の半径が少なくとも３０ｍｍであり、好ましくは３０ｍｍである、ピストンボウルと、を含む、方法。

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