(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒毎に２つの吸気弁と２つの排気弁とを有し、この吸気弁および排気弁がそれぞれシリンダヘッド上面に配置された吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトによって駆動されるとともに、これらの吸気弁および排気弁に囲まれた燃焼室中央部に点火栓が配置されてなる筒内直噴型火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁の先端が、２つの排気弁と点火栓との間において燃焼室に臨んでいるとともに、該燃料噴射弁の基端部が点火栓と排気カムシャフトとの間を通るようにシリンダヘッド上面側に延びており、かつ排気側カムブラケットにはこの燃料噴射弁が通過可能な噴射弁挿入孔が形成され、この噴射弁挿入孔を覆うように排気側カムブラケットに固定された燃料配管コネクタによって燃料噴射弁基端が固定されていることを特徴とする筒内直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項２】
上記燃料配管コネクタは、上記排気側カムブラケットの噴射弁挿入孔に挿入される筒状の噴射弁接続部を有し、この噴射弁接続部が燃料噴射弁基端に嵌合していることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項３】
吸気弁を介して流入した吸気が排気弁側シリンダ壁面に沿ってシリンダ下方へと流れる方向のタンブル流を生成するように、吸気ポートがシリンダ軸線に対し斜めに傾斜して形成され、かつ、このタンブル流に沿うようにピストン頂部に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項４】
上記燃料噴射弁の先端部近傍のウォータジャケットとシリンダヘッドのロアデッキ近傍のウォータジャケットとを連通するように、シリンダヘッド下面から２つの排気ポートの間を通して冷却水通路が機械加工されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の筒内直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項５】
金属管からなる噴射弁保持部材が、ウォータジャケットを横切るようにシリンダヘッドに圧入されており、この噴射弁挿入部材内に燃料噴射弁が挿入されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の筒内直噴型火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射し、かつ生成された混合気に点火栓でもって点火する筒内直噴型火花点火式内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、混合気の成層化による希薄燃焼を実現するために、燃焼室に臨んで配置された電磁式燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内直噴型火花点火式内燃機関が種々提案されている。この筒内直噴型火花点火式内燃機関の多くは、特開平５−２４００４４号公報や特開平７−８３１３４号公報に見られるように、吸気ポートをシリンダに略垂直につまりシリンダ軸線とほぼ平行な方向から吸気が流入するように接続し、かつピストン頂部に凹部を設けて、吸気弁から流入した吸気が該吸気弁側のシリンダ壁面に沿って下方へ流れる、いわゆる逆タンブル流を生成するように構成するとともに、この逆タンブル流の内周側に燃料噴霧を供給するするように吸気弁側のシリンダ側部に燃料噴射弁を配置した構成となっている。
【０００３】
この種の筒内直噴型火花点火式内燃機関では、低負荷時には圧縮行程末期にピストン頂部の凹部へ向けて燃料噴射が行われ、点火栓近傍の限られた範囲に比較的濃い混合気が生成されるのである。詳しくは、ピストン頂部の凹部に沿ってＵターンする逆方向タンブル流に対し、その中心側から燃料を噴射することで、燃料の拡散を抑制し、点火栓近傍に燃料を集めるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の構成にあっては、吸気ポートならびにこれに連なる吸気マニホルドがシリンダヘッド中央部で直立した構成となるので、内燃機関の全高が大きくなるという欠点がある。
【０００５】
またシリンダヘッドを立体的に見た場合に、各気筒の一対の吸気弁と一対の排気弁に囲まれた範囲に、点火栓ボス部と一対の吸気ポートとが形成されるので、シリンダヘッドを鋳造するに際して、各部のレイアウトが難しく、ウォータジャケットを充分な大きさに確保することが困難となる。
【０００６】
さらに、この種の筒内直噴型火花点火式内燃機関では、吸気ポート内に噴射する形式に比べて一般に燃料圧力が高くなり、燃料噴射弁と燃料配管との接続部等における漏洩の防止が課題となるが、上記従来の構成では、燃料噴射弁の基部が、吸気ポート噴射型の場合と同様に外部に露出しているため、万一燃料が漏洩した場合に、好ましくない、という問題もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、各気筒毎に２つの吸気弁と２つの排気弁とを有し、この吸気弁および排気弁がそれぞれシリンダヘッド上面に配置された吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトによって駆動されるとともに、これらの吸気弁および排気弁に囲まれた燃焼室中央部に点火栓が配置されてなる筒内直噴型火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁の先端が、２つの排気弁と点火栓との間において燃焼室に臨んでいるとともに、該燃料噴射弁の基端部が点火栓と排気カムシャフトとの間を通るようにシリンダヘッド上面側に延びており、かつ排気側カムブラケットにはこの燃料噴射弁が通過可能な噴射弁挿入孔が形成され、この噴射弁挿入孔を覆うように排気側カムブラケットに固定された燃料配管コネクタによって燃料噴射弁基端が固定されていることを特徴としている。
【０００８】
燃料噴射弁は、シリンダの排気弁側に位置し、排気側カムブラケットに形成された噴射弁挿入孔を通してシリンダヘッド内部に挿入配置される。この排気側カムブラケットには、さらに、燃料供給用の燃料配管コネクタが取り付けられ、この燃料配管コネクタによって燃料噴射弁が固定保持される。また同時に燃料通路が燃料噴射弁に接続されることになる。
【０００９】
具体的には、請求項２のように、上記燃料配管コネクタは、上記排気側カムブラケットの噴射弁挿入孔に挿入される筒状の噴射弁接続部を有し、この噴射弁接続部が燃料噴射弁基端に嵌合している。これにより、燃料配管コネクタは燃料噴射弁に確実かつ簡単に接続される。
【００１０】
排気側カムブラケットは排気カムシャフトとともにシリンダヘッド上面の動弁室内に収容されているので、燃料噴射弁と燃料配管コネクタとの間で燃料が漏洩したとしても、漏洩した燃料は動弁室内に留められ、外部に流出することがない。
【００１１】
また請求項３の発明では、吸気弁を介して流入した吸気が排気弁側シリンダ壁面に沿ってシリンダ下方へと流れる方向のタンブル流を生成するように、吸気ポートがシリンダ軸線に対し斜めに傾斜して形成され、かつ、このタンブル流に沿うようにピストン頂部に凹部が形成されている。
【００１２】
すなわち、特開平５−２４００４４号公報等とは逆に、いわゆる順方向に沿ったタンブル流が生成される。そして、このタンブル流に対し燃料噴射弁は排気弁側に配置されているので、ピストン凹部に沿ってＵターンしてくるタンブル流の中心側から燃料が噴射され、燃料の拡散が抑制されて、点火栓近傍に濃混合気が形成される。
【００１３】
また請求項４の発明では、上記燃料噴射弁の先端部近傍のウォータジャケットとシリンダヘッドのロアデッキ近傍のウォータジャケットとを連通するように、シリンダヘッド下面から２つの排気ポートの間を通して冷却水通路が機械加工されている。
【００１４】
燃料噴射弁の先端部は、２つの排気ポートと点火栓とに挟まれているので、その近傍に中子により形成されるウォータジャケットは、比較的通路断面積が小さなものとなる。そこで、２つの排気ポートの間の隔壁を利用して、その内部に冷却水通路をドリル加工すれば、シリンダヘッドのロアデッキ近傍のウォータジャケットから比較的低温の冷却水が積極的に導入され、噴射弁先端部の冷却性が向上する。
【００１５】
さらに請求項５の発明では、金属管からなる噴射弁保持部材が、ウォータジャケットを横切るようにシリンダヘッドに圧入されており、この噴射弁挿入部材内に燃料噴射弁が挿入されている。すなわち、この発明では、燃料噴射弁近傍のウォータジャケットが予め大きく鋳造されている。そして、このウォータジャケットを横切るように、燃料噴射弁挿入部材が圧入される。燃料噴射弁はこの燃料噴射弁挿入部材の内部に挿入配置され、かつ前述したように、燃料配管コネクタによって固定される。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、２つの排気弁と点火栓との間に配置された燃料噴射弁が排気側カムブラケットおよび燃料配管コネクタを利用して固定されるので、構成が簡単となって、シリンダヘッドにおける限定されたスペースを有効に利用でき、各部のレイアウトが容易になる。また、燃料噴射弁と燃料配管コネクタは動弁室内に収容されているので、両者の接続部から万一燃料が漏洩した場合でも、外部に流出することがない。そして、燃料噴射弁の点検，交換に際して、排気側カムブラケットや排気カムシャフトを取り外す必要がなく、燃料噴射弁が外部に露出している場合と同様に簡単に脱着作業を行うことができる。
【００１７】
特に請求項２においては、筒状の噴射弁接続部を燃料噴射弁基端に嵌合することによって両者が確実かつ簡単に接続され、その脱着作業が一層容易となる。
【００１８】
また請求項３の発明によれば、シリンダ内にいわゆる順方向に沿ったタンブル流が生成され、ピストン凹部に沿ってＵターンしてくるタンブル流の中心側から燃料を噴射できるため、混合気の成層化ひいては希薄燃焼を確実に実現できる。しかも、吸気ポートは斜めに傾斜したもので良いので、内燃機関の全高を低く抑制することが可能である。
【００１９】
さらに請求項４の構成によれば、燃料噴射弁の先端部を良好に冷却することができる。
【００２０】
また請求項５の発明によれば、燃料噴射弁近傍のウォータジャケットを予め大きく鋳造することが可能であり、鋳造が容易になるとともに、シリンダヘッドの軽量化が図れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図１および図２は、この発明に係る内燃機関の一実施例を示している。この内燃機関は、複数のシリンダ３が形成されたシリンダブロック１と、このシリンダブロック１の上面に載置固定されたシリンダヘッド２とから大略構成されている。上記シリンダ３には、ピストン４が摺動可能に嵌合し、これによって燃焼室５が形成されている。
【００２３】
上記シリンダヘッド２には、吸気ポート６と排気ポート７とがクロスフロー形式に形成されている。この吸気ポート６および排気ポート７は、図２に示すように、二股状に分岐しており、それぞれ一対の吸気弁８および一対の排気弁９によって開閉されている。ここで、吸気ポート６は、垂直ではなく、シリンダ軸線に対し斜めに傾斜して形成されている。これにより、吸気弁８を介して流入した吸気が排気弁９側のシリンダ３壁面に沿ってシリンダ３下方へと流れる方向つまり順方向のタンブル流が生成される。そして、このタンブル流に沿うようにピストン４の頂部に球面状に窪んだ凹部１０が形成されている。なお、１１は上記吸気ポート６に接続された吸気マニホルドを示している。
【００２４】
上記吸気弁８は、図１に示すように、バルブステムガイド１２によって摺動可能に案内されているとともに、バルブスプリング１３によって閉方向に付勢されており、かつガイド孔１６に嵌合した直動型のタペット１４を介して吸気カムシャフト１５により押圧される構成となっている。なお、１７はバルブスプリングリテーナである。上記吸気カムシャフト１５は、シリンダヘッド２上面に一対のボルト１８により固定される吸気側カムブラケット１９によって、回転可能に支持されている。また排気弁９の動弁機構もこの吸気弁８側と基本的には同一であり、排気カムシャフト２０が直動型タペット１４を介して排気弁９を開閉している。上記排気カムシャフト２０は、後述する排気側カムブラケット２１によって支持されている。
【００２５】
一対の吸気弁８および一対の排気弁９は、図２に示すように、四角形の頂点となる位置にそれぞれ配置されている。なお、排気弁９は吸気弁８よりも小径となっている。そして、これらの４つの吸気弁８，排気弁９に囲まれた燃焼室５中央部に、点火栓２５が配置されている。
【００２６】
また、細長い円柱状をなす燃料噴射弁２６がシリンダヘッド２の排気弁９側に配置されている。具体的には、この燃料噴射弁２６は、一対の排気弁９の中間に位置し、噴孔を有する先端が、一対の排気弁９と点火栓２５との間において燃焼室５に臨んでおり、基端部は、点火栓２５と排気カムシャフト２０との間を通るようにシリンダヘッド２上面側へ斜めに延びている。換言すれば、シリンダヘッド２に、一対の排気弁９の中間位置に沿って、燃料噴射弁２６と略等しい内径の噴射弁保持孔２７が形成されており、ここに燃料噴射弁２６が挿入配置されている。上記噴射弁保持孔２７は、その上端がシリンダヘッド２上面に開口しているとともに、下端部に、順次小径となるように２カ所に段部２７ａ，２７ｂが形成されており、最も小径となっている下端が燃焼室５上部壁面に開口している。上記燃料噴射弁２６は、その先端側に、基部側よりも小径となった第１小径部２６ａと、該第１小径部２６ａよりもさらに小径となった第２小径部２６ｂとを有しており、基部側部分と第１小径部２６ａとの間に生じる肩部がシート部材２８を介して上記段部２７ａに当接しているとともに、第１小径部２６ａと第２小径部２６ｂとの間に生じる肩部がコルゲートワッシャ２９を介して上記段部２７ｂに当接している。
【００２７】
排気側カムブラケット２１は、上記噴射弁保持孔２７の上端開口の上に配置されている。つまり、噴射弁保持孔２７の上端開口を覆うような位置にあり、かつこの排気側カムブラケット２１には、噴射弁保持孔２７に直線状に連続する噴射弁挿入孔３０が斜めに貫通形成されている。図３および図４は、この排気側カムブラケット２１の詳細を示すもので、カムブラケット取付用ボルト３１（図１参照）のためのボルト挿通孔３２が両端部にそれぞれ貫通形成されているとともに、中間部に、斜めに傾斜した略円柱状のボス部３３が形成されており、このボス部３３に、シリンダヘッド２側の噴射弁保持孔２７と等しい口径に噴射弁挿入孔３０が貫通形成されている。なお、排気カムシャフト２０を支持する軸受面３４は、ボス部３３に隣接して形成されている。また上記ボス部３３の上端フランジ面３３ａは、両側に一対のねじ孔３３ｂを有する小判型をなし、かつ噴射弁挿入孔３０に直交する平面をなしている。
【００２８】
上記排気側カムブラケット２１のフランジ面３３ａには、図１に示すように、燃料配管コネクタ３５が一対のボルト３６によって固定されており、この燃料配管コネクタ３５が噴射弁保持孔２７内の燃料噴射弁２６基端を固定している。図５および図６は、上記燃料配管コネクタ３５の詳細を示している。この燃料配管コネクタ３５は、上記フランジ面３３ａに対応した小判型をなすフランジ部３７と、このフランジ部３７に一体に形成され、かつ排気側カムブラケット２１の噴射弁挿入孔３０に挿入される円筒状の噴射弁接続部３８と、から大略構成されており、上記フランジ部３７上面の突起部３７ａに高圧燃料配管３９がロー付けにより接続されているとともに、この高圧燃料配管３９と上記噴射弁接続部３８とを連通するように、内部に燃料通路４０が形成されている。また上記噴射弁接続部３８の内周には、先端側の大径部４１ａとフランジ部３７側の小径部４１ｂとを接続するようにテーパ面４１ｃが設けられている。
【００２９】
この燃料配管コネクタ３５は、フランジ部３７の一対の貫通孔４２を通るボルト３６によって上述したように排気側カムブラケット２１のボス部３３に固定されているが、この取付状態において、上記噴射弁接続部３８の内周に燃料噴射弁２６の基端が嵌合している。特に、図１に示すように、上記燃料噴射弁２６の基端部は、部分的に小径に形成されているとともに、環状溝に嵌合したＯリング４３を備えており、この小径部がＯリング４３とともに噴射弁接続部３８の小径部４１ｂに嵌合している。これによって、両者が燃料導入経路として接続されると同時に、燃料噴射弁２６が噴射弁保持孔２７内に固定保持される。なお、嵌合する際に、Ｏリング４３はテーパ面４１ｃによって案内されるので、傷つくことがない。
【００３０】
上記シリンダヘッド２は、例えばアルミニュウム合金等を用いて一体に鋳造されたものであって、その内部には、図１に示すように、燃焼室５や吸気ポート６、排気ポート７の周囲を囲むように、ウォータジャケット４５が形成されている。このシリンダヘッド２側のウォータジャケット４５は、ロアデッキ２ａ下面の連通孔４６を介して、シリンダブロック１側のウォータジャケット４７に連通している。なお、二股状に分岐した排気ポート７の中間の隔壁部分に設けられたウォータジャケット４５ａは、燃料噴射弁２６の先端近傍に形成されており、シート部材２８やコルゲートワッシャ２９付近を冷却している。
【００３１】
また上記シリンダヘッド２の上面には、シリンダヘッドカバー４８が取り付けられており、カムシャフト１５，２０等を収容した動弁室４９を密閉している。
【００３２】
上記実施例の構成においては、吸気弁８が開いて吸気がシリンダ３内に流入すると、この吸気は吸気弁８から排気弁９側へ流れ、かつ排気弁９側のシリンダ３壁面に沿って下降し、かつピストン４頂部の凹部１０に沿って吸気弁８側へＵターンしてくる。つまり、いわゆる順方向のタンブル流が生成される。そして、例えば機関低負荷時には、圧縮行程の途中で燃料噴射弁２６から燃料が噴射される。この燃料の噴霧は、タンブル流の中心側から与えられるので、外周部への拡散が
抑制され、燃焼室５中央の点火栓２５付近に部分的に濃い混合気を確保することができる。従って、希薄燃焼を安定的に行わせることができる。
【００３３】
このように、上記構成によれば、吸気ポート６を吸気ポート噴射型機関の場合と同様に傾斜したものとしたままタンブル流による層状燃焼を実現できるので、吸気ポートを直立させた直噴型内燃機関に比較して、機関全高を大幅に低くすることができる。そして、このように吸気ポート６を傾斜させると同時に、燃料噴射弁２６を排気弁９側に配置することにより、一対の吸気弁８と一対の排気弁９とに囲まれた領域における各部の密集度合を緩和でき、点火栓２５近傍や燃料噴射弁２６近傍にウォータジャケット４５を確保することができる。
【００３４】
また、燃料噴射弁２６が排気弁９側、特に排気側カムブラケット２１の下方に位置するものとなるが、上記のようにカムブラケット２１に噴射弁挿入孔３０を形成し、燃料配管コネクタ３５によって燃料噴射弁２６を固定保持するようにしているので、燃料配管コネクタ３５のみをカムブラケット２１から取り外せば、燃料噴射弁２６の脱着が可能である。つまり、排気側カムブラケット２１や排気カムシャフト２０をシリンダヘッド２から取り外すことなく、燃料噴射弁２６の脱着が可能であり、作業性に優れたものとなる。
【００３５】
さらに、燃料噴射弁２６は燃料配管コネクタ３５とともに動弁室４９内に収容されているため、燃料噴射弁２６と燃料配管コネクタ３５との接続部から万一燃料が漏洩したとしても、外部へ流出することがない。
【００３６】
次に、図７はこの発明の異なる実施例を示している。この実施例は、前述した燃料噴射弁２６先端部近傍のウォータジャケット４５ａによる冷却性能の向上を図ったもので、図示するように、シリンダヘッド２のロアデッキ２ａ近傍のウォータジャケット４５ｂからこの燃料噴射弁２６先端部近傍のウォータジャケット４５ａへ向けて、一対の排気ポート７の中間の隔壁部分を通して、冷却水通路５１がドリル加工されている。なお、この冷却水通路５１は、ロアデッキ２ａ下面の連通孔４６を通して斜めに加工されている。
【００３７】
この実施例によれば、シリンダブロック１側のウォータジャケット４７からシリンダヘッド２側のウォータジャケット４５に流入した比較的温度が低い冷却水の一部が、冷却水通路５１を通して燃料噴射弁２６先端部近傍のウォータジャケット４５ａに積極的に導入される。そのため、シート部材２８やコルゲートワッシャ２９を備えた燃料噴射弁２６の先端部付近が確実に冷却される。
【００３８】
次に、図８はこの発明のさらに異なる実施例を示している。この実施例においては、燃料噴射弁２６が挿入される上記噴射弁保持孔２７を構成するために、シリンダヘッド２に金属管からなる噴射弁保持部材５２が圧入されている。なお、燃料噴射弁２６先端部が嵌合する段部２７ａ，２７ｂの部分は、前述した実施例と同様にシリンダヘッド２自体に形成されている。また、この実施例では、排気ポート７上方のウォータジャケット４５ｃが大きく形成されており、このウォータジャケット４５ｃを横切って上記噴射弁保持部材５２が配設されている。
【００３９】
この実施例の構成によれば、ウォータジャケット４５ｃを大きく鋳造することが可能となるため、冷却水の通流が円滑となり、冷却性が向上するとともに、シリンダヘッド２の中子構造が簡単となって鋳造不良を防止でき、かつシリンダヘッド２の重量も軽減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す図２のＡ−Ａ線に沿った内燃機関要部の断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図３】排気側カムブラケットのみを示す平面図。
【図４】図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図５】燃料配管コネクタのみを示す平面図。
【図６】図５のＤ−Ｄ線に沿った断面図。
【図７】この発明の異なる実施例を示す内燃機関要部の断面図。
【図８】この発明のさらに異なる実施例を示す内燃機関要部の断面図。
【符号の説明】
２…シリンダヘッド
６…吸気ポート
７…排気ポート
８…吸気弁
９…排気弁
１０…凹部
２０…排気カムシャフト
２１…排気側カムブラケット
２５…点火栓
２６…燃料噴射弁
３０…噴射弁挿入孔
３５…燃料配管コネクタ
３８…噴射弁接続部
５１…冷却水通路
５２…噴射弁保持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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