(57)【要約】【課題】タンブル生成ポートの製造誤差に伴い生じる気筒間のタンブルのばらつきに起因する気筒間の燃焼のばらつきを抑制する。【解決手段】スロート部８の高さが相対的に低いタンブル生成ポート６を有する気筒Ａには、噴孔径に対する噴孔長の比Ｌ／Ｄが相対的に小さい筒内噴射弁１２Ｘを組み合わせ、スロート部８の高さが相対的に高いタンブル生成ポート６を有する気筒Ｃには、噴孔径に対する噴孔長の比Ｌ／Ｄが相対的に大きい筒内噴射弁１２Ｚを組み合わせる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内にタンブル流を生じさせる第１タンブル生成ポートと、筒内に燃料を直接噴射する第１筒内噴射弁とを有する第１の気筒と、
前記第１タンブル生成ポートよりもスロート部の高さが低い第２タンブル生成ポートと、前記第１筒内噴射弁よりも噴孔径に対する噴孔長の比が小さい第２筒内噴射弁とを有する第２の気筒と、を備えることを特徴とする内燃機関。
【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、タンブル生成ポートと筒内噴射弁とを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気ポートが形成されるシリンダヘッドは、一般的には鋳造により製造される。吸気ポートの本体部分は中子によって形成され、吸気ポートと燃焼室とを接続するスロート部は鋳造後に機械加工によって形成される。鋳込みの際に中子を完全に固定することは難しく、燃焼室に対して僅かに位置がずれる場合がある。吸気ポートがタンブル生成ポートである場合、その僅かなずれが筒内に生成されるタンブルの強さに大きく影響する。気筒間のタンブルのばらつきは、気筒間に燃焼のばらつきを生じさせる。
【０００３】
下記の特許文献１には、気筒間におけるタンブルのばらつきを検出し、タンブルを強化する方向に設けられた筒内噴射弁の燃料噴射量をタンブルのばらつきに応じて調整することが開示されている。この筒内噴射弁から噴射される燃料はタンブルをアシストするように作用するので、気筒ごとに燃料噴射量を調整することでタンブルのアシスト量を気筒ごとに調整し、気筒間のタンブルのばらつきを補正することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０３０５１５号公報
【特許文献２】特開２００１−３４２８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の技術は、気筒間にタンブルのばらつきがあることが検出されてから対処を行うものであるため、気筒間のタンブルのばらつきに起因する気筒間の燃焼のばらつきを未然に抑えることはできない。少なくとも製造直後の始動時には、気筒間の燃焼のばらつきを許してしまうことになる。始動時は触媒が活性していないため、燃焼のばらつきによるエミッションの増大は可能な限り抑えたい。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、タンブル生成ポートの製造誤差に伴い生じる気筒間のタンブルのばらつきに起因して、気筒間の燃焼のばらつきを未然に抑え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】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、第１の気筒と第２の気筒を含む複数の気筒を備える。第１の気筒は、筒内にタンブル流を生じさせる第１タンブル生成ポートと、筒内に燃料を直接噴射する第１筒内噴射弁とを有する。第２の気筒は、第１タンブル生成ポートよりもスロート部の高さが低い第２タンブル生成ポートと、第１筒内噴射弁よりも噴孔径に対する噴孔長の比が小さい第２筒内噴射弁とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
スロート部の高さが低いタンブル生成ポートによれば、筒内には弱いタンブルが生成され、スロート部の高さが高いタンブル生成ポートによれば、筒内には強いタンブルが生成される。一方、噴孔径に対する噴孔長の比が小さい筒内噴射弁によれば、筒内に噴射される燃料の貫徹力は弱く、噴孔径に対する噴孔長の比が大きい筒内噴射弁によれば、筒内に噴射される燃料の貫徹力は強い。
【０００９】
本発明に係る内燃機関によれば、強いタンブルが生成される気筒には、強い貫徹力で燃料が噴射され、弱いタンブルが生成される気筒には、弱い貫徹力で燃料が噴射される。これにより、タンブル流による燃料のプラグ周りへの輸送状態を気筒間で揃えることが可能となるので、タンブル生成ポートの製造誤差の影響による気筒間の燃焼のばらつきを未然に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】内燃機関のシリンダヘッド部の構成を模式的に示す図である。
【図２】吸気ポート中子のずれ量とタンブル比との関係を示す図である。
【図３】タンブルの強さと燃焼変動との関係を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る気筒と筒内噴射弁の組み合わせを示す図である。
【図５】筒内噴射弁の各噴孔の噴霧角度を示す図である。
【図６】噴孔の噴霧角度とタンブルとの関係を示す図である。
【図７】実施の形態２に係る気筒と筒内噴射弁の組み合わせを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッド部の構成を模式的に示す図である。シリンダヘッド２の下面にあたるシリンダブロック合わせ面２０には、ペントルーフ形状を有する燃焼室４が形成されている。シリンダヘッド２には、燃焼室４に連通する吸気ポート６及び排気ポート１０が形成されている。吸気ポート６には吸気バルブ１６が設けられ、排気ポート１０には排気バルブ１８が設けられている。吸気ポート６の下方には、先端が燃焼室４を臨むように筒内噴射弁１２が設けられている。また、シリンダヘッド２には、燃焼室４の頂部から突出するようには点火プラグ１４が設けられている。
【００１３】
本実施の形態に係る内燃機関は、筒内噴射によるエアガイド成層燃焼を実施可能に構成されている。このため、吸気ポート６は、シリンダヘッド２の側面に形成された吸気ポート入口から燃焼室４に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室４に吸入されたガスにタンブル流を生じさせるタンブル生成ポートとして構成されている。図示しないピストンにはタンブルを保持するための樽型の凹みが形成されている。エアガイド成層燃焼は触媒の暖機を目的として実施される。９０°ＢＴＤＣ付近で筒内噴射弁１２による燃料噴射が行われ、その噴霧がＡＴＤＣ側でタンブル流により点火プラグ１４の近傍に輸送されたとき、１５°ＡＴＤＣ前後にて点火が行われる。
【００１４】
シリンダヘッド２の本体は鋳造によって製造される。その際、燃焼室４は外枠で形成され、吸気ポート６と排気ポート１０は中子によって形成される。吸気ポート６に着目すると、吸気ポート６の形状のうち中子によって形成される部位は燃焼室４の近くまでであり、吸気ポート６の燃焼室４につながる部分、すなわち、吸気ポート６のスロート部８は、鋳造後に機械加工によって形成される。なお、中子によって成形される吸気ポート６の本体部分と、機械加工によって形成されるスロート部８との間には絞りが形成される場合もある。
【００１５】
シリンダヘッド２の鋳込みの際、吸気ポート６の中子は外枠や巾木などによって固定される。しかし、中子を完全に固定することは難しく、燃焼室４を形成する外枠との位置関係に僅かなずれが生じる場合がある。吸気ポート６はタンブル生成ポートであるので、中子の僅かなずれは燃焼室４内に生成されるタンブルの強さに大きく影響する。図２は、吸気ポート６の中子のずれ量とタンブル比との関係について調べた結果を示す図である。この図より、中子が基準位置よる上方向にずれるとタンブルが強くなり、中子が基準位置より下方向にずれるとタンブルが弱くなることが分かる。
【００１６】
ここで、図３は、筒内噴射によるエアガイド成層燃焼を実施した場合の燃料噴射時期とタンブルの強さと燃焼変動率との関係について調べた結果を示す図である。この図より、タンブルの強弱によって燃焼変動率に違いが生じることが分かる。このことは、気筒間でタンブルの強さにばらつきがある場合には、燃焼のばらつきが気筒間に生じることを意味する。前述の吸気ポート６の中子のずれは、気筒間にタンブルのばらつきが生じる原因となる。
【００１７】
一方、燃焼変動を生じさせる別の原因として、筒内噴射弁１２の製造ばらつきがある。筒内噴射弁１２の噴孔のサイズには僅かな誤差があり、その誤差の影響により燃料噴霧の貫徹力には差が生じる。貫徹力が過度に強い燃料噴霧はタンブル流を突き抜けてしまい、貫徹力が過度に弱い燃料噴霧はタンブル流に撒かれて分散してしまう。よって、気筒間で筒内噴射弁１２の貫徹力に差がある場合には、燃焼のばらつきが気筒間に生じることになる。
【００１８】
シリンダヘッド２の製造時の吸気ポート６の中子のずれと、筒内噴射弁１２の噴孔のサイズの誤差は、どちらも気筒間に燃焼のばらつきを生じさせる原因である。しかし、両者は全く独立したものであるから、組み合わせによってはそれぞれの不利益を相互に打ち消しあう場合もあり得る。例えば、強いタンブルが発生する気筒に貫徹力が強い筒内噴射弁１２が組み合わされた場合、燃料噴霧が強いタンブルによって撒き散らされることは抑えられ、また、貫徹力の強い燃料噴霧がタンブル流を突き抜けてしまうことも抑えられる。
【００１９】
本発明は、このような関係を積極的に利用するものである。すなわち、強いタンブルが生成される気筒には、強い貫徹力で燃料が噴射される筒内噴射弁１２を組み合わせ、弱いタンブルが生成される気筒には、弱い貫徹力で燃料が噴射される筒内噴射弁１２を組み合わせる。これにより、タンブル流による燃料の輸送状態を気筒間で揃えることが可能となるので、タンブル生成ポートである吸気ポート６の製造誤差の影響による気筒間の燃焼のばらつきを未然に抑えることができる。
【００２０】
以下、上記のような組み合わせを実現するための具体的な方法について図４を用いて説明する。
【００２１】
吸気ポート６の中子が上下方向にずれた場合、そのずれは機械加工によってスロート部８を形成したときに、シリンダブロック合わせ面２０からのスロート部８の高さのずれ（絞りが形成されている場合には絞り部の高さのずれ）として現れる。スロート部８の高さが平均高さより低い場合、吸気バルブ１６の上方を通って燃焼室４に入り、順方向のタンブル流を生成する吸気流が弱くなる一方で、吸気バルブ１６の下方を通って燃焼室４に入り、逆方向のタンブル流を生成する吸気流が強くなる。この結果、燃焼室４には弱いタンブルが生成される。これに対し、スロート部８の高さが平均高さより高い場合、吸気バルブ１６の上方を通って燃焼室４に入り、順方向のタンブル流を生成する吸気流が強くなる一方で、吸気バルブ１６の下方を通って燃焼室４に入り、逆方向のタンブル流を生成する吸気流は弱くなる。この結果、燃焼室４には強いタンブルが生成される。
【００２２】
以上のことから、強いタンブルが生成される気筒なのか弱いタンブルが生成される気筒なのかは、吸気ポート６のスロート部８の高さから判断することができる。スロート部８の高さは、レーザ計測器を用いることによって簡易に計測することができる。図４に示す例では、３つの気筒Ａ，Ｂ，Ｃが描かれている。このうち、気筒Ｂはスロート部８の高さが全気筒の平均（或いは全気筒の中央値）であり、気筒Ａはスロート部８の高さが全気筒の平均よりも低く、気筒Ｃはスロート部８の高さが全気筒の平均よりも高いことが計測により判明している。このことから、気筒Ｂでは全気筒の平均の強さのタンブルが生成し、気筒Ａでは全気筒の平均より弱いタンブルが生成し、気筒Ｃでは全気筒の平均より強いタンブルが生成することが予測できる。
【００２３】
筒内噴射弁１２の貫徹力は、噴孔１２ａの径Ｄに対する噴孔１２ａの長さＬの比Ｌ／Ｄを計ることで予想することができる。Ｌ／Ｄが大きいほど、噴孔１２ａの形状は奥行きのあるものとなるため、燃料噴霧の指向性が強まり、燃料噴霧は噴孔１２ａの軸線に沿って真っ直ぐ伸びる形態となる。これにより、燃料噴霧には強い貫徹力が与えられる。一方、Ｌ／Ｄが小さいほど、噴孔１２ａの形状は奥行きのないものとなるため、燃料噴霧の指向性は弱まり、燃料噴霧は噴孔１２ａから拡散する形態となる。これにより、燃料噴霧の貫徹力は弱くなる。
【００２４】
噴孔径に対する噴孔長の比Ｌ／Ｄは、レーザ計測器を用いることによって簡易に計測することができる。図４に示す例では、３つの筒内噴射弁１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚが描かれている。このうち、筒内噴射弁１２ＹはＬ／Ｄが全筒内噴射弁の平均値（或いは標準値）であり、筒内噴射弁１２ＸはＬ／Ｄが平均値よりも小さく、筒内噴射弁１２ＺはＬ／Ｄが平均値よりも大きいことが計測により判明している。このことから、筒内噴射弁１２Ｙでは平均的な強さの貫徹力を有する燃料噴霧が得られ、筒内噴射弁１２Ｘでは平均より弱い貫徹力を有する燃料噴霧が得られ、筒内噴射弁１２Ｚでは平均より強い貫徹力を有する燃料噴霧が得られることが予測できる。
【００２５】
以上のとおり各気筒Ａ，Ｂ，Ｃについてスロート部８の高さが分かり、各筒内噴射弁１２Ｘ，１２Ｙ，１２ＺについてＬ／Ｄの大きさが分かれば、それらの最適な組み合わせは容易に決まる。すなわち、平均的な高さのスロート部８を有する気筒Ｂには、Ｌ／Ｄの大きさが平均的な筒内噴射弁１２Ｙを組み合わせればよい。平均より高さの低いスロート部８を有する気筒Ａには、Ｌ／Ｄの大きさが平均より小さい筒内噴射弁１２Ｘを組み合わせればよい。そして、平均より高さの高いスロート部８を有する気筒Ｃには、Ｌ／Ｄの大きさが平均より大きい筒内噴射弁１２Ｚを組み合わせればよい。このような組み合わせによれば、エアガイド成層燃焼の実施時、タンブル流による燃料のプラグ周りへの輸送状態を気筒Ａ，Ｂ，Ｃ間で揃えることが可能となる。
【００２６】
なお、シリンダヘッド２の組み付け工程にある全ての筒内噴射弁１２について、予めＬ／Ｄを計測して、その大きさ別に分類しておくことが好ましい。そうすることで、筒内噴射弁１２を気筒に組み合わせる際の判断が容易になる。また、筒内噴射弁１２の製造ばらつきが小さく、Ｌ／Ｄの大きさの分布に幅がないのであれば、既存の筒内噴射弁１２に対してレーザ加工を施すことによって、Ｌ／Ｄの大きさの分布に幅を持たせるようにしてもよい。
【００２７】
実施の形態２．
今日使用されている筒内噴射弁の多くは、噴霧角度の異なる複数の噴孔を有している。図５は、筒内噴射弁の各噴孔の噴霧角度を示す図である。図５に示す例では、筒内噴射弁１２には１番から６番までの計６個の噴孔が形成されている。
【００２８】
ここで、筒内噴射弁が有する複数の噴孔のうちの噴霧角度が最も上向きの噴孔と噴霧角度が最も下向きの噴孔、図５に示す例では１番噴孔と６番噴孔に着目する。１番噴孔の噴霧角度は水平面（シリンダブロック合わせ面に平行な面）より下向きに３５°以内の範囲に設定され、６番噴孔の噴霧角度は水平面より下向きに４０°以上の範囲に設定されている。
【００２９】
図６には、６番噴孔の噴霧角度とタンブルとの関係が示されている。図６に示すように、１番噴孔から噴射された燃料噴霧はタンブル流に乗って旋回し、ＴＤＣ付近において点火プラグ周辺まで巻き上がる。ただし、これは６番噴孔から噴射される燃料噴霧の角度が下向きの場合である。６番噴孔から噴射される燃料噴霧の角度が上向きになると、燃料噴霧がタンブルの回転を阻害するようになる。このため、タンブルが弱い場合には、１番噴孔から噴射された燃料噴霧が点火プラグ周辺に到達し難くなる。
【００３０】
このように、筒内噴射弁が有する複数の噴孔のうち最も下向きの噴孔の噴霧角度は、燃焼室内に生成されるタンブルに影響する。よって、最も下向きの噴孔（図５に示す例では６番噴孔）の噴霧角度を、タンブルの強さに応じて設定すれば、気筒間の燃焼のばらつきをより改善できるものと考えられる。具体的には、強いタンブルが生成される気筒には、６番噴孔の噴霧角度が平均よりも小さい（すなわち噴霧方向が平均よりも上向きになっている）筒内噴射弁を組み合わせ、弱いタンブルが生成される気筒には、６番噴孔の噴霧角度が平均よりも大きい（すなわち噴霧方向が平均よりも下向きになっている）筒内噴射弁を組み合わせる。これにより、タンブル流による燃料のプラグ周りへの輸送状態を気筒間でより均一に近づけることが可能となる。
【００３１】
図７は、本実施の形態に係る気筒と筒内噴射弁の組み合わせを示す図である。ここでは、シリンダヘッド２に４つの気筒が直列に設けられた直列４気筒エンジンを例に挙げる。この例では、１番気筒と４番気筒は平均的な強さのタンブルが生成される気筒であり、２番気筒は平均より強いタンブルが生成される気筒であり、３番気筒は平均より弱いタンブルが生成される気筒である。この場合、１番気筒と４番気筒には、Ｌ／Ｄの大きさが平均的で、かつ、６番噴孔（最も下向きの噴孔）の噴霧角度は平均的な筒内噴射弁が組み合わせられる。２番気筒には、Ｌ／Ｄの大きさが大きく、かつ、６番噴孔の噴霧角度が平均より小さい筒内噴射弁が組み合わせられる。そして、３番気筒には、Ｌ／Ｄの大きさが小さく、かつ、６番噴孔の噴霧角度が平均より大きい筒内噴射弁が組み合わせられる。
【符号の説明】
【００３２】
２  シリンダヘッド
４  燃焼室
６  タンブル生成ポート（吸気ポート）
８  スロート部
１２  筒内噴射弁
１２ａ  噴孔
１６  吸気バルブ
２０  シリンダブロック合わせ面
【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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