(57)【要約】  本発明は、ピストン軸（２）に対して基本的に回転対称的に形成された‐基本的に円錐状の隆起（５）を具えたボウル底（４）とそれを取り囲むボウル壁（６）とを有する‐燃焼室ボウル（３）を備えた、少なくとも一つの往復動ピストン（１）を備えた空気圧縮内燃機関であって、ボウル壁（６）は、ボウル底（４）に連続する、最大の第一のボウル内径（ｄ１）を有する基本的にトーラス状の第一の区域（６ａ）と、第一のボウル内径（ｄ１）よりも小さい最小の第二のボウル内径（ｄ２）を有する第二の区域（６ｂ）と、第三の区域（６ｃ）とを形成し、ピストン（１）の子午断面で見て、第一の区域（６ａ）は凹状の第一の曲率半径（Ｒ１）を有し、第二の区域（６ｂ）は凸状の第二の曲率半径（Ｒ２）を有し、第三の区域（６ｃ）は、前記第二の区域（６ｂ）に連続する第一の環状面（８）と、ピストン頂面（７）で終止する第二の環状面（９）とを形成し、第二の環状面（９）は、第一の環状面（８）との間にある角度（β）を形成し、第一の環状面（８）と第二の環状面（９）とはピストン軸（２）の法平面（ε）に対して傾斜して形成され、第一の環状面（８）と第二の環状面（９）との間の移行部に所定の第三の曲率半径（Ｒ３）を有する稜（１１）が形成されるように構成された内燃機関に関する。スス形成現象を防止するために、ピストン（１）の子午断面で見て、第一の環状面（８）はピストン軸（２）の法平面（ε）との間に、１０°〜２０°、好ましくは１５．２°の第一の角度（α）を形成するように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン軸（２）に対して基本的に回転対称的に形成された‐基本的に円錐状の隆起（５）を具えたボウル底（４）とそれを取り囲むボウル壁（６）とを有する‐燃焼室ボウル（３）を備えた、特に無スワール又は低スワール燃焼のための少なくとも一つの往復動ピストン（１）を備えた空気圧縮内燃機関であって、
前記ボウル壁（６）は、前記ボウル底（４）に連続する、最大の第一のボウル内径（ｄ１）を有する基本的にトーラス状の第一の区域（６ａ）と、それに連続する狭隘部を形成する、前記第一のボウル内径（ｄ１）よりも小さい最小の第二のボウル内径（ｄ２）を有する第二の区域（６ｂ）と、それに連続するボウル端縁領域をなす第三の区域（６ｃ）とを形成し、
前記ピストン（１）の子午断面で見て、前記第一の区域（６ａ）は凹状の第一の曲率半径（Ｒ１）を有し、前記第二の区域（６ｂ）は凸状の第二の曲率半径（Ｒ２）を有し、前記第三の区域（６ｃ）は、前記第二の区域（６ｂ）に連続する第一の環状面（８）と、ピストン頂面（７）で終止する第二の環状面（９）とを形成し、
前記第二の環状面（９）は、前記第一の環状面（８）との間にある角度（β）を形成し、
前記第一の環状面（８）と前記第二の環状面（９）とは前記ピストン軸（２）の法平面（ε）に対して傾斜して形成され、前記第一の環状面（８）と前記第二の環状面（９）との間の移行部に所定の第三の曲率半径（Ｒ３）を有する稜（１１）が形成されるように構成された内燃機関において、
前記ピストン（１）の子午断面で見て、前記第一の環状面（８）は前記ピストン軸（２）の法平面（ε）との間に、１０°〜２０°、好ましくは１５．２°の第一の角度（α）を形成することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
子午断面で見て、前記第一の環状面（８）は前記第二の環状面（９）との間に、約１００°〜１５０°、好ましくは約１２５°の第二の角度（β）を形成することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記第二の環状面（９）は前記ピストン軸（２）との間に、約１５°〜２５°、好ましくは２１°の第三の角度（γ）を形成することを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第二のボウル内径（ｄ２）は最大で前記第一のボウル内径（ｄ１）の約９５％であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ピストン（１）の該最大直径（Ｄ）を基準にして、前記燃焼室ボウル（３）は前記第一の区域（５ａ）の領域において、約０．７±２０％の第一のボウル内径（ｄ１）を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記ピストン（１）の該最大直径（Ｄ）を基準にして、前記燃焼室ボウル（３）は前記第二の区域（６ｂ）の領域において、約０．６５±２０％の第二の内径（ｄ２）を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記ピストン（１）の最大直径（Ｄ）を基準にして、前記第一の曲率半径（Ｒ１）は約０．０６±５０％であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記ピストン（１）の最大直径（Ｄ）を基準にして、前記第二の曲率半径（Ｒ２）は約０．０２±５０％であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記ピストン（１）の最大直径（Ｄ）を基準にして、前記第三の曲率半径（Ｒ３）は最大で約０．０１２±５０％であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記第一の環状面（８）及び／又は前記第二の環状面（９）は円錐面として形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記ピストン軸（２）の領域において噴射装置（１０）が、少なくとも一つの燃料噴流（Ｓ）が前記ピストン（１）の少なくとも一ストロークポジションにおいて前記第二の区域（６ｂ）に打ち当たり、該燃料噴流は前記第二の区域（６ｂ）によって前記第一の区域（６ａ）に向かう第一の噴流部分（Ｓ１）と前記第三の区域（６ｃ）に向かう第二の噴流部分（Ｓ２）とに分割され得るようにして、配置されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１２】
該内燃機関は、無スワール又は低スワール吸気路構造を有し、
前記ピストン軸（２）周りの前記燃焼室内における前記流れのスワール数が最大で１であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１３】
上死点に位置する前記ピストン（１）の子午断面で見て、
前記噴射装置（１０）の少なくとも一本の噴流軸（Ｓａ）が、前記ピストンボウル（３）を前記ピストン（１）の前記ボウル底（４）に隣接する下側領域（３ａ）と、該燃焼室天井の方向において前記下側領域に連続する上側領域（３ｂ）とに区分し、
その際、前記燃焼室ボウル（３）全体のうち、該下側領域（３ａ）は約５４％〜６２％、好ましくは５６％を占め、該上側領域（３ｂ）は約３８％〜４６％、好ましくは４４％を占めることを特徴とする、請求項１１及び１２のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記ボウル壁（６）は、前記第二の区域（６ｂ）において前記燃料噴流（Ｓ）が打ち当たる少なくとも一領域に出っ張り状の突出部（３０）を有し、
好ましくは、前記突出部（３０）は前記第一の区域（６ａ）及び／又は前記第三の区域（６ｃ）の領域に続いていることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記出っ張り状の突出部（３０）は、前記ピストン（１）の前記ピストン軸（２）を含む半径面（τ）に対して基本的に対称的に形成されていることを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン軸に対して基本的に回転対称的に形成された‐基本的に円錐状の隆起を具えたボウル底とそれを取り囲むボウル壁とを有する‐燃焼室ボウルを備えた、特に無スワール又は低スワール燃焼のための少なくとも一つの往復動ピストンを備えた空気圧縮内燃機関であって、前記ボウル壁は、前記ボウル底に連続する、最大の第一のボウル内径を有する基本的にトーラス状の第一の区域と、それに連続する狭隘部を形成する、前記第一のボウル内径よりも小さい最小の第二のボウル内径を有する第二の区域と、それに連続するボウル端縁領域をなす第三の区域とを形成し、前記ピストンの子午断面で見て、前記第一の区域は凹状の第一の曲率半径を有し、前記第二の区域は凸状の第二の曲率半径を有し、前記第三の区域は、前記第二の区域に連続する第一の環状面と、ピストン頂面で終止する第二の環状面とを形成し、前記第二の環状面は、前記第一の環状面との間にある角度を形成し、前記第一の環状面と前記第二の環状面とは前記ピストン軸の法平面に対して傾斜して形成され、前記第一の環状面と前記第二の環状面との間の移行部に所定の第三の曲率半径を有する稜が形成されるように構成された内燃機関に関する。さらに、本発明は、少なくとも一つの上述のようなピストンを有する空気圧縮内燃機関であって、前記ピストン軸の領域において噴射装置が、少なくとも一つの燃料噴流が前記ピストンの少なくとも一ストロークポジションにおいて前記第二の区域に打ち当たり、該燃料噴流は前記第二の区域によって前記第一の区域に向かう第一の噴流部分と前記第三の区域に向かう第二の噴流部分とに分割され得るようにして、配置されているように構成された内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０２０１１０５５１７０号明細書から、該燃焼室の該内壁から該燃焼室の中心軸に向かって張り出し、該内壁に、所定の長さだけ該内壁から突き出した突出部を有する異形状の内表面を具えた燃焼室を具備するディーゼルエンジンピストンが公知である。該突出部は、該突出部に向かって噴射噴霧される噴射燃料を、該燃焼室の上側区域の燃料流れと下側区域の燃料流れとに分割する。その際、該燃焼室ボウルは、中央隆起によって形成されたコアを有し、該コアは、燃焼室内の該流れを形成するスワール、渦又は渦巻きを活性化する。これによって、該燃焼室内に流入する該燃料及び該空気の混合が改善され、該混合比を向上させることが可能である。
【０００３】
独国特許発明第１０３９２１４１号明細書は、該燃焼室ボウルを離れる該燃料の少なくとも一部を迂回させるための燃料ガイド構造を有する燃焼室ボウルを含んだ内燃機関用ピストンを開示している。該ピストンは、該ピストンの該外側面に、該燃焼室ボウルへの接近口に隣接して配置された鋭角のエッジと、該燃焼室ボウルの内部に位置する面取りされた燃料受容リップとを含んでいる。
【０００４】
さらに、欧州特許出願公開第２７０８７１４号明細書は、空気との混合を図るために、噴射された燃料噴流がスワール又はクエンチフローを生み出すように凹状の形状を有する燃焼室ボウルを具えたディーゼルエンジン用燃焼室を開示している。
【０００５】
独国特許出願公開第１０２００６０２０６４２号明細書は、該ピストンボトムへの移行領域において基本的に環状の段状スペースに連続する、それぞれ該ピストンボトムに成形された一つのピストンボウルを有するピストンを備えた直噴式自己着火内燃機関の運転方法を開示している。インジェクタの噴射噴流は以下のようにして‐すなわち、燃料の第一の部分量が軸方向及び半径方向において該ピストンボウル内へと反転され、燃料の第二の部分量が該軸方向及び該半径方向において該ピストンボトムを介して燃焼室内へと反転され、燃料の第三の部分量が円周方向へと反転され、隣接する噴射噴流のそれぞれ第三の部分量が該円周方向において互いに衝突し、続いて、該半径方向において内側に向かって誘導されるようにして‐該段状スペースへと誘導されて、同所で反転させられる。該段状スペースの該壁は、軸方向に真っ直ぐな円筒状円周壁、半径方向に真っ直ぐな平らな底部並びに凹状に湾曲した移行壁によって形成されている。これにより、スス及び煙発生の低下した運転が可能とされることになる。しかしながら、該円周壁が該軸方向に対して＋１０°〜−３０°傾斜し、該底部が該半径方向に対して＋３０°〜−４０°傾斜していてよい旨示唆されているが、こうした対策の該目的及び該効果についての説明はなんら行われていない。
【０００６】
中国特許出願公開第１０３０４６９９７号明細書は、傾斜した底部と壁面とを具えた段状スペースを有し、該底部が該ピストン軸の法平面を基準にして８°〜１２°傾斜し、該壁面が該ピストン軸を基準にして８０°〜１００°傾斜するように構成した、ディーゼル内燃機関用の同様なピストンを開示している。これにより、該段状スペースの領域に、該燃焼室天井の方向に向かい、その後に、該ピストン軸に向かう、噴射された該燃料の渦が発生する。
【０００７】
中国実用新案第２０１０７４５５６号明細書、国際公開第２００５／０３３４９６号及び中国実用新案公告第２０２６１１９１５号明細書から、段状スペースを有し、該ピストン頂面に隣接する該段状スペースの該ボウル壁が該ピストン軸と平行に形成された、自己着火式内燃機関用のさらに別の同様なピストンが公知である。該ピストンの段に衝突する噴射された燃料の燃料噴流は、この場合にも、該燃焼室天井の方向に向かい、その後に、再び逆に、該ピストン軸ないし該ボウル軸に向かって反転させられる。
【０００８】
上述した該ピストンは、特に、スワール発生燃焼方式のために考案されている。
【０００９】
無スワール燃焼方式にあっては、上記公知のピストンは、上記第一の区域及び第三の区域の領域に停滞ゾーン及び燃料沈積が生ずるために、かなりの量のスス形成及びスス沈積が生じがちであることが判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１０５５１７０号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１０３９２１４１号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２７０８７１４号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２００６０２０６４２号明細書
【特許文献５】中国特許出願公開第１０３０４６９９７号明細書
【特許文献６】中国実用新案第２０１０７４５５６号明細書
【特許文献７】国際公開第２００５／０３３４９６号
【特許文献８】中国実用新案公告第２０２６１１９１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、これらの短所を回避し、冒頭に述べたタイプの内燃機関において、とりわけ無スワール燃焼に際して、該ピストンのスス形成現象を低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、上記目的は、前記ピストンの子午断面で見て、前記第一の環状面は前記ピストン軸の法平面との間に、１０°〜２０°、好ましくは１５．２°の第一の角度を形成することによって達成される。
【００１３】
本発明に基づき、燃焼中において、さもなければとりわけスワールフローの発生時に生ずるリッチゾーンの出現が防止される。該スス形成は、これによって、著しく低減される。乱流ゾーンの発生により、熱負荷が低減されるために、該シリンダヘッドの熱除荷がもたらされる。
【００１４】
該ピストンの子午断面とは、該燃焼室ボウルに対して垂直に延びる、該ピストンの該ピストン軸に沿った断面として理解される。したがって、該子午断面は、該燃焼室ボウルに対して垂直をなすとともに、該ピストン軸と平行ないし該ピストン軸を含む子午面を結果する。
【００１５】
手間とコストをかけた一連のテスト並びに計算により、冒頭に述べた該特徴と組み合わせて、該第一の環状面と該ピストン軸の該法平面との間に形成される該第一の角度が１０°〜２０°であれば、該第三の区域において該ボウル壁部の停滞ゾーンの発生を回避することが可能である旨判明した。該第一の角度がぎりぎり１５°を上回る場合に、最良の結果を達成することが可能である。さらに、該第三の区域の領域におけるスス形成を回避するには、前記ピストンの子午断面で見て、前記第一の環状面は前記第二の環状面との間に、約１００°〜１５０°、好ましくは約１２５°の第二の角度を形成することが特に好適である。
【００１６】
その際、前記第二の環状面は前記ピストン軸との間に、約１５°〜２５°、好ましくは２１°の第三の角度（γ）を形成することが、とりわけ好適である。これによって、該燃料噴流は該第二の環状面に沿って該シリンダ壁の方向に誘導されるが、ただし、該シリンダ壁との直接の接触は回避され得る。これによって、完全な低エミッション燃焼のために、得られる新規ガスチャージの最大限の掌握が促進される。その際、該燃料衝撃は、該噴射噴流とは反対向きの回転の形で形成されるチャージ運動を発生させる。これは、ピストンと該シリンダヘッドの該防火ブランケットによって形成された燃焼室天井との間の領域並びにピストンとボウル底との間の領域の双方で行われる。こうして発生する回転する渦巻きは該燃料噴流によってさらにいっそう促進され、これによって、ほぼ均一な燃料／空気混合気の生成を可能にする。こうして、非常に優れた低エミッション燃焼を達成することが可能である。
【００１７】
好ましくは円錐面として形成された該第一及び第二の環状面は、該燃料流れを該半径方向から軸方向へと反転させる段を形成している。その際、第一及び第二の環状面の間の上記反転は急激に行われる。驚くべきことに、これにより、漸進的な連続した反転の場合に比較して、スス形成現象の大幅な低減が観察されることが判明した。こうした観察は、軸方向への急激な該流れ反転によって、速度の高まりと接線軸周りの激しい乱流ないし回転運動が出現し、これによって、沈積する燃料の即時連行が可能とされるかあるいはそもそも沈積が不可能とされるということにより直接説明することができる。その際、少なくとも一本の噴射された燃料噴流により、それぞれ燃料と空気からなる二本の対向する渦巻きから生ずる乱流ないし回転運動が惹起される。第一及び第二の環状面の間の移行部における沈積を回避するため、前記ピストンの最大直径を基準にして、前記第三の曲率半径は約０．０１２±５０％であることが好適である。
【００１８】
二つの噴流部分への明確な分割を達成するために、前記第二のボウル内径は最大で前記第一のボウル内径の約９５％であることが好適である。該燃料噴流を分割するには、前記ピストンの最大直径を基準にして、前記第二の曲率半径は約０．０２±５０％であることが好適である。
【００１９】
一連のテストによれば、前記ピストンの該最大直径を基準にして、前記燃焼室ボウルは前記第一の区域の領域において、約０．７±２０％（つまり、前記ピストンの前記最大直径の０．７倍）の第一のボウル内径を有し、かつ、前記第二の区域の領域において、約０．６５±２０％（つまり、前記ピストンの前記最大直径の０．６５倍）の第二の内径を有する場合に、特に良好な結果が達成可能であることが判明した。
【００２０】
該ボウル底方向を向いた明白な第一の渦巻きを発生させるには、前記ピストンの最大直径を基準にして、前記第一の曲率半径は約０．０６±５０％（つまり、前記ピストンの前記最大直径の０．０６倍）であることが好適である。
【００２１】
該シリンダヘッドの方向を向いた明白な第二の渦巻きの発生は、前記第一の環状面及び／又は前記第二の環状面が円錐面として形成されている場合に可能である。段をなして形成された該第三の区域と折り曲げられた環状面とが、該シリンダヘッドの該防火ブランケットの該熱負荷を減少させる。該吸気路はスワールを発生させず、したがって、流動損失が低いために、それによって相対的に高いチャージ質量が該燃焼室に持ち込み可能である。それゆえ、空気／燃料比が不変であれば、より多くの燃料を供給することが可能であり、それによって、所与の行程容積にて該最大出力の向上が可能となる。加えてさらに、該ピストンデザインによって、該ピストンへの熱伝達の低下とともにピストンの熱損失の減少が可能となる。
【００２２】
該第三の区域におけるスス形成現象を回避するために、前記ピストンの最大直径を基準にして、前記第三の曲率半径は最大で約０．０１２±５０％（つまり、前記ピストンの前記最大直径の０．０１２倍）であるようになされていてよい。
【００２３】
該ピストンは、特に、無スワール又は低スワール吸気路構造を有する内燃機関に適しており、その際、前記ピストン軸周りの前記燃焼室内における前記流れのスワール数が最大で１である。吸気路構造として思量されているのは、該燃焼室内への吸気に際してスワールがほとんどもしくはまったく発生しないように形成された低スワール路としての吸気路のシリンダヘッドにおける形状及び配置である。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態において、該内燃機関は無スワール燃焼方式にて作動する。そうしたものとして理解されるのは、吸気スワールがまったく又はわずかにのみ許容されあるいはそれがまったく必要とされずないしわずかに必要とされるにすぎず、該ピストン軸周りのチャージ回転が基本的に生じない燃焼方式のことである。
【００２５】
無スワールないし低スワール吸気構造は、スワール発生吸気構造に比較して、流動損失を減少させるとともに該体積効率を向上させることができるという利点を有する。これは、所与の行程容積にて、相対的に高い出力を可能とする。該吸気路は‐より容易かつより短く‐形成することが可能である。
【００２６】
本発明の特に好適な実施態様において、上死点に位置する前記ピストンの子午断面で見て、前記噴射装置の少なくとも一本の噴流軸が、前記ピストンボウルを前記ピストンの前記ボウル底に隣接する下側領域と、該燃焼室天井の方向において前記下側領域に連続する上側領域とに区分し、その際、前記燃焼室ボウル全体のうち、該下側領域は約５４％〜６２％、好ましくは５６％を占め、該上側領域は約３８％〜４６％、好ましくは４４％を占めるようになされている。
【００２７】
該噴射噴流と新気との特に優れた混合は、前記ボウル壁は、前記第二の区域において前記燃料噴流が打ち当たる少なくとも一領域に出っ張り状の突出部を有し、好ましくは、前記突出部は前記第一の区域及び／又は前記第三の区域の領域に続いている場合に達成可能である。前記出っ張り状の突出部は、好ましくは、前記ピストンの前記ピストン軸を含む半径面に対して基本的に対称的に形成されている。
【００２８】
前記燃料噴流は前記出っ張り状の突出部によって、第一の噴流分岐流と第二の噴流分岐流に分割され、その際、回転方向の相違する二つの混合気渦が発生する。この噴流分割によって、存在する該新気を該燃焼のために最適利用することが可能になる。凸面状に曲げられた該出っ張り状の突出部により、該燃料噴流の該運動エネルギーを、できるだけ損失がないようにして、該燃焼室ボウル内で、該半径面の両側に分割反転させることができる。該燃料噴流の該噴流衝撃と該ボウル壁の該出っ張り状の突出部の該形状とによって、該燃焼室ボウル内に二重の渦運動が発生し、これにさらに、該第二の区域における該リブ状周回突出部による二重の渦巻き運動が加わることになる。これらすべてが一体となって、該新気の最適利用を可能にする。該第一の環状面と該第二の環状面が該シリンダヘッドによって形成された該燃焼室天井の方向に段状に形成されていることにより、該シリンダヘッドへの該高温燃焼ゾーンの打ち当たりが相対的に広い面に分散させられ、これによって、局所的に非常に高い熱負荷ピークが回避ないし低減され、こうして、該シリンダヘッドの該熱負荷を減少させることができる。
【００２９】
以下、各図に示した非制限的な実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。各図は以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第一の実施態様による本発明の内燃機関のピストンの子午断面を示す図である。
【図２】上記ピストンの詳細図である。
【図３】上記ピストンの平面図である。
【図４】無スワールないし低スワール吸気路構造の平面図である。
【図５】上死点における上記ピストンの燃焼室内の流れ状況を示す図である。
【図６】上死点通過後１０°における上記ピストンの燃焼室内の流れ状況を示す図である。
【図７】上死点通過後２０°における上記ピストンの燃焼室内の流れ状況を示す図である。
【図８】上死点通過後４０°における上記ピストンの燃焼室内の流れ状況を示す図である。
【図９】上死点における上記ピストンの燃焼室内のスス形成状況を示す図である。
【図１０】上死点通過後１０°における上記ピストンの燃焼室内のスス形成状況を示す図である。
【図１１】上死点通過後２０°における上記ピストンの燃焼室内のスス形成状況を示す図である。
【図１２】上死点通過後４０°における上記ピストンの燃焼室内のスス形成状況を示す図である。
【図１３】上死点通過後１０°における上記ピストンの燃焼室内の流れ状況を示す図である。
【図１４】上死点通過後２５°における本発明によるピストンの燃焼室内の流れ状況を示す図である。
【図１５】第二の実施態様による本発明の内燃機関のピストンの、図１６のＸＶ‐ＸＶ線による子午断面を示す図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ‐ＸＶＩ線による上記ピストンの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、詳細不図示の空気圧縮内燃機関のピストン１を示している。ピストン１は、特に、無スワール又は低スワール吸気路構造２０を有する内燃機関、特に、ピストン軸２を基準にして、燃焼室内スワール数が最大で１の内燃機関に適している。低スワール路として形成された吸気路２１、２２を有する思量可能な低スワールないし無スワール吸気構造の一例は図４に示されている。その際、双方の吸気路２１、２２は対称的に形成されているために、双方の吸気路２１、２２のスワール要素は相殺される。
【００３２】
ピストン１には、ピストン軸２に対して回転対称的に形成された燃焼室ボウル３が成形されている。該燃焼室の少なくとも多くの部分を形成する、ピストン１の燃焼室ボウル３は、円錐状の中央隆起５を有するボウル底４と、それを取り囲むボウル壁６からなっている。ボウル壁６は、上記ボウル底４から出発して、第一の区域６ａ、それに続く第二の区域６ｂ並びに第二の区域６ｂに続く第三の区域６ｃを有し、その際、第三の区域６ｃは、詳細不図示の該シリンダヘッドに対向するピストン頂面７に隣接して、ボウル端縁領域１２を形成している。
【００３３】
第一の区域６ａにおいて、ボウル壁６は少なくとも部分的にトーラス状に形成されており、その際‐ピストン１の子午断面で見て‐第一の区域６ａの該凹面の第一の曲率半径Ｒ１はピストン１の最大直径Ｄの約０．０６±５０％である。第一の区域６ａの領域において、燃焼室ボウル３は第一の内径ｄ１を有し、それはピストン１の最大直径Ｄの約０．７±２０％である。第二の区域６ｂの領域において、ボウル壁６は、引っ込められ、オーバーハングして形成されており、その際、第二の区域６ｂの領域において測定された第二のボウル内径ｄ２は最大で第一のボウル内径ｄ１の約９５％である。最大のピストン直径Ｄを基準にして、第一のボウル内径ｄ１は約０．６５±２０％である。
【００３４】
ピストン１の図１及び図２に示した子午断面で見て、ボウル壁６は第二の区域６ｂにおいて凸状に湾曲させられ、ピストン１の最大直径Ｄの約０．０２±５０％倍に相当する第二の曲率半径Ｒ２を有する。ボウル壁６は第一の区域６ａと第二の区域６ｂとの間を連続して延び、その際、第一の曲率半径Ｒ１と第二の曲率半径Ｒ２との間に、場合により、なお直線区域８が形成されていてもよい。これに代えて、第一の曲率半径Ｒ１は直接、変曲点を介して、第二の曲率半径Ｒ２に連続していてもよい。
【００３５】
ボウル壁６の第三の区域６ｃは、第一の環状面８と第二の環状面９からなり、その際、該第一の環状面８は直接、したがって連続して直かに、第二の区域６ｂの第二の曲率半径Ｒ２に連続し、他方でピストン頂面７で終止する。第二の環状面９とピストン頂面７との交線は、本実施例において、ピストン１の上記最大直径の約８０％に相当する直径１６を有する。好ましくは、第一の環状面８と第二の環状面９は円錐面によって形成されている。図１と図２に示したピストン１の子午断面で見て、第一の環状面８はピストン軸２の法平面（ε）との間に、約１０°〜２０°、好ましくは１５．２°の第一の角度αを形成している。第一の環状面８に連続する第二の環状面９は、第一の環状面８に対して傾斜して形成され、その際、第一の環状面８は第二の環状面９との間に、約１００°〜１５０°、好ましくは約１２５°の第二の角度βを形成している。ピストン軸２ないしピストン軸２に対する平行線に対し、第二の環状面８は、約１５°〜２５°、好ましくは約２１°の第三の角度γだけ傾斜して形成されている。第一の環状面８と第二の環状面９との間には所定の稜１１が形成されている。稜１１によって形成される、第一の環状面８と第二の環状面９との間の急激な移行は、シリンダヘッドの熱負荷を回避するのに好適である。ただし、他方で、燃料が沈積し得ると考えられる停滞ゾーンが回避されなければならない。テストによれば、第一の環状面８と第二の環状面９との間の第三の曲率半径Ｒ３は、最大でピストン１の最大直径Ｄの約０．０１２±５０％であれば、最善の結果が達成可能であることが示された。
【００３６】
該図示実施例において、最大のボウル深さ１３はピストン１の最大直径Ｄの約０．１６倍であり、中央隆起５の領域で測定された最小のボウル深さ１４はピストン１の最大直径Ｄの約０．０６１倍である。ピストン頂面７からピストン軸２の方向へ離間して測定された第二の区域６ｂの高さはピストン１の最大直径Ｄの約４％である。円錐状隆起５は、ピストン軸２の法平面との間に、約２０°〜３０°‐本実施例において約２３°‐の角度δを張っている。該隆起は、ピストン１の最大直径Ｄの約６％に相当する第四曲率半径Ｒ４を有する。
【００３７】
図１に示唆されているように、燃料は該シリンダ内中央に配置された噴射装置１０を介して噴射され、その際、該燃料は、ピストン１の少なくとも一ストロークポジションにおいて、ボウル壁６の第二の区域６ｂに打ち当たる。スワールの欠如ないし大幅な減少に基づいて、燃料噴流が互いに入り混じって高いスス形成にいたるような危険は存在しない。これにより、本実施例におけるスワール低減方式にあっては、比較可能な公知のスワール発生方式の場合よりも多くの‐たとえば９本を上回る‐噴流を設けることが可能であり、これがさらに燃料／空気混合気形成を促進することになる。
【００３８】
ピストン１の形状寸法及び噴射装置１０の噴射方向は‐上死点ＯＴに位置するピストン１の子午断面で見て‐噴射装置１０の噴射噴流Ｓの少なくとも一本の噴流軸Ｓａが、燃焼室ボウル３を下側領域３ａと上側領域３ｂとに区分し、その際、燃焼室ボウル３の全領域のうち、下側領域３ａが約５４％〜６２％、好ましくは５６％を占め、上側領域３ｂが約３８％〜４６％、好ましくは４４％を占めるように（図１）、互いに調整されている。
【００３９】
その際、上記燃料噴流の該スタートは、ピストン１の上死点ＯＴ通過前においてクランク角−６°〜０°の範囲で選択される。該噴射時間はクランク角３５°〜４２°の範囲にある。上記で選択された燃焼室ボウル３の上下領域間の特に４４：５６の比による分割に基づき、上死点ＯＴ通過前−２°における上記噴射の該スタートと組み合わせて、上記燃焼室内に存在する空気量のほぼ完全な掌握が行われ、これが以後、非常に低エミッションの燃焼をもたらすこととなる。この分割は、図１３において、上死点ＯＴ通過後の該ピストンポジション１０°にて具体的に分かり易く示されている。該燃焼プロセス中に発生する該スス形成は、ほぼ均一な該燃料／空気混合気によってほぼ完全に抑制される。存在する該空気量のこうしたほぼ完全な利用はまたさらに、高い燃焼速度による非常に効率的な燃焼をもたらし、これは非常に優れた燃費に反映されることとなる。この質量分割により、将来のエミッション規制についても最適なディーゼル燃焼方式が可能となる。
【００４０】
燃料噴流Ｓは、第二の区域６ｂのリブ状突出部により、下側の第一の噴流部分Ｓ１と上側の第二の噴流部分Ｓ２とに分割され、その際、回転方向の異なる第一の渦巻きＴ１と第二の渦巻きＴ２が発生する。この噴流分割によって、存在する該新気を該燃焼に理想的に利用することが可能になる。凸面状に曲げられてオーバーハングする第二の区域６ｂにより、燃料噴流Ｓの該運動エネルギーを、できるだけ損失がないようにして、燃焼室ボウル３内に反転させることができる。燃料噴流Ｓの噴流衝撃とボウル壁６の形状とにより、燃焼室ボウル３内に、該新気の最適利用を可能とする二重の渦巻きないし回転運動が発生させられる。第一の環状面８と第二の環状面９とが該シリンダヘッドの方向に段状に形成されていることにより、該シリンダヘッドへの該高温燃焼ゾーンの打ち当たりが相対的に広い面に分散させられ、これによって、局所的に非常に高い熱負荷ピークが回避ないし低減され、こうして、該シリンダヘッドの該熱負荷を減少させることができる。
【００４１】
図５〜図８は、さまざまなクランク軸角度に関するピストンボウル３内の流れ状況を示しており、その際、該空気流れ及び該燃料流れに関する速度ベクトルｖが記入されている。この場合、空気／燃料比はモノクロ階調で示唆されており、その際、該モノクロ階調が黒ければ黒いほど、該燃料濃度ｆはそれだけ高い。図５はピストン１の該上死点の領域における該流れ状況を示し、図６はピストン１の該上死点通過後１０°に際する該流れ状況を、図７はピストン１の該上死点通過後２０°に際する該流れ状況を、図８はピストン１の該上死点通過後４０°に際する該流れ状況をそれぞれ示している。図８では、燃焼室ボウル３内における顕著な混合気希薄化により、もはや相対的に低い燃料濃度ｆが確認されるだけであることが明白に認められる。
【００４２】
図９〜図１２は、さまざまなクランク軸角度に関するピストンボウル３内の該スス形成状況を示しており、その際、該スス濃度ＳＴはモノクロ階調で示唆されている。該スス濃度ＳＴは、該モノクロ階調が黒ければ黒いほど、それだけ高い。図９はピストン１の該上死点の領域におけるスス形成状況を示し、図１０はピストン１の該上死点通過後１０°に際するスス形成状況を、図１１はピストン１の該上死点通過後２０°に際するスス形成状況を、図１２はピストン１の該上死点通過後４０°に際するスス形成状況をそれぞれ示している。図１２では、燃焼室ボウル３内に、もはや実質的にスス濃度ＳＴを確認することはできない。
【００４３】
図１３及び図１４は、本発明による、ピストン軸２と第二の環状面９との間に形成された第三の角度γ‐約１５°〜２５°、好ましくは２１°‐の選択によって生ずる効果を非常に明確に示している。第二の環状面９の上述した傾斜により、燃料噴流Ｓはシリンダ壁２８の方向へ誘導されるが、その際、シリンダ壁２８との直接の接触を回避することが可能である。これにより、完全な低エミッション燃焼を達成するための、得られる新規ガスチャージの最大限の掌握が促進される。その際、該燃料衝撃は、該噴射噴流Ｓとは反対向きの回転の形で形成されるチャージ運動を発生させる。これは、ピストン１と燃焼室天井２９との間の領域並びにピストン１とボウル底４との間の領域の双方で行われる。こうして発生する回転する渦巻きＴ１、Ｔ２は該燃料噴流によってさらにいっそう促進され、これによって、ほぼ均一な燃料／空気混合気の生成を可能にする。こうして、非常に優れた低エミッション燃焼を達成することが可能である。この効果は、図１４において、該上死点ＯＴ通過後２５°の該ピストンポジションによって具体的に示されている。角度γが上述した角度１５°よりも小さい場合には、燃料噴流Ｓは燃焼室ボウル３内へはね戻され、これによって、新規ガスとの混合が悪化させられる。ただしまた、角度γが２５°を超える場合には、シリンダ壁２８が燃料によって湿潤されることを排除することはできない。
【００４４】
図１５及び図１６は本発明の第二の実施例を示しており、その際、ボウル壁６は、第二の区域６ｂにおけるリブ状の周回突出部に加えてさらになお、出っ張り状の突出部３０ないしシャベル状又はスプーン状ないし僧帽状の凹所３１を有している。好適には、噴射噴流Ｓ毎にないし噴射装置１０の噴射穴毎に一つの出っ張り状の突出部３０が設けられている。出っ張り状の突出部３０は、半径方向において燃焼室ボウル３内に突き出しており、好適には、ピストン軸２と噴射噴流軸Ｓａとによって形成された半径面τに対して基本的に対称的に形成されている。出っ張り状の突出部３０ないし凹所３１により、先に説明した、該噴射噴流Ｓの分割効果が円周方向に拡大される。該質量分割の該効果は円周方向において、噴射穴ないし噴射噴流Ｓ毎に二つの凹所３１が形成されていることによって補われる。ピストン軸２からの該出っ張り状の突出部までの距離はＥ１で表され、凹所３１までの距離はＥ２で表されている。Ｅ１はＥ２に対して、好適には、０．７５〜０．９５であり、その際、８．８８が特に好適であることが判明した。その他の該幾何学的特徴は第一の実施態様のそれと同一である。こうした幾何学的配置は燃料噴流Ｓを円周方向において噴流分岐流Ａ１とＡ２とに等分割し、こうして、二つの反対向きの混合気渦Ｗ１とＷ２の形成を促進する。これにより、存在する該空気中酸素は理想的に燃焼に供給され、このことが非常に低いスス形成と燃費に反映される。図１６はこの効果を分かり易く示している。出っ張り状の突出部３０は、第二の区域６ｂにおける該周回突出部と同様に、凸面状に湾曲しており、その際、出っ張り状の突出部３０曲率半径Ｒ５は、たとえば、ピストン１の該直径Ｄの０．０２〜０．０３＋／−５０％であってよい。
【００４５】
燃料噴流Ｓは出っ張り状の突出部３０‐これは、図１５及び図１６に示した実施例において、第一の区域６ａから、第二の区域６ｂを介して、第三の区域６ｃにまで延びている‐によって、下側の第一の噴流分岐流Ａ１と第二の噴流分岐流Ａ２に分割され、その際、回転方向の相違する第一の混合気渦Ｗ１と第二の混合気渦Ｗ２が発生する。この噴流分割によって、存在する該新気を該燃焼のために最適利用することが可能になる。凸面状に曲げられた出っ張り状の突出部３０により、燃料噴流Ｓの該運動エネルギーを、できるだけ損失がないようにして、燃焼室ボウル３内で、上記半径面τの両側に分割反転させることができる。燃料噴流Ｓの該噴流衝撃とボウル壁６の出っ張り状の突出部３０の該形状とによって、燃焼室ボウル３内に二重の渦運動が発生し、これにさらに、第二の区域６ｂにおける該リブ状周回突出部による二重の渦巻き運動が加わることになる。これらすべてが一体となって、該新気の最適利用を可能にする。第一の環状面８と第二の環状面９が該シリンダヘッドによって形成された燃焼室天井２９の方向に段状に形成されていることにより、該シリンダヘッドへの該高温燃焼ゾーンの打ち当たりが相対的に広い面に分散させられ、これによって、局所的に非常に高い熱負荷ピークが回避ないし低減され、こうして、該シリンダヘッドの該熱負荷を減少させることができる。
【００４６】
このようにして、無スワール燃焼方式のために形成された内燃機関においても、ピストン１によるスス形成及び炭化現象の効果的な防止が可能である。ピストン１により、無スワール吸気構造を有する内燃機関において、最適な混合気形成並びに該燃料の無煙燃焼が可能となる。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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