JP7267704B2 - 吸気の運動方向に直接燃料噴射を行う内燃機関 - Google Patents
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Description
したがって、一般に、性能の向上は、排出量の増加につながり、機械的応力の増加につながる。
さらに、高い効率と燃焼率を確保するには、燃料混合物の点火時に、乱流が高レベルであることが望ましく、より詳細には、乱流運動エネルギーが高レベルであることが望ましい。
スワールは、シリンダの軸と同一線上にある軸を中心とした燃料混合物の巨視的な回転運動であり、吸気プロセスの間、より詳細には、ピストンが上昇する間、運動が良好に保存されることを特徴とする。スワールは、一般に圧縮点火内燃機関で用いられる巨視的な空気力学的運動であるが、圧縮点火内燃機関にとっては、燃料混合物を均一化することが効果的である。
タンブルも燃料混合物の巨視的な回転運動であるが、シリンダの軸にほぼ垂直な軸を中心とした運動である。タンブルは、ピストンが上昇する際に乱流を形成する微視的な空気力学的運動に変化するという特有の特徴を有している。タンブルは、一般に火花点火内燃機関に用いられる巨視的な空気力学的運動であるが、火花点火内燃機関にとっては、許容される燃焼率を実現することが効果的である。さらに、この運動は、広がりおよび最大リフト高さの点で、燃焼室の形状とリフト法則とにかなり敏感である。
スワンブルは、スワールとタンブルからなる運動である。スワンブルを用いることで、現時点で最良の火花点火機関で観測されるよりも高レベルの吸気段階時の乱流のために、上記で詳述した2つの空気力学的構造の利点から恩恵を受けることができ、したがって、優れた均一化とより良好な燃焼率の恩恵を受けることができる。
スキッシュは、空気が死容積から急激に「放出」される際に生じる突発的な急激な空気力学的運動である。
例えば、米国特許出願公開第2005/0241612号明細書には、少なくとも1つのプラグによって点火が生じる直接噴射式の高スキッシュ型燃焼室が記載されている。しかしながら、機関性能(効率および燃焼率)を向上させるために、弁、噴射装置、およびプラグの配置は、スワンブルを促進するようには最適化されていない。
別の例では、フィリピン特許出願公開第2010000186号明細書には、ほぼ楕円である特定の形状によってスキッシュを生成する燃焼室が記載されている。しかしながら、この燃焼室の場合、燃料噴射は、スワンブルおよび機関性能(効率および燃焼率)にとって都合が良い直接噴射ではない。
内部をピストンが移動する少なくとも1つのシリンダと、
シリンダに関連する燃焼室と、を有し、この燃焼室は、
燃焼段階の前に燃焼室へのガス状混合物の供給を可能にする単一の吸気弁と、
燃焼段階の後に燃焼ガスの排出を可能にする単一の排気弁と、
燃焼室への燃料の直接噴射を可能にする単一の燃料噴射装置と、
燃焼室でのガスと燃料の混合物の点火を可能にする2つの(点火装置とも称する)プラグと、
燃焼室の内部に乱流を伴う吸気の空気力学的運動構造を形成する手段(換言すると、燃焼室の内部にスワンブルとスキッシュの少なくとも一方の形成を可能にする手段)とを有している。
ガス状混合物は、過給空気またはそれ以外の空気を含んでいてよく、あるいは、過給空気またはそれ以外の空気と再循環された燃焼ガスとの混合物を含んでいてよい。
特に、燃料は、ガソリンまたはディーゼル燃料であってもよい。
単一の吸気弁を使用することで、スワンブルの形成が容易になる。実際、2つの吸気管を用いてスワンブルを形成することはより困難である。
例示的な実施形態によれば、燃料噴射装置に最も近いプラグは、シリンダの軸の方向に対して25~30°の範囲の角度、好ましくは28~29°の範囲の角度で傾斜していてもよい。
例示的な実施形態によれば、燃料噴射装置から最も遠いプラグは、シリンダの軸の方向に対して25~30°の範囲の角度、より詳細には28~32°の範囲の角度、好ましくは実質的に30°の角度で傾斜していてもよい。
本発明の一実施形態によれば、燃焼室は、実質的に楕円の形状を有していてもよい。この形状により、かなりのスキッシュが促進される。実際、シリンダの断面積に対するこの楕円の表面積の比は特に小さく、このことは、かなりのスキッシュに対応する。
スワンブルおよびスキッシュを促進するために、燃焼室の構成部材は、特定の形態に配置されていてもよい。すなわち、
吸気弁および排気弁は、楕円の長軸の端部にそれぞれ配置され、したがって、互いに間隔を置いて対向し、
プラグは、楕円の短軸に近接して配置され、したがって、吸気弁と排気弁との間に配置され、
燃料噴射装置は、楕円の内側であって吸気弁とプラグとの間の楕円の周縁部に近接して配置され、この配置により、スワンブル運動のためにガスと燃料の混合が促進される。
構成部材のこうような配置を伴う燃焼室のこのような楕円構造により、空気力学的スワンブル構造を生成することが可能になり、燃料混合物の均一化を促進することが可能になる。さらに、自己着火現象を抑制しながら、高い燃焼率を実現することが可能になる。実際、現時点で最良の火花点火機関で観測されるよりも高レベルの吸気段階時の乱流により、優れた均一化とより良好な燃焼率の恩恵を受けることができることが想起される。
提示された楕円6の形状は、スキッシュを促進するだけでなく、吸気管から始まるスワール運動の発達も促進する。ある意味で、この燃焼室は、吸気管の延長部である。
特に、本発明の燃焼機関は、広い動作範囲にわたっていわゆる「ミラー」サイクルでの使用に特に適している。このサイクルは、ピストンが下死点に到達する前に吸気弁が閉じられることを特徴とする。これにより、導入された負荷の冷却が可能になるだけでなく、仕事の回収をより大きくすることが可能になる。
本発明の燃焼機関の特徴および利点は、以下の適用例の説明から明らかとなろう。
燃焼時間が分配則の広がりとタイミングに左右されないことにも留意されたい。これは現在の火花点火機関では見られないものである。これにより、内燃機関の全体効率に好影響を与えることが可能になる。
したがって、本発明の燃焼室により、シリンダ内での高度なスワンブルが可能になり、その結果、燃焼の効率、ひいては燃焼機関の効率が最適化される。
Claims (14)
- 内部をピストンが移動する少なくとも1つのシリンダ(11)であって、単一の吸気弁(2)と、単一の排気弁(3)と、燃料噴射装置(5)と、2つのプラグ(4a,4b)とを備えた燃焼室に関連する少なくとも1つのシリンダ(11)を有する内燃機関において、
前記燃焼室が、前記燃焼室内に乱流を伴う吸気の空気力学的運動構造を形成する手段を有し、前記燃料噴射装置(5)が、前記2つのプラグ(4a,4b)の間の前記燃焼室の中央領域に対して前記吸気の空気力学的運動構造の方向に燃料を噴射するように方向付けられており、
前記燃焼室が、楕円の形状(6)を有し、前記吸気弁(2)および前記排気弁(3)が、前記楕円の長軸(8)の端部にそれぞれ配置され、前記プラグ(4a,4b)が、前記楕円の短軸(9)に近接して配置されており、
前記楕円の形状(6)が、前記吸気弁(2)に向かって延び、前記長軸(8)に対して前記燃料噴射装置(5)と対称に配置された凹部(7)を有することを特徴とする内燃機関。 - 前記燃料噴射装置(5)が、前記吸気弁(2)とプラグ(4a)との間に配置されている、請求項1に記載の内燃機関。
- 前記燃料噴射装置(5)が、円筒形状の機械加工部分を有する、請求項1または2に記載の内燃機関。
- 前記燃料噴射装置(5)が、前記シリンダ(11)の軸の方向に対して15°よりも小さい角度で傾斜している、請求項1から3のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記燃料噴射装置(5)が、前記燃焼室の内側で該燃焼室の周縁部に近接して配置されている、請求項1から4のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記プラグ(4a,4b)が、前記吸気弁(2)と前記排気弁(3)との間に位置している、請求項1から5のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記燃料噴射装置(5)が、前記吸気弁(2)から、5~15mmの範囲の距離に位置し、かつ、前記排気弁(3)から、20m~40mmの範囲の距離に位置している、請求項1から6のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記プラグ(4a,4b)が、前記シリンダ(11)の直径の30~50%の範囲の距離だけ互いに間隔を置いて配置されている、請求項1から7のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記プラグ(4a,4b)、前記吸気弁(2)、および前記排気弁(3)は、それぞれの中心が正方形の頂点を形成するように位置している、請求項1から8のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記正方形が、24~31mmの範囲の長さの辺を有する、請求項9に記載の内燃機関。
- 前記燃料噴射装置(5)に最も近い前記プラグ(4a)が、前記シリンダの軸の方向に対して25~30°の範囲の角度で傾斜している、請求項1から10のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記燃料噴射装置(5)から最も遠い前記プラグ(4b)が、前記シリンダの軸の方向に対して25~35°の範囲の角度で傾斜している、請求項1から11のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記吸気の空気力学的運動構造を形成する手段が、燃焼室の形状と吸気管の形成の少なくとも一方を有する、請求項1から12のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 請求項1から13のいずれか1項に記載の内燃機関のミラーサイクルへの使用。
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