(57)【要約】本明細書中に提示する種々の技術は、燃焼室内部の混合を強化して、燃料及び給気ガスから成る局所的に予混合された混合物を形成して、局所的に予混合された混合物の点火及びその後の燃焼中の、スス及び／または他の不所望な排出物の最小限の発生、あるいは発生のないことを可能にすることに関するものである。燃料と給気ガスとの十分な混合を可能にするために、燃料の噴流を、ダクトの内孔を通過するように指向させて、給気ガスを内孔内に引き込んで乱流を発生させて、燃料と給気ガスとを混合することができる。ダクトは、燃料噴射器の先端にある開口部に近接して配置することができる。本明細書中に提示する種々の技術は、圧縮点火（ＣＩ）レシプロエンジン、火花点火（ＳＩ）レシプロエンジン、ガスタービン（ＧＴ）エンジン、バーナー及びボイラー、油井／精製のフレア、等のような多数の燃焼システムにおいて利用することができる。
2019505721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１開口部を具えた燃料噴射器と、
中空管で形成されたダクトと
を具えた燃焼システムであって、
燃料は前記第１開口部を通って燃焼室内に噴射され、
前記ダクトは、前記燃料噴射器の前記第１開口部を出る前記燃料が前記中空管を通って前記燃焼室内に噴射されるように位置合わせされている、燃焼システム。
【請求項２】
前記燃焼システムが圧縮点火レシプロエンジンである、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項３】
前記燃焼システムが火花点火レシプロエンジンである、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項４】
前記燃焼システムがガスタービンエンジンである、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項５】
前記燃焼システムがバーナー装置内に含まれる、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項６】
前記燃焼システムがボイラー装置内に含まれる、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項７】
前記燃焼システムが、可燃性ガスをガス炎動作で燃焼させるように構成された装置内に含まれる、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項８】
燃焼室内で燃料を給気ガスと混合させる方法であって、
燃料噴射器内の開口部を通して燃料を噴射するステップであって、該開口部が前記燃焼室内に配置されているステップと、
前記噴射される燃料をダクト内で前記給気ガスと混合させるステップとを含み、
前記ダクトは、中空管で構成され、前記噴射される燃料が該中空管を通って進むように位置合わせされ、前記燃料が前記中空管を通過して、前記燃料／前記給気ガスの混合物の乱流を前記中空管内に生じさせて、前記燃焼室内に存在する追加的な給気ガスを前記中空管内に引き込み、これにより前記噴射される燃料を前記追加的な給気ガスと混合させる、方法。
【請求項９】
前記燃焼室が圧縮点火レシプロエンジンの一部分を形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼室が火花点火レシプロエンジンの一部分を形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃焼室がガスタービンエンジンの一部分を形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃焼室がバーナー装置内に含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼室がボイラー装置内に含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃焼室が、可燃性ガスをガス炎動作で燃焼させるように構成された装置内に含まれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
第１開口部及び第２開口部を具えた燃料噴射器と、
第１中空管で形成された第１ダクトと、
第２中空管で形成された第２ダクトと
を具えた燃料噴射システムであって、
燃料の第１噴流が前記第１開口部を通って燃焼室内に噴射され、前記燃料の第２噴流が前記第２開口部を通って前記燃焼室内に噴射され、
前記第１ダクトは、前記第１開口部を出る前記燃料の前記第１噴流が前記第１中空管を通って前記燃焼室内に噴射されるように位置合わせされ、
前記第２ダクトは、前記第２開口部を出る前記燃料の前記第２噴流が前記第２中空管を通って前記燃焼室内に噴射されるように位置合わせされている、燃料噴射システム。
【請求項１６】
前記燃料噴射システムが圧縮点火レシプロエンジン内に配置されている、請求項１５に記載の燃料噴射システム。
【請求項１７】
前記燃料噴射システムが火花点火レシプロエンジン内に配置されている、請求項１５に記載の燃料噴射システム。
【請求項１８】
前記燃料噴射システムがガスタービンエンジン内に配置されている、請求項１５に記載の燃料噴射システム。
【請求項１９】
前記燃料噴射システムがバーナー装置内に含まれる、請求項１５に記載の燃料噴射システム。
【請求項２０】
前記燃料噴射システムが、可燃性ガスをガス炎動作で燃焼させるように構成された装置内に含まれる、請求項１５に記載の燃料噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、米国特許出願第１５／３６３９６６号、２０１６年１１月２０日出願、発明の名称”DUCTED FUEL INJECTION”に基づいて優先権を主張し、この米国特許出願は、米国特許仮出願第６２／２７８１８４号、２０１６年１月１３日出願、発明の名称”DUCTED FUEL INJECTION”に基づいて優先権を主張する。また、本願は米国特許出願第１４／７８９７８２号、２０１５年７月１日出願、発明の名称”DUCTED FUEL INJECTION”の一部継続出願であり、この米国特許出願は、米国特許仮出願第６２／０５８６１３号、２０１４年１０月１日出願、発明の名称”DUCTED FUEL INJECTION”に基づいて優先権を主張する。これらの出願の全文を参照することによって本明細書に含める。
【０００２】
政府の関心の陳述
本発明は、サンディア社（Sandia Corporation）と米国エネルギー省との間の契約DE-AC04-94ALS85000の下で開発された。米国政府は本発明における特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
現代の多数のエンジンは、エンジンの各燃焼シリンダー（気筒）が、燃料を燃焼室内に直接噴射するように構成された専用の燃料噴射器を含むように設計されている。こうした「直接噴射式（直噴）」エンジンは、エンジン効率の増加及び排出物の低減に関しては、過去の設計（例えば、キャブレター（気化器））に対するエンジン技術の改良を示し、直接噴射式エンジンは、比較的高レベルの特定の不所望な排出物を生成し得る。
【０００４】
エンジン排気はスス（煤）を含むことがあり、ススは、燃料が多目で酸素が希薄な燃料混合物の燃焼により生じる。ススは、一般にエンジンの燃焼室内に生成される拡散火炎の燃料が多目の領域によって生成される小さな炭素粒子を含む。ススは環境危険であり、米国の環境保護庁（ＥＰＡ：Environment Protection Agency）によって規制されている排出物であり、二番目に重要な気候フォーシング種である（二酸化炭素が最も重要である）。現在、ススは、排気流内の大型で高価なフィルタによって、ディーゼルエンジンの排気から除去される。ＮＯx選択性の触媒還元、ＮＯxトラップ（捕捉器）、酸化触媒、等のような他の燃焼後処理も利用しなければならない。これらの後処理系は、スス／粒子及び他の不所望な排出物の連続的かつ効果的な低減を可能にするように保守しなければならず、従って、初期の機器コスト及びその後の保守の両方の意味で、追加的なコストを燃焼システムに加える。
【０００５】
燃焼技術の焦点は、より希薄な混合物の形で燃料を燃焼させることである、というのは、こうした混合物は、より少量のスス、ＮＯx、及び炭化水素（ＨＣ：hydrocarbon）及び一酸化炭素（ＣＯ）のような他の規制された排出物を生成しやすいからである。１つのこうした燃焼方策は、より希薄なリフト炎（浮上り火炎）燃焼（ＬＬＦＣ：Leaner Lifted-Flame Combustion）である。ＬＬＦＣはススを生成しない燃焼方策である、というのは、およそ２以下の等量比で燃焼が発生するからである。等量比は、実際の燃料対酸化剤の質量比を、化学量論的な燃料対酸化剤の質量比で除算した値である。ＬＬＦＣは、燃焼室内での、燃料と給気ガス（即ち追加的な気相化合物のある空気または追加的な気相化合物のない空気）との局所的混合によって実現することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下は、本明細書中により詳細に説明する主題の簡単な要約である。この要約は、特許請求の範囲について限定的であることを意図していない。
【０００７】
本明細書中には、燃焼室内部の局所的な混合率を、従来の燃焼室の構造／構成に比べて高めるように設計された種々の技術を説明する。高められた混合率を用いて、１つ以上の局所的に予混合された混合物を形成し、これらの混合物は燃料と給気ガスから成り、これにより、形成された混合物は、局所的に予混合された混合物の点火及びその後の燃焼中に、燃焼室内に生成されるスス及び／または他の不所望な排出物を最小限またはゼロにする。燃料と給気ガスとを混合して局所的に予混合された混合物を、このように改善された燃料対給気ガス比（空燃比）の分布で生成することを可能にするために、燃料の噴流（ジェット）を、ダクトの孔を通過するように（例えば、管、中空の円柱の下流へと）指向させることができ、燃料の通過は給気ガスを孔の中に引き込み、これにより孔内に乱流が生成されて、燃料と引き込まれた給気ガスとの混合を増大させる。燃焼室内部の給気ガスは、追加的な気相化合物のある空気または追加的な気相化合物のない空気で構成することができる。
【０００８】
局所的に予混合された混合物の燃焼は燃焼室内で発生することができ、燃焼室内では燃料を適切な可燃性または燃焼性の液体または気体にすることができる。例えば、燃焼室は、（例えば、エンジンブロック内に形成された）シリンダーボア（気筒内孔）の壁面、シリンダーヘッドのフレーム（火炎）デッキ表面、及びシリンダーボア内で往復運動するピストンのピストン冠を含む種々の表面の機能として形成することができる。燃料噴射器はシリンダーヘッド内に装着することができ、燃料は燃料噴射器の先端にある少なくとも１つの開口部を通して燃焼室内に噴射される。燃料噴射器先端にある開口部毎にダクトを位置合わせして、燃料噴射器が噴射する燃料がダクトの内孔を通過することを可能にすることができる。内孔を通って流れる燃料の高速噴流によって局所的に生成される低圧の結果として、給気ガスはダクトの内孔内に引き込まれる。ダクト壁面と燃料噴流の中心線との間の大きな速度勾配によって生成される強い乱流により、この給気ガスは燃料と急速に混合されて、局所的に予混合された混合物の形成を生じさせ、ダクトを出る燃料対給気ガス比の分布は、その後の燃焼室内での点火及び燃焼中に形成されるスス及び／または他の不所望な排出物を最小限またはゼロにする。
【０００９】
１つの好適例では、ダクトがその全長に沿って形成された複数の孔又はスロットを有して、ダクトの内孔に沿った燃料の通過中に給気ガスをダクトの内孔内に引き込むことをさらに可能にする。
【００１０】
１つの好適例では、ダクトを管で形成することができ、管の壁面は互いに平行であり（例えば、中空円筒）、従って、ダクトの第１端（例えば、入口）の内径はダクトの第２端（例えば、出口）の内径と同じである。他の好適例では、管の壁面を非平行にすることができ、これによりダクトの第１端の内径はダクトの第２端の内径と異なる。
【００１１】
これらのダクトは、燃焼室内での用途に適したあらゆる材料、例えば鋼鉄、インコネル（INCONEL）（登録商標）、ハステロイ（HASTELLOY）（登録商標）、等のような金属含有材料、セラミック含有材料、等で形成することができる。
【００１２】
別な実施形態では、燃料噴射器を燃焼室内に挿入する前に、ダクトを燃料噴射器に取り付けることができ、燃料噴射器及びダクトから成るアセンブリは、燃焼室の一部分を形成するように配置される。他の好適例では、燃料噴射器を燃焼室内に配置し、その後にダクトを燃料噴射器またはシリンダーヘッドに取り付ける。
【００１３】
エンジンの動作中には、ダクトの内孔の温度を燃焼室内部の周囲温度よりも低くし、これにより混合物の点火遅れを増加させることができ、そして自己点火前の燃料と給気ガスとの混合を、燃焼室内への燃料の直接噴射に比べてさらに改善することができる。
【００１４】
本明細書中に提示する種々の好適例は、圧縮点火（ＣＩ：compression-ignition）レシプロエンジン（往復機関）、火花点火（ＳＩ：spark ignition）レシプロエンジン、ガスタービン（ＧＴ：gas-turbine）エンジン、バーナー及びボイラー、油井／精製のフレア（炎）、等のような多数の燃焼システムにおいて利用することができる。
【００１５】
以上の要約は、本明細書中に説明するシステム及び／または方法のいくつかの態様の基本的理解をもたらすための簡略化した要約を提示する。本要約は、本明細書中に説明するシステム及び／または方法の広範囲に及ぶ概要ではない。こうしたシステム及び／または方法の主要／重要な要素を識別すること、あるいはこうしたシステム及び／または方法の範囲を線引きすることは意図していない。その唯一の目的は、後に提示す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化した形式で提示することにある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】好適な燃焼室装置の断面図である。
【図２】好適な燃焼室装置を形成するフレームデッキ、バルブ、燃料噴射器、及びダクトを例示する概略図である。
【図３】燃料噴射器及びダクトの配列を具えた好適な燃焼室装置の部分拡大図である。
【図４】円筒形状を有するダクトの概略図である。
【図５Ａ】非平行な辺を有するダクトの概略図である。
【図５Ｂ】砂時計形の外形を有するダクトの概略図である。
【図５Ｃ】漏斗状の外形を有するダクトの概略図である。
【図６】図６Ａは、その全長に沿った複数の孔を含むダクトを例示する図である。図６Ｂは、その全長に沿った複数の孔を含むダクトを例示する図である。図６Ｃは、その全長に沿った複数の孔を含むダクトを例示する図である。
【図７Ａ】燃焼室内に配置された燃料噴射器及びダクトを例示する概略図である。
【図７Ｂ】燃焼室内に配置された燃料噴射器及びダクトのアセンブリを例示する概略図である。
【図８Ａ】３つのダクト及びネジ式取付部を具えた好適な構成を例示する図である。
【図８Ｂ】３つのダクト及びネジ式取付部を具えた好適な構成を例示する図である。
【図８Ｃ】燃料噴射器アセンブリに取り付けたダクトアセンブリの概略図である。
【図８Ｄ】燃料噴射器アセンブリに対するダクトアセンブリの配置を促進するようにフレームデッキに取り付けられたダクトアセンブリの概略図である。
【図９Ａ】ダクトを利用して燃料噴射器の先端における開口部の形成を誘導することを例示する図である。
【図９Ｂ】ダクトを利用して燃料噴射器の先端における開口部の形成を誘導することを例示する図である。
【図１０】局所的に予混合された混合物を、燃焼室内に形成されるスス及び／または他の不所望な排出物が最小限またはゼロになる燃料対給気ガス比の分布で生成する好適な方法を例示する流れ図である。
【図１１】燃料噴射器及び少なくとも１つのダクトを具えたアセンブリを燃焼室内に配置する好適な方法を例示する流れ図である。
【図１２】少なくとも１つのダクトを燃焼室内の燃料噴射器の所に配置する好適な方法の流れ図である。
【図１３】ダクトを利用して先端における開口部の形成を誘導する好適な方法を例示する流れ図である。
【図１４】好適な燃焼室装置内で燃料をダクトに通す構成における燃料／給気ガス混合物の点火を例示する図である。
【図１５】好適な燃焼室装置内のダクトの吐出端に配置された触媒物質によって点火される燃料／給気ガス混合物を例示する概略図である。
【図１６】好適な燃焼室装置内の環上に配置された触媒物質によって点火される燃料／給気ガス混合物を例示する概略図である。
【図１７】好適な燃焼室装置内で、触媒物質で覆われた複数のロッドによって点火される燃料／給気ガス混合物を例示する概略図である。
【図１８】好適な燃焼室装置内で燃料／給気ガス混合物に点火するグロープラグを例示する概略図である。
【図１９】好適な燃焼室装置内で燃料／給気ガス混合物に点火するレーザービームを例示する概略図である。
【図２０】点火アシスト構成要素で燃料／給気ガス混合物に点火する好適な方法を例示する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
詳細な説明
本明細書中には、１つ以上のダクトを利用して、局所的に予混合された燃料と給気ガスとの混合物が燃焼中に形成するスス及び／または他の不所望な排出物を最小限またはゼロにすることに関連する種々の技術を提示する。これらの技術全体を通して、同様な参照番号を用いて同様な要素を参照する。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もたらすために多数の具体的細部を示す。しかし、こうした態様はこれらの具体的細部なしで実施することができることは明らかである。他の例では、１つ以上の態様の説明を促進するために、周知の構造及び装置をブロック図形式で示す。
【００１８】
さらに、「または／あるいは」は、排他的な「または／あるいは」ではなく包含的な「または／あるいは」を意味することを意図している。即ち、特に断りのない限り、あるいは文脈より明らかでなければ、「ＸはＡまたはＢを用いる」は、包含的な順列のいずれをも意味することを意図している。即ち、「ＸはＡまたはＢを用いる」は、次の例：ＸはＡを用いる；ＸはＢを用いる；またはＸはＡ及びＢを共に用いる、のいずれによっても満たされる。これに加えて、本願中及び添付した特許請求の範囲中に用いる要素は、特に断りのない限り、あるいは単数形に指向していることが文脈より明らかでない限り、一般に１つ以上存在するものと考えるべきである。これに加えて、本明細書中に用いる「好適な」は、何物かの例示または例として役立つことを意味することを意図しており、優先／選好を示すことは意図していない。
【００１９】
本明細書中に提示する種々の実施形態は、圧縮点火（ＣＩ）レシプロエンジン、火花点火（ＳＩ）レシプロエンジン、ガスタービン（ＧＴ）、バーナー及びボイラー、油井／精製のフレア、等のような多数の燃焼システムにおいて利用することができる。
【００２０】
図１、２及び３は、ダクト式燃料噴射システムの好適な構成を例示する。図１は、燃焼室アセンブリを切断した断面図であり、この断面図は図２のＸ−Ｘに沿って切断した断面図である。図２は構成２００を例示し、図１の向きＹに見た燃焼室アセンブリ１００の平面図である。図３は構成３００を示し、図１及び２に例示する燃料噴射アセンブリの拡大図である。
【００２１】
図１〜３は、複数の共通の構成要素を集合的に例示し、これらの構成要素を組み合わせて燃焼室１０５が形成される。一実施形態では、燃焼室１０５は略円筒形状であり、この略円筒形状は、エンジン（その全体は図示せず）のクランクケース（クランク室）またはエンジンブロック１１５内に形成（例えば機械加工）されたシリンダーボア１１０内に規定される。燃焼室１０５はさらに、一端（第１端）をシリンダーヘッド１２５のフレームデッキ表面１２０によって規定され、他端（第２端）を、シリンダーボア１１０内で往復運動することができるピストン１３５のピストン冠１３０によって規定される。燃料噴射器１４０はシリンダーヘッド１２５内に装着されている。噴射器１４０は、フレームデッキ表面１２０を通って燃焼室１０５内に突出する先端１４５を有し、これにより燃料を燃焼室１０５内に直接噴射することができる。噴射器の先端１４５は複数の開口部（オリフィス）１４６を含み、これらの開口部を通して燃料を燃焼室１０５内に噴射することができる。各開口部１４６は、特定形状のもの、例えば円形開口部とすることができ、さらに、各開口部１４６は特定の開口径Ｄ３を有することができる。
【００２２】
さらに、燃焼室１０５は、１つ以上のダクト１５０をその内部に配置され、（以下でさらに説明するように）これらのダクトを利用して、噴射器１４０の開口部１４６を通して燃焼室１０５内に噴射される燃料を指向させることができる。燃焼エンジンの従来の動作によれば、吸気バルブ（弁）１６０を利用して、燃焼室１０５内への給気ガスの流入を可能にし、排気バルブ１６５を利用して、燃焼室１０５内に発生する燃焼プロセスの作用として燃焼室１０５内に形成されるあらゆる燃焼生成物（例えば、ガス、スス、等）の排出を可能にする。燃焼室１０５内部の給気ガスは、追加的な気相化合物のある空気または追加的な気相化合物のない空気で構成することができる。
【００２３】
図２は、複数の吸気バルブ１６０及び複数の排気バルブ１６５を例示し、これらは燃焼室１０５内に組み込むことができる。また、図２に示すように、１つ以上のダクトを先端１４５の周りに配置することができ、図４の構成４００によれば、ダクト１５０は管または中空円柱とすることができ、外径Ｄ１を有する外壁１５２、及びダクト１５０の全長を通る内孔１５３を有し、内孔１５３は直径Ｄ２を有する。図４に示すように、ダクト１５０を円筒形状に形成して、外壁１５２の内面１５４と外壁１５２の外面１５５とが平行であり、従って、ダクト１５０の第１端にある第１開口部１５７がダクト１５０の第２端にある第２開口部１５８と同じ直径を有するようにすることができ、例えば第１開口部１５７（例えば、入口）の直径＝Ｄ２＝第２開口部１５８（例えば、出口）の直径である。ダクト１５０の第１端は開口部１４６の最寄りに（近接して、隣接して、接して）配置することができるのに対し、ダクト１５０の第２端は、ダクト１５０の第１端の位置に比べて開口部１４６の遠位に配置される。一実施形態では、本明細書中にさらに説明するように、外壁１５２の厚さをダクト１５０の全長に沿って変化させることができ、これにより、外壁１５２の外面１５５は円柱形であるのに対し、内面１５４はテーパー状（先細り形状）にすることができ、及び／または円錐形状を有することができる。別な実施形態では、ダクト１５０の長さＬをあらゆる所望の長さにすることができる。例えば、ダクト１５０は、開口部１４６の公称直径Ｄ３の約３０倍〜約３００倍、例えば約３０×Ｄ３〜約３００×Ｄ３の長さＬを有することができる。
【００２４】
図３を参照すれば、前述したように、先端１４５が複数の開口部１４６を含んで、燃料１８０の通過（例えば、燃料噴射）を可能にすることができる。初期の燃料１８０がそれぞれの開口部１４６を通過する際に、噴射器１４０を通って流れる燃料１８０の初期体積から、先端１４５に配置された開口部１４６の数及びサイズに応じた複数の燃料の噴流１８５を形成することができる。噴射される燃料１８５の噴射の向きは、図３上に示す中心線
（外１）
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によって表すことができる。従って、ダクト１５０を燃料の噴流１８５の中心線と同列に（例えば同軸に）位置合わせして、燃料の噴流１８５が開口部１４６から出てダクト１５０の内孔１５３を通過するようにすることができる。図３及び４によれば、ダクト１５０の第１（近位）端１５７をそれぞれの開口部１４６に近接して配置することができ、第１端１５７は、ダクト１５０の第１端と開口部１４６との間にギャップＧが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（遠位）端１５８を燃焼室１０５内に配置して、ダクト１５０が先端１４５から燃焼室１０５内に延びるようにすることができる。
【００２５】
前述したように、燃料が多目の燃料と給気ガスとの混合物を燃焼させる状況ではススが発生することがあり、このことは不所望である。従って、およそ２以下の等量比を有する燃料／給気ガス混合物を有することが望ましい。燃料のそれぞれの噴流１８５がそれぞれのダクト１５０の内孔１５３を通って進む際に、ダクト１５０の内部に圧力差が発生し、これにより燃焼室１０５内の給気ガスもダクト１５０内に引き込まれる。（流速がゼロである）ダクト内孔１５３と（流速が大きい）燃料噴流１８５の中心線との間の高い速度勾配によって生成される強い乱流により、給気ガスは急速に燃料１８５と混合される。こうした乱流状態は、燃料の噴流１８５と引き込まれた給気ガスとの混合の比率を高めることができ、内孔１５３における燃料１８５と給気ガスとの混合の度合いを、従来の構成において発生する混合の度合いよりも高くすることができ、従来の構成では、燃料の噴流１８５を、給気ガスの入った燃焼室１０５内にダクトを通過させずに単純に噴射する。従来の構成については、燃料の噴流１８５は、構成１００により燃料の噴流１８５をダクト１５０に通すことによって可能になるよりも少量の、乱流による給気ガスとの混合を施される。
【００２６】
図３によれば、燃料の噴流１８５の領域１８６では、燃料の噴流１８５が燃料が多目の混合物を大量に含むのに対し、燃料の噴流１８５の領域１８７では、燃料の噴流１８５が引き込まれた給気ガスとの混合を施されており、領域１８７では、領域１８６の燃料が多目の混合物に比べて局所的により予混合された混合物が生じる。従って、図１〜４に提示する構成１００によれば、燃料１８５と給気ガスとの高度な混合がダクト１５０内に発生して、局所的に予混合された燃料／給気ガス混合物を、燃料対給気ガス比の１つの分布でもたらし、この混合物の点火及び燃焼時に（例えば、ピストン１３５の動きによる圧縮加熱により）従来の構成により実現されるよりも少量のスス及び／または他の不所望な排出物を生じさせる。領域１８７における「十分に希薄な」混合物は、０〜２の等量比を有することができるのに対し、領域１８６における「過度に多目の」混合物は、２よりも大きい等量比を有する混合物である。
【００２７】
一実施形態では、ダクト１５０の内孔１５３の直径Ｄ２を、ダクト１５０の第１端１５７が近接するそれぞれの開口部１４６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２倍大きくすることができ、Ｄ２はＤ３よりも約５０倍大きくすることができ、Ｄ２はＤ３よりも大きい任意の大きさの直径を有することができ、例えば、Ｄ３よりも約２倍大きい値〜Ｄ３よりも５０倍大きい値の範囲内で選択した大きさを有することができる。
【００２８】
図３に示すように、ダクト１５０はフレームデッキ表面１２０に対して整列させることができ、ダクト１５０とフレームデッキ表面１２０との整列の角度はθ°である。θは任意の所望値とすることができ、０°（例えば、ダクト１５０がフレームデッキ表面１２０によって形成される平面Ｐ−Ｐに平行に整列する）から任意の所望値までの範囲であり、ダクト１５０は燃料の噴流１８５の進行の中心線
（外２）
2019505721.tif 000004
に合わせて整列させることができる。一実施形態では、燃料の噴流１８５が燃料噴射器１４０の開口部１４６からフレームデッキ表面１２０、平面Ｐ−Ｐにほぼ平行な方向に出て、ダクト１５０も平面Ｐ−Ｐにほぼ平行に整列させることができる。ダクト１５０の整列についての考慮事項は、ピストン１３５の往復運動、吸気バルブ１６０、及び排気バルブ１６５との干渉であり、例えば、ダクト１５０はピストン冠１３０、吸気バルブ１６０、または排気バルブ１６５と接触しないように整列させるべきである。
【００２９】
図４は、ダクト１５０を、円筒形状を有し、壁面１５２の外表面１５５が内面１５４に平行である（例えば、内孔１５３が全体を通して一定の直径Ｄ２を有する）ものとして例示しているが、ダクト１５０はあらゆる所望の断面で形成することができる。例えば、構成５００では、図５Ａに例示するように、ダクト５１０を、テーパー状である外壁５１５を有するように形成して、ダクト５００の第１端にある第１開口部５２０（例えば、入口）が直径Ｄ４を有し、直径Ｄ４は、ダクト５１０の第２端にある第２開口部５３０（例えば、出口）の直径Ｄ５と異なる。構成５００は、直円錐の中空の錐台であるものと考えることができる。他の構成５５０では、図５Ｂに例示するように、ダクト５６０を、「砂時計」形の外形を有する外壁５６５を有するように形成することができ、ダクト５６０の中心部分は、第１端及び第２端のそれぞれ直径Ｄ７（第１開口部）及びＤ８（第２開口部）よりも狭い直径Ｄ６を有することができる。なお、第１開口部の直径Ｄ７は第２開口部の直径Ｄ８と同じ直径を有することができ、またはＤ７＞Ｄ８，あるいはＤ７＜Ｄ８とすることができることは明らかである。これに加えて、図示を簡単にするため、図５Ａ〜Ｃに示すダクト壁は直線を具えるが、これらの壁面の外形は区分された曲線で生成することもできることは明らかである。別な構成５７０では、図５Ｃに例示するように、ダクト５８０を「漏斗状の」外形を有する外壁５８５を有するように形成することができ、中心部分の直径Ｄ９は、ダクト５８０の第１端にある第１開口部の直径Ｄ１０と同じであるのに対し、直径Ｄ９は、ダクト５８０の第２端にある第２開口部の直径Ｄ１１よりも小さい。その代わりに、ダクト５８０は開口部１４６に対して向きを変え、直径Ｄ１１を有する開口部を開口部１４６の所に配置して、噴流１８５の通路を、直径Ｄ１０を有する開口部から出る前に狭窄することができる。本明細書中には記載していないが、本明細書中に提示する１つ以上の実施形態によれば、他のダクト形状を利用することができることは明らかである。
【００３０】
さらに、図６Ａ〜Ｃに示すように、ダクトの管状壁面は、当該壁面内に形成された少なくとも１つの孔（目打ち、開口部、オリフィス、スロット）を有して、ダクトを通る燃料の通過中に給気ガスのダクト内への進入を可能にすることができる。図６Ａの構成６００によれば、ダクト６１０を例示し、ダクト６１０は、ダクト６１０の側面に形成され壁面６２０を通って内孔６３０内に延びる複数の孔Ｈ1〜Ｈnを有して製造され、ここにｎは正の整数である。なお、図６Ａはダクト６１０の壁面６２０内に形成された５つの孔Ｈ1〜Ｈnを提示しているが、任意数の孔及びそれぞれの配置を利用して、給気ガスの引き込み、及びその後の給気ガスとダクト６１０を通過する燃料との混合を可能にすることができる。孔Ｈ1〜Ｈnは、あらゆる適切な製造技術で、例えば従来の穿孔、レーザー穿孔、放電加工（ＥＤＭ：electrical discharge machining）で形成することができる。
【００３１】
図６Ｂの構成６０１はダクト６１０の断面図であり、燃料の噴流６８５が噴射器の先端１４５にある開口部１４６から噴射されてダクト６１０の内孔６３０を通る様子を例示する。燃料の噴流６８５は最初は燃料が多目の領域６８７を含む。しかし、給気ガスが内孔６３０内に引き込まれる際に、（前述したように）燃料６８５と給気ガスとの混合が発生し、これにより領域６８８は、局所的に予混合された混合物を、燃料対給気ガス比の１つの分布で含み、その後の燃焼中に「十分に希薄な」混合物の燃焼が、スス及び／または他の不所望な排出物の最小限の発生で、あるいは発生なしに行われる。図示するように、構成６０１については、ダクト６１０の第１端６１１と先端１４５との間の分離は存在せず（例えば、ギャップＧなし）；ダクト６１０の第１端が開口部１４６に接する。構成６０１については、内孔６３０内への給気ガスの進入を、ダクト６１０の第１端６１１と先端１４５との間にギャップがないことによって不可能にしつつ、孔Ｈ1〜Ｈnをダクト６１０内に含めることは、給気ガスが孔Ｈ1〜Ｈnを通って内孔６３０内に引き込まれることを可能にして、局所的に予混合された噴流６８５の形成を可能にする。ダクト６１０は先端１４５に直交して（例えば、
（外３）
2019505721.tif 000005
に平行に）整列しているように図示しているが、ダクト６１０を先端１４５（及び開口部１４６）に対して任意の角度に位置決めして、ダクト６３０を通る燃料の噴流６８５の流れを可能にすることができる。
【００３２】
図６Ｃは代案の構成６０２を提示し、ここではダクト６１０の第１端６１１が先端１４５及び開口部１４６に近接して配置され、ダクト６１０の第１端６１１を先端１４５から分離するギャップＧを伴う。ギャップＧは、追加的な給気ガスがダクト６１０に引き込まれて、給気ガスが孔Ｈ1〜Ｈnを通って内孔６３０内に引き込まれる給気ガスを補うことを可能にする。
【００３３】
本明細書中の種々の実施形態によれば、複数のダクトを噴射器の先端１４５に近接して配置することができ、これにより複数のダクトを噴射器の先端１４５に取り付けることができ、噴射器の先端１４５とダクトのアセンブリをシリンダーヘッド１２５／フレームデッキ表面１２０内に位置決めして燃焼室を形成することができる。例えば、図７Ａ及び７Ｂに例示する構成７００によれば、ダクト１５０をスリーブ７１０（シュラウド）または同様な構造に取り付けることができ、スリーブ７１０等は燃焼器１４０と共に支持ブロック７２０内に内蔵することができる。シリンダーヘッド１２５は開口部７３０を含むことができ、支持ブロック７２０、噴射器１４０、スリーブ７１０及びダクト１５０は、図７Ｂによれば、燃焼室１０５を形成するための噴射器１４０及びダクト１５０の配置を可能にするように、フレームデッキ表面１２０（平面Ｐ−Ｐ）に対して位置決めすることができ、それぞれのダクト１５０を、噴射器１４０のそれぞれの開口部１４６に対して配置して、燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５）が内孔１５３を通過することを可能にすることができる。
【００３４】
他の実施形態では、噴射器の先端を既にフレームデッキ内に配置しておくことができ、その後にダクトを噴射器の先端に取り付けることができる。図８Ａ及び８Ｂの構成８００に示すように、ロケーターリング８１０は複数のダクト１５０を取り付けられている。ロケーターリング８１０は、当該ロケーターリング８１０を取り付ける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をネジ切りして、ダクト１５０のそれぞれをコネクタ８１７によって取り付けることができる。図８Ｃの構成８５０に示すように、ロケータリング８１０、及びダクト１５０は、噴射器１４０と組み合わせて組み立てることができる。噴射器１４０を組み込んだスリーブ８２０または同様な構造は取り付け手段をさらに具えることができ、この取り付け手段は、ロケータリング８１０の取り付けメカニズムを補完する。例えば、スリーブ８２０はネジ切りされた端部８２５を含むことができ、このネジ切り上にロケーターリング８１０をネジ止めすることができ、それぞれのダクト１５０を噴射器１４０のそれぞれの開口部１４６に対して配置して、燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５）が内孔１５３を通過することを可能にすることができる。
【００３５】
なお、噴射器の先端１４５の周りに配置されるダクト１５０の数は（例えば、先端１４５にある開口部１４６の数に応じた）所望の任意数Ｎとすることができ、ここにＮは正の整数である。従って、図２は６つのダクト１５０を具えた構成２００を例示しているのに対し、図８Ａ及び８Ｂは３つのダクト１５０を具えた構成８００を例示し、これらのダクト１５０は、噴射器の先端１４５にある３つの開口部１４６に対して位置決めされている。
【００３６】
別な実施形態では、ダクトを、直接、あるいはロケーターリングまたは他の取り付け用のメカニズムを介してフレームデッキに取り付けることができる。図８Ｄの構成８６０に示すように、ロケーターリング８７０は複数のダクト１５０を取り付けられている。ロケーターリング８７０は、当該ロケーターリング８７０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８７０の外表面をネジ切りして、ダクト１５０のそれぞれをコネクタ８１７によって取り付けることができる。ネジ切りした外表面を、フレームデッキ表面１２０内に延びるネジ山に（例えば、位置８７５で）取り付けて、噴射器１４０の先端１４５にあるそれぞれの開口部１４６に対するそれぞれのダクト１５０の配置を促進することができる。なお、ダクト１５０をフレームデッキに取り付ける他の方法を利用することができることは明らかである。一例では、ダクト１５０を、例えばネジを用いることによって個別にフレームデッキ１２０に取り付けることができる。他の例では、ロケーターリング１８０を、例えば溶接によって位置８７５でフレームデッキ１２０に取り付けることができる。
【００３７】
１つの態様では、ダクト内孔内での燃料と給気ガスとの混合を最大にするためには、燃料噴射器内の開口部から燃料を発射する方向を内孔の中心線と正確に一直線に合わせることが有益であり得る。こうした正確な一直線の整合を実現するために、内孔を利用して開口部の形成を手助けする。こうしたやり方を図９Ａ及び９Ｂに示す。図９Ａに例示するように、ダクト１５０は（例えば、図７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂ、８Ｃを参照して説明したように）ダクト１５０の第１端１５７が（例えば、ギャップＧが存在せずに）噴射器の先端１４５に接するように位置決めされる。ダクト１５０は、フレームデッキ表面１２０の平面Ｐ−Ｐを基準として所望の角度θ°で整列し、かつ燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５、６８５）が進む所望の進行の中心線
（外４）
2019505721.tif 000006
に対して整列する。
【００３８】
ダクト１５０を所望通りに位置決めして、開口部１４６を先端１４５に形成することができる。一実施形態では、開口部１４６を放電加工（ＥＤＭ）によって形成することができるが、あらゆる適切な製造技術を利用して開口部１４６を形成することができることは明らかである。図に示すように、ダクト１５０を利用して、ＥＤＭ操作を所望の角度で実行することを可能にすることができ、例えば、ダクト１５０を利用して、ツールピース（例えば、ＥＤＭ電極）をある角度に導いて、燃料の噴流が進行の中心線
（外５）
2019505721.tif 000007
の方向に流れることを可能にするように位置合わせされた開口部の形成を可能にすることができる。なお、図９Ａ及び９Ｂは、噴射器の先端１４５に接したダクトを示し、さらに、ダクト１５０の全長に沿った開口部はないが、他の構成を（例えば、図１〜８Ｃに示した種々の構成のいずれをも）利用することができることは明らかである。例えば、ダクト１５０の第１端１５７を噴射器１４０の先端１４５に近接して、例えばギャップＧを間において位置決めすることができる。別な例では、ダクト１５０が１つ以上の孔（例えば、孔Ｈ1〜Ｈn）を、その全長に沿って含むことができる。他の例では、構成７００または８５０のいずれかにより、ダクト１５０を噴射器の先端１４５に近接して取り付けることができる。
【００３９】
ダクト１５０は、燃焼室における用途に適したあらゆる材料、例えば、鋼鉄、インコネル（INCONEL）（登録商標）、ハステロイ（HASTELLOY）（登録商標）、等のような金属含有材料、セラミック含有材料、等で形成することができる。
【００４０】
なお、本明細書中に提示する種々の実施形態は、あらゆる種類の燃料及び酸化剤（例えば、酸素）に適用可能であることは明らかであり、こうした燃料は、ディーゼル、ジェット燃料、ガソリン、原油または精製油、石油蒸留物、炭化水素（例えば、直鎖、分岐、または環状アルカン、芳香族化合物）、過酸化物（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（生物）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、等、あるいはそれらの混合物を含むことができる。
【００４１】
さらに、本明細書中に提示する種々の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）を参照して説明してきたが、これらの実施形態は、直噴エンジン、他の圧縮点火エンジン、火花点火エンジン、ガスタービンエンジン、工業用ボイラー、あらゆる燃焼駆動システム、等に適用可能である。
【００４２】
さらに、並びにススの発生を低減するに当たり、本明細書中に提示する種々の実施形態は、他の不所望な燃焼生成物の排出物を低下させることもできる。例えば、燃焼中に、燃料対給気ガス比の適正な分布を有する局所的に予混合された混合物を、ダクトの内孔（例えば、ダクト１５０の内孔１５３）の出口またはその下流に用意する場合に、酸化窒素（ＮＯ）、窒素及び酸素を含む他の化合物、未燃炭化水素（ＨＣ）、及び／または一酸化炭素（ＣＯ）の排出物を低下させることができる。
【００４３】
図１０〜１３及び２０は、局所的に予混合された混合物を、燃料対給気ガス比の１つの分布で形成して、燃焼中に形成されるスス及び／または他の不所望な排出物を最小にすることに関係する好適な方法を例示する。これらの方法は、順に実行される一連の動作であるものとして説明しているが、これらの方法はこの順序によって限定されないことは明らかに理解される。例えば、一部の動作は、本明細書中に説明するのとは異なる順序で発生することができる。これに加えて、ある動作は他の動作と同時に発生することができる。さらに、一部の例では、本明細書中に説明する方法を実現するために、必ずしもすべての動作を実現する必要はない。
【００４４】
図１０に、燃焼の前に燃料の混合を増加させる方法１０００を例示する。ステップ１０１０では、ダクトを、燃料噴射器の先端にあるオリフィスに近接して配置し、及び／または位置合わせする。ダクトは中空管にすることができ、外壁によって形成された内孔を有する。前述したように、ダクトの内孔を通して燃料を指向させることによって、給気ガスがダクト内に引き込まれて乱流混合が発生して、局所的に予混合されてダクトを出る混合物の発生を生じさせ、この混合物は燃焼中にスス及び／または他の不所望な排出物を最小限に形成するか形成しない。さらに上述したように、複数の孔を外壁内に形成して、追加的な給気ガスを燃焼室から引き込むことを促進して、局所的に予混合された混合物を、燃料対給気ガス比の分布を改善して形成することを促進することができる。
【００４５】
ステップ１０２０では、燃料噴射器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内孔内に入る。燃料がダクトを通過することは、燃料を内孔内に引き込まれる給気ガスと混合させて、混合のレベルが、局所的に予混合された所望の混合物を、燃料対給気ガス比の分布を改善して形成することを可能にする。
【００４６】
ステップ１０３０では、改善された燃料対給気ガス比の分布を有してダクトを出る、局所的に予混合された混合物に、燃焼エンジンの動作の機能として点火を行うことができる。局所的に予混合された混合物の点火は、従来の燃焼エンジンまたは装置において利用される「（燃料が）多過ぎる」混合物の燃焼により形成されるより大量の不所望な排出物に比べて、無視できるススを形成するかススを形成しない。
【００４７】
図１１に、少なくとも１つのダクトを燃料噴射器に配置して燃焼室内に組み込む方法１１００を例示する。ステップ１１１０では、少なくとも１つのダクトを、燃料噴射器の先端にある開口部に近接して配置することができる。一実施形態では、燃料噴射器をスリーブ内に配置してアセンブリを形成して、燃料噴射器の先端がスリーブの第１端から突出するようにすることができる。上記少なくとも１つのダクトを、スリーブと整列するようにスリーブの第１端に取り付けて、これにより、燃料の噴流が燃料噴射器のそれぞれの開口部を通過すると、燃料の噴流はダクト内の内孔を通過する。上記少なくとも１つのダクトは、あらゆる適切な技術、例えば溶接、機械的取り付け、等によって第１スリーブの端に取り付けることができる。
【００４８】
ステップ１１２０では、燃料噴射器、スリーブ、及び少なくとも１つのダクトから成るアセンブリを、シリンダーヘッド内の開口部内に配置して、燃料噴射器の先端及び少なくとも１つのダクトを、シリンダーヘッドのフレームデッキ表面の平面Ｐ−Ｐに対して所望通りに位置決めすることを可能にし、シリンダーヘッドのフレームデッキ表面はさらに燃焼チャンバの一部分を形成する。
【００４９】
図１２に、少なくとも１つのダクトを、燃焼室内に内蔵された燃料噴射器上に配置する方法１２００を例示する。ステップ１２１０では、燃料噴射器をシリンダーヘッド内の開口部内に配置して、燃料噴射器の先端を、シリンダーヘッドのフレームデッキ表面の平面Ｐ−Ｐに対して所望通りに位置決めすることを可能にする。シリンダーヘッドは、ピストン冠及びシリンダーボアの壁面と組み合わせて燃焼室を形成する。
【００５０】
ステップ１２２０では、少なくとも１つのダクトを、燃料噴射器の先端に取り付けるか近接させて、少なくとも１つのダクトを、噴射される燃料の進行方向に対して配置し、及び／または位置合わせすることができ、燃料は、燃料噴射器の先端にある各開口部から各ダクトに対して噴射される。
【００５１】
図１３に、ダクトを利用して、燃料噴射器の先端における開口部の形成を誘導する方法１３００を例示する。ステップ１３１０では、ダクトを燃料噴射器の先端に配置し、ダクトは先端に接するように位置決めすることができ、あるいはダクトの第１端（近位端）との間にギャップＧをおいて位置決めすることができる。ダクトは、燃料が燃料噴射器から燃焼室内に取り出される方向に応じて位置合わせすることができ、例えば、ダクトは燃焼室のフレームデッキ表面の平面Ｐ−Ｐを基準とした角度θ°に位置合わせすることができる。
【００５２】
ステップ１３２０では、開口部を燃料噴射器の先端に形成することができる。前述したように、ダクトを利用して開口部の形成を誘導することができる。例えば、開口部をＥＤＭによって形成する場合、ダクトの内孔を利用して、燃料噴射器の先端に開口部を形成する位置までＥＤＭ電極を導くことができる。開口部の形成は、その後に、標準的なＥＤＭの手順により行うことができる。従って、開口部は所望位置に形成され、例えばダクトの内孔の外形を形成する円の中心を中心として形成される。また、開口部の壁面を、例えば中心線
（外６）
2019505721.tif 000008
に平行に整列させて、ダクトの内孔に沿って噴射される燃料の噴流が、内孔内の中心に位置決めされて、燃焼室内に引き込まれる燃料と給気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。
【００５３】
ススの白熱の測定に関する実験を行い、ススの白熱は、ダクトを用いて燃料を燃焼室内に噴射した際にＬＬＦＣが実現されたか否かを示す。この実験ではＬＬＦＣが実現され、例えば、ススを形成しない化学反応が燃焼事象全体を通して維持された。ＯＨ*化学発光（ケミルミネッセンス）を利用して火炎のリフトオフ長（例えば、燃料噴射器の開口部（オリフィス）と自己点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の内部に発生する際に生成され、エンジンの大部分の上流位置は、噴射器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を示す。
【００５４】
【表１】
2019505721.tif 000009
【００５５】
自由に伝搬する噴流（「自由噴流」）の火炎が高いスス白熱信号を示すベースライン（基準値）が観測され、定位置のダクトなしでは大量のすすが生成されたことを示している。次に、ダクトを通る噴流の燃焼を検討した。複数のダクト径及びダクト長をテストし、これらは約３mm、約５mm、及び約７mmのダクト内径、及び約７mm、約１４mm、及び約２１mmのダクト長を含む。
【００５６】
こうしたダクトを通る噴流の実験をその後に行い、上記で基準とした自由噴流と同一の撮像条件及び同様な動作条件を用い、３mmの内径×１４mmの長さのテーパーなしの鋼鉄ダクトを噴射器から約２mm下流に（例えばギャップＧ＝約２mmで）位置決めした。ススの白熱信号はほとんど飽和を示さず、このことは、あるとしても最小のススが生成されたことを示している。ダクト後の火炎は、燃焼室を軸方向に横切って移動する際に、ベースラインの実験における自由噴流の火炎ほど広がらなかった。中心線
（外７）
2019505721.tif 000010
を中心とする燃焼の火炎は、（前述したように）ダクトによって生じた混合と、さらにはダクトの熱伝達の機能との組合せにより生じた。ダクトは、燃焼室内の環境条件（例えば、９５０K）よりも低い温度で動作し、従って、ダクトは、噴射される燃料が、自由噴流の火炎にもたらされるよりも低温の環境内を進むことを可能にした。
【００５７】
ダクトを通る燃料の流動中に発生する乱流の度合いは、ダクトの内孔内の条件についてレイノルズ（Reynolds）数（Ｒｅ）を決定することによって計算することができる。次式１による：
【数１】
2019505721.tif 000011
ここに、ρは周囲密度、Ｖは速度、Ｌはダクト径、及びμは動粘性係数である。速度Ｖは次式２により計算した：
【数２】
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ここに、ｐinjは燃料噴射圧であり、ｐambは周囲圧力であり、ρfは燃料の密度である。動作条件を式１及び２に適用して、少なくとも１×１０4のレイノルズ数が生成され、乱流条件がダクト内に存在することを示している。
【００５８】
上述したように、ダクト１５０を通る燃料の噴流１８５の乱流は、燃料の噴流１８５を、例えば、噴射される燃料の噴流１８５の高速度によって確立されるダクト入口付近の局所的低圧の結果としてダクト１５０の外部から（例えば、ギャップＧ及び／または孔Ｈ1〜Ｈnを通して）引き込まれた給気ガスと混合させる。ダクト１５０内に確立される乱流混合速度は、ダクト内の速度勾配の関数であるものと考えることができ、この速度勾配は、所定の軸位置における中心線の流体速度を、この所定の軸位置におけるダクト径で除算した値におよそ比例する。
【００５９】
本明細書中に提示する種々の実施形態は、多数の燃焼装置用途において利用することができ、これらの燃焼装置は、圧縮点火（ＣＩ）レシプロエンジン、火花点火（ＳＩ）レシプロエンジン、ガスタービン（ＧＴ）エンジン、バーナー及びボイラー、油井／精製のフレアを含むことができる。
【００６０】
図１４は、燃料と給気ガスとの混合物の点火の概略図１４００を提示する。図１４に示すように、燃料噴射器１４１０は軸１４１５に沿ってダクト１４２０と軸方向に整列し、燃料１４３０が給気ガスＣＧと混合されて燃料／給気ガス混合物１４４０を形成する。ダクト１４２０の第１端（近位端）１４５０は燃料噴射器１４１０に近接して配置され、ダクト１４２０の第２端（遠位端）１４６０は燃料噴射器１４１０から遠位に配置される。燃料／給気ガス混合物１４４０が、その後に（本明細書中に提示する種々の実施形態により）遠位端１４６０から燃焼室内に吐出される。燃料／給気ガス混合物は、位置１４７０で点火されて火炎１４８０を形成し、位置１４７０は、ダクトが配置された燃焼室の構成、燃料の種類、利用する点火技術（例えば、グロープラグ、スパークプラグ、圧縮に基づく点火）等のような要因に依存し、位置１４７０はダクト１４２０の遠位端１４６０から距離Ｄ１２の所にある。前述したように、ダクト１４２０を燃料の噴流１４３０の周りに配置することを利用して、点火前の燃料／酸化物の混合の度合いを高めて最適化して、より低量の排出物、より高い燃焼効率、及び改善された火炎安定性を生じさせることができる。１つの態様では、燃料／給気ガス混合物１４４０の点火を、ダクト式燃料噴射技術を利用中の特定のエンジンの動作にとって望ましい瞬時よりも遅い瞬時に発生させることができる。好適な実施形態では、遅延した点火が、エンジンにおける有害な動作効果、例えばダクト式燃料噴射技術を利用しないエンジンに比べて増加した騒音をもたらすことがある。フレームホルダー（火炎保持器）１４７５を、図１４に提示するシステムの一部分として利用することができる。
【００６１】
前述したように、本明細書中に提示する種々の実施形態はＣＩレシプロエンジンに利用することができ、ここでは、＜２の等量比を有する燃料と給気ガスとの混合物が点火時に実現されてススの形成を防止するように、ダクト（例えば、ダクト１５０、１４２０）を位置決めする／整列させることができる。さらに、＜１の燃料／給気ガスの混合比を有するダクト構成については、窒素酸化物（ＮＯx）の排出も低下させることができ、燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５、１４３０）の側部に過混合が発生することをダクト（例えば、ダクト１５０、１４２０）が防止する範囲内で、ＨＣ及びＣＯの排出も低下させることができる。より低量のスス、ＨＣ、及びＣＯは、より高い燃焼効率に相当する。（例えば、図２により）説明したように、１つ以上の燃料ダクトを燃焼室内に配置して、ＣＩエンジンの性能を高めて、高価な排気ガス後処理システムの必要性を低減することができる。種々の実施形態は、例えば液体燃料、気体燃料、またはその両方を供給されるＣＩエンジンのすべてのサイズクラスに適用することができる。
【００６２】
ＳＩレシプロエンジンについては、好適な構成では、直接噴射される燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５、１４３０）が最初にダクトを通過し、その後に下流の燃料点火装置上を通過して、点火される燃料／給気ガス混合物が＜２の等量比を有してススの形成を防止するように、ダクト（例えば、ダクト１５０、１４２０）を位置決めすることができる。点火される燃料／給気ガスの混合物が＜１の等量比を有するようにダクトを構成することができれば、ＮＯxの排出物も低下し、噴流の側部に過混合が発生することをダクトが防止する範囲内で、ＨＣ及びＣＯ排出物も低下する。より低量のスス、ＨＣ、及びＣＯ排出物は、より高い燃焼効率に相当し、ダクトの構成を受動的または能動的に調整して、点火装置における狭い範囲の最適な等量比を生成することは、燃焼の周期変動性を低減することができる。１つ以上のダクトを燃焼室内に配置して、ＳＩエンジンの性能を高めて、高価な排気ガス後処理システムの必要性を低減することができる。こうした構成は、例えば液体燃料、気体燃料、またはその両方を供給されるＳＩエンジンのすべてのサイズクラスに適用することができる。
【００６３】
ＧＴレシプロエンジンについては、好適な構成では、直接噴射される燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５、１４３０）が最初にダクトを通過し、その後に下流の点火装置及び／またはフレームホルダー（例えば、１４７５）上を通過して、燃料／給気ガス混合物が＜１の等量比を有して、ススの形成を防止し、ＮＯx排出物を低下させ、ＨＣ及びＣＯ排出物をもたらす過混合を防止するように、ダクト（例えば、ダクト１５０、１４２０）を位置決めすることができる。より低量のスス、ＨＣ、及びＣＯ排出物は、より高い燃焼効率に相当し、ダクト構成を受動的または能動的に調整することを用いて火炎安定性を高めることができる。１つ以上のダクトを燃焼器内に配置して、ＧＴエンジンの性能を高めて、排気物質を低減することができる。こうした構成は、例えば液体燃料、気体燃料、またはその両方を供給される移動及び静止ＧＴエンジンに適用することができる。
【００６４】
バーナー及び／またはボイラーの用途については、好適な構成では、直接噴射される燃料の噴流（例えば、燃料の噴流１８５、１４３０）が最初にダクトを通過し、その後に下流の点火装置及び／またはフレームホルダー（例えば、１４７５）上を通過して、燃料／空気混合物に点火することが所望の等量比を有するように、ダクト（例えば、ダクト１５０、１４２０）を位置決めすることができる。ダクトの構成を受動的または能動的に調整することを用いて、エンジン性能及び火炎安定性を高めることができる。燃料が多目の混合物を化学量論の狭い範囲内で利用して、過剰なスス排出物を生成することなしに放射熱伝達を最大にすることができるのに対し、燃料が希薄な混合物を用いて、ススの形成を解消し、ＮＯx排出物を低下させ、燃料の噴流の側部に過混合が発生することをダクトが防止する範囲内で、ＨＣ及びＣＯ排出物も低下させることができる。より低量のスス、ＨＣ、及びＣＯ排出物は、より高い燃焼効率に相当する。１つ以上のダクトをバーナーシステム内に配置して、性能を高めること、及び／または高価な排気ガス後処理システムの必要性を低減することができる。こうした構成は、例えば液体燃料、気体燃料、またはその両方を供給される工業用バーナーまたはボイラーのすべてのサイズクラスに適用することができる。
【００６５】
ダクト式点火構成要素は、可燃性ガス及び他の物質をガス炎動作、例えば油井ガス炎、精製所のガス炎の形で燃焼させるように構成された装置内で利用される燃焼装置の一部分を形成することができる。油井／精製所の火炎用途向けには、好適な構成では、直接噴射される火炎ガスの噴流（例えば、燃料の噴流１８５、１４３０）が最初にダクトを通過し、その後に下流にある点火装置及び／またはフレームホルダー上を通過するように、ダクト（例えば、ダクト１５０、１４２０）を位置決めして、これにより燃料／空気混合物が＜１の等量比を有して、ススの形成を防止し、ＮＯxの排出を低下させ、ＨＣ及びＣＯの排出をもたらす過混合を防止することができる。ダクトの構成を受動的または能動的に調整することを利用して、火炎安定性を高めることができる。こうした構成は、すべてのサイズの火炎動作に適用することができる。
【００６６】
本明細書中に説明するように、ダクト式燃料噴射（ＤＦＩ：ducted fuel injection）は、直接噴射される燃料噴流における点火の前に燃料／給気ガスの予混合の度合いを高めるに当たり効果的である。一実施形態では、ダクト及び／または他の特徴体（例えばリング（環）またはロッド（棒））の１つ以上の表面に触媒物質を付加することができ、こうした特徴体はダクトに取り付けることができ、及び／またはダクトの上流または下流に配置することができる。この触媒物質を、ダクト内及びダクトの下流に形成される部分的に予混合された混合物の点火の遅れを短縮するように構成して、初期の予混合物の自己点火事象中に放出される熱の大きさを低減し、これにより、ダクトを使用するＣＩエンジン（または他の燃焼装置）が生成する騒音を低下させることができる。一部の用途及び／または動作条件向けには、ダクトの端部（例えば、開口部１５８）付近の混合物が、最適な燃焼システム性能のために点火アシスト（補助、支援）を必要とすることがある。このことは、例えば、点火アシストなしの所定条件下では自己点火の遅れが長過ぎる場合、あるいは周期変動性が大き過ぎる場合に発生し得る。ＤＦＩと結び付けて性能を高めることができる見込みのある点火アシスト技術は、触媒物質、高温面（例えば、グロープラグ）、火花、プラズマ（熱プラズマまたは非平衡プラズマ）、レーザー着火、等を含む。
【００６７】
一実施形態では、点火アシスト構成要素は触媒点火アシスト用の物質を含むことができ、特に複数のダクトを有する状況では、触媒点火アシストは容易な実現となり得る。触媒点火アシストは、完全に受動的な解決策を促進する触媒物質となり得る。例えば、触媒点火アシストは、触媒成分自体の取り付けを超えた燃焼システムの改変を必要としない。こうした不要な改変は、電気系統、配線、及び／または窓を含み得るし、これらは点火アシスト装置自体（例えば、グロープラグ、点火プラグ、プラズマ発生器、またはレーザー）に加えて存在する。触媒物質を含む構成要素は、複数のダクトの端部付近に配置することができるのに対し、複数の高温面、火花、プラズマ、またはレーザー着火のアシスト装置の適用は、本質的に複雑及び／または高価になり得る。
【００６８】
一実施形態では、触媒物質の層（コーティング）をダクトの１つ以上の表面（例えば、ダクトの内径面）に付加する。図１５の構成１５００は好適な構成を例示し、この構成では、触媒物質１５１０の層が（例えば、ダクト１４２０と同様な）ダクト１５２０に付加されている。一実施形態では、触媒物質１５１０の層をダクト１５２０の下流（遠位）端に付加する。触媒物質１５１０は、あらゆる適切な物質、例えば白金族金属、点火促進物質を、純物質の形態で、あるいはバインダー（結合剤）または他のマトリクス中に保持されて含むことができる。触媒物質１５１０は、製造中にダクト１５２０内に組み込むことができ、あるいは製造後に、例えばプラズマスプレー堆積によってウォッシュコート（washcoat）等として付加することができる。燃料／給気ガス混合物１４４０と触媒物質１５１０との相互作用は、触媒物質１５１０が化学反応を生じさせることの結果として、燃料／給気ガス混合物１４４０の燃焼の遅れを短縮するように機能し、この化学反応は、例えば図１５に示すような触媒点火アシストを利用しないシステムにおけるよりも早期に発生する燃料／給気ガス混合物１４４０の点火をもたらし、触媒点火アシストによる点火は（ダクト１５２０の遠位端１５２５から距離Ｄ１３の）領域１５３０で発生し、その後に火炎１５４０が発生するのに対し、非触媒点火アシストシステムにおける点火は、（ダクト１５２０の遠位端１５２５から距離Ｄ１２の）位置１４７０で（遅れて）発生し、破線で示す火炎１４８０が発生する。触媒コーティング１５１０は、炭素堆積物があらゆるコーティング部分上及び／またはコーティング部分内に形成されることを防止することにも役立つ、というのは触媒コーティング１５１０がこうした堆積物を焼却することを手助けするからである。
【００６９】
図１６の構成１６００は、触媒点火アシストシステムの他の実施形態を例示し、ここでは触媒物質１６１５が環１６１０上に形成され、環１６１０は、その半径方向の対称軸が線１６３０で表すダクト１６２０の軸と一直線になるように位置決めされている。一実施形態では、触媒物質１６１５の層を内面（例えば、同心の内面、環１６１０を形成する内環の表面）に配置して、燃料／給気ガス混合物１４４０が内環を通過する際に、触媒物質１６１５が燃料／給気ガス混合物１４４０内の反応を促進することができる。図１６に示すように、環１６１０はダクト１６２０の下流端から距離Ｄ１４の所に位置決めし、環１６１０上に配置された触媒物質層１６１５によって促進される点火により、燃料／給気ガス混合物１４４０の点火は、Ｄ１５＜Ｄ１２なる距離Ｄ１５とＤ１２との差によって示されるように、非触媒点火アシストシステムの点火が発生する位置１４７０よりもダクト１６２０の近くに位置する領域１５３０で発生する。環１６１０は、鋼鉄、インコネル（INCONEL）（登録商標）、ハステロイ（HASTELLOY）（登録商標）、等のような金属含有材料、セラミック含有材料、等で製造することができる。
【００７０】
図１７の構成１７００は、触媒点火アシストシステムを利用する別な実施形態を例示し、ここでは１つ以上のロッド１７１０ａ〜ｎ上に触媒物質の層が形成され、これらのロッドはダクト１７２０上に配置され、例えば、ロッド１７１０ａ〜ｎは、ダクト１７２０の下流端（遠位端）１７２５に配置されて（端１７２５から突出して）いる。ロッド１７１０ａ〜ｎのそれぞれは、第１（近位）端１７１２ａ〜ｎによってダクト１７２０の下流端１７２５に取り付けられ、各ロッド１７１０ａ〜ｎの第２（遠位）端１７１４ａ〜ｎは、ダクト１７２０の下流端１７２５から遠位に位置する。燃料／給気ガス混合物１４４０とロッド１７１０ａ〜ｎの触媒物質との相互作用は、燃料／給気ガス混合物１４４０の発火を生じさせる。図１５及び１６に表す発火と同様な方法で、ダクト１７２０の下流端１７２５から距離Ｄ１６の所に点火領域１５３０が発生し、距離Ｄ１６は、非触媒アシストの点火が発生する領域１４７０までの距離Ｄ１２よりも小さい。
【００７１】
点火アシストの他の形態は、高温面点火アシストである。一実施形態では、１つ以上の高温面点火アシスト装置（例えば、グロープラグ）を燃焼室（例えば、燃焼室１０５）内に配置してＤＦＩ構成による点火を促進し、これにより、点火の遅れを短縮すること、及び／またはエンジンの周期的動作中に発生する燃焼の変化の度合いを低減すること、等ができる。図１８は構成１８００を提示し、ここではグロープラグ１８１０がダクト１８２０の下流に、例えばダクト１８２０の下流端１８２５に配置されている。図に示すように、グロープラグ１８１０の加熱された先端１８３０を燃料／給気ガス混合物１４４０の流路中に配置して、グロープラグ１８１０の主軸ＰＡがダクト１８２０の軸１６３０と交差するようにし、高温のグロープラグ端部１８３０は、火炎１５４０を安定化させるための純頭物体（ブラフ体）として機能する。図１５〜１７に表す点火と同様な方法で、ダクト１８２０の下流端１８２５から距離Ｄ１７の所に点火領域１５３０が発生し、距離Ｄ１７は、非触媒アシスト点火が発生する領域までの距離１２よりも小さい。グロープラグ１８１０及び関連する制御電子回路は、ＣＩエンジンの製造においてエンジンの低温始動（コールドスタート）を手助けするために利用されるあらゆる種類のものとすることができ、あるいは、ＤＦＩ用途におけるグロープラグの性能を向上させるための設計強化をさらに含むことができる。
【００７２】
他の実施形態では、１つ以上の点火プラグを燃焼システム内に取り付けて、ＤＦＩ構成における点火（例えば、火花点火アシスト）を促進することができる。この実施形態では、点火プラグをグロープラグ１８１０と同様な方法で配置することができ、点火プラグの点火プラグギャップは、ダクトから出る予混合されたガスの流れの下流にあるダクト出口に対して位置決めされ、これにより、予混合されたガスは火花ギャップを通過して、点火ギャップに発生する適切にタイミング調整された１つ以上の火花放電によって点火されることができる。点火プラグギャップを、図１８に示すグロープラグ１８１０の加熱された先端１８３０と同様な位置に配置し、これにより、ダクト１８２０の下流端１８２５から距離Ｄ１７の所にある燃料／給気ガス混合物１４４０の点火を促進することができ、ここにＤ１７＜Ｄ１２である。点火プラグ及び関連する制御電子回路は、ＳＩエンジンの製造において利用されるあらゆる種類のものとすることができ、あるいは、ＤＦＩ用途における点火プラグの性能を向上させるための設計強化をさらに含むことができる。
【００７３】
別な実施形態では、１つ以上のプラズマトーチを燃焼システム内に設置してＤＦＩ構成における点火（例えば、プラズマ点火アシスト）を促進することができ、プラズマトーチの第１端がプラズマジェットを放射する。この実施形態では、プラズマトーチをグロープラグ１８１０と同様な方法で配置することができ、プラズマトーチの第１端は、燃料／給気ガス混合物１４４０の下流の流れ中にダクト１８２０の下流端１８２５に対して位置決めされ、これにより、燃料／給気ガス混合物１４４０はプラズマジェットを通過して、適切にタイミング調整された１つ以上のプラズマジェット放射によって点火される。プラズマトーチの第１端を、グロープラグ１８１０の加熱された先端１８３０と同じ位置に配置し、これにより、ダクト１８２０の下流端１８２５から距離Ｄ１７の所における燃料／給気ガス混合物１４４０の点火を促進することができる。プラズマジェットは、あらゆる適切な技術、例えば熱プラズマまたは非平衡プラズマとすることができる。
【００７４】
別な実施形態では、集束（フォーカス）レーザービームを燃焼システム内に取り入れて、ＤＦＩ構成における点火（例えば、レーザー点火アシスト）を促進することができる。図１９は、集束レーザービームを利用して燃料／給気ガス混合物に点火する構成１９００を例示する。レーザー１９１０を窓１９１２の背後に配置することができ、窓１９１２は燃焼室の側壁１１５またはシリンダーヘッド１２５内に配置されている。レーザー１９１０は、十分なエネルギーの集束パルスレーザービーム１９１５（例えば、収束するレーザービーム）を放射して、レーザーの焦点１９１８に火花を生成して、燃料／給気ガス混合物１４４０の点火を促進するイオン及びラジカルを生成することができる。図１９に示すように、パルスレーザービーム１９１５は、ダクト１８２０の軸１６３０の付近に位置決めされたそのくびれ１９１８の所に、かつダクト１８２０の下流端１８２５の少し下流に火花を生成する。レーザーパルス１９１５は、点火が促進されるように燃料噴射事象に対してタイミング調整されている。レーザービーム１９１５の焦点１９１８は、グロープラグ１８１０の加熱された先端１８３０と同様な位置に発生するように設定され、これにより、ダクト１８２０の下流端１８２５から距離Ｄ１８の所における燃料／給気ガス混合物１４４０の点火を促進する。レーザービーム１９１５は、あらゆる適切な技術、例えばレーザーダイオード、ネオジムでドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ（yttrium aluminum garnet））レーザーとすることができる。タイミング制御構成要素１９５０を利用して、燃料噴射器駆動装置１９６０の動作を制御することができ、タイミング制御構成要素１９５０はさらに、レーザー１９１０の動作を制御するように構成することができ、これにより、パルスレーザービーム１９１５を、燃料噴射器駆動装置１９６０との同期動作向けに制御して、所望通りの燃料／給気ガス混合物１４４０の点火を促進することができ、例えば、点火が位置１５３０に発生する。図１８には示していないが、タイミング構成要素を利用して、燃料の流れ、及び点火アシスト構成要素の動作を制御して、所望位置における、それぞれの点火アシスト構成要素（例えば、グロープラグ１８１０、点火プラグ、等）によるそれぞれの燃料／給気混合物の点火を促進することができることは明らかである。
【００７５】
触媒物質１５１０／ダクト１５２０の下流端１５２５、環１６１０及びこの環上に配置された触媒物質、ロッド１７１０ａ〜ｎのそれぞれの遠位端１７１４ａ〜ｎ、グロープラグ１８１０の加熱された先端１８３０、レーザービームの焦点１９１８、等のそれぞれの位置、例えば、点Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６、Ｄ１７、及びＤ１８は、それぞれの点火領域１５３０の所望の配置を促進するように設定することができる。これらの距離は一般に、ダクト１５０の下流端１５８の直径Ｄ２の１０分の１から５倍までの範囲内に入る。
【００７６】
図２０に、燃焼室内に配置されたダクトから燃料／給気ガス混合物を放射した後に、燃料／給気ガス混合物に点火する方法２０００を例示する。ステップ２０１０では、点火アシスト構成要素をダクトの吐出端に対して配置し、ダクトは燃料噴流開口部に近接して配置されて位置合わせされる。前述したように、燃料は燃料噴流開口部を通って指向されて、ダクト内で給気ガスと混合され、その直後に燃料／給気ガス混合物がダクトの吐出端から排出される。点火アシスト構成要素は、ダクトの吐出端から吐出される燃料／ガス混合物の点火を促進するためのあらゆる適切な装置、例えばグロープラグ、点火プラグ、集束レーザービームを生成するための光学系を備えたレーザー、等を具えることができる。さらに、触媒物質で形成された構成要素または触媒物質の層を配置された構成要素のいずれかを、ダクトからの燃料／給気ガス混合物の排出に対して位置決めすることができ、触媒物質によって促進される燃料／給気ガス混合物の反応が、燃料／給気ガス混合物の点火を促進する。こうした構成要素はダクトと別個にすることができ（例えば、触媒物質を含む環）、あるいは、触媒物質の層をダクトに付加することができる。
【００７７】
ステップ２０２０では、燃料／給気ガス混合物がダクトの吐出端から排出される際に、点火アシスト構成要素の動作を制御して燃料／給気ガス混合物の点火を促進することができる。例えば、点火アシスト構成要素は、集束レーザービームを生成するための光学系を備えたレーザーであり、このレーザーは、燃料／給気ガス混合物がダクトから排出されるタイミング・レジメに応じてエネルギーのバーストを放射するパルスレーザーとして動作するように制御することができる。他の実施形態では、点火アシスト構成要素がプラズマトーチであり、プラズマトーチが、燃料／給気ガス混合物がダクトから排出されるタイミングと同期してプラズマのバーストを順次放射するように、プラズマトーチの動作を制御することができる。別な実施形態では、点火アシスト構成要素がグロープラグであり、このグロープラグは絶えず高温であり、燃料／給気ガス混合物がダクトから排出される際に燃料／給気ガス混合物に点火するように、点火アシスト構成要素を制御することができる。別な実施形態では、点火アシスト構成要素を、燃料／給気ガス混合物内の反応を促進する触媒物質で形成して、燃料／給気ガス混合物の点火を促進することができる。前述したように、触媒物質は（例えば、材料の層として、あるいはロッドによってダクトに取り付けて）ダクト内に組み込むことができ、あるいは、触媒物質は、ダクトとは別個に配置された構成要素上、例えば環上に配置することができ、燃料／給気ガス混合物はダクトから吐出されて環内の中心孔を通過し、この中心孔は当該孔内に配置された触媒物質を有する。
【００７８】
以上に説明したことは、１つ以上の実施形態の例を含む。もちろん、
上述した態様を説明する目的で、上記の構造及び方法の考えられる修正及び変更のすべてを説明することは不可能であるが、種々の態様の多数の修正及び置換が可能であることは、通常の当業者が認識することができる。従って、説明した態様は、添付した特許請求の範囲の精神及び範囲内に入るこうした変更、修正、及び変形のすべてを包含することを意図している。さらに、詳細な説明中及び特許請求の範囲中で「含む」を用いる限りでは、こうした語は、「具えている」が請求項中に伝統的な文言として用いられる際に解釈されるように、「具えている」と同様な様式で包含的であることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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