JP5699884B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内部における燃料の燃焼にかかる状態量を気筒内部において直接検出するための状態量センサが設けられた内燃機関に関するものである。

近年、内燃機関の気筒に取り付けられた状態量センサによって気筒内部における燃料の燃焼にかかる状態量（気筒内部の圧力や温度など）を直接検出し、その検出した状態量に基づいて燃料噴射制御などの機関制御を実行することが提案されている。

こうした内燃機関では、状態量センサが高温の燃焼ガスに晒されるために、同状態量センサの温度が高くなり易い。そして状態量センサが高温になると、熱による劣化が早期に進んで耐久性能の低下を招いたり、内部に設けられた検出素子の温度変化に伴って出力特性が変化して検出精度の低下を招いたりするなど、種々の不都合の発生を招くおそれがある。

そこで従来、特許文献１には、そうした不都合の発生を抑えるために、状態量センサが取り付けられる取り付け部分の周辺にウォータジャケットを延設するとともに、ウォータジャケットの内部に上記取り付け部分の周囲における冷却水の流れを整流するためのフィンを設けることが提案されている。この装置によれば、内燃機関における取り付け部、ひいては状態量センサの温度上昇が抑えられる。

特開２０１０−８４６０３号公報

ここで、特許文献１に記載の装置のように冷却水によって状態量センサを冷却するようにしても、状態量センサの温度上昇を十分に抑えられるようになるとは限らず、状態量センサが高温になることに起因する不都合の発生を招く可能性は残る。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、状態量センサの耐久性能および検出精度の向上を図ることのできる内燃機関を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の内燃機関は、その気筒内部に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と気筒内部における燃料の燃焼に関する状態量（気筒内部の圧力や温度など）を直接検出するための状態量センサとを備える。そして、気筒内壁における機関バルブよりシリンダボア壁面側の部分であって、且つ隣り合う二つの機関バルブとシリンダボア壁面とによって周囲を取り囲まれた複数の囲繞部分のうちの同一の囲繞部分に、筒内噴射弁の噴射孔と状態量センサの検出部とが取り付けられる。上記内燃機関では、筒内噴射弁と状態量センサとが比較的近い位置に配設されるため、筒内噴射弁から噴射された燃料の霧化による気化潜熱によって状態量センサの温度上昇を抑制することができる。そのため、状態量センサが高温になることによる耐久性能の低下や検出精度の低下を好適に抑えることができるようになる。

しかも、請求項１に記載の内燃機関では、筒内噴射弁と状態量センサとがそれぞれ、筒内噴射弁から噴射された燃料が状態量センサの検出部に直接当たらない配設態様で取り付けられる。これにより、状態量センサの検出部への燃料付着が抑えられるようになるために、同検出部に対する未燃燃料に由来するデポジットの堆積を抑えることができ、デポジットの堆積に起因するセンサの性能低下を抑えることができる。

したがって上記内燃機関によれば、状態量センサの耐久性能および検出精度の向上を図ることができる。
さらに、請求項１に記載の内燃機関では、複数の吸気バルブを有し、前述した隣り合う二つの機関バルブとして共に吸気バルブが採用される。これにより同内燃機関では、隣り合う二つの吸気バルブとシリンダボア壁面とによって周囲を取り囲まれた囲繞部分に、筒内噴射弁の噴射孔と状態量センサの検出部とが取り付けられる。こうした内燃機関によれば、隣り合う吸気バルブに挟まれた部分、言い換えれば排気側の部分と比較して温度が低い吸気側の部分に状態量センサを配設することができるために、状態量センサの温度上昇を好適に抑制することができる。

さらに、請求項１に記載の内燃機関では、前記状態量センサが内燃機関の吸気ポートに沿って延びるように配設される。吸気ポートの内部は吸入空気が通過するため、吸気ポート周辺の部分は内燃機関の各部の中でも温度が低い部分であると云える。こうした内燃機関によれば、吸気ポート周辺の比較的温度が低い部分に状態量センサが配設されるために、状態量センサの温度上昇を好適に抑制することができる。

さらに、請求項１に記載の内燃機関は、その吸気ポートの周辺にウォータジャケットが形成されるために、ウォータジャケットが形成されない内燃機関と比較して、吸気側の部分の温度が低くなり易い。こうした構成によれば、そうした内燃機関の吸気側の部分に状態量センサが配設されるために、状態量センサの温度上昇を好適に抑制することができる。
前記状態量センサとしては、請求項１によるように、内燃機関の気筒内部の圧力を検出するための圧力センサを採用することができる。

通常、筒内噴射弁に供給される燃料の温度は、始動直後などの内燃機関の温度が低いときを除いて、内燃機関の温度よりも低い。そのため、筒内噴射弁の周辺の温度は、内燃機関の各部の中でも温度が低い部分であると云える。請求項２に記載の内燃機関によれば、そうした筒内噴射弁の延設方向に沿って延びるように状態量センサが配設されるために、状態量センサの温度上昇を好適に抑制することができる。

なお、前記状態量センサとしては、内燃機関の気筒内部の圧力を検出するための圧力センサの他、内燃機関の気筒内部の温度を検出するための温度センサを採用することができる。
また、請求項３に記載の内燃機関は、状態量センサが取り付けられる取り付け孔をシリンダヘッドに備える。取り付け孔は気筒内へ開口するものであり、状態量センサの検出部は、取り付け孔の内部に収容される。こうした構成によれば、状態量センサの検出部が気筒内に露出しないため、状態量センサの温度上昇を好適に抑制することができる。

本発明を具体化した一実施の形態にかかる内燃機関の断面構造を示す断面図。 吸気ポート周辺におけるシリンダヘッドの断面構造を拡大して示す断面図。 シリンダブロック側から見たシリンダヘッドの平面構造を示す平面図。 筒内噴射弁と圧力センサとの位置関係を示す斜視図。

以下、本発明を具体化した一実施の形態にかかる内燃機関について説明する。
図１に示すように、内燃機関１０のシリンダブロック１１には、シリンダボア１２が形成されている。シリンダボア１２の内部には、ピストン１３が往復移動可能な状態で配設されている。内燃機関１０のシリンダヘッド１４には、吸気通路の一部を構成する吸気ポート１５と排気通路の一部を構成する排気ポート１６とが形成されている。内燃機関１０の内部には、シリンダボア１２の内壁面とピストン１３の頂面とシリンダヘッド１４の下面とによって燃焼室１７が区画形成されている。この内燃機関１０では、吸気ポート１５および燃焼室１７の間の連通と同連通の遮断とが吸気バルブ１８の作動を通じて切り換えられる。また、排気ポート１６および燃焼室１７の間の連通と同連通の遮断とは排気バルブ１９の作動を通じて切り換えられる。なお本実施の形態の内燃機関１０は、一つの気筒に対して吸気バルブ１８と排気バルブ１９とが共に二つずつ配設された４バルブ式の内燃機関である。

また内燃機関１０には、気筒（燃焼室１７）の内部に直接燃料を噴射する筒内噴射弁２０と、燃焼室１７の内部において燃料への点火を行うための点火プラグ２１と、気筒内部の圧力（筒内圧ＰＣ）を直接検出するための圧力センサ２２とが取り付けられている。

シリンダヘッド１４における吸気ポート１５の周辺や排気ポート１６の周辺、シリンダブロック１１におけるシリンダボア１２の周囲には、内部を冷却水が循環するウォータジャケット２３が形成されている。

本実施の形態では、圧力センサ２２などの各種センサの検出信号が電子制御装置２４に取り込まれている。この電子制御装置２４は、各種センサの検出信号をもとに各種の演算を行い、その演算結果に基づいて筒内噴射弁２０の駆動制御や点火プラグ２１の作動制御など、内燃機関１０の運転にかかる各種制御を実行する。

上記内燃機関１０では、圧力センサ２２が高温の燃焼ガスに晒されるために、同圧力センサ２２の温度が高くなり易い。そして圧力センサ２２が高温になると、熱による劣化が早期に進んで耐久性能の低下を招いたり、内部に設けられた検出素子の温度変化に伴って出力特性が変化して検出精度の低下を招いたりするなど、種々の不都合の発生を招くおそれがある。そのため本実施の形態では、圧力センサ２２の配設態様を工夫することにより、そうした不都合の発生を抑えるようにしている。

以下、圧力センサ２２の配設態様について詳しく説明する。
図２に、吸気ポート１５の周辺におけるシリンダヘッド１４の断面構造を示す。
図２に示すように、内燃機関１０のシリンダヘッド１４には、筒内噴射弁２０の取り付けに用いる取り付け孔２５と圧力センサ２２の取り付けに用いる取り付け孔２６とがそれぞれ、吸気ポート１５に沿って延びる形状で形成されている。各取り付け孔２５，２６は、吸気ポート１５よりシリンダブロック１１側の部分においてシリンダヘッド１４の側面（図２中における左側の壁面）から同シリンダヘッド１４の下面（詳しくは、燃焼室１７の頂面にあたる部分）まで延びる形状に形成されている。

図３に、シリンダブロック１１側から見たシリンダヘッド１４の平面構造を示す。
図３に示すように、各取り付け孔２５，２６は、その燃焼室１７側の端部が同燃焼室１７の頂面にあたる部分（詳しくは、シリンダヘッド１４の下面）における吸気バルブ１８よりシリンダボア１２壁面側の部分であり、且つ二つの吸気バルブ１８とシリンダボア１２壁面とによって周囲を取り囲まれた囲繞部分（図３中に範囲Ａで部分）において開口する形状で延設されている。

そして図２に示すように、筒内噴射弁２０は取り付け孔２５に挿入および固定されることによって内燃機関１０に取り付けられる。また、圧力センサ２２は取り付け孔２６に挿入および固定されることによって内燃機関１０に取り付けられる。筒内噴射弁２０および圧力センサ２２は、筒内噴射弁２０の噴射孔２０Ａと圧力センサ２２の検出部２２Ａとが燃焼室１７内部の燃焼ガスに晒されるように取り付けられる。圧力センサ２２は、上記燃焼室１７側の先端に圧力を検出するための検出部２２Ａが設けられており、この検出部２２Ａが取り付け孔２６の内部に収容されて燃焼室１７に露出しないように配設されている。これにより本実施の形態では、取り付け孔２６の上記燃焼室１７側の開口（連通部）から同取り付け孔２６内部に燃焼室１７内の圧力が導入されるとともに、その導入された圧力が取り付け孔２６内に収容された圧力センサ２２により前記筒内圧ＰＣとして検出される構造になっている。

以下、このように圧力センサ２２を配設することによる作用について説明する。
図４に、筒内噴射弁２０と圧力センサ２２との位置関係を示す。
図４に示すように、本実施の形態では、筒内噴射弁２０の噴射孔２０Ａと圧力センサ２２の検出部２２Ａとが比較的近い位置になるように筒内噴射弁２０および圧力センサ２２が配置されている。そのため、筒内噴射弁２０から噴射された燃料の霧化による気化潜熱によって圧力センサ２２の温度上昇を抑制することができる。

また図１〜図３から明らかなように、内燃機関１０では、圧力センサ２２が、シリンダヘッド１４における二つの吸気バルブ１８に挟まれた部分、言い換えれば排気側の部分と比較して温度が低い吸気側の部分に配設される。

さらに内燃機関１０では、圧力センサ２２が、吸気ポート１５に沿って延びるように配設される。内燃機関１０では、吸気ポート１５の内部を吸入空気が通過するために、同吸気ポート１５の周辺部分の温度が機関各部の温度の中でも低いと云える。また内燃機関１０では、その吸気ポート１５の周辺にウォータジャケット２３が形成されているために、吸気ポートの周辺にウォータジャケットが形成されない内燃機関と比較して、吸気側の部分における吸気ポート１５周辺の温度が低くなり易い。上記内燃機関１０では、圧力センサ２２が、そうした吸気ポート１５周辺の比較的温度が低い部分に配設される。

また図４に示すように、内燃機関１０では圧力センサ２２が筒内噴射弁２０の延設方向に沿って延びるように配設されている。筒内噴射弁２０に供給される燃料の温度は、通常、始動直後などの内燃機関１０の温度が低いときを除き、内燃機関１０の温度よりも低い。そのため、筒内噴射弁２０の周辺の温度は、内燃機関１０の各部の温度の中でも低くなり易い部分であると云える。上記内燃機関１０では圧力センサ２２が、そうした筒内噴射弁２０周辺の温度が低くなり易い部分に配設される。

このように上記内燃機関１０では、上述した噴射燃料の気化潜熱によって圧力センサ２２の温度上昇が抑制されることに加えて、気筒周辺において温度が低くなり易い部分に圧力センサ２２を設けることによっても圧力センサ２２の温度上昇が抑制されるようになる。そして、これにより圧力センサ２２が高温になることによる耐久性能の低下や検出精度の低下を好適に抑えることができるようになる。

図２または図４に示すように、上記内燃機関１０では、筒内噴射弁２０と圧力センサ２２とがそれぞれ、筒内噴射弁２０の噴射孔２０Ａから噴射された燃料が圧力センサ２２の検出部２２Ａ（詳しくは、取り付け孔２６の燃焼室１７側の連通部）に直接当たらない配設態様で取り付けられる。なお図２中や図３中に一点鎖線で示す範囲は、筒内噴射弁２０から噴射された燃料が直接当たるようになる範囲を示している。このようにして筒内噴射弁２０と圧力センサ２２とを設けることにより、取り付け孔２６の上記燃焼室１７側の連通部への燃料付着が抑えられるようになる。

ここで、デポジットの付着によって取り付け孔２６の連通部が狭くなると、次のような不都合が発生するおそれがある。すなわち、取り付け孔２６の連通部が狭くなった分だけ燃焼室１７内の圧力が取り付け孔２５内に導入され難くなるために、燃焼室１７内における圧力の変動態様と取り付け孔２５内（詳しくは、圧力センサ２２の検出部２２Ａ周辺）における圧力の変動態様とのずれが大きくなって、圧力センサ２２による筒内圧ＰＣの検出誤差が大きくなるおそれがある。また、取り付け孔２５の内部において共鳴現象が発生することによって、圧力センサ２２による筒内圧ＰＣの検出誤差が大きくなるおそれもある。

この点、本実施の形態では、取り付け孔２５の上記燃焼室１７側の連通部に対する未燃燃料に由来するデポジットの堆積が抑えられるために、デポジットの堆積に起因する圧力センサ２２の性能低下を抑えることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）筒内噴射弁２０の噴射孔２０Ａおよび圧力センサ２２の検出部２２Ａを、気筒内壁における吸気バルブ１８よりシリンダボア１２壁面側の部分であって、且つ二つの吸気バルブ１８とシリンダボア１２壁面とによって周囲を取り囲まれた囲繞部分に取り付けた。また筒内噴射弁２０および圧力センサ２２を、筒内噴射弁２０から噴射された燃料が圧力センサ２２の検出部２２Ａに直接当たらない配設態様で取り付けた。そのため、圧力センサ２２の耐久性能の低下や検出精度の向上を図ることができるようになる。

（２）二つの吸気バルブ１８とシリンダボア１２壁面とによって周囲を取り囲まれた囲繞部分に筒内噴射弁２０の噴射孔２０Ａと圧力センサ２２の検出部２２Ａとを取り付けるようにした。そのため、二つの吸気バルブ１８に挟まれた部分、言い換えれば内燃機関１０における排気側の部分と比較して温度が低い吸気側の部分に圧力センサ２２を配設することができ、圧力センサ２２の温度上昇を好適に抑制することができる。

（３）圧力センサ２２を吸気ポート１５に沿って延びるように配設した。そのため圧力センサ２２を吸気ポート１５周辺の比較的温度が低い部分に配設することができ、圧力センサ２２の温度上昇を好適に抑制することができる。

（４）吸気ポート１５の周辺にウォータジャケット２３が形成されているために吸気側の部分の温度が低くなり易い内燃機関１０において、圧力センサ２２を、そうした吸気ポート１５周辺の比較的温度が低い部分に配設することができる。そのため、圧力センサ２２の温度上昇を好適に抑制することができる。

（５）圧力センサ２２を筒内噴射弁２０の延設方向に沿って延びるように配設したために、圧力センサ２２を、筒内噴射弁２０周辺の温度が低くなり易い部分に配設することができる。そのため、圧力センサ２２の温度上昇を好適に抑制することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記実施の形態では、圧力センサ２２を吸気ポート１５に沿って延びるように配設したが、圧力センサ２２を吸気ポート１５に沿う方向以外の方向に延びるように配設してもよい。

・上記実施の形態は、吸気ポート１５の周辺にウォータジャケットが形成されていない内燃機関にも適用することができる。
・上記実施の形態では、圧力センサ２２を筒内噴射弁２０の延設方向に沿って延びるように配設したが、これに限らず、例えば筒内噴射弁２０および圧力センサ２２を吸気ポート１５を間に挟む位置にそれぞれ配設するなど、筒内噴射弁２０および圧力センサ２２の配設態様は適宜変更することができる。

・上記実施の形態では、燃焼室１７の頂面にあたる部分における吸気バルブ１８よりシリンダボア１２壁面側の部分であり、且つ二つの吸気バルブ１８とシリンダボア１２壁面とによって周囲を取り囲まれた囲繞部分（図３中に範囲Ａで示す部分）において各取り付け孔２５，２６の燃焼室１７側の端部が開口する構造になっている。これに限らず、以下の［構造１］や［構造２］になるように各取り付け孔を形成するようにしてもよい。
［構造１］燃焼室１７の頂面にあたる部分における吸気バルブ１８や排気バルブ１９よりシリンダボア１２壁面側の部分であり、且つ吸気バルブ１８と排気バルブ１９とシリンダボア１２壁面とによって周囲を取り囲まれた二つの囲繞部分のうちの同一の囲繞部分（図３中に範囲Ｂまたは範囲Ｃで示す部分）において各取り付け孔の燃焼室１７側の端部が開口する。
［構造２］燃焼室１７の頂面にあたる部分における排気バルブ１９よりシリンダボア１２壁面側の部分であり、且つ二つの排気バルブ１９とシリンダボア１２壁面とによって周囲を取り囲まれた囲繞部分（図３中に範囲Ｄで示す部分）において各取り付け孔の燃焼室１７側の端部が開口する。

・本発明は、４バルブ式の内燃機関に限らず、２バルブ式の内燃機関や３バルブ式の内燃機関、５つ以上の機関バルブを備えた内燃機関にも適用することができる。こうした内燃機関においては、次の［要件１］および［要件２］を共に満たすように、筒内噴射弁および状態量センサを取り付ければよい。［要件１］気筒内壁における機関バルブよりシリンダボア壁面側の部分であって、且つ隣り合う二つの機関バルブとシリンダボア壁面とによって周囲を取り囲まれた複数の囲繞部分のうちの同一の囲繞部分において、筒内噴射弁の噴射孔と状態量センサの検出部とが気筒内部の燃焼ガスに晒される。［要件２］筒内噴射弁から噴射された燃料が状態量センサの検出部に直接当たらない。

・本発明は、気筒内部の圧力を直接検出するための圧力センサが設けられた内燃機関に限らず、気筒内部における燃料の燃焼に関する状態量を気筒内部において直接検出するための状態量センサが設けられた内燃機関であれば、適用することができる。圧力センサ以外の状態量センサとしては、例えば気筒内部の温度を検出するための温度センサや、気筒内部のガスの空燃比を検出するための空燃比センサを挙げることができる。

・本発明は、点火プラグを備えた火花点火式の内燃機関に限らず、ディーゼル機関などの圧縮着火式の内燃機関にも適用することができる。

１０…内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…シリンダボア、１３…ピストン、１４…シリンダヘッド、１５…吸気ポート、１６…排気ポート、１７…燃焼室、１８…吸気バルブ、１９…排気バルブ、２０…筒内噴射弁、２０Ａ…噴射孔、２１…点火プラグ、２２…圧力センサ、２２Ａ…検出部、２３…ウォータジャケット、２４…電子制御装置、２５，２６…取り付け孔。

Claims (3)

1. 気筒内部に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と前記気筒内部における燃料の燃焼に関する状態量を直接検出するための状態量センサとを備えた内燃機関において、
   前記筒内噴射弁および前記状態量センサは、
   前記気筒の内壁における機関バルブよりシリンダボア壁面側の部分であって、且つ隣り合う二つの機関バルブと前記シリンダボア壁面とによって周囲を取り囲まれた複数の囲繞部分のうちの同一の囲繞部分に、前記筒内噴射弁の噴射孔と前記状態量センサの検出部とが取り付けられてなり、
   前記筒内噴射弁から噴射された燃料が前記状態量センサの検出部に直接当たらない配設態様で取り付けられるものであり、
   当該内燃機関は、複数の吸気バルブを有してなり、吸気ポートの周辺にはウォータジャケットが形成され、
   前記二つの機関バルブは、共に前記吸気バルブであり、
   前記状態量センサは、前記気筒内部の圧力を検出するための圧力センサであって、前記内燃機関の吸気ポートに沿って延びるように配設されてなる
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記状態量センサは、前記筒内噴射弁の延設方向に沿って延びるように配設されてなる
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関において、
   前記状態量センサが取り付けられるものであり、前記気筒内へ開口する取り付け孔をシリンダヘッドに備え、
   前記状態量センサの検出部は、前記取り付け孔の内部に収容される
   ことを特徴とする内燃機関。

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