JP2008519200A - 直接噴射方式の内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、ピストン（３）とシリンダヘッド（５）との間に燃焼チャンバ（４）が形成される少なくとも１つのシリンダ（２）と、燃焼チャンバ（４）の内側に配置される点火プラグ（７）と、シリンダヘッド（５）の内側に配置され、燃料を中空の円錐体（８）の形で燃焼チャンバ（４）内に噴射する外向きに開口した噴射ノズル（１１）とを備えた内燃機関（１）に関する。点火プラグ（７）は、噴射ノズル（１１）によって生成される燃料の中空円錐体（８）の側表面（９）の外側に配置され、噴射された燃料の噴射の側表面（９）から燃料の境界渦（１０）が形成され、点火プラグ（７）の電極（１２）がその境界渦（１０）の中に突き出る。本発明による内燃機関（１）は、シリンダ（２）内にシリンダ内径（２ａ）が設けられ、このシリンダ内径（２ａ）は直径（Ｄ）を有し、この直径（Ｄ）の寸法は、内燃機関（１）の点火の瞬間において、燃料境界渦（１０）の平均直径（ｄｍＲ）と内径直径（Ｄ）との比（ｄｍＲ／Ｄ）が、０．０８〜０．２の範囲内、特に０．１〜０．１２の範囲内になるように定められる、ことを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の直接噴射方式の火花点火内燃機関に関する。

火花点火内燃機関を、直接噴射装置を用いて運転する場合には、特定の燃料噴射パターンを形成することによって、排出物質形成を低く抑えた状態で改善された燃焼ができるように考えられた噴射ノズルが用いられる。特に、噴射制御に基づく燃焼においては、最適な燃料噴射を実現するために、外向きに開口する噴射ノズルが用いられる。この場合、このような噴射ノズルによって生成される噴射パターンが、形成された混合気の着火特性に決定的な役割を果たす。運転中、ほぼ一定の噴射パターンが常に確保されるわけではないので、失火を避けるためには、燃焼空間の形態の設計が特に重要である。これは、噴射ノズルが許容公差内で製造されているにもかかわらず、エンジンの運転中に、理想的な噴射パターンから僅かに逸脱した噴射パターンが生じることに起因する。

本発明の目的は、燃焼空間における混合気の形成及び燃焼が改善された直接噴射式の火花点火内燃機関を提供することにある。この目的は、本発明に従って、請求項１の特徴を備えた装置を用いることによって実現される。

本発明による内燃機関は、内燃機関の点火時点において、燃料境界渦の平均直径とシリンダ内径（直径）との比が、０．０８〜０．２の範囲内、特に０．１〜０．１２の範囲内になるような寸法の直径を有するシリンダ内径とすることを特徴とする。本発明が提供する寸法又は比によって、内燃機関の運転時に、シリンダ内径に適応した燃料噴射構造又は燃料分布が得られ、それによって、点火プラグの電極近傍における点火可能な混合気の形成が強化され、失火のない確実な点火が可能になる。本発明による比において達成される特有の効果は、主として、シリンダ内径との関係において必要な境界渦内の燃料粒子の分布間の好ましい適合によるものである。

本発明の発展形態においては、点火時点において、境界渦の平均直径と境界渦の中心距離との比が、０．２５〜１．５の範囲内、好ましくは０．５〜１．１の範囲内にある。これによって、渦の境界領域内部における燃料のきわめて急速な伝播と、従って燃料及び空気の急速な混合とがもたらされる。

本発明のさらに別の改良形態によれば、点火時点において、中空の燃料円錐体がドーナツ形の渦の直径を有し、このドーナツ形の渦の直径とシリンダ内径（直径）との比が、０．２〜０．４の範囲内、又は０．２５〜０．３５の範囲内にある。これによって、噴射された燃料量が中空円錐体内部に一様に分布され、燃料の燃焼空気との混合が強化される。

本発明のさらに別の改良形態においては、中空の燃料円錐体が燃料雲の最大直径を有し、点火時点において、その最大直径とシリンダ内径（直径）との比が、０．３５〜０．６５の範囲内、又は０．４５〜０．５５の範囲内にある。本発明によれば、この提案範囲内において、シリンダ内径（直径）に適合した流れの状態が生起し、境界渦の領域において、燃料液滴の燃焼空気との急速かつ十分な混合を得ることが可能になる。

本発明のさらに別の改良形態においては、ピストンに窪み直径を有する窪みが設けられ、点火時点において、燃料雲の最大直径とその窪みの直径との比が、０．５〜１．５の間、又は０．８〜１．２の間にある。これによって、中空の燃料円錐体とピストン表面との間の乱流運動が実現され、圧縮行程における燃料噴射の間に燃料／空気の密集混合気が生成されるので混合気が境界領域において希薄化せず、従って排気ガスの排出量が増大しない。

本発明のさらに別の改良形態においては、点火時点において、中空の燃料円錐体の最大進入深さとシリンダ内径（直径）との比が、０．１〜０．５の範囲内、又は０．２〜０．３の範囲内にある。これによって、燃料粒子が確実に中空円錐体に沿って一様に制御されながら導かれ、続いて、燃料が燃焼空気と直接的にさらによく混合することになる。さらに、中空円錐体の表層領域において旋回する燃料液滴に対する燃焼空気との十分な接触表面が、シリンダ内径（直径）との適合関係において有効になる。

さらなる特徴及び特徴の組み合わせが本明細書に見られるであろう。本発明の実際的な例示的実施形態を図面に簡潔な形で示しており、以下にこれを詳説する。

図１は、直接噴射装置を有する火花点火内燃機関１のシリンダ２を示す。このシリンダ２においては、ピストン３とシリンダヘッド５との間に燃焼空間４が形成される。内燃機関は、各燃焼空間４ごとに、少なくとも１つの吸気弁と、少なくとも１つの排気弁と、１つの燃料噴射器１４と、１つの点火プラグ７を備える。シリンダヘッド５には、吸気ダクト及び排気ダクトが設けられるが、図１においては１本の吸気ダクト１３のみが表されている。ピストン３にはピストンの窪み３ａを設けることが望ましい。シリンダ２は、直径Ｄのシリンダ内径２ａである。図１に示す内燃機関１は４ストローク原理で運転されるが、この内燃機関を、直接噴射を備えた火花点火式の２ストローク内燃機関にも同様に適用できる。

第１行程においては、吸気ダクト１３を通して燃焼空気が燃焼空間４に供給される。その間ピストン３は下死点まで下方に移動する。続く圧縮行程において、ピストン３は、下死点から上死点に向かって上方に動き、この圧縮行程の間に、内燃機関１の層状給気モードにおいて燃料が噴射される。上死点の領域では、形成された燃料／空気混合気が点火プラグ７によって点火され、その膨張によってピストン３が下死点まで下方に動く。最後の行程においては、ピストン３が上死点まで上方に動き、排気ガスを燃焼空間４から排出する。

本発明の例示的実施形態によれば、内燃機関１は、低速及び中速の回転速度範囲及び負荷範囲においては層状給気モードで運転され、高負荷範囲においては均質給気モードで操作されるように運転される。特に、層状給気モードにおいては、周知のように噴射制御に基づく燃焼方法が実行される。層状給気モードにおいては、燃料の噴射は、燃焼空間における背圧が燃料噴射時点に８〜２０ｂａｒの間、好ましくは１０〜１６ｂａｒの間になる時点において、約１８０〜２２０ｂａｒの燃料噴射圧力で行われる。これは、本発明の例示的実施形態においては、上死点前のクランク角度４０°〜１０°の角度範囲に相当する。ここで示したこのクランク角度は、内燃機関の構造型式及び運転方法に応じて、さらに、本発明によって提案される背圧範囲又はシリンダ圧力範囲の負荷点に応じて、他のクランク角度範囲にすることもできる。

このような噴射制御に基づく燃焼方法においては、外向きに開口する噴射ノズル１１を使用して、それによって、角度αが７０°〜１００°、好ましくは８０°〜９０°の中空の燃料円錐体８を生成することが望ましい。中空の燃料円錐体８は燃焼空間４内の圧縮された燃焼空気に衝突するので、燃焼空間４内にドーナツ形の境界渦１０が形成され、点火可能な燃料／空気混合気が点火プラグ７の電極１２の領域内に出現する。点火プラグ７は、形成される境界渦１０の中に点火プラグ７の電極１２が突き出るように配置されるが、燃料噴射の間は、スパークギャップは燃料円錐体８の円周表面９の外側にある。このため、点火プラグ７の電極１２が燃料で濡れることはほとんどない。

点火プラグ７の電極１２の点火時点に優勢に存在する境界渦の領域に最適の点火条件を現出させるために、ほぼ一様な境界渦１０を形成することが必要である。すなわち、形成される境界渦１０は、点火可能な燃料／空気混合気が点火時点において電極の領域に存在するように、全領域にわたって一様な燃料分布を有するべきである。

本発明の狙いは、燃焼空間４に導入される中空の燃料円錐体８の噴射を、本発明による燃焼空間の形態によって、燃焼空間の条件、特にシリンダ内径２ａに適合させることにある。従って、本発明によって、燃料量が境界渦１０の表層領域に最適に分布し、同時に圧縮燃焼空気と激しく混合される。さらに、本発明が提案する燃焼空間の形態によって、電極領域における低燃料域の発生が防止され、失火の発生が回避される。

図２は、点火時点における燃焼空間４内の境界渦１０の形成を図解するために、燃焼空間の拡大図を図式的に示す。噴射ノズル１１から噴射される中空の燃料円錐体８は、燃焼空間４内の圧縮された燃焼用空気に衝突する。図２による燃料の噴射構造を表すために、本発明による噴射ノズル１１による噴射操作を、加圧した気体窒素を充満した圧力チャンバ内部において、エンジンの運転状態の下でガソリン燃料又はｎ−ヘプタンを噴射する間記録する。あるいは、圧力チャンバを空気で充満してもよい。燃料噴射の間に、図２に従って、噴射された中空円錐体８の円周表面上に境界渦１０が形成されるような噴射構造が生じる。噴射噴流又は中空円錐体８を透過光法又はバックライト法による光源によって照明すると、約１８０〜２２０ｂａｒ、特に２００ｂａｒの噴射圧力と、４〜８ｂａｒ、特に６ｂａｒの噴射チャンバ内絶対圧力とにおいて、点火時点に記録すると図２に示す噴射パターンが生じる。この状態は、本発明による内燃機関１の運転中に支配的に生じる噴射時点の燃焼空間の状態に合致する。光源を用いることによって、噴射噴流によってバックライト像がカメラで生成され、その像が、離散時点にカメラによって記録される。

有利な例示的実施形態によれば、内燃機関１は、低速及び中速の回転速度範囲及び負荷範囲においては層状給気モードで操作され、高速の回転速度範囲及び高負荷範囲においては均質給気モードで操作されるように運転される。本発明は、特に、２〜７リッター、好ましくは３〜６リッターの排気量を有する内燃機関に適する。さらに、シリンダの直径Ｄは８５ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましい。この場合、外向きに開口する噴射ノズル１１が用いられ、それによって、角度αが８０°〜９０°の中空の燃料円錐体８が生成される。層状給気モードにおいては、燃焼空間４内の背圧が燃料噴射時点において１０〜１６ｂａｒであれば、約１８０〜２２０ｂａｒの燃料噴射圧力の場合に、平均直径ｄｍＲの境界渦１０が形成される。本発明によれば、平均直径ｄｍＲは、楕円１０ａの最大径ｄＲ１及び最小径ｄＲ２から決定することができる。２つの直径及び境界渦１０共に、その境界が楕円１０ａによって形成される。平均直径ｄｍＲは２つの楕円直径のそれぞれ半分から構成される。平均直径ｄｍＲは、最大径及び最小径の和の半分に等しい。本発明によれば、内燃機関は、点火時点において、平均渦直径ｄｍＲとシリンダ内径直径Ｄとの比ｄｍＲ／Ｄが、０．０８〜０．２の範囲内、又は０．１〜０．１２の範囲内になるように設計される。この結果、境界渦１０において、シリンダ内径直径に適合した燃料分布が実現され、本発明によれば、これによって、電極の領域内に十分な量の点火可能な混合気を確保することが可能になる。

失火のない燃焼の観点から境界渦１０の形態をさらに最適化するために、燃料出口オリフィスと最大径ｄＲ１及び最小径ｄＲ２の交点との間の距離に相当する距離を、境界渦１０の中心距離ａＲとして定める。本発明によれば、点火時点において、平均直径ｄｍＲと境界渦の中心距離ａＲとの比ｄｍＲ／ａＲが、０．２５〜１．５の範囲内、好ましくは０．５〜１．１の範囲内にある。これによって、点火時点における確実な着火が保証される。

本発明によれば、点火時点において、中空の燃料円錐体８が、ドーナツ形又は円環状の渦１０の内部の円に相当するドーナツ形の渦の直径ｄＲを有する。この円は、境界渦の中心距離ａＲの位置の輪郭形状に合致する。内燃機関の運転中に最適の点火を実現するために、ドーナツ形の渦の直径ｄＲとシリンダ内径直径Ｄとの比ｄＲ／Ｄが、０．２〜０．４の範囲内、又は０．２５〜０．３５の範囲内にある。

さらに、電極１２の領域における点火可能な燃料／空気混合気の形成を確実にするために、燃料雲又は燃料噴射の最大直径ｄＳを、点火時点において、シリンダ内径直径Ｄの０．３５〜０．６５倍、又は０．４５〜０．５５倍とする。この最大直径ｄＳは、境界渦１０の最も外側の部分を取り囲むリングを包括する。本発明のさらに好ましい実施形態によれば、ピストンヘッドに設けられる窪み３ａが窪み直径ｄｍを有する。できる限り高い効率で有利な燃焼を実現するために、点火時点において、燃料雲又は燃料噴射の最大直径ｄＳは、窪み直径ｄｍの０．５〜１．５倍、又は０．８〜１．２倍になる。

本発明によれば、点火のさらなる最適化が、噴射噴流又は中空の燃料円錐体８の進入深さＥＳによって達成される。この進入深さは、燃焼空間の形態に従って調整される。進入深さＥＳは、燃料出口オリフィスと、点火時点における中空の燃料円錐体８の直下位置の水平面との間の垂直距離に相当する。本発明は、点火時点において、中空燃料円錐体８の最大進入深さＥＳとシリンダ内径直径Ｄとの比が、０．１〜０．５、又は０．２〜０．３になるような燃料噴射を提供する。この比の範囲内で確実な点火が生じることが示された。進入深さＥＳがシリンダ内径２ａに適合するので、燃料が、燃焼空間４内に存在する燃焼空気ときわめて急速に混合するように境界渦１０内に分布される。

以上述べた種々の比によって、でき得る限り最良の燃焼が可能になり、前記のドーナツ形の渦が確実に形成される。この場合、燃料粒子は渦１０の境界領域で高濃度化し、より多くの液滴が境界領域に滞留する。これによって、燃焼空気との接触表面積が増大し、一様な燃料分布を有する境界渦１０が形成される。

直接噴射火花点火内燃機関のシリンダの断面図を示す。 図１の直接噴射火花点火内燃機関の燃焼空間の拡大断面図を示す。

Claims (6)

1. ピストン（３）とシリンダヘッド（５）との間に燃焼空間（４）が形成される少なくとも１つのシリンダ（２）と、
   前記燃焼空間（４）内に配置される点火プラグ（７）と、
   前記シリンダヘッド（５）内に配置され、燃料を中空の円錐体（８）の形で前記燃焼空間（４）内に噴射する外向きに開口した噴射ノズル（１１）を有し、
   前記点火プラグ（７）は、前記噴射ノズルによって生成される前記中空燃料円錐体（８）の円周表面（９）の外側に配置され、
   前記噴射された燃料の噴射の円周表面（９）から燃料の境界渦（１０）が形成され、前記点火プラグ（７）の電極（１２）が該境界渦（１０）の中に突き出るように配置された内燃機関（１）において、
   前記シリンダ（２）は直径（Ｄ）シリンダ内径（２ａ）を有し、
   該直径（Ｄ）の寸法は、内燃機関（１）の点火時点において、前記燃料境界渦（１０）の平均直径（ｄｍＲ）と前記直径（Ｄ）との比（ｄｍＲ／Ｄ）が、０．０８〜０．２の範囲内、特に０．１〜０．１２の範囲内にあるように定められることを特徴とする内燃機関。
2. 前記点火時点において、前記境界渦（１０）の平均直径（ｄｍＲ）と前記境界渦の中心距離（ａＲ）との比（ｄｍＲ／ａＲ）が、０．２５〜１．５の範囲内、好ましくは０．５〜１．１の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記中空の燃料円錐体（８）が、前記点火時点においてドーナツ形の渦の直径（ｄＲ）を有し、該ドーナツ形の渦の直径（ｄＲ）と前記シリンダ内径の直径（Ｄ）との比（ｄＲ／Ｄ）が、０．２〜０．４の範囲内、又は０．２５〜０．３５の範囲内にあることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の内燃機関。
4. 前記中空の燃料円錐体（８）が燃料雲の最大直径（ｄＳ）を有し、前記点火時点において、該最大直径（ｄＳ）と前記シリンダ内径の直径（Ｄ）との比（ｄＳ／Ｄ）が、０．３５〜０．６５の範囲内、又は０．４５〜０．５５の範囲内にあ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内燃機関。
5. 前記ピストン（３）が窪み直径（ｄｍ）を有する窪み（３ａ）を備え、前記点火時点において、前記燃料雲の最大直径（ｄＳ）と該窪み直径（ｄｍ）との比（ｄＳ／ｄｍ）が、０．５〜１．５の間、又は０．８〜１．２の間に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内燃機関。
6. 前記点火時点において、前記中空の燃料円錐体（８）の最大進入深さ（ＥＳ）と前記シリンダ内径の直径（Ｄ）との比（ＥＳ／Ｄ）が、０．１〜０．５、又は０．２〜０．３にな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内燃機関。

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