JP6439431B2 - 内燃機関の吸気ポート断熱構造 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の吸気ポート構造に関し、より詳細にはポート噴射式の内燃機関の吸気ポート断熱構造に関する。

近年、燃費向上の観点から熱効率を高めた高圧縮比の内燃機関が求められている。
高圧縮比の内燃機関は、低圧縮比の機関に比べてノッキングしやすくなり、点火時期をリタード（遅角）する必要がある。
その結果、燃費の向上効果が低減してしまうことから、吸気温度ひいては混合気温度の上昇を抑制することが必要となる。
ところで、吸気は、インテークマニホールドの吸気通路と、シリンダヘッドに設けられる吸気ポートを介して燃焼室に吸引される。
インテークマニホールドおよびシリンダヘッドが燃焼室から伝わる熱によって加熱されているため、吸気は、インテークマニホールドの吸気通路やシリンダヘッドの吸気ポートの壁面から受熱することで温度上昇することが避けられない。
そこで、インテークマニホールドを断熱性の樹脂材料で構成し、インテークマニホールドの樹脂製の挿入部を吸気ポートに挿入したインテークマニホールドの取付構造が提案されている（特許文献１参照）。
この構造では、樹脂製の挿入部をシリンダヘッド内部の吸気ポートに接する部分まで挿入し樹脂性の挿入部の一部を吸気ポート内部に配置することで、吸気ポートの壁面のうちシリンダヘッドの壁面で構成される部分の面積を減らして、吸気の温度上昇の抑制を図っている。

特開２００７−２８５１７１号公報

ところで、インジェクタから吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関の場合、インジェクタから噴射された燃料は、吸気ポートの壁面を構成するシリンダヘッドの壁面および吸気バルブに当たって受熱することで気化が促進される。
内燃機関の高速回転域において、吸気速度が速くなると、インジェクタの噴口から噴射された燃料は、噴口よりも下流側に位置する吸気ポートの壁面のうち噴口が位置する側の吸気ポートの壁面に付着して受熱することで気化が促進される。
しかしながら、上記従来技術の場合、噴口が位置する側の吸気ポートの壁面が全て樹脂製の挿入部により形成されているため、燃料の気化が抑制され、高速回転域における燃焼効率が低下し、燃費の向上を図る上で不利となる。
また、内燃機関の低速回転域において、インジェクタの噴口から噴射された燃料は、噴口よりも下流側に位置する吸気ポートの壁面のうち噴口と対向する側の吸気ポートの壁面に付着して受熱することで気化が促進される。
しかしながら、上記従来技術の場合、噴口と対向する側の吸気ポートの壁面が全て樹脂製の挿入部により形成されているため、燃料の気化が抑制され、低速回転域における燃焼効率が低下し、燃費の向上を図る上で不利となる懸念がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、吸気温度の上昇を抑制しつつ、燃料の気化を促進することにより燃費の向上を図る上で有利な内燃機関の吸気ポート断熱構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリンダヘッドよりも熱伝導率の低い材料で形成され前記シリンダヘッドに連結される複数の吸気管部を有するインテークマニホールドと、前記シリンダヘッドの複数の吸気ポートに燃料を供給する複数のインジェクタとを備える内燃機関であって、前記シリンダヘッドに連結される前記複数の吸気管部の下流側の端部に、前記シリンダヘッドに組み込まれて前記吸気ポートの上流端の壁面を構成する吸気ポート形成壁部が前記インテークマニホールドの熱伝導率以下の熱伝導率を有する材料でそれぞれ設けられ、前記吸気ポート形成壁部は、前記インジェクタの噴口よりも前記吸気ポートの上流側の壁面の全周を形成する筒状壁部と、前記インジェクタの噴口と対向する前記筒状壁部の箇所から前記吸気ポートの下流側に向かって突出し前記インジェクタの噴口と対向する箇所の前記吸気ポートの壁面の一部を構成する突出壁部とを備え、前記インジェクタの噴口よりも前記吸気ポートの下流側で前記インジェクタの噴口が設けられた側の前記吸気ポートの壁面および前記インジェクタの噴口と対向する方向と直交する方向の前記吸気ポートの壁面はシリンダヘッドで形成されていることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記突出壁部が前記インジェクタから噴射される燃料が付着されない前記吸気ポートの下流の箇所まで延設されることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記複数の吸気管部の各吸気ポート形成壁部に、各吸気ポート形成壁部を連結すると共に前記複数の吸気管部をシリンダヘッドに取り付けるための連結壁部が一体に設けられていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、突出壁部が設けられることで、インジェクタから噴射される燃料が付着する吸気ポートの壁面がシリンダヘッドで形成されている。したがって、内燃機関の低速回転域において、吸気ポートの壁面に付着した燃料の気化が効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上でも有利となる。また、シリンダヘッドよりも熱伝導率の低い突出壁部によりシリンダヘッドの熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上で有利となる。
また、筒状壁部が設けられることで、吸気ポートを流れる吸気によりインジェクタの噴口から噴射される燃料が付着する範囲の吸気ポートの壁面がシリンダヘッドで形成されることになる。したがって、内燃機関の高速回転域において、吸気ポートの壁面に付着した燃料の気化が高温なシリンダヘッドの壁面で効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上で有利となる。また、シリンダヘッドよりも熱伝導率の低い筒状壁部によりシリンダヘッドの熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上で有利となる。
したがって、内燃機関の高速回転域から低速回転域にわたって、吸気の温度上昇を抑制しつつ燃焼効率を向上できるので、内燃機関の燃費の向上を図る上で有利となる。
請求項２記載の発明によれば、インジェクタから噴射される燃料が付着する吸気ポートの壁面がシリンダヘッドで形成されるので、エンジンの低速回転域において、吸気ポートの壁面に付着した燃料の気化が効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上でより有利となる。
請求項３記載の発明によれば、複数の吸気管部をシリンダヘッドにガタツキなく連結する上で有利となる。

実施の形態に係る内燃機関の吸気ポート断熱構造を示す断面図である。 インテークマニホールドの複数の吸気管部および吸気ポート形成壁部を示す斜視図である。 図２のＡ矢視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、内燃機関の全体構成について説明する。
図１に示すように、内燃機関（以下エンジンという）１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４の上部に配置されたシリンダヘッド１６と、シリンダ１２に配設されたピストン１８とを含んで構成されている。
シリンダヘッド１６の両側にはインテークマニホールド２０（吸気管）とエキゾーストマニホールド２２（排気管）が連結されている。インテークマニホールド２０は複数の吸気管部４４（図２参照）を有し、エキゾーストマニホールド２２は複数の排気管部４５を有している。
燃焼室２４は複数設けられ、各燃焼室２４は、それぞれシリンダ１２の内面とシリンダヘッド１６の下面とピストン１８の頂面とによって構成され、シリンダヘッド１６には燃焼室２４に位置するように点火プラグ２６が設けられている。
ピストン１８はコネクティングロッド２８を介して不図示のクランクシャフトに連結され、図中符号１８０２、１８０４は圧力リング、符号１８０６はオイルリングを示している。

シリンダヘッド１６には、各燃焼室２４に吸気を供給する複数の吸気ポート３０と、各燃焼室２４内の排気を排出する複数の排気ポート３２とがそれぞれ設けられている。
各吸気ポート３０には、インテークマニホールド２０の吸気管部４４がそれぞれ接続され、排気ポート３２には、各エキゾーストマニホールド２２の排気管部４５がそれぞれ接続されている。
そして、吸気通路２００２は、インテークマニホールド２０、吸気ポート３０を含んで構成され、排気通路２２０２は、排気ポート３２、エキゾーストマニホールド２２を含んで構成されている。
また、吸気ポート３０に吸気バルブ３４が設けられ、シリンダヘッド１６に形成された排気ポート３２に排気バルブ３６が設けられ、それら吸気バルブ３４、排気バルブ３６はバルブスプリング３８、４０により閉止方向に付勢されている。吸気バルブ３４、排気バルブ３６は不図示の吸排気カムにより駆動され、吸気ポート３０、排気ポート３２を開閉する。
なお、図中符号３７はバルブシートを示す。

本実施の形態では、エンジン１０は、インジェクタ４２から吸気ポート３０内に燃料を噴射（噴霧）するポート噴射式エンジンである。
ポート噴射式エンジンでは、インテークマニホールド２０の吸気通路２００２から吸気ポート３０内に吸入された吸入空気とインジェクタ４２の噴口４２０８から噴射された燃料とが吸気ポート３０内で混合されて混合気となり、燃焼室２４に供給される。
そして、クランクシャフトが回転することにより、吸気カム、排気カムを介して吸気バルブ３４、排気バルブ３６が開閉され、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が実行され、主として、排気・吸気行程中に、噴口４２０８から燃料が吸気ポート３０内に噴射される。
インジェクタ４２は、後述するようにインテークマニホールド２０の吸気ポート形成壁部４６に設けられたインジェクタ収容部５６に収容保持されている。
インジェクタ４２は、不図示のポンプからフュエルレール５４を介して供給された燃料を噴射するものである。
インジェクタ４２は、ハウジング４２０２と、ポート部（チューブ部）４２０４と、ノズル部４２０６と、ノズル部４２０６に組み込まれた不図示のニードル弁および不図示のアクチュエータとを含んで構成されている。
ポート部４２０４は、ハウジング４２０２の基部に設けられフュエルレール５４と接続される箇所である。
ノズル部４２０６は、ハウジング４２０２のポート部４２０４と反対側に接続され吸気ポート３０内に噴口４２０８を向けている。
前記ニードル弁は、噴口４２０８を開閉するものである。
前記アクチュエータは、コイルを有しコイルに流れる駆動電流によってニードル弁を駆動して噴口４２０８を開閉させるものである。

本実施の形態において、複数の吸気管部４４を有するインテークマニホールド２０は、シリンダヘッド１６よりも熱伝導率の低い材料で構成されている。このような材料として、合成樹脂など従来公知の様々な材料が使用可能である。
図１〜図３に示すように、シリンダヘッド１６に連結される複数の吸気管部４４の下流側の端部にそれぞれ、シリンダヘッド１６の凹部１７に組み込まれて吸気ポート３０の上流端の壁面を構成する吸気ポート形成壁部４６が一体に設けられている。
また、複数の吸気管部４４の端部の吸気ポート形成壁部４６に、それら吸気ポート形成壁部４６を連結する連結壁部４８が一体に設けられている。
なお、吸気ポート形成壁部４６は吸気管部４４と別体に設けても良いが、この場合には、シリンダヘッド１６の熱の吸気への伝達を抑制し吸気の温度上昇を抑制を図る観点から、インテークマニホールド２０の熱伝導率以下の熱伝導率を有する材料で形成することが好ましく、実施の形態のように吸気ポート形成壁部４６を吸気管部４４に一体に形成すると部品点数を削減する上で有利となる。

吸気ポート形成壁部４６は、筒状壁部５０と、突出壁部５２とを備え、筒状壁部５０の端部の傾斜面５００２と、凹部１７の角部１７０２との間にＯリング５１が配設され、吸気ポート形成壁部４６とシリンダヘッド１６との気密性が高められている。
筒状壁部５０は、インジェクタ４２の噴口４２０８よりも吸気ポート３０の上流側の壁面の全周を形成するものである。
突出壁部５２は、インジェクタ４２が配置された箇所と反対に位置する筒状壁部５０の箇所から、すなわちインジェクタ４２の噴口４２０８と対向する筒状壁部５０の箇所から、吸気ポート３０の下流側に向かって突出し吸気ポート３０の壁面の一部を構成するものである。
筒状壁部５０が設けられることで、吸気ポート３０を流れる吸気によりインジェクタ４２の噴口４２０８から噴射される燃料が付着する範囲の吸気ポート３０の壁面３００２がシリンダヘッド１６で形成されている。
また、突出壁部５２がインジェクタ４２から噴射される燃料が付着されない吸気ポート３０の下流の箇所まで延設されることで、インジェクタ４２から噴射される燃料が付着する吸気ポート３０の壁面３００４がシリンダヘッド１６で形成されている。

連結壁部４８は、インテークマニホールド側取り付け面４８０２と、インテークマニホールド側取り付け面４８０２に形成された複数のボルト挿通孔４８０４とを備えている。
インテークマニホールド側取り付け面４８０２は、インテークマニホールド２０のシリンダヘッド１６への取り付け時、吸気管部４４を取り付けるシリンダヘッド側取り付け面１６１０に合わせられる面である。
ボルト挿通孔４８０４は、インテークマニホールド側取り付け面４８０２とシリンダヘッド側取り付け面１６１０とを合わせた状態で不図示のボルトが挿通され、このボルトがシリンダヘッド１６の不図示の雌ねじに螺合される。
したがって、インテークマニホールド２０のシリンダヘッド１６への取り付けは、インテークマニホールド側取り付け面４８０２をシリンダヘッド側取り付け面１６１０に重ね合わせ、各ボルト挿通孔４８０４に挿通されたボルトがシリンダヘッド側取り付け面１６１０の雌ねじに締結されることでなされる。
このような複数の連結壁部４８にインテークマニホールド側取り付け面４８０２を設けることで、シリンダヘッド１６に複数の吸気管部４４を取り付けるための大きな取り付け面を確保でき、複数の吸気管部４４をシリンダヘッド１６にガタツキなく連結する上で有利となる。

また、吸気ポート形成壁部４６に、インジェクタ４２のハウジング４２０２およびノズル部４２０６を収容するインジェクタ収容部５６が一体に形成されている。
図１に示すように、インジェクタ収容部５６は、第１の孔部５６０２と第２の孔部５６０４とを備えている。
第１の孔部５６０２は、ハウジング４２０２を収容する箇所であり、第２の孔部５６０４は、ノズル部４２０６を収容する箇所である。
第２の孔部５６０４は、第１の孔部５６０２と同軸上で第１の孔部５６０２よりも内径が小さい寸法で形成されている。
インジェクタ４２は、ハウジング４２０２が第１の孔部５６０２に収容され、ノズル部４２０６がシール部材であるＯリング４２１０を介して第２の孔部５６０４に収容され、噴口４２０８を吸気ポート３０に露出させた状態で配設されている。
インジェクタ４２は、ポート部４２０４がフュエルレール５４に接続されており、フュエルレール５４は、該フュエルレール５４から突出された突出片５４０２が、シリンダヘッド１６から突設された取り付け部１６０２にねじ５８を介して取着されている。
これにより、インジェクタ４２は、フュエルレール５４をシリンダヘッド１６に取り付けるねじ５８の軸力によってインジェクタ収容部５６に押し付けられ、インジェクタ収容部５６に収容された状態が保持されている。
なお、突出片５４０２の取り付け箇所はシリンダヘッド１６に限定されず、例えば、インテークマニホールド２０であってもよい。

このように、インジェクタ４２が、シリンダヘッド１６よりも熱伝導率が低いインジェクタ収容部５６に収容されて配設されるため、ハウジング４２０２およびノズル部４２０６がインジェクタ収容部５６によって覆われることでハウジング４２０２およびノズル部４２０６が燃焼室２４からの熱に対して断熱される。
そのため、インジェクタ４２の噴口４２０８を燃焼室２４に近接させて配置してもインジェクタ４２が燃焼室２４からの熱にさらされ難くなり、インジェクタ４２のアクチュエータのコイル温度が上昇してインジェクタ４２の動作が影響を受けることを抑制できる。
すなわち、燃費の抑制を図る観点から、インジェクタ４２から吸気ポート３０内に噴射される燃料を効率よく燃焼室２４に導入することが必要であり、そのため、インジェクタ４２の噴口４２０８を燃焼室２４に近接させるようにインジェクタ４２を配置することが望ましい。
しかしながら、インジェクタ４２を燃焼室２４に近接させると、インジェクタ４２が燃焼室２４からの熱にさらされやすくなり、インジェクタ２４のニードル弁を駆動するアクチュエータのコイル温度が上昇することからインジェクタ４２の動作が影響を受けることが懸念される。
本実施の形態では、上述したように、インジェクタ４２がインジェクタ収容部５６によって断熱されるため、インジェクタ４２の円滑な燃料噴射動作を確保しつつ燃費の向上を図る上で有利となる。
したがって、インジェクタ４２の円滑な燃料噴射動作を確保しつつ燃費の向上を図る上で有利となる。

本実施の形態によれば、突出壁部５２がインジェクタ４２から噴射される燃料が付着されない吸気ポート３０の下流の箇所まで延設されることで、インジェクタ４２から噴射される燃料が付着する吸気ポート３０の壁面３００４がシリンダヘッド１６で形成されている。
したがって、エンジン１０の低速回転域では、噴口４２０８から噴射された燃料は、その大半が噴口４２０８に対向する側で燃焼室２４寄りの吸気ポート３０のシリンダヘッド１６の壁面３００４および吸気バルブ３４に付着する。
そのため、エンジン１０の低速回転域において、吸気ポート３０の壁面に付着した燃料の気化が効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上で有利となる。
また、シリンダヘッド１６よりも熱伝導率の低い突出壁部５２によりシリンダヘッド１６の熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上でより有利となる。
したがって、エンジン１０の低速回転域において、吸気の温度上昇を抑制しつつ燃焼効率を向上できるので、エンジン１０の燃費の向上を図る上で有利となる。

また、本実施の形態によれば、インジェクタ４２の噴口４２０８よりも吸気ポート３０の上流側の壁面の全周を形成する筒状壁部５０が設けられることで、吸気ポート３０を流れる吸気によりインジェクタ４２の噴口４２０８から噴射される燃料が付着する範囲の吸気ポート３０の壁面３００２がシリンダヘッド１６で形成されている。
したがって、エンジン１０の高速回転域において吸気ポート３０を流れる吸気速度が速くなると、噴口４２０８から噴射された燃料の大半は、噴口４２０８が位置する側で吸気ポート３０の延在方向に沿って延在するシリンダヘッド１６の壁面３００２の箇所に付着する。
そのため、エンジン１０の高速回転域において、吸気ポート３０の壁面に付着した燃料の気化が高温なシリンダヘッド１６の壁面３００２で効率よくなされ、燃料の燃焼効率の向上を図る上で有利となる。
また、シリンダヘッド１６よりも熱伝導率の低い筒状壁部５０によりシリンダヘッド１６の熱の吸気への伝達が抑制され、吸気の温度上昇を抑制する上で有利となる。
したがって、エンジン１０の高速回転域において、吸気の温度上昇を抑制しつつ燃焼効率を向上できるので、エンジン１０の燃費の向上を図る上で有利となる。

１０ エンジン（内燃機関）
１４ シリンダブロック
１６ シリンダヘッド
２０ インテークマニホールド
３０ 吸気ポート
３００２ ポート壁面上部
３００４ ポート壁面下部
４２ インジェクタ
４２０８ 噴口
４４ 吸気管部
４６ 吸気ポート形成壁部
４８ 連結壁部
５０ 筒状壁部
５２ 突出壁部

Claims (3)

1. シリンダヘッドよりも熱伝導率の低い材料で形成され前記シリンダヘッドに連結される複数の吸気管部を有するインテークマニホールドと、
   前記シリンダヘッドの複数の吸気ポートに燃料を供給する複数のインジェクタとを備える内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドに連結される前記複数の吸気管部の下流側の端部に、前記シリンダヘッドに組み込まれて前記吸気ポートの上流端の壁面を構成する吸気ポート形成壁部が前記インテークマニホールドの熱伝導率以下の熱伝導率を有する材料でそれぞれ設けられ、
   前記吸気ポート形成壁部は、前記インジェクタの噴口よりも前記吸気ポートの上流側の壁面の全周を形成する筒状壁部と、前記インジェクタの噴口と対向する前記筒状壁部の箇所から前記吸気ポートの下流側に向かって突出し前記インジェクタの噴口と対向する箇所の前記吸気ポートの壁面の一部を構成する突出壁部とを備え、
   前記インジェクタの噴口よりも前記吸気ポートの下流側で前記インジェクタの噴口が設けられた側の前記吸気ポートの壁面および前記インジェクタの噴口と対向する方向と直交する方向の前記吸気ポートの壁面はシリンダヘッドで形成されている、
   ことを特徴とする内燃機関の吸気ポート断熱構造。
2. 前記突出壁部が前記インジェクタから噴射される燃料が付着されない前記吸気ポートの下流の箇所まで延設される
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸気ポート断熱構造。
3. 前記複数の吸気管部の各吸気ポート形成壁部に、各吸気ポート形成壁部を連結すると共に前記複数の吸気管部をシリンダヘッドに取り付けるための連結壁部が一体に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の吸気ポート断熱構造。

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