JP2017072031A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine that directly injects gaseous fuel into a combustion chamber.
天然ガスや水素等を含む気体燃料は、ガソリンよりも単位発熱量当たりのCO2排出量及びNOx排出量が低く、環境負荷が低い燃料として知られている。また、天然ガス等は、ガソリンに比べてオクタン価が高く、内燃機関の圧縮比を高く設定して高効率化を図ることが可能である。一方で、天然ガス等は、ガソリンに比べて点火に要するエネルギーが大きく、層流燃焼速度が低いという特徴を有する。そのため、天然ガス等の気体燃料を内燃機関に使用する場合、いかに燃焼を安定させるかが重要となる。 Gaseous fuels, including natural gas and hydrogen or the like has a low CO 2 emissions and NO x emissions per unit calorific value than gasoline, environmental impact is known as a low fuel. Natural gas or the like has a higher octane number than gasoline, and it is possible to increase the efficiency by setting the compression ratio of the internal combustion engine high. On the other hand, natural gas or the like has the characteristics that the energy required for ignition is larger than that of gasoline and the laminar combustion speed is low. Therefore, when using gaseous fuel such as natural gas in an internal combustion engine, how to stabilize the combustion becomes important.
ガソリン直噴エンジンでは、希薄燃焼を安定的に行うために、成層燃焼が用いられている。この成層燃焼は、ピストン冠面の形状変更や、インジェクタ及び点火プラグのレイアウト変更等、様々な手法で改善が試みられている(例えば、特許文献1及び2)。
In a gasoline direct injection engine, stratified combustion is used in order to stably perform lean combustion. This stratified combustion has been attempted to be improved by various methods such as changing the shape of the piston crown and changing the layout of the injector and spark plug (for example,
ガソリン噴射の場合は噴射後にガソリンを気化させるための時間を確保する必要があるが、気体燃料噴射の場合はその時間が不要であるため、ガソリン噴射の場合と気体燃料噴射の場合とでは噴射時期が異なることになる。そのため、ガソリン直噴エンジンにおいて、噴射する燃料をガソリンから気体燃料に単に変更するだけでは、効率の良い燃焼を行うことはできない。例えば、特許文献1に係る内燃機関では、ピストンの頂面に形成されたキャビティの縁壁が上方に向けて広がるように傾斜しているため、キャビティで跳ね返る混合気を点火プラグの発火部に導き、点火時期に発火部の周囲に可燃層を形成するためには、噴射時期を限定する必要があり、噴射時期が異なる気体燃料に置換することは難しい。また、特許文献1に係る内燃機関では、点火プラグの発火部がインジェクタの噴射孔の近傍に配置され、噴射方向が発火部に向いているため、点火時期と噴射時期が比較的近い気体燃料を使用する場合、燃料の噴流によって初期火炎が吹き消され、着火安定性が確保できないという問題がある。
In the case of gasoline injection, it is necessary to secure time for vaporizing gasoline after injection, but in the case of gaseous fuel injection, the time is not required, so the injection timing is different between gasoline injection and gaseous fuel injection. Will be different. Therefore, in a gasoline direct injection engine, efficient combustion cannot be performed by simply changing the fuel to be injected from gasoline to gaseous fuel. For example, in the internal combustion engine according to
本発明は、以上の背景を鑑み、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関において、気体燃料に適した燃焼室構造を提供することを課題とする。 In view of the above background, an object of the present invention is to provide a combustion chamber structure suitable for gaseous fuel in an internal combustion engine that directly injects gaseous fuel into the combustion chamber.
上記課題を解決するために本発明の一態様は、一端に燃焼室天井部(5)を有するシリンダ(4)を備えた内燃機関本体(2)と、前記燃焼室天井部に開口する吸気ポート(11)及び排気ポート(12)と、前記シリンダに摺動可能に受容され、前記燃焼室天井部と協働して燃焼室(8)を画定する冠面(7A)、前記冠面にシリンダ軸線(A)を中心とした円形に凹設され、周縁部に前記冠面と略垂直に接続した縁壁部(30B)を備えたキャビティ(30)、及び前記キャビティの底部(30A)に突設され、シリンダ軸線を中心とした略円錐形の凸部(31)を備えたピストン(7)と、前記燃焼室天井部から突出した発火部(19A)を備えた点火プラグ(19)と、前記燃焼室天井部の中央に設けられ、シリンダ軸線に沿って前記凸部に向けて気体燃料を噴射するインジェクタ(17)とを有することを特徴とする内燃機関を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, an aspect of the present invention includes an internal combustion engine body (2) including a cylinder (4) having a combustion chamber ceiling (5) at one end, and an intake port that opens to the combustion chamber ceiling. (11) and an exhaust port (12), a crown surface (7A) that is slidably received in the cylinder and defines a combustion chamber (8) in cooperation with the combustion chamber ceiling, and a cylinder on the crown surface A cavity (30) provided with an edge wall (30B) that is recessed in a circle centered on the axis (A) and is connected to the peripheral surface substantially perpendicularly to the crown surface, and protrudes into the bottom (30A) of the cavity. A piston (7) provided with a substantially conical convex part (31) centered on the cylinder axis, and an ignition plug (19) provided with an ignition part (19A) protruding from the combustion chamber ceiling part, Located in the center of the combustion chamber ceiling and along the cylinder axis Towards the convex portion to provide an internal combustion engine and having an injector (17) for injecting gaseous fuel.
この態様によれば、インジェクタから噴射された気体燃料は、凸部に導かれてキャビティ内を軸対称の放射状に流れ、その後、キャビティの縁壁部に導かれて燃焼室天井部側へと流れる可燃層を形成する。縁壁部が冠面と略垂直に接続するように配置されているため、気体燃料は縁壁部から燃焼室天井部へシリンダ軸線と平行に流れる。このため、噴射時期が異なり、そのときのピストン位置が変化するような場合にも、気体燃料は常に燃焼室天井部の所定の位置に向けて流れ、発火部の周囲に可燃層を形成することができる。すなわち、発火部の周囲に可燃層を形成しながら、噴射時期を変更することができる。これにより、負荷等に応じて噴射時期を調整することが可能になる。 According to this aspect, the gaseous fuel injected from the injector is guided to the convex portion and flows radially in the cavity in the axial direction, and then guided to the edge wall portion of the cavity and flows toward the combustion chamber ceiling portion. Form a combustible layer. Since the edge wall portion is arranged so as to be connected substantially perpendicular to the crown surface, the gaseous fuel flows from the edge wall portion to the combustion chamber ceiling portion in parallel with the cylinder axis. For this reason, even when the injection timing is different and the piston position changes at that time, the gaseous fuel always flows toward a predetermined position on the ceiling portion of the combustion chamber and forms a combustible layer around the ignition portion. Can do. That is, the injection timing can be changed while forming a combustible layer around the ignition part. This makes it possible to adjust the injection timing according to the load and the like.
また、上記の態様において、前記発火部は、シリンダ軸線に沿った方向から見て、前記キャビティと重なる位置に配置されているとよい。 Moreover, said aspect WHEREIN: The said ignition part is good to be arrange | positioned in the position which overlaps with the said cavity seeing from the direction along a cylinder axis line.
この態様によれば、気体燃料は、縁壁部によって、シリンダ軸線に沿った方向から見て、前記キャビティと重なる領域に導かれるため、発火部の周囲に当量比が高い可燃層が形成されることになる。 According to this aspect, the gaseous fuel is guided by the edge wall portion to the region overlapping with the cavity when viewed from the direction along the cylinder axis, so that a combustible layer having a high equivalence ratio is formed around the ignition portion. It will be.
また、上記の態様において、前記吸気ポートは、当該吸気ポートから前記燃焼室に流入する吸気のスワール流を促進するスワール流生成手段(11A、11B)を有するとよい。 In the above aspect, the intake port may include swirl flow generation means (11A, 11B) that promotes a swirl flow of intake air flowing from the intake port into the combustion chamber.
この態様によれば、スワール流による可燃層の流動を利用して燃焼速度を増加させることができる。 According to this aspect, the combustion rate can be increased by utilizing the flow of the combustible layer by the swirl flow.
また、上記の態様において、前記燃焼室天井部は、平面に形成されているとよい。 In the above aspect, the combustion chamber ceiling portion may be formed in a flat surface.
この態様によれば、燃焼室内でタンブル流の生成が抑制される。これにより、可燃層の拡散が抑制されると共に、スワール流が維持され易くなる。 According to this aspect, the generation of a tumble flow is suppressed in the combustion chamber. Thereby, while spreading | diffusion of a combustible layer is suppressed, it becomes easy to maintain a swirl flow.
また、上記の態様において、前記キャビティの前記底部と前記縁壁部との境界部(30C)は、滑らかな曲面に形成されているとよい。また、前記キャビティの前記底部と前記凸部との境界部(33)は、滑らかな曲面に形成されているとよい。また、前記キャビティと前記凸部とは互いに協働して前記シリンダ軸線を中心としたトロイダル形の凹部を形成するとよい。 In the above aspect, the boundary (30C) between the bottom of the cavity and the edge wall may be formed as a smooth curved surface. Moreover, the boundary part (33) between the bottom part and the convex part of the cavity may be formed in a smooth curved surface. In addition, the cavity and the convex portion may cooperate with each other to form a toroidal concave portion centering on the cylinder axis.
これらの態様によれば、インジェクタから噴射された気体燃料が凸部及びキャビティの壁面に沿って円滑に導かれ、可燃層の形成が一層確実になる。 According to these aspects, the gaseous fuel injected from the injector is smoothly guided along the convex portion and the wall surface of the cavity, and the formation of the combustible layer is further ensured.
以上の構成によれば、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関において、気体燃料に適した燃焼室構造を提供することができる。 According to the above configuration, a combustion chamber structure suitable for gaseous fuel can be provided in an internal combustion engine that directly injects gaseous fuel into the combustion chamber.
以下、図面を参照して、本発明を4バルブのCNG直噴エンジンに適用した実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a 4-valve CNG direct injection engine will be described with reference to the drawings.
(内燃機関の構造)
内燃機関1は、4ストローク機関であり、図1に示すように、シリンダブロック2Aと、シリンダブロック2Aの上端面に締結されたシリンダヘッド2Bとを含む内燃機関本体2を有する。シリンダブロック2Aには、シリンダブロック2Aの上端面に開口するシリンダ4が形成されている。シリンダヘッド2Bの下端面においてシリンダ4の上端と対向する部分を燃焼室天井部5という。燃焼室天井部5は平面に形成され、シリンダ4の上端を閉塞する。シリンダ4には、ピストン7が往復動可能に受容されている。燃焼室天井部5と、シリンダ4の壁面と、ピストン7の冠面7Aとによって燃焼室8が画定されている。
(Structure of internal combustion engine)
The
図1及び図2に示すように、燃焼室天井部5には、2つの吸気ポート11と、2つの排気ポート12とが開口している。燃焼室天井部5において、一側(吸気側)に2つの吸気ポート11が配置され、他側(排気側)に2つの排気ポート12が配置されている。吸気ポート11及び排気ポート12の燃焼室天井部5側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ13及び排気バルブ14によって開閉される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
吸気ポート11は、吸気ポート11から燃焼室8に流入する吸気のスワール流を促進するスワール流生成手段(11A、11B)を有する。スワール流生成手段は、吸気ポート11の形状やスワール生成バルブ等の公知の手段によって実現される。例えば、吸気ポート11は、燃焼室8側の開口端が開口端の軸線を中心とした螺旋形状に形成されたヘリカルポート11Aや、シリンダ軸線Aを中心とした接線方向に延在するタンジェンシャルポート11Bとして形成されるとよい。図2に示すように、本実施形態では、吸気ポート11の一方がヘリカルポート11A、他方がタンジェンシャルポート11Bとなっている。これにより、シリンダ軸線Aに沿って下方から見て、左回り(反時計回り)のスワール流が形成される。スワール比は、1〜2程度あることが好ましい。
The
燃焼室天井部5の中央部には、インジェクタ孔16が開口している。インジェクタ孔16にはインジェクタ17が挿入されている。インジェクタ17は、高圧の気体燃料を直接に燃焼室8に噴射する手段である。本実施形態では、インジェクタ17は、CNGに適合したものであり、デリバリパイプや圧力制御弁を介してCNGボンベと接続されている。インジェクタ17の噴射孔は、シリンダ軸線Aと同軸に配置されている。噴射孔から噴射されるCNGは、シリンダ軸線Aを中心とした円錐状の噴霧形状をなし、シリンダ軸線Aに沿って下方(ピストン7側)に向う。
An
燃焼室天井部5の2つの吸気ポート11の間における部分には、点火プラグ孔18が形成されている。点火プラグ孔18は、点火プラグ孔18にはスパークプラグである点火プラグ19が挿入されている。点火プラグ19の先端には接地電極からなる発火部19Aが設けられ、発火部19Aは燃焼室8内に突出している。
A
図1に示すように、円板状のクラウン部21と、クラウン部21の周縁部から下方に突出した一対のスカート部22と、各スカート部22の対応する側縁同士を互いに連結する一対の連結壁部23とを有している。ピストン7の軸線はシリンダ軸線Aと一致している。
As shown in FIG. 1, a pair of disc-shaped
クラウン部21の外周部には、周方向に延在する第1環状溝、第2環状溝及び第3環状溝(符号省略)が上から順に形成されている。第1環状溝及び第2環状溝にはそれぞれコンプレッションリング26が嵌め付けられ、第3環状溝にはオイルリング27が嵌め付けられる。
A first annular groove, a second annular groove, and a third annular groove (reference numerals omitted) extending in the circumferential direction are formed on the outer peripheral portion of the
クラウン部21の燃焼室8側を向く冠面7Aは、シリンダ軸線Aと垂直な平面に形成されている。冠面7Aの中央部には、キャビティ30が凹設されている。キャビティ30は、シリンダ軸線Aを中心とした円形に形成され、底部30Aと、底部30Aの周縁部に設けられた縁壁部30Bとを有する。縁壁部30Bは、シリンダ軸線Aを中心とした円筒面に形成され、上端において冠面7Aと垂直に接続している。ここで、縁壁部30Bの上端と冠面7Aとがなす角度は、略垂直であればよく、若干の幅(例えば87〜93°)があってもよい。本実施形態では、縁壁部30Bの上端と冠面7Aとがなす角度は、90°となっている。縁壁部30Bと底部30Aとの境界の隅部30Cの表面は、滑らか曲面に形成されている。縁壁部30Bの壁面、隅部30Cの表面、及び底部30Aの上面は、滑らかに連続した面を形成している。
A
底部30Aの中央には、シリンダ軸線Aを中心とした略円錐形の凸部31が突設されている。凸部31の突出端は、冠面7Aよりも下方に配置されている。すなわち、凸部31の高さは、キャビティ30の深さよりも小さく設定されている。凸部31の高さは、キャビティ30の深さの1/2以下であってもよい。シリンダ軸線Aに沿った方向から見て、凸部31の周縁部は底部30Aの周縁部の近傍まで延びている。シリンダ軸線Aに沿った方向から見て、凸部31はキャビティ30の底部30Aの1/2以上を覆うように配置されている。凸部31の突出端は、面取りがなされた滑らかな曲面に形成されている。また、凸部31の周縁部と底部30Aとの境界部33の表面は、滑らか曲面に形成されている。凸部31の壁面、境界部33の表面、底部30Aの上面は、滑らかに連続した面を形成している。
A substantially conical
キャビティ30及び凸部31は、協働してシリンダ軸線Aを中心としたトロイダル形状をなし、周縁部の深さが中央部に対して深くなっている。キャビティ30及び凸部31を含む冠面7Aは、シリンダ軸線Aを対称軸とした軸対称形に形成されている。
The
点火プラグ19の発火部19Aは、シリンダ軸線Aに沿った方向から見て、キャビティ30と重なる部分に配置されている。より具体的には、発火部19Aは、シリンダ軸線Aに沿った方向から見て、キャビティ30内において、中心よりも縁壁部30B側に配置されている。
The
図1に示すように、インジェクタ17から噴射される気体燃料は、可燃層35(燃料層)を形成し、シリンダ軸線Aに沿って下方(冠面7A側)に進むと共に、シリンダ軸線Aを中心とした円錐状に広がる。その後、可燃層35は凸部31の壁面に導かれてシリンダ軸線Aを中心とした径方向外方(放射方向)に流れ、底部30Aの上面及び隅部30Cの表面によって上方に導かれる。その後、可燃層35は、縁壁部30Bに導かれて、シリンダ軸線Aと平行に上方、すなわち燃焼室天井部5側に流れる。燃焼室天井部5に向う可燃層35は、シリンダ軸線Aを中心とした軸対称形に形成され、燃焼室天井部5の近傍においてシリンダ軸線Aを中心とした環状(筒状)をなす。吸気ポート11から燃焼室8に流入する吸気によって燃焼室8にはスワール流が形成されているが、可燃層35はシリンダ軸線Aを中心とした軸対称をなすため、スワール流の影響を受けてシリンダ軸線A回りに回転するが形状は維持される。
As shown in FIG. 1, the gaseous fuel injected from the
その後、環状をなして上方に向う可燃層35は、燃焼室天井部5に衝突して、径方向内側(シリンダ軸線A側)に流れる。このようにして、燃焼室天井部5近傍に可燃層35が形成される。環状をなして上方に向う可燃層35は、燃焼室天井部5のキャビティ30の外周部と対向する部分に主に到達するため、この部分の当量比(燃料濃度)が燃焼室天井部5近傍の他の部分よりも高くなる。当量比は、燃料の濃さを表す数値であり、実際の混合比の燃空比を理論燃空比で割ることによって算出される。
Thereafter, the
図3に示すように、燃焼室天井部5に衝突して径方向内側に流れる可燃層35は、互いに押し合って下方に流れ、その後、自身の流れに沿って渦をなすように回転する。可燃層35は、回転する過程で拡散し、燃焼室8内の空気と混合して均質な混合気に近づく。すなわち、可燃層35は、燃料噴射時期から所定期間存在し、時間の経過によって均質混合気に変化する。均質混合気の濃度は、吸入空気量と燃料噴射量とによって定まり、可燃層35の濃度よりも低い。点火時期に対して燃料噴射時期が所定期間より早い場合(進角時期)、点火時期における発火部19Aの周囲には均質混合気が存在し、点火時期に対して燃料噴射時期が所定期間以内である場合(遅角時期)、点火時期における発火部19Aの周囲には可燃層35が存在する。
As shown in FIG. 3, the
点火時期において、点火プラグ19の発火部19Aで点火が行われると、初期火炎が火炎伝播して混合気が燃焼する。このとき、図2に示すように、火炎伝播は、スワール流の流動によってシリンダ軸線Aを中心とした周方向に促進され、火炎伝播速度が増加する。特に、遅角時期に点火した場合、燃焼室天井部5近傍にシリンダ軸線Aを中心とした環状の可燃層35が存在するため、可燃層35に沿った周方向の火炎伝播はスワール流の流動によって促進され、燃焼速度が増加する。
When ignition is performed in the
本実施形態に係る内燃機関1では、縁壁部30Bが冠面7Aと略垂直に接続するように配置されているため、気体燃料は縁壁部30Bから燃焼室天井部5へシリンダ軸線Aと平行に流れる。このため、噴射時期が異なり、そのときのピストン7位置が変化するような場合にも、気体燃料は常に燃焼室天井部5の所定の位置に向けて流れ、発火部19Aの周囲に可燃層35を形成することができる。すなわち、発火部19Aの周囲に可燃層35を形成しながら、噴射時期を変更することができる。これにより、負荷等に応じて噴射時期を調整することが可能になる。
In the
(制御)
図1に示すように、内燃機関1は、制御装置40(ECU)と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ41、内燃機関1のクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ42とを有する。制御装置40には、アクセルペダルセンサ41及びクランク角センサ42の信号が入力される。制御装置40は、クランク角センサ42からの信号に基づいてエンジン回転数を算出し、エンジン回転数とアクセルペダルの踏み込み量とに基づいて内燃機関1の負荷を算出する。負荷の算出は、例えば所定のマップを参照して行うとよい。例えば、マップは、エンジン回転数の増加に応じて負荷が増加し、アクセルペダルの踏み込み量の増加に応じて負荷が増加するように設定されているとよい。そして、制御装置40は、負荷と所定の判定値とを比較し、負荷が判定値より低い場合に内燃機関1の運転状態が低負荷状態であるとし、負荷が判定値以上である場合に内燃機関1の運転状態が高負荷状態とする。例えば、低負荷状態はIMEP(図示平均有効圧)が800kPa以下の範囲に対応し、高負荷状態はIMEPが800kPaより大きい範囲に対応する。
(control)
As shown in FIG. 1, the
制御装置40は、負荷に応じてインジェクタ17を制御する。第1に、制御装置40は、負荷の増加に応じて、インジェクタ17の1燃焼サイクルにおける合計開弁時間を増加させる。これにより、1燃焼サイクルにおいてインジェクタ17から噴射される燃料量が、負荷の増加に応じて増加する。
The
第2に、制御装置40は、内燃機関1の運転状態に応じて、1燃焼サイクルにおける噴射回数及び噴射タイミングを変更する。制御装置40は、内燃機関1の運転状態が低負荷状態であるときに、インジェクタ17が単段噴射を行うように制御し、内燃機関1の運転状態が高負荷状態であるときにインジェクタ17が多段噴射を行うように制御する。本実施形態では、制御装置40は、高負荷状態であるときにインジェクタ17が1燃焼サイクル当り噴射を2回行うように制御する。
Secondly, the
インジェクタ17は、低負荷状態のときには、点火時期において、発火部19Aの周囲に当量比が0.8〜1.2の可燃層35が形成されるように、点火時期の直前に単段噴射を行う。具体的には、点火時期を基準(0ms)として−10ms〜−5msのタイミングでインジェクタ17は燃料噴射を開始する。クランク角で表すと、圧縮行程における上死点を基準(0degCA.)として、−60degCA.〜−30degCA.のタイミングでインジェクタ17は燃料噴射を開始する。
When the
インジェクタ17は、高負荷状態のときには、吸気行程において1回目の燃料噴射を開始し、2回目の燃料噴射を圧縮行程において点火時期の直前に開始する。1回目の燃料噴射は、噴射された燃料が点火時期において均質に混合される(予混合化される)ように、点火時期から比較的早い吸気行程において開始される。具体的には、圧縮行程における上死点を基準(0degCA.)として、−300degCA.〜−210degCA.のタイミングでインジェクタ17は燃料噴射を開始する。2回目の燃料噴射は、点火時期において、発火部19Aの周囲に当量比が0.8〜1.2の可燃層35が形成されるようにする。具体的には、2回目の燃料噴射は、点火時期を基準(0ms)として−10ms〜−5msのタイミングでインジェクタ17は燃料噴射を開始する。クランク角で表すと、圧縮行程における上死点を基準(0degCA.)として、−90deg〜−60degのタイミングでインジェクタ17は燃料噴射を開始する。1回目及び2回目の燃料噴射量の割合は任意に設定してよい。本実施形態では、1回目及び2回目の燃料噴射量の割合は1:1とする。
When the
以上のように構成される内燃機関1について、燃料の噴射タイミング及び噴射回数が燃焼安定性に与える影響について実験を行った。実験に使用した内燃機関1の緒元は、単気筒、ボア径が85.0mm、ストロークが97.1mm、排気量が551cm3、圧縮比が14.0、膨張比が14.0、インジェクタ17の噴射圧力が5MPa、スワール比が2である。実験は、回転数が1500rpm、IMEPが500kPaの低負荷状態と、回転数が2000rpm、IMEPが1200kPaの高負荷状態との2つの運転状態で行った。
For the
図4に示すように、高負荷状態において、燃料を2段噴射した場合(条件1)、進角時期に単段噴射した場合(条件2)、遅角時期に単段噴射した場合(条件3)についてそれぞれ測定を行った。条件1の場合は噴射継続時間が4msの燃焼噴射が2回、条件2及び条件3の場合は噴射継続時間が8msの燃焼噴射が1回であり、各場合において1燃焼サイクルにおける燃料噴射量は等しい。条件1の場合は、1回目の噴射開始時期は−270degCA.、2回目の噴射開始時期は−80degCA.であり、条件2の場合は噴射開始時期が−245degCA.であり、条件3の場合は噴射開始時期が−110degCA.である。条件1〜条件3の各場合において点火時期は−11degCA.である。
As shown in FIG. 4, in a high load state, when fuel is injected in two stages (condition 1), when single stage injection is performed at an advance timing (condition 2), and when single stage injection is performed at a retard timing (condition 3) ) Was measured. In
上記の条件1〜条件3について測定を行ったところ、条件3の場合は失火が多発し、有意な測定結果を得ることができなかった。この原因は、遅角時期に噴射量が比較的多い燃料噴射が行われたことによって、点火時期に発火部19Aの周囲に当量比が1.3以上の可燃層35が形成されたことに起因すると考えられる。下の表1は、定容容器内に各当量比のCNG混合気を形成し、スパークプラグで点火を行ったときの着火確率を示す。表1から、当量比が1.2−1.3の場合、着火確率が低下することがわかる。遅角時期に比較的多い燃料噴射を行うと点火時期に発火部19Aの周囲に可燃層35が形成されるため、当量比が0.6未満になることは考え難い。そのため、条件3の場合は、点火時期に発火部19Aの周囲に当量比が1.3以上の可燃層35が形成されたと考えることが妥当である。
図5は、条件1及び条件2について空燃比(A/F)に対する燃焼変動率(COV、%)を示すグラフであり、図6は、条件1及び条件2について空燃比に対する燃焼期間(degCA.)を示すグラフである。図5から、進角時期に単段噴射を行う場合(条件2)よりも、2回噴射を行う場合(条件1)の方が、より希薄な空燃費で燃焼を安定させることができる。これは、図6からわかるように、条件2の場合よりも条件1の場合の方が、燃焼速度が増加していることに起因すると考えられる。条件1では、2回目の燃料噴射によって、点火時期において発火部19Aの周囲に可燃層35が形成されるため、この可燃層35によって燃焼速度が増加していると考えられる。
FIG. 5 is a graph showing the combustion fluctuation rate (COV,%) with respect to the air-fuel ratio (A / F) for the
以上のように、燃料噴射量が増加する高負荷状態では、噴射を2回に分割し、2回目の噴射によって成層燃焼を行うことで、希薄限界空燃比を拡大することができる。 As described above, in a high load state where the fuel injection amount increases, the lean limit air-fuel ratio can be expanded by dividing the injection into two times and performing stratified combustion by the second injection.
図7に示すように、低負荷状態において、燃料を遅角時期に単段噴射した場合(条件4)、進角時期に単段噴射した場合(条件5)についてそれぞれ測定を行った。条件4及び条件5の場合では、噴射継続時間が共に4msであり、1燃焼サイクルにおける燃料噴射量は等しい。条件4の場合は噴射開始時期が−50degCA.であり、条件5の場合は噴射開始時期が−190degCA.である。条件1〜条件3の各場合において点火時期は−11degCA.である。
As shown in FIG. 7, in the low load state, measurement was performed for the case where the fuel was single-stage injected at the retard timing (condition 4) and the case where the fuel was single-stage injected at the advance timing (condition 5). In the case of
図8は、条件4及び条件5について空燃比(A/F)に対する燃焼変動率(COV、%)を示すグラフであり、図9は、条件4及び条件5について空燃比に対する燃焼期間(degCA.)を示すグラフである。図8から、進角時期に単段噴射を行う場合(条件5)よりも、遅角時期に単段噴射を行う場合(条件4)の方が、より希薄な空燃費で燃焼を安定させることができる。これは、図9からわかるように、条件5の場合よりも条件4の場合の方が、燃焼速度が増加していることに起因すると考えられる。条件4では、遅角時期の燃料噴射によって、点火時期において発火部19Aの周囲に可燃層35が形成されるため、この可燃層35によって燃焼速度が増加していると考えられる。
FIG. 8 is a graph showing the combustion fluctuation rate (COV,%) with respect to the air-fuel ratio (A / F) for
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態では、気体燃料としてCNGを使用した例について説明したが、気体燃料は水素やメタン、プロパン等であってもよい。また、スワール生成手段は、上記のヘリカルポート11Aやタンジェンシャルポート11Bに代えて、公知のスワールバルブを適用してもよい。スワールバルブは、吸気ポート11の内部に設けられ、吸気ポート11の流路の少なくとも一部を閉じることによって吸気の流れ方向を制御するとよい。
Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, in the above embodiment, an example in which CNG is used as the gaseous fuel has been described, but the gaseous fuel may be hydrogen, methane, propane, or the like. The swirl generation means may be a known swirl valve instead of the
1 :内燃機関
2 :内燃機関本体
4 :シリンダ
5 :燃焼室天井部
7 :ピストン
7A :冠面
8 :燃焼室
11 :吸気ポート
11A :ヘリカルポート(スワール流生成手段)
11B :タンジェンシャルポート(スワール流生成手段)
12 :排気ポート
17 :インジェクタ
19 :点火プラグ
19A :発火部
30 :キャビティ
30A :底部
30B :縁壁部
30C :隅部
31 :凸部
33 :境界部
35 :可燃層
40 :制御装置
A :シリンダ軸線
1: Internal combustion engine 2: Internal combustion engine body 4: Cylinder 5: Combustion chamber ceiling 7:
11B: Tangential port (swirl flow generating means)
12: Exhaust port 17: Injector 19:
Claims (7)
前記燃焼室天井部に開口する吸気ポート及び排気ポートと、
前記シリンダに摺動可能に受容され、前記燃焼室天井部と協働して燃焼室を画定する冠面、前記冠面にシリンダ軸線を中心とした円形に凹設され、周縁部に前記冠面と略垂直に接続した縁壁部を備えたキャビティ、及び前記キャビティの底部に突設され、シリンダ軸線を中心とした略円錐形の凸部を備えたピストンと、
前記燃焼室天井部から突出した発火部を備えた点火プラグと、
前記燃焼室天井部の中央に設けられ、シリンダ軸線に沿って前記凸部に向けて気体燃料を噴射するインジェクタとを有することを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine body comprising a cylinder having a combustion chamber ceiling at one end;
An intake port and an exhaust port that open in the ceiling of the combustion chamber;
A crown surface that is slidably received by the cylinder and cooperates with the combustion chamber ceiling portion to define a combustion chamber, and the crown surface is recessed in a circle centering on a cylinder axis, and the crown surface is formed at a peripheral portion. A piston having an edge wall connected substantially perpendicularly, and a piston provided with a substantially conical projection centered on the cylinder axis, protruding from the bottom of the cavity;
A spark plug including an ignition portion protruding from the ceiling portion of the combustion chamber;
An internal combustion engine comprising an injector provided at a center of the combustion chamber ceiling portion and injecting gaseous fuel toward the convex portion along a cylinder axis.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2015
- 2015-10-05 JP JP2015197900A patent/JP2017072031A/en active Pending
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