JP2006194188A - 予混合圧縮自着火燃焼機関 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることができる予混合圧縮自着火燃焼機関を提供する。
【解決手段】燃焼室１４の一部壁面を構成するピストン４の頂面の中央部に断熱部１５が形成されている。ピストン４の上昇に伴って燃焼室１４内における混合気の圧力及び温度が上昇した際に、断熱部１５の付近では混合気の冷却が抑制され、ここに高温箇所が形成される。このため、燃焼室１４内にある温度範囲に集中することのない所定の温度分布が形成され、最高温度箇所で着火が起こると、温度分布に従って徐々に燃焼が起こり、燃焼室１４内の混合気が一気に燃焼することはなく、混合気の燃焼が緩慢になる。また、断熱部１５を配置することにより所定の温度分布を形成することができ、着火開始場所となる最高温度箇所を空間的に限定することが可能となる。
【選択図】図２

Description

この発明は、予混合圧縮自着火燃焼機関に係り、特に燃焼室内の温度分布の最適化に関する。

内燃機関は、大きな動力を発生させることができるため、自動車等の交通機関や工場等における動力発生源として広く用いられているが、近年、混合気を圧縮自着火させる予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関が注目されている。この予混合圧縮自着火燃焼方式にすると、燃費の向上及びＮＯｘの低減等の点で従来の拡散燃焼方式の内燃機関に比べて優れた性能を発揮することが知られている。
予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した従来の内燃機関が、例えば、特許文献１に開示されている。ピストン頂面に形成された燃焼室内に混合気が吸入され、ピストンの上昇に伴って圧縮された混合気が自着火して燃焼する。

特開２００１−６５３５０号公報

しかしながら、このような予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関においては、燃料供給量が大きくなる高負荷運転時に燃焼が不安定となって燃焼のサイクル間変動が増加すると共に騒音の発生を招くという問題があった。

上記の特許文献１の燃焼機関においては、ピストンの上昇に伴い燃焼室内に乱流を生じさせて混合気を攪拌することにより燃焼室内の温度分布の均一化を図っているが、圧縮時の燃焼室内の温度分布を均一にすると、燃焼室内の複数の箇所で同時に着火することがある。特に、燃料供給量が多く、燃焼室内全体が着火しやすい環境となると、この傾向は顕著となり、多数箇所で同時に着火するとともに、その後も、一気に燃焼が進行し、いわゆるノッキングを生じることとなってしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることができる予混合圧縮自着火燃焼機関を提供することを目的とする。

この発明に係る予混合圧縮自着火燃焼機関は、一端がシリンダヘッドの底面により閉塞されたシリンダボア内を往復摺動するピストンによって燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼機関において、混合気が自着火する際のピストンの頂面とシリンダボアとシリンダヘッドの底面により区画される燃焼室の一部壁面に断熱部を形成したものである。

なお、断熱部は、ピストンの摺動方向に直交する平面への投影面積がシリンダボアの開口面積に対して２０〜４０％であることが好ましい。
断熱部は、ピストン側に配置しても、シリンダヘッド側に配置してもよい。ピストン側の場合には、断熱部を、ピストンの頂面の中央部に配置、あるいはピストンの頂面の外縁部に形成されたスキッシュエリア上に配置することができる。一方、シリンダヘッド側の場合には、断熱部を、シリンダヘッドに装着された吸気バルブ及び／または排気バルブに配置することができる。
また、燃料が予め酸素含有ガスと混合された状態で燃焼室に噴霧されることが好ましい。

この発明によれば、高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
この発明の実施の形態１に係る予混合圧縮自着火燃焼機関について、ガスヒートポンプ（以下、ＧＨＰと称す）用エンジンを例に説明する。
図１に示されるように、シリンダブロック１の内部にシリンダボア２が形成されている。シリンダブロック１の上部にはシリンダヘッド３が固定されており、このシリンダヘッド３の底面によりシリンダボア２の上端が閉塞されている。シリンダボア２内には、ピストン４が往復摺動自在に配置されており、このピストン４にコンロッド５の一端が接続され、さらにコンロッド５の他端にクランクシャフト６が接続されている。

シリンダヘッド３には、吸気ポート７を開閉する吸気バルブ８及び排気ポート９を開閉する排気バルブ１０が装着されている。吸気ポート７には吸気通路１１が接続され、排気ポート９には排気通路１２が接続されている。吸気通路１１の他端は大気に開放されるとともに、その途中には、都市ガスを燃料として噴射する燃料噴射ノズル１３が連結されている。
ピストン４の頂面とシリンダボア２とシリンダヘッド３の底面により燃焼室１４が区画されており、この燃焼室１４の一部壁面を構成するピストン４の頂面に熱伝導率の低い断熱部１５が形成されている。なお、燃焼室１４の他の壁面を形成するシリンダブロック１、シリンダヘッド３及びピストン４はいずれも熱伝導率の高い鋳鉄等から形成されている。

図２に示されるように、断熱部１５は、燃焼室１４を臨むピストン４の頂面の中央部に円形状に配置されている。断熱部１５は、ピストン４の摺動方向Ａに直交する平面への投影面積がシリンダボア２の開口面積に対して２０〜４０％となるような大きさに形成されている。
なお、この断熱部１５は、例えばピストン４の頂面上に熱伝導率の低いセラミック等の材料を蒸着等の方法でコーティングすることにより、あるいはセラミック等からなる断熱板を嵌め込むことにより形成することができる。

次に、この実施の形態１の動作について説明する。ＧＨＰ用エンジンが始動すると、吸気通路１１内を流れる空気と燃料噴射ノズル１３から吸気通路１１内へ噴射されたガス燃料との混合気が、ＧＨＰ用エンジンに供給される。ピストン４が上死点から下降を開始すると、吸気バルブ８が開いて吸気ポート７から燃焼室１４内に混合気が吸入される。ピストン４が下死点から上昇に転じると吸気バルブ８が閉じ、ピストン４の上昇に伴って燃焼室１４内における混合気の圧力及び温度が上昇する。混合気の温度が所定値にまで上昇すると、それによって燃料が自着火し、燃焼室１４内で燃焼が起こる。この燃焼によってピストン４が下方に押し下げられ、ピストン４が下死点から上昇を開始すると、排気バルブ１０が開き、燃焼室１４内の燃焼ガスが排気ポート９を介して排気通路１２へ排出される。
ピストン４のこのような往復運動がコンロッド５を介してクランクシャフト６の回転運動に変換され、ＧＨＰ用エンジンから出力が得られる。

ここで、混合気の燃焼について説明する。断熱部１５以外の燃焼室１４の壁面を形成するシリンダブロック１、シリンダヘッド３及びピストン４はいずれも高い熱伝導率を有しているため、燃焼室１４内で圧縮されて温度上昇した自着火前の混合気は燃焼室１４の壁面付近で冷却され、壁面から離れた燃焼室１４の中央部分にて高温となる。また、燃焼室１４の一部壁面を構成するピストン４の頂面の中央部に断熱部１５が形成されているので、この断熱部１５の付近では混合気の冷却が抑制される。よって、燃焼室の中央部より断熱部１５にかけての比較的広い範囲で高温箇所が形成され、この高温箇所を中心に、従来より大きな温度勾配が形成され、着火点が特定される。また、燃焼室１４内における各温度の混合気の割合を示す分配関数は図３に示すようになり、ある温度範囲に集中することのない所定の温度分布が形成される。

その結果、最高温度箇所で着火が起こると、温度分布に従って徐々に燃焼が起こり、燃焼室１４内の混合気が一気に燃焼することはなく、混合気の燃焼が緩慢になる。このため、ノッキングを生じたり、大きな騒音を発生することが防止される。また、断熱部１５を配置することにより所定の温度分布を形成することができるので、着火開始場所となる最高温度箇所を空間的に限定することが可能となり、燃焼のサイクル間変動が低減される。
従って、高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図り、予混合圧縮自着火燃焼により燃費の向上及びＮＯｘの低減を実現することができる。

比較のために、この実施の形態１において、断熱部１５を形成しない場合の燃焼室１４内における分配関数を図４（ａ）に示す。ある温度範囲に集中した温度分布となっていることがわかる。また、断熱部１５を、ピストン４の摺動方向Ａに直交する平面への投影面積がシリンダボア２の開口面積に対して６０％程度となるような大きさに形成した場合の分配関数を図４（ｂ）に示す。この場合も、ある温度範囲に集中するようになる。さらに、燃焼室１４の壁面をすべて断熱化した場合には、図４（ｃ）に示されるような分配関数となり、燃焼室１４内が均一な温度となる。従って、これら図４（ａ）〜（ｃ）に示される状態では、燃焼室１４内の複数箇所で同時に着火して混合気が一気に燃焼するおそれがある。
実験の結果、燃焼室１４内にある温度範囲に集中することのない所定の温度分布を形成するために、断熱部１５は、ピストン４の摺動方向Ａに直交する平面への投影面積がシリンダボア２の開口面積に対して２０〜４０％であることが好ましいと判明した。

実施の形態２
この発明の実施の形態２に係る予混合圧縮自着火燃焼機関の燃焼室付近の構造を図５に示す。この実施の形態２は、上述した実施の形態１の予混合圧縮自着火燃焼機関において、平坦な頂面を有するピストン４の代わりに頂面に円形状の凹部２１とこの凹部２１の外周部に区画されたスキッシュエリア２２が形成されたピストン２３を用い、このピストン２３の凹部２１内に断熱部１５を形成したものである。
スキッシュエリア２２は、ピストン２３がシリンダボア２内を上昇する際に、スキッシュエリア２２上にある混合気が、過流すなわちスキッシュとなって凹部２１内へ流入するのに寄与する部分であり、混合気の燃焼は主に凹部２１内で行われる。
このような構成としても、断熱部１５の存在により、ある温度範囲に集中することのない所定の温度分布の形成ができ、高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることが可能となる。

なお、図６に示されるように、球面状の凹部３１とこの凹部３１の外周部に区画されたスキッシュエリア３２が頂面に形成されたピストン３３を用いることもできる。凹部３１が球面状に形成されているので、混合気の圧縮時にスキッシュエリア３２上に存在する比較的温度の低い混合気がスキッシュとなって凹部３１上を流れ、燃焼室１４内の混合気はスキッシュエリア３２から断熱部１５付近に向かって温度が徐々に上昇するような温度分布をもつようになる。

実施の形態３
この発明の実施の形態３に係る予混合圧縮自着火燃焼機関の燃焼室付近の構造を図７に示す。この実施の形態３は、図５に示した実施の形態２の予混合圧縮自着火燃焼機関において、断熱部１５を、ピストン２３の凹部２１内に形成する代わりにピストン２３の頂面の外縁部に区画されたスキッシュエリア２２上に形成したものである。
このような構成としても、断熱部１５の存在により、燃焼室内に温度分布の勾配を大きな箇所が形成されるため、着火点が限定される。また、ある温度範囲に集中することのない所定の温度分布の形成ができ、高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることが可能となる。
また、スキッシュエリア２２上に断熱部１５を形成したことにより、一般にもっとも混合気が冷却されやすい燃焼室１４の周縁部における混合気の温度低下が抑制されるため、燃焼室１４内の未燃炭化水素の発生が低減されることとなる。
なお、図６に示した球面状の凹部３１を有するピストン３３のスキッシュエリア３２上に断熱部１５を形成することもできる。

実施の形態４
上述した実施の形態１〜３では、断熱部１５をピストン４、２３、３３側に配置したが、これに限るものではなく、断熱部１５をシリンダヘッド３側に配置してもよい。この場合、例えば図８に示されるように、燃焼室１４を臨む吸気バルブ８の表面上に断熱部１５を形成することができる。このようにすれば、断熱部１５の形成が容易となる。同様にして、排気バルブ１０の表面上に断熱部１５を形成してもよい。さらに、吸気バルブ８と排気バルブ１０の双方の表面上に断熱部１５を形成することもできる。
このような構成としても、断熱部１５の存在により、ある温度範囲に集中することのない所定の温度分布の形成ができ、高負荷運転時であっても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることが可能となる。

上述した実施の形態２〜４の予混合圧縮自着火燃焼機関においても、断熱部１５は、ピストン４、２３、３３の摺動方向に直交する平面への投影面積がシリンダボア２の開口面積に対して２０〜４０％となるような大きさに形成されることが好ましい。

この発明の趣旨に沿う範囲で、実施の形態１〜４を変更することが可能である。例えば、実施の形態１〜４では、燃料を都市ガスとしたが、ＬＰＧやＣＮＧ等他のガス燃料を採用してもよく、また、軽油やガソリン等液体燃料を使用することも可能である。ガス燃料を吸気通路内に供給する手段としても、燃料噴射ノズルの他に、ミキサー等を適宜選択することが可能である。エンジンの形式も、Ｖ型、水平対向型など、適宜変更することができる。

この発明の実施の形態１に係る予混合圧縮自着火燃焼機関を示す断面図である。 実施の形態１の要部を示す部分断面図である。 実施の形態１における燃焼室内の混合気の分配関数を示すグラフである。 断熱部の面積を種々変化させた場合の燃焼室内の混合気の分配関数を示すグラフである。 実施の形態２の要部を示す部分断面図である。 実施の形態２の変形例の要部を示す部分断面図である。 実施の形態３の要部を示す部分断面図である。 実施の形態４の要部を示す部分断面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック、２ シリンダボア、３ シリンダヘッド、４，２３，３３ ピストン、５ コンロッド、６ クランクシャフト、７ 吸気ポート、８ 吸気バルブ、９ 排気ポート、１０ 排気バルブ、１１ 吸気通路、１２ 排気通路、１３ 燃料噴射ノズル、１４ 燃焼室、１５ 断熱部、２１，３１ 凹部、２２，３２ スキッシュエリア。

Claims (8)

1. 一端がシリンダヘッドの底面により閉塞されたシリンダボア内を往復摺動するピストンによって燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼機関において、
   混合気が自着火する際のピストンの頂面とシリンダボアとシリンダヘッドの底面により区画される燃焼室の一部壁面に形成された断熱部を備えたことを特徴とする予混合圧縮自着火燃焼機関。
2. 前記断熱部は、前記ピストンの摺動方向に直交する平面への投影面積が前記シリンダボアの開口面積に対して２０〜４０％である請求項１に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
3. 前記断熱部は、前記ピストン側に配置されている請求項１または２に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
4. 前記断熱部は、前記ピストンの頂面の中央部に配置されている請求項３に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
5. 前記断熱部は、前記ピストンの頂面の外縁部に形成されたスキッシュエリア上に配置されている請求項３に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
6. 前記断熱部は、前記シリンダヘッド側に配置されている請求項１または２に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
7. 前記断熱部は、前記シリンダヘッドに装着された吸気バルブ及び／または排気バルブに配置されている請求項６に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
8. 燃料が予め酸素含有ガスと混合された状態で前記燃焼室に噴霧される請求項１〜７のいずれか一項に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。

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