JPS60500341A - 高蒸発熱燃料で機関を運転する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高蒸発熱燃料で機関を運転する方法 本発明は、メタノール等σ）ごとき高い蒸発１１”）潜熱も一有する燃料で火花 点火型内燃機関を述転才ろ方法に係る。より明細に言えば、そ才上は燃料プ）１ その主部分を蒸発さぜそして微粒化するため第１（１）段階において導入され、 そしてそのあとで、急速な点火ｆ力ため点火プラグのイ＼ｊ近に濃厚な空気／黙 月混合物へ、提供３−ろため第２の段階において導入される機関運転方法に係る 。

高い蒸発の潜熱を有する燃料がｆｉｔ　１！車車内内燃関において用いるたぬに 提案されている。メタノールは往復ｆ′ストン機関燃訓σ）／、−ｙ）ｌ１７） 第１σ）候補て・ある。なぜた、らばぞれは高メクタン価を有し、イーして石炭 から容易に生産され得るからである。しかし、メタノールに関連する欠点ば、そ Ｊ）高い蒸発Ｊ）潜熱と、その低い熱エネルギ熱ぼ量と、潤滑油を希釈１−そオ ′１．□によってピストンリング及びンリン〃ゞ孔θ）摩耗を増加させるその傾 向である。

メタノールは様々の方法で・機関内に導入きれ得る。

気化メタノール導入の場合、高い蒸発の潜熱は吸込空気が吸込装置を通ってシυ ンダへ流れるにしたがって燃料な吸込空気中・に均等に分配させることを困テ１ （にづ込装置に大量の加熱を行なうことである。しかし、液体メタノールの小滴 が依然としてシリンダに進入し、そこにおいてそれらはシリンダ壁に付着し、杉 の結果として潤滑油を希釈し、それによってシリンダ壁及びピストン・リングと の摩耗が早められることになる。

多点噴射に依る吸込マニホルドへのメタノールの噴射は、燃料導入のためのもう 一つの可能的方法である。

この方法はシリンダ対シリンダ燃料分配問題を無くするが、シリンダ壁における 油希釈の蓋然性を除去しない。実際において、蒸発に使用され得る時間の減少の 故に、そして排気熱がメタノールへ伝熱されないから、それは気化メタノール導 入に相対して油希釈問題をおそらく増加するであろう。

本発明は機関燃焼室へのメタノールの２段階導入を提供することによって上記の 諸欠点を克服する機関運転方法に係る。この場合、燃焼室の一部分はピストンの 正面に中心凹所を有し、該凹所内に燃料の主部分が噴射されて蒸発と微粒化との ために閉じ込められ、それによって、シリンダ壁の濡れを最小限度にする。

従って、本発明の目的は、放出物の生成量を減じると同時に吸込チャージ並びに 機関の関連部分を冷却することによって機関の体積効率を向上させるために高い 蒸発の潜熱を有する燃料で機関を運転することである。

本発明のもち一つの目的は、燃料が複数の段階で噴射されて最初に最小限度の壁 温れて燃料の主部分を適正に蒸発させそして微粒化し、そのちと第２に点火時点 に点火プラグの付近に濃厚な空気／燃料混合物を提供し以て一貫した忠実な火炎 の開始を保証する上述した如き機関を運転することである。

自動車型の車輌における高い蒸発の潜熱を有するメタノールまたはその他の燃料 の使用は既知である。例えば、オズワルドほかの米国特許第４１２６９９７号及 び米国特許第４２１６７４４号は、第２図においてピストン内はち形くぼみ型燃 焼室と、機関に対し約１２：１の圧縮比と、燃焼室の中心または軸線に実質的に 接近して位置される点火プラグとを有する機関における１００％のメタノールの 使用を開示している。

しかし、燃料の全てが同時に噴射され、そしてどのようにしてシリンダ壁の濡れ 及びその結果として生じる潤滑油の希釈が防がれるか説明されていない。

ジョンの米国特許第１１１７８１０号は機関に使用するためのガソリンとメタノ ールとを混合する装置を説明しており、そして燃焼室または前述した諸問題を回 避する態様で機関を運転する方法に就ては説明力１為されていない。

エカートほかの米国特許第４０２２１６５号は、二つの別々の燃料量がそれらの 間に時間遅れを置いて機関内に噴射番される燃料噴射装置を説明している。機関 の１作動ナイクル間に２個の別個の燃料噴射ノズルが使用されて同じン１）ンゲ 内ＶＣ＠初に燃料の大きな量が噴射きれ、そのあとで、より小さい量が噴射され る。

燃料の大きい脅はまっすぐなジェットとしてシリンダ内だ深く噴射され、一方、 より小さい量は点火フ０ラグのイ」近に導入される。しかし、燃・焼室の作用に 就ては説明が為されておらず、また壁濡れ及び油希釈を防ぐたぬの空気、／燃料 チャージの調時及び運動に就でいかなる方法も開示されていない。

アラヤほかの米国特許第６７２！２，４９０号も２段階燃料噴射装置、を開示し ているが、該装置においては噴射は最初に吸込行程または膨張行程の終りに近い 一点において生じ、そして次いで圧縮行程の初めの一点で生じる。これは本発明 とは異なり、前述した欠点を克服するには不満足である。

エイずトの米国特許第３２１６４０７号及び第３４３９６５５号は、何れも、内 燃機関内への燃料の複式噴射を提供−ｒる機械的構造を示している。しかし、機 関を運転する方法は、開示される本発明のそれとは異なる。

最後に、フリッカほかの米国特許第６６．４１９８６号は接線人Ｄ　Ｗ分を有す るピストン内はち形態焼室のみを示している。

本発明のその他の目的、特長及び利点は、次ぎのその詳細な説明と、本発明の運 転方式を利用する機関の構造を概略的に図示する１枚の図面とを参照することに よってより明らかになるであろう。

上述のごとく、高い蒸発の潜熱を有するメタノールまたはその他の燃料を使用す ることの従来の欠点は、ピストン内はち形くぼみ型の凹所を有する燃焼室と協働 して燃料の複式噴射を利用する直接燃料噴射概念の適用によって克服され得る。

そのような構造は図面に概略的に図示されており、読図は火花点火型の内燃機関 の一部分１０を示している。それは通常のシリンダ・ブロック１２を有し、該ブ ロック内に２ストン１４がシリンダ・ヘッド１８の面１６と協働してそれらの間 に燃焼室２０を画成するように摺動自在に据付けられている。この場合、ピスト ン１４はピストン内わん形くぼみ型の構造を画成する中心凹所２，２を有する。

凹所２２はぴしゃぴしゃ区域の約４０〜７５％を提供するように設計され、そし て機関そのものはメタノール燃料を最も有効に用いろように約１６：１の圧縮比 で作動する。

シリンダヘッド１８は普通の吸気弁２４と排気弁２６とを有する。弁２４は適度 の旋回率を得るように設計される吸込通路２８を通じて空気を供給される。排気 ガスは出口通路３０を通じて吐出される。該通路は熱保存をより良好ならしめる ためにセラミックまたは薄板金で内張すされ得る。

３２を以て概略的に示される燃料噴射器は本質的に凹所２２上の燃焼室２０の中 心にそのノズル３４を突入させるよう゛にン）】ンぶゞ・ヘッド１８の中心に位 置されている。該噴射器は既知の型式であり、したがって、その構造及び作用の 細部は説明されない。この場合においては、ノズル３４ＶＣ供給するポンフ０装 置は中庸の圧力レベル（噴射器のため約１８．ろｋｇ／　ｃｍ”　Ｃ２６０ｐｓ ｉ　’）　）で作動１２、そしてノズルそれ自体は、後述される目的のために合 理的に良好な微粒化特性と比較的低い貫通特性を有する円錐形燃料スプレーを提 供すると言えば充分である。

哉火フ０ラグ３６は図示のごとく燃料噴射ノズル３４の先端に隣接してその電極 を突出させるように燃焼室の中心にできるだけ接近して位置される。

ピストン１４は、機関が上死点位置ののち概ね６５゜のクランク角に亘って回転 したときの位置で示されている。また、破線によって示されるごとく、噴射ノズ ル３４からの燃料のだめの概ね８０°の円錐噴射角が示されている。もし燃料が ピストン１４が上死点位置の近くに位置するとき噴射されるならば、噴射される 燃料の事実上全てが直接的に凹所２２内に進み、従ってシリンダ壁を濡らさない ことは明らかであろう。もし単に少量の燃料が噴射されるに過ぎないならば、そ れ隣接して閉じ込められて、点火のためこの区域に濃厚な空気燃料混合物を提供 する。

本発明の主特徴は、初めに燃料の大きなチャージな点火の充分前にそれが蒸発さ えしそして微粒化され得るよ５に提供し、そして空気／燃料チャージの信頼でき る点火を提供する時点及“び場所において第２のチャージを提供する独得の燃料 噴射調時である。

より明細に述べると、機関は次ぎのごとき燃焼方法で作動する。機関がその吸気 行程を開始するに従って、吸気弁２４の開放は中庸の旋回運動を以て空気またし １ガスを前記燃焼室２０内へ導入する。ピストン１４がその上死点位置からその 下降を開始するにしたがって、燃料の第１の大きなチャージ（全体の概ね７５〜 ９０％）が、ノズル３４から燃焼室２０内へ噴射される。

既に説明された如く、ピストン１４は吸気行程の開始時においてその上死点の近 くに位７置しているから燃料のこの全チャージはピストン１４の凹所２２へ導か れる。装入する旋回空気は凹所２２内に進入して燃料を蒸発させそしてそれを微 粒化する。燃料は概ねピストン１４が図面に示される位置に達する時点までに完 了されるように短かい持続時間急速度で噴射される。

即ち、燃料の壷初の部分の噴射は、吸込行程の開始時における上死点位置ののち 約５００〜６０°の間に終わらせられる。その結果として、吸込行程の残りの間 、ピストン１４が下降し、そしてさらに旋回空気が開放吸気弁２４を通じてシリ ンダに進入するに従って、蒸発させられ且つ微粒化された燃料霧は凹所２２から 外方へシリンダ空間２０の残部へ散乱する。かくのごとき構成は、大きな燃料小 滴がシリンダ壁に接触する可能性なおそらく無くさせる。なぜならば、それらは 燃焼凹所２２の内側の室壁まで外方へ遠心作用を受けさせられ、そこにおいてそ れらは蒸発するに従って該室壁から熱を吸収するからである。また、この吸込行 程間における空気中に浮かぶ燃料の蒸発は吸込チャージを冷却し、従って機関の 体積効率を改善する。より低温の吸込温度は、また、より低温の総合ナイクル温 度を生じる結果になり、それによって熱効率が改善され、そして燃焼間に生成さ れる窒素酸化物（１旬Ｘ）が減じられる。

装入する空気及び排気ガスによる燃料の蒸発及び露化は、全吸込行程を通じて続 く。そのあと、圧縮行程の後期部分間、ピストンの上死点前の概ね３　Ｄ’〜５ ０’の位置において、全燃料チャージの第２のより小さい（１０〜２５　ｓ　） 部分がノズル３４を通じて噴射される。そのような小さい燃料の量の貫通度は低 い；従ってこの燃料のほとんどは噴射器ノズル３４の先端の付近にとどまって点 火直前の点火プラグ３６の付近における空気／・燃料比を濃厚化する。これは− 貫した忠実な火炎創始を保証し、そしてＮＯｘ制御と組合わされた高効率のため 、大量の排気ガス再循環（Ｅ（）Ｒ）に依る部分負荷における希薄運転を容易な らしめる。次いで、点火プラグによって燃焼が開始される。

もし全てのメタノールが圧縮行程の後期において噴射されるならば、蒸発し二必 要とされる熱は圧縮されたガスの熱から主として抽出さ牙１、る：従って、１犬 な熱力学的効率損失が生じ得る。メタノールの蒸発の潜熱はその発熱量の約５％ である；従って、この熱の圧縮ガスからの抽出は燃料の発熱量の５％の損失に等 しい。

吸込行程の全体に亘っての、反び／または圧縮行程σノ初期部分間における［貞 接ンリンぶ゛噴射は、ごの損失を防止するが、そ−れはシリンダ壁の濡れ及びそ の関連ピストン・リング並びにシリンダ孔の摩耗という欠点を督する。本発明は 良好な体積効率を提供する態様で燃料を微粒化しそして蒸発させるピストン内ば ち形くぼみ型・燃焼室内への２段階燃料噴射？乙よって上記問題を除去する。こ れと同時に、蒸発に必要な熱は包囲するシリンダ壁及びピストン表面から取られ 、これ（・てよってそれらを冷却し、さらに空気またガスの装入するチャージか らも熱が取出され、これによってまた体積効率及び熱効率を向上させる。

以上述べたことから、本発明は・燃料がシリンダ表面を濡らさないように高い蒸 発の潜熱を有する燃料を用いる自動車型内燃機関を運転する方法を提供すること と、蒸発のために必要とされる熱は吸込まれた空気及びピストン表面から取られ ることが理解されるであろう。吸込まれた空気の冷却は体積効率及び熱効率を改 善し且つＮＯｘの生成を減じる。ピストンの冷却はその耐久性を向上させ、そし て過度且つ高価なピストン冷却手段に頼ることなしに機関の過給を容易ならしぬ る。

さらにまた、本発明によって提供されるごとき直接にシリンダ内での燃料の良好 な機械的微粒化は、吸気熱を供給する必要を無くし、、Ｌかもなおそれは良好な 燃料分配を保証する。説明された特殊の調時方法に依る燃料の主部分の直接燃料 噴射はメタノールがシリンダ壁面の油膜を希釈する公算を最小にする。また、点 火直前におけるより小さい量の燃料の第２段噴射は、希薄混合気と高ＥＧＲ率と を以て、点火性を危うくすることなしに機関の運転を容易ならしめる。

本発明はその一推奨実施例において示され、そして説明されたが、多くの変更及 び修正が本発明の範囲から逸脱することなしにそれに対して為され得ることは、 本発明が関係する技術に熟練している人々には明らかであろう。

■（ト）際論査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　高い蒸発熱を有するきれいな燃料を用いて火花点火型の内燃機関を運転す る方法であって：吸込装置によって生じる中庸の旋回率を有する空気の成る量を 、シリンダ・ヘッドと中心凹所を有するピストンの頂部との間に画成される燃焼 室に装入することと；メタノール等の如き高い蒸発熱を頁する全燃料チャージの 第１の部分を、該第１の部分の燃料チャージの本質的に全てが前記２ストン凹所 内に噴射されるように吸込行程の開始時においてピストンの上死点（ＴＤＣ）位 置の後すぐに前記室内に噴射することと；中庸の圧力レベルで、比較的低い貫通 を生じさせる円錐形スプレー・パターンを以て、前記第１の燃料部分の噴射が噴 射の後ずぐにそして依然として吸込行程である間に終結されるような速い速度で そして短かい持続時間噴射することと；追加旋回空気が前記室と凹所とに進入し て燃料チャージの蒸発及び霧化を生じさせそして燃料チャージな凹所から室の残 部へ移動させそれによって比較的重い燃料小滴が凹所壁に向かって遠心作用を受 けさせられてその内部に閉じ込められそして前記壁及び装入する空気から熱を吸 収してそれらを冷却するようにピストンが吸込行程間に下降し続けるにしたがっ て前記室内への空気の導入を続けることと；点火プラグに隣接する濃厚な空気／ ・燃料混合物を保証するため低い２ 貫通で点火の直前に機関の圧縮行程の後期部分の間前記室内へ全燃料チャージの 残部分を噴射することと；前記混合物を点火することとを含む前記方法。 ２　請求の範囲第１項記載の方法において、噴射される燃料チャージの第１の部 分が全燃料チャージの概ね７５から９０％を構成し、残りの燃料部分の小量が低 い貫通性を以てあとで噴射され、点火位置における空気／燃料混合物を濃厚にす るため前記あとで噴射された部分が噴射器の先端の付近に止どまらされる前記方 法。 ろ　請求の範囲第１項記載の方法において、最初及びあとで噴射される燃料部分 が同じ燃料噴射ノ！ルを通じて噴射される前記方法。 ４　請求の範囲第１項記載の方法において、前記あとで噴射される燃料部分が、 ピストンが上死点位置の面概ねろ０から５０％以内であるとき噴射される前記方 法。 ５、請求の範囲第１項記載の方法において、燃料の第１の部分の噴射がピストン の吸込行程の間該ピストンの上死点位置ののち概ね６０’のクランク角以内で終 結される前記方法。 ６、請求の範囲第１項記載の方法において、残りの燃料部分の噴射後に濃厚な混 合物に隣接するように前記室の中心に近く且つ噴射器ノズルの頂部に近く位置さ れた点火プラグによって燃焼が開始される前記方法。 Ｚ　請求の範囲第１項記載の方法において、前記凹所が前に已室の全びしやぴｔ ２や区域の概ね４Ｑから７５％のびしやびしゃ区域を有するｉｆ１記方法。