JP2007002854A - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 直噴火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドの改良により、燃焼性能を向上させる。
【解決手段】 燃焼室２につながる一対の吸気ポート４，４を備え、これら吸気ポート４，４間に燃焼室２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（８）を備える。この燃料噴射弁（８）は、機関を上側から見たときに、クランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線ＣＹＬＣＬ（第１仮想平面）に対し傾けて配置する。また、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線ＦＩＣＬ（第２仮想平面）に対し、各吸気ポート４，４の中心線ＩＰＣＬ，ＩＰＣＬが上流側ほど離れるような開き角θを有するように配置する。この開き角θは、０°＜θ≦１５°の範囲とする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関に関し、特にそのシリンダヘッド部分に関する。

従来より、内燃機関において、シリンダヘッドに、１気筒に２本の吸気ポートを設ける場合、上流側の単一の吸気通路から分岐する関係から、２本の吸気ポートは平行か、下流側ほど間隔が大きくなるのが一般的である。
また、直噴火花点火式内燃機関において、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を設ける場合、燃料噴射弁は２本の吸気ポートの間でかつ該吸気ポートより下側（燃焼室周縁部側）に配置している（特許文献１参照）。

また、特許文献１には、シリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路を形成することが開示されている。
また、特許文献２には、燃料噴射弁（これに供給される燃料）の温度上昇を防止するため、燃料噴射弁に供給される燃料温度を検出して、燃料循環系（リターン燃料）を制御することが開示されている。
特開平９−１１９３４４号公報 特開平６−１０１５８８号公報

しかしながら、直噴火花点火式内燃機関において、２本の吸気ポートを平行か、下流側ほど間隔が大きくなるように配置すると、燃焼室内での吸入空気の流れが分散されて、シリンダ中央でのタンブル流を強化できず、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料を確実に点火栓へ輸送できないばかりか、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できないという問題点があった。

また、燃料噴射弁の耐熱性向上（熱劣化防止）のため、燃料噴射弁を冷却する必要があるが、特許文献１に記載のように、シリンダヘッド下面側に燃料噴射弁冷却用の冷却水通路を設けるだけでは、未だ不十分であり、なお改善の余地があった。また、特許文献２に記載のように、燃料循環系を制御して、燃料噴射弁の温度上昇を防止する方法では、燃温センサが必要となる他、制御が複雑化するので、シリンダヘッドの形状変更のみで対応できるようにすることが求められていた。

本発明は、このような実状に鑑み、直噴火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドの改良により、燃焼性能を向上させ、併せて、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させ得るようにすることを目的とする。

このため、請求項１に係る発明では、燃焼室と、この燃焼室につながる一対の吸気ポートと、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁とを備える直噴火花点火式内燃機関において、ピストン中心線を含み、クランク軸中心線と直交する第１仮想平面に対し、角度をもって交差し、ピストン中心線と平行な第２仮想平面上に、燃料噴射弁中心線がくるように、前記燃料噴射弁が配置され、前記一対の吸気ポートは、前記第２仮想平面を挟んで配置されると共に、燃焼室から離れるに従って互いの間隔が大きくなり、各吸気ポートの中心線は、前記第２仮想平面に対し、０°＜θ≦１５°の範囲の開き角θを有していることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、前記開き角θを、５°≦θ≦１０°の範囲としたことを特徴とする。
請求項３に係る発明では、シリンダヘッド内で一対の吸気ポートの上側に機関の前後方向に設けられる冷却水通路の一部を膨出させ、一対の吸気ポート間に位置して、燃料噴射弁取付孔に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部を形成したことを特徴とする。

請求項４に係る発明では、シリンダヘッド内に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第１下側冷却水通路を形成したことを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記第１下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲としたことを特徴とする。

請求項６に係る発明では、シリンダブロック上面に接合されるシリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第２下側冷却水通路を形成したことを特徴とする。
請求項７に係る発明では、前記第２下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲としたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、各気筒当たりの一対の吸気ポートを上記のような開き角θを有するように配置することで、吸入空気をシリンダ中央へ指向させて、シリンダ中央でのタンブル流を強化でき、これにより、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料を確実に点火栓へ輸送できる一方、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できるという効果が得られる。

また、一対の吸気ポートの間隔が開くことで、燃料噴射弁の配置の自由度が向上する他、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成も容易となる。
また、燃料噴射弁がクランク軸方向と直交する方向に対し傾けて取付けられる場合に、燃料噴射弁中心線を含む前記第２仮想平面を基準として、吸気ポートを配置することで、成層燃焼、均質燃焼を問わず、混合気形成上より好ましく、また、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成上より好ましくなる。

また、前記開き角θは、大きい方がタンブル強度が向上するが、その反面、各吸気ポートからの吸入空気の衝突により空気流量係数（充填効率）が低下するので、０°＜θ≦１５°の範囲（望ましくは請求項２のように５°≦θ≦１０°の範囲）とすることで、最適化できる。
請求項３に係る発明によれば、吸気ポート上側の冷却水通路の一部を膨出させ、一対の吸気ポート間に位置して、燃料噴射弁取付孔に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部を形成することで、前記開き角θを利用して、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させ、これにより燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。

請求項４に係る発明によれば、シリンダヘッド内に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接する燃料噴射弁冷却用の第１下側冷却水通路を形成することで、冷却性能向上により、燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。
請求項５に係る発明によれば、第１下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲とすることで、通水抵抗が小さく、実流速が大きな範囲で最適化でき、必要十分な水流れを確保できる。

請求項６に係る発明によれば、シリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接する燃料噴射弁冷却用の第２下側冷却水通路を形成することで、冷却性能向上により、燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。
請求項７に係る発明によれば、第２下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲とすることで、通水抵抗が小さく、実流速が大きな範囲で最適化でき、必要十分な水流れを確保できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、先ず、図１の参考例について説明する。
図１は参考例を示すシリンダヘッドの平面横断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面に相当する正面縦断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面に相当する正面縦断面図、図４は図２のＣ−Ｃ断面図である。

シリンダヘッド１には、その下面中央部の凹部により燃焼室２が形成されている。
また、シリンダヘッド１には、燃焼室２の中心部近傍に位置させて、点火栓取付孔３が形成され、ここに点火栓が装着されるようになっている。
また、シリンダヘッド１には、点火栓取付孔３を囲むように、燃焼室２に連ねて、２本ずつ吸気ポート４，４及び排気ポート５，５が形成され、それぞれの燃焼室開口部に吸気弁及び排気弁が装着されるようになっている。尚、６は吸気弁取付孔、７は排気弁取付孔である。

また、シリンダヘッド１には、２本の吸気ポート４，４間で、かつ該吸気ポート４，４より下側（燃焼室２周縁部側）に、燃料噴射弁取付孔８が形成され、ここに燃料噴射弁が装着されて、燃焼室２内に直接、燃料を噴射するようになっている。
ここで、２本の吸気ポート４，４は、図１に示されるように、機関を上側から見たときに、すなわち機関の平面図で、クランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線ＣＹＬＣＬに対し、各吸気ポート４，４の中心線ＩＰＣＬ，ＩＰＣＬが上流側ほど離れるような開き角θを有するように配置されている。尚、ここでのシリンダ中心線ＣＹＬＣＬは、上下方向のピストン中心線を含み、クランク軸方向（クランク軸中心線）と直交する平面（第１仮想平面）内の水平線をいう。

このように、開き角θを有するように配置することで、吸入空気をシリンダ中央へ指向させて、シリンダ中央でのタンブル流を強化でき、これにより、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料を確実に点火栓へ輸送できる一方、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できる。

また、２本の吸気ポート４，４の間隔が開くことで、燃料噴射弁の配置の自由度が向上する他、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成も容易となる。
そして、この開き角θは、０°＜θ≦１５°（望ましくは５°≦θ≦１０°）の範囲に設定する。
図５は、横軸を開き角θとして、縦軸に空気流量係数Ｃｖ（実線示）及びタンブル強度ＴＲ（点線示）をとったグラフであり、０°＜θ≦１５°（望ましくは５°≦θ≦１０°）の範囲で、空気流量係数（充填効率）とタンブル強度とを両立できることを示している。

すなわち、開き角θを大きくすれば、タンブル強度を向上させることができるが、大きくし過ぎると、空気流量係数が低下するので、これらを両立させる範囲とするのである。
一方、開き角θをとったことで、吸気ポート４，４の間隔が開くので、シリンダヘッド１内で２本の吸気ポート４，４の上側に機関の前後方向に設けられる冷却水通路９の一部を膨出させ、２本の吸気ポート４，４間に位置して、燃料噴射弁取付孔８に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部１０を形成してある（図４参照）。これにより、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させて、燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。尚、この冷却水通路膨出部１０は砂中子により形成する。

また、燃料噴射弁の下側についても、冷却して、燃料噴射弁の温度を更に低減できるように、第１下側冷却水通路１１及び第２下側冷却水通路１２を形成してある。
すなわち、シリンダヘッド１内に、燃料噴射弁取付孔８の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第１下側冷却水通路１１を形成してある。これは砂中子により形成する。

また、シリンダブロック上面に接合されるシリンダヘッド１下面に、燃料噴射弁取付孔８の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第２下側冷却水通路１２を形成してある。これは鋳抜きにより形成する。
ここで、第１下側冷却水通路１１及び第２下側冷却水通路１２については、燃料噴射弁中心線ＦＩＣＬを含む縦断面（図２の断面）での通路面積、すなわち、通路の最小通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲とする。

図６は、横軸を通路面積として、縦軸に通水抵抗Ｒ（実線示）及び実流速Ｖ（点線示）をとったグラフであり、通路面積＝０．１〜２．５ｃｍ²の範囲で、通水抵抗を小さく、実流速を大きくして、必要十分な水流れを確保できることを示している。
但し、第１下側冷却水通路１１については、レイアウト上、比較的大きくすることが可能であるので、より望ましい範囲として、０．５〜２．５ｃｍ²の範囲とするのがよい。第２下側冷却水通路１２については、レイアウト上、小さくせざるを得ないので、０．１〜１．０ｃｍ²の範囲が実質的な限界である。

図７は本発明の一実施形態を示すシリンダヘッドの概略平面図である。
本発明では、燃料噴射弁（８）がクランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線ＣＹＬＣＬに対し傾けて取付けられており、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線ＦＩＣＬに対し、各吸気ポート４，４の中心線ＩＰＣＬ，ＩＰＣＬが上流側ほど離れるような（吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような）開き角θを有するように配置されている。

すなわち、燃焼室２と、この燃焼室２につながる一対の吸気ポート４，４と、燃焼室３内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（８）とを備える直噴火花点火式内燃機関において、
ピストン中心線を含み、クランク軸中心線と直交する第１仮想平面（ＣＹＬＣＬ）に対し、角度をもって交差し、ピストン中心線と平行な第２仮想平面（ＦＩＣＬ）上に、燃料噴射弁中心線がくるように、前記燃料噴射弁（８）が配置され、
前記一対の吸気ポート４，４は、前記第２仮想平面（ＦＩＣＬ）を挟んで設けられると共に、燃焼室２から離れるに従って互いの間隔が大きくなり、各吸気ポート４の中心線ＩＰＣＬは、前記第２仮想平面（ＦＩＣＬ）に対し、０°＜θ≦１５°（望ましくは５°≦θ≦１０°）の範囲の開き角θを有している。

尚、前記参考例（図１）は、前記第１仮想平面上に燃料噴射弁が設けられ、前記第１仮想平面を基準として一対の吸気ポートを設置した例であり、これに対し、本発明（図７の実施形態）では、前記第２仮想平面上に燃料噴射弁が設けられ、前記第２仮想平面を基準として一対の吸気ポートを配置している点が相違する。
従って、平面図のみが参考例と相違し、縦断面図は参考例と同じである。すなわち、図２は図７のＦＩＣＬ線での縦断面図、図３は図７のＩＰＣＬ線での縦断面図、図４は図２のＣ−Ｃ断面図に相当する。

このように、開き角θを有するように配置することで、参考例と同様、吸入空気をシリンダ中央に指向させて、シリンダ中央でのタンブル流が強化でき、これにより、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴出される燃料を確実に点火栓へ輸送できる一方、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できる。

また、２本の吸気ポート４，４の間隔が開くことで、参考例と同様、燃料噴射弁の配置の自由度が向上する他、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成も容易となる。
また、燃料噴射弁がクランク軸方向と直交する方向に対し傾けて取付けられる場合に、燃料噴射弁中心線を含む前記第２仮想平面（ＦＩＣＬ）を基準にして開き角θをとって、吸気ポートを配置することで、成層燃焼、均質燃焼を問わず、混合気生成上より好ましく、また、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成上より好ましくなる。

尚、図７の場合の２本の吸気ポート４，４のうち、一方の吸気ポートの開き角θと、他方の吸気ポートの開き角θとは、空気流動の観点からは一般的には同一であることが望ましいが、０°＜θ≦１５°の範囲内で、これらを若干異ならせてもよい。スワール弁の性能やキャビティ（燃焼室）のコンセプトによりガス流動の要求が異なる場合や、レイアウト上の制約を受ける場合に、これらの要求に応えることができる。

参考例を示すシリンダヘッドの平面横断面図 図１のＡ−Ａ断面に相当する正面縦断面図 図１のＢ−Ｂ断面に相当する正面縦断面図 図２のＣ−Ｃ断面図 開き角θの最適範囲を示す図 第１及び第２下側冷却水通路の通路面積の最適範囲を示す図 本発明の一実施形態を示すシリンダヘッドの概略平面図

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 燃焼室
３ 点火栓取付孔
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 吸気弁取付孔
７ 排気弁取付孔
８ 燃料噴射弁取付孔
９ 冷却水通路
１０ 冷却水通路膨出部
１１ 第１下側冷却水通路
１２ 第２下側冷却水通路
ＣＹＬＣＬ クランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線（第１仮想平面）
ＦＩＣＬ 燃料噴射弁中心線（第２仮想平面）
ＩＰＣＬ 吸気ポート中心線

Claims (7)

1. 燃焼室と、この燃焼室につながる一対の吸気ポートと、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁とを備える直噴火花点火式内燃機関において、
   ピストン中心線を含み、クランク軸中心線と直交する第１仮想平面に対し、角度をもって交差し、ピストン中心線と平行な第２仮想平面上に、燃料噴射弁中心線がくるように、前記燃料噴射弁が配置され、
   前記一対の吸気ポートは、前記第２仮想平面を挟んで配置されると共に、燃焼室から離れるに従って互いの間隔が大きくなり、各吸気ポートの中心線は、前記第２仮想平面に対し、０°＜θ≦１５°の範囲の開き角θを有していることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 前記開き角θを、５°≦θ≦１０°の範囲としたことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. シリンダヘッド内で一対の吸気ポートの上側に機関の前後方向に設けられる冷却水通路の一部を膨出させ、一対の吸気ポート間に位置して、燃料噴射弁取付孔に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
4. シリンダヘッド内に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第１下側冷却水通路を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 前記第１下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲としたことを特徴とする請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関。
6. シリンダブロック上面に接合されるシリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第２下側冷却水通路を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
7. 前記第２下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、０．１〜２．５ｃｍ²の範囲としたことを特徴とする請求項６記載の直噴火花点火式内燃機関。

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