JP2010285907A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関に関し、更に詳しくは、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to an internal combustion engine that can suppress the formation of a fuel rich region in a combustion chamber.
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて熱効率が良く、二酸化炭素(CO2)の排出量が少ないので石油枯渇問題や地球温暖化問題の観点から有利である。しかし、ディーゼルエンジンは、窒素酸化物(NOx)や微粒子状物質(Particulate Matter:以下、PMと略す)が排出されるとともに、このNOxとPMとが、一方が低減すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり問題となっている。 Diesel engines are more efficient than gasoline engines and have less carbon dioxide (CO 2 ) emissions, which is advantageous in terms of oil depletion and global warming. However, a diesel engine is a trade-off in which nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (Particulate Matter: hereinafter abbreviated as PM) are discharged, and when one of these NOx and PM decreases, the other increases. This is a problem.
そこで、このようなディーゼルエンジンの問題を解決する予混合圧縮着火(Premixed Compression Ignition:以下、PCIと略す)燃焼方式が注目されている。このPCI燃焼は、燃焼室への燃料の噴射時期を、ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、燃料の噴射完了後に着火する燃焼方法であり、NOxやPM等の物質を同時に低減することができる。 Therefore, a premixed compression ignition (Premixed Compression Ignition: hereinafter abbreviated as PCI) combustion system that solves the problem of such a diesel engine has attracted attention. This PCI combustion is a combustion method in which the timing of fuel injection into the combustion chamber is made earlier than the compression top dead center of the piston and is ignited after the fuel injection is completed, and substances such as NOx and PM are simultaneously reduced. Can do.
しかし、PCI燃焼方法は、適用運転領域が軽負荷に限られるという問題があるので、その問題を解決するために、燃料噴射弁の噴孔径を小さくして、燃料を微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成し、PCI燃焼による運転領域を拡大しようという試みがなされている(例えば特許文献1参照)。ただし、噴孔径を小さくした場合、全負荷での燃費を悪化させないためには、一定期間内に必要量の燃料を噴射する必要がある。したがって、必要とされる総噴射孔面積を確保する必要があり、小径の噴孔を複数設ける多噴孔化が必須となる。 However, the PCI combustion method has a problem that the applicable operating range is limited to light loads. To solve this problem, the injection hole diameter of the fuel injection valve is reduced and the fuel is atomized to evaporate. Attempts have been made to rapidly generate a uniform and lean premixed gas to expand the operating range by PCI combustion (see, for example, Patent Document 1). However, when the nozzle hole diameter is made small, it is necessary to inject a required amount of fuel within a certain period in order not to deteriorate the fuel consumption at the full load. Therefore, it is necessary to secure the required total injection hole area, and it is essential to make a plurality of injection holes with a plurality of small diameter injection holes.
しかし、多噴孔化にすると、燃料の噴霧がピストン頂面のキャビティの壁面に衝突した後に噴霧間の干渉が生じ易くなり、キャビティ内に過濃領域が形成される結果、スモーク(煤)の生成量が増えてしてしまうという問題がある。図6〜図8は燃料の噴射から所定時間tsの経過毎の燃料の噴霧F0の状態を模式的に示している。横軸はピストンの頂面に沿う平面位置を示し、縦軸はピストンの頂面に直交する高さ位置を示している。燃料の噴霧F0間の距離が小さい場合、噴霧F0間に干渉が生じ、燃料過濃領域FTが形成され易くなる。また、図9は燃料噴射弁の噴孔の径および数毎に煤の生成量を比較して示したグラフである。縦軸は煤の生成量、横軸は燃料噴射圧力を示している。また、hsは噴孔径が0.08mmで噴孔総数が20個の測定結果であり、hbは噴孔径が0.14mmで噴孔総数が7個の測定結果である。小噴孔で多噴孔の方が煤の生成量が多いことが分かる。 However, when the number of injection holes is increased, interference between the sprays tends to occur after the fuel spray collides with the cavity wall of the top surface of the piston, resulting in the formation of an over-concentrated region in the cavity. There is a problem that the generation amount increases. 6 to 8 schematically show the state of the fuel spray F0 at every elapse of the predetermined time ts from the fuel injection. The horizontal axis indicates the planar position along the top surface of the piston, and the vertical axis indicates the height position orthogonal to the top surface of the piston. When the distance between the fuel sprays F0 is small, interference occurs between the sprays F0, and the fuel rich region FT is easily formed. FIG. 9 is a graph showing a comparison of the amount of soot generated for each diameter and number of nozzle holes of the fuel injection valve. The vertical axis represents the amount of soot generated, and the horizontal axis represents the fuel injection pressure. In addition, hs is a measurement result of the nozzle hole diameter of 0.08 mm and the total number of nozzle holes of 20, and hb is a measurement result of the nozzle hole diameter of 0.14 mm and the total number of nozzle holes of 7. It can be seen that the number of soot is larger in the small nozzle holes and in the multiple nozzle holes.
本発明の目的は、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる内燃機関を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can suppress the formation of a fuel rich region in a combustion chamber.
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、ピストンの頂面に凹設され燃焼室の一部を形成するキャビティに対向する位置に燃料噴射部を備えた内燃機関において、前記燃料噴射部から噴射される燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面に、前記噴霧が前記キャビティの外周に沿う方向へ広がるのを抑制する複数の溝を設けたものである。 In order to achieve the above object, an internal combustion engine of the present invention is provided with a fuel injection portion provided at a position facing a cavity that is recessed in a top surface of a piston and forms a part of a combustion chamber. A plurality of grooves for suppressing the spread of the spray in a direction along the outer periphery of the cavity are provided on the wall surface of the cavity where the spray of fuel injected from the section collides.
また、上記した内燃機関において、前記燃料噴射部から前記燃焼室への燃料の噴射時期を、前記ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、前記燃料の噴射完了後に着火する予混合圧縮着火燃焼を行う運転領域を有するものである。 Further, in the internal combustion engine described above, premixed compression ignition combustion in which fuel is injected from the fuel injection portion into the combustion chamber earlier than the compression top dead center of the piston and ignited after completion of the fuel injection. It has the operation area which performs.
本発明の内燃機関によれば、ピストンの頂面に凹設されたキャビティにおいて燃料の噴霧が衝突する壁面に溝を設けたことにより、燃料の噴霧が、溝に沿って広がるのを促し、溝に対して交差する方向に広がるのを抑制することができるので、噴霧間の干渉を抑制することができ、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。 According to the internal combustion engine of the present invention, by providing the groove on the wall surface where the fuel spray collides in the cavity recessed in the top surface of the piston, the fuel spray is promoted to spread along the groove, Therefore, it is possible to suppress the interference between the sprays, and to suppress the formation of a fuel rich region in the combustion chamber. As a result, the generation of smoke can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本実施の形態の内燃機関の要部断面図を示している。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of a main part of the internal combustion engine of the present embodiment.
本実施の形態の内燃機関は、例えばトラックのような自動車両に搭載されるディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)1である。このエンジン1は、シリンダ2と、ピストン3と、シリンダヘッド4とを有しており、燃焼室5は、中空状のシリンダ2の内壁面と、ピストン3の頂面と、シリンダヘッド4の底面とに囲まれた空間に形成されている。
The internal combustion engine of the present embodiment is a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 1 mounted on an automobile such as a truck. The
シリンダ2の内部には、ピストン3がシリンダ2の内壁面に沿って移動可能な状態で設置されている。このピストン3の頂面には、キャビティ6が凹設されている。このキャビティ6は、燃焼室5の一部を形成する領域であり、底面(壁面)6aと、キャビティ6の最外周で底面6aに交差する側面(壁面)6bとにより区画されている。キャビティ6の底面6aは、その中央から外周に向かって次第に深くなるように形成されており、これによりトロイダル型の燃焼室が形成されている。ただし、キャビティ6の形状はトロイダル型に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばリエントラント型や浅皿型のような他の形状としても良い。
Inside the
また、シリンダ2上には、シリンダヘッド4が設置されている。このシリンダヘッド4には、インジェクタ(燃料噴射部)7が設置されている。このインジェクタ7は、燃焼室5内に燃料を直接噴射する装置であり、キャビティ6の底面に対向する位置にシリンダ2およびピストン3(キャビティ6)の軸心Aに一致するように設置されている。インジェクタ7はコモンレール(図示せず)に接続され、そのコモンレールに貯留された高圧燃料がインジェクタ7に常時供給される。コモンレールへの燃料圧送は高圧サプライポンプ(図示せず)により行われる。
A cylinder head 4 is installed on the
インジェクタ7のノズル7aの先端は、例えば円錐状に形成されており、燃焼室5内に突出されている。このノズル7aの円錐状の突出先端部には、複数の微細な噴孔が形成されており、その複数の微細な噴孔から燃料が放射状に同時に噴射されるようになっている。このように本実施の形態のエンジン1においては、燃料を微細な噴孔から噴射し微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成することができるので、後述の予混合圧縮着火(Premixed Compression Ignition:以下、PCIと略す)燃焼による運転領域を拡大することができる。また、微細な噴孔を必要噴射孔面積が確保できる分だけ複数設けることにより、全負荷での燃費の悪化も生じないようにすることができる。ここでは、特に限定されるものではないが、例えばノズル7aの円錐先端から円錐底部に向かって2個の噴孔が隣接配置され、この2個で1組とする噴孔がノズル7aの円錐外周に沿って複数配置されている場合等がある。また、噴孔の直径や数は、エンジンの出力の大きさ等により変わるので一概には言えないが、例えば下記のとおりである。すなわち、各噴孔の直径は、特に限定されるものではないが、例えば0.1mm以下である。燃料の微粒化と噴孔の加工性とを考慮すると、噴孔の直径は、例えば0.08〜0.05mm程度が好ましい。噴孔の総数は、特に限定されるものではないが、例えば20個である。
The tip of the
ノズル7aの先端の各噴孔から噴射される燃料の噴射軸Bは、軸心Aに対してそれぞれ所定の噴射角度θだけ傾けられている。この噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってキャビティ6内に収まるような角度に設定されている。噴射角度θの決定にあたっては、燃料の噴射開始時期や燃料の噴射開始時のピストン3の頂面位置等に基づいて決定されている。
An injection axis B of fuel injected from each nozzle hole at the tip of the
また、上記のシリンダヘッド4には、吸気ポート8と、吸気弁9と、排気ポート10と排気弁11とが設置されている。吸気ポート8および吸気弁9と、排気ポート10および排気弁11とは、インジェクタ7を挟むように、インジェクタ7の左右両側に配置されている。吸気ポート8は吸気管12に接続され、排気ポート10は排気管13に接続されている。吸気弁9は燃焼室5と吸気管12との間の開閉を行い、排気弁11は燃焼室5と排気管13との間の開閉を行う。
The cylinder head 4 is provided with an intake port 8, an
このようなエンジン1は、PCI燃焼による運転領域を有している。このPCI燃焼は、燃料の噴射時期を、ピストン3の圧縮上死点よりも早期に開始し、かつ、その圧縮上死点よりも早期に終了させ、燃料の噴射完了後に混合気が着火する燃焼方式である。このPCI燃焼による運転領域は、比較的軽負荷領域に設定されている。
Such an
また、エンジン1は、拡散燃焼による運転領域を有している。この拡散燃焼は、燃料の噴射をピストン3の圧縮上死点近傍で開始し、かつ、その圧縮上死点より遅い時期に終了させ、燃料の噴射中に混合気が着火する燃焼方式である。この拡散燃焼による運転領域は、PCI燃焼による運転領域よりも高負荷領域に設定されている。
Further, the
次に、本実施の形態1のエンジン1におけるピストン3のキャビティ6について図2〜図5を参照しながら説明する。
Next, the
まず、ピストン3のキャビティ6の構成を図2および図3により説明する。図2はピストン3の頂面の平面図、図3は図2のピストン3のI−I線の断面図を示している。なお、X,Y,Zは各図の位置関係が分かり易くなるように示した位置座標である。X,Yはピストン3の頂面の平面座標を示し、Zはピストン3の頂面に直交する方向の座標を示している。
First, the configuration of the
ピストン3の頂面のキャビティ6の平面形状は、ピストン3の頂面の外周に沿うように円形状に形成されている。また、キャビティ6の断面形状は、ピストン3の頂面に直交する方向に凹む凹状に形成されている。
The planar shape of the
このキャビティ6の壁面(底面6aおよび側面6b)には、ノズル7aから噴射されキャビティ6の壁面に衝突した燃料の噴霧が、キャビティ6の外周に沿う方向(キャビティ6の円周方向)へ広がるのを抑制する複数の溝15が形成されている。
On the wall surface (
図2においては、複数の溝15で1つの溝群Cが構成されており、その溝群Cがピストン3の頂面の外周に沿って複数並んで配置されている。なお、図2においては、図面を見易くするため、2つの溝群Cが示され、他は省略されている。
In FIG. 2, one groove group C is constituted by the plurality of
各溝群Cは、上記したPCI燃焼および拡散燃焼による各運転領域に際して、上記したノズル7aの複数の微細な噴孔から噴射された燃料の噴霧が衝突する領域に配置されている。すなわち、各溝群Cは、ノズル7aの微細な噴孔に対向する位置に配置されている。
Each groove group C is arranged in a region where the spray of fuel injected from the plurality of fine nozzle holes of the
また、図2においては、複数の溝群Cの隣接間に溝15が形成されていない領域16が配置されている。領域16は、キャビティ6の中央側から外周側に向かって次第に幅の広くなるような扇形に形成されている。領域16内の底面6aおよび側面6bには溝15が形成されていない。ただし、領域16に溝15を形成しても良い。この領域16に形成される溝15は、噴霧の広がりを抑えればよく、溝群C内の溝15に対して平行でなくても良い。
In FIG. 2, a
また、各溝群Cは、キャビティ6の中央には配置されておらず、キャビティ6の中心(軸心A)から少し離れた位置に形成されている。すなわち、複数の溝15は、キャビティ6の中央(キャビティ6の中心(軸心A)から予め設定された長さだけ離れた位置)から外周に向かって互いに平行に延在形成されている。各溝15は、キャビティ6の底面6aのみならず側面6bにも連続して延在形成されている。
Further, each groove group C is not disposed in the center of the
溝群C内の複数の溝15は等間隔となるように配置されている。ただし、複数の溝15の隣接間隔を変えても良い。また、各溝15の平面で見た形状は線状に形成されている。各溝15の幅(短方向平面寸法)は、特に限定されるものではないが、溝15の延在方向に沿ってほぼ同一であり、例えば幅2〜10mm程度である。ただし、各溝15の全体または一部を曲線形状としても良い。
The plurality of
また、各溝15の断面形状は、特に限定されるものではないが、例えばV字状またはU字状に形成されている。各溝15の深さは、特に限定されるものではないが、溝15の延在方向に沿ってほぼ同一であり、例えば深さ1〜5mm程度である。ただし、溝15の一部の深さをその溝15の他の部分より深くしても良い。また、溝群C内の複数の溝15毎に深さを変えても良い。
Moreover, the cross-sectional shape of each groove |
このような複数の溝15は、上記した噴霧のキャビティ6の円周方向への広がりが抑えられればよく、複数の溝15の配置の仕方は上記したものに限定されるものではなく種々変更可能である。例えば溝15をキャビティ6の中心から外周に向かって放射線状に配置しても良い。
Such a plurality of
次に、ノズル7aから噴射された燃料の噴霧と複数の溝15との関係を図4および図5を参照にしながら説明する。図4はピストン3の頂面の1つの溝群Cの拡大平面図、図5は図4のピストン3の頂面のII−II線の断面図を示している。
Next, the relationship between the spray of fuel injected from the
図中の符号Fは、ノズル7aの複数の微細な噴孔から噴射された燃料の噴霧を示している。符号Faは噴霧Fのネック領域を示し、符号Fbは噴霧Fの広がり領域を示している。
The symbol F in the figure indicates fuel spray injected from a plurality of fine nozzle holes of the
従来技術の場合(ピストンの頂面に溝15が形成されていない場合)、ノズル7aの噴孔を微細・多噴孔にすると、燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した後に噴霧間の干渉が生じ易くなり、キャビティ内に過濃領域が形成される結果、スモーク(煤)の生成量が増えてしてしまう問題がある。
In the case of the prior art (when the
これに対して、本実施の形態のエンジン1において、ノズル7aの複数の微細な噴孔から噴射された燃料の噴霧は、キャビティ6の壁面の溝群Cに衝突すると、矢印PVに示すように複数の溝15の延在方向に対しては相対的に抵抗が少ないので溝15の延在方向に沿って広がる一方で、矢印PLに示すように溝15の延在方向に交差する方向(複数の溝15の隣接方向)に対しては複数の溝15に邪魔され相対的に抵抗が高いので広がりが抑えられる。すなわち、複数の溝15は、噴霧Fがキャビティ6の中央から放射線上に沿って広がるのを促すとともに、噴霧Fが複数の溝群Cの隣接方向(キャビティ6の円周方向)に広がるのを抑制する(抵抗となる)誘導部として作用する。
In contrast, in the
このように、本実施の形態1のエンジン1においては、キャビティ6において燃料の噴霧Fが衝突する壁面に複数の溝15を設けたことにより、燃料の噴霧Fが、溝15に沿って広がるのを促し、複数の溝15に対して交差する方向に広がるのを抑制することができるので、互いに隣接する溝群Cの各々に衝突する噴霧F,F間の干渉を抑制することができ、キャビティ6内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。
As described above, in the
本発明の内燃機関は、ピストンの頂面に凹設されたキャビティにおいて燃料の噴霧が衝突する壁面に溝を設けたことにより、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができ、スモークの生成を抑制することができるので、自動車両等の内燃機関に利用できる。 The internal combustion engine of the present invention can suppress the formation of a fuel rich region in the combustion chamber by providing a groove on the wall surface where the fuel spray collides in a cavity recessed in the top surface of the piston, Since the generation of smoke can be suppressed, it can be used for an internal combustion engine such as a motor vehicle.
1 ディーゼルエンジン(内燃機関)
2 シリンダ
3 ピストン
4 シリンダヘッド
5 燃焼室
6 キャビティ
6a 底面
6b 側面
7 インジェクタ
7a ノズル
15 溝
16 領域
C 溝群
F 噴霧
1 Diesel engine (internal combustion engine)
2
Claims (2)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009139316A JP2010285907A (en) | 2009-06-10 | 2009-06-10 | Internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009139316A JP2010285907A (en) | 2009-06-10 | 2009-06-10 | Internal combustion engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2010285907A true JP2010285907A (en) | 2010-12-24 |
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Family Applications (1)
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JP2009139316A Pending JP2010285907A (en) | 2009-06-10 | 2009-06-10 | Internal combustion engine |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2010285907A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014015843A (en) * | 2012-07-05 | 2014-01-30 | Isuzu Motors Ltd | Internal combustion engine |
JP2017008857A (en) * | 2015-06-24 | 2017-01-12 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Fuel injection nozzle |
-
2009
- 2009-06-10 JP JP2009139316A patent/JP2010285907A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014015843A (en) * | 2012-07-05 | 2014-01-30 | Isuzu Motors Ltd | Internal combustion engine |
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