JP2013092104A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関に関するものである。 The present invention relates to an internal combustion engine that directly injects fuel into a combustion chamber.
近年、燃焼効率の向上及び低燃費化の要求から、燃焼室内に燃料を直接噴射する直接噴射式の内燃機関の開発が進められている。この直接噴射式の内燃機関は、具体的には、ピストンとシリンダヘッドで形成した空間(以下、燃焼室という)に、燃料を噴霧する構成を有している(例えば特許文献1参照)。この内燃機関には、ディーゼルエンジンや、ガソリン直噴エンジン等がある。以下、ディーゼルエンジンを例に説明する。 In recent years, development of a direct injection type internal combustion engine that directly injects fuel into a combustion chamber has been promoted in order to improve combustion efficiency and reduce fuel consumption. Specifically, this direct injection internal combustion engine has a configuration in which fuel is sprayed into a space formed by a piston and a cylinder head (hereinafter referred to as a combustion chamber) (see, for example, Patent Document 1). Examples of the internal combustion engine include a diesel engine and a gasoline direct injection engine. Hereinafter, a diesel engine will be described as an example.
図5に、ディーゼルエンジン1Xのピストン3周辺の断面を示す。ディーゼルエンジン1Xは、円筒形のピストン3と、燃料を霧状に噴射する燃料噴射ノズル2Xと、シリンダライナ8を有している。ピストン3は、ピストン3の冠面(上面)6を刳り貫いて形成したキャビティ4(例えばリエントラント型)と、ピストンリング9を有している。
FIG. 5 shows a cross section around the
なお、一点鎖線Cはピストン3の中心軸Cを示し、破線Lは燃料噴射ノズル2Xから噴射される燃料の中心方向(以下、燃料噴射軸Lという)を示している。また、点線で囲まれた領域7は、ピストン3の冠面6の上方のスキッシュエリア7を示している。このスキッシュエリア7とキャビティ4をあわせた空間を、燃焼室と呼ぶ。更に、x軸及びz軸は、図面における三次元座標の一部を示している。
Note that the alternate long and short dash line C indicates the center axis C of the
次に、ディーゼルエンジン1Xにおける燃料噴射について説明する。ディーゼルエンジン1Xは、ピストン3が上死点に対して接近又は離間する際に、燃料噴射ノズル2Xから燃料を筒内(キャビティ4内)に直接噴射する。噴射された燃料は、分裂液滴となり、周囲の空気を導入しながら蒸発し、燃料蒸気となる。この燃料蒸気は、空気と混合されながら燃焼する。ディーゼルエンジン1Xにおいて、燃料と空気の混合を促進することは、燃料の燃焼効率を高め、燃費を向上し、排気ガスを清浄化(排気ガス性能の向上)することにつながる。
Next, fuel injection in the
しかしながら、上記の燃料を直接噴射する内燃機関は、いくつかの問題点を有している。第1に、内燃機関は、蒸発した燃料と周囲の空気の混合が悪い状態、すなわち混合が不均一な状態で燃焼に至ると、NOxやsoot(すす)等の排出量が増加してしまうという問題を有している。 However, the internal combustion engine that directly injects the fuel has several problems. First, when the internal combustion engine is burned in a state where the mixture of the evaporated fuel and the surrounding air is poor, that is, in a state where the mixing is not uniform, the amount of emissions such as NOx and soot will increase. Have a problem.
第2に、燃費性能が低下してしまうという問題を有している。これは、噴射された燃料が濃くなる部分で、未燃燃料(HC)が発生してしまうためである。 Secondly, there is a problem that the fuel efficiency is lowered. This is because unburned fuel (HC) is generated where the injected fuel is concentrated.
以下、燃料の混合状態と排気ガス(NOx及びsoot等)の関係について説明する。図6及び図7に、燃料の混合状態とNOx又はsootの量の関係を表した数値解析結果を示す。この図6及び図7は、局所混合気濃度の平均値からの分散(variance)と、NOx又はsootの排出量(質量)の関係を、局所平均当量比(φ=1.5〜3.0)別に示す。図6及び7から、分散が大きい、すなわち燃料濃度の不均一度が大きい(図6及び図7の右方側)と、排気ガス中のNOx及びsootが増加する傾向にあることがわかる。つまり、燃料が希薄になる部分では燃焼温度が高温となり、NOxが発生しやすくなる。また、燃料が濃くなる部分では不完全燃焼状態により、すす等のPM(Particulate Matter)の発生量が多くなる。 Hereinafter, the relationship between the fuel mixture state and the exhaust gas (NOx, soot, etc.) will be described. 6 and 7 show the numerical analysis results representing the relationship between the fuel mixture state and the amount of NOx or soot. 6 and 7 show the relationship between the variance from the average value of the local gas mixture concentration and the emission amount (mass) of NOx or soot, and the local average equivalent ratio (φ = 1.5 to 3.0). ) Shown separately. 6 and 7, it can be seen that NOx and soot in the exhaust gas tend to increase when the dispersion is large, that is, the nonuniformity of the fuel concentration is large (the right side of FIGS. 6 and 7). That is, the combustion temperature becomes high in the portion where the fuel becomes lean, and NOx is likely to be generated. Further, in the portion where the fuel is rich, the amount of PM (Particulate Matter) such as soot increases due to the incomplete combustion state.
図8及び図9に、キャビティ4内における燃料濃度の分散の分布状況の数値解析の結果を示す。図8は、燃料噴射ノズル(injector)が燃料噴射を完了した直後の様子を示している。図中の色の濃い部分は、燃料濃度の分散が高い場所を示しており、特に、燃料噴射ノズル近傍(図8右方)及び噴射された燃料の先端側(図8左方)で、燃料濃度の分散が高くなっていることがわかる。また、図9は、燃料噴射完了から0.5秒後の様子を示している。燃料噴射直後(図8)と同様、噴射された燃料の先端側(図9左方)で、燃料濃度の分散が高くなっていることがわかる。
FIG. 8 and FIG. 9 show the results of numerical analysis of the distribution of fuel concentration dispersion in the
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルエンジン及びガソリン直噴エンジン等の内燃機関において、噴射された燃料の濃度の分散を抑制し、排気ガス中に含まれるNOx及びすすの量を低減可能な内燃機関を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to suppress dispersion of the concentration of injected fuel in an internal combustion engine such as a diesel engine and a gasoline direct injection engine, and to be included in exhaust gas. An internal combustion engine capable of reducing the amount of NOx and soot produced.
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、少なくとも1つの燃料噴射軸に沿って燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、冠面にキャビティを形成したピストンを有する内燃機関において、前記内燃機関が、前記燃料噴射ノズルの近傍で且つ前記燃料噴射軸に沿って配置した整流通路を有すると共に、前記整流通路が、前記キャビティに固定されて、前記燃料噴射ノズルから噴射された噴霧燃料が、前記整流通路内を通過するように構成したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an internal combustion engine according to the present invention comprises: a fuel injection nozzle that injects fuel along at least one fuel injection axis; and an internal combustion engine having a piston having a cavity formed on a crown surface. The engine has a rectification passage disposed in the vicinity of the fuel injection nozzle and along the fuel injection axis, and the rectification passage is fixed to the cavity, and the sprayed fuel injected from the fuel injection nozzle is It is configured to pass through the rectifying passage.
この構成により、キャビティ内に噴霧された噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。これは、燃料の噴霧により誘起される乱流渦の発生を抑制し、且つ乱流渦が維持される時間を短縮することができるためである。また、特に整流通路をキャビティに固定する構成により、予めキャビティ内で発生する気流(例えばスワール流又はタンブル流等)を見積もることができる。そのため、内燃機関は、キャビティ内に効率のよい気流を発生させることができ、更に噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。 With this configuration, dispersion of the concentration of the sprayed fuel sprayed in the cavity can be suppressed. This is because the generation of turbulent vortices induced by fuel spray can be suppressed, and the time during which the turbulent vortices are maintained can be shortened. In particular, an air flow (for example, a swirl flow or a tumble flow) generated in the cavity can be estimated in advance by a configuration in which the rectifying passage is fixed to the cavity. Therefore, the internal combustion engine can generate an efficient air flow in the cavity, and can further suppress the dispersion of the concentration of the sprayed fuel.
上記の内燃機関において、前記整流通路が、前記燃料噴射軸を少なくとも両側から挟むように配置した2つの整流部材を有していることを特徴とする。この構成により、噴霧燃料の運動を妨げずに、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。また、整流通路を低コストで且つ容易にキャビティに設置することができる。 In the above-described internal combustion engine, the rectifying passage has two rectifying members arranged so as to sandwich the fuel injection shaft from at least both sides. With this configuration, it is possible to suppress the dispersion of the concentration of the sprayed fuel without disturbing the movement of the sprayed fuel. Further, the rectifying passage can be easily installed in the cavity at a low cost.
上記の内燃機関において、前記整流通路の整流部材が、噴霧燃料の運動を妨げない程度の間隔で配置されていることを特徴とする。この構成により、整流通路は、噴霧燃料の移動及び拡散等を妨げることなく、噴霧燃料の移動に伴う乱流の発生を防止、又は抑制することができる。 In the internal combustion engine described above, the rectifying members of the rectifying passage are arranged at an interval that does not hinder the movement of the sprayed fuel. With this configuration, the rectifying passage can prevent or suppress the occurrence of turbulent flow accompanying the movement of the sprayed fuel without hindering the movement and diffusion of the sprayed fuel.
本発明に係る内燃機関によれば、ディーゼルエンジン及びガソリン直噴エンジン等の内燃機関において、噴射された燃料の濃度の分散を抑制し、排気ガス中に含まれるNOx及びすすの量を低減可能な内燃機関を提供することができる。 According to the internal combustion engine of the present invention, in an internal combustion engine such as a diesel engine and a gasoline direct injection engine, it is possible to suppress the dispersion of the concentration of injected fuel and to reduce the amount of NOx and soot contained in the exhaust gas. An internal combustion engine can be provided.
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について説明する。図1に、内燃機関1における燃料噴射ノズル2の周辺の概略を示す。この内燃機関1は、少なくとも1つの燃料噴射軸Lに沿って燃料を噴射する燃料噴射ノズル2と、燃料噴射ノズルの近傍で且つ燃料噴射軸Lに沿って配置した整流通路10と、冠面にキャビティ4を形成したピストン3を有している。この整流通路10は、キャビティ4の底面に設置されており、燃料噴射ノズル2から噴射された噴霧燃料が、整流通路10内を通過するように構成している。この整流通路10は、例えば、燃料噴射軸Lを両側から挟むように配置した2つの平板状の整流部材11で構成することができる。
Hereinafter, an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows an outline around the
ここで、本発明の整流通路10の構成は、上記に限られない。整流通路10は、特に燃料噴射ノズル2の近傍において、噴霧燃料の移動に伴い燃料噴射軸Lの周囲に発生する乱流渦の発生を抑制し、また発生した乱流渦の消失を促進する構成を有していればよい。例えば、整流通路10を、燃料噴射軸Lの全周を覆うような筒型整流通路としてもよい。更に、キャビティ内の気流(たとえばスワール流又はタンブル流等)への影響を考慮し、形状に適宜変更を加えてもよい。
Here, the configuration of the rectifying
図2に、燃料噴射ノズル2の断面及び整流通路10を有するキャビティ4の平面図を示す。このキャビティ4は、燃料噴射ノズル2の4つの燃料噴射軸Lに対応するそれぞれの整流通路10を有している。この整流通路10を構成する2つの整流部材11の間隔dは、燃料噴射軸Lに沿って噴射される噴霧燃料の運動を阻害しない限りにおいて、狭く構成することが望ましい。この間隔dの長さは、内燃機関の排気量により異なる。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the
なお、図2では、燃料噴射ノズル2が有する噴射孔(又は燃料噴射軸L)を4つとした場合を記載しているが、本発明はこの構成に限られない。燃料噴射ノズル2は、少なくとも1つの噴射孔を有していればよく、例えば、2、4、5、8などの数の噴射孔5を有していてもよい。
Although FIG. 2 shows the case where the
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第1に、キャビティ4内に噴霧された噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。つまり、燃料を従来よりも均一に噴霧することができる。これは、整流通路10の内面の粘性により、燃料の噴霧により誘起される乱流渦の発生を抑制し、且つ乱流渦が維持される時間を短縮することができるためである。
With the above configuration, the following operational effects can be obtained. First, dispersion of the concentration of the sprayed fuel sprayed into the
第2に、燃料の噴射タイミングに関わらず、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。これは、燃料噴射ノズル2と整流通路10の相対位置が、ピストン3の位置に関わ
らず一定となるためである。特に、多段噴射を行う内燃機関で、噴霧燃料の濃度の分散を効率よく抑制することができる。
Second, dispersion of spray fuel concentration can be suppressed regardless of the fuel injection timing. This is because the relative position of the
第3に、整流通路10を、燃料噴射軸Lの両側面に設置した整流部材11とする構成により、噴霧燃料の運動を妨げずに、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。
Thirdly, by using the
なお、整流部材11は、図2に示す様に平面図において燃料噴射ノズル2側に頂点を有する三角形とすることができる。この構成により、整流部材11がキャビティ4内の気流に与える影響を抑制することができる。つまり、噴霧燃料の濃度の分散を抑制することができる。また、整流部材11は、上記の形状に限られず、平面図において長方形、楕円形等に構成することができる。
As shown in FIG. 2, the rectifying
図3及び4に、内燃機関1の燃料濃度の分散の分布状況を示す。図3は、燃料噴射ノズル(injector)が燃料噴射を完了した直後の様子を示している。図4は、燃料噴射完了から0.5秒後の様子を示している。なお、図中の色の濃い部分は、燃料濃度の分散が高い場所を示している。 3 and 4 show the distribution of the fuel concentration dispersion in the internal combustion engine 1. FIG. 3 shows a state immediately after the fuel injection nozzle has completed the fuel injection. FIG. 4 shows a state 0.5 seconds after the completion of fuel injection. In addition, the dark-colored part in a figure has shown the place where dispersion | distribution of fuel concentration is high.
本発明の内燃機関1の状態を示す図3及び4と、従来の内燃機関1Xの状態を示す図8及び9を比較してみると、本発明の内燃機関1は、噴霧燃料の濃度の分散を効率よく抑制できていることがわかる。つまり、本発明の内燃機関1は、燃料を従来よりも均一に噴霧することができ、NOx及びすす等の発生を抑制し、排気ガス性能を向上することができる。
Comparing FIGS. 3 and 4 showing the state of the internal combustion engine 1 of the present invention with FIGS. 8 and 9 showing the state of the conventional
1 内燃機関(ディーゼルエンジン、ガソリン直噴エンジン)
2 燃料噴射ノズル
3 ピストン
4 キャビティ
6 冠面
10 整流通路
11 整流部材
L 燃料噴射軸
d 間隔
1 Internal combustion engine (diesel engine, gasoline direct injection engine)
2
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011234613A JP2013092104A (en) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | Internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2011234613A JP2013092104A (en) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | Internal combustion engine |
Publications (1)
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JP2013092104A true JP2013092104A (en) | 2013-05-16 |
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JP2011234613A Pending JP2013092104A (en) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | Internal combustion engine |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019138181A (en) * | 2018-02-07 | 2019-08-22 | トヨタ自動車株式会社 | Internal combustion engine |
-
2011
- 2011-10-26 JP JP2011234613A patent/JP2013092104A/en active Pending
Cited By (2)
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JP2019138181A (en) * | 2018-02-07 | 2019-08-22 | トヨタ自動車株式会社 | Internal combustion engine |
JP7069776B2 (en) | 2018-02-07 | 2022-05-18 | トヨタ自動車株式会社 | Internal combustion engine |
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