JP2011513637A - プレチャンバ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は予混合燃焼（オットーサイクル）に適した内燃機関のシリンダ(1)用のプレチャンバ装置に関する。前記プレチャンバ装置は、燃料の混合及び点火を行うための第1チャンバ(7)、並びに、前記シリンダ(1)の第1チャンバ(7)と主燃焼チャンバ(4)との間でのやりとりを行うための第2チャンバ(8)を有する。前記第2チャンバ(8) の容積は前記第1チャンバ(7)の容積より実質的に小さい。前記第1チャンバ(7)にはパイロット注入手段(9)が供される。前記第1チャンバ(7)は前記第2チャンバ(8)に対して実質的に対向するチャンバ上部を有する。前記第1チャンバ(7)は実質的に楕円形状を有し、かつ前記チャンバ上部と前記第2チャンバ(8)との間で曲面をなす壁を有する。前記第2チャンバ(8)は前記第1チャンバ(7)に対して非対称的に設けられている。それにより、前記主燃焼チャンバ(4)から押し出され、前記第1チャンバ(7)の曲面を有する壁によって、点火されるパイロット注入手段(9)の燃料へ向かってかつ通過する気体燃料用の前記第1チャンバ(7)内にタンブル流が供される。

Description

本発明は、請求項1の前段部に記載された予混合燃焼（オットーサイクル）に適した内燃機関のシリンダ用のプレチャンバ装置に関する。前記プレチャンバ装置は、燃料の混合及び点火を行うための第1チャンバ、並びに、前記シリンダの第1チャンバと主燃焼チャンバとの間でのやりとりを行うための第2チャンバを有する。前記第2チャンバの容積は前記第1チャンバの容積より実質的に小さい。前記第1チャンバにはパイロット注入手段が供される。前記第1チャンバは前記第2チャンバに対して実質的に対向するチャンバ上部を有する。

プレチャンバは特に、強力な点火源が必要とされる所謂リーンバーンエンジンで利用される。この場合プレチャンバは、主燃焼チャンバ内で希薄ガスを点火するために、より高いエネルギーを供するのに用いられる。プレチャンバでは、主チャンバからの空気/ガス希薄基本混合気は、適切な燃料の注入又はグロープラグ若しくはスパークプラグの手段によって点火されてよい。適切な燃料の注入によって、過剰な空気で反応性となり、かつある特定の圧力及び温度条件よりも高い状態で自己点火する。グロープラグ若しくはスパークプラグの手段は、プレチャンバ内に直接適切な量のガスを加えることによって得ることができる局所的に化学料論的組成を有する空気/ガス混合気と共に用いられる。プレチャンバの形状は実際の点火方法に依存する。グロープラグの有無に関係なく、パイロット燃料注入は、従来のスパークプレチャンバ点火システムよりも高い点火エネルギーを供することができる。その要件は一般的に、プレチャンバへ導入される空気/ガス基本燃料混合気及び注入されるパイロット燃料を迅速かつ繰り返し可能なように混合することである。多数のプレチャンバ装置が知られてはいるものの、これらのプレチャンバ装置は上述した要件を同時に満たすことができない。

本発明の目的は、パイロット注入の原理を利用したリーンバーンエンジンに適したプレチャンバ装置を改善することである。このことは、リーンバーンエンジンの放出及び効率に関してそのリーンバーンエンジンに課せられるより厳しい要件を満たす上で一助となる。

本発明の目的は、請求項1及び本発明の様々な実施例をより詳細に記載したほかの請求項に開示されているように満たされうる。

本発明によると、第1チャンバは実質的に楕円形状を有し、かつチャンバ上部と第2チャンバとの間で曲面をなす壁を有する。前記第2チャンバは前記第1チャンバに対して非対称的に設けられている。それにより、主燃焼チャンバから押し出され、前記第1チャンバの曲面を有する壁によって、点火されるパイロット注入手段の燃料へ向かってかつ通過する気体燃料用の前記第1チャンバ内にタンブル流が供される。

本発明によって、パイロット燃料を注入することで燃料ガスの効率循環及び迅速な混合が実現される。混合気にタンブル流を与え、かつ該混合気のタンブル流を利用することで、プレチャンバと主燃焼チャンバの両方で繰り返し可能でかつ強力な燃焼が実現する。その結果はたとえば、エンジン効率の向上及び燃焼安定性の増大にも寄与する。その結果はまたエンジンの出力に対する有害排出物の減少をも起こす。

第1チャンバが非対称な形状を有することで、前記第1チャンバが該第1チャンバの中心縦軸に対して第2チャンバの側部へわずかにずれている場合、上記結果は改善されうる。実際、第2チャンバ側の第1チャンバの赤道領域の曲率半径は、有利となるように、第1チャンバの対向する側の壁での曲率半径よりも小さい。よって第2チャンバ側での第1チャンバの赤道領域の内壁は適切な曲面を有し、かつ良好な接線方向の半径を有する第2チャンバの壁と接続しなければならない。

さらにパイロット注入手段は第1チャンバの中心縦軸の一端に位置し、かつ前記第1チャンバの中心縦軸に対して非対称的に設けられている。このことは、迅速で繰り返し可能な混合及び燃焼を行うことを目的とした第1チャンバの最も適切な体積領域へ向かうような燃料注入配置を実現する上で有用である。

当該装置には、別個の点火手段−好適にはグロープラグの形態をとる−がさらに供されてよい。その別個の点火手段は、パイロット注入手段に対向する、第1チャンバの中心縦軸の他端に位置する。このことは特に、エンジンが信頼性あるプレチャンバの点火をするには依然として冷たすぎるときに有用である。状況に依存して、別個の点火手段は有利となるように、補助的点火手段としてのみ機能してもよい。

有利となるように、第2チャンバには、主燃焼チャンバに対向する部分に多数のノズル穴が供される。実際、シリンダの主燃焼チャンバ内でも効率的な燃焼を保証するため、前記ノズル穴が主燃焼チャンバに対して対称的に配置されるように、第2チャンバは配置される。

第2チャンバは有利となるように、主チャンバからの空気/ガス混合気を第1チャンバへ導くのに十分な長さである。さらに2つのチャンバの交差部は、空気/ガス混合気の意図しない制御不可能な自己点火をもたらすホットスポット領域の危険性を減少させるため、大きな直径を有していなければならない。圧縮ストローク間での入り込む空気/ガス混合気の流速が十分であること、及び、第1チャンバの火炎が主燃焼チャンバへ向かって前方へ伝播する間での圧力の低下が小さくなることを保証するように、第2チャンバの寸法は選ばれなければならない。主燃焼チャンバ内のノズル穴を対称的に配置するため、第2チャンバが主燃焼チャンバの中心軸に対応して終端するように、第1チャンバに対する第2チャンバの傾き角は選ばれなければならない。

本発明の好適実施例では、比（第1チャンバの容積）/（ノズル穴の全断面積）は300mm〜800mmの間で選ばれる。

第1チャンバの中心縦軸と第2チャンバの中心縦軸との傾斜角は有利となるように10°〜50°である。

第1チャンバの形状が概ね実質的な楕円であることを考慮すると、比（中心縦軸）/（中心横軸）は0.6〜1.8となるように第1チャンバの寸法が決められることが好ましい。これにより、実質的に楕円の基本形状が利用されるときには、第1チャンバ内部で効率的なタンブル流運動が実現されるという最も望ましい結果を保証することができる。これに関連して、実質的な楕円形状はまた、概して卵型の形状を含むように構成されてもよい。

本発明の実施例の表す断面図である。

以降では、添付図面を参照しながら本発明について説明する。図は単なる例示に過ぎない。

図中、参照番号1はリーンバーン内燃機関のシリンダを表す。リーンバーン内燃機関のシリンダ1は、シリンダライナ2、往復ピストン3、及び主燃焼チャンバ4を有する。主燃焼チャンバ4はまた、従来通りの方法で、流入及び流出ダクトを備えたシリンダヘッド5によって境界が画定されている。シリンダヘッド5にはさらに、第1チャンバ7及び第2チャンバ8を有するプレチャンバ装置6が供される。第1チャンバ7には、パイロット注入を供する注入手段9と、任意でグロープラグ10が供される。主燃焼チャンバ4に対向する第2チャンバの部分には多数のノズル穴8aが供される。多数のノズル穴8aは、主燃焼チャンバ4に対して対称的に配置されていることが好ましい。

図1から分かるように、プレチャンバ装置6の第1チャンバ7は実質的には楕円形状で、滑らかな曲面の壁を備えている。第1チャンバ7は第2チャンバ8を介して主燃焼チャンバ4とやりとりする。第2チャンバ8は、基本的には主燃焼チャンバ4からの燃料/空気混合気の流れを迅速かつ強制的に案内するのに適切な長さを有し、かつ第1チャンバ7に対して非対称的に配置される。それに加えて、シリンダヘッド5の全体的な配置に起因する設計上の要求に従って、第2チャンバ8は傾いた位置で配置される。第2チャンバ8からの流れはさらに、第1チャンバ7の楕円形状の上部によって案内される。この目的ため、パイロット注入手段9が、可能な限りわずかに第1チャンバ7へ入り込むように突出している。ここで混合気はさらに、第2チャンバ8及び該第2チャンバ8内のノズル穴8aによって案内されることによって、主燃焼チャンバ4へ向かうように移動する。

第1チャンバ7の中心縦軸11と第2チャンバ8の中心縦軸12とのなす角は有利となるように、10°〜50°の範囲内で選ばれる。実際、ノズル穴8aは主燃焼チャンバ4の中心縦軸13と一致することが可能なように、選ばれた角は第2チャンバ8の寸法及び傾きに依存する。これによりノズル穴8aが主燃焼チャンバ4に対して対称的に配置されることが保証される。

第1チャンバ7の容積はピストンの直径に依存するので、いずれの場合においてもそれに従って選ばれなければならない。プレチャンバ装置の他の寸法及び比率は、ある特定の比に従って、様々なピストン直径のエンジンに適用されてよい。

構成が理論上、第2チャンバ8に対向する終端部で終端しているときの、第1チャンバ7の実質的に楕円形状又は卵型の寸法を考慮すると、中心縦軸11と中心横軸14との比は有利となるように0.6〜1.8である。

各場合での状況−つまり空気の混合気に使用される燃料、圧力、温度等−に依存して、グロープラグ10はまた、エンジンの適切なプレチャンバ燃焼及び動作を保証するように、必要に応じて連続的に利用されてよい。

本発明が記載された実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された請求項にかかる発明の技術的範囲内で複数の修正型が可能であることは明らかである。

Claims (10)

1. 予混合燃焼（オットーサイクル）に適した内燃機関のシリンダ用のプレチャンバ装置であって、
   当該プレチャンバ装置は、燃料の混合及び点火を行うための第1チャンバ、並びに、前記シリンダの第1チャンバと主燃焼チャンバとの間でのやりとりを行うための第2チャンバを有し、
   前記第2チャンバの容積は前記第1チャンバの容積より実質的に小さく、
   前記第1チャンバにはパイロット注入手段が供され、
   前記第1チャンバは前記第2チャンバに対して実質的に対向するチャンバ上部を有し、
   前記第1チャンバは実質的に楕円形状を有し、かつ前記チャンバ上部と前記第2チャンバとの間で曲面をなす壁を有し、
   前記第2チャンバは前記第1チャンバに対して非対称的に設けられ、それにより、前記主燃焼チャンバから押し出され、前記第1チャンバの曲面を有する壁によって、点火されるパイロット注入手段の燃料へ向かってかつ通過する気体燃料用の前記第1チャンバ内にタンブル流が供される、
   ことを特徴とするプレチャンバ装置。
2. 前記第1チャンバが非対称な形状を有することで、前記第1チャンバが該第1チャンバの中心縦軸に対して前記第2チャンバの側部へわずかにずれていることを特徴とする、請求項1に記載のプレチャンバ装置。
3. 前記の第2チャンバ側の第1チャンバの赤道領域の曲率半径は、前記第1チャンバの対向する側の壁での曲率半径よりも小さいことを特徴とする、請求項1又は2に記載のプレチャンバ装置。
4. 前記パイロット注入手段は第1チャンバの中心縦軸の一端に位置し、かつ前記第1チャンバの中心縦軸に対して非対称的に設けられていることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載のプレチャンバ装置。
5. 当該装置には、別個の点火手段−好適にはグロープラグの形態をとる−がさらに供され、
   前記別個の点火手段は、パイロット注入手段に対向する、第1チャンバの中心縦軸の他端に位置することを特徴とする、請求項4に記載のプレチャンバ装置。
6. 前記第2チャンバには、前記主燃焼チャンバに対向する部分に多数のノズル穴が供されることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載のプレチャンバ装置。
7. 前記ノズル穴が前記主燃焼チャンバに対して対称的に配置されるように、前記第2チャンバは配置されることを特徴とする、請求項6に記載のプレチャンバ装置。
8. 前記第1チャンバの容積と前記ノズル穴の全断面積との比は300mm〜800mmの間で選ばれることを特徴とする、請求項6又は7に記載のプレチャンバ装置。
9. 前記第1チャンバの中心縦軸と前記第2チャンバの中心縦軸とのなす角は10°〜50°であることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載のプレチャンバ装置。
10. 前記第1チャンバの中心縦軸と中心横軸との比は0.6〜1.8となるように前記第1チャンバの寸法が決められることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれかに記載のプレチャンバ装置。

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