(57)【要約】【課題】  筒内に強いガス流動を発生させない場合でも、混合気の均質性を好適に向上させて出力性能の向上を図ることが可能な筒内燃料噴射式内燃機関を提供する。【解決手段】  燃焼室６内に燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁２と、燃焼室６に対応する第１及び第２の吸気弁２１、２２と第１及び第２の排気弁２３、２４とが配設されたシリンダヘッド４とを有して構成される筒内燃料噴射式内燃機関１００であって、第１及び第２の排気弁２３、２４それぞれが弁体前面に噴霧案内部１Ａ、１Ｂを備えるとともに、燃料噴射弁２が噴霧案内部１Ａ、１Ｂそれぞれに向かって燃料を噴射する第１及び第２の噴射孔を備え、さらに噴霧案内部１Ａ、１Ｂそれぞれが、第１及び第２の噴射孔から噴射される燃料の噴霧Ｆ１、Ｆ２が衝突する部分を含む凹部１ａＡ、１ａＢを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁と、前記燃焼室に対応する吸気弁と排気弁とがそれぞれ少なくとも１つ以上配設されたシリンダヘッドとを有して構成される筒内燃料噴射式内燃機関であって、
前記排気弁のうち少なくとも１つの排気弁が、該排気弁の弁体前面に噴霧案内部を備えるとともに、前記燃料噴射弁が、該噴霧案内部に向かって燃料を噴射する噴射孔を備え、
さらに前記噴霧案内部が、前記噴射孔から噴射される燃料の噴霧が衝突する部分を含む凹部を有することを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項２】
頂面にキャビティが形成されたピストンをさらに有して構成され、
前記燃料噴射弁が、前記キャビティに向かって燃料を噴射可能な他の噴射孔をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁が、前記燃焼室の中心軸線を含み、且つクランク軸線に略平行な平面よりも吸気弁側に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記凹部は、前記噴射孔の噴射方向へ延伸する軸線と前記燃焼室の中心軸線とに略平行な断面で、前記燃料噴射弁側に向かってスムースに拡大された形状となることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記形状が円弧であることを特徴とする請求項４記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記排気弁が前記噴射案内部を備える代わりに、前記シリンダヘッドが、前記燃焼室を形成する壁面に該噴射案内部を備えることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の筒内燃料噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内燃料噴射式内燃機関に関し、特に筒内に強いガス流動を発生させない場合でも、混合気の均質性を好適に向上させて出力性能の向上を図ることが可能な筒内燃料噴射式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内に燃料を噴射する内燃機関としては、従来から自然着火式のディーゼルエンジンが存在するが、近年では大幅な燃費向上を図ることを主な目的として筒内に燃料を噴射する火花点火式のガソリンエンジン（以下、単に直噴ガソリン機関と称す）も実用化されている。これら筒内燃料噴射式内燃機関を対象として、例えば噴射方向や噴射位置などに関し種々の態様で燃料を噴射する技術が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、第１の噴孔から吸気弁または排気弁の弁体前面に向けて燃料を噴射するとともに、第１の噴孔よりも断面積が大きい第２の噴孔からピストン頂面に形成したキャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を、シリンダヘッド内壁面の中央部に配置した圧縮着火式内燃機関が提案されている。特許文献２では、吸気弁または排気弁の弁体前面に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を、シリンダヘッド内壁面の中央部に配置した筒内噴射式内燃機関が提案されている。特許文献３では、燃焼室内に旋回流を形成する手段を備える筒内直接燃料噴射式の内燃機関において、旋回方向に沿う向きに流れる方向と、この旋回方向とは逆の旋回方向に沿う向きで、点火プラグ近傍に向かって流れる方向との２方向に燃料の噴霧の流れを分割する手段を備えた燃料噴射装置が提案されている。
【０００４】
特許文献４では、噴孔を以て燃焼室に臨むノズルを備えた燃料噴射装置において、噴孔に対して衝突面を対向配置するとともに、この衝突面の周囲にメッシュ部材を配置した燃料拡散構造が提案されている。特許文献５では、インジェクションノズルを取り囲むバルブ（吸排気弁）の下面に、インジェクションノズルからの燃料噴霧の流路中に突出する突部を設けたディーゼルエンジンの燃焼室が提案されている。特許文献６では、シリンダブロックに設けられるとともに、吸気弁側に近いシリンダボア側面から複数の排気弁に向かう燃料噴射口を有する筒内噴射エンジンが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３２８９８３号公報
【特許文献２】特開２０００−３２０３３５号公報
【特許文献３】特開平１１−３０１２４号公報
【特許文献４】特開平９−８８６０９号公報
【特許文献５】特開平８−４５３４号公報
【特許文献６】特開平９−１１９３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、直噴ガソリン機関で成層燃焼を実現させる方式の一つとして、ウォールガイド方式がある。ウォールガイド方式とは、ピストン頂面に形成したキャビティに向けて噴射した燃料の噴霧を、キャビティの壁面に沿わせて点火プラグ近傍に案内する方式である。ウォールガイド方式を採用する直噴ガソリン機関では、成層燃焼を実現するにあたってタンブル流やスワール流といった旋回気流による強い筒内ガス流動を必要としない。このことからウォールガイド方式を採用する直噴ガソリン機関には、例えば旋回気流の生成に必要となる気流制御弁やヘリカルポートの形状などの影響を受けて流量係数が低下しない、といった利点がある。その一方で、ウォールガイド方式を採用する直噴ガソリン機関では、均質燃焼を行う際にも筒内に強いガス流動が発生しないことから、係るガス流動を発生させる内燃機関と比較して混合気の均質性が低くなってしまう。
【０００７】
係る状況に対して上述の各特許文献が提案する技術のうち、例えば特許文献１または５が提案する技術は混合気の均質性を向上させる効果を有している。しかしながらこれらの技術は構造上、燃料噴射弁を燃焼室の中央上部に配設し易いディーゼルエンジンを対象とした技術であるため、同様の技術を直噴ガソリン機関に適用する場合には、点火プラグと燃料噴射弁とを両立させることが配設スペース上困難となり、また、これらを両立させて配設した場合でも燃料噴射弁と点火プラグとが近接するため、飛散した噴霧が衝突して点火プラグが被り易くなるといった他の技術的課題を抱えることにもなる。これは、ディーゼルエンジンに適用が限られない特許文献２が提案する技術についても同様である。また、特許文献３が提案する技術は旋回気流を利用したものであり、特許文献４が提案する技術は混合気の均一化を図るにあたっての解決手段の発想が大きく異なるものであるため、上述の状況には適用できない。一方、特許文献６が提案する技術は上述の状況に対しても適用可能であるが、排気弁の弁体前面に燃料を噴射することで噴射した燃料の気化、或いは霧化の促進を図ることを目的とした技術であるため、混合気の均質性を向上させるという観点からは、より有効な技術であるとは言い難い。そのため、特に上述の状況でも混合気の均質性をより好適に向上させ、内燃機関の出力性能の向上を図ることが可能な技術が望まれる。
【０００８】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、筒内に強いガス流動を発生させない場合でも、混合気の均質性を好適に向上させて出力性能の向上を図ることが可能な筒内燃料噴射式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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室内に燃料を噴射するように配設された燃料噴射弁と、前記燃焼室に対応する吸気弁と排気弁とがそれぞれ少なくとも１つ以上配設されたシリンダヘッドとを有して構成される筒内燃料噴射式内燃機関であって、前記排気弁のうち少なくとも１つの排気弁が、該排気弁の弁体前面に噴霧案内部を備えるとともに、前記燃料噴射弁が、該噴霧案内部に向かって燃料を噴射する噴射孔を備え、さらに前記噴霧案内部が、前記噴射孔から噴射される燃料の噴霧が衝突する部分を含む凹部を有することを特徴とする。本発明によれば、衝突した燃料の噴霧を凹部の壁面に沿うように反射及び飛散させて、燃焼室内の雰囲気の乱れを増大させることが可能である。これにより、混合気の均質性を向上させ、その結果、内燃機関の出力性能を向上させることが可能である。なお、雰囲気の乱れを偏った状態で発生させないという観点からは、凹部は噴射される噴霧に対向するように開口していることが好ましく、さらに少なくとも燃焼室内側に向かって開口していることが好ましい。これにより、混合気の均質性をより向上させるとともに、さらに噴射した燃料がシリンダ壁面に付着し、その結果潤滑油が希釈されることも抑制可能である。
【００１０】
また、本発明は、頂面にキャビティが形成されたピストンをさらに有して構成され、前記燃料噴射弁が、前記キャビティに向かって燃料を噴射可能な他の噴射孔をさらに備えてもよい。前述の発明は、本発明のように燃料を噴射する場合にも実現可能であり、特に、強い筒内ガス流動を発生させない場合における混合気の均質性向上に対して有効な効果を発揮することが可能である。
【００１１】
また、本発明は、前記燃料噴射弁が、前記燃焼室の中心軸線を含み、且つクランク軸線に略平行な平面よりも吸気弁側に配設されていてもよい。より具体的には、例えば燃料噴射弁が少なくとも上述のように配設されていれば、噴射される燃料の噴霧に対向するように、且つ燃焼室内側に向かって開口させた凹部を容易に実現可能である。
【００１２】
また、本発明は、前記凹部は、前記噴射孔の噴射方向へ延伸する軸線と前記燃焼室の中心軸線とに略平行な断面で、前記燃料噴射弁側に向かってスムースに拡大された形状となっていてもよい。例えば本発明のような凹部であれば、噴射された燃料が有する運動エネルギーが反射の際に無駄に消費されることを抑制でき、その分より大きな雰囲気の乱れが発生するため、混合気の均質性をより向上させることが可能である。
【００１３】
また、本発明は、前記形状が円弧であってもよい。より具体的には、例えば本発明のようにスムースに拡大された形状を円弧で実現することが可能である。
【００１４】
また、本発明は、前記排気弁が前記噴射案内部を備える代わりに、前記シリンダヘッドが、前記燃焼室を形成する壁面に該噴射案内部を備えてもよい。例えば本発明のように、シリンダヘッドに噴射案内部を備えさせることも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、筒内に強いガス流動を発生させない場合でも、混合気の均質性を好適に向上させて出力性能の向上を図ることが可能な筒内燃料噴射式内燃機関を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本実施例に係る筒内燃料噴射式内燃機関（以下、単に内燃機関と称す）１００の要部を示す図である。より具体的には、図１（ａ）では、内燃機関１００について、シリンダ２ａを関連する要部とともに側面視で概念的に示しており、図１（ｂ）では、内燃機関１００について、シリンダ２ａを関連する要部とともに上面視で概念的に示している。本実施例に示す内燃機関１００は直噴ガソリン機関である。但し、ディーゼルエンジンも混合気の均質性向上により出力性能の向上が期待されることから、内燃機関１００はディーゼルエンジンであってもよい。なお、ディーゼルエンジンの場合には後述する点火プラグ７は不要である。また、内燃機関１００は直列４気筒の内燃機関であるが、これに限られず適宜の気筒配列及び気筒数であってよい。また、本実施例では内燃機関１００に関し、各気筒の代表としてシリンダ２ａについて示しているが他の気筒についても同様である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、内燃機関１００は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４等を有して構成されている。シリンダブロック３には、略円筒状のシリンダ３ａが形成されており、このシリンダ３ａ内にはピストン５が収容されている。ピストン５の頂面には、後述する燃料噴射弁２から噴射される燃料の噴霧Ｆ３を壁面に沿わせて点火プラグ７近傍に案内するキャビティ５ａが形成されている。ピストン５がシリンダ３ａ内で往復運動すると、コネクティングロッド（図示省略）を介してクランクシャフト（図示省略）に動力が伝達され、さらにクランクシャフトによって往復運動が回転運動に変換される。なお、クランクシャフトは、その軸線（クランク軸線）が図１（ｂ）に示す中心軸線Ｐ２と略平行になるように内燃機関１００に配設されている。
【００１９】
シリンダブロック３の上面にはシリンダヘッド４が固定されており、燃焼室６は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５によって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド４には、吸気を燃焼室６に導くための構成である第１及び第２の吸気ポート１１、１２が形成されている。さらに、シリンダヘッド４には、第１の吸気ポート１１に対応させて第１の吸気弁２１が、同様に第２の吸気ポート１２に対応させて第２の吸気弁２２がそれぞれ配設されている。これら吸気弁２１、２２は、第１及び第２の吸気ポート１１、１２の流路をそれぞれ開閉するための構成である。これら吸気ポート１１、１２のほか、シリンダヘッド４には燃焼後に発生するガスを燃焼室６から排気するために第１及び第２の排気ポート１３、１４が形成され、さらにこれら排気ポート１３、１４の流路を開閉するために第１及び第２の排気弁２３、２４が配設されている。また、シリンダヘッド４には点火用の火花を発生させるための構成である点火プラグ７が、燃焼室６内略中央上部に電極を突出させた状態で配設されている。なお、本実施例ではシリンダ３ａで吸排気２弁構造を採用しているが、これに限られず吸排気ともに適宜の数量の弁を備えた構造であってよい。
【００２０】
第１の排気弁２３の弁体前面には噴霧案内部１Ａが設けられている。第１の噴霧案内部１Ａは燃焼室６内で混合気の燃焼に曝されることから、より高い強度を確保するために第１の排気弁２３と一体で形成されることが好ましい。但し、これに限られず、第１の排気弁２３と噴霧案内部１Ａとを個別に形成した後に一体化してもよい。同様に、第２の排気弁２４の弁体前面には第２の噴霧案内部１Ｂが設けられている。なお、本実施例では、第１及び第２の排気弁２３、２４それぞれが第１及び第２の噴霧案内部１Ａ、１Ｂを備えているが、これら排気弁２３、２４のうち、少なくともいずれかが第１または第２の噴霧案内部１Ａ、１Ｂを備えていれば、相応の効果を得ることが可能である。
【００２１】
一方、シリンダヘッド４には、燃料を噴射するための構成である燃料噴射弁２が、燃焼室６内に噴射部２ａを突出させた状態で配設されている。より具体的には、燃料噴射弁２は、図１（ａ）に示すように第１及び第２の吸気ポート１１、１２よりもシリンダブロック３側に配設されており、また、図１（ｂ）に示すようにその本体の軸線が燃焼室６の中心軸線Ｐ１を含み、且つクランク軸線に略直交する、言い換えれば中心軸線Ｐ３に略平行な平面に含まれるように配設されている。なお、燃料噴射弁２は、少なくとも燃焼室６の中心軸線Ｐ１を含み、且つクランク軸線に略平行な平面よりも第１及び第２の吸気弁２１、２２側に配設されていることが、第１及び第２の噴霧案内部１Ａ、１Ｂとの相対的な位置関係を好適なものとする上で好ましい。また、燃料噴射弁２はシリンダブロック３に配設されていてもよい。
【００２２】
燃料噴射弁２は、上述のように配設された状態で、所定のタイミングでキャビティ５ａに向かって燃料を噴射可能な図示しない主噴射孔（他の噴射孔）を噴射部２ａに備えている。主噴射孔は矩形の噴口形状を有するスリットノズルであり、主噴射孔から噴射された燃料は、偏平な扇状の噴霧（以下、ファンスプレーとも称す）Ｆ３に形成される。本実施例に係る内燃機関１００は、成層燃焼を実現するにあたってウォールガイド方式を採用しており、この方式においてさらにファンスプレーＦ３を形成することで、より好適に成層燃焼を実現している。但しこれに限られず、主噴射孔には他のノズル形状を採用してもよい。また、燃料噴射弁２は、第１及び第２の噴霧案内部１Ａ及び１Ｂそれぞれに向かって燃料を噴射するための第１及び第２の噴射孔（図示省略）を噴射部２ａに備えている。これら噴射孔から噴射された燃料は、図１（ｂ）に示すような中実の噴霧Ｆ１及びＦ２に形成される。
【００２３】
図２は、第１の噴射孔の噴射方向へ延伸する軸線Ｐ４を含み、中心軸線Ｐ１に略平行な断面で、燃料噴射弁２と第１の噴霧案内部１Ａとを概念的に示す図である。図２に示すように、第１の噴射案内部１Ａは、第１の噴射孔から噴射される燃料の噴霧Ｆ１が衝突する部分を含む凹部１ａＡを有している。この凹部１ａＡは噴霧Ｆ１に対向するように開口しており、さらに、図１（ｂ）に示すように燃焼室６の内側に向かって開口している。また、図２に示すように、上述の断面で凹部１ａＡは、燃料噴射弁２側に向かってスムースに拡大された円弧形状となる。さらに、凹部１ａＡは、軸線Ｐ４と中心軸線Ｐ１とに略平行な他の断面でも図２に示す円弧形状となる。すなわち、凹部１ａＡは円筒内面の一部と同様に形成されている。
【００２４】
次に、燃料噴射弁２から噴射された燃料の噴霧Ｆ１が凹部１ａＡに案内される過程について、図２を用いて詳述する。噴霧Ｆ１は、燃料噴射弁２から噴射された後、凹部１ａＡに衝突する。衝突した噴霧Ｆ１は凹部１ａＡの壁面に沿うように反射する。また、反射の際に凹部１ａＡの壁面がスムースに拡大されているため、噴霧Ｆ１は運動エネルギーを無駄に消費することなく反射する。さらに、凹部１ａＡは燃焼室６内側に向かって開口しているため、反射した噴霧Ｆ１は燃焼室６内側に向かって飛散する。これにより、燃焼室６内の雰囲気の乱れを増大させて混合気の均質性を好適に向上させることが可能になるとともに、反射して飛散する燃料がシリンダ３ａの壁面に付着し、その結果、潤滑油が希釈されることを抑制可能である。また、上述のようにして混合気の均質性を向上させることは、本実施例に係る内燃機関１００のように筒内に強いガス流動を発生させないような内燃機関に対して相性がよく、そのため係る内燃機関で特に有効な効果を発揮することが可能である。
【００２５】
なお、図２に係る上述の説明では、噴霧Ｆ１と噴射案内部１Ａとの場合について詳述したが、噴霧Ｆ２と噴射案内部１Ｂとの場合についても同様である。また、本実施例で示した噴射案内部１Ａ及び１Ｂは種々の変形が可能である。以下、噴射案内部１Ａに関していくつかの変形例を示すが、これらは噴射案内部１Ｂについても同様に適用可能である。例えば噴射案内部１Ａが凹部１ａＡの代わりに、軸線Ｐ４を含み、クランク軸線と略平行な断面で燃料噴射弁２側に向かってスムースに拡大された形状となる凹部を有してもよい。言い換えれば、第１の排気弁２３が噴霧案内部１Ａの代わりに、図２に示す第１の噴射孔の噴射方向に延伸する軸線周りに、噴霧案内部１Ａを９０度回転したような噴霧案内部を備えてもよい。また、噴射案内部１Ａが凹部１ａＡの代わりに、図２に示す断面に略直交する方向の両端、または一端が平面、または曲面で閉じた凹部を有してもよい。また、噴霧案内部１Ａが凹部１ａＡの代わりに、球面状の凹部を有してもよい。これらの場合には、反射して飛散する燃料がシリンダ３ａの壁面に付着することをより好適に抑制可能である。
【００２６】
また、凹部１ａＡは曲面で形成されているが、噴射案内部１Ａが凹部１ａＡの代わりに、平面、または円弧以外の曲面、または平面と曲面との組合せで形成された凹部を有してもよい。また、本実施例では凹部１ａＡが噴霧Ｆ１に対向するように開口しているが、これに限られず適宜の方向に向かって開口させることも可能であり、例えば噴射案内部１Ａが上述のような凹部１ａＡの変形例と組み合わせて中心軸線Ｐ１に向かって開口させた凹部を有してもよい。また、第１の排気弁２３が噴射案内部１Ａを備える代わりに、シリンダヘッド３が燃焼室６を形成する壁面に噴射案内部１Ａを備えてもよい。さらに、この場合には、噴射案内部１Ａの代わりに、この壁面に凹部を形成することで噴射案内部を実現してもよい。以上により、筒内に強いガス流動を発生させない場合でも、混合気の均質性を好適に向上させて出力性能の向上を図ることが可能な内燃機関１００を実現可能である。
【００２７】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施例に係る内燃機関１００の要部を示す図である。
【図２】第１の噴射孔の噴射方向へ延伸する軸線Ｐ４を含み、中心軸線Ｐ１に略平行な断面で、燃料噴射弁２と第１の噴霧案内部１Ａとを概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  噴霧案内部
２  燃料噴射弁
３  シリンダブロック
４  シリンダヘッド
５  ピストン
６  燃焼室
７  点火プラグ
１１  第１の吸気ポート
１２  第２の吸気ポート
１３  第１の排気ポート
１４  第２の排気ポート
２１  第１の吸気弁
２２  第２の吸気弁
２３  第１の排気弁
２４  第２の排気弁
１００  筒内燃料噴射式内燃機関
【図１】
2007170206.tif 000003
【図２】
2007170206.tif 000004