JP4280928B2 - 直接噴射火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を燃焼室内に噴射するためのシリンダ毎に１つの噴射器を有する請求項１の前段に記載の一般タイプの直接噴射火花点火内燃機関、及び請求項１０の特徴を有するこのような内燃機関を作動するための方法に関する。

直接噴射内燃機関では、入口通路を通して別個に送られる燃焼空気と共に燃焼室内に直接噴射された燃料から構成され、ピストンを駆動するために燃焼されるべき燃料／空気混合気は、各シリンダの燃焼室に形成される。火花点火内燃機関の場合、燃料／空気混合気は、燃焼室内に突出する点火プラグの点火火花によって点火されなければならず、したがって、点火可能な混合気を点火プラグの電極で利用可能にしなければならない。この場合、層状給気作動モードでは、それぞれのシリンダの動作周期中の遅い燃焼噴射によって、燃焼室の体積全体に全体的な希薄混合気がある場合に、点火可能な燃料濃度を有する層状混合気雲を形成することが可能である。層状混合気による作動により、内燃機関の燃料消費量及び汚染物質の排出の低減がもたらされる。特に層状給気作動モードで、点火プラグの領域における混合気の点火を保証するために、燃料は、通常、円錐状ジェットで燃焼室内に噴射され、燃焼空気を有する円錐状燃料雲が形成される。ジェット制御燃焼法と称される方法の場合、混合気の形成は、点火プラグの領域の燃料雲の混合気の点火可能な品質に大いに関係する。満足のゆく構成の円錐状燃料雲によって、混合気の安定した形成及びジェット制御燃焼法の場合の混合気の点火を保証するために、多孔噴射器と称される噴射器が知られており、その噴射ノズルには、その円周にわたって分布された複数の噴射孔が設けられる。

特許文献１は、このような多孔噴射器を開示しており、この噴射器では、噴射孔を介した選択的な燃料噴射により混合気物雲を形成することによってジェット制御燃焼法を実施するために、噴射ノズルの円周にわたって分布される少なくとも一列の噴射孔が設けられる。

燃焼室の幾何学的形状は、ピストンのピストンヘッドに形成されるピストン凹部によって影響を受ける。この場合、ピストン凹部は、噴射ノズルのほぼ向かい側に配置され、またピストンの運動の上死点の領域において、噴射燃料が配置される燃焼室の残余体積に相当する。特許文献２は、円錐状に噴射される燃料との混合気形成を改良するために、ピストン凹部の幾何学的な構造を開示している。特に自動点火ディーゼル内燃機関の場合、燃焼室の幾何学的形状は、混合気形成の品質に対し決定的な影響を及ぼす。この関連で、燃焼室の公知の構造は、燃料がピストン凹部の底部の中央隆起部を通して円形ピストン凹部の外縁領域に方向付けられて、当該外縁領域の燃料／空気混合気の形成に貢献するオメガピストン凹部と称される構造を有する。

直接噴射火花点火エンジンの混合気の内部形成のために多孔噴射器が使用される場合、燃料は、混合気雲の最大可能な程度の層化をもたらすために、ピストンの圧縮行程中に可能な限り遅く噴射される。このような内燃機関が作動しているとき、汚染物質の排出が望ましくないほど高く、またピストン面に炭化物が付着する傾向があることがたびたび認められる。このような現象は、噴射燃料によるピストン面の濡れに起因し、この濡れは、噴射器とピストンヘッドとの間の短い距離の結果、噴射時に高いシリンダの内圧にもかかわらず不可避である。

独国特許出願公開第１９８０４４６３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９９２２９６４Ａ１号明細書

本発明は、遅い燃料噴射による作動中にも噴射中の燃料によるピストンの濡れが防止されるように、内燃機関を具体化する目的に基づいている。

この目的は、本発明により請求項１の特徴によって達成される。さらに、請求項１０の特徴を有するこのような火花点火内燃機関を作動するための方法が提案される。

本発明によれば、ピストン凹部は、ピストンヘッドに形成された複数の半径方向空洞で半径方向に拡げられる。この場合、半径方向空洞は、この噴射孔のそれぞれの燃料ジェットを収容するための空洞が噴射器の各噴射孔に割り当てられるように、ピストン凹部の円周にわたって分布される。燃料の噴射中、円錐状ジェット内の半径方向成分を有する噴射器からも出る噴射燃料の個々のジェットは、半径方向空洞に収容され、ピストンヘッドの表面から離して維持される。追加の半径方向空洞を有する本発明によるピストン凹部の構造により、ピストン面の燃料による濡れが防止され、したがって、内燃機関による汚染物質の排出が低減される。この場合、多孔噴射器の燃料ジェットを収容するために半径方向空洞をピストンヘッドに形成することにより、ジェット制御される混合気形成のための方法の場合に燃料噴射の自由な構成が可能になり、円錐状ジェットの比較的大きな開口角も可能になる。この関連で、必要ならば、燃料は、多孔噴射器のすべての噴射孔の燃料ジェットから形成される約１３０°の円錐の開口角で噴射することができる。開口円錐は、７５°〜８５°であることが好ましい。

半径方向空洞を有するピストン凹部の拡大及びこのようにして達成されるピストン面の燃料による濡れの防止により、圧縮行程中の非常に遅い噴射時間が可能になる。本発明によれば、局所的に異なる燃料濃度を有する層状混合気（層状給気作動モード）が、遅い燃料配量によって内燃機関の低負荷範囲で少なくとも形成され、燃料配量の開始は、圧縮行程中の上死点の前の約５０°のクランク角よりも後の時間に行われる。燃料／空気混合気の点火は、多孔噴射器による燃料噴射の終了後に遅くとも１０°のクランク角で行われることが有利である。半径方向空洞は、噴射器の個々の噴霧孔のそれぞれの燃料ジェットを収容し、ピストン凹部とそれぞれの噴射孔との間の距離を増し、このように、８０バール超の高圧による燃料噴射を可能にする。燃料は、１６０バール超で噴射されることが好ましい。

噴射器の噴射孔毎に１つの半径方向空洞が設けられることが好ましく、それぞれの噴射孔の燃料ジェットは前記空洞に方向付けられ、また噴射燃料は内部の燃焼空気と混合される。本発明の好ましい構成において、半径方向空洞は、ピストン凹部の円周に沿って回転対称的に分布される。このように構成されるピストン凹部を有するピストンは、多孔ノズルの円周にわたって均一に分布される様々な数の孔を有する多孔噴射器と相互作用することができ、その数は、回転対称の半径方向空洞の数の整数倍である。好ましい一実施形態では、噴射ノズルの円周上の噴射孔の数は、ピストン凹部を拡大するための半径方向空洞の数と適合させられ、各噴射孔は半径方向空洞に割り当てられる。同時に、回転角度に従って決定される噴射器の取付け位置には、例えば、点火プラグの領域の燃料濃度を高めるために、円錐状ジェットのテーパ状包絡線の局所的に異なる燃料濃度を設けることもでき、回転角度に対する噴射器の関係を考慮した半径方向空洞の構造が可能である。

好ましい構成において、ピストンに半径方向空洞を有するピストン凹部は、ピストンヘッドのレベルに位置するピストン凹部の縁部を越えて半径方向外側に延長され、その結果、半径方向空洞は洞穴のようにピストンヘッドのカバーの下に部分的に継続する。この場合、ピストン凹部は、その底部からの中央隆起部で形成されることが有利であり、その中央隆起部は、半径方向空洞における混合気形成を能動的に補助するために円錐形状で構成することが可能である。この場合、ピストン凹部の縁部に正対方向に位置する半径方向空洞は、ほぼオメガ形状の断面を有する。

本発明による例示的な実施形態について、図面を参照してより詳細に以下に説明する。

図１の断面に示した内燃機関１は、それ自体公知の方法で、往復するピストン３が長手方向に移動可能に配置され、またそのピストンヘッド５内に燃焼室４を境界付ける複数のシリンダ２を具備する。シリンダ２は、燃料を燃焼室４内に直接噴射するための噴射器８が収容されるシリンダヘッド９によって閉鎖される。さらに、装入混合気入れ換え中に噴射器８によって噴射された燃料との点火可能な燃料／空気混合気を形成するために、新鮮なガスが燃焼室内に送られる少なくとも１つの入口弁がシリンダヘッド９に設けられる。燃料／空気混合気は点火プラグ１０によって点火される。噴射器８は、シリンダ２のシリンダ軸７の燃焼室４の中央位置に配置され、燃焼室４内に突出するその噴射ノズルで円錐形状の燃料を燃焼室内に噴射する。円錐状の混合気雲１４は燃焼空気により形成され、点火プラグ１０の電極は、円錐状の燃料雲１４の包絡線領域に配置される。内燃機関の低負荷範囲では、層状給気作動モードが用意され、燃料は、混合気が点火される直前の遅い時点に噴射される。同時に、燃料濃度の局所的な差が燃焼室に存在し、また全体的に希薄な混合気がある場合、燃料に富み、かつ点火可能な混合気を点火プラグ１０の電極で利用できる。

燃料ジェットを発生するために、噴射器８の噴射ノズル１１の円周に複数の噴射孔が装備され、この噴射孔を通して、個々の燃料ジェットが噴射行程中に燃焼室４に入る。この場合、噴射ノズル１１は、図２に示したように、シートホールノズルと称されるノズルとして構成されることが好ましい。この場合、噴射器８は内側方向に開口するニードル弁１８を有する。この場合、弁要素１８は、ノズル１１の円周の噴射孔１２を通して外面へのアクセスを有する燃料室を閉鎖する。燃料室２０において、好ましくは１６０バール超の高圧下の燃料が噴射のために利用可能である。噴射器ニードル１８が長手方向軸線７の方向に持ち上がるとき、有孔ノズル１１の円周にわたって均一に分布される噴射孔１２が解放される。噴射孔１２は、噴射孔の各燃料ジェットが長手方向軸線７に対しある角度で放出されるように、噴射ノズル１１の壁部のダクトとして具体化される。個々の燃料ジェットは、円錐状ジェットの包絡線を形成する。

図２は噴射器８を示しており、その噴射器先端１９に、円錐状先端に来る噴射ノズル１１が形成され、均一に分配された噴射孔１２はその円周にわたって設けられる。円錐状ジェットを形成するために、少なくとも６つの噴射孔、好ましくは１０〜１２個の噴射孔１２が噴射ノズル１１の円周にわたって均一に分布される。個々の燃料ジェットを正確に案内することによって内部の混合気形成の品質を改善するために、噴射孔は液体侵食加工によりエッジを丸くする。噴射孔１２は、１４０μｍ未満の直径を有することが好ましい。同時に、噴射孔Ｌの長さと直径Ｄとの間の比率、Ｌ／Ｄ＜３が有利であると考えられ、その比率は約２であることが好ましい。図２による噴射器８の噴射器先端１９は、０．４〜０．７のＤ１／Ｄ２の比率及びＬ１／Ｌ２＝０．０８〜約０．２２で形成されることが好ましい。

ジェット制御燃焼法の場合、特に内燃機関の層状給気作動モードにおいて確実な点火及び清浄な燃焼を保証するために、混合気の内部形成及び燃料分布は、燃焼室の空気の適切な運動によって補助することができる。この場合、入口空気は、必要に応じて制御できるシリンダ軸線７の周りのスワール流又は噴射器軸線７の面のタンブル流における入口通路の対応する構造によって制御することができる。

本発明によれば、噴射ノズル１１の向かい側の中心位置に形成されるピストン凹部６は、図１の断面に示したピストン３のピストンヘッド５に設けられる。ピストンヘッドが実際に噴射器のすぐ近くにある場合に、層状給気作動モードの非常に遅い噴射中の燃料によるピストンヘッド５の濡れに対処するために、ピストン凹部６は、図３に示したように半径方向空洞１６と共に拡げられる。この場合、噴射器８の各噴射孔１２に、それぞれの燃料ジェット１３を収容するための空洞１６が割り当てられるように、ピストンヘッド５に形成される半径方向空洞１６は、ピストン凹部６の円周にわたって分布される。図３の平面図に示したピストン３の例示的な実施形態では、８つの噴射孔を有する噴射器のために８つの空洞１６が設けられ、前記空洞１６は、ノズルの円周にわたる噴射孔の均一な配置に従ってピストン凹部６の円周にわたって回転対称的に配置される。半径方向空洞１６は共通の外接円２２まで半径方向に延在し、その半径Ｒ_Ｋは、ピストン３又はシリンダ２の半径Ｒ_Ｚの約０．６〜０．９倍、好ましくは０．８倍である。外接円２１にわたって延在するピストン凹部６は、半径方向空洞１６によって噴射器の燃料ジェットの領域のある部分で拡げられ、その結果、ピストンが噴射器の近くの位置にあるときでも、より長い距離が各燃料ジェット１３に利用可能であり、ピストン面の濡れが対処される。

半径方向空洞１６は、ピストン３の内側の空洞領域で、ピストン凹部６が、ピストンヘッド５のレベルに位置する縁部１７にわたって半径方向に延在するように、ピストン３に形成されることが好ましい。それぞれの燃料ジェットを収容するための半径方向の凹みは、洞穴のようにピストン面の下にピストン３の内側に配置される。ピストン凹部６は、少なくとも５ｍｍの深さで有利に構成され、中央隆起部１５を有し、この中央隆起部により、ピストン凹部６の底部に円錐形状が付与され、混合気の形成中に混合気雲を半径方向空洞１６内に案内することに貢献する。

ピストン凹部６の本発明の半径方向空洞１６は、一方で、燃焼によるピストン面の濡れを防止し、この結果、層状給気作動モードの非常に遅い燃料噴射も可能であり、したがって、混合気形成の品質を高めることができる。さらに、噴射器の円錐状ジェットの伝播の半径方向の本発明の半径方向空洞１６は、それぞれの内燃機関の構造上必要な圧縮比の確保に貢献する。圧縮比は、自然吸気エンジンでは１０〜１３の間で変動し、過給内燃機関では８．５〜１１の間で変動する。

ピストン凹部に半径方向空洞を有するピストン面を形成することにより、達成すべき燃焼品質に関して噴射器８の円錐状ジェットの開口角の自由な選択を可能にする。６０°〜１３０°の噴射器軸線で測定された燃料ジェットの個々のジェット軸線の間のジェット角度は、自由に選択可能であり、７５°〜８５°の円錐状ジェットの開口角が有利であると考えられる。

噴射器には、燃料を予熱するための加熱要素を装備可能であり、あるいは異なる種類の燃料（２燃料弁）を送るための、例えばコールドスタート用の気化性の高い始動用燃料を送るための装置を有する。

内燃機関の全体的な調整に関して、ピストン凹部に半径方向空洞を有するピストンによる混合気形成を改善するために、シリンダ径に対する吸気弁の直径の比率０．３〜０．３８及びシリンダ孔に対する排気弁の直径の比率０．２８〜０．３８が適切であると思われる。この場合、吸気弁及び排気弁は１．０２〜１．１の比率を有することが有利である。有効に１６０バール超の高い噴射圧力により、燃料の正確かつ非常に遅い配量を行うことが可能であるが、この理由は、本発明による半径方向空洞により、高圧の場合のピストン面の濡れも防止されるからである。この場合、ピストン凹部６の互いに正対方向に位置する空洞１６は、それぞれの半径方向空洞６内に噴射された燃料ジェットの調整に寄与するオメガ形状を形成する。噴射圧力に対する図２に示した噴射孔１２のチャネル長さの比率は、０．２５×１０^−９ｍ／Ｐａ未満であるべきである。

層状作動モードの混合気雲１４の可燃性を高めるために、点火プラグは、噴射器の燃料の２つのジェット１３の間に適切に位置決めされる。４つの弁を有するシリンダヘッドを使用する場合、点火プラグは出口弁の間に配置されるべきである。この場合、点火プラグは、回転角度に対応する接地電極と共に取り付けることが可能であり、また点火を安定化させるために、複数の点火プラグ、特に可変スパーク長さを有する交流電圧点火システムを使用することも可能である。

ピストン凹部を拡げかつ多孔噴射器８の個々の燃料ジェット１３を収容するための半径方向空洞を有する本発明による燃焼室形状により、ピストンの濡れなしに非常に遅い燃料噴射が可能であり、また燃料噴射の終了後の遅くとも１０°のクランク角に燃料／空気混合気の急速な点火を可能にする。

火花点火内燃機関のシリンダの縦断面図である。 噴射ノズルの断面図である。 内部に形成されたピストン凹部を有するピストンヘッドの平面図である。

Claims (12)

1. シリンダに配置され、長手方向に移動可能なピストンによって境界付けられる燃焼室（４）内に燃料を噴射するためのシリンダ（２）毎に１つの噴射器（８）を有する直接噴射火花点火内燃機関であって、
   前記噴射器（８）が、その円周上に配置された複数の噴射孔（１２）を有する噴射ノズル（１１）を有し、前記噴射孔（１２）の燃料ジェット（１３）が、噴射行程にあるときに、別個に送ることができる燃焼空気を有する円錐状燃料雲（１４）を形成し、また前記燃焼室（４）で拡がるピストン凹部が、前記ピストン（３）のピストンヘッド（５）に、前記噴射ノズル（１１）のほぼ向かい側に形成され、
   前記ピストンヘッド（５）に形成された前記ピストン凹部（６）の底部に、ピストン面の濡れを防止するため、半径方向に拡げられた複数の半径方向空洞（１６）が形成され、前記噴射器（８）の各噴射孔（１２）に、前記それぞれの燃料ジェット（１３）が方向付けられる前記半径方向空洞（１６）が割り当てられるように、前記半径方向空洞（１６）がピストン凹部（６）の円周にわたって分布され、前記半径方向空洞（１６）は、前記それぞれの燃料ジェット（１３）が前記半径方向空洞（１６）に直接付着しないよう形成されるものであり、
   点火プラグ（１０）は、その電極がいずれか二つの隣り合う前記噴射孔（１２）から噴射される燃料ジェット（１３）の間の領域に配置されるよう位置決めされることを特徴とする内燃機関。
2. 前記ピストン凹部（６）に配置される前記半径方向空洞（１６）はオメガ形状を有しており、前記ピストン凹部（６）の中央部分に中央突起部（１５）が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記空洞（１６）が、前記ピストン凹部（６）の円周にわたって回転対称的に分布されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の内燃機関。
4. 前記ピストン凹部（６）が前記ピストンヘッド（５）の中心位置に配置され、また前記噴射器（８）が前記シリンダ（２）のシリンダ軸（７）と同軸に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記ピストン凹部（６）の円周にわたって配置される前記複数の半径方向空洞（１６）の間に、縁部（１７）がそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記中央隆起部（１５）が円錐構造であることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記噴射器（８）が、内側方向に開口弁要素（１８）を有するシートホールノズルとして具体化されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。
8. 前記ピストン凹部（６）の前記半径方向空洞（１６）が、前記ピストン（３）の半径（ＲＺ）の約０．６〜０．９倍、好ましくは０．８倍である半径（ＲＫ）を有する外接円内に位置することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関。
9. 前記すべての噴射孔（１２）の前記燃料ジェット（１３）から形成される円錐の開口角度（α）が、６０°〜１３０°、好ましくは７５°〜８５°であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関。
10. 局所的に異なる燃料濃度を有する層状混合気が、前記内燃機関（１）の低負荷範囲で少なくとも形成され、前記燃料の噴射が、前記シリンダ（２）の圧縮行程中の上死点前のクランク角約５０°よりも後の時間に始まることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の火花点火内燃機関を作動するための方法。
11. 前記燃料／空気混合気が、前記燃料噴射の終了後の遅くともクランク角１０°で点火されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記燃料が、８０バール超、好ましくは１６０バール以上の圧力で噴射されることを特徴とする、請求項１０あるいは１１に記載の方法。

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