JP2017190670A - 内燃機関のシリンダー内への多流体噴射ノズルおよび、多流体噴射機構。 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの省エネとしてのＣＯ２削減、窒素酸化物（ＮＯｘ）削減、浄化ハニカム構造からすり抜ける０．２５以下のナノ粒子削減を行うこと。
【解決手段】低圧縮比にて、空気の混合促進のために燃焼室容積を大きくし、燃料、水、空気を燃焼室に噴射して、混合ガス化する。水による水性ガス高温化で燃焼しＰＭは発生せずに、水性ガスと、空気の効率的混合との相乗効果で窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する。シリンダー内が高圧であるために、高圧の空気を噴出インジェクトすることは難度が高いが水は燃料とともにインジェクターによりノズルから噴射することが可能。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関のシリンダー内への多流体を、噴射することが可能な機構を備えた燃焼ガス生成のための噴射ノズル、および多流体噴射機構に関する。

内燃機関はシリンダー内に、高圧で、小口径の孔から噴射された燃料が、微細な粒子のガス化された燃焼ガス束を形成している。

燃料をより微細な粒子にするために小口径の孔からより高圧な、コモンレール方式など高圧化が進み、このために剛性が必要となり、大きな機構となります。

小口径噴射口から高圧で噴射された、微細粒子の燃焼ガス束の燃焼は未燃焼が少なくクリーン燃焼である、しかし２．５マイクロメートル以下のＰＭはハニカム構造の浄化装置をすり抜け大気に排出されている。

ディーゼルエンジンの燃焼で、コモンレール方式による燃料微細化がナノ粒子を生み出し、前

項で触れるようにハニカム構造の浄化装置をすり抜けた粒子は空中に漂い人体に影響を与えるとされている。

内燃機関で燃焼の結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出で環境が汚染されている。

内燃機関での燃焼で未燃焼炭素煤（ＰＭ）が発生し排出ガスに混合され環境が汚染されている。

以上述べるようにディーゼル内燃機関での燃焼による、窒素酸化物（ＮＯｘ）など排気ガスの課題、と未燃焼炭素の煤（ＰＭ）、地球温暖化の原因とされる、二酸化炭素（ＣＯ２）の課題は解決の方向にあるが課題がある。

内燃機関の燃焼で排出される排気ガス中の未燃焼炭素の削減。

内燃機関の燃焼で生成する窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減

内燃機関の燃焼で生成する二酸化炭素（ＣＯ２）の削減。

内燃機関の燃焼における、消費燃料の削減。

本発明は上述したこれらの課題を解決するものであり、その目的は、特にディーゼルエンジン燃焼の省エネルギー、および窒素酸化物（ＮＯｘ）をはじめとする有害排気ガスの削減をする燃焼システムを提供するにある。

課題を解決する手段

この発明に係る第一は多流体を噴射する機構を備えた多流体噴射ノズルであり、燃料油の噴射と水の噴射をする装置を備えたことを特徴とする。

多流体ノズルには、燃料と水を噴射する機構を備えたことを特徴としている。

多流体ノズルには、気体、燃料油、水、を憤射する機能を備えたことを特徴としている。

多流体ノズルによる、気体を含めた流体を噴射する機構を備えた噴射システムを特徴としている。

多流体ノズルによる多流体噴射システムには燃料油、水、気体を、それぞれの温度を調節する機構を備えることを特徴とする。

内燃機関のシリンダー内の圧縮比を低圧化「１４．０」以下にすることが出来ることを特徴とする。

内燃機関のシリンダー内の温度が、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑えることが出来る低温域でのピストン運動が可能な燃焼を実現することを特徴としている。

シリンダー内に噴射するインジェクターに多流体を噴射する機能を備えることを特徴とする。

発明の効果

この発明は、燃料と水をインジェクターでシリンダー内に噴射して、水が微粒子化した水性ガスを利用することにより、８００℃を超え８３０℃以上から急激に生成を増加する窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する、これは水性ガスの温度抑制効果である。

噴射した水の微粒子の水性ガスは、同時の噴出する燃料油が微細化された燃料ガスと混合し、水性ガス中の酸素は燃料ガス中の炭素と化合し燃焼水性ガス中の水素は燃焼する、この効果は未燃炭素をなくし、水素の影響により美麗な燃焼炎となる効果がある。

従って上記［００２５］に示すように、完全燃焼にちかい燃焼は煤（ＰＭ）を生成しない効果を得ることが出来る。

燃料だけを、高圧で噴出した燃焼ガスには空気が不足したリッチな部分と空気が多いリーンな部分とが存在し燃焼ガスに斑が生じる、このためリッチな部分の燃焼で酸素と化合できず未燃焼の粒子が発生しＰＭが排出されるが、この発明の多流体を噴出するノズルからは燃料、水、空気を噴出することにより空気が混合された燃焼ガスが、生成され均一な混合気ガスが燃焼する、効果により、完全燃焼にちかい燃焼となりＰＭの発生を大きく抑制する効果がある。

この発明による内燃機関のシリンダー内への燃料、水、空気、の噴射による混合ガスは燃料と水の混合は、水の混合量が全体の体積を増加し、連動エネルギーを増加し、燃焼膨張力を大きくして駆動トルクを増大する効果がある。

上記の効果は、ピストンの、低圧縮化が可能となり、上死点を下げることによりシリンダーの燃焼室容積を増加できる効果がある。

上記燃焼室容積増大は、空気の混合を助け、燃焼ガスをゆっくり燃焼させる効果がある。

この発明の多流体噴射ノズルの噴射はそれぞれ単独で噴射量を制御できるために、空気過剰率を最適に低い領域（λ１．０５）で燃焼が可能となりクリーン燃焼が実現する効果がある。

水の微粒子が混合した燃料微粒子混合、燃焼ガスは、水微粒子がガス化される水性ガスの空気引き込み効果が発生し、気液混合が促進する効果を生む。

図面はディーゼルエンジンのシリンダー内の断面図で、下段はピストンが下死点に向かい移動して空気を吸入する工程であり、上段の図の、上記の１〜５の符号は圧縮・燃料噴射・着火・爆発（膨張）・排気の工程を示している。

発明を実施する形態

以下に添付の図面を参照して、この発明に係る多流体噴射ノズル、およびこの多流体噴霧ノズルを用いた内燃機関燃焼システムの好適な実施の形態を説明する。

図はシリンダー内の断面を示し、下段に示す図は空気を吸入する工程を示し、シリンダー１００内をピストン１０１が下死点Ａに向かい移動する工程を指す。

上段の１の符号の工程は吸入孔１０４、排出孔１０５を閉じ、下死点Ａから上死点Ｂに向かいピストンが移動する圧縮の工程である。

上段の２の符号の工程はピストン１０１が移動し圧縮され高温度になり、上死点Ｂを過ぎ下死点Ａに向かう瞬間にノズル１０２から高圧インジェクターで燃料・水・空気を噴射する工程である。このとき必ずしも、空気を噴射することはない燃料、水だけの場合もある。

上段の３の符号の工程は噴射した燃料・水・空気の混合体の、または燃料、水の混合体が高温雰囲気のシリンダー内にインジェクターの高圧力により噴射した微細化される混合ガス、に着火、膨張する、この膨張は水が微粒子化し水性ガスと燃料が微粒化しガス化した体積の混合噴霧束は水性ガスの体積分だけシリンダー内の空気を取り込む量を増やすことが出来混合燃焼ガスの空気巻き込み量を増やすことになる、このことは空気過剰率を大きくして完全燃焼に近づける事になる。

混合燃焼ガス束の体積は着火し爆発膨張する運動エネルギーに比例するので、シリンダー内を高圧にして容積を小さくする必要はなく、ピストン１０１の上死点Ｂを下げて大きな容積に大きな容量の空気を巻き込んだ燃焼ガスはゆっくり膨張して大きなトルクを生み出します。

上記［００３８］に示す、ことからピストン１０１の運動量即ちストロークを大きくすることが出来る。

ピストン内の圧縮比を１４以下に下げることにより、ピストン１０１の上死点Ｂの圧縮温度が下がり、噴射した燃焼ガスに着火、することに時間がかかることになり、その間空気を充分吸い込んだ混合ガスに着火することになり完全燃焼に近い燃焼になる。

ピストン１０１の上死点Ｂが下がり、空気、水性ガスを含んだ大きな体積の燃焼ガスは、水性ガス効果と空気の巻き込み効果で、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制すると同時に上記［００３８］に示すように、ピストン１０１下死点Ａの位置を変えることにより移動量を大きくして、仕事量が大きく、燃焼効率は向上する。

ピストン１０１の上面の形状を混合が促進される形状にすることにより、空気の取り込みと水性ガスと燃料ガスの混合が均一となり、完全燃焼が可能な燃焼ガスにすることが出来る。

着火しやすい混合燃焼ガスにするために、燃料噴射をして、燃焼ガスに着火してから水噴射をして混合燃焼ガスとすることもできる。

ノズル１０３から噴射する水の水溶液に水素ガスを封入する、封入した水素ガスはシリンダー１００のピストンが吸入工程から下死点Ａを過ぎ、吸入弁１０４と排出弁１０５が閉じた状態で圧縮工程に入り、上死点Ｂ近くでシリンダー１００内は高温となり、最適なタイミングを選び燃焼ガスになる、燃料、水、空気を噴射する。

ノズル１０３から、噴射し、燃焼ガス化した水性ガス中の水素は燃焼を促進する役目を果たしよりクリーンな燃焼を実現する。

以上に示す以外に変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが特許請求の範囲から明らかである。

１００：シリンダー、１０１：ピストン、１０２：ノズル、１０４：吸入弁、１０５：排出弁、１０６：燃料タンク、１０７：水タンク、１０８：コンプレッサー

図１はこの発明の内燃機関のシリンダー内の断面図 図２は図１中の一つのシリンダー内断面図

図はシリンダー内の断面を示し、下段に示す図２は空気を吸入する工程を示し、シリンダー１００内をピストン１０１が下死点Ａに向かい移動する工程を指す。

図１の符号の工程は吸入孔１０４、排出孔１０５を閉じ，下死点Ａから上死点Ｂに向かいピストンが移動する圧縮の工程である。

図１の符号２の工程はピストン１０１が移動し圧縮され高温度になり、上死点Ｂを過ぎ下死点Ａに向かう瞬間にノズル１０２から高圧インジェクターで燃料、水、空気を噴射する工程である。このとき必ずしも、空気を噴射することはない燃料、水だけの場合もある。

図１の符号３の工程は噴射した燃料・水・空気の混合体の、または燃料、水の混合体が高温雰囲気のシリンダー内にインジェクターの高圧力により噴射した微細化される混合ガス、に着火、膨張する、この膨張は水が微粒子化し水性ガスと燃料が微粒化しガス化した体積の混合噴霧束は水性ガスの体積分だけシリンダー内の空気を取り込む量を増やすことが出来混合燃焼ガスの空気巻き込み量を増やすことになる、このことは空気過剰率を大きくして完全燃焼に近づける事になる。

Claims (6)

1. 内燃機関シリンダー内への燃料噴射および水噴射機構備えたシステム。
2. 内燃機関シリンダー内への燃料および水憤射の噴射孔を備えた噴射ノズル。
3. 内燃機関シリンダー内への空気の噴出。
4. 内燃機関シリンダー内への水噴射に水素ガス封入機構を備えた噴射装置、および多流体噴射ノズル。
5. 内燃機関シリンダーへの燃料、水、空気の多流体を噴射が可能な噴射孔を備えた気液混合噴射ノズルおよび多流体噴射の機構備えた噴射システム。
6. 内燃機関シリンダー内への水性ガスの噴射装置、および多流体噴射ノズル。

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