JP2020033902A - 内燃機関のシリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポートにインジェクタから燃料が噴射されるシリンダヘッドであって、吸気ポートへの燃料の付着を防止できる構造を提供する。【解決手段】インジェクタ２１は吸気ポート６の上に配置されており、クランク軸線方向から見て、インジェクタ２１の軸心２８と吸気ポートの軸心２９とは交差している。そして、インジェクタ２１の軸心２８が吸気バルブ８の下端縁のあたり（吸気ポート６の出口の下端縁のあたり）を通るように設定している。吸気ポート６の出口は、燃料の噴射エリアに包摂されている。従って、燃料の噴射角度θは、従来の２倍程度になっている。燃料は吸気ポート６の下面６ａに向かい気味になるため、吸気ポート６の上面に燃料が付着することを防止できる。かつ、燃料が吸気ポート６の下面６ａに向かっても、下面６ａに到達す前に吸気で押されて気筒に流入する。【選択図】図２

Description

本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに関するものである。

自動車用等のガソリンエンジンでは、吸気に燃料を混合して燃焼させており、燃料は、一般に、吸気ポートに向けて開口したインジェクタによって噴射されている。インジェクタは、吸気マニホールドに取り付ける場合とシリンダヘッドに取り付ける場合とがある。

インジェクタをシリンダヘッドに取り付ける場合の構成の一例が、特許文献１に開示されている。すなわち、インジェクタは吸気ポートの上方部に傾斜姿勢で配置されるが、特許文献１では、インジェクタは、その軸心が、吸気ポートの出口の中心よりも少し上側（気筒軸心に寄った側）を通るように配置されている。特許文献１とは異なって、インジェクタの軸心が、吸気ポートの出口の中心（或いは、閉弁状態にある吸気バルブの中心）を通るように設定されていることも多い。

インジェクタから噴出した燃料はテーパ状に拡散していくが、従来は、燃料の広がり角度をできるだけ小さくして、燃料の大半が吸気ポートの出口穴に向かうように設定している。特許文献１には燃料の広がり状態は明示されていないが、インジェクタの配置角度を考慮すると、燃料は吸気ポートの出口穴を狙って噴出されていると推測される。

特開２００９−４７０２４号公報

燃料を吸気ポートの出口に向けて噴出させる従来構造は合理的のように思えるが、従来構造では、霧化した燃料が吸気ポートの上面に付着しやすくて、デポジットが発生しやすくなることが懸念される。つまり、霧化して微細燃料がボート内面に付着すると、付着した燃料粒子が互いに結びついて滴に成長していき、吸気ポートに吹き返した燃焼ガスの影響も受けてデボジット化するのであり、デポジットが剥離して燃焼室に入ると、排気ガスの成分を悪化させることになる。

また、燃料が吸気ポートの出口に向かうように設定すると、燃料の広がり角度は小さくなるため、燃料は粒子が大型化して運動エネルギは大きくなる傾向があり、すると、吸気との混合性が不十分になって、燃費の悪化や排気ガスの成分悪化をもたらすおそれがあった。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明のシリンダヘッドは、
「入り口が吸気側面に開口して出口が燃焼室に開口した吸気ポートと、前記吸気ポートの上に配置されたインジェクタとを備えており、前記インジェクタから燃料が噴射される構成であって、
前記インジェクタは、その軸心が前記吸気ポートの出口の中心よりも下方の部位（吸気ポートの出口の中心を挟んでシリンダボア軸心と反対側の部位）を通る姿勢で配置されている」
という構成になっている。

インジェクタは吸気ポートの上に配置されているため、クランク軸線方向から見て、インジェクタの軸心と吸気ポートの軸心とが交差しており、燃料は、吸気ポートに対して斜め上方から噴出する。従って、燃料は吸気によって上向きに押される傾向を呈する。これが、燃料が吸気ポートの上面に付着しやすかったことの一因であったと云える。

この点について検討するに、本願発明においても、インジェクタから吸気ポートに噴射された燃料は吸気によって上向きに押される傾向を呈するが、本願発明では、インジェクタの軸心が吸気ポートの下面の側に寄っていることにより、燃料は吸気ポートの下面に向かうものが多いため、吸気で押されても吸気ポートの上面に向かうことなく出口に送られる。従って、燃料が吸気ポートの上面に付着してデポジット化することを防止できる。

また、燃料の一部は吸気ポートの下面に向かうが、吸気ポートの下面に到達する前に吸気で押されて出口に送られるため、現実には、燃料が吸気ポートの下面に付着する事態は生じない。

従って、本願発明によると、吸気ポートの内面に燃料が付着することを防止して、燃費の悪化や排気ガス成分悪化を防止できる。

本願発明において、燃料の噴射角度は変えることなく噴射方向のみを本願発明の構成にすることも可能であるが、燃料の噴射方向を従来よりも下向きに設定しつつ、吸気ポートの出口が燃料の噴射領域に入るように噴射角度を大きくすると、燃料の霧化が促進されて燃料のペネトレーションが低下するため、吸気による燃料の押し作用が向上して吸気ポートへの燃料き付着防止効果を更に向上できると共に、燃料と吸気の混合性を高めることができる。

従って、燃料の噴射角度を広げつつ本願発明の構成を採用すると、燃料の燃焼性を高めて、燃費の向上と排気ガスの無害化とに大きく貢献できる。

実施形態の要部の縦断正面図である。 図１の部分拡大図である。

(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用ガソリンエンジンに適用しており、エンジンは、シリンダブロック１と、その上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えている。シリンダヘッド２の上面には、ヘッドカバー３が固定されている。エンジンは、例えば３気筒又は４気筒であり、シリンダブロック１には、３つ又は４つのシリンダボア４がクランク軸線方向に並んで形成されている。

シリンダヘッド２には、シリンダボア４に対応した下向き開口の燃焼室５と、燃焼室５と吸気側面２ａとに開口した吸気ポート６の群と、燃焼室５と排気側面（図示せず）とに開口した排気ポート７の群とが形成されている。吸気ポート６は１つの燃焼室５に対応して２つずつ形成されており、各吸気ポート６の出口は、それぞれ吸気バルブ８によって開閉される。

排気ポート７も１つの燃焼室５に対応して２つずつ形成されており、各排気ポート７の入り口は、それぞれ排気バルブ９によって開閉される。シリンダヘッド２には、バルブ８，９を受けるバルブライナー１０，１１を嵌着している。従って、吸気ポート６の出口はバルブライナー１０で構成されている。バルブ軸８ａ，９ａは、スリーブ１２によって摺動自在に保持されている。

吸気バルブ８と排気バルブ９とは、クランク軸線方向から見て、上に向けて互いの間隔が離れるように、気筒軸心１３に対して傾斜している。吸気バルブ８におけるバルブ軸８ａの上端には、ばね１４で上向きに付勢されたバルブリフタ（ヘッド）１５が固定されており、バルブリフタ１５にはカム軸１６が上から当たっている。シリンダヘッド２には、吸気バルブ８のバルブリフタ１５が往復動する動弁空間１７が存在している。排気バルブ９も同様である。符号１８で示すのは、カムキャップである。

吸気ポート６は、クランク軸線方向から見て大きく寝た姿勢になるように、気筒軸心１３に対して傾斜しており、その入り口（開口端）には、吸気マニホールド１９が接続されている。なお、１つの気筒に対応して一対の吸気ポート６が形成されているが、一対の吸気ポート６は、それぞれ独立して吸気マニホールド１９に連通していてもよいし、吸気マニホールド１９には１つの集合部で連通して、１つの集合部から２つの吸気ポート６が分離していてもよい。

(2).インジェクタとその周辺の構造
シリンダヘッド２のうち各吸気ポート６の上の部位には、それぞれインジェクタ２１が取付けられている。従って、本実施形態のインジェクタ２１は、１つの吸気ポート６に１つのインジェクタ２１から燃料を噴射するデュアルタイプである。

インジェクタ２１は、筒状の本体２２を備えている。本体２２の先端部は段違いになっていて、これが、シリンダヘッド２に形成したインジェクタ取付け穴２３にＯリング２４を介して取付けられている。更に、本体２２の基端は、クランク軸線方向に長いデリバリ管２５に接続されている。また、本体２２のうち基端寄りの部位には、ケーブルによってＥＣＵに接続されたコネクタ２６を設けており、本体２２には電磁式のアクチュエータを内蔵している。

インジェクタ２１の先端は、吸気ポート６の上方にずれて配置されている。従って、吸気ポート６の上面に上部凹所２７を形成して、本体２２の先端面２２ａを上部凹所２７に露出させている。従って、燃料は、上部凹所２７を経由して吸気ポート６に噴出する。本体２２の先端面２２ａは、インジェクタ取付け穴２３の開口面（上部凹所２７の基端面）２３ａと同一面を成している。

インジェクタ２１は、クランク軸線方向から見て、気筒軸心１３及びシリンダヘッド２下面に対して傾斜しているが、気筒軸心１３に対する傾斜角度は、吸気バルブ８の傾斜角度よりは大きくて、吸気ポート６の傾斜角度よりは小さくなっている。従って、クランク軸線方向からみて、インジェクタ２１の軸心２８と吸気ポート６の軸心２９とは交差している。逆に見ると、インジェクタ２１の軸心２８と吸気ポート６の軸心２９とが交差しているため、インジェクタ２１から燃料を吸気ポート６に噴出できる。

上部凹所２７は、インジェクタ２１の先端を吸気ポート６から逃がすために必要な空所であり、インジェクタ２１から離れるに従って断面積は小さくなっている。そして、上部凹所２７のうちインジェクタ２１の直下部に、吸気ポート６と反対側（或いは動弁空間１７の側）に凹んだ補助凹所３０を形成している。上部凹所２７は、インジェクタ２１の軸心方向から見ると、インジェクタ２１の軸心を囲うように湾曲している。補助凹所３０も同様である。

補助凹所３０のうち、インジェクタ２１に近いある程度の範囲は、インジェクタ２１から遠ざかるに従ってインジェクタ２１の軸心２８から離れる広がり面（拡径テーパ面）３０ａになって、それよりも下流側の部分は、インジェクタ２１から遠ざかるに従ってインジェクタ２１の軸心２８に近づく絞り面（縮径テーパ面）３０ｂになっている。従って、補助凹所３０は、クランク軸線方向から見てく字形の形態を成している。

上部凹所２７のうち補助凹所３０よりも下流側の部分の上部は、インジェクタ２１における燃料噴射の噴射角度θで広がる仮想円錐の一部と重なっている。すなわち、燃料噴射エリアの外延を構成する仮想円錐面の上部を成すように、基準円錐面２７ａが形成されている。

他方、補助凹所３０の絞り面３０ｂは、インジェクタ２１の軸心２８と同心の円柱の一部を成すように形成されている。すなわち、補助凹所３０の絞り面３０ｂは、インジェクタ２１と同心の円弧面が連続したストレート状の凹面になっている。

補助凹所３０の広がり面３０ａは、大まかには、基準円錐面２７ａと同様に、燃料噴射角度θと同じ角度で拡径する円錐面の一部と重なっている。従って、広がり面３０ａと仮想円錐面との間には、どの部位においても等しい間隔なっている。但し、広がり面３０ａは、図１，２の縦断側面視において、直線状でなく下向きに凹んだ曲面となすことが可能である。この場合は、仮想円錐面の一部を成すとは云えず、仮想円錐面の外側に膨れた形態になる。

補助凹所３０は、隔壁３１によって動弁空間１７と仕切られており、隔壁３１は、全体に亙ってほぼ等しい厚さになっている。このため、隔壁３１により、動弁空間１７に向けて突出した突部３２が形成されている。この突部３２も、クランク軸線方向から見てく字形になっている。なお、動弁空間１７には、隔壁３１と対向するようにガイド片３３が配置されている。従って、動弁空間１７のうち、隔壁３１とガイド片３３とで囲われた部位は、下方に開口したポケット部１７ａになっている。

さて、燃料は、インジェクタ２１からテーパ状の広がりを持って噴出し拡散していく。そして、従来は、一般に、インジェクタ２１の軸心２８が吸気ポート６の入り口の中心（吸気バルブ８の中心）を通るように設定しているが、本実施形態では、インジェクタ２１の軸心２８が、吸気ポート６における出口のうち気筒軸心１３から遠い端部を通るように設定している。

吸気バルブ８との関係で述べると、インジェクタ２１の軸心２８が、吸気バルブ８の外周のうち、気筒軸心１３から遠い下端（或いはその近傍）を通るように設定している。従って、従来に比べると、インジェクタ２１は、気筒軸心１３の側に起きた姿勢で配置されている。

更に、燃料はテーパ状に広がって拡散するが、従来は、概ねテーパで吸気バルブ８を包むような態様になっていたのに対して、本実施形態では、吸気バルブ８は、テーパの半分の角度内に収まっている。従って、本実施形態における燃料の噴射角度（広がり角度）θは、従来に比べて２倍程度になっている。

(3).燃料噴射の態様に関連したまとめ
本実施形態では、インジェクタ２１は従来よりも気筒軸心１３の側に起きた姿勢になっているため、インジェクタ２１は気筒軸心１３の側に寄せられる。従って、インジェクタ２１を配置するための肉部が吸気ポート６の内部に進入することを防止又は著しく抑制できる。従って、吸気ポート６の断面積をできるだけ均等化して、吸気のスムースな流れを確保できる。

さて、本実施形態では、燃料の噴射角度θは従来に比べて大きくて、インジェクタ２１の軸心２８が吸気バルブ８の下縁のあたりを通っているため、燃料の相当量が吸気ポート６の下面６ａに向かう傾向を呈する。しかし、燃料の噴射角度θは大きいことに起因して霧化が促進されて直進性が低下しているため、燃料が吸気ポート６の下面６ａに向かっても、吸気に乗って気筒に送られる。従って、燃料が吸気ポート６の下面６ａに付着することは、現実には生じない。この作用を、図２において矢印３６で模式的に示している。

また、燃料のうち相当部分が吸気ポート６の下面に向かうため、吸気によって燃料が押されても、吸気ポート６の上面には付着しにくくなっている。従って、燃料が吸気ポート６の上面に付着することを防止又は大幅に抑制できる。

また、吸気ポート６の下面はシリンダブロック１に近くて昇温しているため、燃料が下面６ａに付着しても即座に蒸発して、吸気に乗って気筒に送られる。従って、インジェクタ２１の軸心２８の通過位置を下側にずらしても、吸気ポート６の下面に６ａに燃料が付着することはない。

また、燃料の噴射角度θを大きくすると、既述のとおり燃料の霧化は促進されるため、燃料粒子の運動エネルギは大きく低下する。従って、吸気ポート６の上面近傍に噴射された燃料であっても、吸気ポート６の上面に付着することなく、吸気に乗って気筒に送られる。この面においても、燃料の付着を防止できる共に、燃料と吸気との混合性を向上できる。

本実施形態では、既述のとおり、上部凹所２７の基準円錐面２７ａを燃料の広がり角度の円錐面と一致させている。従って、インジェクタ２１から噴出した燃料は、上部では、基準円錐面２７ａを掠めるようにして流れることになる。従って、上部凹所２７の内面への燃料の付着を防止できる。

そして、燃料の噴射速度は距離に反比例するが、上部凹所２７の基準円錐面２７ａが燃料の噴射角度と略同じに設定することにより、燃料の速度が速い段階において上部凹所２７への燃料の付着を防止しつつ、速度が低下した燃料を吸気に乗せることにより、吸気ポート6の下面６ａの付着を防止しつつ気筒に送り込むことができる。

従って、本実施形態では、インジェクタ２１の姿勢と、燃料噴射の広がり角度θ、上部凹所２７の基準円錐面２７ａの傾斜角度との三者が相まって、吸気ポート６の上下面への燃料の付着を防止しつつ、霧化が促進された燃料を気筒に供給できると云える。

(4).補助凹所３０に関連したまとめ
本実施形態のようにインジェクタ２１の直下部に補助凹所３０を形成すると、補助凹所３０の箇所がバッファ空間となって空気の緩衝層が形成されることにより、補助凹所３０に向かった燃料は空気の緩衝層によって押し戻される傾向を呈して、燃料の付着が防止されると云える。

また、補助凹所３０は、絞り面３０ｂによって下流側に向けて絞られており、やがて上部凹所２７に収束しているため、補助凹所３０に近い部位に位置した燃料は流速を増す。すなわち、燃料の流れによって空気が引かれるが、引かれた空気が絞り面３０ｂで挟まれて燃料が下方に押される現象が生じることから、燃料の速度が高くなる。従って、燃料は補助凹所３０から速やかに離脱して吸気ポート６に流れ込み、吸気に乗って気筒に送られる。

動弁空間１７には油滴が飛散しており、底面にはかなりのオイルが溜まっている。従って、動弁空間１７の下面に溜まったオイルは、自動車の揺れやエンジンの振動等により、図２に模式的に矢印３５で示すように、前後左右に流れ移動して、隔壁３１の内面に触れる機会も多い。

そして、オイルは昇温しているため、オイルから隔壁３１に熱交換されて、補助凹所３０に燃料が付着したときに、燃料を蒸発させる作用を発揮し得るが、実施形態のように隔壁３１の内面を突部３２に形成すると、オイルが当たり易くなると共に、オイルが当たると流速が低下して隔壁３１との接触時間が長くなるため、オイルから隔壁３１への熱交換の効率を向上できる。その結果、燃料が補助凹所３０に付着しても速やかに蒸発させて、デポジット化することを防止できる。

(5).その他
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、インジェクタは、必ずしも１つの吸気ポートに対応して１本が配置されるデュアルタイプである必要はなく、２つの吸気ポートに１本のインジェクタを配置したシングルタイプにも適用できる。

本願発明は、内燃機関のシリンダヘッドに具体化できる。従って、産業上利用できる。

２ シリンダヘッド
２ａ 吸気側面
５ 燃焼室
６ 吸気ポート
８ 吸気バルブ
１３ 気筒軸心
２１ インジェクタ
２２ インジェクタの本体
２３ インジェクタ取付け穴
２７ 上部凹所
２８ インジェクタの軸心

Claims (1)

1. 入り口が吸気側面に開口して出口が燃焼室に開口した吸気ポートと、前記吸気ポートの上に配置されたインジェクタとを備えており、前記インジェクタから燃料が噴射される構成であって、
   前記インジェクタは、その軸心が前記吸気ポートの出口の中心よりも下方の部位を通る姿勢で配置されている、
   内燃機関のシリンダヘッド。