JP7020227B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関するものである。

従来、例えば特開平６－２９９８５４号公報に開示されているように、燃焼室天井面の中央に直噴インジェクタおよび点火プラグを配置した内燃機関が知られている。

特開平６－２９９８５４号公報

燃焼を安定させるためには、点火プラグのプラグ先端と直噴インジェクタのノズル先端とを近づけることが好ましい。点火プラグのプラグ先端をなるべく燃焼室内に突き出すようにした場合には、突き出したプラグ先端周りにシリンダヘッド肉が盛られる。このような構造ではプラグ先端周りのシリンダヘッド肉が燃焼室内に出張ってしまう。この出張ったシリンダヘッド肉が、ヒートスポットの原因となる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、シリンダヘッドにヒートスポットが発生することを抑制するように改良された内燃機関を提供することを目的とする。

本発明にかかる内燃機関は、
シリンダが設けられたシリンダブロックに組み付けられ、前記シリンダと対向する部位に椀状に凹んだ燃焼室が設けられ、前記燃焼室の凹みの内面が燃焼室天井面となり、前記燃焼室天井面の中央領域に達するようにそれぞれ伸びるプラグ装着穴およびインジェクタ装着穴が設けられたシリンダヘッドと、
前記プラグ装着穴に挿入され、前記燃焼室天井面にプラグ先端が露出する点火プラグと、
前記インジェクタ装着穴に挿入され、前記燃焼室天井面にノズル先端が露出する直噴インジェクタと、
を備え、
前記プラグ先端と前記ノズル先端とが前記燃焼室天井面の中央領域に並べて配置され、
前記燃焼室天井面は、
前記プラグ装着穴の周囲の部分の面であるプラグ周縁面と、
前記インジェクタ装着穴の周囲の部分の面であるインジェクタノズル周縁面と、
前記プラグ周縁面および前記インジェクタノズル周縁面を囲むように前記燃焼室天井面の外周領域を構成する外周面と、
を含み、
前記プラグ周縁面は、前記プラグ装着穴の中心軸に対して垂直となるように設けられた面であり、
前記外周面は、
前記プラグ周縁面の隣に位置し前記プラグ周縁面および前記インジェクタノズル周縁面と直列に並ぶ排気ポート側外周面と、
前記インジェクタノズル周縁面の隣に位置し前記プラグ周縁面および前記インジェクタノズル周縁面と直列に並ぶ吸気ポート側外周面と、
を含み、
前記排気ポート側外周面および前記プラグ周縁面が連結された境界線と前記直噴インジェクタの前記ノズル先端の開口中心点とを含む仮想平面から、前記プラグ周縁面および前記点火プラグの先端が飛び出さないように、前記排気ポート側外周面、前記プラグ周縁面、前記インジェクタノズル周縁面、および前記吸気ポート側外周面が滑らかな凹状面を構成するように互いに連結されたものである。

プラグ先端周りのシリンダヘッド肉が燃焼室内に突き出ないようにすることで、シリンダヘッドにヒートスポットが発生することを抑制することができる。

実施の形態にかかる内燃機関の断面図である。 実施の形態にかかる内燃機関の斜視図である。 実施の形態にかかる内燃機関の拡大断面図である。 実施の形態にかかる内燃機関の拡大断面図である。 実施の形態にかかる内燃機関の効果を説明するための図である。 実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関の断面図である。 実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関の斜視図である。 実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関の拡大断面図である。 実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関の拡大断面図である。

図１は、実施の形態にかかる内燃機関１０の断面図である。図２は、実施の形態にかかる内燃機関１０の斜視図である。図２は、図１における燃焼室天井面２２を矢印Ｘ方向に見上げたときの構造を模式的に表したものである。図２のＡ－Ａ線に沿って内燃機関１０を切断したときの断面が、図１に相当している。内燃機関１０は、シリンダヘッド２０と、点火プラグ３０と、直噴インジェクタ４０と、を備えている。

シリンダヘッド２０は、シリンダが設けられたシリンダブロックに組み付けられる。シリンダヘッド２０におけるシリンダと対向する部位には、椀状に凹んだ燃焼室が設けられる。この燃焼室の凹みの内面が燃焼室天井面２２となる。シリンダヘッド２０には、燃焼室天井面２２の中央領域に達するようにそれぞれ伸びるプラグ装着穴２２ｄおよびインジェクタ装着穴２２ｅが設けられている。

点火プラグ３０はプラグ装着穴２２ｄに挿入される。燃焼室天井面２２に、点火プラグ３０のプラグ先端部３２が露出する。直噴インジェクタ４０はインジェクタ装着穴２２ｅに挿入される。燃焼室天井面２２に、直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２が露出する。シリンダヘッド２０における点火プラグ３０周りには、水通路が配置されている。点火プラグ３０のプラグ先端部３２と直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２とが燃焼室天井面２２の中央領域に並べて配置される。

図２に示すように、燃焼室天井面２２は、プラグ周縁面２２ａと、ノズル周縁面２２ｃとを備えている。プラグ周縁面２２ａは、プラグ装着穴２２ｄの周囲の部分の面である。ノズル周縁面２２ｃは、インジェクタ装着穴２２ｅの周囲の部分の面である。図２および図４に、プラグ装着穴２２ｄの中心軸Ａｈを図示している。プラグ周縁面２２ａは、この中心軸Ａｈに対して垂直となるように設けられた面である。

図２に示すように、燃焼室天井面２２には、中央のプラグ装着穴２２ｄおよびインジェクタ装着穴２２ｅを囲むように、二つの吸気ポート２３および二つの排気ポート２４が設けられている。

燃焼室天井面２２の外周面は、プラグ周縁面２２ａおよびノズル周縁面２２ｃを囲むように燃焼室天井面２２の外周領域を構成する。燃焼室天井面２２の外周面は、排気ポート側外周面２２ｂと、吸気ポート側外周面２２ｆとを含む。

排気ポート側外周面２２ｂは、二つの排気ポート２４の間に挟まれている。排気ポート側外周面２２ｂは、プラグ周縁面２２ａの隣に位置している。排気ポート側外周面２２ｂは、プラグ周縁面２２ａおよびノズル周縁面２２ｃと直列に並ぶ。

吸気ポート側外周面２２ｆは、二つの吸気ポート２３の間に挟まれている。吸気ポート側外周面２２ｆは、ノズル周縁面２２ｃの隣に位置している。吸気ポート側外周面２２ｆは、プラグ周縁面２２ａおよびノズル周縁面２２ｃと直列に並ぶ。

図２には、排気ポート側外周面２２ｂおよびプラグ周縁面２２ａが連結された境界線ＱＡと、直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２の開口中心点ＱＢと、が図示されている。実施の形態では、境界線ＱＡの両端と開口中心点ＱＢとを結ぶ三角平面を仮想的に拡張した仮想平面を、「仮想平面ＳＡＢ」とする。「仮想平面ＳＡＢ」は、境界線ＱＡと開口中心点ＱＢとを含むように仮想的に設定された平面である。

図３および図４は、実施の形態にかかる内燃機関１０の拡大断面図である。図３および図４は、図１の断面図の一部を拡大したものである。排気ポート側外周面２２ｂ、プラグ周縁面２２ａ、ノズル周縁面２２ｃ、および吸気ポート側外周面２２ｆは、滑らかな凹状面を構成するように互いに連結されている。前述した「仮想平面ＳＡＢ」からプラグ周縁面２２ａおよび点火プラグ３０の先端面３２ａが飛び出さないように、燃焼室天井面２２が構築されている。

実施の形態の構造により次の効果が得られる。点火プラグ３０周りのプラグ周縁面２２ａが突出していないので、タンブル流を乱さないという利点がある。ヒートスポットを抑制し、かつプラグ装着穴２２ｄの周囲のプラグ周縁面２２ａが、プラグ装着穴２２ｄに対して垂直となるので、応力を緩和することができ、亀裂を抑制することができる。吸気ポートからの空気流れがスムーズになり、且つ燃焼室内でのタンブル流の縦渦回転流れが減衰しにくくなる。その結果、直噴インジェクタ４０の掃気性が向上するので、直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２にデポジットが付着することを抑制することができる。燃焼室天井面２２の壁面が燃焼ガスにさらされる面積を減らすことができるので、壁面温度が低下する。プラグ装着穴２２ｄとインジェクタ装着穴２２ｅとの間にシリンダヘッド２０の薄肉部分が生じないようにすることができ、強度向上および亀裂発生抑制という効果がある。

図５は、実施の形態にかかる内燃機関１０の効果を説明するための図である。ＣＡＥ解析を実施することで、実際に温度が下がることが確認されている。

図６は、実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関１１０の断面図である。図７は、実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関１１０の斜視図である。図８および図９は、実施の形態に対する比較例にかかる内燃機関１１０の拡大断面図である。

比較例では、燃焼室天井面１２２における点火プラグ３０周りのプラグ周縁面１２２ａが、凸状となっている。つまり、点火プラグ３０周りのシリンダヘッド１２０の肉が、燃焼室内に出張っている。この出張りによって、プラグ周縁面１２２ａにおける直噴インジェクタ４０の側に薄肉部１２２ａ１ができてしまう。薄肉部１２２ａ１の強度は低く、また表面積が大きいので熱が流入し局所的な壁温上昇を招いてしまう。薄肉部１２２ａ１がヒートスポットの原因となり、壁温度が上昇し、異常燃焼の原因ともなる。ヒートスポットの発生により熱応力が高くなる問題もある。

比較例の問題をさらに説明する。図８および図９に示すように、プラグ周縁面１２２ａが出張っているのに応じてノズル周縁面２２ｃが窪んだ形状となることで、直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２の周辺において空気の流れが悪くなる。点火プラグ３０周りに盛られたシリンダヘッド１２０の肉に吸気タンブル流がぶつかって気流が乱れる。図８の矢印Ｆは、空気の乱れを模式的に表したものである。これにより直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２にデポジット付着がおきやすくなるという問題がある。具体的には、直噴インジェクタ４０のノズル先端部４２に残った微量の燃料残渣を掃気できなくなり、この微量燃料残渣が高温の燃焼ガスにさらされてデポジット堆積がおきる。これにより直噴インジェクタ４０の流量低下および噴霧形状変化を招いてしまう。

この点、実施の形態にかかる内燃機関１０には、比較例のような薄肉部１２２ａ１が設けられていないので、ヒートスポットの問題を抑制できる。また、実施の形態の燃焼室天井面２２は、プラグ周縁面１２２ａのような出張りを有さない滑らかな凹状面なので、吸気を円滑に流すことができる。

１０、１１０ 内燃機関
２０、１２０ シリンダヘッド
２２、１２２ 燃焼室天井面
２２ａ、１２２ａ プラグ周縁面
２２ｂ 排気ポート側外周面
２２ｃ ノズル周縁面
２２ｄ プラグ装着穴
２２ｅ インジェクタ装着穴
２２ｆ 吸気ポート側外周面
２３ 吸気ポート
２４ 排気ポート
３０ 点火プラグ
３２ プラグ先端部
３２ａ 先端面
４０ 直噴インジェクタ
４２ ノズル先端部
１２２ａ１ 薄肉部
ＱＡ 境界線
ＱＢ 開口中心点
ＳＡＢ 仮想平面

Claims (1)

1. シリンダが設けられたシリンダブロックに組み付けられ、前記シリンダと対向する部位に椀状に凹んだ燃焼室が設けられ、前記燃焼室の凹みの内面が燃焼室天井面となり、前記燃焼室天井面の中央領域に達するようにそれぞれ伸びるプラグ装着穴およびインジェクタ装着穴が設けられたシリンダヘッドと、
   前記プラグ装着穴に挿入され、前記燃焼室天井面にプラグ先端が露出する点火プラグと、
   前記インジェクタ装着穴に挿入され、前記燃焼室天井面にノズル先端が露出する直噴インジェクタと、
   を備え、
   前記プラグ先端と前記ノズル先端とが前記燃焼室天井面の中央領域に並べて配置され、
   前記燃焼室天井面は、
   前記プラグ装着穴の周囲の部分の面であるプラグ周縁面と、
   前記インジェクタ装着穴の周囲の部分の面であるインジェクタノズル周縁面と、
   前記プラグ周縁面および前記インジェクタノズル周縁面を囲むように前記燃焼室天井面の外周領域を構成する外周面と、
   を含み、
   前記プラグ周縁面は、前記プラグ装着穴の中心軸に対して垂直となるように設けられた面であり、
   前記外周面は、
   前記プラグ周縁面の隣に位置し前記プラグ周縁面および前記インジェクタノズル周縁面と直列に並ぶ排気ポート側外周面と、
   前記インジェクタノズル周縁面の隣に位置し前記プラグ周縁面および前記インジェクタノズル周縁面と直列に並ぶ吸気ポート側外周面と、
   を含み、
   前記排気ポート側外周面および前記プラグ周縁面が連結された境界線と前記直噴インジェクタの前記ノズル先端の開口中心点とを含む仮想平面から、前記プラグ周縁面および前記点火プラグの先端が飛び出さないように、前記排気ポート側外周面、前記プラグ周縁面、前記インジェクタノズル周縁面、および前記吸気ポート側外周面が滑らかな凹状面を構成するように互いに連結された内燃機関。

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