JP2021131083A - 圧縮着火エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】吸気の体積効率を損なうことなく、熱効率の改善が図られる圧縮着火エンジンを提供する。【解決手段】圧縮着火エンジン１は、燃料Ｆの発火点以上に圧縮加熱した空気を燃料Ｆの噴射により自己発火させる圧縮着火エンジンであって、燃焼室Ｅを有するピストン本体１１と、ピストン本体１１において燃焼室Ｅを構成する表面に設けられた断熱部１８と、吸気行程又は圧縮行程において蒸発潜熱を有する媒体Ｍを燃焼室Ｅ内に噴射する媒体噴射ノズル５と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、圧縮着火エンジンに関する。

エンジンにおける熱効率改善のための技術として、ジルコニアなどのセラミックスからなる断熱層を燃焼室に付与し、燃焼室の壁面からの熱の伝達の抑制を図ったものがある。例えば特許文献１では、シリンダライナの下部からシリンダブロックへの熱伝達を抑制する遮熱層を設け、シリンダライナの上部から下部にかけての温度勾配を低減するようになっている。

特開２００５−３３０８７３号公報

しかしながら、燃焼室に断熱層を付与した場合、燃焼室の壁面の温度が上昇し、当該壁面によって吸気が温められるため、吸気の体積効率が低下してしまうおそれがある。また、燃焼室の壁面の熱伝達係数が大きくなることで、かえって壁面に伝達される熱が大きくなり、結果として意図した熱効率の改善が達成できなくなることが考えられる。特に圧縮着火エンジンに対しては、このような課題の解決への試みがなされていない。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、吸気の体積効率を損なうことなく、熱効率の改善が図られる圧縮着火エンジンを提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る圧縮着火エンジンは、燃料の発火点以上に圧縮加熱した空気を燃料の噴射により自己発火させる圧縮着火エンジンであって、燃焼室を有するピストン本体と、ピストン本体において燃焼室を構成する表面に設けられた断熱部と、吸気行程又は圧縮行程において蒸発潜熱を有する媒体を燃焼室内に噴射する噴射部と、を含む。

この圧縮着火エンジンでは、吸気行程又は圧縮行程において蒸発潜熱を有する媒体を燃焼室に噴射することで、断熱部によって断熱された燃焼室の壁面を冷却することができる。したがって、燃焼室の壁面の熱伝達係数の増大を抑制でき、断熱部による熱効率の改善効果を高めることができる。また、蒸発潜熱を有する媒体の噴射によって燃焼室内に取り込まれた吸気を冷却することができるため、吸気の体積効率が損なわれることも回避できる。

噴射部は、圧縮行程においてピストン本体が上死点と下死点との中間点よりも下死点側に位置しているときに媒体を燃焼室内に噴射してもよい。この場合、燃焼室内でのスモークの発生を抑えることができる。また、燃焼室の壁面の冷却効果を高めることができる。

媒体は、ガソリン、アルコール類、及び水のいずれかを含んでいてもよい。ガソリン及びアルコール類を用いる場合、燃焼・膨張行程において燃料と共に媒体を燃焼させることができる。水を用いる場合、燃焼室の壁面を冷却する効果を十分に高めることができる。

本開示によれば、吸気の体積効率を損なうことなく、熱効率の改善が図られる。

圧縮着火エンジンの一実施形態を示す断面図である。 媒体の噴射量と燃焼室内の温度低下との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る圧縮着火エンジンの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」の方向は、圧縮着火エンジンにおけるピストンの往復方向に対応する。また、「上」の語は、ピストンの上死点側に対応し、「下」の語は、ピストンの下死点側に対応する。

図１に示すように、圧縮着火エンジン１は、例えば車両に搭載されたディーゼルエンジンであり、燃料Ｆの発火点以上に圧縮加熱した空気を燃料Ｆの噴射により自己発火させるタイプのエンジンである。圧縮着火エンジン１は、ピストン２と、シリンダ３と、燃料噴射ノズル４と、媒体噴射ノズル（噴射部）５とを含んで構成されている。

ピストン２は、中心軸Ｃの延在方向に沿って、シリンダ３の内部を往復運動する部材である。ピストン２は、略円柱の外形を呈している。ピストン２は、コネクティングロッドを介して、内燃機関のクランクシャフトに接続される。シリンダ３は、シリンダブロックに形成された気筒である。シリンダ３の周囲には、冷却水が流通する冷却水流路が設けられている。シリンダ３の内壁面には、例えばシリンダライナが装着されている。

ピストン２は、ピストン本体１１を備えている。ピストン本体１１は、頂面１２と、摺動側面１３と、スカート１４と、オイルギャラリ１５と、キャビティ１６とを備えている。ピストン本体１１の材料としては、例えばアルミ合金又は鉄等が採用される。頂面１２は、ピストン本体１１の上端面である。頂面１２は、ピストン本体１１において燃焼室Ｅを構成する。燃焼室Ｅは、ピストン２、シリンダ３、及びシリンダヘッド３ａによって画成される空間である。

摺動側面１３は、シリンダライナの内壁面に対して摺動するピストン側面である。摺動側面１３には、第１のピストンリング溝１９ａ〜第３のピストンリング溝１９ｃがそれぞれ形成されている。第１のピストンリング溝１９ａには、最も頂面１２側に位置する第１のピストンリング１７Ａが配置される。第２のピストンリング溝１９ｂには、第１のピストンリング溝１９ａと第３のピストンリング溝１９ｃとの間に位置する第２のピストンリング１７Ｂが配置される。第３のピストンリング溝１９ｃには、最もスカート１４側に位置する第３のピストンリング１７Ｃが配置される。

スカート１４は、摺動側面１３に沿って下側に延びている。このスカート１４の内部空間Ｓには、コネクティングロッドの小端部が配置される。ピストン本体１１は、キャビティ１６を囲むように環状に形成されたオイルギャラリ１５を有している。オイルギャラリ１５は、ピストン本体１１の内部に形成された空洞部である。オイルギャラリ１５の内部には、オイルジェット孔を通じてエンジンオイルが流れ、ピストン本体１１の冷却がなされる。

キャビティ１６は、ピストン本体１１の頂面１２に設けられた凹部であり、ピストン本体１１において燃焼室Ｅを構成する。キャビティ１６は、中心軸Ｃに関して軸対象の形状を有する。キャビティ１６は、底面１６ａと側壁面１６ｂとを有する。底面１６ａは、中心軸Ｃに近づくほど上方に傾斜しており、中心軸Ｃを中心とする円錐形状を呈している。側壁面１６ｂは、径方向外側に膨む曲面であり、中心軸Ｃを中心に環状に延在している。

キャビティ１６の内壁面（底面１６ａ及び側壁面１６ｂ）には、断熱部１８が設けられている。断熱部１８は、例えばジルコニアなどのセラミックスによって底面１６ａ及び側壁面１６ｂを略均一の厚さでコーティングすることによって形成されている。断熱部１８は、燃焼室Ｅからピストン本体１１を経由してシリンダ３の冷却水流路に至る熱の伝達経路上に介在し、燃焼室Ｅを断熱する。

燃料噴射ノズル４は、燃焼室Ｅに向けて燃料Ｆを噴射する部分である。燃料噴射ノズル４は、中心軸Ｃに一致するように設けられ、シリンダヘッド３ａからピストン本体１１側に向かって突出している。燃料噴射ノズル４は、ピストン本体１１が下死点から上死点に変位する際に、燃焼室Ｅに向けて燃料Ｆ（ここでは軽油）を霧状に噴射する。

媒体噴射ノズル５は、吸気行程又は圧縮行程において燃焼室Ｅに向けて媒体Ｍを噴射する部分である。媒体噴射ノズル５は、中心軸Ｃ及び燃料噴射ノズル４に対して一定の傾斜角度をもって設けられ、シリンダヘッド３ａにおいてキャビティ１６の縁部に面する位置からピストン本体１１側に向かって突出している。媒体噴射ノズル５は、吸気ポート（不図示）及び排気ポート（不図示）のいずれの側に配置されていてもよい。

本実施形態では、媒体噴射ノズル５は、圧縮行程においてピストン本体１１が下死点から上死点に変位する際に、燃焼室Ｅに向けて媒体Ｍを霧状に噴射する。より具体的には、燃料噴射ノズル４は、圧縮行程においてピストン本体１１が上死点と下死点との中間点よりも下死点側に位置しているときに、燃焼室Ｅに向けて媒体Ｍを霧状に噴射する。媒体噴射ノズル５による媒体Ｍの噴射のタイミングは、燃料噴射ノズル４による燃料Ｆの噴射のタイミングより前である。

媒体噴射ノズル５から噴射される媒体Ｍは、蒸発潜熱を有する媒体である。このような媒体Ｍとしては、例えばガソリン（ガソリンと空気との予混合気）、アルコール類、及び水が挙げられる。なお、媒体噴射ノズル５の先端（噴射口）は、当該ノズルの本体に対して屈曲していてもよい。この場合、媒体Ｍがキャビティ１６の底面１６ａに直接向かわず、より拡散した状態で燃焼室Ｅに供給される。

以上の構成を有する圧縮着火エンジン１では、吸気行程において吸気ポート（不図示）を介してシリンダ３内に空気が取り込まれる。続く圧縮行程では、ピストン本体１１が下死点から上死点に変位する際に、燃料噴射ノズル４から燃焼室Ｅに向けて燃料Ｆが噴射されると共に、媒体噴射ノズル５から燃焼室Ｅに向けて媒体Ｍが噴射される。そして、ピストン本体１１が上死点に到達する直前で燃料Ｆが着火し、燃焼・膨張行程に移行する。燃焼・膨張行程では、燃料Ｆの燃焼により燃焼ガスが膨張し、ピストン本体１１が下死点まで押し下げられる。その後の排気行程では、燃焼ガスが排気ポート（不図示）を介してシリンダ３内から排気ガスが排出される。

以上説明したように、圧縮着火エンジン１では、吸気行程において蒸発潜熱を有する媒体Ｍを燃焼室Ｅに噴射することで、断熱部１８によって断熱された燃焼室Ｅの壁面（キャビティ１６の底面１６ａ及び側壁面１６ｂ）を冷却することができる。したがって、燃焼室Ｅの壁面の熱伝達係数の増大を抑制でき、断熱部１８による熱効率の改善効果を高めることができる。また、蒸発潜熱を有する媒体Ｍの噴射によって燃焼室Ｅ内に取り込まれた吸気を冷却することができるため、吸気の体積効率が損なわれることも回避できる。

圧縮着火エンジン１では、吸気行程においてピストン本体１１が上死点と下死点との中間点よりも下死点側に位置しているときに、燃料噴射ノズル４が媒体Ｍを燃焼室Ｅ内に噴射する。これにより、燃焼室Ｅ内でのスモークの発生を抑えることができる。また、燃焼室Ｅの壁面の冷却効果を高めることができる。

圧縮着火エンジン１では、蒸発潜熱を有する媒体Ｍとして、ガソリン、アルコール類、及び水が用いられている。ガソリン及びアルコール類を用いる場合、燃焼・膨張行程において燃料Ｆと共に媒体を燃焼させることができる。水を用いる場合、燃焼室Ｅの壁面を冷却する効果を十分に高めることができる。
図２は、媒体の噴射量と燃焼室内の温度低下との関係を示す図である。同図では、横軸を空燃比（Ａ／Ｆ）、縦軸を燃焼室内の温度低下量（℃）とし、シリンダ内のガスの温度低下に対する空燃比の影響をシミュレーションにより算出した。蒸発潜熱を有する媒体を（ガソリンと空気との予混合気）とし、その蒸発潜熱を７５ｋｃａｌ／ｋｇとした。また、空気の比熱は、０．２４ｋｃａｌ／ｋｇＫとし、ガソリンの比熱は、０．４ｋｃａｌ／ｋｇＫとした。
図２に示す結果から、噴射する媒体の量に比例してシリンダ内のガスの温度低下量が増大していることが分かる。しかしながら、噴射する媒体の量が過剰になると、エンジンの圧縮比を高く設定している場合には、燃料の噴射の前に媒体が自着火し、いわゆる過早着火が発生することが考えられる。このため、噴射する媒体の量は、圧縮比などに応じて媒体の自着火が生じない範囲で決定することが好ましい。図２のシミュレーションでは、Ａ／Ｆが４０の場合に７℃程度の温度低下を実現可能となっており、圧縮比が１７程度の比較的高い条件下においても十分な温度低下が見込まれる。

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えばシリンダヘッド３ａにおける媒体噴射ノズル５の突出位置は、シリンダヘッド３ａにおいてキャビティ１６の縁部に面する位置に限られず、燃料噴射ノズル４に隣接する位置などの他の箇所であってもよい。また、媒体噴射ノズル５は、中心軸Ｃ及び燃料噴射ノズル４に対して平行に配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、媒体噴射ノズル５が圧縮行程において媒体Ｍを噴射しているが、媒体噴射ノズル５が吸気行程において媒体Ｍを噴射する態様であってもよい。この場合、媒体噴射ノズル５を吸気ポートに近接して配置し、吸気行程において吸気ポートが開放されたタイミングで媒体Ｍを噴射するようにしてもよい。

１…圧縮着火エンジン、５…媒体噴射ノズル（噴射部）、１１…ピストン本体、１８…断熱部、Ｅ…燃焼室、Ｆ…燃料、Ｍ…媒体。

Claims (3)

1. 燃料の発火点以上に圧縮加熱した空気を前記燃料の噴射により自己発火させる圧縮着火エンジンであって、
   燃焼室を有するピストン本体と、
   前記ピストン本体において前記燃焼室を構成する表面に設けられた断熱部と、
   吸気行程又は圧縮行程において蒸発潜熱を有する媒体を前記燃焼室内に噴射する噴射部と、を含む圧縮着火エンジン。
2. 前記噴射部は、前記圧縮行程において前記ピストン本体が上死点と下死点との中間点よりも前記下死点側に位置しているときに前記媒体を前記燃焼室内に噴射する請求項１記載の圧縮着火エンジン。
3. 前記媒体は、ガソリン、アルコール類、及び水のいずれかを含む請求項１又は２記載の圧縮着火エンジン。

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