特開 2025-12448 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】P2025012448

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/10 20060101AFI20250117BHJP

   F02M 61/14 20060101ALI20250117BHJP

   F02M 61/18 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

F02B23/10 D

F02M61/14 310A

F02M61/18 340C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023115293

(22)【出願日】2023-07-13

(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】永崎 岳人

【テーマコード（参考）】

3G023

3G066

【Ｆターム（参考）】

3G023AD02

3G023AD03

3G023AF01

3G066AA02

3G066BA32

3G066CC14

(57)【要約】

【課題】異物が連通路内を逆流して燃料噴射弁へと至ると、燃料噴射弁の破損及び噛み込みの原因となり得る。
【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、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。連通路３５における収容孔３０側の開口を第１開口３５Ａとし、連通路３５における燃焼室Ｒ側の開口を第２開口３５Ｂとしたとき、第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積に対して小さい。
【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、
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、
前記連通路における前記収容孔側の開口を第１開口とし、前記連通路における前記燃焼室側の開口を第２開口としたとき、
前記第２開口の開口面積は、前記第１開口の開口面積に対して小さい
内燃機関。

【請求項2】

前記連通路の流路面積は、前記第１開口から前記第２開口に向かうにつれて連続的に小さくなっている
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記燃料噴射弁は、前記気体燃料の噴射口を有しており、
前記噴射口は前記燃料噴射弁の中心軸線上に位置しており、且つ、前記連通路における前記第１開口から前記第２開口までの全体が、前記燃料噴射弁の中心軸線上に位置している
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記第２開口の開口面積は、前記第１開口の開口面積の２分の１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の内燃機関は、燃焼室と、燃料噴射弁と、を備えている。燃焼室は、吸気と燃料との混合気が燃焼するための空間である。燃料噴射弁は、燃焼室内に直接に燃料を噴射する。また、特許文献１の内燃機関は、燃料噴射弁から噴射された燃料が流通する連通路を備えている。連通路は、燃焼室に向けて開口している。したがって、燃料噴射弁から噴射された燃料は、連通路を通って燃焼室に至る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１０５６５５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において、燃焼室内に外部から異物が侵入したり、燃焼室の内面に堆積したデポジットが剥がれ落ちて異物となったりすることがある。このような異物が連通路内を逆流して燃料噴射弁へと至ると、燃料噴射弁の破損及び噛み込みの原因となることがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するため、本発明は、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、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、前記連通路における前記収容孔側の開口を第１開口とし、前記連通路における前記燃焼室側の開口を第２開口としたとき、前記第２開口の開口面積は、前記第１開口の開口面積に対して小さい内燃機関である。

【発明の効果】

【0006】

上記構成によれば、燃焼室側から連通路内には異物が侵入しにくいので、異物による燃料噴射弁の破損及び噛み込みは生じにくい。

【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、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、シリンダブロック１１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Ｃ１は、燃料噴射弁２０の中心軸線である。筒体２１は、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の開口中心は、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、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。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の中心軸線Ｃ１は、収容孔３０の中心軸と一致している。つまり、中心軸線Ｃ１は、燃料噴射弁２０の気体燃料の噴射方向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。筒体２１における噴射口２１Ａ側の先端は、収容孔３０の底面３０Ａに対して僅かに離れている。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、円錐台状の空間である。なお、以下では、連通路３５における収容孔３０側の開口を第１開口３５Ａとする。また、連通路３５における燃焼室Ｒ側の開口を第２開口３５Ｂとする。

【0021】

連通路３５の中心軸線は、燃料噴射弁２０の中心軸線Ｃ１と一致している。したがって、当該連通路３５における第１開口３５Ａから第２開口３５Ｂまでの全体が、中心軸線Ｃ１上に位置している。より詳細には、第１開口３５Ａの開口中心、第２開口３５Ｂの開口中心、及び燃料噴射弁２０における噴射口２１Ａの開口中心は、いずれも中心軸線Ｃ１上に位置している。

【0022】

第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積よりも小さくなっている。具体的には、第２開口３５Ｂ及び第１開口３５Ａは、いずれも円形状である。そして、第２開口３５Ｂの直径は、第１開口３５Ａの直径の２分の１である。したがって、第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積の４分の１である。なお、「開口面積」とは、第１開口３５Ａ又は第２開口３５Ｂを様々な方向から視たときに開口縁で囲まれる領域の見かけの面積のうち、最も大きい面積である。この実施形態では、中心軸線Ｃ１に平行な方向を向いて視たときの面積が、第１開口３５Ａの開口面積、第２開口３５Ｂの開口面積である。

【0023】

また、連通路３５が円錐台状であることから、連通路３５の流路断面積は、第１開口３５Ａから第２開口３５Ｂに向かうにつれて連続的に小さくなっている。つまり、連通路３５をその中心軸を含む断面で断面視したときに、連通路３５の内面が連通路３５の中心軸に対して傾斜する直線状、又は曲線状になっている。この実施形態では、連通路３５の流路断面積は、第１開口３５Ａから第２開口３５Ｂに向けて一定面積ずつ小さくなっている。なお、「流路断面積」は、連通路３５の中心軸に直交する断面での連通路３５の内部の面積である。

【0024】

＜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内の気体燃料が噴射口２１Ａからに噴射される。上述したとおり、第１開口３５Ａの開口中心、第２開口３５Ｂの開口中心、及び燃料噴射弁２０における噴射口２１Ａの開口中心は、いずれも中心軸線Ｃ１上に位置している。したがって、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を介して速やかに燃焼室Ｒへと至る。

【0025】

なお、連通路３５の流路断面積が第２開口３５Ｂに近づくにつれて連続的に小さくなっていることから、噴射された気体燃料の一部は、連通路３５の内面に衝突する。ただし、気体燃料は、気化した状態にあるので、連通路３５の内面に衝突しても、当該気体燃料が連通路３５の内面上で凝縮する可能性は低い。

【0026】

＜実施形態の効果＞
（１）上記実施形態によれば、第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積に対して小さい。したがって、仮に燃焼室Ｒ内に異物が侵入するなどしても、第２開口３５Ｂの開口面積が第１開口３５Ａの開口面積以上である場合に比べれば、異物は連通路３５内には侵入しにくい。したがって、連通路３５を介して収容孔３０に進入した異物が、燃料噴射弁２０の破損及び噛み込みの原因になる可能性を低減できる。

【0027】

（２）上記実施形態によれば、連通路３５の流路面積は、第１開口３５Ａから第２開口３５Ｂに向かうにつれて連続的に小さくなっている。換言すると、連通路３５の内面に明確な段差がないので、当該内面がなだらかな形状になっている。そのため、燃料噴射弁２０の噴射口２１Ａから噴射された気体燃料の流れを、連通路３５の内面が妨げることを防止できる。また、万が一、異物が収容孔３０内に侵入しても、気体燃料の流れに従って当該異物を燃焼室Ｒ内へと導きやすい。

【0028】

（３）上記実施形態によれば、燃料噴射弁２０の噴射口２１Ａが中心軸線Ｃ１上に位置している。さらに、連通路３５における第１開口３５Ａから第２開口３５Ｂまでの全体が中心軸線Ｃ１上に位置している。すなわち、噴射口２１Ａから連通路３５を通って燃焼室Ｒへと至る直線的な流路が確保されている。したがって、第２開口３５Ｂの開口面積が比較的に小さいといえども、燃焼室Ｒへの気体燃料の流れが過度に妨げられることは防げる。

【0029】

（４）上記実施形態によれば、第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積の２分の１以下、具体的には４分の１である。このように第２開口３５Ｂの開口面積を相当に小さくしておくことで、燃料噴射弁２０の破損に繋がるような大きな異物が収容孔３０内に浸入することを抑制できる。

【0030】

＜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。

【0031】

・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。

【0032】

・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。

【0033】

・燃料噴射弁２０が複数の噴射口２１Ａを有していてもよい。また、噴射口２１Ａが、中心軸線Ｃ１に対して傾斜した方向を向いていてもよい。
・燃料噴射弁２０と収容孔３０の底面３０Ａとの間に隙間Ｓがなくてもよい。燃料噴射弁２０の噴射口２１Ａと連通路３５とが繋がっていれば、隙間Ｓの有無は問わない。

【0034】

・連通路３５の形状は、円錐台状に限らない。例えば、連通路３５の形状は、楕円錐台状であってもよいし、多角形錐台状であってもよい。また、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。

【0035】

・連通路３５の流路面積は、第２開口３５Ｂに向かって連続的に小さくなるものに限らない。例えば、連通路３５の流路面積が、第１開口３５Ａから第２開口３５Ｂに向かって、段階的に小さくなっていてもよい。この場合でも、第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積よりも小さくなる。

【0036】

・さらに、第２開口３５Ｂの開口面積が第１開口３５Ａの開口面積よりも小さいのであれば、連通路３５の途中の流路面積は問わない。例えば、連通路３５の途中の箇所で、流路面積が第２開口３５Ｂの開口面積及び第１開口３５Ａの開口面積より大きくなっていてもよい。

【0037】

・第１開口３５Ａの開口中心及び第２開口３５Ｂの開口中心は、中心軸線Ｃ１上に位置していなくてもよい。さらに、第１開口３５Ａの全体及び第２開口３５Ｂの全体が、中心軸線Ｃ１上に位置していなくてもよい。

【0038】

・第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積未満であればよい。ただし、燃料噴射弁２０の破損に繋がりかねない大きな異物が収容孔３０に侵入することを防ぐという観点では、第２開口３５Ｂの開口面積は、第１開口３５Ａの開口面積の２分の１以下であることが好ましい。

【0039】

・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、他の連通路については、両端の開口面積がどのような大小関係であっても構わない。

【0040】

・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。

【0041】

＜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。
＜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、
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、
前記連通路における前記収容孔側の開口を第１開口とし、前記連通路における前記燃焼室側の開口を第２開口としたとき、
前記第２開口の開口面積は、前記第１開口の開口面積に対して小さい
内燃機関。

【0042】

＜付記２＞
前記連通路の流路面積は、前記第１開口から前記第２開口に向かうにつれて連続的に小さくなっている
付記１に記載の内燃機関。

【0043】

＜付記３＞
前記燃料噴射弁は、前記気体燃料の噴射口を有しており、
前記噴射口は前記燃料噴射弁の中心軸線上に位置しており、且つ、前記連通路における前記第１開口から前記第２開口までの全体が、前記燃料噴射弁の中心軸線上に位置している
付記１又は２に記載の内燃機関。

【0044】

＜付記４＞
前記第２開口の開口面積は、前記第１開口の開口面積の２分の１以下である
付記１～３のいずれか一つに記載の内燃機関。

【符号の説明】

【0045】

Ｅ…内燃機関
１０…機関本体
１２…シリンダヘッド
２０…燃料噴射弁
３０…収容孔
３５…連通路
３５Ａ…第１開口
３５Ｂ…第２開口
Ｒ…燃焼室

【図1】

【図2】

【図3】