JP2016020695A - 予燃焼室底部、予燃焼室、シリンダ・デバイス、ガスと空気を混合して予燃焼室内でガス−空気混合気に点火するための方法、及び予燃焼室を取り替えるための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の欠点を回避した予燃焼室、特に予燃焼室底部を提供すること。【解決手段】内燃機関のシリンダの予燃焼室のための予燃焼室底部１が、予燃焼室内でガスと空気を混合し、ガス−空気混合気を点火するための、垂直軸線３を有する点火室下部２を含む。予燃焼室底部はさらに、点火室下部２とシリンダの主燃焼室とを接続するための、少なくとも１つの導管長手軸線５を含む導管４を有する。垂直軸線３が導管長手軸線５に対して傾きＡを有するように点火室下部２への導管４の入口開口部６が形成され、この入口開口部６は、点火室内にタンブル流を形成できるように偏心的に配置される。導管４は、少なくとも１つ、好ましくはただ１つの出口開口部７を有し、この出口開口部７は、垂直軸線３に対して非対称的に分散されるガス−空気混合気ビームが形成できるように配置される。入口開口部６における縁部８は滑らかな縁部として設計される。【選択図】図１

Description

本発明は、予燃焼室底部、予燃焼室、シリンダ・デバイス、ガスと空気を混合して予燃焼室内で「ガス−空気混合気」に点火するための方法、及び独立請求項に記載の予燃焼室に取り替えるための方法に関する。

予燃焼室は、強力な点火源が必要とされる所謂希薄燃焼機関で特に利用される。この場合、主燃焼室内での希薄ガス混合気の点火のための高エネルギーを提供するために、予燃焼室（ｐｒｅ−ｃｈａｍｂｅｒ）が使用される。予燃焼室において、主燃焼室から来る希薄基本空気−ガス混合気は、過剰の空気と反応しまた特定の圧力及び温度条件を超えると自己発火する適切な燃料を噴射することによって点火されることができ、或いは、予燃焼室内に適切な量のガスを直接加えることによって得られる局所的な化学量論的空気−ガス混合気と組み合わされる予熱プラグ又はスパーク・プラグによって点火されることができる。予燃焼室の形状は、実際の点火方法に依存する。パイロット燃料噴射は、予熱プラグの有無に関わらず、従来の火花式予燃焼室点火システムよりも高い点火エネルギーを提供することができる。一般に、予燃焼室に導入される基本空気−ガス燃料混合気の迅速且つ繰り返し可能な混合、及び、噴射されるパイロット燃料の迅速且つ繰り返し可能な混合が要求される。多くの予燃焼室の構成が知られているが、それらの予燃焼室の構成は、上述の要求を同時に満たすことができない。

米国特許第５，２９３，８５１号 独国特許第１９７０３３０９号 国際公開第２００９／１０９６９４号

米国特許第５，２９３，８５１号は、予燃焼室を含むガス機関のための燃焼システムを開示している。予燃焼室は、単一の導管により主燃焼室に接続される。導管は、流れ最適化がなされておらず、また、予燃焼室に対して鋭い縁部を含み、それにより、特に船舶用機関などの大型の機関において、寿命サイクルの短さと、シリンダ内に供給されるガス／空気混合気の分散不良とがもたらされる。

独国特許第１９７０３３０９号では、２つの部品から組み立てられる予燃焼室が開示されている。予燃焼室は、導管を通過する任意の流れが規定のタンブル流にとどまらず渦を生じさせるように、対称的に構成される。

国際公開第２００９／１０９６９４号は、点火されたガス／空気混合気をシリンダ燃焼室内に対称的に分散させるための幾つかの開口部を含む、オットー・サイクル用の予燃焼室構成を開示している。そのような予燃焼室は、高温により開口部間の小さな金属ブリッジが破壊されることが原因で、開口部を含む部品を頻繁に交換することになりやすい。

したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を回避することであり、また、予燃焼室底部、予燃焼室、シリンダ・デバイス、ガスと空気を混合してガス−空気混合気に点火する方法、並びに主燃焼室内へのガス／空気混合気ビーム（ｂｅａｍ）の最適化された入口及び最適化された寿命を有する予燃焼室底部の取替え方法を作り出すことである。

目的は、ガス−空気混合気に点火するための垂直軸線を有する点火室下部を含む、内燃機関のシリンダの予燃焼室のための予燃焼室底部によって達成される。予燃焼室底部は、点火室下部とシリンダの主燃焼室とを接続するための導管を含む。導管は、少なくとも１つの導管長手軸線を含み、また、点火室下部への導管の入口開口部が、垂直軸線が導管長手軸線に対して傾きを有するように、形成される。入口開口部は、点火室内にタンブル流を形成することができるように、偏心的に配置される。導管は、少なくとも１つ、好ましくは厳密に１つの出口開口部を含み、この出口開口部は、垂直軸線に対して非対称的に分散される１つ又は複数のガス−空気混合気ビームを形成することができるように、配置される。入口開口部における縁部は、滑らかな縁部（ｓｏｆｔ ｅｄｇｅ）として設計される。

そのような予燃焼室底部は、ガス及び空気の最適化された分散をもたらし、したがって、予燃焼室内及びシリンダの主燃焼室内での最適化された点火をもたらす。さらに、予燃焼室底部の寿命が延長される。

導管長手軸線は、垂直軸線に対して実質的に０．１°から８０°、好ましくは１０°から４５°、最も好ましくは１６°から３０°の角度に配置されうる。

そのような導管は、点火室内でのガス−空気混合気の最適な非対称的分散及び最適化されたタンブル流をもたらす。

点火されたガス−空気混合気ビームは、１つ又は複数の出口開口部から、垂直軸線の周りに最大で径方向に１８０°、軸線方向に９０°の球面扇形（ｓｈｐｅｒｉｃａｌ ｓｅｃｔｏｒ）の範囲内でのみ、主燃焼室内に導入可能とされうる。

そのような設計により、主燃焼室内への点火されたガス−空気混合気の最適化された分散が可能になる。

導管は、導管長手軸線に対して傾斜した導管分割部を含むことができる。

そのような設計により、流れ最適化がなされた導管入口開口部と、点火されたガス−空気混合気の非対称的な分散を可能にする導管の出口開口部とを含む、予燃焼室の形成が可能になる。それでもなお、チャネル内での最適化された流れが得られる。

導管及び／又は導管分割部の断面は、入口開口部から出口開口部へと先細りになることができる。

先細りしている断面により、導管を通る流れの速度が高められ、したがって主燃焼室内へのガス−空気混合気のさらなる導入がもたらされる。これにより、より均一な燃焼、及びより安定した過程がもたらされる。

垂直軸線に対する導管分割部の傾きは、０．２°から９０°、好ましくは２０°から７０°、より好ましくは４５°から５５°の範囲内とされうる。

当然ながら、垂直軸線に対する導管分割部の傾き、及び垂直軸線に対する導管長手軸線の傾きは、それらが互いの効果を打ち消すようには選択されないことが好ましい。したがって、導管分割部の傾きは、導管の傾きよりも大きくなるように選択されることが好ましい。導管分割部の傾きにより、予燃焼室をシリンダの中心から外して位置決めすることが可能になり、さらに、ガス／空気混合気を燃焼室の中心に且つ／又は燃焼室内のガス−空気流の渦内に供給することが可能になる。２つの異なる傾きを用いることにより、予燃焼室底部がより小さくなり、また、予燃焼室底部の製造がより容易になる。

導管と導管分割部との間に、球形断面拡張部を配置することができる。

導管と導管分割部との間の球形断面拡張部により、２つの異なる穿孔方向での導管及び導管分割部の穿孔が可能になる。これにより、製造費の低下とより精密な部品とがもたらされる。

導管は、好ましくは垂直軸線に垂直な点火室の最大断面の２分の１倍から２倍の範囲内の曲率半径を含んで、湾曲した形で設計されうる。

そのような導管は、流れ最適化がなされ、最適な流速をもたらす。

予燃焼室底部は、鋳造又は精密鋳造によって製造されることが好ましい。

鋳造予燃焼室底部が、より容易に、したがってより費用効率的に製造される。さらに、予燃焼室底部の設計には、あまり制限がない。

本発明の別の観点によれば、前述のような予燃焼室底部と予燃焼室上部とを含む、内燃機関でのガス／空気混合気の点火のための予燃焼室が提供される。そのような予燃焼室により、燃料ガスの効率的な循環と、燃料ガスと噴射されたパイロット燃料との迅速な混合とがもたらされる。混合気のタンブル流により、予燃焼室及び主燃焼室の両方における繰り返し可能で且つ強力な燃焼がもたらされる。さらに、予燃焼室は、燃焼室の中心垂直軸線から距離を置いたところに配置することができ、したがって、完全なシリンダ・デバイスのより容易な構成がもたらされる。

予燃焼室は、ガス−空気混合気の点火のための点火手段、好ましくは点火室内に延在する点火プラグ又は予熱プラグを含むことができる。

点火室は、予燃焼室底部の点火室下部、及び予燃焼室上部から組み立てられる。

点火手段により、予燃焼室内でガス−空気混合気に点火され、したがって、燃焼安定性が向上した効率的な燃焼がもたらされる。

予燃焼室は、予燃焼室内への燃料の供給を可能にする燃料供給手段を含むことができる。

燃料供給手段は、自己点火が用いられる場合には、点火手段の代替手段になる。

点火室の容積と、複数の出口開口部の全断面積の合計、又は１つの出口開口部の断面積との関係は、２００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内である。

そのような容積の関係により、シリンダ・デバイスの燃焼室内へのガス−空気混合気の最適化された流れ及び流速がもたらされる。

点火室の容積は、導管の容積を除き、予燃焼室の容積に対応する。

予燃焼室上部は、垂直軸線に対して非対称的に、好ましくは垂直軸線から距離を置いて配置される開口部によって非対称的に設計される。

したがって、予燃焼室上部の内壁は、長手軸線に対してわずかにシフトされるように、非対称的な形状を有する。入口開口部の側における点火室の赤道領域に位置する内壁は、この位置の反対側の壁よりも小さい曲率半径を含むことが好ましい。

そのような設計は、流れ最適化がなされて、最適化された燃焼をもたらす。

本発明の別の観点によれば、前述のような予燃焼室を含むシリンダ・デバイスが提供される。

そのようなシリンダ・デバイスは、より効率的で且つ安定した燃焼をもたらし、また、２行程機関又は４行程機関に使用することができる。

シリンダ・デバイスは、２つの予燃焼室を含むことができる。好ましくは、２つの予燃焼室がシリンダ・カバー内に配置されうる。

２つの予燃焼室を使用することにより、特に船舶用の燃焼機関などの大型の燃焼室の場合に、主燃焼室内でのガス−空気混合気の最適化された分散がもたらされる。

シリンダ・カバー内の配置により、予燃焼室又は予燃焼室底部を取り替える場合に、よりアクセスし易くなる。

予燃焼室は、好ましくはシリンダ・ライナの内径に近接して、好ましくはシリンダ・カバー内のシリンダ・ライナの内径に近接して、偏心的に配置されうる。

本発明によるシリンダ・ライナの内径への近接とは、どの予燃焼室もがシリンダ・デバイスの中心よりもシリンダ・ライナの内径に近接して配置されることを含む。

そのような配置により、燃焼室内でのガス−空気混合気の最適化された分散が可能になり、したがって、より効率的な燃焼がもたらされる。

さらに、３つ又は４つの予燃焼室が縁部に近接して偏心的に配置されることすら可能であり、好ましくはシリンダ・カバーの縁部にわたって均一に分散される。

そのような設計により、点火されたガス−空気混合気のさらに均一な分散が可能になる。

本発明の別の観点によれば、ガスと空気とを混合して前述のようなシリンダ・デバイスの予燃焼室内でその混合気に点火するための方法が提供される。ガスは、ガス−空気混合気を作るために空気と混合され、ガス−空気混合気は、予燃焼室に供給される。次いで、ガス−空気混合気は点火され、そこで、予燃焼室内にタンブル流が作り出されて、点火されたガス／空気混合気は、導管を通じて主燃焼室に供給される。点火されたガス−空気混合気の流れは、導管内で偏向され、また、ガス−空気混合気の流速は、導管内で高められる。

このようにして、点火されたガス−空気混合気は、燃焼室の深くまで達し、完全で且つ効率的な燃焼がもたらされる。

ガス−空気混合気に点火する前に、追加のガスを予燃焼室内に導入することができる。

このようにして、ガス−空気混合気は、より迅速に且つより確実に発火する。

ガス−空気混合気は、予燃焼室から少なくとも１つの出口開口部を通じて、主燃焼室の垂直軸線に対して非対称的に主燃焼室に供給されうる。予燃焼室の構成により、主燃焼室内へのガス−空気混合気の非対称的な導入が、最適化された燃焼をもたらす。

ガス−空気混合気は、１つの予燃焼室につき厳密に１つの出口開口部を通じて主燃焼室に供給されうる。

厳密に１つの出口開口部を使用することにより、予燃焼室の部品がより頑丈になるので、予燃焼室の寿命がより長くなる。

本発明の別の観点によれば、予燃焼室底部を取り外して前述のような予燃焼室底部を取り付けることによる、予燃焼室底部を取り替える方法が提供される。

そのような方法により、予燃焼室のより長い寿命、及び予燃焼室の底部のみを取り替えることが可能になることから、費用が最適化された予燃焼室の使用がもたらされる。

以下において、図面を使用して実施例において本発明をさらに説明する。

予燃焼室底部の断面概略図である。 予燃焼室の断面概略図である。 ９０°回転した図２の断面概略図である。 ２つの予燃焼室を含むシリンダ・カバーの断面概略図である。

図１は、本発明による予燃焼室底部１を示す。予燃焼室底部１は、垂直軸線３を有する点火室下部２を含む。点火室下部２は、完全な点火室（図示せず）を形成するために、点火室上部（図示せず）と組み合わせられうる。点火室下部２からは、導管４が下方に延在する。点火室下部２と導管４との間には、入口開口部６が配置される。導管４はさらに、垂直軸線３に対して実質的に１８°の傾きＡだけ傾斜した導管長手軸線５を含む。導管４はさらに、垂直軸線３に対して実質的に６５°の第２の傾きＢだけ傾斜している導管分割部１４を含む。導管４と導管分割部１４との間には、球形拡張部が配置される。入口開口部６は、導管４が実質的に一方の側に逸れて点火室下部２に開口するように配置される。入口開口部６の縁部８は、一方の側ではガス−空気混合気の流れを最適化し、反対側では予燃焼室底部１の材料に熱点が作られるのを抑制するように、スムース（ｓｍｏｏｔｈ）又は滑らかな（ｓｏｆｔ）縁部として設計される。導管分割部１４は、ガス／空気混合気ビームが垂直軸線３に対して非対称的に分散されるように設計された出口開口部７を含む。

図２は、本発明による予燃焼室９の第１の断面を示す。予燃焼室９は、（図１に示すような）予燃焼室底部１、及び予燃焼室上部１０を含む。予燃焼室上部１０は、滑らかな湾曲した壁を持つ楕円形状のものである。導管４から来る流れが、点火室１２の楕円形状の上方部分によってさらに誘導される。この目的のために、パイロット噴射手段１５は、ほんの少しだけ点火室１２内に突出する。点火室１２の容積は、使用されるシリンダのピストン径に左右されるものであり、また、それに応じて選択されるべきである。点火室１２の寸法は、点火室１２内の垂直軸線の長さと点火室１２の最大幅の箇所における単純な横軸線との比率に対応する。この比率は、好ましくは０．６から１．８の間になるように選択される。図２による実施例は、必要に応じて使用することができる予熱プラグ１６をさらに含む。

図３は、図２の予燃焼室９を、９０°回転させた視点で示す。この視点は、図１に示されるような導管分割部１４及び出口開口部７を示す。出口開口部７は垂直軸線３に対して非対称的に配置されているので、図２では出口開口部７は見えなかった。パイロット噴射手段１５は、垂直軸線３の第１の側に配置され、一方で予熱プラグ１６は、垂直軸線３の反対側に配置される。

図４は、シリンダ・ライナ１８の内径に近接して配置された２つの（図２及び３に示されるような）予燃焼室９を含むシリンダ・カバー１７の断面図を示す。ガス−空気混合気は、シリンダ（完全には図示せず）内で圧縮されて、予燃焼室９に押し込まれる。点火挙動を最適化するために、追加のガスが予燃焼室内に加えられる。パイロット噴射又は予熱プラグにより、ガス−空気混合気は点火されて、シリンダの主燃焼室（シリンダ・ライナ１８で示される）内に導入される。

１ 予燃焼室底部
２ 点火室下部
３ 垂直軸線
４ 導管
５ 導管長手軸線
６ 入口開口部
７ 出口開口部
８ 縁部
９ 予燃焼室
１０ 予燃焼室上部
１１ 点火手段
１２ 点火室
１３ 垂直軸線
１４ 導管分割部
１５ パイロット噴射手段
１６ 予熱プラグ
１７ シリンダ・カバー
１８ シリンダ・ライナ
Ａ 傾き
Ｂ 第２の傾き

Claims (15)

1. 内燃機関のシリンダの予燃焼室のための予燃焼室底部（１）であって、前記予燃焼室底部（１）は、ガス−空気混合気の点火のための垂直軸線（３）を有する点火室下部（２）と、前記点火室下部（２）を前記シリンダの主燃焼室に接続するための導管（４）とを有し、前記導管（４）は少なくとも１つの導管長手軸線（５）を有し、前記垂直軸線（３）が前記導管長手軸線（５）に対して傾き（Ａ）を有するように前記点火室下部（２）への前記導管（４）の入口開口部（６）が形成され、前記入口開口部（６）は、点火室内にタンブル流運動が形成できるように偏心的に配置され、前記導管（４）は少なくとも１つ、好ましくは厳密に１つの出口開口部（７）を有し、前記出口開口部（７）は、前記垂直軸線（３）に対して非対称的に分布された１つ又は複数のガス−空気混合気ビームが形成できるように配置される、予燃焼室底部（１）において、
   前記入口開口部（６）における縁部（８）が、なめらかな縁部として設計されること
   を特徴とする予燃焼室底部（１）。
2. 前記導管長手軸線が、前記垂直軸線に対して実質的に０．１°から８０°、好ましくは１０°から４５°、最も好ましくは１６°から３０°の角度で配置されることを特徴とする、請求項１に記載の予燃焼室底部（１）。
3. 点火された前記ガス／空気混合気ビームが、前記１つ又は複数の出口開口部から、前記垂直軸線の周りに最大で径方向に１８０°且つ軸線方向に９０°の球面扇形の範囲内でのみ、前記主燃焼室内に導入可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の予燃焼室底部（１）。
4. 前記導管及び／又は導管分割部の断面が、入口開口部から出口開口部へと先細りになっていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の予燃焼室底部（１）。
5. 前記垂直軸線に対する前記導管分割部の前記傾きが、０．２°から９０°、好ましくは２０°から８０°、より好ましくは４５°から６６°の範囲内であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の予燃焼室底部（１）。
6. 前記導管が、前記垂直軸線に垂直な前記点火室の最大断面の２分の１倍から２倍の範囲内の曲率半径を好ましくは有する、湾曲した形で設計されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の予燃焼室底部（１）。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の予燃焼室底部（１）と、予燃焼室上部（１０）とを有する、内燃機関におけるガス／空気混合気の点火のための予燃焼室（９）。
8. 前記ガス−空気混合気の点火のための点火手段（１１）、好ましくは点火室（１２）内に延在する点火プラグを有することを特徴とする、請求項７に記載の予燃焼室（９）。
9. 前記予燃焼室上部（１０）が、前記垂直軸線（３）に対して非対称的に設計されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の予燃焼室（９）。
10. 請求項７から９までのいずれか一項に記載の予燃焼室（９）を有するシリンダ・デバイス。
11. ２つの予燃焼室、好ましくはシリンダ・カバー内に配置された２つの予燃焼室を有することを特徴とする、請求項１０に記載のシリンダ・デバイス。
12. 前記予燃焼室が、前記シリンダ・デバイスの縁部に近接して、好ましくは前記シリンダ・カバーの縁部に近接して、偏心的に配置されることを特徴とする、請求項１１に記載のシリンダ・デバイス。
13. 請求項７から９までのいずれか一項に記載のシリンダ・デバイスの予燃焼室（９）内でガス／空気混合気を混合し、該混合気に点火する方法であって、ガスは、ガス−空気混合気を作り出すように空気と混合され、次いで前記予燃焼室（９）内に供給され、前記ガス−空気混合気が点火され、前記予燃焼室（９）内にタンブル流運動が作り出され、点火された前記ガス−空気混合気が導管（４）を通して前記主燃焼室内に供給される方法において、
    点火されたガス−空気混合気の流れが前記導管（４）内で偏向され、また前記ガス−空気混合気の流速が前記導管（４）内で高められること
    を特徴とする方法。
14. 前記ガス−空気混合気が、前記予燃焼室（９）から少なくとも１つの出口開口部（７）を通して、前記主燃焼室の垂直軸線（１３）に対して非対称的に前記主燃焼室に供給されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 予燃焼室底部（１）を取り外し、請求項１から６までのいずれか一項に記載の予燃焼室底部（１）を取り付けることによって、予燃焼室底部（１）を取り替える方法。