JPH10500467A - 弁制御される内燃機関の各シリンダの燃焼室内に乱流状の燃料・空気混合物を形成するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガス状の燃料で運転される内燃機関（１）においては、ピストン（３）を備えたシリンダ（２）と、空気のための吸気通路（６）と、排気通路とが設けられている。各吸気通路（６）は吸気弁（７）を有しており、吸気通路（６）の端部領域内では、燃焼室（５）の外方に、ガス吹込みノズル（１３）が配置されている。このガス吹込みノズル（１３）によってコヒーレントなガス噴流（１５）が形成される。このガス噴流（１５）は、高い速度でシリンダ（２）の燃焼室（５）内に直接吹き込まれる。ガス噴流（１５）は間欠的に吹き込まれて、吸気弁（７）の開放運動に対応する。ガス状燃料から成るガス噴流（１５）と空気との混合は、燃焼室（５）において初めて行われ、該燃焼室（５）において、ガス噴流（１５）の高い運動エネルギによって、強力な乱流と、燃料と空気との良好な混合とが達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 弁制御される内燃機関の各シリンダの 燃焼室内に乱流状の燃料・空気混合物 を形成するための方法および装置 本発明は、請求項１の上位概念に記載の、弁制御される内燃機関の各シリンダ の燃焼室内に乱流状の燃料・空気混合物を形成するための方法と、該方法を実施 するための装置であって、請求項７の上位概念に記載の形式のものとに関する。 ガス状燃料による内燃機関の運転には、燃料・空気混合物を形成し、かつ、内 燃機関のシリンダ内の燃焼室にこの混合物を供給するのに適した装置および混合 法が必要である。このガス状の燃料は大抵の場合、燃焼室手前の吸気通路の領域 内で空気と混合され、次いで吸入行程時に内燃機関の燃焼室内に流入する。ヨー ロッパ特許第３０９０４４号明細書に基づき公知のこの種の混合・制御装置は、 エンジン空気の吸入導管内に配置されている。この場合には空気とガス状燃料と がいわゆるベンチュリノズル内で混合され、次いでこの燃料・空気混合物が公知 の形式で内燃機関に流入する。この公知の装置から明らかなように、この混合比 の制御は比較的大きな手間がかかって困難であり、にもかかわらず空気とガス状 燃料との完全かつ均一な混 合が行われることが保証される訳ではない。このため、内燃機関の燃焼室におけ る混合物の燃焼が不均一に行われ、これにより、エネルギを最適に利用すること ができず、不都合な有害物質が発生する。従って、燃焼室におけるガス・空気混 合物の有利な燃焼を保証するためには、混合物を、完全な混合と迅速な燃焼とを もたらすと云われている乱流状の流れにすることを目的とする付加的な手段が必 要である。公知のように付加的な乱流は、混合物の流れが吸気通路の端部におい て弁とシリンダヘッドの弁座との間に形成された環状ギャップを通って流れるこ とによって発生し、これにより円錐状の混合噴流が形成される。吸気通路を適当 な形状にするかまたは吸気弁の手前に組込み部材を設けることによってシリンダ 内に流入する混合物流に旋回を与えることにより公知の形式で乱流をさらに強化 することができる。さらに最近のエンジンのシリンダ内では、ピストンが上死点 に近づいた時にピストンとシリンダヘッドとの間に狭小ギャップが形成されて、 混合物がこの狭小ギャップから中央の燃焼凹部内に圧縮されることによって、い わゆるスキッシュ流(Quetschstroemung)が形成される。このことも乱流を付加的 に強化する。しかし燃焼室内で乱流を強化するためのこれら全ての公知の手段は 、乱流の強度がエンジン回転数に対してほぼ比例的に変化するという欠点を有し ている。このことは、空気、ガスおよび混合物の流れ の速度がエンジン回転数の変化に伴って同じように変化することを意味している 。従って回転数が低い場合には乱流が弱くなり、それに対応して燃焼作用も悪化 する。このことは、燃料として天然ガスを使用する場合および／または希薄な混 合物を使用する場合に特に顕著である。これに対して回転数が高い場合には流れ 速度もそれに応じて高いので、混合物の点火および着火が困難になる。さらに、 回転数が高い場合もしくは流れ速度が高い場合には、吸気弁を通る強力な旋回流 は、付加的に高い圧力損失をもたらす。このことは、シリンダの充填機能ひいて は出力を低下させる。これらの欠点を補償するために、公知の構造形式のガス状 燃料を用いる内燃機関の場合には、大抵の場合妥協してしまうか、またはこれら の欠点を補償するための複雑で大きな手間のかかる付加的な手段を採用せざるを 得ない。 本発明の課題は、ガス状燃料、例えば天然ガスまたは液化石油ガスを用いる内 燃機関の場合に、燃焼室内に混合物の強力な乱流を生ぜしめるような装置と方法 とを提供することである。その場合乱流の強度は、エンジン回転数には無関係に 可能な限り一定であるのが望ましい。しかも簡単な手段が使用されることが望ま しい。さらにガス状燃料の供給が、混合物形成ならびにエンジン機能の良好かつ 簡単な制御・調整を可能にすることが望ましい。さらにはガス状燃料の使用が、 既存のエンジンにできる限り変更を加えずに可能になること、さらに、ガス状燃 料の供給のために必要なエレメントが、例えば熱や圧力による過度の負荷から保 護されて、相応に長い寿命を有していることが望ましい。 この課題は本発明に基づき請求項１に記載の特徴を備えた方法と、請求項７に 記載の特徴を備えた装置とによって、解決される。本発明の別の有利な手段が上 記以外の請求項に述べられている。 本発明の手段の利点は、ガス状燃料および空気が、内燃機関の各シリンダの燃 焼室内において吸気弁後方で初めて混合されることである。ガス状燃料の導入は 、吸気通路の領域内、つまりエンジンの高温燃焼室の外方の領域内に配置された 、弁制御されるガスノズルを介して行われる。従ってガスノズルの熱負荷を許容 可能な限界内に維持することができ、相応に長い寿命を期待することができる。 適当に形成されたガス吹込みノズル内でガス噴流を高い速度で発生させるのには 、ガス状燃料が通常の場合に貯えられるような圧力の高さで充分である。ガスは 液状ガソリンと比較して極めて小さな密度と極めて小さな圧縮性とを有している ので、ガス状燃料が最も狭い横断面に噴射されるときには音速に達する。この速 度はラバル(Laval)ノズルとして形成された流出通路内でさらに上昇させること ができる。これにより例えば５〜１０ｂａｒという通 常の小さなガス圧力において既に、２５０〜６００ｍ／ｓの流速を有するコヒー レントなガス噴流が形成される。この場合コヒーレントなガス噴流とは、殆ど分 散しない、ひいては同一のままの横断面を有しているガス噴流のことである。こ のようなガス噴流の運動エネルギは、同一圧力の場合のガソリン噴流の運動エネ ルギに比べて数倍も大きい。ガスにおける燃料噴流の運動エネルギは、高い回転 数の場合に吸気弁を貫流する全空気流の運動エネルギにほぼ等しいオーダの大き さに達する。ガス噴流のこのような高い運動エネルギは、本発明によれば、燃焼 室内に可能な限り強力な乱流を生ぜしめるのに利用される。このために、コヒー レントなガス噴流が、開放された吸気弁の環状ギャップを通って直接的に燃焼室 内に吹き込まれる。この場所では、ガス状燃料から成る噴流が、自由になった運 動エネルギの結果として、流入させられた空気と強力に混合されて旋回させられ る。 この場合ガス噴流は間欠的もしくはパルス状に吹き込まれる。ガス状燃料の各 吹込みパルスの時点は、吸気弁における環状ギャップの開放に関連している。従 ってガス吹込みノズルは、公知の形式で電磁的にまたは別の形式で作動可能な弁 を備えていると有利である。エンジンによって必要とされる燃料量は、ガス噴流 パルスの時間の変化によって制御可能であると有利である。このため、ガソリン 噴射の場合に使用されるの と同じ制御方法を使用することができる。ガス噴流の軸線の方向が燃焼室の中心 軸線に対して適当に選択され、かつガス噴流が燃焼室の長手方向軸線に対し傾斜 してかつ／または偏心的に吹き込まれると、別の利点が得られる。このことは、 燃焼室における付加的な旋回流の発生を可能にする、これにより乱流がさらに強 化される。また、吹き込まれたガス噴流の速度がエンジンの回転数とは無関係で あり、従ってエンジンの回転数が低い場合でも燃焼室内に強力な乱流が可能とな ることによって、付加的な利点が得られる。これにより、乱流形成のための補完 的な手段を部分的にまたは全部省くことができ、ひいてはガス状燃料を吹き込む ための構造、配置形式および方法を簡素化することができる。必要な場合には、 吸気弁の開放時間に対してガスパルスを時間的にずらすことによって、ガス状燃 料量の一部だけを直接的にシリンダの燃焼室内に吹き込むこともできる。ガスパ ルスが予めずらされると、燃料の一部を吸気通路内に予めストックすることがで き、次いで吸気弁の開放されると直ちに、この燃料は空気と一緒にシリンダ内に 達する。このような運転は、回転数が高くて負荷が大きい場合に有利である。そ れというのは、回転数が高い場合には流入する空気の乱流がより強力であるから である。特に高い出力要求に対しては、２つ以上のガス吹込みノズルを配置する ことができる。この場合、燃焼室へのガス噴流の吹込 みを１つまたは複数の吸気弁を通して行うことができる。この装置によって、エ ンジンの種々異なる出力要求および運転要求に付加的に適合させることが可能に なる。いずれの場合にもガス吹込みノズルがエンジンの燃焼室の外部に配置され ており、かつ前置された燃料混合装置との組合せも可能であると、特に有利であ る。このような前置された燃料混合装置は公知の形式で構成することができる。 図面の簡単な説明 次に本発明を、添付の図面を参照しながら実施例に基づいて詳しく説明する。 第１図は、内燃機関のシリンダの吸気領域の概略的な区分図である。 第２図は、２つの吹込みノズルを備えた吸気通路の概略的な横断面図である。 第１図に示された内燃機関１の区分図には、吸気弁７およびシリンダ２の上方 端部の領域内の部分断面だけが示されている。シリンダ２内にはピストンシール 部材２０を備えたピストン３が配置されている。このシリンダ２の上方領域には 長手方向軸線１９を備えた燃焼室５が位置しており、この長手方向軸線１９は同 時に、ピストン３の長手方向軸線でもある。シリンダ２にはシリンダヘッド４が 配置されている。このシリンダヘッド４には、公知の形式で矢印１０の方向に空 気を供給するための吸気通路６と、図示されていない 排気通路とが形成されている。シリンダ２と、ピストン３と、シリンダヘッド４ と、付属の吸気通路および排気通路と、弁とが公知の形式で構成されている。つ まり内燃機関１全体が通常の形式で配置されている。さらに複数のシリンダ２が 存在しており、各シリンダ２毎には複数の吸気通路６および吸気弁７、ならびに 複数の排気通路および排気弁が設けられていてもよい。吸気弁７は開放された状 態で図示されており、弁皿９とシリンダヘッド４の弁座１２との間には、環状ギ ャップ８が形成されている。矢印２１の方向における吸気弁７の運動は、公知の 形式でピストン運動もしくは燃焼室５内の燃焼過程に関連して制御されている。 吸気通路６の端部における弁座１２の手前には、吸気通路６にガス吹込みノズル １３が配置されている。このガス吹込みノズル１３は、ガス状燃料、例えば天然 ガスまたは液化石油ガスのための燃料供給導管１１を有していて、ガス流の解放 および遮断のため電磁弁１８を備えている。ガス吹込みノズル１３の前方端部に は流出通路１４が配置されている。この流出通路１４は吸気通路６内に向いてい る。この流出通路１４からガス噴流１５が吸気通路６内に流出する。ガス噴流１ ５の流れ軸線１６は、開放された吸気弁７の環状ギャップ８を通って延びていて 、燃焼室５内に直接向けられている。ガス吹込みノズル１３からのガス噴流１５ の流出速度を高めるために、流出通路１４の端部領域 １７が、ラバルノズルとして形成されていて、それ自体は公知の形式で、供給し ようとするガスの圧力に合わせられている。ガス噴流１５は、約２５０〜６００ ｍ／ｓの速度で流出通路１４の端部領域１７から流出し、かつコヒーレントな構 造を有している。この場合コヒーレントな構造とは、燃焼室５内に吹き込まれる ときにガス噴流１５が流れ軸線１６に沿った流路において著しく横断面拡大され ることがなく、かつ特に吸気通路６の領域内において、吸気通路６を通って流れ る空気と可能な限り僅かしか混合されないような構造のことである。ガス噴流１ ５のコヒーレントな形状により、このガス噴流１５は環状ギャップを所望の位置 で貫流し、弁皿９または弁座１２の壁領域との接触による不都合な制動が生じな いことが保証される。 流出通路１４から流出するガス噴流１５が２５０〜６００ｍ／ｓという高い速 度を有しているので、このガス流は極めて大きな運動エネルギを有している。ガ ス噴流１５のコヒーレントな形状によって、このような大きな運動エネルギは、 ガス噴流１５が燃焼室５内に流入するまで維持される。燃焼室５内でガス噴流１ ５は、壁における跳ね返りによって扇形に広がって分散し、かつガス噴流１５に 含まれている大きな運動エネルギが強力な乱流を生ぜしめ、ひいてはガス噴流１ ５から成るガス燃料と空気との極めて良好な混合が燃焼室５内で行われるように なる。この強力な乱流はガ ス噴流１５によってだけではなく、環状ギャップ８を介して燃焼室５内に流入す る空気によっても得られる。それというのは、この空気は燃焼室５内に円錐状に 流入し、やはり高い流速を有しているからである。吸気通路６から燃焼室５内に 流入する空気の流速は、エンジンの回転数もしくはピストン３の行程速度に関連 している。しかしながらガス噴流１５の流れ速度はエンジンの回転数とは無関係 である。従って、強力な乱流、およびガス状燃料と空気との良好な混合は、本発 明に基づきこのような形式で燃焼室５内にガス状燃料を吹き込むと、内燃機関１ の全回転数範囲にわたって保証される。つまり強力な乱流および良好な混合が低 い回転数の場合にも保証され続ける。 第２図には、簡略化された概略図で１つのシリンダ２における吸気通路６の吸 気領域の平面図が示されている。この装置は第１図の場合と同じように構成され ているが、しかしここでは２つのガス吹込みノズル１３；１３′が配置されてい る。このような配置形式は、必要なガス状燃料を２つのノズルに分配したい場合 に有利である。この場合には内燃機関１の運転状態に関連して両ノズルの一方を 開閉切り換えすることも可能である。さらに第２図から明らかなように、ガス噴 流１５の流れ軸線１６；１６′の配向によってシリンダ２の燃焼室５における流 れに影響を与えることができる。ガス吹込みノズル１３の流れ軸線１６は吸気弁 ７の環状ギャップ８を通って延び、かつ燃焼室５内に進入した後には燃焼室５の 長手方向軸線１９を通って延びている。これとは異なってガス吹込みノズル１３ ′の流れ軸線１６′は、吸気弁７の環状ギャップ８を貫通後、燃焼室５の長手方 向軸線１９に対して偏心的に燃焼室５内に導入される。長手方向軸線１９に対す る流れ軸線１６；１６′の配向は、広範囲にわたって変えることも可能であり、 かつ所定の形式のピストン３もしくは燃焼室５の固有の構造に適合させることも できる。さらに、流出通路１４もしくはこの流出通路１４の長手方向軸線をガス 吹込みノズル１３の長手方向軸線に対して傾斜させることも可能である。これに より簡単に、既存の孔をノズルの組み付けのために利用することができる。この 調整は流出通路１４の配向を介して行われる。ガス吹込みノズル１３の配置によ って、燃焼室５内における流れ過程および燃焼過程が妨げられるようなことは全 くない。それというのは、ガス吹込みノズル１３が燃焼室５外部の吸気通路６内 に配置されているからである。従ってガス吹込みノズル１３は、燃焼熱および高 い圧力による過度な負荷および損傷からも保護されており、これにより高い運転 確実性と長い寿命とが得られる。 燃焼室５における乱流状の燃料・空気混合物の形成は、本発明の方法によれば シリンダ２の燃焼室５内で初めて行われる。ガス状燃料は、燃料供給導管１１を 介してガス吹込みノズル１３に、選択された燃料に合った例えば５〜１０ｂａｒ の圧力下で供給される。ピストン３の吸入行程時に吸気弁７が開くと環状ギャッ プ８が解放され、かつ吸気通路６から空気供給部１０を介して空気が燃焼室５内 に流入する。適当な時機にガス吹込みノズル１３に設けられた電磁弁１８が燃料 供給導管１１からのガス状燃料の供給を自由にし、ガス吹込みノズル１３の流出 通路１４内にコヒーレントなガス噴流１５が形成される。このガス噴流１５は今 や事実上、供給される空気と混合することなしに、吸気通路６の端部領域を通る ように吹き付けられ、開いた吸気弁７の環状ギャップ８を通って燃焼室５内に吹 き込まれる。この位置において初めて、ガス噴流１５中に含有されたガス状燃料 が空気と混合される。ガス噴流１５の高い運動エネルギが空気の流入速度と相俟 って、強力な混合および乱流のために役立つ。これにより最適な混合物形成が保 証される。吸気弁７もしくは弁制御装置またはエンジン制御装置の運動に関連し て、ガス吹込みノズル１３の電磁弁１８が規定された時間後にガス流を遮断する ので、吸気弁７の運動に対して同期的に、間欠的なまたはパルス状のガス噴流１ ５が形成される。混合・燃焼過程が必要とする場合には、吸気弁７が環状ギャッ プ８を開放する前に、ガス噴流１５の吹き込みをスタートさせることもできる。 このような場合には吸気通路６内で空気とガス状燃料 との予混合が行われる。この予混合は内燃機関の所定の運転状態にとって有利で ある。またガス噴流１５を吸気弁７の閉鎖後に初めて遮断して、ガス状燃料の供 給の制御もしくはこのガス状燃料と供給された空気との混合の制御を広範囲にわ たって行うことも可能である。本発明による方法およびこれに対応する装置はこ のことを可能にする。それというのは、形成されたガス噴流１５が、吸気通路６ の端部領域を通って、しかも燃焼室５内に直接的に吹き込まれるからである。 吸気通路６毎に１つのガス吹込みノズル１３を配置する場合にも、複数のノズ ル１３，１３′を配置する場合にも、各ガス吹込みノズル１３は複数の、例えば ２つの流出通路１４を有していてよい。これらの両流出通路１４の流れ軸線１６ が異なる方向に配向されると、燃焼室５内の乱流を付加的に高め、混合をさらに 改善することができる。しかもこのようにして、燃焼室５内の燃焼過程に対して 付加的に影響を増大させることもできる。本発明の方法および対応する装置は、 吸気通路６において、ガス吹込みノズル１３に、空気に燃料を混合するための別 の装置を前置することも可能にする。このことは、内燃機関１を異なった燃料で 運転したい場合に有利である。混合物を形成するための本発明の方法および装置 は、燃焼室５の領域内に組付け部材が必要とならないので、付加燃料または別の 燃料による運転が容易に可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス状燃料が空気と混合されて燃焼室（５）内で燃焼されるような、弁制御 される内燃機関（１）の各シリンダ（２）の燃焼室（５）内に乱流状の燃料・空 気混合物を形成する方法において、 ガス状燃料をノズル（１３）に供給し、このノズル（１３）においてガス状 燃料から、高速度で燃焼室（５）の方向に流れるコヒーレントなガス噴流（１５ ）を形成し、このガス噴流（１５）を空気と殆ど混合させることなく吸気通路（ ６）を通して吹き込み、次いでガス噴流（１５）を、開いた弁（７）の環状ギャ ップ（８）を通して案内して燃焼室（５）内に直接的に吹き込み、コヒーレント なガス噴流（１５）の運動エネルギによって燃焼室（５）内に高い乱流を発生さ せ、ガス噴流（１５）中に含まれるガス状燃料を燃焼室（５）内で空気と混合さ せることを特徴とする、弁制御される内燃機関の各シリンダの燃焼室内に乱流状 の燃料・空気混合物を形成する方法。 ２．ガス噴流（１５）を間欠的に、かつ吸気弁（７）の開放時間に機能上関連さ せて吹き込む、請求項１記載の方法。 ３．ガス噴流（１５）を少なくとも２５０ｍ／ｓの速度で吸気通路（６）内に吹 き込む、請求項１または ２記載の方法。 ４．ガス噴流（１５）を燃焼室（５）の長手方向軸線（１９）に対して傾斜させ てかつ／または偏心させて燃焼室（５）内に吹き込み、燃焼室（５）内に旋回流 を発生させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。 ５．燃焼室（５）における各燃焼サイクルまたは各作業過程のために必要とされ るガス状燃料量を、複数のガス噴流（１５）に分配する、請求項１から４までの いずれか１項記載の方法。 ６．吸気弁（７）の開放時間に対して吸気通路（６）内への燃料の前吹込みおよ び／または後吹込みが生じるように、間欠的なガス噴流（１５）の各パルスの流 れ時間を時間的に制御する、請求項２記載の方法。 ７．ガス状燃料の内燃のための内燃機関（１）において請求項１に記載の方法を 実施するための装置であって、各１つの燃焼室（５）を備えたシリンダ・ピスト ンユニット（２，３）と、吸気弁（７）および排気弁と、吸気通路（６）および 排気通路と、空気および燃料の供給装置（１０，１１）とが設けられている形式 のものにおいて、 各シリンダ（２）の少なくとも１つの吸気通路（６）の領域内で、吸気弁（ ７）の弁座（１２）の手前に、ガス状燃料のための吹込みノズル（１３）が 配置されており、該吹込みノズル（１３）が、吸気通路（６）内に向けられた、 ガス噴流（１５）のための流出通路（１４）を有しており、該流出通路（１４） から流出したガス噴流（１５）の流れ軸線（１６）が、開かれた弁（７）の環状 ギャップ（８）を通って延びていて、燃焼室（５）内に直接的に向けられている ことを特徴とする、弁制御される内燃機関の各シリンダの燃焼室内に乱流状の燃 料・空気混合物を形成する装置。 ８．ガス吹込みノズル（１３）の流出通路（１４）がガス状燃料のための加速通 路であり、流出通路（１４）の端部領域（１７）がラバルノズルとして形成され ている、請求項７記載の装置。 ９．ガス吹込みノズル（１３）がガス噴流（１５）を遮断するための電磁弁（１ ８）を備えており、該電磁弁（１８）が制御装置を介して弁制御装置に接続され ている、請求項７または８記載の装置。 10．ガス吹込みノズル（１３）から流出するガス噴流（１５）がコンパクトでコ ヒーレントである、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。 11．吸気通路（６）毎に複数のガス吹込みノズル（１３）が配置されており、か つ／または、各ガス吹込みノズル（１３）がガス噴流（１５）のための複数の流 出通路（１４）を有している、請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置 。 12．ガス吹込みノズル（１３）には、吸気通路（６）内に、燃料を空気に混合す るための別の装置が前置されている、請求項７から１１までのいずれか１項記載 の装置。 13．ガス吹込みノズル（１３）の流出通路（１４）の長手方向軸線が、該ガス吹 込みノズル（１３）の長手方向軸線に対して傾斜している、請求項７から１２ま でのいずれか１項記載の装置。