JP4276998B2 - スプリットフェーズ燃料コンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、スプリットフェーズ燃料コンディショナに関し、特に、限定するわけではないが、ディーゼルエンジン、および低級および／または低オクタン価の燃料で作動するエンジンのための燃料コンディショナに関するものである。

大口径直噴式ディーゼルエンジンの固有の特徴は、燃焼室に十分な燃料を導入するために使える時間が非常に短いことである。このことが、しばしば点火遅延の現象につながり、通常予想される圧力よりはるかに高いシリンダー圧力のピークを発生させるので、ディーゼルエンジンに物理的損傷が生じる。ディーゼルエンジンでは当初から、点火遅延の有害な作用を減少させることに十分な努力が費されている。

燃料関係の技術者は、ディーゼル燃料のセタン価を上げることにより、点火遅延の現象を部分的にでも減少させようとしている。様々な工学技術も、この現象を減少させるために用いられている。進歩はしているが、点火遅延の問題はまだ解決されていない。

点火遅延は、液体炭化水素燃料が、圧縮熱により自動的に燃焼する前に、燃料自体が気化し、空気から充分な熱を得て燃料が自己発火温度以上に充分に高温にならなければならないという化学的現象である。

理論上は、このことは簡単に見えるが、従来のディーゼルサイクルにおいては、燃料を気化させるために有効な非常に短い時間により処理しなければならない。典型的には、ディーゼルエンジンにおいて、燃料の注入時間は、上死点（ＴＤＣ）の前の約１５クランク度である。例えば１５００ｒｐｍの低速度のディーゼルエンジン動作においても、この時間は、２０００分の１秒未満である。

この状況は、液体燃料であると、それが気化するときに圧縮熱を吸収し、さらに、蒸気は空気より質量がかなり高いので、空気から燃料への熱の移動速度が低いという事実が、さらに状況を悪化させている。

その結果、注入された燃料がディーゼルエンジンの主燃料室へ導入された直後に燃焼し、制御された燃焼速度の下で燃料の熱量が放出される代わりに、点火遅延が発生し、燃料が蓄積され、最終的には自己発火温度に達して、注入されている燃料を含めて蓄積された全ての燃料が、定常燃焼というよりは制御不能な状態で爆発しやすい。したがって、非常に高ピークのシリンダー圧力がＴＤＣの直前に作られ、そのタイミングは、圧縮による圧力が最大に達するときに一致している。ＴＤＣの近くになると、クランクベアリングのアラインメントにより、燃焼室が急速に、圧力増大と共に膨張することは不可能である。したがって、圧力と温度とが平衡に維持されるので、燃料により生成された熱のかなりの部分が有益な仕事に向けられる代わりに他のエンジン部品に単に伝達される。

さらに、ＴＤＣにおける高いピーク圧力が、ピストンリングが瞬間的に静止しているとき（すなわち、上向きの圧縮ストロークから、下向きの膨張ストロークに変化するとき）、エンジンのピストンリングのシリンダー壁に対して大きな負荷となり、油圧による潤滑膜を生成できなくなる。このため、金属間の摩滅が防止できなくなり、エンジンの消耗に繋がる。

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼プロセスを統御するファクタをさらに良好に制御する手段を提供するために開発されたものである。しかしながら、本発明の実施態様は、低級および／または低オクタン価燃料で駆動する燃焼エンジンと同様に適用できる。

本発明の燃料コンディショナは、主燃焼室を有する内燃機関のためのスプリットフェーズ燃料コンディショナであって、
点火室を規定するメインボディと、
第１の流体連絡手段を一端に備え、制御された流体連絡を前記点火室とするための移送経路であって、前記主燃焼室と流体連絡された移送経路と、
前記第１の流体連絡手段を選択的に開閉して、前記点火室と前記主燃焼室との間の流体連絡を制御するための第１のバルブであって、第１のバルブステムと、前記移送経路の一端に配置されたバルブシートとを備え、前記第１のバルブステムの第１の端が前記バルブシートから離れた開位置では前記点火室と前記移送経路とを流体連絡し、前記第１のバルブステムの第１の端が前記バルブシートに近接した閉位置では前記点火室と前記移送経路との間の流体連絡をほぼ阻害または遮断する第１のバルブと、
前記点火室へ第１の量の燃料を注入するための第１の注入器と、
前記移送経路へ第２の量の燃料を注入するための第２の注入器であって、前記第１のバルブステムを通して、その軸方向に伸びる第２のバルブステムを備え、前記第１のバルブとは独立に作動可能な第２の燃料注入器と、
前記点火室の前記第１の量の燃料を点火して点火プラズマを形成するための点火手段とを有し、
使用する際は、前記点火プラズマを形成した後、前記第１のバルブを開いて前記点火プラズマを前記移送経路に流入させて、前記第２の注入器により注入された前記第２の量の燃料／空気と混合し、該点火プラズマにより、前記第２の量の燃料を自己発火温度以上に上昇させて前記第２の量の燃料を気化するようにコンディショニングし、続いて移送経路を通って前記主燃焼室へ流出させる。

前記第１のバルブは、第１のバルブステムと、前記移送経路の一端に配置されたバルブシートとを備えており、前記バルブシートは前記第１の流体連絡手段から広がっており、前記第１のバルブステムは、前記第１のバルブステムの第１の端が前記バルブシートに近接し、前記点火室と前記移送経路との間の流体連絡をほぼ阻害または遮断する、前記第１のバルブの閉位置に相当する第１の位置と、前記第１のバルブステムの前記第１の端が前記バルブシートから離れ、前記点火室と前記移送経路との間の流体連絡がほぼ阻害されず、前記第１のバルブの開位置に相当する第２の位置との間を可動することが望ましい。

前記スプリットフェーズ燃料コンディショナは、前記第１のバルブの動きを制御するためのソレノイドを有し、前記開位置と閉位置との間を前記第１のバルブが動くように制御することが望ましい。

前記ソレノイドは、前記第１のバルブステムに連結した可動部材を備え、該ソレノイドが励磁されると、その可動部材は前記ソレノイドの磁力により、前記バルブステムを前記第１の位置に保持する位置に保持されることが望ましい。

前記可動部材は、電機子板であることが望ましい。

前記第１のバルブは、前記第１のソレノイドが非励磁になると、前記第１のバルブステムが前記第２の位置に移動可能になり、前記主燃焼室から、前記移送経路を経由して前記第１のバルブステムに伝達される流体の圧力により、前記第１のバルブが開口するように構成されていることが望ましい。

前記ソレノイドは、前記メインボディに連結されたソレノイドハウジングを備え、前記電機子板は、前記ソレノイドハウジング内に配置され、前記ソレノイドハウジングは前記電機子板の動きを制限し、それにより、前記第１のバルブステムの前記第２の位置の方向の動きも制限されることが望ましい。

前記ソレノイドハウジングは、前記第１のバルブステムの前記第２の位置の方向の動きを減衰するためのダンピング手段を含むことが望ましい。

前記ダンピング手段は、前記ソレノイドハウジングにより支持された少なくとも１つの弾性材のパッドを備えていることが望ましい。

前記ダンパーは、代わりにあるいは追加的に、スプリングを備えており、該スプリングは、前記第１のバルブステムの第１の端から離れた一端に沿って配置され、他端まで距離があり、前記スプリングは、前記ソレノイドハウジングに接した一方の端と、前記電機子板または前記第１のバルブステムが前記第１の位置から前記第２の位置に向かって第１の距離を動いた後に当たるようになった他方の端とを具備していることが望ましい。

前記スプリットフェーズ燃料コンディショナは、その中を前記第１のバルブステムが伸びているガイドを含み、このガイドが前記点火室の一方の端をシールしていることが望ましい。

前記ガイドは、前記ソレノイドハウジングと前記点火室の前記一方の端との間に挟み込まれていることが望ましい。

前記スプリットフェーズ燃料コンディショナは、一端が、前記ガイドに取り付けられ、他端が、前記ガイドを超えて延びた前記バルブステムの一部の周りに取り付けられたベローズシールを備えていることが望ましい。

前記第２の注入器は、前記第１のバルブステムを通して、その軸方向に伸びる第２のバルブステムを備えていることが望ましい。

前記第２のバルブステムは、当該バルブステムの前記第１の端に対するシールを形成するように設けられたヘッドを備えており、前記第２のバルブステムは前記第１のバルブステムの軸方向に相対的に可動であり、前記第１のバルブステムの第１の端から前記ヘッドが離れると開位置になり、前記第２の燃料注入器により、前記第１のバルブステムを通して注入された燃料が前記移送経路に流入可能となることが望ましい。

前記第２の注入器は、前記第１のバルブステムの内部に配置され、前記第２のバルブステムが伸びる軸経路を具備するスリーブを備えており、前記軸経路および前記第２のバルブステムは、それらの間に流体経路が形成され、その流体経路を通って、前記第２のバルブステムが開位置のときに前記第２の量の燃料が流れるようにサイズが規定されていることが望ましい。

前記スリーブの内周面には、前記第２の注入器により前記移送経路に注入される前記第２の量の燃料に、らせん状の動きを与えるのに役立つ１つ以上のらせん状の供給溝が形成されていることが望ましい。

前記移送経路の内部は、前記内燃機関のハウジングを通して前記メインボディから前記主燃焼室の内部に伸びるチューブにより形成されており、前記チューブのある長さ部分は、その外径が、前記チューブの前記長さ部分の外面と前記ハウジングとの間に隙間が開くように設定されていることが望ましい。

前記チューブには、１つ以上の噴射オリフィスが設けられており、それを経由して、前記プラズマおよびコンディショニングされた燃料の流れが前記主燃焼室に入ることが望ましい。

前記移送経路は、前記主燃焼室のクリアランス容積のほぼ２％以下の容積であることが望ましい。

前記移送経路は、前記クリアランス容積のほぼ１％以下の容積であることが望ましい。

前記点火室は、前記主燃焼室のクリアランス容積の１５％以下の容積であることが望ましい。

前記点火室は、前記クリアランス容積の５％から１０％の間の容積であることが望ましい。

図１および２は、内燃機関１２の、スプリットフェーズ燃料コンディショナ（段階（時期、状態）を分けた、燃料コンディショナ、Split Phase Fuel Conditioner）１０の実施例を示しており、内燃機関１２は、シリンダー１６の形状のキャビティ（空隙）の一端と、シリンダー１６に収められたピストン１８との間にできる主燃焼室１４を備えている。エンジン１２が往復ピストンエンジン１２である本実施例では、エンジン１２は、各シリンダーの端とピストンとの間にできる複数の燃焼室を備えていることが多い。それぞれの主燃焼室に対し、独立したスプリットフェーズ燃料コンディショナが設けられる。簡単にするために、以下においては１つの主燃焼室に対応した１つのスプリットフェーズ燃料コンディショナ１０に関して説明する。

スプリットフェーズ燃料コンディショナ１０は、点火室２２を形成あるいは規定する本体（メインボディ）２０を備えている。移送経路２４は、その一方の端に、制御された流体連絡（流体伝達、フルイドコミュニケーション）を点火室とするためのスロート２６の形態の第１の流体連絡手段を備えている。移送経路２４は、主燃焼室１４とも流体連絡している。第１のバルブ２８が、選択的にスロート２６を開閉して、点火室２２と主燃焼室１４の間の流体連絡を制御するために設けられている。

図２に示すように、第１の量の燃料を点火室２２に注入するための第１の注入器（インジェクタ）３０がメインボディ２０に連結されている。第２の燃料注入器３２（図１に示している）は、第２の量の燃料を移送経路２４に注入する。第２の注入器３２は、第１のバルブ２８と結びついているが、独立に作動できる。スパークプラグ３４の形態の点火手段もハウジング２０に連結され、点火室２２の内部に伸びており、点火室２２に注入された燃料を点火するためのスパークを供給する。この点火手段は、メインボディ２０に連結され、点火室２２の内部に伸びたグロープラグ３６を備えていても良く、このグロープラグ３６は、特に、エンジン１２の最初の始動時に燃料／空気の混合体を加熱するためのものである。

タイミングを問題にしなければ、このコンディショナ１０は、大雑把にいって、最初に注入器３０により第１の量の燃料を点火室２２に注入し、この燃料を点火して点火プラズマを形成するように作動する。その後、バルブ２８が開き、点火プラズマが移送経路２４を経由して燃焼室１４の中へ流れ込むようにする。しかしながら、バルブ２８を開く前に、第２の注入器３２により、第２の量の燃料が移送経路２４に注入される。このため、プラズマは、第２の量の燃料の温度を自己発火温度以上にして、第２の量の燃料を気化した状態にし（コンディショニングし）、その状態になった（コンディショニングされた）第２の量の燃料を燃焼室１４の中に押し流し、そこで燃料は、主燃焼室１４の内部の酸素を探し、制御された状態で燃焼し、点火プラズマは、第２の燃料／空気の混合体の点火源として作用する。第２の量の燃料は、従来と同様に、エンジンの状態および負荷により変更できる。

コンディショナ１０を部分的にさらに詳しく説明すると、メインボディ２０は、環状のボディ３８を備えており、その下端には、フラスト円錐のボディ４０がねじにより連結されシールされている。メインボディ２０は、上部の環状の冷媒室４２と、下部の環状の冷媒室４４と、上部の環状の冷媒室４２と下部の環状の冷媒室４４とを接続する６本の垂直に伸び、均等な間隔で配置された冷媒経路４６とを備えている。冷媒の入口４８が上部の環状の冷媒室４２に繋がり、出口５０が、下部の環状の冷媒室４４に流体連絡するように設けられている。以下にさらに詳細に述べるように、上部の環状の冷媒室４２は、環状のボディ３８の上端とソレノイドハウジング５２との間に形成されている。

移送経路２４は、環状のボディ３８とは隔てられたフラスト円錐のボディ４０の一端に連結されたチューブ５４の中の軸方向の貫通孔（軸孔、アクシャルボア）により構成されている。チューブ５４には、第１の外径を備えた第１の長さ部分５６と、それより小さな外径で、それに繋がった第２の長さ部分５８とが設けられており、それらの間に階段状の肩部５９が形成されている。経路２４の上端には、スロート２６が設けられており、上方に向かって徐々に広がった形状になっている。経路２４の反対側の端は、第２の長さ部分５８の内部に形成された２つの分離された噴射オリフィス６０に枝分かれしており、主燃焼室１４の内部まで伸びている。このチューブ５４は、エンジン１２のシリンダーヘッド６４に形成された空隙（キャビティ）６２の中を伸びており、そこは通常、従来の燃料注入器が設置されている場所である。チューブ５４の肩部５９は、銅のワッシャー６６を用いてヘッド６４にシールされている。チューブ５４の第１の長さの部分５６の外径は、キャビティ６２の部分の内径より小さく、それらの間に隙間６８が形成されるように、チューブはキャビティ６２の中を伸びている。

キャビティ６２を形成しているシリンダーヘッド６４の部分はフランジ７０を形成するように枝分かれをしており、そのフランジ７０は複数の穴７２を備えて、これらの穴７２を通りフランジ７０に取り付けられるスタッド（不図示）を用いて、このスプリットフェーズ燃料コンディショナ１０を取り付けることができる。

経路２４の容積は、エンジン１２のクリアランス容積の２％以下であることが理想であり、クリアランス容積の１％未満であることがさらに望ましい。クリアランス容積は、ピストン１８が、ＴＤＣにあるときの燃焼室１４の容積である。さらに、点火室２２の容積は、クリアランス容積の１５％以下であることが理想であり、クリアランス容積の５％から１０％の間の容積であることがさらに望ましい。

ソレノイドハウジング５２は、磁化材料からなる下方部分７４を備えており、下方部分７４には同心円の電気コイル７６ａ、７６ｂおよび７６ｃ（以下、これら全体を「コイル７６」と称する）を設置するための複数の切欠きが設けられている。これらのコイル７６および下方部分７４は、実質的に電磁石を形成する。互いに近接しているコイル７６には、強い磁場を作るために、反対方向の電流が供給される。この下方部分７４は、メインボディ２０の環状のボディ３８の上端にねじ方式で結合され、シールされている。

ソレノイドハウジング５２は、上方部分またはキャップ７８を備えており、キャップ７８は、下方部分７４にねじ方式で結合されている。キャップ７８と下方部分７６との間に空間８０が形成され、その空間を電機子板（アーマチュアプレート）８２が垂直に移動する。弾性パッド８４からなる複数のダンパーがキャップ７８に設置され、空間８０に伸びており、電機子板８２の上方への動きを減衰させる。スプリング８６からなるさらなるダンパーがソレノイドハウジング５２内に設けられている。スプリング８６の一方の端は、キャップ７８に接している。スプリング８６の反対側の端は、電機子板８２から離れており、以下にさらに詳述するが、電機子板８２および／またはバルブ２８が、第１の距離を移動した後で当たるようになっている。

図１から分かるように、冷媒の入口４８は、ソレノイドハウジング５２の下方部分７４に形成されている。さらに、上部の冷媒室４２は、下方部分７４の軸方向に垂れ下がったボス８８と、環状のボディ３８の上方部分と、バルブガイド９２のフランジ部分９０との間に形成されている。

バルブガイド９２は、メインボディ２０とソレノイドハウジング５２の間に挟み込まれている。さらに具体的には、フランジ９０は、その下側の周端９４が、環状のボディ３８の上端の内周面に沿って形成されたシート９６に入り、それに沿って設置されている。フランジ９０の上面は、ボス８８を受け入れられるように凹んでいる。上部の冷媒室４２は、フランジ９０とボス８８との間に配置されたＯ−リング９８および１００と、ソレノイドハウジング５２の下方部分７４と環状のボディ３８の上端との間に配置されたＯ−リング１０２とによりシールされている。さらなるＯ−リング１０４は、環状のボディ３８とフラスト円錐のボディ４０との間に配置され、下方の冷媒室４４の一方の端をシールしている。これらのボディ３８および４０の間の下方冷媒室４４の反対側の端は銅リング１０６によりシールされ、この銅リング１０６は点火室２２をシールするためにも非常に有効に作用している。

バルブガイド９２は、管状部分１０８を備えている。フランジ９０は、管状部分１０８の長さの中間で横に広がっており、それにより管状部分１０８は、内径および外径が一定の上部長さ部分１１０と、内径は一定であるが外径はフランジ９０から離れるに連れて減少する下部長さ部分１１２に実質的に分割されている。ガイド９２のフランジ９０は、点火室２２の上端を有効にシールしている。

バルブ２８は、中空の管状のバルブステム１１４を備えており、このバルブステム１１４はバルブガイド９２の軸方向にスライド可能である。このバルブステムのヘッド１１６には、ロール状の圧縮型押しによりバルブステム１１４に一体化された窒化珪素のインサートが設置されている。このインサート１１８の最下端は内部に４５度傾いている。バルブ２８が閉まると、このインサート１１８は、バルブスリーブ１２０と共に実質的なシールを形成し、実質的に流れを阻害し、あるいは遮断する。スリーブ１２０も窒化珪素材料で形成されており、スロート２６に隣接する移送経路２４の端に配置されている。インサート１１８およびスリーブ１２０は、バルブ２８が閉じたときに、実際には相互に衝撃が発生しないように配置されている。

軸（ステム）１１４の上端は、バルブガイド９２の上部長さ部分１１０を越え、電機子板８２を軸方向に貫通して伸び、ソレノイドハウジング５２のキャップ７８を貫通して伸びている接続エルボー１２２に入っている。接続エルボー１２２は、第２の注入器３２に燃料を送るための燃料ホースあるいはレール（不図示）に連結するために一体化した連結部１２４を備えている。

ステム１１４は、収縮性の取付環（フィットカラー）１２６および複数のロックナット１２８により電機子板８２に取り付けられている。カラー１２６は、軸１４４の、バルブガイド９２の上部長さ部分１１０を超えて延び、電機子板８２の下側の部分に、取り付けられている。シール用のディスク１３０が、カラー１２６と電機子板８２との間に配置されている。複数のロックナット１２８は、軸１１４の、電機子板８２を越えて伸びている部分の周りに形成された外周ねじに、ねじ込まれている。

電気鋳造で、ニッケルメッキされたシールベローズ１３１が、軸１１４の、ガイド９２の上部長さ部分１１０を越えて伸びた部分の周りのシールを形成している。ベローズ１３１の一端はガイド９２のフランジ９０に対してシールされ、反対の端は、カラー１２６に対してシールされている。ベローズ１３１は、中立状態にするスプリングとして機能し、力あるいは圧力が低いときには、バルブ２８を開状態に維持する。

第２の注入器３２は、ステム１１４の中を軸方向に伸びるバルブ軸（バルブステム）１３２を備えている。バルブステム１３２の下端にはバルブヘッド１３４が設けられており、流体圧力がバルブ３２に作用していないときには、バルブヘッド１３４がインサート１１８に対してシールする。さらに、バルブ２８が閉じられると、バルブヘッド１３４もシート１２０の内側に対してシールする。ステム１３２は、ステム１１４の内部に配置され実質的に連結されているスリーブ１３６の内部において軸方向にスライド可能になっている。スリーブ１３６の下部１３８は、外径が減少し、インサート１１８の内部に伸びている。スリーブ１３６の上端１４０は、軸１１４の上端の外側に張り出しており、エルボー１２２の内部に収まっている。閉用のスプリング１４２がステム１３２の周りに配置されており、このスプリング１４２は、ステム１３２の上端に付けられたストップ１４４と、スリーブの内部にスリーブ１３６の軸方向の経路１４８をリーミングする際に形成された肩部１４６との間で動作し、その中をバルブステム１３２が伸びるようになっている。

経路１４８およびバルブステム１３２は、それらの間に隙間が形成されるように相対的に寸法が定められており、バルブ３２が開のときに、その隙間を通って移送経路２４に燃料が流れ込むようになっている。スリーブ１３６の内面、特に、その下方部分１３８の内面には、注入器３２により注入される燃料に、らせん状の動きを行わせるのに役立つ螺旋溝を設けることができる。

コイル７６が励磁されると、電機子板８２は、電機子ハウジング５２の下方部分７４の上表の上に磁力により保持される。これにより、バルブステム１１４、特にインサート１１８が第１の位置になり、この第１の位置では、インサート１１８がバルブスリーブ１２０に隣接し、さらには中に収まり、点火室２２と移送経路２４との間の流体連絡をほぼ阻害し、あるいは遮断する。これは、バルブ２８が閉になることに相当する。一方、コイル７６が非励磁になると、バルブステム１１４は自由になり、軸方向にスライドして上方に向かい第２の位置に動き、その位置ではインサート１１８がスリーブ１２０から離れ、点火室２２と移送経路２４との間の流体連絡がほぼ阻害されなくなる。これは、バルブ２８が開になることに相当する。この上方への動きは、主燃焼室１４内の流体圧力により生じ、この圧力は経路２４を経由してバルブ２８に伝えられ、バルブヘッド１３４およびインサート１１８を経由して伝達される。弾性パッド８４およびスプリング８６は、バルブ２８が開になったときの、キャップ７８に対する電機子板８２の衝撃を緩和する働きをする。

バルブ２８を閉じるために、ソフトに閉じる技術を用いることが考えられる。この技術は、エンジン１０のサイクルの初期の段階においては、緩やかにバルブ２８を閉めるために、最初は低い電圧をコイル７６に印加し、その後、上死点前（ＢＴＤＣ）の９０度付近で、全電圧をコイル７６に加え、バルブ２８を閉じた状態に保持して上昇する圧縮圧力に対抗できるようにすることを含むものである。

ここで、スプリットフェーズコンディショナ１０の動作を詳細に説明する。前の発動行程（パワーストローク）が終了してから所定の時間の後、コイル７６への電流を印加してバルブ２８が閉じた状態で、注入器３０は、空気と混合された第１の量の燃料を点火室２２に注入する。燃料／空気の混合体は、リッチサイドにあることが望ましい。注入器３０に供給される空気は、エンジン駆動のコンプレッサーから、適当な圧縮比になるように制御された圧力で供給されることが考えられ、圧縮比は、例えば、エンジン１２の圧縮比と同じ、すなわち約１２：１であり、熱の影響を考えなければ約１７６ｐｓｉである。この空気は、コンプレッサーからエアーレシーバ（不図示）に供給され、その後、注入器３０に伝達される。

コンプレッサーを使う代わりに、マルチシリンダーのエンジンにおいては、そのエンジンの１つのシリンダーをコンプレッサーとして使用することが可能であり、その場合は、そのシリンダーの注入器を、注入器３０と繋がったエアーレシーバへの適当な配管およびワンウェイバルブにより置き換えることができる。さらに、適当な圧力に対して過剰な場合は、エンジンの入口バルブを部分的に開いた状態で作動空気により保持し、さらに圧縮されることを防ぐことができる。エアーレシーバの圧力が所定の点火室の圧力に近づいたときに、シリンダーの入口バルブを完全に閉じて、圧縮が再開されるようにしても良い。これにより、無駄な仕事を減らし、エンジンバランスも維持される。

注入器３０は、第１の量の燃料を、空気と混合して、あるいは空気と共に、点火室２２の接線方向に注入し、それにより、点火室２２に沿って燃料と空気の渦が生ずる。この燃料／空気の混合体は、グロープラグ３６により加熱されて気化するが、点火室２２の内部では圧縮による熱量が不足するので自発燃焼には至らない。逆に、点火室２２の内部では、燃料／空気の混合体の点火時期は、スパークプラグ３４のタイミングにより制御できる。したがって、点火室２２での点火は、もはやピストン１６のタイミングにより制御されないということになる。このため、注入器３０により、点火室２２へ燃料／空気の混合体を、いつでも適当なときに注入することができ、燃料／空気の混合体の準備とコンディショニングのために十分な時間をかけて、ＴＤＣの直前に、スパークプラグ３４によりスパーク点火するための理想的なコンディションにすることができる。

燃料／空気の混合体を点火室２２へ注入することによる渦のような乱流により、燃料／空気の混合体は回転しながらグロープラグ３６を何回も通過し、特に、コールドスタートのときは、それにより燃料の蒸発が促進されると考えられる。点火室内の圧縮比を約１２：１に維持し、また滞留時間を減少させることにより、点火室２２の内部における早期点火を避けることができ、あるいは、少なくとも制御できる。さらに、エアーレシーバを経由した空気を注入器３０に用いることにより、圧縮による熱が早期点火の要因となることを防止できる。

従来と同様に、主燃焼室１４の内部では、ピストン１８の駆動により圧縮が行われる。このピストン１８による圧縮は、主燃焼室１４の内部の空気のみの圧縮になる。これは排ガス規制に関してもメリットがあり、燃料が漏れ出して未燃焼成分になることを防止できる。

適切な瞬間、通常は主燃焼室１４の内部が最大圧縮に到達する直前に、スパークプラグ３４が操作され、点火室２２における燃料／空気の混合体の燃焼が始まる。バルブ２８が約１５クランク度以内に開かなければ、点火室２２の燃焼圧力は急激に最大圧力近くまで上昇する。点火室２２のサイズおよび容積が小さいために、また、渦状の乱流のために、点火室２２の内部において火は相対的に急速に広がる。

スパーク後の最初の５クランク度程度の間は、測定可能な程度の圧力上昇があってもそれは小さい。その後の圧力上昇は急速である。バルブ２８およびスパークプラグ３４の両方が電気的に制御されるので、スパークのタイミングおよびバルブ２８を開けるタイミングは非常に精度良く制御できる。エンジン制御ユニット（ＥＣＵ、不図示）は、これらの機能を、予測カーブを用いて、エンジン速度および負荷の変化により最適なレベルになるよう自動調節するようにプログラムできる。点火室２２の内部の燃料／空気の混合体の燃焼より生じる点火プラズマは、バルブ２８を通って非常に高速で排出される。その速度は、スパークのタイミングによりほぼ制御できる。上述したように、スパークプラグ３４からのスパークが発せられた後、５クランク度より前に点火プラズマが放たれると、その放出速度は相対的に低い。しかしながら、その後、例えば１０から１５クランク度の範囲で放出されると、点火室２２の内圧は主燃焼室１４の内圧より十分に高くなっているので、プラズマの放出速度は非常に高くなる。

注入器３２は、第２の量の燃料を、従来のディーゼル注入時間、すなわち、ＴＤＣが終了する前の１７−１５°（ＢＴＤＣ）に、移送経路２４に対し直に放出し、もし、さらに熱交換する必要があれば、上記のタイミングの少し前に、第２の注入器３２から燃料の注入を開始するようにしても良い。スリーブ１３６の内壁面の溝は、第２の注入器３２を介して注入された燃料に対してらせん状の動きを付与する役目を持つ。このことは、経路２４を形成するチューブ５４の壁に燃料が接するのを促進する。そして、燃料は、チューブ５４からの熱伝達により気化が促進される。隙間６８は、チューブ５４の第１の長さ部分５６を、エンジン１２の通常の冷却システムから分離して、断熱することで熱伝達を促進する。

ＴＤＣ直後に、コイル７６への電流を遮断し、バルブ２８および、特にバルブステム１１４が、移送経路２４を介して伝えられる主燃焼室１４の内部の圧縮圧力により、垂直上方に移動できるようにすることにより、バルブ２８は急速に開になる。これにより、スリーブ１２０からインサート１１８が離れ、主燃焼室１４の圧縮圧よりもかなり高い圧力になっている点火室２２から点火プラズマがスロート２６を通り移送経路２４に入り、それは非常に速度の速い流れとなり、それにより移送経路２４に、気化した燃料／空気の混合体が掃き集められ、点火プラズマと気化した燃料とを混合した後に空気噴射オリフィス６０を通って主燃焼室１４の内部に流入する。経路２４の容積は非常に小さいので、余分な量の燃料があっても、混合比と酸素欠如により、経路２４の内部において実質的な燃焼が生ずるのを防止できる。しかしながら、点火プラズマと気化した燃料の混合体は、ジェットノズル６０から放出されると、主燃焼室１４の圧縮により加熱された空気中の豊富な酸素と結合する能力に比例して燃焼する。効率的に、移送経路に注入された第２の量の燃料は、酸素リッチな主燃焼室の中で、燃料自己発火温度以上の温度に上昇し、混合燃焼するのに理想的な特性のガス状態に転換される。

主燃焼室１４の内部における燃焼工程は、ガスジェット６０から放射される点火プラズマおよび気化状態の燃料の運動エネルギーおよび熱エネルギーにより影響される。すなわち、放出速度に依存する。上述したように、この速度は、プラグ３４より放出されるスパークのタイミングにより制御できる。したがって、主な量の燃料を調和した状態で非常に急速に、しかしながら制御された状態で燃焼させるのに適した方法を提供でき、燃料の通常の点火状態によらず、主燃焼室１４が、燃焼と共に膨張を開始できるときに燃焼させることができる。さらに、点火プラズマの放出圧力および噴射オリフィス６０のサイズは、音速のプラズマにより燃焼強化できるように、点火プラズマが音速で噴射オリフィス６０を通して放出されるようにすることができる。

上記のような動作は、従来のディーゼルエンジンでは実現できない、というのは、従来のディーゼルエンジンでは燃焼の開始は圧縮熱に依存しており、実際の時間と熱との関係により、ＴＤＣの前に燃焼を行わせる必要があり、同時に、圧縮圧力も最大に近づくので、それが合成されることにより、その結果、圧力がさらに上昇することになるからである。ディーゼルおよびスパーク点火式のエンジンでは、それらの性能を最適化するために、ＴＤＣの十分前に燃焼を開始することを強いられ、このために、ＴＤＣのとき、あるいはＴＤＣ直後についての有用な経験的データはないが、このようなことを考慮することは、相当の出力と、動作上のメリットをもたらす。

上記より分かるように、エンジンの一サイクルの間に注入される燃料の全量は、コンディショナ１０において、注入器３０により点火室２２へ注入される第１の量と、移送経路２４へ注入器３２により直に注入される第２の量とに分割され、これにより「スプリットフェーズ（段階(時期、状態)分けた）」燃焼が生じる。注入器３０により点火室２２へ注入された量の燃料は、エンジンのタイミングおよびピストン１６の位置とは独立して、ＴＤＣの前に、燃焼を開始することが分かる。このようなタイミングの独立性は、従来のディーゼルサイクルエンジンでは実現できないことは明らかである。

上記の実施の形態では、ディーゼルエンジンに関して主に説明しているが、コンディショナ１０は、低級燃料および／または低オクタン燃料と共に用いることも可能であり、それぞれのサイクルで必要な燃料の一部をＴＤＣの前にコンディショニングして燃焼し、それと共に、主な量の燃料をほぼ気化し、次に、点火プラズマと混合して、主な量の燃料に点火する。

ここでは、本発明の１つの実施の形態を詳細に記載しており、本発明の基本的な考え方から離れず、多くの変更および変化を加えられることは当業者においては明らかである。例えば、バルブ２４をソレノイド制御することは操作上の利点があるが、バルブ２４は機械的に操作しても良い。その場合は、電気的なタイミングにより燃料注入器３０とスパークプラグ３４とをさらに精度良く制御して第１の量の燃料／空気の混合体の点火制御を行うことが望ましい。本実施例は、往復ピストンエンジンについて説明しているが、ロータリーエンジン（例えばワンケルエンジンなど）に対しても同様に適用できる。そのような実施例においては、主燃焼室は、エンジンのハウジングとエンジンローターとの内部に形成されるキャビティにより形成される。移送用のチューブ５４は、ハウジングの中の経路を通しても良い。さらに、バルブ２８のインサート１１８およびスリーブ１２０は、図１に示した構成とは異なる構成で形成することも可能である。具体的には、図３および図４に、インサート１１８´およびバルブスリーブ１２０´の異なる構成例を示してある。この例では、インサート１１８´は、外径が減少した中間バンド１１９を備えており、この中間バンド１１９を通って下方に傾斜した複数の孔１２１が形成され、これらの孔１２１は中間バンド１１９の外面からインサート１１８´の軸方向経路１２３に達している。この軸方向経路１２３は、内径がほぼ一定の上方長さ部分と、内径が徐々に広がった下方長さ部分とを備えており、経路１２３の下側の部分の形状がバルブヘッド１３４の形状と実質的に対応するものとなっている。したがって、この例では、バルブヘッド１３４は、インサート１１８´の経路１２３の内面を用いて実質的なシールを形成する。この例のバルブスリーブ１２０´は、一定の内径の短い円筒状のチューブ状である。バルブ２８が開閉すると、インサート１１８´はスリーブ１２０´の内部で開位置と閉位置との間を往復動し、開位置では、中間バンド１１９の少なくとも一部がスリーブ１２０´の外側上方にあり、孔１１９および経路１２３を介して点火室２２と移送経路２４との間が流体連絡され、閉位置では、中間バンド１１９は完全にスリーブ１２０´（図４に示すように）の内部にあり、点火室２２と移送経路２４との間の流体流はほぼ妨げられる。ステム１１４から延びているインサート１１８´の上側部分の外径を、スリーブ１２０´の内径より僅かだけ小さくすることにより、ほぼ遮断することができる。

通常の当業者にとって明らかなような変更および変化は全て、上の記述および添付した特許請求の範囲により定められる本発明の範囲内である。

図１は、本発明による、スプリットフェーズ燃料コンディショナの望ましい実施態様の断面図である。 図２は、図１に示した、スプリットフェーズ燃料コンディショナの断面ＡＡを示す図である。 図３は、図１のスプリットフェーズ燃料コンディショナに用いられたバルブの異なる実施例を示す分解断面図である。 図４は、図３で示したバルブの閉位置にある状態を示す図である。

Claims (22)

1. 主燃焼室を有する内燃機関のための、スプリットフェーズ燃料コンディショナであって、
   点火室を規定するメインボディと、
   第１の流体連絡手段を一端に備え、制御された流体連絡を前記点火室とするための移送経路であって、前記主燃焼室と流体連絡された移送経路と、
   前記第１の流体連絡手段を選択的に開閉して、前記点火室と前記主燃焼室との間の流体連絡を制御するための第１のバルブであって、第１のバルブステムと、前記移送経路の一端に配置されたバルブシートとを備え、前記第１のバルブステムの第１の端が前記バルブシートから離れた開位置では前記点火室と前記移送経路とを流体連絡し、前記第１のバルブステムの第１の端が前記バルブシートに近接した閉位置では前記点火室と前記移送経路との間の流体連絡をほぼ阻害または遮断する第１のバルブと、
   前記点火室へ第１の量の燃料を注入するための第１の注入器と、
   前記移送経路へ第２の量の燃料を注入するための第２の注入器であって、前記第１のバルブステムを通して、その軸方向に伸びる第２のバルブステムを備え、前記第１のバルブとは独立に作動可能な第２の注入器と、
   前記点火室の前記第１の量の燃料を点火して点火プラズマを形成するための点火手段とを有し、
   前記点火プラズマを形成した後、前記第１のバルブを開いて前記点火プラズマを前記移送経路に流入させて、前記第２の注入器により注入された前記第２の量の燃料と混合し、該点火プラズマにより、前記第２の量の燃料を自己発火温度以上に上昇させて前記第２の量の燃料を気化するようにコンディショニングし、続いて前記移送経路を通って前記主燃焼室へ流出させる、コンディショナ。
2. 請求項１において、内部に前記第１のバルブステムが伸びているガイドを有し、このガイドが前記点火室の一方の端をシールしている、コンディショナ。
3. 請求項２において、ベローズシールを有し、その一端は、前記ガイドに取り付けられ、他端は、前記ガイドを超えて延びた前記バルブステムの一部の周りに取り付けられている、コンディショナ。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記第２のバルブステムは、当該バルブステムの第１の端のシールを形成するように設けられたヘッドを備えており、前記第２のバルブステムは前記第１のバルブステムの軸方向に相対的に可動であり、前記第１のバルブステムの第１の端から前記ヘッドが離れると開位置になり、前記第２の燃料注入器により、前記第１のバルブステムを通して注入された燃料が前記移送経路に流入可能となる、コンディショナ。
5. 請求項４において、前記第２の注入器は、前記第１のバルブステムの内部に配置され、前記第２のバルブステムが伸びる軸経路を具備するスリーブを備えており、前記軸経路および前記第２のバルブステムは、それらの間に流体流路が形成され、その流体経路を通って、前記第２のバルブステムが開位置のときに前記第２の量の燃料が流れるようにサイズが規定されている、コンディショナ。
6. 請求項５において、前記スリーブの内周面に、前記第２の注入器により前記移送経路に注入される前記第２の量の燃料に、らせん状の動きを与えるのに役立つ１つ以上のらせん状の供給溝が形成されている、コンディショナ。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記移送経路の内部は、前記内燃機関のハウジングを通して前記メインボディから前記主燃焼室の内部に伸びるチューブにより形成されており、前記チューブのある長さ部分は、その外径が、前記チューブの前記長さ部分の外面と前記ハウジングとの間に隙間が開くように設定されている、コンディショナ。
8. 請求項７において、前記チューブは、１つ以上の噴射オリフィスを具備しており、その噴射オリフィスを通して前記プラズマおよびコンディショニングされた燃料が前記主燃焼室に流入する、コンディショナ。
9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、前記移送経路は、前記主燃焼室のクリアランス容積のほぼ２％以下の容積である、コンディショナ。
10. 請求項９において、前記移送経路は、前記クリアランス容積のほぼ１％以下の容積である、コンディショナ。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、前記点火室は、前記主燃焼室のクリアランス容積の１５％以下の容積である、コンディショナ。
12. 請求項１１において、前記点火室は、前記クリアランス容積の５％から１０％の間の容積である、コンディショナ。
13. 請求項１ないし１２のいずれかにおいて、前記第１のバルブの動きを制御するためのソレノイドを有し、前記開位置と閉位置との間の前記第１のバルブの動きを制御する、コンディショナ。
14. 請求項１３において、前記ソレノイドは、前記第１のバルブステムに連結した可動部材を備えており、前記ソレノイドが励磁されると、その可動部材は前記ソレノイドの磁力により、当該バルブステムを前記第１の位置に保持する位置に保持される、コンディショナ。
15. 請求項１４において、前記可動部材は、電機子板である、コンディショナ。
16. 請求項１５において、前記第１のバルブは、前記第１のソレノイドが非励磁になると、前記第１のバルブステムが前記第２の位置に移動可能になり、前記主燃焼室から、前記移送経路を通して前記第１のバルブステムに伝達される流体の圧力により、前記第１のバルブが開口するように構成されている、コンディショナ。
17. 請求項１６において、前記ソレノイドは、前記メインボディに連結されたソレノイドハウジングを備えており、前記電機子板は、前記ソレノイドハウジング内に配置され、前記ソレノイドハウジングは前記電機子板の動きを制限し、それにより、前記第１のバルブステムの前記第２の位置の方向の動きも制限される、コンディショナ。
18. 請求項１７において、前記ソレノイドハウジングは、前記第１のバルブステムの前記第２の位置の方向の動きを減衰するためのダンピング手段を具備する、コンディショナ。
19. 請求項１８において、前記ダンピング手段は、前記ソレノイドハウジングにより支持された少なくとも１つの弾性材のパッドを含んでいる、コンディショナ。
20. 請求項１９において、前記ダンピング手段は、代わりにあるいは追加的に、スプリングを備えており、該スプリングは、前記第１のバルブステムの第１の端から離れた一端に沿って配置されており、前記スプリングは、前記ソレノイドハウジングに接した一方の端と、前記電機子板または前記第１のバルブステムが前記第１の位置から前記第２の位置に向かって第１の距離を動いた後に当たるようになった他方の端とを具備している、コンディショナ。
21. 請求項１３ないし２０のいずれかにおいて、前記ガイドは、前記ソレノイドハウジングと前記点火室の前記一方の端との間に挟み込まれている、コンディショナ。
22. 請求項１ないし２１のいずれかに記載のコンディショナと、
    前記コンディショナの前記点火室が前記移送経路により流体連絡された主燃焼室とを有する内燃機関。

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