JP2006501394A - 内燃機関用グロー・リング点火補助 - Google Patents

Abstract

内燃機関で使用される燃料の点火および燃焼を補助するように、好ましくはリング形のグロー部材が開示されている。燃料噴射弁は機関の運転中に複数の燃料噴流を燃焼室に直接噴射し、それによって燃料噴流は各燃料噴流内の燃料の点火がグロー部材によって助けられるように、グロー部材の近傍に向けられる。グロー部材は、高温材料から形成されており、さらに燃焼を促進するように触媒材料を含むことが可能である。グロー部材は、燃料の燃焼によって燃焼室内で発生する熱により受動的に加熱されることに加えて、例えば電流によって能動的に加熱することが可能である。

Description

本開示は、内燃機関を駆動するのに使用される燃料の点火および燃焼を助ける装置に関する。

内燃機関を駆動するのに使用される場合、天然ガス、水素、エタン、およびこのような気体燃料の混合物などの気体燃料を含む、ディーゼルに代わる燃料は、ディーゼルによって燃料を供給される同じ機関と比べると、汚染物質の排出をかなり少なくすることが可能である。気体燃料がディーゼル・エンジンに燃料供給に使用される場合、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）、および二酸化炭素（ＣＯ_２）などの汚染物質の排出を減らすことが可能である。このような減少量は、他の変量から選択される燃料によるものである。さらに、ディーゼル・エンジンは気体燃料によって燃料を供給することが可能であり、さらにディーゼル・エンジンを使用する場合に得られる性能を維持している。例えば、ディーゼル・エンジンの燃焼室内に高圧で直接噴射される気体燃料は、そのディーゼル燃料が供給された相手側部品と一致する性能を達成することが可能である。

多くの気体燃料およびいくつかの非ディーゼル液体燃料は、ディーゼル燃料より自動点火性が小さい。それとして、シリンダ内の状態は、同じ環境がディーゼルを自動点火することが可能な場合に、自動点火に必要な環境を提供することができない。したがって、気体燃料が確実に点火するように点火を補助する方法が必要である。

パイロット燃料を噴射することは、直接噴射される量の天然ガスなどの気体燃料の点火を開始する１つの方法である。通常は、ピストンが上死点の近くにある場合に、少量のディーゼル燃料が燃焼室内の圧縮吸気充填に追加される。ディーゼル燃料は自動点火する。その後大部分の量の気体燃料が噴射される。この量は、パイロット燃料の燃焼量によって点火される。

この方法には、第２の自動点火性が大きい燃料源が必要である。したがって、このようなシステムは別個のパイロット燃料貯蔵室、および主燃料流に加えて、パイロット・ディーゼル燃料流を管理するような特別な燃料噴射弁設計および配管が必要である。燃焼室でディーゼル燃料を燃焼させることによって、ディーゼル排気が生じ、パイロット・ディーゼル燃料が使用されない場合に存在するよりもＮＯｘ、ＣＯ_２、およびＰＭレベルが高くなる。

別の方法では、熱い表面またはグロー・プラグ点火を、圧縮吸気装入物に直接噴射される気体燃料の点火を開始するのに使用することが可能である。ここで一般に、グロー・プラグはファイアデッキから燃焼室内に小さな距離だけ突出している。燃焼室内に噴射されたいくつかの燃料噴流の１つを、この燃料噴流の燃焼を開始するようにグロー・プラグに向けることが可能である。次に、この燃料噴流は点火されると、他の燃料噴流を点火しようとして燃焼室を通して火炎を伝播させる。

この方法の問題の１つは、グロー・プラグは燃焼室内の熱点源であることである。したがって、第１の点火燃料噴流が燃焼室全体を通して火炎を伝播させるのに時間がかかる。追加の乱気流は助けとなるが、不完全である可能性がある。グロー・プラグからさらに除去された気体は点火しない、または不完全燃焼しない可能性がある。それとして、機関の運転の効率が低下し、不完全燃焼により、出力される動力が低下する。また、未燃焼燃料の割合が高まると、炭化水素（ＨＣ）の排出が増加することにつながる。ミューラー、シー ジェー（Ｍｕｅｌｌｅｒ，Ｃ．Ｊ．）およびマスカラス、エム ピー（Ｍｕｓｃｕｌｕｓ，Ｍ．Ｐ．）、「Ｇｌｏｗ Ｐｌｕｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｏｌ ｉｎ ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ＤＩ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ」、ＳＡＥ紙２００１−０１−２００４を参照のこと。

火花点火を使用することも可能であるが、グロー・プラグのような、火花点火は燃焼室内の１点で火炎を点火し、燃焼室全体に伝播する。したがって、燃焼はこの方法でも不完全である可能性がある。

機関効率を高め、機関排気を少なくするために、上記の問題に対処する必要がある。

本開示は、ディーゼル燃料と比べて、比較的高い自動点火温度で気体燃料および他の燃料の点火を助ける燃焼室内のグロー部材を導入している。グロー部材は、１つの燃料噴流または室の１つの領域ではなく各燃料噴流に燃焼の助けを提供することによって、燃焼を開始する、または燃焼を開始する助けとなるの、いずれかである。これは、燃焼室全体を通して完全燃焼を達成する助けとなる。

内燃機関の燃焼室内の燃料の点火の助けとなる方法が提供される。この方法は、ピストンの吸気行程中に燃焼室内に吸気装入物を導入するステップと、ピストンの圧縮行程中に吸気装入物を圧縮するステップとからなる。複数の空間的に別個の燃料噴流が、燃焼室内に直接導入される。少なくとも２つの別個の燃料噴流は、燃料の点火の助けとなるように加熱可能である表面を備えるグロー部材の近く、またはその上に向けられている。すなわち、燃料噴流の各１つによって導入された燃料の少なくとも一部は、グロー部材の加熱表面に近接した燃焼室内のそれぞれの位置に向けられており、それによってグロー部材によって与えられた熱は燃焼室内で燃焼される燃料の点火の助けとなる。好ましい１実施形態では、熱い表面を備えるグロー部材はリング形状であってもよい。

グロー部材を、燃焼熱だけによって、または例えば電流によって電力が与えられた加熱要素によって与えられた追加の熱で加熱することが可能である。好ましい１実施形態は、少なくとも１２００℃の温度までグロー部材を加熱するステップを備えている。

この方法はさらに、より低い電圧がグロー部材用加熱回路に加えられるように、前記機関の電気システムの電圧を下げるステップを備えていてもよい。例えば、機関の電気システムは通常、少なくとも１２ボルトの電圧で動作するが、好ましい方法では、グロー部材の加熱要素用回路に加えられる電圧を２ボルト以下まで下げることが可能である。より低い電圧を使用する利点としては、より低い電気抵抗の材料を使用することが可能であり、これにより加熱要素材料を選択する際のより大きな可撓性を提供することが可能になる、またはより高い熱質量を有することが可能であり、これにより機関の運転の過程中の温度変動を小さくすることが可能であるということが挙げられる。より大きな質量を備える加熱要素はまた、機関の燃焼室内に通常存在する厳しい運転状態においてより頑丈である可能性もある。好ましい配置構成において、複数の燃焼室および各燃焼室内のグロー部材を備える機関では、減少変圧器は各グロー部材に設けられ、加熱要素がそれぞれの減少変圧器の二次回路を形成する。

触媒が存在しない状態と比べて、より低い温度で燃料が点火可能である状態を作り出すように、触媒コーティングをグロー部材上に置くことが可能である。このアプローチの利点は、リングからなるグロー部材のより低い温度までへの加熱により、グロー部材の耐性を良くすることが可能であることである。

好ましい装置は、中での燃料の燃焼を助けるように内燃機関の燃焼室内に配置されたグロー部材を備えている。グロー部材は、燃焼室内に直接噴射される空間的に別個の複数の燃料噴流の点火を助けるように位置決めされた加熱可能表面を提供する。グロー部材の好ましい形状は、円形リングである。

グロー部材は、触媒材料からなる表面を有していてもよい。触媒材料は貴金属からなっていてもよい。好ましい実施例では、貴金属は白金である。
グロー部材は、電流をグロー部材を通して向ける電流源に接続することが可能である。電流は、グロー部材を加熱することが可能である。装置はさらに、加熱回路に加えられる電圧を下げる変圧器からなっていてもよい。車両は通常、少なくとも１２ボルトの電圧に基づく電気システムを使用する。グロー部材加熱回路に加えられる電圧を、例えば２ボルト以下まで下げることが可能である。電圧を下げることによって、電気抵抗も小さくすることができ、熱質量がより大きいより厚く、より頑丈な加熱要素、または抵抗がより小さい材料の選択が可能になる。グロー部材は、例えば、比較的冷たい吸気装入物（インテークチャージ）が燃焼室内に導入された場合、機関サイクル中に冷却を行なうことが可能である。熱質量がより大きくなることにより、グロー部材はより多くの熱を保持することが可能になり、それによってグロー部材の表面温度の変化が小さくなる。本実施形態の好ましい配置において、各燃焼室内のグロー部材を有する複数の燃焼室を備える機関では、減少変圧器が各グロー部材に設けられ、各グロー部材用加熱要素は減少変圧器用二次回路である。

いくつかの実施形態では、グロー部材は少なくとも１２００℃の温度まで加熱することが可能である。
本発明の別の態様は、シリンダによって画定された燃焼室と、シリンダ内に配置され、機関の運転中にシリンダ内で上死点と下死点の間で往復動するピストンと、ピストンと反対側でシリンダの一端部を覆うファイアデッキとからなる内燃機関を提供する。機関はさらに、燃料噴射弁を含み、空間的に別個の複数の燃料噴流を燃焼室に直接噴射することが可能である。また、グロー部材は、複数の燃料噴流のそれぞれ１つからの燃料の量をグロー部材によって加熱可能であるように、燃料噴射弁に対して位置決めされた熱い表面を提供する。

グロー部材の熱い表面は、リング形状に設けることが可能である。
機関は、複数の燃料噴流のそれぞれ１つがグロー部材に直接衝突するように構成することが可能である。

グロー部材は触媒材料からなることが可能である。触媒材料は貴金属からなっていてもよく、好ましい実施形態では、貴金属は白金であってもよい。
グロー部材は、グロー部材を加熱するように電流を供給することが可能な陽極および陰極からなっていてもよい。機関はさらに、機関の電気システムによって供給された電圧からの電流の電圧を、グロー部材に加えることが可能な電圧より低く下げる変圧器を備えることが可能である。前に説明した実施形態と同様に、グロー部材に加えられた電圧は２ボルト以下であってもよい。

グロー部材はさらに、オリフィスおよび貯蔵器を画定することが可能である。オリフィスは、ある量の吸気装入物を貯蔵器に流入およびそこから流出させることが可能である。機関が運転されている場合、吸気装入物の一部は貯蔵器に流入し、圧縮行程中に中に蓄積することが可能である。グロー部材は、貯蔵器内に保持されている吸気装入物の一部を加熱し、動力行程中に、吸気装入物の加熱された部分はオリフィスを通して貯蔵器から流れ、加熱された「装入物噴流」として燃焼室内に逆流することが可能である。

いくつかの実施形態では、機関はさらに燃料噴射弁とグロー部材の間で燃焼室内に配置される障壁からなる。この実施形態では、複数の燃料噴流によって燃焼室内に導入される燃料の少なくとも一部は、燃料渦流を発生させるように障壁に衝突し、グロー部材は機関が運転しているときに燃料渦流が発生する空間内に位置決めされている。燃料噴流内の燃料の速度は、燃料噴射弁により近いところでより大きく、グロー部材が燃料噴射弁により近くに位置決めされている場合、点火する可能性がより大きいように、グロー部材に向けられた燃料の速度を減少させることが望ましい。この配置の利点としては、障壁が燃料の速度を減少させるように働き、渦流内の燃料はより長い期間、グロー部材に近接して保持することが可能であるということが挙げられる。障壁はファイアデッキに取り付けられている。１つの実施形態では、障壁はばねクリップであってもよい。グロー部材を、構造支持体用障壁に取り付けることが可能である。

機関は、中に取り付け可能な燃料噴射弁を受け、これを支持する開口部を画定する噴射弁スリーブを備えることが可能である。障壁は、燃焼室内に突出するように、ファイアデッキを越えて延びるスリーブの一部であってもよい。別の実施形態では、障壁を噴射弁スリーブに取り付けることが可能である。

障壁は、触媒材料が存在することなく燃料に点火する必要がある温度と比べて、より低い温度で燃料を点火する助けとなる触媒材料からなっていてもよい。触媒材料は貴金属からなっていてもよく、好ましい実施形態では、貴金属は白金である。

本発明の別の態様は、シリンダと、シリンダ内に配置されたピストンとを備え、ピストンが機関の運転中にシリンダ内で上死点と下死点の間で往復動する内燃機関を提供する。ファイアデッキは、ピストンと反対側のシリンダの一端部を覆う。シリンダ、ピストン、およびファイアデッキは実質的に、燃焼室を画定する。機関は燃料噴射弁を備え、燃料噴射弁は燃料噴射弁のノズルを通して設けられた複数のオリフィスからなる。ノズルは、オリフィスのそれぞれ１つが空間的に別個の燃料噴流内の燃焼室に燃料を向けることが可能なように、ファイアデッキから突出している。グロー部材は、ファイアデッキから懸架して配置され、複数の燃料噴流のそれぞれ１つが燃焼室内に向けられた場合にグロー部材に衝突するように、燃料噴射弁に対して位置決めされている。

本発明のさらに別の実施形態は、シリンダと、シリンダ内に配置されたピストンとを備え、ピストンが機関の運転中にシリンダ内で上死点と下死点の間で往復動する機関を提供する。また、ファイアデッキが含まれる。シリンダ、ピストン、およびファイアデッキは、燃焼室を実質的に画定する。また、燃料噴射弁が設けられ、その燃料噴射弁は少なくとも２つのオリフィスを備える。。弁スリーブが設けられ、支持空間および第１の端部を画定し、第１の端部はファイアデッキから燃焼室内に突出している。噴射弁は、各オリフィスがスリーブを通して燃焼室内に燃料噴流を向けることが可能な支持空間内に配置されている。グロー部材はクリップの周りに固定されている。クリップは、第１の端部に固定されており、燃料噴流が燃焼室内に噴射された場合にクリップに衝突して、燃料渦流をもたらすように、第１の端部に位置決めされている。グロー部材は、渦流がグロー部材に衝突するようにクリップ上に位置決めされている。

好ましい実施形態では、燃焼室内に導入された燃料は気体燃料である。
本発明の別の態様、および本発明の特定の実施形態の特徴を以下に論じる。

図面は、本発明の非限定的な実施形態を示したものである。
圧縮点火ディーゼル燃料機関内で通常に見られる状態では自動点火が難しいとされる燃料の点火および燃焼の助けとなるグロー部材が設けられている。開示されている方法および装置は、燃焼室内のより多くの燃料を燃焼させる助けとなる。

ここで論じる実施形態では、燃焼室はピストンの吸気行程を通して吸気装入物を蓄積し、ピストンの圧縮行程を通してその装入物を圧縮している。ピストンが動力供給行程（パワーストローク）の開始時に上死点に、またはその近くにある場合の実施形態が示されている。例として、気体燃料が機関のサイクル中のこの点のあたりで、燃焼室内の圧縮吸気装入物に噴射される。いくつかの検討内容のうち、噴射は、動力供給行程を駆動するように燃料を点火および燃焼させ得るタイミングで行われるべきである。

図１ａおよび１ｂを参照すると、リング形グロー部材５４がファイアデッキ６３に取り付けられている。
本開示の第１の実施形態は、上面図に概略を示した吸気弁５０および排気弁５２とともに示されている。グロー部材５４、および燃料噴射弁５６のノズルは燃焼室６０内に配置されている。点線は、燃料噴流５８の全体形状を概略的に示している。図１ｂでは、ピストン６２は燃焼室６０内の上死点に、またはその近くにある。図１ｂの側面図はまた、支柱６５と共にファイアデッキ６３を示し、そこからグロー部材５４が支持されている。

燃料噴流５８は図では燃焼室内の通常の噴霧パターンを示していることに留意されたい。図１ａおよび１ｂは、燃料噴流５８内の燃料の少なくとも一部を燃料を点火させる助けとなるようにグロー部材によって加熱可能であるように、燃料噴流５８をどのようにグロー部材５４の近傍に向けることが可能であるかを示している。

図１ｂを参照すると、グロー部材５４はファイアデッキ６３に固定されている。グロー部材５４は、第１の実施形態では、ファイアデッキ６３から所定の距離をもって設けられ、各燃料噴流５８の点火および燃焼を助ける熱い表面領域を提供する外周を備えている。すなわち、各燃料噴流５８は燃料噴射弁５６から燃焼室内に噴射された直後に、グロー部材５４の上面に衝突することが好ましい。次に、グロー部材５４は燃料噴流５８によって供給された燃料の少なくとも一部に熱を加えて、これらの燃料噴流の点火の開始を助ける。すなわち、グロー部材５４が燃料噴射弁にほぼ芯合わせされることが好ましい場合、各燃料噴流はグロー部材５４と相互作用し、好ましくはこれに衝突して、より簡単に点火することが可能になる。燃焼は、火炎伝播にはそれほど依存せず、全ての燃料を点火して、燃焼させる。したがって、より完全な燃焼を達成し得る。

開示は、燃焼室内に少なくとも２つの空間的に別個の燃料噴流を向ける燃料噴射弁を意図している。すなわち、燃料噴射弁は複数のノズル・オリフィスを有し、各オリフィスは燃料を燃焼室内に向けるように燃料噴流に原点を与える。各ノズル・オリフィスは、他のそれぞれのノズル・オリフィスから始まる燃料噴流とは空間的に別個の燃料噴流を向けることが可能である。通常は、燃料噴流は、燃焼室の全ての部分に燃料を供給して、吸気装入物のできるだけ多くの利用を助けるように、燃焼室の様々な異なる部分に対して噴射弁先端から分散される。

噴射弁に芯合わせされたリング形の好ましいグロー部材の配置により、噴射圧力および噴射弁ノズル・オリフィスの寸法が同じであり、噴射弁周りの燃料噴流パターンの対称性がほぼ同一であると仮定して、各燃料噴流はほぼ同時にグロー部材に衝突することが可能である。しかし、リングの寸法は非対称の噴流パターンに対応するように変更することが可能である。すなわち、より一般的に、リングは噴射弁から向けられた各燃料噴流の経路内にあるような位置、形状、および寸法をしていることが好ましい。

例として、グロー部材５４の幾何形状の寸法範囲は以下の式によって得ることが可能である。
Ｄ＝（０．２−０．３５）^＊Ｂ
ｄ＝（０．１−０．２５）^＊Ｂ
ｈ＝（０．０１−０．１）^＊Ｂ
式中、Ｄはリングの外径であり、ｄはリングの内径であり、ｈは支持支柱の高さであり、Ｂはシリンダの直径である。

好ましい実施形態では、リングの直径およびファイアデッキからのリングの距離は、グロー部材が室内での燃焼中に熱を蓄積するのを助けるように、グロー部材が燃焼環境に確実に曝されるのを助けるように選択されている。同時に、グロー部材５４は点火を助けることが可能な燃料噴流に十分近くに位置決めされている。

当業者に理解されるように、より大きな直径を有するグロー部材は吸気弁５０および排気弁５２の障害となることがなく、これらの弁が機関の動作中に必要に応じて開くことが可能であることを確実にするように注意を払うべきである。

グロー部材の第１の実施形態は、「受動的」または「能動的」に加熱される。本明細書で規定するように、受動的に加熱されたグロー部材は機関サイクル間で熱を保持する材料から形成されている。燃焼室内の温度は、機関動作中に変動する。例えば、比較的冷たい吸気装入物が吸気行程中に導入されると温度は降下し、圧縮行程中は温度は上昇し、燃料が燃焼されると動力供給行程中に温度はさらに上昇する。受動的に加熱されたグロー部材は、「熱吸収装置」として働く材料から形成されている。始動後第１のいくつかのサイクル中に暖気された後、受動的に加熱されたグロー部材は温度を他のもののうち、材料の熱保持・吸収性状および燃焼環境によって決まるように、次の燃焼の間に所望の範囲内に温度を維持することが可能である。すなわち、特定の燃料の燃焼環境は燃焼室および受動的に加熱されたグロー部材を暖める。グロー部材によって維持された熱により、グロー部材５４に衝突する燃料噴流５８の少なくとも一部の点火を助けるのに十分熱い表面温度を維持することが可能になる。この配置では、燃料はグロー部材に衝突した結果、点火および燃焼する、またはそうではない場合より簡単に点火および燃焼する。後者の場合、別の点火補助方法を、開示したグロー部材に加えて使用することが可能であるが、燃料を点火するのに必要とされるエネルギーがより少なくなる。

機関が長期にわたって停止されている場合、受動的に加熱されただけのグロー部材は冷たくなる。したがって、受動的に加熱されたグロー部材は、グロー部材が点火を助ける熱を与えることができない場合、追加の点火補助が必要である。したがって、燃焼室、およびグロー部材が暖められるまで、気体燃料の点火を開始する助けとなるように、例として、グロー・プラグ、点火プラグ、またはパイロット燃料などの始動点火補助を使用することが可能である。しかし、機関が「暖かい」と、グロー部材は燃料噴流にある熱を加える。燃焼室内の温度、および燃焼している燃料の種類によって、他の点火補助装置からの補助量を減らす、またはなくすことが可能になる。

機関コントローラは炭化水素排出物、燃料の確実な点火を助けるサイクル間燃焼可変性および荷重、燃料の完全燃焼、およびパイロット燃料または従来のグロー・プラグなどの始動点火補助の減少または除去などを監視することが可能である。

グロー部材５４の形成に好適な材料は一般に、燃焼室内の環境に耐える適切な耐性の高温材料である。グロー部材５４は、燃焼室内の熱状態および応力に耐えることが可能な材料で形成されている。例として、いくつかの適当な材料は、グロー・プラグおよびグロー・プラグ・シールド用に考えられた材料を含んでいる。これらの材料は、白金または他の貴金属などの触媒材料で被覆することが可能である。米国特許第６，０７６，４９３号は、燃焼室内で使用するグロー・プラグ・シールド用のこのような材料の使用および調製を教示している。

開示されている実施形態では、点火補助はサイクル間で圧縮行程の完了、または燃料が燃焼室内に噴射される動力供給行程の開始近くの時点で所与の装入物内で見られるものより高い温度を保持することが可能なグロー部材によって設けられていることが好ましい。

図示したピストン・ボウルの形状は、典型的なピストン・ボウル設計を示していることに留意されたい。ディーゼル燃料機関用に開発されたこのような設計は、燃焼室内の乱流を促進するように向けられている。グロー・プラグ点火補助機関の場合、乱流は燃焼室全体を通し燃焼の伝播を促進する助けとなる。本教示が使用されている場合、燃焼室内での火炎伝播の必要がほとんどないので、燃焼室内のこのような乱流向上幾何形状は、そうでない場合よりも重要ではない。

既に記したように、図１ａおよび１ｂに示すグロー部材はまた能動的に加熱することが可能である。能動的に加熱されるグロー部材は、熱エネルギーを貯蔵するように燃焼室内からの熱の吸収に完全には依存していないグロー部材として規定されている。例として、グロー部材はグロー部材自体を通して、またはグロー部材内に設けられた電気加熱回路を通して電流を流すことによって加熱することが可能である。

追加の特徴として、本明細書に記載したグロー部材の実施形態のいずれか１つはさらに、受動的または能動的に加熱されたグロー部材の本体内に設けられた１つまたは複数の貯蔵器を備えていてもよい。オリフィスは、１つまたは複数のグロー部材と燃焼室の間の連通を提供することが可能である。吸気行程中に燃焼室内に導入された吸気装入物の一部は、吸気行程および次の圧縮工程中にこのような１つまたは複数の貯蔵器内で蓄積することが可能である。このような１つまたは複数の貯蔵器に流入する吸気装入物は、暖められたグロー部材によって囲まれている。動力供給行程の開始の際、暖められた装入物は燃焼室の膨張によって燃焼室内に追い出され、暖められた装入物および燃焼室内に再び導入することによって生じる乱流は、燃料に別の点火補助を与える。

グロー部材を燃焼室内に取り付けるため、知られている方法を使用することが可能である。例えば、各実施形態では、当業者には理解されているように、適当なねじ、ボルト、溶接、または他の知られている方法を使用して、グロー部材を取り付けることが適当である。

図２ａおよび２ｂを参照すると、第２の実施形態が提供されている。この実施形態では、受動的グロー部材９２が支柱９３によってピストン９０に固定されている。また燃料噴流９４は、ピストン９０によって部分的に画定される燃焼室９６に噴射されているように概略的に示されている。図２ａは、吸気弁９８および排気弁１００の位置を示す。図示した実施形態は、４弁配置（２つの吸気弁および２つの排気弁）を使用しており、グロー部材９２を異なる数の吸気または排気弁で使用することが可能である。また、燃料噴流９４を生じる燃料噴射弁１０２が中心に位置決めされた燃焼室が、図示した実施形態によって示されている。

第２の実施形態は、第１の実施形態とほぼ同じ態様で作用する。しかし、第２の実施形態はファイアデッキ１０５の代わりにピストン９０に取り付けられたグロー部材を示しているので、グロー部材９２はピストンが上死点にある、またはその近くにある場合に、燃料噴流５８に直接接触するだけである。したがって、この実施形態では、燃料は上死点の近くで噴射されることが好ましい。

さらに、この実施形態は可撓性が小さく、能動的に加熱されたシステムをグロー部材に適合させる。グロー部材がピストンに取り付けられているので、能動的システムに必要な動力を提供することはより難しい。

図３を参照すると、能動的グロー部材が示される第３の実施形態が提供されている。グロー部材２００は支持部材２０２に取り付けられており、次に噴射弁スリーブ２０４に取り付けられている。燃料噴射弁２０６は図では、噴射弁スリーブ２０４の内側に取り付けられている。噴射弁ノズル・オリフィス２０８は図では、燃料噴流２１０を備えている。燃料渦流２１２は図では、燃料噴流の少なくとも一部の経路内の障壁として働く支持部材２０２の近く、およびこれを越えて発生する。能動的および受動的パワーリード２１４および２１６も示されている。ファイアデッキ２１８は燃料室の１つの境界を画定し、噴射弁２０６がそこから突出ている。

能動的に加熱されるグロー部材２００のこの好ましい実施形態では、支持部材２０２は、ファイアデッキ２１８を越えて延びかつ燃焼室内に突出する噴射弁スリーブ２０４の端部に取り付けられている。グロー部材２００は図示するように、支持部材２０２に取り付けられており、支持部材２０２はまた燃焼室内に突出している。コントローラが燃料噴射弁２０６に開くように命令すると、所定の量の燃料が燃焼室内に噴射され、燃料噴流２１０の少なくとも一部が支持部材２０２に衝突して、グロー部材２００の近傍で支持部材２０２の周りを循環する燃料渦流２１２を発生させる。能動的に加熱されるグロー部材２００は、リード２１４および２１６を通る電流によって加熱される。したがって、燃料渦流がグロー部材２００の近傍にあることによって加熱された直後に、点火が起こる。グロー部材２００および支持部材２０２がリング形状をしていることにより、各ノズル・オリフィス２０８からの各噴流２１０が燃料渦流２１２を発生させ、それによって燃料をグロー部材２００に近づけて、各渦流からの各燃料噴流への点火が可能になる。各燃料噴流に含まれる燃料による燃焼が、同様に補助される。さらに、グロー部材２００は比較的小さく、それによって、より大きな能動的グロー部材と比べて、グロー部材２００を加熱するための電力要求が少なくなる。

支持部材２０２を取り外し、グロー部材２００を燃料噴流２１０の経路内に位置決めすることが可能であり、燃料噴流２１０の経路内に直接グロー部材を位置決めすることにより燃焼を抑制することが可能である。燃料噴流２１０が極めて早い速度で燃料噴射弁２０６から駆動されると、燃料は点火することなくグロー部材２００を通過して駆動されることが可能である。したがって、支持部材２０２は燃料の渦流を形成することが可能である。それが比較的遅い速度でグロー部材に向けられると、各燃料噴流２１０を介して火炎を点火し、伝播させることが可能となる。

この実施形態では、リングは９００℃から１７００℃の範囲内の温度、好ましくは９００℃から１２００℃の範囲の温度まで電気加熱することが可能である材料で形成されているべきである。燃焼室内で見出される条件に耐えることが可能な材料が知られている。例えば、適切な材料としては、Ｓｉ_３Ｎ_４化合物が挙げられる。同様に、点火を促進するために支持部材２０２を熱触媒として使用することが可能である。第１および第２の実施形態の受動的グロー部材に関して上に論じたものなどの、熱吸収材料で形成されていてもよい。支持部材２０２が受動的グロー部材として使用されている場合、加熱されると、能動的グロー部材２００への負荷を減少させる助けとなることが可能である。

開示されている受動的および能動的に加熱されるグロー部材の実施形態を、４行程および２行程サイクル・エンジンで使用することが可能である。
従来のグロー・プラグは、燃料の点火の助けとなるように、燃焼室内の一点において熱い表面を使用している。本装置および方法は、燃料噴射弁設計によって決定された燃料噴射パターンと協働して、燃焼室の複数の領域に点火および燃焼補助を提供する熱い表面を付与するグロー部材を使用している。したがって、点火および燃焼補助を空間的に別個の複数の燃料噴流に与える熱い表面幾何形状もまた、開示の範囲内にある。多くの燃料噴射弁が比較的均一な噴霧パターンをほぼ円筒形の燃焼室の多くの領域に与えるので、リング形グロー部材は便利な実施形態である。しかし、燃料噴射弁がこの噴霧パターンに変化を与える場合、熱い表面または「グロー要素」形状および位置を適合させることが可能である。したがって、当業者によって理解されるように、グロー部材はＣ字形、楕円形、または燃料噴射弁設計に適合する他の形状をしていてもよい。

この開示の目的で、気体燃料は機関を駆動するのに使用される燃料として予期されている。しかし、上に提示したように、ディーゼルより自動点火するのが難しい多くの燃料が一般的に、当業者に知られているように、適合され、本開示内にあると考えられる。したがって、気体燃料を参照する場合、開示は天然ガス、メタン、エタン、ブタン、プロパン、および他の炭化水素燃料、およびこれらの気体燃料のうちの１つまたは複数を含む水素および他の燃料などの燃料を考慮している。また、機関の設計により点火補助を必要とする可能性のあるメタノールなどのいくつかの液体燃料もまた利益を得られる。このような燃料の多くは、開示されているグロー部材、またはより一般的に、燃焼室内に見られる熱い表面幾何形状の存在からいくらか利益を得られる。

割合形状化を、燃料を点火する助けとなるようにこの開示の内容で使用することも可能である。グロー部材に燃料をより多く曝して、基本的に点火の前に燃料を準備することによって、動力供給行程中、またはその開始時に必要に応じて点火を補助することが可能である。

本開示の特定の要素、実施形態、および応用例が示され、説明されているが、特に上述の教示に照らして、本開示の範囲から逸脱することなく、当業者によって変更を加えることが可能であるので、開示はもちろんこれに限るものではないことを理解されたい。

グロー部材が燃焼室のファイアデッキに固定された第１の実施形態の燃焼室の図であり、本グロー部材の好ましい位置を示す燃焼室の上面図。 グロー部材が燃焼室のファイアデッキに固定された第１の実施形態の燃焼室の図であり、ファイアデッキに取り付けられたグロー部材を示し、図１ａの線Ａ−Ａに沿った燃焼室の側断面図。 グロー部材がピストンに固定された第２の実施形態の上面図。 グロー部材がピストンに固定された第２の実施形態を示し、図２ａの線Ｂ−Ｂに沿った第２の実施形態の側断面図。 グロー部材の第３の実施形態を示し、クリップに取り付けられ、次に燃焼噴射弁を格納するインジェクタに取り付けられたリングの側断面図。 グロー部材の第３の実施形態において、燃料噴射弁から噴出されている燃料噴流の輪郭を示す、図３ａの円形部分の拡大図。 グロー部材の第３の実施形態を示し、グロー部材およびクリップの展開図。

Claims (39)

1. ａ．燃焼室を部分的に画定するピストンの吸気行程中に、該燃焼室内に吸気装入物を導入するステップと、
   ｂ．該ピストンの圧縮行程中に該吸気装入物を圧縮するステップと、
   ｃ．空間的に異なる複数の燃料噴流を、該燃焼室内に直接、かつ該燃料の点火を助けるように加熱される表面を備えるグロー部材に近接して噴射するステップと、
   ｄ．該燃料を該燃焼室内で点火し、燃焼させるステップとからなる、内燃機関の燃焼室内の燃料の点火を補助する方法。
2. 前記グロー部材はリング形状である、請求項１に記載の方法。
3. 前記グロー部材は電流によって加熱される、請求項１に記載の方法。
4. 前記グロー部材を少なくとも１２００℃の温度まで加熱するステップを更に備える、請求項３に記載の方法。
5. より低い電圧が前記グロー部材に加えられるように、前記機関の電気システムの電圧を下げるステップを更に備える、請求項３に記載の方法。
6. 前記グロー部材に加えられる電圧は、２ボルト以下である、請求項５に記載の方法。
7. 前記グロー部材を触媒コーティングで被覆するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
8. 燃焼室内に直接噴射される空間的に異なる複数の燃料噴流の点火を助けるように、燃焼室内に位置決め可能な加熱可能表面を有するグロー部材を備える、内燃機関の燃焼室内の燃料の燃焼を補助する装置。
9. 前記グロー部材はリング形状である、請求項８に記載の装置。
10. 前記グロー部材の表面上に配置された触媒材料を更に備える、請求項８に記載の装置。
11. 前記触媒材料は貴金属である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記貴金属は白金である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記グロー部材を加熱することが可能な電流を前記グロー部材に流すための第１および第２の電極を更に備える、請求項８に記載の装置。
14. 前記グロー部材の表面は、少なくとも１２００℃の温度まで加熱することが可能である、請求項１３に記載の装置。
15. より低い電圧を前記グロー部材に加えることが可能なように、前記機関の電気システムの電圧を下げるための変圧器を更に備える、請求項１３に記載の装置。
16. 前記変圧器は、前記グロー部材に加えられる電圧を２ボルト以下に下げることが可能である、請求項１５に記載の装置。
17. 前記グロー部材用加熱要素は、前記変圧器の二次回路として使用される、請求項１５に記載の装置。
18. ａ．シリンダと、該シリンダ内に配置され、機関の運転中に該シリンダ内で上死点と下死点の間で往復動するピストンと、該ピストンの反対側で該シリンダの一端部を覆うファイアデッキとによって画定される燃焼室と、
    ｂ．空間的に異なる複数の燃料噴流を該燃焼室内に直接噴射することが可能な燃料噴射弁と、
    ｃ．該燃料噴射弁に対して位置決めされた熱い表面を備え、該複数の２つの燃料噴流のそれぞれからの該燃料の一部を加熱可能なグロー部材と
    を備える内燃機関。
19. 前記グロー部材はリング形状である、請求項１８に記載の機関。
20. 前記複数の燃料噴流は前記グロー部材に直接接触する、請求項１８に記載の機関。
21. 前記グロー部材は触媒材料からなる、請求項１８に記載の機関。
22. 前記触媒材料は貴金属である、請求項２１に記載の機関。
23. 前記貴金属は白金である、請求項２２に記載の機関。
24. 前記グロー部材は、前記グロー部材を加熱するように電流を供給することが可能な陽極および陰極からなる、請求項１８に記載の機関。
25. より低い電圧を前記グロー部材に加えることが可能なように、前記機関の電気システムの電圧を下げる変圧器をさらに備える、請求項２４に記載の機関。
26. 前記変圧器は、前記グロー部材に加えられる電圧を２ボルト以下に下げることが可能である、請求項２５に記載の機関。
27. 前記グロー部材用加熱要素は、前記変圧器の二次回路として使用される、請求項２５に記載の機関。
28. 前記グロー部材はオリフィスおよび貯蔵器を画定し、該貯蔵器は圧縮行程中にある量の吸気装入物を蓄積し、加熱することが可能であり、該オリフィスは動力供給行程中に、該オリフィスからの該量の装入物噴流を前記燃焼室内に向けることが可能である、請求項１８および２４のいずれか一項に記載の機関。
29. 前記燃料噴射弁と前記グロー部材の間で前記燃焼室内に配置された障壁を備え、前記複数の燃料噴流によって前記燃焼室内に導入される前記燃料の少なくとも一部が該障壁に衝突して、燃料渦流を発生させ、前記グロー部材は前記機関が運転されているときに、該燃料渦流が発生する空間内に位置決めされる、請求項１８および２４のいずれか一項に記載の機関。
30. 前記障壁は前記ファイアデッキに取り付けられている、請求項２９に記載の機関。
31. 前記グロー部材はばねクリップである、請求項２９に記載の機関。
32. 前記グロー部材は、構造支持体用前記障壁に取り付け可能である、請求項２９に記載の機関。
33. 燃料噴射弁を中に取り付け可能であり、燃料噴射弁を受入れて支持する開口部を画定する噴射弁スリーブを備え、前記障壁は前記噴射弁スリーブに取り付け可能である、請求項２９に記載の機関。
34. 前記障壁は触媒材料を備える、請求項２９に記載の機関。
35. 前記触媒材料は貴金属である、請求項３４に記載の機関。
36. 前記貴金属は白金である、請求項３５に記載の機関。
37. 燃料噴射弁を中に取り付け可能であり、燃料噴射弁を受け入れて支持する開口部を画定する噴射弁スリーブを備え、前記障壁は前記ファイアデッキを越えて前記燃焼室内に延びるスリーブ端部によって設けられる、請求項２９に記載の機関。
38. ａ．シリンダと、
    ｂ．該シリンダ内に配置され、機関の運転中に該シリンダ内で上死点と下死点の間で往復動するピストンと、
    ｃ．該シリンダの端部を被覆するファイアデッキと、該シリンダ、該ピストン、および該ファイアデッキが燃焼室を実質的に画定することと、
    ｄ．燃料噴射弁と、その燃料噴射弁は燃料噴射弁のノズルを通して提供される複数のオリフィスを備え、前記ノズルは各オリフィスが燃料を、空間的に異なる燃料噴流中において前記燃焼室内に向けることが可能なように、該ファイアデッキから突出することと、
    ｅ．該燃料が該ノズルを通して該燃焼室内に噴射されるときに、該複数の燃料噴流のそれぞれが衝突するように、該ファイアデッキから懸架され、燃料噴射弁に対して位置決めされたグロー・リングと
    からなる内燃機関。
39. 前記燃料は気体燃料である、請求項１８から３８のいずれか一項に記載の機関。

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