JP2016079968A - Ｅｆｉ内燃機関用燃料微薄微細化噴射ノズル技術。 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＦＩ火花点火方式内燃機関の燃焼を構成するに必要な内燃機関用燃料ホールノズルの特性と欠点を明確として廃止し、新規な燃料微薄間隙微細化ノズルによる省エネ低公害化燃焼技術により多種多様な燃料を使用し得る内燃機関の開発を課題とする。
【手段】ＥＦＩ内燃機関や直噴ディーゼルの完全燃焼技術の構成を目的とし先ずホールノズル噴射方式を廃止して火花点火方式とし燃料を微薄間隙多段ノズルの構成で燃焼の完全化を達成し従来ＥＦＩでの微小ホール噴流噴射方式も廃止して微薄間隙噴射ノズルでの燃料噴射と空気との混合条件による燃焼条件を構成したのである。この多段微薄間隙噴射ノズルの効果は絶大であり製造コストは安価となり電子燃料制御技術による燃料の噴射タミングや量的配分問題も既存技術で容易となる。この内燃機関の完全燃焼技術によりＣＯ２の捕捉処理も可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は内燃機関の完全燃焼に必要な燃料の微薄間隙微細化噴射ノズルに関する。

内燃機関の燃焼室内に燃料を供給する手段を吸気菅内に燃料群を噴射供給するＥＦＩ方式がある。このＥＦＩ方法もディーゼルやガソリン機関の完全燃焼は不可能とされ未燃焼の炭化煤塵やＰＭが排気と共に大気中に排出され地球環境を汚染する事から複雑高価な排気の後処理装置を必要とし機関は高価格で重く燃焼騒音も大きく使用燃料も制限されている。

従ってこの問題を改善するには燃料の噴射燃料群を微細化し点火栓での着火を容易としガスを含む多様な燃料の使用可能なエンジンとする事が重要である。本燃焼技術は燃料噴射ノズルにより燃料を微細化して空気との混合を促進し燃料噴射を電子制御により行い混合気形態の時系的変化をコントロールし、火花点火方式として電極部の冷却を図り混合気群の燃焼室内での空気による燃焼の完全燃焼化を目的とし内燃機関の省エネ低公害化を推進することにある。

特願２０１２−１４６０５３号 特願２０１２−１６３０９５号 特願２０１３−２２１５６８８号 特願２０１３−４９６１４号 特願２０１４−１０９５３４号

従来の内燃機関には次の様な欠点がある。
（イ）内燃機関で最高の熱効率を示す直噴ディーゼル燃焼方式も排気中に有害な未燃炭化
煤塵・ＰＭを有する事からこれの排除に複雑高価な処理装置を必要とし機関のコス
トは高価で振動・騒音・重量も大である。
（ロ）火花点火ＥＦＩ方式内燃機関も圧縮比を高めるとエンドガスノッキングが生ずるの
で熱効率はディーゼルに及ばなく燃料もガソリンに限られている。
（ハ）このような問題が内燃機関の発展を阻んでいるがこの原因は特に両機関ともに燃料
噴射に微細化不可能なホールノズルを使用している事が原因なのである。
本発明は以上の問題点を解決するために発明されたものである。

即ち燃料噴射ホールノズルは同一ホール噴孔よりの指向的噴流特性での噴流は重合と慣到性を有し限られた噴孔で燃焼室内に噴射されるのだが噴射中に空気との衝突接触混合の機会が少なく、噴流の多くが燃焼室の壁面まで到達し壁面衝突による分裂で一部が微細化混合されるのみなのである。

その為に空気との衝突で分裂微粒化する燃料と空気の混合条件は大きく制限され噴流の衝突域には衝突により液状に戻った燃料の過濃域が噴孔と同数に生ずることになりこの燃料過濃域の燃焼には多量の空気が必要となる、この空気不足の燃焼域では煤が多量に生成されるのである、この様なサイクルの繰り返しでは完全燃焼条件の構成は不可能であることを先ず理解しなければ内燃機関の燃焼技術の改善は図れない。

本発明はこれらの課題や問題点を解決するために必要な火花点火ＥＦＩ内燃機関の燃焼の完全化と、それに必要な噴射燃料群の微薄微細化噴射ノズル技術を提示する。

従来のＥＦＩ火花点火内燃機関は、図１図２に示す如く機関本体（１）のシリンダーヘッド部（２）に半球状の燃焼室部（３）を設け燃焼室には吸気路（４）排気路（５）点火栓（６）が位置付けされている。また吸気路内にはＥＦＩ用ノズルが配備され電磁開閉の作動で２から１０キロパスカルの低気圧燃料噴射弁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動作用角との整合によりサイクル的に電子制御で行っている。

従って主吸気弁（７）の開時には吸気路内の空気や混合気は気筒内の流れ矢印（８）で示す如く吸気弁の下部に位置するピストン（９）方向に弁と弁座間を経して気筒内（１０）に流入するのが従来機関の吸気流れ形態である。この流入形態では気筒内の端域まで予混合気が配達されこれが原因でエンドガスノッキングが発生する。

即ち圧縮燃焼行程で気筒内の圧力や温度が高まると端域迄に配達された混合気が自己着火し「エンドガスノッキング」が発生し正常な点火用電極放電部よりの火炎伝播燃焼条件を阻害するのである。このエンドガスノッキングは機関の圧縮比を高める程に発生頻度が増えて機関の破損因ともなる事から既存の火花点火燃焼方式ではこのエンドガスノッキング問題が解決されなく省エネに有利な高圧縮比の採用が出来ない。

本発明は機関の吸気行程で気筒内（１０）に流入する空気や混合気の流入方向を従来方向とは変えて点火栓電極方向への指向的な流れとし、吸入空気や混合気流れにより電極部の冷却作用を図ると共に混合気群を点火電極近傍に供給する手段を燃焼容積部の上下２段の構成としてエンドガスによるノッキングの生成因を抑制排除し、機関の高圧縮比化を計り機関が出力を要しなく混合気量の少ない給気時においても確実に点火栓電極部に混合気による点火燃焼を成立すべき条件を吸気弁と弁座部との相関を弁リフトの制御とＥＦＩにより可能的に構成している。

この方法は気筒内の火花点火電極方向に空気や混合気を主吸気弁よりの指向的流れで噴出し先ず点火栓部の冷却を図ると共に流れを下部ピストン方向に反転展開する混合気流れとする吸気供給方法であり燃焼条件は吸気弁リフトによる流れ方向の指向的可変制御を吸気弁と弁座部との相関により構成している。

この方法によれば吸気を絞る事なく点火電極部に空気や混合気群を供給展開する事ができる。この主吸気弁よりの空気や混合気の流れ方向を点火電極部方向に指向する方法構成は主吸気弁（７）や副吸気弁（８）と弁座部（１１）との相関を環状弁座開閉部（１２）の片側半域部（１３）を図３図４に示すが如くにカットし吸気流れ抵抗を減じ流れ方向を指向的に変更すべき作用を主吸気弁の小Ｒ部（１４）形状や環状弁座部気筒側の小間隙部（１５）の構造による抵抗値変化と弁リフトの制御により目的を達成する仕組みなのである。

この様な主吸気弁と環状弁座部を有し弁リフトの可変により吸気の流れ方向を自在とする燃焼構造とすれば燃料噴射ＥＦＩ方式での混合気群を噴射供給する条件を整合させる事が可能となり点火電極方向に指向的とした吸気流れによる電極部の冷却作用と共にタンブルやスワール流による空気や混合気群での燃焼形態を構成する事が出来る。

従って吸気や混合気の流れを制御し得る本給気燃焼方法によれば火花点火内燃機関のアイドリングを含む機関全負荷範囲での火炎伝播燃焼条件が改革される事になる。即ちこの吸気燃焼方法によれば主吸気弁のリフト制御とＥＦＩ電子燃料制御部での噴射タイミングや燃料噴射量の制御が多様化し機関の負荷に応じた規模の燃焼が点火栓部を燃焼反応の起点とした火炎伝播燃焼条件が内部の冷却作用と共に具現化されるのである。

更に副吸気弁（８）に本技術を適用し気筒端域の空気スワール流れ作用によりエンドガスノッキングの排除作用をＥＧＲ混合ガスで制御すれば機関の高圧縮比化と給気燃焼条件が共に安定化する事で火花点火内燃機関の燃焼条件が高圧縮比により抜本的に改善され燃費とＮＯｘ抑制の目的や多種な燃料の使用目的も達成される事になる。

本発明は以上の吸気弁の改革による燃焼方法をＥＦＩによる制御技術と噴射燃料群の微薄微細化技術に加え副吸気弁の空気スワールの流動作用により燃焼条件の基本を改革した火花点火ＥＦＩ内燃機関の燃焼方法であり噴射燃料の微薄間隙微細化ノズル技術と空気との混合条件が主な役割を果す完全燃焼技術なのである。

本発明は空気の流れと燃料微薄微細化の物理原則を重視し空気や燃料混合気の流れ方向を制御し得る方法を主吸気弁や副吸気弁の弁部と弁座部との組み合わせにより吸気の流れ方向を点火栓電極部経由の流れ方向とし点火栓部の冷却と同時に気筒内に縦横のタンブルやスワール流れを形成する事により内燃機関の燃焼条件を改善する給気燃焼方法であり従来不可能視されていたガソリン予混合火花点火燃焼方式機関の高圧縮比化課題をエンドガスノッキングの抑制と燃焼容積部中心域を火炎伝播反応の起点とする燃焼方法で改革し火花点火火炎伝播燃焼機関の高圧縮比化目的を可能とした機関性能向上の目的とその効果は大きい。

特に本発明の実施に要する部品や加工には総て既存材料や既存技術が役立ち既存技術が活用されることで世界の内燃機関企業の総てが小コストで省エネ・低公害化の実践可能な事が産業の発展や地球規模での資源保全と環境改善に貢献する効果がある。即ちエンドガスノッキングの発生因を排除した高圧縮比化により熱効率は向上し多種多様な燃料の使用を可能とする本火花点火燃焼方法は世界の産業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ＥＦＩ内燃機関の燃焼ノズル技術である。

即ち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近接の点火栓部の冷却を図ると同時に混合気の展開を図る事をＥＦＩにより行い、更に副吸弁のスワールによるノッキングの抑制効果はガス燃料等の燃焼にも適し多種多様な燃料の使用を可能とする燃焼特性は大きな効果である。

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ーゼル燃焼機関や電気動力機関と較べて使用燃料の多種多様性や価格や可搬性等でも有利であり特に排気煤塵を噴射燃料の微薄微細化ノズル技術での完全燃焼で煤塵を燃焼灰化する作用特性はＣＯ２の触媒や尿素処理を容易化し地球環境の改善に資する効果は大である。コージネ用機関としても発電給湯に最も早期にガス燃料や灯油燃料機関として世界に提供し得る事も本内燃機関燃焼技術の発明効果である。

機関部品配備図 吸気制御弁と二段燃焼室説明図 ＥＦＩ用多段微薄間隙ノズル構成拡大説明図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明は自動車用機関（１）として使用されている半球状燃焼室（２）を上下の二段構成とし下段（３）に吸気路（４）排気路（５）上段に点火栓（６）が配備されており主吸気弁（７）と点火栓部の近接配備を利用して主吸気弁よりの空気や混合気群の気筒内流入方向を意図的に点火栓方向に指向し流入空気や混合気による点火栓部（６）の冷却を重要視した給気燃焼方法である。これにより従来不可能視されていた点火栓放電電極部の冷却が可能となり電極部の冷却効果で電極の燃焼室内中心域突出度を高め中心部よりの火炎伝播燃焼条件が構成できた。

即ち世界のエンジン技術者達が願望としている燃焼容積部中心域よりの火花点火による火炎伝播燃焼条件での理想的点火燃焼条件が電極突出で中心域より生成する事を可能とし火炎伝播の均等化や燃焼期間の短縮作用による機関熱効率向上の効果が実現される。

本発明の吸気弁（７）や副吸気弁（８）も環状弁座部（９）との整合加工により弁座部の点火栓側や気筒壁側を断面図で示す如く約半域をカットや普通状（１０）としカット部の流路抵抗を減ずる事によりカット部よりの気流の流れ方向を可動弁部の小Ｒ部（１１）で転向して点火栓電極部方向や壁面に対する流れ方向に転向する給気方法はリング状弁座部やノズルの構成も従来のプレスや鍛造加工技術で容易であり小Ｒ転向部の自在な加工によれば吸気噴出パターンは変化する。

従って副吸気弁（８）も主吸気弁と同様な弁座加工技術で気筒壁域にスワール流れを強化する作用と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ール流れ作用により端域ガスノッキングやＮＯｘの抑制が可能となるのである。

また主吸気弁と副吸気弁のリフト制御と電子燃料噴射制御との整合によればアドリングや軽負荷時には小量の混合気群でも点火栓電極域に展開する事が小リフト作用と燃料ＥＦＩの分割噴射供給条件との整合により可能となり、高負荷時においても大リフト作用での燃焼条件が副吸気弁のスワール作用により気筒端域でのノッキング抑制効果で改善され高負荷燃焼条件での燃焼完全化の目的が達成される事になる。

この空気や混合気の供給条件を弁リフトの制御により高負荷域の燃焼容積部中心域からの火炎伝播燃焼条件でのノッキング因をスワール作用により排除することで高負荷燃焼と機関の高圧縮比化燃焼条件が多種多様な燃料の使用を具現化するのである。

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等の技術の総てが活用される事と共に次世代内燃機関として求められる機関性能が吸気流れの制御技術とＥＦＩの微薄燃料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完全燃焼技術なのである。

主吸気弁（７）副吸気弁の各環状弁座部の約半分片側域を図の如くに加工し弁小リフト時の場合において吸気の流れ抵抗を可変すべく断面図で示す如く弁の傘部と環状リング座部との相関を半分片側域のカットで吸気の流れ方向とし弁座と弁傘Ｒ部（１１）により反対側の小間隙部（１２）の流れ抵抗増と流路抵抗の少ないカット部を経して空気や混合気群を点火栓部方向に流す方法の仕組みは弁リフトの制御で構成可能な事は物理的に明確であり多段多層に構成する仕組みは図５の拡大図で例を示している。

ヘッド部に吸気流れを点火栓部に案内すべく浅い溝部（１３）を設ける事も自在である。この様に反点火栓部を小間隙部構造とし流体抵抗の多い吸気弁座回路部の構成によれば必然的に点火栓方向に吸気圧と燃焼容積部内の圧力差により吸気流れは点火電極方向に強く噴出する事になる。

従って点火栓方向に流れる空気や混合気は先ず点火栓を冷却した後に排気弁方向の壁面より気筒内のピストン（９）方向に流体は矢印の如くに反転して展開する。また副吸気弁（８）よりの矢印の如き流れも気筒壁方向に対して旋回的な空気やＥＧＲガスを含む空気による横方向のスワール流れを構成し端域混合気の自己着火に因るノッキングの抑制に作用し機関の高圧縮比化に効果的なのである。

また電極部も吸気や混合気による冷却効果により電極を燃焼室中心域近傍に突出することが冷却作用により可能となり高負荷時においても電極部の過熱による過早着火やランオンやデトネィション等の異常燃焼因が抑制される事になる。

燃料噴射微薄微細化用ノズル噴孔部の構成例は図面３図５に示すが如く幅狭き薄状防錆鋼の重合面に０．１ｍｍの微薄間隙を保持すべく微小な突起部を設けた防錆鋼の短片を多段多層に重ねるか又はゼンマイ状に巻いて片側を噴孔部とし片側を燃料電磁開閉弁側に接続し電子制御部の指示により微薄燃料群量の分割や制御噴射を自在とし燃焼の完全化を保持するのである。
以上の如く本発明は吸気弁リフトの制御とＥＦＩ方式での吸気弁と弁座部による吸気流れ方向の制御技術により機関のアイドル時や高負荷運転域迄の広い負荷範囲において多種多様な燃料による内燃機関の火花点火燃焼を具現化し地球燃料資源の保全や環境の改善に資する事になるがその主役は噴射燃料を微薄微細化する燃料噴射ノズル技術である。

１ 機関本体 １９ 中軸部
２ シリンダーヘッド部 ２０ 燃料パイプ
３ 燃焼室部
４ 吸気路
５ 排気路
６ 点火栓
７ 主吸気弁
８ 副吸気弁
９ ピストン
１０ 気筒内流れ
１１ 燃料偏向Ｒ部
１２ 小間隙部
１３ 気流案内溝部
１４ ＥＦＩ用微薄微細化噴射ノズル
１５ 多段用腐錆狭幅鋼板片
１６ 微薄間隙保持微小凸状部
１７ 渦巻き状微薄燃料噴射孔群
１８ 電磁開閉弁

本発明の吸排気弁配備図 本発明のシリンダーヘッド部断面図 本発明の吸気制御弁と弁座壁部図 本発明の燃焼室断面説明図 本発明の渦巻状微薄燃料噴孔部図

Claims (1)

1. ＥＦＩ内燃機関の完全燃焼技術を安定化する手段をＥＦＩの燃料噴射微薄微細化ノズルにより構成し、副吸気弁での空気やガスの流れを気筒壁に沿ったスワール流れでエンドガスノッキング因を排除し機関の高圧縮比化を図り小量混合気群の火花点火燃焼を確実とする条件を吸気弁リフトの制御と燃料噴射ＥＦＩ条件との整合により構成して高負荷運転時には弁リフトを大として指向的流れを減じて充填効率の向上を図り副吸気弁による端域スワール作用でエンドガスノッキングを排除し空気やＥＧＲガスによりＮＯｘを減ずる火花点火ＥＦＩ機関の高圧縮比化による省エネと、排気二酸化炭素や炭化煤塵・ＰＭの灰化や捕捉を可能とし多種多様な燃料の使用目的を達成する噴射燃料の微薄間隙微細化ノズル技術。

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