JP2002531763A - 直接噴射内燃機関 - Google Patents

直接噴射内燃機関

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JP2002531763A
JP2002531763A JP2000587057A JP2000587057A JP2002531763A JP 2002531763 A JP2002531763 A JP 2002531763A JP 2000587057 A JP2000587057 A JP 2000587057A JP 2000587057 A JP2000587057 A JP 2000587057A JP 2002531763 A JP2002531763 A JP 2002531763A
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cylinder
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アルフレッド オットヴィツ、
ライナー ヴルムス、
ラルフ ブダック、
トーマス リーガー、
ムラート ゼルフゾイ、
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アウディー アーゲー
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Abstract

(57)【要約】 シリンダ当たり少なくとも２つの互いに並べて配置された吸気弁１と、少なくとも１つの排気弁２と、ほぼ同軸の点火装置３と、噴射弁４と、燃焼室凹部６を備えたピストン５とを有し、その場合に噴射弁４が吸気側に配置されている、ダイレクト噴射内燃機関において、わずかな燃料消費とわずかな排ガス放出によって特徴づけられる、改良された混合気準備と燃焼は、ピストン５に形成されている燃焼室凹部６の中心がシリンダの軸線に対して少なくとも１つの排気弁の側へ向いた方向へ著しく変位して配置されていおり、かつ燃焼室凹部６の吸気側の画成壁７がシリンダの軸線に沿った投影において点火装置３と噴射弁４との間に延びていることによって、達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、シリンダ当たり少なくとも１つの吸気弁と、少なくとも１つの排気
弁と、ほぼ同軸の点火装置と、噴射弁と燃焼室凹部を備えたピストンとを有し、
その場合に噴射弁が吸気側に配置されている、直接噴射内燃機関に関する。
【０００２】 本発明はさらに、この種の直接噴射内燃機関において混合気を準備して燃焼さ
せる方法に関する。
【０００３】 （従来の技術） ドイツ特許公報ＤＥ１９７４１３８０Ａ１からは、吸気側に配置された燃料噴
射ノズルの上方に燃料直接噴射装置を備えた、この分野を形成する往復動内燃機
関が知られている。この内燃機関は、屋根形状のピストン底と屋根形状のシリン
ダ天井とを有する。ピストン底内に、中央の半球状の膨張部が配置されており、
その膨張部はピストン底の１つの屋根面上にほぼ対称に延びている。シリンダ天
井部内において、ガス吸込み弁の間には燃料噴射ノズルが配置されており、その
燃料噴射ノズルは極めてフラットな角度で燃焼室内へ開口している。
【０００４】 この従来技術に基づいて、本発明の課題は、均質な希薄駆動において、かつ層
化された希薄駆動においてわずかな燃料消費とわずかな排ガス放出を特徴とする
、改良された直接噴射内燃機関および混合気を準備して燃焼させる方法を作成す
ることである。
【０００５】 この課題を解決するために、ピストンに形成されている燃焼室凹部の中心が、
シリンダの軸線に対して少なくとも１つの排気弁の側へ向いた方向に著しく変位
して配置されており、かつ燃焼室凹部の吸気側の画成壁は、シリンダの軸線に沿
った投影において点火装置と噴射弁との間に延びている。燃焼室凹部をこのよう
に形成することによって、燃焼室の内部で混合気は特に効果的な方法で準備され
、かつわずかな有害物質値を有する燃焼が実現される。そのために、隣接する吸
気弁によって支配される吸気開口部を通して流入して、吸気弁と対向するシリン
ダ壁においてピストンの方向へ下方に流れる、燃焼室内へタンブル形状に流入す
る新気と、それぞれ内燃機関の駆動状態に従ってより早くまたはより遅く噴射弁
を通して噴射される燃料は、排気側へ変位されている燃焼室凹部によって均質に
混合されて、あるいはまた層化されたチャージとして準備されて、燃焼室凹部の
吸気側の画成壁によってシリンダの軸線の近傍で点火装置へ向けて方向変換され
て、そこで点火される。従って準備された混合気は、直接燃焼室凹部から点火装
置へ移動され、かつそれは最終的に点火装置に達するまでに、まだシリンダ壁お
よび／または燃焼室の天井に沿って案内されることはない。
【０００６】 タンブル形状の新気の流れを支援するために、吸気弁が２つある場合には、本
発明の好ましい展開によれば、噴射弁の弁皿中心は、互いに対して最大の距離を
有しており、かつ閉鎖位置においてはクランク軸の軸線に対して最小の距離を有
する。この特徴は、さらに、吸気弁の間に噴射弁を収容することを支援する。
【０００７】 噴射弁は、シリンダの軸線に対して約３０から８０度の角度で傾斜して配置さ
れ、それによってシリンダの軸線に近い燃焼室凹部の吸気側の画成壁の領域は、
噴射される燃料によって到達可能となる。
【０００８】 さらに、噴射弁は、シリンダの軸線に対して約５５から７０度の角度で延びる
中央のビーム軸を有し、それによって燃焼室内部のビームガイドは、シリンダの
軸線に対して比較的急峻になる。
【０００９】 均質な希薄駆動のためには、噴射弁はそれぞれ回転数に従って約３８０から１
６０度のクランク軸角度において吸気ストロークの間に、ピストンが上死点へ達
する前に、燃料をシリンダ内へ噴射する。このようにして燃料は燃焼室内を支配
する新気流のほぼ中央へ投入されるので、燃料と新気を均質に混合することがで
きる。
【００１０】 そして層化された希薄駆動のためには、噴射弁は約１２０から２０度のクラン
ク軸角度において圧縮ストロークの間に、ピストンが上死点に達する前に燃料を
シリンダ内へ噴射する。従って燃料は、大部分がタンブル形状の新気流の前へ噴
射され、新気流によって噴射弁近傍の画成壁の上方で点火可能なチャージクラウ
ド内で安定化されて、最終的に点火装置へ移送される。その場合に燃焼室凹部の
吸気側の画成壁は、タンブル形状の新気流を案内ないしは束ねるためにも、形成
された点火可能な混合気クラウドを方向変換させるためにも用いられる。
【００１１】 好ましくは燃焼室凹部の幅は、ピストンの直径の約３分の２である。それによ
ってタンブル形状に流入する新気流を燃焼室凹部によって大面積で支援すること
ができる。
【００１２】 その場合に特に好ましくは、燃焼室凹部は、その中心ないしはその体積重心が
ピストンの排気側の端縁からピストンの直径の約３分の１離れて配置されるよう
な程度に、少なくとも１つの排気弁の側へ変位して配置されている。この特徴に
よって、燃焼室凹部の排気側の画成壁はピストンの端縁に密接しているので、燃
焼室の排気側に流れ速度の小さい大きい領域が形成されることはない。
【００１３】 燃焼室凹部の排気側の画成壁がシリンダの軸線の近傍でピストンの底へ向かっ
て緩やかに終わっており、燃焼室凹部の吸気側の画成壁はシリンダの軸線を離れ
てピストンの底へ向かって急峻に終わるように形成されている場合には、新気流
は排気側の画成壁に接して最適に燃焼室凹部へ流入し、燃焼室凹部から流出する
際には吸気側の画成壁に接して最適な方法で点火装置の方向へ方向変換される。
【００１４】 噴射弁から流出した燃料ビームが、直接ピストンを濡らすことなく燃焼室へ達
することができるようにするために、ピストンには、燃焼室凹部の吸気側の画成
壁から始まって燃焼ビームの形状に合わせられている、小さい切欠きが設けられ
ている。
【００１５】 本発明の課題はさらに、請求項１から１１に記載の直接噴射内燃機関において
混合気を準備して燃焼させる方法によって解決される。この方法においては、燃
焼室の内部に強力なチャージ運動が形成され、その場合にまずシリンダ壁を介し
て案内される新気は排気側の画成壁を介して燃焼室凹部へ流入し、燃焼室凹部の
中心へ向けて加速されて、燃焼室凹部の吸気側の画成壁において点火装置の方向
へ方向変換され、その場合に燃焼はこの位相において垂直上方へ向けられている
新気流に対してほぼ横方向に噴射される。
【００１６】 本発明に基づく方法は、特に、燃料の噴射の終了と燃料の点火との間の期間が
、約１０から２５度のクランク軸角度に相当することを特徴としている。この比
較的大きい期間において、実際にも新気と燃料の効果的な混合が行われることが
保証される。
【００１７】 本発明を、次の図面の図を参照して詳細に説明する。 本発明に基づく内燃機関は、図１に示すように、シリンダ当たり２つの並べて
配置された吸気弁１を備えている。これら２つの吸気弁１は、詳しく図示されて
いないシリンダの吸気側に設けられており、同様に並べて配置された２つの排気
弁２がシリンダの排気側に設けられている。さらに、内燃機関は点火装置３を有
しており、その点火装置はシリンダの軸線に対して同心に配置されている。さら
に、シリンダ当たり１つの噴射弁４が設けられており、その噴射弁は２つの吸気
弁１と、シリンダ壁のその２つの吸気弁に隣接する部分との間に配置されている
。内燃機関のシリンダ内に配置されているピストン５は、燃焼室凹部６を有して
おり、その燃焼室凹部はシリンダの軸線に対して２つの排気弁２の側の方向には
っきりと変位して配置されており、かつ急峻に延びる吸気側の画成壁７とフラッ
トに延びる排気側の画成壁８とを有している。その場合に燃焼室凹部６の幅は、
ピストン５の直径の約３分の２であって、燃焼室凹部６の中心Ｚないし体積重心
は、ピストン５の排気側の端縁からピストン５の直径の約３分の１そしてシリン
ダの軸線からはピストン５の直径の約６分の１離れている。
【００１８】 ２つの吸気弁１を通ってシリンダ内へ流入する新気は、燃焼室内でタンブル流
Ｓを形成する。これは、２つの吸気弁１が互いに対して最大の間隔を有する場合
に、支援される。さらに、２つの吸気弁１の間の最大間隔が、噴射弁４の位置決
めを容易にする。
【００１９】 しかし、直接噴射内燃機関に唯一の吸気弁しか設けないようにしようとする場
合には、燃焼室内のタンブル流は、吸気通路内に配置された流れ案内手段によっ
て発生させることができる。
【００２０】 タンブル状の新気流Ｓは、排気側の画成壁８を介して燃焼室凹部６内へ流入し
、燃焼室凹部６から流出する際に吸気側の画成壁７において点火装置３の方向へ
方向変換される。その場合に燃焼室凹部６の中心Ｚはシリンダの軸線に対して排
気弁の方向へ変位して配置されており、かつ燃焼室凹部６の吸気側の画成壁７は
点火装置３の下方に配置されているので、混合気準備は特に好ましい方法で行わ
れる。というのは、混合気は直接点火装置３へ向かって移動されるからである。
【００２１】 ２つの吸気弁１は、互いに平行に並んでおり、かつ点火装置３に対して、ない
しはシリンダの軸線に対してそれぞれ傾斜して配置されている。２つの排気弁２
も同様に互いに平行に並んでおり、かつシリンダの軸線に対して吸気弁１とは反
対の方向に傾斜して配置されている。
【００２２】 内燃機関の噴射弁４も、シリンダの軸線に対して傾斜して配置されており、そ
の場合に噴射弁４の傾斜角度αは、約３０から８０度である。従って噴射弁４は
、シリンダの軸線に対して隣接の吸気弁１よりも強く傾斜している。
【００２３】 内燃機関が、均質な希薄駆動で作動する場合には、約３８０から１６０度のク
ランク軸角度において吸気ストローク４の間に、ピストンが上死点に達する前に
、噴射弁４を通して燃料は、燃焼室凹部６を通って案内されて吸気側の画成壁７
において方向変換される新気流Ｓ内へ噴射される。それによって新気と燃料との
間に高い相対速度が得られるので、十分な量の燃料の噴射および新気と燃料の均
質な混合を最も短い時間内で行うことができる。
【００２４】 それに対して内燃機関が層化された希薄駆動で作動する場合には、約１２０か
ら２０度のクランク軸角度において圧縮ストロークの間に、ピストン５が上死点
に達する前に、噴射弁４を通して燃料は、吸気側の画成壁７において方向変換さ
れるタンブル形状の新気流Ｓの前で燃焼室凹部６内へ噴射される。タンブル形状
の新気流Ｓによって、噴射された燃料ビームＫは燃焼室凹部６の内部で噴射弁４
の近傍において点火可能なチャージクラウド内で安定化されて、ピストン５の他
の圧縮運動によって点火装置３へ向けて移動されるので、混合気クラウドの点火
可能な成分に、シリンダ内に同軸に配置されている点火装置３の点火火花が到達
可能となる。
【００２５】 そして、ピストン５は屋根形状に形成されており、かつまっすぐな破風９を有
している。この形状は、シリンダの軸線に対してそれぞれ傾斜して配置されたガ
ス交換弁１、２に合わせられており、直接噴射内燃機関の極めてコンパクトな燃
焼室を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 直接噴射内燃機関の４つのガス交換弁、点火装置、噴射弁およびピストンの配
置を簡単に示す斜視図である。
【図２】 図１に示すピストンの上面図である。
【図３】 図２に示すピストンのIII−III線に沿って切断した断面図である。
【図４】 図２に示すピストンのIV−IV線に沿って切断した断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブダック、 ラルフ ドイツ連邦共和国、 デー−85057 イン ゴルシュタット、 ヘルコンマーシュトラ ーセ 16 (72)発明者 リーガー、 トーマス ドイツ連邦共和国、 デー−85055 イン ゴルシュタット、 フェルゼンシュトラー セ 10 (72)発明者 ゼルフゾイ、 ムラート ドイツ連邦共和国、 デー−65051 イン ゴルシュタット、 シュペックヴェック 44 Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA03 AB03 AC05 AD02 AD05 AD14 AG01 AG02 3G066 AA02 AA03 AA05 AB02 AD12 BA02 BA08 BA14 BA17 BA23 CD28 DA04

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダ当たり少なくとも１つの吸気弁と、少なくとも１つ
    の排気弁と、ほぼ同軸の点火装置と、噴射弁と、燃焼室凹部を備えたピストンと
    を有し、その場合に噴射弁が吸気側に配置されている、直接噴射内燃機関におい
    て、 −ピストン（５）に設けられた燃焼室凹部（６）の中心が、シリンダの軸線に
    対して少なくとも１つの排気弁（２）の側へ向かう方向に著しく変位して配置さ
    れており、かつ −燃焼室凹部（６）の吸気側の画成壁（７）は、シリンダの軸線に沿って投影
    して、点火装置（３）と噴射弁（４）との間に延びている、 ことを特徴とする直接噴射内燃機関。
  2. 【請求項２】 少なくとも２つの吸気弁（１）が設けられている場合に、吸
    気弁（１）の弁皿中心が、互いに対して最大の距離を有していることを特徴とす
    る請求項１に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】 少なくとも２つの吸気弁（１）が設けられている場合に、吸
    気弁（１）の弁皿中心が閉鎖位置においてクランク軸の軸線に対して最小の距離
    を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. 【請求項４】 噴射弁（４）は、シリンダの軸線に対して約３０から８０度
    の角度（α）で傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいず
    れか１項に記載の内燃機関。
  5. 【請求項５】 噴射弁（４）は、シリンダの軸線に対して約５５から７０度
    の角度で延びる、中心のビーム軸線を有していることを特徴とする請求項１から
    ４のいずれか１項に記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】 噴射弁（４）は、約３８０から１６０度のクランク軸角度に
    おける吸気ストロークの間に、ピストン（５）が上死点に達する前に、燃料をシ
    リンダ内へ噴射することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の内
    燃機関。
  7. 【請求項７】 噴射弁（４）は、約１２０から２０度のクランク軸角度にお
    ける圧縮ストロークの間に、ピストン（５）が上死点に達する前に、燃料をシリ
    ンダ内へ噴射することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃
    機関。
  8. 【請求項８】 燃焼室凹部（６）の幅は、ピストン（５）の直径の約３分の
    ２であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の内燃機関。
  9. 【請求項９】 燃焼室凹部（６）は、その中心（Ｚ）がピストン（５）の端
    縁からピストン（５）の直径の約３分の１離れて配置される程度に、排気弁（２
    ）の側へ変位して配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１
    項に記載の内燃機関。
  10. 【請求項１０】 燃焼室凹部（６）の排気側の画成壁（８）は、シリンダの
    軸線の近傍においてピストン（５）の底へ向かって緩やかに終わっており、燃焼
    室凹部（６）の吸気側の画成壁（７）は、シリンダの軸線から離れてピストン（
    ５）の底へ向かって急峻に終了していることを特徴とする請求項１から９のいず
    れか１項に記載の内燃機関。
  11. 【請求項１１】 ピストン（５）内に小さい切欠きが設けられており、前記
    切欠きは燃焼室凹部（６）の吸気側の画成壁（７）から始まって、燃料ビーム（
    Ｋ）の形状に合わせられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１
    項に記載の内燃機関。
  12. 【請求項１２】 請求項１から１１のいずれか１項に記載の直接噴射内燃機
    関において、混合気を準備して燃焼させる方法。
  13. 【請求項１３】 タンブル形状で流入する新気が、燃焼室凹部（６）の吸気
    側の画成壁（７）において点火装置（３）の方向へ方向変換されることを特徴と
    する請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 燃料の噴射の終了と燃料の点火の間の期間が、約１０から
    ２５度のクランク軸角度に相当することを特徴とする請求項１２または１３に記
    載の方法。
JP2000587057A 1998-12-04 1999-12-01 直接噴射内燃機関 Pending JP2002531763A (ja)

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DE19856016A DE19856016A1 (de) 1998-12-04 1998-12-04 Direkteinspritzende Brennkraftmaschine
DE19856016.8 1998-12-04
PCT/EP1999/009311 WO2000034633A1 (de) 1998-12-04 1999-12-01 Direkteinspritzende brennkraftmaschine

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EP (1) EP1135583B1 (ja)
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