WO2007080746A1 - 予混合圧縮自着火燃焼機関 - Google Patents

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WO2007080746A1
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Koji Momose
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Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a premixed compression auto-ignition combustion engine, and more particularly to optimization of temperature distribution in a combustion chamber.
  • An internal combustion engine is capable of generating a large amount of power, and is therefore widely used as a power generation source in transportation facilities such as automobiles.
  • the compression self-ignition combustion type internal combustion engine is attracting attention!
  • This premixed compression auto-ignition combustion system is known to exhibit superior performance compared to conventional diffusion combustion internal combustion engines in terms of improving fuel efficiency and reducing NOx.
  • Patent Document 1 An internal combustion engine that employs a premixed compression self-ignition combustion system is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the air-fuel mixture is sucked into the combustion chamber formed on the top surface of the piston, and the air-fuel mixture compressed as the piston rises self-ignites and burns.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-65350
  • the present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a premixed compression auto-ignition combustion engine capable of operating in a wide load range.
  • a first premixed compression autoignition combustion engine is a premixed compression autoignition combustion engine that compresses a mixture of fuel and oxygen-containing gas to perform autoignition combustion, and includes an internal part thereof.
  • a cylinder block with a cylinder bore formed in it, a cylinder head that closes one end of the cylinder bore, an internal EGR means for performing internal EGR, and a reciprocating slide in the cylinder bore, on the top surface facing the cylinder head Has a combustion recess formed so that the peripheral edge of the opening protrudes toward the axial center thereof, and is located radially outside the peripheral edge of the opening and the internal EGR gas remains in the combustion recess.
  • the piston having the gas residual portion and the heat insulating portion formed on the wall surface of the piston forming the gas residual portion are provided.
  • a second premixed compression self-ignition combustion engine is a premixed compression self-ignition combustion engine which compresses a mixture of fuel and oxygen-containing gas and performs self-ignition combustion,
  • a gas residue is formed on the bottom surface of the combustion recess, which has an open combustion recess, and has a gas residue that is recessed in the depth direction and in which internal EGR gas tends to remain.
  • the heat insulation formed on the wall surface of the piston is relieved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a premixed compression auto-ignition combustion engine according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the structure in the vicinity of the combustion chamber in the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a combustion recess in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a temperature distribution during compression of the combustion chamber in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a temperature distribution during compression of the combustion chamber of FIG. 4 when not insulated.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of numerical analysis of the heat generation rate with respect to the crank angle when the heat insulation is performed and when the heat insulation is not performed in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a partial sectional view showing a structure in the vicinity of a combustion chamber in a second embodiment.
  • FIG. 7a is a plan view showing a piston in a modification of the first embodiment.
  • FIG. 7b is a plan view showing a piston in a modification of the second embodiment.
  • FIG. 7c is a plan view showing a piston in another modification of the first embodiment.
  • FIG. 7d is a plan view showing a piston in another modification of the second embodiment.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing a structure in the vicinity of a combustion chamber in a third embodiment.
  • GHP gas heat pump
  • a cylinder bore 2 is formed inside the cylinder block 1.
  • a cylinder head 3 is fixed to an upper portion of the cylinder bore 2, and an upper end of the cylinder bore 2 is closed by a bottom surface of the cylinder head 3.
  • a piston 4 is disposed inside the cylinder bore 2 so as to be slidable back and forth.
  • One end of a connecting rod 5 is connected to the piston 4, and a crankshaft 6 is connected to the other end of the connecting rod 5.
  • a combustion recess 7 is formed on the top surface of the piston 4 facing the bottom surface of the cylinder head 3, and a heat insulating portion 8 having a low thermal conductivity is formed in the combustion recess 7.
  • a combustion chamber 9 is defined by the top surface of the piston 4, the cylinder bore 2 and the bottom surface of the cylinder head 3.
  • the cylinder head 3 is equipped with an intake valve 11 for opening and closing the intake port 10 and an exhaust valve 13 for opening and closing the exhaust port 12.
  • An intake passage 14 is connected to the intake port 10, and an exhaust passage 15 is connected to the exhaust port 12.
  • the other end of the intake passage 14 is opened to the atmosphere, and a fuel injection valve 16 that injects city gas as fuel is connected to the middle of the intake passage 14.
  • the combustion recess 7 is formed in a substantially donut shape so as to swell inside the piston 4, and opens to the top surface of the piston 4 and toward the bottom of the piston 4. It is formed to a predetermined depth.
  • the cylinder head is located in the center of the bottom of the combustion recess 7 A projecting portion 17 projecting toward the bottom surface of 3 is formed.
  • the combustion recess 7 is recessed in the shape of a circular arc in cross-section by urging to the side, that is, radially outward of the piston 4, and the gas residue located on the radially outer side of the piston 4 than the opening peripheral edge 18 of the combustion recess 7. It has part 19.
  • the gas residual portion 19 is formed continuously over the entire circumferential direction of the combustion recess 7.
  • the peripheral edge 18 of the opening of the combustion recess 7 protrudes toward the axis of the piston 4, and when the combustion recess 7 on the top surface of the cylinder head 3 side piston 4 is seen, the gas residue 19 opens. It is configured to be hidden behind the peripheral edge 18.
  • a heat insulating portion 8 is arranged on the wall surface of the piston 4 forming such a gas residual portion 19, and this heat insulating portion 8 is also an arc-shaped cross section along the cross section of the gas residual portion 19. have.
  • the diameter of the opening peripheral edge 18 of the combustion recess 7 is a
  • the point P (the combustion recess 7 If the diameter of the combustion recess 7 at the widest point P) is b (b> a)
  • the heat insulating part 8 is directed from the point P toward the opening peripheral edge 18 of the combustion recess 7. It is preferable to have a length of about 0.15b to 0.4b.
  • the length from point P toward the bottom of the combustion recess 7 is about 0.15b to 0.3b. It is preferable to have a thickness.
  • the heat insulating portion 8 is formed so as to cover the entire wall surface of the piston 4 forming the gas residual portion 19 in the circumferential direction.
  • the heat insulating portion 8 is coated with a material such as a ceramic having low thermal conductivity on the wall surface of the piston 4 that forms the gas residual portion 19 of the combustion recess 7 by a method such as vapor deposition. It can be formed by inserting a heat insulating material that also has ceramic strength. Further, the protrusion 17 formed on the bottom surface of the combustion recess 7 is formed lower than the opening peripheral edge 18 of the combustion recess 7 so as not to protrude toward the cylinder head 3 side.
  • the internal EGR is performed by advancing the closing timing of the exhaust valve 13 in the exhaust stroke by the variable valve mechanism S as the internal EGR means. That is, when the exhaust valve 13 is closed during the exhaust stroke, a part of the high-temperature burned gas remains in the combustion chamber 9 as internal EGR gas, and when the intake valve 11 opens in the intake stroke of the next cycle. The mixture of the air flowing in the intake passage 14 and the gas fuel injected from the fuel injection valve 16 into the intake passage 14 is sucked into the combustion chamber 9 from the intake port 10 as fresh air, and this fresh air is It remains in 9 and is stirred and mixed with the internal EGR gas.
  • the combustion recess 7 formed on the top surface of the piston 4 that constitutes a partial wall surface of the combustion chamber 9 is a gas that is recessed further outward in the radial direction of the piston 4 than the opening peripheral edge 18. It has a residual part 19.
  • the internal EGR gas remaining in the combustion chamber 9 by the internal EGR is agitated and mixed with the air-fuel mixture by the inflow of the air-fuel mixture (fresh air) during the intake stroke, but the air-fuel mixture hardly flows into the gas residue section 19. Stirring and mixing does not proceed. Therefore, when the internal EGR gas is mixed with fresh air and compressed, the concentration of internal EGR gas increases in the vicinity of the residual gas portion 19 of the combustion recess 7 and the internal EGR gas concentration in the combustion chamber 9 is high.
  • the internal EGR gas is a high-temperature burned gas, and since the heat insulating part 8 is arranged on the wall surface of the piston 4 forming the gas residual part 19, heat dissipation from the gas residual part 19 is suppressed.
  • a high-temperature portion is formed near the gas residue 19 of the combustion recess 7 where the concentration of the internal EGR gas is high, and the high-temperature portion is separated from the gas residue 19 as the center. As a result, a stratified temperature distribution is formed such that the temperature gradually decreases.
  • the highest temperature location in the residual gas portion 19 has a high concentration of internal EGR gas, so it does not become an ignition point, but an ignition point on the boundary where the concentration of the gas mixture increases around the highest temperature location. .
  • the heat insulating part 8 on the wall surface of the piston 4 that forms the gas residual part 19 of the combustion concave part 7 where the concentration of the high-temperature internal EGR gas becomes high, the vicinity of the gas residual part 19 is centered. Stratified Therefore, it is possible to spatially limit the ignition start location and reduce the variation between combustion cycles. This makes it possible to stabilize combustion and reduce noise even during high-load operation.
  • the inside of the combustion chamber 9 is heated by the high-temperature internal EGR gas, and the vicinity of the gas residual portion 19 where the internal EGR gas accumulates and becomes the highest temperature during compression is a heat-insulating portion. Since it is insulated by 8 and the temperature during compression is higher than when it is not insulated, the ignitability during low-load operation can be improved.
  • the heat insulating portion 8 is not formed on the wall surface of the piston 4 forming the gas residual portion 19, the temperature stratified based on the distribution of the internal EGR gas at the initial stage of the compression stroke. Although a distribution is formed, heat is dissipated from the wall surface of the combustion chamber 9 including the gas residual portion 19 as the compression stroke proceeds through the intake stroke, and the inside of the combustion chamber 9 is substantially uniform as shown in FIG. As a result, the temperature is ignited simultaneously at a plurality of locations in the combustion chamber 9 and a large amount of fuel is burned in a short period of time, causing noise during high-load operation.
  • FIG. 6 shows the result of the numerical analysis of the heat generation rate with respect to the crank angle in the case of Embodiment 1 where the gas residual portion 19 is insulated and when it is not insulated.
  • the solid line S if the gas residue 19 is insulated, the maximum force is reduced and combustion noise is expected to be smaller than when the gas remaining part 19 is not insulated as indicated by the broken line T.
  • the second embodiment is a premixed compression auto-ignition combustion engine according to the first embodiment, in which the piston 4 has a flat bottom surface instead of the combustion concave portion 7 having the protrusion 17 on the bottom surface.
  • a recess 31 is provided. That is, the combustion recess 31 has a shape obtained by removing the protrusion 17 from the combustion recess 7 in the first embodiment, and the center portion of the bottom surface is formed flat.
  • the combustion recess 31 has the same configuration as the combustion recess 7 of Embodiment 1 except that the bottom surface is flat, and has an opening.
  • a gas residue 19 that is located radially outward from the peripheral edge 18 and continuously formed over the entire circumferential direction of the combustion recess 31 and a gas residue 19 are formed. It has the heat insulation part 8 arrange
  • FIG. A combustion chamber 32 is defined by the top surface of the piston 4 having such a combustion recess 31, the cylinder bore 2 and the bottom surface of the cylinder head 3.
  • Embodiment 2 since the central portion of the bottom surface of the combustion recess 31 is flat, the combustion recess 31 can be easily formed on the top surface of the piston 4. .
  • the heat insulating portion 8 is a gas residue along the direction from the opening peripheral edge portion 18 of the combustion recess 7 toward the bottom surface, that is, along the depth direction of the combustion recess 7. It may be formed to have a length that covers the entire part 19.
  • the heat insulating portion 8 may be arranged over the entire circumferential direction of the gas residual portion 19 as in the first and second embodiments described above, or as shown in FIGS. 7a and 7b. It may be arranged so as to be scattered at a plurality of locations spaced apart from each other along the circumferential direction.
  • the force in which the gas residual portion 19 is continuously formed over the entire circumferential direction of the combustion recesses 7 and 31 is not limited to this.
  • Figs. 7c and 7d As shown in FIG. 5, a plurality of gas residue portions independent of each other can be formed at intervals from each other along the circumferential direction of the combustion recesses 7 and 31.
  • a heat insulating part is formed on the wall surface of the piston 4 that forms each gas residual part, the concentration of the high-temperature internal EGR gas increases near the gas residual part, and the temperature becomes the highest during compression. As the gas remains The vicinity of the retention part is insulated by the heat insulation part, and a temperature distribution is formed with a stratification centered on the vicinity of the gas residual part.
  • a premixed compression self-ignition combustion engine according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
  • a substantially deep dish-like combustion recess 41 is provided in the premixed compression auto-ignition combustion engine according to the first embodiment.
  • the formed piston 42 is used.
  • the combustion recess 41 is formed in a substantially deep dish shape that opens to the top surface of the piston 42, and has a gas residue portion 43 that is recessed in a concave shape at the center portion of the bottom surface toward the bottom of the piston 42. .
  • a heat insulating portion 44 having a low thermal conductivity is formed so as to cover the entire wall surface of the piston 42 that forms the gas residual portion 43.
  • a combustion chamber 45 is defined by the top surface of the piston 42 having such a combustion recess 41, the cylinder bore 2 and the bottom surface of the cylinder head 3.
  • the heat insulating portion 44 is formed by coating a material such as ceramic having low thermal conductivity on the wall surface of the piston 42 forming the gas residual portion 43 of the combustion concave portion 41 by a method such as vapor deposition or the like. It can be formed by inserting a heat insulating material that also has ceramic isotropic force.
  • the internal EGR gas remaining in the combustion chamber 45 is transferred to the gas residual portion 43 constituting the deepest portion of the combustion recess 41. Therefore, if the internal EGR gas is mixed with fresh air and compressed, the concentration of the internal EGR gas increases in the vicinity of the gas residue 43 in the combustion recess 41 and the concentration of the internal EGR gas in the combustion chamber 45 The high and partial and low and partial portions are formed.
  • the internal EGR gas is a high-temperature burned gas, and the heat insulating part 44 is arranged on the wall surface of the piston 42 forming the gas residual part 43 to suppress heat dissipation.
  • Stratification is such that a high-temperature location is formed near the gas residue 43 of the combustion recess 41 where the concentration of internal EGR gas is high, and the temperature gradually decreases as the temperature increases away from the gas residue 43. The resulting temperature distribution will be formed. As a result, combustion stability and noise can be reduced even during high-load operation.
  • the combustion chamber 45 is heated by the internal EGR and becomes the highest temperature during compression. In the vicinity of the residual gas 43, the temperature during compression becomes higher than in the case of heat insulation and heat insulation, so the ignitability during low-load operation is improved.
  • an ignition start place is formed in the vicinity of the gas residual portion 43 located in the central portion of the bottom surface of the combustion recess 41, and the stratification is performed around the gas residual portion 43. Since combustion gradually occurs according to the temperature distribution, the propulsive force obtained by combustion is generated in a well-balanced axisymmetric manner without being biased to the left and right of the piston 42 axis.
  • combustion recess 41 has a substantially deep dish shape, the combustion recess 41 can be easily formed on the top surface of the piston 42.
  • the internal EGR rate is adjusted by adjusting the valve closing timing of the exhaust valve in the exhaust stroke by the variable valve mechanism S (not shown) according to the required rotational speed, load, and the like.
  • the opening / closing timing of the intake valve 11 is adjusted rather than adjusting the opening / closing timing of the exhaust valve 13, or the opening / closing of both the exhaust valve 13 and the intake valve 11 is adjusted.
  • Internal EGR may be performed by adjusting the timing.
  • the cylinder block 1, the cylinder head 3, and the pistons 4, 42 forming the wall surfaces of the combustion chambers 9, 32, 45 may all be made of pig iron or the like. it can.
  • Embodiments 1 to 3 can be changed within the scope of the gist of the present invention.
  • gas fuels such as LPG and CNG, which use city gas as the fuel
  • liquid fuels such as light oil and gasoline.
  • a mixer or the like can be appropriately selected in addition to the fuel injection nozzle.
  • the engine type can also be changed as appropriate, such as V-type and horizontally-opposed type.

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Abstract

　幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことができる予混合圧縮自着火燃焼機関を提供する。 　燃焼用凹部７は、開口周縁部１８よりもピストン４の径方向外方にまでくぼんだガス残留部１９を有する。このガス残留部１９には新気が流れ込みにくく、したがって内部ＥＧＲガスが新気と混合されて圧縮されると、燃焼室９内で内部ＥＧＲガスの濃度が高い部分と低い部分が形成される。内部ＥＧＲガスは高温の既燃ガスであると共に、ガス残留部１９の付近は断熱部８により断熱化されているため、燃焼室９内で内部ＥＧＲガスの濃度が高い燃焼用凹部７のガス残留部１９付近に高温箇所が形成され、この高温箇所を中心にガス残留部１９から離間するにしたがって次第に温度が低下するような成層化された温度分布が形成される。

Description

予混合圧縮自着火燃焼機関
技術分野
[0001] この発明は、予混合圧縮自着火燃焼機関に係り、特に燃焼室内の温度分布の最 適化に関する。
背景技術
[0002] 内燃機関は、大きな動力を発生することができるため、自動車等の交通機関ゃェ 場等における動力発生源として広く用いられているが、近年、混合気を圧縮自着火さ せる予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関が注目されて!/ヽる。この予混合圧縮自 着火燃焼方式にすると、燃費の向上及び NOxの低減等の点で従来の拡散燃焼方 式の内燃機関に比べて優れた性能を発揮することが知られている。
予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した内燃機関が、例えば、特許文献 1に開示さ れている。ピストン頂面に形成された燃焼室内に混合気が吸入され、ピストンの上昇 に伴って圧縮された混合気が自着火して燃焼する。
[0003] 特許文献 1 :特開 2001— 65350号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、このような予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関においては、燃料 供給量が少なくなる低負荷運転時には自着火しにくくなり、逆に燃料供給量が大きく なる高負荷運転時には燃焼が不安定となって燃焼のサイクル間変動の増加や騒音 の発生を招くという問題があり、運転可能な負荷の範囲が制限されてしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、幅広い負荷の範囲 に対応した運転を行うことができる予混合圧縮自着火燃焼機関を提供することを目 的とする。
課題を解決するための手段
[0005] この発明に係る第 1の予混合圧縮自着火燃焼機関は、燃料と酸素含有ガスとの混 合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼機関であって、その内部 にシリンダボアが形成されて ヽるシリンダブロックと、シリンダボアの一端を閉塞するシ リンダヘッドと、内部 EGRを行うための内部 EGR手段と、シリンダボア内を往復摺動 し、シリンダヘッドに対向する頂面に、開口周縁部がその軸心に向力つて張り出すよ うに形成された燃焼用凹部を有し且つ燃焼用凹部内に、開口周縁部よりも径方向外 側に位置すると共に内部 EGRガスが残留しやす 、ガス残留部を有するピストンと、ガ ス残留部を形成しているピストンの壁面上に形成された断熱部とを備えるものである
[0006] この発明に係る第 2の予混合圧縮自着火燃焼機関は、燃料と酸素含有ガスとの混 合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼機関であって、その内部 にシリンダボアが形成されて ヽるシリンダブロックと、シリンダボアの一端を閉塞するシ リンダヘッドと、内部 EGRを行うための内部 EGR手段と、シリンダボア内を往復摺動 し、シリンダヘッドに対向する頂面に開口した燃焼用凹部を有し且つ燃焼用凹部の 底面に、その深さ方向に向力つてくぼむと共に内部 EGRガスが残留しやすいガス残 留部を有するピストンと、ガス残留部を形成して ヽるピストンの壁面上に形成された断 熱咅とを備免るちのである。
発明の効果
[0007] この発明によれば、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことが可能な予混合 圧縮自着火燃焼機関を実現することができる。
図面の簡単な説明
[0008] [図 1]この発明の実施の形態 1に係る予混合圧縮自着火燃焼機関を示す断面図であ る。
[図 2]実施の形態 1における燃焼室近傍の構造を示す部分断面図である。
[図 3]実施の形態 1における燃焼用凹部を示す拡大断面図である。
[図 4]実施の形態 1における燃焼室の圧縮時の温度分布を示す図である。
[図 5]断熱化されていない場合の図 4の燃焼室の圧縮時の温度分布を示す図である
[図 6]実施の形態 1において断熱化する場合と断熱化しない場合のクランク角度に対 する熱発生率について数値解析を行った結果を示すグラフである。 [図 7]実施の形態 2における燃焼室近傍の構造を示す部分断面図である。
[図 7a]実施の形態 1の変形例におけるピストンを示す平面図である。
[図 7b]実施の形態 2の変形例におけるピストンを示す平面図である。
[図 7c]実施の形態 1の別の変形例におけるピストンを示す平面図である。
[図 7d]実施の形態 2の別の変形例におけるピストンを示す平面図である。
[図 8]実施の形態 3における燃焼室近傍の構造を示す部分断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0009] 以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態 1.
この発明の実施の形態 1に係る予混合圧縮自着火燃焼機関について、ガスヒート ポンプ (以下、 GHPと称す)用エンジンを例に説明する。
図 1に示されるように、シリンダブロック 1の内部にシリンダボア 2が形成されている。 シリンダボア 2の上部にはシリンダヘッド 3が固定されており、このシリンダヘッド 3の底 面によりシリンダボア 2の上端が閉塞されている。シリンダボア 2の内部には、ピストン 4が往復摺動自在に配置されており、ピストン 4にコンロッド 5の一端が接続され、さら にコンロッド 5の他端にクランクシャフト 6が接続されている。
また、シリンダヘッド 3の底面に対向するピストン 4の頂面には燃焼用凹部 7が形成 されており、この燃焼用凹部 7内に熱伝導率の低い断熱部 8が形成されている。この ピストン 4の頂面、シリンダボア 2及びシリンダヘッド 3の底面により燃焼室 9が区画さ れている。
[0010] シリンダヘッド 3には、吸気ポート 10を開閉するための吸気ノ レブ 11及び排気ポー ト 12を開閉するための排気バルブ 13が装着されている。また、吸気ポート 10には吸 気通路 14が接続され、排気ポート 12には排気通路 15が接続されている。吸気通路 14の他端は大気に開放されると共に、この吸気通路 14の途中には、都市ガスを燃 料として噴射する燃料噴射弁 16が連結されている。
[0011] 図 2に示されるように、燃焼用凹部 7は、ほぼドーナツ形状にピストン 4の内部に膨ら んで形成されており、ピストン 4の頂面に開口すると共にピストン 4の底部に向かって 所定の深さに形成されている。燃焼用凹部 7の底面の中央部分には、シリンダヘッド 3の底面に向かって突出した突出部 17が形成されている。また、燃焼用凹部 7は、側 方すなわちピストン 4の径方向外方に向力つて断面円弧状にくぼんで燃焼用凹部 7 の開口周縁部 18よりもピストン 4の径方向外側に位置するガス残留部 19を有して ヽ る。このガス残留部 19は、燃焼用凹部 7の周方向全体にわたって連続して形成され ている。すなわち、燃焼用凹部 7の開口周縁部 18がピストン 4の軸心に向力つて張り 出しており、シリンダヘッド 3側力 ピストン 4頂面の燃焼用凹部 7を見ると、ガス残留 部 19が開口周縁部 18の後方に隠れるように構成されている。
[0012] このようなガス残留部 19を形成しているピストン 4の壁面の上に断熱部 8が配置され ており、この断熱部 8も、ガス残留部 19の断面に沿った円弧状の断面を有している。 ここで、図 3に示されるように、燃焼用凹部 7の開口周縁部 18の直径を aとし、ガス残 留部 19の最もピストン 4の径方向外方に位置する点 P (燃焼用凹部 7内の幅が最も広 い点 P)における燃焼用凹部 7の直径を b (b >a)とすると、断熱部 8は、点 Pから燃焼 用凹部 7の開口周縁部 18の方向に向力つて 0. 15b〜0. 4b程度の長さを有するよう に形成されることが好ましぐまた、点 Pから燃焼用凹部 7の底面の方向に向力つて 0 . 15b〜0. 3b程度の長さを有するように形成されることが好ましい。また、断熱部 8は ガス残留部 19を形成しているピストン 4の壁面を周方向全体にわたって覆うように形 成されている。
[0013] なお、断熱部 8は、例えば燃焼用凹部 7のガス残留部 19を形成して ヽるピストン 4の 壁面の上に熱伝導率の低いセラミック等の材料を蒸着等の方法でコーティングするこ とにより、あるいはセラミック等力もなる断熱材を嵌め込むことにより形成することがで きる。また、燃焼用凹部 7の底面に突出形成された突出部 17は、燃焼用凹部 7の開 口周縁部 18よりも低く形成され、シリンダヘッド 3側に突出しないように形成されてい る。
[0014] 以上のような構成を有する GHP用エンジンの作用について説明する。このエンジン では、例えば、排気行程における排気バルブ 13の閉弁時期を内部 EGR手段として の可変バルブ機構 Sにより早めることにより、内部 EGRが行われる。すなわち、排気 行程の途中で排気バルブ 13が閉じることにより高温の既燃ガスの一部が内部 EGR ガスとして燃焼室 9内に残留され、次のサイクルの吸気行程で吸気バルブ 11が開くと 、吸気通路 14内を流れる空気と燃料噴射弁 16から吸気通路 14内へ噴射されたガス 燃料との混合気が新気として吸気ポート 10から燃焼室 9内へ吸入され、この新気が 燃焼室 9内に残留して 、る内部 EGRガスと攪拌及び混合される。このように互 、に混 合された内部 EGRガスと新気力 つづく圧縮行程でピストン 4の上昇により圧縮され て温度上昇することにより、燃料が自着火し、燃焼室 9内で燃焼が起こる。この燃焼に より得られる推進力によりピストン 4がシリンダボア 2内を往復運動すると共に、ピストン 4の往復運動がコンロッド 5を介してクランクシャフト 6の回転運動に変換され、 GHP 用エンジンから出力が得られる。
[0015] ここで、燃焼室 9の一部壁面を構成するピストン 4の頂面に形成されている燃焼用 凹部 7は、開口周縁部 18よりもピストン 4の径方向外方にまでくぼんだガス残留部 19 を有している。内部 EGRにより燃焼室 9内に残留される内部 EGRガスは、吸気行程 における混合気 (新気)の流入によって、混合気と攪拌及び混合されるが、ガス残留 部 19には混合気が流れ込み難ぐ攪拌及び混合が進まない。したがって内部 EGR ガスが新気と混合されて圧縮されると、燃焼用凹部 7のガス残留部 19付近で内部 EG Rガスの濃度が高くなり、燃焼室 9内で内部 EGRガスの濃度が高い部分と低い部分 が形成される。内部 EGRガスは高温の既燃ガスであると共に、ガス残留部 19を形成 しているピストン 4の壁面の上には断熱部 8が配置されてガス残留部 19からの放熱が 抑制されるため、燃焼室 9内において図 4に示されるように、内部 EGRガスの濃度が 高い燃焼用凹部 7のガス残留部 19付近に高温箇所が形成され、この高温箇所を中 心にガス残留部 19から離間するにしたがって次第に温度が低下するような成層化さ れた温度分布が形成されることとなる。
[0016] その結果、ガス残留部 19付近で着火が起こると、温度分布にしたがって徐々〖こ燃 焼が起こり、燃焼室 9内の燃料が一気に燃焼することはなぐ燃焼が緩慢になる。この ため、大きな騒音やノッキングを発生することが防止される。なお、具体的には、ガス 残留部 19の最高温度箇所は内部 EGRガスの濃度が高 、ため着火点にならず、最 高温度箇所の周辺にて混合気の濃度の上がる境界上が着火点となる。また、高温の 内部 EGRガスの濃度が高くなる燃焼用凹部 7のガス残留部 19を形成しているピスト ン 4の壁面上に断熱部 8を形成することにより、ガス残留部 19付近を中心に成層化さ れた温度分布を形成することができるため、着火開始場所を空間的に限定すること が可能となり、燃焼のサイクル間変動が低減される。これにより、高負荷運転時であつ ても燃焼の安定化と騒音の低減を図ることができる。
[0017] また、内部 EGRを行うことで高温の内部 EGRガスにより燃焼室 9内が加熱されると 共に、内部 EGRガスがたまって圧縮時に最も高温になるガス残留部 19付近は、断 熱部 8により断熱化され、断熱化されていない場合よりも圧縮時の温度が高くなるた め、低負荷運転時の着火性を向上することができる。
したがって、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行うことができ、予混合圧縮自着 火燃焼により燃費の向上及び NOxの低減を実現することができる。
[0018] なお、ガス残留部 19を形成しているピストン 4の壁面上に断熱部 8が形成されてい ないものとすると、圧縮行程の初期では内部 EGRガスの分布に基づいて成層化され た温度分布が形成されるが、吸気行程を経て圧縮行程が進むうちにガス残留部 19 を含む燃焼室 9の壁面カゝら放熱されて、図 5に示されるように燃焼室 9内がほぼ均一 な温度となり、その結果、燃焼室 9内の複数箇所で同時に着火して短期間に多くの 燃料が燃焼し、高負荷運転時の騒音等を引き起こす原因となってしまう。
[0019] また、この実施の形態 1において、ガス残留部 19を断熱化する場合と断熱化しない 場合についてクランク角度に対する熱発生率の数値解析を行った結果を図 6に示す 。実線 Sで示されるように、ガス残留部 19を断熱化すると、破線 Tで示される断熱化し ていない場合に比べて、最大値力 、さくなり、燃焼騒音が小さくなることが予測される
[0020] 実施の形態 2.
次に、図 7を参照して、この発明の実施の形態 2に係る予混合圧縮自着火燃焼機 関について説明する。この実施の形態 2は、実施の形態 1に係る予混合圧縮自着火 燃焼機関において、ピストン 4が、底面に突出部 17を有する燃焼用凹部 7の代わりに 、底面が平坦に形成された燃焼用凹部 31を備えるものである。すなわち、燃焼用凹 部 31は、実施の形態 1における燃焼用凹部 7から突出部 17を取り除いた形状を有し ており、その底面の中央部分が平坦に形成されている。また、燃焼用凹部 31は、底 面が平坦であること以外は、実施の形態 1の燃焼用凹部 7と同一の構成を有し、開口 周縁部 18よりピストン 4の径方向外方に位置すると共に燃焼用凹部 31の周方向全体 にわたつて連続して形成されるガス残留部 19、及びガス残留部 19を形成して 、るピ ストン 4の壁面上に配置される断熱部 8を有している。このような燃焼用凹部 31を有 するピストン 4の頂面、シリンダボア 2及びシリンダヘッド 3の底面により燃焼室 32が区 画されている。
[0021] このような構成にしても、実施の形態 1と同様に内部 EGRを行うと、高温の内部 EG Rガスの濃度がガス残留部 19付近で高くなり、また、ガス残留部 19付近は断熱部 8 により断熱化されているため、高温箇所となるガス残留部 19付近を中心に成層化さ れた温度分布が形成され、これにより高負荷運転時でも燃焼の安定化と騒音の低減 を図ることができる。また、内部 EGRにより燃焼室 32内が加熱されると共に、圧縮時 に最も高温になるガス残留部 19付近は断熱化され、断熱化されていない場合よりも 圧縮時の温度が高くなるため、低負荷運転時の着火性が向上される。
したがって、上述の実施の形態 1と同様に、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行 うことができる。
[0022] 力!]えて、この実施の形態 2では、燃焼用凹部 31の底面の中央部分が平坦であるた め、この燃焼用凹部 31をピストン 4の頂面に容易に作成することができる。
[0023] なお、上述の実施の形態 1及び 2において、断熱部 8は、燃焼用凹部 7の開口周縁 部 18から底面に向力う方向すなわち燃焼用凹部 7の深さ方向に沿ってガス残留部 1 9全体を覆う長さを有するように形成されてもょ ヽ。
また、断熱部 8は、上述の実施の形態 1及び 2のように、ガス残留部 19の周方向全 体にわたって配置されてもよいし、図 7a及び 7bに示されるように、ガス残留部 19の周 方向に沿って互いに間隔を隔てた複数箇所に点在するように配置されてもょ 、。
[0024] また、実施の形態 1及び 2では、ガス残留部 19が燃焼用凹部 7及び 31の周方向全 体にわたって連続して形成されていた力 これに限定されるものではなぐ図 7c及び 7dに示されるように、互いに独立した複数のガス残留部を燃焼用凹部 7及び 31の周 方向に沿って互いに間隔を隔ててそれぞれ形成することもできる。この場合も、各ガ ス残留部を形成して ヽるピストン 4の壁面上に断熱部を形成すれば、ガス残留部付 近で高温の内部 EGRガスの濃度が高くなつて圧縮時に最も高温になると共にガス残 留部付近が断熱部により断熱化され、ガス残留部付近を中心に成層化された温度分 布が形成される。
[0025] 実施の形態 3.
次に、図 8を参照して、この発明の実施の形態 3に係る予混合圧縮自着火燃焼機 関について説明する。この実施の形態 3は、実施の形態 1に係る予混合圧縮自着火 燃焼機関において、ほぼドーナツ状の燃焼用凹部 7が形成されたピストン 4の代わり に、ほぼ深皿状の燃焼用凹部 41が形成されたピストン 42を用いるものである。燃焼 用凹部 41は、ピストン 42の頂面に開口してほぼ深皿状に形成され、その底面の中央 部分にピストン 42の底部に向力つて凹状にくぼんだガス残留部 43を有している。ま た、ガス残留部 43を形成して ヽるピストン 42の壁面全体を覆うように熱伝導率の低!ヽ 断熱部 44が形成されている。このような燃焼用凹部 41を有するピストン 42の頂面、 シリンダボア 2及びシリンダヘッド 3の底面により燃焼室 45が区画されている。
なお、断熱部 44は、例えば燃焼用凹部 41のガス残留部 43を形成しているピストン 42の壁面上に熱伝導率の低いセラミック等の材料を蒸着等の方法でコーティングす ることにより、あるいはセラミック等力もなる断熱材を嵌め込むことにより形成することが できる。
[0026] このような構成にすると、実施の形態 1と同様に内部 EGRを行うと、燃焼室 45内に 残留される内部 EGRガスは燃焼用凹部 41の最深部を構成するガス残留部 43にた まりやすぐしたがって内部 EGRガスが新気と混合されて圧縮されると、燃焼用凹部 4 1のガス残留部 43付近で内部 EGRガスの濃度が高くなり、燃焼室 45内で内部 EGR ガスの濃度が高 、部分と低 、部分が形成される。内部 EGRガスは高温の既燃ガス であると共に、ガス残留部 43を形成しているピストン 42の壁面上には断熱部 44が配 置されて放熱が抑制されるため、燃焼室 45内において、内部 EGRガスの濃度が高 い燃焼用凹部 41のガス残留部 43付近に高温箇所が形成され、この高温箇所を中 心にガス残留部 43から離間するにしたがって次第に温度が低下するような成層化さ れた温度分布が形成されることとなる。これにより、高負荷運転時でも燃焼の安定ィ匕 と騒音の低減を図ることができる。
[0027] また、内部 EGRにより燃焼室 45内が加熱されると共に、圧縮時に最も高温になる ガス残留部 43付近は断熱化され、断熱化されて!/ヽな ヽ場合よりも圧縮時の温度が高 くなるため、低負荷運転時の着火性が向上される。
したがって、上述の実施の形態 1と同様に、幅広い負荷の範囲に対応した運転を行 うことができる。
[0028] 力!]えて、この実施の形態 3では、燃焼用凹部 41の底面の中央部分に位置するガス 残留部 43付近に着火開始場所が形成され、このガス残留部 43付近を中心に成層 ィ匕された温度分布にしたがって徐々に燃焼が起こるため、燃焼により得られる推進力 がピストン 42の軸の左右に偏ることなく軸対称にバランスよく生じることとなる。
また、燃焼用凹部 41はほぼ深皿形状を有するため、この燃焼用凹部 41をピストン 4 2の頂面に容易に作成することができる。
[0029] なお、上述の実施の形態 1〜3において、要求される回転速度や負荷等に応じて、 図示しない可変バルブ機構 Sにより排気行程における排気バルブの閉弁時期を調整 して内部 EGR率を制御すれば、燃焼室 9, 32, 45内に形成される温度分布を変化さ せることができ、これにより運転条件に合わせて騒音を低減することができると共に予 混合圧縮自着火領域の拡大を図ることができる。
[0030] また、実施の形態 1〜3のように、排気バルブ 13の開閉タイミングを調整するのでは なぐ吸気バルブ 11の開閉タイミングを調整する、または、排気バルブ 13及び吸気 バルブ 11の双方の開閉タイミングを調整することにより、内部 EGRを行ってもよい。
[0031] また、実施の形態 1〜3において、燃焼室 9, 32, 45の壁面を形成しているシリンダ ブロック 1、シリンダヘッド 3及びピストン 4, 42はいずれも铸鉄等から形成することが できる。
[0032] この発明の趣旨に沿う範囲で、実施の形態 1〜3を変更することが可能である。例え ば、実施の形態 1〜3では、燃料を都市ガスとした力 LPGや CNG等他のガス燃料 を採用してもよぐまた、軽油やガソリン等液体燃料を使用することも可能である。ガス 燃料を吸気通路 14内に供給する手段としても、燃料噴射ノズルの他に、ミキサー等 を適宜選択することが可能である。エンジンの形式も、 V型、水平対向型など、適宜 変更することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃 焼機関であって、
その内部にシリンダボアが形成されているシリンダブロックと、
前記シリンダボアの一端を閉塞するシリンダヘッドと、
内部 EGRを行うための内部 EGR手段と、
前記シリンダボア内を往復摺動し、前記シリンダヘッドに対向する頂面に、開口周 縁部がその軸心に向力つて張り出すように形成された燃焼用凹部を有し且つ前記燃 焼用凹部内に、前記開口周縁部よりも径方向外側に位置すると共に内部 EGRガス が残留しやす！/ヽガス残留部を有するピストンと、
前記ガス残留部を形成している前記ピストンの壁面上に形成された断熱部と を備えることを特徴とする予混合圧縮自着火燃焼機関。
[2] 前記燃焼用凹部は、その底面の中央部分が前記シリンダヘッドに向力つて突出す るように形成されて!ヽる請求項 1に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[3] 前記燃焼用凹部は、その底面の中央部分が平坦であるように形成されている請求 項 1に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[4] 前記ガス残留部は、前記燃焼用凹部の周方向全体にわたって連続して形成されて
V、る請求項 1に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[5] 前記断熱部は、前記ガス残留部の周方向全体にわたって配置されている請求項 4 に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[6] 前記断熱部は、前記ガス残留部の周方向に沿って互いに間隔を隔てた複数箇所 に点在するように配置されて ヽる請求項 4に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[7] 前記ガス残留部は、前記燃焼用凹部の周方向に沿って互いに間隔を隔てた複数 箇所にそれぞれ形成されて ヽる請求項 1に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[8] 前記ガス残留部は、前記ピストンの径方向外方に向かって断面円弧状にくぼんで 前記開口周縁部よりも前記ピストンの径方向外側に位置する請求項 1に記載の予混 合圧縮自着火燃焼機関。
[9] 前記断熱部は、セラミックからなる請求項 1に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[10] 燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させる予混合圧縮自着火燃 焼機関であって、
その内部にシリンダボアが形成されているシリンダブロックと、
前記シリンダボアの一端を閉塞するシリンダヘッドと、
内部 EGRを行うための内部 EGR手段と、
前記シリンダボア内を往復摺動し、前記シリンダヘッドに対向する頂面に開口した 燃焼用凹部を有し且つ前記燃焼用凹部の底面に、その深さ方向に向力つてくぼむと 共に内部 EGRガスが残留しやすいガス残留部を有するピストンと、
前記ガス残留部を形成している前記ピストンの壁面上に形成された断熱部と を備えることを特徴とする予混合圧縮自着火燃焼機関。
[11] 前記ガス残留部は、前記燃焼用凹部の底面の中央部分に位置する請求項 10に記 載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[12] 前記断熱部は、前記ガス残留部を形成している前記ピストンの壁面全体を覆うよう に形成されて!ヽる請求項 10に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関。
[13] 前記断熱部は、セラミックからなる請求項 10に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関
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