JP2010138897A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エンジン、特に気体燃料・空気混合気を燃焼するためのガスエンジンに関する。
【解決手段】エンジンは、ピストン（１０）及びシリンダヘッド（１２）によって仕切られた燃焼室（１４）と、前記燃焼室（１４）内で燃料・空気混合気に点火するための点火装置（２０；２２）と、を有する。前記点火装置（２０；２２）は、少なくとも１つの点火プラグ（２０）と、少なくとも１つのレーザー点火装置（２２）と、を具備するので、前記燃料・空気混合気は、平均有効作動圧ＰＭＥが低いときは、前記少なくとも１つの点火プラグ（２０）によって点火され、平均有効作動圧ＰＭＥが高いときは、前記少なくとも１つのレーザー点火装置（２２）によって点火され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン、特に気体燃料・空気混合気を燃焼するためのガスエンジンに関する。

先行技術では、ガスエンジンの様々な点火方法が知られている。ディーゼルの方法では、燃焼室内の燃料・空気混合気の点火は、高圧下で（パイロット噴射）、自己点火する液体点火燃料を、圧縮された燃料・空気混合気に噴射することによって行われる。オットーの方法では、燃料・空気混合気は火花によって点火する。

オットーの方法には、電気点火装置を用いた気体燃料・空気混合気の点火（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照のこと）と、レーザー点火装置を用いた気体燃料・空気混合気の点火（例えば、特許文献３を参照のこと）とが適用されている。さらに、特許文献４からは、複数回点火のための、統合レーザー点火装置を伴う電気点火プラグが知られている。

燃焼室内の圧力が低いときは、電気点火プラグを用いて、装入混合気を点火することが、実績のある有利で信頼できる方法である。点火電極の寿命は、燃焼室内の圧力が中程度の場合は、依然として非常に長い。電極での火花放電に必要な電圧は、点火時点での装入混合気の密度に直接比例する。当該密度が大きければ大きいほど、ブレイクダウンのための自由電子の数も多くなければならない。しかし、電圧がより高くなるということは、電圧破壊の間に非常に大きな電流が流れるということである。したがって、点火プラグの電極は、燃焼による熱的要求に加えて、さらに加熱される。その結果、高度な技術による点火プラグであっても、その寿命は、シリンダ内の平均有効作動圧ＰＭＥが約２２ｂａｒの範囲において、最大約１０００時間に制限される。

燃焼室内で燃料・空気混合気にレーザー点火が行われるときは、外から燃焼室内に向けられたレーザー光線は、決められた焦点に集められる。レーザー点火の利点は、燃焼室における点火位置をほぼ任意に選ぶことができるということ、及び、当該方法は特に平均有効作動圧が高い場合に適しているということにある。レーザー点火に必要なレーザーエネルギーは、点火される装入混合気の密度がより大きくなるとともに、著しく減少する。装入混合気における分子の光子吸収は、密度に応じて、より効果的になるからである。

レーザー点火の欠点は、レーザー装置の費用と、光学燃焼室ガラスの汚染と、その短い寿命と、にある。燃焼段階の間に発生する残滓によって、燃焼室ガラスには堆積物が形成され得る。これによって、レーザー光線の貫通が阻害されるとともに、レーザー光線は再び燃焼室ガラスに吸収されるか、もしくは散乱する。その結果、燃焼室内の、点火のためのレーザーエネルギーが失われる一方で、燃焼室ガラスにかかる熱的要求は著しく増大する。当該作用は、特にブースト圧が低い場合に顕著である。ブースト圧が低い場合、点火に必要なレーザーエネルギーは特に大きいからである。

独国特許出願公開第１９６２４９６５号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５０４３５号明細書 独国特許出願公開第１０２００７００１０８７号明細書 独国特許出願公開第１０１４５９４４号明細書

したがって、本発明の課題は、燃料・空気混合気のための改善された点火機構を有するエンジン、ならびに、燃料・空気混合気のための改善された点火方法を提供することにある。

第１の態様に従えば、本課題は請求項１の特徴を有するエンジンによって解決される。本発明に係るエンジンの有利な構成及びさらなる構成は、従属請求項に記載されている。

本発明に係るエンジンは、ピストン及びシリンダヘッドによって仕切られた燃焼室と、当該燃焼室における燃料・空気混合気に点火するための点火装置と、を含む。当該点火装置は、少なくとも１つの電気点火装置と、少なくとも１つの光学点火装置と、を具備する。

燃焼室内で燃料・空気混合気に点火するために、電気点火装置と、光学点火装置と、を具備することによって、両システムの利点が組み合わされるとともに、その欠点が減少し得るので、より少ないエネルギー消費で点火プロセスを実行することが可能となり、電気点火装置及び光学点火装置の寿命は延長可能となる。

本発明の一実施形態においては、少なくとも１つの電気点火装置が燃焼室内に突出しており、少なくとも１つの光学点火装置が、エンジンの燃焼室において光線を一点に集める。

本発明の別の実施形態においては、燃焼室は予燃焼室と連結されている。この場合、少なくとも１つの電気点火装置が、当該予燃焼室内に突出しており、少なくとも１つの光学点火装置が、当該予燃焼室において光線を一点に集める。

本発明の好適な一実施形態においては、さらに制御装置が設けられている。当該制御装置は、燃焼室において燃料・空気混合気を点火するために、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも小さいときは、少なくとも１つの電気点火装置を作動させ、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも大きいときは、少なくとも１つの光学点火装置を作動させる。所定の境界値は、例えば約１２〜１８ｂａｒの範囲、好適には約１４〜１７ｂａｒの範囲、さらに好適には約１６ｂａｒである。

第２の態様に従えば、上記の課題は請求項６の特徴を有するエンジンのための点火方法によって解決される。本発明に係る点火方法の有利な構成及びさらなる構成は、従属請求項の記載事項である。

本発明に係るエンジンのための点火方法では、ピストンとシリンダヘッドとによって仕切られた燃焼室において、燃料・空気混合気は、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも小さいときは少なくとも１つの電気点火装置によって点火され、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも大きいときは少なくとも１つの光学点火装置によって点火される。

本発明に係る点火方法は、エンジンの燃焼室における燃料・空気混合気の、従来の電気火花点火の利点と、従来の光学点火の利点とを組み合わせるとともに、その欠点を減じるものである。もっぱらＰＭＥが低〜中程度の場合に電気火花点火を適用することによって、電気点火装置の寿命を明らかに延長することができる。電気火花点火をオフにした後、ＰＭＥがより高い場合にのみ光学点火を適用することで、より小さいエネルギーで光学装置を使用することができる。当該光学装置は、費用面の負担が著しく少ない。さらに、光線のエネルギーがより小さくなることで、燃焼室の光学系にかかる熱的負担は減少し、結果として、その寿命は著しく延長し得る。

所定の境界値は、例えば約１２〜１８ｂａｒの範囲、好適には約１４〜１７ｂａｒの範囲、さらに好適には約１６ｂａｒである。

本発明の一実施形態においては、燃料・空気混合気は、エンジンの燃焼室において点火される。

本発明の別の実施形態においては、燃料・空気混合気は、エンジンの燃焼室と連結された予燃焼室において点火される。

本発明は、特にガスエンジンにおいて、気体燃料・空気混合気を点火するために、好適に適用可能である。基本的に、本発明に係るエンジンの構成及び点火方法は、液体燃料を点火するガソリンエンジン及びディーゼルエンジンにも適用可能である。

本発明の前記特徴及び前記利点、ならびに、さらなる特徴及びさらなる利点は、添付の図を用いた、以下の好適な実施例の説明によって、より良く理解される。

本発明の第１の実施例に基づくエンジンの概略的な部分断面図である。 本発明の第２の実施例に基づくエンジンの概略的な部分断面図である。

以下、本発明をガスエンジンの例を用いて説明する。ガスエンジンの場合、燃料・空気混合気は、気体燃料と空気とを含んでいる。気体燃料とは、例えば、天然ガスなどの可燃ガスである。

しかし、本発明は、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンにも基本的に適用できる。当該エンジンにおいては、燃料・空気混合気は、ガソリンなどの可燃液体と、燃料噴霧などの形をした空気と、を含んでいる。さらに本発明は、水素と酸素との混合物などの、さらなる可燃ガスの点火、又は、気体と液体との可燃性混合物の点火にも、これらの気体又は混合物が空気を含んでいなくとも、適している。本発明においては、「燃料・空気混合気」という概念は、全ての記載されたバリエーションを包含するものである。

以下に、図１を用いて、本発明に係るエンジンの第１の実施例を説明する。

エンジンは、従来のように、ピストン１０とシリンダヘッド１２とによって仕切られた燃焼室１４を具備する。当該燃焼室において、気体燃料・空気混合気は燃焼され、このとき仕事が行われる。

図１の実施例では、気体燃料・空気混合気の点火は、燃焼室１４において直接行われる。そのために、点火プラグとして電気点火装置２０が設けられており、当該電気点火装置は燃焼室１４内に突出している。さらに、レーザー点火装置として光学点火装置２２が設けられており、当該光学点火装置は、レーザー光線２６を発生させるためのレーザー装置２４と、燃焼室の窓３０を通過するレーザー光線２６を、燃焼室１４において一点に集めるためのレンズ装置２８と、を含んでいる。

図１の実施例では、レーザー点火装置２２の焦点３２は、電気点火プラグ２０の電極付近に位置する。しかし、基本的には、燃焼室１４内の略任意の位置に、レーザー光線２６を集めることが可能である。

図１の実施例では、１つの電気点火装置２０と１つの光学点火装置２２とが設けられている。しかしながら、複数の電気点火装置２０及び／又は複数の光学点火装置を、エンジンの燃焼室１４に対して設置しても良い。

図１の実施例では、光学点火装置２２は、レーザー光線２６を発生させるためのレーザー装置２４を有するレーザー点火装置として構成されている。基本的に、その他の高エネルギー光線による、その他の光学点火装置も考えられる。

少なくとも１つの電気点火装置２０と、少なくとも１つの光学点火装置２２とは、制御装置３４によって制御される。制御装置３４は、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも小さいときは、燃焼室１４における気体燃料・空気混合気が、電気点火装置２０によって点火され、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも大きいときは、光学点火装置２２によって点火されるように、両方の点火装置２０、２２を制御する。所定の境界値は、例えば約１２〜１８ｂａｒの範囲、好適には約１４〜１７ｂａｒの範囲、さらに好適には約１６ｂａｒである。

電気点火装置２０は、作動圧ＰＭＥが低〜中程度のときのみに使用されるので、比較的低い電圧で作動可能である。それゆえ、その寿命は、明らかに改善され得る。同様に、燃焼室ガラス３０の寿命も、明らかに延長可能である。レーザー点火装置２２は、作動圧ＰＭＥが高い場合にのみ使用されるので、燃焼室内での点火プロセスには、比較的エネルギーの小さいレーザー光線で十分だからである。電気点火プラグ２０及びレーザー点火装置２２に必要なエネルギーがより小さくなると、より費用の少ない部品を使用することができるようになり、維持費が減少する。

以下に、図２を用いて、エンジンの第２の実施例を説明する。このとき、第１の実施例と同一もしくは類似のユニット及び部品は、同じ参照符号で表される。

第２の実施例は、気体燃料・空気混合気の点火が、燃焼室１４内ではなく、燃焼室１４に連結された、シリンダヘッド１２における予燃焼室３６内で行われるという点で第１の実施例と異なる。

そのために、電気点火プラグ２０が予燃焼室３６内に突出するとともに、レーザー点火装置２２によって発生したレーザー光線２６の焦点３２が、予燃焼室３６内に位置するように、点火装置２０、２２が配置される。第１の実施例と比較すると、ここでは、レーザー装置２４によって発生したレーザー光線２６を、予燃焼室３６内に結び合わせるために、適切な予燃焼室の窓３８が補足的に設けられている。

その他の特徴、及び、考えられるバリエーションは、図１の実施例に対応する。さらに、第２の実施例では、前記第１の実施例と同じ利点が得られる。

最後に、本発明は、燃焼室１４と電気点火装置２０と光学点火装置２２との特別な構成に限定されるものではないということに注意が必要である。

１０ ピストン
１２ シリンダヘッド
１４ 燃焼室
１６ ピストンヘッド
１８ 凹部
２０ 電気点火装置（点火プラグ）
２２ 光学点火装置（レーザー点火装置）
２４ レーザー装置
２６ レーザー光線
２８ レンズ装置
３０ 燃焼室の窓
３２ レーザー光線の焦点
３４ 制御装置
３６ 予燃焼室
３８ 予燃焼室の窓

Claims (9)

1. ピストン（１０）及びシリンダヘッド（１２）によって仕切られた燃焼室（１４）と、前記燃焼室（１４）内で燃料・空気混合気を点火するための点火装置（２０；２２）と、を有するエンジンにおいて、
   前記点火装置（２０；２２）は、少なくとも１つの電気点火装置（２０）と、少なくとも１つの光学点火装置（２２）とを具備することを特徴とするエンジン。
2. 前記少なくとも１つの電気点火装置（２０）が前記燃焼室（１４）内に突出しているとともに、前記少なくとも１つの光学点火装置（２２）が、光線（２６）を前記燃焼室（１４）において一点に集めることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記燃焼室（１４）は予燃焼室（３６）と連結されており、前記少なくとも１つの電気点火装置（２０）が前記予燃焼室（３６）内に突出しているとともに、前記少なくとも１つの光学点火装置（２２）が、光線（２６）を前記予燃焼室（３６）において一点に集めることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
4. 制御装置（３４）が設けられており、前記制御装置は、前記燃焼室（１４）において前記燃料・空気混合気に点火するために、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも小さいときは、前記少なくとも１つの電気点火装置（２０）を作動させ、平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも大きいときは、前記少なくとも１つの光学点火装置（２２）を作動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジン。
5. 前記所定の境界値が、約１２〜１８ｂａｒの範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
6. エンジンの点火方法であって、ピストン（１０）及びシリンダヘッド（１２）によって仕切られた燃焼室（１４）において、燃料・空気混合気が、前記平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも小さいときは、少なくとも１つの電気点火装置（２０）によって点火され、前記平均有効作動圧ＰＭＥが所定の境界値よりも大きいときは、少なくとも１つの光学点火装置（２２）によって点火される点火方法。
7. 前記所定の境界値が、約１２〜１８ｂａｒの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の点火方法。
8. 前記燃料・空気混合気が、前記エンジンの前記燃焼室（１４）において点火される、請求項６又は７に記載の点火方法。
9. 前記燃料・空気混合気が、前記エンジンの前記燃焼室（１４）に連結された予燃焼室（３６）おいて点火される、請求項６又は７に記載の点火方法。