JP7529580B2

JP7529580B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7529580B2
Application number: JP2021006330A
Authority: JP
Inventors: 善敬前田; 英福田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2024-08-06
Anticipated expiration: 2041-01-19
Also published as: CN114810444A; US11530672B2; US20220228545A1; JP2022110734A; CN114810444B

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来、筒内直噴式の内燃機関が知られている。この内燃機関は、気筒内を往復動するピストンと、気筒内の燃焼室に臨む点火プラグ及び燃焼噴射弁（インジェクタ）を備える。この内燃機関では、気筒全体としては希薄な混合気である一方で、燃料噴射弁から気筒内に燃料を直接的に噴射することで、点火プラグ近傍にのみ着火性の良好な成層化された混合気を形成することにより、成層燃焼が可能となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－１６２５７７号公報

しかしながら従来の技術では、気筒内の縦方向の旋回流（以下、吸気タンブル流）の渦の中心よりも上方に燃料が噴射される。そのため、燃料が吸気タンブル流に流されてシリンダスリーブ端に向かい、シリンダスリーブ端付近に衝突する結果、ピストンに多量の燃料が付着するおそれがあった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ピストンに対する燃料の付着を抑制でき、煤の発生を抑制できる内燃機関を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するため本発明は、ピストン（例えば、後述のピストン２０）と、前記ピストンを収容する気筒（例えば、後述の気筒３０）と、前記気筒の上方から前記気筒内に燃料を噴射する複数の噴孔（例えば、後述の噴孔１２１～１２６）が形成されたノズル（例えば、後述のノズル１２）を有するインジェクタ（例えば、後述のインジェクタ１０）と、を備える内燃機関であって、前記複数の噴孔のうち、噴孔の軸線方向が前記ピストン側に最も偏向する噴孔（例えば、後述の第６噴孔１２６）は、他の噴孔のいずれよりも大きな噴孔径を有するとともに、前記他の噴孔の噴孔径の合計値の２０％以上に相当する噴孔径を有する、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）を提供する。

（２）（１）の内燃機関において、等角投影法による斜視で、前記他の噴孔はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する前記気筒の側壁面に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が５４５以上であるとともに、平面視で、前記他の噴孔はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する前記気筒の側壁面に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が３９３以上であってよい。

（１）又は（２）の内燃機関において、前記複数の噴孔は、前記複数の噴孔のうち最上部に配置される第１噴孔（例えば、後述の第１噴孔１２１）と、前記複数の噴孔のうち最下部に配置され、噴孔の軸線方向が前記ピストン側に最も偏向する噴孔を構成する第６噴孔（例えば、後述の第６噴孔１２６）と、前記第１噴孔の中心と前記第６噴孔の中心とを通る中心線に対して互いに対称な位置で前記第１噴孔側に配置される第２噴孔（例えば、後述の第２噴孔１２２）及び第３噴孔（例えば、後述の第３噴孔１２３）と、前記中心線に対して互いに対称な位置で前記第６噴孔側に配置される第４噴孔（例えば、後述の第４噴孔１２４）及び第５噴孔（例えば、後述の第５噴孔１２５）と、を有し、前記第２噴孔及び前記第３噴孔は、前記第１噴孔、前記第４噴孔及び前記第５噴孔よりも噴孔径が小さくてよい。

本発明によれば、ピストンに対する燃料の付着を抑制でき、煤の発生を抑制できる内燃機関を提供できる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関のインジェクタが備える複数の噴孔の配置を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の平面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の等角投影図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関のインジェクタが備える第６噴孔から噴射された燃料の流れを示す図である。従来一般的な内燃機関のインジェクタが備える第６噴孔から噴射された燃料の流れを示す図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、エンジン）１の縦断面図である。エンジン１は、例えば直列４気筒のガソリンエンジンであり、図示しない車両に搭載される。エンジン１は、ピストン２０と、気筒３０と、インジェクタ１０と、を備える。

エンジン１は、シリンダブロック２及びシリンダブロック２の上部に設けられるシリンダヘッド３を備え、シリンダブロック２には、上方に開口する円筒状の気筒３０が形成される。

気筒３０内には、ピストン２０が摺動しながら往復動可能に収容される。ピストン２０は、図示しないクランクシャフトに連結され、エンジン１の運転に伴い、クランク角度に従って気筒３０内を摺動しながら往復動する。ピストン２０の頂面には、燃料が噴射される図示しないキャビティが形成される。

シリンダヘッド３は、気筒３０を覆うようにシリンダブロック２に載置され、シリンダヘッド３とピストン２０の頂面との間に、燃焼室４が形成される。シリンダヘッド３には、燃焼室４に開口する図示しない吸気ポート及び排気ポートが設けられ、これらを開閉する図示しない吸気弁及び排気弁が設けられる。

また、シリンダヘッド３には、点火プラグ５及びインジェクタ（燃料噴射弁）１０が設けられる。

点火プラグ５は、シリンダヘッド３に鉛直に近い角度で取り付けられる。点火プラグ５は、燃焼室４の中心付近に上方から臨み、混合気を着火させるための火花を発生させる。この点火プラグ５による火花の発生時期（点火時期）は、エンジン１の運転状態に応じて図示しないＥＣＵにより制御される。

インジェクタ１０は、インジェクタ本体１１と、インジェクタ本体１１の先端に設けられたノズル１２と、インジェクタ本体１１に内蔵された図示しないソレノイドやニードルバルブ等を有する電磁弁で構成される。ノズル１２の先端面には、燃焼室に臨むように、複数の噴孔が形成される。

インジェクタ１０には、図示しない燃料ポンプから高圧の燃料が供給され、ニードルバルブが開弁することによって、複数の噴孔から気筒３０内に燃料の噴霧が互いに異なる所定の角度で噴射される。インジェクタ１０による燃料の噴射量及び噴射時期は、エンジン１の運転状態に応じて図示しないＥＣＵにより制御される。

図１に示されるように、本実施形態に係るインジェクタ１０は、シリンダヘッド３の吸気ポートに近い位置に、水平方向に対する傾斜角度θで斜めに取り付けられている。即ち、本実施形態のインジェクタ１０は、気筒３０の直上には配置されていない。インジェクタ１０のノズル１２の先端面には、第１噴孔～第６噴孔の６つの噴孔が形成されており、これら６つの各噴孔は、気筒３０の上方から気筒３０の内部に燃料を噴射する。

次に、本実施形態に係るインジェクタ１０が備える６つの噴孔について、図１～図４を参照して以下に詳しく説明する。

ここで、図２は、本実施形態に係るエンジン１のインジェクタ１０が備える複数の噴孔（第１噴孔１２１、第２噴孔１２２、第３噴孔１２３、第４噴孔１２４、第５噴孔１２５、第６噴孔１２６）の配置を示す図である。図３は、本実施形態に係るエンジン１の平面図である。図４は、本実施形態に係るエンジン１の等角投影図である。

図１に示される側面視で、第１噴孔１２１の軸線Ｃ１はインジェクタ１０の中心軸Ｃに対して上方にα１傾斜している。第２噴孔１２２の軸線Ｃ２は中心軸Ｃに対して下方にα２傾斜し、第３噴孔１２３の軸線Ｃ３は中心軸Ｃに対して下方にα３傾斜しており、これらα２とα３は同一の傾斜角度である。第４噴孔１２４の軸線Ｃ４は中心軸Ｃに対して下方にα４傾斜し、第５噴孔１２５の軸線Ｃ５は中心軸Ｃに対して下方にα５傾斜しており、これらα４とα５は同一の傾斜角度である。また、第６噴孔１２６の軸線Ｃ６は中心軸Ｃに対して下方にα６傾斜している。なお、各噴孔の軸線は、各噴孔により形成される各燃料流路の中心軸線を意味する。

上述の各傾斜角度の大小関係は、α１＜α２＝α３＜α４＝α５＜α６となっている。即ち、６つの噴孔のうち、第６噴孔１２６の軸線Ｃ６方向が最も下方に傾斜しており、最もピストン２０側に偏向している。最もピストン側に偏向する第６噴孔１２６は、対向する気筒３０の側壁面３１までの距離が最も大きい噴孔である。本実施形態では、インジェクタ１０が備える複数の噴孔のうち、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向することによって、対向する気筒３０の側壁面３１までの距離が最も大きい第６噴孔１２６が、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５（以下、他の噴孔ともいう）のいずれよりも大きな噴孔径を有する点に特徴を有する。この点については、後段で詳述する。

図２に示されるように、インジェクタ１０は、複数の噴孔として、第１噴孔１２１、第２噴孔１２２、第３噴孔１２３、第４噴孔１２４、第５噴孔１２５、第６噴孔１２６を有する。これら第１～第６噴孔は、インジェクタ１０の中心軸Ｃに対して左右対称に配置され、インジェクタ１０の中心軸Ｃに対して左右対称に燃料を噴射する。

図２中、原点Ｏは、インジェクタ１０の中心軸Ｃと一致する方向に相当する。また、原点Ｏの左右（Ｘ軸方向）は、インジェクタ１０側から見たときのインジェクタの中心軸Ｃの左右を表し、原点Ｏの上下（Ｙ軸方向）は、インジェクタ１０の中心軸Ｃに対して奥側（インジェクタ本体１１から遠い側）及び手前側（インジェクタ本体１１に近い側）を表し、原点Ｏから遠いほど、インジェクタ１０の中心軸Ｃに対する角度がより大きいことを表している。

図２に示されるように、第１噴孔１２１は、複数の噴孔のうち最上部に配置される。第６噴孔１２６は、複数の噴孔のうち最下部に配置され、インジェクタ１０の中心軸Ｃに対する角度（傾斜角度）が最も大きい。即ち、第６噴孔１２６は、その軸線Ｃ６方向がピストン２０側に最も偏向している。

第２噴孔１２２及び第３噴孔１２３は、第１噴孔１２１の中心と第６噴孔１２６の中心とを通る中心線（図２中、原点Ｏを通るＹ軸方向に沿う直線）に対して、互いに対称な位置に配置されるとともに、Ｙ軸方向における第１噴孔１２１側に配置される。

第４噴孔１２４及び第５噴孔１２５は、第１噴孔１２１の中心と第６噴孔１２６の中心とを通る中心線（図２中、原点Ｏを通るＹ軸方向に沿う直線）に対して、互いに対称な位置に配置されるとともに、Ｙ軸方向における第６噴孔１２６側に配置される。また、これら第４噴孔１２４及び第５噴孔１２５は、第２噴孔１２２及び第３噴孔１２３よりも、インジェクタ１０の中心軸Ｃの左右のより外側に配置されている。

ここで、各噴孔の中心軸Ｃに対する角度（Ｘ左右方向（Ｘ軸方向）、上下方向（Ｙ軸方向））、噴孔径、６つの噴孔全ての噴孔径の合計値に対する噴孔径の比率を表１にまとめて示す。

表１に示されるように、本実施形態では、インジェクタ１０が備える複数の噴孔のうち、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向する第６噴孔１２６が、他の噴孔のいずれよりも大きな噴孔径を有する。上述したように、最もピストン側に偏向する第６噴孔１２６は、対向する気筒３０の側壁面３１までの距離が最も大きい噴孔である。加えて、最もピストン側に偏向する第６噴孔１２６は、少なくとも縦方向の旋回を有するタンブル流において流動の弱い渦の中心を狙って燃料を噴射することができる噴孔である。即ち、本実施形態では、インジェクタ１０が備える複数の噴孔のうち、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向することによって、対向する気筒３０の側壁面３１までの距離が最も大きいうえ、流動の弱い吸気タンブル流の渦の中心を狙って燃料を噴射することができる第６噴孔１２６が、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５（以下、他の噴孔ともいう）のいずれよりも大きな噴孔径を有する点に特徴を有する。

上述の特徴点は、噴孔の噴孔径が大きいほど、燃料の流量や液滴径が大きくなるためペネトレーション（噴霧到達距離）が大きくなるところ、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向することによって、対向する気筒３０の側壁面３１までの距離が最も大きい第６噴孔１２６であれば、噴孔径を大きくしてもピストン２０への燃料の付着を抑制できることに基づいたものである。これについては、後段で詳述する。

具体的に本実施形態では、表１に示されるように第６噴孔１２６は、他の噴孔の噴孔径の合計値の２０％以上に相当する２４．３％の大きさの噴孔径を有する。これにより、ピストン２０への燃料の付着をより確実に抑制することができる。

また、最もピストン側に偏向する第６噴孔１２６によれば、流動の弱い吸気タンブル流の渦の中心を狙って燃料を噴射することができるため、渦中心に燃料が停滞し、吸気タンブル流に流されてピストン２０に付着するのが抑制されることに基づいたものである。これについても、後段で詳述する。

また、表１に示されるように、第２噴孔１２２及び第３噴孔１２３は、同一の噴孔径を有することが好ましい。同様に、第１噴孔１２１、第４噴孔１２４及び第５噴孔１２５は、同一の噴孔径を有することが好ましい。さらには、第２噴孔１２２及び第３噴孔１２３は、第１噴孔１２１、第４噴孔１２４及び第５噴孔１２５よりも噴孔径が小さく設定されることが好ましい。これにより、各噴孔から噴射される燃料の干渉が抑制される。

第１噴孔１２１～第５噴孔１２５で構成される他の噴孔について、図３及び図４を参照してさらに詳しく説明する。

本実施形態に係るエンジン１では、図３に示される平面視で、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する気筒３０の側壁面３１（シリンダスリーブ壁面）に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が３９３以上であることが好ましい。即ち、平面視において、噴孔の中心から対向する気筒３０の側壁面３１までの直線距離をＬｄ（ｍｍ）とし、噴孔径をＤ（ｍｍ）としたときに、以下の式（１）により表される噴孔径Ｄに対する直線距離Ｌｄの比Ｘｄが、３９３以上であることが好ましい。
［数式］

Ｘｄ＝Ｌｄ／Ｄ・・・式（１）

同様に、本実施形態に係るエンジン１では、図４に示される等角投影法による斜視で、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する気筒３０の側壁面３１（シリンダスリーブ壁面）に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が５４５以上であることが好ましい。即ち、等角投影法により斜視において、噴孔の中心から対向する気筒３０の側壁面３１までの直線距離をＬｉ（ｍｍ）とし、噴孔径をＤ（ｍｍ）としたときに、以下の式（２）により表される噴孔径Ｄに対する直線距離Ｌｉの比Ｘｉが、５４５以上であることが好ましい。
［数式］

Ｘｉ＝Ｌｉ／Ｄ・・・式（２）

ここで、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５における、噴孔径Ｄ、噴孔径比率、直線距離Ｌｉ、噴孔径Ｄに対する直線距離Ｌｉの比Ｘｉ、直線距離Ｌｄ、噴孔径に対する直線距離Ｌｄの比Ｘｄを表２にまとめて示す。

図３に示される平面図において、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５の各中心からその各軸線Ｃ１～Ｃ５に沿って延びる各直線と、対向する気筒３０の側壁面３１との各交点がＰ１～Ｐ５であり、各噴孔の中心と該噴孔に対応する各交点Ｐ１～Ｐ５との距離が、各噴孔の直線距離Ｌｄ（Ｌｄ１～Ｌｄ５）に対応している。なお、図３中、インジェクタ１０の中心軸Ｃに対する傾斜角度β１～β５は、表１中のＸ軸方向の角度に対応している。

また、図４に示される等角投影法による斜視図において、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５の各中心からその各軸線Ｃ１～Ｃ５に沿って延びる各直線と、対向する気筒３０の側壁面３１との各交点がＰ１～Ｐ５であり、各噴孔の中心と該噴孔に対応する各交点Ｐ１～Ｐ５との距離が、各噴孔の直線距離Ｌｉ（Ｌｉ１～Ｌｉ５）に対応している。

噴孔径Ｄ、直線距離Ｌｉ、噴孔径Ｄに対する直線距離Ｌｉの比Ｘｉ、直線距離Ｌｄ、噴孔径に対する直線距離Ｌｄの比Ｘｄを変動させたときに生じる事象について、表３にまとめて示す。

表３から明らかであるように、噴孔径Ｄに対する直線距離Ｌｉの比Ｘｉと、噴孔径に対する直線距離Ｌｄの比Ｘｄと、を大きく設定することにより、ピストン２０に対する燃料の付着を抑制できることが分かる。これに対して本実施形態では、表２に示されるように、第１噴孔１２１～第５噴孔１２５いずれも、噴孔径Ｄに対する直線距離Ｌｉの比Ｘｉが３９３以上に大きく設定されており、噴孔径に対する直線距離Ｌｄの比Ｘｄが５４５以上に大きく設定されている。従って本実施形態によれば、ピストン２０に対する燃料の付着を抑制でき、煤の発生を抑制できることが分かる。

以上の構成を備える本実施形態に係るエンジン１の燃料噴射時の動作について、図５及び図６を参照して詳しく説明する。
図５は、本実施形態に係るエンジン１のインジェクタ１０が備える第６噴孔１２６から噴射された燃料の流れを示す図である。また、図６は、従来一般的なエンジンのインジェクタが備える第６噴孔から噴射された燃料の流れを示す図である。なお、図６に示される従来一般的なエンジンのインジェクタは、第１噴孔～第６噴孔全て、吸気タンブル流の渦の中心よりも上方に燃料を噴射するものであり、各噴孔の噴孔径は全て同一である。

先ず図６に示されるように、従来一般的なエンジンでは、第６噴孔から噴射される燃料は吸気タンブル流の渦の中心の上方に向かって噴射される。すると、噴射された燃料は、吸気タンブル流に流されてシリンダスリーブ端に向かい、シリンダスリーブ端付近に衝突する結果、ピストンの頂面に付着する。付着した燃料は堆積し、煤となる。

これに対して図５に示されるように、本実施形態に係るエンジン１では、第６噴孔１２６から噴射される燃料は吸気タンブル流の渦の中心に向けて噴射される。すると、噴射された燃料は、吸気タンブル流の渦の中心に停滞する結果、ピストンへの付着が抑制される。

ここで、本実施形態に係るエンジン１及び図６に示される従来一般的なエンジンについて、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）によるシミュレ－ションを行った結果について説明する。ＣＦＤシミュレーションは、エンジン回転数が３０００ｒｐｍ、エンジントルクが１６０Ｎｍの条件下で実施した。その結果、図６に示される従来一般的なエンジンでは、ピストンに対する燃料の付着量は０．５１ｍｇであったのに対して、本実施形態に係るエンジン１では、ピストンに対する燃料の付着量は０．１２ｍｇであった。このシミュレーション結果から、本実施形態に係るエンジン１によれば、従来に比してピストンへの燃料の付着を大幅に削減できることが確認された。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、インジェクタ１０の複数の噴孔のうち、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向する第６噴孔１２６は、他の噴孔のいずれよりも大きな噴孔径を有するとともに、他の噴孔の噴孔径の合計値の２０％以上に相当する噴孔径を有する構成とした。
本実施形態に係るインジェクタ１０によれば、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向する第６噴孔１２６から、少なくとも縦方向の旋回を有する吸気タンブル流において流動の弱い渦の中心を狙って燃料を噴射することができることに加えて、噴孔の軸線方向がピストン２０側に最も偏向するこの噴孔の噴孔径を、他の噴孔のいずれよりも大きな噴孔径とすることにより、燃料が渦の中心で停滞する結果、ピストン２０への付着を抑制できる。ひいては、ピストン２０に対する燃料の付着を抑制でき、煤の発生を抑制できる。

また本実施形態では、等角投影法による斜視において、他の噴孔はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する気筒３０の側壁面３１に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が５４５以上となるように構成した。同時に、平面視において、他の噴孔はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する気筒３０の側壁面３１に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が３９３以上となるように構成した。
これにより、ピストン２０に対する燃料の付着をより確実に抑制でき、煤の発生をより確実に抑制できる。

また本実施形態では、第２噴孔１２２及び第３噴孔１２３を、第１噴孔１２１、第４噴孔１２４及び第５噴孔１２５いずれよりも噴孔径が小さい構成とした。
これにより、上述の効果に加えて、各噴孔から噴射される燃料の干渉を抑制できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

１エンジン
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４燃焼室
５点火プラグ
１０インジェクタ
１１インジェクタ本体
１２ノズル
２０ピストン
３０気筒
３１側壁面
１２１第１噴孔
１２２第２噴孔
１２３第３噴孔
１２４第４噴孔
１２５第５噴孔
１２６第６噴孔

Claims

ピストンと、前記ピストンを収容する気筒と、前記気筒の上方から前記気筒内に燃料を噴射する複数の噴孔が形成されたノズルを有するインジェクタと、を備える内燃機関であって、
前記複数の噴孔のうち、噴孔の軸線方向が前記ピストン側に最も偏向する噴孔は、他の噴孔のいずれよりも大きな噴孔径を有するとともに、前記他の噴孔の噴孔径の合計値の２０％以上に相当する噴孔径を有し、
前記複数の噴孔は、
前記複数の噴孔のうち最上部に配置される第１噴孔と、
前記複数の噴孔のうち最下部に配置され、噴孔の軸線方向が前記ピストン側に最も偏向する噴孔を構成する第６噴孔と、
前記第１噴孔の中心と前記第６噴孔の中心とを通る中心線に対して互いに対称な位置で前記第１噴孔側に配置される第２噴孔及び第３噴孔と、
前記中心線に対して互いに対称な位置で前記第６噴孔側に配置される第４噴孔及び第５噴孔と、を有し、
前記第２噴孔及び前記第３噴孔は、前記第１噴孔、前記第４噴孔及び前記第５噴孔いずれよりも噴孔径が小さい、内燃機関。
等角投影法による斜視において、前記他の噴孔はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する前記気筒の側壁面に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が５４５以上であるとともに、
平面視において、前記他の噴孔はいずれも、各噴孔の中心から各噴孔の軸線方向に沿って延びて対向する前記気筒の側壁面に至る直線の距離を、各噴孔の噴孔径で除した値が３９３以上である、請求項１に記載の内燃機関。