(57)【要約】自己着火しない燃料を自己着火及び燃焼させるのに適した環境を内燃機関の燃焼室内に作り出す方法及び装置を開示する。高負荷状態では、ピストンの圧縮行程の間にパイロット量の燃料が内燃機関の燃焼室へ噴射される。爆発行程の間に主要量の燃料によってピストンを駆動させるのに必要な時までに、燃焼室内の吸気を燃料の自己着火温度以上まで加熱するように、燃料の量及び時期が選択される。一般的に、自己着火温度にはピストンの上死点又はその付近に到達するべきである。また、上記方法により教示される方法によって燃料を搬送する噴射装置の構成も開示する。
2006501395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを備えた少なくとも１個のシリンダを有する内燃機関の作動方法であって、
シリンダにより部分的に形成される燃焼室へ吸気を導く工程と、
吸気を燃焼室内で圧縮する工程と、
エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時に、第１作動モードで作動させる工程と、第１作動モードは、
吸気を圧縮する一方で、パイロット量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射するとともに、第１量の気体燃料を燃焼させることにより吸気温度を気体燃料の自己着火温度よりも高温に上昇させる工程と、
吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上である時に、第２量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程とを含み、第２量が噴射されることにより燃焼室内を燃焼させて、ピストンの爆発行程を行い、
エンジン負荷が所定の閾値負荷未満である時に、第２作動モードで作動させる工程とを含み、第２作動モードは、
ピストンがシリンダ内において上死点付近にある時に、第１量の気体燃料を噴射する工程と、
第１量の気体燃料を発火させるとともに、ピストンの爆発行程を行なう工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
エンジンマップからエンジン負荷を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
グロープラグにより第１量の気体燃料を着火する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１量の気体燃料をグロープラグの方向へ噴射する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ピストンが上死点前の６０度から３０度のクランク角の間にある時に第１量を噴射する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ピストンが上死点にある時に、吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１作動モードにおいて、第２量の気体燃料は第１量の気体燃料よりも大きい燃料質量を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１作動モードにおいて、第２量の気体燃料がピストンの爆発行程の間に燃焼するように、第２量の気体燃料の噴射は時期が計られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第１作動モードにおいて、第２量の気体燃料はエンジンマップから決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第１量の気体燃料及び第２量の気体燃料は、単一の噴射装置から燃焼室へ直接噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
燃焼室は圧縮比をディーゼルエンジン範囲内に限定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
燃焼室は圧縮比を１４対１よりも大きいものに限定することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第２作動モードにおいて、第１量の燃料は上死点前の２０クランク角度と上死点後の２０クランク角度の間に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
第２作動モードにおいて、ピストンの爆発行程の間に第２量の気体燃料を噴射するとともに、第２量の気体燃料を燃焼させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
燃焼室を部分的に形成する少なくとも１個のシリンダを有する気体燃料供給内燃機関の作動方法であって、
エンジンの負荷要求が高負荷範囲内にあるか否かを判定する工程と、
負荷要求が高負荷範囲内にある時には、エンジンの高負荷作動モードを選択する工程とを含み、高負荷作動モードは、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
ピストンの圧縮行程の間に燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
ピストンの圧縮行程の間に、第１量の気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ直接噴射する工程と、
第１量の気体燃料を着火する工程と、
第１量の気体燃料を燃焼させることにより、吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上の温度となるまで上昇するのをアシストする工程と、
吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上となった時に、第２量の気体燃料を吸気へ直接噴射する工程とを含み、
第２量の気体燃料の燃焼がピストンの爆発行程の実行に貢献する
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
エンジンへの負荷要求が低負荷範囲内にある時を判定する工程と、
負荷要求が低負荷範囲内にある時にはエンジンの低負荷作動モードを選択する工程とを含み、低負荷作動モードは、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
ピストンの圧縮行程の間に燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
ピストンが上死点に或いはその付近にある時に、第１量の気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ直接噴射する工程と、
第１量の気体燃料を着火する工程と、
第１量の気体燃料を燃焼させる工程とを含み、第１量の気体燃料の燃焼がピストンの爆発行程の実行に貢献する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室内に自己着火環境を作り出す方法であって、燃焼室はピストンにより部分的に形成されるとともに、ディーゼルエンジンにより限定される範囲内の圧縮比を有し、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する一方で、第１量の気体燃料を噴射装置から燃焼室へ直接噴射し、第１量の気体燃料を着火し、且つ第１量の気体燃料を燃焼させるとともに吸気温度を上昇させる工程と、
吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上である時に、噴射装置から第２量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程とを含み、第２量の気体燃料の燃焼がピストンの爆発行程の実行に貢献する
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
第１量の気体燃料は燃焼室内に配置されるグロープラグへ向けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２量の気体燃料は燃焼室全体へ向けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
第１量の気体燃料はシリンダのファイヤデッキから測定される第１角度で燃焼室へ向けられ、第２量の気体燃料はファイヤデッキから測定される第２角度で燃焼室へ向けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
第１角度は第２角度よりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
気体燃料は天然ガスであることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
気体燃料はメタンを含むことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
気体燃料は炭化水素を含むことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室内に自己着火環境を作り出す方法であって、燃焼室はピストンにより部分的に形成され、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する一方で、第１量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程と、
第１量の気体燃料を着火する工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する一方で、第１量の気体燃料を燃焼させるとともに、吸気温度を上昇させる工程と、
吸気温度が燃料の自己着火温度以上である時に、第２量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
内燃機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁であって、
燃焼室へ挿入可能な弁先端を有する中空弁体と、
弁先端内に設けられ、気体燃料着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射するパイロット燃料噴射口と、
少なくとも１個の主要燃料噴射口と、主要燃料噴射口はパイロット燃料噴射口と比較して燃焼室のより広範囲に燃料を噴射し、
中空弁体内に配置される弁ニードルとを含み、弁ニードルは閉鎖位置と第１開放位置と第２開放位置との間で移動可能であり、
閉鎖位置において、圧縮量の燃料が中空弁体内に収容され、
第１開放位置において、パイロット燃料噴射口のみから燃料を噴射可能であり、
第２開放位置において、パイロット燃料噴射口及び主要燃料噴射口から燃料を噴射可能である
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２７】
燃料は気体燃料であることを特徴とする請求項２６に記載の噴射弁。
【請求項２８】
燃料は天然ガスであることを特徴とする請求項２７に記載の噴射弁。
【請求項２９】
弁ニードルはニードル先端と環状肩部とを含み、ニードル先端は弁ニードルの軸部から延
出し、弁ニードルはニードル先端よりも大きな断面積を有し、環状肩部はニードル先端及び軸部の間に配置され、環状肩部は封鎖面を含み、封鎖面は弁座と協働して、封鎖面が弁座へ付勢されている時には中空弁体内の気体燃料を封鎖することを特徴とする請求項２６に記載の噴射弁。
【請求項３０】
ニードル先端は中空弁体の内面と協働して、弁ニードルが第１位置にある時に、気体燃料が中空弁体から主要燃料噴射口を介して流出するのを阻止することを特徴とする請求項２９に記載の噴射弁。
【請求項３１】
ニードル先端の放射状面は弁先端内の溜めと嵌め締められ、弁ニードルが第１開放位置にある時には、ニードル先端及び溜めの側壁間の空隙によって、主要燃料噴射口への気体燃料の流出を実質的に阻止する流体絞りが得られることを特徴とする請求項３０に記載の噴射弁。
【請求項３２】
ニードル先端が溜めから上昇させられることにより気体燃料が主要燃料噴射口へ流出するように、弁ニードルは中空弁体内に引き込み可能であることを特徴とする請求項２９に記載の噴射弁。
【請求項３３】
ニードル先端は弁ニードルの軸部と相対移動可能であり、弁ニードルが第１開放位置にある時にニードル先端の端面は、中空弁体の内面により供される第２弁座に着座させられ、弁ニードルが第２開放位置にある時にニードル先端は第２弁座から上昇させられることを特徴とする請求項２９に記載の噴射弁。
【請求項３４】
弁ニードルが閉鎖位置又は第１開放位置にある時に、ニードル先端はばねにより第２弁座へ付勢され、ばねはニードル先端及び軸部間に配置されることを特徴とする請求項３３に記載の噴射弁。
【請求項３５】
ニードル先端はフランジを含み、フランジは軸部の縁と協働することにより、軸部を所定距離より大きく中空弁体へ引き込ませてニードル先端を第２弁座から上昇させることを特徴とする請求項３３に記載の噴射弁。
【請求項３６】
パイロット燃料噴射口は、主要燃料噴射口の結合開放面積よりも小さい結合開放面積を有する複数のパイロット燃料噴射口の一個であることを特徴とする請求項２６乃至３５のいずれか一項に記載の噴射弁。
【請求項３７】
複数のパイロット燃料噴射口は、着火アシスト装置を含む燃焼室部分へ気体燃料を噴射するように向きが決められることを特徴とする請求項３６に記載の噴射弁。
【請求項３８】
主要燃料噴射口は着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射しないことを特徴とする請求項３７に記載の噴射弁。
【請求項３９】
ニードルを閉鎖位置、第１開放位置及び第２開放位置間で駆動させるために、第１閉鎖付勢力と、第２閉鎖付勢力と、第３閉鎖付勢力と、第１開放付勢力と、第２開放付勢力とを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の噴射弁。
【請求項４０】
第１閉鎖付勢力、第２閉鎖付勢力、及び第３閉鎖付勢力は各々、第１解放付勢力及び第２開放付勢力に抗してニードルに作用する第１流体力、第２流体力、及び第３流体力であり、
ａ．第１流体力が第１解放付勢力によりもたらされる第１開放力及び第２開放付勢力によりもたらされる第２開放力よりも大きくされることにより、ニードルは閉鎖位置へ駆動
され、
ｂ．第２流体力が第１開放力よりも大きく且つ第２開放力よりも小さくされることにより、ニードルは第１開放位置へ駆動され、
ｃ．第３流体力が第１開放力及び第２開放力よりも小さくされることにより、ニードルは第２開放位置へ駆動される
ことを特徴とする請求項３９に記載の噴射弁。
【請求項４１】
第１開放付勢力は剛性ばねにより得られるとともに、第２開放付勢力は軟性ばねにより得られ、剛性ばね及び軟性ばねはニードル及び弁先端の間で作用することを特徴とする請求項４０に記載の噴射弁。
【請求項４２】
内燃機関であって、
燃焼室と、燃焼室はシリンダと、シリンダ内において往復移動可能なピストンと、シリンダヘッドのファイヤデッキとにより実質的に形成され、
燃焼室内に配置される気体燃料着火アシスト装置と、
気体燃料を燃焼室へ直接噴射する燃料噴射弁とを含み、燃料噴射弁は、
燃焼室への挿入可能な弁先端を備えた中空弁体と、
弁先端内に設けられており、気体燃料着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射するパイロット燃料噴射口と、
パイロット燃料噴射口と比較して燃焼室のより広範囲へ燃料を噴射する少なくとも１個の主要燃料噴射口と、主要燃料噴射口はパイロット燃料噴射口に関連する開放面積よりも大きな結合開放面積を有しており、
中空弁体内に配置される弁ニードルとを含み、弁ニードルは閉鎖位置と、第１開放位置と、第２開放位置との間で移動可能であり、
閉鎖位置において、圧縮量の気体燃料が中空弁体内に収容されており、
第１開放位置において、パイロット燃料噴射口のみから気体燃料を噴射可能であり、
第２開放位置において、パイロット燃料噴射口及び主要燃料噴射口から気体燃料を噴射可能である
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項４３】
弁先端はファイヤデッキ上において実質的に中央に配置されており、着火アシスト装置は弁先端から放射状方向に離間させられていることを特徴とする請求項４２に記載の内燃機関。
【請求項４４】
着火アシスト装置はグロープラグであることを特徴とする請求項４２に記載の内燃機関。
【請求項４５】
グロープラグシールドを更に含み、シールドの一部は燃焼室内においてグロープラグと燃料噴射弁との間に配置されることを特徴とする請求項４４に記載の内燃機関。
【請求項４６】
シールドはグロープラグを包囲することを特徴とする請求項４５に記載の内燃機関。
【請求項４７】
シールドは少なくとも１本の入口路及び少なくとも１本の出口路である少なくとも２本の燃料路を形成し、少なくとも１本の入口路は第１量の気体燃料を受け取り、第１量の気体燃料はグロープラグにより着火され、少なくとも１本の出口路は出口路を越え且つシールドにより出口路を通過するように案内される第２量の気体燃料へ火炎を向け、火炎は第２量の気体燃料を着火するとともに、第１量の気体燃料が燃焼する間に発生させられることを特徴とする請求項４５に記載の内燃機関。
【請求項４８】
弁ニードルに指令を出す制御装置を含むことを特徴とする請求項４２乃至４７のいずれか
一項に記載の内燃機関。
【請求項４９】
高負荷作動モードで作動するように制御装置に指令が出されると、ピストンが上死点前の６０から３０クランク角度内にある時に、制御装置は弁ニードルを第１開放位置に制御することを特徴とする請求項４８に記載の内燃機関。
【請求項５０】
所定の閾値負荷よりも大きい負荷値で作動するように制御装置に指令が出されると、制御装置は第１作動モードで作動し、ピストンが上死点前の６０から３０クランク角度内にある時に、制御装置は弁ニードルを第１開放位置に制御し、燃焼室が気体燃料の自己着火温度以上である時に、弁ニードルを第２開放位置に制御することを特徴とする請求項４８に記載の内燃機関。
【請求項５１】
所定の閾値負荷はエンジン負荷マップ上における一連の点を含み、各点は別個の負荷状態に対応することを特徴とする請求項４８乃至５０のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５２】
気体燃料供給直接噴射式内燃機関の燃焼室において使用されるグロープラグシールドであって、グロープラグシールドは外面及び外面と対向する内面を含み、少なくとも１つの入口放射状面と、少なくとも１つの出口放射状面とを形成し、各放射状面は外面から突出し、少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面の各々は、少なくとも１本の交差線と少なくとも１本の入口線と少なくとも一本の出口線を形成し、交差線は内面から少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面に向けて後方へ突出し、入口線において少なくとも１つの入口放射状面は外面と交差し、出口線において少なくともつの出口放射状面は外面と交差し、
少なくとも１本の交差線における少なくとも１つの入口放射状面全部及び少なくとも１つの出口放射状面全部の間の全角度は４５度よりも大きく、且つ
シールドは入口路及び出口路である少なくとも２本の通路を形成し、入口路は少なくとも１本の入口線の各々と一致させられ、出口路は少なくとも１本の出口線の各々と一致させられる
ことを特徴とするグロープラグシールド。
【請求項５３】
シールドは円柱形状を有することを特徴とする請求項５２に記載のグロープラグシールド。
【請求項５４】
シールドは上面を形成し、シールドは内燃機関の燃焼室内においてファイヤデッキから懸架されており、入口路及び出口路は上面から等距離にあることを特徴とする請求項５３に記載のグロープラグシールド。
【請求項５５】
通路は孔であることを特徴とする請求項５２に記載のグロープラグシールド。
【請求項５６】
内燃機関の作動方法であって、
ａ．吸気を燃焼室へ導く工程と、
ｂ．吸気を燃焼室内で圧縮する工程と、
ｅ．エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時を判定する工程と、
ｆ．エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時に第１作動モードで作動する工程とを含み、第１作動モードは、
ｉ．吸気を圧縮する一方で、グロープラグシールドにより形成される入口路において第１量の燃料を噴射する工程と、シールドは燃焼室まで延出し、グロープラグシールドは噴射装置及びシールドに近接するグロープラグの間に配置されることにより、第１量の燃料を入口路を通過させた後にグロープラグ上で着火させる工程と、
ｉｉ．火炎を第１量の燃料燃焼からシールドにより形成された出口路を介して第２量
の燃料噴射へ向ける工程と、第２量の燃料はシールドを通過し、出口路を越えるように向けられ、火炎により第２量の燃料は着火し、第１及び第２量の燃焼によって燃焼室内の吸気温度は上昇し、
ｉｉｉ．吸気温度が燃料の自己着火温度以上である時に、吸気の圧縮完了近くに第３量の燃料を燃焼室へ直接噴射する工程とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５７】
燃料は気体燃料であることを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
燃料はメタン、エタン、プロパン、ブタン及び炭化水素の中の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直接噴射式内燃機関の燃焼室に燃焼事象を作り出す方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスを利用したディーゼルエンジンの作動には排出に利点がある。一例として、天然ガスは（ディーゼルよりも）クリーンな燃焼燃料である。即ち、天然ガスによって一般的にエンジンは、粒子状物質（ＰＭ）、炭化水素、温室ガス、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出レベルが低下した状態で作動する。
【０００３】
また、従来の燃料を比較的豊富にあり且つ幅広く入手可能な燃料である天然ガスと取り替えると、石油への依存を低減させる助けとなる。
本開示では、本発明は天然ガス燃料供給エンジンに関して記載される。しかしながら、同様の利点が得られるその他の気体燃料と取り替えられてもよい。一例として、メタン、エタン、プロパン、及びより軽量な可燃炭化水素誘導体、並びに水素及びハイタン（商標名：天然ガス及び水素の混合物）等の気体燃料、更にはその他の気体燃料もまた本発明において使用される。
【０００４】
天然ガス燃料供給エンジン技術における近年の発展によって、高圧で燃焼室に噴射される天然ガスにより、ディーゼルエンジンの性能と同様なエンジン性能となることが証明された。本願出願人が発展させた高圧直接噴射技術はＨＰＤＩ（商標名）として知られており、ディーゼル燃料供給エンジンの性能に対して僅かに不利益となるだけで或いは全く不利益なることなく、ディーゼル燃料供給エンジンに関連する排出レベルを解決する策を提供する。
【０００５】
最新のディーゼルエンジン技術を利用する天然ガスでは、着火アシスト方式が必要とされる。ディーゼル燃料とは異なり、天然ガスは典型的に作動するディーゼルエンジンにおいて作り出された燃焼室環境に噴射される時には、迅速に自己着火しない。従って、かかるエンジンにおいて天然ガスの適時の着火及び燃焼を確実に行なうために、着火アシストが提供される。本開示上、燃料の自己着火温度は、燃料の自己着火及び燃焼を生じさせる燃焼室内の吸気温度である。自己着火はピストンに所要エネルギーを供給するのに適した燃料を直接噴射した後の時間範囲内に生じるべきである。明確にするために、着火アシスト方式は、メタノール及び自己着火温度が比較的高い他の燃料等の液体燃料と同様に、上述したその他の気体燃料でも必要とされる。
【０００６】
このような着火アシスト方式の一つではグロープラグ又は燃焼室へ突出するその他の熱面を採用している。このような熱面に衝突した天然ガスは点火して燃焼する。
第２の着火アシスト方式ではパイロット燃料として少量のディーゼルを使用する。ここでディーゼルは、天然ガスが噴射させられる直前に、又は略同時期に燃焼室へ噴射される。この時ピストンは上死点付近にある。ディーゼルは一般的にピストンが上死点付近にある時に室内に作り出される状態において自己着火するので、このディーゼルの燃焼により天然ガス等の主要気体燃料の着火が引き起こされる。
【０００７】
本開示において、「上死点付近」は上死点の３０度以内を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
両方の提案に関連する技術的問題がある。熱面着火では、燃焼室の一箇所で発火させら
れるならば、不完全な燃焼が生じて、炭化水素の排出が増加するとともに燃焼エネルギーの損失が引き起こされる。燃焼エネルギーはさもなければピストンを駆動するために利用される。完全燃焼を促進するためには、噴射された天然ガス全部が着火されるように、熱面で発生した火炎が燃焼室中に伝播される必要がある。しかしながら、火炎伝播は不完全であり得るので、グロープラグから最も離れた室の複数部分へ向けられるガスは着火に失敗し、又は不完全燃焼する。一例として以下を参照せよ。ミュラー（Ｍｕｅｌｌｅｒ），Ｃ．Ｊ．及びマスキュラス（Ｍｕｓｃｕｌｕｓ），Ｍ．Ｐ．「光学式ＤＩディーゼルエンジンにおけるメタノールのグロープラグアシスト着火及び燃焼」ＳＡＥ紙、２００１年１月〜２００４年。火炎伝播が燃焼室内でガスを発火させる程度に迅速でないならば、直接噴射量の天然ガスは着火にはリーンとなり過ぎる。
【０００９】
着火アシスト方式にパイロット燃料を使用する時には、２つの燃料が収容されていなければならない。即ち、独立した燃料供給システムが必要となり、エンジンが複雑化する。また、パイロット燃料の量及び種類に応じて、パイロット燃料の燃焼により発生する好ましくない排出がある。
【００１０】
更に、パイロット燃料システムにより天然ガスエンジンの費用が増大する。パイロット燃料システムに関する資本経費、並びに維持管理時間及びその維持管理に対する費用がある。
【００１１】
ＨＰＤＩ（商標名）天然ガスエンジンの着火を助けるためにその他の手段を使用してもよい。一例として、天然ガスは直接噴射された後に火花点火される。しかしながら、直接噴射された天然ガスの火花点火は、グロープラグ着火と同じ問題を多く有する。
【００１２】
本発明は上述した問題に取り組む。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は内燃機関の作動に関する方法及び装置を提供する。
本発明の一態様は、直接噴射された気体燃料の着火アシスト方法及び装置を提供する。本方法では、燃焼室内で遭遇する状態において、吸気を天然ガスの自己着火温度より高温に予熱する。
【００１４】
本方法及び装置では、主要量の気体燃料を燃焼室へ導入する前に、吸気中に着火環境を作り出す。
本発明の別の態様は、吸気を燃焼室へ導くことにより内燃機関を作動させる方法を提供する。本方法は、燃焼室へ吸気を導く工程と、その吸気を燃焼室内で圧縮する工程と、エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時を判定する工程とを含む。エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時には、エンジンは第１作動モードで作動させられる。第１作動モードは、第１量の燃料を燃焼室へ直接噴射するとともに、第１量の燃料を燃焼させることにより吸気温度を燃料の自己着火温度よりも高温に上昇させる工程を含む。次に、吸気温度が燃料の自己着火温度以上である時に、第２量の燃料が燃焼室へ直接噴射される。
【００１５】
本発明の幾つかの実施形態は、エンジン負荷マップ上の一連の点を決定する工程を含み、各点は別個の負荷状態に対応する。第１量の燃料はグロープラグにより着火される。第１量は上死点前の６０から３０クランク角度の間に導入される。
【００１６】
ピストンが上死点にある時に、吸気温度が燃料の自己着火温度であると好ましい。
第２量は第１量よりも大きい燃料質量を有する。
第２量の殆どがピストンの爆発行程の間に着火及び燃焼するように、第２量の燃料の噴射は時期が計られる。例えば、第２量の燃料はピストンが上死点付近にある時に噴射され
る。
【００１７】
幾つかの実施形態では第２作動モードを提供する。第２作動モードにおいて、燃料は燃焼室へ直接噴射される。燃料噴射の時期を計ることにより、大部分の燃料はピストンの爆発行程の間に燃焼する。燃料はグロープラグにより着火される。第２作動モードで作動する時には、燃料はグロープラグの方向へ噴射される。第２作動モードは低負荷モードである。
【００１８】
幾つかの実施形態において、第２作動モードでは、燃料は上死点前の−２０から２０クランク角度の間に噴射される。ピストンの爆発工程の間に着火及び燃焼する燃料の二次噴射が提供される。
【００１９】
本発明の別の態様は、低負荷又は高負荷が選択される場合において、高負荷状態での気体燃料供給内燃機関の作動方法を提供する。高負荷では、吸気を燃焼室へ導く工程と、ピストンの圧縮行程の間に燃焼室内の吸気を圧縮する工程とを含む。ピストンの圧縮行程の間に、パイロット量の燃料が燃焼室内の圧縮吸気へ供給される。次にパイロット量の気体燃料は燃焼させられる。吸気温度が上昇して、燃料の自己着火温度以上の温度となった時には、主要量の気体燃料が吸気へ向けられる。
【００２０】
本発明の他の態様は、作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室内に自己着火環境を作り出す方法を提供する。本方法は吸気を圧縮する工程と、燃焼室内で第１量の燃料を燃焼させる工程と、吸気温度を上昇させる工程とを含む。これは圧縮行程の間に行なわれる。温度が燃料の自己着火温度以上になると、第２量の燃料が燃焼室へ直接噴射される。
【００２１】
本発明は更に、燃料として天然ガス又はメタンを含む燃料を使用することを企図する。
本発明の幾つかの実施形態は、高圧噴射弁を提供する。噴射弁は主要量の気体燃料に先立ち、導かれたパイロット量の気体燃料を熱面へ搬送する。燃料噴射弁は燃焼室へ挿入可能な弁先端を有する中空弁体を含む。弁先端内に設けられ、気体燃料着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射するパイロット燃料噴射口もまた含まれる。更に、パイロット燃料噴射口と比較して燃焼室のより広範囲に燃料を噴射する複数の主要燃料噴射口は、中空弁体内に配置される弁ニードルと共に含まれる。弁ニードルは三位置間で移動可能とされる。第１には閉鎖位置であり、圧縮量の燃料が中空弁体内に収容される。第２には第１開放位置であり、パイロット燃料噴射口のみから燃料を噴射可能である。第３には第２開放位置であり、パイロット燃料噴射口及び複数の主要燃料噴射口から燃料を噴射可能である。燃料は気体燃料を含み、例えば天然ガス又はメタンを含む燃料が含まれる。
【００２２】
幾つかの実施形態において、噴射弁はニードル先端を含み、ニードル先端は弁ニードルの軸部から延出し、弁ニードルはニードル先端よりも大きな断面積を有する。環状肩部はニードル先端及び軸部の間に配置され、環状肩部は封鎖面を含み、封鎖面は弁座と協働して、封鎖面が弁座へ付勢されている時には中空弁体内の気体燃料を封鎖する。更に、噴射弁ニードル先端は中空弁体の内面と協働して、弁ニードルが第１位置にある時に、燃料が中空弁体から主要燃料噴射口を介して流出するのを阻止する。
【００２３】
噴射弁において、ニードル先端の放射状面は弁先端内の溜めに嵌め締められる。弁ニードルが第１開放位置にある時には、ニードル先端及び溜めの側壁間の空隙によって、主要燃料噴射口への気体燃料の流出を実質的に阻止する流体絞りが得られる。ニードル先端が溜めから上昇させられることにより気体燃料が主要燃料噴射口へ流出するように、弁ニードルは中空弁体内に引き込み可能である。
【００２４】
ニードル先端は弁ニードルの軸部と相対移動可能である。弁ニードルが第１開放位置に
ある時にニードル先端の端面は、中空弁体の内面により供される第２弁座に着座させられる。弁ニードルが第２開放位置にある時に、ニードル先端は第２弁座から上昇させられる。弁ニードルが閉鎖位置又は第１開放位置にある時に、ニードル先端はニードル先端と軸部との間に配置されるばね又はその他の付勢機構により第２弁座へ付勢される。ニードル先端はフランジを含み、フランジは軸部の縁と協働することにより、軸部を所定距離より大きく中空弁体へ引き込ませてニードル先端を第２弁座から上昇させる。
【００２５】
パイロット燃料噴射口は、主要燃料噴射口の結合開放面積よりも小さい結合開放面積を有する複数のパイロット燃料噴射口の一個である。複数のパイロット燃料噴射口は、着火アシスト装置を含む燃焼室部分へ気体燃料を噴射するように向きが決められる。
【００２６】
複数の主要燃料噴射口が設けられる。本発明の幾つかの実施形態において、主要燃料噴射口は着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射するように使用されない。
別の実施形態は、第１閉鎖付勢力と、第２閉鎖付勢力と、第３閉鎖付勢力と、第１開放付勢力と、第２開放付勢力を使用して、ニードルを閉鎖位置、第１開放位置及び第２開放位置間で駆動させる工程を含む。第１閉鎖付勢力、第２閉鎖付勢力、及び第３閉鎖付勢力は各々、第１解放付勢力及び第２開放付勢力に抗してニードルに作用する第１流体力、第２流体力、及び第３流体力である。第１流体力が第１解放付勢力によりもたらされる第１開放力及び第２開放付勢力によりもたらされる第２開放力よりも大きくされることにより、ニードルは閉鎖位置へ駆動される。第２流体力が第１開放力よりも大きく且つ第２開放力よりも小さくされることにより、ニードルは第１開放位置へ駆動される。第３流体力が第１開放力及び第２開放力よりも小さくされることにより、ニードルは第２開放位置へ駆動される。
【００２７】
別の実施形態では、第１開放付勢力は剛性ばねにより得られ、第２開放付勢力は軟性ばねにより得られる。剛性ばね及び軟性ばねはニードル及び弁先端の間で作用する。
本発明の別の態様は、内燃機関を提供する。内燃機関は燃焼室を含み、燃焼室はシリンダと、シリンダ内において往復移動可能なピストンと、シリンダヘッドのファイヤデッキとにより実質的に形成される。気体燃料着火アシスト装置が燃焼室内に配置される。気体燃料を燃焼室へ直接噴射する燃料噴射弁が設けられる。燃料噴射弁は、燃焼室への挿入可能な弁先端を備えた中空弁体と、弁先端内に設けられており、装置の方向へ燃料を噴射するパイロット燃料噴射口と、パイロット燃料噴射口と比較して燃焼室のより広範囲へ燃料を噴射する複数の主要燃料噴射口とを含む。複数の主要燃料噴射口はパイロット燃料噴射口に関連する開放面積よりも大きな結合開放面積を有する。弁ニードルは中空弁体内に配置される。弁ニードルは閉鎖位置と、第１開放位置と、第２開放位置との間で移動可能であり、閉鎖位置において、圧縮量の気体燃料が中空弁体内に収容されており、第１開放位置において、パイロット燃料噴射口のみから気体燃料を噴射可能であり、第２開放位置において、パイロット燃料噴射口及び複数の主要燃料噴射口から気体燃料を噴射可能である。
【００２８】
弁先端はファイヤデッキ上において実質的に中央に配置されており、着火アシスト装置は弁先端から放射状方向に離間させられる。着火アシスト装置はグロープラグを含む。
更に、グロープラグが使用される場合には、エンジンは好適にはグロープラグシールドを更に含む。好適な実施形態では、少なくともシールドの一部は燃焼室内においてグロープラグと燃料噴射弁との間に配置される。シールドは更にグロープラグを包囲する。また別の実施形態では、シールドは少なくとも１本の入口路及び少なくとも１本の出口路である少なくとも２本の燃料路を形成する。少なくとも１本の入口路は第１量の気体燃料を受け取り、第１量の気体燃料はグロープラグにより着火される。少なくとも１本の出口路は出口路を越え且つシールドの周囲に向けられる第２量の気体燃料へ火炎を向ける。火炎は第１量の気体燃料が燃焼する間に発生させられる。別の実施形態では、第１量の燃料はパ
イロット燃料噴射口により入口路へ向けられる。
【００２９】
エンジンは弁ニードルに指令を出す制御装置を含む。高負荷作動モードで作動するように制御装置に指令が出されると、制御装置はピストンが上死点前の６０から３０クランク角度の間にある時に、弁ニードルを第１開放位置に制御する。制御装置はまた所定の閾値負荷よりも大きい負荷値で作動するように弁ニードルを制御する。制御装置は第１作動モードで作動し、ピストンが上死点前の６０から３０クランク角度の間にある時に、制御装置は弁ニードルを第１開放位置に制御する。制御装置はまた、燃焼室が気体燃料の自己着火温度以上である時に、弁ニードルを第２開放位置に制御する。いくつかの実施形態では、制御装置はエンジン負荷マップ上の一連の点から閾値負荷を決定し、各点は別個の負荷状態に対応する。
【００３０】
本発明の別の実施形態は、本開示において教示される方法を使用した気体燃料供給直接噴射式内燃機関の燃焼室において使用されるグロープラグシールドを提供する。グロープラグシールドは外面及び外面と対向する内面を含む。シールドは少なくとも１つの入口放射状面と、少なくとも１つの出口放射状面とを形成する。各放射状面は外面から突出し、少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面の各々は、少なくとも１本の交差線を形成し、交差線は内面から少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面に向けて後方へ突出する。また、少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面の各々は、少なくとも１本の入口線及び少なくとも１本の出口線を形成し、入口線において少なくとも１つの入口放射状面は外面と交差し、出口線において少なくともつの出口放射状面は外面と交差する。少なくとも１本の交差線における少なくとも１つの入口放射状面全部及び少なくとも１つの出口放射状面全部の間の全角度は４５度よりも大きい。シールドはまた、入口路及び出口路である少なくとも２本の通路を形成し、入口路は少なくとも１本の入口線の各々と一致させられ、出口路は少なくとも１本の出口線の各々と一致させられる。また、グロープラグシールドは円柱形状を有する。別の実施形態では、グロープラグシールドは上面を形成し、シールドは内燃機関の燃焼室内においてファイヤデッキから懸架される。それ故入口路及び出口路は、上面から等距離にある。好適な実施形態では、通路は孔である。
【００３１】
従属発明の別の実施形態は、内燃機関の作動方法を含む。本方法は、吸気を燃焼室へ導く工程と、吸気を燃焼室内で圧縮する工程と、エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時を判定する工程とを含む。エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時に、エンジンは第１作動モードで作動する。第１作動モードは、吸気を圧縮する一方で、グロープラグシールドにより形成される入口路において第１量の燃料を噴射する工程を含み、シールドは燃焼室まで延出する。グロープラグシールドは噴射装置及びシールドに近接するグロープラグの間に配置される。第１量の燃料は入口路を通過した後にグロープラグ上で着火させられる。第１量の燃料燃焼からの火炎は、シールドにより形成された出口路を介して第２量の燃料へ向けられる。第２量の燃料はシールドを通過し、出口路を越えるように向けらる。火炎により第２量の燃料は着火する。第１及び第２量の燃焼によって燃焼室内の吸気温度は上昇する。最後に、吸気温度が燃料の自己着火温度以上である時には、吸気の圧縮完了近くに第３量の燃料が燃焼室へ直接噴射される。
【００３２】
別の実施形態において本方法では、燃料は気体燃料である。気体燃料はメタン、エタン、プロパン、ブタン及び炭化水素の中の少なくとも１つを含む。
本発明の別の態様及び本発明の特定実施形態の構成について、以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明は、燃焼室内での天然ガスの自己着火及び燃焼に適した燃焼室内環境を作り出す方法及び装置を提供する。
図１は燃焼室の側断面図を示す。図示する実施形態において、ピストン２０はシリンダ２４内を矢印２２の方向へ移動する。燃焼室２６は部分的にシリンダ２４、ピストン２０及びシリンダヘッド２８のファイヤデッキにより形成される。また、噴射弁３０及びグロープラグ３２も図示されており、両者は燃焼室２６へ突出している。
【００３４】
図２ａ及び２ｂは図１に示す実施形態と同じ実施形態において、エンジンの圧縮行程の後期を示す。本実施形態では、全図面において同じ構成を表すために同じ符号が採用されている。天然ガスはパイロット燃料噴流３４でもって燃焼室２６へ直接噴射される。パイロット燃料噴流３４はグロープラグ３２へ向けられ、パイロット燃料燃焼領域３６において燃焼が生じる。図２ａは側断面図であり、図２ｂは燃焼室２６を示す図２ａの２Ｂ−２Ｂ線断面図である。
【００３５】
図３は図１及び図２の実施形態において、ピストン２０が圧縮行程の終了に近く上死点又はその付近にあり、矢印２２の方向へ移動する状態を示す。ここで、主要量の天然ガスは主燃料噴流３５でもって燃焼室２６全体へ直接噴射される。この段階において、燃焼域３８はパイロット燃料噴流３４及び主要燃料噴流３５の周囲に形成される。
【００３６】
図４は開示される方法を使用して図１乃至図３に図示する実施形態について測定された燃焼室２６内の放熱率（線５０）及び燃焼室温度（線５２）をクランク角に対して座標で表すグラフであり、クランク角は回転角度で測定される。線５０及び５２との比較のために、線５４及び線５６も図示されている。線５４は温度曲線であり、且つ線５６は放熱率曲線であり、内燃機関の同じ燃焼室に対するものである。これらの線は、パイロット量の天然ガスを使用せずに吸気を予め調整する時の燃焼室内状態を示す。また線５８も図示されており、線５８は、天然ガス燃料が供給される典型的な圧縮点火ディーゼルエンジンの高負荷状態における自己着火温度を示しており、このようなディーゼルエンジンで測定されている。
【００３７】
図１乃至図４は、エンジンが高負荷状態で作動する時の、装置の好適な実施形態の作動方法における好適な工程を示す。図１及び図２はまた、低負荷状態における好適な作動方法を説明する助けとなる。高負荷及び低負荷の両方に対する本方法の工程について、以下に詳述する。
【００３８】
図１乃至図４を参照すると、ピストン２０はエンジンの圧縮行程の間に、上死点へ向けて矢印２２の方向へ移動する。ピストン２０は吸気行程の間に、燃焼室へ導入された吸気を圧縮する。図示しないが、吸気行程は圧縮行程の直前に行なわれる。当該技術分野に属する者であれば理解し得ることであるが、吸気は排気ガス再循環（ＥＧＲ）又はその他の吸気構成物を含み、或いは含んでいない大量の新鮮な空気であってもよい。
【００３９】
圧縮行程の間に吸気温度は上昇する。エンジンの所定圧縮比について、圧縮の間における温度上昇は制限される。図４を参照すると、上死点前の約３０度までは、吸気の圧縮のみが吸気温度の上昇の原因である。図２及び図４を参照すると、吸気の温度上昇を増大させるために、圧縮行程の後期の間にパイロット燃料噴流３４は天然ガスを燃焼室へ導入する。パイロット燃料噴流３４はグロープラグ３２へ向けられる。グロープラグ３２の付近において、このパイロット量の天然ガスはパイロット燃料燃焼領域３６内で点火する。パイロット量の天然ガスが燃焼すると、圧縮行程が完了する間の吸気の更なる圧縮と合わせて、燃焼室２６内の吸気温度は大幅に上昇する。グロープラグ付近においてパイロット量の天然ガスが燃焼すると、燃焼室中の吸気温度が上昇する。図４を参照すると、パイロット燃料として噴射される量の天然ガスは、上死点前の４５度から４０度の間に供給される。燃焼は上死点前の２５度から３０度の間に開始することが、放熱線５０により示されている。放熱によって、上死点前の５度から０度の間の時点まで吸気温度は上昇する。この
同じ範囲内において、室内Ｓ温度は線５８に示す天然ガスの自己着火温度を越える。
【００４０】
グロープラグを保護するとともにパイロット燃料の燃焼を向上させるために、図示されていないがグロープラグシールドが設けられてもよい。
図３を参照すると、ピストン２０が上死点又はその付近にあり、爆発行程の開始又は開始近くまでに、主要気体燃料が主要燃料噴流３５へ導入される。パイロット燃料の燃焼後のこの時点における吸気により燃焼環境が提供され、天然ガスは自己着火する。その上、燃焼パイロット燃料の残留ポケットがあり、直接噴射された主要燃料噴流３５の幾らかを点火する。一例として、残留燃焼は圧縮行程の後期にパイロット量が導入される燃焼室に存在し、及び／又は天然ガスの主要噴射までパイロット量がガス燃焼を維持するのに十分な燃焼室に存在する。
【００４１】
天然ガスパイロット燃料噴流の量、時期及び流速は、主要量の天然ガスの直接噴射開始時に燃焼室内を自己着火環境とするのに十分な程度に決められる。図４に示し且つ上述した例において、気体パイロット燃料は上死点前の４５度から４０度の間に導入される。しかしながら、エンジン及び作動状態に応じて、パイロット量の天然ガスは上死点前の６０度から３０度の間の時点において好適に導入される。上死点前の６０度よりも前及び上死点前の３０度よりも後に噴射させても、上死点近くにおいて主要量の気体燃料が噴射させられる前に吸気温度を自己着火状態まで上昇させられない。また、上死点前のパイロット燃料の燃焼は、シリンダ中に熱損失を伝える。この損失は圧縮行程においてより早期にパイロット燃料の燃焼が開始した時に一層大きい。更に、吸気の加熱後にその吸気を圧縮するために必要とされる付加的なエネルギーは、圧縮行程のより早い時期とは対照的に、上死点に又はその付近において自己着火温度に達した時に減少する。
【００４２】
上述したように、エンジンが高負荷状態で作動する時に本方法は好適に実施される。高負荷状態では、ピストンを駆動させるために利用される主要燃料とは対照的に、吸気内に自己着火温度を作り出すために必要なパイロット燃料の量は比較的少ない。
【００４３】
低負荷状態では、パイロット燃料の量と主要燃料の量との差はより小さい。低負荷状態では、ピストンを駆動するためにより少ない主要燃料が必要となる。それ故低負荷状態では、高負荷状態に好適な方法を使用して自己着火温度に到達するために圧縮行程の間に付与されるエネルギーは、爆発行程の間に付与されるエネルギーに匹敵する。それ故、パイロット量の天然ガスの燃焼はエンジンの作動を妨げ始める。
【００４４】
一例として、パイロット燃料の量（質量）は所定サイクルにおいて燃焼室へ送られる燃料の全体量（質量）の５０パーセント未満であることが好ましい。本開示上、供給されるパイロット燃料に照らして、燃焼室を自己着火状態とするのに必要なパイロット燃料の量（質量）が、操作者の負荷要求を満たすのに必要な主要燃料の１００パーセント以上であると、エンジンは低負荷作動モードで作動すると考えられる。それ以外では、エンジンは高負荷作動モードで作動すると考えられる。
【００４５】
上述の実施形態を使用して低負荷状態で作動させることは可能であるが、代わりとなる低負荷作動方法が好ましい。低負荷状態では、同様な装置を利用して、パイロット燃料噴射口から燃料を噴射させる。しかしながら、圧縮行程の初期にパイロット燃料噴射口から燃料を噴射させて自己着火環境を作り出す代わりに、気体燃料をもっと後の上死点又はその付近に、好適には上死点の２０度以内に噴射させることにより、パイロット燃料噴射口から噴射させられる気体燃料の燃焼によって爆発行程の間にエンジンを駆動する。低負荷状態では必要燃料量は比較的少ないので、パイロット燃料噴射口から噴射させられる燃料は、低負荷作動状態の広範囲に亘りエンジンを駆動するための要求エネルギー必要量を満足させる程度の量である。また、このような好適な低負荷作動状態で使用される全燃料は
（複数の）パイロット燃料噴射口から供給されるので、その全てはグロープラグへ向けられる。従って、殆どの燃料が燃焼してしまい、炭化水素の排出及び効率に関する懸念は小さくなる。
【００４６】
低負荷で作動する時には、（複数の）パイロット燃料噴射口から噴射される天然ガス量がピストンを駆動するのに必要な全エネルギーを供給する程度に十分でなければ、（複数の）主要燃料噴射口から燃料を導入することにより補足的なエネルギーが供給される。この低負荷における好適な作動方法において、このような補足的な燃料の点火は（複数の）パイロット燃料噴射口から供給される燃料の燃焼により援助される。一般的に低負荷状態では、（複数の）パイロット燃料噴射口から噴射される燃料の燃焼では、補足量の燃料が導入される前に吸気温度を自己着火温度よりも高く上昇させられない。従って、自己着火よりもむしろ（複数の）パイロット燃料噴射口から噴射される燃料の燃焼によって生じる火炎伝播を利用して、補足量の燃料は燃焼させられる。
【００４７】
作動モードはまた制御装置により決定されてもよい。エンジンはエンジン負荷マップを定めるように較正されてもよく、マップ上の各点は別個の負荷状態に対応する。エンジンの一組の所定作動パラメータに対して特定される負荷状態よりも高負荷でエンジンが作動していると制御装置が判定すると、制御装置は開示する方法を使用するように要求する。負荷マップを定めるための較正は多数のエンジンパラメータに基づいており、その中には燃焼室内に自己着火環境を形成するために必要な相対パイロット燃料必要量と、パイロット必要量を考慮しつつ負荷要求値を満たすために必要な主要燃料量とが含まれる。一組の所定作動パラメータに対する所定負荷のこの比率が、容認しがたいエンジン性能の損失となる量を超えるならば、エンジン負荷マップによりこれは閾値負荷として示される。次に制御装置はこの情報を使用し、それに応じてエンジンに要求する。閾値より大きいと、初期のパイロット量の燃料は自己着火状態を達成するために加えられ（上述した高負荷モードのために利用される方法）、閾値未満では、燃料は上死点付近で加えられる（記載した低負荷モード）。
【００４８】
好適な高負荷作動方法及び好適な低負荷作動方法は異なった状態で作用し、また各方法が低負荷及び高負荷作動状態に適するように夫々有利な条件を有することは、当該技術分野に属する者であれば理解し得る。
【００４９】
本開示では、クランク軸の回転角度で測定される上死点の３０度以内にピストンがある時に、ピストンは「上死点付近」にある。
図５乃至図７を参照すると、上述した方法において使用される噴射弁の第１実施形態を提供する。図５乃至図７、及び噴射弁の第２実施形態を提供する図８乃至図１０に注目すると、各々は弁の下部のみを詳細に示している。弁先端１００は弁ニードル１０２を備えており、弁ニードル１０２は弁先端１００内に移動可能に配置される。弁座１０４は弁先端１００内の面であり、ニードル封鎖面１０６と協働して、図５に図示するように弁ニードル１０２が閉鎖位置にある時には燃料空隙１０８をパイロット燃料噴射口１１２から離間させる。ばね部材（図示なし）を典型的には採用して、封鎖面１０６を弁座１０４に対して付勢することにより弁ニードル１０２を閉鎖位置とする。図２ｂ及び図３ｂに示すように、（複数の）パイロット燃料噴射口１１２は弁先端１００の周囲に均等に配置されていない。むしろ、１個又はそれ以上のパイロット噴射口は好適にはグロープラグ付近のみに燃料噴流を向けるように配置される。
【００５０】
弁先端１００は図１乃至図３に示すように、内燃機関の燃焼室内に装着される。噴射弁が閉鎖位置にある時には、気体燃料は（複数の）パイロット燃料噴射口１１２或いは（複数の）主要燃料噴射口１２０から燃焼室への流入が阻止されている。
【００５１】
一般的なレール式の噴射弁では、気体燃料は燃料空隙１０８内で圧縮させられ、燃料噴射弁が開放されると、燃料が燃焼室へ噴射される。４行程機関に当てはまる殆どの作動状態の中で、図５に示す閉鎖位置は排気、吸気、及び圧縮行程の初期の間における弁先端１００の状態である。
【００５２】
開示される噴射弁の特徴としては、弁は２つの別個の開放位置をとる。図６において、噴射弁は部分的に開放しており、燃料はパイロット燃料噴射口１１２のみから燃焼室へ噴射させられる。図７において、噴射弁は完全に開放しており、燃料は（複数の）パイロット燃料噴射口１１２及び主要燃料噴射口１２０の両方から燃焼室へ噴射させられる。
【００５３】
図６を参照すると、弁ニードル１０２の封鎖面１０６が弁座１０４から上昇させられて、燃料空隙１０８内に収容されている圧縮燃料は封鎖面１０６及び弁座１０４の間の空間から、（複数の）パイロット燃料噴射口１１２を介して燃焼室へ流入させられる。しかしながら、ニードル先端１１６及び弁先端１００内面間の締まり嵌めにより、燃料空隙１０８から主要燃料噴射口１２０への燃料の流入は実質的に阻止される。図６に示す部分開放位置は、図２に示すように気体燃料が（複数の）パイロット燃料噴射口１１２のみから噴射させられる時に対応する。好適な方法に関する記載において開示したように、この部分開放位置が選択されると、高負荷作動状態の間にパイロット量の気体燃料を噴射させ、或いは低負荷状態の間に主要量の燃料を噴射させる。
【００５４】
図７を参照すると、弁ニードル１０２は完全開放位置にあり、弁ニードル１０２が後退させられて、燃料は燃料空隙１０８から弁座１０４及び封鎖面１０６の間の空間とニードル先端１１６及び弁先端１００の間の開放空間を介して流出する。この完全開放位置において、気体燃料は（複数の）パイロット燃料噴射口１１２及び主要燃料噴射口１２０の両方から燃焼室へ噴射させられる。これは図３に示すように燃料が燃焼室へ噴射させられる時に対応する。
【００５５】
従って、この第１実施形態の噴射弁を採用して、上記に教示した方法を実施することができる。
第１実施形態の噴射弁では、弁ニードル１０２の上昇を精確に制御する性能が要求される。一例として、機械式又は液圧式「ラッチ」を使用してもよく、ラッチは噴射弁の要求作動モードに応じて上昇を制御するように構成される。このようなラッチは、作動させられた時には弁ニードル１０２が噴射弁内の所定地点を越え続けるのを物理的に停止させる。また一例として、当該技術分野に属するものであれば理解し得るように、弁ニードル１０２の上昇は圧電式機構、ソレノイド、磁歪装置、又は弁ニードル１０２を制御上昇させる別の種類の機械式装置により制御されてもよい。
【００５６】
第１実施形態の特徴としては、（複数の）パイロット燃料噴射口１１２のみから、或いは（複数の）パイロット燃料噴射口１１２及び主要燃料噴射口１２０の両方からの流出を制御する単一の一体式ニードル構成が単純である。
【００５７】
開示する方法において採用される噴射弁の第２実施形態を図８乃至図１０に示す。弁先端２００は弁ニードル２０２を有し、弁ニードル２０２は弁先端２００内に移動可能に配置される。図８に示す閉鎖位置において、第２実施形態は第１実施形態と略同じである。燃料空隙２０８内に収容された圧縮燃料は、弁座２０４へ向けて付勢されている弁ニードル２０２の封鎖面２０６により、（複数の）パイロット燃料噴射口２１２又は主要燃料噴射口２２０への流入が阻止される。第１実施形態と第２実施形態との相違点は、各噴射弁が部分開放位置及び完全開放位置においてどのように機能するかに関連しており、これらの位置については図９及び図１０を参照して詳述する。
【００５８】
第２実施形態の燃料噴射弁はニードル先端２１６を含み、ニードル先端２１６は弁ニードル２０２と相対的に移動可能である。弁ニードル２０２が閉鎖位置にある時には、図８に示すようにアクチュエータ２１７によりニードル先端２１６は室２１５内に引き込まれる。例えばアクチュエータ２１７がばね部材である時には、ばねは弁が閉鎖位置にある時には圧縮させられる。
【００５９】
次に図９を参照すると、弁ニードル２０２の封鎖面２０６が弁座２０４から上昇させられた時には、気体燃料が（複数の）パイロット燃料噴射口２１２から燃焼室へ噴射させられる。二次弁座２１４に載置されたニードル先端２１６の端面により、気体燃料は燃料空隙２０８から主要燃料噴射口２２０への流入が阻止させられる。アクチュエータ２１７は、弁ニードル２０２が部分的に上昇させられた時に、ニードル先端２１６の端面を二次弁座２１４に対して付勢するように拡張可能である。図９に示すような部分開放した噴射弁により、図２に示すような噴射事象に対応するパイロット燃料噴射口２１２のみから噴射する装置が得られる。
【００６０】
次に図１０を参照すると、弁ニードル２０２を図９の位置よりも更に引き込ませることにより、フランジ２１８は縁２１９と係合し、これによりニードル先端２１６は二次弁座２１４から上昇させられる。結果的に、燃料空隙２０８からの気体燃料は次に（複数の）パイロット燃料噴射口２１２及び主要燃料噴射口２２０から流出する。気体燃料を（複数の）パイロット燃料噴射口２１２に加えて主要燃料噴射口２２０からも噴射させることにより、より大きな流通面積が得られ、燃焼室内へのより大きな燃料質量流量が可能となる。主要燃料噴射口２２０の追加によりまた、グロープラグの付近のみに代えて、燃焼室内のより広い領域への燃料の分配が可能になる。
【００６１】
第１実施形態の噴射弁と同様に、ニードル２０２の上昇は圧電式機構、ソレノイド、磁歪装置又は弁ニードル２０２を制御上昇させる別の種類の機械式装置により制御されてもよい。
【００６２】
次に図１１を参照すると、噴射弁は図５乃至図７に示す構成に組み入れられたものと同様な先端構成を備える。図示する実施形態は弁の上流制御システムを含む。弁先端３００弁ニードル３０２を有し、弁ニードル３０２は弁先端３００内に配置される。弁座３０４は弁先端３００内の面であり、ニードル座３０６と協働して、弁ニードル３０２が閉鎖位置にあり弁座３０４がニードル座３０６と当接する時には、燃料空隙３０８をパイロット燃料噴射口３１２から離間させる手段を提供する。上述した先の実施形態の場合と同様に、パイロット燃料噴射口３１２（又は複数の噴射口）は弁先端３００の周囲に均等に分配されていない。噴射装置がファイヤデッキに配置された時に、パイロット燃料噴流を熱面即ちグロープラグのみへ向けるように、パイロット燃料噴射口３１２の向きは決められる。
【００６３】
先の実施形態と同様に、ニードル先端３１６と噴射口先端３００の内面との嵌め締まりにより、燃料空隙３０８から主要燃料噴射口３２０への燃料の流出は実質的に阻止される。図１１に示す部分開放位置は時間ｔｐ１に対応しており、この時気体燃料は（複数の）パイロット燃料噴射口３１２のみから噴射させられている。
【００６４】
時間ｔｐ２において気体燃料が噴射口３２０から所望されると、ニードル３０２はニードル先端３１６を弁先端３００の内面から引き寄せ、ガスを噴射口３２０から燃焼室へ流入させる。燃焼室は上記に教示したように（複数の）噴射口３１２からの初期のパイロット噴射により加熱されている。
【００６５】
燃料は一般的に噴射装置燃料ライン３２２を介して燃料空隙３０８へ供給される。
ニードル３０２は剛性ばね３２４及び軟性ばね３２６の相互作用により弁先端３００内を駆動させられ、剛性ばね３２４及び軟性ばね３２６は、第１低圧ライン３３４及び第２低圧ライン３３２に配置される第１低圧ソレノイド弁３２８及び第２低圧ソレノイド弁３３０の作用の結果として、ニードルヘッド３４２に作用する流体供給圧と相互作用する。高圧ライン３４０はニードルヘッド３４２の外面と、第１低圧ライン３３４と、第２低圧ライン３３２と連通する。
【００６６】
時間ｔｐ０において、（複数の）パイロット燃料噴射口３１２又は主要燃料噴射口３２０のいずれからのガス流が実質的に所望されていないので、ソレノイド弁３２８、３３０の両方が閉鎖させられて、第１低圧ライン３３４及び第２低圧ライン３３２からの流体流が制限される。それ故、高圧ラインは高圧流体をニードルヘッド３４２の外面へ搬送し、これにより剛性ばね３２４及び軟性ばね３２６の両方が圧縮させられて、ニードル座面３０６は弁座３０４に封着させられる。時間ｔｐ１において、主要燃料噴射口３２０から燃料が制限される一方でパイロット噴射口３１２から燃料が要求されているので、弁３３０が開放させられてライン３３２を通る制限流出流が許容され、それ故ニードルヘッド３４２に作用する圧力は解放される。それ故、剛性ばね３２４の作用はニードル３０２に作用して、弁座３０４及び封鎖面３０６の間に形成される管路を強制的に開放する。次に、これにより燃料は（複数の）パイロット燃料噴射口３１２から流出する。軟性ばねはニードルヘッド３４２に結果的に生じる圧力を相殺することができないように較正されることに注意されたい。時間ｔｐ２において、弁３２８が開放されて、ライン３３４を通る第２の制限流体流によりニードルヘッド３４２に作用する圧力が更に減少させられる。この更なる圧力減少により、軟性ばね３２６がニードル３０２に作用して、ニードル先端３１６が弁先端３００の内面から強制的に引き寄せられ、主要燃料噴射口３２０を通りエンジンの燃焼室へ流れる管路が開放される。
【００６７】
当該技術分野に属する者であれば理解し得るように、ソレノイド弁３３０、３２８はライン３３２、３３４を通る流体流を制限するその他の手段に置き換えられてもよい。圧電弁を使用してライン３３２、３３４を通る流れを管理してもよい。当該技術分野に属する者であれば理解し得るように、弁を選択する際には、迅速に作用させるために弁の性能を考慮すべきである。
【００６８】
図１２を参照すると、従属発明に使用するのに適した好適なグローリング及びシールド構成の実施形態を提供する。ここでパイロット燃料噴流４００は、図１２ａにおいてグロープラグシールド４０２に接近した状態が示されており、図１２ｂにおいてグロープラグ４０６に衝突した状態が示されている。（複数の）シールド入口孔及び出口孔（４０４）が図示されている。図１２ｂにおいて、火炎４１０はグロープラグ４０６と相互作用した後に発火させられている。
【００６９】
実際は、（複数の）入口孔４０８をパイロット燃料噴流４０８の流れと略一直線に合わせることにより、燃料噴流４００はシールド４０２により保護されたグロープラグ４０６へ導入される。次にシールド４０２により燃料噴流４００の一部がシールド４０２の周囲へ向けられて出口孔４０４を通過し、そこで火炎４１０はシールド４０２に近い燃料噴流４００へ向けられる。これにより、パイロット燃料４００は迅速に発火させられるとともに比較的完全に燃焼して、主要燃料が噴射させられた時の燃焼室の燃焼を発生させ或いは調整する。
【００７０】
図１２を参照すると、各入口及び出口孔４０８、４０４はシールド及びシールドから突出する放射状の平面の交差点により画定される線と一致させられるように図示されている。図１２において、入口孔４０８に関連する放射状の平面と、出口孔４０４に関連する放射状の平面との間の角度は約９０度である。しかしながらこれは変化する。好適には、入
口孔及び出口孔間が概して４５度よりも大きい角度であれば作用する。４５度よりもかなり小さい角度では、シールド内部の火炎及びこの孔を通る追加パイロット燃料の流入間において好ましくない干渉が生じる。この角度の制限にはまた、本願において言及するところでは、火炎を概して放射状平面に沿って導く孔の場合と同様に、シールドの外側の同じ領域を標的とする放射状平面から偏移した角度上の出口孔によって火炎を導くような、入口及び出口孔間の効果的な角度も含まれる。
【００７１】
なお、上述した好適な実施形態では円柱形状が好適に図示されているが、シールドはグロープラグ及びシールド間に保護空間が得られる多様な形状であってもよく、この場合、シールドは噴射装置及びグロープラグの間に概して配置される。更に、燃料をグロープラグへ接近させ、その結果生じた火炎をシールドの外側へ接近させるための入口及び出口路もまた、図示する好適な導路、入口及び出口孔４０８、４０４以上に作用する。
【００７２】
燃料噴流４００の噴射圧は、所望するように燃料が（複数の）入口孔４０８へ流入させられるように制御されるべきである。
提供した実施形態において、１個の入口孔４０８が図示されているとともに、２個の出口４０４が図示されているが、本発明はこのように限定されない。入口孔は燃料噴流４００により標的とされ且つ貫通させられるようにシールド４０２上に配置される。同様に出口孔４０４は、シールド４０２内において燃料噴流４００の着火部分から突出する火炎が、シールド４０２の周囲に概して向けられる燃料噴流４１０の部分へ突出するように、シールド４０２上に配置される。
【００７３】
また、複数の出口孔４０４及び（複数の）入口孔４０８の寸法は、幾らかの燃料を（複数の）入口孔４０８を通過させ、且つ幾らかの燃料をシールド４０２の周りへ案内するように決められる。
【００７４】
当該技術分野に属する者には理解し得るように、グロープラグ４０６は内燃機関が遭遇する温度及び圧力に適した材料から形成される。シールド４０２に選択される材料は当該技術分野において周知のものである。燃料噴流４００に対して更に着火を補助するために、シールドへの触媒被膜を利用してもよい。
【００７５】
好適な方法ではパイロット噴射及び主要噴射に同じ燃料を使用しているが、主要燃料を自己着火状態とすることが可能な多様な燃料を使用してもよい。この場合には、噴射方式と共に提供される噴射弁の構成に適応させる必要がある。即ち、当該技術分野に属する者であれば理解し得るように、システムは二重燃料システムであり、それに従って変更させられる必要がある。
【００７６】
当該技術分野に属する者であれば理解し得るように、その他の噴射弁構成を採用して開示する方法を実施してもよい。
本発明の特定の要素、実施形態及び用途について図示及び詳述してきたが、当然のことながら、本開示の範囲から逸脱することなく特に前述した教示を照らし合わせて、当該技術分野に属する者により変更することは可能であるので、本発明はそれらに限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】気体燃料噴射弁及びグロープラグを備えた内燃機関の燃焼室を示す側断面図。天然ガスの燃焼室への噴射に先立つ圧縮行程の間における燃焼室が図示されている。
【図２Ａ】図１と同じ実施形態において、パイロット量の気体燃料が燃焼室へ導入されている圧縮行程の後期における燃焼室を示す側断面図。
【図２Ｂ】図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線における断面図。
【図３Ａ】図１及び図２と同じ実施形態において、圧縮行程の終了近くでピストンが上死点に又はその付近にあり、主要量の気体燃料が燃焼室へ導入されている状態を示す側断面図。
【図３Ｂ】図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線における断面図。
【図４】吸入温度及び天然ガス放熱率とクランク角との関係を示すグラフ。
【図５】パイロット量の燃料及び主要量の燃料を噴射する燃料噴射弁の下部の一実施形態を示す側断面図。図５において燃料噴射弁は閉鎖されている。
【図６】弁ニードルが配置されることによりパイロット量の気体燃料が燃焼室へ噴射させられる時の図５の燃料噴射弁の下部を示す側断面図。
【図７】弁ニードルが配置されることにより主要量の気体燃料が燃焼室へ噴射させられる時の噴射弁の下部を示す側断面図。
【図８】内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射する前において、閉鎖位置にある燃料噴射弁の下部の別の実施形態を示す側断面図。
【図９】図８の実施形態において、弁ニードルアセンブリが配置されることによりパイロット量の気体燃料が内燃機関の燃焼室へ噴射させられる状態を示す側断面図。
【図１０】図８の実施形態において、弁ニードルアセンブリが配置されることにより主要量の気体燃料が内燃機関の燃焼室へ噴射させられる状態を示す側断面図。
【図１１】噴射弁の上流制御を伴う噴射弁の別の実施形態を示す側断面図。
【図１２Ａ】従属発明において時間ｔ１における熱面アセンブリを示す側面図。
【図１２Ｂ】従属発明において時間ｔ２における熱面アセンブリを示す上断面図
【図１】
2006501395.tif 000003
2006501395.tif 000004
2006501395.tif 000005
【図４】
2006501395.tif 000006
【図５】
2006501395.tif 000007
【図６】
2006501395.tif 000008
【図７】
2006501395.tif 000009
【図８】
2006501395.tif 000010
【図９】
2006501395.tif 000011
【図１０】
2006501395.tif 000012
【図１１】
2006501395.tif 000013
2006501395.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月1日(2004.11.1)
【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】
ピストンを備えた少なくとも１個のシリンダを有する内燃機関の作動方法であって、
シリンダにより部分的に形成される燃焼室へ吸気を導く工程と、
吸気を燃焼室内で圧縮する工程と、
エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時に、第１作動モードで作動させる工程と、第１作動モードは、
吸気を圧縮する一方で、パイロット量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射するとともに、第１量の気体燃料を燃焼させることにより吸気温度を気体燃料の自己着火温度よりも高温に上昇させる工程と、
吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上である時に、第２量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程とを含み、第２量が噴射されることにより燃焼室内を燃焼させて、ピストンの爆発行程を行い、
エンジン負荷が所定の閾値負荷未満である時に、第２作動モードで作動させる工程とを含み、第２作動モードは、
ピストンがシリンダ内において上死点付近にある時に、第１量の気体燃料を噴射する工程と、
第１量の気体燃料を発火させるとともに、ピストンの爆発行程を行なう工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
エンジンマップからエンジン負荷を決定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
グロープラグにより第１量の気体燃料を着火する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１量の気体燃料をグロープラグの方向へ噴射する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ピストンが上死点前の６０度から３０度のクランク角の間にある時に第１量を噴射する工
程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ピストンが上死点にある時に、吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１作動モードにおいて、第２量の気体燃料は第１量の気体燃料よりも大きい燃料質量を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１作動モードにおいて、第２量の気体燃料がピストンの爆発行程の間に燃焼するように、第２量の気体燃料の噴射は時期が計られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第１作動モードにおいて、第２量の気体燃料はエンジンマップから決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第１量の気体燃料及び第２量の気体燃料は、単一の噴射装置から燃焼室へ直接噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
燃焼室は圧縮比をディーゼルエンジン範囲内に限定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
燃焼室は圧縮比を１４対１よりも大きいものに限定することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第２作動モードにおいて、第１量の燃料は上死点前の２０クランク角度と上死点後の２０クランク角度の間に噴射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
第２作動モードにおいて、ピストンの爆発行程の間に第２量の気体燃料を噴射するとともに、第２量の気体燃料を燃焼させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
燃焼室を部分的に形成する少なくとも１個のシリンダを有する気体燃料供給内燃機関の作動方法であって、
エンジンの負荷要求が高負荷範囲内にあるか否かを判定する工程と、
負荷要求が高負荷範囲内にある時には、エンジンの高負荷作動モードを選択する工程とを含み、高負荷作動モードは、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
ピストンの圧縮行程の間に燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
ピストンの圧縮行程の間に、第１量の気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ直接噴射する工程と、
第１量の気体燃料を着火する工程と、
第１量の気体燃料を燃焼させることにより、吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上の温度となるまで上昇するのをアシストする工程と、第１量の気体燃料の大部分はピストンの爆発行程開始前に燃焼してしまい、
吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上となった時に、第２量の気体燃料を吸気へ直接噴射する工程とを含み、
第２量の気体燃料の燃焼がピストンの爆発行程
の実行に貢献する
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
エンジンへの負荷要求が低負荷範囲内にある時を判定する工程と、
負荷要求が低負荷範囲内にある時にはエンジンの低負荷作動モードを選択する工程とを
含み、低負荷作動モードは、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
ピストンの圧縮行程の間に燃焼室内の吸気を圧縮する工程と、
ピストンが上死点に或いはその付近にある時に、第１量の気体燃料を燃焼室内の圧縮吸気へ直接噴射する工程と、
第１量の気体燃料を着火する工程と、
第１量の気体燃料を燃焼させる工程とを含み、第１量の気体燃料の燃焼がピストンの爆発行程の実行に貢献する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室内に自己着火環境を作り出す方法であって、燃焼室はピストンにより部分的に形成されるとともに、ディーゼルエンジンにより限定される範囲内の圧縮比を有し、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する一方で、第１量の気体燃料を噴射装置から燃焼室へ直接噴射し、第１量の気体燃料を着火し、且つ第１量の気体燃料を燃焼させるとともに吸気温度を上昇させる工程と、
吸気温度が気体燃料の自己着火温度以上である時に、噴射装置から第２量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程とを含み、第２量の気体燃料の燃焼がピストンの爆発行程の実行に貢献する
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
第１量の気体燃料は燃焼室内に配置されるグロープラグへ向けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２量の気体燃料は燃焼室全体へ向けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
第１量の気体燃料はシリンダのファイヤデッキから測定される第１角度で燃焼室へ向けられ、第２量の気体燃料はファイヤデッキから測定される第２角度で燃焼室へ向けられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
第１角度は第２角度よりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
気体燃料は天然ガスであることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
気体燃料はメタンを含むことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
気体燃料は炭化水素を含むことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
作動気体燃料供給内燃機関の燃焼室内に自己着火環境を作り出す方法であって、燃焼室はピストンにより部分的に形成され、
吸気を燃焼室へ導く工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する一方で、第１量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射する工程と、
第１量の気体燃料を着火する工程と、
燃焼室内の吸気を圧縮する一方で、第１量の気体燃料を燃焼させるとともに、吸気温度を上昇させる工程と、
吸気温度が燃料の自己着火温度以上である時に、第２量の気体燃料を燃焼室へ直接噴射
する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
内燃機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁であって、
燃焼室へ挿入可能な弁先端を有する中空弁体と、
弁先端内に設けられ、気体燃料着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射するパイロット燃料噴射口と、
少なくとも１個の主要燃料噴射口と、主要燃料噴射口はパイロット燃料噴射口と比較して燃焼室のより広範囲に燃料を噴射し、
中空弁体内に配置される弁ニードルとを含み、弁ニードルは閉鎖位置と第１開放位置と第２開放位置との間で移動可能であり、
閉鎖位置において、圧縮量の燃料が中空弁体内に収容され、
第１開放位置において、パイロット燃料噴射口のみから燃料を噴射可能であり、
第２開放位置において、パイロット燃料噴射口及び主要燃料噴射口から燃料を噴射可能である
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２７】
燃料は気体燃料であることを特徴とする請求項２６に記載の噴射弁。
【請求項２８】
燃料は天然ガスであることを特徴とする請求項２７に記載の噴射弁。
【請求項２９】
弁ニードルはニードル先端と環状肩部とを含み、ニードル先端は弁ニードルの軸部から延出し、弁ニードルはニードル先端よりも大きな断面積を有し、環状肩部はニードル先端及び軸部の間に配置され、環状肩部は封鎖面を含み、封鎖面は弁座と協働して、封鎖面が弁座へ付勢されている時には中空弁体内の気体燃料を封鎖することを特徴とする請求項２６に記載の噴射弁。
【請求項３０】
ニードル先端は中空弁体の内面と協働して、弁ニードルが第１位置にある時に、気体燃料が中空弁体から主要燃料噴射口を介して流出するのを阻止することを特徴とする請求項２９に記載の噴射弁。
【請求項３１】
ニードル先端の放射状面は弁先端内の溜めと嵌め締められ、弁ニードルが第１開放位置にある時には、ニードル先端及び溜めの側壁間の空隙によって、主要燃料噴射口への気体燃料の流出を実質的に阻止する流体絞りが得られることを特徴とする請求項３０に記載の噴射弁。
【請求項３２】
ニードル先端が溜めから上昇させられることにより気体燃料が主要燃料噴射口へ流出するように、弁ニードルは中空弁体内に引き込み可能であることを特徴とする請求項２９に記載の噴射弁。
【請求項３３】
ニードル先端は弁ニードルの軸部と相対移動可能であり、弁ニードルが第１開放位置にある時にニードル先端の端面は、中空弁体の内面により供される第２弁座に着座させられ、弁ニードルが第２開放位置にある時にニードル先端は第２弁座から上昇させられることを特徴とする請求項２９に記載の噴射弁。
【請求項３４】
弁ニードルが閉鎖位置又は第１開放位置にある時に、ニードル先端はばねにより第２弁座へ付勢され、ばねはニードル先端及び軸部間に配置されることを特徴とする請求項３３に記載の噴射弁。
【請求項３５】
ニードル先端はフランジを含み、フランジは軸部の縁と協働することにより、軸部を所定
距離より大きく中空弁体へ引き込ませてニードル先端を第２弁座から上昇させることを特徴とする請求項３３に記載の噴射弁。
【請求項３６】
パイロット燃料噴射口は、主要燃料噴射口の結合開放面積よりも小さい結合開放面積を有する複数のパイロット燃料噴射口の一個であることを特徴とする請求項２６乃至３５のいずれか一項に記載の噴射弁。
【請求項３７】
複数のパイロット燃料噴射口は、着火アシスト装置を含む燃焼室部分へ気体燃料を噴射するように向きが決められることを特徴とする請求項３６に記載の噴射弁。
【請求項３８】
主要燃料噴射口は着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射しないことを特徴とする請求項３７に記載の噴射弁。
【請求項３９】
ニードルを閉鎖位置、第１開放位置及び第２開放位置間で駆動させるために、第１閉鎖付勢力と、第２閉鎖付勢力と、第３閉鎖付勢力と、第１開放付勢力と、第２開放付勢力とを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の噴射弁。
【請求項４０】
第１閉鎖付勢力、第２閉鎖付勢力、及び第３閉鎖付勢力は各々、第１解放付勢力及び第２開放付勢力に抗してニードルに作用する第１流体力、第２流体力、及び第３流体力であり、
ａ．第１流体力が第１解放付勢力によりもたらされる第１開放力及び第２開放付勢力によりもたらされる第２開放力よりも大きくされることにより、ニードルは閉鎖位置へ駆動され、
ｂ．第２流体力が第１開放力よりも大きく且つ第２開放力よりも小さくされることにより、ニードルは第１開放位置へ駆動され、
ｃ．第３流体力が第１開放力及び第２開放力よりも小さくされることにより、ニードルは第２開放位置へ駆動される
ことを特徴とする請求項３９に記載の噴射弁。
【請求項４１】
第１開放付勢力は剛性ばねにより得られるとともに、第２開放付勢力は軟性ばねにより得られ、剛性ばね及び軟性ばねはニードル及び弁先端の間で作用することを特徴とする請求項４０に記載の噴射弁。
【請求項４２】
内燃機関であって、
燃焼室と、燃焼室はシリンダと、シリンダ内において往復移動可能なピストンと、シリンダヘッドのファイヤデッキとにより実質的に形成され、
燃焼室内に配置される気体燃料着火アシスト装置と、
気体燃料を燃焼室へ直接噴射する燃料噴射弁とを含み、燃料噴射弁は、
燃焼室への挿入可能な弁先端を備えた中空弁体と、
弁先端内に設けられており、気体燃料着火アシスト装置の方向へ燃料を噴射するパイロット燃料噴射口と、
パイロット燃料噴射口と比較して燃焼室のより広範囲へ燃料を噴射する少なくとも１個の主要燃料噴射口と、主要燃料噴射口はパイロット燃料噴射口に関連する開放面積よりも大きな結合開放面積を有しており、
中空弁体内に配置される弁ニードルとを含み、弁ニードルは閉鎖位置と、第１開放位置と、第２開放位置との間で移動可能であり、
閉鎖位置において、圧縮量の気体燃料が中空弁体内に収容されており、
第１開放位置において、パイロット燃料噴射口のみから気体燃料を噴射可能であり、
第２開放位置において、パイロット燃料噴射口及び主要燃料噴射口から気体燃料を
噴射可能である
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項４３】
弁先端はファイヤデッキ上において実質的に中央に配置されており、着火アシスト装置は弁先端から放射状方向に離間させられていることを特徴とする請求項４２に記載の内燃機関。
【請求項４４】
着火アシスト装置はグロープラグであることを特徴とする請求項４２に記載の内燃機関。
【請求項４５】
グロープラグシールドを更に含み、シールドの一部は燃焼室内においてグロープラグと燃料噴射弁との間に配置されることを特徴とする請求項４４に記載の内燃機関。
【請求項４６】
シールドはグロープラグを包囲することを特徴とする請求項４５に記載の内燃機関。
【請求項４７】
シールドは少なくとも１本の入口路及び少なくとも１本の出口路である少なくとも２本の燃料路を形成し、少なくとも１本の入口路は第１量の気体燃料を受け取り、第１量の気体燃料はグロープラグにより着火され、少なくとも１本の出口路は出口路を越え且つシールドにより出口路を通過するように案内される第２量の気体燃料へ火炎を向け、火炎は第２量の気体燃料を着火するとともに、第１量の気体燃料が燃焼する間に発生させられることを特徴とする請求項４５に記載の内燃機関。
【請求項４８】
弁ニードルに指令を出す制御装置を含むことを特徴とする請求項４２乃至４７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項４９】
高負荷作動モードで作動するように制御装置に指令が出されると、ピストンが上死点前の６０から３０クランク角度内にある時に、制御装置は弁ニードルを第１開放位置に制御することを特徴とする請求項４８に記載の内燃機関。
【請求項５０】
所定の閾値負荷よりも大きい負荷値で作動するように制御装置に指令が出されると、制御装置は第１作動モードで作動し、ピストンが上死点前の６０から３０クランク角度内にある時に、制御装置は弁ニードルを第１開放位置に制御し、燃焼室が気体燃料の自己着火温度以上である時に、弁ニードルを第２開放位置に制御することを特徴とする請求項４８に記載の内燃機関。
【請求項５１】
所定の閾値負荷はエンジン負荷マップ上における一連の点を含み、各点は別個の負荷状態に対応することを特徴とする請求項４８乃至５０のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５２】
気体燃料供給直接噴射式内燃機関の燃焼室において使用されるグロープラグシールドであって、グロープラグシールドは外面及び外面と対向する内面を含み、少なくとも１つの入口放射状面と、少なくとも１つの出口放射状面とを形成し、各放射状面は外面から突出し、少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面の各々は、少なくとも１本の交差線と少なくとも１本の入口線と少なくとも一本の出口線を形成し、交差線は内面から少なくとも１つの入口放射状面及び少なくとも１つの出口放射状面に向けて後方へ突出し、入口線において少なくとも１つの入口放射状面は外面と交差し、出口線において少なくともつの出口放射状面は外面と交差し、
少なくとも１本の交差線における少なくとも１つの入口放射状面全部及び少なくとも１つの出口放射状面全部の間の全角度は４５度よりも大きく、且つ
シールドは入口路及び出口路である少なくとも２本の通路を形成し、入口路は少なくとも１本の入口線の各々と一致させられ、出口路は少なくとも１本の出口線の各々と一致させられる
ことを特徴とするグロープラグシールド。
【請求項５３】
シールドは円柱形状を有することを特徴とする請求項５２に記載のグロープラグシールド。
【請求項５４】
シールドは上面を形成し、シールドは内燃機関の燃焼室内においてファイヤデッキから懸架されており、入口路及び出口路は上面から等距離にあることを特徴とする請求項５３に記載のグロープラグシールド。
【請求項５５】
通路は孔であることを特徴とする請求項５２に記載のグロープラグシールド。
【請求項５６】
内燃機関の作動方法であって、
ａ．吸気を燃焼室へ導く工程と、
ｂ．吸気を燃焼室内で圧縮する工程と、
ｅ．エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時を判定する工程と、
ｆ．エンジン負荷が所定の閾値負荷以上である時に第１作動モードで作動する工程とを含み、第１作動モードは、
ｉ．吸気を圧縮する一方で、グロープラグシールドにより形成される入口路において第１量の燃料を噴射する工程と、シールドは燃焼室まで延出し、グロープラグシールドは噴射装置及びシールドに近接するグロープラグの間に配置されることにより、第１量の燃料を入口路を通過させた後にグロープラグ上で着火させる工程と、
ｉｉ．火炎を第１量の燃料燃焼からシールドにより形成された出口路を介して第２量の燃料噴射へ向ける工程と、第２量の燃料はシールドを通過し、出口路を越えるように向けられ、火炎により第２量の燃料は着火し、第１及び第２量の燃焼によって燃焼室内の吸気温度は上昇し、
ｉｉｉ．吸気温度が燃料の自己着火温度以上である時に、吸気の圧縮完了近くに第３量の燃料を燃焼室へ直接噴射する工程とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５７】
燃料は気体燃料であることを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
燃料はメタン、エタン、プロパン、ブタン及び炭化水素の中の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【国際調査報告】
2006501395.tif 000015
2006501395.tif 000016
2006501395.tif 000017
2006501395.tif 000018
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