JP2014013031A - 燃料噴射弁と吸気の改革による圧縮着火燃焼方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮着火方式内燃機関の燃焼方法を吸気弁と燃料噴射弁の改革的改造により新燃焼方法を構成し内燃機関の省エネ低公害化と多種多様な燃料を使用し得る圧縮着火内燃機関を開発する。
【手段】主吸気弁の吸気流れ方向をスワ−ル流れとして強化する事と多噴孔ホ−ルノズルの重合特性と超高圧噴射による噴流の貫徹性に因る噴流慣到部の破壊的弊害問題を外開茸弁方式により噴流を円盤状に拡散噴射するノズル方法で解決し副吸気弁よりの流れ形態を気筒壁面に沿ったスワ−ル強化手段を吸気弁と環状弁座部との組み合わせにより構成してスワ−ル流れを制御する作用を弁リフトにより実行し燃料群とスワ−ル空気との混合燃焼条件を外開茸弁による円盤状拡散混合燃焼方法で改革し直噴圧縮着火内燃機関の完全燃焼化目的を達成する。
【選択図】図５

Description

この発明は圧縮着火式内燃機関の燃焼技術に関するものである。

現在の直噴式ディ−ゼル機関は２００ＭＰ以上の超高圧噴射と燃料噴射ホ−ルノズルの８噴孔化と噴孔０．１ｍｍの微細加工や電子制御による５分割噴射や４倍空気過給条件で現在の性能を保持している。然しこの燃焼方式では圧縮熱雰囲気で液滴燃料粒子が熱に触れる外側から燃え始め炎に包まれる内部は燻蒸燃焼となり生成する微粒炭化煤塵の問題は燃焼の物理により解決する事が出来ない。このために開発されて１００年以上も経過した今日でも排気に後処理装置を必要とし機関の熱効率も停滞しているのが現状である。
従ってこの燃焼方法では機関の構成が複雑高価で重くなり熱効率改善の方法にも目途が付かなく排気中の炭化煤塵問題も後処理で対処せざるを得なくなり機関の小型高速化にも不利な事が現直噴ディ−ゼル燃焼方式機関の改善すべき課題なのである。

従来の直噴ディ−ゼル内燃機関には、次のような問題や解決すべき課題がある。
（イ）、燃費を良くする為に圧縮比を高めるには更に機関の強度剛性を高める必要が生じ燃焼圧力も過大となり機関全体が重く高価格となりガソリン機関と較べ小型高速機関としての設計に適さない構造上の課題を有している。
（ロ）、また多用される自動車用機関等での排気炭化煤塵を燃焼技術により解決する事や軽負荷時の熱効率を高めうる低公害燃焼技術の開発もガソリン機関と同様に遅れており燃費も排気煤塵も共にまだ改善が必要とされている。
（ハ）、また軽重油などセタン価燃料以外の燃焼には適さなく代替燃料とされる天然ガスや多種多様な燃料の燃焼にも不適であり燃費に有利な高圧縮比の採用も限界とされ長年に渡る燃料の経済性も排気炭化煤塵と同様に改善の方法が世界的に遅れている。
本発明はこれらの課題や問題点を解決するために直噴ディ−ゼル内燃機関の燃焼方法を燃料の噴射方法と給気スワ−ルとの整合により改善した燃焼技術による圧縮着火内燃機関の燃焼技術提示を目的としている。

従来の直噴圧縮燃焼機関は、図１に示す如く機関本体（１）のシリンダ−ヘッド部（２）中心域に燃焼噴射用多噴孔ホ−ルノズル（３）を設け吸気路（４）排気路（５）が図Ａの如くに配置されている。この吸排気路には茸型の可動開閉弁が配備され弁リフトの作用角により図２参考図の様に吸排気流の開閉を制御する構造であり吸入・圧縮・爆発・排気のサイクルを各弁の作用角で行う方法である。

この構成では主吸気弁（６）の開時には吸気路内の空気は気筒内流れ矢印（７）で示す如く吸気弁座間より下部に位置するピストン（８）方向に弁と弁座間を経して気筒内（９）に流入するのが一般的な吸気の流れ形態であるが超高圧での過大な燃料ホ−ル噴流がピストンアルミ部を破壊する事や燃料噴流到達域に噴流重合による過濃な燃料域を作りこの燃料の燃焼には多量の空気が必要となる事等空気の流動やスワ−ル作用が重要なのであるがこのスワ−ル生成技術の開発も遅れており機関部品や電子制御技術の発展した近６０年でも熱効率向上と排気煤塵問題を解決できなく直噴ディ−ゼル燃焼方式機関は次世代の動力機関としての資質に問題ありとされ性能に限界を示している。

本発明はこの直噴圧縮燃焼機関の燃焼改善手段として先ず吸気行程で気筒内（９）に流出する空気の流れ方向を下方のピストン面とは方向を変へて、横方向の指向的な流れとし気筒内の流れ形態をスワ−ル流れとして強化する手段を吸気弁の構造を変える事と弁を複数化する事でスワ−ル流れを強化し燃焼室端域や気筒壁面域部の燃料混合気群を排除する作用により端域燃料に因るエンドガスノッキングの発生因を排除している。

また機関が出力を要しなく燃料噴射量の少ない給気比時においても確実に燃焼室中心域において燃料群と空気との混合による燃焼反応域を構成する手段として燃料噴射弁の構造を変へてヘッド部中心域より噴射する燃料の噴霧形態を円盤状に拡散展開させる作用を外開茸型弁ノズルによって形成する事とし、外開茸弁の噴孔部より噴射する燃料群を円盤状に拡散転向させる作用は茸状噴射弁部に小Ｒ付きの環状溝部を設ける構造として燃料噴霧群を円盤状に水平方向に拡散展開する事としている。
この円盤状燃料噴霧群をスワ−ル空気中に供給し空気との衝突接触作用により拡散粒子の微細化を促進する事により円盤状拡散燃料群の燃焼完全化を図る燃焼方法なのである。

この円盤状燃料噴射方法によれば気筒内の燃料圧縮着火燃焼条件は吸気弁の指向性により流れを強化したスワ−ル流れ内に供給される燃料群の円盤状拡散供給作用では噴射燃料群は順次に円盤状拡散先頭域からスワ−ル空気内に突入する事になる。従って圧縮着火燃焼条件に於いても充分な熱空気雰囲気中で着火遅れが少なく圧力上昇率も噴射律則で制御し得る理想的な直噴圧縮着火燃焼の基本条件が構成されるのである。

この円盤状拡散燃料噴射方法によれば吸気を絞る事なく燃焼室中心域の噴射ノズル近傍域での燃料混合拡散燃焼条件が具現化され圧縮着火燃焼方式での完全燃焼化が実現する事になる。この為に要する吸気弁よりの空気流れ方向をスワ−ル化し強化する方法は図３図４に示す如く吸気弁（６）の弁部と環状弁座部（１０）との相関を環状弁座開閉部（１１）より下部の弁座部の約半域（１２）を凹部や溝状（１５）に形成する事で凹部の吸気流れ抵抗を減じその反対側を小間隙部（１３）構造として流体抵抗値を変化させる方法や弁リフトの制御により物理的に空気流れの指向目的を達成する方法が使われている。

この様に吸気スワ−ル構成を自在とするスワ−ル雰囲気に対し外開茸弁ノズルの弁部を図５の如くに改造して円盤状に噴霧群を構成する外開茸弁の拡散燃料噴射燃焼条件で吸入空気と燃料噴霧群との混合燃焼方法によれは従来の多噴孔ホ−ルノズルと超高圧噴射による過大な燃料貫徹性とホ−ルノズル特性による噴射燃料重合作用による燃焼の弊害問題は抜本的に解消されスワ−ル流れ内に順次燃料噴霧群を供給し得る外開茸弁での全周方向円盤状の燃料噴射拡散特性が活用される事と強力な吸気スワ−ル流れの特性が共に活用され燃料直噴内燃機関の完全的燃焼条件の基本が構成されるのである。

この吸気スワ−ル流れを活用しこれと外開茸弁燃料噴射方法との整合による圧縮着火燃焼方法ではアイドリングを含む機関全負荷範囲の燃焼反応条件が大きく改革される事になる。即ちスワ−ルの強化を吸気弁の改造とリフト制御で実行し、外開ノズルの電子燃料制御や燃料量の噴射制御技術を整合させる燃焼方法では負荷に応じた燃焼がピストン燃焼容積部中心域を燃焼反応の起点として完全的燃焼条件で構成される事になる。

更に副吸気弁（１６）にも本技術を適用し気筒端域の空気スワ−ル流れ作用の強化に用いればエンドガスノックの排除作用がＥＧＲガスの混合スワ−ル条件により有効に作用し機関の高圧縮比化や給気燃焼条件が更に安定化する事になる。従い直噴圧縮着火内燃機関の燃焼方式に超高圧噴射や高動力を必要としなくホ−ルノズルによる噴流重合の液滴燃料による燃焼弊害は抜本的に改革され燃費と煤塵が改善されＮＯｘ抑制の目的も多種な燃料使用やＥＧＲを適用し得る方法も火花点火アシスト方法により構成される事になる。

本発明は以上の如く燃料噴射弁を外開茸弁方式として超高圧多噴孔ホ−ルノズル仕様による直噴ディ−ゼル機関の弊害問題を悉く解決し燃費を含む経済性と排気の低公害化課題を安価に且つ容易に実施し得る燃焼方法なのである。

本発明は吸気流れの物理原則を重要視し吸入空気と燃料噴射群の展開や拡散方法を制御する手段に外開茸弁方式を用い燃料噴霧群の構成に超高圧やホ−ルノズルを用いなく円盤状の燃料噴霧群の展開と吸入空気の流れを転向させる作用を先に開発した弁部と弁座部技術により構成しスワ−ル中に外開茸弁ノズルによる円盤状の拡散燃料群を供給する事により多噴孔ホ−ルノズルの欠点である同一飛翔ル−ト特性による噴流前後分の重合作用や過大な超高圧噴流の慣徹性による衝突部破壊やピストン端域部に過濃燃料域を作る従来直噴燃焼方式の弊害問題の総てを解決し超高圧方式の高動力や多量の空気を必要とする欠点を抜本的に改善し熱効率の損失因を物理的に解決した作用効果は大きい。

また燃料噴射パタ−ンを外開茸弁ノズルにより円盤状噴霧パタ−ンを構成する弁の製作も燃料噴射群を円盤状の噴射パタ−ンとして構成する外開茸弁噴射方法の開発も中核の技術でありこの方法により燃料群を順次にスワ−ル流れに突入させる本燃焼方法は新しい内燃機関の燃焼条件を構成する為に必須な燃料噴射方法であり直噴ディ−ゼル燃焼方式の微粒炭化煤塵を燃焼により解決する難題を吸気スワ−ル作用と燃焼容積部中心域を燃焼反応の起点とする円盤状拡散燃料群との整合燃焼方法で抜本的に改善しディ−ゼル燃焼機関の排気煤塵公害問題を解決して機関性能を向上させた効果は絶大である。

特に本発明の実施に要する部品や加工の総てに既存材料や既存技術が役立ち世界の内燃機関企業小コストで実践可能な事が地球規模の資源保全と環境改善に貢献する効果は大きい。即ち多種多様な燃料の使用を火花点火のアシストで可能とする本燃焼方法は世界産業界の発展に大きな効果をもたらし次世代の動力機関としての資質を示す新しい圧縮着火内燃機関の燃焼技術としての開発効果である。

吸気の流れ方向を弁リフトの可変と弁部と環状座弁部との整合によりスワ−ル化し同時に燃料群を円盤状として電子制御噴射で供給する事と、更に副吸弁のスワ−ル強化により端ガスノッキングを抑制する作用はガス燃料等の燃焼にも適し多様な燃料の使用を火花点火のアシストにより可能とする本燃焼方法の特別な効果と言える。

また重量当たりの出力や燃費に関しても現在最高の熱効率とされている直噴ディ−ゼル燃焼機関や電気動力機関と較べても使用燃料の多種多様性や価格や可搬性等で有利であり比類なき省エネと低公害性の可搬機関として提供し得る事も本燃焼技術の効果である。

Ａ・Ｂは機関部品説明図 従来の吸排気行程参考図 吸気弁と環状弁座部の透視図 吸気弁部と環状弁座部の断面図 外開茸噴射弁の拡大図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず従来の直噴ディ−ゼル方式は図１Ａに示す如く機関本体（１）に気筒ヘッド部（２）ピストン燃焼室（３）を有しヘッド部に吸気路（４）排気路（５）多噴孔ホ−ル燃料噴射ノズル（６）が配備されている。８噴孔ホ−ル型噴射ノズルは中心域に配備され主吸気弁（７）よりの吸気空気流れはピストン（８）方向に気筒内（９）に流入方向を図２の参考図の様に流入するのが一般的な流れ形態として知られている。

この方法によれば中央の噴孔ホ−ルノズルより８方向に超高圧２００Ｍパスカルで噴射される強い噴流はピストン燃焼室の壁面（１８）に衝突し噴流による破壊的作用と共に噴流衝突域に燃料の過濃域が必然的に構成される事になりこの燃料群の燃焼に多量の空気が必要とされるのである。この様な直噴燃料のホ−ルノズルによる燃料噴射方式の問題点は熟考すればエンジン技術者なら当然理解し得る事ですが２００年以上も既成概念による多噴孔ホ−ルノズルの大型機関での使用実績がホ−ルノズル以外の開発を遅らせ噴射圧力を高めノズル噴孔の微細化によればこの問題は改善出来るだろうと考えたドイツ技術に安易に期待しドイツ技術の追従模倣による悪癖が世界に広まり現在でも解決策の見出せない現状が続いてきたのです。この原因は燃焼技術を指導する人材が居なかった事が原因と思われます。

従ってこの問題を物理に従い合理的に解決すれば不可能視されている直噴ディ−ゼル燃焼による炭化煤塵問題も熱効率改善課題も解決する事が出来るのです。本エンジン燃焼技術の開発者は直噴ディ−ゼル燃焼方式の問題点を解決する手段としてヘッド部中心域よりの燃料拡散噴射条件を外開茸弁方式とする事により燃料群を全周方向に円盤状噴霧パタ−ンとして展開する均等的な燃料群の拡散展開によれば燃料群は順次にピストン内のスワ−ル流れ内に供給され微粒噴霧群による着火遅れ現象の短縮と共に空気との混合条件が促進されると考えこの方法に有効な外開茸弁方式ノズルを開発してこの燃焼方式の特性を活用し従来の多噴孔ホ−ルノズルに因る噴流の重合や超高圧高動力や過大な噴流慣徹性に因るピストン破壊や液滴噴流の着火遅れや燃焼圧力上昇率等の弊害を悉く解決したのである。

この燃焼方法は世界のエンジン技術者が追究して止まない燃焼容積部中心域よりの完全的燃焼条件の構成を燃焼室中心域に外開茸燃料噴射弁を設けて円盤状の燃料噴霧群展開としこの燃料噴霧展開群を包囲する空気スワ−ル流れ中に順次に供給すればスワ−ル空気との理想的な混合燃焼条件が燃焼室中心域よりの円盤状燃料供給条件で構成され燃焼期間の短縮と拡散火炎の均等化による機関熱効率向上の効果と完全燃焼による炭化煤塵の生成因問題を解決したのである。

本技術は燃焼改革の重要部である吸気弁（７）や副吸気弁（１６）の改造を環状弁座部（１０）と弁開閉部（１１）との整合加工により弁座部を断面図（４）で示す如く約半域（１２）をカットや凹状（１５）に形成しカット部の流体抵抗を物理法則により減じカット部よりの気流流れ方向を可動弁部の小Ｒ部（１４）で転向し壁面に沿ったスワ−ル流れとして転向する事を自在としておりこのリング状弁座部（１０）や茸弁部の加工も従来のプレスや鍛造技術で容易に造られ小Ｒ転向部（１４）の自在なＲ度の加工によれば吸気や燃料の噴出パタ−ンの自在な構成やスワ−ル流れとの制御整合等も容易となるのである。

従って副吸気弁（１６）も吸気弁と同類の加工で気筒壁域にスワ−ル流れを強化する作用に適用すれば端域の混合気を排除し圧縮時におけるエンドガスノッキングの生成因や高負荷燃焼時の空気やＥＧＲ混合ガスによるスワ−ル流れの強化作用で端域ガスノッキングの発生因排除に有効に作用し有害なＮＯｘの制御やＥＧＲにも役立つのである。

また吸気弁や副吸気弁のリフト制御と同様に電子燃料噴射条件でも燃料を制御し得る外開茸弁での噴射条件によればアイドリングや軽負荷時でもスワ−ルとの整合は自在であり小量の燃料群でも円盤状として中心域に展開することを燃料群の小リフト作用と燃料分割噴射供給条件で制御も自在であり高負荷時においても大リフト作用時の円盤状燃料噴霧群の展開手段を外開噴射弁の噴流転向Ｒ部の形状と噴孔の絞り設計を拡散混合条件に合わせる事も副吸気弁のスワ−ル作用強化と同様に気筒端域ノッキングの抑制方法に有効に使いこの両方で出力課題を改善する事が出来るのである。

この空気や燃料の供給条件を弁リフトの制御により行い高負荷域での燃焼容積部中心域からの拡散火炎燃焼条件を端域ノッキングの発生因をスワ−ル作用により制御する方法は高負荷域燃焼や高圧縮比化燃焼条件においても基本技術として応用され多種多様な燃料の使用も火花点火のアシスト方式によれば容易に具現化できるのである。

本燃焼方法は貴重な地球燃料資源保全の目的を既存燃焼技術の応用により簡便かつ容易に達成し得る内燃機関の燃焼方法であり先人が苦労した層状燃焼や希薄燃焼やＥＧＲ技術の総てが活用される事と共に次世代内燃機閑として求められる機関性能が吸気流れの制御技術と電子制御噴射技術との整合により最も簡便確実に物理法則により構成される新しい燃焼技術なのである。

この燃料外開弁リフトの制御や構成も電子制御技術と共に既存技術と加工方法で容易に構成されることは物理的にも明確である。

ピストンヘッド部燃焼室に吸気スワ−ル流れを強化すべく吸気流出の反対側を小間隙部（１３）構造とした吸気弁座回路部の構成によれば過給時にはスワ−ルは更に強化される事になり吸気路圧と燃焼容積部内の圧力差により吸気流れは強く噴出する事になる。

従って本燃焼方法では気筒内のピストン（８）燃焼容積部は浅くし径を大きく設計した方がスワ−ル流れの利用に適しこれと中心域の外開ノズルによる円盤状燃料噴射弁のＲ転向部との整合による燃焼条件の構成によれば超高圧噴射方式や多噴孔ホ−ルノズルを用いる事なくスワ−ル内に突入する燃料群は順次にスワ−ル流れ内でスワ−ル空気とのミクロ的な混合条件により完全的な燃焼反応条件が促進される事になり熱効率が向上すると共に炭化煤塵の生成因も同時に解決される事になる。

円盤状に燃料群を拡散展開しうる外開き弁の噴孔拡散噴霧条件は弁先端拡大断面図５で示す如く開閉部（１１）の開時には加圧された燃料流れは噴孔部（１７）に到る間に流路が順次に絞られる構造で流速が高まり噴孔部（１７）での最終絞り部を０．１ｍｍ以下とする工作によりＲ転向部に衝突して噴出する燃料群はＲ部の衝突作用で拡散微粒化が促進されこの作用により燃料群の微粒拡散噴霧条件が円盤状に形成されるのである。

この円盤状噴霧拡散形態はホ−ルノズルや超高圧噴流と全く異なり液状の噴流による強い貫徹性や噴流重合による液滴燃料による破壊的噴射条件は悉く改善され超高圧噴射と多噴孔ホ−ルノズルの組み合わせによる従来直噴燃焼方式の問題点を２０Ｍパスカル以下の噴射圧で大きく改善解決する事になる。また副吸気弁（１６）も矢印の如く気筒壁方向に対して強い旋回的な空気やＥＧＲガスを含むスワ−ル流れを強化する作用で端域混合気の自己着火に因るノッキングの抑制に有効に作用し機関の高圧縮比化に効果的なのである。

また吸気や拡散燃料による内部冷却作用も燃焼室中心域近傍に突出する燃料外開燃料噴射弁や点火アシスト電極（図示せず）の内部冷却に作用し高負荷時においても燃料噴射弁の燃焼被熱に因る過熱や各種の熱弊害が緩和され異常噴射や異常燃焼因の抑制に有効なのである。

この様に簡便容易な本外開円盤状燃料拡散噴射弁方法は内燃機関の燃焼のみならず家庭用の燃焼機器やボイラ−燃焼やラムやパルスのジェット燃焼にも応用されて有効な事から幅広く省エネと低公害化の熱利用目的に利用し得る燃焼方法であり円盤状に液体を拡散噴射する外開噴射ノズル技術は製塩作業の省力化等にも役立つ技術である。

以上の如く外開茸型弁の噴射制御と吸気弁と弁座部による吸気流れ方向の制御技術をスワ−ル構成に適用した円盤状燃料噴射燃焼方法は機関のアイドル時や高負荷運転迄の広い負荷範囲において火花点火のアシストにより多種多様な燃料による内燃機関の層状的高圧縮比燃焼が具現化され地球環境の改善と燃料資源の保全に大きく資する事になる。

１ 機関本体
２ シリンダ−ヘッド部
３ ピストン燃焼室部
４ 吸気路
５ 排気路
６ 外開茸型燃料噴射弁
７ 主吸気弁
８ ピストン
９ 気筒内
１０ 環状弁座部
１１ 弁座開閉部
１２ 弁座半域
１３ 小間隙部
１４ 流れ転向Ｒ部
１５ カット部
１６ 副吸気弁
１７ 外開茸弁噴射間隙部
１８ ８噴孔ホ−ルノズル
１９ ピストン端域
２０ 燃料過濃域
２１ 吸気流れ方向
２２ スワ−ル流れ
２３ 燃料流路
２４ オイル流路
２５ 噴流拡散転向部
２６ 噴孔間隙部
２７ 開閉シ−ル部
２８ 外開茸弁先端部
２９ 円盤状噴霧群
Ａ 吸入行程
Ｂ 圧縮行程
Ｃ 燃焼爆発行程
Ｄ 排気行程

Claims (2)

1. 直噴圧縮着火燃焼方式内燃機関において噴射燃料群の拡散展開条件を外開茸弁構造として円盤状に燃料群を拡散展開する方法を図５の如く弁部とノズル噴孔部の構成を茸型弁部と開閉弁座部を加工する事により円盤状に燃料を拡散展開する噴流に転向拡散する手段を弁軸部に小Ｒ部を有する環状リング部を形成してこの環状リング部よりの円盤状燃料拡散群とピストン燃焼室部に形成した浅皿型燃焼容積部内での混合燃焼条件の構成をスワ−ル空気流れと円盤状に拡散展開する燃料群との整合による混合燃焼条件とし燃料の噴射律則制御による燃料群の完全燃焼化の構成を特徴とした圧縮着火内燃機関の燃焼方法。
2. 円盤状に燃料噴射噴霧群を形成する茸弁燃料噴射弁の円盤状拡散展開条件を噴射ノズル弁部の噴流転向Ｒ状部の形状を変える事で燃料群の拡散形態を変化させて機関ピストン燃焼容積部内の空気スワ−ルとの整合により完全燃焼条件を構成し、副吸気弁によるスワ−ル強化作用とＥＧＲガスの供給によりＮＯｘの低減目的を図り得る前記請求項１記載の圧縮着火内燃機関外開茸型燃料噴射弁の構造。

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