JP2007187093A

JP2007187093A - 予混合圧縮自着火燃焼機関

Info

Publication number: JP2007187093A
Application number: JP2006006085A
Authority: JP
Inventors: Yoshiji Momose; 好二百瀬
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-26
Also published as: WO2007080746A1

Abstract

【課題】幅広い負荷の範囲に対応した運転を行う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課題とする。
【解決手段】燃焼用凹部７は、開口周縁部１８よりもピストン４の径方向外方にまでくぼんだガス残留部１９を有する。このガス残留部１９には新気が流れ込みにくく、したがって内部ＥＧＲガスが新気と混合されて圧縮されると、燃焼室９内で内部ＥＧＲガスの濃度が高い部分と低い部分が形成される。内部ＥＧＲガスは高温の既燃ガスであると共に、ガス残留部１９の付近は断熱部８により断熱化されているため、燃焼室９内で内部ＥＧＲガスの濃度が高い燃焼用凹部７のガス残留部１９付近に高温箇所が形成され、この高温箇所を中心にガス残留部１９から離間するにしたがって次第に温度が低下するような成層化された温度分布が形成される。
【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、大きな動力を発生す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、燃料供給量が少なくなる低負荷運転時には自着火しにくくなり、逆に燃料供給量が大きくなる高負荷運転時には燃焼が不安定となって燃焼のサイクル間変動の増加や騒音の発生を招くという問題があり、運転可能な負荷の範囲が制限されてしまう。
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、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行う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。

この発明に係る第１の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、内部ＥＧＲを行うための内部ＥＧＲ手段を備え、ピストンは、シリンダヘッドに対向する頂面に、開口周縁部がピストンの軸心に向かって張り出すように形成された燃焼用凹部を有し、燃焼用凹部は、開口周縁部よりもピストンの径方向外側に位置すると共に内部ＥＧＲガスが残留しやすいガス残留部を有し、ガス残留部に断熱部が形成されているものである。

燃焼用凹部は、底面の中央部分がシリンダヘッドの底面に向かって突出するように形成される、あるいは底面の中央部分が平坦であるように形成されることができる。
また、ガス残留部は、燃焼用凹部の周方向全体にわたって連続して形成しても、または燃焼用凹部の周方向に沿って互いに間隔を隔てた複数箇所にそれぞれ形成してもよい。

この発明に係る第２の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、内部ＥＧＲを行うための内部ＥＧＲ手段を備え、ピストンは、シリンダヘッドに対向する頂面に開口した燃焼用凹部を有し、燃焼用凹部の底面はピストンの底部に向かってくぼむと共に内部ＥＧＲガスが残留しやすいガス残留部を有し、ガス残留部に断熱部が形成されているものである。
ガス残留部は、燃焼用凹部の底面の中央部分に位置することが好ましい。

この発明によれば、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことが可能な予混合圧縮自着火燃焼機関を実現することができる。

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。シリンダボア２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の内部には、ピストン４が往復摺動自在に配置されており、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。
また、シリンダヘッド３の底面に対向するピストン４の頂面には燃焼用凹部７が形成されており、この燃焼用凹部７内に熱伝導率の低い断熱部８が形成されている。このピストン４の頂面、シリンダボア２及びシリンダヘッド３の底面により燃焼室９が区画されている。

シリンダヘッド３には、吸気ポート１０を開閉するための吸気バルブ１１及び排気ポート１２を開閉するための排気バルブ１３が装着されている。また、吸気ポート１０には吸気通路１４が接続され、排気ポート１２には排気通路１５が接続されている。吸気通路１４の他端は大気に開放されると共に、この吸気通路１４の途中には、都市ガスを燃料として噴射する燃料噴射弁１６が連結されている。

図２に示されるように、燃焼用凹部７は、ほぼドーナツ形状にピストン４の内部に膨らんで形成されており、ピストン４の頂面に開口すると共にピストン４の底部に向かって所定の深さに形成されている。燃焼用凹部７の底面の中央部分には、シリンダヘッド３の底面に向かって突出した突出部１７が形成されている。また、燃焼用凹部７は、側方すなわちピストン４の径方向外方に向かって断面円弧状にくぼんで燃焼用凹部７の開口周縁部１８よりもピストン４の径方向外側に位置するガス残留部１９を有している。このガス残留部１９は、燃焼用凹部７の周方向全体にわたって連続して形成されている。すなわち、燃焼用凹部７の開口周縁部１８がピストン４の軸心に向かって張り出しており、シリンダヘッド３側からピストン４頂面の燃焼用凹部７を見ると、ガス残留部１９が開口周縁部１８の後方に隠れるように構成されている。

このようなガス残留部１９の上に断熱部８が配置されており、この断熱部８も、ガス残留部１９の断面に沿った円弧状の断面を有している。ここで、図３に示されるように、燃焼用凹部７の開口周縁部１８の直径をａとし、ガス残留部１９の最もピストン４の径方向外方に位置する点Ｐ（燃焼用凹部７内の幅が最も広い点Ｐ）における燃焼用凹部７の直径をｂ（ｂ＞ａ）とすると、断熱部８は、点Ｐから燃焼用凹部７の開口周縁部１８の方向に向かって０．１５ｂ〜０．４ｂ程度の長さを有するように形成されることが好ましく、また、点Ｐから燃焼用凹部７の底面の方向に向かって０．１５ｂ〜０．３ｂ程度の長さを有するように形成されることが好ましい。また、断熱部８はガス残留部１９を周方向全体にわたって覆うように形成されている。

なお、断熱部８は、例えば燃焼用凹部７のガス残留部１９の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材を嵌め込むことにより形成することができる。また、燃焼用凹部７の底面に突出形成された突出部１７は、燃焼用凹部７の開口周縁部１８よりも低く形成され、シリンダヘッド３側に突出しないように形成されている。

以上のような構成を有するＧＨＰ用エンジンの作用について説明する。このエンジンでは、例えば、排気行程における排気バルブ１３の閉弁時期を内部ＥＧＲ手段としての図示しない可変バルブ機構により早めることにより、内部ＥＧＲが行われる。すなわち、排気行程の途中で排気バルブ１３が閉じることにより高温の既燃ガスの一部が内部ＥＧＲガスとして燃焼室９内に残留され、次のサイクルの吸気行程で吸気バルブ１１が開くと、吸気通路１４内を流れる空気と燃料噴射弁１６から吸気通路１４内へ噴射されたガス燃料との混合気が新気として吸気ポート１０から燃焼室９内へ吸入され、この新気が燃焼室９内に残留している内部ＥＧＲガスと攪拌及び混合される。このように互いに混合された内部ＥＧＲガスと新気が、つづく圧縮行程でピストン４の上昇により圧縮されて温度上昇することにより、燃料が自着火し、燃焼室９内で燃焼が起こる。この燃焼により得られる推進力によりピストン４がシリンダボア２内を往復運動すると共に、ピストン４の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、燃焼室９の一部壁面を構成するピストン４の頂面に形成されている燃焼用凹部７は、開口周縁部１８よりもピストン４の径方向外方にまでくぼんだガス残留部１９を有している。内部ＥＧＲにより燃焼室９内に残留される内部ＥＧＲガスは、吸気行程における混合気（新気）の流入によって、混合気と攪拌及び混合されるが、ガス残留部１９には混合気が流れ込み難く、攪拌及び混合が進まない。したがって内部ＥＧＲガスが新気と混合されて圧縮されると、燃焼用凹部７のガス残留部１９付近で内部ＥＧＲガスの濃度が高くなり、燃焼室９内で内部ＥＧＲガスの濃度が高い部分と低い部分が形成される。内部ＥＧＲガスは高温の既燃ガスであると共に、ガス残留部１９の上には断熱部８が配置されてガス残留部１９からの放熱が抑制されるため、燃焼室９内において図４に示されるように、内部ＥＧＲガスの濃度が高い燃焼用凹部７のガス残留部１９付近に高温箇所が形成され、この高温箇所を中心にガス残留部１９から離間するにしたがって次第に温度が低下するような成層化された温度分布が形成されることとなる。

その結果、ガス残留部１９付近で着火が起こると、温度分布にしたがって徐々に燃焼が起こり、燃焼室９内の燃料が一気に燃焼することはなく、燃焼が緩慢になる。このため、大きな騒音やノッキングを発生することが防止される。なお、具体的には、ガス残留部１９の最高温度箇所は内部ＥＧＲガスの濃度が高いため着火点にならず、最高温度箇所の周辺にて混合気の濃度の上がる境界上が着火点となる。また、高温の内部ＥＧＲガスの濃度が高くなる燃焼用凹部７のガス残留部１９の上に断熱部８を形成することにより、ガス残留部１９付近を中心に成層化された温度分布を形成することができるため、着火開始場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。これにより、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。

また、内部ＥＧＲを行うことで高温の内部ＥＧＲガスにより燃焼室９内が加熱されると共に、内部ＥＧＲガスがたまって圧縮時に最も高温になるガス残留部１９付近は、断熱部８により断熱化され、断熱化されていない場合よりも圧縮時の温度が高くなるため、低負荷運転時の着火性を向上することができる。
したがって、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことができ、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。

なお、ガス残留部１９の上に断熱部８が形成されていないものとすると、圧縮行程の初期では内部ＥＧＲガスの分布に基づいて成層化された温度分布が形成されるが、吸気行程を経て圧縮行程が進むうちにガス残留部１９を含む燃焼室９の壁面から放熱されて、図５に示されるように燃焼室９内がほぼ均一な温度となり、その結果、燃焼室９内の複数箇所で同時に着火して短期間に多くの燃料が燃焼し、高負荷運転時の騒音等を引き起こす原因となってしまう。

また、この実施の形態１において、ガス残留部１９を断熱化する場合と断熱化しない場合についてクランク角度に対する熱発生率の数値解析を行った結果を図６に示す。実線Ｓで示されるように、ガス残留部１９を断熱化すると、破線Ｔで示される断熱化していない場合に比べて、最大値が小さくなり、燃焼騒音が小さくなることが予測される。

実施の形態２．
次に、図７を参照して、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について説明する。この実施の形態２は、実施の形態１に係る予混合圧縮自着火燃焼機関において、ピストン４が、底面に突出部１７を有する燃焼用凹部７の代わりに、底面が平坦に形成された燃焼用凹部３１を備えるものである。すなわち、燃焼用凹部３１は、実施の形態１における燃焼用凹部７から突出部１７を取り除いた形状を有しており、その底面の中央部分が平坦に形成されている。また、燃焼用凹部３１は、底面が平坦であること以外は、実施の形態１の燃焼用凹部７と同一の構成を有し、開口周縁部１８よりピストン４の径方向外方に位置すると共に燃焼用凹部３１の周方向全体にわたって連続して形成されるガス残留部１９、及びガス残留部１９の上に配置される断熱部８を有している。このような燃焼用凹部３１を有するピストン４の頂面、シリンダボア２及びシリンダヘッド３の底面により燃焼室３２が区画されている。

このような構成にしても、実施の形態１と同様に内部ＥＧＲを行うと、高温の内部ＥＧＲガスの濃度がガス残留部１９付近で高くなり、また、ガス残留部１９付近は断熱部８により断熱化されているため、高温箇所となるガス残留部１９付近を中心に成層化された温度分布が形成され、これにより高負荷運転時でも燃焼の安定化と騒音の低減を図ることができる。また、内部ＥＧＲにより燃焼室３２内が加熱されると共に、圧縮時に最も高温になるガス残留部１９付近は断熱化され、断熱化されていない場合よりも圧縮時の温度が高くなるため、低負荷運転時の着火性が向上される。
したがって、上述の実施の形態１と同様に、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことができる。

加えて、この実施の形態２では、燃焼用凹部３１の底面の中央部分が平坦であるため、この燃焼用凹部３１をピストン４の頂面に容易に作成することができる。

なお、上述の実施の形態１及び２において、断熱部８は、燃焼用凹部７の開口周縁部１８から底面に向かう方向すなわち燃焼用凹部７の深さ方向に沿ってガス残留部１９全体を覆う長さを有するように形成されてもよい。
また、断熱部８は、燃焼用凹部７及び３１の周方向全体にわたって配置されてもよいし、燃焼用凹部７及び３１の周方向に沿って互いに間隔を隔てた複数箇所に点在するように配置されてもよい。

また、実施の形態１及び２では、ガス残留部１９が燃焼用凹部７及び３１の周方向全体にわたって連続して形成されていたが、これに限定されるものではなく、互いに独立した複数のガス残留部を燃焼用凹部７及び３１の周方向に沿って互いに間隔を隔ててそれぞれ形成することもできる。この場合も、各ガス残留部の上に断熱部を形成すれば、ガス残留部付近で高温の内部ＥＧＲガスの濃度が高くなって圧縮時に最も高温になると共にガス残留部付近が断熱部により断熱化され、ガス残留部付近を中心に成層化された温度分布が形成される。

実施の形態３．
次に、図８を参照して、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について説明する。この実施の形態３は、実施の形態１に係る予混合圧縮自着火燃焼機関において、ほぼドーナツ状の燃焼用凹部７が形成されたピストン４の代わりに、ほぼ深皿状の燃焼用凹部４１が形成されたピストン４２を用いるものである。燃焼用凹部４１は、ピストン４２の頂面に開口してほぼ深皿状に形成され、その底面の中央部分にピストン４２の底部に向かって凹状にくぼんだガス残留部４３を有している。また、ガス残留部４３の内面全体を覆うように熱伝導率の低い断熱部４４が形成されている。このような燃焼用凹部４１を有するピストン４２の頂面、シリンダボア２及びシリンダヘッド３の底面により燃焼室４５が区画されている。

このような構成にすると、実施の形態１と同様に内部ＥＧＲを行うと、燃焼室４５内に残留される内部ＥＧＲガスは燃焼用凹部４１の最深部を構成するガス残留部４３にたまりやすく、したがって内部ＥＧＲガスが新気と混合されて圧縮されると、燃焼用凹部４１のガス残留部４３付近で内部ＥＧＲガスの濃度が高くなり、燃焼室４５内で内部ＥＧＲガスの濃度が高い部分と低い部分が形成される。内部ＥＧＲガスは高温の既燃ガスであると共に、ガス残留部４３の内面上には断熱部４４が配置されて放熱が抑制されるため、燃焼室４５内において、内部ＥＧＲガスの濃度が高い燃焼用凹部４１のガス残留部４３付近に高温箇所が形成され、この高温箇所を中心にガス残留部４３から離間するにしたがって次第に温度が低下するような成層化された温度分布が形成されることとなる。これにより、高負荷運転時でも燃焼の安定化と騒音の低減を図ることができる。

また、内部ＥＧＲにより燃焼室４５内が加熱されると共に、圧縮時に最も高温になるガス残留部４３付近は断熱化され、断熱化されていない場合よりも圧縮時の温度が高くなるため、低負荷運転時の着火性が向上される。
したがって、上述の実施の形態１と同様に、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことができる。

加えて、この実施の形態３では、燃焼用凹部４１の底面の中央部分に位置するガス残留部４３付近に着火開始場所が形成され、このガス残留部４３付近を中心に成層化された温度分布にしたがって徐々に燃焼が起こるため、燃焼により得られる推進力がピストン４２の軸の左右に偏ることなく軸対称にバランスよく生じることとなる。
また、燃焼用凹部４１はほぼ深皿形状を有するため、この燃焼用凹部４１をピストン４２の頂面に容易に作成することができる。

なお、上述の実施の形態１〜３において、要求される回転速度や負荷等に応じて、図示しない可変バルブ機構により排気行程における排気バルブの閉弁時期を調整して内部ＥＧＲ率を制御すれば、燃焼室９，３２，４５内に形成される温度分布を変化させることができ、これにより運転条件に合わせて騒音を低減することができると共に予混合圧縮自着火領域の拡大を図ることができる。

また、実施の形態１〜３のように、排気バルブ１３の開閉タイミングを調整するのではなく、吸気バルブ１１の開閉タイミングを調整する、または、排気バルブ１３及び吸気バルブ１１の双方の開閉タイミングを調整することにより、内部ＥＧＲを行ってもよい。

また、実施の形態１〜３において、燃焼室９，３２，４５の壁面を形成しているシリンダブロック１、シリンダヘッド３及びピストン４，４２はいずれも鋳鉄等から形成することができる。

この発明の趣旨に沿う範囲で、実施の形態１〜３を変更することが可能である。例えば、実施の形態１〜３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１４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における燃焼室近傍の構造を示す部分断面図である。実施の形態１における燃焼用凹部を示す拡大断面図である。実施の形態１における燃焼室の圧縮時の温度分布を示す図である。断熱化されていない場合の図４の燃焼室の圧縮時の温度分布を示す図である。実施の形態１において断熱化する場合と断熱化しない場合のクランク角度に対する熱発生率について数値解析を行った結果を示すグラフである。実施の形態２における燃焼室近傍の構造を示す部分断面図である。実施の形態３における燃焼室近傍の構造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、４，４２ピストン、５コンロッド、６クランクシャフト、７，３１，４１燃焼用凹部、８，４４断熱部、９，３２，４５燃焼室、１０吸気ポート、１１吸気バルブ、１２排気ポート、１３排気バルブ、１４吸気通路、１５排気通路、１６燃料噴射弁、１７突出部、１８開口周縁部、１９，４３ガス残留部。

Claims

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、
内部ＥＧＲを行うための内部ＥＧＲ手段を備え、
前記ピストンはシリンダヘッドに対向する頂面に、開口周縁部が前記ピストンの軸心に向かって張り出すように形成された燃焼用凹部を有し、前記燃焼用凹部は、前記開口周縁部よりも前記ピストンの径方向外側に位置すると共に内部ＥＧＲガスが残留しやすいガス残留部を有し、前記ガス残留部に断熱部が形成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火燃焼機関。
前記燃焼用凹部は、その底面の中央部分がシリンダヘッドの底面に向かって突出するように形成されている請求項１に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
前記燃焼用凹部は、その底面の中央部分が平坦であるように形成されている請求項１に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
前記ガス残留部は、前記燃焼用凹部の周方向全体にわたって連続して形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
前記ガス残留部は、前記燃焼用凹部の周方向に沿って互いに間隔を隔てた複数箇所にそれぞれ形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
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、
内部ＥＧＲを行うための内部ＥＧＲ手段を備え、
前記ピストンは、シリンダヘッドに対向する頂面に開口した燃焼用凹部を有し、前記燃焼用凹部の底面は前記ピストンの底部に向かってくぼむと共に内部ＥＧＲガスが残留しやすいガス残留部を有し、前記ガス残留部に断熱部が形成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火燃焼機関。
前記ガス残留部は、前記燃焼用凹部の底面の中央部分に位置する請求項６に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。