JP2024091497A - 内燃機関用シリンダーヘッドと、そのシリンダーヘッドを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポート（７）を有するシリンダーヘッド装置と、シリンダーヘッド装置に接続されたインジェクタ－（１８）と、チューブコア軸線（Ｌ１９）に沿って吸気ポート（７）内に延在し、インジェクタ－（１８）に流体接続された噴射管（１９）とを備えた内燃機関、特に水素動力内燃機関用のシリンダーヘッド。
【解決手段】空気案内部（２５、２６、２３）を有する取付要素（２１）が噴射管（１９）上に配置され、この取付要素（２１）が、吸気ポート（７）内の流れが空気案内部（２５、２６、２３）の影響を受けるように、チューブコア軸線（Ｌ１９）に対して半径方向外側へ延びる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダーヘッドと、そのシリンダーヘッドを備えた内燃機関とに関するものである。

内燃機関のシリンダーヘッドはピストンの反対側の燃焼室の境界を定め、通常は吸気ポートと排気ポートを有し、内燃機関のガス交換プロセス用のバルブ制御装置も備えている。吸気ポート噴射式のエンジンでは燃料が吸気ポートに噴射され、吸気ポート内に燃料と吸入空気との混合物が形成される。

吸気ポート噴射式の内燃機関は［特許文献１］（欧州特許第０ ６９４ １２４ Ｂ１号公報）で公知であり、ここでは燃料はチューブを介して吸気ポートに噴射される。

吸気ポートに開口するチューブの端部にはチューブから流出する燃料を霧化して混合を改善する霧化スクリーン（atomizing screen）が含まれる。この方法の欠点は霧化スクリーンが連続運転中に詰まり、燃料供給が損なわれる可能性があるという点にある。さらに、特に燃料として水素を使用する場合、噴霧スクリーンによって燃料がチューブ内に保持されるためチューブ内で意図しない再点火が発生する危険性もある。

［特許文献２］（特開２００３－２１４２５９号公報）に記載の内燃機関用のシリンダーヘッドでは、シリンダーヘッドが吸気ポートとシリンダーヘッドに接続されたインジェクタ－とを有している。吸気ポート内には管状の注入チューブが延び、インジェクタ－と流体接続している。吸気ポート内にはＣ字形の締結リングとこの締結リングに溶接されたカラー要素とが配置されている。締結リングはバネ材料で作られ、吸気ポート下流端のシインジェクタ－本体に形成された溝中に嵌合する形状になっている。

［特許文献３］（国際公開第２０１９／１４７９６３号パンフレット）には、シリンダーヘッド本体に一体化されたノズルヘッドを備えたインジェクタ－が開示されている。燃料はノズルヘッドから出る前に噴射ノズルの内部でインジェクタ－の空気供給源からの空気と混合される。

欧州特許第０ ６９４ １２４ Ｂ１号公報 特開２００３－２１４２５９号公報 国際公開第２０１９／１４７９６３号パンフレット

本発明の課題は、上記の公知技術をベースにして吸気ポート内で永続的に良好な混合を可能にする内燃機関用のシリンダーヘッドと、そのシリンダーヘッドを備えた内燃機関とを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明が提供する内燃機関、特に水素動力内燃機関用のシリンダーヘッドは、吸気ポートを含むシリンダーヘッド装置（cylinder head arrangement）と、このシリンダーヘッド装置に接続されたインジェクタ－（injector）と、このインジェクタ－に流体接続した、チューブコア軸線（tube core axis）に沿って吸気ポート内に延在した管状の噴射管（tubular injection tube）とを含み、この噴射管上には取付要素が配置され、この取付要素は吸気ポート内の流れが空気案内部の影響を受けるようにチューブコア軸線に対して半径方向外側へ延びる空気案内部（air guiding portion）を有する。

半径方向外側に突出するこの空気案内部は、空気案内部の下流の吸入空気内に生じる乱流を増加させる。この乱流は吸入空気と噴射管を介して吸気ポートに噴射される燃料との混合を改善する。空気案内部は半径方向外側へ延びているので、噴射管が空気案内部によって閉塞されることがなく、運転の進行に伴う噴射管の詰まりや噴射管内での燃料の滞留もない。

吸気ポートはエンジンの空気導入システムの最終部分を構成し、吸気ポートはインテークマニホールドと燃焼室とを接続し、吸気弁によって開閉される。

原則として、インジェクタ－は噴射菅がなくても機能する。噴射管は燃料が吸気ポート内の流れに入る位置を吸気ポートを区画する壁から吸気ポートの中心に向かって移動させる。従って、噴射菅は一般的な機能に必要なインジェクタ－のコンポーネントとは別に考慮する必要がある。

可能な実施形態では、チューブコア軸線に対する空気案内部の半径方向の長さ（広がり）はチューブコア軸線方向の軸線方向の長さ（広がり）よりも大きくすることができる。

特に、空気案内部はエアバッフル（air baffle）として設計できる。 ここで、空気案内部のチューブコア軸線の周りの円周に沿った長さ（extension、広がり）はチューブコア軸線に対する半径方向の長さ（広がり）よりも小さくすることができる。別の実施形態では、取付要素を噴射管上に配置されせる第１接続部を取付要素が有することができる。

空気案内部はチューブコア軸線に対して第１接続部から半径方向外側に延在できる。

一つの実施形態では、円筒軸線をチューブコア軸線と同軸に配置した第１接続部の最小円筒形包絡線（cylindrical envelope）の半径をチューブコア軸線からの空気案内部の半径方向最大長さより小さくすることができる。

さらに他の実施形態では、取付要素が吸気ポートの壁と接触する第２接続部を有することができる。第１接続部と第２接続部は空気案内部を介して互いに接続できる。従って、注入管に作用する力、例えば外部振動によって引き起こされる慣性力を取付要素によって吸気ポートの壁で支持することができる。これによって噴射菅の応力、特にインジェクターとの移行領域での応力が軽減され、噴射菅の耐用年数が長くなる。

さらに他の実施形態では、注入管は吸気ポート中に開口する注入口を有することができ、取付要素はインジェクターとこの注入口との間に配置することができる。

さらに他の実施形態では、シリンダーヘッドは吸気ポートの第１燃焼室入口開口を選択的に開閉できる第１弁を備えることができる。この第１弁は弁ディスクと、第１の弁軸に沿って延びる弁シャフトとを含むことができる。注入口は第１弁軸線と同軸な第１弁の弁ディスクの最小円筒包絡線内に少なくとも部分的に配置できる。 換言すれば、注入口はシリンダディスクの底面と弁軸線とによって画定される仮想円筒内に配置できる。

さらに他の実施形態では、シリンダヘッドは吸気ポートの第１燃焼室入口開口を選択的に開閉できる第１弁と、吸気ポートの第２燃焼室入口開口を選択的に開閉できる第２弁とを備えることができ、第１弁は弁ヘッドと第１弁軸線に沿って延びる弁シャフトとを含み、第２弁は弁ヘッドと第２弁軸線に沿って延びる弁シャフトとを含む。この場合、注入口は第１弁軸線によって描かれるチューブコア軸線に垂直な第１仮想平面と第２弁軸線が配置される第１仮想平面と平行な第２仮想平面との間に配置することができる。

本発明は、上記課題を解決するために上記の構成を有するシリンダーヘッドを備えた内燃機関も提案する。

本発明による第１のシリンダーヘッドを備えた内燃機関の概略部分断面図。 図１の第１取付要素の正面図。 図２の断面線ＩＶ?ＩＶに沿った第１取付要素の断面図。 図１の第２取付要素の正面図。 図４の断面線ＩＶ－ＩＶに沿った第２取付要素の断面図。 本発明による第２のシリンダーヘッドを備えた内燃機関の概略部分断面図。

以下、本発明の内燃機関のシリンダーヘッドの可能な実施形態を図面を参照して説明する。

［図１］～［図５］は内燃機関１を示す。この内燃機関１は特に水素を燃料として作動する。内燃機関１は本発明のシリンダーヘッド５に接続されたクランクケース２を備えている。

公知のように、クランクケース２は可動ピストン４と、シリンダーヘッド５によって画定される可変燃焼室３とを有している。シリンダーヘッド５はシリンダーヘッドベース要素６とシリンダーヘッドカバー（図示せず）（互いに接続されている）とを含むシリンダーヘッド装置（cylinder head arrangement）を有している。

シリンダーヘッドベース要素６には吸気ポート７と排気ポート１０とが鋳造されている。混合気は吸気ポート７を介して燃焼室３に供給できる。吸気ポート７は壁８を有し、その境界は壁８によって画定され、壁８は燃焼室３の方向に開口する燃焼室入口開口部９を備えている。燃焼室入口開口部９は公知の方法で入口弁１２によって選択的に開閉できる。この目的のために入口弁１２は燃焼室入口開口９が閉じられたときに燃焼室入口開口９の弁座に配置される入口弁ディスク１３と、入口弁軸線Ｌ１２に沿って実質的に円筒状に延びる入口弁シャフト１４とを備えている。入口弁１２はシリンダーヘッドベース要素６の上方に配置された対応する弁トレインによって入口弁軸線Ｌ１２に沿って移動できる。

燃焼室３内での空気と燃料の混合物の燃焼によって生成した排気ガスは、出口ポート１０を介して燃焼室３から流出できる。出口ポート１０は壁を有し、壁によって区切られ、燃焼室を構成する。 燃焼室の出口開口１１は燃焼室３の方向に開き、燃焼室の出口開口１１は出口弁３０によって公知の方法で所望に応じて開閉できる。この目的のために、排気弁１５は燃焼室の出口開口１１の閉弁時に燃焼室の出口開口１１の弁座に配置されるディスク１６と、弁軸線Ｌ１５に沿って延びる略円筒状の排気弁軸１７とを備えている。 排気弁１５は弁トレインによって弁軸線Ｌ１５に沿って移動可能である。

空気と燃料の混合物を形成するために、燃料は図示していない接続手段を介してシリンダーヘッド装置、特にシリンダーヘッドベース要素６に接続されたインジェクタ－１８を介して吸気ポート７内に噴射される。この目的のために、インジェクタ－１８の出口はチューブコア軸線（tube core axis）Ｌ１９に沿って吸気ポート７内に延びる噴射管（injection tube）１９に流体接続されている。噴射管１９は、吸気ポート７に開口する注入口２０を備えている。この場合、噴射管１９は角度を付けて形成されており、インジェクタ－１８側の第１の直線端部と、注入口２０側の第２の直線端部とを備え、これらは湾曲部分を介して互いに接続されている。チューブコア軸線Ｌ１９は噴射管１９の一端から他端まで完全に延びている。ここでは、［図１］では図を明確にするためにチューブコア軸線Ｌ１９は第２の端部の領域のみに示されている。チューブコア軸線Ｌ１９は他の任意の形状、例えば、完全に真っ直ぐまたはＳ字形などをとることも考えられる。

本発明では、取付要素２１が仮想直円筒（imaginary straight cylinder）の内側に配置される。この仮想直円筒の底面は入口弁ディスク１３によって描かれ、弁軸線Ｌ１２に沿って延びる。

注入管１９の第２端部の領域には、［図２］および［図３］に詳細に示す第１取付要素２１と、［図４］および［図５］に詳細に示す第２取付要素２１’とが設置されている。第１取付要素２１および第２取付要素２１’は、それぞれ、注入管１９の注入孔２０とインジェクタ－１８との間に配置される。ここでは第２取付要素２１’が第１取付要素２１よりも注入孔２０により近くにチューブコア軸線Ｌ１９に沿って配置されている。

第１取付要素２１は環状の第１接続部２２を備え、その内側輪郭は注入管１９の外側輪郭と相補的である。第１取付要素２１および第２取付要素２１’は注入管１９にしっかりと接続される。この場合、第１取付要素２１および第２取付要素２１’はプレス嵌め（press-fitted）で注入管１９に固定されている。しかし、これら２つのパーツを他の任意の方法，例えば、ロー付け、接着またはプレスで結合することもできる。

第１空気案内部２４、第２空気案内部２５、第３空気案内部２６は第１接続部２２の所からチューブコア軸線Ｌ１９に対してそれぞれ半径方向外側へ延びている。３つの空気案内部２４、２５、２６はそれぞれチューブコア軸線Ｌ１９に対して軸線方向よりも半径方向の方が大きく延びている。空気案内部２４、２５、２６はそれぞれチューブコア軸線Ｌ１９の周囲の周方向の長さは半径方向および／または軸線方向の長さよりも小さく、従って、エアバッフルと呼ぶことができる。空気案内部２４、２５、２６は吸気ポート７内の吸気の流れに影響を与えるような形状になっている。

この場合、空気案内部２４、２５、２６は平坦な空気案内板または空気案内バッフルとして設計される。しかし、空気案内部２４、２５、２６または空気案内バッフルは平坦とは異なる形状を有することもでき、例えば、チューブコア軸線Ｌ１９の方向に湾曲またはねじれていてもよい。従って、吸気ポート内の吸気の流れを空気案内部２４、２５、２６によって旋回運動および／またはタンブル運動させることができる。

第１取付要素２１は吸気ポート７の壁８の領域と接触する環状の第２接続部２３をさらに備えている。この場合、第２接続部２３は吸気ポート７に圧入（press-fitted）されている。しかし、接続部２３を吸気ポート７の壁８に別の方法で接合させることもできる。

第１接続部２２と第２接続部２３は空気案内部２４、２５、２６を介して互いに強固に接続されている。従って、噴射管１９は第１取付要素２１を介して吸気ポート７の壁８に支持される。これは噴射管１９に作用する力、例えば内燃機関１が振動した場合の噴射管１９自体の慣性力を取付要素２１によって支持できることを意味する。これによって注入管１９のストレスを減らすことができ、注入管１９の寿命を延ばすことができる。

第２取付要素２１’が第１取付要素２１と異なる点は、第１空気案内部２４、第２空気案内部２５および第３空気案内部２６に加えて第４空気案内部２７が設けられている点のみである。この点に関して、第１取付要素２１に関連して前述したことは類似点に関して第２取付要素２１’にも同様に当てはまる。同一の要素には同じ参照符号が付けられている。

第４空気案内部２７はチューブコア軸線Ｌ１９に対して斜めに配置されている。第４空気案内部２７はチューブコア軸線Ｌ１９に沿ってチューブコア軸線Ｌ１９に対して傾斜して配置されている。従って、第４空気案内部２７とチューブコア軸線Ｌ１９との間の距離はチューブコア軸線Ｌ１９に沿って一定ではない。特に、第４空気案内部２７とチューブコア軸線Ｌ１９との間の距離は、チューブコア軸線Ｌ１９に沿って均一に増加する。

従って、第１取付要素２１および第２取付要素２１’は吸気ダクト２７内の吸気の流れに影響を与え、燃料が吸気ポート７に噴射されたときに混合が改善される。第１取付要素２１および第２取付要素２１’を噴射管１９の注入口２０から離して配置すると、燃料が噴射管１９から吸気ポート７に流れることができる断面部分は減少しないので、燃料が噴射管１９を通過する流れは減少しないので、取付要素２１、２１’を通る燃料の流れは妨げられない。従って、動作時間の増加とともに残りの断面部分が詰まる可能性がある。

２つの取付要素２１、２１’の代わりに、用途に応じて、第１取付要素２１と第２の底部要素２１’の任意の組み合わせを設けることができるということは理解できよう。特に、１つの第１取付要素２１または１つの第２取付要素２１’だけを設けることができる。

［図６］は吸気ポート７’の形状が［図１］の内燃機関１の設計とは異なる内燃機関１’を示す。［図６］では［図１］と同様の要素には同じ参照符号が付けられている。この点において［図１］から［図５］の文脈で述べたことは類似点に関して［図６］の内燃エンジンにも同様に当てはまる。

シリンダーヘッドベース要素６’に吸気ポート７’が鋳造されている。出口チャネルは［図６］には示されていない。空気と燃料の混合物は、吸気ポート７’を介して燃焼室３に供給できる。吸気ポート７’は壁８’によって境界が定められており、燃焼室３の方向に開口する第１の燃焼室入口開口９と第２の燃焼室入口開口９’とを備えている。

第１の燃焼室入口開口９は公知の方法で入口弁１２によって選択的に開閉することができる。この目的のために、第１の入口弁１２は第１燃焼室入口開口９が閉じられたときに燃焼室の第１燃焼室入口開口９の第１弁座の所に配置される入口弁ディスク１３と、弁軸線Ｌ１２に沿って略円筒状に延びる入口弁シャフト１４とを含む。第１入口弁１２はシリンダーヘッドベース要素６の上方に配置された対応する弁トレインによって第１弁軸線Ｌ１２に沿って移動できる。

第２燃焼室入口開口９’は既知の方法で第２入口弁１２’によって選択的に開閉できる。この目的のために、第２入口弁１２’は第２燃焼室入口開口９’が閉じられたときに第２燃焼室入口開口９’の弁座に配置される入口弁ディスク１３’と、第２弁軸線Ｌ１２’に沿って実質的に円筒状に延びる入口弁シャフト１４’を含む。第２入口弁１２’は弁トレインによって第２弁軸線Ｌ１２’に沿って移動できる。

噴射管１９’の注入口２０’は、第１弁軸線Ｌ１２によって描かれるチューブコア軸線Ｌ１９’に対して垂直な第１仮想平面と、第２弁軸線Ｌ１２’が配置される第１仮想平面と平行に延びる第２仮想平面との間に配置される。

１ 内燃機関
２ クランクケース
３ 燃焼室
４ ピストン
５ シリンダーヘッド
６ シリンダーヘッドベース要素
７ 吸気ポート
８ 壁
９ 燃焼室入口開口部
１０ 排気ポート
１１ 燃焼室排気口
１２ 入口弁
１３ 入口弁ディスク
１４ 入口弁シャフト
１５ 排気弁
１６ 排気弁ディスク
１７ 排気弁シャフト
１８ インジェクタ－
１９ 噴射管
２０ 注入口
２１ 取付要素
２２ 第１接続部
２３ 第２接続部
２４ 第１空気案内部
２５ 第２空気案内部
２６ 第３空気案内部
２７ 第４空気案内部
Ｌ１９ チューブコア軸線
Ｌ１２ 弁軸線
Ｌ１５ 弁軸線

Claims (10)

1. 吸気ポート（７）を有するシリンダーヘッド装置と、シリンダーヘッド装置に接続されたインジェクタ－（１８）と、チューブコア軸線（Ｌ１９）に沿って吸気ポート（７）内に延在し、インジェクタ－（１８）と流体接続された管状噴射管（１９）とを有する内燃機関、特に水素動力内燃機関用のシリンダーヘッドにおいて、
   取付要素（２１）が噴射管（１９）上に配置され、この取付要素（２１）はチューブコア軸線（Ｌ１９）に対して半径方向外側に延びる空気案内部（２５、２６、２３）を有し、吸気ポート（７）内の流れが空気案内部（２５、２６、２３）の影響を受けるようになっていることを特徴とするシリンダーヘッド。
2. チューブコア軸線（Ｌ１９）に対する空気案内部（２５、２６、２７）の半径方向の長さ（広がり）が軸線方向の長さ（広がり）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のシリンダーヘッド。
3. 取付要素（２１）が第１接続部（２２）を有し、取付要素（２１）はこの第１接続部（２２）によって噴射管（１９）上に配置され、特に、空気案内部（２５、２６、２７）が第１接続部（２２）からチューブコア軸線（Ｌ１９）に対して半径方向外側に延びていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダーヘッド。
4. 第１接続部（２２）の最小円筒包絡線（envelope）（この包絡線の円筒軸線はチューブコア軸線（Ｌ１９）と同軸に配置される）がチューブコア軸線（Ｌ１９）からの空気案内部（２５、２６、２７）の最大半径方向距離よりも小さい半径を有することを特徴とする請求項３に記載のシリンダーヘッド。
5. 取付要素（２１）が吸気ポート（７）の壁（８）と接触する第２接続部（２３）を有し、第１接続部（２２）および第２接続部（２３）が空気案内部（２５、２６、２７）を介して互いに接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載のシリンダーヘッド、
6. 噴射管（１９）が吸気ポート（７）に開口する注入口（２０）を有し、取付要素（２１）がインジェクタ－（１８）と注入口（２０）との間に配置されることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド。
7. シリンダーヘッド（５）が吸気ポート（７）の第１燃焼室開口部（９）を可逆的に開閉できる第１弁（１２）を備え、この第１弁（１２）は弁ディスク（１３）と第１弁軸線（Ｌ１２）に沿って延びる弁シャフト（１４）とを有し、注入口（２０）が、第１弁軸線（Ｌ１２）と同軸である第１弁（１２）の弁ディスクの最小円筒形エンベロープ内に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする請求項６項に記載のシリンダーヘッド。
8. シリンダーヘッド（５）が吸気ポート（７）の第１燃焼室入口開口（９）を可逆的に開閉できる第１弁（１２）を備え、この第１弁（１２）は弁ディスク（１３）と第１弁軸線（Ｌ１２）に沿って延びる弁シャフト（１４）とを有し、シリンダーヘッド（５）はさらに、吸気ポート（７）の第２燃焼室入口開口部（９’）を可逆的に開閉できる第２弁（１２’）を備え、この第２弁（１２’）は弁ディスク（１３’）と第２弁軸（Ｌ１２’）に沿って延びる弁シャフト（１４’）とを有し、注入口（２０）が第１弁軸（Ｌ１２）によって表されるチューブコア軸線（Ｌ１９）に対する垂直な第１仮想平面と第２弁軸（Ｌ１２’）が位置する第１仮想平面と平行な第２仮想平面との間に配置されることを特徴とする請求項６に記載のシリンダーヘッド。
9. 空気案内部（２５、２６、２７）が空気案内バッフルとして形成され、チューブコア軸線（Ｌ１９）の周りの円周に沿った空気案内バッフルの長さ（範囲）がチューブコア軸線（Ｌ１９）に対する半径方向の長さ（範囲）よりも小さいことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のシリンダーヘッド。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載のシリンダーヘッドを備えた内燃機関。