JP4047177B2 - 燃料噴射システム - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載した形式の燃料噴射システムに関する。
【０００２】
内側の混合気形成を備えた混合気圧縮、火花点火式内燃機関においては、成層燃焼運転のために、点火プラグ範囲内で「混合気雲」が必要であり、この混合気雲、つまり雲状の混合気噴霧は点火可能な範囲内で特定の燃料・空気比を有している。特に部分負荷運転において及び無負荷運転において、これによって著しい燃料消費量利点が達成される。それは、全体の燃焼室容積が燃料分の多い点火可能な混合気を含んでいないからである。
【０００３】
このような混合気雲を生ぜしめるために、大体において次の３つの方法が公知である。つまり、壁案内式燃料噴射システム、空気案内式燃料噴射システム、噴流案内式燃料噴射システムである。
【０００４】
壁案内式燃料噴射システムにおいては、燃料は空気渦流によって連行され、燃料はシリンダの壁に接触せしめられ、かつ大抵は特別に構成されたピストンにおいて変向せしめられる。燃料はこのために渦流でシリンダの壁表面及びまたはピストン面の近くで燃料噴射弁によって噴射され、この燃料噴射弁は吸気弁の側方であってシリンダ壁側に配置されている。渦流によって、燃料は同時の混合気形成の下で、燃焼室内の中央に配置されている点火プラグに運ばれる。
【０００５】
壁案内式燃料噴射システムは例えばヨーロッパ公開特許第０５１９２７５号明細書から公知である。点火プラグはシリンダヘッドの内側の壁の中央区分内に配置されており、かつ燃料噴射装置はシリンダヘッドの内側の壁の円周区分に配置されている。ピストンは点火プラグの下方にある凹所区分を有しており、この凹所区分の面上に燃料が斜めに噴射される。燃料は凹所面の縁において変向せしめられる。渦流は燃料を更に点火プラグの方向に連行する。
【０００６】
この背景技術の欠点は、燃焼室形状の特殊な構成、特にピストン形状の構成による乱流発生の手段が、単に特定の回転数範囲に対してのみ、最適化されるにすぎないことである。正に、部分負荷及び無負荷運転の範囲内では、換言すればわずかな燃料の噴射量及び低い充てん率及び又は低い回転数においては、必要な渦流形成は単に絞り作用によってのみ、達成することができる。これによって、しかしながら燃料消費量の増大がもたらされる。更に、壁案内式燃料噴射システムにおいては、変向縁を備えた高価なピストン形状が必要であることが欠点である。
【０００７】
ドイツ連邦共和国特許第３８０８６３５号明細書から、混合気を圧縮している内燃機関のシリンダ内に燃料を直接に噴射するための燃料噴射装置が空気案内式燃料噴射システムとして公知である。この燃料噴射装置はこの場合燃料噴射弁を含み、この燃料噴射弁はシリンダ壁内にシリンダヘッドから若干の間隔をおいてかつ排気開口と向き合って配置されており、かつ排気開口を有しており、その際燃料噴射弁の噴流軸線は、シリンダヘッド内に配置された点火プラグの回りの範囲に向けられている。この燃料噴射弁はこの場合磁石操作される、燃料噴流のねじりを生ぜしめるためにねじ形のねじり溝を備えた弁ニードルを有している。ねじり溝の全横断面は少なくとも半分だけ排気開口の横断面よりも小さく、その際燃料噴射弁は掃気開口の上方に配置されていて、かつその噴流軸線をもってシリンダヘッド中心内に配置された点火点に向けられている。空気流によって、噴射された燃料は、シリンダの壁に接触することなしに、点火プラグの方向に連行され、かつ点火プラグに搬送される。
【０００８】
点火プラグへの混合気搬送は空気案内式燃料噴射システムにおいても、既に述べた理由から、無負荷運転及び下方の部分負荷運転において単に極めて不完全であり、中間の部分負荷運転においては部分的に単に、使用される高圧噴射弁若しくは吸気管を通る流動案内のわずかなばらつきをもってしか、可能でない。不完全な再生産可能性はなかんずく、個々の燃焼不完全によって惹起された、不燃焼の炭化水素の高められた放出に表れる。
【０００９】
ドイツ連邦共和国特許公開第１９８０４４６３号明細書から、噴流案内式燃料噴射システムが混合気圧縮・火花点火式の内燃機関のために公知であり、これは少なくとも１つの燃料噴射弁をもって、燃料をピストン・シリンダの配置により形成されている燃焼室内に噴射し、かつ燃焼室内に突出している点火プラグを備えている。燃料噴射弁のノズル体はこの場合燃焼室内で中央におかれた点火プラグの近くに配置されていて、かつ少なくとも１つの列の、ノズル体の円周にわたって分配されて配置されている噴射穴を備えている。燃料を噴射穴を介して意識的に噴射することによって、噴流案内式燃焼法が、混合気雲に形成によって実現され、その際少なくとも１つの噴流が点火プラグの方向に向けられている。別の噴流は、少なくともほぼ閉じた若しくはつながっている混合気雲が形成されるようにする。
【００１０】
ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書から、点火可能な燃料・空気混合物を形成する方法が公知である。直噴式内燃機関のシリンダ内で、点火可能な燃料・空気混合物が形成可能であり、この場合ピストンにより制限されているそれぞれの燃焼室内に、インジェクタによって、ノズル開口を弁部材の、ノズル開口を取り囲む弁座からの持ち上げによって開放する際に燃料が噴射される。なかんずく、内燃機関の運転条件、特に成層燃焼運転の下で、燃料消費量及び汚染物質の放出に最適化せしめられた、内側の混合気形成を、全体の特性フィールドの各運転点において可能にするために、弁部材の開放行程及び噴射時間を可変に調整可能であるようにする。
【００１１】
これらの噴流案内式燃料噴射システムにおける欠点は、シリンダ軸線内でシリンダヘッドの中央に配置された点火プラグを備えた従来のシリンダヘッドを著しく変更することで初めて、使用し得ることである。それは、燃料噴射弁のための、点火プラグの近くにおける付加的な取り付けスペースが不都合にも、大抵は２つの吸気弁の移動を必要とするからである。
【００１２】
従来の仕上げ工具及びシリンダヘッド形状に対する適合性は、成る程、燃料噴射弁を吸気弁側方のシリンダ壁側に配置する際に与えられているけれども、しかしながらその場合前に述べた、空気案内式かつ壁案内式燃料噴射システムの欠点が生じる。
【００１３】
発明の利点
請求項１の特徴を備えた本発明による燃料噴射システムはこれに対し次のような利点を有している。すなわち、燃料噴射弁をシリンダヘッド内で、吸気弁側方のシリンダ壁側に、配置することが可能であり、かつシリンダヘッドが吸気管噴射のための従来のシリンダヘッドと製作において適合性があり、かつ壁案内式及び空気案内式燃料噴射システムの欠点が回避される。それは本発明による燃料噴射システムは噴流案内式燃料噴射システムであるからである。業界のあらかじめまとめられた意見と異なって、本発明による燃料噴射システムにおける燃料噴射弁の位置からでも、噴流案内による、混合気雲の生成は、部分負荷運転において可能である。多穴燃料噴射弁の燃料噴流は、シリンダ直径の２分の１にわたって極めて正確に噴射することができる。
【００１４】
更に、点火のための混合気形成は渦流形成とは無関係であり、かつ燃焼室幾何形状、特にピストンの形状を、無関係にかつ別の視点を最適化するために適当に選択することができることは、有利である。
【００１５】
従属請求項に述べた手段によって、請求項１に記載した燃料噴射システムの有利な展開が可能である。
【００１６】
特に、熱ショック負荷及び点火プラグのすす化は点火プラグ位置に対して燃料を接線方向に噴射することによって減少せしめられる。燃料噴流は要するに直接に点火プラグ上に向けられているのではない。
【００１７】
更に、２つの燃料噴流とこれらの燃料噴流の間の角度二等分線上への点火プラグの配置によって、角度を適当に選択する場合に、有利な点火特性を達成することができることは、有利である。
【００１８】
別の燃料噴流は有利に、ピストンがほぼ上死点の近くにあるときに形成される残りの燃焼室内に向けることができる。
【００１９】
特に燃料噴流は有利には、相互にほぼ２０°から３０°の間の同じ角度を成している３つの平面に分割しておくことができる。この場合、シリンダヘッドに最も近くに位置している最も上方の平面は、点火プラグの両側面を通る燃料噴流から成り、第２の平面は３つの燃料噴流から成り、その中央の噴流は第１の平面の燃料噴流と、シリンダ軸線の方向に沿って投影した時の角度二等分線上に位置しており、かつ最も下方の平面はやはり２つの、第１の平面の燃料噴流の下方に位置している燃料噴流から成っている。
【００２０】
この燃料噴流の構成では、点火後の良好な炎フロントの広がりが３つの平面にわたって可能である。
【００２１】
ピストンはつぶし縁をもってかつピストン凹所をもって構成しておくことができ、かつ噴流像の形状はこれによって定められた燃焼室に適合させておくことができる。
【００２２】
燃料噴流は扁平噴流であることができ、これは噴出開口としてのスリットを通して噴射される。
【００２３】
代替的な、有利な実施形では、別の燃料噴流は、点火プラグに対して接線方向に向けられた燃料噴流と一緒に、１つの平面内に配置されていて、かつその数は偶数であり、かつ点火プラグの両側に同数が配置されている。
【００２４】
この実施形はなかんずく、ピストン凹所がないか、あるいは極めて扁平なときに、有利な混合気形成を可能にする。
【００２５】
実施例の説明
本発明の実施例は図面に示されており、かつ以下において詳細に説明する。
【００２６】
図１，２及び３は、背景技術による重要な燃料噴射システムの基本構造を概略的に示し、これにより先ずそれぞれの利点及び欠点を明らかにし、かつどのようにして本発明がこれらの燃料噴射システムの欠点を回避して、利点をまとめるかを説明する。
【００２７】
図１は背景技術の、壁案内式燃料噴射システムを概略的な断面図で示す。部分的な、概略化して示したシリンダ１内でピストン２が案内されている。燃焼室３は、シリンダ１上に乗っているシリンダヘッド４によって制限されている。点火プラグ５はシリンダ１の中央にあり、かつ側方には排気弁６並びに吸気弁７がガス交換のために配置されている。普通は、大抵は２つの吸気弁７及び排気弁６が設けられている。吸気弁７の側で、シリンダ１の壁に向かって、シリンダヘッド４内に、燃料噴射弁８が配置されている。ピストン２は明確に形成されたピストン凹所９を有しており、かつほぼピストン中央においてピストン凹所９を制限する変向縁１０を有している。
【００２８】
燃料は燃料噴射弁８によりピストン凹所９の方向に噴射される。このことは図１において燃料雲１１によって示されている。この場合燃料は空気から成る渦流内に当たり、かつピストン凹所９上に当たる。渦流によって、燃料は変向縁１０に運ばれ、かつ混合気を形成しながら点火プラグ５に向かって運ばれる。この混合気雲の経路は矢印によって明らかにされている。
【００２９】
図２は、背景技術による空気案内式燃料噴射システムの概略的な横断面を示す。部分であるシリンダ１，ピストン２，燃焼室３，シリンダヘッド４，点火プラグ５，排気弁６，吸気弁７及び燃料噴射弁８の原理的な構造が図１のそれと同じである限り、同一の符号が使用されている。異なっている点は、比較的に扁平なピストン凹所１２がピストン２に形成されていることである。
【００３０】
燃料は燃料噴射弁８により渦流の方向に燃焼室３内に噴射される。このことは、図２において燃料雲１３によって、示されている。渦流によって燃料は混合気を形成しながら、更に点火プラグに向かって運ばれ、その際壁に接触することはない。この混合雲の経路は矢印によって明らかにされている。
【００３１】
壁案内式及び空気案内式燃料噴射システムは、燃料噴射弁８の所望の位置の利点をもたらし、これは、吸気管噴射のための従来のシリンダヘッドに対するシリンダヘッド４の大きな類似及び製作装置の引き続く使用を可能にする。欠点は、渦流の形成が常に必要なことであり、これによってその他の観点での燃焼室の最適化が困難になり、かつ燃焼室は単に特定の回転数及び負荷状態に対してのみ最適化することができ、しかも絞り損失をもたらすことがある。
【００３２】
図３は背景技術による噴流案内の燃料噴射システムの概略的な断面図を示す。部品であるシリンダ１，ピストン２，燃焼室３，シリンダヘッド４，排気弁６及び吸気弁７の原理的な構造が図１のそれと同じである限り、同一の符号が使用されている。異なっている点は、燃料噴射弁１４及び点火プラグ１５がシリンダ１の中央で燃焼室３の中央に配置されている点である。
【００３３】
個々の燃料噴流から成る燃料雲１６は燃料噴射弁１４により燃焼室３内に噴射される。この場合少なくとも、燃料雲１６の部分は直接に点火プラグ１５の近くに噴射され、かつそこに点火可能な混合気を生ぜしめる。
【００３４】
噴流案内式燃料噴射システムは、残りの燃焼室３を比較的に自由に構成することができ、かつ絞り損失は生じないという利点をもたらす。欠点は、製作技術的にかつ取り付けスペースにより不利な、燃料噴射弁１４の位置である。
【００３５】
図４は、ピストン１６を備え、これはシリンダ孔１７内で案内されており、かつシリンダヘッド１８をもって燃焼室１９を囲っている、本発明による燃料噴射システムの第１の実施例の概略的な断面図を示す。点火プラグ２０はシリンダ孔１７の中央にあり、側方には排気通路２２を備えた排気弁２１並びに吸気通路２４を備えた吸気弁２３がガス交換のために配置されている。普通は、大抵は２つの吸気弁２３及び排気弁２１が設けられている。シリンダヘッド１８内の、吸気弁２３の、シリンダ孔１７の壁側に燃料噴射弁２５が配置されている。ピストン１６は明確に形成されたピストン凹所２６を有しており、かつピストン凹所２６を制限するつぶし縁２７を有している。
【００３６】
ピストン１６はシリンダ孔１７内で、燃料噴射弁２５による燃料噴射の時点に相応する位置で、示されている。燃料噴射弁２５は噴射開口を有しており、これらの噴射開口は次のように、すなわち、第１の平面の燃料噴流２８が点火プラグ２０の近傍内に噴射するように、配置されている。第２の平面の燃料噴流２９は第１の平面の燃料噴流に対して、この平面に関して角度γ１を成す。第２の平面の燃料噴流に対して、この平面に関して角度γ２を成す第３の平面の燃料噴流３０はピストン凹所２６の範囲を満たす。燃料噴流は矢印によって示されている。角度γ１は角度γ２と等しい。
【００３７】
図５は、図４の燃料噴射弁２５の噴射区分３１を、平面図でかつその点火プラグ２０に対する方向付けで、概略的に示す。噴射開口３２から、３つの平面の、矢印で示した燃料噴流２８，２９，３０が噴射される。ここに述べた実施例では、第１の平面の２つの燃料噴流２８が点火プラグ２０に対して接線方向に向けられており、かつ次のように、すなわち点火プラグ２０が第１の平面の燃料噴流２８の角度二等分線上に位置するように、方向付けされている。矢印先端の間の点線によって、１つの平面内の配置が示されている。第２の平面の３つの燃料噴流２９は第１の平面の燃料噴流２８に対してずらされて配置されており、したがって中央の燃料噴流２９ａは点火プラグ２０の下方に方向付けされている。第３の平面の２つの燃料噴流３０は第１の平面の燃料噴流２８の下方に向けられている。
【００３８】
図６は図４の燃料噴射弁２５の噴射区分３１を点火プラグ２０から見た側面図で概略的に示す。噴射開口３２は球面３３にわたって３つの列に分配されている。この配置によって、３つの平面における噴射が達成される。
【００３９】
有利には、本発明による燃料噴射システムにおいては、この実施例において、燃料噴射弁２５は燃焼室１９内で側方に配置され、かつこれにより従来のシリンダヘッドに対する高い適合性が達成される。残りの燃焼室は相対的に無関係に形成することができる。それは、第１の平面の燃料噴流２８によって点火可能な混合気が点火プラグ２０の近傍内に形成されているからである。特にこの有利な実施例によって、全体の燃焼室１９がピストン凹所２６を含めて、燃料噴流で満たされることができる。従来の見方と異なって、燃料噴流２８の噴射が燃焼室１９の側方から点火プラグ２０に向かって可能であることが分かった。
【００４０】
図７は、図４の燃料噴射弁２５の噴射区分３１を、代替的な有利な実施例で、点火プラグ２０から見た側面図で示す。噴射開口の代わりに、ここではスリット３４が設けられており、これらのスリットによって扁平噴流を生ぜしめることができる。ウェブ３５によって、燃料が直接に点火プラグ２０上に噴射されることが、阻止される。
【００４１】
図８は図７の燃料噴射弁２５の噴射区分３１を平面図で概略的に示す。スリット３４及びウェブ３５が示されている。
【００４２】
本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、かつ例えば、より多いあるいはより少ない噴射穴、吸気弁及び排気弁及び特により多くの点火プラグ及び可変の行程室容積を備えた燃料噴射システムにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 背景技術による壁案内式燃焼法のための燃料噴射システムの概略的な断面図を示す。
【図２】 背景技術による空気案内式燃焼法のための燃料噴射システムの概略的な断面図を示す。
【図３】 背景技術による噴流案内式燃焼法のための燃料噴射システムの概略的な断面図を示す。
【図４】 本発明による燃料噴射システムの第１の実施例の概略的な断面図を示す。
【図５】 図４の燃料噴射弁の噴射区分を平面図でかつその点火プラグに対する方向付けを、概略的に示す。
【図６】 図４の燃料噴射弁の噴射区分を側面図で概略的に示す。
【図７】 図４の燃料噴射弁の噴射区分の有利な実施形を側面図で概略的に示す。
【図８】 図７の燃料噴射弁の噴射区分を平面図で概略的に示す。
【符号の説明】
１ シリンダ、 ２ ピストン、 ３ 燃焼室、 ４ シリンダヘッド、 ５ 点火プラグ、 ６ 排気弁、 ７ 吸気弁、 ８ 燃料噴射弁、 ９ ピストン凹所、 １０ 変向縁、 １１ 燃料雲、 １２ ピストン凹所、 １３ 燃料雲、 １４ 燃料噴射弁、 １５ 点火プラグ、 １６ 燃料雲、ピストン、 １７ シリンダ孔、 １８ シリンダヘッド、 １９ 燃焼室、 ２０ 点火プラグ、 ２１ 排気弁、 ２２ 排気通路、 ２３ 吸気弁、 ２４ 吸気通路、 ２５ 燃料噴射弁、 ２６ ピストン凹所、 ２７ つぶし縁、 ２８ 燃料噴流、 ２９ 燃料噴流、 ２９ａ 燃料噴流、 ３０ 燃料噴流、 ３１ 噴射区分、 ３２ 噴射開口、 ３３ 球面、 ３４ スリット、 ３５ ウェブ、 γ１ 角度、 γ２ 角度

Claims (12)

1. 内燃機関のための燃料噴射システムであって、燃料を燃焼室（１９）内に噴射する少なくとも１つの燃料噴射弁（２５）を備え、前記燃焼室はシリンダ壁（１７）によって仕切られており、このシリンダ壁内でピストン（１６）が案内されており、かつ燃焼室（１９）内に突出している点火プラグ（２０）を備えており、その際燃料噴射弁（２５）は燃焼室（１９）内で吸気弁（２３）のシリンダ壁（１７）側に配置されていて、かつ複数の燃料噴流（２８，２９，３０）を生ぜしめるようになっている形式のものにおいて、
   燃料噴射弁（２５）の噴射開口（３２）が次のように分配されていること、
   すなわち、燃料噴流（２８，２９，３０）が、第１の平面と第２の平面との角度γ１並びに第２の平面と第３の平面との角度γ２をもって３つの平面に方向付けされており、これらの平面うち、シリンダヘッド（１８）に最も近い第１の平面が、点火プラグ（２０）に対して接線方向に向けられている２つの燃料噴流（２８）によって形成されており、
   第１の平面の２つの燃料噴流（２８）が、互いに所定の開き角度をもって燃焼室（１９）内に噴射され、その際、点火プラグ（２０）は、２つの燃料噴流（２８）の開き角度の角度二等分線上に配置されていて、開き角度は、点火プラグ（２０）と燃料噴射弁（２５）の間隔に関連して、点火可能な混合気が点火プラグ（２０）の点火電極の両側に生じるような大きさであり、
   第２の平面と第３の平面の別の燃料噴流（２９，３０）が、大体において上死点近くのピストン位置において、残りの燃焼室内に一様に向けられること、
   を特徴とする、燃料噴射システム。
2. 第２の平面が３つの燃料噴流（２９）から形成され、これらの燃料噴流は第１の平面の燃料噴流（２８）に対してずらされており、かつ中央の燃料噴流（２９ａ）は、第１の平面の燃料噴流（２８）の角度二等分線の下方に位置していることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射システム。
3. 第３の平面が２つの燃料噴流（３０）から成っており、これらの燃料噴流は第１の平面の燃料噴流（２８）の下方に位置していることを特徴とする、請求項２記載の燃料噴射システム。
4. 角度γ１が２０°と３０°との間の値を有し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１項に記載の燃料噴射システム。
5. 角度γ２が２０°と３０°との間の値を有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料噴射システム。
6. 角度γ１が角度γ２と等しいことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料噴射システム。
7. 燃料噴流が扁平噴流であり、かつ燃料噴射弁（２５）の細長い噴射開口によって形成されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料噴射システム。
8. 噴射開口がスリット（３４）であることを特徴とする、請求項７記載の燃料噴射システム。
9. スリットがウェブ（３５）によって分割されていることを特徴とする、請求項８記載の燃料噴射システム。
10. ピストン（１６）が、シリンダ中心軸線に関して、燃料噴射弁（２５）とは逆の側で、押しつぶし縁（２７）を有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料噴射システム。
11. ピストン（１６）がピストン凹所（２６）を有していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の燃料噴射システム。
12. ピストン凹所（２６）がその形状において、燃料噴射弁（２５）の噴流形状に適合せしめられており、かつどの燃料噴流（２８，２９，３０）もピストン表面に直接に当たらないことを特徴とする、請求項１１記載の燃料噴射システム。

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