JP2023054895A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内でのタンブル流の点火電極に向けた流動やそのタンブル流に対する燃料の噴射を改善して燃焼の安定性を向上させる。【解決手段】インジェクタ２１によって燃料が噴射される燃焼室１５の天井面１６に吸気ポート１７と排気ポート１８とが設けられ、点火電極２３が吸気ポート１７よりも排気ポート１８側に配置されている内燃機関１において、天井面１６に、燃焼室１５内のタンブル流Ｔｂを点火電極２３の部分では天井面１６に向けた方向とは反対方向の運動成分を有する下降流とするガイド面２５が設けられ、インジェクタ２１は、タンブル流Ｔｂのうち点火電極２３より下流側に向けて燃料を噴射するように設置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関に関し、特に燃料が直接噴射されるとともに電極で生じさせた火花によって混合気に点火するように構成された燃焼室の構造に関するものである。

希薄燃焼（成層燃焼）を安定的に行うために、タンブル流を整流して点火栓に導くように構成した内燃機関における燃焼室の構造が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された燃焼室では、タンブル流の上流側のペントルーフ面に凹部が形成され、またタンブル流の下流側に点火栓が配置されている。したがって、ピストンが上死点に位置している状態での燃焼室の最大高さ位置は、点火栓に対してタンブル流の上流側の位置になっている。また、凹部を形成している面のうちの一部が、最大高さ位置から点火栓の方向に傾斜した傾斜面となっており、その傾斜面によってタンブル流が点火栓に導かれるようになっている。そして、特許文献１に具体的に記載している一例では、上記の凹部の内部に向けて燃料を噴射するようにインジェクタが配置されており、したがって点火栓に対してタンブル流の上流側で燃料噴射を行うようになっている。

国際公開第２０１９／１９７８６０号

特許文献１に記載された燃焼室の構造では、ペントルーフ面に沿って流れるタンブル流が凹部によって整流されて点火栓に向かうことにより、点火栓に対するタンブル流の流動を安定させることができる、とされている。しかしながら、そのように安定して点火栓に向かうタンブル流に対して、点火栓よりも上流側で燃料を噴射するように構成されているから、タンブル流によって運ばれた燃料が点火栓（点火電極）に直接付着する可能性が高い。点火電極に燃料が付着すると、火花の発生や燃料（混合気）の点火が安定しにくくなり、燃焼の安定性が損なわれる場合がある。

本発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであって、燃焼室内でのタンブル流の点火電極に向けた流動やそのタンブル流に対する燃料の噴射を改善して燃焼の安定性を向上させることのできる内燃機関を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成するために、インジェクタによって燃料が噴射される燃焼室の天井面に吸気ポートと排気ポートとが設けられ、点火電極が前記吸気ポートよりも前記排気ポート側に配置されている内燃機関において、前記天井面に、前記燃焼室内のタンブル流を前記点火電極の部分では前記天井面に向けた方向とは反対方向の運動成分を有する下降流とするガイド面が設けられ、前記インジェクタは、前記タンブル流のうち前記点火電極より下流側に向けて燃料を噴射するように設置されていることを特徴としている。

また、本発明では、前記天井面は、高さが最も高い最高部が、前記点火電極に対して前記タンブル流の上流側に位置する形状とされ、前記ガイド面は、前記天井面のうち前記最高部から前記点火電極方向に下降傾斜している部分であってよい。

さらに、本発明では、前記点火電極は、前記燃焼室内の混合気を圧縮するピストンの上死点での前記タンブル流の中心以下の低い位置に配置され、前記インジェクタは、前記燃焼室の上部でかつ前記タンブル流の前記点火電極より上流側の位置から前記タンブル流の流動方向で前記点火電極の直下に向けて燃料を噴射する位置に設けられていてよい。

本発明によれば、タンブル流がガイド面によって点火電極に向けて下降流となるように導かれ、その状態で点火電極の下流側に向けてインジェクタから燃料が噴射される。したがって噴射した燃料が点火電極に直接付着することを回避もしくは抑制でき、その結果、点火電極での火花や混合気の点火を安定させ、さらには燃焼を安定させることができる。これに加えて、放電火花あるいは火炎はタンブル流の流動方向に伸長するので、点火電極の下流側で開始した燃焼を、タンブル流の流動に乗って燃焼室内の全体に拡大でき、この点において燃焼の安定性を向上させることができる。

また、本発明では、天井面の形状を、その最高部が点火電極よりもタンブル流の上流側に位置する形状とすることにより、その天井面もしくは最高部の周囲の面を、タンブル流を点火電極に導くガイド面として機能させることができる。したがって、燃焼室もしくはその天井面の形状を複雑化することなく、点火電極に対する下降流を生じさせて、燃焼の安定性を向上させることができる。

さらに、本発明によれば、点火電極を、上死点でのタンブル流の中心以下の低い位置に設定し、かつ点火電極の直下に向けてインジェクタから燃料を噴射することにより、上記の点火電極に対する下降流の生成、点火電極より下流側での点火や放電花火あるいは火炎の伸長などを生じさせて、燃焼の安定性を向上させることができる。

内燃機関とその吸排気系統を示す模式図である。 燃焼室の一例を模式的に示す断面図である。 タンブル流の中心ならびに最高部および点火電極の相対位置を説明するための模式的な断面図である。

以下、本発明を図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は本発明を具体化した場合の一例に過ぎないのであって、本発明を限定するものではない。

本発明の実施形態における内燃機関１は、ガソリンエンジンなどの火花点火式の内燃機関であって、例えば図１に示すように複数の気筒（シリンダ）Ｃを備えている。エアークリーナ２から吸入された空気は吸気マニホールド３によって各シリンダＣに分配して送り込まれる。その吸気は自然吸気であってもよく、あるいは過給であってもよく、図１にはターボチャージャ４を備えた過給エンジンの例を示してある。すなわち、エアークリーナ２は、ターボチャージャ４におけるコンプレッサ５の吸入側に接続されており、またコンプレッサ５の吐出側にはインタークーラ６が接続されている。そのインタークーラ６から吸気マニホールド３に到る吸気路の途中にスロットルバルブ７が配置されている。一方、排気マニホールド８は、ターボチャージャ４におけるタービン９の排気入口に接続され、またタービン９の排気出口には排気浄化触媒（触媒コンバータ）１０が接続されている。

図２は、上記の内燃機関１におけるシリンダの一つを模式的に示しており、シリンダブロック１１におけるボア１２の内部にピストン１３がその中心軸線の方向に上下動するように挿入されている。また、シリンダブロック１１の上部に組み付けてあるシリンダヘッド１４の内部に、ピストン１３の頂面（ピストンヘッド）と共に燃焼室１５を形成する凹部が設けられている。その凹部の内面すなわち燃焼室１５の天井面１６に吸気ポート１７および排気ポート１８とが開口して設けられており、吸気ポート１７には吸気バルブ１９が、また排気ポート１８には排気バルブ２０がそれぞれ挿入されており、これらのバルブ１９，２０によってそれぞれのポート１７，１８を適宜、開閉するようになっている。このように各ポート１７，１８が設けられることにより燃焼室１５の天井面１６の形状は、各ポート１７，１８あるいはバルブ１９，２０の数によって、ペントルーフ形や半球形などの適宜の形状に設定される。

なお、本発明の実施形態における「上下」もしくは「上下方向」とは、必ずしも鉛直方向での「上下」もしくは「上下方向」ではなく、ピストン１３が往復動する方向での「上下」もしくは「上下方向」である。

上述した各ポート１７，１８あるいは各バルブ１９，２０は、図示しないクランクシャフトの中心軸線に対して垂直な方向（図２の左右方向）に並んで配置されている。そして、吸気ポート１７あるいは吸気バルブ１９やピストンヘッドの形状は、燃焼室１５の内部にタンブル流Ｔｂが生じる形状とされている。タンブル流Ｔｂは、燃焼室１５での上下方向の運動成分が大きい吸気もしくは混合気の流れであり、図２に矢印の付いた曲線で模式的に示してある。

燃焼室１５の上部には、上記の各ポート１７，１８や各バルブ１９，２０と併せて、燃料を燃焼室１５内に直接噴射するインジェクタ２１および点火プラグ２２が配置されている。これらインジェクタ２１と点火プラグ２２とは、上記の各ポート１７，１８の配列方向に互いにずれて配置されており、具体的には、インジェクタ２１は吸気ポート１７寄りに配置され、これに対して点火プラグ２２は排気ポート１８寄りに配置されている。なお、インジェクタ２１は、噴射口が単数のもの、あるいは複数のもののいずれであってもよく、またその噴射口が上記の天井面１６にほぼ一致し、あるいは天井面１６からわずかに後退して位置するように配置されている。また、点火プラグ２２は、電気的な火花を発生する点火電極２３を先端部に有し、その点火電極２３が天井面１６から燃焼室１５の内側に下がって位置するように配置されている。

ここで、天井面１６の形状について図３を参照して更に具体的に説明すると、天井面１６は上側に盛り上がった（窪んだ）形状であるが、各ポート１７，１８の配列方向（図２の左右方向）で対象ではなく、高さが最も高い最高部２４が、各ポート１７，１８の配列方向において吸気ポート１７に寄った位置になる形状となっている。これは、タンブル流Ｔｂが点火電極２３の部分で下降流となるようにするためである。なお、下降流とは、タンブル流Ｔｂの運動成分を、上下方向および横方向（上下方向に対して垂直な面に沿う方向）に分けた場合、点火電極２３の部分で下向きの運動成分を持った吸気もしくは混合気の流れである。

最高部２４が上記のように吸気ポート１７に寄った箇所に位置すると、その最高部２４から排気ポート１８側に続く面は、点火電極２３側に下降した傾斜面となり、この傾斜面が本発明の実施形態におけるガイド面２５となっている。したがって、このガイド面２５より上流側から流動してくるタンブル流Ｔｂは、流動方向をガイド面２５によって点火電極２３に向けて下向きに積極的に変化させられ、その結果、点火電極２３の部分で下降流となる。

あるいは、閉じた空間の内部でのタンブル流は、その空間の中心部を中心とした流れとなるから、燃焼室１５の最高部２４を上記のように点火プラグ２２（点火電極２３）よりも吸気ポート１７に寄った箇所に設定すると、その最高部２４の直下、より正確には最高部２４とピストンヘッドとを結んだ直線の中点付近がタンブル流の中心となる。そのため、ピストン１３の上死点ではタンブル流の中心Ｏｔが、点火電極２３より吸気ポート１７側になるので、点火電極２３の部分では下降流となる。

さらに、点火電極２３の位置（燃焼室１５内での高さ）ｈｐについて説明すると、燃焼室１５の天井面１６における最高部２４を、上記のように点火電極２３に対して吸気ポート１７に寄った箇所（タンブル流Ｔｂの上流側）に設定したことによって、タンブル流Ｔｂの中心Ｏｔが点火電極２３よりも吸気ポート１７側となるので、点火電極２３は、上死点での最高部２４のピストン頂面（ピストンヘッド）からの高さｈｃの半分以下（ｈｃ／２≧ｈｐ）の高さの位置に設置されている。言い換えれば、上死点での点火電極２３の高さｈｐは、上死点でのタンブル流Ｔｂの中心の高さ以下となっている。これを、タンブル流Ｔｂの中心Ｏｔを原点とし、上下方向をＹ軸、これと直交する方向（各ポート１７，１８の配列方向）をＸ軸としたＸ－Ｙ座標での位置で示せば、点火電極２３は第３象限に位置している。このような構成とすれば、点火電極２３の下側でのタンブル流Ｔｂの流動方向は、上下方向での運動成分が下向きであることに加えて、横方向（図３での左右方向）での運動成分は中心Ｏｔ側の方向（もしくは吸気ポート１７に向けた方向）となる。

さらに、インジェクタ２１からの燃料の噴射方向について説明すると、インジェクタ２１は、設置位置が上記のように設定されている点火電極２３の下流側に向けて、タンブル流Ｔｂの上流側から燃料を噴射する。ここで「下流側」とは、点火電極２３の部分でのタンブル流Ｔｂの流動方向において点火電極２３よりも下流側の意味である。また、インジェクタ２１から噴射した燃料は、噴射方向での前方側が次第に拡がるが、「燃料の噴射方向」とは、そのように拡がる燃料噴霧Ｓの中心線で表される方向である。その中心線と、点火プラグ２２の中心軸線を延長した線との交点が、点火電極２３の下側（好ましくは直下）になるように、インジェクタ２１の位置や噴射方向が設定されている。

上記の内燃機関１で触媒の暖気などのために成層燃焼を行う場合、先ず吸気行程で燃料の噴射を行い、ついで圧縮上死点に到達後の膨張行程における点火期間に、吸気行程での噴射量より少量の燃料噴射を行う。吸気行程でボアの内部に空気を吸入することによりタンブル流Ｔｂが生じる。その時点では、ボアの内部の容積が大きいのでタンブル流Ｔｂの中心はボアの半径方向および高さ方向のそれぞれでの中心部付近に位置する。

ピストン１３が上昇する圧縮行程ではタンブル流Ｔｂは高さ方向で潰れた扁平な旋回流となるが、高さ方向でのタンブル流Ｔｂの中心位置は、ボアの高さ方向のほぼ中心位置になるとしても、前述した最高部２４が吸気ポート１７側に寄っているので、高さ方向でのボア（燃焼室１５）の中心が、圧縮の進行に伴って次第に吸気ポート１７側に変化する。圧縮上死点の直後では、ピストン１３が下がるものの、タンブル流Ｔｂは慣性効果によりその中心Ｏｔが上側に移動しようとするので、タンブル流Ｔｂは最高部２４の直下の位置を中心Ｏｔとした気流となる。その結果、圧縮上死点もしくはその付近では、図２や図３に示すように、タンブル流Ｔｂの中心Ｏｔは、高さ方向では、最高部２４の直下でかつその高さｈｃの半分（ｈｃ／２）程度の位置になり、また横方向では、点火電極２３よりも吸気ポート１７に寄った箇所となる。したがって、天井面１６に沿ったタンブル流Ｔｂは、図２に矢印の付いた曲線で示し、また図３に円で模式的に示すように、点火電極２３の部分では、下向きの流れとなる。あるいは、少なくとも下向きの運動成分を持った流れとなる。より正確には、点火電極２３の部分では、タンブル流Ｔｂの中心Ｏｔを中心とした円周方向もしくは旋回方向の流れのうちの下向きの運動成分を持った流れとなる。このような流れは、タンブル流Ｔｂの中心Ｏｔの位置が吸気ポート１７に寄った位置になっていることによって生じ、あるいは前述したガイド面２５によって生じるとも言い得る。

圧縮上死点の直後の点火期間にインジェクタ２１から燃料が噴射される。その燃料噴射の向きは、点火電極２３に対してタンブル流Ｔｂの上流側から点火電極２３の直下への向きである。したがって、燃料の噴射がタンブル流Ｔｂの流動を阻害することがなく、また、燃料が点火電極２３に直接噴霧されることはない。なお、燃料の噴霧が、インジェクタ２１の前方側で次第に拡がることにより、噴霧の一部が点火電極２３に掛かるとしてもその量は、噴射した燃料のうちの一部であってわずかである。すなわち、点火電極２３に燃料が直接付着することが回避もしくは抑制されるので、点火電極２３での火花や混合気の点火を安定させることができる。

こうして混合気に点火されて火炎が生じる。その火炎が生じた箇所すなわち点火電極２３の周囲でのタンブル流Ｔｂの流動方向は、前述したいわゆる下降流であって、タンブル流Ｔｂの中心Ｏｔを中心とした円周方向もしくは旋回方向であるから、火炎はタンブル流Ｔｂによって主としてその流動方向に拡大する。すなわち、安定した燃焼を生じさせることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されないのであって、必要に応じて適宜に変更した構成であってもよい。例えば、吸気ポートや吸気バルブ、排気ポートや排気バルブの数はそれぞれ単数であってもよく、あるいは複数であってもよい。また、燃焼室の形状はペントルーフ形以外の形状であってもよい。

１ 内燃機関
１１ シリンダブロック
１２ ボア
１３ ピストン
１４ シリンダヘッド
１５ 燃焼室
１６ 天井面
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 吸気バルブ
２０ 排気バルブ
２１ インジェクタ
２２ 点火プラグ
２３ 点火電極
２４ 最高部
２５ ガイド面
Ｏｔ （タンブル流の）中心
Ｔｂ タンブル流

Claims (3)

1. インジェクタによって燃料が噴射される燃焼室の天井面に吸気ポートと排気ポートとが設けられ、点火電極が前記吸気ポートよりも前記排気ポート側に配置されている内燃機関において、
   前記天井面に、前記燃焼室内のタンブル流を前記点火電極の部分では前記天井面に向けた方向とは反対方向の運動成分を有する下降流とするガイド面が設けられ、
   前記インジェクタは、前記タンブル流のうち前記点火電極より下流側に向けて燃料を噴射するように設置されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記天井面は、高さが最も高い最高部が、前記点火電極に対して前記タンブル流の上流側に位置する形状とされ、
   前記ガイド面は、前記天井面のうち前記最高部から前記点火電極方向に下降傾斜している部分である
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関において、
   前記点火電極は、前記燃焼室内の混合気を圧縮するピストンの上死点での前記タンブル流の中心以下の低い位置に配置され、
   前記インジェクタは、前記燃焼室の上部でかつ前記タンブル流の前記点火電極より上流側の位置から前記タンブル流の流動方向で前記点火電極の直下に向けて燃料を噴射する位置に設けられている
   ことを特徴とする内燃機関。

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