JP6714014B2 - 対向ピストンエンジンの非対称形状の燃焼室 - Google Patents

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［優先権］
本出願は、２０１５年３月３１日に米国特許商標庁に出願された米国特許出願第１４／６７５，４０７号に対する優先権を主張する。

［関連出願］
本出願は、以下の所有者が共通する出願の主題に関連する主題を含む。現米国特許第８，８００，５２８号である米国特許出願第１３／０６６，５８９号、現米国特許第８，８２０，２９４号である米国特許出願第１３／１３６，９５４号、米国特許出願公開第２０１４／００８３３９６号として公開された米国特許出願第１４／１１７，８３１号、米国特許出願公開第２０１３／０２１３３４２号として公開された米国特許出願第１３／８４３，６８６号、米国特許出願公開第２０１４／００１４０６３号として公開された米国特許出願第１４／０２６，９３１号、および米国特許出願第１４／０７４，５８０号。

本出願の分野は、シリンダのボア内に対向して配置されたピストンの端面の間に燃焼室が画定された対向ピストンエンジンを含む。より詳細には、本出願の分野は、給気の大きく複雑な乱気流運動を促進する形状を有する燃焼室を備えた対向ピストンエンジンを含む。

関連する特許出願は、ピストンの対がポート付きシリンダのボア内で対向して運動する２ストローク対向ピストンエンジンを記載している。圧縮行程中、２つの対向するピストンがシリンダボア内で互いに向かって運動すると、燃焼室がピストンの端面間のボア内に形成される。ピストンがボア内のそれぞれの上部中央（「ＴＣ：ｔｏｐ ｃｅｎｔｅｒ」）位置にあるか、またはその近くにあるとき、燃料が燃焼室のボリュームに直接噴射される。圧縮行程の終わり近くで端面が互いに最も近いとき、最小燃焼室容積（「最小容積」）が生じる。燃料は、シリンダの側壁を通る直径方向に対向する開口部に配置された燃料噴射ノズルを介して噴射される。燃料は、ボア内に流入した給気と混合する。混合気がピストン端面の間で圧縮されると、圧縮空気は、燃料を点火させる温度および圧力レベルに達し、その後燃焼が発生する。燃焼タイミングは最小容積を基準とすることが多い。いくつかの事例では、噴射は最小容積においてまたはその近くで行われ、他の事例では、噴射は最小容積の前に行われる場合もある。いずれにしても、燃焼に応答して、ピストンは方向を逆転させ、動力行程を受ける。動力行程の間、ピストンは、ボア内の下部中央（ＢＣ：ｂｏｔｔｏｍ ｃｅｎｔｅｒ）位置に向かって互いから外方に運動する。ピストンが上部中央位置と下部中央位置との間を往復運動するとき、ピストンは、シリンダのそれぞれの吸気位置および排気位置に形成されたポートを、シリンダ内への給気およびシリンダからの排気の流れを制御するタイミング系列で開閉する。

２ストローク対向ピストンエンジン用のピストン構造の多くの態様では、シリンダ内のスワールおよび燃焼室の周辺からのスキッシュ流と相互作用する輪郭の端面を有するクラウンを有するピストンを利用することが望ましい。この相互作用は、空気／燃料の混合を促進する複雑な乱気流給気運動を生じる。関連出願は、ピストン端面が乱気流を促進する特定の形状を有する燃焼室を画定する対向ピストン応用形態に関する。これらの用途では、燃焼室は、燃料が噴射される燃焼室の直径方向に対向する開口部の間を延伸する室中心線の対向する両側に延在する対向するリッジの間に画定される。したがって、室中心線は、開口部間のピストン直径Ｄに対応する。いくつかの事例では、リッジは、空気流および燃料プルームを誘導するために、室中心線に対して対称に湾曲している。縦断面では、これらの燃焼室は、中央部からいずれかの開口部に向かって面積が減少する、中心線を中心とする非ループ状の単純な閉曲線の形状を有する。最小容積では、対称リッジ形状は、燃焼室空間に、対向する湾曲した側部を有し、中心線に沿って延伸する、細長い、概して対称な平面形状を与える。燃焼室の最も広い部分は、シリンダの長手方向軸（ピストンの長手方向軸と同一線上にあり、室中心線を横切る）においてまたはその近くで生じる。そこから、燃焼室空間は、燃焼室内の開口部に対して対向する方向に対称に先細になる。この形状は、燃料プルームの構成に適合し、燃焼室の中央部に向かって進行する間に燃料プルームが拡散するときに、燃料プルームを誘導する。例えば、特許文献１に記載されている燃焼室の楕円形状を参照されたい。

燃焼室の対称性は、場合によっては燃焼効率を低下させることがある。給気のスワール成分は、燃焼室の側部を画定するそれぞれのリッジに向かって燃料のプルームを押しやる傾向があり、それによって空気利用率、したがって熱効率を低下させる。燃焼室の対称性はまた、スワールがプルームを押して燃焼室の側部に接触させる場合に、効果的な排出の制御に対して作用し得、部分的な消炎および煤煙の発生を引き起こす可能性がある。対称性のもう１つの可能性のある欠点は、プルームが側部と接触している間に点火する場合に発生する可能性があり、これによって、ピストンクラウンへの熱伝達およびクラウン酸化の危険性が増大する可能性がある。

スワールに応答した燃料プルームの拡散と燃料プルームの運動の両方に対応する形状を有する対向ピストンエンジンの燃焼室を設けることによって、燃料効率、排出物低減、およびピストン耐久性に関する欠点が、解消されるとは言わないまでも、低減される。この点に関して、燃焼室は、燃料が噴射される燃焼室の直径方向に対向する開口の間で、室中心線に沿って延伸する、長手方向の断面が細長い非対称形状を有する。この非対称性は、室中心線の、スワールが向けられる側にさらなる間隔をもたらし、それにより、スワールの存在下で空気を適切に取り込むための燃料プルーム空間を与えるように、燃焼室を分け合う。

非対称形状は、中心領域と、室中心線に沿って延在し、中央領域から中央領域へのそれぞれの燃料噴射開口まで非対称に先細になる端部領域とを含む。非対称なテーパは、端部領域内の燃焼室空間を室中心線のそれぞれの側に向かって傾斜させる。

燃焼室は、燃料が燃焼室に噴射される直径方向に対向する開口部の間に延在する中心線に沿って延在する非対称ボリュームとして形成される。室中心線から燃焼室の一方の側までの最大半径距離Ｒ_１が存在する。Ｒ_１は、それぞれの開口部から中心線中間点の両側上の点までの室中心線に沿った距離を規定する非対称パラメータＬによって位置決めされる。

対向ピストンエンジンは、ボアを有する少なくとも１つのシリンダと、そのそれぞれの端近くでシリンダ内に機械加工または形成された、長手方向に変位された吸気ポートおよび排気ポートとを含む。２つのピストンは、その端面が互いに対向するようにボア内に配置されている。ピストンがボア内の上部中央位置近くにあるときに、端面間に、燃料を入れるための直径方向に対向する開口部を有する燃焼室が形成される。ボリュームは、室中心線を含み、直径方向に対向する開口部の一方から他方に延伸する細長い非対称形状を有する。いくつかの態様では、燃焼室ボリュームの非対称形状は、燃焼室中心線に関して燃焼室の平面内で非対称に湾曲した内壁を有するピストン端面リッジによって画定される。さらに、内壁の形状は、シリンダの長手方向軸が室中心線と交差する点に対して極対称に制約される。
対向ピストンエンジンのピストンは、長手方向軸を中心とする円筒側壁と、周縁部を含む端面を有するクラウンとを有し、側壁は端面に接する。端面は、周縁部によって囲まれ、ピストンの長手方向軸を横切って周縁部を含む基準面を通じてクラウンから外方に突出する湾曲したリッジを含む。湾曲したリッジは、端面内の細長い割れ目（ｃｌｅｆｔ、または溝）に移行する内壁を含み、割れ目は、クラウンの直径に沿って整列されかつ周縁部を通じて割れ目のそれぞれの端部へと開いた対向するノッチの間でクラウンの直径に沿って延伸する。溝は、直径から内壁までの最大直交距離Ｒ_１を含む直径に関して非対称形状を有し、Ｒ_１は、長手方向軸のいずれかの側の直径に沿って距離Ｌのところに位置決めされる。

従来技術の対向ピストンエンジンの概略図である。

従来技術の対称形状の燃焼室の切断平面図である。

本開示による非対称形状の燃焼室の概略図である。

本開示による燃焼室の非対称性のパラメータ化を示す燃焼室の概略図である。

本開示による非対称形状の燃焼室を形成するように成形された端面を有するピストンの斜視図である。 本開示による非対称形状の燃焼室を形成するように成形された端面を有するピストンの斜視図である。

図５および図６のピストンの端面の間に形成された非対称形状の燃焼室の断面図である。 図５および図６のピストンの端面の間に形成された非対称形状の燃焼室の断面図である。

シリンダ内の燃焼室最小容積位置にある、図６のピストンの端面を示す平面図である。

様々な燃焼ボウルパラメータを示すようにマーキングされた図６のピストンのクラウンの断面図である。

燃焼室への多穴噴霧パターンの噴射を示す、図８に対応する断面図である。

燃焼室中心線に沿って噴射される対向する多穴噴霧パターンの噴射を示す、図９に対応する平面図である。

本開示による非対称形状の燃焼室を形成するように成形された同一の端面を有する２つのピストンの斜視図である。

シリンダ内の燃焼室最小容積位置にある、図１３の１つのピストンの端面の平面図である。

図１によると、対向ピストン２ストロークエンジン８は、ボア１２を有する少なくとも１つのシリンダ１０と、そのそれぞれの端部近くでシリンダ内に機械加工または形成された、長手方向に変位された吸気ポート１４および排気ポート１６とを含む。吸気ポートおよび排気ポートの各々は、１つ以上の円周方向開口アレイを含み、隣接する開口部がシリンダ壁の中実部分（「ブリッジ」とも呼ばれる）によって分離されている。いくつかの記載では、各開口部を「ポート」と呼ぶ。しかしながら、このような「ポート」の円周方向アレイの構成は、図１のポート構成と変わらない。

燃料噴射ノズル１７が、シリンダの側面を通じて開いているねじ穴に固定されている。２つのピストン２０、２２は、その端面２０ｅ、２２ｅが互いに対向するようにボア１２内に配置されている。便宜上、ピストン２０は、吸気ポート１４に近接しているため、「吸気」ピストンと呼ばれる。同様に、ピストン２２は、排気ポート１６に近接しているため、「排気」ピストンと呼ばれる。好ましくは、必ずしもそうではないが、吸気ピストン２０および他のすべての吸気ピストンは、エンジン８の一方の側に沿って配置されたクランクシャフト３０に結合される。排気ピストン２２および他のすべての排気ピストンは、エンジン８の反対側に沿って配置されたクランクシャフト３２に結合されている。

シリンダ１０のような１つ以上のポート付きシリンダ（その端部近くに吸気ポートおよび排気ポートが形成されたシリンダ）を備えたエンジン８のような対向ピストンエンジンの動作はよく理解されている。これに関して、燃焼に応答して、対向するピストンは、それらがシリンダ１０内の最も内側の位置にあるそれぞれのＴＣ位置から外方に運動する。ＴＣから運動している間、ピストンはシリンダ内の最も外側の位置にあるそれぞれのＢＣ位置に達するまで、関連するポートを閉じたままに保つ。ピストンは、吸気ポート１４と排気ポート１６とが一致して開閉するように、同相で運動することができる。代替的に、一方のピストンが他方のピストンを同相で導くことができ、この場合、吸気ポートと排気ポートとは異なる開閉時間を有する。

給気が吸気ポート１４を通ってシリンダ１０に入ると、吸気ポート開口の形状によって、空気が排気ポート１６の方向においてシリンダの長手方向軸の周りをらせん運動（「スワール運動」）する。それによって形成されたスワール渦３４が、空気／燃料の混合を促進する。スワール速度は、端面２０ｅおよび２２ｅが共に運動するときに増大する。噴射が行われると、高速スワールが燃料プルームを回転方向に旋回させることができる。

図２は、従来技術による対称形状の燃焼室４０における対向する燃料プルームおよびスワール方向を示す。図２の図は、周縁部と一致し、最小容積で燃焼室を二等分する仮想面（「切断面」または「断面」と呼ばれる）を通る。切断面は、燃料噴霧プルーム４６が燃焼室４０に入る直径方向に対向する開口４２の間に延在する燃焼室中心線Ｃを含む。切断面および室中心線Ｃは、シリンダボア１２の長手方向軸Ａを横切っている。燃焼室４０は、切断面を通過するピストン端面リッジ５０の間に画定され、この場合、リッジ５０は、室中心線Ｃに関して切断面において対称である。シリンダボア１２内の大きな空気運動は、切断面内で強いスワール成分Ｓ（例えば、図示のような時計回り、または反時計回りであり得る）を有すると仮定する。スワールＳは、プルーム４６を室中心線Ｃから外方に揺動させることができる。比較的低速度で小さな燃料滴を有するプルームは、中心線Ｃの中間点Ｍ（長手方向軸Ａが中心線と交差する位置）の前で、燃焼室４０に入った直後に一方向のスワールによって揺動し得る。高速ジェットおよび大きな燃料小滴を含むプルームは、スワールからの初期効果がほとんどない状態で燃焼室４０内にさらに貫入するのに十分な運動量を有し得るが、それらが中点Ｍを通過するときに反対方向に揺動され得る。

図３の図は、図２のものに対応しているが、燃焼室のボリュームが、本開示に従って、空気の運動に応答した燃料プルーム構成と燃料プルーム運動の両方に対応するように成形されている点が異なっている。この点に関して、本明細書による燃焼室６０は、室中心線Ｃに沿って延在し、燃焼室６０の直径方向に対向する開口部６２の一方から他方に延伸する細長い非対称形状を有する。燃焼室ボリュームの非対称形状は、室中心線Ｃに関して切断面内で非対称に湾曲した内壁６７を有するピストン端面リッジ６５によって画定される。さらに、内壁６７の形状は、シリンダの長手方向軸Ａが室中心線Ｃと交差する点、すなわち中心線の中間点６３に関して極対称であるように制約される。

本明細書による燃焼室の非対称形状は、図４に従ってパラメータ化される。本開示による非対称燃焼室のモデルの基礎として対称形状を使用すると、燃焼室６０’は室中心線Ｃに対して半径方向にあり、室中心線Ｃからリッジの内壁６７’が切断面と交差する線までの距離を測定する寸法Ｒ_１を有する。非対称寸法Ｌが、室中心線Ｃと同一直線上にあり、第１の開口部６２’から、Ｒ_１がリッジの内壁６７’までの最大距離（［Ｒ_１］ｍａｘ）を有する、中心線上の点までの距離を測定する。非対称寸法Ｌはまた、第２の開口部６２’’から、Ｒ_１’が対向するリッジの内壁までの最大距離（［Ｒ_１’］ｍａｘ）を有する、中心線Ｃ上の点まで等しい距離を測定するためにも適用される。対称形状の燃焼室では、［Ｒ_１］ｍａｘ＝［Ｒ_１’］ｍａｘであり、両方ともそれぞれの開口部から測定してＬ＝Ｄ／２で生じる。非対称形状の場合、［Ｒ_１］ｍａｘおよび［Ｒ_１’］ｍａｘはＬ＝Ｄ／２で生じない。さらに、少なくとも切断面において、燃焼室形状は、燃焼室中心線Ｃとシリンダの長手方向軸とが交差（し、Ｌ＝Ｄ／２と一致）する点である、室中心線Ｃの中間点６３’に対して極対称であるように制約される。この点において、中心線の中間点６３’から、燃焼室の内面へと角度（θ）を成して引かれる任意の直線の長さは、中心線の中間点６３’から、燃焼室の内面へと角度（−θ）を成して引かれる逆の線と長さが等しい。

図４に示す制約は、室中心線Ｃに関して非対称であるが、室中心線Ｃの中間点６３に対して極対称である、図３に示す燃焼室６０の形状を生成する。この場合、切断面内では、［Ｒ_１］ｍａｘ＝［Ｒ_１’］ｍａｘであり、この各々が、それぞれの直径方向に対向する開口部６２から距離Ｌで測定される。結果として生じる形状は、中央領域７５と、室中心線Ｃに沿って延在し、中央領域７５から開口６２へと非対称に先細になる端部領域７７とを含む。図３に示すように、非対称なテーパは、端部領域内の燃焼室空間を室中心線のそれぞれの側に向かって傾斜させる。

[第１の構成]
図５および図６は、本開示による対向ピストンエンジンの燃焼室を画定する相補的ピストン端面構造を有する１対のピストン１２０および１２２を示す。ピストン１２０は、長手方向軸Ａを中心とする円筒側壁１５０と、周縁部１５３を含む端面１５２を有するクラウン１５１とを有し、側壁は端面に接する。周縁部は、ボウル１５４を端面で包囲し、凹面１５５が周縁部１５３からピストン１２０の内部に向かって湾曲している。ボウルは、長手方向軸Ａに関して回転対称であることが好ましい。たとえば、限定されるものではないが、ボウルの凹形状は、半球形状から円錐形状に及ぶことができる。端面１５２に形成された直径方向に対向するノッチ１５６が、周縁部１５３を通じてボウル１５４へと開いている。

他方のピストン１２２は、長手方向軸Ａを中心とする円筒側壁１６０と、周縁部１６３を含む端面１６２を有するクラウン１６１とを有し、側壁は端面に接する。周縁部は、ピストンの長手方向軸Ａを横切って周縁部１６３を含むピストン切断面を通って外向きに突出する凸部１６４を囲んでいる。細長い割れ目１６５が、凸部１６４内の対向するリッジ１６７の間に形成される。割れ目１６５は、ピストンの直径と同一線上にある直径方向の燃焼室中心線Ｃに沿って端面内を延伸する。割れ目１６５の端部は、周縁部１６３を通じて開いている直径方向に対向するノッチ１６６を含む。各リッジ１６７は、対向するリッジの内壁に面する内壁１６８と、周縁部の方向に面する外壁１６９とを含む。外壁１６９は、凸部１６４と凹状ボウル１５４の形状とが合うように成形されている。

図７および図８を参照すると、２つのピストン１２０および１２２が、ポート付きシリンダ１８０のボア内のＴＣ位置の近くに示されている。ピストン１２０および１２２は、補完的に端面を整列させるようにボア内で回転方向に配向されている。すなわち、ノッチ１５６はノッチ１６６と位置合わせされ、各ノッチ対１５６，１６６は、ポート付きシリンダ１８０の側壁を通じて開いているそれぞれの燃料噴射ポート１８５と整列して位置決めされる。ピストン１２０および１２２がＴＣに近づくと、燃焼室２００がそれらの端面間に画定される。燃焼室２００は、凹面１５５と細長い割れ目１６５との間に画定された容積を有する。

図７、図８および図９に示すように、割れ目１６５は、非対称パラメータＬおよびＲ_１に適合する、室切断面内における細長い非対称形状を有する。非対称形状は、リッジ１６７の内壁１６８の間に画定され、リッジ１６７の内壁１６８は、ピストン切断面を通じて突出し、燃焼室の最小容積でピストン１２０の凹状ボウル１５４へと延在する。内壁１６８は、ピストン切断面から丸みを帯びた凹部１７０へと内向きに移行する。したがって、内壁１６８は、割れ目１６５の対向する両側部を形成し、丸みを帯びた凹部１７０の表面は、その床を形成する。図７および図８に示すように、端面が隣接しているとき、リッジ１６７は、図４を参照して上で定義した非対称パラメータに適合する燃焼室をそれとともに画定する細長い割れ目１６５を覆う凹状ボウル１５４に受け入れられる。図８に示すように、ピストン切断面にわたる断面において、リッジ間の凹部１７０は丸みを帯びている。最小容積では、燃焼室の断面は非ループ単純閉曲線の形状である。

図９は、ピストンがシリンダ１８０のボア１８７のＴＣ位置近くにあり、燃焼室が最小容積にあるときのピストン１２２の端面を示す。反対側のピストン１２０およびその端面は、燃焼室の非対称性を画定する態様を見やすくするために取り除かれている。図は、周縁部１６３を含み、燃焼室２００の非対称形状の基準面として機能する燃焼室の切断面を通っている。図示されているように、燃焼室の中心線Ｃは、ピストンの長手方向軸Ａが中心線および基準面と交差する中間点Ｍを有する。中心線Ｃはピストン１２２の直径に対応し、中心線Ｃはまた、燃焼室２００を通じて妨げられることなく延在する噴射ノズル１９０の先端（および燃料噴射ポート１８５）間の見通し線にも対応する。燃焼室２００の非対称性は、Ｌ、Ｒ_１ｍａｘおよびＬ’、Ｒ’_１ｍａｘによって定義され、Ｌは、第１のノッチ１６６から、内壁１６８までの半径方向距離が最大（Ｒ_１ｍａｘ）となる点までの中心線Ｃに沿った距離であり、Ｌ’は、第２のノッチ１６６’から、内壁１６８’までの半径方向距離が最大（Ｒ’_１ｍａｘ）となる点までの中心線Ｃに沿った距離であるが、これらはいずれの点もＭと同一位置にないことを条件とする。結果として得られる非対称性は、基準面内の内壁１６８と１６８’との間の線２１０によって表されるような燃焼室形状の中間点Ｍに関する極対称性の要件によって制約される。

図７〜図９に示す非対称燃焼室構成によって、燃焼性能を、表Ｉに列挙され図１０に示される追加のパラメータに関して最適化することができる。非対称パラメータＬおよびＲ_１が目標非対称度を達成するように変更されると、ピストン１２２の外側リッジ壁１６９の傾斜角αおよびピストン１２０のボウル１５４の形状は、一定の燃焼室容積、および、ピストン１２０と１２２との間の合わせ面に一致する一定のスキッシュ間隙を維持するように修正され得る。パラメータＲ２およびβは、目標燃焼室容積（および圧縮比）を維持するように変化させることができる。

図１１および図１２を参照すると、本明細書による非対称形状の燃焼室への燃料噴射は、好ましくは、マルチプルーム噴霧パターンの形態である。例えば、各噴霧パターンは、３穴噴射器によって放出される３つのプルーム（「３穴噴霧パターン」）、または４穴噴射器によって放出される４つのプルーム（「４穴噴霧パターン」）を含み得る。他の場合には、噴霧パターンは、より多くのまたはより少ないプルームを含んでもよい。マルチプルーム噴霧パターンは、噴射器の長手方向軸に関して放射状かつ対称であってもよいが、また本質的に非対称であってもよい。各プルームは、噴射器ノズル１９０のそれぞれの穴から放出され、円錐形の一般的な形状を有する。図１１および図１２は、燃焼室２００の中心線Ｃに沿ったノズル１９０を通じた対向３穴噴霧パターン２１０の噴射を示す。中心線Ｃはまた、燃焼室２００を通じて妨げられることなく延在する噴射ノズル１９０の先端間の見通し線にも対応する。図１２において、噴霧パターンが室の非対称形状に起因してより大きな隙間を有する燃焼室の部分に向かうスワールによって揺動されている、スワールに対する対向する噴霧パターンの応答（点を示すために幾分誇張されている）に特に注目されたい。

表Ｉのアルファパラメータ（α）は、外側リッジ壁１６９の角度を表す。燃焼室の流体流動のモデル化は、αが減少するにつれて、タンブルに寄与するスキッシュ流速の成分が増加するが、燃焼室内のスワール流も増加することを示している。正味の結果は、αの値が小さいほどスワール対タンブル比が高くなるというものである。モデル化は、より広い４穴噴霧パターンにとって、より高いタンブルおよびより低いスワールが好ましく、したがって、より大きなα値でより良好に混合することができることを示唆しており、他方、モデル化は、３穴噴霧パターンが、より小さいα値でより良好に機能し、より高いスワール対タンブル比をもたらすことを示唆している。 同じ総流れ面積に対して、３穴噴霧パターンの各プルームは、より大きな運動量および燃焼室内への浸透を有し、その結果、対向する噴霧パターン間のプルーム間相互作用が大きくなる。したがって、より多くの流動場がスワールによって支配されることによって、遅いサイクルの混合が促進され、３孔噴霧パターンの燃焼時間が短縮される。

流体モデル化は、ボウル形状の非対称性をスワールプルームに対して向けるＬの値が大きいほど、より多くの流動場がスワールによって支配されることになることを示している。これらの傾向は結果的に、３穴噴霧パターンにとって、より大きい値のＬが好ましく、４穴パターンにとっては、より小さい値のＬが好ましいことを示唆している。

これらのパラメータは、ＩＳＦＣ／ＮＯｘ、煤煙／ＮＯｘ、ピストン端面ホットスポット／ＮＯｘなどを含む他の可能性のある有益なトレードオフを示唆している。

[第２の構成]
図１３は、それらの端面が対向している対向ピストンエンジンのポート付きシリンダ内に配置された２つの同一構造のピストン２２２ａおよび２２２ｂからなる相補的端面構造によって規定される非対称形状の燃焼室の第２の構成を示している。ピストン２２２ａおよび２２２ｂの各々は、長手方向軸Ａを中心とする円筒側壁２６０と、周縁部２６３を含む端面２６２を有するクラウン２６１とを有し、側壁は端面に接する。周縁部は、一方の側がリッジ２６７によって、もう一方の側が周縁部２６３の一部によって境界を定められた細長い凹状ボウル２６５を囲んでいる。リッジ２６７は、ピストンの長手方向軸Ａを横切って周縁部２６３を含むピストン切断面を通って外向きに突出する。ボウル２６５は、ピストンの直径方向の中心線Ｄに沿って端面内に延在する。ボウル２６５の端部は、周縁部２６３を通じて開いている直径方向に対向するノッチ２６６を含む。リッジ２６７は、ボウル２６５へと移行する内壁２６８と、周縁部２６３の方向に面する外壁２６９とを含む。内壁２６８は、上述したように非対称パラメータＬおよびＲ_１に適合する、ピストン切断面内における細長い非対称形状を有する。内壁２６８は、ピストン切断面からボウル２６５へと内向きに移行する。

図１３および図１４を参照すると、２つのピストン２２２ａおよび２２２ｂが、ポート付きシリンダ２８０のボア内のＴＣ位置に、またはその近くにあると仮定する。ピストンがそれらの端面を相補的に整列させるようにシリンダのボア２８７内で回転方向に配向され、この配向において、リッジ２６７は、それらの内壁が互いに向き合った対向整列状態にあり、ピストン２２２ａのノッチ２６６はピストン２２２ｂのノッチ２６６と整列する。さらに、各ノッチ対２６６，２６６は、ポート付きシリンダ２８０の側壁を通じて開いているそれぞれの噴射器ポート２８５と整列して位置決めされる。ピストン２２２ａおよび２２２ｂがＴＣに近づくと、燃焼室３００が端面２６２間に画定される。燃焼室３００は、リッジ内壁２６８と細長い凹状ボウル２６５との間に画定される非対称形状のボリュームを有する。

図１４は、ピストンがシリンダ２８０のボア２８７のＴＣ位置近くにあり、燃焼室が最小容積にあるときのピストン２２２ｂの端面を示す。燃焼室の非対称性を画定する態様を見やすくするために、対向ピストン２２２ａおよびその端面は取り除かれ、一方で、ピストン２２２ａのリッジ２６７（ピストン２２２ｂの端面上の対向するリッジによって燃焼室が画定される）は、破線で表される。このビューは、最小容積で燃焼室３００の切断面を通っている。図示されているように、燃焼室の中心線Ｃは、ピストンの長手方向軸Ａが中心線および基準面と交差する中間点Ｍを有する。中心線Ｃはピストン２２２ｂの直径に対応し、中心線Ｃは、燃焼室を通じて妨げられることなく延在する噴射ノズル１９０の先端間の見通し線に対応する。燃焼室３００の非対称性は、Ｌ、Ｒ_１ｍａｘおよびＬ’、Ｒ’_１ｍａｘによって定義され、Ｌは、第１のノッチ２６６から、内壁２６８までの半径方向距離が最大（Ｒ_１ｍａｘ）となる点までの中心線Ｃに沿った距離であり、Ｌ’は、第２のノッチ２６６’から、内壁２６８’までの半径方向距離が最大（Ｒ’_１ｍａｘ）となる点までの中心線Ｃに沿った距離であるが、これらはいずれの点もＭと同一位置にないことを条件とする。結果として得られる非対称性は、基準面内の内壁２６８と２６８’との間の燃焼室形状の中間点Ｍに関する極対称性の要件によって制約される。

ピストンおよび関連するシリンダは、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される。例えば、ピストンは、ピストン端面が形成されたクラウンに組み付けられたスカートから構成されてもよい。さらなる例として、他の材料を除外することなく、クラウンは、ＳＡＥ４１４０またはＳＡＥ４３４０などの高炭素鋼を含んでもよく、スカートは、鋳造アルミニウムまたは鋳造もしくは成形鋼を使用して形成されてもよい。そのような場合、シリンダは、シリンダブロック内に形成されたシリンダトンネル内に受け入れられる鋳鉄組成物を有するライナを含むことが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。

ピストンおよび燃焼室構成の原理が、現在の好ましい実施形態を参照して説明されているが、記載された原理の精神から逸脱することなく様々な変更が可能であることを理解されたい。したがって、これらの原理に基づく特許保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

米国特許第８，８００，５２８号明細書

Claims (21)

1. ボアを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのそれぞれの端部近くにある、ピストンによって制御される吸気ポートおよび排気ポートとを含み、一対のピストンがボア内に対向して配置される、対向ピストンエンジンであって、
   各ピストンは、前記ピストンが前記ボア内の上部中央位置近くにあるときに、他方のピストンの端面とともに前記シリンダボア内に燃焼室を画定する端面を有するクラウンを有し、
   前記燃焼室は、燃料が噴射される前記燃焼室の直径方向に対向する開口部の間に延在する室中心線に対して非対称な形状を有し、
   前記非対称形状は、前記室中心線から前記燃焼室の一方の側までの最大距離Ｒ１を含み、
   Ｒ１は、前記中心線の中間点のいずれかの側の前記室中心線に沿った距離Ｌのところに位置決めされ、
   前記非対称形状は、前記中心線の前記中間点に対して極対称であり、スワールが向けられる前記燃焼室の中心線の側に間隔をもたらし、それにより、スワールの存在下で空気を取り込むための燃料プルーム空間を与え、スワールに応答した燃料プルームの拡散および燃料プルームの運動の両方に対応することを特徴とする対向ピストンエンジン。
2. 前記シリンダは、前記ピストンがそれぞれの上部中心位置の近くにあるときに、前記燃焼室の前記対向する開口部が整列する、一対の直径方向に対向する燃料噴射器ポートを含む、請求項１に記載の対向ピストンエンジン。
3. 前記対向する開口部は、前記燃焼室を通じて妨げられることなく延在する前記燃料噴射器ポートの間の見通し線を提供する、請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
4. 前記燃料噴射器ポートの各々に取り付けられた多穴ノズルを有する燃料噴射器をさらに含む、請求項３に記載の対向ピストンエンジン。
5. 前記燃焼室は、前記一対のピストンのうちの第１のピストンの前記端面内のボウルと、前記一対のピストンのうちの第２のピストンの前記端面から突出するリッジの内壁との間に画定され、さらに、前記燃焼室の非対称形状は、基準面内の前記中心線の中間点に対して極対称であり、前記基準面は前記少なくとも１つのシリンダの前記長手方向軸を横切り、前記燃焼室を二等分する、請求項１に記載の対向ピストンエンジン。
6. 前記シリンダは、前記ピストンがそれぞれの上部中心位置の近くにあるときに前記燃焼室の前記対向する開口部が整列する、一対の直径方向に対向する燃料噴射器ポートを含む、請求項５に記載の対向ピストンエンジン。
7. 前記対向する開口部は、前記燃焼室を通じて妨げられることなく延在する前記燃料噴射器ポートの間の見通し線を提供する、請求項６に記載の対向ピストンエンジン。
8. 前記燃料噴射器ポートの各々に取り付けられた多穴ノズルを有する燃料噴射器をさらに含む、請求項７に記載の対向ピストンエンジン。
9. ボアを有する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダのそれぞれの端部近くにある、ピストンによって制御される吸気ポートおよび排気ポートとを含み、一対のピストンがボア内に対向して配置される、対向ピストンエンジンであって、
   各ピストンは、前記ピストンが前記ボア内の上部中央位置近くにあるときに、他方のピストンの端面とともに前記シリンダボア内に燃焼室を画定する端面を有するクラウンを有し、
   前記燃焼室は、燃料が噴射される前記燃焼室の直径方向に対向する開口部の間に延在する室中心線に対して非対称な形状を有し、
   前記非対称形状は、前記室中心線から前記燃焼室の一方の側までの最大距離Ｒ１を含み、
   Ｒ１は、前記中心線の中間点のいずれかの側の前記室中心線に沿った距離Ｌのところに位置決めされ、
   前記非対称形状は、前記中心線の前記中間点に対して極対称であり、
   前記燃焼室は、前記一対のピストンの第１のピストン上の第１のピストン端面であって、細長いボウルに移行する内壁を有するリッジを含む第１のピストン端面と、前記一対のピストンの第２のピストン上の第２のピストン端面であって、細長いボウルに移行する内壁を有するリッジを含む第２のピストン端面との間に画定されることを特徴とする対向ピストンエンジン。
10. 前記シリンダは、前記ピストンがそれぞれの上部中心位置の近くにあるときに、前記燃焼室の前記対向する開口部が整列する、一対の直径方向に対向する燃料噴射器ポートを含む、請求項９に記載の対向ピストンエンジン。
11. 前記対向する開口部は、前記燃焼室を通じて妨げられることなく延在する前記燃料噴射器ポートの間の見通し線を提供する、請求項１０に記載の対向ピストンエンジン。
12. 前記燃料噴射器ポートの各々に取り付けられた多穴ノズルを有する燃料噴射器をさらに含む、請求項１１に記載の対向ピストンエンジン。
13. ボアを有するシリンダと、前記シリンダのそれぞれの端部近くにある、ピストンによって制御される吸気ポートおよび排気ポートとを含み、一対のピストンがボア内に対向して配置される、２ストローク直接噴射式対向ピストンエンジンであって、
    各ピストンは、端面および側壁を有するクラウンを有し、前記端面および側壁は、前記ピストンの軸を中心とする円形周縁部において接し、前記端面は、前記ピストンが前記ボア内の上部中央位置近くにあるときに、他方のピストンの端面とともに前記シリンダボア内に燃焼室を画定し、
    前記燃焼室は、前記ボアの直径方向に対向する点の間に延在する室中心線のいずれかの側に位置決めされる第１の端面リッジと第２の端面リッジとの間に画定される非対称形状を有し、
    前記非対称形状は、前記室中心線から前記燃焼室の一方の側までの最大距離Ｒ１を含み、
    Ｒ１は、前記中心線の中間点のいずれかの側の前記室中心線に沿った距離Ｌのところに位置決めされ、
    前記非対称形状は、前記ボアの長手方向軸を横切り、前記燃焼室を二等分する平面内にある、前記ボアの長手方向軸上の点に対して極対称性を有し、スワールが向けられる前記燃焼室中心線の側に間隔をもたらし、それにより、スワールの存在下で空気を取り込むための燃料プルーム空間を与え、スワールに応答した燃料プルームの拡散および燃料プルームの運動の両方に対応することを特徴とする２ストローク直接噴射式対向ピストンエンジン。
14. 前記燃焼室は、前記一対のピストンのうちの第１のピストンの前記端面内のボウルと、前記一対のピストンのうちの第２のピストンの前記端面から突出するリッジの内壁との間に画定される、請求項１３に記載の２ストローク直接噴射式対向ピストンエンジン。
15. ボアを有するシリンダと、前記シリンダのそれぞれの端部近くにある、ピストンによって制御される吸気ポートおよび排気ポートとを含み、一対のピストンがボア内に対向して配置される、２ストローク直接噴射式対向ピストンエンジンであって、
    各ピストンは、端面および側壁を有するクラウンを有し、前記端面および側壁は、前記ピストンの軸を中心とする円形周縁部において接し、前記端面は、前記ピストンが前記ボア内の上部中央位置近くにあるときに、他方のピストンの端面とともに前記シリンダボア内に燃焼室を画定し、
    前記燃焼室は、前記ボアの直径方向に対向する点の間に延在する室中心線のいずれかの側に位置決めされる第１の端面リッジと第２の端面リッジとの間に画定される非対称形状を有し、
    前記非対称形状は、前記室中心線から前記燃焼室の一方の側までの最大距離Ｒ１を含み、
    Ｒ１は、前記中心線の中間点のいずれかの側の前記室中心線に沿った距離Ｌのところに位置決めされ、
    前記非対称形状は、前記ボアの長手方向軸を横切り、前記燃焼室を二等分する平面内にある、前記ボアの長手方向軸上の点に対して極対称性を有し、
    前記燃焼室は、前記一対のピストンの第１のピストン上の第１のピストン端面であって、細長いボウルに移行する内壁を有するリッジを含む第１のピストン端面と、前記一対のピストンの第２のピストン上の第２のピストン端面であって、細長いボウルに移行する内壁を有するリッジを含む第２のピストン端面との間に画定されることを特徴とする２ストローク直接噴射式対向ピストンエンジン。
16. 長手方向軸を含む、対向ピストンエンジンのピストンであって、
    前記対向ピストンエンジンのシリンダボア内の対向するピストンの端面とともに燃焼室を画定する形状を有する端面と、
    ピストンの長手方向軸を中心とし、前記端面から延在する円形側壁と、
    前記側壁が前記端面と接する円形周縁部と、
    燃料が前記燃焼室に噴射される、前記周縁の直径のそれぞれの端部にある、前記周縁部内のノッチと、を備え、
    前記端面の形状は、前記ノッチの間に延在し、前記長手方向軸を横切って前記周縁部を含む基準面を通じて突出する少なくとも１つの細長いリッジを含み、
    前記少なくとも１つの細長いリッジは、前記周縁部に面する外壁と、前記直径に面する内壁とを含み、
    前記少なくとも１つの細長いリッジの前記内壁によって形成された前記燃焼室は、前記周縁部の前記直径に対して前記基準面内で非対称の断面を有しており、
    前記基準面内の前記内壁の湾曲は、前記直径の中間点に対して、対向するリッジの内壁の湾曲と極対称であることを特徴とする対向ピストンエンジンのピストン。
17. 前記形状は、前記ノッチの間に延在する前記リッジ間の割れ目に移行する内壁を有する２つのリッジを含む、請求項１６に記載の対向ピストンエンジンのピストン。
18. 前記形状は、１つのリッジのみを含み、前記形状は対向するピストンの前記端面の形状と同一である、請求項１６に記載の対向ピストンエンジンのピストン。
19. シリンダと、前記シリンダのボア内の一対の対向するピストンと、前記ピストンによって制御される離間された吸気ポートおよび排気ポートとを含む対向ピストンエンジンを操作するための方法であって、
    前記ピストンの端面の間で前記シリンダへとスワール運動する給気を導入するステップと、圧縮行程において前記ピストンを互いに向けて運動させるステップと、
    前記ピストンの端面の間に燃焼室を形成するステップであって、前記燃焼室は、前記燃焼室の直径方向に対向する開口部の間に延在する室中心線に対して非対称な形状を有し、
    前記非対称形状は、前記室中心線から前記燃焼室の一方の側までの最大距離Ｒ１を含み、
    Ｒ１は、前記中心線の中間点のいずれかの側の前記室中心線に沿った距離Ｌのところに位置決めされ、
    前記非対称形状は、前記中間点に対して極対称であり、スワールが向けられる前記燃焼室の中心線の側に間隔をもたらし、それにより、スワールの存在下で空気を取り込むための燃料プルーム空間を与え、スワールに応答した燃料プルームの拡散および燃料プルームの運動の両方に対応する、燃焼室を形成するステップと、
    前記対向する開口部を通じて前記燃焼室内で、スワール運動する給気に対向する燃料噴霧パターンを噴射するステップと、によって行われる、方法。
20. 前記噴霧パターンの各々が３つのプルームを有する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記噴霧パターンの各々が４つのプルームを有する、請求項１９に記載の方法。

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