JP2000509788A - 内燃発動機用の燃料噴射装置ならびに燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 それぞれピストン（２）とシリンダおよびシリンダヘッド（１）によって形成される燃焼室（１６）と、多孔噴射ノズル（５）と、シリンダヘッド（１）から燃焼室（１６）内に突出する被覆部材（３）とからなり、この被覆部材がノズル（５）を包囲して上死点において被覆部材（３）とピストン（２）との間に副室を形成する特にディーゼルエンジン等の内燃機関用噴射装置、ならびに前述の噴射装置を使用するとともに上死点領域において組み合わされた直接／渦流室噴射を実施する特にディーゼルエンジン等の内燃機関用の燃焼方法。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃発動機用の燃料噴射装置ならびに燃焼方法 この発明は、特にディーゼルエンジン用の噴射装置、ならびにその噴射装置を 使用した燃焼方法に関する。 従来のディーゼルエンジンは、二つの主要な燃焼方式に分類することができる 。これらは、副室方式および直接噴射方式である。 副室方式においては、副室内に燃焼が誘導され、これは例えばシリンダヘッド 内に存在する。これらのいわゆる副室または渦流室は、片側に噴射ノズルが接続 され、反対側が主燃焼室と結合される。圧縮行程の終局において、燃料が副室内 に噴射され、燃焼はまず副室内において酸素不足下で実施され、すなわちこの局 面においては比較的小さいＮＯｘ濃度が生じる。燃焼ガスが流れ込むことにより 、主燃焼室内にさらに気圧上昇が生じる。これと相関する低い温度レベルによっ てＮＯｘの発生がさらに制限される。渦流室方式において、適宜な幾何学的構成 および通流チャネルにより純粋な副室方式に比べてより良好な渦流形成が達成さ れる。両方の燃焼方式において、不充分な混合によって、比較的長い点火遅延が 発生する。その全体的な効率は直接噴射方式よりも低いものとなり、これにより 高い燃料消費ならびにより高いＣＯ₂排出をもたらす。 直接噴射方式において、燃料はピストン頭部を介して燃焼室内に直接給入され る。したがって、燃料の噴霧、加熱、気化、および空気との混合は、短時間に実 施しなければならない。副室エンジンにおいては絞りタップノズルによって噴射 束を形成するのに対して、直接噴射方式においては多孔ノズルを使用し、これは 個別の噴射を発生させる。副室燃焼方式と比べて燃料消費は約２０％低くなる。 しかしながら、急激な圧力上昇により、高い騒音発生ならびに高いＮＯｘ排出が 生じる。また、高い噴射圧力を必要とし、したがって噴射装置の価格を上昇させ る。短い混合時間のため、燃料膜沈殿が生じ得る。 日本特許第ＪＰ３−２６４７２５（Ａ）号によって知られている内燃機関用の 燃焼室においては、シリンダヘッドおよびピストン底部から突き出た複数のシリ ンダ状被覆部材が副室を形成している。上死点においてこれらは互いに噛合し、 ここで副室内に給入された燃料の一部は、上部の開口ならびに下部のスリットを 通じて燃焼室内に到達する。燃焼はまず副室内で発生し、ここで燃焼は、両方の 被覆部材の長い重なり部分によって、爆発局面まで燃焼室から分離して保持され る。両方の被覆部材が互いに離間して環状板の開口部が拡大することによって、 はじめて副室ガスが実質的な燃焼室内に給入されるが、これは高い燃料消費をも たらすものとなる。 ドイツ特許第ＤＥ−３８０５００９Ａ１号には、燃料直接噴射方式ディーゼル エンジン用のピストンが記載されており、これにおいては、燃料室およびシリン ダヘッドに対向するピストンの前面の中央に、ピストン内部に延在するシリンダ 状の凹状部分が設けられる。この既知の直接噴射方式は放射ノズルを使用して動 作し、その噴射はまずシリンダ状凹状部内にのみで実施される。ピストンの前面 部には、動作を向上させるために、燃焼室に向かって開口する長い凹状部分が形 成され、その一端はシリンダ状の凹状部分に接続し、他方の端部は少なくともピ ストン側部から小さな距離離間した位置に到達する。ピストン前面をこのように 構成することにより、ディーゼルエンジンの“釘打”または“ノック”が削減さ れる。ドイツ特許第ＤＥ−３８０５００９Ａ１号に記載された方式は、前述した 副室方式と同様の難点を有し、特に副室壁／凹状部壁における熱損失をもたらす 。 したがって、本発明の目的は、該当する燃焼方式において直接噴射方式の良好 な総合効率性を損なうことなく有害物質の排出を削減することができるディーゼ ルエンジン用の噴射装置を低コストに提供することである。 前記の課題は、請求項１ないし７に記載の特徴を備える燃焼方式によって解決 される。 本発明に係る噴射装置は、ピストンとシリンダとシリンダヘッドによって形成 された燃焼室と、噴射ノズルと、シリンダヘッドから燃焼室内に突出するととも にノズルを包囲する被覆部材とを備えている。上死点に到達する前は被覆部材が 燃焼室に向かって開口しており；圧縮行程の終局において直接噴射が実施される 。上死点領域において、被覆部材とピストンとの間に副室が形成され、ここで均 質 な混合気の予備燃焼が酸素不足下において実施される。被覆部材の壁厚が小さい ためこの材料への温度損失は小さくなり、副室と主燃焼室との間できわめて均等 な温度関係を維持する。渦流室と直接噴射との組み合わせにより、全体的な効率 性を損なうことなく緩やかな圧力上昇とともにＮＯｘおよびＨＣ排出を削減する ことが可能となる。被覆部材をシリンダヘッドと一体的に成形するか、または高 熱塑性鋼材からなるスリーブを噴射ノズル設置穴内に固定することにより、本発 明に係る噴射装置を低コストに製造することができる。 ここで、本発明にしたがって、噴射ノズルを多孔式ノズルとして形成し、副室 の被覆部材が開口部を備え、これはノズル孔からの直線上に、すなわちこれと対 向して配置され、ここで、ノズル放射束の一部、すなわち既に高いレベルでほぼ 均質にされた混合気部分からなる外側領域を被覆部材内に残留させ、噴射束の液 状の噴射束中心部を妨害無く主燃焼室内に通過させるよう開口部の直径を選択す る。これによって、良好な注入の層化が達成される。ノズル孔と被覆部材のとの 間の整合はノズルを回転させるか、または装着された被覆部材をノズルに対して 回転させることによって実施される。噴射局面において、既に高いレベルで均質 にされた混合気部分を有する噴射束の外側領域が、酸素不足であるとともに確実 に隔離された部分領域内で実質的な燃焼の前に点火される。この局面におけるＮ Ｏｘ生成は、酸素不足ならびに低温度のため小さなものとなり、同様に噴射され る燃料の量に比して小さな壁表面積のためＨＣ生成も小さくなる。 本発明の好適な追加構成によれば、ピストンが燃焼室凹状部分を備え、上死点 において形成された副室が、一方でシリンダヘッドならびにこれから突出する被 覆部材によって、他方でピストンの燃焼室凹状部分の領域によって仕切られる。 このように構成された副室もしくは渦流室により、渦流室内における先行点火な らびにこれに続く主燃焼室内への燃焼ガスの流入を達成し、これによりきわめて 緩やかな主燃焼室の圧力上昇と低い最高温度を実現する。これが再びＮＯｘ値の 低下をもたらす。 さらに好適な実施形態において、燃焼室凹状部分の中央底部が丸い膨らみを備 え、これは上死点領域において被覆部材によって包囲され、副室を所定の方向に 仕切る。底部の丸い膨らみ上には、螺旋状の凹状部分を形成することができる。 これによって主燃焼室内における燃焼混合気の混合を最適化するとともに、燃 料膜沈殿を排除することができる。さらに、主燃焼室内において均等な混合下に おける緩やかな気圧上昇が達成される。ここで、発射、すなわち渦流室から主燃 焼室へ流出する燃焼ガスと、凹状部分の傾斜角との間における角度の最適化が可 能となる。 さらに、本発明の好適な追加構成によれば、被覆部材はピストンに向かって先 細となる円錐台形状に形成される。これによって、均等な燃焼が推進される。円 錐角度を適宜に選択することによってノズル放射の軸が被覆に対して垂直に保持 される。 前述した噴射装置を用いた燃焼方式において、上死点領域において直接／渦流 室噴射の組み合わせが実施される。ここで、上死点という表現には、ピストンの 最高点前後の短い領域が含まれる。この方式より、直接噴射方式の総効率性が維 持され、この際、注入の層化によりＮＯｘ、ＣＯ、ならびにＨＣ排出の削減が達 成される。 さらに、動作行程の開始に際して、まず副室の点火が実施され、燃焼ガスが被 覆部材とピストンとの間に形成された開口部を介して主燃焼室内に流入すること が好適である。これが主燃焼室内の緩やかな圧力上昇をもたらし、これによって “ノック”および“釘打”が防止される。 その他の利点および構造的な特徴は、添付図面を参照しながら以下に記述する 実施例によって明らかにされる。ここで： 図１は、本発明に係る噴射装置の組み立てられた状態を示す説明図、 図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。 図１には、シリンダヘッド１とピストン２の断面図が示されており、ここでピ ストン２は上死点に位置している。点線で示された多孔噴射ノズル５は、シリン ダヘッド１内にほぼ垂直に設置されている。多孔噴射ノズル５は、ノズル孔が円 錐台形状の被覆部材３の開口部６，７に対向して配置されるよう角度調整されて いる。被覆部材３は、燃焼室凹状部の丸窪み８と被覆部材３との間に割れ目９が 形成されるようピストン２の燃焼室凹状部４内に突出している。ここで、割れ目 幅は、わずか十分の数ｍｍとなる。高温塑性鋼材によって形成された被覆部材は 、スリーブ１２上に固定され、これは噴射ノズル５とシリンダヘッド１との間で 角度調整可能である。組み立てを容易にするために、ノズルは溝１３と球体１４ とからなる中心化装置１０を備えており、これはスリーブの内壁の錐形部分上に 固定されている。この方式により、シリンダヘッドを取り外すことなく、ノズル 孔を被覆部材の開口部に対向するよう整合させることが可能となる。図示された ノズル５の中心放射束１１は、開口部６，７を通じて通流し、これに対して、ノ ズル放射束の外側部分１５は被覆部材３によって留められる。ここでノズル放射 束は約２４°の拡散角度を有する。 図２には、図１の線II−IIに沿った断面を示しており、ここには開口部７また は２０が示されており、これは多孔ノズルの噴射孔に対向して配置されている。 各噴射行程において、中心放射束が被覆部材３の開口部７，２０を介して通流し 、主燃焼室１６（図１）内に到達する。放射束の外側部分のみが被覆部材によっ て留められ、上死点において被覆部材３によって形成される副室内で点火される 。割れ目９および燃焼室凹状部分４を介して流入する燃焼ガスは、時間的に遅れ て主燃焼室内１６で発生する燃焼に合流する。ここで、副室から流出する燃焼ガ スは、主燃焼室内１６における良好な混合を促進するとともに燃料膜沈殿を防止 するような運動モーメントを有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/14 ３２０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３２０Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． それぞれピストン（２）とシリンダおよびシリンダヘッド（１）によって 形成される燃焼室（１６）と、噴射ノズル（５）と、燃焼室（１６）内に突出す る被覆部材（３）とからなり、この被覆部材はノズル（５）を包囲するとともに 副室を仕切っており、この副室内において先行燃焼が発生し、被覆部材（３）が 燃焼室内に開口部（６，７，２０）を備える特にディーゼルエンジン等の内燃機 関用噴射装置であり、 被覆部材（３）はシリンダヘッド（１）から突出するとともに上死点において ピストン頭部とともに副室を形成し、噴射ノズル（５）は多孔ノズルとして形成 し、被覆部材（３）内の開口部（６，７，２０）はノズル孔からの直線上に配置 し、この際開口部（６，７，２０）の直径をノズル放射束の外側部分（１５）が 被覆部材（３）内に残留するよう選択することを特徴とする噴射装置。 ２． ピストン（２）は燃焼室向上部分（４）を備え、この内部に被覆部材が進 入し、上死点において形成された副室が一方でシリンダヘッド（１）ならびにこ れから突出する被覆部材（３）によって、他方でピストンの燃焼室凹状部分（４ ）の領域によって仕切られることを特徴とする請求項１記載の噴射装置。 ３． 燃焼室凹状部分（４）が中央底部に丸い膨らみ（８）を備え、これは上死 点領域において被覆部材（３）によって包囲されるとともに副室を所定の方向に 仕切ることを特徴とする請求項１記載の噴射装置。 ４． 上死点において被覆部材（３）と燃焼室凹状部分（４）の膨らみ（８）と の間に割れ目（９）が形成され、これを介して燃焼中に燃焼ガスが主燃焼室（１ ６）内に流出することを特徴とする請求項１記載の噴射装置。 ５． 被覆部材（３）はピストンに向かって先細な円錐台形状に形成することを 特徴とする請求項１記載の噴射装置。 ６． 請求項１記載の噴射装置を備え、上死点領域において組み合わされた直接 ／渦流室噴射を実施することを特徴とする特にディーゼルエンジン等の内燃機関 用の燃焼方法。 ７． 動作行程の開始に際してまず副室内における点火を実施し、被覆部材とピ ストンとの間に形成された割れ目を介して燃焼ガスが主燃焼室内に流入すること を特徴とする請求項６記載の燃焼方法。