JP2010523890A - 内燃機関における燃焼を開始させる方法および該方法を適用する機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、可燃性混合気が供給される容量可変な主チャンバー（５）と、主チャンバー内に開かれている補助チャンバー（１０）と、補助チャンバーと主チャンバーとの間の連通あるいは隔離のための制御手段（１１、１４、１５）とを備える内燃機関における燃焼を開始させる方法に関するものであり、該方法は、圧縮行程と膨張行程との間における上死点を含む期間中に、補助チャンバーと主チャンバーとの間の連通を確立するように制御手段を制御するステップを有する。本発明はまた、本発明の方法を実行するために特に適している機関にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関における燃焼を開始させる方法および該方法を適用する機関に関する。

内燃機関における燃焼を開始させる方法には種々の方法が知られている。幾つかの従来方法においては、（点火を制御して）火花をもたらすことにより局部的に混合気の燃焼を開始させるか、あるいは、圧縮自己着火が生じるように混合気を局部的にリッチにする（濃くする）ことにより局部的に混合気の燃焼を開始させるものがある。残りの混合気の燃焼は、火炎前面の伝播によりもたらされるか、あるいは、拡散火炎によりもたらされる。

最近においては、エネルギー効率および環境保護の観点から期待できる予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）による燃焼に開発努力がなされている。

しかしながら、予混合圧縮自己着火は狭い機関運転領域に対しては実現しうるが、広範囲な機関運転領域に対して実現することは困難であることが確認されている。予混合圧縮自己着火においては、始動および燃焼工程の極めて巧妙な処理が要求される。よって、現在の研究は、混合気の熱力学的条件の極めて繊細な処理（燃料調整、吸気温度、排気再循環の複雑な処理）、あるいは、可変圧縮比または可変配分などの複雑な技術の導入に向けられている。

本発明は、容易に適用可能で且つ機関の広範囲な運転領域にわたって使用しうる圧縮自己着火による燃焼方法を提供することにある。

特許文献１から特許文献４には、
・可燃性混合気が導入される容量可変な主チャンバー（主室）と、
・主チャンバー内に開いている補助チャンバー（補助室）と、
・補助チャンバーを主チャンバーに連通するか、あるいは、主チャンバーから補助チャンバーを隔離する制御手段とを備える機関が開示されている。

仏国特許第２ ０７８ ８１９号公報 欧州特許第０ ９５３ ７４４号公報 米国特許第４ ２８２ ８４５号公報 独国特許第３９ ０３ ４７４号公報

本発明の目的は、このような機関における燃焼を開始させる方法であって、容易に実行可能で且つ機関の広範囲な運転領域にわたって予混合圧縮自己着火をもたらすことが可能な新規な方法を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、
・可燃性混合気が導入される容量可変な主チャンバーと、
・主チャンバー内に開いている補助チャンバーと、
・補助チャンバーを主チャンバーに連通するか、あるいは、主チャンバーから補助チャンバーを隔離する制御手段とを備える内燃機関における燃焼を開始させる方法を提供する。

本発明に係る方法は、圧縮行程と膨張行程との間における上死点を含む期間中において補助チャンバーを主チャンバーに連通させるステップを有する。

すなわち、補助チャンバーを主チャンバーに連通させることで、前サイクルの間において貯えられた非常に高温の既燃ガスであって、多くの場所での混合気の圧縮着火をもたらすのに十分なほどに混合気を加熱することをもたらしうる高温の既燃ガスを、主チャンバー内に放出させることができる。かくして、混合気は均質様式で着火する。上死点周辺で混合気が着火すると、混合気は燃焼し、高圧力で且つ高温の既燃ガスをもたらす。補助チャンバーは、次のサイクルの間における混合気の着火を開始させるための役割を果たす極めて高温で十分な量の既燃ガスを閉じ込めて保持するように、上死点通過後すぐに閉じられる。

さらに、このようにして貯えられた既燃ガスは、主チャンバーにおける混合気の燃焼を開始させるのに貢献しうる反応種を含みうる。

この燃焼は、連通を確立するための制御手段を適切に制御して主チャンバー内への高温ガスの導入量及び導入タイミングを調整することにより、極めて簡単に制御されうる。本方法は、広範囲の機関運転領域にわたり実行されることができる。

本発明の方法においては特に、燃焼が起こるときに補助チャンバーが主チャンバーに連通されるということが留意されるべきである。従って、補助チャンバー内に貯えられる既燃ガスは極めて高温であり、また、該既燃ガスは、主チャンバー内の圧力よりも常に高いような高圧状態にある。従って、本方法は、燃焼後に制御バルブが開かれるようなこのタイプの機関に対して知られている方法とは本質的に異なる。例えば、特許文献１においては、膨張行程と排気行程との間における下死点をカバーするまでの期間において、補助チャンバーが主チャンバーに連通される。既燃ガスは顕著に冷却され、また、大気圧よりも１バールから２バール上であるような状態の低圧力状態にある。このようにして貯えられるような既燃ガスは、主チャンバー内に再導入されても混合気の圧縮着火には貢献できない。特許文献２においては、圧縮行程と膨張行程との間における上死点後となる膨張行程において補助チャンバーを主チャンバーに連通することにより予め補助チャンバー内に貯えられた既燃ガスを噴射するために、吸入行程と圧縮行程との間における下死点周辺にて補助チャンバーが主チャンバーに連通される。従って、膨張の結果として既燃ガスが大幅に冷却された後に既燃ガスが貯えられ、また、該既燃ガスは吸入行程の間において再噴射されることになり、その時には混合気は十分に圧縮されていないので、既燃ガスは混合気の圧縮着火を起こすことはできない。

特許文献３においては、圧縮行程の間において第１回の主チャンバーに対する補助チャンバーの連通がなされ、膨張行程の間において第２回の主チャンバーに対する補助チャンバーの連通がなされ、より詳細には、これらの圧縮行程と膨張行程との間の上死点周辺における燃焼領域における主チャンバーに対する補助チャンバーの連通は除外されている。同様に特許文献４においては、主チャンバーに対する補助チャンバーの連通は、膨張行程と圧縮行程との間の上死点の両側における膨張行程の間と圧縮行程の間との２回なされる。

これらの全ての文献とは対照的に、本発明の方法においては特に、圧縮行程と膨張行程との間における上死点をカバーする期間中において、主チャンバーに対して補助チャンバーが連通されるように構成される。

さらに、知られている再循環方法においては、既燃ガスは膨張行程の間において噴出され、該噴出される既燃ガスの温度は、反応することのないような温度であって、また、主チャンバーにおける混合気の圧縮着火を自然にもたらすのに十分に高温でもないような温度にまで下がっている。その一方で、この既燃ガスは、窒素酸化物の生成を低減する目的で、混合気を希釈し且つ混合気の温度を下げる役割を果たす。

本発明は、添付図面を参照して以下の記載を考慮することにより、より良く理解されうる。

主チャンバーを示すピストン機関の部分断面図である。 図１に示される機関の各チャンバーにおける、クランク軸角度に応じた温度変化を示す図である。 図１に示される機関の各チャンバーにおける、クランク軸角度に応じた圧力変化を示す図である。

本発明の方法は、図１に示されるような機関において好適に実行される。

従来においては、機関は、シリンダー２（一つのシリンダーのみが示されている）が内部に形成されるシリンダーブロック１を備え、該シリンダーは、シリンダーヘッド３により上端部が閉じられている。各シリンダー２は、該シリンダーの内部をシール性を有して滑動するピストン４を有する。容量可変な主チャンバー５は、シリンダーヘッド３とピストン４との間の各シリンダー２内に形成される。

排気バルブ７は、シリンダーヘッド３に滑動可能に取り付けられ、排気ダクト８から主チャンバー５を隔離する閉鎖位置と、主チャンバーを排気ダクト８に連通させる開放位置との間を移動する。同様に、図１においては示されていないが、吸気バルブが、シリンダーヘッド３に滑動可能に取り付けられ、吸気ダクトから主チャンバー５を隔離する閉鎖位置と、主チャンバー５を吸気ダクトに連通させる開放位置との間を移動する。このことは、よく知られていることであり、本発明の対象を形成するものではない。

シリンダーヘッド３は、主チャンバー内に開かれるように主チャンバー５のすぐ近くにおいて延在する補助チャンバー１０を形成する。この実施形態においては、補助チャンバーは、断熱材１２により内部が裏打ちされている。制御バルブ１１は、シリンダーヘッド３に滑動可能に取り付けられ、補助チャンバー１０から主チャンバー５を隔離する閉鎖位置と、主チャンバー５を補助チャンバー１０に連通させる開放位置との間を移動する。この実施形態においては、制御バルブ１１は、電気機械アクチュエータ１４により作動される。グロープラグ１３が、補助チャンバー１０内に突出するようにシリンダーヘッド３に取り付けられる。制御バルブ１１のアクチュエータ１４及びグロープラグ１３は、コンピュータ１５により制御される。

本発明の実行は、図２及び図３を参照して以下に詳細に記載される。これらの図においては、太い実線の曲線は、主チャンバー５内の温度あるいは圧力のそれぞれを示し、太い破線の曲線は、補助チャンバー１０内の温度あるいは圧力のそれぞれを示す。

使用される熱サイクルは、４つの行程を有するサイクル、すなわち、吸入、圧縮、膨張および排気の４つの行程を有するサイクルである。横座標に沿って描かれているクランク軸角度は、通常の方法にて計測されるものであり、３６０度のクランク軸角度は、圧縮行程と膨張行程との間における上死点に対応する。

サイクルは、空気と燃料の混合気が主チャンバー５内に吸入される吸入行程から始まる。その後、実線の曲線の始まりの部分に示されるように、圧縮行程において主チャンバー５内の圧力及び温度が徐々に増加する。

以下に詳細に記載されるように、前回の燃焼によりもたらされた高温ガスは、閉鎖状態が保たれる制御バルブ１１により補助チャンバー１０内に保持される。太い破線の曲線の始まりの部分においては、補助チャンバー１０内に保持された高温ガスの圧力及び温度が、既燃ガスとシリンダーヘッドとの間の熱交換の結果として徐々に減少することが理解されうる。しかしながら、補助チャンバー１０の壁部を覆う断熱材１２がこの熱交換を制限し、補助チャンバーに保持されている高温ガスの圧力及び温度の減少を制限する。

３５０度のクランク軸角度に向かい、すなわち、圧縮行程の終期に向かい、制御バルブ１１が開放される。補助チャンバー１０内の圧力は主チャンバー５内の圧力よりも高く、補助チャンバー１０内にある高温ガスは、補助チャンバー１０から抜け出て主チャンバー内に広がる。

高温ガスの温度は混合気の温度よりも高いので、実線の曲線から理解されうるように、この攪拌は主チャンバー５内の混合気の加熱をもたらす。３５５度のクランク軸角度に向かい、混合気は、該混合気の圧縮着火温度に達するように十分に加熱される。そして、混合気は圧縮着火により燃焼が始まる。高温ガスと混合気との攪拌によりもたらされる多点圧縮着火は、均質な圧縮着火を確実にする。圧縮着火は、主チャンバー５及び補助チャンバー１０内にて同時にもたらされる温度及び圧力の急激に上昇する曲線に見られうる。

その後、ピストン４は上死点を通過して、再び後退し始める。制御バルブ１１は、３７０度のクランク軸角に向かい閉じられる。次のサイクルにおける混合気の圧縮着火をもたらすために使用される高温ガスを構成すべく、混合気の圧縮着火によりもたらされた既燃ガスのうちの一部の既燃ガスが補助チャンバー１０内に保持される。補助チャンバー１０内に閉じ込められた一部の既燃ガスは、高圧であり且つ高温状態にある。主チャンバー５内に残留する残りの既燃ガスは、膨張行程にさらされ、その温度および圧力は、補助チャンバー１０内に保持され残留する一部の既燃ガスの温度および圧力よりも急激に大幅に降下する。

機関始動時における初期サイクルの間においては、補助チャンバー１０内に閉じ込められるガスは十分に高温ではなく、圧縮着火は生じ得ない。図２及び図３における破線は、圧縮着火がもたらされない場合の主チャンバー５における圧力と温度の変化を描く。混合気の着火をもたらすために、グロープラグ１３が使用される。補助チャンバーから放出された高温ガスとの接触により混合気の圧縮着火がもたらされうるような熱的状態に機関の運転状態が達すると、グロープラグのスイッチがオフされる。

その後の、確立された熱的状態にある運転の間においては、機関の調整（特に、圧縮比）及び反応混合物の特性の調整（吸気圧、温度、組成）は、補助チャンバー内のガスが主チャンバー内に導入されない場合においては非制御燃焼を行うことができないといった態様にて有利に選択される。

主チャンバー内に導入された高温ガスは混合気の加熱に貢献し、混合気の圧縮着火温度への到達を可能とし、また、混合気の希釈に貢献し、バルク燃焼を回避する局所的な不均一性を導入することによる混合気の燃焼速度の制御を可能とする。さらに、混合気の希釈は、混合気のリッチ度合いを減少させることができ、混合気の燃焼の間における窒素酸化物の生成を回避することを可能とする。

本発明の態様においては特に、制御バルブが、他のバルブに対して逆さまにされているという特別な特徴を呈していることが留意されるべきである。図１に明確に見られうるように、制御バルブ１１の座部１６は、補助チャンバー１０の内側の方へ向いている。他のバルブは上方へ移動することによりそれぞれのバルブの座部に対して閉じられるのに対して、制御バルブ１１は、下方に移動することにより制御バルブ１１の座部に対して閉じられる。本発明の方法においては、補助チャンバー１０が閉じられるとき、補助チャンバー１０内には、主チャンバー５内の圧力よりも常に高い圧力がもたらされる。制御バルブ１１の逆さまの形態は、主チャンバー５内の圧力よりも高い圧力となる補助チャンバー１０内の圧力により、制御バルブ１１が座部１６に対して確実に閉鎖位置に配置されることを可能とする。

本発明は、上記の記載に制限されることはなく、請求項の記載により特定される範囲内にある如何なる変形物をも網羅する。

とりわけ、混合気が吸入行程前に混合されるものとされているが、圧縮行程に間において主チャンバー内に燃料を噴射することによりチャンバー内で直接的に混合を行うことも可能である。

制御バルブが開閉するクランク軸角度が、インジケータ（表示器）を手段として付与される。機関の回転速度および混合気の点火遅れを特に考慮して、制御バルブを開閉するクランク軸角度を変えることは、当然のことながら有利となる。例えば制御バルブの開放の瞬間および／または制御バルブの開放が継続しているときに作用することにより、ピストンが実質的に上死点にある間、好適には、上死点後の数度の間において確実に圧力ピークが生じるように構成がなされる。補助チャンバーが主チャンバーと連通する期間は、好適には、圧縮行程と膨張行程との間の上死点周辺のほぼ±３０°の範囲にわたる。

最後に、本発明の方法は、補助チャンバーを形成するシリンダーヘッドであって逆さまにされた座部を有する制御バルブを担持するシリンダーヘッドを備える機関において実行されるものであるが、例えば２ストローク機関などの他のタイプの機関に対しても実行可能である。例えば、高温ガスが貯えられるチャンバーがオフセットされ、例えば噴射器により高温ガスが主チャンバー内に再導入されてもよい。

Claims (5)

1. 可燃性混合気が導入される容量可変な主チャンバー（５）と、
   前記主チャンバー内に開かれている補助チャンバー（１０）と、
   前記補助チャンバーを前記主チャンバーに連通するか、あるいは、前記補助チャンバーを前記主チャンバーから隔離する制御手段(１１、１４、１５)とを有する内燃機関における燃焼を開始させる方法であって、
   圧縮行程と膨張行程との間における上死点を含む期間中において、前記補助チャンバーを前記主チャンバーに連通させるように前記制御手段を制御するステップを有する、ことを特徴とする方法。
2. 前記期間は、前記上死点周辺の±３０°の範囲にわたる、請求項１に記載の方法。
3. 前記補助チャンバー（１０）は、前記補助チャンバーに閉じ込められた既燃ガスの冷え込みを制限するように断熱される、請求項１に記載の方法。
4. 前記制御手段を開放する時期及び前記制御手段の開放期間の両方またはいずれか一方が変更される、請求項１に記載の方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一つの請求項に記載の方法を実行するように形成された内燃機関であって、
   可燃性混合気が導入される容量可変な主チャンバー（５）と、
   前記主チャンバー内に開かれている補助チャンバー（１０）と、
   前記補助チャンバーを前記主チャンバーに連通するか、あるいは、前記補助チャンバーを前記主チャンバーから隔離する制御手段(１１、１４、１５)とを具備し、
   前記制御手段は、前記補助チャンバーの方に向く座部（１６）と協働する制御バルブ（１１）を具備し、前記主チャンバー内の圧力よりも高い圧力となる前記補助チャンバー内の圧力により、前記制御バルブを前記座部に対して確実に閉鎖位置に配置する、ことを特徴とする内燃機関。

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