JP2014238089A - ガスで駆動される内燃機関のガス状混合物に点火するための点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不利点を除去するために、点火装置を改良する。
【解決手段】ガスを用いて駆動される内燃機関の主燃焼室（１１）においてガス状混合物に点火するための点火装置（１）が提案され、当該点火装置（１）は、予燃焼室（４）を形成する内部凹所（３）であって、前記予燃焼室（４）においてガス状混合物に点火を行うための点火火花を提供する装置（６）を備える内部凹所を有するハウジング（２）を有しており、当該ハウジング（２）は、前記主燃焼室（１１）において前記ガス状混合物に点火を行うために、点火トーチを前記予燃焼室（４）から前記主燃焼室（１１）内へと通過させるためのオーバーフロー開口部（１０）を有しており、前記内部凹所（３）は前記オーバーフロー開口部（１０）に向かって断面に関して拡大する領域（８）を有している。
【選択図】図１

Description

本発明はガスを用いて駆動される内燃機関の主燃焼室においてガス状混合物に点火するための点火装置に関し、当該点火装置は予燃焼室を形成する内部凹所であって、予燃焼室においてガス状混合物に点火を行うための点火火花を提供する装置を備える内部凹所を有するハウジングを有しており、当該ハウジングは、主燃焼室においてガス状混合物に点火を行うために、点火トーチを予燃焼室から主燃焼室内へと通過させるためのオーバーフロー開口部を有している。

ガスエンジンは有害物質の放出を低減するために、高度に空気過剰である希薄混合気燃焼エンジンとして駆動されることが多く、そのため当該エンジンは希薄混合気に確実に点火を行うためにイニシャル点火を必要とし、当該イニシャル点火は主燃焼室内へと拡張するが、当該拡張は主燃焼室においてガス状混合物の点火が始まる前に、イニシャル点火が消失しないように行われる。

ガスエンジンは安全な点火を行うとともにイニシャル点火を提供するために予燃焼室を有し得、当該予燃焼室は点火増幅器として機能するとともに、当該予燃焼室から、イニシャル点火が主燃焼室内に拡張する。このとき予燃焼室には吸気行程の間に、燃焼のために用意されたガスが注入され、圧縮行程時に、主燃焼室では燃焼空気が予燃焼室内へと押し流され、予燃焼室でガスとともに圧縮され、それによって予燃焼室において発火力のある混合物が調整される。予燃焼室には点火火花を提供する装置が設けられており、当該点火火花はその後最終的に、予燃焼室においてガス状混合物の点火を生じさせる。予燃焼室内で拡張する火炎面は、オーバーフロー開口部を介して予燃焼室から主燃焼室の方向に出て、そこで主燃焼室における燃焼を生じさせるために希薄混合気に点火を行う。

特許文献１に基づいて、ガス状混合物のためのレーザー点火が周知となっている。当該レーザー点火装置は予燃焼室を有しており、当該予燃焼室において発火力のあるガス状混合物に対して、必要な点火温度に加熱される吸収体に放出されるレーザー光線を用いて点火が行われる。このとき点火は予燃焼室において行われ、火炎面は前方予燃焼室に向かって拡張し、当該前方予燃焼室は本来の予燃焼室の直径よりも小さい直径を有している。

オーバーフロー開口部は前方予燃焼室から主燃焼室に向かって設けられており、当該オーバーフロー開口部を介して火炎面は、主燃焼室内の発火力のある混合物に向かって拡張し得、それによって主燃焼室において主燃焼室燃焼の点火を準備する。

同様の点火装置は出願人の知るところでもあった。予燃焼室が高い熱的負荷および機械的負荷に曝されていることが判明していた。ハウジング壁であって、当該ハウジング壁を介してオーバーフロー開口部が設けられているハウジング壁は、燃焼ガスによる掃気行程の間に冷却される一方で、圧縮行程時には主燃焼室において、および特にイニシャル点火の間は予燃焼室において、壁の温度が著しく増大するという理由による。

従って点火装置のハウジング壁は温度に関しても、交互にかかる圧縮応力と引張応力に関しても変動負荷に曝されており、そのために大きな変動応力を受けている。イニシャル点火の火炎面は超音速領域で拡張するために、火炎面がオーバーフロー開口部を通過する際、絞り作用が生じることも判明している。

火炎面の流速が大きいことにより、オーバーフロー開口部の有効直径が低減される。オーバーフロー開口部を通過する間に点火トーチ断面の狭窄が生じるためである。これらの作用は、オーバーフロー開口部の領域において、腐食、酸化、および浸食により予燃焼室の摩耗を生じさせ、結果として当該摩耗により、ガスで駆動される内燃機関におけるメンテナンスコストが増大する。

独国特許出願公開第１０２００７０１５０３６号明細書

上記の点に鑑み、本発明は前記の不利点を除去するために、点火装置を進展させることを課題とし、それによって主燃焼室においてガス状混合物に効率的かつ安全な点火が行われるとともに、点火装置の摩耗が低減され、それとともに当該摩耗によって生じるメンテナンスコストが低減され得る。

本発明は上記の課題を解決するために、請求項１に記載の特徴を有しており、当該特徴の有利な構成はさらなる請求項に記載されている。

本発明は、ガスを用いて駆動される内燃機関の主燃焼室においてガス状混合物に点火するための点火装置を創出し、当該点火装置は予燃焼室を形成する内部凹所であって、予燃焼室においてガス状混合物に点火を行うための点火火花を提供する装置を備える内部凹所を有するハウジングを有しており、当該ハウジングは、主燃焼室においてガス状混合物に点火を行うために、点火トーチを予燃焼室から主燃焼室へと通過させるためのオーバーフロー開口部を有しており、前記内部凹所はオーバーフロー開口部に向かって断面に関して拡大する領域を有している。

これにより本発明は点火増幅器を創出し、当該点火増幅器はイニシャル点火の火炎を予燃焼室から主燃焼室内へと通過させるためのオーバーフロー開口部を有する予燃焼室を有しており、当該オーバーフロー開口部は、イニシャル点火の火炎がオーバーフロー開口部に向かう途中で通過する、予燃焼室の前置されている部分よりも大きな断面積を有している予燃焼室の領域に設けられている。

断面に関して拡大する領域によって、点火トーチの火炎の速度は、主燃焼室に向かってオーバーフロー開口部を通過する際に低減されるが、主燃焼室におけるガス状混合物に対して確実な点火が行われなくなる程度には低減されない。しかしながら速度の減少には以下の大きな有利点がある。すなわち、点火トーチの通過に対して有効なオーバーフロー開口部の断面積が、オーバーフロー開口部の開口直径が等しい場合、既知の点火増幅器の有効断面積と比べて大きい。これにより点火トーチに影響を及ぼす絞り作用は低減し、予燃焼室のオーバーフロー開口部の領域における機械的負荷および熱的負荷が減少し、それによって予燃焼室は、既知の点火装置の予燃焼室と比べて寿命が著しく延長される。

上記の拡大によって、オーバーフロー開口部同士の間の穴の間隔が増大し、それとともに予燃焼室の内部凹所におけるオーバーフロー開口部の流入孔同士の間のウェブ幅が増大する。ウェブ幅が拡大されたことはまた、点火トーチおよび主燃焼室における燃焼によって取り込まれる熱が、ハウジングの外周がその他の点で等しい場合、オーバーフロー開口部の領域において、既知の点火装置のハウジングの外周に比べて良好に排出される結果をもたらす。

これにより、ハウジングのオーバーフロー開口部の領域において亀裂が形成される危険に対して有効な対処がなされ得る。このような亀裂は熱によって生じる応力が不適切に増大することにより、ハウジングの外周が拡大する際に生じるものと想定され、さらに外周の拡大は、点火トーチがハウジングを通過する際の経路距離を延長させ、それにより熱損失を増大させ、これによってまた主燃焼室における点火安全性に関する不利点を生じさせるであろう。

本発明のさらなる構成によれば拡大する領域は、シリンダ状部分を起点として円錐状に拡大する、底部を備える内部凹所を有しており、当該底部の上方に、概ね径方向外側に延在する多数の孔が設けられており、当該多数の孔はハウジングの外壁を貫通している。

すなわち拡大部は、概ねシリンダ状の部分を起点として円錐台状に形成されていてよく、それによってオーバーフロー開口部は円錐台の底部領域に設けられている。

同様に前記領域はシリンダ状部分を起点とする内部凹所であって、当該内部凹所の外部輪郭が球面キャップ状に形成されている内部凹所を有し得、前記外部輪郭の球面キャップ外面に、概ね径方向外側に延在する孔が設けられており、当該孔はハウジングの外壁を貫通している。このような実施の形態において、概ねシリンダ状の部分は球面キャップ状の内部凹所とともに、シリンダ状部分を起点としてオーバーフロー開口部に向かって断面に関して拡大する領域を有している、逆さまのキノコに似た構造を形成している。

本発明のさらなる構成によれば、オーバーフロー開口部を形成する孔は、シリンダ状部分の長手方向中心軸に対する直角とは異なる角度で設けられている。このときオーバーフロー開口部の向きは好適に、点火トーチがオーバーフロー開口部を通過する際に、主燃焼室に設けられているピストンの下降移動の方向において衝撃を受けるように選択されている。点火トーチはそれにより、希薄混合気運転時でも発火力のある主燃焼室内のガス状混合物に向かってガイドされる。

本発明のさらなる構成によればまた、拡大する領域はシリンダ状部分の内径のおよそ１倍から１．５倍、好ましくはおよそ１．１倍から１．４倍、好ましくはおよそ１．２倍から１．３倍に相当する内径を有している。

これにより拡大する領域を有するハウジング領域の外径に応じて、ハウジング壁のオーバーフロー開口部同士の間のウェブ幅は、既知の点火装置のオーバーフロー開口部同士の間のウェブ幅に比べて３倍の値まで増大され得る。これによりウェブを介する熱伝導は著しく向上され得、予燃焼室を形成しているハウジングの内部凹所の容積がより大きくなっていることにより、予燃焼室における点火圧力は、既知の点火装置の予燃焼室における点火圧力に比べて、点火安定性を等しく保ちながら、およそ１５％低減され得る。

本発明のさらなる構成によればまた内部凹所は、点火火花を提供する装置の領域において、断面に関して概ねシリンダ状に形成されており、点火火花を提供する装置の領域に接続するとともに、続いて拡大する領域に移行するシリンダ状領域の内径よりも大きな内径を有している。

これにより予燃焼室内の、例として挙げられる点火プラグの領域において、発火力のある混合物が形成され、点火の後に生じる火炎面は、予燃焼室腹部とも称される比較的大きな直径を有する領域から、予燃焼室頸部とも称される比較的小さな直径を有するシリンダ状部分に入り込み、当該シリンダ状部分から最終的に拡大する領域に入り込み、当該拡大する領域において火炎面の速度は低減され、その後火炎面は当該拡大する領域から、点火トーチの形でオーバーフロー開口部を介して主燃焼室内へと出てゆく。

本発明のさらなる構成によればまた、予燃焼室を形成しているハウジングは、細長いシリンダ状の外形であって、ハウジングの長手方向延伸に沿って少なくとも部分的に変化する外径を有する外形を有している。これにより内部凹所の輪郭に従うとともに、壁厚に関して亀裂の危険を低減する方向において最適化されたハウジング形状が創出され得、それによって本発明に係る点火装置の耐久性が長くなる。

最終的に本発明によればさらにまた、隣接するオーバーフロー開口部の主燃焼室への排出開口部の外縁同士の間の距離は、オーバーフロー開口部の領域におけるハウジングの断面幅のおよそ０．１３倍から０．１５倍である。当該構成は好適な方法で大きなウェブ幅を生じさせ、当該大きなウェブ幅は熱伝導を介してウェブの領域から熱を最適に排出することを可能にし、それはまた本発明に係る点火装置の耐久性に対して有利に働く。

以下に図面に基づいて本発明をより詳しく説明する。当該図面は単独の図において本発明に係る点火装置の実施の形態の概略的な長手方向断面を表示している。

本発明に係る点火装置の実施の形態の概略的な長手方向断面を示す図である。

点火装置１は概略的に表示されたハウジング２であって、当該ハウジング２の外径が部分的に変化するために、当該ハウジング２の長手方向延伸に沿って部分的に変化する外部輪郭を有するハウジングを有している。これにより、点火装置１の運転中にハウジングに作用する熱的負荷および機械的負荷であって、対応する構成部材の応力となる負荷に対して配慮したハウジング形式が提供され得る。このときごく一般的に、ハウジングは最大ハウジング直径の領域における横方向延伸よりも大きな長手方向延伸を有している。

ハウジングは内部凹所３を有しており、当該内部凹所は三つの構成の異なる部分を有しているとともに、予燃焼室４を形成している。予燃焼室４は予燃焼室腹部５を有しており、当該予燃焼室腹部内に、予燃焼室４におけるガス状混合物に点火を行うための点火プラグ６が設けられている。

予燃焼室４には、詳しく示されていないガスエンジンの主燃焼室の吸気行程の間に、同様に詳しく示されていない弁を介してガスが注入され、それによってこれに続く圧縮行程の間に、発火力のある混合物を予燃焼室４内に準備する。点火プラグ６によって開始されるイニシャル点火は、予燃焼室腹部５に沿って予燃焼室頸部７に向かって拡張する火炎面となる。

予燃焼室頸部７は概ねシリンダ状の部分として形成されており、予燃焼室腹部５から見て、断面に関して拡大する領域８へと移行しており、当該断面に関して拡大する領域は、図に示す実施の形態では、円錐状に形成されるとともに底部９を有する拡張部として形成されている。

底部９の上方において、円錐状に拡大する領域８の外周に、等しく配分されたオーバーフロー開口部１０が設けられており、当該オーバーフロー開口部を介して火炎面は、点火トーチの形で予燃焼室４から主燃焼室１１内へと拡張し得、それによって主燃焼室においてガス状混合物に点火を行う。

断面に関して拡大する領域８によって実現されたのは、オーバーフロー開口部１０同士の間の距離Ａが、既知の点火装置のオーバーフロー開口部同士の間の距離に比べて３倍に拡大され得たことである。これにより隣接するオーバーフロー開口部１０同士の間のウェブ１２は、放熱を促進させる幅を有し、それはまた熱的負荷および機械的負荷によってウェブ１２において引き起こされる応力が、著しく低減され得る結果を招いた。

イニシャル点火の火炎面の速度は、予燃焼室頸部７から拡大する領域８への途中で、拡大する断面積ゆえに減少するが、大きなガス速度によって生じるとともに、主燃焼室における点火トーチの点火効率に不利な影響を及ぼす絞り作用も同時に減少し、それによって点火安定性は高いままに保持される。しかしながら、オーバーフロー開口部を通過する際の点火トーチの速度がより小さくなることにより、特にオーバーフロー開口部１０の孔の縁に及ぼされる点火トーチの摩耗作用が低減され、これによっても点火装置１の寿命は増大し、当該点火装置のメンテナンスコストは低減される。

上記において個々に詳しく説明されていない本発明の特徴に関しては、このほか対応する図面が明示的に参照される。

１ 点火装置
２ ハウジング
３ 内部凹所
４ 予燃焼室
５ 予燃焼室腹部
６ 点火プラグ
７ 予燃焼室頸部
８ 拡大する領域
９ 底部
１０ オーバーフロー開口部
１１ 主燃焼室
１２ ウェブ

Claims (8)

1. ガスを用いて駆動される内燃機関の主燃焼室（１１）においてガス状混合物に点火するための点火装置（１）であり、当該点火装置（１）は、予燃焼室（４）を形成する内部凹所（３）であって、前記予燃焼室（４）においてガス状混合物に点火を行うための点火火花を提供する装置（６）を備える内部凹所を有するハウジング（２）を有しており、当該ハウジング（２）は、前記主燃焼室（１１）において前記ガス状混合物に点火を行うために、点火トーチを前記予燃焼室（４）から前記主燃焼室（１１）内へと通過させるためのオーバーフロー開口部（１０）を有している点火装置において、前記内部凹所（３）は前記オーバーフロー開口部（１０）に向かって断面に関して拡大する領域（８）を有していることを特徴とする点火装置（１）。
2. 前記領域（８）は、シリンダ状部分（７）を起点として円錐状に拡大する、底部（９）を備える内部凹所を有しており、当該底部の上方に、概ね径方向外側に延在する多数の孔が設けられており、当該多数の孔は前記ハウジング（２）の外壁を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の点火装置（１）。
3. 前記領域（８）はシリンダ状部分を起点とする内部凹所であって、当該内部凹所の外部輪郭が球面キャップ状に形成されている内部凹所を有しており、前記外部輪郭のキャップ外面に、概ね径方向外側に延在する孔が設けられており、当該孔は前記ハウジング（２）の外壁を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の点火装置（１）。
4. 前記孔は、前記シリンダ状部分（７）の長手方向中心軸に対する直角とは異なる角度で設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の点火装置（１）。
5. 前記拡大する領域（８）は前記シリンダ状部分（７）の内径のおよそ１倍から１．５倍、好ましくはおよそ１．１倍から１．４倍、好ましくはおよそ１．２倍から１．３倍に相当する内径を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の点火装置（１）。
6. 前記内部凹所（３）は、前記点火火花を提供する装置（６）の領域において、断面に関して概ねシリンダ状に形成されており、前記拡大する領域（８）に移行する部分の内径よりも大きな内径を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の点火装置（１）。
7. 前記ハウジング（２）は、細長いシリンダ状の外形であって、前記ハウジング（２）の長手方向延伸に沿って少なくとも部分的に変化する外径を有する外形を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の点火装置（１）。
8. 隣接するオーバーフロー開口部（１０）の主燃焼室（１２）への排出開口部の外縁同士の間の距離は、前記オーバーフロー開口部（１０）の領域における前記ハウジング（２）の断面幅のおよそ０．１３倍から０．１５倍であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の点火装置（１）。