JP2023055536A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼の最適化が可能な内燃機関を提供することを課題とする。【解決手段】内燃機関の燃焼室の天井の中央部に設けられた点火プラグと、前記天井の中央部に設けられ、前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、前記内燃機関に設けられた吸気バルブと、前記内燃機関に設けられた排気バルブと、を具備し、前記内燃機関の一方の側から反対側に向けて、前記排気バルブ、前記点火プラグ、前記インジェクタおよび前記吸気バルブはこの順に並び、前記インジェクタは複数の方向に前記燃料の噴霧を行い、複数の前記噴霧のうち、前記排気バルブに最も近い噴霧と前記排気バルブとの間の角度が２１°以上、３４°以下である内燃機関。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関が利用されている。燃料の噴霧の方向を制御し、点火プラグの近傍に向けて噴霧を行う技術がある（特許文献１）。冷間始動時の排気の昇温が可能である。

特開２００７－１０７４３６号公報

燃焼室の天井の中央部にインジェクタを設けることがある。点火プラグの近傍に噴霧を行い、火炎を噴霧の方向に指向させることで、安定した燃焼が行われる。エミッションの低減などが可能である。一方、燃焼速度が増加することで、加振動力が増大し、騒音が発生する恐れがある。そこで、燃焼の最適化が可能な内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関の燃焼室の天井の中央部に設けられた点火プラグと、前記天井の中央部に設けられ、前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、前記内燃機関に設けられた吸気バルブと、前記内燃機関に設けられた排気バルブと、を具備し、前記内燃機関の一方の側から反対側に向けて、前記排気バルブ、前記点火プラグ、前記インジェクタおよび前記吸気バルブはこの順に並び、前記インジェクタは複数の方向に前記燃料の噴霧を行い、複数の前記噴霧のうち、前記排気バルブに最も近い噴霧と前記排気バルブとの間の角度が２１°以上、３４°以下である内燃機関によって達成することができる。

燃焼の最適化が可能な内燃機関を提供できる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は実施形態に係る内燃機関を例示する模式図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は内燃機関を例示する模式図である。 図３（ａ）は火炎を示す模式図である。図３（ｂ）は熱発生の時期を例示する模式図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は火炎の発生する頻度および割合を例示する図である。図４（ｃ）は熱発生率を例示する図である。

以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関について説明する。図１（ａ）は実施形態に係る内燃機関１０を例示する模式図である。内燃機関１０は、例えばガソリンエンジンであり、シリンダブロック２０およびシリンダヘッド２１を有する。

図１（ａ）に示すように、シリンダブロック２０の上にシリンダヘッド２１が取り付けられ、シリンダブロック２０の下に不図示のクランクケースが取り付けられる。ピストン２２はシリンダブロック２０の内部に収納されている。ピストン２２はコンロッドを通じてクランクシャフトに連結されている。ピストン２２は図１（ａ）の上下方向に摺動可能である。シリンダブロック２０、シリンダヘッド２１およびピストン２２によって、燃焼室２４が区画される。シリンダヘッド２１の内壁が燃焼室２４の天井となる。

シリンダヘッド２１に吸気ポート２６、および排気ポート２８が接続されている。吸気ポート２６の上流側には吸気通路１２が接続されている。排気ポート２８の下流側には排気通路１４が接続されている。

吸気通路１２には上流側から順に、エアクリーナ１５、エアフローメータ１６およびスロットルバルブ１８が設けられている。エアクリーナ１５は、吸気通路１２内の空気から塵芥などを取り除き、空気を浄化する。エアフローメータ１６は吸気通路１２内の空気の流量を検出する。スロットルバルブ１８は空気の流量を調整する。スロットルバルブ１８の開度が大きくなるほど、空気の流量は増加する。スロットルバルブ１８の開度が小さくなるほど、空気の流量は減少する。排気通路１４には触媒２９が設けられている。

シリンダヘッド２１に、吸気バルブ１７、排気バルブ１９、点火プラグ３０、およびインジェクタ３２が設けられている。吸気バルブ１７および排気バルブ１９は、不図示の動弁機構によって開閉する。吸気バルブ１７が開弁することで吸気ポート２６と燃焼室２４とが連通する。排気バルブ１９が開弁することで排気ポート２８と燃焼室２４とが連通する。

点火プラグ３０およびインジェクタ３２は、燃焼室２４の天井のうち中央部に設けられている。中央部とは、吸気ポート２６と排気ポート２８とに挟まれた位置である。内燃機関１０の気筒の延伸方向（図１（ａ）の上下方向）に対して、点火プラグ３０およびインジェクタ３２は傾斜している。点火プラグ３０は排気バルブ１９側に傾斜している。インジェクタ３２は吸気バルブ１７側に傾斜している。点火プラグ３０の先端およびインジェクタ３２の先端は、燃焼室２４の内部に露出している。インジェクタ３２の先端には複数の噴射口が設けられている。インジェクタ３２は複数の方向に向けて燃料を噴射する。

点火プラグ３０は、排気バルブ１９とインジェクタ３２との間に位置する。インジェクタ３２は、点火プラグ３０と吸気バルブ１７との間に位置する。すなわち、図１（ａ）に示すように、内燃機関１０の一方の内壁から反対側の内壁に向けて、排気バルブ１９、点火プラグ３０、インジェクタ３２、および吸気バルブ１７が、この順に並ぶ。

図１（ｂ）は内燃機関１０を例示する模式図であり、吸気バルブ１７が開弁した状態を示す。吸気バルブ１７が開弁すると、吸気ポート２６から燃焼室２４に空気が流れ込む。図１（ｂ）中に矢印で示すように、空気は燃焼室２４の内部で縦方向の渦、すなわちタンブル流を形成する。タンブル流は吸気ポート２６から吸気バルブ１７に向けて燃焼室２４の天井に沿って流れ、燃焼室２４の側壁およびピストン２２の上面に沿って流れる。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、フラッシュメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置を備える制御装置である。ＥＣＵ１１はエアフローメータ１６が検出する空気の流量を取得する。ＥＣＵ１１は、インジェクタ３２からの燃料の噴射量および噴射のタイミングを制御する。ＥＣＵ１１はスロットルバルブ１８の開度を制御する。

インジェクタ３２は燃焼室２４に燃料を噴射する（筒内噴射）。より詳細には、後述のようにインジェクタ３２は複数の方向に燃料の噴霧を行う。吸気バルブ１７が開弁することで、図１（ｂ）に示すように吸気ポート２６から燃焼室２４に空気が導入される。燃焼室２４内で、燃料と空気との混合気が生成される。点火プラグ３０が混合気に点火することで、混合気が燃焼する。混合気の燃焼によってピストン２２が上下に往復運動する。ピストン２２からクランクシャフトに動力が伝達され、クランクシャフトが回転する。排気バルブ１９が開弁すると、燃焼後の排気は排気ポート２８に排出される。触媒２９は排気を浄化する。

図２（ａ）および図２（ｂ）は内燃機関１０を例示する模式図であり、インジェクタ３２が燃料を噴射した状態を示す。図２（ａ）の例を内燃機関１０Ａとする。図２（ｂ）の例を内燃機関１０Ｂとする。内燃機関１０Ａおよび１０Ｂは、本実施形態の内燃機関の例である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、インジェクタ３２から複数の方向に噴霧が行われる。インジェクタ３２から噴射される噴霧のうち、排気ポート２８に最も近いものを噴霧Ａとし、中央のものを噴霧Ｂとし、吸気ポート２６に最も近いものを噴霧Ｃとする。図中の点線は各噴霧の中心を通る仮想の線である。

図２（ａ）の例と図２（ｂ）の例とでは噴霧Ａの方向が異なる。図２（ａ）における排気バルブ１９の底面と、噴霧Ａの中心との間の角度をθ１とする。図２（ａ）における排気バルブ１９の底面と、噴霧Ａの中心との間の角度をθ２とする。θ１およびθ２は、２１°以上、３４°以下の範囲内にある。θ１はθ２よりも大きい。内燃機関１０Ａおよび１０Ｂにおいて噴霧Ｂの方向は互いに同じであり、噴霧Ｃの方向は互いに同じである。噴霧の方向に応じて、燃焼室２４内での火炎の伝搬方向に違いが生じる。火炎の伝搬方向によって、燃焼速度が決まる。

図３（ａ）は火炎を示す模式図である。図中の破線は、点火プラグ３０の点火によって燃焼室２４に発生する火炎を示す。火炎Ｆ１は吸気バルブ１７側に広がる。火炎Ｆ２は吸気バルブ１７側に広がるが、火炎Ｆ１に比べて燃焼室２４の中央側に生じる。火炎Ｆ３は燃焼室２４の中央付近に発生する。火炎Ｆ４は排気バルブ１９側に広がるが、火炎Ｆ５に比べて中央側に生じる。火炎Ｆ５は排気バルブ１９側に広がる。

図３（ｂ）は熱発生の時期を例示する模式図である。横軸は火炎Ｆ１からＦ５を示す。縦軸は所定の熱量が発生する時期（ＡＴＤＣ（After Top Dead Center、上死点後）の位相）を示す。縦軸の下側が進角側であり、上側が遅角側である。縦軸の下側（進角側）では上側（遅角側）に比べて、燃焼が速く、熱が早く発生する。

火炎Ｆ１からＦ５に向けて、熱量発生時期は進角側になる。すなわち、火炎Ｆ１からＦ５に向けて、燃焼速度が大きくなる。火炎Ｆ１の熱量発生時期は最も遅角側である。火炎Ｆ１では燃焼が緩慢になり、燃焼速度が低いためである。火炎Ｆ５の熱量発生時期は最も進角側である。火炎Ｆ５では燃焼速度が大きいためである。

燃焼速度が大きいことで効率的な燃焼が可能であり、燃費の改善、排気エミッションの低減などが可能である。しかし、燃焼速度が大きいほど加振力も増加し、騒音が発生する恐れがある。燃焼速度が小さくなると、加振力が低下し、騒音を抑制することができる。燃費の改善などのためには、火炎Ｆ４およびＦ５を発生させ、燃焼速度を高めることが好ましい。騒音の抑制などのためには、火炎Ｆ１およびＦ２を発生させ、燃焼速度を小さくすることが好ましい。

図４（ａ）および図４（ｂ）は火炎の発生する頻度および割合を例示する図である。棒グラフが火炎の頻度を表す。折れ線グラフは頻度を累積した割合である。左の縦軸は火炎の頻度を示す。右の縦軸は頻度の割合を示す。図４（ａ）は図２（ａ）の例（内燃機関１０Ａ）における頻度および割合を示す。図４（ｂ）は図２（ｂ）の例（内燃機関１０Ｂ）における頻度および割合を示す。

図４（ａ）に示すように、内燃機関１０Ａにおいては火炎Ｆ４の頻度が最も多い。火炎Ｆ３の頻度が二番目に多く、火炎Ｆ５の頻度が三番目に多い。図４（ｂ）に示すように、内燃機関１０Ｂにおいては火炎Ｆ４の頻度が最も多い。火炎Ｆ５の頻度が二番目に多い。

内燃機関１０Ｂにおける火炎Ｆ４およびＦ５の頻度は、内燃機関１０Ａに比べて多い。内燃機関１０Ａにおける火炎Ｆ１からＦ３の頻度は、内燃機関１０Ｂに比べて多い。火炎の頻度の違いは、噴霧Ａの方向によるものである。

図１（ｂ）に示すように、吸気ポート２６から流入する空気はタンブル流を形成する。タンブル流は燃焼室２４の天井、排気バルブ１９の底面、および燃焼室２４の側面に沿って流れる。

図２（ｂ）に示す内燃機関１０Ｂでは、噴霧Ａの中心と排気バルブ１９の底面との間の角度θ２は、図２（ａ）に示す内燃機関１０Ａにおける角度θ１より小さい。図２（ｂ）の噴霧Ａは空気のタンブル流に近い方向を向く。このためタンブル流が強い状態で噴霧Ａに合流する。噴霧Ａの運動量とタンブル流の運動量とが合成され、燃料がタンブル流とともに流れやすくなる。言い換えれば、燃料を含む強いタンブル流が形成される。火炎はタンブル流とともに排気バルブ１９の方向に流れやすい。つまり、図３（ａ）に示す火炎Ｆ４およびＦ５が発生しやすい。このため、図４（ｂ）においては図４（ａ）に比べて、火炎Ｆ４およびＦ５の割合が大きくなる。

一方、図２（ａ）に示す例における噴霧Ａの中心と排気バルブ１９の底面との間の角度θ１は、図２（ｂ）の例における角度θ２より大きい。図２（ａ）の噴霧Ａは、空気のタンブル流とは異なる方向を向く。タンブル流が噴霧Ａとは異なる方向に流れるため、噴霧Ａがタンブル流に流されにくくなる。火炎は排気バルブ１９の方向に流れにくくなる。火炎Ｆ４およびＦ５が発生しにくい。このため、図４（ａ）の例では図４（ｂ）の例に比べて、火炎Ｆ４およびＦ５の割合が小さくなり、火炎Ｆ１からＦ３の割合が大きくなる。

図４（ｃ）は熱発生率を例示する図である。横軸はクランク角を示す。縦軸は熱発生率を示す。実線は内燃機関１０Ａの例である。破線は内燃機関１０Ｂの例である。

図４（ｃ）に示すように、熱の発生率はピークを示す。内燃機関１０Ａのピークは、内燃機関１０Ｂのピークに比べて広く、かつ低い。内燃機関１０Ｂのピークは、内燃機関１０Ａのピークよりも狭く、かつ高い。内燃機関１０Ｂのピークは内燃機関１０Ａのピークよりも進角側に位置する。

図４（ａ）の内燃機関１０Ａでは図４（ｂ）の内燃機関１０Ｂに比べて火炎Ｆ１からＦ３の割合が大きいことで、燃焼速度が小さくなる。燃焼が緩慢になり、図４（ｃ）の実線のように熱の発生も緩慢になる。このため加振力が低下し、騒音を抑制することができる。図４（ｂ）の内燃機関１０Ｂでは図４（ａ）の内燃機関１０Ａに比べて火炎Ｆ４およびＦ５の割合が大きいことで、燃焼速度が大きくなる。燃焼が高速であるため、図４（ｃ）の破線のように熱が急激に発生する。このため燃費の改善、排気エミッションの低減などが可能である。

本実施形態によれば、図１（ａ）に示すように点火プラグ３０およびインジェクタ３２が燃焼室２４の天井の中央部に位置する。排気バルブ１９、点火プラグ３０、インジェクタ３２および吸気バルブ１７がこの順に並ぶ。インジェクタ３２は複数の方向に燃料を噴射する。複数の噴霧のうち排気バルブ１９に最も近い噴霧Ａと、排気バルブ１９の底面との間の角度を、２１°以上、３４°以下とする。角度を適切な大きさに調整することで、燃焼速度を制御し、燃焼を最適化する。

図２（ａ）の内燃機関１０Ａでは噴霧Ａの中心とバルブ底面との角度をθ１とする。図２（ｂ）の内燃機関１０Ｂでは噴霧Ａの中心とバルブ底面との角度を、θ１より小さいθ２とする。内燃機関１０Ａにおいては、角度θ１がθ２より大きいため、噴霧Ａがタンブル流とは異なる方向に向く。燃料がタンブル流とともに流れにくくなり、燃焼が緩慢になる。燃焼が遅くなることで、加振力を低下させ、騒音を抑制することができる。内燃機関１０Ｂにおいては、角度θ２がθ１より小さいため、噴霧Ａがタンブル流に近い方向を向く。燃料が強いタンブル流に合流し、燃焼が速くなる。燃焼が速くなることで、燃費の改善、排気エミッションの低減などが可能である。

目的に応じて噴霧と排気バルブ１９の底面との角度を調整すればよい。インジェクタ３２の先端にレーザ加工などを行い、噴射口を形成する。噴射口の位置、向き、大きさなどを変えることで、噴霧の方向を調整することができる。

角度θ１およびθ２の範囲は２１°以上、３４°以下である。角度を例えば２１°未満にすると、噴霧Ａが点火プラグ３０に近くなり、点火プラグ３０による点火が阻害される恐れがある。角度を３４°以上にすると、点火プラグ３０と噴霧Ａとの距離が大きくなり、燃焼が不安定になる恐れがある。角度を２１°以上、３４°以下とすることで、噴霧Ａと点火プラグ３０との距離を適切に保ち、安定した燃焼を可能とする。角度の下限は例えば２２°以上、２３°以上、２４°以上、２５°以上などでもよい。角度の上限は例えば３３°以下、３２°以下、３１°以下、３０°以下などでもよい。

図２（ａ）および図２（ｂ）はインジェクタ３２が複数の方向に噴霧を行う例である。噴霧の数は変更可能である。噴霧のうち最も排気バルブ１９に近い側の噴霧Ａと排気バルブ１９の底面との角度を２１°から３４°の範囲内で調整する。角度に応じて噴霧Ａに流れ込むタンブル流の強さが変わり、燃焼速度を変化させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 内燃機関
１１ ＥＣＵ
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１５ エアクリーナ
１６ エアフローメータ
１７ 吸気バルブ
１８ スロットルバルブ
１９ 排気バルブ
２０ シリンダブロック
２１ シリンダヘッド
２２ ピストン
２４ 燃焼室
２６ 吸気ポート
２８ 排気ポート
２９ 触媒
３０ 点火プラグ
３２ インジェクタ

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室の天井の中央部に設けられた点火プラグと、
   前記天井の中央部に設けられ、前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、
   前記内燃機関に設けられた吸気バルブと、
   前記内燃機関に設けられた排気バルブと、を具備し、
   前記内燃機関の一方の側から反対側に向けて、前記排気バルブ、前記点火プラグ、前記インジェクタおよび前記吸気バルブはこの順に並び、
   前記インジェクタは複数の方向に前記燃料の噴霧を行い、
   複数の前記噴霧のうち、前記排気バルブに最も近い噴霧と前記排気バルブとの間の角度が２１°以上、３４°以下である内燃機関。
   

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