JPH05500252A - 制御された燃焼機関のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 制御された燃焼機関のための 方法およびシステム 発明の分野 本発明は予混合（オツトー）および非予混合（ディーゼル）給気の内燃機関にお ける燃焼を行う新しい方法および装置に関するもので、最近の技術の特徴である 、給気中を通過する火炎面の代わりに、内燃機関内の作動流体へ噴射されたジェ ットによってつくり出された乱流ブルーム（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｐｌｕＩｌｅ ｓ）の内部で燃焼させることにより燃焼が行われるものである。

米国政府は、ローレンス、バークリ−研究所の運営に関する米国エネルギー省と カリフォルニア大学とのあいだの契約　ＤＥ−八〇Ｏ３−７８３ＦＯＯＯ９８に 基づき本発明に関する権利を有している。

発明の背景 従来の往復動ピストン、内燃機関において発熱エネルギーの発生（熱放出）過程 は燃焼チャンバを通過する火炎によって達成される。ガソリン機関においては乱 流火炎が給気中を伝ばする。ディーゼル機関においては、通常、蒸発した燃料の 噴霧のブルームのまわりに包絡面として確立される拡散火炎である（いわゆるグ ループ燃焼モード（ｇｒｏｏｐ　ｃｏｓｂｕｓＨｏｎ　ｍｏｄｅ）　）　ｏ結果 的に、両者のばあい、最も有効な化学的活性の領域（活性ラジカルの濃度が大き い領域）における反応粒子の滞留時間に加え、特定の発生熱エネルギー（作動物 質の単位重量当りの熱発生率）の空間および時間的分布を、事実上制御すること ができない。このことは反応媒体中の発生熱エネルギーの蓄積による膨張が反応 粒子をこの領域から早々に追い出す傾向があるという事実により一層悪化される 。この理由は火炎面と化学的活性の発生熱領域とのあいだの緊密な結合が充分に 高い火炎伝は率を保証するのに必須であり、適切なエンジン操作に要求される比 較的短時間に燃焼が終わるからである。

従来の予混合給気またはガソリン（オツトー）機関において、燃焼は火炎の核を 形成することにより開始され、その火炎面は作動物質中を通過する。重要な点は 、点火が起ったのちに燃焼過程が通常の速度でヘッドスペースに広がり、本質的 にはいかなる制御もできないことである。必須の化学的活性領域中の反応種の滞 留時間と同様に特定の発生熱エネルギーは事実上制御されていない。

従来の非予混合給気またはディーゼル機関においては、液体燃料は感知できるほ どの入口速度でピストンにより圧縮された空気の中に噴射される。燃焼チャンバ に入ると、燃料は霧化されて液滴の集合となり、その密度は、接近した充分密な 燃料の液滴の雲を形成し火炎がプルームのまわりの包絡面として生成するように なるのに充分高い。そして火炎面はインジェクタによるプルームの形成過程て噴 霧に与えられた運動量により圧縮空気中を動かされる。その作用はしばしば燃料 でシリンダ壁が湿るという有害な結果を招く。

噴霧の包絡面としての拡散火炎面の確立は技術的には火炎のグループ燃料モード と呼ばれている。そのような状況の下では、燃料が完全に火炎面で消費される一 方酸素は火炎の包絡面の内側で完全に消費される。その結果、燃料が空気中の燃 焼によって到達可能な最高温度は、実際に火炎面で達成され燃焼過程を安定させ る。しかしながらこのことは窒素酸化物の形成を最大にし、酸素の欠乏状態でこ の高温領域に至るあいだに燃料は熱分解してすすを発生させる。さらに火炎面で の本質的な化学的活性の集中と関連した発生熱エネルギーのパルスの比較的狭い 領域に起因する欠点の結果として、−酸化炭素の発生および不燃焼の残存物の形 成にとって最適な条件が達成される。本質的にこの燃焼システムは、すべての知 られた汚染物質の発生にとって最も都合のよい条件を自動的に備えているのであ る。

さらにわるいことに、シリンダごとに１個のインジェクタを用いる従来システム においては、燃料と空気との良好な接触を確保するために、圧縮された給気を交 差して火炎が駆動するのに噴霧の運動量に頼らなくてはならない。こうして、よ く知られたディーゼルエンジンの騒音が発生し、それに付随してノックが発生す る傾向がある。このため比較的高セタン価の燃料、すなわち燃焼チャンバに噴射 される吐き出し量に相応する比較的早く自然発火する燃料への要求が生じる。

発明の要約 本発明は内燃機関における制御された燃焼（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｃｏｍｂｕ ｓｔｉｏｎ　）に対する探求に解決を与えるものである。本発明は過去１５年以 上にわたって広く研究され乱流のないせん断層（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｆｒｅｅ 　５ｈｅａｒｌａｙｅｒ）として知られた流体力学的現象を開拓するものである 。それによって示されているようにそのような層は独特に絡み合った大きなうず からつくられており、該うずが位置している媒体を混ぜる手段であるうず巻とし て振舞う。なおうずは媒体間に位置している。本発明の本質は、パルスジェット （ｐｕｌｓｅｄ　ｊｅｔ）が、その内部構造が本質的に乱流せん断層によく似て いるプルームを生成するという事実を利用することである。

この目的のためにヘッドスペースに噴射されるジェットの媒体は、 （１）予混合給気機関のばあい、ゼネレータプラグの空隙において燃焼した高濃 度の（ｒｉｃｈ）混合物の不完全燃焼による高温の生成物の流れであり、給気を 構成するシリンダヘッドにおいて圧縮された適切な低濃度の（ｌｅａｎ）空気／ 燃料混合物の燃焼のための試薬として振舞う。“高濃度”とは、空気として供給 された酸素の量が完全に飽和した酸素、すなわち、炭化水素の燃料のばあい、二 酸化炭素および水の分子を生成するのに理論的に充分であるときのいわゆる化合 量論的割合に関する過度の燃料を意味する。“低濃度“とは化学量論的割合に関 する過度の空気を意味する。空隙における好ましい燃料の過度は５０％のオーダ ーである。給気における空気の過度は５０％までであり、好ましくはほぼ等しい 量の再循環された燃焼生成物（排気ガスまたは残留ガス）と結合された約２５％ 過度の空気である。

（２）非予混合給気機関のばあい、試薬を供給するヘッドスペースにおいて圧縮 された高温の空気と接触することによって点火される給気として振舞う燃料の液 滴を運ぶ空気の流れである。

好ましいジェットプルームの機能は次のとおりである。

プルームの中で発生する現象は、燃焼の本質的な過程は給気の試薬との接触で瞬 時に発生しないという事実と関連している。発生熱の過程または熱放出が起こる ためには、誘導過程として知られている準備作用が発生することが必要である。

その過程において給気の媒体と反応物のあいだで分子の混合が拡散によって達成 され、一方連鎖キャリア（ｃｈａｉｎ　ｃａｒｒｉｅｒｓ）として作用する活性 ラジカルの集中は閾値（ｔｈｒｅａｄｓｈｏｌｄｌｅｖｅｌ　）に達し、連鎖分 岐および再結合過程（後者は飽和酸化物を生成する）中に、発熱エネルギーの発 生と関連した最終的な燃焼生成物を案内する。誘導過程に要する時間は、給気と 反応物とが最初に接触する界面と発熱領域とのあいだで物理的な分離を起こすの に充分に長い。プルームを発生するノくルスジエツトによって形成されるような 乱流せん断層において発熱過程がもっとも起こりそうな場所はうずの核である。

なぜならばそれらはもつとも活発な混合に関与しているからである。反応媒体の 組成の適切な制御によって、前記過程は実行されその結果燃焼の開始は発熱過程 と同様にうずの内部で起こり、このシステムの正確な操作を確実にするのである 。

本発明の主要な態様は内燃機関のヘッドスペースにいくつかのブルームを形成す る複数の反応物のジェットを噴射することである。このジェットは、該ジェット によって形成されるブルームの内部で燃焼が完了したときに、前記ブルームがピ ストンが上死点に近づいたときのシリンダのヘッドスペースの実質的な部分を充 満するような空間的分布で噴射される。ジェットの時間的分布は、爆発やノック を起こすことなく最適な圧力上昇を実現するために、適当な継続時間の圧縮行程 の終了付近に外部（マイクロプロセッサ）で制御された時間間隔である。

火炎面の伝ばの自然の過程によって達成される従来の燃焼過程は外部で制御され るシステムによって置き換えられ、それにより燃焼反応は連続的に導入されるパ ルスジェットの乱流プルーム（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｐｌｕ■ｅｓ）の内側のう ず構造の内部で発生する。シリンダのヘッドスペースの全容積は最終的にはその ような複数のブルームで満たされる。こうして火炎面の発達が顕著に抑制される ため、従来の燃焼過程を支配している火炎の正常な燃焼速度は不適切になる。本 発明の燃焼制御方法は、いたるところで燃焼を行うために基本的に流体力学的な うずに頼っているが、微妙に制御された連続的な方法により、ジェットの噴射信 号の時間を外部で調節することによって達成される。こうして燃焼の全過程は適 切な時間間隔内で行なわれ、火炎面の伝ばに要する時間に匹敵する時間内に達成 される。

本発明の目的および利点は次のとおりである。

■、予混合給気（オツトー）エンジンのばあい、大きくスロットルを開放させて 部分負荷操作を実現すること、すなわち空燃比を変動することによりエンジンの 出力を調節し顕著に燃料節約を改善することに加えて、再循環された燃焼生成物 によって薄められた低濃度の混合物によって操作できる可能性、すなわち顕著に ノックを抑制する特徴がもたらされる ２、非予混合給気（ディーゼル）エンジンは、燃焼の発熱過程が起こる前に燃料 と空気とを混合する装置を設けており、それにより汚染物質の形成、とくに煙を 発生する粒子を減少する。

３、最適条件は、パルスジェットによりつくられるブルームを構成する大きいう ず巻状のうず構造によって形成される本質的によくかきまぜられるシステムによ って、化学反応の実行のために確立される。そのうえ、この燃焼モードは、制御 された化学的反応器としての出力の観点から燃焼過程の適切な実行に対して要求 される反応を刺激したり抑制したりするための適切な化学的添加物の導入を助け るものである。すなわち、流出する流れの好ましくない分子の組成を欠いたシス テムである。

４、あらゆる種類の燃焼の不安定性、とくにノックを起こす傾向は効果的に抑制 される。この特性はエンジンを多種類の燃料に対して耐性をもたせるという燃料 の独立性を促進させる。

予混合給気またはオツトーエンジン 前述のとおり、本発明は一般的に内燃機関に適用できる。その主要な着想は、給 気中を通過する火炎に頼る代わりに、ゼネレータプラグの空隙中の高濃度混合物 の燃焼によって生成され、かつシリンダのヘッドスペースの異なった部分に向け られる、複数の燃焼ガスのジェットによってつくり出される乱流ブルームの内部 で燃焼過程が実行される。そのようなジェットゼネレータの詳細については以下 に述べるが、エイ、ケイ、オッペンハイム（Ａ、に、Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍ　）　 、ケイ、イー、スチュアー）　（Ｋ、Ｅ。

５ｔｅｖｅｒｔ　）およびケイ、ホム（Ｋ、Ｈｏｍ　）による係属中の特許出願 （発明の名称「予混合給気機関用パルスジェットブルーム燃焼ゼネレータ（Ｐｕ ｌｓｅ　Ｊｅｔ　Ｃｏ５ｂｕｓｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ　ｒｏｒ　Ｐｒｅｍ ｌｘｅｄ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｅｎｇｆｎｅ）Ｊ　）の中でも述べられている。それ は参考のためにここで述べられている。

予混合機関のヘッドスペースの給気は、あだがちそれが多くの領域からなってい るかのごとく概念的に取り扱われている。個々の領域内の燃焼は、その内容物を 完全に消費するブルームによって達成される。その過程の進展は個々のブルーム の大きさおよびジェットゼネレータのタイミングによって制御される。

そのようなブルームの生成用の噴流は、ヘッドスペースに隣接しているか、ある いはヘッドスペースの一部を使った狭い（ｃｏｎｆ　１ｎｅｄ）ブリチャンバ中 の高濃度の空気／燃料混合物の燃焼によって最もよく発生し、前記混合物は代表 的には電気的な火花によって点火される。これらのブリチャンバ内のオリフィス はジェットをヘッドスペースの要求される領域へと導く。オリフィスは、一般的 には、再結合を促進する壁との衝突を最小にすることによって流れ中の活性ラジ カルを保護するために端が尖っている。反応物の点火は狭いブリチャンバ内の圧 力を急速に上昇させ、燃焼により膨張した媒体を、オリフィスを通過する１個ま たは複数の噴流の形をとって要求される方向に追い出す。そしてジェットの流れ は乱流プルームを形成する。ブルームは連続した大きいうず巻型のうず構造から なり、該うず構造は給気の燃料／空気の混合物をその内部に移動させる（吸い込 む）。燃焼はゼネレータプラグのブリチャンバから流れるジェットの高温媒体と の接触による点火によってこれらのうすの内部で発生する。ヘッドスペースにお ける燃焼過程の速度と範囲の制御は、（１）ブリチャンバ内に導かれた反応物の 量および特性、および（２）点火の時間を制御することにより容易に行われる。

好ましい構成はパルスジェット燃焼（ＰＪＣ）ゼネレータの使用を含んでおり、 該ゼネレータは一般的には点火プラグ程度の大きさの装置であり、複数個、たと えば２〜６個がシリンダヘッドのヘッドスペースに螺着される。

そのようなゼネレータはそれぞヘッドスペースの要求される領域へ導く１個また はそれ以上のオリフィスからな〜１立方インチのブリチャンバを形成している。

一般的にブリチャンバの全容積は、ヘッドスペースの最小の容積の約３％から１ ０％のあいだである。個々に制御でき、弁で調節される反応物供給ラインによっ て、好ましい量そして適切な時間で必要な反応物をブリチャンバへ導入すること ができる。また電力源、および必要なときに火花を発生させるための電極が個々 のゼネレータと関連づけられている。ＰＪＣゼネレータは炭化水素および（また は）アルコールと空気との広範囲の混合物を採用することができるが、後者はと くに燃焼生成物の反汚染性のゆえに興味深い。

非予混合給気またはディーゼルエンジン本発明によれば、非予混合給気機関にお ける燃焼過程の制御は、燃焼過程を実行するためのジェットプルームの流体力学 的な構造の特性を利用するのと同様の基本的アプローチによって達成される。シ リンダのヘッドスペースはくり返すが概念的に複数の領域に区分されており、個 々の領域には小さな液滴状に霧化されている液体燃料を運ぶ比較的低い温度の空 気からなるジェットが導かれる。噴流は順にきのこ雲を発生する。そしてプルー ムは連続した乱流のうず巻型のうず構造からなり、ピストンで圧縮された比較的 高温の空気を移動させる（吸入する）。高温の吸入空気との接触で点火が起こり 、結果として燃焼領域はうず構造内部の核の内側に閉じ込められ、グループ燃焼 モードの特徴である噴霧のまわりに火炎の外被（ｆｌａｍｅ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ ）の形成を抑制し、そしてすすの生成を妨げる。

ディーゼルエンジン用の好ましいジェットプルームゼネレータは、エイ、ケイ、 オッペンハイム（Ａ、Ｋ。

Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍ　）およびエイチ、イー、スチュアート（Ｈ，Ｅ。

Ｓｔｅｗａｒｔ　）による係属中の特許出願（発明の名称「非予混合給気機関用 パルスジェット燃焼ゼネレータ（ＰｕｌｓｅｄＪｅｔ　Ｃｏ１Ｉｂｕｓｔｉｏｎ 　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｎｏｎ−Ｐｒｅｍｉｘｅｄ　ＣｈａｒｇｅＥｎ ｇｉｎｅｓ）　Ｊ　）中で詳細に述べられている。これらのプルームゼネレータ は、たとえば約１０μｍまたはそれ以下に高度に噴霧化された（ｈｉｇｈｌｙ　 ａｔｏｓｉｚｅｄ　）燃料の粒子を運ぶ空気ジェットを形成するために、制御で きる弁で調節される加圧空気および燃料供給ラインを採用している。各シリンダ は２〜６個のゼネレータを備えており、そのオリフィスはシリンダヘッドスペー スの隣接する部分に向けられている。燃焼過程の制御はヘッドスペース内に導入 される反応物の量と継続する時間を調節することにより行われる、すなわち圧力 、空気に対する燃料の相対的な比率、およびシリンダへの燃料の液滴と空気の流 れの噴射を起こすビントル弁（ｐｉｎｔｌｅ　ｖａｌｖｅ）の開放時間を調節す ることによって達成される。非予混合給気機関にとって、適切な乱流ブルームを 形成するための駆動力（ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　）は、予混合給気機関の ばあいのゼネレータの空隙における燃焼速度（ｒａｔｅ　ｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉ ｏｎ　）よりはむしろビントル弁の開放作用に支配される圧縮空気の運動量であ る。言い換えれば、ジェット形成のタイミングは、空隙において反応物を点火さ せるための電気的火花の発生のタイミングおよび予混合給気機関用のジェットゼ ネレータ内における前記反応物組成によるよりはむしろシリンダ内にジェットを 通すビントル弁の作用によって機械的に達成される。

図面の簡単な説明 発明の特徴およびその利点は、以下の図面に示された好ましい実施例の記載によ って明らかになるであろう。

図１はシリンダのヘッドスペースの領域にパルスジェットを噴射してえられる、 初期の段階での代表的な乱流プルームを示している。

図２は燃焼の発熱過程の大半が内部で起こったときの、充分にかく拌された反応 器としての機能の終わり付近のプルームを示している。

図３ａおよび３ｂは予混合給気（ガソリンオツトー）機関への本発明の詳細な説 明するものであり、付随したマイクロプロセッサ付の適切なジェット発生システ ムの概略説明図と共に、図３ａは横断面におけるエンジンのシリンダを示し、縦 断面におけるシリンダを示している。

図４８および４ｂは非予混合給気（ディーゼル）エンジンに対する適用を示して おり、付随したマイクロプロセッサ制御装置付の適切なジェット発生システムの 概略説明図と共に、図４ａは横断面におけるエンジンのシリンダを示し、図４ｂ は縦断面におけるエンジンのシリンダを示している。

好ましい実施例の記載 本発明の重要な局面はプルームの流れの構造の性質である。図１に示されるよう な乱流ジェットプルームは、周囲の媒体をその中央に吸引できるという特性を有 している。実験の測定によれば、ひとつのパルスジエ・ノドに対して、最初のジ ェットの質量に対する吸収されるガスの質量の比は１０倍にも達する。

本発明の主要な着想の１つは、従来のように火炎が給気中を動くことにより燃焼 を達成するよりは、むしろノくルスジェットによって生成される乱流ブルームの 内部で燃焼必須の構成要件の一つである発熱過程を発生させるために、この特性 が利用できるということである。発熱の結果、プルームは大きくなり、図２に示 されているように膨張した形状を獲得する。この段階に続いて、さらなる燃焼の 伝ばが、図２のプルームの輪郭部で発生した炎の伝ばにより行われうるが、該伝 ばは他のブルームの介在によって妨げられる。燃焼の全過程は、１つの移動する 火炎（ｔｒａｖｅｒｓｉｎｇ　ｆｌａｍｅ）または１個のブルームによるよりは むしろ引き続いて発生する適切な数のブルームによって行われる。それが本発明 の独特な局面を構成している特徴である。

図１および図２は、空気と燃料の混合物または圧縮加熱された空気からなる媒体 １２を閉じ込めるシリンダ壁１０を概略的に説明しており、ジェット１４はゼネ レータ５１のオリフィスから比較的高速の流出速度で前記媒体１２中に推進され る。図１は、ブルーム１１の形成の早い段階での輪郭を示しており、図２はブル ームの内部における発熱反応が外部境界１３の変形によって明示される膨張を起 こしたのちの、その有益な機能が終わった段階でのブルームを示している。

図１および図２に示すとおり予混合給気システムにおける一連の現象はジェット ブルーム内の燃焼過程で発生するが、それは以下のとおりである。

最初に、オリフィスから出るときに受けるせん断の結果、高温のジェット１４の 媒体は基本的に化学的に不活性す物質として振舞う。モーメンタムパルス（■ｏ ｍｅｎｔｕｓｐｕｌｓｅ）の適切な作動条件下で、ジェットは図１に示すような プルーム１１を形成する。内部では流れの場（ｆｌｏｗＨｅｌｄ）はうずの小塊 （ｖｏｒｔｅｘ　ｎｏｄｕｌｅｓ）または核からなリ、今日ではよく知られた大 きなうず構造の乱流せん断層を示している。内部の再循環パターン（１ｎｔｅｒ ｎａｌｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎ）のおかげで、小塊はうず 巻きとして振舞い、熱および質量の伝達の利点によって、化学反応のための最適 の場所を提供する。実際には、それらはかく拌された反応器と同様の働きをする 。

ブルームの内部で発生する燃焼の発熱過程の領域が発達するにつれて、プルーム の外部境界は図２に示されるように膨張する。その段階では、ブルームが引込ん だ未燃の（ｕｎｂｕｒｎｔ　）媒体は燃焼によって消費されているが、火炎面が ブルームの外面で発生するのに充分な時間がプルームが生じてから経過している 。そのような状況の下でブルームはパフ（ｐｕｆｆ’）になる、すなわち、外部 境界で火炎面の作用の結果として単に成長する雲（ｃｌｏｕｄ　）になる。ジェ ットの影響はこうして本質的に終わり、それが吸引の原動力（ｍｏｔｉｖｅ　ｆ ｏｒｃｅ）としてのジェットの有効な寿命（ａｃｔｉｖｅ　Ｉｌ「ｅ　）である 。

本発明の実際的な実現におけるもっとも重要な点はできるだけプルームの寿命を 延ばすことであり、同時にパフの寿命の長さを最小に減少することである。これ らは、ジェットの性能に影響するパラメータと同様に反応媒体の燃焼によって制 御できる。

予混合給気機関において、外部境界の接触面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　）は、プル ームの外部領域にある燃焼媒体の残存物（ｒｅｌｌａｉｎｄｅｒ　）を通って伝 ばできる火炎面を発生さるかもしれない。しかしながら、給気の組成が消滅限界 にあまりにも近いので、火炎の伝ばを維持できないという事実に加え、この現象 が発生する前にこれらの領域に他のプルームを形成するジェットを噴射するＰＪ Ｃゼネレータを設けることによってこのことは防がれる。こうして燃焼過程は、 従来の内燃機関におけるように火炎の自己伝ば（ｓｅｕ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎ ｇ）によるよりはむしろ一連の連続して活性化されるＰＪＣゼネレータによって 達成される。各ＰＪＣは割り当てられた時間間隔て、および燃焼チャンバの適切 な空間内で自己の仕事を実行する。

図３ａおよび図３ｂは予混合給気機関用の制御された燃焼システムを示している 。この燃焼制御の概念は４サイクルエンジン同様２サイクルエンジンにも適用で きるが、実際的な利点は２サイクルエンジンにおいてより広範囲に実現される。

それは主として炎の形成を妨げるために給気を薄める必要性に対するすぐれた対 策を提供するからである。記載されたエンジンはいくらか進んだエンジンをあら れしているが、本質的には標準的な技術水準の２サイクルエンジンをあられして いる。エンジンそれ自体は本発明を構成するものではない。しかしながらそのよ うなエンジンは本発明による燃焼システムとの組み合せでさきに挙げられたすべ ての特徴を有するであろう。すなわち、燃料の節約を最大にし、汚染物質の放出 を最小にし、かつ燃料の耐性を最適化する、柔軟かつ完全に制御可能な操作がで きるであろう。

図３ａおよび図３ｂに関し、密閉されたクランクケース４５を採用している２サ イクルエンジンの一例としてピストン４１はスコッチョーク式の（ｓｃｏｔｃｈ 　ｙｏｋｅ　ｔｙｐｅ）リンク機構４４を用いて連接棒４２によりクランクシャ フト４３に連結される。ガスによって潤滑されたピストンは、未燃焼の炭化水素 の形成に対するクランクケースオイルの影響を最小にするとともに掃気空気を圧 縮するために、ピストンの下部に密閉されたシリンダスペースを提供している。

吸気口（ａｉｒ　１ｎｌｅｔ　ｐｏｒｔ）　４７はシリンダの底部をピストン圧 縮機（ｐｉｓｔｏｎ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　）として作 用させるために逆流をさえぎるための制御可能なり−ド逆止弁（ｒｅｅｄ　ｃｈ ｅｃｋ　ｖａｌｖｅ）　４Ｂをもっている。排気口４６には前サイクルから保持 され再循された燃焼生成物の一部によって制御されるような熱力学的な状態およ び給気の組成に加え吸入空気量を制御するための可変排気口４９が設けられてい る。従来のインジェクタ５０が圧縮行程の開始時にシリンダ内に燃料を導入する 。

４個のパルスジェットブルーム燃焼ゼネレータ５１はシリンダ壁５２の頂部に設 けられている。その出口オリフィス５５は、予め点火した（　ｐｒｅ−Ｉｇｎｉ ｔｅｄ　）燃料および空気の混合物からなるジェットを継続的にヘッドスペース へ導入してそこでブルームを発生させるように配置されている。前述のように、 エイ、ケイ、オッペンハイムらによる特許出願（発明の名称「予混合給気機関用 のパルスジェットゼネレータ」）は好ましいパルスジェット燃焼ゼネレータシス テムを詳細に記述しており、参考として本明細書中に取り入れられている。

ＰＪＣ発生器を含むエンジンの作動はさまざまな方法で制御されうる。たとえば 、それ自体公知の方法でクランクシャフトと機械的に連動した従来の分配器（ｄ ｉｓｔｒｌｂｕｔｏｒ　）式の制御装置（図示されていない）を設けることがで きる。しかしながら、好ましい制御システムはマイクロプロセッサ技術に基づい ており、図に概略的に描かれている。マイクロプロセッサ５９は、図形６０によ りグラフで描かれているように、クランク角ＣＡおよびシリンダ内の媒体の圧力 Ｐの関数として命令を出ようにプログラムが作られる。機関の状態のデータ人力 ６１は、クランク角符号器（ｃｒａｎｋ　ａｎｇｌｅ　ｅｎｃｏｄｅｒ　）　６ ２および圧力変換器Ｂ３によって継続してマイクロプロセッサに供給される。参 照符号６４は１個または２個以上の代替のセンサ（ａｌｔｅｒｎａｔｅ　５ｅｎ ｓｏｒｓ　）を概略的に示しており、これらは命令信号（ｃｏｍｍａｎｄ　ｓｉ ｇｎａｌ）のプログラムを作るための付加的な指示（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　）を 供給してもよい。すなわちノックのような初期の不安定、もしくは窒素酸化物の ような汚染物質の集中を感知するため、または主センサの故障に対して保護する ための予備用に使われる。

そのようなセンサは火炎の光度やイオン化パルス（ｉｏｎＩｚａｔｉｏｎ　ｐｕ ｌｓｅ）　、ピストンの加速度、熱伝達などを測定できる。

入力データの適切な値でマイクロプロセッサは出力命令６５を出す。とくにこれ らの命令はＰＪＣゼネレータ用の第１および第２の電磁作動式の反応物供給弁５ Ｂ、５７を開閉するための信号、およびＰＪＣゼネレータの空隙での点火用の放 電のための信号からなる。ＰＪＣゼネレータにおける反応物としては、メタノー ルと空気の混合物のような、気体または液体の炭化水素および（または）アルコ ールを用いることができるが、とくに後者は燃焼生成物の耐汚染特性のゆえに好 ましい。原則的にはＰＪＣゼネレータにおいて用いられる燃料の種類は主機関（ ｍａｉｎｅｎｇｉｎｅ　）と独立である。

ＰＪＣゼネレータのブリチャンバに入れられる燃料の量は反応物の供給圧力およ び弁５２．５３が開放している時間の長さに依存する。これらの弁は並列して（ Ｉｎ　ｔａｎｄｅｏ＋　）作動されるように見えるが独立して制御されうる。点 火とジェットの形成を保証するために流出する流れの中に活性種（ｒａｄｉｃａ ｌ　５ｐｅｃｉｅｓ　）を充分な濃度で供給するのに加え、ＰＪＣゼネレータに 適切な燃料−反応物の高濃度の混合物を送出するよう供給ラインの寸法を決める のが好ましい。弁の信号のパルス長（ｖａｌｖｅ　ｓｊｇｎａｌ　ｐｕｌｓｅｌ ｅｎｇｔｈ　）は正しい送出量を決定する。ジェットは、ＰＪＣゼネレータの反 応混合物をプリチャンバ内で点火させることによって形成される。これは出力信 号の命令受信器（ｃｏｍｍａｎｄ　ｓｅｔ　）　８５における燃焼信号に反応し て行われる、プリチャンバでの放電によって達成される。４個のＰＪＣゼネレー タにおいて点火が独立して制御される・　ことに留意すべきである。これはＰＪ Ｃ発生器の作動の好ましいモードは反応ブルームを独立に形成することでありプ リチャンバ内の圧力上昇速度に影響を与え、ピストンに対する最適の運動量移動 率を保証するからである。

受信器６５の他の命令は従来の主燃料インジェクタ５０を作動させる。前述のと おり主燃料はＰＪＣ反応物と異なっていてもよく、通常ガソリン、メタノールま たはそれらの適当な混合物でもよい。この燃焼システムによってえられる信頼で きる制御の観点からは、噴射される燃料の量は一般的に低濃度の混合物、すなわ ち再循環された燃焼生成物と混合される過度の空気からなる希薄物を与える量で ある。

命令受信器における出力信号の他の命令は、残留ガスの再循環量を制御するべく 、空気取り入れと排気の吐出制御４８および４９にそれぞれ関係し、前者はリー ド弁、後者は可変面積ダイアフラム（ｖａｒｉａｂｌｅ　ａｒｅａ　ｄｆａｐｈ ｒａｇｍ　）である。

図４ａおよび図４ｂは非予混合給気またはディーゼルエンジンに適用される燃焼 制御システムの一例を示す。

このシステムは、ケース８１、ピストン８２、ロッド８３、クランクシャフト８ ４、吸気口８５、排気口８６、バイパスダクト（ｂｙｐａｓｓ　ｄｕｃｔ　）　 ８７からなる基本的なエンジンの構成要素がすべて似ているという点で予混合吸 気エンジンの外形に似ている。顕著な相違点は、燃料の発火温度以上に空気を加 熱するために要求される高圧縮比を達成する寸法になっていることと、すべての 燃料が好ましい自発火の瞬間に先だって直ちに噴射されることである。

好ましい制御システムは、また、機関状態を表示する入力データを与えるための 圧力センサ９１、代替センサ９２およびクランク角符号器９３からなる点で似て いる。マイクロプロセッサは、グラフで表した表現９４によって表示されている ように、−組の出力信号１０２を出しているが、そのタイミングおよび継続期間 は機関状態の関数である。

４個のＰＪＣ発生器１０６の組は、ヘッドスペースの異なる領域に向けられるジ ェット１０３を生成するが、出力信号１０２のサブ受信器１１０によって継続的 に作動され、前述のごとき燃焼過程を実行するためのプルーム１０４を形成する ジェット１０３を生成する。すなわちうず構造の内部で燃焼を起こす物質として ブルームの内部に高温の空気が吸入される。

機関シリンダ内のＰＪＣゼネレータの組は、好ましくは２〜６個であり、燃焼過 程に要求されるすべての燃料を導入しなくてはならない。非予混合給気機関用の 好ましいＰＪＣゼネレータはエイ、ケイ、オッペンハイムおよびエイチ、イー、 スチュアートによる特許出願（発明の名称「予混合給気機関用パルスジェット燃 焼ゼネレータ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｊｅｔ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｇｅｎｅｒａｔ ｏｒ　ｒｏｒ　ＰｒｅｍｉｘｅｄＣｈａｒｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　）　Ｊ　）の 主題であるが、参考として本明細書中にとり入れられている。ゼネレータは本質 的に空気の流れによって運ばれる細く霧化された形で燃料のプルームを形成する 。ゼネレータ１０６は燃料ライン１０７を介して燃料を受けとる。一方、噴射に 要求される高圧空気はシリンダから引き出され、冷却され圧力が増大されて管１ ０８を通って導かれる。噴射はチャンネル１１０を通って受けとられる信号に反 応して、電磁的に制御されたニードル弁機構によって制御される。

空気の供給圧力は、適切なジェットおよびブルームの形成に要求される高速流を 与えるように調節される。空気の流れの中に燃料をできるだけ細く散乱させるこ とが望ましい。まえに引用された出願の中に開示されている好ましいゼネレータ は、ゼネレータのオリフィス部において高圧の空気流で燃料をせん断することに より充分に微細な液滴を達成しており、これにより燃料は霧化され空気搬送体（ ａｉｒ　ｃａｒｒｉｅｒ　）内部で細い液滴になる。

以上本発明について記載したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく数 多くの変更が可能であることが当業者によって理解されるであろう。それ数本発 明の範囲は以下の請求の範囲によってのみ定められるべきである。

国際調査報告

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関内で反応物の燃焼を行うための方法であって、 １または２以上の前記反応物の少なくとも一部分からなる気体の作動流体を圧縮 し、 少なくとも部分的に前記作動流体を圧縮する所定の時間間隔で、複数のブルーム を形成する条件下で前記反応物の残りからなる複数のジェットを継続的に作動流 体中に噴射し、 ついで前記ブルームの内部で進行する燃焼の発熱過程を開始させる ことからなり、前記ブルームはそれぞれ前記作動流体から反応物を移動させると ともに、該反応物をその内部で混合させる多数のうず構造からなる流体力学的構 造を有しており、前記複数のブルームはそれぞれ前記作動流体を収容する容積の 一部分を占有しており、かつ燃焼の発熱により膨張したときに全ブルームが本質 的のヘッドスペースを完全に占有する方法。
2. ２．前記内燃機関が予混合式であり、前記作動流体が空気と炭化水素燃料からな り、かつ前記ジェットが燃料の燃焼生成物とプリチャンバ内の空気とからなり、 適切なジェットゼネレータブラグ内で、前記うずの内部で燃焼反応を開始させる 試薬として作用する請求項１記載の方法。
3. ３．前記ジェットがガソリンまたはメタノールおよび空気の燃焼生成物である請 求項２記載の方法。
4. ４．機関のシリンダに含まれる前記作動流体中の空気と炭化水素の混合物が過度 の空気により低濃度であり、再循環した燃焼生成物からなる希釈物質と混合され ており、一方前記ジェット生成用に採用させたプラグ内に収容された予燃焼チャ ンバ内の前記燃料と空気との混合は、燃料が高濃度である請求項３記載の方法。
5. ５．前記複数のジェットがジェットの群からなり、各群内のおのおののジェット が同一の予燃焼チャンバから出されることによって同一の群内の他のジェットと 同時に噴射され、前記群が圧縮行程の終了付近での発火のための最適時間での所 定の時間間隔のあいだに独立して噴射される請求項２記載の方法。
6. ６．プラグの数が２から約６個のあいだである請求項２記載の方法。
7. ７．前記内燃機関が非予混合式であり、機関のシリンダに含まれる前記気体状の 作動流体が空気からなり、前記ジェットが圧縮空気の搬送流れの中に与えられる 燃料からなり、前記うずの内部で燃焼反応を開始するための試薬が、機関のシリ ンダ中に含まれておりうずの内部で燃料の燃焼を起こすに充分な温度まで加熱さ れた作動流体である請求項１記載の方法。
8. ８．前記プラグがヘッドスペースの明確に分離した領域へ導入される１から６個 のあいだのジェットを発生する請求項７記載の方法。
9. ９．前記複数のジェットが前記作動流体の最大圧縮付近で適切な時間間隔のあい だ独立して噴射される請求項７記載の方法。
10. １０．前記時間間隔が機関の状態を感知することよって決定される請求項９記載 の方法。
11. １１．前記機関の状態が、ピストンの位置を決定するクランク角、シリンダのヘ ッドスペースの作動物質の圧力、作動物質の温度、作動流体の化学的組成を示す 代表的な化学種の濃度、燃焼の発熱過程中に発生する発光性またはイオン化信号 の１または２以上のパラメータから選択される請求項１０記載の方法。
12. １２．前記機関の状態が最適の燃焼特性を示す所定の機関状態の１組のデータと 比較された機関状態を示す、感知された信号であり、ジェットの形成のための命 令がそれに応じて出される請求項１０記載の方法。
13. １３．ジェットの数が４または８である請求項８記載の方法。
14. １４．前記内燃機関が予混合給気式の２サイクルエンジンである請求項１記載の 方法。
15. １５．前記内燃機関が非予混合給気式の２サイクルエンジンである請求項１記載 の方法。
16. １６．気体状の作動流体が少なくとも１または２以上の反応物からなり、かつピ ストンとシリンダの組合せのヘッドスペース内で圧縮されかつ燃焼される、内燃 機関内で反応物を燃焼させる装置であって、前記ヘッドスペースの別個の領域内 に、前記反応物の残りからなり、前記ヘッドスペースの領域内に多数のうず構造 からなるブルームを形成する液体力学的構造を有する複数のジェットを形成しか つ噴射する少なくとも２つの手段、および 前記ブルーム内に、前記うず内部の反応物のあいだに燃焼反応を開始させる試薬 を導入する手段からなり、前記ブルームは、前記作動流体から反応物を移動させ る多数のうずからなる装置。
17. １７．前記内燃機関が予混合給気式の機関であり、前記作動流体が燃料および空 気の混合物であり、前記ジェットを形成し噴射させるための手段が、前記ヘッド スペースとの流体的に連通しておりかつ前記ジェットを形成するための少なくと も１つの出口のオリフィスを有するプリチャンバと、前記プリチャンバに燃料と 空気を導入する手段と、前記プリチャンバを通して放電を確立するための手段と からなる請求項１６記載の装置。
18. １８．前記プリチャンバに導かれた燃料と空気が高濃度の混合物を構成する請求 項１７記載の装置。
19. １９．前記作動流体と予燃焼室とに燃料を導くための分離した燃料供給システム からなる請求項１８記載の装置。
20. ２０．前記プリチャンバに導かれた燃料がメタノールまたはメタノールとガソリ ンの混合物である請求項１７記載の装置。
21. ２１．前記ヘッドスペースにジェットを噴射する手段の数が２個ないし約６個で ある請求項１７記載の装置。
22. ２２．前記内燃機関が非予混合給気式の機関であり、前記作動流体が空気であり 、前記複数のジェットがピストンの作動行程中にヘッドスペースにおいて燃焼さ れる燃料を本質的にすべて含んでおり、燃焼を開始させる前記試薬が、シリンダ に含まれておりかつ燃料の点火温度を超えてピストンの圧縮により加熱される空 気である請求項１６記載の装置。
23. ２３．前記ジェットを形成し噴射するための手段がジェットを形成するための手 段とヘッドスペースのあいだの燃料の連通を妨害するための弁手段からなり、前 記ジェットを噴射する手段が、高圧の空気流を発生する手段と該高圧空気流に燃 料を散乱させる手段とからなる請求項２２記載の装置。
24. ２４．ジェットが噴射される作動流体の温度を下回る温度にまで燃料と空気を冷 却する手段を含む請求項２３記載の装置。
25. ２５．前記機関が２サイクルエンジンである請求項２３記載の装置。
26. ２６．エンジンの状態を感知しエンジンの状態を表示する信号を出すセンサ、前 記センサ手段に作動的に連結され、前記信号を受信し、該信号を一組の命令信号 に変換するマイクロプロセッサ手段、前記命令信号に作動的に連結され反応する エンジンの操作パラメータを確立する手段をさらに含む請求項１６記載の装置。