(57)【要約】【課題】燃料の霧化を促進して燃焼効率を向上できる内燃機関を提供すること。【解決手段】燃焼室６と、燃焼室６に連通する吸気ポート５と、吸気ポート５を開閉する傘形状の弁体８Ａを有する吸気バルブ８と、燃焼室に突出する電極１８ａを有する点火プラグ１８と、吸気ポート５に燃料を霧化して噴射するインジェクタ４とを有するシリンダヘッド３を備えたエンジン１であって、吸気ポート５の内壁面５ｂに超音波を発生する超音波振動子２１を設け、超音波振動子２１が、インジェクタ４の下流側で、かつ、弁体８Ａに対して上流側の直前に設置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、前記燃焼室に連通する吸気ポートと、前記吸気ポートを開閉する傘形状の弁体を有する吸気バルブと、前記燃焼室に突出する電極を有する点火プラグと、前記吸気ポートに燃料を霧化して噴射する燃料噴射弁とを有するシリンダヘッドを備えた内燃機関であって、
前記吸気ポートの内壁面に超音波を発生する超音波振動子を設け、
前記超音波振動子が、前記燃料噴射弁の下流側で、かつ、前記弁体に対して上流側の直前に設置されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記超音波振動子が、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が衝突する前記吸気ポートの内壁面に設置され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】
前記超音波振動子が環状に形成され、前記超音波振動子の半径方向内周面に前記吸気バルブが設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃焼室に臨む前記吸気ポートの下流開口端に、前記弁体と接触する吸気バルブシートが設置され、
前記超音波振動子が前記吸気バルブシートと一体的に設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか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、特に、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車等の車両に搭載される内燃機関には燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられており、燃料噴射弁から噴射された燃料は、吸気管あるいは燃焼室において空気と混合されて可燃混合気が形成される。
【０００３】
内燃機関の燃焼効率を向上させるためには燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を微粒化することが知られており、従来、燃料噴霧を微粒化するものとして特許文献１に記載された燃料噴射装置が知られている。
【０００４】
この燃料噴射装置は、吸気集合管から分岐され複数の燃焼室に接続される吸気分岐管を有する内燃機関において、吸気分岐管のそれぞれに配設される燃料噴射弁と、吸気マニホールドとしての吸気集合管に配設される燃料を霧化する霧化部を有する超音波霧化装置と、超音波霧化装置に燃料を供給する燃料供給弁とを備えている。
【０００５】
このような構成により、燃料供給弁から燃料を超音波霧化装置の霧化部に供給し、霧化部において微細液滴に霧化された燃料を吸気集合管内に噴霧する。このため、燃料と空気との混合が促進され、吸気集合管内に噴霧された燃料を、吸気分岐管を経て各燃焼室に供給でき、燃焼効率を向上できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１３３２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来の内燃機関にあっては、燃料供給弁および超音波霧化装置が吸気集合管に設けられているため、燃料供給弁から噴射される燃料が吸気集合管から吸気分岐管を介して燃焼室に供給される。
【０００８】
このため、燃料が燃料供給弁から燃焼室に到達するまでに距離が長くなり、霧化した燃料が吸気分岐管の内壁面に付着して燃焼室に到達せずに、燃焼に有効に活用されなおいそれがある。したがって、燃焼効率が悪化するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、燃料の霧化を促進して燃焼効率を向上できる内燃機関を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は燃焼室と、燃焼室に連通する吸気ポートと、吸気ポートを開閉する傘形状の弁体を有する吸気バルブと、燃焼室に突出する電極を有する点火プラグと、吸気ポートに燃料を霧化して噴射する燃料噴射弁とを有するシリンダヘッドを備えた内燃機関であって、吸気ポートの内壁面に超音波を発生する超音波振動子を設け、超音波振動子が、燃料噴射弁の下流側で、かつ、弁体に対して上流側の直前に設置されるものから構成されている。
本発明の第２の態様としては、超音波振動子が、燃料噴射弁から噴射される燃料が衝突する吸気ポートの内壁面に設置されてもよい。
【００１１】
本発明の第３の態様としては、超音波振動子が環状に形成され、超音波振動子の半径方向内周面に吸気バルブが設置されてもよい。
本発明の第４の態様としては、燃焼室に臨む吸気ポートの下流開口端に、弁体と接触する吸気バルブシートが設置され、超音波振動子が吸気バルブシートと一体的に設けられてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
このように上記の第１の態様によれば、燃料噴射弁の下流側で、かつ、弁体に対して上流側の直前に超音波振動子を設置した。このため、燃料噴射弁から噴射されて吸気ポートの内壁面に付着した燃料を、超音波振動子の超音波振動によって霧化して吸入空気と共に燃焼室に送り込むことができる。
したがって、燃料が吸気ポートの内壁面に付着した場合でも確実に燃焼に使用でき、内燃機関の燃焼効率を向上できる。
【００１３】
また、超音波振動子が弁体に対して上流側の直前に設置されるので、超音波振動子を燃焼室に近づけることができ、超音波振動子の超音波振動を燃焼室に伝達できる。このため、不完全燃焼により燃焼室の内壁面に付着したカーボンを燃焼室から除去でき、燃焼効率をより効果的に向上できる。
【００１４】
上記の第２の態様によれば、超音波振動子が、燃料噴射弁から噴射される燃料が衝突する吸気ポートの内壁面に設置されるので、燃料が直接衝突する吸気ポートの内壁面に付着する燃料を超音波振動によって確実に霧化できる。このため、吸気ポートの内壁面に付着した燃料をより確実に燃焼に使用でき、内燃機関の燃焼効率をより効果的に向上できる。
【００１５】
上記の第３の態様によれば、超音波振動子が環状に形成され、超音波振動子の半径方向内周面に吸気バルブが設置される。このため、吸気ポートの内壁面の円周方向のいずれの部位に付着した燃料であっても超音波振動によって霧化できる。
【００１６】
また、弁体が吸気ポートを開放したときに、燃料が環状の超音波振動子の半径方向内周面を通過するので、燃料噴射弁から噴射される燃料が超音波振動子で遮られることがなく、燃料を確実に燃焼室に導くことができる。したがって、燃焼効率を向上できる。
【００１７】
さらに、吸気バルブを環状の超音波振動子の半径方向内周面に設置できるので、超音波振動子を燃焼室に近い吸気ポートの内壁面に設置しても吸気ポートを弁体によって確実に開閉できる。
【００１８】
上記の第４の態様によれば、燃焼室に臨む吸気ポートの下流開口端に、弁体と接触する吸気バルブシートが設置され、超音波振動子が吸気バルブシートと一体的に設けられる。このため、弁体が吸気ポートを閉止しているときに弁体がバルブシートに接触した状態において、バルブシートと一体的に設けられた超音波振動子の超音波振動によってバルブシートや弁体に付着するカーボンを除去できる。この結果、燃焼効率より効果的に向上できる。
【００１９】
また、吸気ポートの内壁面において、円周方向に延在する超音波振動子が弁体に対して上流側の直前に設置される。このため、環状の超音波振動子を燃焼室に近づけることができ、超音波振動子の超音波振動を燃焼室の広い範囲に伝達できる。このため、不完全燃焼により燃焼室の内壁面に付着したカーボンを燃焼室からより効果的に除去でき、燃焼効率をより効果的に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の内燃機関の第１の実施形態を示す図であり、シリンダヘッドの正面図である。
【図２】図２は、本発明の内燃機関の第１の実施形態を示す図であり、図１のII−II方向矢視断面図である。
【図３】図３は、本発明の内燃機関の第１の実施形態を示す図であり、超音波振動子のシステム構成図である。
【図４】図４は、本発明の内燃機関の第２の実施形態を示す図であり、図１のII−II方向矢視断面図に相当するシリンダヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る内燃機関の実施形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図３は、本発明に係る第１の実施形態の内燃機関を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１において、車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に設けられたシリンダヘッド３とを含んで構成される。
【００２２】
シリンダブロック２には図示しないシリンダに図示しないピストンが往復動自在に設けられており、ピストンの往復運動は、図示しないコネクティングロッドを介して図示しないクランクシャフトの回転運動に変換される。
【００２３】
シリンダヘッド３の側面にはフランジ３Ａが形成されており、フランジ３Ａには図示しない吸気マニホールドの下流開口端が取付けられる。シリンダヘッド３には２つの吸気ポート５を１組として４組の吸気ポート５が形成されており、各吸気ポート５にはそれぞれ燃料噴射弁としてのインジェクタ４が設けられている。
【００２４】
図２において、シリンダヘッド３の底部には燃焼室６が形成されている。燃焼室６は、シリンダブロック２のシリンダの上方において、シリンダヘッド３の底部とシリンダの内壁面とピストンの頂面との間に形成される。図２において、シリンダヘッド３の底部は、燃焼室６の内壁面６ａを構成する。
【００２５】
燃焼室６は、２つで一組の吸気ポート５に連通するようにシリンダヘッド３の長手方向に沿って４つ設けられており、本実施形態のエンジン１は、４気筒エンジンから構成される。なお、エンジン１としては、４気筒エンジンに限定されるものではない。
【００２６】
インジェクタ４は、各インジェクタ４に対応する吸気ポート５に燃料を噴射する。本実施形態のインジェクタ４は、デュアルインジェクタを構成するものであり、個々のインジェクタ４を小型化できるため、燃料を噴射する噴射孔を小さくできる。したがって、インジェクタ４から吸気ポート５に噴射される燃料を霧化（微粒化）できる。
【００２７】
なお、インジェクタ４としては、デュアルインジェクタに限定されるものではなく、１組の吸気ポート５毎に１つ設けられたインジェクタであってもよい。この場合には、インジェクタに小径の噴射孔を複数個設けることで燃料を霧化すればよい。
【００２８】
本実施形態のインジェクタ４は、燃料を霧化するために噴射孔を小径にするものに限定する必要はなく、例えば、高圧空気等を用い空気のせん断力を利用して燃料を霧化する二流体方式のインジェクタを用いてもよい。また、燃料の供給圧力を高くして燃料の噴射速度を加速させ燃料を霧化してもよい。
【００２９】
シリンダヘッド３には２つ一組として４つの排気ポート７（図２では１つを図示）が形成されており、排気ポート７は、燃焼室６を挟んで吸気ポート５と反対側に形成される。
シリンダヘッド３には貫通孔３ａ、３ｂが形成されており、貫通孔３ａ、３ｂにはそれぞれ吸気バルブ８および排気バルブ９が挿通される。
【００３０】
吸気バルブ８は、吸気ポート５を開閉する傘形状の弁体８Ａと、弁体８Ａから上方に延在し、延在方向上端が吸気タペット１０Ａに当接するバルブステム８Ｂとを備えている。
【００３１】
貫通孔３ａには吸気バルブガイド１２Ａが嵌合されており、バルブステム８Ｂは、吸気バルブガイド１２Ａに摺動自在に支持される。
【００３２】
バルブステム８Ｂの上部にはスプリングリテーナ１３Ａが取付けられており、シリンダヘッド３に形成された台座３ｃにはスプリングシート１４Ａが取付けられている。これらスプリングリテーナ１３Ａとスプリングシート１４Ａとの間にはコイルスプリング１５Ａが介装される。
【００３３】
コイルスプリング１５Ａは、吸気バルブ８を上方に付勢する。これにより、吸気バルブ８の弁体８Ａが吸気ポート５を閉弁する。
【００３４】
燃焼室６に臨む吸気ポート５の下流開口端５ａにはバルブシートとしての吸気バルブシート１６Ａが設けられており、弁体８Ａは、吸気ポート５を閉止するときに吸気バルブシート１６Ａに接触する。これにより、燃焼室６と吸気ポート５との連通が遮断される。
【００３５】
また、吸気タペット１０Ａは、常時、吸気カム１７Ａに接触しており、吸気バルブ８は、吸気カム１７Ａのノーズ部１７ａが接触したときにコイルスプリング１５Ａの付勢力に抗して弁体８Ａを開弁させる。
【００３６】
排気バルブ９は、排気ポート７を開閉する傘形状の弁体９Ａと、弁体９Ａから上方に延在し、延在方向上端が排気タペット１０Ｂに当接するバルブステム９Ｂとを備えている。貫通孔３ｂには排気バルブガイド１２Ｂが嵌合されており、バルブステム９Ｂは、排気バルブガイド１２Ｂに摺動自在に支持される。
【００３７】
バルブステム９Ｂの上部にはスプリングリテーナ１３Ｂが取付けられており、シリンダヘッド３に形成された台座３ｄにはスプリングシート１４Ｂが取付けられている。これらスプリングリテーナ１３Ｂとスプリングシート１４Ｂとの間にはコイルスプリング１５Ｂが介装される。
【００３８】
コイルスプリング１５Ｂは、排気バルブ９を上方に付勢する。これにより、排気バルブ９の弁体９Ａが排気ポート７を閉弁する。
【００３９】
燃焼室６に臨む排気ポート７の下流開口端７ａには排気バルブシート１６Ｂが設けられており、弁体９Ａは、吸気ポート５を閉止するときに排気バルブシート１６Ｂに接触する。これにより、燃焼室６と排気ポート７との連通が遮断される。
【００４０】
また、吸気タペット１０Ａは、常時、排気カム１７Ｂに接触しており、排気バルブ９は、排気カム１７Ｂのノーズ部１７ｂが接触したときにコイルスプリング１５Ｂの付勢力に抗して弁体９Ａを開弁させる。
【００４１】
ここで、吸気バルブシート１６Ａおよび排気バルブシート１６Ｂは、弁体８Ａ、９Ａが着座したときの衝撃を十分に受け止める強度を有する。また、吸気バルブシート１６Ａおよび排気バルブシート１６Ｂは、高熱、高負荷が作用しても磨耗し難い材料から構成される。
吸気バルブシート１６Ａおよび排気バルブシート１６Ｂは、弁体８Ａ、９Ａが着座したときに、燃焼室６内の混合気の燃焼によって高温となる弁体８Ａ、９Ａの熱をシリンダヘッド３に逃がすことができる熱伝導性を有する材料から構成される。
【００４２】
吸気バルブ８および排気バルブ９の間には点火プラグ１８が設けられており、点火プラグ１８の電極１８ａは、シリンダヘッド３の底部から燃焼室６に突出している。点火プラグ１８は、吸気ポート５から燃焼室６に吸入された燃料と空気とからなる混合気に点火する。
【００４３】
一方、吸気ポート５の内壁面５ｂには超音波を発生する超音波振動子２１が設けられており、超音波振動子２１は、湾曲したプレートから構成されている。図３に示すように、超音波振動子２１は、例えば、圧電セラミックの基材２２と、基材２２の上下面に取付けられた正負が異なる電極２３、２４とを備えている。
【００４４】
電極２３、２４は、高周波電源２５に接続されており、高周波電源２５から電極２３、２４に高周波電圧が印加されると、電極２３、２４に印加される周波数（例えば、２０ｋＨｚ以上）に応じて基材２２が振動する。
【００４５】
図２において、超音波振動子２１は、インジェクタ４の下流側で、かつ、弁体８Ａに対して上流側の直前に設置される。具体的には、超音波振動子２１は、吸気ポート５の燃焼室６側の下流開口端５ａに対して上流側の直前に設置されている。ここで、上流とは吸気ポート５を流れる空気に対する方向である。
【００４６】
また、本実施形態のインジェクタ４の中心軸Ｌと吸気ポート５の下流開口端５ａの中心軸は略一致しており、インジェクタ４から噴射される燃料は、吸気ポート５に指向される。
【００４７】
また、吸気ポート５の下流開口端５ａの上面５ｃは、点火プラグ１８側に窪んでいる。このため、インジェクタ４から噴射された燃料は、下流開口端５ａの直上の内壁面５ｂの下面５ｄに付着し易い。そこで、本実施形態の超音波振動子２１は、インジェクタ４から噴射される燃料がより多く衝突する下流開口端５ａの直上の内壁面５ｂの下面５ｄに設置される
【００４８】
次に、作用を説明する。
吸気バルブ８の弁体８Ａの開弁時にインジェクタ４から吸気ポート５に噴射されて霧化される燃料は、吸入空気と共に燃焼室６に吸入される。吸気ポート５に噴射される燃料は、吸気ポート５の内壁面５ｂに付着し易い。
【００４９】
本実施形態のシリンダヘッド３は、インジェクタ４の下流側で、かつ、弁体８Ａに対して上流側の直前に超音波振動子２１を設置した。このため、吸気ポート５の内壁面５ｂに付着した燃料を、超音波振動子２１の超音波振動によって霧化して吸入空気と共に燃焼室６に送り込むことができる。
したがって、燃料が吸気ポート５の内壁面５ｂに付着した場合でも確実に燃焼に使用でき、エンジン１の燃焼効率を向上できる。
【００５０】
特に、本実施形態の超音波振動子２１は、インジェクタ４から噴射される燃料が衝突する吸気ポート５の内壁面５ｂにおいて、下流開口端５ａの直前の内壁面５ｂの下面５ｄに設置される。
【００５１】
このため、燃料が直接衝突する吸気ポートの内壁面５ｂであって、下流開口端５ａの直上の内壁面５ｂの下面５ｄに付着する燃料を超音波振動によって確実に霧化できる。したがって、吸気ポート５の内壁面５ｂに付着した燃料をより確実に燃焼に使用でき、エンジン１の燃焼効率をより効果的に向上できる。
【００５２】
また、本実施形態のシリンダヘッド３は、超音波振動子２１が弁体８Ａに対して上流側の直前に設置される。このため、超音波振動子２１を燃焼室６に近づけることができ、超音波振動子２１の超音波振動を燃焼室６に伝達できる。したがって、不完全燃焼により燃焼室６の内壁面６ａに付着したカーボンを燃焼室６から除去でき、燃焼効率をより効果的に向上できる。これに加えて、燃焼室６に伝達される超音波振動により点火プラグ１８の電極１８ａに付着したカーボンも除去できる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係る第２の実施形態の内燃機関を示す図であり、第１の実施形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図４において、超音波振動子３１は、環状に形成されており、超音波振動子３１の半径方向内周面３１ａには吸気バルブ８が設置されている。また、本実施形態の超音波振動子３１は、吸気バルブシート１６Ａと一体的に設けられる。なお、弁体８Ａと超音波振動子３１とが別体であってもよい。また、超音波振動子３１の基本構成は、図３と同一であるが、基材２２、電極２３、２４の形状が環状である点が相違する。
【００５４】
このように本実施形態の超音波振動子３１は、環状に形成され、超音波振動子３１の燃焼室６に対向する半径方向内周面３１ａに吸気バルブ８が設置される。このため、吸気ポート５の内壁面５ｂの円周方向のいずれの部位に付着した燃料であっても、超音波振動によって霧化できる。
【００５５】
また、本実施形態のシリンダヘッド３によれば、弁体８Ａが吸気ポート５を開放したときに、燃料が環状の超音波振動子３１の半径方向内周面３１ａを通過するので、インジェクタ４から噴射される燃料が超音波振動子３１で遮られることがなく、燃料を確実に燃焼室６に導くことができる。したがって、燃焼効率を向上できる。
【００５６】
さらに、本実施形態のシリンダヘッド３によれば、バルブステム８Ｂを環状の超音波振動子３１の半径方向内周面３１ａに設置できるので、超音波振動子３１を燃焼室６に近い吸気ポート５の内壁面に設置しても吸気ポート５を弁体によって確実に開閉できる。
【００５７】
また、本実施形態のシリンダヘッド３によれば、燃焼室６に臨む吸気ポート５の下流開口端５ａに、弁体８Ａと接触する吸気バルブシート１６Ａを設置し、超音波振動子３１を吸気バルブシート１６Ａと一体的に設けた。
【００５８】
このため、弁体８Ａが吸気ポート５を閉止しているときに弁体８Ａが吸気バルブシート１６Ａに接触した状態において、吸気バルブシート１６Ａと一体的に設けられた超音波振動子３１の超音波振動によって吸気バルブシート１６Ａや弁体８Ａに付着するカーボンを除去できる。したがって、燃焼効率をより効果的に向上できる。
【００５９】
また、本実施形態のシリンダヘッド３によれば、吸気ポート５の内壁面５ｂにおいて、超音波振動子３１を弁体８Ａに対して上流側の直前に設置した。
このため、環状の超音波振動子３１を燃焼室６に近づけることができ、超音波振動子３１の超音波振動を燃焼室６の広い範囲に伝達できる。このため、不完全燃焼により燃焼室６の内壁面６ａに付着したカーボンを燃焼室６の内壁面６ａからより効果的に除去でき、燃焼効率をより効果的に向上できる。
これに加えて、燃焼室６に伝達される超音波振動により点火プラグ１８の電極１８ａに付着したカーボンも除去できる。
【００６０】
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００６１】
１…エンジン（内燃機関）、３…シリンダヘッド、４…インジェクタ（燃料噴射弁）、５…吸気ポート、５ａ…下流開口端、５ｂ…内壁面、６…燃焼室、８…吸気バルブ、８Ａ…弁体、１６Ａ…吸気バルブシート（バルブシート）、１８…点火プラグ、１８ａ…電極、２１，３１…超音波振動子、３１ａ…超音波振動子の半径方向内周面
【図１】
2015200240.tif 000003
【図２】
2015200240.tif 000004
【図３】
2015200240.tif 000005
【図４】
2015200240.tif 000006