JP6383820B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、独立項に係る内燃機関に関する。

本発明は、火花点火を使用する内燃機関の分野について述べる。

λがおおむね１＜λ＜１．５の範囲にある希薄燃焼は、λがより小さい燃焼に比べて正味熱効率を向上させることが分かっているが、ＮＯ_ｘ排出も増加させるので、触媒コンバータが必要である。λ＞１．５の超希薄燃焼によって、正味熱効率を向上させ、かつＮＯ_ｘ排出を顕著に低減させ得ることが明らかにされている。超希薄燃焼システムにおいて主に制約となるのは、混合物の点火性の乏しさである。混合物の点火性が乏しいので、λの値が、それを超えると前記内燃機関が点火しなくなる「リーンリミット」になる。

そのような内燃機関において、高エネルギー点火源である乱流噴流点火（ＴＪＩ）を使用することによって点火性に乏しい超希薄混合気を取り扱うことが知られている。ＴＪＩのための内燃機関は、少なくとも１個の予燃室を有する点火システムを備え、該予燃室内には、燃焼インジェクタと点火装置とが配置されている。前記点火装置は、乱流噴流点火を可能にする。該乱流噴流点火は、前記予燃室から噴出するラジカルの乱流噴流を使用して、前記主室に前記点火源を提供することによって、超希薄運転を可能にする。

前記予燃室は、前記主室に比べて容積が小さく、前記主室の全体にわたって、複数個の分散された点火位置を生じさせる複数個のオリフィスを有する。該オリフィスの大きさは、前記燃焼生成物が前記予燃室を出て前記主燃焼室内に入るときに、消炎を可能にする小ささである。そして、前記燃焼生成物は、前記主燃料原料（ｃｈａｒｇｅ）と反応し、化学的、熱的、および乱流効果によって、前記主燃焼室内の、前記予燃室ノズルから幾分離れた複数の場所で燃焼を開始する。前記化学的効果は、噴流内に存在するラジカル種によるものであり、該ラジカル種は、反応性が高いので、前記主室内に存在する空気燃料混合物の点火を可能にする。熱的効果は、一部または全部が燃焼された燃焼生成物によるものであり、該燃焼生成物は、主室での燃焼を誘発することができる高温の主室に入る。乱流効果は、主室内において、乱流噴流と燃料との間の相互作用を保証する。

内部に配されたこのような点火システムを有する先行技術の内燃機関が、特許文献１に示されている。該内燃機関は、１以上のシリンダを備えるエンジンブロックを有する。各シリンダは、主空気燃料原料が点火される主燃焼室と隣接するシリンダヘッドを有する。ピストンは、クランクシャフトの位置でロッドを介して接続されて、往復運動を可能にする燃焼室と隣接して配置される。各シリンダヘッドは、吸気開口と排気開口とを画定する。前記吸気および排気開口は、カム駆動弁によって開放および閉鎖され、これにより、前記シリンダと吸気マニホールドおよび排気マニホールドとの間に流体連通が提供される。前記内燃機関はまた、前記吸気ポートを通じて主燃料空気原料を前記燃焼室内に導入する手段として、前記吸気マニホールド内に取り付けられた燃料インジェクタを含む。前記点火装置は、予燃室の内容積に面するように配されたイグナイタ部とインジェクタとを有する。

前記予燃室は、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に流体連通を提供する複数個のオリフィスを有するノズルを形成するようになっている。前記イグナイタ部は、前記予燃室内の燃料を点火する。前記オリフィス直径は、前記燃焼生成物が前記予燃室を出て前記主燃焼室内に入るときに、消炎を促進するような小ささに維持される。消炎は、一部が燃焼された予燃室生成物が前記予燃室の小さなオリフィスを通過されることを意味する。前記燃焼生成物は消炎されるが、前記主燃焼室を通って分散された後、主燃料と反応し、化学的、熱的、および乱流効果によって、前記予燃室ノズルから幾分離れた複数の場所で前記主燃料室内での燃焼を開始する。

反応性噴流を作り出すことができる改良された点火装置が、特許文献２に開示されている。前記点火装置の予燃室は、前記予燃室容積と前記主室容積との間に流体連通を提供するための複数個のオリフィスを含む。前記乱流噴流が前記主室内に深く浸透することを保証するために、前記オリフィスは、特定の最大直径および最小直径の範囲に限定されるが、前記予燃室容積は特定の範囲に維持されている。

該設計は、予燃室容積との関係において、オリフィス直径、オリフィス数のようなノズル特性を適切な目標とするためだけに選択される。既知の設計に関する欠点は、該設計が、予燃室容積の範囲に対して、速度、浸透および点火位置の分散のような物理的な噴流特性と関係しているだけであることにある。予燃室およびノズルの幾何学的特徴とシリンダ口径によって説明されるようなエンジンシリンダの大きさとの関係を明らかにする必要がある。

米国特許出願公開第２０１２／１０３３０２号明細書 米国特許出願公開第２０１５／００６８４８９号明細書

したがって、本発明の目的は、熱効率が改善された内燃機関であって、前記主燃焼室の設計（つまり、大きさ）を考慮した、特に、エンジン口の直径との関係で、オリフィスの設計（つまり、大きさ）を考慮した内燃機関を提供することである。

この目的は、独立項に係る内燃機関によって達成される。本発明の特定の態様は、各従属項の主題を形成する。

本発明は、エンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼室を画定するように、少なくとも１個のシリンダと、繰り返し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とを有する内燃機関を備える。該内燃機関は、前記シリンダ内に配置される点火装置をさらに備え、（該点火装置は）イグナイタ部と燃料インジェクタとを有し、前記イグナイタ部と前記燃料インジェクタの両方は、予燃室内に配置され、該予燃室は、前記予燃室と前記燃焼室との間の流体連通を提供するための複数個のオリフィスを備える。前記複数個のオリフィスは、総オリフィス面積とエンジン口直径（Ａ−Ａ）との比が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあるような総オリフィス面積を有する。

前記総オリフィス面積の大きさと前記エンジン口直径との比が０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあるので、最大の正味熱効率が得られる。この関係によって、エンジンの大きさの範囲に対して、前記予燃室およびノズルの大きさを変えることができる。正味熱効率は、エンジンの仕事を燃料エネルギーで割ったものとして定義される。前記エンジンの仕事は、燃焼仕事およびポンプ仕事であり、前記燃料エネルギーは、燃料流量と燃料の発熱量とを掛け合わせたものである。したがって、特定のオリフィス面積とエンジン口の大きさとの比によって、最大の正味熱効率が実現される。ノズルオリフィス面積を減らすことでピークの正味熱効率を最大にすることを述べた先行技術公報の観点からは、このことは予測されない。技術的には、所与のエンジン口径の場合、大きなオリフィス面積は、噴流速度が小さいために、正味熱効率を低減させ、小さなオリフィス面積は、前記噴流の温度を下げ、これにより点火に必要な正味熱効率を低減させるチョーク流れのために、正味熱効率を低減させる。前記予燃室ノズルにおける総オリフィス面積の大きさは、各個々のノズルオリフィスの面積（円形状のオリフィスの場合、Ａ＝πｒ^２）の総和である。前記エンジン口直径は、換言すれば、前記エンジンの孔または前記シリンダの直径である。

特定の実施形態によれば、前記総オリフィス面積の大きさと前記エンジン口直径との比が、０．０１６ｍｍ〜０．１６ｍｍ（つまり、０．０５ｍｍ〜０．０９ｍｍ）の範囲にある。特に好ましくは、前記総オリフィス面積の大きさと前記エンジン口直径の比が、０．０６ｍｍである。これらの範囲は、最大の正味熱効率を示した実験計測での最適な結果を示している。

別の好ましい態様は、オリフィスの数が４〜８の範囲にあり、該オリフィスの直径が０．７ｍｍ〜１．５５ｍｍの範囲にあることに関する。前記所与の値は、８７．５ｍｍのエンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼エンジンと組み合わせることに関して、特に着目される。

有利には、オリフィスのそれぞれは、前記予燃室に面する第１表面領域と前記燃焼室に面する第２表面領域とを有し、前記第１表面領域の大きさと前記第２表面領域の大きさの比は、０．５〜２の範囲にある。前記比を変えることにより、前記オリフィスから発せられる噴流の形態を変えることができる。すなわち、低減させると集中噴流になるが、表面領域を増加させると分岐噴流となる。

前記予燃室の内容積は、前記燃焼室の最小容積の５％未満であれば好ましく、０．３％〜３％の範囲にあれば特に好ましい。測定結果は、これよりも大きな予燃室容積とすると、正味熱効率が低減されるようになることを示している。

別の好ましい態様は、このようなオリフィスが、前記オリフィスの中心線（Ｃ−Ｃ）が前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して５０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室内に配置されていることに関する。複数の平行な面内に、オリフィス中心線と前記予燃室の中心軸との間のそれぞれの角度が５０°〜６０°であるオリフィスを配置すること（例えば、第１面内の第１の数（例えば、６個のオリフィスノズルの内の３個）のオリフィスおよび第２面内の第２の数（例えば、３個）のオリフィス）がより好ましい。これらの角度によって、良好な燃焼効率が提供される。前記角度を５０°から６０°に変化させることにより、リーンリミットを１．７λから２．１λまで増加できることが示されている。

好ましくは、前記燃料インジェクタは、前記燃料噴霧の中心線（Ｄ−Ｄ）が前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して２０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室内に配置される。これにより、前記予燃室内において空気と燃料とを良好に混合することができる。すなわち、前記燃料噴霧は、前記オリフィスを介して前記予燃室内に入る空気原料と相互作用する。燃料噴霧の中心線の角度が２０°未満であると、燃料は、前記点火プラグに直に衝突し、これにより点火が阻害されるようになる。燃料噴霧の中心線の角度が６０°を超えると、燃料は、前記オリフィスに直に衝突し該オリフィスを通って排出され、これにより点火前に前記予燃室を出ることとなる。

有利な態様によれば、前記点火装置は、前記燃料インジェクタが、濃厚な燃料混合物が前記予燃室の壁近傍に存在し、濃厚な混合物が前記点火プラグの電極近くの領域内に存在するように燃料噴霧パルスを前記予燃室内に注入することを可能にする制御ユニットを備える。これにより、前記点火プラグによって誘発されるので、前記予燃室内で点火が生じること、および前記点火プラグから発せられる燃焼の火炎前面が前記オリフィスに向かって前進した後、噴流として前記オリフィスを通って出るときに、該燃焼の火炎前面が前記予燃室壁近くに移動させられることが保証される。前記予燃室壁近くに移動した火炎は、前記予燃室内への空気原料の導入を防ぐことが好ましく、これにより、火炎速度が最大になるとともに、噴流速度が最大になる。

本発明の別の態様によれば、前記点火装置は、前記燃料インジェクタが、連続的な燃料噴霧パルスの間において、少なくとも２個の火花が前記イグナイタ部によって提供されるような方法で、燃料噴霧パルスを前記予燃室内に注入することを可能にする制御ユニットを備える。さらなる点火火花によって、前記予燃室内の内容物のより完全な燃焼が可能になり、これにより、前記予燃室での燃焼事象の間に前記予燃室内に放出されるエネルギーの量が増加し、噴流速度が増加する。

以下では、図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。同様な参照番号は、図面全体において同様な特徴を示している。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の垂直断面図。 図１の点火装置の垂直断面図。 エンジン口直径に対する総オリフィス面積の比と正味熱効率との関係を示すグラフ。 予燃室容積と正味熱効率との関係を示すグラフ。

図１は、（例えば、４気筒の）１個のシリンダ２を備える内燃機関１を示す。シリンダ２は、エンジンブロック２１内に形成され、シリンダヘッド２２がその上に配置される。別体の主燃料インジェクタ５を備える入口２２１および燃焼生成物を排出するための出口２２２が、シリンダヘッド２２に配置される。ピストン３は、示された例では、８７．５ｍｍのエンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼室２１を（前記シリンダヘッドとともに）画定するように、繰り返し往復運動のためにシリンダ２内に（図示しないクランクシャフトの位置で）支持される。

内燃機関１はさらに、前記シリンダ２内に配置されている（乱流噴流点火のための）点火装置４を備える。該点火装置４は、イグナイタ部４２および（前記主燃料インジェクタから離れた位置にある）燃料インジェクタ４３を有する。これらは、両方とも予燃室４１に面して配置されている。予燃室４１は、示された例では、予燃室４１の内側から燃焼室２１までの流体連通を提供するための６個のオリフィス４４を備える。オリフィス４４の総オリフィス面積（個々のオリフィス面積の全てを合わせた面積）は５．７０ｍｍ^２であるので、前記総オリフィス面積とエンジン口直径（Ａ−Ａ）との比は０．０６５ｍｍとなっている。予燃室４４における総オリフィス面積の大きさは、オリフィスの数６と個々のオリフィスの面積とを掛け合わせたものであり、５．７０ｍｍ^２である。エンジン口直径は、本例においては８７．５ｍｍである。得られる正味熱効率は４２．１％である。正味熱効率のこの最大値は、正味熱効率がノズルオリフィス面積の低下につれて最大になることを述べている先行技術文献の観点からは、予想されるものではない。正味熱効率は、エンジンの仕事を燃料エネルギーで割ったものとして算出される。エンジンの仕事は、燃焼仕事およびポンプ仕事である。燃料エネルギーは、燃料流量と燃料発熱量とを掛け合わせたものである。前記寸法によって、低噴流速度を避けるのに十分小さく、かつチョーク流れを避けるのに十分大きなオリフィス面積が提供され、これにより、前記噴流の温度は低下される。前記予燃室での総オリフィス面積の大きさは、オリフィス４４の数と各面積（円形状のオリフィスの場合、Ａ＝πｒ^２）とを掛け合わせたものである。

予燃室４１内における最適な（完全な）点火および連続的な火炎移動を実現するために、点火装置４は、（図示しない）制御ユニットを備える。該制御ユニットは、本例においては、濃厚な混合物がイグナイタ部４２近くに存在し、かつ濃厚な混合物が前記予燃室壁の近くに存在するような方法で、所与のサイクルで複数の燃料噴霧パルスを予燃室４１内に注入するように燃料インジェクタ４３を制御できる。

代わりの操作モードでは、点火装置４は、１より多い燃料噴霧パルスがイグナイタ部４２によって提供される連続的な火花の間に注入されるような方法で、燃料インジェクタ４３が燃料噴霧パルスを予燃室４１内に注入するように燃料インジェクタ４３を制御できる（図示しない）制御ユニットを備える。

前記予燃室設計のより詳細な図を図２に提供する。図２において、予燃室４１は、内燃機関のシリンダヘッド２２において燃焼室（主室）の頂部に配置される。予燃室４１は、複数のオリフィス４４を備え、各オリフィスは、予燃室４１に面する第１（内）表面領域４４１と、前記燃焼室に面する第２（外）表面領域４４２とを有する。第１表面領域４４１の大きさと第２表面領域４４２の大きさとの比は、１と例示される。これは、両領域が同じ大きさであることを意味している。該比は、発せられる噴流の形態に関連するので、この例における（比が１である）噴流は、（理想的には）平行である。

各オリフィス４４は、オリフィスの中心線Ｃ−Ｃが予燃室の中心軸Ｂ−Ｂに対して６０°の角度（下方のＢ−ＢとＣ−Ｃとの間の角度）となるように予燃室４１内に配される。燃料インジェクタ４３は、燃料噴霧の中心線Ｄ−Ｄが予燃室の中心軸Ｂ−Ｂに対して２０°の角度（上方のＢ−ＢとＤ−Ｄとの間の角度）となるように、予燃室４１内に配置され、かつそのように設計される。

図３は、以下に表１として提供される特定の寸法の例に対する総オリフィスの比と正味熱効率の測定結果との関係のグラフを提供する。

計算には以下の等式が含まれる。

正味熱効率が最大になることは、正味熱効率がノズルオリフィス面積の低下につれて最大になることを述べた先行技術の観点からは、予想されるものではない。

図４は、予燃室の内容積と正味熱効率のグラフ表示である。予燃室容積は、燃焼室の最小容積の５％未満であり、特に、０．３％〜３％の範囲にある。最小容積とは、ピストンが上死点に配置される場合の容積のことである。予燃室容積の測定結果が大きいと、正味熱効率が低下することとなる。示された測定結果は、最小主室燃焼容積の予燃室容積に対する正味熱効率を表している。グラフ１は、１５００ｒｐｍ／３．９ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ２の場合であり、グラフ２は、１５００ｒｐｍ／３．９ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ１．９の場合であり、グラフ３は、３．９ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ１．８の場合であり、グラフ４は、４０００ｒｐｍ／７．８７ｂａｒＩＭＰＥｇ／Ｌ１．５の場合である。

Claims (9)

1. エンジン口直径（Ａ−Ａ）を有する燃焼室（２１）を画定するように、少なくとも１個のシリンダ（２）と、繰り返し往復運動のために前記シリンダ（２）内に支持されるピストン（３）とを備える内燃機関（１）であって、
   前記内燃機関（１）は、前記シリンダ（２）内に配置され、イグナイタ部（４２）と燃料インジェクタ（４３）とを有する点火装置（４）をさらに備え、前記イグナイタ部（４２）と前記燃料インジェクタ（４３）の両方は、予燃室（４１）内に配置され、
   前記予燃室（４１）は、前記予燃室（４１）と前記燃焼室（２１）との間の流体連通を提供するための複数個のオリフィス（４４）を備え、
   前記複数個のオリフィス（４４）は、総オリフィス面積とエンジン口直径（Ａ−Ａ）との比が０．０６２ｍｍ〜０．０７２ｍｍの範囲にあるような総オリフィス面積を有する、
   内燃機関（１）。
2. 前記オリフィス（４４）の数が、４〜８の範囲にあり、前記オリフィス（４４）の直径が、１ｍｍ〜１．５５ｍｍの範囲にある、
   請求項１に記載の内燃機関（１）。
3. 前記オリフィス（４４）のそれぞれは、前記予燃室（４１）に面する第１表面領域（４４１）と、前記燃焼室（２１）に面する第２表面領域（４４２）とを有し、
   前記第１表面領域（４４１）の大きさと前記第２表面領域（４４２）の大きさとの比は、０．５〜２の範囲にある、
   請求項１または２に記載の内燃機関（１）。
4. 前記予燃室（４１）の内容積は、前記燃焼室（２１）の最小容積の４％未満である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
5. 前記予燃室（４１）の内容積は、前記燃焼室（２１）の最小容積の０．３％〜３％の範囲にある、
   請求項４に記載の内燃機関（１）。
6. 前記オリフィス（４４）は、前記オリフィスの中心線（Ｃ−Ｃ）が、前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して５０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室（４１）内に配されている、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
7. 前記燃料インジェクタ（４３）は、前記燃料噴霧の中心線（Ｄ−Ｄ）が、前記予燃室の中心軸（Ｂ−Ｂ）に対して２０°〜６０°の範囲の角度となるように前記予燃室（４１）内に配置される、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
8. 前記点火装置（４）は、前記燃料インジェクタ（４３）が、単一サイクルの間に１より多くの燃料噴霧パルスが注入されるような方法で、燃料噴霧パルスを前記予燃室（４１）内に注入し、前記イグナイタ部（４２）の近く、および前記予燃室（４１）の壁の近くに最適な空気燃料混合物を提供することを可能にする制御ユニットを備える、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
9. 前記点火装置（４）は、前記燃料インジェクタ（４３）が、連続的な燃料噴霧パルス間において、少なくとも２個の火花がイグナイタ部（４２）によって提供されるような方法で、燃料噴霧パルスを前記予燃室（４１）内に注入することを可能にする制御ユニットを備える、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関（１）。