JP2006503219A - 耐火性被膜層で覆われた前燃焼室を有する点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
前燃焼室における燃焼効率を改善し、負荷が小さいときのエンジンの作動を改善し、アイドル・モードでのエンジンの作動の安定性を高める。
【解決手段】
主可燃性混合物を含むよう設計され、当該主可燃性混合物の圧縮装置を装備している主室１と、 反応物を受け入れるよう設計された前燃焼室２とこの前燃焼室に含まれた反応物の点火装置１３，１４を含む点火器１１とを含み、前燃焼室は少なくとも一つの通路１５を含むヘッド１２ａを有する前燃焼室ボディ１２により形成され、この前燃焼室ボディのヘッドは前燃焼室を主室から分離し、そして前燃焼室と主室とを通路により連絡している点火装置において、ヘッド１２ａは、少なくとも一つの耐火性物質の被膜層Ｒで少なくとも部分的にその外部を覆われている。

Description

本発明は内燃機関用点火装置並びに前燃焼室を有する点火器に関するものである。

本発明の点火装置は前燃焼室を有する点火器を含んでおり、内燃機関のシリンダーヘッド（直径は１４ミリに等しいか、もしくはそれより小さい）を何ら変更することなく通常の点火スパーキングプラグの代わりに当該前燃焼室をねじ込むことができる。オキシダントと燃料との混合物に点火する手段は前燃焼室に含まれており、前燃焼室を形成しているそれのボディのヘッドには通路が設けられている。

こうして前燃焼室を有する点火器を内燃機関のシリンダーヘッドに取り付けると、点火器の前燃焼室はそれのボディのヘッドだけ内燃機関の主燃焼室から離れ、そしてそのヘッドの通路により主燃焼室と連通している。

前燃焼室に反応物を直接注入することのできる手段を点火器に設けることとなろう。

米国特許４，９２６，８１８には渦巻き状の燃焼ポケットを形成するよう設計された脈動ジェットを発生する装置と方法とが開示されている。この装置は主可燃性混合物を含み、ピストンが動く主室と、反応物を受けとり、そして壁に空けたオリフイスを介して主室と連通している前燃焼室とを備えている。この前燃焼室内での反応物の点火がガス噴出を燃焼させ、そのことが炎頭もしくはフレーム・フロントの還流により主室内の主混合物を点火させる。

仏国特許出願２，７８１，８４０が開示している内燃機関用点火装置は、
主可燃性混合物を含むよう設計され、そしてこの混合物の圧縮装置を装備した主室、
反応物を受け取るように設計され、そして主室を分離している壁に空けたオリフイスを介して主室と連通している前燃焼室、
この前燃焼室に含まれている反応物を点火する装置
を備えている。

全体として満足すべきものであることが明らかとなっているこのような内燃機関用点火装置においてそのオリフイスは小さい直径であって、そして前燃焼室内の反応物の燃焼から取り出される不安定な化合物を伝播させながらも炎頭の伝播を阻止することができる。圧縮装置と不安定な化合物での主混合物の種付けとが初期混合物の全自己点火を可能とする。

仏国特許出願２，８１０，６９２に係る内燃機関用点火装置は全体として円筒形であって、仏国特許出願２，７８１，８４０に開示のものと同様の前燃焼室を含んでいるが、主燃焼室と連通しているそれの通路は最外側通路の中心を通る円上に配置されており、その円の直径は円筒状の前燃焼室の直径の１／２に等しいか、それよりも小さい比率となっている。このような構成によって三段階触媒での汚染除去の目的に対して内燃機関は少量のオキシデント空気で作動することができ、特に主室内の空気‐燃料混合物の組成が化学量論的であるとき作動することができる。

このような内燃機関用点火装置は改善の余地がある。

本発明の内燃機関用点火装置は次の利点を有する。
‐前燃焼室における燃焼効率の増加
‐負荷が小さいときのエンジンの作動改善と、アイドル・モードでのエンジンの作動の安定性を高めたこと

このための本発明は、
‐主可燃性混合物を含むよう設計され、当該主可燃性混合物の圧縮装置を装備している主室と、
‐反応物を受け入れるよう設計された前燃焼室とこの前燃焼室に含まれた反応物の点火装置を含む点火器と（前燃焼室は少なくとも一つの通路を含むヘッドを有する前燃焼室ボディにより形成され、この前燃焼室ボディのヘッドは前燃焼室を主室から分離し、そして前燃焼室と主室とを通路により連絡している）
を含む点火装置に係るものである。

本発明によれば、ヘッドは少なくとも部分的に外部で少なくとも一つの耐火性物質で覆われている。

耐火性物質とは非金属物質であるが、金属成分を含んでいてもよく、それのパイロスコピック抵抗（pyroscopic resistance）は１５００℃に等しい。

前燃焼室ボディは少なくとも一つの耐火性物質の被膜層で少なくとも部分的にその内部を覆われているのが好ましい。

通路は少なくとも一つの耐火性物質の被膜層で覆われているのが好ましい。

本発明の好ましい実施例では被膜層はナノ構造の被膜層であり、粒子の大きさは１ｎｍに等しいか、もしくはそれよりも大きく、そして１０００ｎｍよりも小さい。

被膜層は少なくとも一つの耐火性物質の層、または少なくとも一つの耐火性物質の２つの層のどちらかから成っていてよい。

耐火性物質は高温に耐える現在使用されている、点火装置の作動による圧力に抗することができるどのような種類の耐火性物質でもよい。

具体的には、窒化物、硼化物、ケイ化物、炭化物、ジルコニューム合金、イットリューム合金、チタニューム合金、そして硼素合金、酸化物、好ましくはアルミニューム、チタニューム、鉄、ケイ素、セリウム、マンガン、そして酸化ジルコニューム、並びにカルシューム、マグネシューム、イットリューム、ハフニュームそして稀土類酸化物から選択された少なくとも一つの金属酸化物を添加されたジルコニアである。

希土類とは原子番号５７（ランタン）と７１（ルテチウム）との間のすべての元素である。

好ましい耐火性物質は化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＭｎＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２、であり、好ましくは化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２である。

被膜層の厚みが０．５と１００μｍの間、好ましくは１と５０μｍの間にある。

耐火性物質の被覆層は液層法によって形成され、その液層は適当な湿潤と表面張力特性を有している。

本発明の耐火性物質の被膜層の沈着は粉末によって、熱照射によって（電弧によりもしくはプラズマにより）、化学的蒸着（ＣＶＤ）により、物理的蒸着により、もしくは電子蒸着によっても行われる。

本発明の少なくとも一つの耐火性物質の被膜層は熱障壁効果を奏する。

前燃焼室ボディのヘッドの外面の耐火性物質の被膜層は燃焼時に主混合物と前燃焼室のボディとの間での熱移動を制限する。

前燃焼室ボディの内壁の耐火性被膜層は前燃焼室の燃焼時の反応物と前燃焼室ボディとの間の熱移動を制限できる。

前燃焼室ボディに向う熱移動の制限によってそれだけ前燃焼室における燃焼は改善する。

本発明の耐火性被膜は、前燃焼室ボディである基板、一般に銅合金へ適切に固着していると有利である。

さらに、本発明の耐火性被膜層は、前燃焼室における反応物の燃焼から出てくる化合物が、前燃焼室のボディの壁に、ヘッドもしくは通路の壁に固着しないようにする。

二層被膜の場合、燃焼から出てくる化合物を固着させないようにしているのは上の方の層であって、熱障壁作用は下の方の層で行われている。

最後に、本発明の耐火性被膜層の薄い厚みと構成とが膨張差を余り大きくしないようにしている。

こうして、負荷が小さい時のエンジンの作動とアイドル・モードにおける安定性とが改善される。

過大に過給機で与圧される内燃機関、すなわち１３バールに等しいか、もしくはそれよりも大きい平均実効圧力を有する内燃機関のための前燃焼室に上述の耐火性被覆層は特に適している。

第1の実施例では主室内の主混合物の点火は前燃焼室に含まれた反応物の点火から出てきた炎頭の還流により生じる。

そのような場合通路は円筒形であり、そして直径は１ミリよりも大きい。

第２の実施例では、通路は、前燃焼室に含まれている反応物の燃焼から取り出された不安定な化合物を伝播させながらも炎頭は伝播させないようにし、主室の圧縮装置と前記の不安定な化合物での主混合物の種付けとにより主混合物の自己全点火を可能とさせている。

大容積の自己点火は非常に迅速な圧力増加、ピンキングの低減そして十分な反復性を可能とする。

そのような場合通路は円筒形であり、そして直径は１ミリか、もしくはそれよりも大きい。

通路の長さはそれの直径に等しいか、もしくはそれよりも小さいのが好ましい。長さとは分離壁面に垂直な方向の通路の距離である。こうして壁に捕捉される不安定な成分の分量は最小となる。

一般に、通路の数は１と２０の間であって、好ましくは、３と１５の間である。

好ましい実施例では、不安定な成分での主混合物の種付けによる混合物の自己点火の場合： ‐主室に隣接していない、前燃焼室ボディの上方部分は内直径Ｆの円筒であり、そして
‐前燃焼室ボディのヘッドは幾つかの通路を含み、これらの通路は最外側の通路の中心を通る直径ｄ_２の円上に配置されており、比ｄ_２／Ｆは０．５に等しいか、それよりも小さい。

比ｄ_２／Ｆは１／３に等しいか、それよりも小さい。

最外側の通路の中心を通る円の中心は前燃焼室の対称軸上にあるのが有利である。

しかし、別の実施例では、最外側の通路の中心を通る円の中心は前燃焼室の対称軸から距離ｄ_３にあり、この距離ｄ_３は前燃焼室２の１／４直径Ｆに等しいか、それよりも大きい。そのような構成にすると、前燃焼室の特定域の方に、前燃焼室の対称軸からずれた前記の円の中心位置に対し炎の、もしくは不安定な成分の噴出を向けることができ、そのことは好ましいことである。

本発明は、少なくとも一つの通路を設けたヘッドを有する前燃焼室ボディにより形成され、可燃性混合物を含むよう設計されている前燃焼室と、この前燃焼室に含まれた可燃性混合物の点火装置とを備えている内燃機関用点火器に係るものでもあり、ヘッドは少なくとも一つの耐火性物質の被膜層で少なくとも部分的にその外部を覆われている。

前燃焼室ボディは少なくとも一つの耐火性物質の被膜層で少なくとも部分的にその内部を覆われている。

ヘッドの通路は少なくとも一つの耐火性物質の被膜層で覆われている。

好ましくは耐火性物質は、窒化物、硼化物、ケイ化物、炭化物、ジルコニューム合金、イットリューム合金、チタニューム合金、そして硼素合金、酸化物、好ましくはアルミニューム、チタニューム、鉄、ケイ素、セリウム、マンガン、そして酸化ジルコニューム、並びにカルシューム、マグネシューム、イットリューム、ハフニュームそして稀土類酸化物から選択された少なくとも一つの金属酸化物を添加されたジルコニアである。

好ましい耐火性物質は例えば、化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＭｎＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２、好ましくは化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２である。

被膜層の厚みが０．５と１００μｍの間、好ましくは１と５０μｍの間にある。

本発明の利点と特徴とは添付図を参照しての以下の説明から理解されよう。

図１に示す内燃機関のシリンダーはジャケット（図示せず）により輪郭が決められ、シリンダーヘッド１０により上部を閉じられている主室１を含んでいる。通常のように、主室１はロッド（図示せず）により移動させられるピストン（図示せず）を含んでいる。

本発明の前燃焼室付きの点火器１１をシリンダーヘッド１０に、例えばシリンダーヘッド１０のネジ１０ａにねじ込むことにより主室１に隣り合わせに取り付ける。

点火器１１は、全体として管状の前燃焼室１２を含み、これは好ましくは半球の帽子の形をしたヘッド１２ａを含んでいて、前燃焼室２を形成している。

前燃焼室１２のヘッド１２ａは主室１と前燃焼室２との間の分離壁を形成している。ヘッド１２ａは前燃焼室２を通路１５により主室１と連絡している。

図１、２そして３の実施例では、前燃焼室ボディ１２の内壁、ヘッド１２ａの外壁そして通路１５の壁は少なくとも一つの耐火性物質の被覆層Ｒで覆われている。

一般に、前燃焼室２の容積は０．２ｃｍ^３と２ｃｍ^３との間であって、好ましくは０．５ｃｍ^３と１．５ｃｍ^３との間である。

一般に、前燃焼室の通路１５の総容積と前燃焼室の容積との比Ｓ／Ｖは１０^−３ｍｍ^−１と５．１０^−２ｍｍ^−１の間である。

任意事項として、点火器にはさらに取り込み口（図示せず）を設けて、上流側で形成された空気‐燃料反応物を前燃焼室２に供給できるようにし、もしくは燃料を注入できるようにしてもよい。空気は前燃焼室２内で燃料と混合してもよい。

中心電極１３と接地電極１４とを含む点火装置を前燃焼室に設ける。電極間隔は例えば０．７ｍｍ程度とする。

主混合物の点火が前燃焼室からの炎頭の還流により生じるとき、通路は１ｍｍよりも大きい直径のオリフイスであるのが好ましい。

点火において、不安定な化合物を通し（自己点火による主混合物の点火）ながら炎頭の伝播を防止するためには通路１５の直径は小さく、一般には１ミリよりも小さく、長さは直径よりも小さいのが有利である。

図２に示すように、主混合物の自己点火の場合通路１５は前燃焼室の直径Ｆの半分に一致する直径ｄ_２の円に属しているのが有利である。

図３に示すように、前燃焼室２の対称軸２ｂ上にこの円の中心はある。

円の中心は図４に示すように、前燃焼室２の対称軸２ｂから距離ｄ_３にあってもよく、通路１５の数は８個となって示されている。

主室に空気‐燃料混合物を注入し、そして前燃焼室２に供給する。すると電極１３と１４との間にスパークをつくり、前燃焼室２内で燃焼をトリガーすると、温度と圧力とが増加する。

主室１内におけるよりも前燃焼室２における圧力が高いので、この場合、すなわち通路の大きさが炎頭の伝播を阻止している場合、主室１に向う噴出となって炎、すなわちこの場合不安定な化合物が吐き出される。こうして主室１に含まれる主混合物が点火される。

両方の場合において（炎頭の還流によるもしくは自己点火による主混合物の点火）前燃焼室ボディ１２の内壁の、ヘッド１２ａの外壁の、そして壁の通路１５の耐火性被膜層が燃焼しているガスから前燃焼室ボディ１２の方への熱移動を制限し、そのことが前燃焼室２の燃焼効率をそれだけ増大させる。

こうして負荷が小さいときとアイドル・モードのときのエンジンの動作を改善する。

本発明に従って前燃焼室を有する点火器を含んでいる点火装置の部分断面略図。 図１の拡大図。 本発明の点火器の前燃焼室ボディの垂直断面略図。 本発明の前燃焼室のヘッドを下から見た図。

符号の説明

１ 主室
２ 前燃焼室
２ｂ 対称軸
１０ シリンダーヘッド
１０ａ ネジ
１１ 点火器
１２ 前燃焼室ボディ
１２ａ ヘッド
１３ 中心電極
１４ 接地電極
１５ 通路

Claims (22)

1. 主可燃性混合物を含むよう設計され、当該主可燃性混合物の圧縮装置を装備している主室１と、
   反応物を受け入れるよう設計された前燃焼室２とこの前燃焼室に含まれた反応物の点火装置１３，１４を含む点火器１１と
   を含み、前燃焼室２は少なくとも一つの通路１５を含むヘッド１２ａを有する前燃焼室ボディ１２により形成され、この前燃焼室ボディのヘッド１２ａは前燃焼室２を主室１から分離し、そして前燃焼室２と主室１とを通路１５により連絡している点火装置において、
   ヘッド１２ａは、少なくとも一つの耐火性物質の被膜層Ｒで少なくとも部分的にその外部を覆われていることを特徴とした点火装置。
2. 前燃焼室ボディ１２は少なくとも一つの耐火性物質の被膜層Ｒで少なくとも部分的にその内部を覆われている請求項１に記載の点火装置。
3. 通路１５は少なくとも一つの耐火性物質の被膜層Ｒで覆われている請求項１もしくは２に記載の点火装置。
4. 被膜層Ｒはナノ構造の被膜層であり、粒子の大きさは１ｎｍに等しいか、もしくはそれよりも大きく、そして１０００ｎｍよりも小さい請求項１、２もしくは３に記載の点火装置。
5. 被膜層Ｒは少なくとも一つの耐火性物質の層、または少なくとも一つの耐火性物質の２つの層のどちらかから成る請求項１ないし４のいずれかに記載の点火装置。
6. 窒化物、硼化物、ケイ化物、炭化物、ジルコニューム合金、イットリューム合金、チタニューム合金、そして硼素合金、酸化物、好ましくはアルミニューム、チタニューム、鉄、ケイ素、セリウム、マンガン、酸化ジルコニューム、並びにカルシューム、マグネシューム、イットリューム、ハフニュームそして稀土類酸化物から選択された少なくとも一つの金属酸化物を添加されたジルコニアから耐火性物質を選択した請求項１ないし５のいずれかに記載の点火装置。
7. 化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＭｎＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２、好ましくは化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２から耐火性物質を選択した請求項１ないし６のいずれかに記載の点火装置。
8. 被膜層の厚みが０．５と１００μｍの間、好ましくは１と５０μｍの間にある請求項１ないし７のいずれかに記載の点火装置。
9. 通路１５が円筒形であり、そしてその直径が１ｍｍよりも大きい請求項１ないし８のいずれかに記載の点火装置。
10. 通路１５は、前燃焼室２に含まれている反応物の燃焼から取り出された不安定な化合物を伝播させながらも炎頭は伝播させないようにし、主室１の圧縮装置と前記の不安定な化合物での主混合物の種付けとにより主混合物の自己全点火を可能とさせる請求項１ないし８のいずれかに記載の点火装置。
11. 通路１５は円筒形であり、そしてその直径は１ミリか、もしくはそれよりも小さい請求項１０に記載の点火装置。
12. 通路１５の長さはそれの直径に等しいか、もしくはそれよりも小さい請求項１０もしくは１１に記載の点火装置。
13. 前燃焼室ボディ１２の上方部分は内直径Ｆの円筒であり、そして
    前燃焼室ボディ１２のヘッド１２ａは幾つかの通路１５を含み、これらの通路１５は最外側の通路１５の中心を通る直径ｄ_２の円上に配置されており、比ｄ_２／Ｆは０．５に等しいか、それよりも小さい
    請求項１０、１１もしくは１２に記載の点火装置。
14. 比ｄ_２／Ｆは１／３に等しいか、それよりも小さい請求項１３に記載の点火装置。
15. 最外側の通路１５の中心を通る円の中心は前燃焼室２の対称軸２ｂ上にある請求項１３もしくは１４に記載の点火装置。
16. 最外側の通路の中心を通る円の中心は前燃焼室２の対称軸２ｂから距離ｄ_３にあり、この距離ｄ_３は前燃焼室２の１／４直径Ｆに等しいか、それよりも大きい請求項１３もしくは１４に記載の点火装置。
17. 少なくとも一つの通路１５を設けたヘッド１２ａを有する前燃焼室ボディ１２により形成され、可燃性混合物を含むよう設計されている前燃焼室２と、この前燃焼室２に含まれた可燃性混合物の点火装置１３，１４とを備えている内燃機関用点火器において、ヘッド１２ａは、少なくとも一つの耐火性物質の被膜層Ｒで少なくとも部分的にその外部を覆われていることを特徴とした点火器。
18. 前燃焼室ボディ１２は少なくとも一つの耐火性物質の被膜層Ｒで少なくとも部分的にその内部を覆われている請求項１７に記載の点火器。
19. 通路１５は少なくとも一つの耐火性物質の被膜層で覆われている請求項１７もしくは１８に記載の点火器。
20. 窒化物、硼化物、ケイ化物、炭化物、ジルコニューム合金、イットリューム合金、チタニューム合金、そして硼素合金、酸化物、好ましくはアルミニューム、チタニューム、鉄、ケイ素、セリウム、マンガン、そして酸化ジルコニューム、並びにカルシューム、マグネシューム、イットリューム、ハフニュームそして稀土類酸化物から選択された少なくとも一つの金属酸化物を添加されたジルコニアから耐火性物質を選択した請求項１７、１８もしくは１９に記載の点火器。
21. 化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＭｎＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２好ましくは化学量論的割合であるか、もしくはそうではないＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＹ、ＺｒそしてＹ、そしてＴｉＢ_２から耐火性物質を選択した請求項２０に記載の点火器。
22. 被膜層の厚みが０．５と１００μｍの間、好ましくは１と５０μｍの間にある請求項１７ないし２１のいずれかに記載の点火器。
    

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