JP2005155624A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】カーボン堆積が阻止されると同時に最適な燃焼が実現され得るような燃料噴射システムを提供する。
【解決手段】燃焼室６がシリンダ壁２によって仕切られており、該シリンダ壁内にピストン３が案内されており、燃焼室６内に点火プラグ８が突入しており、燃焼室６内に部分円錐形の噴射噴霧１１が形成されるように燃料噴射弁７が形成されており、ピストン３にピストンキャビティ１２と、シリンダヘッド５に向かい合って位置するピストン頂面１５とが設けられており、内燃機関の圧縮行程において燃焼室６内でピストン３とシリンダヘッド５との間にスキッシュ流１６が発生するようにピストンキャビティ１２とピストン頂面１５とが成形されている。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射システムであって、少なくとも１つの燃料噴射弁が設けられており、該燃料噴射弁が燃料を燃焼室内に噴射するようになっており、該燃焼室がシリンダ壁によって仕切られており、該シリンダ壁内にピストンが案内されており、さらに燃焼室内に突入した点火プラグが設けられており、燃焼室内に部分円錐形の噴射噴霧が形成されるように燃料噴射弁が形成されている形式のものに関する。

内部混合気形成を行う、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関では、層状給気運転のために点火プラグ範囲に「混合気クラウド」が必要となる。この混合気クラウドは点火性の領域内の規定の空燃比を有している。この目的のためには、内方または外方へ向かって開きかつ円錐形噴霧を発生させるノズルを備えた燃料噴射弁が使用される。

たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２６３２１号明細書に基づき公知の内燃機関に用いられる燃料噴射システムは、ピストンを案内するシリンダ壁により仕切られている燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内に突入した点火プラグとを有している。この場合、燃料噴射弁は、燃焼室内に円錐形の噴射噴霧が発生させられるように形成されている。円錐形の噴射噴霧は点火プラグの範囲に所定の円周角にわたって扇形に切り抜かれた部分を有している。

ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書に基づき、点火性の燃料・空気混合物を形成するための方法が公知である。直接噴射式の内燃機関のシリンダ内に、点火性の燃料・空気混合物が形成可能となる。この場合、ピストンにより仕切られた各燃焼室内にインジェクタによってノズル開口の開放時に、このノズル開口を有する弁座からの弁部材の持上がりによって燃料が噴射される。内燃機関の全ての運転条件下に、特に層状給気運転における運転条件下に、全特性マップの各運転点において消費量およびエミッションの点で最適化された混合気形成を可能にするために、この公知の方法では、弁部材の開放行程および噴射時間が可変調節可能である。

ドイツ連邦共和国特許第３８０８６３５号明細書からも、混合気圧縮型の内燃機関のシリンダ内へ燃料を直接噴射するための燃料噴射装置が公知である。この公知の燃料噴射装置は、シリンダ壁にシリンダヘッドから少しだけ間隔を置いてかつ排気開口とは反対の側に配置されている燃料噴射弁と、出口開口とを有しており、この場合、燃料噴射弁の噴霧軸線はシリンダヘッドに配置された点火プラグの周辺の範囲に向けられている。燃料噴射弁は、噴射噴霧のスワール流を発生させるための螺旋形のスワール溝を備えた磁石操作式の弁ニードルを有している。スワール溝の全横断面は出口開口の横断面よりも少なくとも１／２だけ小さく形成されている。この場合、燃料噴射弁は掃気開口の上方に配置されていて、その噴霧軸線が、シリンダヘッド中心に配置された点火ポイントに向けられている。

上で挙げた刊行物に基づき知られている噴射システムを用いると、大多数、ウォールガイド式の燃焼法が実現される。この燃焼法は流入する空気運動に極めて著しく依存している。この空気運動は、点火性の燃料・空気混合物を、層状給気運転の全特性マップ領域にわたり正確に点火プラグの電極範囲へ搬送するという役目を有している。ウォールガイド式の燃焼法では、多かれ少なかれ起伏の激しい燃焼室ジオメトリによるアシストによって燃料が点火プラグにまで運ばれると同時に混合気形成が行われる。

点火プラグへの混合気搬送は、ウォールガイド式およびエアガイド式の燃焼法では、アイドリング運転および下側の部分負荷運転においては極めて不十分にしか行われず、中間の部分負荷運転では部分的に成功するが、ただしその場合も、使用される高圧噴射弁もしくは吸気管を通る流れ案内部の、シリーズ生産時における製作誤差に基づいた性能ばらつき（Serienstreuungen）が実質的に実現不可能な程小さく保持された場合に限られる。不十分な再現性はとりわけ個々の燃焼ミスファイヤに基づき生ぜしめられる未燃焼の炭化水素の過剰増大されたエミッションに現れる。このような特性は前記両燃焼方法の別の重大な欠点を招いてしまう。すなわち、エンジンはアイドリング領域および下側の部分負荷領域においては、絞られていない状態では運転され得なくなる。なぜならば、燃料噴射弁と点火プラグとの間の大きな間隔に基づき、より小さな噴射量の場合には、混合気が安定した点火のために必要となる混合気濃度ではもはや点火プラグに到達しなくなるからである。このことは、プラグ電極のところで燃料・空気混合物が過度にリーンになることを意味する。しかし、このような吸込空気絞りにより、吸気管噴射もしくはポート噴射を行う混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関に対する消費量の利点は減少する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２６３２１号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書 ドイツ連邦共和国特許第３８０８６３５号明細書

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の燃料噴射システムを改良して、上で述べた欠点が回避されて、カーボン堆積が阻止されると同時に最適な燃焼が実現され得るような燃料噴射システムを提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、ピストンにピストンキャビティと、シリンダヘッドに向かい合って位置するピストン頂面とが設けられており、内燃機関の圧縮行程において燃焼室内でピストンとシリンダヘッドとの間にスキッシュ流（Quetschstroemung）が発生するようにピストンキャビティとピストン頂面とが成形されているようにした。

本発明による燃料噴射システムには、次のような利点がある。すなわち、相応して形成されたピストンキャビティと、内燃機関のピストンとシリンダヘッドとの間のスキッシュ流とを用いて、圧縮行程において、噴射された燃料噴霧の「ブローアウェイ（吹き飛ばし）」により燃料噴射弁がカーボン堆積から保護されると同時に最適な燃焼が実現され得るようなスプレガイド式の燃焼法が実現可能となる。

請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載の燃料噴射システムの有利な改良が可能となる。

ピストンキャビティがピストンに偏心的に形成されていると有利である。これにより、ピストン頂面の大きな面積率がスキッシュ流の形成のために提供されるようになる。

スキッシュ流は燃料噴射弁の方向に向けられていると有利である。これにより、有利には複数の個別噴霧から成る噴射された燃料噴霧が燃料噴射弁から離れる方向でかつ点火プラグに接近する方向に案内され、そして点火プラグで点火されるようになる。

さらに、点火プラグが、これらの個々の噴霧の間の隙間に配置されていると有利である。これにより、熱衝撃負荷が減じられる。

本発明のさらに別の有利な構成では、燃焼室が棟形の形状、つまりペントルーフ形の形状を有している。このような形状では、ピストンに設けられた過剰隆起部によって吸気弁が部分的に覆われており、空気循環に基づいて燃料噴射弁へ向かうスキッシュ流が増幅される。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１Ａには、本発明による燃料噴射システムの１実施例が部分的な断面図で示されている。この燃料噴射システムは特に、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するために適している。

この燃料噴射システム１はシリンダ壁２を備えたシリンダブロックを有しており、このシリンダ壁２内にはピストン３が案内されている。ピストン３はコネクティングロッド４によってシリンダ壁２に沿って昇降案内される。シリンダ壁２は片側でシリンダヘッド５によって閉鎖されている。シリンダ壁２とピストン３とシリンダヘッド５とは燃焼室６を取り囲んでいる。

シリンダヘッド５には、燃料噴射弁７が有利にはセンタリングされて配置されている。少しだけ側方にずらされて点火プラグ８が設けられており、この点火プラグ８はシリンダヘッド５に設けられた孔内に嵌め込まれている。さらに、本実施例では図示されていない吸気弁および排気弁が設けられている。燃料噴射弁７および点火プラグ８の配置ならびに本発明による手段の配置は図１Ｂに詳細に図示されている。

燃料噴射システム１が作動状態にある場合、燃料噴射弁７に設けられた複数の噴射開口を通じて燃焼室６内へ部分円錐形の燃料噴霧１１が噴射される。燃焼室６内での燃料と空気との混合により、混合気クラウドが形成される。円錐形の燃料噴霧１１はこの場合、この燃料噴霧１１が、相応して形成されたピストンキャビティ（凹部）１２内へ侵入するように向けられている。燃料噴霧１１の形状は円錐セグメント形に形成されており、つまりピストンキャビティ１２に対する投影図がほぼ半円に相当するように形成されている。燃料噴霧１１は図１Ｂから判るように、有利には２〜８個の個別の噴霧１３から形成されており、これらの噴霧１３の間には点火プラグ８のための隙間１４が形成されている。

燃焼プロセスの間、燃料噴射弁７に衝突する火炎面によって燃料噴射弁７の噴射開口が燃焼残分で閉塞しないようにするために、本発明によれば、ピストンキャビティ１２とピストン頂面１５との範囲におけるピストン３の相応する加工成形によって、ピストン３とシリンダヘッド５との間にスキッシュ流１６が形成される。このスキッシュ流１６は燃料噴霧１１を燃料噴射弁７から離れる方向で、かつ点火プラグ８へ向かってブローする。

ピストンキャビティ１２はピストン３に偏心的に形成されており、この場合、スキッシュ流１６を生ぜしめるピストン頂面１５の大部分はピストン３の、燃料噴霧１１とは反対の側に形成されており、ピストン頂面１５の、ピストンキャビティ１２の形成により必然的に存在する小さな部分だけが、側方でかつ燃料噴霧１１に対峙して形成されている。ピストン頂面１５のこの小さな部分で有効となるスキッシュ流１６の割合は比較的小さい。ピストンキャビティ１２に設けられたスキッシュエッジ１９と、燃料噴霧１１の背面とはほぼ整合する。

したがって、燃料噴霧１１は内燃機関の圧縮段階における噴射の後に燃料噴射弁７から離れる方向で点火プラグ８に向かってブローされて、点火プラグ８で点火され、そして燃料噴射弁７へ逆火することなしにピストンキャビティ１２に向かって燃焼する。ピストン頂面１５と燃料噴射弁７と点火プラグ８とはこの場合、一列になって前記順序で配置されている。

スキッシュ流に基づき生ぜしめられるブローイング（吹き飛ばし）の別の利点は、燃焼が悪化することなしに点火プラグ８と燃料噴射弁７との間の間隔の許容範囲を、より大きく設定することができることである。

したがって、図１Ｂから判るように、燃料噴霧１１は、ピストン３またはシリンダ壁２の濡らしなしにスプレガイド式の燃焼法が実現可能となるように噴射される。この場合、点火プラグ８は燃料噴射弁７および燃料噴霧１１の根元から遠くない所で、有利には燃料噴霧１１の開き角の二等分線１７上に配置されている。矢印により、スキッシュ流１６の方向およびだいたいの強さが表されている。

図２Ａおよび図２Ｂに示した第２実施例では、ペンルーフ形の燃焼室６を備えた同様の配置が提案される。この場合、ピストンキャビティ１２は、前で説明した第１実施例の場合ほど大きくは圧刻されていない。その代わりに、ピストン３は吸気弁９の範囲に過剰隆起部１８を有している。この過剰隆起部１８は同じく燃料噴射弁７の方向へスキッシュ流１６を発生させるために適している。ピストンキャビティ１２のその他の部分は浅く形成されている。

図２Ａに書き込まれた破線は著しい過剰隆起部１８を表している。圧縮およびスキッシュ流１６の強さに課せられた要求に応じて、過剰隆起部１８は実線により示したように、より小さく形成されていてもよい。

この場合にも、図２Ｂから判るように、過剰隆起部１８に設けられたスキッシュエッジ１９と燃料噴霧１１の背面とはほぼ互いに整合する。燃料噴射弁７および点火プラグ８の配置は、図１Ｂに示した配置と類似している。点火プラグ８はこの場合、図１Ｂの場合よりも排気弁１０寄りに位置しており、燃料噴射弁７は吸気弁９の近傍の、より低温の範囲に配置されている。

このような配置形式には、吸気弁９を通る空気の自然な流れがスキッシュ流１６を増幅させるという利点がある。

本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、任意の多孔式燃料噴射弁７、複数の点火プラグ８および可変数の吸気弁９および排気弁１０のために使用可能である。特に個々の特徴の任意の組合せが可能となる。

本発明による燃料噴射システムの第１実施例を示す概略的な軸方向断面図である。

本発明による燃料噴射システムの、図１Ａに示した第１実施例の平面図である。

本発明による燃料噴射システムの第２実施例を示す概略的な軸方向断面図である。

本発明による燃料噴射システムの、図２Ａに示した第２実施例の平面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射システム
２ シリンダ壁
３ ピストン
４ コネクティングロッド
５ シリンダヘッド
６ 燃焼室
７ 燃料噴射弁
８ 点火プラグ
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１ 燃料噴霧
１２ ピストンキャビティ
１３ 噴霧
１４ 隙間
１５ ピストン頂面
１６ スキッシュ流
１７ 二等分線
１８ 過剰隆起部
１９ スキッシュエッジ

Claims (15)

1. 内燃機関に用いられる燃料噴射システム（１）であって、少なくとも１つの燃料噴射弁（７）が設けられており、該燃料噴射弁（７）が燃料を燃焼室（６）内に噴射するようになっており、該燃焼室（６）がシリンダ壁（２）によって仕切られており、該シリンダ壁（２）内にピストン（３）が案内されており、さらに燃焼室（６）内に突入した点火プラグ（８）が設けられており、燃焼室（６）内に部分円錐形の噴射噴霧（１１）が形成されるように燃料噴射弁（７）が形成されている形式のものにおいて、ピストン（３）にピストンキャビティ（１２）と、シリンダヘッド（５）に向かい合って位置するピストン頂面（１５）とが設けられており、内燃機関の圧縮行程において燃焼室（６）内でピストン（３）とシリンダヘッド（５）との間にスキッシュ流（１６）が発生するようにピストンキャビティ（１２）とピストン頂面（１５）とが成形されていることを特徴とする、内燃機関に用いられる燃料噴射システム。
2. スキッシュ流（１６）が燃料噴射弁（７）の方向に向けられている、請求項１記載の燃料噴射システム。
3. ピストンキャビティ（１２）がピストン（１２）に偏心的に形成されている、請求項１または２記載の燃料噴射システム。
4. ピストンキャビティ（１２）がスキッシュエッジ（１９）を有している、請求項３記載の燃料噴射システム。
5. 燃料噴射弁（７）が前記スキッシュエッジ（１９）の近くに配置されている、請求項４記載の燃料噴射システム。
6. 点火プラグ（８）が、燃料噴射弁（７）の、前記スキッシュエッジ（１９）とは反対の側に配置されている、請求項４または５記載の燃料噴射システム。
7. ピストン頂面（１５）とシリンダヘッド（５）とが、互いに適合された形状を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。
8. 燃焼室（６）が棟形に成形されている、請求項７記載の燃料噴射システム。
9. 前記スキッシュエッジ（１９）が、ピストン（３）に設けられた過剰隆起部（１８）に形成されている、請求項４から６までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。
10. シリンダヘッド（５）に配置された少なくとも１つの吸気弁（９）が前記過剰隆起部（１８）によって部分的に覆われるように前記過剰隆起部（１８）が形成されている、請求項９記載の燃料噴射システム。
11. 燃料噴射弁（７）により燃焼室（６）内に噴射された燃料噴霧（１１）が半割円錐形に形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。
12. 前記燃料噴霧（１１）が、複数の個別の噴霧（１３）から成っている、請求項１１記載の燃料噴射システム。
13. 前記噴霧（１３）の数が２〜８個である、請求項１２記載の燃料噴射システム。
14. 点火プラグ（８）が、前記燃料噴霧（１１）の開き角の二等分線（１７）上に配置されている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の燃料噴射システム。
15. 点火プラグ（８）が、隣接し合う２つの前記噴霧（１３）の間の隙間（１４）に配置されている、請求項１４記載の燃料噴射システム。

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