JP3148617B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

筒内噴射型火花点火式内燃機関

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等に搭載さ
れる筒内噴射型火花点火式内燃機関用のシリンダヘッド
に係り、詳しくは、燃料噴霧の乱れの防止等を図る技術
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、自動車等に搭載される燃料噴射火
花点火式内燃機関では、有害排出ガス成分の低減や燃費
の向上等を図るため、旧来の吸気管噴射型（以下、吸気
管噴射ガソリンエンジン）に代えて燃焼室に直接燃料を
噴射する筒内噴射型（以下、筒内噴射ガソリンエンジ
ン）が種々提案されている。筒内噴射ガソリンエンジン
では、特開平7-102976号公報等に記載されたもののよう
に、燃料噴射弁からピストン頂部に設けられたキャビテ
ィ内等に燃料を噴射することで、点火時点において点火
プラグの周囲に理論空燃比に近い空燃比の混合気を生成
させている。これにより、全体に希薄な空燃比でも着火
が可能となり、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、
アイドル運転時や低負荷走行時の燃費大幅に向上させる
ことができる。また、燃料噴射量を増減させる際にも吸
気管による移送遅れがないため、加減速レスポンスも非
常に良好となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した筒
内噴射ガソリンエンジンでは、シリンダヘッドに燃料噴
射弁を取り付けることに起因して、燃料噴霧形状の悪化
が生じたり、燃料噴射弁とシリンダヘッド間等に発生す
る微細割れや引け巣を検出するための耐圧リークテスト
が必要となったり、また、エンジン組立時における燃料
系のリークテストが行い難くなる等の問題があった。
【０００４】一般に、従来の筒内噴射ガソリンエンジン
では、図８に示したように、燃料噴射弁４は、その噴口
５０が燃焼室５に臨むかたちで、シリンダヘッド２に取
り付けられている。そのため、燃料噴射弁４から噴射さ
れた燃料噴霧５１は、ごく細径の噴口５０から比較的広
い燃焼室５内に突然流入することになる。その結果、燃
料噴霧５１には剥離による乱れ（燃料噴霧形状の悪化）
が生じ、不完全燃焼等が起こりやすくなり、有害排出ガ
ス成分の増加や燃費の低下等がもたらされてしまうので
ある。また、筒内噴射ガソリンエンジンには、燃焼効率
を向上させるべく、直立型の吸気ポート１３により燃焼
室５内に逆タンブル流５２を生成させるものがある。と
ころが、燃料噴霧形状が悪化した場合、逆タンブル流５
２等の筒内流動が阻害され、これによる燃費の低下等が
生じることもあった。
【０００５】一方、燃料噴射弁４が燃焼室５に臨むかた
ちで設置されるため、上述した耐圧リークテストが必要
となる他、筒内噴射ガソリンエンジンでは、その燃圧が
吸気管噴射ガソリンエンジンに比べて遥かに高く設定さ
れるため、エンジンの組立時には燃料系のリークテスト
も不可欠となる。そして、これらのリークテストに際し
ては、シリンダヘッド２と燃料噴射弁４との隙間からの
圧縮空気のリークや燃料噴射弁４からの燃料リークの影
響を防ぐべく、燃料噴射弁４の先端および燃料噴射弁４
とシリンダヘッド２との間隙がシール治具（図示せず）
により塞がれる。ところが、図８に示したシリンダヘッ
ド２では、燃料噴射弁４の周囲に治具を取り付けるため
のシール座面と、燃料噴射弁４の先端より大径の治具を
挿入するための隙間とが存在しないため、燃料噴射弁４
とシリンダヘッド２との間隙や燃料噴射弁４の先端を完
全に塞ぐことができなかった。尚、燃料噴射弁４は、製
造時において単体での燃料リークのチェックが行われ、
そのリーク量が所定値以下のものが選別・使用される。
【０００６】本発明は上記状況に鑑みなされたもので、
燃料噴霧の乱れの防止の他、シリンダヘッドの耐圧リー
クテストや燃料系のリークテストの容易化を図った筒内
噴射型火花点火式内燃機関のシリンダヘッドを提供する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１では、
この目的を達成するために、シリンダヘッド、シリンダ
及びピストンにより構成された燃焼室と、前記シリンダ
ヘッドに設けられる燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から
前記燃焼室内に直接噴射された燃料に点火する点火装置
とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃機関であって、前
記シリンダヘッド内に形成されると共に、シリンダ軸線
を含む基準面の一側で前記燃焼室に開口する吸気開口端
を有し、且つ、前記燃焼室内で逆タンブル流を生成する
よう前記吸気開口端から吸気を行う吸気ポートと、前記
吸気開口端に隣接した位置で前記燃焼室に開口し、前記
燃料噴射弁の噴口と前記燃焼室とを連通するよう前記シ
リンダヘッド内に形成されると共に、その通路断面積が
前記噴口近傍から前記燃焼室側に向かうに連れて徐々に
増大する噴射通路とを備えたものを提案する。
【０００８】また、請求項２では、請求項１の筒内噴射
型火花点火式内燃機関において、前記吸気ポートが、当
該吸気開口端から上方に向けて延設された直立型に形成
されているものを提案する。また、請求項３では、請求
項１または２の筒内噴射型火花点火式内燃機関におい
て、前記噴射通路が、前記燃料噴射弁の前記噴口側から
前記燃焼室側に向かって延びる第１通路部分と、該第１
通路部分の前記燃焼室側端に連接し前記燃焼室側に向か
って延びる第２通路部分とから構成され、該第２通路部
分の通路断面積の変化割合が、前記第１通路部分の通路
断面積の変化割合よりも大きく設定されているものを提
案する。
【０００９】また、請求項４では、請求項３の筒内噴射
型火花点火式内燃機関において、前記第１通路部分が、
耐圧リークテスト用のシール治具を当接させて前記燃焼
室側の気密性を保持するシール座面として構成されてい
るものを提案する。また、請求項５では、請求項４の筒
内噴射型火花点火式内燃機関において、前記シール座面
が、前記第１通路部分において前記噴口側から前記燃焼
室側に向けて拡がるようにテーパ状に形成されているも
のを提案する。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を詳細に説明する。図１は本発明を適用した筒
内噴射ガソリンエンジンの一実施形態を示す縦断面図で
あり、図中の符号１は、燃焼室をはじめ吸気装置やＥＧ
Ｒ装置等が筒内噴射専用に設計された、直列４気筒型の
エンジン本体（以下、単にエンジンと記す）を示してい
る。
【００１１】本実施形態の場合、エンジン１のシリンダ
ヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の
燃料噴射弁４も取り付けられており、燃焼室５内に直接
燃料が噴射されるようになっている。また、シリンダ６
に上下摺動自在に保持されたピストン７の頂面には、圧
縮行程後期に燃料噴射弁４からの燃料噴霧が到達する位
置に、半球状のキャビティ８が形成されている。また、
このエンジン１の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに
比べ、高く（本実施形態では、１２程度）設定されてい
る。動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されてお
り、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０を
それぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気
側カムシャフト１２とが回転自在に保持されている。
【００１２】シリンダヘッド２には、両カムシャフト１
１，１２の間を抜けるようにして、直立型の吸気ポート
１３が形成されており、この吸気ポート１３を通過した
吸気流が燃焼室５内で逆タンブル流、即ち後述の開口端
６１を通過した吸気が当該開口端６１側のシリンダ６の
壁面に沿って下降した後ピストン７の頂面で反転され、
更に排気弁１０側のシリンダ６の壁面に沿って排気弁１
０側に上昇して旋回する縦渦流を発生させるようになっ
ている。一方、排気ポート１４については、通常のエン
ジンと同様に略水平方向に形成されているが、斜め下方
に大径のＥＧＲポート（図示せず）が分岐している。図
中、１６は冷却水温Ｔwを検出する水温センサであり、
１７はクランク角信号ＳＧＴを出力するベーン型のクラ
ンク角センサである。
【００１３】吸気ポート１３には、吸気マニホールド２
１を介して、スロットルボディ２３等を具えた吸気管
（図示せず）が接続している。スロットルボディ２３に
は、流路を開閉するバタフライ式のスロットルバルブ２
８と共に、スロットルバルブ２８の開度θTHを検出する
スロットルセンサ２９と、全閉状態を検出するアイドル
スイッチ３０とが備えられている。一方、排気ポート１
４には、Ｏ2センサ４０が取付けられた排気マニホール
ド４１を介して、三元触媒４２や図示しないマフラー等
を具えた排気管４３が接続している。また、ＥＧＲポー
トは、大径のＥＧＲパイプ４４を介して、吸気マニホー
ルド２１の上流に接続されており、その管路にはステッ
パモータ式のＥＧＲバルブ４５が設けられている。図
中、４６は排気側カムシャフト１２により駆動される高
圧燃料ポンプであり、エンジン１のアイドル運転時にも
50〜60kg/cm2 以上の吐出圧を発生する。
【００１４】図２にはシリンダヘッド２およびシリンダ
６の縦断面を示し、図３には図２中のIII矢視を示し、
図４には図２中のIV拡大視を示してある。これらの図に
示したように、燃料噴射弁４は、燃料噴射弁４用のシー
ル座面（以下、弁用シール座面）８０に当接するシール
ワッシャ８１を介して、シリンダヘッド２に形成された
噴射弁取付穴８２に取り付けられている。また、シリン
ダヘッド２には、燃料噴射弁４と燃焼室５とを連通する
べく、噴射通路６０が形成されている。
【００１５】噴射通路６０は、その断面積が燃料噴射弁
４の噴口５０近傍から燃焼室５側に向けて徐々に増大す
るように形成され、かつ燃焼室５側の端部が吸気ポート
１３の燃焼室５への開口端（吸気開口端）６１に沿った
形状となっている。また、噴射通路６０の噴口５０側の
内壁は、切削加工により後述する耐圧リークテスト用の
シール座面（以下、テスト用シール座面（第１通路部
分））６２としてテーパ状に形成されており、該部にお
ける断面積の変化割合（増大割合）が燃焼室５側の他の
部位（以下、断面積急増部（第２通路部分）６３）に比
べて小さく設定されている。尚、噴射通路６０の内壁面
は、テスト用シール座面６２を除いて、無加工（すなわ
ち、鋳肌）となっている。
【００１６】以下、本実施形態の作用を述べる。さて、
所定の噴射タイミングで燃料噴射弁４が駆動されると、
噴口５０から噴射された燃料噴霧５１は、噴射通路６０
を介して燃焼室５に流入する。この際、燃料噴霧５１
は、先ず断面積の変化割合が比較的小さいテスト用シー
ル座面６２に流入した後、断面積の変化割合が比較的大
きい断面積急増部６３を経て、燃焼室５に流入する。そ
のため、燃料噴霧５１は、徐々に広くなる空間を経て燃
焼室５内に流入することになり、剥離による燃料噴霧形
状の乱れが生じなくなった。その結果、不完全燃焼等が
起こり難くなり、従来装置で問題となっていた有害排出
ガス成分の増加や燃費の低下等が抑制されると同時に、
逆タンブル５２等の筒内流動が阻害されることもなくな
り、燃焼効率の低下による燃費の低下等も起こらないよ
うになった。
【００１７】一方、本実施形態の場合、耐圧リークテス
トは次の手順で行われる。すなわち、シリンダヘッド２
を耐圧リーク試験装置にセットした後、図５に示したよ
うに、ダミー噴射弁９０を噴射弁取付穴８２に挿入・固
定する。次に、シール治具７０の先端部を噴射通路６０
のテスト用シール座面６２に押しつけた後、ダミー噴射
弁９０に形成された空気導入孔９１から圧縮空気を導入
する。そして、所定時間経過後における空気圧を計測
し、その計測結果が所定値を下回っていれば、リークが
発生していることになる。
【００１８】本実施形態の場合、ダミー噴射弁９０は燃
料噴射弁４と略同一形状のウレタンゴム製であり、軸心
に空気導入孔９１が形成されると共に、噴射弁取付穴８
２より小さな外径に加工され、更に、噴射弁取付穴８２
の弁用シール座面８０に当接する位置にシール部９２を
備えている。また、シール治具７０は、その先端に噴射
通路６０のテスト用シール座面６２に対応するテーパ状
のシール面７１が形成されたウレタンゴム製の円柱であ
り、アクチュエータ（本実施形態では、エアシリンダ）
のロッド７２に保持されて矢印で示した方向に移動す
る。そして、耐圧リークテスト時には、ダミー噴射弁９
０とシール治具７０との間には所定の間隙Ｓが形成され
る。
【００１９】耐圧リークテスト時において、空気導入孔
９１から導入された圧縮空気は、間隙Ｓを介して噴射弁
取付穴８２とダミー噴射弁９０との間に流入し、シール
部９２によりシールされる。これにより、噴射通路６０
のテスト用シール座面６２から噴射弁取付穴８２の弁用
シール座面８０までの間に圧縮空気が充填されることに
なり、噴射弁取付穴８２に微細割れや引け巣が存在した
場合、該部から圧縮空気がリークして空気圧が低下する
のである。尚、シール面７１の軸線とテスト用シール座
面６２の軸線とが多少ずれていた場合にも、シール治具
７０がそのずれに合わせて弾性変形するため、耐圧リー
クテストに要求される気密性は十分に確保される。
【００２０】また、本実施形態の場合、燃料系のリーク
テストは、以下に述べる手順で行われる。すなわち、燃
料噴射弁４をはじめ、高圧燃料ポンプ４６や燃料配管等
が取り付けられたシリンダヘッド２をリーク試験機にセ
ットした後、図６に示すように、シール治具１００を燃
料噴射弁４の先端に押し付け、所定の燃圧を燃料系に印
加して燃料のリーク量を検出する。
【００２１】シール治具１００は、その先端に燃料噴射
弁４の先端面より若干大径のシール面１０１が形成され
たウレタンゴム製の円柱であり、アクチュエータのロッ
ド７２に保持されて矢印で示した方向に移動する。そし
て、シール治具１００が燃料噴射弁４に押し付けられる
と、シール面１０１が燃料噴射弁４の先端面に当接し、
噴口５０からの燃料リークの影響が防止されるのであ
る。この際、シール治具１００はシリンダヘッド２と干
渉しないが、軸線のずれにより多少の接触が起こって
も、シール治具１００が弾性変形してリークテストに要
求される液密性は十分に確保される。
【００２２】以上述べたように、本実施形態では、燃料
噴射弁４の噴口５０と燃焼室５とを連通し、かつその断
面積が噴口５０側から燃焼室５側に向かうに連れて増大
する噴射通路６０を備えると共に、噴射通路６０の噴口
５０側の内壁にテスト用シール座面６２を形成するよう
にしたため、燃料噴霧５１の乱れに起因する有害排出ガ
ス成分の増加や燃費の低下等を抑制でき、逆タンブル流
５２等の筒内流動の阻害なく燃焼効率を良好なものとし
て燃費の向上を図ることができると同時に、シリンダヘ
ッド２の耐圧リークテスト時における噴射通路６０から
の圧縮空気のリークの影響や、燃料系のリークテスト時
における燃料噴射弁４からの燃料リークの影響を防止す
ることができるようになった。
【００２３】以上で、具体的実施形態の説明を終える
が、本発明の態様はこの実施形態に限るものではない。
例えば、上記実施形態は本発明を直列４気筒の筒内噴射
ガソリンエンジンに適用したものであるが、単気筒エン
ジンやＶ型６気筒エンジン等、気筒数やその配列が異な
るものに適用してもよいし、メタノール等のガソリン以
外の燃料を使用するエンジンに適用してもよい。また、
上記実施形態では、噴射通路６０の噴口５０側の内壁に
テーパ状のテスト用シール座面を形成したが、図７に示
すように、噴射通路６０の噴口５０側の端面にストレー
ト状のテスト用シール座面６２を形成するようにしても
よい。更に、装置の具体的構成や噴射通路の形状等につ
いては、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更すること
が可能である。
【００２４】
【発明の効果】本発明の請求項１によれば、シリンダヘ
ッド、シリンダ及びピストンにより構成された燃焼室
と、前記シリンダヘッドに設けられる燃料噴射弁と、前
記燃料噴射弁から前記燃焼室内に直接噴射された燃料に
点火する点火装置とを備えた筒内噴射型火花点火式内燃
機関において、前記シリンダヘッド内に形成されると共
に、シリンダ軸線を含む基準面の一側で前記燃焼室に開
口する吸気開口端を有し、且つ、前記燃焼室内で逆タン
ブル流を生成するよう前記吸気開口端から吸気を行う吸
気ポートと、前記吸気開口端に隣接した位置で前記燃焼
室に開口し、前記燃料噴射弁の噴口と前記燃焼室とを連
通するよう前記シリンダヘッド内に形成されると共に、
その通路断面積が前記噴口近傍から前記燃焼室側に向か
うに連れて徐々に増大する噴射通路とを備えるようにし
たので、燃料噴射弁からの燃料噴霧が徐々に広くなる空
間を経て燃焼室内に流入することで、剥離による燃料噴
霧形状の乱れが生じなくなり、これにより、不完全燃焼
等の発生を抑えて有害排出ガス成分の増加や燃費の低下
を回避することができる。また、吸気の逆タンブル流等
の筒内流動が燃料噴霧形状の乱れによって阻害されるこ
とがなくなるため、燃焼効率を高く維持して燃費の向上
を図ることができる。
【００２５】また、請求項２によれば、請求項１の筒内
噴射型火花点火式内燃機関において、前記吸気ポート
を、当該吸気開口端から上方に向けて延設された直立型
に形成されているものとしたので、燃料噴霧の乱れによ
って逆タンブル流が阻害されなくなることに加え、燃焼
室内に良好に吸気の逆タンブル流を生成させることがで
き、燃焼効率を良好なものとして燃費の向上を図ること
ができる。
【００２６】また、請求項３によれば、請求項１または
２の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記噴射
通路を、前記燃料噴射弁の前記噴口側から前記燃焼室側
に向かって延びる第１通路部分と、該第１通路部分の前
記燃焼室側端に連接し前記燃焼室側に向かって延びる第
２通路部分とから構成し、該第２通路部分の通路断面積
の変化割合を、前記第１通路部分の通路断面積の変化割
合よりも大きく設定するようにしたので、剥離による燃
料噴霧形状の乱れを生じさせないようにしながら、逆タ
ンブル流の阻害を好適に防止でき、燃焼効率を良好なも
のとして燃費の向上を図ることができる。また、請求項
４によれば、請求項３の筒内噴射型火花点火式内燃機関
において、前記第１通路部分を、耐圧リークテスト用の
シール治具を当接させて前記燃焼室側の気密性を保持す
るシール座面として構成するようにしたので、剥離によ
る燃料噴霧形状の乱れを生じさせないようにし、吸気の
逆タンブル流等の筒内流動を阻害しないようにしなが
ら、併せて、燃料噴射弁とシリンダヘッド間の耐圧リー
クテストをテスト用圧縮空気の燃焼室側へのリークなく
良好に実施するようにできる。
【００２７】また、請求項５によれば、請求項４の筒内
噴射型火花点火式内燃機関において、前記シール座面
を、前記第１通路部分において前記噴口側から前記燃焼
室側に向けて拡がるようにテーパ状に形成するようにし
たので、剥離による燃料噴霧形状の乱れを生じさせない
ようにして吸気の逆タンブル流等の筒内流動を阻害しな
いようにでき、併せて、テスト用圧縮空気の燃焼室側へ
のリークを確実に防止して耐圧リークテストを良好に実
施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射ガソリンエ
ンジンの縦断面図である。
【図２】実施形態に係るシリンダヘッドおよびシリンダ
の縦断面図である。
【図３】図２中のIII矢視図である。
【図４】図２中のIV部拡大図である。
【図５】実施形態での耐圧リークテストにおけるシール
手順を示す説明図である。
【図６】実施形態での燃料系のリークテストにおけるシ
ール手順を示す説明図である。
【図７】変形実施形態での耐圧リークテストにおけるシ
ール手順を示す説明図である。
【図８】従来装置におけるシリンダヘッドおよびシリン
ダの縦断面図である。
【符号の説明】
１ エンジン ４ 燃料噴射弁 ５ 燃焼室 ６ シリンダ ７ ピストン １３ 吸気ポート ５０ 噴口 ５１ 燃料噴霧 ５２ 逆タンブル流 ６０ 噴射通路 ６１ 吸気開口端 ６２ テスト用シール座面（第１通路部分） ６３ 断面積急増部（第２通路部分） ７０ シール治具 ７１ シール面 ８２ 噴射弁取付穴 ９０ ダミー噴射弁 ９１ 空気導入孔 １００ シール治具 １０１ シール面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川辺 敬 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 上田 克則 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 村上 信明 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 駒井 弘和 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−240047（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−22627（ＪＰ，Ｕ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダヘッド、シリンダ及びピストン
    により構成された燃焼室と、前記シリンダヘッドに設け
    られる燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から前記燃焼室内
    に直接噴射された燃料に点火する点火装置とを備えた筒
    内噴射型火花点火式内燃機関であって、前記シリンダヘッド内に形成されると共に、シリンダ軸
    線を含む基準面の一側で前記燃焼室に開口する吸気開口
    端を有し、且つ、前記燃焼室内で逆タンブル流を生成す
    るよう前記吸気開口端から吸気を行う吸気ポートと、 前記吸気開口端に隣接した位置で前記燃焼室に開口し、
    前記燃料噴射弁の噴口と前記燃焼室とを連通するよう前
    記シリンダヘッド内に形成されると共に、その通路断面
    積が前記噴口近傍から前記燃焼室側に向かうに連れて徐
    々に増大する噴射通路と、 を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機
    関。
  2. 【請求項２】 前記吸気ポートが、当該吸気開口端から
    上方に向けて延設された直立型に形成されていることを
    特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃
    機関。
  3. 【請求項３】 前記噴射通路は、前記燃料噴射弁の前記
    噴口側から前記燃焼室側に向かって延びる第１通路部分
    と、該第１通路部分の前記燃焼室側端に連接し前記燃焼
    室側に向かって延びる第２通路部分とから構成され、該
    第２通路部分の通路断面積の変化割合が、前記第１通路
    部分の通路断面積の変化割合よりも大きく設定されてい
    ることを特徴とする、請求項１または２記載の筒内噴射
    型火花点火式内燃機関。
  4. 【請求項４】 前記第１通路部分が、耐圧リークテスト
    用のシール治具を当接させて前記燃焼室側の気密性を保
    持するシール座面として構成されていることを特徴とす
    る、請求項３記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
  5. 【請求項５】 前記シール座面が、前記第１通路部分に
    おいて前記噴口側から前記燃焼室側に向けて拡がるよう
    にテーパ状に形成されていることを特徴とする、請求項
    ４記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
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