(57)【要約】【課題】簡単な構成で噴射方向を２段階に変え得るインジェクタを提供する。【解決手段】ノズルボディ（３）のバルブシート（３Ｃ）からバルブ本体（１３）がノズルボディ（３）の外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタにおいて、バルブ本体（１３）のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段（２１）を備え、バルブシート（３Ｃ）を下流側に開く円錐状に形成し、バルブシート（３Ｃ）の下流側にバルブシート（３Ｃ）の面よりも盛り上がる段差面（３１Ａ）を設け、この段差面（３１Ａ）と前記ノズルボディ（３）の軸心とのなす角度である段差角度をバルブシート（３Ｃ）とノズルボディ（３）の軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、バルブ本体（１３）のリフト量を可変リフト手段（２１）を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御する。【選択図】図２
2010163913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルボディのバルブシートからバルブ本体がノズルボディの外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタにおいて、
前記バルブ本体のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段を備え、
前記バルブシートを下流側に開く円錐状に形成し、
バルブシートの下流側にバルブシートの面よりも盛り上がる段差面を設け、
この段差面と前記ノズルボディの軸心とのなす角度である段差角度をバルブシートと前記ノズルボディの軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、
前記バルブ本体のリフト量を前記可変リフト手段を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御することを特徴とするインジェクタ。
【請求項２】
前記バルブ本体の小リフト時のリフト量を、バルブ本体の前記バルブシートと当接する面を下流側に延長した面と、前記段差面の下流端である開口端とが一致する位置までのリフト量とすることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
【請求項３】
前記バルブ本体の大リフト時のリフト量を、バルブ本体の前記バルブシートと当接する面を下流側に延長した面と、前記段差面の下流端である開口端とが一致する位置を超えるリフト量とすることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
【請求項４】
前記段差面をバルブシートの下流側にバルブシートの周方向に全周にわたって設けることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
【請求項５】
ノズルボディのバルブシートからバルブ本体がノズルボディの外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタと、火花点火を行う点火プラグとを燃焼室に臨んで設けている筒内直接噴射式エンジンにおいて、
前記バルブ本体のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段を備え、
前記バルブシートを下流側に開く円錐状に形成し、
バルブシートの下流側にバルブシートの面よりも盛り上がる段差面を設け、
この段差面と前記ノズルボディの軸心とのなす角度である段差角度をバルブシートと前記ノズルボディの軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、
前記バルブ本体のリフト量を前記可変リフト手段を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御し、
小リフト時の燃料噴霧が前記点火プラグの火花ギャップを指向するように、インジェクタと点火プラグとを配置することを特徴とする筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置。
【請求項６】
前記バルブ本体の小リフト時のリフト量を、バルブ本体の前記バルブシートと当接する面を下流側に延長した面と、前記段差面の下流端である開口端とが一致する位置までのリフト量とすることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置。
【請求項７】
前記バルブ本体の大リフト時のリフト量を、バルブ本体の前記バルブシートと当接する面を下流側に延長した面と、前記段差面の下流端である開口端とが一致する位置を超えるリフト量とすることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置。
【請求項８】
前記段差面をバルブシートの下流側にバルブシートの周方向に全周にわたって設けることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置。
【請求項９】
点火プラグ方向だけ前記段差面を設けないことを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置。
【請求項１０】
前記段差面をバルブシートの下流端にバルブシートの周方向に全周にわたって設けると共に、点火プラグ方向とは反対の方向からバルブシートの周方向に離れるほど段差面の段差角度を連続的に大きくし、点火プラグ方向での段差面の段差角度を前記バルブシート角度と同じにすることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はインジェクタ及び筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置、特にピエゾ式インジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
均質燃焼と成層燃焼との切換を行うエンジンにおいては、成層燃焼時に成層混合気を形成するコンパクトな燃料噴霧が望ましく、これに対して均質燃焼時になると均一な混合気を形成するために燃焼室内に広く広がる燃料噴霧が望ましい。
【０００３】
このため、複数の噴孔を設けたノズルプレートの上流側に、回転位置に応じて一部の噴孔を開閉可能な回転プレートを設けると共に、ノズルプレートに設けた固定子と、回転プレートに設けた移動子とにより、誘導電荷型静電マイクロモータを構成し、回転プレートを回転させることにより、燃焼室全域に広がる燃料噴霧と、点火プラグの火花ギャップを指向する燃料噴霧とを形成するものがある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−３２１７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、燃焼室全域に広がる燃料噴霧と、点火プラグの火花ギャップを指向する燃料噴霧とを形成するための構造が複雑である。
【０００５】
そこで本発明は、簡単な構成で噴射方向を２段階に変え得るインジェクタ及びこのインジェクタを用いて燃焼室全域に広がる燃料噴霧と、点火プラグの火花ギャップを指向する燃料噴霧とを形成することの可能な筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、ノズルボディ（３）のバルブシート（３Ｃ）からバルブ本体（１３）がノズルボディ（３）の外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタにおいて、前記バルブ本体（１３）のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段（２１）を備え、前記バルブシート（３Ｃ）を下流側に開く円錐状に形成し、バルブシート（３Ｃ）の下流側にバルブシート（３Ｃ）の面よりも盛り上がる段差面（３１Ａ）を設け、この段差面（３１Ａ）と前記ノズルボディ（３）の軸心とのなす角度である段差角度をバルブシート（３Ｃ）と前記ノズルボディ（３）の軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、前記バルブ本体（１３）のリフト量を前記可変リフト手段（２１）を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御する。
【０００８】
また本発明は、ノズルボディ（３）のバルブシート（３Ｃ）からバルブ本体（１３）がノズルボディ（３）の外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタと、火花点火を行う点火プラグとを燃焼室に臨んで設けている筒内直接噴射式エンジンにおいて、前記バルブ本体（１３）のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段（２１）を備え、前記バルブシート（３Ｃ）を下流側に開く円錐状に形成し、バルブシート（３Ｃ）の下流側にバルブシート（３Ｃ）の面よりも盛り上がる段差面（３１Ａ）を設け、この段差面（３１Ａ）と前記ノズルボディ（３）の軸心とのなす角度である段差角度をバルブシート（３Ｃ）と前記ノズルボディ（３）の軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、前記バルブ本体（１３）のリフト量を前記可変リフト手段（２１）を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御し、小リフト時の燃料噴霧が前記点火プラグの火花ギャップを指向するように、インジェクタと点火プラグとを配置する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ノズルボディのバルブシートからバルブ本体がノズルボディの外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタにおいて、前記バルブ本体のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段を備え、前記バルブシートを下流側に開く円錐状に形成し、バルブシートの下流側にバルブシートの面よりも盛り上がる段差面を設け、この段差面と前記ノズルボディの軸心とのなす角度である段差角度をバルブシートと前記ノズルボディの軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、前記バルブ本体のリフト量を前記可変リフト手段を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御するので、簡単な構成で小リフト時には大リフト時よりも相対的に少ない燃料量を用いて噴霧円錐角が大リフト時よりも相対的に小さな燃料噴霧を、また大リフト時には小リフト時よりも相対的に多い燃料量を用いて噴霧円錐角が小リフト時よりも相対的に大きな燃料噴霧を得ることができる。
【００１０】
また本発明によれば、ノズルボディのバルブシートからバルブ本体がノズルボディの外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタと、火花点火を行う点火プラグとを燃焼室に臨んで設けている筒内直接噴射式エンジンにおいて、前記バルブ本体のリフト量を可変に調整し得る可変リフト手段を備え、前記バルブシートを下流側に開く円錐状に形成し、バルブシートの下流側にバルブシートの面よりも盛り上がる段差面を設け、この段差面と前記ノズルボディの軸心とのなす角度である段差角度をバルブシートと前記ノズルボディの軸心とのなす角度であるバルブシート角度よりも小さくし、前記バルブ本体のリフト量を前記可変リフト手段を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御し、小リフト時の燃料噴霧が前記点火プラグの火花ギャップを指向するように、インジェクタと点火プラグとを配置するので、小リフト時には大リフト時よりも相対的に少ない燃料量を用いて噴霧円錐角が大リフト時よりも相対的に小さな燃料噴霧を、大リフト時には小リフト時よりも相対的に多い燃料量を用いて噴霧円錐角が小リフト時よりも相対的に大きな燃料噴霧を得ることができることから、簡単な構成のインジェクタを用いて成層燃焼と均質燃焼とを行わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１実施形態のピエゾ式インジェクタ１の概略構成図、図２はノズル先端部の縦断面図、図３はノズルボディ３を下から見た概略図、図４はニードルバルブ１２の２段階の作動を説明するための状態図である。ここでは、コモンレール式燃料噴射装置への適用例として説明する。ピエゾ式インジェクタ１は筒内直接噴射式エンジンの各気筒毎に設けられ（図１にはそのうちの一つのみを示す）、図略のコモンレールから燃料の供給を受けるようになっている。コモンレールには図略の高圧サプライポンプにより圧送される燃料が噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。なお、図１にはニードルバルブ１２がノズルボディ３の内側（上側）にリフトする内開きタイプのピエゾ式インジェクタ１を示しているが、後述するように本発明のピエゾ式インジェクタ１は、実際にはニードルバルブ１２がノズルボディ３の外側（下側）にリフトする外開きタイプである。
【００１３】
ピエゾ式インジェクタ１は、ピエゾ駆動装置２１（可変リフト手段）が収納されるほぼ円柱状のハウジング２、インジェクタ１の下端に設けられる円筒状のノズルボディ３、このノズルボディ３をハウジング２に固定するリテーナ４などからなっている。
【００１４】
ハウジング２内には、上下方向に高圧燃料通路１１が形成され、高圧燃料通路１１の上端１１ａは外部のコモンレールに連通している。高圧燃料通路１１の下端は図略の油密室に連通している。
【００１５】
図２に示したように、ノズルボディ３にはニードルバルブ１２が上下方向に貫通して摺動可能に設けられ、ニードルバルブ１２の外周とノズルボディ３の内周３Ａとの間の空間が上記の油密室と連通する燃料通路１５として設けれられている。ノズルボディ３の下端には、円錐状の面の一部からなる形状のバルブシート（弁座）３Ｃが形成されている。ここで、ノズルボディ３の軸心Ｃとバルブシート３Ｃとのなす角度θ１を「バルブシート角度」で定義する。
【００１６】
一方、ニードルバルブ１２は、ニードルバルブ１２の下端に設けられるそろばん玉状のバルブ本体１３と、このバルブ本体１３と一体動する棒状のロッド部１４とからなっている。バルブ本体１３は、さらにバルブシート３Ｃに対向し円錐状の面の一部からなる形状のバルブ当接面１３Ａと、下方が尖端となる円錐状部１３Ｂとから構成されている。ここで、ノズルボディ３の軸心Ｃとバルブ当接面１３Ｂとのなす角度θ２は、上記のバルブシート角度θ１と同じにされている。
【００１７】
ロッド部１４は上下方向に摺動可能な部材１７に固定され、この部材１７にバルブスプリング１６が収納されている。部材１７はさらにピエゾ駆動装置２１と連結されている。
【００１８】
ピエゾ駆動装置２１の非作動状態では、バルブスプリング１６によってニードルバルブ１２が上方に付勢され、バルブ当接面１３Ａがバルブシート３Ｃに当接している。この状態では、高圧燃料通路１５が遮断されており、燃料が噴射されないようになっている。
【００１９】
ピエゾ駆動装置２１は、主にピエゾスタック２２から構成されている。ピエゾ素子としてのピエゾスタック２２は、ＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層を交互に積層した公知の構成で、ピエゾスタック２２の上端部材２２Ａがハウジング２に固定されており、ピエゾスタック２２の下端部材２２Ｂに固定したロッド部２２Ｃが積層方向（図の上下方向）に伸縮する。ピエゾスタック２２には、部材２３、電極リード棒２４が接続され、上部に右方向に突出して設けられているコネクタ２５を介して、図略の駆動回路により充放電されるようになっている。ピエゾ駆動装置２１に電流が供給されると、ピエゾスタック２２のロッド部２２Ｃがバルブスプリング１６に抗して下方に伸び出し、部材１７を介してニードルバルブ１２を下方に押し下げる。これによって、バルブ当接面１３Ａがバルブシート３Ｃから離れ、バルブ当接面１３Ａとバルブシート３Ｃの間の隙間を噴孔として高圧燃料通路１５にある高圧の燃料が噴射される。このときの噴孔の形状はリング状であり、このリング状の噴孔から噴射された燃料噴霧は円錐状に広がる。
【００２０】
ピエゾ駆動装置２１への電流供給がやむと、ピエゾスタック２２の収縮によりロッド部２２Ｃが上方へ移動すると共に、バルブスプリング１６によりニードルバルブ１２が上方に付勢されることになり、バルブ当接面１３Ａがバルブシート３Ｃに着座して燃料噴射がやむ。
【００２１】
ピエゾ式インジェクタ１では、ピエゾ駆動装置２１に与える電流値を変化させることにより、ニードルバルブ１２の下方へのリフト量を連続的に変化させることが可能である。また、ニードルバルブ１２が下方に伸び出す（つまりバルブ本体１３がノズルボディ３の外側にリフトする）ことによって燃料が噴射されるタイプを外開きタイプというが、外開きタイプではノズルボディ３の下端がラッパ状に開口し、バルブシート３Ｃの下端を斜めに切り欠き、この斜めの切り欠き面３Ｅによってバルブシート３Ｃとノズルボディ外周３Ｂとをつないでいる。
【００２２】
本発明では、このように外開きタイプのピエゾ式インジェクタ１を前提として、図２に示したように次の構成を新たに加えている。すなわち、円錐状の面の一部からなる形状のバルブシート３Ｃの下端に、ニードルバルブ１２のバルブ本体１３に向けて突出する突起部３１を、ノズルボディ３の外周３Ｂに沿って全周に設け、この突起部３１のうちニードルバルブ１２のバルブ本体１３に対向する側に円錐状の面の一部からなり流れ方向に所定の幅Ｗを有する形状の段差面３１Ａを形成する。ここで、ノズルボディ３の軸心Ｃとこの段差面３１Ａとのなす角度θ３を「段差角度」で定義すると、この段差角度θ３は上記のバルブシート角度θ１より小さくなっている。一方、突起部３１のうち下面３１Ｂは上記の切り欠き面３Ｅと滑らかにつなぐ。
【００２３】
この場合、バルブシート３Ｃの半径方向幅が十分でなくバルブ当接面１３Ａが突起部３１と衝突するようであれば、バルブシート３Ｃの下端を下方へ延長した延長部３Ｄを設けて、バルブ当接面１３Ａが突起部３１と衝突することがないようにする。
【００２４】
このようにバルブシート３Ｃの下端（下流側）にリング状の突起部３１（つまりリング状の段差面３１Ａ）の形成されたノズルボディ３を下から見ると、図３に示したように、４重の円が見られることになる。一番小さい円はノズルボディ３の内周３Ａ、最も大きい円はノズルボディの外周３Ｂである。２番目に大きい円は段差面３１Ａの上端３１Ｃをつないだ線、３番目に大きい円は段差面３１Ａの下端３１Ｄをつないだ線（つまりノズルボディ３の開口端）である。比較のため、第１実施形態の突起部３１を設けない場合のノズルボディ３の開口端を二点鎖線で重ねて示している。第１実施形態で設けた段差面３１Ａにハッチングするとリング状になる。さらに述べると、第１実施形態では、段差角度が全周にわたって同じ角度θ３になるように段差面３１Ａが形成されている。
【００２５】
また、第１実施形態では、上記のピエゾ駆動装置２１を用いてニードルバルブ１２のリフト量を、第１リフト量Ｌ１と、この第１リフト量より大きな第２リフト量Ｌ２との２段階に変化させる。第１リフト量Ｌ１は第２リフト量Ｌ２より小さいので、ニードルバルブ１２のリフト量が第１リフト量Ｌ１である場合を「小リフト」、ニードルバルブ１２のリフト量が第２リフト量Ｌ２である場合を「大リフト」ともいう。
【００２６】
ここで、第１リフト量Ｌ１、第２リフト量Ｌ２は簡単にはそれぞれ一つの固定された値でよいが、この場合に限られるものでない。第１実施形態では、第１リフト量Ｌ１、第２リフト量Ｌ２をそれぞれある幅を有する値で構成している。すなわち、バルブ本体１３のバルブ当接面１３Ａを下流側に延長した面と、段差面３１Ａの下流端である開口端３１Ｄとが一致する位置ときのリフト量を「切換リフト量」で定義すると、第１リフト量Ｌ１は切換リフト量以下のリフト量、第２リフト量Ｌ２は切換リフト量を超えるリフト量である。第１リフト量Ｌ１は、アイドル状態より負荷が大きくなるほど大きくなり、ある負荷（この負荷を「切換負荷」という。）のときに、切換リフト量と一致する。この切換負荷のときに第１リフト量Ｌ１は最大値となる。これに対してアイドル負荷のときに第１リフト量Ｌ１は最小値をとる。一方、第２リフト量Ｌ２は、全負荷時の要求燃料量を噴射する場合に最大値をとり、これより負荷が小さくなるほど最大値より小さくなってゆく。
【００２７】
このように第１実施形態では、段差角度θ３がバルブシート３Ｃの周方向に全周にわたって同じである段差面３１Ａを有するノズルボディ３を構成し、かつニードルバルブ１２のリフト量を、上記のピエゾ駆動装置２１を用いて第１リフト量Ｌ１と第２リフト量Ｌ２との２段階に制御する。
【００２８】
次に、第１実施形態のピエゾ式インジェクタ１の作用を図４を参照して説明すると、ピエゾ駆動装置２１に電流を供給していない場合には、図４（Ａ）のように、バルブ本体１３のバルブ当接面１３Ａがバルブシート３Ｃに着座して燃料噴射は行われない。この状態からピエゾ駆動装置２１に第１電流値を供給し、ニードルバルブ１２を第１リフト量Ｌ１だけリフトさせると、図４（Ｂ）のようにバルブ本体１３のバルブ当接面１３Ａがバルブシート３Ｃより少し離れる。このとき、バルブ当接面１３Ａとバルブシート３Ｃとの間の隙間を噴孔として噴き出す燃料は隙間が狭いためにバルブシート３Ｃに沿って下方へ流れる。すると、流れの手前に突起部３１の段差面３１Ａが立ち塞がるため流れがこの段差面３１Ａに衝突して流れの方向を変える。そして、段差面３１Ａに沿って下方に向かい、そのままノズルボディの開口端３１Ｄから下方の空間へと飛び出す。すなわち、小リフト時には、燃料噴霧Ｆ１は段差角度θ３の方向に噴出する。言い替えると、小リフト時の燃料噴霧Ｆ１は第１噴霧円錐角（spray cone angle）α１で広がる。ここで、第１噴霧円錐角α１は段差角度θ３の２倍に等しい。
【００２９】
一方、ピエゾ駆動装置２１に上記第１電流値より大きな第２電流値を供給し、ニードルバルブ１２を第２フト量Ｌ２だけリフトさせると、図４（Ｃ）のようにバルブ当接面１３Ａがバルブシート３Ｃより大きく離れる。つまり、バルブ当接面１３Ａとバルブシート３Ｃとの隙間が小リフト時よりも大きくなる。このときも、バルブ当接面１３Ａとバルブシート３Ｃとの間の隙間を噴孔として燃料が噴き出し、バルブシート３Ｃに沿って流れるものの、バルブ当接面１３Ａとバルブシート３Ｃとの間の隙間が小リフト時より広いために、そのぶん噴き出す燃料量がニードルバルブ１２の小リフト時よりも多い。このように噴き出す燃料量が多いと、流れの手前に段差面３１Ａがあっても燃料全体の流れる方向を変えるまでに至らず、そのままノズルボディの開口端３１Ｄから下方の空間へと飛び出す。すなわち、大リフト時には、燃料噴霧Ｆ２はバルブシート角度θ２の方向に噴出する。言い替えると、大リフト時の燃料噴霧Ｆ２は上記第１噴霧円錐角α１よりも大きな第２噴霧円錐角α２で広がる。ここで、第２噴霧円錐角α２はバルブシート角度θ１の２倍に等しい。
【００３０】
このように、第１実施形態のピエゾ式インジェクタ１によれば、バルブシート３Ｃの下流端にバルブシート３Ｃの周方向に全周にわたって段差面３１Ａを設けるだけの簡単な構成で、噴射燃料の噴射方向を、段差角度θ３の方向と、バルブシート角度θ１の方向との２方向に切換えることが可能となり、第１噴霧円錐角α１の燃料噴霧とＦ１と、第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧とが得られる。
【００３１】
第１実施形態のインジェクタ１（請求項１に記載の発明）によれば、ノズルボディ３のバルブシート３Ｃからバルブ本体１３がノズルボディ３の外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタにおいて、ピエゾ駆動装置２１（可変リフト手段）を備え、バルブシート３Ｃを下流側に開く円錐状に形成し、バルブシート３Ｃの下流側にバルブシート３Ｃの面よりも盛り上がる段差面３１Ａを設け、この段差面３１Ａとノズルボディ３の軸心Ｃとのなす角度である段差角度θ３をバルブシート３Ｃとノズルボディ３の軸心Ｃとのなす角度であるバルブシート角度θ１よりも小さくし、バルブ本体１３のリフト量をピエゾ駆動装置２１を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御するので、簡単な構成で小リフト時には大リフト時よりも相対的に少ない燃料量を用いて噴霧円錐角が大リフト時よりも相対的に小さな燃料噴霧Ｆ１を、また大リフト時には小リフト時よりも相対的に多い燃料量を用いて噴霧円錐角が小リフト時よりも相対的に大きな燃料噴霧Ｆ２を得ることができる。
【００３２】
図５は本発明の第１実施形態のピエゾ式インジェクタ１をスプレーガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに適用した概略構成図である。成層燃焼とは、燃料噴霧を塊状に形成し、この噴霧塊を点火時期に点火プラグの火花ギャップ周りに導いて燃焼を行わせることにより、理論空燃比よりも大きなリーン側の空燃比でありながら良好な燃焼が得られるようにするものである。この成層燃焼のうち、スプレーガイド式の成層燃焼は、インジェクタ１から噴かれた燃料噴霧を、燃焼室内のガス流動を借りることなく、燃料噴霧の貫徹力を利用して点火プラグの火花ギャップに導いて成層燃焼を行わせるものである。
【００３３】
図５においてペントルーフ型の燃焼室３５に左側から吸気ポート３６が、右側から排気ポート３７がそれぞれ開口し、図略の吸気バルブが吸気ポート３６を、図略の排気バルブが排気ポート３７を開閉する。燃焼室３５の天井中央よりやや左側に第１実施形態のピエゾ式インジェクタ１を設けると共に、インジェクタ１の下方をやや右側に傾けている。一方、燃焼室３５の天井中央よりやや右側に点火プラグ３９を設け、点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａがインジェクタ１のほうを向くように、点火プラグ３９の下方をやや左側に傾けている。
【００３４】
小リフト時には図５（Ａ）に示したようにインジェクタ１から噴かれた燃料噴霧Ｆ１が燃焼室３５の中央にだけ向かい、このコンパクトな燃料噴霧によって成層燃焼が行われるように、かつ大リフト時には図５（Ｂ）に示したようにインジェクタ１から噴かれた燃料噴霧Ｆ２が燃焼室３５の全体に広がり、この燃焼室全体に広がった燃料噴霧によって均質燃焼が行われるように、第１噴霧円錐角α１と第２噴霧円錐角α２とを、つまりノズルボディ３のバルブシート角度θ１及び段差面３１Ａの段差角度θ３を定める。すなわち、筒内直接噴射式エンジンの仕様が決まれば、ノズルボディ３のバルブシート角度θ１及び段差面３１Ａの段差角度θ３を、従って第１噴霧円錐角α１と第２噴霧円錐角α２とを最適に定めることができる。なお、インジェクタ１に印加される燃料圧力は、燃料噴霧の到達距離に関係するものの、燃料噴霧の広がる角度（つまり第１噴霧円錐角α１と第２噴霧円錐角α２）にはほとんど影響しない。
【００３５】
小リフト時と大リフト時とでは、燃料噴霧のうち点火プラグ３９側の縁と点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａとの距離が相違し、小リフト時における、燃料噴霧のうちの点火プラグ３９側の縁Ｈ１（図５（Ａ）参照）のほうが、大リフト時における、燃料噴霧のうちの点火プラグ３９側の縁Ｈ２（図５（Ｂ）参照）よりも点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａから遠ざかる。一方、成層燃焼時に小リフトとし、均質燃焼時に大リフトとするように図略のエンジンコントロールユニットが上記のピエゾ駆動装置２１を制御する。つまり、成層燃焼を行わせる小リフト時に、燃料噴霧のうちの点火プラグ３９側の縁Ｈ１が点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａを覆うように点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａを燃焼室３５内に突出させて設けている。そして、小リフト時には点火時期の直前に（圧縮行程で）インジェクタ１からの燃料噴射を行わせる。
【００３６】
図５（Ａ）には第１噴霧円錐角α１の燃料噴霧Ｆ１で成層燃焼を、図５（Ｂ）には第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧Ｆ２で均質燃焼を行わせる場合を示している。エンジン負荷との関係では、上記の切換負荷を境として第１噴霧円錐角α１の燃料噴霧Ｆ１と第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧Ｆ２とが切換わる構成であるため、例えば、低負荷域でのみ成層燃焼を行わせ、中・高負荷域になると均質燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに対しては、低負荷域と中負荷域の境界に上記の切換負荷を定めればよい。
【００３７】
ただし、第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧Ｆ２を用いる場合を均質燃焼を行わせる場合に限定するものでない。例えば、成層燃焼域を低負荷側と高負荷側の２つあるいは低回転側と高回転側の２つに分け、成層燃焼域のうちの低負荷側や低回転側で第１噴霧円錐角α１の燃料噴霧Ｆ１を用いた成層燃焼を行わせ、成層燃焼域のうちの高負荷側や高回転側になると第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧Ｆ２を用いた成層燃焼を行わせるようにしてもかまわない。
【００３８】
なお、同じ仕様の筒内直接噴射式エンジンでも、要求の変更により切換負荷を変えたい場合がある。切換負荷が変わると切換リフト量が変わり、切換リフト量が変わるとこれに応じて段差面３１Ａの所定幅Ｗを変更する必要がある。例えば、同じ仕様の筒内直接噴射式エンジンにおいて、切換負荷を小さい側に変更するときにはその負荷減少分だけ切換リフト量を小さくなる側に変更し、そのリフト量減少分に応じて段差面３１Ａの所定幅Ｗを小さくする側に変更する。
【００３９】
ここで、第１実施形態のピエゾ式インジェクタ１をスプレーガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに適用した場合の実施形態（この実施形態も第１実施形態である）の作用効果を説明する。
【００４０】
第１実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、ノズルボディ３のバルブシート３Ｃからバルブ本体１３がノズルボディ３の外側にリフトすることにより、燃料を噴射するインジェクタ１と、火花点火を行う点火プラグ３９とを燃焼室３５に臨んで設けている筒内直接噴射式エンジンにおいて、ピエゾ駆動装置２１（可変リフト手段）を備え、バルブシート３Ｃを下流側に開く円錐状に形成し、バルブシート３Ｃの下流側にバルブシート３Ｃの面よりも盛り上がる段差面３１Ａを設け、この段差面３１Ａとノズルボディ３の軸心Ｃとのなす角度である段差角度θ３をバルブシート３Ｃとノズルボディ３の軸心Ｃとのなす角度であるバルブシート角度θ１よりも小さくし、バルブ本体１３のリフト量をピエゾ駆動装置２１を用いて小リフトと大リフトの２段階に制御し、小リフト時の燃料噴霧が点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａを指向するように、インジェクタ１と点火プラグ３９とを配置するので、小リフト時には大リフト時よりも相対的に少ない燃料量を用いて噴霧円錐角が大リフト時よりも相対的に小さな第１噴霧円錐角α１の燃料噴霧Ｆ１を、大リフト時には小リフト時よりも相対的に多い燃料量を用いて噴霧円錐角が小リフト時よりも相対的に大きな第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧Ｆ２を得ることができることから、簡単な構成のインジェクタ１を用いて成層燃焼と均質燃焼とを行わせることができる。
【００４１】
第１実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、第１リフト量Ｌ１（バルブ本体１３の小リフト時のリフト量）を、バルブ本体１３のバルブ当接面１３Ａ（バルブシートと当接する面）を下流側に延長した面と、段差面３１Ａの下流端である開口端３１Ｄとが一致する位置までのリフト量とするので、小リフト時には大リフト時より相対的に少ない燃料噴射量となり、この相対的に少ない量の噴射燃料が段差面３１Ａに沿って流れ開口端３１Ｄから噴き出すことから、噴霧円錐角が大リフト時より相対的に小さな第１噴霧円錐角α１の燃料噴霧Ｆ１を形成できる。これにより、燃焼室３５内に成層度の高い混合気が形成されることとなり、燃費を向上できる。
【００４２】
第１実施形態（請求項７に記載の発明）によれば、第２リフト量Ｌ２（バルブ本体１３の大リフト時のリフト量）を、バルブ本体１３のバルブ当接面１３Ａ（バルブシートと当接する面）を下流側に延長した面と、段差面の３１Ａ下流端である開口端３１Ｄとが一致する位置を超えるリフト量とするので、大リフト時には、小リフト時より相対的に多い燃料噴射量となり、この相対的に多い量の噴射燃料が段差面３１Ａではなくバルブシート面３Ｃに沿って噴き出すことから、噴霧円錐角が小リフト時より相対的に大きな第２噴霧円錐角α２の燃料噴霧Ｆ２を形成できる。これにより、燃焼室３５内に均質度の高い混合気が形成されることとなり、エンジンの出力を向上できる。
【００４３】
第１実施形態（請求項８に記載の発明）によれば、段差面３１Ａをバルブシート３Ｃの下流端（下流側）にバルブシート３Ｃの周方向に全周にわたって設けるので、円錐状の燃料噴霧形状が得られる。
【００４４】
図６は本発明の第２実施形態のノズルボディ３を下から見た概略図、図７は第２実施形態のピエゾ式インジェクタ１をスプレーガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに適用した概略構成図で、それぞれ第１実施形態の図３、図５と置き換わるものである。図３、図５と同一部分には同一の番号を付している。
【００４５】
第１実施形態では、バルブシート３Ｃの下流端に所定幅Ｗの段差面３１Ａをバルブシート３Ｃの周方向に全周にわたって設けたが、第２実施形態では、バルブシート３Ｃの下流端のうち点火プラグ方向（点火プラグ３９のある方向）だけ突起部３１、つまり段差面３１Ａを設けないようにしたものである。すなわち、図６において右方向を点火プラグ方向とすると、バルブシート３Ｃの周方向に所定の幅だけ突起部３１（段差面３１Ａ）が設けられていない段差面なし部４１を有している。段差面なし部４１はバルブシート３Ｃの一部である。
【００４６】
図６において第２実施形態でも段差面３１Ａにハッチングしている。段差面３１Ａがリング状であった第１実施形態と相違して、第２実施形態では、点火プラグ方向に切り欠き部が生じるため、第２実施形態での段差面３１Ａは、丁度Ｃの字状となっている。
【００４７】
図７に示したように、燃焼室３５に対するピエゾ式インジェクタ１の配置は第１実施形態と同じである。一方、燃焼室３５に対する点火プラグ３９の配置は第１実施形態と基本的に同じであるが、燃焼室３５への点火プラグ３９の突き出し量が第１実施形態よりも小さくなっている。
【００４８】
図８は図７（Ａ）においてＡ−Ａ線で見た小リフト時の燃料噴霧Ｆ１の断面図である。Ａ−Ａ線は図７（Ａ）においてインジェクタ１の軸線に対して直交し、点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａを通る線としている。図８において点火プラグ３９の火花ギャップ位置に×印を記している。
【００４９】
小リフト時には図７（Ａ）に示したようにインジェクタ１から噴かれた燃料噴霧Ｆ１が燃焼室３５の中央にだけ向かう。このとき、図８に示したように、第２実施形態では、小リフト時の燃料噴霧Ｆ１が、段差面３１Ａに沿って空間に飛び出す第１の燃料噴霧Ｆ１ａと、段差面なし部４１に沿って空間に飛び出す第２の燃料噴霧Ｆ１ｂとの２つに分かれ、段差面なし部４１に沿って空間に飛び出す第２の燃料噴霧Ｆ１ｂだけが点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａを指向して到達している。このため、段差面３１Ａに沿って空間に飛び出す第１の燃料噴霧Ｆ１ａのほうは、図９に示したように点火プラグ方向だけ燃料噴霧が存在しない形状となる。
【００５０】
一方、大リフト時には図７（Ｂ）に示したように第１実施形態と同様の燃料噴霧つまり燃焼室３５の全体に広がる燃料噴霧となる。
【００５１】
第２実施形態では、図８に示したように小リフト時の第２の燃料噴霧Ｆ１ｂが距離Ｌ３の分だけ第１実施形態の場合より点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａに近づく。これを逆に言うと、第１実施形態の場合より距離Ｌ３の分だけ点火プラグ３９を燃焼室３５から引っ込めて取り付けることが可能である（図７参照）。これによって、点火プラグ３９の耐久性を向上させることができる。
【００５２】
第２実施形態（請求項９に記載の発明）によれば、第１実施形態のノズルボディ３を前提として、点火プラグ方向だけ段差面３１Ａを設けないので、小リフト時に段差面なし部４１では燃料がバルブシート３Ｃに沿って吹き出す。すなわち、点火プラグ方向に段差面３１Ａを設けている場合より、段差面３１Ａの段差角度θ３とバルブシート角度θ１との角度差の分だけ、燃料噴霧が外側に広がる。これを逆に言うと、点火プラグ方向に段差面３１Ａを設けている場合より、燃料噴霧が外側に広がる分だけ点火プラグ３９を燃焼室３５から引っ込めて取り付けることが可能である（図７参照）。これによって、点火プラグ３９の耐久性を向上させることができる。
【００５３】
図１０は本発明の第３実施形態のノズルボディ３を下から見た概略図、図１３は図７（Ａ）においてＡ−Ａ線で見た小リフト時の燃料噴霧の断面図で、第２実施形態の図６、図８と置き換わるものである。なお、図１３では比較のため第２実施形態の小リフト時の第１の燃料噴霧Ｆ１ａを重ねて示している。また、図１０のＢ−Ｂ線断面図を図１１に、図１０のＣ−Ｃ線断面図を図１２に示している。
【００５４】
第１実施形態では、バルブシート３Ｃの下流端に所定幅Ｗ（一定幅）の段差面３１Ａをバルブシート３Ｃの周方向に全周にわたって設け、段差面３１Ａの段差角度θ３も全周にわたって同じ角度としているのものであったが、第３実施形態は、図１０、図１１に示したように点火プラグ方向とは反対の方向（図１０で左方向）での段差面３１Ａの段差角度を第１実施形態の段差面３１Ａの段差角度と同じ段差角度θ３にすると共に、点火プラグ方向での段差面３１Ａの段差角度を第１実施形態のバルブシート角度と同じ角度θ１にし、その間での段差面３１Ａの段差角度を連続的に変化させるようにしたものである。このため、点火プラグ方向とは反対の方向からバルブシート３Ｃの周方向に離れるほど段差面３１Ａの段差角度は連続的に大きくなり、点火プラグ方向での段差面３１Ａの段差角度が最大の角度（＝バルブシート角度θ１）となっている。例えば、図１２に示すＣ−Ｃ線断面図でみると、このＣ−Ｃ線断面での段差面３１Ａの段差角度θ４は点火プラグ方向とは反対の方向での段差面３１Ａの段差角度θ３より大きく、かつ点火プラグ方向での段差面３１Ａの段差角度θ１よりは小さくなっている。
【００５５】
図１０において第３実施形態でも段差面３１Ａにハッチングしている。段差面３１Ａが半径方向に同じ幅のリング状であった第１実施形態と相違して、第３実施形態では、段差面３１Ａの段差角度がバルブシート３Ｃの周方向に変化するため、段差面３１Ａは半径方向幅がバルブシート３Ｃの周方向に変化するリング状となっている。
【００５６】
図１３に示したように、第３実施形態では、小リフト時の燃料噴霧Ｆ１のうち、点火プラグ方向の燃料噴霧は、点火プラグ方向に偏る（つまり燃料噴霧が外側に広がる）ことで、点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａを指向するのであり、これによって点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａに到達している。このように、第３実施形態でも、燃料噴霧が距離Ｌ３の分だけ第１実施形態の場合より点火プラグ３９の火花ギャップ３９Ａに近づく。これを逆に言うと、第１実施形態の場合より距離Ｌ３の分だけ点火プラグ３９を燃焼室３５から引っ込めて取り付けることが可能であり、これによって、点火プラグ３９の耐久性を向上させることができる。
【００５７】
第２実施形態は、小リフト時に第２の燃料噴霧Ｆ１ｂが点火プラグ３９によりまず着火し、この第２の燃料噴霧Ｆ１ｂによる燃焼が第１の燃料噴霧Ｆ１ａに飛び火して第２の燃料噴霧Ｆ１ａが燃焼するとするものである。このため、第２の燃料噴霧Ｆ１ｂによる燃焼が第１の燃料噴霧Ｆ１ａによる燃焼へとつながらない可能性が全く無いとは言えない。これに対して第３実施形態では、図１３に示したように小リフト時の燃料噴霧Ｆ１が連続しているので、小リフト時の燃料噴霧Ｆ１の全体を確実に燃焼させることができる。
【００５８】
第３実施形態（請求項１０に記載の発明）によれば、段差面３１Ａをバルブシート３Ｃの下流端にバルブシート３Ｃの周方向に全周にわたって設けると共に、点火プラグ方向とは反対の方向からバルブシート３Ｃの周方向に離れるほど段差面３１Ａの段差角度を連続的に大きくし、点火プラグ方向での段差面３１Ａの段差角度をバルブシート角度θ１と同じにするので、小リフト時に点火プラグ方向では燃料噴霧が外側に広がる。すなわち、点火プラグ方向での段差面３１Ａの段差角度を点火プラグ方向とは反対の方向での段差面３１Ａの段差角度θ３と同じにしている場合より、燃料噴霧が外側に広がる。これを逆に言うと、点火プラグ方向での段差面３１Ａの段差角度を点火プラグ方向とは反対の方向での段差面の段差角度θ３と同じにしている場合より、燃料噴霧が外側に広がる分だけ点火プラグ３９を燃焼室３５から引っ込めて取り付けることが可能である（図７（Ａ）参照）。これによって、第２実施形態と同様に点火プラグ３９の耐久性を向上させることができる。また、小リフト時の燃料噴霧Ｆ１が連続しどこにも切れ目が無いので、小リフト時に燃料噴霧Ｆ１の全体を確実に燃焼させることができる。
【００５９】
実施形態では、実施形態のピエゾ式インジェクタをスプレーガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに適用した場合について説明したが、この場合に限られるものでなく、実施形態のピエゾ式インジェクタをウォールガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態のピエゾ式インジェクタの概略構成図。
【図２】ノズル先端部の縦断面図。
【図３】ノズルボディを下から見た概略図。
【図４】ニードルバルブの２段階の作動を示す状態図。
【図５】第１実施形態のピエゾ式インジェクタをスプレーガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに適用した燃焼室の概略構成図。
【図６】第２実施形態のノズルボディ３を下から見た概略図。
【図７】第２実施形態のピエゾ式インジェクタをスプレーガイド式の成層燃焼を行わせる筒内直接噴射式エンジンに適用した概略構成図。
【図８】図７のＡ−Ａ線で見た第２実施形態の小リフト時の燃料噴霧の断面図。
【図９】第２実施形態の小リフト時の第１の燃料噴霧の斜視図。
【図１０】第３実施形態のノズルボディ３を下から見た概略図。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線断面図。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ線断面図。
【図１３】図７のＡ−Ａ線で見た第３実施形態の小リフト時の燃料噴霧の断面図。
【符号の説明】
【００６１】
１  ピエゾ式インジェクタ
３  ノズルボディ
３Ｃ  バルブシート
１２  ニードルバルブ
１３  バルブ本体
２１  ピエゾ駆動装置（可変リフト手段）
３１  突起部
３１Ａ  段差面
【図１】
2010163913.tif 000003
【図２】
2010163913.tif 000004
【図３】
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【図６】
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【図１０】
2010163913.tif 000007
【図１１】
2010163913.tif 000008
【図１２】
2010163913.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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