JP3993906B2 - 直接筒内噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて燃焼室の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば図８に示すものが特開平６−２０７５４２号公報に開示されている。
【０００４】
これについて説明すると、シリンダ５５内に吸気を導入する吸気ポート５１と、シリンダ５５内に燃料を噴射するインジェクタ５７と、シリンダ５５内の混合気に点火する点火プラグ５６と、シリンダ５５内から排気を排出する排気ポート５２とを備える。
【０００５】
点火プラグ５６を燃焼室天井壁５４の中央部から燃焼室５３に臨ませ、インジェクタ５７を燃焼室天井壁５４の側部から燃焼室５３に臨ませている。
【０００６】
インジェクタ５７から噴射される燃料噴霧は、ピストン５８のキャビティ５９にに向けて拡散し、濃混合気がキャビティ５９を介して点火プラグ５６の近傍に集められる。これにより、希薄混合気でも失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンにあっては、インジェクタ５７が各吸気ポート５１の下方に配置されているため、燃料噴霧方向を下方に偏向させる特殊なノズルを設ける必要がある。このため、製品のコストアップを招き、またノズルに対するカーボン等の付着により燃料噴霧方向が変わりやすいという問題点があった。
【０００８】
また、燃料噴霧方向を偏向させる特殊なノズルを備えると、ノズルの回転方向の取付け位置精度を確保することが難しく、生産性および整備性が悪いという問題点が考えられる。
【０００９】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、直接筒内噴射式火花点火エンジンに適したインジェクタの取付け構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する複数の吸気ポートと、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内から排気を排出する排気ポートとを備え、点火プラグを燃焼室天井壁の中央部から燃焼室に臨ませ、インジェクタを燃焼室天井壁の側部から燃焼室に臨ませる直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタの中心線を各吸気ポートの通路壁面より下方に配置し、インジェクタを各吸気ポートの間に挟まれるように配置し、前記インジェクタの噴口の開口端を、シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交するシリンダ中心面とシリンダ壁面の延長面との交線上に配置し、前記シリンダの中心線に直交する直線を水平線と定義し、前記インジェクタの中心線を水平線に対して３０°以上かつ９０°以下の範囲で傾斜するように配置し、前記シリンダ中心面においてインジェクタの燃料噴射方向を吸気ポートのシリンダヘッド上流部における吸気の流れ方向と略同一方向に設定し、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線と同心の円錐状に拡がる構成とし、リーンバーン領域で圧縮行程中に燃料噴射を行い、リーンバーン領域外で吸気行程中に燃料噴射を行う。
【００１３】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記共通のシリンダに接続する２本の吸気ポートをその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成する。
【００１４】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項２に記載の発明において、前記各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部を平面図上においてそれぞれの通路中心線が互いに平行に並ぶ直線状に形成し、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成する。
【００１５】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項２に記載の発明において、前記各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部を平面図上においてＹ字形に分岐させ、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成する。
【００１６】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポートからシリンダ内に空気が吸入される。
【００１７】
例えば希薄空燃比で運転されるリーンバーン領域にて、ピストンが上昇する圧縮行程においてインジェクタが開弁し、シリンダ内に燃料が噴射される。吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、点火プラグを介して燃料を着火燃焼させる。
【００１８】
インジェクタの中心線を各吸気ポートの通路壁面より下方に配置し、インジェクタを各吸気ポートの間に挟まれるように配置することにより、シリンダヘッドにおいて各吸気ポートの下方に位置する限られたスペースにおいて、インジェクタの傾き角度を各吸気ポートの傾き角度と同等に大きく設定することが可能となる。
【００１９】
このため、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線と同心の円錐状に拡がる構成としても、燃料噴霧をピストン冠部の中央部に向けて拡散させることが可能となり、ピストンの上昇に伴って燃料を点火プラグの近傍に集めることができる。この結果、点火プラグによる着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。また、ピストンの冠部と燃焼室天井壁の間につくられるクレビス部に到達する燃料量を減らし、火炎の伝播を促進することにより、未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量を十分に低減できる。
【００２０】
燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成とすることにより、燃料噴霧方向を中心線上から偏向させる特殊なノズルを用いる必要がなく、製品のコストダウンがはかれる。また、ノズルの取付け位置を回転方向に管理する必要がなく、生産性および整備性の向上がはかれる。
また、前記インジェクタの噴口の開口端を、シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交するシリンダ中心面とシリンダ壁面の延長面との交線上に配置するため、インジェクタの燃料噴射時期がピストンの下降する吸気行程に設定されているリーンバーン領域外でも、燃料噴霧が吸気バルブ等に接触することが抑えられ、未燃焼ＨＣやスモーク等の排出量を低減することができる。
【００２２】
また、傾き角度θｆが大きくなるのに伴って未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が減少し、傾き角度θｆが３０°以上に大きいと未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が十分に減少する傾向がある。
【００２３】
したがって、インジェクタの中心線を水平線に対して３０°以上かつ９０°以下の範囲で傾斜するように配置することにより、未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が十分に減少させることができる。
【００２４】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、共通のシリンダに接続する各吸気ポートをその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成したため、各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部間にインジェクタを着脱するためのスペースを確保できる。この結果、インテークマニホールドをシリンダヘッドから取り外す必要がなくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００２５】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合して共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成したため、各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部間にインジェクタを着脱するためのスペースを確保できる。この結果、インテークマニホールドをシリンダヘッドから取り外す必要がなくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００２６】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合して共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成したため、各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部間にインジェクタを着脱するためのスペースを確保できる。この結果、インテークマニホールドをシリンダヘッドから取り外す必要がなくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１、図３に示すように、シリンダヘッド１に形成された燃焼室天井壁２０とピストン１６の間に燃焼室３が画成される。ピストン１６のシリンダ５における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００２９】
燃焼室天井壁２０の側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（図示せず）と、燃焼室天井壁２０の中央部から燃焼室３に臨む点火プラグ（図示せず）がそれぞれ設けられる。図１において、１４はインジェクタに対する取付け穴であり、１５は点火プラグに対する取付け穴である。
【００３０】
ピストン１６が下降する吸気行程において、吸気バルブが開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ５内に空気が吸入される。
【００３１】
ピストン１６が上昇する圧縮行程において、各吸気ポート２１を通ってシリンダ５内に吸入された空気がピストン１６で圧縮される。
【００３２】
ピストン１６が圧縮行程で上死点の近傍に到達するとき、点火プラグを介して燃料を着火燃焼させる。
【００３３】
ピストン１６が下降する膨張行程において、燃焼したガスはピストン１６はコンロッドを介してクランクシャフトを回転させる。
【００３４】
ピストン１６が上昇する排気行程において、排気バルブが開かれるのに伴ってシリンダ５内の排気ガスが各排気ポート２２から排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００３５】
インジェクタはその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。コントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域で、シリンダ５に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外で、シリンダ５に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節する。
【００３６】
インジェクタの開弁時期である燃料噴射時期は、リーンバーン領域でピストン１６が上昇する圧縮行程の後半に設定され、リーンバーン領域外でピストン１６が下降する吸気行程に設定されている。
【００３７】
図１において、線分Ｏはシリンダ５の中心線であり、線分Ｐは点火プラグの中心線である。点火プラグはその中心線Ｐがシリンダ５の中心線Ｏの近傍に並んで配置され、図示しない２本の吸気バルブと２本の排気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００３８】
図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に独立した吸気ポート２１と２本に分岐する排気ポート２２が互いに対向して開口している。各吸気バルブと各排気バルブは点火プラグを挟むようにして互いに対向して設けられる。
【００３９】
図１において、Ｉｂは吸気バルブの中心線、Ｉｐは吸気ポート２１の通路中心線、Ｅｂは排気バルブの中心線、Ｅｐは排気ポート２２の通路中心線、αは吸気ポート２１の通路中心線Ｉｐと排気バルブの中心線Ｅｐが為すバルブ挟み角である。吸・排気ポート２１，２２の開口端には吸・排気バルブを着座させるバルブシート３８，３９がそれぞれ嵌め込まれている。
【００４０】
シリンダヘッド１にはエンジン冷却水を循環させるウォータジャケット２９が燃焼室３と排気ポート２２および吸気ポート２１のまわりに形成される。図３において、２７は吸・排気カムシャフトを支承する軸受部であり、２８はヘッドボルトを挿通させるヘッドボルト穴である。
【００４１】
各吸気ポート２１は、その通路中心線Ｉｐが図１の正面図上において直線状に延びる。各吸気ポート２１の通路中心線Ｉｐがシリンダ５の中心線Ｏに直交する水平線Ｙに対して為す吸気ポート流入角度θｉは、３０°以上かつ９０°以下の範囲で可能な限り大きく設定される。
【００４２】
図２において、２５はバリブリフタ（図示せず）を収装する取付け穴であり、２６はバルブスプリング（図示せず）の下端を着座させるスプリング受け部である。吸気ポート流入角度θｉは各吸気ポート２１とバリブリフタ取付け穴２５やスプリング受け部２６との間に所定の肉厚が確保される範囲で可能な限り大きく形成される。
【００４３】
図１において、シリンダ中心面Ｚはシリンダ５の中心線Ｏを含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面である。キャビティ１１をはじめピストン１６と燃焼室天井壁２０と吸気ポート２１および排気ポート２２は、シリンダ中心面Ｚについて対称的に形成される。
【００４４】
シリンダヘッド１には各吸気ポート２１に吸気を導くインテークマニホールド３０が接続される。インテークマニホールド３０は、各吸気ポート２１に接続するブランチ部３１が独立して形成される。スロットルバルブを通過した吸気がインテークマニホールド３０のコレクタ部３４に導入された後、各ブランチ部３１を通って各吸気ポート２１に導入される。
【００４５】
図５の平面図上において、各吸気ポート２１は直線上に延び、共通の気筒に接続する各吸気ポート２１は両者の間隔が燃焼室３から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成される。
【００４６】
直線状に延びる各ブランチ部３１は互いに平行に並ぶ。隣り合う気筒に連通する各ブランチ部３１どうしが接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部３１どうしの間に間隙３３が画成される。インジェクタをシリンダヘッド１に取付ける際に、インジェクタや工具等を間隙３３から差し込めるようになっている。
【００４７】
インジェクタは各吸気バルブの側方で、かつ各吸気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。インジェクタの中心線Ｆはシリンダ中心面Ｚ上に配置される。
【００４８】
インジェクタ取付け穴１４は、図５の平面図上において、各吸気ポート２１の間に挟まれるように配置される。
【００４９】
図４に示すように、インジェクタの中心線Ｆは各吸気ポート２２の通路壁面の下部を結ぶ線分Ｋより下方に配置される。インジェクタ取付け穴１４はその上部が線分Ｋより所定距離Ｈだけ上方に配置され、各吸気ポート２１の間に挟まれるように配置される。
【００５０】
各吸気ポート２１はその通路中心線Ｉｐ間の距離Ｍはインジェクタ取付け穴１４の直径と各吸気ポート２１の半径を加算した値と略等しく設定される。これにより、シリンダヘッド１における各吸気ポート２１と点火プラグ取付け穴１４間の肉厚が確保される。
【００５１】
インジェクタはピストン１６の冠部に対向するように、その中心線Ｆが水平線Ｙに対して所定角度θｆで下向きに傾斜するように配置される。インジェクタの傾斜角度θはは３０°以上かつ９０°以下の範囲で可能な限り大きく設定される。本実施形態では、インジェクタの傾斜角度θｆは吸気ポート流入角度θｉと略等しく設定される。
【００５２】
インジェクタの燃料噴射方向は吸気ポートにおける吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。インジェクタの噴口から噴射される燃料噴霧はインジェクタの中心線Ｆを中心として円錐状に拡がる構成とし、その大部分がピストン１の冠部に到達するようになっている。
【００５３】
インジェクタの先端部はシリンダ壁面５ａの延長上に配置される。すなわち、インジェクタの噴口の開口端の中心がシリンダ壁面５ａの延長面Ｓ上に配置される。
【００５４】
ピストン１の冠部には凹状に窪むキャビティ１１が形成される。キャビティ１１は冠部の中央部から吸気バルブの下方に配置される。キャビティ１１に点火プラグに向けて傾斜するスロープ１２が形成される。
【００５５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５６】
リーンバーン領域外ではピストン１６が下降する吸気行程にインジェクタが開弁する。インジェクタから噴射された燃料噴霧が各吸気ポート２１から導入される吸気と混合し、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室に均質な混合気が形成される。
【００５７】
リーンバーン領域ではピストン１６が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタが開弁する。インジェクタから噴射された燃料噴霧がシリンダ５内に生起されるタンブルと共に旋回し、スロープ１２に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグの近傍に集められる。
【００５８】
インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成としたため、インジェクタの傾き角度θｆを大きくするほど、燃料噴霧をピストン１の冠部上に集められ、燃料噴霧がシリンダ壁面５ａや燃焼室天井壁２０等に直接当たることを抑えられる。
【００５９】
図６は、インジェクタの傾き角度θｆに対する未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量の特性図である。傾き角度θｆが大きくなるのに伴って未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が減少し、傾き角度θｆが３０°以上に大きいと未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が十分に減少する傾向がある。
【００６０】
インジェクタ取付け穴１４を各吸気ポート２１の間に挟まれるように配置し、インジェクタ取付け穴１４の上部を各吸気ポート２２の通路壁面の下部を結ぶ線分Ｋより上方に配置する構造により、シリンダヘッド１において各吸気ポート２１の下方に位置する限られたスペースにおいて、インジェクタの傾き角度θｆを各吸気ポート２１の傾き角度θｐと同等に大きく設定することが可能となる。
【００６１】
この結果、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成としても、燃料を点火プラグの近傍に集中させることができ、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダ５に供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。
【００６２】
また、ピストン１６の冠部と燃焼室天井壁２０の間につくられるクレビス部に到達する燃料量を抑えられ、火炎の伝播を促進し、未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量を十分に低減できる。
【００６３】
インジェクタの噴口の開口端の中心をシリンダ壁面５ａの延長面Ｓ上に配置することにより、インジェクタの燃料噴射時期がピストン１６が下降する吸気行程に設定されているリーンバーン領域外でも、燃料噴霧が吸気バルブ等に接触することが抑えられ、未燃焼ＨＣやスモーク等の排出量を低減することができる。
【００６４】
燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成とすることにより、燃料噴霧方向を中心線Ｆ上から偏向させる特殊なノズルを用いる必要がなく、製品のコストダウンがはかれる。また、ノズルの取付け位置を回転方向に管理する必要がなく、生産性を高められる。
【００６５】
共通の気筒に接続する各吸気ポート２１をその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成するとともに、直線状に延びる各ブランチ部３１が互いに平行に並び、共通の気筒に連通する各ブランチ部３１どうしの間に間隙３３が画成されるため、インジェクタをシリンダヘッド１に取付ける際に、インジェクタや工具等を間隙３３から差し込むことが可能となる。この結果、インテークマニホールド３０をシリンダヘッド１から取り外す必要なくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００６６】
次に、図７に示す実施形態について説明する。なお、図５との対応部分には同一符号を付す。
【００６７】
シリンダヘッド１には各吸気ポート２１に吸気を導くインテークマニホールド４０が接続される。インテークマニホールド４０は、各吸気ポート２１に接続するブランチ部４１がＹ字形に分岐して形成される。スロットルバルブを通過した吸気がインテークマニホールド４０のコレクタ部４４に導入された後、各ブランチ部４１を通って各吸気ポート２１に導入される。
【００６８】
図７の平面図上において、各吸気ポート２１は直線上に延び、共通の気筒に接続する各吸気ポート２１は両者の間隔が燃焼室４から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成される。
【００６９】
各ブランチ部４１は各吸気ポート１２から連続しながら湾曲して形成される。隣り合う気筒に連通する各ブランチ部４１どうしが接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部４１どうしの間に間隙４３が画成される。
【００７０】
これにより、インジェクタをシリンダヘッド１に取付ける際に、インジェクタや工具等を間隙４３から差し込むことが可能となる。この結果、インテークマニホールド４０をシリンダヘッド１から取り外す必要なくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００７１】
前記各実施形態では吸・排気バルブを２本づつ備えているが、排気バルブの数を３本とすることも可能である。
【００７２】
また、本発明は直列４気筒エンジン、直列６気筒エンジン、Ｖ型６気筒エンジン、Ｖ型５気筒エンジン等いずれのエンジンにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示し、図５のＡ−Ａ線に沿うエンジンの断面図。
【図２】同じく図５のＢ−Ｂ線に沿うエンジンの断面図。
【図３】同じく図５のＣ−Ｃ線に沿うシリンダヘッドの断面図。
【図４】同じく図１のＤ−Ｄ線に沿うシリンダヘッドの断面図。
【図５】同じくシリンダヘッド等の平面図。
【図６】同じくインジェクタの傾き角度θｆに対する未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量の特性図。
【図７】他の実施形態をシリンダヘッド等の平面図。
【図８】従来例を示すエンジンの断面図。
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
３ 燃焼室
５ シリンダ
１４ インジェクタ取付け穴
１５ 点火プラグ取付け穴
１６ ピストン
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
２２ 排気ポート
３０ インテークマニホールド
３１ ブランチ部
３３ 間隙
４０ インテークマニホールド
４１ ブランチ部
４３ 間隙
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて燃焼室の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした直接筒内噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンとして、例えば図８に示すものが特開平６−２０７５４２号公報に開示されている。
【０００４】
これについて説明すると、シリンダ５５内に吸気を導入する吸気ポート５１と、シリンダ５５内に燃料を噴射するインジェクタ５７と、シリンダ５５内の混合気に点火する点火プラグ５６と、シリンダ５５内から排気を排出する排気ポート５２とを備える。
【０００５】
点火プラグ５６を燃焼室天井壁５４の中央部から燃焼室５３に臨ませ、インジェクタ５７を燃焼室天井壁５４の側部から燃焼室５３に臨ませている。
【０００６】
インジェクタ５７から噴射される燃料噴霧は、ピストン５８のキャビティ５９にに向けて拡散し、濃混合気がキャビティ５９を介して点火プラグ５６の近傍に集められる。これにより、希薄混合気でも失火を無くして安定した燃焼性が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の直接筒内噴射式火花点火エンジンにあっては、インジェクタ５７が各吸気ポート５１の下方に配置されているため、燃料噴霧方向を下方に偏向させる特殊なノズルを設ける必要がある。このため、製品のコストアップを招き、またノズルに対するカーボン等の付着により燃料噴霧方向が変わりやすいという問題点があった。
【０００８】
また、燃料噴霧方向を偏向させる特殊なノズルを備えると、ノズルの回転方向の取付け位置精度を確保することが難しく、生産性および整備性が悪いという問題点が考えられる。
【０００９】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、直接筒内噴射式火花点火エンジンに適したインジェクタの取付け構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する複数の吸気ポートと、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内から排気を排出する排気ポートとを備え、点火プラグを燃焼室天井壁の中央部から燃焼室に臨ませ、インジェクタを燃焼室天井壁の側部から燃焼室に臨ませる直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、インジェクタの中心線を各吸気ポートの通路壁面より下方に配置し、インジェクタを各吸気ポートの間に挟まれるように配置し、前記インジェクタの噴口の開口端を、シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交するシリンダ中心面とシリンダ壁面の延長面との交線上に配置し、前記シリンダの中心線に直交する直線を水平線と定義し、前記インジェクタの中心線を水平線に対して３０°以上かつ９０°以下の範囲で傾斜するように配置し、前記シリンダ中心面においてインジェクタの燃料噴射方向を吸気ポートのシリンダヘッド上流部における吸気の流れ方向と略同一方向に設定し、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線と同心の円錐状に拡がる構成とし、リーンバーン領域で圧縮行程中に燃料噴射を行い、リーンバーン領域外で吸気行程中に燃料噴射を行う。
【００１３】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記共通のシリンダに接続する２本の吸気ポートをその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成する。
【００１４】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項２に記載の発明において、前記各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部を平面図上においてそれぞれの通路中心線が互いに平行に並ぶ直線状に形成し、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成する。
【００１５】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンは、請求項２に記載の発明において、前記各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部を平面図上においてＹ字形に分岐させ、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成する。
【００１６】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポートからシリンダ内に空気が吸入される。
【００１７】
例えば希薄空燃比で運転されるリーンバーン領域にて、ピストンが上昇する圧縮行程においてインジェクタが開弁し、シリンダ内に燃料が噴射される。吸気ポートを通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、点火プラグを介して燃料を着火燃焼させる。
【００１８】
インジェクタの中心線を各吸気ポートの通路壁面より下方に配置し、インジェクタを各吸気ポートの間に挟まれるように配置することにより、シリンダヘッドにおいて各吸気ポートの下方に位置する限られたスペースにおいて、インジェクタの傾き角度を各吸気ポートの傾き角度と同等に大きく設定することが可能となる。
【００１９】
このため、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線と同心の円錐状に拡がる構成としても、燃料噴霧をピストン冠部の中央部に向けて拡散させることが可能となり、ピストンの上昇に伴って燃料を点火プラグの近傍に集めることができる。この結果、点火プラグによる着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。また、ピストンの冠部と燃焼室天井壁の間につくられるクレビス部に到達する燃料量を減らし、火炎の伝播を促進することにより、未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量を十分に低減できる。
【００２０】
燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成とすることにより、燃料噴霧方向を中心線上から偏向させる特殊なノズルを用いる必要がなく、製品のコストダウンがはかれる。また、ノズルの取付け位置を回転方向に管理する必要がなく、生産性および整備性の向上がはかれる。
また、前記インジェクタの噴口の開口端を、シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交するシリンダ中心面とシリンダ壁面の延長面との交線上に配置するため、インジェクタの燃料噴射時期がピストンの下降する吸気行程に設定されているリーンバーン領域外でも、燃料噴霧が吸気バルブ等に接触することが抑えられ、未燃焼ＨＣやスモーク等の排出量を低減することができる。
【００２２】
また、傾き角度θｆが大きくなるのに伴って未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が減少し、傾き角度θｆが３０°以上に大きいと未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が十分に減少する傾向がある。
【００２３】
したがって、インジェクタの中心線を水平線に対して３０°以上かつ９０°以下の範囲で傾斜するように配置することにより、未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が十分に減少させることができる。
【００２４】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、共通のシリンダに接続する各吸気ポートをその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成したため、各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部間にインジェクタを着脱するためのスペースを確保できる。この結果、インテークマニホールドをシリンダヘッドから取り外す必要がなくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００２５】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合して共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成したため、各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部間にインジェクタを着脱するためのスペースを確保できる。この結果、インテークマニホールドをシリンダヘッドから取り外す必要がなくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００２６】
請求項４に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合して共通の気筒に連通する各ブランチ部どうしの間に間隙を画成したため、各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部間にインジェクタを着脱するためのスペースを確保できる。この結果、インテークマニホールドをシリンダヘッドから取り外す必要がなくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１、図３に示すように、シリンダヘッド１に形成された燃焼室天井壁２０とピストン１６の間に燃焼室３が画成される。ピストン１６のシリンダ５における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００２９】
燃焼室天井壁２０の側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（図示せず）と、燃焼室天井壁２０の中央部から燃焼室３に臨む点火プラグ（図示せず）がそれぞれ設けられる。図１において、１４はインジェクタに対する取付け穴であり、１５は点火プラグに対する取付け穴である。
【００３０】
ピストン１６が下降する吸気行程において、吸気バルブが開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ５内に空気が吸入される。
【００３１】
ピストン１６が上昇する圧縮行程において、各吸気ポート２１を通ってシリンダ５内に吸入された空気がピストン１６で圧縮される。
【００３２】
ピストン１６が圧縮行程で上死点の近傍に到達するとき、点火プラグを介して燃料を着火燃焼させる。
【００３３】
ピストン１６が下降する膨張行程において、燃焼したガスはピストン１６はコンロッドを介してクランクシャフトを回転させる。
【００３４】
ピストン１６が上昇する排気行程において、排気バルブが開かれるのに伴ってシリンダ５内の排気ガスが各排気ポート２２から排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００３５】
インジェクタはその開弁時期と開弁期間（噴射パルス幅）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。コントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下のリーンバーン領域で、シリンダ５に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇するリーンバーン領域外で、シリンダ５に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節する。
【００３６】
インジェクタの開弁時期である燃料噴射時期は、リーンバーン領域でピストン１６が上昇する圧縮行程の後半に設定され、リーンバーン領域外でピストン１６が下降する吸気行程に設定されている。
【００３７】
図１において、線分Ｏはシリンダ５の中心線であり、線分Ｐは点火プラグの中心線である。点火プラグはその中心線Ｐがシリンダ５の中心線Ｏの近傍に並んで配置され、図示しない２本の吸気バルブと２本の排気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００３８】
図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に独立した吸気ポート２１と２本に分岐する排気ポート２２が互いに対向して開口している。各吸気バルブと各排気バルブは点火プラグを挟むようにして互いに対向して設けられる。
【００３９】
図１において、Ｉｂは吸気バルブの中心線、Ｉｐは吸気ポート２１の通路中心線、Ｅｂは排気バルブの中心線、Ｅｐは排気ポート２２の通路中心線、αは吸気ポート２１の通路中心線Ｉｐと排気バルブの中心線Ｅｐが為すバルブ挟み角である。吸・排気ポート２１，２２の開口端には吸・排気バルブを着座させるバルブシート３８，３９がそれぞれ嵌め込まれている。
【００４０】
シリンダヘッド１にはエンジン冷却水を循環させるウォータジャケット２９が燃焼室３と排気ポート２２および吸気ポート２１のまわりに形成される。図３において、２７は吸・排気カムシャフトを支承する軸受部であり、２８はヘッドボルトを挿通させるヘッドボルト穴である。
【００４１】
各吸気ポート２１は、その通路中心線Ｉｐが図１の正面図上において直線状に延びる。各吸気ポート２１の通路中心線Ｉｐがシリンダ５の中心線Ｏに直交する水平線Ｙに対して為す吸気ポート流入角度θｉは、３０°以上かつ９０°以下の範囲で可能な限り大きく設定される。
【００４２】
図２において、２５はバリブリフタ（図示せず）を収装する取付け穴であり、２６はバルブスプリング（図示せず）の下端を着座させるスプリング受け部である。吸気ポート流入角度θｉは各吸気ポート２１とバリブリフタ取付け穴２５やスプリング受け部２６との間に所定の肉厚が確保される範囲で可能な限り大きく形成される。
【００４３】
図１において、シリンダ中心面Ｚはシリンダ５の中心線Ｏを含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面である。キャビティ１１をはじめピストン１６と燃焼室天井壁２０と吸気ポート２１および排気ポート２２は、シリンダ中心面Ｚについて対称的に形成される。
【００４４】
シリンダヘッド１には各吸気ポート２１に吸気を導くインテークマニホールド３０が接続される。インテークマニホールド３０は、各吸気ポート２１に接続するブランチ部３１が独立して形成される。スロットルバルブを通過した吸気がインテークマニホールド３０のコレクタ部３４に導入された後、各ブランチ部３１を通って各吸気ポート２１に導入される。
【００４５】
図５の平面図上において、各吸気ポート２１は直線上に延び、共通の気筒に接続する各吸気ポート２１は両者の間隔が燃焼室３から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成される。
【００４６】
直線状に延びる各ブランチ部３１は互いに平行に並ぶ。隣り合う気筒に連通する各ブランチ部３１どうしが接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部３１どうしの間に間隙３３が画成される。インジェクタをシリンダヘッド１に取付ける際に、インジェクタや工具等を間隙３３から差し込めるようになっている。
【００４７】
インジェクタは各吸気バルブの側方で、かつ各吸気バルブの間に位置して燃焼室３に臨んでいる。インジェクタの中心線Ｆはシリンダ中心面Ｚ上に配置される。
【００４８】
インジェクタ取付け穴１４は、図５の平面図上において、各吸気ポート２１の間に挟まれるように配置される。
【００４９】
図４に示すように、インジェクタの中心線Ｆは各吸気ポート２２の通路壁面の下部を結ぶ線分Ｋより下方に配置される。インジェクタ取付け穴１４はその上部が線分Ｋより所定距離Ｈだけ上方に配置され、各吸気ポート２１の間に挟まれるように配置される。
【００５０】
各吸気ポート２１はその通路中心線Ｉｐ間の距離Ｍはインジェクタ取付け穴１４の直径と各吸気ポート２１の半径を加算した値と略等しく設定される。これにより、シリンダヘッド１における各吸気ポート２１と点火プラグ取付け穴１４間の肉厚が確保される。
【００５１】
インジェクタはピストン１６の冠部に対向するように、その中心線Ｆが水平線Ｙに対して所定角度θｆで下向きに傾斜するように配置される。インジェクタの傾斜角度θはは３０°以上かつ９０°以下の範囲で可能な限り大きく設定される。本実施形態では、インジェクタの傾斜角度θｆは吸気ポート流入角度θｉと略等しく設定される。
【００５２】
インジェクタの燃料噴射方向は吸気ポートにおける吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。インジェクタの噴口から噴射される燃料噴霧はインジェクタの中心線Ｆを中心として円錐状に拡がる構成とし、その大部分がピストン１の冠部に到達するようになっている。
【００５３】
インジェクタの先端部はシリンダ壁面５ａの延長上に配置される。すなわち、インジェクタの噴口の開口端の中心がシリンダ壁面５ａの延長面Ｓ上に配置される。
【００５４】
ピストン１の冠部には凹状に窪むキャビティ１１が形成される。キャビティ１１は冠部の中央部から吸気バルブの下方に配置される。キャビティ１１に点火プラグに向けて傾斜するスロープ１２が形成される。
【００５５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５６】
リーンバーン領域外ではピストン１６が下降する吸気行程にインジェクタが開弁する。インジェクタから噴射された燃料噴霧が各吸気ポート２１から導入される吸気と混合し、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室に均質な混合気が形成される。
【００５７】
リーンバーン領域ではピストン１６が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタが開弁する。インジェクタから噴射された燃料噴霧がシリンダ５内に生起されるタンブルと共に旋回し、スロープ１２に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグの近傍に集められる。
【００５８】
インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成としたため、インジェクタの傾き角度θｆを大きくするほど、燃料噴霧をピストン１の冠部上に集められ、燃料噴霧がシリンダ壁面５ａや燃焼室天井壁２０等に直接当たることを抑えられる。
【００５９】
図６は、インジェクタの傾き角度θｆに対する未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量の特性図である。傾き角度θｆが大きくなるのに伴って未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が減少し、傾き角度θｆが３０°以上に大きいと未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量が十分に減少する傾向がある。
【００６０】
インジェクタ取付け穴１４を各吸気ポート２１の間に挟まれるように配置し、インジェクタ取付け穴１４の上部を各吸気ポート２２の通路壁面の下部を結ぶ線分Ｋより上方に配置する構造により、シリンダヘッド１において各吸気ポート２１の下方に位置する限られたスペースにおいて、インジェクタの傾き角度θｆを各吸気ポート２１の傾き角度θｐと同等に大きく設定することが可能となる。
【００６１】
この結果、インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成としても、燃料を点火プラグの近傍に集中させることができ、着火が確実に行われ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大することができる。シリンダ５に供給される混合気の空燃比を希薄化することにより、エンジンのポンピング損失を低減し、燃費の低減がはかれる。
【００６２】
また、ピストン１６の冠部と燃焼室天井壁２０の間につくられるクレビス部に到達する燃料量を抑えられ、火炎の伝播を促進し、未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量を十分に低減できる。
【００６３】
インジェクタの噴口の開口端の中心をシリンダ壁面５ａの延長面Ｓ上に配置することにより、インジェクタの燃料噴射時期がピストン１６が下降する吸気行程に設定されているリーンバーン領域外でも、燃料噴霧が吸気バルブ等に接触することが抑えられ、未燃焼ＨＣやスモーク等の排出量を低減することができる。
【００６４】
燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線Ｆと同心の円錐状に拡がる構成とすることにより、燃料噴霧方向を中心線Ｆ上から偏向させる特殊なノズルを用いる必要がなく、製品のコストダウンがはかれる。また、ノズルの取付け位置を回転方向に管理する必要がなく、生産性を高められる。
【００６５】
共通の気筒に接続する各吸気ポート２１をその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成するとともに、直線状に延びる各ブランチ部３１が互いに平行に並び、共通の気筒に連通する各ブランチ部３１どうしの間に間隙３３が画成されるため、インジェクタをシリンダヘッド１に取付ける際に、インジェクタや工具等を間隙３３から差し込むことが可能となる。この結果、インテークマニホールド３０をシリンダヘッド１から取り外す必要なくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００６６】
次に、図７に示す実施形態について説明する。なお、図５との対応部分には同一符号を付す。
【００６７】
シリンダヘッド１には各吸気ポート２１に吸気を導くインテークマニホールド４０が接続される。インテークマニホールド４０は、各吸気ポート２１に接続するブランチ部４１がＹ字形に分岐して形成される。スロットルバルブを通過した吸気がインテークマニホールド４０のコレクタ部４４に導入された後、各ブランチ部４１を通って各吸気ポート２１に導入される。
【００６８】
図７の平面図上において、各吸気ポート２１は直線上に延び、共通の気筒に接続する各吸気ポート２１は両者の間隔が燃焼室４から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成される。
【００６９】
各ブランチ部４１は各吸気ポート１２から連続しながら湾曲して形成される。隣り合う気筒に連通する各ブランチ部４１どうしが接合し、共通の気筒に連通する各ブランチ部４１どうしの間に間隙４３が画成される。
【００７０】
これにより、インジェクタをシリンダヘッド１に取付ける際に、インジェクタや工具等を間隙４３から差し込むことが可能となる。この結果、インテークマニホールド４０をシリンダヘッド１から取り外す必要なくインジェクタの脱着を行うことができ、生産性および整備性の向上がはかれる。
【００７１】
前記各実施形態では吸・排気バルブを２本づつ備えているが、排気バルブの数を３本とすることも可能である。
【００７２】
また、本発明は直列４気筒エンジン、直列６気筒エンジン、Ｖ型６気筒エンジン、Ｖ型５気筒エンジン等いずれのエンジンにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示し、図５のＡ−Ａ線に沿うエンジンの断面図。
【図２】同じく図５のＢ−Ｂ線に沿うエンジンの断面図。
【図３】同じく図５のＣ−Ｃ線に沿うシリンダヘッドの断面図。
【図４】同じく図１のＤ−Ｄ線に沿うシリンダヘッドの断面図。
【図５】同じくシリンダヘッド等の平面図。
【図６】同じくインジェクタの傾き角度θｆに対する未燃焼ＨＣおよびスモーク排出量の特性図。
【図７】他の実施形態をシリンダヘッド等の平面図。
【図８】従来例を示すエンジンの断面図。
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
３ 燃焼室
５ シリンダ
１４ インジェクタ取付け穴
１５ 点火プラグ取付け穴
１６ ピストン
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
２２ 排気ポート
３０ インテークマニホールド
３１ ブランチ部
３３ 間隙
４０ インテークマニホールド
４１ ブランチ部
４３ 間隙
Claims (4)
- シリンダ内に吸気を導入する複数の吸気ポートと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートとを備え、
点火プラグを燃焼室天井壁の中央部から燃焼室に臨ませ、
インジェクタを燃焼室天井壁の側部から燃焼室に臨ませる直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、
インジェクタの中心線を各吸気ポートの通路壁面より下方に配置し、
インジェクタを各吸気ポートの間に挟まれるように配置し、
前記インジェクタの噴口の開口端を、シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交するシリンダ中心面とシリンダ壁面の延長面との交線上に配置し、
前記シリンダの中心線に直交する直線を水平線と定義し、
前記インジェクタの中心線を水平線に対して３０°以上かつ９０°以下の範囲で傾斜するように配置し、
前記シリンダ中心面においてインジェクタの燃料噴射方向を吸気ポートのシリンダヘッド上流部における吸気の流れ方向と略同一方向に設定し、
インジェクタから噴射される燃料噴霧の形状をインジェクタの中心線と同心の円錐状に拡がる構成とし、
リーンバーン領域で圧縮行程中に燃料噴射を行い、リーンバーン領域外で吸気行程中に燃料噴射を行うことを特徴とする直接筒内噴射式火花点火エンジン。 - 前記共通のシリンダに接続する２本の吸気ポートをその間隔が燃焼室から離れるのにしたがって大きくなるハの字状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
- 前記各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部を平面図上においてそれぞれの通路中心線が互いに平行に並ぶ直線状に形成し、
隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合し、
共通の気筒に連通する各ブランチ部の間に間隙を画成したことを特徴とする請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。 - 前記各吸気ポートに接続するインテークマニホールドのブランチ部を平面図上においてＹ字形に分岐させ、
隣り合う気筒に連通する各ブランチ部どうしを接合し、
共通の気筒に連通する各ブランチ部の間に間隙を画成したことを特徴とする請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジン。
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