JP2022547398A - 内燃機関用燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、４ストローク方式で動作するレシプロピストン内燃機関に関し、この内燃機関は、給気（３）を、１気圧より大きい圧力で給気導管（５）内に供給する過給機（２）と、吸気路（１０）内の圧力低下およびしたがって給気（３）の過冷却のためにベンチュリ効果を達成するために給気（３）の過圧を絞るスロットルバルブ（６）とを備えている。気筒ヘッドには、燃料（８）の噴射のために、主燃焼室（１１）毎に渦流室（１３）または予燃室（１３）を備えていて、この大きさは、少なくとも主燃焼室（１１）の大きさの５％に相当する。小さい渦流室（１３）内にのみ燃料（８）が噴射されることにより、主燃焼室（１１）毎に少量の燃料（８）を確実に点火させ、吸気路（１０）での給気（３）の過冷却と併せて、排気ガスの排出量を削減すると同時に、燃料の節約の達成も可能になる。

Description

本発明は、内燃機関用の燃料を噴射するための装置、特に４ストローク方式で動作するレシプロ内燃機関に関する。

燃料噴射は、あらゆる種類の内燃機関にとって重要である。４ストローク方式で動作する内燃機関の燃焼室内には、燃料が直接または間接的に噴射される。従来技術では、直接噴射も間接噴射も知られている。直接噴射では、燃料の全量が主燃焼室内に噴射され、その中で混合気が形成されて、かつこの燃料および空気の混合気の燃焼も行われる。インテークマニホールド噴射を備えた内燃機関も、これとよく似た方法で動作する。この間接的な噴射方法では、燃料は内燃機関のインテークマニホールド内に噴射され、その後、空気とともにピストンから主燃焼室に吸い込まれ、この主燃焼室内で燃焼が行われる。
予燃室噴射または渦流室噴射も知られている。この方法では、予燃室内に燃料噴射が行われ、この予燃室の大きさは、主燃焼室の３５～４０％に相当し、この予燃室内で、空気と燃料との混合気の燃焼も始まる。膨張により、残った燃料が主燃焼室内に押し込まれ、ここでも主燃焼が行われる。この内燃機関の性能には、燃料の噴射だけでなく、（とりわけ）吸気路内の吸い込み空気の温度も重要である。この温度が低ければ、内燃機関の効率は高くなる。

従来技術では、１気筒毎に少なくとも１つの予燃室を備えて動作する燃焼機関（特許文献１）、（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、（特許文献５）、（特許文献６）、（特許文献７）も知られており、予燃室の大きさは主燃焼室の大きさの２％～１５％に相当する。これらの内燃機関は、点火点において、予燃室内ではリッチな混合気（空気＋燃料）で動作し、主燃焼室内ではリーンな混合気で動作する。このように、予燃室内でのリッチな混合気の燃焼により、主燃焼室内でのリーンな混合気の安全な点火が行われる。

従来技術（特許文献８）では、燃料の吸気路噴射を行う内燃機関が知られているが、この内燃機関では、ベンチュリ効果でもって吸気路で給気を過冷却している。吸気路内での給気を過冷却（－２０℃まで）することにより、燃焼室内での混合気（空気＋燃料）の早期点火を抑える。内燃機関をより高い圧縮比で動作させることができれば、燃焼時に燃料からのエネルギーをより良く利用することで、給気の過冷却を行わない類似の様式のエンジンと比較して、燃料消費を増やすことなく出力を２００％向上させることができる。エンジンの高出力化に伴い、内燃機関の構造に大きな負荷がかかるので、多くのエンジン構成部品をセラミック材料で製造しなければならず、それが購入費用の高額化につながっている。この様式のエンジンは、特にレーシングカーに適している。さらに、吸気路噴射（または直接の噴射）とともに吸気路内で給気を過冷却しても、大幅な燃料節約はできない。

独国特許第２９２１９９７Ｃ２号明細書 独国特許出願公開第２４５４８１３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第２８２１１５５Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０６０５６０Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９２６４７４Ａ号明細書 オーストリア国特許第５１６７１７Ｂ１号明細書 オーストリア国特許出願公開第５１６２５７Ａ４号明細書 国際公開第００２００００７０２１３Ａ１号パンフレット

本発明の目的は、燃料噴射を吸気路内の給気の過冷却と併せて行うことにより、排気ガス排出を低減し、同時に燃料を節約する内燃機関を提示することである。

この点は、１気圧を上回る圧力で給気を給気導管内に供給する過給機と、この給気を絞るスロットルバルブであって、吸気路内で、ベンチュリ効果で給気を過冷却するための減圧を達成するためのスロットルバルブとを備えた内燃機関により達成されるが、本発明によれば、この内燃機関は、気筒ヘッド内での燃料噴射のために、１気筒毎に渦流室または予燃室を有し、その大きさは、主燃焼室の大きさの少なくとも５％、特に１２％～１５％に相当し、燃料噴射はこの渦流室または予燃室内にのみ行われる。また、気筒ヘッド内の渦流室の大きさは、主燃焼室の１５％より大きく（１６％以上）することも可能である。この渦流室（予燃室）には、噴射ノズルと点火プラグとが装備されている（ガソリン噴射）。ディーゼルの噴射用には、渦流室内に噴射ノズルとグロープラグとが必須である。渦流室と主燃焼室とは、発射路で結合されていて、これを通って、渦流室で開始した燃焼が主燃焼室に伝搬する。小さい渦流室（予燃室）内にのみ燃料を噴射する（主燃焼室内には燃料を噴射しない）ことで、渦流室内の混合気（空気＋燃料）と主燃焼室の給気とが点火点で十分に分離されるため、１気筒毎に少量の燃料を確実に点火させることができる。渦流室（その大きさは主燃焼室の１２％～１５％の大きさである）内にのみ燃料を噴射することで、内燃機関の１気筒毎の燃料が６０％～７０％少なくなり、この方法では、同じ排気量の内燃機関（吸気路内の給気を過冷却（－２０℃まで）し、さらに吸気路噴射（または直接燃料噴射）をする内燃機関）と比較して、内燃機関の出力が少なくとも６７％より小さくなる。小さな渦流室内に燃料を噴射することで、吸気路内の空気を過冷却する内燃機関での構造への負荷を６７％低減し、同時に７０％までの燃料節約を達成することができる。エンジン構造にかかる負荷を６７％低減することで、例えば、産業セラミックス（セラミック材料）などのエンジン部品のための高いコストが必須ではなくなる。それゆえに、製造コストは、給気の過冷却なしで動作する内燃機関と同程度であり、したがってメーカー（大量生産）としては受け入れやすい。
本発明によれば、内燃機関は、気筒ヘッド内に、１気筒毎に渦流室または予燃室を２つ（またはそれ以上）も装備している。各渦流室の大きさは、主燃焼室の７％ほどの大きさである。渦流室の体積は、主燃焼室の容積の７％に比べてより大きくまたはより小さくてもよい（例えば、１０％または約４％）。１気筒毎に２つの渦流室があるため、例えば部分負荷時では燃料噴射は１つの渦流室内にのみ行われる。この方法では、１気筒毎に１つの渦流室（その大きさは主燃焼室の１２％～１５％に相当）のみを備えた内燃機関と比較して、１気筒毎に５０％少ない量の燃料を確実に点火することができる。内燃機関の全負荷時には、双方の渦流室内に燃料が噴射される。各渦流室は、主燃焼室と発射路で結合されている。

各渦流室または予燃室には、（ガソリン噴射では）噴射ノズルと点火プラグとが、または（ディーゼル噴射では）噴射ノズルとグロープラグとが装備されていなければならない。

以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明するが、内燃機関の燃焼室はそれぞれ概略図で図示されている。

吸気路噴射を行う４ストローク方式で動作する内燃機関を示す図である（従来技術）。 吸気路噴射を行い、かつ出力を向上させるために吸気路内の給気の過冷却を行う内燃機関を示す図である（従来技術）。 燃料節約のために渦流室噴射を行う、本発明の給気の過冷却を行う内燃機関を示す図である。 １気筒毎に２つの渦流室を備えた内燃機関を示す図である。 １気筒毎に吸気路噴射と渦流室噴射とを組み合わせた内燃機関を示す図である。

図１では、内燃部と過給機２とを備えた４ストローク方式で動作する内燃機関を図示している。この過給機２（例えば、排気ガス１によって駆動されるターボチャージャー）は、給気３を（全負荷で、０．４バールの過圧で）を押圧して、インタークーラー４を通って、給気導管５に入れる。内燃機関の全負荷時には、スロットルバルブ６が全開７（０から１００％に）なる。吸気路１０内の給気３の温度は４０℃を上回る。燃料８は、吸気路噴射９により吸気路１０内に入れられ、その後、ピストン１２により混合気（空気３＋燃料８）が主燃焼室１１中に吸い込まれ、この主燃焼室内で、燃焼が実施される。圧縮比は±９：１である（ガソリン噴射）。排ガスの後処理は、環境保護的理由から必須である。

図２は、従来の技術で公知の内燃機関を示しているが、この内燃機関は、吸気路噴射９（ガソリン）で、およびベンチュリ効果で吸気路１０内の給気３を過冷却するよう動作する。過給機２（例えば、排気ガス１によって駆動されるターボチャージャー）は、給気３を１気圧より大きく（全負荷で２．８バールの過圧に）圧縮し、インタークーラー４を通って給気導管５内に入れるよう構築されている。スロットルバルブ６の動作は、混合気形成に十分な量の給気３を燃焼室１１内に供給すると同時に、給気導管内の給気３の過圧を絞り、これにより、給気導管５と吸気路１０との間の給気３の圧力差を達成する。内燃機関の中回数域または高回転数域では、過給機２からの給気３の圧力に応じることによっても、スロットルバルブ６が開く７（または閉じる）。過給機２（ターボチャージャー）からの給気３の圧力がより大きい場合（これは、主燃焼室１１内で最適な混合気を形成するためには必須である）、スロットルバルブ６の開度７はより小さくなるが、これにより、給気３の望ましくない圧力を低減する絞りを達成することができる。スロットルバルブ６の開度７をより小さくすることで（全負荷時に０～約３０％にする）、給気導管５内の給気３を絞り、これにより、スロットルバルブ６より下流での吸気路１０内の給気３を減圧している。この給気３の減圧に伴い、同時に吸気路１０内の給気３の温度も低下する。内燃機関の全負荷時には、給気導管５内の給気３の温度は約５０℃、吸気路１０内の温度は、－２０℃となる。この方法により、吸気路１０内の給気３を過冷却するためのベンチュリ効果が得られる。吸気路１０内の給気３を過冷却（－２０℃まで）することで、主燃焼室１１内の混合気（空気３＋燃料８）の早期点火が抑制される。これにより、内燃機関（ガソリン噴射）はより高い圧縮比（１４：１）で動作し、燃料８からのエネルギーをより良く利用できるようになり、類似の様式ではあるが給気３の過冷却はないエンジン（図１）と比較して、内燃機関の出力を（追加の燃料消費なしで）２００％向上させることができる。図２の内燃機関では、水冷も必須ではない。吸気路１０内の給気３が過冷却されることで、気筒内での燃焼時の温度も下がり、これにより排気ガス１中の汚染物質の排出が（ほぼ）零になる。触媒および排気フィルター（ＧＰＦ）は必須ではない。しかし、高出力であるがゆえに、内燃機関の多くの部品には高い負荷がかかり、これらの部品は、セラミック材料（産業用セラミックス）で製造せねばならない。これは、購入コストの高額化につながり、したがって大量生産では、採算性が悪い。

図３は、本発明による内燃機関が図示されているが、この内燃機関は、燃料８を渦流室１３または予燃室内に噴射し、かつ吸気路１０内の給気３を過冷却して動作する。過給機２（排気ガス１によって駆動されるターボチャージャー）は、給気３を１気圧より大きい圧力（全負荷で２．８バールの過圧）で加圧し、インタークーラー４を通って給気導管５内に入れる。スロットルバルブ６の動作は（図２と同じで）、十分な量の給気３を主燃焼室５に供給すると同時に、給気導管５内の給気３の過圧５を絞り、これにより、給気導管５と吸気路１０との間の給気３の圧力差を達成する。内燃機関の中回転数域または高回転数域では、過給機２（ターボチャージャー）からの給気３の給気導管５内での圧力がより大きい（これは、主燃焼室内１１内で必須である）ので、この給気３の好ましくない圧力を吸気路１０内で低減させる絞りを達成するために、スロットルバルブ６の開度７がより小さくなる。スロットルバルブ６の開度７を小さく（全負荷時に０から約３０％に）すると、給気導管５内の給気３が絞られ、これにより、給気導管５内の給気３の圧力がより高くなり、スロットルバルブ６の下流での吸気路１０内の圧力がより低くなる。吸気路１０内の給気３の圧力低下と同時に温度低下（過冷却）が起こる。この吸気路１０内の給気３の過冷却（全負荷時には－２０℃まで）は、ベンチュリ効果により達成される。
本発明によれば、内燃機関の主燃焼室１１には、燃料８の噴射用の渦流室１３または予燃室が装備されているが、この大きさは、主燃焼室１１の大きさの１２％～１５％に相当する。渦流室（予燃室）１３の体積は、主燃焼室１１の大きさの１５％を上回る（１６％以上）でありうる。渦流室１３には、ガソリン噴射用に噴射ノズル１４と点火プラグ１５とが装備されている。発射路１６が、渦流室１３と主燃焼室１１とを結合し、この発射路により、渦流室１３内で開始された燃焼が主燃焼室１１内に伝搬する。
渦流室１３内の噴射ノズル１４によって、主燃焼室１１内に燃料８が噴射されず、渦流室１３（予燃室）内にのみ燃料が噴射される。内燃機関の全負荷時には、噴射ノズル１４が渦流室１３内でリッチな混合気（１：８）を作る。このリッチな混合気（燃料８＋空気３）は、部分負荷時には理論混合気（１：１４．７）になるまで順次リーンにすることができる。このように渦流室１３内で混合気を順次リーンにする（１：８から１：１４．７まで）またはリッチ（１：１４．７から１：８まで）にすることで、内燃機関は、部分負荷時に、全負荷時とほぼ同じ量の給気３を主燃焼室１１で利用することができ、その結果、部分負荷時にも主燃焼室１１内で高い圧力で動作することができる。渦流室１３（その大きさは主燃焼室１１の大きさの１２～１５％に相当する）内では、噴射ノズル１４を通る燃料８の燃焼が、７０％少ない燃料８で行われるので、内燃機関の出力は、吸気路噴射９と給気３の過冷却とを行う類似の様式のエンジン（図２）と比較して、６７％小さくなるが、エンジン出力は、給気３を過冷却しない類似の様式のエンジン（図１）と同程度である。燃料８は渦流室１３内にのみ噴射されるので、吸気路噴射９の場合（図２）と比較して、燃料消費量は６０％から７０％まで少なくなり、主燃焼室１１の温度負荷は４０％までより小さくなる。

この方法では、吸気路１０内の給気３の過冷却（－２０℃まで）と、渦流室１３内の混合気（空気３＋燃料８）の早期点火とがさらに低下させられ、その結果、図２に記載の内燃機関と比較して、より高い圧縮比（１６：１まで）（ガソリン噴射）で内燃機関を動作させることが可能となり、かつ排気ガス排出（ＣＯ_２）を最大７０％まで少なくすることができる。

図４では、ベンチュリ効果で給気３が過冷却される内燃機関（図３と同じ）を図示し、この内燃機関は、燃料８を噴射するために１つの主燃焼室１１毎に２つの同一の渦流室１７、１７’または予燃室を装備している。各渦流室１７または１７’は、主燃焼室１１の７％と同じ大きさである。また、各渦流室１７または１７’は、主燃焼室１１の７％よりも大きく（１０％以上）またはより小さく（４％）てもよい。渦流室１７には、気筒ヘッド内に、噴射ノズル１４と点火プラグ１５とが装備されていて、渦流室１７’も同一であり、噴射ノズル１４’と点火プラグ１５’とが装備されている（ガソリン噴射）。内燃機関の全負荷時には、燃料８は双方の渦流室１７、１７’内または予燃室内に噴射され、その中で噴射ノズル１４および１４’が、リッチな混合気を作る。内燃機関の部分負荷時には、燃料８は１つの渦流室１７内にのみ噴射されるが、好ましくは交互に噴射される。本発明によれば、ピストン１２（４ストローク）のある動作サイクルについて、燃料８（図４Ａ）は噴射ノズル１４によって渦流室１７内にのみ噴射され、ピストン１２の（４ストロークの）次の動作サイクルについて、燃料８は噴射ノズル１４’によって渦流室１７’内にのみ噴射される。燃料８を交互に噴射することで、気筒ヘッド内の渦流室１７および１７’の冷却効果を高めている。これにより、ピストン１２は、より大きな圧縮比で動作することができる。渦流室１７または１７’（その大きさは主燃焼室１１の約７％に相当する）内にのみ燃料８を噴射することで、１つの主燃焼室１１毎に１つの渦流室１３または１つの予燃室しか装備していない内燃機関（図３）と比較して、内燃機関の低負荷時に、５０％分より少ない量の燃料８を確実に点火することができる。

図５には、内燃機関であって、吸気路１０内で給気３を過冷却し（過冷却は図２と同じ）、これとともに、燃料８の吸気路噴射９と渦流室１３内への噴射とを組み合わせて動作する内燃機関を図示しているが、この渦流室の大きさは、主燃焼室１１の大きさの１２％～１５％に相当する。燃焼機関の出力を非常に高くするためには（図５Ａ）、燃料８の２０％が渦流室１３内に噴射され、同時に燃料８の８０％が、吸気路９を通って噴射される。（部分負荷時）の燃料節約をするためには（図５Ｂ）、燃料８の２５％のみが噴射ノズル１４を通って渦流室１３内にのみ噴射される。この渦流室１３内への燃料８の噴射と、吸気路噴射９との組み合わせにより、必要に応じて、内燃機関内での高い出力または燃料節約を可能にする。しかし、この組み合わせでは、エンジンの出力が高いので内燃機関の構成への負荷が高い（図２と同様）。しかし、図２（従来技術）に比べて有利な点は、渦流室１３内にのみ燃料８を噴射する場合、内燃機関は倹約を図り、吸気路噴射９を追加することで高いエンジン出力を得ることができる点である。

主燃焼室の大きさの１２％～１５％に相当する大きさの渦流室内または予燃室内に燃料を噴射する装置は、ベンチュリ効果によって吸気路内の給気を（－２０℃まで）過冷却する内燃機関に特に適している。この技術により、以下が可能になる。
・（図１または図２の従来技術と比較して）７０％までの燃料節約を達成できる。
・エンジン構造にかかる負荷が６７％減少し（図２と比較）、これにより、セラミック材料製の内燃機関の部品が必須ではなくなるので、コスト削減につながる。
・排気ガス（ＣＯ_２）の排出量を７０％削減できる（図２との比較）。
・環境上の理由による排ガス後処理は、必須ではなくなる（図１と比較）。

Claims (5)

1. ４ストローク方式で動作する内燃機関であって、
   前記内燃機関の全負荷時に、２．８バールまでの過圧で、給気（３）を給気導管（５）内に供給するように構築された過給機（２）と、
   十分な量の前記給気（３）を主燃焼室（１１）内に供給すると同時に、前記給気導管（５）内の前記給気（３）の過圧を絞り、これによって減圧と同時にベンチュリ効果によって吸気路（１０）内の前記給気（３）の温度低下を達成する動作方法のスロットルバルブ（６）と、を備え、
   前記内燃機関が、気筒ヘッド内での燃料噴射のために、主燃焼室（１１）毎に渦流室（１３）または予燃室（１３）を有し、
   燃料（８）の前記噴射が、該渦流室（１３）または予燃室（１３）内にのみ行われる内燃機関において、
   主燃焼室（１１）毎の前記渦流室（１３）または前記予燃室（１３）の大きさは、前記主燃焼室（１１）の大きさの、少なくとも５％、特に１２％～１５％に相当することを特徴とする、内燃機関。
2. 気筒ヘッドは、燃料（８）の前記噴射のために、主燃焼室（１１）毎に２つの同一の渦流室（１７，１７’）または予燃室を装備していて、それらの大きさは合わせて、前記主燃焼室（１１）の大きさの少なくとも８％、特に１４％～２０％に相当することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記渦流室（１３）または予燃室（１３）の体積が、前記主燃焼室（１１）の大きさの１５％よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記渦流室（１７および１７’）の体積は合わせて、前記主燃焼室（１１）の大きさの２０％より大きいことを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
5. 部分負荷時の燃料（８）の前記噴射は、主燃焼室（１１）毎に１つの渦流室（１７）もしくは（１７’）または予燃室内にのみ行われることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
   
   
   

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