JP6329340B2 - Internal combustion engine and internal combustion engine system - Google Patents
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Description
本発明は可燃性燃料を用いて駆動される内燃機関に係り、特に冷却損失を少なくした内燃機関及び内燃機関システムに関するものである。 The present invention relates to an internal combustion engine driven using a combustible fuel, and more particularly to an internal combustion engine and an internal combustion engine system with reduced cooling loss.
一般に、内燃機関は燃焼室に供給されて燃焼される燃料の発熱量の30%〜40%が動力に変換され、残りの50%〜60%は廃熱として外部に放出されるものである。火花点火式内燃機関の場合、その理論サイクルはオットーサイクルであって理論熱効率は60%を超えることが知られている。しかしながら、実際の燃焼サイクルでは様々な損失があり、その熱効率は30%〜40%に留まるものである。 Generally, in an internal combustion engine, 30% to 40% of the calorific value of fuel supplied to a combustion chamber and combusted is converted into power, and the remaining 50% to 60% is discharged to the outside as waste heat. In the case of a spark ignition type internal combustion engine, it is known that the theoretical cycle is an Otto cycle, and the theoretical thermal efficiency exceeds 60%. However, there are various losses in the actual combustion cycle, and the thermal efficiency is only 30% to 40%.
この損失の大きな原因の一つに燃焼室の冷却に伴う損失が挙げられる。この損失は一般的に冷却損失といわれ、内燃機関に供給される燃料の発熱量に対して20%〜30%を占め、これが内燃機関の廃熱の大きな部分を占める。 One of the major causes of this loss is the loss accompanying cooling of the combustion chamber. This loss is generally referred to as cooling loss and occupies 20% to 30% of the calorific value of the fuel supplied to the internal combustion engine, which accounts for a large portion of the waste heat of the internal combustion engine.
したがって、内燃機関の燃焼室を理想的に断熱化できれば、つまり、この冷却損失を無くすことができれば、実際の燃焼サイクルをオットーサイクルの理論効率に近づけることができる。また、この他に排気ガスとして捨てられる廃熱も比較的大きな部分を占めている。このため、燃焼室の断熱化は排気ガスの廃熱の割合を大きくできることから排気ガスの排熱回収による効率向上の効果が大きくなる。つまり断熱化と排熱回収を組み合わせることで、内燃機関の大幅な効率向上を実現できることになる。このため、燃焼室の断熱性を向上する開発が鋭意行われている。 Therefore, if the combustion chamber of the internal combustion engine can be ideally insulated, that is, if this cooling loss can be eliminated, the actual combustion cycle can be brought close to the theoretical efficiency of the Otto cycle. In addition, waste heat that is discarded as exhaust gas also occupies a relatively large part. For this reason, the heat insulation of the combustion chamber can increase the ratio of waste heat of the exhaust gas, so that the effect of improving the efficiency by exhaust heat recovery of the exhaust gas is increased. In other words, by combining heat insulation and exhaust heat recovery, a significant improvement in the efficiency of the internal combustion engine can be realized. For this reason, the development which improves the heat insulation of a combustion chamber is earnestly performed.
燃焼室の断熱化を行うためには、燃焼ガスと燃焼室の壁面の間の熱伝達を抑制することが重要であり、例えば、再公表特許WO2009−020206号公報(特許文献1)においては、燃焼室の表面温度を燃焼室内ガスの温度に近づけ、燃焼室内ガスの温度と燃焼室の表面温度との温度差を小さくし、対流熱伝達を小さくすることが提案なされている。特許文献1では燃焼室最表面の材料に熱伝導率、比熱の極めて低い材料を適用することが記載されている。材料としては例えば、空気層を含んだ複合材料を適用することが挙げられている。また、特許文献1とは別に燃焼室の断熱化を図るためセラミック材料を燃焼室壁面に溶射してコーティングする方法や、蓄熱材料を貼付する方法が提案されている。 In order to insulate the combustion chamber, it is important to suppress heat transfer between the combustion gas and the wall surface of the combustion chamber. For example, in the republished patent WO2009-020206 (Patent Document 1), It has been proposed to bring the surface temperature of the combustion chamber closer to the temperature of the combustion chamber gas, reduce the temperature difference between the temperature of the combustion chamber gas and the surface temperature of the combustion chamber, and reduce convective heat transfer. Patent Document 1 describes that a material having extremely low thermal conductivity and specific heat is applied to the material on the outermost surface of the combustion chamber. Examples of the material include applying a composite material including an air layer. In addition to Patent Document 1, in order to insulate the combustion chamber, a method of spraying and coating a ceramic material on the wall surface of the combustion chamber and a method of attaching a heat storage material have been proposed.
ところで、これまでの断熱化を図った内燃機関においては、特許文献1にあるように、空洞を多く持たせた複合材を適用することは耐熱性、耐圧性等の熱的、機械的な観点で課題を生じている。つまり、特許文献1では対流熱伝達を小さくするために、燃焼室内側の壁面を熱伝動率、比熱の極めて低い材料で構成している。このため、空気あるいは不活性ガスを含んだ材料を断熱材として提案している。この空気あるいは不活性ガスの割合が高いほど、熱伝導率、比熱が低くなり、断熱性能が向上するが、逆に空気あるいは不活性ガスを含んだ材料であるが故に耐熱性、耐圧性等の熱的、機械的特性が劣るという課題がある。 By the way, in an internal combustion engine that has achieved heat insulation so far, as disclosed in Patent Document 1, it is necessary to apply a composite material having a large number of cavities in terms of thermal and mechanical aspects such as heat resistance and pressure resistance. Is causing problems. That is, in Patent Document 1, in order to reduce convective heat transfer, the wall surface on the combustion chamber side is made of a material having a very low heat transfer coefficient and specific heat. For this reason, a material containing air or inert gas has been proposed as a heat insulating material. The higher the ratio of air or inert gas, the lower the thermal conductivity and specific heat, and the heat insulation performance is improved, but conversely, because it is a material containing air or inert gas, heat resistance, pressure resistance, etc. There is a problem that the thermal and mechanical properties are inferior.
本発明の目的は、燃焼室表面の温度を急速に高くして燃焼室の表面温度を燃焼ガスの温度に近づけて断熱性能を向上すると共に、断熱性を高める空気あるいは不活性ガスの割合を多くせずに熱的、機械的な強度を高めた内燃機関及びこの内燃機関を使用した内燃機関システムを提供するものである。 The object of the present invention is to rapidly increase the temperature of the combustion chamber surface to bring the combustion chamber surface temperature close to the temperature of the combustion gas to improve the heat insulation performance, and to increase the proportion of air or inert gas that enhances heat insulation. An internal combustion engine with improved thermal and mechanical strength and an internal combustion engine system using the internal combustion engine is provided.
本発明の特徴は、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設け、燃焼光によってこの輻射吸収層の表面温度を急速に高くして燃焼ガスから燃焼室の外部に流れる熱流束を少なくした、ところにある。 A feature of the present invention is that a radiation absorption layer formed of a material having a high radiation absorption rate is provided on the surface of the combustion chamber, and the surface temperature of the radiation absorption layer is rapidly increased by combustion light to flow from the combustion gas to the outside of the combustion chamber. The heat flux is low.
本発明によれば、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設けることで、燃焼光によって燃焼室の表面温度を輻射熱伝達で急速に高くすることができ、これによって燃焼によって生じた燃焼ガスの温度と輻射吸収層の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が燃焼室の外部に流れるのを抑制することで断熱性能を向上できる。しかも空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。 According to the present invention, by providing a radiation absorbing layer formed of a material having a high radiation absorption rate on the surface of the combustion chamber, the surface temperature of the combustion chamber can be rapidly increased by radiant heat transfer by the combustion light. The temperature difference between the temperature of the combustion gas and the radiation absorption layer generated by the above is reduced, and the heat insulation performance can be improved by suppressing the heat of the combustion gas from flowing outside the combustion chamber. In addition, since an auxiliary heat insulating mechanism such as air or inert gas can be avoided as much as possible, it is possible to ensure thermal and mechanical strength.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and application examples are included in the technical concept of the present invention. Is also included in the range.
図1に本発明の第1の実施形態になる燃焼室の一部断面を示している。内燃機関の構成は良く知られているのでここで詳細に説明しないが、燃焼室内の燃焼ガスと接触するのは、主にシリンダヘッド下壁、シリンダ内壁、ピストン頂面、吸排気バルブである。場合によっては筒内噴射式であればインジェクタが燃焼ガスと接触し、火花式点火機関では点火プラグが燃焼ガスと接触する。したがって、上述した構成要素の一つ以上が本実施例の適用対象となる。本実施例では燃焼室として典型的なシリンダ内壁面に輻射吸収層を形成した構成を説明する。 FIG. 1 shows a partial cross section of a combustion chamber according to the first embodiment of the present invention. The structure of the internal combustion engine is well known and will not be described in detail here. However, the cylinder head lower wall, the cylinder inner wall, the piston top surface, and the intake / exhaust valves are in contact with the combustion gas in the combustion chamber. In some cases, the injector is in contact with the combustion gas in the case of in-cylinder injection, and the spark plug is in contact with the combustion gas in a spark ignition engine. Accordingly, one or more of the above-described components are applicable to this embodiment. In this embodiment, a configuration in which a radiation absorbing layer is formed on a typical cylinder inner wall surface as a combustion chamber will be described.
図1において、参照番号101は高輻射吸収率材料から形成された輻射吸収層であり、その内側に低熱伝導率材料から形成された断熱層102が設けられ、更にその内側に燃焼室を構成する基材、つまり、シリンダを構成するシリンダ本体103が設けられている。基材としてのシリンダ本体103には冷却媒体である冷却水が流れており、シリンダ本体103の熱を外部に放出している、シリンダ本体103はアルミニウムやアルミニウム合金、鋳鉄、マグネシウム合金などから作られており、熱を効率よく冷却水に逃がすようになっている。また、本実施例の特徴である輻射吸収層101は燃焼ガスの燃焼光による輻射熱伝達で急速に温度が上昇する機能を備えており、この温度が上がった輻射吸収層101の温度をシリンダ本体103に逃がさないように断熱層102が設けられている。
In FIG. 1,
燃焼室内の燃焼ガスと接触する輻射吸収層101は輻射吸収率の高い材料で形成されており、代表的には次のような材料を用いることができる。例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、酸化錫、酸化ニッケル、タングステンカーバイド、硫化カドミウム、或いは銅・インジウム・錫等の化合物などよりなる酸化物、或いはカーボン等が用いられる。また、これらは、単独或いは組み合せて用いることができる。要は輻射吸収率が高く、しかも高温に耐える機能を備えていればよく、内燃機関の仕様によって適切に選択されれば良いものである。更に、この高輻射吸収率の材料で形成された輻射吸収層101の厚さは、望ましくは100μm以下の厚さを備えていれば良いものであるが、これも、内燃機関の仕様によって適切に選択されれば良いものである。このように輻射吸収層101の厚さを薄くするのは温度の上昇速度を早めるためである。また、一般に、金属酸化物は非酸化物に比べて光の吸収率が高い材料となり、その吸収率は70%以上となる。したがって、金属酸化物で輻射吸収率が所定以上、望ましくは70%以上の吸収率を備える材料を選択することが重要である。
The
また、シリンダ本体103と輻射吸収率層101の間に形成されている断熱層102は低熱伝導率材料から形成されており、代表的には次のような材料を用いることができる。例えば、ジルコニア、チタン、シリコン、炭素、珪素、酸素等を含んだ有機珪素化合物、または高耐熱性、高強度のセラミック繊維等を用いることができる。また、これらも、単独或いは組み合せて用いることができる。要は輻射吸収層101の熱がシリンダ本体103側に流れるのを抑制し、しかも高温に耐える機能を備えていれば良く、内燃機関の仕様によって適切に選択されれば良いものである。また、この場合、断熱層102は輻射吸収層101とシリンダ本体103との接合性が良いものが選ばれている。
Further, the
図2は図1に示す実施形態の変形例を示すものであり、輻射吸収層101の内部に断熱層102を形成したものである。この場合では、上記した高輻射吸収率材料の内部に低熱伝導率材料を分散させた構成としても良いが、空気や不活性ガスといった気体、もしくは減圧した空洞(真空も含む)で断熱層102を形成するものであっても良い。
FIG. 2 shows a modification of the embodiment shown in FIG. 1, in which a
このように、本実施例においては、シリンダ本体103の上面に断熱層102を形成し、更にその上面に輻射吸収層101を形成しているため、燃焼室内で燃焼火炎が形成されると瞬時に燃焼室の最表面材料である輻射吸収層101に、燃焼光による輻射熱伝達が生じて輻射吸収層101の温度が急速に高くなる。また、輻射吸収層101は本実施例では100μm以下の薄い層に形成しているので、熱容量が小さいことから輻射吸収層101は瞬時に高温になる。これによって、輻射吸収層101と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が輻射吸収層101に流れていくのを抑制することができる。
As described above, in this embodiment, the
更に、熱を放出するシリンダ本体103と高温度を保つことが必要な輻射吸収層101の間を断熱層102で遮蔽しているため、輻射吸収層101の熱がシリンダ本体103に流れるのを可及的に少なくすることができる。このため、輻射吸収層101の温度が低下するのを抑制でき、輻射吸収層101の温度を高い状態に維持することができる。尚、図2にあるように、輻射吸収層101の内部に空気や不活性ガスを含む断熱層102を設けると、輻射吸収時の散乱、材料の低比熱化により輻射吸収層101は輻射吸収時の温度上昇率を高くすることができる。
Further, since the
このように、輻射吸収層101と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの熱が輻射吸収層101に流れていくのを抑制することができ、結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。
In this way, the temperature difference between the
更に、輻射吸収層101を設けているため、空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。尚、この理由については後述する図10に基づき詳細に説明する。
Furthermore, since the
次に、本発明の第2の実施形態について図3に基づき説明するが、この図も燃焼室の一部断面を示している。図3は断熱層102としてシリンダ本体103と輻射吸収層101の間に空洞を形成したものであり、この空洞はシリンダ本体103に直接的に形成することで断熱層102を構成している。空洞内には空気や不活性ガスが充填されている他、減圧された空洞であっても良いものである。尚、空洞の形状は図3に限らず、多孔構造等の様々な構造を採用することができる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3, which also shows a partial cross section of the combustion chamber. In FIG. 3, a cavity is formed between the
図3において、輻射吸収層101は、シリンダ本体103の表面に酸化処理を施して形成されている。つまり、基材そのものに酸化処理を施して酸化被膜を形成することで輻射吸収層101を形成するものである。例えば、望ましくは酸化処理として陽極酸化処理を施すことで図3に示すような、微細孔104を多く含んだ多孔質の酸化膜が形成される。例えば、シリンダ本体103がアルミニウムで作られていれば、これに陽極酸化処理を施すことでアルマイトが形成されることになる。このアルマイトはアルミニウムに比べて輻射吸収率が大きくなり、輻射吸収層101とすることができる。このように、アルマイトによる被膜部分と燃焼ガスの間の温度差を少なくすることが可能となり、実施例1と同様に輻射吸収層101と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの熱が輻射吸収層101に流れていくのを抑制することができ、結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。尚、シリンダ本体103はアルミニウムではなく、他の金属材料、例えばマグネシウム合金等を採用しても問題ないものであり、本実施例に限定されないものである。
In FIG. 3, the
ここで、本実施例ではシリンダ本体103の構成材料自体によって輻射吸収層101を形成するようにしているため、その形成方法が簡略できるという効果の他に、異種材料を使用する場合の接合性等を考慮する必要性が少ないという副次的な効果を期待できる。
Here, in this embodiment, since the
また、図4に示す実施例は図3の実施例の変形例を示しており、この変形例はシリンダ本体103とは異なった材料によって輻射吸収層101と断熱層102を形成するものである。つまり、断熱層102の材料を酸化処理、例えば陽極酸化処理して輻射吸収層101を形成する方法である。図4においては、断熱層102の材料としてチタンが使用され、このチタンがアルミニウム合金よりなるシリンダ本体103に接合されている。そして、このチタンに陽極酸化処理を施して酸化チタンとし、また、この酸化チタンは微細孔104を多く含んだ多孔質の酸化被膜層として形成されるようになる。
Further, the embodiment shown in FIG. 4 shows a modification of the embodiment of FIG. 3, and in this modification, the
更に、図4に示すチタンに代わる他の材料としては、シリンダ本体103に比べて熱伝導率の低い材料を用いることが有利である。例えば、シリンダ本体103にはアルミニウム合金、鋳鉄等を用い、断熱層102の材料にはチタン合金、マグネシウム合金等を用いることができる。そして、チタン合金、マグネシウム合金の表面に陽極酸化処理を施して陽極酸化被膜層を形成する。これによって、チタン合金、マグネシウム合金の陽極酸化被膜層は輻射熱伝達(光吸収)により温度が急速に上昇し、更にチタン合金、マグネシウム合金は低熱伝導率であることからシリンダ本体103への熱伝導を抑制できるようになる。このような構成とすることでシリンダ本体103は一般的に広く使われているアルミ合金などを使うことができるようになる。
Furthermore, as another material instead of titanium shown in FIG. 4, it is advantageous to use a material having a lower thermal conductivity than that of the
このように、この変形例においても輻射吸収層101として機能する陽極酸化被膜部と燃焼ガスの間の温度差を少なくすることが可能となり、実施例1と同様に輻射吸収層101と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの熱が輻射吸収層101に流れていくのを抑制することができ、結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。
Thus, also in this modified example, it becomes possible to reduce the temperature difference between the anodized film portion functioning as the
図5に各種金属材料の非酸化物と酸化物に対する光の吸収率について比較したものを示している。例えば、マグネシウムでは非酸化物の光の吸収率は0.27であるのに対し酸化物の光の吸収率は0.75であり、酸化物にすることによって光の吸収率が向上していることがわかる。同様に、ニッケル、チタン、アルミニウム、鉄においても非酸化物に対して、酸化物の方が光の吸収率が向上していることがわかる。一般に、金属酸化物は非酸化物に比べて光の吸収率が高い材料となり、その吸収率は70%以上となる。 FIG. 5 shows a comparison of the light absorptivity of non-oxides and oxides of various metal materials. For example, in magnesium, the light absorptance of a non-oxide is 0.27, whereas the light absorptance of an oxide is 0.75. By using an oxide, the light absorptance is improved. I understand that. Similarly, it can be seen that also in nickel, titanium, aluminum, and iron, the light absorption rate of the oxide is higher than that of the non-oxide. In general, a metal oxide is a material having a higher light absorption rate than a non-oxide, and the absorption rate is 70% or more.
また、図3、図4に示すように陽極酸化膜は多孔質構造になることから、表面積が大きくなり、更に光の吸収率を高めることができる。したがって、断熱層102の機能と輻射吸収層101の機能が優れている材料を選択して断熱層102と輻射吸収層101を形成してやれば、燃焼ガスと輻射吸収層101の間の温度差をより少なくすることが可能となる。また、その構成も簡略化できるものとなる。
Also, as shown in FIGS. 3 and 4, since the anodic oxide film has a porous structure, the surface area is increased, and the light absorption rate can be further increased. Therefore, if a material having excellent functions of the
図6はアルミニウムに陽極酸化処理を施して輻射吸収層101であるアルマイト層を形成したサンプルと、陽極酸化処理を施していない無垢のアルミニウムのサンプルを用いて光の吸収率を比較した例である。陽極酸化処理を施したアルマイト層は広い波長域において光の吸収率を高めることができる。したがって、波長の選択性が少ないので、燃焼に伴う多くの波長の光を吸収することができるので、輻射熱伝達によって急速にアルマイト層の温度を高くすることが可能となる。
FIG. 6 is an example in which the light absorptance is compared between a sample in which anodization is applied to aluminum to form an alumite layer that is the
ここで、陽極酸化処理を施す場合は、シリンダ本体103、或いは断熱層102の材料表面を電解質溶液中で化学的に処理することから、耐久性、製造の安定性を確保できるものである。また、陽極酸化処理は電圧や時間等の条件を変えることで、輻射吸収層101の表面に微細孔104をあけることができ、更にはその深さや間隔などを調整できる。具体的には酸化膜の厚みは0〜100μmの範囲で制御できる。
Here, when anodizing treatment is performed, the material surface of the
このような構造とすることで、シリンダ本体103の燃焼室側の最表面に形成した陽極酸化膜である輻射吸収層101は燃焼火炎の光を吸収し、輻射吸収層101付近の温度が急速に上昇する。これにより燃焼室内の燃焼ガスの温度と輻射吸収層101の間の温度差が少なくなることで対流熱伝達を抑制でき、冷却損失を抑制することができるようになる。
With such a structure, the
以上説明したように、図1乃至図4に示す実施例に代表される本発明の内燃機関によれば、燃焼室内の燃焼光が高輻射吸収率材料から形成された輻射吸収層101に到達した後に、高温の燃焼ガスによる対流熱伝達が行われる。このため、高輻射吸収率材料からなる輻射吸収層101が燃焼室内側の表面に形成されているので、この部分の温度が燃焼光の輻射熱伝達により急速に高温になっている。これによって、燃焼室内の燃焼ガス温度と燃焼室表面である輻射吸収層101の温度差が小さくなり、結果的に燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室壁面への熱流束が小さくなる。
As described above, according to the internal combustion engine of the present invention represented by the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the combustion light in the combustion chamber reaches the
内燃機関の燃焼室内からの熱流束は、一般的に対流熱伝達と輻射熱伝達に影響され、例えば、ディーゼルエンジンの場合は、輻射熱伝達による熱流束が2割程度を占めている。そして、燃焼室内は一般的にアルミ合金、鋳鉄が使用されることが多く、両材料ともに輻射吸収率が低いため、輻射熱伝達による熱流束が小さくなっている。 The heat flux from the combustion chamber of an internal combustion engine is generally affected by convective heat transfer and radiant heat transfer. For example, in the case of a diesel engine, the heat flux by radiant heat transfer occupies about 20%. In general, aluminum alloys and cast iron are often used in the combustion chamber. Since both materials have low radiation absorption rates, the heat flux due to radiant heat transfer is small.
図7にはディーゼル火炎に多く含まれる煤の波長毎の輻射強度Bとアルミニウムの輻射吸収率Aの関係を示している。この図からわかるように、アルミニウムの場合では煤の輻射強度Bの高い波長領域において、輻射吸収率Aが低いことがわかる。一方、輻射吸収率Aが高い領域は煤の輻射強度が低く、十分な光エネルギーが生じていないことがわかる。これにより輻射熱伝達が小さくなっている。したがって、輻射強度Bの高い領域で輻射吸収率Aを高めてやれば輻射熱伝達を大きくすることができる。このためには、図6で説明したように、陽極酸化処理を施したアルマイト層は広い波長域において光の吸収率を高めることができる。したがって、波長の選択性が少ないので、燃焼に伴う多くの波長の光を吸収することができるので、輻射熱伝達によって急速にアルマイト層の温度を高くすることが可能となる。このように、輻射吸収層101を形成して輻射熱伝達を大きくすることは有効である。尚、図7ではアルマイトの場合を示しているが、これ以外の金属酸化物においても同様のことが言える。
FIG. 7 shows the relationship between the radiation intensity B of each soot wavelength contained in the diesel flame and the radiation absorption rate A of aluminum. As can be seen from this figure, in the case of aluminum, the radiation absorption rate A is low in the wavelength region where the radiation intensity B of the soot is high. On the other hand, in the region where the radiation absorption rate A is high, the radiation intensity of the soot is low, and it can be seen that sufficient light energy is not generated. This reduces radiant heat transfer. Therefore, if the radiation absorption rate A is increased in a region where the radiation intensity B is high, the radiation heat transfer can be increased. To this end, as described with reference to FIG. 6, the anodized anodized layer can increase the light absorption rate in a wide wavelength range. Therefore, since the wavelength selectivity is small, light of many wavelengths accompanying combustion can be absorbed, and the temperature of the alumite layer can be rapidly increased by radiant heat transfer. Thus, it is effective to increase the radiation heat transfer by forming the
高輻射吸収材料による輻射吸収層101を燃焼室の最表面に形成した場合の燃焼ガスの平均温度の履歴と燃焼室最表面の輻射吸収層101の温度の履歴の一例を図8に示している。図8は燃焼開始から燃焼終了までのクランク角度における温度の履歴である。燃焼初期においては輻射熱伝達の効果で、燃焼室最表面の輻射吸収層101の温度は燃焼ガスの平均温度よりも高くなっていることがわかる。その後、燃焼が進むにつれて燃焼ガスの平均温度が燃焼室最表面の輻射吸収層101の温度よりも高くなるものの、その温度差は小さいものである。したがって、燃焼ガスから輻射吸収層101を介してシリンダ本体に流れる熱流束は小さくなるものである。
FIG. 8 shows an example of the history of the average temperature of the combustion gas and the temperature history of the
図9に燃焼開始から燃焼終了までのクランク角度における、特許文献1に記載した従来の断熱構造の熱流束と、本発明になる断熱構造の熱流束の変化状態を示している。この図からわかるように、本発明の断熱構造の方が全体に亘って熱流束が小さくなっており、冷却損失が抑制されていることが理解できる。 FIG. 9 shows changes in the heat flux of the conventional heat insulation structure described in Patent Document 1 and the heat flux of the heat insulation structure according to the present invention at the crank angle from the start of combustion to the end of combustion. As can be seen from this figure, it can be understood that the heat insulation structure of the present invention has a smaller heat flux over the whole and the cooling loss is suppressed.
図10には燃焼室最表面に形成した輻射吸収層101の熱物性、この場合では横軸に熱伝導率、縦軸に比熱をとり、これに対する熱流束(1サイクルあたりの合計)の等高線を示している。破線は特許文献1の断熱構造を示し、実線は本発明の断熱構造を示している。この図からわかるように、本発明の断熱構造では高輻射吸収材料を使用して輻射吸収層101を形成していることから、従来の断熱構造に比べて高い熱伝導率、比熱の材料でも熱流束は小さくなることである。
FIG. 10 shows the thermophysical properties of the
例えば、積算熱流束が0.4の場合をみると、同じ積算熱流束0.4であっても破線で示す従来の断熱構造に対し、実線で示す本発明の断熱構造の方が熱伝導率、比熱が大きくなっている。つまり、これが意味するところは、同じ断熱性能を得ようとした場合は、断熱層102の断熱性能をそれほど高める必要性が少ないということである。このため従来の断熱構造に比べて、空気や不活性ガスを封入する空洞の割合が低い材料によって断熱層102を形成できることから、熱的、機械的な強度を十分備えることが可能となる。
For example, in the case where the integrated heat flux is 0.4, the heat insulating structure of the present invention indicated by a solid line is more thermally conductive than the conventional heat insulating structure indicated by a broken line even if the integrated heat flux is 0.4. The specific heat is increasing. In other words, this means that there is little need to increase the heat insulation performance of the
このように、燃焼室内の表面に高輻射熱吸収材料よりなる輻射吸収層101を形成することで、輻射吸収層と燃焼ガスの間の温度差が小さくなり、これによって燃焼ガスの温度が輻射吸収層に流れていく熱流束を低減できるので結果的に冷却損失を少なくすることが可能となる。
In this way, by forming the
更に、高輻射熱吸収材料は放射率も高いため、吸気行程時に燃焼室の表面温度は従来の材料に比べて温度が下がり易くなっているので、結果として燃焼室内の吸気温度の上昇を抑制できる。これによって燃焼室に吸入される空気の充填効率を向上でき、更には耐ノッキング性を向上できる効果が期待できる。このため、内燃機関の高トルク化や高熱効率化を実現できるようになる。 Furthermore, since the high radiant heat absorption material has a high emissivity, the surface temperature of the combustion chamber is more likely to be lower than that of the conventional material during the intake stroke, and as a result, an increase in the intake temperature in the combustion chamber can be suppressed. As a result, it is possible to improve the charging efficiency of the air sucked into the combustion chamber and to further improve the knocking resistance. For this reason, high torque and high thermal efficiency of the internal combustion engine can be realized.
上述した本発明になる内燃機関は燃焼時の燃焼室壁面へ流れる熱流束を抑制できるため熱効率を高めることができるが、この燃焼室に閉じ込められた熱は排気熱の割合を増加するという機能を備えている。通常では内燃機関の廃熱は冷却による廃熱と排気による廃熱に分類できるが、上述したしたように燃焼室から逃げる熱を少なくして断熱化を向上すると、冷却による廃熱の割合が低下して排気による廃熱の割合が増加する。そのため、排熱回収システムを容易に組み合わせて効率の良い排熱回収システムを実現することができる。中でも燃料改質器を使った排熱回収システムと組み合わせることで、相乗的に効果を高めることができるようになる。 Since the internal combustion engine according to the present invention described above can suppress the heat flux flowing to the wall surface of the combustion chamber during combustion, the thermal efficiency can be increased. However, the heat trapped in the combustion chamber has a function of increasing the ratio of the exhaust heat. I have. Normally, waste heat from internal combustion engines can be categorized as waste heat from cooling and waste heat from exhaust, but as described above, if heat insulation is improved by reducing the heat escaping from the combustion chamber, the proportion of waste heat from cooling decreases. As a result, the ratio of waste heat due to exhaust increases. Therefore, an efficient exhaust heat recovery system can be realized by easily combining exhaust heat recovery systems. Above all, by combining with a heat recovery system using a fuel reformer, the effect can be increased synergistically.
以下、本発明になる内燃機関と排熱回収システムを組み合わせた実施例の説明を行うことにする。図11には本発明の断熱性を向上した内燃機関と燃料改質器を使った排熱回収システムを組み合わせた構成図を示している。 Hereinafter, embodiments in which the internal combustion engine and the exhaust heat recovery system according to the present invention are combined will be described. FIG. 11 is a block diagram showing a combination of the internal combustion engine with improved heat insulation according to the present invention and an exhaust heat recovery system using a fuel reformer.
本システムは排気管に改質器110を備え、排気の熱を改質器110に供給する。排気熱を回収した改質器110に第1燃料供給装置111から第1の燃料を供給することで、燃料が改質器110に充填された燃料改質用触媒を通過することで、水素を含む改質ガスに改質される。第1の燃料の供給量は第1燃料供給装置111によって調整される。また、改質器110で得られた改質ガスは改質ガス供給装置112を介して、その供給量が調整され、内燃機関に吸入される吸気に供給される。更に、内燃機関に供給される第1の燃料は第2燃料供給装置113によりその供給量を調整されて内燃機関へ供給される。改質器110では、例えば以下のような改質反応が生じている。
CH4+2H2O→CO2+4H2-164kJ
この改質反応の場合、反応前後で164kJの熱を吸収する吸熱反応を生じる。このように排気温度が高い排気ガスを改質反応に使うことで、内燃機関の排気熱を燃料のエネルギーとして回収することができる。このような吸熱反応は一般的に改質温度が高いほど改質の変換効率が高くなる。したがって、上述した様な断熱性能を向上した内燃機関にすることで排気ガス温度が高められることから、改質器の変換効率が高くなって改質時の排熱回収量を増やすことができる。
This system includes a
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 -164 kJ
In the case of this reforming reaction, an endothermic reaction that absorbs heat of 164 kJ occurs before and after the reaction. By using the exhaust gas having a high exhaust temperature in this way for the reforming reaction, the exhaust heat of the internal combustion engine can be recovered as fuel energy. In general, the endothermic reaction has a higher conversion efficiency as the reforming temperature is higher. Therefore, since the exhaust gas temperature is increased by using the internal combustion engine with improved heat insulation performance as described above, the conversion efficiency of the reformer is increased and the amount of exhaust heat recovered during reforming can be increased.
改質ガスは内燃機関の燃料として燃焼室に供給されるが、改質ガスは水素を含むガスであるため、他の炭化水素燃料に比べて希薄燃焼が実現でき高効率な燃焼を実現できる。また、水素はガソリンなどの炭化水素燃料に比べて急速燃焼できることから、オットーサイクルに近づき理論熱効率が高くなる。従来の内燃機関の場合は、急速燃焼すると冷却損失が大きくなり熱効率改善効果は小さいが、図12に示すように、燃焼室を断熱化するほど、急速燃焼時の熱効率の改善効果は大きくなる。 The reformed gas is supplied to the combustion chamber as a fuel for the internal combustion engine. However, since the reformed gas is a gas containing hydrogen, lean combustion can be realized compared to other hydrocarbon fuels, and highly efficient combustion can be realized. In addition, hydrogen can burn faster than hydrocarbon fuels such as gasoline, so it approaches the Otto cycle and the theoretical thermal efficiency increases. In the case of a conventional internal combustion engine, rapid combustion increases cooling loss and the effect of improving the thermal efficiency is small. However, as shown in FIG. 12, the effect of improving the thermal efficiency during rapid combustion increases as the combustion chamber is insulated.
以上のことから燃焼室の断熱性を向上したことと、燃料改質を使った排熱回収を組み合わせると相乗的に効率が向上する。このような内燃機関と燃料改質器を組み合わせたシステムは、燃料としてメタンの他にも、ガソリン、軽油、メタノール、エタノール、DME、アンモニアなど多種燃料に適用できるものである。 From the above, the efficiency is improved synergistically by combining the heat insulation of the combustion chamber with the exhaust heat recovery using fuel reforming. Such a system combining an internal combustion engine and a fuel reformer can be applied to various fuels such as gasoline, light oil, methanol, ethanol, DME, and ammonia in addition to methane as a fuel.
また、図13に示すように第1の燃料は改質器110に供給し、第2の燃料は直接的に燃焼室に供給する複数燃料供給式の内燃機関にも対応できる。この場合は、第1の燃料はガソリン、メタノール、エタノール、アンモニア等のオクタン価の高い燃料を使い、第2の燃料は軽油、重油、バイオディーゼル等のセタン価の高い燃料を使うものとする。
Further, as shown in FIG. 13, the first fuel can be supplied to the
また、第2の燃料は燃焼室に直接的に燃料を噴射する第2の燃料供給装置113により供給量を調整される。第1の燃料は第1の燃料供給装置111を介して改質器110に供給され、改質器110から出た改質ガスは改質ガス供給装置112を介して流量が調整され、内燃機関の吸気管に供給される。
The supply amount of the second fuel is adjusted by a second
一般的に、複数燃料供給式の内燃機関においては第1の燃料は改質器110を通さずに内燃機関の吸気管に予混合するように供給されるため、空気過剰率が高い条件では燃料は燃えにくくなって燃焼効率が低くなり、未燃ハイドロカーボンが大量に排出されるという課題がある。ところが、本システムは第1の燃料は改質器110を通ることで水素を生成できるため、空気過剰率が高い条件でも安定して燃焼ができ、燃焼効率の向上、未燃ハイドロカーボンの排出抑制が可能となる。
In general, in a multiple fuel supply type internal combustion engine, the first fuel is supplied so as to be premixed in the intake pipe of the internal combustion engine without passing through the
また、内燃機関の燃焼室の断熱性を向上することで、燃焼時の燃焼室壁面温度が高くなり、混合気の温度不均一性が低減されることで空気過剰率の高い条件でも安定して燃焼できる。つまり、燃焼室を断熱化することと、燃料改質を使った排熱回収を組み合わせることで相乗的に燃焼効率を向上でき、しかも未燃ハイドロカーボンの排出抑制を実現でき、大幅な効率向上が可能となるものである。 In addition, by improving the heat insulation of the combustion chamber of the internal combustion engine, the temperature of the combustion chamber wall surface is increased during combustion, and the temperature non-uniformity of the air-fuel mixture is reduced. Can burn. In other words, by combining the heat insulation of the combustion chamber and exhaust heat recovery using fuel reforming, it is possible to synergistically improve the combustion efficiency, and also to suppress the emission of unburned hydrocarbons, greatly improving efficiency. It is possible.
図11、図13に示す改質器110の詳細な構成を図14A、図14B、図14Cに示している。
The detailed structure of the
改質器110は図14Aに示すように、外形が円筒状を呈する複数本の反応セル31と、複数の反応セル31を収容した円筒状の第1ケーシング32とを備えている。そして、第1の燃料1が各反応セル31内を通流し、高温の排気ガスが反応セル31の外であって第1ケーシング32内を通流するようになっている。第1ケーシング32及び後述する第2ケーシング34は、熱伝導率が高くなるように金属(例えば、SUS)で形成されている。なお、第1ケーシング32、第2ケーシング34の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状、多角形筒状でもよい。
As shown in FIG. 14A, the
反応セル31は図14Bに示すように、積層された複数枚の反応シート33と、この複数枚の反応シート33を収容した第2ケーシング34とを備えている。
As shown in FIG. 14B, the
各反応シート33は図14Cに示すように、ベースとなる金属箔35と、金属箔35の両面にそれぞれ形成された多孔質層36と、多孔質層36に担持された触媒37とを備えている。つまり、各反応シート33は、触媒37を担持した多孔質層36、金属箔35、触媒37を担持した多孔質層36の順で積層した三層構造である。尚、厚さ方向において隣り合う反応シート33間には、第1の燃料、生成した水素を含む改質ガスが通流可能な隙間が形成されている。
As shown in FIG. 14C, each
また、反応シート33はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート33を速やかに伝導し、触媒37がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温される。これにより、燃料1を水素を含む改質ガスに分解する分解反応の効率は、高くなっている。
Further, since the
更に、各反応シート33には、複数の貫通孔33aが形成されている。これにより、排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、第1の燃料、生成した水素を含む改質ガスが、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。金属箔35は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは50〜200μm程度とされる。ただし、金属箔35を備えず、又は、金属箔35に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート33全体を多孔質構造としてもよい。
Further, each
多孔質層36は、触媒37を担持するための層であって、第1の燃料、生成した水素を含む改質ガスが通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層36は、例えば、アルミナを主体とする酸化物で構成される。
The
触媒37は、第1の燃料を分解し、水素を含む改質ガスを生成させるための触媒である。このような触媒37は、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄等から選択された少なくとも1種で構成される。もちろん、場合によっては複数の材料を組み合わせて使用しても良いことはいうまでもない。
The
本発明を総括すると、本発明は、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設け、この輻射吸収層によって燃焼室の表面温度を急速に高くして燃焼ガスから燃焼室の外部に流れる対流熱伝達を抑制するようにした。 To sum up the present invention, the present invention is provided with a radiation absorbing layer formed of a material having a high radiation absorption rate on the surface of the combustion chamber, and the surface temperature of the combustion chamber is rapidly increased by the radiation absorbing layer to thereby convert the combustion chamber into the combustion chamber. The convective heat transfer that flows to the outside is suppressed.
そして、このような構成によれば、燃焼室表面に輻射吸収率の高い材料で形成した輻射吸収層を設けることで燃焼室の表面温度を輻射熱伝達で急速に高くすることができるので、燃焼によって生じた燃焼ガスの温度と輻射吸収層の温度差が小さくなり、燃焼ガスの熱が燃焼室の外部に流れるのを抑制することで断熱性能を向上でき、しかも空気や不活性ガスのような補助的な断熱機構をできるだけ使用しないようにできるので熱的、機械的な強度を確保することが可能となるものである。 According to such a configuration, the surface temperature of the combustion chamber can be rapidly increased by radiant heat transfer by providing a radiation absorption layer formed of a material having a high radiation absorption rate on the surface of the combustion chamber. The temperature difference between the generated combustion gas and the radiation absorption layer is reduced, and the heat insulation performance can be improved by suppressing the heat of the combustion gas from flowing outside the combustion chamber. In addition, auxiliary such as air and inert gas Thus, it is possible to ensure the thermal and mechanical strength because it is possible to avoid the use of a typical heat insulation mechanism as much as possible.
また、上述したような内燃機関と排熱回収システムを組み合わせると、内燃機関から排出される排気ガスの温度が高くなるので、改質器を流れる燃料をより効率良く改質できるので、改質器の変換効率が高くなって改質時の排熱回収量を増やすことができる。 Further, when the internal combustion engine and the exhaust heat recovery system as described above are combined, the temperature of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine becomes high, so the fuel flowing through the reformer can be reformed more efficiently. As a result, the amount of exhaust heat recovered during reforming can be increased.
101…輻射急層層、102…断熱層、103…シリンダ本体、104…微細孔。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃焼室は、
熱を逃がす熱伝達性の良い同一材料の金属で作られた金属基材と、
前記金属基材に接合され、前記金属基材に比べて熱伝導率が低く前記金属基材の表面の材料とは異なった材料で作られた断熱層と、
前記金属基材とは反対側の前記断熱層に設けられ、前記金属基材とは異なった材料で作られた燃焼光の輻射吸収率が高い輻射吸収層とから形成され、
燃焼光によって前記輻射吸収層の温度を急速に上昇させ、前記断熱層によって前記輻射吸収層の熱が前記金属基材に流れるのを抑制することを特徴とする内燃機関。 In an internal combustion engine having a combustion chamber to which a combustible fuel is supplied and extracting the power by burning the combustible fuel,
The combustion chamber is
A metal substrate made of the same metal material with good heat transfer to release heat,
A heat insulating layer that is bonded to the metal substrate and has a lower thermal conductivity than the metal substrate, and is made of a material different from the material of the surface of the metal substrate;
Provided in the heat insulating layer on the opposite side of the metal substrate, formed from a radiation absorbing layer having a high radiation absorption rate of combustion light made of a material different from the metal substrate,
An internal combustion engine characterized in that the temperature of the radiation absorbing layer is rapidly increased by combustion light, and the heat of the radiation absorbing layer is suppressed from flowing to the metal substrate by the heat insulating layer.
前記輻射吸収層は、前記金属基材及び前記断熱層とは異なった材料で作られている
ことを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1,
The internal combustion engine, wherein the radiation absorbing layer is made of a material different from that of the metal base and the heat insulating layer.
前記断熱層は前記金属基材に比べて熱伝導率が低い金属から作られており、更に前記輻射吸収層は、前記断熱層を形成する金属を酸化処理して形成されたものであることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1,
The heat insulating layer is made of a metal having a lower thermal conductivity than the metal base material, and the radiation absorbing layer is formed by oxidizing the metal forming the heat insulating layer. A characteristic internal combustion engine.
前記輻射吸収層は、前記断熱層を形成する金属を陽極酸化処理して形成された被覆層であることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 3,
The internal combustion engine, wherein the radiation absorbing layer is a coating layer formed by anodizing a metal forming the heat insulating layer.
前記輻射吸収層は、輻射吸収率が70%以上の被覆層であることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4,
The internal combustion engine, wherein the radiation absorption layer is a coating layer having a radiation absorption rate of 70% or more.
前記輻射吸収層は、微細な大きさの微細孔を表面に備えていることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4,
The internal combustion engine, wherein the radiation absorbing layer has fine pores on the surface thereof.
前記輻射吸収層は、厚みが100μm以下であることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4,
The internal combustion engine, wherein the radiation absorbing layer has a thickness of 100 μm or less.
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