(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、同シリンダ内で往復動可能なピストンと、シリンダの一端を覆うシリンダヘッドとによって画定される少なくとも１つの燃焼室と、
前記燃焼室内に配置される端部を有し、高温面を供与するための加熱可能部材を備えたイグナイタと、同イグナイタを包囲するスリーブとを備える点火装置であって、同スリーブはイグナイタとスリーブとの間に遮蔽空間を形成し、加熱可能部材はシリンダヘッドに搭載されたホルダから遮蔽空間内に延びる点火装置と、
前記燃焼室内に配置された燃料噴射弁であって、複数の燃料噴射ポートからそれぞれ複数の燃料噴霧を噴射することによって、可燃気体燃料を燃焼室に導入するよう動作可能であり、燃料噴射ポートの少なくとも１つは、点火燃料噴霧としての燃料噴霧をスリーブの表面の衝突点（ａｎ ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ ｐｏｉｎｔ）に向けるように配向される燃料噴射弁と、
前記遮蔽空間を前記燃焼室に連通させるべく前記衝突点近傍かつ前記加熱可能部材の先端の近傍にてスリーブを貫通する少なくとも１つの取入孔であって、それにより、前記点火燃料噴霧が前記衝突点に衝突した際、同点火燃料噴霧に含まれる可燃気体燃料の一部が取入孔を通過して遮蔽空間内に至る取入孔と、
スリーブを貫通し、少なくとも１つの取入孔より前記衝突点からの離間距離が長い位置にある少なくとも１つの排出孔であって、遮蔽空間から燃料噴射弁近傍の前記複数の燃料噴霧に向けて燃焼混合気を送り得るように配向される排出孔と、
を備え、
前記点火燃料噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、同点火燃料噴霧が前記衝突点にて前記スリーブに正接する平面と略直交する方向に噴射され得るように、前記複数の燃料噴射ポートが配向され、遮蔽空間内における可燃気体燃料の燃焼によって燃焼室内の圧力よりも高い圧力が生成され、且つ同圧力の高さが燃焼混合気を燃焼室内に送って前記複数の燃料噴霧と接触させるのに十分な値になるように、スリーブによって遮蔽空間と燃焼室との間における流通が制限されることを特徴とする可燃気体燃料を供給される内燃機関。
【請求項２】
前記加熱可能部材は前記取入孔の中心線から１ミリメートル以内に配置される先端を有する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記加熱可能部材は前記取入孔の中心線と同じレベルに配置される先端を有する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記点火燃料噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、同点火燃料噴霧の実質的な部分が、前記衝突点にてスリーブに正接する平面と直交する軸線から２５度以内に向けられている噴霧方向に噴射され得るように、前記複数の燃料噴射ポートが配向されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記点火燃料噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、同点火燃料噴霧が、前記衝突点にてスリーブに正接する平面と略直交する中心軸線を有し得るように、前記複数の燃料噴射ポートが配向されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射弁は前記シリンダの長手方向軸線に平行な長手方向軸線を有しており、前記燃焼室内に配置される点火装置の端部は燃料噴射弁に向けられた角度に配置され、それによって、点火装置は燃料噴射弁の長手方向軸線に対して鋭角を成す長手方向軸線を有する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記複数の燃料噴射ポートのそれぞれは、第１の噴射角とは異なる第２の噴射角をもって燃焼室内に向けて噴射し得るように配向された点火燃料噴霧に関連する燃料噴射ポートを除いて、シリンダヘッドから測定される当該第１の噴射角をもって前記燃料噴霧を燃焼室内に向け噴射し得るように配向されており、当該第２の噴射角は、前記衝突点にてスリーブに正接する平面の燃料噴射ポートに対する相対位置によって予め決定され、当該第１の噴射角は気体燃料を燃焼室に導入するための所望の分布パターンによって予め決定されている、請求項４に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記点火燃料噴霧の噴射角とは異なる、シリンダヘッドから測定された噴射角をもって、前記複数の燃料噴霧の少なくとも１つを噴射し得るように配向された前記複数の燃料噴射ポートの１つを介して同少なくとも１つの燃料噴霧が燃焼室に導入される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記複数の燃料噴霧は、それぞれ、シリンダヘッドから測定して１０〜２５度の角度である噴射角を有する、請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記複数の燃料噴霧の少なくとも１つは、点火燃料噴霧の噴射角よりも小さい噴射角を有する、請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１１】
前記機関は可変圧縮比にて運転可能である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１２】
前記取入孔はスリーブの側面を貫通し、前記排出孔はスリーブのドーム状端面を貫通している、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記スリーブは閉端部を有し、前記取入孔及び排出孔は燃焼室と遮蔽空間との流体連通の唯一の手段である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記取入孔は前記スリーブを貫通する複数の取入孔の１つであり、各取入孔は、前記点火燃料噴霧に含まれる可燃気体燃料の一部が前記複数の取入孔を介して遮蔽空間に流入し得るように前記衝突点近傍に配置される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１５】
２つの取入孔を備える、請求項１４に記載の内燃機関。
【請求項１６】
前記衝突点は、前記２つの取入孔のそれぞれの中心から等距離の位置にある、請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記衝突点は、前記２つの取入孔の中心間を通る直線の中間点である、請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項１８】
前記排出孔は、前記スリーブを貫通する２つの排出孔の１つである、請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項１９】
前記２つの取入孔は、前記点火装置の端部から等距離に位置する、請求項１５に記載の内燃機関。
【請求項２０】
前記排出孔は、前記スリーブを貫通する複数の排出孔の１つである、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項２１】
前記複数の排出孔のそれぞれのサイズは、フル負荷運転状態で同複数の排出孔を通じた所望の流通をもたらすために必要な総開口面積によって決定される、請求項２０に記載の内燃機関。
【請求項２２】
前記イグナイタは電気的に加熱される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項２３】
前記イグナイタはグロープラグである、請求項２２に記載の内燃機関。
【請求項２４】
前記イグナイタの少なくとも一部はセラミック面を有する、請求項２２に記載の内燃機関。
【請求項２５】
前記イグナイタの少なくとも一部は触媒コーティングを施されている、請求項２２に記載の内燃機関。
【請求項２６】
前記スリーブの少なくとも一部はセラミック材料から形成されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項２７】
前記スリーブは、より低い表面温度にて点火を促進する反応生成物を遮蔽空間に導入すべく、可燃気体燃料及び空気の間の反応を促進するための触媒コーティングによって被覆される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項２８】
前記燃料噴射弁は、単一の燃焼サイクル中に複数の別個の噴射動作を実行すべく動作可能である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項２９】
前記燃料噴射弁は、噴射動作時にて、ゼロと最大質量流量との間で質量流量を調節すべく動作可能である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３０】
前記燃料噴射弁を通じた質量流量は、同燃料噴射弁内のニードルの動作を制御することによって制御可能である、請求項２９に記載の内燃機関。
【請求項３１】
前記燃焼室から排出される排気の一部を吸気システムに送るための排気再循環システムを更に備える、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３２】
前記排気の一部は、測定された機関運転状態に応じて、吸気システム流入前に冷却される、請求項３１に記載の内燃機関。
【請求項３３】
前記燃料噴射弁は４〜１２個の燃料噴射ポートを備える、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３４】
前記燃料噴射弁は電磁切換式であると共に油圧駆動式である、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３５】
前記燃料噴射弁は、圧電アクチュエータを備える油圧弁を用いて油圧駆動される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３６】
前記燃料噴射弁は電子制御式であり、電磁アクチュエータによって直接駆動される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３７】
前記燃料噴射弁は電子制御式であり、圧電又は磁歪アクチュエータによって駆動される、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３８】
シリンダと、同シリンダ内で往復動可能なピストンと、シリンダの一端を覆うシリンダヘッドとによって画定される少なくとも１つの燃焼室を備える、気体燃料内燃機関を運転するための運転方法において、
前記燃焼室内に配置された燃料噴射弁から同燃焼室内に噴射される複数の燃料噴霧によって、気体燃料を燃焼室内に導入するステップと、
点火噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、前記気体燃料の実質的な部分が衝突点に向けて流動するように、イグナイタを包囲するスリーブ表面上の同衝突点の方向に点火燃料噴霧としての前記燃料噴霧の１つを向けることであって、それによって、点火燃料噴霧からの気体燃料の一部が同スリーブを貫通する取入孔を通って進むとともに、同イグナイタの加熱可能部材の高温面とスリーブとの間に形成される遮蔽空間内にて空気と混和してイグナイタの隣接位置にて可燃混合気を形成するステップと、
前記燃料噴霧が各燃料噴射ポートにあるとき、イグナイタを包囲するスリーブの表面上にある衝突点に向けて、前記気体燃料の実質的な部分が前記スリーブに正接する平面と略直交する方向に流動するように、点火燃料噴霧としての前記燃料噴霧の１つを配向するステップと、
イグナイタの面を可燃混合気の点火が生じる温度まで加熱することによって同可燃混合気を点火するステップと、
可燃混合気の燃焼により、遮蔽空間内の圧力が、燃焼混合気が遮蔽空間から少なくとも１つの排出孔を介して流出し、且つ燃料噴射弁の周囲の領域にて燃焼室内の前記複数の燃料噴霧と接触し得る大きさに上昇するまで、燃焼室と遮蔽空間との間の流体流通を制限して同遮蔽空間内に可燃混合気の実質的な部分を保存するステップと、
を有することを特徴とする運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に気体燃料を直接噴射すべく、燃焼室内にノズルを有する燃料噴射ノズルを備える気体燃料内燃機関を運転するための装置及び方法に関する。同様に燃焼室に配置された点火装置は、燃料噴射ノズルの近接位置に配備される。点火装置は、高温面イグナイタ（ａ  ｈｏｔ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｇｎｉｔｅｒ）の周囲に遮蔽空間を供与するスリーブを備える。
【背景技術】
【０００２】
一世紀以上にわたり、動力を生成し機械類を駆動するために液体燃料内燃機関が用いられている。初期の頃より、内燃機関には、効率を改善し動力を増大させるため、ないし大気汚染を緩和するために数多くの改良が加えられている。これらの改良に対する補助として、燃料の特性及び品質もまた改善されており、同様に、メタノール及びその他のアルコールを基材とする燃料等の代替燃料も、有害排気を低減させるための一助とすべく検討されている。しかしながら、このような液体燃料に比べ、エネルギーに基づき換算した等量のメタン、水素、天然ガス、及びこれらの混合燃料等の可燃気体燃料の方が、粒子及び温室ガス等の有害排気の排出を低減させつつ、同等の動力を生成すべく燃焼させることができる。
【０００３】
とはいえ、従来の内燃機関において液体燃料をこのような気体燃料に置き換えることの問題点として、このような気体燃料は、通常、液体燃料ほど容易に点火しないということがある。また、液体燃料を気体燃料に置き換えた場合にもたらされるその他の相違点も多く存在する。例えば、気体燃料に関連した点火遅延時間の延長に対処するため、異なる燃焼方法が必要になり得る。また、気体燃料のエンジンへの噴射時間をより長くする必要も生じ得る。更に、燃料供給システム及び燃料をエンジンに導入するための方法においても、通常、気体燃料を取り扱うべく特化された機器が必要になる。また、選択された燃焼方法によって、燃焼室の構成を変更する必要が生じ得る。即ち、液体燃料エンジンに適する設計は、商業的実現性に影響を及ぼし得るような大幅な変更を施さない限り、気体燃料エンジンには不適である可能性がある。
【０００４】
市販されている車両において現在用いられている気体燃料エンジンは、均質混合気の生成、火花点火、スロットル制御を伴うオットーサイクル（Ｏｔｔｏ  ｃｙｃｌｅ）によって運転される。これらのエンジンは、市販されている車両に要求される動力及びトルクの点で、変形型ディーゼルサイクルエンジンに基づくものであることが多い。例えば、火花点火のみならず、ディーゼルサイクルエンジンの混合気生成プロセスに変更を施してもたらされた同プロセスを採用する場合、吸気システム及びシリンダヘッドにそれぞれ変更を加える必要が生じる。同様に、変更された燃焼プロセスによって、ピストン内の燃焼室凹部を変形しなければならなくなる。エンジン製造業では、通常、気体燃料による運転に合わせて変更すべきエンジン要素の数をできるだけ少なく保つよう努力が成されている。このような努力によって、従来型燃料を用いるエンジンのオペレータが市販の車両において当然のように享受している耐久性及び寿命の長さを確保しつつ、可能であれば、気体燃料を用いるべくエンジンを適合させるために必要な更なる製造コストを抑制しようとしている。
【０００５】
気体燃料内燃機関については、多く用いられている燃焼プロセスの一つに、三元触媒コンバータと共に理論混合気（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  ａｉｒ−ｆｕｅｌ  ｍｉｘｔｕｒｅｓ）が用いるものがある。初期には、市販の車両における気体燃料エンジンへの需要は、低排気特性を得るという要望に基づくものであって、効率や燃費特性は二次的な検討事項であった。気体燃料の混和は、典型的には、吸気システムの中央に配置された気体燃料ミキサを介し、電子制御に基づく気体燃料供給をもって行われる。より新しい気体燃料システムは、燃料の均一分布を改善すると共に非定常運転中の理論混合気組成を維持するために、各シリンダの吸気弁前方でのマルチポイント噴射方式に変更されている。理論（λ＝１）混合気を維持するためには、ガソリンエンジンにて知られている「クローズドループ」空燃比制御を用い得る。圧縮比は、ノッキングに対する十分な安全範囲を確保すべく、一般に、１１：１〜１１．５：１に制限される。
【０００６】
理論制御による非過給型エンジンが実現し得る性能は、気体燃料を吸気管に導入することによってエンジン吸気量が減少するため、自然吸気型の液体燃料ディーゼルサイクルエンジンの性能を少なくとも５％下回った水準にある。現在の過給型液体燃料ディーゼルサイクルエンジンに比べ、気体燃料オットーサイクルエンジンにより生成される動力は、オットーサイクルエンジンに生じる比較的高い熱負荷作用を考慮すると、最大１５％まで下回る。このような動力損失は、最大１５％までのＥＧＲ率での排気再循環を用いることにより熱負荷が低減することを既に考慮に入れてのものである。オットーサイクルエンジンの比較的低い性能を完全に補償するための唯一の方法は、排気量を増大させることである。
【０００７】
理論制御される気体燃料エンジンの燃費における特徴は、１３の定常モード試験において比較対象のディーゼルエンジンを１５〜２０％上回るエネルギー消費を示すことにある。都市部を運行するバスに典型的であるように、低負荷にて運転される頻度が高い場合には、スロットル制御が４０％を上回る燃料消費量の増大の原因となることが判明している。
【０００８】
現在の液体燃料ディーゼルサイクルエンジンと比べ、理論制御気体燃料エンジンの動力及び燃費における不利な点は、希薄混合（ｌｅａｎ−ｍｉｘ）エンジンのコンセプトを採用することによって著しく低減される。混合気の生成は、通常、ターボ過給機の下流位置にて、吸気システムの中央に配備された電子制御される燃料気体ミキサによって行われる。１１：１〜１１．５：１の圧縮比については、希薄混合エンジンの燃焼室の設計は、原則的に、理論制御エンジンに類似している。よりリーン（希薄）な天然ガス混合気を用いれば燃焼率が著しく低下することから、炭化水素の排気量の増大をもたらす燃焼プロセス時間の延長に対策すべく、例えば、スキッシュフローを適切に調節することが必要になる。現在の希薄混合エンジンにおいて実現し得る空気比は、高エンジン負荷及びこれに伴う高燃焼率においては、λ＝１．５以下である。低エンジン負荷においては、燃焼温度はより低くなり、希薄混合気による運転能力は１．１〜１．３のλ値に限定される。
【０００９】
希薄混合エンジンの要素に作用する熱応力（ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ）は理論制御される気体燃料エンジンの場合よりも低いため、加圧吸気強制冷却（ｃｈａｒｇｅ−ａｉｒ  ｃｏｏｌｉｎｇ）と組み合わせて最大１４バールまでの有効平均圧を得るべく、ブースト圧を著しく増大させることが可能になる。トルクバンドは、多くの場合、市販されている液体燃料ディーゼルサイクルエンジンにおける多数の型におけるトルクバンドと一致する。しかしながら、希薄混合エンジンは、ユーロ３型（Ｅｕｒｏ  ３  Ｔｙｐｅ）液体燃料ディーゼルサイクルエンジンで実現し得る動力の水準と比較して、動力に関しては著しい短所を有し得る。
【００１０】
天然ガスの燃焼速度（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）が遅いことから、更に希薄な混合気によって現在の希薄混合エンジンを運転する能力は、特に、低い部分負荷レンジにおいて、１．２〜１．４のλ値に限られるため、このようなエンジンにおいてもスロットル制御は必要である。従って、ＥＣＥ  Ｒ４９排気試験では、エンジンの設計によっては、燃料消費率は、比較対象の液体燃料ディーゼルサイクルエンジンのそれを１５％を超えて上回ることになる。このことから、例えば、都市部のバスの日常的な運行においては、エンジンがアイドル又は低負荷条件での運転時間が大部分を占めることから、燃料消費量は最大３０％まで上昇することになる。
【００１１】
２００５年に発効するユーロ４排気基準（Ｅｕｒｏ  ４  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｔａｎｄａｒｄｓ）を満たすことを目的とする天然ガスのための希薄混合コンセプトの特徴は、ＮＯｘ排出量が３．５ｇ／ｋＷｈの限度を下回るべく希薄混合運転の限界を広げることを目的として、現行の希薄混合エンジンのコンセプトに加えられる更なる開発事項にある。
【００１２】
このような目的を達成するために、フル負荷に近いポイントでの運転にて最大１．６の相対空燃比による非常に希薄な混合気の燃焼において著しく低下する燃焼率を補償すべく、より強力なシリンダ加圧吸気動作（ｃｙｌｉｎｄｅｒ  ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を行うことを特徴とする燃焼プロセスが開発されつつある。この型の希薄混合エンジンは、希薄混合気にて運転する能力が増大した燃焼プロセスを有すると共に、排気ターボ過給（ｅｘｈａｕｓｔ  ｔｕｒｂｏ−ｃｈａｒｇｉｎｇ）及び加圧吸気強制冷却を行う。設計に応じて、圧縮比は１１．７：１〜１３．１：１となる。このような設計によって、触媒コンバータの上流における炭化水素値が約２．９ｇ／ｋＷｈであるならば、ＥＣＥ  Ｒ４９排気試験におけるＮＯｘ値を１．５〜２ｇ／ｋＷｈとすることが可能であろう。
【００１３】
フル負荷において圧縮比を高くし希薄混合気を用いることによって、最大エンジン効率を最大４０％の値にまで増加することができる。その結果、ＥＣＥ  Ｒ４９試験サイクルにおいては、燃料消費量は、ユーロ４排気基準に合わせた将来の液体燃料ディーゼルサイクルエンジン設計のそれを５〜１５％上昇するに留まることになる。ターボ過給機の設計によっては、達成可能な平均圧は１４〜１８バールという最大有効平均圧に達し得る。
【００１４】
均質希薄混合気プロセスの領域における開発事項に加え、最近では、スロットルを備えないエンジンの燃焼室への高圧気体燃料の直接噴射プロセスにも努力が尽くされている。このようなエンジンでは、ノッキングが問題とならないことから、液体燃料ディーゼルサイクルエンジンに用いられる圧縮比に類似する圧縮比が採用され得る。例えば、この型のエンジンでは、１６．１〜１８．１の圧縮比が用いられ得る。このようなアプローチの利点は、気体燃料が実現し得る低排気水準を、通常ならば液体燃料ディーゼルサイクルエンジンでしか得られない著しく上昇した効率水準と併せて得ることができることにある。
【００１５】
米国特許第５，３２９，９０８号に、気体燃料エンジンのための圧縮天然ガス噴射システムが開示されている。燃料噴射ノズルは、噴射プロセスにおいて、気体燃料を同プロセス中に形成されるクラウド（ｃｌｏｕｄ）として環状排出孔を介して燃焼室凹部に拡散させるべく動作する。同プロセスが行われている間、クラウドの一部は点火プラグに接触し、それによって燃焼室内の混合気が点火プラグにて点火する。記載されている実施形態の一つでは、定圧気体供給が採用され、従来のグロープラグが点火プラグとして用いられる。ピストンが上死点近傍にある際に、燃焼室内に燃料を導入するのに十分に高い圧力にて気体燃料を燃料噴射弁に確実に供給するための燃料供給ユニットが記載されている。このエンジンは、液体燃料ディーゼルサイクルエンジンの効率と同様の効率を実現する高効率モードにて運転される。しかしながら、ディーゼル燃料は、通常、ディーゼルエンジンが作動し始めればエンジン内に作用する圧力及び温度にて容易に自然点火することから、ディーゼルエンジンにて用いられるような従来のグロープラグは、始動時のみに点火補助を行うべく設計されている。ディーゼルほど容易に自然点火することのない天然ガス等の気体燃料においては、前述の文献に開示されている配置では、燃焼を開始すべく点火を継続的に補助するための点火プラグが必要になろう。始動時のみの短時間の使用に向けて設計されている従来のグロープラグを継続的に動作させれば、早期に不具合が生じ得る。実験の結果、グロープラグの寿命は一般に動作温度が高くなるにつれて短くなることと、気体燃料内燃機関のオペレータによって要求され得る耐久性をもたらすように従来のグロープラグに依存することができないこととが分かっている。
【００１６】
米国特許第４，７２１，０８１号は、自然点火不能な燃料に点火するために用いられるグロープラグの寿命を長くすることを目的とする、熱バリアコーティング及び点火触媒を有するグロープラグシールドを開示している。’０８１特許の背景の説明には、グロープラグの周面に沿ってその全長にわたり金属又はセラミック製の管状保護シールドを配備することが知られている旨の記載がある。更に、窒化珪素製グロープラグを耐熱性酸化金属で被覆することにより同プラグを保護すること、及び、グロープラグの温度を低下させるべく燃焼促進触媒を同グロープラグに配備することも知られているとの記載がある。’０８１特許によって加えられた改良点には、吸気弁に向けて中実状の物理的バリアを提供すると共に燃料インジェクタに向けてグロープラグを露出する斜状の開口端を有するシールドが含まれる。また、’０８１特許では、シールドが吸気によるグロープラグへの冷却作用を軽減すると共に、良好な燃焼を維持するのに適する表面温度を維持するためにグロープラグに必要な電力を低減することができるように、熱バリアとして作用する酸化金属等の耐熱セラミック材でシールドの内外部を被覆することを開示している。’０８１特許によれば、必要なグロープラグ温度を更に低下させグロープラグの寿命を延長させるべく、燃焼触媒をコーティングに組み込み得る。
【００１７】
粒子物質や酸化窒素等の有害排気物の量を低減させつつ、等価の液体燃料ディーゼルサイクルエンジンの性能、効率、信頼性及び耐久性に匹敵し得る気体燃料内燃機関が求められている。このようなエンジンは、特に、現在のところ液体燃料ディーゼルエンジンの使用が集中し天然ガス等の気体燃料を容易に流通できる人口密集地域において、大気の質を向上させるうえで主要な役割を果たすことができる。
【発明の開示】
【００１８】
スロットルを備えていない高圧縮エンジンの燃焼室に気体燃料を噴射するための方法及び装置が提供される。例えば、１６：１〜１８：１の圧縮比を有するエンジンにて、気体燃料は、圧縮行程の終わりにかけて、２００〜３００バールの高圧下で噴射され得る。これにより、ディーゼルエンジンの場合に類似する不均質な混合気が生成される。気体燃料を燃焼室内に噴射すべく、高速気体燃料噴射弁が採用される。燃焼室は、シリンダ、シリンダ内にて往復動可能なピストン、及びシリンダの一端を覆うシリンダヘッドにて画定される。燃焼室は、更に、ピストンヘッド（燃焼室に対向するピストン端面）に形成されたピストンボウル又は凹部によって、その一部が画定され得る。本発明の方法を用いて、等価のディーゼルエンジンの圧縮比と実質的に等しい圧縮比にて運転することにより、従来のディーゼルエンジンの燃焼室の形状に大部分が一致するように燃焼室を形成することによって、天然ガスによる運転を行うのに必要な変更の数を低減させ製造コストを減らすことが可能になる。
【００１９】
天然ガス等の気体燃料では内燃機関にて確実に自然点火する能力が不十分であることから、
燃焼室内に配置された燃料噴射弁から同燃焼室内に噴射される複数の燃料噴霧によって、気体燃料を燃焼室内に導入するステップと、
点火噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、前記気体燃料の実質的な部分が衝突点に向けて流動するように、イグナイタを包囲するスリーブ表面上の同衝突点の方向に点火燃料噴霧としての前記燃料噴霧の１つを向けることであって、それによって、点火燃料噴霧からの気体燃料の一部が同スリーブを貫通する取入孔を通って進むとともに、同イグナイタの加熱可能部材の高温面とスリーブとの間に形成される遮蔽空間内にて空気と混和してイグナイタの隣接位置にて可燃混合気を形成するステップと、
前記燃料噴霧が各燃料噴射ポートにあるとき、イグナイタを包囲するスリーブの表面上にある衝突点に向けて、前記気体燃料の実質的な部分が前記スリーブに正接する平面と略直交する方向に流動するように、点火燃料噴霧としての前記燃料噴霧の１つを配向するステップと、
イグナイタの面を可燃混合気の点火が生じる温度まで加熱することによって同可燃混合気を点火するステップと、
可燃混合気の燃焼により、遮蔽空間内の圧力が、燃焼混合気が遮蔽空間から少なくとも１つの排出孔を介して流出し、且つ燃料噴射弁の周囲の領域にて燃焼室内の前記複数の燃料噴霧と接触し得る大きさに上昇するまで、燃焼室と遮蔽空間との間の流体流通を制限して同遮蔽空間内に可燃混合気の実質的な部分を保存するステップと、を備える運転方法によって、混合物を確実に点火させる。
【００２０】
上記の方法によれば、燃料を点火する燃焼室中にわたって燃焼混合気が供与されるため、リーンポケットにおいて消火が生じる問題がなくなることから、実質的に完全な燃焼を実現すべくラムダを制御する必要がなくなる。吸気を絞っていた初期の気体燃料エンジンと違って、本発明の方法によれば、スロットルを設けない従来の液体燃料ディーゼルエンジンと同様に気体燃料エンジンを運転することが出来る。従って、本発明の方法によって、１．４（高負荷時）〜６（アイドル時）のラムダをもってエンジンを運転することが可能である。
【００２１】
好適な方法においては、点火燃料噴霧は、衝突点にてスリーブと正接する平面と直交する軸線から２５度以内にある噴霧方向に配向される。
【００２２】
当該方法の好適な一実施形態は、機関が低負荷又はアイドルにて運転されている際に、第１の質量流量にて気体燃料を燃焼室に噴射することと、機関が高負荷にて運転されている際に、第２の質量流量にて気体燃料を燃焼室に噴射することとを更に備える。なお、第２の質量流量は第１の質量流量よりも高い。
【００２３】
燃焼安定性及びエンジン効率を更に改善するために、当該方法は、予測される運転状態において、噴射動作の開始時にイグナイタに向けて噴射された気体燃料の点火に関連する点火遅延時間よりも長い持続時間を有する噴射動作によって、所望の量の前記気体燃料を燃焼室に噴射するために質量流量を制御することを、更に備えている。このようにすれば、低負荷及びアイドル状態においても、遮蔽空間から送られる燃焼混合気による点火が生じ得る燃料噴射弁近傍に可燃混合気が供給され得るように、噴射動作時間を制御することができる。噴射タイミングと噴射動作時間とを、測定された機関運転状態に応じ、且つ、電子機関マップを参照して制御することが好ましい。
【００２４】
当該方法は、噴射動作中に導入される気体燃料の質量流量を制御するために燃料噴射弁を制御することを更に備え得る。当該方法は、
電子機関マップを参照し、検出された機関負荷に応じて噴射動作中に導入すべき気体燃料の総量を決定することと、
噴射動作の第１の段階において、可燃混合気を遮蔽空間内にて生成させ得る第１の質量流量を選択することと、
噴射動作の第２の段階において、当該噴射動作中に前記総量の気体燃料を供与すべく、第１の段階中に導入される気体燃料を増加させ得る第２の質量流量を選択することと、備えている。
【００２５】
好適な一実施の形態では、第１の段階の持続時間は第２の段階の少なくとも２ミリ秒前に開始する。機関がより長時間の点火遅延をもって運転されている場合には、例えば、始動時等、燃焼室が通常運転温度よりも低い温度下にある一定の所定運転状態では、または、イグナイタの温度がより低い値に設定されている場合には、第１の段階は第２の段階に対して更に早期に開始されてもよい。
【００２６】
第２の段階は、圧縮行程中の上死点前のクランク角約３４〜５度にて開始し得る。所望の総燃料噴射量や制御燃焼温度等の要因により、第２の段階の開始タイミングが決定され得る。
【００２７】
当該好適な方法においては、第２の段階中に導入された気体燃料は第２の段階中に点火される。即ち、第２の段階における点火は、第２の段階が完了する前に行われる。
別の好適な方法は、機関サイクル中の複数の噴射動作にて燃焼室に気体燃料を導入することを備えている。例えば、イグナイタによって点火させるべく第１の量の気体燃料を燃焼室に導入するために第１の噴射動作が用いられ、続いて、第２の量の気体燃料を導入するために少なくとも１つの別の噴射動作が用いられ得る。第１及び第２の量の燃料によって、機関マップを参照して機関コントローラによって決定される所望の量に等しい総量の燃料が供与される。燃料の第１の量は第２の量の燃料を確実に点火させる量になるように機関コントローラによって決定される。第１の噴射動作のタイミングは所望の点火タイミングによって決定され、第２の噴射動作のタイミングは所望の燃焼特性をもたらすタイミングによって決定されることが好ましい。
【００２８】
当該方法の１つの例においては、フル負荷にて必要とされる燃料量の５〜１０％である点火量の燃料が、第１の噴射動作によって燃焼室に導入される。第２の噴射動作は、機関マップを参照して機関コントローラによって決定される要求エンジン負荷を満たすのに必要な量の燃料を供与するための点火量の燃料を補充するために、主要な量の燃料を燃焼室に導入すべく行われる。この例では、２つの別個の燃料噴射動作のタイミングは、一酸化炭素及び未燃焼燃料の排出量低減の前提条件である、イグナイタの表面温度を上昇させることのない混合気のより集中的且つより安定な燃焼を実現できるように設定され得る。更に、燃料の一部は第１の噴射動作にて導入されることから、燃焼開始時には点火可能な燃料の容量が少なくなり、これにより、放熱率及び燃焼ノイズが低減する。
【００２９】
１つの燃焼サイクルにて２つの噴射動作が採用される場合については、エンジン試験の結果から、第１の噴射動作の持続時間が約０．２〜０．５ミリ秒である場合に良好な結果を得られることが分かっている。第２の噴射動作は、圧縮行程中の上死点前のクランク角約３４〜５度にて開始し得る。第２の噴射動作は、第１の噴射動作にて導入された燃料の燃焼によって第２の噴射動作にて導入された燃料が点火され得るように、第１の噴射動作後の１ミリ秒以内０．２ミリ秒以降に開始されることが好ましい。
【００３０】
当該方法は、主要な噴射量を複数の別個の噴射動作に分割することを更に備えており、噴射動作の数は燃料噴射弁の駆動能力によってのみ制限される。このようなアプローチによって、燃焼室内の空間的及び経時的な混合気分布を制御することができる。このことは、表面点火プロセスのみならず、総体的な燃焼プロセスにとっても特に有利になり得る。特に、燃焼動作の開始時には、点火装置から流出する燃焼混合気は燃焼室に急速に導入されることが好ましい。燃料噴射プロセスの後期においては、安定した燃焼状態における噴射燃料の容量及び質量の増加によって、総燃焼時間が短縮される。このことは、熱効率を向上させるうえで有利である。
【００３１】
複数の噴射動作を用いる当該方法における上記の主旨を、燃焼プロセスを更に制御するための質量流量及び噴射動作時間の制御と組み合わせてもよい。
好適な一実施形態において、イグナイタは、イグナイタの加熱可能部材の高温面に隣接する位置にて生成する可燃混合気を点火させるのに十分な高い表面温度を呈するまで電気的に加熱される。当該方法に含まれ得る別の特徴として、イグナイタに供給される電気加熱エネルギーを機関運転状態に応じて制御することがある。即ち、当該方法は、イグナイタの温度をエンジンの測定された運転パラメータに応じて制御することを更に備え得る。例えば、高負荷状態が検知された場合、燃焼室温度が比較的高いことによりイグナイタを加熱することができ、要求される電気加熱エネルギーを低減することができる。このような状態でイグナイタに供給される電気加熱エネルギーを低減することにより、イグナイタの寿命を著しく延長することができる。
【００３２】
一方、低機関負荷であって、それに伴い燃焼室温度が低下している状態においては、また、エンジン回転数が高く機関負荷が低い状態においては、イグナイタにおける熱損失は増大するが、この損失はイグナイタに供給される電力を増大させることによって補償可能である。このような状態が補償されない場合には、失火又は点火遅延時間の延長が生じ、それにより、特に、効率低下や未燃焼燃料の排出量増加が生じ得る。
【００３３】
寿命を延長しイグナイタの加熱に必要な電力を低減し得るように、イグナイタ及び／又はスリーブの少なくとも一部に燃焼触媒コーティングを施してもよい。触媒コーティングはスリーブ又はイグナイタそのものに施し得る。
【００３４】
前述の方法を実施するために、可燃気体燃料を供給され得る内燃機関を本明細書に開示する。当該内燃機関は、
シリンダと、同シリンダ内で往復動可能なピストンと、シリンダの一端を覆うシリンダヘッドとによって画定される少なくとも１つの燃焼室と、
燃焼室内に配置される端部を有し、高温面を供与するための加熱可能部材を備えたイグナイタと、同イグナイタを包囲するスリーブとを備える点火装置であって、同スリーブはイグナイタとスリーブとの間に遮蔽空間を形成し、加熱可能部材はシリンダヘッドに搭載されたホルダから遮蔽空間内に延びる点火装置と、
燃焼室内に配置された燃料噴射弁であって、複数の燃料噴射ポートからそれぞれ複数の燃料噴霧を噴射することによって、可燃気体燃料を燃焼室に導入するよう動作可能であり、燃料噴射ポートの少なくとも１つは、点火燃料噴霧としての燃料噴霧をスリーブの表面の衝突点に向けるように配向される燃料噴射弁と、
遮蔽空間を燃焼室に連通させるべく衝突点近傍かつ前記加熱可能部材の先端の近傍にてスリーブを貫通する少なくとも１つの取入孔であって、それにより、点火燃料噴霧が衝突点に衝突した際、点火燃料噴霧に含まれる可燃気体燃料の一部が取入孔を通過して遮蔽空間内に至る取入孔と、
スリーブを貫通し、少なくとも１つの取入孔より前記衝突点からの離間距離が長い位置にある少なくとも１つの排出孔であって、遮蔽空間から燃料噴射弁近傍の複数の燃料噴霧に向けて燃焼混合気を送り得るように配向される排出孔と、を備え、
前記点火燃料噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、同点火燃料噴霧が前記衝突点にて前記スリーブに正接する平面と略直交する方向に噴射され得るように、前記複数の燃料噴射ポートが配向され、遮蔽空間内における可燃気体燃料の燃焼によって燃焼室内の圧力よりも高い圧力が生成され、且つ同圧力の高さが燃焼混合気を燃焼室内に送って複数の燃料噴霧と接触させるのに十分な値になるように、スリーブによって遮蔽空間と燃焼室との間における流通が制限される。
【００３５】
好適な実施形態においては、加熱可能部材は取入孔の中心線から１ミリメートル以内又は当該中心線と同じレベルに配置される先端を有する。
好適な一実施形態においては、点火燃料噴霧がそれぞれの燃料噴射ポートから噴射される際に、点火燃料噴霧の実質的な部分が、衝突点にてスリーブに正接する平面と直交する軸線から２５度以内に向けられている噴霧方向に噴射され得るように、点火燃料噴霧が配向されている。前述の目的を達成するため、エンジンの運転中に、各噴射動作により、燃料噴射弁の周囲の領域内で可燃混合気が点火される燃焼室内に、燃焼混合気を流入させるべく点火され得る可燃混合気を生成するために十分な量の点火噴霧中の燃料が遮蔽空間に導入される際、点火燃料噴霧の「実質的な部分」が、衝突点にてスリーブに正接する平面と直交する軸線から２５度以内に向けられている噴霧方向に噴射される。
【００３６】
また、燃料は燃料噴射ノズルから離間するにつれ点火燃料噴霧の中心線から逸脱していくことから、点火燃料噴霧の中心線は、衝突点にてスリーブに正接する平面と直交しない方向に沿って延び得る。その場合でも、点火噴霧中の燃料の実質的な部分は、衝突点近傍に衝突する際に当該平面に略直交する方向に噴射され得る。しかしながら、最も好適な配置は、点火燃料噴霧の中心軸線が、衝突点にてスリーブに正接する平面と略直交する配置である。
【００３７】
円筒形状においては、シリンダ上のある点について、あらゆる方向において正接する面は一つしかない。衝突点においてはスリーブに円筒形状以外の形状を用いることができる。また、表面に正接する平面に対する点火燃料噴霧の方向配向を、別のスリーブ形状に適用することもできる。接触面を有さないスリーブ形状については、同等のアプローチとして、可燃混合気を生成すべく燃焼室に流入する燃料のモーメント及び速度を低減させ得るように点火燃料噴霧を配向することができる。
【００３８】
好適な実施形態において、燃料噴射弁は、シリンダの長手方向軸線に平行に延びる長手方向軸線を有する長尺状の本体を備える。一つの好適な配置では、燃焼室内に配置された点火装置の端部は、燃料噴射弁の方向に、点火装置が燃料噴射弁の長手方向軸線に対して鋭角を成す長手方向軸線を有し得る角度をもって配置される。
【００３９】
一実施形態において、複数の燃料噴射ポートのそれぞれは、第１の噴射角とは異なる第２の噴射角をもって燃焼室内に向けて噴射し得るように配向された点火燃料噴霧に関連する燃料噴射ポートを除いて、シリンダヘッドから測定される当該第１の噴射角をもって燃料噴霧を燃焼室内に向け噴射し得るように配向される。第２の噴射角は、衝突点にてスリーブに正接する平面の燃料噴射ポートに対する相対位置によって予め決定され、当該第１の噴射角は気体燃料を燃焼室に導入するための所望の分布パターンによって予め決定される。
【００４０】
別の実施形態においては、点火燃料噴霧の噴射角とは異なる、シリンダヘッドから測定された噴射角をもって、複数の燃料噴霧の少なくとも１つを噴射し得るように配向された複数の燃料噴射ポートの１つを介して同少なくとも１つの燃料噴霧が燃焼室に導入される。複数の燃料噴霧の噴射角は、それぞれ、シリンダヘッドから測定して１０〜２５度であることが好ましい。いくつかの実施形態においては、複数の燃料噴霧の噴射角は、点火燃料噴霧の噴射角よりも小さい。
【００４１】
好適な実施形態では、機関は最大２５：１までの圧縮比にて運転可能であり、１３：１〜２５：１までの圧縮比における運転がより好ましい。エンジン負荷等の運転パラメータに応じて、例えば、１３：１〜２５：１で圧縮比を変更すべく可変圧縮比を有する機関を採用してもよい。即ち、低負荷においては、燃焼プロセスを改善し未燃焼炭化水素の機関排出量を減らすために、圧縮行程の終わりにシリンダ内温度を上昇させるべく、より高い圧縮比を採用することができる。より高い負荷では、シリンダ圧のピークを低下させ燃焼ノイズを低減させるために、より低い圧縮比を採用し得る。このような方法を採れば、機関の熱効率を向上させることができる。
【００４２】
燃料噴射弁の燃料噴射ポートのサイズは、フル負荷での運転に必要な総流通断面積によって決定する。結果的に、より低負荷における運転中に安定な燃焼を実現するための所望の燃料噴射動作時間を得るべく、噴射動作中に質量流量をゼロと最大質量流量との間で調節し得るように動作可能な燃料噴射弁を用いることができる。従って、好適な燃料噴射弁は、弁ニードルの動作を制御し、それによって燃料噴射ポートにおける質量流量を制御し得るように制御され得るアクチュエータを備える。例えば、電圧又は電歪アクチュエータを用いる噴射弁を、この目的のために用いることができる。試験の結果、噴射プロセス中に弁ニードルのストロークを可変とすることによって主要量の燃料の噴射における経時的な挙動（ｔｉｍｅ−ｂｅｈａｖｉｏｒ）を調節すれば、燃焼プロセスの特性を制御するための手段が供与されることが分かっている。
【００４３】
燃料噴射弁を高速に動作させるための既知のアクチュエータ、例えば、油圧、電磁、圧電、及び電歪アクチュエータを用いることができる。油圧駆動式燃料噴射弁については、燃料噴射弁に対して流入し流出する作動流体の流動を制御する油圧弁を動作させるべく、電磁、圧電、又は電歪アクチュエータを用いてもよい。
【００４４】
電子コントローラは、燃料を計量し、噴射開始タイミングを調節し、噴射動作中に質量流量を制御するために、電子マップ制御によって、燃料噴射弁の動作を制御することが好ましい。
【００４５】
点火燃料噴霧は、約３〜８ミリメートルの自由長（ａ  ｆｒｅｅ  ｌｅｎｇｔｈ）を備えることが好ましい。自由長とは、点火装置に向けられた燃料噴射ポートと、点火燃料噴霧が点火装置に衝突する衝突点との間の距離である。好ましい自由長は、ピストンボウルの径の５〜１０％であるが、当該範囲内の比較的低いパーセンテージは一般に比較的大きいピストンボウル径において採用され、同範囲内の比較的高いパーセンテージは一般に比較的小さいピストンボウル径において採用される。好適な一実施形態において、気体燃料噴射圧は２００〜３００バールの定圧に維持される。
【００４６】
点火装置に衝突する点火燃料噴霧からの可燃気体燃料の少なくとも一部が、複数の取入孔を通過して遮蔽空間に流入し得るように、取入孔は、衝突点近傍にそれぞれ設けられた複数の取入孔の一つであり得る。好適な実施形態において、衝突点は、各取入孔の中心から等距離の位置にある。２つの取入孔が設けられる場合、衝突点は２つの取入孔のそれぞれの中心の間に画定される直線の中間点であり得る。エンジン試験から、約３ミリメートルの離間距離を２つの取入孔の中心間に設けることで、良好な結果が得られることが分かっている。
【００４７】
排出孔は、複数の排出孔の１つであり得る。排出孔のそれぞれは、取入孔と衝突点との間の離間距離よりも更に衝突点から離間している。複数の排出孔のそれぞれのサイズは、フル負荷運転状態で複数の排出孔における所望のフローを許容するために必要な総流通面積によって決定されることが好ましい。好適な一実施形態では、吸入及び排出孔の総開口面積は、約０．７５〜５．０平方ミリメートルである。
【００４８】
好適な実施形態において、スリーブには２〜１０個の燃料流通孔を備え得るが、４〜６個の燃料流通孔を備えることがより好ましい。孔の数は、ピストン径、燃焼室径、最大クランクシャフト速度、及び総体的な運転状態に応じて選択される。
【００４９】
好適な一実施形態では、（単数又は複数の）取入孔はスリーブの側面に貫設されており、（単数又は複数の）排出孔はスリーブのドーム状端面に貫設されている。これらの孔の機能性は、点火燃料噴霧が向けられる衝突点からのそれぞれの離間距離によって決定する。
【００５０】
スリーブは閉端部を備えることが好ましく、（単数又は複数の）取入孔及び（単数又は複数の）排出孔は燃焼室と遮蔽空間との間の流体流通のための唯一の手段である。
好適な一実施形態においては、２つの取入孔及び２つの排出孔が設けられる。それぞれの孔は円形状を成し、０．５ミリメートル以上１．２ミリメートル以下の径を有する。
【００５１】
点火装置の有効性は、スリーブがそれぞれに均衡な複数の機能を成すように設計されていることによって実現する。一方、スリーブは、燃焼室内における混合気の脈動流及び燃焼室内に導入される吸気及び気体燃料による冷却作用に完全に曝されることのないように、イグナイタを遮蔽する機能を果たしている。この機能をもたらすため、スリーブは閉端部を備え、イグナイタ周囲の遮蔽空間と燃焼室との間の流通を制限するためにイグナイタを包囲することが好ましい。また、一方で、点火装置を機能させるため、十分な量の気体燃料が、イグナイタの高温面と接触することによって点火され得る可燃混合気を生成すべく遮蔽空間に流入し得るように、燃焼室と遮蔽空間との間にいくらかの流体流通が必要となる。この機能をもたらすべく、スリーブは、燃焼室と遮蔽空間との間における流体流通を許容する少なくとも１つの取入孔を備えている。（単数又は複数の）取入孔を介して遮蔽空間に流入する点火燃料噴霧の一部によって、遮蔽空間及び燃焼室内で燃焼を開始するのに必要な燃料の略全量が供給され得るように、（単数又は複数の）取入孔のサイズ及び位置が選択される。このことによって、点火装置は、遮蔽空間内で生成されて燃焼混合気を燃焼室に送るように設計された可燃混合気を点火することができる。スリーブを貫通する（単数又は複数の）排出孔を介し、燃焼混合気は遮蔽空間から流出することができる。本明細書に開示する配置によって、必要量の気体燃料が取入孔を経て遮蔽空間内に流入することができるため、（単数又は複数の）排出孔のサイズ及び配向は、残りの気体燃料を点火させるべく燃焼混合気を燃焼室内の所定の空間に向けて送ることのみを目的として決定してよい。取入孔及び排出孔の総開口面積は、従来から知られている開口部又は開口端部を有するシールドの開口面積よりも大幅に少なくなる。本明細書に記載のスリーブによってもたらされる別の利点は、燃焼室と遮蔽空間との間の流体流通が遮蔽空間に対して流入・流出する流体に限定されることにある。即ち、可燃混合気が遮蔽空間内で生成されイグナイタの高温面に接触することによって点火すると、遮蔽空間内で蓄圧が生じる。開口端部を有する、又は、多くの孔を有する（ｈｉｇｈｌｙ  ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ）従来から知られたスリーブでは、燃焼室への逆流が本発明と同程度まで制限されることはない。本発明の設計の利点は、より高い蓄圧を実現し、それによって、燃焼混合気を（単数又は複数の）排出孔を通過させることを補助することができる点にあると信じられる。
【００５２】
好適な実施形態において、点火装置の（単数又は複数の）排出孔は、燃料を豊富に含む可燃混合気が供与される複数の燃焼噴霧に向けて燃焼混合気を送り得るように配向されている。
【００５３】
前述のように、点火燃料噴霧は複数の燃料噴霧の少なくとも１つであり、点火装置に向けられていない燃料噴霧は、吸気と混和して可燃混合気を生成すべく燃焼室の残りの部分に均一に気体燃料を分布させ得るように配向されている。好適な実施形態においては、燃料噴射弁のノズルは、燃焼室の径、最大クランクシャフト速度及び総体的な運転状態に応じて必要になる混合気生成におけるスワール拡大（ｓｗｉｒｌ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）等の要因に応じて、４〜１２個の燃料噴射ポートを備え得る。例えば、燃焼室のサイズが大きくなれば、通常、噴射ポートの数を増やすことが好ましい。
【００５４】
実験の結果、点火装置を短い自由長を有する点火噴霧と組み合わせて用いる本明細書に開示のエンジン設計と、自然発火内燃機関（ディーゼルエンジン）に典型的な高圧縮比とを採用することによって、内燃機関における運転上の信用性と信頼性とを実現し、低排気運転を可能にすることができることが分かっている。更に、既知の構成と比べ、イグナイタの隣接位置に遮蔽空間を形成すべくイグナイタの周囲に配置されたスリーブを備える点火装置は、イグナイタに供給される加熱電力を著しく低減させるためにも用いられ得る。
【００５５】
イグナイタは、例えば、グロープラグ等によって電気的に加熱されることが好ましい。ただし、グロープラグは、本発明のエンジンに関連する運転状態において持続的に駆動し得るように設計されなければならない。イグナイタ及び／又はスリーブは、セラミック面を備え得る。更に、安定な燃焼に必要な運転温度を低下させるべく、イグナイタ又はスリーブの少なくとも一部に、燃焼触媒を配備してもよい。
【００５６】
好適な一実施形態では、気体燃料噴射ノズルは燃焼室凹部の中心に沿って配置される。このような中心に沿った配置によって、燃焼室凹部内にて気体燃料を均一に分布させることができ、吸気内の空気との完全な混和をもたらすことが可能になる。また、気体燃料噴射ノズルを中心に沿って配置することにより、シリンダヘッドを３弁又は４弁のシリンダヘッドとして設計することが許容される。
【００５７】
好適な一方法において、第１の噴射動作では、フル負荷にて必要な燃料量の５〜１０％である点火量の燃料が燃焼室に導入される。第２の噴射動作は、機関コントローラによって機関マップを参照して決定される、エンジン負荷要求値を満たすのに必要な量の燃料を供与するための点火量の燃料を補充するために、主要な量の燃料を燃焼室に噴射すべく実施される。このことによって、第１の噴射動作のタイミングを所望の点火タイミングによって決定し、第２の噴射動作のタイミングを燃焼特性を改善し得るタイミングによって決定することが可能になる。例えば、これら２つの個別の噴射動作のタイミングは、一酸化炭素及び未燃焼燃料の排出量低減をもたらすための前提となる、イグナイタ表面温度を上昇させることのない混合気のより集中的且つより安定な点火を実現すべく決定され得る。また、燃料の一部は第１の噴射動作で導入されることから、燃焼開始時の点火可能な混合気の容量がより少なくなり、このことによって、放熱率及び燃焼ノイズが低減する。
【００５８】
噴射プロセスを正確に制御し、内燃機関の全シリンダが確実に同一の燃焼シーケンスに従って動作し得るように、エンジンは、センサ及び／又は噴射時間を検知可能な電子コントローラを更に備えてもよい。当該好適な方法では、弁ニードルの１つ又は全部の動作を監視することによって、動作ポイントとは別に、弁ニードルのストロークを制御することで実現する可変質量流量を用いてもよい。
【００５９】
混合気は本明細書に開示する点火装置にて実現可能な高い点火信頼性を有することから、当該エンジンの排気は、再循環（「ＥＧＲ」）技術として知られる技術を用いて、エンジンの吸気システムに制御された量だけ再循環させるのに特に適している。従って、好適な一実施の形態では、エンジンは、燃焼室から排出された排気の一部を吸気システムに向かわせるためのＥＧＲシステムを更に備える。再循環された排気は、エンジンの運転状態に応じて、吸気システムに導入される前に冷却されてもよいし冷却されなくともよい。本明細書に開示する方法によれば、酸化窒素の排出量を低減するために、最大７０％までの排気再循環率を採用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
図１は、シリンダ１０、シリンダ１０内で往復動可能なピストン１２、シリンダ１０の上端を覆うシリンダヘッド１４によって画定される燃焼室の好適な一実施形態を示す気体燃料内燃機関の部分断面図である。燃料噴射弁２０及び点火装置３０’は、それぞれの先端が燃焼室内に延びた状態で、シリンダヘッド１４に搭載されている。この内燃機関は、所望の数のシリンダ及び排気量を備えたインライン型又はＶ型エンジンであり得る。
【００６１】
ピストン１２は、等価のディーゼル燃料エンジンにおいて用いられるピストンと実質的に同じであり、典型的には室凹部１３を有する。室凹部１３の形状は図示の便宜上単純化して示しているが、その他の形状を用い得ることは当業者には理解されよう。例えば、比較的小型のエンジンでは、混合を改善するために乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）を促進するためのピップ（ｐｉｐ）を備えたリエントリー（ｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔ）燃焼室を採用してもよい。燃焼室内での混合気の迅速な生成は、燃料噴射動作中にシリンダ吸気内に生じる乱流及びスワールによっても支持され得る。
【００６２】
燃料噴射弁２０の先端は、気体燃料を燃焼室内に直接噴射させる際に通過させる複数の燃料噴射ポートを備えた気体燃料噴射ノズルを備える。燃料噴射ポートの少なくとも１つは、点火装置３０’の衝突点（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ  ｐｏｉｎｔ）に向けられている。本実施形態では、燃料噴射弁２０は燃焼室凹部１３の中心線に整合するように配置されており、４〜２２個の燃料噴射ポートを備えることが好ましく、噴射ポートからの燃料噴霧２２が図１に破線で示されている。燃料噴射ポートの１つは、点火装置３０’の衝突点に向けて直接燃料噴霧２２ａを噴射するように配向されている。
【００６３】
図２に示すように、従来技術の点火装置３０は、イグナイタ３２と、イグナイタ３２とスリーブ３４の内面との間に遮蔽空間を形成すべくイグナイタ３２を包囲するスリーブ３４とを備える。本実施形態では、遮蔽空間は、イグナイタ３２とスリーブ３４の内壁との間の環状空間と、イグナイタ３２の自由端とスリーブ３４のドーム状閉端との間の空間とを含む。ドーム形状を採用することにより、点火装置３０が燃焼室内に突出する量が低減され、構造的な強度が増大されることから、ドーム状の端部は四角状又は平坦状端部よりも好ましい。図２において、符号３３は遮蔽空間を示す。衝突点は、スリーブ３４を貫通する少なくとも１つの取入孔３６に近接するスリーブ３４の外側面上のポイントである。取入孔３６及び排出孔３８によって、遮蔽空間３３と燃焼室との間に流体の流通が許容される。図２に示す従来技術の点火装置では、２つの取入孔３６が供与されている。従来技術の点火装置３０は、イグナイタ３２の先端が両排出孔３８間の水平な中心線と同じレベルにあることを示している。
図３に示すように、衝突点に対する（単数又は複数の）取入孔３６’の開口面積及び位置は、点火すると共に、燃焼室内の略全量の気体燃料を点火させるのに十分な量の気体燃料が遮蔽空間３３’に導入され得るように設定されている。実験の結果、それぞれ０．８〜１．２ミリメートルの径を有する２つの取入孔３６’における図示の通りの配置が有効であることが分かっている。また、２つの取入孔及び２つの排出孔について、孔径が０．５５ミリメートルの場合についても実験を行ったが、エンジンは運転可能であるものの点火装置の有効性は低かった。より小さいサイズの孔における有効性は、孔の数を増やすことによって改善されると予測される。取入孔のサイズ、位置及び配備数について更に調べるために、コンピュータによる流体力学分析を行ってもよい。現段階では、取入孔３６’のサイズを過度に小さくすれば十分な量の燃料が遮蔽空間３３’に導入されず、取入孔のサイズを過度に大きくすれば遮蔽空間３３’と燃焼室との間に過度の燃料流通が発生し、イグナイタ３２’が過度に冷却されて遮蔽空間３３’内の圧力蓄積が低減し、これにより、燃焼室に送られる燃焼混合気の流れが遅延したり広範でなくなったりすることが分かっている。
【００６４】
図３は、排出孔３８’がスリーブ３４’のドーム状端部に配置されている点火装置３０’の好適な実施形態を示す。排出孔３８’をスリーブ３４’のドーム状端部に配置することの利点は、図２に示す従来技術の点火装置３０のように、排出孔が円筒状側壁に配置されている場合よりも、点火装置３０’の長さが短くなるという点にある。
【００６５】
ピップを採用するピストンヘッド等、いくつかのピストンヘッド設計では、点火装置３０’の燃焼室内への突出量に応じて、エンジン運転中にピストンヘッドと点火装置３０’との接触を阻止するために、点火装置３０に対向するピストンヘッドに凹部が形成され得る。
【００６６】
また、図３に、スリーブ３４’内におけるイグナイタ３２’の好適な位置を示す。イグナイタ３２’の端部は取入孔３６’の中心線から３ミリメートル以内にあることが好ましいが、より好ましい実施形態においては、図３に示すように、イグナイタ３２’の端部は取入孔３６’の中心線から１ミリメートル以内又は取入孔３６’の中心線に一致して配置される。
【００６７】
図４は、ピストンが取り外された状態で、燃焼室内から見たシリンダヘッドを示す平面図である。この実施形態では、図１〜図３に示す要素に類似する要素に対応する要素については、１００に相当する数だけインクリメントした参照符号をもって図示している。理解を容易にするために吸気弁及び排気弁は図示していないが、噴射弁１２０及び点火装置１３０をシリンダヘッド領域の中央域に配置することによって、２つ、３つ、又は４つのバルブ設計を許容することができる。
【００６８】
燃料噴射弁１２０は、燃料噴射ポート１２４を有するノズル１２１を備えている。燃料噴射ポート１２４Ａは、ノズル１２１に向かって傾斜している点火装置１３０の方に点火燃料噴霧を向けるべく配向されている。シリンダヘッド１１４内における点火装置１３０の位置は、燃料噴射ポート１２４Ａを介して導入される燃料噴霧が、燃焼室のサイズに応じて、３〜８ミリメートル、即ち、燃焼室凹部の径の５〜１０％に相当する自由噴射長（ａ  ｆｒｅｅ  ｓｐｒａｙ  ｌｅｎｇｔｈ）を有するように選択されている。エンジンに導入される燃料の量は、負荷等の運転状態や、負荷が静的であるか動的であるか（変動するか）によって変わってくる。実験の結果、予測される条件下では、燃料噴射ポート及び衝突点を前述のように離間配置することによって、イグナイタと接触することになる可燃混合気を生成すべく、十分な量の気体燃料が遮蔽空間３３’に導入されることが分かっている。ここでは、「十分な量の気体燃料」を、遮蔽空間から流出して燃料噴射弁ノズル１２１の周囲の領域内で可燃混合気に点火することができる燃焼混合気を生成すべく点火され得る可燃混合気を遮蔽空間内にて生成し得る量の燃料として定義する。図５に示すように、ハッチングを施された領域１１０は、燃焼可燃混合気が向けられる燃料噴射弁ノズル１２１の周囲の領域である。即ち、排出孔１３８’は、遮蔽空間３３’から送られる燃焼可燃混合気によって領域１１０の燃料が点火するように配向されている。
【００６９】
図５は、図４の切断線５に沿った部分断面図である。図５Ａは、燃料噴射弁ノズル１２１及び点火装置１３０の近傍を示す拡大図である。燃料噴射弁１２０及び点火装置１３０はシリンダヘッド１１４に搭載され、シリンダヘッド１１４から突出している。イグナイタ１３２は点火装置１３０のスリーブ１３４に配置された状態で図示されている。
【００７０】
軸線１２２は、燃料噴射ポート１２４を介しての燃焼室内に向けての燃料噴霧の導入方向を示し、記載する燃焼室構成において好適な噴射角を例として示すものである。当業者に周知の通り、燃焼室内にこのように導入された気体燃料は軸線１２２から拡散し、斯かる拡散は燃料がノズル１２１から更に離間するにつれ促進される。軸線１２２は、燃料噴霧の中心軸の噴射角のみを示すものである。燃料噴射ポート１２４は、燃焼室内で気体燃料が均一に分布するように選択された噴射角１０〜２５度を成すように配向されることが好ましい。なお、選択された噴射角は、エンジン燃焼室の構成によって変わる。好適な実施形態においては、選択された噴射角は、燃料噴霧を燃焼室内の乱流領域に向けて噴射すると共に、燃料噴射長を最適にするように選定される。燃料分布を改善するためには、噴射長をより長くすることが好ましい。
【００７１】
本実施形態では、図５Ａに示すように、燃料噴射ポート１２４Ａを介して導入される点火燃料噴霧１２２Ａの噴射角は、その他の燃料噴霧とは異なる噴射角であり、燃料噴射ポート１２４Ａは燃料噴射ポート１２４よりもノズル１２１の低い位置に配置される。燃料噴射噴霧１２２Ａの噴射角は、衝突点にてスリーブに正接する平面と直交する軸線から２５度以内の噴霧方向に沿って実質的な量の点火燃料噴霧が噴射され得るように、スリーブ表面の衝突点に向かって点火燃料噴霧１２２Ａを噴射するのに必要な燃料噴射噴霧１２２Ａの配向角度によって決定する。
【００７２】
上死点近傍で燃料室内に直接気体燃料を導入するために、気体燃料は高圧にて燃料噴射弁１２０に供給される。例えば、気体燃料は、気体燃料が高速で燃焼室内に噴射され得る２００〜３００バールの圧力にて供給され得る。気体燃料の点火は、イグナイタと接触する燃料の速度を低減することによって改善される。スリーブ１３４の表面に衝突する際に同表面と直交する方向に気体燃料が移動し得るように気体燃料をスリーブ１３４に向けている場合は、スリーブ表面に衝突する燃料により生じるモーメントの変化が最大となり、そのことによって、燃料の速度の低下もまた最大となる。従って、最も好適な実施形態においては、（図５Ａに示すように）衝突点にてスリーブ表面に正接する平面と直交する方向に沿って、実質的な量の燃料が噴射され得るように、燃料噴射噴霧を配向する。しかしながら、場合によっては、エンジン燃焼室の構成やシリンダヘッドの設計による制限によって、点火燃料噴霧の配向がより好適でないものになる可能性もある。実験の結果、点火燃料噴霧方向が直交配置（ａ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）から２５度以内になる配向によっても、好適さは低減されるものの、有効な実施形態が得られるということが分かっている。
【００７３】
図５Ａに、燃料噴射弁１２０のノズル１２１と点火装置１３０との相対配置を示す拡大図を示す。点火燃料噴霧１２２Ａは衝突点に向かって噴射される際に少量の空気を混入すると考えられるが、エンジンピストンの吸気及び圧縮行程中に遮蔽空間３３’に入り込んだ空気とも混和するとも考えられる。また、燃料噴霧１２２Ａを取入孔１３６’に直接向けるのではなく衝突点に向けることによって、混和を促進し冷却作用を軽減させることができると考えられる。
【００７４】
遮蔽空間３３’内にて可燃混合気が生成する際、同混合気はイグナイタの高温の表面に接触し点火する。燃焼によって、また、遮蔽空間３３’と燃焼室との間の流通の制限によって、遮蔽空間３３’内の圧力は急激に上昇する。このように上昇した圧力によって、少なくとも１つの排出孔１３８’を介して燃焼室内に燃焼混合気が送られる。本実施形態では、それぞれ図３及び図５Ａに示すように、２つの排出孔３８’及び１３８’が設けられている。なお、図５Ａにはスリーブの半分のみを示す。
【００７５】
噴射動作にて生成される可燃混合気の燃焼を効率的にするために、燃焼室の領域１１０に向けて燃焼混合気を送るべく排出孔を配向し得るように、排出孔は取入孔から離間して配置されている。排出孔は、取入孔よりも衝突点からの離間距離が長い。好適な運転状態においては、燃焼混合気が遮蔽空間３３’から導出される間、噴射動作は持続する。また、排出孔を衝突点から離間して配置することにより、点火装置３０’から送られる燃焼混合気と点火装置３０’の衝突点に向けて送られる点火燃料噴霧との干渉は少なくなると考えられる。このような干渉を低減することは点火遅延時間を著しく短縮するための一助となり、内燃機関の運転特性に肯定的な影響を及ぼす。気体燃料を噴射するためには、液体燃料の場合よりも燃料噴射動作時間を長くする必要があり得る。従って、点火燃料噴霧が排出孔を介して送られた燃焼混合気の拡散に著しく干渉することはないため、燃料噴射弁２０は燃焼開始後も気体燃料を燃焼室に向けて噴射し得ることから、衝突点に対する排出孔及び取入孔の相対配置は重要になる。燃料噴射動作の時間が長くなることは、燃料噴霧を燃焼室内に同時に噴射している噴射弁ノズル１２１の周囲の領域１１０に向けて燃焼混合気を送ることが可能になるため、いくつかの好適な実施形態においては有利である。このような実施形態では、１つのエンジンサイクルにおいて単一の燃料噴射動作を行う場合、点火遅延時間は対応する噴射動作の時間よりも短くなる。
【００７６】
排出孔を衝突点からより離間して配置することの別の理由としては、このような配置によって燃料の殆どを取入孔を介して遮蔽空間３３’に確実に導入させることができ、それによって、遮蔽空間３３’内の空気の一部を排出孔を介して燃焼室に送り返すことが許容され、そのことよって、噴射動作の最初に気体燃料を取入孔を介して遮蔽空間３３’に導入することが簡単になるという点がある。従って、少なくとも１つの取入孔及び少なくとも１つの排出孔を有し、これらの孔の機能が衝突点からの離間距離によって決定される本発明の配置には、数多くの利点がみとめられる。図示の実施形態に示すように、排出孔は取入孔の下方に配置されている。これらの実施形態では、衝突点は全取入孔から等距離に配置されることが好ましいが、孔間の中央位置又は排出孔よりも取入孔に近い点火装置３０’，１３０の中心軸沿いの別の位置に配置することも可能である。
【００７７】
気体燃料噴射弁は、油圧を電磁油圧弁によって制御する油圧作動弁であってよい。プレ噴射を行い、且つ、主噴射をいくつかの噴射ステップ又は「パルス」に分割するためには、圧電アクチュエータにより駆動される油圧切換弁が十分に高い切換周波数を有することから、これらの弁を用いることが出来る。試験の結果、圧電アクチュエータにより駆動される油圧作動弁を気体燃料弁の油圧作動と組み合わせて採用すると、周波数切り換え及び噴射開始時及び噴射時間の制御精度における要件とを満たし得ることが分かっている。
【００７８】
別の実施形態では、電磁アクチュエータにより直接駆動されるニードルを用いる気体燃料噴射弁が用いられ得る。このような噴射弁の一例が、米国特許第６，２９８，８２９号に記載されている。斯かる燃料噴射弁では、油圧作動流体は不要であり、電磁アクチュエータのアーマチャの動作に応じて、燃料噴射弁を開閉すべくニードルが動作する。このような電磁アクチュエータを備えた燃料噴射弁によって、短パルス幅を有する噴射動作を可能にし、１エンジンサイクル内に２つ以上の噴射動作を行うことを可能にするために必要な速度が実現する。
【００７９】
更に別の実施形態では、燃料噴射弁は、燃料噴射弁を開閉すべく弁部材を動作させるための動力（ｍｏｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ）を提供する圧電又は磁歪アクチュエータにより「直接的に」駆動され得る。斯かるアクチュエータは更に短い燃料噴射パルス幅で作動させることができ、より高速なクランクシャフト速度にて動作するように設計されたエンジンに適し得る。直接駆動される噴射弁を用いることの更なる利点は、１エンジンサイクルにて複数の噴射パルスを実現するために必要な速度を提供できることに加え、圧電及び磁歪アクチュエータを「レート決定（ｒａｔｅ  ｓｈａｐｉｎｇ）」を可能にすべく制御できることにある。「レート決定」とは、１噴射パルス中にアクチュエータにより生じる変位の程度を、１燃料噴射パルス中に燃料噴射弁を介して質量流量を調節すべく制御できることを意味する。
【００８０】
図６及び図７のグラフは、１燃焼サイクル中に燃焼室内に燃料を導入するために直接駆動型燃料噴射弁を制御するコマンドパルスの振幅を示す。なお、各燃焼サイクルに独立のコマンドパルスが付与される。
【００８１】
これらのグラフの縦軸に示される振幅は、異なる種類のアクチュエータについて異なる単位を示す。例えば、磁歪アクチュエータについては、振幅は、磁場を発生させるべくコイルに付与される電流を指す。別の例としては、圧電アクチュエータについては、振幅は、圧電要素に付与される電圧を指す。弁ニードルの動作は一般にコマンドパルスの振幅に相関し、コマンドされる振幅が大きくなるほど導入される燃料の量が増加する。
【００８２】
図６に示すように、好適な方法においては、ＳとＭとの間の時間は約２ミリ秒である。噴射動作の開始時により少量の燃料を導入することの目的は、燃料噴射弁ノズル１２１の周囲の領域１１０内にて可燃混合気を点火すべく燃焼室に逆流する燃焼可燃混合気を生成するのに十分な量の燃料が、点火装置によって点火されるように燃焼を開始するのに必要な量の燃料のみを導入することにある。気体燃料では従来の自動発火液体燃料よりも長い点火遅延が生じることから、気体燃料を燃焼室内に導入するための質量流量の決定（ｓｈａｐｉｎｇ）は液体燃料の場合よりも重要になってくる。点火遅延のため、点火燃料噴霧は、主燃料パルスを噴射すべき時期よりもずっと早期に燃焼室内に導入される。従って、過量の燃料が燃焼室に早期に導入されることを回避すべく、時間Ｓにおける燃焼開始時と時間Ｍにおける主燃料パルスの開始時との間は、より小さい振幅が用いられる。時間Ｍのタイミングは、典型的には上死点前の５〜３４度であり、燃料噴射動作は、所望の放熱量に応じて上死点後も十分に持続して行われる。
【００８３】
図７に示す方法では、第１の噴射動作は時間Ｓに行われ、その後、第２の噴射動作が時間Ｍに行われる。この実施形態では、時間Ｓから時間Ｍまでの時間を０．２５〜１ミリ秒として、第１の噴射動作の噴射時間を約０．２〜０．５ミリ秒とすることが良好な結果を示した。この場合も、時間Ｍは上死点前のクランク角５〜３４度にあり、時間Ｓは時間Ｍ前のクランク角６〜１３度にある。
【００８４】
セラミック材料は点火装置が動作する厳しい条件下にて必要な耐久性を呈するように作成され得ることから、点火装置３０’はセラミック面を有するイグナイタを用いてもよい。点火装置３０’の安定性を更に改善すべく、遮蔽スリーブ３４’もまたセラミック材料であってよい。また、燃焼安定性を改善すべく点火プロセスを加速するためにプラチナ及び／又はパラジウムから成る触媒コーティングをスリーブ３４’に施してもよい。斯かる触媒コーティングを採用することは、通常、燃焼室のサイズによって遮蔽空間の容量がより小さいものとなり、高温面にて点火される燃料の容量が少なくなることから、より小さいエンジンにおいて特に有利である。斯かるエンジンでは、触媒コーティングを備えていない点火装置では燃焼が遅延し、それによって炭化水素及び一酸化炭素の排気量が増大し得る。
【００８５】
気体燃料が燃焼室に直接噴射される内燃機関の当該運転方法では、気体燃料噴射弁２０の上流で一定の高燃料圧が必要になる。エンジンを車両で用いる際には、車載高圧燃料供給システムを備えなければならない。図８に、気体燃料を供給すると共に、気体燃料噴射弁２２０を駆動するための作動流体を供与するための装置を備えた、車載高圧燃料供給システムの一実施形態を示す。気体燃料噴射弁２２０は、ピストン２２２に作用する作動油圧によって駆動可能である。ピストン２２２は弁ニードル２２４に結合されており、このことによって、ピストン２２２の動作に応じて弁ニードル２２４が動作する。
【００８６】
多気筒内燃機関では、それぞれの燃焼室に１つの気体燃料噴射弁が備えられており、共通の作動流体供給路２４０によって燃料噴射弁のそれぞれに作動流体が供給される。油圧ポンプ２４２は、２５０〜３００バールの圧力を生成することが好ましい。作動流体供給路２４０内の圧力は圧力制御弁２４４により制御され、蓄圧器（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）２４６は、エンジン停止後であっても油圧を維持さするために満たされている。
【００８７】
燃料側では、図８に示唆する多気筒エンジンの例に示すように、気体燃料噴射弁２２０は、気体燃料噴射弁のそれぞれに燃料を供給する共通燃料供給路２５０を介して、２００〜３００バールの気体燃料圧が供給される。気体燃料は燃料保存タンク２５２に保存され、残留する気体燃料の量に応じた圧力にて燃料供給システムに供給される。燃料保存タンク２５２が最大容量まで満たされている場合には、燃料供給システムに送られる燃料の圧力は高く、タンクが空になると、燃料保存タンク２５２内の圧力は低くなる。気体燃料保存タンク２５２が、例えば、２００〜３００バールの圧力をもって完全に満たされている場合には、コントローラ２６０は圧力トランスデューサ２６２に基づき満量を判定する。コントローラ２６０は、更に、所望の圧力にて必要な量の気体燃料を噴射弁に供給するようにコンプレッサ２５４及び圧力制御装置２５６を制御する際に、エンジンの運転状態を考慮する。気体燃料の排出量が増えるにつれ、圧力トランスデューサ２６２によって検知されるように圧力が相応に低下すると、コントローラ２６０は、コンプレッサ２５４及び圧力制御装置２５６の制御の際に圧力低下を考慮する。
【００８８】
コントローラ２６０は、油圧ポンプ２４２、圧力制御弁２４４、及び燃料噴射弁２２０並びに多気筒エンジンにおけるその他の燃料噴射弁の作動を制御することによって、油圧システムの作動流体圧を制御すべくプログラムされ且つ配線され得る。本実施形態では、コントローラ２６０は、作動流体排出路を開閉することによってソレノイド弁２２８を制御するように配線されている。コントローラ２６０によりソレノイド弁２２８が開状態にされたとき、噴射弁２２０内のバネ室２２７から作動流体が排出され、（バネ室２２７上方に位置する）制御室２２６内の作動流体圧がピストン２２２を下方に動作させるべく作用し、それによって弁ニードル２２４もまた燃料噴射弁２２０を開状態にして燃料を燃焼室に噴射すべく下方に動作する。図示の燃料噴射弁は外側に開口するニードルを有するが、当業者には、内側に開口するニードルもまた適していることが理解されよう。いずれの場合も、燃料噴射弁のノズルは、燃料噴霧を燃焼室に向けると共に燃料噴霧の１つを点火装置上の衝突点に向けるための機能（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を備えていることが好ましい。
【００８９】
また、図８の燃料システムは、直接駆動される燃料噴射弁を伴って用いられ得る。ただし、この場合は、作動流体システムの代わりに、コントローラ２６０は、アクチュエータに送られる電流又は電圧を制御することによって燃料噴射弁を駆動すべく、同弁に制御信号を直接送信する。
【００９０】
以上、本発明の個々の要素及び実施形態を図示を伴い説明した。しかしながら、言うまでもなく、当業者によって、特に、前述の教唆事項を鑑みつつ、以上の開示の範囲を逸脱することなく変更が加えられ得ることから、本発明はこれらに限定されるものではない。一例としては、図８に示す圧縮気体燃料供給システムを、低温保存タンク、燃料ポンプ、気化器、及び関連する圧力制御装置を備える液体化気体燃料供給システムに置き換えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】燃焼室内に配置される気体燃料噴射ノズル及び点火装置を示す側面図。
【図２】イグナイタが装備されるハウジング又はホルダの下部を伴う、従来技術の点火装置を詳細に示す図。
【図３】スリーブ内のイグナイタの位置を示すべく、点火装置の半分を切り欠き図で示す、図１の点火装置の一実施形態を詳細に示す図。
【図４】点火装置に対する燃料噴射弁の相対位置を示す、ピストンを取り外した状態で燃焼室底面から見たシリンダヘッドを示す平面図。
【図５】図４の切断線に沿った部分断面図。図５の部分断面図は、点火装置及び燃焼室内に向けて点火燃料噴霧を噴射するうえで好適な噴射角を示す燃料噴霧の外形を示す。
【図５Ａ】燃料噴射弁のノズルと点火装置との物理的な関係を示す、図５の断面図を詳細に示す拡大図。
【図６】１噴射動作中に燃焼室に気体燃料を導入するための質量流量を制御すべく燃料噴射弁の動作を制御するための好適なコマンドパルスを示す図。
【図７】別個に行われる二回の噴射動作中に燃焼室に気体燃料を導入するための質量流量を制御すべく燃料噴射弁の動作を制御するための別の好適なコマンドパルスを示す図。
【図８】気体燃料噴射弁に関連する燃料システム及び油圧システム、並びにこれらのシステムのコントローラの全体を示す概略図。
【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５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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