JP2010530938A - 内燃エンジン - Google Patents

Abstract

レシプロ型内燃エンジンに関する。本発明は、ＷＯ２００５／０５２３３５号およびＷＯ２００７／０８０３６６号特許公報に記載されたエンジンの発明で用いられるスパーク点火装置の改良であり、この装置を提供して、煤に因る動作不良からスパークプラグを保護し、安定したスパーク点火を確保するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、スパーク点火方式のレシプロ型内燃エンジンに係るものであり、広範囲に亘って、あるいは部分負荷時の吸気を制限することなく全機能範囲おいて動作可能な内燃エンジンに関するものである。

この発明は、ＷＯ２００５／０５２３３５号およびＷＯ２００７／０８０３６６号の国際特許公報に掲載されたようなエンジンに用いられるスパークプラグの配置についての詳細な構成に関する。

従って、この発明は、
シリンダ内で往復動作するピストンと、
シリンダに連通している吸気手段と、
シリンダに連通している排気手段と、
シリンダに連通していて、ピストンとの関連での近位端と遠位端を具える間接燃焼室と、
その近位端でシリンダと燃焼室に連通している導通オリフィスと、
燃焼室内部の空気の移動を、当該燃焼室を回流する旋回速度成分と当該燃焼室に沿って軸流速度成分を持ち、当該軸流速度成分が近位端から遠位端に向かうヘリカル状のスワール運動に推進する手段と、
燃焼室に連通している少なくとも一つの燃料インジェクタと、
燃料噴射工程とスパーク点火動作を制御するコントローラと、
燃焼室とその遠位端で連通しているスパーク点火手段と、を具える内燃エンジンにおいて、
燃焼室の遠位端には、近位端に向いて燃焼室に張り出して、燃焼室の円周に環状溝を形成するほぼ同心状の膨隆部があり、この膨隆部にスパークプラグ用の穴があけられていて、この穴が、環状溝の中を回流する混合気にスパークを曝して混合気に直接着火できるようにする開口を経て環状溝と通じている、ことを特徴とする。

この発明は更に、正確にスケールダウンされてはおらず図解するための目的で描かれた添付の図面を引用して、例示としてここに記述されている。

図１は、ＷＯ２００５／０５２３３５号およびＷＯ２００７／０８０３６６号の国際特許公報に記載されたエンジンの一部としての燃焼室の構成を示す。（図１は、ＷＯ２００５／０５２３３５号特許公報に示すとおり、燃焼室の軸線に対して斜めに配置された導通オリフィス７を示しているが、本発明は、ＷＯ２００７／０８０３６６号特許公報に記載されているような、燃焼室の軸線に対して導通オリフィスが垂直に配置されているエンジンについても同様に適用可能である）。 図２は、燃焼室の部分的な断面を軸線に沿って示す図である。

図１の構成において、ピストン１は、圧縮ストロークの間、シリンダ２中で引かれて上方に向けて移動する。この実施例に示す燃焼室６は円筒形状であり、導通オリフィス７を介してシリンダ２と連通している。燃料インジェクタ１１は、エアジェット４０を超えてスパークプラグ９が取付けられている燃焼室１０の遠位端に向けて燃料を噴射する。この図には、燃焼室の円周２２をヘリカル状のスワール運動で回流するストリームライン１４も示されている。導通オリフィス７は、燃焼室内を移動する空気にスワールを掛けるために、燃焼室円周の近傍で燃焼室と導通しており、燃焼室の近位端８に位置する傾斜して配置されたヘリカル状ランプ（図示せず）が、燃焼室に入るエアに軸流速度成分を与えてヘリカル状のスワール運動を促進している。シリンダ２は、周知の態様で、吸気バルブと排気バルブ（図示せず）に連通している。

燃料噴射開始のタイミングを制御することで、導通オリフィス７を経て燃焼室に入って来るエアジェット４０に燃料が完全に吸収されてしまう前に、圧縮ストロークの初期段階でスプレーコーン１７となった燃料が燃焼室１０の遠位端に確実に届くようになる。なぜなら、エアジェットの速度と空気密度は、圧縮ストロークの開始段階では比較的小さく、圧縮ストロークが終了するにつれて実質的に増加するからである。この燃料は圧縮ストロークのより早い段階で遠位端１０に達すると、そこで壁に付着することがあるが、ヘリカル状になったスワール空気流が充分な強さで遠位端に達するとすぐに蒸発することになる。

これによって、燃焼室の近位端８により近い位置に燃料が配分されるにもかかわらず、着火可能な空気と燃料の混合気が遠位端近傍に設置されたスパークプラグ９に確実に送られる。

ＷＯ２００５／０５２３３５号およびＷＯ２００７／０８０３６６号特許公報に掲載の発明の実務上困難な問題点は、燃料噴射行程の初期に液体燃料によってスパークプラグが濡れてしまうことを避ける必要が有ることである。燃料インジェクタ１１は遠位端１０で直接スパークプラグ９に向いているため、この問題が避けられない。このようにスパークプラグが濡れた後は、スパークプラグの電極がすぐにカーボン煤で覆われ、これが電気を導びいて火花を消してしまう。

この問題の解決策としては、エンジンデザイナーには周知のデバイスであるイグニッションポットを導入する試みがなされた。これらは、エンジンは機能させたが、実務上は、満足のいくものではなかった。イグニッションポットは一定容量の小さな空洞であり、そこにスパークプラグの電極端部が含まれており、ホールを介して燃焼室と連通している。ＷＯ２００５／０５２３３５号およびＷＯ２００７／０８０３６６号の公報に記載したエンジンの発明にこれを適用する場合は、導通した穴は燃焼室１０の遠位端面に設けられ、燃焼室の軸線に対して傾斜させてマシーン加工し、この穴を通る燃料スプレーの直接投入を止める。

イグニッションポットの原理は、本件においては空気と燃料の混合気であるガスを圧縮行程中にイグニッションポットキャビティ内で圧縮させることである。点火後、燃焼ガスはイグニションポットキャビティから圧力を伴って混合気を外から点火するプラズマ状もしくは火炎ジェットとなって噴出する。上記の発明のエンジンにこれを用いるときに直面する問題は、イグニッションポットではエンジンの動作サイクル毎に点火を確実に行うことができないことであり、前のサイクルの燃焼で発生した生成物がイグニッションポットから除去されないため、不発に終わる結果となる。

図２は、この問題点を解決するために発明された構成を示している。ＷＯ２００５／０５２３３５号およびＷＯ２００７／０８０３６６号特許公報に記載された発明によるエンジンでは確実なスパーク点火を行わなければ、これらのエンジンが信頼性を持って機能しないことは自明である。

図２においては、燃焼室６の遠位端にエンドキャップ２１２がボルト（図示せず）で取付けられているが、このエンドキャップは、所望であれば燃焼室と一体的に製造してもよい。

エンドキャップには、符号９Ａで示すように、ネジ山が付いたネジ切り穴が設けられており、これでスパークプラグ（図示せず）を固定している。このスパークプラグ用穴は、燃焼室の軸線から偏心して示されており、燃焼室の円周側に近接可能である。ここに示すエンドキャップは、円筒状の膨隆部２０９を具えており、これは燃焼室と実質的に同心であり、燃焼室内に少し張出している。好ましい実施例として、この膨隆部は、自由端が面取りされている。

この膨隆部は、燃焼室の円周に沿って環状溝２１０を形成している。この環状溝の半径方向の幅は、圧縮行程中に遠心力の影響を受けて燃焼室２２の周辺周りに集まりスワール運動をする空気と燃料の混合気がここに入るので、装置の動作にとって重要である。環状溝の半径方向の幅は、燃焼速度に影響を与えるべく設計者が選択したヘリカル状のスワール流の強さによって決まり、所定のエンジンジオメトリに対して最適化する必要がある。

環状溝に対向する一個所に、スパークプラグの電極と溝２１０との間を連通させるスロット２１１が開けられている。スパークプラグの電極は、このスロットにほぼ対向して位置している。このスロットは、膨隆部２０９の周囲に、例えば高さの４倍といったかなりの長さで作ってもよいが、白熱化を避けるのであれば、偏心スパークプラグ用穴９Ａと環状溝２１０との間の最も薄い壁の周辺に設けることが望ましい。スパークプラグ用の穴９Ａは、スロット２１１周囲の壁厚を薄くするために、膨隆部２０９に対して偏心した位置に配置する。

本発明では、スロット２１１がこの実施例では燃焼室の軸線と平行な壁に配置されているので、燃料がスパークプラグ電極に直接的に付着することが防止される。これによってまた、スパークプラグ電極と燃焼室の残り部分との間に充分な余裕が生じ、着火後にスパークプラグの周辺に付着する燃焼生成物の量と、後続するサイクルでの点火の乱れを最少にする。スパークプラグ電極は、環状溝２１０を回流する空気と燃料の混合気と、直接的な視線を持つことが可能である。

本発明は、点火不良を起こすことなく、高い信頼性をもってエンジンを動作させるものであり、非常に重要である。これは当業者に自明な解決策ではなく、エンジンのベンチテストによる実地上の調査研究の結果であり、非常に良好に動作することが確認された。

Claims (5)

1. 内燃エンジンにおいて、
   シリンダ内で往復動作するピストンと、
   前記シリンダに連通している吸気手段と、
   前記シリンダに連通している排気手段と、
   前記シリンダに連通していて、前記ピストンとの関連での近位端と遠位端を具える間接燃焼室と、
   近位端が前記シリンダと前記燃焼室に連通している導通オリフィスと、
   前記燃焼室内部の空気の移動を、当該燃焼室を回流する旋回速度成分と当該燃焼室に沿って軸流速度成分を持ち、当該軸流速度成分が近位端から遠位端に向かうヘリカル状のスワール運動に推進する手段と、
   前記燃焼室に連通している少なくとも一の燃料インジェクタと、
   燃料噴射工程とスパーク点火動作を制御するコントローラと、
   遠位端が前記燃焼室と連通しているスパーク点火手段と、を具える内燃エンジンであって、
   前記燃焼室の遠位端には、近位端に対向して前記燃焼室に張り出しており、前記燃焼室の周囲に環状溝を形成するほぼ同心状の膨隆部があり、前記膨隆部にスパークプラグ用の穴があけられており、当該穴が開口を介して前記環状溝に連通しており、前記環状溝の中を回流する混合気にスパークを曝して混合気に直接着火できるように構成したことを特徴とする内燃エンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、前記開口がスロット状であることを特徴とするエンジン。
3. 請求項１に記載のエンジンにおいて、前記膨隆部が円筒状であることを特徴とするエンジン。
4. 請求項１又は請求項３に記載のエンジンにおいて、前記膨隆部の自由端が面取りされていることを特徴とするエンジン。
5. 請求項１に記載のエンジンにおいて、燃料インジェクタが前記燃焼室の遠位端に向けて燃料を噴射することを特徴とするエンジン。

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