(57)【要約】  本発明は、直接噴射式自己着火内燃機関の運転方法と、これに対応するように構成される内燃機関とに関する。ピストン（２）のピストンヘッド（５）にはピストン凹部（６）が形成され、このピストン凹部（６）は、ピストンヘッド（５）の移行領域において、ほぼ環状の段付きチャンバ（７）に繋がっている。噴射装置（８）の噴射噴流（９、９’）が、次のように、すなわち、燃料の第１部分量（１１）が軸方向（１４）及び半径方向（１５）においてピストン凹部（６）の中に方向転換され、燃料の第２部分量（１２）が軸方向（１４）及び半径方向（１５）においてピストンヘッド（５）を経由して燃焼室（４）の中に方向転換され、燃料の第３部分量（１３）が周囲方向（１６）に方向転換されるように、段付きチャンバ（７）に送り込まれ、そこで、方向転換される。その場合、隣接する噴射噴流（９、９’）の第３部分量（１３、１３’）のそれぞれは周囲方向（１６）において一緒に合流し、続いて、半径方向（１５）において内向きに方向転換される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接噴射式自己着火内燃機関の運転方法であって、
前記内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ（１）と、前記シリンダ（１）内を上下動するピストン（２）と、シリンダヘッド（３）と、前記シリンダ（１）、前記ピストン（２）及び前記シリンダヘッド（３）によって規定される燃焼空間（４）とを含み、
前記ピストン（２）のピストンヘッド（５）にはピストン凹部（６）が一体的に形成され、前記ピストン凹部（６）は、前記ピストンヘッド（５）への移行領域において、ほぼ環状の段付き空間（７）に繋がっており、さらに、燃料用の噴射器（８）が前記燃焼空間（４）内に突き出ており、前記噴射器（８）により、燃料の複数の噴射噴流（９、９’）が、前記燃焼空間の周囲全域に分布するように、円錐状に配置される噴流軸（１０）に沿って前記燃焼空間（４）内に噴射され、
前記噴射噴流（９、９’）が、第１の燃料（１１）が軸方向（１４）及び半径方向（１５）において前記ピストン凹部（６）の中に方向転換され、第２の燃料（１２）が前記軸方向（１４）及び前記半径方向（１５）において前記ピストンヘッド（５）の上部を前記燃焼空間（４）の中に方向転換され、第３の燃料（１３、１３’）が周囲方向（１６）に方向転換されるように、前記段付き空間（７）に向かって導かれて、そこで方向転換され、隣接する噴射噴流（９、９’）のそれぞれの前記第３の燃料（１３、１３’）は、前記周囲方向（１６）において互いに衝突し、前記半径方向（１５）において内向きに方向転換されることを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項２】
前記円錐状に配置される噴流軸（１０）の円錐の角度（α）と、噴射の開始と、噴射時間とが、噴射された燃料量の少なくとも３０％以上が前記段付き空間（７）に衝突するように相互に調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記噴流軸（１０）の前記段付き空間（７）への衝突点（１７）の両側において、方向転換手段（１８）が前記段付き空間（７）内に設けられ、前記方向転換手段（１８）は前記第３の燃料（１３）を前記周囲方向（１６）から前記半径方向（１５）の内向きに方向転換することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料の噴射が、１７００バール以上の圧力で行われ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方法。
【請求項５】
隣接する噴射噴流（９、９’）のそれぞれの前記第３の燃料（１３、１３’）が、前記周囲方向（１６）において少なくとも１５ｍ／ｓ以上の速度で互いに衝突す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方法。
【請求項６】
直接噴射式自己着火内燃機関であって、
少なくとも１つのシリンダ（１）と、前記シリンダ（１）内を上下動するピストン（２）と、シリンダヘッド（３）と、前記シリンダ（１）、前記ピストン（２）及び前記シリンダヘッド（３）によって規定される燃焼空間（４）とを含む直接噴射式自己着火内燃機関であり、前記ピストン（２）のピストンヘッド（５）にはピストン凹部（６）が一体的に形成され、前記ピストン凹部（６）は、前記ピストンヘッド（５）への移行領域において、ほぼ環状の段付き空間（７）に繋がっており、燃料用の噴射器（８）が前記燃焼空間（４）内に突き出ており、前記噴射器は、燃料の複数の噴射噴流（９、９’）を、前記燃焼空間の周囲全域に分布するように、円錐状に配置される噴流軸（１０）に沿って前記燃焼空間（４）内に噴射するためのものとして設けられ、前記噴射器の噴流軸（１０）が、噴射時間の少なくとも一部の期間、前記段付き空間（７）に向けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって運転するように意図された内燃機関。
【請求項７】
前記段付き空間（７）の壁面（１９）が、断面において、円弧の一部又は楕円の一部として凹面状に構成され、この場合、前記円弧又は楕円の一部の半径（Ｒ２）は、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の３％以上３０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記段付き空間（７）の壁面（１９）が、断面において、真直な周囲壁（２０）と真直な底面（２１）と凹面状に曲面化された移行壁面（２２）とによって形成され、前記周囲壁（２０）は、軸方向（１４）に対して−３０°以上＋１０°以下の範囲内で傾斜し、及び／又は、前記底面（２１）は、半径方向（１５）に対して−４０°以上＋３０°以下の範囲内で傾斜し、及び／又は、前記凹面状に曲面化された移行壁面（２２）の半径（Ｒ３）は、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の１．５％以上２０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記段付き空間（７）の前記軸方向（１４）における高さ（ｈ）が、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の１０％以上３０％以下の範囲内にあること、及び、前記段付き空間（７）の前記半径方向（１５）における幅（ｂ）が、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の２％以上３０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記噴流軸（１０）の前記段付き空間（７）への衝突点（１７）の両側において、方向転換手段（１８）が前記段付き空間（７）内に配置され、前記方向転換手段（１８）は、第３の燃料（１３）を周囲方向（１６）から前記半径方向（１５）の内向きに方向転換させるためのものとして設けられることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記方向転換手段（１８）が、前記半径方向（１５）及び前記軸方向（１４）において、前記段付き空間（７）の壁面（１９）から内向きにかつ前記ピストン凹部（６）又は前記燃焼空間（４）の方向に突き出る方向転換ノーズ（２３）として構成されることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記段付き空間（７）が、前記周囲方向（１６）及び前記半径方向（１５）において、円弧の形で凹面状に前記方向転換ノーズ（２３）に繋がることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
円弧の形の前記移行部分の半径（Ｒ４）が、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の５％以上５０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記段付き空間（７）が、前記周囲方向（１６）及び前記半径方向（１５）において、楕円形の凹面状に前記方向転換ノーズ（２３）に繋がることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記楕円形の移行部分が短半軸（Ｒ５）及び長半軸（Ｒ６）を有し、前記短半軸（Ｒ５）は前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の２％以上２５％以下の範囲内にあり、前記長半軸（Ｒ６）は前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の１０％以上６０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関。
【請求項１６】
前記軸方向（１４）における前記方向転換ノーズ（２３）の高さ（ｈ１）が、前記段付き空間（７）の高さ（ｈ）の６０％以上１００％以下の範囲内にあること、前記半径方向（１５）における前記方向転換ノーズ（２３）の幅（ｂ１）が、前記段付き空間（７）の幅（ｂ）の６０％以上１００％以下の範囲内にあること、及び、前記方向転換ノーズ（２３）の軸方向の端面（２４）が、前記半径方向（１５）に対して０°以上４０°以下の範囲内の角度（β）だけ、前記ピストン凹部（６）の中に内向きに傾斜していることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記噴射器（８）が、その周囲に、一様に分布配置された７〜１２個の噴射孔（２５）を有することを特徴とする請求項６〜１６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１８】
前記噴射器（８）の前記噴射孔（２５）の長さ（Ｌ）対直径（Ｄ）の比が３．０以上１１．０以下の範囲内にあることを特徴とする請求項６〜１７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１９】
前記噴射噴流（９）の全噴流軸（１０）が、単一の共通円錐の包絡面上に配置されることを特徴とする請求項６〜１８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段の特徴を有する直接噴射式自己着火内燃機関の運転方法と、本発明の方法によって運転するように意図された内燃機関とに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、直接噴射及びピストン凹部を備えたディーゼルエンジンを開示している。それに示される直接噴射式自己着火内燃機関は、少なくとも１つのシリンダと、そのシリンダ内を上下動するピストンと、シリンダヘッドと、シリンダ、ピストン及びシリンダヘッドによって画成される燃焼空間とを含む。ピストンのピストンヘッドにはピストン凹部が一体的に形成され、そのピストン凹部は、ピストンヘッドへの移行領域において、ほぼ環状の段付き空間に繋がっている。シリンダヘッド内に配置される燃料噴射器が燃焼空間内に突き出ている。この噴射器によって、燃料の複数の噴射噴流が、燃焼空間の周囲全域に分布するように、円錐状に配置される噴流軸に沿って燃焼空間内に噴射される。
【０００３】
噴射噴流はピストン凹部の周縁領域に衝突する。その結果、噴流は基本的に２つの方向に方向転換される。第１の部分量は、シリンダの軸方向に関して下向きに燃焼空間の凹部の中に流入し、第２の部分量は、シリンダの壁面の方向に、ピストンヘッドの上部をほぼ半径方向に伝播する。この２つの部分量によって、それぞれ１つの、すなわち合わせて２つの燃焼前端部が形成される。シリンダ壁面の方向に伝播する燃料の第２部分量は、特にすす及び窒素酸化物の形成に関して最適状態ではなく、エンジンオイルへのすすの混入の増大が観察される場合がある。
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９６４９０５２Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、すす及び排気煙の発生量が低減される直接噴射式自己着火内燃機関の運転方法を定めることにある。
【０００６】
この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって実現される。
【０００７】
さらに、本発明の目的は、本発明の方法によって運転するのに適した直接噴射式自己着火内燃機関を規定することにある。
【０００８】
この目的は、請求項６の特徴を備えた内燃機関によって実現される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
噴射器によって発生させる噴射噴流の噴流軸を、噴射時間の少なくとも一部の期間、ピストンの段付き空間に向けることが提案される。噴射噴流は、段付き空間に向かって導かれて、そこで方向転換され、燃料の第１部分量が軸方向及び半径方向においてピストン凹部の中に方向転換される。燃料の第２部分量は軸方向及び半径方向においてピストンヘッドの上部を燃焼空間の中に方向転換され、一方、燃料の第３部分量は周囲方向に方向転換される。この場合、隣接する噴射噴流のそれぞれの第３部分量は周囲方向において互いに衝突し、続いて、半径方向において内向きに方向転換される。
【００１０】
上記の第３部分量が形成されて導かれるのは、噴射噴流が段付き空間に衝突することによるものである。ピストン凹部の中心の方向への方向転換の結果として、新しい第３の燃焼前端部が形成される。これは、噴射噴流間、従って燃焼に利用可能な酸素がなお十分に残留している箇所に正確に形成される。この結果、すすの排出量は低下する。
【００１１】
この第３の燃焼前端部は、他の２つの燃焼前端部に対してある時間遅れをもって初めて燃焼するので、燃焼空間における局所的な尖頭温度が低下し、その結果、窒素酸化物の発生量も低減する。この効果によって、すすの後酸化も促進される。
【００１２】
内燃機関が、窒素酸化物低減のために排気ガス再循環方式で運転される場合は、段付き空間における燃料粒子の２重の方向転換、すなわち、周囲方向への第１方向転換と、引き続く半径方向に内向きの第２の方向転換とによって、再循環された事実上不活性な排気ガスと酸素及び燃料との相互混合をも効果的に促進する付加的な混合効果が得られる。局所的な温度尖頭値の発生も低下し、その結果、窒素酸化物の発生量も減少する。
【００１３】
３つの燃焼前端部を効果的に形成するためには、噴流の円錐の角度と、噴射の開始と、噴射時間とを相互に調整し、かつ、これらを内燃機関のクランク角度に適合するように調整して、燃料の噴射噴流の少なくともかなりの部分が段付き空間に衝突するようにしなければならない。この調整は、噴射された燃料量の少なくとも３０％、特に３０％（３０％を含めて）〜８０％（８０％を含めて）が段付き空間に衝突するように実施することが望ましい。燃料の噴射は、＞１７００バール、好ましくは＞２０００バール、特に約２１５０バールの圧力で行うことが好適である。第３の燃焼前端部を効果的に形成するためには、周囲方向において隣接する噴射噴流のそれぞれの第３部分量が、少なくとも１５ｍ／ｓ、特に３０ｍ／ｓの速度で互いに衝突するように調整することが好適であると証明されている。
【００１４】
第３の部分量を効果的に形成しかつ方向転換するためには、段付き空間の壁面を、断面において、円弧の一部又は楕円の一部として凹面状に構成するのが望ましい。この場合、円弧又は楕円の一部の半径は、ピストン凹部の半径の３％（３％を含めて）〜３０％（３０％を含めて）の範囲内にある。
【００１５】
代替的に、段付き空間の壁面を、断面において、真直な周囲壁と真直な底面と凹面状に曲面化された移行壁面とによって形成することも好適に可能である。この場合、周囲壁は、軸方向に対して＋１０°（＋１０°を含めて）〜−３０°（−３０°を含めて）の範囲内で傾斜しており、及び／又は、底面は、半径方向に対して＋３０°（＋３０°を含めて）〜−４０°（−４０°を含めて）の範囲内で傾斜しており、及び／又は、凹面状に曲面化された移行壁面の半径は、ピストン凹部の半径の１．５％（１．５％を含めて）〜２０％（２０％を含めて）の範囲内にある。
【００１６】
段付き空間の軸方向における高さは、ピストン凹部の半径の１０％（１０％を含めて）〜３０％（３０％を含めて）の範囲内にあることが望ましく、段付き空間の半径方向における幅は、ピストン凹部の半径の２％（２％を含めて）〜３０％（３０％を含めて）の範囲内にあることが望ましい。
【００１７】
燃料のそれぞれの第３部分量を周囲方向から半径方向に効果的に方向転換するために、噴流軸の段付き空間への衝突点の両側において、方向転換手段を段付き空間内に配置することが有利である。この方向転換手段は、燃料のそれぞれの第３部分量を空気力学的に正確に、低損失で導くことに寄与する。
【００１８】
この方向転換手段は、半径方向及び軸方向において、段付き空間の壁面から内向きにかつピストン凹部又は燃焼空間の方向に突き出る方向転換ノーズとして構成するのが好適である。これらの方向転換ノーズは事実上任意の所望の幾何学的形状においてピストンに一体的に形成することができる。特に、鋳造によって一体品に形成する場合は、製造に関する付加的費用を伴うことなく、流体工学的に有益に調整された方向転換を実現できる。
【００１９】
このため、段付き空間は、周囲方向及び半径方向において、好ましくは円弧の形で凹面状に方向転換ノーズに繋がっている。円弧の形の移行部分の半径は、ピストン凹部の半径の５％（５％を含めて）〜５０％（５０％を含めて）の範囲内にあることが好適である。
【００２０】
代替的に、段付き空間が、周囲方向及び半径方向において、楕円形の凹面状に方向転換ノーズに繋がることが有利になる場合がある。この場合は、楕円形の移行部分が短半軸及び長半軸を有することが好ましく、その場合、短半軸はピストン凹部の半径の２％（２％を含めて）〜２５％（２５％を含めて）の範囲内、長半軸はピストン凹部の半径の１０％（１０％を含めて）〜６０％（６０％を含めて）の範囲内とする。この結果として、同様に、周囲方向から半径方向に内向きの燃料の第３部分量の流体工学的に有益な方向転換が実現される。
【００２１】
流れを的確に導くため、軸方向における方向転換ノーズの高さを、段付き空間の高さの６０％（６０％を含めて）〜１００％（１００％を含めて）の範囲内とし、半径方向における方向転換ノーズの幅を、段付き空間の幅の６０％（６０％を含めて）〜１００％（１００％を含めて）の範囲内とし、方向転換ノーズの軸方向の端面を、半径方向に対して０°（０°を含めて）〜４０°（４０°を含めて）の範囲内の角度だけ、ピストン凹部の中に内向きに傾斜させるように予定することが好適である。
【００２２】
３つの燃焼前端部を一様に形成しかつ良好な相互混合を実現するために、噴射器は、その周囲に、特に一様に分布配置された７〜１２個、好ましくは８〜１０個の噴射孔を有することが有利である。正確な形状の噴射噴流の形成と段付き空間への一様な衝突とを実現するために、噴射器の各噴射孔は、長さ対直径の比が３．０（３．０を含めて）〜１１．０（１１．０を含めて）の範囲内になるような長さ及び直径を有する。この場合、噴射噴流の全噴流軸は、単一の共通円錐の包絡面上に配置することが好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施例を、図を参照しながらさらに詳しく説明する。
【００２４】
図１は、本発明に従って構成された直接噴射式自己着火内燃機関を、ピストン２がその中で上下動するシリンダ１の領域の模式的な縦断面図として示す。例として、ただ１つのシリンダ１のみが示されている。内燃機関は、任意の所要個数の適応する形状のシリンダ１を備えることができ、そのシリンダのそれぞれにおいて以下に述べる本発明の方法が実施される。
【００２５】
概略表示されたシリンダヘッド３が、シリンダ１及びピストン２と共に燃焼空間４を形成する。液体燃料、特にディーゼル燃料を噴射する概略表示の噴射器がシリンダヘッド３内に配置される。
【００２６】
ピストン２は、燃焼空間４に面する側にピストンヘッド５を有しており、そのピストンヘッド５にピストン凹部６が一体形成される。ピストン凹部６は、半径方向１５に関して外側のピストンヘッド５への移行領域において、ほぼ環状の段付き空間７に繋がっている。図示の配置は、全体として、シリンダ軸２６に関して回転対称に構成されており、シリンダ軸２６が軸方向１４を規定する。半径方向１５は軸方向１４に垂直である。
【００２７】
噴射器は、その周囲全体に一様に分布配置される噴射孔２５を有するが、図においては見易くするためにただ１つの噴射孔２５が表現されている。噴射器８の噴射孔２５は長さＬ、直径Ｄであり、長さＬ対直径Ｄの比は３．０（３．０を含めて）〜１１．０（１１．０を含めて）の範囲内にある。噴射孔２５の中心軸は、半径方向１５に対して、ピストン２の方に下向きに斜めに傾斜している。噴射孔２５からの燃料の噴射によって、それぞれ、概略表示される噴射噴流９が生成する。この噴射噴流９の噴流軸１０は円錐状に配置される。異なる噴流軸１０に対して異なる円錐の角度αを設けることが好適である場合がある。図示の実施例においては、すべての噴射噴流９の噴流軸１０が、一定の円錐角度αを有する単一の共通円錐の包絡面上に載っている。
【００２８】
クランク角度に応じて、ピストン２は、シリンダヘッド３、あるいは噴射器８及びその噴流軸１０に対して、軸方向１４において種々の位置を取る。円錐状に配置される噴流軸１０の円錐の角度αと、噴射の開始と、噴射時間とは、噴流軸１０が噴射時間の期間の少なくともかなりの部分にわたって段付きベース部７に向くように、相互に調整され、あるいは、クランク角度に、従ってピストン２の軸方向位置に適合するように調整される。その場所で、それらは、衝突点１７において段付き空間７に衝突する。上記の調整は、噴射噴流９の噴射燃料量の少なくとも３０％、特に３０％（３０％を含めて）〜８０％（８０％を含めて）が段付き空間７に衝突するように選定される。
【００２９】
以下に詳細に説明する段付き空間の設計によって、上記の調整と連繋して、噴射噴流９を、図７〜１０に示す第１部分量１１と第２部分量１２と第３部分量１３とに分割しかつ方向転換する効果が得られる。燃料の第１部分量１１は、軸方向１４及び半径方向１５において、シリンダヘッド３から離れるように下向きにピストン凹部６の中に方向転換され、そこで、半径方向１５において内向きにシリンダ軸２６の方向に方向転換される。燃料の第２部分量１２は、一部分は、半径方向１５において、ピストンヘッド５の上部を外向きに方向転換され、他の部分は、段付き空間７から、軸方向１４においては上向きにシリンダヘッド３の方に、半径方向１５においてはピストンヘッド５の上部を外向きに、シリンダ１の壁面の方向に燃焼空間４の中に方向転換される。燃料の導き方のさらなる詳細については、図７〜１０に関連して以下においてさらに具体的に説明する。
【００３０】
図２は、図１のピストン２のピストン凹部６及び段付き空間７の領域における詳細図を示す。段付き空間７は、曲面化された壁面１９によって、半径方向１５においては外向きに、軸方向１４においてはピストンヘッド５から離れる方向に下向きに画成される。段付き空間７の壁面１９は、断面において、円弧の一部として凹面状に構成される。円弧の一部の半径Ｒ２は、ピストン凹部６の半径Ｒ１の３％（３％を含めて）〜３０％（３０％を含めて）の範囲内にある。ピストン凹部６の半径Ｒ１は、シリンダ軸２６から測られ、段付き空間７を含む全ピストン凹部６を含む。
【００３１】
図示の実施例においては、一定の半径Ｒ２が設けられているが、楕円形の形態も好適である場合がある。この場合は、その長径及び短径を上記に範囲内にすることが好適である。
【００３２】
図３は、図２の段付き空間７の別の実施形態を示す。これによれば、段付き空間７の断面が折り曲げ形である。段付き空間７の壁面１９は、軸方向１４において真直な円筒状の周囲壁２０と、半径方向１５において真直な平面状底面２１と、凹面状に曲面化された移行壁２２とによって形成される。底面２１は、移行壁２２を介して周囲壁２０に繋がっている。凹面状曲面の移行壁２２の半径Ｒ３は、ピストン凹部６の半径Ｒ１の１．５％（１．５％を含めて）〜２０％（２０％を含めて）の範囲内にある。
【００３３】
図示の実施例においては、周囲壁２０は軸方向１４に平行であり、一方、底面２１は半径方向１５に平行である。符号の＋及び−が付された両矢印は、周囲壁２０及び／又は底面２１に対して傾斜を設けることも好適であり得ることを示している。この場合、周囲壁２０は、軸方向１４に対して＋１０°（＋１０°を含めて）〜−３０°（−３０°を含めて）の範囲内で傾斜することが有利であり、底面２１は、半径方向１５に対して＋３０°（＋３０°を含めて）〜−４０°（−４０°を含めて）の範囲内で傾斜することが好適である。
【００３４】
図４は、図１のピストン２の平面図を詳細図として示す。この平面図においては、ピストン凹部６と段付き空間７とピストンヘッド５とが、シリンダ軸２６に同軸にほぼ円形状に配置されているのを見ることができる。周囲方向が、シリンダ軸２６に対して両矢印１６で示される。
【００３５】
多数形成される噴射噴流９の内、見易くするために、２つの隣接する噴射噴流９、９’のみが示されており、その噴流軸１０、１０’は衝突点１７、１７’において段付き空間７に衝突する。段付き空間７内には、周囲方向１６において衝突点１７、１７’の間の中央に、方向転換手段１８が配置される。その機能については、図８〜１０に関連して以下に詳細に説明する。図示の実施例においては、方向転換手段１８は、半径方向１５において、段付き空間７の壁面から内向きにかつピストン凹部６の方向に突き出る方向転換ノーズ２３として設計されている。図においては、見易くするために、ただ１つの方向転換ノーズ２３のみが表現されている。方向転換ノーズ２３は、それぞれ、全噴射噴流９、９’の各衝突点１７、１７’の間の中間空間の中央に配置されるので、各衝突点１７、１７’のそれぞれ両側に設けられることになる。従って、方向転換ノーズ２３の個数は噴射噴流９、９’の個数に等しい。
【００３６】
段付き空間７の壁面は、周囲方向１６の面及び半径方向１５の面に関して、円弧の形で凹面状に方向転換ノーズ２３に繋がっている。円弧の形の移行部分には、半径方向１５及び周囲方向１６によって張られる面内に半径Ｒ４が設けられる。円弧の形の移行部分の半径Ｒ４は、ピストン凹部６の半径Ｒ１の５％（５％を含めて）〜５０％（５０％を含めて）の範囲内にある。
【００３７】
図５は、図４の構成を矢印Ｖ−Ｖの断面線に沿う断面図として示す。これによれば、方向転換ノーズ２３は、半径方向１５においては内向きに、軸方向１４においては段付き空間７の壁面１９を越えて上向きに突き出ており、ピストン凹部６の方向又は燃焼空間４の方向に突き出ている。
【００３８】
軸方向１４において測定される段付き空間７の高さｈは、ピストン凹部６の半径Ｒ１（図４）の１０％（１０％を含めて）〜３０％（３０％を含めて）の範囲内にある。半径方向１５において測定される段付き空間７の幅ｂは、ピストン凹部６の半径Ｒ１（図４）の２％（２％を含めて）〜３０％（３０％を含めて）の範囲内にある。
【００３９】
軸方向１４において測定される方向転換ノーズ２３の高さｈ１は、段付き空間７の高さｈの６０％（６０％を含めて）〜１００％（１００％を含めて）の範囲内にあり、半径方向１５において測定される方向転換ノーズ２３の幅ｂ１は、段付き空間７の幅ｂの６０％（６０％を含めて）〜１００％（１００％を含めて）の範囲内にある。方向転換ノーズ２３は、燃焼空間４の方向における軸方向１４に関しては、ほぼ平面の軸方向端面２４によって画成される。方向転換ノーズ２３の端面２４は、ピストン凹部６の中に内向きに、あるいは燃焼空間４から離れる方向に、半径方向１５に対して角度βだけ傾斜している。この場合、端面２４の角度βは、半径方向１５に対して０°（０°を含めて）〜４０°（４０°を含めて）の範囲内にあることが望ましい。
【００４０】
図６は、図４の方向転換ノーズ２３の別の変形形態を示す。これによれば、段付き空間７は、周囲方向１６において、楕円形の凹面状に方向転換ノーズ２３に繋がっている。楕円形の移行部分は短半軸Ｒ５及び長半軸Ｒ６を有し、短半軸Ｒ５はピストン凹部６の半径Ｒ１の２％（２％を含めて）〜２５％（２５％を含めて）の範囲内にあり、長半軸Ｒ６はピストン凹部６の半径Ｒ１（図４）の１０％（１０％を含めて）〜６０％（６０％を含めて）の範囲内にある。図６の構成は、残余の特徴及び参照符号に関しては図４の場合と同じである。
【００４１】
図７〜９は、ピストン２がその中を上下動するシリンダ１を、本発明による運転方法の異なる時間段階において、詳細図として示す。それぞれ、周囲方向１６において、ピストン２を含むシリンダ１の１／３が示されている。噴射器８（図１）は、その周囲に一様に分布配置された７〜１２個、好ましくは８〜１０個の噴射孔２５を有する。図示の実施例においては、９個の噴射孔２５（図１）が設けられ、従って、図７〜８に示される１／３部分には３つの噴射ディーゼル燃料の噴射噴流９、９’が形成される。
【００４２】
図７は、噴射開始後、約２０°のクランク角度における燃料噴射状態もしくは噴射噴流９、９’の形成状態を示す。これによれば、この時点で、噴射噴流９、９’は、すでに段付き空間７に衝突しており、３つの部分量１１、１２、１３に分割されている。燃料の第１部分量１１は、半径方向１５の反対向きにシリンダ軸２６の方に戻るように、かつ同時にピストン凹部６の中に下向きに方向転換される。この場合、その伝播は、噴射噴流９、９’の下部（図７〜９の平面図に関して）で、半径方向１５においてその噴射方向の反対向きに生起する。燃料の第２部分量１２は、半径方向１５において、段付き空間７から、ピストンヘッド５の上部を半径方向に外向きに走るように方向転換される。
【００４３】
さらに、噴射噴流９、９’の段付き空間７への衝突によって、それぞれの噴射噴流９、９’の燃料によって第３の部分量１３が形成されるという効果がもたらされる。これらの第３部分量１３、１３’は、それらが段付き空間７に衝突する時に、噴射噴流９、９’の半径方向１５から、その両側で周囲方向１６に方向転換され、その結果、隣接する噴射噴流９、９’の第３部分量１３、１３’は互いに向かって走る。それらの会合点に、方向転換手段１８もしくは方向転換ノーズ２３（図４〜６）が配置される。この方向転換ノーズは、図７〜１０においては、見易くするために表現されていない。さらに、方向転換手段１８もしくは方向転換ノーズ２３（図４〜６）を省略することが好適な場合もある。
【００４４】
図８は、引き続く段階のイメージとして、噴射開始後約２５°のクランク角度における図７の構成を示す。第３部分量１３、１３’の形成及び周囲方向１６への方向転換によって、隣接する噴射噴流９、９’のそれぞれの第３部分量１３、１３’が、周囲方向１６において互いに衝突した状態に至っている。方向転換手段１８もしくは方向転換ノーズ２３（図４〜６）が設けられている場合は、隣接する部分量１３、１３’はこの位置で会合する。噴射噴流９、９’を形成するための液体燃料の噴射は、＞１７００バールの圧力、好ましくは＞２０００バールの圧力で行われ、図示の実施例においては、特に約２１５０バールで実施される。噴射孔２５（図１）の幾何学的形状設計と、円錐の角度α（図１）、噴射の開始、噴射時間、及び、ピストン凹部６及び段付き空間７の幾何学的形状設計の相互調整とを連繋させることによって、隣接する噴射噴流９、９’のそれぞれの第３部分量１３、１３’が、周囲方向１６において、少なくとも１５ｍ／ｓ、ここでは好ましくは約３０ｍ／ｓの速度で互いに衝突する。
【００４５】
さらに進んだ段階の図９のイメージにおいては、噴射開始後約３４°のクランク角度における噴射燃料の伝播が表現されている。互いに衝突した隣接する噴射噴流９、９’の部分量１３、１３’が、図８の段階のイメージに対して、周囲方向１６におけるその動きの方向から、半径方向１５の反対向きにシリンダ軸２６に向かって内向きに方向転換されている。この方向転換は、段付き空間７（図１〜８）によって、場合によっては方向転換手段１８もしくは方向転換ノーズ２３（図４〜６）の補助によってもたらされる。
【００４６】
最後に、図１０は、図９の時刻の状態の個々の噴射噴流９の領域における、ピストン２を含むシリンダ１の詳細の斜視図を示す。これによれば、半径方向１５において外向きに段付き空間７に向けられた噴射噴流９は、段付き空間７に衝突した後、３つの部分量１１、１２、１３に分割される。上記に詳述したそれらの伝播方向に関して、全体として３つの異なる燃焼前端部２８、２９、３０がそのそれぞれの前端側に形成される。特に、半径方向１５の反対向きに伝播する第３部分量１３と、その部分量に同伴する第３燃焼前端部３０とは、時間的に、付随する燃焼前端部２８、２９を伴う第１部分量１１及び第２部分量１２の後に初めて形成される。第３燃焼前端部３０は、周囲方向１６に関しては隣接する噴射噴流９、９’間（図７〜９）に、軸方向１４に関しては、第１部分量１１及び第１燃焼前端部２８を含むピストン凹部６の上部に生成する。この部分には、燃焼に利用し得る残留酸素がなお十分に存在する。その結果すすの発生が低下する。時間遅れをもって生起する第３燃焼前端部３０によって、燃焼空間４内における局所的な尖頭温度の形成も回避又は低減される。これは窒素酸化物発生の低減に寄与し、すすの後酸化も促進される。第２部分量１２は、軸方向１４に方向転換されることによって、従来型の方法に比べて、シリンダ壁面に向かう（半径方向１５）その伝播が顕著に制動される。燃料粒子は、上死点後３４°のクランク角度（図９）においてなお壁面と接触するに至らず、約３６°のクランク角度において漸くシリンダ１の壁面に達する。シリンダ１の壁面におけるエンジンオイルへのすす部分の混入を低減することができる。
【００４７】
図７〜１０においては、見易くするために、同じ特徴部分には同様に同じ参照符号が付されているが、これらの特徴部分は、上記において、それぞれ個別の図と関連付けて詳しくは言及されていない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による内燃機関のシリンダの模式的な縦断面図を、ピストンとシリンダヘッドと燃焼空間とを含めて示しており、さらに部分量に分割される噴射噴流の形成の詳細をも表現している。
【図２】図１のピストンの詳細図を示しており、円弧の一部の形の断面を有する段付き空間の幾何学的形状の詳細を表している。
【図３】折り曲げ形の断面を有する段付き空間の変形形態を示す。
【図４】一体形成された方向転換ノーズを含む図１のピストンの平面図を詳細図として示す。
【図５】図４のピストンの詳細を線Ｖ−Ｖに沿う断面図として示しており、段付き空間及び方向転換ノーズの幾何学的形状の詳細を表している。
【図６】楕円形の凹面状曲面部を有する図４及び５の方向転換ノーズの変形形態を示す。
【図７】噴射開始後の噴射噴流の伝播形状が描かれたピストンの平面図を詳細図として示す。
【図８】燃料噴射がさらに進行した後の図７の配置を示しており、周囲方向において互いに衝突した燃料の第３部分量を伴っている。
【図９】図７及び８の燃料伝播のさらなる進行段階のイメージを示しており、半径方向に内向きに方向転換された燃料の第３部分量を伴っている。
【図１０】３つの燃焼前端部の形成の詳細を含む図９の燃料分布の斜視図を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月22日(2008.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接噴射式自己着火内燃機関の運転方法であって、
前記内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ（１）と、前記シリンダ（１）内を上下動するピストン（２）と、シリンダヘッド（３）と、前記シリンダ（１）、前記ピストン（２）及び前記シリンダヘッド（３）によって規定される燃焼空間（４）とを含み、
前記ピストン（２）のピストンヘッド（５）にはピストン凹部（６）が一体的に形成され、前記ピストン凹部（６）は、前記ピストンヘッド（５）への移行領域において、ほぼ環状の段付き空間（７）に繋がっており、さらに、燃料用の噴射器（８）が前記燃焼空間（４）内に突き出ており、前記噴射器（８）によって、燃料の複数の噴射噴流（９、９’）が、前記燃焼空間の周囲全域に分布するように、円錐状に配置される噴流軸（１０）に沿って前記燃焼空間（４）内に噴射される内燃機関の運転方法において、
前記噴射噴流（９、９’）が、第１の燃料（１１）が軸方向（１４）及び半径方向（１５）において前記ピストン凹部（６）の中に方向転換され、第２の燃料（１２）が前記軸方向（１４）及び前記半径方向（１５）において前記ピストンヘッド（５）の上部を前記燃焼空間（４）の中に方向転換され、第３の燃料（１３、１３’）が周囲方向（１６）に方向転換されるように、前記段付き空間（７）に向かって導かれて、そこで方向転換され、隣接する噴射噴流（９、９’）のそれぞれの前記第３の燃料（１３、１３’）は、前記周囲方向（１６）において互いに衝突し、前記半径方向（１５）において内向きに方向転換され、
隣接する噴射噴流のそれぞれの前記第３の燃料（１３、１３’）が前記周囲方向（１６）において少なくとも１５ｍ／ｓ以上の速度で互いに衝突するように、前記噴流の円錐の角度と、噴射の開始と、噴射時間とが、相互に調整されると共に内燃機関のクランク角度に適合するように調整されることを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項２】
前記円錐状に配置される噴流軸（１０）の円錐の角度（α）と、噴射の開始と、噴射時間とが、噴射された燃料量の少なくとも３０％以上が前記段付き空間（７）に衝突するように相互に調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記噴流軸（１０）の前記段付き空間（７）への衝突点（１７）の両側において、方向転換手段（１８）が前記段付き空間（７）内に設けられ、前記方向転換手段（７）は前記第３の燃料（１３）を前記周囲方向（１６）から前記半径方向（１５）の内向きに方向転換することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料の噴射が、１７００バール以上の圧力で行われ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方法。
【請求項５】
直接噴射式自己着火内燃機関であって、
少なくとも１つのシリンダ（１）と、前記シリンダ（１）内を上下動するピストン（２）と、シリンダヘッド（３）と、前記シリンダ（１）、前記ピストン（２）及び前記シリンダヘッド（３）によって規定される燃焼空間（４）とを含む直接噴射式自己着火内燃機関であり、前記ピストン（２）のピストンヘッド（５）にはピストン凹部（６）が一体的に形成され、前記ピストン凹部（６）は、前記ピストンヘッド（５）への移行領域において、ほぼ環状の段付き空間（７）に繋がっており、燃料用の噴射器（８）が前記燃焼空間（４）内に突き出ており、前記噴射器は、燃料の複数の噴射噴流（９、９’）を、前記燃焼空間の周囲全域に分布するように、円錐状に配置される噴流軸（１０）に沿って前記燃焼空間（４）内に噴射するためのものとして設けられ、前記噴射器の噴流軸（１０）が、噴射時間の少なくとも一部の期間、前記段付き空間（７）に向けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法によって運転するように意図された内燃機関。
【請求項６】
前記段付き空間（７）の壁面（１９）が、断面において、円弧の一部又は楕円の一部として凹面状に構成され、この場合、前記円弧又は楕円の一部の半径（Ｒ２）は、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の３％以上３０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記段付き空間（７）の壁面（１９）が、断面において、真直な周囲壁（２０）と真直な底面（２１）と凹面状に曲面化された移行壁面（２２）とによって形成され、前記周囲壁（２０）は、軸方向（１４）に対して−３０°以上＋１０°以下の範囲内で傾斜し、及び／又は、前記底面（２１）は、半径方向（１５）に対して−４０°以上＋３０°以下の範囲内で傾斜し、及び／又は、前記凹面状に曲面化された移行壁面（２２）の半径（Ｒ３）は、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の１．５％以上２０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記段付き空間（７）の前記軸方向（１４）における高さ（ｈ）が、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の１０％以上３０％以下の範囲内にあること、及び、前記段付き空間（７）の前記半径方向（１５）における幅（ｂ）が、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の２％以上３０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記噴流軸（１０）の前記段付き空間（７）への衝突点（１７）の両側において、方向転換手段（１８）が前記段付き空間（７）内に配置され、前記方向転換手段（１８）は、第３の燃料（１３）を周囲方向（１６）から前記半径方向（１５）の内向きに方向転換させるためのものとして設けられることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記方向転換手段（１８）が、前記半径方向（１５）及び前記軸方向（１４）において、前記段付き空間（７）の壁面（１９）から内向きにかつ前記ピストン凹部（６）又は前記燃焼空間（４）の方向に突き出る方向転換ノーズ（２３）として構成されることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記段付き空間（７）が、前記周囲方向（１６）及び前記半径方向（１５）において、円弧の形で凹面状に前記方向転換ノーズ（２３）に繋がることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
円弧の形の前記移行部分の半径（Ｒ４）が、前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の５％以上５０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記段付き空間（７）が、前記周囲方向（１６）及び前記半径方向（１５）において、楕円形の凹面状に前記方向転換ノーズ（２３）に繋がることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記楕円形の移行部分が短半軸（Ｒ５）及び長半軸（Ｒ６）を有し、前記短半軸（Ｒ５）は前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の２％以上２５％以下の範囲内にあり、前記長半軸（Ｒ６）は前記ピストン凹部（６）の半径（Ｒ１）の１０％以上６０％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記軸方向（１４）における前記方向転換ノーズ（２３）の高さ（ｈ１）が、前記段付き空間（７）の高さ（ｈ）の６０％以上１００％以下の範囲内にあること、前記半径方向（１５）における前記方向転換ノーズ（２３）の幅（ｂ１）が、前記段付き空間（７）の幅（ｂ）の６０％以上１００％以下の範囲内にあること、及び、前記方向転換ノーズ（２３）の軸方向の端面（２４）が、前記半径方向（１５）に対して０°以上４０°以下の範囲内の角度（β）だけ、前記ピストン凹部（６）の中に内向きに傾斜していることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１６】
前記噴射器（８）が、その周囲に、一様に分布配置された７〜１２個の噴射孔（２５）を有することを特徴とする請求項５〜１５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記噴射器（８）の前記噴射孔（２５）の長さ（Ｌ）対直径（Ｄ）の比が３．０以上１１．０以下の範囲内にあることを特徴とする請求項５〜１６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１８】
前記噴射噴流（９）の全噴流軸（１０）が、単一の共通円錐の包絡面上に配置されることを特徴とする請求項５〜１７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【国際調査報告】
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