(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射ノズル（３）のノズルボディ（１０）に周方向に分散されて配置されている、星状に配置されている噴射流（９）を発生するための複数の噴射孔（８）を備える、火花点火式ピストンエンジン（１）のシリンダ室（４）内へ液体燃料を直接噴射するための噴射ノズルであって、
少なくとも１対（１２）の、周方向に隣り合う噴射孔（８）を備え、該噴射孔（８）の長手方向中心軸（１３）が周方向に１つの対角度（１４）を挟み、該対角度（１４）が、周方向に関して、前記噴射孔対（１２）の各々の前記噴射孔（８）の前記長手方向中心軸（１３）と、前記噴射孔対（１２）に対して周方向に隣り合う噴射孔（８）の長手方向中心軸（１３）との間に挟まれている隣接角度（１５）よりも小さく、
厳密に６個の噴射孔（８）が設けられ、
直径方向に相互に反対側を向いている、厳密に２対の噴射孔対（１２）が設けられ、
前記噴射ノズル（３）がシリンダ（２）の長手方向中心軸（１７）の部分に位置付けられ、
各々の前記シリンダ（２）の点火装置（７）が前記噴射ノズル（３）から距離を置いて位置付けられ、
前記噴射ノズル（３）は、その噴射孔（８）に対して、前記点火装置（７）が、前記噴射孔対（１２）の２つの前記噴射流（９）の間または周方向に隣り合う２つの噴射孔対（１２）の間に位置付けられるように、周方向に方向付けられ、
前記点火装置（７）が周方向に対して、各々の前記シリンダ（２）の２つの排気弁（６）の間に位置付けられていることを特徴とする噴射ノズル。
【請求項２】
噴射ノズル（３）のノズルボディ（１０）に周方向に分散されて配置されている、星状に配置されている噴射流（９）を発生するための複数の噴射孔（８）を備える、火花点火式ピストンエンジン（１）のシリンダ室（４）内へ液体燃料を直接噴射するための噴射ノズルであって、
少なくとも１対（１２）の、周方向に隣り合う噴射孔（８）を備え、該噴射孔（８）の長手方向中心軸（１３）が周方向に１つの対角度（１４）を挟み、該対角度（１４）が、周方向に関して、前記噴射孔対（１２）の各々の前記噴射孔（８）の前記長手方向中心軸（１３）と、前記噴射孔対（１２）に対して周方向に隣り合う噴射孔（８）の長手方向中心軸（１３）との間に挟まれている隣接角度（１５）よりも小さく、
厳密に６個の噴射孔（８）および厳密に３対の噴射孔対（１２）が設けられ、
前記噴射孔対（１２）が周方向に均等に分散されて配置され、
前記噴射ノズル（３）がシリンダ（２）の長手方向中心軸（１７）の部分に位置付けられ、
各々の前記シリンダ（２）の点火装置（７）が前記噴射ノズル（３）から距離を置いて位置付けられ、
前記噴射ノズル（３）はその噴射孔（８）に対して、前記点火装置（７）が、前記噴射孔対（１２）の２つの前記噴射流（９）の間に、または周方向に隣り合う２つの噴射孔対（１２）の間に位置付けられるように、周方向に方向付けられ、
前記点火装置（７）が周方向に対して、各々のシリンダ（２）の２つの排気弁（６）の間に位置付けられていることを特徴とする噴射ノズル。
【請求項３】
それぞれの前記対角度（１４）が最大で５０°であり、それぞれの前記隣接角度（１５）が少なくとも６０°であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の噴射ノズル。
【請求項４】
前記ノズルボディ（１０）内に前記噴射孔（８）へガイドする供給路（１８）が形成されており、燃料がその中を燃料噴射プロセス中に供給方向（１９）に流れ、該供給方向（１９）は、前記供給路（１８）内の各々の前記噴射孔（８）の部分において、各々の前記噴射孔（８）の前記長手方向中心軸（１３）に対して６０°から９０°の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の噴射ノズル。
【請求項５】
各々の前記噴射孔（８）が孔長さ（Ｌ）および孔径（Ｄ）を有し、前記孔径（Ｄ）に対する前記孔長さ（Ｌ）の比は０．５から４．０までの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の噴射ノズル。
【請求項６】
少なくとも１つのシリンダ（２）と、該シリンダ（２）ごとに、液体燃料を各々の前記シリンダ（２）のシリンダ室（４）内へ直接噴射するための、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の噴射ノズル（３）とを備えるピストンエンジンであって、
前記噴射ノズル（３）はその噴射孔（８）に対して、噴射孔対（１２）の前記噴射流（９）が、周方向における各々の前記シリンダ（２）の２つの吸気弁（５）の間を通るように方向付けられているピストンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に記載された特徴を持つ、ピストンエンジンのシリンダ室内へ液体燃料を直接噴射するための噴射ノズルに関する。また、本発明は、このような噴射ノズルが少なくとも１つ取り付けられているピストンエンジンに関する。また、本発明はピストンエンジンのシリンダ室内へ液体燃料を直接噴射するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１によれば、星状に通る噴射流を発生するための複数の噴射孔を持つ噴射ノズルが知られており、この噴射孔は噴射ノズルのノズルボディに接して周方向に分散されて配置されている。この公知の噴射ノズルは６個の噴射孔を持ち、これらの噴射孔は、３つの噴射孔ずつ、２つの群に分けられている。これらの２つの噴射孔群は直径方向において相互に反対側を向いている。各々の噴射孔群内では、周方向に隣接した噴射孔は、それらの長手方向中心軸間にほぼ同じ角度を持っている。この公知の噴射ノズルは、それが属するシリンダ内で、１方の噴射孔群が２つの吸気弁に割り当てられ、他方の噴射孔群が２つの排気弁に割り当てられるように意図的に配置されている。
【０００３】
内部混合気形成で、すなわち直接噴射で作動するガソリンエンジンの場合、すなわち外部点火式ピストンエンジンの場合、効率の良いまた有害物質の少ない燃焼を得ることができるようにするには、均質燃焼モードにおいて可能な限り良好な燃焼室内の燃料分配が達成されなければならない。この場合に燃焼室壁、すなわちシリンダ壁、シリンダ室の方向を向いたピストン上面、およびシリンダ室の方向を向いたシリンダヘッド下面、ならびに吸排気バルブが液体燃料で濡れることは、有害物質排出量の上昇に至るおそれがあるため、回避しなければならない。使用されているシリンダ室が小さければ小さいほど、排気量の減少によって、噴射流が使用できる自由な拡散経路も減少するため、この問題は深刻になる。しかしながら、燃料消費を低減するためには、ますます排気量の少ないエンジンが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許発明第１０  ２００６  ０３７  ４１３  Ｂ４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、噴射ノズル、ピストンエンジン、及び噴射方法に関して、特に、液体燃料による燃焼室壁の濡リスクが減少することを特徴とする、改善された実施形態を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。
【０００７】
本発明は、周方向に隣り合う２つの噴射流間に相互作用を発生させるという基本的な考えに基づいており、その相互作用は噴射流拡散方向に影響を与え、またそれによって噴射流の侵入深さを減少させるものである。それぞれの相互作用は、お互いに相互効果を及ぼし合っている２つの噴射流の偏向を引き起こす。本発明は、２つの噴射流が周方向に比較的小さな間隔を互いに持っている場合、周方向に隣り合っている２つの噴射流間に、このような偏向を伴う相互作用が現れるという認識に基づいている。隣り合う噴射流間の距離は、２つの噴射流の長手方向中心軸が挟む角度で、または噴射流に属する噴射孔の長手方向中心軸が挟む角度で定義できる。本発明は、単独の噴射流がそれを取り囲む外気と相互効果を及ぼすという認識を利用しており、外気は、それぞれの噴射流をその拡散方向に対して垂直方向に且つその中心に向けて押し縮め、その拡散方向に対して垂直方向への拡散を妨げるように作用する。ただし２つの噴射流が比較的密接に隣り合って配置されている場合は、これらの２つの噴射流の間には比較的僅かな外気しか存在していないため、そこでは、すなわち噴射流の相互に向い合っている内側では、前述の外気との相互効果は著しく減少している。その結果、両方の噴射流はより強く互いに拡散する可能性がある。同時に、相互に反対の方向を向いている噴射流の外側に作用する、外気との相互効果が優位となるため、これらの相互効果が、２つの噴射流の向きを相互に閉じる方向に向きを変える。こうして最終的に、２つの比較的近くに相互に位置する噴射流の望ましい偏向が生じる。
【０００８】
隣り合う噴射流の角距離のみが、噴射流の偏向を伴う望ましい相互作用に対する決定的な要素でないことは明らかである。しかしながら、これは１つの重要なパラメータである。隣り合う噴射流の相互作用に影響を与える他のパラメータは、例えば、噴射孔長さ、噴射ノズル内の圧力状態及び各々の噴射孔への噴射ノズル中での燃料の流れである。
【０００９】
さらに、偏向を伴う望ましい相互作用を実現するためには、複数の噴射流の中で、厳密に２つの噴射流からなる少なくとも１つの対が形成されることが極めて重要であって、この対は周方向に隣り合っており、これらの相互の間隔は、この噴射流対の一方の噴射流と、同じ噴射流対に属さない他の噴射流との間隔より小さい。言い換えれば、各々の噴射流対に属する２つの噴射流は、同じ噴射流対に属する噴射流の方向へは比較的小さな間隔を持つ一方で、この噴射流対に隣り合う他の噴射流の方向へはより大きな間隔を持っている。この方法で、各々の噴射流対の２つの噴射流の外側に作用する外気との相互効果が、２つの噴射流の向きを相互に閉じる方向に変えるのに充分であることが保障される。
【００１０】
噴射ノズルの場合、このことは、周方向に隣り合う少なくとも１対の噴射孔が設けられることを意味しており、噴射孔の長手方向中心軸は周方向に１つの対角度を挟む。この対角度は、周方向に関して、この噴射孔対の各々の噴射孔の長手方向中心軸と、この噴射孔対に対して周方向に隣り合う噴射孔の長手方向中心軸との間に挟まれている隣接角度よりも小さい。
【００１１】
各々の対角度を最大で５０°に選択することが有利であり、好ましくは、約４５°である。それとは異なり、それぞれの隣接角度は最小で６０°であり、約７０°または８０°であることが好ましい。基本的に、対角度および隣接角度は、噴射流の数ないしは噴射孔の数に影響されることは明らかである。好ましい噴射孔の数は５から７である。
【００１２】
別の好ましい実施形態では、厳密に６個の噴射孔を設けることができる。６個の噴射孔の場合、有利には、直径方向に相互に反対側を向く噴射孔対を厳密に２つ設けることができ、２つの噴射孔対の間には、周方向に、さらにそれぞれ１つの噴射孔が配置されている。この場合、有利には、この２つのさらなる噴射孔が、直径方向に相互に反対側を向いている。このような構成によって、例えば、吸排気バルブの部分で適切に減少する噴射流の侵入深さを実現するために、２つの噴射孔対を吸気弁と排気弁に割り当てることが可能になる。さらにこれにより、噴射孔対の１つが点火装置に割り当てられる場合には、点火装置の部分に有利な混合気形成を実現することが可能になる。有利な混合気形成は、層状給気、点火噴射ならびにいわゆる触媒コンバータ加熱を改善する。同時に、噴射孔対の１つを吸気弁に向けることで、吸気弁の燃料による濡れを回避することができる。
【００１３】
同様に６個の噴射孔が設けられている、代替の実施形態においては、３対の噴射孔対を形成することができ、これらは適切に周方向に均等に分散され、すなわちその中心軸に関して互いに約１２０°の間隔をあけて配置されている。このような構成では、全ての噴射流で侵入深さを減少させることができ、これによって特に吸気弁の濡れを回避することができる。さらに、このような構成でも、有利な混合気形成を点火装置の部分に容易に発生させることができる。有利な混合気形成は、層状給気、点火噴射ならびにいわゆる触媒コンバータ加熱を改善する。
【００１４】
別の好ましい実施形態では、ノズルボディ内に、噴射孔へ通じる供給路を形成することができ、燃料が燃料噴射プロセス中にその供給路の中を供給方向に流れる。この供給方向は、供給路内の各々の噴射孔の部分において、各々の噴射孔の長手方向中心軸に対して６０°から９０°の範囲で傾斜している。この処置によって、燃料が各々の噴射孔内に入る直前に、ノズルボディの範囲内で強い流れの偏向が実現され、このことが侵入深さの減少に有利に働く。
【００１５】
別の実施形態では、各々の噴射孔は、噴射孔の長手方向中心軸に対して同軸上に、孔長さと孔径を有することができ、この場合、孔径に対する孔長さの比は０．５から４．０までの範囲にある。孔径に対する孔長さのこのような比が、侵入深さの減少に有利である。
【００１６】
例えば、孔長さは８０μｍから３００μｍまでの範囲である。孔の直径は８０μｍから１６０μｍの値が有利である。
【００１７】
燃料噴射プロセスのために加えられている燃料内の圧力は、例えば１０ＭＰａから２５ＭＰａの範囲、すなわち１００ｂａｒから２５０ｂａｒまでの範囲である。
【００１８】
他の好ましい実施形態では、各々の噴射孔がその長手方向に、内側に位置する噴射流形成部と、外側に位置する出口部とを有することができる。この場合、噴射流形成部は噴射孔の孔長さと孔の直径を定義する。出口部は、噴射流形成部の孔の直径よりも大きい直径を有している。出口部の長さは噴射流形成部の長さと基本的に同じ長さであってよい。各々の噴射孔のこのような段階的な形態は、僅かな侵入深さを持つ噴射流の形成に有利である。
【００１９】
本発明のピストンエンジンは、少なくとも１つのシリンダと、各々のシリンダごとに少なくとも１つの前述の種類の噴射ノズルとを備え、この際、各々の噴射ノズルを用いることにより、各々のシリンダのシリンダ室内へ液体燃料を直接噴射することが実施可能である。この噴射ノズルは、シリンダの長手方向中心軸の部分に配置され、他方で各々のシリンダの点火装置は、噴射ノズルから距離を置いて取り付けられている。各々の噴射ノズルは、点火装置が、周方向における、その１対の噴射孔の２つの噴射流の間に取り付けられるか、または周方向に隣り合う２つの噴射孔対の間に取り付けられるように、その噴射孔に対して位置を調整することができる。
【００２０】
この場合、噴射ノズルの長手方向中心軸は、シリンダの長手方向中心軸に対して特に平行に通ることができる。同様に、噴射ノズルの長手方向中心軸とシリンダの長手方向中心軸との間に傾斜を設けることも可能であるが、これは２０°以下であることが好ましい。
【００２１】
有利な発展形態においては、点火装置は、周方向における、各々のシリンダの２つの排気弁の間に配置することができる。これに加え、または代替として、噴射ノズルはその噴射孔に対して、このような噴射孔対の噴射流が、周方向における各々のシリンダの２つの吸気弁の間を通るように方向付けることができる。この方向付けによって、吸気弁の濡れを著しく減少させることができる。
【００２２】
本発明のさらなる重要な特徴と利点は、従属請求項、図面、および図面に基づく関連する説明に示されている。
【００２３】
上述した特徴および以下にこれから説明される特徴は、それぞれに記載された組み合わせのみでなく、本発明の範囲から逸脱することのない範囲で、他の組み合わせまたは独立して使用可能であることは自明である。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態は図面に示されており、また以下に詳細に説明されるが、この場合に同一もしくは類似の、または機能的に同じ構成部品には同じ記号が付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】さまざまな実施形態における燃料噴射プロセス中のピストンエンジンのシリンダの、概略横断面図である。
【図２】さまざまな実施形態における燃料噴射プロセス中のピストンエンジンのシリンダの、概略横断面図である。
【図３】さまざまな実施形態における燃料噴射プロセス中のピストンエンジンのシリンダの、概略横断面図である。
【図４】さまざまな実施形態における、噴射ノズルの噴射孔部分の、概略縦断図である。
【図５】さまざまな実施形態における、噴射ノズルの噴射孔部分の、概略縦断図である。
【図６】さまざまな実施形態における、噴射ノズルの噴射孔部分の、概略縦断図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１〜３に示す通り、ピストンエンジン１は少なくとも１つのシリンダ２を含み、シリンダ２ごとに１つの噴射ノズル３を含む。噴射ノズル３を用いることにより、液体燃料は直接、各々のシリンダ２のシリンダ室４内に噴射される。さらに、各々のシリンダ２には吸排気バルブ５、６が割り当てられており、すなわちこの例では２つの吸気弁５と２つの排気弁６が割り当てられている。さらに、シリンダ２ごとに１つの、例えば点火プラグである点火装置７が設けられていることから、このピストンエンジン１は火花点火式ピストンエンジン１であって、すなわちガソリンエンジンである。
【００２７】
図１〜６に示す通り、それぞれの噴射ノズル３は、図４−６に示されるような複数の噴射孔８を含み、これらの噴射孔８は燃料噴射プロセス中に、図１〜３に示されている複数の噴射流９を形成する。図１〜３のこれらの好ましい実施形態では、厳密に６個の噴射孔８が、６個の噴射流９を形成するために設けられている。５個から７個の噴射孔８を持つ実施形態が好ましい。基本的には他の噴射孔の数も考えられる。
【００２８】
これらの噴射孔８は、噴射ノズル３のノズルボディ１０に、燃料噴射プロセス中に噴射流９が星形の配列になるように、噴射ノズル３の周方向に分散されて配置されている。周方向は、図１〜３では図面平面に対して鉛直に立っている、噴射ノズル３の長手方向中心軸１１を基準としている。
【００２９】
周方向に隣り合う２つの噴射孔８から、または、図１〜３に波括弧によって表示されているような周方向に隣り合う噴射流９から、少なくとも１つの対１２が生じるように、この周方向への噴射孔８の配列ないしは分配が選択される。この各々の噴射流対１２、または、各々の噴射孔対１２における２つの噴射孔８または２つの噴射流９は、長手方向中心軸１３を有し、これらの軸の間に周方向の対角度１４を挟む。さらに、各々の噴射孔対１２の各々の噴射孔８または各々の噴射流対１２の各々の噴射流９の長手方向中心軸１３と、各々の噴射孔対１２、または、噴射流対１２に周方向に隣り合う噴射孔８または噴射流９の長手方向中心軸１３との間に、１つの隣接角度１５が形成されている。この場合、それぞれ対角度１４は隣接角度１５よりも小さい。例えば、対角度１４の角度値は最大５０°までであることが好ましく、他方で隣接角度１５の角度値は少なくとも６０°であることが好ましい。ここで示されている例では対角度１４はそれぞれ約４５°、隣接角度１５はそれぞれ約８０°である。
【００３０】
各々の噴射孔対１２または噴射流対１２は、噴射流対１２の２つの長手方向中心軸１３の対角度１４が、一方のおよび他方の周方向で境界を接する２つの隣接角度１５より小さいことを特徴とする。
【００３１】
図１の例では、直径方向において相互に反対側を向く厳密に２対の噴射孔対１２が設けられている。従って、周方向における２対の噴射孔対１２の間には、それぞれ１つのさらなる噴射孔８があり、直径方向に相互に反対側を向いている。対応する配列が、これに属する噴射流９についても結果として生じる。
【００３２】
これとは異なり図２と図３に示される実施形態では、厳密に３対の噴射孔対１２が設けられており、これらは、有利に周方向に均等に分散されて配置されている。従って。各々の噴射孔対１２内で、各々の噴射孔対１２の噴射孔８の長手方向中心軸１３の間の中央を通る中心軸１６は、周方向に互いに約１２０°ずれて位置している。
【００３３】
図１〜３に示される実施の形態では、点火装置７は２つの排気弁６の間に配置されている。さらにこの点火装置７は偏心的にシリンダ室４内に位置決めされていて、すなわちシリンダ２の長手方向中心軸１７に対して径方向に離れている。これとは異なり、噴射ノズル３はシリンダ２内の中心に配置されていて、すなわちシリンダ２の長手方向中心軸１７の部分に配置されている。ここで示されている実施形態ではそれぞれ、この噴射ノズル３は、点火装置７が、周方向における１対の噴射孔対１２（図１および図３）の２つの噴射流９の間のほぼ中央に、または周方向に隣り合う２対の噴射孔対１２（図２）の間に取り付けられるように位置決めまたは配置されている。図１および図３に示される実施形態では、噴射ノズル３はさらに、１対の噴射孔対１２が周方向における排気弁６の間を通るように配置されている。図１および図２に示される実施形態の場合、噴射孔対１２の１つが周方向における吸気弁５の間を通るように配列されている。
【００３４】
有利には、噴射ノズル３の長手方向中心軸１１とシリンダ２の長手方向中心軸１７とが一致するように、噴射ノズル３がシリンダ２に対して同軸上に配置することができる。しかしながら基本的に、噴射ノズル３とシリンダ２夫々の長手方向中心軸１１、１７との間に傾きをつけることも考えられるが、ただしこれは最大で２０°でなければならない。
【００３５】
図４〜６に示す通り、ノズルボディ１０内には、噴射孔８に通じる供給路１８を形成することができる。燃料噴射プロセス中に、燃料は、供給路１８内を、図４〜６中に矢印で示されている流入方向１９へと流れる。各々の噴射孔８の部分では、この供給路１８内の流入方向１９は、各々の噴射孔８の長手方向中心軸１３に対してシリンダ室４とは反対側に傾斜しており、とくに６０°〜９０°の角度範囲内にあることが好ましい。図４は、流入方向１９と長手方向中心軸１３との間の傾斜角度２０が約９０°である例を示している。図５では傾斜角度は約８０°である。図６では傾斜角度は約７０°である。
【００３６】
図４〜６に示す通り、それぞれの噴射孔８は、噴射孔８の長手方向中心軸１３に対して同軸上に孔長さＬと孔径Ｄを有する。この例では孔長さＬは孔径Ｄよりも長い。孔径Ｄに対する孔長さＬの有利な比は、０．５から４．０までの範囲である。
【００３７】
ここで示された例では、それぞれの噴射孔８が、その長手方向に関して内側に位置する噴射流形成部２１と外側に位置する出口部２２とを有する。噴射流形成部２１は噴射孔の孔長さＬと孔径Ｄを定義する。出口部２２は、噴射流形成部の孔径Ｄよりも明らかに大きい直径２３を有する。この例では、出口部は、孔長さＬとほぼ同じ長さの長さ２４を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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