JP5517278B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は請求項１、請求項２、又は請求項３の前段による内燃機関、特に自己着火の直接噴射式内燃機関に関する。

自己着火を伴う直接噴射の内燃機関においては、燃焼を最適化するために、対応する燃焼室構成が画定され、燃焼室内の燃焼に影響する様々なピストンの窪み形状が用いられる。これは燃焼室内の混合気形成及びそれゆえ排気ガス内の排出物質の形成を改善するために意図される。下流に配置された排気ガス後処理システムの動作を最適化することもまた可能である。

圧縮用の***を有するピストンの窪みは特許文献１から知られており、該圧縮用***の基本形状はおおよそ球形のキャップを形成する。最も深く窪んだ領域において、該窪みはピストン直径の半分よりも小さい環状の直径を有する。これは効率及び動力のより高いレベルを得ることが出来るように、ピストンをその機械的及び熱的耐久性の結果としてより高い燃焼圧力に対して適するように意図している。

独国特許出願公開第１００ ２８ ４４９ Ａ１号明細書

本発明は燃焼室内での混合気の形成及び燃焼が改善される、自己着火式内燃機関を提供する目的に基づいている。これはいずれの場合にも請求項１、請求項２、又は請求項３の特徴を有する装置を用いて達成される。

請求項１による第一の例示的実施形態によれば、本発明による内燃機関は、窪みの縁の最上部に揃えられた水平面の下方で、ピストンの窪みは窪み体積を有し、窪み体積に対する最大窪み深さの比率が０．０５〜０．３５／ｃｍ ^２ 、特に０．１〜０．２５／ｃｍ ^２ にあるように形成されることを特徴とする。これは十分な酸素の割合が自己着火プロセスの前又は途中の燃焼に利用できるように、利用可能なピストンの窪み体積における燃料の質量分布に関して、燃焼室の最適な設計を提供する。煤の粒子形成はそれにより最小化され、もしくは大幅に妨げられる。本発明により提供される寸法もしくは比率は窪み内部の適応した全体表面を形成し、それによって本発明による窪み体積内の燃料リッチ領域の形成は殆ど完全に回避され、もしくは大幅に減少する。本発明による比率によって驚くほど得られる効果は、燃料粒子の強い拡散と、特に窪み体積での燃料液滴の得られる混合の深さとの好ましいバランスの結果として主に得られる。

本発明による内燃機関はピストンの窪みが最大の窪み直径を有する環状の窪みの縁によって囲まれ、そして該ピストンが、最大の窪み直径に対するピストン直径の比率が１．０５〜１．４、又は１．０５〜１．３の範囲内にあるピストン直径を有することを特徴とする。該比率は１．１〜１．２の範囲内にあることが望ましい。これはピストンの窪み内における燃料質量の非常に速い伝播と、従って燃料と空気の急速な混合を生じる。ピストン直径にマッチした燃料粒子の分布が得られ、本発明によれば、該燃料粒子の分布は燃料の平均を超える伝播と、従って窪みの中で燃焼空気との多量の混合を可能にする。燃焼室内での限界点における燃料リッチ領域の形成は従って最小限に減少する。

本発明による内燃機関は、窪み角に対して燃料円錐角の生成される比率が０．９５〜１．３６、特に１．１５〜１．３の範囲内にあるように、噴射孔径及び圧縮突起部が形成されることを特長とする。噴射された燃料質量はそれゆえピストンの窪み内で均一に拡散し、燃料の燃焼空気との混合は強化される。従って、与えられた比率もしくは燃料円錐角と窪み角の適合は、窪みの輪郭形状と噴射ノズルから噴射される燃料質量との間の、ピストンの窪み内における適合した相互作用を生み出す燃焼室の構成を提供する。該突起が円錐形の設計である場合、円錐角は窪み角とされ、一方で該突起は他の形状、例えば球形の設計を有することが出来る。対応する傾斜角度を有して突起に接している接線は、そのとき窪み角を決定するために導き出されることができる。

得られる効果は燃料粒子が窪みに衝突する角度と、窪み角に関する燃料液滴の得られた浸透深さとの間の好ましいバランスに主として起因する。これは該液滴の燃焼空気との十分な混合気を得ることを可能にする。ピストンの窪み内の噴射された燃料分布及びそれに続く燃焼空気との混合は、従って特に全負荷運転中の望ましくない煤の粒子形成の開始前に生じる。

本発明の更なる実施形態によれば、ピストンの窪みは最大窪み深さにおける窪みの基底での直径を有し、該最大窪み深さにおける直径のピストン直径に対する比率は０．２２〜０．４５、特に０．３〜０．３９にある。本発明によれば、ピストン直径に適応する流れの条件は、該流れの条件が、より低い窪み領域において燃料噴霧と燃焼空気との急速で十分な混合を可能にする、提案された範囲内で形成される。従って、より低い領域における燃料リッチ領域の形成を大部分防止する乱流運動が得られる。

本発明の更なる実施形態において、ピストンの窪みの輪郭は窪みの基底と窪みの縁との間に窪みの基底半径を有し、最大窪み直径に対する窪みの基底半径の比率は０．１〜０．３５、特に０．１６〜０．２２にある。これはピストンの窪みの基底に沿った均一で制御された燃料粒子の案内を確実にする。これはその時、目標とされたやり方で、より強力な燃料と燃焼空気の混合をもたらす。更に、燃焼空気と窪みの基底上を滑る燃料噴霧との間に、ピストンのサイズに適応した十分な接触面が備えられる。

本発明の更なる実施形態によれば、ピストンの窪みの輪郭は圧縮突起部と窪みの基底との間に突起半径を有し、最大窪み直径に対する該突起半径の比率は０．４５〜１．１の範囲内にある。その結果、窪みの基底に衝突する燃料粒子は、窪みの基底区域内の望ましくない燃料リッチ領域の集中を防止するために、燃料粒子が酸素に富んだ領域へと導かれるような方法で加速される。

本発明の更なる実施形態によれば、圧縮突起部は最も高い圧縮突起領域がピストンヘッドから最小の圧縮スペースだけ離れるように形成され、最大窪み深さに対する最小圧縮スペースの比率は０．１〜０．４５、特に０．１５〜０．２５の範囲内にある。窪み深さに適応した空きスペースが、これにより噴射ノズルと圧縮突起部の間に備えられ、該空きスペースは圧縮突起部の領域における燃料リッチ領域の形成を最小化するために役立つ。本発明に従って提案された、互いに対して調整された比率は、圧縮突起部領域及びピストンの窪みの基底領域における、燃料リッチ領域へ必要とされる空気もしくは酸素の供給を許す、好ましい流れの条件を提供する。

更なる利点は以下に続く説明及び関連する図面から収集することが出来る。本発明の例示的実施形態は図面において例証されている。

図１は少なくとも一つのシリンダ（図示せず）及びシリンダヘッド１を有する内燃機関を描写している。シリンダ内部では、燃焼室５がピストン２とシリンダヘッド１との間に画定されている。複数の噴射孔（図示せず）を有する噴射ノズル３を有する燃料噴射装置６がシリンダヘッド１内に配置されている。５つ〜９つ、望ましくは６つ〜８つの噴射孔を有する噴射ノズル３によって、複数の燃料噴霧が噴射孔から噴射される。その結果、直接噴射の内燃機関を提供するために、燃料は対応する数の燃料噴霧８にて直接、燃焼室５内へと噴射される。ディーゼル燃料が望ましくは燃焼室５内へと噴射され、その結果、自己着火燃焼プロセスが開始される。燃料噴霧同士の間に形成される燃料円錐角βは、５０°〜１６０°の範囲内にある。

ピストンヘッド７内に形成されたピストンの窪み４は、ピストン２のシリンダヘッド１に向かって面する側に位置し、外側に環状の窪みの縁１２により境界を定められている。ピストン２はピストン直径ＤＫを有し、ピストンの窪みは上部の窪みの縁面に揃えられた平面Ｅの下方に窪み体積ＭＶを持っている。図２による窪みの縁１２に接する平らなピストンヘッド７の場合、平面Ｅはピストンヘッド７と合致する水平面として形成される。窪みの縁１２の外形により、平面Ｅはそれでもなおピストンヘッド７の上方もしくは下方に位置することができる。

図１において見られるように、ピストンの窪み４はシリンダヘッド１の方向に延びた、ほぼ中心に位置する圧縮突起部１０を有する。望ましくは円錐状の***形状で形成される突起１０は、以下において窪み角と呼ばれる突起円錐角αを有する。形成される***１０は円錐構造には限定されない。それはまた例えば球形の突起として、違って形成され得る。図２によれば、窪みの輪郭１１は圧縮突起部１０から、窪みの基底１３の方向へ、そして更に窪みの縁１２の方向に延びている。窪みの縁は、ピストンヘッド７の表面が始まるピストンの窪み４の端部、もしくは最も外側の領域と理解されたい。ピストンヘッド表面７は直接窪みの縁１２に接している。

図２によれば、噴射ノズル６がピストンヘッド７内に形成されたピストンの窪み４の上方に配置され、該ピストンの窪み４は内燃機関の燃焼室５内の中央に配置されている。燃料の蓄積を避けるため、皿状の基本窪み形状はピストンの窪み４の縁領域において、ピストンヘッド７への丸くされた遷移部を有する。スペースＨが上部突起領域１０ａとピストンヘッド７の間に備えられている。突起１０の方向に偏向させられた燃料の量が良く拡散するように、備えられたスペースＨの結果として十分な空きスペースが残る。窪みの縁１２の方向に偏向させられた燃料の比率は、ピストンの窪み４の設計及び、ピストン直径ＤＫに対するその寸法によって決定される。該比率は煤の粒子形成を抑制するため、燃料リッチ領域の形成が避けられるように選ばれるべきである。

本発明の目的は、発明による燃焼室構成を用いて、燃焼室５内へ導入される燃料噴霧をピストンの窪み輪郭１１に適応する方法で噴射することである。燃料質量はそれによってピストンの窪み４内で案内され、本発明による窪みの設計によって同時に圧縮された燃焼空気と集中的に混合される。自己着火燃焼プロセスが出来る限り少ない煤の粒子形成と共に行なわれ得るように、提案された燃焼室構成を用いて、ピストンの窪み４内の燃料リッチ領域の如何なる可能な生成も避けることがまた試みられている。特により高速及び高負荷域における内燃機関の運転中に、ほとんど煤の粒子が無い排気ガスを可能にするために、これは例えば全負荷運転における、大きな燃料質量を伴う動作点において特に有利である。

本発明の第一の例示的実施形態によれば、ピストンの窪み４は、凹んだ容積ＭＶに対する最大窪み深さＴＭの比率ＴＭ／ＭＶが０．０５〜０．３５／ｃｍ ^２ にあるような方法で形成される。本発明において、窪み内における燃料の分布条件及び混合条件を非常に有利に構成するため、燃料粒子の強い拡散と、特に窪み体積での燃料液滴の得られる混合の深さの間の優れたバランスの結果として、備えられた０．１〜０．２５／ｃｍ ^２ の比率により驚くべき効果を得ることが出来るという理由で、該比率ＴＭ／ＭＶは０．１〜０．２５／ｃｍ ^２ で選択されるべきである。

本発明の第二の有利な実施形態によれば、環状の窪みの縁１２は最大窪み直径ＤＭを有し、最大窪み直径ＤＭに対するピストン直径ＤＫの比率ＤＫ／ＤＭは１．０５〜１．４、又は１．０５〜１．３にある。前記比率は１．１〜１．２が望ましい。これは燃焼室５内でピストン直径に適合した燃料分配を提供し、そして本発明によれば、燃料の十分な伝搬及び従って窪み内での燃焼空気との良好な混合を可能にする。

図１はピストン２がほぼ上死点ＴＤＣにある時に生成された噴射噴霧８を描写している。該噴射噴霧８は燃焼室５内の噴霧円錐９を軸としてそれぞれ概略的に例示されている。特に燃料噴射が上死点ＴＤＣの前２０°ＣＡから上死点ＴＤＣの後３５°ＣＡ迄の範囲内で行なわれるとき、燃料円錐角βを有して噴射孔から噴射される燃料噴霧はピストンの窪み４に衝突し、該ピストンの窪み４内で燃焼空気と混合する。煤のない燃焼を得るために、噴射孔及び圧縮突起部１０は、窪み角αに対する燃料円錐角βの生成される比率β／αが０．９５〜１．３６の範囲内にあるように形成される。十分で集中的な混合は特にβ／αの比率が１．１５〜１．３において得られる。燃料の拡散を行うこのやり方は十分な混合を得るために有効である。噴射噴霧８が窪みの表面１１に衝突する点及び、従って窪み４内での混合条件は上述の比率β／αにより決定される。

煤のない燃焼に関してピストンの窪み４の設計を更に最適化するために、ピストンの窪み輪郭１１はピストンの窪み１３と窪みの縁１２の間に窪みの基底半径ＲＫを有し、該窪みの基底半径ＲＫは、最大窪み直径ＤＭに対する窪みの基底半径ＲＫの比率ＲＫ／ＤＭが０．１〜０．３５の範囲にあるように形成される。該比率ＲＫ／ＤＭはそれによって燃料と空気の混合気に対するプラスの効果を強めるために、０．１６〜０．２２にあることが望ましい。燃焼中の煤の粒子形成を更に妨げるため、ピストンの窪み輪郭１１は圧縮突起部１０と窪みの基底１３の間に突起半径ＲＨを有し、最大窪み直径ＤＭに対する突起半径ＲＨの比率ＲＨ／ＤＭは０．４５〜１．１の範囲内にある。

燃焼室５における燃料リッチ領域の形成を抑制するために、最も高い圧縮突起領域１０ａがピストンヘッド７から隔てられる圧縮スペースＨは、最大窪み深さＴＭに対する該圧縮スペースＨの比率Ｈ／ＴＭが０．１〜０．４５、特に０．１５〜０．２５の範囲内にあるように選定される。

本発明の更に好適な実施形態によれば、窪みの基底１３の領域における煤の粒子形成を更に減少させるために、最大窪み深さにおける直径Ｄｍｉｎのピストン直径ＤＫに対する比率Ｄｍｉｎ／ＤＫは、０．２２〜０．４５又は０．２２〜０．３９の範囲内にあるように選定される。非常に低い程度の煤の粒子形成は、Ｄｍｉｎ／ＤＫの比率が０．３〜０．３９において得られることが証明されている。

本発明による内燃機関は４ストロークの原理で作動することが望ましい。本発明による燃焼室構成は、それでもなお２ストロークの原理によって作動する内燃機関に対しても同様に適している。４ストロークのプロセスにおいて、一つの行程は完全なピストン行程に相当する。４ストロークからなる内燃機関の運転サイクルは一つの燃焼サイクルに相当し、燃焼サイクルはピストン２が下向きに下死点へと動く最初の吸気行程で始まる。シリンダヘッド１に対するピストン２の現在位置は、上死点ＴＤＣに対するクランク角ＣＡにより決定される。

吸気行程において燃焼空気は燃焼室５に供給され、ピストン２は次に続く圧縮行程においてシリンダヘッド１の方向へ上向きに移動し、それによって吸気を圧縮する。燃焼室５における給気の交換はシリンダヘッド１内に配置されたガス交換弁及びガス・ダクト（図示せず）を経由して行なわれる。圧縮行程の終了はシリンダヘッドにおいて上死点ＴＤＣに達した時に達成される。

燃料噴射はＴＤＣの前２０°ＣＡからＴＤＣの後３５°ＣＡ迄の範囲内で行なわれることが望ましい。本発明との関連で互いに任意に結び付けられ得る、上記にリストアップされた比率に関連する本発明による燃焼室構成は、窪み体積に適合した窪み深さ、及び窪みの輪郭特性に適合した自由な噴霧長さをもたらす。これはプラスの相互作用が、ピストンの窪み表面１１上へ偏向させられた燃料の量と燃焼空気との間で得られるように、燃料噴霧８と燃焼空気との最適な接触面を生み出す。これは、低スワールの燃焼プロセスにもかかわらず、空気の追加捕捉、燃焼室内での十分で均一な燃料の分布をもたらす。燃料噴射の間、燃料粒子は燃焼空気と混合し、燃焼が自己着火プロセスにより開始される。ここで、ピストンは再び三番目の膨張行程において下方に動く。排気ガスはその後に最終排気行程において、燃焼室５から排出される。

自己着火を伴う内燃機関の本発明による燃焼室構成の略図である。 図１による内燃機関のピストンの横断面図の略図である。

Claims (5)

1. 内燃機関であって、
   − 燃焼室（５）がピストン（２）とシリンダヘッド（１）との間に画定された、少なくとも一つのシリンダと、
   − 前記シリンダヘッド（１）内に配置され、複数の噴射孔を有する噴射ノズル（３）を有する燃料噴射装置（６）と、
   − 最大窪み深さ（ＴＭ）を有する窪みの基底（１３）を有するとともに、内部に窪み角（α）を有する圧縮突起部（１０）が前記噴射ノズル（３）に対向して配置された、前記ピストン（２）に設けられたピストンの窪み（４）とを有し、
   − 上死点の前２０°ＣＡから上死点の後３５°ＣＡ迄の範囲内で行なわれる燃料噴射の間に、燃料円錐角（β）を有して前記噴射孔から噴射される燃料噴霧（８）が、前記ピストンの窪み（４）に衝突するように前記噴射孔が形成される内燃機関であって、
   − 窪みの縁の最上部に揃えられた水平面の下方で、前記ピストンの窪み（４）が窪み体積（ＭＶ）を有し、窪み体積（ＭＶ）に対する最大窪み深さ（ＴＭ）の比率（ＴＭ／ＭＶ）が０．０５〜０．３５／ｃｍ^２の範囲内にあるように前記ピストンの窪み（４）が形成され、
   − 前記ピストンの窪み（４）が最大窪み直径（ＤＭ）を有する環状の窪みの縁（１２）によって囲まれ、前記ピストン（２）がピストン直径（ＤＫ）を有し、最大窪み直径（ＤＭ）に対するピストン直径（ＤＫ）の比率（ＤＫ／ＤＭ）が１．０５〜１．４の範囲内にあり、
   − 前記噴射孔及び圧縮突起部（１０）が、前記窪み角（α）に対する前記燃料円錐角（β）の比率（β／α）が１．１５〜１．３の範囲内にあるように、形成され、
   − 前記最大窪み深さにおける直径（Ｄｍｉｎ）のピストン直径（ＤＫ）に対する比率（Ｄｍｉｎ／ＤＫ）が０．３〜０．３９の範囲内にあり、
   − ピストンの窪み輪郭（１１）が前記窪みの基底（１３）と前記窪みの縁（１２）との間に窪みの基底曲率半径（ＲＫ）を有し、最大窪み直径（ＤＭ）に対する窪みの基底曲率半径（ＲＫ）の比率（ＲＫ／ＤＭ）が０．１〜０．３５の範囲内にあり、
   − 前記ピストンの窪み輪郭（１１）が前記圧縮突起部（１０）と前記窪みの基底（１３）との間に突起曲率半径（ＲＨ）を有し、最大窪み直径（ＤＭ）に対する突起曲率半径（ＲＨ）の比率（ＲＨ／ＤＭ）が０．４５〜１．１の範囲内にあり、
   − 圧縮突起部（１０）は、その最大突出領域（１０ａ）がピストンヘッド（７）から圧縮スペース（Ｈ）だけ奥まって形成され、最大窪み深さ（ＴＭ）に対する圧縮スペース（Ｈ）の比率（Ｈ／ＴＭ）が０．１〜０．４５の範囲内にあることを特徴とする内燃機関。
2. 窪み体積（ＭＶ）に対する最大窪み深さ（ＴＭ）の比率（ＴＭ／ＭＶ）が０．１〜０．２５／ｃｍ^２の範囲内にあるように前記ピストンの窪み（４）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 最大窪み直径（ＤＭ）に対するピストン直径（ＤＫ）の比率（ＤＫ／ＤＭ）が１．１〜１．２の範囲内にあることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の内燃機関。
4. 前記最大窪み直径（ＤＭ）に対する前記窪みの基底曲率半径（ＲＫ）の比率（ＲＫ／ＤＭ）が０．１６〜０．２２の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記最大窪み深さ（ＴＭ）に対する前記圧縮スペース（Ｈ）の比率（Ｈ／ＴＭ）が０．１５〜０．２５の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。

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