JP6329926B2 - 火花点火エンジンのための乱流噴流点火予燃室の燃焼システム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１１年１１月１日に出願され、名称が「火花点火エンジンのための乱流噴流点火予燃室の燃焼システム」であって、シリアル番号が１３／２８６，６３８である米国の一部継続出願であり、２０１０年１１月１日に出願され、名称が「火花点火エンジンのための乱流噴流点火予燃室の燃焼システム」であって、シリアル番号が６１／４０８，８９２である米国仮特許出願の利益を主張する。

（技術分野）
本発明は、概して、点火システムに関し、より詳細には、内燃機関のための点火システムに関する。該内燃機関は、インジェクタを有する少なくとも１個の燃焼室と、点火装置と、少量の供給燃料を点火するように使用され得る予燃室とを有し、前記少量の供給燃料は、その後、前記内燃機関の主燃焼室内で、主供給空燃混合気を点火するように使用される。

関連する技術分野で公知の内燃機関は、一般に、数ある基本構成部品の中で、１または複数個のシリンダを有するエンジンブロックと、前記エンジンブロックと関連付けられるシリンダヘッドと、往復運動のために各シリンダ内に支持されるピストンとを含む。前記ピストンは、一般に、クランクシャフトを順に回転させる接続ロッドに接続される。概して、燃料は前記シリンダ内で点火されて、前記ピストンを往復運動させる。前記ピストンは前記接続ロッドを駆動し、前記接続ロッドはクランクシャフトを駆動し、その結果、クランクシャフトは前記エンジンブロック内で回転する。

このような標準的な構成に加えて、予燃室を使用することも知られていて、該予燃室では、少量の供給燃料が点火されて、前記主燃焼室内で前記主供給燃料を点火するように使用される。長年に亘って、関連する技術分野において、数多くの異なる予燃室の設計および構成が提案された。しかしながら、予燃室を有する内燃機関は、自動車産業において、市場で広く受け入れられなかった。その理由は、典型的には、内燃機関には高コストおよび複雑性の問題があり、燃費が向上せず、または汚染物が顕著に低減されなかったことにより、増加されるコストが正当化できない場合があったからである。

そのため、内燃機関のための点火システムの技術分野においては、燃費を改善し、燃焼生成物によって生じる汚染物を低減する要求、および過度に複雑でなく、製造するのに費用対効果を高くする要求があった。

本発明は、関連する技術分野における、少なくとも１個の燃焼室を有する内燃機関のための点火システムの欠点を克服する。前記点火システムは、前記内燃機関の前記シリンダヘッド内で区画されるハウジングを含む。前記ハウジングは予燃室を区画する。点火装置は前記ハウジング内で支持される。前記点火装置は前記予燃室に実質的に面するイグナイター部を有する。インジェクタは前記ハウジング内で支持される。前記インジェクタは前記予燃室に実質的に面するノズルを有する。前記予燃室は基端部を区画し、予燃室ノズルは遠方に配置され、かつ前記予燃室の基端部から間隔を空けられる。前記予燃室ノズルは複数個のオリフィスを含み、該オリフィスは０．７ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲の直径を有し、互いに間隔を空けて配置され、前記予燃室と前記燃焼室との間を流体連通する。前記点火装置のイグナイター部および前記インジェクタのノズルは、前記インジェクタが所定量の前記燃料を前記予燃室内に運搬し、前記イグナイター部が前記予燃室内で前記燃料を点火し、これにより、一部が燃焼された予燃室生成物は前記予燃室の前記オリフィスを通って押し出されて消火されるが、該燃焼された予燃室生成物が、前記主燃焼室を通って分散し、前記主燃焼室内の主供給燃料を点火するように、前記予燃室の前記基端部に操作可能に支持される。

一実施形態では、本発明の乱流墳流点火予燃室の燃焼システムは、小さく維持されたオリフィス直径を用い、前記燃焼生成物が前記予燃室から出て前記主燃焼室に入るときに消炎を促進する。そして、前記燃焼生成物は前記主供給燃料と反応し、主燃焼室内において、化学、熱および乱流効果によって前記予燃室ノズルからある程度の距離だけ離間した複数の場所で燃焼を開始する。このようにして、本発明の点火システムは、ワイドオープンスロットル（ＷＯＴ）でピーク時の熱効率の高さ（４５％を上回る）を可能にするとともに、高駆動サイクル（部分負荷）での燃費を向上でき、燃費の向上は、最適化されたエンジン内にある基準となる従来の火花点火システムを最大３０％上回るまでに達することができる。これらのエンジン性能の向上は、燃焼の改善、熱損失の低減、低燃焼温度のために解離がほとんど生じないこと、および部分負荷でのエンジンスロットルの低減の組み合わせによる。さらに、従来の火花点火燃焼システムと比べると、本発明の点火システムは、エンジンから排気されるＮＯｘ排気物をほぼゼロにできる低温燃焼を容易にする一方で、先述の予燃室燃焼での、ピーク時の性能（ＢＭＥＰ：正味平均有効圧）の低下および制御不能な炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）排気物の障害を克服する。そのため、本発明の点火システムは、現在および将来の排出ガス規制を満たすように、従来の乗用車（酸化および三元触媒）で見られる既存の排気物制御システムを備えるエンジン内で利用され得る。最後に、本発明の点火システムは、炭素系燃料を用いた基本となるエンジンのハードウェアの改変を要さずに、あらゆる火花点火エンジン（生産前および生産後）で機能できる「ボルト留め」固定も提供する。

添付の図面とともに以下の説明を読むと、本発明の他の目的、特徴および利点はより理解できるようになるので、これらは容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の点火システムの一部断面側面図であり、該点火システムは、シリンダ内に配置されシリンダヘッドで囲まれるピストンによって形成される少なくとも１個の燃焼室を有する内燃機関内に据え付けられる。 図２は、本発明の点火システムを拡大して示した図である。 図３は、内燃機関内に据え付けられる本発明の点火システムの拡大された一部断面側面図である。 図４は、点火システムの予燃室に据え付けられたインジェクタおよび点火装置を示す拡大された一部断面側面図である。 図５は、吸気および排気ポートに対する点火システムの配置を示す燃焼室の上部の立体図である。 図６は、予燃室ノズルのオリフィスを示す一部立体図である。 図７は、本発明の点火システムの１回以上の完全なエンジンサイクルについて点火シーケンスを示すグラフである。 図８Ａは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して、排気ラムダ（λ）に対して燃焼安定性を示すグラフである。 図８Ｂは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して、排気ラムダに対してポンピング平均有効圧力とともに、吸気マニホールドの絶対圧力を示すグラフである。 図８Ｃは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して、排気ラムダに対して熱効率を示すグラフである。 図８Ｄは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して、排気ラムダに対して排気ポート温度を示すグラフである。 図８Ｅは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して、排気ラムダに対して、あるラムダが等しい（ストイキ運転の）火花点火に対して標準化された熱効率を示すグラフである。 図８Ｆは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して排気ラムダに対してエンジンから出るＮＯｘ排気物を示すグラフである。 図８Ｇは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して排気ラムダに対してエンジンから出るＨＣ排気物を示すグラフである。 図８Ｈは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して排気ラムダに対してエンジンから出るＣＯ排気物を示すグラフである。 図９Ａは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して燃焼角を示した、排気ラムダに対するクランク角のグラフである。 図９Ｂは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して燃料ラムダに対して０〜１０％の燃焼質量割合を示すグラフである。 図９Ｃは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して燃料ラムダに対して１０〜９０％の燃焼質量割合を示すグラフである。 図９Ｄは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して燃料ラムダに対して０〜１０％の燃焼質量割合を示すグラフである。 図９Ｅは、火花点火システムおよび本発明の乱流噴流点火システムを比較して燃料ラムダに対して１０〜９０％の燃焼質量割合を示すグラフである。

本発明は、関連する技術分野における、図１〜６中で概して１０で示される点火システムの欠点を克服する。ここで、同様な参照番号は、図面を通して同様な構造を示すのに用いられる。図１に示されるように、本発明は、概して１２で示される内燃機関での使用に特に適合する。この場合、本発明の点火システム１０は、内燃機関１２の単一のシリンダ１４に接続されて示される。当業者であれば、図１に示されるエンジン１２は、本発明が使用されることができる内燃機関の多くの構成の中の一つに過ぎないことを理解するであろう。例えば、本発明は、２ストロークまたは４ストロークエンジン内で使用されることができる。さらに、点火システム１０は、多気筒エンジン内で用いられることもでき、該エンジン内では、シリンダは、列をなして、Ｖ形状に、または平坦な方法で、あるいは当該技術分野で一般に知られる何らかの他の方法で配置されることができる。本発明は、主燃焼室への供給空燃混合気のポートまたは直噴インジェクタのいずれかを有する気化器または燃料注入内燃機関とともに使用されることもできる。

続いて図１を参照すると、内燃機関１２は、１または複数個のシリンダ１４を含むエンジンブロック１６、および前記エンジンブロック１６と関連付けられ、概して１８で示されるシリンダヘッドを含む。概して２０で示されるピストンは、繰り返しの往復運動のためにシリンダ１４内に支持される。ピストン２０、シリンダ１４、およびシリンダヘッド１８は共に協同して、燃焼室２２を区画する。概して２４で示される接続ロッドは、ピストンピン２６によってピストン２０に固定される。クランクシャフト２８は接続ロッド２４と関連付けられ、オイルパン３０はエンジンブロック１６と関連付けられる。シリンダヘッド１８は吸気マニホールド３２および排気マニホールド３４を区画する。少なくとも１個の吸気ポート３６が吸気マニホールド３２内で区画され、少なくとも１個の排気ポート３８が排気マニホールド３４内で区画される。吸気および排気ポート３６、３８は、カムによって駆動されるバルブ（図示しない）によって開閉され、シリンダ１４と吸気マニホールド３２との間、およびシリンダ１４と排気マニホールド３４との間をそれぞれ流体連通する。燃焼室の上面視で図５に例示されるように、一実施形態では、内燃機関１２は、２個の吸気ポート３６および２個の排気ポート３８を含むことができる。しかしながら、当業者であれば、内燃機関１０は、あらゆる数の吸気および排気ポートを含むことができることを理解するであろう。さらに、図１に例示される実施形態において、内燃機関１２は、吸気ポート３６を通じて、燃焼室２２内に主供給燃料／空気を導入する手段として、吸気マニホールド３２内に据え付けられる燃料インジェクタ４０も含む。同様に、燃焼生成物は、排気ポート３８を通って、燃焼室２２を出る。当業者であれば、エンジン１２が、主供給燃料を燃焼室２２内に直噴注入するインジェクタを採用し得ることを理解するであろう。同様に、エンジン１２は、当該技術分野で一般に知られ、ここでは詳細に説明されない多数の他の既存部品も含むことができる。

概して、燃料／空気混合物は、吸気ポート３６を介して燃焼室２２内に導入される。これは、主供給燃料を構成する。前記燃料は、シリンダ１４の燃焼室２２内で点火されて、以下にさらに詳細に説明されるように、ピストン２０を往復運動させる。ピストン２０は、クランクシャフト２８を駆動する接続ロッド２４を駆動し、該クランクシャフトをエンジンブロック１６内で回転させる。詳細には、シリンダ１４内の燃焼圧によって、ピストン２０は実質的に直線運動で下方に駆動される。一方で、クランクシャフト２８の動きによって、接続ロッド２４は実質的に回転運動で駆動される。クランクシャフト２８からのトルクは、当該技術分野で一般に知られるように、何らかの他の部品または関連するシステムを駆動するように利用されることができる。

ここで、図２〜６を参照すると、本発明の点火システム１０は、概して４２で示されるハウジングを含み、該ハウジングは、内燃機関１２のシリンダヘッド１８内で区画される。一実施形態では、ハウジング４２は、前記内燃機関のシリンダヘッド１８内に操作可能に支持される別体の部品である。しかしながら、当業者であれば、ハウジング４２は、シリンダヘッド１８の一体部分内で実質的に区画され、該一体部分を形成することができることを理解するであろう。いずれであっても、これらの図面で例示される実施形態では、シリンダヘッド１８は、以下により詳細に説明されるように、ハウジング４２がシリンダヘッド１８に封止により係合されるような方法でハウジング４２を受けるポート４４（図１）を含むことができる。さらに、以下により詳細に説明されるように、ポート４４は、従来、該ポートが従来内燃機関１２内で標準的な点火プラグを受けていたような実質的な大きさおよび位置にすることができる。この特徴により、本発明の点火システム１０を用いて既存のエンジンを改造することが容易になる。図３に最適に示されるように、ハウジング４２は、点火プラグ空洞部４６、インジェクタ空洞部４８、および予燃室５０を区画する。これらの部品のそれぞれおよび点火システム１０の他の部品とのそれらの相互関係は、以下により詳細に説明されるであろう。

ハウジング４２は、実質的な円筒部５２も含み、該円筒部は、円筒部５２の周囲に配置される環状溝５４を有する。図４に最適に示されるように、Ｏリングシール５６は、溝５４内に動作可能に受けられ、シリンダヘッド１８を封止係合するのに適する。さらに、ハウジング４２は、円錐台形状部５８も含み、該円錐台形状部は、それらの上に形成される平坦部６０を有する（図２）。平坦部６０は、シリンダヘッド１８上に形成される対応する表面と協同して、シリンダヘッド１８に対してハウジング４２を安定化し固定を補助する（図４）。円錐台形状部５８は、ショルダー６２で終了する。該ショルダーは、シリンダヘッド１８上で区画されるショルダー６４と並設される。シリンダヘッド１８内で点火システム１０を封止するために、これら２個のショルダー６２、６４の間にシーリングワッシャ６６が用いられることもできる。ハウジング４２は、概して６８で示される終端部も含み、該終端部は、雄ねじ７０および雌ねじ７２を含む。雄ねじ７０は、シリンダヘッド１８上に形成されるねじ山７４と協同して、シリンダヘッド内にハウジング４２を据え付ける。当業者であれば、前記点火システムは、シリンダヘッド１８内に前記点火システムを確実に据え付けるために必要な何らかの他の好適な封止および固定機構を含むことができることを理解するであろう。

予燃室５０は、基端部７６および概して７８で示される予燃室ノズルを区画し、該予燃室ノズルは、予燃室５０の基端部７６から間隔を空けて配置される。図４に最適に示されるように、予燃室５０は、円錐台形状の側壁８０を含み、該側壁は、基端部７６から予燃室ノズル７８まで実質的に延在し、前記予燃室の所定の容積を区画する。予燃室ノズル７８は、長手方向軸Ａを規定し、複数個のオリフィス８２を含む。該オリフィスは、互いに間隔を空けて配置され、予燃室５０と燃焼室２との間を流体連通する。一実施形態では、オリフィス８２は、０．７ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲の直径を有し、互いに対して所定間隔で長手方向軸Ａ周りに配置される。さらに、一実施形態では、前記予燃室容積に対する前記オリフィス直径の比は、理想的には、０．０４８ １／ｃｍ^２〜０．０６７ １／ｃｍ^２である。前記主燃焼室への激しい乱流噴流の有効な導入を保証するために、この比は、これに比例して最適に最小および最大となる部品の大きさを提供する。この有効な導入は、前記主燃焼室内での激しい乱流噴流から生じる点火ポイントの最適な乱れを順に保証するので、有効かつ最適な燃焼現象が生じる。これは、以下にさらに詳しく説明される。予燃室ノズル７８は実質的にカップ形状であり、雄ねじ６８を含む。該雄ねじは、ハウジング４２の終端部６８上で雌ねじ７２と協同して、ノズル７８を該終端部に接するように据え付ける。

点火システム１０は、概して８６で示される点火装置も含み、該点火装置は、点火プラグ空洞部４６内に操作可能に受けられる。点火装置８６は、予燃室５０に実質的に面するイグナイター部８８を含む。同様に、インジェクタ９０は、インジェクタ空洞部４８内に操作可能に受けられる。インジェクタ９０は、予燃室５０に実質的に面するノズル９２を有する。点火システム１０は、冷却チューブ９４も含み（図２）、該冷却チューブは、冷却流体源とハウジング４２との間を流体連通する。前記冷却流体は、空気、水、またはこの目的に適した何らかの他の流体のいずれかにすることができる。しかしながら、当業者であれば、冷却チューブ９４および冷却流体の供給は任意であることを理解するであろう。さらに、本発明の点火システム１０は、直噴式の据付スリーブ９６を用いることもでき（図２）、該スリーブは、インジェクタ９０を囲み、シリンダヘッド１９内に形成されるポート４４内でこの部品を固定する。

一実施形態では、点火装置８６のイグナイター部８８およびインジェクタ９０のノズル９２は、インジェクタ９０が予燃室５０内に所定量の燃料を運搬するように、予燃室５０の基端部に操作可能に支持されるとともに、同一面上に配置される。イグナイター部８８は、予燃室５０内で前記燃料を点火する。一旦点火されると、炎が消火されるように、前記燃料は予燃室ノズル７８のオリフィス８２を通って押し出される。消火された場合であっても、この予燃室の生成物は、燃焼室２２を通って分散され、該燃焼室内の主供給燃料を点火する。

本発明の点火システム１０を用いた点火シーケンスが図７に例示される。前記点火シーケンスは、予燃室燃料の添加物（全エネルギーの約２％）がある点で従来の火花点火の燃料戦略とは異なる。前記予燃室燃料は、インジェクタ９０によって予燃室５０内に注入された後、点火装置８６によって点火される。前記予燃室の燃料注入は、火花放電前に、約５０°になったときに終了する。このことは、濃厚かつ豊富な混合物が予燃室５０内に含まれることができることを保証する。該予燃室では、活性ラジカルの形成によって燃焼プロセスが化学的に促進されることが分かった。

この現象の正味の効果は、いわゆる「乱流噴流点火」の状況を作り出すことである。乱流噴流点火は、複数の分散された点火位置を生じる点火システム１０によって、極めて速い燃焼速度を可能にする。該点火位置は、迅速かつ燃料のバラツキが最小になるように主供給燃料を迅速に消費する。比較的小さなサイズのオリフィス８２のために、燃えている混合物は、オリフィス８２を通って素早く移動する。前記オリフィスは、上述のように、前記炎を消火するが、一部が燃焼された予燃室生成物を用いて、燃焼室２２に火種を撒く。予燃室燃焼生成物は、予燃室５０からある程度離れた距離で、化学的、熱的および乱流効果によって、主室燃料を巻き込み点火させる。これにより、分散型の点火システムが生み出される。

上述のように、オリフィス８２の直径および前記予燃室の容積に対するこれらの直径の比によって、乱流噴流が作り出され、該乱流噴流は、前記主供給燃料内に深く入り込む。この目的を達成するため、および燃焼室壁との衝突を避ける手段として、好適な一実施形態では、前記予燃室容積は比較的小さい。従来の火花点火燃焼に比べて、速い燃焼速度によって、希薄化レベル（希薄燃焼および／または排ガス再循環（ＥＧＲ））を向上させることができる。希薄度の高い画分によって、本発明の点火システム１０は、最適化されていないエンジンでの燃料消費について、従来のストイキ火花点火燃焼と比べて１８％の改善を記録できる。しかしながら、最適化された燃焼室を有するエンジンでの燃料消費について３０％程度の改善を実現するであろうということが予想される。前記効率の改善は、燃焼改善の組み合わせ、つまり低燃焼温度による弱熱分解をほぼ除外すること、および低減されたエンジンスロットルによるものである。さらに、低温燃焼では、ＨＣおよびＣＯ排気物を制御可能なレベルとしつつ、エンジンを出る（ＮＯ_Ｘ）排気物が一桁ｐｐｍになるという結果になった。

図８Ａ〜８Ｈは、本発明の点火システムの単一シリンダの性能に由来する関連データを示し、これらの図は、本発明と標準的な火花点火エンジンとの間での効率および排気物の比較を含み、該比較は、一定の速度／負荷での世界共通のマッピングポイントである、１．５００ｒｅｖ／ｍｉｎ、３．３ｂａｒでの正味図示平均有効圧（ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｎｅｔ ｍｅａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＩＭＥＰｎ））の条件によるものである。火花点火試験は、ポート燃料注入されたガソリンを用いて実行される一方で、本発明の点火システムは、約９８％のガソリンと２％のプロパンとの混合物を用いた。前記ガソリンは、主室内にポート燃料注入されたのに対し、前記プロパンは、前記予燃室内に直噴注入された。しかしながら、当業者であれば、あらゆる炭素系燃料が前記予燃室燃料用に使用され得ることを理解するであろう。

さらに詳細には、図８Ａは、濃厚および希薄条件の両方について、変動係数１０％までの総図示平均有効圧（ＣｏＶ ＩＭＥＰｇ）限界における燃焼安定性の比較を示す。空気が過剰であると、本発明の点火システムは、排気ガスλを２．１にするまで操作できるのに対し、標準的な火花点火システムでは僅か１．４であることが明らかになる。

図８Ｂ、８Ｃ、および８Ｄは、高過剰の空気の速度に関連する低排気温度が、ＨＣおよびＣＯの効率的な酸化に要求される低温限界近傍となり得ることを示す。排気ガスλが同等の場合、本発明の点火システムは、火花点火と比べて、平均して、２０℃から４０℃低い排気温度を生じる。これは、排気システムに対して多くの損失を最小にする改善された燃焼速度によるものである。加えて、他の低温燃焼システムと比べた場合、本発明の点火システムの別の主要な利益は、予燃室の火花放電を変更することによって、燃焼行程が制御され得ることである。これにより、排気ガスおよび燃費について、比較的簡単な燃焼制御法が提供される。加えて、これらの図は、本発明の点火システムを使用するエンジンのデスロットリング（同一負荷を維持する間に増加されるマニホールド圧）は、ストイキ火花点火と比べると、同一負荷の場合、マニホールド絶対圧（ＭＡＰ）よりも高い約３０ｋＰａで作用することを示す。これにより、ポンピング損失を約０．３バールポンピング平均有効圧力（ＰＭＥＰ）まで低減できる。

図８Ｅは、単一のシリンダ試験設備で用いられる場合、本発明の点火システムが、ストイキ火花点火燃焼と比べて１８％の燃費の改善を生じさせることができることを明らかにする。上述の通り、効率の改善は、燃焼改善の組み合わせ、つまり低燃焼温度による弱熱分解をほぼ除外すること、および低減されたエンジンのスロットリングによる。

図８Ｆおよび８Ｇは、本発明の点火システムを利用するエンジンと、標準的な火花点火エンジンとの間で、エンジンを出る排気ガスの比較を示す。上述の通り、本発明の点火システムでは、前記内燃機関は、主供給燃料／空気中において、高レベルの過剰空気を用いてもよい。高レベルの過剰空気は、エンジンから出るＮＯ_Ｘ排気物を極めて少量にすることを容易にする。これは、ピークのより低い燃焼温度によるものである。図８Ｆおよび８Ｇは、本発明の噴流点火システムが内燃機関で使用される場合、１．８より大きい排気ガスλの値について、ＮＯ_Ｘ排気物がほぼゼロのレベル（１０ｐｐｍ未満）まで低減されることを示す。本発明の点火システムに関連するこの利点は、固有の排気ガス制御機会および方法を提供し、これらは、火花点火の希薄混合燃焼を適用する場合には実現できない。エンジンから出るＮＯ_Ｘ排気物は、λ１．８が大きいときに極めて低いものであって、排気物制御処理の後に、希薄なＮＯ_Ｘに対する要求を排除する可能性を提供する。むしろ、本発明の点火システムでは、エンジンを出る排気物は、公知の三元触媒を用いて制御され得る。

図８Ｇおよび８Ｈは、前記２個のシステムの間において、ＨＣおよびＣＯ排気物についての比較を提供する。これら２個の図は、各燃焼システムについて、濃厚および希薄な希釈限界に達するように示される顕著な増加があることを明らかにする。

図９Ａ乃至図９Ｅは、１，５００ｒｅｖ／ｍｉｎ、３．３バールでの正味図示平均有効圧（ＩＭＰＥｎ）で燃焼安定性の限界まで希釈レベルを増加した場合での、火花点火と本発明の点火システムを用いる内燃機関との両方について燃焼の比較を示す。図９Ａは、燃焼角位置が１０％、５０％、および９０％での火花放電を表す。前記燃焼角は、燃焼が１０〜９０％の質量割合（前記供給燃料）に達せられるクランク角を示す。図９Ｂ及び９Ｄ並びに図９Ｃ及び９Ｅは、０〜１０％および１０〜９０％の燃焼質量割合の期間をそれぞれ明らかにする。

図９Ａに示される燃焼角に関連するデータは、本発明の点火システムが希薄領域においてかなり高レベルの希釈を許容できることを示す。分散型の点火は、本発明の点火システムに起因する乱流噴流が原因となって生じ、顕著な燃焼速度の増加を提供し、火炎発生をより速くし、それにより火炎の伝播を速くする。基本的に燃焼プロセスが異なるにも関わらず、火花点火と本発明の点火システムの両方に最適な５０％の燃焼角は、過剰の空気の希釈を変化させる６〜８°のＡＴＤＣ ＣＡ範囲で生じることも注目される。さらに、本発明の点火システムでは、希釈範囲の全てに及ぶ火花点火の場合よりも、火炎発生が速く生じる。

図９Ｂおよび９Ｄに最適に示されるように、過剰空気の乱流噴流点火の０〜１０％の燃焼質量割合によって、火炎発生が、λの増加とともに顕著に変化せず、２０〜２５°ＣＡ近傍で常時変動する結果となることを明らかにする。このことは、予燃室内での略一定の混合組成物によるものであり、これは、噴流と燃焼噴流中に存在する高レベルの化学的活性種とによって、予燃室内に提供される分散型の点火位置と関連する。火花点火を利用する内燃機関の場合、火花放電後に、火炎核を発生させ安定化するのに時間がかかるが、これは、希釈された混合物に関連する核成長による。

図９Ｃおよび９Ｅに示される１０〜９０％の燃焼質量割合のデータは、混合物が炎を伝播できる能力を示している。これらの結果は、このような場合、炎の伝播は希薄さが増すにつれて遅くなることを明らかにするが、これは、濃厚または希薄な混合物と低燃焼温度とに関連して炎の速度が低減されることによる。０〜１０％の燃焼期間と同様に、１０〜９０％の燃焼期間は、火花点火の場合よりも本発明の点火システムの場合の方が短くなる。燃焼プロセスの炎伝播部分の間、噴流の効果はそれほど顕著ではないが、主室内で一旦ガソリンが点火されると、１０〜９０％の燃焼データは、主燃料による前方への複数の炎の伝播をより明らかにする。しかしながら、火花点火よりも本発明の点火システムで生じる燃焼時間の短さによって明らかになるように、予燃室燃料は、主燃料の燃焼の間、役割を果たし続ける。これは、予燃室燃料と伝播火炎中で維持される燃焼噴流中で生じる高レベルの活性ラジカルとによって提供される燃焼が高められたことによるものである。

このため、本発明の点火システムは、これらの結果を容易にする多くの特徴を用いることによって顕著に改善された操作パラメータを実現する。例えば、空隙容積が２％未満の比較的小さい予燃室の容積は、空隙容積、ＨＣ排気物、熱損失、比表面積効果、および予燃室残留ガスを最小にする。比較的小さいオリフィス８２（０．７ｍｍ〜２．０ｍｍの大きさの直径を有する）は、予燃室５０と主燃焼室２２との間に流体連通を提供し、炎を急冷でき、燃焼室２２内に炎を導入できる。燃焼後の予燃室生成物（化学的、熱的、および乱流効果）は、複数の場所で主室での燃焼を開始する。加えて、分離型の燃料方式の予燃室５０は、電気的に制御される埋め込み型の直噴インジェクタ８６を使用していて、燃焼室２２が過剰の空気および／またはＥＧＲで十分に希釈される間、濃厚な混合物が予燃室５０内に含まれることを可能にする。予燃室５０の基部７６でのインジェクタ８６の位置は、予燃室残留物を除去し、空隙容積を最小にすることを補助する。前記内燃機関が、電気的に制御されたポート燃料インジェクション、例えば、直噴インジェクションを使用する分離型の燃焼方式の燃焼室２２を使用する場合、本発明は、均質化または成層化された燃焼室混合物を可能にし、その結果、ＨＣ／ＮＯ_Ｘ排気物の制御を可能にする。さらに、予燃室での燃料を開始する点火プラグは、電気的に制御される点火を伴う埋め込み型の点火装置８６を用いていて、単一の燃焼行程の制御を可能にする。さらに、本発明の点火システム１０は、主および予燃室の燃焼空隙の両方に対して、ガソリン、プロパン、または天然ガスなどの市販の燃料を使用する。

このようにして、本発明の点火システムは、ワイドオープンスロットル（ＷＯＴ）でピーク時の熱効率の高さ（４５％を上回る）を可能にするとともに、高駆動サイクル（部分負荷）での燃費を向上でき、燃費の向上は、最適化されたエンジン内にある基準となる従来の火花点火システムを最大３０％上回るまでに達することができる。これらのエンジン性能の向上は、燃焼の改善、熱損失の低減、低燃焼温度のために解離がほとんど生じないこと、および部分負荷でのエンジンスロットルの低減の組み合わせによる。さらに、従来の火花点火燃焼システムと比べると、本発明の点火システムは、エンジンから排気されるＮＯｘ排気物をほぼゼロにできる低温燃焼を容易にする一方で、先述の予燃室燃焼での、ピーク時の性能（ＢＭＥＰ：正味平均有効圧）の低下および制御不能な炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）排気物の障害を克服する。そのため、本発明の点火システムは、現在および将来の排出ガス規制を満たすように、従来の乗用車（酸化および三元触媒）で見られる既存の排気物制御システムを備えるエンジン内で利用され得る。最後に、本発明の点火システムは、基本となるエンジンのハードウェアの改変を要さずに、あらゆる火花点火エンジン（生産前および生産後）で機能できる「ボルト留め」固定も提供する。

本発明は、例示的な方法で記載された。使用された用語は、語の限定よりも、記載の語の本質を意図していることが理解されるべきである。上記教示を考慮すると、本発明の多くの改変および変形が可能である。したがって、本発明は、明記された以外で、実行される場合がある。

Claims (4)

1. 少なくとも１個の燃焼室を有する内燃機関のための点火システムであって、
   前記点火システムは、
   前記内燃機関のシリンダヘッド内で区画され、予燃室を区画するハウジングと、
   前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するイグナイター部を有する点火装置と、
   前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するノズルを含むインジェクタと、を備え、
   前記ハウジングは、前記シリンダヘッド内に含まれるポートであって、標準的な点火プラグを受けていたような実質的な大きさを有し、かつ前記標準的な点火プラグを受けていたような位置に実質的に配されるポートに受けられるように構成され、
   前記予燃室は、基端部および前記予燃室の前記基端部から間隔を空けて配置される予燃室ノズルを区画し、前記予燃室ノズルは、複数個のオリフィスを含み、該オリフィスは、０．７ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲の直径を有し、互いに間隔を空けて配置されるとともに、前記予燃室と前記燃焼室との間を流体連通し、
   前記予燃室は、所定の容積を区画し、前記予燃室の容積に対する前記オリフィスの直径の比は、０．０４８ １／ｃｍ^２〜０．０６７１／ｃｍ^２の範囲にあり、
   前記点火装置の前記イグナイター部および前記インジェクタの前記ノズルは、前記インジェクタが、所定量の燃料を前記予燃室内に運搬し、前記イグナイター部が、前記予燃室内で前記燃料を点火し、これにより、前記点火された燃料は、前記予燃室の前記オリフィスを通って押し出されて消火されるが、該点火される燃料が、前記燃焼室を通って分散されて、前記燃焼室内にある主供給燃料を点火するように、前記予燃室の前記基端部に操作可能に支持される、
   点火システム。
2. 前記予燃室ノズルは、長手方向軸を規定し、前記オリフィスは、互いに対して間隔を空
   けた関係で、前記長手方向軸周りに配置される、
   請求項１に記載の点火システム。
3. 少なくとも１個のシリンダ、繰り返される往復運動のために前記シリンダ内に支持されるピストン、およびシリンダヘッドを含むエンジンブロックを備える内燃機関であって、
   前記ピストン、シリンダおよびシリンダヘッドは、少なくとも１個の燃焼室を区画するように協同し、
   前記シリンダヘッドは、主燃料空気が前記燃焼室内に流入する少なくとも１個の吸気ポートと、燃焼生成物が前記燃焼室から出る少なくとも１個の排気ポートと、を含み、
   前記内燃機関は、点火システムをさらに含み、前記点火システムは、前記内燃機関の前記シリンダヘッド内に操作可能に支持されるハウジングを含み、前記ハウジングは、予燃室を区画し、
   前記内燃機関は、前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するイグナイター部を有する点火装置と、前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するノズルを有するインジェクタと、前記ハウジングを受けるように前記シリンダヘッド内に含まれるポートであって、標準的な点火プラグを受けていたような実質的な大きさを有し、かつ前記標準的な点火プラグを受けていたような位置に実質的に配されるポートと、を備え、
   前記予燃室は、基端部および前記予燃室の前記基端部から間隔を空けて配置される予燃室ノズルを区画し、前記予燃室ノズルは、複数個のオリフィスを含み、該オリフィスは、０．７ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲の直径を有し、互いに間隔を空けて配置されるとともに、前記予燃室と前記燃焼室との間を流体連通し、
   前記予燃室は、所定の容積を区画し、前記予燃室の容積に対する前記オリフィスの直径の比は、０．０４８ １／ｃｍ^２〜０．０６７１／ｃｍ^２の範囲にあり、
   前記点火装置の前記イグナイター部および前記インジェクタの前記ノズルは、前記インジェクタが、所定量の燃料を前記予燃室内に運搬し、前記イグナイター部が、前記予燃室内で前記燃料を点火し、これにより、前記点火された燃料は、前記予燃室の前記オリフィスを通って押し出されて消火されるが、該点火された燃料が、前記燃焼室を通って分散されて、前記燃焼室内にある主供給燃料を点火するように、前記予燃室の前記基端部に操作可能に支持される、
   内燃機関。
4. 前記予燃室ノズルは、長手方向軸を規定し、前記オリフィスは、互いに対して間隔を空けた関係で、前記長手方向軸周りに配置される、
   請求項３に記載の内燃機関。

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