JP2007511704A - 吸込み側に配置された噴射装置による直接燃料噴射を伴う往復動内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関は、少なくとも二つの吸込み口（３）と、少なくとも一つのガス排気口（４）と、シリンダ（１）ごとにある少なくとも一つの点火装置（１４）とを有するとともに、その内部へ吸込み口が緩やかな角度で開口している燃焼室（１．１）を有している。ピストンクラウン（１１．１）及びシリンダカバー（２．１）はその垂直断面が実質的に屋根形をしている。燃料噴射ノズル（８）は、吸込み弁（６）の間にある吸込み口（３）の入口領域の近くでシリンダ（１）内へ向けて開口しており、シリンダ軸（５）に関連して測定されたときの、燃料噴射ノズル（８）の噴流軸（９）の角度が、吸込み口（３）の角度よりも大きい。点火装置（１４）は、シリンダ軸（５）の近くにて、シリンダカバー（２．１）に配置されている。槽形の凹部（１２）が、ピストンクラウン（１１．１）に設けられるとともに槽形底部（１２．１）及び側壁（１６）により境界が定められており、ピストンクラウン上の屋根稜線（１１．２）に交差している。槽形底部（１２．１）は、燃料噴射ノズル（８）へ向けて傾けられるとともに、燃料噴射ノズル（８）に対向する側で上方へ急勾配で延びる壁区画（１２．２）で終わっており、槽形底部（１２．１）と側壁（１６）との間にある移行領域（１５）は、平面視したときに実質的に樽形の輪郭を有している。

Description

火花点火及び直接燃料噴射を伴う往復動内燃機関（エンジン）において、燃料は、内燃機関の作動空間内へ噴射装置により直接噴射される。このような噴射の時期に関しては、二つの基本的な運転モードがある。

いわゆる均一（予混合）運転において、燃料は、一般的には燃焼用空気の流入中に（すなわち吸込み弁が開いているときに）、燃焼室内へ早めに噴射される。これにより、燃料／空気の混合気の良好な均一化が実現される。このような運転モードは、機関が高負荷で運転されるときに好適なものである。

いわゆる層状給気運転においては、ピストンがその上昇動作中に上死点位置の領域内へ入るときに、ガス吸込み弁が閉じた後になるまでは噴射が行われない。これは、燃料が、それが点火装置により点火される前に、シリンダ内に収容された幾らかの外気との間でのみ、同様に局所的に制限された態様でのみ混合されることを意図したものである。このような運転モードは、好ましくは、機関が部分負荷又は無負荷で運転されるときに使用されるものである。その利点は、機関が、吸気の流れを絞ることなく、且つ、点火装置の近傍での燃空比が確実な点火にとってあまりにも少なくならないような態様で、運転されることが可能であるということである。

これらの運転モードに関しては、シリンダ室内へ燃料を導入して混合気を形成する、異なった方法が知られているが、これらの方法は二つのカテゴリーに分けることができる。

いわゆる噴流ガイド法においては、噴射流が点火装置へ直接向けられる。噴射された燃料雲は燃焼用空気と混合し、点火装置により点火される。従って、確実な層状給気運転は、点火装置が噴射装置の非常に近くに位置付けられているときにのみ保証される。このことは、きわめて小さい、運転時点の特別な点火時期（時間枠）のみが利用可能であり、従って、広い動作特性範囲のための噴流拡散の調整がきわめて重要となってくるという欠点を持つ。加えて、使用される噴射装置は、非常に精密に製造されなければならない。長期の運転中における噴射装置の小さな公差又は変化であっても、点火のための不利な限界条件につながることとなる。

このため、層状給気運転における点火条件は、点火装置と噴射流との間の正確な幾何学的関係によってのみ保証される。従って、このカテゴリーで知られている既知の方法は、はっきりとした又は強力な給気動作を伴うことなく実行される。しかしながら、均一運転においては、燃料／空気の混合の均一化を改良するための、このような動作がないので、出力の損失や、燃料消費の増加（それとともに増加した汚染物質排出物を伴う）を招くこととなる。

この方法は、点火装置への直接噴射によって引き起こされる、点火装置の摩損の増加や寿命の縮小といった、更なる欠点を持っている。

いわゆる壁面ガイド法は、層状給気運転において、ピストンクラウンにより形成された燃焼室の壁面の一部により燃料噴射流が噴射装置へ偏向されるという事実に基づいている。これは、強力な給気動作により援助される。この方法は、点火装置への直接噴射を避けるものである。燃料噴射装置の公差及び運転状態は、上述した噴流ガイド法に比べて、ほとんど重要ではなくなる。

これらの方法の欠点は、燃料がシリンダ室内へ直接噴射されたときに、燃料が燃焼室の壁面、特にピストンクラウンまで運ばれ、その結果、ある運転状態において不完全燃焼となり、増加した未燃炭化水素の排出及び増加した煤煙の排出を招くこととなる。この方法は、今までのところは、回転の配向状態及び方向の観点から、吸込み側の燃料噴射装置で実行されており、混合された噴流をピストンクラウンを経由して点火装置へ案内する、噴射方向へのシリンダ給気の特定の円筒状の流れの形成に基づいている。このような給気動作のパターンは、急勾配で直立した吸込み口により実現することが可能であるが（欧州特許第０５５８０７２Ｂ１号及び独国特許出願公開第１９７０８２８８Ａ１号を参照のこと）、その結果、それに対応して機関の全高がより大きなものとなってしまう。別の提案された解決法によれば、シリンダ給気の望ましい動作パターンは、吸込み口の特別な構造、すなわち、例えば吸込み弁の弁座領域の形態により実現されるが（欧州特許第０４６３６１３Ｂ１号明細書）、このことは、吸込みシステムの流れの性質、及び従って機関の全負荷運転に関して不利な影響をもたらす。いずれの場合も、噴射流はピストンクラウンの凹部へ向けられ、その結果、層状給気運転中においては、液体のままである燃料がピストンクラウンに衝突することとなる。そこで形成される混合気はそれから、ピストンクラウンの壁面に接触された状態で点火装置へ向けて案内される。

この方法において、層状給気運転で必要とされる強力な給気動作は、結果として生じる耳障りな燃焼騒音及び増加した壁面熱流損失のために、均一運転中には不利な影響をもたらす。

国際公開第０１／４９９９６Ａ号は、往復動内燃機関であって、ガス吸込み弁付きの二つのガス吸込み口と、ガス排気弁付きの少なくとも一つのガス排気口と、シリンダごとにある少なくとも一つの点火装置とを有するとともに、シリンダカバーとピストンのクラウンとにより形成された燃焼室を有し、ピストンはシリンダ内で往復動形式で案内され、一方のピストンクラウン及び他方のシリンダカバーはその垂直断面が実質的に屋根形をしており、且つ、いずれの場合も、屋根表面の一つがガス吸込み弁に関連付けられ、他の屋根表面がガス排気弁に関連付けられており、且つ、シリンダカバーの屋根表面の配向状態が、ピストンクラウンの屋根表面の配向状態に対応している、往復動内燃機関を開示している。槽形の凹部がピストンクラウンに設けられており、且つ、この槽形の凹部は、ピストンクラウンの屋根稜線の領域に亘って、及び従って両方の屋根表面に亘って延びている。燃料噴射ノズルは、ガス吸込み弁の隣にあるガス吸込み口の入口領域の近くでシリンダ内へ向けて開口している。点火装置は、垂直なシリンダ軸の近くにて、シリンダカバーに配置されている。

シリンダカバー及びまたピストンクラウンの屋根形構造のために、燃焼室は、ほんの僅かな割れ目として形成され、その結果、ピストンの槽形の凹部に関連して、燃料噴射ノズルへ向かうシリンダ給気の動作が作り出される。ガス吸込み口が燃焼室内へある角度をもって開口しているので、宙返り的な流れが吸込み行程中に形成され、最初にシリンダカバーに沿って燃焼室内へ流れ、次いで槽形の凹部により燃料噴射ノズルへ戻るように案内される。この流れはまた、圧縮行程中でも維持される。

特に層状給気運転中には、空気がピストンクラウンを経由して燃料噴射ノズルへ向けて案内され、燃料がそれから空気中へ噴射される。仮に、層状給気運転中において、吸込み弁が閉じた後であってピストンがその上昇動作中にその上死点位置の近くにある時点で燃料噴射が生じるのであれば、改良された混合気の準備がガス吸込み弁のすぐ近傍で実現される。噴射弁の領域で、空気流はその方向を変え、点火装置へ向けて案内される。そのため、燃焼室の容積が減少されているにもかかわらず、点火装置へ向けてのシリンダ内の空気流の方向にある燃料に関して、最適な混合気の形成を伴う長い噴流自由経路が利用可能となる。このことは、シリンダ壁面上に僅かな燃料の付着物のみが作り出されるということである。燃料噴射ノズルの位置に関連した燃焼室の特別な構造は、噴流が非常に平坦に案内されることを許容し、扇形に広げられた噴流が、層状給気運転中であっても、満足できる態様でピストンクラウンをほとんど濡らさないで、燃焼室のうちピストンクラウンの槽形の凹部の領域へ入ることを可能にし、その結果、最適な燃料／空気の混合気が点火装置へ到達することとなる。
欧州特許第０５５８０７２Ｂ１号明細書 独国特許出願公開第１９７０８２８８Ａ１号明細書 欧州特許第０４６３６１３Ｂ１号明細書 国際公開第０１／４９９９６Ａ号パンフレット

本発明の目的は、特に部分負荷での点火条件について更なる改良を与えること、さらに、火花点火及び直接噴射を伴う上述した種類の往復動内燃機関における汚染物質排出物を低減させることにある。

本発明によれば、この目的は、ガス吸込み弁付きの少なくとも二つのガス吸込み口と、ガス排気弁付きの少なくとも一つのガス排気口と、シリンダごとにある少なくとも一つの点火装置とを有するとともに、シリンダカバーとピストンのクラウンとにより形成された燃焼室を有し、ピストンはシリンダ内で往復動形式で案内され、燃焼室内へは、ガス吸込み口が、シリンダヘッド平面に関連して測定されたときに緩やかな角度で開口している、往復動内燃機関において、一方のピストンクラウン及び他方のシリンダカバーはその垂直断面が実質的に屋根形をしており、且つ、いずれの場合も、屋根表面の一つがガス吸込み弁に関連付けられ、他の屋根表面がガス排気弁に関連付けられており、且つ、シリンダカバーの屋根表面の配向状態が、ピストンクラウンの屋根表面の配向状態に対応しており、且つ、ガス吸込み弁の間にあるガス吸込み口の入口領域の近くでシリンダ内へ向けて開口した燃料噴射ノズルを有しており、且つ、シリンダ軸に関連して測定されたときの、燃料噴射ノズルの噴流軸の角度が、ガス吸込み口の角度よりも大きく、且つ、シリンダ軸の近くにて、シリンダカバーに配置された点火装置を有しており、且つ、ピストンクラウンに設けられるとともに槽形底部及び側壁により境界が定められた槽形の凹部であって、ピストンクラウン上の屋根稜線に交差するとともに両方の屋根表面の領域に亘って延びる槽形の凹部を有し、槽形底部は、燃料噴射ノズルへ向けて傾けられるとともに、燃料噴射ノズルに対向する側で上方へ急勾配で延びる壁区画で終わっており、且つ、槽形底部と側壁との間にある移行領域は、平面視したときに実質的に樽形の輪郭を有しており、その一方の端部が、上方へ急勾配で延びる壁区画により形成されている、往復動内燃機関により実現される。

側壁の樽形の構造は、ピストンの槽部のより開口した形状を与えることとなり、これは、噴射流による壁面接触が少なくなることにつながり、及び従って、より少ない汚染物質排出物、特に均一運転における減少した煤煙の形成につながることとなる。同時に、改良された燃焼安定性が層状給気運転中に実現され、すなわち機関の不点火が減少される。

ピストンの槽形の凹部が、水路の態様で宙返り的な流れを援助及び案内するので、本発明により設けられた樽形の輪郭は、主流に対して横方向への影響をもたらす。ピストンクラウンの近傍では、宙返り的な流れが、はじめに、流れの方向に対して横方向に僅かに拡げられ、すなわち僅かに減速され、それから、上方へ急勾配で延びる壁区画へ移行するすぐ直前で、再びまとめられる、すなわち加速される。このようにして、乱流に対して、宙返り的な流れが与えられ、これにより、空気流中へ噴射された当該量の燃料が良好に混合されること、及び従って、良好な燃焼及び排気ガス中における汚染物質排出物（特に煤煙粒子）のかなりの減少につながることとなる。このような効果は、均一運転及び層状給気運転のいずれにおいても得られるものである。

有利には、槽形底部が平面状の表面を有し、且つ、樽形の輪郭を画成する側壁が、皿形の形態で槽形底部に結合しているとよい。

さらに有利な実施形態においては、槽形の凹部のうち、ガス排気口に対向する端部領域が、ガス吸込み口に対向するとともに急勾配の壁区画により境界が定められた端部領域よりも広いとよい。

本発明の更なる特徴及び利点は、一つの実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。

発明を実施するための形態

往復動内燃機関のシリンダ１（図１に示されている）には、シリンダヘッド２が設けられており、このシリンダヘッド２は、二つの斜めに延びるガス吸込み口３と、それらに対して実質的に鏡面対称に配列された二つのガス排気口４とを有している。図１の垂直断面図から分かるように、ガス吸込み口３及びガス排気口４の両方は、それらが４５°よりも小さい角度（シリンダヘッド平面２．１に関連して測定されたときの角度）でシリンダ室１．１内へ開口するように、シリンダヘッド２に配列されている。ガス吸込み口３は、対応するガス吸込み弁６により開けたり閉めたりすることが可能となっており、ガス排気口４は、対応するガス排気弁７により開けたり閉めたりすることが可能となっている。

燃料噴射ノズル８は、シリンダヘッド２のうちガス吸込み弁６の領域に配置されており、コモンレール法による高圧直接燃料噴射システムの一部となっているとよい。ここで示されている、二つのガス吸込み口３が設けられている実施形態においては、燃料噴射ノズル８が二つのガス吸込み弁６の間に配置されている。燃料噴射ノズル８は、それぞれの吸込み開口を規定する弁座リング６．１の下縁の高さにほぼ等しいところで、シリンダ室１．１内へ開口している。燃料噴射ノズル８の噴流軸９は、シリンダ軸５へ向けて方向付けられ、また、それに対してある角度（それは、しかしながら、垂直方向に関連して測定したときの、ガス吸込み口３の進入角度よりも大きい）をもって延びており、その結果、噴流軸がシリンダ室内へ非常に緩やかな（平坦な）角度で延びるようになっている。

ここで示されている実施形態においては、シリンダカバー２．２及びピストン１１のクラウン１１．１の両方が屋根形をしており、対応する屋根表面はガス吸込み弁６及びガス排気弁７に関連付けられている。燃料噴射ノズル８へ向けて方向付けられた槽形の凹部１２は、ピストンクラウン１１．１に設けられ、「屋根稜線」１１．２の横方向にある両方の「屋根表面」を通って延びている。

図１は、均一運転の圧縮行程中におけるピストン１１の位置であって、ガス吸込み弁６が開かれて、ピストン１１の下降動作中に宙返り的な流れ（矢印参照）でもって排気側の屋根表面に沿って燃焼室内へ流れ込む外気流中へ、燃料が燃料噴射ノズル８により噴射された後における、ピストン１１の位置を示している。

均一運転（すなわち高負荷での運転）中に、扇形に広げられた噴射流１３が燃料噴射ノズル８を介して噴射される。ガス吸込み弁６が閉じられた後に、宙返り的な流れがピストンの上昇動作中にシリンダ給気（空気及び燃料）を案内し、それにより均一の燃料／空気の混合気が形成され、その後、その混合気の燃焼が点火装置１４により起こされる。樽形の輪郭を持つ槽形の凹部１２の効果はまた、以下により詳細に説明するように、このような運転モードで重要なものである。樽形の槽部により直接的に案内された燃料／空気の混合気に与えられる横方向の運動は、それがたとえ僅かであっても、改良された燃焼へとつながる、改良された準備（混合）をもたらす。特に、煤煙の形成がかなり減じられる。高比出力に必要とされる吸込みシステムの高い流量値には影響がない。

シリンダ室１．１内における宙返り的な流れの形成については、ガス吸込み口３に配置された制御可能な調整部材（ここでは図示しない）の配列構成によりさらに影響を与えることが可能である。調整部材の配置及び位置に依存して、より強い（層状給気運転のために調整部材が閉じられている）又はより弱い（均一運転のために調整部材が開かれている）宙返り的な流れがシリンダ室１．１内に生成される。制御可能な調整部材の効果は、少なくとも一つのガス吸込み口３内に、シリンダ軸５に対して横方向に向けられた仕切り壁（ガス吸込み口３を上側部分口及び下側部分口に分割するもの）を配列することにより、さらに増大させることが可能である。

図２は、シリンダ室１．１内におけるピストン１１の位置、及びいわゆる層状給気運転（すなわち無負荷から部分負荷までの運転）のための噴射の時点での流れの経路を示している。この場合、対応するノズル構造により扇形に広げられた燃料噴流１３は、燃料噴射ノズル８により、ガス交換弁６及び７が閉じた状態のシリンダ室内へ噴射される。吸込み行程により生成された宙返り的な流れは、ここでは、ピストン１１の上昇動作中に、ピストンクラウン１１．１の槽形の凹部１２により、ガス吸込み側へ向けて下り傾斜になっている槽形底部１２．１でもって援助され、その結果、シリンダカバーへ向けて差し向けられ且つ燃料噴流とぶつかる宙返り的な流れの上昇成分はまた、燃料噴射ノズルの口部の前方で、圧縮行程の終期へ向けて維持される。凹部１２の樽形の構造により引き起こされる宙返り的な流れの横方向効果は、少なくとも維持される。

この場合、燃料噴流１３は、実質的に凹部１２の底部に直接接触することなく、乱流的な空気流により捕捉され、その結果として、宙返り的な流れの中で点火可能な混合気を形成しながら、ガス吸込み弁６の側面により点火装置１４へ向けて偏向され、そして点火される。圧縮中の最後の噴射時期に関連した制御可能な給気動作が、局所的に限定された態様で燃料と空気とを前もって混合するために利用され、容易に点火可能な混合気として点火装置の近傍へ運ばれる。燃焼が起こされた後、給気の隣接した領域からの空気が、給気の動作に従った燃焼を援助する。

本発明によるピストンクラウンの構造が図３及び図４に示されている。ガス排気側（参照符号４で示されている）からガス吸込み側（参照符号３で示されている）へ向けて水平方向に対して約１２°の角度αで傾斜した槽形底部１２．１は、燃料噴射ノズル８に対向する側で上方へ急勾配で延びる壁区画１２．２で終わっている。その結果、宙返り的な流れは、燃料噴射ノズル８の口部へ到達する前に、図２の矢印により示されているように、上方へ急勾配で偏向される。

槽形の凹部１２は、図４に示されているような形状を持っている。この場合、平面的な表面を持つ、槽形底部１２．１への移行領域１５は、実質的に皿形の側壁１６と一緒に、実質的に樽形の輪郭（はじめにガス排気側４からその両側が広がっていき、それからガス吸込み側３へ向けて再び狭まる）を形成する。

樽形の凹部１２のうちガス排気側４に対向する端部領域１２．３は、ガス吸込み側に対向するとともに急勾配の壁区画１２．２により境界が定められた端部領域１２．４よりも広い。二つの側壁の上部境界輪郭は、図３に示されているように、平面視したときに実質的に円形であり、且つ、槽形の凹部の長手方向軸Ｌに関連して測定されたときに、その上部境界縁１２．５が直線状に延びている急勾配の壁区画１２．２に対して、約２５°の角度βで延びている。

上部境界輪郭の最大幅Ａは、境界縁１２．５に位置する槽部の端部領域の幅Ｂの１．８〜１．９倍であるとよい。

均一運転時の圧縮行程の始期における給気動作を示す、シリンダの垂直断面図。 層状給気運転時の、噴射がなされている状態にある、シリンダの垂直断面図。 ピストンの断面図。 一実施形態のピストンクラウンの平面図。

Claims (3)

1. ガス吸込み弁（６）付きの少なくとも二つのガス吸込み口（３）と、ガス排気弁（７）付きの少なくとも一つのガス排気口（４）と、シリンダ（１）ごとにある少なくとも一つの点火装置（１４）とを有するとともに、シリンダカバー（２．１）とピストン（１１）のクラウン（１１．１）とにより形成された燃焼室（１．１）を有し、前記ピストンはシリンダ（１）内で往復動形式で案内され、前記燃焼室内へは、前記ガス吸込み口が、シリンダヘッド平面（２．１）に関連して測定されたときに緩やかな角度で開口している、往復動内燃機関であって、一方のピストンクラウン（１１．１）及び他方のシリンダカバー（２．１）はその垂直断面が実質的に屋根形をしており、且つ、いずれの場合も、屋根表面の一つがガス吸込み弁（６）に関連付けられ、他の屋根表面がガス排気弁（７）に関連付けられており、且つ、シリンダカバー（２．１）の屋根表面の配向状態が、ピストンクラウン（１１．１）の屋根表面の配向状態に対応しており、且つ、ガス吸込み弁（６）の間にあるガス吸込み口（３）の入口領域の近くでシリンダ（１）内へ向けて開口した燃料噴射ノズル（８）を有しており、且つ、シリンダ軸（５）に関連して測定されたときの、燃料噴射ノズル（８）の噴流軸（９）の角度が、ガス吸込み口の角度よりも大きく、且つ、シリンダ軸（５）の近くにて、シリンダカバー（２．１）に配置された点火装置（１４）を有しており、且つ、ピストンクラウン（１１．１）に設けられるとともに槽形底部（１２．１）及び側壁（１６）により境界が定められた槽形の凹部（１２）であって、ピストンクラウン上の屋根稜線（１１．２）に交差するとともに両方の屋根表面の領域に亘って延びる槽形の凹部（１２）を有し、前記槽形底部（１２．１）は、燃料噴射ノズル（８）へ向けて傾けられるとともに、燃料噴射ノズル（８）に対向する側で上方へ急勾配で延びる壁区画（１２．２）で終わっており、且つ、槽形底部（１２．１）と側壁（１６）との間にある移行領域（１５）は、平面視したときに実質的に樽形の輪郭を有しており、その一方の端部が、上方へ急勾配で延びる壁区画（１２．２）により形成されている、往復動内燃機関。
2. 槽形底部（１２．１）が平面状の表面を有し、且つ、樽形の輪郭を画成する側壁（１６）が、皿形の形態で槽形底部（１２．１）に結合していることを特徴とする、請求項１に記載の往復動内燃機関。
3. 槽形の凹部（１２）のうち、ガス排気側（４）に対向する端部領域（１２．３）が、ガス吸込み側（３）に対向するとともに急勾配の壁区画（１２．２）により境界が定められた端部領域（１２．４）よりも広いことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の往復動内燃機関。

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