JP4740339B2 - 内燃機関ならびにレーザ点火装置によって内燃機関を運転するための方法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、ガソリン直接噴射のためのレーザ点火装置を備えた内燃機関ならびにこのような内燃機関を運転するための方法に関する。

ガソリン直接噴射のための内燃機関については公知先行技術において種々異なる構成が知られている。このような内燃機関は最近ますます頻繁に使用されるようになっている。なぜならば、このようなガソリン直接噴射のための内燃機関は少ない燃料消費量を有すると同時に低いエミッションを有しているからである。公知のガソリン直接噴射のための内燃機関にとって共通しているのは、これらの内燃機関が通常、中央の位置に噴射弁を有しており、そして点火プラグが、燃焼室内に噴射された燃料のスプレ縁部に位置するように配置されていることである。噴射弁からほぼコーン形（円錐形）に広がる燃料の点火はこの場合、コーンの縁部で行われる。なぜならば、コーンの縁部にしか点火性の空気・燃料混合物が存在しないからである。しかし実際には、点火プラグの火花位置の位置決めの際に、この火花位置を、点火性の燃料・空気混合物の範囲における小幅の縁ゾーンに精密に位置決めすることに問題が生じる。その原因は、一方では噴射弁、点火プラグおよびシリンダヘッドの構成部分公差にあり、他方ではサイクル毎のスプレジオメトリ（幾何学的形状）にばらつきが生じて、点火可能な縁ゾーンがある程度変化してしまうことにもある。また、点火プラグにおいては、電極範囲内の火花位置の周期的なばらつきが生じる恐れもあり、そしてスプレジオメトリは老化を原因とした堆積に基づいて、または内燃機関の特性マップに関連して変化する恐れがある。上で述べたこれらの要因は一方では減じられた効率を招き、他方では排ガス問題をも招く。

さらに、最近では、慣用の点火プラグの代わりにレーザ点火装置を使用することが提案されている。この場合、点火はやはり噴射された燃料クラウドの縁部で行われる。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、内燃機関を運転するための本発明による方法には、従来のものに比べて、常に確実な点火が保証され得るという利点がある。さらに、本発明によれば効率を向上させることができる。このことから燃料節約が得られ、排ガスエミッションが改善される。このことは本発明によれば、内燃機関の圧縮行程の際に燃料が燃焼室内に噴射されることにより達成される。燃料はこの場合、ピストン上に燃料と空気とから成る、平らで円形のパンケーキ形（fladenfoermig）の点火性の混合物範囲が形成されるように燃焼室内に噴射される。このパンケーキ形の混合物範囲はこのとき、ピストンのピストンヘッド面に載置される。本発明によれば、この場合、燃料噴射の終了と、レーザ点火装置を用いた点火の開始との間に、ピストン上でのパンケーキ形の混合物範囲の形成が可能になるまでの予め規定された時間が設けられる。この時間は、レーザ点火装置の、燃焼室内に向けられたレーザビームの点火位置が、パンケーキ形の点火性の混合物範囲の内部に位置するようになるまで設定される。これにより、点火はパンケーキ形の混合物範囲の内部でしか行われなくなる。したがって、本発明によれば、噴射された燃料クラウドの縁部における点火はもはや行われなくなり、ピストン上に位置するパンケーキ形の混合物範囲の内部で点火が行われる。噴射後には、圧縮段階の間、燃料の噴射方向とは逆方向に運動するピストン上にパンケーキ形の混合物範囲が形成されるまでの待ち時間が設けられる。燃焼室内に噴射された燃料が、燃焼室内への侵入深さが増大するにつれてますます蒸発してゆく噴流の形で噴射されると、この噴流には、特にスプレ先端の範囲において、ガス状の燃料・空気混合物から成る点火性の覆いもしくはベール（Huelle）が生ぜしめられる。このベールは、ひだ襟のように噴流中心部に巻き掛かる。このガス状のベールはこの場合、ほぼ液滴の形を有している。ピストンは、このようにして噴射された燃料とは逆向きに運動するので、ピストンは燃料・空気混合物を水平方向で四方八方へそらせ、このことは引き続き乱流による混合をもたらす。これにより、ピストンヘッドには、本発明による点火性のパンケーキ形の混合物範囲が形成される。したがって、噴射の後でかつ点火の前の時間に、本発明による混合物範囲がピストン上に形成される。パンケーキ形の混合物範囲はこの場合、非点火性のガス混合物、特に空気によって取り囲まれている。このときにピストンは引き続き上方へ向かってシリンダヘッドの方向に運動させられ、この場合、レーザの焦点が混合物範囲の内部に位置した後でしか点火は行われない。したがって、点火は混合物範囲の内部で生ぜしめられるので、確実な点火を可能にすることができる。さらに、点火位置を起点として、混合物範囲の縁部にまでの火炎ストロークは、点火ポイントが縁部に位置する場合と比べて著しく短くなるので、さらに一層迅速な燃焼が達成される。レーザ点火装置の使用により、混合物範囲におけるいかなる任意のポイントにおいても点火することができることが可能となる。コンベンショナルな点火プラグの使用時では、燃焼室内に約８ｍｍ侵入する火花位置しか可能とならない。なぜならば、さもないと、プラグ電極およびプラグセラミックスが過度に高温になってしまうからである。しかし、これとは異なり、レーザ点火装置の使用は、その一部が燃焼室内に突出することなしに燃焼室の縁部に配置され得る。さらに、レーザ点火装置は金属製のプラグ電極におけるクエンチング現象（熱導出）による点火エネルギ損失を有しない。このことから、燃焼経過において、減じられた周期的変動が得られる。なぜならば、レーザ点火装置が、敏感な火炎コア形成（Flammkernbildung）の高い再現可能性を可能にするからである。さらに、レーザ点火装置によって、希薄化された混合物にも点火することができる。混合物範囲の内部における点火はさらに、混合物範囲の一層迅速な完全燃焼を可能にし、このことは熱力学的に、一層迅速な燃焼経過（ノッキングなしの一層高い圧縮が可能となり、このことは消費量節約をもたらす）および／または一層強力に可能となる混合物希薄化（リーン化または排ガス再循環が可能となり、このことはＮＯｘ低減をもたらし、消費量利点を可能にする）において利用され得る。

請求項２以下には、本発明の有利な改良形が記載されている。

燃料の噴射は多数の個別噴流によって行われると有利である。これらの個別噴流は、有利には７〜１４個の孔数を有する多孔弁によって形成されるか、または７０゜≦α≦１１０゜の開き角αを有する、外方へ向かって開く環状ギャップ弁（Ａバルブ）によって形成される。

燃料噴射の終了と点火の開始との間の時間は、該時間が、５〜１５゜、特に５〜１０゜、特に有利には７．５゜のクランク角度ストロークに相当するように設定されていると有利である。

パンケーキ形の混合物範囲の一層迅速でかつ一層確実な形成を可能にするためには、ピストンヘッドにキャビティが設けられていて、該キャビティ内にパンケーキ形の混合物範囲が形成されると有利である。

全混合物範囲を通じてできるだけ短い火炎ストロークを有するようにするためには、パンケーキ形の混合物範囲の中心範囲の近く、またはこの中心範囲に点火されると特に有利である。

さらに、パンケーキ形の混合物範囲に、ほぼピストンの軸方向に突出した範囲を形成するために、ピストンヘッドに、突出した突起が形成されていて、この突出した突起の上パンケーキ形の混合物範囲が被さると有利である。パンケーキ形の混合物範囲の点火は、この突出した範囲を起点として行われ得ると有利である。これにより、パンケーキ形の混合物範囲の点火の開始が、まだピストンの上死点の方向における早期の運動区分で行われることを達成することができる。これにより、正確に効率最適なクランク角度範囲においてパンケーキ形の混合物範囲のできるだけ完全な燃焼が行われるようになり、次いで膨張行程が行われる。噴射弁の位置決めをできるだけシリンダヘッドの中央で実現するために、前記突出した突起が、ピストンヘッドに設けられたキャビティ（凹み）の縁部に配置されていると有利である。パンケーキ形の混合物範囲の一層迅速な形成を達成するためには、燃料噴射が、ピストンヘッドから突出した突起へ向かって行われると有利である。

燃料噴射が、連続する複数回のインターバルを置いて行われると有利である。これにより、パンケーキ形の混合物範囲に一層高い空気含量が存在することが達成される。なぜならば、燃料噴射の個々のインターバルの間にその都度小さなエアクッションが位置するからである。

点火位置からパンケーキ形の混合物範囲を通る火炎伝播時間をできるだけ小さく保持するためには、混合物範囲の内部に多数の点火位置が設けられていると有利である。多数の点火位置は複数のレーザ点火装置を用いて形成され得るか、または種々異なる焦点で複数回操作される１つのレーザ点火装置を用いて形成され得る。多数の点火位置はパンケーキ形の混合物範囲内に対称的に配置されていると有利である。多数の点火位置は、混合物範囲を通じてできるだけ均一な火炎伝播時間を達成するために１つの平面に位置していると有利である。しかし念のため付言しておくと、ピストンおよび／または燃焼室において与えられたジオメトリ的（幾何学的）条件に関連して、多数の点火位置が種々異なる平面に配置されていてもよい。

たとえば負荷に関連した点火を簡単に可能にするためには、レーザ点火装置の焦点距離が可変であると有利である。これにより、レーザ点火装置を種々異なる周辺影響因子に適合させることができる。

複数の点火位置におけるパンケーキ形の混合物範囲の点火時に、特に低減されたノイズ発生を達成するためには、種々の点火位置が互いに異なる点火時期に点火されると有利である。このことは、燃焼経過の一層の最適化を可能にする。

本発明による方法は内燃機関の成層燃焼運転において使用されると有利である。「成層燃焼運転」とは、内燃機関に小さな負荷しか加えられていない運転モードを意味する。成層燃焼運転では、燃焼室内での燃焼が実質的に、噴射された燃料量によってしか規定されず、この場合、スロットルバルブは通常大きく開かれている。しかし、本発明による方法は、内燃機関の通常運転においても使用され得る。

さらに本発明によれば、燃料を燃焼室内に直接噴射するための内燃機関が提案される。この内燃機関はレーザ点火装置とピストンと燃料噴射装置とを有している。さらに当該内燃機関は、レーザ点火装置の点火時期を決定するための制御装置を有している。この制御装置は、燃料噴射過程が終了しかつピストン上にパンケーキ形の点火性の混合物範囲が形成された後でしかレーザ点火装置を作動させない。言い換えれば、燃料噴射過程の終了と点火の開始との間で、予め規定された時間が経過し、これにより一方ではパンケーキ形の混合物範囲の形成が可能となり、他方ではパンケーキ形の混合物範囲にレーザの焦点（点火位置）が位置した後ではじめて点火が行われるようになる。これにより、混合物範囲がその内部で点火され、これにより火炎ストロークが極めて短くなることが確保される。

制御装置はピストン位置に関連して点火時期を決定すると有利である。ピストンの位置はセンサを用いてクランク角度につき測定され得ると有利である。

パンケーキ形の点火性の混合物範囲の形成を助成するためには、ピストンがピストンヘッド面に、ほぼ円形のキャビティを有していると有利である。このキャビティはピストン中心軸線に対して対称的であると有利である。

さらに、ピストンがピストンヘッド面に、突出した突起を有していると有利である。この突起は有利には円形のキャビティに設けられているか、またはキャビティの縁部に設けられていてよい。キャビティの範囲に設けられた、突出した突起により、パンケーキ形の混合物範囲がこの突起上にも形成されるので、混合物範囲の所定の範囲がピストンの運動方向に突出するようになることを確保することができる。この場合、レーザ点火装置は、レーザの焦点が混合物範囲の突出した範囲に位置するように配置されると有利である。これにより、たとえばピストンの上死点の大きく手前で点火を実現することができる。この場合、それにもかかわらず、点火は混合物範囲の内部で確実に行われる。

本発明の別の有利な実施態様では、ピストンヘッド面に形成されたキャビティが、ピストンの中心軸線に対して所定の角度で傾けられた底面を有している。このことは、レーザ点火装置をシリンダヘッド中央に配置し、それにもかかわらずピストンヘッドに対する垂直な燃料噴射を可能にすることを可能にする。レーザ点火装置の中央配置には、さらに構成スペースによる利点がある。

レーザ点火装置は、レーザビームの焦点の位置を変えるために焦点合わせ可能なレンズを有していると有利である。

パンケーキ形の混合物範囲に位置する多数の点火位置を可能にするために、当該内燃機関が多数の多数のレーザ点火装置を有していると有利である。これら多数のレーザ点火装置はこの場合、パンケーキ形の混合物範囲に点火位置ができるだけ対称的に配置されるように配置されていると有利である。制御装置はこの場合、所望の燃焼経過の最適化、特にノイズ発生および混合物範囲を通る火炎伝播時間に関する最適化を可能にするために、互いに異なる時期に多数のレーザ点火装置を作動させる。

燃料噴射装置は、７〜１４個の孔数を有する多孔弁または有利には７０〜１１０゜の開き角を有する、外方へ向かって開く環状ギャップ弁（Ａバルブ）であると有利である。

図面
以下に、本発明の有利な実施例を図面につき詳しく説明する。

図１は、本発明の第１実施例による内燃機関の概略的な断面図であり、
図２ａおよび図２ｂは、多孔弁を用いた燃料の噴射を示す概略図であり、
図３は、外方へ向かって開く環状ギャップ弁（Ａバルブ）のスプレクラウドを示す概略図であり、
図４ａおよび図４ｂは、本発明の別の実施例による多孔弁を用いた噴射を示す概略図であり、
図５および図６は、本発明の第２実施例による内燃機関の概略的な断面図であり、
図７および図８は、本発明の第３実施例による内燃機関の概略的な断面図であり、
図９および図１０は、本発明の第４実施例による内燃機関の概略的な断面図であり、
図１１は、本発明の第５実施例による内燃機関の概略的な断面図であり、
図１２は、本発明の第６実施例による内燃機関の概略的な断面図であり、
図１３は、図１２に示したパンケーキ形の混合物範囲を上から見た図であり、
図１４ａおよび図１４ｂは、３つの点火位置を有するパンケーキ形の混合物範囲を上から見た図である。

実施例の説明
以下に、図１および図２につき、本発明の第１実施例による内燃機関２０について詳しく説明する。

図１に示したように、内燃機関２０はピストンヘッド２２を備えたピストン２１を有している。ピストンヘッド２２には、ピストン２１の中心軸線Ｘ−Ｘに対して同心的にかつ対称的に円形のキャビティ２３が配置されている。ピストン２１は公知の形式でシリンダ内で運動する。この場合、シリンダヘッド２４には、噴射装置２５とレーザ点火装置２６とが配置されている。噴射装置２５はシリンダヘッド２４にピストン２１の中心軸線Ｘ−Ｘに沿って同心的に配置されていて、本実施例では１０個の孔を備えた多孔弁である。これらの孔の配置は図２ａに示されている。レーザ点火装置２６は制御装置３４を介して制御され、非球面レンズ２６ａを有している。レーザ点火装置２６はさらに、Ｑスイッチ式の光ポンプ固体レーザを有している。レーザ点火装置２６は、燃焼室２９内に向けられたレーザビーム２７を発生させる。レーザ点火装置２６はシリンダヘッド２４の内壁に対して面一に形成されているので、レーザ点火装置２６は燃焼室２９内に突出していない。

図２ａおよび図２ｂからは、燃焼室２９内への燃料の噴射が明らかとなる。噴射装置２５の、符号１〜１０で示した個別噴流は、対向してくるピストンに向かう方向で燃焼室２９内に噴射される。この場合、各個別噴流の侵入深さが増大するにつれて蒸発度の増大が生ぜしめられるので、各噴射噴流１〜１０の周りには、特に噴射された燃料のスプレ先端部の範囲において、ガス状の燃料・空気混合物から成るベール（Huelle）が形成される。このことは図２ｂにおいて各個別噴流１〜１０を取り囲む大きな円によって描かれている。ガス状の燃料・空気混合物ベールは、ひだ襟のように噴流に巻き掛かっており、そして噴流の先端もガス状の燃料・空気混合物によって形成される。図２ｂからさらに判るように、個別噴流の燃料・空気混合物ベールは乱流に基づいて部分的に互いに重畳する。なぜならば、ピストン２１が噴流方向とは反対の方向に運動して、燃料・空気混合物ベールを水平方向にそらすからである。これにより、パンケーキ形（fladenfoermig）、つまり平らで円形の点火性の混合物範囲２８がピストンヘッド２２上に形成される。パンケーキ形の混合物範囲２８の形成は、ピストンヘッド２２に設けられたキャビティ２３によりさらに増幅される。パンケーキ形の混合物範囲２８はこの場合、中心を起点として外縁の方向へ少しだけ減少した厚さを有する円形の形状を有している。混合物範囲２８はほぼ均質なガス状の燃料・空気混合物であり、このガス状の燃料・空気混合物は０．８〜１．５の平均λ（空気過剰率）を有している。

本発明によれば、燃料の噴射が、上死点ＯＴ手前約３５゜のクランク角度において行われる。多孔弁の孔はこの場合、各個別噴流ができるだけやぶ状の、つまりできるだけふさふさした形状を有するように形成されている。このためには、個々の孔の孔直径が約１３０μｍ〜２００μｍであると有利である。先細りになった、特に円錐状の、外方へ向かって開く孔または段付けされた孔が、所望の燃料・空気混合物ガスベールを有するやぶ状のスプレ形状を促進するとさらに有利である。図２ａに示したように、多孔弁の孔の噴流軸線は、これらの噴流軸線がほぼ同一の立体角間隔を有するように設定されている。

念のため付言しておくと、個別噴流がピストンヘッドまで進まなければならない移動距離に関連して、個別孔の孔直径は種々異なっていてよい。図１に示した噴射装置の中央配置の場合にピストンに対して最短距離を有する内側の噴流は、外周側に配置された孔よりも小さな孔直径を有していてよい。外周側よりも小さな孔により、内側で装入された燃料量は少なくなり、ひいてはスプレ衝撃が小さくなるので、内側の噴流も、ピストンヘッド２２に到達する前に確実に蒸発される。噴射孔の孔直径および開き角度の設定ならびに孔数はこの場合、噴射された燃料がピストンヘッド２２に到達した際にこの燃料がちょうど蒸発されるように設定され得る。これにより、逆向きに運動するピストンは点火性の混合物範囲２８の特に良好な混合および均質化を提供することができる。

混合物範囲２８の形成はこの場合、上死点の手前３５゜〜上死点の手前約２０゜の範囲で行われる。図１には、上死点の手前約２０゜の位置が示されており、この位置では、混合物範囲２８が均質にピストンヘッド２２においてキャビティ２３内に形成されている。しかし、レーザ点火装置２６による点火は、レーザ２７の焦点が混合物範囲２８の内部に位置するやいなやはじめて行われる。この焦点は混合物範囲２８の内部における点火位置２７ａを規定する。このことは図１に示したように、上死点の手前約２０゜のピストン位置において与えられており、この場合、点火位置２７ａは正確に中心軸線Ｘ−Ｘに位置している。

制御装置３４はピストン２１の位置に関連してレーザ点火装置２６の点火時期を制御する。点火時期はこの場合、上死点の手前約２０゜のクランク角度に位置していると有利である。これにより、混合物範囲２８が効率最適なクランク角度範囲において完全に燃焼して、内燃機関の高い効率が達成されることを確保することができる。燃料噴射の終了と点火の開始との間に設定される時間は５〜１０゜、有利には７．５゜のクランク角度にわたりピストンが進んだ距離に相当する。

混合物範囲２８の内部における点火によって、混合物範囲２８を通る火炎ストロークは縁部における点火に比べて著しく減じられている。これにより、一方では、より迅速でかつより完全でもある燃焼を達成することができる。さらに、これによって特に内燃機関の成層燃焼運転において特に安定した燃焼方法が達成される。パンケーキ形の混合物範囲２８は本発明によれば、噴射燃料とピストンとの相互作用（Interaktion）によって生ぜしめられる。この場合、混合物範囲２８の形成を可能にしかつ混合物範囲２８の点火をその内部で実施するために噴射の終了と点火の開始との間にある程度の時間が設けられている。さらに、内部での点火により、構成部分の公差に基づき偏差が生じたとしても、この偏差が不均一な燃焼を招く恐れはない。サイクル毎のスプレジオメトリのばらつきまたはスプレジオメトリの、特性マップに関連した変動も、本発明による方法に影響を与えることはない。レーザ点火装置２６にはさらに、公知先行技術の場合のような金属製のプラグ電極におけるクエンチング現象（熱導出）による点火エネルギ損失が生じないという利点がある。これにより、オットエンジンにおいて、敏感な火炎コア形成（Flammkernbildung）の高い再現性を初めて可能にすることができる。

図３には、外方へ向かって開く環状ギャップ弁（Ａバルブ）の形の噴射装置２５の択一的な別の構成が示されている。図示の環状ギャップ弁は燃料をコーン状（円錐状）に噴射するので、図３に示した断面図で見ると環状の燃料範囲３０が生ぜしめられる。この燃料範囲３０の両側には、それぞれ燃料・空気混合物から成るベール３１，３２が形成される。図３に示した環状ギャップ弁の開き角は７０〜１１０゜であると有利である。環状ギャップ弁を用いた噴射によって、やはり図１の場合と同様にピストン上には均質なパンケーキ形の混合物範囲２８が形成され、この場合、ピストンは衝突する燃料・空気混合物を水平方向で内方へも外方へも変向させる。

図４ａおよび図４ｂには、同じく多孔弁として形成された噴射装置２５の別の構成が示されている。図４ａおよび図４ｂに示した多孔弁は１２個の噴射孔１〜１２を有している。これらの噴射孔は２つの同心的な円に沿って分配されていて、両円に沿って互いにずらされて配置されている。これにより、個別噴流を取り囲むように図４ｂに示したスプレ分布が生ぜしめられる。大きな円は再びガス状の混合物ベールを表している。その他の点でこの実施例は第１実施例に相当しているので、これらの点については詳しい説明を省略する。

図５および図６には、本発明の第２実施例による内燃機関２０が示されている。この場合、同一の部分もしくは同一機能を有する部分は第１実施例の場合と同じ符号で示されている。第１実施例とは異なり、第２実施例の内燃機関２０では、レーザ点火装置２６が中心軸線Ｘ−Ｘに沿って中心に配置されている。噴射装置２５はこの場合、レーザ点火装置２６の側方で中心軸線Ｘ−Ｘに対して角度αを成して配置されている。噴射装置２５は再び多孔弁であり、この場合、図５には概略的に、まだ液状の燃料噴流３５と、燃料・空気混合物から形成されたガス状のベール３６とを有する３つの噴射噴流が描かれている。これらの個別噴流がピストンヘッド２２に衝突すると、これらの個別噴流は完全に蒸発されるので、ピストンヘッド２２上にはガス状の燃料・空気混合物だけが衝突する。さらに図５から判るように、ピストンヘッド２２に形成されたキャビティ２３には、付加的に突出した突起３７が形成されている。この突出した突起３７はキャビティ２３内に中心軸線Ｘ−Ｘに沿って同心的に配置されていて、ほぼ球区分の形状を有している。燃料の噴射はこの場合、正確に前記突起３７に向かって行われる。図５に示したように、噴射の開始時におけるピストン位置は上死点の手前約３５゜である。燃料噴射が終了すると、ピストン２１は引き続きレーザ点火装置２６に接近する方向に運動し、その場合、ピストンヘッド２２における変向によって均質な点火性の混合物範囲２８が形成される（図６参照）。この場合、混合物範囲２８は突出した突起３７の上にも形成されているので、図６に示したように、上死点の手前約２０゜のピストン位置において、混合物範囲２８の突出した範囲２８ａに点火位置２７ａが位置している。ピストン２１の図６に示した位置は、混合物範囲２８の点火が行われる位置を示している。この実施例ではレーザ点火装置２６が中心軸線Ｘ−Ｘに沿って同心的に配置されていて、この中心軸線Ｘ−Ｘが混合物範囲２８のための対称軸線をも成しているので、点火位置２７ａから混合物範囲２８の縁部までの火炎ストロークはこの実施例では特に短くなる。これにより、特に迅速でかつ完全な燃焼を達成することができる。

図７および図８には、本発明の第３実施例による内燃機関２０が示されている。この場合、第１実施例および第２実施例の場合と同一の部分もしくは同一機能を有する部分は同じ符号で示されている。第３実施例の内燃機関２０はほぼ第２実施例の内燃機関に相当しているが、しかし第３実施例では、突出した突起３７がキャビティ２３の縁部に配置されている。これにより、噴射装置２５はピストン２１の中心軸線Ｘ−Ｘに沿って同心的に配置され得るようになり、レーザ点火装置２６は、このレーザ点火装置２６が、突出した突起３７の上に位置決めされるようにシリンダヘッド２４に配置される。これにより、突起３７とレーザ点火装置２６とは、ほぼ中心軸線Ｘ−Ｘに対して平行な１つの共通の軸線Ｙ−Ｙに沿って位置している。燃料の噴射は直接にピストンヘッド２２に形成されたキャビティ２３内へ行われる。キャビティ２３およびピストン２１の、噴射方向とは逆向きの運動と協働して、噴射の終了後でかつ点火の前に再び混合物範囲２８がキャビティ２３内に形成される。この場合、この混合物範囲２８は突出した突起３７の範囲に突出した範囲２８ａを有している（図８参照）。図８に図示した、上死点の手前約２０゜の位置では、レーザ２７の焦点が混合物範囲２８の突出した範囲２８ａに位置しているので、このときに混合物範囲２８の内部での点火を行うことができる。これにより、第１実施例と比べて混合物範囲２８の早期の点火が可能となる。なぜならば、レーザ点火装置２６が、混合物範囲２８の突出した範囲２８ａに点火して、火炎ストロークがこの場所から混合物範囲２８全体を通るからである。その他の点で、第３実施例は第１実施例および第２実施例に相当しているので、これらの点については詳しい説明を省略する。

図９および図１０には、本発明の第４実施例による内燃機関２０が図示されている。この場合、先行の実施例の場合と同一の部分もしくは同一機能を有する部分は同じ符号で示されている。第４実施例はほぼ第２実施例に相当しているが、しかしピストンヘッド２２に設けられたキャビティ２３には、同じく中心に突出した突起３７が形成されている。レーザ点火装置２６は再びピストン２１の中心軸線Ｘ−Ｘに沿って同心的に配置されており、噴射装置２５はピストン２１の中心軸線Ｘ−Ｘに対して角度αを成して配置されている。しかし第２実施例の場合とは異なり、ピストンヘッド２２はキャビティ２３の範囲で中心軸線Ｘ−Ｘに対して直角な平面Ｅに対して傾けられて配置されている。この傾きは図９および図１０には角度βにより示されている。キャビティ２３の傾きはこの場合、真ん中の中央の噴射噴流が、傾けられたキャビティ面に対してほぼ垂直に噴射されるように設定されていると有利である。中央の噴射噴流はこの場合特に、突出した突起３７に衝突し、このことはパンケーキ形の混合物範囲２８の一層迅速な形成をもたらす。図９および図１０から判るように、レーザ点火装置２６は再び、突出した突起３７の上に配置されているので、混合物範囲２８の早期の点火が可能となる。その他の点で第４実施例は先行の実施例に相当しているので、これらの点については詳しい説明を省略する。

図１１には、本発明による内燃機関の第５実施例が示されている。この場合、再び、先行の実施例の場合と同一の部分もしくは同一機能を有する部分は同じ符号で示されている。第５実施例はほぼ第２実施例に相当しているが、第２実施例とは異なり、噴射装置２５もレーザ点火装置２６も、中心軸線Ｘ−Ｘに対して角度γもしくはδを成して配置されている。噴射装置２５およびレーザ点火装置２６の傾き角度γ，δは互いに等しく、かつそれぞれ正負符号によってしか互いに相違していない。ピストンヘッド２２のキャビティ２３に設けられた、突出した突起３７は再びレーザ点火装置２６の下方に配置されているので、キャビティ２３の非対称的な構成が得られる。パンケーキ形の混合物範囲２８は再び、突出した突起３７の上に、突出した範囲２８ａを持って形成されるので、この突出した範囲２８ａに混合物範囲２８の点火位置２７ａが位置する。その他の点で第５実施例は先行の実施例に相当しているので、これらの点については詳しい説明を省略する。

以下に、図１２および図１３につき、本発明の第６実施例による内燃機関について説明する。この場合、再び、先行の実施例の場合と同一の部分もしくは同一機能を有する部分は同じ符号で示されている。第６実施例の内燃機関は、図１２に示したように２つのレーザ点火装置２６を有している。１つの噴射装置２５がピストン２１の中心軸線Ｘ−Ｘに同心的に配置されている。両レーザ点火装置２６は側方で中心軸線Ｘ−Ｘに対して角度γもしくはδを成して配置されており、この場合、角度γ，δは互いに等しい大きさである。２つのレーザ点火装置２６の配置により、パンケーキ形の混合物範囲２８に２つの点火位置２７ａを形成し得ることが可能になる。これにより、特に混合物範囲２８内部の火炎ストロークを短く保持することができる。図１２および図１３には、火炎ストロークが、点火位置２７ａを巡るように短い矢印によって概略的に書き込まれている。パンケーキ形の混合物範囲２８の点火はこの場合、同時に行われると有利である。なぜならば、パンケーキ形の混合物範囲２８は中心軸線Ｘ−Ｘに対して対称的に形成されているからである。両点火位置２７ａはこの場合、中心軸線Ｘ−Ｘに対して直角な１つの平面Ｆに位置している。その他の点で第５実施例は先行の実施例に相当しているので、これらの点については詳しい説明を省略する。

図１４ａおよび図１４ｂには、さらに複数の点火位置によってパンケーキ形の混合物範囲２８に点火するための２つの互いに異なる例が示されている。図１４ａの例では、３つの点火位置２７ａが配置されており、これら３つの点火位置２７ａは円形の周面を有する混合物範囲２８において中心軸線Ｘ−Ｘを起点としてそれぞれ互いに約１２０゜の角度を成して配置されている。各点火位置２７ａから混合物範囲２８の縁部までの間隔は互いに等しく設定されている。図１４ｂには、４つの点火位置２７ａを有する構成が図示されている。これら４つの点火位置２７ａは中心軸線Ｘ−Ｘに対して対称的に配置されている。図１４ｂから判るように、４つの点火位置２７ａを有するこのような配置は特に有利である。なぜならば、火炎ストロークが各点火位置２７ａを起点として全混合物範囲２８を通じて、全混合物範囲２８が点火されるまで等しい長さを有するからである。

念のため付言しておくと、当然ながら図示の全ての実施例においては多重噴射を実施することもできる。このことには特に、混合物範囲２８が成層されて形成されるという利点がある。この場合、２つの燃料・空気混合物層の間にそれぞれ１つの薄い空気層が存在している。これにより、混合物範囲２８内の空気含量を増大させることができる。

記載した全ての実施例における本発明による方法の別の利点は、混合物範囲２８を形成するために、対称的なスプレジオメトリを発生させる（点火プラグのためのスプレ隙間なし）噴射装置を使用することができることである。これにより、燃焼室に突入した点火プラグに対する噴射装置の対応配置も不要となる。さらに、液体燃料によるレーザ点火装置の湿らしも行なわれない。このことは公知先行技術において点火プラグの点火性を低減させる。

本発明による内燃機関は車両においても、据置き式にも使用され得る。

本発明の第１実施例による内燃機関の概略的な断面図である。 多孔弁を用いた燃料の噴射を示す概略図である。 多孔弁を用いた燃料の噴射を示す別の概略図である。 外方へ向かって開く環状ギャップ弁（Ａバルブ）のスプレクラウドを示す概略図である。 本発明の別の実施例による多孔弁を用いた噴射を示す概略図である。 本発明の別の実施例による多孔弁を用いた噴射を示す別の概略図である。 本発明の第２実施例による内燃機関の概略的な断面図である。 本発明の第２実施例による内燃機関の概略的な別の断面図である。 本発明の第３実施例による内燃機関の概略的な断面図である。 本発明の第３実施例による内燃機関の概略的な別の断面図である。 本発明の第４実施例による内燃機関の概略的な断面図である。 本発明の第４実施例による内燃機関の概略的な別の断面図である。 本発明の第５実施例による内燃機関の概略的な断面図である。 本発明の第６実施例による内燃機関の概略的な断面図である。 図１２に示したパンケーキ形の混合物範囲を上から見た図である。 ３つの点火位置を有するパンケーキ形の混合物範囲を上から見た図である。 ４つの点火位置を有するパンケーキ形の混合物範囲を上から見た図である。

Claims (22)

1. 燃料噴射装置（２５）とレーザ点火装置（２６）とを備えた内燃機関（２０）であって、レーザ点火装置（２６）が燃焼室（２９）内にレーザビーム（２７）を発生させるようになっている形式の内燃機関（２０）を運転するための方法において、内燃機関（２０）の圧縮行程の間、燃料噴射装置（２５）によって燃焼室（２９）内に燃料を噴射し、しかもピストン（２１）上に燃料と空気とから成る、平らで円形のパンケーキ形の点火性の混合物範囲（２８）が形成されるように燃料を燃焼室（２９）内に噴射し、燃料噴射の終了と点火の開始との間に、パンケーキ形の混合物範囲（２８）が形成されるまでの予め規定された時間を設け、次いでレーザ点火装置（２６）によってパンケーキ形の混合物範囲（２８）の内部での点火を行うことを特徴とする、内燃機関を運転するための方法。
2. 燃料の噴射を、多数の噴射孔（１〜１２）を備えた多孔弁または外方へ向かって開く環状ギャップ弁によって行う、請求項１記載の方法。
3. 燃料噴射の終了と点火の開始との間に設けられる時間は、ピストン（２１）が５〜１５゜、特に５〜１０゜、特に有利には７．５゜のクランク角度にわたって運動する間の時間に相当する、請求項１または２記載の方法。
4. ピストン（２１）のピストンヘッド（２２）にキャビティ（２３）が形成されていて、該キャビティ（２３）内にパンケーキ形の混合物範囲（２８）が形成される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 混合物範囲（２８）をできるだけその中心の近くで、または中心で点火する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. パンケーキ形の混合物範囲（２８）に、軸方向に突出した範囲（２８ａ）を形成するために、ピストン（２１）に、突出した突起（３７）が形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 混合物範囲（２８）の点火を、前記突出した範囲（２８）において行う、請求項６記載の方法。
8. 燃料噴射を複数回のインターバルを置いてかつ／または複数の噴射装置を用いて行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. パンケーキ形の混合物範囲（２８）を、該混合物範囲（２８）の内部の多数の点火位置（２７ａ）において点火する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 多数の点火位置（２７ａ）が、パンケーキ形の混合物範囲（２８）内に対称的に配置されている、請求項９記載の方法。
11. レーザ点火装置（２６）の焦点距離が可変である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 第１の点火位置（２７ａ）の点火と、第２の点火位置（２７ａ）の点火とを、互いに異なる時期に行う、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 当該方法を内燃機関の成層燃焼運転において実施する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. ガソリンを直接噴射するための内燃機関において、レーザ点火装置（２６）とピストン（２１）と燃料噴射装置（２５）とが設けられており、該燃料噴射装置（２５）が、圧縮行程の際に燃焼室（２９）内に燃料を噴射して、ピストン（２１）上に平らで円形のパンケーキ形の点火性の混合物範囲（２８）が形成されるようになっており、さらにレーザ点火装置（２６）の点火時期を決定するための制御装置（３４）が設けられており、しかも該制御装置（３４）は、レーザ点火装置（２６）のレーザビーム（２７）の焦点が前記混合物範囲（２８）の内部に位置した後ではじめてレーザ点火装置（２６）に点火信号が伝送されるように点火時期を決定するようになっていることを特徴とする内燃機関。
15. 制御装置（３４）が、ピストン位置に関連して点火時期を決定する、請求項１４記載の内燃機関。
16. ピストン位置が、クランク角度を求めることにより測定可能である、請求項１５記載の内燃機関。
17. ピストン（２１）がピストンヘッド面（２２）に、ほぼ円形のキャビティを有している、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の内燃機関。
18. ピストン（２１）がピストンヘッド面（２２）に、突出した突起（３７）を有している、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の内燃機関。
19. キャビティ（２３）が、ピストン（２１）の中心軸線（Ｘ−Ｘ）に対して所定の角度（β）で傾けられた底面を有している、請求項１７または１８記載の内燃機関。
20. レーザ点火装置（２６）が、レーザビーム（２７）の焦点の位置を変えるために焦点合わせ可能なレンズ（２６ａ）を有している、請求項１４から１９までのいずれか１項記載の内燃機関。
21. 多数のレーザ点火装置（２６）が設けられている、請求項１４から２０までのいずれか１項記載の内燃機関。
22. 制御装置（３４）が、多数のレーザ点火装置（２６）を互いに異なる時期に作動させる、請求項２１記載の内燃機関。

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