(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の基本燃焼方式を燃料の噴射技術と燃焼容積部構成技術と点火着火を改善整合する事により省エネ・低公害化目的を達成する。【解決手段】燃料直噴式内燃機関の気筒中心軸のヘッド部に構成した円錐筒状容積部の上部から多噴孔狭角ホールノズルによる燃料を狭角集合噴霧群として早期に噴射すれば下死点ピストン面に到達する噴霧群はその後に続くピストン圧縮行程との移動相乗作用により気化混合に必要な距離と時間とが燃料噴霧の飛翔距離延伸作用と空気との衝突接触条件の促進となり燃料の気化ガス化条件が進行しＰＭ炭化煤塵問題が改善される。更にガス化混合気群を圧縮上死点近傍において燃焼容積部の中心域を燃焼反応の起点として点火着火せしめピストン中心域に放電電極部を構成する事により均等的な火炎伝播や拡散火炎条件が具現化されるので内燃機関の高圧縮化や燃焼期間の短縮効果により省エネと低公害化目的を達成する事ができる。【選択図】図１
2012137081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室中心域よりの火炎伝播燃焼や火炎拡散燃焼条件構成で燃焼期間の短縮を図り端域燃料に因るノッキングの発生を抑制し機関の高圧縮比の採用により熱効率を向上せしめる給気燃焼条件を構成する方法として、円錐筒状燃焼容積部の上部より燃料の噴射を図る事と、多噴孔狭角ホ−ル燃料噴射ノズルを円錐筒状容積部上部に設ける事と燃焼容積部の中心軸域を燃焼起点とする点火や着火の時期を制御しうる放電電極部をピストン容積部中心域に設ける事により、多噴孔ホ−ルノズルの各ホ−ル噴孔よりの狭角燃料噴流群を狭角噴霧集合群としてピストン容積部に分割的に噴射する事とし、気筒内での燃料飛翔条件を延伸し空気との混合気化条件を促進し、燃焼室中心域を燃焼反応の起点とする高圧縮比の層状給気燃焼や圧縮燃焼方式を燃料分割噴射並びに制御着火点火方式により構成し、全負荷や部分負荷やアイドリング時における燃焼の安定化と高熱効率化と排気低公害化を図る燃料直噴内燃機関の燃焼方式。
【請求項２】
気筒中心軸域に設けた円錐筒状主燃焼容積部の上部に燃料噴射用ピン型ノズルを配備しノズルよりの狭角環状燃料噴霧群の飛翔距離延伸作用により燃料群の気化混合を促進し、混合気群の中心域に正確な制御放電による点火や着火を具現化する手段としてピストン容積部の中心部に放電電極部を配備し、電極部を燃焼反応の起点とする火花点火方式や圧縮着火燃焼方式を構成して内燃機関の高圧縮比化と燃料予混合条件の促進とノッキング制御効果により省エネと有害排気ガス低減を目的とする内燃機関の燃焼方式を特徴とした請求項１記載のガソリン機関並びに圧縮制御着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は内燃機関と燃焼技術に関する。【０００１】
【背景技術】
【０００２】  近時代の地球文明発展に大きな役割を果たしている内燃機関技術も有限な地球資源を消費し大気を汚染する事から今後は太陽や風水力の自然エネルギ−を利用する電化社会に移行すべきとされている真に変革の時代である。【０００３】  しかし如何に電気医科学技術が向上しても人間の欲望は限りなく常に革新を求めている、従ってエネルギ−や資源を巡る争いは絶えず唯一の生存基盤である地球環境は荒れ放題であり有限な石油資源も枯渇に近づき価格も高騰し電気自動車などの開発も進められているが電気動力が内燃機関の役割を果たすまでにも現技術の改善で地球環境の保全を図る事が先決課題である。【０００４】  内燃機関の燃焼技術は燃焼反応の前提条件である燃料と空気との物理的整合要素は複雑多様に膨大でありこれを究めた学識者や技術者は世界に未だいなく今後とも追究開発を要する内燃機関関係者の最大課題でもある。【０００５】  本技術の発明者は内燃機関の燃焼技術改革に取り組み独創的思考と実験によりヨ−ロッパで開発され各国が燃焼技術の基本としているガソリン機関のＥＦＩ方式や直噴ディ−ゼル燃焼方式の問題点改善に具体的な方法例を提示してきた。本発明はこれら内燃機関技術の更なる改善技術を示す事にある。
【参考論文】
【０００６】  ＳＡＥテクニカルレポ−ト８７１６８９（ＯＳＫＡ）
自動車技術会学術講演前摺集１１４−０８−２００８名古屋大会  松岡信
【特許文献】  特公平７−３０６９３  特願２０１０−１２３４８８  特願２０１０−２４７８８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  内燃機関の技術開発歴は人間の熱利用歴と較べれば近１００年に集中し特に内燃機関技術はドイツなどヨ−ロッパ哲学による研究成果であり世界各国はこの技術を見習い取得模倣などにより自国や自企業の利便発展に用いている。【０００８】  しかし燃料と空気との混合による燃焼条件構成の物理的要素は複雑多様な事から内燃機関の燃焼に適した条件を把握しこれを確認するには膨大な実験に時間を要し燃焼の化学変化も予測困難な事から内燃機関技術は未だ発展途上なのである。【０００９】  内燃機関の省エネや低公害化技術の開発課題は低炭素化社会を目指し地球環境の改善を図る重要問題であり、当然に太陽熱や風水力の自然エネルギ−を利用する発電や再生エネルギ−技術による電化社会が期待されるが、可搬に便利で大きな動力の得られる内燃機関の魅力は絶大なことから更なる内燃機関の機能向上と排気ガス低公害化や省エネ技術が求められる。【００１０】  即ち自然エネルギ−による電化社会が安定化する迄の間にも毎年数１０億台も使用され有限な燃料資源を消費し排気により大気を汚染している自動車等の現エンジン性能は可及的早期に改善し燃料資源の保護と地球環境の改善を図る事が内燃機関燃焼技術に関わる世界の技術者や指導者の責務と言えます。【００１１】  内燃機関の燃焼技術はガソリンを燃料とする火花点火方式と、空気の圧縮により温度の高まる雰囲気中に着火し易い軽油や重油を噴射し燃焼させる圧縮着火方式とに大別されガソリン燃焼方式は主に小型高速機関として多用され圧縮着火方式機関は低速大馬力機関として発展して来ましたが何れもヨ−ロッパ発祥の技術であり世界の各国がこの燃焼技術を基本とし開発しております。【００１２】  例えばＶＷが開発したガソリン機関の給気内燃料電子噴射供給方式（ＥＦＩ）は多気筒自動車機関の均等的混合気配分に有効である事から世界の主流を占めてきましたがこの方法では吸気中の燃料が気筒や燃焼室の隅ずみの端域まで到達する事になり、この端域燃料分が燃焼圧力の上昇により自己着火してエンドガスノッキングの原因となる問題が生じこれを解決することが出来ない事から燃焼熱効率の改善に有利な圧縮比を高める事が出来なく、圧縮着火方式と較べ熱効率を高めることが出来ない問題を解決する事が遅れているのです。【００１３】また圧縮着火燃焼方式においても従来最良とされてきた多噴孔ホ−ルノズルよりピストンのキャビティ燃焼容積部内に広角拡散的に噴射する従来の方式では多噴孔ホ−ルノズルよりの各噴孔燃料の同一飛翔ル−トと同一端域到達衝突反応特性からピストン上死点でのノズルと噴流衝突域との距離が小径気筒機関程短くなり噴射燃料と空気との接触衝突による燃料の気化混合条件の構成が困難となりピストン容積部内の燃料到達域においての反応も重合的となり後続燃料は先行燃料の反応で高温となり酸素の不足した熱雰囲気中での燻状燃焼反応を余儀なくされ結果としてＰＭ炭化煤塵やＮＯｘが多発する問題が発生する。【００１４】  この問題は如何に燃料噴射圧を高め噴孔を微細化してもピストン容積部内での燃料到達域重合反応や到達域燃料による過濃域発生の特性を変える事が時系的に困難であり、超高圧燃料噴流による到達部の破損や過濃燃料域の燃料燃焼に必要���大量の空気導入が必要となる、従ってこのような従来燃焼方式では圧縮着火燃焼方式による更なる熱効率向上策も排気中のＰＭ炭化煤塵やＮＯｘの燃焼による低減策技術の開発も困難であり排気は後処理に依存する事から脱却できなく燃費経済性に有利なディ−ゼル機関は複雑高価格となる。【００１５】  限られた燃焼容積部内で燃料と空気とを混合気化しこれの燃焼反応による熱膨張作用でピストンクランクを高速サイクルで作動して動力を得る内燃機関は発明されて２００年経った今日でも限られた短時間内で空気と燃料を吸入噴射し、これを圧縮して爆発燃焼させサイクル的な動力トルクの発生と燃焼ガスを排気する一連の各動作で現内燃機関を構成してきた先人の知恵と努力は認めますが更なる新技術の開発により内燃機関の更なる省エネや排気の低公害化等を急ぐ事が地球と人類に重要なのです。【００１６】  便利な内燃機関も毎年大小数十億台が生産され使用されるに到ると燃料資源消費や排気による弊害は地球環境の大きな汚染因となります、したがい増え続ける人口やその食料問題と共に改善対策の必要性は必然の事であり更なる新技術による省エネと低公害化技術の開発課題は優先すべき事なのです。【００１７】  本発明はヨ−ロッパで開発され改善されてきた内燃機関の技術やこれに関する既成概念並びに既存技術を多角度的に分析して問題点を改善し、燃料噴射技術と燃焼室と点火との３条件を合理的に整合する事によりガソリン機関並びにディーゼル機関の省エネ低公害燃焼方式を改革改善する燃焼技術の提示を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  本発明はガソリン機関の燃焼方式においては近４０年間主流を保持している燃料吸気内電子噴射方式（ＥＦＩ）システムでは解決出来ないエンドガスノッキング問題を燃料直噴方式で解決し高圧縮比の採用を可能として熱効率を高める手段として、燃焼室を円錐筒状燃焼容積部として気筒ヘッド部中心域に構成し、その上部に狭噴霧角の多噴孔ホ−ルノズルを設ける事とし、更にピストン燃焼容積部中心域に点火着火用電極部を設けた構造を燃焼方式の基本構成としている。【００１８】  この燃焼基本構成によれば先ずノズル噴孔とピストン面との距離が延伸されノズル噴孔より噴射される燃料群の飛翔距離が長くなり噴射燃料と空気との衝突や接触条件が促進されるので必然的に燃料と空気との混合気化条件が進む事になる、従って火花点火方式においても圧縮着火燃焼方式においても必要な燃料群の気化活性化予混合条件が促進され、加えてノズルと燃焼室との相関により早期噴射も可能となる事から燃焼反応前提に有利な燃料群の気化予混合条件を構成する事が出来る。【００１９】  即ち燃料の多噴孔ホ−ルノズルの狭角噴射で先ず気筒中心軸域を燃焼反応の起点とする燃料混合気の展開が可能となり、燃焼室中心域よりの点火による火炎伝播燃焼や拡散火炎燃焼条件で燃焼期間の短縮が実現される事になります、更に燃料の端域拡散が抑制される事でガソリン機関に於いてはエンドガスに因るノッキング現象が制御され高圧縮比化が可能となる等機関の省エネ化に有利な条件が構成される。【００２０】  特に円錐筒状燃焼容積部の上部に空気供給装弁を持たない簡便構造の燃焼容積部方式に於いては円錐筒状容積部内に前燃焼サイクルによる残留不活性ガスが排気吸気工程においても圧縮容積比率により必然的に残留する特性が自動的に構成される事になりこのＥＧＲ作用により高圧縮比燃焼時においてもＮＯｘの生成を抑制する事が出来る。【００２１】  この作用は気筒中心域ヘッド部よりピストン燃焼容積部に対して多噴孔ホ−ルノズルより狭角集合噴霧群供給により圧縮着火拡散燃焼を意図する燃焼方式においてもＮＯｘの抑制に極めて有効である、ノズル噴孔とピストン容積部との距離延伸による噴霧燃料群の気化混合促進作用との相乗効果により超高圧噴射方式を用いる事なく噴流衝突域での燃料重合反応に因る燻蒸燃焼条件やＰＭ炭化煤塵生成因がＮＯｘの抑制と共に改善される事になる。
【発明の効果】
【００２２】  本発明による請求項１記載の気筒ヘッド部中心軸域に円錐筒状燃焼容積部を有しその上部に燃料噴射用ノズルと空気供給用回路と開閉弁を有して噴射燃料群の飛翔距離を延伸し燃料噴霧と空気との衝突接触条件を促進して燃料の予混合気化を図る方法によれば、燃料の早期噴射条件時においては気筒半径方向や気筒壁方向の燃料慣到性を抑制しうる多噴孔狭角ホ−ルノズル特性により燃料噴射群中の噴霧粒子は気化混合条件が進行し燃焼反応時においては液的燃料の燃焼に伴ない発生するＰＭ炭化煤塵の生成因が抜本的に改善される事になる。【００２３】  さらに多噴孔狭角ホ−ルノズルによる噴霧特性によれば気筒壁や端域部に燃料が拡散展開する作用が抑制されるので気筒の潤滑が保持され端域燃料に因るエンドガスノッキング現象やディ−ゼルノック現象が抑制される効果により高圧縮比の採用が可能となり機関の熱効率を更に高める事ができる。【００２４】  また気筒中心軸域を燃焼反応の起点とする火炎伝播燃焼によれば均等的に燃焼反応時間が短縮される効果により火花点火機関の熱効率が改善される。また圧縮着火による燃焼方式においても燃焼室中心軸を起点とした拡散火炎燃焼は従来の広角多端域同時反応により生ずる端域燃焼重合反応や過濃燃料の反応によるＰＭ炭化煤塵の生成や急激な燃焼圧力上昇率による燃焼騒音やＮＯｘの発生因が抑制される事になり高圧縮比化による熱効率の向上と共に機関の排気低公害化に有効である。【００２５】  特に本発明は正確な点火着火に必要な電極放電部をピストン容積部中心部に構成する事を３特徴の一つとしているが、これの実施も既存のピストンや部品の製造加工技術により構成が容易である。早期に転換できない電化社会に到る間にも現用技術で世界が協調のもとで省エネ・低公害化の目的を達成しうる本内燃機関燃焼技術は世界戦略的にも国益にも有意義効果ある技術と言える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】  以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜５を用いて説明する。本発明の燃料直噴式内燃機関並びに燃焼方式は機関本体１、気筒部２、気筒ヘツド部３、給気路４、排気路５、ピストン６、燃料噴射部７、電子燃料制御装置８、点火着火用電極部９、多噴孔狭角燃料噴射ノズル１０、円錐筒状燃焼容積部１１、ピストン燃焼容積部１２放電制御部１３主燃焼制御部１４小吸気弁１５絶縁電気回路１６高電圧回路１７を有する。【００２７】  図１に示すが如く本発明は気筒ヘッド部３の中心域に円錐筒状燃焼容積部１１を有しその上部に多噴孔狭角燃料噴射ノズル１０と小吸気弁１５を備えピストン６の燃焼容積部１２の中心域には点火着火用電極部９が設けられている。【００２８】燃料噴射部７よりの燃料は電子燃料制御装置８により噴射量・噴射のタイミングが制御され多噴孔狭角燃料噴射ノズル１０よりピストン容積部１２内に狭角噴霧状に分割して図２の如くに噴射供給する仕組みである。【００２９】  図３の如く多噴孔狭角ホ−ルノズル１０よりの燃料噴流は円錐筒状燃焼容積部１１の上部ノズル噴孔とピストン６面との距離を延伸する事で噴射飛翔燃料群は空気との衝突や接触や熱交換条件が進行し燃料の気化予混合条件が促進される。【００３０】  多噴孔狭角ホ−ルノズル１０よりの各燃料噴流群は図３の如く狭角噴霧集合状態でピストンの容積部内に広く供給され燃焼容積部中心域に混合気群が圧縮されるのでこの状態において中心域での点火や着火によればこの中心域を起点とした均等的な火炎伝播条件や拡散火炎燃焼条件の構成でノッキング現象が発生することなく高圧縮比の採用が可能となり燃焼期間短縮との相乗効果により熱効率は向上し省エネ効果に加え排気の低公害化に有効に作用する。【００３１】  本発明に於いては図４の如くピストン６の燃焼容積部中心部に点火・着火用放電電極部９を設ける事とし、ピストン圧縮上死点近傍での正確な放電に必要な電気回路の構成をピストン電極部９に絶縁回路１６を経しピストン上死点前後の燃焼反応開始時期の最適条件を各種センサにより主制御部１４で制御し、電子燃料噴射制御部に指示する燃焼制御条件設定を特徴とした着火放電制御燃焼方式である。【００３２】  この燃焼方式によれば従来燃焼室の一部に設けられていた点火栓やグロ−プラグによる端域点火着火燃焼条件が抜本的に改善され燃焼期間の短縮が可能となり加えて放電極部９の冷却にも有利な特性から従来の点火栓やグロ−プラグの過熱に因る過早着火やデトネ−ション問題が生じなく高圧縮比の採用に有利となる。【００３３】  図５で示す多噴孔狭角噴射用ホ−ルノズはピストン燃焼容積部の中心域に対し円錐筒状燃焼室上部に設けられ噴射燃料群の飛翔距離延伸作用を活用し多噴孔ホ−ルの特性を利用して狭角多噴孔による燃料噴霧群の集合噴射により衝突拡散作用に頼る事なく燃焼室中心域の燃料拡散展開と気化混合条件の構成を容易としている。【００３４】  更に図５Ａの断面図が示す如く狭角多噴孔ホ−ル噴射を特徴とした本ノズルは分割等の噴射に伴ないサック部からの後だれが減じ、切れがよい事から今後は燃料直噴機関の主役に変身すべき資質を有しピストン中心域よりの点火方式と共に理想的火炎伝播や拡散火炎の構成に��る高トルク運転や経済的省エネ運転が具現化する事になる。【００３５】  更にピストン燃焼容積部１２の底面の一部に凸状や凹状部を構成する事で給気スワル流れに乱れを作り燃焼雰囲気の活性化を図るなど事により完全燃焼条件に近づき省エネと排気低公害化の目的を達成する事が出来る。【００３６】  本発明の実施は既存の内燃機関製造工作技術と電子制御技術を駆使すれば試作を含め生産は容易でありその技術の基本は燃焼に必須な３条件の整合効果である。
これら技術は燃焼容積部の端域や半球状燃焼室の中心上部を反応の起点とした従来の燃焼方式を多角度的に考察した結果の改善策である。従って今後更に進歩した思考により優れた技術で内燃機関燃焼技術は更に進歩を続けると確信している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】  本発明の斜視図である。
【図２】  本発明の別の断面図である。
【図３】  本発明の断面図である。
【図４】  本発明の断面図である。
【図５】  本発明の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】  １  機関本体
２  気筒部
３  気筒ヘッド部
４  給気路
５  排気路
６  ピストン
７  燃料噴射部
８  電子燃料制御装置
９  点火着火用電極部
１０  多噴孔狭角燃料噴射ノズル
１１  円錐筒状燃焼容積部
１２  ピストン燃焼容積部
１３  放電制御部
１４  主燃焼制御部
１５  小吸気弁
１６  電気絶縁回路
１７  高電圧回路
１８  狭角ノズル噴孔例
１９  矢印は空気ガスの流動方向を示す。
【図１】
2012137081.tif 000003
【図２】
2012137081.tif 000004
【図３】
2012137081.tif 000005
【図４】
2012137081.tif 000006
【図５】
2012137081.tif 000007