４サイクルエンジンおよび船外機
【課題】空気と燃料とを含む混合気の均一性を確保し、吸気系の自由度を高めること。
【解決手段】４サイクルエンジン２は、シリンダヘッド１８と、シリンダボディ１７と、燃料噴射弁３４とを含む。シリンダボディ１７は、シリンダヘッド１８に連結されている。シリンダヘッド１８は、燃焼室２０と、燃焼室２０に連通する吸気ポート２１と、燃焼室２０に連通する排気ポート２２とを形成している。燃料噴射弁３４は、燃焼室２０に向けて燃料のミストを噴射することにより、燃料のミストを燃焼室２０に直接供給する。燃料噴射弁３４は、排気ポート２２よりシリンダボディ１７側でシリンダヘッド１８に保持されている。
【解決手段】４サイクルエンジン２は、シリンダヘッド１８と、シリンダボディ１７と、燃料噴射弁３４とを含む。シリンダボディ１７は、シリンダヘッド１８に連結されている。シリンダヘッド１８は、燃焼室２０と、燃焼室２０に連通する吸気ポート２１と、燃焼室２０に連通する排気ポート２２とを形成している。燃料噴射弁３４は、燃焼室２０に向けて燃料のミストを噴射することにより、燃料のミストを燃焼室２０に直接供給する。燃料噴射弁３４は、排気ポート２２よりシリンダボディ１７側でシリンダヘッド１８に保持されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、４サイクルエンジン、およびこれを備えた船外機に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体の燃料を燃焼室に直接供給して、出力および燃費を高める直噴エンジン（direct-injection engine）が知られている。
直噴エンジンでは、シリンダ内で燃料が気化することにより、シリンダ内が冷却される。そのため、シリンダ内への空気の充填量を増加させて、エンジンの出力を高めることができる。さらに、シリンダ内の温度が下がるので、ノッキングを抑制することができる。したがって、混合気の圧縮比を増加させて、燃費を高めることができる。
【０００３】
特許文献１には、液体の燃料を燃焼室に直接供給する船外機用のエンジンが開示されている。特許文献１記載のエンジンでは、燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されている。吸気ポートは、シリンダごとに２つずつ設けられており、燃料噴射弁は、２つの吸気ポートの間に配置されている。
また、特許文献２には、気化させた燃料を燃焼室に供給するエンジンが開示されている。特許文献２記載のエンジンでは、燃料を噴射する燃料噴射弁が排気ポートの近傍に配置されている。燃料噴射弁から噴射された液体の燃料は、燃料気化室に供給される。燃料気化室は、燃焼室に隣接しており、燃焼室から伝達される燃焼熱によって高温になっている。したがって、燃料噴射弁から燃料気化室に液体の燃料が供給されると、燃料が燃料気化室で気化する。そして、燃料気化室で気化した燃料は、排気ポートの近傍から燃焼室に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３８９２５号公報
【特許文献２】特開平８−２０００７４号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述のように、特許文献１記載のエンジンでは、燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されている。したがって、燃料噴射弁から燃焼室に噴射された燃料は、吸気ポートから噴射された流速の高い吸気とぶつかり合う。そのため、燃料の流れる方向が大きく変化し、意図する方向とは異なる方向に燃料が流される。そのため、シリンダ内での燃料の広がりに偏りが生じ易く、シリンダ内での燃料の広がりが不均一になり易い。
【０００６】
さらに、特許文献１記載のエンジンでは、燃料噴射弁が２つの吸気ポートの間に配置されているので、吸気ポートが湾曲している。しかしながら、吸気ポートの湾曲が大きいと、吸気ポートでの流体抵抗が大きいので、吸気ポートからシリンダ内に充填される空気の流量が減少する。そのため、直噴による効果が減少する。
一方、特許文献２記載のエンジンでは、気化した燃料が燃焼室に供給される。そのため、燃料の気化潜熱を利用してシリンダ内を冷却することができない。さらに、特許文献２記載のエンジンでは、高温の排気に晒される排気ポートの近傍に燃料噴射弁が配置されている。したがって、燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されている場合よりも、燃料噴射弁の近傍の温度が高い。後述するように、燃料噴射弁の近傍の温度が高いと、カーボン（すす）が堆積し、燃料噴射弁の噴射口が詰まるおそれがある。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、空気と燃料とを含む混合気の均一性を確保することができ、吸気系の自由度が高い直噴式の４サイクルエンジン、およびこれを備えた船外機を提供することである。
前記目的を達成するための本発明の一実施形態は、燃焼室と、前記燃焼室に連通する吸気ポートと、前記燃焼室に連通する排気ポートとが形成されたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに連結されたシリンダボディと、前記排気ポートより前記シリンダボディ側で前記シリンダヘッドに保持されており、前記燃焼室に向けて燃料のミストを噴射することにより、燃料のミストを前記燃焼室に直接供給するように構成された燃料噴射弁とを含む、４サイクルエンジンを提供する。
【０００８】
この構成によれば、燃料噴射弁は、排気ポートよりシリンダボディ側でシリンダヘッドに保持されている。すなわち、燃料噴射弁は、排気ポートとシリンダボディとの間に配置されており、排気ポートから燃料噴射弁までの距離が、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離よりも短い。したがって、燃料噴射弁は、排気ポート側に配置されている。燃料噴射弁から噴射された燃料のミストは、燃焼室に直接供給される。したがって、シリンダ内で燃料を気化させて、シリンダ内を冷却することができる。そのため、４サイクルエンジンの出力および燃費を高めることができる。さらに、燃料噴射弁が排気ポート側に配置されているので、シリンダ内での燃料のミストの流れが、吸気ポートから燃焼室に流入した吸気によって妨げられることを抑制することができる。さらに、燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されていないので、吸気ポートの形状やレイアウトの自由度を高めることができる。そのため、吸気ポートの流体抵抗を減少させて、シリンダ内への空気の充填量を増加させることができる。これにより、４サイクルエンジンの出力を増加させることができる。
【０００９】
前記４サイクルエンジンは、直線状に配列された複数のシリンダを含む直列エンジンであってもよいし、Ｖ字ラインに沿って配置された複数のシリンダを含むＶ型エンジンであってもよい。前記４サイクルエンジンがＶ型エンジンである場合、前記燃料噴射弁は、前記Ｖ字ラインの内側に配置されていてもよいし、前記Ｖ字ラインの外側に配置されていてもよい。
【００１０】
また、前記シリンダヘッドに、前記排気ポートと前記燃料噴射弁との間に位置するウォータージャケットが形成されていてもよい。この場合、前記４サイクルエンジンは、外部からの水が前記ウォータージャケットに供給されるように構成されていてもよい。
また、前記目的を達成するための本発明の他の実施形態は、前記４サイクルエンジンと、前記４サイクルエンジンによって駆動されることにより、船外機の外の水を前記ウォータージャケットに供給するように構成されたウォーターポンプとを含む、船外機を提供する。
【００１１】
この構成によれば、４サイクルエンジンがウォーターポンプを駆動することにより、外部の水、つまり、船外機の外の水が、４サイクルエンジンに設けられたウォータージャケットに冷却水として供給される。船外機の外の水は、エンジンや船外機の運転状況による影響を殆ど受けないので、ほぼ一定の温度の冷却水がウォータージャケットに供給される。したがって、エンジンや船外機の運転状況に拘わらず、排気ポートおよび燃料噴射弁自体や、これらの近傍を低温に保つことができる。これにより、すすの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る船外機を鉛直面で切断した模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る船外機を水平面で切断した断面図である。
【図３】図２の一部を拡大した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドを燃焼室側から見た図である。
【図５】本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。
【図７】本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る船外機を鉛直面で切断した模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る船外機を水平面で切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る船外機１を鉛直面で切断した模式的な断面図である。
船外機１は、エンジン２と、ドライブシャフト３と、歯車機構４と、プロペラシャフト５と、これらの構成２〜５を収容するケーシング６とを含む。エンジン２は、上下方向に延びる回転軸線Ｒ１まわりに回転可能なクランクシャフト７を含む。ドライブシャフト３は、エンジン２から下方に延びている。ドライブシャフト３の上端部は、クランクシャフト７に連結されており、ドライブシャフト３の下端部は、歯車機構４を介してプロペラシャフト５の前端部に連結されている。プロペラシャフト５は、ケーシング６内で前後方向に延びている。プロペラシャフト５の後端部は、ケーシング６から後方に突出しており、このプロペラシャフト５の後端部にプロペラ８が連結されている。エンジン２によってドライブシャフト３が回転駆動されると、ドライブシャフト３の回転が、歯車機構４を介してプロペラシャフト５に伝達される。これにより、プロペラ８がプロペラシャフト５と共に回転し、船舶を推進させる推力が発生する。
【００１４】
船外機１は、エンジン２に冷却水を供給するウォーターポンプ９を含む。さらに、船外機１は、船外機１の外面（ケーシング６の外面）で開口する取水口１０および排水口１１と、船外機１の内部に設けられた冷却水供給路１２および冷却水排出路１３とを含む。取水口１０は、冷却水供給路１２によってエンジン２に接続されており、排水口１１は、冷却水排出路１３によってエンジン２に接続されている。ウォーターポンプ９がエンジン２によって駆動されると、船外機１の外部の水が取水口１０に吸い込まれる。そして、この吸い込まれた水は、冷却水供給路１２、エンジン２、および冷却水排出路１３を通過した後、排水口１１から排出される。
【００１５】
具体的には、ウォーターポンプ９は、ドライブシャフト３に連結されており、ドライブシャフト３と共に回転するインペラを含む。したがって、エンジン２がドライブシャフト３を回転させると、インペラの回転によって吸引力が発生し、この吸引力によって船外機１の外部の水が取水口１０に吸い込まれる。そして、取水口１０に吸い込まれた水は、冷却水供給路１２を介してエンジン２に供給される。エンジン２に供給された水は、エンジン２内に設けられたウォータージャケット２３（図３参照）を通過した後、冷却水排出路１３に排出される。さらに、冷却水排出路１３に排出された水は、排水口１１から船外機１の外部に排出される。このように、エンジン２は、エンジン２の外部（より具体的には、船外機１の外部）からの水が供給されるように構成されている。
【００１６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る船外機１を水平面で切断した断面図である。以下の説明において、エンジン２の上下方向は、クランクシャフト７の回転軸線Ｒ１が延びる方向であり、エンジン２の前後方向は、平面視においてＶ字ラインＶ１（図２参照）の内側の領域を二等分する線（二等分線）に沿う方向である。以下では、図１〜図２を参照する。
【００１７】
図２に示すように、エンジン２は、たとえば、Ｖ型の４サイクルエンジン（内燃機関）である。したがって、エンジン２は、Ｖ字ラインＶ１に沿って配置された複数のシリンダ１４を含む。第１実施形態では、エンジン２は、たとえば、６つのシリンダ１４を含む。
６つのシリンダ１４のうちの３つのシリンダ１４は、上下方向に配列された一方の列１５を構成しており、残りの３つのシリンダ１４は、上下方向に配列された他方の列１６を構成している。図２に示すように、一方の列１５と他方の列１６とは、平面視Ｖ字状に配置されている。さらに、一方の列１５と他方の列１６とは、側面視において重なり合っている。一方の列１５の上端は、他方の列１６の上端より上方に配置されている。
【００１８】
図２に示すように、エンジン２は、シリンダボディ１７と、２つのシリンダヘッド１８と、クランクケース１９とを含む。シリンダボディ１７は、後向きに開いた平面視Ｖ字状であり、Ｖバンクを形成している。２つのシリンダヘッド１８は、それぞれ、シリンダボディ１７の２つの後端部に連結されており、クランクケース１９は、シリンダボディ１７の前端部に連結されている。シリンダボディ１７およびシリンダヘッド１８は、複数のシリンダ１４を形成している。各シリンダ１４は、水平方向に延びる中心軸線Ｃ１を有している。各シリンダ１４の中心軸線Ｃ１は、Ｖ字ラインＶ１上に配置されている。言い換えると、Ｖ字ラインＶ１は、一方の列１５を構成するシリンダ１４の中心軸線Ｃ１を含む鉛直な平面と、他方の列１６を構成するシリンダ１４の中心軸線Ｃ１を含む鉛直な平面とによって構成されている。
【００１９】
図２に示すように、シリンダヘッド１８は、混合気が燃焼される燃焼室２０と、燃焼室２０に連通する吸気ポート２１と、燃焼室２０に連通する排気ポート２２とを形成している。さらに、シリンダヘッド１８は、冷却水が流通するウォータージャケット２３（図２においてクロスハッチングされた部分）を形成している。ウォータージャケット２３は、排気ポート２２を取り囲んでいる。ウォータージャケット２３の一部は、シリンダヘッド１８の外面と排気ポート２２との間に配置されている。したがって、シリンダヘッド１８の外面が高温になることが防止されている。さらに、ウォータージャケット２３の一部は、排気ポート２２と、後述する燃料噴射弁３４との間に配置されている。したがって、排気ポート２２からの熱による燃料噴射弁３４の温度上昇が抑制されている。
【００２０】
図２に示すように、エンジン２は、さらに、複数のピストン２４と、ピストン２４とクランクシャフト７とを連結する複数のコンロッド２５とを含む。さらに、エンジン２は、クランクケース１９の前方に配置された吸気サージタンク２６と、吸気サージタンク２６に連結された複数の吸気管２７とを含む。複数の吸気管２７は、シリンダボディ１７、シリンダヘッド１８、およびクランクケース１９の外側に配置されている。すなわち、吸気管２７は、Ｖ字ラインＶ１の外側でシリンダヘッド１８に連結されており、シリンダヘッド１８から前方に延びている。吸気管２７の前端部は、吸気サージタンク２６に連結されている。
【００２１】
図２に示すように、吸気ポート２１は、Ｖ字ラインＶ１の外側に配置されている。吸気ポート２１は、シリンダヘッド１８の側部から燃焼室２０に延びている。吸気ポート２１は、シリンダヘッド１８の外部と燃焼室２０とを連通している。吸気管２７の内部は、吸気ポート２１に連通している。したがって、吸気サージタンク２６に供給された吸気は、吸気管２７を介して吸気ポート２１に供給される。その一方で、燃焼室２０で発生した排気は、排気ポート２２を介してエンジン２の外部に排出される。すなわち、燃焼室２０で発生した排気は、排気ポート２２を介して、船外機１の内部に設けられた主排気路２８（図１参照）に排出される。図１に示すように、主排気路２８は、プロペラ８で開口する排気出口２９を形成している。したがって、主排気路２８に排出された排気は、水中に排出される。
【００２２】
図３は、図２の一部を拡大した図であり、エンジン２の一部の横断面を示している。図４は、本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッド１８を燃焼室２０側から見た図である。以下では、図２〜図４を参照する。
図２に示すように、エンジン２は、複数の吸気バルブ３０と、複数の排気バルブ３１と、吸気バルブ３０および排気バルブ３１を駆動するバルブ駆動機構３２とを含む。吸気バルブ３０および排気バルブ３１は、シリンダ１４ごとに例えば２つずつ設けられている。したがって、図４に示すように、吸気ポート２１および排気ポート２２も、シリンダ１４ごとに２つずつ設けられている。吸気ポート２１および排気ポート２２は、燃焼室２０で開口している。図２に示すように、吸気ポート２１および排気ポート２２の開口部は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して互いに反対側に配置されている。吸気ポート２１および排気ポート２２は、それぞれ、吸気バルブ３０および排気バルブ３１によって開閉される。
【００２３】
また、図３に示すように、エンジン２は、燃焼室２０で混合気を燃焼させる点火プラグ３３と、燃料（たとえばガソリン）を燃焼室２０に噴霧する燃料噴射弁３４とを含む。点火プラグ３３は、シリンダヘッド１８に形成されたプラグ収容孔３５に収容されており、燃料噴射弁３４は、シリンダヘッド１８に形成された噴射弁収容孔３６に収容されている。プラグ収容孔３５は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に沿って延びており、噴射弁収容孔３６は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して傾いた水平方向に延びている。したがって、点火プラグ３３は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に沿って延びており、燃料噴射弁３４は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して傾いている。
【００２４】
図３に示すように、プラグ収容孔３５および噴射弁収容孔３６は、燃焼室２０で開口している。プラグ収容孔３５の開口部は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１上に配置されている。その一方で、噴射弁収容孔３６の開口部は、プラグ収容孔３５の開口部よりも外方（シリンダ１４の中心軸線Ｃ１から離れる方向）で、かつ、プラグ収容孔３５の開口部よりもシリンダボディ１７側に配置されている。火花を発する点火プラグ３３の先端は、プラグ収容孔３５の開口部を通過して、燃焼室２０に達している。その一方で、燃料のミストを噴射する噴射口が形成された燃料噴射弁３４の先端３４ａは、噴射弁収容孔３６内に配置されている。したがって、燃料噴射弁３４の先端３４ａは、噴射弁収容孔３６の開口部を介して燃焼室２０に対向している。燃料噴射弁３４の先端３４ａは、燃焼室２０に達していてもよい。
【００２５】
図３に示すように、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２よりシリンダボディ１７側でシリンダヘッド１８に保持されている。つまり、シリンダボディ１７は、燃焼室２０に対して排気ポート２２とは反対側に配置されており、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２とシリンダボディ１７との間でシリンダヘッド１８に保持されている。図２に示すように、燃料噴射弁３４は、Ｖ字ラインＶ１の内側に配置されている。さらに、燃料噴射弁３４に燃料を供給する燃料供給管３７の端部は、Ｖ字ラインＶ１の内側で燃料噴射弁３４に接続されている。燃料噴射弁３４は、燃料供給管３７から供給された燃料を燃焼室２０内に噴霧する。燃料噴射弁３４の先端３４ａから噴射された燃料のミストは、噴射弁収容孔３６の開口部を介して燃焼室２０に供給される。これにより、燃料のミストが燃焼室２０に直接供給される。
【００２６】
図４に示すように、シリンダヘッド１８を燃焼室２０側から見ると、同一のシリンダ１４に対応する４つのポートの開口部（２つの吸気ポート２１の開口部と２つの排気ポート２２の開口部）は、格子状に配置されている。つまり、同一のシリンダ１４に対応する４つのポートの開口部は、それぞれ、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１を取り囲む四角の４つの頂点に配置されている。したがって、プラグ収容孔３５の開口部は、この四角の中に配置されており、４つのポートの開口部によって取り囲まれている。さらに、シリンダヘッド１８を燃焼室２０側から見ると、噴射弁収容孔３６の開口部の一部は、２つ排気ポート２２の開口部の間に配置されており、残りの部分は、２つ排気ポート２２の開口部よりも外方（シリンダ１４の中心軸線Ｃ１から離れる方向）に配置されている。
【００２７】
図５は、本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。図６は、本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。また、図７は、本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。図８は、本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。
【００２８】
図７および図８は、同じタイミングでのシリンダ内の様子を示している。すなわち、４サイクルエンジンでは、４つの工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程）が行われることにより、クランクシャフトの回転角が７２０度変化する。図７および図８は、同じ回転角でのシリンダ内の様子を示している。以下では、図４〜図８を参照する。
第１実施形態と比較形態との主要な相違点は、燃料噴射弁の配置が異なることである。すなわち、図５と図６とを比較すると分かるように、第１実施形態では、排気ポートの近傍に燃料噴射弁が配置されおり、比較形態では、吸気ポートの近傍に燃料噴射弁が配置されている。したがって、比較形態では、吸気ポートの近傍から燃料のミストが燃焼室に噴射される。
【００２９】
吸気バルブが駆動されて、吸気ポートが開かれると、吸気ポートに供給された吸気が、吸気ポートの内壁面と吸気バルブとの間の隙間から燃焼室に噴射される。これにより、吸気が燃焼室に供給される。第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、エンジンは、吸気ポートから燃焼室に噴射された吸気によって、タンブル流（tumble flow：図５および図６参照）が形成されるように構成されている。すなわち、吸気ポートから燃焼室に吸気が噴射されると、シリンダの中心軸線に直交する軸まわりに回転する縦渦（タンブル流）がシリンダ内に形成される。
【００３０】
一方、第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、燃料噴射弁は、シリンダ内に燃料が均一に行き渡るように、燃料のミスト、すなわち、液体の燃料を所定の狙い方向（図５〜図８参照）に噴射するように構成されている。狙い方向は、たとえば、燃料噴射弁の先端からシリンダの中心軸線に向かうシリンダの中心軸線に対して傾いた方向である。
【００３１】
図４に示すように、第１実施形態では、燃料噴射弁３４の先端３４ａが、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して吸気ポート２１とは反対側に配置されている。その一方で、図４において二点鎖線で示すように、比較形態では、燃料噴射弁の先端Ｘ１が、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して排気ポート２２とは反対側に配置されている。したがって、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離は、比較形態よりも第１実施形態の方が長い。
【００３２】
第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、燃料噴射弁は、吸気ポートから燃焼室に吸気が噴射されているタイミングで、燃料のミストを燃焼室に噴射する。したがって、シリンダ内で吸気が燃料にぶつかる。そのため、燃料は、静的な環境、つまり、シリンダ内に気流がない環境とは異なる方向に流れる。よって、第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、燃料の流れる方向は、タンブル流による影響を受ける。
【００３３】
具体的には、比較形態では、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離が短いので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、流速の高い吸気とぶつかり合う。そのため、図５に示すように、タンブル流によって燃料の流れる方向が大きく変化し、狙い方向とは異なる方向に燃料が流される（図５において二点鎖線で示す矢印参照）。そのため、シリンダ内での燃料の広がりに偏りが生じ易く、シリンダ内での燃料の広がりが不均一になり易い。具体的には、図７に示すように、燃料の液滴や気化した燃料の広がりが小さく、殆どの燃料が燃料噴射弁とは反対側（排気ポート側）まで到達していない。したがって、点火プラグが火花を発生した時点で、燃料が均一に拡散していない場合がある。
【００３４】
一方、第１実施形態では、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離が長いので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、流速の高い吸気にぶつかり難い。そのため、図６および図８に示すように、燃料噴射弁から噴射された燃料は、狙い方向または狙い方向とほぼ同じ方向に流れる。したがって、燃料を拡散させる強制的な流れを作らなくても、燃料をシリンダ内に均一に供給することができる。具体的には、図７と図８とを比較すると分かるように、燃料の液滴や気化した燃料の広がりは、比較形態よりも第１実施形態の方が大きい。さらに、第１実施形態では、比較形態よりも燃料が燃料噴射弁とは反対側まで到達し易い。したがって、第１実施形態では、均一な混合気（空気と燃料の混合気）を形成することができる。
【００３５】
以上のように第１実施形態では、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２よりシリンダボディ１７側でシリンダヘッド１８に保持されている。すなわち、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２とシリンダボディ１７との間に配置されており、排気ポート２２から燃料噴射弁３４の先端３４ａまでの距離が、吸気ポート２１から燃料噴射弁３４の先端３４ａまでの距離よりも短い。したがって、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２側に配置されている。燃料噴射弁３４から噴射された燃料のミストは、燃焼室２０に直接供給される。したがって、シリンダ１４内で燃料を気化させて、シリンダ１４内を冷却することができる。そのため、エンジン２の出力および燃費を高めることができる。さらに、燃料噴射弁３４が排気ポート２２側に配置されているので、シリンダ１４内での燃料のミストの流れが、吸気ポート２１から燃焼室２０に流入した吸気によって妨げられることを抑制することができる。さらに、燃料噴射弁３４が吸気ポート２１の近傍に配置されていないので、吸気ポート２１の形状やレイアウトの自由度を高めることができる。そのため、吸気ポート２１の流体抵抗を減少させて、シリンダ１４内への空気の充填量を増加させることができる。これにより、エンジン２の出力を増加させることができる。
【００３６】
また第１実施形態では、シリンダヘッド１８にウォータージャケット２３が形成されており、このウォータージャケット２３の一部が排気ポート２２と燃料噴射弁３４との間に配置されている。排気ポート２２は、ウォータージャケット２３に供給された冷却水によって冷却される。したがって、排気ポート２２から燃料噴射弁３４に伝達される熱量を減少させることができる。そのため、燃料噴射弁３４が高温になることを防止することができる。よって、燃料噴射弁３４の先端３４ａが、すすによって詰まることを防止することができる。
【００３７】
具体的には、すすは、燃料の濃度が高く、高温の雰囲気で発生し易い。燃料を噴射する噴射口が燃料噴射弁３４の先端３４ａに形成されているので、燃料噴射弁３４の先端３４ａ近傍は燃料の濃度が高い。したがって、燃料噴射弁３４の先端３４ａ近傍の温度が高いと、すすが発生し易い。しかしながら、第１実施形態では、燃料噴射弁３４が高温になることが防止されているので、燃料噴射弁３４の先端３４ａ近傍の温度が低い。したがって、すすの発生を防止できる。さらに、排気ポート２２がウォータージャケット２３によって覆われているので、燃料噴射弁３４や燃料供給管３７から燃料が漏れたとしても、この漏れた燃料が高温の壁面に接触することを防止することができる。
【００３８】
また第１実施形態では、外部からの水がウォータージャケット２３に供給される。したがって、エンジン２の運転状況に拘わらずほぼ一定の温度の冷却水がウォータージャケット２３に供給される。すなわち、たとえば自動車に備えられているような冷却水を循環させる冷却装置では、エンジン２の発熱量が増加すると、ウォータージャケット２３に供給される冷却水の温度が上昇してしまう場合がある。その一方で、外部の水の温度、つまり海や湖の水温は、エンジン２の運転状況よる影響を殆ど受けないので、ほぼ一定の温度の冷却水がウォータージャケット２３に供給される。そのため、エンジン２の運転状況に拘わらず、シリンダヘッド１８を低温に保つことができる。したがって、エンジン２の運転状況に拘わらず、排気ポート２２の近傍を低温に保つことができる。そのため、すすの発生を防止することができる。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態と前述の第１実施形態との主要な相違点は、吸気ポートと排気ポートとの配置が異なることである。すなわち、第１実施形態では、吸気ポートがＶ字ラインの外側に配置されているのに対し、第２実施形態では、吸気ポートがＶ字ラインの内側に配置されている。以下の図９〜図１０において、前述の図１〜図８に示された各部と同等の構成部分については、図１等と同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
図９は、本発明の第２実施形態に係る船外機２０１を鉛直面で切断した模式的な断面図である。図１０は、本発明の第２実施形態に係る船外機２０１を水平面で切断した断面図である。
第２実施形態に係る船外機２０１は、第１実施形態に係る船外機１と同様の構成を備えている。すなわち、船外機２０１は、第１実施形態に係るエンジン２に代えて、エンジン２０２を含む。エンジン２０２は、第１実施形態に係るエンジン２と同様の構成を備えている。すなわち、図１０に示すように、エンジン２０２は、たとえば、Ｖ字ラインＶ１に沿って配置された複数のシリンダ１４を含むＶ型の４サイクルエンジン（内燃機関）である。
【００４１】
図１０に示すように、エンジン２０２は、２つのシリンダヘッド２１８と、シリンダヘッド２１８に連結された複数の吸気管２２７と、複数の吸気管２２７に連結された吸気サージタンク２２６とを含む。シリンダヘッド２１８は、燃焼室２０と、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２１と、燃焼室２０に連通する排気ポート２２２とを形成している。吸気ポート２２１は、Ｖ字ラインＶ１の内側に配置されている。したがって、排気ポート２２２や燃料噴射弁３４は、Ｖ字ラインＶ１の外側に配置されている。また、吸気サージタンク２２６および吸気管２２７は、シリンダヘッド２１８よりも後方に配置されている。吸気サージタンク２２６および吸気管２２７は、Ｖ字ラインＶ１の内側に配置されている。
【００４２】
このように、第２実施形態では、吸気サージタンク２２６および吸気管２２７がＶ字ラインＶ１の内側に配置されている。したがって、第１実施形態よりもエンジン２０２の幅（左右方向への長さ）が小さい。そのため、エンジン２０２および船外機２０１を小型化することができる。さらに、第２実施形態では、燃料噴射弁３４が、Ｖ字ラインＶ１の外側に配置されている。したがって、シリンダヘッド２１８に対して燃料噴射弁３４をシリンダヘッド２１８の外側から取り付けることができる。そのため、燃料噴射弁３４がＶ字ラインＶ１の内側に配置されている場合よりも、シリンダヘッド２１８に対して燃料噴射弁３４を取り付け易い。さらに、第２実施形態では、燃料噴射弁３４が排気ポート２２２側に配置されているので、第１実施形態と同様に、均一な混合気を形成することができる。
【００４３】
この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の第１および第２実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、前述の第１および第２実施形態では、エンジン２、２０２が、船外機１、２０１に備えられている場合について説明した。しかし、エンジン２、２０２が備えられる装置は、船外機以外の装置であってもよい。
【００４４】
また、前述の第１および第２実施形態では、エンジン２、２０２が、Ｖ型エンジンである場合について説明した。しかし、エンジン２、２０２は、直線状に配列された複数のシリンダを含む直列エンジンであってもよい。
また、前述の第１実施形態では、吸気ポート２１および排気ポート２２が、シリンダ１４ごとに２つずつ設けられている場合について説明した。同様に、前述の第２実施形態では、吸気ポート２２１および排気ポート２２２が、シリンダ１４ごとに２つずつ設けられている場合について説明した。しかし、同一のシリンダ１４に対応する吸気ポート２１、２２１の数は、１つであってもよい。排気ポート２２、２２２についても同様である。
【００４５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
以下に、特許請求の範囲に記載された構成要素と前述の実施形態における構成要素との対応関係を示す。
燃焼室：燃焼室２０
吸気ポート：吸気ポート２１、２２１
排気ポート：排気ポート２２、２２２
シリンダヘッド：シリンダヘッド１８、２１８
シリンダボディ：シリンダボディ１７
燃料噴射弁：燃料噴射弁３４
４サイクルエンジン：エンジン２、２０２
Ｖ字ライン：Ｖ字ラインＶ１
シリンダ：シリンダ１４
ウォータージャケット：ウォータージャケット２３
ウォーターポンプ：ウォーターポンプ９
船外機：船外機１、２０１
【符号の説明】
【００４６】
１ 船外機
２ エンジン
９ ウォーターポンプ
１４ シリンダ
１７ シリンダボディ
１８ シリンダヘッド
２０ 燃焼室
２１ 吸気ポート
２２ 排気ポート
２３ ウォータージャケット
３４ 燃料噴射弁
２０１ 船外機
２０２ エンジン
２１８ シリンダヘッド
２２１ 吸気ポート
２２２ 吸気ポート
Ｖ１ Ｖ字ライン
【技術分野】
【０００１】
この発明は、４サイクルエンジン、およびこれを備えた船外機に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体の燃料を燃焼室に直接供給して、出力および燃費を高める直噴エンジン（direct-injection engine）が知られている。
直噴エンジンでは、シリンダ内で燃料が気化することにより、シリンダ内が冷却される。そのため、シリンダ内への空気の充填量を増加させて、エンジンの出力を高めることができる。さらに、シリンダ内の温度が下がるので、ノッキングを抑制することができる。したがって、混合気の圧縮比を増加させて、燃費を高めることができる。
【０００３】
特許文献１には、液体の燃料を燃焼室に直接供給する船外機用のエンジンが開示されている。特許文献１記載のエンジンでは、燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されている。吸気ポートは、シリンダごとに２つずつ設けられており、燃料噴射弁は、２つの吸気ポートの間に配置されている。
また、特許文献２には、気化させた燃料を燃焼室に供給するエンジンが開示されている。特許文献２記載のエンジンでは、燃料を噴射する燃料噴射弁が排気ポートの近傍に配置されている。燃料噴射弁から噴射された液体の燃料は、燃料気化室に供給される。燃料気化室は、燃焼室に隣接しており、燃焼室から伝達される燃焼熱によって高温になっている。したがって、燃料噴射弁から燃料気化室に液体の燃料が供給されると、燃料が燃料気化室で気化する。そして、燃料気化室で気化した燃料は、排気ポートの近傍から燃焼室に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３８９２５号公報
【特許文献２】特開平８−２０００７４号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述のように、特許文献１記載のエンジンでは、燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されている。したがって、燃料噴射弁から燃焼室に噴射された燃料は、吸気ポートから噴射された流速の高い吸気とぶつかり合う。そのため、燃料の流れる方向が大きく変化し、意図する方向とは異なる方向に燃料が流される。そのため、シリンダ内での燃料の広がりに偏りが生じ易く、シリンダ内での燃料の広がりが不均一になり易い。
【０００６】
さらに、特許文献１記載のエンジンでは、燃料噴射弁が２つの吸気ポートの間に配置されているので、吸気ポートが湾曲している。しかしながら、吸気ポートの湾曲が大きいと、吸気ポートでの流体抵抗が大きいので、吸気ポートからシリンダ内に充填される空気の流量が減少する。そのため、直噴による効果が減少する。
一方、特許文献２記載のエンジンでは、気化した燃料が燃焼室に供給される。そのため、燃料の気化潜熱を利用してシリンダ内を冷却することができない。さらに、特許文献２記載のエンジンでは、高温の排気に晒される排気ポートの近傍に燃料噴射弁が配置されている。したがって、燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されている場合よりも、燃料噴射弁の近傍の温度が高い。後述するように、燃料噴射弁の近傍の温度が高いと、カーボン（すす）が堆積し、燃料噴射弁の噴射口が詰まるおそれがある。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、空気と燃料とを含む混合気の均一性を確保することができ、吸気系の自由度が高い直噴式の４サイクルエンジン、およびこれを備えた船外機を提供することである。
前記目的を達成するための本発明の一実施形態は、燃焼室と、前記燃焼室に連通する吸気ポートと、前記燃焼室に連通する排気ポートとが形成されたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに連結されたシリンダボディと、前記排気ポートより前記シリンダボディ側で前記シリンダヘッドに保持されており、前記燃焼室に向けて燃料のミストを噴射することにより、燃料のミストを前記燃焼室に直接供給するように構成された燃料噴射弁とを含む、４サイクルエンジンを提供する。
【０００８】
この構成によれば、燃料噴射弁は、排気ポートよりシリンダボディ側でシリンダヘッドに保持されている。すなわち、燃料噴射弁は、排気ポートとシリンダボディとの間に配置されており、排気ポートから燃料噴射弁までの距離が、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離よりも短い。したがって、燃料噴射弁は、排気ポート側に配置されている。燃料噴射弁から噴射された燃料のミストは、燃焼室に直接供給される。したがって、シリンダ内で燃料を気化させて、シリンダ内を冷却することができる。そのため、４サイクルエンジンの出力および燃費を高めることができる。さらに、燃料噴射弁が排気ポート側に配置されているので、シリンダ内での燃料のミストの流れが、吸気ポートから燃焼室に流入した吸気によって妨げられることを抑制することができる。さらに、燃料噴射弁が吸気ポートの近傍に配置されていないので、吸気ポートの形状やレイアウトの自由度を高めることができる。そのため、吸気ポートの流体抵抗を減少させて、シリンダ内への空気の充填量を増加させることができる。これにより、４サイクルエンジンの出力を増加させることができる。
【０００９】
前記４サイクルエンジンは、直線状に配列された複数のシリンダを含む直列エンジンであってもよいし、Ｖ字ラインに沿って配置された複数のシリンダを含むＶ型エンジンであってもよい。前記４サイクルエンジンがＶ型エンジンである場合、前記燃料噴射弁は、前記Ｖ字ラインの内側に配置されていてもよいし、前記Ｖ字ラインの外側に配置されていてもよい。
【００１０】
また、前記シリンダヘッドに、前記排気ポートと前記燃料噴射弁との間に位置するウォータージャケットが形成されていてもよい。この場合、前記４サイクルエンジンは、外部からの水が前記ウォータージャケットに供給されるように構成されていてもよい。
また、前記目的を達成するための本発明の他の実施形態は、前記４サイクルエンジンと、前記４サイクルエンジンによって駆動されることにより、船外機の外の水を前記ウォータージャケットに供給するように構成されたウォーターポンプとを含む、船外機を提供する。
【００１１】
この構成によれば、４サイクルエンジンがウォーターポンプを駆動することにより、外部の水、つまり、船外機の外の水が、４サイクルエンジンに設けられたウォータージャケットに冷却水として供給される。船外機の外の水は、エンジンや船外機の運転状況による影響を殆ど受けないので、ほぼ一定の温度の冷却水がウォータージャケットに供給される。したがって、エンジンや船外機の運転状況に拘わらず、排気ポートおよび燃料噴射弁自体や、これらの近傍を低温に保つことができる。これにより、すすの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る船外機を鉛直面で切断した模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る船外機を水平面で切断した断面図である。
【図３】図２の一部を拡大した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッドを燃焼室側から見た図である。
【図５】本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。
【図７】本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る船外機を鉛直面で切断した模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る船外機を水平面で切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る船外機１を鉛直面で切断した模式的な断面図である。
船外機１は、エンジン２と、ドライブシャフト３と、歯車機構４と、プロペラシャフト５と、これらの構成２〜５を収容するケーシング６とを含む。エンジン２は、上下方向に延びる回転軸線Ｒ１まわりに回転可能なクランクシャフト７を含む。ドライブシャフト３は、エンジン２から下方に延びている。ドライブシャフト３の上端部は、クランクシャフト７に連結されており、ドライブシャフト３の下端部は、歯車機構４を介してプロペラシャフト５の前端部に連結されている。プロペラシャフト５は、ケーシング６内で前後方向に延びている。プロペラシャフト５の後端部は、ケーシング６から後方に突出しており、このプロペラシャフト５の後端部にプロペラ８が連結されている。エンジン２によってドライブシャフト３が回転駆動されると、ドライブシャフト３の回転が、歯車機構４を介してプロペラシャフト５に伝達される。これにより、プロペラ８がプロペラシャフト５と共に回転し、船舶を推進させる推力が発生する。
【００１４】
船外機１は、エンジン２に冷却水を供給するウォーターポンプ９を含む。さらに、船外機１は、船外機１の外面（ケーシング６の外面）で開口する取水口１０および排水口１１と、船外機１の内部に設けられた冷却水供給路１２および冷却水排出路１３とを含む。取水口１０は、冷却水供給路１２によってエンジン２に接続されており、排水口１１は、冷却水排出路１３によってエンジン２に接続されている。ウォーターポンプ９がエンジン２によって駆動されると、船外機１の外部の水が取水口１０に吸い込まれる。そして、この吸い込まれた水は、冷却水供給路１２、エンジン２、および冷却水排出路１３を通過した後、排水口１１から排出される。
【００１５】
具体的には、ウォーターポンプ９は、ドライブシャフト３に連結されており、ドライブシャフト３と共に回転するインペラを含む。したがって、エンジン２がドライブシャフト３を回転させると、インペラの回転によって吸引力が発生し、この吸引力によって船外機１の外部の水が取水口１０に吸い込まれる。そして、取水口１０に吸い込まれた水は、冷却水供給路１２を介してエンジン２に供給される。エンジン２に供給された水は、エンジン２内に設けられたウォータージャケット２３（図３参照）を通過した後、冷却水排出路１３に排出される。さらに、冷却水排出路１３に排出された水は、排水口１１から船外機１の外部に排出される。このように、エンジン２は、エンジン２の外部（より具体的には、船外機１の外部）からの水が供給されるように構成されている。
【００１６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る船外機１を水平面で切断した断面図である。以下の説明において、エンジン２の上下方向は、クランクシャフト７の回転軸線Ｒ１が延びる方向であり、エンジン２の前後方向は、平面視においてＶ字ラインＶ１（図２参照）の内側の領域を二等分する線（二等分線）に沿う方向である。以下では、図１〜図２を参照する。
【００１７】
図２に示すように、エンジン２は、たとえば、Ｖ型の４サイクルエンジン（内燃機関）である。したがって、エンジン２は、Ｖ字ラインＶ１に沿って配置された複数のシリンダ１４を含む。第１実施形態では、エンジン２は、たとえば、６つのシリンダ１４を含む。
６つのシリンダ１４のうちの３つのシリンダ１４は、上下方向に配列された一方の列１５を構成しており、残りの３つのシリンダ１４は、上下方向に配列された他方の列１６を構成している。図２に示すように、一方の列１５と他方の列１６とは、平面視Ｖ字状に配置されている。さらに、一方の列１５と他方の列１６とは、側面視において重なり合っている。一方の列１５の上端は、他方の列１６の上端より上方に配置されている。
【００１８】
図２に示すように、エンジン２は、シリンダボディ１７と、２つのシリンダヘッド１８と、クランクケース１９とを含む。シリンダボディ１７は、後向きに開いた平面視Ｖ字状であり、Ｖバンクを形成している。２つのシリンダヘッド１８は、それぞれ、シリンダボディ１７の２つの後端部に連結されており、クランクケース１９は、シリンダボディ１７の前端部に連結されている。シリンダボディ１７およびシリンダヘッド１８は、複数のシリンダ１４を形成している。各シリンダ１４は、水平方向に延びる中心軸線Ｃ１を有している。各シリンダ１４の中心軸線Ｃ１は、Ｖ字ラインＶ１上に配置されている。言い換えると、Ｖ字ラインＶ１は、一方の列１５を構成するシリンダ１４の中心軸線Ｃ１を含む鉛直な平面と、他方の列１６を構成するシリンダ１４の中心軸線Ｃ１を含む鉛直な平面とによって構成されている。
【００１９】
図２に示すように、シリンダヘッド１８は、混合気が燃焼される燃焼室２０と、燃焼室２０に連通する吸気ポート２１と、燃焼室２０に連通する排気ポート２２とを形成している。さらに、シリンダヘッド１８は、冷却水が流通するウォータージャケット２３（図２においてクロスハッチングされた部分）を形成している。ウォータージャケット２３は、排気ポート２２を取り囲んでいる。ウォータージャケット２３の一部は、シリンダヘッド１８の外面と排気ポート２２との間に配置されている。したがって、シリンダヘッド１８の外面が高温になることが防止されている。さらに、ウォータージャケット２３の一部は、排気ポート２２と、後述する燃料噴射弁３４との間に配置されている。したがって、排気ポート２２からの熱による燃料噴射弁３４の温度上昇が抑制されている。
【００２０】
図２に示すように、エンジン２は、さらに、複数のピストン２４と、ピストン２４とクランクシャフト７とを連結する複数のコンロッド２５とを含む。さらに、エンジン２は、クランクケース１９の前方に配置された吸気サージタンク２６と、吸気サージタンク２６に連結された複数の吸気管２７とを含む。複数の吸気管２７は、シリンダボディ１７、シリンダヘッド１８、およびクランクケース１９の外側に配置されている。すなわち、吸気管２７は、Ｖ字ラインＶ１の外側でシリンダヘッド１８に連結されており、シリンダヘッド１８から前方に延びている。吸気管２７の前端部は、吸気サージタンク２６に連結されている。
【００２１】
図２に示すように、吸気ポート２１は、Ｖ字ラインＶ１の外側に配置されている。吸気ポート２１は、シリンダヘッド１８の側部から燃焼室２０に延びている。吸気ポート２１は、シリンダヘッド１８の外部と燃焼室２０とを連通している。吸気管２７の内部は、吸気ポート２１に連通している。したがって、吸気サージタンク２６に供給された吸気は、吸気管２７を介して吸気ポート２１に供給される。その一方で、燃焼室２０で発生した排気は、排気ポート２２を介してエンジン２の外部に排出される。すなわち、燃焼室２０で発生した排気は、排気ポート２２を介して、船外機１の内部に設けられた主排気路２８（図１参照）に排出される。図１に示すように、主排気路２８は、プロペラ８で開口する排気出口２９を形成している。したがって、主排気路２８に排出された排気は、水中に排出される。
【００２２】
図３は、図２の一部を拡大した図であり、エンジン２の一部の横断面を示している。図４は、本発明の第１実施形態に係るシリンダヘッド１８を燃焼室２０側から見た図である。以下では、図２〜図４を参照する。
図２に示すように、エンジン２は、複数の吸気バルブ３０と、複数の排気バルブ３１と、吸気バルブ３０および排気バルブ３１を駆動するバルブ駆動機構３２とを含む。吸気バルブ３０および排気バルブ３１は、シリンダ１４ごとに例えば２つずつ設けられている。したがって、図４に示すように、吸気ポート２１および排気ポート２２も、シリンダ１４ごとに２つずつ設けられている。吸気ポート２１および排気ポート２２は、燃焼室２０で開口している。図２に示すように、吸気ポート２１および排気ポート２２の開口部は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して互いに反対側に配置されている。吸気ポート２１および排気ポート２２は、それぞれ、吸気バルブ３０および排気バルブ３１によって開閉される。
【００２３】
また、図３に示すように、エンジン２は、燃焼室２０で混合気を燃焼させる点火プラグ３３と、燃料（たとえばガソリン）を燃焼室２０に噴霧する燃料噴射弁３４とを含む。点火プラグ３３は、シリンダヘッド１８に形成されたプラグ収容孔３５に収容されており、燃料噴射弁３４は、シリンダヘッド１８に形成された噴射弁収容孔３６に収容されている。プラグ収容孔３５は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に沿って延びており、噴射弁収容孔３６は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して傾いた水平方向に延びている。したがって、点火プラグ３３は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に沿って延びており、燃料噴射弁３４は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して傾いている。
【００２４】
図３に示すように、プラグ収容孔３５および噴射弁収容孔３６は、燃焼室２０で開口している。プラグ収容孔３５の開口部は、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１上に配置されている。その一方で、噴射弁収容孔３６の開口部は、プラグ収容孔３５の開口部よりも外方（シリンダ１４の中心軸線Ｃ１から離れる方向）で、かつ、プラグ収容孔３５の開口部よりもシリンダボディ１７側に配置されている。火花を発する点火プラグ３３の先端は、プラグ収容孔３５の開口部を通過して、燃焼室２０に達している。その一方で、燃料のミストを噴射する噴射口が形成された燃料噴射弁３４の先端３４ａは、噴射弁収容孔３６内に配置されている。したがって、燃料噴射弁３４の先端３４ａは、噴射弁収容孔３６の開口部を介して燃焼室２０に対向している。燃料噴射弁３４の先端３４ａは、燃焼室２０に達していてもよい。
【００２５】
図３に示すように、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２よりシリンダボディ１７側でシリンダヘッド１８に保持されている。つまり、シリンダボディ１７は、燃焼室２０に対して排気ポート２２とは反対側に配置されており、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２とシリンダボディ１７との間でシリンダヘッド１８に保持されている。図２に示すように、燃料噴射弁３４は、Ｖ字ラインＶ１の内側に配置されている。さらに、燃料噴射弁３４に燃料を供給する燃料供給管３７の端部は、Ｖ字ラインＶ１の内側で燃料噴射弁３４に接続されている。燃料噴射弁３４は、燃料供給管３７から供給された燃料を燃焼室２０内に噴霧する。燃料噴射弁３４の先端３４ａから噴射された燃料のミストは、噴射弁収容孔３６の開口部を介して燃焼室２０に供給される。これにより、燃料のミストが燃焼室２０に直接供給される。
【００２６】
図４に示すように、シリンダヘッド１８を燃焼室２０側から見ると、同一のシリンダ１４に対応する４つのポートの開口部（２つの吸気ポート２１の開口部と２つの排気ポート２２の開口部）は、格子状に配置されている。つまり、同一のシリンダ１４に対応する４つのポートの開口部は、それぞれ、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１を取り囲む四角の４つの頂点に配置されている。したがって、プラグ収容孔３５の開口部は、この四角の中に配置されており、４つのポートの開口部によって取り囲まれている。さらに、シリンダヘッド１８を燃焼室２０側から見ると、噴射弁収容孔３６の開口部の一部は、２つ排気ポート２２の開口部の間に配置されており、残りの部分は、２つ排気ポート２２の開口部よりも外方（シリンダ１４の中心軸線Ｃ１から離れる方向）に配置されている。
【００２７】
図５は、本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。図６は、本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れについて説明するための模式図である。また、図７は、本発明の比較形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。図８は、本発明の第１実施形態に係るシリンダ内での流体の流れのシミュレーション結果を示す図である。
【００２８】
図７および図８は、同じタイミングでのシリンダ内の様子を示している。すなわち、４サイクルエンジンでは、４つの工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程）が行われることにより、クランクシャフトの回転角が７２０度変化する。図７および図８は、同じ回転角でのシリンダ内の様子を示している。以下では、図４〜図８を参照する。
第１実施形態と比較形態との主要な相違点は、燃料噴射弁の配置が異なることである。すなわち、図５と図６とを比較すると分かるように、第１実施形態では、排気ポートの近傍に燃料噴射弁が配置されおり、比較形態では、吸気ポートの近傍に燃料噴射弁が配置されている。したがって、比較形態では、吸気ポートの近傍から燃料のミストが燃焼室に噴射される。
【００２９】
吸気バルブが駆動されて、吸気ポートが開かれると、吸気ポートに供給された吸気が、吸気ポートの内壁面と吸気バルブとの間の隙間から燃焼室に噴射される。これにより、吸気が燃焼室に供給される。第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、エンジンは、吸気ポートから燃焼室に噴射された吸気によって、タンブル流（tumble flow：図５および図６参照）が形成されるように構成されている。すなわち、吸気ポートから燃焼室に吸気が噴射されると、シリンダの中心軸線に直交する軸まわりに回転する縦渦（タンブル流）がシリンダ内に形成される。
【００３０】
一方、第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、燃料噴射弁は、シリンダ内に燃料が均一に行き渡るように、燃料のミスト、すなわち、液体の燃料を所定の狙い方向（図５〜図８参照）に噴射するように構成されている。狙い方向は、たとえば、燃料噴射弁の先端からシリンダの中心軸線に向かうシリンダの中心軸線に対して傾いた方向である。
【００３１】
図４に示すように、第１実施形態では、燃料噴射弁３４の先端３４ａが、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して吸気ポート２１とは反対側に配置されている。その一方で、図４において二点鎖線で示すように、比較形態では、燃料噴射弁の先端Ｘ１が、シリンダ１４の中心軸線Ｃ１に対して排気ポート２２とは反対側に配置されている。したがって、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離は、比較形態よりも第１実施形態の方が長い。
【００３２】
第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、燃料噴射弁は、吸気ポートから燃焼室に吸気が噴射されているタイミングで、燃料のミストを燃焼室に噴射する。したがって、シリンダ内で吸気が燃料にぶつかる。そのため、燃料は、静的な環境、つまり、シリンダ内に気流がない環境とは異なる方向に流れる。よって、第１実施形態および比較形態のいずれの形態においても、燃料の流れる方向は、タンブル流による影響を受ける。
【００３３】
具体的には、比較形態では、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離が短いので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、流速の高い吸気とぶつかり合う。そのため、図５に示すように、タンブル流によって燃料の流れる方向が大きく変化し、狙い方向とは異なる方向に燃料が流される（図５において二点鎖線で示す矢印参照）。そのため、シリンダ内での燃料の広がりに偏りが生じ易く、シリンダ内での燃料の広がりが不均一になり易い。具体的には、図７に示すように、燃料の液滴や気化した燃料の広がりが小さく、殆どの燃料が燃料噴射弁とは反対側（排気ポート側）まで到達していない。したがって、点火プラグが火花を発生した時点で、燃料が均一に拡散していない場合がある。
【００３４】
一方、第１実施形態では、吸気ポートから燃料噴射弁までの距離が長いので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、流速の高い吸気にぶつかり難い。そのため、図６および図８に示すように、燃料噴射弁から噴射された燃料は、狙い方向または狙い方向とほぼ同じ方向に流れる。したがって、燃料を拡散させる強制的な流れを作らなくても、燃料をシリンダ内に均一に供給することができる。具体的には、図７と図８とを比較すると分かるように、燃料の液滴や気化した燃料の広がりは、比較形態よりも第１実施形態の方が大きい。さらに、第１実施形態では、比較形態よりも燃料が燃料噴射弁とは反対側まで到達し易い。したがって、第１実施形態では、均一な混合気（空気と燃料の混合気）を形成することができる。
【００３５】
以上のように第１実施形態では、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２よりシリンダボディ１７側でシリンダヘッド１８に保持されている。すなわち、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２とシリンダボディ１７との間に配置されており、排気ポート２２から燃料噴射弁３４の先端３４ａまでの距離が、吸気ポート２１から燃料噴射弁３４の先端３４ａまでの距離よりも短い。したがって、燃料噴射弁３４は、排気ポート２２側に配置されている。燃料噴射弁３４から噴射された燃料のミストは、燃焼室２０に直接供給される。したがって、シリンダ１４内で燃料を気化させて、シリンダ１４内を冷却することができる。そのため、エンジン２の出力および燃費を高めることができる。さらに、燃料噴射弁３４が排気ポート２２側に配置されているので、シリンダ１４内での燃料のミストの流れが、吸気ポート２１から燃焼室２０に流入した吸気によって妨げられることを抑制することができる。さらに、燃料噴射弁３４が吸気ポート２１の近傍に配置されていないので、吸気ポート２１の形状やレイアウトの自由度を高めることができる。そのため、吸気ポート２１の流体抵抗を減少させて、シリンダ１４内への空気の充填量を増加させることができる。これにより、エンジン２の出力を増加させることができる。
【００３６】
また第１実施形態では、シリンダヘッド１８にウォータージャケット２３が形成されており、このウォータージャケット２３の一部が排気ポート２２と燃料噴射弁３４との間に配置されている。排気ポート２２は、ウォータージャケット２３に供給された冷却水によって冷却される。したがって、排気ポート２２から燃料噴射弁３４に伝達される熱量を減少させることができる。そのため、燃料噴射弁３４が高温になることを防止することができる。よって、燃料噴射弁３４の先端３４ａが、すすによって詰まることを防止することができる。
【００３７】
具体的には、すすは、燃料の濃度が高く、高温の雰囲気で発生し易い。燃料を噴射する噴射口が燃料噴射弁３４の先端３４ａに形成されているので、燃料噴射弁３４の先端３４ａ近傍は燃料の濃度が高い。したがって、燃料噴射弁３４の先端３４ａ近傍の温度が高いと、すすが発生し易い。しかしながら、第１実施形態では、燃料噴射弁３４が高温になることが防止されているので、燃料噴射弁３４の先端３４ａ近傍の温度が低い。したがって、すすの発生を防止できる。さらに、排気ポート２２がウォータージャケット２３によって覆われているので、燃料噴射弁３４や燃料供給管３７から燃料が漏れたとしても、この漏れた燃料が高温の壁面に接触することを防止することができる。
【００３８】
また第１実施形態では、外部からの水がウォータージャケット２３に供給される。したがって、エンジン２の運転状況に拘わらずほぼ一定の温度の冷却水がウォータージャケット２３に供給される。すなわち、たとえば自動車に備えられているような冷却水を循環させる冷却装置では、エンジン２の発熱量が増加すると、ウォータージャケット２３に供給される冷却水の温度が上昇してしまう場合がある。その一方で、外部の水の温度、つまり海や湖の水温は、エンジン２の運転状況よる影響を殆ど受けないので、ほぼ一定の温度の冷却水がウォータージャケット２３に供給される。そのため、エンジン２の運転状況に拘わらず、シリンダヘッド１８を低温に保つことができる。したがって、エンジン２の運転状況に拘わらず、排気ポート２２の近傍を低温に保つことができる。そのため、すすの発生を防止することができる。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態と前述の第１実施形態との主要な相違点は、吸気ポートと排気ポートとの配置が異なることである。すなわち、第１実施形態では、吸気ポートがＶ字ラインの外側に配置されているのに対し、第２実施形態では、吸気ポートがＶ字ラインの内側に配置されている。以下の図９〜図１０において、前述の図１〜図８に示された各部と同等の構成部分については、図１等と同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
図９は、本発明の第２実施形態に係る船外機２０１を鉛直面で切断した模式的な断面図である。図１０は、本発明の第２実施形態に係る船外機２０１を水平面で切断した断面図である。
第２実施形態に係る船外機２０１は、第１実施形態に係る船外機１と同様の構成を備えている。すなわち、船外機２０１は、第１実施形態に係るエンジン２に代えて、エンジン２０２を含む。エンジン２０２は、第１実施形態に係るエンジン２と同様の構成を備えている。すなわち、図１０に示すように、エンジン２０２は、たとえば、Ｖ字ラインＶ１に沿って配置された複数のシリンダ１４を含むＶ型の４サイクルエンジン（内燃機関）である。
【００４１】
図１０に示すように、エンジン２０２は、２つのシリンダヘッド２１８と、シリンダヘッド２１８に連結された複数の吸気管２２７と、複数の吸気管２２７に連結された吸気サージタンク２２６とを含む。シリンダヘッド２１８は、燃焼室２０と、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２１と、燃焼室２０に連通する排気ポート２２２とを形成している。吸気ポート２２１は、Ｖ字ラインＶ１の内側に配置されている。したがって、排気ポート２２２や燃料噴射弁３４は、Ｖ字ラインＶ１の外側に配置されている。また、吸気サージタンク２２６および吸気管２２７は、シリンダヘッド２１８よりも後方に配置されている。吸気サージタンク２２６および吸気管２２７は、Ｖ字ラインＶ１の内側に配置されている。
【００４２】
このように、第２実施形態では、吸気サージタンク２２６および吸気管２２７がＶ字ラインＶ１の内側に配置されている。したがって、第１実施形態よりもエンジン２０２の幅（左右方向への長さ）が小さい。そのため、エンジン２０２および船外機２０１を小型化することができる。さらに、第２実施形態では、燃料噴射弁３４が、Ｖ字ラインＶ１の外側に配置されている。したがって、シリンダヘッド２１８に対して燃料噴射弁３４をシリンダヘッド２１８の外側から取り付けることができる。そのため、燃料噴射弁３４がＶ字ラインＶ１の内側に配置されている場合よりも、シリンダヘッド２１８に対して燃料噴射弁３４を取り付け易い。さらに、第２実施形態では、燃料噴射弁３４が排気ポート２２２側に配置されているので、第１実施形態と同様に、均一な混合気を形成することができる。
【００４３】
この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の第１および第２実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、前述の第１および第２実施形態では、エンジン２、２０２が、船外機１、２０１に備えられている場合について説明した。しかし、エンジン２、２０２が備えられる装置は、船外機以外の装置であってもよい。
【００４４】
また、前述の第１および第２実施形態では、エンジン２、２０２が、Ｖ型エンジンである場合について説明した。しかし、エンジン２、２０２は、直線状に配列された複数のシリンダを含む直列エンジンであってもよい。
また、前述の第１実施形態では、吸気ポート２１および排気ポート２２が、シリンダ１４ごとに２つずつ設けられている場合について説明した。同様に、前述の第２実施形態では、吸気ポート２２１および排気ポート２２２が、シリンダ１４ごとに２つずつ設けられている場合について説明した。しかし、同一のシリンダ１４に対応する吸気ポート２１、２２１の数は、１つであってもよい。排気ポート２２、２２２についても同様である。
【００４５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
以下に、特許請求の範囲に記載された構成要素と前述の実施形態における構成要素との対応関係を示す。
燃焼室：燃焼室２０
吸気ポート：吸気ポート２１、２２１
排気ポート：排気ポート２２、２２２
シリンダヘッド：シリンダヘッド１８、２１８
シリンダボディ：シリンダボディ１７
燃料噴射弁：燃料噴射弁３４
４サイクルエンジン：エンジン２、２０２
Ｖ字ライン：Ｖ字ラインＶ１
シリンダ：シリンダ１４
ウォータージャケット：ウォータージャケット２３
ウォーターポンプ：ウォーターポンプ９
船外機：船外機１、２０１
【符号の説明】
【００４６】
１ 船外機
２ エンジン
９ ウォーターポンプ
１４ シリンダ
１７ シリンダボディ
１８ シリンダヘッド
２０ 燃焼室
２１ 吸気ポート
２２ 排気ポート
２３ ウォータージャケット
３４ 燃料噴射弁
２０１ 船外機
２０２ エンジン
２１８ シリンダヘッド
２２１ 吸気ポート
２２２ 吸気ポート
Ｖ１ Ｖ字ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、前記燃焼室に連通する吸気ポートと、前記燃焼室に連通する排気ポートとが形成されたシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに連結されたシリンダボディと、
前記排気ポートより前記シリンダボディ側で前記シリンダヘッドに保持されており、前記燃焼室に向けて燃料のミストを噴射することにより、燃料のミストを前記燃焼室に直接供給するように構成された燃料噴射弁とを含む、４サイクルエンジン。
【請求項２】
前記４サイクルエンジンは、Ｖ字ラインに沿って配置された複数のシリンダを含むＶ型エンジンであり、
前記燃料噴射弁は、前記Ｖ字ラインの内側に配置されている、請求項１記載の４サイクルエンジン。
【請求項３】
前記４サイクルエンジンは、Ｖ字ラインに沿って配置された複数のシリンダを含むＶ型エンジンであり、
前記燃料噴射弁は、前記Ｖ字ラインの外側に配置されている、請求項１記載の４サイクルエンジン。
【請求項４】
前記シリンダヘッドに、前記排気ポートと前記燃料噴射弁との間に位置するウォータージャケットが形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の４サイクルエンジン。
【請求項５】
前記４サイクルエンジンは、外部からの水が前記ウォータージャケットに供給されるように構成されている、請求項４記載の４サイクルエンジン。
【請求項６】
請求項５記載の４サイクルエンジンと、
前記４サイクルエンジンによって駆動されることにより、船外機の外の水を前記ウォータージャケットに供給するように構成されたウォーターポンプとを含む、船外機。
【請求項１】
燃焼室と、前記燃焼室に連通する吸気ポートと、前記燃焼室に連通する排気ポートとが形成されたシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに連結されたシリンダボディと、
前記排気ポートより前記シリンダボディ側で前記シリンダヘッドに保持されており、前記燃焼室に向けて燃料のミストを噴射することにより、燃料のミストを前記燃焼室に直接供給するように構成された燃料噴射弁とを含む、４サイクルエンジン。
【請求項２】
前記４サイクルエンジンは、Ｖ字ラインに沿って配置された複数のシリンダを含むＶ型エンジンであり、
前記燃料噴射弁は、前記Ｖ字ラインの内側に配置されている、請求項１記載の４サイクルエンジン。
【請求項３】
前記４サイクルエンジンは、Ｖ字ラインに沿って配置された複数のシリンダを含むＶ型エンジンであり、
前記燃料噴射弁は、前記Ｖ字ラインの外側に配置されている、請求項１記載の４サイクルエンジン。
【請求項４】
前記シリンダヘッドに、前記排気ポートと前記燃料噴射弁との間に位置するウォータージャケットが形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の４サイクルエンジン。
【請求項５】
前記４サイクルエンジンは、外部からの水が前記ウォータージャケットに供給されるように構成されている、請求項４記載の４サイクルエンジン。
【請求項６】
請求項５記載の４サイクルエンジンと、
前記４サイクルエンジンによって駆動されることにより、船外機の外の水を前記ウォータージャケットに供給するように構成されたウォーターポンプとを含む、船外機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２４１６９７（Ｐ２０１２−２４１６９７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６２５３（Ｐ２０１１−１１６２５３）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]