JP2017530298A - ダクテッド燃料噴射 - Google Patents

Abstract

燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する燃料および充填ガスを含む、１つ以上の局所的に予備混合された混合物を形成するために、燃焼室内部の混合を高めて、局所的に予備混合された混合物の点火およびその後の燃焼中に、煤煙および他の望ましくない排気物の発生を最小にすること、または全く発生させないことを可能にすることに関する、様々な技術が本明細書で提示される。燃料と充填ガスとの十分な混合を可能にするために、燃料ジェットは、ダクトのボアを通過するように方向付けることができ、充填ガスをボアの中へ吸い込ませ、乱流を作り出して、燃料と吸い込まれた充填ガスとを混合する。ダクトは、燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して位置付けることができる。ダクトは、充填ガスがボアの中へ吸い込まれることを可能にするために、その長さに沿って１つ以上の穴を備えることができ、さらに、ダクトは、燃焼前に燃料および／または充填ガスを冷却することができる。

Description

大部分の現代のエンジンは、直噴エンジンであり、よって、エンジンの各燃焼シリンダは、燃料を燃焼室の中へ直接噴射するように構成された専用の燃料噴射装置を含む。直噴エンジンは、エンジン効率の増加および排気物の低減に関して、過去のエンジン（例えば、キャブレター）に勝るエンジン技術における改善を表すが、直噴エンジンは、比較的高いレベルの特定の望ましくない排気物を生成する場合がある。

エンジン排気物は、煤煙を含む場合があり、これは、燃料過濃で酸素希薄の燃料混合物の燃料に由来する。煤煙は、中負荷〜高負荷で運転され得るエンジンの燃焼室において一般に作り出される拡散火炎の燃料過濃領域によって作り出される、小さい炭素粒子を含む。煤煙は、環境危険物であり、米国の環境保護庁（ＥＰＡ）によって規制されている排気物であり、また、２番目に最も重要な気候強制種である（二酸化炭素が最も重要である）。現在、煤煙は、排気システムの中の大型で高価な粒子フィルタによって、ディーゼルエンジンの排気から除去される。また、ＮＯｘの選択的触媒還元、ＮＯｘトラップ、酸化触媒などの、他の燃焼後処理も利用しなければならない場合がある。これらの後処理システムは、煤煙／微粒子および他の望ましくない排気物の継続的かつ効率的な低減を可能にするように維持しなければならず、それ故に、初期の装置コストおよび以降のメンテナンスの双方に関して、燃焼システムのコストをさらに増大させる。

より希薄な混合物は、煤煙、ＮＯｘ、および炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）などの潜在的に他の規制された排気物をあまり生成しない傾向があるので、燃焼技術の焦点は、そのような混合物において燃料を燃焼させることである。１つのこのような燃焼ストラテジは、より希薄なリフテッド火炎燃焼（ＬＬＦＣ）である。ＬＬＦＣは、約２以下の当量比で燃焼が起こるので煤煙を生成しない、燃焼ストラテジである。当量比は、実際の燃料と酸化剤との比率を、燃料と酸化剤との化学量論比で割ったものである。ＬＬＦＣは、燃焼室における燃料と充填ガス（すなわち、追加的な気相化合物を有する、または有しない空気）との局所混合を高めることによって達成することができる。

以下は、本明細書でさらに詳細に説明される対象事項の概要である。この概要は、特許請求の範囲に関して限定することを意図するものではない。

本明細書では、従来の燃焼室の構成／配設において生成される混合と比較して、燃焼室内部の局所混合率を高めるために設計された様々な技術が説明される。高められた混合速度は、燃料および充填ガスを含む１つ以上の局所的に予備混合された混合物を形成するために使用され、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を特徴とし、局所的に予備混合された混合物の点火およびその後の燃焼中に燃焼室における煤煙の発生を最小またはゼロにすることを可能にすることを目的とする。燃料と充填ガスとを混合して、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物を生成することを可能にするために、燃料ジェットは、それがダクトのボアを通過する（例えば、管、中空楕円柱を下る）ように方向付けることができ、燃料の通過は、ボア内に乱流が作り出されるように充填ガスをボアの中へ吸い込ませて、燃料と吸い込まれた充填ガスとの高められた混合を引き起こす。燃焼室内部の充填ガスは、追加的な気相化合物を有する、または有しない空気で構成することができる。

局所的に予備混合された混合物（複数可）の燃焼は、燃焼室内で起こすことができ、燃料は、任意の適切な引火性または可燃性の液体または蒸気とすることができる。例えば、燃焼室は、シリンダボアの壁（例えば、エンジンブロックに形成される）、シリンダヘッドの火炎デッキ面、およびシリンダボア内を往復運動するピストンのピストンクラウンを備える様々な表面の機能として形成することができる。燃料噴射装置は、シリンダヘッドに取り付けることができ、燃料は、燃料噴射装置の先端部の少なくとも１つの開口部を介して燃焼室の中へ噴射される。燃料噴射装置の先端部の開口部について、燃料噴射装置によって噴射される燃料がダクトのボアを通過することを可能にするために、ダクトは、該開口部と整列させることができる。ボアを通って流れる燃料の高速ジェットによって局所的に作り出される低圧の結果として、充填ガスがダクトのボアの中へ吸い込まれる。ダクト壁と燃料ジェットの中心線との間の大きい速度勾配によって作り出される激しい乱流のため、この充填ガスが燃料と急速に混合し、その結果、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、ダクトを出て燃焼室においてその後の点火および燃焼を受ける局所的に予備混合された混合物を形成する。

一実施形態において、ダクトは、ボアに沿った燃料の通過中に充填ガスをダクトのボアの中へ吸い込むことをさらに可能にするために、該ダクトの長さに沿って、いくつかの穴またはスロットを有することができる。

別の実施形態において、ダクトは、管から形成することができ、管の壁は、互いに対して平行であり（例えば、中空シリンダ）、したがって、ダクトの第１の端部（例えば、吸気口）でのボアの直径は、ダクトの第２の端部（例えば、排気口）でのボアの直径と同じである。別の実施形態において、管の壁は、非平行とすることができ、よって、ダクトの第１の端部でのボア径は、ダクトの第２の端部でのボア径と異なる。

ダクト（複数可）は、燃焼室における利用に適している任意の材料、例えば、金属含有材料（例えば、鋼、インコネル、ハステロイ、・・・）、セラミック含有材料、その他から形成することができる。

さらなる実施形態において、ダクト（複数可）は、燃料噴射装置を燃焼室の中へ挿入する前に、燃料噴射装置に取り付けることができ、燃料噴射装置およびダクト（複数可）を備えるアセンブリ燃焼室の一部分を形成するように位置付けられる。別の実施形態において、燃料噴射装置は、燃焼室に位置付けることができ、その後に、ダクト（複数可）を燃料噴射装置に取り付けることができる。

エンジンの動作中に、ダクトのボア内部の温度は、燃焼室内部の周囲温度未満になり得、よって、燃料を燃焼室の中へ直接噴射する場合と比較して、混合物の点火遅れが増加し、自己点火前の燃料と充填ガスとの混合がさらに向上する。

上記の概要は、本明細書で論じられるシステムおよび／または方法のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要を提示する。本概要は、本明細書で論じられるシステムおよび／または方法の広範囲にわたる概観ではない。本概要は、当該システムおよび／もしくは方法の鍵となる／重要な要素を識別すること、または範囲を描写することを意図しない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、いくつかの概念を簡略形態で提示することである。

例示的な燃焼室装置の断面図である。 例示的な燃焼室装置を形成する火炎デッキ、弁、燃料噴射装置、およびダクトを示す概略図である。 燃料噴射装置およびダクトの配設を備える例示的な燃焼室装置の拡大図である。 円柱状の構成を有するダクトの概略図である。 非平行側部を有するダクトの概略図である。 砂時計プロファイルを有するダクトの概略図である。 漏斗形状のプロファイルを有するダクトの概略図である。 その長さに沿って複数の穴を含むダクトを示す図である。 その長さに沿って複数の穴を含むダクトを示す図である。 その長さに沿って複数の穴を含むダクトを示す図である。 燃焼室の中に位置付けられた燃料噴射装置およびダクトアセンブリを示す概略図である。 燃焼室の中に位置付けられた燃料噴射装置およびダクトアセンブリを示す概略図である。 ３つのダクトおよび螺入取り付け部分を備える例示的な配設を示す図である。 ３つのダクトおよび螺入取り付け部分を備える例示的な配設を示す図である。 燃料噴射装置アセンブリに取り付けられたダクトアセンブリの概略図である。 燃料噴射装置の先端部における開口部の形成をガイドするためにダクトを利用することを示す図である。 燃料噴射装置の先端部における開口部の形成をガイドするためにダクトを利用することを示す図である。 燃焼室における点火について燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物を作り出すための例示的な方法論を示すフロー図である。 １つの燃料噴射装置および少なくとも１つのダクトを備えるアセンブリを燃焼室の中に位置付けるための例示的な方法論を示すフロー図である。 少なくとも１つのダクトを燃焼室の燃料噴射装置に位置付けるための例示的な方法論を示すフロー図である。 ダクトを利用して先端部の開口部の形成をガイドするための例示的な方法論を示すフロー図である。

燃焼前に燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有し、１つ以上のダクトを利用して局所的に予備混合された燃料と充填ガスとの混合物を作り出すことに関する様々な技術が本明細書で提示され、主たる目的は、煤煙（または他の望ましくない微粒子／排気物）の発生を最小にすること、および／または排除することである。全体を通して、同じ参照番号が、本技術の同じ要素を参照するために使用される。以下の説明では、説明の目的で、１つ以上の態様の完全な理解を提供するために、数多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、このような態様（複数可）は、これらの具体的な詳細を伴わずに実践され得ることが明らかであり得る。他の事例では、１つ以上の態様の説明を容易にするために、よく知られている構造およびデバイスがブロック図の形態で示される。

さらに、「または（ｏｒ）」というよう語は、排他的な「または」ではなく、包含的な「または」を意味することを意図する。すなわち、別途指定されない限り、または文脈から明らかである場合を除き、「Ｘは、ＡまたはＢを用いる（Ｘ ｅｍｐｌｏｙｓ Ａ ｏｒ Ｂ）」という語句は、自然な包括的置換のいずれかを意味することを意図する。すなわち、「Ｘは、ＡまたはＢを用いる」という語句は、Ｘは、Ａを用いる、Ｘは、Ｂを用いる、またはＸは、ＡおよびＢの両方を用いる、という事例のいずれかによって満たされる。加えて、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するときに、「ａ」および「ａｎ」という冠詞は、全般的に、別途指定されない限り、または文脈から単数形に向けられていることが明らかである場合を除き、「１つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を意味するものとして解釈されるべきである。加えて、本明細書で使用するときに、「例示的な（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、何かの実例または例としての役割を果たすことを意味することを意図しており、選好を示すことを意図しない。

図１、図２、および図３は、ダクテッド燃料噴射システムのための例示的な構成（複数可）を例示する。図１は、燃焼室アセンブリ１００を通した断面図であり、断面は、図２のＸ−Ｘに沿っている。図２は、図１の方向Ｙにおける燃焼室アセンブリ１００の平面図である、構成２００を示す。図３は、図１および図２に示される燃料噴射アセンブリの拡大図である、構成３００を提示する。

図１〜図３は、組み合わせて燃焼室１０５を形成する、複数の共通の構成要素を集合的に示す。一実施形態において、燃焼室１０５は、エンジンのクランクケースまたはエンジンブロック１１５（完全に図示せず）内に形成される（例えば、機械加工される）シリンダボア１１０内に画定される、略円筒形状を有する。燃焼室１０５は、シリンダヘッド１２５の火炎デッキ面１２０によって一方の端部（第１の端部）に、およびボア１１０内を往復運動することができるピストン１３５のピストンクラウン１３０によってもう一方の端部（第２の端部）にさらに画定される。燃料噴射装置１４０は、シリンダヘッド１２５の中に取り付けられる。噴射装置１４０は、燃料を燃焼室１０５の中へ直接噴射することができるように火炎デッキ面１２０を通って燃焼室１０５の中へ突出する、先端部１４５を有する。噴射装置先端部１４５は、燃料がそこを通して燃焼室１０５の中へ噴射される、いくつかの開口部１４６（オリフィス）を含むことができる。各開口部１４６は、特定の形状、例えば円形開口部とすることができ、さらに、各開口部１４６は、特定の開口部直径Ｄ３を有することができる。

さらに、燃焼室１０５は、（下でさらに説明されるように）噴射装置１４０の開口部１４６を介して燃焼室１０５に噴射される燃料を方向付けるために利用することができる、該燃焼室の中に位置付けられた１つ以上のダクト１５０を有する。燃焼エンジンの従来の動作によれば、吸気弁（複数可）１６０は、充填ガスの燃焼室１０５の中への吸気を可能にするために利用され、排気弁（複数可）１６５は、燃焼室１０５の中で起こる燃焼プロセスの機能として該燃焼室の中で形成される任意の燃焼生成物（例えば、ガス、煤煙、その他）を排気することを可能にするために利用される。燃焼室１０５内部の充填ガスは、追加的な気相化合物を有する、または有しない空気で構成することができる。

図２は、燃焼室１０５の中へ組み込むことができる複数の吸気弁１６０および複数の排気弁１６５を示す。また、図２に示されるように、１つ以上のダクト１５０を先端部１４５の周辺に配設することができ、図４の構成４００によれば、ダクト１５０は、管または中空楕円柱とすることができ、外径Ｄ１を有する外壁１５２、およびダクト１５０の長さを通過する内部ボア１５３を備え、内部ボア１５３は、直径Ｄ２を有する。図４に示されるように、ダクト１５０は、円筒状に形成することができ、よって、外壁１５２の内面１５４および外壁１５２の外面１５５は、平行であり、したがって、ダクト１５０の第１の端部での第１の開口部１５７は、ダクト１５０の第２の端部での第２の開口部１５８と同じ直径を有し、例えば、第１の開口部１５７（例えば、吸気口）の直径Ｄ２は、第２の開口部１５８（例えば、排気口）の直径と同じである。ダクト１５０の第１の端部は、開口部１４６の最も近くに（近位に、隣接して、当接して）位置付けることができ、一方で、ダクト１５０の第２の端部は、ダクト１５０の第１の端部の位置と比較して、開口部１４６の遠位に位置付けられる。一実施形態において、本明細書でさらに説明されるように、外壁１５２の厚さは、ダクト１５０の長さに沿って変化させることができ、よって、外壁１５２の外面１５５は、円筒状であるが、内面１５４は、テーパー状とすることができ、および／または円錐形状を有することができる。さらなる実施形態において、ダクト１５０の長さＬは、任意の所望の長さとすることができる。例えば、ダクト１５０は、開口部１４６の公称直径Ｄ３の約３０〜約３００倍、例えば、約３０×Ｄ３〜約３００×Ｄ３の間の長さＬを有することができる。

図３を参照すると、上で述ベたように、先端部１４５は、燃料１８０がそこ（例えば、燃料噴射装置）を通って通過することを可能にするために、複数の開口部１４６を含むことができる。噴射装置１４０を通って流れる燃料１８０の初期容量から、複数の燃料ジェット１８５は、初期燃料１８０がそれぞれの開口部１４６を通過するときの、先端部１４５に位置付けられる開口部１４６の数およびサイズに従って形成することができる。噴射される燃料１８５の噴射方向は、図３に示される中心線（複数可）

によって示すことができる。したがって、ダクト１５０は、燃料ジェット１８５の中心線と（例えば、同軸状に）共整列させることができ、よって、燃料ジェット１８５は、開口部１４６を出て、ダクト１５０のボア１５３を通過する。図３および図４によれば、ダクト１５０の第１の（近位）端部１５７は、それぞれの開口部１４６に近接して位置決めすることができ、第１の端部１５７は、間隙Ｇがダクト１５０の第１の端部と開口部１４６との間に存在するように位置決めすることができる。ダクト１５０の第２の（遠位）端部１５８は、ダクト１５０が先端部１４５から燃焼室１０５の中へ延在するように燃焼室１０５の中に位置付けることができる。

上で述ベたように、燃料と充填ガスとの燃料過濃混合物が燃焼を受ける状態において、望ましくない煤煙が発生する場合がある。したがって、約２以下の当量比を有する燃料／充填ガス混合物を有することが望ましい。燃料ジェット（複数可）１８５がそれぞれのダクト１５０のボア１５３を通って進行するときに、燃焼チャンバの中の充填ガスもまたダクト１５０の中へ吸い込まれる程度の圧力差がダクト１５０の内部に発生する。充填ガスは、ダクトボア１５３（流体速度がゼロである）と燃料ジェット１８５（流体速度が大きい）の中心線との間の高い速度勾配によって作り出される激しい乱流のため、燃料１８５と急速に混合する。乱流条件は、燃料ジェット１８５と吸い込まれた充填ガスとの間の混合速度を高めることができ、ボア１５３における燃料１８５と充填ガスとの混合の程度は、燃料ジェット１８５がダクトの通過を伴わずに単に充填ガスを満たした燃焼室１０５の中へ噴射されていた従来の構成において起こる混合の程度よりも大きくなり得る。従来の構成の場合、燃料ジェット１８５は、構成１００に従って、燃料ジェット１８５にダクト１５０を通過させることによって可能になる量よりも少ない充填ガスとの乱流混合の量を受ける。

図３によれば、燃料ジェット１８５の領域１８６において、燃料ジェット１８５は、高容量の燃料過濃混合物を含み、一方で、燃料ジェット１８５の領域１８７において、燃料ジェット１８５は、吸い込まれた充填ガスとの混合を受けており、領域１８６での燃料過濃混合物と比較して、領域１８７において、局所的により予備混合された混合物をもたらす。したがって、図１〜図４で提示される構成１００によれば、ダクト１５０において燃料１８５と充填ガスとの間に高い程度の混合が起こり、それが、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された燃料／混合物につながり、その結果、（例えば、ピストン１３５の運動によって引き起こされる圧縮加熱による）混合物の点火および燃焼時に、発生する煤煙の量が従来の配設によって達成される量よりも少なくなる。領域１８７での「十分希薄な」混合物は、０〜２の間の当量比（複数可）を有することができ、一方で、領域１８６での「過濃な」混合物は、２よりも大きい当量比（複数可）を有する混合物である。

一実施形態において、ダクト１５０のボア１５３の直径Ｄ２は、ダクト１５０の第１の端部１５７が近接するそれぞれの開口部１４６の直径Ｄ３よりも大きくすることができる。例えば、Ｄ２は、Ｄ３よりも約５倍大きくすることができる、Ｄ２は、Ｄ３よりも約５０倍大きくすることができる、Ｄ２は、Ｄ３よりも任意の大きさだけ大きい直径を有することができる、例えば、Ｄ３よりも約５倍大きい〜Ｄ３よりも５０倍大きい値の範囲で選択される大きさである、その他、である。

図３に示されるように、ダクト（複数可）１５０は、ダクト１５０と火炎デッキ面１２０との間をθ°の整列状態で、火炎デッキ面１２０に対して整列させることができる。θは、０°（例えば、ダクト１５０が、火炎デッキ面１２０によって形成される平面Ｐ−Ｐに対して平行に整列される）〜任意の所望の値の範囲の任意の所望の値とすることができ、ダクト１５０の整列状態は、燃料ジェット１８５の進行の中心線

に対して整列させることができる。一実施形態において、燃料ジェット１８５が、火炎デッキ面１２０、平面Ｐ−Ｐに対して実質的に平行に整列された方向に、燃料噴射装置１４０のそれぞれの開口部１４６を出る場合、ダクト１５０もまた平面Ｐ−Ｐに対して実質的に平行に整列させることができる。ダクト（複数可）１５０の整列状態に関する考慮事項は、ピストン１３５の往復運動、吸気弁１６０、および排気弁１６５との干渉を防止することであり、例えば、ダクト（複数可）１５０は、ピストン１３０、吸気弁１６０、または排気弁１６５と接触しないように整列させなければならない。

図４は、ダクト１５０が円筒形態を有し、壁１５２の外面１５５が内面１５４に対して平行である（例えば、ボア１５３が全体を通して一定の直径Ｄ２を有する）状態を示しているが、ダクト１５０は、任意の所望のセクションで形成することができる。例えば、構成５００において、図５Ａに示されるように、ダクト５１０は、外壁５１５を有して形成することができ、該外壁は、ダクト５００の第１の端部での第１の開口部５２０（例えば、吸気口）が、ダクト５１０の第２の端部での第２の開口部５３０（例えば、排気口）の直径Ｄ５と異なる直径Ｄ４を有する程度のテーパー状である。構成５００は、直円錐の中空円錐台であるとみなすことができる。別の構成５５０において、図５Ｂに示されるように、ダクト５６０は、「砂時計」プロファイルを有する外壁５６５を有して形成することができ、中央部分は、ダクト５６０の第１の端部および第２の端部のそれぞれの直径Ｄ７（第１の開口部）および直径Ｄ８（第２の開口部）よりも狭い直径Ｄ６を有することができる。第１の開口部の直径Ｄ７は、第２の開口部の直径Ｄ８と同じ直径を有するか、またはＤ７＞Ｄ８、もしくはＤ７＜Ｄ８とすることができることを認識されたい。加えて、説明を簡潔にするために、図５Ａ〜Ｃに示されるダクト壁のプロファイルは、直線で構成することができるが、これらの壁のプロファイルは、同様に区分的に湾曲した線から生成することができることを認識されたい。さらなる構成５７０において、図５Ｃに示されるように、ダクト５８０は、「漏斗形状の」プロファイルを有する外壁５８５を有して形成することができ、直径Ｄ９を有する中央部分は、ダクト５８０の第１の端部の第１の開口部での直径Ｄ１０と同じであり、一方で、直径Ｄ９は、ダクト５８０の第２の端部での第２の開口部の直径Ｄ１１よりも小さい。代替的に、ダクト５８０は、直径Ｄ１１を有する開口部を開口部１４６に位置付けることができるように、開口部１４６に対して向きを変えることができ、よって、燃料１８５の通過は、直径Ｄ１０を有する開口部から出てくる前に狭窄される。本明細書では説明されないが、他のダクトプロファイルを、本明細書で提示される１つ以上の実施形態に従って利用することができることを認識されたい。

さらに、図６Ａ〜Ｃに示されるように、ダクトの管状壁は、燃料のダクト通過中に充填ガスのダクトの中への進入を可能にするために該管状壁に形成される、少なくとも１つの穴（穿孔、開口、開口部、オリフィス、スロット）を有することができる。図６Ａの構成６００によれば、ダクト６１０が示され、ダクト６１０には、ダクト６１０の側部に形成され、壁６２０を通って内部ボア６３０の中へ延在する、複数の穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎが製作されており、ここで、ｎは、正の整数である。図６Ａは、ダクト６１０の壁６２０の中へ形成される５つの穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎを提示しているが、任意の数の穴およびそれぞれの配置を利用して、充填ガスの吸い込みおよびその後のダクト６１０を通過する充填ガスと燃料との混合を可能にすることができることを認識されたい。穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎは、任意の適切な製作技術、例えば従来の穴あけ、レーザー穴あけ、放電加工（ＥＤＭ）、その他によって形成することができる。

図６Ｂの構成６０１は、噴射装置先端部１４５の開口部１４６からダクト６１０のボア６３０を通して噴射されている燃料ジェット６８５を示す、ダクト６１０の断面図である。燃料ジェット６８５は、最初に、燃料過濃領域６８７を備える。しかしながら、充填ガスがボア６３０の中へ吸い込まれると、（上で説明されるように）燃料６８５と充填ガスとの混合が起こり、よって、領域６８８は、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物を含み、その後の燃焼中に、「十分希薄な」混合物は、煤煙の発生が最小である、または全くない燃焼を受ける。示されるように、構成６０１に関して、ダクト６１０の第１の端部６１１と先端部１４５との間にはいかなる分離（例えば、いかなる間隙Ｇ）もなく、ダクト６１０の第１の端部６１１は、開口部１４６に当接する。構成６０１に関して、充填ガスのボア６３０の中への進入は、ダクト６１０の第１の端部６１１と先端部１４５との間に間隙がないことによって排除されるが、ダクト６１０の中への穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎの組み込みは、充填ガスが穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎを通ってボア６３０の中へ吸い込まれることを可能にして、局所的に予備混合されたジェット６８５の形成を可能にする。ダクト６１０は、先端部１４５に対して垂直に（例えば、

に対して平行に）整列されているように示されているが、ダクト６１０は、燃料ジェット６８５のダクト６３０を通した流れを可能にするために、先端部１４５（および開口部１４６）に対して任意の角度で位置決めすることができる。

図６Ｃは代替の構成６０２を提示し、ダクト６１０の第１の端部６１１は、先端部１４５からダクト６１０の第１の端部６１１を分離する間隙Ｇを伴って、先端部１４５および開口部１４６に近接して位置付けられる。間隙Ｇは、穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎを介してボア６３０の中へ吸い込まれている充填ガスを補充するために、さらなる充填ガスをダクト６１０の中へ吸い込むことを可能にする。

本明細書の様々な実施形態によれば、複数のダクトを噴射装置先端部１４５に近接して位置決めすることができ、それによって、複数のダクトを噴射装置先端部１４５に取り付けることができ、噴射装置先端部１４５およびダクト（複数可）アセンブリをシリンダヘッド１２５／火炎デッキ面１２０に位置付けて燃焼室を形成することができる。例えば、図７Ａおよび７Ｂに示される構成７００よれば、ダクト（複数可）１５０をスリーブ７１０（シュラウド）または類似する構造に取り付けることができ、これを噴射装置１４０とともに支持ブロック７２０の中へ組み込むことができる。シリンダヘッド１２５は、開口部７３０を含むことができ、支持ブロック７２０、噴射装置１４０、スリーブ７１０、およびダクト（複数可）１５０は、図７Ｂに従って、噴射装置１４０およびダクト（複数可）１５０の位置が燃焼室１０５の形成を可能にするために、火炎デッキ面１２０（例えば、平面Ｐ−Ｐ）に対して位置決めされ、それぞれのダクト１５０は、燃料ジェット（例えば、燃料ジェット１８５）がボア１５３を通って通過することを可能にするために、噴射装置１４０のそれぞれの開口部１４６に対して位置付けることができる。

別の実施形態において、噴射装置先端部は、火炎デッキにあらかじめ位置付けることができ、その後に、ダクト（複数可）を噴射装置先端部に取り付けることができる。図８Ａおよび８Ｂの構成８００に示されるように、ロケーターリング８１０は、それに取り付けられた複数のダクト１５０を有する。ロケーターリング８１０は、ロケーターリング８１０を取り付けるための手段を含むことができ、例えば、ロケーターリング８１０の内面８１５を螺入することができ、ダクト１５０がそれぞれコネクタ８１７によって取り付けられる。図８Ｃに示されるように、構成８５０、ロケーターリング８１０、およびダクト１５０は、噴射装置１４０と組み合わせて組み立てることができる。その中に組み込まれた噴射装置１４０を有するスリーブ８２０または類似する構造は、ロケーターリング８１０の取り付け機構を賞賛する取り付け手段をさらに備えることができる。例えば、スリーブ８２０は、ロケーターリング８１０を螺入することができる螺入端部８２５を含むことができ、それぞれのダクト１５０は、燃料ジェット（例えば、燃料ジェット１８５）がボア１５３を通って通過することを可能にするために、噴射装置１４０のそれぞれの開口部１４６に対して位置付けることができる。

噴射装置先端部１４５の周囲に配設されるダクト１５０の数は、任意の所望の数Ｎ（先端部１４５の開口部１４６の数と一致する）とすることができ、ここで、Ｎは、正の整数であることを認識されたい。したがって、図２は、６つのダクトを備える構成２００を例示しているが、図８Ａおよび８Ｂは、噴射装置先端部１４５の３つの開口部１４６に対して位置決めされる３つのダクト１５０を備える構成８００を示す。

一態様では、ダクトのボアにおける燃料と充填ガスとの混合を最大にするために、燃料噴射装置の開口部からの燃料の排出方向をボアの中心線と正確に共整列させることが有益であり得る。このような正確な共整列状態を達成するために、ボアを利用して開口部の形成を支援することができる。このような手法は、図９Ａおよび９Ｂに示される。図９Ａに示されるように、ダクト１５０は、ダクト１５０の第１の端部１５７が噴射装置先端部１４５に当接する（例えば、いかなる間隙Ｇもない）ように（例えば、図７Ａ、７Ｂ、図８Ａ、８Ｂ、８Ｃを参照して説明されるように）位置決めされる。ダクト１５０は、火炎デッキ面１２０の平面Ｐ−Ｐ、および燃料ジェット（例えば、燃料１８５、６８５）が進行する所望の進行中心線

を基準にして所望の角度θ°で整列される。

所望に応じて位置決めされたダクト１５０によって、開口部１４６を先端部１４５に形成することができる。一実施形態において、開口部１４６は、放電加工（ＥＤＭ）によって形成することができるが、任意の適切な製作技術を利用して開口部１４６を形成することができることを認識されたい。示されるように、ダクト１５０は、ＥＤＭの動作を所望の角度で行うことを可能にするために利用することができ、例えば、ダクト１５０は、燃料ジェットが進行中心線

の方向に流れることを可能にするための配列状態を有する開口部１４６の形成を可能にする角度で、ツールピース（例えば、ＥＤＭの電極）をガイドするために利用することができる。図９Ａおよび９Ｂは、噴射装置先端部１４５に当接し、さらに、ダクト１５０の長さに沿っていかなる開口部も有しないダクト１５０を示しているが、他の配設（例えば、図１〜図８Ｃに示される様々な構成のうちのいずれか）を利用することができることを認識されたい。例えば、ダクト１５０の第１の端部１５７は、例えば間隙Ｇを介して、噴射装置先端部１４５に近接して位置決めすることができる。さらなる例において、ダクト１５０は、その長さに沿って１つ以上の穴（例えば、穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎ）を含むことができる。別の例において、ダクト（複数可）１５０は、構成７００または８５０のいずれかに従って、噴射装置先端部１４５に近接して取り付けることができる。

ダクト（複数可）１５０は、燃焼室における利用に適している任意の材料、例えば、鋼、インコネル、ハステロイ、その他などの金属含有材料、セラミック含有材料、その他から形成することができる。

本明細書で提示される様々な実施形態は、任意のタイプの燃料および酸化剤（例えば、酸素）に適用することができ、そのような燃料としては、ディーゼル、ジェット燃料、ガソリン、粗製もしくは精製石油、石油留出物、炭化水素（例えば、直鎖状、分岐状、もしくは環状アルカン、芳香族化合物）、酸素化物（例えば、アルコール、エステル、エーテル、ケトン）、圧縮天然ガス、液化石油ガス、バイオ燃料、バイオディーゼル、バイオエタノール、合成燃料、水素、アンモニア、その他、またはこれらの混合物を挙げることができることを認識されたい。

さらに、本明細書で提示される様々な実施形態は、圧縮点火エンジン（例えば、ディーゼルエンジン）を参照して説明されているが、該実施形態は、直噴エンジン、他の圧縮点火エンジン、スパーク点火エンジン、ガスタービンエンジン、産業ボイラー、任意の燃焼駆動システム、その他などの任意の燃焼技術に適用することができる。

さらに、煤煙の発生を低減させるだけでなく、本明細書で提示される様々な実施形態はまた、他の望ましくない燃焼生成物の排気物を減じることもできる。例えば、一酸化窒素（ＮＯ）ならびに／または窒素および酸素を含む他の化合物の生成は、十分に燃料希薄混合物（例えば、ジェット１８５の領域１８７）を利用することによって減じることができる。また、燃焼中にダクトのボア（例えば、ダクト１５０のボア１５３）の出口で正しい混合物が作り出されるのであれば、未燃焼炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）の排出を減じることができる。

図１０〜図１３は、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物を形成して、燃焼中に形成される煤煙および他の望ましくない排気物の発生を最小にするための例示的な方法論を示す。本方法論は、あるシーケンスにおいて行われる一連の行為であるように示され、説明されるが、本方法論は、該シーケンスの順序に限定されないことを理解され、認識されたい。例えば、いくつかの行為は、本明細書で説明される順序と異なる順序で起こり得る。加えて、ある行為は、別の行為と同時に起こり得る。さらに、いくつかの場合では、本明細書で説明される方法論を実施するためにすべての行為が必要とされない場合がある。

図１０は、燃焼前に燃料の混合を増加させるための方法論１０００を示す。１０１０で、ダクトが燃料噴射装置の先端部のオリフィスに近接して位置付けられ、および／または整列される。ダクトは、外壁によって形成される内部ボアを伴う中空管とすることができる。上で説明したように、ダクトの内部ボアを通して燃料を方向付けることによって、ダクトを出る燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物の発生を引き起こすように起こる乱流混合を伴って、充填ガスがダクトの中へ吸い込まれる。さらに上で述べたように、いくつかの穴を外壁に形成して、燃焼室からのさらなる充填ガスの吸い込みを促進して、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物の形成を促進することができる。

１０２０で、燃料噴射装置によって燃料を噴射することができ、燃料は、オリフィスを通過して、ダクトのボアの中へ入る。燃料のダクトの通過は、燃料とボアの中へ吸い込まれた充填ガスとの混合を引き起こして、混合レベルが、燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、所望の局所的に予備混合された混合物を形成することを可能にする。

１０３０で、ダクトを出る燃料と充填ガスとのより低いピーク比率を有する、局所的に予備混合された混合物は、燃焼エンジンの動作の機能としての点火を受けることができる。局所的に予備混合された混合物の点火は、結果として、従来の燃焼エンジンまたはデバイスにおいて利用される「過濃」混合物の燃焼から形成される望ましくない排気物のより多い量と比較して、煤煙がほとんどまたは全く形成されない。

図１１は、燃焼室の中へ組み込むための燃料噴射装置に少なくとも１つのダクトを位置付けるための方法論１１００を示す。１１１０で、少なくとも１つのダクトを燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して位置付けることができる。一実施形態において、燃料噴射装置は、スリーブに配置して、燃料噴射装置の先端部がスリーブの第１の端部から突出するようにアセンブリを形成することができる。少なくとも１つのダクトは、燃料ジェットが燃料噴射装置のそれぞれの開口部を通過するときに燃料ジェットがダクトのボアを通過するように少なくとも１つのダクトが整列されるように、スリーブの第１の端部に取り付けることができる。少なくとも１つのダクトは、任意の適切な技法、例えば溶接、機械的取り付け、その他によって、第１のスリーブの端部に取り付けることができる。

１１２０で、燃料噴射装置、スリーブ、および少なくとも１つのダクトを備えるアセンブリをシリンダヘッドの開口部に配置して、燃料噴射装置の先端部および少なくとも１つのダクトを、所望に応じて、シリンダヘッドの火炎デッキ面の平面Ｐ−Ｐに対して位置決めすることができ、これは、燃焼室の一部分をさらに形成する。

図１２は、少なくとも１つのダクトを燃焼室の中へ組み込まれた燃料噴射装置に位置付けるための方法論１２００を示す。１２１０で、燃料噴射装置をシリンダヘッドの開口部に配置して、燃料噴射装置を、所望に応じて、シリンダヘッドの火炎デッキ面の平面Ｐ−Ｐに対して位置決めすることを可能にするができる。シリンダヘッドは、ピストンクラウンおよびシリンダボアの壁と組み合わせて、燃焼室を形成する。
１２２０で、少なくとも１つのダクトを燃料噴射装置の先端部に、または該先端部に近接して取り付けることができ、よって、各整列されたダクトに対して燃料噴射装置の先端部の各開口部から噴射される燃料の進行方向に対して少なくとも１つのダクトを位置付ける、および／または整列させることができる。

図１３は、ダクトを利用して燃料噴射装置の先端部の開口部の形成をガイドするための方法論１３００を示す。１３１０で、ダクトが燃料噴射装置の先端部に位置付けられ、該ダクトは、先端部に当接するように位置決めするか、またはダクトの第１の（近位）端部との間に間隙Ｇを伴って位置決めすることができる。ダクトは、燃料が燃料噴射装置から燃焼室の中へ噴射される方向に従って整列させることができ、例えば、ダクトは、燃焼室の火炎デッキ面の平面Ｐ−Ｐに対してθ°の角度で整列される。

１３２０で、開口部を燃料噴射装置の先端部に形成することができる。上で説明したように、ダクトを利用して、開口部の形成をガイドすることができる。例えば、開口部がＥＤＭによって形成される場合は、ダクトのボアを利用して、開口部が形成される燃料噴射装置の先端部のある地点までＥＤＭの電極をガイドすることができる。その後に、標準的なＥＤＭの手順（複数可）に従って開口部の形成が起こり得る。それに応じて、開口部は、所望の位置に形成され、例えば、ダクトのボアのプロファイルを形成する円の中心に対して中心線上に配置される。また、開口部の壁は、例えば中心線

に対して平行に整列させて、燃料ジェットが、ボア内で中心線上に位置付けられるダクトのボアに沿って噴射されて、燃料と燃焼室から吸い込まれる充填ガスとの混合を最大にすることを可能にすることができる。

煤煙白熱光の測定に関して実験を行ったが、該実験は、ダクトを用いて燃料を燃焼室の中へ噴射したときにＬＬＦＣが達成されたかどうかを示す。実験では、ＬＬＦＣが達成され、例えば、煤煙を形成しなかった化学反応が燃焼イベントの全体を通して維持された。ＯＨ＊化学発光を利用して、火炎のリフトオフ長さ（例えば、燃料噴射装置の開口部（オリフィス）と自己発火ゾーンとの間の軸方向距離）を測定した。ＯＨ＊は、高温の化学反応がエンジン内部で起こっているときに作り出され、その最上流の場所は、噴射装置から燃料が燃焼し始める場所までの軸方向距離、例えばリフトオフ長さを示す。

実験中の条件は、表１に提示される。

高い煤煙白熱光信号飽和を示す、ベースラインを自由に伝播するジェット（「自由ジェット」）が観察され、ダクトを適所に伴わない状態では、かなりの量の煤煙が生成されたことを示した。次に、ダクテッドジェットの燃焼を調査した。約３ｍｍ、約５ｍｍ、および約７ｍｍのダクト内径、ならびに約７ｍｍ、約１４ｍｍ、および約２１ｍｍのダクト長さを含む、複数のダクト直径およびダクト長を試験した。

その後に、自由ジェットについて上で参照したものと同じ撮像条件および類似する動作条件を使用して、このようなダクテッドジェットの実験を行ったが、内径３ｍｍ×長さ１４ｍｍのテーパーのない鋼製ダクトを、噴射装置から約２ｍｍ下流（例えば、間隙Ｇ＝約２ｍｍ）に位置決めした。煤煙白熱光信号は、ほとんど飽和を示さなかったが、これは、生成された煤煙が、もしあったとしても、最小であったことを示す。ダクト後の火炎は、燃焼室を軸方向に横切って移動するときに、ベースラインの実験における自由ジェット火炎と同じ幅まで広がらなかった。中心線

の周りに集中する燃焼火炎が、（上で説明したように）ダクトによって引き起こされた混合の組み合わせによって、さらには、ダクトへの熱伝達機能としてもたらされた。ダクトは、燃焼室の周囲条件よりも低い温度（例えば、９５０Ｋ）で動作していたが、それに応じて、ダクトは、噴射された燃料が自由ジェットの火炎において経験するよりも低い温度環境の中（例えば、ダクトのボア内）を進行することを可能にした。

燃料がダクトを流れている間に発生する乱流の程度は、ダクトのボア内の条件についてレイノルズ数（Ｒｅ）を決定することによって計算した。式１による：

式中、ρは、周囲密度であり、Ｖは、速度であり、Ｌは、ダクト直径であり、μは、動粘度である。速度Ｖは、式２によって算出した：

式中、ｐ_ｉｎｊは、燃料噴射圧力であり、ｐ_ａｍｂは、周囲圧力であり、

は、燃料の密度である。式１および式２に動作条件を適用することで、少なくとも１×１０^４のレイノルズ数が発生したが、これは、乱流条件がダクト内に存在することを示す。

上で述ベたように、ダクト１５０を通る燃料ジェット１８５の乱流は、燃料ジェット１８５と、例えば噴射された燃料ジェット１８５の高い速度によって確立されるダクト入口の近傍における低い局所的な圧力の結果としてダクト１５０の外側から（例えば、間隙Ｇおよび／または穴Ｈ_１〜Ｈ_ｎを通して）吸い込まれた充填ガスとの混合を引き起こした。ダクト１５０内に確立された乱流の混合速度は、ダクト内の速度勾配の関数であると考えることができ、これは、所与の軸方向位置での中心線流体速度を、所与の軸方向位置でのダクト直径で割ったものにおよそ比例するであろう。

上で説明してきたことは、１つ以上の実施形態の例を含む。当然、上述した態様を説明する目的で、上記の構造または方法論のあらゆる考えられる修正および代替を説明することはできないが、当業者は、様々な態様の数多くのさらなる修正および置換が可能であることを認識することができる。したがって、説明した実施形態は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に入る、すべてのこのような代替物、修正物、および変形物を包含することを意図している。さらに、詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかにおいて、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」という用語が使用される限りでは、このような用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語が、特許請求の範囲において転換語として用いられるときの「備える「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」に類似する様式で解釈されるように、包括的であることを意図している。

Claims (20)

1. 燃料噴射システムにおいて、
   第１の開口部を備える燃料噴射装置であって、燃料が、前記第１の開口部を通して燃焼室に噴射される、燃料噴射装置と、
   中空管から形成されるダクトであって、前記燃料噴射装置の前記第１の開口部を出る前記燃料が、前記中空管を通して、前記燃焼室の中へ噴射されるように整列される、ダクトと
   を備える、燃料噴射システム。
2. 前記第１の開口部が第１の直径を有し、前記中空管が内径を有し、前記中空管の前記内径が、前記第１の開口部の前記第１の直径の約５〜約５０倍である、請求項１に記載の燃料噴射システム。
3. 前記ダクトが、前記第１の開口部の前記第１の直径の約３０〜約３００倍の長さを有する、請求項１に記載の燃料噴射システム。
4. 前記ダクトが、第１の端部および第２の端部を備え、前記ダクトの前記第１の端部が、前記第１の開口部の前記第１の直径の最大で約１００倍の距離を有する前記ダクトの前記第１の端部と前記第１の開口部との間の間隙を伴って、前記第１の開口部に最も近接して位置付けられる、請求項１に記載の燃料噴射システム。
5. 前記ダクトが、第１の端部および第２の端部を備え、前記ダクトの前記第１の端部が、前記第１の端部と前記第１の開口部との間にいかなる間隙もないように前記第１の開口部に突き当たっている、請求項１に記載の燃料噴射システム。
6. 前記ダクトが、金属材料またはセラミック材料のうちの少なくとも１つを含む耐高温性材料から形成される、請求項１に記載の燃料噴射システム。
7. 前記管が壁を備え、前記壁が、そこを通る開口を備える、請求項１に記載の燃料噴射システム。
8. 前記管が円筒状である、請求項１に記載の燃料噴射システム。
9. 前記管が、
   第１の直径を有する第１の開口部を有する第１の端部と、
   第２の直径を有する第２の開口部を有する 第２の端部であって、前記第１の直径が、前記第２の直径よりも小さいか、または前記第１の直径が、前記第２の直径よりも大きい、第２の端部と
   を備える、請求項１に記載の燃料噴射システム。
10. 前記燃料噴射装置が、
    第２の開口部と、
    前記第２の開口部を通して前記燃料噴射装置によって噴射された燃料の流れが前記第２のダクトを通過し、前記燃焼室の中へ入るのを促進するように前記第２の開口部に対して整列された第２のダクトと
    を備える、請求項１に記載の燃料噴射システム。
11. 前記燃焼室が、エンジンブロックに形成されたシリンダボアからさらに形成され、火炎デッキ面が、前記シリンダボアの一方の端部に、および回転可能なクランクシャフトに接続されかつ前記シリンダボア内を往復運動するように構成されたピストンのピストンクラウン表面に配置され、前記ピストンクラウン表面が、前記火炎デッキ面に面する、請求項１に記載の燃料噴射システム。
12. 燃焼室内で燃料と充填ガスとを混合する方法において、
    燃料噴射装置の開口部を通して燃料を噴射することであって、前記開口部が、前記燃焼室内に位置付けられる、噴射するステップと、
    ダクト内で前記噴射された燃料と前記充填ガスとを混合することであって、前記ダクトが中空管を備え、また、前記噴射された燃料が前記燃焼室に進入する前に前記中空管を通して進行するように整列され、前記中空管を通した前記燃料の通過が、前記中空管内の前記燃料の乱流を引き起こし、前記燃焼室内に存在する充填ガスの前記中空管の中への吸い込みを引き起こし、それによって、前記噴射された燃料と前記充填ガスとを混合する、混合するステップと
    を含む、方法。
13. 前記ダクトの前記第１の端部が、前記第１の開口部の前記直径の最高で約１００倍の距離を有する前記ダクトの前記第１の端部と前記第１の開口部との間の間隙を伴って、前記第１の開口部に近接して位置付けられる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ダクトが、第１の端部および第２の端部を備え、前記ダクトの前記第１の端部が、前記第１の端部と前記第１の開口部との間にいかなる間隙もないように、前記第１の開口部に当接する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記管が壁を備え、前記壁が、そこを通る開口を備え、前記開口が、充填ガスの前記中空管の中への進入を可能にする、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ダクトが、金属材料またはセラミック材料のうちの少なくとも１つを含む耐高温性材料から形成される、請求項１２に記載の方法。
17. 前記燃焼室が、エンジンブロックに形成されたシリンダボアからさらに形成され、前記火炎デッキ面が、前記シリンダボアの一方の端部に、および回転可能なクランクシャフトに接続されかつ前記シリンダボア内を往復運動するように構成されたピストンのピストンクラウン表面に配置され、前記ピストンクラウン表面が、前記火炎デッキ面に面する、請求項１２に記載の方法。
18. 燃料噴射システムにおいて、
    第１の開口部および第２の開口部を備える燃料噴射装置であって、第１の燃料ジェットが、前記第１の開口部を通して燃焼室内へ噴射され、第２の燃料ジェットが、前記第２の開口部を通して前記燃焼室内へ噴射される、燃料噴射装置と、
    第１の中空管から形成される第１のダクトであって、前記第１の開口部を出る前記第１の燃料ジェットが、前記第１の中空管を通して、前記燃焼室内へ噴射されるように整列される、第１のダクトと、
    第２の中空管から形成される第２のダクトであって、前記第２の開口部を出る前記第２の燃料ジェットが、前記第２の中空管を通して、前記燃焼室内へ噴射されるように整列される、第２のダクトと
    を備える、燃料噴射システム。
19. 前記第１の管が第１の壁を備え、前記第１の壁が、そこを通る第１の開口を備え、
    前記第２の管が第２の壁を備え、前記第２の壁が、そこを通る第２の開口を備える、請求項１８に記載の燃料噴射システム。
20. 前記第１および第２のダクトが、前記燃料噴射装置と統合される、請求項１８に記載の燃料噴射システム。