(57)【要約】ディーゼルエンジン用の燃焼室組立体は、ピストン（１０）のクラウン（１２）内に形成された燃焼室（１４）を有し、ピストン（１０）は、中心軸線（１６，１８，５１８，５２４）を有し、燃焼室（１４）は、ポストを構成する中央部分を有し、中央部分は、少なくとも一部が球の一部により構成され、球は、半径を有し、半径の原点は、ピストンの中心軸線（１６，１８，５１８，５２４）上に位置し、燃焼室（１４）は、隣り合う滑らかな表面相互間に位置する滑らかな接線方向移行部を備えた複数の湾曲した表面を更に有し、滑らかな表面は、球形中央部分及び少なくとも１つの環状の表面を有し、燃焼室（１４）は、燃焼室の長手方向軸線（１６，２１６，３１６，４１６）に関して対称である。上述の燃焼室（１４）を有するピストン（１０）及び燃焼室（１４）の形成方法が更に提供される。【選択図】図１
2004536992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジン用の燃焼室組立体であって、
ピストンのクラウン内に形成された燃焼室を有し、前記ピストンは、中心軸線を有し、
前記燃焼室は、ポストを構成する中央部分を有し、該中央部分は、少なくとも一部が球の一部により構成され、球は、半径を有し、半径の原点は、ピストンの中心軸線上に位置し、
前記燃焼室は、隣り合う滑らかな表面相互間に位置する滑らかな接線方向移行部を備えた複数の湾曲した表面を更に有し、前記滑らかな表面は、球形中央部分及び少なくとも１つの環状の表面を有し、
前記燃焼室は、燃焼室の長手方向軸線に関して対称である、
ことを特徴とする燃焼室組立体。
【請求項２】
中央部分の球面の原点は、燃焼室の底部平面内又は燃焼室の底部平面の下に位置している、
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼室組立体。
【請求項３】
中央部分の球面の原点は、前記底部平面とピストン中心軸線との交点に一致して位置している、
ことを特徴とする請求項２記載の燃焼室組立体。
【請求項４】
平らな表面が無い、
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の燃焼室組立体。
【請求項５】
湾曲面が、ピストンのクラウンとリエントラント形インタフェースを構成している、
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼室組立体。
【請求項６】
燃焼室の底面は、ポストに結合された球面によって構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼室組立体。
【請求項７】
燃焼室の底面は、ポストに結合された環状面によって構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼室組立体。
【請求項８】
燃焼室の側壁表面は、底面に結合された球面によって構成されている、
ことを特徴とする請求項６又は７記載の燃焼室組立体。
【請求項９】
燃焼室の側壁表面は、底面に結合された環状面によって構成されている、
ことを特徴とする請求項６又は７記載の燃焼室組立体。
【請求項１０】
ディーゼルエンジン用ピストンであって、請求項１記載の燃焼室組立体を有している、
ことを特徴とするピストン。
【請求項１１】
ディーゼルエンジン用燃焼室組立体を構成する方法であって、
中心軸線をもつピストンのクラウン内に燃焼室を構成する工程と、
燃焼室の中央部分でポストを構成する工程と、
中央部分の少なくとも一部を、半径をもつ球の一部で構成する工程と、
前記半径の原点をピストンの中心軸線上に置く工程と、
球形の中央部分及び少なくとも１つの環状の表面を含む隣り合う滑らかな表面相互間に位置する滑らかな接線方向移行部を有する複数の湾曲した表面で燃焼室を更に構成する工程と、
燃焼室を燃焼室の長手方向軸線に関し対称に配置する工程と、を有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
中央部分の球面の原点を燃焼室の底部平面内又は燃焼室の底部平面の下に配置する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
中央部分の球面の原点を底部平面とピストン中心軸線との交点に一致して配置する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項２２記載の方法
【請求項１４】
平らな表面の無い燃焼室を形成する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１１、１２又は１３記載の方法。
【請求項１５】
ピストンのクラウンと湾曲した表面でリエントラント形インタフェースを構成する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
ポストに結合された球面により燃焼室の底面を構成する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
ポストに結合された環状面により燃焼室の底面を構成する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
底面に結合された球面により燃焼室の側壁表面を構成する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１６又は１７記載の方法。
【請求項１９】
底面に結合された環状面により燃焼室の側壁表面を構成する工程を更に有している、
ことを特徴とする請求項１６又は１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火（ディーゼル）内燃機関（以下、内燃機関を「エンジン」という場合がある）用に設計された燃焼室に関する。本発明は、詳細には、燃焼室がクラウン内に形成されたピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室内に吸気と燃料の理想的なフローパターンを生じさせる多くの試みがなされている。実施の必要がある留意点としては、エンジン排気ガス中に同伴されるＮＯxを最小限に抑えると共にこれ又エンジン排気ガス中に同伴されるスート（煤）粒子の量を最小限に抑えるのに適した出力発生を行うことが挙げられるが、これには限定されない。
【０００３】
種々のエンジン設計／作動変数、例えばエンジン圧縮比、燃焼室の形状、燃料噴射噴霧パターン及び他の変数のうち任意の１つを変化させると、発生する排出ガス成分すなわちエミッションと出力との両方に影響を及ぼすことがあることが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エンジンの排気ガスと共に放出されるスートの量は、見苦しいほどのものであり、これは、ディーゼルエンジンの浄化対策を促す社会的圧力を生じさせる。さらに、エンジンの潤滑油中に同伴されるスートの量は、エンジンの信頼性に悪影響を及ぼす場合がある。スートは非常に研磨性が強いので、エンジンのひどい摩耗を生じさせる場合がある。
【０００５】
更に、エンジンからのＮＯxの放出量を減少させる相当な社会的圧力が存在する。ますます厳しくなる規則上の要求により、ＮＯxのレベルの減少が義務付けられている。典型的には、ＮＯxレベルを減少させるのに有効な燃焼室設計は、スートのレベルを増大させることが判明しており、この逆の関係も成り立つ。更に、上述の対策のいずれかを行っても、エンジントルク及び出力が減少するのが通例である。
【０００６】
ピストンのクラウン内に形成される燃焼室の例は非常に多い。これら全ての従来設計例にも関わらず、ＮＯxと同伴スートの両方を減少させ、しかもそれと同時にエンジントルク及び出力を維持し又は高めることが要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃焼室は、当業界における上述の要望を実質的に満たすものである。ピストンのクラウン内に形成した燃焼室は、スートの同伴量とＮＯx放出量の両方を減少させると同時にエンジンの出力を僅かに増大させることが分かった。ピストンは、ヘッドが２又は３以上の弁を備えた状態で効果的に機能することが分かった。本発明の燃焼室の別の利点は、燃焼室をピストンの中心軸線に関して対称にすることにより燃焼室を比較的容易にピストンのクラウン内に形成できるということにある。
【０００８】
本発明は、ディーゼルエンジン用の燃焼室組立体であって、ピストンのクラウン内に形成された燃焼室を有し、ピストンは、中心軸線を有し、燃焼室は、ポストを構成する中央部分を有し、中央部分は、少なくとも一部が球の一部により構成され、球は、半径を有し、半径の原点は、ピストンの中心軸線上に位置し、燃焼室は、隣り合う滑らかな表面相互間に位置する滑らかな接線方向移行部を備えた複数の湾曲した表面を更に有し、滑らかな表面は、球形中央部分及び少なくとも１つの環状の表面を有し、燃焼室は、燃焼室の長手方向軸線に関して対称であることを特徴とする燃焼室を提供する。本発明は更に、上述の燃焼室組立体を備えたピストン及び上述の燃焼室の形成方法に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１実施形態
本発明のピストンは、図１に全体が符号１０で示されている。ピストン１０のクラウン１２は、ピストン１０の上縁部の一部を構成している。本発明の燃焼室１４は、クラウン１２内に形成されている。燃焼室１４は、ピストン１０の中心軸線と一致した長手方向軸線１６に関して対称であることは注目されるべきである。以下に説明する種々の半径（Ｒ）、直径（Ｄ）及び高さ（Ｈ）は、図１に明示されている。
【００１０】
本発明のピストン１０は、主として大型（ヘビーデューティ）ディーゼルエンジン用に設計されているが、小型（ライトデューティ）ディーゼルエンジンにも適用できる。ピストン１０は、２弁又は多弁ヘッドに利用できる。燃料をピストン中心近くに噴射すること及び噴射パターンが半径方向に対称であることが望ましい。好ましい実施形態では、インジェクタは、軸線１６に関し等角度にずれた６つのサブスプレーを有する燃料のスプレーを噴射する。
【００１１】
ピストン１０のクラウン１２内に形成された燃焼室１４は、湾曲した表面で構成され、これら湾曲面は、球面と環状面の両方である。球面は、半径ＲＳによって示され、環状面は、半径Ｒによって示されている。燃焼室１４には平らな表面が無い。以下に詳細に説明するように、燃焼室１４を構成する種々の湾曲した表面相互間には滑らかな接線方向移行部が存在する。
【００１２】
概略的には、燃焼室１４は、２つの球面ＲＳ１，ＲＳ２で構成され、球面ＲＳ１は、中央ポスト１７を構成している。２つの球面ＲＳ１，ＲＳ２は、燃焼室１４の底部の環状面Ｒ１により連結されている。球面ＲＳ２は、２つの環状面Ｒ２，Ｒ３によってピストンクラウン１２に移行し、２つの環状面は、比較的小さな曲率を有し、クラウン１２とリエントラント形交差部を構成している。寸法としての直径はＤにより示され、寸法としての高さは、Ｈにより示されている。
【００１３】
燃焼室１４の幾何学的形状を制御し、それによりディーゼルエンジンの燃焼性能並びにＮＯx及びスート放出量を制御する多くのパラメータがある。半径ＲＳ１により定められる球面の一部は、燃焼室１４の中央空間（中心部分）内に配置されている。球面ＲＳ１の原点１８は、ピストン１０の中心軸線１６上に位置している。球面ＲＳ１の原点１８と、燃焼室１４の軸線１６と燃焼室１４の底部平面２０の交点との間の距離は、０以上であり、０．２５Ｄ２未満であることが必要である。図１に示すように、原点１８は、燃焼室１４の軸線１６と燃焼室１４の底部平面２０の交点２２のところにある。換言すると、原点１８と交点２２は、一致しているものとして示されている。これは、燃焼室１４の軸線１６と燃焼室の底部平面２０の交点２２のところにおける原点１８の好ましい配置場所であるが、原点１８と交点２２との間には垂直方向高さ距離があってもよい。
【００１４】
半径ＲＳ２をもつ第２の球面は、第１（中心部分）の球面ＲＳ１の外部に位置し、燃焼室１４の外縁部の一部を構成している。外縁部の球面ＲＳ２は、中心軸線１６上に位置する原点２３を有している。中心部分の球面ＲＳ１及び外縁部の球面ＲＳ２のそれぞれの２つの原点１８，２３相互間の距離は、０．０以上、±２（Ｒ１）未満である。この距離は好ましくは０であり、２つの原点１８，２３は、同心であって好ましくは燃焼室１４の中心軸線１６と底部平面２０の交差部のところに位置している。この距離の値は、原点２３を原点２２に対して上昇させると正であることは注目されるべきであり、正の距離Ｈ１は、図１に示されている。さらに、ＲＳ２／ＲＳ１の比は、１．０以上、３．０未満である。ＲＳ２／ＲＳ１の比は好ましくは、約２．０であり、より詳細には２．０７３である。
【００１５】
以下の比は、燃焼室１４の或る幾つかのパラメータを定める。
ａ．ＲＳ１／Ｄ２の比は、０．１０よりも大きく、０．４５未満であることが必要であり、好ましくは０．２５３である。
ｂ．Ｄ２／Ｄ１の比は、０．４５よりも大きく、０．８５未満であることが必要であり、好ましくは０．６１９である。
ｃ．Ｄ３／Ｄ２の比は、０．７５よりも大きく、０．９５未満であることが必要であり、好ましくは０．８４９である。
【００１６】
ｄ．Ｈ／Ｄ２の比は、０．１５よりも大きく、０．４５未満であることが必要であり、好ましくは０．３３７である。
ｅ．Ｒ１／Ｄ２の比は、０．１１よりも大きく、０．４５未満であることが必要であり、好ましくは０．１３６である。
ｆ．Ｒ２／Ｄ２の比は、０．０よりも大きく、０．３５未満であることが必要であり、好ましくは０．１１である。
ｇ．Ｒ３／Ｄ２の比は、０．０よりも大きく、０．２未満であることが必要であり、好ましくは０．１４である。
【００１７】
上述したような燃焼室１４は、球面と環状面の組合せで構成されている。ＲＳ１，Ｒ１相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であり、ＲＳ１，Ｒ２相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であり、ＲＳ２，Ｒ２相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であり、ＲＳ２，Ｒ３相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であることが注目される。このように、燃焼室１４を構成する平らな表面というものは存在しない。上述したような曲線及び滑らかな移行部は、燃焼室１４内での円滑な流れを促進し、燃焼室１４内での熱負荷を減少させるよう働く。さらに、燃焼室１４は、軸線１６に関して対称である。したがって、ピストン内に形成される非対称の燃焼室と比較して燃焼室１４を回転させるのは非常に容易である。
【００１８】
半径Ｒ２，Ｒ３は、従来技術の幾つかに示されるような開放燃焼室とは異なり、クラウン１２との交差部のところにリエントラント形燃焼室１４を構成していることは更に注目されるべきである。
【００１９】
燃焼性能の向上及び汚染物質放出量の減少が図２〜図４に示されている。図２を参照すると、出力は、曲線の各々の下に位置する領域である。公知の燃焼室の第１の実際の実験例が曲線２４で示されている。結果的に曲線２４となる公知の燃焼室のシミュレーションのトレースが、曲線２４のピークの近くで曲線２４と厳密に重なり合っている。トレース２６は、曲線２４と厳密に重なり合うことにより、シミュレーションの有効性を実証している。次に、これと同一のシミュレーションを用いて燃焼室１４の性能をシミュレートした。燃焼室１４のシミュレーションは、曲線２８で示されている。曲線２８の下の領域は、曲線２４の下の領域よりも僅かに大きく、燃焼室１４に起因して生じる出力は、公知の燃焼室の出力よりも僅かに大きいことを示していることが注目される。
【００２０】
図３は、線２６により示された公知の燃焼室のＮＯx発生量及び線２８により示された本発明の燃焼室１４のＮＯx発生量のシミュレート結果を示している。本発明の燃焼室１４によるＮＯx発生量は、線２６で示す公知の燃焼室のＮＯx発生量よりもかなり少ないことが注目される。
【００２１】
図４は、線２８で示す本発明の燃焼室１４のシミュレートされたスート発生量と比較して線２６で示す公知の燃焼室のシミュレートされたスート発生量を示している。燃焼室１４のスート発生量は、公知の燃焼室のスート発生量よりも相当少ないことは注目されるべきである。図２〜図４を参照して注目すべき重要なこととして、燃焼室１４は結果として出力を増大させ、それと同時に燃焼室１４は、公知の燃焼室と比較してＮＯx発生量とスート発生量の両方を減少させている。
【００２２】
第２実施形態
本発明のピストンは、図５に全体が符号２１０で示されている。ピストン２１０のクラウン２１２は、ピストン２１０の上縁部の一部を構成している。本発明の燃焼室２１４は、クラウン２１２内に形成されている。燃焼室２１４は、ピストン２１０の中心軸線と一致した長手方向軸線２１６に関して対称であることは注目されるべきである。以下に説明する種々の半径（Ｒ）、直径（Ｄ）及び高さ（Ｈ）は、図５に明示されている。
【００２３】
本発明のピストン２１０は、主として大型（ヘビーデューティ）ディーゼルエンジン用に設計されているが、小型（ライトデューティ）ディーゼルエンジンにも適用できる。ピストン２１０は、２弁又は多弁ヘッドに利用できる。燃料をピストン中心近くに噴射すること及び噴射パターンが半径方向に対称であることが望ましい。好ましい実施形態では、インジェクタは、軸線２１６に関し等角度にずれた６つのサブスプレーを有する燃料のスプレーを噴射する。
【００２４】
ピストン２１０のクラウン２１２内に形成された燃焼室２１４は、湾曲した表面で構成され、これら湾曲面は、球面と環状面の両方である。燃焼室２１４には平らな表面が無い。以下に詳細に説明するように、燃焼室２１４を構成する種々の湾曲した表面相互間には滑らかな接線方向移行部が存在する。
【００２５】
燃焼室２１４の幾何学的形状を制御し、それによりディーゼルエンジンの燃焼性能並びにＮＯx及びスート放出量を制御する多くのパラメータがある。半径Ｒ１により定められる球面の一部は、燃焼室２１４の中央空間内に配置されていて、中央ポスト２１７を構成している。球面Ｒ１の原点２１８は、ピストン２１０の中心軸線２１６上に位置している。球面ＲＳ１の原点２１８と、燃焼室２１４の軸線２１６と燃焼室２１４の底部平面２２０の交点との間の距離は、０以上であり、０．２５Ｄ２未満であることが必要である。図５に示すように、原点２１８は、燃焼室２１４の軸線２１６と燃焼室２１４の底部平面２２０の交点２２２のところにある。換言すると、原点２１８と交点２２２は、一致しているものとして示されている。これは、燃焼室２１４の軸線２１６と燃焼室の底部平面２２０の交点２２２のところにおける原点２１８の好ましい配置場所であるが、原点２１８と交点２２２との間には垂直方向距離があってもよい。
【００２６】
以下の比は、燃焼室２１４の或る幾つかのパラメータを定める。
ａ．Ｄ１対Ｄの比は、０．４９よりも大きく、０．８１未満であることが必要であり、好ましくは０．６０６５である。
ｂ．Ｄ２対Ｄ１の比は、０．８１よりも大きく、０．９９未満であることが必要であり、好ましくは０．９０８である。
ｃ．Ｈ１対Ｄ１の比は、０．１７よりも大きく、０．４７未満であることが必要であり、好ましくは０．３４４である。
ｄ．Ｈ２対Ｈ１の比は、０．０５よりも大きく、０．４５未満であることが必要であり、好ましくは０．２５３である。
【００２７】
ｅ．Ｒ１対Ｄ１の比は、０．１３よりも大きく、０．４３未満であることが必要であり、好ましくは０．２５７である。
ｆ．Ｒ２対Ｄ１の比は、０．０９よりも大きく、０．２５未満であることが必要であり、好ましくは０．１３３である。
ｇ．Ｒ３対Ｄ１の比は、０．１７よりも大きく、０．５５未満であることが必要であり、好ましくは０．３６である。
ｈ．Ｒ４対Ｄ１の比は、０．０８よりも大きく、０．３３未満であることが必要であり、好ましくは０．１４２である。
ｉ．Ｒ５対Ｄ１の比は、０．０１よりも大きく、０．０２未満であることが必要であり、好ましくは０．１４である。
【００２８】
上述したような燃焼室２１４は、球面と環状面の組合せで構成されている。球面Ｒ１は、半径Ｒ１により構成されている。環状面は、半径Ｒ２〜Ｒ５によって構成されている。球面Ｒ１と環状面Ｒ２相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であり、環状面Ｒ２，Ｒ３相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であり、環状面Ｒ３，Ｒ４相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であり、環状面Ｒ４，Ｒ５相互間の移行部は、滑らかであって接線方向であることが注目される。このように、燃焼室２１４を構成する平らな表面というものは存在しない。上述したような曲線及び滑らかな移行部は、燃焼室２１４内での円滑な流れを促進し、燃焼室２１４内での熱負荷を減少させるよう働く。さらに、燃焼室２１４は、軸線２１６に関して対称である。したがって、ピストン内に形成される非対称の燃焼室と比較して燃焼室２１４を回転させるのは非常に容易である。
【００２９】
表面Ｒ２〜Ｒ５は、従来技術で示されるような開放燃焼室とは異なり、リエントラント形燃焼室２１４を構成していることは更に注目されるべきである。
【００３０】
燃焼性能の向上及び汚染物質放出量の減少が図６〜図８に示されている。図６を参照すると、出力は、曲線の各々の下に位置する領域である。公知の燃焼室の第１の実際の実験例が曲線２２４で示されている。結果的に曲線２２４となる公知の燃焼室のシミュレーションのトレースが、曲線２２４のピークの近くで曲線２２４と厳密に重なり合っている。トレース２２６は、曲線２２４と厳密に重なり合うことにより、シミュレーションの有効性を実証している。次に、これと同一のシミュレーションを用いて燃焼室２１４の性能をシミュレートした。燃焼室２１４のシミュレーションは、曲線２２８で示されている。曲線２２８の下の領域は、曲線２２４の下の領域よりも僅かに大きく、燃焼室２１４に起因して生じる出力は、公知の燃焼室の出力よりも僅かに大きいことを示していることが注目される。
【００３１】
図７は、線２２６により示された公知の燃焼室のＮＯx発生量及び線２２８により示された本発明の燃焼室２１４のＮＯx発生量のシミュレート結果を示している。本発明の燃焼室２１４によるＮＯx発生量は、線２２６で示す公知の燃焼室のＮＯx発生量よりもかなり少ないことが注目される。
【００３２】
図８は、線２２８で示す本発明の燃焼室２１４のシミュレートされたスート発生量と比較して線２２６で示す公知の燃焼室のシミュレートされたスート発生量を示している。燃焼室２１４のスート発生量は、公知の燃焼室のスート発生よりも相当少ないことは注目されるべきである。図６〜図８を参照して注目すべき重要なこととして、燃焼室２１４は結果として出力を増大させ、それと同時に燃焼室２１４は、公知の燃焼室と比較してＮＯx発生量とスート発生量の両方を減少させている。
【００３３】
第３実施形態
図９には、本発明のピストンは、全体が符号３１０で示されており、本発明の燃焼室は、符号３１４で示されている。概略的には、ピストン３１０は、ディーゼルエンジンのシリンダ内に燃焼ボウルの大部分を形成する中央に配置された対称の上向きキャビティを有しており、エンジンは、燃料噴射プルームを形成する燃料インジェクタを有している。ピストン３１０を２弁又は多弁ヘッドに利用することができる。燃料をピストン中心近くに噴射すること及び噴射パターンが半径方向に対称であることが望ましい。好ましい実施形態では、インジェクタは、軸線３１６に関し等角度にずれた６つのサブスプレーを有する燃料のスプレーを噴射する。燃焼室３１４を備えたピストン３１０は、ディーゼルエンジンの汚染物質エミッション、例えばＮＯx及びスートを減少させるのに有効である。ピストン３１０は好ましくは、大型及び中型（ミディアムデューティ）ディーゼルエンジンに適用できる。
【００３４】
ピストン３１０のクラウン３１２は、ピストン３１０の上縁部の一部を構成している。本発明の燃焼室３１４は、クラウン３１２内に形成されている。燃焼室３１４は、燃焼室の長手方向軸線３１６に関して対称であり、長手方向軸線３１６は、ピストン３１０の中心軸線と一致していることは注目されるべきである。以下に説明する種々の半径（Ｒ）、直径（Ｄ）及び高さ（Ｈ）は、図９に明示されている。
【００３５】
ピストン３１０のクラウン３１２内に形成された燃焼室３１４は、球面を含む湾曲した表面で構成されている。球面は半径ＲＳによって示され、湾曲面は半径Ｒによって示されており、これら湾曲面は環状面であるのがよい。燃焼室３１４には平らな表面が無い。以下に詳細に説明するように、燃焼室３１４を構成する種々の湾曲した表面相互間には滑らかな接線方向移行部が存在する。
【００３６】
概略的には、燃焼室３１４は、２つの球面ＲＳ１，ＲＳ２で構成され、球面ＲＳ１は、凸状の球面を構成し、球面ＲＳ２は、凹状の球面を構成している。球面ＲＳ１は、中央ポスト３１を構成する燃焼室３１４の中央のところに形成され、球面ＲＳ２は、球面ＲＳ１の半径方向外方に形成されている。２つの球面ＲＳ１，ＲＳ２は、燃焼室３１４の底部のところで半径Ｒ２を備えた小さな環状面によって連結されている。燃焼室の側壁は、半径がＲ１の湾曲した環状面によって構成されている。側壁の湾曲面Ｒ１は、半径がＲ３の湾曲面によって球面ＲＳ２に連結されている。側壁の湾曲面Ｒ１は、小さな湾曲面、例えば湾曲面Ｒ４によってクラウン３１２との交点に移行している。
【００３７】
燃焼室３１４の幾何学的形状を制御し、それによりディーゼルエンジンの燃焼性能並びにＮＯx及びスート放出量を制御する多くのパラメータがある。半径ＲＳ１により定められる凸状球面ＲＳ１は、燃焼室３１４の中央空間（中心部分）内に配置されている。球面ＲＳ１の原点３１８は、ピストン１０の中心軸線３１６上に位置し、好ましくはピストン３１０の長手方向軸線と一致している。球面ＲＳ１の原点３１８と、燃焼室３１４の軸線３１６と底部平面３２０の交点との間の距離は、０以上であり（図９に示すような原点から上に測定した距離は正である）、０．３Ｄ１未満であることが必要であり、Ｄ１は、ピストン３１０の直径である。かかる距離は好ましくは、原点３１８が底部平面３２０と軸線３１６の交点３２２と一致している場合には０である。
【００３８】
直径がＲＳ２の凹状球面の原点３２４は、軸線３１６上に位置し、図９ではピストン３１０よりもかなり上に示されている。球面ＲＳ２の原点３２４と、底部平面３２０と軸線３１６の交点３２２との間の距離は、１．０Ｄ１以上であって８．０Ｄ１未満であり、好ましくは２．５Ｄ１である（図９に示すように底部平面３２０と軸線３１６の交点２２から上に測定した距離は、正である）。
【００３９】
以下の比は、燃焼室３１４の或る特定のパラメータを備えており、Ｄ２は、燃焼室３１４の最大直径であり、Ｄ３は、クラウン３１２との交点のところにおける燃焼室３１４の直径であり、Ｈ１は、燃焼室３１４の最大高さであり、Ｈ２は、凸状球面Ｒ１のピークからクラウン３１２までの高さである。
【００４０】
ａ．ＲＳ１／Ｄ２の比は、０．１１よりも大きく、０．４４未満であることが必要であり、好ましくは０．２４５である。
ｂ．ＲＳ２／Ｄ２の比は、１．５よりも大きく、３０．０未満であることが必要であり、好ましくは３．４３２である。
ｃ．Ｄ２／Ｄ１の比は、０．４２よりも大きく、０．８８未満であることが必要であり、好ましくは０．６３５である。
ｄ．Ｄ３／Ｄ２の比は、０．７よりも大きく、０．９９５未満であることが必要であり、好ましくは０．８３２である。
【００４１】
ｅ．Ｈ１／Ｄ２の比は、０．１３よりも大きく、０．４９未満であることが必要であり、好ましくは０．３１８である。
ｆ．Ｈ２／Ｄ２の比は、０．００５よりも大きく、０．４９未満であることが必要であり、好ましくは０．０７３である。
ｇ．Ｒ１／Ｄ２の比は、０．１１よりも大きく、０．６５未満であることが必要であり、好ましくは０．４１２である。
ｈ．Ｒ２／Ｄ２の比は、０．０１よりも大きく、０．３３未満であることが必要であり、好ましくは０．０６８である。
ｉ．Ｒ３／Ｄ２の比は、０．０１よりも大きく、０．３３未満であることが必要であり、好ましくは０．０６８である。
【００４２】
上述したような曲線及び滑らかな移行部は、燃焼室３１４内での円滑な流れを促進し、燃焼室３１４内での熱負荷を減少させるよう働く。さらに、燃焼室３１４は、軸線３１６に関して対称である。したがって、ピストン内に形成される非対称の燃焼室と比較して燃焼室３１４を回転させるのは非常に容易である。
【００４３】
燃焼性能の向上及び汚染物質放出量の減少が図１０及び図１１に示されている。図１０は、線３２８により示された公知の燃焼室のＮＯx発生量及び線３３０により示された本発明の燃焼室３１４のＮＯx発生量のシミュレート結果を示している。本発明の燃焼室３１４によるＮＯx発生量（線３３０）は、線３２８で示す公知の燃焼室のＮＯx発生量よりもかなり少ないことが注目される。
【００４４】
図１１は、線３３０で示す本発明の燃焼室３１４のシミュレートされたスート発生量と比較して線３２８で示す公知の燃焼室のシミュレートされたスート発生量を示している。燃焼室３１４のスート発生量（線３３０）は、公知の燃焼室のスート発生量（線３２８）よりも相当少ないことは注目されるべきである。
【００４５】
第４実施形態
図１２には、本発明のピストン及び燃焼室はそれぞれ全体が符号４１０、４１４で示されている。概略的には、ピストン４１０は、ディーゼルエンジンのシリンダ内に燃焼室一式の一部を形成する中央に配置された対称の上向き燃焼室４１４を有している。燃焼室４１４は、ピストン４１０のクラウン４１２内に構成されている。エンジンは、燃焼室４１４に対して燃料噴射プルームを形成する燃料インジェクタを有している。ピストン４１０を２弁又は多弁ヘッドに利用することができる。燃料をピストン４１０の中心近くに噴射すること及び噴射パターンが軸線４１６に関して半径方向に対称であることが望ましい。ピストン４１０は、図１４及び図１５のグラフで示すようにディーゼルエンジンの汚染物質エミッション、例えばＮＯx及びスートを減少させるのに有効である。ピストン４１０は好ましくは、大型及び中型（ミディアムデューティ）ディーゼルエンジンに適用できる。
【００４６】
ピストン４１０のクラウン４１２は、ピストン４１０の上縁部の一部を構成している。本発明の燃焼室４１４は、クラウン４１２内に形成されている。燃焼室４１４は、燃焼室の長手方向軸線４１６に関して対称であり、長手方向軸線４１６は、ピストン４１０の中心軸線と一致していることは注目されるべきである。以下に説明する種々の半径（Ｒ）、直径（Ｄ）及び高さ（Ｈ）は、図１２に明示されている。ＲＳは球半径を示し、環状面は、Ｒで示されている。
【００４７】
ピストン４１０の燃焼室４１４は、球面及び環状面を含む湾曲した表面で構成されている。燃焼室４１４には平らな表面が無い。以下に詳細に説明するように、燃焼室４１４を構成する種々の湾曲した表面相互間には滑らかな接線方向移行部が存在する。
【００４８】
概略的には、燃焼室４１４は、図１２に示すように１つが３つのパラメータから成る４つのグループで構成されており、かかるグループとしては
（１）直径のグループ、
（２）球のグループ、
（３）高さのグループ、及び
（４）環状域のグループ
が挙げられる。
【００４９】
直径のグループは、３つの直径パラメータで構成され、Ｄ１は、ピストン４１０の直径、Ｄ２は、燃焼室４１４の直径、Ｄ３は、燃焼室４１４がクラウン４１２と交差する燃焼室４１４のリエントランス部の直径である。球のグループは、半径がそれぞれＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３の３つの球面を含む。高さのグループは、３つの高さパラメータで構成され、Ｈ１は、燃焼室４１４の深さ、Ｈ２は、ピストンのクラウン４１２と凸状球面ＲＳ１の頂点との間の距離、Ｈ３は、燃焼室４１４のリエントランス部の厚さである。環状域のグループは、３つの環状面Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を含む。
【００５０】
凸状球面ＲＳ１は、中央ポスト４１７を構成する燃焼室４１４の底部の中央のところに配置されている。２つの球面ＲＳ２，ＲＳ３はそれぞれ、燃焼室４１４の側壁を形成している。２つの球面ＲＳ２，ＲＳ３は、環状面Ｒ１によって連結されている。環状面Ｒ１は、燃焼室４１４の底部を形成している。２つの球面ＲＳ２，ＲＳ３は、小さな環状面Ｒ２によって連結され、それにより２つの球面ＲＳ２，ＲＳ３相互間に滑らかな移行部を構成している。球面ＲＳ３は、小さな環状面Ｒ３によってクラウン４１２に移行している。３つの球面ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３の中心は全て、燃焼室の長手方向軸線４１６上に配置され、燃焼室４１４の中心線を定めている。
【００５１】
以下のパラメータの関係は、燃焼室４１４の幾何学的形状並びにピストン４１０及び燃焼室４１４を用いたディーゼルエンジンの結果的に生じる排出ガスを制御する。
ａ．Ｄ２：Ｄ１の比は、０．４３よりも大きく、０．８３未満であることが必要であり、好ましくは０．６３１である。
ｂ．Ｄ３：Ｄ２の比は、０．６８よりも大きく、０．９９８未満であることが必要であり、好ましくは０．８８３である。
ｃ．ＲＳ１：Ｄ１の比は、０．０８よりも大きく、０．３８未満であることが必要であり、好ましくは０．１８１である。
ｄ．ＲＳ２：Ｄ２の比は、０．１６よりも大きく、０．５６未満であることが必要であり、好ましくは０．３６４である。
ｅ．ＲＳ３：Ｄ１の比は、０．１８よりも大きく、０．４８未満であることが必要であり、好ましくは０．２８２である。
【００５２】
ｆ．Ｈ１：Ｄ２の比は、０．１２よりも大きく、０．５２未満であることが必要であり、好ましくは０．３２１である。
ｇ．Ｈ２：Ｄ１の比は、０．００６よりも大きく、０．２５６未満であることが必要であり、好ましくは０．０５６である。
ｈ．Ｈ３：Ｄ１の比は、０．０１よりも大きく、０．４５未満であることが必要であり、好ましくは０．０５である。
ｉ．Ｒ１：Ｄ１の比は、０．０２よりも大きく、０．２８未満であることが必要であり、好ましくは０．０８１である。
ｊ．Ｒ２：Ｄ１の比は、０よりも大きく、０．３１未満であることが必要であり、好ましくは０．０１７である。
ｋ．Ｒ３：Ｄ１の比は、０よりも大きく、０．３１未満であることが必要であり、好ましくは０．００９である。
【００５３】
上述したような燃焼室４１４の曲線及び滑らかな移行部は、燃焼室４１４内での円滑な流れを促進し、燃焼室４１４内での熱負荷を減少させるよう働く。さらに、燃焼室４１４は、軸線４１６に関して対称である。したがって、ピストン内に形成される非対称の燃焼室と比較して燃焼室４１４を回転させるのは非常に容易である。
【００５４】
図１３は、シリンダ内圧力により示される燃焼性能の比較を示しており、圧力曲線の下の領域はディーゼルエンジンの出力を表している。図１３、図１４及び図１５では、従来型エンジンに関するシミュレーション及び従来型エンジンに付いての実験結果がシミュレーションの有効性の指標として実質的に互いに一致している。再び図１３を参照すると、本発明の圧力曲線Ｂ４４ａは、従来型エンジンの圧力曲線Ｂ０よりも僅かに大きく、これは本発明の性能が従来型エンジンよりも幾分優れていることを指示している。本発明の出力は、従来型エンジンよりも僅かに高い。
【００５５】
燃焼性能の向上及び汚染物質放出量の減少が図１４及び図１５に示されている。図１４は、線Ｂ０により示された公知の燃焼室のＮＯx発生量及び線Ｂ４４ａにより示された本発明の燃焼室３１４のＮＯx発生量のシミュレート結果を示している。本発明の燃焼室４１４によるＮＯx発生量は、線Ｂ０で示す公知の燃焼室のＮＯx発生量よりもかなり少ないことが注目される。
【００５６】
図１５は、線Ｂ４４ａで示す本発明の燃焼室４１４のシミュレートされたスート発生量と比較して線Ｂ０で示す公知の燃焼室のシミュレートされたスート発生量を示している。燃焼室４１４のスート発生量（線Ｂ４４ａ）は、公知の燃焼室のスート発生量（線Ｂ０）よりも相当少ないことは注目されるべきである。
【００５７】
第５実施形態
図１６には、本発明のピストン及び燃焼室はそれぞれ全体が符号５１０、５１２で示されている。概略的には、ピストン５１０は、ディーゼルエンジンのシリンダ内に燃焼室５１２の一部を形成する中央に配置された対称の上向きキャビティを有している。燃焼室５１２は、ピストン５１０のクラウン５１４内に構成されている。エンジンは、燃焼室５１２に対して燃料噴射プルームを形成する燃料インジェクタを有している。ピストン５１０を２弁又は多弁ヘッドに利用することができる。ピストン５１０は、図１７及び図１８のグラフで示すようにディーゼルエンジンの汚染物質エミッション、例えばＮＯx及びスートを減少させるのに有効である。ピストン５１０は好ましくは、大型及び中型（ミディアムデューティ）ディーゼルエンジンに適用できる。
【００５８】
ピストン５１０は、燃費及び出力を損なわないでディーゼルエンジンの汚染物質エミッション、例えばＮＯx及びスートを減少させるために燃料噴射プルームを形成する燃料インジェクタを備えたディーゼルエンジンのシリンダ内に完全な燃焼室の大部分を形成する対称の上方に開いた燃焼室５１２を有している。
【００５９】
ディーゼルエンジンのピストンクラウン５１４内に配置された燃焼室５１２は主要構成要素として、図１６に示すように一群の球面から成っている。２つの球面ＲＳ１，ＲＳ２（共通中心５１６は、燃焼室軸線５１８上に位置している）は、燃焼室５１２の大部分を形成している。内側球面ＲＳ１は、ポスト５２０を形成するよう燃焼室５１２の中央底部に配置され、ＲＳ１の半径を有している。外側球面ＲＳ２は、燃焼室５１２の側壁の下方部分を形成し、ＲＳ２の半径を有している。ＲＳ３の半径を有する第３の球面ＲＳ３は、燃焼室５１２の底部外縁部を形成している。第４の球面ＲＳ４は、ＲＳ４の半径を有し、燃焼室５１２の側壁の上方部分を形成している。
【００６０】
４つの小さな環状面Ｒ１〜Ｒ４は、隣り合う球面相互間及びクラウン５１４との連結及び移行表面としての役目を果たす。内側球面ＲＳ１と外側の底部球面ＲＳ３は、半径がＲ１の環状面によって連結されている。下方側壁ＲＳ２と外側底部球面ＲＳ３は、半径がＲ２の環状面によって連結されている。下方側壁球面ＲＳ２と上方側壁球面ＲＳ４は、半径がＲ３の環状面によって連結されている。上方側壁球面ＲＳ４は、半径がＲ４の小さな環状面Ｒ４によりピストンクラウン５１４に移行し又は再び入る。
【００６１】
球面ＲＳ１，ＲＳ２の原点は、互いに一致しており、即ちこれら原典は共通中心５１６を有し、共通中心５１６は、燃焼室５１２の中心軸線５１８上に位置している。球面ＲＳ１，ＲＳ２の共通中心５１６と、燃焼室軸線５１８と燃焼室の底部平面５２２の交点との間の距離は、０以上であって、０．２８Ｄ１未満であり（Ｄ１は、ピストン直径である）、好ましくは０．０７３Ｄ１である。球面ＲＳ３の原点は、燃焼室の中心軸線５１８上に位置し、球面ＲＳ３の原点と、燃焼室軸線５１８と燃焼室５１２の底部平面５２２の交点との間の距離は、０．７５Ｄ１よりも大きく、３．０Ｄ１未満であり、好ましくは２．１７８Ｄ１である。球面ＲＳ４の原点は、燃焼室５１２の中心軸線５１８上に位置し、球面ＲＳ４の原点と、燃焼室軸線５１８とピストン５１０のクラウン５１４の交点との間の距離は、Ｈ３に等しい。Ｈ３／Ｄ１の比は、０．０２よりも大きく、０．４２未満であり、好ましくは０．０５１である。
【００６２】
燃焼室５１２の中心軸線５１８は、ピストン５１０の中心軸線５２４と一致するのがよく、或いはオフセットを有していてもよく、即ち、燃焼室５１２の中心軸線５１８とピストン５１０の中心軸線５２４との間の距離Ｈ４は、０以上であって０．１Ｄ１未満であり、好ましくは０である。この場合、好ましくは、軸線５１８，５２４は、一致している。
【００６３】
他のパラメータの関係も又、以下に一覧表示されているように燃焼室幾何学的形状、燃焼性能及びディーゼルエンジンの排出ガスを制御する。
１．Ｄ２／Ｄ１の比は、０．４３よりも大きく、０．８３未満であり、好ましくは０．６３７であり、Ｄ２は、燃焼室の最大直径である。
２．Ｄ３／Ｄ１の比は、０．３３よりも大きく、０．８３未満であり、好ましくは０．５４８であり、Ｄ３は、燃焼室の最小直径である。
３．ＲＳ１／Ｄ１の比は、０．０５よりも大きく、０．３５未満であり、好ましくは０．１８である。
４．ＲＳ２／Ｄ１の比は、０．２３よりも大きく、０．５３未満であり、好ましくは０．３３４である。
５．ＲＳ３／Ｄ１の比は、１．１８よりも大きく、４．１８未満であり、好ましくは２．１８である。
【００６４】
６．  ＲＳ４／Ｄ１の比は、０．１８よりも大きく、０．３８未満であり、好ましくは０．２８である。
７．  Ｈ１／Ｄ１の比は、０．１よりも大きく、０．４未満であり、好ましくは０．２であり、Ｈ１は、燃焼室の深さである。
８．  Ｈ２／Ｄ１の比は、０．０４よりも大きく、０．２４未満であり、好ましくは０．１４４であり、Ｈ２は、ポストの高さである。
９．  環状面Ｒ１の半径は、環状面Ｒ２の半径に等しい。Ｒ１／Ｄ１の比及びＲ２／Ｄ１の比はそれぞれ、０．０３よりも大きく０．２５未満であり、好ましくは０．０５１である。
１０．  環状面Ｒ３，Ｒ４の半径は、非常に小さい。したがって、Ｒ３／Ｄ１の比及びＲ４／Ｄ１の比はそれぞれ、０よりも大きく、０．１未満である。
【００６５】
上述したような燃焼室５１２の曲線及び滑らかな移行部は、燃焼室５１２内での円滑な流れを促進し、燃焼室５１２内での熱負荷を減少させるよう働く。さらに、燃焼室５１２は、好ましくは軸線５２４に関して対称であるが、図１６において注目されるように距離Ｈ４ずれていてもよい。したがって、ピストン内に形成される非対称の燃焼室と比較して燃焼室５１２を回転させる（形成する）のは非常に容易である。
【００６６】
図１７及び図１８では、従来型エンジンのシミュレーションと従来型エンジンに関する実験結果は、シミュレーションの有効性の指標として実質的に一致している（実験トレースＢ０とシミュレーショントレースＢ０は実質的に一致している）。燃焼性能の向上及び汚染物質放出量の減少が図１７及び図１８に示されている。図１７は、線Ｂ０により示された公知の燃焼室のＮＯx発生量及び線Ｂ２７により示された本発明の燃焼室５１２のＮＯx発生量のシミュレート結果を示している。本発明の燃焼室５１２によるＮＯx発生量は、線Ｂ０で示す公知の燃焼室のＮＯx発生量よりもかなり少ないことが注目される。
【００６７】
図１８は、線Ｂ２７で示す本発明の燃焼室５１２のシミュレートされたスート発生量と比較して線Ｂ０で示す公知の燃焼室のシミュレートされたスート発生量を示している。燃焼室５１２のスート発生量（線Ｂ２７）は、公知の燃焼室のスート発生量（線Ｂ０）よりも相当少ないことは注目されるべきである。
【００６８】
本明細書において実施形態に加えて他の実施形態は本発明の範囲に含まれることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載された技術的事項によってのみ定められる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明のピストンの断面図である。
【図２】本発明のピストン及び燃焼室と比較した既存のピストン及び燃焼室の出力のグラフ図である。
【図３】既存のピストン及び燃焼室と本発明のピストン及び燃焼室によって生じたＮＯxのグラフ図である。
【図４】本発明のピストン及び燃焼室と比較した既存のピストン及び燃焼室により生じたスートのグラフ図である。
【図５】本発明の第２実施形態のピストンの断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態のピストン及び燃焼室と比較した既存のピストン及び燃焼室の出力のグラフ図である。
【図７】既存のピストン及び燃焼室と本発明の第２実施形態のピストン及び燃焼室によって生じたＮＯxのグラフ図である。
【図８】本発明の第２実施形態のピストン及び燃焼室と比較した既存のピストン及び燃焼室により生じたスートのグラフ図である。
【図９】本発明の第３実施形態のピストンの断面図である。
【図１０】既存のピストン及び燃焼室と本発明の第３の実施形態のピストン及び燃焼室によって生じたＮＯxのグラフ図である。
【図１１】本発明の第３実施形態のピストン及び燃焼室と比較した既存のピストン及び燃焼室により生じたスートのグラフ図である。
【図１２】本発明の第４実施形態のピストン及び燃焼室の断面図である。
【図１３】従来技術Ｂ０のエンジンの実験データのクランク角に対する圧力、シミュレーションの有効性を実証するための同一エンジンのシミュレーション及び本発明の第４実施形態Ｂ４４ａのピストン及び燃焼室を備えたエンジンのシミュレーションのグラフ図である。
【図１４】本発明の第４実施形態Ｂ４４ａのピストン及び燃焼室と比較した従来技術Ｂ０のピストン及び燃焼室により生じたＮＯxのグラフ図である。
【図１５】本発明の第４実施形態Ｂ４４ａのピストン及び燃焼室と比較した従来技術Ｂ０のピストン及び燃焼室により生じたスートのグラフ図である。
【図１６】本発明の第５実施形態のピストン及び燃焼室の断面図である。
【図１７】従来技術Ｂ０のエンジンの実験データのクランク角に対して生じたＮＯx、実質的に実験データと重なり合ったシミュレーションの有効性を実証するための同一エンジンＢ０のシミュレーション及び本発明の第５実施形態Ｂ２７のピストン及び燃焼室を備えたピストン及び燃焼室を備えたエンジンのシミュレーションのグラフ図である。
【図１８】本発明の第５実施形態Ｂ２７のピストン及び燃焼室と比較した従来技術Ｂ０のピストン及び燃焼室により生じたスートのグラフ図である。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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