JP2018173063A - engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を有し、シリンダヘッドに点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部の内部に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられるエンジンに関する。 The present invention has an ignition point cover portion that covers the ignition point and forms an ignition chamber, and is formed in the combustion chamber facing the piston and inside the ignition point cover portion in a state where the ignition point cover portion is mounted on the cylinder head. The present invention relates to an engine in which a communication hole communicating with the ignition chamber is provided in the ignition point cover portion.
従来、火花点火エンジンでは、希薄混合気の希薄限界を拡大し高効率化を図る目的で、希薄混合気の安定した着火を確保するべく、点火プラグ本体の点火点を覆って点火室を形成するプラグカバーを備えたプレチャンバープラグをシリンダヘッドに備える場合がある。
当該プレチャンバープラグは、そのプラグカバーに単数又は複数の連通孔を設けて構成され、当該連通孔が点火室と燃焼室とを連通するように構成されている。当該連通孔は、吸気行程において燃焼室に吸気された燃焼用空気と燃料との混合気を、主に圧縮行程において燃焼室から点火室へ流入させると共に、燃焼膨張行程において点火室内で混合気火花点火されることにより形成された燃焼火炎を点火室から燃焼室へ噴出させる。燃焼室では、連通孔から噴出された燃焼火炎により混合気が燃焼することとなる(特許文献1を参照)。
特に、上述のような火花点火エンジンにおいては、比出力を上げるため、過給機を備えて過給圧を高める構成が採用されることがあるが、このような構成にあっては、ノッキング等の異常燃焼が発生するため、それに伴う失火の抑制が課題となる。
Conventionally, in a spark ignition engine, an ignition chamber is formed so as to cover the ignition point of the spark plug body in order to ensure stable ignition of the lean mixture for the purpose of increasing the lean limit of the lean mixture and improving efficiency. A cylinder head may be provided with a pre-chamber plug with a plug cover.
The pre-chamber plug is configured by providing one or a plurality of communication holes in the plug cover, and the communication holes are configured to communicate the ignition chamber and the combustion chamber. The communication hole allows the air-fuel mixture of the combustion air and fuel sucked into the combustion chamber in the intake stroke to flow mainly from the combustion chamber into the ignition chamber in the compression stroke, and also in the ignition chamber in the combustion expansion stroke. The combustion flame formed by being ignited is ejected from the ignition chamber to the combustion chamber. In the combustion chamber, the air-fuel mixture is combusted by the combustion flame ejected from the communication hole (see Patent Document 1).
In particular, in the spark ignition engine as described above, in order to increase the specific output, a configuration in which a supercharger is provided to increase the supercharging pressure may be employed. Since abnormal combustion occurs, suppression of misfire associated therewith becomes a problem.
一方、特許文献2に記載の如く、燃焼室と連通する点火室の点火点にレーザー光を集光可能なレーザー点火型エンジンが知られている。
当該レーザー点火型エンジンでは、所望の点火タイミングにおいて、高密度のレーザー光を点火点に集光することで、所望の点火タイミングにて点火室の点火点にて点火するものである。
On the other hand, as described in
In the laser ignition type engine, a high-density laser beam is condensed at an ignition point at a desired ignition timing, thereby igniting at an ignition point in an ignition chamber at a desired ignition timing.
上記特許文献1に開示の火花点火エンジンにおいて、点火室の内部には、排気行程においても排気路へ排出されない残留ガスが残るため、点火タイミングでは、吸気圧縮行程にて点火室の内部へ流入する新気と残留ガスとが、点火室の内部に存在することとなる。そして、発明者らは、これらの新気と残留ガスは、一般的なプレチャンバープラグの連通孔の設置状態にあっては、十分に混合せず、点火室の内部において、燃焼室側で新気の濃度が高く、シリンダヘッド側で残留ガスの濃度が高くなり、点火室の内部において、燃焼室からシリンダヘッドへ向かう方向に沿って、略層状の状態となることを確認している。
更に、発明者らは、特許文献1に開示の火花点火エンジンにおいて、過給機を備えて過給圧を高める構成を採用する場合、点火タイミングでの点火室の内部における新気と残留ガスの境界領域は、過給圧の変動に伴って、変化すると考えている。
説明を追加すると、排気行程で燃焼排ガスが燃焼室及び点火室から排出される場合、点火室に一部残る残留ガスの圧力は、過給圧よりも低い圧力となる。この後、吸気圧縮行程にて、所定の過給圧の新気が点火室の内部に流入すると、過給圧が高いほど、残留ガスが圧縮されることになるため、点火室の内部において、新気と残留ガスの境界領域が、燃焼室からシリンダヘッドへ向かう方向で、変動すると考えられる。
このように、点火室の内部において、新気と残留ガスの境界領域が変動することが原因で、失火が発生する等の問題が発生していることが考えられる。しかしながら、これまで、過給機による過給圧を加えるプレチャンバー式のエンジンにおいて、点火室における新気と残留ガスの境界領域の変動を考慮に入れた技術は知られていなかった。
In the spark ignition engine disclosed in Patent Document 1, residual gas that is not discharged to the exhaust passage even in the exhaust stroke remains in the ignition chamber, and therefore flows into the ignition chamber in the intake compression stroke at the ignition timing. Fresh air and residual gas will be present inside the ignition chamber. The inventors have found that these new air and residual gas are not sufficiently mixed in the state of communication holes of a general pre-chamber plug, and are new on the combustion chamber side inside the ignition chamber. It has been confirmed that the concentration of the gas is high, the concentration of the residual gas is high on the cylinder head side, and a substantially laminar state is formed in the ignition chamber along the direction from the combustion chamber to the cylinder head.
Furthermore, in the spark ignition engine disclosed in Patent Document 1, the inventors have adopted a configuration in which a supercharger is provided to increase the supercharging pressure, so that fresh air and residual gas in the ignition chamber at the ignition timing can be reduced. The boundary region is considered to change as the boost pressure varies.
When the explanation is added, when the combustion exhaust gas is discharged from the combustion chamber and the ignition chamber in the exhaust stroke, the pressure of the residual gas partially remaining in the ignition chamber is lower than the supercharging pressure. Then, in the intake compression stroke, when fresh air with a predetermined supercharging pressure flows into the ignition chamber, the higher the supercharging pressure, the more the residual gas will be compressed. It is considered that the boundary region between fresh air and residual gas varies in the direction from the combustion chamber toward the cylinder head.
As described above, it is conceivable that a problem such as misfire occurs due to the boundary region between fresh air and residual gas fluctuating inside the ignition chamber. However, until now, no technology has been known that takes into account the variation in the boundary region between fresh air and residual gas in the ignition chamber in a pre-chamber engine that applies supercharging pressure by a supercharger.
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、過給圧が変動する場合にも、点火室の内部での良好な着火を維持しつつも、希薄限界の拡大をも図り得るエンジンを提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to increase the lean limit while maintaining good ignition inside the ignition chamber even when the supercharging pressure fluctuates. Is to provide an engine that can also be used.
上記目的を達成するためのエンジンは、
点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を有し、シリンダヘッドに点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部の内部に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられるエンジンであって、その特徴構成は、
前記点火点カバー部に設けられるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を、前記レーザー光の光軸が前記燃焼室と前記点火室とを通る状態で配設して備え、
吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機を備え、
前記過給機による過給圧に関連する過給圧関連値に基づいて、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置と前記連通孔との距離を、前記光軸に沿う方向で調整する点火点位置調整部を備える点にある。
The engine to achieve the above purpose is
The ignition point cover portion that covers the ignition point and forms an ignition chamber, and the ignition chamber formed inside the combustion chamber facing the piston and the ignition point cover portion in a state where the ignition point cover portion is mounted on the cylinder head An engine in which a communication hole communicating with the chamber is provided in the ignition point cover portion,
A laser light irradiation mechanism for condensing and igniting laser light at the ignition point through a laser light transmission window provided in the ignition point cover part, and an optical axis of the laser light between the combustion chamber and the ignition chamber Arranged in a state to pass through,
A supercharger for compressing fresh air taken into the combustion chamber by a compressor provided in the intake passage;
Ignition for adjusting a distance between the focal position of the laser beam as the ignition point and the communication hole in a direction along the optical axis based on a supercharging pressure related value related to a supercharging pressure by the supercharger The point is that a point position adjustment unit is provided.
本発明の作用効果に先立ち、点火点位置の調整の効果を、実験結果に基づいて説明する。
当該実験は、図3に示すような疑似燃焼室3と疑似点火室14とを有する定容容器に対し、予混合タンクで混合した混合気を送り、疑似点火室14の内部にて火花点火して、疑似燃焼室3の圧力の経時変化を測定すると共に、高速度ビデオカメラを用いて疑似燃焼室3の上方の耐熱ガラス窓から火炎の伝播状態を撮像したものである。疑似燃焼室3と疑似点火室14とは、一の連通孔15にて連通される構成とした。燃焼排ガスは、1度の点火毎にバキュームポンプにより疑似燃焼室3及び疑似点火室14から掃気し、その後、予混合気を疑似燃焼室3及び疑似点火室14へ吸気し、静定したのちに点火した。予混合タンク内は、メタンと圧縮空気とによる均一な定温の予混合気を形成した。定容容器において、疑似燃焼室3は、直径70mm、高さ37mmの円筒型で、容積は142.4cm3とし、疑似点火室14は、疑似燃焼室3の周方向の側脇に設け、直径13mm、高さ9mmの円筒形で、容積は1.2cm3とした。
Prior to the operation and effect of the present invention, the effect of adjusting the ignition point position will be described based on experimental results.
In this experiment, a mixture gas mixed in a premix tank is sent to a constant volume container having a
当該実験においては、図3に示すように、疑似点火室14の内部にて、点火点位置と連通孔15との距離を変化させた。
具体的には、点火点位置を、疑似点火室14の内部において、連通孔15から0mmの位置(図3でP1で示す位置)と、連通孔15から4mmの位置で疑似点火室14の略中央の位置(図3でP2で示す位置)と、連通孔15から9mmの位置で疑似点火室14で連通孔15と対向する壁の近傍の位置(図3でP3で示す位置)とに設定した場合において、圧力の経時変化と、火炎の伝播状態とを計測した。
点火点位置を、連通孔15から0mmの位置(図3でP1で示す位置)に設定した場合、図5上段の撮像画像に示すように、連通孔15から球状火炎伝播のみが発生しており、そのときの圧力の経時変化は図4に示すように、緩慢なものとなっている。即ち、当該点火点位置では、疑似点火室14から疑似燃焼室3への火炎ジェットは形成されない。このような燃焼形態では、希薄混合気を用いた場合には、当該希薄混合気を点火時期近傍で良好に燃やすことができず、希薄限界を拡大することは難しい。
点火点位置を、連通孔15から4mmの位置で疑似点火室14の略中央の位置(図3でP2で示す位置)に設定した場合、図5下段の撮像画像に示すように、連通孔15から球状火炎伝播が発生した後に火炎ジェットが発生しており、2段階の火炎が形成されている。このときの圧力の経時変化は図3に示すように、連通孔15から0mmの位置(図3でP1で示す位置)の場合よりは急峻な変化をしているが、比較的緩慢である。
点火点位置を、連通孔15から9mmの位置で疑似点火室14で連通孔15と対向する壁の近傍の位置(図3でP3で示す位置)に設定した場合、撮像画像は取得していないが、その圧力の経時変化は、図4に示すように、0mm及び4mmの場合に比べて急峻な立ち上がりを示しており、疑似燃焼室3の内部の混合気は、火炎ジェットにより良好に燃焼されていると推察される。結果、希薄限界を拡大するという観点からは、点火点位置は、疑似点火室14の内部において、なるべく、連通孔15から離間した位置に設定することが好ましいという知見を得ている。
即ち、発明者らは、点火室を有する火花点火エンジンにおいては、点火室の内部での点火点位置と連通孔との位置関係が、希薄限界を拡大する上で、非常に重要なファクターであるという知見を得た。
In the experiment, as shown in FIG. 3, the distance between the ignition point position and the
Specifically, the ignition point position is set within the
When the ignition point position is set to a position of 0 mm from the communication hole 15 (position indicated by P1 in FIG. 3), only spherical flame propagation occurs from the
When the ignition point position is set at a position approximately 4 mm from the
When the ignition point position is set at a
That is, in the spark ignition engine having an ignition chamber, the inventors have a very important factor in increasing the lean limit in the positional relationship between the ignition point position and the communication hole in the ignition chamber. I got the knowledge.
更に、上述したように、発明者らは、点火室を有する火花点火エンジンにおいて、点火室の内部には、排気行程においても排気路へ排出されない残留ガスが残るため、点火タイミングでは、吸気圧縮行程にて点火室の内部へ流入する新気と残留ガスとが、点火室の内部に存在することとなる。そして、発明者らは、これらの新気と残留ガスは、一般的なプレチャンバープラグの連通孔の設置状態にあっては、十分に混合せず、点火室の内部において、燃焼室側で新気の濃度が高く、シリンダヘッド側で残留ガスの濃度が高くなり、点火室の内部において、燃焼室からシリンダヘッドへ向かう方向に沿って、略層状の状態となることを確認している。
更に、発明者らは、点火室を有する火花点火エンジンにおいて、過給機を備えて過給圧を高める構成を採用する場合、点火タイミングでの点火室の内部における新気と残留ガスの境界領域は、過給圧の変動に伴って、変化すると考えている。
即ち、発明者らは、点火点の周囲雰囲気が残留ガスに覆われている場合、不安定燃焼が発生し易い過給時にあっては、点火が適切に行われない虞があり、改善の余地があると考えている。
Furthermore, as described above, in the spark ignition engine having the ignition chamber, the inventors have left residual gas that is not discharged into the exhaust passage even in the exhaust stroke in the ignition chamber. Thus, fresh air and residual gas flowing into the ignition chamber exist in the ignition chamber. The inventors have found that these new air and residual gas are not sufficiently mixed in the state of communication holes of a general pre-chamber plug, and are new on the combustion chamber side inside the ignition chamber. It has been confirmed that the concentration of the gas is high, the concentration of the residual gas is high on the cylinder head side, and a substantially laminar state is formed in the ignition chamber along the direction from the combustion chamber to the cylinder head.
Further, the inventors of the present invention, in a spark ignition engine having an ignition chamber, when adopting a configuration including a supercharger to increase the supercharging pressure, a boundary region between fresh air and residual gas inside the ignition chamber at the ignition timing. Thinks that it changes with the fluctuation of supercharging pressure.
In other words, when the atmosphere surrounding the ignition point is covered with residual gas, there is a possibility that ignition may not be performed properly during supercharging at which unstable combustion is likely to occur, and there is room for improvement. I believe there is.
上記特徴構成を有するエンジンによれば、点火点位置調整部が、過給機の過給圧に関連する過給圧関連値に基づいて、点火点としてのレーザー光の焦点位置と連通孔との距離を、光軸に沿う方向で調整するから、過給圧の変動に伴って、点火室での新気と残留ガスの境界領域が変動する場合であっても、例えば、当該変動に伴って点火点位置を新気の領域に調整することで、過給による不安定燃焼の発生を良好に防止できる。
更に、例えば、点火点位置調整部は、燃焼が安定している場合等で、希薄燃焼を行うときには、点火点位置と連通孔との距離を増大する形態で、点火タイミングにおいて火炎ジェットを発生させて、燃焼室の圧力を急峻に変化させ、燃焼室の希薄混合気を適切に燃焼させることで、希薄限界を拡大させ熱効率の向上を図ることができる。
According to the engine having the above-described characteristic configuration, the ignition point position adjusting unit determines whether the focal position of the laser beam as the ignition point and the communication hole are based on the supercharging pressure related value related to the supercharging pressure of the supercharger. Since the distance is adjusted in the direction along the optical axis, even if the boundary region between the fresh air and the residual gas in the ignition chamber varies with the variation of the supercharging pressure, for example, with the variation By adjusting the ignition point position to the fresh air region, it is possible to satisfactorily prevent the occurrence of unstable combustion due to supercharging.
Further, for example, the ignition point position adjusting unit generates a flame jet at the ignition timing in the form of increasing the distance between the ignition point position and the communication hole when performing lean combustion, for example, when the combustion is stable. Thus, by changing the pressure of the combustion chamber sharply and appropriately burning the lean air-fuel mixture in the combustion chamber, the lean limit can be expanded and the thermal efficiency can be improved.
上記エンジンの更なる特徴構成は、
前記過給圧関連値は、前記吸気路で前記過給機にて過給された前記新気の圧力を計測する圧力センサにて計測される前記過給圧であり、
前記点火点位置調整部は、前記光軸に沿う方向で、前記過給圧が高いほど前記焦点位置を前記連通孔から離間する側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。
Further features of the above engine
The supercharging pressure-related value is the supercharging pressure measured by a pressure sensor that measures the pressure of the fresh air supercharged by the supercharger in the intake passage,
The ignition point position adjusting unit adjusts the focal position to a side away from the communication hole as the supercharging pressure increases in the direction along the optical axis, and the distance between the focal position and the communication hole. The point is to adjust.
上述したように、過給圧が変動する場合、排気行程で燃焼排ガスが燃焼室及び点火室から排出される場合、点火室に一部残る残留ガスの圧力は、過給圧よりも低い圧力となる。この後、吸気圧縮行程にて、所定の過給圧の新気が点火室の内部に流入すると、過給圧が高いほど、残留ガスが圧縮されることになるため、点火室の内部において、新気と残留ガスの境界領域が、燃焼室からシリンダヘッドへ向かう方向で、変動すると考えられ、特に、過給圧が高いほど、境界領域は連通孔から離間する方向へ移動すると考えられる。
上記特徴構成によれば、点火点位置調整部は、光軸に沿う方向で、点火点を過給圧が高いほど連通孔から離間する側へ調整するから、例えば、過給圧が高くなるほど、点火点を周囲雰囲気が新気となる領域に位置させつつも、火炎ジェットが形成し易い位置である連通孔から離間した位置に点火点を位置させることができる。
As described above, when the supercharging pressure fluctuates, when the combustion exhaust gas is discharged from the combustion chamber and the ignition chamber in the exhaust stroke, the pressure of the residual gas partially remaining in the ignition chamber is a pressure lower than the supercharging pressure. Become. Then, in the intake compression stroke, when fresh air with a predetermined supercharging pressure flows into the ignition chamber, the higher the supercharging pressure, the more the residual gas will be compressed. It is considered that the boundary region between fresh air and residual gas varies in the direction from the combustion chamber toward the cylinder head. In particular, the boundary region moves in a direction away from the communication hole as the supercharging pressure increases.
According to the above characteristic configuration, the ignition point position adjusting unit adjusts the ignition point to the side away from the communication hole as the boost pressure increases in the direction along the optical axis, for example, as the boost pressure increases, While the ignition point is positioned in a region where the ambient atmosphere is fresh, the ignition point can be positioned at a position away from the communication hole, which is a position where a flame jet is easily formed.
上記エンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点カバー部に覆われる前記点火室は、前記シリンダヘッドから前記燃焼室へ向かう延設方向に沿って延設され、
前記連通孔は、前記点火点カバー部のうち前記延設方向で前記燃焼室の側に設けられ、
前記レーザー光照射機構が、前記光軸を前記延設方向に沿わせて設けられ、
前記点火点位置調整部は、前記延設方向に沿う方向で、前記過給圧が高いほど前記焦点位置を前記シリンダヘッド側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。
Further features of the above engine
The ignition chamber covered by the ignition point cover portion extends along an extending direction from the cylinder head toward the combustion chamber,
The communication hole is provided on the combustion chamber side in the extending direction in the ignition point cover portion,
The laser beam irradiation mechanism is provided with the optical axis along the extending direction,
The ignition point position adjustment unit adjusts the distance between the focal position and the communication hole in a direction along the extending direction and adjusts the focal position toward the cylinder head as the supercharging pressure increases. There is in point to do.
当該構成を採用することで、新気の全体としての流れは、延設方向において燃焼室からシリンダヘッドへ向かう延設方向となるから、点火室の内部における残留ガスと新気との境界は、過給圧の変動に伴って延設方向で移動することとなる。
そして、光軸を延設方向に沿わせることで、点火点位置を、残留ガスと新気との境界の移動方向に沿って、過給圧が高いほど焦点位置をシリンダヘッド側へ調整する形態で、即ち、焦点位置と連通孔との距離を増加する形態で、移動させることができる。結果、過給圧の変動に伴う燃焼の不安定化を、より一層適切に抑制することができる。
By adopting this configuration, the flow of fresh air as a whole is in the extending direction from the combustion chamber to the cylinder head in the extending direction, so the boundary between the residual gas and fresh air in the ignition chamber is It moves in the extending direction with the fluctuation of the supercharging pressure.
Then, by aligning the optical axis in the extending direction, the focal point is adjusted toward the cylinder head as the boost pressure increases along the moving direction of the boundary between the residual gas and the fresh air. That is, it can be moved in a form that increases the distance between the focal position and the communication hole. As a result, it is possible to more appropriately suppress the instability of combustion accompanying the fluctuation of the supercharging pressure.
上記エンジンの更なる特徴構成は、
先の排気行程において前記点火室の内部に残留している残留ガスと、吸気行程において新たに前記点火室の内部に流入する前記新気とは、点火タイミングにおいて前記延設方向で前記シリンダヘッド側から記載の順に存在するものであり、
前記点火タイミングにおける前記延設方向での前記残留ガスと前記新気との境界領域と、前記過給圧との第1関係を記憶する記憶部を備え、
前記点火点位置調整部は、前記圧力センサにて計測される前記過給圧と、前記記憶部に記憶される第1関係とに基づいて、前記延設方向に沿う方向で前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。
Further features of the above engine
The residual gas remaining in the ignition chamber in the previous exhaust stroke and the fresh air newly flowing into the ignition chamber in the intake stroke are the cylinder head side in the extending direction at the ignition timing. Exists in the order of description,
A storage unit for storing a first relationship between a boundary region between the residual gas and the fresh air in the extending direction at the ignition timing, and the supercharging pressure;
The ignition point position adjusting unit is configured to detect the focal position and the focal point in a direction along the extending direction based on the supercharging pressure measured by the pressure sensor and a first relationship stored in the storage unit. The point is to adjust the distance to the communication hole.
点火タイミングにおける延設方向での残留ガスと新気との境界領域と、過給圧との第1関係は、混合気の当量比や外気温度等により変動するものの、予め、実験やシミュレーションを行うことにより、予測することができる。
上記特徴構成によれば、点火点位置調整部は、当該第1関係と過給圧とにより、延設方向に沿う方向で焦点位置と連通孔との距離を調整するから、過給圧の変動に伴う新気と残留ガスの境界領域の実際の変化に則した状態で、点火点の位置を調整することができる。
Although the first relationship between the boundary region between the residual gas and fresh air in the extending direction at the ignition timing and the supercharging pressure varies depending on the equivalence ratio of the air-fuel mixture, the outside air temperature, etc., experiments and simulations are performed in advance. Therefore, it can be predicted.
According to the above characteristic configuration, the ignition point position adjusting unit adjusts the distance between the focal position and the communication hole in the direction along the extending direction by using the first relationship and the supercharging pressure. The position of the ignition point can be adjusted in a state in accordance with the actual change in the boundary region between the fresh air and the residual gas.
上記エンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点位置調整部は、前記圧力センサにて計測される前記過給圧と、前記記憶部に記憶される第1関係に基づいて、前記延設方向に沿う方向で前記境界領域よりも前記新気の側で、且つ前記境界領域の近傍領域に点火点位置を位置させる形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する点にある。
Further features of the above engine
The ignition point position adjustment unit is configured to be more in the direction along the extending direction than the boundary region based on the supercharging pressure measured by the pressure sensor and the first relationship stored in the storage unit. The point of adjusting the distance between the focal position and the communication hole is that the ignition point position is positioned on the fresh air side and in the vicinity of the boundary region.
上記特徴構成によれば、点火点を、残留ガスと新気との境界領域の新気側に設定するから、点火点の周囲雰囲気を可燃領域のガスが十分に存在する雰囲気にして、良好な点火を行うことができる。
更には、点火点を、境界領域よりも新気側で、且つ境界領域の近傍領域に設定しているから、点火点と連通孔との距離をなるべく大きいものとして、火炎ジェットより形成され易くなり、希薄限界をなるべく広げるような点火点位置とすることができる。
According to the above characteristic configuration, since the ignition point is set on the fresh air side of the boundary region between the residual gas and fresh air, the atmosphere around the ignition point is set to an atmosphere where the gas in the combustible region is sufficiently present, Ignition can be performed.
Furthermore, since the ignition point is set on the fresh air side of the boundary region and in the vicinity region of the boundary region, the distance between the ignition point and the communication hole is set as large as possible, so that the flame jet is easily formed. The ignition point position can be set so as to widen the lean limit as much as possible.
上記エンジンの更なる特徴構成は、
前記点火点位置調整部は、前記レーザー光を集光する光学素子と、当該光学素子を前記光軸に沿う方向で移動させるアクチュエータとを備えている点にある。
Further features of the above engine
The ignition point position adjustment unit is provided with an optical element that condenses the laser light and an actuator that moves the optical element in a direction along the optical axis.
上記特徴構成を採用することで、点火点位置調整部による点火点位置の調整を良好に実現することができる。 By adopting the above characteristic configuration, it is possible to satisfactorily realize adjustment of the ignition point position by the ignition point position adjustment unit.
これまで説明してきたエンジンは、
前記連通孔は複数設けられ、複数の前記連通孔は、前記光軸を対称軸として線対称に設けられていることが好ましい。
The engine that has been described so far is
It is preferable that a plurality of the communication holes are provided, and the plurality of the communication holes are provided in line symmetry with the optical axis as a symmetry axis.
本発明の実施形態に係るエンジン100は、過給圧が変動する場合にも、点火室14の内部での良好な点火を維持しつつも、希薄限界の拡大をも図り得るエンジンに関する。
以下、図面に基づいて説明する。
The
Hereinafter, description will be given based on the drawings.
エンジン100は、ターボ過給式のガスエンジンとして構成され、図1に示すように、都市ガス13A等の燃料ガスFと空気Aとの混合気Mを燃焼室3において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、当該エンジン本体の吸気ポート8に
連接する吸気路42へ燃料ガスFを供給する燃料ガス供給路61と、当該燃料ガス供給路61を通流する燃料ガスFの流量を調整する燃料制御弁63と、エンジン本体の排気路47に設けられるタービン52に燃焼室3から排出される排ガスEを供給し、タービン52に連結される状態で吸気路42に設けられるコンプレッサ51によって燃焼室3に吸気される混合気Mを圧縮する過給機50と、吸気路42において燃焼室3に吸気される混合気Mの流量を調整するスロットル弁44とを備えており、更には、センサ等の測定結果が入力され、その入力信号に基づいてスロットル弁44等の各種補機を制御してターボ過給式の運転を制御するハードウェア群とソフトウェア群とから構成されているエンジンコントロールユニットC)が備えられている。
The
この種のガスエンジン100は、詳細な図示は省略するが、吸気ポート8から燃焼室3に新気として吸気された混合気Mを、ピストン2の上昇により圧縮した状態で、後述する点火室14内の点火点Pにて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストン2を押し下げて回転軸(図示せず)から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスEは、燃焼室3から排気路47に押し出され、外部に排出される。
In this type of
吸気路42には、空気Aを浄化するエアクリーナ41、空気Aに燃料ガスFを適切な比率(空燃比)で混合するベンチュリー式のミキサ64、及びミキサ64にて混合された混合気Mを圧縮するコンプレッサ51、コンプレッサ51の昇圧により昇温した混合気Mを冷却するインタークーラ45、開度調整により燃焼室3への混合気Mの吸気量を調整可能なスロットル弁44が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、吸気路42において、ミキサ64で燃料ガスFと空気Aとを混合して生成された混合気Mは、コンプレッサ51にて圧縮された後に、インタークーラ45にて冷却され、スロットル弁44を介して所定の流量に調整されて、エンジン本体の燃焼室3に導入される。
In the
That is, in the
ミキサ64に燃料ガスFを導く燃料ガス供給路61には、ミキサ64の上流側の吸気路40における空気Aの圧力と燃料ガス供給路61における燃料ガスFの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ62、ミキサ64を介して燃焼室3に供給される燃料ガスFの供給量を調整する燃料制御弁63が設けられている。
A fuel
過給機50は、エンジン本体の排気路47に設けられるタービン52に燃焼室3から排出される排ガスEを供給し、タービン52に連結される状態で吸気路42に設けられるコンプレッサ51によって燃焼室3に吸気される混合気Mを圧縮するターボ式の過給機として構成されている。即ち、当該過給機50は、排気路47を通流する排ガスEのエンタルピー及び運動エネルギによりタービン52を回転させ、このタービン52の回転力により吸気路42に配置されたコンプレッサ51を回転駆動する形態で、吸気路42を通流する新気としての混合気Mを圧縮して、燃焼室3へ供給する、所謂、過給を行う。
The
エンジンコントロールユニットCは、例えば、回転数センサ(図示せず)にて計測されるエンジン回転数や、エンジン本体の回転軸(図示せず)のトルクに基づいて計算されるエンジン出力が、目標出力となるように、燃料制御弁63やスロットル弁44の開度を制御する出力維持制御を実行するように構成されており、この場合、エンジンコントロールユニットCは出力制御部C1として機能する。 The engine control unit C has, for example, an engine output calculated based on an engine speed measured by a speed sensor (not shown) and a torque of a rotation shaft (not shown) of the engine body as a target output. In this case, the engine control unit C functions as the output control unit C1.
吸気路42のスロットル弁44とエンジン本体との間には、当該位置での混合気Mの混合気圧(過給圧の一例)を計測する圧力センサSが設けられている。
ここで、出力制御部C1によりエンジン本体の出力が目標出力に制御されている場合、混合気圧が決まれば、燃焼室3に供給される混合気Mの空燃比が一意に決定される。
つまり、エンジンコントロールユニットCは、例えば、目標出力毎に、混合気圧と空燃比との関係を示すマップを保持しており、所定の目標出力において、目標空燃比となるように、上述の圧力センサSにて計測される混合気圧を、目標空燃比に対応する目標混合気圧に近づけるべく、燃料制御弁63とスロットル弁44との少なくとも何れか一方の開度を制御する。
尚、当該実施形態にあっては、ターボ過給式ガスエンジン100は、高い効率で運転するべく、燃焼室3での混合気Mの当量比が1より小さいリーンバーン燃焼(例えば、当量比が0.6以上0.8以下程度)を実行し続けるように、目標空燃比及びそれに対応する目標混合気圧が設定される。
Between the
Here, when the output of the engine body is controlled to the target output by the output control unit C1, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture M supplied to the
That is, the engine control unit C holds, for example, a map indicating the relationship between the mixed pressure and the air-fuel ratio for each target output, and the pressure sensor described above so that the target air-fuel ratio is obtained at a predetermined target output. The opening degree of at least one of the fuel control valve 63 and the
In this embodiment, the
さて、当該実施形態に係るエンジン100にあっては、点火点Pを覆い点火室14を形成する点火点カバー部20を備えて、所謂、主室としての燃焼室3に対して副室としての点火室14を備える構成を採用している。
The
説明を追加すると、点火点カバー部20は、シリンダヘッド6に装着されている状態において、内部に形成される点火室14と燃焼室3とを連通する連通孔15を備える。
更に、点火点カバー部20に覆われる点火室14は、シリンダヘッド6から燃焼室3へ向かう延設方向に沿って延設され、当該実施形態にあっては、延設方向に沿う軸(点火室14の中心軸)は、燃焼室3の中心軸αに一致した状態で設けられている。
When the explanation is added, the ignition
Furthermore, the
点火点カバー部20は、円筒状の点火点カバー基端部22と、その点火点カバー基端部22の一端を閉じるドーム状の点火点カバー頭部23とを備えた有底円筒状に構成されている。更に、点火点カバー部20は、円筒状の点火点カバー基端部22の外周部位に螺子切られた雄螺子部が、シリンダヘッド6に螺子切られた雌螺子部に螺合する形態で、シリンダヘッド6に装着されている。点火点カバー部20には、延設方向に沿う方向で、点火点カバー基端部22における点火点カバー頭部23と逆側に点火点カバー鍔部21を有しており、装着状態において、当該点火点カバー鍔部21が、シリンダヘッド6の頂面に当接する。
The ignition
当該実施形態においては、連通孔15は、点火点カバー部20のうち延設方向で燃焼室3の側である点火点カバー頭部23に、複数設けられている。
具体的には、連通孔15は、点火点カバー部20と点火室14の中心軸αとが交わる部位であって、点火点カバー頭部23の頭頂部に設けられると共に、点火室14の中心軸αを対称軸として、点火点カバー頭部23に複数(当該実施形態では、4つ:図1には、2つを図示)設けられている。
In the present embodiment, a plurality of communication holes 15 are provided in the ignition point
Specifically, the
更に、点火点カバー部20は、その内部を、点火点カバー鍔部21側と点火点カバー頭部23側とに区画する形態で、後述するレーザー光を透過する耐熱性の透過部材34を、円筒状の点火点カバー基端部22の内部に備えている。上記透過部材34は、特定の接続技術により点火点カバー基端部22の内壁と気密に接続されている。
即ち、点火室14は、点火点カバー頭部23と、点火点カバー基端部22と、透過部材34とに外囲されて形成されている。
当該実施形態にあっては、点火点カバー部20の点火点カバー基端部22の内部空間(点火点カバー部20を貫通して設けられるレーザー光透過窓の一例)を介して高出力のパルスレーザー光を点火室14の内部に集光するレーザー光照射機構30を、レーザー光の光軸が燃焼室3と点火室14とを通る状態で備えている。より詳細には、レーザー光照射機構30は、光軸を延設方向に沿わせる状態、即ち、点火室14の中心軸αに沿わせる状態で配設されている。
レーザー光照射機構30は、詳細な図示は省略するが、エンジン100に対して組み付けられており、エンジン100と共に一体振動するように配設されている。
Furthermore, the ignition
That is, the
In this embodiment, a high-power pulse is transmitted through the internal space of the ignition point cover
Although not shown in detail, the laser
さて、当該実施形態にあっては、過給機50による過給圧に関連する過給圧関連値に基づいて、レーザー光の焦点位置としての点火点Pと連通孔15との距離を、光軸に沿う方向で調整する点火点位置調整部を備えており、以下、当該構成及びそれによる制御について説明を追加する。
In this embodiment, the distance between the ignition point P as the focal position of the laser beam and the
点火点位置調整部は、点火点カバー部20である点火点カバー基端部22の内部空間であって、上記透過部材34よりも点火点カバー鍔部21側において、レーザー光を集光する光学素子としての光学レンズ35と、当該光学レンズ35を光軸に沿う方向で移動させるアクチュエータ36とを備え、エンジンコントロールユニットCの点火点位置制御部C2による制御に基づいて、アクチュエータ36により光学レンズ35の光軸に沿う方向での位置を調整する形態で、レーザー光の焦点位置(点火点)を調整可能に構成されている。
当該構成により、アクチュエータ36が高温の燃焼排ガスEに晒されることを防止できる。
The ignition point position adjusting unit is an internal space of the ignition point cover
With this configuration, the
上記レーザー光照射機構30及び点火点位置調整部による点火点Pへのレーザー光の集光により、燃焼室3から連通孔15を通して点火室14へ流入する混合気Mに点火して燃焼させ、その燃焼により形成された燃焼火炎(火炎ジェット)を、連通孔15を通して燃焼室3へ噴出させるように構成されている。このようにして、燃焼室3から点火室14への混合気Mの流入、及び、点火室14から燃焼室3への燃焼火炎(火炎ジェット)の噴出を、複数の連通孔15により行うことにより、燃焼室3に吸気された混合気Mを燃焼させるように構成されている。ここで、当該実施形態にあっては、点火室14に流入する混合気Mは、燃焼室3から連通孔15を通して流入される混合気Mがすべてであり、点火室14に対して燃焼室3以外から燃料Gや混合気Mが供給されることはない。
By condensing the laser beam to the ignition point P by the laser
尚、上述したように点火点カバー部20の点火点カバー頭部23に対して、点火室14の中心軸を対称軸として連通孔15を設ける構成においては、先の排気行程において点火室14の内部に残留している残留ガスと、吸気行程において新たに点火室14の内部に流入する新気とは、点火タイミングにおいて延設方向でシリンダヘッド6側から記載の順に略層状に存在するものとなる。
As described above, in the configuration in which the
さて、過給圧が変動する場合、点火室14の内部における残留ガスと新気との境界領域Kが、点火室14の延設方向(光軸に沿う方向)に沿って変化する。
具体的には、過給圧が低い場合、図2左に示すように、境界領域Kは、点火室14の内部において、延設方向で燃焼室3の側へ移動し、過給圧が高い場合、図2右に示すように、境界領域Kは、点火室14の内部において、延設方向でシリンダヘッド6の側へ移動する。因みに、図2左においては、燃料濃度の濃淡分布を図示しており、点火室14の内部において、燃焼室3の側からシリンダヘッド6の側にかけて、燃料濃度が薄くなっている。
ここで、点火室14から火炎ジェットを燃焼室3へ適切に噴射して、点火タイミングの直後での燃焼室3での圧力変化を急峻なものとして、燃焼室3での燃焼状態を良好に保ち、希薄燃焼の範囲を拡大する観点からは、図3〜5に基づいて上述したように、点火点Pと連通孔15との距離を大きくとることが好ましい。
そこで、点火点位置調整部は、光軸に沿う方向(延設方向に沿う方向)で、圧力センサSにて計測される過給圧が高いほど、焦点位置(点火点P)を連通孔15から離間する側へ調整する形態で、焦点位置と連通孔との距離を調整する。
When the supercharging pressure fluctuates, the boundary region K between the residual gas and fresh air inside the
Specifically, when the supercharging pressure is low, the boundary region K moves toward the
Here, a flame jet is appropriately injected from the
Therefore, the ignition point position adjusting unit moves the focal position (ignition point P) to the
ただし、点火点Pと連通孔15との距離を大きく取り過ぎると、新気が少なく残留ガスが多い領域に点火点Pが位置することとなり、着火性の観点から問題がある。
そこで、当該実施形態に係る点火点位置調整部は、光軸に沿う方向(延設方向に沿う方向)で、境界領域Kよりも新気の側(図2で下方側)に点火位置を位置させる形態で、且つ境界領域Kの近傍領域に点火点位置を位置させる形態で、焦点位置と連通孔15との距離を調整する。
ここで、図2に示すように、連通孔15として点火点カバー頭部23の頭頂部に設けられる連通孔を採用する場合、過給圧が低い場合の点火点P3aと連通孔15との距離L3a(図2左に図示)は、過給圧が高い場合の点火点P3bと連通孔15との距離L3b(図2右に図示)よりも短く設定されることになる。
However, if the distance between the ignition point P and the
Therefore, the ignition point position adjusting unit according to the embodiment positions the ignition position on the fresh air side (lower side in FIG. 2) from the boundary region K in the direction along the optical axis (direction along the extending direction). The distance between the focal position and the
Here, as shown in FIG. 2, when a communication hole provided at the top of the ignition
尚、当該実施形態に係るエンジンコントロールユニットCには、点火タイミングにおける延設方向での残留ガスと新気との境界領域Kと、過給圧との第1関係を記憶する記憶部C3を備えている。そして、点火点位置調整部は、圧力センサSにて計測される過給圧と、記憶部C3に記憶される第1関係とに基づいて、延設方向に沿う方向での焦点位置と連通孔15との距離を調整する。 The engine control unit C according to the embodiment includes a storage unit C3 that stores a first relationship between the boundary region K between the residual gas and fresh air in the extending direction at the ignition timing and the supercharging pressure. ing. Then, the ignition point position adjustment unit is based on the supercharging pressure measured by the pressure sensor S and the first relationship stored in the storage unit C3, and the focal position and the communication hole in the direction along the extending direction. Adjust the distance to 15.
〔別実施形態〕
(1)上記実施形態では、燃料ガスFは、吸気路40に供給され、点火室14へは、連通孔15を介して燃料と燃焼用空気との混合気Mが供給される構成を示した。
しかしながら、点火室14に燃料を直噴するインジェクタを備える構成を採用しても構わない。
[Another embodiment]
(1) In the above-described embodiment, the fuel gas F is supplied to the
However, a configuration including an injector that directly injects fuel into the
(2)上記実施形態に係るエンジン100では、ターボ過給式の過給機50を備える構成例を示したが、例えば、エンジンの軸出力にて過給を行うスーパーチャージャー式の過給機を備える構成を採用しても構わない。
(2) In the
(3)上記実施形態において、過給圧関連値は過給圧である例を示したが、例えば、コンプレッサ51の回転数を過給圧関連値として採用しても構わない。
(3) In the above embodiment, an example in which the supercharging pressure related value is the supercharging pressure has been shown. However, for example, the rotation speed of the
(4)上記実施形態では、点火室14の中心軸(延設方向の軸(光軸))と、燃焼室3の中心軸αとは、一致する例を示したが、両者は一致していなくても構わない。
また、点火室14の中心軸と光軸も、一致していなくても構わない。
(4) In the above embodiment, the example in which the central axis of the ignition chamber 14 (axis in the extending direction (optical axis)) coincides with the central axis α of the
Further, the central axis and the optical axis of the
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in the other embodiment, as long as no contradiction occurs. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明のエンジンは、過給圧が変動する場合にも、点火室の内部での良好な着火を維持しつつも、希薄限界の拡大をも図り得るエンジンとして、有効に利用可能である。 The engine of the present invention can be effectively used as an engine capable of expanding the lean limit while maintaining good ignition inside the ignition chamber even when the supercharging pressure fluctuates.
2 :ピストン
3 :燃焼室
6 :シリンダヘッド
14 :点火室
15 :連通孔
20 :点火点カバー部
30 :レーザー光照射機構
34 :透過部材
35 :光学レンズ
36 :アクチュエータ
42 :吸気路
50 :過給機
100 :エンジン
C2 :点火位置制御部
C3 :記憶部
K :境界領域
M :混合気
P :点火点
S :圧力センサ
α :中心軸
2: Piston 3: Combustion chamber 6: Cylinder head 14: Ignition chamber 15: Communication hole 20: Ignition point cover part 30: Laser light irradiation mechanism 34: Transmission member 35: Optical lens 36: Actuator 42: Intake passage 50: Supercharging Machine 100: Engine C2: Ignition position control unit C3: Storage unit K: Boundary region M: Air-fuel mixture P: Ignition point S: Pressure sensor α: Center axis
Claims (7)
前記点火点カバー部に設けられるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を、前記レーザー光の光軸が前記燃焼室と前記点火室とを通る状態で配設して備え、
吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機を備え、
前記過給機による過給圧に関連する過給圧関連値に基づいて、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置と前記連通孔との距離を、前記光軸に沿う方向で調整する点火点位置調整部を備えるエンジン。 The ignition point cover portion that covers the ignition point and forms an ignition chamber, and the ignition chamber formed inside the combustion chamber facing the piston and the ignition point cover portion in a state where the ignition point cover portion is mounted on the cylinder head An engine in which a communication hole communicating with the chamber is provided in the ignition point cover portion;
A laser light irradiation mechanism for condensing and igniting laser light at the ignition point through a laser light transmission window provided in the ignition point cover part, and an optical axis of the laser light between the combustion chamber and the ignition chamber Arranged in a state to pass through,
A supercharger for compressing fresh air taken into the combustion chamber by a compressor provided in the intake passage;
Ignition for adjusting a distance between the focal position of the laser beam as the ignition point and the communication hole in a direction along the optical axis based on a supercharging pressure related value related to a supercharging pressure by the supercharger An engine equipped with a point position adjustment unit.
前記点火点位置調整部は、前記光軸に沿う方向で、前記過給圧が高いほど前記焦点位置を前記連通孔から離間する側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項1に記載のエンジン。 The supercharging pressure-related value is the supercharging pressure measured by a pressure sensor that measures the pressure of the fresh air supercharged by the supercharger in the intake passage,
The ignition point position adjusting unit adjusts the focal position to a side away from the communication hole as the supercharging pressure increases in the direction along the optical axis, and the distance between the focal position and the communication hole. The engine according to claim 1, wherein the engine is adjusted.
前記連通孔は、前記点火点カバー部のうち前記延設方向で前記燃焼室の側に設けられ、
前記レーザー光照射機構が、前記光軸を前記延設方向に沿わせて設けられ、
前記点火点位置調整部は、前記延設方向に沿う方向で、前記過給圧が高いほど前記焦点位置を前記シリンダヘッド側へ調整する形態で、前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項2に記載のエンジン。 The ignition chamber covered by the ignition point cover portion extends along an extending direction from the cylinder head toward the combustion chamber,
The communication hole is provided on the combustion chamber side in the extending direction in the ignition point cover portion,
The laser beam irradiation mechanism is provided with the optical axis along the extending direction,
The ignition point position adjustment unit adjusts the distance between the focal position and the communication hole in a direction along the extending direction and adjusts the focal position toward the cylinder head as the supercharging pressure increases. The engine according to claim 2.
前記点火タイミングにおける前記延設方向での前記残留ガスと前記新気との境界領域と、前記過給圧との第1関係を記憶する記憶部を備え、
前記点火点位置調整部は、前記圧力センサにて計測される前記過給圧と、前記記憶部に記憶される第1関係とに基づいて、前記延設方向に沿う方向で前記焦点位置と前記連通孔との距離を調整する請求項3に記載のエンジン。 The residual gas remaining in the ignition chamber in the previous exhaust stroke and the fresh air newly flowing into the ignition chamber in the intake stroke are the cylinder head side in the extending direction at the ignition timing. Exists in the order of description,
A storage unit for storing a first relationship between a boundary region between the residual gas and the fresh air in the extending direction at the ignition timing, and the supercharging pressure;
The ignition point position adjusting unit is configured to detect the focal position and the focal point in a direction along the extending direction based on the supercharging pressure measured by the pressure sensor and a first relationship stored in the storage unit. The engine according to claim 3, wherein the distance from the communication hole is adjusted.
複数の前記連通孔は、前記光軸を対称軸として線対称に設けられている請求項1〜6の何れか一項に記載のエンジン。 A plurality of the communication holes are provided,
The engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of communication holes are provided in line symmetry with the optical axis as a symmetry axis.
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