(57)【要約】【課題】圧縮自着火式の内燃機関において、燃料の予混合を促進してスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供する。【解決手段】圧縮自着火式の内燃機関は、燃料を噴射する噴孔が内燃機関のシリンダヘッドから燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、シリンダヘッドの天面に固定され、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が通過する中空のダクトが内部に形成されたダクト支持体と、を備えている。ダクト支持体は、ダクトの入口及び出口が燃焼室に露出するように構成されている。そして、ダクト支持体の燃焼室に露出している外面のうち少なくとも一部には、遮熱膜が形成されている。遮熱膜は、ダクト支持体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関において、
燃料を噴射する噴孔を有し、前記噴孔が前記内燃機関のシリンダヘッドから前記燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、
前記シリンダヘッドの天面に固定され、前記燃料噴射ノズルの前記噴孔から噴射された燃料噴霧が通過する中空のダクトが内部に形成されたダクト支持体と、を備え、
前記ダクト支持体は、前記ダクトの入口及び出口が前記燃焼室に露出するように構成され、
前記燃焼室に露出している前記ダクト支持体の外面のうち少なくとも一部に形成された遮熱膜を備え、
前記遮熱膜は、前記ダクト支持体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ダクト支持体は、前記シリンダヘッドの素材よりも熱伝導率が高い素材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記シリンダヘッドの内部には、冷却水が流通するための冷却水流路が形成され、
前記ダクト支持体は、前記冷却水流路の内部に露出する露出部を含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記ダクト支持体は、前記露出部が前記冷却水流路の流れ方向に沿って延在するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ダクトは、前記入口から前記出口へ向かう方向が、前記噴孔から噴射された燃料噴霧の方向と一致するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射ノズルは、噴射方向の異なる複数の前記噴孔を有し、
前記ダクトは、前記複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射ノズルは、前記噴孔の噴射方向が気筒中心軸に対して４５°から９０°の範囲になるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮された燃焼室に燃料を直接噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、この中空管を通して燃焼室へと噴射される。中空管の内部では、噴射された燃料が通過する過程で充填空気との予混合が促進される。これにより、燃焼室において過濃な燃料の分布が低減されるので、スモークの発生が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１７−５３０２９８号公報
【特許文献２】特開２０１３−９２１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来の技術では、ダクトが燃焼室に宙吊りの状態で配置されている。このような構成では、燃焼室での燃焼が継続して行われた場合に、ダクトの過熱が進むおそれがある。この場合、ダクトを通過する過程で燃料の蒸発が促進されてしまい、充填空気との予混合が進む前に燃焼が誘発されてしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料の予混合を促進してスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関と対象としている。内燃機関は、燃料を噴射する噴孔を有し、噴孔が内燃機関のシリンダヘッドから燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、シリンダヘッドの天面に固定され、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が通過する中空のダクトが内部に形成されたダクト支持体と、を備えている。ダクト支持体は、ダクトの入口及び出口が燃焼室に露出するように構成されている。内燃機関は、燃焼室に露出しているダクト支持体の外面のうち少なくとも一部に形成された遮熱膜を備えている。そして、遮熱膜は、ダクト支持体の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有している。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、更に以下の特徴を有する。
ダクト支持体は、シリンダヘッドの素材よりも熱伝導率が高い素材によって構成されている。
【０００８】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、更に以下の特徴を有する。
シリンダヘッドの内部には、冷却水が流通するための冷却水流路が形成されている。ダクト支持体は、冷却水流路の内部に露出する露出部を含んで構成されている。
【０００９】
第４の発明は、第３の発明において、更に以下の特徴を有する。
ダクト支持体は、露出部が冷却水流路の流れ方向に沿って延在するように構成されている。
【００１０】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、更に以下の特徴を有する。
ダクトは、入口から出口へ向かう方向が、噴孔から噴射された燃料噴霧の方向と一致するように構成されている。
【００１１】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴射方向の異なる複数の噴孔を有している。ダクトは、複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられている。
【００１２】
第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴孔の噴射方向が気筒中心軸に対して４５°から９０°の範囲になるように構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、ダクト支持体は、燃焼室に露出している外面のうちの少なくとも一部が遮熱膜で覆われている。このような構成によれば、燃焼室からダクト支持体への熱伝達が抑制されるので、ダクトの過熱を防ぐことができる。これにより、燃料噴霧が自着火することを抑えながら充填空気との予混合が進められるので、過濃な燃料が燃焼することを防ぐことができる。このように、第１の発明によれば、スモークの低減、及び後燃え期間の短縮による熱効率の向上を図ることができる。
【００１４】
第２の発明によれば、ダクト支持体は、シリンダヘッドよりも熱伝導性が高い材料によって構成されている。このような構成によれば、ダクトによる燃料噴霧の冷却効果を更に高めることができる。
【００１５】
第３の発明によれば、シリンダヘッドの内部には、冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。ダクト支持体の露出部は、冷却水流路の内部に露出している。このような構成によれば、ダクト支持体の内部に設けられたダクトの冷却効率を更に高めることができる。
【００１６】
第４の発明によれば、ダクト支持体は、露出部が冷却水流路の流れ方向に沿って延在するように構成されている。このような構成によれば、露出部から冷却水への放熱を促進することができるので、ダクトの冷却効率を更に高めることができる。
【００１７】
第５の発明によれば、噴孔から噴射された燃料がダクトの入口から出口に向かって円滑に通過することができる。
【００１８】
第６の発明によれば、複数の噴孔を有している場合であっても、それぞれの噴孔から噴射される燃料の予混合を促進することができる。
【００１９】
第７の発明によれば、ダクトを通過する燃料噴霧が、ピストンの上昇による燃焼室内の気流の影響を受けにくくなる。これにより、ダクトを通過する燃料噴霧の噴霧貫徹力が低下することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。
【図２】図１中の内燃機関をＡ−Ａ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。
【図３】実施の形態１に係るエンジンのダクト支持体を下面側から模式的に示す図である。
【図４】図４は、図３中のダクト支持体をＢ−Ｂ線で切断した断面を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態２に係るエンジンを図１中のＡ−Ａ線と同じ位置で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。
【図６】図５中エンジンをＣ−Ｃ線で切断した断面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００２２】
実施の形態１．
実施の形態１について図を参照して説明する。
【００２３】
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。また、図２は、図１中の内燃機関をＡ−Ａ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。実施の形態１の内燃機関２は、複数気筒を備えた圧縮自着火式の内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する）である。なお、図１及び図２では、エンジン２が備える複数の気筒のうちの１つの気筒の内部構造を示している。
【００２４】
図１及び図２に示すように、エンジン２は、シリンダヘッド４とシリンダブロック６とを備えている。シリンダブロック６にはシリンダボア６２が形成されている。図示しないピストンは、シリンダボア６２の内部に配置されている。シリンダヘッド４、シリンダボア６２及びピストンの頂面で囲まれた空間には、燃焼室８が形成されている。
【００２５】
燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部４２には、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４が、それぞれ２つずつ配置されている。天面部４２の中央には、燃料噴射ノズル１６が配置されている。より詳しくは、燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部４２の中央には、燃料噴射ノズル１６を固定するための取付穴４４が貫通している。燃料噴射ノズル１６は、先端の噴孔１８が燃焼室８内へ露出するように取付穴４４に固定されている。
【００２６】
実施の形態１のエンジン２は、その特徴的な構成として、ダクト２０が形成されたダクト支持体３０を備えている。ダクト支持体３０は、燃料噴射ノズル１６の噴孔１８の周囲を囲むように凸状に構成された円環状の部材である。ダクト支持体３０は、シリンダヘッド４の天面部４２に接触する上面３２と、円環の内周側を構成する内側面３４と、円環の外周側を構成する外側面３６と、燃焼室８内においてピストン側に面する下面３８とにより構成されている。ダクト支持体３０は、円環の中心軸が気筒中心軸線Ｌ１と一致する位置で、上面３２がシリンダヘッド４の天面部４２に密着するように、図示しないボルトによって固定されている。
【００２７】
ダクト２０は、ダクト支持体３０の内側面３４に設けられた入口２０２から外側面３６に設けられた出口２０４に向かってダクト支持体３０の内部を貫通する直線の中空管によって構成されている。
【００２８】
実施の形態１の燃料噴射ノズル１６には、シリンダボア６２に向かって均等に放射状に噴射される８つの噴孔１８が設けられている。それぞれの噴孔１８は、燃料の噴射方向を示す噴孔軸線Ｌ２と気筒中心軸線Ｌ１との成す角θ１が４５°から９０°の範囲になるように構成されている。実施の形態１のエンジン２では、８つの噴孔１８の噴孔軸線Ｌ２に対してそれぞれダクト２０が設けられている。ダクト２０は、中空管の中心軸線が噴孔軸線Ｌ２と一致する位置になるように構成されている。
【００２９】
実施の形態１のダクト支持体３０には、熱伝導性の高い材料が選択される。このような材料としては、例えば、銀、銅、金、アルミニウムなどの金属素材、ベリリウム銅、銅クロム亜鉛などの合金素材、ＳＴＣ（Super Thermal Conductive）素材等を用いることができる。また、ダクト支持体３０は、シリンダヘッド４よりも熱伝導性の高い材料を用いることが好ましい。例えば、シリンダヘッド４がアルミニウムである場合には、ダクト支持体３０は、アルミニウムよりも熱伝導率の高い銅などの素材を用いることが望ましい。
【００３０】
また、実施の形態１のダクト支持体３０は、その特徴的な構成として、遮熱膜４０が形成されている。図３は、実施の形態１に係るエンジンのダクト支持体を下面側から模式的に示す図である。また、図４は、図３中のダクト支持体をＢ−Ｂ線で切断した断面を模式的に示す図である。これらの図に示すように、実施の形態１のダクト支持体３０は、燃焼室８に露出している外面である内側面３４、外側面３６、及び下面３８に、遮熱膜４０が形成されている。遮熱膜４０は、例えば次のような手順で形成される。先ず、ダクト支持体３０の内側面３４、外側面３６、及び下面３８の全体にニッケルクロム系のセラミックス粒子が溶射される。次いで、ニッケルクロム系の膜の表面全体にジルコニア粒子が溶射される。このような二段階の溶射によれば、ニッケルクロム系の中間層と、ジルコニアの表面層を備える溶射膜を、遮熱膜として形成することができる。この溶射膜は、溶射の過程で形成された内部気泡に由来する多孔質構造を有している。故に、この溶射膜は、ダクト支持体３０の素材よりも熱伝導率の低い遮熱膜として機能する。なお、遮熱膜の形成手順は特に限定されない。また、溶射方式についても、フレーム溶射、高速フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、レーザー溶射等、各種方式を採用することができる。
【００３１】
［実施の形態１の動作］
圧縮自着火式のエンジン２では、燃焼室８内に充填された空気が圧縮された状態で、燃料噴射ノズル１６から燃料が噴射される。噴射された燃料は、充填空気と混合されて燃料濃度の均質化が進められた後、自着火による燃焼が行われることが好ましい。しかしながら、例えば、ダクト２０を備えていない構成では、燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料が、燃焼室８の熱を受けて逸早く過熱し、充填空気と十分に混合される前に自着火してしまうおそれがある。この場合、過濃燃料が燃焼することによるスモークの発生や、後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下が問題となる。
【００３２】
実施の形態１のエンジン２では、上記の問題を解決する手段として、燃焼室８内にダクト２０を設けることとしている。燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料噴霧は、入口２０２からダクト２０の内部へと導入される。また、ダクト２０の入口２０２は燃焼室８内に露出しているため、燃焼室８内の充填空気もまた、ダクト２０の入口２０２から内部へと導かれる。ダクト２０では、燃料噴霧と充填空気とが冷却されながら混合されるので、早期に自着火することなく燃料濃度の均質化が進められる。十分に予混合が進められた混合気は、ダクト２０の出口２０４から噴射される。噴射された混合気は、燃焼室８の熱を受けて自着火して燃焼する。
【００３３】
ここで、ダクト２０を構成しているダクト支持体３０の素材は、熱伝導性の高い材料で構成されている。このような構成によれば、ダクト２０へ導かれた燃料噴霧と充填空気を冷却する冷却性能を高めることができるので、自着火を抑制して燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することが可能となる。
【００３４】
また、実施の形態１のダクト支持体３０は、燃焼室８に露出している内側面３４、外側面３６、及び下面３８が遮熱膜４０で覆われている。このような構成によれば、燃焼室８からダクト支持体３０への熱伝達を抑制することができるので、ダクト２０の過熱を防ぐことができる。
【００３５】
このように、実施の形態１のエンジン２によれば、噴射された燃料噴霧がダクト２０を通過する過程で、自着火を抑制しながら燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することができる。これにより、均質化される前の過濃燃料が自着火することによるスモークの発生を抑制することが可能となる。
【００３６】
また、実施の形態１のエンジン２によれば、ダクト２０を通過する間の自着火が抑制されるため、自着火時期を遅らせることができる。これにより、後燃え期間が短縮されるので、熱効率の向上を図ることができる。
【００３７】
また、実施の形態１のエンジン２では、ダクト支持体３０がシリンダヘッド４に接触しているため、ダクト支持体３０からシリンダヘッド４への熱伝達を促進することができる。これにより、ダクト２０内の混合気の過熱を防いで予混合を促進することが可能となる。
【００３８】
また、実施の形態１のエンジン２では、ダクト２０の中心軸線が噴孔軸線Ｌ２に一致している。このような構成によれば、燃料噴霧とダクト２０の壁面との干渉を防ぐことができるので、効率よく燃料濃度の均質化を図ることができる。
【００３９】
また、実施の形態１のエンジン２では、ダクト２０の中心軸線が気筒中心軸線Ｌ１と成す角θ１が４５°から９０°の範囲に設定されている。このような構成によれば、ダクト２０内の気流による噴霧貫徹力の低下を抑制することが可能となる。
【００４０】
［実施の形態１の変形例］
実施の形態１のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。
【００４１】
ダクト支持体３０の形状は円環形状に限られない。すなわち、ダクト支持体３０は、シリンダヘッド４の天面部４２に固定可能であり、ダクト２０の入口２０２と出口２０４を燃焼室８に連通させることができる形状であればよい。なお、ダクト支持体３０の上面３２とシリンダヘッド４の天面部４２との接触面積が大きいほど、ダクト支持体３０からシリンダヘッド４への熱伝達性は向上する。そこで、ダクト支持体３０の形状は、シリンダヘッド４との接触面積が極力大きくなるような形状を採用することが好ましい。
【００４２】
ダクト２０の構成は、燃料噴射ノズル１６の噴孔１８から噴射された燃料が入口２０２から出口２０４へ通過するように構成されていれば、その形状、本数等に限定はない。
【００４３】
遮熱膜４０は、ダクト支持体３０の素材よりも熱伝導率が低い膜であれば、その材質、形状、膜厚、及び形成方法に限定はない。例えば、遮熱膜４０は、溶射膜の構成に限らず、ダクト支持体３０の素材よりも熱伝導率が低い素材を遮熱膜４０としてダクト支持体３０の外面に密着させる構成でもよい。なお、遮熱膜４０は、燃焼室８に露出しているダクト支持体３０の外面全体に形成されていることが好ましいが、燃焼室８に露出している外面の一部に形成される構成でもよい。
【００４４】
実施の形態２．
実施の形態２について図を参照して説明する。
【００４５】
［実施の形態２の特徴］
図５は、実施の形態２に係るエンジンを図１中のＡ−Ａ線と同じ位置で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。また、図６は、図５中エンジンをＣ−Ｃ線で切断した断面を模式的に示す図である。なお、図５及び図６において、図２と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４６】
図５及び図６に示すように、実施の形態２のエンジン２は、ダクト支持体３０の一部がシリンダヘッド４内の冷却水流路４６に露出している点に特徴を有している。より詳しくは、ダクト支持体３０の上面３２には、シリンダヘッド４の天面部４２の側から冷却水流路４６へと貫通する露出部５０が設けられている。露出部５０は、冷却水流路４６の内部において、冷却水の流通方向に沿って延びた形状を有している。このような露出部５０の形状によれば、ダクト２０を通過する燃料噴霧及び充填空気からダクト支持体３０へと伝達された熱が、露出部５０を介して冷却水流路４６内の冷却水へと放熱される。これにより、ダクト２０の冷却性能を更に向上させることができるので、ダクト２０の内部での燃料噴霧の蒸発による自着火を防いで予混合を促進することが可能となる。
【００４７】
［実施の形態２の変形例］
実施の形態２のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。
【００４８】
露出部５０は、シリンダヘッド４内に形成されている冷却水流路４６に露出するように構成されているのであれば、その形状に限定はない。なお、露出部５０は、冷却水流路４６の内部において、冷却水の流通を妨げずに冷却水との接触面積を増やすことができる形状が好ましい。このような構造としては、例えば、冷却水流路４６内の露出部５０の表面に冷却水の流通方向に沿ったスリットを複数設ける構造や、露出部５０の表面を波型にする構造を採用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
２  内燃機関（エンジン）
４  シリンダヘッド
６  シリンダブロック
８  燃焼室
１２  吸気バルブ
１４  排気バルブ
１６  燃料噴射ノズル
１８  噴孔
２０  ダクト
３０  ダクト支持体
３２  上面
３４  内側面
３６  外側面
３８  下面
４０  遮熱膜
４２  天面部
４４  取付穴
４６  冷却水流路
５０  露出部
６２  シリンダボア
２０２  入口
２０４  出口
【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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