JP2010507744A

JP2010507744A - ピストンエンジン用の吸気及び燃料供給システム

Info

Publication number: JP2010507744A
Application number: JP2009533609A
Authority: JP
Inventors: リトルウッドジョンソン，ディヴィッド
Original assignee: エンヴァイロテックリミテッド
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2010-03-11
Also published as: GB0903982D0; RU2009119424A; PT2078153T; BRPI0622113B1; EP2078153B1; NZ573156A; BRPI0622113A2; KR20090091726A; ES2750330T3; EP2078153A1; US8627799B2; WO2008049147A1; AU2006326800A1; MX2009004111A; EP2078153A4; PL2078153T3; BRPI0622113A8; US20100192906A1; CA2687577A1; RU2445504C2

Abstract

ピストン内燃エンジンのシリンダのための吸気及び燃料供給システムの一部を構成する装置であり、高い回転速度の持続的な渦を発生させるために加熱空気の流れがその中に接線方向に放出される小サイクロンと、霧状燃料のその小サイクロンへの流れを供給する調節可能な燃料噴射器であり、その小サイクロンにおいてそれはフラッシュ蒸発及び活発な混合を発生させるところの調節可能な燃料噴射器と、その小サイクロンとそのシリンダの吸気管とを接続する供給ダクトであり、その渦による燃料−空気の混合物が加熱吸入空気と混合されるところの供給ダクトと、その調節可能な燃料噴射器のオーバーヒートを防止するための手段と、を含む。

Description

本発明は、ピストン内燃エンジンで使用される、吸気空気流を調節し且つその吸気空気流に放出される燃料を調節するための方法及び装置に関する。

ガソリン燃料のピストン内燃エンジンの運転において、細かく分けられた液滴の形態で燃料がその吸気空気流内に放出されるのは通常の慣行である。液滴供給は、この形態の燃料が最小限の空気だけを移動させ、その結果、そのエンジンシリンダ内の燃料の燃焼のために最大限の酸素を利用可能にするという有利点を有する。その液滴燃料のいくらかの蒸発が、その吸気管を通じた混合気の通過中に発生し、更なる蒸発が、そのシリンダにおけるチャージの圧縮に関連する温度上昇の結果として発生するが、その燃料の一部は、点火の開始時であっても液滴形態のままとなり得る。そのチャージにおける蒸気内容物のところで点火は開始されるので、全ての運転条件の下で信頼性高く点火を発生させるのに十分に豊富な蒸気混合物を確保すべく、そのチャージ内により多くの量の燃料を供給する必要がある。従来のキャブレター付きエンジンでは、希薄混合気は、低出力運転のために供給され、正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ）が高い間は出力強化設備を通じて追加的な燃料が放出される。

一旦、自己伝搬性の火炎前面がそのシリンダ内で確立されると、それは、信頼性の高い点火を発生させるのに必要とされるものよりもずっと希薄な混合比を有するチャージの大部分にわたって信頼性高く伝搬することが証明されている。局所的に濃縮された混合気を点火領域に供給することによってこの効果を有効に利用するための多くのシステムが提案された。そのようなチャージ成層方法は、当該技術で周知であるが、追加的なコスト及びそれらが伴う複雑さのために支持されていない。いくつかのエンジンでは、希薄混合気における点火の信頼性は、より大きく、より活動的で、或いは、複数である点火源を各シリンダに提供することによって改善された。

また、多分岐吸気マニホールドを通してシリンダに混合気が供給されるエンジンにおいて、均等な分配を確保するのが困難であることも当該技術分野において周知である。結果として、いくつかのシリンダは、他よりも希薄な混合気を受ける傾向があり、全体的な混合率の補償的増加が必要される。個々のキャブレターが真っ直ぐな吸気管を通じて個々のシリンダに供給する場合を除き、この影響は、従来のキャブレター付きエンジンにおいて共通である。不均等な混合気の分配の問題は、従来の吸気マニホールド設備を保有するスロットルボックス燃料噴射装置によって緩和されることはない。

吸気管の不適切さの結果としての混合気分配における不均等は、一般に、燃料を液滴の形態で直接的にその吸気ポートの開口に噴射することによって克服され、そのために、それは、吸気空気流に取り込まれ、そのシリンダ内に運ばれる。エンジンの瞬間的な運転パラメータに正確に適合している燃料量のポート噴射は不均等な混合気の分配の問題を緩和するが、関連する短い移動距離で液滴燃料の蒸発の機会が減り、いくらかは点火開始時点においても液滴形態のままとなる。その結果、チャージ成層の不在、より精巧な点火設備、又は、必要以上に豊富な混合率が、信頼性の高い点火の実現のために蒸気形態にある十分な燃料の存在を確かなものとするために、要求され続けている。

ディーゼルエンジンが一般的に１．５を超えるラムダ値で動作することはよく知られている。これは、量論混合気のために要求される１５０％を超える空気がシリンダに供給されることを意味する。そのような高いラムダ値は、そのディーゼルエンジンで採用される液滴燃料の定期噴射の結果であり、その優れた燃料経済性に大きく関与する。対照的に、従来型のガソリン燃料エンジンは、ラムダ値が１．１を超えることはほとんどなく、より高い出力でより低い値が生じる。しかしながら、同じエンジンにおいても、均質な混合気を供給するために空気と完全に混合された乾燥したガス燃料（例えばプロパンである。）を含むチャージが、比較的高いＢＭＥＰにおける１．３のラムダ値で信頼性の高い点火をもたらすことが示されており、また、約１．５のラムダ値までの運転が容易に実現され得ることが証明されている。

液化石油ガス燃料で採用された方法でのガソリン燃料の個々の完全な蒸発は、ガソリンのような燃料に含まれる一定の不可欠な添加物を気化させることの困難さのために、実用的でないが、吸気空気流においてガソリンが完全に蒸発させられ且つそのチャージ空気と完全に混合されたならば、比較的高いＢＭＥＰでの運転が、乾燥ガス燃料で実現可能な最良のものと同様のラムダ値で実現可能となることが証明されている。その混合気のそのシリンダへの進入に先立って液滴燃料の高度の蒸発を実現するために、そのチャージ空気の全部又は一部の加熱、また場合によっては、その燃料の全部又は一部の加熱が必要となる。

エアブリージング(air breathing)エンジンにおいて、最大限のチャージ濃度を提供しそれにより体積効率を改善するために、チャージ温度ができるだけ低く維持されるべきとすることは従来的な意見である。また、爆発の発現が、低いチャージ温度を維持することによって遅延させられるものと信じられている。高いチャージ温度が、実際には、有益な効果、様々な方法で回復される体積効率、及び、問題であるとは判明していない早期爆発を備え或いは認めることが証明され得る。

ガソリン動力のピストン内燃エンジンの吸気管における燃料の十分な蒸発を実現するために燃料及び吸入空気を加熱することの有利点は、長い間認められてきており、この目的のために様々な方法が提案されている。それらの典型例は、気化要素が排気ポートから隣接する吸気ポートに延びるという、米国特許４４３８７５０号でSviridovらによって教示されるものがある。その気化要素の熱取り出し部は、排気ガスによって加熱され、それによって捕捉された熱は、その気化要素の接続部材を介してその吸気ポートに置かれる湾曲した動作面に導かれる。燃料は、燃料膜形成のためのより良い条件を提供するために、その動作面の接線方向にある電磁制御の噴射ノズルを介してその吸気ポート内に噴射される。設定された目的は、混合気がそのエンジンシリンダに入る前にその混合気の完全な均質化を実現するための、噴射された燃料の気化である。同様に、米国特許第５１４０９６７号でScherenbergらによって教示される方法、及び、米国特許第３９３０４７７号でJordanによって教示される方法では、加熱バー又は加熱要素は、各吸気ポートに備えられ、また、燃料噴射器によってその過熱領域に放出される燃料は、急速な気化にさらされる。米国特許第４４８３３０４号でYokoiらによって教示される別の例では、燃料膜の急速な蒸発は、エンジンの吸気管内の様々な位置に電気抵抗加熱式の燃料気化器を提供することによって実現される。米国特許第４３７５７９９号でSwansonによって教示される別の例では、燃料気化手段は、キャブレターの壁の一つに埋め込まれた気化チャンバの形で提供され、そのチャンバは、周囲の電気加熱要素によって加熱される。燃料は、その気化チャンバ内に放出され、そのキャブレターのベンチュリ内に放出される前に蒸発させられる。米国特許第３４６１８５０号でOblanderによって教示される別の例では、主要排気マニホールドランナーがエンジンの吸気マニホールドランナーと一体的に形成され、各ランナーにおける加熱領域をもたらす。燃料は、従来型の燃料噴射器からその加熱領域上に放出され、設定された目的は、燃料調製の改善である。米国特許第４５８３５１２号でGardnerらによって教示される別の例では、そのキャブレター又は燃料噴射システムは、エンジンから取り除かれ、そして、その吸入空気及び燃料は、個別の熱交換ユニットにおける一連の電気抵抗要素によって加熱される。加熱燃料及び空気は混合され、共通の熱交換ユニットで更に加熱され、一連の電気制御バルブを通じてそのエンジンの燃焼チャンバに入れられる。設定された目的は、とりわけ、より良好な燃料気化及び空気燃料混合比の提供である。米国特許第４６６４９２５号でHoppieらによって教示される別の例では、多量の燃料は、各排気ポートに置かれるコイル管にそれを通すことによって事前に加熱される。その燃料は気化され、そして、その燃焼チャンバ内への噴射の直前に、断熱圧縮されることによって高い温度まで急速に加熱される。設定された目的は、無視できる点火遅れ、及び、燃焼プロセスの実質的に瞬間的な完了を実現することである。米国特許第６７１２０５１号でLakinによって教示される別の例では、その吸入空気の一部は、エンジン冷却液又は排気システムの廃熱によって加熱される。その加熱空気は、そのエンジンで要求される出力に基づいて、コンピュータ制御の温度調整システム内で周囲空気と混合される。燃料噴射システムは、燃焼空気温度の拡張された範囲にわたる正確な空燃比を維持するために、採用される。

引用された例のうち、Sviridovらによって教示された方法は、隣接する吸気ランナー及び排気ランナーを必要とし、それは、多くのエンジンで非実用的である。更に、その気化要素の温度は制御されておらず、いくつかの運転条件ではその気化要素のオーバーヒートをもたらし得る。Oblanderによって教示された方法にも同様の欠点がある。Scherenbergら及びJordanによって教示された方法では、その加熱バー又は加熱要素上の吸入空気の流れが急速な冷却をもたらし、如何なる十分な効果のためにも高い電流が必要とされる。必要な電流の生成は、エンジンの効率及び燃料経済性に逆効果をもたらす。Yokoiらによって教示された方法にも同様の欠点がある。Swansonによって教示された方法は、キャブレターの使用を必要とし、それ故に、最新の自動車での実践を考慮に入れると、非実用的であると考えられる。Gardnerらによって教示された方法は、如何なる十分な効果のためにも高い電流が必要とされ、必要な電流の生成は、エンジンの効率及び燃料経済性に逆効果をもたらす。Hoppieらによって教示された方法では、どのようにして低温始動(cold starting)が実現されるのかを理解するのが困難である。更に、基本的な燃料−空気の混合制御、及び、均質なチャージ強度の生成が問題となる。Lakinによって教示された方法は、通常運転における最小限の有利点しかもたらさない。

米国特許４４３８７５０号明細書米国特許５１４０９６７号明細書米国特許３９３０４７７号明細書米国特許４４８３３０４号明細書米国特許４３７５７９９号明細書米国特許３４６０８５０号明細書米国特許４５８３５１２号明細書米国特許４６６４９２５号明細書米国特許６７１２０５１号明細書

本発明の第一の目的は、その吸入空気流の温度を制御し、且つ、その吸入空気流へ放出される燃料の温度を制御するための手段を提供することによって、ピストン内燃エンジンの燃料経済性を改善することである。本発明の第二の目的は、その燃料とその吸入空気流との完全な混合を提供し、それにより、できるだけ均質に近い混合気をエンジンの各シリンダに供給し、そして、その燃料のより効率的な燃焼を可能とすることである。本発明の第三の目的は、上述の第一及び第二の目的を実現するために既存のエンジン形式を容易に改良する手段を提供することである。

本発明に従って、ピストン内燃エンジンでは、適切な熱交換手段において液体ガソリン燃料がエンジンの廃熱によってその標準沸点に近い温度まで加熱され、且つ、ボイルオフを防止するために加圧状態に維持される。供給空気は、適切な熱交換手段において排気ガスによってガソリンの沸点を優に上回る温度まで加熱され、また、その加熱空気の大部分は、加熱吸入空気の流れを提供するために、周囲空気と混合される。その加熱空気の僅かな部分は、複数の小サイクロンに接線方向に供給される。なお、小サイクロンのそれぞれは、エンジン吸気マニホールドランナーの一つに関連付けられる。小サイクロンのそれぞれは、関連する吸気バルブの上流にある適切な吸気マニホールドランナー内に放出される高速度の持続的な渦を発生させる。その加熱燃料は、その小サイクロンのそれぞれに備えられる電子制御の燃料噴射器に供給され、霧状の形態でその加熱空気の渦内に放出され、そこで、フラッシュ蒸発を起こす。加熱吸入空気流、及び、燃料−空気の渦流は、均質な乾燥ガスとして効果的にそのエンジンのシリンダに移動する前にその吸気マニホールドランナー内で混ざり合う。

本発明の様々な態様は、添付図面との関連で与えられる好適な実施例に対する以下の説明を参照して、より容易に理解される。

本発明を組み込んだエンジンにおける、一つの吸気マニホールドランナー、吸気ポート、及び小サイクロンを通る縦断面図である。本発明に係る小サイクロンの、その供給ダクトの軸を通る平面を通じた横断面図である。小サイクロンの代替的な実施例を通る縦断面図である。典型的な構造及びアセンブリを示す小サイクロンを通る縦断面図である。渦による燃料−空気の流れを吸気マニホールドに放出するための代替的な手段の縦断面図である。渦による燃料−空気の流れを吸気マニホールドに放出するための他の代替的な手段の縦断面図である。

本明細書を通じて単語“ガソリン”又は単語群“ガソリン燃料”が現れた場合はいつでも、その単語“ガソリン”は、本明細書で説明される態様で処理され得る如何なる液体燃料をも意味するように理解される。その単語“ガソリン”の意味はまた、２０℃から３００℃の範囲の温度でのみ液化し得る燃料を含むものとして理解される。本明細書を通じて単語“空気”が用いられた場合はいつでも、別のガス又はガス群と酸素との適切な比率の何れの混合をも含むものとして理解される。

図１及び２を参照すると、ピストン内燃エンジンにおいて、供給液体ガソリン燃料は、適切なポンプ（図示せず。）で噴射圧まで加圧され、且つ、そのエンジンの冷却システムからの廃熱を利用する適切な熱交換手段（図示せず。）で８５〜９０℃の適温まで加熱される。なお、その燃料の加圧状態は、そのボイルオフを防止する。好適な実施例では、通常運転の間、その加熱燃料をその所望の温度範囲で維持するために、適切なサーモスタット制御手段（図示せず。）が採用される。その加熱燃料は、適切な燃料供給マニホールド（図示せず。）を通じて、そこから、個別の燃料供給ライン１（破線で示される位置）を介して電子制御の調節可能な複数の燃料噴射器２（破線で示される位置）に供給され、それぞれが、エンジン吸気マニホールドランナー１１のそれぞれに関連付けられる小サイクロン４の長手軸と同一直線上にあるその燃料スプレー放出軸に取り付けられ且つ位置付けられる。その小サイクロンは、基本的に、円筒部分２４と円錐部分２３とを含む。状況によっては、適切な燃料リターンライン（図示せず。）が提供され、リターン流の何れもが直ぐに使える状態にある（ready-use）リザーバ（図示せず。）に向けられ、そこから、燃料加圧ポンプは、加熱燃料の供給を得る。その直ぐに使える状態にあるリザーバがいっぱいになった場合、あふれ出たものは、主要燃料貯蔵タンク（図示せず。）に向けられる。制御信号は、導電体３（破線で示された位置）を介してその燃料噴射器に伝えられる。供給吸気は、適切な熱交換手段（図示せず。）で排気ガスによって周囲より１０００℃高い温度にまで加熱され、また、その加熱空気の大部分は、通常＋２０℃〜＋１００℃の範囲の温度である加熱吸入空気の流れを、スロットルバタフライバルブ１６の下流にあるその吸気マニホールドランナー内にもたらすために、周囲空気と混合される。別の燃料が用いられるところでは、その吸気マニホールドランナー内の空気温度は、要求に応じて、その燃料の露点を上回るまでに上昇させられる。その加熱空気とその周囲空気との混合は、その周囲空気の温度、その加熱空気の温度、及びその吸入空気の温度を感知するセンサ（図示せず。）から信号を受信する適切なマイクロプロセッサベースの制御ユニット（図示せず。）によって制御される調節可能な電子制御の混合バルブ（図示せず。）で実行される。その制御ユニットはまた、その混合バルブのバルブ要素の位置を示す信号を受信し、その吸入空気の温度を最適な範囲で維持するために、要求に応じて、それらバルブ要素の位置を調節する。言うまでもなく、その調節可能な燃料噴射器は、その放出軸をその小サイクロンの長手軸に平行とするがその小サイクロンの長手軸から横に移動させ、或いは、その小サイクロンの長手軸から横に且つ角度的に移動させて位置付けられてもよく、その供給ダクトにおけるその小サイクロンのその円筒部分への入口の直ぐ近くで、搭載されること、及び、燃料スプレーをその供給ダクト内に放出することを含む。

その加熱空気の一部は、供給ダクト９を介してその小サイクロンの円筒部分２４に接線方向に供給され、そこで、その熱は、その燃料噴射器によって放出された燃料を気化するように作用する。その小サイクロンのそれぞれを通じた加熱空気の流れは、高速の持続的な渦を発生させ、それは、その小サイクロン内でその空気と燃料蒸気との完全な混合をもたらす。結果として生じる渦による燃料−空気の混合物は、関連する吸気ポート１２及び吸気バルブ６の上流で適切な吸気マニホールドランナー内に（必要に応じて供給手段又は増強手段を介して）放出される。その吸気マニホールドランナーの取り付けフランジ１５は、適切な締め具１４（破線で示される位置）によってシリンダヘッド１３に固定され、その吸入空気流は、吸気マニホールドキャスティング（鋳物）５に備えられる適切なベアリング１８で回転可能に支持されるシャフト１７上で回転するバタフライスロットルバルブ１６によって調整される。代替的な実施例（図示せず。）では、他の形状のスロットルバルブが採用され、そのようなバルブ形状は、当該技術分野で周知である。霧状形態で発生するその加熱燃料スプレー放出１０（概略パターンが破線で示される。）は、その小サイクロン内の加熱空気の渦に入り、そこで、大部分がフラッシュ蒸発を起こす。その小サイクロン内の霧状燃料に影響を与える処理は、高速で活動的な圧力変化、せん断、乱流、並びに、空気及び金属面からの熱伝達と組み合わされる混合を含む極めて複雑なものであり、それを詳細に説明するための試みは為されない。しかしながら、その処理は、フラッシュ蒸発の生成に極めて効果的であり、直ぐには蒸発しないその燃料スプレー放出の如何なる部分も、それに与えられる高い遠心力によって、その小サイクロンの高温壁に押し付けられ、浅いらせん軌道を描く薄い膜を形成し、そのサイクロン壁から熱を取り上げて急速に蒸発する。迅速で且つ完全な蒸発を達成するために必要とされる熱の実際の量は、燃料のタイプ、及び、その小サイクロンを通る空気の質量流量と燃料の質量流量との比率によって変化する。代替的な実施例（図示せず。）では、その小サイクロンの円錐部分の内面は、鋸歯状の縦断面形状でできており、その鋸歯形状の先端を通り過ぎるときに、その燃料の薄い膜は、より効果的にその渦気流に取り込まれる。好適な実施例では、その小サイクロンは、熱損失を極小化するために、それらの外表面に適切な断熱を備える。用語“小サイクロン”は、単に、それらサイクロンの円筒部分の直径が、その小サイクロンが関連するシリンダの内径に対して小さいことを示すことを意図する。典型的には、それら二つの径の比率は、１：１０〜１：２の範囲にあるが、その定められた比率範囲から±２０％の変動は起こり得る。また、典型的には、円筒部分２４の直径に対する円錐部分２３の長さの比率は、０．５：１未満から６：１を上回るまでに及ぶ。

その渦による燃料−空気の流れは、その小サイクロンの円錐部分の小端に接続される供給ダクト７を介してその吸気マニホールドランナーに移動し、そのエンジンのシリンダに流れ込む前にその加熱吸入空気流(heated induction airstream)を合成し且つ混ぜ合わせるために、事実上、乾燥した均質なガスとして、出口１９を通じて流れ出る。

その出口を通じて放出されるその渦による燃料−空気の流れにおける高いエネルギーは、その吸気マニホールドランナーにおけるその吸入空気流との迅速な混合を促進するように作用する。供給ダクト７は、適切な長さでできており、且つ、吸気マニホールドキャスティング５のボス８に固定される。それら小サイクロンは、しかるべく形作られたその供給ダクトを伴う如何なる適切な姿勢にも随意的に位置付けられる。燃料噴射器２は、その小サイクロンの円筒端に備えられる取り付けカラー２２内に標準的な方法で収容され、その取り付けカラーは、その小サイクロンの長手軸と同一直線上に位置付けられる。その燃料噴射器のオーバーヒートを防止するために、好適な実施例では、冷却液ジャケット２０がその取り付けカラーの周りに備えられ、そのエンジンの冷却システムからの冷却液は、供給ダクト２１を通じて供給され、（隠れている）リターンダクトを通じて戻される。代替的な実施例（図示せず。）では、その冷却液ジャケットは取り除かれ、その取り付けカラーは、より大きな直径で適切に作られ、適切な断熱材の層がその取り付けカラーとその燃料噴射器との間に備えられる。その代替的な実施例における好適な形態では、その断熱材は、ＰＳＺセラミックである。言うまでもなく、その冷却液ジャケットからの熱放散の速度は、フィン等の提供を通じて単にそれらの表面積を増大させることによって増加され得る。

代替的な実施例（図示せず。）では、適切な距離だけ吸気マニホールドランナー１１内に突出する出口１９の短い延長の形を採る単純な放出手段は、その渦による燃料−空気の流れをその吸入空気流へより良好に分配するために採用される。図５を参照すると、別の代替的な実施例では、その渦による燃料−空気の流れは、より複雑な放出手段を介して吸気マニホールドランナー１１内に放出される。この実施例では、出口１９の延長３１は、吸気マニホールドランナー１１の軸にそれが平行となるよう適切な角度で曲がり、また、流線形のフェアリング３２が、流れの効率を改善するためにその平行部分の周りに備えられる。その渦による燃料−空気の流れは、そのフェアリングの下流端のところで出口３３を通じて流れ出る。好適な実施例では、延長３１は、流れの効率を更に改善するために流線形の断面形状で作られる。図６を参照すると、更なる代替的な実施例では、その渦による燃料−空気の流れは、増強手段を介して吸気マニホールドランナー１１内に放出される。この実施例では、吸気マニホールドキャスティング５におけるボス８の拡大ボア３４は、供給ダクト７の下流端を密閉的に収容する。その供給ダクトは、吸気マニホールドキャスティング５の直径拡大部３６の外周領域内に形成された環状空間３５に出る出口１９に放出する。円筒カラー３８は、その吸気マニホールドキャスティングの内面に形成された環状凹部３７内に締まりばめによって収容され、そのカラーの下流端３９は、そのカラー下流端と拡大部３６の外周領域における傾斜した下流の内面４１との間に環状の放出ポート４０を創出するために内側にそらされる。代替的な実施例では、傾斜した肩部４５は、環状放出ポート４０の直ぐ下流に備えられ、また、円筒カラー４６は、その傾斜した肩部に対して、吸気マニホールドキャスティング５のボアに締まりばめによって収容される。そのカラー４４の上流端は、それがカラー３８の下流端３９と多かれ少なかれ平行となるように、鈍角にそらされる。好適な実施例では、出口１９は、環状空間３５内に接線方向に出る。代替的な実施例では、出口１９は、その環状空間内に半径方向に出る。言うまでもなく、環状放出ポート４０の幅は、円筒カラー３８の長さを変えることによって調節されてもよく、軸方向にそれを移動させることによって、或いは、円筒カラー端３９、円筒カラー上流端４４、及び面４１の何れかの角度を変えることによって調節されてもよい。好適な実施例では、環状放出ポート４０の下流にある吸気マニホールドランナー１１の内径は、その上流部分における内径よりも大きくなるように作られている。他の実施例では、その直径は、事実上等しい。好適な実施例では、その渦による燃料−空気の流れとその吸入空気流との混合を促進するために、一連の密集した円周穴４２、４３が、円筒カラー３８の下流端３９、及び円筒カラー４６の上流端４４に備えられる。同じ目的のために他の代替的な実施例では、円筒カラー３８の下流端３９の自由端、及び円筒カラー４６の上流端４４の自由端が、城郭風(castellated)、指状(indigitated)、正弦曲線状、或いは、鋸歯状とされる。同じ目的のために更なる代替的な実施例では、円筒カラー３８の下流端３９、及び円筒カラー４６の上流端４４は、その増強手段の下流における空気流の回転を促進するために、螺旋状に配置されたフルート又はフィンで作られる。

好適な実施例では、その空気が加熱されるところの熱交換手段は、そのエンジンの排気マニホールド又は排気管の一部の周りに形成される適切なマフ（図示せず。）の形を採る。そのマフは、その排気マニホールド又は排気管の一部を密閉的に取り囲み、且つ、標準配置の空気清浄手段を介した周囲空気の流れが供給される。代替的な実施例（図示せず。）では、その熱交換手段は、その排気システムから流用される排気ガスの流れ、及び、通常配置の空気清浄手段を介した周囲空気の流れを受ける個別の熱交換器の形を採る。代替的な実施例（図示せず。）では、その小サイクロンは、その排気システムから流用される排気ガスの流れが供給される。別の代替的な実施例（図示せず。）では、その小サイクロンは、そのエンジンのターボチャージャーから流用される熱風の流れを受ける。全ての場合において、その加熱空気流は、最初に、熱的に絶縁された分配マニホールドに移動し、そこから、個別の供給ダクト９を介してその小サイクロンに移動する。その分配マニホールドに備えられる適切なバルブ手段（図示せず。）は、出力が増大されるにつれてその小サイクロンへの加熱空気の流れを増大させるために、また、出力が低減されるにつれてその流れを低減させるために、スロットル動作と同期して操作される。

代替的な実施例（図示せず。）では、それら個別の小サイクロンは取り除かれ、その渦による燃料−空気の流れを個別の吸気マニホールドランナーに供給するために、一以上のより大きなサイクロンが採用される。

図３を参照すると、別の代替的な実施例では、最も低い密度の流れの構成要素（燃料及び混入された燃料液滴とは混合されていない空気）がその小サイクロンにおける渦の中核に移動するのを防止するために、流線形状のブレット（弾丸）２５が、そのサイクロンの上部壁２７の内面に固定される二以上の強くて狭い支柱２６によって、そのサイクロンのテーパー部分２３内に同軸上に支持される。その支柱は、その渦流の進展に対して最小限の影響しか与えない。

冷たい状態から開始する際に、その小サイクロンの内面に作用する液体燃料の流れは、堆積した如何なる物質をもその面から取り除くように作用する。

図４を更に参照すると、その小サイクロンの製造において、好適な実施例では、円筒部分２４、供給ダクト９の取り付け用スタブ、円錐部分２３、及び供給ダクト７の取り付け用スタブは、一部品（２８で表されるアセンブリ）で形成され；燃料噴射器取り付けカラー２２、そのサイクロンの上部壁２７、その冷却液ジャケットの下部壁、その冷却液ジャケットの円筒部分、並びに、冷却液供給ダクト２１及び冷却液リターンダクトの取り付け用スタブは、一部品（２９で表されるアセンブリ）で形成され；、且つ、その冷却液ジャケットの上部壁は、（３０で表される）一部品で形成される。好適な実施例では、それら構成要素は、炉内ろう付け、銀ろう付け、又は、他の適切な溶接法によって、密閉的に接合される。

代替的な実施例（図示せず。）では、その小サイクロンは、ガス燃料と吸入空気流とを混合し、且つ、結果として得られる混合物を調節するために、記載された態様で採用される。そのガス燃料は、プロパン、ブタン、メタン、水素等であってもよく、また、ガス状又は液状の形態でその小サイクロン内に放出されてもよい。

別の代替的な実施例（図示せず。）では、複数の小サイクロンが、それらの渦による燃料−空気の流れを一以上のより大きなサイクロン内に接線方向に放出し、そこで、その燃料−空気の流れは、エンジンのシリンダに流入する前に調節される。

別の実施例（図示せず。）では、その燃料噴射器の軸は、その関連の小サイクロンの軸と同一直線上となっているところから、双方の軸が平行配置を維持したまま移動させられる。

別の代替的な実施例（図示せず。）では、その燃料噴射器の軸は、その関連の小サイクロンの軸から、半径方向に、また、角度の点で、移動させられる。

図１を更に参照すると、別の代替的な実施例（図示せず。）では、小サイクロン４の円筒部分２４に近づき且つ入る供給ダクト９の領域において、そのダクトの左右対称（regular）の断面形状は、細長い断面形状に滑らかに変換され、その主軸は、その円筒部分に関して、軸方向に、円周方向に、或いは、何れの中間配置にも配置される。

再び図１を参照すると、言うまでもなく、供給ダクト７は、シリンダヘッド１３上に形成された適切なボスに固定され、且つ、吸気ポート１２に直接的に放出してもよい。また、言うまでもなく、供給ダクト７が取り除かれ、その小サイクロンからの出口がボス８に直接的に接続されてもよい。

動作中、マイクロプロセッサベースの燃料制御ユニット（図示せず。）は、ＲＰＭ、ＲＰＭ傾向、スロットル位置、マニホールド気圧、及びシリンダヘッド温度を含むエンジン運転パラメータのセンサからのデータを、点火進角マッピングデータ、加熱空気のその小サイクロンへの流れを調整するバルブ手段の位置、吸入空気の温度、及び、加熱燃料の温度と一緒に統合し、そして、その燃料噴射器から放出された燃料の量を適宜調整する。

熱損失を極小化するために、本発明における露出した金属面の何れもが、外面又は内面で、必要に応じて、適切な断熱材で随意的にコーティングされる。そのような面は、加熱燃料又は空気を運ぶ導管、その小サイクロン、その吸気マニホールドキャスティング、及び（図６で３５として表される）その環状空間の内部を含むがそれに限定されることはない。

本書で提供された温度値、寸法、比率等は指示的なものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

本発明の有利点は、完全に実現されるところでは、通常の混合気よりも希薄な混合気を用いたエンジン運転の全ての段階における信頼性の高い点火、出力の低下が発生しないこと、改善された燃料経済性、及び、排気ガス流における汚染物質の低減の実現である。

Claims

ピストン内燃エンジンのシリンダ用吸気及び燃料供給システムの一部を構成する装置であり、
高い回転速度の持続的な渦を発生させるためにその中に加熱空気の流れが接線方向に放出される小サイクロン；
霧状燃料の流れを、該霧状燃料がフラッシュ蒸発と活発な混合とを起こすところである前記小サイクロンに供給する調節可能な燃料噴射器；
前記小サイクロンを前記シリンダの吸気管に接続する供給ダクトであり、前記渦による燃料−空気の混合物が吸入空気に混合されるところの供給ダクト；及び
前記調節可能な燃料噴射器のオーバーヒートを防止する手段；
を有する装置。
前記小サイクロンは、
円筒部分；
前記円筒部分に接合される円錐部分；
前記円筒部分を閉じる上部壁であって、前記調節可能な燃料噴射器を取り付けるための手段を支持し、開口であり該開口を通じて前記霧状燃料の流れが放出されるところの開口を有する上部壁；
接線方向に配置された前記円筒部分への吸気口であり、該吸気口を通じて前記加熱空気の流れが供給される吸気口；及び
前記供給ダクトに接合される前記円錐部分の頂点にある出口；を有する、
請求項１に従った装置。
前記供給ダクトの下流端は、前記シリンダと関連する吸気マニホールドランナーキャスティング上に形成されるボスに固定され、
前記渦による燃料−空気の混合物は、前記ボスを貫通する出口を介して前記吸気管に出る、
請求項２に従った装置。
前記小サイクロンは、任意の姿勢で支持され、
前記供給ダクトは、適宜に形作られる、
請求項２に従った装置。
前記小サイクロンは、前記吸気マニホールドランナーキャスティングの前記ボスに直接的に取り付けられる、
請求項２に従った装置。
前記ボスは、前記シリンダヘッド上に形成され、且つ、
前記出口は、前記シリンダヘッドの吸気ポートに出る、
請求項３に従った装置。
前記小サイクロンの前記円筒部分の直径の、関連するエンジンシリンダのボアの直径に対する比率は、通常、１：１０から１：２の範囲にあり、±２０％の変動の発生を伴う、
請求項２に従った装置。
前記小サイクロンの前記円錐部分の長さの、前記円筒部分の直径に対する比率は、通常、０．５：１未満から６：１を上回るまでの範囲にある、
請求項２に従った装置。
前記小サイクロンの前記円錐部分の内面は、該内面を通り過ぎる燃料膜の前記渦による燃料−空気の流れにおける取り込みを促進するために、鋸歯状の縦断面形状で形成される、
請求項２に従った装置。
前記エンジンのシリンダは、一以上のより大きなサイクロンから前記渦による燃料−空気の流れを供給される、
請求項２に従った装置。
流線形状のブレットは、前記燃料−空気の混合物における低い濃度の成分の、前記小サイクロン内に形成される渦の核心への移動を防止するために、前記小サイクロン内でそれと同軸上に支持される、
請求項２に従った装置。
前記小サイクロンは：
全体が一以上の部品の組立体として作られる、前記円筒部分、接線方向吸気口の取り付け用スタブ、前記円錐部分、及び前記供給ダクトの取り付け用スタブと、
全体が一以上の部品の組立体として作られる、燃料噴射器を取り付けるための手段、当該サイクロンの前記上部壁、冷却液ジャケットの下部壁、前記冷却液ジャケットの円筒部分、並びに、冷却液供給ダクト及び冷却液リターンダクトの取り付け用スタブと、
前記冷却液ジャケットの上部壁と、を有し、
それら構成要素は、炉内ろう付け、銀ろう付け、又は、他の適切な溶接法によって、密閉的に接合される。
請求項２に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器のオーバーヒートを防止する手段は、前記調節可能な燃料噴射器を取り付けるための手段の周りに形成される冷却液ジャケットの形を採り、
前記冷却液ジャケットは、前記エンジンの冷却システムから冷却液の連続的な供給を受ける、
請求項１に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器のオーバーヒートを防止する手段は、前記調節可能な燃料噴射器とそれを取り付けるための手段との間にある、適切な断熱材の層の形を採る、
請求項１に従った装置。
前記断熱材は、ＰＳＺセラミックである、
請求項１４に従った装置。
前記冷却液ジャケットからの熱放散の速度は、フィン等の提供を通じてそれらの表面積を拡大することによって増大される、
請求項１に従った装置。
前記燃料は、記載された態様で処理され得る任意の液体燃料を含み、２０℃から３００℃の温度範囲でのみ液体である燃料を含む、
請求項１に従った装置。
前記空気は、酸素と混合される任意のガス又はガス群を含む、
請求項１に従った装置。
前記燃料は、大体８５℃から９０℃の温度に加熱される、
請求項１に従った装置。
前記燃料は、エンジンの廃熱を利用するサーモスタット制御の熱交換手段で加熱される、
請求項１９に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器は、その放出軸を前記小サイクロンの長手軸と同一直線上にして位置付けられる、
請求項１に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器は、その放出軸を前記小サイクロンの長手軸に平行とするがそこから横に移動させられたものとして、位置付けられ、
前記供給ダクトにおける前記小サイクロンの円筒部分への入口の直ぐ近くで、取り付けられること、及び、その燃料スプレーを前記供給ダクト内に放出することを含む、
請求項１に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器は、その放出ノズルを前記小サイクロンの長手軸上又はその近くであるが角度的にそれから移動させて位置付けるようにして、位置付けられる、
請求項１に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器は、その放出ノズルを前記小サイクロンの長手軸から横方向に移動させ、且つ、その放出軸を前記小サイクロンの長手軸から角度の点で移動させて、位置付けられる、
請求項１に従った装置。
前記吸入空気は、加熱される、
請求項１に従った装置。
空気の流れは、熱交換手段においてエンジンの廃熱によって１０００℃までの温度に加熱され、また、該流れの大部分は、加熱吸入空気の供給を提供するために、周囲空気と混合される、
請求項２５に従った装置。
前記熱交換手段は、前記エンジンの排気マニホールド又は排気管の一部を密閉的に取り囲むマフの形を採り、
前記マフは、標準配置の空気清浄手段を介して周囲空気の流れを受ける、
請求項２６に従った装置。
前記熱交換手段は、エンジン排気システムから流用される排気ガスの流れ、及び、標準配置の空気清浄手段を介した周囲空気の流れを受ける個別の熱交換器の形を採る、
請求項２６に従った装置。
前記熱交換手段からの前記空気は、前記吸入空気の温度を２０℃から１００℃の範囲内で維持するために、調節可能な電子制御の混合バルブで周囲空気と混合される、
請求項２６に従った装置。
前記熱交換手段からの前記空気は、前記吸入空気の温度を使用燃料の露点を上回る温度で維持するために、調節可能な電子制御の混合バルブで周囲空気と混合される、
請求項２６に従った装置。
前記熱交換手段、前記加熱空気を運ぶ導管、前記混合バルブ、及び前記吸気マニホールドの外面群は、適切な断熱材で覆われる、
請求項２６に従った装置。
前記熱交換手段からの前記空気の温度、周囲空気の温度、及び、混合された空気流の温度、並びに、前記混合バルブのバルブ要素の位置を感知するセンサ群からの信号は、前記バルブ要素の位置を調節するマイクロプロセッサベースの制御ユニットで処理される、
請求項２９及び３０に従った装置。
空気の流れは、熱交換手段においてエンジンの廃熱によって１０００℃までの温度に加熱され、また、該流れの僅かな部分が、前記小サイクロンに向けられる、
請求項１に従った装置。
前記空気の前記小サイクロンへの流れは、ターボチャージャーから供給される、
請求項１に従った装置。
前記小サイクロンは、逸らされた高温の排気ガスの流れを受ける、
請求項１に従った装置。
高温の前記空気の流れは、分配マニホールドを介して前記小サイクロンに供給され、
前記分配マニホールド、前記小サイクロン、及び前記供給ダクトは、熱損失を極小化するために、外部から断熱されている、
請求項１に従った装置。
前記分配マニホールドに備えられるバルブ手段は、前記加熱空気の前記小サイクロンへの流れをスロットル位置に従って調節するために、スロットル動作と同期して操作される、
請求項３６に従った装置。
前記渦による燃料−空気の混合物は、供給手段又は増強手段を介して前記吸気管内に放出される、
請求項１に従った装置。
前記供給手段は、前記吸気管内に任意の角度で突出する前記出口の短い延長の形を採る、
請求項３８に従った装置。
前記供給手段は、前記出口の前記吸気管内へのより長い延長の形を採り、
前記延長の下流部分は、前記吸気管と事実上同軸に位置付けられ、且つ、流線形のフェアリングに取り囲まれる、
請求項３８に従った装置。
前記吸気管内で吸入空気流にさらされる前記出口のフェアリングされていない部分は、流線形の断面形状を有する、
請求項４０に従った装置。
前記増強手段は、前記渦による燃料−空気の混合物が放出されるところである前記吸気管内の環状空間の形を採り、
前記環状空間は、前記吸気マニホールドランナーキャスティングにおける外側に膨らんだ部分と、前記吸気管のボア内に設置された第一円筒カラーとによって定義され、
前記渦による燃料−空気の混合物の前記環状空間からの放出は、前記第一円筒カラーの補助的部分と該第一円筒カラーの下流にある前記吸気管のボア内に設置される第二円筒カラーの補助的部分とによって定義される環状放出ポートを通じて起こり、
前記補助的部分は、吸入空気流の方向に対して角度が付けられている、
請求項３８に従った装置。
前記渦による燃料−空気の流れは、前記環状空間に接線方向に入る、
請求項４２に従った装置。
前記渦による燃料−空気の流れは、前記環状空間に半径方向に入る、
請求項４２に従った装置。
前記円筒カラーにおける角度が付けられた補助的部分は、前記渦による燃料−空気の流れと前記吸入空気との混合を促進するために、複数の、密集した、円周方向に配置された穴を備える、
請求項４２に従った装置。
前記角度が付けられた補助的部分の自由下流端は、前記渦による燃料−空気の流れと前記吸入空気との混合を促進するために、城郭風、指状、正弦曲線状、或いは、鋸歯状に作られる、
請求項４２に従った装置。
前記角度が付けられた補助的部分は、前記増強手段の下流で前記空気流の回転を促進するために、螺旋状に配置されたフルート又はフィンで作られる、
請求項４２に従った装置。
前記吸気管の有効径は、前記増強手段の下流で増大される、
請求項４２に従った装置。
前記環状放出ポートの有効幅は、前記第一円筒カラー及び／又は前記第二円筒カラーを一つ一つ再配置することによって、或いは、前記角度が付けられた補助的部分の角度を変えることによって、調節される、
請求項４２に従った装置。
前記環状空間の内面は、適切な断熱材でコーティングされる、
請求項４２に従った装置。
前記小サイクロンは、ガス燃料と加熱空気とを混合するために用いられる、
請求項２に従った装置。
前記燃料は、ブタン、プロパン、メタン、水素、又は同様の燃料である、
請求項５１に従った装置。
複数の前記小サイクロンは、前記渦による燃料−空気の流れを接線方向に一以上のより大きなサイクロン内に放出し、その中では、前記燃料−空気の流れが、エンジンのシリンダに流れる前に、調節される、
請求項２に従った装置。
マイクロプロセッサベースの燃料制御ユニットは、ＲＰＭ、ＲＰＭ傾向、スロットル位置、マニホールド気圧及びシリンダヘッド温度、加熱空気の前記小サイクロンへの流れを調整するバルブ手段の位置、吸入空気の温度、並びに、前記加熱燃料の温度を含むエンジン運転パラメータのセンサからのデータを、点火進角マッピングデータと一緒に統合し、そして、前記燃料噴射器から放出される燃料の量を適宜調整する、
請求項２に従った装置。
前記渦による燃料−空気の混合物は、事実上乾燥した均質なガスとして、前記吸気管に供給される、
請求項１に従った装置。
前記調節可能な燃料噴射器は、霧状燃料の流れを前記小サイクロンに供給し、そこで、それは、フラッシュ蒸発及び活動的な混合を起こし、
蒸発していない何れの燃料成分もが、前記小サイクロンの高温内壁に遠心力で押し付けられ、その結果、熱の取り込みにより蒸発する、
請求項１に従った装置。
燃料−空気の混合物をピストン内燃エンジンのシリンダに供給する方法であって、
小サイクロン内で高回転速度の持続的な渦を発生させるために該小サイクロン内に加熱空気の流れを接線方向に放出し；
調節可能な燃料噴射器から加熱霧状燃料の流れを前記小サイクロンに供給し、そこで、それは、フラッシュ蒸発及び活動的な混合を起こし；
供給ダクトを介して前記渦による燃料−空気の流れを前記シリンダの吸気管に放出し、そこで、前記渦による燃料−空気の混合物は、加熱吸入空気と混合する；
方法。
空気の流れは、熱交換手段においてエンジンの廃熱によって１０００℃までの温度に加熱され、該流れの大部分は、加熱吸入空気の供給を提供するために、周囲空気と混合される、
請求項５７に従った方法。
前記エンジンのシリンダは、一以上のより大きなサイクロンから前記渦による燃料−空気の流れを供給される、
請求項５７に従った方法。
前記燃料は、記載された態様で処理され得る任意の液体燃料を含み、２０℃から３００℃の温度範囲でのみ液体である燃料を含む、
請求項５７に従った方法。
前記空気は、酸素と混合される任意のガス又はガス群を含む、
請求項５７に従った方法。
前記燃料は、エンジンの廃熱を利用するサーモスタット制御の熱交換手段で大体８５℃から９０℃の温度まで加熱される、
請求項５７に従った方法。
前記熱交換手段からの前記空気は、前記吸入空気の温度を２０℃から１００℃の範囲内で維持するために、調節可能な電子制御の混合バルブで周囲空気と混合される、
請求項５８に従った方法。
空気の流れは、熱交換手段においてエンジンの廃熱によって１０００℃までの温度に加熱され、また、該流れの僅かな部分が、前記小サイクロンに向けられる、
請求項５７に従った方法。
前記加熱空気の前記小サイクロンへの流れは、ターボチャージャーから供給される、
請求項５７に従った方法。
前記小サイクロンは、逸らされた高温の排気ガスの流れを受ける、
請求項５７に従った方法。
前記小サイクロンに接続される分配マニホールドにおけるバルブ手段は、前記加熱空気の前記小サイクロンへの流れをスロットル位置に従って調節するために、スロットル動作と同期して操作される、
請求項５７に従った方法。
前記小サイクロンは、ガス燃料と加熱空気とを混合するために用いられ、
前記ガス燃料は、ブタン、プロパン、メタン、水素、又は同様の燃料を含む、
請求項５７に従った方法。
複数の前記小サイクロンは、前記渦による燃料−空気の流れを接線方向に一以上のより大きなサイクロン内に放出し、その中では、前記燃料−空気の流れが、エンジンのシリンダに流れる前に、調節される、
請求項５７に従った方法。
マイクロプロセッサベースの燃料制御ユニットは、ＲＰＭ、ＲＰＭ傾向、スロットル位置、マニホールド気圧及びシリンダヘッド温度、加熱空気の前記小サイクロンへの流れを調整するバルブ手段の位置、吸入空気の温度、並びに、前記加熱燃料の温度を含むエンジン運転パラメータのセンサからのデータを、点火進角マッピングデータと一緒に統合し、そして、前記燃料噴射器から放出された燃料の量を適宜調整する、
請求項５７に従った方法。
前記渦による燃料−空気の混合気は、事実上乾燥した均質なガスとして、前記吸気管に供給される、
請求項５７に従った方法。
前記小サイクロンは、原則的に、円錐部分に接合される円筒部分を含む、
請求項５７に従った方法。
前記小サイクロンの前記円筒部分の直径の、関連するエンジンシリンダのボアの直径に対する比率は、通常、１：１０から１：２の範囲にあり、±２０％の変動の発生を伴う、
請求項７２に従った方法。
前記小サイクロンの前記円錐部分の長さの、前記円筒部分の直径に対する比率は、通常、０．５：１未満から６：１を上回るまでの範囲にある、
請求項７２に従った方法。
前記調節可能な燃料噴射器は、霧状燃料の流れを前記小サイクロンに供給し、そこで、それは、フラッシュ蒸発及び活動的な混合を起こし、
蒸発していない何れの燃料成分もが、前記小サイクロンの高温内壁に遠心力で押し付けられ、その結果、熱の取り込みにより蒸発する、
請求項５７に従った方法。