JP6379998B2 - Thermal control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、火花点火式の内燃機関において燃焼室を断熱するための内燃機関の熱制御装置に関する。 The present invention relates to a thermal control device for an internal combustion engine for insulating a combustion chamber in a spark ignition type internal combustion engine.
一般に、内燃機関の冷却損失は、投入燃料のエネルギーの20〜30%程度と言われており、燃費を向上させるには冷却損失を低減させることが重要である。そこで、従来、冷却損失を低減させるために燃焼室に断熱手段を形成する技術が提案されている。例えば、特許文献1では、燃焼室内のピストン冠面へ水を噴射して水膜を形成し、水膜の断熱効果によって、既燃ガスの熱が燃焼室から外部へ逃げることを抑制している。
Generally, it is said that the cooling loss of an internal combustion engine is about 20 to 30% of the energy of the input fuel, and it is important to reduce the cooling loss in order to improve fuel consumption. Thus, conventionally, a technique for forming a heat insulating means in the combustion chamber has been proposed in order to reduce the cooling loss. For example, in
火花点火式の内燃機関では、混合気の燃焼反応の連続による火炎伝播が生じており、火炎伝播による火炎が燃焼室壁面に到達する時期に燃焼室壁面の温度が最も高くなる。よって、この時期に壁面を保護するべく断熱手段が形成されることが重要である。 In a spark ignition type internal combustion engine, flame propagation occurs due to a continuous combustion reaction of the air-fuel mixture, and the temperature of the combustion chamber wall surface becomes the highest when the flame due to flame propagation reaches the combustion chamber wall surface. Therefore, it is important that a heat insulating means is formed to protect the wall surface at this time.
また、特許文献1では断熱手段が水膜に限定されているが、燃焼室壁面の全体を効果的に断熱するためには、混合気の既燃ガスと燃焼室壁面との間に燃焼しないガス(壁面保護ガス)の層を設けることが考えられる。この壁面保護ガス層は、燃焼室内の気流によって混合気との混合が進むため、壁面保護ガス層が形成されている期間は極限られる。
Further, in
しかしながら、特許文献1では、仮に水膜が気化した水蒸気層が壁面保護ガス層に相当すると考えるとしても、火炎伝播の様子と水蒸気層の形成期間との関係については何ら考慮されておらず、その断熱効果を引き出すものになっていない。このため、特許文献1の技術によっては、冷却損失の低減が不十分である。
However, in
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却損失を十分に低減可能な内燃機関の熱制御装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a thermal control device for an internal combustion engine that can sufficiently reduce a cooling loss.
本発明は、火花点火式の内燃機関において燃焼室を断熱するための内燃機関の熱制御装置であって、燃焼室の壁面に沿って非燃焼流体を噴射する流体噴射弁と、非燃焼流体による壁面保護ガス層が燃焼室の壁面に沿って形成されている間に、燃焼室における混合気の燃焼による火炎が壁面保護ガス層に到達するように、内燃機関の運転状態に基づいて流体噴射弁の噴射時期を制御する噴射制御部と、を備える。 The present invention is a thermal control device for an internal combustion engine for insulating a combustion chamber in a spark ignition internal combustion engine, and includes a fluid injection valve that injects a non-combustion fluid along a wall surface of the combustion chamber, and a non-combustion fluid. While the wall surface protective gas layer is formed along the wall surface of the combustion chamber, the fluid injection valve is based on the operating state of the internal combustion engine so that the flame caused by the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber reaches the wall surface protective gas layer. An injection control unit for controlling the injection timing of
上記構成において、流体噴射弁に噴射される非燃焼流体が液体である場合、非燃焼流体は、燃焼室の壁面から熱を受けて気化し、燃焼室の壁面に沿って壁面保護ガス層を形成する。また、流体噴射弁に噴射される非燃焼流体が気体である場合、非燃焼流体は、燃焼室の壁面に沿って噴射されることによって壁面保護ガス層を形成する。 In the above configuration, when the non-combustion fluid injected to the fluid injection valve is a liquid, the non-combustion fluid is vaporized by receiving heat from the wall surface of the combustion chamber, and forms a wall surface protective gas layer along the wall surface of the combustion chamber To do. When the non-combustion fluid injected into the fluid injection valve is a gas, the non-combustion fluid is injected along the wall surface of the combustion chamber to form a wall surface protective gas layer.
また、上記構成において、燃焼室内の火炎伝播の様子、非燃焼流体が壁面保護ガス層を形成するまでに要する時間、及び、壁面保護ガス層が形成されている期間等は、内燃機関の運転状態によって異なる。そこで、噴射制御部は、内燃機関の運転状態に基づいて流体噴射弁の噴射時期を制御することで、壁面保護ガス層が燃焼室壁面に沿って形成されている間に、火炎が壁面保護ガス層に到達するようにしている。すなわち、壁面保護ガス層が形成されてから崩壊するまでの限られた期間を、火炎伝播の様子に合わせて設定することにより、壁面保護ガス層は火炎から燃焼室の壁面を保護可能である。
したがって、本発明によれば、壁面保護ガス層が燃焼室の壁面と火炎との間を断熱することにより、燃焼室の壁面の温度が上昇することを抑制し、冷却損失を十分に低減可能である。
In the above configuration, the state of flame propagation in the combustion chamber, the time required for the non-combustion fluid to form the wall surface protective gas layer, the period during which the wall surface protective gas layer is formed, etc. It depends on. Therefore, the injection control unit controls the injection timing of the fluid injection valve based on the operating state of the internal combustion engine, so that the flame is protected against the wall surface protective gas while the wall surface protective gas layer is formed along the combustion chamber wall surface. Trying to reach the layer. That is, the wall surface protective gas layer can protect the wall surface of the combustion chamber from the flame by setting a limited period from the formation of the wall surface protective gas layer to the collapse thereof according to the state of flame propagation.
Therefore, according to the present invention, the wall surface protective gas layer insulates between the wall surface of the combustion chamber and the flame, thereby suppressing an increase in the temperature of the wall surface of the combustion chamber and sufficiently reducing the cooling loss. is there.
以下、本発明による内燃機関の熱制御装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。 Hereinafter, a thermal control device for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, in a plurality of embodiments, the same numerals are given to the substantially same composition, and explanation is omitted.
(第1実施形態)
[エンジンシステムの構成]
まず、エンジンシステムの概略構成について図1を参照して説明する。図1に示すように、エンジンシステム10は、火花点火式の内燃機関としてのエンジン13及び熱制御装置40を備えている。エンジン13は、例えば4気筒等の多気筒エンジンであり、図1では1気筒の断面を示す。以下に説明する構成は、図示しない他の気筒にも同様に設けられている。
(First embodiment)
[Engine system configuration]
First, a schematic configuration of the engine system will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the
エンジン13は、スロットル弁14を介して吸気マニホールド15から供給される空気と燃料噴射弁16から噴射される燃料との混合気を燃焼室17で燃焼させ、その燃焼時の爆発力によりピストン18を往復運動させる。ピストン18の往復運動は、クランクシャフト19により回転運動に変換されて出力される。燃焼により生じた燃焼ガスは、排気マニホールド20を経由して大気中に放出される。
The
燃焼室17は、筒状のシリンダ21と、その開口に配置されたピストン18の冠面181及びシリンダヘッド22の下面221とによって隔壁されている。燃焼室17の入口であるシリンダヘッド22の吸気ポートには、吸気弁23が設けられており、燃焼室17の出口であるシリンダヘッド22の排気ポートには、排気弁24が設けられている。吸気弁23および排気弁24は、バルブ駆動機構25により開閉駆動される。
The
燃焼室17の混合気への点火は、点火プラグ7の電極間に発生する火花によって行われる。本実施形態では、点火プラグ7の電極が燃焼室17の径方向中心部に配置されており、そこから混合気が点火されて燃焼を開始する。すなわち、燃焼室17の径方向中心部を起点として火炎伝播が生じる。なお、燃焼室17の径方向中心部とは、筒状のシリンダ21の径方向中心部である。
The air-fuel mixture in the
電子制御ユニット(以下、「ECU」という。)32は、CPU、ROM、RAMおよび入出力ポート等からなるマイクロコンピュータにより構成され、クランク角センサ35、カム角センサ36、水温センサ37、スロットル開度センサ38、及び吸気圧センサ39等の各種センサからの信号が入力される。ECU32は、これらの各種センサからの検出信号に基づき、スロットル弁14、燃料噴射弁16、および、点火回路ユニット31等を制御することで、エンジン13の運転状態を制御する。
The electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 32 is constituted by a microcomputer comprising a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port and the like, and includes a
本実施形態のエンジン13に適用される熱制御装置40は、燃焼室17で混合気が燃焼したことによる熱を燃焼室17の外部に逃がさないように燃焼室17を断熱するための装置であり、燃焼室17に非燃焼流体を噴射可能な流体噴射弁41と、流体噴射弁41の動作を制御する噴射制御部45とを備えている。噴射制御部45は、例えばECU32内に構成されている。流体噴射弁41が噴射した非燃焼流体は、燃焼室17内に後述する壁面保護ガス層を形成する。
The
[壁面保護ガス層]
本実施形態の壁面保護ガス層の詳細について以下に説明する。なお、以下の説明で用いる図面では、燃焼室17を模式的に円筒形状として示している。
[Wall protection gas layer]
The detail of the wall surface protective gas layer of this embodiment is demonstrated below. In the drawings used in the following description, the
まず、壁面保護ガス層51による断熱の原理について、図2及び図3を参照して説明する。
図2は、混合気Mが吸入された状態の燃焼室17を示す図である。仮に壁面保護ガス層51が形成されずに混合気Mが燃焼した場合、混合気Mが燃焼することにより発生する熱(既燃ガスの熱)は、燃焼室17の壁面26を介して外部へ逃げる(図2中の矢印参照)。
First, the principle of heat insulation by the wall surface
FIG. 2 is a view showing the
そこで、本実施形態では、燃焼室17の壁面26に沿って非燃焼流体を噴射することにより、壁面26に沿って壁面保護ガス層51を形成する。これにより、混合気Mが成層化した混合気層52が燃焼室17の中央付近に配置される(図3参照)。壁面保護ガス層51は燃焼しない不活性ガス層であり、既燃ガスに比べて低温を保つため、既燃ガスの熱を燃焼室17の内側に留める役割を果たす。
Therefore, in the present embodiment, the wall surface
次に、壁面保護ガス層51の形成から崩壊までの様子について、図4〜図6を参照して説明する。
なお、燃焼室17の壁面26は、シリンダ21の内壁、ピストン18の冠面181、並びに、シリンダヘッド22の下面(吸気弁23および排気弁24の下面を含む)221に相当する。以下では、燃焼室17の壁面26のうち、シリンダ21の内壁に相当する部分(側壁面261と称する)に沿って、壁面保護ガス層51を形成する場合を例として説明する。
Next, the state from the formation of the wall surface
The
また、本実施形態の非燃焼流体は、噴射前は液体であり、かつ、燃焼室17への噴射後には気体となる不活性流体である。非燃焼流体は、燃焼室17への噴射直後に気化するものであることが好ましく、例えば燃焼室17の壁温よりも沸点が低い液体(例えば水)や液化CO2等である。以下、液体状態の非燃焼流体について、非燃焼液体Lと称する。
In addition, the non-combustion fluid of the present embodiment is an inert fluid that is liquid before injection and becomes gas after injection into the
まず、図4(a)に示すように、流体噴射弁41は、混合気Mが吸入された状態の燃焼室17へ液体状の非燃焼液体Lを噴射する。例えば、流体噴射弁41の噴出口410は燃焼室17の一端側に配置されており、非燃焼液体Lを側壁面261に向けて噴射することにより、非燃焼液体Lは側壁面261上をらせん状に旋回し(図5中の矢印参照)、側壁面261を一周以上伝わる(図4(b)参照)。
噴射された非燃焼液体Lは側壁面261の熱を受けることにより気化し、側壁面261に沿って壁面保護ガス層51が形成され、その内側には混合気層52が成層化する(図4(c)参照)。
First, as shown in FIG. 4A, the
The injected non-combustion liquid L is vaporized by receiving heat from the
形成された壁面保護ガス層51は、燃焼室17内の気流等によって混合気層52と混じり合い、時間の経過と共に崩壊する。
図6(a)に示すように、非燃焼液体Lの気化が完了することにより壁面保護ガス層51の形成が完了した時点で、壁面保護ガス層51は最も厚みを有し、その断熱効果は最も大きい。時間の経過と共に、壁面保護ガス層51と混合気層52との混合が進み、壁面保護ガス層51の厚みは減少していく(図6(b)参照)。これにより、壁面保護ガス層51の断熱効果は小さくなっていく。なお、図中、壁面保護ガス層51と混合気層52との混合部分には記号Dを付している。最終的に、壁面保護ガス層51と混合気層52とが完全に混じり合い、壁面保護ガス層51は完全に崩壊する(図6(c)参照)。
The formed wall surface
As shown in FIG. 6A, when the formation of the wall surface
壁面保護ガス層51が形成されている期間、すなわち壁面保護ガス層51が形成完了してから完全に崩壊するまでの期間をガス層形成期間Tgと称する。ガス層形成期間Tgは、極限られた期間であり、本実施形態ではクランク角で20度の範囲に対応する。このガス層形成期間Tgに火炎が壁面保護ガス層51に到達することで、壁面保護ガス層51は断熱効果を発揮する。
A period during which the wall surface
[非燃焼液体の噴射時期]
本実施形態では、壁面保護ガス層51の断熱効果が最も大きいとき、すなわち壁面保護ガス層51が形成完了したときに火炎が壁面保護ガス層51に到達するように、非燃焼液体Lの噴射時期を制御する。この非燃焼液体Lの噴射時期について、図7(a)〜(e)及び図8を参照して説明する。図7(a)〜(e)は、燃焼室17における火炎伝播の様子を順に示しており、図8は、エンジン13の筒内圧の時間変化を示している。
[Non-combustion liquid injection timing]
In the present embodiment, when the heat insulating effect of the wall surface
まず、ピストン18が上死点に達した直後の点火時期t1にて、燃焼室17の径方向中心部で混合気Mが点火される(図7(a)参照)。点火後、混合気Mの燃焼による火炎Fが側壁面261に向かって伝播する(図7(b)参照)。
First, at the ignition timing t1 immediately after the
その後、噴射開始時期t2にて、流体噴射弁41が燃焼室17へ非燃焼液体Lの噴射を開始し(図7(c)参照)、噴射完了時期t3にて必要量の非燃焼液体Lの噴射を完了する(図7(d)参照)。燃焼室17に噴射された非燃焼液体Lは気化を開始する。
Thereafter, the
その後、気化完了時期t4にて、非燃焼液体Lの気化が完了することにより、壁面保護ガス層51が形成されると共に、混合気層52の配置が完了する。また、火炎到達時期t5にて、火炎Fが壁面保護ガス層51の形成領域に到達する。本実施形態において、気化完了時期t4と火炎到達時期t5とは一致するため、壁面保護ガス層51が形成されると同時に、火炎Fが壁面保護ガス層51に到達する(図7(e)参照)。
なお、混合気層52を構成するガスは、燃焼によって混合気から既燃ガスに置き換わっているが、本明細書では説明上、そのまま混合気層52と記している。
Thereafter, the vaporization of the non-combustion liquid L is completed at the vaporization completion time t4, whereby the wall surface
Note that the gas constituting the air-
ここで、点火時期t1から火炎到達時期t5までの期間を火炎伝播期間Tfpと称し、噴射開始時期t2から気化完了時期t4までの期間を成層形成期間Tsと称する。成層形成期間Tsは、噴射開始時期t2から噴射完了時期t3までの噴射期間Tinjと、噴射完了時期t3から気化完了時期t4までの気化期間Tevとを合わせた期間に相当する。 Here, a period from the ignition timing t1 to the flame arrival time t5 is referred to as a flame propagation period Tfp, and a period from the injection start timing t2 to the vaporization completion timing t4 is referred to as a stratification formation period Ts. The stratification period Ts corresponds to a period obtained by combining the injection period Tinj from the injection start timing t2 to the injection completion timing t3 and the vaporization period Tev from the injection completion timing t3 to the vaporization completion timing t4.
次に、本実施形態の噴射制御部45が流体噴射弁41の噴射時期を決定する方法について、図9に示すフローチャートを参照して制御する。図9は、噴射制御部45による噴射制御の処理手順を示すフローチャートであり、当該処理は、所定周期(例えば所定のクランク毎又は所定の時間毎)に繰り返し実行される。
Next, the method by which the
まず、S1にて、エンジン13の負荷(使用燃料量)、回転数、吸気量、吸気温、及び吸気圧力等を含むエンジン13の運転状態情報を取得する。運転状態情報は、例えばエンジン13に設けられた各種センサから入力される検出値や検出値に基づいて推定される推定値を利用する。
次いで、S2では、S1にて取得した値に基づいて、点火時期t1及び非燃焼液体Lの必要な流体量Gを設定する。点火時期t1は、例えばエンジン13が最大トルクを発生する時期であるMBT(Minimum spark advance for Best Torque)に設定される。
First, in S1, the
Next, in S2, the ignition timing t1 and the required fluid amount G of the non-combustion liquid L are set based on the values acquired in S1. The ignition timing t1 is set to, for example, MBT (Minimum spark advance for Best Torque), which is a timing at which the
S3では、運転状態情報及び流体量Gに基づいて、火炎伝播期間Tfpを算出し、点火時期t1から火炎伝播期間Tfpを経過した火炎到達時期t5を算出する。この算出された火炎到達時期t5と同時刻に気化完了時期t4を設定する。気化完了時期t4は、「壁面保護ガス層51が形成完了する時期」に相当する。
In S3, the flame propagation period Tfp is calculated based on the operation state information and the fluid amount G, and the flame arrival time t5 when the flame propagation period Tfp has elapsed from the ignition timing t1 is calculated. The vaporization completion time t4 is set at the same time as the calculated flame arrival time t5. The vaporization completion time t4 corresponds to “a time when the formation of the wall surface
S4では、火炎到達時期t5における燃焼室17の温度及び圧力の時間履歴、運転状態情報、並びに、非燃焼液体Lの流体量Gといった各種情報に基づいて、気化期間Tevを算出し、気化完了時期t4から気化期間Tevを引いた噴射完了時期t3を算出する。
In S4, the vaporization period Tev is calculated based on various information such as the time history of the temperature and pressure of the
S5では、噴射完了時期t3における燃焼室17の温度及び圧力の時間履歴、運転状態情報、非燃焼液体Lの流体量G、並びに、流体噴射弁41の噴射圧、噴孔総面積、噴孔数といった各種情報に基づいて、噴射期間Tinjを算出し、噴射完了時期t3から噴射期間Tinjを引いた時期を噴射開始時期t2として設定する。
In S5, the temperature and pressure time history of the
なお、S4における気化期間Tevの算出ならびにS5における噴射期間Tinjの算出については、マップ等を利用することができる。例えば、燃焼室17の温度及び圧力について、予め時間履歴を記録しておく。また、燃焼室17の温度及び圧力の時間履歴並びに運転状態情報を含む各種情報に対する気化期間Tev及び噴射期間Tinjについて、予め試験により取得しておき、その関係をマップ等に記録しておく。そして、燃焼室17の温度及び圧力についての時間履歴及びマップ等を参照して気化期間Tev及び噴射期間Tinjをそれぞれ算出することができる。
In addition, a map etc. can be utilized for calculation of the vaporization period Tev in S4 and calculation of the injection period Tinj in S5. For example, a time history is recorded in advance for the temperature and pressure of the
また、S4において算出する気化期間Tevは、噴射圧の増加による非燃焼液体Lの微粒子化や、点火タイミングの変更による混合気温度の上昇などによって、当該期間を短くするよう調整可能である。S5において算出する噴射期間Tinjは、噴射圧を大きくすることにより、当該期間を短くするように調整可能である。特許請求の範囲に記載の「噴射時期」には、噴射開始時期t2及び噴射完了時期t3が含まれる。 The vaporization period Tev calculated in S4 can be adjusted to shorten the period by making the non-combustion liquid L finer by increasing the injection pressure or by increasing the mixture temperature by changing the ignition timing. The injection period Tinj calculated in S5 can be adjusted to shorten the period by increasing the injection pressure. The “injection timing” described in the claims includes an injection start timing t2 and an injection completion timing t3.
以上により、エンジン13の運転条件に応じた噴射開始時期t2及び噴射完了時期t3が適切に設定される。この設定に従って流体噴射弁41が制御されることにより、壁面保護ガス層51が形成完了する時期と、火炎Fが壁面保護ガス層51に到達する時期が一致する。
As described above, the injection start timing t2 and the injection completion timing t3 corresponding to the operating conditions of the
[効果]
(1)本実施形態の熱制御装置40は、エンジン13において燃焼室17を断熱するためのものであり、燃焼室17の壁面26に沿って非燃焼液体Lを噴射する流体噴射弁41と、非燃焼液体Lの気化による壁面保護ガス層51が燃焼室17の壁面26に沿って形成されている間に、燃焼室17における混合気の燃焼による火炎Fが壁面保護ガス層51に到達するように、エンジン13の運転状態に基づいて流体噴射弁41の噴射時期を制御する噴射制御部45と、を備える。
[effect]
(1) The
上記構成において、燃焼室17内の火炎伝播の様子、非燃焼液体Lが壁面保護ガス層51を形成するまでに要する時間、及び、壁面保護ガス層51が形成されている期間は、エンジン13の運転状態によって異なる。そこで、噴射制御部45は、エンジン13の運転状態に基づいて流体噴射弁41の噴射時期を制御することで、壁面保護ガス層51が燃焼室17の壁面26に沿って形成されている間に、火炎Fが壁面保護ガス層51に到達するようにしている。すなわち、壁面保護ガス層51が形成されてから崩壊するまでの限られた期間を、火炎伝播の様子に合わせて設定することにより、壁面保護ガス層51は火炎Fから壁面26を保護可能である。
In the above configuration, the state of flame propagation in the
仮に、噴射時期が早すぎる場合、図10に示すように、火炎Fが未だ到達しない時期に壁面保護ガス層51が形成完了してしまう。このため、壁面保護ガス層51が崩壊した後に火炎Fが側壁面261に到達してしまう。一方、噴射時期が遅すぎる場合、図11に示すように、非燃焼液体Lが噴射されたばかりで未だ壁面保護ガス層51が形成されていないときに火炎Fが側壁面261に到達してしまう。これらの場合、火炎Fから壁面26を十分に断熱できない。
If the injection timing is too early, as shown in FIG. 10, the formation of the wall surface
これに対して、本実施形態では、壁面保護ガス層51が燃焼室17の側壁面261と火炎Fとの間を断熱することにより、燃焼室17の側壁面261の温度が上昇することを抑制し、冷却損失を十分に低減可能である。
In contrast, in the present embodiment, the wall surface
(2)本実施形態では、流体噴射弁41が非燃焼液体Lを噴射し、噴射された非燃焼液体Lが気化することによって壁面保護ガス層51が形成される。このような形態によれば、流体噴射弁41が気体の非燃焼流体を噴射する場合に比べて、ガスを圧縮するための仕事を必要とせず、燃費が向上する。
(2) In the present embodiment, the wall
(3)また、非燃焼液体Lは、液化二酸化炭素、または、エンジン13の運転中における燃焼室17の壁面26の温度よりも沸点が低い液体である。このため、非燃焼液体Lは噴射直後に気体となり、壁面保護ガス層51が形成されるまでに要する時間を短くできる。よって、壁面保護ガス層51の形成完了前に、気化した非燃焼液体Lが混合気Mと混合することを抑制することができる。
(3) The non-combustion liquid L is liquefied carbon dioxide or a liquid having a boiling point lower than the temperature of the
(4)また、本実施形態において、噴射制御部45は、壁面保護ガス層51の形成が完了する時期と、火炎Fが壁面保護ガス層51に到達する時期とが一致するように、流体噴射弁41の噴射時期を制御する。
上記構成によれば、壁面保護ガス層51が最も厚いときに火炎Fが壁面保護ガス層51に到達するため、壁面保護ガス層51が火炎Fから側壁面261をより効果的に保護することができる。これにより、冷却損失をより低減できる。
(4) In the present embodiment, the
According to the above configuration, since the flame F reaches the wall surface
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による熱制御装置及び熱制御装置が適用されるエンジン33について、図12及び図13を参照して説明する。第1実施形態では、燃焼室17の壁面26のうち、側壁面261を保護する場合について説明しているが、第2実施形態では、燃焼室17の全ての壁面26を保護する場合について説明する。
[Second Embodiment]
A heat control device according to a second embodiment of the present invention and an engine 33 to which the heat control device is applied will be described with reference to FIGS. 12 and 13. In the first embodiment, the case where the
まず、図12に示すように、第2実施形態のエンジン33には、燃焼室17に対して副室47が設けられており、点火プラグ7及び燃料噴射弁16は副室47に設けられている。燃料噴射弁16から噴射される燃料に点火プラグ7が点火することによって、副室47から燃焼室17に既燃ガスジェットJが噴射される。この既燃ガスジェットJによって、燃焼室17の中心部から混合気の燃焼が開始する。
First, as shown in FIG. 12, the engine 33 according to the second embodiment is provided with a
また、図13に示すように、燃焼室17に対して、流体噴射弁41の他に、2つの流体噴射弁42が配置されている。流体噴射弁41は、燃焼室17の側壁面261に非燃焼液体Lを噴射し、2つの流体噴射弁42は、ピストン冠面181及びシリンダヘッド下面221にそれぞれ非燃焼液体Lを噴射する。これにより、混合気層52を全体的に覆うように壁面保護ガス層51が形成される。
As shown in FIG. 13, two
なお、燃焼室17の中心部から壁面保護ガス層51までの径方向の距離Aと、径方向に垂直な方向の距離Bとが異なる場合、各方向における火炎到達時期t5が異なるため、流体噴射弁41、42について、それぞれの最適な噴射時期を制御してもよい。
Note that when the radial distance A from the center of the
第2実施形態によれば、壁面保護ガス層51が火炎Fから壁面26をより効果的に保護することができる。これにより、冷却損失をより低減可能である。
According to the second embodiment, the wall surface
[他の実施形態]
(ア)噴射時期
上記実施形態では、気化完了時期t4と火炎到達時期t5とを一致させているが、本発明はこれに限られず、図14に例示するように、ガス層形成期間Tgに火炎到達時期t5が重なれば良い。なお、壁面保護ガス層51が完全に崩壊する時期をt6とすると、t4≦t5<t6、(t6−t4)=Tgとなる。
この場合、火炎到達時期t5からガス層形成期間Tgを引いた時期よりも後から火炎到達時期t5までの間に気化完了時期t4を設定可能であり、設定した気化完了時期t4に基づいて、噴射完了時期t3及び噴射開始時期t2を求めれば良い。
[Other Embodiments]
(A) Injection timing In the above embodiment, the vaporization completion timing t4 and the flame arrival timing t5 are made to coincide with each other. However, the present invention is not limited to this, and as illustrated in FIG. The arrival time t5 should just overlap. If the time when the wall surface
In this case, the vaporization completion timing t4 can be set between the flame arrival timing t5 and the flame arrival timing t5 after the timing obtained by subtracting the gas layer formation period Tg, and the injection is performed based on the set vaporization completion timing t4. What is necessary is just to obtain the completion time t3 and the injection start time t2.
例えば、ガス層形成期間Tgがクランク角で20度の範囲に対応する場合、気化完了時期t4からクランクシャフト19が20度回転するまでの間に、火炎Fが壁面保護ガス層51に到達する。なお、ガス層形成期間Tgはクランク角で20度の範囲に限定されず、エンジン13、33の設定に合わせて適宜求められる。
For example, when the gas layer formation period Tg corresponds to a crank angle range of 20 degrees, the flame F reaches the wall surface
(イ)多段噴射
噴射制御部45は、図15に例示するように、流体噴射弁41、42が非燃焼性流体を所定期間ごと(例えば所定のクランク角毎)に多段噴射させてもよい。図15では、白抜き矢印で示す時期であるt21〜t25にてそれぞれ噴射が行われている。各噴射開始時期t21〜t25に続く気化完了時期t41〜t45から壁面保護ガス層崩壊時期t61〜t66まで、それぞれガス層形成期間Tgとなる。各ガス層形成期間Tgが連続するように各噴射開始時期t21〜t25を設定することにより、壁面保護ガス層51を継続的に形成することができる。よって、火炎到達時期t5が多少ずれたとしても、壁面保護ガス層51が形成されている間に火炎Fが壁面保護ガス層51に到達することが可能であり、更なる冷却損失低減の効果を得られる。
(A) Multi-stage injection As illustrated in FIG. 15, the
(ウ)流体噴射弁
流体噴射弁41、42の構成や配置等は、上記実施形態に示したものに限られない。
例えば、図16に示すように、燃焼室17の側壁面261に対して非燃焼液体Lを噴射する流体噴射弁41が複数配置されていてもよい。ここで、複数の流体噴射弁41は、燃焼室17に関して互いの位置が対称になるように配置されていることが好ましい。
また、図17及び図18に示すように、流体噴射弁41に複数の噴射口が形成されており、非燃焼液体Lが燃焼室17の側壁面261上で多方向に広がるようにしてもよい。
さらに、図19に示すように、燃焼室17に複数配置された流体噴射弁41が、それぞれ複数の噴射口を有していてもよい。ここで、複数の流体噴射弁41は、燃焼室17の中心に対して回転対称に配置されてもよい。
図16〜図19に示すような構成により、噴射期間Tinjを短くすることができ、より素早く壁面保護ガス層51を形成することができる。また、形成される壁面保護ガス層51の厚みを均一にすることができ、これにより壁面保護ガス層51の崩壊進行を抑制することができる。
(C) Fluid injection valve The configuration and arrangement of the
For example, as shown in FIG. 16, a plurality of
As shown in FIGS. 17 and 18, the
Furthermore, as shown in FIG. 19, a plurality of
With the configuration shown in FIGS. 16 to 19, the injection period Tinj can be shortened, and the wall surface
また、図20に示すように、流体噴射弁42に複数の噴射口が形成されており、1つの流体噴射弁42がピストン冠面181及びシリンダヘッド下面221に対して同時に非燃焼液体Lを噴射してもよい。また、側壁面261に非燃焼液体Lを噴射する流体噴射弁41が配置されずに、ピストン冠面181及びシリンダヘッド下面221に非燃焼液体Lを噴射する流体噴射弁42のみが配置されていてもよい。
As shown in FIG. 20, a plurality of injection ports are formed in the
(エ)非燃焼流体
流体噴射弁により噴射される非燃焼流体は、液体に限られず、気体であってもよい。例えば、図21に示すように、流体噴射弁43が非燃焼気体Pを、壁面26の近接領域に直接噴射する。これによれば、目的の領域に壁面保護ガス層51を形成することが容易である。なお、非燃焼気体Pは、空気中で燃焼しない不活性気体であればよい。
(D) Non-combustion fluid The non-combustion fluid injected by the fluid injection valve is not limited to a liquid, but may be a gas. For example, as shown in FIG. 21, the
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in various forms without departing from the spirit of the invention.
13、33・・・エンジン(内燃機関)
17・・・燃焼室
26、261、221、181・・・壁面
41、42、43・・・流体噴射弁
45・・・噴射制御部
51・・・壁面保護ガス層
13, 33 ... Engine (internal combustion engine)
17 ...
Claims (5)
前記燃焼室の壁面(26、261、221、181)に沿って非燃焼流体を噴射する流体噴射弁(41、42、43)と、
前記非燃焼流体による壁面保護ガス層(51)が前記壁面に沿って形成されている間に、前記燃焼室内の混合気の燃焼による火炎が前記壁面保護ガス層に到達するように、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記流体噴射弁の噴射時期を制御する噴射制御部(45)と、を備え、
前記流体噴射弁により噴射される前記非燃焼流体は液体であり、
前記非燃焼流体は、噴射された後に気化することによって前記壁面保護ガス層を形成し、
前記噴射制御部は、前記内燃機関の運転状態情報及び前記非燃焼流体の必要な流体量(G)に基づいて、前記火炎が前記壁面保護ガス層に到達する時期(t5)を算出し、前記壁面保護ガス層の形成完了時期(t4)を設定し、前記壁面保護ガス層の形成完了時期(t4)と、前記火炎が前記壁面保護ガス層に到達する時期(t5)とが一致するように、前記流体噴射弁の噴射時期を制御することを特徴とする内燃機関の熱制御装置。 An internal combustion engine thermal control device (40) for insulating a combustion chamber (17) in a spark ignition internal combustion engine (13),
Fluid injection valves (41, 42, 43) for injecting non-combustion fluid along the wall surfaces (26, 261, 221, 181) of the combustion chamber;
While the wall surface protective gas layer (51) by the non-combustion fluid is formed along the wall surface, the internal combustion engine is configured such that a flame caused by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber reaches the wall surface protective gas layer. An injection control unit (45) for controlling the injection timing of the fluid injection valve based on the operating state of
The non-combustion fluid injected by the fluid injection valve is a liquid;
The non-combustion fluid forms the wall protective gas layer by being vaporized after being injected,
The injection control unit calculates a time (t5) when the flame reaches the wall surface protective gas layer based on the operating state information of the internal combustion engine and a necessary fluid amount (G) of the non-combustion fluid, A wall surface protective gas layer formation completion time (t4) is set so that the wall surface protective gas layer formation completion time (t4) coincides with the time when the flame reaches the wall surface protective gas layer (t5). An internal combustion engine thermal control device that controls the injection timing of the fluid injection valve.
前記流体噴射弁は、前記燃焼室を区画するシリンダ壁面(261)、ピストン冠面(11)、及びシリンダヘッド下面(221)に沿って前記非燃焼流体を噴射することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の熱制御装置。 The internal combustion engine is configured so that combustion of the air-fuel mixture starts from the center of the combustion chamber,
The said fluid injection valve injects the said non-combustion fluid along the cylinder wall surface (261) which divides the said combustion chamber, a piston crown surface (11), and a cylinder head lower surface (221). Or a heat control apparatus for an internal combustion engine according to 2 ;
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