JP2019503451A

JP2019503451A - 特に自動車用の、２つの混合ゾーンを有する可変圧縮比内燃機関、およびそのような車両用の噴射方法

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Publication number: JP2019503451A
Application number: JP2018538822A
Authority: JP
Inventors: パロラ、ガエタノド; ジァン−マルクザカルディ、; フィリップドゲル、; ステファヌシェヴィヤール、
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2019-02-07
Also published as: WO2017129386A1; FR3047043A1; CN108474291A; US20190040789A1; FR3047043B1; EP3408513A1

Abstract

少なくともシリンダ（１０）と、燃料を燃料ジェット（３６）の単一のシート（３４）の形で噴霧する燃料噴射手段（１４）を保持するシリンダヘッド（１２）と、このシリンダ内を滑るピストン（１６）と、シリンダヘッドに向かって***しかつ凹状ボウル（４４）の中心に配置された小仕切り（４６）を有するピストンの上面（４２）によって一方の側に区画された燃焼室（３２）とを有する可変圧縮比直接噴射内燃機関。本発明によれば、燃焼室は、燃料ジェット（３６）が噴射される少なくとも２つの混合ゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を有し、ゾーンの一方（Ｚ１）が最大圧縮比（Ｔｍａｘ）用に使用され、他方のゾーン（Ｚ２）が最小圧縮比（Ｔｍｉｎｉ）用に使用される。

Description

本発明は、特に自動車用の可変圧縮比直接噴射内燃機関と、そのような機関用の噴射方法に関する。

内燃機関用の燃焼システムは、耐久性公差基準に適合しつつ、汚染物質放出量削減と、トルクおよび特定力の増強と、燃焼騒音の軽減に対する要求を満たす必要がある。

この要求を満たすには、動力要件に応じて内燃機関の圧縮比を修正することが可能である。

一般に認められているように、機関の圧縮比は、死容積と呼ばれる、ピストンが上死点に位置するときの燃焼室の容積に対するピストンが下死点に位置するときの燃焼室の容積の比である。

多くの装置は、シリンダ内のピストンの空間位置を修正するのを可能にする。

より詳細には、これらの装置のうちのいくつかは、ピストンが上死点に位置するときの燃焼室の死容積を修正することによって機関の圧縮比を変更することを可能にする。シリンダヘッドに対するピストンの最終位置は、ピストンが上死点に位置するときに修正するだけでよい。

したがって、最小圧縮比（最大死容積）では、ピストンの頂部とシリンダヘッドとの間の距離は、最大圧縮比（最小死容積）と比較してより長い。

しかし、可変圧縮比（ＶＣＲ）を有するそのような機関は取るに足らない欠点を有していない。

確かに、フランス特許出願第２８９１８６７号により詳細に記載されているように、この種の機関は一般に、シリンダと、凹状のボウル内に配置された小仕切りを有し、このシリンダ内を往復直線運動しながら滑るピストンと、酸化性物質用の吸気手段と、燃焼ガス排気手段と、ピストン上死点の位置を変化させる手段と、この機関の燃焼室内に燃料を噴射する噴射手段とを有する。

この従来技術文献に詳細に記載されているように、燃料噴射手段は、燃料を１つまたは２つの重ね合わされた燃料ジェットシートの形で噴射するのを可能にする噴射オリフィスの２つの重ね合わされた列を有する燃料噴射装置を有する。

したがって、圧縮比が高い場合、燃料はジェットの単一のシートとして噴射され、圧縮比が低い場合、燃料は２つのシート角度によって噴射される。

したがって、この種の機関は、必然的に、一方の燃料ジェットシートと他方の燃料ジェットシートとの少なくとも一方を動作可能にする高度な制御装置と関連付けられた、複雑な構成の多燃料シート噴射装置を必要とする。

さらに、ピストン／シリンダ距離を変化させることによる可変圧縮比を有するこの種の機関は、顕著な幾何学的欠点を有する。

すなわち、ピストン／シリンダヘッド距離を修正することによって、燃料噴射装置および燃料ジェットの相対位置がピストンボウルに対して修正される。

したがって、ボウルが一般に、「固定」幾何学的条件、すなわち、上死点におけるピストンの固定位置についてのみ最適化されるので、燃焼室内の燃料の分散および全体的な燃焼プロセスが顕著に修正される。

したがって、そのような可変圧縮比機関を最適化するには、燃料噴射装置の相対位置の影響をまったく受けないようにすることができるか、または少なくとも燃料噴射装置の位置にかかわらずに効率的であるピストンボウル形状を再定義する必要がある。

本発明の目的は、機関にどのような圧縮比が使用されるかにかかわらず、燃料を燃焼室の混合・燃焼ゾーン内に噴射する単一の燃料ジェットシートを有する従来の燃料噴射装置を有する機関に関するこれらの欠点を解消することである。

したがって、本発明は、少なくともシリンダと、燃料を燃料ジェットの単一のシートの形で噴霧する燃料噴射手段を保持するシリンダヘッドと、このシリンダ内を滑るピストンと、シリンダヘッドに向かって***しかつ凹状ボウルの中心に配置された小仕切りを有するピストンの上面によって一方の側に区画された燃焼室と、を有する可変圧縮比直接噴射内燃機関であって、燃焼室が、燃料ジェットが噴射される少なくとも２つの混合ゾーンを有し、ゾーンの一方が最大圧縮比用に使用され、他方のゾーンが最小圧縮比用に使用されることを特徴とする内燃機関に関する。

ゾーンの一方は、最小圧縮比用の他方のゾーンに関連付けることができる。

混合ゾーンは、軸線方向において上下に重ねることができる。

各混合ゾーンは、半径方向の突起によって互いに区画することができる。

混合ゾーンの一方は、トーラス状容積の下部を形成するように凸状面に連結された凹状面を有することができる。

他方の混合ゾーンは、障壁を形成するように凸状面に連結された凹状面を有することができる。

この機関は、ボウル径ＢＤ、ネック径ＧＤ、下変曲径ＩＤ１、上変曲径ＩＤ２、小仕切り高さＨ、ボウル高さＬ、変曲径ＩＤ１の高さＬ１、傾斜角ａ３、トーラスの凹状円形面の半径Ｒ、および凹状円形面の半径Ｒ２のボウルを有するピストンを有することができる。各ボウル寸法は、以下の条件のうちの少なくとも１つを満たすことができる。

・比ＢＤ／Ｌは、実質的に１．３から１．８の間の範囲である。

・比ＧＤ／ＢＤは、トーラス空気力学および燃料ジェット上昇流については実質的に０．９から０．９５の間の範囲である。

・比Ｈ／Ｌは、噴射ノズルと小仕切りとの間の酸化性物質容積を最小限に抑えるために実質的に０．６未満でありかつ実質的に０．５よりも大きい。

・比Ｌ／Ｌ１は、実質的に１．１５から１．７の間の範囲である。

・比Ｒ２／Ｒは、実質的に０．２５から１の間の範囲である。

・比ＧＤ／ＩＤは、実質的に０．６５から０．９の間の範囲である。

・ａ３は、実質的に５０°から７０°の間の範囲である。

・ボウル径は径ＩＤ２よりも小さい。

本発明は、少なくともシリンダと、燃料を燃料ジェットの単一のシートの形で噴霧する燃料噴射手段を保持するシリンダヘッドと、このシリンダ内を滑るピストンと、シリンダヘッドに向かって***しかつ凹状ボウルの中心に配置された小仕切りを有するピストンの上面によって一方の側に区画された燃焼室と、を有し、最大圧縮比用に、燃料が燃焼室の混合ゾーン内に噴射され、最小圧縮比用に、燃料が燃焼室の別の混合ゾーン内に噴射されることを特徴とする可変圧縮比直接噴射内燃機関用の燃料噴射方法にも関する。

最小圧縮比用に、燃料を両方の混合ゾーンに噴射することができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照しながら非制限的な例として与えられる以下の説明を読むことによって明らかになろう。
ある圧縮比用の構成における、本発明による可変圧縮比内燃機関を示す図である。別の圧縮比に関する図１の機関の別の図である。図１および図２のボウルの部分的な場所の拡大断面図である。

図１および図２は、可変圧縮比を有し直接燃料噴射が可能な内燃機関を非制限的な例として示す。

この機関は有利なことに、ディーゼル型燃料を使用する圧縮点火機関である。

もちろん、直接噴射システムを含む圧縮点火型の機関の動作を可能にする物理化学特性を有する、灯油などの任意の他の燃料を使用することができる。

この機関は、少なくともシリンダ１０と、上部においてシリンダを閉じるシリンダヘッド１２と、シリンダヘッドによって保持される燃料噴射手段１４と、往復直線運動しながらシリンダ内を滑る軸線ＸＸのピストン１６とを有している。

この機関はまた、例えば排気弁２２などの任意の手段によって開きを制御することができる少なくとも１つの排気管２０を含む燃焼ガス排気手段１８と、例えば吸気弁２８などの任意の手段によって開きを制御することができる少なくとも１つの吸気管２６を含む酸化物質用の吸気手段２４と、を有している。

酸化物質は、周囲圧力における空気または過給空気、あるいは空気（過給空気またはそれ以外の空気）と燃焼ガスの混合物であると理解される。

燃料噴射手段は、好ましくはピストンの軸線ＸＸに沿って配置された燃料噴射装置３０を有しており、燃料噴射装置のノズルは多数のオリフィスを有し、これらのオリフィスを通じて燃料が機関の燃焼室３２の方向に噴霧され射出される。

この燃料噴射装置から射出された燃料は、シート角度Ａ１の燃料ジェット３６の単一のシート３４を形成し、このシートの概略軸線は、図示の例では、ピストンＸＸの概略軸線と一つになる。

シート角度は、燃料噴射装置から発射されたジェットコーンによって形成される頂角であると理解され、ジェットコーンの想像上の周壁は燃料ジェット３６のすべての軸線３８を通過する。

燃焼室３２は、ピストンと向かい合うシリンダヘッド４０の内面、シリンダ１０の円形内壁４１、およびピストン１６の上面４２によって区画されている。

ピストンのこの上面は、凹状ボウル４４を有しており、凹状ボウル４４の軸線はこの場合、シリンダの軸線と一つになり、凹状ボウル４４の凹面は、シリンダヘッドの方へ向けられており、凹状ボウル４４は、実質的にボウルの中心に配置された小仕切り４６を収容しており、小仕切り４６は、上方にシリンダヘッド１２の方へ***しており、一方、好ましくは燃料ジェットシートの軸線と同軸である。

各図によりよく示されているように、小仕切り４６は、概ね先端を切り取られた形状であり、実質的に直線状の傾斜面５０によって、軸線ＸＸからピストンの外側に向かって対称的に移動しつつ、ボウルの底部５２まで延出された好ましくは丸い頂部４８を有している。

各図の例では、このボウルの底部は、内側円形面と呼ばれ、傾斜したフランクの底部に連結された、円弧の形をした凹状円形面５４と、外側円形面と呼ばれ、一方の端部の所で内側円形面の下端部に連結されるとともに他方の端部の所で横壁５８に連結された、円弧の形をした別の凹状円形面５６とによって丸められ、この場合、実質的に軸線ＸＸの方向に丸められており、したがって、小仕切りに向かう半径方向突起５９を形成している。

したがって、２つの円形面５４および５６は、突起５９の上部に区画されるトーラス状容積６０（またはトーラス）の下部を区画している。

円形横壁５８は、凹状円形面６２によって、引き続き軸線ＸＸから離れつつ延出されており、凹状円形面６２は、平面６６まで延びる外側凸状面６４によって延出されており、平面６６はシリンダの壁４１の近傍まで延びている。したがって、面６２および６４は障壁６７を形成しており、障壁６７の目的については以下に説明する。

したがって、燃焼室は、中に含まれる酸化物質（過給空気またはそれ以外の空気、あるいは空気と再循環された燃焼ガスの混合物）を燃料噴射装置からの燃料と混合すると共に、このように形成された燃料混合物を燃焼させる物理化学的条件が満たされたときにそのような燃焼を生じさせる２つの別個のゾーンＺ１およびＺ２を有している。

小仕切り４６、ボウル底部におけるトーラス６０、および半径方向突起５９によって区画されるゾーンＺ１は、燃焼室の下部ゾーンを形成する。凹状面６２、凸状面６４、平面６６、シリンダの周辺内壁、およびシリンダヘッド１２の内面４０によって突起５９から区画されるゾーンＺ２は、下部ゾーンの上方に配置されたこの空間の上部ゾーンを形成している。

上述のように、図１および図２の機関は、シリンダヘッドに対するピストンの最終位置を変更することによってピストン上死点における燃焼室の死容積を修正することによって圧縮比が変更される可変圧縮比機関である。

当業者に知られている多くの装置は、フランス特許第２８０１９３２号に記載されているように、クランクピンとクランクヘッドとの間に位置する偏心器などによって上記の結果を得るのを可能にする。

したがって、最小死容積を有する最大圧縮比Ｔｍａｘ（図１）では、ピストンは、ピストンの頂部とシリンダヘッドの面４０との距離が距離Ｄ_Tmaxである上死点（ＰＭＨ_Tmax）に位置する。最大死容積を有する最小圧縮比Ｔｍｉｎｉ（図２）では、ピストンは、ピストンの頂部とシリンダヘッドの面４０との間の距離が、Ｄ_Tmaxよりも大きい距離Ｄ_Tminiである、上死点（ＰＭＨ_Tmini）に位置する。

この機関は、適切な圧縮比を判定するためにこの機関の速度または荷重などの様々なパラメータに基づくエンジン動作マップを含むエンジン計算機と呼ばれる計算機（不図示）と、機関の動作時に用いる圧縮比に基づく燃料噴射管理手段とに関連付けられている。

最大圧縮比（図１）によるエンジン動作の場合、計算機は、ピストンがＰＭＨ_Tmaxに位置するように圧縮比可変装置を制御する。

ピストンのこの位置では、計算機は、各燃料ジェット３６が燃焼室の混合ゾーンＺ１に送られるように燃料噴射パラメータを制御する。

このパラメータ化によって、シート３４の各燃料ジェットが、よりうまく空気／燃料の混合ができるように矢印Ｆ１によって示されている経路を辿ることによってトーラス６０に直接当たり、したがって、このトーラスにおいてほぼ完全な燃焼を実現する。

さらに、半径方向突起５９が存在することに起因して、燃料はピストンの上部に流入することができず、燃焼は基本的にゾーンＺ１において生じる。

最小圧縮比（図２）では、計算機は、ピストンがＰＭＨ_Tmini（図２）に位置するように圧縮比可変装置を制御する。

ピストンのこの位置では、計算機は、燃焼室の混合ゾーンＺ２への燃料ジェット３６の供給を制御して、燃料ジェット３６が凹状面６２に当たり矢印Ｆ２によって示されている経路を辿るように燃料噴射パラメータを制御する。

したがって、燃焼は燃焼室の上部において生じ、面６２および６４は、燃料がシリンダの内壁４１の方へ分散されるのを防止する障壁を形成し、したがって、燃焼の結果として生じる炭素系物質の、オイル被覆壁４１への移動を制限することができる。

最小圧縮比では、燃料ジェットが小仕切りに最も近い突起５９の外縁部に当たるようにこの噴射を実施できることが好ましい。燃料ジェットはその後２つの燃料流に分岐し、図２の矢印Ｆ１およびＦ２によって示されているように、一方の流れがゾーンＺ１に、他方の流れがゾーンＺ２に送られ、この２つのゾーンにおいて燃焼が生じる。

次に、非制限的な例として上述のボウルの断面の一部を拡大して示す図３を参照する。

この構成では、ボウルは、
半径が、ボウル底部の近傍に位置すると見なされ、軸線ＸＸとこの軸線に対する凹状面５６の最も遠い点との間の距離に相当する、ボウル開口径ＢＤと、
半径が、軸線ＸＸと小仕切りに最も近い半径方向突起５９の端部との間の距離に相当し、したがって、このボウルのゾーンＺ１の出口部分を区画する、ネック径ＧＤと、
半径が、軸線ＸＸと、突起５９の壁５８と凹状面６２との間の変曲点との間の距離に相当する、下変曲径ＩＤ１と、
半径が、軸線ＸＸと、凹状面６４と平面６６との間の変曲点との間の距離に相当する、上変曲径ＩＤ２と、
ボウル底部と小仕切り４６の頂部との間の小仕切り高さＨと、
ボウル底部と平面６６との間のボウル高さＬと、
突起５９の壁５８と凹状面６２との間の変曲点とボウル底部との間と見なされる径ＩＤ１に関する高さＬ１と、
垂直線に対する小仕切りの傾斜面５０の傾斜角ａ３と、
トーラス６０の凹状円形面５６に関する半径Ｒと、
凹状円形面６２に関する半径Ｒ２と、を有している。

ボウルの各寸法は、以下の条件のうちの少なくとも１つを満たすことができる。

・トーラス空気力学および燃料ジェット上昇流に関する比ＧＤ／ＢＤは、実質的に０．９から０．９５の間の範囲である。

・比Ｈ／Ｌは、燃料噴射装置ノズルと小仕切りとの間の酸化性物質容積を最小限に抑えるために実質的に０．６未満でありかつ実質的に０．５よりも大きい。

・ａ３は、実質的に５０°から７０°の間の範囲である。

・ボウル径ＢＤは上変曲径ＩＤ２よりも小さい。

したがって、このボウルパラメータ設定によって、最大圧縮比での燃料／酸化物質混合物の燃焼は基本的にトーラス状容積において生じ、一方、最小圧縮比での燃料／酸化物質混合物の燃焼は基本的に、上部ゾーンにおけるピストンの上方において、好ましくはトーラス状容積において生じると共に、上部ゾーンにおけるピストンの上方において生じる。

Claims

少なくともシリンダ（１０）と、
燃料を燃料ジェット（３６）の単一のシート（３４）の形で噴霧する燃料噴射手段（１４）を保持するシリンダヘッド（１２）と、
このシリンダ内を滑るピストン（１６）と、
前記シリンダヘッドに向かって***しかつ凹状ボウル（４４）の中心に配置された小仕切り（４６）を有する前記ピストンの上面（４２）によって一方の側に区画された燃焼室（３２）と、
を有する可変圧縮比直接噴射内燃機関であって、
前記燃焼室は、燃料ジェット（３６）が噴射される少なくとも２つの混合ゾーン（Ｚ１、Ｚ２）を有し、前記ゾーンの一方（Ｚ１）が最大圧縮比（Ｔｍａｘ）用に使用され、他方のゾーン（Ｚ２）が最小圧縮比（Ｔｍｉｎｉ）用に使用されることを特徴とする、内燃機関。
前記ゾーンの一方（Ｚ１）は、最小圧縮比（Ｔｍｉｎｉ）用の前記他方のゾーン（Ｚ２）に関連付けられることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
混合ゾーン（Ｚ１、Ｚ２）は、軸線方向において上下に重ねられることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
混合ゾーン（Ｚ１、Ｚ２）は、半径方向の突起（５９）によって互いに区画されることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
前記混合ゾーンの一方（Ｚ１）は、トーラス状容積（６０）の下部を形成するように凸状面（５６）に連結された凹状面（５４）を有することを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載の内燃機関。
前記他方の混合ゾーン（Ｚ２）は、障壁（６７）を形成するように凸状面（６４）に連結された凹状面（６２）を有することを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載の内燃機関。
前記ボウルが、ボウル径ＢＤ、ネック径ＧＤ、下変曲径ＩＤ１、上変曲径ＩＤ２、小仕切り高さＨ、ボウル高さＬ、変曲径ＩＤ１の高さＬ１、傾斜角ａ３、トーラス（６０）の凹状円形面（５６）の半径Ｒ、および凹状円形面（６２）の半径Ｒ２を有し、前記各ボウル寸法は、以下の各条件、
・比ＢＤ／Ｌが、実質的に１．３から１．８の間の範囲であること、
・トーラス空気力学および前記燃料ジェット上昇流に関する比ＧＤ／ＢＤが、実質的に０．９から０．９５の間の範囲であること、
・比Ｈ／Ｌが、前記噴射ノズルと前記小仕切りとの間の前記酸化性物質容積を最小限に抑えるために実質的に０．６未満でありかつ実質的に０．５よりも大きい、
・比Ｌ／Ｌ１が、実質的に１．１５から１．７の間の範囲であること、
・比Ｒ２／Ｒが、実質的に０．２５から１の間の範囲であること、
・比ＧＤ／ＩＤが、実質的に０．６５から０．９の間の範囲であること、
・ａ３が、実質的に５０°から７０°の間の範囲であること、
・ボウル径は径ＩＤ２よりも小さいこと
のうちの少なくとも１つを満たすことを特徴とする、前記請求項の何れか１項に記載の機関。
可変圧縮比直接噴射内燃機関用の燃料噴射方法であって、
少なくともシリンダ（１０）と、
燃料を燃料ジェット（３６）の単一のシート（３４）の形で噴霧する燃料噴射手段（１４）を保持するシリンダヘッド（１２）と、
このシリンダ内を滑るピストン（１６）と、
前記シリンダヘッドに向かって***しかつ凹状ボウル（４４）の中心に配置された小仕切り（４６）を有する前記ピストンの上面（４２）によって一方の側に区画された燃焼室（３２）と、を有し、
最大圧縮比（Ｔｍａｘ）用に、前記燃料が前記燃焼室の混合ゾーン（Ｚ１）内に噴射され、最小圧縮比（Ｔｍｉｎｉ）用に、前記燃料が前記燃焼室の別の混合ゾーン（Ｚ２）内に噴射されることを特徴とする、燃料噴射方法。
最小圧縮比（Ｔｍｉｎｉ）用に、前記燃料は両方の混合ゾーン（Ｚ１、Ｚ２）内に噴射されることを特徴とする、請求項８に記載の噴射方法。