JP2013002435A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の内面やピストンへの燃料の付着を抑制することが可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】先端部１３ａを気筒２内に臨ませるようにして機関本体３に取り付けられ、先端部１３ａから広がるように燃料が噴射される燃料噴射弁１３を備えた内燃機関１において、先端部１３ａから燃料が噴射される方向、先端部１３ａから噴射される燃料の広がり角度θ、及び先端部１３ａから噴射される燃料噴霧の噴霧長の少なくともいずれか一つは、先端部１３ａから噴射された燃料が最初に気筒２の内面に接触する接触位置ＣＰを通り、かつ先端部１３ａから噴射された燃料の中心軸ＣＡと直交する平面Ｐ１と先端部１３ａとの間の最短距離である接触距離Ｌが６０ｍｍ以上になるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、先端部を気筒内に臨ませるようにして燃料噴射弁が機関本体に取り付けられた内燃機関に関する。

先端部を気筒内に臨ませるようにして燃料噴射弁が設けられ、燃料を気筒内に直接噴射する筒内噴射式の内燃機関が知られている。例えば、吸気ポートよりも外周側に先端部が位置するように燃料噴射弁が設けられ、その先端部から燃料噴霧の中心軸線が斜め下方向になるように燃料が噴射される内燃機関が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−２１８６０３号公報

特許文献１に示されているような筒内噴射式の内燃機関では、燃料が噴射される方向、燃料の広がり角度、及び燃料噴霧の噴霧長が適切に設定されていないと気筒の内面やピストンに付着する燃料量が増加するおそれがある。この場合、燃料が蒸発し難くなるので、クランク室に入り込む燃料量が増加してオイルの希釈率が増加するおそれがある。特許文献１には、このような燃料の付着を抑制するために燃料をどのように噴射すべきか具体的に示されていない。

そこで、本発明は、気筒の内面やピストンへの燃料の付着を抑制することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、先端部を気筒内に臨ませるようにして機関本体に取り付けられ、前記先端部から広がるように燃料が噴射される燃料噴射弁を備えた内燃機関において、前記先端部から燃料が噴射される方向、前記先端部から噴射される燃料の広がり角度、及び前記先端部から噴射される燃料噴霧の噴霧長の少なくともいずれか一つは、前記先端部から噴射された燃料が最初に前記気筒の内面に接触する位置を通り、かつ前記先端部から噴射された燃料の中心軸と直交する平面と前記先端部との間の最短距離である接触距離が６０ｍｍ以上になるように設定されている（請求項１）。

燃料が広がるように噴射される燃料噴射弁では、一般に燃料が膜状に噴射される。膜状に噴射された燃料は分散して液滴状になり、その後さらに細かくなって微粒化する。このように燃料を微粒化するためには、燃料を気筒の内面やピストンに衝突させることなく所定の距離の間飛ばす必要がある。本発明の内燃機関によれば、接触距離を６０ｍｍ以上としたので、燃料を６０ｍｍ以上飛ばすことができる。これにより燃料の微粒化を促進できるので、燃料の気化を促進できる。そのため、気筒の内面やピストンへの燃料の付着を抑制できる。また、気筒の内面やピストンに燃料が付着しても微粒化されているため、燃料を速やかに気化させることができる。

本発明の内燃機関の一形態において、前記気筒内に挿入されているピストンの頂面の裏面にオイルを噴射して前記ピストンを冷却可能なオイルジェット機構が設けられている場合の前記接触距離には、前記オイルジェット機構が設けられていない場合の前記接触距離よりも大きい値が設定されてもよい（請求項２）。周知のようにオイルジェット機構が設けられている内燃機関は、オイルジェット機構が設けられていない内燃機関と比較して機関運転時におけるピストンや気筒の内面の温度が低い。そのため、これらの付着した燃料が気化し難くなる。この形態によれば、オイルジェット機構が設けられている内燃機関では接触距離に大きい値を設定するので、燃料の微粒化がさらに促進される。これにより燃料の気化をさらに促進できるので、オイルジェット機構が設けられていても気筒の内面やピストンへの燃料の付着を抑制することができる。

本発明の内燃機関の一形態において、前記機関本体は、前記気筒が形成されたシリンダブロックと、前記気筒の一端を塞ぐように前記シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッドと、を備え、前記燃料噴射弁は、前記先端部から噴射された燃料が前記気筒の中心線を斜めに横切るように前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記先端部から燃料が噴射される方向、前記先端部から噴射される燃料の広がり角度、及び前記先端部から噴射される燃料噴霧の噴霧長の少なくともいずれか一つは、前記接触距離が６０ｍｍ以上になり、かつ前記先端部から噴射されてから１ミリ秒後の燃料における前記先端部から最も遠い部分と前記先端部との間の距離を、前記先端部から噴射された燃料の中心軸を延長した仮想線上の前記先端部から前記気筒の内面までの長さで除した値である到達比が０．７以下になるように設定されていてもよい（請求項３）。この到達比は、噴射から１ミリ秒後の燃料が、先端部から燃料の噴射方向に位置する気筒の内面までの間においてどの程度まで移動したかを示している。そのため、到達比を小さくすることにより燃料が気筒の内面やピストンに付着することを抑制できるが、到達比を過度に小さくすると燃料が拡散し難くなって燃焼状態が悪化するおそれがある。この形態では、到達比を０．７以下とするので、噴射された燃料が先端部から燃料の噴射方向に位置する気筒の内面までの間の半分以上を１ミリ秒で移動していてもよい。そのため、燃焼状態を無駄に悪化させることなく燃料が気筒の内面やピストンに付着することを抑制できる。

この形態において、前記気筒内に挿入されているピストンの頂面の裏面にオイルを噴射して前記ピストンを冷却可能なオイルジェット機構が設けられている場合の前記到達比には、前記オイルジェット機構が設けられていない場合の前記到達比よりも小さい値が設定されてもよい（請求項４）。上述したようにオイルジェット機構が設けられている内燃機関では、気筒の内面やピストンの温度が低くなる。そこで、このように到達比に小さい値を設定して気筒の内面やピストンへの燃料の付着を抑制する。

以上に説明したように、本発明の内燃機関によれば、接触距離を６０ｍｍ以上としたので、燃料の微粒化を促進することができる。これにより燃料の気化を促進できるので、気筒の内面やピストンへの燃料の付着を抑制できる。

本発明の一形態に係る内燃機関を概略的に示す図。 燃料噴射弁の先端部から噴射された燃料をシリンダヘッド側から見た図。 燃料噴射弁から燃料が噴射されてから経過した時間と燃料噴射弁から噴射された燃料の長さとの関係の一例を示す図。 先端部からの距離と燃料の平均粒径との関係の一例を示す図。 先端部からの距離と気筒の内面に付着する燃料量との関係の一例を示す図。 接触距離が６０ｍｍの場合の到達比とオイル希釈率との関係の一例を示す図。

図１は、本発明の一形態に係る内燃機関を概略的に示している。内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、車両に走行用動力源として搭載される火花点火式内燃機関として構成されている。エンジン１は、複数の気筒２を有する機関本体３を備えている。なお、図１では１つの気筒２のみを示す。機関本体３は、複数の気筒２が形成されたシリンダブロック４と、各気筒２の一端を塞ぐようにシリンダブロック４に取り付けられたシリンダヘッド５とを備えている。シリンダブロック４の底部には、エンジン１の各部を潤滑するためのオイルが貯溜されている。各気筒２には、ピストン６が往復動自在に挿入されている。そして、ピストン６、気筒２の壁面、及びシリンダヘッド５によって各気筒２に燃焼室７が形成されている。シリンダヘッド５には、気筒２に通じる吸気ポート８及び排気ポート９が気筒２毎に形成されている。各気筒２には、吸気ポート８を開閉するための吸気弁１０及び排気ポート９を開閉するための排気弁１１が設けられている。また、各気筒２には点火プラグ１２が電極部を気筒２内に突出させるようにして気筒２の略中心線ＣＬ上に設けられている。

各気筒２には、燃料噴射弁１３が先端部１３ａを気筒２内に臨ませるようにして設けられている。この図に示すように燃料噴射弁１３は、吸気ポート８が設けられている吸気側に配置されている。また、燃料噴射弁１３は、先端部１３ａが吸気ポート８よりも外周側に位置するようにシリンダヘッド５に取り付けられている。燃料はこの先端部１３ａから排気ポート９が設けられている排気側に向かって噴射される。そのため、エンジン１は気筒２内に燃料を直接噴射するいわゆる筒内噴射式の内燃機関である。

気筒２の中心線ＣＬの方向を上下方向とし、シリンダヘッド５側を上側とした場合、燃料はこの図に示すように先端部１３ａから斜め下方に向けて噴射される。従って、燃料は先端部１３ａから気筒２の排気側の内面に向けて気筒２の中心線ＣＬを斜めに横切るように噴射される。図２は、先端部１３ａから噴射された燃料（以下、燃料噴霧と称することがある。）Ｆを上側（シリンダヘッド側）から見た図である。なお、燃料噴霧Ｆのうち斜線を付した部分は、燃料が気筒２に当たらなかった場合の噴霧形状を示している。この図に示すように燃料噴霧Ｆは、排気側に向かうに従って広がる。その一方で燃料噴霧Ｆは上下方向、すなわち気筒２の中心線ＣＬの方向には殆ど広がらない。すなわち、先端部１３ａからは上下方向に扁平な扇形状に燃料が噴射される。このように燃料が噴射されるため、この図に示すように燃料噴霧Ｆはその両端部Ｆｓが気筒２の内面に当たる。

このエンジン１では、接触距離Ｌが６０ｍｍ以上になり、かつ到達比Ｒが０．７以下になるように先端部１３ａから燃料が噴射される方向、先端部１３ａから噴射される燃料の広がり角度θ、及び燃料噴霧Ｆの噴霧長が設定されている。噴霧長は、燃料噴霧Ｆのうち先端部１３ａから最も遠い部分と先端部１３ａとの間の距離である。接触距離Ｌは、燃料が最初に気筒２の内面と接触した接触位置ＣＰを通り、かつ燃料噴霧Ｆの中心軸ＣＡと直交する平面Ｐ１と先端部１３ａとの間の最短距離である。なお、中心軸ＣＡは燃料噴霧Ｆの三次元的な中心軸であり、燃料の噴射方向を規定する直線である。到達比Ｒは、気筒２の直径をＤ、気筒２の中心線ＣＬと直交する平面Ｐ２と燃料噴霧Ｆの中心軸ＣＡとの間の角度（図１参照）をＶ、先端部１３ａから噴射されてから１ミリ秒後の燃料の先端部１３ａから最も遠い部分と先端部１３ａとの間の距離をＬＦとしたときに、Ｒ＝ＬＦ／（Ｄ／ｃｏｓＶ）で定義される値である。なお、Ｄ／ｃｏｓＶで示される値は、図１から明らかなように燃料噴霧Ｆの中心軸ＣＡを延長した仮想線Ｌｉのうち先端部１３ａから排気側の気筒２の内面までの距離に相当する。

次に接触距離Ｌを６０ｍｍ以上にし、かつ到達比Ｒを０．７以下にする理由について説明する。図３は、燃料噴射弁１３から燃料が噴射されてから経過した時間（噴射後時間）と燃料噴射弁１３から噴射された燃料の長さ（噴霧長）との関係の一例を示している。この図に示すように噴霧長が６０ｍｍになる以前と以後とでは単位時間当たりの変化量が変わり、６０ｍｍ以後は６０ｍｍ以前よりも単位時間当たりの変化量が小さくなる。このような変化量の変化は、噴射された燃料の形状が変化することにより生じる。燃料は、先端部１３ａから噴射された直後は膜状をしている。この膜状の燃料は、移動するにつれて分散して液滴状に変化する。この図では、期間Ｔ１においてこのような変化が生じている。そして、液滴状に変化した燃料は、その後さらに粒径の小さい液滴に分散して微粒化する。この図では、期間Ｔ２においてこのような変化が生じている。周知のように粒径が小さくなるほど貫徹力が弱くなるので、噴霧長が伸び難くなる。この図に示すように燃料噴射弁１３では噴霧長が６０ｍｍのときに単位時間当たりの変化量が小さくなるため、６０ｍｍにおいて燃料が微粒化していると考えられる。図４は、先端部１３ａからの距離と燃料の平均粒径（ザウター平均粒子径、ＳＭＤ）との関係の一例を示している。この図に示すように燃料の平均粒径は、距離が６０ｍｍ以上になると殆ど変化しない。従って、これらの図から燃料は噴射後６０ｍｍ移動した時点で十分に微粒化していると考えられる。そのため、接触距離Ｌを６０ｍｍ以上にすることによって燃料を十分に微粒化できる。これにより燃料の気化を促進できる。

図５は、先端部１３ａからの距離と気筒２の内面に付着する燃料量（燃料付着量）との関係の一例を示している。この図に示すように先端部１３ａからの距離が大きくなるほど燃料付着量は減少する。この図に示されているように先端部１３ａからの距離が６０ｍｍであっても燃料は気筒２の内面に付着するが、このときの燃料は十分に微粒化しているため速やかに蒸発する。

図６は、接触距離Ｌが６０ｍｍの場合の到達比Ｒとオイル希釈率との関係の一例を示している。オイル希釈率は、シリンダブロック４の底部に貯溜されているオイルがピストン６と気筒２の内面との間を通過した燃料で希釈された割合を示している。そのため、オイル希釈率はオイル中の燃料量が多いほど大きくなる。この図に示すように到達比Ｒが大きくなるほどオイル希釈率が大きくなる。そのため、オイル希釈率を小さくするためには到達比Ｒを小さくした方が良いが、到達比Ｒを過度に小さくすると燃料が拡散し難くなるため燃焼状態が悪化して全開性能が低下したり機関変動が生じたりするおそれがある。この図の許容上限値Ｃは、このような燃焼状態の悪化を抑制しつつ許容可能なオイル希釈率の上限値を示している。エンジン１では到達比Ｒを０．７以下にするので、オイル希釈率を許容上限値Ｃ以下にすることができる。

以上に説明したように、本発明のエンジン１では接触距離Ｌを６０ｍｍ以上としたので、燃料を十分に微粒化できる。これにより燃料の気化を促進できるので、気筒２の内面やピストン６への燃料の付着を抑制できる。また、これらの燃料が付着しても十分に微粒化されているので、その燃料を速やかに気化させることができる。そのため、付着した燃料がシリンダブロック４の底部に移動することを抑制できる。また、エンジン１では到達比Ｒを０．７以下としたので、オイル希釈率を低減できる。

一般にエンジンでは、シリンダブロックの下部に形成されたクランク室と吸気通路とがＰＣＶラインを介して接続され、クランク室から吸気通路にブローバイガスが排出されている。オイル希釈率が高いとオイルの温度が上昇したときにオイルから燃料が大量に蒸発し、それがＰＣＶラインを介して吸気通路に排出されるおそれがある。この場合、エンジンの空燃比を目標値に制御できず、燃料供給系が正常であったとしても故障診断装置が燃料供給系に異常があると判定するおそれがある。本発明のエンジン１では、上述したようにオイルの希釈を抑制できるので、このような誤診断が生じることを防止できる。

なお、本発明のエンジン１では、到達比Ｒに拘わらず接触距離Ｌが６０ｍｍ以上になるように先端部１３ａから燃料が噴射される方向、先端部１３ａから噴射される燃料の広がり角度θ、及び燃料噴霧Ｆの噴霧長を設定してもよい。図６に接触距離Ｌを４０ｍｍとし、かつ到達比Ｒを０．６５にした場合のオイル希釈率を点Ｐ４０で示した。この図から明らかなようにこの条件ではオイル希釈率が許容上限値Ｃを超える。すなわち、オイル希釈率を低減するためには、到達比Ｒを小さくするよりも接触距離Ｌを大きくした方がよい。そこで、到達比Ｒに拘わらず接触距離Ｌを６０ｍｍ以上とする。これにより気筒２の内面やピストン６への燃料の付着を抑制できる。また、オイル希釈率も低減できる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上述した形態では接触距離が６０ｍｍ以上になり、到達比が０．７以下になるように燃料が噴射される方向、燃料の広がり角度、及び燃料噴霧の噴霧長を設定したが、接触距離及び到達比の調整はこれらのうちの少なくともいずれか１つを変更することによって行ってもよい。

本発明は、ピストンの頂面の裏面側にオイルを噴射するオイルジェット機構が設けられた内燃機関に適用してもよい。周知のようにこのような内燃機関では、オイルジェット機構が設けられていない内燃機関と比較して機関運転時におけるピストンや気筒の内面の温度が低くなる。そのため、これらの部分に付着した燃料が気化し難くなる。そこで、本発明をオイルジェット機構が設けられている内燃機関に適用する場合は、オイルジェット機構が設けられていない内燃機関に適用する場合よりも接触距離に大きい値を設定する。これによりピストンや気筒の内面への燃料の付着を適切に抑制できるため、燃料によるオイルの希釈を抑制できる。また、このような内燃機関に本発明を適用する場合にはオイルジェット機構が無い内燃機関に適用する場合よりも到達比に小さい値を設定する。これにより燃料によるオイルの希釈をさらに抑制できる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 機関本体
４ シリンダブロック
５ シリンダヘッド
６ ピストン
１３ 燃料噴射弁
１３ａ 先端部
θ 燃料の広がり角度
Ｌ 接触距離
ＣＡ 燃料の中心軸
Ｌｉ 燃料の中心軸を延長した仮想線
ＣＬ 気筒の中心線
Ｒ 到達比
ＣＰ 先端部から噴射された燃料が最初に気筒の内面に接触する接触位置
Ｐ１ 接触位置を通り、かつ先端部から噴射された燃料の中心軸と直交する平面

Claims (4)

1. 先端部を気筒内に臨ませるようにして機関本体に取り付けられ、前記先端部から広がるように燃料が噴射される燃料噴射弁を備えた内燃機関において、
   前記先端部から燃料が噴射される方向、前記先端部から噴射される燃料の広がり角度、及び前記先端部から噴射される燃料噴霧の噴霧長の少なくともいずれか一つは、前記先端部から噴射された燃料が最初に前記気筒の内面に接触する位置を通り、かつ前記先端部から噴射された燃料の中心軸と直交する平面と前記先端部との間の最短距離である接触距離が６０ｍｍ以上になるように設定されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記気筒内に挿入されているピストンの頂面の裏面にオイルを噴射して前記ピストンを冷却可能なオイルジェット機構が設けられている場合の前記接触距離には、前記オイルジェット機構が設けられていない場合の前記接触距離よりも大きい値が設定される請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記機関本体は、前記気筒が形成されたシリンダブロックと、前記気筒の一端を塞ぐように前記シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッドと、を備え、
   前記燃料噴射弁は、前記先端部から噴射された燃料が前記気筒の中心線を斜めに横切るように前記シリンダヘッドに取り付けられ、
   前記先端部から燃料が噴射される方向、前記先端部から噴射される燃料の広がり角度、及び前記先端部から噴射される燃料噴霧の噴霧長の少なくともいずれか一つは、前記接触距離が６０ｍｍ以上になり、かつ前記先端部から噴射されてから１ミリ秒後の燃料における前記先端部から最も遠い部分と前記先端部との間の距離を、前記先端部から噴射された燃料の中心軸を延長した仮想線上の前記先端部から前記気筒の内面までの長さで除した値である到達比が０．７以下になるように設定されている請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記気筒内に挿入されているピストンの頂面の裏面にオイルを噴射して前記ピストンを冷却可能なオイルジェット機構が設けられている場合の前記到達比には、前記オイルジェット機構が設けられていない場合の前記到達比よりも小さい値が設定される請求項３に記載の内燃機関。

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