JP4930335B2 - 直接噴射式の内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、直接噴射式の内燃機関に関する。

従来より、燃焼室内にて燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた直接噴射式の内燃機関（ディーゼル機関、火花点火式内燃機関）が広く知られている。一般には、係る直接噴射式の内燃機関では、ピストンと、ピストンを収容するシリンダを備えたシリンダブロックと、シリンダの上部開口を塞ぐようにシリンダブロックに取り付けられるシリンダヘッドとが備えられる。シリンダヘッドの下壁面とシリンダの内壁面とピストンの上壁面とにより燃焼室が区画・形成される。この燃焼室内にて燃料噴射弁により燃料が直接噴射される。

係る直接噴射式の内燃機関では、燃料噴射弁の噴孔とシリンダ内壁面との距離が比較的小さい。このため、噴射された燃料がシリンダの内壁面に接触し易い。特に噴射燃料が霧化（気化）され難い冷間始動時等においては、シリンダ内壁面に接触した燃料が液滴の状態でそのまま付着・残留する場合がある。

係る液滴燃料は、ピストンの上下動に伴ってピストンの外周面と接触し、ピストンの潤滑のためにシリンダ内壁面に付着している潤滑油と共に、ピストンの外周面とシリンダ内壁面との間を通ってクランクケース内へ漏出する。これにより、クランクケース内では、燃料の潤滑油への混入による潤滑油の希釈が発生する。

この潤滑油の希釈を抑制するため、特許文献１に記載の直接噴射式の内燃機関では、シリンダヘッドの下壁面に凹部が形成されて、この凹部の内壁面に向けて燃料噴射弁により燃料が噴射されるようになっている。この構成では、ピストンの外周面が凹部の内壁面と接触しない。従って、噴射された燃料（液滴燃料）が凹部の内壁面に付着・残留した場合であっても、この液滴燃料がピストンの外周面とシリンダ内壁面との間を通ってクランクケース内へ漏出し難い。この結果、上述の潤滑油の希釈が抑制され得る。
特開２０００−４５７７６号公報

ところで、一般に、シリンダヘッドは、シリンダブロックやピストンに比して温度が低いから、シリンダヘッドの凹部の内壁面の近傍での筒内ガスの温度も比較的低い。従って、上記文献に記載の内燃機関では、噴射燃料が霧化（気化）され難いから、噴射燃料（液滴燃料）がシリンダヘッドの凹部の内壁面に接触し易く、また、その液滴燃料が凹部に付着・残留し易い。

特に、ディーゼル機関においては、近年、エミッション排出量の低減等のために、燃料噴霧の微粒子化のための噴射圧の高圧化、及び燃焼温度低減のための低圧縮比化（例えば、圧縮比＝１４〜１６）の傾向がある。ここで、噴射圧が高いほど燃料噴霧がより遠くへ飛ぶ。また、圧縮比が小さいほど燃料噴射時点での燃焼室内の圧力が低くなる。従って、これによっても燃料噴霧がより遠くへ飛ぶ。従って、噴射圧の高圧化及び低圧縮比化の傾向は、上述した凹部への液滴燃料の付着・残留を助長し得る。

このように、シリンダヘッドの凹部に付着・残留している液滴燃料は、膨張行程では燃焼し難い。この結果、この液滴燃料は、排気行程にて蒸発して排気系に排出され得る。このため、ＨＣの排出量が増大するという問題が発生し得る。

以上より、本発明の目的は、シリンダヘッドの下壁面に形成された凹部の内壁面に向けて燃料が噴射される直接噴射式の内燃機関において、凹部への液滴燃料の付着・残留を抑制し得るものを提供することにある。

本発明に係る直接噴射式の内燃機関は、ピストンと、前記ピストンを収容するシリンダを備えたシリンダブロックと、前記シリンダの上部開口を塞ぐように前記シリンダブロックに取り付けられるシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドの下壁面と前記シリンダの内壁面と前記ピストンの上壁面とにより区画・形成される燃焼室内にて燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備える。前記シリンダヘッドの下壁面には凹部が形成されていて、前記凹部の内壁面に向けて前記燃料噴射弁により燃料が噴射される。

本発明に係る直接噴射式の内燃機関の特徴は、前記凹部の内壁面において前記燃料噴射弁からの燃料噴射により形成される燃料噴霧の軸線が交わる部分（以下、「交差部」と称呼する。）の前記シリンダの軸線からの距離が、前記シリンダの内壁面の前記シリンダの軸線からの距離よりも大きいことにある。

シリンダ形状が円筒状であり、前記凹部の形状がシリンダの軸線に対称の形状（例えば、リング状、ドーナツ状）である場合、「交差部」に対応する凹部の内壁面の直径（例えば、凹部の内壁面における径方向の最外部の直径）が、シリンダの直径よりも大きい。

上記構成によれば、燃料噴霧の軸線上における燃料噴射弁の噴孔から「交差部」までの距離（以下、「噴孔−交差部間距離」とも称呼する。）を十分に長くすることができる。従って、「噴孔−交差部間距離」が、噴孔からの燃料噴霧の先端部の最大到達距離よりも長くなるように燃焼室周りを設計し易くなる。即ち、噴射圧の高圧化及び低圧縮比化の傾向があっても、上述した凹部への液滴燃料の接触が抑制され得る。この結果、凹部への液滴燃料の付着・残留が抑制され得、凹部への液滴燃料の付着・残留に起因するＨＣの排出が抑制され得る。

係る凹部への液滴燃料の付着・残留を抑制する観点からは、前記「交差部」が前記凹部の内壁面において噴孔からの距離が最大となる位置に設定されるように、燃料噴霧の軸線の方向（即ち、燃料噴射弁の噴孔の向き）、及び前記凹部の形状が設計されることが好適である。

上記本発明に係る直接噴射式の内燃機関においては、前記凹部の内壁面に、前記凹部の内壁面から前記シリンダヘッドの内部への熱の伝導を抑制するための遮熱膜が形成されることが好適である。

これによれば、凹部の内壁面からシリンダヘッドの内部への熱の伝導が抑制され得る。これにより、この熱伝導に起因して凹部の内壁面の温度が低下すること、ひいては、凹部の内壁面の近傍での筒内ガスの温度が低下することを抑制できる。従って、熱損失を抑制することができて、燃費が向上する。

加えて、燃料噴霧が凹部の内壁面の近傍での筒内ガスに冷やされて凹部の内壁面に付着し易くなることも抑制できる。また、仮に液滴燃料が凹部の内壁面に付着・残留したとしても、付着・残留している液滴燃料が蒸発し易くなる。この結果、凹部への液滴燃料の付着・残留に起因するＨＣの排出がより一層抑制され得る。

凹部の内壁面からシリンダヘッドの内部への熱の伝導を抑制する観点からは、前記遮熱膜は、例えば、熱を反射し易い性質を有するＺｒＯ２、金、白金等から構成される。また、シリンダヘッドを構成する材質よりも熱伝導率が小さい材質から構成されてもよい。

また、上記本発明に係る直接噴射式の内燃機関においては、前記燃焼室と吸気ポートとを連通・遮断する吸気弁、及び前記燃焼室と排気ポートとを連通・遮断する排気弁が、前記シリンダブロックに配置されることが好適である。

これによれば、吸・排気弁、及び吸・排気ポートをシリンダヘッドに配置する必要がなくなる。従って、シリンダヘッド側において、燃焼室形状、ウォータージャケットの形状等に関する設計の自由度が高くなる。

以下、本発明による直接噴射式の内燃機関（ディーゼル機関）の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、この実施形態の燃焼室周りの概略構成を示した縦断面図である。この内燃機関では、円筒形のシリンダを備えたシリンダブロック１０と、前記シリンダの上部開口を塞ぐようにシリンダブロック１０の上面に取り付けられたシリンダヘッド２０と、前記シリンダに収容された円筒形のピストン３０が備えられている。

このシリンダの内壁面（円筒面）と、シリンダヘッド２０の下壁面（後述する凹部２１の内壁面）と、ピストン３０の上壁面（平面）とにより、燃焼室Ｒが区画・形成されている。この燃焼室Ｒ内にて噴孔４１から燃料を直接噴射する燃料噴射弁４０が、シリンダヘッド２０に固定されている。燃料噴射弁４０は、シリンダ（或いは、ピストン３０）の軸線にその軸線が一致するように配置されている。

シリンダブロック１０内には、内燃機関を冷却する冷却水が流通するウォータージャケット１１が形成されている。なお、図示はしていないが、シリンダヘッド２０内にも同様の機能を有するウォータージャケットが形成されている。

シリンダヘッド２０の下壁面には、シリンダの軸線に対して対称の形状を有する凹部２１が形成されている。シリンダヘッド２０には、この凹部２１の内壁面の一部にて開口する吸気ポート２２及び排気ポート２３がそれぞれ形成されている。また、シリンダヘッド２０には、この吸気ポート２２及び排気ポート２３をそれぞれ開閉する吸気弁５１及び排気弁５２が配置されている。

凹部２１の内壁面（の全域）には、遮熱膜２４が形成されている。この遮熱膜２４は、熱を反射し易い性質を有するＺｒＯ２、金、白金等から構成されている。また、凹部２１の内壁面における径方向の最外部Ａの直径Ｄ１（図１を参照）は、シリンダの直径Ｄ２（図１を参照）よりも大きい。直径Ｄ２に対する直径Ｄ１の割合（Ｄ１／Ｄ２）は、例えば、１．１以上（１．２以上）である。

図２は、圧縮行程後半において、燃料噴射弁４０からの燃料噴射により燃料噴霧が形成されている状態を示した図１に対応する図である。図３は、燃料噴霧が形成された状態にある燃焼室Ｒの様子を示した平面図（上面図）である。平面視（上面視）にて、燃料噴射弁４０の噴孔４１は、所定の角度等配にて複数（例えば、８箇所）設けられている。この結果、図３に示すように、平面視にて、複数本（例えば、８本等）の燃料噴霧が放射状に形成されるようになっている。

図２に示すように、燃料は、凹部２１の内壁面に向けて噴射されるようになっている。より具体的には、各燃料噴霧の軸線Ｘが上述した凹部２１の内壁面における径方向の最外部Ａと交わるように、燃料噴射弁４０の各噴孔４１の向き、及び凹部２１の形状が設計されている。換言すれば、上記最外部Ａが前記「交差部」に対応し、最外部Ａのシリンダの軸線からの距離（＝最外部Ａの半径）は、シリンダの内壁面のシリンダの軸線からの距離（＝シリンダ半径）よりも大きい。

以下、上記のように構成された本発明による直接噴射式の内燃機関（ディーゼル機関）の実施形態の作用・効果について説明する。先ず、上述のように、各燃料噴霧の軸線Ｘと凹部２１の内壁面とが交わる部分である凹部２１の最外部Ａの半径が、シリンダ半径よりも大きい。従って、シリンダヘッドの下壁面に形成された凹部の内壁面における径方向の最外部の半径がシリンダ半径よりも小さい場合に比して、各燃料噴霧の軸線Ｘ上における噴孔４１から「交差部」までの距離（即ち、上記「噴孔−交差部間距離」）を十分に長くすることができる。

これにより、「噴孔−交差部間距離」が、噴孔４１からの各燃料噴霧の先端部の最大到達距離よりも長くなるように燃焼室Ｒ周りを設計し易くなる。従って、噴射圧が高く、且つ圧縮比が小さい（例えば、圧縮比＝１４〜１６）場合（即ち、燃料噴霧が遠くへ飛び易い場合）であっても、凹部２１への液滴燃料の接触が抑制され得る。この結果、凹部２１への液滴燃料の付着・残留が抑制され得、凹部２１への液滴燃料の付着・残留に起因するＨＣの排出が抑制され得る。

また、シリンダヘッド２０がシリンダブロック１０やピストン３０に比して温度が低いことに鑑みて、凹部２１の内壁面に遮熱膜２４が形成されている。上述のように、遮熱膜２４は、熱を反射し易い性質を有するＺｒＯ２、金、白金等から構成されている。或いは、シリンダヘッド２０を構成する材質よりも熱伝導率が小さい材質から構成されている。従って、遮熱膜２４の形成により、凹部２１の内壁面からシリンダヘッド２０の内部への熱の伝導が抑制され得る。この結果、この熱伝導に起因する凹部２１の内壁面の温度の低下、ひいては、凹部２１の内壁面の近傍での筒内ガスの温度の低下を抑制できる。従って、熱損失を抑制することができて、燃費が向上する。

加えて、燃料噴霧が凹部２１の内壁面の近傍で滞留している筒内ガスに冷やされて凹部２１の内壁面に付着し易くなることも抑制され得る。更には、仮に液滴燃料が凹部２１の内壁面に付着・残留したとしても、付着・残留している液滴燃料が蒸発し易くなる。この結果、凹部２１への液滴燃料の付着・残留に起因するＨＣの排出がより一層抑制され得る。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、吸気弁５１及び排気弁５２（並びに、吸気ポート２２及び排気ポート２３）がシリンダヘッド２０に配置・形成されている。これに対し、図２に対応する図４に示すように、シリンダ内壁面の上部領域の一部にて開口する吸気ポート１２及び排気ポート１３をシリンダブロック１０にそれぞれ形成し、この吸気ポート１２及び排気ポート１３をそれぞれ開閉する吸気弁５１及び排気弁５２をシリンダブロック１０に配置してもよい。

この構成により、吸・排気弁、及び吸・排気ポートをシリンダヘッド２０に配置する必要がなくなる。従って、シリンダヘッド２０側において、燃焼室の形状、ウォータージャケットの形状等に関する設計の自由度が高めることができる。

また、上記実施形態においては、「交差部」が凹部２１の内壁面における径方向の最外部Ａに設定されているが、最外部Ａと「凹部２１の内壁面において噴孔４１からの距離が最大となる位置」とが異なる場合、「交差部」が「凹部２１の内壁面において噴孔４１からの距離が最大となる位置」に設定されてもよい。

また、上記実施形態においては、凹部２１がシリンダの軸線に対して対称の形状となっていて、平面視にて、凹部２１の外径Ｄ１がシリンダ直径Ｄ２よりも大きい値で一定となっている（図３を参照）。これに対し、図３に対応する図５に示すように、平面視にて、放射状に形成されるそれぞれの燃料噴霧の軸線Ｘの方向に対応する部分の凹部の外径に対して、燃料噴霧の軸線Ｘの方向に対応しない部分（即ち、隣り合う２本の燃料噴霧の軸線Ｘがなす角を２等分する方向に対応する部分）の凹部の外径を小さくしてもよい。この場合、燃料噴霧の軸線Ｘの方向に対応する部分の凹部の外径がシリンダ直径Ｄ２より大きい一方で、燃料噴霧の軸線Ｘの方向に対応しない部分の凹部の外径がシリンダ直径Ｄ２より小さくされてもよい。

本発明による直接噴射式の内燃機関の実施形態の燃焼室周りの概略構成を示した縦断面図である。 燃料噴霧が形成されている状態を示した図１に対応する図である。 燃料噴霧が形成された状態にある燃焼室の様子を示した平面図である。 本発明による直接噴射式の内燃機関の実施形態の変形例についての図２に対応する図である。 本発明による直接噴射式の内燃機関の実施形態の変形例についての図３に対応する図である。

符号の説明

１０…シリンダブロック、１２…吸気ポート、１３…排気ポート、２０…シリンダヘッド、２１…凹部、２２…吸気ポート、２３…排気ポート、２４…遮熱膜、３０…ピストン、４０…燃料噴射弁、４１…噴孔、５１…吸気弁、５２…排気弁、Ｒ…燃焼室

Claims (2)

1. ピストンと、
   前記ピストンを収容するシリンダを備えたシリンダブロックと、
   前記シリンダの上部開口を塞ぐように前記シリンダブロックに取り付けられるシリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドの下壁面と前記シリンダの内壁面と前記ピストンの上壁面とにより区画・形成される燃焼室内にて燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   を備え、
   前記シリンダヘッドの下壁面には前記シリンダの軸線に対して回転対称の形状を呈した凹部が形成されていて、前記シリンダの軸線上に位置する前記燃料噴射弁の噴孔から前記凹部の内壁面上の複数の位置に向けて燃料が噴射されるように構成された直接噴射式の内燃機関において、
   前記凹部の内壁面において前記燃料噴射弁からの燃料噴射により形成されるそれぞれの燃料噴霧の軸線が交わるそれぞれの部分の前記シリンダの軸線からの距離の全てが、前記シリンダの内壁面の前記シリンダの軸線からの距離よりも大きく、
   前記凹部の内壁面には、前記凹部の内壁面から前記シリンダヘッドの内部への熱の伝導を抑制するための遮熱膜が形成された直接噴射式の内燃機関。
2. 請求項１に記載の直接噴射式の内燃機関において、
   前記燃焼室と吸気ポートとを連通・遮断する吸気弁、及び前記燃焼室と排気ポートとを連通・遮断する排気弁が、前記シリンダブロックに配置された直接噴射式の内燃機関。

Images