(57)【要約】      （修正有）【課題】既存の生産設備と技術を最大限に活用し簡便な方法で燃焼方式の基本技術を抜本的に改善し、高熱効率化と排気の低公害化目的を達成しうる内燃機関とその基本燃焼システムを提示する。【解決手段】燃料直噴式内燃機関において、多噴孔ホ−ルノズルよりの各燃料噴射群を気筒中心軸に対し狭角状の供給とし、多噴孔の各狭角状噴霧群を結束状としてピストン燃焼容積部の底面に向けて拡散展開供給する事により、各ホ−ル噴孔よりの燃料をピストン容積部内において噴射流動エネルギ−と衝突拡散作用により燃料群と空気との混合気化条件の促進を図る。さらに、各燃料噴流とピストン底面との拡散展開作用により燃焼容積部内の燃料展開と気化混合条件の促進と燃焼室中心域を起点とする燃焼反応条件を構成し、超高圧噴射技術を用いる事なく安定した燃焼条件を構成する。【選択図】図１
2012087768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多噴孔ホ−ルノズルにより燃料噴流群をピストンの燃焼容積部内に対して直接噴射供給し火花点火やピストン圧縮作用により燃料群の着火燃焼を行なう燃料直噴式ガソリン機関並びに直噴ディ−ゼル燃焼機関において。
多噴孔ホ−ルノズルよりの燃料噴射方向を、気筒中心軸に対し狭角状の噴霧パタ−ンとしてピストン燃焼容積部内やその底面に向けて噴射するよう各燃料噴流群の狭角パタ−ンを更に結束状に纏めたパタ−ンとして燃焼容積部内に広く展開せしめて燃料群の気化混合と拡散展開を促進する事とし、ピストン燃焼容積部内に供給する各狭角燃料噴流群の微粒霧化と気化予混合条件の促進を燃料の早期噴射により更に高める事を可能とし狭角燃料噴射方式と燃料衝突拡散作用と燃料の早期噴射による燃料の微粒気化と熱交換作用による燃料群の気化予混合活性化を促進しうる狭角ノズル燃料噴射技術と、ピストン燃焼容積部との整合とにより燃焼反応の改善を図り、内燃機関の高熱効率化と排気の低公害化目的を達成しうる多噴孔狭角ホ−ルノズルによる内燃機関の燃焼方法。
【請求項２】
多噴孔ホ−ルノズルの各燃料噴流を狭角として気筒燃焼容積部内の中心域に指向的にかつ分割的に噴射する燃焼方法にＥＧＲ作用を併用し、燃料群の燃焼反応温度と燃焼室内残留ガス温度との整合を図る事により、燃料直噴ガソリン機関やディ−ゼル機関の燃焼高温反応により発生する有害排気成分の低減と高圧縮比の採用により機関の高熱効率化を可能とし、ＣＯ２の低減と排気の低公害化目的を図りうる前記請求項１記載の燃料狭角衝突拡散燃焼機関並びに複数ホ−ル噴孔狭角燃料噴射層状給気燃焼方式内燃機関。
【請求項３】
前記請求項１記載の内燃機関においてシリンダ−ヘッド部中心域に円錐筒状の燃焼容積部を構成し、上部の燃料噴射ノズルからピストン面に向けて複数ホ−ルノズルによる狭角燃料群の噴射とその狭角噴流の結束による燃料広域拡散展開と燃焼反応条件の構成により燃料と空気との物理的気化混合条件の整合を円錐筒状燃焼容積部内に供給する燃料群の分割制御手段により層状的に構成することを特徴とした層状給気燃焼方式による多種燃料燃焼内燃機関。
【請求項４】
前記請求項１記載の内燃機関においてホ−ルノズルのホ−ル噴孔部を気筒軸に対して狭角細孔で複数に構成する事とし、ピストン面に設けた燃焼部に対し超高圧以下の開弁圧で燃料の分割噴射を行ない、多様に燃料群を展開すべくホ−ルノズルの噴孔部を多孔に構成した多噴孔狭角ホ−ル式燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は内燃機関とその燃焼技術に関する。【０００１】
【背景技術】
【０００２】  人類唯一の生存基盤である地球環境の保全改善や燃料資源などの節減問題はこれに関わる学識や技術者に課せられた緊急課題である。特に熱エネルギ−の消費に大きく関わる内燃機関や自動車等が消費し排出する燃料と排気ガスに因る大気汚染と気候温暖化気候変動防止のために世界が動き始め再生エネルギ−利用や電化社会への取り組みが急がれている今日でもある。【０００３】  しかし現在多用されている内燃機関の高熱効率化や排気低公害化技術の開発現状は地球環境の改善も燃料資源の節減も、その対策が遅れており環境の悪化が進み人類が不安とする気候変動や温暖化による因子は高まるばかりであり早期に内燃機関より排出されるＣＯ２や健康被害が予測されるＮＯｘ・ＰＭ煤塵などを低減しうる内燃機関の高熱効率化低公害化技術の開発が急務なのである。【０００４】  内燃機関の燃焼技術は燃焼化学反応の前提条件である燃料と空気との物理的整合条件が複雑を極め、発明されてから２００年経った今日においても世界の誰もが未だにこの問題を究めることが出来ない困難な技術でもある。【０００５】  本技術の発明者等はこの内燃機関の燃焼技術に関して研究を続け、ガソリン燃焼方式にもディ−ゼル燃焼方式にも共通する矛盾や問題点を見出しこれの改善によれば更なる内燃機関の熱効率向上と排気の低公害化を図りうると新エンジンの燃焼基本システムの構成例を日本より世界に向けて発信してきた。
本発明はその具体的実施例を提示するものである。
【参考論文】
【０００６】  ＳＡＥ技術レポ−ト８７１６８９
ＳＡＥ技術レポ−ト８８１２４１
ＳＡＥ技術レポ−ト９０１６１８
ＳＡＥ技術レポ−ト９１１７６９
ＳＡＥ技術レポ−ト９２１６４５
ＳＡＥ技術レポ−ト９４０６６７
日本自動車技術会学術講演前刷集１１４−０８−２００８年名古屋大会（松岡信）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  現在燃料直噴方式に用いられている燃料噴射ノズルはエンジン開発当時から多噴孔ホ−ルノズルが舶用大径ピストンの燃焼容積部に対し均等的に燃料噴霧群を拡散供給しうる事からシリンダ−ヘッド部中心域にこのノズルを設けた多噴孔広角拡散による燃料噴射拡散方式が他の燃焼方式を制圧して来た。以来この広角拡散燃焼方式が熱効率で世界の内燃機関燃焼技術を牽制している。【０００８】  そしてこの方式を自動車用高速ディ−ゼル機関にも適用すべく長年研究開発が続けられ噴射系の超高圧化やノズル噴孔の微小化や電子噴射制御技術による分割噴射に期待し、高熱効率化と排気の低公害化に１００年以上の年月と膨大な開発費を費やしたが今日に到るも熱効率の向上や排気ＰＭやＮＯｘの燃焼による制御方法は開発されず機関は複雑高価格となり燃焼技術は低迷している。【０００９】  このため現在自動車エンジンのみでも１０億台を超え更に増え続ける産業エンジンの燃料消費や排気に因る公害問題を改善する手段として電気自動車の開発なども急がれているが価格や機能を現内燃機関並にするには未だ相当の年月と費用を要します。その間にも地球環境の悪化や気候変動は待ってくれない。【００１０】  したがって現用内燃機関の燃焼技術を可及的早期に合理的に改善し得る燃焼技術の開発は電化社会となっても将来にかけても必要不可欠なのである。【００１１】  本発明は既存の内燃機関生産に必要な諸設備と既成の技術を最大限に活用し簡便な方法で燃焼方式の基本技術を抜本的に改善し、燃焼システムの改革改善に必要とされている高価で複雑な超高圧噴射技術を用いる事なく安価に機関の熱効率を向上して機関の軽量化を図り高熱効率化と排気の低公害化目的を達成しうる内燃機関とその基本燃焼システムの提示を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明はシリンダ−ヘッド部中心域に設けた従来の多噴孔ホ−ルノズルとピストン燃焼容積部との組み合わせによる高速機関の燃焼方式は燃焼反応の起点を多端域同時反応とする非合理性からこの方法を廃止する事とし、燃料噴射ノズルの各ホ−ル噴孔よりの燃料噴流を気筒下部域に位置するピストン燃焼容積部内に到達するように先ずノズルよりの各ホ−ル噴孔噴流が気筒中心軸方向に狭角で噴射する構成としてピストン燃焼容積部底面において各噴霧群が広く拡散展開されるように狭角の入射角と燃焼容積部との整合が図られている。【００１３】  ピストン容積部に複数噴孔のホ−ルノズルより狭角で噴射される燃料噴流とピストン燃焼容積部との関係は容積部底面を燃料衝突域とし、狭角噴射燃料噴流の拡散作用を狭角と入射角と衝突拡散作用との相関により拡散燃料群の展開や空気との混合気化条件を衝突作用や熱交換で促進する仕組みとしている。【００１４】  この燃料狭角噴射による燃料拡散条件はノズル噴孔流とピストン衝突面部との相関で変化するが多噴孔狭角の各ホ−ル噴孔で分割される噴流群はＯＳＫＡの如き単噴流の衝突作用とは異なり単噴孔噴流での大きな破壊的衝突衝撃は噴流の分割により緩和され、噴霧到達域の過濃燃料現象も入射角による拡散作用と分割噴射で軽減されるので従来の多噴孔ホ−ルノズルの広角拡散燃焼や単噴孔噴流の衝突拡散方式（ＯＳＫＡシステム）では得られなかった燃焼反応前提の物理的燃料と空気との整合条件が狭角分割衝突拡散条件で構成されるのである。【００１５】  また燃料群の分割噴射供給方法を用いる事によれば更に負荷に見合った燃料群の自在な供給が現用電子制御技術で可能な事から現用エンジンの生産ラインを変えることなくノズルとピストン部等の改造で高価格高動力を要する超高圧噴射技術を使用する事なく燃焼技術が改善され機関の高熱効率化と静粛性や排気ＰＭ炭化煤塵やＮＯｘの低減目的を達成する事が出来るのである。
【発明の効果】
【００１６】本発明による請求項１記載の燃料狭角複数ホ−ルノズルとピストン燃焼容積部との整合による燃焼方式によればガソリン機関やディ−ゼル直噴機関が開発されて以来解決出来ない諸問題が燃料噴射ノズルを狭角噴射方向として燃焼室中心域を起点としたピストン容積部燃焼方式によれば改善される事になる。即ち直噴ディ−ゼルの特性とされていた多端域同時反応に因る急激な燃焼圧力上昇率や燻状燃焼を抑制するための超高圧噴射技術や分割噴射技術や過大なピストン熱負荷に対応するための鋳鋼ピストンや過濃なピストン燃焼容積部内の燃料燃焼に必要な大量の空気過給タ−ボ装置などの問題が夫々軽減されるので機関の軽量化や性能向上と共に機関製造コストの大幅な低減が可能となる。【００１７】  特に内燃機関に求められる省エネ・低公害化の新燃焼技術開発に必要とされる莫大な開発費用が節減される。また再生エネルギ−利用の電化社会に到るまでの間にも失われる燃料資源の節減や地球環境の悪化防止の目的が既存の技術や部品の利用で容易に早期に改善し得るので本エンジン燃焼技術の効果は例えようもなく人類に大きな希望を与える事になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  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。本実施形態の燃料直噴内燃機関は、機関本体１、気筒２、気筒ヘッド部３、給気路４、排気路５、ピストン６、燃料噴射装置７、電子燃料制御部８、着火点火栓９、狭角ホ−ル噴射ノズル１０、円錐筒状燃焼室１１、ピストン燃焼容積部１２、燃料衝突面部１３、狭角燃料噴霧群１４、狭角噴霧結束パタ−ン１５、を有する。【００１９】  図１の如く気筒ヘッド部３の略中心域に位置付けた多噴孔狭角ホ−ルノズル１０より気筒２内のピストン燃焼容積部１２内の燃料衝突面部１３に向けて電子燃料制御部８により制御噴射される燃料群は狭角度でありノズルの複数ホ−ル噴孔より噴射され各燃料噴流は気筒２の中心軸に対し各噴流が狭角シ−タΘの独立した６噴流に分けられピストンの燃焼容積部１２内にＡ・Ｂで示す如く各分割噴霧群は結束されて広域の燃料拡散群として展開され熱交換作用により更なる燃料群の微粒化や気化混合条件が燃料の早期噴射においても促進される。【００２０】  ノズルの複数ホ−ルで狭角に分割される各噴流や噴霧流は図２の如くに噴流エネルギ−が時系と飛翔距離Ｌで分散され各噴流は燃焼室との相関により拡散展開し混合気化条件が促進される事になる。このため図３の如く従来の多噴孔広角ホ−ルノズル噴射特性によって生ずるピストン容積部端域での燃料重合反応や噴霧流の衝突による液状戻り現象や過濃燃料域Ｍの構成原因は大きく改善され燻状燃焼によるＰＭ炭化煤塵の生成因が減ずることになる。【００２１】  また図４の如く気筒ヘッド部３に円錐筒状燃焼室１１部を設け内部に点火栓９を装備しガソリン燃料による狭角複数噴孔ノズル１０による混合気の火花点火方式を燃料供給条件の電子制御技術で層状給気燃焼機関として構成すれば燃料飛翔距離の延伸作用や飛翔燃料の気化混合作用が衝突作用によらずとも促進されるので従来ＥＦＩで発生するエンドガスノッキング現象が抑制される事になる。【００２２】  従って機関の圧縮比を高める事が可能となり、更に円錐筒状燃焼室に対し燃料群の供給が給気を絞る事なく電子噴射制御技術により自在に行なえる事からガソリン機関の高圧縮比化と層状給気燃焼方式条件が構成される事になり機関の高圧縮比による高熱効率化と層状給気燃焼による給気絞りポンプ損失減との相乗効果によって自動車等の燃費が大きく改善される事になる。【００２３】  また複数ホ−ル噴孔狭角燃料噴射方式の主要部品である複数噴孔ホ−ルノズルは拡大断面図５で示す如く工作は容易でありサック部形状と開閉ピン部との相関によりサック部の噴射後だれが減じ、熱負荷にも排気低公害化にも有利な複数噴孔狭角ホ−ルノズルが既存のノズル技術で容易に生産できるのである。【００２４】  更にピストン燃焼容積部の改造に関しても難易度が少なく分割された各噴流が衝突し拡散作用に影響を与える衝突面の相関形状は特にディ−ゼル方式において効果がある。衝突面部は耐熱インコネル材を用いているがＯＳＫＡ開発当時から懸念されていた単噴流の衝突による大きな衝激力は燃料群の複数噴孔分割構成と電子制御による多段的噴射技術と飛翔距離延伸等により大きく軽減されるので燃料衝突面部の耐久性を含め実用化に問題は生じない。��００２５】  複数ホ−ル噴孔の狭角噴射に超高圧を必要としない円錐筒状燃焼室構造の本ガソリン燃料機関に於いてはピストン面に燃料噴流の衝突拡散用衝突部の必要性は低く、ピストン面や燃焼容積部には耐熱材の溶射やコ−テング技術で対処できる事は有利である。従ってディ−ゼル燃焼方式においても将来的には更に衝突部の軽減化やピストン重量の軽減化が可能となる。【００２６】  以上が本発明を実用機関として生産するに際しての問題であるが全て既存の生産設備や工作機械を使い改善の可能な事が本発明の最大な効果とも言える。【００２７】  衝突拡散燃焼方式ＯＳＫＡを先に開発した発明者もディ−ゼルの多噴孔ホ−ルノズルとピストン燃焼容積部との組み合わせによる燃焼方式の疑問点や問題点を追究し続けてきたがディ−ゼル燃焼システムの基本とされていた燃料の広角拡散噴射方式では燃焼反応の起点は必然的に多端域同時反応となり更に後続燃料群による同端域での重なり燃焼反応に因る燻蒸燃焼がＰＭ炭化煤塵生成因を大とし同時反応に因る圧力上昇率がＮＯｘの発生因となっている。【００２８】  また広角拡散の多噴孔ホ−ル噴霧流の到達方向をピストン容積部の多端域とする多端域同時反応燃焼方式では各燃料噴霧群の初期反応による反応域が複数化される事で各端域同時反応に因る圧力干渉や燃焼最高温度発生もＰＭ生成因も増加する事になりＮＯｘやＰＭ炭化煤塵の抑制には絶対不利なのである。【００２９】  従って直噴燃料噴射を広角の多噴孔ホ−ルノズルで多端域に噴射する方法はそれを必要とする大径ピストン機関の設計には不可欠な技術ながらこれを小型高速機関に応用する事は無理なのである。小型高速機関では燃焼容積部の中心域近傍に燃料群を分割分断的に供給する方法を燃料噴射噴霧角の狭角狭入射角として衝突面との相関を図り、衝突反作用とによる燃料燃焼条件の改善を図る事によれば燃料群の気化混合条件が必然的に促進され衝突部に対する単噴流の衝突衝撃も軽減され高圧縮比の採用が可能となり機関の高熱効率化とＰＭ炭化煤塵やＮＯｘ低減燃焼の低減に有効な方法である事を確認することができた。【００３０】本発明になる燃焼改善技術は既存のガソリン機関や直噴ディ−ゼル機関の生産ラインの利用が可能であり機関本体を変える迄もなくシリンダ−ヘッド部とピストンや燃料噴射系（複数狭角ホ−ル噴孔ノズル）の改善のみで機関の高熱効率化と排気低公害化の目的が容易に達成される事になる。本技術はＬＮＧ等のガス燃料での利用や世界の各国での実施容易な技術であり、これの早期開示は地球環境の改善に必要な世界各国の協調協力を得るためにも有意義な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】  本発明の断面図である。
【図２】  本発明の別の断面図である。
【図３】  従来機関の燃焼説明図である。
【図４】  本発明の別の断面図である。
【図５】  本発明の別の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】１  機関本体
２  シリンダ−
３  気筒ヘッド部
４  給気路
５  排気路
６  ピストン
７  燃料噴射装置
８  電子燃料制御部
９  着火点火栓
１０  狭角燃料噴射ノズル
１１  円錐筒状燃焼室
１２  ピストン燃焼容積部
１３  燃料衝突面部
１４  狭角燃料噴霧群
１５  狭角噴霧の結束状パタ−ン
１６  従来広角多噴孔ホ−ルノズル
Ｌは噴霧の飛翔距離
Ｍは燃料過濃域を示す。
小矢印はガス流を示す。
【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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