JP7633302B2 - A device for igniting a mixture of fuel and air - Google Patents
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Description
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、内燃機関のシリンダーの燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火するための装置に関する。さらに、本発明は、そのような装置を備えた内燃機関に関する。 The present invention relates to a device for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine, as described in the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to an internal combustion engine equipped with such a device.
従来技術によれば、内燃機関のシリンダーの燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火するために設けられている装置が、まったく異なる実施形態で公知である。そのような装置は、予燃焼室を有し、その中に収納された点火装置によって、易燃性の燃料と空気の混合気に点火することができ、この場合、相対的に小さい容量のために、燃料は直接には予燃焼室内に噴射されない（受動的予燃焼室）。 From the prior art, devices are known in completely different embodiments that are provided for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine. Such devices have a pre-chamber, in which an ignition device is accommodated, and in which the combustible fuel-air mixture can be ignited, whereby due to its relatively small volume, fuel is not injected directly into the pre-chamber (passive pre-chamber).
いわゆる予燃焼室ジェット点火の場合、燃料と空気の混合気の一部は、内燃機関の圧縮行程中に、予燃焼室内部で燃料と空気の混合気に引火するように予燃焼室に押し出される。この引火は、さらに、内燃機関の燃焼室に伝播する。その結果、燃焼室内での燃料と空気の混合気の燃焼が高速化すると共にノッキング発生が低下する。 In the case of so-called pre-chamber jet ignition, part of the fuel-air mixture is pushed into a pre-chamber during the compression stroke of the internal combustion engine so that the fuel-air mixture ignites inside the pre-chamber. This ignition then propagates to the combustion chamber of the internal combustion engine. As a result, the combustion of the fuel-air mixture in the combustion chamber is accelerated and the occurrence of knocking is reduced.
通常、受動的予燃焼室は、燃焼室内で移動するピストンの上死点時、燃焼室の容量の約２～５％に相当する、相対的に少ない容量を有する。予燃焼室のこの少ない容量によって、予燃焼室内での燃料と空気の混合気の点火によって生じる加速効果は、燃焼行程の最初の段階（総燃焼時間の約０～１０％）に制限される。 Typically, a passive pre-chamber has a relatively small volume, which corresponds to about 2-5% of the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston moving in the combustion chamber. This small volume of the pre-chamber limits the acceleration effect caused by the ignition of the fuel-air mixture in the pre-chamber to the initial phase of the combustion stroke (about 0-10% of the total combustion time).
特許文献１によれば、それぞれ主燃焼室に接続されている複数の予燃焼室を備えた内燃機関が公知である。予燃焼室は、予燃焼室ガスバルブによって、燃料ガスおよび空気からなる混合気を収容するために設けられている。各予燃焼室は、さらに、流路開口部を通じて相互に接続され、容量の大きい順に配置されている最大３つの副燃焼室を有する。第１の副燃焼室は、予燃焼室ガスバルブと、燃料ガスおよび空気からなる混合気に点火するための点火装置とを有する。 According to Patent Document 1, an internal combustion engine is known that has multiple pre-chambers, each connected to a main combustion chamber. The pre-chambers are provided to receive a mixture of fuel gas and air by a pre-chamber gas valve. Each pre-chamber further has up to three auxiliary chambers that are connected to each other through a flow passage opening and arranged in descending order of capacity. The first auxiliary chamber has a pre-chamber gas valve and an ignition device for igniting the mixture of fuel gas and air.
本発明は、燃料と空気の混合気の点火および燃焼行程をさらに改良することが可能な、冒頭に記載の種類の燃料と空気の混合気に点火するための装置を使用できるようにすることを課題としている。 The object of the present invention is to make it possible to use a device for igniting a fuel-air mixture of the type described at the beginning, which makes it possible to further improve the ignition and combustion process of the fuel-air mixture.
本発明の解決策によって、請求項１に記載の特徴を備えた内燃機関のシリンダーの燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火するためのこの種の装置が提供される。従属請求項は、本発明の有利な発展形態を示す。 The solution of the invention provides such a device for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine with the features set out in claim 1. The dependent claims show advantageous developments of the invention.
本発明による、内燃機関のシリンダーの燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火するための装置は、第２の予燃焼室が完全に燃焼室内に配置されており、特に円錐台状に形成されており、第１の予燃焼室より大きな容量を有することを特徴とする。 The device according to the invention for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine is characterized in that the second pre-chamber is arranged completely within the combustion chamber, in particular is frusto-conical in shape and has a larger volume than the first pre-chamber.
予燃焼室点火の加速効果は、燃焼室内で第１の予燃焼室の一部の周囲に延在しており、第１の予燃焼室より大きな容量を有する、特に円錐台状に形成された第２の予燃焼室を設けることによって、著しく増大できることが示される。したがって、第２の予燃焼室から流出して燃焼室に流入する燃焼エネルギーを有利に増大させることができる。流路開口部の孔面と予燃焼室容量との一定の比率が維持されなければならないので、第１の予燃焼室の容量の単なる拡大によっては、同じ効果が得られない。 It is shown that the accelerating effect of the pre-chamber ignition can be significantly increased by providing a second pre-chamber, in particular a truncated cone-shaped one, extending in the combustion chamber around part of the first pre-chamber and having a larger volume than the first pre-chamber. The combustion energy flowing out of the second pre-chamber and into the combustion chamber can thus be advantageously increased. The same effect cannot be obtained by simply increasing the volume of the first pre-chamber, since a constant ratio between the aperture surface of the flow opening and the pre-chamber volume must be maintained.
上述の効果をさらに一層強化するために、本装置が、特に円錐台状に形成されており、第２の予燃焼室周囲に延在している少なくとも１つの第３の予燃焼室を有する、という有利な実施形態が提案される。これにより、第３の予燃焼室から流出する燃焼エネルギーをさらに増大させることができる。好ましくは、第３の予燃焼室は、第２の予燃焼室より大きな容量を有するように形成されている。 To further enhance the above-mentioned effect, an advantageous embodiment is proposed in which the device has at least one third pre-chamber, in particular frustoconical, extending around the second pre-chamber. This allows the combustion energy flowing out of the third pre-chamber to be further increased. Preferably, the third pre-chamber is formed to have a larger volume than the second pre-chamber.
別の有利な一実施形態では、装置は、ｋ≧１の数の予燃焼室を有し、予燃焼室は、特に円錐台状に形成されており、それぞれ上述の予燃焼室の周囲に延在している。例えば、予燃焼室システムは、４つまたは５つの予燃焼室が備えられていることがある。 In another advantageous embodiment, the device has a number of pre-chambers k ≥ 1, which are in particular frustoconical and extend around the circumference of the respective pre-chamber. For example, the pre-chamber system may be provided with four or five pre-chambers.
好ましくは、第ｋの予燃焼室は、第ｋ－１の予燃焼室より大きな容量を有するように形成されている。したがって、内燃機関の燃焼室内に配置されている予燃焼室の容量は、好ましくは、内側から外側に拡大する。 Preferably, the kth pre-chamber is formed to have a larger volume than the k-1th pre-chamber. Thus, the volume of the pre-chambers disposed within the combustion chamber of the internal combustion engine preferably expands from the inside to the outside.
従来型の内燃機関では、第１の予燃焼室内の空燃比をコントロールするために（いわゆるラムダコントロール）、第１の予燃焼室の寸法は極めて小さい。有利な一発展形態では、したがって、本装置は、燃料噴射手段、特に燃料噴射ノズル、を有し、その燃料噴射ノズルは、第１の予燃焼室より大きな容量を有する予燃焼室のいずれかの中に延在しているように配置されていることが提案される。多段式予燃焼室システムを導入することによって、燃料噴射手段、特に本装置の燃料噴射ノズル、を大型の予燃焼室内で位置決めすることができ、これにより、有利に、局所的な空燃比を効率的にコントロールすることができるようになる。 In conventional internal combustion engines, in order to control the air-fuel ratio in the first pre-chamber (so-called lambda control), the dimensions of the first pre-chamber are very small. In an advantageous development, it is therefore proposed that the device has a fuel injection means, in particular a fuel injection nozzle, which is arranged so as to extend into one of the pre-chambers having a larger volume than the first pre-chamber. By introducing a multi-stage pre-chamber system, the fuel injection means, in particular the fuel injection nozzle of the device, can be positioned in a large pre-chamber, which advantageously allows for efficient control of the local air-fuel ratio.
燃料噴射手段、特に燃料噴射ノズル、の様々な組合せと、異なる数の予燃焼室を基本的に考慮することができる。 Various combinations of fuel injection means, in particular fuel injection nozzles, and different numbers of pre-chambers can basically be considered.
別の有利な一実施形態では、第１の予燃焼室は、少なくとも部分的に円錐状に形成されており、少なくとも部分的に‐燃焼室の方向に‐内側から外側へ先細りになるように成形されている。 In another advantageous embodiment, the first pre-chamber is at least partially conically shaped and at least partially tapered - in the direction of the combustion chamber - from the inside to the outside.
好ましくは、第２の予燃焼室と、場合によっては、既存の他の予燃焼室は、燃焼室内に拡張することができる。 Preferably, the second pre-chamber and possibly other existing pre-chambers can be extended into the combustion chamber.
円錐台状の代わりに、予燃焼室は、別の形状を有することができる。 Instead of being frusto-conical, the pre-chamber can have another shape.
本発明による内燃機関は、請求項８によって、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置を有することによって特徴づけられる。 The internal combustion engine according to the invention is characterized by having a device according to any one of claims 1 to 7, according to claim 8.
本発明のその他の特徴および利点は、内燃機関１００の燃焼シリンダー２の一部を通る縦断面を示す添付の図１を参照した、好適な実施例の以下の説明から明らかになる。図１では、内燃機関１００の唯一の燃焼シリンダー２のみが示されているが、通常は、そのような燃焼シリンダー２が複数装備されている。 Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment, with reference to the accompanying FIG. 1, which shows a longitudinal section through a portion of a combustion cylinder 2 of an internal combustion engine 100. Although only one combustion cylinder 2 of the internal combustion engine 100 is shown in FIG. 1, the engine will typically be equipped with a number of such combustion cylinders 2.
燃焼シリンダー２は、燃焼室３を画定し、その中でピストン４は、軸方向に第１の（下）死点から、図１で示すように、第２の（上）死点に、およびその逆に移動可能である。燃焼シリンダー２は、吸気バルブ７が中に配置されている吸気マニホールド５と、排気バルブ８が中に配置されているエキゾーストマニホールド６と、に流体接続されている。 The combustion cylinder 2 defines a combustion chamber 3 in which a piston 4 is axially movable from first (bottom) dead center to second (top) dead center, as shown in FIG. 1, and vice versa. The combustion cylinder 2 is fluidly connected to an intake manifold 5 in which an intake valve 7 is disposed, and an exhaust manifold 6 in which an exhaust valve 8 is disposed.
燃焼シリンダー２は、第１の収容部９０および第２の収容部９１が中に形成されているシリンダーヘッド９を有する。第１の収容部９０内には、第１の燃料噴射手段１０、特に燃料噴射ノズル、が取り付けられており、それによって、内燃機関１００の作動中に燃料を燃焼室３に噴射することができる。吸気バルブ７が開かれている状態のとき、燃焼室３内で易燃性の燃料と空気の混合気が発生する。 The combustion cylinder 2 has a cylinder head 9 in which a first housing 90 and a second housing 91 are formed. A first fuel injection means 10, in particular a fuel injection nozzle, is mounted in the first housing 90, by means of which fuel can be injected into the combustion chamber 3 during operation of the internal combustion engine 100. When the intake valve 7 is open, a flammable fuel-air mixture is generated in the combustion chamber 3.
内燃機関１００は、さらに、燃焼シリンダー２の燃焼室３内に、易燃性の燃料と空気の混合気に点火することができる、燃料と空気の混合気に点火するための装置１を有する。燃料と空気の混合気の燃焼時に発生する燃焼排気ガスは、排気バルブ８が開いている状態のとき、エキゾーストマニホールド６に流入する。 The internal combustion engine 100 further includes a device 1 for igniting a flammable fuel-air mixture in the combustion chamber 3 of the combustion cylinder 2. The combustion exhaust gases generated during the combustion of the fuel-air mixture flow into the exhaust manifold 6 when the exhaust valve 8 is open.
以下では、燃料と空気の混合気に点火するための装置１についての詳細を詳しく説明するものとする。装置１は、第１の予燃焼室１２が中に形成されている予燃焼室ハウジング１１を有する。さらに、装置１は、予燃焼室ハウジング１１内に取り付けられて、第１の予燃焼室１２に至る点火装置１３、特に点火プラグを有する。第１の予燃焼室１２は、部分的に円錐状に形成されており、部分的に内側から外側に‐したがって、燃焼室３の方向に‐先細になっているように成形されている。予燃焼室ハウジング１１のシリンダー接続部分１４は、シリンダーヘッド９の第２の収容部９１内に取り付けられており、部分的に燃焼室３内に延在している。その場合、予燃焼室ハウジング１１のシリンダー接続部分１４によって封入される容量は、予燃焼室１２の総容量の一部を形成する。 In the following, the details of the device 1 for igniting a fuel-air mixture shall be described in detail. The device 1 has a pre-chamber housing 11 in which a first pre-chamber 12 is formed. Furthermore, the device 1 has an ignition device 13, in particular a spark plug, which is mounted in the pre-chamber housing 11 and leads to the first pre-chamber 12. The first pre-chamber 12 is partially conically shaped and partially tapered from the inside to the outside - thus in the direction of the combustion chamber 3. The cylinder connection part 14 of the pre-chamber housing 11 is mounted in the second receiving part 91 of the cylinder head 9 and extends partially into the combustion chamber 3. In that case, the volume enclosed by the cylinder connection part 14 of the pre-chamber housing 11 forms part of the total volume of the pre-chamber 12.
装置１は、さらに、予燃焼室ハウジング１１のシリンダー接続部分１４の周囲、ひいては、第１の予燃焼室１２の周囲に延在するように、燃焼室３内に第２の予燃焼室１５を有する。第２の予燃焼室１５は、この実施形態では、円錐台状に形成されており、シリンダーヘッド９から出発して燃焼室３内に拡張するように成形されている。好ましくは、第２の予燃焼室１５は、第１の予燃焼室１２より大きな容量を有する。この実施例では、装置１は、さらに、第２の予燃焼室１５の周囲に延在している第３の予燃焼室１６を有する。第３の予燃焼室１６は、この実施形態では、同様に、円錐台状に形成されており、第２の予燃焼室１５から出発して燃焼室３内にさらに拡張するように成形されている。 The device 1 further comprises a second pre-chamber 15 in the combustion chamber 3, extending around the cylinder connection portion 14 of the pre-chamber housing 11 and therefore around the first pre-chamber 12. The second pre-chamber 15 is in this embodiment frustoconical and shaped to extend starting from the cylinder head 9 into the combustion chamber 3. Preferably, the second pre-chamber 15 has a larger volume than the first pre-chamber 12. In this embodiment, the device 1 further comprises a third pre-chamber 16 extending around the second pre-chamber 15. The third pre-chamber 16 is in this embodiment also frustoconical and shaped to extend starting from the second pre-chamber 15 further into the combustion chamber 3.
シリンダー接続部分１４の下部領域においては、燃焼室３内で第１の予燃焼室１２と第２の予燃焼室１５との間の流路接続部を使用することができる複数の流路チャネル１４０が形成されている。第２の予燃焼室１５は、下部領域において、第２の予燃焼室１５と第３の予燃焼室１６との間の流路接続部を使用することができる複数の流路開口部１５０を有する。さらに、第３の予燃焼室１６は、下部領域において、第３の予燃焼室１６と燃焼室３との間の流路接続部を使用することができる複数の流路開口部１６０を有する。 In the lower region of the cylinder connection portion 14, a plurality of flow channels 140 are formed that can be used for the flow connection between the first pre-combustion chamber 12 and the second pre-combustion chamber 15 in the combustion chamber 3. The second pre-combustion chamber 15 has a plurality of flow openings 150 in the lower region that can be used for the flow connection between the second pre-combustion chamber 15 and the third pre-combustion chamber 16. Furthermore, the third pre-combustion chamber 16 has a plurality of flow openings 160 in the lower region that can be used for the flow connection between the third pre-combustion chamber 16 and the combustion chamber 3.
導入目的および使用目的に応じて、同様の方法で、第３の予燃焼室１６に第４の予燃焼室が、および場合によっては、好ましくは、同様に円錐台状に形成されており、それぞれ上述の予燃焼室より大きな容量を有する、更なる予燃焼室が接続されていることがある。 Depending on the installation purpose and intended use, a fourth pre-chamber and possibly further pre-chambers, preferably also frusto-conical in shape and each having a larger volume than the pre-chambers mentioned above, may be connected in a similar manner to the third pre-chamber 16.
上述の３つの予燃焼室１２、１５、１６を備えた装置１の予燃焼室システムは、受動的に作動する。これは、３つの予燃焼室１２、１５、１６のうちいずれかでは直接燃料噴射が行われないことを意味する。 The pre-chamber system of the device 1 with the three pre-chambers 12, 15, 16 described above operates passively. This means that no direct fuel injection takes place in any of the three pre-chambers 12, 15, 16.
ここでは明示されていない一発展形態では、装置１自体は、同様に燃料噴射手段、特に燃料噴射ノズル、を有し、その燃料噴射ノズルは、第１の予燃焼室１２より大きな容量を有するそれぞれの予燃焼室１５、１６に至るように配置されていることが可能である。とりわけ、燃料噴射手段、特に燃料噴射ノズルは、第２の予燃焼室１５に至るように配置されている。 In one development not explicitly mentioned here, the device 1 itself can also have fuel injection means, in particular a fuel injection nozzle, which is arranged to lead to the respective pre-chamber 15, 16 having a larger volume than the first pre-chamber 12. In particular, the fuel injection means, in particular the fuel injection nozzle, is arranged to lead to the second pre-chamber 15.
内燃機関１００の作動中、この燃料噴射手段、特に燃料噴射ノズルは、該当する予燃焼室１５、１６に燃料を噴射することができる。この変形形態では、したがって、装置１は、第１の予燃焼室１２より大きな容量を有する予燃焼室１５、１６内で能動的燃料噴射によって作動する。これにより、有利には、該当する予燃焼室１５、１６内で、燃焼室３よりリッチな混合気を得ることができる。 During operation of the internal combustion engine 100, this fuel injection means, in particular the fuel injection nozzle, can inject fuel into the corresponding pre-chamber 15, 16. In this variant, the device 1 therefore operates by active fuel injection in the pre-chambers 15, 16, which have a larger volume than the first pre-chamber 12. This advantageously makes it possible to obtain a richer mixture in the corresponding pre-chamber 15, 16 than in the combustion chamber 3.
従来型の内燃機関では、第１の予燃焼室１２内の空燃比をコントロールするために（いわゆるラムダコントロール）、第１の予燃焼室１２の寸法は極めて小さい。好ましくは、大型化した容量を備えた、複数の直列接続の予燃焼室１２、１５、１６を有する多段階式予燃焼室システムによって、燃料噴射手段、特に装置１に割り当てられている燃料噴射ノズルを大型の予燃焼室１５、１６に位置決めし、局所的なラムダコントロール値を効率的にコントロールすることができる。 In conventional internal combustion engines, in order to control the air-fuel ratio in the first pre-chamber 12 (so-called lambda control), the dimensions of the first pre-chamber 12 are quite small. A multi-stage pre-chamber system, preferably with a plurality of serially connected pre-chambers 12, 15, 16 with an increased capacity, allows the fuel injection means, in particular the fuel injection nozzles assigned to the device 1, to be positioned in the larger pre-chambers 15, 16 and allows efficient control of the local lambda control values.
最終的には、具体的な用途に応じて‐燃料噴射手段の全く異なる組合せと複数の予燃焼室１２、１５、１６が可能であることが見てとれよう。 Finally, it can be seen that - depending on the specific application - entirely different combinations of fuel injection means and multiple pre-chambers 12, 15, 16 are possible.
Claims (7)
‐少なくとも部分的に前記燃焼室（３）外に配置されており、予燃焼室（１２）内で易燃性の燃料と空気の混合気に点火可能である点火装置（１３）を有する第１の予燃焼室（１２）と、
‐前記第１の予燃焼室（１２）の一部の周囲に延在しており、前記第１の予燃焼室（１２）に流路が接続されている少なくとも１つの第２の予燃焼室（１５）と、を有する装置（１）において、
前記第２の予燃焼室（１５）は、完全に前記燃焼室（３）内に配置されており、円錐台状に形成されており、前記シリンダー（２）のシリンダーヘッド（９）から出発して前記燃焼室（３）内に拡張するように成形されており、かつ前記第１の予燃焼室（１２）より大きな容量を有し、
前記装置（１）が、前記第２の予燃焼室（１５）周囲に延在している少なくとも１つの第３の予燃焼室（１６）を有することを特徴とする装置（１）。 A device (1) for igniting a mixture of fuel and air in a combustion chamber (3) of a cylinder (2) of an internal combustion engine (100), comprising:
a first pre-combustion chamber (12) arranged at least partially outside said combustion chamber (3) and having an ignition device (13) capable of igniting a combustible fuel-air mixture in said pre-combustion chamber (12);
at least one second pre-chamber (15) extending around a portion of the first pre-chamber (12) and connected by a flow passage to said first pre-chamber (12),
the second pre-chamber (15) is completely disposed within the combustion chamber (3), is frustoconical in shape, is shaped to extend starting from the cylinder head (9) of the cylinder (2) into the combustion chamber (3) and has a larger volume than the first pre-chamber (12);
The device (1) is characterized in that it comprises at least one third pre-chamber (16) extending around the second pre-chamber (15) .
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