(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体と、
前記弁体の径方向の周囲に設けられたノズルと、
前記弁体と前記ノズルとの間に配置され、燃料が流れる燃料流路と、
前記燃料が噴射される環状の噴射孔とを備え、
前記弁体は当該弁体の軸方向に前記ノズルに対して相対的に可動である燃料噴射装置において、
前記ノズルは、
上流側テーパ部と、
前記上流側テーパ部よりも下流に配置され、前記上流側テーパ部よりもテーパ角が大きい下流側テーパ部と、
を有し、
前記下流側テーパ部が、前記弁体の軸に対して非対称であることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記上流側テーパ部が、前記弁体の軸に対して対称であることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記ノズルは、上流側テーパ部と前記下流側テーパ部との間に、前記弁体のリフト量に応じて燃料の流量を調整する絞り部を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記下流側テーパ部は、第一の下流側テーパ部と、その下流に位置する第二の下流側テーパ部とを備え、
前記上流側テーパ部の軸心及び前記第一の下流側テーパ部の軸心は、前記弁体の軸と一致し、前記第二の下流側テーパ部の軸心は、前記弁体の軸心とは異なることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記下流側テーパ部の軸心と前記弁体の軸とがなす角度が、前記上流側テーパ部の軸心と前記弁体の軸とがなす角度よりも大きいことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記弁体が、前記燃料噴射装置の先端側に移動するにつれ、前記燃料流路が大きくなることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項１記載の燃料噴射装置を用いてエンジンのシリンダー内に燃料を直接噴射する燃料噴射方法において、
前記弁体のリフト量に応じて、噴霧角度と、噴霧の中心軸と前記燃料噴射装置の弁体の軸とがなす角度とを変更することを特徴とする燃料噴射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば筒内直接噴射ガソリンエンジン等において、直接エンジンのシリンダ内の燃焼室に高圧燃料を噴射し、最適な燃焼状態を得るための燃料噴射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、エンジンの回転領域により適正な噴霧形状で燃料を噴射させることで燃費向上と高出力化を両立させるため、複数の噴霧形状での燃料噴射が可能な燃料噴射装置の開発が進められている。
【０００３】
例えば、特開２００１−２４８５２６号公報記載の装置のように、複数の燃料流路を設けて弁体のリフト量を２段階で切り換え、弁体のリフト量を制御することで使用する燃料流路の数を変えることにより、噴霧形状を制御することを可能にした装置が提案されている。
【０００４】
また、特開２００１−２６３２０１号公報記載の装置のように、断面積の異なる複数の燃料流路を設け、ロータリーバルブにより使用する燃料流路の数を変えることで使用する燃料流路を選択することにより、噴霧形状を制御することを可能にした装置が提案されている。
【０００５】
さらに、特開２００６−１０５６０７号公報記載の装置のように、複数の弁体と、これらの弁体毎に噴孔を設け、弁体を個別に制御することにより、複数の噴孔を選択的に開閉することで、噴霧形状を制御することを可能にした装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２４８５２６公報
【特許文献２】特開２００１−２６３２０１公報
【特許文献３】特開２００６−１０５６０７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１〜３では、使用する燃料流路を切り換える構造となっているため、燃料流路や噴孔の数に応じた噴霧形状しか得ることが出来ず、連続的に噴霧形状を変化させることができない。さらに、より多くの噴霧形状を得るためには構造が複雑になり、また、部品点数の増加によって製造コストの増加を招いてしまう。
【０００８】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、連続的に噴霧形状を変化させることが可能であり、かつ、より簡便な構造で異なる噴霧形状を得ることができる燃料噴射装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、弁体とノズルとの間に配置され、燃料が流れる燃料流路と、燃料が噴射される環状の噴射孔とを備えた燃料噴射装置において、ノズルは、上流側テーパ部と、上流側テーパ部よりも下流に配置され上流側テーパ部よりもテーパ角が大きい下流側テーパ部とを有し、下流側テーパ部が、前記弁体の軸に対して非対称とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、弁体のリフト量が小さいときは、ノズル側テーパ面に沿って非対称に噴霧されるとともに、弁体のリフト量が大きいときは、弁体側テーパ面に沿って対称に噴霧される。これによって、弁体のリフト量を制御することにより燃料の噴霧角及び噴霧方向を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例の燃料噴射装置における、閉弁時の噴射孔の断面図である。
【図２】本発明の一実施例の燃料噴射装置における、弁体のリフト量が小さいときの噴射孔の断面図である。
【図３】本発明の一実施例の燃料噴射装置における、弁体のリフト量が大きいときの噴射孔の断面図である。
【図４】本発明の一実施例の燃料噴射装置の断面図である。
【図５（ａ）】本発明の一実施例の燃料噴射装置における、弁体側ガイド部の拡大図である。
【図５（ｂ）】弁体側ガイド部の断面図である。
【図６】弁体のリフト量と噴霧角との関係を表す図である。
【図７】本発明の他の実施例の燃料噴射装置における、閉弁時の噴射孔の断面図である。
【図８】本発明の他の実施例の燃料噴射装置における、弁体のリフト量が小さいときの噴射孔の断面図である。
【図９】本発明の他の実施例の燃料噴射装置における、弁体のリフト量が大きいときの噴射孔の断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例の燃料噴射装置を備えたエンジンのシリンダー付近の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施例である燃料噴射装置について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図４は、燃料噴射装置の内部構造を示す断面図である。
【００１４】
ノズル２は円筒状でその内部に弁体1が挿入されており、弁体1はノズル２に対して軸方向に動く構造になっている。そして、弁体１とノズル２には、弁体１の軸方向の動きを案内するための弁体側ガイド部５とノズル側ガイド部６が設けられている。弁体１はノズル２の内径よりも細くなっており、弁体１とノズル２との間の隙間が燃料流路４となっている。
【００１５】
図５（ａ）は、弁体側ガイド部の拡大図を示しており、図５（ｂ）は、弁体側ガイド部の断面を示している。弁体側ガイド部５には４面カット２６が施されており、４面カット部２６とノズル側ガイド部６の間には隙間があるため、燃料流路４を流れる燃料の流れを妨げない構造になっている。
【００１６】
燃料供給口８から供給された燃料は、燃料流路４を通って、噴射孔３へ送られる。通常、弁体１は閉弁用ばね７により引っ張られているため、弁体１とノズル２は絞り部１２において接触しているため、噴射孔３からは燃料は噴射されない。なお、弁体１の噴射孔３と軸方向の反対側には、弁体１の軸方向のリフト量を制御するための駆動部３０が設けられている。
【００１７】
駆動部３０はコイル３１、コア３２、アンカー３３で構成され、アンカー３３は弁体１の燃料の流れの上流側端部において、弁体１と接触している。コイル３１に通電すると、コイル３１とコア３２、アンカー３３の間で磁場が形成され、前記磁場に応じてアンカー３３とコア３２の間に生じる力によって、アンカー３３はコア３２に引き付けられる。これにより、弁体１はアンカー３３により燃料の流れの下流方向に押し下げられて絞り部１２に間隙が生じ、噴射孔３より燃料が噴射される。
【００１８】
次に、噴射孔３の構造を説明する。図１は、閉弁時の噴射孔３の内部構造を示す断面図である。噴射孔３内では、ノズル２と弁体１とがそれぞれ略円錘表面状のテーパを有する。弁体側テーパ面９のテーパ角１６（テーパ面とその反対にあるテーパ面がなす角度）は９０゜、ノズル上流側テーパ面１０のテーパ角１４は８０゜、そしてノズル下流側テーパ面１１のテーパ角１５は１００゜である。すなわち、ノズル上流側テーパ面１０、弁体側テーパ面９、ノズル下流側テーパ面１１の順に、テーパ角が大きくなっていく。また、絞り部直径２０は３．８０ｍｍ、弁体終端部直径２１は４．２０ｍｍ、そしてノズル終端部直径２２は４．２３ｍｍである。さらに、弁体軸径２３は２．８ｍｍ、ノズル内径２４は３．６ｍｍ、ノズル外径２５は８．０ｍｍである。閉弁時は絞り部１２で弁体１とノズル２は接触しており、このときの弁体終端部に対するノズル終端部の突出し量１７は２０μｍである。
【００１９】
燃料は弁体１とノズル２との隙間にある燃料流路４を通り絞り部１２に到達するが、このとき絞り部１２で弁体１とノズル２は接触しているため、絞り部１２において燃料の流れは遮断され、燃料は噴射されない。
【００２０】
図２は、流量が小さい、すなわち弁体のリフト量が小さいときの噴射孔の内部構造を示す断面図である。弁体のリフト量が１０μｍであるとき、弁体１とノズル２との隙間にある燃料流路４を通ってきた燃料は、絞り部１２とノズル側テーパ面１１と弁体側テーパ面９で構成される流路拡大部１３を通り、燃料噴射装置の外部へ噴射される。一般に燃料噴射装置は略円筒形をしているため、燃料流路が外径側に向かう弁体付近では流路断面積は水平方向に拡大する。本実施例にかかる流路拡大部１３では、軸方向を含む断面における流路断面が、燃料流路下流に行くにしたがって拡大していく。すなわち、本実施例では、水平方向のみならず垂直方向にも流路が拡大するのである。このとき、流路拡大部１３の流路の広がり角は５゜と小さいため、燃料の流れは流路一面に広がって噴射孔へ進む。本実施例では、弁体１のリフト量が小さい（弁体１がノズル２に接触しているときも含む）ときには、噴射孔では、ノズル終端部は弁体終端部よりも噴射の方向に突き出ており、噴射孔先端部では弁体側の流路壁が存在しない。換言すれば、燃料の流れの方向(ノズル下流側テーパ面１１の稜線方向)に向かって、ノズル２の終端部２aが弁体１の終端部1aに対して、前記弁体の弁体側テーパ面の稜線方向に突き出ている。一般に、コアンダ効果として知られているように、噴射される液体の近傍に壁面があると、液体はその壁面に沿って流れる性質がある。図２に示した状態では、コアンダ効果により噴射孔先端部で流れはノズル側テーパ面１１に偏り、噴射される燃料はノズル側テーパ部に沿った流れ１８となって噴射される。
【００２１】
一方、図３は、流量が大きい、すなわち弁体のリフト量が大きいときの噴射孔の内部構造を示す断面図である。
【００２２】
弁体のリフト量が４０μｍであるとき、弁体１とノズル２との隙間にある燃料流路４を通ってきた燃料は、絞り部１２とノズル側テーパ面１１と弁体側テーパ面９で構成される流路拡大部１３を通り、燃料噴射装置の外部へ噴射される。このとき、流量が大きい、すなわち流れが速く、絞り部１２で角度が変化するため、流路拡大部１３ではノズル側テーパ面１１で流体の剥離が生じる。これにより、燃料の流れは弁体側テーパ面９に偏るため、噴射される燃料は弁体側テーパ面９に沿った流れ１９となって噴射される。
【００２３】
なお、このとき弁体終端部1aはノズル終端部2aよりも噴射の方向(または弁体テーパ面９の稜線方向)に突出していること燃料の噴出を弁体テーパ面９に沿わせる上で望ましいが、これに限らず突出していなくても良い。弁体１とノズル１１の間隔がリフト量小の場合と比べて大きいため、弁体１のテーパ面９に沿った流れはノズル２のテーパ面１１の影響を受けにくいからである。
【００２４】
これにより、流量が小さい、すなわち弁体のリフト量が小さいときはノズルテーパ面に沿った噴霧角となり、流量が大きい、すなわち弁体のリフト量が大きいときは弁体テーパ面に沿った噴霧角となるため、弁体のリフト量を制御することで噴霧角を制御することが可能となる。
【００２５】
図６に、上記の構造で構成された燃料噴射装置の弁体のリフト量と噴霧角度との関係を示す。弁体１のリフト量が大きくなるにつれ、噴霧角が徐々に小さく変化していることがわかる。この結果から、噴霧角度は弁体のリフト量を増加させるに従って連続的に小さくなっており、弁体のリフト量を制御することで噴霧角度の制御が可能である。
【００２６】
以上で説明した本実施例の燃料噴射装置を一般的な筒内直接噴射ガソリンエンジンの適用すると、下記のようにエンジンの燃焼形態にとって望ましい効果が得られる。
【００２７】
燃料噴射装置は点火プラグの近くに配置されるが、弁体リフト量が小さく燃料の流量が小さいときは燃料の噴霧角が大きくかつ噴霧距離（ペネト長）が短く、燃料を点火プラグ付近に噴射させることができる。そして、燃焼室内では、点火プラグ直下は混合気状態でそれ以外の領域には主に空気状態となる、成層混合気が形成される。これにより、燃料流量が小さいときに適した燃焼である希薄燃焼をさせることが出来るため、燃費向上の効果が得られる。一方、燃料の流量が大きいときは噴霧角が小さく噴霧距離が大きく、燃料を燃焼室内全体に噴射させることができる。そして、燃焼室内では、噴射された燃料が蒸発するときの気化潜熱により吸入空気が冷却されるため、高出力化の効果が得られる。
【実施例２】
【００２８】
次に、実施例２について説明する。図７に実施例２にかかる燃料噴射装置の先端付近の断面図を示す。本実施例では、燃料噴射装置の先端付近以外は、実施例１と同じであり、説明を省略する。
【００２９】
図７は、閉弁時の噴射孔３の内部構造を示す断面図である。弁体側テーパ面は一つのテーパ角を、ノズル側テーパ面は上流側と下流側で異なる二つのテーパ角を有する。弁体側テーパ面９のテーパ角１７は９０゜、ノズル上流側テーパ面１０のテーパ角１４は８０゜である。また、第一のノズル下流側テーパ面１１aのテーパ角１５は９５゜、そして、その下流に位置する第二のノズル下流側テーパ面１１bのテーパ角１６は１０４゜である。ノズル下流側テーパ面が二つに分かれている点が、実施例１との相違点である。
【００３０】
ここで、弁体側テーパ面１０及び第一のノズル下流側テーパ面１１aの軸心は弁体の軸２７と同一であるが、第二のノズル下流側テーパ面１３の軸心３４は、弁体の軸２７とは異なった位置で平行の関係にある。そのため、弁体の軸２７と第二のノズル下流側テーパ面１３の軸心３４を含む断面において、第二のノズル下流側テーパ面の燃料の流れの方向に向かって図面右側の稜線とノズル側テーパ面の燃料の流れの方向に向かって左側の稜線は、弁体の軸２７に関して非対称となる。
【００３１】
第二のノズル下流側テーパ面１３の軸心３４は、弁体の軸２７と０．０３ｍｍ離れているため、弁体の軸２７と第二の燃料流路拡大部のノズル側テーパ面１３の軸心３４を含む断面において、ノズル側テーパ面の燃料の流れの方向に向かって右側の稜線が弁体の軸２７に対してなす角３０は４７．５°となり、ノズル側テーパ面の燃料の流れの方向に向かって左側の稜線が弁体の軸２７に対してなす角３１は５２°である。また、絞り部直径２０は３．８０ｍｍ、ノズル内径２４は３．６ｍｍ、ノズル外径２５は８．０ｍｍである。そして、弁体直径２１は４．２ｍｍ、弁体軸径２３は２．８ｍｍとなる。
【００３２】
燃料は弁体１とノズル２との隙間にある燃料流路４を通り絞り部１２に到達するが、閉弁時は絞り部１２で弁体１とノズル２は接触しており、絞り部１２において燃料の流れは遮断されるため、燃料は噴射されない。
【００３３】
図８は、流量が小さい、すなわち弁体のリフト量が小さいときの噴射孔の内部構造を示す断面図である。
【００３４】
弁体のリフト量が例えば１０μｍであるとき、弁体１とノズル２との隙間にある燃料流路４を通ってきた燃料は、絞り部１２と第一のノズル下流側テーパ面１１aと第二のノズル下流側テーパ面１１bと弁体側テーパ面９で構成される流路拡大部を通り、燃料噴射装置の外部へ噴射される。
【００３５】
第一のノズル下流側テーパ面１１aが形成する流路の広がり角は２．５゜で、第二のノズル下流側テーパ面が形成する流路の広がり角は７゜と小さいため、燃料の流れは流路一面に広がって噴射孔へ進む。
【００３６】
このとき、噴射孔では、ノズル終端部は弁体終端部よりも噴射の方向に突き出ており、噴射孔先端部では弁体側の流路壁が存在しないため流れはノズル側テーパ面に偏り、噴射される燃料はノズル側テーパ部に沿って噴射される。よって、弁体の軸２７と第二のノズル下流側テーパ面１１bの軸心３４を含む断面において、第二のノズル下流側テーパ面１１bの燃料の流れの方向に向かって右側の稜線に沿った流れ１８ａの弁体の軸２７に対してなす角よりも、第二のノズル下流側テーパ面１１bの燃料の流れの方向に向かって左側の稜線に沿った流れ１８ｂの弁体の軸２７に対してなす角の方が大きい非対称な噴霧となる。
【００３７】
一方、図９は、流量が大きい、すなわち弁体のリフト量が大きいときの噴射孔の内部構造を示す断面図である。弁体のリフト量が４０μｍであるとき、弁体１とノズル２との隙間にある燃料流路４を通ってきた燃料は、絞り部１２と第一のノズル下流側テーパ面１１aと第二のノズル下流側テーパ面１１bと弁体側テーパ面９で構成される流路拡大部を通り、燃料噴射装置の外部へ噴射される。
【００３８】
このとき、流量が大きいすなわち流れが速く、また流路の幅が広いため、絞り部１２の下流において燃料の流れはノズル側テーパ面１１から剥離する。これにより、燃料の流れは弁体側テーパ面９に偏るため、噴射される燃料はノズル側テーパ角によらない弁体側テーパ面９に沿った流れ１９となって噴射され、噴霧角度が小さい対称噴霧となる。
【００３９】
これにより、弁体のリフト量が小さいときは、ノズル側テーパ面に沿った弁体の軸に対して非対称の噴霧角度となり、弁体のリフト量が大きいときは、弁体テーパ面に沿った噴霧角度となる。
【００４０】
以上で説明した本実施例の燃料噴射装置を、筒内直接噴射ガソリンエンジンへ適用した場合を、下記のようにエンジンの燃焼形態にとって望ましい効果が得られる。
【００４１】
図１０は、本実施の燃料噴射装置を備えたガソリンエンジンのシリンダーの断面図である。４３は吸気通路、４４は吸気バルブ、４５は排気バルブ、４６は排気ポート、４７はピストンである。筒内直接噴射型ガソリンエンジンでは、燃料噴射装置４１は、シリンダーの燃焼室の天井部分に点火プラグ４２に並べられて備えられる。
【００４２】
ガソリンの流量が小さいときは、実施例１と同じく、４８のように噴霧角度が大きく噴霧距離が短くなる。このとき、ノズルテーパ面が非対称であることにより、噴霧の中心軸が点火プラグ側に偏るため、燃料噴射を点火プラグに近く位置に行なうことができ、燃焼室内では点火プラグ直下は混合気状態でそれ以外の領域は主に空気状態となる成層混合気が形成される。これにより、希薄燃焼に有利な状態を作り出すことができ、燃費向上の効果が得られる。
【００４３】
一方、流量が大きいときは、４９のように点火プラグ付近の噴霧角度は小さくなり、噴霧距離が長くなり、また噴霧の中心軸が燃料噴射装置弁体のの中心軸と一致するため、燃料が燃焼室内壁へ付着することを避けられる、すなわち、従来と同様に均質燃焼に適した噴霧を行なうことができ、未燃焼燃料の発生を避ける効果が得られる。
【００４４】
なお、本実施例ではノズル下流側テーパ面１１を二つに分け、そのテーパ面の中心軸は、弁体の軸と一致するまたは一致しないが平行としている。これにより、ノズル下流側テーパ面を切削形成する際の回転切削工具を同一方向から当接させることができ、製造上都合がよくなる。
【００４５】
しかしながらこれに限らず、下流側テーパ面を一つの面とし、その中心軸を弁体の軸に対して傾かせてもよい。この場合、上流側テーパ面の中心軸は、弁体の軸と同一または小さく傾いている状態とする。これにより、製造設備によっては下流側テーパ面の加工形成が簡略化でき、製造上都合がよくなる。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・弁体、２・・・ノズル、３・・・噴射孔、４・・・燃料流路、５・・・弁体側ガイド部、６・・・ノズル側ガイド部、７・・・閉弁用ばね、８・・・燃料供給口、９・・・弁体側テーパ面、１０・・・ノズル上流側テーパ面、１１・・・ノズル下流側テーパ面、１１a・・・第一のノズル下流側テーパ面、１１ｂ・・・第二のノズル下流側テーパ面、１２・・・絞り部、１３・・・流路拡大部、１４・・・ノズル側テーパ面のテーパ角、１５・・・ノズル側テーパ面のテーパ角、１６・・・弁体側テーパ面のテーパ角、１７・・・閉弁時における弁体終端部に対するノズル終端部の突出し量、１８・・・ノズル側テーパ面に沿った流れ、１９・・・弁体側テーパ面に沿った流れ、２０・・・絞り部直径、２１・・・弁体終端部直径、２２・・・ノズル終端部直径、２３・・・弁体軸径、２４・・・ノズル内径、２５・・・ノズル外径、２６・・・弁体側ガイド部の４面カット部、３０・・・駆動部、３１・・・コイル、３２・・・コア、３３・・・アンカー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
0005520631.tif 000006
【図５（ｂ）】
0005520631.tif 000007
【図６】
0005520631.tif 000008
【図７】
0005520631.tif 000009
【図８】
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【図９】
0005520631.tif 000011
【図１０】
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