(57)【要約】【課題】点火電極における煤の汚れを回避し、直接噴射内燃機関の確実な点火を保証する。【解決手段】少なくとも１つのシリンダ（１）を有する外部点火式直接噴射内燃機関であって、シリンダが燃焼室（２）及びシリンダヘッド（３）を有し、燃焼室内では、吸気段階中、主に円筒流（６）が支配的であり、シリンダヘッドには、おおむねシリンダ軸線（１ａ）にて指向されていて燃料を少なくとも１つの燃料円錐体として直接的に燃焼室内に噴霧する燃料・噴射バルブ（７）と、この燃焼・噴射バルブから半径方向に隔たり、燃焼室内に突出する少なくとも１つの点火電極（９）を有する点火装置（８）とが配設されている前記内燃機関において、点火電極が燃料円錐体内に突出することなく、円筒流がおおむねガス状・燃料・空気・混合気だけを点火電極の近傍へと移送すること。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのシリンダ（１）を有する外部点火式直接噴射内燃機関であって、シリンダ（１）が燃焼室（２）及びシリンダヘッド（３）を有し、燃焼室（２）内では、吸気段階中、主に円筒流（６）が支配的であり、シリンダヘッド（３）には、おおむねシリンダ軸線（１ａ）にて指向されていて燃料を少なくとも１つの燃料円錐体（１０）として直接的に燃焼室（２）内に噴霧する燃料・噴射バルブ（７）と、この燃焼・噴射バルブ（７）から半径方向に隔たり、燃焼室（２）内に突出する少なくとも１つの点火電極（９）を有する点火装置（８）とが配設されている前記内燃機関において、
点火電極（９）が燃料円錐体（１０）内に突出することなく、円筒流（６）がおおむねガス状・燃料・空気・混合気（１０ａ）だけを点火電極（９）の近傍へと移送することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
シリンダヘッドが少なくとも１つの吸入通路（４）と少なくとも２つの吸入・ガス交換バルブ（５、５’）とを有する、請求項１に記載の装置において、円筒流（６）が、主に、吸入・ガス交換バルブ（５、５’）と関連して吸入通路（４）により形成されることを特徴とする装置。
【請求項３】
吸入通路軸線（４ａ）とシリンダ軸線（１ａ）が吸入角度αを形成し、吸入・ガス交換バルブ軸線（５ａ）とシリンダ軸線（１ａ）がバルブ角度βを形成する、請求項１又は２に記載の装置において、円筒流（６）が吸入角度α及び／又はバルブ角度βの変更により変更可能であることを特徴とする装置。
【請求項４】
吸入角度αが１０°と９０°との間の値をと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装置。
【請求項５】
バルブ角度βが０°と６０°との間の値をと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装置。
【請求項６】
燃料・噴射バルブ（７）が、半径方向でシリンダ軸線（１ａ）から多くても２５ｍｍ離間されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
点火電極（９）が、燃料円錐体（１０）から１ｍｍよりも少なく離間されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
点火電極（９）が、燃料・噴射バルブ（７）から２５ｍｍよりも少なく離間されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
燃料円錐体が開口角度γを形成する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置において、開口角度γが最小で５０°及び最大で１２０°の値をとることを特徴とする装置。
【請求項１０】
各燃焼サイクルのために、定義されている燃料量が噴射される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置において、燃料量が部分量として噴射可能であることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特許請求項１の前提部に記載した構成要件を有する外部点火式直接噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は下記の特許文献１から出発している。この特許文献１では、外部点火装置を有する直接噴射４ストロークサイクル内燃機関が記載されている。そこではシリンダヘッドが２つの吸入バルブと２つの排出バルブを有し、それらの間には出来るだけ中央部に動力用燃料・噴射バルブが配設されている。この動力用燃料・噴射バルブは、シリンダ軸線に対して僅かに傾けられていて、燃料を円錐形状で即ち円錐体としてピストンと排出バルブの方向に噴霧する。更に、シリンダヘッドには動力用燃料・噴射バルブから見て排出バルブの方向に点火プラグが配設されている。点火プラグの点火電極もアース電極も、燃焼室内に突出し、シリンダ軸線の方向に向かっている。ピストンはＵ字形状の窪みを有し、この窪みは吸気行程時に発生される燃焼室内の円筒流（回転流）を増強する。内燃機関の稼動時、動力用燃料・噴射バルブは動力用燃料を直接的にシリンダ内にピストンクラウンの方向に噴射し、点火プラグ電極を湿潤させる。液状の燃料は部分的にピストン上に衝突してはね返り、円筒流によって引き続いて点火プラグの方向に移送され、その結果、点火時点には点火プラグのところに燃焼性の動力用燃料・空気・混合気が存在することになる。
【０００３】
【特許文献１】
ドイツ特許発明第１９７１３０２８号明細書（ＤＥ１９７１３０２８Ｃ２）
【０００４】
上記の形態において、液状の動力用燃料で点火電極を湿潤することは短所であり、このことは、点火電極を煤で汚し、それにより点火特性の悪化を導いてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の短所を回避することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題は、特許請求項１の特徴部に記載した構成要件により解決される。即ち、点火電極が燃料円錐体内に突出することなく、円筒流がおおむね即ち大体においてガス状・燃料・空気・混合気だけを点火電極の近傍へと移送することによってである。
【０００７】
液状の動力用燃料粒子により形成される燃料円錐体内に点火電極が突出しないばかりか、点火電極はこの燃料円錐体から離間しているので、液状の燃料で点火電極が湿潤されることはない。またアース電極は燃料円錐体内に浸かることも可能であるが浸からなくてはならないということではない。従って点火電極が煤で汚れてしまうことが回避され、ガス状の燃料・空気・混合気の信頼性のある点火が確保されている。燃料・噴射バルブから燃料を噴霧する際、液状の燃料粒子は高パルスを用いて燃料・噴射バルブから流出する。粒子速度はノズル出口においてほぼ１５０ｍ／ｓに至るまでの値をとる。それに対し、周部における円筒流速度は、ほぼ１０ｍ／ｓに至るまでの値をとるだけである。噴射時点は、ピストン湿潤が出来るだけ回避されるように選択されていて、その結果、未燃焼の炭化水素による煤形成は一切行われない。それに加え、円筒流と液状の燃料粒子の共同作用はサイクロン分離器のように作用する。滴サイズスペクトルで燃料・噴射バルブから液状の燃料粒子が流出した後、燃料円錐体の周部には再循環域が形成され、この再循環域内では、ガス状の燃料・空気・混合気が形成され、比較的大きな液状の燃料粒子はほとんど影響されることなく円筒流を通過し、それに対し、ガス状の燃料・空気・混合気並びに最も小さな液状の燃料粒子は円筒流により点火プラグ電極の方向に搬送される。ガス状の燃料・空気・混合気が混合気雲の確実な発火を可能とする一方、引き続いてクリーンで且つ煤形成をおおむね伴わずに燃焼させるために、未だ液状の燃料粒子は引火段階の最後に至るまで出来るだけ気化する。
【０００８】
特許請求項２〜５に従うシリンダヘッドの構成は、設計者に対し、液状の燃料とガス状の燃料とのサイクロン状の分離に適している燃焼室内の円筒流を生成するために、吸入通路形状と吸入バルブ形状の最適な適合を提供する。燃焼方法はおおむね噴出に案内される燃焼方法であるので、液状の燃料による壁湿潤が出来るだけ回避される。有利な方式ではピストン表面が、従来の技術のような燃料ガイド要素としての複雑な形状を伴わずに設計され得て、その燃焼方法のために比較的簡単なピストン表面が使用可能である。燃料・噴射バルブと点火電極の空間的な配置構成に応じ、吸入・ガス交換バルブ軸線並びに吸入通路軸線は、広い角度領域内で互いに配設され得て、それにより燃焼室内の最も適した円筒流が生成される。
【０００９】
特許請求項６に従う燃料・噴射バルブの空間的な位置は、ガス状の燃料・空気・混合気が絶えず点火電極に達していることを保証する。
【００１０】
特許請求項７に従う点火電極の位置は、液状の燃料による点火電極の湿潤をおおむね回避させ、それにより、煤の汚れ、並びに、点火電極の破壊及びそのセラミックホルダの熱ショックによる破壊が回避される。噴射時点の燃料円錐体・開口角度は、内燃機関の均質稼動或いは層状稼動に応じ、従って他のファクタと並び、燃焼室背圧にも依存するので、この配置構成による点火電極は、多くても僅かな個々のサイクルの間、過渡的な流れ過程に基づいて燃料円錐体内に浸され得る。この短い時間内では煤による汚れの形成が行われないので、この短期的な稼動状態のためにも確実な点火並びにクリーンな燃焼が保証されている。
【００１１】
特許請求項１０に従う噴射方式は燃焼室内のサイクロン作用を改善する。第１部分量の燃焼は極めて早期に燃焼室内に噴射され、ガス状の燃料・空気・混合気が円筒流により点火電極の方向に移送される。同じサイクルにおいて後には少なくとも第２部分量の燃料が燃焼室内に噴射される。この措置により特に部分負荷領域において点火電極の領域で点火可能な燃料・空気・混合気の準備が達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、２つの図面を用い、有利な実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。
【００１３】
図１には、吸気行程中における詳細には図示されていない直接噴射式内燃機関の燃焼室２の断面図が示されている。図１の符号は図２内の同部材にも適用される。燃焼室２は、半径方向では、シリンダ軸線１ａを有するシリンダ１により画成されていて、シリンダ軸線１ａの方向では、一方ではピストンクラウン１１により他方ではシリンダヘッド３により画成されている。ピストンヘッド３には、吸入通路軸線４ａを有する吸入通路４が設けられていて、この吸入通路４は、燃焼室２に対し、吸入・ガス交換バルブ軸線５ａを有する２つの吸入・ガス交換バルブ５により閉鎖可能である。図面では、注視方向で前側の吸入・ガス交換バルブ５だけが描かれている。シリンダヘッド３は、２つの吸入・ガス交換バルブ５並びに非図示の２つの排出・ガス交換バルブを有する４バルブシリンダヘッドである。図１において吸入・ガス交換バルブ５、５’は開かれていて、ピストンは下降運動をしている、即ち、ピストンは吸入通路４から離れてゆく。矢印により吸気・ガス流が示されている。燃焼室２内でガス流は、同様に矢印で特徴付けられていて円筒流軸線６ａを有する円筒流（回転流）６を形成する。この円筒流軸線６ａは、おおむね、２つの吸入・ガス交換バルブ５により定義される面内で指向されている。円筒流軸線６ａの位置に対する主な影響は、特に、燃焼室２内におけるシリンダ軸線１ａの周りの非図示の捩れ流の関与部分である。シリンダヘッド３には、シリンダ軸線１ａの近傍において燃料・噴射バルブ７がおおむねシリンダ軸線１ａの方向に指向されて配設されている。
【００１４】
図２には、図１と同じ断面図であるが、圧縮行程中における燃焼室２の断面図が示されている。図１と比べ、吸入・ガス交換バルブ５は閉じていて、ピストンクラウン１１は吸入通路４の方向に運動している。燃焼室２内では、矢印で特徴付けられている円筒流６が未だに支配的である。燃料・噴射バルブ７は、液状の燃料を燃料円錐体１０として直接的に燃焼室２内にピストンクラウン１１の方向に噴霧する。液状の燃料粒子は、燃焼室２内で外被円錐体の形状で広がる。燃料円錐体１０の縁領域では、気化された燃料が、この領域内の再循環域に基づき、ガス状の燃料・空気・混合気１０ａを形成する。このガス状の燃料・空気・混合気１０ａは、円筒流６により、点火装置８、ここでは点火プラグにおける同様にシリンダヘッド３に配設されている点火電極９の方向に移送される。点火装置は、燃料・噴射バルブ７から見て、非図示の排出・ガス交換バルブの方向に配設されていて、燃焼室２内に突出しているが、点火電極９が燃料円錐体１０内に直接的に浸されることはない。また、点火電極９は燃料円錐体１０から１ｍｍよりも少なく離間され得る。更に、点火電極９は燃料・噴射バルブ７から２５ｍｍよりも少なく離間され得る。
【００１５】
内燃機関の稼動時、各燃焼サイクルのためにフレッシュガスが燃焼室２内に吸い込まれる。このフレッシュガスは、この過程において、吸入通路４の形状並びに吸入・ガス交換バルブ５の形状及び位置に基づいて偏向される。吸入・ガス交換バルブ軸線５ａと関連して吸入通路軸線４ａの位置に応じ、燃焼室２内では円筒流６が形成される。シリンダ軸線１ａと吸入通路軸線４ａとの間の角度である吸入角度α、並びに、シリンダ軸線１ａと吸入・ガス交換バルブ軸線５ａとの間の角度である角度βを変更することにより、燃焼室２内の円筒流６の位置が偏向されるばかりか、実質的にフレッシュガス・流速も変更される。このフレッシュガス・流速は、周部における大きな領域では１０ｍ／ｓに至るまでの値を有し、また局部的にはその速度を上回る。角度αとβの設計において決定的なこととして、燃焼室２内のフレッシュガス流が、燃料・噴射バルブ７の流出開口部では１５０ｍ／ｓに至るまでの速度をとり得る液状の燃料滴に対し、燃料円錐体１０内でその飛行経路において影響を及ぼすことなく、それに対し、特に再循環域に由来し及びフレッシュガスを用いて点火可能で且つガス状の燃料・空気・混合気１０ａを形成している既に気化された燃料が円筒流６により点火電極９の方向に移送されるということが挙げられる。
【００１６】
燃料・滴サイズは、このサイクロン状の分離過程に対して本質的な影響を及ぼすので、上記の角度の設計時に同様に考慮されなくてはならない。燃料・噴射バルブの噴霧領域の形状的な寸法に実質的に依存する燃料円錐体１０は、この燃料円錐体１０が、通常の噴射条件、即ち、圧縮段階中の大気圧から高圧に至るまでの燃焼室２内の異なる圧力状況における噴射時には点火電極９に接触しないように設計されなくてはならない。燃料円錐体・開口角度γは高圧による噴射時にはより小さいので、後の噴射時、即ち、点火時点直前の噴射時にも、燃料円錐体１０が点火電極９に接触せず、それにより点火電極９の煤の汚れが回避されていることが保証されている。
【００１７】
この実施例において、吸入角度αは、ほぼ７０°であるが、この吸入角度αは１０°から９０°の間の値をとり得る。バルブ角度βは２０°であるが、このバルブ角度βは０°から６０°の間にも位置し得る。本実施例において燃料円錐体１０は、７０°の燃料円錐体・開口角度を有しているが、最小で５０°、最大で１２０°の値をとり得る。４バルブシリンダヘッドに代わり、他の実施例では、他の数量の吸入・ガス交換バルブ５、例えばシリンダごとに３つ又は５つの吸入・ガス交換バルブも想定可能である。この際、顧慮すべきこととして、円筒流軸線６ａが、吸気形状又は燃焼室形状の変更時にも、ガス交換バルブの数量の変更時にも変位され得るということである。吸気形状又は燃焼室形状をより大きく変更する場合、燃焼室２内には円筒流の回転方向も向きを変えられ得るが、このことはサイクロン作用に関して何ら変更を及ぼさない。本実施例において燃料・噴射バルブ７は、燃焼室２内のほぼ中央に配設されているが、偏心的に並びにシリンダ軸線１ａに対して傾いても配設され得る。また、燃料・噴射バルブ７は半径方向でシリンダ軸線１ａから多くても２５ｍｍ離間され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】吸気行程中における詳細には図示されていない直接噴射式内燃機関の燃焼室２の断面を示す図である。
【図２】圧縮行程中における詳細には図示されていない直接噴射式内燃機関の燃焼室２の断面を示す図である。
【符号の説明】
１　　シリンダ
１ａ　シリンダ軸線
２　　燃焼室
３　　シリンダヘッド
４　　吸入通路
４ａ　吸入通路軸線
５　　吸入・ガス交換バルブ
５ａ　吸入・ガス交換バルブ軸線
６　　円筒流（回転流）
６ａ　円筒流軸線
７　　燃料・噴射バルブ
８　　点火装置
９　　点火電極
１０　　燃料円錐体
１０ａ　ガス状の燃料・空気・混合気
１１　　ピストンクラウン
【図１】
2004060650.tif 000003
【図２】
2004060650.tif 000004