JP2008267387A - 自己着火内燃機関の燃焼室及び当該機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮点火装置を備えた内燃機関に関し、内燃機関において燃料は、先行噴射及び主噴射の形で、複数の噴射口を備えた噴射ノズルによって、作動室に直接噴射され、この先行噴射は計時された方法で行われる場合に、燃焼室の壁面の湿潤を最小限にする。
【解決手段】噴射ノズル１３は、燃焼室内シリンダーヘッド１０のシリンダ中央軸領域に配置され、ピストン凹部６は、燃焼室内のピストンヘッド７に配置される。突出部は前記ピストン凹部のほぼ中央に配置される。噴射ノズルのニードル弁の引き上げは、噴射燃料ジェットの射程を制限できるように調節される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載の内燃ピストン機関、特にディーゼル内燃機関、の燃焼室、及び、当該内燃ピストン機関を制御する方法に関する。

自己着火を利用する現代の内燃機関では、燃料は燃焼室に直接噴射される。このタイプの燃焼の場合、不均質な方法で燃焼が行われるために、実質的に定比の燃料／空気混合気が存在する局部的部分が必然的に生じる。これらの部分では、燃焼温度が高温となり、高熱一酸化窒素生成をもたらす。一方、別の部分では、燃料が豊富で煤煙が形成される部分も生じる。良好な乱流混合と余分な空気があると、形成された煤煙の一部は再酸化され、煤煙がでない完全燃焼は達成されない。

特許文献１は、平均的及び比較的高い負荷を得るための運転の均質／不均質混合方法を提案し、開示している。この方法では、目的は、ある燃料噴射方式が使用され、圧縮行程における早期の均質混合気形成と、これに続く上死点位置周辺での不均質混合気形成との、両方を可能にする。この際、燃焼室の冷たい壁面に燃料が堆積するのを防ぐために、均質混合気形成の場合には不均質混合気形成の場合より低い噴射圧で燃料噴射が行われる。

しかし、上記提案された対策にも関わらず、燃料の一部は燃焼室の壁面上に移転し、その大部分は、均質燃焼では利用されず、炭化水素及び一酸化炭素排出量の増加を招くことがある。したがって、燃焼室の壁面に対するこれ以上の燃料による湿潤を防ぐために、さらなる対策が講じられる。

独国特許出願公開第 １９９５３９３２ Ａ１号明細書

本発明は、自己着火を備えた内燃機関のための、燃焼室の壁面上への燃料の堆積を回避する方法及びその方法に使用する燃焼室を提供することを目的とする。この目的は、本発明にしたがい請求項１の特徴によって達成される。さらに、自己着火内燃機関が、排気作用と燃料消費に関して改善される燃焼室デザインを提供することも本発明の目的である。

更なる改良点は、従属請求項に明らかになるであろう。

本発明による方法によると、燃料は、ニードル弁と複数の噴射口を有する噴射ノズルを備えたインジェクターによって、燃焼室内に直接噴射される。一サイクルに使われる燃料の一部は、内燃機関の圧縮行程で使われ、一定の範囲に対して燃料噴射（ジェット）の形で複数回に分割されて部分量の計時先行噴射となり、残りの燃料はその後主噴射として噴射される。本発明によると、燃料は、主噴射中は先行噴射中より高い圧力で燃料が燃焼室内へ噴射される。

本発明によると、先行噴射は、噴射される部分量各々について、燃焼室内の燃料ジェットの範囲が制限されるように計時される。その範囲は、燃焼室内での噴射燃料ジェットの分散は強化されるように燃焼室の境界までの距離よりいくらか短くする。個々の噴射サイクルは、先行噴射中、ジェットパルスがその都度個々の噴射に一致するよう構成される。また個々の場合の燃焼室内のガス密度を考慮すると、燃料ジェットの範囲は、燃焼室側のシリンダ壁面、またはピストンヘッドまでと、ほぼ同じ距離となる。したがって、壁面への燃料の堆積は回避される。噴射ジェットパルス及び部分噴射量は、パルス所要時間によって制御され、それと合わせてニードル弁座内の流入燃料の絞りを特定利用して制御し、その結果として、強化された霧化の影響で噴射燃料ジェットは分散する。その結果、噴射部分量について最良の可能な混合気均質化が起こり、同時にシリンダ壁面上への燃料の著しい堆積は回避される。

より高い圧力とは、すなわち、燃焼の不均質分にとって、有効な従来の噴射に対する要件が満たされることを意味する。つまりここで重要なのは、高ジェットパルス、集中的ジェット／壁面相互作用、及び可能な限りの空気と乱流混合の利用だからである。

本発明の１つの実施形態によると、噴射ノズルのニードル弁の往復運動は、計時先行噴射中に変動する。この変動により、純粋な均質燃焼を伴う運転範囲がさらに拡大され得る結果、計時先行噴射中における燃料の特定噴射が可能になる。さらに、ニードルストロークの変動により、燃焼室の壁面上への燃料粒子の蓄積を最小限に止められるので、高度な均質化が可能になる。その結果、ノッキング傾向をある程度軽減することができる。

本発明によると、噴射燃料の圧力は、計時先行噴射中も変更可能である。この場合、圧縮時に燃焼室で上昇する圧力を打ち消すため、噴射圧を引き上げることが好ましい。これにより、例えば、噴射ジェットが燃焼室内に浸透する深さを、計時先行噴射の間一定に保つことができる。

本発明の別の変化形態によると、先行噴射中のサイクル所要時間は、先行噴射する燃料の部分量が異なるように変化をつけられる。この場合、この時間の変動は、後で噴射される燃料の部分量の方が、それより前の燃料の部分量より多くなるように設計され得る。さらに、本発明によると、予め既に均質化されている混合気噴霧の極度な濃縮化に対抗するため、先行噴射燃料の最終の部分量は、先行噴射において先に発生した燃料の最大部分量に対して、減らすこともできる。

燃料をより多く霧化するため、本発明によると、噴射ノズルのニードル弁の往復運動は変動し、それによって不安定なキャビテーション流が噴射ノズルの噴射口に生成される。その結果、噴射ジェットの拡大と、それによってより適した燃料の分散が達成可能となる。

ニードル弁座における望ましい絞り動作の特定設定ならびに不安定なキャビテーション流のために、適切な構造的対策、例えば噴射バルブの二重ばね、又は圧電歪による若しくは磁気歪による活性化、といった対策を使用し、完全閉鎖位置と完全開口位置との間にある往復運動位置にニードル弁を保つのを支援することができる。この場合、ニードル弁座内の有効流断面、すなわちニードル弁とニードル弁座との間は、噴射口の合計の有効流断面の約０．４〜１．５倍であることが望ましい。

圧縮往復運動時に得られる、燃料の先行噴射分の混合気形成によって、燃焼中の大量の過剰な空気と共に、著しい熱一酸化窒素生成と煤煙の生成とが回避されるが、これは燃料が広い面積に渡って燃焼室全体を覆って微細に分散されるからである。これに合わせて後に行われる主噴射では、燃焼の不均質段階での熱一酸化窒素生成は著しく軽減されるが、これは先行する燃焼の均質分によって酸素の濃度が既に著しく低下しているからである。集中的、乱流給気運動は、好ましくは噴射によって誘発され、この運動は高噴射圧によって支援される。

圧縮往復運動における燃料の先行噴射分の最適な均質化は、計時先行噴射によって達成され、結果として最初に燃焼室に噴射燃料ジェットが気化し、その後すぐ次のジェット流の前に空気と混合する。圧縮の増加に伴い、燃焼室の圧力も同様に増加するので、後続の計時動作の際により多くの燃料が追加される。

この場合、その後燃料ジェットの形で発生する部分量は、燃焼室で増加した圧力によって、燃焼室の壁面または燃焼室の境界域への移転が妨げられる。したがって計時動作中、後続の部分量において燃料噴射量の増加は可能となり、これは燃料噴射圧における圧力増加によって、又はニードルストロークの拡大によってもたらされる。

サイクル所要時間の拡大は、挿入される燃料の量を増加させる。上記対策の２つ若しくは３つを同時に組み合わせることも考えられる。

最終計時動作の際の部分噴射量の減少は、均質化された混合気が主噴射の発生前に早まって着火するのを防ぐためにはおそらく有利と思われる。さらに、計時先行噴射中の最終部分量の減少は、予め均質化された混合気噴霧の過剰濃縮を回避することができる。

先行噴射先行噴射中の均質化率を上げるために、燃焼室内では渦巻き運動が、例えば渦巻き吸気ポートによって、生成される。ここでの目的は、噴射燃料ジェットの燃料雲を、相殺する又は横方向に位置を換える若しくは移動することで、この噴霧は噴射サイクルの際に、後続の噴射サイクル中に、新規の噴射燃料ジェットが先行する燃料ジェットの燃料雲に貫通しないように生成される。

１つの特に有利な実施形態によると、燃焼の均質分のための先行噴射は、上死点位置前約１５０〜３０°ＫＷ（KW:
Kurbelwinkel（独語）、クランク角）の圧縮行程範囲において、２〜７回発生する計時と共に行われる。計時動作の回数及び初回部分量の噴射時間は、負荷の関数として変動し得る。

これと対照に、主噴射は、燃焼の不均質分用として、上死点位置周辺範囲でブロック噴射として、あるいは異なる噴射特性によって実施され、結果として、燃料の噴射量の流れは、噴射ジェット用に高パルスを得るため、主噴射の所要時間の長さの範囲内で変動する。異なる流れを伴う主噴射は、圧力調節及び／又はニードル弁の往復運動の変動によって得ることができる。有効で不均質な燃焼に対する要件を満たすために、噴射圧は、例えば圧力調節可能なインジェクターによって、最大レベル、例えば１８００〜２４００バール、に引き上げるのが好ましい。煤煙をさらに削減するために、適切であれば、ブロック噴射の際ニードル弁が閉じた直後に短い後噴射を続けることができる。先行噴射と主噴射の両方について、同じ燃料圧力で行うことも考えられる。例えば、コモンレールシステムにおいて、１０００〜１４００バールの圧力レベルで広がることができる。

もう一つの方法として、後噴射は主噴射の一部となる。最適な燃焼を得るため、主噴射及び、適切な場合には、後噴射が、上死点位置の前１０°ＫＷから上死点位置の後４０°ＫＷの範囲の上死点位置周辺の負荷の関数として連続して行われ、後噴射中のニードル開口時間は、主噴射のニードル開口時間より少なく設定される。また、燃焼には関与せず、下流に結合された処理システムの後に排気を再生成するためだけに役に立つ、遅い後噴射を行うことも随意に可能である。

特定の方法で燃料ジェットと混合気形成の有利な波及を使用可能にする本発明による方法において、１つの噴射方式を提案する。均質及び不均質の両方を組み合わせた燃焼が得られる。この場合、多穴式ノズルが使用される。噴射圧は、圧力調節が可能な適切な噴射システムによって、適合されるのが好ましい。この場合、圧力調節を備えたニードルストローク制御噴射システムが使用できる。

付加的後噴射を設計するためのさらなる要件は、おそらく可能な排気後処理対策の要件から生じる。

本発明による方法を実行するために、シリンダーヘッド内に、内側に開口したニードル弁を備え且つシリンダ中央軸領域に配置された噴射ノズルを有し、さらにピストンヘッドに中央に配置された圧縮突起を有するピストン凹部を備えたピストンを有する、燃焼室が提案される。

本発明によると、噴射ノズルのニードル弁の往復運動は、噴射ノズル内において、ニードル弁とニードル弁座との間の有効流断面が、噴射口全ての合計の有効流断面の約０．４〜１．５倍となるように設定される。

本発明の好ましい実施形態によると、ピストン凹部は、ピストンヘッド（ピストンで最も高い部分）から、初めは小さい湾曲を有し、そして凹部の最も深い領域から、ピストン凹部突起に至るより大きい湾曲を有する平坦な受け入れ口を備えている。ピストンヘッドとピストン凹部との間の変わり目は、丸みを帯びたデザインである。ピストン凹部突起は、先端が丸みを帯び尖っていない円錐形を有する。

本発明によると、計時先行噴射中の燃焼室の壁面の湿潤は、シリンダ中央軸領域に配置された噴射ノズルが燃料を制限された射程の燃料ジェットの形で噴射する方法で、また噴射ジェットがピストンヘッドに配置されたピストン凹部を著しく濡らすことのないような方法で、回避される。

ピストン凹部は、基本形状としてはほぼ皿状のデザインで、ピストン凹部の中央から噴射ノズルの方向に延びる突起を備えている。皿状の基本形状とはすなわち、ピストン凹部内には、ピストン素材に表面上に狭い半径あるいは断面的に急な立ち上がりがなく、結果として、内燃機関の運転中、燃料の液滴が凹部に落ちた場合、急速に気化する。

凹部の深さはピストンの外周部に向って次第に浅くなるので、ピストンヘッドへの変わり目において、如何なる形の鋭い変わり目もない平坦な受け入れ口が提供され、燃料の蓄積を防ぐ。

本発明は、燃焼室の形状及び、噴霧円錐角を９０〜１６０°に設定可能な噴射ノズルの構成により、早い時点で行われる先行噴射中、増加した均質化を行い、シリンダ壁面上への燃料の堆積の大幅な削減を可能にする。同時に、燃焼室の幾何学的形状は、主噴射の際の不均質混合気形成にとって非常に有利な効果を有し、その結果として、従来の多穴式ノズルを使用しての稼動サイクル内でも、均質／不均質混合運転は容易に実現可能である。

本発明によると、ニードル弁往復運動は開口方向に調節可能であり、結果として、ニードル弁往復運動は、計時先行噴射の間、様々な方法に設定できる。ストロークは、代わりに、負荷の関数として設定することもできる。その結果、計時先行噴射中使用される噴射量は変動する。さらに、ストロークの調整は、噴射ノズルの噴射口内に生成される不安定なキャビテーション流を引き起こす。

内燃機関のシリンダーヘッドのほぼ中心に配置された少なくとも１つの噴射ノズルは、燃料の噴射を目的としている。これは、一般には従来型のコスト的に優れた、シート穴型、小型止り穴型、あるいは止り穴型などのホール型ノズルが考えられる。

本発明の１つの好ましい実施形態によると、噴射ノズルは６〜１４の噴射口を有し、それらは１列又は２列の穴として円周上に配分されている。分散は均一に行うことができる。噴射口は、ノズルの軸に対し各々４５〜８０°の角度で傾いている。噴霧円錐角は、約９０〜１６０°である。

さらなる利点は、以下の図面の説明から明らかである。本発明の好適な実施形態を図面にて説明する。明細書と請求項は数多くの特徴を組み合わせて含んでいる。当業者であれば、便宜上、特徴を個別に考慮し、またそれらを組み合わせて意義のある別の組み合わせにすることができるであろう。

図１は内燃ピストン機関全体の概要断面図である。図２は、５回計時され、一定の噴射圧でサイクル所要時間を増加しながらニードルストロークを増大させていく先行噴射と、後噴射を伴う増加した噴射圧での主噴射と、を備えた燃料噴射特性のダイヤグラムである。図３は、５回計時され、サイクル所要時間は同じ状態のまま、一定のニードルストロークで先行噴射中に噴射圧を増加させる先行噴射と、後噴射を伴う増加した噴射圧での主噴射と、を備えた燃料噴射特性のダイヤグラムである。図４は、４回計時され、一定の噴射圧でサイクル所要時間を増加させていく先行噴射と、後噴射を伴う増加した噴射圧での主噴射と、を備えた燃料噴射特性のダイヤグラムである。図５は、多穴式ノズルのノズル穴内での不安定なキャビテーション流の効果を示す概要図である。図６は、噴射ノズル及びピストン凹部が先行噴射中の配置にある燃焼室の断面図である。図７が、噴射ノズル及びピストン凹部が主噴射中の配置にある燃焼室の断面図である

図１は内燃ピストン機関１を示し、その内部では、クランクシャフト２がシリンダ９内に誘導されるピストン５によってコンロッド４を介して動かされる。ピストンヘッド７に配置されたピストン凹部６を含む燃焼室８は、シリンダ９内のピストン５とシリンダーヘッド１０との間に形成される。

クランクシャフト２のクランク３がクランク円周１１で時計周りに回転するとき、燃焼室８は縮小し、そこに密閉された空気は圧縮される。燃焼室８の吸気サイクルは、シリンダーヘッド１０の吸気バルブ及び吸気インテーク（どちらも図示せず）を介して行われる。クランク３が上死点位置１２に到達すると、圧縮は終点に到達し、燃焼室８の容積は最小となり、圧縮圧と圧縮温度は最大値に到達する。シリンダーヘッド１０に対するピストン５の現在位置は、上死点位置１２に対するクランク角Φによって決定される。

多穴式噴射ノズル１３はシリンダーヘッド１０の中心に配置される。噴射ノズル１３は、エンジン制御装置である電気制御装置１６によって、信号ライン１５及び作動装置１４、例えばピエゾアクチュエータ、を介して作動する。噴射ノズルから発生する噴射ジェットは、１７で示す。

燃料は、複数の圧力段階で噴射ポンプ１８によって、また遮断弁２０、適切には電気的に作動可能な電磁弁で燃料配管１９におけるそれぞれの最大圧力を制限することで、利用可能となる。

内燃ピストン機関１のための燃料噴射方式の第１の実施形態を図２に示す。このダイヤグラムは、一定噴射圧Ｐ_１、例えば５００バールで、サイクル所要時間を増加させつつ５回計時先行噴射ＶＥを伴う、均質／不均質混合運転の燃料噴射特性を表している。さらに、図２は、主噴射ＨＥ中に設定された最大ニードルストロークニードルストロークｈを伴う、増加した噴射圧Ｐ_２での主噴射ＨＥ及び後噴射ＮＥを表している。

図２に示す噴射方式によると、まず噴射圧Ｐ_１で、計時先行噴射ＶＥが、内燃ピストン機関１の圧縮行程において上死点前８０°ＫＷから約３５°ＫＷのクランク角範囲内で行われる。計時先行噴射ＶＥは、各計時動作ごとに、異なるニードルストロークｈが設定されるよう行われる。先行噴射ＶＥの特定の計時は、噴射部分量の均質化をもたらす。ニードルストロークが増加する設定が好ましい。主噴射と後噴射は、より高い噴射圧Ｐ_２で、上死点と上死点後約３０°ＫＷとの間領域内で相次いで行われる。主噴射ＨＥ中は、先行噴射ＶＥより高いニードルストロークｈが設定され、後噴射ＮＥ中のニードル開口時間は、主噴射ＨＥのニードル開口時間より少なく設定される。

図３は、内燃ピストン機関１用の代替の噴射方式を示すダイヤグラム図である。これは均質／不均質混合運転が行われる燃料噴射特性を示しており、均質化のために５回計時されサイクル所要時間は同じままで噴射圧は先行噴射ＶＥ中に増加する先行噴射ＶＥを伴い、増加した噴射圧Ｐ_２で最大に設定されたニードルストロークｈを伴う主噴射ＨＥと、後噴射ＮＥとを伴う。

図３による計時先行噴射ＶＥは、圧縮行程において上死点前約８０°ＫＷから約３５°ＫＷのクランク角範囲内で行われる。計時先行噴射ＶＥは、各計時動作ごとに、噴射圧が増加し、すなわち、先行噴射ＶＥ中は後続の噴射におけるものより低い圧力が燃料配管、例えばコモンレール噴射システム、早期噴射を伴う配管、に広がり、ニードルストロークｈは計時先行噴射ＶＥ中は同じ状態に保たれる。主噴射と後噴射は、より高い噴射圧Ｐ_２で上死点位置と上死点後約３０°ＫＷとの間の範囲内で引き続いて行われる。主噴射ＨＥ中は、先行噴射ＶＥより高いニードルストロークｈが設定され、後噴射ＮＥ中のニードル開口時間は、主噴射ＨＥのニードル開口時間より少なく設定される。

１つの特に有利な噴射方式は、図４による噴射特性によってもたらされる。ここでは一定の噴射圧で増加するサイクル所要時間による４回の計時先行噴射を伴う均質／不均質混合運転が提示されており、ニードル弁１３ａはより低いストローク位置のままである。さらに、増加した噴射圧Ｐ_２と最大に設定されたニードルストロークｈでの主噴射ＨＥ、及び後噴射ＮＥとがもたらされる。

計時先行噴射ＶＥは、圧縮行程において上死点前８０°ＫＷから約３５°ＫＷのクランク角範囲内で行われる。この先行噴射は、各計時動作ごとに、噴射圧Ｐ_１が一定となるよう行われる。ニードルストロークｈは、計時先行噴射ＶＥ中は同様に一定に保たれる。主噴射と後噴射は、より高い噴射圧Ｐ_２で上死点位置と上死点後約３５°ＫＷとの間の範囲内で引き続いて行われる。主噴射ＨＥ中は、先行噴射ＶＥより高いニードルストロークｈが設定され、後噴射ＮＥ中のニードル開口時間は、主噴射ＨＥのニードル開口時間より少なく設定される。

図２、３、４による上記の噴射方式における低い噴射圧Ｐ_１は、計時先行噴射ＶＥが均質混合気形成をもたらすように選択され、この均質混合気形成において、噴射された燃料は、燃焼室８の境界域に問題のない程度に蓄積する。

上述の噴射方式では、上死点位置領域における燃料の主噴射ＨＥは、不均質混合気形成に役立ち、均質分によって得られる負荷を超える負荷の増加を可能にする。主噴射ＨＥ時には、均質分の冷炎燃焼は燃焼停止し、高温炎燃焼が起こる。主噴射は、主燃焼で得られる温度レベルが増加ＮＯ_ｘ形成（ゼルドビッチ・メカニズム（Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ））の領域にならないように設計される。後噴射は、生成される煤煙粒子の削減に役立つが、これは後噴射量による主噴射量の減少が燃料豊富域の形成の予防を可能にするからである。

図５は、止り穴型ノズルタイプである噴射ノズル１３の概要図で、この場合シート穴型ノズルタイプのノズルは丁度適正となる。図５による噴射ノズル１３では、ニードル弁１３ａの小さいニードルストロークｈを伴う、すなわち、部分的に開口した噴射ノズル１３のノズル穴２１で起こる不安定なキャビテーション流の効果と、噴射ジェット１７の波及角上に結果として起こる作用が図示されている。

図５の右側では、ニードル弁座２２が絞られた結果、噴射ノズル１３は部分的にのみ開口している。この絞りは、噴射ジェット１７を波及角度α_１にするノズル穴２１内に、不安定なキャビテーション流を引き起こす。図５の左側に図示される最大往復運動設定の噴射ノズルと比較して、不安定なキャビテーション流による波及角度α_１は、このような流れを伴わずにもたらされる波及角度α_２より大きい。不安定なキャビテーション流は、ノズル内の内部流２３に急激な変動を起こし、こうした変動は、ノズル穴２１から燃料が出るとき、燃料ジェットの強化された分散を引き起こし、それによってより大きい波及角度α_１がもたらされる。

波及角度α_１の燃料ジェットは、集中的霧化で燃焼室内に波及し、それによってより良い均質化と急速な燃料の気化がもたらされ、その結果としてより多くの燃料を、燃焼室の壁面を著しく湿らせることなく、先行噴射ＶＥの部分量で噴射することができる。

対照的に、図５の左側による最大往復運動設定を有する噴射ノズル１３では、安定したキャビテーション流が形成される。左側のノズル穴２１の内部では、この流れは通常の燃料分散をもたらす二段階流２４を生み出す。部分的に開口した噴射ノズルと比較して、安定したキャビテーション流による波及角度α_２は、波及角度α_１より小さい。

図６は、計時先行噴射の際の燃焼室８における噴射ノズル１３及びピストン５の配置を示す。ピストン５は、先行噴射ＶＥ中、ピストンが噴射ノズル１３に対して、燃料円錐角αが９０〜１６０°の範囲になるよう、内燃ピストン機関１内に位置する。

ピストン凹部６はピストンヘッド７にはめ込まれている。ピストン凹部６は皿状のデザインで、ピストン凹部先端６ａとしてピストン凹部の中央に位置する突起を備えている。ピストン凹部先端６ａは凹部底面６ｂに縁取られている。ピストン凹部先端６ａは、噴射ノズル１３の方向に突出している。

終端部では、ピストン凹部６は、ピストンヘッド７への変わり目として、好ましくは３〜７ｍｍの半径Ｒ１を有する。凹部底６ｂの外側部分は、約４５ｍｍの球面半径Ｒ２を有するよう設計される。ピストン凹部先端６ａからピストン凹部底６ｂまでの変わり目は、約２０ｍｍの半径Ｒ３の湾曲を有する。

ピストン凹部先端６ａは、噴射ノズル１３のほぼ向かい側に位置する。ピストン凹部６の深さは、ピストン凹部６の端部からピストン凹部底６ｂまでは増加する。ピストン凹部先端６ａは、大体ピストンヘッド７より下に収まるように、噴射ノズル１３に対して延びている。ピストン凹部先端６ａの上限とピストンヘッドとの間の距離ｄ１は約６ｍｍで、ｄ１は４〜８ｍｍで好ましい形成が可能である。凹部底の深さｄ２は、約１８ｍｍである。ピストン凹部６の端部領域では、凹部の皿状の基本形状は、燃料の蓄積を避けるため、ピストンヘッドに向って丸みを帯びた変わり目を有する。

ピストン凹部先端６ａは、９０〜１３０°の範囲の凹部円錐角βを有する円錐デザインであって、約５ｍｍの半径Ｒ４の丸みを帯びた先端を備えて設計されている。燃料円錐角αとピストン凹部先端６ａの位置とは、燃料ジェットの広がりがピストン凹部先端６ａによって遮られないように相互に位置する。これにより、燃料ジェットはピストン凹部６の領域に確実に接する。

図７は、ピストン凹部先端６ａが燃焼の不均質分にとって非常に有利であることを示す主噴射ＨＥの際の燃焼室８の噴射ノズル１３及びピストン５の配置を示す。ピストン５は、上死点付近の領域で、噴射燃料ジェットがピストン凹部６内に分布し、且つ凹部底６ｂに沿って最適に点火されるような位置に置かれる。

上死点領域の燃料の主噴射ＨＥは、不均質混合気形成をもたらし、均質分の冷炎燃焼が主噴射ＨＥの時点では遮断され、高温炎が起こされる。燃料の先行噴射量の混合気形成は、圧縮往復運動で得られ、多くの過剰な空気を伴う燃焼の間、著しい熱一酸化窒素生成と煤煙の形成を回避するが、これは燃料が燃焼室全体の広い面積に渡り微細に分散されるからである。ピストン凹部の形状は、主噴射ＨＥにおいて非常に有利な効果を有し、結果として燃焼の不均質段階における熱一酸化窒素生成は著しく削減されるが、これは酸素の濃度が先行する燃焼の均質分によって既に著しく低減され、集中的乱流吸気運動がピストン凹部によってさらに支援されるからである。

本発明は、圧縮点火を備えた内燃機関に基づいており、この内燃機関において、燃料は、複数の噴射口を有するノズル１３によって、先行噴射及び主噴射として、燃焼室８に直接噴射され、この先行噴射ＶＥは計時された方法で行われる。燃焼室の壁面の湿潤を最小限にするため、噴射ノズル１３はシリンダーヘッド１０のシリンダ中央軸領域に配置され、ピストン凹部６はピストンヘッド７に配置され、ピストン凹部６のほぼ中央に位置するピストン凹部突起を備え、噴射ノズル１３のニードル弁の往復運動は、噴射燃料ジェットの射程が制限されるよう設定されている、燃焼室８が提案されている。

内燃ピストン機関全体の概要断面図。 ニードルストローク本実施形態の燃料噴射特性のダイヤグラム。 ニードルストローク別の実施形態の燃料噴射特性のダイヤグラム。 さらに別の実施形態の燃料噴射特性のダイヤグラム。 多穴式ノズルのノズル穴内での不安定なキャビテーション流の効果を示す概要図。 噴射ノズル及びピストン凹部が先行噴射中の配置にある燃焼室の断面図。 噴射ノズル及びピストン凹部が主噴射中の配置にある燃焼室の断面図。

Claims (14)

1. 自己着火内燃ピストン機関の燃焼室であって、
   燃料がニードル弁と噴射口を有する噴射ノズルによって複数回の一定範囲の燃料ジェットとして直接燃焼室に噴射され、前記噴射される燃料の一部は圧縮サイクル中に複数回の計時先行噴射として部分量が各々噴射され、残りの前記燃料はその後前記先行噴射中より高い噴射圧で前記燃焼室に主噴射として噴射され、
   前記燃焼室内の前記燃料ジェットの前記範囲は、前記計時先行噴射の各部分量に関して、前記範囲が前記燃焼室の境界までの距離よりいくらか短くなる程度の効力に制限され、前記噴射燃料ジェットの分散を強化するよう、前記先行噴射が計時され、
   前記燃焼室は、シリンダ及びピストンに囲まれており、前記噴射ノズルは、前記シリンダの中央軸領域に配置されており、前記ピストンは前記噴射ノズルに対向するピストンヘッドを有し、そのピストンヘッドは皿状のデザインで中央に突起を備えた凹部が形成されることを特徴とする自己着火内燃ピストン機関の燃焼室。
2. 内側に開口したニードル弁と複数の噴射口とを備えた噴射ノズルと、少なくとも１つの排気弁と、少なくとも１つの吸気弁と、を有する燃焼室であって、
   前記噴射ノズル内において、前記ニードル弁と前記ニードル弁座との間の有効流断面が、前記噴射口全ての合計の有効流断面の約０．４〜１．５倍となるように、前記噴射ノズルの前記ニードル弁の前記往復運動が設定されて噴射されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼室。
3. 前記ピストン凹部が備えた突起は、前記ピストン凹部の中央から対向する前記噴射ノズルの方向に延びることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃焼室。
4. 前記ピストン凹部は、前記ピストンヘッドから、初めは平坦な小さい湾曲を有し、凹部の最も深い領域から、前記ピストン凹部突起に到達するより大きい湾曲を有する受け入れ口を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼室。
5. 前記ピストンヘッドと前記ピストン凹部との間に形成される変わり目は、丸みを帯びたデザインであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼室。
6. 前記ピストン凹部突起は、先端が丸みを帯び尖っていない円錐形を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃焼室。
7. 前記ピストン凹部突起は、９０〜１４０°の範囲の円錐角を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃焼室。
8. 前記噴射ノズルの前記ニードル弁の往復運動は、前記計時先行噴射中に変動することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。
9. 前記噴射燃料の前記圧力は、前記計時先行噴射中に引き上げられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。
10. 前記先行噴射中のサイクル所要時間が変動し、前記先行噴射の燃料の前記部分量が異なることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。
11. 前記先行噴射の前記サイクル所要時間が変動し、それによって後で噴射された燃料の部分量がそれ以前の燃料の部分量より多くなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。
12. 前記先行噴射の燃料の最終部分量は、前記先行噴射において先行して発生した燃料の最大部分量に比べて減量されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。
13. 前記噴射ノズルの前記ニードル弁の往復運動は、前記燃焼室における前記燃料の霧化が増大した結果、前記噴射ノズルの前記噴射口において不安定なキャビテーション流が生成されるように変動することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。
14. 燃料ジェットの燃料雲は、噴射サイクル中に生成され、前記燃焼室内で形成される渦巻き運動によって前記先行噴射中に相殺される、あるいは横向きに位置を換えられるので、後続の噴射サイクル中、新規噴射燃料ジェットは前記先行する噴射サイクルの前記燃料雲には浸透しないことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃焼室を有する自己着火内燃ピストン機関を操作する方法。

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