特開 2024-179957 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179957

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/10 20060101AFI20241219BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20241219BHJP

   F02M 61/14 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

F02B23/10 S

F02B23/10 M

F02M21/02 S

F02M61/14 320A

F02M61/14 310A

F02M61/14 310E

F02M61/14 310S

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099307

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】立花 三奈

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 雄貴

(72)【発明者】

【氏名】土屋 富久

【テーマコード（参考）】

3G023

3G066

【Ｆターム（参考）】

3G023AA06

3G023AB03

3G023AC05

3G023AC07

3G023AD03

3G023AD14

3G066AB05

3G066BA01

3G066CC34

3G066CD04

(57)【要約】

【課題】気体燃料が点火プラグの周囲に集中することを防ぐ。
【解決手段】内燃機関は、吸気及び気体燃料の混合気が燃焼する燃焼室Ｒを有している機関本体１０と、燃焼室Ｒに気体燃料を噴射する燃料噴射弁２０と、混合気に点火する点火プラグと、を備えている。機関本体１０は、燃料噴射弁２０を収容する収容孔３０と、収容孔３０及び燃焼室Ｒを繋ぐ連通路３５と、を有している。点火プラグは、燃料噴射弁２０の第１中心軸線Ｃ１に対して上死点方向ＵＰ側に位置している。連通路３５は、第１中心軸線Ｃ１に対して下死点方向ＤＷ側に位置している。連通路３５の第２中心軸線Ｃ２は、第１中心軸線Ｃ１に対して、燃料噴射弁２０の噴射方向ＩＤに向かうほど下死点方向ＤＷ側に位置するように傾斜している。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸気及び気体燃料の混合気が燃焼する燃焼室を有している機関本体と、
前記燃焼室に前記気体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記混合気に点火する点火プラグと、
を備えており、
前記機関本体は、前記燃料噴射弁を収容する収容孔と、前記収容孔及び前記燃焼室を繋ぐ連通路と、を有しており、
前記点火プラグは、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して上死点方向側に位置しており、
前記連通路は、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して下死点方向側に位置しており、
前記連通路の中心軸線は、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して、前記燃料噴射弁の噴射方向に向かうほど下死点方向側に位置するように傾斜している
内燃機関。

【請求項2】

前記燃料噴射弁は、前記気体燃料の噴射口を有しており、
前記連通路における前記収容孔側の開口を、当該開口が向く方向に前記燃料噴射弁に投影したとき、前記噴射口は、前記開口の投影範囲外に位置している
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記燃料噴射弁は、前記噴射口を開閉するニードル弁を備えており、
前記ニードル弁は、前記噴射口に臨む部分に、ダイヤモンドライクカーボン膜を有する
請求項２に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記連通路の中心軸線と前記燃料噴射弁の中心軸線とが成す角度のうち、前記気体燃料の噴射方向側且つ下死点方向側の角度は、４５度以下である
請求項１に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載の内燃機関は、燃焼室と、吸気ポートと、排気ポートと、を備えている。燃焼室は、燃料及び吸気の混合気が燃焼する空間である。吸気ポートは、吸気を燃料室に導くための通路である。排気ポートは、燃焼室からの排気を外部へと導くための通路である。また、特許文献１に記載の内燃機関は、燃料噴射弁と、点火プラグと、を備えている。燃料噴射弁は、吸気ポートを介さずに、燃焼室に対して直接に燃料を噴射する。点火プラグは、燃料と吸気との混合気に点火する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６－１０８８５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のような内燃機関では、点火プラグの周囲の温度は比較的に高くなる。また、特許文献１に記載のような内燃機関において、燃料噴射弁から噴射する燃料として気体燃料を採用したとする。そして、一般的に、気体燃料の発火点は、液体燃料の発火点よりも低い。そのため、仮に、燃料噴射弁から噴射された気体燃料が点火プラグの周囲に集中すると、点火プラグによる点火タイミングの前に、気体燃料の燃焼が始まってしまうおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するための一態様は、吸気及び気体燃料の混合気が燃焼する燃焼室を有している機関本体と、前記燃焼室に前記気体燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記混合気に点火する点火プラグと、を備えており、前記機関本体は、前記燃料噴射弁を収容する収容孔と、前記収容孔及び前記燃焼室を繋ぐ連通路と、を有しており、前記点火プラグは、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して上死点方向側に位置しており、前記連通路は、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して下死点方向側に位置しており、前記連通路の中心軸線は、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して、前記燃料噴射弁の噴射方向に向かうほど下死点方向側に位置するように傾斜している内燃機関である。

【発明の効果】

【0006】

上記の構成によれば、燃料噴射弁から噴射された気体燃料が点火プラグの周囲に集中しにくいので、点火プラグによる点火タイミングの前に気体燃料の燃焼が開始してしまうおそれを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、内燃機関の概略図である。

【図2】図２は、燃料噴射弁の端面図である。

【図3】図３は、連通路近傍のシリンダヘッドの拡大端面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、インダクタ部品の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、図面は、理解を容易にするために構成要素を拡大して示している場合がある。構成要素の寸法比率は実際のものと、又は別の図面中のものと異なる場合がある。

【0009】

＜内燃機関の概略構成＞
図１に示すように、内燃機関Ｅは、機関本体１０を備えている。機関本体１０は、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２で構成されている。シリンダブロック１１は、気筒１１Ａを有している。気筒１１Ａは、円柱状の空間である。気筒１１Ａは、シリンダブロック１１の端面において開口している。図１では、気筒１１Ａ及びその関連構成を１組のみ図示しているが、内燃機関Ｅは、複数の気筒１１Ａ及びその関連構成を有している。

【0010】

シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の端面に接続している。シリンダヘッド１２は、凹部１２Ａ、吸気ポート１２Ｂ、及び排気ポート１２Ｃを有している。凹部１２Ａは、シリンダヘッド１２側の端面において窪んでいる。凹部１２Ａは、概ね半球状の空間である。凹部１２Ａの開口径は、気筒１１Ａの内径と同一である。凹部１２Ａは、気筒１１Ａと向かい合っている。これら凹部１２Ａ及び気筒１１Ａは、ひとつながりの燃焼室Ｒを構成している。燃焼室Ｒは、吸気及び気体燃料の混合気が燃焼する空間である。

【0011】

吸気ポート１２Ｂは、燃焼室Ｒに供給する吸気の通路である。吸気ポート１２Ｂの第１端は、凹部１２Ａに接続している。吸気ポート１２Ｂの第２端は、図示しない吸気管に接続している。排気ポート１２Ｃは、燃焼室Ｒから排出される排気の通路である。排気ポート１２Ｃの第１端は、凹部１２Ａに接続している。排気ポート１２Ｃの第２端は、図示しない排気管に接続している。

【0012】

内燃機関Ｅは、ピストン１３、吸気バルブ１４、排気バルブ１５、及び点火プラグ１６を備えている。ピストン１３は、気筒１１Ａ内に位置している。ピストン１３は、燃焼室Ｒ内での混合気の燃焼に伴い気筒１１Ａ内を往復動する。図示は省略するが、ピストン１３は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結している。コネクティングロッド及びクランクシャフトは、ピストン１３の往復動作を回転動作に変換する。なお、以下の説明では、燃焼室Ｒ内の混合気が圧縮されるときのピストン１３の動作方向を上死点方向ＵＰとし、その反対方向を下死点方向ＤＷとする。

【0013】

吸気バルブ１４は、シリンダヘッド１２に取り付けられている。吸気バルブ１４は、吸気ポート１２Ｂの第１端を開閉する。吸気バルブ１４は、ピストン１３の往復動作に同期して動作する。排気バルブ１５は、シリンダヘッド１２に取り付けられている。排気バルブ１５は、排気ポート１２Ｃの第１端を開閉する。排気バルブ１５は、ピストン１３の往復動作に同期して動作する。

【0014】

点火プラグ１６は、シリンダヘッド１２に取り付けられている。点火プラグ１６は、吸気ポート１２Ｂ及び排気ポート１２Ｃの間に位置している。点火プラグ１６の先端は、凹部１２Ａ内に位置している。点火プラグ１６は、火花放電により、燃焼室Ｒ内の混合気に点火する。点火プラグ１６は、ピストン１３の往復動作に同期して混合気に点火する。

【0015】

内燃機関Ｅは、燃料噴射弁２０を備えている。燃料噴射弁２０は、シリンダヘッド１２に取り付けられている。燃料噴射弁２０は、吸気ポート１２Ｂを介さずに、燃焼室Ｒに直接に気体燃料を噴射する。気体燃料の一例は、水素である。

【0016】

図２に示すように、燃料噴射弁２０は、筒体２１、及びニードル弁２２を有している。筒体２１は、概ね円筒状である。筒体２１の中心軸線である第１中心軸線Ｃ１は、燃料噴射弁２０の中心軸線である。筒体２１は、第１中心軸線Ｃ１に沿う方向の端部に、噴射口２１Ａを有している。噴射口２１Ａは、筒体２１内の気体燃料を燃料噴射弁２０の外へと噴射するための開口である。噴射口２１Ａは、円形状である。噴射口２１Ａの中心は、第１中心軸線Ｃ１上に位置している。

【0017】

ニードル弁２２は、弁体２２Ａ、及びダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂを有している。弁体２２Ａは、略棒状である。弁体２２Ａは、筒体２１内に位置している。弁体２２Ａは、図示しない電磁ソレノイドにより、第１中心軸線Ｃ１上を往復動作可能である。また、弁体２２Ａは、往復動作することにより、筒体２１の噴射口２１Ａを、筒体２１の内部側において開閉する。ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂは、弁体２２Ａの表面のうち、弁体２２Ａの先端面を覆っている。つまり、ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂは、弁体２２Ａの表面のうち、噴射口２１Ａを臨む部分に位置している。ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂは、炭化水素及び炭素から選ばれる１以上を主成分とする非晶質の膜である。ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂは、硬質炭素膜と呼称されることもある。なお、図２では、ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂを、太線で図示している。

【0018】

＜燃料噴射弁周囲の構造＞
図３に示すように、シリンダヘッド１２は、燃料噴射弁２０を収容する収容孔３０を有している。収容孔３０は、吸気ポート１２Ｂに対して、下死点方向ＤＷ側に位置している。収容孔３０は、略円柱状の空間である。また、収容孔３０は、底面３０Ａを有する。底面３０Ａは、収容孔３０における燃焼室Ｒ側の内面である。収容孔３０の中心軸は、燃焼室Ｒに近づくほど下死点方向ＤＷ側に位置するように傾斜している。

【0019】

燃料噴射弁２０は、収容孔３０内に位置している。筒体２１の噴射口２１Ａは、収容孔３０の底面３０Ａ側を向いている。筒体２１の第１中心軸線Ｃ１は、収容孔３０の中心軸と一致している。つまり、第１中心軸線Ｃ１は、燃料噴射弁２０の気体燃料の噴射方向ＩＤに向かうほど下死点方向ＤＷ側に位置するように傾斜している。その結果として、上述した点火プラグ１６は、第１中心軸線Ｃ１に対して上死点方向ＵＰ側に位置している。筒体２１における噴射口２１Ａ側の先端は、収容孔３０の底面３０Ａに対して離れている。つまり、燃料噴射弁２０と収容孔３０の底面３０Ａとの間には、隙間Ｓが生じている。

【0020】

シリンダヘッド１２は、収容孔３０と燃焼室Ｒとを繋ぐ連通路３５を有している。連通路３５は、円柱状の空間である。連通路３５における収容孔３０側の開口３５Ａは、収容孔３０の底面３０Ａに位置している。また、連通路３５は、第１中心軸線Ｃ１に対して下死点方向ＤＷ側に位置している。また、連通路３５の中心軸線である第２中心軸線Ｃ２は、第１中心軸線Ｃ１に対して、燃料噴射弁２０の噴射方向ＩＤに向かうほど下死点方向ＤＷ側に位置するように傾斜している。また、連通路３５の第２中心軸線Ｃ２と燃料噴射弁２０の第１中心軸線Ｃ１とが成す角度のうち、噴射方向ＩＤ側、且つ下死点方向ＤＷ側の角度を特定角度θとする。このとき、特定角度θは、４５度以下である。

【0021】

また、連通路３５における収容孔３０側の開口３５Ａを、当該開口３５Ａが向く方向に燃料噴射弁２０に投影した範囲を投影範囲ＰＲとする。このとき、燃料噴射弁２０の噴射口２１Ａは、投影範囲ＰＲ外に位置している。つまり、噴射口２１Ａの縁によって囲まれる領域は、投影範囲ＰＲと重複していない。なお、「連通路３５の収容孔３０側の開口３５Ａが向く方向」とは、連通路３５の内部から視たときに、連通路３５の当該開口３５Ａの見かけの面積が最も大きくなるときの視線の方向である。この実施形態では、「連通路３５の開口３５Ａが向く方向」は、第２中心軸線Ｃ２に沿う方向であって連通路３５の内部から燃料噴射弁２０側に向かう方向である。

【0022】

＜実施形態の作用＞
燃料噴射弁２０のニードル弁２２が開状態になると、筒体２１内の気体燃料が隙間Ｓ内に噴射される。このとき噴射された気体燃料の一部は、収容孔３０の底面３０Ａに衝突する。ただし、気体燃料は、気化した状態にあるので、底面３０Ａに衝突しても、当該気体燃料が底面３０Ａの表面上で凝縮する可能性は低い。隙間Ｓ内に噴射された気体燃料は、ピストン１３が下死点方向ＤＷ側に移動する際に発生する気筒１１Ａ内の負圧に従って、連通路３５を介して燃焼室Ｒへと至る。

【0023】

＜実施形態の効果＞
（１）上記実施形態では、連通路３５は、第１中心軸線Ｃ１に対して下死点方向ＤＷ側に位置している。つまり、第１中心軸線Ｃ１を基準としたときに、気体燃料は、燃焼室Ｒにおける比較的に下死点方向ＤＷ側で流入する。したがって、燃焼室Ｒ内において上死点方向ＵＰ側、すなわち点火プラグ１６の周囲において、気体燃料が集中してしまうことを防げる。

【0024】

（２）上記実施形態では、連通路３５の中心軸線である第２中心軸線Ｃ２は、第１中心軸線Ｃ１に対して、燃料噴射弁２０の噴射方向ＩＤに向かうほど下死点方向ＤＷ側に位置するように傾斜している。したがって、燃焼室Ｒに流入する気体燃料に対して、全体として下死点方向ＤＷに向かう流れを付与できる。これにより、燃焼室Ｒ内において上死点方向ＵＰ側、すなわち点火プラグ１６の周囲において、気体燃料が集中してしまうことを防げる。

【0025】

（３）上記実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂは、弁体２２Ａの表面のうち、噴射口２１Ａを臨む部分に位置している。したがって、仮に、隙間Ｓ内に、燃焼室Ｒ内から高温の燃焼ガスが流入しても、ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂで、弁体２２Ａを保護できる。

【0026】

（４）上記実施形態では、燃料噴射弁２０の噴射口２１Ａは、投影範囲ＰＲ外に位置している。そのため、燃焼室Ｒ側から連通路３５を通って隙間Ｓ内に燃焼ガスが流入したときに、先ず、筒体２１の外面に燃焼ガスが衝突する。つまり、噴射口２１Ａから露出するダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂは、燃焼ガスの直撃を免れる可能性が高い。そのため、ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂが燃焼ガスに触れて劣化することを防げる。

【0027】

（５）上記実施形態では、連通路３５の第２中心軸線Ｃ２と燃料噴射弁２０の第１中心軸線Ｃ１とが成す特定角度θが４５度以下である。この角度設定であれば、燃料噴射弁２０から噴射される噴射方向ＩＤ側への流れを過度に妨げることなく、気体燃料を連通路３５及び燃焼室Ｒに導くことができる。

【0028】

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施できる。また、本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。

【0029】

・内燃機関Ｅの構成は、適宜に変更できる。例えば、内燃機関Ｅは、燃料噴射弁２０に加えて、吸気ポート１２Ｂ内に燃料を噴射するポート噴射弁を備えていてもよい。また、内燃機関Ｅは、吸気ポート１２Ｂ内に冷却用の水を噴射する水噴射弁を備えていてもよい。

【0030】

・気筒１１Ａ内に気体燃料を噴射できるのであれば、燃料噴射弁２０の位置は、適宜調整できる。例えば、燃料噴射弁２０を収容する収容孔３０は、排気ポート１２Ｃに対して、下死点方向ＤＷ側に位置していてもよい。

【0031】

・燃料噴射弁２０が複数の噴射口２１Ａを有していてもよい。この場合、複数の噴射口２１Ａから選ばれる１以上が、投影範囲ＰＲ外に位置していることが好ましい。
・燃料噴射弁２０の噴射口２１Ａの一部又は全部が、投影範囲ＰＲ内に位置していてもよい。この場合でも、上述した（１）及び（２）の効果は得られる。

【0032】

・連通路３５の形状は、円柱状に限らない。例えば、連通路３５の形状は、途中で折れ曲がった形状であったり湾曲した形状であったりしてもよい。
・シリンダヘッド１２が上記実施形態の連通路３５に加えて、他の連通路を有していてもよい。この場合、他の連通路は、第１中心軸線Ｃ１に対して上死点方向ＵＰ側に位置していてもよいし、第１中心軸線Ｃ１に対して傾斜していなくてもよい。

【0033】

・ニードル弁２２においてダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂを省略してもよい。また、ニードル弁２２において、ダイヤモンドライクカーボン膜２２Ｂに代えて他の保護膜を採用してもよい。

【0034】

・特定角度θは、４５度以下に限らない。つまり、特定角度θは、４５度を超えていてもよい。
＜付記＞
上記実施形態及び変更例から導き出せる技術思想を以下に記載する。

【0035】

［付記１］
吸気及び気体燃料の混合気が燃焼する燃焼室を有している機関本体と、
前記燃焼室に前記気体燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記混合気に点火する点火プラグと、
を備えており、
前記機関本体は、前記燃料噴射弁を収容する収容孔と、前記収容孔及び前記燃焼室を繋ぐ連通路と、を有しており、
前記点火プラグは、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して上死点方向側に位置しており、
前記連通路は、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して下死点方向側に位置しており、
前記連通路の中心軸線は、前記燃料噴射弁の中心軸線に対して、前記燃料噴射弁の噴射方向に向かうほど下死点方向側に位置するように傾斜している
内燃機関。

【0036】

［付記２］
前記燃料噴射弁は、前記気体燃料の噴射口を有しており、
前記連通路における前記収容孔側の開口を、当該開口が向く方向に前記燃料噴射弁に投影したとき、前記噴射口は、前記開口の投影範囲外に位置している
付記１に記載の内燃機関。

【0037】

［付記３］
前記燃料噴射弁は、前記噴射口を開閉するニードル弁を備えており、
前記ニードル弁は、前記噴射口に臨む部分に、ダイヤモンドライクカーボン膜を有する
付記１又は２に記載の内燃機関。

【0038】

［付記４］
前記連通路の中心軸線と前記燃料噴射弁の中心軸線とが成す角度のうち、前記気体燃料の噴射方向側且つ下死点方向側の角度は、４５度以下である
付記１～３のいずれかに記載の内燃機関。

【符号の説明】

【0039】

Ｅ…内燃機関
１０…機関本体
１２…シリンダヘッド
１６…点火プラグ
２０…燃料噴射弁
３０…収容孔
３５…連通路
Ｃ１…第１中心軸線
Ｃ２…第２中心軸線

【図1】

【図2】

【図3】