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技術 直噴火花点火式内燃機関

出願人 日産自動車株式会社
発明者 神宮宣久
出願日 1997年12月18日 (23年0ヶ月経過) 出願番号 1997-349073
公開日 1999年7月6日 (21年5ヶ月経過) 公開番号 1999-182330
状態 拒絶査定
技術分野 弁装置又は配列 内燃機関燃焼法 内燃機関のシリンダブロック、ケーシング 燃料噴射装置
主要キーワード 開き角θ 周縁部側 燃焼室開口 ピストン中心 混合気生成 空気流動 水流れ タンブル強度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年7月6日)のものです。
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図面 (8)

課題

直噴火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドの改良により、燃焼性能を向上させ、併せて、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させる。

解決手段

シリンダヘッド1に1気筒に2本の吸気ポート4,4を備え、これら吸気ポート4、4間でかつ該吸気ポート4、4より下側に燃焼室2内に直接燃料噴射する燃料噴射弁8を備える。ここで、機関を上側から見たときに、クランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線CYLCL(又は燃料噴射弁中心線FICL)に対し、各吸気ポート4,4の中心線IPCL,IPCLが該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置する。この開き角θは、0°<θ≦15°の範囲とする。また、燃料噴射弁8の回りに、冷却水通路を形成する。

概要

背景

従来より、内燃機関において、シリンダヘッドに、1気筒に2本の吸気ポートを設ける場合、上流側の単一の吸気通路から分岐する関係から、2本の吸気ポートは平行か、下流側ほど間隔が大きくなるのが一般的である。また、直噴火花点火式内燃機関において、燃焼室内に直接燃料噴射する燃料噴射弁を設ける場合、燃料噴射弁は2本の吸気ポートの間でかつ該吸気ポートより下側(燃焼室周縁部側)に配置している(特開平9−119344号公報参照)。

また、特開平9−119344号公報には、シリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、燃料噴射弁冷却用冷却水通路を形成することが開示されている。また、特開平6−101588号公報には、燃料噴射弁(これに供給される燃料)の温度上昇を防止するため、燃料噴射弁に供給される燃料温度を検出して、燃料循環系(リターン燃料)を制御することが開示されている。

概要

直噴火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドの改良により、燃焼性能を向上させ、併せて、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させる。

シリンダヘッド1に1気筒に2本の吸気ポート4,4を備え、これら吸気ポート4、4間でかつ該吸気ポート4、4より下側に燃焼室2内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁8を備える。ここで、機関を上側から見たときに、クランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線CYLCL(又は燃料噴射弁中心線FICL)に対し、各吸気ポート4,4の中心線IPCL,IPCLが該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置する。この開き角θは、0°<θ≦15°の範囲とする。また、燃料噴射弁8の回りに、冷却水通路を形成する。

目的

本発明は、このような実状に鑑み、直噴火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドの改良により、燃焼性能を向上させ、併せて、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させ得るようにすることを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

シリンダヘッドに1気筒に2本の吸気ポートを備え、これら吸気ポート間でかつ該吸気ポートより下側に燃焼室内に直接燃料噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関において、機関を上側から見たときに、クランク軸方向と直交する方向に対し、各気筒当たりの一対の各吸気ポートが、該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置したことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。

請求項2

シリンダヘッドに1気筒に2本の吸気ポートを備え、これら吸気ポート間でかつ該吸気ポートより下側に燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関において、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線に対し、各気筒当たりの一対の各吸気ポートが、該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置したことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。

請求項3

前記開き角θを、0°<θ≦15°の範囲としたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の直噴火花点火式内燃機関。

請求項4

各気筒当たりの一対の吸気ポートの開き角θを互いに異ならせたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

請求項5

シリンダヘッド内で2本の吸気ポートの上側に機関の前後方向に設けられる冷却水通路の一部を膨出させ、2本の吸気ポート間に位置して、燃料噴射弁取付孔近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部を形成したことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

請求項6

シリンダヘッド内に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第1下側冷却水通路を形成したことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

請求項7

前記第1下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲としたことを特徴とする請求項6記載の直噴火花点火式内燃機関。

請求項8

シリンダブロック上面に接合されるシリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第2下側冷却水通路を形成したことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

請求項9

前記第2下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲としたことを特徴とする請求項8記載の直噴火花点火式内燃機関。

技術分野

0001

本発明は、燃焼室内に直接燃料噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関に関し、特にそのシリンダヘッド部分に関する。

背景技術

0002

従来より、内燃機関において、シリンダヘッドに、1気筒に2本の吸気ポートを設ける場合、上流側の単一の吸気通路から分岐する関係から、2本の吸気ポートは平行か、下流側ほど間隔が大きくなるのが一般的である。また、直噴火花点火式内燃機関において、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を設ける場合、燃料噴射弁は2本の吸気ポートの間でかつ該吸気ポートより下側(燃焼室周縁部側)に配置している(特開平9−119344号公報参照)。

0003

また、特開平9−119344号公報には、シリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、燃料噴射弁冷却用冷却水通路を形成することが開示されている。また、特開平6−101588号公報には、燃料噴射弁(これに供給される燃料)の温度上昇を防止するため、燃料噴射弁に供給される燃料温度を検出して、燃料循環系(リターン燃料)を制御することが開示されている。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、直噴火花点火式内燃機関において、2本の吸気ポートを平行か、下流側ほど間隔が大きくなるように配置すると、燃焼室内での吸入空気の流れが分散されて、シリンダ中央でのタンブル流強化できず、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料を確実に点火栓輸送できないばかりか、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できないという問題点があった。

0005

また、燃料噴射弁の耐熱性向上(熱劣化防止)のため、燃料噴射弁を冷却する必要があるが、前記特開平9−119344号公報に記載のように、シリンダヘッド下面側に燃料噴射弁冷却用の冷却水通路を設けるだけでは、未だ不十分であり、なお改善の余地があった。また、前記特開平6−101588号公報に記載のように、燃料循環系を制御して、燃料噴射弁の温度上昇を防止する方法では、燃温センサが必要となる他、制御が複雑化するので、シリンダヘッドの形状変更のみで対応できるようにすることが求められていた。

0006

本発明は、このような実状に鑑み、直噴火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドの改良により、燃焼性能を向上させ、併せて、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させ得るようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

このため、請求項1に係る発明では、シリンダヘッドに1気筒に2本の吸気ポートを備え、これら吸気ポート間でかつ該吸気ポートより下側に燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関において、機関を上側から見たときに、クランク軸と直交する方向に対し、各気筒当たりの一対の各吸気ポートが、該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置したことを特徴とする。

0008

請求項2に係る発明では、シリンダヘッドに1気筒に2本の吸気ポートを備え、これら吸気ポート間でかつ該吸気ポートより下側に燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関において、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線に対し、各気筒当たりの一対の各吸気ポートが、該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置したことを特徴とする。

0009

請求項3に係る発明では、前記開き角θを、0°<θ≦15°の範囲としたことを特徴とする。請求項4に係る発明では、各気筒当たりの一対の吸気ポートの開き角θを互いに異ならせたことを特徴とする。請求項5に係る発明では、シリンダヘッド内で2本の吸気ポートの上側に機関の前後方向に設けられる冷却水通路の一部を膨出させ、2本の吸気ポート間に位置して、燃料噴射弁取付孔に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部を形成したことを特徴とする。

0010

請求項6に係る発明では、シリンダヘッド内に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第1下側冷却水通路を形成したことを特徴とする。請求項7に係る発明では、前記第1下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲としたことを特徴とする。

0011

請求項8に係る発明では、シリンダブロック上面に接合されるシリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第2下側冷却水通路を形成したことを特徴とする。請求項9に係る発明では、前記第2下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲としたことを特徴とする。

発明の効果

0012

請求項1に係る発明によれば、機関を上側から見たときに、クランク軸方向と直交する方向に対し、各気筒当たりの一対の各吸気ポートが、該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置することで、吸入空気をシリンダ中央へ指向させて、シリンダ中央でのタンブル流を強化でき、これにより、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料を確実に点火栓へ輸送できる一方、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できるという効果が得られる。

0013

また、2本の吸気ポートの間隔が開くことで、燃料噴射弁の配置の自由度が向上する他、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成も容易となる。請求項2に係る発明によれば、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線に対し、各気筒当たりの一対の各吸気ポートが、該吸気ポート下流の燃焼室開口部から該吸気ポート上流側に向けて離れるような開き角θを有するように配置することで、燃料噴射弁中心線がクランク軸方向と直交する方向にある場合に、上記の効果が得られるのはもちろんであるが、燃料噴射弁がクランク軸方向と直交する方向に対し傾けて取付けられる場合に、成層燃焼、均質燃焼を問わず、混合気生成上より好ましく、また、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成上より好ましくなる。

0014

請求項3に係る発明によれば、前記開き角θは、大きい方がタンブル強度が向上するが、その反面、各吸気ポートからの吸入空気の衝突により空気流係数充填効率)が低下するので、0°<θ≦15°の範囲とすることで、最適化できる。請求項4に係る発明によれば、各気筒当たりの一対の吸気ポートの開き角θを互いに異ならせるようにすることで、空気流動の観点からは一般的には同一であることが望ましいが、スワール弁の性能やキャビティ(燃焼室)のコンセプトによりガス流動の要求が異なる場合や、レイアウト上の制約を受ける場合に、これらの要求に応えることができる。

0015

請求項5に係る発明によれば、吸気ポート上側の冷却水通路の一部を膨出させ、2本の吸気ポート間に位置して、燃料噴射弁取付孔に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部を形成することで、前記開き角θを利用して、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させ、これにより燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。請求項6に係る発明によれば、シリンダヘッド内に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接する燃料噴射弁冷却用の第1下側冷却水通路を形成することで、冷却性能向上により、燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。

0016

請求項7に係る発明によれば、第1下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲とすることで、通水抵抗が小さく、実流速が大きな範囲で最適化でき、必要十分な水流れを確保できる。請求項8に係る発明によれば、シリンダヘッド下面に、燃料噴射弁取付孔の下側に近接する燃料噴射弁冷却用の第2下側冷却水通路を形成することで、冷却性能向上により、燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。

0017

請求項9に係る発明によれば、第2下側冷却水通路の燃料噴射弁中心線を含む縦断面での通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲とすることで、通水抵抗が小さく、実流速が大きな範囲で最適化でき、必要十分な水流れを確保できる。

発明を実施するための最良の形態

0018

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示すシリンダヘッドの平面横断面図、図2図1のA−A断面に相当する正面縦断面図、図3図1のB−B断面に相当する正面縦断面図、図4図2のC−C断面図である。

0019

シリンダヘッド1には、その下面中央部の凹部により燃焼室2が形成されている。また、シリンダヘッド1には、燃焼室2の中心部近傍に位置させて、点火栓取付孔3が形成され、ここに点火栓が装着されるようになっている。また、シリンダヘッド1には、点火栓取付孔3を囲むように、燃焼室2に連ねて、2本ずつ吸気ポート4,4及び排気ポート5,5が形成され、それぞれの燃焼室開口部に吸気弁及び排気弁が装着されるようになっている。尚、6は吸気弁取付孔、7は排気弁取付孔である。

0020

また、シリンダヘッド1には、2本の吸気ポート4,4間で、かつ該吸気ポート4、4より下側(燃焼室2周縁部側)に、燃料噴射弁取付孔8が形成され、ここに燃料噴射弁が装着されて、燃焼室2内に直接、燃料を噴射するようになっている。ここで、2本の吸気ポート4,4は、図1に示されるように、機関を上側から見たときに、すなわち機関の平面図で、クランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線CYLCLに対し、各吸気ポート4,4の中心線IPCL,IPCLが上流側ほど離れるような開き角θを有するように配置されている。尚、ここでのシリンダ中心線CYLCLは、上下方向のピストン中心線を含み、クランク軸方向と直交する平面内の水平線をいう。また、図1の例では、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線FICLがシリンダ中心線CYLCLに一致しているので、燃料噴射弁中心線FICLに対し、各吸気ポート4,4の中心線IPCL,IPCLが上流側ほど離れるような開き角θを有するように配置されているということもできる。

0021

このように、開き角θを有するように配置することで、吸入空気をシリンダ中央へ指向させて、シリンダ中央でのタンブル流を強化でき、これにより、圧縮行程噴射による成層燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料を確実に点火栓へ輸送できる一方、吸気行程噴射による均質燃焼時に、燃料噴射弁から噴射される燃料とタンブル流との衝突作用による十分な均質化を達成できる。

0022

また、2本の吸気ポート4,4の間隔が開くことで、燃料噴射弁の配置の自由度が向上する他、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成も容易となる。そして、この開き角θは、0°<θ≦15°(望ましくは5°≦θ≦10°)の範囲に設定する。図5は、横軸を開き角θとして、縦軸に空気流量係数Cv(実線示)及びタンブル強度TR(点線示)をとったグラフであり、0°<θ≦15°(望ましくは5°≦θ≦10°)の範囲で、空気流量係数(充填効率)とタンブル強度とを両立できることを示している。

0023

すなわち、開き角θを大きくすれば、タンブル強度を向上させることができるが、大きくし過ぎると、空気流量係数が低下するので、これらを両立させる範囲とするのである。尚、2本の吸気ポート4,4のうち、一方の吸気ポートの開き角θと、他方の吸気ポートの開き角θとは、空気流動の観点からは一般的には同一であることが望ましいが、スワール弁の性能やキャビティ(燃焼室)のコンセプトによりガス流動の要求が異なる場合や、レイアウト上の制約を受ける場合に、0°<θ≦15°の範囲内で、これらを互いに異ならせて、各種要求に応えるようにしてもよい。

0024

一方、開き角θをとったことで、吸気ポート4,4の間隔が開くので、シリンダヘッド1内で2本の吸気ポート4,4の上側に機関の前後方向に設けられる冷却水通路9の一部を膨出させ、2本の吸気ポート4,4間に位置して、燃料噴射弁取付孔8に近接する燃料噴射弁冷却用の冷却水通路膨出部10を形成してある(図4参照)。これにより、燃料噴射弁に対する冷却性能を向上させて、燃料噴射弁の性能劣化を防止できる。尚、この冷却水通路膨出部10は砂中子により形成する。

0025

また、燃料噴射弁の下側についても、冷却して、燃料噴射弁の温度を更に低減できるように、第1下側冷却水通路11及び第2下側冷却水通路12を形成してある。すなわち、シリンダヘッド1内に、燃料噴射弁取付孔8の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第1下側冷却水通路11を形成してある。これは砂中子により形成する。

0026

また、シリンダブロック上面に接合されるシリンダヘッド1下面に、燃料噴射弁取付孔8の下側に近接して、機関前後方向に延びる燃料噴射弁冷却用の第2下側冷却水通路12を形成してある。これは鋳抜きにより形成する。ここで、第1下側冷却水通路11及び第2下側冷却水通路12については、燃料噴射弁中心線FICLを含む縦断面(図2の断面)での通路面積、すなわち、通路の最小通路面積を、0.1〜2.5cm2 の範囲とする。

0027

図6は、横軸を通路面積として、縦軸に通水抵抗R(実線示)及び実流速V(点線示)をとったグラフであり、通路面積=0.1〜2.5cm2 の範囲で、通水抵抗を小さく、実流速を大きくして、必要十分な水流れを確保できることを示している。但し、第1下側冷却水通路11については、レイアウト上、比較的大きくすることが可能であるので、より望ましい範囲として、0.5〜2.5cm2 の範囲とするのがよい。第2下側冷却水通路12については、レイアウト上、小さくせざるを得ないので、0.1〜1.0cm2 の範囲が実質的な限界である。

0028

図7は本発明の他の実施形態を示すシリンダヘッドの概略平面図である。この例では、燃料噴射弁(8)がクランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線CYLCLに対し傾けて取付けられる場合に、機関を上側から見たときに、燃料噴射弁中心線FICLに対し、各吸気ポート4,4の中心線IPCL,IPCLが上流側ほど離れるような開き角θを有するように配置されている。

0029

このような場合は、燃料噴射弁中心線FICLを基準にして開き角θをとる方が、成層燃焼、均質燃焼を問わず、混合気生成上好ましく、また、燃料噴射弁冷却用の冷却水通路の形成上より好ましいからである。尚、図7の場合の2本の吸気ポート4,4のうち、一方の吸気ポートの開き角θと、他方の吸気ポートの開き角θとは、同一であることが望ましいが、0°<θ≦15°の範囲内で、これらを若干異ならせてもよい。

図面の簡単な説明

0030

図1本発明の一実施形態を示すシリンダヘッドの平面横断面図
図2図1のA−A断面に相当する正面縦断面図
図3図1のB−B断面に相当する正面縦断面図
図4図2のC−C断面図
図5開き角θの最適範囲を示す図
図6第1及び第2下側冷却水通路の通路面積の最適範囲を示す図
図7本発明の他の実施形態を示すシリンダヘッドの概略平面図

--

0031

1シリンダヘッド
2燃焼室
3点火栓取付孔
4吸気ポート
5排気ポート
6吸気弁取付孔
7排気弁取付孔
8燃料噴射弁取付孔
9冷却水通路
10 冷却水通路膨出部
11 第1下側冷却水通路
12 第2下側冷却水通路
CYLCLクランク軸方向と直交する方向のシリンダ中心線
FICL燃料噴射弁中心線
IPCL 吸気ポート中心線

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