JP2005509779A - 超高圧点火システムを備える、スパーク点火の燃料直接噴射式の内燃エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単であるにも関わらず、すす生成量が少なく、燃料の燃焼が迅速かつ再生的で、噴射器の孔を汚さない動作が行えるエンジンを供給する。
【解決手段】本発明の内燃エンジンは、シリンダー１と、シリンダーヘッド２と、前記のシリンダー１内をスライド移動できるよう取り付けられたピストン３と、前記のシリンダー１内において前記のヘッド２と前記のピストン３のあいだに形成された燃焼室４と、前記の燃焼室４内に開孔する燃料噴射器５と、点火プラグ６と、吸気バルブ７１および排気バルブ７２と、前記の噴射器５に加圧された燃料流量を選択的に供給する燃料噴射ポンプ８とからなる。

Description

本発明は、直接噴射式ガソリンエンジンの噴射技術に関する。

本発明は、特に、スパーク点火の燃料直接噴射式内燃エンジンに関し、その内燃エンジンは、少なくとも、軸に沿って伸長したシリンダーと、前記のシリンダーを固定式で閉止したヘッドと、前記のシリンダーの軸に沿って前記のシリンダー内をスライド移動できるよう密閉式で取り付けられたピストンと、前記のシリンダー内において前記ヘッドの下面と前記のピストンの上面との間に形成された燃焼室と、前記の燃焼室に開孔しており、前記のヘッドに接続された燃料噴射器と、前記の燃焼室内で点火スパークを選択的に発生させための電極をもち、前記のヘッドに接続された点火プラグと、前記の燃焼室を選択的に閉止できるよう、前記のシリンダーの軸方向中央面の両側に配置され、前記のヘッド内に作動可能に取り付けられた吸気／排気バルブと、前記の噴射器に加圧ガソリン流量を選択的に供給するための噴射ポンプとからなる。

本文では説明を明確にするため、噴射器、点火プラグ、点火スパークなど正確で明白な用語を定義する目的で使用しているが、それらの用語は、例えば、噴射手段、点火手段、発火点などの技術的に同様の用語をもカバーしているのは理解できよう。

よって、前記の定義されたエンジンは、本分野における当業者には周知のものである。

スパーク点火式および燃料直接噴射式のエンジンは、化学量的条件に関係し、シリンダー内に導入される燃料量に対する、過剰な量の空気が混じったキャブレーション混合気である、いわゆる「弱い」混合気でもって最善の機能を発揮することができる。

そのような従来のエンジンは、燃料消費の低減において非常な優位性をもつだけでなく、過剰量の空気により燃料の燃焼が完全に行われるため、環境保護にも貢献しており、排気ガス中の不燃焼成分の排出防止も可能となる。

しかし、前記のシリンダー内への燃料噴射の結果であるキャブレーション混合気は、同質混合気、または、前記のシリンダー全域中において空気と燃料の比率が均一でない層状混合気のいずれかであり、後者の場合、引火空気燃料比におけるキャブレーション混合気の発火点付近での局所発火を生じる恐れがある。

そこで、燃料直接噴射を使って層状混合気を生成するため、別の解決策が知られている。

第１の解決策として、噴射流を壁、例えば、ピストンの上面の方向、に噴射し、点火プラグのほうへ曲げることにより壁効果層状態を生成する方法がある。この方法は、燃焼してすすを生成するような液層を壁面に形成する欠点をもつ。しかも、壁面に対する噴射流の衝撃が過度の拡散を起こすため、最適な層状態の形成が困難となる。

第２の解決策として、噴射器から噴射された燃料を点火プラグへ向けるよう、空気の流れを上手く制御することにより流体力学効果層状態を形成する方法がある。しかしながら、空気の流れが基本的にランダムで乱流の特性をもつため、点火プラグ周囲での燃料の局地的燃焼がサイクルから別のサイクルへと各サイクル毎に非常に変動するので、エンジンの動作安定性の障害となり、調整が困難となる。

第３の解決策として、噴射器からの燃料を直接点火プラグに向けて噴射できるよう、噴射器や点火プラグの位置を決める方法もある。この方法は、たいへん効果的ではあるが、位置決めや燃料噴射の特性に影響する不確定要素が不可避である。そのため、燃焼開始の前のわずかな短時間にて燃料の噴射を行って、層状混合気を生成する必要がある。上記の２つの解決策に比べて、その条件下での、燃焼開始前の、ガソリンの噴射、噴霧化、蒸発化や混合気の準備のために与えられる時間には、しばしば余裕がない。そのため、燃焼中にも液状燃料が残り、点火の障害となって、点火プラグを汚す結果となる。

また別の解決策では、空気の補助導入を使用して燃料噴射を支援している。この方法では、燃料の比較的微細な噴霧化が可能となる一方、空気圧縮のための追加装置が必要となる。

さらに別の周知の技法として、米国特許第５、９９２、３５３号に記載されているように、少なくとも３５０バーの圧力にて過熱水蒸気と混合した蒸気状の燃料を噴射する方法がある。この方法は、自動車業界では応用できない技術であって、燃料を気化して過熱気体を生成するために排出ガスを使い、車体搭載の補助水タンクと熱交換器とが必要となる。

上記を鑑みて、本発明の目的は、構造が簡単であるにも関わらず、すす生成量が少なく、燃料の燃焼が迅速かつ再生的で、噴射器の孔を汚さず稼動可能なエンジンを供給することである。

上記の目的を達成するため、本発明によるエンジンは、上記で説明した技術を基本にするものであって、噴射器に供給されるガソリン流量の圧力が、３００バーより高く、好ましくは、少なくとも５００バーであることを特徴とする。

この噴射器の圧力のおかげで、静的供給量が増えるため、燃焼室内への燃料の噴射の時間が低減できる。さらに、余った時間を、燃料を噴霧化、気化して、空気と混合する物理的動作のため有益に利用できる。

その高圧で噴射された液状燃料は、まず、第１の噴霧化が行われ噴射流が大きな液粒に分割され、続いて、第２の噴霧化が行われて大きな液粒は小さな液粒に変わる。「ブレイクアップ長」（分留長）と呼ばれる第１の噴流を形成するのに必要なジェット流の長さは、噴射圧力と共に増加する噴射器からの燃料の放出速度の上昇により短くなる。

圧力が３００バーより高い場合は、分留長が無視できると考えられている。それゆえ、燃料は噴射器から噴霧状態の、第２の噴霧化でより微細になる液粒となって噴射される。噴流は幅が広くなり、燃焼室内での燃料の空気との混合作用、および、燃料の気化作用が促進される。燃料の噴霧化が微細であればあるほど、気化速度が早くなって、燃焼開始時に、完全に気化し燃料と空気が混合された混合気を形成できるのである。混合気の同質性が高いほど、燃焼速度が早まり、すす生成量が削減できる。点火プラグに達する液状燃料の量が少ないと、点火プラグの汚れも減る。燃焼速度を上昇させることにより、燃焼がシリンダー内のピストンの上死点近辺にて開始でき、サイクル動作の効率を高められる。汚染物質やすすが低減するため、燃焼効率がかなり上昇するのである。

さらに、噴射、噴霧化、気化の各相を実行するための時間が、圧縮行程における噴射を遅らせるため、より高圧での噴流の拡散の低減、および、高温での気化の促進が行える。

本発明の好適実施例として、燃焼室内へ噴射されるガソリンの制御が確実に行えるよう、ピストンの上面に凹部を形成する。

ヘッドの下面が、屋根形状に構成されており、シリンダーの軸方向中央面に頂点をもつ。

噴射器は、点火プラグよりもシリンダーの軸近くに配置するのが好ましいが、例えば、シリンダーの軸上に配置してもよい。

噴射器と点火プラグとは、少なくとも５ｍｍ、最大で３０ｍｍの距離を有利に離間させて配置する。

噴射器は、少なくとも４０度ほど、最大でも１００度ほどの円錐形状の噴射流でガソリンを燃焼室内へ噴射するが、円錐形状は、中空で連続した単独噴流でもよいし、あるいは、例えば、２回から１２回くらいの複数の噴流で行っても構わない。

噴射器と、点火プラグが起こす点火スパークとは、少なくとも１０ｍｍ、最大で３０ｍｍの距離を離間させて設置する一方、円錐形状の噴射と点火プラグからの点火スパークとは、少なくとも１ｍｍ、最大でも１０ｍｍの距離を離間させる。

本発明のエンジンには、シリンダーの軸方向中央面の第１側面には２つの吸気バルブが配備され、シリンダーの軸方向中央面の第２側面には２つの排気バルブが配備されており、２つの吸気バルブの中間、あるいは、吸気バルブと排気バルブの中間に点火プラグを取り付けることができる。

本発明のその他の特徴や長所は、一例であって、それに限定されるものではなく、付随する図面を使った下記の説明から明白になるであろう。

前述したように、本発明は、スパーク点火の直接噴射式の内燃エンジンに関する。

本発明のエンジンは、限定されない既知の方法（図１を参照）で、シリンダー１と、ヘッド２と、ピストン３と、燃焼室４と、燃料噴射器５と、点火プラグ６と、１つまたは好ましくは２つの吸気バルブ７１と、１つまたは好ましくは２つの排気バルブ７２と、噴射ポンプ８とからなるエンジンである。

シリンダー１は、その縦軸Ｚに沿って伸長しており、両端面の一方がシリンダー１に取り付けられたヘッド２によって閉止されている。

ピストン３は、密閉状態においてシリンダー１内を軸Ｚに沿ってスライド移動でき、かつ、シリンダー１の他方の端面を閉止するために取り付けられている。

よって、燃焼室４は、シリンダー１内においてヘッド２の下面２０とピストン３の上面３０との間に形成される。

燃料噴射器５は、ヘッド２に接続されており、燃焼室４内に開孔している。

点火プラグ６は、ヘッド２に接続されており、ピストン３がその上死点近くまでくると、燃焼室４内で点火スパークを発生する電極６０を備えている。

吸気バルブ７１と排気バルブ７２は、ヘッド２に動作可能に取り付けられており、吸気側と排気側とを分離できるよう、シリンダー１の軸方向中央面Ｐの両側に配置されている。

２つの吸気バルブ７１は、圧縮行程前の選択時点において燃焼室４を吸気マニホールド７１０に連接させるよう、カム軸により作動するか、あるいは、直接に制御される。

同様に、２つの排気バルブ７２も、圧縮行程後の選択時点において燃焼室４を排気マニホールド７２０に連接させるよう、カム軸により作動するか、あるいは、直接に制御される。

そして、噴射ポンプ８からは、圧縮行程中の選択時点に、加圧されたガソリン流量を噴射器５が供給される。

本発明の特徴として、ポンプ８により噴射器５へ供給されるガソリン流量の圧力は、３００バーを越える値であり、好ましくは、５００バー以上である。

その他の特徴として、重要性は劣るが、前記の本発明による高圧噴射がもたらす効果を最良にするため、下記の特徴を備える。

まず第１に、燃焼室４内へ噴射されるガソリンを確実に制御するため、ピストン３の上面３０に、凹部３００を形成する。

さらに、ヘッド２の下面２０が、屋根形状に構成されており、シリンダー１の軸方向中央面Ｐに頂点２１を形成している。

図２と図３に示すように、頂点２１は、ヘッド２を、２つの吸気バルブ７１が配置される吸気域（図の右側）と、２つの排気バルブ７２が配置される排気域（図の左側）とに分ける。

点火プラグ６は、２つの吸気バルブ７１の間（図１と図２を参照）、または、吸気バルブ７１と排気バルブ７２の間（図３を参照）に設置する。

噴射器５は、点火プラグ６よりもシリンダーの縦軸Ｚ近くに配置してもよいが、縦軸Ｚ上に配置するのが好ましい。

噴射器５と点火プラグ６とは、５ｍｍから３０ｍｍの距離を有利に離間させて配置してあり、噴射器５と点火プラグ６が発生する点火スパークとの距離は、典型的な１０ｍｍから３０ｍｍの間である。

噴射器５は、２回から１２回程度の複数のジェット噴流にて、ガソリンを燃焼室４内に噴射するのが望ましい。

前記のガソリン噴流は、例えば、４０度から１００度ほどの円錐角度Ａをもつ円錐形状噴射流９である（図１を参照）。

そして、円錐形状噴射流９と、点火プラグの電極６０から発生する点火スパークとは、好ましくは、１ｍｍから１０ｍｍほどの距離を離間させて配置している。

本発明に関わるエンジンの概略部分断面図である。 図１に図示されるエンジンのヘッドの下面の、縮小された、下側面図である。 別の実施例を示す、図２と類似する図である。

Claims (13)

1. スパーク点火の直接燃料噴射式の内燃エンジンであって、少なくとも、軸（Ｚ）に沿って伸長するシリンダー（１）と、固定式でシリンダー（１）を閉止するヘッド（２）と、密閉状態においてシリンダー（１）の軸（Ｚ）に沿ってシリンダー（１）内をスライド移動できるよう取り付けられたピストン（３）と、シリンダー（１）内においてヘッド（２）の下面（２０）とピストン（３）の上面（３０）のあいだに形成された燃焼室（４）と、燃焼室（４）内に開孔し、ヘッド（２）に接続された燃料噴射器（５）と、燃焼室（４）内で点火スパークを選択的に発生させる電極（６０）を備え、ヘッド（２）に接続された点火プラグ（６）と、シリンダー（１）の軸方向中央面（Ｐ）の両側に配置され、燃焼室（４）を選択的に閉止できるよう、ヘッド（２）に動作可能に取り付けられた吸気バルブ（７１）および排気バルブ（７２）と、噴射器（５）に加圧された一定量のガソリンを選択的に供給する噴射ポンプ（８）とからなり、前記の噴射器（５）へ供給されるガソリン流量の圧力が、３００バーを越える、スパーク点火の直接燃料噴射式の内燃エンジン。
2. 前記の噴射器（５）へ供給されるガソリン流量の圧力が、少なくとも５００バーである、請求項１記載の内燃エンジン。
3. 前記のピストン（３）の上面（３０）に、燃焼室（４）へ噴射されたガソリンを確実に抑制するため、凹部（３００）が形成されている、請求項１または２記載の内燃エンジン。
4. 前記のヘッド（２）の下面（２０）が、屋根形状に形成されており、シリンダー（１）の軸方向中央面（Ｐ）に頂点（２１）をもつ、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
5. 前記の噴射器（５）が、点火プラグ（６）よりもシリンダーの軸（Ｚ）近くに配置されている、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
6. 前記の噴射器（５）が、シリンダーの軸（Ｚ）上に配置されている、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
7. 前記の噴射器（５）と点火プラグ（６）とが、少なくとも５ｍｍ、最大で３０ｍｍの距離を離して配置される、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
8. 前記の噴射器（５）が、少なくとも４０度、最大で１００度の円錐角度（Ａ）をもつ円錐形状噴射流で、ガソリンを燃焼室（４）内へ噴射する、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
9. 前記の噴射器（５）が、２回から１２回くらいの複数の噴流で、ガソリンを燃焼室（４）内へ噴射する、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
10. 前記の噴射器（５）と、点火プラグ（６）から発生する点火スパークとが、少なくとも１０ｍｍ、最大で３０ｍｍの距離を離間される、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
11. 前記の円錐形状の噴射流（９）と、点火プラグからの点火スパークとが、少なくとも１ｍｍ、最大で１０ｍｍの距離を離間される、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジンと請求項８に記載のとを組み合わせた内燃エンジン。
12. 前記の２つの吸気バルブ（７１）が、シリンダーの軸方向中央面（Ｐ）の第１側面に配置され、前記の２つの排気バルブ（７２）が、シリンダーの軸方向中央面（Ｐ）の第２側面に配置されており、前記の点火プラグ（６）が、吸気バルブ（７１）の中間に配置されている、先行する請求項いずれか一項に記載の内燃エンジン。
13. 前記の２つの吸気バルブ（７１）が、シリンダーの軸方向中央面（Ｐ）の第１側面に配置され、前記の２つの排気バルブ（７２）が、シリンダーの軸方向中央面（Ｐ）の第２側面に配置されており、前記の点火プラグ（６）が、吸気バルブ（７１）と排気バルブ（７２）の中間に配置されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃エンジン。

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