JP4336582B2 - 直接噴射式火花点火内燃機関のために給気成層を用いる燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前提部に従い、直接噴射式火花点火内燃機関のために給気成層を用いる燃焼方法に関し、この燃焼方法では層状給気稼動（成層燃焼稼動）にて給気エアが、流れ最適化されていてバルブ制御される２つの吸気通路のうちの１つを介し、シリンダヘッド側で屋根状（ルーフ状）であり吸気バルブと少なくとも１つの排気バルブとを含んでいる境界部と、吸気側に配向されている凹部を備え且つ屋根状の前記境界部に適合されているピストンヘッドを備えたピストンとを有している内燃機関のシリンダ内へ、主たる渦流を形成するために導入され、この際、燃料は噴射ノズルから渦流内に取り入れられる。

冒頭に掲げた形式の燃焼方法は特許文献１から知られている。この燃焼方法では層状給気稼動にて給気エアが、充填通路として用いられる吸気通路を介し、上死点の方向へのピストンのストローク運動により実質的にピストン凹部内に集中されている渦流を生成するためにシリンダ内に導入される。上方から見て円形に構成されたこのピストン凹部は、横断面では桶状に構成されていて、いっそう深まった円形状部分を有し、この円形状部分から、桶状凹部は、吸気側或いは噴射ノズル側へは比較的平坦な上り勾配で高まり、それに対し、比較的中央に配設されている点火装置の方へは比較的急な上り勾配で形成されている。この構成により、渦流内の、深まった部分の方向に取り入れられている燃料を、比較的急な上り勾配の桶状凹部境界部を介し、濃厚な燃料雲として点火装置に供給するという目的が追求される。

この周知の燃焼方法において層状給気稼動で不利な結果としてＨＣ形成及び煤形成を強めてしまうピストン凹部内の燃料の壁部付着を回避するためには、正確な燃料噴流制御が必要である。

独国特許出願公開第19918036号明細書

本発明の基礎を成す課題は、層状給気稼動時に、点火可能な濃厚な燃料・空気・混合気雲を形成する主要な装置としての深いピストン凹部が回避されているように、冒頭に掲げた形式の燃焼方法を更に構成することである。

前記の課題は、特許請求項１に従い、次のことにより解決される。即ち、充填通路として用いられる一方の吸気通路が少なくとも層状給気稼動時に実質的に絞られずに稼動されること、及び、この吸気通路が、機械高・中央面に対して相対的に少なくとも２０°の急勾配でシリンダヘッド内に配設されていることにより、少なくともピストン上死点前６０°〜３０°の噴射終了以降、実質的にシリンダ軸線の方向に指向されている管状の渦中心部を有する渦流をピストン凹部の領域内に生成し、その渦中心部が、吸気側で実質的に開いて構成されているピストン凹部内にて、排気側で点火装置の中央軸線から最大で０.２Ｄ（Ｄ：シリンダの直径：６０〜１００ｍｍ）に至るまで離間されて配設されていて０.１５Ｄに至るまでの高さのピストン凹部・縁形成部を用い、次のように位置固定されること、即ち、実質的に渦流の渦中心部内の緻密（コンパクト）で点火可能な混合気雲が、各々の噴射終了後、０〜３５°の点火に至るまでピストンが上死点後更に移行する間、点火装置の領域内に維持されるようにである。

試行結果が裏付けているように、大きな給気充填を伴うシリンダ内では管状（ホース状）の渦中心部を有する渦流が形成され、その渦中心部は、本発明に従い、比較的平坦なピストン凹部の比較的低い凹部縁形成部を用い、上死点前ほぼ８０°のピストン位置のストローク領域以降、シリンダ軸線の領域内に配設されている点火装置に対して有利にも位置固定され得る。本発明に従い、この渦中心部内には、燃料が、そのパルスとして負荷依存式で制御可能な燃料噴流を用い、この燃料噴流が渦中心部を排気側の方向に僅かしか押しやらないように取り入れられる。従って本発明により、点火装置の領域内に緻密で点火可能な混合気雲が達成され、この際、ピストン凹部に対する壁部付着の危険は減少されている。

本発明に従う燃焼方法の有利な構成では、燃料が、吸気通路の下方に配設されている噴射ノズルから、シリンダ軸線に対して直角を０°として０°と３０°との間でピストン側にて下方に傾けられている噴流軸線を用い、シリンダ軸線の領域内に設けられている点火装置の方向へ、負荷依存式で制御可能なパルスを用いて次のように放出される、即ち、噴出円錐体の主要部分が渦中心部内に取り入れられているようにである。

本発明に従う燃焼方法を実施するためには、４０°〜５５°或いは６０°〜８０°の各々の噴流円錐角を有する多孔ノズル又は渦噴射器、又は、同じような噴流円錐角を有するスロットルピントルノズルも選択され得る。

これらの値は、前述の噴射ノズルの位置と関連し、点火装置に対する燃料円錐体の一部分が渦円錐体として発生し且つそれにより燃焼の確実な開始が保証されているという長所を有する。

前記の噴射ノズルを使用し、本燃焼方法は次のようにも構成され得る。即ち、燃料が、点火装置にシリンダヘッド側で隣接して配設されている噴射ノズルから、負荷依存式で制御可能なパルスを用いて次のように放出される、即ち、主要な燃料部分を渦流の渦中心部内に取り入れる噴出円錐体が、上死点の方へ移行するピストンのピストン凹部に対して所定の間隔をもって終端するようにである。

本燃焼方法を実施するための更なる構成は、更なる下位請求項に記載されている。

次に、図面に概要として描かれている内燃機関の燃焼室・シリンダに基づいて本発明を説明する。

直接噴射式火花点火内燃機関１のために給気成層を用いる燃料方法において、層状給気稼動（成層燃焼稼動）では、給気エア（チャージエア）が、流れ最適化されていてバルブ制御される２つの吸気通路２、２’のうちの１つを介し、シリンダヘッド側で屋根状（ルーフ状）であり吸気バルブ４と少なくとも１つの排気バルブ５とを含んでいる境界部６と、吸気側に配向されている凹部９を備え且つ屋根状の前記境界部６に適合されているピストンヘッド８を備えたピストン７とを有している内燃機関１のシリンダ３内へ、主たる渦流１０を形成するために導入される。燃料は噴射ノズル１１を用いて渦流１０内に取り入れられる。

層状給気稼動時、不利な壁部付着を防止することを目的とし、点火可能な濃厚な燃料・空気・混合気雲を形成する主要な装置としてのピストン凹部９を回避するために、本発明に従って燃焼方法のために次のことが提案される。即ち、充填通路として用いられる一方の吸気通路２が少なくとも層状給気稼動時に実質的に絞られずに稼動されること、及び、この吸気通路２が、機械高・中央面１２に対して相対的に少なくとも２０°の急勾配でシリンダヘッド１３内に配設されていることにより、少なくともピストン上死点前６０°〜３０°の噴射終了以降、実質的にシリンダ軸線１４の方向に指向されている管状（ホース状）の渦中心部１５を有する渦流１０をピストン凹部９の領域内に生成することである。この渦中心部１５は、吸気側で実質的に開いて構成されているピストン凹部９内にて、排気側で点火装置１６の中央軸線１４’から最大で０.２Ｄ（Ｄ：シリンダ３の直径：６０〜１００ｍｍ）に至るまで離間されて配設されていて０.１５Ｄに至るまでの高さのピストン凹部縁形成部１７を用い、次のように位置固定される。即ち、実質的に渦流１０の渦中心部１５内に形成される点火可能な混合気雲が、各々の噴射終了後、０〜３５°の点火に至るまでピストンが上死点後更に移行する間、点火装置１６の領域内に維持されるようにである。従って層状給気稼動において、ＨＣ形成及び煤形成に関して不利な壁部付着が有利に回避される。

本発明に従う燃焼方法の第１バリエーションにおいて、燃料は、吸気通路２、２’の下方に配設されている噴射ノズル１１から、シリンダ軸線１４に対して直角を０°として０°と３０°との間でピストン側にて下方に傾けられている噴流軸線１８を用い、シリンダ軸線１４の領域内に設けられている点火装置１６の方向へ、負荷依存式で制御可能なパルスを用いて次のように放出される、即ち、噴出円錐体１９の主要部分が渦中心部１５内に取り入れられているようにである。本発明に従って選択されている噴射ノズル１１の位置を用い、追加的に、燃料の壁部付着を更に減少させるための措置が施されている。

噴射のノズル１１としては、４０°〜５０°の噴出円錐体１９の噴流円錐角を有する多孔ノズル、又は、６０°〜８０°の噴出円錐体１９の噴流円錐角を有する渦噴射器、又は、スロットルピントルノズルも選択され得る。

ピストン凹部９内に捕らえられる渦流１０の渦中心部１５をピストン７が上死点ポジションに接近する場合に点火装置１６の領域内に位置付けて維持するために、ピストン凹部９の縁形成部１７は、図２に従う俯瞰図で見て、弓形状に形成されていて、この縁形成部１７には、他の凹部境界部２０がピストン縁部２１の方向にほぼ平行な間隔をおいて接続していて、この際、ピストン縁部２１に向かって開いているピストン凹部９は、少なくとも部分的にピストン縁部２１へと上り勾配で形成されている凹部底部２２を有し、この凹部底部２２は、５〜２０ｍｍの半径を有する適合された丸み部を介し、凹部境界部２０及び弓形状の縁形成部１７と接続状態にある。ピストン縁部２１へと弱い上り勾配で形成されている凹部底部２２を有する、吸気側で開いているピストン凹部９の構成は、噴射時の燃料の壁部付着を回避するための他の措置である。

図１に基づき示されて説明された噴射ノズル１１の配置構成の他に、本発明に従う燃焼方法の他のバリエーションでは次のことが可能である。即ち、燃料が、点火装置１６にシリンダヘッド側で隣接して配設されている噴射ノズルから、主要な燃料部分を渦流１０の渦中心部１５内に取り入れる噴出円錐体が上死点の方へ移行するピストン７のピストン凹部９に対して所定の間隔をもって終端するように、負荷依存式で制御可能なパルスを用いて放出されることである。

この際、噴射ノズル１１の各々は、各々の点火装置１６が噴出円錐体１９により命中されるように配設されている。

本発明に従う燃焼方法を実施するための、前述の両方の噴射ノズル・配置構成にとって有利である内燃機関の構成は、流れ最適化されている吸気通路２、２’の各々が充填通路として形成されていることを意図し、この際、第２の充填通路は、部分負荷領域内にて、通路横断面を被制御式で閉鎖する機構、例えばフラップ又はバルブ遮断装置を用いて遮断可能である。

これらの吸気通路２、２’は、吸気バルブ４に至るまで互いに別々の充填通路として構成され得る。別の周知の措置は、２つの吸気バルブ４のために共通の吸気通路が、対応する横断面により吸気バルブ４の上流側で分岐されて形成されているということにあり、この際、前記吸気通路の分岐部には遮断可能な及び／又はリフトに関して減少可能な吸気バルブが付設されている。

遅くても上死点の方向へのピストン７の半ストローク行程以降に凹部９内に渦中心部１５を本発明に従って固定することにより、燃料が、層状給気稼動にて点火可能な混合気雲を達成するために、比較的遅い時点の噴射終了時に渦中心部１５内に取り入れられ、点火装置１６による点火に至るまで実質的にこの渦中心部１５内に維持され得て、この際、力強い渦中心部１５を有する安定した渦流１０の他に、部分負荷における層状給気稼動にて絞られずに十分に導入される給気エアを用い、他方では壁部付着されている燃料が、引き起こされた燃焼に取り込まれ、従ってＨＣ及び煤の放出が最小化されている。

ピストンを備えた燃焼室・シリンダの概要図を示す図である。 凹部と共にピストンを俯瞰図として示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２、２’ 吸気通路
３ シリンダ
４ 吸気バルブ
５ 排気バルブ
６ 境界部
７ ピストン
８ ピストンヘッド
９ ピストン凹部
１０ 渦流
１１ 噴射ノズル
１２ 機械高・中央面
１３ ピストンヘッド
１４ シリンダ軸線
１４’ 点火装置の中央軸線
１５ 渦中心部
１６ 点火装置
１７ ピストン凹部の縁形成部
１８ 噴流軸線
１９ 噴出円錐体
２０ 凹部境界部
２１ ピストン縁部
２２ 凹部底部

Claims (7)

1. 直接噴射式火花点火内燃機関のために給気成層を用いる燃焼方法であって、
   −当該燃焼方法では層状給気稼動にて給気エアが、流れ最適化されていてバルブ制御される２つの吸気通路（２、２’）のうちの１つを介し、シリンダヘッド側で屋根状であり吸気バルブ（４）と少なくとも１つの排気バルブ（５）とを含んでいる境界部（６）と、吸気側に配向されている凹部（９）を備え且つ屋根状の前記境界部（６）に適合されているピストンヘッド（８）を備えたピストン（７）とを有している内燃機関（１）のシリンダ（３）内へ、主たる渦流（１０）を形成するために導入され、更には、
   −燃料が噴射ノズル（１１）から渦流（１０）内に取り入れられ、その際
   −燃料が、吸気通路（２、２’）の下方に配設されている噴射ノズル（１１）から、シリンダ軸線（１４）に対して直角を０°として０°と３０°との間でピストン側にて下方に傾けられている噴流軸線（１８）を用い、シリンダ軸線（１４）の領域内に設けられている点火装置（１６）の方向へ放出され、その場合
   −充填通路として用いられる一方の吸気通路（２）が少なくとも層状給気稼動時に実質的に絞られずに稼動される
   前記方法において、
   −充填通路として用いられる吸気通路（２）が、機械高・中央面（１２）に対して相対的に少なくとも２０°の急勾配でシリンダヘッド（１３）内に配設されていることにより、少なくともピストン上死点前６０°〜３０°の噴射終了以降、実質的にシリンダ軸線（１４）の方向に指向されている管状の渦中心部（１５）を有する渦流（１５）をピストン凹部（９）の領域内に生成し、
   −その渦中心部（１５）が、吸気側で実質的に開いて構成されているピストン凹部（９）内にて、排気側で点火装置（１６）の中央軸線（１４’）から最大で０.２Ｄ（Ｄ：シリンダ（３）の直径：６０〜１００ｍｍ）に至るまで離間されて配設されていて０.１５Ｄに至るまでの高さのピストン凹部・縁形成部（１７）を用い、次のように位置固定されること、
   −即ち、実質的に渦流（１０）の渦中心部（１５）内に形成された点火可能な混合気雲が、各々の噴射終了後、０〜３５°の点火に至るまでピストン（７）が上死点後更に移行する間、点火装置（１６）の領域内に維持されるようにであり、その際
   −噴射ノズル（１１）が負荷依存式で制御可能なパルスを用いて次のように制御駆動されていること、
   −即ち、噴出円錐体（１９）の主要部分が渦中心部（１５）内に取り入れられているようにであること、及び
   −主要な燃料部分を渦流（１０）の渦中心部（１５）内に取り入れる噴出円錐体（１９）が、上死点の方へ移行するピストン（７）のピストン凹部（９）に対して所定の間隔をもって終端すること
   を特徴とする燃焼方法。
2. 噴射ノズル（１１）が、４０°〜５５°の噴出円錐体（１９）の噴流円錐角を有する多孔ノズルであることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼方法を実施するための内燃機関。
3. 噴射ノズル（１１）が、６０°〜８０°の噴出円錐体（１９）の噴流円錐角を有する渦噴射器であることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼方法を実施するための内燃機関。
4. −ピストン凹部（９）の縁形成部（１７）が、上方から見て、弓形状に形成されていて、
   −この縁形成部（１７）には、他の凹部境界部（２０）がピストン縁部（２１）の方向にほぼ平行な間隔をおいて接続していて、更には、
   −ピストン縁部（２１）に向かって開いているピストン凹部（９）が、少なくとも部分的にピストン縁部（２１）へと上り勾配で形成されている凹部底部（２２）を有し、
   −この凹部底部（２２）が、５〜２０ｍｍの半径を有する適合された丸み部を介し、凹部境界部（２０）及び弓形状の縁形成部（１７）と接続状態にあること
   を特徴とする、請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. −流れ最適化されている吸気通路（２、２’）の各々が充填通路として形成されていて、更には、
   −第２の充填通路が、部分負荷領域内にて、通路横断面を被制御式で閉鎖する機構（フラップ、バルブ遮断装置）を用いて遮断可能であること
   を特徴とする、請求項４に記載の内燃機関。
6. 吸気通路（２、２’）が、吸気バルブ（４）に至るまで互いに別々の充填通路として構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
7. −２つの吸気バルブ（４）のために共通の吸気通路が、対応する横断面により吸気バルブ（４）の上流側で分岐されて形成されていて、更には、
   −前記吸気通路の分岐部には遮断可能な吸気バルブが付設されていること
   を特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。

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