JP6320509B2

JP6320509B2 - 対向ピストン機関の燃焼室構造を画定するピストンクラウンボウル

Info

Publication number: JP6320509B2
Application number: JP2016502208A
Authority: JP
Inventors: バートン，トリスタン，エム．; レドン，ファビアン，ジー．
Original assignee: アカーテースパワー，インク．
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: JP2016512303A; EP2948664A1; EP2948664B1; WO2014151916A1; CN105051359B; CN105051359A

Description

優先権
本出願は、２０１１年４月１８日に提出された米国特許出願第１３／０６６，５８９号の部分継続出願であり、２０１０年４月２７日に提出された米国仮出願第６１／３４３，３０８号、２０１０年５月１８日に提出された米国仮出願第６１／３９５，８４５号、２０１０年８月１６日に提出された米国仮出願第６１／４０１，５９８号の優先権を主張する。

本出願は、２０１２年５月１６日に提出されたＰＣＴ出願ＵＳ２０１２／０３８０６１の部分継続出願であり、２０１１年５月１８日に提出された米国仮出願第６１／５１９，１９４号に優先権を主張する。

関連出願
本出願は、２０１１年８月１５日に提出され、２０１２年３月２９日にＵＳ２０１２／００７３５４１として公開された米国特許出願第１３／１３６，９５４号と２０１１年８月１５日に提出され、２０１２年３月２９日にＵＳ２０１２００７３５２６として公開された米国特許出願第１３／１３６，９５５号とに関連する材料を含む。

関連分野
分野は内燃機関用の燃焼室である。特に、分野は対向ピストン機関の構造を含み、燃焼室がポート式シリンダのボア内に対向して配置されるピストンのクラウンボウル間に画定される。

背景
図１によると、従来技術の対向ピストン機関は、ボア１２付きの少なくとも１つのシリンダ１０と、内部に機械加工または形成された長手方向に変位された（longitudinally-displaced）吸気ポート１４および排気ポート１６とを含む。いくつかの態様では、シリンダ１０の構造はボアを画定するシリンダライナ（またはスリーブ）を含む。燃料インジェクタ１７は、シリンダの側面を通じて開放されるインジェクタポート（インジェクタが配置されるポート）に固定される。閉鎖端領域（「クラウン」）２０ｃ、２２ｃを有する２つのピストン２０、２２は、相互に対面するクラウンの端面２０ｅ、２２ｅがボア内に配置される。便宜上、ピストン２０は吸気ポート１４に近接するために「吸気」ピストンと称する。同様に、ピストン２２は排気ポート１６に近接するために「排気」ピストンと称する。

シリンダ１０などの１つ以上のポート式シリンダ（１つ以上の吸気ポートと排気ポートを内部に形成したシリンダ）を備えた対向ピストン機関の動作（operation）は十分に認識されている。これに関し、燃焼に応答して、対向ピストンは、シリンダ１０内の最内位置である上死点（ＴＤＣ）位置から離れる。ＴＤＣから移動しながら、ピストンは、シリンダ内の最外位置である下死点（ＢＤＣ）位置に近づくまで対応ポートを閉じておく。両ピストンは、吸気ポート１４と排気ポート１６が一斉に開閉するように同相で移動することができる。もしくは、一方のピストンが他方のピストンよりも位相をリードすることができ、この場合、吸気ポートと排気ポートは異なる開放および閉鎖時点を有する。別の構造では、吸気ポートと排気ポートをシリンダの長手方向中心から異なる距離に配置することによってタイミングオフセットを実行することができる。

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る。図１に示すように、たとえば、排気ピストンが吸気ピストンをリードし、位相オフセットにより、両ピストンは相次いでＢＤＣ位置を中心に移動し、排気ピストン２２がＢＤＣを通過すると排気ポート１６が開放され、吸気ポート１４は閉鎖されたままなので、燃焼ガスが排気ポート１６から流れ出始める。ピストンが相互に離れるにつれ、吸気ピストン２０はＢＤＣを通過して吸気ポート１４を開放させ、排気ポート１６は開放されたままである。加圧空気がシリンダ１０内に送り込まれて開放された吸気ポート１４を通り、排気ポート１８を通じて排気ガスをシリンダから追い出す。図１に示すように、ピストンのさらなる運動後、排気ポート１６は吸気ポート１４よりも前に閉鎖される一方、吸気ピストン２０はＢＤＣから離れ続ける。通常、注入された外気は吸気ポート１４の傾斜開口を通過する際にスワールとなる。図１を参照すると、スワール運動（または単に「スワール」）３０は、シリンダの縦軸の周りを循環し、シリンダ１０のボアを通って長手方向に移動する給気の螺旋運動である。図２では、ピストン２０、２２がＴＤＣに向かって移動し続けるにつれ、吸気ポート１４が閉鎖されて、シリンダに残る渦気流がクラウン２０ｃ、２２ｃの端面２０ｅ、２２ｅ間で圧縮される。ピストンがシリンダボアで各自のＴＤＣ位置に近づくと、燃料４０がピストンの端面２０ｅ、２２ｅ間で圧縮給気に投入される。いくつかの態様では、燃料がインジェクタ１７を介してシリンダの側面からボア内に直接噴射される（「直接横噴射」）。噴射が継続するにつれ、空気と燃料のスワール混合物はピストン２０、２２の端面２０ｅ、２２ｅ間で画定される燃焼室３２内でますます圧縮される。混合物が点火温度に達すると、燃料が燃焼室で点火され、ピストンを各自のＢＤＣ位置に向かって相互に離れさせる。

乱流は、燃料噴射が開始する際に望ましい給気運動の特徴である。乱流は、より完全な燃焼のために給気と燃料との混合を促進させる。吸気ポート開口部と対向ピストン機関のシリンダの幾何学的形状は、排気ガス（掃気）と乱給気流の除去を促進する給気の適切なスワール運動を生成するための非常に有効なプラットフォームを提供する。しかしながら、スワールが優勢である給気運動は、燃焼中に所望しない作用をもたらす可能性がある。たとえば、平坦なピストン端面間に画定される円筒状燃焼室内での燃焼中、スワールは炎をシリンダボアの方に押しやって、（比較的）低温のシリンダ壁への熱損失を生じさせる。スワールの高速ベクトルはシリンダ壁近傍で発生して、熱損失にとって最悪のシナリオ、すなわち、高速の高温ガスがシリンダ壁に熱を伝達し、機関の熱効率を低下させることになる。したがって、このような対向ピストン機関では、スワールによる所望しない作用を緩和しつつ、噴射の開始時に乱給気流を維持することが望ましい。

ある対向ピストン燃焼室構造では、乱流は、燃焼室の縁部からシリンダの軸に向かうシリンダの径方向でスキッシュ流が生成される。スキッシュ流は、少なくとも１つのピストン端面に形成されるボウルにおける、ピストン端面縁部の比較的高圧の領域から低圧領域への圧縮空気の移動によって生成される。スキッシュ流は燃焼室内の乱給気流を促進する。たとえば、米国特許第６，１７０，４４３号（特許文献１）は、補完的な端面構造を有する一対の対向ピストンを備えたシリンダを開示している。一方の端面に形成される円形の窪みはピストン軸に対して対称であり、中央ではプラトーになるよう隆起している。対向端面の縁部は、中心に半環状（半ドーナツ状）溝が形成される凸形状である。ピストンがＴＤＣに近づくにつれ、シリンダの縦軸を中心とした略環状の燃焼室を画定する。燃焼室は、凹面および凸面形状間に画定される周縁のスキッシュ帯に囲まれる。ピストンがＴＤＣに近づくにつれ、スキッシュ帯が環状溝に流れ込む内向きのスキッシュ流を生成し、「上死点近傍の高強度スワール」を生み出す。米国特許第６，１７０，４４３号の第１９欄の第２５〜２７行を参照。燃料は、ボアの径方向で環状燃焼室内に噴射される。

燃焼室内の乱給気流を増加させると、空気／燃料混合の効果が高まる。スワールまたはスキッシュ流だけが給気運動で優勢な場合でも、一定のレベルの乱流が達成される。しかしながら、さらに多くの乱給気流を生成し、スワールおよび／またはスキッシュによって取得されるよりも均一な混合物を促進し、スワールの作用を軽減することによってシリンダ壁への燃焼熱の伝播を軽減するために、噴射の開始時に追加の給気運動成分を生成することが望ましい。この追加成分の１つがタンブルである。タンブルは、シリンダの縦軸を横断する方向に循環する給気の回転運動である。好ましくは、タンブル運動は、シリンダボアの径を中心とした給気の循環である。

給気運動のタンブル成分を生成する対向ピストン機関の例示の燃焼室構造が、米国特許出願第２０１１／０２７１９３２号（特許文献２）に記載され図示されている。機関は、長手方向に分離された排気ポートおよび吸気ポートを備えた少なくとも１つのシリンダと、シリンダのボア内で往復運動するために対向配置された一対のピストンとを含む。ピストンがＴＤＣに近づくにつれ、細長楕円形状の燃焼室が、ボア内のピストンの端面間に形成される。端面の形状が、燃焼室の長軸に対して斜めに向く補完的な方向の給気のスキッシュ流を生成する。端面形状と給気運動のスキッシュおよびスワール成分との相互作用により、燃焼室内で１つ以上のタンブル運動が生成される。

米国特許第６，１７０，４４３号米国特許出願第２０１１／０２７１９３２号

好ましくは、対向ピストンの端面構造は同一の形状を有するため、各端面がピストンの縦軸を中心とした周縁領域を有し、周縁領域内のボウルが、周縁接触領域を含む面からピストンの内部に向かって内側に湾曲する第１の部分と、ピストンの内部から周縁接触領域を含む面を通って外側に湾曲する第２の部分とを有する凹面を画定する。ピストンは、スキッシュ区域のスキッシュ面面積を最大化するためにボウルの補完的な湾曲面を対向配置するように回転可能に配向される。これらの特徴の結果、燃焼室は略細長楕円体形となる。
略細長楕円体形としてのみ特定される対向ピストン機関の燃焼室構造は、機関の設計柔軟性を高め、対向ピストン機関性能の具体的な目的および要件を達成するために個別にまたは共同で変更することのできる「一般的形状」の特徴や寸法を考慮に入れていないことは自明である。したがって、対向ピストン機関構造の分野では、系統的な容積モデルを用いて、燃焼室素子の特徴および寸法の関係によって燃焼室構造を画定する必要がある。

概要
端面にボウルを有する２つの対向ピストンのクラウン間で形成される燃焼室の３次元形状は、楕円体形またはフットボール形状として既に説明されている。本明細書では、燃焼室の３次元形状は、燃焼室の主容積を定義する形状パラメータを含む２次元断面の観点で説明する。燃焼室の主容積は、ピストンを含むシリンダの軸に最も近い中央領域を含む。いくつかの態様では、中央領域の一部が略球状である。２次元断面は、燃焼室の接線方向に向くスキッシュ流によりタンブルを生成させる３次元燃焼室形状を画定する。その他の平行断面は、隆起部高さがゼロに近づき、タイミングエッジとスキッシュ領域が融合して水平スキッシュ領域を形成する近インジェクタ領域を除いては同様の形状を有する。望ましくは、燃焼室の形状および次元パラメータを燃料噴射軸に沿った距離の関数として特定することによって、フル３次元ピストン端面を構築することができる。

各自の下死点位置近傍に従来技術の対向ピストンを有する対向ピストン機関のシリンダの概略部分側断面図であり、「従来技術」と表示している。

ピストンの平坦な端面が従来技術の燃焼室を画定する各自の上死点位置近傍に従来技術の対向ピストンを有する図１のシリンダの概略部分側断面図であり、「従来技術」と表示している。

シリンダボア内の各自のＴＤＣ位置近傍における一対の対向ピストンの端面間に画定される燃焼室の断面を示す概略図である。

一対のピストンの同一端面が形成されて対向ピストン機関の燃焼室構造を画定する、一対のピストンのうちの一方のピストンの透視立面図である。４Ｂ−４Ｂに沿った図４Ａのピストンの側断面図である。

図４Ａのピストンの端面図である。

図４Ａおよび４Ｂに示す構造を有する一対の対向ピストンを配置したシリンダライナの側断面図である。

上死点位置近傍での図６の一方の対向ピストンの端面を示す、図６のシリンダライナの径断面図である。

図５の断面線８Ａ−８Ａに沿った、図４Ａおよび４Ｂに示す構造を有する一対の対向ピストン間で形成される燃焼室の中央、中間、近インジェクタ領域をそれぞれ示す側断面図である。図５の断面線８Ｂ−８Ｂに沿った、図４Ａおよび４Ｂに示す構造を有する一対の対向ピストン間で形成される燃焼室の中央、中間、近インジェクタ領域をそれぞれ示す側断面図である。図５の断面線８Ｃ−８Ｃに沿った、図４Ａおよび４Ｂに示す構造を有する一対の対向ピストン間で形成される燃焼室の中央、中間、近インジェクタ領域をそれぞれ示す側断面図である。

対向ピストン機関の楕円体状の燃焼室を形成するためのボウル形状のピストンクラウンの端面図である。

対向ピストン機関の燃焼室を形成するボウルを備えたピストンクラウンの端面図であり、ボウルの形状はインジェクタ近傍で減少した容積を有し、燃焼室の中央領域で減少した容積を有する。

図４Ａの４Ｂ−４Ｂに直交する立面図におけるピストンクラウンの部分拡大断面図である。図４Ａの４Ｂ−４Ｂに直交する立面図におけるピストンクラウンの部分拡大断面図である。

以下で説明する燃焼室構造では、内燃機関は、長手方向に分離された排気ポートおよび吸気ポートを備えた少なくとも１つのシリンダを含む。たとえば、図１および２に示すシリンダ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対向配置され、ピストンが上死点位置に近づくにつれ、燃焼室構造はピストンクラウンの対向端面間に画定される。各ピストンクラウンの周縁領域は各端面の縁部を画定する。燃焼室は端面間に画定される空隙を含み、燃料を噴射する少なくとも１つの開口部（以下「噴射ポート」と称する）を含み、該噴射ポートは少なくともほぼシリンダの径方向に配置されて、空隙に対して開放される。

内燃機関の動作中、ピストンがＴＤＣに近づくにつれ、スキッシュ区域は、ボアの直径方向に対して斜めである補完的な方向で、圧縮空気（「スキッシュ流」と称する）を燃焼室内へ向かわせる。この工程は「スキッシュ生成」と称する。スキッシュを生成する端面の部分はスキッシュ面と称し、スキッシュ面間に画定される通路はスキッシュ通路と称する。スキッシュ流は、燃焼室空隙の１つ以上の湾曲面によって、空隙内を循環する少なくとも１つのタンブル運動に偏向または方向転換される。

以下の説明では、「燃料」は、対向ピストン機関で使用可能な任意の燃料である。燃料は比較的均質な組成物または混合物とすることができる。たとえば、燃料は、ディーゼル燃料または圧縮着火によって着火可能なその他の任意の燃料とすることができる。さらに、本明細書は、混合気の圧縮から生じる点火を企図する。ただし、圧縮着火を助ける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かもしれない。本明細書は、燃焼室の圧縮ガスに燃料を噴射することを企図する。ガスは好ましくは圧縮外気である。しかしながら、排気ガスやその他の希釈剤などの他の成分を含んでもよい。このような場合、ガスは「給気」と称する。

図３は、燃焼室の長軸Ｙに直交する面において対向ピストン機関の燃焼室の長手方向中心に沿った断面を概略的に示す。いくつかの態様では、燃焼室の長軸は、燃焼室への燃料噴射の軸でもある。図３では、ＲＢはボア半径であり、ＲＴはタイミングエッジ半径であり、Ｈは非円形隆起部高さであり、ＲＬは隆起部円形半径であり、Ｒは燃焼室の主容積の半径である。これらの燃焼室パラメータを軸（Ｙ）に沿った距離の関数として特定することで、各対向ピストンの端面に形成されるボウルの３次元構造を説明する。

燃焼室構造：図４Ａ、４Ｂ、５〜７は、対向ピストン機関のポート式シリンダに配置される一対のピストンのクラウンの補完的な端面構造によって画定される燃焼室構造を示す。燃焼室構造は、スキッシュ流を燃焼室に供給するスキッシュ面領域を含む。同一のボウルが対向ピストンの端面に形成され、スキッシュ区域のスキッシュ面領域を最大化するために、ボウルの補完的な湾曲面を対向配置するようにピストンが回転可能に配向される。認識されるとおり、端面構造は図３の素子によってパラメータで説明する。

各ピストンの端面構造は、凹面を画定するボウルを囲む縁部を有する。凹面は縁部面を含む面からピストンの内部に向かって湾曲する第１の部分と、第１の部分から離れて湾曲し該面から部分的に外側に突出する第２の部分とを含む。ボウルに対向する凸面は縁部から離れて湾曲し、該面から外側に突出する。凸面は凹面の第２の部分と合流して共に隆起部を形成する。端面構造は両ピストンに設けられ、ピストンはポート式シリンダのボア内に配置され、その端面は、燃焼室を画定するために端面構造の補完的な湾曲面を対向配置するように配向される。これらの２つの端面間に画定される燃焼室空間は略対称形状を有して、タンブル運動を補強および維持する。

燃焼室構造を画定するピストン端面の構造は実質的に相互に同一である。したがって、図４Ａ、４Ｂ、５に示すピストン８０は吸気ピストンと排気ピストンの両方を表す。ピストン８０のクラウンは端面８２および側面８３を有する。端面８２および側面８３はピストン８０の縦軸８７を中心として縁部８４で合流する。通常、必須ではないが、縁部８４は周縁領域８５によって縁取りされる。いくつかの態様では、周縁領域は切欠き９４が形成される場所を除いて略環状である。ボウル８６は縁部内に形成される。ピストンの縦軸８７に直交し、縁部８４と接触する面を参照すると、ボウル８６は、面からピストン８０の内部に向かって湾曲する第１の部分９０と、ピストンの内部から面を通って外側に湾曲する第２の部分９２とを備えた凹面８８を有する。端面８２は、面から外側に湾曲する縁部内の凸面９５をさらに含む。凸面９５は凹面８８の第２の部分９２と合流して、端面８２から外側に突出する隆起部９６を形成する。少なくとも１つの切欠き９４が縁部を通ってボウル８６へと延在する。好ましくは、２つの整列した切欠き９４が設けられる。

次に図６および７を参照すると、シリンダ１０はライナ（またはスリーブ）１１を含む。図４Ａ、４Ｂ、５に示すような形状の端面を有する２つの対向ピストン８０が、ライナ１１によって画定されるシリンダボアに配置される。ピストン８０は、端面が補完し合って配列するようにボア内に回転可能に配向される。すなわち、一方のピストン８０の凹面部９０が他方のピストンの凸面９５に対向する。ピストン８０がＢＤＣに近づくと、給気が吸気ポートを通過してシリンダに送られ、排気が排気ポートを通ってシリンダから流れ出す。掃気および空気と燃料の混合のために、給気はシリンダに入る際にスワールとなる。ピストン８０がＢＤＣからＴＤＣに向かって移動するにつれ、吸気ポートと排気ポートが閉じ、スワール給気はますます端面８２間で圧縮される。ピストン８０がＴＤＣに近づくにつれ、圧縮空気はスキッシュ通路９９を通過して端面の縁部から流れる。これらのスキッシュ気流は、端面ボウル間に画定される空隙を有する燃焼室１００に入る。同時に、圧縮給気はスワールであり続ける。ピストン８０が各自のＴＤＣ位置に移動するにつれ、対向する凹面９０と凸面９５は噛み合い、燃焼室空隙を細長形状とする。端面８２の対向対の切欠き９４は、燃焼室の対向極位置で燃焼室１００に開放される噴射ポート１０３を画定する。図７では、燃焼室は対向極位置間を延在する長軸Ｙを有する細長形状である。言い換えると、噴射ポート１０３が長軸Ｙに沿って整列される。

端面８２と給気間の相互作用は、関連出願の米国特許出願公開２０１１／０２７１９３２号に図示および記載されている。これに関し、燃焼室に入るスキッシュ流はスワールに影響を及ぼすと共に、スワールの影響を受ける。図６を参照すると、ピストンがＴＤＣに向かって移動するにつれ、スキッシュ領域（対向凹面−凸面対９０、９５間）が、給気のスキッシュ流を燃焼室１００内に方向付ける高圧を局所的に生成する。これに関して、噴射の開始時、ピストンが各自のＴＤＣ位置の近傍にあるとき、凹面−凸面対９０、９５は燃焼室１００へのスキッシュ流１４１、１４２を生成する。これらのスキッシュ流は長軸Ｙに対して対向する、平行である、斜めである。この空間関係により、スキッシュ流が外向き端面部９２に直面するときにタンブル運動１４３が生成される。タンブル運動は、燃焼室においてシリンダの縦軸を少なくとも略横切る給気の循環運動である。タンブル運動１４３の場合、循環は長軸Ｙのほぼ周囲でも生じる。スワールが給気運動に追加されると、スワール運動は強度に応じてスキッシュ流と相互作用し、スキッシュ流単独よりも激しいタンブル運動を長軸Ｙの周りで生成する。また、燃焼室１００内でのスワールおよびスキッシュとピストン端面との相互作用は、長軸に直交する軸周囲のタンブル運動を追加する。よって、噴射の開始時、燃焼室１００内の乱給気流の運動は、スワール成分、進入するスキッシュ流、直交タンブル軸を中心としたタンブル成分を含む。

図７を参照すると、燃料１４８が、対向インジェクタ１５０によって燃焼室空間１００のタンブル空気に噴射される。例示の構造によると、燃焼室はシリンダの縦軸１２３（ピストンの縦軸と同一直線上にある）に対してほぼ中心に位置する。ピストンがＴＤＣに近づくと、並んだ切欠き９４対が燃焼室空隙１００の各端に１つずつ、長軸Ｙに揃って少なくとも２つの噴射ポートを画定し、燃料が噴射ポートを介して２つの対向インジェクタ１５０から噴射される。

いくつかの態様では、燃焼室１００に生成される乱気流運動に対向噴霧パターンの燃料を噴射することが望ましく、そこで対向噴霧は燃焼室の中央領域で合流し、乱流により圧縮給気と十分に混じり合う雲状の燃料を形成する。図７はシリンダライナ１１の長手方向中間点近傍において、ボアと見えないクラウン端面とが燃焼室１００を画定する位置でボアに配置されるクラウン端面８２に向かってシリンダボア２１を直接見ている断面図である。例示の構造によると、燃焼室１００はシリンダの縦軸１２３に対して長手方向に略中心に位置する。燃料インジェクタ１５０は、ノズル先端１５１をインジェクタポート１６５に配置して位置決めされる。各インジェクタのノズル先端は１つ以上の穴を有し、そこから燃料１４８が各自のインジェクタポートを通って燃焼室１００に噴射される。好ましくは、各インジェクタ先端１５１は、燃焼室の長軸Ｙに沿って噴射ポート１０３と一直線に噴射ポート１０３を通過する発散パターンで、燃料１４８を燃焼室の中央領域１０４へと噴霧する。好ましくは、燃料の対向噴霧パターンは、燃焼室１００の乱気流運動に噴射される。いくつかの態様では、対向噴霧パターンは燃焼室の中央領域１０４で合流して、スワール、スキッシュ、タンブル成分を含む複雑な乱気流運動を有する給気と混じり合う雲状の燃料蒸気を形成する。好ましくは、必須ではないが、燃料インジェクタ１５０は、軸Ａが相互におよびボア２１の直径方向に揃えられるように配置される。これにより、インジェクタ先端１５１は、長軸Ｙと並んだシリンダ径に沿って対向配置させられる。

燃焼室概要：図３、４Ａ、４Ｂ、５を参照すると、同一のクラウン端面間に形成される燃焼室が、燃焼室の長軸Ｙに沿った距離の関数であるパラメータＲＢ、ＲＴ、Ｈ、ＲＬ、Ｒに各自の値を代入することによって容量的に説明される。パラメータ値のセットは、ピストン８０の端面８２によって例示されるように、縁部、ボウル、隆起部を備えた３次元クラウン端面の構造を直接表す。燃焼室はＲＢ、ＲＴ、Ｒ、Ｈ、ＲＬの値によって示される対向ピストンの端面間に画定されるため、同じセットのパラメータ値が燃焼室を説明する。

第１のパラメータＲＢは、対向ピストンが移動のために配置されるシリンダボアの弦の線分に沿った、燃焼室の長軸Ｙから縁部８４までの距離に相当する値を有する。ＲＢ線分は長軸Ｙに直交する。ピストン全体がシリンダに嵌合されるように円形でなければならないため、ＲＢはＹの既知の関数である。縁部８４が平坦な周縁領域によって縁取りされる態様では、第２のパラメータＲＴが長軸Ｙと平坦な周縁領域の内縁８５ｅ間で測定される。平坦な周縁領域は通常、環状領域（切欠き領域近傍を除く）であるため、ＲＴも通常はＹの既知の関数であるが、これは必須ではない。第３のパラメータＲは、燃焼室の主容積の半径である。通常、Ｒの変動は、シリンダの長手方向中心から長軸Ｙに沿った距離の関数（ただしＹ＝０）として特定される。いくつかの態様では、Ｒはシリンダの長手方向中心からの距離の減少関数として変動し、シリンダ中心の燃焼容積を軸近くに集中させ、シリンダライナへの熱伝達を低減する。隆起部９６の非円形高さＨは、シリンダの長手方向中心から長軸Ｙに沿った距離の関数として特定される。いくつかの態様では、Ｈは、シリンダの長手方向中心からの距離の減少関数として特定される。Ｈの値が所与の断面で減少すると、スキッシュ通路９９の長が減少し燃焼室の断面が円形でなくなっていく。Ｈの値がＲに向かって増加すると、燃焼室の断面がより円形に近くなるが、製造と冷却が困難なピストン隆起部９６を形成する可能性がある。これらの作用は、シリンダの長手方向中心から長軸Ｙに沿った距離の関数である隆起部円形半径ＲＬの仕様を通じて緩和することができる。いくつかの態様では、ＲＬは、長軸Ｙに沿った距離の変動関数として変化する。これに関して、所与の断面でＲＬ値が大きいほど、燃焼室の真円度は低下し、スキッシュ通路９９の長も減少する。いくつかのクラウン構造では、ＲＬが一対の３次元面の交点で３次元曲線に適用される結果、クラウンの２次元断面が楕円状になる。しかしながら、明瞭化のため、２次元断面のシーケンスによって表されるクラウン形状の説明では、真円を使用する。

図８Ａ、８Ｂ、８Ｃは、図５の断面線８Ａ−８Ａ、８Ｂ−８Ｂ、８Ｃ−８Ｃに沿った、図４Ａおよび４Ｂに示す構造の一対の対向ピストンのクラウン間で形成される図６の燃焼室の中央、中間、近インジェクタ領域をそれぞれ示す側断面図である。図８Ａは燃焼室の長軸Ｙに直交し、燃焼室を二分する面に対応する。いくつかの態様では、面はシリンダの縦軸を含む。この例では、Ｙ＝０であり、ＲＢ、ＲＴ、Ｒ、Ｈは最大値をとる。図８Ｂは、長軸Ｙに直交し燃焼室に交差する面に対応し、Ｙの値がゼロより大きいがシリンダボアの半径よりも小さいｙ_１である。図８Ｃは、長軸Ｙに直交し噴射ポート１０３近傍で燃焼室に交差する面に対応し、Ｙの値がシリンダボアの半径に近いｙ_２である。これらの図面では、ＲとＨの両方が、シリンダの長手方向中心から長軸Ｙに沿った方向に減少していく値である。

図８Ａ〜８Ｃに示す構造では、パラメータの代表値はボアサイズに完全に依存する。たとえば、代表的な対向ピストン機関で９８．４２５ｍｍのシリンダボアサイズを仮定する。この場合、ＲＢは（９８．４２５ｍｍ／２）＊（ｃｏｓ（π＊Ｙ／９８．４２５ｍｍ）であるため、図８ＡのＹ＝０で最大値をとり、図８Ｂおよび８ＣのＹ＝ｙ_１とＹ＝ｙ_２で段々値が小さくなる。縁部８４に接する環状境界が３ｍｍ幅であると仮定すると、ＲＴは（９２．４２５ｍｍ／２）＊ｃｏｓ（π＊Ｙ／９２．４２５ｍｍ）である。その他のパラメータの代表値は通常、図８Ａに示す位置の近傍のＲＬとして約５ｍｍの値を含む。

図９は、楕円体状の燃焼室を形成する形状を有する端面８２に形成されるボウル８６を備えたピストンクラウンを示す。前の段落に記載したパラメータを調節することで、主にＲを低減しＨおよびＲＬも変更することによってインジェクタ切欠き９４近傍の図９のボウル形状から容積を減少させ、主にインジェクタ切欠き間の中間領域でＲ値を増加させＨおよびＲＬも変更することによって燃焼室の中央領域１０４で容積を追加する。結果として生じたボウル形状は図４Ａ、４Ｂ、５に示した形状である。パラメータは図１０に示す形状を有するピストンクラウンボウル８６を生成するように調節することもでき、この形状は総空隙容積を低減して、同様の幾何学的形状を維持しつつ圧縮比を高める。図１０に示すボウル形状は、インジェクタ切欠き９４近傍および燃焼室の中央領域１０４の容積を低減している。

対向ピストン機関における燃焼室内の容積の分布を制御するため、本願に開示し例示するパラメータの記載を利用して、対向ピストンのクラウンに形成されるボウルに変更を加えることができる。図３〜７を参照して、上記分散の例を説明する。所望の圧縮比を達成するのに必要な総空隙容積と、シリンダ縁部でインジェクタ１５０からの燃料噴霧１４８にとって十分な空気を捕捉するのに必要な局地容積とに応じて、インジェクタ１５０間の中間を中心とする略球状空間を生成する第１の比率でＹ＝０での最大値からＲを減少させ、その後、長軸Ｙに沿ってインジェクタ１５０に向かって先細となる中央領域１０４のいずれかの側で空間を生成するより低い第２の比率までＲの変更率を減少させることによって、燃焼室１００の容積を中央燃焼室領域１０４に集中させることができる。このようにシリンダの中央に燃焼室の容積の大部分を配置することで、燃焼混合物をシリンダライナから遠ざけて伝熱損失を低減する。

図４Ｂを参照すると、ピストン８０は、ピストン８０のクラウン内の環状冷却空洞２００、トップランド２０４、ランド２０４下の１つ以上の円形リング溝で構成される。リングのジャッキングとその後のリングおよび／またはボアのスカッフィングを引き起こす可能性のある溝での潤滑油のコーキングを低減または排除するため、リング溝の温度を制限することが望ましい。リング溝の温度を制限する１つの方法は、空洞２００の冷却容量をトップランド２０４にできるだけ近づけることである。本明細書に記載および図示するような大きな傾斜のピストンボウルの構造は、この目的を達成するように適合させることができる。これに関して、図４Ｂ、１１Ａ、１１Ｂを参照すると、燃焼室半径Ｒは、切欠き近傍のボウル容積を低減するように、切欠き９４間で延在する軸または径に沿ってボウル８６の中央燃焼領域からの値を変更することができる。たとえば、２つの直径方向に対向する燃料インジェクタの場合、ピストン冷却空洞２００が端面８２とトップランド２０４間のクラウンの内側角部まで延在できるように、Ｒの値はインジェクタ中心線２２５に沿って変化する。たとえば、図１１Ａでは、端面８２の縁部８４近傍のボウル空間におけるＲの値は、図１１Ｂに示す低比率よりも切欠き近傍で大きな燃焼室容積をもたらす第１の比率で切欠き９４に向かってインジェクタ中心線に沿って遷移する。これに関連して、図１１Ｂでは、燃焼室形状はインジェクタの切欠き９４近傍の室容積を低減するように変更されることによって、冷却空洞２００が端面８２とトップランド２０４間の角部２０２までさらに延在して上リング溝２０６を高温ピストン端面８２から隔離することができる。いくつかの態様では、切欠き９４近傍の燃焼室容積の低減は、ボウル８６の中央燃焼領域でＲ値を増加させることによって相殺することができる。

上述の燃焼室構造は、シリンダに追い込まれた給気にスワールを加える対向ピストン圧縮点火機関で利用することを目的とする。しかしながら、この燃焼室構造は、給気にスワールを加えない対向ピストン圧縮点火機関でも利用することができる。

本願に記載のピストンおよび関連シリンダは、金属材料を鋳造および／または機械加工することによって製造することができる。たとえば、ピストンは、成形ボウルを有する端面が形成されたクラウンに組み付けられるスカートで構成することができる。別の例として、他の材料を除外するものではないが、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することができる。このような場合、シリンダは好ましくは鋳鉄成分を含む。

発明を好適な構造を参照して説明したが、発明の趣旨から逸脱せずに様々な変更を加えることができると理解すべきである。したがって、本発明は以下の請求項によってのみ限定される。

Claims

クラウンを有するピストン（８０）であって、対向するピストンの前記クラウン（８０）で燃焼室（１００）を画定し、前記クラウンがピストンの前記縦軸を中心とする縁部（８４）と、前記縁部に形成された一対の整列した切欠き（９４，９４）を有する、ピストンであって、
前記縁部内のボウル（８６）であって、前記ピストンの前記縦軸（８７）に直交し前記縁部に接触する面から前記ピストンの内部に向かって内側に湾曲する第１の部分（９０）と、前記面を通って前記ピストンの内部から外側に湾曲する第２の部分（９２）とを備えた凹面（８８）を画定するボウルと、
前記縁部内で、前記面から外側に湾曲し前記凹面の前記第２の部分（９２）と合流して隆起部（９６）を形成する凸面（９５）と、
を備え、
前記隆起部（９６）の高さ（Ｈ）は、前記燃焼室の長軸（Ｙ）の中間点の最大値から前記縁部（８４）に向かって前記長軸に沿った方向で減少しており、前記中間点は前記燃焼室の長軸（Ｙ）が前記ピストンのシリンダの前記縦軸と交差する位置であり、
前記燃焼室の主容積は、前記シリンダの中心からの距離の減少関数として変化する半径（Ｒ）を有しており、ここで前記シリンダの中心とは前記長軸（Ｙ）の前記中間点であり、且つ前記長軸（Ｙ）の前記中間点がＹ＝０であり、さらに、前記半径（Ｒ）が前記燃焼室の長軸（Ｙ）と直交する断面のそれぞれに対する値を有しており、前記半径（Ｒ）の値は、前記燃焼室の長軸（Ｙ）から前記ボウル（８６）の表面までで測定され、
前記燃焼室の前記半径（Ｒ）が前記Ｙ＝０での最大値から、第１の比率で減少していることで、前記燃焼室の主容積は、切欠き（９４，９４）間の中心を中心とした略球状空間である中央領域（１０４）に集中し、次いで、前記燃焼室の前記半径（Ｒ）が、前記長軸（Ｙ）に沿って切欠き（９４，９４）に向かって先細となる、中央領域（１０４）の両側に位置する空間を形成するように、より低い第２の比率で減少していることを特徴とするピストン。
整列した切欠き（９４、９４）が前記燃焼室の前記長軸上の各自の位置で前記縁部に設けられる請求項１のピストン。
前記隆起部（９６）が半径ＲＬの円形構造を有する請求項２のピストン。
前記隆起部が半径ＲＬの円形構造を有する請求項１のピストン。
前記縁部（８４）から前記縦軸（８７）に向かって延在する周縁領域（８５）をさらに含む請求項２のピストン。
前記周縁領域が、前記切欠きの位置する場所を除いて略環状である請求項５のピストン。