【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮天然ガス（Ｃ
ＮＧ）、または液化天然ガス（ＬＮＧ）、または液化石油ガス（ＬＰＧ）等のガス状の燃料を燃料として使用する火花点火内燃エンジンの分野に関する。

【０００２】このようなエンジンが、ピストンがシリンダー軸に沿ってスライドする少なくとも１つのシリンダーと、シリンダーの上方に位置し、少なくとも１つの吸気バルブを有するシリンダーヘッドとを有し、この組立体が燃焼室を画定していることが公知である。

【０００３】さらに詳しくは、本発明は、希薄燃焼条件の下、すなわち空気／燃料の混合濃度が例えば０．６程度の高希薄の空気／燃料混合物で動作する、上述した種類のエンジンに関する。 上記程度の混合濃度でエンジンを動作させることにより、上記エンジンの効率を向上させる一方で、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯ ^x ）を大幅に低減することが可能になる。 また、排気ガスにおける温度は低く、その燃焼は、化学量論の条件下で動作しているエンジンと比較して、効率利得を最大限１０％向上させることができる。 この消費利得は、「希薄燃焼」エンジンと呼ばれるエンジンに有利な顕著な利点である。

【０００４】

【従来の技術】この分野における従来技術を、欧州特許出願第７１９，９１６号、国際出願第９６／１２，１０
２号、国際出願第９６／２８，６４９号、米国特許第５，１５０，６９１号、または米国特許第５，６７３，
６７３号によって顕著に示すことができる。

【０００５】希薄燃焼エンジンの動作中につきものの問題は、主に、炎の伝搬または点火が僅かであるために燃焼が不安定となることである。 実際に、その一方はそれゆえに混合燃料の易燃性が下限にあるときである。

【０００６】したがって、排気ガスに不燃炭化水素排出物が増加していることが観察される。

【０００７】希薄化された混合燃料における、燃焼が不安定となるこれらの（公知の）問題を特に解決するために、エンジン製造業者は、迅速かつ安定していなければならない燃焼の特性に特別な注意を払っている。

【０００８】さらに詳しくは、内部の空気力学特性の最適化は、希薄混合燃料で動作する火花点火エンジンの設計においては重要な段階である。 空気力学特性の調整は、シリンダー内にガスを送る段階の間に吸気管によって誘導された流れと、圧縮中に燃焼室で生じる流れの相互作用との２つの現象によって決まる。

【０００９】点火の安定性および炎の伝搬を良くするために、点火前のスワールおよび速度の程度を特に最適化する必要がある。

【００１０】排気ガスを吸気口に再循環させて動作する（ＥＧＲ）火花点火エンジンの分野では、内部の空気力学特性を改良するために、吸気管および燃焼室の特定の区域に循環ガスを導くことが提案されている。 本出願人によって出願された欧州特許出願０，７１９，９１６号はこの一例であり、この特許出願ではエンジンの動作条件がどうであろうとも種々のガスの層状化および制御が行われる。

【００１１】ピストンエンジンの内部の空気力学特性を増大させる公知の解決策は、バルブが開いている時に、
燃焼室に直接入るガス燃料の噴流を生じさせるために、
ガス燃料を、バルブの付近にある空気吸気マニホルドの通常は湾曲された部分内に開口している管を通じて、空気よりもずっと速い速度で噴射させることである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この解決策は、シリンダー内の空気の動きを変えたり強めたりするために、ガス噴流の勢いを用いることを可能にする。 ガス燃料噴射管は湾曲部（曲率半径が最も小さい）の下面側に配置することができるが、ガス噴流がシリンダー内に直接入ることができるためには、ガス燃料噴射管の端部を湾曲させる必要がある。 しかしながら、ガス燃料噴射管は、湾曲した管を必要とすることなくシリンダーの内部に直接噴射するために、吸気マニホルドの湾曲部の上面側に配置されることが非常に多い。

【００１３】本発明は、点火の安定性および炎の伝搬性に関する困難な問題を、特に希薄燃焼条件の下で、良好な燃焼にとって有利な条件を生み出すために炭化水素が混入された空気の吸気の空気力学特性を増加させることにより克服する解決策を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】火花点火内燃エンジンの少なくとも１つの燃焼室内に混合燃料を吸気させるための本発明による方法は、希薄燃焼の動作条件に特に適している。 本方法は、空気の流れの方向に関して燃焼室の上流の湾曲部に備えられた少なくとも１つの空気吸気マニホルドを経由する空気の流れの燃焼室内への流入と、
空気の流れよりも速い速度を有するガス燃料の流れの燃焼室内への流入とを有する。 ガス燃料は、炭化水素が混入された空気の流れを吸気マニホルドの上面に向け、かつ燃焼室内に流入する前の自身の液圧部分を大幅に縮減させるように、燃焼室の近傍に空気の流れの方向に対して傾斜した方向にかつ吸気マニホルドの下面の表面に噴射される。

【００１５】火花点火内燃エンジンの少なくとも１つの燃焼室内に混合燃料を吸気させるための本発明による装置は、希薄燃焼の動作条件に特に適している。 本装置は、空気の流れの方向に関して燃焼室の上流の湾曲部に備えられており、少なくとも１つの吸気バルブによって燃焼室内に流入する最初の空気の流れのための少なくとも１つの吸気マニホルドと、燃焼室の近傍の吸気マニホルド内に開口しているガスの流れのための少なくとも１
つの吸気管とを有している。 吸気管は、炭化水素が混入された空気の流れを吸気マニホルドの上面に向け、かつ燃焼室内に流入する前の自身の液圧部分を大幅に縮減させるように、ガス燃料の流れが空気の流れの方向に対して傾斜した方向にかつ吸気マニホルドの下面の表面に噴射されるようにされている。

【００１６】本装置は、同一のシリンダー半体内に実質的に開口している吸気マニホルドを最大３つまで含むことができ、この構成では、他の２つのマニホルドの間に配置された吸気マニホルド内に開口している１つの管、
あるいは、第３のマニホルドの各側に配置された吸気マニホルド内に開口している２つの管、あるいは、吸気マニホルド内にそれぞれ開口している３つの管を設けることができる。

【００１７】吸気マニホルドは、燃焼室の上流に実質的に螺旋状の軸を有することができる。

【００１８】吸気マニホルド内に開口する箇所の付近の各管の軸は、２つの混合された流れをシリンダー内へ接線方向に導いたり、バルブの平面に対して実質的に平行にガス燃料を導いたりするように方向を定めることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

【００２０】図１および図２は、螺旋状の吸気マニホルド１における「プレ・スワール」型の実施形態に関する。 マニホルド１の螺旋形状は、図２においてより明らかである。 このマニホルド１は、空気を燃焼室２へ導く。 バルブのような選択的な封止装置３が、マニホルド１が燃焼室２内に開口している箇所に配置されている。
「バルブ平面」と呼ばれる平面Ｐは、吸気マニホルド１
と燃焼室２との境界を画定している。

【００２１】本発明によれば、ガス燃料吸気管４が、吸気渦形室またはパイプ５（バルブを囲んでいる吸気マニホルドの区域）の高さで、平面Ｐおよびバルブ３の弁座の上方で吸気マニホルド１内に開口している。

【００２２】管４は、上述した高さで空気のスワールを増大させるように、吸気パイプ５内に接線方向に開口している。

【００２３】さらに、管４は、バルブ３の平面Ｐに対して、主マニホルド１の軸の角度に近い角度で傾斜している。 換言すれば、吸気パイプ５の高さで、吸気マニホルド１および管４から来る流れは、それぞれ同じ方向および同じ向きを有している。 管４は有利には吸気マニホルド１よりも直径が小さく、そして内部の流速がより速い。 例として、燃料の流速は１００ｍ／ｓから３００ｍ
／ｓの範囲であり、また、空気の流速は５０ｍ／ｓから１５０ｍ／ｓの範囲である。

【００２４】したがって、管４からの流れが、吸気マニホルド１内の空気の流れに有利に働いてこれを増幅させることができる。 吸気パイプ５内にこのようにして形成された混合燃料はその後強いプレ・スワールを伴って燃焼室２に供給され、これにより燃焼室２内に安定した、
かつ信頼性のあるスワールがひきおこされる。 このように、プレ・スワールの度合いは吸気マニホルド１内で強くなる。

【００２５】図３および図４に示した本発明の実施形態は、燃焼室２の上流にある吸気マニホルド１の向きが上述した第１の実施形態と異なっている。 ここで、吸気マニホルド１は、シリンダーへ実質的に接線方向に達しているので、タンジェンシャルと呼ばれるものである。 もちろん、管４は、本発明の第１の実施形態と同様に、吸気マニホルド１から来る流れが管４の流れと平行である吸気パイプ５の上に開口している。

【００２６】図４において明らかにわかるように、管４
は有利には吸気マニホルド１の外縁および燃焼室２の周囲の上に開口している。 さらに、管４の軸は、ガスの流れをその接線に沿ってシリンダーに向かって導くように方向が定められている。 この構成によって、この方向へ吸気マニホルド１から来る空気の流れの、燃焼室の内部における効果が増大する。 図４における太い矢印Ａは主たる流れを示している。 このため、タンジェンシャル吸気マニホルド１の噴流効果が向上する。

【００２７】図５および図６は、炭化水素が混入された空気のスワールをシリンダー内に得るための噴射モードに適用される本発明の実施形態を示している。 このスワールの回転軸はクランクシャフトの軸と平行であり、このスワールは当業者に「タンブル」として知られている。 このタンブル効果は、少なくとも１つのマニホルドと、燃焼室との接続部近傍で湾曲され、それぞれが吸気バルブ３に結合された好ましくは２つの吸気マニホルド１とによって得られる。 燃料噴射マニホルド４は、各吸気管の吸気パイプ５内に湾曲部（すなわち最小の曲率半径を有している）の下面側で斜めに開口しているため、
この横からの流れが、パイプ１を通って湾曲部の上面に向かってくる空気の流れの方向を変える。 燃料噴射速度は、空気流れの液圧区域が縮減するのに十分な値である。 この結果、燃焼室内への混合燃料の噴射速度が増大し、したがってその均質化に有利に働くタンブル型効果が増大する。

【００２８】管４が吸気マニホルド１内に開口している下面の位置は、方向が変えられた流れの油圧区域が燃焼室に入る前に再び拡大することを防ぐように、弁座に対して充分近くに選択されている。 この点で、燃焼室および吸気管の幾何学的形状によってそのようにすることが可能である限りは、吸気マニホルド１に対する管４の傾き角度を増加させることが有利である。

【００２９】このタンブル効果を得る様々な構成が考えられる。 ３つの吸気マニホルド１を対称に配列しかつ同一のシリンダ半体内に近接して含めることが可能である。 その結果、１つ、２つ、あるいは３つのガス燃料吸気管４を設けることができる。 ただ１つの管を設ける場合には、この管は他の２つの吸気マニホルドの間に配置された吸気マニホルド１内に開口することになる。

【００３０】２つの管４を設ける場合には、これらの管のそれぞれは、その外縁上に位置する吸気マニホルド１
内に開口することになる。

【００３１】最後に、３つの管４を設ける場合には、各管は上述したように１つの吸気マニホルド１内に開口する。

【００３２】上述したガス燃料噴射は、吸気渦形室５から先の流れを変えることによって、タンブルの程度を向上させることを目的としている。

【００３３】有利なことに、ガス燃料の噴射圧は、比例装置の初期供給圧力および／または管４の直径によって制御可能である。

【００３４】本発明は、エンジンサイクル内、好ましくは４工程サイクルの吸気工程内におけるガス噴射段階の制御をさらに可能にする。

【００３５】全てのこれらの制御によって、管４の効果、すなわち各燃焼室２内の内部空気力学特性を管理しかつ調整することができる。

【００３６】図７は、図５および図６と関連して説明した、タンブル効果に至る噴射モードの場合における、従来技術に対する本発明の効果を明確に示している。

【００３７】２つの曲線は、クランクシャフト角度θ
（クランクシャフトにおける度）の関数としてのタンブル比（Ｔ）を示している。

【００３８】実線の曲線は、従来技術、すなわち吸気マニホルド１に接続された管４がないものによるタンブルの程度を示し、破線の曲線は、本発明にしたがって得られたものである。

【００３９】ほぼ全ピストン行程にわたって、本発明によるタンブル比が従来技術によるタンブル比よりも高いことがわかる。 この効果は、−２７０度付近以上で顕著である。 このとき利得はほぼ５０％であり、これはかなり大きい値である。 その結果、空気力学特性は本発明にしたがって大幅に最適化され、より安定した燃焼と、炎のより良好な伝搬およびより良好な点火とが得られる。

【００４０】図８，９は、管４によって噴射された横からの燃料の流れが、パイプ１を通って来る空気の流れの液圧区域を縮減させ、その結果その流れの向きが上面に向けて変えられる様子を明確に示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】「プレ・スワール」型の吸気口を備えた、本発明の第１の実施形態の側面断面図である。

【図２】図１の実施形態の簡素化された平面図である。

【図３】「タンジェンシャル・スワール」型の吸気口を備えた、本発明の第２の実施形態の側面図である。

【図４】図３の実施形態の簡素化された平面図である。

【図５】「タンブル」型の実施形態による２つの吸気マニホルドの正面図である。

【図６】図５の実施形態の側面図である。

【図７】従来技術によるクランク軸の角度の関数としてのタンブル比を示す曲線の組を示す図である。

【図８】シリンダー内を通過する空気流れの区間の吸気管内へのガスの傾けられた噴射の効果を示す図である。

【図９】図８とはガス噴射速度が異なる場合について、
シリンダー内を通過する空気流れの区間の吸気管内へのガスの傾けられた噴射の効果を示す図である。

【符号の説明】

１ 吸気マニホルド ２ 燃焼室 ３ 封止装置（バルブ） ４ ガス燃料吸気管 ５ 吸気パイプ Ｐ 平面

フロントページの続き (51)Int.Cl. ⁷識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 35/10 １０１ Ｆ０２Ｍ 35/10 １０１Ｅ (72)発明者 ステファン アンリオ フランス国 94400 サン・モーリス ル・アリスチド ブリアン ４