JP2017198186A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関 Download PDF

Info

Publication number
JP2017198186A
JP2017198186A JP2017011081A JP2017011081A JP2017198186A JP 2017198186 A JP2017198186 A JP 2017198186A JP 2017011081 A JP2017011081 A JP 2017011081A JP 2017011081 A JP2017011081 A JP 2017011081A JP 2017198186 A JP2017198186 A JP 2017198186A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
combustion chamber
internal combustion
engine
combustion engine
range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017011081A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6383820B2 (ja
Inventor
ブラキシル ヒュー
Blaxill Hugh
ブラキシル ヒュー
バンス マイケル
Michael Bunce
バンス マイケル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Powertrain LLC
Original Assignee
Mahle Powertrain LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle Powertrain LLC filed Critical Mahle Powertrain LLC
Publication of JP2017198186A publication Critical patent/JP2017198186A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6383820B2 publication Critical patent/JP6383820B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/108—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber with fuel injection at least into pre-combustion chamber, i.e. injector mounted directly in the pre-combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/108—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber with fuel injection at least into pre-combustion chamber, i.e. injector mounted directly in the pre-combustion chamber
    • F02B19/1085—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber with fuel injection at least into pre-combustion chamber, i.e. injector mounted directly in the pre-combustion chamber controlling fuel injection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/1023—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s)
    • F02B19/1028—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s) pre-combustion chamber and cylinder having both intake ports or valves, e.g. HONDS CVCC
    • F02B19/1057—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s) pre-combustion chamber and cylinder having both intake ports or valves, e.g. HONDS CVCC with fuel injectors disposed upstream of intake valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1004—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder details of combustion chamber, e.g. mounting arrangements
    • F02B19/1014—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder details of combustion chamber, e.g. mounting arrangements design parameters, e.g. volume, torch passage cross sectional area, length, orientation, or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/1023—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s)
    • F02B19/1028—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber pre-combustion chamber and cylinder being fed with fuel-air mixture(s) pre-combustion chamber and cylinder having both intake ports or valves, e.g. HONDS CVCC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/16—Chamber shapes or constructions not specific to sub-groups F02B19/02 - F02B19/10
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/16—Chamber shapes or constructions not specific to sub-groups F02B19/02 - F02B19/10
    • F02B19/18—Transfer passages between chamber and cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3094—Controlling fuel injection the fuel injection being effected by at least two different injectors, e.g. one in the intake manifold and one in the cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/14—Arrangements of injectors with respect to engines; Mounting of injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/14—Arrangements of injectors with respect to engines; Mounting of injectors
    • F02M61/145—Arrangements of injectors with respect to engines; Mounting of injectors the injection nozzle opening into the air intake conduit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/06—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sparking plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/10—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having continuous electric sparks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

【解決手段】内燃機関１は、エンジン口直径Ａ−Ａを有する燃焼室２１を画定するように、少なくとも１個のシリンダ２と、繰り返し往復運動のためにシリンダ２内に支持されるピストン３とを備える。内燃機関１は、前記シリンダ２内に配置され、イグナイタ部４２と燃料インジェクタ４３とを有する点火装置４をさらに備え、イグナイタ部４２と燃料インジェクタ４３の両方は、予燃室４１内に配置され、予燃室４１は、前記予燃室４１と燃焼室２１との間の流体連通を提供するための複数個のオリフィス４４を備える。複数個のオリフィス４４は、総オリフィス面積とエンジン口直径Ａ−Ａとの比が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあるような総オリフィス面積を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立項に係る内燃機関に関する。
本発明は、火花点火を使用する内燃機関の分野について述べる。
λがおおむね１＜λ＜１．５の範囲にある希薄燃焼は、λがより小さい燃焼に比べて正味熱効率を向上させることが分かっているが、ＮＯｘ排出も増加させるので、触媒コンバータが必要である。λ＞１．５の超希薄燃焼によって、正味熱効率を向上させ、かつＮＯｘ排出を顕著に低減させ得ることが明らかにされている。超希薄燃焼システムにおいて主に制約となるのは、混合物の点火性の乏しさである。混合物の点火性が乏しいので、λの値が、それを超えると前記内燃機関が点火しなくなる「リーンリミット」になる。
そのような内燃機関において、高エネルギー点火源である乱流噴流点火（ＴＪＩ）を使用することによって点火性に乏しい超希薄混合気を取り扱うことが知られている。ＴＪＩのための内燃機関は、少なくとも１個の予燃室を有する点火システムを備え、該予燃室内には、燃焼インジェクタと点火装置とが配置されている。前記点火装置は、乱流噴流点火を可能にする。該乱流噴流点火は、前記予燃室から噴出するラジカルの乱流噴流を使用して、前記主室に前記点火源を提供することによって、超希薄運転を可能にする。
前記予燃室は、前記主室に比べて容積が小さく、前記主室の全体にわたって、複数個の分散された点火位置を生じさせる複数個のオリフィスを有する。該オリフィスの大きさは、前記燃焼生成物が前記予燃室を出て前記主燃焼室内に入るときに、消炎を可能にする小ささである。そして、前記燃焼生成物は、前記主燃料原料（ｃｈａｒｇｅ）と反応し、化学的、熱的、および乱流効果によって、前記主燃焼室内の、前記予燃室ノズルから幾分離れた複数の場所で燃焼を開始する。前記化学的効果は、噴流内に存在するラジカル種によるものであり、該ラジカル種は、反応性が高いので、前記主室内に存在する空気燃料混合物の点火を可能にする。熱的効果は、一部または全部が燃焼された燃焼生成物によるものであり、該燃焼生成物は、主室での燃焼を誘発することができる高温の主室に入る。乱流効果は、主室内において、乱流噴流と燃料との間の相互作用を保証する。
内部に配されたこのような点火システムを有する先行技術の内燃機関が、特許文献１に示されている。該内燃機関は、１以上のシリンダを備えるエンジンブロックを有する。各シリンダは、主空気燃料原料が点火される主燃焼室と隣接するシリンダヘッドを有する。ピストンは、クランクシャフトの位置でロッドを介して接続されて、往復運動を可能にする燃焼室と隣接して配置される。各シリンダヘッドは、吸気開口と排気開口とを画定する。前記吸気および排気開口は、カム駆動弁によって開放および閉鎖され、これにより、前記シリンダと吸気マニホールドおよび排気マニホールドとの間に流体連通が提供される。前記内燃機関はまた、前記吸気ポートを通じて主燃料空気原料を前記燃焼室内に導入する手段として、前記吸気マニホールド内に取り付けられた燃料インジェクタを含む。前記点火装置は、予燃室の内容積に面するように配されたイグナイタ部とインジェクタとを有する。
前記予燃室は、互いに間隔を空けて配置されるとともに、前記予燃室と前記燃焼室との間に流体連通を提供する複数個のオリフィスを有するノズルを形成するようになっている。前記イグナイタ部は、前記予燃室内の燃料を点火する。前記オリフィス直径は、前記燃焼生成物が前記予燃室を出て前記主燃焼室内に入るときに、消炎を促進するような小ささに維持される。消炎は、一部が燃焼された予燃室生成物が前記予燃室の小さなオリフィスを通過されることを意味する。前記燃焼生成物は消炎されるが、前記主燃焼室を通って分散された後、主燃料と反応し、化学的、熱的、および乱流効果によって、前記予燃室ノズルから幾分離れた複数の場所で前記主燃料室内での燃焼を開始する。
反応性噴流を作り出すことができる改良された点火装置が、特許文献２に開示されている。前記点火装置の予燃室は、前記予燃室容積と前記主室容積との間に流体連通を提供するための複数個のオリフィスを含む。前記乱流噴流が前記主室内に深く浸透することを保証するために、前記オリフィスは、特定の最大直径および最小直径の範囲に限定されるが、前記予燃室容積は特定の範囲に維持されている。
該設計は、予燃室容積との関係において、オリフィス直径、オリフィス数のようなノズル特性を適切な目標とするためだけに選択される。既知の設計に関する欠点は、該設計が、予燃室容積の範囲に対して、速度、浸透および点火位置の分散のような物理的な噴流特性と関係しているだけであることにある。予燃室およびノズルの幾何学的特徴とシリンダ口径によって説明されるようなエンジンシリンダの大きさとの関係を明らかにする必要がある。
米国特許出願公開第２０１２／１０３３０２号明細書 米国特許出願公開第２０１５／００６８４８９号明細書
したがって、本発明の目的は、熱効率が改善された内燃機関であって、前記主燃焼室の設計（つまり、大きさ）を考慮した、特に、エンジン口の直径との関係で、オリフィスの設計（つまり、大きさ）を考慮した内燃機関を提供することである。
この目的は、独立項に係る内燃機関によって達成される。本発明の特定の態様は、各従属項の主題を形成する。
本発明は、エンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼室を画定するように、少なくとも１個のシリンダと、繰り返し往復運動のために前記シリンダ内に支持されるピストンとを有する内燃機関を備える。該内燃機関は、前記シリンダ内に配置される点火装置をさらに備え、（該点火装置は）イグナイタ部と燃料インジェクタとを有し、前記イグナイタ部と前記燃料インジェクタの両方は、予燃室内に配置され、該予燃室は、前記予燃室と前記燃焼室との間の流体連通を提供するための複数個のオリフィスを備える。前記複数個のオリフィスは、総オリフィス面積とエンジン口直径（Ａ−Ａ）との比が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあるような総オリフィス面積を有する。
前記総オリフィス面積の大きさと前記エンジン口直径との比が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあるので、最大の正味熱効率が得られる。この関係によって、エンジンの大きさの範囲に対して、前記予燃室およびノズルの大きさを変えることができる。正味熱効率は、エンジンの仕事を燃料エネルギーで割ったものとして定義される。前記エンジンの仕事は、燃焼仕事およびポンプ仕事であり、前記燃料エネルギーは、燃料流量と燃料の発熱量とを掛け合わせたものである。したがって、特定のオリフィス面積とエンジン口の大きさとの比によって、最大の正味熱効率が実現される。ノズルオリフィス面積を減らすことでピークの正味熱効率を最大にすることを述べた先行技術公報の観点からは、このことは予測されない。技術的には、所与のエンジン口径の場合、大きなオリフィス面積は、噴流速度が小さいために、正味熱効率を低減させ、小さなオリフィス面積は、前記噴流の温度を下げ、これにより点火に必要な正味熱効率を低減させるチョーク流れのために、正味熱効率を低減させる。前記予燃室ノズルにおける総オリフィス面積の大きさは、各個々のノズルオリフィスの面積（円形状のオリフィスの場合、Ａ＝πｒ２）の総和である。前記エンジン口直径は、換言すれば、前記エンジンの孔または前記シリンダの直径である。
特定の実施形態によれば、前記総オリフィス面積の大きさと前記エンジン口直径との比が、０．０１６ｍｍ〜０．１６ｍｍ（つまり、０．０５ｍｍ〜０．０９ｍｍ）の範囲にある。特に好ましくは、前記総オリフィス面積の大きさと前記エンジン口直径の比が、０．０６ｍｍである。これらの範囲は、最大の正味熱効率を示した実験計測での最適な結果を示している。
別の好ましい態様は、オリフィスの数が４〜８の範囲にあり、該オリフィスの直径が０．７ｍｍ〜１．５５ｍｍの範囲にあることに関する。前記所与の値は、８７．５ｍｍのエンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼エンジンと組み合わせることに関して、特に着目される。
有利には、オリフィスのそれぞれは、前記予燃室に面する第１表面領域と前記燃焼室に面する第２表面領域とを有し、前記第１表面領域の大きさと前記第２表面領域の大きさの比は、０．５〜２の範囲にある。前記比を変えることにより、前記オリフィスから発せられる噴流の形態を変えることができる。すなわち、低減させると集中噴流になるが、表面領域を増加させると分岐噴流となる。
前記予燃室の内容積は、前記燃焼室の最小容積の５％未満であれば好ましく、０．３％〜３％の範囲にあれば特に好ましい。測定結果は、これよりも大きな予燃室容積とすると、正味熱効率が低減されるようになることを示している。
別の好ましい態様は、このようなオリフィスが、前記オリフィスの中心線（Ｃ−Ｃ）が前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して５０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室内に配置されていることに関する。複数の平行な面内に、オリフィス中心線と前記予燃室の中心軸との間のそれぞれの角度が５０°〜６０°であるオリフィスを配置すること（例えば、第１面内の第１の数（例えば、６個のオリフィスノズルの内の３個）のオリフィスおよび第２面内の第２の数（例えば、３個）のオリフィス）がより好ましい。これらの角度によって、良好な燃焼効率が提供される。前記角度を５０°から６０°に変化させることにより、リーンリミットを１．７λから２．１λまで増加できることが示されている。
好ましくは、前記燃料インジェクタは、前記燃料噴霧の中心線（Ｄ−Ｄ）が前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して２０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室内に配置される。これにより、前記予燃室内において空気と燃料とを良好に混合することができる。すなわち、前記燃料噴霧は、前記オリフィスを介して前記予燃室内に入る空気原料と相互作用する。燃料噴霧の中心線の角度が２０°未満であると、燃料は、前記点火プラグに直に衝突し、これにより点火が阻害されるようになる。燃料噴霧の中心線の角度が６０°を超えると、燃料は、前記オリフィスに直に衝突し該オリフィスを通って排出され、これにより点火前に前記予燃室を出ることとなる。
有利な態様によれば、前記点火装置は、前記燃料インジェクタが、濃厚な燃料混合物が前記予燃室の壁近傍に存在し、濃厚な混合物が前記点火プラグの電極近くの領域内に存在するように燃料噴霧パルスを前記予燃室内に注入することを可能にする制御ユニットを備える。これにより、前記点火プラグによって誘発されるので、前記予燃室内で点火が生じること、および前記点火プラグから発せられる燃焼の火炎前面が前記オリフィスに向かって前進した後、噴流として前記オリフィスを通って出るときに、該燃焼の火炎前面が前記予燃室壁近くに移動させられることが保証される。前記予燃室壁近くに移動した火炎は、前記予燃室内への空気原料の導入を防ぐことが好ましく、これにより、火炎速度が最大になるとともに、噴流速度が最大になる。
本発明の別の態様によれば、前記点火装置は、前記燃料インジェクタが、連続的な燃料噴霧パルスの間において、少なくとも２個の火花が前記イグナイタ部によって提供されるような方法で、燃料噴霧パルスを前記予燃室内に注入することを可能にする制御ユニットを備える。さらなる点火火花によって、前記予燃室内の内容物のより完全な燃焼が可能になり、これにより、前記予燃室での燃焼事象の間に前記予燃室内に放出されるエネルギーの量が増加し、噴流速度が増加する。
以下では、図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。同様な参照番号は、図面全体において同様な特徴を示している。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の垂直断面図。 図１の点火装置の垂直断面図。 エンジン口直径に対する総オリフィス面積の比と正味熱効率との関係を示すグラフ。 予燃室容積と正味熱効率との関係を示すグラフ。
図１は、（例えば、４気筒の）１個のシリンダ２を備える内燃機関１を示す。シリンダ２は、エンジンブロック２１内に形成され、シリンダヘッド２２がその上に配置される。別体の主燃料インジェクタ５を備える入口２２１および燃焼生成物を排出するための出口２２２が、シリンダヘッド２２に配置される。ピストン３は、示された例では、８７．５ｍｍのエンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼室２１を（前記シリンダヘッドとともに）画定するように、繰り返し往復運動のためにシリンダ２内に（図示しないクランクシャフトの位置で）支持される。
内燃機関１はさらに、前記シリンダ２内に配置されている（乱流噴流点火のための）点火装置４を備える。該点火装置４は、イグナイタ部４２および（前記主燃料インジェクタから離れた位置にある）燃料インジェクタ４３を有する。これらは、両方とも予燃室４１に面して配置されている。予燃室４１は、示された例では、予燃室４１の内側から燃焼室２１までの流体連通を提供するための６個のオリフィス４４を備える。オリフィス４４の総オリフィス面積（個々のオリフィス面積の全てを合わせた面積）は５．７０ｍｍ２であるので、前記総オリフィス面積とエンジン口直径（Ａ−Ａ）との比は０．０６５ｍｍとなっている。予燃室４４における総オリフィス面積の大きさは、オリフィスの数６と個々のオリフィスの面積とを掛け合わせたものであり、５．７０ｍｍ２である。エンジン口直径は、本例においては８７．５ｍｍである。得られる正味熱効率は４２．１％である。正味熱効率のこの最大値は、正味熱効率がノズルオリフィス面積の低下につれて最大になることを述べている先行技術文献の観点からは、予想されるものではない。正味熱効率は、エンジンの仕事を燃料エネルギーで割ったものとして算出される。エンジンの仕事は、燃焼仕事およびポンプ仕事である。燃料エネルギーは、燃料流量と燃料発熱量とを掛け合わせたものである。前記寸法によって、低噴流速度を避けるのに十分小さく、かつチョーク流れを避けるのに十分大きなオリフィス面積が提供され、これにより、前記噴流の温度は低下される。前記予燃室での総オリフィス面積の大きさは、オリフィス４４の数と各面積（円形状のオリフィスの場合、Ａ＝πｒ２）とを掛け合わせたものである。
予燃室４１内における最適な（完全な）点火および連続的な火炎移動を実現するために、点火装置４は、（図示しない）制御ユニットを備える。該制御ユニットは、本例においては、濃厚な混合物がイグナイタ部４２近くに存在し、かつ濃厚な混合物が前記予燃室壁の近くに存在するような方法で、所与のサイクルで複数の燃料噴霧パルスを予燃室４１内に注入するように燃料インジェクタ４３を制御できる。
代わりの操作モードでは、点火装置４は、１より多い燃料噴霧パルスがイグナイタ部４２によって提供される連続的な火花の間に注入されるような方法で、燃料インジェクタ４３が燃料噴霧パルスを予燃室４１内に注入するように燃料インジェクタ４３を制御できる（図示しない）制御ユニットを備える。
前記予燃室設計のより詳細な図を図２に提供する。図２において、予燃室４１は、内燃機関のシリンダヘッド２２において燃焼室（主室）の頂部に配置される。予燃室４１は、複数のオリフィス４４を備え、各オリフィスは、予燃室４１に面する第１（内）表面領域４４１と、前記燃焼室に面する第２（外）表面領域４４２とを有する。第１表面領域４４１の大きさと第２表面領域４４２の大きさとの比は、１と例示される。これは、両領域が同じ大きさであることを意味している。該比は、発せられる噴流の形態に関連するので、この例における（比が１である）噴流は、（理想的には）平行である。
各オリフィス４４は、オリフィスの中心線Ｃ−Ｃが予燃室の中心軸Ｂ−Ｂに対して６０°の角度（下方のＢ−ＢとＣ−Ｃとの間の角度）となるように予燃室４１内に配される。燃料インジェクタ４３は、燃料噴霧の中心線Ｄ−Ｄが予燃室の中心軸Ｂ−Ｂに対して２０°の角度（上方のＢ−ＢとＤ−Ｄとの間の角度）となるように、予燃室４１内に配置され、かつそのように設計される。
図３は、以下に表１として提供される特定の寸法の例に対する総オリフィスの比と正味熱効率の測定結果との関係のグラフを提供する。
計算には以下の等式が含まれる。
正味熱効率が最大になることは、正味熱効率がノズルオリフィス面積の低下につれて最大になることを述べた先行技術の観点からは、予想されるものではない。
図４は、予燃室の内容積と正味熱効率のグラフ表示である。予燃室容積は、燃焼室の最小容積の５％未満であり、特に、０．３％〜３％の範囲にある。最小容積とは、ピストンが上死点に配置される場合の容積のことである。予燃室容積の測定結果が大きいと、正味熱効率が低下することとなる。示された測定結果は、最小主室燃焼容積の予燃室容積に対する正味熱効率を表している。グラフ１は、１５００ｒｐｍ／３．９ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ２の場合であり、グラフ２は、１５００ｒｐｍ／３．９ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ１．９の場合であり、グラフ３は、３．９ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ１．８の場合であり、グラフ４は、４０００ｒｐｍ／７．８７ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ１．５の場合である。

Claims (10)

  1. エンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼室（２１）を画定するように、少なくとも１個のシリンダ（２）と、繰り返し往復運動のために前記シリンダ（２）内に支持されるピストン（３）とを備える内燃機関（１）であって、
    前記内燃機関（１）は、前記シリンダ（２）内に配置され、イグナイタ部（４２）と燃料インジェクタ（４３）とを有する点火装置（４）をさらに備え、前記イグナイタ部（４２）と前記燃料インジェクタ（４３）の両方は、予燃室（４１）内に配置され、
    前記予燃室（４１）は、前記予燃室（４１）と前記燃焼室（２１）との間の流体連通を提供するための複数個のオリフィス（４４）を備え、
    前記複数個のオリフィス（４４）は、総オリフィス面積とエンジン口直径（Ａ−Ａ）との比が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあるような総オリフィス面積を有する、
    内燃機関（１）。
  2. 前記総オリフィス面積と前記エンジン口直径（Ａ−Ａ）との間の比が、０．０１６ｍｍ〜０．１６ｍｍの範囲にある、
    請求項１に記載の内燃機関（１）。
  3. 前記総オリフィス面積と前記エンジン口直径（Ａ−Ａ）との間の比が、０．０６ｍｍである、
    請求項１に記載の内燃機関（１）。
  4. 前記オリフィス（４４）の数が、４〜８の範囲にあり、前記オリフィス（４４）の直径が、１ｍｍ〜１．５５ｍｍの範囲にある、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  5. 前記オリフィス（４４）のそれぞれは、前記予燃室（４１）に面する第１表面領域（４４１）と、前記燃焼室（２１）に面する第２表面領域（４４２）とを有し、
    前記第１表面領域（４４１）の大きさと前記第２表面領域（４４２）の大きさとの比は、０．５〜２の範囲にある、
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  6. 前記予燃室（４１）の内容積は、前記燃焼室（２１）の最小容積の４％未満であり、特に、０．３％〜３％の範囲にある、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  7. 前記オリフィス（４４）は、前記オリフィスの中心線（Ｃ−Ｃ）が、前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して５０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室（４１）内に配されている、
    請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  8. 前記燃料インジェクタ（４３）は、前記燃料噴霧の中心線（Ｄ−Ｄ）が、前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して２０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室（４１）内に配置される、
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  9. 前記点火装置（４）は、前記燃料インジェクタ（４３）が、単一サイクルの間に１より多くの燃料噴霧パルスが注入されるような方法で、燃料噴霧パルスを前記予燃室（４１）内に注入し、前記イグナイタ部（４２）の近く、および前記予燃室（４１）の壁の近くに最適な空気燃料混合物を提供することを可能にする制御ユニットを備える、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
  10. 前記点火装置（４）は、前記燃料インジェクタ（４３）が、連続的な燃料噴霧パルス間において、少なくとも２個の火花がイグナイタ部（４２）によって提供されるような方法で、燃料噴霧パルスを前記予燃室（４１）内に注入することを可能にする制御ユニットを備える、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
JP2017011081A 2016-04-28 2017-01-25 内燃機関 Active JP6383820B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16000958.5A EP3239487B1 (en) 2016-04-28 2016-04-28 Internal combustion engine with optimized jet ignition pre-chamber
EP16000958.5 2016-04-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017198186A true JP2017198186A (ja) 2017-11-02
JP6383820B2 JP6383820B2 (ja) 2018-08-29

Family

ID=55966963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017011081A Active JP6383820B2 (ja) 2016-04-28 2017-01-25 内燃機関

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10458311B2 (ja)
EP (1) EP3239487B1 (ja)
JP (1) JP6383820B2 (ja)
KR (1) KR101950228B1 (ja)
CN (1) CN107339149B (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019152200A (ja) * 2018-03-06 2019-09-12 株式会社Ｓｏｋｅｎ エンジンシステム
JP2019157638A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 株式会社Ｓｏｋｅｎ 副室式点火装置及びそれを備えたエンジン

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6895243B2 (ja) * 2016-12-08 2021-06-30 三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社 副室式ガスエンジン
JP6825553B2 (ja) * 2017-12-28 2021-02-03 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
SE542877C2 (en) * 2018-10-11 2020-07-28 Scania Cv Ab A pre-chamber arrangement for a gas engine and a gas engine
DE102019201344A1 (de) * 2019-02-01 2020-08-06 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Starts einer Brennkraftmaschine
CN110185534A (zh) * 2019-05-16 2019-08-30 天津大学 一种火花辅助射流点火发动机
RU2750830C2 (ru) * 2019-07-05 2021-07-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) Комбинированная форкамера для двигателя внутреннего сгорания
EP4090840A1 (en) * 2020-01-15 2022-11-23 Radical Combustion Technologies, LLC Systems, apparatus, and methods for inducing enhanced radical ignition in internal combustion engines using a radical chemicals generator
WO2021173107A1 (en) * 2020-02-24 2021-09-02 Mahle International Gmbh A spark ignited engine with a pre-chamber, a pre-chamber and an adapter insert for the engine
CN113756932A (zh) * 2020-06-02 2021-12-07 广州汽车集团股份有限公司 一种预燃室结构
JP7150095B1 (ja) * 2021-05-17 2022-10-07 三菱電機株式会社 内燃機関の制御装置及び制御方法
JP2023084004A (ja) * 2021-12-06 2023-06-16 マツダ株式会社 エンジン及びその製造方法
CN115247601A (zh) * 2022-03-16 2022-10-28 长城汽车股份有限公司 发动机和车辆

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004285928A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Osaka Gas Co Ltd エンジン及びその運転方法
JP2007537392A (ja) * 2004-05-12 2007-12-20 シューベルト・ゴットフリート 予燃焼室内の絞り調整、外部点火と燃料直接噴射を備える高圧縮オット内燃機関
US20150068489A1 (en) * 2010-11-01 2015-03-12 Mahle Powertrain, Llc Turbulent jet ignition pre-chamber combustion system for spark ignition engines
JP2015094303A (ja) * 2013-11-13 2015-05-18 株式会社デンソー 副室式内燃機関
US20160053668A1 (en) * 2015-11-02 2016-02-25 Caterpillar Inc. Prechamber assembly for engine
JP2016035854A (ja) * 2014-08-04 2016-03-17 株式会社日本自動車部品総合研究所 副室付点火装置とその制御方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5024193A (en) * 1990-02-06 1991-06-18 Caterpillar Inc. Fuel combustion system, method, and nozzle member therefor
US5404712A (en) * 1992-10-06 1995-04-11 University Of Tennessee Research Corporation Laser initiated non-linear fuel droplet ignition
EP0770171B1 (en) * 1994-07-13 2001-06-06 The University Of Melbourne Internal combustion engine ignition device
JPH1137030A (ja) * 1997-07-14 1999-02-09 Yamaha Motor Co Ltd 内燃機関の点火装置
JP3767383B2 (ja) * 2001-01-12 2006-04-19 日産自動車株式会社 筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置
DE102008018482B4 (de) * 2008-04-11 2013-11-07 Man Diesel & Turbo Se Brennkraftmaschine
WO2009149044A2 (en) * 2008-06-03 2009-12-10 Bryant, Mark, Curtis Internal combustion engine and working cycle
DE112011103649T5 (de) 2010-11-01 2013-08-22 Mahle Powertrain, Llc Vorkammerverbrennungssystem mit turbulentem Zündstrahl für Ottomotoren
US9243580B2 (en) * 2011-12-07 2016-01-26 Ford Global Technologies, Llc Method and system for reducing soot formed by an engine
AT13172U1 (de) * 2011-12-28 2013-07-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Ohg Vorkammersystem für eine Brennkraftmaschine
AT512532B1 (de) * 2012-09-26 2013-09-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Og Vorkammersystem für eine Brennkraftmaschine
US9797296B2 (en) * 2013-03-15 2017-10-24 Cummins Inc. Pre-chamber for internal combustion engine
US9835066B2 (en) * 2013-03-15 2017-12-05 Clean Train Propulsion Efficiency and emissions improvements for natural gas conversions of EMD 2-cycle medium speed engines
US20170138251A1 (en) * 2015-11-12 2017-05-18 Cummins Inc. Pre-chamber nozzle
EP3181855B1 (en) * 2015-12-14 2018-08-29 Caterpillar Energy Solutions GmbH Pre-chamber of an internal combustion engine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004285928A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Osaka Gas Co Ltd エンジン及びその運転方法
JP2007537392A (ja) * 2004-05-12 2007-12-20 シューベルト・ゴットフリート 予燃焼室内の絞り調整、外部点火と燃料直接噴射を備える高圧縮オット内燃機関
US20150068489A1 (en) * 2010-11-01 2015-03-12 Mahle Powertrain, Llc Turbulent jet ignition pre-chamber combustion system for spark ignition engines
JP2015094303A (ja) * 2013-11-13 2015-05-18 株式会社デンソー 副室式内燃機関
JP2016035854A (ja) * 2014-08-04 2016-03-17 株式会社日本自動車部品総合研究所 副室付点火装置とその制御方法
US20160053668A1 (en) * 2015-11-02 2016-02-25 Caterpillar Inc. Prechamber assembly for engine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019152200A (ja) * 2018-03-06 2019-09-12 株式会社Ｓｏｋｅｎ エンジンシステム
JP2019157638A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 株式会社Ｓｏｋｅｎ 副室式点火装置及びそれを備えたエンジン

Also Published As

Publication number Publication date
CN107339149B (zh) 2019-09-20
KR101950228B1 (ko) 2019-02-20
US10458311B2 (en) 2019-10-29
US20170314456A1 (en) 2017-11-02
EP3239487A1 (en) 2017-11-01
EP3239487B1 (en) 2021-09-01
JP6383820B2 (ja) 2018-08-29
CN107339149A (zh) 2017-11-10
KR20170123223A (ko) 2017-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6383820B2 (ja) 内燃機関
US9890690B2 (en) Passive prechamber direct injection combustion
JP2590170B2 (ja) 燃料燃焼システム用の火炎培養増殖装置
CN206319953U (zh) 一种用于发动机的预燃室组件
US8910612B2 (en) Pre-chamber jet igniter and engine including combustion chamber employing the same
CN108291476B (zh) 无源预燃室直接喷射燃烧
US5042441A (en) Low emission combustion system for internal combustion engines
CN107587930A (zh) 用于起动内燃机的方法
RU2005135152A (ru) Двигатель внутреннего сгорания с впрыском газообразного топлива
US3270722A (en) Method of conditioning liquid fuels
US20160169086A1 (en) Combustion chamber with ducts for internal combustion engines
JP4242773B2 (ja) バルブ制御の分割チャンバー内燃機関エンジン
WO1993000504A1 (fr) Moteur a combustion interne a allumage par compression du type a injection directe
EP4090840A1 (en) Systems, apparatus, and methods for inducing enhanced radical ignition in internal combustion engines using a radical chemicals generator
US5862788A (en) Combustion chamber for direct injected reciprocating piston internal combustion engine
CN114439600A (zh) 预燃室组件
JP6919558B2 (ja) 内燃機関
US20130263813A1 (en) Cylinder head for an internal combustion engine
JP2007138780A (ja) 副室式内燃機関
JP7260331B2 (ja) 副燃焼室付き内燃機関
GB2066896A (en) Air-compression direct-injection internal combustion engine
JP7255673B2 (ja) 副室式内燃機関
CN216588868U (zh) 氨发动机的氢气射流点燃式燃烧系统
US1873877A (en) Diesel engine
JPH07259567A (ja) 直噴式圧縮着火内燃機関

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180223

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180511

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20180615

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180720

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180806

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6383820

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350