JP2023174299A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】水噴射弁から噴射された水が、シリンダの内壁面のオイルに混ざってエマルジョンを発生させるのを抑制する。【解決手段】内燃機関１１は、燃焼室３１及び水噴射弁３５を備える。燃焼室３１は、軸線Ｌ１に沿って延びるシリンダ１３と、軸線Ｌ１に沿う方向におけるシリンダ１３の片側に配置されたシリンダヘッド２１と、シリンダ１３に往復動可能に配置されたピストン１６とにより囲まれて形成される。シリンダヘッド２１は、吸気通路の一部を構成し、かつ軸線Ｌ１に対し傾斜した状態でシリンダ１３の内壁面１４ａに向けて延びる吸気ポート２２を有する。シリンダヘッド２１において燃焼室３１に面する箇所のうち、吸気ポート２２の燃焼室３１での開口部２２ａの周りであって、吸気ポート２２の下流となる箇所の少なくとも一部には、ピストン１６側へ延びる水トラップ壁２６が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室と、燃焼室に接続された吸気通路に水を噴射する水噴射弁とを備える内燃機関に関する。

吸気通路に水噴射弁から水を噴射し、噴射された水の気化熱により吸気を冷却するようにした内燃機関が、例えば特許文献１に記載されている。この内燃機関によると、吸気の温度を低下させることで、ノッキング、プレイグニッション等の異常燃焼を抑制することが可能である。

特開２０２１－９５８９９号公報

ところが、シリンダの内壁面に付着している潤滑用のオイルに対し、噴射された水が付着して混ざると、エマルジョンを発生する。このエマルジョンが原因でピストンの摺動特性が低下するおそれがある。

上記課題を解決する内燃機関は、燃焼室と、前記燃焼室に接続された吸気通路に水を噴射する水噴射弁とを備え、前記燃焼室が、軸線に沿って延びるシリンダと、前記軸線に沿う方向における前記シリンダの片側に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダに往復動可能に配置されたピストンとにより囲まれて形成され、前記シリンダヘッドが、前記吸気通路の一部を構成し、かつ前記軸線に対し傾斜した状態で前記シリンダの内壁面に向けて延びて、前記燃焼室で開口する吸気ポートを有する内燃機関であって、前記シリンダヘッドにおいて前記燃焼室に面する箇所のうち、前記吸気ポートの前記燃焼室での開口部の周りであって、前記吸気ポートの下流となる箇所の少なくとも一部には、前記ピストン側へ延びる水トラップ壁が設けられている。

上記の構成によれば、水噴射弁から水が吸気通路に噴射されると、噴射された水の噴霧は、吸気ポートを流れ、同吸気ポートの下流端の開口部から燃焼室に流入する。水の噴霧は、燃焼室では、吸気ポートの延びる方向、すなわち、シリンダの軸線に対し傾斜する方向へ流れる。燃焼室において、吸気ポートの延長線上にはシリンダの内壁面が位置している。

しかし、シリンダヘッドにおいて上記の条件を満たす箇所に水トラップ壁が設けられている。水トラップ壁は、シリンダヘッドの上記箇所からピストン側へ延びている。水トラップ壁は、燃焼室における吸気ポートの延長線上であって、同吸気ポートの開口部とシリンダの内壁面との間に位置している。

そのため、吸気ポートの開口部から燃焼室に流入した水の主流の少なくとも一部は、水トラップ壁に衝突して流れを遮られる。従って、吸気ポートの延びる方向へ流れてシリンダの内壁面に付着する水の量が、水トラップ壁が設けられない場合よりも少なくなる。内燃機関の運転に伴い供給されて、シリンダの内壁面に付着している潤滑用のオイルに混ざる水の量が少なくなり、エマルジョンの発生量が減少する。

一実施形態における内燃機関の燃焼室及びその周辺箇所を示す部分断面図である。 図１におけるＡ部の拡大断面図である。 同実施形態のシリンダヘッドにおける吸気ポート、排気ポート及び水トラップ壁の位置関係を示す部分斜視図である。 同実施形態のシリンダヘッドにおける吸気ポート、排気ポート及び水トラップ壁の位置関係を示す部分底面図である。

以下、内燃機関を、車両に搭載される多気筒内燃機関に具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
＜内燃機関１１の基本構成＞
図１に示すように、内燃機関１１の一部は、シリンダブロック１２によって構成されている。シリンダブロック１２は、それぞれ軸線Ｌ１に沿って上下方向へ延びる複数の円筒状のシリンダ（気筒）１３を有している。複数のシリンダ１３は、紙面に直交する方向へ列をなすように並べられた状態で配置されている。各シリンダ１３は、シリンダブロック１２に嵌め込まれたシリンダライナ１４によって構成されている。シリンダライナ１４には、二点鎖線で示すピストン１６が往復動可能かつ摺動可能に配置されている。各ピストン１６は、コネクティングロッド（図示略）を介し、内燃機関１１の出力軸であるクランク軸（図示略）に連結されている。各ピストン１６の往復運動は、コネクティングロッドによって回転運動に変換された後、クランク軸に伝達される。

上記軸線Ｌ１に沿う方向におけるシリンダ１３の片側（図１の上側）には、ガスケット１８を介してシリンダヘッド２１が配置されている。シリンダヘッド２１は、ヘッドボルト（図示略）によってシリンダブロック１２に締結されている。

各ピストン１６の頂面、各シリンダ１３（シリンダライナ１４）の内壁面１４ａ及びシリンダヘッド２１の下面２１ａによって囲まれた空間は、燃料及び空気の混合気を燃焼するための燃焼室３１を構成している。上記下面２１ａのうち燃焼室３１に面している箇所は、上方へ凹んでいる。

シリンダヘッド２１には、吸気通路の一部を構成し、かつ各燃焼室３１に空気を導入するための吸気ポート２２が設けられている。各燃焼室３１に接続された吸気ポート２２は、上記軸線Ｌ１に対し傾斜した状態でシリンダライナ１４の内壁面１４ａに向けて延びている。各燃焼室３１に接続された吸気ポート２２は、シリンダヘッド２１の下面２１ａのうち凹んだ箇所において開口する開口部２２ａを有している。

また、シリンダヘッド２１には、排気通路の一部を構成し、かつ各燃焼室３１で発生した燃焼ガスを導出するための排気ポート２４が設けられている。各燃焼室３１に接続された排気ポート２４は、上記軸線Ｌ１に対し、上記吸気ポート２２とは反対側へ傾斜している。各排気ポート２４は、上記下面２１ａのうち凹んだ箇所において開口する開口部２４ａを有している。

なお、図３及び図４に示すように、本実施形態では、燃焼室３１毎に吸気ポート２２及び排気ポート２４が２つずつ設けられている。両吸気ポート２２の開口部２２ａは、上記下面２１ａのうち凹んだ箇所において、配列された状態で開口されている。また、両排気ポート２４の開口部２４ａは、上記下面２１ａのうち凹んだ箇所において、両開口部２２ａの配列方向と同方向に配列された状態で開口されている。両開口部２２ａと両開口部２４ａとは、上記配列方向に対し直交する方向に接近した状態で隣り合っている。図１に示すように、各開口部２４ａは、対応する開口部２２ａに対し、吸気ポート２２での空気の流れ方向における下流側に位置している。

吸気通路は、上記複数の吸気ポート２２のほかにも、同吸気ポート２２の上流に配置されたサージタンク、吸気マニホルド（いずれも図示略）等を備えている。吸気マニホルドは、各燃焼室３１に空気を分配して供給するためのものであり、燃焼室３１と同数の分岐部に分岐されている。各分岐部の内部には２つの通路が仕切られた状態で形成されている。各通路は、上述した吸気ポート２２に接続されている。

内燃機関１１の外部の空気は、吸気として、吸気通路の各部を順に通過する。この際、サージタンクに流入した吸気は、吸気マニホルドの分岐部に分配されて、各吸気ポート２２へ導かれる。

吸気マニホルドには、各吸気ポート２２に向けてガソリン等の燃料を噴射（ポート噴射）することで、各燃焼室３１に燃料を供給する燃料噴射弁（図示略）が取付けられている。

そのほかにも、シリンダヘッド２１には、各吸気ポート２２を開閉する吸気バルブ２３と、各排気ポート２４を開閉する排気バルブ２５とが設けられている。なお、図３及び図４では、これらの吸気バルブ２３及び排気バルブ２５が組み付けられる前の状態のシリンダヘッド２１が図示されている。さらに、シリンダヘッド２１には、図１及び図２における上記吸気バルブ２３及び排気バルブ２５を駆動する動弁機構（図示略）等が設けられている。

そして、燃料噴射弁から噴射（ポート噴射）された燃料と、上記のように吸気通路を通じて吸入された吸気とからなる混合気は、吸気バルブ２３が開かれる際に開口部２２ａから燃焼室３１内へ流入される。

なお、燃料噴射弁は、シリンダヘッド２１に取り付けられてもよい。この場合、各燃料噴射弁は、対応する燃焼室３１へ燃料を直接噴射（筒内噴射）する。噴射された燃料は、吸気通路を通って燃焼室３１内に流入される吸気と混ざり合って混合気となる。

また、内燃機関１１は、ポート噴射する燃料噴射弁と、筒内噴射する燃料噴射弁との両者を備えていてもよい。
図３及び図４においてそれぞれ二点鎖線で示すように、シリンダヘッド２１には、点火プラグ３２が各燃焼室３１に対応して取付けられている。そして、上記混合気は、点火プラグ３２によって着火され、燃焼される。燃焼室３１全体の混合気の燃焼は、火花点火で発生した小さな火炎が拡がる（火炎伝播）ことによってなされる。この燃焼に伴い生ずる高温高圧の燃焼ガスにより図１に示すピストン１６が往復動され、クランク軸が回転されて、内燃機関１１の駆動力（出力トルク）が得られる。

排気通路は、上記排気ポート２４のほかにも、同排気ポート２４の下流に配置された排気マニホルド、触媒コンバータ（いずれも図示略）等を備えている。排気マニホルドは、燃焼室３１と同数の分岐部を備えている。複数の分岐部は、排気マニホルドの下流端部において合流している。

各燃焼室３１で生じた燃焼ガスは、排気として、排気通路の各部を順に通って内燃機関１１の外部へ排出される。
＜水噴射弁３５＞
図１に示すように、上記吸気通路には、水Ｗ１を噴射する水噴射弁３５が配置されている。水噴射弁３５は、噴射した水Ｗ１の気化熱によって吸気を冷却するためのものである。水噴射弁３５は、例えば、吸気通路においてサージタンクよりも上流に配置されてもよい。また、水噴射弁３５は、サージタンクに取り付けられてもよい。さらに、水噴射弁３５は、吸気通路におけるサージタンクの上流と、サージタンクとの両方に取り付けられてもよい。

一方、内燃機関１１の外部には、ポンプと、水が貯留された水タンク（いずれも図示略）とが配置されている。水噴射弁３５は、ポンプに対し、配管（図示略）を介して接続されている。ポンプは、水タンク内の水を吸い上げ、その水を所定の圧力で、配管を介して水噴射弁３５に供給する。

なお、水噴射弁３５の作動は、内燃機関１１の運転状態に応じて制御される。
＜水トラップ壁２６＞
図１及び図２に示すように、シリンダヘッド２１の下面２１ａの凹んだ上記箇所には、水トラップ壁２６が設けられている。水トラップ壁２６は、吸気ポート２２の開口部２２ａ毎に設けられている。図３及び図４に示すように、燃焼室３１毎に吸気ポート２２が２つ設けられている本実施形態では、水トラップ壁２６は吸気ポート２２毎に１つずつ設けられ、燃焼室３１毎に２つずつ設けられている。

各水トラップ壁２６は、次の条件が満たされる位置において、次の条件が満たされる形状に形成されることが好ましい。
条件：水噴射弁３５から水が最大量噴射されるときであって、吸気バルブ２３が全開されるときに、水噴射弁３５から噴射された水の主流が、最も多く遮られる位置及び形状となること。

上記の条件を満たす箇所として、各水トラップ壁２６は、吸気ポート２２の開口部２２ａの周りであって、同吸気ポート２２の下流となる箇所の少なくとも一部に形成されている。本実施形態では、各水トラップ壁２６が、吸気ポート２２の開口部２２ａと、その吸気ポート２２の下流に隣接する開口部２４ａとの間に設けられている。

吸気ポート２２の開口部２２ａと、その吸気ポート２２の下流の開口部２４ａとの配列方向については、各水トラップ壁２６は、開口部２２ａ及び開口部２４ａの間の中間部分に設けられている。各開口部２２ａの周方向については、各水トラップ壁２６は、吸気ポート２２の開口部２２ａと、その吸気ポート２２の下流の開口部２４ａとの間隔が最も狭い箇所を含む領域に設けられている。

また、上記条件を満たす形状として、各水トラップ壁２６は板状をなしている。各水トラップ壁２６は、開口部２２ａの形状に対応した形状、すなわち、吸気ポート２２の下流の開口部２４ａ側へ膨らむように緩やかに湾曲した形状に形成されている。

図１及び図２に示すように、各水トラップ壁２６は、シリンダヘッド２１の下面２１ａのうち凹んだ上記箇所から、ピストン１６側へ延びている。各水トラップ壁２６は、シリンダヘッド２１に一体に形成されてもよいし、シリンダヘッド２１とは別部材によって構成されてもよい。

各水トラップ壁２６のピストン１６側の端である下端は、吸気バルブ２３が往復動して吸気ポート２２を開閉する際にその吸気バルブ２３と干渉しない箇所に位置している。また、各水トラップ壁２６の上記下端は、排気バルブ２５が往復動して排気ポート２４を開閉する際にその排気バルブ２５と干渉しない箇所に位置している。

次に、上記のように構成された本実施形態の作用について説明する。
図１及び図２に示すように、内燃機関１１の運転状態に応じて水噴射弁３５から吸気通路に水Ｗ１が噴射されると、噴射された水の噴霧は、各吸気ポート２２を流れ、開口部２２ａから燃焼室３１に流入する。

水噴射弁３５から噴射された水Ｗ１が気化する際、気化熱が吸気の熱を奪う。吸気の温度が低下することで、ノッキング、プレイグニッション等の異常燃焼が抑制される。
ここで、ノッキングは、火花点火による火炎が到達する前に、各燃焼室３１の端部の未燃混合気（未燃ガス）が自着火する現象である。プレイグニッションは、点火プラグ３２による火花点火の前に燃焼室３１内で混合気が自着火する現象である。

ところで、水の噴霧は、各燃焼室３１では、図１及び図２において実線の矢印Ｂで示すように、吸気ポート２２の延びる方向、すなわち、シリンダ１３の軸線Ｌ１に対し傾斜する方向へ流れる。各燃焼室３１において、吸気ポート２２の延長線上にはシリンダライナ１４の内壁面１４ａが位置している。そのため、仮に、水の噴霧の流れを遮る対策が講じられていないと、水の噴霧は、図１及び図２において二点鎖線の矢印Ｃで示す方向へ流れて、シリンダライナ１４の内壁面１４ａに付着する。そして、上記水は、内燃機関１１の運転に伴い供給されて、シリンダライナ１４の内壁面１４ａに付着している潤滑用のオイルに混ざる。水とオイルとのエマルジョンが発生する。

この点、本実施形態では、シリンダヘッド２１の下面２１ａの凹んだ箇所毎に水トラップ壁２６が設けられている。各水トラップ壁２６は、シリンダヘッド２１の下面２１ａの凹んだ上記箇所からピストン１６側へ延びている。この水トラップ壁２６は、燃焼室３１における吸気ポート２２の延長線上であって、同吸気ポート２２の開口部２２ａとシリンダライナ１４の内壁面１４ａとの間に位置している。

そのため、開口部２２ａから燃焼室３１に流入した上記水の主流の少なくとも一部は、水トラップ壁２６に衝突して流れを遮られる。水トラップ壁２６を挟んで吸気ポート２２とは反対側へ流れる水の量が、水トラップ壁２６が設けられない場合よりも少なくなる。

なお、水トラップ壁２６によって流れを妨げられた水の噴霧は、同水トラップ壁２６に捕捉される。捕捉された水Ｗ２は、ピストン１６上に滴下して蒸発するか、又は同水トラップ壁２６の壁面で蒸発する。

以上詳述した本実施形態によれば、次の効果が得られる。
（１）本実施形態では、シリンダヘッド２１の下面２１ａのうち、各開口部２２ａの周りであって、吸気ポート２２の下流となる箇所の一部に、ピストン１６側へ延びる水トラップ壁２６が設けられている。

そのため、燃焼室３１に流入した水の噴霧の流れを水トラップ壁２６によって遮り、シリンダライナ１４の内壁面１４ａに付着する水の量を少なくすることができる。内燃機関１１の運転に伴い供給されて、上記内壁面１４ａに付着している潤滑用のオイルに混ざる水の量を少なくすることができる。水とオイルとのエマルジョンの発生量を減少させ、エマルジョンに起因するピストン１６の摺動特性の低下を抑制できる。

（２）本実施形態では、各水トラップ壁２６が開口部２２ａの周りであって、同開口部２２ａに接近した箇所に設けられている。そのため、開口部２２ａから出た直後に水の流れを水トラップ壁２６によって遮ることができる。各水トラップ壁２６が開口部２２ａから遠ざかった箇所に設けられた場合に比べ、水が内壁面１４ａに付着する現象を効果的に抑制できる。

（３）本実施形態では、各水トラップ壁２６が、吸気ポート２２の開口部２２ａの形状に対応した形状であって、排気ポート２４の開口部２４ａ側へ膨らむように湾曲した形状に形成されている。そのため、小さな形状でありながら、水の噴霧を効率よく捕捉し、シリンダライナ１４の内壁面１４ａに付着する水を効率よく減少させることが可能である。

（４）本実施形態では、各水トラップ壁２６が板状に形成されている。吸気ポート２２の開口部２２ａと、その吸気ポート２２の下流の開口部２４ａとの配列方向における水トラップ壁２６の厚みが小さい。そのため、水トラップ壁２６は、吸気バルブ２３及び排気バルブ２５の各作動の妨げとなりにくい。

（５）各水トラップ壁２６がシリンダヘッド２１に一体形成されている場合には、同シリンダヘッド２１の製造時に水トラップ壁２６を一緒に形成できる。各水トラップ壁２６がシリンダヘッド２１とは別部材によって形成された場合に比べ、各水トラップ壁２６の製造が容易となる。

なお、上記実施形態は、これを以下のように変更した変更例として実施することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

＜水トラップ壁２６＞
・各水トラップ壁２６は、湾曲した形状に代え、開口部２２ａの周方向へ延びる平らな形状に形成されてもよい。

・各水トラップ壁２６は、吸気ポート２２の下流となる箇所であることを条件に、各開口部２２ａの周りの複数箇所に設けられてもよい。
・各水トラップ壁２６は、開口部２２ａの周りであって、吸気ポート２２の下流となる箇所であることを条件に、上記実施形態よりも開口部２２ａの周方向に広い領域にわたって設けられてもよい。

・水トラップ壁２６は、シリンダ１３の軸線Ｌ１に平行に設けられてもよいし、同軸線Ｌ１に対し、傾斜した状態で設けられてもよい。後者の場合、水トラップ壁２６は、例えば、ピストン１６側ほど開口部２２ａに近づく（開口部２４ａから遠ざかる）ように、軸線Ｌ１に対し傾斜させられてもよい。

＜適用対象となる内燃機関＞
・本発明は、水素を燃料とする内燃機関にも適用可能である。
・本発明は、燃焼室３１に面して開口する開口部２２ａ，２４ａの数が、上記実施形態とは異なるタイプの内燃機関にも適用可能である。

・本発明は、シリンダライナ１４が用いられずにシリンダ１３が構成された内燃機関にも適用可能である。

１１…内燃機関
１３…シリンダ
１４ａ…内壁面
１６…ピストン
２１…シリンダヘッド
２２…吸気ポート
２２ａ…開口部
２６…水トラップ壁
３１…燃焼室
３５…水噴射弁
Ｌ１…軸線
Ｗ１…水

Claims (1)

1. 燃焼室と、前記燃焼室に接続された吸気通路に水を噴射する水噴射弁とを備え、
   前記燃焼室が、軸線に沿って延びるシリンダと、前記軸線に沿う方向における前記シリンダの片側に配置されたシリンダヘッドと、前記シリンダに往復動可能に配置されたピストンとにより囲まれて形成され、
   前記シリンダヘッドが、前記吸気通路の一部を構成し、かつ前記軸線に対し傾斜した状態で前記シリンダの内壁面に向けて延びて、前記燃焼室で開口する吸気ポートを有する内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドにおいて前記燃焼室に面する箇所のうち、前記吸気ポートの前記燃焼室での開口部の周りであって、前記吸気ポートの下流となる箇所の少なくとも一部には、前記ピストン側へ延びる水トラップ壁が設けられている内燃機関。

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