(57)【要約】      （修正有）【課題】外部冷却されたＥＧＲで高希釈された化学量論的装入物の高速燃焼を提供し、ほぼエンジンの動作範囲全体にわたってエネルギー効率を増加させることにより、燃料消費を大幅に低減させる。【解決手段】高圧火花点火および成層化装置２は、成層化プレチャンバ７９中に開口する成層化管２３を閉鎖させる成層化弁２０であって、前記管はまた成層化室２４中へ開口し、前記成層化室２４は、成層化噴射管３９によって前記内燃機関の前記燃焼室９へ接続され、前記管は、スパークプラグ２５の突出電極２６の近隣において開口し、前記電極は前記燃焼室内に配置される、成層化弁２０と、前記成層化弁２０をリフトする成層化アクチュエータ２７と、前記成層化プレチャンバ７９を成層化圧縮器の出口へ接続する成層化ライン２８と、成層化燃料インジェクタと、先行冷却排ガスを往復させる手段４０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）のための高圧火花点火および成層化装置であって、前記内燃機関（１）は、シリンダヘッド（８）と、排出管（１０）とを備え、前記シリンダヘッド（８）は少なくとも１つの燃焼室（９）を有し、前記少なくとも１つの燃焼室（９）中には、吸入プレナム（１９）と連通する吸入管（１１）が開口し、前記排出管（１０）は、排出マニホルド（１８）と、前記汚染物質の後処理のための触媒コンバーター（７５）と連通し、前記内燃機関（１）は、加圧潤滑回路（１４）、冷却回路（１７）およびＥＣＵコンピュータをさらに備える、高圧火花点火および成層化装置であり、前記内燃機関（１）は、
・前記内燃機関（１）のシリンダヘッド（８）中に収容された少なくとも１つの成層化弁（２０）であって、前記弁は、少なくとも１つのバネ（２２）によってシート（２１）と接触した状態で保持され、前記弁は、少なくとも１つの成層化管（２３）に含まれる第２の端部が成層化室（２４）中に開口している状態で、成層化プレチャンバ（７９）中に開口する前記成層化管（２３）の第１の端部を閉鎖させ、前記成層化管（２３）に含まれる第２の端部は、少なくとも１つの成層化噴射管（３９）によって前記内燃機関（１）の燃焼室（９）へ接続され、前記噴射管（３９）は、前記内燃機関（１）のシリンダヘッド（８）中に固定されたスパークプラグ（２５）の突出電極（２６）の近隣の燃焼室（９）中に開口し、前記電極は、前記内燃機関（１）の燃焼室（９）内に配置される、成層化弁（２０）と、
・前記内燃機関（１）のＥＣＵコンピュータによって制御される少なくとも１つの成層化アクチュエータ（２７）であって、前記アクチュエータは、前記成層化弁（２０）を前記シート（２１）からリフトさせ、開口状態で保持して、前記シート（２１）へと戻す、成層化アクチュエータ（２７）と、
・前記成層化プレチャンバ（７９）を成層化圧縮器（２９）の出口へと接続させる少なくとも１つの成層化ライン（２８）であって、前記成層化圧縮器（２９）の入口は、雰囲気成層化空気供給管（３０）、前記供給管、前記圧縮器ならびにその入口および出口へ直接的または間接的に接続され、前記ライン、前記プレチャンバおよび前記成層化管（２３）の組み合わせにより、前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）が形成され、前記成層化室（２４）自体により、前記雰囲気空気供給回路（３１）の一体部分が形成される、成層化ライン（２８）と、
・前記内燃機関（１）のＥＣＵコンピュータによって制御される少なくとも１つの成層化燃料インジェクタ（３３）であって、前記インジェクタは、燃料のジェットの生成を前記雰囲気空気供給回路（３１）内の任意のポイントにある前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）内、または前記成層化噴射管（３９）内、または前記雰囲気空気供給回路（３１）および前記成層化噴射管（３９）の両方の中において行うことができる、成層化燃料インジェクタ（３３）と、
を備え、
前記成層化噴射管（３９）は、少なくとも１つの成層化噴射毛細管（１６）からなり、前記少なくとも１つの成層化噴射毛細管（１６）は、前記スパークプラグ（２５）に含まれる中央電極（４７）の内側に形成され、これにより、前記毛細管の第１の端部が前記成層化室（２４）と連通し、前記毛細管の第２の端部が前記中央電極（４７）の端部において開口することを特徴とする、高圧火花点火および成層化装置。
【請求項２】
前記高圧火花点火および成層化装置は、少なくとも先行冷却排ガスを往復させる手段を備え、前記手段は、「外部冷却ＥＧＲ」手段（４０）と呼ばれ、前記内燃機関（１）のＥＣＵコンピュータによって制御され、前記手段により、排ガスを前記内燃機関（１）の排出管（１０）からタッピングした後、前記ガスを少なくとも１つの冷却器（４１）によって冷却した後、前記ガスを前記内燃機関（１）の吸入側へ再度導入することができることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項３】
前記成層化弁（２０）のシート（２１）は、前記弁を前記プレチャンバから離隔方向にまたはより近づく方向に向かって移動させるだけで前記成層化アクチュエータ（２７）が前記弁を前記シート（２１）からリフトすることができるように、前記成層化プレチャンバの外側（７９）に向けられた面を有することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項４】
前記成層化アクチュエータ（２７）は、前記内燃機関（１）のシリンダヘッド（８）へ固定された少なくとも１つのコイル導線（５０）からなり、前記コイル中に電流が流れると、前記コイルが磁気コアまたはブレード（５１）を引き寄せて、前記少なくとも１つのコアまたはブレードを長手方向に前記成層化弁（２０）を移動させ、前記成層化弁（２０）へは、前記１つのコアまたはブレードがコイル押圧または牽引手段（４２）によって接続されることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項５】
前記成層化アクチュエータ（２７）は圧電層（５２）の少なくとも１つのスタックからなり、前記スタックの厚さは、前記層内に電流が通過すると変動し、これにより、前記スタックが前記成層化弁（２０）を長手方向に移動させ、前記成層化弁（２０）には、前記スタックがスタック押圧または牽引手段（８０）によって、かつ／または前記スタックにより前記弁へ付与される変位を複数倍化する少なくとも１つのレバーを用いて接続されることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項６】
前記成層化アクチュエータ（２７）は空気式成層化作動シリンダからなり、前記空気式成層化作動シリンダは、空気式成層化受容室および空気式成層化受容ピストンを備え、前記ピストンは、前記成層化弁（２０）へ固定されるかまたは空気式ピストン押圧または牽引手段によって前記成層化弁（２０）へ接続され、前記空気室は、少なくとも１つのソレノイド弁により高圧貯蔵空気または前記外気または低圧貯蔵空気と連通するように配置することができることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項７】
前記成層化アクチュエータ（２７）は油圧成層化作動シリンダ（３６）からなり、前記油圧成層化作動シリンダ（３６）は、油圧成層化受容室（３７）および油圧成層化受容ピストン（３８）を備え、前記ピストンは、前記成層化弁（２０）へ固定されるかまたは前記成層化弁（２０）へ油圧ピストン牽引または押圧手段（５３）によって接続されることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項８】
前記成層化燃料インジェクタ（３３）は、加圧可燃ガスの貯蔵室（５５）へ接続されることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項９】
前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）は均質化サーキュレータ（５６）を備え、前記サーキュレータは、前記回路の任意のポイントに配置され、前記空気または前記混合物を前記回路中に循環させることにより、雰囲気空気または前記回路中に含まれる気体混合物を撹拌することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１０】
前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）は、前記供給回路（３１）を加熱するための空気間熱交換器（５７）を備え、前記供給回路（３１）は、前記内燃機関（１）の排ガスから熱を抽出することにより、雰囲気空気または前記回路中に含まれる気体混合物を加熱する、前記空気または気体混合物および前記排ガスは、相互に混ざり合うことなく前記交換器（５７）を同時に通過することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１１】
前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）は、前記供給回路を加熱するための少なくとも１つの電気抵抗を備え、前記供給回路は、雰囲気空気または前記回路中に含まれる気体混合物を加熱することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１２】
前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）は空気／冷却水熱交換器を備え、前記空気／冷却水熱交換器は前記供給回路（５８）を冷却し、前記供給回路（５８）は、前記雰囲気空気または気体混合物からの熱を前記内燃機関（１）の冷却回路（１７）中に含まれる熱伝達流体へ移動させることにより、雰囲気空気または前記回路中に含まれる気体混合物を冷却することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１３】
前記成層化室（２４）は、接線方向にある少なくとも１つの入口および／または少なくとも１つの出口を備えることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１４】
前記成層化室（２４）のための雰囲気空気供給回路（３１）は、少なくとも１つの撹拌室を備え、前記少なくとも１つの撹拌室により、乱流運動が気体混合物へ付与され、前記気体混合物は、前記回路中を移動しているかまたは前記ガス混合物において高速圧力変動を発生させることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１５】
前記成層化ライン（２８）は、少なくとも１つの放出弁（５９）を備え、前記少なくとも１つの放出弁（５９）は、前記ライン中における特定の圧力において開口することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１６】
前記成層化ライン（２８）および／または前記成層化圧縮器（２９）の出口および／または前記成層化プレチャンバ（７９）は、少なくとも１つの放出ソレノイド弁を備え、前記少なくとも１つの放出ソレノイド弁の出口は、前記内燃機関（１）の吸入側中またはキャニスター中または保存貯蔵室中へ開口することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１７】
前記成層化圧縮器（２９）の出口は、蓄圧器（６０）へ接続され、前記蓄圧器（６０）は、雰囲気空気または前記圧縮器によって先行加圧された気体混合物を保存し、前記蓄圧器はまた、前記成層化ライン（２８）および前記成層化プレチャンバ（７９）と直接的または間接的に連通して、前記ラインおよび前記プレチャンバを圧力下に保持することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１８】
前記先行冷却排ガスを往復させるための手段（４０）は、「外部冷却ＥＧＲ」手段と呼ばれ、少なくとも１つの比例リフトＥＧＲタッピング弁（６３）からなるかまたは少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングフラップ弁（６４）からなるかまたは少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングスリーブ弁（６５）からなり、前記少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングスリーブ弁（６５）は、前記内燃機関（１）の排出マニホルド（１８）上に配置され、前記弁または前記フラップ弁または前記スリーブ弁は、前記マニホルドを外部ＥＧＲ供給管（６６）と連通するように配置することができ、前記外部ＥＧＲ供給管（６６）において、前記マニホルド中へ開口する端部と反対側の端部は、前記内燃機関（１）の吸入プレナム（１９）中へ開口することを特徴とする、請求項２に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項１９】
前記成層化室（２４）は、円筒型穴部（４６）内に形成された環状空洞（４５）からなり、前記円筒型穴部（４６）において、前記スパークプラグ（２５）に含まれる円筒型密封先端（４４）が係合し、前記穴部（４６）は、前記内燃機関（１）の燃焼室（９）中へ開口することを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【請求項２０】
少なくとも前記成層化弁（２０）、前記シート（２１）、前記バネ（２２）、前記成層化管（２３）の全体または一部、前記成層化プレチャンバ（７９）および前記成層化アクチュエータ（２７）が組み合わせられて、少なくとも１つのカートリッジ中において採用され、前記少なくとも１つのカートリッジは、前記内燃機関（１）のシリンダヘッド（８）中へ固定されるかまたはねじ込まれることを特徴とする、請求項１に記載の高圧火花点火および成層化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却済みの排ガスを往復させる手段（「外部冷却ＥＧＲ」手段として知られる）を用いて、高希釈装入物により内燃機関を往復させるための高圧火花点火および成層化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復内燃機関熱機関の熱力学効率は、複数の要素によって決まる。例えば、第１に、ガス圧縮後に燃焼室中に捕らわれたガス温度を上昇させるための燃焼の継続時間および位相整合、第２に、エンジンの内壁と接触しているガスの熱損失、第３に、ガスの膨張率であって、この膨張により、ガスからの推進力がエンジンのピストン上に付加されて、燃焼から放出された熱エネルギーが機械的作用へ変換される。
【０００３】
しかし、ガス膨張時においてピストン上へのガス推進力に起因して発生する正方向作用が熱機関の出力軸において利用可能となる前に、この正方向作用において部分的に損失が発生する。この理由は、エンジン部品間の機械的摩擦とエンジンのアクセサリおよび補助装置の駆動とに起因して、熱機関の多様な吸入管および排出および回路内のガスのポンピングおよび移動に起因して負方向または抵抗作用が発生するからである。
【０００４】
よって、所与の燃料消費量に対する往復内燃機関熱機関の効率は、ガス圧縮−膨張サイクルからエンジンのピストンへ付加される正方向作用の増加と、エンジン内外へのガスの出入りに起因して発生する負方向または抵抗作用の同時低下と、エンジンおよびそのアクセサリの機構に起因して発生する作用と共に増加する。
【０００５】
燃焼から発生する熱をできるだけ効率的に機械的作用へ変換するためには、熱機関のシリンダ中へ導入された燃料／空気混合物をエンジンピストン上死点の近隣において高速で燃焼させると好適である（換言すると、準一定の体積）。これは、ガス温度がガスとエンジン燃焼室の内壁との間の熱交換が過剰になるくらいの高レベルにまで到達しない限り、当てはまる。また、これは、燃焼に起因する圧力勾配に起因して過度のノイズが発生せず、ピンニングに起因しない限り、当てはまる。
【０００６】
ピンニングは自発的なガス燃焼であり、圧力および温度による効果の組み合わせ下において特定期間後に発生し、極めて大きな圧力波を発生させる。これらの圧力波によっても、特に壁部の表面を被覆する絶縁空気層を取り外すことによりガスと壁部との間の熱交換を増加させる傾向が発生する。よって、ピンニングは望ましくない現象であり、熱機関の効率を低下させ、熱および機械的負荷によりエンジン内部材の損傷を発生させる傾向もある。
【０００７】
往復内燃機関熱機関の燃焼室中の燃焼を開始する主要な方法のうち、火花点火、（ディーゼルエンジンの特性である）噴射前部上の燃料の自発的点火と、略語ＣＡＩ（制御自動点火）またはＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）によって公知の方法を用いた圧縮点火とを区別することが可能である。
【０００８】
制御点火エンジンの燃焼率は、空気／燃料比およびエンジン燃焼室中へ導入された燃料／空気混合物中の残留既燃ガスの内容と、混合物全てを燃焼するために火炎によって被覆すべき距離と、混合物内の微視的乱流と、乱流にほぼ比例する火炎伝播速度とに主に依存する。
【０００９】
ディーゼルサイクルにおいて、燃焼率は、燃料噴射品質およびディーゼル燃料のセタン価によって主として決定される。ＣＡＩまたはＨＣＣＩにおいて、圧縮、燃料混合物の初期温度および既燃ガスの内容物、使用燃料の特性および装入物の均質性は、燃焼の開始および速度を決定する要素である。燃焼開始方法を問わず、燃焼速度は、エネルギー放出速度を決定する。エネルギー放出速度は、燃焼の開始および終了間のクランク軸の回転度数によって通常表され、既燃燃料の累積分布をクランク軸の角度位置（１回につき１度）の関数として示す曲線をたどる。往復内燃機関熱機関の燃焼モードを問わず、実際、往復内燃機関熱機関の効率は、高温ガスとエンジン内壁との間の熱交換が最小であるときは常により高くなる。
【００１０】
ガスと壁部との間の温度差が小さい場合、単純な熱伝導および放出に起因する交換出力を増加させる乱流対流がほとんど無い場合、およびガスの単位体積当たりの質量が低い場合、熱交換が低下する点に留意されたい。
【００１１】
高温ガスと往復内燃機関熱機関の内壁との間の温度差を低減するために、壁部温度を上昇させることおよび／またはガス温度を低下させることを行うことができる。しかし、これら２つの配置構成の場合、制御点火往復内燃機関熱機関の効率向上における限界にすぐに達する。
【００１２】
その原因として、往復内燃機関熱機関の燃焼室内壁の温度を上昇させた場合、その充填容量が低減するという不利点がある。すなわち、低温空気またはガス混合物が高温壁部に接触すると、低温空気またはガス混合物は瞬時に膨張し、その結果、吸入段階におけるエンジン体積効率が低下し、結果的に全体的効率が低下する。さらに、このように低温空気またはガス混合物に過熱された場合、エンジンにおいてピンニングが発生し易くなる。このピンニングは、より低い圧縮／膨張の提供および／または点火遅延の提供によって補償する必要があるが、これらの配置構成のいずれの場合も、エンジン効率の低下につながる。セラミック燃焼室およびシリンダを含むいわゆる「断熱」エンジン（トヨタ製）の場合と同様に、燃焼室内壁の温度を上昇させるための多様な試験が行われている。このエンジンの場合、効率の点において極めて限られた利点が得られる。その詳細な理由としては、最終分析において、過度に高い壁部温度に起因して、全ての往復内燃機関熱機関の内壁を被覆する絶縁空気の肉薄層のメンテナンスおよび有効性にとってより低温の壁部がより好ましい他のエンジンと比較して、壁部上のガスの熱損失が上昇する傾向となる。これらの理由に起因して、「断熱」エンジンは実験段階の域を出ていない。
【００１３】
燃焼室内壁の温度上昇の代替策として、空気付加または（事前に冷却されているかまたはされていない）排ガスによってガスを希釈することにより、ガス温度を低下させることができる。これらの排ガスは、先行サイクルから得られる。燃焼に用いられないガスにより、往復内燃機関熱機関の燃焼室中へ導入される燃料−空気装入物を希釈することにより、燃焼から放出される所与の量のエネルギーに対する平均温度を低減させるために、装入物の全体的熱容量を増加させることができる。
【００１４】
さらに、使用される希釈ガスを問わず、燃焼から放出される熱から機械的作用への変換への貢献が得られる。しかし、制御火花点火エンジンの場合、燃料が過度に希薄であるかまたは酸素が希薄である混合物中における火炎の伝搬は、低速過ぎるかまたは不可能である。その結果、熱力学効率が低下する。この理由は、過度のレベルの非一定の体積と、極めて不安定な燃焼および点火不具合とにおいて燃焼が発生するからである。
【００１５】
上記した欠陥の悪影響を過度に受けることなく、制御点火往復内燃機関熱機関のシリンダ中へ導入された装入物の希釈を行うための別の手法として、装入物を成層化させる方法がある。換言すると、エンジンの点火点の周囲に可燃燃料混合物のポケットをセンタリングし、ポケットを混合物で包囲する。この混合物は、燃料が希薄であり、希薄な混合物が未だにほぼ可燃となるような比率で低温空気および／または排ガスで高希釈されている。
【００１６】
前記ポケットは、特にエンジン燃焼室内のガス移動によって形成される、移動は、特にエンジンの吸入管および室の壁部の形状と、室中へ直接注入される燃料ジェットの力学および形状とに起因して発生する。
【００１７】
この方法は、「成層化装入物」方法として公知であり、直接燃料噴射の使用が必要である。この方法を用いた場合、点火点点火点の周囲において燃料を豊富に含む装入物が得られ、残りの領域内において燃料が希薄になり、全体的に酸素を豊富に含み、その結果、特に汚染排出についての記載の観点において現代のエンジンにおいて多様な問題が発生する
【００１８】
その理由として、このようにして成層化された装入物中に、点火点の周囲の装入物部分中の良好な燃焼開始を確保するために十分な酸素を含めることが必要であり、また、燃焼の良好な進行および（燃料が希薄な領域を含む）エンジン燃焼室の体積全体における伝搬を確保するために残りの部分中に十分な酸素を含めることが必要であることが。
【００１９】
従来技術による成層化装入物エンジンの開口の特性である過度の酸素がある場合、三元触媒による酸化窒素の低減が不可能になる。三元触媒は通常は、制御点火エンジンからの排ガスの後処理に用いられる。
【００２０】
成層化装入物エンジンと、過度の酸素で同意差する希薄な混合物を用いたエンジンとの双方に影響を与えるこの問題を補償するために、酸化媒体中の酸化窒素の後処理システムを用いる必要がある（例えば、ＮＯｘ捕獲またはＳＣＲ（選択的触媒還元）。しかし、これらのシステムは特に高コストであり、また、燃料の品質および硫黄分に対する感度が高く、また高重量および嵩高でもある。
【００２１】
成層化装入物に関連する問題を挙げると、点火点の周囲を中心とする燃料を豊富に含むポケットを形成するために必要な燃料の直接噴射の遅延があり、噴射が遅延した場合、健康障害をもたらす微粒子が大量発生する点に留意されたい。
【００２２】
成層化装入物方法に関連する別の問題として、低負荷において制限され過ぎる動作範囲があり、その結果、現在用いられている自動車中の燃料消費を低減させる有効性が制限される（特に、重量に比べてシリンダ容量が小さいエンジンの自動車）。
【００２３】
ＣＡＩ方法およびＨＣＣＩ方法において提案されているように火花点火の代わりに装入物の圧縮点火を提供することにより、酸化媒体中の酸化窒素の後処理に関連する後者の問題を回避することができる。
【００２４】
これらの点火方法の場合、低温燃焼につながり、その結果、実際に発生する酸化窒素が無くなる。そのため、先行サイクル中に初期発生する過度の酸素および／または既燃ガスによって装入物を高希釈することが可能になり、酸化物の後処理の必要が無くなる。ＣＡＩまたはＨＣＣＩ燃焼は火花によって開始するものではないため、ＣＡＩまたはＨＣＣＩ燃焼を用いることにより、単一の点火点から火炎伝搬に起因する制約が回避される。この理由は、燃焼は多数のポイントにおいて自発的に開始するからである。しかし、ＣＡＩおよびＨＣＣＩは、その動作を可能にするパラメータ（例えば、装入物の初期温度、その有効圧縮、中に含まれる燃料の品質、既燃ガスの内容物）のうち１つ以上の任意の変動に対して特に好感度である。また、ＣＡＩまたはＨＣＣＩ燃焼の場合、極めて高速であるため、高圧勾配も発生する。そのため、不愉快な音響放出が発生する。
【００２５】
さらに、成層化装入物方法と同様に、ＣＡＩおよびＨＣＣＩは比較的低負荷でしか動作しないため、現在用いられている自動車（特に、重量に比べてシリンダ容量が小さいエンジンを有するもの）における燃料消費低減の有効性が制限される。
【００２６】
成層化装入物または均質の希薄な混合物を過度の酸素と共に用いる方法の代替策として、当業者に公知の方法を（排ガス往復示す）ＥＧＲとして用いて、装入物中に導入された過度の酸素を先行サイクルからの往復既燃ガスと交換する方法がある。ＥＧＲを用いた場合の問題として、冷却が用いられない場合（内部ＥＧＲ）、熱機関のピンニングに対する感度が上昇し、その結果、エンジン効率に悪影響が出る。一方、ＥＧＲが熱交換器（外部冷却されたＥＧＲ）中において事前冷却された場合、火炎の開始および伝搬がランダムかつ不安定になり得る。全ての場合において、ＥＧＲと、希薄領域が不燃性となる成層化とを組み合わせることは困難である。
【００２７】
上記したように、任意の往復内燃機関熱機関のシリンダ中へ導入された燃料混合物をエンジンピストンの上死点の近隣において高速で燃焼させると好適である。換言すれば、準一定の体積において、壁部における熱損失を最低限に抑えると好適である。
【００２８】
エンジン内壁上の熱損失を低減するために制御点火エンジンにおいて装入物を高速燃焼した場合、装入物を（燃焼に貢献しないガスで）希釈する目的と矛盾が生じる。この理由は、この種のガスの場合、装入物を含む体積中の火炎の伝播速度を低下させる傾向があるからである。
【００２９】
より高速の火炎伝播速度を回復させるためには燃料混合物の内部乱流を増加させればよいが、乱流に起因して対流交換を過度に増加させてはならない。対流交換が増加した場合、壁部における熱損失が悪化するため、装入物希釈の所望の効果が弱まる。
【００３０】
伝播速度を回復させるための別の方法として、装入物の密度およびエンタルピーを増加させる目的のために内燃機関熱機関の圧縮比を増加させる方法がある。装入物の密度およびエンタルピーはどちらとも、伝播速度にとって好ましい要素である。
【００３１】
しかし、この方法の場合、固定圧縮比でエンジンを用いることが困難である。すなわち、極めて高い圧縮比を用いた場合、低エンジン速度におけるトルクが制限されるため、自動車の平均燃料消費が増加する。
【００３２】
この文脈において、可変圧縮比の内燃機関熱機関を用いた場合において、シリンダ中へ導入された装入物が高希釈である場合（特に、エンジンが部分的装入物と共に動作する場合）、装入物の希釈が増加および／または低下した場合に圧縮比を低下させつつ圧縮比を制御された様態で増加させる点において決定的な利点がある。
【００３３】
よって、可変圧縮エンジンを用いることにより、周期変動係数が低い排ガスで高希釈された装入物の燃焼が可能となる（換言すれば、サイクル間およびシリンダ間における燃焼率の差が小さくなる）。
【００３４】
しかし、高い圧縮比は、エンジンピストンの上死点における微細乱流中への装入物の巨視的移動への変換においては好ましくなく、乱流は、燃料混合物中の火炎の高速伝搬において好ましくない点に留意されたい。
【００３５】
この問題を解消するために、いわゆる「スキッシュ」型の燃焼室を設けることができる。この「スキッシュ」型の燃焼室を用いる場合、ピストンが上死点の近隣に到達したときに高乱流が発生する。
【００３６】
しかし、スキッシュ室を用いた場合の問題として、ピストンをシリンダヘッドにごく近接して設ける必要があるため、ピストンとシリンダヘッドとが衝突する危険性が生じる。すなわち、所望のスキッシュ効果は、上死点の近隣のみにおいて得られる（換言すれば、火花によって開始した装入物の点火のモーメントに対して比較的遅い）。
【００３７】
スキッシュ室の別の欠陥として、ガスと燃焼室内壁との間の熱交換が大きく促進される点がある。
【００３８】
上記を鑑みて、外部冷却されたＥＧＲで高希釈された化学量論的装入物の高速燃焼を（汚染物を三元触媒コンバータで後処理できるように）提供できると有利であることが明らかである。その際、（ＥＧＲによる装入物希釈の所望の効果である）壁部における熱損失の低減を弱める過度の乱流は発生しない。高希釈化学量論的装入物の燃焼を熱機関の可能な最大動作範囲にわたって得られるように配置すると有利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
この目的を満たすことと、内燃機関についての従来技術において遭遇する上記した多様な問題を解消することと、これらのエンジンを経済的でクリーンで燃料を節約できるように用いることを可能にすることとのために、高希釈装入物を用いた往復内燃機関のための高圧火花点火および成層化装置は、本発明および特定の実施形態によれば、以下が提案される。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
・体積および質量が小さいいわゆる「パイロット」装入物を形成する化学量論的燃料混合物のポケットを生成するために、できるだけ点火点の周囲を中心とする低含有量のＥＧＲにより、高圧縮における動作時においても局所的に乱流させ、圧縮段階のときに最も適切な瞬間において生成させ、その後、スパークプラグ電極間において衝突する電気アークによって点火される。
【００４１】
これは、以下の目的を有する。
【００４２】
・パイロット装入物の燃焼を用いて、「主要」装入物と呼ばれる化学量論的装入物の往復内燃機関の広い動作範囲、点火および燃焼を提供すること。この化学量論的装入物は、吸入および／または圧縮段階において事前に作製され、冷却器と相互作用する排ガスタッピング装置から供給される外部冷却ＥＧＲによって高希釈される。
【００４３】
これにより、以下の効果が得られる。
【００４４】
・点火点を包囲するパイロット装入物中において局所的に高乱流をパイロット装入物と主要装入物との間の界面において発生させて、主要装入物中において全体的に穏やかな乱流を保持しつつ燃焼室の３次元空間中の広範な火炎前面の高速発生を促進し、これにより、主要装入物の高温ガスと室内壁との間の対流熱交換を制限する。
【００４５】
これにより、以下の結果が得られる。
【００４６】
・極めて高含有量の外部冷却ＥＧＲを含む化学量論的装入物の燃焼が可能になる。
【００４７】
・等容変化の近隣の化学量論的装入物の高速かつ規則的な燃焼が促進される。
【００４８】
・過度の空気中において用いられる成層化装入物の高エネルギー効率から恩恵を得られるが、外部冷却ＥＧＲで高希釈された化学量論的装入物の成層化により、燃焼に起因して発生する汚染物質の単純な三元触媒コンバータを用いた後処理が可能となり、これにより、高コストであり、高重量かつ嵩高であるＮＯｘ捕獲または選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置の使用が回避される。
【００４９】
・動作負荷範囲および成層化効率への好影響が、最低負荷から比較的高負荷または極めて高負荷まで大幅に伸びる。
【００５０】
・全ての自動車（例えば、低出力車両および熱電気ハイブリッド車両）の燃料消費を大幅に低減させること。この方法（例えば、シリンダ容量の低減（「小型化」またはシリンダの不活性化として知られる）の場合、エネルギー性能への好影響はほとんど無く、本発明によれば、最良のエネルギー効率を提供する速度負荷範囲において開口するエンジンを再配置するのではなく、ほぼエンジンの動作範囲全体にわたってエネルギー効率を増加させることにより、消費低減が達成される。
【００５１】
・自動車の平均消費の低減に必要なエンジンにおいて大幅な小型化の必要性が低くなり、大幅な小型化により、特にこれらの場合において必要となる高性能過給機システムに起因して、車両製造コストが大幅に高くなる。
【００５２】
・特に高熱損失につながる燃焼室の大面積／体積の熱力学効率への悪影響を低減することにより、シリンダ容量が極めて低いエンジンの製造を高エネルギー効率で行うことが可能になる。これは、本発明によれば、外部冷却ＥＧＲによる装入物の高希釈に起因するエンジンの平均装入物温度の大幅な低下によって達成される。この希釈により、エンジンの熱損失が自然に低下する。
【００５３】
・熱力学効率を増加させるためにエンジンを高圧縮比で動作させることが可能になる。これは、一方において、外部冷却ＥＧＲでの高レベル希釈によって得られる主要装入物のピンニングに対する高い抵抗により、可能になる。他方において、これは、点火点への近接およびその結果得られる高速燃焼によって得られるパイロット装入物のピンニングに対する高い抵抗により、可能になる。
【００５４】
・エンジンのポンピング損失を自然に低減させる。この理由は、シリンダ中へ外部冷却ＥＧＲを大規模導入した場合、エンジン吸入圧力を増加させる効果が得られるため、所与の動作ポイントに対してバタフライ弁がより幅広に開口するからである。ポンピング損失が自然に低減した場合、損失低減のために吸入弁の可変リフトのために複雑かつ高コストの装置を利用する必要性が低減する。
【００５５】
・過度の空気中において動作する成層化装入物エンジンの開口の特性である圧縮段階時におけるガソリン噴射の遅延が回避される。その結果、燃焼時における微粒子の大規模製造が回避され、これにより、微粒子の後処理のための高コストかつ嵩高な粒子フィルタの使用が回避される。
【００５６】
装入物の成層化に通常用いられる直接ガソリン噴射の代替策として、装入物を多ポイントガソリン噴射システムを成層化させることが可能になる。直接ガソリン噴射の方が、より複雑であり高コストである。
【００５７】
・燃焼室および吸入管の内部形状の制約からの自由および／または従来技術による成層化装入物の使用に起因するインジェクタジェット位置決めおよび形状の制約からの自由が得られる。これらの制約は、点火点の周囲にほぼセンタリングされた可燃ポケットを提供する必要に起因し、その結果、燃焼室内および吸入管内において多様な空気力学的配置構成が得られる（主に「壁部誘導型」、「空気誘導型」および「スプレー誘導型」として知られる）。室および管の設計における自由度の高い本発明に係る点火装置を用いることにより、これらの制約が実質的に無くなる。
【００５８】
・外部冷却ＥＧＲで高希釈された装入物の成層化が、低ユニタリーシリンダ容量のエンジン内において可能になる。第１に、小型ボアは、噴射ジェット源と燃焼室壁部との間に最小距離が必要な直接噴射との互換性が低いかまたはさらには互換性が無い。第２に、現在用いられている平均装入物は、過度の酸素で動作する成層化装入物の利点から十分な恩恵を得るためには高すぎる可能性がある。過度の酸素で動作する成層化装入物においては、低負荷においては開口が過度に限定される。第３に、成層化装入物および関連する後処理装置の製造コスト全体が、エンジンが用いられる車両のカテゴリに相対して高すぎる。
【００５９】
・特にエンジンの冷却水によって加熱された空気／水熱交換器を介した往復排ガスのエンジンの冷却水によって加熱されたに起因して、エンジン中における高速温度上昇が可能となる。この高速温度上昇により、特にエンジン潤滑油粘度および関連する摩擦損失が低下し、その結果、エンジンのコールドスタートから開始する短距離走行に用いられた場合における自動車の燃料消費が低下する。また、このような高速温度上昇により、冬の期間における車両の乗員区画の高速温度上昇により、車両乗員の快適性が向上するという利点も得られる。
【００６０】
・全ての自動車のガソリン消費および関連する二酸化炭素排出が、限られた製造コストにおいて大幅に低下する。
【００６１】
本発明に係る点火装置は、過度の酸素と共に動作する非化学量論的エンジンにおいて用いることも可能である点に留意されたい。
【００６２】
また、本発明に係る点火装置は、可変圧縮比および／またはシリンダ容量が固定されているかまたは可変である任意の往復内燃機関に適用することが可能である点に留意されたい。しかし、本発明に係る点火装置は、少なくとも可変圧縮を有するエンジン無いにおいて用いられた場合、より最適な開口を提供する。この理由は、この種のエンジンを用いることにより、一時的な低圧縮を用いた外部冷却ＥＧＲを用いなくとも、極めて高い負荷における高効率および極めて高い負荷を取り扱うための特徴的な容量に起因して、大幅な小型化による恩恵を得ることが可能となるからである。また、一時的高圧縮によって燃焼が行われる低負荷および中程度の負荷において、極めて高速外部冷却されたＥＧＲからの恩恵も得られる。他の任意の用途を排除することなく、本発明に係る点火装置は、自動車への出力供給に用いられる往復内燃機関に特に適している。
【００６３】
本発明に係る内燃機関のための高圧火花点火および成層化装置は、以下を含む。
【００６４】
・内燃機関のシリンダヘッド中に収容された少なくとも１つの成層化弁であって、弁は、少なくとも１つのバネによってシートと接触した状態で保持され、弁により、成層化プレチャンバ中へ開口する少なくとも１つの成層化管の第１の端部が閉鎖され、管に含まれる第２の端部は成層化室中に開口し、第２の端部は、少なくとも１つの成層化噴射管によって内燃機関の燃焼室へと接続され、噴射管は、内燃機関のシリンダヘッド中に固定されたスパークプラグの突出電極の近隣の燃焼室中へ開口し、電極は、エンジンの燃焼室内に配置される。
【００６５】
・内燃機関のＥＣＵコンピュータによって制御される少なくとも１つの成層化アクチュエータであって、アクチュエータは、成層化弁をシートからリフトさせて、成層化弁を開口状態で保持し、シートへ戻す。
【００６６】
・成層化プレチャンバを成層化圧縮器の出口へ接続させる少なくとも１つの成層化ラインであって、成層化圧縮器の入口は、雰囲気成層化空気供給管、供給管へ直接的または間接的に接続され、圧縮器および入口および出口、ライン、プレチャンバおよび成層化管は、共に成層化室のための雰囲気空気供給回路を形成し、室自体は、回路の一体部分を形成する。
【００６７】
・内燃機関のＥＣＵコンピュータによって制御される少なくとも１つの成層化燃料インジェクタであって、インジェクタは、回路内の任意のポイントにおける成層化室のための雰囲気空気供給回路内または成層化噴射管内または回路および管内において、燃料のジェットを生成することが可能である。
【００６８】
・少なくとも先行冷却排ガスを往復させる手段であって、この手段は、「外部冷却ＥＧＲ」手段と呼ばれ、内燃機関のＥＣＵコンピュータによって制御され、手段により、エンジンの排出管からの排ガスをタッピングした後、ガスを少なくとも１つの冷却器によって事前冷却した後、ガスをエンジンの吸入側へ再度導入することができる。
【００６９】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化弁のシートを備え、成層化弁のシートは、シートの弁をプレチャンバから離隔方向に移動させた場合にのみ成層化アクチュエータが弁をリフトさせることが可能なように、成層化プレチャンバの外側に向かって配置された面を有する。
【００７０】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化弁のシートを備える。成層化弁のシートは、弁をプレチャンバに向かって移動させた場合のみに成層化アクチュエータがシートの弁をリフトすることが可能なように、成層化プレチャンバの内側に向かって配置されたシートを有する。
【００７１】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化アクチュエータを備える。成層化アクチュエータは、内燃機関のシリンダヘッドへ固定された少なくとも１つのコイル導線からなる。コイルは、コイル中に電流が流れたときに磁気コアまたはブレードを引き寄せ、これにより、１つのコアまたはブレードが長手方向において成層化弁を移動させる。成層化弁へは、１つのコアまたはブレードがコイル押圧または牽引手段によって接続される。
【００７２】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化アクチュエータを備える。成層化アクチュエータは、圧電層の少なくとも１つのスタックからなる。スタックの厚さは、層内に電流が通過すると変動し、これにより、スタックが成層化弁を長手方向に移動させる。成層化弁には、スタックがスタック押圧または牽引手段によって接続される。
【００７３】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、圧電層のスタックを備える。圧電層のスタックは、少なくとも１つのレバーによって成層化弁へ接続される。レバーにより、スタックから弁へ付加される変位が複数倍化される。
【００７４】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化アクチュエータを備える。成層化アクチュエータは、空気式成層化作動シリンダからなる。空気式成層化作動シリンダは、空気式成層化受容室および空気式成層化受容ピストンを備える。ピストンは、成層化弁へ固定されるかまたは空気式ピストン押圧または牽引手段によって接続される。空気室は、少なくとも１つのソレノイド弁により高圧貯蔵空気または外気または低圧貯蔵空気と連通するように、配置することができる。
【００７５】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化アクチュエータを備える。この成層化アクチュエータは、油圧成層化作動シリンダからなる。油圧成層化作動シリンダは、油圧成層化受容室および油圧成層化受容ピストンを備える。ピストンは、成層化弁へ固定されるか、または、油圧ピストン牽引または押圧手段によって成層化弁へ接続される。
【００７６】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、油圧成層化受容室を備える。油圧成層化受容室は、少なくとも１つの高圧ソレノイド弁および／または少なくとも１つの低圧ソレノイド弁により、高圧油圧制御流体貯蔵室または低圧油圧制御流体貯蔵室へ接続され得る。
【００７７】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、高圧油圧制御流体貯蔵室を備える。高圧油圧制御流体貯蔵室は、油圧制御ポンプによって加圧される。ポンプは、低圧油圧制御流体貯蔵室からタッピングされた油圧流体を高圧油圧制御流体貯蔵室へ移動させるように、流体を移動させる。
【００７８】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化燃料インジェクタを備える。成層化燃料インジェクタは、加圧可燃ガスの貯蔵室へ接続される。
【００７９】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室のための雰囲気空気供給回路を備える。雰囲気空気供給回路は、均質化サーキュレータを備える。サーキュレータは、回路の任意のポイントに配置され、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物を回路内に循環させることにより、空気または混合物を収集する。
【００８０】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室のための雰囲気空気供給回路を備える。雰囲気空気供給回路は、空気間熱交換器を備える。空気間熱交換器は、供給回路を加熱する。供給回路は、内燃機関の排ガスから熱を抽出することにより、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物を加熱する。空気または気体混合物および排ガスは、相互に混ざり合うことなく、交換器を同時に通過する。
【００８１】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室のための雰囲気空気供給回路を備える。雰囲気空気供給回路は、供給回路を加熱するための少なくとも１つの電気抵抗を備える。供給回路は、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物を加熱する。
【００８２】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室の雰囲気空気供給回路の内面を備える。内面は、断熱材料によって全体的または部分的に被覆される。
【００８３】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室のための雰囲気空気供給回路を備える。雰囲気空気供給回路は、空気／冷却水熱交換器を備える。空気／冷却水熱交換器は、供給回路を冷却する。供給回路は、雰囲気空気または気体混合物からの熱を内燃機関の冷却回路内に含まれる熱伝達流体へ移動させることにより、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物を冷却する。
【００８４】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室を備える。成層化室は、接線方向にある少なくとも１つの入口および／または少なくとも１つの出口を備える。
【００８５】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室のための雰囲気空気供給回路を備える。雰囲気空気供給回路は、少なくとも１つの撹拌室を備える。少なくとも１つの撹拌室は、乱流運動を気体混合物へ付加する。気体混合物は、回路内において移動するか、または、気体混合物の高速圧力変動を発生させる。
【００８６】
本発明に係る高圧火花および成層化点火装置は、成層化ラインを備える。成層化ラインは、少なくとも１つの放出弁を備える。少なくとも１つの放出弁は、ライン内の特定の圧力において開口する。
【００８７】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化ラインおよび／または成層化圧縮器の出口および／または成層化プレチャンバを備える。成層化プレチャンバは、少なくとも１つの放出ソレノイド弁を備える。少なくとも１つの放出ソレノイド弁の出口は、内燃機関の吸入側中またはキャニスター中または保存貯蔵室中へ開口するう。
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化圧縮器の出口を備える。成層化圧縮器の出口は、蓄圧器へと接続される。蓄圧器は、圧縮器によって事前加熱された雰囲気空気または気体混合物を保存する。蓄圧器はまた、ラインおよびプレチャンバを加圧下に保持するように、成層化ラインおよび成層化プレチャンバと直接的または間接的に連通する。
【００８８】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、先行冷却排ガスを往復させる手段を備える（「外部冷却ＥＧＲ」手段と呼ばれる）。この手段は、少なくとも１つの比例リフトＥＧＲタッピング弁からなるか、少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングフラップ弁からなるか、または、内燃機関の排出マニホルド上に配置された少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングスリーブ弁からなる。弁またはフラップ弁またはスリーブ弁は、マニホルドを外部ＥＧＲ供給管と連通させることができる。外部ＥＧＲ供給管のうち、マニホルド中へ開口する端部と反対側の端部は、内燃機関の吸入プレナム中へ開口する。
【００８９】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、比例リフトＥＧＲタッピング弁または比率回転ＥＧＲタッピングフラップ弁または排出マニホルド上に配置された比率回転ＥＧＲタッピングスリーブ弁を備える。排出マニホルドは、マニホルドの出口のうち少なくとも１つに含まれる少なくとも１つの比例リフト排出背圧弁または比率回転排出背圧フラップ弁または比率回転排出背圧スリーブ弁と協働する。
【００９０】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化ＥＧＲ冷却器を備える。成層化ＥＧＲ冷却器は、外部ＥＧＲ供給管中の高温度空気／水交換器であり、内燃機関の排出管からタッピングされた排ガスを冷却し、内燃機関の冷却回路中に含まれる熱伝達流体へその熱の一部が移動させられる。
【００９１】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化ＥＧＲ冷却器を備える。成層化ＥＧＲ冷却器は、外部ＥＧＲ供給管中の低温空気／水交換器であり、内燃機関の排出管からタッピングされた排ガスを冷却する。排ガスにより、内燃機関に含まれる独立型低温水回路中に含まれる熱伝達流体へその熱が移動させられる。
【００９２】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化室を備える。成層化室は、円筒型穴部内に形成された環状空洞からなる。環状空洞内において、スパークプラグに含まれる円筒型密封先端が係合する。穴部は、内燃機関の燃焼室中へ開口する。
【００９３】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化噴射管を備える。成層化噴射管は、少なくとも１つの成層化噴射管からなる。少なくとも１つの成層化噴射管のうち第１の端部は、成層化室と連通する。少なくとも１つの成層化噴射管のうち第２の端部は、円筒型密封先端の内側と、スパークプラグに含まれる中央絶縁コーンとの間に開口する。
【００９４】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化噴射管を備える。成層化噴射管は、少なくとも１つの成層化噴射毛細管からなる。少なくとも１つの成層化噴射毛細管は、スパークプラグに含まれる中央電極の内側に形成され、これにより、毛細管の第１の端部が成層化室と連通し、毛細管の第２の端部が中央電極の端部において開口する。
【００９５】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化噴射管を備える。成層化噴射管は、少なくとも１つの周辺成層化ノズルからなる。少なくとも１つの周辺成層化ノズルの第１の端部は、成層化室と連通し、少なくとも１つの周辺成層化ノズルの第２の端部は、スパークプラグの周囲において開口する。第２の端部は、スパークプラグに含まれる電極に略向けられている。
【００９６】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、少なくとも成層化弁、シート、バネまたは成層化管の全部分、成層化プレチャンバおよび成層化アクチュエータを備える。成層化弁、シート、バネまたは成層化管の全部分、成層化プレチャンバおよび成層化アクチュエータは、組み合わされて少なくとも１つのカートリッジ内に採用される。少なくとも１つのカートリッジは、内燃機関のシリンダヘッド内に固定されるかまたはねじ込まれる。
【００９７】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、成層化ラインおよび／または成層化圧縮器の出口および／または成層化プレチャンバを備える。成層化プレチャンバは、空気燃料混合物の少なくとも１つの弁またはインジェクタを備え、これにより、汚染物質後処理触媒コンバーターを温度で保持することが可能になり、種類の弁またはインジェクタは、空気燃料混合物をラインからまたは出口からまたはプレチャンバから内燃機関の排出管へと移動させることができ、エンジンの排出弁とエンジンの触媒コンバーターとの間に配置された管の任意のポイントにおける種類の弁またはインジェクタにより、混合物が管中へと導入される。
【００９８】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置は、空気燃料混合物のための弁またはインジェクタを備える。空気燃料混合物のための弁またはインジェクタは、触媒コンバーターを温度において保持する。触媒コンバーターは、空気燃料混合物管を維持する触媒コンバーター温度により内燃機関の排出管へと接続される。
【００９９】
以下の記載において言及される添付図面は、非限定的な例によって提供され、本発明、その特徴および利点の理解を支援する。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明に係る高圧火花点火および成層化装置が往復内燃機関上に取り付けられた様子の模式図である。
【図２】本発明高圧火花点火および成層化装置の模式断面図である。成層化弁が閉鎖位置に来た後に開口位置に到達することにより、成層化アクチュエータによって弁をシートからリフトすることができる。成層化アクチュエータは、導線コイルからなる。導線コイルは、コイル押圧または牽引手段によって弁へ接続された磁気コアを引き寄せることが可能である。
【図３】本発明高圧火花点火および成層化装置の模式断面図である。成層化弁が閉鎖位置に来た後に開口位置に到達することにより、成層化アクチュエータによって弁をシートからリフトすることができる。成層化アクチュエータは、導線コイルからなる。導線コイルは、コイル押圧または牽引手段によって弁へ接続された磁気コアを引き寄せることが可能である。
【図４】図４は、本発明に係る高圧火花点火および成層化装置の模式断面図である。高圧火花点火および成層化装置において、成層化弁を成層化アクチュエータによってシートからリフトすることができる。成層化アクチュエータは、圧電層のスタックからなる。圧電層のスタックは、スタック押圧または牽引手段によって弁へ接続される。
【図５】本発明に係る高圧火花点火および成層化装置の模式断面図である。その成層化弁を成層化アクチュエータによってシートからリフトすることができる。成層化アクチュエータは、油圧成層化作動シリンダからなる。油圧成層化作動シリンダのうち油圧成層化受容ピストンは、油圧ピストン押圧または牽引手段によって弁へ接続される。
【図６】本発明に係る高圧火花点火および成層化装置の多様なコンポーネントの第１の変形例の配置構成を示す。装置は、ターボ過給機によって過給される４つの直列型シリンダを備えた往復内燃機関へ適用される。特に、変形例は、均質化サーキュレータ、比例リフトＥＧＲタッピング弁および比例リフト排出背圧弁を備える。
【図７】本発明に係る高圧火花点火および成層化装置の多様なコンポーネントの第２の変形例の配置構成を示す。この装置は、ターボ過給機によって過給される４つの直列型シリンダを備えた往復内燃機関へ適用される。特に、変形例は、蓄圧器を備える。蓄圧器は、成層化圧縮器によって加圧された雰囲気空気または気体混合物を保存する。変形例はまた、加圧可燃ガスの貯蔵室へ接続された成層化燃料インジェクタ、比例リフトＥＧＲタッピングフラップ弁および比例リフト排出背圧フラップ弁を備える。
【図８】本発明に係る高圧火花点火および成層化装置の多様なコンポーネントの第３の変形例の配置構成を示す。この装置は、ターボ過給機によって過給される４つの直列型シリンダを備えた往復内燃機関に適用される。特に、変形例は、雰囲気空気供給回路を加熱するための空気間熱交換器と、比例リフトＥＧＲタッピングスリーブ弁と、比例リフト排出背圧スリーブ弁とを備える。
【発明を実施するための形態】
【０１０１】
図１に示す内燃機関１は、本発明に係る高圧火花点火および成層化装置２を備える。
【０１０２】
内燃機関１は、少なくとも１つの燃焼シリンダ４を備えるエンジンブロックまたはクランクケース３を備える。少なくとも１つの燃焼シリンダ４は、シリンダヘッド８によって閉鎖され、内部において燃焼ピストン５が移動する。
【０１０３】
燃焼ピストン５は、クランク軸７へ接続された接続ロッド６上にクランク軸７へ接続された取り付けられる。ピストン５が燃焼シリンダ４の内側を移動すると、接続ロッド６は、燃焼ピストン５の移動をクランク軸７へ伝達する。
【０１０４】
内燃機関１のシリンダヘッド８は、燃焼室９を備える。燃焼室９中には、一方において吸入管１１が開口している。吸入管１１は、吸入弁１３によって閉鎖される場合もあれば閉鎖されない場合もあり、吸入プレナム１９と連通する。他方において、排出管１０が開口している。排出管１０は、排出弁１２によって閉鎖される場合もあれば閉鎖されない場合もあり、汚染物質の後処理のために排出マニホルド１８および触媒コンバーター７５と連通する。
【０１０５】
内燃機関１は、冷却回路１７およびコンピュータＥＣＵをさらに備える。
【０１０６】
図１〜図８は、本発明に係る高圧火花点火および成層化装置２を示す。
【０１０７】
高圧火花点火および成層化装置２は、内燃機関のシリンダヘッド８中に収容された少なくとも１つの成層化弁２０を備える。
【０１０８】
弁は、少なくとも１つのバネ２２によってシート２１と接触した状態で保持され、弁は、成層化プレチャンバ７９中へ開口する少なくとも１つの成層化管２３の第１の端部を閉鎖する。一方、管に含まれる第２の端部は、成層化室２４中へ開口する。
【０１０９】
成層化室２４は、少なくとも１つの成層化噴射管３９により内燃機関１の燃焼室９へ接続される。、噴射管３９は、内燃機関１のシリンダヘッド８中へ固定されたスパークプラグ２５の突出電極２６の近隣において燃焼室９中へ開口する。電極は、エンジン１の燃焼室９内に配置される。
【０１１０】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置２の特定の一実施形態によれば、スパークプラグ２５は、当業者に公知のような点火内燃機関の制御に適合されたものと同一または類似のものであり得る。
【０１１１】
バネ２２は、成層化弁２０上の固体または流体によって直接的または間接的に機能することができ、どのような材料であっても機械的に屈曲、ねじれまたは牽引によって動作し得、また、例えば、「ベルビル」バネワッシャ、らせんまたはリーフバネ、波形バネワッシャまたは他の任意の形状を有するバネワッシャであっても、当業者に公知の任意の種類のものであってもよい点に留意されたい。
【０１１２】
特定の実施形態において、バネ２２は、ガス圧縮率を用いた空気式であっても、あるいは、油圧特性を用いた流体圧縮率を用いた油圧式であってもよい。
【０１１３】
高圧火花点火および成層化装置２は、内燃機関１のコンピュータＥＣＵによって制御される少なくとも１つの成層化アクチュエータ２７を備える。アクチュエータは、シート２１の成層化弁２０をリフトして、成層化弁２０を開口状態で保持し、成層化弁２０をシートへ戻す点に留意されたい。
【０１１４】
高圧火花点火および成層化装置２はまた、少なくとも１つの成層化ライン２８を備える。少なくとも１つの成層化ライン２８は、成層化プレチャンバ７９を成層化圧縮器２９の出口へと接続させる。成層化圧縮器２９の入口は、成層化雰囲気空気供給管３０へ直接的または間接的に接続される。
【０１１５】
供給管、圧縮器ならびにその入口および出口、ライン、プレチャンバおよび成層化管２３の組み合わせにより、成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１が形成される。この室自体により、回路の一体部分が形成される。
【０１１６】
成層化圧縮器２９は、当業者に公知の任意の種類でよく、圧縮器は、固定または可変シリンダ容量であり、ピストン、ベーン、ネジを潤滑付きまたは潤滑無しで有し、単一段、２段または多段であり得、中間冷却を備えていても、これを備えていなくてもよい点に留意されたい。
【０１１７】
本発明に係る高圧火花点火および成層化装置２を具現化するための選択された方法に応じて、成層化圧縮器２９を特に内燃機関１へ直接的または間接的に固定することができ、エンジンに含まれるクランク軸７によって（少なくとも１つのピニオンまたは少なくとも１つのチェーンまたは少なくとも１つのベルト３２を介して固定または可変トランスミッションを有するトランスミッションを介して）機械的に駆動され得るか、または、クランク軸によって駆動されるオルタネータを介して電気的に駆動され得る。クランク軸は、圧縮器を駆動する電気モータに必要な電流を生成する。この場合、オルタネータによって生成される電気エネルギーは、バッテリ中に事前に保存しても、あるいは保存しなくてもよい。
【０１１８】
高圧火花点火および成層化装置２は、内燃機関１のＥＣＵコンピュータによって制御される少なくとも１つの成層化燃料インジェクタ３３をさらに備える。インジェクタは、回路内の任意のポイントにおける成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１内または成層化噴射管３９内または回路および管内において燃料のジェットを生成することができる。
【０１１９】
本発明に係る装置の特定の一実施形態によれば、成層化燃料インジェクタ３３は、液体または気体燃料を注入することができ、ソレノイドの単一段または多段のインジェクタであっても、あるいは、当業者に概して公知の任意の種類の圧電型であってもよい。
【０１２０】
図６、図７および図８に示すように、高圧火花点火および成層化装置２は、少なくとも先行冷却排ガスを往復させる手段４０（「外部冷却ＥＧＲ」手段と呼ばれる）を備える。手段４０は、ＥＣＵコンピュータによって制御される。これらの先行冷却排ガス往復手段４０により、内燃機関１の排出管１０から排ガスをタッピングした後、ガスを少なくとも１つの冷却器４１によって冷却した後にガスをエンジンの吸入側中へ再導入することができる。
【０１２１】
特定の実施形態において、高圧火花点火および成層化装置２は、成層化弁２０を備える。成層化弁２０のシート２１は、成層化プレチャンバ７９の外側に向けられた面を有し、これにより、弁をプレチャンバ（図２〜図５）から離隔方向に移動させるだけで、成層化アクチュエータ２７がシートの弁をリフトすることが可能になる。
【０１２２】
別の実施形態によれば、高圧火花点火および成層化装置２は、成層化弁２０を備える。成層化弁２０のシート２１は、成層化プレチャンバ７９の内側に向けられた面を有し、これにより、弁をプレチャンバに向かって移動させるだけで成層化アクチュエータ２７がシートの弁をリフトすることが可能になる。
【０１２３】
図２および図３に示すように、成層化アクチュエータ２７は、少なくとも１つのコイル導線５０からなり得る。少なくとも１つのコイル導線５０は、内燃機関１のシリンダヘッド８へ固定される。コイル中を電流が流れると、コイルは、磁気コアまたはブレード５１を引き寄せる。その結果、１つのコアまたはブレードが長手方向において成層化弁２０を移動させる。成層化弁２０へは、１つのコアまたはブレードがコイル押圧または牽引手段４２によって接続される。
【０１２４】
図４は、成層化アクチュエータ２７が圧電層５２の少なくとも１つのスタックからなり得ることを示す。このスタックの厚さは、層中に電流が流れたときに変動し、これにより、スタックが成層化弁２０を長手方向に移動させる。成層化弁２０には、スタックがスタック押圧または牽引手段８０によって接続される。
【０１２５】
本発明に係る装置の変形例によれば、圧電層５２のスタックは、少なくとも１つのレバー（図示せず）を介して成層化弁２０へ接続され得る。少なくとも１つのレバー（図示せず）により、スタックから弁へ付与される変位が複数倍化される。
【０１２６】
レバーは、例えばワッシャ自体からなり得、一連の小型レバーを円状に接合することにより構成される。各小型レバーは、一方において圧電層５２のスタックの上部に配置され、他方において直接的にまたはスタック押圧または牽引手段８０を介して成層化弁２０に配置される。
【０１２７】
別の実施形態によれば、高圧火花点火および成層化装置２、成層化アクチュエータ２７は、成層化空気式作動シリンダ（図示せず）からなり得、成層化空気式受容室および成層化空気式受容ピストンを備える。ピストンは、成層化弁２０へ固定されるかまたは空気式ピストン押圧または牽引手段によって成層化弁２０へ固定される。空気室は、保存された高圧空気または外気または保存された低圧空気と（少なくとも１つのソレノイド弁によって）連通するように配置され得る。
【０１２８】
図５に示す別の変形例によれば、高圧火花点火および成層化装置２は、成層化アクチュエータ２７を備え得る。成層化アクチュエータ２７は、成層化油圧作動シリンダ３６からなり、成層化油圧受容室３７および成層化油圧受容ピストン３８を備える。ピストンは、成層化弁２０へ固定されるかまたは油圧ピストン押圧または牽引手段５３によって成層化弁２０へ接続される。
【０１２９】
油圧成層化受容ピストン３８は、油圧成層化受容ピストン３８と相互作用するシリンダを密封するシールを備え得る。油圧成層化受容室３７は、少なくとも１つの高圧ソレノイド弁および／または少なくとも１つの低圧ソレノイド弁によって高圧油圧制御流体貯蔵室または低圧油圧制御流体貯蔵室へ接続され得る。
【０１３０】
高圧火花点火および成層化装置２は、高圧油圧制御流体貯蔵室（図示せず）を備え得る。高圧油圧制御流体貯蔵室は、油圧制御ポンプによって加圧される。ポンプは、低圧油圧制御流体貯蔵室からタッピングされた油圧流体を高圧油圧制御流体貯蔵室へと移動させる。
【０１３１】
特定の一実施形態によれば、高圧火花点火および成層化装置２は、成層化燃料インジェクタ３３を備える。成層化燃料インジェクタ３３は、可燃ガスの貯蔵室５５（図７）を加圧するように接続され得る。ガスをインジェクタ３３から注入することができる。ガスは、例えば圧縮天然ガスであるかまたは往復内燃機関による使用が可能である他の任意の可燃ガスである。
【０１３２】
成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１は、均質化サーキュレータ５６を備え得る。均質化サーキュレータ５６は、回路の任意のポイントに配置され、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物を回路内において循環させることにより、空気または混合物を撹拌する。
【０１３３】
図６および図８は、成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１を示す。成層化室２４は、回路３１を加熱する空気間熱交換器５７を備える。回路３１は、内燃機関の排ガス１から熱を抽出することにより、雰囲気空気または回路３１中に含まれる気体混合物を加熱する。空気または気体混合物および排ガスは、互いに混ざり合うことなく交換器５７中を同時に通過する。
【０１３４】
高圧火花点火および成層化装置２の特定の一実施形態によれば、成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１は、供給回路を加熱するための少なくとも１つの電気抵抗を備える。供給回路は、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物（図示せず）を加熱する。
【０１３５】
可能であれば、成層化室２４の雰囲気空気供給回路３１の内面を断熱材料によって全体的または部分的に被覆するとよい点に留意されたい。断熱材料は、セラミック、空気または当業者に公知の他の任意の断熱手段であり得る。
【０１３６】
内面は、付着防止材料（例えば、テフロン（登録商標））または当業者に公知の他の任意のコーティングで被覆してもよい。このような被覆により、供給回路３１中を循環している燃料から発生した生成物の重合が表面に付着する事態を回避することが可能になる。
【０１３７】
図７は、成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１を示す。雰囲気空気供給回路３１は、空気／冷却水熱交換器を備える。空気／冷却水熱交換器は、供給回路５８を冷却する。供給回路５８は、雰囲気空気または気体混合物からの熱を内燃機関１の冷却回路１７中に含まれる熱伝達流体へ移動させることにより、雰囲気空気または回路中に含まれる気体混合物を冷却する。
【０１３８】
一実施形態（図示せず）によれば、成層化室２４は、少なくとも１つの入口および／または少なくとも１つの出口を備える。少なくとも１つの入口および／または少なくとも１つの出口は接線方向にあるため、空気または混合物が室中へ導入されると、入口および／または出口は、雰囲気空気または成層化ライン２８からの気体混合物へ旋回移動を付与することができる。
【０１３９】
また、成層化室２４のための雰囲気空気供給回路３１は、少なくとも１つの撹拌室（図示せず）を備え得る。少なくとも１つの撹拌室は、回路中において移動している気体混合物へ乱流運動を付与するか、または、ガス混合物中において高速圧力変動を発生させる。撹拌室は、例えばベンチュリー効果を生成することができ、これにより、一方において混合物中に含まれる燃料の蒸発を促進させ、他方において混合物の収集を促進させる。
【０１４０】
特定の一実施形態によれば、高圧火花点火および成層化装置２は、成層化ライン２８を備える。成層化ライン２８は、少なくとも１つの放出弁５９を備え得る。少なくとも１つの放出弁５９は、ライン中の特定の圧力において開口する。本発明の装置の特定の一実施形態によれば、放出弁５９からの出口が吸入プレナム１９中または内燃機関１の排出回路１０中または外気（図８）へ開口することができる。
【０１４１】
成層化ライン２８および／または成層化圧縮器２９の出口および／または成層化プレチャンバ７９はまた、少なくとも１つの放出ソレノイド弁を備え得る。少なくとも１つの放出ソレノイド弁の出口は、内燃機関の吸入側中またはキャニスター（図示せず）中または保存貯蔵室（同様に図示せず）中へ開口する。
【０１４２】
ソレノイド弁の作動については、内燃機関１の停止時において、成層化ライン２８中および／または成層化圧縮器２９の出口および／または成層化プレチャンバ７９に含まれる炭化水素蒸気の大部分をキャニスターまたは貯蔵室が保存するような作動である。その後、エンジンが後で再始動すると、蒸気は既燃となる点に留意されたいあるいは、ソレノイド弁の作動については、ソレノイド弁によって蒸気がエンジンの吸入側へ放出された場合、蒸気がエンジンによって迅速に既燃となるような作動が行われる。
【０１４３】
図７は、成層化圧縮器２９の出口を蓄圧器６０へ接続することが可能である様子を示す。蓄圧器６０は、雰囲気空気または圧縮器によって事前加圧された気体混合物を保存する。蓄圧器はまた、ラインおよびプレチャンバを加圧状態で保持するように、成層化ライン２８および成層化プレチャンバ７９と直接的または間接的にする。
【０１４４】
特に、例えば成層化圧縮器２９に低速で回転する単一のピストンが含まれる場合、蓄圧器６０は、これらの部材中に確立された圧力を安定化させるように機能する。この構成により、高振幅の圧力波が部材内に生成される。
【０１４５】
高圧火花点火および成層化装置２は、先行冷却排ガスを往復させる手段４０（「外部冷却ＥＧＲ」手段と呼ばれる）を備える。手段４０は、少なくとも１つの比例リフトＥＧＲタッピング弁６３（図６）からなるかまたは少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングフラップ弁６４（図７）からなるかまたは内燃機関１の排出マニホルド１８上に配置された少なくとも１つの比率回転ＥＧＲタッピングスリーブ弁６５（図８）からなる。弁またはフラップ弁またはスリーブ弁は、マニホルドを外部ＥＧＲ供給管６６と連通するように配置することができる。外部ＥＧＲ供給管６６のマニホルド中へ開口する端部と反対側の端部は、内燃機関の吸入プレナム１９中へ開口する。
【０１４６】
比例リフトＥＧＲタッピング弁６３または比率回転ＥＧＲタッピングフラップ弁６４または排出マニホルド１８上に配置された比率回転ＥＧＲタッピングスリーブ弁６５は、少なくとも１つの比例リフト排出背圧弁６７（図６）または比率回転排出背圧フラップ弁６８（図７）またはマニホルドの出口のうち少なくとも１つに含まれる比率回転排出背圧スリーブ弁６９（図８）と協働する。
【０１４７】
図６〜図８に示す成層化ＥＧＲ冷却器４１は、外部ＥＧＲ供給管中の高温度空気／水交換器であり、内燃機関１の排出管１０からタッピングされた排ガスを冷却する。排ガスは、その熱のうち一部を内燃機関の冷却回路１７中に含まれる熱伝達流体へ移動させる。
【０１４８】
図６〜図８はまた、成層化ＥＧＲ冷却器４１を示す。成層化ＥＧＲ冷却器４１は、外部ＥＧＲ供給管中の低温空気／水交換器であり、内燃機関１の排出管１０からタッピングされた排ガスを冷却する。排ガスは、その熱のうち一部を内燃機関に含まれる独立型低温水回路中に含まれる熱伝達流体へ移動させる。低温水回路は、エンジンに含まれる装入物空気冷却器のものであってもよく、このような回路は当業者に公知である点に留意されたい。
【０１４９】
図３〜図５は、成層化室２４が環状空洞４５からなる様子を示す。環状空洞４５は、円筒型穴部４６中に形成される。円筒型穴部４６において、スパークプラグ２５に含まれる円筒型密封先端４４が係合され、穴部４６は、内燃機関１の燃焼室９中へ開口する。
【０１５０】
図２および図３に示すように、成層化噴射管３９は、少なくとも１つの成層化噴射管１５からなり得る。成層化噴射管１５の第１の端部は、成層化室２４と連通し、成層化噴射管１５の第２の端部は、円筒型密封先端４４の内側と、スパークプラグ２５に含まれる中央絶縁コーン４３との間において開口する。
【０１５１】
しかし、図４は、成層化噴射管３９が少なくとも１つの成層化噴射毛細管１６からなる様子を示す。少なくとも１つの成層化噴射毛細管１６は、スパークプラグ２５に含まれる中央電極４７の内側に形成され、これにより、毛細管の第１の端部が成層化室２４と連通し、毛細管の第２の端部が中央電極４７の端部に開口する。
【０１５２】
図５に示す高圧火花点火および成層化装置２は、成層化噴射管３９を備える。成層化噴射管３９は、少なくとも１つの周辺成層化ノズル４８からなる。少なくとも１つの周辺成層化ノズル４８の第１の端部は、成層化室２４と連通し、少なくとも１つの周辺成層化ノズル４８の第２の端部は、スパークプラグ２５の周辺において開口する。第２の端部は、概してスパークプラグに含まれる電極２６に向けられている。
【０１５３】
少なくとも成層化弁、シート２１、バネ２２、成層化管２３の全てまたは一部、成層化プレチャンバ７９および成層化アクチュエータ２７を組み合わせて、少なくとも１つのカートリッジ中に採用することができる点に留意されたい。これら少なくとも１つのカートリッジは、内燃機関１のシリンダヘッド８中へ固定されるかまたはねじ込まれる。
【０１５４】
図８は成層化圧縮器２９および／または成層化プレチャンバ７９の成層化ライン２８および／または出口が空気燃料混合物の少なくとも１つの弁またはインジェクタ７６を備え得ることを示す。これにより、汚染物質後処理触媒コンバーター７５の温度を保持することが可能になる。
【０１５５】
弁またはインジェクタ７６は、空気燃料混合物をライン２８からまたは出口からまたはプレチャンバ７９から内燃機関１の排出管１０へ移動させることができる。混合物は、エンジンの排出弁１２とエンジン１の触媒コンバーター７５との間に配置された管の任意のポイントにおいて、種類の弁またはインジェクタ７６によって管１０内へと導入される。
【０１５６】
よって、汚染物質の後処理のための触媒コンバーター７５が（少なくとも適切な効率で動作可能な）動作温度に到達した後に、混合物を必要な場合に排出管１０中へ導入することができ、これにより、触媒コンバーター７５を非汚染物質ガス変換効率に維持することが可能な十分な温度において保持できるように混合物を触媒コンバーター７５中において確実に既燃させることができる。
【０１５７】
この場合、触媒コンバーター７５の温度を保持するための空気燃料混合物を導入するための弁またはインジェクタ７６は、触媒コンバーター温度維持空気燃料混合物管７７によって内燃機関１の排出管１０へ接続され得る。混合管７７に絶縁管またはフランジ７８を含めることが可能であり、これにより、管７７が過度に高い温度に到達する事態が回避される。
【０１５８】
本発明の動作
【０１５９】
本発明に係る点火装置は、少なくとも以下のモードで動作する。
【０１６０】
・化学量論的パイロット装入物の燃焼のみであるため、実際には、主要装入物は、酸素または燃料は含まず、外部冷却ＥＧＲおよび／または内部高温ＥＧＲのみを含む。
・化学量論的パイロット装入物の燃焼により、その後、外部冷却ＥＧＲおよび／または内部高温ＥＧＲで高希釈された化学量論的主要装入物が点火される。
【０１６１】
・化学量論的パイロット装入物の燃焼により、その後、外部冷却ＥＧＲおよび／または内部高温ＥＧＲで希釈されたか若干希釈されただけの化学量論的主要装入物が点火される。
【０１６２】
・外部冷却ＥＧＲおよび／または内部高温ＥＧＲで高希釈、未釈または若干希釈されただけの化学量論的パイロット装入物の燃焼。
【０１６３】
特定の実施形態および用途において、本発明に係る点火装置は、例えば図６〜図８に示すような４シリンダ往復内燃機関熱機関において用いられた場合、以下のように動作する。
【０１６４】
成層化ライン２８の加圧段階：多ポイント噴射を用いた従来技術のエンジンと同様にエンジン１を起動させる。本発明に係る点火装置２は、装置内に含まれるスパークプラグ２５を除いて、この段においては用いられない。
【０１６５】
この例に従ってエンジンのクランク軸７によって直接的に駆動されると、成層化圧縮器２９はクランク軸と同時に開口し、エンジンの空気フィルタハウジング７０の出口からタッピングされたその空気を引き出す。
【０１６６】
この特定の実施形態において、インジェクタ３３は、成層化圧縮器２９の吸入中に燃料を噴霧する。この噴霧は、化学量論的燃料混合物が圧縮器出口において成層化ライン２８中へ直接的に送達されるような比率で行われる。
【０１６７】
成層化圧縮器２９による作用と並行して、均質化サーキュレータ５６は、その後化学量論的燃料混合物を成層化ライン２８を通じて多様な成層化プレチャンバ７９を通じて流れさせる。多様な成層化プレチャンバ７９は、本発明において記載のように、内燃機関１の各燃焼シリンダ４中において採用される。その後、ライン２８が加圧状態であり、内燃機関が開口状態である限り、化学量論的燃料混合物は、均質化返送管７１を通じて送られてサーキュレータへ戻され、同一回路から再度開始する。
【０１６８】
均質化サーキュレータ５６によって発生する撹拌は、成層化ライン２８および成層化室２４の内壁上の化学量論的燃料混合物中に含まれるガソリンの凝縮を低減する機能を有する。混合物は加圧状態であるため、ガソリンの蒸気状態を維持することが好ましくない。
【０１６９】
この撹拌はまた、化学量論的燃料混合物を均質状態で維持して壁部の温度に近い温度で維持する機能も果たす。温度は、混合物の自発的な点火点を下回る。この撹拌はまた、特に本発明に係る点火装置の前回の使用に起因して壁部に付着しているガソリン残留物を再度希釈することにより、壁部を洗浄する機能も果たす。
【０１７０】
内燃機関１のピストン５が圧縮ストロークに到達した場合、成層化圧縮器２９による作用下において、成層化ライン２８の圧力は、内燃機関１の燃焼室９中に確立された圧力よりも高いレベルまで上昇する。その直後、室中に含まれる装入物の点火が発生する。ラインが加圧されると、本発明に係る点火装置は、エンジンの装入物の成層化を行う準備が完了する。これは、以下のように行われる。
【０１７１】
初期成層化段階
【０１７２】
エンジンのクランク軸７が数度だけ回転した後、エンジンの燃焼室９中に含まれる主要化学量論的装入物の火花点火がスパークプラグ２５によって開始され、電流が電気成層化アクチュエータ２７（図３）のコイル５０の端子へ送られる。
【０１７３】
その後、アクチュエータの磁気コア５１がコイルによって引き寄せられ、コイルに向かって移動して、コイル押圧または牽引手段４２上において牽引される。コイル押圧または牽引手段４２は成層化弁２０へ接続されて、弁をシート２１からリフトし、成層化ライン２８中（より詳細には、成層化プレチャンバ７９中）に含まれる加圧気化混合物のうちごく一部が成層化室２４および成層化噴射管３９それぞれを介してエンジン１の燃焼室９へ向かって逃げる。
【０１７４】
成層化噴射管３９を介して逃げているとき、混合物は、スパークプラグ２５の円筒型密封先端４４とスパークプラグの中央絶縁コーン４３との間の空間に高速で入る。このようにすると、混合物は、スパークプラグ２５の電極２６の周囲にセンタリングされた小体積中に閉じ込められた状態で、乱流運動と混合される。よって、混合物は、化学量論的パイロット装入物（図３）を構成する。
【０１７５】
所望の量の混合物を成層化ライン２８から燃焼室９へ移動させてパイロット装入物を形成した後、内燃機関１のＥＣＵから成層化アクチュエータ２７のコイル５０への電流供給が停止し、アクチュエータの磁気コア５１は初期位置へ戻り、成層化弁２０のバネ２２によって押し戻される。同時に、バネ２２はシート２１（すなわち、閉鎖位置）へ戻される。
【０１７６】
その後、パイロット装入物が天下され、高電圧電流がスパークプラグ２５の端子に付加されて、スパークプラグの電極２６間に電気アークが形成される。パイロット装入物は化学量論的であり、強い乱流運動を有するため、パイロット装入物はは高速点火され、その後、実質的に球状の高温体積を形成する。この体積は、熱の影響下において高速膨張して、実質的に切頂形状の球状の火炎前面を形成する。この火炎前面は主要装入物との接触面積が大きいため、主要装入物も高速点火される。この理由は、主要装入物全体を燃やすために火炎によって網羅すべき距離が短いからである。このパイロット装入物および主要装入物による燃焼モードが確立されると、先行冷却排ガス往復手段４０（「外部冷却ＥＧＲ」手段と呼ばれる）が以下のようにして開口する。
【０１７７】
外部冷却ＥＧＲによる装入物の希釈段階
【０１７８】
排ガスを往復させるために、本発明およびこの例示的実施形態による先行冷却排ガス往復手段４０は、比例リフトＥＧＲタッピング弁６３を備え得る。比例リフトＥＧＲタッピング弁６３は、排出マニホルド１８上に配置される。排出マニホルド１８は、内燃機関１のシリンダＡおよびＢの排出出口を相互に連結させ、エンジン中に採用される。タッピング弁６３は、マニホルド１８の出口に配置された比例リフト排出背圧弁６７と相互作用する。
【０１７９】
ＥＧＲタッピング弁６３が全開し、排出背圧弁６７が全閉すると、シリンダＡおよびＢからの全ての排ガスは、タッピング弁６３および外部ＥＧＲ供給管６６を介して内燃機関１の吸入プレナム１９へ再度導入される。タッピング弁６３および外部ＥＧＲ供給管６６は、高温空気型７２の外部ＥＧＲ空気／水冷却器を備える（換言すれば、エンジン自体を冷却するための水が内部において用いられる冷却器）。エンジン中にはガスが流れ込んで第１の温度低下が発生し、その後、ガスは、吸入プレナム１９中に含まれる低温水型７３の空気／水冷却器中に流れて第２の温度低下が発生する。後者の冷却器は、エンジンがターボ圧縮器７４（図６）によって過給された場合にエンジンの過給空気を冷却する機能も果たす。
【０１８０】
この構成およびこの設定により、エンジン１の吸入に付与された空気は、およそ５０パーセントのＥＧＲを備え、外気からわずか数度だけ高い温度となる。
【０１８１】
この配置構成から、ＥＧＲタッピング弁６３と、シリンダＡおよびＢの排出出口の排出マニホルド１８中に採用される排出背圧弁６７との各リフトを変更することにより、エンジンを外部冷却ＥＧＲの０パーセントと５０パーセントとの間において動作するように作製することができることが容易に推測できる。より良いエネルギー効率およびエンジン燃焼についての安定性上限の基準に基づいて、適切なレベルのＥＧＲがエンジン動作コンピュータＥＣＵによって常に設定される。
【０１８２】
エンジン１の過給のためにエンジン１のターボ圧縮器７４が用いられる場合、ＥＧＲタッピング弁６３および排出背圧弁６７は、排ガス中に十分なエネルギーが残留してターボ圧縮器タービンにより遠心圧縮器を駆動できるように、設定される点に留意されたい。遠心圧縮器は、ターボ圧縮器内において所望の状態で採用される。
【０１８３】
エンジンが可変圧縮比を有する場合、タービンに利用されるエネルギーを優先させるためにＥＧＲレベルを低下させる要求は、エンジンの最終効率に対して悪影響が少なくなる。この理由は、このような場合、エンジンは全負荷においては、ピンニングの解消および／または高エネルギー効率の送達のために外部冷却ＥＧＲをほとんど必要としないからである。
【０１８４】
エンジン１が高レベルの外部冷却ＥＧＲと共に動作する場合、本発明に係る点火装置２が無い場合に開始が通常困難であるかまたはさらには不可能である燃焼を装置によって良好な条件で可能にすることができる点に留意されたい。
【０１８５】
その理由は、外部冷却ＥＧＲで高希釈された化学量論的主要装入物の燃焼開始が、パイロット装入物の周囲において発生した大面積と共に火炎前面によって可能となり、主要装入物と接触させられるからである。
【０１８６】
この場合、先ずパイロット装入物の燃焼に起因して発生する圧縮に起因して主要装入物が高速燃焼する。この圧縮に起因して、未燃焼の主要装入物のエンタルピーが増加する。この高速燃焼は、第２に火炎へ露出される大接触面によって発生する。この高速燃焼は、第３に前装入物全てを燃やすために火炎によって被覆することが未だ必要な短距離に起因して発生する。
【０１８７】
装入物は外部冷却ＥＧＲによって高希釈されているため、燃焼時における装入物の平均温度が大幅に低下し、エンジンのピンニングに対する感度と、壁部における熱損失とが同時に低下する。その後、最適な瞬間において装入物の燃焼を最大効率基準に従って開始することができ、また、エンジンの圧縮比を増加させることができる。エンジンは、ガス膨張の熱力学効率を増加させるために、固定または可変型であり得る。
【０１８８】
可変圧縮型のエンジンの場合、装入物の平均外部低温ＥＧＲ内容物を圧縮と並行して有利に増加させることができ、この増加は、高レベルの外部冷却ＥＧＲによる燃焼安定性と、ガス膨張の熱力学効率とに対して同時に好適である点に留意されたい。
【０１８９】
成層化ライン２８の加圧段階が完了すると、成層化段階と、その後の外部冷却ＥＧＲによる装入物の希釈段階とを時間的に遅延させることができ、これにより、ラインの内壁の温度上昇と、均質化サーキュレータ５６によって提供される内壁とにより、内燃機関１の最終使用時においてラインに保存された燃料を蒸気状態に戻すことができる点に留意されたい。
【０１９０】
この遅延により、エンジンの装入物を外部冷却ＥＧＲによって希釈する前に、エンジンの排ガス中に含まれる全エネルギーをエンジンの三元触媒コンバータの加熱のために一時的に保存することも可能になる。
【０１９１】
本発明に係る点火装置２により、単一のエンジンサイクルにおける燃焼を２つの異なるモードで開始することが可能になる点に留意されたい。第１のモードは、火花点火によって制御され、パイロット装入物のために用いられる。第２のモードは、ＣＡＩおよびＨＣＣＩの原理に従って圧縮によって点火開始され、主要装入物のために用いられる。
【０１９２】
本発明に係る点火装置２を用いるこの方法によれば、外部冷却ＥＧＲを全体的または部分的に内部高温ＥＧＲで置換することができ、これにより、ＣＡＩまたはＨＣＣＩによる燃焼の正しい開始に必要な温度、圧力および組成の条件を主要装入物のために提供することが可能になる。
【０１９３】
可変圧縮比エンジンにおいて用いられた場合、同一エンジンサイクルにおける２つの異なるモードでの燃焼開始の制御がより容易になる点に留意されたい。
【０１９４】
本発明の点火装置２の特定の使用モードにおいて、内燃機関は、可変圧縮に加えてまたは可変圧縮の代わりに、吸入弁１３および／または排出弁１２の開口および／または閉鎖および／またはリフトの制御のための装置を有利に備え得る。
【０１９５】
この特定の実施形態は、エンジン１の燃焼ピストン５の吸入ストローク時において、低負荷における残留ポンピング損失の低減のために、特に吸入弁１３の閉鎖を前進させるために用いることができる。
【０１９６】
最後に記載した方法を用いることにより、例えばエンジン１の極めて大容積化が可能となり、当該エンジンにおいてガスの膨張率を極めて高くすると、高熱力学効率に好適である。
【０１９７】
上記の記載は例示目的のものであり、本発明の範囲をいかようにも制限しないことが理解される。上記に述べた実施形態の詳細と他の任意の均等例との代替が可能であれば、本発明の範囲からの逸脱は無い。
【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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