JP2014105655A - 直噴式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】直噴式内燃機関において、燃料噴射インジェクタの先端が熱害を受けることを、燃料混合性の悪化や排気ガスの悪化といった問題を招来することなく防止する。
【解決手段】シリンダヘッド３におけるテーパ状の燃焼室用凹所８のうち、ピストン４の傾斜面１４と重なるピストン重合部８ａに燃料噴射穴１７を形成し、その奥部に燃料噴射インジェクタ１８の先端１８ａを露出させる。燃料噴射穴１７には、点火プラグ９の側に向けて延びる連通路１９が接続されている。燃料噴射インジェクタ１８は燃料噴射穴１７の奥に設けているため、先端１８ａの異常高温化による煤の付着を防止できる。燃料噴射穴１７に混合気が滞留しても、ピストン４の動圧やスキッシュ流によって燃焼室用凹所８の内側に排出できる。このため、燃料と空気との混合性の悪化や排気ガスの悪化は生じない。
【選択図】図２

Description

本願発明は、燃料を燃料噴射インジェクタによって燃焼室に噴射する直噴式内燃機関に関するものである。

直噴式内燃機関では、シリンダヘッドにはポート噴射方式と同様にテーパ状の燃焼室用凹所が形成されているが、ピストンは頂面をテーパ状に形成して中央部を凹ませていることが多く、ピストンが上死点にあるときの燃焼室を狭くすることで高い圧縮比を確保すると共に、燃料と空気との混合性も高めている。

そして、シリンダヘッドにおける燃焼室用凹所の中央部には点火プラグが配置されているため、燃焼室用凹所は、点火プラグの外側のうち吸気ポートの近傍部に配置しており、特許文献１に開示されているように、燃料噴射インジェクタの先端を燃焼室用凹所の内面付近に位置させて、霧化燃料を燃焼室に拡散させていることが多い。

特開平０９−３１７４７９号公報

直噴式内燃機関の問題の一つとして、煤が発生しやすいことがある。そして、特許文献１のように燃料噴射インジェクタ（ノズル）の先端部を燃焼室用凹所の内面付近に位置させていると、燃料噴射インジェクタの先端が異常な高温になることで、燃料が噴射される前に炭化して先端に付着したり、噴射した燃料が戻って付着して炭化したりすることで、煤（デポジット）が付着しやすくなり、甚だしいと、燃料噴射インジェクタの噴射穴が煤で詰まってしまおそれも生じる。

この点については、燃焼室用凹所に熱害を受けない程度の深さの燃料噴射穴を形成し、その奥部に燃料噴射インジェクタの先端を位置させたら良いと考えられる。しかし、単に燃料噴射穴の奥に燃料噴射インジェクタをずらしただけは、燃料噴射穴が袋小路状態になっていることにより、燃料噴射穴に燃料の濃い混合気が残ったままになる虞があり、すると、燃料と空気との混合性が悪化して燃費が悪化するのみならず、濃い混合気が燃焼することで、スモークの発生のような排気ガス悪化が生じるおそれもある。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、直噴式内燃機関において、燃料の混合性悪化や排気ガス悪化のような問題を招くことなく、燃料噴射インジェクタが熱害を受けること防止せんとするものである。

本願発明の直噴式内燃機関は、シリンダヘッドに形成した燃焼室用凹所に、点火プラグと吸気ポートと排気ポートとが、点火プラグは中央に位置して吸気ポートと排気ポートとは点火プラグを挟んで対称に配置されるように設けており、前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち外周寄りの適宜部位を上死点にあるピストンが近接するピストン重合部と成して、前記ピストン重合部の内側の部位をピストンが上死点にある状態での燃焼室と成している、いう基本構成である。

そして、請求項１の発明では、上記基本構成において、前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち前記ピストン重合部に燃料噴射穴を形成して、この燃料噴射穴の奥部に前記燃料噴射インジェクタの先端を露出させており、かつ、前記シリンダヘッドに、一端が前記燃料噴射穴に開口して他端は前記燃焼室用凹所に開口した連通路を、前記燃料噴射穴から点火プラグに向けて延びるように設けている。

請求項２の発明では、上記基本構成に加えて、前記ピストン重合部とこれに対応したピストンの頂面とをテーパ面に形成することにより、ピストンの上昇行程でスキッシュ流が生成されるようになっており、そして、前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち前記ピストン重合部に燃料噴射穴を形成して、この燃料噴射穴の奥部に前記燃料噴射インジェクタの先端を露出させており、かつ、前記シリンダヘッドに、一端は前記燃料噴射穴に開口して前記点火プラグの側に延びる連通路を、その他端が前記スキッシュエリアに晒されるように設けている。

請求項１，２のいずれの発明においても、連通路の他端はピストン重合部に開口させてもよいし、ピストン重合部の内側（ピストンが上死点にあるときの初期燃焼室）に開口させてもよい。

本願発明では、燃料噴射インジェクタの先端を燃料噴射穴の奥部に配置したことで、燃料噴射インジェクタの先端が高温化して煤が付着するような不具合を防止できると共に、燃料噴射穴に溜まった混合気は、圧縮行程で発生する空気流に乗って連通路から燃焼室に排出されるため、燃料と空気との混合性を高めて燃費悪化を防止できると共に、スモークの発生のような排気ガスの悪化も防止又は著しく抑制できる。

特に、請求項２の構成を採用すると、ピストンの上昇動によって発生するスキッシュ流による押し効果及び引き効果（オリフィス効果）によって燃料噴射穴の混合気を連通路から的確に排出できるため、燃料と空気との混合性向上をより的確に実現できる。

上記したとおり、いずれの発明においても連通路の他端はピストン重合部に開口させてもよいし、初期燃焼室に開口させてもよいが、初期燃焼室に開口させると、ピストンが上死点に至るまで燃料噴射穴内の混合気を排出し続けることができるので、燃料の混合性においてはより優れていると云える。

第１実施形態を示す図で、（Ａ）はシリンダヘッドの底面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 （Ａ）（Ｂ）とも第１実施形態の作用を示す図である。 第１実施形態の作用を示す図である。 第２実施形態を示す図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜３に示す第１実施形態を説明する。内燃機関の基本構成は従来から知られているものであり、図１のとおり、内燃機関は、主要要素してシリンダブロック１と、これにガスケット２を介して重ね固定されたシリンダヘッド３とを有している。

シリンダブロック１はピストン４が往復動するシリンダボア５を有しているが、シリンダブロック１はアルミ製であることから、シリンダボア５の内面は鋳込みされた鋼製ライナー６で構成されている。また、シリンダボア５の外側にはウォータジャケット７が形成されている。

シリンダヘッド３には、シリンダボア５に向けて開口した燃焼室用凹所８が形成されており、燃焼室用凹所８の中央部に点火プラグ９の先端を露出させて、点火プラグ９を挟んで一方の側には吸気弁１０で開閉される一対の吸気ポート１１が開口し、点火プラグ９を挟んで他方の側には、排気弁１２で開閉される一対の吸気ポート１３が開口している。なお、敢えて述べるまでもないが、吸気ポート１１と排気ポート１３とは、クランク軸（図示せず）の軸線を挟んだ両側に対称状に配置されている。

シリンダヘッド３の燃焼室用凹所８の内面のうち点火プラグ９が取り付いた中央部を除いた大部分は、シリンダボア５に向けて凹の状態に傾斜している。すなわち、燃焼室用凹所８の大部分は傾斜面になっており、従って、燃焼室用凹所８は全体として台錘状の形態を成している。従って、吸気ポート１１と排気ポート１３とは傾斜面に開口している。

ピストン４の頂面のうち外周寄りのある程度の範囲は、燃焼室用凹所８の傾斜と同じ角度で傾斜した面取り状の傾斜面１４になっており、ピストン４が上死点にある状態で、ピストン４の傾斜面１４と燃焼室用凹所８の内面との間には僅かの隙間しか存在していない。従って、燃焼室用凹所８の傾斜面のうち外周側のある程度の範囲は、上死点にあるピストンが近接したピストン重合部８ａになっている。

そして、ピストン４の頂面のうち傾斜面１４の内側に凹所（カップ部）１５を形成することで、爆発行程初期での燃焼室（燃焼空間）の容積を確保している。従って、ピストン４のうち傾斜面１４の内側の部分と、燃焼室用凹所８のうちピストン重合部８ａの内側の部分とで囲われた空間が初期燃焼室１６になっていると共に、燃焼室用凹所８のうちピストン重合部８ａとピストン４の傾斜面１４とで挟まれた部分は、圧縮行程においてピストン４の押し作用で上向きかつ外周部から中央部に向かうスキッシュ流を形成するスキッシュエリアになっている。

燃焼室用凹所８の傾斜面のうち、２つの吸気ポート１１で挟まれた部分でかつ外周寄りの部位に燃料噴射穴１７を設けて、燃焼室用凹所８の奥部に燃料噴射インジェクタ１８の先端１８ａを露出させている。図示していないが、燃料噴射インジェクタ１８の先端１８ａには多数の複数の噴射穴が空いている。燃料噴射穴１７の深さは、燃料噴射インジェクタ１８の先端１８ａが熱害を受けない程度であれば良く、通常は数ｍｍ〜十数ｍｍでよい。内径と深さとの関係を見ると、深さを内径より大きくするのが好ましい。

シリンダヘッド３には、燃料噴射穴１７から分岐した小径の連通路１９を接続している。連通路１９の一端１９ａは燃料噴射穴１７の奥部（底に近い部分）に開口して、連通路１９の他端１９ｂは燃焼室用凹所８の傾斜面のうちピストン重合部８ａの内端部に開口している。連通路１９は燃料噴射穴１７の先端に向けて凹となるように湾曲しているが、かかる形態の連通路１９は鋳造によって特段の問題なく形成できる。もとより、連通路１９はドリル加工で空けてもよいのであり、その場合は、連通路１９は直線の姿勢になる。

図１（Ｂ）に二点鎖線で示すように、連通路１９の他端を初期燃焼室１６（換言するとピストン重合部８ａの内側）に開口させてもよい。また、連通路１９の他端１９ｂをピストン重合部８ａに開口させた場合、図１（Ｂ）に一点鎖線で示すように、ピストン４にその傾斜面１４と凹所１５とに連通した補助連通溝２０を形成して、補助連通溝２０に連通路１８の他端１８ｂを開口させることも可能である。

以上の構成において、吸気弁１０が閉じてピストン４が上昇する圧縮行程で燃料噴射インジェクタ１８からの燃料噴射が行われるが、燃料の噴射が止まってから、燃料噴射穴１７に濃い混合気が残ることが有り得る。そのような場合でも、本実施形態では、図２（Ｂ）及び図３に示すように、まず、ピストン４の上昇動によって生じた上向きの空気流（動圧流）が燃料噴射穴１７に流入することで、燃料噴射穴１７に溜まってきた混合気が連通路１９に押されて燃焼室用凹所８の内側に排出される。

さて、ピストン４は高速で上昇するので、燃焼室用凹所８の内側の空間に存在する空気の抵抗はピストン４の傾斜面１４の箇所において大きくて、凹所１５の箇所では小さくなっており、このため、圧縮行程終期における燃焼室用凹所８の内側での混合気の圧力を見ると、ピストン５の傾斜面１４の箇所（すなわちピストン重合部８ａの箇所）では高くて、ピストン４の凹所１５の箇所（ピストン重合部８ａの内側の箇所）では低くなっており、その結果、ピストン重合部８ａの内外に圧力差が生じている。そして、この圧力差による吸引効果によっても、燃料噴射穴１７の混合気が連通路１９から初期燃焼室１６の側に排出される。

つまり、燃料噴射穴１７の内部の混合気は、動圧による押し作用と、負圧による引き作用との両方によって燃焼室用凹所８の内側に排出される。このため、燃料噴射インジェクタ１８の先端８ａが燃焼ガスによる熱害を受けることなく、混合気が燃料噴射穴１７に滞留することによる不具合を防止できる。

更に、燃料噴射インジェクタ１８を燃焼室用凹所８の傾斜面に配置すると共に、ピストン４に傾斜面１４を形成すると、図２（Ｂ）に矢印で示すように、燃焼室用凹所８に向かうスキッシュ流２１が生成されて、このスキッシュ流２１が燃焼室用凹所８の内面に沿って点火プラグ９の方に向けて流れることにより、スキッシュ流２１が連通路１９の他端１９ｂを舐めるようにして通過するため、オリフィス効果（吸引効果）が発生して連通路１９の内部が吸い出される。

従って、本実施形態では、燃料噴射穴１７の内部に溜まった混合気は、ピストン４の上昇動による動圧と、燃料噴射穴１７と初期燃焼室１６との容積差による吸引効果と、スキッシュ流２１による吸引効果との三者が相まって、的確に排出される。

(2).他の実施形態・その他
図４では第２実施形態を示している。この実施形態では、連通路１９はその全長にわたって燃焼室用凹所８の内部に向けて開口した溝になっている。この例から理解できるように、本願発明の連通路１９は、少なくとも一端１９ａが燃料噴射穴１７に開口して他端が燃焼室用凹所８の内側に開口していたらよいのであり、一端１９ａと他端１９ｂとの間の部分は燃焼室用凹所８の内部に対して閉じていてもよいし、図４のように燃焼室用凹所８の内側に開放されていてもよい。

本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、連通路は、一端より他端が大径となるように非ストレート形状に形成することも可能である。また、燃料噴射穴と連通路とが形成されたブロックをシリンダヘッドとは別部材に製造して、このブロックをシリンダヘッド３に嵌め込み装着することも可能である。

実施形態では燃焼室用凹所をテーパ状に形成してピストンにも傾斜面を形成したが、本願発明は、燃焼室用凹所の底面の全体をフラットに形成してピストンの頂面に凹所を形成したタイプや、ピストン４の頂面全体をフラットに形成して、シリンダヘッドの燃焼室用凹所に凹所を形成したタイプにも適用できる。

本願発明は実際に直噴式内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ シリンダボア
８ 燃焼室用凹所
８ａ ピストン重合部
９ 点火プラグ
１０ 吸気弁
１１ 吸気ポート
１２ 排気弁
１３ 排気ポート
１４ ピストンの傾斜面
１５ ピストンの頂面の凹所
１６ 初期燃焼室
１７ 燃料噴射穴
１８ 燃料噴射インジェクタ
１８ａ 燃料噴射インジェクタの先端
１９ 連通路
１９ａ 連通路の一端
１９ｂ 連通路の他端

Claims (2)

1. シリンダヘッドに形成した燃焼室用凹所に、点火プラグと吸気ポートと排気ポートとが、点火プラグは中央に位置して吸気ポートと排気ポートとは点火プラグを挟んで対称に配置されるように設けており、前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち外周寄りの適宜部位を上死点にあるピストンが近接するピストン重合部と成して、前記ピストン重合部の内側の部位をピストンが上死点にある状態での燃焼室と成している構成であって、
   前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち前記ピストン重合部に燃料噴射穴を形成して、この燃料噴射穴の奥部に前記燃料噴射インジェクタの先端を露出させており、かつ、前記シリンダヘッドに、一端が前記燃料噴射穴に開口して他端は前記燃焼室用凹所に開口した連通路を、前記燃料噴射穴から点火プラグに向けて延びるように設けている、
   直噴式内燃機関。
2. シリンダヘッドに形成した燃焼室用凹所に、点火プラグと吸気ポートと排気ポートとが、点火プラグは中央に位置して吸気ポートと排気ポートとは点火プラグを挟んで対称に配置されるように設けており、前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち外周寄りの適宜部位を上死点にあるピストンが近接するピストン重合部と成して、前記ピストン重合部の内側の部位をピストンが上死点にある状態での燃焼室と成しており、
   かつ、前記ピストン重合部とこれに対応したピストンの頂面とをテーパ面に形成することにより、ピストンの上昇行程でスキッシュ流が生成されるようになっている構成であって、
   前記シリンダヘッドの燃焼室用凹所のうち前記ピストン重合部に燃料噴射穴を形成して、この燃料噴射穴の奥部に前記燃料噴射インジェクタの先端を露出させており、かつ、前記シリンダヘッドに、一端は前記燃料噴射穴に開口して前記点火プラグの側に延びる連通路を、その他端が前記スキッシュエリアに晒されるように設けている、
   直噴式内燃機関。

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