JP2000320332A - Premixing compression self-ignition engine - Google Patents
Premixing compression self-ignition engineInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料と燃焼用酸素
含有ガスとを吸気し、ピストン上端面とシリンダ内面に
よって包囲される燃焼室内において予混合気を圧縮自着
火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を連結棒によって
クランク軸に伝達し、クランク軸の回転を維持する予混
合圧縮自着火エンジンに関するものであり、このような
エンジンにおいて、好ましい運転状態を維持する技術に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel and oxygen-containing gas for combustion, and a compressed self-ignition combustion of a premixed gas in a combustion chamber surrounded by an upper end surface of a piston and an inner surface of a cylinder. The present invention relates to a premixed compression ignition engine that transmits motion to a crankshaft by a connecting rod and maintains rotation of the crankshaft, and to a technique for maintaining a favorable operating state in such an engine.
【０００２】[0002]
【従来の技術】内燃機関であるエンジンは、大きく、火
花点火エンジン（オットーサイクルエンジン）と、圧縮
空気中に液体燃料を噴射するディーゼルエンジンに分け
られるが、都市ガスを燃料とするガスエンジンでは、従
来型のディーゼルエンジンの場合、噴射燃料の圧縮動力
が大きく、機構も複雑になる為、圧倒的多数は、火花点
火エンジン（以下ＳＩエンジンと記す）とされる。ＳＩ
エンジンは、シリンダへ空気（燃焼用酸素含有ガスの一
例）と燃料の予混合気を送り込み、シリンダで圧縮した
後、スパークプラグで強制着火する。ところで、エンジ
ンは、圧縮比を増大させる程効率が増大することが分か
っているが、ＳＩエンジンでは、圧縮比を増大させる
と、ノッキングが発生し、その為、通常、圧縮比は１０
程度に抑えられる。ノッキングとは、火花点火された燃
焼波が、シリンダ全域に拡がる前に、未燃部が自然燃焼
して、衝撃燃焼波を発生する現象である。2. Description of the Related Art Engines, which are internal combustion engines, are roughly classified into a spark ignition engine (Otto cycle engine) and a diesel engine which injects liquid fuel into compressed air. In the case of a conventional diesel engine, the compression power of the injected fuel is large and the mechanism is complicated, so the overwhelming majority is a spark ignition engine (hereinafter referred to as SI engine). SI
The engine sends air (an example of an oxygen-containing gas for combustion) and a premixed fuel of fuel to a cylinder, compresses the cylinder, and forcibly ignites with a spark plug. By the way, it is known that the efficiency of the engine increases as the compression ratio increases. However, in the case of the SI engine, when the compression ratio is increased, knocking occurs.
Can be suppressed to the extent. Knocking is a phenomenon in which an unburned portion spontaneously combusts before a spark-ignited combustion wave spreads over the entire cylinder to generate an impact combustion wave.
【０００３】最近、自然着火を積極的に利用する予混合
圧縮自着火エンジンのコンセプトが話題になっている。
これは、元々、燃料噴射ディーゼルのパティキュレート
を防止する目的で考え出されたものであるが、圧縮空気
中に燃料を噴射するのではなく、主には、ＳＩエンジン
の様に空気と燃料の予混合気をシリンダに供給し、圧縮
によって自然着火燃焼させ、回転を続ける。この手法を
ガスエンジンに適用すれば、圧縮比を増大させ、高い効
率を得ることが可能となる。[0003] Recently, the concept of a homogeneous charge compression ignition engine that actively utilizes spontaneous ignition has become a hot topic.
This was originally conceived for the purpose of preventing the particulates of fuel-injected diesel, but rather than injecting the fuel into the compressed air, it mainly uses air and fuel like SI engines. The pre-mixed gas is supplied to the cylinder, and is spontaneously ignited and burned by compression, and continues to rotate. If this technique is applied to a gas engine, it is possible to increase the compression ratio and obtain high efficiency.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような予
混合圧縮自着火エンジンにおいても、圧縮自着火燃焼に
よる衝撃的な圧力波の伝播によって発生するノッキング
が問題となり、このノッキングを回避して、更にエンジ
ンの効率を向上することが求められている。このような
事情に鑑みて、本発明は、予混合圧縮自着火エンジンの
ノッキングの発生を抑制し、エンジンの効率を向上させ
る技術を得ることを目的とする。However, even in such a homogeneous charge compression ignition engine, knocking caused by the propagation of a shocking pressure wave due to compression ignition combustion becomes a problem. There is also a need to improve engine efficiency. In view of such circumstances, an object of the present invention is to obtain a technique for suppressing the occurrence of knocking of a homogeneous charge compression ignition engine and improving the efficiency of the engine.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明による、燃料と燃焼用酸素含有ガスとを
吸気し、ピストン上端面とシリンダ内面によって包囲さ
れる燃焼室内において予混合気を圧縮自着火燃焼させ、
前記ピストンの往復運動を連結棒によってクランク軸に
伝達し、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火
エンジンは、請求項１に記載されているように、前記燃
焼室内の壁面に、前記圧縮自着火燃焼により発生する圧
力波の伝播を緩和する緩和手段を備える。尚、上記の燃
焼室内の壁面とは、燃焼室を形成するピストン上端面と
シリンダの内壁面を示すものである。予混合圧縮自着火
エンジンは、断熱圧縮による予混合気の自然着火を利用
するもので、着火状態は多数の部分で着火する多点着火
である。このような多点着火において、圧縮自着火直後
に、予混合気の圧縮自着火燃焼によって発生する圧力波
が燃焼室内の未燃焼部に急激に伝播し、この急激な圧力
波によってノッキングが発生する虞がある。このような
エンジンにおいて、燃焼効率を向上させる為には、ノッ
キングを抑制し、圧縮比を増加させることが重要であ
る。このようなノッキングを抑制する為に、本発明にお
いては、燃焼室内の壁面に、圧縮自着火燃焼により発生
する圧力波の伝播を緩和する緩和手段を備えている。こ
の緩和手段によって、圧縮自着火直後の衝撃的な圧力波
を緩和することができ、この衝撃的な圧力波によるノッ
キングを抑制することができる。よって、エンジンの効
率を向上する為に、圧縮比を増加させてもノッキングの
発生が抑制されるので、安定した運転状態を維持するこ
とができる。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a fuel supply system comprising: a fuel supply unit for injecting a fuel and an oxygen-containing gas for combustion; Compression self-ignition combustion
A premixed compression ignition engine that transmits the reciprocating motion of the piston to a crankshaft by a connecting rod and maintains the rotation of the crankshaft, as described in claim 1, has a structure in which a wall of the combustion chamber has the compression A mitigation means is provided for alleviating the propagation of pressure waves generated by self-ignition combustion. The above-mentioned wall surface in the combustion chamber indicates the upper end surface of the piston forming the combustion chamber and the inner wall surface of the cylinder. The premixed compression self-ignition engine utilizes the spontaneous ignition of the premixed gas by adiabatic compression, and the ignition state is a multipoint ignition in which ignition is performed in many parts. In such multipoint ignition, immediately after the compression ignition, a pressure wave generated by the compression ignition combustion of the premixed gas rapidly propagates to an unburned portion in the combustion chamber, and knocking occurs due to the rapid pressure wave. There is a fear. In such an engine, in order to improve combustion efficiency, it is important to suppress knocking and increase the compression ratio. In order to suppress such knocking, the present invention is provided with a mitigation means for reducing the propagation of pressure waves generated by compression ignition combustion on the wall surface in the combustion chamber. By this mitigation means, a shock pressure wave immediately after the compression ignition can be reduced, and knocking due to the shock pressure wave can be suppressed. Therefore, even if the compression ratio is increased in order to improve the efficiency of the engine, the occurrence of knocking is suppressed, so that a stable operating state can be maintained.
【０００６】このような予混合圧縮自着火エンジンにお
いて、請求項２に記載されているように、前記緩和手段
が、前記燃焼室内の壁面に設けたメッシュ状の溝である
ことができる。即ち、ピストン上端面とシリンダ内面に
よって包囲される燃焼室内の壁面にメッシュ状の溝を形
成することで、圧縮自着火燃焼により発生する圧力波の
伝播はこの溝の壁面に邪魔され、衝撃的な圧力波の伝播
が緩和される。よって、高圧縮時においてもノッキング
を抑制し、安定した高効率の予混合圧縮自着火エンジン
を実現することができる。このような、例えば格子状の
溝や放射状の溝で形成されるメッシュ状の溝において
は、燃焼室が最小容量になるときに、圧縮自着火がその
溝の内部若しくはその付近で起こり、圧力波がこの複数
の溝の壁面によって邪魔されるように、この溝のピッ
チ、幅、及び深さを決定することができる。In such a homogeneous charge compression ignition engine, the mitigation means may be a mesh-shaped groove provided on a wall surface in the combustion chamber. That is, by forming a mesh-like groove on the wall surface in the combustion chamber surrounded by the piston upper end surface and the cylinder inner surface, the propagation of the pressure wave generated by the compression ignition combustion is hindered by the wall surface of this groove, and the Pressure wave propagation is reduced. Therefore, even at the time of high compression, knocking is suppressed, and a stable and highly efficient homogeneous charge compression ignition engine can be realized. In such a mesh-like groove formed by, for example, a lattice-like groove or a radial groove, when the combustion chamber has the minimum capacity, compression auto-ignition occurs inside or near the groove, and a pressure wave is generated. The pitch, width, and depth of the grooves can be determined such that is obstructed by the walls of the plurality of grooves.
【０００７】上記の予混合圧縮自着火エンジンとは別
に、請求項３に記載されているように、前記緩和手段
が、前記燃焼室内の壁面に設けた突起部、若しくは凹部
であることもできる。即ち、燃焼室内の壁面に、緩和手
段として複数の突起部若しくは凹部を設け、圧縮自着火
直後の燃焼室内における圧力波の急激な伝播を、この複
数の突起部若しくは凹部の壁面によって緩和することが
できる。よって、高圧縮時においてもノッキングを抑制
し、安定した高効率の予混合圧縮自着火エンジンを実現
することができる。このような複数の突起部及び凹部に
おいては、燃焼室が最小容量になるときに、衝撃的な圧
力波がこの複数の突起部によって邪魔されるように形状
及び寸法決定することができる。In addition to the above-mentioned homogeneous charge compression ignition engine, the mitigation means may be a protrusion or a recess provided on a wall surface in the combustion chamber. That is, a plurality of protrusions or recesses are provided on the wall surface in the combustion chamber as a relaxation means, and the rapid propagation of the pressure wave in the combustion chamber immediately after the compression ignition can be mitigated by the wall surfaces of the plurality of protrusions or the recess. it can. Therefore, even at the time of high compression, knocking is suppressed, and a stable and highly efficient homogeneous charge compression ignition engine can be realized. The plurality of protrusions and recesses can be shaped and dimensioned such that when the combustion chamber is at a minimum capacity, a shocking pressure wave is obstructed by the plurality of protrusions.
【０００８】更に、このような予混合圧縮自着火エンジ
ンにおいて、請求項４に記載されているように、前記突
起部、及び凹部が、前記ピストンと前記連結棒とを接合
するピストンピンの軸方向に延出していることが好まし
い。一般に、エンジンのピストンは、ピストンピンによ
って連結棒に接続され、ピストンピンの軸回りに自由回
転可能となっている。よって、シリンダ内のピストンに
おいては、ノッキング発生時、ピストンのがたつきが起
こり、ピストン焼付等の問題が発生する。圧縮自着火直
後の燃焼による衝撃的な圧力波がこのピストンピンの軸
方向に対して直角方向に伝播すると、この衝撃的な圧力
波の伝播によって、ピストンががたつくことがあり、こ
のがたつきを抑制することが、ピストン焼付等のノッキ
ング発生時の問題の抑制へとつながる。よって、本発明
にあっては、緩和手段として、突起部若しくは凹部を、
このピストンピンの軸方向に延出させて設けることによ
り、ピストンピンの軸方向に対して直角方向の衝撃的な
圧力波の伝播を緩和し、結果、ピストンががたつくのを
抑制することができる。よって、エンジンの圧縮比を大
きくして、効率を向上することができる。Further, in such a homogeneous charge compression ignition engine, the protrusion and the recess are formed in the axial direction of a piston pin that joins the piston and the connecting rod. Is preferably extended. Generally, a piston of an engine is connected to a connecting rod by a piston pin, and is freely rotatable around the axis of the piston pin. Therefore, in the piston in the cylinder, when knocking occurs, rattling of the piston occurs, and problems such as piston seizure occur. If a shocking pressure wave due to combustion immediately after compression ignition ignites in a direction perpendicular to the axial direction of the piston pin, the shocking pressure wave may cause the piston to rattle. Suppression leads to suppression of a problem when knocking such as piston seizure occurs. Therefore, in the present invention, as the relaxation means, a protrusion or a concave portion,
By providing the piston pin so as to extend in the axial direction, it is possible to reduce the propagation of a shocking pressure wave in a direction perpendicular to the axial direction of the piston pin, and as a result, to prevent the piston from rattling. Thus, the efficiency can be improved by increasing the compression ratio of the engine.
【０００９】これらの予混合圧縮自着火エンジンにおい
て、請求項５に記載されているように、前記緩和手段
が、前記燃焼室内の前記ピストンの上端面に設けられて
いることが好ましい。即ち、燃焼衝撃波を緩和する緩和
手段として、例えば、メッシュ状の溝、複数の突起部、
若しくは複数の凹部等を、ピストンの上端面に設けるこ
とができ、簡単な構成で、ノッキングを抑制した高効率
の予混合圧縮自着火エンジンを実現することができる。[0009] In these homogeneous charge compression ignition engines, it is preferable that the mitigation means is provided on an upper end surface of the piston in the combustion chamber. That is, for example, mesh-like grooves, a plurality of protrusions,
Alternatively, a plurality of recesses or the like can be provided on the upper end surface of the piston, and a highly efficient premixed compression ignition engine that suppresses knocking with a simple configuration can be realized.
【００１０】これらの予混合圧縮自着火エンジンにおい
て、請求項６に記載されているように、前記燃焼室内の
少なくとも前記緩和手段が設けられる壁面（燃焼室に面
する壁表面）に、前記壁面を形成する部材よりも熱伝導
率が低い材料で形成した低伝熱層を備えることが好まし
い。これまでの本発明の予混合圧縮自着火エンジンのよ
うに、衝撃的な圧力波の伝播を緩和する為の緩和手段と
して、例えばピストン上端面に、隔壁、メッシュ状溝若
しくは凹凸を設けた場合、この緩和手段が設けられてい
る燃焼室内の壁面の表面積が増大してしまうので、その
緩和手段が設けられている壁面を介して燃焼室内から外
部への熱損失が問題となることがある。しかし、本発明
においては、その緩和手段を設けた壁面における熱損失
を抑制するべく、上記のような低熱伝導率の材料によっ
て形成した低伝熱層を設け、その緩和手段が設けられて
いる壁面の熱伝導率を低下させることで、圧縮行程及び
膨張行程における熱損失を抑制し、熱効率を向上するこ
とができる。このような低伝熱層は、溶射等によるライ
ニング処理よって形成することができ、さらに、低伝熱
層の材料としては、燃焼室壁面を形成する部材、所謂シ
リンダ材料と近い線膨張係数を有する材料を使用するこ
とが好ましく、熱変動による内部応力の発生を抑制する
ことができる。また、低伝熱層が複数の層から構成され
ている場合は、緩和手段が設けられている壁面から低伝
熱層の表面側に徐々に線膨張係数が変化するように構成
することで、各層の線膨張係数の差によって発生する温
度変化による内部応力を抑制し、はがれ等の問題を回避
することができる。[0010] In these homogeneous charge compression ignition engines, the wall surface is provided at least on a wall surface (wall surface facing the combustion chamber) of the combustion chamber where the mitigation means is provided. It is preferable to include a low heat transfer layer formed of a material having a lower thermal conductivity than the member to be formed. As in the case of the premixed compression ignition engine of the present invention, as a mitigation means for alleviating the propagation of the shock pressure wave, for example, in the case where a partition wall, a mesh-shaped groove or unevenness is provided on the upper end surface of the piston, Since the surface area of the wall surface in the combustion chamber provided with the mitigation means increases, heat loss from the combustion chamber to the outside via the wall surface provided with the mitigation means may be a problem. However, in the present invention, in order to suppress heat loss on the wall surface provided with the mitigation means, a low heat transfer layer formed of a material having a low thermal conductivity as described above is provided, and the wall surface provided with the mitigation means is provided. , The heat loss in the compression stroke and the expansion stroke can be suppressed, and the thermal efficiency can be improved. Such a low heat transfer layer can be formed by lining treatment by thermal spraying or the like, and further, as a material of the low heat transfer layer, a member forming a combustion chamber wall surface, having a linear expansion coefficient close to that of a so-called cylinder material It is preferable to use a material, and it is possible to suppress generation of internal stress due to heat fluctuation. Further, when the low heat transfer layer is composed of a plurality of layers, by configuring so that the linear expansion coefficient gradually changes from the wall surface provided with the mitigation means to the surface side of the low heat transfer layer, It is possible to suppress the internal stress due to the temperature change caused by the difference between the linear expansion coefficients of the respective layers, and to avoid problems such as peeling.
【００１１】また、上記の予混合圧縮自着火エンジンに
おいて、請求項７に記載されているように、前記壁面を
形成する部材がアルミニウム製であり、前記低伝熱層が
クロムニッケル合金層を含む層であることが好ましい。
シリンダやピストンの材料としてはアルミニウムが一般
的に使用されるが、このようなアルミニウム製のエンジ
ンにおいて、上記熱伝導率が低い低伝熱層を、クロムニ
ッケル合金層を含ませて形成することができ、熱伝導率
が２０４（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度のアルミニウムに対して、
クロムニッケル合金は１２．８から２２．０（Ｗ／ｍ・
Ｋ）程度と熱伝導率が低くいので、熱伝導率の低い低伝
熱層を形成して、熱損失を低減し、エンジンの効率を向
上することができ、更に、アルミニウムとクロムニッケ
ル合金との線膨張係数の差が少ないので、熱変動が発生
したも内部応力の発生が抑制されるので低伝熱層のはが
れ等の問題が無い。クロムニッケル合金としては、例え
ば、ホスキンス ＭＦＧ ＣＯ社製のクロメルや、２５
Ｃｒ−２０Ｎｉ（３１０）等を利用することができる。Further, in the above-mentioned homogeneous charge compression ignition engine, the member forming the wall surface is made of aluminum, and the low heat transfer layer includes a chromium nickel alloy layer. It is preferably a layer.
Aluminum is generally used as a material for cylinders and pistons.In such an aluminum engine, the low heat transfer layer having a low thermal conductivity may be formed by including a chromium-nickel alloy layer. For aluminum with a thermal conductivity of about 204 (W / mK)
Chromium nickel alloy is 12.8 to 22.0 (W / m
K) The heat conductivity is low as low as about K), so that a low heat transfer layer with low heat conductivity can be formed to reduce heat loss and improve engine efficiency. Since the difference in the coefficient of linear expansion is small, the occurrence of internal stress is suppressed even if heat fluctuation occurs, and there is no problem such as peeling of the low heat transfer layer. Examples of the chromium nickel alloy include chromel manufactured by Hoskins MFG CO, and 25%.
Cr-20Ni (310) or the like can be used.
【００１２】さらに、上記予混合圧縮自着火エンジンに
おいて、請求項８に記載されているように、前記低伝熱
層の表面側（燃焼室側表面側）に、酸化ジルコニウム層
を備えることが好ましい。このように、低伝熱層の表面
側に、ＺｒＯ2等の熱伝導率が極めて低い酸化ジルコニ
ウム 層を形成することで、一層熱損失の低減を図るこ
とができ、エンジンの効率を更に向上することができ
る。このような酸化ジルコニウム層は、アルミニウムに
対して線膨張係数の差が大きく、直接アルミニウム製の
燃焼室壁面に直接溶射等によって層を形成すると、はが
れ等の問題が発生する虞があり好ましくないが、この酸
化ジルコニウム層とアルミニウム製の燃焼室内の壁面と
の間に、線膨張係数がこの両者の間の値程度である層を
設けることが好ましく、このように設けられる層として
は、ホスキンス ＭＦＧ ＣＯ社製のクロメルや、２５
Ｃｒ−２０Ｎｉ（３１０）等のクロムニッケル合金層が
好ましく、この層においても熱伝導率が低く、熱損失の
抑制に効果的である。Further, in the premixed compression ignition engine, it is preferable that a zirconium oxide layer is provided on a surface side (a combustion chamber side surface side) of the low heat transfer layer, as described in claim 8. . As described above, by forming a zirconium oxide layer having extremely low thermal conductivity such as ZrO 2 on the surface side of the low heat transfer layer, the heat loss can be further reduced, and the engine efficiency is further improved. be able to. Such a zirconium oxide layer has a large difference in linear expansion coefficient with respect to aluminum, and if the layer is formed directly on the combustion chamber wall surface made of aluminum by spraying or the like, a problem such as peeling may occur, which is not preferable. Preferably, a layer having a coefficient of linear expansion of about the value between the zirconium oxide layer and the wall surface of the aluminum combustion chamber is provided between the zirconium oxide layer and the aluminum combustion chamber. Hoskins MFG CO Chromel made by the company, 25
A chromium-nickel alloy layer such as Cr-20Ni (310) is preferable, and this layer also has a low thermal conductivity and is effective in suppressing heat loss.
【００１３】又、圧縮自着火した予混合気の燃焼による
圧力波を緩和する為の燃料と燃焼用酸素含有ガスとを吸
気し、ピストン上端面とシリンダ内面によって包囲され
る燃焼室内において予混合気を圧縮自着火燃焼させ、前
記ピストンの往復運動を連結棒によってクランク軸に伝
達し、クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エ
ンジンは、請求項９に記載されているように、前記ピス
トンの上端面、若しくは前記燃焼室内の前記シリンダ上
部の面に、上死点位置の前記ピストンと前記シリンダ内
面によって包囲される最小燃焼室内を、複数の小空間に
区画する隔壁を備えることができる。即ち、予混合圧縮
自着火エンジンにおいて、燃焼室内の空間は、ピストン
の往復運動によって変化し、ピストンが上死点位置にあ
る時に最小となる。この最小燃焼室空間において、通
常、予混合気が断熱圧縮により自着火燃焼し、圧力波の
伝播が発生する。そこで、本願にあっては、この最小燃
焼室の空間を、ピストン上端面若しくはシリンダ上部内
面に設けた隔壁によって小空間に区画し、圧縮自着火燃
焼による圧力波は、ほぼ小空間内でしか伝播しないよう
になっている。このことによって、圧縮自着火燃焼によ
る圧力波が、燃焼室内全体に衝撃的に伝播することを抑
制することができ、この衝撃的な圧力波によるノッキン
グを抑制することができる。[0013] Further, a fuel and an oxygen-containing gas for combustion are absorbed to alleviate a pressure wave caused by the combustion of the compressed self-ignited premixed gas, and the premixed gas is mixed in a combustion chamber surrounded by a piston upper end surface and a cylinder inner surface. The compression-ignited compression-ignition engine, which transmits the reciprocating motion of the piston to the crankshaft by a connecting rod and maintains the rotation of the crankshaft, comprises: May be provided on the upper end surface of the cylinder or on the upper surface of the cylinder in the combustion chamber, to partition the minimum combustion chamber surrounded by the piston and the cylinder inner surface at the top dead center position into a plurality of small spaces. That is, in the homogeneous charge compression ignition engine, the space in the combustion chamber changes due to the reciprocating motion of the piston, and becomes minimum when the piston is at the top dead center position. Normally, in the minimum combustion chamber space, the premixed gas self-ignites and burns by adiabatic compression, and pressure wave propagation occurs. Therefore, in the present application, the space of the minimum combustion chamber is divided into small spaces by partition walls provided on the upper end surface of the piston or the inner surface of the upper portion of the cylinder, and pressure waves due to compression auto-ignition combustion propagate only within the small space. Not to be. As a result, it is possible to suppress the pressure wave due to the compression ignition combustion from propagating to the entire combustion chamber in a shocking manner, and it is possible to suppress knocking due to the shocking pressure wave.
【００１４】又、このような隔壁の高さは、往復動して
いるピストンの妨げにならないように決定することが必
要であり、実質的には、ピストンが上死点位置にある時
点において、隔壁の上端部とシリンダ上部内面若しくは
ピストン上端面とのクリアランスが１ｍｍ程度となるよ
うに決定する。この場合においても、ピストンが上死点
位置にある時の燃焼室内の空間は、実質的に複数の小空
間に区画されているといえる。Further, it is necessary to determine the height of such a partition so as not to hinder the reciprocating piston. In effect, when the piston is at the top dead center position, The clearance between the upper end of the partition and the inner surface of the upper part of the cylinder or the upper end of the piston is determined to be about 1 mm. Also in this case, it can be said that the space in the combustion chamber when the piston is at the top dead center position is substantially divided into a plurality of small spaces.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】本願の予混合圧縮自着火エンジン
１００の構造を図１に基づいて説明する。エンジン１０
０は、吸気弁１及び排気弁２を備えたシリンダ３と、こ
のシリンダ３内に収納されるピストン４を備えて構成さ
れている。ピストン４は連結棒８にピストンピン１０に
よってピストンピン１０の軸回りに回転自由に接続され
ており、ピストン４の往復動は連結棒８によってクラン
ク軸９の回転運動として得られる。この構成により、予
混合気は、吸気路１３、吸気弁１を介し、燃焼室１１内
へ導かれ、圧縮・膨張行程を経た後、排気弁２、排気路
１４を介して排気側へ排気される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure of a homogeneous charge compression ignition engine 100 according to the present invention will be described with reference to FIG. Engine 10
Reference numeral 0 denotes a cylinder 3 having an intake valve 1 and an exhaust valve 2 and a piston 4 housed in the cylinder 3. The piston 4 is rotatably connected to the connecting rod 8 around the axis of the piston pin 10 by a piston pin 10, and the reciprocating motion of the piston 4 is obtained by the connecting rod 8 as a rotational movement of a crankshaft 9. With this configuration, the premixed gas is guided into the combustion chamber 11 via the intake path 13 and the intake valve 1, and after being subjected to a compression / expansion stroke, is exhausted to the exhaust side via the exhaust valve 2 and the exhaust path 14. You.
【００１６】エンジンの動作サイクルは、吸気行程、圧
縮行程、膨張行程、排気行程を経て、一サイクルを完了
する。通常、前記吸気行程においては、吸気弁１のみが
開状態とされて、予混合気の吸気が行われる。圧縮行程
においては、吸気弁１及び排気弁２が共に閉状態とされ
ピストン４が燃焼室１１内空間を減少させる方向に移動
し、燃焼室１１内のガスの圧縮が起こる。この圧縮が完
了する状態におけるピストン４の位置が、上死点と呼ば
れ、予混合圧縮自着火エンジンにおける予混合気の圧縮
自着火は、この位置の近傍にピストン４があるタイミン
グで起こる。膨張行程は、燃焼によって発生する高圧ガ
スによりピストン４がシリンダ内空間を増加する方向に
移動する行程である。この行程にあっても、吸気弁１及
び排気弁２が共に閉状態とされる。さらに、排気行程に
おいては、排気弁２のみが開状態とされ、ピストン４の
燃焼室１１内空間を減少させる方向への移動に伴って燃
焼室１１内の排ガスが排出される。以上の行程は、４サ
イクルエンジンが普通に備える行程であり、基本的に予
混合圧縮自着火エンジンも、着火が、断熱圧縮に伴って
発生される熱による予混合気の自然着火である以外、他
のエンジンと変わるところはない。One operation cycle of the engine is completed through an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. Normally, in the intake stroke, only the intake valve 1 is opened, and intake of premixed air is performed. In the compression stroke, the intake valve 1 and the exhaust valve 2 are both closed, and the piston 4 moves in a direction to decrease the space in the combustion chamber 11, and the gas in the combustion chamber 11 is compressed. The position of the piston 4 in a state where the compression is completed is called a top dead center, and the compression self-ignition of the premixed gas in the premixed compression self-ignition engine occurs when the piston 4 is located near this position. The expansion stroke is a stroke in which the piston 4 moves in a direction to increase the space in the cylinder due to the high-pressure gas generated by the combustion. Even during this process, the intake valve 1 and the exhaust valve 2 are both closed. Further, in the exhaust stroke, only the exhaust valve 2 is opened, and the exhaust gas in the combustion chamber 11 is discharged as the piston 4 moves in a direction to reduce the space in the combustion chamber 11. The above process is a process which a four-stroke engine normally has, and the premixed compression self-ignition engine also basically has the same configuration except that the ignition is spontaneous ignition of a premixed gas by heat generated by adiabatic compression. There is no difference from other engines.
【００１７】このような、予混合圧縮自着火エンジン
は、断熱圧縮による予混合気の自然着火を利用するもの
であるので、燃焼室１１内の着火状態は多数の点で着火
する多点着火である。このような多点着火において、圧
縮自着火直後に、火炎が燃焼室１１内の未燃焼部に急激
に伝播することで発生する圧力波の衝撃的な伝播が発生
し、特に、ピストン４がピストンピン１０の軸回りにが
たつきを生じやすいことから、ピストンピン１０の軸方
向のと直角方向の圧力波の衝撃的な伝播によって、ピス
トン４ががたつき、焼付等の問題を起こすことがある。Since the premixed compression self-ignition engine utilizes the spontaneous ignition of the premixed air by adiabatic compression, the ignition state in the combustion chamber 11 is a multipoint ignition in which ignition is performed at many points. is there. In such a multipoint ignition, immediately after the compression ignition, the shock wave of the pressure wave generated by the rapid propagation of the flame to the unburned portion in the combustion chamber 11 occurs. Since the rattling is likely to occur around the axis of the pin 10, the shock wave of the pressure wave in the direction perpendicular to the axial direction of the piston pin 10 may cause the piston 4 to rattle and cause problems such as seizure. is there.
【００１８】このようなノッキング発生時の諸問題を抑
制するために、本願の予混合圧縮自着火エンジン１００
は、図１及び図２に示すように、ピストン４の上端面に
複数の突起部１２を備えている。突起部１２は、ピスト
ンの往復動の軸を長手軸とした長方形の断面を有し、ピ
ストンピン１０の軸方向に延出している。更に、突起部
１２の高さは、ピストン４の位置が上死点のときの突起
部１２の上端部とシリンダ３の上部内面とのクリアラン
スが１ｍｍ程度となるように決定されている。In order to suppress such problems at the time of occurrence of knocking, the homogeneous charge compression ignition engine 100 of the present invention is used.
Has a plurality of projections 12 on the upper end surface of the piston 4, as shown in FIGS. The protrusion 12 has a rectangular cross section with the axis of reciprocation of the piston as a longitudinal axis, and extends in the axial direction of the piston pin 10. Further, the height of the protrusion 12 is determined so that the clearance between the upper end of the protrusion 12 and the inner surface of the upper portion of the cylinder 3 when the position of the piston 4 is at the top dead center is about 1 mm.
【００１９】このように構成することによって、図１に
示すように、ピストン４が上死点付近、即ち圧縮自着火
時の燃焼室１１空間は、突起部１２によって実質的に小
空間に区画され、予混合気が圧縮自着火した直後の、ピ
ストンピン１０の軸方向と垂直方向の圧力波の衝撃的な
伝播は、突起部１２の壁面によって邪魔され、ピストン
４をがたつかせノッキングの要因となる衝撃的な圧力波
の伝播は緩和されることとなる。With such a configuration, as shown in FIG. 1, the vicinity of the top dead center of the piston 4, that is, the space of the combustion chamber 11 when the compression ignition is performed is substantially divided into small spaces by the projections 12. Impulsive propagation of the pressure wave in the direction perpendicular to the axial direction of the piston pin 10 immediately after the compression-ignition of the premixed gas is hindered by the wall surface of the projection 12, causing the piston 4 to rattle and cause knocking. The propagation of the shocking pressure wave will be reduced.
【００２０】このように、ノッキング時の圧力波の衝撃
的な伝播を緩和することで、燃焼効率を低下させること
無く、安定した運転状態を得ることができ、更に燃焼効
率を向上する為に、圧縮比を高く設定したり、空気比を
低く設定する等の条件においても、ノッキングを抑制
し、安定した運転状態を得ることができ、例えば、圧縮
比を１７〜２３程度に設定した予混合圧縮自着火エンジ
ンにおいても、安定した運転状態を得ることができた。As described above, by mitigating the shock propagation of the pressure wave at the time of knocking, a stable operating state can be obtained without lowering the combustion efficiency, and in order to further improve the combustion efficiency, Even under conditions such as setting a high compression ratio or setting a low air ratio, knocking can be suppressed and a stable operation state can be obtained. For example, a premix compression method in which the compression ratio is set to about 17 to 23 is used. A stable operating state was obtained even with the self-ignition engine.
【００２１】〔別実施の形態〕 （イ） 上記の実施の形態において、圧縮自着火直後の
衝撃的な圧力波の伝播を緩和する手段として、ピストン
４上端面に突起部１２を設けた構成を示したが、この突
起部１２を構成した為に、ピストン４上端面の表面積が
拡大し、予混合気の熱をピストン４上端面を介して外部
に放出しやすい構成となる。特に、ピストン４がアルミ
ニウム製の場合、アルミニウムの熱伝導率が大きい為
に、この熱損失が大きくなり、エンジンの効率の低下の
要因となるが、本発明においては、このような、熱損失
を低減することができる。即ち、図４の突起部１２を設
けたピストン４上端面の拡大断面図のように、突起部１
２を設けたアルミニウム製のピストン上端面に、先ずホ
スキンス ＭＦＧＣＯ社製のクロメルを溶射して形成し
た第１層部２０を設け、さらに第１層部２０の上端面
に、ＺｒＯ2を溶射 して形成した第２層部２１を設ける
ことができる。上記のクロメル及びＺｒＯ2の熱伝導率
及び線膨張係数は下記の表１に示す値であり、ピ スト
ン４の材料であるアルミニウムよりも第１層部２０の熱
伝導率が小さく、さらに一層第２層部２１の熱伝導率が
低い。結果、燃焼室１１内の予混合気は層部２１と接触
することになり、予混合気の熱が、突起部１２を設けた
ピストン４上端面から放出されることを抑制し、熱損失
を低減することができるのである。また、ピストン４、
第１層部２０、第２層部２１と順に線膨張係数が急激に
変化すること無く備えられているので、燃焼室内の温度
変化によって内部応力が発生し、各層部がはがれてしま
ったり、内部応力によるひずみ等が発生すること無く、
好ましい燃焼室内の状態を維持することができる。ま
た、上記の第１層部２０を下記の表１に示す２５Ｃｒ−
２０Ｎｉ（３１０）製とすることもでき、上記と同様、
熱伝導率を低下させ、熱損失の低減を図ることができ
る。また、一層の熱損失の低減を図る為に第２層部２１
を設けた構成を説明したが、第２層部２１を設けずに、
第１層部２０のみとしても、熱損失を低減する効果があ
る。また、燃焼室内の壁面を構成する材料が、上記のア
ルミニウムとは別の材料である場合、その材料に合わせ
て、第１層部及び第２層部の材料を選定することができ
る。[Another Embodiment] (a) In the above-described embodiment, a structure in which a projection 12 is provided on the upper end surface of the piston 4 is provided as means for alleviating the propagation of a shock pressure wave immediately after compression self-ignition. Although the projection 12 is formed, the surface area of the upper end face of the piston 4 is increased, and the heat of the premixed gas is easily released to the outside via the upper end face of the piston 4. In particular, when the piston 4 is made of aluminum, the heat loss of the aluminum is large because the heat conductivity of the aluminum is large, which causes a decrease in the efficiency of the engine. In the present invention, such heat loss is reduced. Can be reduced. That is, as shown in the enlarged cross-sectional view of the upper end surface of the piston 4 provided with the protrusion 12 in FIG.
First, a first layer portion 20 formed by spraying chromel manufactured by Hoskins MFGCO Co., Ltd. is provided on the upper end surface of the aluminum piston provided with ZrO 2 , and ZrO 2 is further sprayed on the upper end surface of the first layer portion 20. The formed second layer portion 21 can be provided. The thermal conductivity and linear expansion coefficient of the above chromel and ZrO 2 are the values shown in Table 1 below. The thermal conductivity of the first layer portion 20 is smaller than that of aluminum, which is the material of the piston 4, and the first layer portion is further reduced. The thermal conductivity of the two-layer part 21 is low. As a result, the premixed gas in the combustion chamber 11 comes into contact with the layer portion 21, and the heat of the premixed gas is suppressed from being released from the upper end surface of the piston 4 provided with the protrusion 12, and the heat loss is reduced. It can be reduced. Also, piston 4,
Since the first layer portion 20 and the second layer portion 21 are provided in this order without a sudden change in the coefficient of linear expansion, an internal stress is generated due to a temperature change in the combustion chamber, and each layer portion is peeled off, Without distortion due to stress, etc.
Preferred conditions in the combustion chamber can be maintained. Further, the first layer portion 20 was made of 25Cr- as shown in Table 1 below.
20Ni (310), and similar to the above,
The heat conductivity can be reduced, and the heat loss can be reduced. In order to further reduce the heat loss, the second layer portion 21 is formed.
Is described, but without providing the second layer portion 21,
Even the first layer portion 20 alone has an effect of reducing heat loss. Further, when the material forming the wall surface in the combustion chamber is a different material from the above-mentioned aluminum, the material of the first layer portion and the second layer portion can be selected according to the material.
【００２２】[0022]
【表１】 [Table 1]
【００２３】（ロ） 上記の実施の形態において、圧縮
自着火した予混合気の燃焼により発生する圧力波の燃焼
室内における伝播を緩和する緩和手段として、燃焼室内
において、ピストン４の上端面に互いに平行に延出した
突起部１２を示して説明したが、この突起部１２の代わ
りに、図３（イ）に示すように、ピストン４上端面に格
子状の突起部を設けて構成するか、若しくは図３（ロ）
に示すように、ピストン４上端面に菱状の突起部を設け
て構成することができ、更に、突起部ではなく凹部とし
てピストンの上端面に設けることもでき、本願の目的を
達成できる。また、これらの突起部若しくは凹部をピス
トンの上端面ではなくシリンダの上部内面に設けること
もでき、本願の目的を達成できる。 （ハ） 本願の予混合圧縮自着火エンジンに使用できる
燃料としては、都市ガス、ガソリン、プロパン、メタノ
ール、水素等、任意の炭化水素系燃料を使用することが
できる。 （ニ） 給気を生成するにあたっては、燃料とこの燃料
の燃焼のための酸素を含有するガスとを混合すればよい
が、例えば、燃焼用酸素含有ガスとして空気を使用する
ことが一般的である。しかしながら、このようなガスと
しては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸
素富化ガス等を使用することが可能である。 （ホ） 上記の実施の形態例においては、所謂、４サイ
クルエンジンに関連して、説明したが、本願は、２サイ
クルエンジンにおいても適応可能である。 （ヘ） 上記の実施の形態例においては、燃料と空気と
の混合気である給気をシリンダ内に吸気する構造のもの
を示したが、燃料及び空気を別々に、例えば、実施例に
おける給気を空気のみとし、シリンダ内に燃料を噴射す
る燃料噴射機を備えたエンジンにおいても、本願の発明
は適応できる。(B) In the above embodiment, as a relaxation means for reducing the propagation of the pressure wave generated by the combustion of the compression-ignited premixed gas in the combustion chamber, the upper end face of the piston 4 is disposed in the combustion chamber. Although the projection 12 extending in parallel has been described above, instead of the projection 12, as shown in FIG. 3A, a lattice-shaped projection is provided on the upper end surface of the piston 4, Or Figure 3 (b)
As shown in (1), a diamond-shaped projection can be provided on the upper end surface of the piston 4, and furthermore, a concave portion instead of the projection portion can be provided on the upper end surface of the piston, thereby achieving the object of the present invention. Further, these projections or recesses can be provided on the upper inner surface of the cylinder instead of the upper end surface of the piston, so that the object of the present invention can be achieved. (C) As a fuel that can be used for the premixed compression ignition engine of the present application, any hydrocarbon-based fuel such as city gas, gasoline, propane, methanol, and hydrogen can be used. (D) In generating the supply air, the fuel and the gas containing oxygen for combustion of the fuel may be mixed. For example, air is generally used as the oxygen-containing gas for combustion. is there. However, as such a gas, it is possible to use, for example, an oxygen-enriched gas having an oxygen component content higher than that of air. (E) In the above embodiment, the description has been given in relation to a so-called four-stroke engine. However, the present invention is applicable to a two-stroke engine. (F) In the above-described embodiment, the structure in which the supply air, which is a mixture of fuel and air, is taken into the cylinder has been described, but the fuel and the air are separately supplied, for example, in the embodiment. The invention of the present application is also applicable to an engine having a fuel injector that injects fuel into a cylinder using only air as air.
【００２４】[0024]
【発明の効果】従って、上記手法により、予混合圧縮自
着火エンジンにおいて、簡単な構造で圧縮自着火燃焼に
よって発生する圧力波の衝撃的な伝播を緩和し、エンジ
ンの動作状態を良好なものとすることができる。According to the above-described method, in the homogeneous charge compression ignition engine, the shock wave propagation of the pressure wave generated by the compression ignition combustion can be reduced with a simple structure, and the operation state of the engine can be improved. can do.
【図１】本願の予混合圧縮自着火エンジンの構成を示す
図FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a homogeneous charge compression ignition engine of the present application.
【図２】図１に示す予混合圧縮自着火エンジンのピスト
ン上端面の形状を示す斜視図FIG. 2 is a perspective view showing a shape of an upper end surface of a piston of the homogeneous charge compression ignition engine shown in FIG. 1;
【図３】ピストン上端部の別の形状例を示す斜視図FIG. 3 is a perspective view showing another example of the shape of the upper end of the piston.
【図４】突起部を設けたピストン上端面の拡大断面図FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a top end surface of a piston provided with a protrusion.
１ 給気弁 ２ 排気弁 ３ シリンダ ４ ピストン ８ 連結棒 ９ クランク １０ ピストンピン ２０ 第１層部 ２１ 第２層部 １１ 燃焼室 １２ 突起部 １３ 吸気路 １４ 排気路 １００ エンジン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Supply valve 2 Exhaust valve 3 Cylinder 4 Piston 8 Connecting rod 9 Crank 10 Piston pin 20 1st layer part 21 2nd layer part 11 Combustion chamber 12 Projection 13 Intake path 14 Exhaust path 100 Engine
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 憲泰 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 3G023 AA06 AB05 AC01 AC07 AD02 AD10 AE01 AE06 AE07 3G092 AA02 AB06 FA16 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Noriyasu Kimura Inventor 4-1-2, Hirano-cho, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka F-term in Osaka Gas Co., Ltd. (reference) 3G023 AA06 AB05 AC01 AC07 AD02 AD10 AE01 AE06 AE07 3G092 AA02 AB06 FA16
Claims (9)
ピストン上端面とシリンダ内面によって包囲される燃焼
室内において予混合気を圧縮自着火燃焼させ、前記ピス
トンの往復運動を連結棒によってクランク軸に伝達し、
クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジン
であって、 前記燃焼室内の壁面に、前記圧縮自着火燃焼により発生
する圧力波の伝播を緩和する緩和手段を備えた予混合圧
縮自着火エンジン。1. A fuel and an oxygen-containing gas for combustion are taken in, and
In the combustion chamber surrounded by the piston upper end surface and the cylinder inner surface, the premixed gas is compressed and self-ignited, and the reciprocating motion of the piston is transmitted to the crankshaft by the connecting rod,
A premixed compression ignition engine for maintaining rotation of a crankshaft, comprising: a compression compression ignition engine having, on a wall surface in the combustion chamber, mitigation means for reducing propagation of a pressure wave generated by the compression ignition combustion. .
設けたメッシュ状の溝である請求項１に記載の予混合圧
縮自着火エンジン。2. The homogeneous charge compression ignition engine according to claim 1, wherein the mitigation means is a mesh-shaped groove provided on a wall surface in the combustion chamber.
設けた突起部、若しくは凹部である請求項１に記載の予
混合圧縮自着火エンジン。3. The homogeneous charge compression ignition engine according to claim 1, wherein the mitigation means is a protrusion or a recess provided on a wall surface in the combustion chamber.
と前記連結棒とを接合するピストンピンの軸方向に延出
している請求項３に記載の予混合圧縮自着火エンジン。4. The premixed compression ignition engine according to claim 3, wherein the protrusion and the recess extend in an axial direction of a piston pin that joins the piston and the connecting rod.
ストンの上端面に設けられている請求項１から４の何れ
か１項に記載の予混合圧縮自着火エンジン。5. The homogeneous charge compression ignition engine according to claim 1, wherein the mitigation means is provided on an upper end surface of the piston in the combustion chamber.
が設けられる壁面に、前記壁面を形成する部材よりも熱
伝導率が低い材料で形成した低伝熱層を備えた請求項１
から５の何れか１項に記載の予混合圧縮自着火エンジ
ン。6. A low heat transfer layer formed of a material having a lower thermal conductivity than a member forming the wall surface, at least on a wall surface of the combustion chamber where the mitigation means is provided.
The homogeneous charge compression ignition engine according to any one of claims 1 to 5.
製であり、前記低伝熱層がクロムニッケル合金層を含む
層である請求項６に記載の予混合圧縮自着火エンジン。7. The premixed compression ignition engine according to claim 6, wherein the member forming the wall surface is made of aluminum, and the low heat transfer layer is a layer including a chromium-nickel alloy layer.
ウム層を備えた請求項６または７に記載の予混合圧縮自
着火エンジン。8. The premixed compression ignition engine according to claim 6, wherein a zirconium oxide layer is provided on a surface side of the low heat transfer layer.
ピストン上端面とシリンダ内面によって包囲される燃焼
室内において予混合気を圧縮自着火燃焼させ、前記ピス
トンの往復運動を連結棒によってクランク軸に伝達し、
クランク軸の回転を維持する予混合圧縮自着火エンジン
であって、 前記ピストンの上端面、若しくは前記燃焼室内の前記シ
リンダ上部の面に、上死点位置の前記ピストンと前記シ
リンダ内面によって包囲される最小燃焼室内を、複数の
小空間に区画する隔壁を備えた予混合圧縮自着火エンジ
ン。9. Intake of fuel and oxygen-containing gas for combustion,
In the combustion chamber surrounded by the piston upper end surface and the cylinder inner surface, the premixed gas is compressed and self-ignited, and the reciprocating motion of the piston is transmitted to the crankshaft by the connecting rod,
A premixed compression ignition engine that maintains rotation of a crankshaft, and is surrounded by the piston at the top dead center and the cylinder inner surface on the upper end surface of the piston or the upper surface of the cylinder in the combustion chamber. A homogeneous charge compression ignition engine having a partition that partitions the minimum combustion chamber into a plurality of small spaces.
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