JP2007113464A - 筒内直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートの開口径（吸気弁径）の大形化を図ることができ、吸気効率を低下させない筒内直噴エンジンを提供する。
【解決手段】吸気側ルーフ１６及び排気側ルーフ１７の境界であるペントルーフ稜線１５がクランクシャフトの回転軸と略平行に延設されたシリンダヘッド１０と、シリンダヘッド１０の吸気ポート１１及び排気ポート１２の開口に囲まれたルーフ中央付近に形成され、ペントルーフ稜線１５と略平行に並ぶ燃料噴射口１３及び点火口１４と、クランクシャフトの回転軸と略平行に延設され、その延設方向に対して傾斜せずに直立するように取り付けられた燃料噴射弁２２を備え、その燃料噴射弁２２が燃料噴射口１３から燃料を噴射するとともに、その燃料噴射弁２２の頂部が排気ポート側又は吸気ポート側に傾斜するように配置されたコモンレール２１と、点火口１４から燃焼室に臨む点火プラグ２３とを有する。
【選択図】図３

Description

この発明は、筒内直噴エンジンに関する。

従来より、筒内に直接燃料を噴射するエンジンが種々提案されている（特許文献１参照）。
特開平１０−２２０２２９号公報

しかし、前述した従来の筒内直噴エンジンは、２つの吸気ポートの間に点火プラグを配置しているので、吸気ポートの開口径（吸気弁径）が狭まってしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、吸気ポートの開口径（吸気弁径）の大形化を図ることができ、吸気効率を低下させない筒内直噴エンジンを提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、吸気側ルーフ（１６）及び排気側ルーフ（１７）の境界であるペントルーフ稜線（１５）がクランクシャフトの回転軸と略平行に延設されたシリンダヘッド（１０）と、前記シリンダヘッド（１０）の吸気ポート（１１）及び排気ポート（１２）の開口に囲まれたルーフ中央付近に形成され、前記ペントルーフ稜線（１５）と略平行に並ぶ燃料噴射口（１３）及び点火口（１４）と、前記クランクシャフトの回転軸と略平行に延設され、その延設方向に対して傾斜せずに直立するように取り付けられた燃料噴射弁（２２）を備え、その燃料噴射弁（２２）が前記燃料噴射口（１３）から燃料を噴射するとともに、その燃料噴射弁（２２）の頂部が排気ポート側又は吸気ポート側に傾斜するように配置されたコモンレール（２１）と、前記点火口（１４）から燃焼室に臨む点火プラグ（２３）とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料噴射口及び点火口が、シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの開口に囲まれたルーフ中央付近に形成され、ペントルーフ稜線と略平行に並ぶように配置されている。したがって吸気ポートの開口径（吸気弁径）の大形化を図ることができ、吸気効率を低下させない。

また燃料噴射弁は、コモンレールの延設方向に対しては直立するように取り付けられ、頂部が排気ポート側又は吸気ポート側に傾斜している。したがって燃焼圧力がコモンレールに直交する方向に作用し、燃料噴射弁をコモンレールに対して曲げる力としては作用しない。そのため、燃料噴射弁とコモンレールとのシール性が確保されるのである。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による筒内直噴エンジンの第１実施形態を示す図であり、図１（Ａ）はシリンダヘッドを上方から見た図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

エンジン１は複数気筒エンジンであり、図１ではそのうちのカム駆動機構側の２気筒を図示している。

シリンダヘッド１０には、コモンレール２１と、燃料噴射弁２２と、点火プラグ２３と、吸気弁用カム３２と、排気弁用カム４２とが取り付けられている。

コモンレール２１は、クランクシャフト方向（気筒配置方向）に沿って配置される。すなわち、コモンレール中心線がクランクシャフトの回転軸と略平行に配置されている。また、コモンレール中心線のシリンダ中心軸線から距離は、図３に示すように、燃料噴射口１３の中心のシリンダ中心軸線からの距離よりも遠い。コモンレール２１には複数のボス部２１ａが一体に形成されている。このボス部２１ａには、孔が形成されており、この孔を貫通するボルトによってコモンレール２１がシリンダヘッド１０に固定される。また各ボス部２１ａのシリンダヘッド１０へ当接する面は、同一平面となるよう加工される。このようにすることで組み付け精度が向上し、燃料噴射弁２２のコモンレール２１に対するシール性が向上し、燃料漏れを生じない。

各燃料噴射弁２２は、ボス部２１ａの間に配置される。燃料噴射弁２２は、後述のように最初にコモンレール２１に組み付けられ、その状態でシリンダヘッド１０に形成された貫通孔に挿入される。そしてボス部２１ａを貫通するボルトによってコモンレール２１がシリンダヘッド１０に固定され、コモンレール２１の押圧によって燃料噴射弁２２が固定される。いずれの燃料噴射弁２２も、上述のようにボス部２１ａの間に配置されているので、片持支持されることがない。このため、燃焼圧力が燃料噴射弁２２に作用しても、コモンレール２１には曲げ力がかからない。また燃料噴射弁２２は図１（Ｂ）に示したようにクランクシャフトに直交する方向から見たときに、シリンダヘッド１０及びコモンレール２１に対して直角を形成するように取り付けられている。すなわち、燃料噴射弁軸線がコモンレール中心線に対して直交するように取り付けられている。このため、燃料噴射弁２２が燃焼圧を受けても、燃料噴射弁本体への曲げ力を発生させない。

点火プラグ２３は、燃料噴射弁２２とともにクランクシャフト方向に沿って並べられている。点火プラグ２３は、燃料噴射弁２２よりもカム駆動機構から離れるように設けられる。点火プラグ２３は、頂部のターミナルが燃料噴射弁２２から離れるように傾斜して配置される。このように本体傾斜の大きい点火プラグ２３がカム駆動機構から離れるように配置されているので、スプロケット５１やチェーン５２のレイアウトが容易になる。

吸気弁用カム３２及び排気弁用カム４２は、スプロケット５１及びチェーン５２からなるカム駆動機構によって駆動される。スプロケット５１は、吸気弁用カム３２及び排気弁用カム４２の一端に取り付けられる。クランクシャフトの回転がチェーン５２を介してスプロケット５１に伝達し、吸気弁用カム３２及び排気弁用カム４２を駆動する。

図２は、燃料配管に燃料噴射弁を取り付けた状態を示す図である。

各燃料噴射弁２２は、コモンレール２１の延設方向に対して傾斜せずに直立するようにシール２２ａを介して取り付けられている。また複数の燃料噴射弁２２を１本のコモンレール２１に直接連結し、中継管を使用しない。したがって、部品点数が少なく、部品コストが安価である。なおこのような構造としたので、エンジン製造時には、最初に燃料噴射弁２２をコモンレール２１に組みつけられてから、コモンレール２１ごとシリンダヘッド１０に固定することができ、組立工数が少ない。

図３はひとつの気筒を例示して燃料噴射弁及び点火プラグの配置レイアウトを説明する図であり、図３（Ａ）は図１（Ｂ）のIIIA-IIIA断面を示し、図３（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する図、図３（Ｃ）はシリンダヘッドを燃焼室側から見上げた図である。

エンジン１は、シリンダヘッド１０と、シリンダブロック７０と、ピストン８０とを有する。ピストン８０は上方から見て円形のキャビティ８１が形成される。キャビティ８１の中心は、燃料噴射弁２２の先端の噴射点のシリンダ軸方向真下に配置される。

シリンダヘッド１０にはペントルーフ稜線１５を挟んで吸気側ルーフ１６及び排気側ルーフ１７が形成される。吸気側ルーフ１６には吸気ポート１１が開口する。排気側ルーフ１７には排気ポート１２が開口する。吸気ポート１１は、吸気弁用カム３２で駆動される吸気弁３１によって開閉する。排気ポート１２は、排気弁用カム４２で駆動される排気弁４１によって開閉する。またシリンダヘッド１０には、燃料噴射弁２２と、点火プラグ２３とが取り付けられる。

燃料噴射弁２２は、高圧コモンレール２１から供給される燃料を噴射する。燃料噴射弁２２は、シリンダヘッド１０に形成された燃料噴射口１３から燃料を噴射する。燃料噴射弁２２は、上方からコモンレール２１で押圧される。

点火プラグ２３は、燃料噴射口１３の近傍に形成された点火口１４から燃焼室に臨む。点火プラグ２３は、先端の点火部が、燃料噴射弁２２の先端近傍であって燃料噴射弁２２から噴霧された燃料に直接点火可能な位置又は噴霧された燃料の周囲に形成される混合気に点火可能な位置に配置される。

図３（Ｃ）に示すように、燃料噴射口１３及び点火口１４は、クランクシャフト方向の中心線からわずかに排気ポート１２側にオフセットした位置であってクランクシャフト方向に沿って並んで形成される。すなわち燃料噴射口１３及び点火口１４は、その中心が排気側ルーフ１７に形成されている。また燃料噴射口１３は、燃焼室中央よりもカム駆動機構側に形成される。点火口１４は、燃焼室中央よりもカム駆動機構と反対側に形成される。このように形成されているので、吸気ポート１１の開口面積を排気ポート１２の開口面積よりも大きくすることができ、吸気効率の向上、すなわち機関出力の向上が可能となる。

また、燃料噴射弁２２をカム駆動機構側へ配置し、点火プラグ２３をカム駆動機構とは反対側に配置したので、燃料噴射弁２２及び点火プラグ２３を、２つの吸気ポート１１及び２つの排気ポート１２の間に形成される空間にバランスよく配置できる。そのため、各弁・ポート・弁シートなどと適切な距離を保つことができ、シリンダヘッド１１のさまざまな部分の肉厚を確保することができ、エンジンの耐久性を確保することができる。

図４は、燃料噴射弁２２と点火プラグ２３の先端周辺の拡大図である。

点火プラグ２３の傾斜により、燃料噴射弁２２と点火プラグ２３の間に空間が確保され、水通路１８を確保するだけの空間ができる。燃料噴射弁２２および点火プラグ２３の冷却性を高め、噴射弁コーキングやノッキングの回避が可能となる。また、先端部分の比較的長い燃料噴射弁２２を用いると、水通路１８の面積を大きくでき、冷却効果をさらに高めることができる。

続いて本実施形態による効果について説明する。

前述したように、本発明では、燃料噴射弁２２は、クランクシャフト方向から見たときに、排気弁４１側にのみ傾斜し（図３（Ａ））、クランクシャフトに直交する方向から見たときに、シリンダヘッド１０及びコモンレール２１に対して直角を形成するように取り付けられている（図３（Ｂ））。したがって燃焼圧力がコモンレールに直交する方向に作用し、燃料噴射弁をコモンレールに対して曲げる力としては作用しない。そのため、燃料噴射弁とコモンレールとのシール性が確保されるのである。

仮に、燃料噴射弁２２が、クランクシャフト方向から見たときにも傾斜していない場合には、燃料噴射弁２２と点火プラグ２３との距離が近すぎてしまう。このような場合に、燃料噴射弁２２と点火プラグ２３とのレイアウトを成立させるための１つの方法としては、点火プラグ２３を例えば吸気弁３１側に大きく傾斜させて燃料噴射弁２２から離すことが考えられる。ところがこのようにしては、吸気ポート１１の流路断面積を減少させてしまうおそれがある。また吸気弁３１や排気弁４１のレイアウトが困難となり、弁挟角（吸気弁と排気弁の開き角）が大きくなってしまう可能性がある。このような状態では燃焼室の深さが増加してしまい、燃焼室の表面積が増加し、冷却損失が増加して燃費が悪化するおそれがある。

また燃料噴射弁２２と点火プラグ２３とのレイアウトを成立させるための別の方法としては、燃料噴射弁２２を一本のコモンレール２１に直接連結するのではなく、中継管などを使用する方法も考えられる。ところがそのようにしては、部品点数が増加することから、部品コストが上昇するとともに製造工数も増加してしまう。

そこで本発明のように、燃料噴射弁２２は排気弁４１側にのみ傾斜し（図３（Ａ））、クランクシャフトに直交する方向から見たときに、シリンダヘッド１０及びコモンレール２１に対して直角を形成するように取り付けることで（図３（Ｂ））、上記懸念を解決できるのである。

また燃料噴射口及び点火口が、シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの開口に囲まれたルーフ中央付近であってそのシリンダヘッドの排気側ルーフに形成され、ペントルーフ稜線と略平行に並ぶように配置した。したがって吸気ポートの開口径（吸気弁径）の大形化を図ることができ、吸気効率を低下させない。また吸気行程中に燃料を噴射する均質運転時に燃料がシリンダ側壁に付着しにくくブローバイガスの増加やオイルのガソリン希釈に起因する潤滑性の悪化を防止できる。

図５は、成層運転の様子を示す図である。

燃料噴射弁２２として、本体の傾斜にかかわらず燃料をシリンダ軸線方向に、すなわち燃焼室下方へ向けて燃料を噴射するタイプを使用すれば、以下の効果を得ることができる。なおマルチホール噴射弁を使用すれば、本体の傾斜にかかわらず燃料をシリンダ軸線方向に燃料を噴射することができる。また噴射時期は圧縮行程後半で上死点近傍（例えば２０degBTDC）である。

このようにすれば、燃料噴射弁２２から噴射された燃料は、キャビティ８１に衝突した後、キャビティ上空に広がる。このように跳ね返った噴霧は、キャビティ内で等方性を持つ濃淡のない混合気塊を形成する。これにより、未燃ＨＣの発生や、スモークの発生、点火プラグのくすぶりなどを回避できる。

（第２実施形態）
図６は、本発明による筒内直噴エンジンの第２実施形態を示す図である。なお図６（Ａ１）〜図６（Ａ３）は機関前方から見た図であって図３（Ａ）に対応し、図６（Ｂ１）〜図６（Ｂ３）は機関吸気側から見た図であって図３（Ｂ）に対応する。また図６（Ａ１），図６（Ｂ１）は燃料噴射時を示し、図６（Ａ２），図６（Ｂ２）はピストン下降中の様子を示し、図６（Ａ３），図６（Ｂ３）はピストンが下死点にあるときの様子を示す。

なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態の各部品の取付レイアウトは、第１実施形態と同じである。本実施形態で使用する燃料噴射弁２２は、噴射弁の中心軸線方向に燃料を噴射する。また吸気行程中に燃料を噴射する均質運転を行う。

本実施形態によれば、燃料噴射弁２２は、図６（Ａ１）に示すように本体が排気弁４１側に傾斜している。このため燃料噴射弁２２は、吸気に抗して燃料を噴射することとなる。仮に燃料噴射弁２２を吸気弁３１側に傾斜させたら、燃料噴射弁２２は、吸気方向に燃料を噴射することとなる。すると燃料は吸気に乗って排気ポート側のシリンダ側壁に付着しやすくなり、ブローバイガスの増加する可能性がある。

ところが本実施形態では、燃料噴射弁２２の本体を排気弁４１側に傾斜させているので、図６に示すように、燃料はシリンダ側壁に付着しにくくブローバイガスの増加やオイルのガソリン希釈に起因する潤滑性の悪化を防止できるのである。また吸気との混合が促進され、排気エミッションを少なくでき、かつ出力がアップする。

また噴射弁の中心軸線方向に燃料を噴射するので、燃料を広範囲に噴射でき筒内混合気の濃度ムラを防止することができるのである（図６（Ａ３），図６（Ｂ３））。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

上記実施形態では、燃料噴射弁２２が、クランクシャフト方向から見たときに、排気弁４１側にのみ傾斜する場合を例示して説明したが、吸気弁３１側に傾斜しても、燃焼圧力がコモンレールに直交する方向に作用し、燃料噴射弁をコモンレールに対して曲げる力として作用せず、燃料噴射弁とコモンレールとのシール性が確保される、という効果が得られることは明白である。

本発明による筒内直噴エンジンの第１実施形態を示す図である。 燃料配管に燃料噴射弁を取り付けた状態を示す図である。 ひとつの気筒を例示して燃料噴射弁及び点火プラグの配置レイアウトを説明する図である。 燃料噴射弁と点火プラグの先端周辺の拡大図である。 成層運転の様子を示す図である。 本発明による筒内直噴エンジンの第２実施形態を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１０ シリンダヘッド
１１ 吸気ポート
１２ 排気ポート
１３ 燃料噴射口
１４ 点火口
１５ ペントルーフ稜線
１６ 吸気側ルーフ
１７ 排気側ルーフ
２１ コモンレール
２２ 燃料噴射弁
２３ 点火プラグ
３１ 吸気弁
４１ 排気弁
７０ シリンダブロック
８０ ピストン

Claims (7)

1. 吸気側ルーフ及び排気側ルーフの境界であるペントルーフ稜線がクランクシャフトの回転軸と略平行に延設されたシリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの開口に囲まれたルーフ中央付近に形成され、前記ペントルーフ稜線と略平行に並ぶ燃料噴射口及び点火口と、
   前記クランクシャフトの回転軸と略平行に延設され、その延設方向に対して傾斜せずに直立するように取り付けられた燃料噴射弁を備え、その燃料噴射弁が前記燃料噴射口から燃料を噴射するとともに、その燃料噴射弁の頂部が排気ポート側又は吸気ポート側に傾斜するように配置されたコモンレールと、
   前記点火口から燃焼室に臨む点火プラグと、
   を有する筒内直噴エンジン。
2. 前記燃料噴射口及び点火口は、前記シリンダヘッドの排気側ルーフに形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴エンジン。
3. 前記コモンレールは、前記燃料噴射弁の頂部が排気ポート側に傾斜するように配置される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴エンジン。
4. クランクシャフトで駆動され、吸排気弁を開閉するカム駆動機構を有し、
   前記点火口は、前記燃料噴射口よりも前記カム駆動機構から離れるように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の筒内直噴エンジン。
5. 前記点火プラグは、点火プラグ頭頂部が、前記クランク回転軸及びシリンダ中心軸に直交する方向から見たときに前記カム駆動機構から離れ、前記クランク回転軸方向から見たときに吸気ポート側に傾斜するように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の筒内直噴エンジン。
6. 前記コモンレールは、ボス部を備え、そのボス部を貫通するボルトによって前記シリンダヘッドに螺設され、
   前記燃料噴射弁は、前記コモンレールによって押圧されて固定される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の筒内直噴エンジン。
7. 前記燃料噴射弁は、複数個であって、
   前記ボス部は、前記コモンレールに沿って各燃料噴射弁を挟むように配置される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の筒内直噴エンジン。