JP2009062992A - 自動車のためのエンジン、およびエンジンのシリンダ内に燃料・空気混合物を導入するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室（１５）内で燃料を燃焼する少なくとも１つのシリンダ（１１）と、前記燃焼室（１５）に開口している吸気ポート（１７）と、該吸気ポート（１７）の開口を閉鎖する、開制御可能な吸気弁（２１）と、噴射弁（２３）とを有するエンジンであって、前記噴射弁（２３）が、燃料を調量して、円錐形スプレー（２５）の形で吸気ポート（１７）内の吸気弁（２１）の直前に噴射する形式のエンジンを改良して、混合物調整をエンジンの各駆動状態の要求に最適に適合させることができるようにする。
【解決手段】円錐形スプレー（２５）が、エンジンの駆動状態に応じて、互いに角度をずらされた少なくとも２つの噴射方向へ制御されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内で燃料を燃焼させる少なくとも１つのシリンダと、前記燃焼室に開口している吸気ポートと、該吸気ポートの開口を閉鎖する、開制御可能な吸気弁と、噴射弁とを有する、特に自動車のためのエンジンであって、前記噴射弁が、燃料を調量して、円錐形スプレーの形で吸気ポート内の吸気弁の直前に噴射する形式のものに関する。また本発明は、燃料・空気混合物を、エンジンのシリンダ内に導入するための方法であって、シリンダの燃焼室に開口している、空気を吸い込む吸気ポート内に、調量された燃料をそれぞれ円錐形スプレーの形で噴射する方法に関する。

燃料噴射システムを有する、公知の内燃機関（アメリカ合衆国特許第４８９８１４２号明細書）は、吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを有している。吸気ポートはこの場合、シリンダヘッド内に配置され、燃焼用空気供給のための吸込み菅に接続している。この吸気ポート内には、吸込み管のポート壁を貫通して案内されているインジェクタまたは噴射弁の先端が突入している。吸気ポートの、シリンダの燃焼室内への開口は、通常は吸気弁によって閉鎖されている。吸気弁の弁部材は、弁閉鎖ばねの力によって、流入ポートの開口を取り囲んでいる弁座に載置している。弁制御部によって制御されたアクチュエータによって、吸気弁は多少なりとも開制御され得る。噴射弁は、燃料管路を介して、高圧ポンプに結合している。噴射弁は、たとえば３バールの過圧で開放され、ドーズ（調量）された量の燃料を円錐形スプレーの形で、吸気ポートの吸気弁の直前に噴射する。この場合、噴霧された燃料は、吸気弁が開いた状態において吸気ポートを流過している空気と混合され、燃料・空気混合物が、シリンダの燃焼室に到達する。
アメリカ合衆国特許第４８９８１４２号明細書 このような形式の通常のオットーサイクルエンジンで使用される、マルチポイント式吸込み管内燃料噴射システム（Einzel-Saugrohreinspritzsystem）では、スプレーコーンもしくは円錐形スプレー（Spruehkegel）が、吸気弁の弁傘部に直接に到達するように、噴射弁が位置調節されている。しかしこの円錐形スプレーの位置調節は、内燃機関の全駆動状態にとって許容可能な１つの妥協的な位置しか実現していない。

本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点を解決することである。

この課題を解決するために、本発明の構成では、円錐形スプレーが、エンジンの駆動状態に応じて、互いに角度をずらされた少なくとも２つの噴射方向へ制御されるようにした。

請求項１の特徴部記載の本発明によるエンジン、すなわち円錐形スプレーが、エンジンの駆動状態に応じて、互いに角度をずらされた少なくとも２つの噴射方向へ制御されることを特徴とするエンジンは、次のような利点を有している。すなわち、噴射弁によって噴射された燃料の円錐形スプレーを駆動状態に応じて位置調節することによって、円錐形スプレーの妥協的な位置調節をなくし、混合物調整をエンジンの各駆動状態の要求に最適化して適合させることができる。この場合、円錐形スプレーが、第１の噴霧方向では吸気ポートのポート壁の、吸気弁に前置された壁領域に衝突し、第２の噴霧方向では吸気ポートの開口に向けられ、それによってポート壁が湿ることが十分に阻止されるように、円錐形スプレーの噴霧方向が出力制御されており、さらにコールドスタート（低温始動）時およびウォームアップ（暖機運転）時に第１の噴射方向が出力制御され、かつ規定のエンジン温度への到達時に第２の噴射方向が出力制御されると、一方でコールドスタート時およびウォームアップ時に、未燃焼または不完全燃焼の燃料成分による有害物質エミッションが減じられ、他方でエンジンの動的な駆動時に空燃比の少ない変差が保証される。燃料を、吸気弁に直接に前置されたポート壁に吹き付けることによって得られる有害物質エミッションの減少は、燃料には、易揮発性または難揮発性、もしくは低沸点または高沸点の部分から成る種々異なるフラクション（Fraktion）が含まれているという事実を利用している。本発明に従って、コールドスタート時に、吸気弁に直接に前置されたポート壁領域に燃料を吹き付けることによって、ポート壁の温度がまだ低い場合は、易揮発性の成分のみが蒸発して空気流と一緒にシリンダの燃焼室に到達する。一方で難揮発性または高沸点の燃料成分は、壁被膜としてポート壁に十分に付着し、ポート壁が十分に高い温度に達する後の時点になってようやく、同じように蒸発して空気流と一緒にシリンダの燃焼室に到達する。これによって、コールドスタート時またはウォームアップ時には、燃焼室内に、易揮発性の燃料構成成分と極めて良好に調整された燃料・空気混合物が存在し、この燃料・空気混合物は完全に燃焼する。公知かつ妥協的な円錐形スプレーの位置調節と違い、コールドスタート時には、噴射された全ての燃料が燃焼室内に到達されるのではなく、低い温度における完全燃焼に適した、易揮発性の燃料成分のみが燃焼室内に到達する。全部の燃料が到達した場合、低い燃焼室壁温度によって燃料の難揮発性の成分は燃焼に関与せず、燃焼室壁に付着し、十分に未燃焼のまま燃焼室から排出される。エンジンの駆動温度が、燃料の全ての留分がすぐ良好に蒸発する温度の場合、これとは逆に、燃料噴射装置は、ポート壁に触れない、もしくはほぼ触れない、動的な駆動にとって良好な混合物調整を行う。

請求項２〜９記載の手段によって、請求項１記載のエンジンの有利な改良および改善が可能である。

本発明の有利な実施形態によって、円錐形スプレーの噴霧方向を出力制御するためには、噴射弁が旋回可能に保持されていて、円錐形スプレーの噴霧方向の調節は、噴射弁の旋回によって実施される。噴射弁の旋回のために使用されるアクチュエータが、負圧によって駆動されると有利である。この場合、負圧アキュムレータ内には、吸込み菅の負圧によって真空が形成される。噴射弁を、基本位置から、円錐形スプレーの噴霧方向が吸気ポートの開口に向けられている旋回位置に旋回させるために、負圧アキュムレータの負圧が動的な駆動に使用される。アクチュエータとして、別の空気圧式、電気式、または機械的な調整機関が使用されてよい。

前記課題を解決した、エンジンのシリンダ内に燃料・空気混合物を導入するための方法によれば、シリンダの燃焼室に開口している、空気を吸い込む吸気ポート内に、調量された燃料をそれぞれ円錐形スプレーの形で噴射する方法において、円錐形スプレーの噴霧方向を、エンジンの駆動状態に応じて、互いに角度をずらした少なくとも２つの方向で切り換えるようにした。

本発明による方法の有利な実施態様は、請求項１１に記載されている。

図面の簡単な説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。図１および図２は、燃料噴射システムを有するエンジンのシリンダを、それぞれ異なるエンジンの駆動状態で示した部分的な縦断面図である。

図１および図２の縦横断面で部分的に図示された、自動車のための多気筒エンジンに設けられたシリンダ１１は、中空円筒状のシリンダボディ１２と、該シリンダボディ１２を端面側で覆っているシリンダヘッド１３とを有している。通常、シリンダヘッド１３は、多気筒エンジンの全てのシリンダ１１のために一体に形成されている。シリンダボディ１２内には、往復ピストン１４が軸線方向に摺動可能に案内されている。この往復ピストン１４は、コネクティングロッド（図示せず）を介して、カムシャフト（図示せず）に枢着されている。往復ピストン１４は、シリンダヘッド１３と一緒に燃焼室１５を画成している。燃焼室１５内には点火装置１６、たとえば点火プラグが突入している。２バルブ式に構成されたエンジンのシリンダヘッド１３には、流入ポートもしくは吸気ポート１７と、排気ポート１８とが形成されている。吸気ポート１７および排気ポート１８は、それぞれ燃焼室１５に開口している。開口は、燃焼室１５を画成しているシリンダヘッド壁１３１内に加工成形された弁座を取り囲んでいる。この弁座には、弁閉鎖ばね２０の作用下にある吸気弁２１もしくは排気弁２２に設けられた、バルブディスクもしくは弁傘部１９として形成された閉鎖部材が載置する。エンジンが、今日では通常となった４バルブ式に構成されている場合、各シリンダの吸気ポート１７、排気ポート１８、吸気弁２１および排気弁２２は２つずつ設けられている。吸気ポート１７は、通常、吸込み菅（図示せず）に接続していて、この吸込み菅を介して、吸気ポート１７に燃焼用空気が流入する。排気ポート１８には、エンジンに設けられた排ガス菅路の排気曲菅（図示せず）が接続している。

燃焼室１５内で燃焼される、燃料と空気とから成る混合物を調整するために、エンジンは、吸気ポート１７内に、マルチポイント式燃料噴射装置を有する噴射システムを有している。この燃料噴射システムは、インジェクタとも呼ばれる噴射弁２３を有している。噴射弁２３は、シリンダヘッド１３の吸気ポート１７に前置されたアダプタ２４に旋回可能に保持されている。アダプタ２４は、中心的かつ連続的な中空室２４１と、該中空室２４１に開口しているポケット２４２とを有している。この場合、ポケット２４２の軸線が中空室２４１の軸線と鋭角で交差するように、ポケット２４２が形成されている。中空室２４１は、吸気ポート１７のポート開口を、吸気ポート１７に案内されている吸込み菅に結合する。噴射弁２３の噴射開口を介して噴射される、噴霧された燃料から成る円錐形スプレー２５が、全ての旋回位置において直接に吸気ポート１７内に到達するように、噴射弁２３がポケット２４２内に収容されている。一般的に公知であり、ここではさらに説明しないが、噴射弁２３は、高圧管路を介して燃料アキュムレータに接続している。燃料アキュムレータは、燃料ポンプによって燃料タンクから充填される。噴射弁２３が、電磁的に開制御されていて、開制御ごとに調量された燃料量を円錐形スプレー２５の形で吸気ポート内に噴射すると有利である。噴射弁２３の構造と作用形式は公知であり、たとえばドイツ連邦共和国特許公開第１９５０３２２４号明細書に記載されている。

ポケット２４２内で旋回可能に支承されている噴射弁２３は、２つの旋回位置にわたって案内可能である。これら２つの旋回位置では、噴射弁２３によって噴射された円錐形スプレー２５の噴霧方向は、互いに鋭角でずらされている。これらの旋回位置は、この場合、以下のように規定される。すなわち、図１に示された噴射弁２３の基本位置では、この基本位置で噴射された円錐形スプレー２５が、エンジンの設置状態で吸気ポート１７の下側に位置するポート壁の、吸気弁２１に直接に前置された壁領域１７１に衝突する。また図２に示された噴射弁２３の別の旋回位置では、噴射された円錐形スプレー２５が、直接に吸気ポート１７の開口と、ひいては吸気弁２１の弁傘部１９の背面とに向けられているように、噴射弁２３が位置調節されている。これによって、噴霧された燃料スプレーのミスト（Kraftstoff-Spruehnebel）は、吸気ポート１７のポート壁を湿らせない、または僅かにしか湿らせない。噴射弁２３の旋回位置は、エンジン制御装置２６によって、エンジンの駆動状態に応じて予め規定されていて、アクチュエータ２７を介して変向される。図１および図２に示された実施例では、アクチュエータ２７は、ばね荷重の加えられたニューマチック（空気圧）式のアクチュエータ２７である。このアクチュエータ２７は、戻しばね２８によって、基本位置または静止位置に保持されるか、負圧によって作動される。さらにアクチュエータ２７は、エンジン制御装置２６によって電磁作動式かつニューマチック式の切換弁２９を介して、負圧アキュムレータ３０に接続されている。この切換弁２９は、図１に示した実施例では３ポート／２位置の電磁切換弁として形成されている。負圧アキュムレータ３０内には、吸込み菅内の負圧によって真空が形成されてよい。

図１に示した、アクチュエータ２７の基本位置または静止位置では、アクチュエータ２７が排気されていて、噴射弁２３を図１に示した旋回位置に保持している。この旋回位置では、噴射弁２３によって噴射された円錐形スプレー２５が、吸気ポート１７の壁領域１７１に向けられていて、この壁領域１７１を湿らせる。このアクチュエータ２７および噴射弁２３の基本位置は、エンジンのコールドスタート時に使用される。

エンジンのウォームアップ時に、負圧アキュムレータ３０内に、吸込み菅（図示せず）内の負圧によって真空が形成される。エンジンのウォームアップの間にエンジンの駆動温度が予め規定された温度を超えて上昇すると、エンジン制御装置２６は、アクチュエータ２７を動作状態にもたらすための制御シグナルを発生させる。この制御シグナルが切換弁２９を切り換え、これによって、アクチュエータ２７が負圧アキュムレータ３０に結合される。アクチュエータ２７内に作り出された負圧によって、アクチュエータ２７は、戻しばね２８の応力下で、噴射弁２３を、図２に示した第２の旋回位置に旋回させる。この第２の噴射位置では、噴射弁２３によって位置調節された円錐形スプレー２５が、直接に吸気弁２１の弁傘部１９に向けられている。円錐形スプレー２５のこの第２の噴霧方向では、吸気ポート１７の壁が湿ることが十分に阻止される。これはエンジンの動的な駆動にとって有利である。エンジンの停止後に、アクチュエータ２７内で再び有効になる戻しばね２８によって、噴射弁２３は、再びその基本位置に戻るように旋回される。択一的には、温度に関係なく、エンジンの回転数および／または負荷に直接に関連してアクチュエータ２７を動作状態にもたらすことが実現されてもよい。

噴射弁２３の旋回位置は排出ガスに影響するため、噴射弁２３の現在の噴射位置をエンジン制御装置２６にフィードバックすることは、診断目的のために有利である。これは、ここでは詳しく説明しないが、簡単な形式によって、図２に示した噴射弁２３の旋回位置で電気的接点を閉じることによって実現してよい。

燃料噴射システムを有するエンジンのシリンダをエンジンの駆動状態で示した部分的な縦断面図である。 燃料噴射システムを有するエンジンのシリンダを、エンジンの別の駆動状態で示した部分的な縦断面図である。

符号の説明

１１ シリンダ
１２ シリンダボディ
１３ シリンダヘッド
１３１ シリンダヘッド壁
１４ 往復ピストン
１５ 燃焼室
１６ 点火装置
１７ 吸気ポート
１７１ 壁領域
１８ 排気ポート
１９ 弁傘部
２０ 弁閉鎖ばね
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２３ 噴射弁
２４ アダプタ
２４１ 中空室
２４２ ポケット
２５ 円錐形スプレー
２６ エンジン制御装置
２７ アクチュエータ
２８ 戻しばね
２９ 切換弁
３０ 負圧アキュムレータ

Claims (11)

1. 燃焼室（１５）内で燃料を燃焼する少なくとも１つのシリンダ（１１）と、前記燃焼室（１５）に開口している吸気ポート（１７）と、該吸気ポート（１７）の開口を閉鎖する、開制御可能な吸気弁（２１）と、噴射弁（２３）とを有するエンジンであって、前記噴射弁（２３）が、燃料を調量して、円錐形スプレー（２５）の形で吸気ポート（１７）内の吸気弁（２１）の直前に噴射する形式のものにおいて、前記円錐形スプレー（２５）が、エンジンの駆動状態に応じて、互いに角度をずらされた少なくとも２つの噴射方向へ制御されることを特徴とするエンジン。
2. 円錐形スプレー（２５）が、第１の噴霧方向で吸気ポート（１７）のポート壁の、吸気弁（２３）に前置された壁領域（１７１）に衝突し、第２の噴霧方向で吸気ポート（１７）の開口に向けられているように、円錐形スプレー（２５）の２つの噴霧方向が規定されている、請求項１記載のエンジン。
3. 前記壁領域（１７１）が、エンジン設置状態で下側のポート壁に位置している、請求項２記載のエンジン。
4. コールドスタート時に第１の噴霧方向に調節され、エンジン温度が予め規定された値を超えると第２の噴霧方向に調節されるように、駆動状態に応じた２つの噴霧方向への制御が実施される、請求項２または３記載のエンジン。
5. コールドスタート時に第１の噴霧方向に調節され、エンジンの回転数および／または負荷に応じて第２の噴霧方向に調節されるように、駆動状態に応じた２つの噴霧方向への制御が実施される、請求項２または３記載のエンジン。
6. 噴射弁（２３）が、旋回可能に保持されていて、円錐形スプレー（２５）の噴霧方向の調節が、前記噴射弁（２３）の旋回によって実施される、請求項１から５までのいずれか１項記載のエンジン。
7. 噴射弁（２３）に設けられた、該噴射弁（２３）の旋回に作用するアクチュエータ（２７）と、該アクチュエータ（２７）を制御する制御装置（２６）とが備えられていて、該制御装置（２６）が、エンジンの制御状態に応じた制御シグナルをアクチュエータ（２７）に与える、請求項６記載のエンジン。
8. 前記アクチュエータ（２７）が、負圧により制御されかつ戻しばね（２８）によって基本位置に保持されており、アクチュエータ（２７）が作動していないと、円錐形スプレー（２５）が噴射弁（２３）において第１の噴霧方向に調節され、アクチュエータ（２７）が負圧によって負荷されていると、円錐形スプレー（２５）が噴射弁（２３）において第２の噴霧方向に調節されるように、アクチュエータ（２７）と噴射弁（２３）とが連結されている、請求項７記載のエンジン。
9. 噴射弁（２３）に、該噴射弁（２３）の旋回位置を検出するフィードバック装置が配置されている、請求項７もしくは８記載のエンジン。
10. 燃料・空気混合物を、エンジンのシリンダ（１１）内に導入するための方法であって、シリンダ（１１）の燃焼室（１５）に開口している、空気を吸い込む吸気ポート内に、調量された燃料をそれぞれ円錐形スプレー（２５）の形で噴射する方法において、円錐形スプレー（２５）の噴霧方向を、エンジンの駆動状態に応じて、互いに角度をずらされた少なくとも２つの方向で切り換える、燃料・空気混合物を、エンジンのシリンダ内に導入するための方法。
11. エンジンのスタート時に円錐形スプレー（２５）を第１の噴霧方向に調節し、第１の噴霧方向で円錐形スプレー（２５）を吸気ポート（１７）の開口に前置された吸気ポート（１７）の壁領域（１７１）に衝突させ、エンジン温度またはエンジンの回転数および／または負荷に応じて円錐形スプレー（２５）を第２の噴霧方向に調節し、第２の噴霧方向で円錐形スプレー（２５）を吸気ポート（１７）の開口に向ける、請求項１０記載の方法。

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