JP2019116878A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮された燃焼室に燃料を直接噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly, to a compression self-ignition internal combustion engine that performs combustion by directly injecting fuel into a compressed combustion chamber.
従来、例えば特許文献1には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、この中空管を通して燃焼室へと噴射される。中空管の内部では、噴射された燃料が通過する過程で充填空気との予混合が促進される。これにより、燃焼室において過濃な燃料の分布が低減されるので、スモークの発生が低減される。
BACKGROUND ART Conventionally, for example,
しかしながら、上記の従来の技術では、ダクトが燃焼室に宙吊りの状態で配置されている。このような構成では、燃焼室での燃焼が継続して行われた場合に、ダクトの過熱が進むおそれがある。この場合、ダクトを通過する過程で燃料の蒸発が促進されてしまい、充填空気との予混合が進む前に燃焼が誘発されてしまうおそれがある。 However, in the above-mentioned prior art, the duct is suspended from the combustion chamber. In such a configuration, if the combustion in the combustion chamber is continuously performed, the duct may be overheated. In this case, evaporation of fuel may be promoted in the process of passing through the duct, and combustion may be induced before the premixing with the charged air proceeds.
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料の予混合を促進してスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an internal combustion engine capable of promoting fuel premixing and suppressing smoke generation in a compression self-ignition internal combustion engine. To aim.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関と対象としている。内燃機関は、燃料を噴射する噴孔を有し、噴孔が内燃機関のシリンダヘッドから燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、シリンダヘッドの天面に固定され、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が通過する中空のダクトが内部に形成されたダクト支持体と、を備えている。ダクト支持体は、ダクトの入口及び出口が燃焼室に露出するように構成されている。内燃機関は、燃焼室に露出しているダクト支持体の外面のうち少なくとも一部に形成された遮熱膜を備えている。そして、遮熱膜は、ダクト支持体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。 The first invention is directed to a compression self-ignition internal combustion engine that performs combustion by injecting fuel into a compressed combustion chamber in order to achieve the above object. The internal combustion engine has an injection hole for injecting fuel, and is fixed to a fuel injection nozzle provided so that the injection hole is exposed from the cylinder head of the internal combustion engine to the combustion chamber, and fixed to the top surface of the cylinder head And a duct support internally formed with a hollow duct through which the fuel spray injected from the injection hole of the nozzle is formed. The duct support is configured such that the inlet and the outlet of the duct are exposed to the combustion chamber. The internal combustion engine is provided with a heat shielding film formed on at least a part of the outer surface of the duct support exposed to the combustion chamber. And, the heat shielding film has a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the duct support.
第2の発明は、第1の発明において、更に以下の特徴を有する。
ダクト支持体は、シリンダヘッドの素材よりも熱伝導率が高い素材によって構成されている。
The second invention has the following features in the first invention.
The duct support is made of a material having a thermal conductivity higher than that of the material of the cylinder head.
第3の発明は、第1又は第2の発明において、更に以下の特徴を有する。
シリンダヘッドの内部には、冷却水が流通するための冷却水流路が形成されている。ダクト支持体は、冷却水流路の内部に露出する露出部を含んで構成されている。
The third invention has the following features in the first or second invention.
Inside the cylinder head, a cooling water flow passage for circulating the cooling water is formed. The duct support is configured to include an exposed portion exposed to the inside of the cooling water flow path.
第4の発明は、第3の発明において、更に以下の特徴を有する。
ダクト支持体は、露出部が冷却水流路の流れ方向に沿って延在するように構成されている。
The fourth invention has the following features in the third invention.
The duct support is configured such that the exposed portion extends along the flow direction of the cooling water flow path.
第5の発明は、第1乃至第4の何れか1つの発明において、更に以下の特徴を有する。
ダクトは、入口から出口へ向かう方向が、噴孔から噴射された燃料噴霧の方向と一致するように構成されている。
The fifth invention has the following features in any one of the first to fourth inventions.
The duct is configured such that the direction from the inlet to the outlet coincides with the direction of the fuel spray injected from the injection hole.
第6の発明は、第1乃至第5の何れか1つの発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴射方向の異なる複数の噴孔を有している。ダクトは、複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられている。
The sixth invention has the following features in any one of the first to fifth inventions.
The fuel injection nozzle has a plurality of injection holes having different injection directions. A plurality of ducts are provided corresponding to each of the plurality of injection holes.
第7の発明は、第1乃至第6の何れか1つの発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴孔の噴射方向が気筒中心軸に対して45°から90°の範囲になるように構成されている。
The seventh invention has the following features in any one of the first to sixth inventions.
The fuel injection nozzle is configured such that the injection direction of the injection hole is in the range of 45 ° to 90 ° with respect to the cylinder center axis.
第1の発明によれば、ダクト支持体は、燃焼室に露出している外面のうちの少なくとも一部が遮熱膜で覆われている。このような構成によれば、燃焼室からダクト支持体への熱伝達が抑制されるので、ダクトの過熱を防ぐことができる。これにより、燃料噴霧が自着火することを抑えながら充填空気との予混合が進められるので、過濃な燃料が燃焼することを防ぐことができる。このように、第1の発明によれば、スモークの低減、及び後燃え期間の短縮による熱効率の向上を図ることができる。 According to the first aspect of the present invention, at least a part of the outer surface exposed to the combustion chamber is covered with the heat shield film. According to such a configuration, since heat transfer from the combustion chamber to the duct support is suppressed, overheating of the duct can be prevented. As a result, pre-mixing with the charge air is advanced while suppressing self-ignition of the fuel spray, so that it is possible to prevent the combustion of rich fuel. As described above, according to the first aspect of the invention, it is possible to reduce the smoke and improve the thermal efficiency by shortening the afterburning period.
第2の発明によれば、ダクト支持体は、シリンダヘッドよりも熱伝導性が高い材料によって構成されている。このような構成によれば、ダクトによる燃料噴霧の冷却効果を更に高めることができる。 According to the second invention, the duct support is made of a material having higher thermal conductivity than the cylinder head. According to such a configuration, the cooling effect of the fuel spray by the duct can be further enhanced.
第3の発明によれば、シリンダヘッドの内部には、冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。ダクト支持体の露出部は、冷却水流路の内部に露出している。このような構成によれば、ダクト支持体の内部に設けられたダクトの冷却効率を更に高めることができる。 According to the third aspect of the invention, the cooling water flow path through which the cooling water flows is formed inside the cylinder head. The exposed portion of the duct support is exposed to the inside of the cooling water flow path. According to such a configuration, the cooling efficiency of the duct provided inside the duct support can be further enhanced.
第4の発明によれば、ダクト支持体は、露出部が冷却水流路の流れ方向に沿って延在するように構成されている。このような構成によれば、露出部から冷却水への放熱を促進することができるので、ダクトの冷却効率を更に高めることができる。 According to the fourth invention, the duct support is configured such that the exposed portion extends along the flow direction of the cooling water flow path. According to such a configuration, the heat radiation from the exposed portion to the cooling water can be promoted, so that the cooling efficiency of the duct can be further enhanced.
第5の発明によれば、噴孔から噴射された燃料がダクトの入口から出口に向かって円滑に通過することができる。 According to the fifth invention, the fuel injected from the injection hole can pass smoothly from the inlet to the outlet of the duct.
第6の発明によれば、複数の噴孔を有している場合であっても、それぞれの噴孔から噴射される燃料の予混合を促進することができる。 According to the sixth aspect of the invention, even in the case of having a plurality of injection holes, it is possible to promote the premixing of the fuel injected from each injection hole.
第7の発明によれば、ダクトを通過する燃料噴霧が、ピストンの上昇による燃焼室内の気流の影響を受けにくくなる。これにより、ダクトを通過する燃料噴霧の噴霧貫徹力が低下することを抑制することができる。 According to the seventh invention, the fuel spray passing through the duct becomes less susceptible to the influence of the air flow in the combustion chamber due to the rise of the piston. Thereby, it is possible to suppress the decrease in the spray penetration force of the fuel spray passing through the duct.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, when the number of the number, the number, the quantity, the range, etc. of each element is mentioned in the embodiment shown below, the mention is made unless otherwise specified or the number clearly specified in principle. The present invention is not limited to the above numbers. Further, the structures described in the embodiments described below are not necessarily essential to the present invention, unless otherwise specified or clearly specified in principle.
実施の形態1.
実施の形態1について図を参照して説明する。
The first embodiment will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1の構成]
図1は、実施の形態1に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。また、図2は、図1中の内燃機関をA−A線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。実施の形態1の内燃機関2は、複数気筒を備えた圧縮自着火式の内燃機関(以下、単に「エンジン」と称する)である。なお、図1及び図2では、エンジン2が備える複数の気筒のうちの1つの気筒の内部構造を示している。
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a view schematically showing an internal structure of a combustion chamber of an internal combustion engine according to a first embodiment from the lower surface side. Moreover, FIG. 2 is the figure which cut | disconnected the internal combustion engine in FIG. 1 by the AA, and has seen through the internal structure typically from the side side. The
図1及び図2に示すように、エンジン2は、シリンダヘッド4とシリンダブロック6とを備えている。シリンダブロック6にはシリンダボア62が形成されている。図示しないピストンは、シリンダボア62の内部に配置されている。シリンダヘッド4、シリンダボア62及びピストンの頂面で囲まれた空間には、燃焼室8が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃焼室8を形成するシリンダヘッド4の天面部42には、吸気バルブ12及び排気バルブ14が、それぞれ2つずつ配置されている。天面部42の中央には、燃料噴射ノズル16が配置されている。より詳しくは、燃焼室8を形成するシリンダヘッド4の天面部42の中央には、燃料噴射ノズル16を固定するための取付穴44が貫通している。燃料噴射ノズル16は、先端の噴孔18が燃焼室8内へ露出するように取付穴44に固定されている。
Two
実施の形態1のエンジン2は、その特徴的な構成として、ダクト20が形成されたダクト支持体30を備えている。ダクト支持体30は、燃料噴射ノズル16の噴孔18の周囲を囲むように凸状に構成された円環状の部材である。ダクト支持体30は、シリンダヘッド4の天面部42に接触する上面32と、円環の内周側を構成する内側面34と、円環の外周側を構成する外側面36と、燃焼室8内においてピストン側に面する下面38とにより構成されている。ダクト支持体30は、円環の中心軸が気筒中心軸線L1と一致する位置で、上面32がシリンダヘッド4の天面部42に密着するように、図示しないボルトによって固定されている。
The
ダクト20は、ダクト支持体30の内側面34に設けられた入口202から外側面36に設けられた出口204に向かってダクト支持体30の内部を貫通する直線の中空管によって構成されている。
The
実施の形態1の燃料噴射ノズル16には、シリンダボア62に向かって均等に放射状に噴射される8つの噴孔18が設けられている。それぞれの噴孔18は、燃料の噴射方向を示す噴孔軸線L2と気筒中心軸線L1との成す角θ1が45°から90°の範囲になるように構成されている。実施の形態1のエンジン2では、8つの噴孔18の噴孔軸線L2に対してそれぞれダクト20が設けられている。ダクト20は、中空管の中心軸線が噴孔軸線L2と一致する位置になるように構成されている。
The
実施の形態1のダクト支持体30には、熱伝導性の高い材料が選択される。このような材料としては、例えば、銀、銅、金、アルミニウムなどの金属素材、ベリリウム銅、銅クロム亜鉛などの合金素材、STC(Super Thermal Conductive)素材等を用いることができる。また、ダクト支持体30は、シリンダヘッド4よりも熱伝導性の高い材料を用いることが好ましい。例えば、シリンダヘッド4がアルミニウムである場合には、ダクト支持体30は、アルミニウムよりも熱伝導率の高い銅などの素材を用いることが望ましい。
For the
また、実施の形態1のダクト支持体30は、その特徴的な構成として、遮熱膜40が形成されている。図3は、実施の形態1に係るエンジンのダクト支持体を下面側から模式的に示す図である。また、図4は、図3中のダクト支持体をB−B線で切断した断面を模式的に示す図である。これらの図に示すように、実施の形態1のダクト支持体30は、燃焼室8に露出している外面である内側面34、外側面36、及び下面38に、遮熱膜40が形成されている。遮熱膜40は、例えば次のような手順で形成される。先ず、ダクト支持体30の内側面34、外側面36、及び下面38の全体にニッケルクロム系のセラミックス粒子が溶射される。次いで、ニッケルクロム系の膜の表面全体にジルコニア粒子が溶射される。このような二段階の溶射によれば、ニッケルクロム系の中間層と、ジルコニアの表面層を備える溶射膜を、遮熱膜として形成することができる。この溶射膜は、溶射の過程で形成された内部気泡に由来する多孔質構造を有している。故に、この溶射膜は、ダクト支持体30の素材よりも熱伝導率の低い遮熱膜として機能する。なお、遮熱膜の形成手順は特に限定されない。また、溶射方式についても、フレーム溶射、高速フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、レーザー溶射等、各種方式を採用することができる。
Further, the
[実施の形態1の動作]
圧縮自着火式のエンジン2では、燃焼室8内に充填された空気が圧縮された状態で、燃料噴射ノズル16から燃料が噴射される。噴射された燃料は、充填空気と混合されて燃料濃度の均質化が進められた後、自着火による燃焼が行われることが好ましい。しかしながら、例えば、ダクト20を備えていない構成では、燃料噴射ノズル16から噴射された燃料が、燃焼室8の熱を受けて逸早く過熱し、充填空気と十分に混合される前に自着火してしまうおそれがある。この場合、過濃燃料が燃焼することによるスモークの発生や、後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下が問題となる。
[Operation of Embodiment 1]
In the compression self-
実施の形態1のエンジン2では、上記の問題を解決する手段として、燃焼室8内にダクト20を設けることとしている。燃料噴射ノズル16から噴射された燃料噴霧は、入口202からダクト20の内部へと導入される。また、ダクト20の入口202は燃焼室8内に露出しているため、燃焼室8内の充填空気もまた、ダクト20の入口202から内部へと導かれる。ダクト20では、燃料噴霧と充填空気とが冷却されながら混合されるので、早期に自着火することなく燃料濃度の均質化が進められる。十分に予混合が進められた混合気は、ダクト20の出口204から噴射される。噴射された混合気は、燃焼室8の熱を受けて自着火して燃焼する。
In the
ここで、ダクト20を構成しているダクト支持体30の素材は、熱伝導性の高い材料で構成されている。このような構成によれば、ダクト20へ導かれた燃料噴霧と充填空気を冷却する冷却性能を高めることができるので、自着火を抑制して燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することが可能となる。
Here, the material of the
また、実施の形態1のダクト支持体30は、燃焼室8に露出している内側面34、外側面36、及び下面38が遮熱膜40で覆われている。このような構成によれば、燃焼室8からダクト支持体30への熱伝達を抑制することができるので、ダクト20の過熱を防ぐことができる。
Further, in the
このように、実施の形態1のエンジン2によれば、噴射された燃料噴霧がダクト20を通過する過程で、自着火を抑制しながら燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することができる。これにより、均質化される前の過濃燃料が自着火することによるスモークの発生を抑制することが可能となる。
As described above, according to the
また、実施の形態1のエンジン2によれば、ダクト20を通過する間の自着火が抑制されるため、自着火時期を遅らせることができる。これにより、後燃え期間が短縮されるので、熱効率の向上を図ることができる。
Further, according to the
また、実施の形態1のエンジン2では、ダクト支持体30がシリンダヘッド4に接触しているため、ダクト支持体30からシリンダヘッド4への熱伝達を促進することができる。これにより、ダクト20内の混合気の過熱を防いで予混合を促進することが可能となる。
Further, in the
また、実施の形態1のエンジン2では、ダクト20の中心軸線が噴孔軸線L2に一致している。このような構成によれば、燃料噴霧とダクト20の壁面との干渉を防ぐことができるので、効率よく燃料濃度の均質化を図ることができる。
Further, in the
また、実施の形態1のエンジン2では、ダクト20の中心軸線が気筒中心軸線L1と成す角θ1が45°から90°の範囲に設定されている。このような構成によれば、ダクト20内の気流による噴霧貫徹力の低下を抑制することが可能となる。
Further, in the
[実施の形態1の変形例]
実施の形態1のエンジン2は、以下のように変形した形態を採用してもよい。
[Modification of Embodiment 1]
The
ダクト支持体30の形状は円環形状に限られない。すなわち、ダクト支持体30は、シリンダヘッド4の天面部42に固定可能であり、ダクト20の入口202と出口204を燃焼室8に連通させることができる形状であればよい。なお、ダクト支持体30の上面32とシリンダヘッド4の天面部42との接触面積が大きいほど、ダクト支持体30からシリンダヘッド4への熱伝達性は向上する。そこで、ダクト支持体30の形状は、シリンダヘッド4との接触面積が極力大きくなるような形状を採用することが好ましい。
The shape of the
ダクト20の構成は、燃料噴射ノズル16の噴孔18から噴射された燃料が入口202から出口204へ通過するように構成されていれば、その形状、本数等に限定はない。
The configuration of the
遮熱膜40は、ダクト支持体30の素材よりも熱伝導率が低い膜であれば、その材質、形状、膜厚、及び形成方法に限定はない。例えば、遮熱膜40は、溶射膜の構成に限らず、ダクト支持体30の素材よりも熱伝導率が低い素材を遮熱膜40としてダクト支持体30の外面に密着させる構成でもよい。なお、遮熱膜40は、燃焼室8に露出しているダクト支持体30の外面全体に形成されていることが好ましいが、燃焼室8に露出している外面の一部に形成される構成でもよい。
As long as the
実施の形態2.
実施の形態2について図を参照して説明する。
Second Embodiment
The second embodiment will be described with reference to the drawings.
[実施の形態2の特徴]
図5は、実施の形態2に係るエンジンを図1中のA−A線と同じ位置で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。また、図6は、図5中エンジンをC−C線で切断した断面を模式的に示す図である。なお、図5及び図6において、図2と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
[Features of Embodiment 2]
FIG. 5 is a schematic perspective view of the internal structure taken from the side of the engine according to the second embodiment at the same position as the line A-A in FIG. Moreover, FIG. 6 is a figure which shows typically the cross section which cut | disconnected the engine in FIG. 5 by CC line. In FIGS. 5 and 6, the elements shared with FIG. 2 are assigned the same reference numerals and detailed explanations thereof will be omitted.
図5及び図6に示すように、実施の形態2のエンジン2は、ダクト支持体30の一部がシリンダヘッド4内の冷却水流路46に露出している点に特徴を有している。より詳しくは、ダクト支持体30の上面32には、シリンダヘッド4の天面部42の側から冷却水流路46へと貫通する露出部50が設けられている。露出部50は、冷却水流路46の内部において、冷却水の流通方向に沿って延びた形状を有している。このような露出部50の形状によれば、ダクト20を通過する燃料噴霧及び充填空気からダクト支持体30へと伝達された熱が、露出部50を介して冷却水流路46内の冷却水へと放熱される。これにより、ダクト20の冷却性能を更に向上させることができるので、ダクト20の内部での燃料噴霧の蒸発による自着火を防いで予混合を促進することが可能となる。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
[実施の形態2の変形例]
実施の形態2のエンジン2は、以下のように変形した形態を採用してもよい。
[Modification of Embodiment 2]
The
露出部50は、シリンダヘッド4内に形成されている冷却水流路46に露出するように構成されているのであれば、その形状に限定はない。なお、露出部50は、冷却水流路46の内部において、冷却水の流通を妨げずに冷却水との接触面積を増やすことができる形状が好ましい。このような構造としては、例えば、冷却水流路46内の露出部50の表面に冷却水の流通方向に沿ったスリットを複数設ける構造や、露出部50の表面を波型にする構造を採用することができる。
As long as the exposed
2 内燃機関(エンジン)
4 シリンダヘッド
6 シリンダブロック
8 燃焼室
12 吸気バルブ
14 排気バルブ
16 燃料噴射ノズル
18 噴孔
20 ダクト
30 ダクト支持体
32 上面
34 内側面
36 外側面
38 下面
40 遮熱膜
42 天面部
44 取付穴
46 冷却水流路
50 露出部
62 シリンダボア
202 入口
204 出口
2 Internal combustion engine (engine)
4 cylinder head 6
Claims (7)
燃料を噴射する噴孔を有し、前記噴孔が前記内燃機関のシリンダヘッドから前記燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、
前記シリンダヘッドの天面に固定され、前記燃料噴射ノズルの前記噴孔から噴射された燃料噴霧が通過する中空のダクトが内部に形成されたダクト支持体と、を備え、
前記ダクト支持体は、前記ダクトの入口及び出口が前記燃焼室に露出するように構成され、
前記燃焼室に露出している前記ダクト支持体の外面のうち少なくとも一部に形成された遮熱膜を備え、
前記遮熱膜は、前記ダクト支持体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有することを特徴とする内燃機関。 In a compression self-ignition internal combustion engine that performs combustion by injecting fuel into a compressed combustion chamber,
A fuel injection nozzle having an injection hole for injecting fuel, the injection hole being exposed from a cylinder head of the internal combustion engine to the combustion chamber;
A hollow duct fixed to a top surface of the cylinder head and through which a fuel spray injected from the injection hole of the fuel injection nozzle passes is formed inside the duct support;
The duct support is configured such that the inlet and the outlet of the duct are exposed to the combustion chamber,
A heat shielding film formed on at least a part of the outer surface of the duct support exposed to the combustion chamber;
The internal combustion engine, wherein the heat shielding film has a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the duct support.
前記ダクト支持体は、前記冷却水流路の内部に露出する露出部を含んで構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関。 Inside the cylinder head, a cooling water flow path for circulating the cooling water is formed;
The internal combustion engine according to claim 1, wherein the duct support includes an exposed portion exposed to the inside of the cooling water flow path.
前記ダクトは、前記複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の内燃機関。 The fuel injection nozzle has a plurality of injection holes having different injection directions,
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of the ducts are provided corresponding to each of the plurality of injection holes.
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