JP5225110B2 - ディーゼルエンジンの燃料処理の装置及び方法 - Google Patents

Description

ルドルフ・ディーゼルは、最初にディーゼルエンジンを開発し、１８９２年に独国特許を取得した。彼が目指したものは、高効率なエンジンの製造であった。ガソリンエンジンが１８７６年に発明され、またとくに当時は、あまり効率的ではなかった。

火花によってガスおよび空気の混合気を点火するガソリンエンジンとは違い、ディーゼルエンジンは、空気を吸入し、空気を圧縮し、さらにその圧縮空気の中に燃料を噴射し、圧縮空気の熱および圧力が燃料を自然発火させる。ディーゼルエンジンは、スパークプラグまたは他の点火源を持たない。一部の古いディーゼルエンジンは、低温状態のシリンダを加熱するグロープラグを有するが、グロープラグは点火源ではなく、むしろ、これらは抵抗加熱素子である。

代表的なガソリンエンジンのピストンは８：１〜１２：１の範囲の圧縮比で圧縮するが、ディーゼルエンジンは、通常１４：１〜２５：１の圧縮比で圧縮する。ディーゼルエンジンの圧縮比が高くなればなるほど、より大きいトルク、およびより高い燃料効率が得られる。ディーゼル燃料の使用により、ディーゼルエンジンの圧縮比を、ガソリンエンジンのそれよりも著しく高くすることができる。ガソリンは、ディーゼル燃料よりもより低い温度およびより低い圧力で自然発火し、またこの自然発火によりガソリンエンジン内でノッキングを引き起こす。

ディーゼル燃料はガソリンよりも自然発火温度が高く、またガソリンよりも重量があり、さらに油性が高い。ディーゼル燃料は、ガソリンよりもずっと緩慢に蒸発し、またその沸点は実際、水の沸点よりも高い。ディーゼル燃料は、ガソリンよりも長い連鎖中に、より多くの炭素原子を有する（ディーゼル燃料が通常、主にＣ_１４Ｈ_３０であるのに対し、ガソリンは通常、主にＣ_９Ｈ_２０である）。ディーゼル燃料を生成するには、原油を僅かに精製するだけで済み、このことが、なぜディーゼル燃料がガソリンよりも概して安価なのかの理由である。

ディーゼル燃料は、また、ガソリンよりも高いエネルギー密度を有する。平均すると、ディーゼル燃料は１ガロン（３．８Ｌ）あたり約１５５×１０⁶ ジュール（１４７，０００ＢＴＵ）のエネルギーを有するが、ガソリンが１ガロン（３．８Ｌ）あたり１３２×１０⁶ ジュール（１２５，０００ＢＴＵ）のエネルギーである。この高エネルギー密度は、高圧縮ディーゼルエンジンの改良された効率と相まって、ディーゼルエンジンが同等のガソリンエンジンよりも低燃費となる理由である。

ディーゼルエンジンの燃料インジェクタは、通常、最も複雑なコンポーネントであり、また多くの試みの主題であった。特別なエンジンにおいては、様々な位置に設置することができる。インジェクタは、シリンダ内の熱および圧力に耐え、またその上微細な霧状にして燃料を送給しなければならない。シリンダ内で燃料の霧を、均一分布するように循環させることも、共通の課題である。

ディーゼル燃料をシリンダ内に均一分布させ、また燃料を空気に混合させることは、完璧なディーゼル燃料の燃焼に寄与する。エンジン燃焼室内で燃料酸化を最適化するには、燃料／空気の混合気を理想的に気化または均質化し、化学量論的（chemically-stoichiometric）なガス状混合物を得るようにする。理想的な燃料酸化は、よりよい完全燃焼およびより低い汚染物生成をもたらす。

内燃エンジンに関連すれば、化学量論的状態（stoichiometricity）とは、所定量の燃料を完全燃焼させるのに必要な酸素量を、均一混合に供給し、この結果、不完全なまたは非効率的な酸化からの残留物を伴わない最適で適正な燃焼となるような状態である。理想的には、適切な酸化のために、燃料は完全に気化し、空気と混合し、さらに燃焼室に流入する前に均質化されるべきである。気化しない燃料液滴は、燃料効率および汚染物発生に関する問題がある従来型ディーゼルエンジンでは、概して発火せず、完全に燃焼することはない。

ディーゼル燃料の不完全なまたは非効率的な酸化は、ディーゼルエンジンからの汚染物質としての残留物、例えば、未燃焼の炭化水素、一酸化炭素、およびアルデヒドを排出し、窒素酸化物の生成を伴う。排出基準を満たすには、これら残留物は、一般的には触媒コンバータまたは浄化装置における追加処理を要して処理しなければならない。これら残留物のこのような処理は、触媒コンバータ又は浄化装置を機能させるための付加的な燃料コストを要する。従って、不完全燃焼から生じる残留物のいかなる低減も、経済的且つ環境的に有益であろう。

上述の問題とは別に、完全に気化せず、また化学量論的でない燃料−空気混合気は、燃焼エンジンを最大効率以下で動作させる。燃料の化学エネルギー僅かな部分しか機械エネルギーに変換されないのは、燃料が完全燃焼しないときである。燃料エネルギーが浪費され、また不要な汚染物を発生する。したがって、燃料−空気混合気を一層微細化し、より完全に気化することは、より高い圧縮比およびよりよい燃料効率が得られるようになる。

燃料気化および不完全燃焼に関する上述の問題を軽減する、数多くの試みが行われてきた。ディーゼル燃料インジェクタは、幾分微細な燃料の霧をエンジンのシリンダ内に直接噴霧し、また電子制御する。それでもなお、燃料インジェクタが噴霧する燃料の液滴直径は最適でなく、また燃料が発火前に空気と混合する時間はほとんどない。最新の燃料インジェクタ・システムでさえ、燃料を必要な空気と十分に混合することはない。

さらに、燃料インジェクタの噴霧がその噴霧中に衝撃波を伴うことが最近になり発見された。この衝撃波は、燃料が空気と完全に混合するのを阻害する恐れがある。この衝撃波は、燃料量塊をピストン内の特定エリアに限定的に存在させ、燃料液滴が空気に触れるのを制限するように見える。

本明細書に記載する原理は、上述した欠点の若干および他欠点を解決することができる。より詳細には、本明細書に記載する原理の若干は、液体処理の装置及び方法に関する。

本発明の一態様は、ディーゼルエンジンに燃料供給するステップを有する方法を提供する。この燃料供給ステップは、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状（気相）均質予混合気を第１予燃焼渦室内で生成するステップであって、第１予燃焼渦室が、外周と中心軸線を備える円筒形状を有し、前記外周に沿って酸化剤を供給し、かつ、当該酸化剤内に前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を供給するステップを含む、ガス状均質予混合気を生成するステップと、この第予燃焼渦室から前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状（気相）均質予混合気を燃焼室に導入ステップとを有するものとする。本発明の一実施形態は、点火源により、前記燃焼室内でディーゼル燃料および酸化剤のガス状（気相）均質予混合気を点火するステップを有するものとする。

この方法の一実施形態によれば、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気の生成ステップは、第１予燃焼渦室内で前記中心軸線周りの酸化剤渦を生成するステップと、酸第１予燃焼渦室の軸線方向領域でディーゼル燃料を微粒化し、かつディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップと、を有するものとする。一実施形態によれば、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップは、第１予燃焼渦室内で前記中心軸線周りの酸化剤渦を生成するステップと、ディーゼル燃料を微粒化しかつディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップとを有するものとし、酸化剤渦を生成するステップは、第１予燃焼渦室の外周に沿った複数個の流体通路を経る、非接線方向かつ非半径方向の角度で第１予燃焼渦室に酸化剤を導入するステップを有するものとする。

この方法の一実施形態によれば、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップは、第１段酸化剤導入路を設けるステップと、第２段酸化剤導入路を設けるステップと、所定の酸化剤要求量閾値する際に、第２段酸化剤導入路内のバルブを開放するステップと、第２段酸化剤導入路からの流体の流れによって、第２予燃焼渦室内で酸化剤渦を発生するステップと、酸化剤渦の軸線に沿ってディーゼル燃料を導入するステップと、ディーゼル燃料を微粒化し、かつディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップと、を有するものとする。一実施形態によれば、第１段酸化剤導入路におけるバルブの開放を保持するとともに、第２酸化剤導入路におけるバルブを開放する。

本発明の一態様によれば、ディーゼルエンジンを提供する。このディーゼルエンジンは、１個のブロックと、このブロック内に配置した１個または複数個の燃焼室すなわちシリンダと、この１個または複数個の燃焼室のそれぞれに配置した往復運動部材と、１個または複数個の燃焼室のそれぞれに流体的に接続した予燃焼ディーゼル燃料混合装置とを有するものとする。一実施形態によれば、この予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、ハウジングと、このハウジングによって包囲されるとともに、外周と中心軸線を備える円筒形状を有する第１予燃焼渦室と、この第１予燃焼渦室の外周周りに配置された当該第１予燃焼渦室内にいたる渦発生用の複数個の傾斜路であって、当該複数個の傾斜路を通して送られた酸化剤に渦を発生させる複数個の傾斜路と、および酸化剤の渦内を前記中心軸線に沿って第１予燃焼渦室に流体連通する第１酸化剤流導入路とを有するものとする。一実施形態は、さらに、１個または複数個の燃焼室それぞれにおける内部に突入する点火装置を備える。この点火装置はスパークプラグを有するものとする。

このディーゼルエンジンの一実施形態によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、ハウジングに包囲され、また第１予燃焼渦室と同軸状に整列した、外周と中心軸線を備える円筒形状を有して第１予燃焼渦室よりも大きい第２予燃焼渦室と、第２予燃焼渦室の前記外周周りに配置された当該第２予燃焼渦室内にいたる複数個の傾斜路であって、当該複数個の傾斜路を通して送られた酸化剤に渦を発生させる複数個の傾斜路と、および、酸化剤の渦内を前記中心軸線に沿って第２予燃焼渦室に流体連通した第２酸化剤流導入路とを有するものとする。一実施形態によれば、傾斜路は、非接線方向かつ非半径方向に指向するものとする。

ディーゼルエンジンの一実施形態は、さらに、第１予燃焼渦室から突出する末広がりの第１ノズルであって、第１予燃焼渦室にいたる複数個の傾斜路に対向する複数個の傾斜路を有する該第１末広ノズルを備える。一実施形態によれば、このディーゼルエンジンは、さらに、予燃焼ディーゼル燃料混合装置の出口に隣接する円錐ピラーを備える。

ディーゼルエンジンの一実施形態によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、ハウジングに包囲され、また第１予燃焼渦室に対して同軸状に整列する第２予燃焼渦室を有する。第２予燃焼渦室は、第１予燃焼渦室よりも大きくすることができる。一実施形態によれば、渦を発生するため、第２予燃焼渦室の前記外周周りに配置された当該第２予燃焼渦室内にいたる複数個の傾斜路であって、当該複数個の傾斜路を通して送られた酸化剤に渦を発生させる複数個の傾斜路を設ける。一実施形態では、ディーゼルエンジンは、酸化剤の渦内を前記中心軸線に沿って第２予燃焼渦室に流体連通する第２酸化剤流導入路と、およびこの第２酸化剤流導入路を通過する流体の流れを制御するバルブを収容するスロットル体とを有するものとする。一実施形態においては、このバルブが第２酸化剤流導入路を経る流量を制御する。

ディーゼルエンジンの一実施形態は、さらに、第１および第２の予燃焼渦室とほぼ同軸状に整列する燃料インジェクタを備える。この燃料インジェクタは軸流チャネル、および複数個の半径流チャネルを有する。

ディーゼルエンジンの一実施形態は、さらに、ターボチャージャーを備える。一実施形態では、ターボチャージャーと、１個または複数個の燃焼室との間で、予燃焼ディーゼル燃料混合装置を流体的に接続する。一実施形態によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、さらに、ハウジングの円筒状キャビティ内に配置し、かつ第１および第２の予燃焼渦室と流体連通する燃料インジェクタを有し、この燃料インジェクタは、液体流チャネル、およびこの液体流チャネルと第１酸化剤流導入路との間で流体連通するベントを有する構成とする。

本発明の一態様は、ディーゼルエンジンを動作させるステップを有する方法を提供する。このディーゼルエンジンを動作させるステップは、第１予燃焼渦室内でディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップであって、第１予燃焼渦室が、外周と中心軸線を備える円筒形状を有し、酸化剤を外周に沿って供給して酸化剤の渦を生成するとともに当該酸化剤に前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を前記中心軸線に沿って前記酸化剤の渦に供給してガス状均質予混合気を生成するステップと、ディーゼルエンジンの燃焼シリンダ内にディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を流入させるステップと、燃焼シリンダ内でディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気をピストンによって、少なくとも約１５：１の圧縮比で圧縮するステップと、ディーゼル燃料および酸化剤の圧縮されたガス状均質予混合気を、点火源を用いて点火するステップと、を有するものとする。一実施形態によれば、点火ステップは、シリンダ内でスパークプラグにより、火花を発生するステップを有するものとする。一実施形態において、この方法は、さらに、シリンダ内でディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気をピストンによって２１：１以上の圧縮比で圧縮するステップを有するものとする。一実施形態によれば、シリンダ内でピストンにより、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を、少なくとも２５：１の圧縮比で圧縮しても、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させないようにするステップを有するものとする。一実施形態によれば、この方法は、さらに、シリンダ内でディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気をピストンによって少なくとも３０：１または４０：１の圧縮比で圧縮するステップを有する。

本発明の一態様は、ディーゼルエンジン燃料予混合装置を有する装置提供する。この装置は、ディーゼルエンジン燃料予混合装置を備える装置であって、２段渦室を有する。第１段渦室は第１酸化剤流導入路に流体連通し、第２渦室は個別の第２酸化剤流導入路に流体連通する。第１段渦室は、外周と中心軸線を備える円筒形状を有する第１予燃焼渦室を含み、第１酸化剤流導入路からの酸化剤は酸化剤渦を生成するために前記外周に沿って第１酸化剤流導入路に導入される。この装置は、第１および第２段の渦室内部に配置した燃料インジェクタであって、酸化剤渦内の前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を供給する燃料インジェクタを有する該ディーゼルエンジン燃料予混合装置と、このディーゼルエンジン予混合装置に流体接続したディーゼルエンジンと、を備える。一実施形態において、ディーゼルエンジンはスパークプラグを有するものとする。一実施形態によれば、第１予燃焼渦室は高真空・低流量渦室とし、また第２段渦室は第１段渦室よりも大きい容積を有し、低真空・高流量渦室とする。一実施形態において、第１段および第２段の渦室は、それぞれ低流量渦室および高流量渦室とし、それぞれ陽圧ならびに真空圧を受けることができるものとする。

この装置の一実施形態は、さらに、第１段渦室への出口に配置した第１ノズルを備える。この第１ノズルは、渦方向および渦方向とは逆向きの両方向に指向するよう配列した流体通路を有するものとする。第１ノズルにおける流体通路と向き合う配列は、第１段渦室で微粒化された流体を、ほぼ非回転である流れに同軸状に指向する。本装置の一実施形態は、さらに、第２段渦室の出口に、末広がりのノズルを備える。

一実施形態は、第１段および第２段の渦室で発生した渦を心出しするため、ディーゼルエンジン予混合装置に隣接配置したピラーを備える。一実施形態において、燃料インジェクタは、第１および第２段の渦室内に燃料を噴射するための、軸線方向ポートおよび半径方向ポートを有するものとする。一実施形態によれば、この装置は、第１段および第２段の渦室に指向する酸化剤の流れを無段階に調整可能とする。一実施形態によれば、所定流量に達するまでは、第１酸化剤供給源のみを第１段渦室に対して開き、また所定流量に達したとき、第２酸化剤供給源も開くようにする。一実施形態においては、さらに、２段渦室における、第１段渦室の周囲に配置した水冷ジャケットを備える。

本発明の一態様は、ディーゼル自動車に燃料を供給するステップを有する方法を提供する。この方法は、外周と中心軸線を備える円筒形状を有する予燃焼渦室内でディーゼル燃料に酸化剤を予め混合する予混合ステップを有する。この予混合ステップは、前記外周に沿った複数の孔を通して酸化剤を前記予燃焼渦室に供給して酸化剤渦を生成し、かつ、ディーゼル燃料を前記中心軸線に沿って酸化剤の渦内に導入して、ディーゼル燃料および酸化剤の混合気を生成するステップと、予混合されたディーゼル燃料・酸化剤混合気を、付加的な燃料を燃焼室に強制送給することなく、ディーゼル自動車の燃焼室に導入するステップとを有する。一実施形態によれば、この予混合ステップは、第１渦室のみ、または第１および第２の渦室の双方が酸化剤供給を受けるように、第１および第２の渦室を直列配列して用意するステップを有する。この酸化剤は、ある角度で第１または第２の渦室に流入して酸化剤の渦を発生させる。一実施形態によれば、この方法は、燃料インジェクタを用意し、かつディーゼル燃料を軸線方向に噴射するステップを有する。この噴射ステップは、第１または第２の渦室のうちいずれか一方によって生じた酸化剤渦内に、前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を噴射するものとする。一実施形態によれば、混合気導入ステップは、予混合したディーゼル燃料および酸化剤をマニホルドに均等に分配するステップを有するものとする。

図面に示した実施例及び形態を以下に説明する。このような実際の実施例を開発するにあたり、システム上および営業上の制約の遵守といった、開発者が目指す固有の目的を達成するよう、実施毎に異なる様々な実施上の特別な決定をしなければならないことは、当然認識できるであろう。さらに、このような開発努力は複雑で時間のかかることもあるが、それにもかかわらず、本明細書の利益を享受する当業者にとっては通常の行為であろう。

本明細書及び特許請求の範囲において使用する用語「予燃焼室」は、燃焼エリアではない一つのエリアを指す。本明細書および特許請求の範囲で使用する用語「含む」及び「有する」は、単語「備える」と同義である。

以下に図面、とくに図１〜２につき説明すると、これら図面は、ディーゼルエンジン１０の一つの実施例を示す。本明細書の利益を享受する当業者には既知であるように、ディーゼルエンジン１０は、多数の標準的コンポーネント（部品）を有することができる。例えば、図１〜２のディーゼルエンジン１０はブロック１２を有する。ブロック１２内の少なくとも１個のボアは、１個または複数個の燃焼室、例えば１個または複数個のシリンダ１４を有することができる。ピストン１６のような往復運動部材は、１個または複数個のシリンダ１４のそれぞれに配置する。ピストン１６は、タイロッド２０によりクランクシャフト１８に連結する。１個または複数個のバルブ２０，２２は、空気および燃料を導入し、また燃焼した生成物を排出するディーゼルサイクル中の所定時点で開閉する。フレッシュな空気および燃料は、第１バルブを経て第一通路２６によりシリンダ１４に流入することができ、また排気は、排気路２８に続く第２バルブ２２を経てシリンダ１４から流出することができる。このディーゼルエンジンは、通常、ほぼ一部上述した既知の原理に基づいて動作することができ、シリンダ１４内でディーゼル燃料を燃焼させることによって、ディーゼル燃料から仕事を発生する。しかし、標準的なディーゼルエンジンはスパークプラグを有していないが、本発明の一実施例によれば、スパークプラグ２４のような点火源を、各シリンダ１４に突入させる、または関連して設けることができる。スパークプラグ２４または他の点火源を設ける理由のいくつかを以下に説明する。他の既知のコンポーネントもまた、ディーゼルエンジン１０の一部を構成することができる。

図１は、ディーゼルエンジン１０の吸入行程を示す。このとき、第１バルブ２０は、第１通路２６に対して開く。ピストンが後退するとき、ディーゼル燃料および空気の予混合気がシリンダ１４内に吸い込まれる。図２はディーゼルエンジン１０の圧縮行程を示す。このとき、バルブ２０、２２が閉じ、ピストン１６は、シリンダ１４内の空気および燃料混合気を圧縮する。通常のディーゼルエンジンにおいては、ピストン１６はシリンダ１４内で空気のみを圧縮し、また加圧ディーゼル燃料をシリンダ内に燃料インジェクタによって直接噴射する。さらに、この圧縮は、シリンダ内のディーゼル燃料および空気の標準混合物を自然発火させるのに十分な熱と圧力を発生させようとする。しかし、本明細書に記載の本発明の一実施例によれば、ディーゼル燃料は噴射される燃料ではなく、その代わりにディーゼル燃料および酸化剤をシリンダ１４または他の燃焼室に流入する前に予め混合される。さらに、本発明のいくつかの実施例によれば、ディーゼル燃料および酸化剤の予混合気に自然発火を起こさせない圧縮比として、およそ１５：１、またはおよそ２１：１以上、さらに２５：１、そして４０：１までも、またはそれ以上の圧縮比が想定される。したがって、本発明の一実施例によれば、スパークプラグ２４またはその他の点火源を、シリンダ１４に関連させて設け、燃焼を開始させる。

４０：１、またはそれ以上もの高いエンジン圧縮比が自然発火を生じさせない一つの理由は、エンジン１０に供給されるディーゼル燃料および酸化剤の混合気が極めて微細かつ均質であることにある。本発明の一実施例によると、ディーゼルエンジン１０は、大半のディーゼル燃料の粒径が５０μｍまたはそれ以下までも減少させることができる混合装置を有し、またこの混合装置によって燃料を供給される。本発明の一実施例によれば、この混合装置は、大半のディーゼル燃料の粒径を２０μｍまたはそれ以下までも減少させることができ、例えばこの混合装置は、少なくともディーゼル燃料の８０％〜９５％を、おおよそ１〜３μｍまたはそれ以下の粒径に微細霧状化する。この混合装置は、例えば予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００を有するものとする。予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は、内燃エンジンまたは他の装置への、ディーゼル燃料および酸化剤の予混合供給源となり得る。図１〜３は、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００を完全に組み立てた状態の断面図を示す。図３は予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００の拡大図であり、主に、説明する素子を識別できるよう以下に参照して明確に説明する。

図３に示すように、本発明の一実施例によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００はハウジング１０２を有する。ハウジング１０２は、通常、金属、セラミック、複合材、プラスチック、または他の材料で製造することができる剛性構体である。ハウジング１０２は、以下に説明する多数の内部コンポーネントを囲む。ハウジング１０２の斜視図を図７に示す。ハウジング１０２は任意のサイズまたは形状とすることができ、図７に示すように、ハウジング１０２のいくつかの実施例は、酸化剤流入セクション１０４および渦セクション１０６を有する。酸化剤流入セクション１０４は、図７のようにスロットル体を設ける。

図３に戻って説明すると、ハウジング１０２は、第１予燃焼渦室、すなわち第１段１０８を囲む。第１予燃焼渦室１０８は第１軸線１０９を有する。複数個の傾斜通路１１０が第１予燃焼渦室１０８に達する。複数個の傾斜通路１１０は、第１予燃焼渦室１０８内での渦またはトルネードの発生を促進する。ハウジング１０２内に配置した第１酸化剤流導入路を、第１予燃焼渦室１０８に流体連通させる。この第１酸化剤流導入路１１２は、第１予燃焼渦室１０８への主要な空気または酸化剤源をなす。一連の矢印１１４は、酸化剤流導入路１１２を経て第１予燃焼渦室１０８に流入する空気または他の酸化剤の流れ方向を示す。第１酸化剤流導入路１１２内に配置した第１バルブ１１６は、必要に応じて第１予燃焼渦室１０８に流入する空気の流れまたは流量を調整する電子制御バルブにより構成する。

第１予燃焼渦室１０８にいたる複数個の傾斜通路１１０は、例えば第１渦ホイール１１８のような、ホイールの周囲に沿って互いに離して形成した溝孔により構成する。この第１渦ホイール１１８を図４の斜視図に最も明確に示す。第１渦ホイール１１８は通常、剛性構体により構成し、金属、プラスチック、セラミック、複合材、または他の材料で形成することができる。第１渦ホイール１１８は第１軸線１０９と同軸状にする。第１渦ホイール１１８の傾斜通路１１０は、非接線方向かつ非半径方向に指向するものとする。すなわち、傾斜通路１１０は、接線に対して０°以上、９０°未満の角度をなす（９０°は完全に半径方向または中心に指向する）。傾斜通路１１０は、約１０〜７０°の範囲における角度をなすものとする。傾斜通路１１０は、約５〜５０°の範囲における値とする。傾斜通路１１０は、少なくとも接線に対して約３０°の角度をなすものとする。これにより傾斜路１１０は、第１予燃焼渦室１０８内に空気が導入されるとき、渦の発生を促進しようとする。傾斜通路１１０は非接線方向に指向するため、この渦は第１渦ホイール１１８の内面から離れようとする。

本発明の一実施例によれば、第１渦ホイール１１８はハット１２０に隣接し、かつ接触する。ハット１２０は、ほぼ円形にし、ハウジング１０２に取り付ける。ハット１２０は、半球状または皿状とし、部分的に第１渦ホイール１１８の中心まで突出させる。例えば、ハット１２０の球面部分１２２は、第１渦ホイール１１８の中心に向かって約半分まで突出する。ハット１２０は、金属、プラスチック、セラミック、複合材または他の材料で形成することができる。図３〜５に明示するように、ハット１２０は、第１渦ホイール１１８に同軸状にすることができる。ハット１２０は、さらに、円筒状キャビティを画定する中心孔１２４を有する。ハット１２０の中心孔１２４は、燃料インジェクタ１２６のようなインジェクタを受容できる。

本発明の一実施例によれば、燃料インジェクタ１２６を、第１渦ホイールおよびハット１２０に同軸状にする。燃料インジェクタ１２６はフランジ１２８を有し、このフランジ１２８は燃料インジェクタ１２６をハット１２０に連結し、封止部（シール）を生ずる。しかし、燃料インジェクタ１２６のヘッド１３０はハット１２０の中心孔１２４に挿入される。中心孔１２４の直径および燃料インジェクタ１２６のヘッド１３０の直径は、中心孔１２４の内面とヘッド１３０の外面との間に環状空間１３２を残す寸法にする。燃料インジェクタ１２６は、さらに、ハウジング１０２の外側に突出するテール部１３４を有する。燃料インジェクタ１２６は、燃料源に対して流体連通させる。

本発明の一実施例によれば、燃料インジェクタ１２６には、吸気口１３５および多数の流体または液体ポートを設ける。例えば図６Ａ、６Ｂの実施例によれば、燃料インジェクタ１２６は、軸流チャネル１３６および複数個の半径流チャネル１３８を有し、各チャネルは吸気口１３５に流体連通させる。図６Ａ、６Ｂの実施例によれば、４個の等間隔に配置した半径流チャネル１３８を設ける。さらに、燃料インジェクタ１２６には、ベント１４０のような、１個または複数個の圧力均等化ベントを設けることができる。ベント１４０は、導管１１３（図３参照）を介して第１酸化剤流導入路に流体連通することができ、また各ベント１４０をそれぞれ半径流チャネル１３８に流体連通することができる。したがって、図６Ａ、６Ｂに示す実施例によれば、４個のベント１４０を設ける。大気を導入するベント１４０は半径流チャネル１３８および軸流チャネル１３６における差圧を防止する。ベント１４０は、陽圧状態（例えば、ターボチャージにより生ずる）においてでさえ、フローチャネル１３６、１３８における圧力を均等化する。

図３〜４に戻って説明すると、本発明の一実施例によれば、環状空間１３２は、半径流チャネル１３８（図６Ｂ参照）を経てヘッド１３０から半径方向に流出する流体のいかなる流量制限をも除外するのに十分大きさの隙間を設ける。すなわち、半径流チャネル１３８の寸法または直径は、環状空間１３２よりも流通能力を制限しようとするものとする。燃料インジェクタ１２６は、周囲の第１予燃焼渦室１０８内側に配置し、傾斜通路１１０を経て側方から燃料を導入するのではなく、軸線１０９の方向に、第１予燃焼渦室１０８に燃料を導入する。

図１〜７の実施例において、第１渦ホイール１１８を第１出口ノズル１４２に隣接配置し、また接触させる。第１出口ノズル１４２を第１渦ホイール１１８に同軸状に配置し、金属、プラスチック、セラミック、複合材、または他の材料で形成した末広がり形状のノズルとすることができる。第１出口ノズル１４２は、部分的に第１渦ホイール１１８内に突出する半球状ハット１４４を設けることができる。半球状ハット１４４の周囲のリップ１４６は、第１渦ホイール１１８に対する接触面または載置面をなす。リップ１４６はハウジング１０２の内向き突起１４７に着座する。したがって、第１出口ノズル１４２は、図３に示すように、ハウジング１０２内で懸垂支持される。

本発明の一実施例によれば、第１出口ノズル１４２は、第１予燃焼渦室１０８に開口づる中心孔１４８を有する。さらに、第１出口ノズル１４２は、異なる角度で側方に延びる複数個の小傾斜通路を有する。例えば、図４の実施例によれば、第１出口ノズル１４２は、半球状ハット１４４に１組の第１傾斜路１５０よりなる第１傾斜路セットを、また円錐テール部分１５４に１組の第２傾斜路１５０，１５２よりなる第２傾斜路セットを有する。第１セットおよび第２セットの傾斜路１５０、１５２は、時計方向および反時計方向の両方向に流体を方向付ける通路を有するものとする。時計方向および反時計方向の任意の数の通路を設けることができ、これにより、第１出口ノズル１４２を経て、これら通路とほぼ同数の渦流でないまたは回転しない流れを生ずる。

本発明の一実施例によれば、第１出口ノズル１４２は、第２予燃焼渦室、すなわち第２段１５８にいたる。第１予燃焼渦室１０８とともに、第２予燃焼渦室１５８は２段階渦室を形成する。第２予燃焼渦室１５８は、第１軸線１０９に対して同軸状にすることができる。第２予燃焼渦室１５８は第１予燃焼渦室１０８よりも広く、また第１予燃焼渦室１０８の半径の、少なくとも２倍の大きさの半径にすることができる。複数個の第２傾斜路１６０は第２予燃焼渦室１５８にいたる。第２傾斜路１６０は、第２予燃焼渦室１５８内において渦流またはトルネードの発生を容易にする。ハウジング１０２内に配置した第２のまたは二次酸化剤流導入路１６２は、第２予燃焼渦室１５８に流体連通する。二次酸化剤流導入路１６２は、第１酸化剤流導入路１１２よりも大きくする。二次酸化剤流導入路１６２は、空気または他の酸化源を第２予燃焼渦室に与える。矢印１６４は第２予燃焼渦室１５８内に指向し、また第１出口ノズル１４２の円錐テール部１５４における第２セットの傾斜通路１５２を通過する。第２酸化剤流導入路１６２内に配置した第２の、すなわちバタフライ弁１６６のようなバルブは、必要に基づいて第２予燃焼渦室１５８内への空気流量を調節する電子または機械的制御バルブとすることができる。より大きな二次酸化剤流導入路１６２および第２予燃焼渦室１５８は、必要に応じて高流量（流速）に適合する。機械的に制御する場合、バタフライバルブ１６６は、ケーブル１６８によって、自動車のガスペダル１７０のようなペダルまたはスロットルに連結することができる。

本発明の一実施例によれば、第２予燃焼渦室１５８にいたる複数個の傾斜路１６０は、第２渦ホイール１７２のような、他のホイールの周囲に沿って、また互いに離して配列したスロットにより構成することができる。第２渦ホイール１７２は、図４の斜視図に最も明確に見ることができる。第２渦ホイール１７２は、第１渦ホイール１１８よりも大きくし、いくつかの実施例によっては、少なくとも２倍の大きさとすることができる。第２ホイール１７２はほぼ剛性のある構体とすることができ、金属、プラスチック、セラミック、複合材、または他の材料で形成することができる。第２渦ホイール１７２は、第１軸線１０９に同軸状にする。第２渦ホイール１７２の傾斜路１６０は非接線方向であり、かつ非半径方向に指向する。傾斜路１６０は、接線方向に対して０°以上、９０°未満の角度をなすものとする。傾斜路１６０は、約１０〜７０°の範囲の角度をなすものとする。傾斜路１６０は、約５〜５０°の範囲の角度をなすものとする。傾斜路１６０は、接線方向に対して少なくとも約３０°の角度をなすものとすることができる。これにより、傾斜路１６０は、第２予燃焼渦室１５８に空気を導入するとき、第２予燃焼渦室１５８内で渦の発生を促進しようとする。傾斜路１６０が非接線方向に指向するため、渦は第２ホイール１７２の内面から離れようとする。第２渦ホイール１７２は、第１出口ノズル１４２に開口する中心孔１７６、および複数個の小孔１７８を設けたリッド１７４を有するものとする。絞りプレート１５６を中心孔１７６内に配置することができる。この絞りプレート１５６は、図４の実施例に示すように、湾曲形状、または漏斗形状にすることができる。傾斜路１６０は、リッド１７４から延びる片持ち突起１７５間に形成される。

本発明の一実施例によれば、第２渦ホイール１７２を、閉鎖プレート１８０上に載置し、また取り付けることができる。閉鎖プレート１８０は、ハウジング１０２とほぼ同一平面上にすることができ、また第１軸線１０９と同軸状の中心孔１８２を有するものとする。閉鎖プレート１８０の内側リング１８４は、第２の、または最終の出口ノズル１８６を支持する。第２出口ノズル１８６および閉鎖プレート１８０は、ほぼ剛性の構体で形成することができ、金属、プラスチック、セラミック、複合材、または他の材料で形成することができる。図３に明示するように、第２出口ノズル１８６は、内面が末広がりとなるノズルにより構成することができる。第２出口ノズル１８６は、ほぼ円筒状の外側部１８８、およびほぼ円筒状の外側部１８８よりも大きな直径を持つ外側リップ１９０を有するものとすることができる。ほぼ円筒状の外側部１８８は、閉鎖プレート１８０の中心孔１８２に滑り込むことができる寸法にするが、外側リップ１９０は挿入深度を制限する。外側リップ１９０は中心孔１８２の直径よりも大きな直径とする。本発明一実施例によれば、第２出口ノズル１８６は閉鎖プレート１８０にまたがり、さらに部分的に第２渦ホイールの内部に突入する。本発明一実施例によれば、第１および第２の渦室、および上述したの１個または複数個の他のコンポーネントは、同軸状に整列した渦組立体を構成する。

本発明の一実施例によれば、第２出口ノズル１８６は予燃焼燃料混合装置１００の外側に突出し、またシリンダ１４のような燃焼室にディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を供給することができる。本発明一実施例によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を、ディーゼルエンジン１０のシリンダ１４（図１）のようないくつかの燃焼室に分配する、吸気マニホルド１９４に隣接して配置する。さらにいくつかの実施例は、円錐ピラー１９６のような吸気ピラーを、第２出口ノズル１８６に設ける。円錐ピラー１９６は吸気マニホルド１９４の一部とすることができる。しかし、いくつかの実施例において、円錐ピラー１９６は、さらに、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００の一部とし、取り付けることもできる。

本発明一実施例によれば、円錐ピラー１９６は、第１軸線１０９と同軸状にする。円錐ピラー１９６は、金属、プラスチック、セラミック、複合材、または他の材料で形成することができる。円錐ピラー１９６は、第１または第２の予燃焼渦室１０８，１５８のいずれかに発生する渦をセンタリング（心出し）し、または保持しようとする。第１または第２予燃焼渦室１０８、１５８のいずれかに発生する渦のセンタリング、または保持は、燃料および酸化剤のガス状均質予混合気内での燃料の微粒化および混合に役立つ。円錐ピラー１９６を用いた渦のセンタリングは、図１〜２に示すシリンダ１４にいたる第１通路２６のような、燃焼室にいたる吸気マニホルド１９４の様々な吸気経路内に、燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を均等に分配しようとする。

円錐ピラー１９６は多くの形態を取り得る。一実施例によれば、円錐ピラー１９６は少なくとも２個の異なる勾配を有するものとする。例えば、第１円錐面１９８は第１勾配を有し、また第２円錐面２００は第１勾配よりも急な第２勾配を有するものとする。しかし、円錐ピラー１９６は、一実施例では単独の勾配を有するものとし、また他の実施例においては、第２円錐面２００の代わりに円筒面を設けることができる。図１〜７の実施例に見られるように、円錐ピラー１９６は、第１および第２円錐面１９８、２００の間に外周リップ２０２を設けることができる。外周リップ２０２は、渦により作られるディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気から落ちる液適の、捕集領域をなす。ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気の流れが円錐ピラー１９６を通過するとき、外周リップ２０２に集積した液適の若干を「引きずり(drag)」込もうとする。

一実施例によれば、ハウジング１０２は水冷ジャケット１０３のような熱交換器を画定することができる。水冷ジャケット１０３を、ディーゼルエンジンの冷却系と流体連通し、第１予燃焼渦室１０８の周囲に配置する。水冷ジャケット１０３は、ハウジング１０２の内部流路を含むことができ、第１酸化剤流導入路１１２を通る酸化剤流を加熱することができる。水冷ジャケット１０３は主にエンジンを冷却し、およそ１９０〜２１２°Ｆの定常状態で動作する。

一部の形態において、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は、ディーゼル燃料に酸化剤を混合する簡便な方法になる。例えば、本発明の若干の態様として、ディーゼルエンジンに対する燃料供給方法を与える。一つの態様において、ディーゼル燃料は、酸化剤渦への燃料の軸方向導入によって、酸化剤と混合する。例えば、ディーゼル燃料は、第１および第２の予燃焼渦室１０８，１５８のいずれか一方または双方に、燃料インジェクタ１２６を通じて軸方向に導入することができる。いくつかのケースでは、エンジンの動作が第１および第２の予燃焼渦室１０８，１５８の一方または双方に、空気または他の酸化剤を引き込む真空を生じさせる。ターボチャージャー使用時のような他のケースでは、エンジンの動作は第１および第２予燃焼渦室１０８，１５８の一方または双方に、空気または他の酸化剤を押し込む陽圧を発生させる。第１および第２の予燃焼渦室１０８，１５８の各々への、傾斜路１１０，１６０の配列が、そこでの空気の引き込み、又は押し込み時における渦を生む。さらに一実施例によれば、第１および第２の予燃焼渦室１０８，１５８のいずれかの内部に生じる渦は、円錐ピラー１９６への自然な取付けによって保持され、またセンタリングされる。

一実施例によれば、燃料を微粒化しまたは霧状化し、さらにディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するため、ディーゼル燃料は（傾斜路１１０，１６０のような円周スロットを経る、接線方向または半径方向または側方とは対照的に）軸線方向に、第１および第２の予燃焼渦室１０８，１５８に導入する。一実施例によれば、微粒化作用は、（傾斜路１１０，１６０の）外壁から離れた、軸線方向領域でなされる。

いくつかの実施例によれば、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気は、第１および／または第２の渦室１０８，１５８から、シリンダ１４のような燃焼室に引き込まれる。一実施例によれば、燃料および酸化剤はいずれもシリンダ１４内に噴射、または圧力噴射しない。その代わり一実施例によれば、燃料および酸化剤の予混合気を、（例えばシリンダ１４内ピストン１６の往復運動によって、生じる）真空により、シリンダ１４内に引き込む。これにより、典型的なディーゼル燃料噴射システムに伴う衝撃波は、シリンダ１４内で抑制することができる。さらに、真空によってシリンダ１４内に引き込まれるディーゼル燃料および酸化剤の予混合は、シリンダ１４内においてその真空を満たすことで、より均質に分散しやすくなり得る。それでもなお、一実施例においてディーゼル燃料および酸化剤の均質予混合気は、とりわけターボチャージャーまたはスーパーチャージャーによって加圧され、シリンダ１４内に噴射され得る。しかしシリンダ１４の燃料インジェクタを省略した陽圧での具体例も、シリンダ１４内において衝撃波の発生を最小化し続ける。

いくつかの実施例によれば、第１渦室１０８は単独で、または第２渦室１５８と連携して動作する。例えば、第２酸化剤流導入路１６２に配置するバタフライバルブ１６６は、通常閉じておくことができる（ただし、少量の酸化剤をバルブから滲出させ、例えば第１出口ノズル１４２の傾斜路１５２に流入させることができる）。バルブ１１６および燃料インジェクタ１２６は、必要性および／または回転速度に基づいた燃料および酸化剤の燃焼可能な比率を生ずるように、電子的にまたは機械的に協調動作させることができる。一実施例によれば、第１渦室１０８は高真空・低流速渦室により構成し、また、これによってエンジンが低流量の燃料および酸化剤のガス状均質混合気を必要とするとき、バルブ１１６が開く。ほとんどのディーゼルエンジンが、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーを有するように、第１渦室１０８は、また、陽圧の低流量渦室とすることができる。バルブ１１６は、導入された燃料の量に応じた適量の酸化剤を供給するように、無段階調整可能にすることができる。

一実施例によれば、第１酸化剤流導入路１１２がディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を適量供給するよりも、高い流量が燃焼に必要とされるとき、バタフライバルブ１６６も開くことができる。例えば、一実施例において、第１酸化剤流導入路１１２は、およそ、０〜２６２ｌｂｍ／ｈｒ．の範囲における空気のマスフロー（質量流量）を供給することができる。第２酸化剤流導入路１６２は、第１酸化剤流導入路１１２が第１予燃焼渦室１０８に供給できるよりも高い流量の酸化剤を、第２予燃焼渦室１５８に供給できる。したがって、第２予燃焼渦室１５８は、低真空および高流量渦室により構成することができる。第２予燃焼渦室１５８は、また、ターボチャージもしくはスーパーチャージの結果として、陽圧および高流量渦室にすることができる。一実施例では、第２酸化剤流導入路１６２はおよそ０〜１４００ｌｂｍ／ｈｒ．の範囲における空気のマスフロー（質量流量）を供給することができる。他の実施例では、第２酸化剤流導入路１６２は、１４００ｌｂｍ／ｈｒ．以上の空気のマスフロー（質量流量）を供給することができる。「低」流量とは、約２６２ｌｂｍ／ｈｒ．未満のマスフロー（質量流量）をいう。「高」流量とは、約２６２ｌｂｍ／ｈｒ．以上のマスフロー（質量流量）をいう。バタフライバルブ１６６は、導入燃料に対して適量の酸化剤を供給するために、無段階調整可能とすることができる。一実施例では、バタフライバルブ１６６はバルブ１１６が完全に開いた後にのみ開くものとする。第１および第２の予燃焼渦室１０８，１５８は、一部の実施例においては、同軸状に配列するので、同じ燃料インジェクタ１２６で双方の渦室に燃料を供給することができる。本発明の利益を享受する当業者によれば、しかしながら、上述の流量範囲は事実上例示的なものであり、導入路１１２，１６２はこれ以外の流量を供給するものに置換することができる。

一実施例によれば、第１および第２の酸化剤流導入路１１２，１６２を通過する流れは合算的である。すなわち、バルブ１１６が完全に開いて、且つ更なる流動能力が必要とされているとき、バタフライバルブ１６６も開く。例えば、一実施例では、バルブ１１６はおよそ０〜２６２ｌｂｍ／ｈｒ．の範囲で流量を調節でき、またバタフライバルブ１６６は２６２ｌｂｍ／ｈｒ．〜１４００ｌｂｍ／ｈｒ．またはそれ以上に流動能力を上げるため開くことができる。一実施例によれば、バタフライバルブ１６６は、ガスペダルが所定レベルまで下げられるとき、すなわち所定の酸化剤必要閾値が満たされるとき、バルブ１１６が完全に開いてバタフライバルブ１６６が開くというような自動車のガスペダル１７０に、機械的に連結する。しかし、一実施例によれば、バルブ１１６およびバタフライバルブ１６６のそれぞれが、部分的にのみ開くものとすることができる。

本発明の一態様によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は、第１酸化剤流導入路または供給源１１２におけるバルブ１１６が開いた状態で動作するようにする。酸化剤は第１予燃焼渦室１０８に流入し、渦を発生する。ディーゼル燃料は第１予燃焼渦室１０８における渦の中心に流入し、これにより燃料を微粒化し、さらにディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成する。ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気は、第１出口ノズル１４２および第２予燃焼渦室１０８を通過し、さらに第２出口ノズル１８６から流出する。円錐ピラー１９６を有するいくつかの実施例によれば、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気の流れは、吸気マニホルド１９４で均一に分配され、真空により引き込まれるか、または陽圧により導入し、１個または複数個のシリンダ１４または他の燃焼室に入り込む。

本発明の一態様によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は、第２酸化剤流導入路または供給源１６２におけるバタフライバルブ１６６が開いた状態で動作するようにする。酸化剤は第２予燃焼渦室に流入し、渦を生成する。ディーゼル燃料は第２予燃焼渦室１５８における渦の中心に流入し、これにより燃料を微粒化し、さらにディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成する。ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気は、第２出口ノズル１８６を通過し、吸気マニホルド１９４で均一に分配され、真空により引き込まれるか又は陽圧により噴射されて、シリンダ１４のような１個または複数個の燃焼室に入り込む。

本発明の一態様によれば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は自動車に燃料を供給するよう動作し、空燃比を変化させる。例えば、一実施例において、バルブ１１６，１６６は回転速度およびエンジンにかかる負荷に基づいて（電子的制御または機械的制御のいずれかによって）自動的に空燃比を変化させるよう動作するようにする。一実施例では、エンジンの主な負荷を表す、吸気マニホルドの絶対圧力を測定する。

一実施例において、空燃比の自動変化が、ルックアップテーブル、数式、または他の特性のパラメータに従うようにする。ある環境下では、化学量論的空燃比が理想的であると考えられる。しかし、一部のエンジン環境は非化学量論的空燃比をもって、より良い燃料効率、より大きな力、あるいは他の所望の性能特性を発揮することがある。ディーゼルエンジンにおいての化学量論的空燃比は、約１４．３〜１４．５：１である。すなわち、ディーゼル燃料および空気の化学量論的混合は、ディーゼル燃料の組成に応じて、各１単位ディーゼル燃料に対して１４．３〜１４．５単位の空気からなる。これにもかかわらず、いくつかの実施例においては、予燃焼ディーゼル燃料混合装置１００は、空燃比を変化させるよう動作するものとする。一般的に、いくつかの形態によれば、アイドリング時またはハイウェイ走行時における環境もあり得る低負荷下においては、空燃比を上昇し、ある環境下では化学量論比を遥かに上回る。一方で高負荷下においては、空燃比は下がることがあり、しばしば化学量論比を下回る。

上述の説明は、特許請求の範囲に記載の原理に関する若干の態様、実施例、及びサンプルを説明および記載したに過ぎない。上述したところは、記載通りの形態に限定する絶対的なものではない。上述の開示を考慮して、多くの変更および改変をすることができる。そのような変更は、発明者が予想され、また特許請求の範囲内である。上述した原理の範囲は特許請求の範囲で定義される。図面およびこれに関連する明細書の説明は、例示的なものであって、これに限定するものではないことを理解されたい。例えば、予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、あらゆるディーゼルエンジンと連携して使用されることができ、図１〜２に示すエンジン１０での使用に限定するものではない。

一実施例における、燃料混合装置を有するディーゼルエンジンの断面図である。 一実施例における、図１に示すディーゼルエンジンおよび燃料混合装置の、ピストンが混合気を圧縮している状態の断面図である。 一実施例における、ディーゼルエンジンの吸気マニホルドと関連する混合装置の拡大断面図である。 ハウジングに格納前の、図３に示す一組の渦発生コンポーネントよりなるセットの分解斜視図である。 図４に示すコンポーネントの組み立て後の斜視図である。 一実施例における、混合装置に使用する噴射ノズルの斜視図である。 図６Ａに示す噴射ノズルの断面図である。 図３の混合装置の斜視図である。

Claims (41)

1. 燃料をディーゼルエンジンに供給する方法において、
   ディーゼルエンジンに燃料供給するステップを有し、この燃料供給ステップは、
   ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を第１予燃焼渦室内で生成するステップであって、第１予燃焼渦室が、外周と中心軸線を備える円筒形状を有し、前記外周に沿って酸化剤を供給し、かつ、当該酸化剤内に前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を供給するステップを含む、ガス状均質予混合気を生成するステップと、
   この第１予燃焼渦室内から前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を燃焼室に導入するステップと
   を有するものとした
   ディーゼルエンジン燃料供給方法。
2. 請求項１記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、さらに、点火源により、前記燃焼室内で前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を点火するステップを有するものとした、方法。
3. 請求項１記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップは、
   前記第１予燃焼渦室内で前記中心軸線周りの酸化剤渦を生成するステップと、
   前記第１予燃焼渦室の軸線方向領域で前記ディーゼル燃料を微粒化し、かつ前記ディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップと
   を有するものとした、方法。
4. 請求項１記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップは、
   前記第１予燃焼渦室内で前記中心軸線周りの酸化剤渦を生成するステップと、
   前記ディーゼル燃料を微粒化し、かつ前記ディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップと、
   を有するものとし、前記酸化剤渦を生成するステップは、第１予燃焼渦室の外周に沿った複数個の流体通路を経る、非接線方向かつ非半径方向の角度で前記第１予燃焼渦室内に前記酸化剤を導入するステップを有するものとした、方法。
5. 請求項１記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップは、
   第１段酸化剤導入路を設けるステップと、
   第２段酸化剤導入路を設けるステップと、
   所定の酸化剤要求量閾値に達する際に、前記第２段酸化剤導入路内のバルブを開放するステップと、
   前記第２段酸化剤導入路からの流体の流れによって、第２予燃焼渦室内で酸化剤渦を発生するステップと、
   前記酸化剤渦の軸線に沿ってディーゼル燃料を導入するステップと、
   前記ディーゼル燃料を微粒化し、かつ前記ディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップと、
   を有するものとした、方法。
6. 請求項１記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップは、
   第１段酸化剤導入路を設けるステップと、
   第２段酸化剤導入路を設けるステップと、
   所定の酸化剤要求量閾値に達する際に、前記第２段酸化剤導入路内のバルブを開放し、かつ第１段酸化剤導入路内のバルブ開放を保持するステップと、
   前記第２段酸化剤導入路からの流体の流れによって、第２予燃焼渦室内で酸化剤渦を発生するステップと、
   前記酸化剤渦の軸線に沿ってディーゼル燃料を導入するステップと、
   前記ディーゼル燃料を微粒し、かつ前記ディーゼル燃料に酸化剤を混合するステップと、
   を有するものとした、方法。
7. 請求項１記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、さらに、エンジンの回転速度およびエンジンにかかる負荷に基づいて、前記ディーゼル燃料のガス状均質予混合気における空燃比を変化させるステップを有するものとした、方法。
8. ディーゼルエンジン装置において、
   ディーゼルエンジンを備え、このディーゼルエンジンは、
   ブロックと、
   このブロック内に配置した、１個または複数個の燃焼室と、
   この１個または複数個の燃焼室のそれぞれに配置した往復運動部材と、
   前記１個または複数個の燃焼室のそれぞれに流体的に接続した予燃焼ディーゼル燃料混合装置と、
   を有するものとし、
   この予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、
   ハウジングと、
   このハウジングによって包囲されるとともに、外周と中心軸線を備える円筒形状を有する第１予燃焼渦室と、
   前記第１予燃焼渦室の外周周りに配置された当該第１予燃焼渦室内にいたる複数個の傾斜通路であって、当該複数個の傾斜路を通して送られた酸化剤に渦を発生させる複数個の傾斜路と、
   酸化剤の渦内を前記中心軸線に沿って前記第１予燃焼渦室に流体連通する第１酸化剤流導入路と
   を有するものとした
   ディーゼルエンジン装置。
9. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、さらに、１個または複数個の燃焼室それぞれにおける内部に突入する点火装置を備えた、ディーゼルエンジン装置。
10. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、さらに、１個または複数個の燃焼室のそれぞれに関連するスパークプラグを備えた、ディーゼルエンジン装置。
11. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、前記予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、
    ハウジングに包囲され、また前記第１予燃焼渦室と同軸状に整列し、外周と中心軸線を備える円筒形状を有して前記第１予燃焼渦室よりも大きい第２予燃焼渦室と、
    前記第２予燃焼渦室の前記外周周りに配置された当該第２予燃焼渦室内にいたる複数個の傾斜路であって、当該複数個の傾斜路を通して送られた酸化剤に渦を発生させる複数個の傾斜路と、
    酸化剤の渦内を前記中心軸線に沿って前記第２予燃焼渦室に流体連通した第２酸化剤流導入路と
    を有するものとした、ディーゼルエンジン装置。
12. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、前記傾斜路は、非接線方向かつ非半径方向に指向するものとした、ディーゼルエンジン装置。
13. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、さらに、前記第１予燃焼渦室から突出する末広がりの第１ノズルであって、前記第１予燃焼渦室にいたる複数個の傾斜路に対向する複数個の傾斜路を有する該第１末広ノズルを備えた、ディーゼルエンジン装置。
14. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、さらに、前記予燃焼ディーゼル燃料混合装置の出口に隣接する円錐ピラーを備えた、ディーゼルエンジン装置。
15. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、
    ハウジングに包囲され、また前記第１予燃焼渦室に対して同軸状に整列し、外周と中心軸線を備える円筒形状を有して前記第１予燃焼渦室より大きい第２予燃焼渦室と、
    前記第２予燃焼渦室の前記外周周りに配置された当該第２予燃焼渦室内にいたる複数個の傾斜路であって、当該複数個の傾斜路を通して送られた酸化剤に渦を発生させる複数個の傾斜路と、
    酸化剤の渦内を前記中心軸線に沿って前記第２予燃焼渦室に流体連通する、第２酸化剤流導入路と、
    この第２酸化剤流導入路を通過する流体の流れを制御するバルブを収容するスロットル体と、
    を有するものとした、ディーゼルエンジン装置。
16. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、さらに、前記第１および第２の予燃焼渦室とほぼ同軸状に整列する燃料インジェクタであって、軸流チャネルと、および複数個の半径流チャネルを有する該燃料インジェクタを備えた、ディーゼルエンジン装置。
17. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、さらに、ターボチャージャーをさらに備え、このターボチャージャーと１個または複数個の前記燃焼室との間で、前記予燃焼ディーゼル燃料混合装置を流体的に接続した、ディーゼルエンジン装置。
18. 請求項８記載のディーゼルエンジン装置において、前記予燃焼ディーゼル燃料混合装置は、さらに、ハウジングの円筒状キャビティ内に配置し、かつ第１および第２の予燃焼渦室と流体連通する燃料インジェクタを有し、この燃料インジェクタは、液体流チャネル、およびこの液体流チャネルと前記第１酸化剤流導入路との間で流体連通する圧力均等化ベントを有する構成とした、ディーゼルエンジン装置。
19. エンジン稼動方法において、
    ディーゼルエンジンを動作させるステップを有し、このディーゼルエンジン動作ステップは、
    第１予燃焼渦室内でディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を生成するステップであって、第１予燃焼渦室が、外周と中心軸線を備える円筒形状を有し、酸化剤を外周に沿って供給して酸化剤の渦を生成するとともに当該酸化剤に前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を前記中心軸線に沿って前記酸化剤の渦に供給してガス状均質予混合気を生成するステップと、
    前記ディーゼルエンジンの燃焼シリンダ内に、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を流入させるステップと、
    前記燃焼シリンダ内で前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、少なくとも約１５：１の圧縮比で、ピストンにより、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を圧縮するステップと、
    前記ディーゼル燃料および酸化剤の圧縮されたガス状均質予混合気を、点火源を用いて点火するステップと、
    を有するものとした、エンジン稼動方法。
20. 請求項１９記載のエンジン稼動方法において、前記点火ステップは、前記シリンダ内でスパークプラグにより火花を発生するステップを有するものとした、エンジン稼動方法。
21. 請求項１９記載のエンジン稼動方法において、さらに、前記シリンダ内で前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、ピストンにより、２１：１以上の圧縮比で、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を圧縮するステップを有するものとした、エンジン稼動方法。
22. 請求項１９記載のエンジン稼動方法において、さらに、シリンダ内で前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、ピストンにより、少なくとも２５：１の圧縮比で、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を圧縮するステップを有するものとした、エンジン稼動方法。
23. 請求項１９記載のエンジン稼動方法において、シリンダ内でピストンにより、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を、少なくとも２５：１の圧縮比で圧縮しても、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させないようにするステップを有するものとした、エンジン稼動方法。
24. 請求項１９記載のエンジン稼動方法において、さらに、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を自然発火させることなく、シリンダ内でピストンにより、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気を、少なくとも３０：１の圧縮比で圧縮するステップを有する、エンジン稼動方法。
25. 請求項１９記載のエンジン稼動方法において、さらに、ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気の自然発火を生じさせることなく、シリンダ内で、ピストンにより、ディーゼル燃料・酸化剤の気相均質予混合気を、少なくとも４０：１の圧縮比で圧縮するステップを有する、エンジン稼動方法。
26. 請求項２１記載のエンジン稼動方法において、さらに、エンジンの回転速度およびエンジン負荷に基づいて、前記ディーゼル燃料および酸化剤のガス状均質予混合気における空燃比を変化させるステップを有する、エンジン稼動方法。
27. ディーゼルエンジン予混合装置を備える装置であって、
    ディーゼルエンジン予混合装置は、第１酸化剤流導入路に流体連通した第１段と、個別の第２酸化剤流導入路に流体連通した第２段を有する２段渦室であって、第１段は、外周と中心軸線を備える円筒形状を有する第１予燃焼渦室を含み、第１酸化剤流導入路からの酸化剤は酸化剤渦を生成するために前記外周に沿って第１酸化剤流導入路に導入される２段渦室と、
    前記第１および第２段の渦室内部に配置した燃料インジェクタであって、酸化剤渦内の前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を供給する燃料インジェクタを有する該ディーゼルエンジン燃料予混合装置と、
    このディーゼルエンジン予混合装置に流体接続したディーゼルエンジンと、
    を備えた、装置。
28. 請求項２７記載の装置において、前記ディーゼルエンジンは、スパークプラグを有するものとした、装置。
29. 請求項２７記載の装置において、第１段渦室、第２段渦室、および燃料インジェクタを、ほぼ同軸状にした、装置。
30. 請求項２７記載の装置において、
    前記第１予燃焼渦室は、低流量渦室とし、
    前記第２段渦室は、前記第１段渦室よりも大きい容積を有し、また、高流量渦室とした、装置。
31. 請求項２７記載の装置において、さらに、第１段渦室への出口に配置した第１ノズルであって、ほぼ非回転の流れ内部で、第１渦室によって流体を微粒化させるよう、渦方向および、渦方向とは逆向きの両方向に指向するよう配列した流体通路を有する、該第１ノズルを備えた、装置。
32. 請求項２７記載の装置において、さらに、第２段渦室の出口に末広がりのノズルを備えた、装置。
33. 請求項２７記載の装置において、さらに、第１段および第２段の渦室で発生した渦を心出しするため、前記ディーゼルエンジン予混合装置に隣接配置したピラーを備えた、装置。
34. 請求項２７記載の装置において、前記燃料インジェクタは、燃料を前記第１段および第段の渦室に噴射するための軸方向ポートおよび半径方向ポートを有するものとした、装置。
35. 請求項２７記載の装置において、前記ディーゼルエンジン予混合装置は、第１段および第２段の渦室に指向する酸化剤流体の流れを無段階に調節可能とした、装置。
36. 請求項２７記載の装置において、所定流量に達するまで、前記第１酸化剤供給源のみを第１段渦室に対して開き、また所定流量に達したとき第２酸化剤供給源を開くようにした、装置。
37. 請求項２７記載の装置において、さらに、前記２段渦室における第１渦室の周囲に配置した水冷ジャケットを備えた、装置。
38. ディーゼルエンジンに燃料を供給する方法において、
    ディーゼル自動車に燃料を供給するステップを有し、さらに、
    外周と中心軸線を備える円筒形状を有する予燃焼渦室内でディーゼル燃料に酸化剤を予め混合する予混合ステップであって、前記外周に沿った複数の孔を通して酸化剤を前記予燃焼渦室に供給して酸化剤渦を生成し、かつ、ディーゼル燃料を前記中心軸線に沿って酸化剤の渦内に導入してディーゼル燃料および酸化剤の混合気を生成する、ディーゼル燃料および酸化剤の該予混合ステップと、
    付加的なディーゼル燃料を燃焼室に強制送給することなく、前記予混合したディーゼル燃料および酸化剤の混合気を、前記ディーゼル自動車の燃焼室に導入する混合気導入ステップと
    を有する、ディーゼルエンジン燃料供給方法。
39. 請求項３８記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、
    前記予混合ステップは、
    第１および第２の渦室を、直列配列して用意するステップであって、第１渦室のみ、または第１および第２渦室の双方が酸化剤の供給を受け、酸化剤がある角度で第１および第２渦室に流入して酸化剤の渦を発生させるステップと、
    燃料インジェクタを用意し、かつディーゼル燃料を軸線方向に噴射するステップであって、第１または第２の渦室のうちいずれか一方により生じた酸化剤渦内に前記中心軸線に沿ってディーゼル燃料を噴射する、該ディーゼル燃料噴射ステップと、
    を有するものとした、ディーゼルエンジン燃料供給方法。
40. 請求項３８記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、前記予混合ステップは、前記中心軸線周りの前記酸化剤渦を心出ししかつ保持するステップを有するものとした、ディーゼルエンジン燃料供給方法。
41. 請求項３８記載のディーゼルエンジン燃料供給方法において、前記混合気導入ステップは、予混合したディーゼルおよび酸化剤をマニホルドに均等に分配するステップを有するものとした、ディーゼルエンジン燃料供給方法。

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