JPH11514717A - 内燃機関に於ける噴射および点火を一体化するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、内燃機関、特に燃料点火が別のオットー機関に於ける燃料の噴射および点火を一体化するための装置に関する。この装置には、一体にした噴射モジュール１４および点火モジュール６がある。この点火モジュールには、本体があり、それをエンジンの頂部に取付けることができ、それは内部形状が管状で、その下部は、底面がこのエンジンの燃焼室２の方に開いた円錐形キャビティ７と併合して、この円錐形キャビティ７が小容積の補助燃焼室を形成するようになる。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関に於ける噴射および点火を一体化するための装置 本発明は、内燃機関、特に燃料点火が別のオットー機関に於ける燃料の噴射お よび燃料の点火を一体化するための装置に関する。 自動車およびその他の用途の内燃機関から燃費および有害な燃焼残留物の放出 を減らすために非常な努力がなされている。近年の電子技術およびコンピュータ の発展が、燃料のより正確な調整、最適化した点火および燃焼の監視を可能にす ることによって、より効果的なエンジンへの道を容易にしている。 今日のエンジンの電子技術は、主として吸気に燃料の割合を減らし、空気の割 合を増すことに結集されている。通常、燃料をエンジンシリンダに噴射する前に 吸気と混ぜる。しかし、ディーゼルエンジンの場合のように、燃料をシリンダ内 に直接噴射し、吸気がシリンダを充した後に弁を閉じることも可能である。メル セデスベンツは、早くも１９６０年代に機能的な直接噴射ガソリン駆動車を開発 した。多数の代替直接噴射構造が、直接噴射した燃料をスパークプラグに集中す る特別なねらいで、近年開発されている。 ガソリン駆動車には、空気混合気の遊離酸素で絶えず充され得るディーゼルエ ンジンが与える多数の利点がない。ディーゼルエンジンには、如何なる形のスロ ットル弁もなく、その弁は、他の種類の内燃機関でエンジンが空気を引込むとき 、真空を発生し、それはアイドリングのとき最大でその後減少する。それでこの スロットル弁は、低出力で大きな固有の抵抗として機能し、エンジンの燃料経済 性を損う。 更に新式のオットー機関の噴射システムは、ディーゼルエンジンの利点に近付 くが、それらは扱い難く、高価で、場所塞ぎな構成の解決策であり、これらのシ ステムを今日のエンジンに適用することは不可能だった。 従って、本発明の一つの目的は、与えられたエンジンの固有抵抗を下げ、与え られたエンジンの出力を増し、与えられたエンジンが発生するトルクを増し、与 えられた燃料量からより多くの出力を出し且つ未燃焼排気残留物の放出を減らし 、 エンジン回転の迅速な加速をもたらし、清浄なエンジンのコールドスタートをも たらし、エンジンの周辺機器の数を減らしてスペースを節約し、およびこの発明 を既存のエンジンに適用可能にすることによって、内燃機関に対する基準を変え ようとすることである。 これらの目的は、以下の請求項に示す特徴の結果としてこの発明によって達成 される。 この発明の概念によれば、前述の目的を達成する際に、幾つかの相互に協同す る機能が寄与する。例えば、噴射機能および点火機能を一体のユニットで具現し 、その点火機能は、エンジンに取付けることができるモジュールに設けるのが相 応しく、次に、噴射モジュールは、この点火モジュールに取付ける。この点火モ ジュールは、内部が管状で、全体として円錐形のキャビティを有し、その円錐の 底面がエンジンの燃焼室の方へ内方に向いているのが好ましい。燃料を高圧でこ の円錐の頂点で外拡がりに噴霧し、点火タイミングは、この混合気が燃料噴射器 の弁を閉じた直後に点火するようにする。エンジン出力要件は、噴射器開放時間 と燃料吐出量で調整する。エンジンがアイドリングのとき、最少量の１次点火燃 料を噴射器から噴射してこの円錐の頂部を充し、混合気を、この円錐の頂部にあ る噴射器の下に特定（最適）距離にある電極からのスパークによって点火するよ うに最適化する。燃料は、点火前に適宜数回シリンダの中へ噴射してもよい。燃 料のシリンダの中への噴射に対する抵抗は、ピストンの圧縮仕事中増加し、それ は単位時間にシリンダに噴射される燃料が次第に少なくなることを意味する。１ 次点火燃料の噴射は、圧縮段階の最後の段階で起り、それで燃料圧力は、過圧分 が燃料に強力な霧化効果を与え、且つシリンダの中で燃料と空気をよく混合する 余裕だけ、圧縮圧力を超えなければならない。それぞれの場合の燃料圧力および シリンダ圧縮と組合さった噴射器開放時間が、各燃焼条件およびそれと共に出力 に特有の量の燃料を噴射させる。１次点火燃料からの火炎面が、加速する火炎面 を介して、燃焼室内の残りの燃料に点火し、燃料量のあらゆる場合に、燃焼室内 の残りの空気を加熱し、周囲面に対して圧力を生じ、それと共にピストンをシリ ンダ内で押下げる。未燃焼酸素をこの円錐に送るとき、より効果的な燃焼をする 。これは、燃料噴射器が高圧下で燃料と空気を同時に噴射することによって最高 に 達成できる。 さて、本発明をその非限定的実施例を参照し、添付の図面を参照して説明する 。それらの図面で、図１は、内燃機関のシリンダヘッドに取付けたこの発明の噴 射器／点火システムの軸断面図であり；図２は、この噴射器および点火ユニット の下部を拡大して示し；図３は、この点火ユニットおよび噴射器弁システムを図 ２の図に対して９０°回転した図で示し；図４は、この点火モジュールおよびそ の調整可能電極を上から示し；図５は、内燃機関の燃焼室内の混合気の幾つかの 雲を模式的に示し；図６は、図１に示した点火モジュールのもう一つの実施例を 示し；図７は、図１に示した点火モジュールのもう一つの実施例を示し；および 図８は、図１に示した点火モジュールの更にもう一つの変形を示す。 図１に示す実施例の場合、この装置１を従来の内燃機関、好ましくはオットー 型機関の燃焼室２内の中央に置く。このエンジンのシリンダヘッド３は、典型的 にはエンジンブロック４に取付け、この図は、ピストン５がその上位置にあるの を示す。この燃焼室は、この点火状態で主として点火モジュール６の円錐形中空 キャビティ７により、隣接するピストン面８により、吸気弁９により、排気弁１ ０により、および隣接するシリンダヘッド面により画定される。空気は、吸気通 路１１からこのエンジンの燃焼室２に導かれ、このエンジンの排気通路１２から 出される。点火モジュール６は、ねじ１３によってこのシリンダヘッドに適当に ねじ込まれている。次には、燃料噴射モジュール１４が、ねじ１５によってこの 点火モジュール６にねじ込まれている。シール１６がこの点火モジュール本体の 上に配置され、ガス圧が燃焼室２から拡がるのを保護する。この点火モジュール の円錐形キャビティ７内に配置されているのは、電極１７、１８で、それらは、 この円錐形キャビティ内および燃焼室内の混合気に点火する作用をする。この燃 料噴射モジュール１４は、共に高圧の燃料２０および圧縮空気２１を供給するた めの結合装置と共に、燃料と空気流の両方を制御するための電気接点１９も含む 。この混合気は、弁２２から加圧されている円錐形キャビティ７内に噴射する。 図２は、点火モジュール６を拡大して示す。この図から、円錐形キャビティ７ の側面が直線状ではなく、曲面２３であり、それが混合気の点火に続く燃焼室２ 内の火炎面の伝播を決めることが分るだろう。この点火モジュールの一つの電極 １７は、そのキャビティ７の中へ突出する端と反対の端に、アース／エンジンブ ロックへ接続し、それによってこの点火モジュールの副電極として機能するため の伝播接点２４を担持する。この点火電極の他の電極１８は、電極チャンネル２ ５を介して接触ユニット２６に接続され、上記接触ユニット２６は、その点火ス パークをこのエンジンの電子制御システムから受ける。標準点火導線またはプラ グリード線を、電気接触ユニット２６に接続するために点火モジュール６の上部 に設けた接触スペース２７にこのリード線を挿入することによってこの電気接触 ユニット２６に接続する。このリード線を、この点火モジュールの上部の接触保 証・湿気防止構造２８によって上記スペースに保持する。 図３は、図２に対して９０°回転した点火モジュール６を示し、この点火モジ ュールの他の部品も示す。図３は、この点火モジュールのアースした電極１７を 示し、この図から、混合気がこの円錐形キャビティに流入するとき、その中での 抵抗を減らし、電極の濡れを減らす流線形にするように、電極の上縁と下縁の両 方の面取りした面２９が見られるだろう。図３から、この燃料噴射器が、この燃 料噴射器モジュール１４の下部にあり、円錐形キャビティ７におよび段付き構造 ３１を媒介として燃焼室に通ずる弁座３０に当接して位置する弁２２を含むこと も分るだろう。この弁２２の下流の段付き構造は、弁が閉じたとき、燃料の分布 を良くし、この閉鎖段階で燃料の最後の量を最も近い段に押付け、混合ガスを上 記弁の形状の助けを借りて軸方向にこの弁の前の領域へ送る。燃料の燃焼圧力が 弁２２を弁座３０に対して閉じることを保証する方向に寄与する。 図４は、点火モジュール６の断面図であり、この点火モジュールの外周に接触 し且つエンジンブロックの中でアースに接続される電極１７の伝播接点２４を示 す。この点火モジュールの第２電極１８は、電極の間隔を調整できるように、破 線で示すように、柔軟に調整可能である。図４から、円錐形キャビティの内壁３ ２が全体として円形であることも分るだろう。 図５は、円錐形キャビティ７の中および燃焼室２の残りの部分の中の混合気の 幾つかの雲を示す。図５は、この円錐形キャビティの中の電極１７、１８も示す 。この図は、電極が円錐形キャビティ７の中で１次点火燃料３３に点火する直前 の状態を示し、この燃料は、当てはまる場合は、その後燃焼室２内で２次点火燃 料 ３４の点火もする。この燃料は、非常に薄い混合気から成ってもよい。円錐形キ ャビティの底面が決った半径を有するので、燃料に点火したとき、火炎面が非常 に効果的に伝播する。 図６に示す点火モジュール６は、図１に示すものと同じ機能を果し、やはりこ のモジュールをエンジンブロック（図示せず）にねじ込むためのねじ１３を含む 。この実施例の点火モジュールも、燃料噴射器モジュール（図示せず）を受ける ための内ねじ１５を有し、その噴射器モジュールは、この場合は、この点火モジ ュールの管状延長部３５に嵌り、実際の燃焼室の上縁の円錐形キャビティ７の近 くで終る延長部を有さなければならない違いはあるが、実質的に図１に示したの と同じ装置でもよい。この場合、副電極１７を点火モジュール６に直接取付け、 主電極１８がその電極チャンネル２５の中を接触ユニット２６まで伸びる。主電 極１８を点火モジュール６の中で絶縁物３６によって囲む。この実施例の電気接 触ユニット２６も、点火モジュール６の上縁に湿気防止構造２８を有する。 図７に示す点火モジュールは、図６に示すモジュールと、主として、燃焼圧に 対する抵抗を改善するように電極チャンネル２５の向きが違うことと、この場合 は、絶縁物３７が図６の実施例の絶縁物より強くなければならないことで異なる 。 図８に示す点火モジュール２は、図６および図７に示すモジュールと、主とし て、点火モジュール本体を強化したことと、この点火モジュールの管状延長部３ ５の形状が違うことで異なり、この延長部は、外方に突出する弁部を有して弁座 が３７にあり、この噴射器のニードル弁がスペース３８に収容される噴射器モジ ュールの形態により適合するようになっている。電気接触ユニット２６の設計も 、図１、図６および図７に示す実施例のユニットとわずかに異なり、点火導線ま たはプラグリード線の接続が容易になるようにされ、絶縁物３６が拡大***部３ ９まで引上げられている。 本発明に従って構成した点火モジュールは、この点火モジュールの実際の本体 をエンジンのシリンダヘッドからねじ抜けると同様に、噴射モジュールをこの点 火モジュールから容易にねじ抜けるユニットを提供する。この様にして、必要な とき、容易且つ経済的に交換できるユニットが得られる。点火モジュール本体を エンジンブロックに取付けることができ、噴射器モジュールをこの噴射器モジュ ール本体に他の方法で、例えば、クランプまたはボルト止めで取付けることがで きる。 この点火モジュールは、全部または一部を、耐熱性且つ電気絶縁性の材料、例 えばセラミック材料で作ってもよい。これは、１次燃焼が起る円錐形キャビティ の熱吸収面を小さくし、次に主燃焼がこの円錐形キャビティで起るだろうから、 それでこれが、特に低出力での、熱損失の減少に通じる。しかし、この点火モジ ュールを、その代りに全部金属で作って、製造を単純化し、耐久性を大きくして もよい。しかし、点火モジュール６の円錐形キャビティ７と上記キャビティを画 定する面が全部または一部電気および熱絶縁材料で作った別のインサートを含む ことも考えられる。 この発明の点火モジュールは、噴射器モジュールの中および小さい円錐形キャ ビティの中の燃料を加熱し、それでこの燃料をスパークで更に容易に点火できる ようにするという利点も提供する。その上、円錐形キャビティの底面が燃焼室を 画定する面の方へ丸みが付いているとき、火炎面がこの燃焼室内でより効果的に 伝播し、それによって上記燃焼室内での燃料のより効果的且つより完全な燃焼を もたらす。 点火モジュール内での電極の位置決めも、この点火モジュールの効力に重要で ある。これらの電極は、この噴射器モジュールの燃料弁の下流に適当な距離に置 くのが好ましく、これらの電極の最適位置は、エンジンのアイドリングのときの 燃料要件に関して決めるのが好ましい。燃料を噴射器の付近で点火する構成は、 電極が噴射した燃料によって効果的に正しい使用温度に冷却され、それによって オーバヒートを避けることを意味する。スパークギャップは、電極を曲げること によって微細に調整することができる。電極は、起動前におよび随意にエンジン の運転中にも、燃焼室に燃料がない期間に、余分のスパークで浄化および／また は加熱してもよい。 本発明の効力に寄与する一般的エンジン特性には次のものがある： ● 空気スロットルのないことが全てのエンジン速度で大量の余剰空気をもたら す。 ● 真空がないときのエンジン内の低内部抵抗が、アイドリング時および低出力 で低燃費となる。 ● 吸気およびシリンダが常に空気で充されているので、スロットル反応が迅速 。このシリンダは、ターボ／圧縮機等で“オーバチャージ”してもよい。これは 、エンジンのアイドリング状態からの極端に迅速なスロットル反応を生ずる結果 となり、他の利点が空気スロットルの省力によって増幅される。 ● より多くの空気がシリンダから過剰な熱を取る。シリンダ壁およびその他の 熱吸収面への熱損失が減る。最大量の空気を吸い、またはシリンダに押込み、シ リンダ壁によって加熱し、膨張しおよび与えられた量の燃料からより多くの出力 を引出す。この結果、与えられた量の燃料に対してより効果的なエンジンとなる 。 ● 低エンジン速度で高トルクおよび高出力。 ● エンジンがより低温で運転する。この結果、エンジン損傷の危険が減る。 ● 大量の遊離酸素が既にシリンダ内にある１次燃焼した排気ガスと反応できる （一種の内蔵ＥＧＲ）ので、清浄な排気ガスを出す。これらの大量の遊離酸素が シリンダの中の燃料残留物と吸気および排気マニホールドから、ターボ、排気管 および触媒並びにエンジンの排気システムの残りの高温部を通ってエンジンの外 までずっと反応することができる。 ● 燃焼前にシリンダ内に吸入されまたは押込まれる空気が多ければ多いほど、 燃焼在留物が清浄である。炭化水素、酸化炭素および窒素酸化物が相応に少ない 程度しか出ない。 ● 現代のエンジン電子技術を使って、噴射する燃料の量を消費する空気の量か ら線形に分離するように、この発明の装置を制御することができる。 この発明による局部１次燃焼で以下の結果が得られる： ● 特に、点火のために追加の濃い混合気が必要なエンジンのコールドスタート の場合に、煤よごれを極端に減らす。本発明は、混合気を局部に置き、点火でき るようにする。 ● 混合気の点火範囲に亘る良好な制御による確実な燃焼が点火失敗の危険を減 らし、それによりエンジン摩耗が減る。 ● 高圧縮が可能である。燃料の量を燃焼室内の量および位置で微細に調整でき 、 それがスパイキングの危険を減らす。 ● 他の燃料が１次燃焼を補うことができる。例えば、ガス、アルコール、ディ ーゼル油、灯油または幾らか点火し難い燃料を使うことができる。補助燃料を吸 気弁から他の空気と共に吸込み、１次燃焼によって点火することができる。 ● ガススロットル、および空気量、空気温度、湿度、空機密度を表示するため の表示器、ＥＧＲ装置、空気ポンプ等がないために、このエンジン燃焼は、遙か に単純である。この装置全体を今日のエンジンのスパークプラグが占めるスペー スに収容できる。 ● とりわけ自動車およびボートの、既存のエンジンに本発明を搭載することが できる。この構造を、気化器エンジンも噴射エンジンも、弁の数に関係なく、全 てのガソリン駆動エンジンが備えるスパークプラグ用の既存のスペースに置くこ とができる。 この発明をその多数の異なる実施例を参照して説明したが、異なる例の異なる 解決策を任意に互いに組合わせられること、および内燃機関の他の既知の詳細な 解決策をこの発明の概念から逸脱することなくこの発明と組合せられることが分 るだろう。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 内燃機関に於ける噴射および点火を一体化するための装置に於いて、こ の装置が一体にした噴射モジュール（１４）および点火モジュール（６）を含む こと、この点火モジュールがエンジンの頂部に固定できる本体を含み、その内部 形状が管状で、その下部は、底面がこのエンジンの燃焼室（２）へ開いた円錐形 キャビティ（７）と併合して、この円錐形キャビティ（７）が小容積の補助燃焼 室を形成することを特徴とする装置。 ２． 請求項１による装置に於いて、点火モジュール（６）がこのエンジンの 頂部の対応するねじにねじ込むことができる外ねじ（１３）を有することを特徴 とする装置。 ３． 請求項１または請求項２による装置に於いて、円錐形キャビティ（７） の壁が軸方向線と最大で２５°の角度をなすことを特徴とする装置。 ４． 請求項１ないし請求項３の一つによる装置に於いて、円錐形キャビティ （７）が形成する補助小容積がこの燃焼室の全容積の最大で四分の一に達するこ とを特徴とする装置。 ５． 請求項１ないし請求項４の何れか一項による装置に於いて、この燃焼室 に隣接する円錐形キャビティ（７）の端が丸みの付いた接続部（２３）を有し、 その半径が好ましくは３ｍｍと３０ｍｍの間であることを特徴とする装置。 ６． 請求項１ないし請求項５の何れか一項による装置に於いて、点火モジュ ール（６）が少なくとも二つの電極（１７、１８）を有し、その一つ（１７）が 伝播接点（２４）によってエンジン／アースに接続され、および少なくとも一つ の電極（１８）がアースから絶縁され、更に高圧源に接続するために電気接触ユ ニット（２６）に接続されていることを特徴とする装置。 ７． 請求項６による装置に於いて、電極（１７、１８）が円錐形キャビティ （７）の中に位置するように点火モジュール（６）に取付けられていることを特 徴とする装置。 ８． 請求項７による装置に於いて、電極（１７、１８）は、それらそれぞれ の上縁および下縁が流線形に面取り（２９）されていることことを特徴とする装 置。 ９． 請求項６ないし請求項８の何れか一項による装置に於いて、電極（１８ ）が、この点火モジュール（６）の本体を貫通する絶縁（３６）した電極チャン ネル（２５）を経て電気接触ユニット（２６）に接続されていることを特徴とす る装置。 １０． 請求項１ないし請求項９の何れか一項による装置に於いて、噴射モジ ュール（１４）がこの噴射モジュールを点火モジュール（６）にねじ止するため の外ねじ（１５）を含むことを特徴とする装置。 １１． 請求項１０による装置に於いて、噴射モジュール（１４）が燃焼室（ ２）を閉じるために弁座（３０）に接して閉じる弁（２２）を含み、そこでこの 弁座（３０）が好ましくは円錐形キャビティ（７）に隣接して段付き構造（３１ ）を有することを特徴とする装置。