JP2020122414A - 直噴式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】センター直噴方式の内燃機関において、高速回転時に燃料が吸気で押し流されてライナウェットが生じることを防止する。【解決手段】 燃焼室５のうち排気ポート７の側に、加圧空気（カウンタエア）を燃料の噴出エリアに向けて噴出させる噴気手段１８が配置されている。機関が高速回転域に至って吸気の流速が速くなっても、燃料がエア噴射インジェクタ１８のカウンタエアによって押されることにより、燃料が吸気に押されてシリンダボアの内周面に付着するライナウェット現象を防止できる。【選択図】図３

Description

本願発明は、燃料を燃焼室の中央部から燃料噴射インジェクタによって噴出させるセンター噴出方式の直噴式内燃機関に関するものである。

火花点火式内燃機関において、燃料噴射インジェクタの先端を燃焼室に望ませて、燃料を燃焼室に直接噴出させる方式（ＤＩ方式）があり、この直噴方式には、燃料噴射インジェクタを燃焼室の中央部に配置したセンター直噴方式（例えば特許文献１）と、燃料噴射インジェクタを燃焼室の内周側に寄せて配置したサイド直噴方式とがある。

センター直噴方式は、燃料を燃焼室に均等に分散させることができるため、吸気と燃料との混合性を高めることができる利点や、燃料は基本的には下方に向けて噴出するため、シリンダボアの内面への燃料の付着（ライナウェット）を抑制できる利点がある。

特開２０１６−１２８６６８号公報

センター直噴方式は上記の利点を有するが、センター直噴方式においても、機関が高速回転して吸気の流速が速くなると、燃料噴射インジェクタから噴出した霧化燃料が吸気に強く押される現象が発生して、シリンダボアのうち排気ポートの側に燃料が付着しやすくなっている。すなわち、センター直噴方式でも、高速回転域においてはライナウェット現象が発生しやすくなっている。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「シリンダボアに向けて開口した燃焼室に、クランク軸線方向から見て左右に分かれた状態で吸気ポートと排気ポートとが開口しており、かつ、前記燃焼室の中央部に燃料噴射インジェクタのノズルを向けている」
という基本構成において、
「前記燃焼室のうち前記排気ポートが配置されている側に、前記燃料噴射インジェクタから噴出した燃料に向けて空気を噴出させ得る補助噴気手段を設けている」
という特徴を有している。

本願発明において、補助噴気手段から加圧空気を高速で噴出させることができるが、加圧空気の発生源としては、例えば、スーパーチャージャーや専用のコンプレッサを使用できる。また、補助噴気手段からは、燃料の噴射に合わせて加圧空気が噴出するが、燃料の噴射に合わせて加圧空気を噴出させる制御装置（切り替え装置）としては、エア噴射インジェクタやシャッタ装置（弁装置）を使用できる。

本願発明において、ライナウェットが生じるような高速回転域に至ったら、燃料の噴射タイミングに合わせて補助噴気手段から加圧空気（カウンタエア）を噴出させることにより、霧化燃料が吸気ポートに押されてシリンダボアの内周面に付着することを防止できる。従って、高速回転域においてもライナウェット現象の発生を防止して、全回転域においてＰＭの発生を抑制できる。

また、燃料に、吸気を横切るような方向性を付与できるため、吸気に対する燃料の貫徹力を高めて、燃料と吸気との混合性も向上できる。これに加えて、吸気ポートからシリンダボアに噴出した吸気をカウンタエアによって下向きに案内できるため、タンブル流の生成促進にも貢献でき、これによっても、燃料と吸気との混合性も向上できる。従って、本願発明は、燃料と吸気との混合性も向上して、完全燃焼化を促進できる利点も有する。

第１実施形態の縦断正面図であり、図２（Ａ）のI-I 視断面図である。 （Ａ）は燃焼室の底面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 （Ａ）は作用を示す図、（Ｂ）は別例図である。

(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を車両用内燃機関に適用した実施形態を、図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。

内燃機関は、機関本体として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有している。シリンダブロック１には、複数のシリンダボア３が前後方向に並んで形成されており、各シリンダボア３にピストン４が摺動自在に嵌まっている。

シリンダヘッド２には、シリンダボア３に向けて開口した山形（断面台形のテーパ状）の燃焼室（凹所）５が形成されており、燃焼室５に、クランク軸線方向から見て左右に分かれた状態で、前後一対ずつの吸気ポート６と排気ポート７とが開口している。すなわち、燃焼室５には、前後一対の吸気ポート６の出口が開口していると共に、前後一対の排気ポート７の入口が開口しており、シリンダヘッド２には、吸気ポート６の出口を開閉する前後一対の吸気バルブ８と、排気ポート７の入口を開閉する前後一対の排気バルブ９とが装着されている。

前後一対の吸気ポート６は、シリンダヘッド２の吸気側面１０に開口した１つの集合部１１から分岐しており、各集合部１１には、吸気マニホールド１２を構成する枝管１２ａが接続されている。前後一対の吸気ポート６は、集合部１１から分岐せずに、全長に亙って独立した状態に形成することもできる。

前後一対の排気ポート７は、１つに集合してその集合部１４がシリンダヘッド２の排気側面１５（図２（Ｂ）参照）に開口した構造と、各吸気ポート７が１つの内蔵式集合通路に連通した構造とのいずれも採用できる。前者の構造では、シリンダヘッド２の排気側面にはシリンダボア３の数に対応した排気口が開口し、後者の構造では、シリンダヘッド２の排気側面１５には１つの排気口が開口することになる。

図２に示すように、シリンダヘッド２のうち各燃焼室５の中央部に位置した部位（すなわち、各シリンダボア３の軸心位置）に燃料噴射インジェクタ１３が配置されており、燃料噴射インジェクタ１３の先端部に設けたノズルが燃焼室５の中央部に向いている。また、各燃焼室５には、燃料噴射インジェクタ１３を挟んだ前後両側の位置に点火プラグ１６を設けている。なお、例えば図１において符号１７で示すのは、冷却用のウォータジャケットである。

(2).補助噴気手段
図２及び図３（Ａ）に示すように、燃焼室５のうち前後の排気ポート７の入口で挟まれた部位には、補助噴気手段の一連としてのエア噴射インジェクタ１８の先端が露出している。エア噴射インジェクタ１８は、クランク軸線方向から見てシリンダボア軸心に対して傾斜した姿勢で配置されており、前後排気ポート７の間の隔壁部を通って、燃焼室５に向かっている。

エア噴射インジェクタ１８の先端部は小径のノズル部１８ａで構成されており、ノズル部１８ａの先端の僅かな面積が燃焼室５に開口している。また、エア噴射インジェクタ１８の基端はシリンダヘッド２の外側に露出しており、この露出部に、加圧空気源１９が管路によって接続されている。

加圧空気源１９としては、スーパーチャージャ（機械的過給機）や専用のコンプレッサを使用できる。ターボチャージャで加圧された空気（吸気）を蓄圧容器に溜めて加圧空気源１９とすることも可能である。エア噴射インジェクタ１８には、加圧空気の噴出を制御するソレノイド式等の制御バルブが内蔵されており、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）からの信号に基づいて、エアの噴射が制御される。

図３に示すように、燃料噴射インジェクタ１３から噴出する燃料の噴出エリア２０は、基本的には円錐形になっているが、機関の回転数が高くなると、吸気ポート６から噴出する吸気の流速（動圧）が高くなるため、一点鎖線のエリア２１で示すように、燃料がシリンダボア３のうち排気側の面に向けて押し流されて、霧化した燃料がシリンダボアの内面に付着するライナウェット現象が生じやすくなる。

そこで、予め動作開始回転数を設定しておいて、機関の回転数が動作開始回転数に至ると、燃料噴射インジェクタ１３の開き動に連動してエア噴射インジェクタ１８を開いて加圧空気を噴出させる。すると、燃料は、排気側に押し流されることなく、二点鎖線のエリア２２で示すように、概ねシリンダボア３の軸心の回りに広がっていく。従って、ライナウェットを防止してＰＭの発生を著しく抑制できる。また、吸気に対する燃料の貫徹力が高くなることと、吸気が下向きに押されてタンブル流が強化されやすくなることが相まって、吸気と燃料との混合性を高めて完全燃焼化を促進できる。

エア噴射インジェクタ１８から噴出する空気は、塵埃が混入しないようにエアクリーナを通過させているのが好ましい。また、エア噴射インジェクタ１８から噴出する空気も燃焼に寄与するため、吸気ポート６から噴出した吸気とエア噴射インジェクタ１８から噴出した空気の総和が最適の空燃比を構成するように、スロットルバルブの開度とエア噴射インジェクタ１８からの噴出量とが制御されている。

エア噴射インジェクタ１８からの空気の噴射量は、エアフロメータ等の流量計を使用して制御してもよいし、機関回転数とスロットル開度とに応じて、予め設定したマップに基づいて制御してもよい。スロットルバルブの下流側に、エア噴射インジェクタ１８に吸気を送るバイパス通路を設けて、バイパス通路にコンプレッサ等の加圧装置を配置すると、常に適正な量の吸気を供給できる。

(3).別例
図３（Ｂ）に示す例では、補助噴気手段としてシャッターバルブ２３を使用した例を示している。すなわち、この例では、シリンダヘッド２に、燃料の噴出エリア２０に向けて開口した小径の噴気穴２４を形成すると共に、噴気穴２４と横切って排気側面１５に開口した制御穴２５を形成して、制御穴２５に、噴気穴２４を開閉する弁体２６をスライド自在に配置している。

弁体２６は、これより小径のロッド２７に一体に形成されており、ロッド２７は、電磁式等の駆動装置２８によって往復動奏される。従って、シャッターバルブ２３は、一種のソレノイドバルブになっている。制御穴２５は駆動装置２８の内部と連通しており、駆動装置２８の内部は、管路によって加圧空気源１９に接続されている。なお、制御穴２５は、ウォータジャケット１７に露出した筒状部にも形成されている。従って、熱の影響を抑制できる。

この例では、機関の回転数が予め設定した値に至ると、燃料噴射インジェクタ１３からの燃料噴射に連動して噴気穴２４から加圧空気が噴出して、燃料が吸気によって押し流されることを阻止できる。従って、従前の実施形態と同じ効果が発揮される。この例では、１つの燃焼室５に複数の噴気穴２４を形成することも可能である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、補助噴気手段としては、ニードル式の切り替えバルブ（シャッター装置）も使用できる。

本願発明は、センター直噴方式の内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ シリンダボア
４ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気バルブ
９ 排気バルブ
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 排気側面
１６ 点火プラグ
１８ エア噴射インジェクタ
２０ 燃料の基本的な噴射エリア
２１ 吸気によって押し流された状態での燃料の噴射エリア
２２ カウンタエアによって押し流し阻止された状態の燃料の噴射エリア

Claims (1)

1. シリンダボアに向けて開口した燃焼室に、クランク軸線方向から見て左右に分かれた状態で吸気ポートと排気ポートとが開口しており、かつ、前記燃焼室の中央部に燃料噴射インジェクタのノズルを向けている構成であって、
   前記燃焼室のうち前記排気ポートが配置されている側に、前記燃料噴射インジェクタから噴出した燃料に向けて空気を噴出させ得る補助噴気手段を設けている、
   直噴式内燃機関。

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