JP2004183520A - Premixed compression self-ignition type internal combustion engine - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
- F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮自着火式内燃機関の着火安定性を向上させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
予混合圧縮自着火式内燃機関は、シリンダ外で燃料と空気とを予め混ぜておいたものをシリンダ内に流入させ、ピストンの圧縮により圧縮着火(自着火)させる方式の内燃機関である。このエンジンは、スパークプラグを使わず圧縮自着火させる点ではディーゼルエンジンと共通する一方で、着火前に予め燃料を混合しておく(予混合)という点ではガソリンエンジンと共通しており、いわばディーゼルエンジンとガソリンエンジンとの中間の性質を有するエンジンといえる。
このタイプの内燃機関は、熱効率が高く燃費を低減でき、また、ススやNOx等の有害物質を低減できる等、様々なメリットがあり、近年研究開発が進められている。
【0003】
この予混合圧縮自着火式内燃機関の実用化の大きな壁となっている問題点の一つに、一般のエンジンに比べて着火・燃焼の制御が困難であるという問題がある。
即ち、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンでは、シリンダ内に燃料を噴射したりスパークプラグに火花を発生させるタイミングを調整することで、ピストン上死点付近の最も適切な時点で点火を行わせることが可能とされている。一方、予混合圧縮自着火式のエンジンの場合は、燃料と空気とを予め混合しておき、それを圧縮して自然に自己着火させる方式であるので、ピストン上死点付近で自己着火が行われるように温度・圧力・燃料濃度を含む様々な制御要因を適切にコントロールしなければならず、その制御が極めて難しいという問題がある。
【0004】
このような問題に関連して、特許文献1に開示されるオットーサイクル内燃機関がある。
この技術においては、主および補助の吸気系統を有し、補助吸気弁からは比較的に濃い混合気を燃焼室中心に向けて吸入し、主吸気弁からは比較的薄い混合気をシリンダ内部の外側に吸入して、シリンダ中心に濃い混合気を、外側に薄い混合気を分布させるスワール流により、点火栓付近に濃い混合気を分布させ、希薄燃焼を可能として排気ガスの低減と熱効率の向上を図るものである。
【0005】
また、特許文献2に開示される圧縮自己着火式ガソリン内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射する噴射装置を用いて燃焼室中心が濃くなるように燃料を分布させ、圧縮着火を補助させる構成となっている。
【0006】
【特許文献1】
特開昭49−46008号公報
【特許文献2】
特開2001−342883号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献1に示す技術は、火花点火機関による着火を補助する手法であって、予混合圧縮自着火式の内燃機関に適用することを本来から意図しているものではない。
【0008】
また、特許文献2に示す技術は、燃料として天然ガス等の気体状のものを採用する場合、シリンダ内の極めて大きな圧力に負けない圧力で筒内に燃料を噴射し得るようにするためのガス圧縮装置が必要となり、コストの大幅増大の原因になってしまう。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【0010】
即ち、請求項1においては、予混合圧縮自着火式内燃機関において、第一吸気ポート、第二吸気ポートを含む二つ以上の吸気ポートを備え、前記第一吸気ポートはストレートポートとして、当該第一吸気ポートを介してシリンダ内に流入する吸気がシリンダ壁に沿って流れてスワールを発生させるようにし、前記第二吸気ポートはシリンダ中心部付近に吸気を流入させる構成とするとともに、燃料噴射口は、前記第一吸気ポートと前記第二吸気ポートのうちいずれか一方に燃料を供給するように配置されているものである。
【0011】
請求項1の構成によれば、吸気行程において第一吸気ポート・第二吸気ポートを通じてシリンダ内に供給される予混合気に、シリンダ中心部付近が濃く(または薄く)、シリンダ壁付近が薄い(又は濃い)ような、燃料濃度ムラを生じさせることができる。そしてこの濃度ムラは、第一吸気ポートからの吸気が形成するスワールによって、圧縮行程におけるピストン上死点まで保存されることになる。
従って、燃料供給量を絞る低負荷運転時においても、燃料濃度が濃い部分を起点として自着火できるので、着火安定性が向上する。また、燃料を多く供給する高負荷運転時においては、燃料が濃い部分から先ず着火し燃料が薄い部分の燃焼を誘発するといった比較的緩やかな燃焼形態をとることができるので、騒音の発生やエンジンの熱的・機械的負担を低減することができる。即ち、機関を適切に運転できる領域を、低負荷側にも高負荷側にも拡大することができる。
【0012】
請求項2においては、前記燃料噴射口は前記第二吸気ポートに燃料を供給するように配置されているものである。
【0013】
請求項2の構成によれば、前記燃料噴射口は前記第二吸気ポートに燃料を供給するように配置されているので、
高温であるシリンダ中心部付近が濃くなるような燃料濃度ムラを形成できるので、低負荷運転時における着火安定性がより向上する。また、シリンダ中心部付近で燃焼が行われるので、燃焼により生じた熱がシリンダ壁から逃げにくい構成となって、熱効率にも優れる。
【0014】
請求項3においては、前記第二吸気ポートは、前記第一吸気ポートから流入する吸気が発生させるスワールと同方向のスワールを発生させる、ヘリカルポートとして構成されているものである。
【0015】
請求項3の構成によれば、第一吸気ポートからの吸気によってのみスワールを形成する構成に比して、より強力なスワールを発生できる。また、シリンダの中心部付近と外側との間の相対速度差が小さくなるので、シリンダ内の予混合気がシリンダ中心部付近と外側とで混ざり合うことを抑制できる。この結果、燃料濃度ムラをピストン圧縮上死点まで一層安定して維持できることとなって、機関を適切に運転できる領域を、低負荷側にも高負荷側にも一層拡大することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る予混合圧縮自着火式エンジンの全体的な構成を示した平面概略図である。
図2は、本エンジンの吸気行程における空気および燃料ガスの流れを示す斜視図である。図3は、圧縮行程において予混合気が濃度ムラを維持しながら圧縮される様子を示す斜視図である。
【0017】
図1に示される圧縮自着火エンジン1はガスヒートポンプにおける室外機のコンプレッサの駆動用として構成され、その燃料として都市ガスを使用するものである。このエンジン1のシリンダ3は、二つの吸気ポート(第一吸気ポートIn1・第二吸気ポートIn2)と、二つの排気ポート(第一排気ポートOut1・第二排気ポートOut2)と、を有している。
シリンダ3の内部にはピストン4が往復動自在に嵌合されており、このピストン4がコンロッド8(図2・図3)を介して、エンジン1のクランク軸に連結されている。
【0018】
吸気ポートIn1・In2、排気ポートOut1・Out2のそれぞれにはバルブ9が備えられており、このバルブ9は、前記クランク軸にタイミングベルト等を介して連動連結される図示しないカム軸によって、その開閉が制御される。
【0019】
前記吸気ポートIn1・In2は、シリンダ3の天井面の一側に並べて取り付けられるものとされる。空気をシリンダ3内に取り込む経路としての吸気路5は、その中途から、第一分岐路5aと第二分岐路5bの二本に分岐される。第一分岐路5aは第一吸気ポートIn1に、第二分岐路5bは第二吸気ポートIn2に、それぞれ接続される。
燃料供給管11は前述の第二分岐路5bの内部に突入され、前記第二吸気ポートIn2側を向く燃料噴射口10を形成している。この燃料供給管11には図示しないキャブレター(燃料混合器)が接続され、このキャブレターに、ガス導出管からの都市ガスが供給される構成となっている。
【0020】
第一吸気ポートIn1はストレートポート(接線流入形)に構成しており、平面視において、シリンダ3の内壁に対して接線に近い向きで当該シリンダ3に接続している。この結果、第一分岐路5aから第一吸気ポートIn1を介してシリンダ3内に供給される空気は、シリンダ3の内壁に沿ってスワールSw1を発生させる。
第二吸気ポートIn2は、その先端が平面視において渦巻状に湾曲するヘリカルポート(螺旋流入形のポート)に構成している。従って、第二分岐路5bに供給された空気と燃料ガスは、第二吸気ポートIn2を介して、渦を形成しながらシリンダ3の内部空間へ導入され、前記スワールSw1と同方向のスワールSw2を発生させるように構成している。
【0021】
第一排気ポートOut1、第二排気ポートOut2は、それぞれ第一分岐路7a、第二分岐路7bに接続される。両分岐路7a・7bは合流して集合排気路7を形成し、消音のためのマフラーに接続される。
【0022】
次に、本エンジン1の動作を説明する。
即ち、本エンジン1は4サイクル式とされており、以下に述べる▲1▼吸入行程、▲2▼圧縮行程、▲3▼膨張行程、▲4▼排気行程の四つの行程を順に経ることで、一サイクルを完了する。
【0023】
▲1▼吸入行程においてはピストン4が下降しつつあり、また、吸気ポートIn1・In2のバルブ9が開かれるよう制御される。従って、負圧となったシリンダ3の内部空間に、第一吸気ポートIn1を介して空気が、第二吸気ポートIn2を介して空気と燃料ガスとが、それぞれ吸入される。ピストン4の下降が終了し下死点を越えると、次の圧縮行程に移行する。
【0024】
▲2▼圧縮行程ではピストン4は上昇し、この状態においては四つのポート(In1・In2,Out1・Out2)はいずれもバルブ9によって閉じられているので、予混合気の圧縮が行われる形となる。圧縮比は17〜18程度である。そして、上昇するピストンが上死点に達する付近のタイミングで、予混合気が自然着火(自着火)し、次の爆発工程に移行する。
【0025】
▲3▼膨張行程においては、着火した予混合気が急激に膨張する。膨張行程においても四つのポート(In1・In2,Out1・Out2)はいずれもバルブ9によって閉じられた状態を維持するので、膨張する予混合気がピストン4を押し下げる形となってクランク軸を回転させる。ピストン4が下降を終了し下死点位置を越えると、次の排気工程に入る。
【0026】
▲4▼排気行程においては排気ポートOut1・Out2が開かれるので、シリンダ3内の排ガスは上昇するピストン4に押し出され、この排気ポートOut1・Out2を通って排気される。ピストン4が上死点に達した時点で一サイクルが完了し、再び吸入工程に戻る。
【0027】
本実施形態では上記▲1▼吸入行程において、シリンダ3内には、第一吸気ポートIn1から単に空気が流入する一方、第二吸気ポートIn2からは空気と燃料ガスとが流入する。
第一吸気ポートIn1から流入する空気は、シリンダ3の内壁面に沿ってスワールSw1を形成する。一方、第二吸気ポートIn2からの燃料混合気は、シリンダ3の中心部付近に導入されつつ、前記スワールSw1と同方向のスワールSw2を形成する。
この結果、シリンダ3内の混合気には、シリンダ外側が薄く且つシリンダ中心部付近が濃くなるような、燃料濃度ムラが生じる(図3)。また、こうして生じた燃料濃度ムラは、シリンダ3内に形成されている前記スワールSw1・Sw2により、次の▲2▼圧縮行程においてピストン4が上昇し混合気が圧縮される場合でも維持されることになる。
【0028】
従って、▲2▼圧縮行程の終了時(ピストン上死点近傍)においては、先ず燃料濃度の濃いシリンダ中心部付近において自着火し、燃料濃度の薄いシリンダ外側は、中央部の着火に遅れて燃焼する燃焼形態をとることになる。
この結果、高負荷運転時であって燃料を多く噴射する必要がある場合でも、先ず燃料濃度の濃い中央部から着火し、それによる筒内の圧力、温度上昇により周囲の希薄な予混合気の燃焼を誘発するので、燃焼は比較的緩やかであり、均一の燃料混合気の圧縮による多点同時発火燃焼に比して騒音を小さくすることができる。またシリンダヘッドおよびピストンに対する熱的負荷・機械的負荷も小さくでき、当該シリンダヘッド及びピストンの耐久性が向上する。
即ち本実施形態の構成によれば、エンジン1の運転可能領域を高負荷側に拡大できることを意味する。
【0029】
また、燃料噴射量を絞るべき低負荷運転時であって、まったく均一に混合したとすればピストンが上死点となるまで圧縮されても自着火しない(失火してしまう)ような燃料濃度であっても、上述のように中央側が濃くなるように燃料濃度ムラを形成しておくことで、圧縮時にシリンダ中央側で自着火させ、それにより周りの希薄混合気の燃焼を誘発し、失火を抑制することができる。
更には、シリンダの内部空間の温度分布は、熱がシリンダ内壁を伝って逃げてゆく関係上、シリンダ内壁に近い側(外側)よりもシリンダ中央側の方が温度が高くなるのが一般である。そして本実施形態では、第二吸気ポートIn2側より燃料を供給することで、前述のとおり高温となっているシリンダ中心部付近において理論混合比に近くなるような濃度ムラが形成されるから、着火をより容易とすることができる。
即ち、本実施形態の構成によれば、エンジン1の運転可能領域を低負荷側にも拡大できることを意味する。また、シリンダ中心部付近で着火がなされるので、燃焼により生じた熱が外に逃げにくい構成であり、熱効率の点でも有利である。
【0030】
以上に本発明の実施形態を説明したが、本発明は以上の実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下に示すような変容が可能である。
【0031】
(イ) 本実施形態は圧縮自着火式のエンジンとされるが、安定した圧縮自着火が困難な運転条件において強制点火を行わせるためのスパークプラグを備えても構わない。この場合、スパークプラグは電子制御装置(ECU)に接続されるものとし、当該ECUは、適宜のセンサから入力される情報(例えば回転数、負荷)から圧縮自着火とすべきか強制点火すべきかを判定して、強制点火すべきと判定したときに前記スパークプラグに点火信号を送るようにする。当該スパークプラグの配置位置としては、燃料がリッチであるシリンダ中心側に備えさせるのが、安定した着火を実現できるので望ましい。
また、グロープラグを備え、吸気温度を上昇させて着火性を向上させる構成としても良い。
【0032】
(ロ) 本実施形態は四つのポート(In1,In2,Out1,Out2)をシリンダ中心から等距離となるように並べて配置しているが、第二吸気ポートIn2をシリンダ中心部付近により近い位置に配置すると、濃淡差の大きな燃料濃度ムラを形成できる点で好ましい。
【0033】
(ハ) 本実施形態は都市ガス(天然ガス)を燃料として用いているが、例えばプロパンガス等の他の気体を燃料とする場合でも、前記実施形態と同様の構造を採用できる。また、例えばガソリンを霧化するキャブレター(霧化混合器)を備え、霧状のガソリンと空気との混合気を第二分岐路5bに噴射する構成としても構わない。
【0034】
(ニ) 本実施形態において燃料噴射口10は第二吸気ポートIn2側に通じる吸気路(第二分岐路5b)に配置されるが、これに限らず、第一吸気ポートIn1側に通じる第一分岐路5aに燃料噴射口10を配置する構成としても構わない。要は、吸気ポートIn1・In2のうち何れか一方にのみ燃料を供給し、他方には供給しない構成となっていれば、シリンダ3内の混合気において燃料の濃度ムラを形成することは可能である。
ただし、当該シリンダ3中心部付近に吸気を流入させる第二吸気ポートIn2側に燃料を供給する方が、高温側であるシリンダ3中心部付近にリッチな混合気が位置することとなるから、圧縮時の自着火が容易で熱効率も高くできる点で有利である。
【0035】
(ホ) 本実施形態では吸気ポートの数を2つとしているが(In1・In2)、これに限らず、吸気ポートを3つ以上備える構成とすることも差し支えない。
【0036】
(ヘ) 前記燃料噴射口10は第二吸気ポートIn2側に通じる吸気路(第二分岐路5b)のどの箇所に配置されても良いが、第二吸気ポートIn2側の端部に近い位置に配置される方が望ましい。こうすることで、燃料を、第二分岐路5bを流れる空気と均一に混合してしまう前にシリンダ3の中心部付近へ供給でき、濃淡差の大きい濃度ムラをシリンダ3内の混合気に形成できるからである。
【0037】
(ト) 本実施形態では、第二吸気ポートIn2は前述のとおりヘリカルポートに形成しており、第二吸気ポートIn2を通過する予混合気は、螺旋状の渦を形成しながらシリンダ3内に供給され、ストレートポートとしての第一吸気ポートIn1から流入する空気が形成するスワールSw1と同方向のスワールSw2を形成する構成となっている。しかし、本発明はこの構成に限られるものではなく、第二吸気ポートIn2をストレートポートに形成することも可能である。
ただし、第二吸気ポートIn2をヘリカルポートとすることが、燃料濃度ムラをピストン4の圧縮上死点まで維持し易い点で望ましい。即ち、第二吸気ポートIn2からの吸気がスワールSw2を形成すれば、第一吸気ポートIn1からの吸気が形成するスワールSw1と相まって、シリンダ3内により強力なスワールを形成できるからである。また、第二吸気ポートIn2から供給される燃料混合気がそれ自体でスワールSw2を形成した方が、シリンダ外側でスワールSw1を形成している第一吸気ポートIn1からの空気との相対速度差が小さくなって、シリンダ外側の空気とシリンダ中心部付近の燃料混合気が強く攪拌混合されるのを抑制できるからである。
【0038】
(チ) 本実施形態ではキャブレター及び燃料供給管11による構成を採用しているが、これに限定されず、例えば電子制御のインジェクタを第二分岐路5bに備えさせる構成であってもよい。
このときは、インジェクタを電子制御ユニット(ECU)に接続し、その燃料噴射のタイミングを制御するようにする。例えば、吸気行程の当初においては燃料は噴射しない代わりに、ピストン4が下死点に到達する僅かに手前(吸気行程の終了間際)の時点で大量の燃料を噴射することとなるように、クランク角に応じて噴射タイミングを制御することが考えられる。こうすることで、吸気行程の終了間際に濃い燃料がシリンダ3中心付近に供給されて時間を置かずに圧縮される形となるから、濃淡差の大きな燃料濃度ムラを形成でき、エンジン1を適切に運転できる領域を低負荷側にも高負荷側にも一層拡張できることになる。
【0039】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【0040】
即ち、請求項1に示すように、予混合圧縮自着火式内燃機関において、第一吸気ポート、第二吸気ポートを含む二つ以上の吸気ポートを備え、前記第一吸気ポートはストレートポートとして、当該第一吸気ポートを介してシリンダ内に流入する吸気がシリンダ壁に沿って流れてスワールを発生させるようにし、前記第二吸気ポートはシリンダ中心部付近に吸気を流入させる構成とするとともに、燃料噴射口は、前記第一吸気ポートと前記第二吸気ポートのうちいずれか一方に燃料を供給するように配置されているので、
吸気行程において第一吸気ポート・第二吸気ポートを通じてシリンダ内に供給される予混合気に、シリンダ中心部付近が濃く(または薄く)、シリンダ壁付近が薄い(又は濃い)ような、燃料濃度ムラを生じさせることができる。そしてこの濃度ムラは、第一吸気ポートからの吸気が形成するスワールによって、圧縮行程におけるピストン上死点まで保存されることになる。
従って、燃料供給量を絞る低負荷運転時においても、燃料濃度が濃い部分を起点として自着火できるので、着火安定性が向上する。また、燃料を多く供給する高負荷運転時においては、燃料が濃い部分から先ず着火し燃料が薄い部分の燃焼を誘発するといった比較的緩やかな燃焼形態をとることができるので、騒音の発生やエンジンの熱的・機械的負担を低減することができる。即ち、機関を適切に運転できる領域を、低負荷側にも高負荷側にも拡大することができる。
【0041】
請求項2に示すように、前記燃料噴射口は前記第二吸気ポートに燃料を供給するように配置されているので、
高温であるシリンダ中心部付近が濃くなるような燃料濃度ムラを形成できるので、低負荷運転時における着火安定性がより向上する。また、シリンダ中心部付近で燃焼が行われるので、燃焼により生じた熱がシリンダ壁から逃げにくい構成となって、熱効率にも優れる。
【0042】
請求項3に示すように、前記第二吸気ポートは、前記第一吸気ポートから流入する吸気が発生させるスワールと同方向のスワールを発生させる、ヘリカルポートとして構成されているので、
第一吸気ポートからの吸気によってのみスワールを形成する構成に比して、より強力なスワールを発生できる。また、シリンダの中心部付近と外側との間の相対速度差が小さくなるので、シリンダ内の予混合気がシリンダ中心部付近と外側とで混ざり合うことを抑制できる。この結果、燃料濃度ムラをピストン圧縮上死点まで一層安定して維持できることとなって、機関を適切に運転できる領域を、低負荷側にも高負荷側にも一層拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る予混合圧縮自着火式エンジンの全体的な構成を示した平面概略図。
【図2】本エンジンの吸気工程における空気および燃料ガスの流れを示す斜視図。
【図3】圧縮工程において予混合気が濃度ムラを維持しながら圧縮される様子を示す斜視図。
【符号の説明】
1 予混合圧縮自着火式エンジン
3 シリンダ
4 ピストン
5 吸気路
7 集合排気路
10 燃料噴射口
In1 第一吸気ポート
In2 第二吸気ポート
Sw1・Sw2 スワール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for improving ignition stability of a homogeneous charge compression ignition internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
The premixed compression self-ignition type internal combustion engine is an internal combustion engine of a type in which a mixture of fuel and air outside the cylinder is flowed into a cylinder and compression ignition (self-ignition) is performed by compression of a piston. This engine is similar to a diesel engine in that compression ignition is performed without using a spark plug, while it is common to a gasoline engine in that fuel is premixed before ignition (premixing). It can be said that the engine has an intermediate property between the engine and the gasoline engine.
This type of internal combustion engine has various merits such as high thermal efficiency, low fuel consumption, and reduction of harmful substances such as soot and NOx. Research and development have been advanced in recent years.
[0003]
One of the major obstacles to the practical use of this homogeneous charge compression self-ignition internal combustion engine is that it is difficult to control ignition and combustion as compared with general engines.
In other words, in diesel engines and gasoline engines, it is possible to cause ignition at the most appropriate time near the top dead center of the piston by adjusting the timing of injecting fuel into the cylinder or generating sparks in the spark plug. Have been. On the other hand, in the case of a premixed compression self-ignition type engine, fuel and air are preliminarily mixed and then compressed and self-ignited, so that self-ignition occurs near the top dead center of the piston. As described above, various control factors including temperature, pressure, and fuel concentration must be appropriately controlled, and there is a problem that the control is extremely difficult.
[0004]
In connection with such a problem, there is an Otto cycle internal combustion engine disclosed in Patent Document 1.
In this technology, a main and auxiliary intake systems are provided, a relatively rich air-fuel mixture is sucked from an auxiliary air intake valve toward the center of a combustion chamber, and a relatively thin air-fuel mixture is sucked from a main air intake valve into a cylinder. A swirl flow that draws a rich mixture at the center of the cylinder and a thin mixture outside is distributed to the rich mixture near the spark plug, allowing lean combustion to reduce exhaust gas and improve thermal efficiency. It is intended.
[0005]
Further, the compression self-ignition gasoline internal combustion engine disclosed in Patent Document 2 uses an injection device that directly injects fuel into a cylinder, distributes fuel so that the center of the combustion chamber becomes dense, and assists compression ignition. It has become.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-49-46008 [Patent Document 2]
JP 2001-342883 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique disclosed in Patent Literature 1 is a technique for assisting ignition by a spark ignition engine, and is not originally intended to be applied to a homogeneous charge compression self-ignition type internal combustion engine.
[0008]
In addition, the technique disclosed in Patent Document 2 discloses a technique for, when employing a gaseous fuel such as natural gas as a fuel, a gas for injecting the fuel into the cylinder at a pressure that is not inferior to the extremely large pressure in the cylinder. A compression device is required, which causes a significant increase in cost.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
[0010]
That is, in claim 1, the premixed compression ignition internal combustion engine includes two or more intake ports including a first intake port and a second intake port, and the first intake port is a straight port, The intake air flowing into the cylinder through one intake port flows along the cylinder wall to generate swirl, and the second intake port is configured to allow intake air to flow near the center of the cylinder, and the fuel injection port Is arranged to supply fuel to one of the first intake port and the second intake port.
[0011]
According to the configuration of the first aspect, the premixed gas supplied into the cylinder through the first intake port and the second intake port in the intake stroke is dense (or thin) near the center of the cylinder and thin near the cylinder wall ( Or dark) as in the above. Then, this density unevenness is preserved up to the piston top dead center in the compression stroke by swirl formed by the intake air from the first intake port.
Therefore, even during the low load operation in which the fuel supply amount is reduced, the self-ignition can be started from the portion where the fuel concentration is high, so that the ignition stability is improved. In addition, during a high-load operation in which a large amount of fuel is supplied, a relatively gentle combustion mode in which the fuel is first ignited and the fuel is ignited in a thin portion can be taken, so that noise generation and engine Can reduce the thermal and mechanical burden of the device. That is, the region where the engine can be operated properly can be expanded to the low load side and the high load side.
[0012]
In claim 2, the fuel injection port is arranged so as to supply fuel to the second intake port.
[0013]
According to the configuration of claim 2, since the fuel injection port is arranged to supply fuel to the second intake port,
Since the fuel concentration unevenness can be formed such that the area near the center of the cylinder where the temperature is high becomes dense, ignition stability during low load operation is further improved. In addition, since combustion is performed near the center of the cylinder, heat generated by the combustion is hard to escape from the cylinder wall, and the heat efficiency is excellent.
[0014]
In
[0015]
According to the configuration of the third aspect, a stronger swirl can be generated as compared with the configuration in which the swirl is formed only by the intake from the first intake port. Further, since the relative speed difference between the vicinity of the center of the cylinder and the outside becomes small, it is possible to suppress the premixed air in the cylinder from being mixed around the center of the cylinder and the outside. As a result, the fuel concentration unevenness can be more stably maintained up to the piston compression top dead center, and the region where the engine can be operated properly can be further expanded to the low load side and the high load side.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the invention will be described.
FIG. 1 is a schematic plan view showing the overall configuration of a homogeneous charge compression ignition engine according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the flow of air and fuel gas during the intake stroke of the engine. FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the premixed gas is compressed while maintaining the concentration unevenness in the compression stroke.
[0017]
The compression ignition engine 1 shown in FIG. 1 is configured to drive a compressor of an outdoor unit in a gas heat pump, and uses city gas as fuel. The
A piston 4 is fitted inside the
[0018]
Each of the intake ports In1 and In2 and the exhaust ports Out1 and Out2 is provided with a
[0019]
The intake ports In1 and In2 are mounted side by side on one side of the ceiling surface of the
The
[0020]
The first intake port In1 is configured as a straight port (tangential inflow type), and is connected to the
The second intake port In2 is formed as a helical port (spiral inflow type port) whose tip is spirally curved in plan view. Therefore, the air and the fuel gas supplied to the
[0021]
The first exhaust port Out1 and the second exhaust port Out2 are connected to the
[0022]
Next, the operation of the engine 1 will be described.
That is, the engine 1 is of a four-cycle type, and passes through four strokes of (1) an intake stroke, (2) a compression stroke, (3) an expansion stroke, and (4) an exhaust stroke in order, as described below. Complete one cycle.
[0023]
{Circle around (1)} In the intake stroke, the piston 4 is descending, and the
[0024]
{Circle around (2)} In the compression stroke, the piston 4 moves up. In this state, all four ports (In1, In2, Out1, Out2) are closed by the
[0025]
(3) In the expansion stroke, the ignited premixed air rapidly expands. Also in the expansion stroke, all four ports (In1, In2, Out1, Out2) remain closed by the
[0026]
(4) Since the exhaust ports Out1 and Out2 are opened in the exhaust stroke, the exhaust gas in the
[0027]
In the present embodiment, in the above (1) suction stroke, air simply flows into the
The air flowing from the first intake port In1 forms a swirl Sw1 along the inner wall surface of the
As a result, the air-fuel mixture in the
[0028]
Therefore, (2) at the end of the compression stroke (near the piston top dead center), first self-ignition occurs in the vicinity of the cylinder center where the fuel concentration is high, and the outside of the cylinder where the fuel concentration is low burns behind the ignition in the center portion. It takes the form of burning.
As a result, even at the time of high load operation, even when it is necessary to inject a large amount of fuel, first, the fuel is ignited from the central portion where the fuel concentration is high, and the pressure and temperature in the cylinder increase, thereby causing the surrounding lean premixed gas to increase. Since the combustion is induced, the combustion is relatively slow, and the noise can be reduced as compared with the multipoint simultaneous ignition combustion by the uniform compression of the fuel mixture. Further, the thermal load and the mechanical load on the cylinder head and the piston can be reduced, and the durability of the cylinder head and the piston is improved.
That is, according to the configuration of the present embodiment, it means that the operable region of the engine 1 can be expanded to the high load side.
[0029]
Also, during low-load operation in which the fuel injection amount should be reduced, if the fuel is mixed evenly, the fuel concentration should be such that the piston does not self-ignite (combustion) even if compressed until it reaches the top dead center. Even so, by forming the fuel concentration unevenness so that the center side becomes dense as described above, self-ignition occurs at the cylinder center side during compression, thereby inducing the combustion of the lean mixture around it and causing misfire. Can be suppressed.
Further, the temperature distribution of the internal space of the cylinder generally has a higher temperature on the center side of the cylinder than on the side (outside) closer to the inner wall of the cylinder because heat escapes along the inner wall of the cylinder. . In the present embodiment, by supplying the fuel from the second intake port In2 side, concentration unevenness near the stoichiometric mixture ratio is formed in the vicinity of the central portion of the cylinder where the temperature is high as described above. Can be made easier.
That is, according to the configuration of the present embodiment, the operable region of the engine 1 can be expanded to the low load side. In addition, since ignition is performed near the center of the cylinder, heat generated by combustion is hard to escape to the outside, which is advantageous in terms of thermal efficiency.
[0030]
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and the following modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. .
[0031]
(B) Although the present embodiment is a compression ignition type engine, a spark plug for performing forced ignition under operating conditions where stable compression ignition is difficult may be provided. In this case, the spark plug is connected to an electronic control unit (ECU), and the ECU determines whether compression ignition should be performed or forced ignition should be performed based on information (for example, rotation speed and load) input from an appropriate sensor. When it is determined that forced ignition should be performed, an ignition signal is sent to the spark plug. It is desirable that the spark plug be disposed at the center of the cylinder where the fuel is rich, since stable ignition can be realized.
Further, a configuration may be adopted in which a glow plug is provided, and the ignitability is improved by increasing the intake air temperature.
[0032]
(B) In this embodiment, the four ports (In1, In2, Out1, Out2) are arranged side by side so as to be equidistant from the center of the cylinder, but the second intake port In2 is located closer to the center of the cylinder. The arrangement is preferable in that fuel concentration unevenness having a large difference in shading can be formed.
[0033]
(C) Although the present embodiment uses city gas (natural gas) as a fuel, the same structure as in the above embodiment can be adopted even when another gas such as propane gas is used as a fuel. Further, for example, a carburetor (atomizing mixer) for atomizing gasoline may be provided to inject a mixture of atomized gasoline and air into the
[0034]
(D) In the present embodiment, the
However, if the fuel is supplied to the second intake port In2 side where the intake air flows into the vicinity of the center of the
[0035]
(E) In the present embodiment, the number of intake ports is two (In1 · In2). However, the present invention is not limited to this, and a configuration having three or more intake ports may be used.
[0036]
(F) The
[0037]
(G) In the present embodiment, the second intake port In2 is formed as a helical port as described above, and the pre-mixed air passing through the second intake port In2 enters the
However, it is desirable that the second intake port In2 be a helical port in that the fuel concentration unevenness can be easily maintained up to the compression top dead center of the piston 4. That is, if the intake air from the second intake port In2 forms the swirl Sw2, the swirl Sw1 formed by the intake air from the first intake port In1 can form a stronger swirl in the
[0038]
(H) In the present embodiment, the configuration using the carburetor and the
At this time, the injector is connected to an electronic control unit (ECU) to control the fuel injection timing. For example, instead of injecting fuel at the beginning of the intake stroke, a large amount of fuel is injected just before the piston 4 reaches the bottom dead center (immediately before the end of the intake stroke). It is conceivable to control the injection timing according to the angle. By doing so, the fuel rich in the vicinity of the center of the
[0039]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and has the following effects.
[0040]
That is, as shown in claim 1, in a homogeneous charge compression ignition internal combustion engine, a first intake port, comprising two or more intake ports including a second intake port, the first intake port as a straight port, The intake air flowing into the cylinder through the first intake port flows along the cylinder wall to generate swirl, and the second intake port is configured to allow intake air to flow near the center of the cylinder, Since the injection port is arranged to supply fuel to one of the first intake port and the second intake port,
In the premixed gas supplied into the cylinder through the first intake port and the second intake port in the intake stroke, the fuel concentration unevenness such that the vicinity of the center of the cylinder is thick (or thin) and the vicinity of the cylinder wall is thin (or thick). Can be caused. Then, this density unevenness is preserved up to the piston top dead center in the compression stroke by swirl formed by the intake air from the first intake port.
Therefore, even during the low load operation in which the fuel supply amount is reduced, the self-ignition can be started from the portion where the fuel concentration is high, so that the ignition stability is improved. In addition, during a high-load operation in which a large amount of fuel is supplied, a relatively gentle combustion mode in which the fuel is first ignited and the fuel is ignited in a thin portion can be taken, so that noise generation and engine Can reduce the thermal and mechanical burden of the device. That is, the region where the engine can be operated properly can be expanded to the low load side and the high load side.
[0041]
As described in claim 2, since the fuel injection port is arranged to supply fuel to the second intake port,
Since the fuel concentration unevenness can be formed such that the area near the center of the cylinder where the temperature is high becomes dense, ignition stability during low load operation is further improved. In addition, since combustion is performed near the center of the cylinder, heat generated by the combustion is hard to escape from the cylinder wall, and the heat efficiency is excellent.
[0042]
As shown in
A stronger swirl can be generated as compared to a configuration in which a swirl is formed only by intake from the first intake port. Further, since the relative speed difference between the vicinity of the center of the cylinder and the outside becomes small, it is possible to suppress the premixed air in the cylinder from being mixed around the center of the cylinder and the outside. As a result, the fuel concentration unevenness can be more stably maintained up to the piston compression top dead center, and the region where the engine can be operated properly can be further expanded to the low load side and the high load side.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an overall configuration of a homogeneous charge compression ignition engine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing flows of air and fuel gas in an intake process of the engine.
FIG. 3 is a perspective view showing a state in which a premixed gas is compressed while maintaining concentration unevenness in a compression step.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Premixed
Claims (3)
第一吸気ポート、第二吸気ポートを含む二つ以上の吸気ポートを備え、
前記第一吸気ポートはストレートポートとして、当該第一吸気ポートを介してシリンダ内に流入する吸気がシリンダ壁に沿って流れてスワールを発生させるようにし、
前記第二吸気ポートはシリンダ中心部付近に吸気を流入させる構成とするとともに、
燃料噴射口は、前記第一吸気ポートと前記第二吸気ポートのうちいずれか一方に燃料を供給するように配置されていることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。In a homogeneous charge compression ignition internal combustion engine,
A first intake port, comprising two or more intake ports including a second intake port,
The first intake port is a straight port, so that the intake air flowing into the cylinder through the first intake port flows along the cylinder wall to generate swirl,
The second intake port is configured to allow intake air to flow near the center of the cylinder,
A homogeneous charge compression ignition internal combustion engine, wherein a fuel injection port is arranged to supply fuel to one of the first intake port and the second intake port.
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- 2002-12-02 JP JP2002349366A patent/JP2004183520A/en active Pending
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