JP2024507169A - 点火プラグとプレチャンバ点火プラグとを有する内燃機関 - Google Patents

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Abstract

本発明は内燃機関(1)に関し、少なくとも1つのシリンダ(10)と、シリンダ(10)ごとに4つのチャージサイクル開口部(4)とを含み、第1および第2のチャージサイクル開口部(4)はそれぞれ吸気開口部(41)であり、第3および第4のチャージサイクル開口部(4)はそれぞれ排気開口部(42)であり、および、シリンダ(10)ごとにそれぞれ点火プラグ(2)とプレチャンバ点火プラグ(3)とを含む。【選択図】 図1

Description

本発明は、点火プラグとプレチャンバ点火プラグとを有する内燃機関に関し、および、内燃機関を作動させる方法に関する。
プレチャンバ点火プラグを有する内燃機関が従来技術から知られている。プレチャンバ点火プラグは、従来式の点火プラグについて知られているように、ハウジングに配置された中心電極と接地電極とを含んでいて、これらの間で、空気・燃料・混合気が着火される点火ギャップが定義される。着火されたこの空気・燃料・混合気が、引き続き、プレチャンバ点火プラグの燃焼室側の端部にあるプラグキャップの開口部を通って内燃機関の燃焼室の中へと誘導され、その中で、ピストン行程のための空気・燃料・混合気の本来の燃焼が行われる。たとえば特許文献1は、このようなプレチャンバ点火プラグを示している。
独国特許出願公開第102019205478号明細書
それに対して、請求項1の構成要件を有する本発明の内燃機関は、低いノッキング傾向のもとでの特別に高い効率と、任意の動作状態での確実な動作とを可能にする、改善された動作形態を有するという特徴がある。このことは本発明によると、少なくとも1つのシリンダを含み、シリンダごとに点火プラグとプレチャンバ点火プラグとを含む内燃機関によって実現される。さらにこの内燃機関は、シリンダごとに4つのチャージサイクル開口部を含む。このとき第1のチャージサイクル開口部と第2のチャージサイクル開口部はそれぞれ吸気開口部であり、第3のチャージサイクル開口部と第4のチャージサイクル開口部はそれぞれ排気開口部である。
ここで「点火プラグ」とみなされるのは、少なくとも2つの電極の間での電気的な点火火花によって燃料・空気・混合気を着火するようにセットアップされた、特に露出する電極を有する通常の点火プラグである。点火プラグは、直線状の中心電極と、少なくとも1つのフック状の端面電極または屋根型電極とを有するのが特別に好ましい。特に、このような点火プラグは代替的に「スパーク点火プラグ」とも呼ぶことができる。代替的に、レーザ放射によって燃料・空気・混合気を着火するようにセットアップされたレーザ装置を「点火プラグ」として利用することもできよう。
「プレチャンバ点火プラグ」とみなされるのは、プラグキャップにある貫通孔を介して内燃機関の燃焼室と流体接続されている、プラグキャップの内部に形成されたプレチャンバを有する設計である。それにより、プレチャンバからプラグキャップを通って燃焼室に入る、およびこれと逆向きの、ガスの通過が可能となる。プラグキャップは、プレチャンバ点火プラグの軸方向で見て、プレチャンバ点火プラグのハウジングの燃焼室側の端部に配置されるのが好ましい。このときプラグキャップ、ハウジング、およびプレチャンバは、プレチャンバ点火プラグの一体的な構成要素を形成する。このように、特にプレチャンバはプレチャンバ点火プラグの内部にある。このときプレチャンバの内部では、その中にある燃料・空気・混合気の着火が電極によって行われ、それによって火炎ジェットがプラグキャップの通過開口部を通り抜け、燃焼室の中の燃料・空気・混合気を点火する。すなわち、燃焼室内での燃料・空気・混合気の本来の点火は、プレチャンバ点火プラグにより生成される火炎ジェットによって行われる。このときプレチャンバ点火プラグは、内燃機関のシリンダヘッドに取付可能である一体的な構成要素であるとみなされるのが好ましい。このときの取付は、最終位置にあるときプラグキャップの貫通孔が事前定義されたとおりにアライメントされて、特に、的確にアライメントされた火炎ジェットを作動時に生成するように行われるのが好ましい。たとえばプレチャンバ点火プラグは、通常の点火プラグを収容することができるシリンダヘッドの標準ねじ山にねじ込み可能であるように構成されていてよい。
このとき通常の点火プラグとプレチャンバ点火プラグとの組み合わせは、内燃機関の特別にフレキシブルで効率的で確実な動作形態という利点を提供する。それにより、たとえばコールドスタート、触媒加熱段階、部分負荷、全負荷など、どのような動作状態のときでも常に最善で確実な燃料・空気・混合気の点火を燃焼室で行うことができる。内燃機関の動作は、プレチャンバ点火プラグが可能な限り広い動作領域で単独の点火手段として利用されて、特に高い負荷のもとで、効率的なノッキング低減と低い燃料消費量とを実現するように設計されていてよいのが好ましい。このとき点火プラグは、プレチャンバ点火プラグの動作が不都合または不可能である動作領域で、たとえばコールドスタートのときに、このような領域でも確実な点火を実現するために追加的に、または単独で、作動させることができる。それにより、可能な限り効率的な動作に合わせて、たとえば内燃機関の特定の動作点のために、プレチャンバ点火プラグを特別に最適化することができるという別の利点がもたらされ、それ以外の動作点での低下する効率は無視ないし甘受することができる。というのも、そのような動作点では、たとえば点火プラグを単独または追加的に点火のために利用することができるからである。さらに、多種多様な動作領域について常に最善に適合化可能な点火によって、たとえばノッキング、点火失敗、または劣悪な燃焼などに基づく内燃機関の損傷を回避することができ、そのようにして、内燃機関の特別に長い耐用期間を可能にすることができる。
従属請求項は、本発明の好ましい発展形態を示している。
点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、シリンダの燃焼室の燃焼室ルーフに配置されるのが好ましい。特に燃焼室ルーフは、ピストンのストローク方向に沿って、燃焼室の上側端部を形成する。燃焼室ルーフは、内燃機関のシリンダヘッドの一部であるのが好ましい。プレチャンバ点火プラグと点火プラグは燃焼室に突入するのが好ましい。このときプレチャンバ点火プラグのプラグキャップと、点火プラグの電極とが燃焼室に突入するのが好ましい。その代替として、プレチャンバ点火プラグおよび点火プラグの燃焼室側の端部は、相応のプレチャンバ点火プラグないし点火プラグが中に配置されるそれぞれの点火プラグ穴の内部に配置されていてもよい。
プレチャンバ点火プラグは、点火プラグよりも燃焼室ルーフの中心点の近傍に配置されるのがさらに好ましい。それにより、燃料・空気・混合気の均等な点火のために、生成される火炎ジェットによる燃焼室の特別に均等な貫通を簡易な方式で実現することができる。その代替として、点火プラグによる特別に効率的で均等な点火を実現するために、点火プラグがプレチャンバ点火プラグよりも燃焼室ルーフの中心点の近傍に配置されるのも好ましい。
プレチャンバ点火プラグは、点火プラグよりもシリンダの側壁の近傍に配置されるのが好ましい。このケースではプレチャンバ点火プラグは、点火時にプレチャンバ点火プラグにより生成される火炎ジェットが燃焼室中心の方向に向けられるように構成、配置されるのが好ましい。その代替として、点火プラグがプレチャンバ点火プラグよりもシリンダの側壁の近傍に配置される。それにより、プレチャンバ点火プラグの動作の高い効率を可能にするために、燃焼室ルーフ中心の領域でプレチャンバ点火プラグのためのいっそう広いスペースを利用することができる。このとき側壁とみなされるのは、ピストンの摺動面とも呼ぶことができる、シリンダの実質的に円筒状の外套面である。
プレチャンバ点火プラグは点火プラグよりも、両方の吸気開口部のうちの少なくとも1つの近傍に、特に両方の吸気開口部の近傍に、配置されるのが特別に好ましい。それにより、プレチャンバ点火プラグへの新鮮な燃焼空気の特別に良好な供給を可能にして、その動作時に最善の点火を可能にすることができる。その代替として、プレチャンバ点火プラグが点火プラグよりも、両方の排気開口部のうちの少なくとも1つの近傍に、特に両方の排気開口部の近傍に、配置されるのも好ましい。このケースでは、点火プラグを吸気開口部のうちの少なくとも1つの特別に近傍に配置して、点火プラグの最善の新気供給を可能にすることができる。
点火プラグはプレチャンバ点火プラグに対して吸気側または排気側に配置されるのが好ましい。吸気側または排気側とは、吸気開口部と排気開口部の相互の、ないしは燃焼室ルーフでの、相対的な配置を表す基準方向であるとみなされる。特にプレチャンバ点火プラグに対する点火プラグの吸気側の配置とは、点火プラグが、排気開口部から吸気開口部へと延びる軸に沿って、プレチャンバ点火プラグよりもさらに吸気開口部のほうを向く方向に配置されることを意味し、すなわち点火プラグは、プレチャンバ点火プラグよりも吸気開口部の近傍に配置される。このとき、点火プラグがプレチャンバ点火プラグの排気側に配置されると特別に好ましく、すなわち、点火プラグはプレチャンバ点火プラグよりも排気開口部の近傍に配置される。特にこのケースでは、プレチャンバ点火プラグは点火プラグよりも吸気開口部の近傍に配置される。それにより、特にプレチャンバ点火プラグの作動時に、吸気開口部を通って中に入る新気または中に入る燃料・空気・混合気を、プレチャンバ点火プラグが近いことによって特別に的確に点火することができる。
チャージサイクル開口部は燃焼室ルーフに配置されるのがさらに好ましく、燃焼室ルーフは互いに垂直の2つの切断平面によって4つの象限に下位区分される。燃焼室ルーフは両方の切断平面により、4つの象限の各々に、4つのチャージサイクル開口部のうちのそれぞれ1つが配置されるように下位区分される。このとき点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、特に実質的に、両方の切断平面のうちの1つに配置される。換言すると両方の切断平面は、それぞれのチャージサイクル開口部の間の中心に位置する。両方の切断平面は、内燃機関のピストンが可動であるピストン方向と平行の切断線で互いに交わるのが好ましい。換言すると点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、2つのチャージサイクル開口部の間で実質的に対称に位置する。両方の切断平面は、燃焼室ルーフの対称平面を形成するのが特別に好ましい。両方の切断平面のうちの1つに点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグが配置されることで、特別に好ましい配置を実現することができる。というのも、その場合、空いている最大の所要スペースを有する領域が燃焼室ルーフで利用でき、さらには、燃料・空気・混合気の均等な着火のための実質的に中央での点火を可能とするからである。
点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、燃焼室ルーフの中心点領域の内部に配置されるのが好ましい。中心点領域は、チャージサイクル開口部の実質的に径方向内部に位置し、特に燃焼室ルーフの中心点を、ないしはルーフ中心の周りの領域を、取り囲む。このときプレチャンバ点火プラグは、正確に燃焼室ルーフの中心点に配置されるのが特別に好ましい。中心点領域は、それぞれのチャージサイクル開口部の間に中央で内接する最大の大きさの円によって定義されるのが特別に好ましい。すなわち、点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは燃焼室ルーフの中央に位置するのが好ましく、それにより、特別に対称で均等な貫通、およびこれに伴って同時の着火が燃焼室全体の内部で可能となる。それにより、特に中央のプレチャンバ点火プラグでは、点火を実現する火炎ジェットによる特別に均等な燃焼室の貫通、およびこれに伴う均等で効率的な燃焼を可能にすることができる。
点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、隣接する2つのチャージサイクル開口部と、シリンダの側壁との間に配置されるのが特別に好ましい。このとき特に点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、4つのチャージサイクル開口部の中心点が位置する中心点円の径方向外側に位置する。換言すると、点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、燃焼室ルーフの空いている径方向外側の領域の内部に配置される。特に、このような4つの径方向外側の空いている領域は燃焼室ルーフの円周の周りに配分される。それにより、燃焼室ルーフで利用可能なスペースを、すべてのコンポーネントの配置のために特別に好ましく活用することができる。このとき、たとえば点火プラグとプレチャンバ点火プラグのうちの一方が中心点領域の内部に配置され、他方が径方向外側に配置されると特別に好都合である。このときシリンダの側壁と点火プラグとの間の間隔は、および/またはシリンダの側壁とプレチャンバ点火プラグとの間の間隔は、シリンダのシリンダ半径の最大で30%、好ましくは最大で15%であるのが好ましい。さらに、側壁の近傍で側方に配置されることによって、点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグが燃焼室中心から広い間隔で位置し、それにより、たとえば中央への配置の場合よりも熱負荷が低くなる。このことは、点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグの長い耐用期間に好ましく作用する。
内燃機関は、特に液体または気体の燃料を内燃機関の燃焼室の中へ直接噴射するようにセットアップされた燃焼室・燃料インジェクタをさらに含むのが好ましい。
燃焼室・燃料インジェクタは燃焼室ルーフに配置されるのが好ましい。特に、それに伴って燃焼室・燃料インジェクタは、均一で均等な着火のために好ましくはプレチャンバ点火プラグおよび/または点火プラグの位置に合わせてアライメントされた均等な燃料・空気・混合気を生成するために、プレチャンバ点火プラグおよび/または点火プラグの近傍にある。
燃焼室・燃料インジェクタは、隣接する2つのチャージサイクル開口部と、シリンダの側壁との間に配置されるのが特別に好ましい。特に燃焼室・燃料インジェクタは、4つのチャージサイクル開口部の中心点が位置する中心点円の径方向外側に位置する。換言すると燃焼室・燃料インジェクタは、燃焼室ルーフの空いている径方向外側の領域の内部に配置される。このとき特に燃焼室・燃料インジェクタは、均等な配分と着火を得るために、燃焼室の中心の方向へ燃料を噴射するようにセットアップされる。このとき、燃焼前に最善の均等な混合気形成を促進するために、両方の吸気開口部とシリンダの側壁との間への燃焼室・燃料インジェクタの配置が特別に好ましい。さらに側方への配置は、燃焼室中心に対する燃焼室・燃料インジェクタのいっそう広い間隔を惹起し、このことは、長い耐用期間を可能にするために、燃焼室・燃料インジェクタのいっそう低い熱負荷に好ましく作用することができる。
燃焼室・燃料インジェクタとシリンダの側壁との間の間隔は、シリンダ半径の最大で30%、特別に好ましくは最大で15%であるのが好ましい。換言すると、燃焼室・燃料インジェクタは側壁の近傍にあるのが好ましく、すなわち中心にではなく、燃焼室ルーフの側方に配置される。このケースでは燃焼室・燃料インジェクタは斜めにアライメントされるのが好ましく、それにより、噴射されるべき燃料の噴射方向が燃焼室中心の方向に向けられる。燃焼室・燃料インジェクタが側方に配置されることで、燃焼室ルーフでの特別に省スペースな配置を可能にすることができ、それによって特に燃焼室ルーフの中央領域で、点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグの配置のためにいっそう広いスペースを利用することができる。
燃焼室・燃料インジェクタとプレチャンバ点火プラグは、燃焼室ルーフの向かい合う側に配置されるのが特別に好ましい。その代替または追加として燃焼室・燃料インジェクタと点火プラグは、燃焼室ルーフの向かい合う側に配置されるのが好ましい。このとき特に向かい合うとみなされるのは、燃焼室ルーフの中心点に関して向かい合う配置である。それにより、燃焼室ルーフで各コンポーネントの配置のために利用できる空いたスペースの特別に好ましい活用を可能にすることができる。
燃焼室・燃料インジェクタは燃焼室ルーフの中心点領域の内部に配置されるのが好ましく、中心点領域はチャージサイクル開口部の径方向内部に位置する。燃焼室・燃料インジェクタは、正確に燃焼室ルーフの中心点に配置されるのが特別に好ましい。燃焼室ルーフで燃焼室・燃料インジェクタが中央に配置されることで、燃焼室内での特別に均等な燃料配分と効率的な燃焼を可能にするために、好ましくは対称の特別に均等な燃焼室への噴射を行うことができる。
プレチャンバ点火プラグは、点火プラグよりも燃焼室・燃料インジェクタの近傍に配置されるのが特別に好ましい。燃焼室・燃料インジェクタとプレチャンバ点火プラグとが互いの近くに並ぶこのような配置は、プレチャンバ点火プラグの効率的で確実な動作に特別に好ましく作用する。燃焼室・燃料インジェクタとプレチャンバ点火プラグの間が近いことは、プレチャンバ点火プラグのプレチャンバの改善された洗流と混合気供給を惹起する。その代替として、点火プラグがプレチャンバ点火プラグよりも燃焼室・燃料インジェクタの近傍に配置されるのが好ましい。このケースでは、点火プラグの領域で特別に良好な混合気供給を提供することができる。燃焼室・燃料インジェクタと点火プラグが互いの近くに並ぶこのような配置は、たとえば触媒加熱中の内燃機関の特別にロバストな動作を可能にする。
燃焼室・燃料インジェクタとプレチャンバ点火プラグは、シリンダのシリンダ半径の最大で50%、特に最大で30%、好ましくは最大で10%の間隔をおいて配置されるのが好ましい。
燃焼室・燃料インジェクタと点火プラグは、シリンダのシリンダ半径の最大で50%、特に最大で30%、好ましくは最大で10%の間隔をおいて配置されるのが好ましい。
燃焼室・燃料インジェクタの噴射方向は、すなわち燃料が実質的にこれに沿って噴射される方向は、プレチャンバ点火プラグの方向に、特にプレチャンバ点火プラグのプラグキャップに向けられるのが特別に好ましい。それにより、プレチャンバ点火プラグのプレチャンバの特別に良好な洗流と混合気供給を実現することができる。その代替として、噴射方向は実質的に点火プラグの方向に向けられるのが好ましい。
さらに内燃機関は、内燃機関の吸入管へ燃料を噴射するためにセットアップされた吸入管・燃料インジェクタを含むのが好ましい。特に内燃機関は、それぞれ吸入管・燃料インジェクタを有する2つの吸入管を含み、各々の吸入管が両方の吸気開口部のうちの1つで燃焼室に連通する。その代替として内燃機関は、両方の吸入管へ燃料を噴射するためにセットアップされたちょうど1つの吸入管・燃料インジェクタを含むこともでき、さらにその代替として内燃機関は、共通の吸入管区域へ燃料を噴射するようにセットアップされたちょうど1つの吸入管・燃料インジェクタを含むことができ、この吸入管区域が燃焼室の方向で両方の吸入管に分かれる。吸入管・燃料インジェクタは、燃焼室に配置される、直接噴射をする燃焼室・燃料インジェクタの代替として設けられるのが好ましい。それにより燃焼室ルーフで、点火プラグとプレチャンバ点火プラグのための特別に多くのスペースをそれぞれの最善の配置のために利用することができる。
さらに本発明は、少なくとも1つのシリンダと、シリンダごとに4つのチャージサイクル開口部と、点火プラグと、プレチャンバ点火プラグとを有する内燃機関を作動させる方法に関する。このとき点火プラグおよび/またはプレチャンバ点火プラグは、燃料・空気・混合気をシリンダの燃焼室の内部で着火するために作動する。すなわち、燃料・空気・混合気をシリンダの燃焼室内で着火するために、内燃機関の作動中にプレチャンバ点火プラグと点火プラグの同時の動作だけでなく、その代替として、点火プラグまたはプレチャンバ点火プラグのいずれかの単独での動作も行うことができる。それにより、特別にフレキシブルで効率的な内燃機関の動作を可能にすることができる。
プレチャンバ点火プラグは、高い負荷のもとでの内燃機関の作動中に単独で作動するのが好ましく、特にその間に点火プラグは不作動となる。高い負荷とみなされるのは内燃機関の定格トルクの少なくとも20%、好ましくは少なくとも50%、特別に好ましくは少なくとも80%のトルクのもとでの動作であるのが好ましい。このようなトルク閾値は内燃機関の回転数またはその他の特性値、たとえばラムダ値、バルブの制御時間、エンジン温度などに依存していてよいのが好ましい。高い負荷のもとでのプレチャンバ点火プラグの単独動作により、特別に効率的な動作、ならびに内燃機関のノッキング傾向の効率的な低減を実現することができる。
低い負荷のもとでの内燃機関の作動中に点火プラグが単独で作動するのがさらに好ましく、特に、その間にはプレチャンバ点火プラグは不作動となる。低い負荷とみなされるのは、内燃機関の定格トルクの80%よりも低い、好ましくは50%よりも低い、特別に好ましくは20%よりも低いトルクのもとでの動作であるのが好ましい。それにより、低い負荷のもとでも点火プラグによって確実な点火を可能にすることができる。
点火プラグは触媒加熱段階中に、特に内燃機関のコールドスタートの後に、作動するのが特別に好ましい。触媒加熱段階中には点火プラグの単独動作が行われるのが好ましく、特に、その間にプレチャンバ点火プラグは不作動となる。それにより、たとえばプレチャンバ点火プラグの動作のための最善の条件がまだ整っていないコールドスタートの後に、燃料・空気・混合気の最善の点火を確実に保証することができる。
内燃機関の低いエンジン温度のもとでは、特に最大で323K、特に最大で303K、特別に好ましくは最大で293Kのエンジン温度のもとでは、点火プラグの単独動作が行われるのが好ましい。エンジン温度として、特別に簡易な決定を得るために、たとえば内燃機関の冷却剤の温度を判定することができる。その代替として、そのような低い温度のもとでも、点火プラグとプレチャンバ点火プラグとの組み合わされた動作を同時に行うことができる。
内燃機関の再点火中に、特に推力段階の後に、すなわち車両による内燃機関の牽引動作の後に、かつ好ましくは非常に低い負荷のもとで、点火プラグの単独動作が行われるのがさらに好ましい。その代替として、内燃機関のこのような再点火中に、点火プラグとプレチャンバ点火プラグとの組み合わされた動作を同時に行うこともできる。
点火プラグとプレチャンバ点火プラグは、特に内燃機関のただ1つの作動行程の内部で、それぞれ相違する、好ましくは互いに独立したイグニションタイミングをもって作動するのが好ましい。たとえば点火プラグは、好ましくは高い負荷のもとでは排気行程中にのみ作動させることができ、好ましくはプレチャンバ点火プラグだけが燃料・空気・混合気の点火のために利用される。それにより、内燃機関の動作状態に応じて、そのつど最善の完全で効率的な燃焼を可能にすることができる。
内燃機関は、少なくとも部分動作領域の内部で、少なくとも1のラムダ値をもって作動するのが特別に好ましい。この部分動作領域の内部ではプレチャンバ点火プラグが作動するのが特別に好ましい。好ましくは、点火プラグは、この部分動作領域の内部では不作動となっていてよい。あるいはその代替として、点火プラグとプレチャンバ点火プラグの組み合わされた動作を行うこともできる。さらに別の代替的な実施形態では、この部分動作領域の内部で点火プラグの単独動作を行うこともでき、すなわち、その間にプレチャンバ点火プラグは不作動となる。内燃機関の少なくとも1つの部分動作領域の内部におけるラムダ値は、少なくとも1.05であるのが特別に好ましい。すなわち、このケースでは内燃機関はこの部分動作領域の内部ではリーンの燃料・空気・混合気をもって作動する。リーン動作中には、プレチャンバ点火プラグおよび/または点火プラグが作動するのが好ましい。それにより、特別に燃料を節減する動作を可能にすることができ、特にプレチャンバ点火プラグによって、低いノッキング傾向のもとで燃料・空気・混合気の確実な点火が可能となる。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。図面には次のものを示す:
本発明の第1の実施例に基づく内燃機関を示す断面図である。 図1の内燃機関のさまざまな好ましいコンフィグレーションを示す、簡略化した模式的な詳細図である。 図1の内燃機関の別の好ましいコンフィグレーションを示す、簡略化した模式的な詳細図である。 本発明の第2の実施例に基づく内燃機関を示す断面図である。 図4の内燃機関のさまざまな好ましいコンフィグレーションを示す、簡略化した模式的な詳細図である。
図1は、本発明の第1の実施例に基づく内燃機関1の簡略化した断面図を示している。内燃機関1は複数のシリンダ10を含んでおり、図1にはこれらのシリンダ10のうちの1つだけが示されている。シリンダ10は、上側端部のところで燃焼室ルーフ50によって区切られた燃焼室5を有している。燃焼室ルーフ50は、内燃機関1のシリンダヘッド15によって形成される。燃焼室ルーフ50はテーパ状に、または上方に向かって先細になるように、構成されるのが好ましく、ルーフ先端は特に燃焼室ルーフ50の中心点54(図2参照)を形成する。このとき中心点54は中央に位置し、特に、好ましくは円形のシリンダ10の中心軸12に位置する。
内燃機関1は、シリンダ10ごとに4つのチャージサイクル開口部4を含んでいる(図2も参照)。このとき第1および第2のチャージサイクル開口部4はそれぞれ1つの吸気開口部41を形成し、これらを介して新気が燃焼室5に流入することができる。第3および第4のチャージサイクル開口部4はそれぞれ1つの排気開口部42を形成し、これらを介して、燃焼後の排ガスが燃焼室5から流出することができる。
さらに内燃機関1は、液体または気体の燃料を燃焼室5に直接噴射するためにセットアップされた燃焼室・燃料インジェクタ6をシリンダ10ごとに含んでいる。ここでは燃焼室・燃料インジェクタ6は、燃焼室5の中へ若干突入している。その代替として燃焼室・燃料インジェクタ6は、これが中に配置されるインジェクタ穴60の内部に引き込まれて配置されていてもよい。
さらに内燃機関1はシリンダ10ごとに、点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3とを含んでいる。
点火プラグ2は、燃焼室5の中にある燃料・空気・混合気を電気火花によって点火するようにセットアップされた通常の点火プラグである。そのために点火プラグ2は、中心電極21と、特に接地電極を形成する、側方のフック状の端面電極22とを有することができる。両方の電極21,22の間で点火火花を生成することができる。点火プラグ2は、図1に示すように、シリンダヘッド15の内部の穴20の中に配置されていてよく、穴20が燃焼室5に連通する。その代替として、点火プラグ2が燃焼室5に突入することもできる。
プレチャンバ点火プラグ3は、プレチャンバ点火プラグ3のハウジング34の軸方向端部に配置されたプラグキャップ32を有している。このとき、プラグキャップ32はプレチャンバ点火プラグ3の内部でプレチャンバ35を形成し、プレチャンバ35は、プラグキャップ32を貫通する(図示しない)貫通孔を介して、燃焼室5と接続されている。電極31により、燃料・空気・混合気をプレチャンバ35の内部で点火することができ、それにより、貫通孔を通して複数の、好ましくは4つの、火炎ジェット30が(図2、図3、または図5を参照;プレチャンバ点火プラグ3から発せられるこん棒状のジェットとして模式的に図示されている)、特に炎の形態で燃焼室5の中に拡散して、そこにある燃料・空気・混合気を着火する。プレチャンバ点火プラグ3は、シリンダヘッド15にある穴33の中にねじ込まれている。ここではプレチャンバ点火プラグ3は、プラグキャップ32が燃焼室5に突入するようにねじ込まれている。
このときプレチャンバ点火プラグ3は、高い負荷のもとでの内燃機関1の動作のために、および内燃機関1が化学量論上またはリーンの燃料・空気・混合気で作動している間の動作のために、最適化されている。このときプレチャンバ点火プラグ3の特別な点火方式により、燃料・空気・混合気を確実に、かつ内燃機関1の低いノッキング傾向のもとで、着火することができる。それにより、特別に燃料を節減する内燃機関1の動作を、ノッキングによる損傷の危険なしに可能にすることができる。
点火プラグ2は、特にコールドスタートの後、触媒加熱動作のあいだ、および低い負荷のもとで作動し、このような動作領域でも燃焼室5での燃料・空気・混合気の確実な着火を可能にする。
図2および3には、燃焼室ルーフ50での燃焼室・燃料インジェクタ6、点火プラグ2、およびプレチャンバ点火プラグ3の配置についての複数の好ましい変化態様が簡略化して模式的に示されており、これらについて以下に説明する。ここに示すのは、ピストン方向に沿った燃焼室ルーフ50のそれぞれ平面図であり、このピストン方向に沿って内燃機関1の(図示しない)ピストンが動くことができる。ピストン方向は、シリンダ10の中心軸12に対して平行である。
図2および3に見られるとおり、4つすべてのチャージサイクル開口部4が同一の断面を有している。その代替として、吸気開口部41と排気開口部42がそれぞれ異なる断面を有することもできよう。吸気開口部41がそれぞれ排気開口部42よりも大きい断面を有することができるのが特別に好ましい。代替として、排気開口部42がそれぞれ呼気開口部41よりも大きい断面を有することができよう。チャージサイクル開口部4はそれぞれ円形に構成されており、チャージサイクルのために最大の総断面を利用できるように、燃焼室ルーフ50に内接している。その代替として、チャージサイクル開口部4がこれより小さくなっていてもよい。
燃焼室ルーフ50での各部材の位置を簡略化して説明するために、互いに垂直かつピストン方向に対して平行の2つの切断平面51,52が図示されている。このとき両方の切断平面51,52は燃焼室ルーフ50を4つの象限55,56,57,58に下位区分して、各々の象限55,56,57,58の中に、4つのチャージサイクル開口部4のうちのそれぞれ1つが位置するようになっている。特に、両方の切断平面51,52は、燃焼室ルーフ50の対称平面とみなすこともできる。図2,3および5に見られるとおり、燃焼室ルーフ50に配置される構成部品である点火プラグ2、プレチャンバ点火プラグ3、および燃焼室・燃料インジェクタ6はそれぞれ実質的に、両方の切断平面51,52のうちの一方の上に位置する。というのも、その場合に、これらの構成部品のための最大のスペース提供となるからである。
図2は、燃焼室・燃料インジェクタ6の中央の位置を有する、燃焼室ルーフ50での各構成部品の配置の変化態様を示している。ここで中央の位置とみなされるのは、燃焼室ルーフ50の中心点54を取り囲み、それぞれのチャージサイクル開口部4の内部で実質的に径方向に位置する中心点領域53の内部への配置である。燃焼室・燃料インジェクタ6の中央の位置により、燃焼室5の中での噴射される燃料スプレーの特別に均等な配分を実現することができる。
図2にのみ示す変化態様では、燃焼室・燃料インジェクタ6は中心点54の吸気側にあり、すなわち、排気開口部42よりも両方の吸気開口部41の近傍にある。詳細には、燃焼室・燃料インジェクタ6は両方の吸気側の象限55,58の完全に内部にある。それにより中心点領域53の内部に、他の構成部品すなわち点火プラグ2やプレチャンバ点火プラグ3のためのスペースがある。
さらに燃焼室ルーフ50は、それぞれ隣接する2つのチャージサイクル開口部4とシリンダ10の側壁11との間に配置された、内部に構成部品を配置することができる4つの側方領域59を有している。
図2(a)は、中心点領域53の内部にプレチャンバ点火プラグ3を有する配置を示している。それにより、燃料・空気・混合気の可能な限り中央での点火をプレチャンバ点火プラグ3によって実現することができ、それにより、火炎ジェット30による特別に均等な燃焼室5の貫通、およびこれに伴って燃焼室5の中での特別に均等な発火を実現することができる。さらに、それによってプレチャンバ点火プラグ3と燃焼室・燃料インジェクタ6の間の間隔36を最低限に抑えることができ、このことは、プレチャンバ35の洗流と混合気供給に好ましく作用する。
ここではプレチャンバ点火プラグ3は、その作動時に生成される火炎ジェット30が実質的に均等に、4つのチャージサイクル開口部4のうちの各々の方向に向けられるように構成、配置されている。ここで付言しておくと、火炎ジェット30の向きは各図面では例示として示されているにすぎない。むしろ、火炎ジェット30の任意の向きが可能である。たとえば別の好ましい実施形態では、火炎ジェット30のうちの少なくとも1つが切断平面51,52のうちの1つと平行に向き、それは特に、プレチャンバ点火プラグ3がこれらの切断平面51,52のうちの1つの上にある場合である。火炎ジェット30のうちの少なくとも1つが常に燃焼室5の吸気側の方向に、すなわち吸気開口部41のうちの1つの方向に向けられると特別に好ましい。
さらに図2(a)の配置は、燃焼室・燃料インジェクタ6とプレチャンバ点火プラグ3とが近いことにより、プレチャンバ点火プラグ3の作動時に内燃機関1の特別に効率的な動作形態を提供する。というのも、生成されるスプレーを特別に的確かつ確実に火炎ジェット30によって点火することができるからである。さらに、燃焼室・燃料インジェクタ6とプレチャンバ点火プラグ3とが近いことで、プレチャンバ点火プラグ3のプレチャンバ35の効率的な洗流と最善の混合気供給を実現することができ、このことは、プレチャンバ点火プラグ3のロバストで効率的な動作に特別に好ましく作用する。
点火プラグ2は、図2(a)の変化態様では、シリンダ10の側壁11の近傍で側方に配置されている。詳細には点火プラグ2は、両方の吸気側の象限55,58に位置する、すなわち両方の吸気開口部41の近傍に位置する、吸気側の側方領域59に配置されている。それにより、点火プラグ2の作動時に良好な新気供給を点火プラグ2の領域で提供することができる。
図2(b)は、図2(a)の配置に実質的に相当するが、点火プラグ2が排気側の側方領域59に、すなわち両方の排気開口部42の近傍に、配置されているという相違がある配置を示している。それにより、たとえば燃料スプレーをプラグ3および点火プラグ2に近づけるために、燃焼室・燃料インジェクタ6がいっそう排気開口部42の方向に向けられていてよい。
図2(c)は、図2(a)に類似する配置を示しているが、点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3の位置が入れ替わっている。すなわち、点火プラグ2は燃焼室・燃料インジェクタ6の近傍で中心点領域53に配置されており、プレチャンバ点火プラグ3は側壁11の近傍で吸気側に配置されている。この場合、中心点54の近傍かつ燃焼室・燃料インジェクタ6の近傍で点火プラグ2が中央に配置されることで、好ましくは低い負荷のもとで、および/または触媒加熱段階中に、点火プラグ2による点火中に特別にロバストで効率的な内燃機関の動作が可能となり得る。
ここではプレチャンバ点火プラグ3は、火炎ジェット30が燃焼室ルーフ中心の方向に向けられるように構成、配置されている。それにより、たとえば中程度の、または高い内燃機関1の負荷領域でのプレチャンバ点火プラグ3の単独動作のときでも、特別に燃料を節減する動作を可能にすることができる。さらにプレチャンバ点火プラグ3の側方への配置は、燃焼室5の中心から遠いことによって、比較的低い温度がプラグキャップ32に作用し、それに伴ってプレチャンバ点火プラグ3のいっそう低い負荷といっそう長い耐用期間を可能にできるという利点を提供する。
図2(d)は、図2(c)の配置に実質的に相当するが、プレチャンバ点火プラグ3が排気側の側方領域59に、すなわち点火プラグ2と燃焼室・燃料インジェクタ6の排気側に、配置されるという相違がある配置を示している。このケースでは、プレチャンバ点火プラグ3が生成する火炎ジェット30は吸気開口部41の方向に向けられる。
図2(e)は、中央のプレチャンバ点火プラグ3を有する図2(a)および(b)に類似する配置を示しているが、点火プラグ2は第2の切断平面52に位置する側方領域59に配置されている。このケースでは、側方領域59は両方の吸気側の象限55,58のうちの1つと、両方の排気側の象限56,57のうちの1つとに位置する。それにより、シリンダヘッド15での点火プラグ2の特別に好ましい取付位置を提供することができる。というのも、吸気開口部41および排気開口部42と接続された吸込管と排ガス管はシリンダヘッド15の内部で、しばしば互いに離れるほうを向いているからである。象限55および56の右側の側方領域59での図2(e)に示す位置の代替として、点火プラグ2が象限57および58の左側の側方領域59に配置されていてもよい。
図3は、燃焼室・燃料インジェクタ6が燃焼室ルーフ50の側方に、すなわち吸気側の側方領域59に配置された変化態様を示している。ここでは燃焼室・燃料インジェクタ6は側壁11に対して僅少な間隔61をおいて配置されている。ここでは燃焼室・燃料インジェクタ6が側方に配置されることで、中心点54の周りの燃焼室ルーフ50の中央の中心点領域53で、点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3のための広いスペースを利用することができ、それにより、改善された均等な発火のためにこの両者を可能な限り中央に配置することができる。このとき燃焼室・燃料インジェクタ6の噴射方向は、燃焼室5の中での燃料スプレーの可能な限り均等な配分を実現するために、燃焼室中心の方向に向けられる。
この場合、図3(a)および図3(b)には、それぞれ点火プラグ2が、およびプレチャンバ点火プラグ3も、中心点領域53の内部に配置される変化態様が示されている。それにより、点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3はいずれも燃焼室ルーフ50の中心点54の可能な限り近傍に位置し、それにより、可能な限り中央での均等な発火がなされる最善の動作が両者にとって可能となる。ここでは図3(a)は、点火プラグ2がプレチャンバ点火プラグ3の吸気側に配置された変化態様を示しており、図3(b)には、点火プラグ2がプレチャンバ点火プラグ3の排気側に配置された変化態様が示されている。
さらに図3(c)および図3(d)には、点火プラグ2が中央に配置され、プレチャンバ点火プラグ3が燃焼室ルーフ50の側方に配置された変化態様が示されている。このことが特別に好ましいのは、点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3のために十分なスペースが中心点領域53にない場合である。ここでは点火プラグ2は両方の変化態様において、それぞれ正確に燃焼室ルーフ50の中心点54に配置されており、それにより、たとえば触媒加熱段階中に、点火プラグ2の作動時の内燃機関1の特別にロバストな動作が可能となる。
ここで図3(c)では、側壁11と、それぞれ吸気開口部41のうちの1つと、排気開口部42のうちの1つとの間に位置する左側の側方領域59に、プレチャンバ点火プラグ3が配置されている。
さらに図3(d)は、プレチャンバ点火プラグ3が排気側の側方領域59に配置された、すなわち両方の排気開口部42の近傍に配置された、変化態様を示している。
付言しておくと、図3(c)および図3(d)に示す変化態様の代替として、側方領域59のそれぞれ他方へのプレチャンバ点火プラグ3の配置も可能である。
さらに図3(e)には、プレチャンバ点火プラグ3が中央に、すなわち燃焼室ルーフ50の正確に中心点54に配置された変化態様が示されている。それによりプレチャンバ点火プラグ3の作動時に、特別に均等で対称な着火を燃焼室5で可能にすることができる。点火プラグ2はこのケースでは右側の側方領域59に配置され、すなわち側壁11と、両方の吸気開口部41のうちの1つと、両方の排気開口部42のうちの1つとの間に配置されている。その代替として、それぞれ他方の側方領域59への点火プラグの配置も可能である。
図4には、本発明の第2の実施例に基づく内燃機関1の断面図が示されている。第2の実施例は、図1から3の第1の実施例に実質的に相当しているが、燃焼室ルーフ50に配置されて直接噴射をする燃焼室・燃料インジェクタ6に代えて、吸込管・燃料インジェクタ7が設けられるという相違がある。吸込管・燃料インジェクタ7はシリンダヘッド15の中で吸込管70に配置され、液体または気体の燃料を吸込管70に噴射するためにセットアップされている。このとき吸込管7は吸気開口部41で燃焼室5に連通し、そのようにして燃料・空気・混合気を燃焼室5の中へ誘導する。このとき特に吸気開口部41ごとにそれぞれ1つの吸込管70が設けられ、各々の吸込管70にそれぞれ1つの吸込管・燃料インジェクタ7が設けられる(図示せず)。
図5は、図4の第2の実施例の内燃機関1の燃焼室ルーフ50での点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3の配置の変化態様を示している。第2の実施例では燃料インジェクタが燃焼室ルーフ50に配置されないので、点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3のためにいっそうスペースを利用できるという利点がある。ここでの図5の配置は図3に類似しており、それによって実質的に同一の利点がもたらされる。
点火プラグ2とプレチャンバ点火プラグ3が両方とも中心点領域53に配置されていてよいのが特別に好ましい。このような配置が図5(a)および(b)の変化態様に示されており、図5(a)では点火プラグ2がプレチャンバ点火プラグ3の吸気側に配置され、図5(b)では点火プラグ2がプレチャンバ点火プラグ3の排気側に配置されている。
さらに図5(c)および図5(d)は、ちょうど燃焼室ルーフ50の中心点54に配置された中央の点火プラグ2を有する変化態様を示している。
このとき図5(c)では、プレチャンバ点火プラグ3は左側の側方領域59に配置され、図5(d)では排気側の側方領域59に配置されている。
さらに図5(e)には、ちょうど中心点54に配置された中央のプレチャンバ点火プラグ3を有する変化態様が示されている。この変化態様では、点火プラグ2は右側の側方領域59に配置される。
図3と同様にここでも付言しておくと、側方に配置される点火プラグ2ないしプレチャンバ点火プラグ3は、図5(c)から図5(e)に示す位置の代替として、4つの側方領域59のうちのそれぞれ任意のものに配置されていてもよい。
付言しておくと、援用している一切の間隔はそれぞれ最小間隔とみなされるべきものである。すなわち、たとえば「プレチャンバ点火プラグと燃焼室・燃料インジェクタの間の間隔」は、特に実質的に燃焼室ルーフの平面における点火プラグの外側円周から、燃焼室・燃料インジェクタの外側円周までの最小間隔とみなされる。
1 内燃機関
2 点火プラグ
3 プレチャンバ点火プラグ
4 チャージサイクル開口部
5 燃焼室
6 燃焼室・燃料インジェクタ
7 吸込管・燃料インジェクタ
10 シリンダ
11 側壁
41 吸気開口部
42 排気開口部
50 燃焼室ルーフ
51,52 切断平面
53 中心点領域
54 中心点
55,56,57,58 象限
65 噴射方向
70 吸込管

Claims (19)

  1. 内燃機関において、
    少なくとも1つのシリンダ(10)と、
    前記シリンダ(10)ごとに4つのチャージサイクル開口部(4)とを含み、第1および第2のチャージサイクル開口部(4)はそれぞれ吸気開口部(41)であり、第3および第4のチャージサイクル開口部(4)はそれぞれ排気開口部(42)であり、および、
    前記シリンダ(10)ごとにそれぞれ1つの点火プラグ(2)とプレチャンバ点火プラグ(3)とを含み、前記点火プラグ(2)および/または前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記シリンダ(10)の燃焼室(5)の燃焼室ルーフ(50)に配置され、
    前記点火プラグ(2)は前記プレチャンバ点火プラグ(3)よりも前記燃焼室ルーフ(50)の中心点(54)の近傍に配置され、または、前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記点火プラグ(2)よりも前記シリンダ(10)の側壁(11)の近傍に配置される、内燃機関。
  2. 前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記点火プラグ(2)よりも前記吸気開口部(41)のうちの少なくとも1つの近傍に、または前記排気開口部(42)のうちの少なくとも1つの近傍に、配置される、請求項1に記載の内燃機関。
  3. 前記点火プラグ(2)は前記プレチャンバ点火プラグ(3)に対して吸気側または排気側に配置される、請求項1または2に記載の内燃機関。
  4. 前記チャージサイクル開口部(4)は前記燃焼室ルーフ(50)に配置され、
    前記燃焼室ルーフ(50)は互いに垂直の2つの切断平面(51,52)によって4つの象限(55,56,57,58)に下位区分されて、各々の前記象限(55,56,57,58)に4つの前記チャージサイクル開口部(4)のうちのそれぞれ1つが配置されるようになっており、
    前記点火プラグ(2)および/または前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記切断平面(51,52)のうちの1つに配置される、請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関。
  5. 前記点火プラグ(2)および/または前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記チャージサイクル開口部(4)の実質的に径方向内部に位置する前記燃焼室ルーフ(50)の中心点領域(53)の内部に配置され、
    特に、前記プレチャンバ点火プラグ(3)または前記点火プラグ(2)は正確に前記燃焼室ルーフ(50)の中心点(54)に配置される、請求項1から4のいずれか1項に記載の内燃機関。
  6. 前記点火プラグ(2)および/または前記プレチャンバ点火プラグ(3)は隣接する2つの前記チャージサイクル開口部(4)と前記シリンダ(10)の前記側壁(11)との間に配置される、請求項1から4のいずれか1項に記載の内燃機関。
  7. 燃料を前記燃焼室(5)へ直接噴射するためにセットアップされる燃焼室・燃料インジェクタ(6)をさらに含む、請求項1から6のいずれか1項に記載の内燃機関。
  8. 前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)は前記燃焼室ルーフ(50)に配置される、請求項7に記載の内燃機関。
  9. 前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)は、隣接する2つの前記チャージサイクル開口部(4)と、特に両方の前記吸気開口部(41)と、前記シリンダ(10)の前記側壁(11)との間に配置される、請求項7または8に記載の内燃機関。
  10. 前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)は前記チャージサイクル開口部(4)の実質的に径方向内部に位置する前記燃焼室ルーフ(50)の中心点領域(53)の内部に配置され、
    特に、前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)は正確に前記燃焼室ルーフ(50)の中心点(54)に配置される、請求項7または8に記載の内燃機関。
  11. 前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記点火プラグ(2)よりも前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)の近傍に配置され、または、
    前記点火プラグ(2)は前記プレチャンバ点火プラグ(3)よりも前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)の近傍に配置される、請求項7から10のいずれか1項に記載の内燃機関。
  12. 前記燃焼室・燃料インジェクタ(6)の噴射方向(65)は前記点火プラグ(2)または前記プレチャンバ点火プラグ(3)の方向に向けられる、請求項7から11のいずれか1項に記載の内燃機関。
  13. 燃料を前記内燃機関(1)の吸込管(70)へ噴射するためにセットアップされた吸込管・燃料インジェクタ(7)をさらに含む、請求項1から12のいずれか1項に記載の内燃機関。
  14. 少なくとも1つのシリンダ(10)を有する内燃機関(1)を作動させる方法において、前記内燃機関(1)はシリンダ(10)ごとに4つのチャージサイクル開口部(4)と点火プラグ(2)とプレチャンバ点火プラグ(3)とを有し、前記点火プラグ(2)および/または前記プレチャンバ点火プラグ(3)は前記シリンダ(10)の燃焼室(5)の内部で燃料・空気・混合気を着火するために作動する、方法。
  15. 高い負荷のもとでの、特に前記内燃機関(1)の定格トルクの少なくとも20%、好ましくは50%、特別に好ましくは80%のトルクのもとでの、前記内燃機関(1)の作動中に前記プレチャンバ点火プラグ(3)が単独で作動する、請求項14に記載の方法。
  16. 低い負荷のもとでの、特に前記内燃機関(1)の定格トルクの80%よりも低い、好ましくは50%よりも低い、特別に好ましくは20%よりも低いトルクのもとでの、前記内燃機関(1)の作動中に前記点火プラグ(2)が単独で作動する、請求項14または15に記載の方法。
  17. 前記点火プラグ(2)は触媒加熱段階中に、特に前記内燃機関(1)のコールドスタートの後に、作動する、請求項14から16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 前記点火プラグ(2)と前記プレチャンバ点火プラグ(3)はそれぞれ異なる、特に互いに独立したイグニションタイミングで作動する、請求項14から17のいずれか1項に記載の方法。
  19. 前記内燃機関(1)は少なくとも部分動作領域の内部で、特に前記点火プラグ(2)および/または前記プレチャンバ点火プラグ(3)の作動中に、少なくとも1のラムダ値をもって作動する、請求項14から18のいずれか1項に記載の方法。
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