特許 7586124 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02M 25/028 20060101AFI20241112BHJP

   F02D 19/12 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

F02M25/028

F02D19/12 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022062977

(22)【出願日】2022-04-05

(65)【公開番号】P2023153606

(43)【公開日】2023-10-18

【審査請求日】2023-12-19

(73)【特許権者】

【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】鈴木 雄貴

(72)【発明者】

【氏名】土屋 富久

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－０１０１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０９５８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１７１９３６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ４７／０２

Ｆ０２Ｄ １９／１２

Ｆ０２Ｍ ２５／０２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸気バルブの閉弁中に吸気ポート内に水を噴射する非同期噴射弁と、前記吸気バルブの開弁中に前記吸気ポート内に水を噴射する同期噴射弁と、の２つの水噴射弁が気筒毎に設けられており、前記非同期噴射弁と前記同期噴射弁とは異なる噴射特性を有しており、
前記非同期噴射弁は、前記同期噴射弁よりも低い噴射率で水を噴射する
内燃機関。

【請求項2】

吸気バルブの閉弁中に吸気ポート内に水を噴射する非同期噴射弁と、前記吸気バルブの開弁中に前記吸気ポート内に水を噴射する同期噴射弁と、の２つの水噴射弁が気筒毎に設けられており、前記非同期噴射弁と前記同期噴射弁とは異なる噴射特性を有しており、
前記吸気ポートは２つの前記吸気バルブを介して前記気筒に接続されており、
前記吸気ポートにおける前記２つの吸気バルブの並び方向に対応する方向を同吸気ポートの幅方向としたとき、前記非同期噴射弁は、前記同期噴射弁よりも前記吸気ポートの幅方向において広角に水を噴射する
内燃機関。

【請求項3】

吸気バルブの閉弁中に吸気ポート内に水を噴射する非同期噴射弁と、前記吸気バルブの開弁中に前記吸気ポート内に水を噴射する同期噴射弁と、の２つの水噴射弁が気筒毎に設けられており、前記非同期噴射弁と前記同期噴射弁とは異なる噴射特性を有しており、
前記非同期噴射弁は、前記同期噴射弁よりも小さい噴口を有している
内燃機関。

【請求項4】

前記吸気ポートにあって、前記気筒でのピストンの動作方向に対応する方向を同吸気ポートの高さ方向としたとき、前記非同期噴射弁及び前記同期噴射弁は、前記吸気ポートの高さ方向に並んで配置されている請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、吸気ポートへの水噴射を行う内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

モータスポーツ用等の内燃機関として、特許文献１に見られるように水噴射を実施する内燃機関が知られている。こうした内燃機関では、噴射した水による吸気の気化冷却を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－１３８６６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような水噴射を行う内燃機関では、噴射した水の一部が吸気ポートや気筒の壁面に付着する場合がある。そして、壁面に付着した水の分、吸気の気化冷却の効果が減じてしまう。また、吸気ポートや気筒の壁面に多量の水が付着すると、その水がエンジンオイルに混入してしまう。そして、エンジンオイルが白濁化したり、混入した水がクランクケース内で蒸発してクランクケースの内圧が上昇したり、する虞がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する内燃機関は、吸気バルブの閉弁中に吸気ポート内に水を噴射する非同期噴射弁と、吸気バルブの開弁中に吸気ポート内に水を噴射する同期噴射弁と、の２つの水噴射弁が気筒毎に設けられている。そして、同内燃機関は、それら非同期噴射弁と同期噴射弁とが異なる噴射特性を有するように構成されている。

【0006】

吸気バルブの閉弁中と開弁中とでは、吸気ポート内の気流の状態が異なっている。そのため、非同期噴射時の吸気ポート壁面への水の付着が抑えられるように設定した噴射特性で同期噴射を行うと、同期噴射時の吸気ポートや気筒の壁面への水の付着が増加する虞がある。その点、上記内燃機関は、それぞれ噴射特性の異なる非同期噴射用、同期噴射用の２つの水噴射弁を有している。そのため、非同期噴射及び同期噴射の双方を、吸気ポート壁面、気筒壁面の水付着の抑制に各々適した噴射特性で実施できる。

【0007】

上記内燃機関における非同期噴射弁は、同期噴射弁よりも低い噴射率で水を噴射するように構成することが望ましい。低噴射率で水噴射を行うと、噴霧の微粒化、及び拡散が促進される。そのため、非同期噴射を低噴射率で行えば、吸気ポート内の吸気の流れが停滞していても、吸気ポート壁面の水付着が抑えられる。一方、非同期噴射に比べて長い噴射時間を確保できない同期噴射を高噴射率で行うことで、水噴射量の確保が容易となる。なお、同期噴射では、吸気ポート内の気流により噴霧が微粒化されるため、高噴射率で水噴射を行っても、吸気ポート壁面への水付着は増加し難い。そのため、同期噴射の水噴射量の制限を緩和しつつも、非同期噴射、同期噴射の双方での吸気ポート壁面への水付着が抑えられる。

【0008】

ここで、吸気ポートが２つの吸気バルブを介して気筒に接続された構成の内燃機関での、吸気ポートにおける上記２つの吸気バルブの並び方向に対応する方向を同吸気ポートの幅方向とする。このとき、上記内燃機関における非同期噴射弁は、同期噴射弁よりも吸気ポートの幅方向において広角に水を噴射するように構成することが望ましい。同期噴射時には、吸気ポートの幅方向外側の部分の気流が強くなるため、水を狭角に噴射した方が吸気ポート壁面への水付着が抑えられる。一方、吸気ポート内の吸気の流れが停滞する非同期噴射時には、広角に水を噴射して噴霧を拡散した方が、吸気ポート壁面への水付着が抑えられる。よって、同期噴射弁よりも広角に水を噴射するように非同期噴射弁を構成すれば、非同期噴射時の吸気ポート壁面の水付着と、同期噴射時の気筒壁面への水付着と、を双方共に抑えられる。

【0009】

上記内燃機関の非同期噴射弁は、同期噴射弁よりも小さい噴口を有するように構成することが望ましい。噴口が小さいほど、その噴口から噴射された水の噴霧が微粒化され易くなる。そのため、非同期噴射弁の噴口を小さくすることで、吸気ポート壁面の水付着が抑えられる。一方、噴口を小さくすると、噴射率が低くなるため、同期噴射弁の噴口も小さくすると、短い噴射時間しか確保できない場合がある同期噴射の水噴射量が制限されてしまう。一方、同期噴射では、吸気ポート内の気流により噴霧が微粒化されるため、噴口が大きくても吸気ポート壁面への水付着は増加し難い。そのため、同期噴射弁よりも小さい噴口を有するように非同期噴射弁を構成すれば、同期噴射の水噴射量の制限を緩和しつつも、非同期噴射、同期噴射の双方での吸気ポート壁面への水付着が抑えられる。

【0010】

ここで、上記内燃機関の吸気ポートにあって、気筒でのピストンの動作方向に対応する方向を同吸気ポートの高さ方向とする。このとき、上記内燃機関は、非同期噴射弁及び同期噴射弁を、吸気ポートの高さ方向に並んで配置するように構成することが望ましい。こうした場合、吸気ポートの幅方向における非同期噴射弁及び同期噴射弁の設置位置を揃えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】内燃機関の一実施形態の気筒周辺の構造を模式的に示す図である。

【図2】図１の内燃機関の吸気ポートの平面構造を示す図である。

【図3】図１の内燃機関が備える非同期噴射弁のノズル先端部の断面図である。

【図4】図１の内燃機関が備える同期噴射弁のノズル先端部の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、内燃機関の一実施形態を、図１～図４を参照して詳細に説明する。本実施形態の内燃機関１０は、水素ガスを燃料として用いる水素エンジンとして構成されている。
＜内燃機関１０の構成＞
図１に示すように、内燃機関１０は、1つ以上の気筒１１を有する。気筒１１には、ピストン１２が往復動自在に設置されている。そして、気筒１１の内部には、混合気を燃焼する燃焼室１３が、ピストン１２により区画形成されている。気筒１１には、同気筒１１への吸気の導入路である吸気ポート１４が吸気バルブ１５を介して接続されている。また、気筒１１には、同気筒１１からの排気の排出路である排気ポート１６が排気バルブ１７を介して接続されている。そして、気筒１１には、同気筒１１内に水素ガスを噴射する水素ガス噴射弁１８と、水素ガスと吸気との混合気を火花放電により点火する点火プラグ１９と、が設置されている。なお、以下の説明では、吸気ポート１４にあって、気筒１１でのピストン１２の動作方向に対応する方向を、同吸気ポート１４の高さ方向Ｈと記載する。また、以下の説明では、吸気ポート１４の高さ方向Ｈにおいて、気筒１１からの距離が大きくなる側を吸気ポート１４の上側、気筒１１からの距離が小さくなる側を吸気ポート１４の下側と記載する。

【0013】

図２に示すように、吸気ポート１４における吸気流れ方向下流側の部分は、２本に分岐されている。そして、吸気ポート１４は、２つの吸気バルブ１５を介して気筒１１に接続されている。以下の説明では、吸気ポート１４における、２つの吸気バルブ１５の並び方向に対応する方向を、同吸気ポートの幅方向Ｗと記載する。

【0014】

内燃機関１０には、非同期噴射弁２０と、同期噴射弁２１と、の２つの水噴射弁が気筒１１毎に設けられている。非同期噴射弁２０は、吸気バルブ１５の閉弁中に吸気ポート１４内に水を噴射する非同期噴射に用いる水噴射弁である。同期噴射弁２１は、吸気バルブ１５の開弁中に吸気ポート１４内に水を噴射する同期噴射に用いる水噴射弁である。図２には、非同期噴射弁２０が噴射する水の噴霧ＳＰ１と、同期噴射弁２１が噴射する水の噴霧ＳＰ２と、が示されている。非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１は、吸気ポート１４における幅方向Ｗの中央の位置に、高さ方向Ｈに並んで設置されている。なお、本実施形態の内燃機関１０では、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１は双方とも、吸気ポート１４の上側の部分に配置されている。

【0015】

図３は、非同期噴射弁２０のノズル先端部の断面構造を示している。また、図４は、同期噴射弁２１のノズル先端部の断面構造を示している。非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１はともに、２本の噴口２０Ａ，２１Ａを有している。非同期噴射弁２０の２本の噴口２０Ａの挟み角θ１は、同期噴射弁２１の２本の噴口２１Ａの挟み角θ２よりも大きい角度とされている。なお、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１は、２つの噴口２０Ａ，２１Ａから噴射された水の噴霧が、２本に分岐された吸気ポート１４のそれぞれに向うように内燃機関１０に設置されている。よって、非同期噴射弁２０は、同期噴射弁２１よりも吸気ポート１４の幅方向Ｗにおいて広角に水を噴射するように構成されている。

【0016】

一方、非同期噴射弁２０の噴口２０Ａは、同期噴射弁２１の噴口２１Ａよりも小さい径とされている。すなわち、非同期噴射弁２０は、同期噴射弁２１の噴口２１Ａよりも小さい噴口２０Ａを有しているなお、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１の水の噴射圧は、同じ圧力とされている。よって、非同期噴射弁２０は、同期噴射弁２１よりも低い噴射率で水を噴射するように構成されている。

【0017】

＜実施形態の作用効果＞
内燃機関１０では、運転状況に応じて、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１による吸気ポート１４内への水噴射を行っている。また、内燃機関１０では、水噴射に際して、同内燃機関１０の運転状態や噴射する水の量に応じて非同期噴射と同期噴射とを切り替えている。非同期噴射は、吸気バルブ１５の閉弁中に実施する水噴射である。同期噴射は、吸気バルブ１５の開弁中に実施する水噴射である。この内燃機関１０では、非同期噴射は非同期噴射弁２０で、同期噴射は同期噴射弁２１で、それぞれ行っている。

【0018】

なお、吸気ポート１４内に水を噴射すると、その一部が気化されずに、吸気ポート１４の壁面や吸気バルブ１５の表面に付着する場合がある。以下の説明では、吸気ポート１４の壁面や吸気バルブ１５の表面に付着する水の量をポートウェット量と記載する。また、同期噴射時には、噴射した水が吸気と共に気筒１１に流入して同気筒１１の壁面に付着する場合がある。以下の説明では、気筒１１の壁面に付着する水の量をライナウェット量と記載する。

【0019】

なお、吸気バルブ１５の閉弁中の非同期噴射時には、吸気ポート１４内の吸気の流れは停滞している。これに対して、吸気バルブ１５の開弁中の同期噴射時には、吸気が気筒１１に向って吸気ポート１４内を流れている。一方、低い噴射率で水を噴射する場合には、高い噴射率で水を噴射する場合よりも、噴霧が微粒化されるとともに、噴霧が拡散し易くなる。そのため、吸気ポート１４内の吸気の流れが停滞している非同期噴射時にも、低噴射率で水を噴射すれば、ポートウェット量の増加が抑えられる。なお、吸気バルブ１５が開弁している期間は、同吸気バルブ１５が閉弁している期間よりも短いため、同期噴射では、非同期噴射よりも噴射可能な時間が短くなる。そのため、低噴射率で同期噴射を行うと、噴射可能な水の量が制限される虞がある。一方、吸気ポート１４内を吸気が流れている同期噴射時には、高噴射率で水を噴射しても、気流により噴霧が微粒化されるため、ポートウェット量の増加が抑えられる。よって、非同期噴射は低噴射率で、同期噴射は高噴射率で、それぞれ行うことが望ましい。

【0020】

ところで、吸気バルブ１５の開弁中の吸気ポート１４では、幅方向中央の部分よりも幅方向外側の部分の方が吸気の流れが強くなる。同期噴射に際して、吸気ポート１４の幅方向外側の部分に水を噴射すると、強い気流に乗って噴射した水が気筒１１内に流入するため、ライナウェット量が増加し易くなる。よって、同期噴射は、吸気ポート１４の幅方向外側の部分に到達する噴霧の量が少なくなるように、幅方向Ｗに狭角な水噴射を行うことが望ましい。一方、吸気バルブ１５の閉弁中の非同期噴射では、広角に水を噴射して噴霧を広範囲に拡散することで、ポートウェット量の増加を抑えることが望ましい。

【0021】

これに対して、本実施形態の内燃機関１０における非同期噴射弁２０は、同期噴射弁２１よりも低い噴射率で水を噴射するように構成されている。また、非同期噴射弁２０は、同期噴射弁２１よりも、吸気ポート１４の幅方向Ｗに広角に水を噴射するように構成されている。そのため、ポートウェット量、ライナウェット量の双方の増加が抑えられる。

【0022】

以上の本実施形態の内燃機関１０によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）吸気バルブ１５の閉弁中の非同期噴射時と、吸気バルブ１５の開弁中の同期噴射時と、では、吸気ポート１４内の気流の状態が異なっている。そのため、非同期噴射時のポートウェット量の増加が抑えられるように設定した噴射特性で同期噴射を行うと、ライナウェット量が増加する虞がある。本実施形態の内燃機関１０は、吸気ポート１４内への水の非同期噴射を行う非同期噴射弁２０と、吸気ポート１４内への水の同期噴射を行う同期噴射弁２１と、の噴射特性の異なる２つの水噴射弁を気筒１１毎に備えている。そのため、非同期噴射及び同期噴射の双方をポートウェット、ライナウェットの抑制に各々適した噴射特性で実施できる。

【0023】

（２）非同期噴射弁２０が、同期噴射弁２１よりも低い噴射率で水を噴射するように構成されている。非同期噴射を低噴射率で行うことで、噴霧の微粒化、及び拡散が促進されるため、吸気ポート１４内の吸気の流れが停滞する非同期噴射時にも、ポートウェット量の増加が抑えられる。一方、非同期噴射に比べて長い噴射時間を確保できない同期噴射を高噴射率で行うことで、水噴射量の確保が容易となる。なお、同期噴射では、吸気ポート１４内の気流により噴霧が微粒化されるため、高噴射率で水噴射を行っても、ポートウェット量が増加し難い。そのため、同期噴射の水噴射量の制限を緩和しつつも、非同期噴射、同期噴射の双方でのポートウェット量の増加を抑えられる。

【0024】

（３）非同期噴射弁２０が、同期噴射弁２１の噴口２１Ａよりも小さい噴口２０Ａを有するように構成している。そのため、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１の水の噴射圧を変えなくても、同期噴射弁２１よりも低い噴射率で水を噴射するように非同期噴射弁２０を構成できる。

【0025】

（４）同期噴射時には、吸気ポート１４の幅方向外側の部分の気流が強くなるため、水を狭角に噴射した方がライナウェット量の増加が抑えられる。一方、吸気ポート１４内の吸気の流れが停滞する非同期噴射時には、広角に水を噴射して噴霧を拡散した方が、ポートウェット量を抑えられる。その点、本実施形態の内燃機関１０では、非同期噴射弁２０が、同期噴射弁２１よりも吸気ポート１４の幅方向Ｗにおいて広角に水を噴射するように構成されている。そのため、非同期噴射時のポートウェット量の増加、同期噴射時のライナウェット量の増加を双方共に抑えられる。

【0026】

（５）ポートウェット量、ライナウェット量の抑制により、エンジンオイルへの水の混入が抑えられる。その結果、エンジンオイルが白濁化することや、エンジンオイル中の水がクランクケース内で蒸発して同クランクケースの内圧が上昇することが抑えられる。

【0027】

（６）２本に分岐した吸気ポート１４のそれぞれに均等に水を噴射するには、吸気ポート１４の幅方向Ｗの中央の位置に水噴射弁を設置することが望ましい。その点、本実施形態の内燃機関１０では、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１が、吸気ポート１４の高さ方向Ｈに並んで配置されている。そのため、吸気ポート１４の幅方向Ｗの中央の位置に、非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１の双方を設置できる。そしてその結果、非同期噴射、同期噴射のいずれにおいても、２本に分岐した吸気ポート１４のそれぞれに均等に水を噴射できる。

【0028】

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。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することができる。
・非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１の一方、又は双方を、吸気ポート１４の下側の部分に配置するようにしてもよい。

【0029】

・非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１を、吸気ポート１４の幅方向Ｗに並んで設置してもよい。
・非同期噴射弁２０の水の噴射圧を、同期噴射弁２１の水の噴射圧よりも低くすることで、非同期噴射弁２０の噴射率を同期噴射弁２１よりも低くするようにしてもよい。その場合の非同期噴射弁２０を、同期噴射弁２１の噴口２１Ａよりも小さい噴口２０Ａを有する構成としなくても、非同期噴射弁２０の噴射率を同期噴射弁２１よりも低くすることが可能である。

【0030】

・非同期噴射弁２０及び同期噴射弁２１の噴口２０Ａ、２１Ａの数を１つ、又は３つ以上としてもよい。また、非同期噴射弁２０の噴口２０Ａの数と同期噴射弁２１の噴口２１Ａの数とを異ならせてもよい。

【0031】

・上記実施形態の非同期噴射弁２０は、（Ａ）同期噴射弁２１よりも低い噴射率で水を噴射するとともに、（Ｂ）同期噴射弁２１よりも吸気ポート１４の幅方向Ｗにおいて広角に水を噴射するように構成されていた。上記（Ａ）、（Ｂ）のいずれか一方にのみ該当するように非同期噴射弁２０を構成してもよい。そうした場合にも、上記（２）に記載の効果、及び上記（４）に記載の効果のいずれか一方を奏することはできる。

【0032】

・上記実施形態の内燃機関１０における水噴射システムは、水素ガスエンジン以外の内燃機関にも適用できる。

【符号の説明】

【0033】

１０…内燃機関
１１…気筒
１２…ピストン
１３…燃焼室
１４…吸気ポート
１５…吸気バルブ
１６…排気ポート
１７…排気バルブ
１８…水素ガス噴射弁
１９…点火プラグ
２０…非同期噴射弁
２１…同期噴射弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】