(57)【要約】      （修正有）【課題】超高圧と多噴孔ホールノズルによる噴流重合と超高圧による過大な噴流貫徹特性に因るピストン噴流慣到部の破損や炭化煤塵の生成因を解決し、多種多様な燃料の使用を可能とする省エネ・低公害内燃機関を開発する。【解決手段】気筒内に流入する空気の流れを強化し、スワール流れで端域ノッキングを排除して内燃機関の高圧縮比化目的を達成し、中圧による大径スロットルノズルによる噴射燃料の微薄噴射燃料群と空気との混合による燃焼により、超高圧ホールノズルによる過大な噴流での炭化煤塵生成因を排除し、完全燃焼条件を安定化する手段を火花点火方法で構成して内燃機関の高圧縮比化燃焼により多種多様な燃料の使用を可能とし排気のＰＭ煤塵を燃焼により灰化して無害化する内燃機関の完全燃焼技術用微薄燃料噴射ノズル技術を提示する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料直噴内燃機関の燃料噴射ノズルを大径スロットルノズルで構成し噴射燃料群を限界的に微薄化し、燃料噴霧群をピストン方向に噴射して微薄微細噴霧群と空気との混合により燃料群を更に微細化する手段としてスロットルノズル弁の噴孔部とホルダー受け部との間隙を燃料流路開閉リフトの微小化で噴出燃料群を限界的な間隙より圧力噴射し更に微薄燃料群を微細化する作用を微細燃料噴霧と空気との衝突接触で促進する事を特徴とし微薄燃料群と空気との分子的混合燃焼条件の構成により多種多様な燃料の使用を可能とする火花点火内燃機関の完全燃焼噴射ノズルの構成技術。
【請求項２】
内燃機関の燃料噴射燃焼条件を大径スロットルノズルによる微薄化作用で微薄噴霧群として燃焼室内の空気中に供給し火花点火で微薄燃料混合気群の完全燃焼化を図りホールノズル特性での微粒化不十分に因る炭化煤塵生成因や冷始動時の黒白煙問題を微薄微細化燃料での完全燃焼により解決しＰＭ２．５等の排気有害成分を燃焼により灰化して無害化し機関熱効率の向上と排気低公害化の目的を特徴とする前記特許請求項１記載の内燃機関の燃料微薄噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は多種多様な燃料仕様による内燃機関の燃料微薄噴射ノズル技術である。
【背景技術】
【０００２】現在、省エネエンジンに代表される直噴式ディーゼル機関は燃料として重軽油などセタン価燃料が使われており運転時の排気には有害な炭化煤塵を排出する燃焼特性を有している。又燃料噴射は２００ＭＰの超高圧とホールノズルとによる噴射方式で高動力を要し経済的とされる熱効率も５０％近傍に停滞している。この直噴ディーゼル燃焼方式は３００年以上も経過した現在でも炭化煤塵の処理に後処理装置を必要とし機関の構成も複雑高価で重い。また機関の小型化高速化もこの燃焼方式が不適な事から直噴ディーゼル燃焼機関は更なる省エネ・低公害化燃焼技術の開発が求められている。従って内燃機関はセタン価燃料以外の燃料が使へ排気に媒塵のない液体燃料やガス燃料を含む高オクタン価燃料の使用できる新しい燃焼技術の開発が地球の燃料資源保全と大気環境の改善に必要な課題として人類文明構築の背景にある。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献】
【特許文献】特開２００７−２３９６０４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  直噴ディーゼル燃焼機関や現用内燃機関には、次のような改善を要する課題がある。
（イ）、供給する燃料と空気との混合燃焼条件による燃料の燃焼不充分な事から粒子内部が炭化し有害な煤塵やＰＭ等が排出されるので排気の後処理装置を必要としている。
（ロ）、超高圧とホール噴孔での燃料噴流が強力なため噴流到達域が破損するのでアルミピストン燃焼室部を鋳鋼製とする必要があり燃料噴流到達域に燃料過濃域が生じ空気との混合燃焼に多量の空気を必要としている。これは燃料粒子の微細化不充分が原因でありこの燃焼方法では燃焼の完全化が図れなく炭化煤塵生成因の改善も無理とされている。
（ハ）、特に高速自動車用機関として必要な熱効率の向上や排気の有害炭化煤塵を燃焼技術により改善する事は困難とされ燃費が悪く排気煤塵やＮＯｘ等の後処理装置が必要であり機関が複雑化し重く高価格である。
（ニ）、圧縮着火燃焼方式では軽重油などセタン価燃料以外の燃料が使えなく、代替燃料として期待される天然ガスや多種多様なオクタン価燃料も直接に使えない事からこの課題を改善し、熱効率に有利な高圧縮比での運転や多種多様な燃料の使用を可能とする新規な燃焼方法を開発する事の必要性が課題として挙げられる。【０００５】本発明はこれら課題の改善に有効な内燃機関の燃焼技術手段を「特願２０１１−１５６１１１・２０１２−１４６０５３・２０１２−１６３０９５」で提示しているがこの度はそれら技術の要点を再確認し燃料直噴ノズルの微薄燃料噴射技術と火花点火方式での燃焼の完全化を課題とし、燃料の微薄噴射ノズル技術と空気との混合技術と火花点火技術により多種多様な燃料の使用を可能とする内燃機関の省エネ・低公害燃焼技術を構成し、燃焼を完全化する為に必要な燃料群の微薄噴射ノズルによる燃焼作用とその効果を明示する事にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は従来の直噴ディーゼル燃焼方式が使用している超高圧と多噴孔ホールノズルでの噴射燃料群の微粒化と過大な噴流慣到性を否定し、新規な燃料噴射ノズルとして燃料群の限界的な微薄噴流を確実とする噴射ノズルを構成するために噴射燃料スロットルノズルのスロットル部を大径化し、ノズルを支持するホルダー部と大径スロットル部との環状間隙を微小とし先ず噴射燃料の微薄化を前提とする直噴ノズルを構成した。【０００７】この環状微薄間隙ノズル部より噴射される微薄燃料噴霧群は空気との接触で即時に微細化し混合気が生成するのである、この燃料噴射手段は燃料量の確保から微薄環状噴霧孔部を拡大する必要がありその手段として燃料直噴スロットル部を予め大径化し噴孔環状部の延伸目的を達成しているのです。【０００８】この環状微薄燃料噴霧群は空気との衝突接触により更に微細化と混合が促進され微細な噴霧群の飛翔慣到性は制御されて燃焼室内空気との密接な混合気化燃焼条件が構成され超高圧力を不要として中圧噴射動力の微薄燃料噴射用ノズルでの混合燃焼条件が噴射動力損失を減じ燃焼の完全化に近ずくのであります。
【発明の効果】
【０００９】この大径スロットルノズルによる微薄燃料噴霧群と空気との混合作用は吸気弁の改造で強化した空気スワール内に電子制御で燃料を供給する燃焼手段により燃焼反応域を構成する方法であり大径スロットルノズルと電子制御のみで開閉作用は複雑化しなく燃焼室内の点火栓を起点とした火炎伝播燃焼反応条件が構成されるのである。【００１０】この大径スロットル噴射ノズルの燃料群と空気との混合による火花点火燃焼条件は従来の圧縮着火燃焼方式での超高圧とホールノズルとによる過大な燃料噴流のピストン破損や噴流到達域の燃料過濃や動力損失などに因る諸弊害因の総てを改善しサバティ燃焼の特性とされている炭化煤塵の生成因は燃料粒子の微細化燃焼で改善されることになる。【００１１】燃料群を微薄状に噴射するノズルの構造はスロットルノズルのスロットル部を大径とした簡便な構成であり図１で示す如く従来径１ｍｍのスロットル部の径を３〜５倍の大径としノズルホルダー部との環状間隙を増大し噴射量や微薄環状間隙部の延長に対応する課題を大径化するのみでコスト安価に燃料群の微薄化噴射目的を達成しているのである。【００１２】この大径スロットルノズルによれば現直噴機関に使われている超高圧ホールノズルによる過大な慣到性やサック部の燃料残垂れや目詰まり等が改善されて多種多様な燃料の使用ができる直噴式内燃機関が誕生するのである。【００１３】従ってこの燃料微薄噴射ノズル混合気に火花点火技術を加えた確実な燃焼技術を構成すれば新規な燃焼技術が内燃機関の多種多様な燃料の使用を可能とし、内燃機関の高圧縮比化を阻害しているエンドガスノッキング因も空気で排除する事で高圧宿比の採用を可能としこの燃焼手段が機関を高熱効率化すると共に排気の低公害化目的も達成する内燃機関として新規な燃焼技術や燃焼方法が安価に構成されるのです。【００１４】火花点火内燃機関の燃焼技術は燃料と空気との混合と点火による物理化学的燃焼反応条件は燃焼の基軸要素であり燃料と空気と点火との各技術の整合で現在の機関性能が保持されているが燃焼技術の基本とも軸とも言える燃料噴射技術と吸入空気との混合燃焼技術は共に未熟である、これら技術は何れも既成概念「超高圧とホールノズルでの微粒化方式」に偏り熱効率向上や排気煤塵問題の改善目的は遅れているのである。【００１５】従ってこの度は将来的な地球燃料資源の枯渇問題や内燃機関の発展を踏まえ、火花点火やアシスト点火による多種燃料内燃機関の燃焼方法の開発に注力し多種燃料の使える内燃機関の資質を高めるべく重軽油のセタン価燃料で使用が制限される現直噴ディーゼル燃焼方式を超える高熱効率内燃機関の燃焼技術を火花点火燃焼方法で構成し、化石燃料以外の多種多様な燃料の使える内燃機関を開発し地球燃料資源の保全と大気環境改善に資する内燃機関の完全燃焼技術を提示する事としたのである。【００１６】  本発明は既述の如く燃料噴射弁による燃料群の微薄噴射を簡便な大径スロットルノズルにより構成し、超高圧と多噴孔ホールノズルによる従来の直噴ディーゼル機関の諸弊害問題を抜本的に解決する手段を新規な大径スロットルノズル技術と吸気スワール技術で改善し燃費を含む経済性と排気の低公害化課題を火花点火で改善する新規な燃焼技術���開発し更に多種多様な燃料の使用を可能とする内燃機関技術を提示する事とした。
【発明の効果】
【００１７】本発明は内燃機関燃焼物理に基付き燃料群の拡散展開や微薄手段に大径のスロットルノズルによる微薄燃料群の噴射展開により従来燃料噴霧群の形成に使用している超高圧やホールノズルを用いる事なく燃料噴霧群の展開や慣到性を制御するに大径スロットルノズルでの噴射燃料微薄化技術で実行し、吸気スワール技術で端域ガスによるノッキンを排除して機関の高圧縮比化を具現化する新規な燃焼技術である。この大径スロットルノズルで円錐状に環状微薄燃料群を噴射する事で多噴孔ホールノズルでの同一飛翔ルートによる噴流の重合特性や過大な超高圧噴流の慣徹性によるピストン破損や燃焼室端域部に過濃な燃料域を作る従来ホールノズル特性の弊害は悉く改善され超高圧方式での高動力損失因を減じ内燃機関の熱効率を高圧縮比化で高めた事は本燃焼技術の効果である。【００１８】また燃料噴射パターンを大径スロットルノズルにより微薄円錐状噴霧パターンとして噴射展開する方法や燃料群を順次に電子制御でスワール流れに突入させる本燃焼方法は新規な内燃機関の燃焼方法であり直噴ディーゼル燃焼方式の炭化煤塵生成因であるサバティサイクル燃焼での煤塵問題を燃料粒子群の微薄微細化で燃焼灰化しＰＭ等の有害成分の排出因を減ずる効果は大である。火花点火での火炎伝播燃焼方法で燃焼室内を燃焼反応の起点とした新規な微薄燃料群の燃焼でディーゼル燃焼の有害な排気煤塵公害問題を燃焼により灰化して解決する作用効果はＣＯ２の補足処理も可能としその効果は絶大である。【００１９】本発明方法の実施に要する部品や加工の総てが既存材料や既存技術が役立つ事は世界の内燃機関企業が小コストで実行可能な技術であり地球規模での資源保全と大気環境改善に貢献する大きな効果である。この多種多様な燃料の使用を火花点火やアシスト点火で可能とする本燃焼方法は世界産業界の発展に大きな効果をもたらし次世代の動力機関としての資質を示す新規な内燃機関の燃焼方法としての作用効果は大きい。【００２０】吸気の流れ形態を弁リフトの可変と弁部と環状座弁部との整合によりスワールを強化し同時に燃料群を円錐状として電子制御噴射で微薄状に供給する事や副吸気弁のスワール作用により端ガスノッキングを排除する作用は共にガス燃料等の燃焼方法に使え多様な燃料の火花や点火アシストにより高圧縮比化に応用し得る事も本燃焼技術の効果である。【００２１】噴射燃料群の噴霧微薄化は機関の冷始動時の白煙発生や不完全燃焼による諸弊害因の改善に有効な効果を挙げ現在最高の熱効率とされている直噴ディーゼル燃焼機関の燃焼改善が噴射ノズルを変えるのみで使用燃料の節減が可能なことも本発明の効果であり省エネ低公害内燃機関として早期に市場に提供し得る事も本燃焼方法の効果である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の直噴ノズルのヘッド部セット図
【図２】本発明ノズル先端部の拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】本内燃機関の燃焼方法は直噴内燃機関（１）の燃焼を改善する手段として、先ずヘッド部より噴射する燃料を図１の如く大径のスロットルノズル燃料噴射弁（２）により噴射燃料をスロットルノズル部（３）とホルダー受部（４）で構成する環状微薄間隙部（５）のリフトを０．５ｍｍ以下とし限界的な微薄噴流（６）の構成を噴流の加圧（７）により構成している。この微薄燃料群を微細化する手段は空気との混合である。また微薄とし噴射燃料群をピストン燃焼室内に供給して燃焼させる従来方法を改めてヘッド部（８）で燃焼させてピストン熱負荷を軽減する為ピストン上面をフラットとした、従って微細化した燃料噴霧パターンは主に気筒ヘッド部内で燃焼しピストンの熱負荷は大きく減ずるのである、ヘッド部内（９）の燃焼により供給された微細で分子化的な噴霧混合気群（１０）は火花点火により燃焼期間の短縮を実現し熱効率の向上と排気煤塵やＰＭ２．５等を燃焼により灰化して有害性の低減を図る燃料微細化燃焼条件の構成をヘッド部で構成し燃焼の完全化を実現するのである。
【００２５】従ってその手段に必要なノズルの形態は図２の拡大図で示す如く小型短ピンの大径スロットルノズルでありこのノズルでの燃料微薄化と空気との混合拡散燃焼特性を活用し、従来の多噴孔ホールノズルでの噴流重合や超高圧動力や過大な噴流慣徹性に因るピストン破損や燃料過濃域での着火遅れや炭化煤塵の生成因や燃焼温度や圧力上昇率等の問題因を噴霧粒子微薄化で拡散展開する大径スロットルノズルによる微薄化燃料燃焼特性により悉く改善するのである。
【００２６】本燃焼技術は世界のエンジン技術者が求めて止まない燃焼容積部内よりの完全的な燃料燃焼条件の構成を図１で示す如く機関ヘッド部（１）に大径スロットル燃料噴射弁（２）を設けて円錐状パターン（３）の微薄微細な燃料群の拡散展開作用を、ノズルの噴孔部（４）とホルダー部との間隙を微薄環状微薄間隙部（５）とした微薄スリット間隙（６）と微小なりフト（７）との整合により限界的な微薄噴流群として大径に構成したスロットルノズルとの環状微薄間隙部（８）より噴射し、微薄燃料群の多方向拡散噴霧と空気との衝突接触作用（９）により更に混合を促進し、この分子的な燃料混合条件で燃焼期間の短縮や拡散サバティ燃焼による炭化煤塵ＰＭを燃焼で灰化する完全燃焼条件の構成を吸気スワールによるエンドガスノッキングの排除方法を共に完遂しているのである。
【００２７】即ち機関の高圧縮比化による熱効率の向上と排気の低公害化目的を火花点火や点火アシスト手段やＥＧＲによる燃焼条件で改善する完全燃焼条件の構成を簡便な大径スロットルノズルの限界的微薄噴射群と燃焼により内燃機関の完全燃焼条件を構成したのである。
【００２８】更に地球気候変動の因とされている大気中のＣＯ２の捕捉回収を可能とすることも触媒機能を阻害する炭化煤塵やＰＭを燃焼で灰化する事で触媒機能の活性化で対処している。これら燃焼機器は炭化煤塵の生成因を燃料群の微薄微細化燃焼で炭化煤塵の同一燃焼サイクルでの燃焼を可能とし煤塵を燃焼により灰化する事でＰＭ２．５等の排出有害問題の改善をＣＯ２の捕捉処理と共に達成するのである。
【００２９】また吸気弁のリフト制御も電子制御やメカニカルで行い、燃料微薄噴射条件で燃焼を制御する大径スロットルノズルはアイドリングや軽負荷時でもスワールとの整合条件を微小な燃料弁の開閉リフトで自在とし小量の燃料群でも塊状や層状に展開することを燃料弁の微小リフトや分割噴射条件で自在としている。
【００３０】高負荷時においても弁のリフト作用と円錐状微薄燃料噴霧群の展開は大径スロットルノズルの形状や噴孔絞り部で図２の如く開弁リフトを０〜１ｍｍの範囲とし、左右多方向の拡散展開も大径化したスロットルとホルダー部とにより燃料噴射量や拡散展開が大径化によって保持され大径の環状微薄噴孔部より拡散噴射される微薄燃料群は円錐状に微小間隙より拡散展開され多噴孔以上の微薄燃料の分子的展開と混合を多様化し空気分子との混合が促進され火花点火による燃焼の完全化が物理的に構成されるのである。
【００３１】従って噴孔が８〜１２孔で制限される従来のホールノズルの過大な超高圧噴流慣徹性の燃焼方式とは比較すれば総じて有利なのである。
ピストン破損や噴流重合による噴流到達域の燃料過濃問題等が悉く改善され炭化煤塵生成因までが燃料粒子の微細化燃焼で灰化され有害問題は解決される事になる。
【００３２】この様に従来の超高圧とホールノズルによる噴流の弊害問題は大径スロットルノズルによる新規な燃焼システムにより抜本的に改革され、新たに燃料の微薄微細な噴霧形成を可能とした燃料噴射方法が大径スロットルノズルの開発により具現化したのである。
【００３３】また機関の負荷条件に合わせた吸気弁スワール作用の強化手段も相互技術の整合で気筒端域ノッキングの抑制が可能となり負荷変動にも電子制御で対処し得る高圧縮比化燃焼で高熱効率低公害内燃機関の新燃焼方法が構成されるのである。
【００３４】  燃料噴射供給条件を大径スロットルノズルでのリフトと微小間隙で燃料を微薄微細化し全負荷域で燃焼容積部中心域からの火炎伝播燃焼条件の構成と端域ノッキングの発生因を空気スワール作用により制御する本燃焼方法は現ディーゼル機間の燃焼方式にもノズルの微薄噴射技術の適用で可能であり高過給や高圧縮比化燃焼条件の改善にも有効な燃焼技術である。
従って過給技術やダウンサイジング技術にも応用されるが今後の石油資源を思考すれば多種多様な燃料の使用を可能とする火花点火や点火アシスト方式による内燃機関がディーゼル機関より有利と見ている。
【００３５】本燃焼技術は貴重な地球燃料資源の保全と大気環境改善を目的とし既存燃焼方式での燃料浪費を否定し、新燃焼技術により簡便かつ容易に構成し得る内燃機関の燃焼方法であり先人が開発した圧縮着火や層状や希薄燃焼やＥＧＲの総てが活用される事と共に次世代内燃機関として求められる燃料の多種多様な使用を大径スロットルノズル技術と吸気流れの制御技術と電子制御技術や火花点火との整合により確実に物理的に構成される新規な燃焼技術である。
【００３６】この燃料噴射大径スロットルノズルの加工や部品や可変リフトの製作や制御も電子制御技術と同様に既存技術で構成される技術の範疇にある事も物理的に明確である。
【００３７】本燃焼方法は超高圧噴射と多噴孔ホールノズルの組み合わせによる従来直噴燃焼方式の諸弊害問題を３０Ｍパスカル以下の噴射中圧力で改革する事になる。また吸気も気筒壁方向に対して強い旋回的な空気やＥＧＲガスを含むスワール流れの強化に用い端域混合気の排除で自己着火ノッキングを抑制しＮＯｘの制御や機関の高圧縮比化を可能としている。
【００３８】以上の如く本大径スロットルノズルでの燃料噴射技術と、吸気弁と弁座部による空気流の制御技術でスワールを強化する微薄円錐状の燃料噴射燃焼技術は機関のアイドル時や高負荷運転迄の広い負荷範囲において火花点火や点火アシストにより多種多様な燃料による内燃機関の層状的な高圧縮比燃焼方法の構成を可能とし地球環境の改善と燃料資源の保全と人類や生物の健康保善に大きく資するのである。
【００３９】大径スロットルノズルは図２に示す如くガスを含め多様な燃料の使用に備え既存のノズルを改造してシール部やスロットル本体部を構成し軸潤滑部や薄膜噴流部を分割して構成するに有効な技法である。
【００４０】開弁時の円盤円錐状燃料噴霧群は図２の如く軸径を３ｍｍとし開弁リフトを０．２ｍｍとしても先端シール部を０．１ｍｍ以下に形成した環状微小間隙での薄膜状噴流の下方向拡散展開条件で微薄微細な噴霧拡撒パターンは微薄環状間隙部で限界的に微薄化される事になる。この微薄噴霧の分割拡散展開は中圧の開弁圧と電子制御部の指示で作動し負荷に対応する条件をコントロールしピストン燃焼室方向に微薄燃料混合気群の展開による燃焼の完全化を具現化するのである。
【００４１】この大径スロットルノズルは超高圧とホールノズル特性による過度な慣到性や噴流重合による弊害を悉く改善し小型高速機関の燃焼に有利な燃料噴射方法であり特に小径気筒の高速機関の設計に吸気スワール技術と共に重要な技術である。
【符号の説明】
【００４２】１  機関ヘッド部
２  大径スロットルノズル弁
３  円錐状パターン
４  大径スロットルノズル噴孔部
５  環状微薄間隙部
６  スリット間隙
７  微小なリフト
８  フラットピストン
９  吸気弁
１０  排気弁
１１  火花点火栓
１２  加圧燃料パイプ
【図１】
2016133116.tif 000003
【図２】
2016133116.tif 000004