JPS6385216A - サ−マルイグニツシヨン燃焼システム及びその運転方法 - Google Patents

サ−マルイグニツシヨン燃焼システム及びその運転方法

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JPS6385216A
JPS6385216A JP62036919A JP3691987A JPS6385216A JP S6385216 A JPS6385216 A JP S6385216A JP 62036919 A JP62036919 A JP 62036919A JP 3691987 A JP3691987 A JP 3691987A JP S6385216 A JPS6385216 A JP S6385216A
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wall
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カモ ロイ
ラメッシュ　カクワニー
エドガー　バルドマニス
メルビン　イー，ウッズ
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Adiabatics Inc
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イグニッションシステム、特に石炭及び天然
ガス等の燃料で運転可能な内燃機関用のサーマルイグニ
ッション燃焼システムに関する。
〔従来の技術〕
石炭を燃料とするディーゼルエンジンの如く、固体燃料
で運転されるエンジンのアイデアは１９００年はどの昔
にルドルフ・ディーゼルによって検討された。然しなか
ら、固体燃料の扱い方及び灰の堆積問題によりディーゼ
ルはこのアイデアの研究を断念した。１９００年代の初
めから第二次世界大戦の終りにかけて実用的な固体燃料
の燃焼エンジンを開発するための熱心な研究開発に多く
の時間が費やされた。このようなシステムの多くはＲｏ
ｂｂｅｎのＵＳＰ　Ｎ１４．５５８，６６４に開示され
ている石炭と水のスラリ状の燃料を燃焼することができ
るもの、或いはＣ１ａｒｋのＵＳＰ　Ｎ１３．９６５，
８７０に開示されている溶解精製された石炭を燃焼する
ことができるものであった。然しながら、開発されたシ
ステムのどれ一つとして燃料の取り扱い方、灰の堆積、
排ガス中の高濃度パティキュレート、低熱効率、高摩耗
及び特別な燃料を生産することに伴うコスト高等、固体
燃料の燃焼に伴う固有の問題が未だ十分に解決されてい
なかった。
また、天然ガスエンジンの開発にも多（の技術研究が費
やされてきた。最初のガスエンジンは気化され、火花点
火されるものであった。それからある期間二種燃料エン
ジンが開発された。これは天然ガスの希薄混合物がディ
ーゼルパイロットによって着火されるものである。然し
なから、ディーゼルパイロット噴射装置が高価であり、
二つの異なった燃料を送ることによる複雑さのため、間
も無くスパークプラグに置き換えられた。
而して、今日、殆どの天然ガスエンジンは未だに気化さ
れ、本質的に低い効率のまま寿命が短いスパークプラグ
により火花点火されている。最近になって高圧縮比エン
ジンへ高圧ガスを噴射する研究が行われるようになった
。このようなエンジンは高圧ガス噴射期間中に火花点火
かディーゼルパイロット点火のどちらかで行われている
。
本発明の基本となる概念は、特別に設計された熱保持装
置から燃料混合物へ高温の熱を急速に伝達することによ
る燃料混合物の点火方式である。
これまで火花点火式エンジン或いはディーゼルエンジン
の性能や効率を高めるためにエンジンの種々の部分を断
熱したり、或いは低熱伝導率を有する材料を使用するこ
とが提案され、試みられてきた。このような種々の提案
は以下の米国特許に開示されている。
４．３００，４９７　　　Ｗｅｂｂｅｒ、　　４，５１
１，６１２　　　Ｈｕｔｈｅｒ。
３＋１１０＋２９２　　　Ｄｏｂｒｏｓａｖｌｊｅｖｉ
ｃ。
３．１４０．６９７　　　Ｐｅｒａｓ　、　　４，５２
２，１７１　　　Ｄｗｏｙａｌｃ、ｅｔ　ａｌ　。
２．７３９，５７８　　　Ｓｔｕｍｐ　、　　３，２５
９，１１６　　　［１ｒｉｃｏｕｔ　。
１．７９８，２６０　　８ｅｌｔｒ　、　　４，５５８
，６６４　　　Ｒｏｂｂｅｒ。
４．４８５．７７８　　０１ｉｖｅｒ。
主要なエンジン出力パラメータのうち、性能の向上は実
現されたが、効率の悪い、或いは不完全な燃料の燃焼に
よる高濃度のパティキュレート及び高圧縮比の必要性な
どについてのデータはまだ不十分である。同様に固体燃
料エンジン或いは天然ガスエンジンについても改良が行
なわれてはいるが、高熱効率及び低汚染物質排出などに
関する目標を満足する燃料燃焼システムは未だ開発され
ていない。
〔本発明が解決しようとする問題点〕
本発明は叙上の観点に立ってなされたものであって、そ
の目的とするところは、内燃機関等の原動機を作動する
新規なシステムを提供しようとするものであり、燃料混
合物を着火させる限界圧力を作り出す必要のないサーマ
ルイグニッション法を使用するものである。
即ち、本発明は熱゛エネルギを放出するのではなく、貯
蔵するために設計された予燃焼室又は着火室の壁を利用
するものである。燃焼中に生じる熱エネルギは特別に設
計された着火室の壁に保存され、次に自然な燃焼が生じ
るように燃料混合物に直接伝達される。その結果、通常
のエネルギよりも高い熱発生率を生じさせる高温の熱環
境が作り出され、これによって次にはより短いクランク
角度の期間中に燃料混合物の更に完全な燃焼が行われ、
より高い熱的及び機械的効率が生じることになる。
而して、本発明の第一の目的は、燃焼機関用に改良され
たイグニッションシステムを提供することにある。
また、第二の目的は、エンジンサイクルの熱効率を向上
させる燃料燃焼システムを提供することにある。
更に、第三の目的は、ガソリン以外の石炭、石炭スラリ
、天然ガＸ或いはディーゼル油等の燃料で運転できる燃
料燃焼システムを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
而して、上記の目的は、主燃焼室を有する内燃ｔＪｌ関
用のサーマルイグニッション燃焼システムによって達成
される。
而して、上記サーマルイグニッション燃焼システムは、
主燃焼室と常時連通している着火室を少なくともスチー
ルと略同等の熱伝導率及び比熱を有する材料によって区
画する手段と、 燃料の着火が生じ得る限界温度以上に上記区画壁の温度
を保持する手段と、 上記着火室へ燃料を供給する手段と、 によって達成される。
〔作　　用〕
叙上の如く構成することにより、エンジンサイクルの熱
効率を向上させることができ、これによりガソリン以外
の石炭、石炭スラリ、天然ガス或いはディーゼル油等の
燃料で運転できる燃料燃焼システムを提供し得るもので
ある。
〔実　施　例〕
以下、図面を参照しつ一本発明の詳細を具体的に説明す
る。
第１図は、本発明にかかるサーマルイグニッション燃焼
システムの一実施例であり、石炭を燃焼させるための単
筒エンジン用サーマルイグニッションシステムの断面図
、第２図は、石炭供給システムの機構を示す説明図、第
３図は、第２図中、３−３断面図、第４図は、サーマル
イグニッション燃焼システムの他の実施例であり、天然
ガスを燃焼させるための単筒エンジン用サーマルイグニ
ッションシステムの断面図、第５図は、天然ガスの供給
システムの機構を示す説明図である。
なお、以下の説明に於ては、本発明の原理を理解し易く
するために、図に示された実施例に基づき説明を行い、
また、説明には特定の用語を使用する。
第１図には、本発明の一実施例による改良された単筒エ
ンジンに連結されたサーマルイグニッション燃焼システ
ムが示されている。この実施例に用いられたエンジンは
ボア１３０．２　ｆｌ、ストローク１６５．１　ｖａ、
排気量２．２β及び圧縮比１６．５のキャタピラＩＹ７
３である。
このエンジンは回転数８００〜１５０’Ｏｒｐｍの運転
が可能であり、予燃焼室を有している。ＩＹ７３エンジ
ンは、本願明細書に記載されているように石炭粉で運転
するために開発されたものである。
而して、これを詳細に説明すると、この実施例に使用さ
れる燃料は、０ＴＩＳＣＡ社から市販されている微粉末
化した０ｔｉｓｃａ石炭である。この石炭粉は瀝青炭で
粒子サイズ２０μｕ以下が９５．７ｗｔ％（平均約５　
ｕ　１１１１）　、天分０．８　ｗｔ％、カロリー値３
３．８８５ＫＪ／　ｋｇ　、及び硫黄分０．９　ｗｔ％
であった。
第１図に示すように単筒エンジン１０はエンジンブロッ
ク１１、シリンダライナ１２、ピストンリング１４、コ
ンロッド１５を保持しているピストン１３、吸気バルブ
１７を有する吸気ボート１６、図示されていない排気バ
ルブを有する排気ポート（但し図示せず。）、シリンダ
ヘッド１臥及び予燃焼室、即ち着火室１９から構成され
ている。
主燃焼室２２はピストン１３のピストンクラウン２０、
シリンダヘッド１８、シリンダライナ１２及び吸気バル
ブフェース２１により囲まれている。排気ポートと排気
バルブは図示されていないが、以下に説明するように排
気ポート内にジルコニアを内張すしたことを除いては吸
気ボート１６と吸気バルブ１７と全く同一である。
微粉化された石炭は石炭供給ノズル３０により吸気マニ
ホールド３５内に送られる（第３図）供給ノズルは吸気
ボート１６へ通じる吸気マ主ホールド内に設けられるベ
ンチュリノズル３１の絞り部３７に石炭粉を供給するた
めに設置されている。矢印３２は吸気マニホールド内の
空気流の方向を示す。空気の通路３３はここに入る空気
と上から入ってくる石炭粉（矢印３４で示す）を混合さ
せてベンチュリノズルに入ってきた石炭粉を空気中に分
散させる助けをする。
この実施例に用いられた石炭供給システムは第２図に示
す如く、既に公知の要素から構成されたものである。即
ち、燃料フィーダ４０、燃料供給装置４１、可変速度直
流モータ４２、スクリューコンベア４３、デジタル天秤
４４、可変速度コントローラ４５及び可撓性ドライブシ
ャフト４６から構成される。
上記可変速度コントローラ４５によって制御される可変
速度直流モータ４２及び燃料供給装置４１がスクリュー
コンベア４３を駆動する。また、上記燃料フィーダ４０
内の石炭粉ｎはスクリュウコンベア４３によって噴射ノ
ズル３０に導かれる。
而して、この実施例に記載されているシステムを円滑に
運転するためには、石炭粉の粒子サイズは２０μより大
きくしてはならず、また、石炭粉は吸気マニホールド３
５に供給噴霧される際に塊がないようにする必要がある
。特に湿気が多いと石炭粉は湿気によりばらばらになり
に＜＜、塊ができやすい。これにより着火室１９及び主
燃焼室２２内に小さくて制御できない不均等な爆発が生
じることがあるので、石炭が吸気マニホールド３５内に
導かれる際、上記石炭粉の塊を最小限に保つため、或い
は除去するための適切な手段が必要である。
上記の問題点を改善するための一つの方法としては、ス
クリュウコンベア４３と供給ノズル３０との間に流体化
装置４７を介在させる方法である。流体化装置４７は石
炭粉の塊をばらばらにできるものでなければならないが
、これはロータリ或いはグラインディグ運動等の方法に
より可能である。上記流体化装置４７はエンジンカムシ
ャフト４８により可撓性ドライブシャフト４６を介して
駆動することができる。デジタル天秤４４は吸気行程毎
に所定量の石炭を吸気マニホールドへ供給するための精
度の高い手段であり、石炭粉の流量はスクリュウコンベ
ア４３により流体化装置４７及びエンジンへの石炭送り
速度が決定され、上記スクリュウコンベア４３の速度を
変えることにより石炭粉の供給量が制御される。
本発明にかかる一つのｔｍ想は特別に設計された熱保持
装置から燃料混合物へ高温の熱を急速に伝達することに
より燃料混合物を着火することにある。ディーゼル式の
着火を行うためには高圧縮比とするか、或いは燃料を気
化するため又はディーゼルプロセスを援助するためにエ
ンジンに断熱部品を使用するような以前の設計と違って
、本発明は全く熱の保持によるものであり、これによっ
て熱保持装置から燃料混合物へ急速に熱を伝達し、着火
を行うものである。熱の保持はエンジンの主たる燃焼室
表面を断熱することにより、また、完全な断熱システム
を形成するためには冷却系の冷却液を取り去ることによ
って始めて達成されるシリンダライナ１２は鋳鉄製であ
り、その内周面は断熱のために厚さ１．０ｆｌのジルコ
ニア（ＺｒＯ２）プラズマ溶射Ｎ６０により被覆されて
いる。上記ジルコニアの熱伝導率は２ｗ／（ｍ・℃）で
ある。
次いでジルコニアの摩耗を改善するためにジルコニア層
６０にに−ｒａｍｉｃ　　（登録商標）コーティングが
施される。Ｋ−ｒａｍｉｃ　　（登録商標）コーティン
グは、４７６５　Ｎｏｒｔｈｐａｒｔ　Ｄｒｉｖｅ　Ｃ
ｏ１ｏｒａｄｏ　Ｓｐｒｉｎｇｓ、　Ｃｏ１ｏｒａｄｏ
　８０９０７のカマン社（Ｋａｍａｎ　５ｃｉｅｎｃｅ
ｓ　Ｃｏｒｐ　、＋）が実施しているセラミックコーテ
ィングの商標である。Ｋ−ｒａｍｉｃ　　（登録商標）
コーティングは、実質的にはクロム劇処理により緻密化
されたシリカ、クロミア及びアルミナから構成される。
クロムは６価クロムと水とから成る液体状（スラリ）で
種々の方法、即ち、溶射、塗布或いは浸漬の方法が採用
される。クロム溶液は毛細管現象により開孔部に吸収さ
れ、これによって上記開口部はクロム溶液で充填される
。
次にコーティング層は約５３７．８℃（１０００°Ｆ）
で焼成させ、水を排除して酸化結合層を形成すると同時
に６価クロム酸（Ｃｒ２０３　）に変換する。
クロム酸で開孔を密封するためには数回の充填サイクル
が要求される。サイクル数５〜１５回で厚さ約０．１２
７　ｔｍである。なお、プロセスについては引用文献の
米国特許３，９５６，５３１に記載されている。
ジルコニア層は部分安定化、或いは安定化ジルコニアか
ら構成することができ、また、　１５３　Ｗｉｌｄｂｒ
ｏｏｋ、Ｄａｙｔｏｎ＋　０ｈｉｏ　４５４０５のＡＰ
Ｓ　Ｍａｔｅｒｉａｌ＋Ｉｎｃ、、によって商業的に施
工することができる。
上昇する運転温度、石炭粉末の燃料及び灰の特性に起因
する摩耗を低減するために、リングにもに−ｒａｍｉｃ
（登録商標）コーティングが施される。
また、ピストンクラウン２０は厚さ１．２ｆｉのプラズ
マ溶射ジルコニアで被覆される。好ましい実施例ではカ
マン社から商業的に入手することができるジルコンシー
ル（Ｚｉｒｃｏｎ　５ｅａｌｅｒ　）が使用される。
なお、ジルコンもカマン社の商標である。
而して、前述のに−ｒａｍｉｃ（登録商標）コーティン
グはここに記載した各部品におけるジルコンシールの適
所に十分均等に施される。なお、ピストンはアルミ製で
あり、シリンダヘッドは鋳鉄製で、主燃焼室２２に面す
る部分は厚さ１．４０ｍのプラズマｍ射ジノυコニア（
Ｚｒ０２　）　６２及びジルコンシールで被覆され、同
様に図示しない排気ボートの内張りも厚さ１．０　ｍの
プラズマ溶射ジルコニア（Ｚｒ０２）及びジルコンシー
ルで被覆される。然しなから、吸気ボート１６は一般に
熱損失について重要な因子ではなく、また吸気ガスは容
積効率を良くするために低温でなければならないため断
熱されない。
吸気及び排気バルブ２１の表面は同様に厚さ１．０龍の
プラズマ溶射ジルコニア（ＺｒＯ２）　６３及びジルコ
ンシールで被覆される。このような複合断熱の効果によ
り主燃焼室から熱伝達が減少し、より良い断熱システム
となる。
この実施例の種々の燃焼室部品及び燃焼に関連する表面
コーティングを以下にまとめた。
部品 シリンダライナ　　厚さ１．０鶴のプラズマ溶射ジルコ
ニア層にＫ　−ｒａｍｉｃ コーティング。
ピストンリング　　Ｋ　−ｒａｍｉｃコーティングシリ
ンダヘッド　　厚さ１．４ｆｉのプラズマ溶射ジルコニ
ア層をジルコンシ ールで被覆。
ピストンクラウン　厚さ１．２　ｍのプラズマ溶射ジル
コニア層をジルコンシ ールで被覆。
排気ボート　　　　厚さ１．０　ｍのプラズマ溶射ジル
コニア層をジルコンシ ールで被覆。
バルブフェース、　厚さ１．０　ｍのプラズマ溶射ジル
コニア層をジルコンシ ールで被覆。
その他の熱保持効果は予燃焼室又は着火室１９の設計に
より達成される。上記着火室１９を形成する着火室壁７
０は、本発明においては高比熱、高熱伝導率及び耐高温
性能を有する材料から構成される。
更に、着火室壁７０の材料は少なくとも５０Ｊ／’Ｃの
熱容量を有するものである。本実施例では着火室の全内
面を形成する着火室壁７０は熱伝導率が４００にで２５
Ｗ／（ｍ−Ｋ）、また比熱が７１０Ｊ／　（ｋｇ　”Ｃ
）の窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成される。熱容量
（Ｊ／’Ｃ）は比熱（Ｊ／ｋｇ−’Ｃ）と重量（ｋｇ）
の積である。故に熱容量５０Ｊ／℃を達成するためには
窒化けい素の壁の重量はＴＯｋｇ以上でなければならな
い。
次に、この壁７０には着火室壁内に貯えられた熱を保持
するために断熱層が備えられる。上記断熱層は厚さ約２
．０鶴のジルコニアコーティング７１のような適切な断
熱材料の層から成る。このジルコニア層はこの壁の外面
に施され、壁の５％以上を覆う。
着火室は着火室壁７０のジルコニアコーティング７１を
取り囲むエアポケット７２により更に断熱が施される。
くなお、本実施例に於ては、このエアポケットは単に冷
却系通路３６から冷却液を取り去ることにより形成され
る。）上記エアポケットの厚さ、即ち、ジルコニアコー
ティング層７１とシリンダヘッド１８の最も近接する部
分での径方向の距離は、シリンダヘッド１８の形状が不
均等なため変化する。然しなから、エアポケットの最小
の厚さは２ｆｉ、最適な厚さは約１２０であり、これ以
上の厚さでは断熱効果の増加は認められない。
このシステムによりエンジンからの放熱は４０％まで低
減されると共に、窒化けい素の壁７０内に大量の熱が保
持される。従って、着火室壁７０の温度は通常のエンジ
ン運転中にこの壁７０の高熱容量により、また着火室及
び主燃焼室の断熱効果により最低５３７　、８℃（１０
００″Ｆ）達する。また、代表的な平均ピーク負荷中で
はこの温度は７６０℃〜１０９３．３’Ｃ（１４００″
Ｆ〜２０００°Ｆ）になる。エンジンの負荷が低いとき
、着火室壁の運転温度は５３７．８℃（１０００″Ｆ）
程度に下がることもある。石炭燃料はこのシステムの全
温度範囲内において効率的に運転することができる。実
際、エンジンは石炭粉を使って約４２６．７℃（８００
’Ｆ）でも十分運転される。然しなから、着火室壁が高
温度範囲にある間、着火過程のためにより高温の運転雰
囲気を作るので、石炭の爆発燃焼による熱の発生はより
短いクランク角度間隔で生じる。加えて、高温の熱雰囲
気は石炭燃料のより完全で効率的な燃焼を生じさせる。
エンジンの始動を補助するためにグロープラグ詔が着火
室内に設置され、上記グロープラグ詔は着火室壁の温度
が石炭粉の限界着火温度（３７１，１’Ｃ（７００°Ｆ
））と石炭が効率的に燃焼し始め、約４２６．７℃（８
００″Ｆ）との間に達するまで使われる。
第１図に示す如く、サーマルイグニッションシステムを
備えた本実施例のエンジンは次のように運転される。
即ち、吸気行程中、吸気バルブ１７が開き、コンロッド
１５及び図示されていないクランクシャフトによって作
動するピストン１３が上述の燃料混合物を吸気ポート１
６を介して引き込む。圧縮行程中、吸気バルブ１７が閉
じてピストン１３が上方に移動し、主燃焼室２２及び着
火室１９内の燃料混合物を圧縮する。
従来のエンジンでは初期の圧縮ガス温度は機械的圧縮運
動により上昇し、その後熱が水冷却壁へ伝達されるため
急速に下がる傾向がある。ディーゼルエンジンではやは
り空気温度は圧縮により上昇するが、その後燃料が噴射
される以前に熱が逃げるため温度は若干下がる。本実施
例では、圧縮された燃料とガスの混合物の温度は機械的
圧縮作用により上昇するが、その後着火室壁（７ｏ）か
らの熱伝達により更に上昇し続ける。
而して、この追加の熱伝達により燃料混合物の温度は、
石炭粉の着火温度以上に上昇し、自然な燃焼が生じるよ
うな高温熱雰囲気が作り出される。
本実施例に使用される石炭粉の着火温度は約３７１．１
℃（７００°Ｆ）である。
燃料混合物の爆発によりピストン１１は爆発行程中下方
に押し下げられ、着火室において作り出される高温熱雰
囲気により爆発行程中の燃料の熱発生率が高くなり、機
械的実出力及びエンジン効率が増加する。更に、より高
温の熱雰囲気及びより高い熱発生率によって燃料がより
完全に燃焼し、従って燃料消費が改善され、−酸化炭素
（ＣＯ）、ハイドロカーボン（ＩＣ）　、スモーク及び
パティキュレートエミッションの低減も達成される。
主燃焼室の表面６０．６１．６２及び６３を断熱するこ
とにより、大量の熱がエンジンブロック、ピストン、バ
ルブ或いはシリンダライナを通って逃げるのを防止する
。着火室壁７０の熱容量及び熱伝導率が高いため、燃焼
中に発生する大量の熱の一部は次のサイクルの吸気行程
まで着火室壁７０に伝達、保持され、残りの未使用の熱
は排気行程中に周囲に発散されて失われる。
本発明において得られる高温の熱雰囲気により従来の断
熱しないエンジンの運転温度では効率が低いため、或い
は燃焼に要求されるシステムが複雑なためこれまで実用
的とは考えられなかった他の燃料の燃焼が可能となる。
このような燃料の一つである天然ガスは次のもう一つの
実施例に使用される燃料である。
天然ガス用サーマルイグニッション燃焼システムの一実
施例を第４図に示す。この実施例においても上記キャタ
ピラエンジンを使用する。
本実施例も前述の実施例と略同様に主燃焼室１２２、着
火室１１９、着火室壁１７０、上記着火室壁１７０を覆
うジルコニア層１７１及びエアポケット１７２を備えて
いる。異なる点は使用される燃料及び燃料吸入方法及び
燃料噴射時期である。第４図及び第５図に示す如く、着
火室１１９は着火室壁１７０により形成されている。天
然ガスを着火室内に噴射するための通切な手段１５０を
備えている。
市場に於て入手できる標準のディーゼル用噴射装置が３
０００〜５０００　ｐｓｉ　（２１１〜３５２　ｋｇｌ
ｏａ）の圧力で天然ガスを噴射するのに使用できる。第
５図に示すように燃料は噴射装置への燃料供給パイプ１
２４を通じて着火室１１９へ導かれる。高圧天然ガスは
高圧天然ガス源１２６に連結されている噴射ノズル１２
５を開口することにより、着火室内へ噴射される。天然
ガス源１２６は加圧下で貯蔵してもよいし、また運転中
に圧縮しても良い。
噴射ノズル１２５の開閉はギア１２９．１３０．１３１
及び１３２を介してエンジンカムシャフトにより作動す
るポンプからの油圧制御パイプ１２７によって制御され
る。このパイプ１２７を通して貯蔵室１４０への油圧を
増加することによりピストン１４１がバイアス・スプリ
ング１４２の方向へ押し上げられ、噴射ノズルバルブ１
４３が引込められる。これにより燃料を通路１４４を介
して着火室１１９内へ供給することができる。
高圧燃料（天然ガス）はコントロールバルブ１３３及び
エマ−ジエンシー遮断弁１３４を介して供給され、高圧
天然ガスは燃料と圧縮空気を安定、且つ急速に混合する
ために着火室１１９内へ拡散スプレ−状に噴射され、噴
射は上死点前後的１０”のクランク角期間中に行われる
。
また、エンジンのコールドスタート（冷間始動）を補助
するために、着火室壁１７０が天然ガスを効率的に燃焼
させる温度に達するまでの間、グロープラグ１２３が着
火室で使用される。使用される天然ガスは約９０％のメ
タンであり、限界燃焼温度は約７３２．２℃（１３５０
°Ｆ）である。また、壁１７０の熱容量が大きく、着火
室１１９及び主燃焼室１２２に於ける断熱効果のため、
通常のエンジン運転中着火室壁１７０の温度は７６０〜
１０９３．３℃（１４００’Ｆ〜２０００°Ｆ）になり
、最初の実施例と同様に天然ガスの燃焼は低エミツショ
ンで、且つ非常に効率的で完全な燃焼が得られる。
而して、菖る特定の因子を変えることにより、その他の
実施例も可能となる。例えば、ジルコニアＦＦ７１及び
着火室壁７０周りのエアポケット７２の厚さの割合を変
えることにより、ある所望の温度範囲内で運転できるよ
うにサーマルイグニフシン燃焼システムを調整すること
ができる。従って、シリングヘットの形状からエアポケ
ット７２の厚さを最低約１ｈｍにできれば、ジルコニア
層７１はなくても６４８．９℃（１２００°Ｆ以上の石
炭の着火室壁運転を達成することができる。逆に、エア
ポケットを小さく廿ざるをえない場合、厚さ３　ｍｍの
ジルコニア層７１によって必要な着火室壁の運転温度を
十分達成することができる。このように自由度が大きい
ため必要であれば任意の方法でエンジンの冷却システム
を運転することもできる。従って、冷却液を残すことも
でき、また、同様の結果を達成するために適切な厚さの
ジルコニア及び／又はエアポケットを備えることもでき
る。
而して、本システムによれば、他の種々の燃料を燃焼さ
せる場合も同様に調整することもできる。
例えば、着火温度２６０℃（５００°Ｆ）のディーゼル
燃料であれば、低エミツションでより効率的に燃焼させ
ることができる。このシステムの運転温度であれば、メ
タノール又はエタノールを燃焼させることもできる。ま
た、ある温度内で運転できるようにするために着火室を
任意に調整する以外に、他の液体或いは固体燃料を燃焼
できるサーマルイグニッション燃焼システムを構成する
他の方法は、使用される特定燃料で運転するための噴射
装置を設計することであるが、この作業は本技術分野に
習熟した者の知識があれば可能である。
石炭を燃焼する本実施例の性能を改善できるもう一つの
方法は、吸気バルブが開いている期間中のみ石炭粉末を
吸気マニホールドに送るための流体化手段、或いは流体
化装置と共に作動するように設計されたその他の手段を
設計することであり、これにより石炭粉末燃料がエンジ
ン運転サイクル中、予め定められたタイミングで吸入空
気中に計算されながら供給できるようになり、これによ
りエンジン効率が改善される。
着火室壁を構成する材料は前述の要件である高熱伝導率
、高比熱及び高比重（高熱容量）、そして本発明に付加
される高温に耐え得る性能を満足するような材料であれ
ばよい。窒化けい素の以外にこれらの要件を満足するも
う一つのセラミック材料は、炭化けい素（熱伝導率８７
Ｗ／　（ｍ−Ｋ）、比熱６６９Ｊ／　（ｋ、・℃）であ
る。
〔発明の効果〕
本発明は叙上の如く構成されるので、本発明によるとき
には、エンジンサイクルの熱効率を向上さ、せることか
でき、これによりガソリン以外の石炭、石炭スラリ、天
然ガス或いはディーゼル油等の燃料で運転できる燃料燃
焼システムを提供し得るものである。
なお、本発明は叙上の実施例に限定されるものではなく
、本発明の技術分野における通常の知識を有する者が容
易に想到し得る総ての改良及び変更実施例を包逼するも
のである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明にかかるサーマルイグニッション燃焼
システムの一実施例であり、石炭を燃焼させるための単
筒エンジン用サーマルイグニッションシステムの断面図
、第２図は、石炭供給システムの機構を示す説明図、第
３図は、第２図中、３−３断面図、第４図は、サーマル
イグニッション燃焼システムの他の実施例であり、天然
ガスを燃焼させるための単筒エンジン用サーマルイグニ
ッションシステムの断面図、第５図は、天然ガスの供給
システムの機構を示す説明図である。 １０・−−−−−一・−・−・−一−−・・・・−・−
単筒エンジン１１−　・・・・−・−・−・−・・−−
−−ブロック１２・−一−−−−・・・−一−−−・−
・−・−シリンダライナ１３−−・・・・−・−・−・
・−・−・・ピストン１４−　・・・−・−・−・−・
−・・−ピストンリング１５−　・・−・・−・−・−
・−・・・・・・・−コンロッド１６・・−・・・・・
−−−一・−・・・−−−−一排気ボート１７−・・−
−−一・・−・−・・−・−一−−・吸気バルブ１８・
−−一−・−・・−・・・・−・−・−シリンダヘッド
１９−・−・・・−・−−一一一−−−−・・−着火室
２０・・−−−−−一・・−・−・・−−−−−・・ピ
ストンクラウン２２−−−−−−・−・−・−・・−−
−−一・・主燃焼室３０・・・・−−−−−・−・−・
・・・・−−ｍ−石炭供給ノズル３１−−−−−・−−
一−−−・・−・−一−−−−−ベンチュリノズル４０
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−・−・燃料
フィーダ４１−−−−−・−・−一−−−−・−・・−
・−燃料供給装置４２−・・−−−−−−・・−・−・
−−−一−−・・・可変速度直流モータ４３−　・・・
−−−−−・・−・−・・−・スクリュウコンベア４４
・・・・−ｍ−−−−・−・−−−−−一−−−デジタ
ル天秤４５・・−・−・−−一−−−・−・・−一一一
−−・−可変速度コントローラ４６−・−・・・・・・
・・−・・・−−−−・−・可撓性ドライブシャフト４
７・−−−−・−・・−・・−・−・・−流体化装置４
８−　・・・・・−・−・・・−・−・−・エンジンカ
ムシャフト７１・−・・−・−−一−・−・−一−−−
−・−ジルコニアコーティング７２−−−−−−・−・
−・・・・−・−・・−・・エアポケット１１９−・−
−一−・−−−−・−−−ｍ−・−−−ｍ−着火室１２
２−・・・−・−−−−−・−−−−−・・・−・主燃
焼室１７０−−−−・−−−−−・−−−−・・−・−
着火室壁１７１・−〜−−−・・−ｍ−−−−・−−−
−一−・−ジルコニア層特許出願人　アゾアバティクス
　インコーホレーテッド

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）下記ａ）項乃至ｃ）項記載の構成要素を具備したこ
    とを特徴とする主燃焼室を有する内燃機関用サーマルイ
    グニッション燃焼システム。 ａ）上記主燃焼室と連通すると共に、スチールと同等以
    上の熱伝導率及び比熱を有する断熱部材で壁面が形成さ
    れた着火室。 ｂ）上記着火室壁面の温度を燃料が着火し得る限界温度
    以上に保持する装置。 ｃ）上記着火室に燃料を供給する装置。 ２）上記着火室壁面の熱容量が５０Ｊ／℃以上である特
    許請求の範囲第１項記載のサーマルイグニッション燃焼
    システム。 ３）上記温度の保持が着火室壁面の外側を覆う断層によ
    って行われ、且つ上記断熱層が着火室全体の８５％を覆
    う特許請求の範囲第１項又は第２項記載のサーマルイグ
    ニッション燃焼システム。 ４）上記主燃焼室はピストン、シリンダ壁、シリンダヘ
    ッド及び複数のバルブによって形成され、上記着火室壁
    面の温度の保持が主燃焼室の断熱層によって行われ、且
    つ上記燃焼室の断熱層は上記のピストン、シリンダ壁、
    シリンダヘッド及びバルブとの間に配置される特許請求
    の範囲第１項、第２項又は第３項のうちのいずれか一に
    記載のサーマルイグニッション燃焼システム。 ５）上記断熱層は熱伝導率が１０ｗ／（ｍ・ｋ）以下の
    少なくとも一つの断面層から成る特許請求の範囲第１項
    、第２項、第３項又は第４項のうちのいずれか一に記載
    のサーマルイグニッション燃焼システム。 ６）上記少なくとも一つの断熱層が厚さ２ｍｍ以上のエ
    アポケットから成る特許請求の範囲第１項、第２項、第
    ３項、第４項又は第５項のうちのいずれか一に記載のサ
    ーマルイグニッション燃焼システム。 ７）上記断熱層は壁面とエアポケットとの間に配置され
    る一つのジルコニア層から成り、上記ジルコニア層の厚
    さが１．０ｍｍ以上である特許請求の範囲第１項、第２
    項、第３項、第４項、第５項又は第６項のうちのいずれ
    か一に記載のサーマルイグニッション燃焼システム。 ８）上記限界温度が約３７１．１℃（７００°Ｆ）であ
    る特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第
    ５項、第６項又は第７項のうちのいずれか一に記載のサ
    ーマルイグニッション燃焼システム。 ９）上記限界温度が約７０４．４℃（１３００°Ｆ）で
    ある特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、
    第５項、第６項又は第７項のうちのいずれか一に記載の
    サーマルイグニッション燃焼システム。 １０）上記燃料が粉末化された石炭等の加工石炭であり
    、前記石炭の平均粒径が５μｍｍ、上記石炭の９０％以
    上が粒径２０μｍｍ以下である特許請求の範囲第１項、
    第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第
    ８項又は第９項のうちのいずれか一に記載のサーマルイ
    グニッション燃焼システム。 １１）上記壁面の温度が限界温度に達するまで燃焼を補
    助するためのグロープラグを有する特許請求の範囲第１
    項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項
    、第８項、第９項又は第１０項のうちのいずれか一に記
    載のサーマルイグニッション燃焼システム。 １２）上記主燃焼室の断熱層がジルコニアである特許請
    求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第
    ６項、第７項、第８項、第９項、第１０項又は第１１項
    のうちのいずれか一に記載のサーマルイグニッション燃
    焼システム。 １３）上記燃料が天然ガスである特許請求の範囲第１項
    、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、
    第８項、第９項、第１０項、第１１項又は第１２項のう
    ちのいずれか一に記載のサーマルイグニッション燃焼シ
    ステム。 １４）上記壁面の温度が上記限界温度に達するまで、燃
    焼を補助するためのグロープラグを備えている特許請求
    の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６
    項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第
    １２項又は第１３項のうちのいずれか一に記載のサーマ
    ルイグニッション燃焼システム。 １５）燃料として粉末石炭を使用する内燃機関並びにサ
    ーマルイグニッション燃焼システムを運転する方法であ
    って、上記内燃機関はピストン、シリンダヘッド、シリ
    ンダ壁及び複数のバルブによって形成された主燃焼室を
    有し、上記サーマルイグニッション燃焼システムは下記
    ａ）項乃至ｃ）項記載の工程から成ることを特徴とする
    サーマルイグニッション燃焼システムの運転方法。 ａ）着火室を形成する壁を備え、上記壁はスチールと略
    同等以上の熱伝導率及び比熱を有する材料から成り、前
    記燃料システムの通常の運転中、上記壁を３７１．１℃
    （７００°Ｆ）の限界温度以上に保持するために上記の
    壁及び着火室の外側を十分に断熱する工程。 ｂ）エンジンの吸気行程中、吸入空気内へ粉末石炭を供
    給する工程。 ｃ）上記壁が限界運転温度に達する以前に上記燃料を着
    火するために上記着火室内に収納されたグロープラグに
    よって着火を補助する工程。 １６）上記壁の材料の熱容量は５０Ｊ／℃以上である特
    許請求の範囲第１５項記載のサーマルイグニッション燃
    焼システムの運転方法。 １７）上記壁の断熱は少なくとも一つの断熱層から成り
    、１０ｗ／（ｍ・ｋ）以下の熱伝導率を有する特許請求
    の範囲第１５項又は第１６項記載のサーマルイグニッシ
    ョン燃焼システムの運転方法。 １８）上記少なくとも一つの断熱層が厚さ２ｍｍ以上の
    エアポケットから構成される特許請求の範囲第１５項、
    第１６項又は第１７項記載のサーマルイグニッション燃
    焼システムの運転方法。 １９）上記断熱層のうちの少なくとも一つは、壁とエア
    ポケットとの間に一つのジルコニア層を備え、且つ上記
    ジルコニア層の厚さが１ｍｍ以上である特許請求の範囲
    第１５項、第１６項、第１７項又は第１８項のうちのい
    ずれか一に記載のサーマルイグニッション燃焼システム
    の運転方法。 ２０）上記燃料システムの通常の運転中、上記壁は５３
    ７．８℃〜１０９３．３℃（１０００°Ｆ〜２０００°
    Ｆ）の範囲内のある温度に保持するため十分に断熱され
    る特許請求の範囲第１５項、第１６項、第１７項、第１
    ８項又は第１９項のうちのいずれか一に記載のサーマル
    イグニッション燃焼システムの運転方法。 ２１）燃料として天然ガスを使用する内燃機関並びにサ
    ーマルイグニッション燃焼システムを運転するための方
    法であって、上記内燃機関はピストン、シリンダヘッド
    、シリンダ壁及び複数のバルブによって形成された主燃
    焼室を有し、上記サーマルイグニッション燃焼システム
    は下記ａ）項乃至ｃ）項の工程から成ることを特徴とす
    るサーマルイグニッション燃焼システムの運転方法。 ａ）着火室を形成する壁を備え、上記壁はスチールと略
    同等以上の熱伝導率及び比熱を有する材料から成り、上
    記燃料システムの通常の運転中上記壁を７３２．２℃（
    １３５０°Ｆ）の限界温度以上に保持するために上記壁
    及び着火室の外側を十分に断熱する工程。 ｂ）エンジンの吸気行程中、着火室内へ高圧天然ガスを
    噴射する工程。 ｃ）上記壁が限界運転温度に達する以前に、上記燃料を
    着火するために着火室内に配置したグロープラグを使用
    する工程。 ２２）上記壁の材料の熱容量が５０Ｊ／℃以上である特
    許請求の範囲第２１項記載のサーマルイグニッション燃
    焼システムの運転方法。 ２３）上記壁の断熱が少なくとも一つの断熱層から成り
    、１０ｗ／（ｍ・ｋ）以下の熱伝導率を有する特許請求
    の範囲第２１項又は第２２項記載のサーマルイグニッシ
    ョン燃焼システムの運転方法。 ２４）上記少なくとも一つの断熱層が厚さ２ｍｍ以上の
    エアポケットである特許請求の範囲第２１項、第２２項
    又は第２３項記載のサーマルイグニッション燃焼システ
    ムの運転方法。 ２５）上記断熱層のうちの少なくとも一つが、壁とエア
    ポケットとの間に一つのジルコニア層を備え、且つ上記
    ジルコニア層の厚さが１ｍｍ以上である特許請求の範囲
    第２１項、第２２項、第２３項又は第２４項のうちのい
    ずれか一に記載のサーマルイグニッション燃焼システム
    の運転方法。 ２６）上記燃料システムが通常の運転中、上記壁は７０
    ７．４℃〜９８２．２℃（１３００°Ｆ〜１８００°Ｆ
    ）の範囲内のある温度に保持するため十分に断熱される
    特許請求の範囲第２１個、第２２項、第２１項、第２２
    項又は第１項のうちのいずれか一に記載のサーマルイグ
    ニッション燃焼システムの運転方法。
JP62036919A 1986-09-16 1987-02-21 サ−マルイグニツシヨン燃焼システム及びその運転方法 Pending JPS6385216A (ja)

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