JP2013174218A - Compression ignition type internal combustion engine - Google Patents

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祐太 島
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  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieving suitable ignition timing in a compression ignition type internal combustion engine using gasoline as fuel.SOLUTION: A spark plug 6 is mounted on a cylinder head 2 as a shock wave generating means. A termination of a compression stroke, the first-time spark is performed when a piston 3 is at a distance E1 and further when the piston 3 has risen to a distance E2 near a top dead center, the second-time spark is performed. The first shock wave 12 generated by the first spark comes into collision with an inner surface of a combustion chamber and reflects therefrom to thereby generate a first reflected wave 13, so that the second shock wave 14 generated by the second spark collides with the first reflected wave 13. An interfacial boundary 15 where the second shock wave 14 has collided with the first reflected wave 13 becomes partially high in pressure to allow fuel particles 16 located at the interfacial boundary 15 to become easy to combust. Hence, the fuel particles combust when the piston 3 reaches the top dead center, thereby triggering the explosive combustion of the whole of an air-fuel mixture.

Description

本発明は、燃焼安定性に優れた圧縮着火式内燃機関に関するものである。   The present invention relates to a compression ignition type internal combustion engine having excellent combustion stability.

圧縮着火式の内燃機関は、軽油や重油を燃料とするディーゼル機関として広く実用化されている。圧縮着火式の内燃機関は圧縮比が高いため高出力を得ることができる利点があり、そこで、ガソリンを燃料にした内燃機関においても圧縮着火式(自着火方式)とすることが研究され、或いは、一部で実用化されている。その例として例えば特許文献1には、火花点火と圧縮着火とを切り替えできる内燃機関が開示されている。   Compression ignition internal combustion engines are widely used as diesel engines using light oil or heavy oil as fuel. A compression ignition type internal combustion engine has an advantage that a high output can be obtained because of a high compression ratio, and therefore, an internal combustion engine using gasoline as fuel has been studied to be a compression ignition type (auto ignition type), or Some have been put to practical use. For example, Patent Document 1 discloses an internal combustion engine capable of switching between spark ignition and compression ignition.

特開2012−7504号公報JP 2012-7504 A

さて、火花点火方式の場合は、点火プラグへの通電タイミングを制御することで着火タイミングは比較的容易に制御できるが、圧縮着火式の場合は、着火タイミングが機関温度や空燃比等の様々な影響で左右されるため、点火時期を制御しにくいという問題がある。そして、早期着火にしても着火遅れにしても出力低下等の問題を招来する。   In the case of the spark ignition method, the ignition timing can be controlled relatively easily by controlling the timing of energization to the spark plug. However, in the case of the compression ignition method, the ignition timing can vary depending on various factors such as the engine temperature and the air-fuel ratio. Since it depends on the influence, there is a problem that it is difficult to control the ignition timing. In addition, problems such as a decrease in output are caused regardless of whether the ignition is early or delayed.

本願発明はこのように現状に鑑み成されたものであり、着火タイミングを制御できる圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the present situation as described above, and an object thereof is to provide a compression ignition type internal combustion engine capable of controlling the ignition timing.

前記目的を達成すべく本願発明では、燃焼室に吸引された混合気をピストンで圧縮して着火させる方式の内燃機関において、前記燃焼室に吸引された混合気の少なくとも一部を加圧又は昇温させる衝撃波発生手段が設けられている。ここに、衝撃波発生手段としては、例えばスパークブラグ、超音波加振器、高周波加振器などを使用できる。   In order to achieve the above object, in the present invention, in an internal combustion engine in which the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber is compressed by a piston and ignited, at least a part of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber is pressurized or elevated. Shock wave generating means for heating is provided. Here, as the shock wave generating means, for example, a spark bragg, an ultrasonic vibrator, a high frequency vibrator, or the like can be used.

本願発明によると、燃焼室に吸引された混合気の燃料粒子が衝撃波によって加圧又は(/及び)昇温することで、燃料の少なくとも一部を極めて燃焼しやすい状態にすることができるため、燃焼しやすくなって燃料に予備着火して、これをトリガーとして混合気の全体を爆発させることができる。そして、衝撃波の発生タイミングは電気的に制御できるため、燃料の予備着火タイミングも制御できる。従って、圧縮着火式でありながら最適のタイミングで燃料を燃焼させることができる。これにより、高出力を得ることができると共に、完全燃焼によって排気ガスの有害成分濃度も低下させることができる。   According to the present invention, since the fuel particles of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber are pressurized or (/ and) heated by a shock wave, at least a part of the fuel can be made extremely easy to burn. It becomes easy to burn and pre-ignition the fuel, and this can be used as a trigger to explode the entire mixture. Since the shock wave generation timing can be electrically controlled, the fuel preliminary ignition timing can also be controlled. Therefore, the fuel can be burned at an optimal timing while being of the compression ignition type. As a result, a high output can be obtained, and the concentration of harmful components of the exhaust gas can be reduced by complete combustion.

実施形態の要部中央断面図で、(A)は1回目のスパークが行われた状態の図、(B)は2回目のスパークが行われた状態の図である。It is a principal part sectional view of an embodiment, (A) is a figure in the state where the first spark was performed, and (B) is a figure in the state where the second spark was performed. (A)は燃料粒子がエネルギを受けている状態を示す模式図、(B)は燃焼状態での要部断面図である。(A) is a schematic diagram which shows the state in which the fuel particle is receiving energy, (B) is principal part sectional drawing in a combustion state.

(1).構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、構造を説明する。本実施形態の内燃機関は4サイクル方式であり、従来と同様に、シリンダブロック1とこれに重なったシリンダヘッド2とを有している。シリンダブロック1にはピストン3が摺動するシリンダボア4が形成され、シリンダヘッド2には、シリンダボア4に対応した燃焼用凹所5が形成されている。燃焼用凹所5は屋根型の構造になっており、中央部にはスパークブラグ6が臨んでいる。
(1). Structure Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the structure will be described. The internal combustion engine of the present embodiment is a four-cycle system, and has a cylinder block 1 and a cylinder head 2 that overlaps the cylinder block 1 as in the prior art. A cylinder bore 4 in which the piston 3 slides is formed in the cylinder block 1, and a combustion recess 5 corresponding to the cylinder bore 4 is formed in the cylinder head 2. The combustion recess 5 has a roof-type structure, and a spark brag 6 faces the center.

また、シリンダヘッド2には、吸気バルブ7で開閉される吸気ポート8と、排気バルブ9で開閉される排気ポート10とが、シリンダボア4の軸心を挟んだ両側に振り分けた状態で形成されている。吸気ポート8には燃料噴射ノズル11を臨ませている。   The cylinder head 2 is formed with an intake port 8 that is opened and closed by the intake valve 7 and an exhaust port 10 that is opened and closed by the exhaust valve 9 in a state of being distributed to both sides of the cylinder bore 4 with the shaft center therebetween. Yes. A fuel injection nozzle 11 faces the intake port 8.

なお、本実施形態では、吸気ポート8と排気ポート10とは紙面と直交した方向に2つずつ配置されている。従って、スパークブラグ6を表示した中央部の断面図では、本来は吸気ポート8及び排気ポート10は断面として表れないが、便宜的にスパークブラグ6と吸排気ポート8,10を一緒に表示している。   In the present embodiment, two intake ports 8 and two exhaust ports 10 are arranged in a direction perpendicular to the paper surface. Therefore, in the cross-sectional view of the center portion displaying the spark brag 6, the intake port 8 and the exhaust port 10 are not originally shown as cross sections, but the spark brag 6 and the intake / exhaust ports 8 and 10 are displayed together for convenience. Yes.

(2).制御態様
本実施形態で、スパークブラグ6が請求項に記載した衝撃波発生手段を構成しており、スパークブラグ6は、制御手段としてのエンジンコントロールユニット(ECU:図示せず)で、次のように制御される。
(2). Control Mode In this embodiment, the spark brag 6 constitutes the shock wave generating means described in the claims, and the spark brag 6 is an engine control unit (ECU: not shown) as the control means. It is controlled as follows.

すなわち、図1に(A)に示すように、圧縮工程の終期でピストン3が上死点まで距離E1になると、まず、スパークブラグ6に1回目の通電を行う。すると、スパークによって空気が破裂等することで、スパーク箇所を中心にして第1衝撃波12が発生し、第1衝撃波12は放射方向に伝播するが、この第1衝撃波12はシリンダボア4やシリンダヘッド2など燃焼室を構成する部材の内面に衝突して、第1反射波13が燃焼室の内部に向けて放射される。   That is, as shown in FIG. 1A, when the piston 3 reaches a distance E1 to the top dead center at the end of the compression process, first, the spark plug 6 is first energized. Then, the first shock wave 12 is generated around the spark location due to air bursting or the like due to the spark, and the first shock wave 12 propagates in the radial direction. The first shock wave 12 is transmitted to the cylinder bore 4 or the cylinder head 2. The first reflected wave 13 is radiated toward the inside of the combustion chamber by colliding with the inner surface of the member constituting the combustion chamber.

そこで次に、図(B)に示すように、ピストン3が更に上死点に近づいて上死点までE2の距離になった時点で、スパークブラグ6に第2回の通電を行う。すると、第2回目のスパークによって燃焼室には第2衝撃波14が発生し、この第2衝撃波14と第1反射波13とが衝突することで、図2(A)に示すように、第2衝撃波14と第1反射波13との境界面15の箇所に高い圧力域が発生し、これにより、境界面15に位置した燃料粒子15は高圧に加圧される。   Therefore, next, as shown in FIG. 5B, when the piston 3 further approaches the top dead center and reaches the distance E2 to the top dead center, the spark plug 6 is energized a second time. Then, a second shock wave 14 is generated in the combustion chamber by the second spark, and the second shock wave 14 and the first reflected wave 13 collide with each other, as shown in FIG. A high pressure region is generated at the boundary surface 15 between the shock wave 14 and the first reflected wave 13, whereby the fuel particles 15 positioned on the boundary surface 15 are pressurized to a high pressure.

そして、第2衝撃波14と第1反射波13との境界面15の箇所に位置した燃料粒子16の群は、高圧に加圧されることで極めて燃焼しやすい状態になっているため、更にピストン3が上死点まで移行すると圧縮着火して予備燃焼し、この予備燃焼の火炎が燃焼室の全体に一気に伝播することで、混合気の全体が一気に燃焼(爆発)するのである。なお、爆発的燃焼はピストン3が僅かに上死点を超えた時点で起きるのが好ましい。従って、衝撃波によって加圧された燃料の燃焼は、ピストン3が上死点に位置した当たりで発生するのが好ましいと言える。   Since the group of fuel particles 16 located at the boundary surface 15 between the second shock wave 14 and the first reflected wave 13 is in a state in which it is easily burned by being pressurized to a high pressure, the piston further When 3 shifts to the top dead center, compression ignition is performed and preliminary combustion is performed, and the flame of this preliminary combustion propagates to the entire combustion chamber at a stretch, whereby the entire mixture is burned (exploded) at a stretch. Explosive combustion preferably occurs when the piston 3 slightly exceeds the top dead center. Therefore, it can be said that the combustion of the fuel pressurized by the shock wave preferably occurs when the piston 3 is located at the top dead center.

第1衝撃波12及び第2衝撃14はスパーク箇所を中心にして放射方向に広がる一方、第1反射波13は燃焼室の全域から帰ってくるため、第1衝撃波14と第1反射波13とが衝突する境界面15は面的な広がりを持っていると推測される。このため、衝撃波によって予備加圧された燃料が燃焼する予備燃焼も面的な広がりを持っていると推測され、このため、燃焼室に充満した混合気を短時間で一気に燃焼させることができる。   While the first shock wave 12 and the second shock 14 spread in the radial direction around the spark spot, the first reflected wave 13 returns from the entire combustion chamber, so that the first shock wave 14 and the first reflected wave 13 are It is assumed that the colliding boundary surface 15 has a planar spread. For this reason, it is presumed that the pre-combustion in which the fuel pre-pressurized by the shock wave burns also has a wide area, and therefore, the air-fuel mixture filled in the combustion chamber can be combusted in a short time.

なお、第1衝撃波14と第1反射波13とが衝突する境界面15は層状に複数発生することも予想されるが、この場合は、トリガーになる予備燃焼が層状に発生するため、圧縮着火による爆発的燃焼はより一層確実になるといえる。   It should be noted that a plurality of boundary surfaces 15 where the first shock wave 14 and the first reflected wave 13 collide are expected to be generated in a layered manner. It can be said that the explosive combustion due to is even more certain.

燃焼室での混合気の燃焼性は、燃料の種類や機関温度、混合気の温度、回転速度、混合気の濃度、EGRガスの有無(又は濃度)等の様々な要因で相違する。従って、これらの諸要素を変数として、第1回目スパークと第2回目スパークとのタイミングを調節することで、最適な燃焼状態を実現することができる。例えば機関温度に関連させる場合は、機関温度が高くなると燃焼しやすくなるので、第1スパークと第2回スパークとのタイミングを遅くするのが好ましいといえる。   The combustibility of the air-fuel mixture in the combustion chamber differs depending on various factors such as the type of fuel, the engine temperature, the air-fuel mixture temperature, the rotational speed, the air-fuel mixture concentration, and the presence (or concentration) of EGR gas. Therefore, an optimal combustion state can be realized by adjusting the timing of the first spark and the second spark using these elements as variables. For example, when it is related to the engine temperature, it is preferable to delay the timing of the first spark and the second spark because combustion becomes easier when the engine temperature becomes higher.

スパークブラグ6を使用した制御の場合、スパークしている状態ではピストン3は圧縮行程にあるので、1回目のスパークによっては着火させないことが重要である。2回目のスパークを上死点付近で行って、圧縮着火とスパークによる着火とを同時に行うことは可能である。燃焼室を衝撃波が反射しやすい形態として、1回の衝撃波によって反射波を互いに衝突させることで、燃料粒子を加圧することも可能である。   In the case of control using the spark brag 6, the piston 3 is in the compression stroke in the sparking state, so it is important not to ignite by the first spark. It is possible to perform compression ignition and ignition by spark at the same time by performing the second spark near the top dead center. It is also possible to pressurize the fuel particles by causing the combustion chamber to easily reflect shock waves and causing the reflected waves to collide with each other by a single shock wave.

(3).バリエーション
本実施形態のようにスパークブラグ6を使用する場合、スパークブラグ6に通電する高電圧発生装置を可変式とすることで、スパークの強さ(換言すると衝撃波の強さ)を変えることも可能である。1回目のスパークと2回目のスパークとで電圧を変えることで、第1衝撃波12の強さと第2衝撃波14の強さを変えることも可能である(反射波13は減衰するので、第1衝撃波12を第2衝撃波14より強くしておくと、第1反射波13と第2衝撃波14との衝突境界面15を強い加圧することができる。
(3). Variations When using the spark brag 6 as in the present embodiment, the spark voltage (in other words, the strength of the shock wave) can be increased by making the high voltage generator energized to the spark brag 6 variable. It is also possible to change. It is also possible to change the intensity of the first shock wave 12 and the intensity of the second shock wave 14 by changing the voltage between the first spark and the second spark (the reflected wave 13 is attenuated, so the first shock wave is attenuated). If 12 is made stronger than the second shock wave 14, the collision boundary surface 15 between the first reflected wave 13 and the second shock wave 14 can be strongly pressurized.

また、定常状態で安定した燃焼が実現している場合はスパークブラグ6を使用した制御を行わず、燃焼が不安定化したらスパークブラグ6を使用した制御を行うというように、スパークブラグ6を使用した運転と使用しない運転とを切り替えることも可能である。また、スパークブラグ6を使用する場合、3回以上通電して、混合気を段階的に加圧することも可能である。   Further, when stable combustion is realized in a steady state, the control using the spark brag 6 is not performed, and the control using the spark brag 6 is performed when the combustion becomes unstable. It is also possible to switch between running and unused driving. Moreover, when using the spark brag 6, it is also possible to pressurize the air-fuel mixture stepwise by energizing it three or more times.

1つの燃焼室に複数のスパークブラグ6を配置することも可能である。この場合は、複数のスパークブラグ6に同時に複数回通電することも可能であるし、複数のスパークブラグ6に順番に通電することも可能であり、更に、複数のスパークブラグ6を、同時発生した衝撃波が互いに衝突するように離れた位置に配置して、同時に通電することも可能である。   It is also possible to arrange a plurality of spark brags 6 in one combustion chamber. In this case, it is possible to energize a plurality of spark brags 6 a plurality of times at the same time, or it is possible to energize a plurality of spark brags 6 in order, and a plurality of spark brags 6 are simultaneously generated. It is also possible to dispose the shock waves so that they collide with each other and energize them simultaneously.

衝撃波発生手段としては、超音波発生装置や高周波発生装置、或いはマグネトロンのような加振手器を使用することも可能である。超音波発生装置を使用する場合、複数の部位から超音波を照射して衝突させ、衝突した境界面に位置した燃料粒子に運動エネルギを与えて高温・高圧化したり、上死点の僅か手前に位置したピストン3の頂面に超音波を照射することで、ピストン3の頂面に接している燃料粒子をピストン3の頂面に擦りつけて高温・高圧化するといったことも可能である。   As the shock wave generating means, it is also possible to use an ultrasonic generator, a high frequency generator, or a vibrating hand device such as a magnetron. When using an ultrasonic generator, irradiate ultrasonic waves from multiple parts to make it collide, give kinetic energy to the fuel particles located at the impacted boundary surface, increase the temperature and pressure, or slightly before top dead center By irradiating the top surface of the piston 3 positioned with ultrasonic waves, it is possible to rub the fuel particles in contact with the top surface of the piston 3 against the top surface of the piston 3 to increase the temperature and pressure.

衝撃波発生手段の配置位置はシリンダヘッドに限らず、シリンダブロックやピストンに設けることも可能である。ピストンに設ける場合は、高周波を利用したワイヤレス給電で電力を給電したらよい。また、シリンダブロックとシリンダヘッド2との間に挟み配置されているガスケットを衝撃波の加振部として利用して、ガスケットの内周に沿った面に混合気の加圧・加熱領域を形成することも可能である。敢えて述べるまでもないが、本願発明は軽油や重油を燃料にしたディーゼル機関にも適用できる。   The arrangement position of the shock wave generating means is not limited to the cylinder head, and may be provided on the cylinder block or the piston. When the piston is provided, power may be supplied by wireless power supply using high frequency. In addition, by using a gasket sandwiched between the cylinder block and the cylinder head 2 as a shock wave excitation unit, a pressure / heating region for the air-fuel mixture is formed on the surface along the inner periphery of the gasket. Is also possible. Needless to say, the present invention can also be applied to a diesel engine using light oil or heavy oil as fuel.

本発明は、圧縮着火式ガソリン機関等の内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。   The present invention can be embodied in an internal combustion engine such as a compression ignition gasoline engine. Therefore, it can be used industrially.

1 シリンダブロック
2 シリンダヘッド
3 ピストン
4 シリンダボア
6 衝撃波発生手段の一例としてのスパークブラグ
7 吸気バルブ
9 排気バルブ
12 第1衝撃波
13 第1反射波
14 第2衝撃波
15 第1反射波と第2衝撃波とが衝突した境界面
16 燃料粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder block 2 Cylinder head 3 Piston 4 Cylinder bore 6 Spark bragg as an example of shock wave generation means 7 Intake valve 9 Exhaust valve 12 First shock wave 13 First reflected wave 14 Second shock wave 15 First reflected wave and second shock wave Boundary interface 16 Fuel particles

Claims (1)

燃焼室に吸引された混合気をピストンで圧縮して着火させる方式であり、
前記燃焼室に吸引された混合気の少なくとも一部を加圧又は昇温させる衝撃波発生手段が設けられている、
圧縮着火式内燃機関。
This is a method of igniting the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber by compressing it with a piston.
Shock wave generating means for pressurizing or heating at least a part of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber is provided,
Compression ignition internal combustion engine.
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