JP7306832B2 - シリンダヘッド - Google Patents

Description

本願発明は、燃料をインジェクタによって吸気ポートに噴射する方式の火花点火式内燃機関におけるシリンダヘッドに関するものである。

燃料をインジェクタによって吸気ポートに噴射する方式のＰＦＩ方式内燃機関において、問題の一つに、燃料が吸気ポートの内面に付着するポートウェット現象がある。燃料が吸気ポートの内面に付着すると、不完全燃焼を引き起こしてＰＭ（粒子状物質）が発生しやすくなるのみならず、燃費を悪化させるなどの不具合がある。

他方、燃料の混合性を高めるために、吸気・圧縮工程においてシリンダボア内にタンブル流を形成することが行われており、強いタンブル流を形成するためには、吸気ポートを出来るだけ立てる（吸気ポートの中心線をシリンダボア軸心にできるだけ近づける）ことが有効である。

そこで、特許文献１には、吸気ポートの上側にインジェクタを配置した構成において、吸気ポートとシリンダボア軸心との成す角度をできるだけ小さくしてタンブル流の生成を促進すると共に、エンジンの冷間運転時に、シャッタ弁を絞って吸気の流速を速めつつ、インジェクタにアシストエアを供給して燃料の霧化を促進することが開示されている。

他方、特許文献２には、Ｖ型エンジンの気筒バンク間に吸気系部材を配置した構成において、吸気ポートの下方にインジェクタを配置すると共に、吸気ポートを、クランク軸心方向から見てＳ形に緩く曲がった形状に形成することにより、吸気ポートの下面への燃料付着を防止する技術が開示されている。

特許第３９３７５４７号公報 特許第２７５９３３４号公報

さて、既述のとおり、強いタンブル流を生成させるには、吸気ポートをできるだけ立てることが有効であるが、インジェクタを吸気ポートの上方に配置すると、インジェクタがロッカーアーム等の動弁部材と干渉する問題がある。

従って、インジェクタを吸気ポートの上方に配置した状態で吸気ポートをできるだけ立てようとすると、インジェクタを吸気マニホールドに取り付けるなどして動弁部材から離すか、或いは、動弁部材をインジェクタよりも高い位置に配置せねばならず、いずれにしても、内燃機関の大型化・重量増大を招来して燃費を悪化させるのみならず、燃料の飛散距離が長くなって流速が低下することにより、燃料が吸気の流れに乗って吸気ポートの上面に付着する傾向が高くなって、ポートウェット現象防止という目的を十分に達成し難くなるおそれがある。

他方、特許文献２のように吸気ポートの下方にインジェクタを配置すると、インジェクタと動弁部材との干渉を防止しつつ吸気ポートをできるだけ立てることができるが、吸気ポートをＳ字形に形成すると、吸気の直進性が低下したり流れ抵抗が増大したりしてタンブル流の強化に不利になるおそれがある。

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ヘッドを対象にしており、このシリンダヘッドは、請求項１のとおり、
「吸気ポートがその始端から終端まで全体として一直線状の姿勢に形成されており、前記吸気ポートの下方に、インジェクタが、燃料噴射方向が前記吸気ポートの上面に向かうように先端に向けて高さが高くなる傾斜姿勢で配置されて、前記吸気ポートの下面に、前記インジェクタのノズルが露出する凹所を形成しているシリンダヘッドであって、
前記凹所は、前記インジェクタのノズルが配置された第１傾斜底部と、前記第１傾斜底部の下流側に位置した第２傾斜底部と、前記第１傾斜底部の上流端に位置した第３傾斜底部とを有しており、
クランク軸線方向から見て、前記第１傾斜底部と第３傾斜底部とは前記吸気ポートに向けて凸形に交差して、前記第１傾斜底部と第２傾斜底部とは前記吸気ポートに向けて凹形に交差している」
という構成になっている。

本願発明では、インジェクタを吸気ポートの下方に配置しているため、インジェクタと動弁部材との干渉を防止しつつ、吸気ポートをシリンダボア軸心の側に立てることができる。従って、動弁部材の高さを高くすることなくインジェクタをできるだけ吸気弁の側に寄せて配置することができると共に、吸気ポートの長さもできるだけ短くすることができる。これにより、内燃機関のコンパクト化・軽量化を促進しつつ強いタンブル流の生成に貢献できる。その結果、燃費の向上に貢献できる。

また、吸気ポートは直線状の姿勢になっているため、吸気は、流れ抵抗が殆ど無い状態で、強い方向性を持ってシリンダボアに流入する。従って、吸気ポートをできるだけシリンダボア軸心側に立てることができることと相まって、シリンダボアの内部に強いタンブル流を生成できる。その結果、完全燃焼を実現して、燃費の向上やＰＭ低減に貢献できる。

実施形態のように、吸気ポートを先窄まりに形成すると、シリンダボアに流入する吸気の流速が大きくなるため、タンブル流を更に強化できる。また、吸気の流速が大きくなると、インジェクタから噴射された燃料をシリンダボアに向けて押しやる効果が高くなるため、燃料が吸気ポートの上面に付着することを防止できる利点もある。

さて、インジェクタを吸気ポートの上に配置しても下に配置しても、インジェクタのノズル（先端）は、吸気ポートに形成した凹所に露出させることになるが、吸気ポートの下に凹所を形成すると、吸気が凹所の内部に向けて回り込む偏流現象が生じて、燃料が吸気ポートの内面に向けて誘導され、燃料が吸気ポートの内面に付着することがある。

この点については、本願発明の構成を採用すると、凹所の第１，第２傾斜底部の箇所に向かう吸気が第３傾斜底部によって下向きにガイドされることにより、吸気は凹所を飛び越えて流れる傾向を呈し、凹所の内部に巻き込む偏流現象を防止できる。これにより、燃料が吸気ポートの下面に付着することを防止して、ＰＭの発生を大幅に抑制できる。

実施形態の縦断正面図である。 （Ａ）は図１の要部拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図、（Ｃ）は比較例（別例）の要部縦断正面図である。 作用を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）とも、効果を説明するためのグラフである。 （Ａ）（Ｂ）とも変形例を示す図である。

次に、本願発明の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。正面視はクランク軸線方向視である。

(1).基本構造
まず、図１～４に示す第１実施形態を説明する。内燃機関の基本構造は従来と同様であり、図１に示すように、内燃機関は、必須要素として、シリンダボア１がクランク軸線方向に並んで複数形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド３とを備えている。当然ながら、シリンダボア１にはピストン４が摺動自在に配置されている。また、シリンダブロック２には、シリンダボア１の群を囲う環状のブロック側ウォータジャケット５が形成されている。

一方、シリンダヘッド３には、各シリンダボア１と対向して山形の燃焼室６の群が形成されており、各燃焼室６に、前後一対ずつの吸気ポート７と排気ポート８とが左右に振り分けられた状態で開口している。本実施形態では、前後一対の吸気ポート７は、それぞれ独立してシリンダヘッド３の吸気側面９に開口しており、各吸気ポート７の下方に、それぞれ燃料噴射用のインジェクタ１０が配置されている。従って、本実施形態は、デュアルポート・デュアルインジェクタタイプになっている。

シリンダヘッド３の吸気側面９には、吸気マニホールド１１の枝管１１ａが接続されているが、枝管１１ａは、一対の吸気ポート７に対応して２本が１セットになっていてもよいし、１本の枝管１１ａと２本の吸気ポート７とが接続されている構成であってもよい。更に、前後一対の吸気ポート７は、入口が集合部で繋がっていて、途中から隔壁によって分けられた構成とすることも可能である。

他方、前後一対の排気ポート８は、１つに集合してシリンダヘッド３の排気側面に開口する構造と、各吸気ポート７が、シリンダヘッド３の内部に形成された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３の排気側面にはシリンダボア１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３の排気側面には１つの排気口が開口することになる。

燃焼室６の中央部には、点火プラグ１２が配置されている。なお、シリンダヘッド３にも、冷却水が流れるヘッド側ウォータジャケット１５が形成されている。

吸気ポート７の下流側端部７ｂは吸気バルブ１３で開閉されて、排気ポート８の上流側端部（始端）は吸気バルブ１３で開閉される。敢えて説明するまでもないが、両バルブ１３，１４は、それぞれ動弁機構を構成するカム軸によって開閉される。また、バルブ１３，１４は、バルブ軸（バルブステム）１３ａ，１４ａと傘部とを有しており、シリンダヘッド３には、傘部が当たるバルブシート（図示ぜず）が装着されている。

(2).インジェクタ
インジェクタ１０は、先端にノズルが形成されたボデー１８を有しており、ボデー１８には、燃料噴射を制御するソレノイドバルブが内蔵されている。また、ボデー１８には下向きのソケット１９を形成しており、ソケット１９に接続されたプラグ（図示せず）がＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）と結線されている。また、各インジェクタ１０は、クランク軸線方向に長く延びるデリバリ管２１に接続されている。

インジェクタ１０を構成するボデー１８の先端に設けたノズルは、吸気ポート７に形成された凹所２２に露出しており、燃料は、凹所２２を通過して吸気ポート７に噴出する。燃料の噴出エリア２３は円錐状の空間になっているが、噴出エリア２３の先端は、吸気ポート７の下流側端部７ｂよりも上流側に大きくずれている。従って、燃料は、吸気ポート７の上面に向けて噴出して、吸気ポート７を流れる過程で吸気に混合していく。なお、インジェクタ１０のボデー１８は、Ｏリング２４を介して取付け穴２５に装着されている。

図２（Ｂ）に示すように、吸気ポート７の横断面形状は、基本的には円形になっており、凹所２２は横断面略Ｕ形になっている。また、凹所２２は、インジェクタ１０の先端面が露出した第１傾斜底部２２ａと、第１傾斜底部２２ａの下流側に位置した第２傾斜底部２２ｂとを有しており、第２傾斜底部２２ｂの終端は吸気ポート７の下流側端部７ｂまで延びており、深さは徐々に浅くなっている。従って、凹所２２は、クランク軸線方向から見て大まかには三角形状の断面形状になっている。

更に、吸気ポート７は、上流側端部７ａから下流側端部７ｂに向けて断面積が徐々に減少する先窄まりになっており、その軸心（中心線）Ｏ１は直線になっている。従って、吸気ポート７は一直線の形態に延びている。なお、吸気ポート７の横断面形状は、略四角形や楕円形、小判形などに形成することも可能である。

他方、インジェクタ１０は、先端に向けて高くなるように吸気ポート７の出口側に倒れた傾斜姿勢に配置されており、インジェクタ１０の軸心（中心線）Ｏ２と吸気ポート７の軸心Ｏ１とが成して吸気側面９の側に広がった（横広がりした）夾角θ１は、約６０°になっている。従って、インジェクタ１０の軸心（中心線）Ｏ２と吸気ポート７の中心線Ｏ１とが成して下向きに広がった夾角θ２は約１２０°になっていて、９０°よりも大きい鈍角になっている。燃料は、吸気ポート７の下流側に向けて斜め上向きに噴射される。

吸気ポート７の軸心Ｏ１とシリンダボアの軸心Ｏ３とが成して上向きに広がる夾角θ３は、６０°よりもやや大きい角度（約６５°）になっている。従って、シリンダボアの軸心Ｏ３とインジェクタ１０の軸心Ｏ２とシリンダボアの軸心Ｏ３とで成されて上に広がる夾角θ４は、約１２５°になっている。

吸気ポート７の下面（底面）のうち凹所２２の第１傾斜底部２２ａよりも上流側の部位は、吸気ポート７における上流側端部７ａの下端と下流側端部（終端）７ｂの下面とを結んだ基準底線２６に対して、凹所２２に向けて低くなるように傾斜した第３傾斜底部２７になっている。なお、基準底線２６は、凹所２２が存在しないと仮定した場合の吸気ポート７の仮想底線（底面）と言い換えてもよい。第３傾斜底部２７と基準底線２６とが成す角度θ５は、８°程度に設定しているが、５～１０°程度でよいと推測される。凹所２２に関して、クランク軸線方向から見て、第１傾斜底部２２ａと第３傾斜底部２７とは吸気ポート７に向けて凹形状で交差し、第１傾斜底部２２ａと第３傾斜底部２７とは吸気ポート７に向けて凸形状に交差している。

(3).まとめ
図２（Ａ）及び図３に示すように、吸気バルブ１３が開くと、吸気がシリンダボア１に流入すると共に、インジェクタ１０から燃料が噴射される。そして、燃料は吸気ポート７の上面に向けて斜め上向きに噴出するが、吸気によって押されることにより、吸気と混合しつつシリンダボア１に向かう。

そして、本実施形態では、インジェクタ１０を吸気ポート７の下方に配置しているため、吸気ポート７は、吸気バルブ１３を駆動するロッカーアーム等の動弁部材と干渉させることなく、できるだけ立てた姿勢に形成することができる。また、吸気ポート７は直線タイプであるため、抵抗無しで強い方向性を持ってシリンダボア１に流入する。更に、吸気ポート７は先窄まりになっているため、吸気は、吸気ポート７に流入するときの流速よりもシリンダボア１に入るときの流速が大きくなっている。

このように、吸気ポート７ができるだけ立っていて吸気がシリンダボア１の内部で下向きに流れる傾向を呈することと、吸気が抵抗無くシリンダボア１にスムースに流入することと、吸気が流速を速めてシリンダボア１に流入することが相まって、シリンダボア１に、強いタンブル流を形成することができる。これにより、吸気に対する燃料の混合性を高めて、完全燃焼を実現できる。

そして、燃料はインジェクタ１０から直進性を持って噴出するが、吸気で押されるため、図２（Ａ）及び図３に点線矢印２８で示すように、吸気ポート７の下流側に向かうように方向変換しつつ、吸気と混合していく。この場合、燃料の噴射量は吸気量に比例するため、燃料は、吸気ポート７の上面に付着することなく、吸気に乗ってシリンダボア１に送られる。

なお、燃料が吸気ポート７の上面に付着した場合と下面に付着した場合とを比較すると、上面に付着した燃料は重力によって離反しやすくなっているため、下面に付着した場合に比べて弊害は少ないと解される。

さて、図２（Ｃ）は、傾斜底部２７を形成せずに、吸気ポート７の下面（底面）のうち凹所２２よりも上流側の部位２９を基準底線２６のままにした態様を示しているが、この態様では、コンピュータによって解析したところ、矢印３０で示すように、吸気が凹所２２の内部に回り込むことにより、矢印３１で示すように、吸気が凹所２２の第２傾斜底部２２ｂに向けて流れる偏流現象が生じることがあった。

特に、インジェクタ１０を水平の側に大きく寝かせると、偏流現象が顕著に現れる。そして、この偏流現象が発生すると、インジェクタ１０から噴出した燃料が吸気ポート７の下面（凹所２２の下面）に押されやすくなるため、燃料が吸気ポート７の下面（凹所２２の下面）に付着しやすくなることが懸念される。

これに対して、実施形態のように凹所２２の上流部に第３傾斜底部２７を形成すると、吸気は、図２（Ａ）に矢印３２で示すように、凹所２２への回り込み現象を生じることなくスムースに流れていく。従って、インジェクタ１０から噴出した燃料が吸気ポート７の下面（凹所２２の下面）に付着することを防止できる。

さて、第３傾斜底部２７が存在しない図２（Ｃ）の場合は、第１傾斜底部２２ａの始端で吸気の速度が急激に低下するため、圧力低下によって吸気が凹所２２に吸い込まれる現象が発生し、このため、上記した偏流が生じると推測される（この偏流は、吸気ポート７の下面と凹所２２の前端面との交差角度が大きいほど、顕著に現れると推測される。）。

これに対して、凹所２２の上流部に滑り台状の第３傾斜底部２７を形成すると、吸気ポート７の断面積が徐々に増大するため、吸気ポート７の下面に沿って流れる吸気の流速が低下して、凹所２２を通過するに際しての圧力低下の度合いが低くなり、その結果、吸気は凹所２２に回り込むことなく下流側にスムースに流れていくと解される。

本願発明者たちは、図２（Ｃ）に一点鎖線で示すように、吸気ポート７の底面を凹所２２に向けて高くなるジャンプ台状の傾斜面３３を形成した構造について吸気の流れをシミュレートしてみたが、この場合は、吸気が凹所２２に回り込む偏流現象が更に強く現れていた。従って、偏流の現象には、吸気の流速（圧力）が急激に変化することが大きく影響していると解される。

図４（Ａ）では、滑り台状の第３傾斜底部２７を設けた実施例と、吸気ポート７の底面を基準底線２６のままにした比較例１（ノーマル形状）と、図２（Ｃ）の一点鎖線のようにジャンプ台状の傾斜面３３を形成した比較例２とについて、吸気ポート７への燃料付着量の解析結果を表示している。

なお、図４（Ａ）（Ｂ）に関して、クランク角度と吸気ポート７への燃料付着量との関係を補足しておくと、次のとおりである。すなわち、ピストンが上死点に位置した爆発工程をクランク角で０°とすると、約３８０°において吸気バルブ１３の開きとインジェクタ１０による燃料噴射とが開始され、約４８０°において燃料の噴射が停止し、約５４０°において吸気バルブ１３が閉じるようになっており、噴射開始から停止まで燃料の付着量は増大し、その後は、蒸発は無視して最大付着量で一定化していると仮定している。吸気ポート７の内径は、平均で約２０ｍｍであった。

そして、滑り台状の第３傾斜底部２７を形成した実施例では燃料の付着量は最も少なくて、ジャップ台状の傾斜面３３を形成した比較例２では、燃料の付着量が最も多くなっているが、上記したような偏流の有無によってこのような結果が出ていると解される。

図４（Ｂ）では、シリンダボア１の軸心Ｏ３とインジェクタ１０の軸心Ｏ２とが成す角度θ４と燃料付着量との関係を示している。このグラフから、θ４が約１１０°のときに燃料の付着量は最も少なくて、θ４が小さくなるに従って（θ２が大きくなるに従って）、燃料付着量が増大していることが判る。これは、θ２が大きくなると、燃料が吸気によって吸気ポート７の下面に押される傾向が強くなるためと解される。

図４の（Ａ）と（Ｂ）とで燃料付着量が少し相違しているが、これは、解析条件の微妙な相違によるものである。本願発明者たちの解析結果では、θ１が６８．５°のときに燃料付着量が最小になっており、θ１が６８．５°よりも小さくなると、吸気によって燃料が下向きに押される傾向が高くなるため、燃料付着量は増大していく。

なお、θ１とθ２とは、一方が増大すると他方は減少する逆相関関係にある。そして、θ１が９０°よりも大きくなると、吸気に対する燃料の貫徹力が強くなって、燃料が吸気ポート７の上面に付着し易くなるため、θ１は９０°よりも小さくすべきである。これを逆に見ると、燃料の付着を抑制するためには、θ２は９０°よりも大きい鈍角に設定する必要がある。

他方、θ２が大きくなり過ぎると、燃料が吸気ポート７の下面に付着しやすくなるのみならず、燃料が吸気ポート７の下部に集まることにより、燃料と吸気との混合性も悪化する。従って、θ２にも好適な上限値がある。θ１について見ると、約７０°を中心値として、上下１０°の範囲が好適な角度であるといえる（θ２についてみると、１２０°を中心値として、上下１０°の範囲が好適な角度である。）。

また、吸気ポート７において燃料と吸気とをできるだけ混合させるという側面から見ると、燃料の噴出エリア２３は、吸気ポート７の終端７ｂよりも上流側に位置し、かつ、吸気ポート７のできるだけ上流側に位置しているのが好ましい。図示の例では、燃料の噴出エリア２３は、吸気ポート７の長手中間部よりも上流側に位置しているが、この程度であると、吸気ポート７内でも燃料を吸気にできるだけ均等に混合できる。

(4).変形例・その他
図５では、変形例を表示している。このうち（Ａ）に示す例では、第２傾斜底部２２ｂの終端を吸気ポート７の中途部に位置させている。この実施形態では、凹所２２の容積は従前の例に比べて小さくなっている。

（Ｂ）に示す例では、吸気ポート７の下面のうち凹所２２よりも上流側の部位に、下流側に向けて低くなるように傾斜した滑り台状の下向きの第４傾斜底部３４と、第４傾斜底部３４の終端から基準底線２６に向けて立ち上がった第３傾斜底部２７とを形成している。従って、吸気ポート７の下面のうち第１傾斜底部２２ａよりも上流側の部位に、下向きの第４傾斜底部３４と上向きの第３傾斜底部２７とを有するガイド凹所が形成された状態になっている。

（Ｂ）の例では、下向きの第４傾斜底部３４の存在によって吸気の流速がいったん低下するため、吸気は、凹所２２を飛び越えるようにして流れていくと推測される。従って、図２（Ｃ）に一点鎖線で示した形態とは異なって、吸気が凹所２２に回り込む偏流現象を防止又は大きく抑制できると推測される。

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。例えは、吸気ポート７は、例えばシリンダボア軸心に対して４５°程度で交差するように大きく立てることも可能である。

本願発明は、ＰＦＩ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 シリンダボア
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
６ 燃焼室
７ 吸気ポート
７ａ 吸気ポートの上流側端部（始端）
７ｂ 吸気ポートの下流側端部（終端）
１０ インジェクタ
１３ 吸気バルブ
１８ インジェクタのボデー
２２ 凹所
２２ａ 第１傾斜底部
２２ｂ 第２傾斜底部
２３ 燃料の噴出エリア
２６ 基準底線
２７ 第３傾斜底部
Ｏ１ 吸気ポート軸心（中心線）
Ｏ２ インジェクタの軸心
Ｏ３ シリンダボアの軸心

Claims (1)

1. 吸気ポートがその始端から終端まで全体として一直線状の姿勢に形成されており、前記吸気ポートの下方に、インジェクタが、燃料噴射方向が前記吸気ポートの上面に向かうように先端に向けて高さが高くなる傾斜姿勢で配置されて、前記吸気ポートの下面に、前記インジェクタのノズルが露出する凹所を形成しているシリンダヘッドであって、
   前記凹所は、前記インジェクタのノズルが配置された第１傾斜底部と、前記第１傾斜底部の下流側に位置した第２傾斜底部と、前記第１傾斜底部の上流端に位置した第３傾斜底部とを有しており、
   クランク軸線方向から見て、前記第１傾斜底部と第３傾斜底部とは前記吸気ポートに向けて凸形に交差して、前記第１傾斜底部と第２傾斜底部とは前記吸気ポートに向けて凹形に交差している、
   シリンダヘッド。

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