(57)【要約】  内燃機関のピストン用のピストンクラウンであって、ピストンクラウンは、中心軸に沿って軸方向及び中心軸から半径方向外向きに延在する。ピストンクラウンは、ピストンクラウンの軸方向の第一端部の環状面と、環状面内に半径方向に配置され、ピストンクラウンの第一端部に対して窪んでいるピストンボウルとを備える。ピストンボウルは、ピストンボウルの半径方向中央部内の上げ床部と、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、弧状面から半径方向外向きに及び環状面から半径方向内向きに延在するリップ面取り面とを備える。リップ面取り面の半径方向最内部は、弧状面の半径方向最外部の半径方向内側にある。ボウル最大半径Ｒｍａｘは、ピストンクラウンの中心軸と環状面の最内端部との間の半径方向の距離と定義される。ボウル高さＨは、環状面と環状面から最も遠いピストンボウルの面との間の軸方向の距離と定義される。リップ凹角は、ピストンクラウンの第一端部で半径方向に延在する線とピストンクラウンの第一端部に最も近い弧状面に対する接線との間の鋭角と定義される。ボウル最大半径Ｒｍａｘは、ボウル高さＨの２．３〜３．２倍であり、リップ凹角は、４０°〜８０°である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストン用のピストンクラウンであって、前記ピストンクラウンは、中心軸に沿って軸方向及び中心軸から半径方向外向きに延在し、前記ピストンクラウンは、前記ピストンクラウンの軸方向の第一端部の環状面と、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、
前記ピストンボウルの半径方向中央部内の上げ床部と、
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、
前記弧状面から半径方向外向き及び前記環状面から半径方向内向きに延在するリップ面取り面であって、前記リップ面取り面の半径方向最内部は、弧状面の半径方向最外部の半径方向内側にある、リップ面取り面と、を備え、ここにおいて、
ボウル最大半径Ｒｍａｘは、前記ピストンクラウンの中心軸と前記環状面の最内端部との間の半径方向の距離と定義され、
ボウル高さＨは、前記環状面と前記環状面から最も遠い前記ピストンボウルの面との間の軸方向の距離と定義され、
リップ凹角は、前記ピストンクラウンの前記第一端部で半径方向に延在する線と前記ピストンクラウンの前記第一端部に最も近い前記弧状面に対する接線との間の鋭角と定義され、
前記ボウル最大半径Ｒｍａｘは、前記ボウル高さＨの２．３〜３．２倍であり、
前記リップ凹角は、４０°〜８０°である、ピストンボウルと、を備える、ピストンクラウン。
【請求項２】
前記ピストンクラウンの前記第一端部で半径方向に延在する線と前記リップ面取り面との間の角度は、１０°〜３０°である、請求項１に記載のピストンクラウン。
【請求項３】
前記上げ床部は、
前記ピストンクラウンの前記第一端部に向かって先細になる円錐台状面と、
前記ピストンクラウンの前記第一端部に最も近い前記円錐台状面の端部のピップと、を備える、請求項１または２に記載のピストンボウル。
【請求項４】
前記ピップは、前記円錐台状面の先細の端部で円形ドーム形状である、請求項３に記載のピストンボウル。
【請求項５】
前記リップ凹角は、５０°〜７０°であり、好ましくは５５°〜６５°、より好ましくは５８°〜６２°、さらにより好ましくは５９°〜６１°、最も好ましくは約６０°である、請求項１〜４のいずれかに記載のピストンクラウン。
【請求項６】
前記ボウル最大半径Ｒｍａｘは、前記ボウル高さの２．４〜３．０倍であり、好ましくは２．５〜２．９倍、より好ましくは２．６〜２．８倍、さらにより好ましくは２．６５〜２．７５倍、なお一層好ましくは約２．７倍である、請求項１〜５のいずれかに記載のピストンクラウン。
【請求項７】
前記ボウル最大半径Ｒｍａｘは、前記ボウル高さの２．６９倍である、請求項６に記載のピストンクラウン。
【請求項８】
ボウルのど部半径Ｒ１は、前記ピストンクラウンの中心軸と前記リップ面取り面の半径方向最内端部との間の半径方向の距離と定義され、前記ピストンクラウンの半径方向長さは、前記ピストンクラウンの中心軸と前記ピストンクラウンの最外端部との間の半径方向の距離と定義され、
前記ボウルのど部半径Ｒ１は、半径方向長さの０．６３〜０．７４倍である、請求項１〜７のいずれかに記載のピストンクラウン。
【請求項９】
前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記半径方向長さの０．６５〜０．７２倍であり、好ましくは０．６６〜０．７１倍、より好ましくは０．６７〜０．７０倍、なお一層好ましくは０．６８〜０．６９倍である、請求項８に記載のピストンクラウン。
【請求項１０】
前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記半径方向長さの０．６８４倍である、請求項９に記載のピストンクラウン。
【請求項１１】
前記ピストンクラウンの中心軸と前記円錐台状面との間の角度は、６０°〜８０°である、請求項３または請求項３に従属する請求項のいずれかに記載のピストンクラウン。
【請求項１２】
前記ピストンクラウンの中心軸と前記円錐台状面との間の前記角度は、６０°〜８０°であり、好ましくは６４°〜７６°、より好ましくは６７°〜７３°、さらに一層好ましくは６９°〜７１°、最も好ましくは約７０°である、請求項１０に記載のピストンクラウン。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載のピストンクラウンを備える、ピストン。
【請求項１４】
請求項１３に記載のピストンを備える、内燃機関用のシリンダ。
【請求項１５】
前記シリンダは、内部ボア半径Ｙを有する内部ボアを備え、
前記ピストンクラウンは、前記ピストンクラウンの中心軸と前記リップ面取り面の半径方向最内端部との間の半径方向の距離と定義される、ボウルのど部半径Ｒ１を有し、
および、ここにおいて、
前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記内部ボア半径Ｙの０．６３〜０．７４倍であり、
好ましくは、前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記内部ボア半径Ｙの０．６５〜０．７２倍であり、
より好ましくは、前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記内部ボア半径Ｙの０．６６〜０．７１倍であり、
さらにより好ましくは、前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記内部ボア半径Ｙの０．６７〜０．７０倍であり、
より一層好ましくは、前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記内部ボア半径Ｙの０．６８〜０．６９倍であり、
なお一層好ましくは、前記ボウルのど部半径Ｒ１は、前記内部ボア半径Ｙの０．６８４倍である、請求項１４に記載のシリンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関の分野、特に効率の向上と排気ガスの低減を有する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
近年、大気中に放出される排気ガスの低減及び／又は化学組成が異なる排気ガスを排出するために、内燃機関の燃焼室から放出される排気ガスを処理するように構成される後処理システムの開発に焦点が絞られてきた。
【０００４】
後処理システムを使用することで、製造費や運転費が嵩み、場合によっては、燃料消費量が増加し得る。例えば、後処理システムを効率的に作動するには、温度を特定の値に設定する必要があり、この場合エンジンの仕事量は、エンジンのクランクシャフトの回転運動エネルギーの要求に応じてというより、単に後処理システムに熱エネルギーを与えるために増加し得る。
【発明の概要】
【０００５】
このような状況下で、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及び中心軸から半径方向外向きに延在し、ピストンクラウンは、ピストンクラウンの軸方向の第一端部の環状面と、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端部に対して窪んでいるピストンボウルと、を含み、当該ピストンボウルは、
ピストンボウルの半径方向中央部内の上げ床部と、
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、
弧状面から半径方向外向き及び環状面から半径方向内向きに延在するリップ面取り面と、を含み、リップ面取り面の半径方向最内部は、弧状面の半径方向最外部の半径方向内側にあり、
ボウルのど部半径Ｒ１は、ピストンクラウンの中心軸と環状面の最内端部との間の半径方向の距離と定義され、
ボウル高さＨは、環状面と環状面から最も遠いピストンボウルの面との間の軸方向の距離と定義され、
リップ凹角は、ピストンクラウンの第一端部で半径方向に延在する線とピストンクラウンの第一端部に最も近い弧状面に対する接線との間の鋭角と定義され、
ボウルのど部半径Ｒ１は、ボウル高さＨの２．３〜３．２倍であり、リップ凹角は、４０°〜８０°であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、燃焼サイクルにおいて、シリンダ内のピストンが、シリンダの燃料噴射端部から最も遠い位置での、内燃機関のシリンダを通る断面図を示す。
【図２】図２は、燃焼サイクルにおいて、ピストンが、シリンダの燃料噴射端部から最も近い位置での、図１記載のピストンのピストンクラウンの断面図を示す。
【図３】図３は、ピストンクラウンの半分を通る断面図の拡大図を示す。
【図４】図４は、ピストンクラウン内の燃料噴射挙動を図で示す。
【図５】図５は、図１〜４に図示されたものを含む、様々なデザインのピストンクラウンにおける、噴射遅角に対する煤煙耐性を表すプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、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、ピストン１１０は軸方向にシリンダ１００に対して移動可能としてよい。
【０００８】
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、燃料噴射器１３０で噴射した燃料は軸上で内部ボア１０１に入るようにしてもよい。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。
【０００９】
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）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ることで、ピストン１１０のピストンクラウン１２０は燃料噴射器１３０に面するようにしてもよい。
【００１０】
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をさらに備えてもよい。酸化剤注入口１４０と排気放出口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。
【００１１】
図１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から最も遠い位置での、シリンダ１１０との相対的な位置関係を示す。
【００１２】
図２は、上端部１０２に隣接するピストンクラウン１２０を備える、シリンダ１１０の上端部１０２の拡大図を示す。この状態は、ピストン１１０が、シリンダ１００の上端部１０２に最も近い位置で、シリンダ１１０に存在する場合に該当する。
【００１３】
図２において、ピストンクラウンは、図２の位置関係において垂直方向に定義される軸方向と、図２の位置関係において水平方向に定義される半径方向を有する。ピストンクラウン１２０は、中心軸２９０に関して軸方向に回転対称でよい。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。
【００１４】
ピストンクラウン１２０は、シリンダ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、弧状面２３０から半径方向外向き及び環状面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。リップ面取り２４０面の半径方向最内部２４５は、弧状面２３０の半径方向最外部２３５の半径方向内側にある。
【００１７】
上述の通り、図２は、中心軸２９０でのピストンクラウン１２０の断面図を示し、本実施形態において、ピストンクラウン１２０は、中心軸２９０に関して回転対称である。したがって、ピストンボウル２１０は、燃料噴射器１３０の方向に面する円形のど部を有する。ピストンボウル２１０は、ピストンクラウン１２０の中心軸２９０と環状面２４０の半径方向最内部２４５との間の半径方向の距離と定義される、ボウルのど部半径Ｒ１を有する。
【００１８】
ピストンボウル２１０は、環状面２０１と環状面２０１から最も遠いピストンボウルの面２３１との間の軸方向の距離と定義される、ボウル高さＨを有する。この例示された実施形態において、環状面２０１から最も遠いピストンボウルの面２３１は、上げ床部２２０で接する弧状面２３０の半径方向内点に配置される。
【００１９】
リップ凹部とは、速度の半径方向外向き成分でピストンボウルに噴射される燃料が、少なくとも部分的にピストンボウルの幾何学的配置によって噴射の方向が変わり、速度の半径方向内向き成分を得る手法を意味する。これは、少なくとも部分的に半径方向経路を与える弧状面２３０により達成され得、それによって燃料が、半径方向外向き成分と軸方向下向き成分を有する方向から、半径方向内向き成分と軸方向上向き成分（この場合、「上向き」は燃料噴射器１３０に向かう方向を指す）を有する方向に流れるよう促進される。
【００２０】
リップ凹角は、ピストンクラウン１２０の第一端部２８０で半径方向に延在する線とピストンクラウン１２０の第一端部２８０に最も近い弧状面２３０に対する接線との間の鋭角と定義され得る。
【００２１】
図２記載の例示された実施形態において、上げ床部２２０は、ピストンクラウン１２０の第一端部２８０に向かって先細になる円錐台面２２１と、ピストンクラウンの第一端部２８０に最も近い円錐台面２２１の端部にピップ２２２とを備える。ピップ２２２は、円錐台面２２１の先細の端部に球状のドーム形刻み目を備える。円錐台面２２１とピップの中心軸は、ピストンクラウン１２０の中心軸２９０と同軸で、ピップは燃料噴射器１３０に直接面する。
【００２２】
図３において、ピストンクラウン１２０の実施形態の典型的な寸法を以下に示す：
【００２３】
【表１】
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【００２４】
特に相対寸法に言及すると、ボウルのど部半径Ｒ１は、ボウル高さＨの２．３〜３．２倍である。さらに、ピストンクラウン１２０が与えられるシリンダ１００の内部ボア１０１に対して、ピストンボウルの最大半径（Ｒｍａｘ＝Ｒ１＋Ｌ１）は、ピストンボウル１２０の最大軸方向高さＨ２の２．３〜３．２倍である。
【００２５】
リップ凹角は、４０°〜８０°であり、図３記載の例示された実施形態において、リップ凹角は６１°である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
リップ凹部の特性、ピストンボウルへの燃料の広い進入、リップ凹角及び広いピップ角度の項目を組み合わせることで、燃料噴射工程でシリンダ内ガス速度や燃料分布を増加させる効果を生じる。本開示の範囲内において、局所乱流を生じさせ、空気と燃料の混合を促進し得る。リップ面取り面は、噴射−ボウルの相互作用により、燃料分布の均一性とバランスを増す効果を生じ得る。シリンダ内で乱流が活発になると、空気と燃料の混合速度が増加する。この現象により、シリンダ内で燃料が燃焼する割合が増加する。
【００２７】
本発明の側面は、燃料が高圧噴射して、燃焼室内で流体に乱流が生じて分散するよう、燃料を容易に霧状にし得るコモンレール式噴射の場合のように、高圧燃料システムを備えた直接噴射式圧縮着火エンジンと特に関連があり得る。
【００２８】
モデル化をすることで、これらの特徴により未燃燃料が減少するため、排気ガスを処理するためシリンダから受けるように構成される後処理システムにおいて、何も対処しなければ処理を要するであろう、煤煙の排出が低減されることがわかる。さらに、このような未燃燃料を低減する技術は、様々な範囲の燃料噴射のタイミングで適用され、噴射遅角に対する耐性がより高くなる。また、煤煙とＮＯｘ排気ガスの発生にどのように折り合いをつけるかという問題が、改善され得る。
【００２９】
要約すると、本開示のピストンボウル１２０により、燃料噴射速度が改善し、燃料分布も改善し、燃料蒸発の速度が上がり、乱流が活発になり、シリンダ内燃料分布の均一性が増し、酸化剤の利用が増え、またこれらの組み合わせにより、燃焼効率が上がり、燃焼事象後にシリンダから放出される未燃燃料の量が減少することで、さらに排気ガスが低減され、下流側の排気ガスの後処理の必要性が減少する。
【００３０】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、燃料噴射後の連続的な燃料分布挙動を示す。図４（ｂ）〜図４（ｃ）は、特に、リップ面取り２４０面の半径方向の最内部２４５の近くで乱流が活発になることを示す。
【００３１】
図５は、請求項に記載されるピストンクラウン１２０の特徴の組み合わせが、他のピストンクラウン設計と比較して、いかに排気ガスの顕著な改善に寄与するかを示す。図５記載のすべてのデータセットにおいて、噴霧角は１３０°である。
【００３２】
図５のグラフ記載のデータセットの２つは、先行技術のピストンボウルに関し、高レベルな煤煙を示す。先行技術のピストンボウル１に、凹角は与えられていない。先行技術のピストンボウル２は、請求項に記載されるピストンボウルの上げ床部とは異なる外形を有する上げ床部を有する。
【００３３】
図５のグラフ記載の他の４つのデータセットは、請求項の範囲に含まれるピストンボウルを示す。これらすべてにより、煤煙のレベルが顕著に低減されたことが示される。
【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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【国際調査報告】
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