JP5585295B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関に関する。

特許文献１は、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関を開示する。この内燃機関は、燃焼室に順タンブル流を生み出すように、吸気ポート内を吸気側通路と排気側通路とに分ける仕切壁と、その吸気側通路を任意の開度に調整するための制御弁とを備えている。

特開２００４−２４５２０４号公報

ところで、内燃機関では、概して、機関負荷が増大すると、燃料噴射量の相対的増加に伴い燃料噴射弁から噴射される燃料の到達距離が長くなる。その結果、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関では、機関負荷が増大すると、噴射燃料の一部が、十分に気化しないでシリンダ壁面に到達する可能性が高まる。シリンダ壁面に噴射燃料がそのまま到達する場合、該燃料のエンジンオイルへの混入の可能性が高まり得る。例えば、エンジンオイルへの燃料の混入は、エンジンオイルの粘度低下をもたらし得る。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関において、シリンダ壁面に燃料が直接的に到達することを抑制することにある。

本発明に係る内燃機関は、排気側シリンダ壁面に向けて燃焼室に燃料を直接噴射するように配設された燃料噴射弁と、ピストンの排気側頂部に形成されて、排気側シリンダ壁面と対向するように傾斜する排気側傾斜面を有する凸部と、吸気通路の下流端部分を排気側吸気通路と吸気側吸気通路とに分ける隔壁部材および該吸気側吸気通路の開度を調整するための開度調整装置を有し、該開度調整装置は燃料噴射弁からの燃料噴射に対して吸気側吸気通路の開度を調整する、吸気流調整装置とを備えたことを特徴とする。

前記吸気流調整装置は、機関運転状態に応じて、吸気バルブが開いている間に、所定期間、前記吸気側吸気通路を所定開度に閉じるとよい。前記所定期間の開始時期は燃料噴射開始時期よりも早く、前記所定期間の終了時期は燃料噴射終了時期よりも遅いとよい。

前記凸部の前記排気側傾斜面の傾斜角度は、前記燃料噴射弁の燃料噴射方向と関係付けられているとよい。

前記排気側シリンダ壁面に沿う排気通路入口部へ向けた流体流れを妨げるように、該排気通路入口部に隣接する張出部がさらに備えられているとよい。

本発明に係る一実施形態の内燃機関を示す概略構成図である。 図１の内燃機関のピストンの頂部の概略的な平面図である。 図１の内燃機関のシリンダヘッドの一部を燃焼室側からみた概略図であり、排気ポート入口部と張出部との位置関係を説明するための図である。 図１の内燃機関における、機関負荷が大きいときの、吸気バルブの開期間、燃料噴射期間および吸気流調整装置の吸気流制御弁の閉弁期間の関係例を概念的に表した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。

図１は、一実施形態に係る内燃機関１０を示す概略構成図である。ただし、図１には１つのシリンダおよびその周囲の一部のみが示されるが、内燃機関１０は４気筒機関として構成されている。

内燃機関１０は、燃焼室１２の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、シリンダ１４内でピストン１６を往復移動させることにより動力を発生するものである。各燃焼室１２は、シリンダヘッド１８、シリンダブロック２０のシリンダ１４、およびピストン１６によって区画形成され、吸気通路２２および排気通路２４に連通可能である。

内燃機関１０は４バルブ機関として構成されていて、各燃焼室１２には２つの吸気ポート２６および２つの排気ポート２８が臨んでいる。各燃焼室１２に臨む各吸気ポート２６は、シリンダヘッド１８に形成されて、吸気通路２２の下流端部分を区画形成し、吸気バルブ３０により開閉される。吸気または空気は、吸気通路２２を介して、ここではスロットルバルブ（不図示）でその流量を調整されつつ、エアクリーナ、サージタンク、吸気マニホールド、吸気ポート２６および吸気バルブ３０を介して、燃焼室１２に導かれる。なお吸気通路２２には、吸気流調整装置３２が設けられているが、これについては後述される。

他方、各燃焼室１２に臨む排気ポート２８は、シリンダヘッド１８に形成されて、排気通路２４の上流端部分を区画形成し、排気バルブ３４により開閉される。排気ガスは、燃焼室１２から排気バルブ３４を介して排気通路２４に送出され、排気浄化装置および消音装置を通して排出される。

また、内燃機関１０は、図１に示されるように、燃焼室１２に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁３６および点火プラグ３８を有し、筒内噴射式火花点火内燃機関として構成されている。点火プラグ３８は、燃焼室１２の略中央に臨むように、シリンダ軸線Ａ上に実質的に位置するようにシリンダヘッド１８に配設されている。

燃料噴射弁３６は、対応する燃焼室１２に臨むようにシリンダヘッド１８に配設されている。燃料噴射弁３６は、両吸気ポート２６の間に、燃焼室１２の外周側に位置するように設けられていて、その先端部３６ａを若干ピストン１６側つまり下方に傾斜させた姿勢に保持されている。特に、燃焼室１２を区画形成するシリンダ壁面１４ａのうちの排気ポート２４側に位置するシリンダ壁面（排気側シリンダ壁面）１４ｂに向けて燃焼室１２に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁３６は方向付けられて配設されている。

さて、吸気通路２２には、上記吸気流調整装置３２が設けられている。吸気流調整装置３２は、隔壁部材として、両吸気ポート２６の各々に形成された仕切壁４０を備えている。仕切壁４０は、吸気ポート２６内を吸気側（図１において仕切壁下側）と排気側（図１において仕切壁上側）の１対の通路に分けるように設けられている。以下、それら１対の通路のうちの吸気側の通路を吸気側吸気通路２６ａと称し、排気側の通路を排気側吸気通路２６ｂと称する。両吸気ポート２６の２つの仕切壁４０の上流側端部４０ｕのそれぞれには、共通の駆動軸４２を介して、吸気流制御弁４４が支持されている。駆動軸４２には、ステップモータ等のアクチュエータ（不図示）が連結されている。したがって、後述する制御装置（不図示）からの出力信号に基づきアクチュエータが作動されることで、吸気流制御弁４４は一斉に駆動され、吸気ポート２６の吸気側吸気通路２６ａは任意の開度に調整され得る。なお、吸気流調整装置３２には、上記仕切壁４０、および、吸気流制御弁４４とアクチュエータと制御装置の一部とを含む開度調整装置が含まれる。

吸気通路２２から燃焼室１２に流入する際、吸気は、吸気バルブ３０の傘部３０ａに衝突しながら例えば吸気側と排気側とに分流されるが、ポート形状等の要因により排気側の吸気流の方が一般に強い。そして、吸気流制御弁４４が図１に示すように所定開度に閉じられているとき、吸気は排気側吸気通路２６ｂに主に流れる。したがって、吸気流制御弁４４が閉じられているとき、図１に矢印Ｂ１で示すように、燃焼室１２に導入される吸気の大部分は、シリンダ壁面１４ａのうちの排気側シリンダ壁面１４ｂに向かい、その多くは該排気側シリンダ壁面１４ｂに沿ってピストン１６側に下降し得る。

さらに、ピストン頂部１６ａには、凸部４６が形成されている（図１および図２参照）。凸部４６は、ピストン１６の頂部または頂面１６ａのうち、排気側に位置付けられる頂部部分（排気側頂部）に形成されている。凸部４６は、排気側シリンダ壁面１４ｂと対向するように傾斜する排気側傾斜面４６ａと、吸気側を向く吸気側傾斜面４６ｂとを有し、ここでは排気側傾斜面４６ａが頂縁部４６ｃを介して吸気側傾斜面４６ｂに連なるように形成されている。頂縁部４６ｃは、シリンダ軸線Ａを含み燃焼室１２を吸気側空間と排気側空間とに実質的に分けるように定義される分割面Ｓに平行に定められる面上に延びるように、かつ、ピストン１６の頂面１６ａを横断するように延在する。

さらに、凸部４６の排気側傾斜面４６ａの傾斜角度は、燃料噴射弁３６の燃料噴射方向と関係付けられている。図１において、凸部４６の排気側傾斜面４６ａの傾斜角度は、シリンダ軸線Ａに直交するように定義される平面Ｃ１に対して定められ、角度θ１として表されている。また、燃料噴射弁３６の燃料噴射方向は、同様に、シリンダ軸線Ａに直交するように定義される平面Ｃ２に対して定められ、角度θ２として表されている。そして、ここでは、これら角度θ１と角度θ２とが略等しくなるように、凸部４６は設計され、かつ、燃料噴射弁３６は方向付けられている。特に、ここでは、上記説明から理解できるように、燃料噴射時期において、排気側傾斜面４６ａを実質的に含むように定められる平面よりもシリンダヘッド側に、燃料噴射弁３６の燃料噴射方向が実質的に延びるように、凸部４６は設計されている。なお、排気側傾斜面４６ａは、概ね平らな面であるが、そこに微細な凹凸等が形成されることも可能であり、また、ある程度湾曲した形状に形付けられることも可能である。

さらに、当該内燃機関１０では、燃焼室１２に張り出す張出部５０が形成されている。張出部５０は、排気側シリンダ壁面１４ｂに沿う排気通路入口部２４ａへ向けた流体流れを妨げるように、形付けられている。張出部５０は、燃焼室１２での流体の流れを調整するように、排気通路入口部２４ａに隣接して設けられている。張出部５０は、図３に概略的に示されるように、１対の排気通路入口部２４ａの周囲の約半分を囲むべく、燃焼室１２の排気側頂縁部１２ｅから延出するように、形付けられている。ここでは、図３において２つの排気側入口部２４ａの中心軸線をつなぐように定められる面Ｄ上にまで達するように、張出部５０は略弧状に広がっている。なお、面Ｄは、上記面Ｓに平行である。ただし、張出部５０は、シリンダヘッド１８に一体的に形成されているが、シリンダヘッド１８と別体で形成されてシリンダヘッド１８に取り付けられることも可能である。

このように構成された内燃機関１０は、燃料噴射制御手段などの各種制御手段としての機能を担う制御装置（不図示）を備えている。例えば、制御装置は、上述のスロットルバルブ、各点火プラグ３８、各燃料噴射弁３６、各吸気流制御弁４４等の作動を制御する。制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、および入出力ポート等を含むものである。制御装置には、各種センサ類がＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。例えば、いずれも図示しない、機関回転速度を検出するための機関回転速度センサ、機関負荷センサ、水温センサ等が制御装置に接続されていて、それらからの出力信号が制御装置に入力される。機関負荷センサとしては、例えば吸入空気量を検出するためのエアフローメータ、吸気圧センサ、アクセルペダルの踏み込み量に対応する値を検出するためのアクセルポジションセンサがある。そして、制御装置は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサからの出力信号に基づいて求められる検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、スロットルバルブ、点火プラグ３８、燃料噴射弁３６、吸気流制御弁４４等の作動を制御する。

燃料噴射制御手段の機能を担う制御装置の部分は、機関運転状態に応じて、つまり、機関負荷センサからの出力信号および機関回転速度センサからの出力信号に基づいて、燃料噴射期間および燃料噴射時期を設定する。そして、これらに基づいて、当該制御装置の部分は、燃料噴射弁３６の作動を制御する。

また、制御装置は、機関運転状態に応じて吸気流制御弁４４の作動を制御する。吸気流制御弁４４は、ここでは、通常は開かれていて、特に機関負荷が所定負荷以上であるとき、所定時期に所定期間、閉じるように作動制御される。具体的に図４に基づいて説明する。図４は、機関負荷が所定負荷以上であるときの、吸気バルブ３０の開期間、燃料噴射期間および吸気流調整装置３２の吸気流制御弁４４の閉弁期間の一関係を概念的に表した図である。機関負荷が所定負荷以上であるとき、吸気バルブ開弁中に吸気流制御弁４４は閉じて開くように制御される。つまり、機関負荷が所定負荷以上であるとき、吸気バルブ３０が開いている間に、所定期間、前記吸気側吸気通路２６ｂを閉じるように吸気流制御弁４４は作動される。そして、吸気流制御弁４４の作動は、燃料噴射弁３６からの燃料噴射に対して吸気側吸気通路２６ａの開度を調整するように、制御される。具体的には、上記所定期間である吸気流制御弁４４の閉弁期間が、燃料噴射弁３６による燃料噴射開始時期よりも早くに始まり、燃料噴射弁３６による燃料噴射終了時期よりも遅くに終わるように、吸気流制御弁４４の作動は制御される。開度調整装置に含まれる、吸気流制御弁制御手段の機能を担う制御装置の一部は、予め記憶するデータ等に基づいて、燃料噴射期間および燃料噴射時期に対して、吸気流制御弁４４の閉期間および閉時期を図４に示すように設定し、これらに基づいて吸気制御弁４４の作動を制御する。これら吸気流制御弁４４の閉期間および閉時期は、以下に説明するように噴射燃料が排気側シリンダ壁面１４ｂに直接的に到達することを抑制するように設定される。そのために、予め記憶するデータ等は、実験等に基づいて定められる。

このように、吸気流制御弁４４の閉弁期間が燃料噴射前から始まって燃料噴射期間全体にわたってオーバーラップするので、燃料噴射開始時には排気側シリンダ壁面１４ｂ上に沿うように吸気または流体の強い流れが形成されると共に、燃料噴射開始時には燃焼室１２内で流体は燃料噴射方向に対向する方向に流れることができる。これらは、実質的に、燃料噴射を行っている間、継続して生じる。したがって、噴射燃料が排気側シリンダ壁面１４ｂに直接的に到達することが抑制可能になる。以下、これを詳しく述べる。

機関負荷が所定負荷以上であるとき、吸気流制御弁４４が全閉などの所定開度に閉じられるので、主に排気側吸気通路２６ｂを介して、燃焼室１２に吸気が導入される。このような吸気の大部分は、吸気バルブ３０の傘部３０ａの排気側部分を介して、排気側シリンダ壁面１４ｂに方向付けられ、排気側シリンダ壁面１４ｂに至る。こうして燃焼室１２に導入される吸気は、吸気流制御弁４４を閉じない場合に導入される吸気に比べて、大きな流速を有する。したがって、このような吸気の導入により、排気側シリンダ壁面１４ｂ上にはピストン側および／またはシリンダヘッド側に向けた強い流体流れが形成される。燃料噴射開始時にはこのような流体流れが燃焼室１２に形成され、燃料噴射中、そのような流体流れの形成は継続される。したがって、高負荷運転時に燃焼室における噴射燃料の貫通力が強くても、このような流れによって、噴射燃料がシリンダ壁面に直接的に到達することが抑制される。

また、機関負荷が所定負荷以上であるとき、吸気流制御弁４４が所定開度に閉じられ、燃焼室１２に導入された吸気の大部分は、図１に概略的に表すように排気側シリンダ壁面１４ｂに沿ってピストン１６側に至ることができる。排気側シリンダ壁面１４ｂに沿ってピストン１６側に至った流体は、ピストン頂部１６ａの凸部４６の排気側傾斜面４６ａによって方向を変えられる（図１の矢印Ｂ２、Ｂ３参照）。特に、上記したように排気側傾斜面４６ａの傾斜角度は燃料噴射弁３６の燃料噴射方向と関係付けられているので、そのような流体は、燃料噴射方向に対向する方向に実質的に向きを変えられることができる（図１の矢印Ｂ３参照）。したがって、燃料噴射弁３６から噴射された燃料は、燃焼室１２内の対向する流体流れによって排気側シリンダ壁面１４ｂに直接的に到達することが抑制される。

さらに、上記したように張出部５０が設けられるので、排気側シリンダ壁面１４ｂの温度を適切に高めることができる。このような張出部５０は、排気側シリンダ壁面１４ｂに沿う排気通路入口部２４ａに向けた流体流れを妨げるように形成されている。したがって、排気行程において、排気ガスが排気側シリンダ壁面１４ｂに沿って排気通路２４へ向けて直接的に流れることが抑制される（図１の矢印Ｂ４参照）。これは、排気側シリンダ壁面１４ｂ付近に、より長い時間、排気ガスを保つ効果を奏し、故に、排気側シリンダ壁面１４ｂの加熱が十分に成され得る。したがって、燃料噴射弁３６から噴射された燃料の気化が、排気側シリンダ壁面１４ｂの熱によって促されるようになる。その結果、噴射燃料が例えば液体状態でシリンダ壁面１４ａに直接的に到達することを抑制することがさらに可能になる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はその実施形態に限定されない。例えば、本発明は、火花点火形式の内燃機関に適用されることに限定されず、他の種々の形式の内燃機関にも適用され得る。例えば、本発明は、圧縮着火形式の内燃機関に適用されてもよい。また、本発明が適用される内燃機関は、単気筒機関であってもよく、多気筒機関であってもよい。

また、上記実施形態では、機関負荷が所定負荷以上であるとき、吸気側吸気通路は所定期間、所定開度に閉じられた。しかし、この吸気側吸気通路の開度調整は、機関負荷に限らず、機関運転状態に応じて実行されることができる。また、吸気側吸気通路の開度は、上記所定開度に、複数サイクルの間、維持されることも可能である。また、吸気流調整装置は、上記実施形態における構成に限定されず、例えばシャッター式バルブ等の種々の形式の閉鎖部材および閉鎖機構を採用することができる。

なお、上記実施形態およびその変形例等では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明はこれらに限定されず、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ｂ 排気側シリンダ壁面
１６ ピストン
２２ 吸気通路
２４ 排気通路
２６ 吸気ポート
２６ａ 吸気側吸気通路
２６ｂ 排気側吸気通路
３２ 吸気流調整装置
３６ 燃料噴射弁
４０ 仕切壁
４４ 吸気流制御弁
４６ 凸部
４６ａ 排気側傾斜面
５０ 張出部

Claims (3)

1. 排気側シリンダ壁面に向けて燃焼室に燃料を直接噴射するように配設された燃料噴射弁と、
   ピストンの排気側頂部に形成されて、前記排気側シリンダ壁面と対向するように傾斜する排気側傾斜面を有する凸部と、
   吸気通路の下流端部分を排気側吸気通路と吸気側吸気通路とに分ける隔壁部材および該吸気側吸気通路の開度を調整するための開度調整装置を有し、該開度調整装置は前記燃料噴射弁からの燃料噴射に対して前記吸気側吸気通路の開度を調整する、吸気流調整装置と
   を備え、
   前記吸気流調整装置は、機関運転状態に応じて、吸気バルブが開いている間に、所定期間、前記吸気側吸気通路を所定開度に閉じ、
   前記所定期間の開始時期は燃料噴射開始時期よりも早く、前記所定期間の終了時期は燃料噴射終了時期よりも遅い
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記凸部の前記排気側傾斜面の傾斜角度として、シリンダ軸線に直交するように定義される平面に対して前記排気側傾斜面が成す第１角度を定義し、
   該平面に対して前記燃料噴射弁の燃料噴射方向が成す第２角度を定義するとき、
   燃料噴射時期において、前記吸気通路を介して前記燃焼室に導入されて前記排気側シリンダ壁面に沿って前記ピストン側に至った吸気が前記凸部の前記排気側傾斜面によって前記燃料噴射弁の前記燃料噴射方向に対向する方向に実質的に向きを変えられるように、前記第１角度と前記第２角度とが略等しくなるように前記凸部は設計されかつ前記燃料噴射弁は方向付けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気側シリンダ壁面に沿う排気通路入口部へ向けた流体流れを妨げるように、該排気通路入口部に隣接する張出部がさらに備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。

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