JP4519162B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁から噴射した燃料を吸気ポートを通して燃焼室に供給するよう構成した内燃機関に関する。

シリンダの燃焼室に開口する吸気ポート内に燃料噴射弁から燃料を噴射し、該吸気ポートを通して燃料を燃焼室内に送り込むポート噴射式の内燃機関がある。かかる内燃機関の構成や制御装置については、例えば後述する特許文献１〜４等に記載がある。

特開２００４−３５３４６３号公報 特開２００３−２６２１７５号公報 特開平７−１３３７５２号公報 特開２００６−１２５３３３号公報

通常、内燃機関において、１つのシリンダに通ずる吸気ポートが複数ある場合には、一つの吸気通路から分岐して複数の吸気ポートが形成される。この場合、分岐点よりも上流側に配設された燃料噴射弁から燃料が噴射されると、その燃料が吸気ポート間に存在する分岐点の隔壁に付着する。隔壁に一旦付着した燃料は、霧化されることなく燃焼室に流入し未燃焼の炭化水素（ＨＣ）として排出されてしまう。そのため、上記分岐点の隔壁に燃料が付着しないように、各吸気ポート毎に１つの燃料噴射弁を配置し、つまり、吸気ポートが２つの場合には２つの燃料噴射弁を配置し、各燃料噴射弁から噴射された燃料が分岐点の隔壁に直接的に接触しない構成が検討されてきた。

しかしながら、各吸気ポートに対応してそれぞれ燃料噴射弁を配設した場合においても、各燃料噴射弁から噴射された燃料が、ある程度は分岐後の吸気ポートの内壁に付着することが判明した。分岐後の吸気ポートの内壁に燃料が付着した場合も、付着した燃料が霧化されることなく燃焼室に流入し、燃焼されず未燃焼の炭化水素として内燃機関から排出される。そのため、たとえ各吸気ポート毎に燃料噴射弁を配設したとしても、排気ガス中の炭化水素の増加及び燃費の悪化という現象がある程度は生じてしまう。
吸気ポートは、通常、シリンダの軸方向に対して斜めに傾斜した気流方向を取って燃焼室方向に向かい、開口部の近傍においてシリンダ軸方向に気流方向が近づくように曲線状に曲がっている。そして、この曲線状に曲がった曲線部の内壁面に特に燃料が付着しやすい傾向にあることが判明した。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、従来よりも、吸気ポート内壁に燃料が付着することを抑制することができる内燃機関を提供しようとするものである。

本発明は、シリンダの燃焼室に開口する複数の吸気ポートと、該吸気ポートを開閉する吸気バルブと、各吸気ポートに対応してそれぞれ設けられた燃料噴射弁とを有し、該燃料噴射弁から噴射された燃料が上記吸気ポートにおける開口部近傍の曲線部を通って上記燃焼室に供給されるよう構成された内燃機関において、
上記吸気ポートは２つ設けられており、２つの上記燃料噴射弁の先端中心点間の距離が、上記２つの吸気バルブ軸間の距離よりも小さくなるように配設されており、
上記燃料噴射弁は、その噴射指向方向を、上記吸気ポート内の吸気ポート中心軸を含む仮想平面に垂直に透視又は投影して当該仮想平面上に表した場合に、上記噴射指向方向が閉状態の上記吸気バルブの表面に交わる位置が、上記吸気バルブ中心軸よりも上記シリンダの径方向における外径側となるように配設されており、
かつ、上記燃料噴射弁の上記噴射指向方向は、上記吸気ポート中心軸と交わることなく、２つの上記吸気ポート中心軸の間に向いていることを特徴とする内燃機関にある（請求項１）。

本発明の内燃機関は、上記のごとく、各吸気ポートに対応してそれぞれ燃料噴射弁を有する構成を前提として、上記噴射指向方向が閉状態の上記吸気バルブの表面に交わる位置が、上記吸気バルブ中心軸よりも上記シリンダの径方向における外径側となるように燃料噴射弁を配設してある。これにより、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気ポートの内壁面に付着する現象を抑制することができる。

この理由は次のように説明することができる。
まず各吸気ポートに対応してそれぞれ燃料噴射弁を設ける噴射装置（以下、複数噴射装置）の特徴を述べる。
複数噴射装置では、１本の燃料噴射弁を設ける噴射装置（以下、従来噴射装置）時にあった「噴霧を２方向に分岐」しなければならない制約が無くなる為、燃料噴射弁の先端位置（燃料噴射位置）をより吸気バルブへ近付けられる。よって従来噴射装置時よりも噴霧を広角に形成しても、吸気ポート内壁への燃料付着が増加しない為、噴霧の広角形成、それに伴う噴霧の微粒化が促進できる。また従来噴射装置時に要求される燃料量を複数の燃料噴射弁でまかなえる為、１本当りの噴射量が低減でき、それに伴う噴霧の微粒化が促進できる。よって複数噴射装置は従来噴射装置と比較して、噴霧の微粒化が促進される特徴を持っている。

上記特徴の為、複数噴射装置の噴霧は粒子径が小さくなり質量が小さくなる為、運動量が小さくなり、吸気ポート内の気流の影響を受け易くなる。その為、従来噴射装置の噴霧よりも気流に乗り易くなり、吸気ポートの上内壁面（燃料噴射弁が配設されている側の内壁面）に沿って流れる噴霧量が増加する。また吸気ポートは曲げられて燃焼室とつながるが、その曲線部で気流も曲がる為、その気流に乗って流れている噴霧には曲がりの外側に押し出される力（遠心力）が働き、吸気ポートの曲線部の曲がり方向の外周側、つまり、その曲がりの曲げ中心から最も離れている内壁面（以下、適宜、外周側内壁面という）に燃料付着を起こす。その際、曲げ中心から最も離れた内面の曲率半径Ｒが小さい程、遠心力が大きくなる為、燃料付着量も増加する。

したがって、上記曲率半径Ｒをできる限り大きくした方が有利であるが、エンジン設計制約上、曲率半径Ｒをあまり大きく設定できない場合がある。
ここで、本発明では、噴射指向方向と吸気バルブの表面との交点が吸気バルブ中心軸よりも吸気ポート側、つまり、上記吸気バルブ中心軸よりも上記シリンダの径方向における外径側となるように燃料噴射弁を配設してある。これにより、噴霧流速ベクトルと空気流速ベクトルとの合成ベクトルの方向がよりシリンダへ向かう側、つまり燃焼室への開口部の中心に近づく為、噴霧が吸気ポートの上内壁面に流されにくくなり、燃料付着が低減できる。
即ち、本発明によれば、吸気ポート内壁に燃料が付着することを抑制することができる内燃機関を提供することができる。

本発明においては、上記噴射指向方向が閉状態の上記吸気バルブの表面に交わる位置が、上記吸気バルブ中心軸よりも上記シリンダの径方向における外径側となるように燃料噴射弁を配設する。ただし、必ず、上記噴射指向方向が吸気バルブの曲線部の内周側の内壁面に接触しないように、直接吸気バルブの表面（傘部）に交わるようにする必要がある。

また、上記吸気ポートは２つ設けられており、２つの上記燃料噴射弁の先端中心点間の距離が、上記２つの吸気バルブ軸間の距離よりも小さくなるように配設されている。すなわち、上記２つの燃料噴射弁が、２つの吸気ポート開口部中心同士の間の領域に位置するような位置関係となる。この場合に、２つの吸気ポートの隣接する内側同士に燃料が集まりやすくなる。これにより、燃焼室に燃料が流入した際に、その燃焼室を構成するシリンダ内壁に燃料が直接付着して未燃燃料として排出される現象をも抑制することができる。それ故、さらに排気ガス中の炭化水素の含有割合をさらに減少させることができる。
なお、燃料噴射弁の先端中心点は、燃料噴射弁における最も先方（噴射方向）に突出した位置を含む、燃料噴射弁の中心軸に直交する平面上において、その中心軸と交わる点とする。

また、上記２つの燃料噴射弁は、シリンダ軸方向から見た状態で２つの吸気ポートの間を２分すると共にシリンダ中心軸を含む中心平面を境にして、左右対称な位置関係に配置されていることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記燃料噴射弁の取り付け穴等を設けたシリンダヘッドの構造をシンプルにすることができるとともに、燃料噴射弁の取り付け作業を容易化することができる。なお、左右対称には、ハの字状あるいは逆ハの字状の場合も含まれる。
また、上記２つの燃料噴射弁は、略平行に配設されていることが好ましい（請求項３）。この場合には、特に、燃料噴射弁の取り付け作業をさらに容易化することができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る内燃機関につき、図１〜図９を用いて説明する。
本例の内燃機関１は、図１に示すごとく、シリンダ１０の燃焼室１１に開口する複数の吸気ポート２と、該吸気ポート２を開閉する吸気バルブ３と、各吸気ポート２に対応してそれぞれ設けられた燃料噴射弁４とを有し、該燃料噴射弁４から噴射された燃料が上記吸気ポート２における開口部２９近傍の曲線部２５を通って燃焼室１１に供給されるよう構成された内燃機関である。

燃料噴射弁４は、その噴射指向方向Ａを、上記吸気ポート２内の吸気ポート中心軸Ｃを含む仮想平面に垂直に透視又は投影して当該仮想平面上に表した場合に、上記噴射指向方向Ａが閉状態の上記吸気バルブ３の表面に交わる位置Ｐが、上記吸気バルブ中心軸Ｂよりも上記シリンダ１０の径方向における外径側となるように配設されている。

以下、さらに詳説する。
本例の内燃機関１は、図１、図２に示すごとく、２つの吸気ポート２を備え、そのそれぞれに対応して吸気バルブ３と燃料噴射弁４とが配設されている。図２に示すごとく、２つの吸気ポート２は、上流側の１本の吸気管２０よりなる吸気通路から分岐内壁２１によって略Ｙ字状に２つに分岐されて形成されている。各吸気ポート２は、シリンダ１０の軸方向に対して傾斜した方向から燃料室１１に向かい、吸気バルブ３の軸（ステム）３１配設位置付近から開口部２９にかけて気流方向がシリンダ１０の軸方向に近づくように曲線状に曲がった曲線部２５が設けられている。

また、内燃機関１は、図１、図２に示すごとく、２つの排気ポート６とこれに対応してその開口部を開閉するための排気バルブ７とを有している。２つの排気ポート６は、下流側の１本の排気管６よりなる排気通路から分岐内壁６１によって略Ｙ字状に２つに分岐されて形成されている。
また、シリンダ１０内には、ピストン１３が摺動可能に配設されており、ピストン１３は燃焼室１１内での燃料の燃焼に応じて進退するように構成されている。

上記各吸気ポート２に対応して配設された各燃料噴射弁４は、燃料を噴射する噴孔４１０（図４）を設けた先端部４１を吸気ポート２内に突出させ、その反対側の端部である後端部４２をシリンダヘッドの外部に突出させて配設されている。そして、２つの燃料噴射弁４は、燃料レールに接続された後端部４２から燃料の供給を受けるように構成されている。

燃料噴射弁４は、図３、図４に示すごとく、ボディ４３内において軸方向に往復移動可能に配設されたニードル４４を有している。ニードル４４が、ボディ４３に形成された弁座に着座した状態から、該弁座から離れた状態に移行することによって、噴口４１０から燃料を噴射し、再び着座することによって燃料の噴射が停止されるようになっている。つまり、ニードル４４の進退によって、燃料の噴射が断続的に行われる。

燃料噴射弁４の先端部４１は、ボディ４３の先端に配設された噴孔プレート４５を有し、これに噴孔４１０が設けられている。そして、本発明における燃料噴射弁の噴射指向方向は、燃料噴射弁４の軸方向（本例ではニードル４４の往復移動の方向）であってその中心軸ａを通る方向をいう。また、この場合の燃料噴射弁４の先端中心点ｂは、燃料噴射弁４の中心軸ａと噴孔プレート４５の先端面とが交わる点である。なお、燃料噴射弁４の構成は上述した例に限らず、例えば、後述する図５〜図９に示す先端部の構造を有するものに代えることができる。

図１には、一方の吸気ポート２内の吸気ポート中心軸Ｃを含む仮想平面を紙面上に配置した説明図を示してある。同図に示すごとく、吸気ポート２内の吸気ポート中心軸Ｃは、上流側から燃焼室１１への開口部に向けて、略直線状の定常部２４と、円弧状に曲がった曲線部２５とを連ねて形成されている。

この図には、燃料噴射弁４の噴射指向方向Ａをこの仮想平面から透視した状態で表している。本例では、噴射指向方向Ａが閉状態の吸気バルブ３の表面と交わる位置Ｐが、吸気バルブ３の傘部３２の表面であり、吸気バルブ３の中心軸Ｂよりもシリンダ１０の径方向における外径側となるように配設されている。勿論、噴射指向方向Ａは、吸気バルブ３の表面に交わるまで、吸気ポート２の内壁面には一切接触しない。

なお、同図では、吸気ポート中心軸Ｃと噴射指向方向Ａとが交わっているが、立体的に見た場合、実際には、上記吸気ポート中心軸Ｃと噴射指向方向Ａとは交わらずに若干すれ違い、噴射指向方向Ａが２つの吸気ポート２の間の方へ寄っている。上記関係は、上記仮想平面に表した場合に明らかになる。
そして、本例では、図１に示すごとく、吸気ポート２は２つ設けられており、２つの上記燃料噴射弁４の先端中心点ｂ間の距離Ｌ１が、２つの吸気ポート２の開口部２９の中心点間の距離Ｌ２よりも小さくなるように配設されている。
さらに、同図に示すごとく、２つの燃料噴射弁４は、シリンダ１０の軸方向から見た状態で２つの吸気ポート２の間を２分すると共にシリンダ中心軸Ｄを含む中心平面ｄを境にして、左右対称な位置関係に配置されている。そして、２つの燃料噴射弁４は、略平行に配設されている。

以上のような構成の内燃機関１において、燃料を供給する際には、吸気バルブ３が前進して吸気ポート２の開口部２９を開くと共燃料噴射弁４から燃料を噴射して、空気と共に燃料を燃焼室１１に送り込む。
本例のいわゆる複数噴射装置の場合には、上述したごとく、各燃料噴射弁４から噴射された燃料が、上記曲線部２５の曲がり方向の外周側、つまり、その曲がりの曲げ中心から最も離れている外周側内壁面２５５に付着しやすい状況となる。

ここで、本例では、噴射指向方向Ａが、閉状態の上記吸気バルブ３の表面に交わる位置Ｐが、上記吸気バルブ中心軸Ｂよりも上記シリンダ１０の径方向における外径側となるように燃料噴射弁４を配設してある。これにより、噴霧流速ベクトルと空気流速ベクトルとの合成ベクトルの方向がよりシリンダ１０へ向かう側、つまり燃焼室１１への開口部の中心に近づく為、燃料の噴霧が吸気ポート２の上内壁面である外周側内壁面２５５に流されにくくなり、燃料付着が低減できる。

さらに、上述したごとく、本例では吸気ポート２は２つ設けられており、２つの燃料噴射弁４の先端中心点ｂ間の距離Ｌ１が、２つの吸気ポート２の開口部２９の中心点間の距離Ｌ２よりも小さくなるように配設されている。そして、２つの燃料噴射弁４が、２つの吸気ポート２の開口部２９の中心同士の間の領域に位置するような位置関係となっている。これにより、２つの吸気ポート２の隣接する内側同士に燃料が集まりやすくなる。そのため、燃焼室１１に燃料が流入した際に、その燃焼室１１を構成するシリンダ内壁に燃料が直接付着して未燃燃料として排出される現象をも抑制することができる。それ故、さらに排気ガス中の炭化水素の含有割合をさらに減少させることができる。

また、２つの燃料噴射弁４は、上記中心平面ｄを境にして左右対称な位置関係に配置されている。これにより、燃料噴射弁４の取り付け穴等を設けたシリンダヘッドの構造をシンプルにすることができると共に、燃料噴射弁４の取り付け作業を容易化することができる。

なお、燃料噴射弁４の構成の別例としては、例えば、図５〜図９に示す先端部の構造を有するものがある。
図５に示す燃料噴射弁は、ボディ４３の先端に設けられた噴孔プレート４５の外側を覆うスリーブ４６を備えたものである。この場合の燃料噴射弁の先端中心点ｂは、燃料噴射弁の中心軸ａ（噴射指向方向Ａ）とスリーブ４６の先端面を含む平面とが交わる点である。

図６に示す燃料噴射弁は、噴孔プレート４５の一部が先方（噴射方向）に突出する曲面状の突出部４５２となっているタイプのものである。この場合の燃料噴射弁の先端中心点ｂは、燃料噴射弁の中心軸ａ（噴射指向方向Ａ）と突出部４５２の先端面とが交わる点である。
図７に示す燃料噴射弁は、噴孔プレート４５の一部が先方（噴射方向）に突出する円錐状の突出部４５３となっているタイプのものである。この場合の燃料噴射弁の先端中心点ｂは、燃料噴射弁の中心軸ａ（噴射指向方向Ａ）と突出部４５３の先端面とが交わる点である。

図８に示す燃料噴射弁は、ニードル４４がボディ４３から突出して設けられているタイプのものである。この場合の燃料噴射弁の先端中心点ｂは、燃料噴射弁の中心軸ａ（噴射指向方向Ａ）のニードル４４の先端点である。
図９に示す燃料噴射弁は、ニードル４４がボディ４３から突出し、かつ、その外側をスリーブ４６が覆っているタイプのものである。この場合の燃料噴射弁の先端中心点ｂは、燃料噴射弁の中心軸ａ（噴射指向方向Ａ）とスリーブ４６の先端面を含む平面とが交わる点である。

実施例１における、吸気ポート内の吸気ポート中心軸と、燃料噴射弁の噴射指向方向と、吸気バルブとの位置関係を示す説明図。 実施例１における、シリンダの軸方向から見た吸気ポート等の配設位置を示す説明図。 実施例１における、燃料噴射弁の主要構造を示す説明図。 実施例１における、燃料噴射弁の先端部の構造を示す説明図。 実施例１における、別例の燃料噴射弁の先端部の構造を示す説明図。 実施例１における、別例の燃料噴射弁の先端部の構造を示す説明図。 実施例１における、別例の燃料噴射弁の先端部の構造を示す説明図。 実施例１における、別例の燃料噴射弁の先端部の構造を示す説明図。 実施例１における、別例の燃料噴射弁の先端部の構造を示す説明図。

符号の説明

１ 内燃機関
１０ シリンダ
１１ 燃焼室
２ 吸気ポート
２５ 曲線部
２９ 開口部
３ 吸気バルブ
４ 燃料噴射弁

Claims (3)

1. シリンダの燃焼室に開口する複数の吸気ポートと、該吸気ポートを開閉する吸気バルブと、各吸気ポートに対応してそれぞれ設けられた燃料噴射弁とを有し、該燃料噴射弁から噴射された燃料が上記吸気ポートにおける開口部近傍の曲線部を通って上記燃焼室に供給されるよう構成された内燃機関において、
   上記吸気ポートは２つ設けられており、２つの上記燃料噴射弁の先端中心点間の距離が、上記２つの吸気バルブ軸間の距離よりも小さくなるように配設されており、
   上記燃料噴射弁は、その噴射指向方向を、上記吸気ポート内の吸気ポート中心軸を含む仮想平面に垂直に透視又は投影して当該仮想平面上に表した場合に、上記噴射指向方向が閉状態の上記吸気バルブの表面に交わる位置が、上記吸気バルブ中心軸よりも上記シリンダの径方向における外径側となるように配設されており、
   かつ、上記燃料噴射弁の上記噴射指向方向は、上記吸気ポート中心軸と交わることなく、２つの上記吸気ポート中心軸の間に向いていることを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１において、上記２つの燃料噴射弁は、シリンダ軸方向から見た状態で２つの吸気ポートの間を２分すると共にシリンダ中心軸を含む中心平面を境にして、左右対称な位置関係に配置されていることを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１又は２において、上記２つの燃料噴射弁は、略平行に配設されていることを特徴とする内燃機関。

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