(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向軸を規定する外側円筒面（２２）と、燃焼ボウル（３０）を画定する燃焼面（２８）であって、燃焼面（２８）は内側ボウル面（３４）と外側ボウル面（３６）を有する複合ボウル面（３２）を含む、燃焼面（２８）と、外側円筒面（２２）に接する外側リム面（４０）と複合ボウル面（３２）に接する内側リム面（４２）とを有する複合リム面（３８）と、を含むピストン本体（２０）を含む圧縮点火内燃エンジン（１０）のピストン（１８）であって、
燃焼面（２８）はさらに、縦軸まわりの回転形状を画定する断面が含まれる断面形状を含み、
回転の形状は、内側ボウル面（３４）に対応するボウル凸湾曲セグメント（１１０）を画定し縦軸により二等分される複合ボウル形状であって、さらにボウル凸湾曲セグメント（１１０）の外側の複数の凹湾曲セグメント（１１２，１１４）を画定し外側ボウル面（３６）に対応する複合ボウル形状を含み、ボウル凸湾曲セグメント（１１０）の曲率半径は複数の凹湾曲セグメント（１１２、１１４）の曲率半径よりも小さく、
回転の形状はさらに、外側リム面（４０）に対応する複数の線形湾曲セグメント（１１８）を画定しさらに内側リム面（４２）に対応して複数のリム凸湾曲セグメント（１１６）を画定する複合リム形状を含み、複数のリム凸湾曲セグメントの凸湾曲セグメントがそれぞれ複数の線形湾曲セグメント（１１８）のうち１つの線形湾曲セグメントに隣接し、複数のリム凸湾曲セグメント（１１６）の曲率半径は複数の凹湾曲セグメントの曲率半径より大きく、
燃焼面（２８）はさらに、内側ボウル面（３４）から外側ボウル面（３６）への第１の連続遷移部（４４）と、内側リム面（４２）から外側リム面（４０）への第２の連続遷移部（４６）と、複合ボウル面（３２）から複合リム面（３８）への不連続な遷移部（４８）であって、排気再循環の量が多いほど当該不連続な遷移部の曲率半径を小さくした遷移部と、を含む、ピストン（１８）。
【請求項２】
第１の連続遷移部（４４）は線形遷移部を含み、第２の連続遷移部（４６）は拡径遷移部を含み、不連続な遷移部（４８）はバリ取りされた遷移部を含む、請求項１に記載のピストン（１８）。
【請求項３】
内側ボウル面（３４）は、ボウル凸湾曲セグメント（１１０）を少なくとも部分的に画定するとともに、縦軸に沿って第１の軸方向位置に配置されたピーク点（１３０）を有する円錐突起面（３４）を含み、外側リム面（４０）は第２の軸方向位置に配置されたリム面を画定し、不連続な遷移部（４８）は縦軸に沿って第１の軸方向位置と第２の軸方向位置間の第３の軸方向位置に配置され、
円錐突起面（３４）は燃焼ボウル（３０）の約１２４度〜約１２８度の円錐角を規定し、第１の軸方向位置から第２の軸方向位置までの軸方向距離が円錐深さを規定し、第３の軸方向位置から第２の軸方向位置までの軸方向距離が円錐深さ未満のリム深さを規定する、請求項１に記載のピストン（１８）。
【請求項４】
リム深さは約１ミリメートル〜約３ミリメートルであり、円錐深さは約３ミリメートル以上である、請求項３に記載のピストン（１８）。
【請求項５】
不連続な遷移部（４８）は環状の凹角突起を含む、請求項３に記載のピストン（１８）。
【請求項６】
１５：１〜１７：１の圧縮比を有する直接噴射圧縮点火内燃エンジン（１９）内の燃焼効率とＮＯｘ生成および煤煙生成とのバランスをとるピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）であって、エンジン（１０）は１以下のスワール比と０．６８〜０．７４の燃焼ボウル径−シリンダボア内径比とを有し、燃料噴射噴霧角は燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）内のピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）の円錐突起（３１）により規定される円錐角より大きく、
ピストン（１８）は、
縦方向ピストン軸を規定する外側円筒面（２２）と、複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）を画定する燃焼面（２８、２２８、３２８、４２８、５２８、６２８、７２８、８２８、９２８）を含む軸方向ピストン端（２６）と、軸方向ピストン端上に配置され燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）から外側円筒面（２２）への半径方向外方に延在する複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）と、を有するピストン本体（２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０、７２０、８２０、９２０）を含み、
複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）は円錐突起（３１）上に配置された凸状内側ボウル面（３４）と凹状外側ボウル面（３６）とを含み、複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）は外側円筒面（２２）に接する平坦外側リム面（４０）と複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）に、不連続な遷移部（４８）であって、排気再循環の量が多いほど当該不連続な遷移部の曲率半径を小さくした遷移部を介して接する凸状内側リム面（４２）とを含み、
円錐角は約１３５°以下であり、凹状外側ボウル面（３６）は７ｍｍ〜２０ｍｍの第１の曲率半径を規定し、凸状内側ボウル面（３４）は凹状外側ボウル面（３６）に連続的に遷移し、
凸状内側リム（４２）表面は、複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）の縁部（８０）で凹状外側ボウル面（３６）に不連続に遷移し、凸状内側リム面（４２）は４０ｍｍ〜７０ｍｍの第２の曲率半径を規定し、これにより燃焼ボウル（３０）の縁部（８０）は平坦外側リム面（４０）により画定される面から軸方向に凹み、ガスは、外方に狭くなるテーパーを有する隙間（８２）であってピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）がエンジン（１０）内の上死点位置にあるときシリンダーヘッド（１４）により部分的におよび複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）により部分的に画定される隙間（８２）から、スキッシュされる、ピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）。
【請求項７】
燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）の縁部（８０）は環状の凹角突起上に配置される、請求項６に記載のピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）。
【請求項８】
圧縮点火内燃エンジン（１０）を作動する方法であって、
空気がシリンダ（１５）を中心に渦巻くようにエンジン（１０）のシリンダ（１５）内に空気を搬送する工程と、
複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）を有するピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）をシリンダ（１５）の上死点位置に向かって進める工程であって、燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）の直径とシリンダ（１５）の直径との比は０．６８〜０．７４であり、燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）は、７ｍｍ〜２０ｍｍの第１の曲率半径を規定する凹状外側ボウル面（３６）に連続的に遷移する凸状内側ボウル面を含む、工程と、
進める工程中に、エンジン（１０）のシリンダーヘッド（１４）により部分的に、ピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）の複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）により部分的に画定される隙間（８２）からのガスをスキッシュする工程であって、複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）は平坦外側リム面（４０）と４０ｍｍ〜７０ｍｍの第２の曲率半径を規定する凸状内側リム面（４２）とを有する、工程と、
スキッシュされたガスを複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）と複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）間の不連続な遷移部（４８）であって、排気再循環の量が多いほど当該不連続な遷移部の曲率半径を小さくした遷移部を通じて搬送する工程と、
空気と燃料が中で自動点火するように燃料をシリンダ（１５）内に直接噴射する工程と、を含む方法。
【請求項９】
シリンダボアを画定するエンジンハウジング（１２）であって、それぞれがシリンダボアと流体連通する吸気通路（７０）と排出通路（７２）とを含むエンジンハウジング（１２）と、
エンジンハウジング（１２）に結合されたシリンダーヘッド（１４）と、
シリンダーヘッド（１４）内に搭載され、シリンダ（１５）内に燃料を直接噴射するように構成された燃料噴射器（１６）であって、噴霧角を規定する複数の噴霧オリフィスを有する、燃料噴射器（１６）と、
シリンダ（１５）内の燃焼効率と、燃料と空気の混合物の燃焼中のＮＯｘ生成および煤煙生成と、のバランスをとるピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）であって、縦方向ピストン軸を規定する外側円筒面（２２）と、複合燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）を画定する燃焼面（２８、２２８、３２８、４２８、５２８、６２８、７２８、８２８、９２８）を含む軸方向ピストン端（２６）と、を有するピストン本体（２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０、７２０、８２０、９２０）と、を含み、燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）の直径とシリンダボアの直径との比は０．６８〜０．７４である、ピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）と、を含む直接噴射圧縮点火内燃エンジン（１０）であって、
ピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）はさらに、燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）内の円錐突起（３１）と、燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）から外側円筒面（２２）へ半径外方方向に延在する複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）と、を含み、
燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）は、円錐突起（３１）上に配置された凸状内側ボウル面（３４）と凹状外側ボウル面（３６）とを含み、複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）は外側円筒面（２２）に接する平坦外側リム面（４０）と燃焼ボウル（３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０、９３０）に、不連続な遷移部（４８）であって、排気再循環の量が多いほど当該不連続な遷移部の曲率半径を小さくした遷移部を介して接する凸状内側リム面（４２）とを含み、
円錐突起（３１）は噴霧角より小さく約１３５°以下である円錐角を規定し、凹状外側ボウル面（３６）は７ｍｍ〜２０ｍｍの第１の曲率半径を規定し、凸状内側ボウル面（３４）は凹状外側ボウル面（３６）に連続的に遷移し、
凸状内側リム面（４２）は燃焼ボウル（３０）の縁部（８０）で凹状外側ボウル面（３６）に不連続に遷移し、凸状内側リム面（４２）は、半径外方方向に細くなるテーパーを有する隙間（８２）が、ピストン（１８、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８）が上死点位置にあるときに、シリンダーヘッド（１４）により部分的におよび複合リム（３８、２３８、３３８、４３８、５３８、６３８、７３８、８３８、９３８）により部分的に画定されるように、４０ｍｍ〜７０ｍｍの第２の曲率半径を規定する、直接噴射圧縮点火内燃エンジン（１０）。
【請求項１０】
排出通路（７２）と吸気通路（７０）間を流体連結する排ガス再循環ループ（７４）をさらに含む請求項９に記載のエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には、圧縮点火内燃エンジンに使用されるタイプのピストンに関し、より具体的には、拡径（ｒａｄｉｕｓｅｄ）内側リム面と、拡径内側リム面と燃焼ボウル間の不連続な（ａｂｒｕｐｔ）遷移部と、を有するピストン燃焼面に関する。
【背景技術】
【０００２】
多種多様の作動戦略と部品形状が内燃エンジンの分野において知られている。技術者らは、燃料装荷、排気、吸気と他のエンジンシステムを操作するために様々な方法で、そしてエンジン部品を成形しかつそれらを調和させるために様々な方法で、何十年間も実験してきた。このような実験の背景にある動機の１つは、エンジン排気中の特定の排出物の低減と効率の最適化という競合することの多い問題をのバランスをとることである。内燃エンジンは通常、空気と炭化水素燃料とを燃焼させる。燃料と空気の燃焼は、内燃エンジンから、煤、灰、未燃炭化水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素および様々な他の有機および無機化学種等様々な合成物および材料を含み得る排気を生じる。
【０００３】
近年、「ＮＯｘ」と総称される窒素酸化物の排出の削減と、通常は煤と灰を含む粒子状物質の削減とが、内燃エンジン研究において特に注目されている。残念ながら、これらの望ましくない排気成分の削減はしばしば、燃料効率等の効率特性および／または達成可能エンジン速度またはパワーを犠牲にして成り立つ。上記のように、エンジンの部品形状と作動パラメータは何年にもわたってほぼ数えきれないほどの方法で変えられてきた。特に関心が寄せられている領域の一つは、効率を犠牲にすることなくいくつかの排気物質が削減されるような方法でピストン燃焼面を成形するという試みに関する。
【０００４】
効率を過度に犠牲にすることなく排出物を削減することを目的とする一般的なピストン設計の一つには、エンジン燃焼室の一部分に露出されそれを画定するピストンの燃焼面により画定される燃焼ボウルを含む。燃焼ボウルは、燃焼生成物の構成を様々な目的に合わせることができるような方法で、燃焼事象中のガスおよび噴霧液体燃料の流れと燃焼性とに影響を与えることができると考えられる。上述のように、燃焼効率に過度に影響を与えることなくＮＯｘと粒子状物質を削減することが望ましいことが多い。
【０００５】
現在、ピストン燃焼ボウルに対する多くの研究と商業設計の発展にもかかわらず、燃焼の科学は、ボウル形状または燃焼事象中の形状の組み合わせに関係することから、十分に理解されていない。燃焼ボウル形状に対する比較的小さな変更ですら燃焼生成物の種類と相対的割合に大きな影響を与える可能性があるということがよく知られている。このような、十分な理解の欠如のために、当該技術は、任意の設定目標をいかに実現するかについて、比較的にわずかなガイダンスを与えるだけである。技術者らは、排出物および／または効率に何らかの影響を与えることが分かっている多様な変数を発見してきたが、これらの変数と他の因子とのグループ分けはしばしば満足な結果も予測可能な結果をもたらさないことが多い。好適な設計の開発には、完全な応用、試験およびフィールド解析を含む何年もの研究開発を必要とすることが多い。
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、圧縮点火内燃エンジンのピストンは、縦方向ピストン軸線を規定する外側円筒面を有するピストン本体を含む。ピストン本体はさらに、第１の軸方向ピストン端と、燃焼ボウルを画定する燃焼面を有する第２の軸方向ピストン端と、を含む。燃焼面は、内側ボウル面と外側ボウル面を有する複合ボウル面と、外側円筒面に接する外側リム面と複合ボウル面に接する内側リム面を有する複合リム面と、を含む。燃焼面はさらに、縦軸を中心とした回転のプロフィールを含む断面プロフィールを含み、回転のプロフィールはピストンの燃焼効率特性とピストンのＮＯｘ生成特性および煤煙生成特性とのバランスをとるように成形される。回転のプロフィールは、内側ボウル面に対応する凸湾曲セグメントを画定し縦軸により二等分される複合ボウルプロフィールであって、さらに、凸湾曲セグメントの外側の複数の凹湾曲セグメントを画定し外側ボウル面に対応する複合ボウルプロフィールを含む。凸湾曲セグメントは比較的小さな曲率半径を規定し、凹湾曲セグメントはそれぞれ中程度の曲率半径を規定する。回転のプロフィールはさらに、外側リム面に対応する複数の線形湾曲セグメントを画定しさらに内側リム面に対応してそれぞれが線形湾曲セグメントの１つに隣接する複数の凸湾曲セグメントを画定する複合リムプロフィールを含む。複数の凸湾曲セグメントはそれぞれ比較的大きな曲率半径を規定する。燃焼面はさらに、内側ボウル面から外側ボウル面への第１の連続遷移部と、内側リム面から外側リム面への第２の連続遷移部と、複合ボウル面から複合リム面への不連続な遷移部と、を含む。
【０００７】
別の態様では、１５：１〜１７：１の圧縮比を有する直接噴射圧縮点火内燃エンジン内の燃焼効率とＮＯｘ生成および煤煙生成とのバランスをとるピストンが提供される。ここで、エンジンは、１以下のスワール比、０．６８〜０．７４の燃焼ボウル径−シリンダボア内径比を有し、燃料噴射噴霧角は、燃焼ボウル内のピストンの円錐突起により画定される円錐角度より大きい。ピストンは、縦方向ピストン軸を規定する外側円筒面と、複合燃焼ボウルを画定する燃焼面を含む軸方向ピストン端と、軸方向ピストン端に配置され燃焼ボウルから外側円筒面へ半径方向外方に延在する複合リムと、を有するピストン本体を含む。複合燃焼ボウルは円錐突起上に配置された凸状内側ボウル面と凹状外側ボウル面とを含み、複合リムは外側円筒面に接する平坦外側リム面と複合燃焼ボウルに接する凸状内側リム面とを含む。円錐角は約１３５°以下であり、凹状外側ボウル面は７ｍｍ〜２０ｍｍの第１の曲率半径を規定し、凸状内側ボウル面は凹状外側ボウル面に連続的に遷移する。凸状内側リム面は複合燃焼ボウルの端で凹状外側ボウル面に不連続に遷移し、凸状内側リム面は４０ｍｍ〜７０ｍｍの第２の曲率半径を規定し、これにより、ボウルリムは、外方に狭くなるテーパーを有する隙間であってピストンがエンジン内の上死点位置にあるときにシリンダーヘッドにより部分的におよび複合リムにより部分的に画定される隙間からガスがスキッシュされるように、平坦外側リム面により画定される面から軸方向に凹む。
【０００８】
別の態様では、圧縮点火内燃エンジンを作動する方法は、空気がシリンダを中心に渦巻くようにエンジンのシリンダ内に空気を搬送する工程と、複合燃焼ボウルを有するピストンをシリンダ内の上死点位置方向に進める工程と、を含む。燃焼ボウルの直径とシリンダの直径との比は０．６８〜０．７４であり、燃焼ボウルは７ｍｍ〜２０ｍｍの第１の曲率半径を規定する凹状外側ボウル面に連続的に遷移する凸状内側ボウル面を含む。本方法はさらに、上記進める工程中に、エンジンのシリンダーヘッドにより部分的に、ピストンの複合リムにより部分的に画定される隙間からガスをスキッシュする工程であって、複合リムは平坦外側リム面と４０ｍｍ〜７０ｍｍの第２の曲率半径を規定する凸状内側リム面とを有する、工程を含む。本方法はさらに、スキッシュされたガスを複合リムと複合燃焼ボウル間の不連続な遷移部を通じて搬送する工程と、その中で空気と燃料が自動点火するように燃料をシリンダ内に直接噴射する工程と、を含む。
【０００９】
さらに別の態様では、直接噴射圧縮点火内燃エンジンは、シリンダボアを画定するエンジンハウジングであって、それぞれがシリンダボアに流体連通された吸気通路と排出通路と、エンジンハウジングに結合されたシリンダーヘッドと、を含むエンジンハウジングを含む。噴霧角を規定する複数の噴霧オリフィスを有する燃料噴射器がシリンダーヘッド内に搭載され、そして燃料をシリンダ内に直接噴射するように構成される。エンジンはさらに、シリンダ内の燃料と空気の燃焼中、燃焼効率とＮＯｘ生成および煤煙生成とのバランスをとるピストンを含む。ピストンは、縦方向ピストン軸を規定する外側円筒面と、複合燃焼ボウルを画定する燃焼面を含む軸方向ピストン端と、を有するピストン本体を含む。ここで、燃焼ボウルの直径とシリンダボアの直径との比は０．６８〜０．７４である。ピストンはさらに、燃焼ボウル内の円錐突起と、燃焼ボウルから外側円筒面へ半径外方方向に延在する複合リムと、を含む。燃焼ボウルは円錐突起上に配置された凸状内側ボウル面と凹状外側ボウル面とを含み、複合リムは外側円筒面に接する平坦外側リム面と燃焼ボウルに接する凸状内側リム面とを含む。円錐突起は、噴霧角より小さく約１３５°以下である円錐角を規定し、凹状外側ボウル面は７ｍｍ〜２０ｍｍの第１の曲率半径を規定し、凸状内側ボウル面は凹状外側ボウル面に連続的に遷移する。凸状内側リム面は、半径外方方向に細くなるテーパーを有する隙間が、ピストンが上死点位置にあるときにシリンダーヘッドにより部分的にそして複合リムにより部分的に画定されるように、燃焼ボウルの端で凹状外側ボウル面に不連続に遷移し、凸状内側リム面は４０ｍｍ〜７０ｍｍの第２の曲率半径を規定する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態によるピストンを有する圧縮点火内燃エンジンの側断面線図である。
【図２】図１のピストンの外側面により画定されるプロフィールの側面線図である。
【図３】図２に示すプロフィールの一部分の詳細線図である。
【図４】本開示による圧縮点火内燃エンジンのいくつかの幾何学的パラメータを示す図表である。
【図５】ａは、面取りリムピストンと拡径リムピストンのＮＯｘ対ＡＶＬ煤煙トレードオフを説明するグラフである。ｂは、面取りリムピストンと拡径リムピストンのＮＯｘ対ＢＳＦＣトレードオフを説明するグラフである。
【図６】ａは、直線ボウルピストンと凹状ボウルピストンのＮＯｘ対ＡＶＬ煤煙トレードオフを説明するグラフである。ｂは、直線ボウルピストンと凹状ボウルピストンのＮＯｘ対ＢＳＦＣトレードオフを説明するグラフである。
【図７】ａは、一実施形態によるピストンの一部分の側断面線図である。ｂは、図７ａと同様な側断面線図であり、追加の幾何学的属性を示し、詳細拡大部を含む。
【図８】一実施形態によるピストンの一部分の側断面線図であり、詳細拡大部を含む。
【図９】一実施形態によるピストンの一部分の側断面線図であり、詳細拡大部を含む。
【図１０】一実施形態によるピストンの一部分の側断面線図であり、詳細拡大部を含む。
【図１１】一実施形態によるピストンの一部分の側断面線図であり、詳細拡大部を含む。
【図１２】一実施形態によるピストンの一部分の側断面線図であり、詳細拡大部を含む。
【図１３】本開示による例示的ピストンの特徴を示す図である。
【図１４】本開示による例示的ピストンの特徴を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、一実施形態によるエンジン１０が示されている。エンジン１０は、ディーゼルエンジン等の直接噴射圧縮点火内燃エンジンを含んでよい。エンジン１０はさらに、エンジンハウジング１２またはエンジンブロックと、エンジンハウジング１２に結合されたシリンダーヘッド１４と、エンジンハウジング１２により画定されるシリンダ１５内で往復運動するように配置されたピストン１８と、を含んでよい。吸気通路７０はシリンダ１５と流体連通しており、シリンダ１５に空気を供給するように構成され、排出通路７２はまたシリンダ１５と流体連通しており、シリンダ１５から燃焼生成物を搬送する。吸気弁と排気弁は図１に示されないが、通常は、従来の方法で設けられることになる。排気ガス循環ループ７４は通路７０と７４を接続し、ループ中に配置された排気再循環制御弁７６と排ガス冷却器７８とを有する。以下の説明からさらに明らかとなるように、ピストン１８はピストン１８に関連した燃焼効率特性とピストン１８に関連した排出特性とのバランスをとるように一意的に構成されてもよい。特に、ピストン１８は、エンジン１０が比較的低レベルのＮＯｘと比較的低レベルの粒子状物質を作動中に生成できるようにする多くの寸法、比例および形状属性を含んでよい。内燃エンジン特にディーゼルエンジンが作動中に様々な種類の粒子状物質を生成し得るということは当業者には明らかであろう。このような粒子状物質は本明細書では「煤煙」と総称されるが、この用語は本明細書ではいかなる限定的意味でも用いられない。
【００１２】
ピストン１８は、従来の方法でシリンダ１５のシリンダ壁に対向して配置された外側円筒面２２を含むピストン本体２０を含んでよい。外側表面２２は、ピストン本体２０の長さだけ一様な円筒状でなくてもよいが、通常、縦方向ピストン軸Ｚを規定する軸方向長の少なくとも一部分に沿って延在する円筒面を含むことになるということは当業者には明らかであろう。ピストン本体２０はさらに、第１の軸方向ピストン端２４と、複合燃焼ボウル３０を画定する燃焼面２８を含む第２の軸方向ピストン端２６と、を含んでよい。燃焼面が本明細書で検討されるような「複合」燃焼ボウルを画定するかどうかは、凹部対凸部、それぞれが異なる径を規定する複数の異なる面の存在、平坦性対非平坦性などの特性に基づき判断することができる。したがって、一様な円弧である断面形状を有する燃焼面の一部分により画定される燃焼ボウルが、２つ以上の面を含む、あるいは２つ以上の曲率半径を規定する、あるいは凸部と凹部の両方を有するとは言えず、したがって複合ではないと考えられることもありうる。燃焼面の凸部と燃焼面の凹部により画定される燃焼ボウルが、複合的であると言えると思われる。それぞれが異なる曲率半径を規定する２つの凹面を有する燃焼ボウルが、複合的であるともいえると思われる。本明細書における用語「複合」の他の使用は同様に解釈されなければならない。燃焼面２８は、内側ボウル面３４と外側ボウル面３６を有する複合ボウル面３２を含んでよい。内側ボウル面３２は円錐突起３１上に配置されてよい。燃焼面２８はさらに、外側円筒面２２に接する外側リム面４０と複合ボウル面３２に接する内側リム面４２とを有する複合リム面３８を含んでよい。外側リム面４０と内側リム面４２のそれぞれは、縦軸Ｚを中心とした環状表面を含んでもよいし、さらに本明細書に記載されるように他の特定の特徴を含んでよい。
【００１３】
燃焼面２８はさらに、内側ボウル面３４から外側ボウル面３６への第１の連続遷移部４４と内側リム面４２から外側リム面４０への第２の連続遷移部４６とを含んでよい。燃焼面２８はさらに、複合ボウル面３２から複合リム面３８への不連続な遷移部４８を含んでよい。図１は遷移部４４、４６、４８を二次元で図示するが、遷移部４４、４６、４８のそれぞれが環状遷移部を含んでよいということは当業者には明らかであろう。遷移部４４、４６、４８はそれぞれ、２つのそれぞれ隣接する面の複数の表面点を含んでよい。したがって、遷移部４４は内側ボウル面３４の複数の表面点と外側ボウル面３６の複数の表面点を含む。遷移部４６と４８も同様に明らかであろう。遷移部４４、４６、４８のそれぞれは縦軸Ｚを軸としてよい。
【００１４】
また図２を参照すると、燃焼面２８は、縦軸Ｚを中心とした回転のプロフィールを含む断面プロフィールを含んでよい。回転のプロフィールは、ピストン１８の燃焼効率特性とピストン１８のＮＯｘ生成特性および発煙生成特性とのバランスをとるように成形されてもよい。回転のプロフィールは、縦軸Ｚの面を含むピストン本体２０を貫通する断面内の湾曲を画定してもよい。回転のプロフィールにより画定される湾曲は、縦軸Ｚを中心とした半径方向に一様であってよく、したがって対象断面にどの半径方向方位を選択するかにかかわらず同一の外観を有するだろう。
【００１５】
回転のプロフィールにより画定される湾曲は、それぞれが燃焼面２８の表面の１つに対応する複数の異なる湾曲セグメントを含んでよい。上記のように、燃焼面２８は遷移部４４、４６、４８を含んでよい。燃焼面２８はまた、別の連続遷移部を含む第４の遷移部５２と、複合リム面３８から外側円筒面２２への遷移部を含む第５の遷移部５４と、を含んでよい。第５の遷移部５４は、拡径遷移部等の一実施形態における連続遷移部を含んでよいが、また、面取り遷移部等の不連続遷移部、あるいは面取りと拡径の組み合わせを含むことができるであろう。
【００１６】
上述のように、回転のプロフィールは縦軸Ｚを中心とした半径方向に一様であってよい。したがって、図１と図２の例示における縦軸Ｚの片側の回転のプロフィールのいくつかの特徴の本説明は図１と図２の例示における軸Ｚの反対側の回転のプロフィールの特徴を同様に参照するものと理解すべきである。回転のプロフィールは、縦軸Ｚにより二等分された凸湾曲セグメントを画定する複合ボウルプロフィールを含んでよい。凸湾曲セグメントは内側ボウル面３４に対応しそれにより画定されてもよい。複合ボウルプロフィールにより画定される凸湾曲セグメントは図２では参照符号１１０で表される。複合ボウルプロフィールはさらに、外側ボウル面３６に対応しそれにより画定される、凸湾曲セグメント１１０の外側の複数の凹湾曲セグメントを画定してもよい。複数の凹湾曲セグメントは第１の複数の凹湾曲セグメント１１２と第２の複数の凹湾曲セグメント１１４を含んでもよい。複合ボウルプロフィールはさらに、凸湾曲セグメント１１０に接しかつ凹湾曲セグメント１１２に接する複数の線形湾曲セグメント１２０を含んでもよい。一方、凹湾曲セグメント１１２は凹湾曲セグメント１１４に接する。回転のプロフィールはさらに、外側リム面４０に対応しそれにより画定される複数の線形湾曲セグメント１１８を画定する複合リムプロフィールを含んでもよい。複合リムプロフィールはさらに、内側リム面４２に対応しそれにより画定され、それぞれが線形湾曲セグメント１１８の１つに隣接する複数の凸湾曲セグメント１１６を画定してもよい。
【００１７】
一実施形態では、内側ボウル面３４は、円錐突起３１上に配置され凸湾曲セグメント１１０を画定し縦軸Ｚ内にあるピーク点１３０を有する円錐突起面を含んでもよい。ピーク点１３０は、ピーク点１３０を含み縦軸Ｚに垂直に配向された第１の面Ｐ1を介し、図２に示す第１の軸方向位置に配置されてもよい。外側リム面４０は平坦面を含んでもよく、また、面Ｐ1に平行であり第２の軸方向位置に配置されたリム面Ｐ2を画定してもよい。不連続な遷移部４８は、面Ｐ1の第１の軸方向位置と面Ｐ2の第２の軸方向位置との間の軸方向である第３の軸方向位置に配置される第３の面Ｐ3を画定する燃焼ボウル３０の縁部８０を含む環状縁部（本明細書でさらに説明される）を含んでもよい。このため、ボウル縁部８０はリム面Ｐ2から軸方向に凹む。
【００１８】
上記のように、回転のプロフィールは、燃焼効率といくつかの排出物の生成とのバランスをとるように成形されてよい。これらの問題に対処する回転のプロフィールの形状の１つの態様は、燃焼面２８のいくつかの面により規定される曲率半径の相対的な寸法である。この目的を達成するために、いくつかの実施形態では、凸湾曲セグメント１１０は図１では半径Ｒ5として示される比較的小さな曲率半径を規定してもよい。凹湾曲セグメント１１４または凹湾曲セグメント１１２またはその両方は、中程度の曲率半径を規定してもよい。凹湾曲セグメント１１２により画定される中程度の曲率半径は、図１ではＲ4として表され、凹湾曲セグメント１１４により画定される中程度の曲率半径は図１ではＲ3として表される。図示された実施形態では、外側ボウル面３６は複数の異なる曲率半径Ｒ4とＲ3を規定する。外側ボウル面３６は添付図に示されるいくつかの実施形態と同様に、多くの曲率半径またはただ１つの曲率半径を規定してもよい。さらに、外側ボウル面３６により規定される曲率半径は半径Ｒ5より実際に小さい１つまたは複数の曲率半径を含んでもよい。図１の実施形態では、外側ボウル面３６は通常、半径Ｒ5より大きくしたがって中程度の曲率半径を含む少なくとも１つの曲率半径を含むことになる。凸湾曲セグメント１１６はそれぞれ、半径Ｒ5に対し比較的大きくそしてまた半径Ｒ3とＲ4の少なくとも１つに対して大きな曲率半径を規定してもよい。
【００１９】
また図３を参照すると、特に、遷移部４８において接する内側リム面４２および外側ボウル面３６の一部を含む燃焼面２８の一部分のプロフィールの詳細図が示される。上に検討したように、遷移部４８は不連続な遷移部を含んでもよい。一実施形態では、不連続な遷移部４８はボウル縁部８０を含む環状縁部を含んでもよい。環状縁部は環状の凹角突起を含んでもよい。これは図１、図２、図３に示す構成である。添付図に示される他の実施形態では、不連続な遷移部４８は凹角突起（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ  ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ）を含まなくてもよく、その代りにストレートサイド型ボウルが使用されてもよい。凹状ボウル構成は比較的低い速度と比較的低い馬力負荷サイクルを有するいくつかのエンジンに使用されるピストンに有利であることが発見された。より速い速度とより高い馬力アプリケーションでは、凹状ボウル構成は燃焼効率と排出物間の所望のバランスを得るために不要であることが見出された。特定の排出および／または効率要件はエンジン寸法またはアプリケーションに基づき変わり得るので、法律的規則もまた凹状ボウルが必要かどうかに影響を与えることがある。
【００２０】
遷移部４８を参照して使用される用語「不連続な」は、遷移部４８において互いに接する燃焼面２８のそれぞれの表面が連続的でない、あるいは連続的でないことに非常に近いということを意味する。「連続」遷移部は、遷移部において互いに接する燃焼面２８の表面が互いに滑らかに交差することを意味する。連続遷移部は、遷移部の片側に接する表面内の第１の点と遷移部の第２の面に接する表面内の第２の点とにより規定される勾配を決定することが容易であろう。「不連続な」遷移部は角部を含むことも、このようにして傾斜を決定することが容易ではないこともありうる。本明細書に記載の遷移部は、それが存在する場合、各遷移部において出会う燃焼面２８の一部分内の複数の点により画定される半径により、不連続であると判断してもよく、。一実施形態では、不連続な遷移部４８は第３の凸面曲率半径を規定する燃焼面２８の複数の表面点を含んでもよい。図１では、第３の凸面曲率半径はＲ2によって表される。半径Ｒ2は図３にも示され、非凹状ボウル構成内の不連続な遷移部４８により規定されるであろう例えば約１．５ミリメートル以下の小さな半径に対応する。参照符号Ｒ2の矢印のほぼ先端における極細線は非凹状ボウルのプロフィールを示し、一方、実線は凹状ボウルのプロフィールを示す。したがってこの極細線は、非凹状ボウル構成内の、小さな半径Ｒ2を規定するであろう表面を示す。さらに別の半径Ｒxが図３に示され、凹状燃焼ボウル（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｂｏｗｌ）構成内の不連続な遷移部４８により規定されてよい小さな半径に対応する。一実施形態（凹状燃焼ボウル実施形態）では、不連続な遷移部４８はバリ取りされた（ｄｅ−ｂｕｒｒｅｄ）遷移部を含んでもよい。事実上いかなる縁部も半径を規定するものと微視的には理解されてよいが、バリ取りされた縁部は、仮にあったとしても、実質的に無視できる半径を規定するものと文脈によっては理解されてよいということは当業者には明らかであろう。したがって半径ＲxまたはＲ2は、図３に示すように、隣接する表面をほぼ分離する線を含み可能な最も短い弓形により燃焼面２８の複数の表面点を接続することにより規定されてよい。参照符号Ｒxの矢印のほぼ先端における極細線は、このような弓形であり、図３の紙面の内外方向を通る表面４２と３６を分離する想像線と交差する。Ｒxはこの極細線により規定される小さな半径である。「不連続な」遷移部はまた、燃焼面内の最も不連続な遷移部と理解されてもよい。不連続な遷移部４８内の燃焼面２８の表面点により規定される第３の凸面曲率半径Ｒ2／Ｒxはまた、比較的小さな曲率半径Ｒ5より小さくてもよいし、また少なくとも比較的大きな曲率半径Ｒ1未満の大きさ程度であってもよい。１つの特定の実施形態では、半径Ｒ1は約５０ミリメートルであってよい。
【００２１】
また図４を参照すると、本開示による内燃エンジンとピストンとに関連する様々な特徴を列挙した図表が示されている。本明細書において考えられる他のエンジンだけでなくピストン１８のいくつかの特徴とエンジン１０のいくつかの特徴は、燃焼効率特性と排出物生成特性とのバランスをとるという本明細書に記載の目的を達成するのに有利であると考えられる方法で互いに関係してもよい。内側ボウル面３４が円錐突起３１上の円錐突起面を含んでよいということが思い出されよう。円錐突起面が燃焼ボウル３０の円錐角を規定してもよい。円錐角を参照符号Ａ1により図１に示す。実用的な実装戦略では、円錐角Ａ1は約１３５°以下であってもよいし、約１２５〜１３５°であってもよい。但しいくつかの実施形態では、約１２４°〜約１２８°のより小さな円錐角が適切なこともある。特定の円錐角の適合性は、本明細書においてさらに説明されるように、使用される燃料噴射器噴霧角に部分的に、そしてシリンダ１５内の所望パターンの燃料噴霧プルーム移動量に依存してもよい。エンジン１０はまた、複数の噴射器オリフィス（図示せず）を有するシリンダーヘッド１４内に搭載された燃料噴射器１６を含む。噴射器オリフィスは例えば総数５または６を有し、約１３０°であってよい噴射器噴霧角を規定してもよい。噴射器噴霧角は、参照符号Ａ2により図１では示される。いくつかの実施形態では、円錐角Ａ1は噴霧角Ａ2未満となる。
【００２２】
噴射器噴霧角Ａ2と円錐角Ａ1との差は、いくつかの実施形態では約２°〜約６°であってもよい。面Ｐ3の第３の軸方向位置と面Ｐ2の第２の軸方向位置間の軸方向距離は、面Ｐ1とＰ2の軸方向位置の違いにより規定される円錐深さＤ5未満である図１ではＤ4により表されたボウルリム深さを規定してもよい。１つの別の実施形態では、円錐深さＤ5は約３ｍｍ以上であってもよいし、約３ｍｍ〜約６ｍｍであってもよい。エンジン１において使用されるピストンに関しては、円錐深さは約３．２ｍｍであってよい。リム深さＤ4は約１ｍｍ〜約３ｍｍであってよい。
【００２３】
本明細書で使用されるように、用語「約」は、多くの有効数字との関連において理解されてよい。したがって、比較的大きな曲率半径Ｒ1が約５０ｍｍと記載された場合、これは４５ｍｍ〜５４ｍｍであると理解してよい。本開示による例示的ピストンおよびエンジンの別の寸法の特徴とこれら特徴間の例示的関係は、図４に示す図表の考察から得られる。上述のように、図４に示す図表は本開示による複数の異なるエンジンの例示的寸法および比例関係を含む。図表は第１のエンジン（エンジン番号１）のパラメータを示し、本特許出願の譲受人により製造された例示的Ｃ９エンジンを含む。エンジン２は、本特許出願の譲受人により製造された例示的Ｃ１３エンジンを表す。エンジン３Ａと３ＢはＣ１５エンジンを含み、エンジン４はＣ１８エンジンを含み、エンジン５はＣ２７エンジンを含み、エンジン６Ａと６ＢはそれぞれＣ３２エンジンを含み、これらのすべては本特許出願の譲受人により製造された。
【００２４】
図４の図表に示す寸法は実用的な実装戦略と実用的な実施形態の具体例を表す。以下の表は、本明細書で検討したパラメータを定義し、図４の図表に列記され添付図に示されたパラメータのいくつかの範囲を列挙する。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図７ａ〜図１４にはそれぞれ、本開示による例示的ピストンの特徴を示す。図７ａと図７ｂは図４の図表内のエンジン１に対応し、図８はエンジン２に対応する。図９はエンジン３ａに対応し、図１０はエンジン３ｂに対応する。図１１はエンジン４に対応し、図１２はエンジン５に対応し、図１３はエンジン６ａに対応し、図１４はエンジン６ｂに対応する。図７ａ〜図１４において使用される参照符号は、図１において同じ参照符号により特定されるものと似た特徴を特定する。したがって、Ｒ1は図７ａ〜図１４のピストンのそれぞれにおけるトップランド径を特定し、Ｒ3はボウル径を特定する、等々である。図７ａ〜図１４において使用される参照符号は図１における参照符号（１桁だけ異なる）により特定されるものに似た特徴を特定するために使用される。したがって、参照符号１８は図１の実施形態内のピストンを特定し、参照符号２１８は図７ａと図７ｂにおけるピストンを特定し、参照符号３１８は図８におけるピストンを特定する、等々である。
【００２７】
図１に戻ると、エンジン１０は、圧縮行程の最後にシリンダ１５内の上死点位置まで進められたように見えるときに位置するピストン１８で示される。空気は、縦軸Ｚの円周方向においてシリンダ１５を中心として空気が渦巻くようにシリンダ１５内に搬送される。一実施形態では、空気を含むガスと再循環排気ガスとの混合物は、ガスの混合物がエンジン１０の回転速度以下の速度で（すなわち、約１以下のスワール比を有し）渦巻くように吸気通路７０を介しシリンダ１５内に搬送されてもよい、スワール比は、本明細書では、渦巻くガスの接線速度とエンジン速度（ＲＰＭ）との商として理解されてもよい。シリンダ１５内のガスの混合物は、ガスの混合物の圧力が１５〜１７倍だけ増加するようにピストン１８の圧縮行程中に圧縮されてもよい。
【００２８】
ピストン１８がシリンダ１５内の上死点位置に進められる直前に、シリンダ１５内への直接燃料噴射が始まってもよい。一実施形態では、燃料噴射は、燃料噴射器１６内の噴霧オリフィスからの合計５または６の燃料噴霧プルームのそれぞれの重心軸が不連続な遷移部４８を指すようなエンジンタイミングで始まってもよい。例示として、もし燃料噴射が始まる時にシリンダ１５内のピストン１８のスナップショットが取られたならば、燃料噴霧プルームの重心軸はボウル端８０と交差すると予想することができるであろう。図１における噴射器１６から外方に延在する破線は、燃料噴霧プルームの重心軸を示す。上記のように、円錐角Ａ1は噴霧角Ａ2より小さくてもよい。凸状内側面３４上の燃料噴霧の衝突が制限されるかあるいはすべて回避されるように、燃料を燃焼ボウル３０内の半径方向外方に導くことが通常望ましい。ボウル形状および体積、噴射タイミング、噴霧角等の他の特徴だけでなく比較的小さな円錐角Ａ1もまた別の目的となり得る。ピストン１８が上死点位置に到達する時点であるいはその直前に、ガスは、ピストン１８が上死点位置にあるときシリンダーヘッド１４により部分的におよび複合リム３８により部分的に画定される隙間８２からスキッシュされてもよい。隙間８２は半径外方方向に先細のテーパーを含むということに留意されたい。特に、ガスは、燃焼ボウル３０に向かっておよびその中に、そして不連続な遷移部４８を通じて、そして噴霧化および気化した燃料だけでなくガスの渦巻きを誘起するかあるいはそれを少なくとも増大すると考えられる方法で、内方向にスキッシュされてもよい。隙間８２からガスをスキッシュすることから生じる渦巻きは、燃焼ボウル３０のプロフィールとシリンダーヘッド１４の露出内面とにほぼ従う経路で発生すると考えられる。したがって図１における軸Ｚの右側の燃焼ボウル３０の部分では、ガスは、軸Ｚの反対側の反時計回り方向と時計回り方向に渦巻くと考えられる。これは、吸気を軸Ｚの円周であるシリンダ１５内に搬送することに関連した渦巻きのパターンと異なる。ピストン１８が上死点位置に到達したときあるいはその直後に、シリンダ１５内にガスと燃料の混合物の自己発火が発生する。
【００２９】
図５ａは、面取りリムピストン（破線）対本明細書に開示されるタイプの拡径リムピストン（実線）のＡＶＬ煤煙とＮＯｘとを比較するグラフを含む。図５ｂは、同じ面取りおよび拡径リムピストンのＢＳＦＣ（正味燃料消費率：Ｂｒａｋｅ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｆｕｅｌ  Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）とＮＯｘとを比較するグラフを含む。図５ａと図５ｂに描かれたデータは、排ガス再循環を利用した本特許出願の譲受人により製造されたタイプのＣ１５エンジンに関し取られた。エンジンは、約１８００ＲＰＭ、１０５０ニュートン・メートル、約１００％の荷重条件で作動された。様々なＮＯｘレベルは、噴射圧力の開始と主噴射タイミングを一定に保ちながら排ガス再循環量を掃引することにより実現された。エンジン排出煤（または煤煙）率（ｅｎｇｉｎｅ−ｏｕｔ  ｓｏｏｔ  ｒａｔｅ  ｏｒ  ｓｍｏｋｅ）とＢＳＦＣは面取りリムピストン対拡径リムピストンに関し非常に類似しているということが図５ａと図５ｂから留意されてよい。図５ａでは、それぞれの終端部間の２つの曲線のそれぞれは、測定煤煙値においてほぼ２倍の全変化と測定ＮＯｘ値において２．５倍変化を示す。図５ｂでは、２つの曲線はそれぞれ、測定ＢＳＦＣ値において２倍の変化と測定ＮＯｘ値において約２％〜３％変化を示す。グラフは単に例示的であり、他の試験条件は異なる結果をもたらし得るが、図５ａと図５ｂのグラフから引き出されうる結論は、いくつかの他の幾何学的因子とは無関係に、ピストンボウル設計に少なくとも多少なりとも一般化できると予測される。
【００３０】
図６ａと図６ｂはそれぞれ、直線ボウル（実線）と凹状ボウル（破線）ピストン設計のそれぞれのＮＯｘ生成と比較した煤煙生成のグラフとＮＯｘ生成と比較したＢＳＦＣを含む。図６ａと図６ｂに描かれたデータは、図５ａと図５ｂのデータを得るのに使用され同様の条件下で作動されたものと同様なエンジンに関し取得された。直線ボウル設計と比較した凹状ボウル設計に関する煤煙の改善は容易に明らかであり、ＢＳＦＣの変化は無視できる、すなわち測定能力内であるということに留意されたい。図６ａのグラフでは、各曲線は測定煤煙値において約２倍の全変化と測定ＮＯｘ値において約１．５倍の全変化を示す。図６ｂのグラフでは、直線ボウル曲線は測定ＢＳＦＣ値において全変化をほとんど示さなく、凹状ボウル曲線は測定能力内の全ＢＳＦＣ変化を示す。図６ｂの各曲線は測定ＮＯｘ値において約２倍の変化を示す。直線ボウル設計と比較し凹状ボウル設計で得られた煤煙の改善は、図６ａと図６ｂに描かれたデータを得るために使用されそして記載の作動条件下でのエンジンの少なくとも１０％の改善に等しい。図５ａと図５ｂのグラフと同様に、図６ａと図６ｂから引き出される結論は少なくとも多少なりとも一般化できると予測される。
【００３１】
上に検討したように、エンジン作動条件と戦略だけでなくピストンと圧縮点火内燃エンジンの様々な幾何学的特徴も、効率と排出物に著しい影響を与える可能性がある。これらのパラメータの多くの特定の効果は十分に理解されているとは言えず、パラメータの相互結合（ｃｒｏｓｓ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、任意の個々の１つのパラメータを切り替えることが予測不能の結果をもたらす可能性があることを意味することが多い。これらの困難な課題に折り合いをつけるのは、効率および／または排出物に対処することを特に目的としないことがある製造業者間のエンジン設計および作動における特定の差異であるが、これは任意の特定のエンジンまたはピストンをどのように構成することができるかに関する固定の外部制約を生じ、したがって利用可能な設計選択肢を制限する。例えば、スワール比は、エンジンの吸気装置内の部品の形状に少なくとも部分的に依存し得る因子である。吸気装置を再設計することが実現可能な選択肢でない場合、好適な効率および排出物を与えるピストンの開発は、吸気装置により課されたいくつかの不変の制約条件内で働くピストンの設計を必要とする可能性がある。同様に、排ガス再循環が基本的ＮＯｘ削減戦略として選択される場合、ＥＧＲに基づいたエンジンにおいて好適な性能を与えることができるピストンの設計は、いくつかの他のＮＯｘ削減戦略が使用される装置において最適に作動するピストンの設計とは異なる問題となりうる。換言すれば、少なくともいくつかの実施形態ではＥＧＲがＮＯｘと煤煙のあるバランスに関連しうることが知られているので、ＥＧＲに基づいたエンジンのＮＯｘと煤煙の両方を削減するのを助けることができるピストンの設計は、そうでなければＮＯｘと煤煙の異なるバランスを生ずる傾向がある非ＥＧＲエンジンに使用されるピストンに必要なものとは異なるバランスをとる必要がある。シリンダボア寸法と圧縮比等のさらに他の因子は実質的に固定された外的制約となる可能性がある。
【００３２】
したがって、タイプ「Ｘ」のエンジンにおける許容可能な性能を与えるピストンを開発することはタイプ「Ｙ」のエンジンに好適なピストンを開発することとは極めて異なる努力となり得るということは当業者には明らかであろう。それにもかかわらず、本開示によるピストン、エンジンまたは作動方法を開発する際の意思決定を誘導することができる上述したものを構築する一般化則がいくつかある。例えば、ＥＧＲは多くの場合ＮＯｘの削減に有効であることが見出されたが、いくつかの場合には、ＥＧＲを使用するエンジンにおける燃焼条件は不必要な量の煤煙の生成をもたらす可能性がある。遷移部４８をＥＧＲのより大きい量に対しては相対的により不連続なものにする、そしてＥＧＲのより小さい量または零にたいしては相対的に不連続でないものにするように形成することが、ＮＯｘペナルティ無しに煤煙レベルを低く保つのを支援するということが発見された。リム形状に関して、いくつかの以前の設計におけるような平坦リムは本開示の設計におけるような拡径リムを使用して生成されたものより比較的高い煤煙を伴い得るということが発見された。ピストンのいくつかは凹状燃焼ボウルを有するように設計されており、一方、他のものはストレートサイド型燃焼ボウル含むということが図４の図表から留意されてよい。いくつかの場合には、凹状ボウル設計はストレートサイド型ボウル設計より低い煤煙量を伴うことができる。しかしながら上に検討したように、エンジン負荷サイクルはこれらおよび他の特性に影響を与える可能性がある。したがって高速または高負荷で作動すると予想されるエンジンに関しては、有力な燃焼条件は、ストレートサイド型または凹状燃焼ボウルが使用されるかどうかにかかわらず許容可能な煤煙レベルが生成されるようにしてよい。
【００３３】
上記を考慮すると、特に燃焼ボウルの縁部またはその近傍での形状の一見微小な変化が排出物および／または効率に大きな影響を与える可能性があるということが理解される。これらの特性はまた、エンジンがどのように作動されるかにかなりの部分依存する可能性があるので、第１の負荷サイクルを有する一つのタイプのエンジンに使用されように構成されたピストンが、異なる負荷サイクルを有する別のタイプのエンジンにおいて成功しないことがある。図４の図表に記載された例は、本開示の実用的な実施形態を表す８つの異なるエンジンを含む。図４の図表に列挙された相異なるパラメータは、効率、ＮＯｘ、煤煙のバランスに関する比較的低いまたは高い重要性を有することもあり、重要であると考えなくてはならないパラメータは求められる特定のバランスに依存することもある。
【００３４】
本明細書は例示目的のためにだけであって、決して本開示の範囲を狭くするように解釈されてはならない。したがって、様々な変更形態が、本開示の完全かつ公平な範囲と精神から逸脱することなく本開示の実施形態に対しなされ得るということが当業者には明らかだろう。他の態様、特徴、利点は、添付の図と添付の特許請求範囲を検討することで明らかになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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