(57)【要約】【課題】内燃機関の省エネ低公害化を噴射燃料の微薄微細化と空気混合条件と燃焼室構造で改革する。【解決手段】気筒内に燃料を噴射するピン型噴射ノズルのピン部径を大きくし長さを短くして開弁リフトを微小とした微薄燃料噴射ノズルを構成し、微薄噴流を大径短長としたノズルピン側面部に噴射衝突せしめて衝突と反作用により円周状に微薄燃料群の分裂微細化と拡散展開を図り、空気吸入流れを吸気弁と弁座部の組合わせと開弁リフトとの相関により指向的スワ−ル流れ形態として気筒内ノズルや点火部の冷却を図り燃料混合燃焼条件の改善と高圧縮比化により多種多様な燃料の完全燃焼化をＥＦＩ方式や直噴方法で実行する内燃機関の燃焼方法をノズルの微薄微細化技術と燃焼室と空気混合強化との３技術条件で解決し完全燃焼とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料内燃機関の燃焼方式を、噴射燃料群の微薄微細化ノズルと、燃焼室の上下二段構造と、吸入空気の指向的スワ−ル強化との３条件の整合により燃焼を促進し、噴射燃料の圧力や分割噴射を電子制御やメカニカルで容易として触媒の作用によりＮＯｘやＣＯ２の処理を進展させ機関の低負荷域熱効率に有利な層状燃焼や高圧縮比化で熱効率を高める燃焼技術により内燃機関の全運動範囲の省エネ・低公害化目的を供給燃料の微薄微細化と燃焼室構造と空気スワ−ル強化との３条件の整合で構成する内燃機関の完全燃焼方法。
【請求項２】
ガス燃料火花点火内燃機関に於いて、給気吸入弁と弁座部の加工組合せで給気流れを指向的に強化し、各吸気路を二段構造ヘッド部の下段に設けガス噴射用ＥＦＩノズルを主吸気路内に配備して上部燃焼室に対持させ微細な燃料混合気群を吸気と共に多量に供給し得る手段を電子制御開閉による分割噴射で実行し、ガス混合気群を上部燃焼容積部内に充填した後に反転すべくにＥＦＩ用ノズルの分割噴射で行い、給気指向的スワ−ル流れの強化を電子制御の先行による端域ガス排除で端域ガスに因るノッキングを抑制し機関の高圧縮比化と混合気群の完全燃焼を計る方式を、ガス燃焼機関の吸気弁リフトの可変による空気スワ−ルの強化と薄膜多層ＥＦＩノズルの分割噴射と上部燃焼室内混合気群の層状燃焼条件で構成しガス燃料群と空気との混合による層状燃焼や希薄燃焼で機関の熱効率を高め製造コストと排気有害成分の低減を図るＥＦＩ内燃機関の省エネ低コスト低公害完全燃焼方法。
【請求項３】
前記特許請求項１並びに請求項２記載の完全燃焼方法を燃料微薄微細化と二段燃焼室と空気との混合燃焼方式で燃焼を完全化し、ＥＧＲ混合スワ−ルにより端域混合気の排除や燃焼最高温度やエンドガスノッキングを制御して機関の高圧縮比化を図り、ＮＯｘを低減する燃焼の層状化や希薄燃焼により多種多様な燃料の使用を火花点火で可能とし、完全的燃焼によりボイラ−や内燃機関が排出するＣＯ２も除去しうる燃焼技術により機関の低負荷域熱効率を完全燃焼により高め製造コストやＮＯｘやＣＯ２の触媒処理を容易とした内燃機関の完全燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は内燃機関の燃焼技術であり、噴射燃料群の微薄微細化と空気との混合条件で機関の完全的燃焼を図る直噴やＥＦＩ用ノズルの燃料微薄微細化技術と燃焼室と空気スワ−ル強化による省エネと排気低公害化とＣＯ２の処理技術である。
【背景技術】
【０００２】内燃機関は常に熱効率が優先され燃料の燃焼手段としてディ−ゼルでは直噴方式がガソリン機関ではＥＦＩ方式が主に使われている。然し燃焼前提の燃料直噴方式には「多噴孔ホ−ルノズル」が使用されている事からホ−ル燃料噴流特性の「同一飛翔ル−トの噴流重合」により噴射燃料群の微細化目的は達成出来なく、空気との混合率も低いので燃焼は不完全となり未燃による炭化煤塵が排気と共に排出される事で煤塵の始末に複雑高価な後処理装置が必要となる。【０００３】内燃機関の排気低公害化燃焼技術は開発が遅れており可能な将来技術として燃料電池やハイブリッド方式技術や危険な水素燃料などによる技術の開発が進んでいるがこれら技術の普及にもインフラや安全性の確認に時間を要する事から今地球が求めている燃料資源やＣＯ２の削減や地球温暖化の抑制に有効な新規な燃焼や排気技術の開発が早期に求められているのが世界の現状である。【０００４】この難問題の改善には早期に実施可能な技術の開発や省エネ・低公害な自動車用内燃機関や電気自動車の開発普及が急務とされている事から自動車企業は既存機関の低熱効率負荷域を電動化で補うハイブリッド技術を利用する開発を進めているがコストの上昇は避け難い問題である。【０００５】従って今世界が早期に求めている地球の大気環境悪化防止や燃料資源節減の目的を達成するには人間が動力として大量に消費する燃料資源の節減（省エネ）や環境の温暖化や大気を汚染し人体に有害な物質（ＣＯ２・ＮＯｘ・ＣＯ・ＨＣ・ＰＭ２．５等の微粒媒塵）の排出を極力減ずる動力源（エンジン）の開発が不可欠であり特に増大化の続く自動車やその動力源である４サイクルエンジンの省エネ低公害化技術の開発や改善改革が急務であるが結果的に燃費熱効率の悪い低負荷域を電化で補うＨＶ方式とし製造コストの利用者負担が現状の対策となっている。【０００６】内燃機関の燃焼問題を改革改善するには従来の馬力出力本位の競合を排し、改めて省エネと低公害性の両立する新しい動力源としての資質を有するエンジンや新規な燃焼技術が必要なのである。本発明はこの課題に応えうる開発例として燃料と空気との合理的整合による燃焼の完全化技術の開発手段を示す事にある。【０００７】本技術の開発者は省エネ・クリンエンジンには２サイクルではＡＴＡＣ燃焼範囲を広めても燃料混合気の吹き抜けで（ＨＣ）の増加する特性は避けられず高速高負荷エンジンとして基本に関わるこの問題は小型高速機関として２サイクルの宿命的限界と見限っている。従って省エネ・低公害エンジンには４サイクル方式が適することを多くの実験により見極め早期に省エネ低公害化を実用化し得る４サイクル機関の完全的な燃焼技術を開発しその技術を開示する事とした。
【先行技術文献】
【０００８】  特願  ２０１２−１６３０９５
特願  ２０１３−４９６１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】本発明は多用する自動車機関の省エネ低公害化には軽量化やコストも重要な事から小型軽量な４サイクル機関の燃焼方式を燃焼技術で完全化すれば熱効率は向上し排気の低公害化も可能となる。従って燃焼技術により機関を高圧縮比化し燃焼の完全化目的を達成すれば高熱効率化と共に排気煤塵ＰＭの低減目的も燃料の燃焼灰化で捕捉し処理できる事を燃焼技術の実験で知験している。【００１０】この新燃焼技術の構成には先ず噴射燃料群の微薄微細化と空気との流動混合条件との整合が重要であり機関の高圧縮比化と新規な燃焼技術の開発が必要となる。特に燃焼の完全化によれば熱効率が高まると共に未燃で排出されていた炭化煤塵やＰＭのエネルギ−は燃焼に活用し同時に灰化する事で捕捉処理も容易となり省エネ・低公害化の目的が達成される事になる。この合理的な燃料の燃焼技術は燃料噴射ノズルによる燃料の微薄微細化と燃焼室と空気との混合による完全的燃焼を構成すれば解決が可能であり本燃焼技術はこれの開示を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本発明は従来の４サイクル機関は燃料の噴射供給方法を「超高圧とホ−ルノズルとの組合せ」による燃焼方式としている事から、この過度な噴射圧力と噴流慣到性を抑制するために噴射圧を中圧以下に減じ更に噴射燃料群を微薄微細化状に多方向へ拡散展開できる直噴用燃料噴射ノズルを新規に考案し噴射燃料群の微細噴霧群の拡散展開を可能とする直噴用噴射ノズルをピン型ノズルで構成した。【００１２】またエンジンの燃焼室を上下二段の構造とし、供給する空気の吸気手段を吸気弁と弁座部との加工組合せと開弁リフトの可変で吸気流れを指向的に強化し吸気流れで噴射ノズルや点火栓部の冷却を図りＥＦＩノズルでの燃料混合気群を二段構成の燃焼室上部室内に混合気が指向的に流入充填し反転すべくに構成している。【００１３】このＥＦＩノズルによる微薄噴射燃料群の上部燃焼室展開と吸入空気の気筒内流入条件での燃料混合気群をピストンの上昇による高圧縮条件で点火着火する燃焼によれば燃焼は機関の高圧縮比化で低負荷域の高熱効率化目的が機関の層状燃焼により物理的に改善可能なことを確認している。【００１４】発明者は先に外開茸型燃料噴射弁での微薄燃料噴射の燃料微細化での完全的燃焼作用や効果等を確認しているがこの外開茸型噴射方法ではコモンレ−ルや電子制御系技術にも改善を要し早期な実施に時間を要しコストも増える事から今度は小型機関の更なる高速高性能化に対応し得る燃料の微薄化と分割噴射での微細展開条件を満たすべく直噴ではピン型ノズルの特性を活用しコストの低減化を図り、外開茸型噴射弁や従来のホ−ル型噴孔ノズルによる燃料噴射方法の基本を改め噴射燃料群を微薄化し微細状に多量に噴霧化し得るノズルをＥＦＩの微薄間隙多層ノズルの中低圧噴射方法で開発した。【００１５】本発明は燃料噴射機関の基本と言える燃料噴射ノズル技術の更なる性能機能の向上を目的として合理化を追究し、ＥＦＩ機関が多用する小型高速機関用ノズルの新規構造の開発と更に付加する制御装置のコスト低減をも課題とし直噴機関に於いてはピン型ノズルのピン部を大径短状に形成して大径短ピン部の側壁面部に微薄燃料噴流群を衝突させ衝突作用と反作用により微薄燃料噴流群の分裂微細化を図り多方向に拡散展開するピン型ノズルとし、ＥＦＩ用には微薄間隙の多層噴孔ノズルを小型に構成した。【００１６】多用されるＥＦＩ方式機関では低圧噴射ノズルの避熱特性を活用しホ−ル小４噴孔噴射での微粒化と空気との混合条件を改め、新ノズルを０．１ｍｍ以下の微薄間隙噴孔ノズルを多層微薄膜構造とし合計で噴孔面積を大とした微薄状多層燃料群を電磁開閉部の開時に同時的に多量の微細噴霧の供給を可能とする噴孔部として微小溝状間隙を多層に構成した噴孔部とし、分割噴射で二段燃焼室上部経由で混合気群を反転し下部に展開し空気接触で瞬時に微薄を分裂微細噴霧群とし空気との混合気化条件を促進する噴射燃料群での完全的燃焼条件で機関の省エネ排気低公害化の目的とコストの低減を可能といている。
「従来の多噴孔ホ−ルノズル方法では超高圧の同一飛翔ル−ト・噴流重合のホ−ル特性で近接するピストン燃焼室内を噴流衝突で破損し、噴流は液化して到達域に停滞し空気との混合が悪化し燃料の微細化目的も不可能な事は物理的にも証明される事である」。
【発明の効果】
【００１７】本燃焼方法による燃料微細化直噴ノズル燃焼方法では従来燃料噴射のコモンレ−ル技術や電子制御技術に新規な開発を要しなくピン型ノズルのピン径部を大きくした短側壁部に対し微小なピン開閉リフトによる微薄噴射燃料流を衝突させ微薄燃料群をピン側壁部の衝突と反作用で分裂微細化を図る極めて簡便で実施容易な噴射技術であるがその微細化作用と燃焼室内空気との混合による燃焼効果は絶大である。【００１８】即ち大径ピン部の微小間隙より噴出する燃料群には従来の電子噴射制御技術が活用され従来ホ−ルノズル方式が必要とした２００ＭＰの超高圧力は１０分の１の２０ＭＰ以下で目的とする噴射燃料群の微薄微細化目的が達成されその減圧動力分は熱効率に加算される、これにより構成される噴射燃料群の微細化と空気との拡散混合展開で燃焼条件は多様化し燃料もセタン価に依存する事なく目的とする燃焼の省エネ・低公害化に火花点火が活用されて多種多様な燃料の使用が可能となる。燃焼も完全化に近づき機関の性能が飛躍的に向上すると共にコストの低減も合理的に改善されるのである。【００１９】ガソリン機関に多用されるＥＦＩ方式では微薄溝状多段ノズルの大噴孔部よりの微細燃料混合気群はノズル開閉弁で瞬時に吸気路内に多量に供給され微細な混合噴霧となり吸気弁の開により二段構造燃焼室の点火栓を有する上部燃焼室内に吸気弁座の切欠部より流出して上部燃焼室を充填し、反転して下部燃焼室に展開する仕組みからノズルの分割噴射が活用され機関の負荷に応じた混合気群の展開が点火栓を有する上部燃焼室の火炎伝播条件で構成され不可能とされていた層状燃焼の構成が実現する。【００２０】即ち内燃機関の歴史上に不可能とされフオ−ドプロコ・三菱ＧＤＩトヨタＤ４が失敗している理想的層状燃焼が本噴射燃料の微細化と燃焼容積部の二段構成と吸気空気スワ−ルの強化により３００年を経過した今日に於いて既述の３条件の構成により初めて層状給気燃焼の成果が立証される事になる。この層状燃焼方式は使用燃料の多様化や大気環境の改善や燃料資源の節減や気候変動因であるＣＯ２の抑制にも有効な大きな作用効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明機関の透視図
【図２】本発明機関の部品配置図
【図３】本発明の吸気弁と弁座部
【図４】本発明の吸気展開図
【図５】本発明のＥＦＩノズル図
【図６】本発明のピン型ノズル図
【発明を実施するための形態】
【００２２】以下、本発明の実施形態を燃料直噴方法で説明する。
燃料直噴方式においては図（１）の如くヘッド部は上層下層の二段構造の燃焼容積部（２）として設けられその略上部中央域にピン大径短ノズル（３）が配備され吸気弁（４）（５）や排気弁（６）が下層部に図１や図２の如く配備されている。
【００２３】この吸気弁は図３に示す如く弁と弁座部（７）により気筒（８）内に供給する空気流れの方向を矢印（Ａ）で示す如く直噴ノズルや点火栓（９）方向とすべく空気流れの方向（１０）を弁座部とリフトで変える構造でありノズルや電極部の冷却を図り噴射燃料群の微細化や層状化や分割噴射作用を電子制御部（１１）の指示により実行するのである。
【００２４】本発明による大径短ピン型ノズルは図６の拡大図で示す如くに大径ピン（３）とピンホルダ−部（１２）との小間隙開閉部（１３）よりコモンレ−ル（１４）や電子制御で調圧された燃料が微薄状（１５）に噴出し燃料群は大径で短く構成したピン部の側壁部（１６）に必然的に衝突し（Ｂ）のごとく微細に噴霧化し慣徹性は抑制されて拡散展開する事になる。
【００２５】この衝突作用や反作用による微薄燃料噴流群は容易に分裂微細化されて噴霧群となり空気との混合気化の促進と共に円錐状噴霧群が燃焼室内に展開され火花点火による理想的な火炎伝播条件で燃焼が開始され完結するのである。
大径でありながら短く構成したピンの側面壁部（１６）に衝突する微薄噴流群は当然ながら物理の法則により入射角や反射条件で拡散が異なるも衝突する側面の形状により微薄燃料群は分裂微細化し燃料群は必然的に微薄燃料群より分裂して微細化し拡散燃料群は多様な噴霧パタ−ンＢ（１７）となり気筒内空気との混合接触条件が進展する、従って最適な衝突側面形状は面の傾斜角度により作用は変化するも完全的燃焼条件が空気スワ−ル強化による混合作用で促進されるのである。
【００２６】内燃機関の省エネ低公害化は全人類のニ−ズであるがこの目的を達成するには先ず噴射燃料を微薄から微細化し空気との混合による前提条件が完全的燃焼条件に必要でありホ−ル噴流では微薄や微細化手段は物理的に不可能なのである。
本発明は２０年前に開発したＯＳＫＡ（大西衝突拡散技術）を基に小型内燃機関の省エネ低公害化に加えコストの低減を図りたる完全燃焼の構成に必要な技術であり将来的に有望視されるガス燃料の使用を踏まえて構成した燃料噴射ノズルによる新規な燃焼システムである。
【００２７】従って本燃焼技術によれば人類唯一の生存基盤であり共有財産でもある地球の文明構築原動力として活動してきた内燃機関は燃料資源消費と排気で大気環境を汚染してきた負の問題は抜本的に改善が可能となる。内燃機関の性能が噴射燃料群の微細化と空気との混合による完全的燃焼条件の構成でコスト安価に自在となれば地球の燃料資源保全や大気環境改善の将来的展望に明るさをもたらす事になる。
【００２８】内燃機関の燃焼技術は未完成ながらも化石燃料の消費は進み原油に変りＣＮＧ等のガス燃料がガソリンや軽重油に変る時代が近づいている、然し何れの燃料や燃焼でも省エネ低公害化目的は重要であり燃焼の完全化とコストの低減が課題である。
歴史的にも燃焼技術は永遠の課題として継承されて３００年が経過したが未だに完全的燃焼条件の構築に到らず高圧縮比で熱効率の良いドイツディ−ゼル燃焼方式も未燃炭化煤塵ＰＭによる大気汚染と健康の被害問題は現在でも解決されていない事実が如何に燃焼技術の改革が困難なのかを示している。
【００２９】これの原因は燃料燃焼技術の不合理が基にある、噴射燃料群の微細化技術の欠如も原因の１つであり、更に噴射燃料群と空気との混合条件の不充分も原因である、即ち燃料噴射用に超高圧（２００ＭＰ）を使い８〜１０ホ−ル噴孔で噴霧の拡散展開を図る現燃料直噴射方式の物理的矛盾と限界に未だ気付かない現代技術者の不勉強と創造力の欠如が最大の原因とも言える。
【００３０】ホ−ルノズルと超高圧による強い燃料噴流はピストンを破壊し衝突域に過濃な燃料域を構成する事を知りながら直噴ホ−ルノズルの基本問題の解決を疎かにしアルミピストンを鋳鋼製に変える未熟な思考ではディ−ゼルや内燃機関の排気炭化煤塵ＰＭ問題の解決は出来ない。この問題を解決するには先ず噴射燃料群を中低圧力で微細化し多方向に拡散展開する噴射ノズル技術の開発が必要であり加えて空気との混合条件の構成や燃焼室二段構造の重要性に早く気付く必要がある。
【００３１】燃料は固体でも液体でも微細化して空気との混合条件を促進すれぱ完全燃焼条件の構成が可能となる、先ず燃料を微薄化してから微細化を図り空気との混合を促進して層状的や分割的に燃焼条件を構成すれば完全燃焼の構築に近づく事になる。
然しホ−ルノズル噴流を微細化する技術は世界の企業が３００年研究しても解けない問題でありこのホ−ル噴流特性に早く気付かねば改善は不可能なのである。
【００３２】燃料が化石原油からバイオ燃料やガス燃料に移行する今日こそ既存の超高圧とホ−ル噴孔ノズルの特性による矛盾した燃料噴射燃焼条件の実態を知り１日も早く現ディ−ゼルの超高圧とホ−ル噴射システムを継続するドイツボッシュ技術から脱却し新しい合理的な燃焼技術を創造する必要がある。
【００３３】大径短ピン型ノズルの燃料微薄微細化技術や微薄溝状ノズルでの空気との完全燃焼条件によれば燃焼の不完全で生成されていた未燃炭化煤塵やＰＭのエネルギ−は当然燃焼に活用され熱効率は向上する。また歴史的に困難とされているディ−ゼル燃焼による炭化煤塵ＰＭ問題も合理的な完全的燃焼技術によれば煤塵のエネルギ−は熱として活用された後で灰化処理が可能な事から地球環境も改善されるのであり更にディ−ゼルより熱効率の低いガソリン機関や多種燃料使用機関もエンドガスノッキングの発生で封じられていた機関の高圧縮比化燃焼が火花点火で可能となり熱効率をディ−ゼルの如くに高めることも出来るのである。
【００３４】自動車用機関として多用されているＥＦＩノズルは図（５）の如く多層の微薄間隙とし現用のノズルと燃焼の効果を比較すればその気化混合による微細化効果で点火栓に濡れがなく失火が解消されてガソリン以外の多様な燃料の使用も可能となる。
機関の負荷が要求する瞬時多量の微細燃料群の供給条件に応えうる新規なノズル技術と二段燃焼室と吸気スワ−ル強化の３条件のどれかが欠如しても究極的なＥＦＩ燃焼方法による完全燃焼技術の開発は出来ないのである。
【００３５】特に本内燃機関の完全的燃焼技術は地球温暖化の現因ともされているＣＯ２の処理も可能な技術である、大気清浄化に有効な各種の触媒機能を煤塵で損ずる事なく、煤塵を燃焼灰化で処理を可能とする技術でありＣＯ２を捕捉して処理する事が出来ることからこのＣＯ２低減効果は地球の大気環境や気候変動因の悪化を防止し大気環境の改善に資する大きな役割を果たす燃焼技術なのである。
【００３６】人類生存の唯一の基盤であり人間生活に必要な熱エネルギ−や気候変動因とされているＣＯ２のコントロ−ルを可能とする本燃焼技術はそのヒントを早期に世界に開示し更なる技術開発の促進に世界の門戸を開くべく思慮しているが日本の国民として発明者として本燃焼技術が国益地球益に資する事を願っている。
【付号の説明】
【００３７】１  燃焼容積部
２  機関ヘッド部
３  ピン大径短ノズル
４  吸気弁
５  吸気弁
６  排気弁
７  弁座部
８  気筒
９  点火栓
１０  空気流れ方向
１１  電子制御部
１２  ピンノズルホルダ部
１３  電磁開閉部
１４  ピストン
１５  微細状噴流
１６  ピン側面壁部
１７  ＥＦＩ用大噴口ノズル
１８  上下二段構造燃焼室
１９  上部燃焼容積部
２０  反転混合気流れ
Ａ  噴霧パタ−ン
Ｂ  噴霧パターン
【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５】
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【図６】
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