JP2016121680A - 内燃エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】プレチャンバを具備したエンジンのシリンダ間の均等化を図る。【解決手段】内燃エンジン１、特にガス・オットーサイクルエンジンは、各々がプレチャンバ（予備燃焼室）２を具備してなる複数のシリンダＺと、それぞれのプレチャンバー２と関連するプレチャンバガス弁３を介して前記プレチャンバ２に燃料ガスを供給可能とするプレチャンバガス供給導管４とを備えており、前記プレチャンバガス供給導管４と前記プレチャンバガス弁３との間にはそれぞれ開口部５が配設されている。プレチャンバガス弁３と関連する前記開口部５の少なくとも１つ（好ましくは全て）は、プレチャンバガス弁３と開口部５との間の容積空間６において燃焼サイクル間で最大となる圧力がプレチャンバガス供給導管４を占める圧力に達しない程度の、小さな流通係数を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の分類わけ部分（おいて書き部分）に記載の特徴を持った内燃エンジン、特にガス・オットーサイクルエンジンに関するものである。

プレチャンバ（予備室または予備燃焼室）を具備した内燃エンジンは、従来技術により知られている。内燃エンジンでは、与えられた行程容積によっては、燃料ガスと空気の混合気（それは、主燃焼室においてエミッション上の理由からしばしば大変リーンな（希薄な）状態にある）を確実に点火するのに、スパークプラグの点火スパークのエネルギーだけではもはや十分ではない。それ故、プレチャンバ付きエンジンは、主燃焼室の容積部分のほんの一部であると共に、燃料ガスと空気の混合気が点火装置によって点火されるところの更なる（又は別の）燃焼室を有している。そのプレチャンバは、通路を介して主燃焼室と連通している。点火（イグニション）の炎は、主燃焼室にあるところの、前記通路の端部の移動流ボア(transfer flow bores)を通って主燃焼室内にフラッシュオーバーし、その主燃焼室内に存在する混合気を点火する。

いわゆる非フラッシュ式のプレチャンバでは、圧縮行程時に、混合気が主燃焼室からプレチャンバ内へせきたてられ、それ故に、同じ燃料ガス／空気の混合気が主燃焼室とプレチャンバとに存在する。これとは対照的に、仮にプレチャンバが燃料ガス又は混合気を追加供給されるならば、その場合にはフラッシュ式のプレチャンバが参照される。それ故、フラッシュ式のプレチャンバの場合には、プレチャンバの点火エネルギーを増大させるために、プレチャンバ内の混合気は、少量の燃料ガス又は追加の燃料を足される。

例えばＥＰ ０３７７２６５は、ガス導管（１８）を介して燃料ガスの供給を受けるプレチャンバを持ったガスエンジンを開示する。要求された開き差圧が達成されたときに逆止弁（２４）が開いて、燃料ガスがプレチャンバに流入するのを許容する。

ここで述べられた一般的な種類の内燃エンジンは、プレチャンバガス供給部によって燃料ガスを供給され得るプレチャンバを有している。プレチャンバガス供給部からプレチャンバへの燃料ガスの計量は、プレチャンバガス弁によってもたらされる。プレチャンバガス供給部それ自体は、内燃エンジンのガス供給（装置）からガスを給送される。所望のプレチャンバガス量を設定するために、前記ガス給送は一般に、主たるガス供給（装置）とプレチャンバガス供給部との間の中央開口部を介してもたらされる。

プレチャンバガス弁は、概して、ガス供給（装置）の圧力とプレチャンバの圧力との間に所定の有意差があるときにのみ開く受動的な逆止弁の形態をなしており、プレチャンバへ向けた所定量のガスを計量する。仮に圧力が「開き差圧」未満であれば、プレチャンバガス弁は閉じたままとなる。

プレチャンバガス供給（装置）は、しばしば内燃エンジンのコンプレッサー（圧縮機）に連結されているので、プレチャンバガス供給（装置）の圧力は、概ねチャージ圧に対応するか、又はそれとリンクした関係にある。

仮に主燃焼室の圧縮曲線が考慮されるならば、チャージ変化のとき、即ちプレチャンバガス弁の開き差圧が超過状態とされているときに、プレチャンバガス弁が開かれる。

プレチャンバガス供給導管と主燃焼室の圧力間で十分に大きな圧力差がもたらされた際のプレチャンバガス弁の突然の開き（不意な開口）のために、プレチャンバガス導管でのガス体積について圧力変動が強いられる。それらの圧力変動は、他のシリンダに対するものも含めて、ガスの供給量のみならず、プレチャンバガス弁の所望の開き時間にも影響を与え得る。

より具体的には、プレチャンバガス供給導管における圧力変動は、
プレチャンバガス供給（装置）の名目上の圧力（nominal pressure、呼び圧力）からの差圧がプレチャンバガス弁より前で局所的に生じること、そしてそれ故に、
プレチャンバガス弁を開かせるところの、プレチャンバガス供給導管と主燃焼室との間の圧力比(pressure ratio)が、過度に短時間の間達成され又はあまりにも長く達成され、あるいは全く達成されないということ、をもたらす。

その結果は、定まらない量の燃料ガスがプレチャンバに給送され、これは定まらない時間で起きる、ということになる。

プレチャンバに給送される燃料ガスの所定量からの偏差（ズレ）は、内燃エンジンのエミッション、効率および燃焼安定性に否定的な影響をもたらす。例えば、プレチャンバへの燃料の過度に低い給送によって、プレチャンバが主燃焼室を確実に点火することができないというリスクが存在する。

故に、プレチャンバガス供給（装置）においてガスのカラム(column)で強要されている圧力変動を抑制（又は緩和）するために、通常、プレチャンバガス供給導管を個々のプレチャンバガス弁と連通させる導管部分において、ガスがスロットル調節された関係のみで流れ得るところの開口部(aperture)（従って、主ガス供給（装置）とプレチャンバガス部との間にある“中央の”開口部との関係で、追加の「非中央の」又は「分散した」(decentral)開口部にあたる）が、設けられている。

それ自体、従来技術で知られているそれら局所の開口部は、開口部とプレチャンバガス弁との間の容積がスローダウンしたプロセスで満たされることをもたらす。プレチャンバガス供給導管（“レール（ｒａｉｌ）”という）での変動は、そのスローなチャージング（給気）のために低減される。このことはまた、プレチャンバガス弁の突然の開きがプレチャンバガス供給（装置）に圧力変動を伝達不能とし、あるいは、十分に減衰された圧力変動だけを伝達可能とする、ということをもたらす。それが意図するところは、同じ量の燃料ガスが常に、内燃エンジンの燃焼室とそれぞれ関わり合っている全てのプレチャンバに給送される、という点にある。

しかしながら、チャージ変化および高圧フェーズ（高圧相）の際のシリンダ圧力変化のズレが、複数の燃焼室を含む内燃エンジンのシリンダ間で生じることは、知られている。そのいわゆる「シリンダ不均衡化(cylinder inequality)」は、かねてより避けられないものである、というのも、ピストン／シリンダのユニット間の幾何学的な偏差（ズレ）、及び、チャージ変化での流れ効果というものが存在するからである。その点についての不利益は、チャージ変化の際のプレチャンバの低い圧力がより多量のプレチャンバガス供給につながり、そして逆もまた同様である、という点にある。

プレチャンバガス弁における違い、及び、プレチャンバガス供給（装置）のシリンダ個々の部分における違いはまた、シリンダ不均衡化に更に貢献することになる。

欧州公開ＥＰ ０３７７２６５号公報

本発明の目的は、プレチャンバガスの計量された供給に関してシリンダ間の均衡（均等化）を保証することを可能ならしめる、プレチャンバガスの計量された供給のための装置、及び、前記装置の製造プロセスを提供することにある。

本発明の目的は、請求項１に記載の内燃エンジンによって達成される。本発明の有利な実施態様については、従属した請求項で言及されている。

本願の文脈における「燃料ガス」という用語は、純ガス（これは、例えば天然ガスのような可燃性ガスを意味する）、またはガスと空気の混合気を示す。

本発明によれば、プレチャンバガス弁に関連付けられた、少なくとも１つの（そして好適には全ての）開口部(aperture)は、プレチャンバガス弁と開口部との間の容積空間において、内燃サイクル間で最大となる圧力が、プレチャンバガス供給導管を占めている圧力に達しないほどに小さな流通係数(through-flow coefficient)を有している。「流通係数」とは、穴、この場合は開口部を流れる流体の達成可能な処理能力（スループット）に関する尺度であり、有効な断面積として解釈されてもよい。幾何学的な流れ断面積が小さければ小さいほど、流通係数もまた、それに応じてより低くなる。流通係数に対する付加的な影響値は、開口部形状の構成（開口部の幾何学的な構成）である。

極めて小さな流通係数は、様々なピストンシリンダユニットに給送されるプレチャンバガスの量における差異が減少されることをもたらし、より具体的には、採用される流通係数が低くなるほど、それに応じて前記の差異も減少されることをもたらす。

より具体的には、出願人は、プレチャンバガス供給導管とプレチャンバガス弁との間の導管部に配置された開口部に、異常に低い流通係数を採用した場合には、内燃サイクル中に、開口部とプレチャンバガス弁との間の容積空間では、プレチャンバガス給送導管の圧力レベルに届かない、という結果となることを試験において立証した。

むしろ、開口部とプレチャンバガス弁の間の容積空間では、給送されるプレチャンバガスの量に関係した最大圧力が発生する。一方で、プレチャンバガスの量は、プレチャンバガス弁の開口フェーズ（段階）時に当該プレチャンバに関連するピストンシリンダユニットのシリンダ圧力に依存する。加えて、プレチャンバガスの量も、プレチャンバおよびプレチャンバガス弁の流通特性に関する限りは、シリンダ個別のプレチャンバガス供給導管の流通特性に依存する。

換言すると、実際に計量されたガス給送について、プレチャンバ、より具体的には、開口部とプレチャンバガス弁との間の容積空間で使用可能となるところの、その容積空間部分の圧力レベルは、プレチャンバガス供給導管で取得する圧力レベルとは部分的に切り離される、ということをもたらす。弁を介して作用する差圧の均等性が実現される。

プレチャンバに関するシリンダ個別のプレチャンバガス供給導管における偏差（ズレ）または差異、および、ピストンシリンダユニットの圧力差とは別に、プレチャンバガス弁の流通特性における偏差（ズレ）または差異は、プレチャンバガス供給の歪曲（又は攪乱）につながり、そして、それらの偏差（ズレ）または差異は本発明に従った構成（又は解決策）によって軽減される。

それ故、プレチャンバが、プレチャンバガスの量において実質的に同一（均等）である状況が生まれる。本発明は、実際上、完全に受動的に作動するプレチャンバガス弁を保持しながら、シリンダの均等化のための自動制御（自己調節型）システムを提供する。当該システムは、エンジン運転またはエンジン装置でのシリンダ個々の変化（又は変更）に適合可能である。

その点で、圧力値がレール圧力(rail pressure)を最小限に下回ることは、すでに事足りている。プレチャンバガス弁と開口部の間の容積空間において、内燃サイクルの間の最大値として発生する圧力が、プレチャンバガス供給（装置）内の圧力の９９％未満にとどまるならば、均等化に関する特筆すべき効果はすでに生じている。好適には、開口部の直径や開口部の流通係数は、プレチャンバガス供給導管の圧力の９５％を下回ったままであるように選択される。とりわけ好適には、開口部の直径や開口部の流通係数は、プレチャンバガス供給導管の圧力の８５％を下回ったままであるように選択される。

本発明の展開（又は発展形）において、少なくとも２つの開口部が互いに異なる流通係数を有することが提供される。換言すれば、それぞれ異なる開口部は、個々のピストンシリンダユニットのプレチャンバと関連付けられてもよい。そのことがもたらすものは、シリンダの不均等性、即ち、ピストンシリンダユニットの内燃チャンバ圧力（の発達）における差異がいつものように生じるに伴い、そのことを開口部の個別選択の手段として考慮に入れることができる、というものである。

本発明は、これ以降で、具体的な説明により、さらに詳述される。

図１は、プレチャンバガス供給（装置）を備える内燃エンジンの概略図を示している。 図２は、従来技術に準じたプレチャンバガス弁より前の、圧力の変動に関するグラフを示している。 図３は、（本発明に準じた）プレチャンバガス弁より前の、圧力の変動に関するグラフを示している。

図１は、複数のシリンダＺを有する内燃エンジン１を示す概略図である。より簡便にするために、２つのシリンダＺのみが示されている。シリンダＺの燃焼チャンバ（燃焼室）は、吸気マニホルド１０を経由して可燃性混合気を受容する。ここに示されていないが、同じように予想することができる構成は、圧縮空気が吸気マニホルド１０を経由して燃焼チャンバに給送されると共に、燃料ガスが例えばポート噴射弁のような専用弁を経由して別々に給送されるもの（構成）である。

シリンダＺにおける燃焼チャンバの点火はプレチャンバ（予備燃焼室）２によって実現され（より簡便にするために、１つのプレチャンバ２のみ示されている）、そこから点火の炎（フレア）がシリンダＺの燃焼チャンバへと移行するが、それ自体は従来技術から知られている。これを目的として、点火装置はプレチャンバ２内に配置されている（図示されず）。

それぞれのプレチャンバガス弁３が、個々のプレチャンバに関連付けられ、それ故、個々のシリンダＺに関連付けられている。各プレチャンバガス弁３を経由して燃料ガスは、プレチャンバガス供給導管４からプレチャンバへと給送されることが可能となる。より簡便にするために、プレチャンバ２とプレチャンバガス弁３との関連性は、１つのシリンダＺのみで図示されている。

多くの場合、プレチャンバガス弁３は、受動的な逆止弁の形態をなしており、その逆止弁は、導管６の圧力と、プレチャンバ２内で有効な（プレチャンバ２内を占める）圧力との間の所定の陽圧（正の圧力）で開き、それによってプレチャンバ２に所定の量のガスを計量的に給送する。圧力が開き差圧を下回る場合、プレチャンバガス弁は閉鎖状態を維持する。プレチャンバ内の圧力は、関連するシリンダＺの燃焼チャンバ圧力にほぼ一致（対応）する。

プレチャンバガス供給導管４は、主ガス供給装置９により、圧力調節弁８および中央開口部７を経由してガス給送される。圧力調節弁８は、プレチャンバガス供給導管４内の圧力を、内燃エンジンのチャージ圧力に対して一定の割合（比率）に調節する。中央開口部７は、プレチャンバガス（体積）流量を設定することに加え、圧力の脈動(pulsation)が主ガス供給装置９からプレチャンバガス供給導管４へと伝達されないようにする。

非中央の開口部５はプレチャンバガス供給導管４と関連付けられており、それぞれの非中央の開口部５は、プレチャンバガス供給部の導管部６に配置され、当該導管部６はプレチャンバガス供給導管４から内燃エンジン１の個々のプレチャンバ２へとつながっている。これは、非中央の開口部５はそれぞれのプレチャンバ弁３に関連付けられていることを意味する。

プレチャンバガス弁３の開口時、燃料ガスは前記導管部６からプレチャンバへと流入する。燃料ガスは、プレチャンバガス供給導管４から導管部６への流れにおいて、非中央の開口部５によって遅延させられる。従来技術では、非中央の開口部５は、圧力変動をスロットル調節すると共に、プレチャンバガス弁３が開くより先にプレチャンバガス供給導管４の圧力が導管部６で有効となる（即ち、導管部６を占める又は行き渡る）ような寸法となっている。

非中央の開口部５の、本発明に準ずる構成では、プレチャンバガス供給導管４内で有効な（供給導管４内を占める）圧力は、内燃エンジン１の作動サイクル中に導管部６では実現されることはない。

図２は、従来技術に従った直径または流通係数を有する非中央の開口部５の作業サイクル（４ストロークエンジンの場合、７２０°に相当）の間の、非中央の開口部５とプレチャンバガス弁３との間の容積空間における圧力の様々な変化を示している。この図は、内燃エンジン１のシリンダＡおよびシリンダＢの圧力変化を示している。プレチャンバガス弁３と開口部５との間の容積空間における圧力は縦座標で表示され、クランク角は横座標で表示されている。

これらの２つのシリンダについて、プレチャンバガスの計量（計測）された給送における意図せぬ差異を実証するために、２つの際立って異なるシリンダが選択された。シリンダＡの圧力変化は破線で、シリンダＢについては実線で示されており、一方でプレチャンバガス供給導管４の圧力（「レール圧力」）は点線で示されている。

シリンダＡおよびＢの両方について、始動圧力（開始圧）はプレチャンバガス供給導管４の圧力に一致する。プレチャンバガス弁３は、プレチャンバガス供給導管４の圧力とプレチャンバ２の圧力の間が所定の陽圧差（正の圧力差）に達した時に、開く。

シリンダＡの圧力低下Δｐ_Ａは、シリンダＢの圧力低下Δｐ_Ｂよりも極めて顕著であることが見て取れるであろう。容積空間６の最大圧力と最小圧力との間の差異は流れるガス量に比例するという単純な想定の下では、シリンダＡは、シリンダＢよりも実質的に多くのプレチャンバガスを受容することが見受けられるであろう。

換言すると、プレチャンバガス弁３の開口フェーズにおいて、シリンダＡは、シリンダ内のより低い圧力のため、シリンダＢよりも多くのガスを、プレチャンバガス供給導管４から吸引することができる。

弁の閉鎖後、シリンダＡおよびシリンダＢの両方に対する容積空間６における圧力は、始動圧力（開始圧）、即ちプレチャンバガス供給導管４の圧力を再び取り戻す。仮にプレチャンバガス供給導管４の圧力を１００％と定めるならば、容積空間６の圧力は燃焼サイクルの間、その１００％を実現する。

次に図３を参照すると、図３には、非中央の開口部５の流通係数が異常な程度に低下された実施形態について、図２を参照して述べられた圧力変化が記されている。

第１の明らかな変化（相違点）は、弁を開く前の圧力レベルの違いに関するものである。ここでも実線で示されるシリンダＢは、破線で示されるシリンダＡよりも高い圧力レベルで始まることが見受けられよう。

２つのシリンダＡおよびＢは、プレチャンバガス供給導管４（点線で示された「レール」）の圧力レベルに到達していない。仮にプレチャンバガス供給導管４の圧力を再び１００％と定めるならば、容積空間６の圧力は、１サイクルの間に当該１００％に到達することはない。

初期値（開始時の値）と、到達した最低値との間の最大差である圧力変化（圧力変動）、即ちシリンダＡについてはΔｐ_Ａ、シリンダＢについてはΔｐ_Ｂは、その２つのシリンダについて一致（均等化）した。シリンダＡおよびシリンダＢの曲線は、ここでは平行に延びている。

従って、このことは、供給されたプレチャンバガスに関して、シリンダＡおよびＢの
おおよその均等化をもたらす。したがって、シリンダＡおよびＢはほぼ同量のプレチャンバガスを受容する。

また、この圧力は、プレチャンバガス供給装置の圧力レベルに達しないが、プレチャンバガス弁の開口時は、まだ上昇傾向にあること、即ち、その瞬間にはガスが依然として、プレチャンバガス供給導管４から、非中央の開口部５を通って、非中央の開口部５とプレチャンバガス弁３との間の容積空間６に向かって流れ出ていること、が見て取れよう。

非中央の開口部５が本発明に従って設計されたかどうかは、プレチャンバガス弁３の上流にある非中央の開口部５の間の容積空間６の圧力と、プレチャンバガス供給導管４の圧力を計測することにより、極めて容易に確認することができる。圧力センサを備えた設備は、当業者によく知られている方法で実現される。燃焼サイクル間の容積空間６において、プレチャンバガス供給導管４内を占める圧力に届かないならば（これは、容積空間６で最大限に発生する圧力を意味する）、非中央の開口部５は本発明に従って設計され、プレチャンバガスの量に関するシリンダの、ここに述べられている均等化が達成される。

１ 内燃エンジン
２ プレチャンバ（予備燃焼室）
３ プレチャンバガス弁
４ プレチャンバガス供給導管
５ 非中央の開口部（中央開口部７以外に存在する開口部５）
６ プレチャンバガス弁３と開口部５との間の容積空間
７ 中央開口部
８ 圧力調節弁
９ 主ガス供給導管
１０ 吸気マニホルド
Ｚ シリンダ
Δｐ_ｉ 圧力低下、圧力変化（圧力変動）

Claims (2)

1. 内燃エンジン（１）、特にガス・オットーサイクルエンジンであって、
   各々がプレチャンバ（予備燃焼室）（２）を具備してなる複数のシリンダ（Ｚ）と、
   それぞれのプレチャンバー（２）と関連するプレチャンバガス弁（３）を介して前記プレチャンバ（２）に燃料ガスを供給可能とするプレチャンバガス供給導管（４）と、
   を備え、前記プレチャンバガス供給導管（４）と前記プレチャンバガス弁（３）との間にはそれぞれ開口部（５）が配設されている、内燃エンジン（１）において、
   プレチャンバガス弁（３）と関連する前記開口部（５）の少なくとも１つ（好ましくは全て）は、プレチャンバガス弁（３）と開口部（５）との間の容積空間（６）において燃焼サイクル間で最大となる圧力がプレチャンバガス供給導管（４）を占める圧力に達しない程度の、小さな流通係数を有している、ことを特徴とする内燃エンジン。
2. 少なくとも二つの開口部（５）が、互いに異なる流通係数を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。