(57)【要約】  内燃機関（１０）は、２６０ｍｍの内径（１６）を規定するシリンダーボア（１４）を有するハウジング（１２）と、ハウジング（１２）に連結された燃料噴射機（２４）と、ハウジングに対して回転可能に連結されたクランク軸（２８）とを備える。ピストン（５０）は、クランク軸（２８）と連結され、シリンダーボア（１４）内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるよう動作可能であり、複合燃焼ボウル（６６）内に複数のバルブポケット（６４）を規定する燃焼面（６２）を備える。燃料噴射機（２４）の噴射口（２６）は、１４５度超の噴出角度（９４）を規定し、燃焼ボウル（６６）は、噴霧燃料の燃焼によって１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰが生成され、又は内燃機関（１０）のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じさせるよう、１９０ｍｍ〜２３０ｍｍの直径を有する。
2015518944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）の作動方法であって、
２６０ｍｍ以上の内径（１６）を有するシリンダーボア（１４）内で、前記内径（１６）以上のストローク距離（５２）を有するピストン（５０）を上死点位置へ向って動かすことにより、前記内燃機関（１０）のシリンダーボア（１４）内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるステップと、
前記上昇させるステップの間、前記シリンダーボア（１４）を通って、複数のバルブポケット（６４）と１９０ｍｍ〜２３０ｍｍのボウル直径（９６）を有する複合燃焼ボウル（６６）とを規定するピストン（５０）の燃焼面（６２）を前進させるステップと、
前記流体圧力を自己着火圧力以上に維持しつつ、１４５度超の噴出角度（９４）で前記シリンダーボア（１４）へ燃料を直接噴射するステップと、
前記ピストン（５０）を１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰでシリンダー（１４）内の下死点位置へと押し進め、燃焼によって前記内燃機関（１０）のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じさせるように、前記噴射した燃料と空気とを燃焼させるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記燃焼させるステップはさらに、燃焼によって前記内燃機関（１０）のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり２５０グラム以下の燃料のＢＳＦＣを生じさせるように前記燃料及び空気を燃焼させるステップを含み、前記方法はさらに、前記燃焼させるステップに応じて、９００ＲＰＭ〜１０００ＲＰＭの平均回転速度にて、前記ピストン（５０）に連結されたクランク軸（２８）を回転させるステップを備え、
前記燃焼面（６２）は、大きな曲率の凸半径を規定する前記燃焼ボウル（６６）内の円錐（７０）と、曲率の凹半径を規定して前記燃焼ボウル（６６）内で前記円錐（７０）から前記ピストン（５０）の中心軸（５６）と並行に配向された直線壁部（７４）へ推移し、小さな曲率の凸半径を規定する前記燃焼ボウル（６６）のリップ（７６）に隣接する曲線壁部（７２）とを形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記噴射するステップはさらに、１５０ＭＰａ未満の噴射圧力で燃料噴射機（２４）の合計８〜１２の噴射口（２６）から前記燃料を噴射するステップを含み、噴射時間は、前記上昇させるステップの間、前記ピストン（５０）が前記上死点位置に到達するのに先立って開始され、
前記方法はさらに、
前記シリンダーボア（１４）からの排気バルブ（４６）を開放している間、前記ピストン（５０）を前記上死点位置へと戻すことで前記シリンダーボア（１４）から粒子状物質を含有した排気を放出し、前記放出するステップの最後に前記ピストンが前記上死点位置に到達すると、前記排気バルブ（４６）を前記複数のバルブポケット（６４）の１つにて受容するステップと、
前記放出するステップの後、前記シリンダーボア（１４）への吸気バルブ（４２）を開放している間、前記ピストン（５０）を前記下死点位置へと戻すことで前記シリンダーボア（１４）へ吸気を送達するステップと、
吸気が排気路（４８）へと向って前記シリンダーボア（１４）を通過するように前記送達するステップを開始した後、前記排気バルブ（４６）を閉鎖することで前記内燃機関（１０）を冷却するステップとを備えることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
内燃機関（１０）であって、
内部に形成されて２６０ｍｍ以上の内径（１６）を規定するシリンダーボア（１４）を有するハウジング（１２）と、
前記ハウジング（１２）に連結され、内部に燃料を直接噴射するために前記シリンダーボア（１４）内に位置づけられた複数の噴射口（２６）を規定する燃料噴射機（２４）と、
前記ハウジング（１２）に対して回転可能に連結されたクランク軸（２８）と、
前記クランク軸（２８）に連結され、前記シリンダーボア（１４）内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるために下死点位置から上死点位置までの前記内径（１６）以上のストローク距離（５２）に対応する分、前記シリンダーボア（１４）内を移動可能であるピストン（５０）とを備え、
前記ピストン（５０）は、中心軸（５６）を規定する外周面（５４）を含み、前記ピストン（５０）の第１軸方向端部（５８）と、複数のバルブポケット（６４）及び複合燃焼ボウル（６６）を規定する燃焼面（６２）を有した第２軸方向端部（６０）との間に延設され、
前記複数の噴射口（２６）は、１４５度超の噴出角度（９４）を規定し、前記複合燃焼ボウル（６６）は、前記燃料を噴射する際、及び、前記流体圧力が自己着火圧力以上である場合に、前記シリンダーボア（１４）内の前記噴射した燃料及び空気の混合物が、１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰで前記ピストン（５０）を前記下死点位置へと押し進めるべく燃焼し、前記燃焼によって前記内燃機関（１０）のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じるように、１９０ｍｍ〜２３０ｍｍのボウル直径（９６）を有することを特徴とする内燃機関（１０）。
【請求項５】
前記燃焼面（６２）は、前記燃焼ボウル（６６）内の凸状円錐（７０）と、前記凸状円錐（７０）から前記燃焼ボウル（６６）のリップ（７６）に隣接して前記中心軸（５６）と並行に配向された直線状円筒壁部（７４）へと推移する凹状曲線壁部（７２）とを形成し、
前記直線状壁部（７４）は、５ｍｍ〜１０ｍｍの軸方向高さ（７８）を有し、前記リップ（７６）は、２ｍｍ超の曲率の凸半径を規定し、
前記燃焼面（６２）は、前記外周面（５４）に隣接してその内部に複数のバルブポケット（６４）を有するリム（８２）を形成し、前記リム（８２）は、バルブポケット（６４）と交互に配置された複数のプラトー（平坦部）（８４）を含み、前記バルブポケット（６４）は各々、５ｍｍ以上の軸方向深さを有することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関（１０）。
【請求項６】
前記複数のプラトー（平坦部）（８４）は、前記中心軸（５６）に垂直に交差する平面を規定し、前記燃焼ボウル（６６）は、前記平面から前記燃焼ボウル（６６）の底部へと延びる、２５ｍｍ以上のボウル深さを有し、
前記内燃機関（10）はさらに、前記シリンダー（１４）のための吸気バルブ（４２）及び排気バルブ（４６）と、前記クランク軸（２８）に連結され、各々前記吸気バルブ及び排気バルブ（４２、４６）の開閉を制御するために前記吸気バルブ及び排気バルブ（４２、４６）と連結された吸気カム（３２）及び排気カム（３４）を有するカム軸（３０）とを備え、前記吸気カム及び排気カム（３２、３４）は、前記ピストン（５０）を前記内燃機関（１０）の吸気ストロークで前記上死点位置から前記下死点位置へと移動を開始させた際、前記吸気バルブ及び排気バルブ（４２、４６）の双方が開放するような外形状を有することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関（１０）。
【請求項７】
２６０ｍｍ以上の内径（１６）を有する直接噴射式内燃機関（１０）のシリンダーボア（１４）内に位置づけ可能で、前記シリンダーボア（１４）内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるため、下死点位置から上死点位置までの前記内径（１６）以上のストローク距離（５２）を前記シリンダーボア（１４）内で移動可能なピストン（５０）を形成すべく、ピストンスカート（５３）と連結されるピストンクラウン（５１）であって、
中心軸（５６）を規定する外周面（５４）を含み、第１軸方向本体端部（５８）と第２軸方向本体端部（６０）との間に延設され、軸方向本体長さ（８６）と前記軸方向本体長さ（８６）より長い本体直径（８８）とを有する本体部（５５）を備え、
前記本体部（５５）はさらに、前記第１軸方向本体端部（５８）に形成された冷却空洞（９０）と、前記ピストンスカート（５３）を前記ピストンクラウン（５１）に取り付けるためにボルトを受容する、前記冷却空洞（９０）から軸方向内側に延設されたボルト開口（９２）と、前記第２軸方向本体端部（６０）上で複数のバルブポケット（６４）及び複合燃焼ボウル（６６）を規定する燃焼面（６２）とを備え、
前記燃焼面（６２）はさらに、前記複合燃焼ボウル（６６）内の凸状中央円錐（７０）と、前記凸状中央円錐（７０）から前記中心軸（５６）と並行に配向されて前記複合燃焼ボウル（６６）の凸状リップ（７６）に隣接した直線状円筒壁部（７４）へと推移する凹状曲線壁部（７２）とを形成し、
前記複合燃焼ボウル（６６）は、１４５度以上の噴出角度（９４）で前記シリンダーボア（１４）内に燃料を噴射する際、及び、前記流体圧力が自己着火圧力以上である場合に、前記シリンダーボア（１４）内の前記燃料と空気とがピストン（５０）を１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰで前記下死点位置へと押し進めるように燃焼し、前記燃焼によって前記内燃機関（１０）のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質が生じるように、
１９０ｍｍ〜２３０ｍｍで本体部直径（８８）の３分の２以上であるボウル直径（９６）と、ボウル直径（９６）の１０分の１以上の軸方向ボウル深さ（１００）を有することを特徴とするピストンクラウン（５１）。
【請求項８】
前記燃焼面（６２）は、前記外周面（５４）に隣接し、内部に前記複数のバルブポケット（６４）を形成したリム（８２）を形成し、
前記複数のバルブポケット（６４）は、合計４つを含み、前記リム（８２）はさらに、バルブポケット（６４）と交互に配置されて前記中心軸（５６）と垂直に配向された共通平面を規定する合計４つのプラトー（平坦部）（８４）を備えることを特徴とする請求項７に記載のピストンクラウン（５１）。
【請求項９】
前記複数のバルブポケット（６４）は各々、５ｍｍ以上の軸方向ポケット深さ（９８）を有し、前記燃焼ボウル（６６）は、２５ｍｍ以上の軸方向ボウル深さ（１００）を有し、
前記直線状円筒壁部（７４）は、５ｍｍ〜１０ｍｍの軸方向高さ（７８）を有し、前記凹状曲線壁部（７２）は、１５ｍｍ〜２５ｍｍの曲率の凹半径を規定し、前記凸状リップは、２ｍｍ〜４ｍｍの曲率の凸半径を規定することを特徴とする請求項８に記載のピストンクラウン（５１）。
【請求項１０】
前記ボウル直径（９６）は２１０ｍｍであり、前記軸方向ボウル深さ（１００）は３２ｍｍであり、前記直線壁部の軸方向高さ（７８）は７ｍｍであり、前記曲率の凹半径（８０）は２２ｍｍであり、前記曲率の凸半径（８０）は３ｍｍであることを特徴とする請求項９に記載のピストンクラウン（５１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関（インターナル・コンバッション・エンジン）の作動中における粒子状物質の量を低減するストラテジー全般に係り、特に、内燃機関のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈ（ブレーキ出力キロワット・時間）あたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じさせ、１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰを得ることのできるピストンの複合燃焼ボウルの幾何学的属性に係る。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関分野において、多様な動作ストラテジー及び構成要素の幾何学性が知られている。技術者らは、数十年間に亘り、給油、排気、吸気、及びその他のエンジンシステムを作動させるために様々な方法を試し、また種々の目的のエンジン構成要素を成形して釣り合いを図るために様々な方法を試してきた。このような試みの裏にあるモチベーションの１つとして、エンジン排気中の特定排出物の低減と効率化との競合する利益の均衡を図るということが挙げられる。内燃機関は通常、空気と炭化水素燃料とを燃焼させる。燃料と空気の燃焼により、煤塵、灰、未燃炭化水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素、及びその他種々の有機物及び無機物等の多様な化合物を含有した排気が生成される。
【０００３】
近年、粒子状物質、すなわち「スモーク」の排出の低減が燃焼科学研究の特別な焦点となっており、種々の法的権限によってこれら望ましくない排気成分の排出に関する制約が加えられており、またこれから制約を加えることが期待されている。残念ながら、粒子状物質の排出を低減するということは、燃料効率、及び／又は、達成可能なエンジンスピードやパワー等の効率に係る特性を犠牲にして実現されることが多い。前述のとおり、構成要素の形状及びエンジン動作のパラメータは、数年で数え切れないほど変化を遂げてきている。燃焼科学における広範囲の研究及び実験の一領域は、効率を過度に犠牲にすることなく粒子状物質の排出を含む排ガスが低減されるようにピストン燃焼面を成形する試みに係る。
【０００４】
このような目的を有するピストン設計の１つとして、稼働中、エンジン燃焼室の一部に露出して、この一部を規定するピストンの燃焼面によって規定される燃焼ボウルが挙げられる。燃焼ボウル及び特定のボウル幾何学性は、燃焼が行われる間に燃焼生成物が種々の目的に調整されるように、気体及び噴霧液体燃料の流れや燃焼特性に影響を及ぼすことができると信じられている。このような燃焼ボウルの設計は、多くの場合、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び粒子状物質の一方又は双方を低減することを目指している。効率と種々の物質の排出との双方を最適化することを目指した燃焼ボウル設計として知られるものの１つに、Ｅａｓｌｅｙらの同一出願人による米国特許出願シリアル番号１３／０８８６５９で、現米国特許公開第２０１１／０２５３０９６号が知られている。
【０００５】
他のストラテジーでは、特定排出物の相対量との均衡を図ることよりもむしろ、ＮＯｘ又は粒子状物質の双方でなく一方を低減することを目指すことが多い。このようなストラテジーは、法的要件が一種の排気成分に対して比較的厳しく制限するようなものであった場合、又は、望ましくない特定排出物を除去又は捕捉する他の何らかの手段が使用されるような場合に有利であるかもしれない。ピストン燃焼ボウル及び排ガス関連の他の因子について、多くの研究を遂げ、商業デザインが進歩したにも関わらず、燃料科学は完全に解明されたわけではない。燃焼科学は、燃焼ボウルの形状及びその他の幾何学特性に係るものであるため、なおさらである。燃焼ボウルの幾何学性について比較的些細な変更が加えられたとしても、燃焼生成物の種別や相対的比率に重大な影響を与え得ることがよく知られている。この点を十分に理解していなかったため、従来技術は、如何にして特定の目標を達成するかということについて十分に示唆を与えるものでなかった。技術者らは、彼らの知っている様々な可変事項の多くが、排出物及び／又は効率に何らかの効果を有することを発見したが、これら可変事項のグループ化、その相互結合、及びその他の因子が予測可能なよい結果に結びつくことは多くない。さらにある設計が一種のエンジンシステムに好適であることがわかったとしても、その設計は、比較的大きなエンジン又は比較的小さなエンジンには合わないかも知れず、またエンジン動作因子の特定の組み合わせ以外では適用できないかもしれない。相当に厳しく規定されたエンジン動作パラメータの範囲内で特定の目標を達成する好適なピストン構成を開発するのは、依然として捉え難く、徹底適用、試験、及び現場使用分析を含む、数年に亘る研究開発が必要となることが多い。
【発明の概要】
【０００６】
一様態によると、内燃機関の作動方法であって、２６０ｍｍ以上の内径を有するシリンダーボア内で、前記内径以上のストローク距離を有するピストンを上死点位置へ向って動かすことにより、内燃機関のシリンダーボア内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるステップを備える。本方法はさらに、前記流体圧力を上昇させるステップの間、前記シリンダーボアを通って、複数のバルブポケットと１９０ｍｍ〜２３０ｍｍのボウル直径を有する複合燃焼ボウルとを規定するピストンの燃焼面を前進させるステップと、前記流体圧力を自己着火圧力以上に維持しつつ、１４５度超の噴出角度で前記シリンダーボアへ燃料を直接噴射するステップとを備える。本方法はさらに、ピストンを１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰ（brake mean effective pressure  正味平均有効圧力）でシリンダー内の下死点位置へと押し進め、燃焼によって前記内燃機関のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じさせるように、前記噴射した燃料と空気とを燃焼させるステップとを備える。
【０００７】
他の一様態によると、内燃機関であって、内部に形成されて２６０ｍｍ以上の内径を規定するシリンダーボアを有するハウジングと、前記ハウジングに連結され、内部に燃料を直接噴射するために前記シリンダーボア内に位置づけられた複数の噴射口を規定する燃料噴射機と、前記ハウジングに対して回転可能に連結されたクランク軸とを備える。前記エンジンはさらに、前記クランク軸に連結され、前記シリンダーボア内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるために下死点位置から上死点位置までの前記内径以上のストローク距離分、前記シリンダーボア内を移動可能であるピストンを備える。前記ピストンはさらに、中心軸を規定し、前記ピストンの第１軸方向端部と複数のバルブポケット及び複合燃焼ボウルを規定する燃焼面を有した第２軸方向端部との間に延設された外周面を備える。前記複数の噴射口は、１４５度超の噴出角度を規定し、前記複合燃焼ボウルは、前記燃料を噴射する際、及び、前記流体圧力が自己着火圧力以上である場合に、前記シリンダーボア内の前記噴射した燃料及び空気の混合物が、１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰで前記ピストンを前記下死点位置へと押し進めるべく燃焼し、前記燃焼によって前記内燃機関のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じるように、１９０ｍｍ〜２３０ｍｍのボウル直径を有する。
【０００８】
さらに他の一様態によると、２６０ｍｍ以上の内径を有する直接噴射式内燃機関のシリンダーボア内に位置づけ可能で、前記シリンダーボア内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させるため、下死点位置から上死点位置までの前記内径以上のストローク距離を前記シリンダーボア内で移動可能なピストンを形成すべく、ピストンスカートと連結されるピストンクラウンを提供する。本ピストンクラウンは、中心軸を規定する外周面を含み、第１軸方向本体端部と第２軸方向本体端部との間に延設され、軸方向本体長さと前記軸方向本体長さより長い本体直径とを有する本体部を備える。前記本体部はさらに、前記第１軸方向本体端部に形成された冷却空洞と、前記ピストンスカートを前記ピストンクラウンに取り付けるためにボルトを受容する、前記冷却空洞から軸方向内側に延設されたボルト開口と、前記第２軸方向本体端部上で複数のバルブポケット及び複合燃焼ボウルを規定する燃焼面とを備える。前記燃焼面はさらに、前記複合燃焼ボウル内の凸状中央円錐と、前記凸状中央円錐から前記中心軸と並行に配向されて前記複合燃焼ボウルの凸状リップに隣接した直線円筒壁部へと推移する凹状曲線壁部とを形成する。前記複合燃焼ボウルは、１４５度以上の噴出角度で前記シリンダーボア内に燃料を噴射する際、及び、前記流体圧力が自己着火圧力以上である場合に、前記シリンダーボア内の前記燃料と空気とがピストンを１６００ｋＰａ以上のＢＭＥＰで前記下死点位置へと押し進めるように燃焼し、前記燃焼によって前記内燃機関のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．２５グラム以下の粒子状物質が生じるように、１９０ｍｍ〜２３０ｍｍで本体部直径の３分の２以上であるボウル直径と、ボウル直径の１０分の１以上の軸方向ボウル深さとを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、一実施形態に係る内燃機関の部分側断面図である。
【図２】図２は、図１のエンジンにおいて好適に使用されるピストンの等角図である。
【図３】図３は、図１のエンジンの一部を示す部分側断面図である。
【図４】図４は、異なるピストン設計における粒子状物質生成の交互作用プロットである。
【図５】図５は、２つの異なるピストン設計における燃料消費の交互作用プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、内部にシリンダーボア１４の形成されたハウジング１２を有する、一実施形態に係る内燃機関１０が示されている。図示の実施形態において、シリンダーボア１４は、従来のように、シリンダーブロック２２内に位置づけられ、ヘッド２０に連結されたシリンダーライナー１８内に形成されている。エンジン１０には、ハウジング１２に連結され、シリンダーボア１４内にディーゼル留分燃料等の燃料を直接噴射する燃料噴射機２４を有する、圧縮着火式ディーゼルエンジンが含まれてもよい。燃料噴射機２４は、ポンプを備えた加圧燃料ソース２５に流体連結されてもよい。一実施形態において、エンジン１０は複数のシリンダーボアを備えてもよく、そのような実施形態によると、燃料ソース２５は同業者には自明の理由でコモンレールを備えてもよい。燃料噴射機２４はさらに、シリンダーボア１４内に位置づけられた８〜１２個の複数の噴射口２６を規定するが、ある実用的な実装のストラテジーによると、この数は１０である。
【００１１】
エンジン１０はさらに、従来の方法でハウジング１２に対して回転可能に連結されたクランク軸２８と、通常は歯車列（図示せず）を介してクランク軸２８に対して回転可能に連結されるクランク軸３０とを備える。クランク軸３０は、例えば第１カム３２と第２カム３４のように、複数のカムを備えてもよい。カム３２は、吸気をシリンダーボア１４内に送達するようヘッド１２内に形成された吸気路４４を開閉するように構成された第１バルブ、すなわち、吸気バルブ４２に連結されたバルブリフタ３６と接触した状態で回転してもよい。プッシュロッド３８は、バルブリフタ３６をロッカーアームアセンブリ４０を介してバルブ４２に連結する。カム３４は、図１においては明らかでないが、第２バルブリフタ、プッシュロッド、及びロッカーアームアセンブリと接触した状態で、シリンダーボア１４からの排気を送達するためにヘッド１２内に形成された排気路４８を開閉するよう構成された第２バルブ、すなわち、排気バルブに連結されて回転してもよい。吸気カム３２及び排気カム３４は、ピストン５０をエンジン１０の吸気ストロークでシリンダーボア１４内の上死点位置から下死点位置まで移動開始させる際、吸気バルブ４２及び排気バルブ４６の双方が開放されるような外形を有してもよく、この重要性は以降の説明で明らかにする。
【００１２】
ある実用的な実装のストラテジーによると、エンジン１０は中間サイズのディーゼルエンジンであってもよく、シリンダーボア１４について、内径は潜在的には２６０ｍｍでなく数十ミリメートル程度までであるが、これが２６０ミリメートル（ｍｍ）以上である内径１６を有してもよい。本明細書に記載の寸法及び比率は、精密な仕様から幾分異なってもよく、したがって一般的に、従来の丸めに照らして理解されなければならない。そこで、２５５ｍｍの内径は、この一般的な理解に応じて、従来、２６０ｍｍに丸めることができる。ピストン５０はクランク軸２８に連結され、シリンダーボア１４内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇するため、下死点位置から上死点位置までの内径１６以上のストローク距離５２に対応する分、シリンダーボア１４内で移動可能である。以下の説明でさらに明らかにされるように、ピストン５０は、エンジン１０の少なくとも特定の状況の下、燃焼によって比較的少量の粒子状物質が生成されるように、噴射した燃料及び空気をシリンダーボア１４内で自己着火圧力以上で燃焼させることができるように一意的に構成されてもよい。この目的のため、ピストン５０は、中心軸５６を規定し、ピストン５０の第１軸方向端部５８と、複数のバルブポケット６４及び複合燃焼ボウル６６を規定する燃焼面６２を有する第２軸方向端部６０との間に延設された外周面５４を備える。ある実用的な実装のストラテジーによると、ピストン５０は、内部に位置づけられたリストピン６８でスカート５３と連結された本体部５５とリストピン軸６９とを有するクラウン５１を備えることにより、クランク軸２８に連結される。
【００１３】
図２も参照すると、そのさらなる特徴を描いたクラウン５１の図がより詳細に示されている。本体部５５は、軸方向本体長さ８６と、軸方向本体長さ８６より長い本体直径８８を有してもよい。図示の実施形態において、燃焼面６２は、燃焼ボウル６６内に凸状円錐７０を形成している。燃焼面６２はさらに、外周面５４に隣接して内部にバルブポケット６４を形成したリム８２を形成する。リム８２はまた、バルブポケット６４と交互に配置された複数のプラトー（平坦部）８４を備えてもよい。ある実装のストラテジーによると、バルブポケット６４は、２つの排気バルブ及び２つの吸気バルブに対応して、合計４つのバルブポケットを含んでもよく、さらに本明細書に記載のとおり、合計４つのプラトー（平坦部）８４を含んでもよい。プラトー（平坦部）８４は、中心軸５６に垂直に配向された共通平面を規定してもよい。
【００１４】
図３も参照すると、燃焼ボウル６６の特定の幾何学特徴における、エンジン１０及びピストン５０のさらなる特徴を描いたエンジン１０内部の断面図が示されている。前述のとおり、吸気カム３２及び排気カム３４は、吸気バルブ４２及び排気バルブ４６の双方がピストンを吸気ストロークで上死点位置から下死点位置へと移動開始させる際に開放されるような外形を有してもよい。図３において、ピストン５０は、上死点位置又はその付近に出現し、且つ、下死点位置への移動の開始時又はその直前の様子が示されている。吸気バルブ４２及び排気バルブ４６は双方ともに、吸気路４４及び排気路４８の双方がシリンダーボア１４と流体連結するように開放されることに注目してもよい。前述のとおり、エンジン１０は中間サイズのディーゼルエンジンであってもよく、一例としての中間動力出力の適用例としては、発電、海洋原油及びガスの生産、及び機関車推進が挙げられる。この通常サイズクラスのエンジンは、何時間にも亘って最大定格負荷の８０％超、さらには最大定格負荷の９０％超で作動することを含んだデューティーサイクルを有することが多い。こういった理由から、このようなエンジンの冷却は、より小さなエンジンや、より低い負荷及びアイドル動作が周期的に期待できるような、より動的なデューティーサイクルを有するエンジンの冷却に比して困難である場合が多い。吸気路４４及び排気路４８の双方とシリンダーボア１４との間の流体連結が、ピストン５０の下死点位置への移動を開始した後に発生するようにカム３２及び３４を構成することにより、吸気の一部を燃焼することなく、吸気路４４からシリンダーボア１４を介して排気路４８へと移送させることができる。ある実施形態において、エンジン１０を通る気体の容積スループットの約５パーセントが、この一般的な方法で送達された未燃吸気を含んでもよい。これらの原則を理解する他の方法として、排気バルブ４６が粒子状物質及びその他の排気成分を含有する排気をシリンダーボア１４から放出するために開放される間、ピストン５０は上死点位置へ向って移動する。そしてピストン５０の上死点位置への到達時又は到達に先立って排気バルブ４６を閉鎖する代わりに、排気バルブ４６は、開放された状態で維持され、排気を放出する排気ストロークの終わりにピストン５０が上死点位置に到達及び通過するときにバルブポケット６４のうちの１つに受容されてもよい。排気バルブ４６が閉鎖位置へ向って移動しつつも依然として開放されている間、吸気バルブ４２は、本明細書に記載のとおり、シリンダーボア１４を介して吸気を送達するよう開放されてもよい。そして排気バルブ４６は、吸気がシリンダーボアを介して排気路４８へと通過するように、吸気のシリンダーボア１４内への送達を開始した後に閉鎖される。図１と同様に図３においても、ヘッド２０は、吸気バルブ４２及び排気バルブ４６がそれらの閉鎖位置においてシリンダーボア１４に対向するエンジンヘッド２０の表面から例えば５ｍｍ凹むように設計されてもよいことに注目してもよい。
【００１５】
前述のとおり、燃料噴射機２４は、ユニットポンプ又はコモンレール等の加圧燃料ソースと接続されてもよく、加圧燃料のシリンダーボア１４内への噴射を可能にするため、追加又は代替で燃料加圧プランジャーを備えてもよい。非常に高い圧力での燃料噴射により部分的に特定の排出物を低減しようと試みる既知のストラテジーとは対照的に、エンジン１０における燃料噴射は、依然として排出物の許容可能なレベルを達成しつつも、比較的低い圧力で行われてもよい。特に、燃料噴射機２４からの燃料噴射は、１５０メガパスカル（ＭＰａ）未満の噴射圧力で行われてもよく、さらに１４０ＭＰａ以下の噴射圧力で行われてもよい。噴射時間は、シリンダーボア１４内の流体圧力を自己着火圧力まで上昇させる間、ピストン５０が上死点位置に到達するのに先立って開始してもよい。ある実用的な実装のストラテジーによると、噴射時間は、上死点以前にクランク角度が１０度以上となったときに開始してもよい。噴射口２６は、例えば１列に配置されるが、１４５度超の噴出角度９４を規定してもよく、ある実用的な実装のストラテジーによると、１５５度の噴出角度を規定する。
【００１６】
前述のとおり、燃料ボウル６６の特定の幾何学特徴は、本明細書に記載のエンジン１０の望ましい動作と排出物プロファイルとを促進するように考慮される。この目的のため、燃焼ボウル６６は、１９０ｍｍ〜２３０ｍｍで本体直径８８の３分の２以上であるボウル直径９６を有してもよい。エンジン１０において、シリンダーボア１４内の流体圧力が自己着火圧力以上である場合、シリンダーボア１４内の噴射した燃料及び空気の混合物が１６００キロパスカル（ｋＰａ）以上の平均有効圧力（ＢＭＥＰ）でピストン５０を前記下死点位置へと押し進めるべく燃焼し、燃焼によってエンジン１０のエネルギー出力のブレーキキロワット−時間（ｂｋＷ・ｈ）あたり０．２５グラム以下の粒子状物質を生じるように、噴出角度９４が１４５度超となり、ボウル直径９６が１９０ｍｍ〜２３０ｍｍとなると、燃料噴射を促進する。噴射した燃料及び空気の燃焼は、クランク軸２８が当業者によってディーゼルエンジンの中間速度と理解されている９００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍで回転する燃焼／排出プロファイルを生じるように行われるが、本発明はこれに限定されるものでない。本明細書において考慮されているエンジンの少なくとも一例において、ピストンは、１８００ｋＰａ以上のＢＭＥＰでその下死点位置へと押し進められ、この燃焼によって内燃機関のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり０．１グラム以下の粒子状物質を生じるようにしてもよい。
【００１７】
特別なピストンクラウン５１におけるピストン５０のさらに他の特徴として、本明細書に記載のように動作させるため、エンジン１０の能力をサポート及び改善することが挙げられる。この目的のため、図３において、燃焼面６２が凸状円錐７０から燃焼ボウル６６のリップ７６に隣接して中心軸５６に並行に配向された直線状円筒壁部７４へと推移する凹状曲線壁部７２を形成することに注目してもよい。壁部７４はさらに、５ｍｍ〜１０ｍｍの軸方向高さ７８を有してもよく、これはある実用的な実装のストラテジーによると、７ｍｍである。壁部７２は、１５ｍｍ〜２５ｍｍの曲率の凹半径１０２を規定してもよく、これはある実用的な実装のストラテジーによると、２２ｍｍである。リップ７６は、２ｍｍ超の曲率の凸半径８０を規定してもよい。曲率半径８０は、２ｍｍ〜４ｍｍであってもよく、ある実用的な実装のストラテジーによると、３ｍｍである。プラトー（平坦部）８４は共通平面を規定することを思い起こすであろうが、図３では、共通平面がシリンダーボア１４と対向して露出したヘッド２０の表面と並行である。燃焼ボウル６６は、燃焼ボウル６６の主面から底面へと伸びる、２５ｍｍ以上の軸方向ボウル深さ１００を有してもよく、この底面は、図３において軸方向で最も低い位置に位置づけられたボウル６６の部分である。ボウル深さ１００は、ボウル直径９６の１０分の１以上であってもよく、ある実用的な実装のストラテジーによると、３２ｍｍであってもよい。
【００１８】
また凸状中央円錐７０のある幾何学特徴として、本明細書に記載のようにエンジン１０を確実に動作させることに貢献すると考えられている。ある実用的な実装のストラテジーによると、円錐７０は、噴出角度９４未満の円錐角度１０４を規定し、どのような場合にも通常１４５度未満となり、軸方向において、プラトー（平坦部）８４で規定される平面と主面から軸方向ポケット深さ９８に位置づけられたバルブポケット６４の底面との間に位置づけられた頂点１０８を有する。一実施形態において、頂点１０８は、２０ｍｍの頂点半径１０９を規定してもよい。軸方向ポケット深さ９８は、ある実用的な実装のストラテジーによると、５ｍｍ以上であってもよい。頂点１０８もまた、プラトー（平坦部）８４によって規定される平面から円錐深さ１１２の位置に位置づけられてもよく、円錐深さ１１２は４ｍｍ以下で、ある実用的な実装のストラテジーによると、３．２５ｍｍである。ポケット半径１０６もまた、ポケット６４のうちの１つとプラトー（平坦部）８４との間を推移する様子が示されている。ポケット半径１０６は、ある実用的な実装のストラテジーによると、５ｍｍ以上であってもよい。
【００１９】
図３において、ピストン５０は、さらなる特徴、つまりエンジン１０の使用中においてエンジン潤滑油等の冷却液体の噴出を受容する冷却空洞９０を描くため、スカート５３を省略して示されている。本明細書におけるピストン５０全体の第１軸方向端部及び第２軸方向端部の記載と同様、ピストンクラウン５１を形成する本体部５５は、第１軸方向本体端部及び第２軸方向本体端部を有すると理解されてもよく、冷却空洞９０は、第１軸方向本体端部に形成される。ボルト開口９２は、ピストンスカート５３をピストンクラウン５１に取り付けるべくボルト（図示せず）を受容するために、冷却空洞９０から軸方向内側に延設されている。燃焼面６２は、第２軸方向本体端部上に形成されると理解されるであろう。図３は、リストピン軸６９も示している。ピストンクラウン５１にバルブポケット６４を備えることにより、ピストンクラウン５１を、エンジン１０を一例とする通常クラスのエンジンに使用される既知のピストン設計に比して高く位置させることができる。特に、ピストン５０の上死点位置でバルブ４２及び４６に幾分の空隙を与えることで、燃焼面６２はヘッド２０に非常に接近し、燃焼の影響をより受けにくいガスで占拠されてしまう隙間の容積を低減させるようにしてもよい。ある実用的な実装のストラテジーによると、軸６９からプラトー（平坦部）８４によって規定される平面までの軸方向高さ１１０は、９３ｍｍ〜９７ｍｍであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
上述のとおり、特定の目的を達成するため、ピストン及びその他の内燃機関要素の幾何学特性を調整するストラテジーが多数存在する。特定排出物を目標レベル以下に低減することに成功すると、他の排出物の生成や、エンジン効率及び耐用年数等の因子の代償を払わなければならないことが多い。したがって、１つのクラスのエンジンや１つの動作状況における使用に好適なピストンの幾何学性に基づいた排出物低減ストラテジーは、異なる種別のエンジンに適用された場合、又は、ある動作パラメータが狭く特定されたプロファイルから外れた場合に、機能しないか、又は、実行不能であることがある。エンジン１０を一例とする、比較的内径の大きい中出力ディーゼルエンジンの場合、より内径の小さなエンジン向けとして知られている排出問題のソリューションは利用することができない。以上にて示唆したとおり、発電、機関車、及び海洋での適用に使用されるディーゼルエンジンは、非常に厳しいデューティーサイクルを有し、最大定格負荷の８０％超若しくはそれ以上の負荷条件下で数百時間にも亘って動作することもある。このような使用特性は、例えば多くのトラックや建設機械で使用されるオン・ハイウェイ・エンジン及びオフ・ハイウェイ・エンジンとは明確に異なる。この一般クラスのエンジンを使用するのは、通常、非常に高価でもあるため、例えば１００００時間以上の非常に長い耐用年数の間、厳しい使用条件に耐え得る構成要素の設計が特に望まれる。
【００２１】
一例として、粒子状物質を比較的少なく生じさせるために使用される既知の燃焼ボウル設計には、尖った燃焼リップによって包囲されたリエントリーボウルが採用される。このような燃焼ボウル設計は、特定の使用環境においてはうまく機能するものの、エンジン１０及び同様のエンジンの適用を考慮した使用条件下を乗り切ることは難しいこともある。このことは少なくとも、このようなエンジンにおいて高負荷動作が長期に亘って行われることにより、燃焼ボウルリップの尖った縁部に割れを生じるリスクが予測され、最悪の故障に繋がる潜在性があるという理由によって予測されるものである。したがって、本発明では、本明細書に記載のとおり、より鋭利にならないような半径を有するリップが考慮されている。ピストン５０の他の面及び接触面は、同様の目的のために、比較的大きな半径を有するように形成されてもよい。他の例として、あるエンジンシステムは、噴射した燃料の完全燃焼を可能な限り確実にするという少なくとも部分的な目的で、且つ、場合によっては粒子状物質の排出を低減する目的で、３００ＭＰａに迫る非常に高い噴射圧力を有するように設計される。このような噴射圧力を達成できる燃料システムは、理論的には、本明細書で考慮されている種別のエンジンとともに使用することができるが、そのようなシステムを製造して維持するコストは、より低い噴射圧力のシステムに比して些細なものでなく、したがって、より低い噴射圧力で粒子状物質の排出を低減することのできる本開発は効果的である。
【００２２】
図４を参照すると、本明細書に記載の動作条件下での単一シリンダーセットアップにおける複数のピストンのテストセル動作に基づいた平均実験データを示す交互作用プロットが示されている。図４は、プロットの左下の象限において、実験的に変化させたボウル直径が粒子状物質の生成に与える影響を示しており、プロットの右上の象限において、バルブポケットの有無が粒子状物質の排出に与える影響を示している。第１曲線１１４は、バルブポケット不使用で、燃焼ボウル直径を１８８ｍｍ〜２１０ｍｍに変化させた場合の影響を示している。第２曲線１１６は、バルブポケット使用で、ボウル直径を１８８ｍｍ〜２１０ｍｍに変化させた場合の影響を示している。曲線１１４及び１１６で反映されたデータは、特に、バルブポケットの存在のみで粒子状物質排出の低減に実質的に貢献することができることを示している。右上の象限におけるもう１つの曲線１１８は、ピストンにおける燃焼ボウル直径が１８８ｍｍである場合のバルブポケットの有無の影響を示しており、もう１つの曲線１２０は、ボウル直径が２１０ｍｍである場合のバルブポケットの有無の影響を示している。曲線１１８及び１２０に反映されたデータは、曲線１１４及び１１６と併せて、ボウル直径を大きくすればするほど粒子排出物を低減することができ、特にバルブポケットと組み合わせると、０．２５グラムＰＭ／ｂｋＷ・ｈの目標レベル以下にすることができるということを伝えていると理解することができる。
【００２３】
前述のとおり、ある既知のストラテジーによると排出物の低減／制御の代償として効率を犠牲にしている。しかしながら本発明は、そのような犠牲を払うことなく、許容可能な効率を成し遂げている。図５は、図４と同様に得られた平均実験データを示す他の交互作用プロットであり、各々ポケットが無い場合と有る場合の、１８８ｍｍ〜２１０ｍｍのボウル直径を有するピストンの燃料効率データを反映した第１曲線１２２及び第２曲線１２４を含んでいる。もう１つの曲線１２６及びさらにもう１つの曲線１２８は、１８８ｍｍのボウル直径を有するピストン対２１０ｍｍのボウル直径を有するピストンと、バルブポケットを備えた場合対バルブポケットを備えない場合を反映している。ある実施形態によると、本発明は、燃焼により内燃機関のエネルギー出力ｂｋＷ・ｈあたり２５０グラム以下の燃料の正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）、及び潜在的には図５に反映させたように２５０グラムよりさらに低いＢＳＦＣを生じさせるように、燃料及び空気の燃焼を考慮している。
【００２４】
本記述は、説明のみを目的とするものであり、如何なる方法においても本発明の範囲を狭めるものと理解されてはならない。当業者は、本発明の完全且つ公正な範囲及び精神から逸脱することなく、本発明の実施形態に種々の変更がなされてもよいことを十分に理解するであろう。その他の側面、特徴、及び効果は、添付の図面及び請求項を検討することで明らかになるであろう。
【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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