JP4348364B2 - 内燃機関のための噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を内燃機関に噴射するための方法であって、燃料にまず最初にガス添加装置でガスまたはガス混合物、特に酸素または空気を添加し、この場合、燃料を噴霧し、この噴霧された燃料にガス・ガス混合物を供給し、次いで、ガスが添加された燃料を直接に少なくとも１つのシリンダに、または間接的にその手前の領域、特にエンジンの吸気管に最終的な噴霧の経路において噴射する方法に関する。

さらに本発明は、少なくとも請求項１記載の方法を実行するための内燃機関のための噴射装置であって、燃料にガスまたはガス混合物、特に空気を添加するためのガス添加装置が設けられており、該ガス添加装置が、燃料にガスまたはガス混合物、特に酸素または空気を添加するための添加室を有しており、少なくとも１つの噴霧手段と、添加室にガスを導入するための少なくとも１つの開口とが設けられており、添加室に燃料を供給し、かつガスまたはガス混合物を供給するための少なくとも１つのポンプ手段が設けられており、ガスが添加された燃料を添加室から最終噴霧手段へと案内するための供給導管が設けられており、前記最終噴霧手段は、ひき続きガス添加燃料をシリンダに直接的にまたはその手前の領域、特に吸気管に間接的に噴射するために設けられている形式のものに関する。

このような形式の方法では、通常、直接的または間接的に噴射する経路で、燃焼の直前にノズルによってできるだけ微細に噴霧される燃料に、燃焼室またはその手前に供給される空気とのできるだけ良好な混合気形成を保証するために、この噴霧の前に、既に一度噴霧し、酸素のようなガスを添加する。

このようなガス添加燃料が、通常のように例えば吸気管または直接的にエンジンのシリンダに噴射されると、即ち再び噴霧されると、燃料に含まれているガスが流出し、このような「ガス抜き」は、ガス添加されていない燃料の噴霧よりも良好な微細化もしくはミクロ・マクロ燃料液滴の噴霧のために有利であり、付加的に供給される空気との燃料の均質な混合気形成のために有利である。

公知のように、空気・燃料混合気の不均質性は、燃料液滴が小さいほど減じられる。燃料に噴霧前の経路においてガスを予め添加することにより、実際の噴射過程では、次に行われる最終的な噴霧の効果が、ガス抜きが行われることにより高まる。このような噴射方法により、即ち、とりわけ燃焼混合気の不均質性の減少により、良好な燃焼が得られ、ひいては燃費が良くなる。

エンジンの開発の優先的な目的はさらに燃料消費量をさらに減らすことである。そこで本発明の課題は、上記噴射方法および上記噴射装置を改善して、燃料消費をさらに節減する可能性を開示することである。

この課題は、請求項１による噴射方法により解決された。

即ち本発明によれば、燃料は少なくともガス添加状態で、最終的な噴霧まで冷却される。これによりガス・ガス混合物が最終噴霧前に燃料から流出することが、即ち早期のガス抜きが防止される。即ち、取り込まれたガス・ガス混合物の大部分が燃料に残留し、最終的な噴霧の際に初めて流出する。

燃料消費量はこれにより、本発明による噴射装置が設けられているエンジンの形式に応じて、基本的なエンジンと比較して、即ち本発明による噴射方法を行わないエンジンと比較して約２５％まで減じられる。同時に一酸化炭素含量は５．６％まで減じられる。

テストにより、噴射時のガス添加燃料の温度が１〜１０℃、有利には１〜３℃であると特に有利であることがわかった。

同じ間隔、即ち１〜１０℃、有利には１〜３℃は、全ての経路、即ちガス添加装置およびこのガス添加装置から最終的な噴霧までの経路におけるガス添加燃料が有する温度にも当てはまる。

最初の噴霧時の燃料添加時のガス圧が、最終的な噴射過程、即ち第２の噴霧の際のシリンダもしくはその手前の領域の空気圧よりも高いと、第２の最終噴霧が特に効果的に行われる。何故ならばこれにより、それぞれもともとの燃料体積における溶液からのガスの効果的な解放が得られるからである。

既に冒頭で述べたように、燃料のミクロ・マクロ液滴は、通常のノズル噴霧に加えて付加的にさらに微細にされる。何故ならば、この液滴は余剰ガスの解放により飛散されるからである。燃料部分もしくは燃料液滴が著しく微細にされることにより、シリンダ（直噴）もしくはその手前の領域、例えば吸気管（間接噴射）における燃料・空気混合物の均質性が向上する。

これにより、本発明による噴射装置を有さない、即ち標準的な噴射方法もしくは標準的な噴射装置を有する標準的なエンジンに比べて、全燃焼室体積において均質かつ迅速かつ完全な燃料燃焼が得られる。ガス・ガス混合物が酸素または空気であるならば、通常供給される空気の他に解放された酸素が、付加的に燃焼に貢献し、もしくはシリンダもしくはその手前の領域における燃料・空気混合物の構成部分となる。

最初の噴霧の際の燃料への添加の際のガス圧が、最終噴射過程の際のシリンダもしくはその手前の領域における空気圧の１．２〜５０倍であると有利であることがわかった。

本発明の課題は、上記方法を実行するための請求項６に記載の内燃機関のための噴射装置によっても解決される。

これによれば、冷却システムが設けられており、少なくともガス添加燃料が、最終噴霧手段における最終的な噴霧まで冷却され、これにより最終的な噴霧より前に燃料からガス・ガス混合物が流出するのが防止される。

噴射装置の冷却システムは、ガス添加燃料を冷却し、かつガス添加装置全体および供給導管を冷却するように形成されている。これにより燃料のガス抜きを極めて効果的に防止する。

本発明のさらなる特徴は、従属請求項と具体的な実施例の説明およびその図面に記載されている。

図１の左側の領域には噴射装置１０が示されている。この噴射装置１０は本発明によれば燃料を、例えばエンジンの形式に応じてディーゼルまたはガソリンを燃焼領域１１へと供給する。この場合、燃焼領域１１はシリンダ１２から成っていて、シリンダ１２内ではピストン１３がコンロッド１４を介して上下運動をする。吸気弁１５および排気弁１６は先行技術で公知の通り、燃料・空気混合物を入れて、燃焼後に出すために働く。

吸気集合管１７には燃料・空気混合物を形成するために空気が導入される。この集合管１７にはノズル１８を介して空気またはガスを含んだ燃料が高圧下で噴射される。この場合、ノズルにかかる圧力はここでは記載しないが、当業者には公知である。

排ガス管１９は、シリンダ１２内でスパークプラグ３４によって点火され、次いで燃焼された燃料・空気混合物をエンジンルームから導出する。

噴射装置１０はガス添加装置を有しており、このガス添加装置は、噴霧ノズル２１を介して燃料が噴射される気密かつ液密に閉じられた室２０を有している。この燃料は図示されていないタンクから来ていて、このタンクから、供給導管２２、高圧ポンプ２３、逆止弁２４を介して燃料がノズル２１に供給される。同時に室２０には酸素または空気が供給導管２５と、図示されていない高圧圧縮機と、圧力制御装置２６とを介して高圧下で案内される。

供給導管２５が移行している導管２７は二重機能を有するように構成されている。即ち、この導管２７はガスもしくは空気のための供給部として働くと同時に、室における余剰のガスの導出部として働く。この余剰のガスは導出部２８と安全弁２９とを介して図示されていない燃料タンクへと案内される。

室２０と噴霧ノズル１８との間には供給導管３０が配置されていて、この供給導管３０は、酸素を添加された燃料を室２０から噴射ノズル１８へと供給する。さらに、噴射ポンプ３１が供給導管３０に配置されていて、酸素添加燃料を圧力下でフィードする。

さらに噴射装置は、充填レベルセンサ３２を有している。この充填レベルセンサ３２は室２０における燃料レベルを測定する。

室２０および供給導管３０は冷却システム３３によって、これらのエレメントを取り囲む破線によって示されているように冷却される。

以下に噴射装置１０の機能形式と、その根底にある方法を詳しく説明する。

本発明の方法において重要であるのは、燃料が噴射ノズル１８を介して吸気集合管１７に噴射される前に、即ち噴霧される前に、前もってガス、この場合、酸素または空気が燃料に添加され、次いで最終的な噴霧過程を最良化することである。この噴霧過程は通常は燃焼直前に行われる。空気または酸素（以下、単に酸素と言う）のこのような添加は室２０内で行われる。

燃料は高圧ポンプ２３（高圧圧縮機）を介してノズル２１に供給され、ここで噴霧され、供給導管２５，２７を介して同様に高圧下で、特に１０ＭＰａで流入する酸素と混合される。高圧ポンプ２３は特に１２．５ＭＰａの圧力差を有している。

この場合、条件は全体として、燃料の自己着火が起こらないように選択されている。室内のガス圧は圧力制御装置２３と安全弁２９とによって一定の圧力に保持されていて、これは吸気管１７における空気圧よりも少なくとも１．２倍高い。

酸素添加燃料は液状で室２０の底に沈殿する。レベル表示器と適当な制御装置によって、室２０内の燃料量が、その都度の瞬間的なエンジンの使用とは関係なく常に目標レベルにあるようにされている。このことは、燃料噴霧とガス供給が、適当なポンプの接続および遮断により行われる、もしくは中断されることにより行われる。勿論、多数の他の同等の手段も考えられる。

このように酸素添加された燃料は、最終的な噴霧のためにノズル１８に供給される。即ち、供給導管３０を介して供給され、この場合、付加的な圧送および必要な噴射圧を形成するために高圧ポンプ３１が設けられている。ノズル１８によって良好な噴霧、即ち酸素添加された燃料のミクロ液滴およびマクロ液滴への微細化が行われる。何故ならば、燃料内に存在する酸素が、酸素添加燃料から流出し、この流出の際に燃料液滴への付加的な微細化のために働くからである。

噴霧された燃料は、吸気集合管１７を介して供給される空気と混合されて燃焼可能な燃料・空気混合物となる。この混合気は、吸気弁１５を介して、下方に対してピストン１３で制限されているシリンダ１２の燃焼室に案内され燃焼される。燃焼した混合気は、排気弁１６から排ガス導管１９に到り導出される。

特に重要であるのは、室２０および供給導管３０の冷却により、１つには酸素が燃料に良好に添加されることであり、また１つには燃料の早期のガス抜き、即ち噴霧が終了する前に酸素が流出してしまうことが防止されることである。ガス抜きは、酸素添加燃料を有利には１〜３℃の温度に維持する冷却に基づき、殆ど完全に噴射過程の際に初めて、即ちノズル１８による噴霧の際に初めて行われる。酸素添加燃料の冷却により、燃費に良好に作用するさらに別の効果も得られる。

上述した噴射装置を備えた２リッターガソリンエンジン「ゼテック（Ｚｅｔｅｋ）」を有する大量生産車「フォード・モンデオ（Ｆｏｒｄ−Ｍｏｎｄｅｏ）」によるテスト走行では次のような結果が出ている。

所要負荷１８０−３００ｋｇでの１２５．０００ｋｍの走行時間では、大量生産車と比較して次のような経済性の向上が得られた（車両テストは、ダイアグノシス試験台ＡＰ５００１１２Ｋ４０００で行われた）。

冷間状態では、エンジンの経済性は、一酸化炭素含量が５．６％減少した状態で１８．６％上昇した。暖機状態では、１４．８％もしくは６．５％の値が得られた。

勿論、本発明の範囲には、本発明による噴射装置もしくは噴射方法による種々異なる形式のエンジンが含まれることに注意されたい。従ってとりわけ、単数または複数のシリンダを備え、直噴または非直噴であって、噴射のための種々異なる付加的な制御方法を有するディーゼルエンジンおよびガソリンエンジンで使用される。

本発明による噴射装置の原理図である。

符号の説明

１０ 噴射装置、 １１ 燃焼領域、 １２ シリンダ、 １３ ピストン、 １４ コンロッド、 １５ 吸気弁、 １６ 排気弁、 １７ 吸気集合管、 １８ ノズル、 １９ 排ガス管、 ２０ 室、 ２１ ノズル、 ２２ 供給導管、 ２３ 高圧ポンプ、 ２４ 逆止弁、 ２５ 供給導管、 ２６ 圧力制御装置、 ２７ 供給導管、 ２８ 導出部、 ２９ 安全弁、 ３０ 供給導管、 ３１ 噴射ポンプ、 ３２ 充填レベルセンサ、 ３３ 冷却システム、 ３４ スパークプラグ

Claims (10)

1. 燃料を内燃機関に噴射するための方法であって、燃料にまず最初にガス添加装置（２０）でガスまたはガス混合物、特に酸素または空気を添加し、この場合、燃料を噴霧し、この噴霧された燃料にガス・ガス混合物を供給し、次いで、ガスが添加された燃料を直接に少なくとも１つのシリンダ（１２）に、または間接的にその手前の領域（１７）、特にエンジンの吸気管に最終的な噴霧の経路において噴射する方法において、
   燃料を少なくともガス添加状態で、最終的な噴霧まで冷却し、これによりガス・ガス混合物が最終的な噴霧の前に燃料から流出するのを防止することを特徴とする、燃料を内燃機関に噴射するための方法。
2. ガス添加燃料の温度を、最終的な噴霧の際に１〜１０℃、有利には１〜３℃にする、請求項１記載の方法。
3. ガス添加燃料の温度をガス添加装置によって最終的な噴霧まで１〜１０℃、有利には１〜３℃にする、請求項１記載の方法。
4. 燃料に添加する際のガス・ガス混合物のガス圧を、最終的な噴霧過程の際のシリンダもしくはその手前の領域における空気圧よりも高くする、請求項１記載の方法。
5. 前記ガス圧を、最終的な噴射過程の際のシリンダもしくはその手前の領域における空気圧よりも１．２〜５０倍高くする、請求項４記載の方法。
6. 少なくとも請求項１記載の方法を実行するための内燃機関のための噴射装置であって、燃料にガスまたはガス混合物、特に空気を添加するためのガス添加装置が設けられており、該ガス添加装置が、燃料にガスまたはガス混合物、特に酸素または空気を添加するための添加室（２０）を有しており、少なくとも１つの噴霧手段（２１）と、添加室にガスを導入するための少なくとも１つの開口とが設けられており、添加室に燃料を供給し、かつガスまたはガス混合物を供給するための少なくとも１つのポンプ手段が設けられており、ガスが添加された燃料を添加室（２０）から最終噴霧手段（１８）へと案内するための供給導管（３０）が設けられており、前記最終噴霧手段（１８）は、ひき続きガス添加燃料をシリンダ（１２）に直接的にまたはその手前の領域、特に吸気管（１７）に間接的に噴射するために設けられている形式のものにおいて、
   冷却システム（３３）が設けられており、これにより少なくともガスが添加された燃料を、最終噴霧手段（１８）における最終的な噴霧まで冷却し、これによりガス・ガス混合物が最終的な噴霧前に燃料から流出してしまうのを防止することを特徴とする、少なくとも請求項１記載の方法を実行するための内燃機関のための噴射装置。
7. 冷却システム（３３）が、少なくとも添加室（２０）を、有利には供給導管（３０）も冷却するように形成されている、請求項６記載の噴射装置。
8. 添加室（２０）が、特に閉じられた室（２０）であって、該室（２０）が、ガスまたはガス混合物を導入可能な少なくとも１つの入口、特に流入弁と、燃料を室（２０）に噴射可能な、特に噴霧可能な有利には少なくとも１つのノズル（２１）とを有している、請求項６記載の噴射装置。
9. ポンプ手段（２３）と圧力制御手段（２６）とが設けられており、ガス・ガス混合物及び／又は燃料が、制御された圧力下で室（２０）に導入可能であって、これにより室における圧力を制御された圧力下に維持することができる、請求項８記載の噴射装置。
10. 前記室におけるガス添加燃料の量を測定する充填レベルセンサ（３２）が設けられている、請求項８記載の噴射装置。

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