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.

再公表特許WO2009−020206号公報Republished patent WO2009-020206

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.

本発明の第1の実施形態になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the partial cross section of the surface vicinity of the combustion chamber which becomes the 1st Embodiment of this invention. 図1に示す第1の実施形態の変形例になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the partial cross section of the surface vicinity of the combustion chamber used as the modification of 1st Embodiment shown in FIG. 本発明の第2の実施形態になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the partial cross section of the surface vicinity of the combustion chamber which becomes the 2nd Embodiment of this invention. 図3に示す第2の実施形態の変形例になる燃焼室の表面付近の部分断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the partial cross section of the surface vicinity of the combustion chamber used as the modification of 2nd Embodiment shown in FIG. 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例を示す図である。It is a figure which shows the example compared about the light absorptivity with respect to the non-oxide of various metal materials, and an oxide. 無垢のアルミニウムと陽極酸化処理したアルミニウムの光吸収率の特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of the light absorptivity of the solid aluminum and the anodized aluminum. 煤の単色輻射能とアルミニウムの光吸収率の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the monochromatic radiation ability of a cocoon, and the light absorption rate of aluminum. 燃焼室内ガスの平均温度と燃焼室最表面温度のクランク角度毎の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change for every crank angle of the average temperature of combustion chamber gas, and a combustion chamber outermost surface temperature. 本発明になる断熱構造と従来の断熱構造における熱流束のクランク角度毎の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change for every crank angle of the heat flux in the heat insulation structure which becomes this invention, and the conventional heat insulation structure. 燃焼室最表面の熱物性値と1サイクルあたりの積算熱流束の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the thermophysical value of a combustion chamber outermost surface, and the integrated heat flux per cycle. 本発明の第3の実施形態になる燃料改質システムを組み合わせた内燃機関システムの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the internal combustion engine system which combined the fuel reforming system which becomes the 3rd Embodiment of this invention. 燃料の種類と断熱性能と熱効率の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the kind of fuel, heat insulation performance, and thermal efficiency. 図11に示す燃料改質システムを組み合わせた内燃機関システムの変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the internal combustion engine system which combined the fuel reforming system shown in FIG. 改質器の概略の全体構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the general | schematic whole structure of a reformer. 改質器の反応セルの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the reaction cell of a reformer. 改質器の反応シートの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the reaction sheet | seat of a reformer.

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, reference numeral 101 denotes a radiation absorption layer formed from a high radiation absorption material, and a heat insulating layer 102 formed from a low thermal conductivity material is provided on the inside thereof, and further a combustion chamber is formed on the inside thereof. A base body, that is, a cylinder main body 103 constituting a cylinder is provided. Cooling water, which is a cooling medium, flows through the cylinder body 103 as a base material and releases the heat of the cylinder body 103 to the outside. The cylinder body 103 is made of aluminum, aluminum alloy, cast iron, magnesium alloy, or the like. The heat is efficiently released to the cooling water. Further, the radiation absorption layer 101 which is a feature of this embodiment has a function of rapidly increasing the temperature by radiant heat transfer by the combustion light of the combustion gas, and the temperature of the radiation absorption layer 101 which has been increased is used as the cylinder body 103. A heat insulating layer 102 is provided so as not to escape.

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 radiation absorbing layer 101 that is in contact with the combustion gas in the combustion chamber is formed of a material having a high radiation absorption rate. Typically, the following materials can be used. For example, an oxide made of titanium oxide, zinc oxide, zirconium oxide, tungsten oxide, tin oxide, nickel oxide, tungsten carbide, cadmium sulfide, copper, indium, tin, or the like, or carbon is used. These can be used alone or in combination. In short, it is sufficient that the radiation absorption rate is high and a function capable of withstanding high temperatures is provided, and it may be selected appropriately according to the specifications of the internal combustion engine. Furthermore, the thickness of the radiation absorbing layer 101 formed of the material having a high radiation absorption rate is desirably a thickness of 100 μm or less, but this is also appropriate depending on the specifications of the internal combustion engine. It only has to be selected. The reason why the thickness of the radiation absorbing layer 101 is reduced in this way is to increase the rate of temperature rise. 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. Therefore, it is important to select a material having a radiation absorption rate of a metal oxide having a predetermined absorption rate or higher, preferably 70% or higher.

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 heat insulating layer 102 formed between the cylinder body 103 and the radiation absorption rate layer 101 is made of a low thermal conductivity material, and the following materials can be typically used. For example, an organic silicon compound containing zirconia, titanium, silicon, carbon, silicon, oxygen, or the like, or a ceramic fiber having high heat resistance and high strength can be used. These can also be used alone or in combination. In short, it is only necessary to suppress the flow of heat of the radiation absorbing layer 101 to the cylinder body 103 side and to have a function to withstand high temperatures, and it may be selected appropriately according to the specifications of the internal combustion engine. In this case, the heat insulating layer 102 is selected to have good bondability between the radiation absorbing layer 101 and the cylinder body 103.

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 heat insulating layer 102 is formed inside the radiation absorbing layer 101. In this case, the low thermal conductivity material may be dispersed inside the above-described high radiation absorptivity material. However, the heat insulating layer 102 is formed of a gas such as air or an inert gas or a decompressed cavity (including a vacuum). It may be formed.

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 heat insulating layer 102 is formed on the upper surface of the cylinder body 103, and the radiation absorbing layer 101 is further formed on the upper surface. Therefore, when a combustion flame is formed in the combustion chamber, Radiation heat transfer due to combustion light occurs in the radiation absorbing layer 101 which is the outermost surface material of the combustion chamber, and the temperature of the radiation absorbing layer 101 rapidly increases. Moreover, since the radiation absorption layer 101 is formed in a thin layer of 100 μm or less in this embodiment, the radiation absorption layer 101 instantaneously reaches a high temperature because of its small heat capacity. Thereby, the temperature difference between the radiation absorption layer 101 and the combustion gas is reduced, and the heat of the combustion gas can be prevented from flowing into the radiation absorption layer 101.

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 heat insulating layer 102 shields between the cylinder body 103 that releases heat and the radiation absorbing layer 101 that needs to maintain a high temperature, the heat of the radiation absorbing layer 101 can flow to the cylinder body 103. It can be reduced as much as possible. For this reason, it can suppress that the temperature of the radiation absorption layer 101 falls, and can maintain the temperature of the radiation absorption layer 101 in a high state. As shown in FIG. 2, when a heat insulating layer 102 containing air or an inert gas is provided inside the radiation absorbing layer 101, the radiation absorbing layer 101 can be used for radiation absorption due to scattering at the time of radiation absorption and reduction of the specific heat of the material. The rate of temperature increase can be increased.

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 radiation absorbing layer 101 and the combustion gas is reduced, thereby suppressing the heat of the combustion gas from flowing into the radiation absorbing layer 101, resulting in less cooling loss. It becomes possible to do.

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 radiation absorbing layer 101 is provided, an auxiliary heat insulating mechanism such as air or inert gas can be avoided as much as possible, so that it is possible to ensure thermal and mechanical strength. is there. This reason will be described in detail based on FIG. 10 described later.

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 cylinder body 103 and the radiation absorbing layer 101 as the heat insulating layer 102, and this cavity forms the heat insulating layer 102 by being directly formed in the cylinder body 103. The cavity is filled with air or inert gas and may be a decompressed cavity. The shape of the cavity is not limited to that shown in FIG. 3, and various structures such as a porous structure can be adopted.

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 radiation absorbing layer 101 is formed by subjecting the surface of the cylinder body 103 to an oxidation treatment. That is, the radiation absorbing layer 101 is formed by subjecting the base material itself to an oxidation treatment to form an oxide film. For example, a porous oxide film containing many micropores 104 as shown in FIG. 3 is formed by preferably performing an anodizing process as an oxidizing process. For example, if the cylinder body 103 is made of aluminum, anodization is performed on the cylinder body 103 to form alumite. This alumite has a higher radiation absorption rate than aluminum and can be used as the radiation absorption layer 101. As described above, it is possible to reduce the temperature difference between the coating portion of the alumite and the combustion gas, and the temperature difference between the radiation absorbing layer 101 and the combustion gas is reduced as in the first embodiment. Can be suppressed from flowing to the radiation absorbing layer 101, and as a result, the cooling loss can be reduced. The cylinder body 103 is not limited to aluminum, but other metal materials such as a magnesium alloy can be used without any problem, and the present invention is not limited to this embodiment.

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 radiation absorbing layer 101 is formed by the constituent material itself of the cylinder body 103, in addition to the effect that the forming method can be simplified, the joining property when using different materials, etc. A secondary effect that there is little need to consider this can be expected.

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 radiation absorbing layer 101 and the heat insulating layer 102 are formed of a material different from that of the cylinder body 103. That is, this is a method of forming the radiation absorbing layer 101 by oxidizing the material of the heat insulating layer 102, for example, anodizing. In FIG. 4, titanium is used as the material of the heat insulating layer 102, and this titanium is joined to the cylinder body 103 made of an aluminum alloy. The titanium is anodized to form titanium oxide, and the titanium oxide is formed as a porous oxide film layer containing a large number of fine holes 104.

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 cylinder body 103. For example, an aluminum alloy, cast iron, or the like can be used for the cylinder body 103, and a titanium alloy, a magnesium alloy, or the like can be used for the material of the heat insulating layer 102. Then, the surface of the titanium alloy or magnesium alloy is anodized to form an anodized film layer. As a result, the temperature of the anodic oxide coating layer of the titanium alloy or magnesium alloy rises rapidly due to radiant heat transfer (light absorption), and since the titanium alloy and magnesium alloy have low thermal conductivity, heat conduction to the cylinder body 103 can be achieved. It becomes possible to suppress. By adopting such a configuration, the cylinder body 103 can be made of a generally widely used aluminum alloy or the like.

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 radiation absorbing layer 101 and the combustion gas, and the radiation absorbing layer 101 and the combustion gas can be reduced as in the first embodiment. The temperature difference between them becomes small, and this makes it possible to suppress the heat of the combustion gas from flowing into the radiation absorbing layer 101, and as a result, cooling loss can be reduced.

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 heat insulating layer 102 and the radiation absorbing layer 101 is selected and the heat insulating layer 102 and the radiation absorbing layer 101 are formed, the temperature difference between the combustion gas and the radiation absorbing layer 101 is further increased. It can be reduced. Further, the configuration can be simplified.

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 radiation absorption layer 101 and a solid aluminum sample that has not been subjected to anodization. . 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.

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 cylinder body 103 or the heat insulating layer 102 is chemically treated in an electrolyte solution, so that durability and manufacturing stability can be ensured. In addition, the anodization treatment can change the conditions such as voltage and time, thereby making the fine holes 104 in the surface of the radiation absorbing layer 101, and adjusting the depth and interval thereof. Specifically, the thickness of the oxide film can be controlled in the range of 0 to 100 μm.

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 radiation absorbing layer 101, which is an anodized film formed on the outermost surface of the cylinder body 103 on the combustion chamber side, absorbs the light of the combustion flame, and the temperature near the radiation absorbing layer 101 rapidly increases. To rise. As a result, the temperature difference between the temperature of the combustion gas in the combustion chamber and the radiation absorbing layer 101 is reduced, so that convective heat transfer can be suppressed and cooling loss can be suppressed.

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 radiation absorbing layer 101 formed of the high radiation absorptivity material. Later, convective heat transfer with hot combustion gases takes place. For this reason, since the radiation absorption layer 101 made of a high radiation absorptivity material is formed on the surface inside the combustion chamber, the temperature of this portion is rapidly increased by the radiation heat transfer of the combustion light. As a result, the temperature difference between the combustion gas temperature in the combustion chamber and the radiation absorbing layer 101 on the combustion chamber surface is reduced, and as a result, the heat flux from the combustion gas in the combustion chamber to the combustion chamber wall surface is reduced.

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 radiation absorbing layer 101. Although FIG. 7 shows the case of alumite, the same can be said for other metal oxides.

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 radiation absorbing layer 101 on the outermost surface of the combustion chamber when the radiation absorbing layer 101 made of the high radiation absorbing material is formed on the outermost surface of the combustion chamber. . FIG. 8 is a history of temperature at the crank angle from the start of combustion to the end of combustion. It can be seen that the temperature of the radiation absorbing layer 101 on the outermost surface of the combustion chamber is higher than the average temperature of the combustion gas due to the effect of radiant heat transfer in the early stage of combustion. Thereafter, as the combustion proceeds, the average temperature of the combustion gas becomes higher than the temperature of the radiation absorbing layer 101 on the outermost surface of the combustion chamber, but the temperature difference is small. Therefore, the heat flux flowing from the combustion gas to the cylinder body via the radiation absorbing layer 101 is reduced.

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 radiation absorbing layer 101 formed on the outermost surface of the combustion chamber. In this case, the horizontal axis represents the thermal conductivity, the vertical axis represents the specific heat, and the contour lines of the heat flux (total per cycle) are shown. Show. A broken line shows the heat insulation structure of Patent Document 1, and a solid line shows the heat insulation structure of the present invention. As can be seen from this figure, since the radiation absorbing layer 101 is formed using a high radiation absorbing material in the heat insulating structure of the present invention, even a material having a higher thermal conductivity and specific heat than the conventional heat insulating structure can be used as a heat flow. The bundle is to get smaller.

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 heat insulation layer 102 so much when obtaining the same heat insulation performance. For this reason, compared with the conventional heat insulation structure, since the heat insulation layer 102 can be formed of a material having a low ratio of cavities enclosing air or inert gas, it is possible to provide sufficient thermal and mechanical strength.

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 radiation absorbing layer 101 made of a high radiation heat absorbing material on the surface of the combustion chamber, the temperature difference between the radiation absorbing layer and the combustion gas is reduced, whereby the temperature of the combustion gas is reduced to the radiation absorbing layer. As a result, it is possible to reduce the cooling loss.

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。
CH+2HO→CO+4H-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 reformer 110 in an exhaust pipe, and supplies heat from the exhaust to the reformer 110. By supplying the first fuel from the first fuel supply device 111 to the reformer 110 that has recovered the exhaust heat, the fuel passes through the fuel reforming catalyst filled in the reformer 110, so that the hydrogen is removed. The reformed gas is reformed. The supply amount of the first fuel is adjusted by the first fuel supply device 111. Further, the reformed gas obtained by the reformer 110 is supplied via the reformed gas supply device 112 so that the supply amount thereof is adjusted and supplied to the intake air sucked into the internal combustion engine. Further, the first fuel supplied to the internal combustion engine is supplied to the internal combustion engine after the supply amount is adjusted by the second fuel supply device 113. In the reformer 110, for example, the following reforming reaction occurs.
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 reformer 110, and the second fuel can also be applied to a multiple fuel supply type internal combustion engine that supplies the combustion chamber directly. In this case, a high octane fuel such as gasoline, methanol, ethanol, and ammonia is used as the first fuel, and a high cetane fuel such as light oil, heavy oil, and biodiesel is used as the second fuel.

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 fuel supply device 113 that directly injects the fuel into the combustion chamber. The first fuel is supplied to the reformer 110 via the first fuel supply device 111, and the flow rate of the reformed gas that has exited from the reformer 110 is adjusted via the reformed gas supply device 112. Is supplied to the intake pipe.

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 reformer 110. Is difficult to burn, lowers the combustion efficiency, and has a problem that a large amount of unburned hydrocarbon is discharged. However, since this system can generate hydrogen by the first fuel passing through the reformer 110, it can stably burn even under conditions with a high excess air ratio, improving combustion efficiency, and suppressing emission of unburned hydrocarbons. Is possible.

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 reformer 110 shown in FIGS. 11 and 13 is shown in FIGS. 14A, 14B, and 14C.

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 reformer 110 includes a plurality of reaction cells 31 whose outer shape has a cylindrical shape, and a cylindrical first casing 32 that accommodates the plurality of reaction cells 31. Then, the first fuel 1 flows through each reaction cell 31, and high-temperature exhaust gas flows outside the reaction cell 31 and through the first casing 32. The 1st casing 32 and the 2nd casing 34 mentioned below are formed with metal (for example, SUS) so that heat conductivity may become high. In addition, the shape of the 1st casing 32 and the 2nd casing 34 is not limited to a cylindrical shape, For example, a square cylinder shape and a polygonal cylinder shape may be sufficient.

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 reaction cell 31 includes a plurality of stacked reaction sheets 33 and a second casing 34 that accommodates the plurality of reaction sheets 33.

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 reaction sheet 33 includes a base metal foil 35, a porous layer 36 formed on each surface of the metal foil 35, and a catalyst 37 supported on the porous layer 36. Yes. That is, each reaction sheet 33 has a three-layer structure in which a porous layer 36 carrying a catalyst 37, a metal foil 35, and a porous layer 36 carrying a catalyst 37 are laminated in this order. Note that a gap is formed between the reaction sheets 33 adjacent in the thickness direction so that the first fuel and the reformed gas containing the generated hydrogen can flow therethrough.

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 reaction sheet 33 is in the form of a sheet, its heat capacity is small, heat is quickly conducted through the reaction sheet 33, and the temperature of the catalyst 37 is quickly raised to a temperature at which the catalyst functions well. Thereby, the efficiency of the decomposition reaction which decomposes | disassembles the fuel 1 into the reformed gas containing hydrogen is high.

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 reaction sheet 33 is formed with a plurality of through holes 33a. As a result, the heat of the exhaust gas is conducted well in the thickness direction, and the reformed gas containing the first fuel and the generated hydrogen flows well in the thickness direction. The metal foil 35 is made of, for example, an aluminum foil and has a thickness of about 50 to 200 μm. However, the metal foil 35 may not be provided, or instead of the metal foil 35, a porous layer serving as a base may be provided, and the entire reaction sheet 33 may have a porous structure.

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 porous layer 36 is a layer for supporting the catalyst 37 and has a plurality of pores through which the reformed gas containing the first fuel and the generated hydrogen can flow. Such a porous layer 36 is made of an oxide mainly composed of alumina, for example.

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 catalyst 37 is a catalyst for decomposing the first fuel and generating a reformed gas containing hydrogen. Such a catalyst 37 is composed of at least one selected from, for example, platinum, nickel, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, molybdenum, rhenium, tungsten, vanadium, osmium, chromium, cobalt, iron and the like. Of course, it goes without saying that a plurality of materials may be used in combination in some cases.

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 SYMBOLS 101 ... Radiation sudden layer layer, 102 ... Heat insulation layer, 103 ... Cylinder main body, 104 ... Micropore

Claims (9)

可燃性燃料が供給される燃焼室を備え、この可燃性燃料を燃焼して動力を取り出す内燃機関において、
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.
請求項1に記載の内燃機関において、
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.
請求項1に記載の内燃機関において、
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.
請求項3に記載の内燃機関において、
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.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の内燃機関において、
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.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の内燃機関において、
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.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の内燃機関において、
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.
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の内燃機関の排気管に水素を含む改質ガスを生成可能な改質器を設け、前記改質器によって得られた改質ガスを前記内燃機関の前記燃焼室に供給する改質ガス供給装置を設けると共に、前記改質器に燃料を供給する第1の燃料供給装置と、前記改質器を介さずに前記燃料を前記内燃機関の前記燃焼室に供給する第2の燃料供給装置を設けたことを特徴とする内燃機関システム。   A reformer capable of generating a reformed gas containing hydrogen is provided in the exhaust pipe of the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, and the reformed gas obtained by the reformer is used as the reformed gas. A reformed gas supply device for supplying the combustion chamber of the internal combustion engine is provided, a first fuel supply device for supplying fuel to the reformer, and the fuel without passing through the reformer. An internal combustion engine system comprising a second fuel supply device that supplies the combustion chamber. 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の内燃機関の排気管に水素を含む改質ガスを生成可能な改質器を設け、前記改質器によって得られた改質ガスを前記内燃機関の前記燃焼室に供給する改質ガス供給装置を設けると共に、前記改質器に第1の燃料を供給する第1の燃料供給装置と、第2の燃料を前記内燃機関の前記燃焼室に供給する第2の燃料供給装置を設けたことを特徴とする内燃機関システム。   A reformer capable of generating a reformed gas containing hydrogen is provided in the exhaust pipe of the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, and the reformed gas obtained by the reformer is used as the reformed gas. A reformed gas supply device for supplying the combustion chamber of the internal combustion engine is provided, a first fuel supply device for supplying a first fuel to the reformer, and a second fuel for the combustion chamber of the internal combustion engine. An internal combustion engine system provided with a second fuel supply device for supplying to the engine.
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