JP4254614B2 - Premixed compression ignition engine - Google Patents
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Description
本発明は、予混合圧縮自着火機関に関する。 The present invention relates to a premixed compression self-ignition engine.
従来の内燃機関は大きく分けると、SI(Spark Ignition)エンジンと、ディーゼルエンジンの2つである。しかし、SIエンジンはリーン化で熱効率向上が可能だが、火炎伝播可能な当量比に限界があるため、スロットルによる空気量の調整が必要で熱効率はディーゼルエンジンより劣る。また、ディーゼルエンジンは、熱効率は良いが十分な混合がなされないため、局所高温燃焼によりNOxが発生し易く、局所リッチで煤が発生し易い。 Conventional internal combustion engines can be broadly divided into two types: SI (Spark Ignition) engines and diesel engines. However, the SI engine can improve heat efficiency by leaning, but there is a limit to the equivalence ratio that allows flame propagation, so adjustment of the air amount by the throttle is necessary and the heat efficiency is inferior to that of the diesel engine. Diesel engines have good thermal efficiency but are not sufficiently mixed. Therefore, NOx is likely to be generated by local high-temperature combustion, and soot is likely to be locally rich.
これらのエンジンと比較して、予混合圧縮自着火機関は予混合するため、局所の高温やリッチが発生する可能性が小さく、低NOxで煤の発生はほとんど無い。また、化学変化による着火のため、当量比に対する依存度がSIエンジンよりも少ないため、大幅なリーン化が可能でありディーゼルエンジン並の熱効率を得ることができる。これらの長所を備えた予混合圧縮自着火機関が注目されている。予混合圧縮自着火燃焼は、熱が十分すぎると急激な燃焼となり、逆に、熱が足りないと失火してしまうため、現行のエンジンと比較して失火やノック・過早着火等が発生し易くなり、運転可能範囲が狭くなり易いという問題がある。 Compared to these engines, the premixed compression auto-ignition engine premixes, so there is less possibility of local high temperature and richness, and low NOx and almost no soot generation. In addition, because of the ignition due to chemical change, the dependence on the equivalence ratio is less than that of the SI engine, so that a significant leaning is possible and the thermal efficiency equivalent to that of a diesel engine can be obtained. A premixed compression auto-ignition engine having these advantages has attracted attention. In premixed compression auto-ignition combustion, if the heat is too high, it becomes abrupt combustion, and conversely, if there is not enough heat, it will misfire, causing misfire, knocking, pre-ignition, etc. compared to the current engine. There is a problem that the operating range is easily narrowed.
ノッキング等の異常燃焼を抑制する予混合圧縮自着火燃焼を行わせるため、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめるようにした予混合圧縮自着火機関が提案されている(特許文献1参照。)。そして、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめる方法として、気筒内の燃料分布を不均一な状態とすること、環流ガスが気筒内で不均一な分布状態となるようにすること等が提案されている。 In order to perform premixed compression autoignition combustion that suppresses abnormal combustion such as knocking, a premixed compression autoignition engine is proposed in which a non-uniform distribution state is generated in the cylinder (see Patent Document 1). ). Then, as a method for generating a non-uniform distribution state in the cylinder, it is proposed to make the fuel distribution in the cylinder non-uniform and to make the circulating gas non-uniform distribution in the cylinder. Has been.
また、ガソリンエンジンにおいて安定した圧縮自着火燃焼を行わせるために、排気ポートから排気ガスを燃焼室内に逆流させるとともに、その逆流排気ガスを燃焼室の外周に沿って流入させることが提案されている(特許文献2参照。)。具体的には、図12に示すように、燃焼室61に連通する第1吸気ポート62及び第2吸気ポート63と、燃焼室61に連通する第1排気ポート64及び第2排気ポート65とを備えている。各ポートの開口部62a,63a,64a,65aは、それぞれ図示しない弁により開閉されるようになっている。第1吸気ポート62には燃料噴射弁66が設けられ、第2吸気ポート63には開閉弁67が設けられている。燃焼室61の中心と対応する位置に点火プラグ68が設けられている。
Further, in order to perform stable compression auto-ignition combustion in a gasoline engine, it has been proposed to cause exhaust gas to flow back into the combustion chamber from the exhaust port and to flow back flow exhaust gas along the outer periphery of the combustion chamber. (See Patent Document 2). Specifically, as shown in FIG. 12, a
第2排気ポート65は、第1排気ポート64と同様に排気行程において既燃焼ガスを排出するが、吸気行程の途中において一時排気ガスが燃焼室61に逆流するように弁が開閉制御される。第2排気ポート65は逆流排気ガスが燃焼室61の外周方向に沿って流入するように、かつ第1吸気ポート62から流入する燃料が燃焼室61の中心部に向かって流入する邪魔にならないように設けられている。そして、燃焼室61の外周部領域に逆流排気(内部EGR)が主として分布し、燃焼室61の中心部領域に燃料と空気との混合気が分布する状態になっている。
予混合圧縮自着火燃焼において、気筒内の温度ムラや混合気ムラは確かに燃焼状態に影響を与えるが、ムラの状態によってはノッキングから一気に失火する可能性もある。特許文献1には、具体的な気筒内混合気の状態に関して記載がない。一方、特許文献2に記載されたように、燃焼室の中心部に混合気を集め、燃焼室の壁面に沿うように内部EGRの逆流排気ガス(以下、単に内部EGRガスと言う。)を流入させる方法においては、予混合圧縮自着火燃焼を安定して行うことができる。ところで、内部EGRガスは既燃焼ガスのため燃えないので、内部EGRガス量はできるだけ少なくしたい。しかし、内部EGRガスを燃焼室の壁面に沿うように流入させる特許文献2の方法では、燃焼室の壁面は冷却水等の冷却効果で中心部より低くなっているため、内部EGRガスの温度が下がり易くなり、低負荷での運転時に燃焼が不安定になる虞がある。また、そのため、内部EGRガス量を少なくするのが難しく、その分、燃焼室に供給する混合気の量を多くすることができない。従って、内部EGRガスを燃焼室の壁面側に集める方法では、広い負荷範囲において安定して予混合圧縮自着火燃焼をおこなうのは難しい。 In the premixed compression self-ignition combustion, the temperature unevenness and the air-fuel mixture unevenness in the cylinder certainly affect the combustion state, but depending on the state of the unevenness, there is a possibility of misfire from knocking. Patent Document 1 does not describe a specific state of the in-cylinder mixture. On the other hand, as described in Patent Document 2, the air-fuel mixture is collected at the center of the combustion chamber, and the backflow exhaust gas of the internal EGR (hereinafter simply referred to as internal EGR gas) flows along the wall surface of the combustion chamber. In this method, premixed compression auto-ignition combustion can be performed stably. By the way, since the internal EGR gas does not burn because it is already burned gas, it is desired to reduce the amount of internal EGR gas as much as possible. However, in the method of Patent Document 2 in which the internal EGR gas is caused to flow along the wall surface of the combustion chamber, the wall surface of the combustion chamber is lower than the center due to the cooling effect of cooling water or the like. It tends to fall, and there is a possibility that combustion becomes unstable during operation at a low load. For this reason, it is difficult to reduce the amount of internal EGR gas, and accordingly, the amount of air-fuel mixture supplied to the combustion chamber cannot be increased. Therefore, in the method of collecting the internal EGR gas on the wall surface side of the combustion chamber, it is difficult to stably perform premixed compression auto-ignition combustion over a wide load range.
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部EGRを使用して、広い負荷範囲において安定した予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる予混合圧縮自着火機関を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a stable prediction over a wide load range by using an internal EGR that causes a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber. An object of the present invention is to provide a premixed compression autoignition engine capable of performing mixed compression autoignition combustion.
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関である。吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部EGRを行う内部EGR手段が設けられ、前記燃焼室に逆流する排気ガスが前記燃焼室の径方向における中心部側に流入するように排気吸入ポートが設けられている。吸気ポートから前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の径方向における中心部側に流入した排気ガスの外側となるように吸気ポートが設けられている。そして、前記吸気ポートは2個設けられ、第1吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れとなるように該燃焼室に酸素含有ガスを供給し、第2吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れでかつ、第1吸気ポートからの吸気ガスと前記排気ガスの間になるように該燃焼室に燃料と酸素含有ガスとの混合気を供給する。ここで、「吸気」とは、燃焼室に接続された吸気ポートから燃焼室に供給される気体を意味し、空気等の含有酸素ガスに限らず、それらと燃料ガスとの混合気をも含む。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an air-fuel mixture of fuel and oxygen-containing gas is compressed by a piston in a combustion chamber by self-ignition combustion, and the reciprocating motion of the piston is rotated by an output shaft. It is a premixed compression auto-ignition engine that is in motion. There is provided an internal EGR means for performing an internal EGR for causing a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber in the course of the intake stroke, and the exhaust gas flowing backward to the combustion chamber is disposed at the center in the radial direction of the combustion chamber. An exhaust suction port is provided to flow in. The intake port is provided so that the intake air supplied from the intake port to the combustion chamber is outside the exhaust gas that has flowed into the center side in the radial direction of the combustion chamber. Two intake ports are provided, and the first intake port has an oxygen-containing gas in the combustion chamber so that the exhaust gas flowing into the combustion chamber flows in the same direction as the flow in the circumferential direction of the combustion chamber. The second intake port is a flow in the same direction as the flow of the exhaust gas flowing into the combustion chamber in the circumferential direction of the combustion chamber, and between the intake gas from the first intake port and the exhaust gas. Thus, a mixture of fuel and oxygen-containing gas is supplied to the combustion chamber. Here, “intake” refers to gas supplied to the combustion chamber from an intake port connected to the combustion chamber, and includes not only oxygen gas such as air but also a mixture of these and fuel gas. .
この発明では、内部EGR手段により吸気行程の途中において排気ガスの一部が排気ポートから燃焼室内に逆流される。燃焼室内に逆流される排気ガス(内部EGRガス)は、燃焼室の中心部側に流入し、吸気ポートから燃焼室に供給される吸気は排気ガスの外側となるように供給されて、内部EGRガスが内側となる成層状態で圧縮行程において圧縮される。そして、内部EGRガスと混合気との境界部から圧縮自着火が生じ、着火性が向上して安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。
また、混合気が内部EGRガスと酸素含有ガスとの中間に位置するサンドイッチ状の成層状態で圧縮されるため、中央部がリーンで高温な混合気、その外側がややリッチで若干温度が低い混合気、燃焼室の壁面側がほぼ酸素含有ガスに近い層になる。その結果、ピストンのクレビスに混合気が入り込むのが抑制され、予混合圧縮自着火燃焼で排出量が多いとされるHC(炭化水素)やCOの排出量が低減され、燃焼効率が向上する。また、混合気が燃焼室の壁面に接触して温度低下するのが抑制されて熱効率が向上する。
In the present invention, a part of the exhaust gas is caused to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber during the intake stroke by the internal EGR means. Exhaust gas (internal EGR gas) flowing back into the combustion chamber flows into the center of the combustion chamber, and the intake air supplied from the intake port to the combustion chamber is supplied to the outside of the exhaust gas, and the internal EGR The gas is compressed in the compression stroke in the stratified state where it is inside. And compression auto-ignition arises from the boundary part of internal EGR gas and an air-fuel | gaseous mixture, premixed compression auto-ignition combustion can be performed in the stable state where ignitability improved.
In addition, since the air-fuel mixture is compressed in a sandwich-like stratified state located between the internal EGR gas and the oxygen-containing gas, the air-fuel mixture is lean and hot at the center, and the outside is slightly rich and slightly lower in temperature The wall surface of the combustion chamber is almost a layer close to the oxygen-containing gas. As a result, the air-fuel mixture is prevented from entering the clevis of the piston, the amount of HC (hydrocarbon) and CO, which are considered to be large in premixed compression auto-ignition combustion, is reduced, and the combustion efficiency is improved. In addition, the temperature of the air-fuel mixture coming into contact with the wall surface of the combustion chamber is suppressed and the thermal efficiency is improved.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記排気ポートは2個設けられ、一方の排気ポートが前記排気吸入ポートを構成する。従って、この発明では、排気吸入ポートを内部EGRガスが燃焼室の中心部側に流入するのに適した形状に形成しても、他方の排気ポートが存在することにより、排気行程において燃焼室内の既燃焼ガスを円滑に排気することができる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, two exhaust ports are provided, and one exhaust port constitutes the exhaust suction port. Therefore, in the present invention, even if the exhaust intake port is formed in a shape suitable for the internal EGR gas to flow into the center of the combustion chamber, the presence of the other exhaust port makes it possible to The burnt gas can be exhausted smoothly.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記排気ポートは、ヘリカルポートとして設けられ、前記第1吸気ポートは、前記燃焼室の内壁面周方向に対する接線方向に延びるように形成され、前記第2吸気ポートは、上流側から前記第1吸気ポートとの間隔が徐々に拡がるように直線状に延びるとともに下流端部が前記第1吸気ポートの下流端部に近づくように屈曲されている。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the exhaust port is provided as a helical port, and the first intake port is tangent to the circumferential direction of the inner wall surface of the combustion chamber. The second intake port extends linearly from the upstream side so that the distance from the first intake port gradually increases, and the downstream end portion is the downstream end portion of the first intake port. It is bent so that it approaches.
本発明によれば、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部EGRを使用して、広い負荷範囲において安定した予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to perform premixed compression self-ignition combustion stably over a wide load range by using the internal EGR that causes a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber.
(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図1〜図5に従って説明する。図1は予混合圧縮自着火機関の燃焼室、吸気ポート、排気ポートの関係を示す模式平面図であり、図2は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic plan view showing a relationship between a combustion chamber, an intake port, and an exhaust port of a premixed compression self-ignition engine, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the premixed compression self-ignition engine.
図2に示すように、予混合圧縮自着火機関10(以下、単に機関と称す場合もある。)は、機関本体11と、予混合圧縮自着火機関10を電子制御する制御装置12とを備えている。
As shown in FIG. 2, the premixed compression autoignition engine 10 (hereinafter sometimes simply referred to as an engine) includes an
機関本体11は、複数のシリンダ13a(図では1個のみ図示)が形成されたシリンダブロック13と、シリンダヘッド14とを備えている。各シリンダ13a内にはピストン15が往復動可能に設けられている。ピストン15と、シリンダ13a及びシリンダヘッド14によって燃焼室16が形成されている。ピストン15は燃焼室16での吸気・圧縮後の爆発燃焼から得られる推進力によってシリンダ13a内を往復運動し、ピストン15の往復運動がコンロッド17を介して出力軸としてのクランクシャフト18の回転運動に変換されて出力が得られる。機関本体11は4サイクル内燃機関である。
The
シリンダヘッド14には第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20と、第1の排気ポート21と、排気吸入ポートとしての第2の排気ポート22とが設けられている。第2の排気ポート22はヘリカルポートとして形成されており、第2の排気ポート22から燃焼室16へ逆流する排気ガスが燃焼室16の中心部に流入するように設けられている。第2の排気ポート22は排気ガスが渦流(スワール)となって燃焼室16に流入し易い形状に形成されているため、排気行程における排気に適した形状ではない。排気行程における排気を円滑に行うため、第1の排気ポート21は第2の排気ポート22より内径が大きく形成されている。
The
第1吸気ポート19は、吸気(新気)が、第2の排気ポート22から燃焼室16内に逆流する排気ガスの流れと同方向で燃焼室16の周壁面に沿う流れとなって供給されるように形成されている。具体的には燃焼室16の内壁面に対する接線方向に延びるように形成されている。第2吸気ポート20は、吸気(新気)が、第1吸気ポート19から燃焼室16内に供給される吸気と逆方向で燃焼室16の周壁面に沿う流れとなるように形成されている。
The
各吸気ポート19,20には燃焼室16に臨む開口部をそれぞれ開閉する吸気弁23,24が設けられ、各排気ポート21,22には燃焼室16に臨む開口部をそれぞれ開閉する排気弁25,26が設けられている。両吸気弁23,24は、可変動弁機構27により同時に開閉可能に構成されている。両排気弁25,26は、可変動弁機構28により、排気行程においては同時に開閉可能に、かつ吸気行程においては第2の排気ポート22の排気弁26のみが吸気行程の途中においても開閉可能に構成されている。可変動弁機構27,28は、カムシャフト29,30を使用してカム31,32により吸気弁23,24あるいは排気弁25,26を開閉作動させる公知のバルブタイミング可変機構が使用されている。排気弁26用のカム32には2段カムが使用され、一つのカムで排気行程における排気弁26の開閉と、吸気行程における排気弁26の開閉とが可能に構成されている。第2の排気ポート22、排気弁26及び可変動弁機構28により内部EGR手段が構成されている。
Each
シリンダヘッド14には下流側で分岐して両吸気ポート19,20に繋がる吸気通路34と、上流側で分岐して両排気ポート21,22に繋がる排気通路35とがそれぞれ接続されている。吸気通路34には分岐部より上流に燃料噴射ノズル36が設けられ、燃料噴射ノズル36は管路37を介して図示しない燃料タンクに接続されている。管路37の途中には燃料供給量を制御する電磁制御弁38が設けられている。この実施形態では燃料として天然ガスが使用されている。また、吸気通路34の燃料噴射ノズル36より上流にはスロットルバルブ39及びエアクリーナ40が設けられている。スロットルバルブ39はスロットルモータ(電動モータ)41によって作動される電動式であり、スロットルバルブ39を開度調整することにより、燃焼室16内に供給される酸素含有ガスとしての吸入空気の流量が調整される。吸気通路34には燃料噴射ノズル36より上流側に、吸気通路34内の温度を検出する温度センサ42と、吸気流量を検出するエアフローメータ43とが設けられている。
The
第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20には、燃焼室16へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁44a,44bがそれぞれ設けられている。流量調整弁44a,44bはバタフライバルブの一種であり、アクチュエータ45によって駆動されて全閉位置と全開位置との間で回動する。流量調整弁44a,44bは、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16への吸気の供給量をそれぞれ調整可能になっている。流量調整弁44a,44bは、第1吸気ポート19からのみ吸気を供給する状態と、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から吸気を供給する状態とに切り替える切替手段を構成する。
The
予混合圧縮自着火機関10の運転を制御する制御装置12は、出力設定手段46により設定された負荷及び回転速度の要求を満たした状態で機関10が運転されるように、可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、スロットルモータ41及び流量調整弁44a,44bを制御する。
The
制御装置12はマイクロコンピュータ(以下「マイコン」と称す)47を内蔵する。マイコン47は記憶装置としてのメモリ(ROMおよびRAM)48を備える。温度センサ42、エアフローメータ43、機関本体11における水温を検出する水温センサ49、機関本体11の回転速度、即ちクランクシャフト18の回転速度を検出する回転速度センサ50、出力設定手段46は、制御装置12の入力側(入力インタフェイス)にそれぞれ電気的に接続されている。可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、スロットルモータ41及び流量調整弁44a,44bは、制御装置12の出力側(出力インタフェイス)にそれぞれ電気的に接続されている。
The
制御装置12は、各センサ類から出力される検出信号に基づいて予混合圧縮自着火機関10の運転状態を判断し、所定の運転状態となるように可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、スロットルモータ41及び流量調整弁44a,44bを制御する。制御装置12は、エアフローメータ43の検出信号及び電磁制御弁38の開度に基づいて空燃比を演算する。
The
メモリ48には、温度センサ42、エアフローメータ43、水温センサ49及び回転速度センサ50の検出信号から把握される運転状態に基づいて、予混合圧縮自着火機関10の制御のために指令すべき各種指令値(制御値)の決定に用いられるマップ、式等が記憶されている。前記マップ、式等には、例えば燃料噴射量、スロットル開度、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20からの吸気供給量を決めるマップ、式等が含まれる。
In the
メモリ48には、予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップが記憶されている。前記マップには図3に示すように、予混合圧縮自着火燃焼(HCCI)可能な範囲が、負荷とクランクシャフト18の回転速度との関係として、即ち負荷と機関の回転速度との関係として表されているマップM1がある。また、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲での機関の回転速度及び負荷に対する空燃比のマップがある。また、第1及び第2吸気ポート19,20からどのように吸気を供給するか、即ち流量調整弁44a,44bの適正調整状態を負荷及び機関の回転速度との関係で示すマップもある。これらのマップは予め試験に基づいて作成される。
The
制御装置12は、前記マップM1に基づいて要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かを判断し、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能な場合は要求負荷及び回転速度に対応するように制御を行う。制御装置12は、要求負荷及び回転速度に対応する予混合圧縮自着火機関10の運転条件に基づいて吸気をどのような状態で燃焼室16へ供給するか、即ち第1吸気ポート19のみから、あるいは第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から供給するかを判断する。そして、判断結果に基づいて流量調整弁44a,44bを制御する。制御装置12は、要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が不能な場合は、要求回転速度及び負荷に近い予混合圧縮自着火燃焼可能な運転条件、即ち要求回転速度及び負荷に近い目標回転速度及び負荷に対応する運転条件に基づいて流量調整弁44a,44bを制御する。
Based on the map M1, the
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
制御装置12は、水温センサ49及び回転速度センサ50等の検出信号から機関本体11の運転状態を把握する。制御装置12は、暖機完了後、出力設定手段46で設定された要求回転速度及び負荷を満たす条件又はそれに近い条件で予混合圧縮自着火燃焼を行うように予混合圧縮自着火機関10の運転を制御する。暖機が完了したか否かの判断は、水温センサ49の検出信号に基づいて行われ、水温センサ49の検出温度が暖機が完了した状態の温度以上の場合、暖機が完了したと判断する。暖機が完了した状態の温度は、予め試験により求められてメモリ48に記憶されている。
Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described.
The
制御装置12は、暖機完了後、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かをマップM1に基づいて判断する。その判断結果に従って、要求回転速度及び負荷を満たす状態あるいは要求回転速度及び負荷に近い状態で予混合圧縮自着火燃焼運転を行うように、目標回転速度及び負荷を演算する。そして、その目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となる空燃比を演算し、電磁制御弁38、スロットルモータ41、可変動弁機構27,28を制御する。また、制御装置12は、運転条件に応じて第1吸気ポート19からのみ吸気を供給するか、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から吸気を供給するかを判断して、運転条件に適した吸気の供給状態に流量調整弁44a,44bを調整するように指令信号を出力する。
The
第2の排気ポート22から燃焼室16へ逆流する排気ガス(内部EGRガス)は、一定方向の渦流(矢印V1)となって燃焼室16の中心部に流入する。そして、第1吸気ポート19からのみ吸気(新気)が供給され、第2の排気ポート22から排気ガスが逆流する場合、図4(a)に示すように、吸気は内部EGRガスと同方向の流れ(矢印Y1)となって燃焼室16の内周に沿うように供給される。従って、内部EGRガスが中央付近(中心部付近)に集まり、その外側が新気となる成層状態となり、圧縮行程において筒内中央が高温となって、中央付近から自着火が起こり、安定して予混合圧縮自着火燃焼が行われる。第1吸気ポート19からのみ吸気が供給されるのは、比較的低負荷のときである。
Exhaust gas (internal EGR gas) that flows backward from the
また、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両者から吸気が供給され、第2の排気ポート22から排気ガスが逆流する場合、図4(b)に示すように、第2吸気ポート20から供給される吸気は、第1吸気ポート19から供給される吸気と逆方向の流れ(矢印Y2)となる。第2吸気ポート20から供給される吸気は、内部EGRガスとも流れの方向が逆のため、図4(b)に二点鎖線で示す範囲において混合が促進される。また、第1吸気ポート19から供給される吸気と、第2吸気ポート20から供給される吸気とがぶつかり合うことによっても混合が促進される。その結果、圧縮行程において吸気及び内部EGRガスが高温になった際、ホットスポットが少なくなり、燃焼が緩慢になるため、ノッキングが抑制されて予混合圧縮自着火燃焼が安定する。第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両者から吸気が供給されるのは比較的高負荷のときである。
When intake air is supplied from both the
内部EGRは吸気行程の途中で第2の排気ポート22を開閉することで行われる。図5は可変動弁機構27,28のバルブタイミングの一例を示す図である。吸気弁23,24及び排気弁25,26は、排気行程から吸気行程に移る際のピストン15の上死点(TDC)付近において開放状態のオーバーラップが存在するように開閉時期が設定されている。また、第2の排気ポート22を開閉する排気弁26は、排気行程においては排気弁25と同じタイミングで開閉されるが、吸気行程において単独で開閉される。
The internal EGR is performed by opening and closing the
この実施形態では以下の効果を有する。
(1)予混合圧縮自着火機関10は、吸気行程の途中において排気ガスの一部を燃焼室16の中心部側に流入するように逆流させる第2の排気ポート22を備えている。また、予混合圧縮自着火機関10は、第2の排気ポート22から燃焼室16内に流入する排気ガス(内部EGRガス)の流れと同方向の流れで、該内部EGRガスの外側となるように吸気を燃焼室16に供給する第1吸気ポート19を備えている。従って、圧縮時に内部EGRガスと混合気との境界部から圧縮自着火が生じ、着火性が向上して安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。その結果、低負荷側に予混合圧縮自着火燃焼の運転範囲が拡大する。
This embodiment has the following effects.
(1) The premixed compression self-
(2)内部EGRガスが燃焼室16の中心部に集められるため、圧縮された状態において、燃焼室16中央から周壁面の間の温度の勾配が急になる。内部EGRガスと吸気とが均一に混合されると、圧縮された状態において前記温度の勾配はなだらかになり、ノッキングが発生し易くなる。しかし、この実施形態では前記のように温度の勾配が急になるため、予混合圧縮自着火燃焼においてノッキングが発生し難くなる。また、内部EGRガスが中央部に集められるため、圧縮時において混合気の温度を高めるのに必要な不燃性の内部EGRガスの量を減らすことができ、その分、空気量を増やすことができるため高負荷側へ予混合圧縮自着火燃焼の運転範囲を拡大することができる。
(2) Since the internal EGR gas is collected at the center of the
(3)排気ポートは2個設けられ、一方の排気ポート22が排気吸入ポートを構成する。従って、排気吸入ポートを内部EGRガスが燃焼室16の中心部側に流入するのに適した形状に形成しても、他方の排気ポート21が存在することにより、排気行程において燃焼室16内の既燃焼ガスを円滑に排気することができる。その結果、一つの排気ポートで排気と内部EGRとを行う構成に比較して、排気及び内部EGRの条件を満足できる構成が容易になる。
(3) Two exhaust ports are provided, and one
(4)吸気ポートは2個設けられ、第1吸気ポート19は燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室16内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように燃焼室16に供給可能に構成され、第2吸気ポートは前記混合気を燃焼室16内に流入する排気ガスの流れと逆方向の流れとなるように燃焼室16に供給可能に構成されている。そして、第1吸気ポート19からのみ吸気を供給する状態と、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から吸気を供給する状態とに切り替える切替手段(流量調整弁44a,44b)が設けられている。従って、吸気の供給状態を運転条件に対応して切り替えることにより、広い負荷範囲にわたって安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。
(4) Two intake ports are provided, and the
(5)切替手段として第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20にそれぞれ流量調整弁44a,44bが設けられている。従って、1個の流量調整弁で両吸気ポート19,20から燃焼室16に供給される吸気の量を調整する構成に比較して、流量調整弁の構造が簡単で制御も容易となる。
(5) The flow
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態を図6〜図8に従って説明する。この実施形態は内部EGRガスが燃焼室16の中心部に流入し、吸気がその外側に供給される点は第1の実施形態と同じであるが、吸気としての燃料と酸素含有ガスとの混合気が、内部EGRガスと、酸素含有ガスとの間になるように供給される点が第1の実施形態と大きく異なっている。前記実施形態と同一部分に関しては同一符号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is the same as the first embodiment in that the internal EGR gas flows into the central portion of the
図6は予混合圧縮自着火機関の燃焼室、吸気ポート、排気ポートの関係を示す模式平面図であり、図2は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。
第1吸気ポート19からは酸素含有ガスが供給され、第2吸気ポート20からは燃料と酸素含有ガスとの混合気が供給されるようになっている。そのため、燃料噴射ノズル36は、第2吸気ポート20の流量調整弁44bより下流側に設けられている。
FIG. 6 is a schematic plan view showing the relationship between the combustion chamber, the intake port, and the exhaust port of the premixed compression self-ignition engine, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the premixed compression self-ignition engine.
An oxygen-containing gas is supplied from the
第1吸気ポート19は、酸素含有ガスを燃焼室16内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように燃焼室16に供給するように構成されている。第1吸気ポート19からの吸気の流れは、第2吸気ポート20からの吸気の流れより弱いスワールとなるように供給される。図6に示すように、第1吸気ポート19は燃焼室16の内壁面に対する接線方向に延びるように形成されている。
The
第2吸気ポート20は、燃焼室16に供給される混合気の流れが、第1吸気ポート19から燃焼室16内に供給される吸気と同方向で、かつ、第1吸気ポート19からの吸気と、第2の排気ポート22からの内部EGRガスとの間においてスワールになるように構成されている。具体的には、第2吸気ポート20は、図6に示すように、上流側から第1吸気ポート19との間隔が徐々に拡がるように直線状に延び、下流端部が第1吸気ポート19の下流端部に近づくように屈曲されている。
In the
この実施形態では、図8に示すように、第2の排気ポート22から燃焼室16へ逆流する排気ガス(内部EGRガス)は、一定方向の渦流(矢印V1)となって燃焼室16の中心部に流入する。そして、第1吸気ポート19からは酸素含有ガスが、内部EGRガスと同方向の流れ(矢印Y1)となって燃焼室16の内周に沿うように供給される。また、第2吸気ポート20からは燃料と酸素含有ガスとの混合気が、内部EGRガスと酸素含有ガスとの中間において内部EGRガスと同方向の流れ(矢印Y2)となるように燃焼室16に供給される。その結果、混合気が内部EGRガスと酸素含有ガスとの中間に位置するサンドイッチ状の成層状態において圧縮され、中央部(中心部)がリーンで高温な混合気、その外側(図8に網点を施した範囲)がややリッチで若干温度が低い混合気、燃焼室16の壁面側がほぼ酸素含有ガスに近い層の状態で予混合圧縮自着火燃焼が行われる。
In this embodiment, as shown in FIG. 8, the exhaust gas (internal EGR gas) flowing backward from the
この実施形態においては、前記第1の実施形態の(1)〜(3)と同様な効果が得られる他に、次の効果が得られる。
(6)混合気が燃焼室16の壁面側に存在する状態で予混合圧縮自着火燃焼が行われる場合、ピストン15のクレビス15aに混合気が入り込む状態となる。燃焼室16の壁面は冷却水の影響で温度が低いため、予混合圧縮自着火燃焼が行われる際、クレビス15aに入り込んだ状態の混合気は不完全燃焼となり、排気ガス中のHC(炭化水素)やCOの量が多くなる。しかし、この実施形態では、燃焼室16の壁面と対応する位置には酸素含有ガスが存在し、燃料がクレビス15a内に入り込むのが回避される。その結果、予混合圧縮自着火燃焼の際に、排気ガス中のHC(炭化水素)やCOの量を低減できる。また、燃焼効率が向上する。
In this embodiment, in addition to the same effects as (1) to (3) of the first embodiment, the following effects can be obtained.
(6) When premixed compression auto-ignition combustion is performed in a state where the air-fuel mixture exists on the wall surface side of the
(7)内部EGRガス及び混合気が燃焼室16の中央部に集められ、その外側が酸素含有ガスで覆われる状態で圧縮されて予混合圧縮自着火燃焼が行われる。従って、混合気が燃焼室16の壁面に接触することによる温度の低下が抑制されて熱効率が向上する。
(7) The internal EGR gas and the air-fuel mixture are collected at the center of the
(8)シリンダ13aの内周面(ボア壁)と対応する位置に酸素含有ガスの層が存在するため、ボア壁で起こり易い過早着火等の異常燃焼を抑制することができる。
(9)各吸気ポート19,20に流量調整弁44a,44bが設けられている。従って、1個の流量調整弁で両吸気ポート19,20から燃焼室16に供給される吸気の量を調整する構成に比較して、流量調整弁の構造が簡単で制御も容易となる。
(8) Since the oxygen-containing gas layer is present at a position corresponding to the inner peripheral surface (bore wall) of the
(9) The
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室16内に逆流する内部EGRガスが燃焼室16の中心部側に流入し、吸気ポートから燃焼室16に供給される吸気が燃焼室16の中心部側に流入した排気ガスの外側となるように吸気ポートが設けられていればよく、吸気ポートの数は2個に限らない。図9に示すように、燃焼室16内に流入する内部EGRガスの流れと同方向の流れで、該内部EGRガスの外側となるように吸気を燃焼室16に供給する1個の吸気ポート51を設けてもよい。この場合も内部EGRガスが燃焼室16の中心部側で混合気がその外側となる成層状態において圧縮が行われるため、第1の実施形態と同様に安定した状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
In the course of the intake stroke, internal EGR gas that flows back part of the exhaust gas from the exhaust port into the
○ 第2の実施形態のように、燃焼室16内に流入する内部EGRガスの流れと同方向の流れで、該内部EGRガスの外側となるように吸気を燃焼室16に供給する2個の吸気ポート19,20を備えた構成において、両吸気ポート19,20から混合気を燃焼室16に供給する構成としてもよい。即ち、第2の実施形態において、燃料噴射ノズル36を第2吸気ポート20に設ける代わりに、第1の実施形態のように吸気通路34に設ける構成としてもよい。
○ As in the second embodiment, the two intake air flows to the
○ 図10に示すように、排気吸入ポートとして使用される第2の排気ポート22に流量調整手段52が設けられた構成としてもよい。流量調整手段52として、例えば、スロットルバルブが設けられる。この場合、第2の排気ポート22(排気吸入ポート)から排気ガスを逆流させて内部EGRを行う場合、第2の排気ポート22を開閉する排気弁26の開閉時期が一定であっても、流量調整手段52で流量を調整することにより、燃焼状態の制御性を高めることができ、より適正な状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。図10は、第1の実施形態の構成に適用したものを示しているが、第2の実施形態の構成のものに適用してもよい。
As shown in FIG. 10, it is good also as a structure by which the flow volume adjustment means 52 was provided in the
○ 第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16へ供給される吸気が燃焼室16の内周面に沿って流入する形状となるように、シリンダヘッド14に両吸気ポート19,20を作り込む代わりに、図10に示すように、フラップ53を吸気ポート19,20に設けてもよい。フラップ53は図示しないロータリソレノイドにより、鎖線で示す待機位置と実線で示す作用位置とに配置されるように構成される。フラップ53は、待機位置に配置された状態では吸気ポート19,20を流れる吸気に殆ど影響を与えず、作用位置に配置された状態では吸気が偏流となって燃焼室16の内周面に沿うように流入する。従って、燃焼室16に流入する吸気の流れの状態を調整する自由度が高くなり、燃焼室16内の吸気と内部EGRガスとの混合状態の自由度が高くなる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼の制御性を高めることができる。図10は、第1の実施形態の構成に適用したものを示しているが、第2の実施形態の構成のものに適用してもよい。
○ Both
○ 第1の実施形態において、各吸気ポート19,20にそれぞれ流量調整弁44a,44bを設ける代わりに、図10に示すように、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20と吸気通路34との分岐部に、図示しないアクチュエータにより駆動される弁54を設けてもよい。弁54は、第2吸気ポート20を全閉する鎖線で示す位置と、両吸気ポート19,20への吸気の供給を許容する例えば実線で示す位置との間で回動される。
In the first embodiment, instead of providing the flow
○ 第2の実施形態において各吸気ポート19,20に流量調整弁44a,44bを設ける構成に代えて、図11に示すように、吸気通路34の分岐部に、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁55を設けてもよい。流量調整弁55は、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20への吸気の流量が流量調整弁55より上流における吸気通路34内の吸気の流量の0〜100%の範囲でそれぞれ調整可能になっている。即ち、流量調整弁55は、第1吸気ポート19からのみ吸気を供給する状態と、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から吸気を供給する状態とに流量を調整可能になっている。流量調整弁55として、例えばスプール弁を使用できる。
In the second embodiment, in place of the configuration in which the flow
○ 内部EGRを行う内部EGR手段として、排気ガスを吸入する専用の排気吸入ポートを設け、該排気吸入ポートに開閉弁あるいは流量調整弁を設けた構成としてもよい。
○ 排気ポートを1個としてもよい。しかし、1個にした場合は、吸気行程の途中において内部EGRガスを燃焼室16の中心部に渦流として流入させ、排気行程で排気を円滑に行うように構成するのが難しい。
As an internal EGR means for performing internal EGR, a dedicated exhaust intake port for intake of exhaust gas may be provided, and an open / close valve or a flow rate adjusting valve may be provided in the exhaust intake port.
○ One exhaust port may be used. However, in the case of using one, it is difficult to configure the internal EGR gas to flow into the center of the
○ 予混合圧縮自着火機関10の燃料は天然ガスに限らず、ガソリン、プロパンガス、メタノール、ジメチルエーテル、水素の他、ディーゼルエンジンで使用される燃料等任意の燃料を使用してもよい。
The fuel of the premixed compression self-
○ 暖機運転時のみ、燃料を圧縮自着火し易い燃料とし、暖機完了後に通常運転時の燃料に切り替える構成としてもよい。
○ 混合気は燃料が気体である必要はなく、霧状の液体であってもよい。
○ Only during warm-up operation, the fuel may be easily ignited by compression self-ignition, and after warm-up is complete, the fuel may be switched to that during normal operation.
○ The air-fuel mixture does not have to be gaseous fuel, and may be a mist-like liquid.
○ 燃料と混合する酸素含有ガスは空気に限らず、燃料を燃焼させるのに必要な酸素を含む酸素含有ガスであればよい。例えば、空気に酸素を混合して酸素濃度を高めたガスを使用してもよい。 O The oxygen-containing gas mixed with the fuel is not limited to air, but may be any oxygen-containing gas containing oxygen necessary to burn the fuel. For example, a gas in which oxygen is mixed with air to increase the oxygen concentration may be used.
○ 吸気通路34内に燃料を噴射して燃料と酸素含有ガスとを混合した混合気を燃焼室16へ吸入する構成に限らず、燃料を吸気行程中に燃焼室16に噴射する構成としてもよい。また、燃料はキャブレターやミキサー等で混合してもよい。
A configuration in which fuel is injected into the
○ 予混合圧縮自着火機関10はシリンダ(気筒)を複数備えた構成に限らず、単気筒であってもよい。
○ 吸気ポートを3個以上設けたり、排気ポートを3個以上設けたりしてもよい。
The premixed compression self-
○ Three or more intake ports may be provided, or three or more exhaust ports may be provided.
○ 可変動弁機構27,28は、カムシャフト29,30を使用してカム31,32により又はロッカアームを介して吸気弁23,24あるいは排気弁25,26を開閉作動させる構成に限らない。例えば、可変動弁機構27,28として、電磁駆動装置又は油圧アクチュエータで直接各吸気弁23,24あるいは排気弁25,26を開閉作動させる構成を採用してもよい。この場合、開閉時期の調整の自由度が高くなる。
The
○ 予混合圧縮自着火機関10として、燃焼室16に火花点火装置(点火プラグ)を設け、火花点火燃焼運転も可能に構成してもよい。この場合、予混合圧縮自着火燃焼では対応できない高回転速度及び高負荷の要求に対して火花点火燃焼で対応することができる。また、暖機運転を円滑に行うことができる。
As the premixed compression self-
○ 予混合圧縮自着火機関10は定置式のものに限らず、自動車のエンジンに適用してもよい。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
The premixed compression self-
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1)前記第1吸気ポート及び第2吸気ポートにはそれぞれ流量調整弁が設けられている。
(2)前記排気吸入ポート又は排気吸入ポートを構成する排気ポートには流量調整手段が設けられている。
(1) the previous SL each flow control valve in the first inlet port and the second intake port are provided.
(2) the flow rate adjusting means is provided before Symbol exhaust intake port or exhaust port to an exhaust inlet port.
10…予混合圧縮自着火機関、12…制御装置、15…ピストン、16…燃焼室、18…出力軸としてのクランクシャフト、19…第1吸気ポート、20…第2吸気ポート、21…第1の排気ポート、22…内部EGR手段を構成する排気吸入ポートとしての第2の排気ポート、26…内部EGR手段を構成する排気弁、28…同じく可変動弁機構、44a,44b…切替手段を構成する流量調整弁、51…吸気ポート。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部EGRを行う内部EGR手段が設けられ、前記燃焼室に逆流する排気ガスが前記燃焼室の径方向における中心部側に流入するように排気吸入ポートが設けられ、吸気ポートから前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の径方向における中心部側に流入した排気ガスの外側となるように吸気ポートが設けられており、
前記吸気ポートは2個設けられ、第1吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れとなるように該燃焼室に酸素含有ガスを供給し、
第2吸気ポートは、前記燃焼室内に流入する排気ガスの前記燃焼室の周方向における流れと同方向の流れでかつ、第1吸気ポートからの吸気ガスと前記排気ガスの間になるように該燃焼室に燃料と酸素含有ガスとの混合気を供給する予混合圧縮自着火機関。 A premixed compression auto-ignition engine in which an air-fuel mixture of fuel and oxygen-containing gas is compressed by a piston in a combustion chamber and self-ignition combustion is performed, and the reciprocating motion of the piston is a rotational motion of an output shaft,
There is provided an internal EGR means for performing an internal EGR for causing a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber in the course of the intake stroke, and the exhaust gas flowing backward to the combustion chamber is disposed at the center in the radial direction of the combustion chamber. An exhaust intake port is provided so as to flow in, and an intake port is provided so that the intake air supplied from the intake port to the combustion chamber is outside the exhaust gas flowing into the center side in the radial direction of the combustion chamber. And
Two intake ports are provided, and the first intake port supplies oxygen-containing gas to the combustion chamber so that the exhaust gas flowing into the combustion chamber flows in the same direction as the flow in the circumferential direction of the combustion chamber. And
The second intake port has a flow in the same direction as the flow of the exhaust gas flowing into the combustion chamber in the circumferential direction of the combustion chamber, and is located between the intake gas from the first intake port and the exhaust gas. A premixed compression auto-ignition engine that supplies a mixture of fuel and oxygen-containing gas to the combustion chamber .
前記第1吸気ポートは、前記燃焼室の内壁面周方向に対する接線方向に延びるように形成され、前記第2吸気ポートは、上流側から前記第1吸気ポートとの間隔が徐々に拡がるように直線状に延びるとともに下流端部が前記第1吸気ポートの下流端部に近づくように屈曲されている請求項1又は請求項2に記載の予混合圧縮自着火機関。 The exhaust port is provided as a helical port,
The first intake port is formed to extend in a tangential direction with respect to the circumferential direction of the inner wall surface of the combustion chamber, and the second intake port is a straight line so that the distance from the first intake port gradually increases from the upstream side. The premixed compression self-ignition engine according to claim 1 or 2, wherein the premixed compression self-ignition engine extends in a shape and is bent so that a downstream end portion approaches a downstream end portion of the first intake port .
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