(57)【要約】  第１の態様によれば、往復動形の構造形態の内燃機関であって、シリンダ（２）のシリンダヘッド（１）内に配置されたインレットバルブ（３）であって、前記インレットバルブ（３）を介して燃焼空気が、前記インレットバルブ（３）に接続された取り込み管路（４）から前記シリンダ（２）に供給可能である、インレットバルブ（３）と、圧力アキュムレータ（５）であって、圧力アキュムレータ（５）から、シリンダ（２）内の燃焼を促進する付加的な媒体が、制御されてシリンダ（２）に供給可能である、圧力アキュムレータ（５）と、噴射ノズル（７）であって、噴射ノズル（７）を介して燃料が、シリンダ（２）内に噴射可能である、噴射ノズル（７）とを備える、内燃機関が記載される。付加的な媒体は、本発明によれば、燃焼空気−補助燃料−混合物である。圧力アキュムレータ（５）は、ノズルニードル（６）を有する噴射ノズル（７）に接続されており、付加的な媒体は、噴射ノズル（７）によりシリンダ（２）内に制御されて導入可能である。本発明の第２の態様によれば、内燃機関のシリンダ内の燃焼を促進する付加的な媒体を往復動エンジンのシリンダ内に付加的に送り込む方法が記載され、媒体は、噴射ノズルを介して供給される。
2020514621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動形の内燃機関であって、
シリンダ（２）のシリンダヘッド（１）内に配置されたインレットバルブ（３）であって、前記インレットバルブ（３）を介して燃焼空気が、前記インレットバルブ（３）に接続された取り込み管路（４）から前記シリンダ（２）に供給可能である、インレットバルブ（３）と、
圧力アキュムレータ（５）であって、前記圧力アキュムレータ（５）から、前記シリンダ内の燃焼を促進する付加的な媒体が、前記シリンダ（２）に制御されて供給可能である、圧力アキュムレータ（５）と、
噴射ノズル（７）であって、前記噴射ノズル（７）を介して燃料が、前記シリンダ（２）内に噴射可能である、噴射ノズル（７）と、
を備え、
前記圧力アキュムレータ（５）は、ノズルニードル（６）を有する前記噴射ノズル（７）に接続されており、付加的な前記媒体は、前記噴射ノズル（７）により前記シリンダ（２）内に制御されて導入可能である、
内燃機関において、
前記媒体は、燃焼空気−補助燃料−混合物である、
ことを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
前記ノズルニードル（６）は、前記ノズルニードル（６）の行程運動中、所定の燃料圧に達したときに燃料および／または付加的な前記媒体が前記シリンダ（２）内に導入可能であるように制御されていることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ノズルニードル（６）は、前記ノズルニードル（６）の内部に媒体通路（９）を有し、前記媒体通路（９）を介して付加的な前記媒体は、前記シリンダ（２）内に導入可能であることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。
【請求項４】
前記媒体は、ガス状であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項５】
前記媒体用の前記圧力アキュムレータ（５）に、または前記噴射弁（７）に、または前記圧力アキュムレータ（５）と前記噴射弁（７）との間に、弁（１０）が配置されており、前記弁（１０）は、前記シリンダ（２）への付加的な前記媒体の供給を制御する制御装置（２１）により制御可能であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項６】
前記弁（１０）は、燃料噴射プロセス、特に燃料噴射量に応じて制御可能であることを特徴とする、請求項５記載の内燃機関。
【請求項７】
前記ノズルニードル（６）は、前記媒体を供給するための半径方向に配置された横方向孔を有し、前記横方向孔は、前記ノズルニードル（６）の行程により開放または閉鎖され得ることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項８】
前記噴射ノズル（７）は、サックホール（２２）を有するマルチホールノズルであることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項９】
前記噴射ノズル（７）は、スロットルピンノズルであることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項１０】
付加的な前記媒体は、媒体管路を介して前記噴射ノズル（７）に供給可能であり、前記媒体管路の直径は、少なくとも前記ノズルニードル（６）の最大の行程に相当することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の内燃機関。
【請求項１１】
内燃機関のシリンダ（２）内の燃焼を促進する付加的な媒体を往復動エンジンの前記シリンダ（２）内に送り込む方法であって、前記媒体を前記往復動エンジンのシリンダヘッド（１）内に設けられた噴射ノズル（７）を介して供給する方法において、前記媒体は、燃焼空気−補助燃料−混合物であり、前記燃焼空気−補助燃料−混合物を前記シリンダ（２）内に送り込むことを特徴とする、方法。
【請求項１２】
前記媒体の供給を前記シリンダ（２）内への前記燃料の供給と少なくとも一部同時に実施することを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記媒体の供給を弁の制御によりノズルニードル（６）の行程運動とは独立して行うことを特徴とする、請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１４】
付加的な前記媒体の送り込みを、燃料噴射中に、行程制御して行うことを特徴とする、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１記載の特徴を備える、往復動形の構造形態の内燃機関と、請求項１１記載の特徴を備える、燃焼を促進する媒体を燃焼室内に送り込む方法とに関する。
【０００２】
燃焼に必要な燃焼空気が、シリンダのシリンダヘッド内に設けられたインレットバルブを介してシリンダに供給され、インレットバルブは、取り込み管路の端部に配置されており、取り込み管路を介して掃気空気を含めたすべての燃焼空気が、シリンダに供給可能である往復動内燃機関が公知である。従来慣用の構造形態では、内燃機関は、噴射ノズルを備え、噴射ノズルは、ノズルニードルを噴射ノズルの内部に有し、ノズルニードルを介してシリンダ内への燃料供給は制御される。内燃機関のトルクの制御あるいはトルクアップのためにも、この種の内燃機関のコールドスタート特性の制御および改善のためにも、付加的に圧縮空気アキュムレータを設け、圧縮空気アキュムレータから付加的な燃焼空気を、シリンダヘッド内に配置されるインレットバルブを介してシリンダ内に導入することも公知である。この付加的な燃焼空気は、直接、シリンダヘッド内に設けられたエアインレットバルブを介して実現されるか、または付加的なエアインレットバルブを介して実現される。
【０００３】
DE 11 2007 000 944 T5には、約２００ｂａｒの極めて高い圧力下にある圧縮空気容器が付加的に設けられ、圧縮空気容器から付加的な燃焼空気を圧縮行程中に、具体的には、特に圧縮行程の開始中に吹き込むことが実現されている内燃機関が記載されている。確かに、これにより、エミッションに対してポジティブな影響を及ぼし、多気筒機関の場合は、とりわけ内燃機関の全運転特性に対してもポジティブな影響を及ぼすことが可能である。しかし、圧力容器内のこれほど高い圧力のためには、相当量の付加的なエネルギが必要である。それというのも、とりわけ、これほど高い圧力の場合、相応に大きな空気量を蓄えておき、シリンダ内に内燃機関の回転数に応じて次から次へと圧送しなければならないからである。
【０００４】
独国特許出願公開第１０２０１００３３５９１号明細書（DE 10 2010 033 591 A1）には、コールドスタート特性を改善した内燃機関が記載されている。補助燃料−空気−混合物がシリンダ内で既に圧縮された後、本来の着火プロセスの直前に、空気アキュムレータからの付加的に圧縮される圧縮空気がシリンダに供給される。このためにも、比較的高い圧力が圧縮空気容器内に蓄えられねばならない。独国特許出願公開第１０２００４０４７９７５号明細書（DE 10 2004 047 975 A1）において、付加的な燃焼空気を圧縮空気の形態で圧力アキュムレータからタイミング制御して吸気期間中にシリンダに供給することが公知である。圧力容器として、圧縮空気式ブレーキ装置にいずれにしても設けられている圧縮空気容器を使用する。付加空気のタイミング制御した吹き込みにより、量および吹き込み時間を相応に調整してやれば、すべての出力特性に関して内燃機関の運転パラメータに対して影響を及ぼすことができる。このシステムの場合も、付加空気は、吸気管路に供給され、具体的には吸気期間中に供給される。これにより、やはり、比較的大きな空気量が圧力容器からその都度の吹き込みサイクル毎に提供されねばならない。
【０００５】
付加的な圧縮空気容器を有するこの種の別のシステムは、燃焼空気を圧力容器から、２つの部分経路に分けた吸気通路を介して、制御可能な遮断部材により内燃機関に付加的に供給することができるようにした独国特許発明第１０２０１２０１４２０４号明細書（DE 10 2012 014 204 B4）および独国特許発明第１０２０１２０１４２０５号明細書（DE 10 2012 014 205 B3）ならびに公知の内燃機関に、設けられているターボチャージャと、内燃機関のインレットバルブとの間で同じく空気吸気流路内に付加的な圧縮空気を吹き込む付加的な装置が設けられている独国特許出願公開第１０２００８００３２６号明細書（DE 10 2008 00 326 A1）において公知である。その際、圧縮空気は、常時、吸気流路内に導入されるのではなく、圧縮空気の導入が、車両の目下の運転状況に応じて安全性、走行快適性および摩耗に関して有意義であるときだけ導入される。
【０００６】
独国特許発明第１０２２４７１９号明細書（DE 102 247 19 B4）、独国特許発明第３９０６３１２号明細書（DE 39 063 12 C1）および独国特許出願公開第２００８０００３２４号明細書（DE 2008 000 324 A1）に記載の別の公知のシステムは、ターボ過給を行うエンジンでも、自然吸気エンジンでも、インレットシステムの様々な箇所に付加的な圧力容器が推奨される点で共通している。
【０００７】
内燃機関の取り込み管路内に付加的な燃焼空気を付加的に供給する圧力アキュムレータを備えるこれらの公知の内燃機関の欠点は、比較的大きな装置上の手間と、インレットシステム内の大きな横断面のために、付加的な燃焼空気の少なくともある程度の部分がシリンダ内に到達するように圧送されねばならない比較的大きな空気量とである。
【０００８】
本発明は、DE 691 00 803 T2に記載の往復動形の構造形態の内燃機関から出発する。内燃機関は、シリンダのシリンダヘッド内に配置されるインレットバルブであって、インレットバルブを介して燃焼空気が、インレットバルブに接続される取り込み管路からシリンダに供給可能である、インレットバルブと、圧力アキュムレータであって、圧力アキュムレータから、シリンダ内の燃焼を促進する付加的な媒体が、制御されてシリンダに供給可能である、圧力アキュムレータとを備えている。この場合、燃料は、噴射ノズルにより制御されてシリンダ内に噴射可能であり、圧力アキュムレータは、ノズルニードルを有する噴射ノズルに接続されている。
【０００９】
好適な噴射ノズルの様々な構造形式は、例えば独国特許出願公開第３９３６９８６号明細書（DE 39 36 986 A1）、独国特許出願公開第１０２０１３０１４３２９号明細書（DE 10 2013 014 329 A1）および独国特許出願公開第１０２０１４００２９０５号明細書（DE 10 2014 002 905 A1）に記載されている。
【００１０】
これに対して本発明の課題は、付加的にシリンダ内に送り込みたい、燃焼を促進するガス状または液状の媒体の量を制御可能にかつより少なく保ち、しかし、それにもかかわらず内燃機関の運転特性の確実な改善を保証するとともに、付加的に、内燃機関のシリンダ内への媒体の供給を制御する構造上かつ装置上の手間を可能な限り簡単に保つことにある。さらに本発明の課題は、改善された排ガス値でエンジン出力を最適化することである。
【００１１】
上記課題は、請求項１記載の特徴を備える往復動形の内燃機関および請求項１１記載の特徴を備える方法により解決される。有利な発展形は、それぞれの従属請求項に規定されている。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、往復動形の内燃機関は、シリンダのシリンダヘッド内に配置されるインレットバルブを備え、インレットバルブには、取り込み管路からシリンダ内に導きたい燃焼空気または付加的に燃焼ガス／燃料または燃焼空気−燃焼ガス／燃料−混合物が供給され、インレットバルブは、相応の弁制御により燃焼空気、燃焼ガスまたは混合物をシリンダにタイミング制御されて供給する。さらに内燃機関は、圧力アキュムレータを備え、圧力アキュムレータから、シリンダ内の燃焼および場合によっては混合物形成を促進する付加的な媒体が、制御されてシリンダに供給可能である。内燃機関は、シリンダヘッド内にさらに噴射ノズルを備え、噴射ノズルを介して燃料は、シリンダ内に噴射可能であり、燃料は、最適な燃焼特性を実現することができるように、噴射ノズルにより相応に噴霧される。本発明により圧力アキュムレータは、ノズルニードルを有する噴射ノズルに接続されており、シリンダ内に導入したい付加的な媒体は、圧力容器からノズルニードルにより制御されてシリンダ内に導入可能である。従来慣用の噴射システムを備える従来慣用の内燃機関のために、噴射ノズルが使用され、噴射ノズルは、噴射ノズルの内部にノズルニードルを有し、ノズルニードルは、相応の行程により、圧力下にある燃料を噴射する横断面を保証する。
【００１３】
而るに本発明により、本発明に係る内燃機関では、付加的な媒体が噴射ノズルを介して同じくシリンダ内に導入されるように、従来慣用の噴射ノズルが付加的に形成されている。それゆえ、この種の本発明に係る噴射ノズルは、二重機能を有している。それというのも、本発明に係る噴射ノズルは、一方では、燃料のそれ自体公知の噴射と、燃料の噴霧も実現し、しかし、少なくとも一部同時に、付加的な圧力アキュムレータからの付加的な媒体の供給を可能にするからである。その結果、シリンダ内の燃焼を改善すべく、この付加的な媒体を導入する別の機構は、不要である。噴射ノズルでは、比較的良好な制御可能性が保証されているので、本発明に係る内燃機関では、大容積の取り込み通路を介した媒体の付加的な供給を実現すべきときに必要であるような大体積の取り扱いおよび圧送も大幅になくすことができ、それでありながら、本発明に係る内燃機関では、所望の機能、すなわち運転特性、トルクおよびコールドスタート特性について断念する必要もない。これらは、本発明による解決手段では、正確に制御可能である。
【００１４】
好ましくは、本発明に係る内燃機関では、ノズルニードルは、噴射ノズルの内部での所定の噴射圧の到達時、シール座から離間するノズルニードルによりこのシール座が解放され、その結果、シール座を通過して燃料および／または媒体がシリンダ内に導入可能であるように行程制御、好ましくは、燃料圧制御されている。而るに本発明により、噴射ノズルを介して供給される媒体は、同時に、時間的にずらされてまたは一部同時に、噴射ノズル内の圧力の状況と、ノズルニードルに作用するばね力とを相応に顧慮しつつ、付加的な媒体がこのシール座を介してシリンダ内に導かれるように導入される。しかし、ノズルニードルの行程運動は、圧電素子もしくは電磁石により実施されても、大型エンジンの場合には液圧式に実施されてもよい。
【００１５】
好ましくは、ノズルニードルは、ノズルニードルの内部に媒体通路を有し、媒体通路を介して付加的な媒体は、シリンダ内に導入可能である。その際、この媒体通路は、前に言及したシール座において封止され閉鎖され得る、あるいはノズルニードルの持ち上がり時に開放され得る。しかし、さらに好ましくは、圧力アキュムレータに、または噴射弁に、または圧力アキュムレータと噴射弁との間に、付加的な弁が配置されていることも可能であり、この弁は、制御装置によりシリンダへの付加的な媒体の供給を制御する。その際、好ましくは、媒体の量も、シリンダへの体積流量も、燃料噴射プロセス、具体的には、特に燃料噴射量に応じたこの弁の制御により行われる。付加的な媒体の供給が燃料噴射プロセスに応じて制御されることで、付加的な媒体を例えば燃料の噴射プロセスの終わり頃に初めてシリンダ内に取り込むことを保証でき、その結果、噴射ノズル内の圧力は、ノズルニードルは確かにまだ開放されているが、圧力下にある燃料の、媒体通路内への逆流は起こらない程度に既に減じられている。加えて、好ましくは付加的に、通常、噴射ノズルハウジング内でのノズルニードルの持ち上がりを保証する燃料圧が、通常の状況であれば、ノズルニードルを付勢するばね圧がノズルニードルの閉鎖を実現する程度に既に解消されているにもかかわらず、付加的な機構が、ノズルニードルをシール座においてまだ開放状態に保つようにしてもよい。
【００１６】
シリンダ内の燃焼を促進すべく、付加的に導かれる媒体は、好ましくはガス状であり、さらに好ましくは圧縮空気である。酸素も可能である。しかし、媒体として、付加的な発熱量を有し、シリンダ内での燃焼プロセス時に付加的にエネルギを放出する燃焼ガスを使用することも可能である。付加的な媒体として、さらに好ましくは、燃焼空気−補助燃焼ガス−混合物も使用され、その結果、混合物の両成分の割合を介して、エンジンの運転特性に直接影響を及ぼすことができる。別の一実施例によれば、付加的な媒体は、液状であってもよく、媒体は、好ましくは、圧力アキュムレータ内で液状であり、かつ媒体通路に、エンジンのシリンダ内への噴射または送り込みまで液相で供給され、シリンダ内では、圧力および温度の状況に基づいて、気相への移行、場合によっては即座の移行も行われ得る。好ましくは、液状の媒体は、水である。別々に噴射したときまたは水−燃料−エマルションとして噴射したときのシリンダ内での水の微粒化作用は、一般に公知である。水蒸気の形での媒体の供給も、同じく可能である。
【００１７】
好ましくは、噴射ノズルのハウジングを通した、噴射ノズルの内部に配置されるノズルニードルへの媒体供給は、ノズルニードルの行程を介して開放あるいは閉鎖され得る横方向孔により実現されている。加えて、運転中、ノズルニードルが回動したときでさえ、半径方向の媒体通路を介した、中央の媒体通路への媒体の供給が、常に保証されているように、ノズルニードルおよび／または噴射ノズルのハウジングに、対応する孔と同じ寸法の幅をそれぞれ有する環状に延びる溝が設けられていてもよい。
【００１８】
好ましくは、噴射ノズルは、サックホール（袋穴）を有するマルチホールノズル（多孔ノズル）である。しかし、噴射ノズルは、さらに好ましくは、スロットルピンノズルの形態の噴射ノズルであってもよい。その際、サックホールを有するマルチホールノズルとしての噴射ノズルの形成は、通常のサイズを有して実現されても、減じられたサックホールサイズを有して実現されてもよい。この種のサックホールノズルの基本的な構造は、それ自体公知であり、ノズルニードルがノズルニードルの前方領域で円錐形に形成されていることを特徴としており、このことは、噴射ノズルハウジングの内部においてサックホール上方でのシール作用を、ノズルニードルのその上方に位置する肩部にノズルニードルをシール座から離間させる燃料圧がないとき、実現する。それゆえ、ノズルニードルの円錐形の先端は、燃料の圧力室を、複数の噴射孔が半径方向に方向付けられてシリンダの内部に通じているサックホールから封止する。これに対してスロットルピンノズルは、ノズルニードルに設けられ、ノズルボディの噴射穴内に潜り込むピンを有するいわゆるシングルホールノズルである。この種のスロットルピンノズルの利点は、ノズル開口のある程度の自浄作用が働くことにある。
【００１９】
さらに好ましくは、圧力アキュムレータと、直接、噴射ノズルハウジングに接続される箇所との間に、媒体管路が設けられており、媒体管路を介して付加的な媒体が噴射ノズルへ、ひいては噴射ノズルを介してシリンダ内へ案内される。その際、媒体管路の直径は、少なくともノズルニードルの最大の行程に相当するように形成されている。これにより、ノズルニードルの各行程時に、ノズルニードルの内部に配置される媒体通路に付加的な媒体を送ることが保証されている。
【００２０】
従来慣用の形式で行う燃料の噴射の他に、付加的な媒体の噴射を行う噴射ノズルを備える本発明に係る内燃機関の重要な利点は、大きな構造上かつ装置上の付加的な手間を必要とすることなく、様々な運転状況での内燃機関の改善された制御特性が可能であることにある。さらに、かなりの出力向上が、同じ行程容積で可能である。
【００２１】
しかし、影響を及ぼすことで可能であるのは、エンジンの出力向上の達成だけではない。エンジンの運転特性に適切に影響を及ぼすことで、高レベルでの排ガス最適化も達成可能である。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、方法は、内燃機関のシリンダ内の燃焼、場合によっては混合物形成も促進する付加的な媒体をこの内燃機関のシリンダ内に送り込むステップを含んでいる。本発明に係る方法によれば、媒体は、往復動エンジンのシリンダヘッド内にいずれにせよ存在し、この本発明に係る方法に特別に適合されている噴射ノズルを介して供給される。
【００２３】
好ましくは、媒体の供給を燃料と少なくとも一部同時に実施する。しかし、燃料供給時のような高い圧力も、シリンダ内に送り込みたい媒体のためには不要であるように、媒体の供給を燃料から切り離して実施することも可能である。
【００２４】
好ましい一形態によれば、媒体の供給を弁制御してノズルニードルの行程運動とは独立的に実施する。このことは、圧力アキュムレータから噴射ノズルへの媒体通路内に弁が配置されていて、弁が制御装置により制御され、その結果、シリンダ内への付加的な媒体の供給量が制御されることを意味する。代替的な一変化態様によれば、付加的な媒体を導き入れることは、燃料噴射中、行程制御して実施する。さらに好ましくは、付加的な媒体は、単独で、または燃焼空気−補助燃料−混合物の形態でシリンダ内に付加的な媒体として送り込まれるガス状の補助燃料である。しかし、本発明に係る方法の一発展形によれば、最も簡単な場合、付加的な媒体が圧縮空気であることも可能である。付加的に噴射ノズルを介してシリンダ内に送り込まれる圧縮空気は、シリンダ内で行われる燃焼のために付加的に酸素を提供する。
【００２５】
さらに、混合物としてガス状の補助燃料と、排ガス再循環からのガスとを使用することも、同じく可能である。
【００２６】
而るに、本発明のさらなる利点、詳細および構成については、以下に述べる図面に示した実施例を基に詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】取り込み管路と、排ガス管路と、噴射ノズルに接続される、シリンダ内の燃焼を促進する媒体用の圧力容器とを備える往復動機関のシリンダの原理図である。
【図２】インレットバルブと、エキゾーストバルブと、噴射ノズルとを備える往復動機関のシリンダの断面図である。
【図３】シリンダ内の燃焼を促進する媒体用の供給管路を有するシリンダヘッドに設けられたスロットルピン形の構造形態の噴射ノズルの断面図である。
【図４】図３に示した図であるが、ノズルニードルが持ち上げられた位置にあり、ノズルニードルのシール座が解放されているときの図である。
【図５】噴射ノズルとしてのスロットルピンノズルの拡大詳細図である。
【図６】大きなサックホール（左）および小さなサックホール（右）を有する噴射ノズルとしてのサックホールノズルを示す図である。
【００２８】
図１は、シリンダヘッド１内に取着されたインレットバルブ３とエキゾーストバルブ１１とを備える往復動機関のシリンダ２の原理図である。給気管路４あるいは取り込み管路を介して、取り込み空気１５が、給気圧力を高める圧縮機２５を通して導かれ、圧縮機２５からインレットバルブ３に向かって案内され、インレットバルブ３が開放されていれば、シリンダ２内に案内される。エキゾーストバルブ１１が開放されているとき、燃焼後、燃焼済みガス１６が、エキゾーストバルブ１１を通って排ガス管路１２に流入し、そこから排ガスタービン２６を通流する。排ガスタービン２６内では、取り込み（給気）管路４内に配置された圧縮機２５を駆動するために、排ガス１６からエネルギが取り出される。
【００２９】
シリンダヘッド１内には、さらに噴射ノズル７が配置されており、噴射ノズル７を介して、燃料管路２４を介した燃料が、シリンダ内に噴射され、燃焼される。噴射ノズル７には、ガス状または液状の媒体用の媒体管路１３が接続されている。ガス状または液状の媒体は、燃焼を促進すべく、噴射ノズル７を介して、具体的には噴射ノズル７の内部を介して噴射ノズル７のノズルニードル６を通してシリンダ２内に送り込まれる。その際、ガス状または液状の媒体は、そこに含まれる酸素成分が改善された燃焼に寄与する燃焼空気であってもよいし、上死点に向かうピストン２０の運動時のシリンダ２内での圧縮により形成される温度で自着火、燃焼し、その結果、内燃機関のピストン２０の仕事サイクルのための付加的なエネルギを提供する燃焼ガスであってもよい。燃焼によって発生する仕事は、ピストン２０、コンロッドピン１９およびコンロッド１８を介して、図１には示さないクランク軸に、クランク軸を駆動すべく伝達される。
【００３０】
媒体用の圧力アキュムレータ５は、媒体管路１３、ひいては噴射ノズル７に接続されている。圧力アキュムレータ５と噴射ノズル７との間には、弁１０が配置されており、弁１０を介して、加圧された媒体量が、噴射ノズル７を介してシリンダ２に、燃焼の改善のために供給される。この弁１０は、制御装置２１を介して、通過する媒体の量を調整するべく制御される。その際、制御は、所望のあるいは監視されるエンジンパラメータ、例えばコールドスタート特性、出力、排ガス特性等に応じて実施される。
【００３１】
図２は、往復動シリンダの横断面を示している。シリンダ２は、シリンダヘッド１を有し、シリンダヘッド１内には、インレットバルブ３およびエキゾーストバルブ１１ならびに噴射ノズル７が配置されている。取り込み管路４を介して取り込み空気１５は、インレットバルブ３に向かって流動し、インレットバルブ３が開放されていれば、掃気あるいは吸気サイクル中、シリンダ２内に流入する。シリンダ２内では、シリンダライナ１７においてピストン２０が案内されており、ピストン２０は、コンロッドピン１９とコンロッド１８とを介して図示しないクランク軸に結合されている。同じくシリンダヘッド１内には、エキゾーストバルブ１１が配置されており、エキゾーストバルブ１１は、開放された状態で、シリンダ２内での燃焼過程の結果として生じる燃焼済みガスを排ガス管路１２内に排ガス１６として導き、排ガス管路１２の以後の経路中、例えば、排ガスタービン２６（図１参照）が存在するのであれば、排ガスタービン２６にも導く。図２が示しているのは、この種のシリンダ２の原理構造であって、噴射ノズル７への、圧力下にある媒体用の接続管路は図示していない。
【００３２】
これは、図３に示す詳細図から看取可能である。図３は、シリンダ２のシリンダヘッド１内の、噴射ノズル７を原理断面図として示しており、噴射ノズル７は、その内部に一般に公知の構造形式でノズルニードル６を有している。噴射ノズル７は、スロットルピンノズルとして形成されており、それゆえ、単一のシール座８および単一の噴射穴しか有していない。この種のスロットルピンノズルの利点は、単一の噴射穴しかないため、シリンダ２内での燃焼過程中、ある程度の自浄作用が可能であることにある。このシール座８は、ノズルニードル６の下側の先端領域に対して配置されている。ノズルニードル６の内部には、媒体通路９が設けられており、媒体通路９を介して、燃焼を促進する媒体が、シリンダ２内に送り込まれる。この孔（媒体通路９）は、長手方向で配置され、具体的には、有利にはノズルニードル６の長手方向軸線と一致するように配置されている。さらにこのノズルニードル６は、半径方向で延びる孔を有し、半径方向で延びる孔は、位置に応じて供給管路（媒体管路）に接続されるようになっている。媒体用の供給管路の、ノズルニードル６の長手方向の横断面寸法は、ノズルニードル６の半径方向孔にノズルニードル６の行程範囲内で媒体が供給され得るような大きさを有している。媒体の改善された供給を保証すべく、ノズルニードル６および／または噴射ノズル７には、図面に個別に示すことはしない環状に延びる分配溝が設けられている。分配溝の幅は、割り当てられたそれぞれの供給孔の直径に相当する。この溝は、ノズルニードル６の外径部および／またはノズルニードル６を収容する噴射ノズル７の内径部に設けられている。媒体は、媒体管路１３を介して、接続栓を経て噴射ノズル７の内部のノズルニードル６に供給される。媒体管路１３内には、図３には図示しない媒体用の圧力容器との間に、弁１０が存在し、弁１０の開閉プロセスは、制御装置２１を介してエンジンパラメータ、例えば運転特性、出力、コールドスタート特性、排ガス特性に応じて制御される。噴射ノズル７の内部には、燃料管路２４が存在し、燃料管路２４により燃料は、噴射ノズル７内、ひいてはノズルニードル６の下側の領域内に案内される。相応に力がかかると、この燃料は、ノズルの、円錐台形の座８を有する領域に案内され、この領域により、燃料圧による押圧力の合力がノズルニードル６の長手方向軸線方向で作用することで、ノズルニードル６は持ち上げられる。
【００３３】
図４には、シール座８がノズルニードル６の先端から解放されている、ノズルニードル６の持ち上げられた状態が示されている。残余の構成部材は、図３に示した構成部材に相当するので、再度詳しく説明することはしない。
【００３４】
より良好な理解のために、図５および図６には、噴射ノズルの２つの基本形式、すなわち、図５には、既に図３および４との関連で説明したようなスロットルピンノズルを、図６には、同じく図３または図４に示すアッセンブリにおいて噴射ノズル７内で使用できるようなサックホールノズル（袋穴ノズル）を拡大図で示している。
【００３５】
図５に示すように、ピン先端を備えたノズルニードル６は、そのシール領域でもってシール座８に対して案内されており、その結果、ノズルニードル６に作用する燃料の押圧力に基づいて、ノズルニードルは、シール座８から離間し、燃料管路２４を通したノズルニードル６の下側の領域への燃料の供給が行われる。この下側の領域は、円錐台形に形成されており、燃料圧が存在しているとき、あるいは作用しているとき、ノズルニードル６の長手方向軸線方向で作用する力を受ける。而るに燃料圧は、ノズルニードル６に作用するその合力が、ノズルニードル６を噴射ノズル７内のシール座から離間させるに十分な大きさとなるような値を有していなければならない。
【００３６】
その原理的な機能の面では、サックホールノズルは、スロットルピンノズルと、ノズルニードル６に対するシール座８の下方で噴射ノズル７内にサックホール２２が形成されている点を除いては相違していない。サックホール２２の形成は、燃料に起因したノズルニードル６の持ち上げ後、シール座８の解放を実現し、その結果、この状況下で、その後、燃料管路２４からサックホール２２内に案内される圧力下にある燃料は、半径方向に形成されたシリンダ２へ向かう噴射孔２３内に案内され、そこでシリンダ２内に噴霧の形で送り込まれるに至る。而るに、燃焼を促進する媒体の、図５および６には示さない内部の孔９を通した供給は、制御可能な弁１０を介して実施可能である。
【００３７】
様々なエンジンパラメータに応じて、シール座８の解放の制御は、所定の時間に燃料および媒体がシリンダ２内に噴射され得るあるいは送り込まれ得るように実施可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  シリンダヘッド
２  シリンダ
３  インレットバルブ
４  取り込み管路
５  燃焼を促進する媒体用の圧力アキュムレータ
６  ノズルニードル
７  噴射ノズル
８  シール座
９  媒体通路
１０  弁
１１  エキゾーストバルブ
１２  排ガス管路
１３  媒体管路
１４  噴射ノズルハウジング
１５  取り込み空気
１６  排ガス
１７  シリンダライナ
１８  コンロッド
１９  コンロッドピン
２０  ピストン
２１  制御装置
２２  サックホール
２３  噴射孔
２４  燃料管路
２５  圧縮機
２６  排ガスタービン
【図１】
2020514621.tif 000003
【図２】
2020514621.tif 000004
【図３】
2020514621.tif 000005
【図４】
2020514621.tif 000006
【図５】
2020514621.tif 000007
【図６】
2020514621.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月20日(2018.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１記載の特徴を備える、燃焼を促進する媒体を内燃機関のシリンダ内に送り込む方法に関する。
【０００２】
燃焼に必要な燃焼空気が、シリンダのシリンダヘッド内に設けられたインレットバルブを介してシリンダに供給され、インレットバルブは、取り込み管路の端部に配置されており、取り込み管路を介して掃気空気を含めたすべての燃焼空気が、シリンダに供給可能である往復動内燃機関が公知である。従来慣用の構造形態では、内燃機関は、噴射ノズルを備え、噴射ノズルは、ノズルニードルを噴射ノズルの内部に有し、ノズルニードルを介してシリンダ内への燃料供給は制御される。内燃機関のトルクの制御あるいはトルクアップのためにも、この種の内燃機関のコールドスタート特性の制御および改善のためにも、付加的に圧縮空気アキュムレータを設け、圧縮空気アキュムレータから付加的な燃焼空気を、シリンダヘッド内に配置されるインレットバルブを介してシリンダ内に導入することも公知である。この付加的な燃焼空気は、直接、シリンダヘッド内に設けられたエアインレットバルブを介して実現されるか、または付加的なエアインレットバルブを介して実現される。
【０００３】
DE 11 2007 000 944 T5には、約２００ｂａｒの極めて高い圧力下にある圧縮空気容器が付加的に設けられ、圧縮空気容器から付加的な燃焼空気を圧縮行程中に、具体的には、特に圧縮行程の開始中に吹き込むことが実現されている内燃機関が記載されている。確かに、これにより、エミッションに対してポジティブな影響を及ぼし、多気筒機関の場合は、とりわけ内燃機関の全運転特性に対してもポジティブな影響を及ぼすことが可能である。しかし、圧力容器内のこれほど高い圧力のためには、相当量の付加的なエネルギが必要である。それというのも、とりわけ、これほど高い圧力の場合、相応に大きな空気量を蓄えておき、シリンダ内に内燃機関の回転数に応じて次から次へと圧送しなければならないからである。
【０００４】
類似の形態で、特開２００８−１３８６０９号公報（JP 2008 138 609 A）には、噴射ノズル内に設けられた孔への堆積物を回避する噴射ノズルが記載されている。この公知の噴射ノズルは、シリンダ内への燃料または空気の送り込みを実現している。両方とも燃焼にとって必須であり、燃焼に必要な燃料量は、従来慣用の形式で噴射ノズルを介して送り込まれ、空気の付加的な送り込みを介しては、燃焼空気比λに対してのみ影響が及ぼされる。これにより燃焼には、どの程度の空気過剰で燃焼がシリンダ内で行われるかという点において影響が及ぼされ得るだけである。
【０００５】
独国特許出願公開第３９３６９８６号明細書（DE 39 36 986 A1）には、同じく、噴射ノズル内に設けられたサックホールの上方に、噴射ノズルに接続された、空気を案内するフィード管路が設けられており、フィード管路により空気を付加的に燃焼室内に送り込むことが可能な空気圧縮・直接噴射式の内燃機関用の燃料弁が記載されている。これによっても、通常の形式で噴射される燃料量では、燃焼空気比が、通常の形式でインレットバルブを介してシリンダ内に送り込まれる付加的な燃焼空気の供給を介して実現されるだけである。
【０００６】
独国特許出願公開第１０２０１３０１４３２９号明細書（DE 10 2013 014 329 A1）には、２種の燃料を具体的にはエンジンの運転形式に応じて噴射可能なデュアルフューエル燃料インジェクタ装置が記載されている。一方では、ディーゼル燃料を第１のノズル装置を介してシリンダ内に送り込むことができる。他方では、ガス状の燃料を第２のガスノズル装置を介して送り込むことができる。付加的にディーゼル噴射プロセスに対応させて空気を燃焼室内に送り込むことができる。これを介しても、シリンダ内に通常送り込まれる燃料量では、燃焼空気過剰に影響を及ぼすことができるだけである。
【０００７】
独国特許出願公開第１０２００５０１４６４４号明細書（DE 10 2005 014 644 A1）にも、圧縮空気と燃料とをシリンダ内に送り込む内燃機関用の燃料供給システムが記載されている。その際、同じく燃焼空気比λには、空気過剰を介してのみ影響が及ぼされる。
【０００８】
このことは、米国特許出願公開第２０１４／００８３３９７号明細書（US 2014/008 3397 A1）にも類似の形式で記載されている。
【０００９】
独国特許出願公開第１０２０１００３３５９１号明細書（DE 10 2010 033 591 A1）には、コールドスタート特性を改善した内燃機関が記載されている。補助燃料−空気−混合物がシリンダ内で既に圧縮された後、本来の着火プロセスの直前に、空気アキュムレータからの付加的に圧縮される圧縮空気がシリンダに供給される。このためにも、比較的高い圧力が圧縮空気容器内に蓄えられねばならない。独国特許出願公開第１０２００４０４７９７５号明細書（DE 10 2004 047 975 A1）において、付加的な燃焼空気を圧縮空気の形態で圧力アキュムレータからタイミング制御して吸気期間中にシリンダに供給することが公知である。圧力容器として、圧縮空気式ブレーキ装置にいずれにしても設けられている圧縮空気容器を使用する。付加空気のタイミング制御した吹き込みにより、量および吹き込み時間を相応に調整してやれば、すべての出力特性に関して内燃機関の運転パラメータに対して影響を及ぼすことができる。このシステムの場合も、付加空気は、吸気管路に供給され、具体的には吸気期間中に供給される。これにより、やはり、比較的大きな空気量が圧力容器からその都度の吹き込みサイクル毎に提供されねばならない。
【００１０】
付加的な圧縮空気容器を有するこの種の別のシステムは、燃焼空気を圧力容器から、２つの部分経路に分けた吸気通路を介して、制御可能な遮断部材により内燃機関に付加的に供給することができるようにした独国特許発明第１０２０１２０１４２０４号明細書（DE 10 2012 014 204 B4）および独国特許発明第１０２０１２０１４２０５号明細書（DE 10 2012 014 205 B3）ならびに公知の内燃機関に、設けられているターボチャージャと、内燃機関のインレットバルブとの間で同じく空気吸気流路内に付加的な圧縮空気を吹き込む付加的な装置が設けられている独国特許出願公開第１０２００８００３２６号明細書（DE 10 2008 00 326 A1）において公知である。その際、圧縮空気は、常時、吸気流路内に導入されるのではなく、圧縮空気の導入が、車両の目下の運転状況に応じて安全性、走行快適性および摩耗に関して有意義であるときだけ導入される。
【００１１】
独国特許発明第１０２２４７１９号明細書（DE 102 247 19 B4）、独国特許発明第３９０６３１２号明細書（DE 39 063 12 C1）および独国特許出願公開第２００８０００３２４号明細書（DE 2008 000 324 A1）に記載の別の公知のシステムは、ターボ過給を行うエンジンでも、自然吸気エンジンでも、インレットシステムの様々な箇所に付加的な圧力容器が推奨される点で共通している。
【００１２】
内燃機関の取り込み管路内に付加的な燃焼空気を付加的に供給する圧力アキュムレータを備えるこれらの公知の内燃機関の欠点は、比較的大きな装置上の手間と、インレットシステム内の大きな横断面のために、付加的な燃焼空気の少なくともある程度の部分がシリンダ内に到達するように圧送されねばならない比較的大きな空気量とである。
【００１３】
本発明は、DE 691 00 803 T2に記載の往復動形の構造形態の内燃機関から出発する。内燃機関は、シリンダのシリンダヘッド内に配置されるインレットバルブであって、インレットバルブを介して燃焼空気が、インレットバルブに接続される取り込み管路からシリンダに供給可能である、インレットバルブと、圧力アキュムレータであって、圧力アキュムレータから、シリンダ内の燃焼を促進する付加的な媒体が、制御されてシリンダに供給可能である、圧力アキュムレータとを備えている。この場合、燃料は、噴射ノズルにより制御されてシリンダ内に噴射可能であり、圧力アキュムレータは、ノズルニードルを有する噴射ノズルに接続されている。
【００１４】
好適な噴射ノズルの様々な構造形式は、例えば独国特許出願公開第３９３６９８６号明細書（DE 39 36 986 A1）、独国特許出願公開第１０２０１３０１４３２９号明細書（DE 10 2013 014 329 A1）および独国特許出願公開第１０２０１４００２９０５号明細書（DE 10 2014 002 905 A1）に記載されている。
【００１５】
これに対して本発明の課題は、付加的にシリンダ内に送り込みたい、燃焼を促進するガス状または液状の媒体を送り込む方法であって、内燃機関の運転特性の確実な改善を保証するとともに、付加的に、内燃機関のシリンダ内への媒体の供給を制御する構造上かつ装置上の手間を可能な限り簡単に保つことができる方法を提供することにある。さらに本発明の課題は、改善された排ガス値でエンジン出力を最適化することである。
【００１６】
上記課題は、請求項１記載の特徴を備える方法により解決される。有利な発展形は、従属請求項に規定されている。
【００１７】
本発明に係る方法を実現する往復動形の内燃機関は、シリンダのシリンダヘッド内に配置されるインレットバルブを備え、インレットバルブには、取り込み管路からシリンダ内に導きたい燃焼空気または付加的に燃焼ガス／燃料または燃焼空気−燃焼ガス／燃料−混合物が供給され、インレットバルブは、相応の弁制御により燃焼空気、燃焼ガスまたは混合物をシリンダにタイミング制御されて供給する。さらに内燃機関は、圧力アキュムレータを備え、圧力アキュムレータから、シリンダ内の燃焼および場合によっては混合物形成を促進する付加的な媒体が、制御されてシリンダに供給可能である。内燃機関は、シリンダヘッド内にさらに噴射ノズルを備え、噴射ノズルを介して燃料は、シリンダ内に噴射可能であり、燃料は、最適な燃焼特性を実現することができるように、噴射ノズルにより相応に噴霧される。本発明により圧力アキュムレータは、ノズルニードルを有する噴射ノズルに接続されており、シリンダ内に導入したい付加的な媒体は、圧力容器からノズルニードルにより制御されてシリンダ内に導入可能である。従来慣用の噴射システムを備える従来慣用の内燃機関のために、噴射ノズルが使用され、噴射ノズルは、噴射ノズルの内部にノズルニードルを有し、ノズルニードルは、相応の行程により、圧力下にある燃料を噴射する横断面を保証する。
【００１８】
而るに本発明に係る方法では、内燃機関において、付加的な媒体が噴射ノズルを介して同じくシリンダ内に導入されるように、従来慣用の噴射ノズルが付加的に形成されている。この種の噴射ノズルは、二重機能を有している。それというのも、本発明に係る噴射ノズルは、一方では、燃料のそれ自体公知の噴射と、燃料の噴霧も実現し、しかし、少なくとも一部同時に、付加的な圧力アキュムレータからの、燃焼空気−補助燃料−混合物の形態の付加的な媒体の供給を可能にするからである。その結果、シリンダ内の燃焼を改善すべく、この付加的な媒体を導入する別の機構は、不要である。噴射ノズルでは、比較的良好な制御可能性が保証されているので、内燃機関では、大容積の取り込み通路を介した媒体の付加的な供給を実現すべきときに必要であるような大体積の取り扱いおよび圧送も大幅になくすことができ、それでありながら、本発明に係る方法では、所望の機能、すなわち運転特性、トルクおよびコールドスタート特性について断念する必要もない。これらは、本発明による解決手段では、正確に制御可能である。
【００１９】
好ましくは、内燃機関では、ノズルニードルは、噴射ノズルの内部での所定の噴射圧の到達時、シール座から離間するノズルニードルによりこのシール座が解放され、その結果、シール座を通過して燃料および／または媒体がシリンダ内に導入可能であるように行程制御、好ましくは、燃料圧制御されている。而るに本発明により、噴射ノズルを介して供給される媒体は、同時に、時間的にずらされてまたは一部同時に、噴射ノズル内の圧力の状況と、ノズルニードルに作用するばね力とを相応に顧慮しつつ、付加的な媒体がこのシール座を介してシリンダ内に導かれるように導入される。しかし、ノズルニードルの行程運動は、圧電素子もしくは電磁石により実施されても、大型エンジンの場合には液圧式に実施されてもよい。
【００２０】
好ましくは、ノズルニードルは、ノズルニードルの内部に媒体通路を有し、媒体通路を介して付加的な媒体は、シリンダ内に導入可能である。その際、この媒体通路は、前に言及したシール座において封止され閉鎖され得る、あるいはノズルニードルの持ち上がり時に開放され得る。しかし、さらに好ましくは、圧力アキュムレータに、または噴射弁に、または圧力アキュムレータと噴射弁との間に、付加的な弁が配置されていることも可能であり、この弁は、制御装置によりシリンダへの付加的な媒体の供給を制御する。その際、好ましくは、媒体の量も、シリンダへの体積流量も、燃料噴射プロセス、具体的には、特に燃料噴射量に応じたこの弁の制御により行われる。付加的な媒体の供給が燃料噴射プロセスに応じて制御されることで、付加的な媒体を例えば燃料の噴射プロセスの終わり頃に初めてシリンダ内に取り込むことを保証でき、その結果、噴射ノズル内の圧力は、ノズルニードルは確かにまだ開放されているが、圧力下にある燃料の、媒体通路内への逆流は起こらない程度に既に減じられている。加えて、好ましくは付加的に、通常、噴射ノズルハウジング内でのノズルニードルの持ち上がりを保証する燃料圧が、通常の状況であれば、ノズルニードルを付勢するばね圧がノズルニードルの閉鎖を実現する程度に既に解消されているにもかかわらず、付加的な機構が、ノズルニードルをシール座においてまだ開放状態に保つようにしてもよい。
【００２１】
シリンダ内の燃焼を促進すべく、付加的に導かれる媒体は、好ましくはガス状であり、さらに好ましくは燃焼空気−補助燃焼ガス−混合物であり、その結果、混合物の両成分の割合を介して、エンジンの運転特性に直接影響を及ぼすことができる。別の一実施例によれば、付加的な媒体は、液状であってもよく、媒体は、好ましくは、圧力アキュムレータ内で液状であり、かつ媒体通路に、エンジンのシリンダ内への噴射または送り込みまで液相で供給され、シリンダ内では、圧力および温度の状況に基づいて、気相への移行、場合によっては即座の移行も行われ得る。好ましくは、液状の媒体は、水である。別々に噴射したときまたは水−燃料−エマルションとして噴射したときのシリンダ内での水の微粒化作用は、一般に公知である。水蒸気の供給も、同じく可能である。
【００２２】
好ましくは、噴射ノズルのハウジングを通した、噴射ノズルの内部に配置されるノズルニードルへの媒体供給は、ノズルニードルの行程を介して開放あるいは閉鎖され得る横方向孔により実現されている。加えて、運転中、ノズルニードルが回動したときでさえ、半径方向の媒体通路を介した、中央の媒体通路への媒体の供給が、常に保証されているように、ノズルニードルおよび／または噴射ノズルのハウジングに、対応する孔と同じ寸法の幅をそれぞれ有する環状に延びる溝が設けられていてもよい。
【００２３】
好ましくは、噴射ノズルは、サックホール（袋穴）を有するマルチホールノズル（多孔ノズル）である。しかし、噴射ノズルは、さらに好ましくは、スロットルピンノズルの形態の噴射ノズルであってもよい。その際、サックホールを有するマルチホールノズルとしての噴射ノズルの形成は、通常のサイズを有して実現されても、減じられたサックホールサイズを有して実現されてもよい。この種のサックホールノズルの基本的な構造は、それ自体公知であり、ノズルニードルがノズルニードルの前方領域で円錐形に形成されていることを特徴としており、このことは、噴射ノズルハウジングの内部においてサックホール上方でのシール作用を、ノズルニードルのその上方に位置する肩部にノズルニードルをシール座から離間させる燃料圧がないとき、実現する。それゆえ、ノズルニードルの円錐形の先端は、燃料の圧力室を、複数の噴射孔が半径方向に方向付けられてシリンダの内部に通じているサックホールから封止する。これに対してスロットルピンノズルは、ノズルニードルに設けられ、ノズルボディの噴射穴内に潜り込むピンを有するいわゆるシングルホールノズルである。この種のスロットルピンノズルの利点は、ノズル開口のある程度の自浄作用が働くことにある。
【００２４】
さらに好ましくは、圧力アキュムレータと、直接、噴射ノズルハウジングに接続される箇所との間に、媒体管路が設けられており、媒体管路を介して付加的な媒体が噴射ノズルへ、ひいては噴射ノズルを介してシリンダ内へ案内される。その際、媒体管路の直径は、少なくともノズルニードルの最大の行程に相当するように形成されている。これにより、ノズルニードルの各行程時に、ノズルニードルの内部に配置される媒体通路に付加的な媒体を送ることが保証されている。
【００２５】
本発明に係る方法の重要な利点は、従来慣用の形式で行う燃料の噴射の他に、付加的な媒体の噴射を行う噴射ノズルを備える内燃機関において、大きな構造上かつ装置上の付加的な手間を必要とすることなく、様々な運転状況での内燃機関の改善された制御特性が可能であることにある。さらに、かなりの出力向上が、同じ行程容積で可能である。
【００２６】
しかし、影響を及ぼすことで可能であるのは、エンジンの出力向上の達成だけではない。エンジンの運転特性に適切に影響を及ぼすことで、高レベルでの排ガス最適化も達成可能である。
【００２７】
本発明によれば、方法は、内燃機関のシリンダ内の燃焼、場合によっては混合物形成も促進する付加的な媒体をこの内燃機関のシリンダ内に送り込むステップを含んでいる。本発明に係る方法によれば、燃焼空気−補助燃料−混合物の形態の媒体は、往復動エンジンのシリンダヘッド内にいずれにせよ存在し、この本発明に係る方法に特別に適合されている噴射ノズルを介して供給される。
【００２８】
好ましくは、媒体の供給を燃料と少なくとも一部同時に実施する。しかし、燃料供給時のような高い圧力も、シリンダ内に送り込みたい媒体のためには不要であるように、媒体の供給を燃料から切り離して実施することも可能である。
【００２９】
好ましい一形態によれば、媒体の供給を弁制御してノズルニードルの行程運動とは独立的に実施する。このことは、圧力アキュムレータから噴射ノズルへの媒体通路内に弁が配置されていて、弁が制御装置により制御され、その結果、シリンダ内への付加的な媒体の供給量が制御されることを意味する。代替的な一変化態様によれば、付加的な媒体を導き入れることは、燃料噴射中、行程制御して実施する。さらに好ましくは、付加的な媒体は、単独で、または燃焼空気−補助燃料−混合物の形態でシリンダ内に付加的な媒体として送り込まれるガス状の補助燃料である。しかし、混合物としてガス状の補助燃料と、排ガス再循環からのガスとを使用することも可能である。付加的に噴射ノズルを介してシリンダ内に送り込まれる圧縮空気は、シリンダ内で行われる燃焼のために付加的に酸素を提供する。
【００３０】
而るに、本発明のさらなる利点、詳細および構成については、以下に述べる図面に示した実施例を基に詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】取り込み管路と、排ガス管路と、噴射ノズルに接続される、シリンダ内の燃焼を促進する媒体用の圧力容器とを備える往復動機関のシリンダの原理図である。
【図２】インレットバルブと、エキゾーストバルブと、噴射ノズルとを備える往復動機関のシリンダの断面図である。
【図３】シリンダ内の燃焼を促進する媒体用の供給管路を有するシリンダヘッドに設けられたスロットルピン形の構造形態の噴射ノズルの断面図である。
【図４】図３に示した図であるが、ノズルニードルが持ち上げられた位置にあり、ノズルニードルのシール座が解放されているときの図である。
【図５】噴射ノズルとしてのスロットルピンノズルの拡大詳細図である。
【図６】大きなサックホール（左）および小さなサックホール（右）を有する噴射ノズルとしてのサックホールノズルを示す図である。
【００３２】
図１は、シリンダヘッド１内に取着されたインレットバルブ３とエキゾーストバルブ１１とを備える往復動機関のシリンダ２の原理図である。給気管路４あるいは取り込み管路を介して、取り込み空気１５が、給気圧力を高める圧縮機２５を通して導かれ、圧縮機２５からインレットバルブ３に向かって案内され、インレットバルブ３が開放されていれば、シリンダ２内に案内される。エキゾーストバルブ１１が開放されているとき、燃焼後、燃焼済みガス１６が、エキゾーストバルブ１１を通って排ガス管路１２に流入し、そこから排ガスタービン２６を通流する。排ガスタービン２６内では、取り込み（給気）管路４内に配置された圧縮機２５を駆動するために、排ガス１６からエネルギが取り出される。
【００３３】
シリンダヘッド１内には、さらに噴射ノズル７が配置されており、噴射ノズル７を介して、燃料管路２４を介した燃料が、シリンダ内に噴射され、燃焼される。噴射ノズル７には、ガス状または液状の媒体用の媒体管路１３が接続されている。ガス状または液状の媒体は、燃焼を促進すべく、噴射ノズル７を介して、具体的には噴射ノズル７の内部を介して噴射ノズル７のノズルニードル６を通してシリンダ２内に送り込まれる。その際、ガス状または液状の媒体は、そこに含まれる酸素成分が改善された燃焼に寄与する燃焼空気−補助燃料−混合物であってもよいし、上死点に向かうピストン２０の運動時のシリンダ２内での圧縮により形成される温度で自着火、燃焼し、その結果、内燃機関のピストン２０の仕事サイクルのための付加的なエネルギを提供する燃焼ガスと空気とからなる混合物であってもよい。燃焼によって発生する仕事は、ピストン２０、コンロッドピン１９およびコンロッド１８を介して、図１には示さないクランク軸に、クランク軸を駆動すべく伝達される。
【００３４】
媒体用の圧力アキュムレータ５は、媒体管路１３、ひいては噴射ノズル７に接続されている。圧力アキュムレータ５と噴射ノズル７との間には、弁１０が配置されており、弁１０を介して、加圧された媒体量が、噴射ノズル７を介してシリンダ２に、燃焼の改善のために供給される。この弁１０は、制御装置２１を介して、通過する媒体の量を調整するべく制御される。その際、制御は、所望のあるいは監視されるエンジンパラメータ、例えばコールドスタート特性、出力、排ガス特性等に応じて実施される。
【００３５】
図２は、往復動シリンダの横断面を示している。シリンダ２は、シリンダヘッド１を有し、シリンダヘッド１内には、インレットバルブ３およびエキゾーストバルブ１１ならびに噴射ノズル７が配置されている。取り込み管路４を介して取り込み空気１５は、インレットバルブ３に向かって流動し、インレットバルブ３が開放されていれば、掃気あるいは吸気サイクル中、シリンダ２内に流入する。シリンダ２内では、シリンダライナ１７においてピストン２０が案内されており、ピストン２０は、コンロッドピン１９とコンロッド１８とを介して図示しないクランク軸に結合されている。同じくシリンダヘッド１内には、エキゾーストバルブ１１が配置されており、エキゾーストバルブ１１は、開放された状態で、シリンダ２内での燃焼過程の結果として生じる燃焼済みガスを排ガス管路１２内に排ガス１６として導き、排ガス管路１２の以後の経路中、例えば、排ガスタービン２６（図１参照）が存在するのであれば、排ガスタービン２６にも導く。図２が示しているのは、この種のシリンダ２の原理構造であって、噴射ノズル７への、圧力下にある媒体用の接続管路は図示していない。
【００３６】
これは、図３に示す詳細図から看取可能である。図３は、シリンダ２のシリンダヘッド１内の、噴射ノズル７を原理断面図として示しており、噴射ノズル７は、その内部に一般に公知の構造形式でノズルニードル６を有している。噴射ノズル７は、スロットルピンノズルとして形成されており、それゆえ、単一のシール座８および単一の噴射穴しか有していない。この種のスロットルピンノズルの利点は、単一の噴射穴しかないため、シリンダ２内での燃焼過程中、ある程度の自浄作用が可能であることにある。このシール座８は、ノズルニードル６の下側の先端領域に対して配置されている。ノズルニードル６の内部には、媒体通路９が設けられており、媒体通路９を介して、燃焼を促進する媒体が、シリンダ２内に送り込まれる。この孔（媒体通路９）は、長手方向で配置され、具体的には、有利にはノズルニードル６の長手方向軸線と一致するように配置されている。さらにこのノズルニードル６は、半径方向で延びる孔を有し、半径方向で延びる孔は、位置に応じて供給管路（媒体管路）に接続されるようになっている。媒体用の供給管路の、ノズルニードル６の長手方向の横断面寸法は、ノズルニードル６の半径方向孔にノズルニードル６の行程範囲内で媒体が供給され得るような大きさを有している。媒体の改善された供給を保証すべく、ノズルニードル６および／または噴射ノズル７には、図面に個別に示すことはしない環状に延びる分配溝が設けられている。分配溝の幅は、割り当てられたそれぞれの供給孔の直径に相当する。この溝は、ノズルニードル６の外径部および／またはノズルニードル６を収容する噴射ノズル７の内径部に設けられている。媒体は、媒体管路１３を介して、接続栓を経て噴射ノズル７の内部のノズルニードル６に供給される。媒体管路１３内には、図３には図示しない媒体用の圧力容器との間に、弁１０が存在し、弁１０の開閉プロセスは、制御装置２１を介してエンジンパラメータ、例えば運転特性、出力、コールドスタート特性、排ガス特性に応じて制御される。噴射ノズル７の内部には、燃料管路２４が存在し、燃料管路２４により燃料は、噴射ノズル７内、ひいてはノズルニードル６の下側の領域内に案内される。相応に力がかかると、この燃料は、ノズルの、円錐台形の座８を有する領域に案内され、この領域により、燃料圧による押圧力の合力がノズルニードル６の長手方向軸線方向で作用することで、ノズルニードル６は持ち上げられる。
【００３７】
図４には、シール座８がノズルニードル６の先端から解放されている、ノズルニードル６の持ち上げられた状態が示されている。残余の構成部材は、図３に示した構成部材に相当するので、再度詳しく説明することはしない。
【００３８】
より良好な理解のために、図５および図６には、噴射ノズルの２つの基本形式、すなわち、図５には、既に図３および４との関連で説明したようなスロットルピンノズルを、図６には、同じく図３または図４に示すアッセンブリにおいて噴射ノズル７内で使用できるようなサックホールノズル（袋穴ノズル）を拡大図で示している。
【００３９】
図５に示すように、ピン先端を備えたノズルニードル６は、そのシール領域でもってシール座８に対して案内されており、その結果、ノズルニードル６に作用する燃料の押圧力に基づいて、ノズルニードルは、シール座８から離間し、燃料管路２４を通したノズルニードル６の下側の領域への燃料の供給が行われる。この下側の領域は、円錐台形に形成されており、燃料圧が存在しているとき、あるいは作用しているとき、ノズルニードル６の長手方向軸線方向で作用する力を受ける。而るに燃料圧は、ノズルニードル６に作用するその合力が、ノズルニードル６を噴射ノズル７内のシール座から離間させるに十分な大きさとなるような値を有していなければならない。
【００４０】
その原理的な機能の面では、サックホールノズルは、スロットルピンノズルと、ノズルニードル６に対するシール座８の下方で噴射ノズル７内にサックホール２２が形成されている点を除いては相違していない。サックホール２２の形成は、燃料に起因したノズルニードル６の持ち上げ後、シール座８の解放を実現し、その結果、この状況下で、その後、燃料管路２４からサックホール２２内に案内される圧力下にある燃料は、半径方向に形成されたシリンダ２へ向かう噴射孔２３内に案内され、そこでシリンダ２内に噴霧の形で送り込まれるに至る。而るに、燃焼空気−補助燃料−混合物の形態の燃焼を促進する媒体の、図５および６には示さない内部の孔９を通した供給は、制御可能な弁１０を介して実施可能である。
【００４１】
様々なエンジンパラメータに応じて、シール座８の解放の制御は、所定の時間に燃料および媒体がシリンダ２内に噴射され得るあるいは送り込まれ得るように実施可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  シリンダヘッド
２  シリンダ
３  インレットバルブ
４  取り込み管路
５  燃焼を促進する媒体用の圧力アキュムレータ
６  ノズルニードル
７  噴射ノズル
８  シール座
９  媒体通路
１０  弁
１１  エキゾーストバルブ
１２  排ガス管路
１３  媒体管路
１４  噴射ノズルハウジング
１５  取り込み空気
１６  排ガス
１７  シリンダライナ
１８  コンロッド
１９  コンロッドピン
２０  ピストン
２１  制御装置
２２  サックホール
２３  噴射孔
２４  燃料管路
２５  圧縮機
２６  排ガスタービン
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月21日(2019.1.21)
【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】
燃料と、往復動形の内燃機関のシリンダ（２）内の燃焼を促進する付加的な媒体とを往復動エンジンの前記シリンダ（２）内に送り込む方法であって、シリンダヘッド（１）が、ノズルニードル（６）を有する噴射ノズル（７）を有し、前記媒体は、前記往復動エンジンの前記噴射ノズル（７）を介して供給される方法において、付加的な前記媒体は、燃焼空気−補助燃料−混合物であり、前記燃焼空気−補助燃料−混合物を圧力アキュムレータ（５）から取り出し、前記燃料を供給する前記噴射ノズル（７）を介して前記シリンダ（２）内に送り込むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記媒体の供給を前記シリンダ（２）内への前記燃料の供給と少なくとも一部同時に実施することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記媒体の供給を弁の制御により前記噴射ノズル（７）のノズルニードル（６）の行程運動とは独立して行うことを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
付加的な前記媒体の送り込みを、燃料噴射中に、行程制御して行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【国際調査報告】
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