JP6225925B2

JP6225925B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP6225925B2
Application number: JP2015014542A
Authority: JP
Inventors: 真吾前田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2035-01-28
Also published as: JP2016138522A

Description

この発明は内燃機関に関し、より詳細には、グロープラグ一体型の筒内圧センサを備える圧縮着火方式の内燃機関に関する。

従来、グロープラグ一体型の筒内圧センサを圧縮着火方式の内燃機関に装着する場合、その装着孔と、筒内圧センサの受圧部に荷重を伝えるヒータロッドとの間にデポジットが付着堆積し、ヒータロッドの摺動抵抗が生じて筒内圧センサの検出精度が低下するという問題が知られている。この問題に関し、例えば特開２００９−２０３９３９号公報には、ヒータロッドの基端部の表面に白金等の触媒層を形成したグロープラグ一体型の筒内圧センサが開示されている。

デポジットは６００度以上の高温域で酸化することから、ヒータロッドへの通電時には付着堆積したデポジットを加熱除去できる。しかし、発熱体の内蔵位置が先端部となるヒータロッドの構造が故に、ヒータロッドの基端部はヒータロッドへの通電時でも高温化し難く、付着堆積したデポジットを加熱除去することが難しい。この点、基端部の表面に触媒層を形成することで、３００度程度の低温域でも進行するデポジットの酸化反応を促進できるので、基端部の周囲にデポジットが付着堆積するのを抑制できる。

特開２００９−２０３９３９号公報特開２０１３−２５３５５３号公報実開平６−２２９４５号公報特開２００１−１２３９３０号公報

しかし、上述した触媒層を基端部に形成する構成の場合、一旦触媒層の表面にデポジットが付着堆積すると、その表面では上述した酸化反応が起こり難くなり、残りの表面も次々とデポジットで覆われてしまう可能性がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、筒内圧センサの受圧部に荷重を伝えるヒータロッドの基端部の周囲にデポジットが付着堆積するのを抑制することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、
少なくともシリンダヘッドの下面とキャビティおよびリップを備えるピストンの冠面とにより構成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに形成されたグローホールに装着され前記燃焼室内の圧力を受ける筒内圧センサの受圧部に荷重を伝えるヒータロッドを備えるグロープラグ一体型の筒内圧センサと、を備える内燃機関であって、
前記シリンダヘッドには、前記グローホールと前記燃焼室の両方に連通して前記ヒータロッドの先端側を前記燃焼室側に露出させる連通孔が形成され、
前記ピストンが上死点に位置する時に前記グローホールと前記ピストンの両中心軸を通る平面で前記燃焼室を切断した際の切断面において、前記連通孔の外形線が前記シリンダヘッドの内部に窪んだ弧状曲線によって画成され、
前記弧状曲線上の点が、
前記キャビティのセンターコーン部とボール部の境界点を通る前記ボール部の接線が前記下面と交わる点に相当する第１の点と、
前記ピストンの中心軸からの距離が最も短い前記リップ上の点を通り前記ピストンの中心軸に平行な直線が前記下面と交わる点と、前記ヒータロッドを囲む前記グローホールの外周によって描かれる２本の直線のうち前記ピストン側に位置する直線と前記下面の延長線とが交わる点との間に位置する第２の点と、
前記ヒータロッド上の点であって前記ヒータロッドへの通電時に所定のデポジット分解温度となる点に相当する第３の点と、
を含むことを特徴とする。

燃焼室で生じた燃焼ガスの一部がグローホールとヒータロッドの間に入り込むことが原因で、ヒータロッドの基端部の周囲にデポジットが付着堆積する。この点、本発明によれば、第１の点および第２の点を含む弧状曲線によってその外形線が画成される連通孔が形成されているので、燃焼室で生じてピストン冠面側からシリンダヘッド下面側に向かう燃焼ガスをこの外形線に沿って誘導し、再びピストン冠面側に向かわせることができる。よって、燃焼ガスがグローホールとヒータロッドの間に入り込むのを抑制し、ヒータロッドの基端部の周囲にデポジットが付着堆積するのを抑制できる。

但し、連通孔に露出するヒータロッドの先端側の表面にデポジットが付着堆積することは避けられない。この点、本発明によれば、連通孔の外形線が第３の点を含むことで、この露出部分の表面に付着堆積したデポジットをヒータロッドへの通電時に加熱除去することが可能となる。

実施の形態の内燃機関のシリンダヘッドの下面を燃焼室側から見た模式図である。窪み２０の開口部の拡大図である。窪み２０近傍の燃焼室２２の断面模式図である。点Ｆを説明するための図である。燃焼室２２で生じた燃焼ガスの流れを説明するための図である。窪み２０の開口部形状の他の例を示す図である。グロー通電時のヒータロッド１８ｃの表面の温度勾配を説明するための図である。本実施の形態の内燃機関による効果を説明するための図である。比較用の内燃機関の燃焼室２２の断面模式図である。

本発明の実施の形態の内燃機関は、燃料としての軽油を圧縮状態にある燃焼室内にインジェクタから直接噴射することにより自然着火させる圧縮着火式のエンジン（具体的にはディーゼルエンジン）である。図１は、本実施の形態の内燃機関のシリンダヘッドの下面を燃焼室側から見た模式図である。なお、図１に示す「フロント側」および「リア側」は、内燃機関を車両に搭載した場合の当該車両の前方および後方を意味している。

図１に示すように、シリンダヘッド１０には、燃焼室（後述）に臨む吸気バルブ１２と排気バルブ１４が２つずつ設けられている。また、これらのバルブに挟まれる中央部には、インジェクタ１６が設けられている。また、インジェクタ１６の近傍には、ＣＰＳ１８が設けられている。ＣＰＳ１８は、燃焼室内の圧力変動に伴い変位するヒータロッド（後述）の変位量を受圧部（後述）で検出することで筒内圧センサとして機能し、ヒータロッドの先端部に内蔵された発熱体（図示しない）に通電（グロー通電）を行うことでグロープラグとして機能するグロープラグ一体型の筒内圧センサである。

ＣＰＳ１８はグローホール（後述）に装着されており、図１においては、このグローホールと燃焼室の両方に連通する窪み（連通孔）２０が示されている。図２は、窪み２０の開口部の拡大図である。図２に示すように、窪み２０の開口部の形状は略楕円形である。開口部の短軸の長さＬは、吸気バルブ１２のバルブシートと当該開口部の間の最小肉厚を確保できる長さとして、搭載エンジンごとに設定されている。

図３は、グローホールとピストンの両中心軸を通る平面で窪み２０近傍の燃焼室２２を切断した際の断面模式図であり、この図においてピストンは上死点に位置している。図３に示すように、窪み２０は燃焼室２２と連通している。燃焼室２２は、少なくともシリンダヘッド１０の下面とピストン２４の冠面とにより構成され、ピストン２４の冠面には、キャビティ２８とリップ３０とが形成されている。キャビティ２８は、インジェクタ１６からの燃料が噴き付けられて燃焼を開始する半球状のボール部２８ａと、ピストン２４の中心軸と同心の円錐台状に形成されたセンターコーン部２８ｂとを備えている。リップ３０は、キャビティ２８の入口の内径を絞るように形成されている。

また、窪み２０はグローホール２６とも連通している。グローホール２６は、ＣＰＳ１８のケーシング１８ａが収容される大径部２６ａと、ケーシング１８ａ内の受圧部１８ｂに荷重を伝えるヒータロッド１８ｃが収容される小径部２６ｂと、大径部２６ａと小径部２６ｂの境界を画成する段部２６ｃと、を備えている。大径部２６ａの開口端側にはケーシング１８ａをグローホール２６に対して固定するためのネジ部（図示しない）が形成されている。このネジ部を利用してケーシング１８ａを大径部２６ａにねじ込むことにより、段部２６ｃにケーシング１８ａの先端部が緊密に当接し、これにより小径部２６ｂ側が大径部２６ａに側に対してシールされた状態となっている。

また、図３に示す窪み２０の外形線ＯＬは、シリンダヘッド１０の内部に窪み、尚且つ、以下に説明する点Ａ，Ｂ，Ｃを通る弧状曲線として表される。
点Ａ：センターコーン部２８ｂとボール部２８ａの境界点Ｄを通るボール部２８ａの接線ｌ_１がシリンダヘッド１０の下面と交わる点（第１の点）
点Ｂ：ピストン２４の中心軸からの距離が最も短いリップ３０上の点Ｅを通りピストン２４の中心軸に平行な直線ｌ_２がシリンダヘッド１０の下面と交わる点Ｅ’と、小径部２６ｂの外周によって描かれる２本の直線の延長線うちのピストン２４側に位置する延長線ｌ_３とシリンダヘッド１０の下面の延長線ｌ_４とが交わる点Ｆ（換言すれば、図４に示す曲線Ｇ（小径部２６ｂを燃焼室２２側に延長した場合に小径部２６ｂの成す円筒形状がシリンダヘッド１０の下面との交点で形成する曲線）において、燃焼室２２の最も外側に位置する点）との間に位置する点（第２の点）
点Ｃ：グロー通電時に所定のデポジット分解温度（約４００度）となる点に相当する点（第３の点）

外形線ＯＬが点Ａ，Ｂを通ることによる効果について、図５を参照しながら説明する。図５は、燃焼室２２で生じた燃焼ガスの流れを説明するための図である。なお、図５においては図３同様、ピストン２４が上死点に位置しているものとする。図５に矢印で示すように、燃焼室２２で生じた燃焼ガスは、ボール部２８ａ，センターコーン部２８ｂに沿って流れてシリンダヘッド１０の下面に向かう。また、シリンダヘッド１０の下面に向かった燃焼ガスのうち窪み２０内に流入したものは、窪み２０の外形線ＯＬに沿って旋回し、グローホール２６を横切るように流れ、ピストン２４の冠面に向かう。従って、グローホール２６内への燃焼ガスの侵入を抑制することができ、小径部２６ｂとヒータロッド１８ｃの間、つまり、ヒータロッド１８ｃの基端部の周囲にデポジットが付着堆積するのを抑制できる。よって、ＣＰＳ１８の筒内圧センサとしての検出精度の低下を抑制できる。なお、点Ａ，Ｂを通る外形線ＯＬが形成されていれば上述した燃焼ガスの流れを起こすことが可能となるので、窪み２０の開口部の形状を図６に示す長方形とすることもできる。

また、外形線ＯＬが点Ｃを通ることによる効果について、図７を参照しながら説明する。図７は、グロー通電時のヒータロッド１８ｃの表面の温度勾配を説明するための図である。図７に示すように、グロー通電時のヒータロッド１８ｃの表面温度は、先端部側が高く受圧部１８ｂ側に向かうほど低くなる。この理由は、ヒータロッド１８ｃの先端部に発熱体が内蔵されているためである。ここで、燃焼ガスにはＨＣやスモークが含まれていることから、窪み２０に露出するヒータロッド１８ｃの表面にデポジットが付着堆積することは避けられないが、グロー通電時の発熱体は、上述した所定のデポジットの分解温度よりも遥かに高温化する。従って、点Ｃよりも先端側のヒータロッド１８ｃを窪み２０側に露出させておけば、この露出部分の表面に付着堆積したデポジットをグロー通電時に加熱除去することが可能となる。

図８は、本実施の形態の内燃機関による効果を説明するための図である。なお、図８において「本発明」として示したものが本実施の形態の内燃機関に相当し、「従来技術」として示したものが比較用の内燃機関（図９）に相当する。なお、図９に示すように、比較用の内燃機関は、シリンダヘッド３２に上述した窪み２０が形成されていない点においてのみ、本実施の形態の内燃機関と異なる。

図８の上方に示すように、比較用の内燃機関では、ＣＰＳ１８で検出される筒内圧の低下速度が大きくなり、筒内圧の低下率が高くなる。この理由は、図９に示すように、比較用の内燃機関では、小径部２６ｂとヒータロッド１８ｃの間に燃焼ガスが侵入してしまい、デポジットが付着堆積してしまうためである。筒内圧の低下速度が大きく、筒内圧の低下率が高くなれば、より早期にグロー通電を行う必要があり、尚且つ、グロー通電によるデポジットの加熱除去に長時間を要することになる。これに対し、本実施の形態の内燃機関によれば、小径部２６ｂとヒータロッド１８ｃの間にデポジットが付着堆積するのを抑制できるので、筒内圧の低下速度を小さくでき、また、筒内圧の低下率を低く留めることができる。従って、頻繁にグロー通電を行う必要がなくなり、尚且つ、グロー通電によるデポジットの加熱除去を短時間で完了できる。

また、図８の下方に示すように、比較用の内燃機関では、小径部２６ｂとヒータロッド１８ｃの間に付着堆積したデポジットを加熱除去するために、グロー通電を長時間行う必要があるので、グロー通電に伴う積算消費電力が多くなる。これに対し、本実施の形態の内燃機関によれば、ヒータロッド１８ｃの先端部の表面に付着堆積したデポジットだけを加熱除去すればよいので、グロー通電を短時間で完了でき、グロー通電に伴う積算消費電力を抑えることもできる。

１０，３２シリンダヘッド
１８ＣＰＳ
１８ａケーシング
１８ｂ受圧部
１８ｃヒータロッド
２０窪み
２２燃焼室
２４ピストン
２６グローホール
２６ａ大径部
２６ｂ小径部
２６ｃ段部
２８キャビティ
２８ａボール部
２８ｂセンターコーン部
３０リップ

Claims

少なくともシリンダヘッドの下面とキャビティおよびリップを備えるピストンの冠面とにより構成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに形成されたグローホールに装着され前記燃焼室内の圧力を受ける受圧部に荷重を伝えるヒータロッドを備えるグロープラグ一体型の筒内圧センサと、を備える内燃機関であって、
前記シリンダヘッドには、前記グローホールと前記燃焼室の両方に連通して前記ヒータロッドの先端側を前記燃焼室側に露出させる連通孔が形成され、
前記ピストンが上死点に位置する時に前記グローホールと前記ピストンの両中心軸を通る平面で前記燃焼室を切断した際の切断面において、前記連通孔の外形線が前記シリンダヘッドの内部に窪んだ弧状曲線によって画成され、
前記弧状曲線上の点が、
前記キャビティのセンターコーン部とボール部の境界点を通る前記ボール部の接線が前記下面と交わる点に相当する第１の点と、
前記ピストンの中心軸からの距離が最も短い前記リップ上の点を通り前記ピストンの中心軸に平行な直線が前記下面と交わる点と、前記ヒータロッドを囲む前記グローホールの外周によって描かれる２本の直線のうち前記ピストン側に位置する直線と前記下面の延長線とが交わる点との間に位置する第２の点と、
前記ヒータロッド上の点であって前記ヒータロッドへの通電時に所定のデポジット分解温度となる点に相当する第３の点と、
を含むことを特徴とする内燃機関。