(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に単一の噴孔を有する噴射弁本体と、この噴射弁本体内部に軸方向に移動可能に配置され、かつ噴射弁本体のシート部に着座することにより上記噴孔を開閉する針弁と、この針弁の先端に、上記噴孔を通るピン部を介して一体に設けられ、かつ該ピン部よりも大径となって上記噴孔に対向する傘部と、上記シート部を通して上記噴孔に流入する燃料の流れに旋回成分を付与するスワール手段と、を備え、複数回に分割された短期間の噴射では燃料が上記傘部に衝突し、かつ、長期間の噴射では上記旋回成分により燃料が上記傘部に干渉することなく円錐状に広がるように構成されていることを特徴とする火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項２】
上記の短期間の噴射により上記傘部に衝突した噴霧が点火プラグの電極へ向かうように、上記傘部の燃料衝突面の角度が設定されていることを特徴とする請求項１記載の火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項３】
上記ピン部と上記噴孔との間に生じる実質的な流路面積は、点火プラグ側の方向の流路面積が反対側の方向の流路面積よりも相対的に大きくなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項４】
上記ピン部の周方向の一部に、上記の流路面積差を形成するための異形部が設けられているとともに、この針弁が回転しないように噴射弁本体に対するガイド部を備えていることを特徴とする請求項３記載の火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項５】
先端に単一の噴孔を有する噴射弁本体と、この噴射弁本体内部に軸方向に移動可能に配置され、かつ噴射弁本体のシート部に着座することにより上記噴孔を開閉する針弁と、この針弁の先端に、上記噴孔を通るピン部を介して一体に設けられ、かつ該ピン部よりも大径となって上記噴孔に対向する傘部と、上記シート部を通して上記噴孔に流入する燃料の流れに旋回成分を付与するスワール手段と、を備えた燃料噴射弁を用い、
内燃機関の均質燃焼領域では、噴霧が旋回成分により円錐状に広がるように必要な燃料量を１回の噴射でもって噴射し、かつ成層燃焼領域では、噴霧が旋回成分を伴わずに上記傘部に衝突するように、必要な燃料量を複数回に分割して噴射することを特徴とする火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項６】
上記シート部の上流側に、上記スワール手段による旋回成分付与作用を受けない燃料溜まり部が設けられており、成層燃焼時に分割可能な回数をＮ、成層燃焼領域での最も高い負荷での要求燃料噴射量をＱとしたときに、上記燃料溜まり部が、（Ｑ／Ｎ）よりも大きな容積を有していることを特徴とする請求項５記載の火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼とが可能な火花点火型直接噴射式内燃機関に適した燃料噴射弁および燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火型内燃機関において希薄燃焼を実現するために、シリンダ内に燃料を直接に噴射する火花点火型直接噴射式内燃機関が従来から知られている。一般に、この種の内燃機関は、その噴射時期の切換等によって、高負荷域ではシリンダ内に燃料を広く均質に分布させて均質燃焼を行うとともに、低中負荷域では、点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を集めるようにした成層燃焼を行う構成となっている。
【０００３】
一方、特開平９−２３６０６９号公報には、直噴ディーゼル機関用の燃料噴射弁ではあるが、噴孔を開閉する針弁の先端に、噴孔から突出した位置となるように傘部を一体に形成し、かつ噴孔の上流に、旋回成分を付与するための螺旋状通路を設けた構成が開示されている。このものでは、針弁のリフトが小さい段階では旋回成分が弱いことから、噴孔から燃料が直進して傘部に衝突し、その後、リフトに伴って旋回成分が強くなって噴霧が円錐状に広がろうとするので、噴霧の方向が、時間の経過とともに半径方向および軸方向の双方について変化する。従って、噴霧がシリンダ内に広く拡散する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料噴射弁は、あくまでもシリンダ内により均質に燃料を分布させようとしたものであって、例えば火花点火型直接噴射式内燃機関に適用した場合に、成層混合気の形成のために点火プラグ近傍にのみ燃料噴霧を案内することについては上記公報には開示されていない。
【０００５】
本発明は、機関運転条件に応じた成層燃焼と均質燃焼との切換が可能な火花点火型直接噴射式内燃機関に好適な燃料噴射弁および燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射弁は、請求項１に記載のように、先端に単一の噴孔を有する噴射弁本体と、この噴射弁本体内部に軸方向に移動可能に配置され、かつ噴射弁本体のシート部に着座することにより上記噴孔を開閉する針弁と、この針弁の先端に、上記噴孔を通るピン部を介して一体に設けられ、かつ該ピン部よりも大径となって上記噴孔に対向する傘部と、上記シート部を通して上記噴孔に流入する燃料の流れに旋回成分を付与するスワール手段と、を備え、複数回に分割された短期間の噴射では燃料が上記傘部に衝突し、かつ、長期間の噴射では上記旋回成分により燃料が上記傘部に干渉することなく円錐状に広がるように構成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係る火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射装置は、請求項５に記載のように、先端に単一の噴孔を有する噴射弁本体と、この噴射弁本体内部に軸方向に移動可能に配置され、かつ噴射弁本体のシート部に着座することにより上記噴孔を開閉する針弁と、この針弁の先端に、上記噴孔を通るピン部を介して一体に設けられ、かつ該ピン部よりも大径となって上記噴孔に対向する傘部と、上記シート部を通して上記噴孔に流入する燃料の流れに旋回成分を付与するスワール手段と、を備えた燃料噴射弁を用い、
内燃機関の均質燃焼領域では、噴霧が旋回成分により円錐状に広がるように必要な燃料量を１回の噴射でもって噴射し、かつ成層燃焼領域では、噴霧が旋回成分を伴わずに上記傘部に衝突するように、必要な燃料量を複数回に分割して噴射することを特徴としている。
【０００８】
すなわち、本発明では、成層燃焼とすべきときには、必要な燃料量が１回で噴射されずに、複数回の短期間の噴射に分割して行われる。例えば針弁をソレノイドによって駆動する場合には、パルス幅の短い噴射パルスが複数回与えられる。このような短期間の噴射では、噴孔から出る燃料は、殆ど旋回成分を伴わず、従って、噴孔から直進して傘部に衝突する。そのため、燃料が過度に広く拡散することなく、局部的に濃い混合気つまり成層化した混合気が生成される。
【０００９】
これに対し、均質燃焼とすべきときには、必要な燃料量が１回の比較的長い噴射期間でもって噴射される。この場合、燃料は、スワール手段により付与される旋回成分が強くなり、旋回しつつ噴孔から出るので、傘部に衝突することなく円錐状に広く拡散する。なお、噴射初期の少量の燃料は、短期間の噴射の場合と同じく傘部に衝突して拡散する。従って、シリンダ内に広く燃料が分布し、比較的均質な混合気が形成される。
【００１０】
請求項１の燃料噴射弁をより具体化した請求項２の発明は、上記の短期間の噴射により上記傘部に衝突した噴霧が点火プラグの電極へ向かうように、上記傘部の燃料衝突面の角度が設定されていることを特徴としている。これにより、点火プラグ近傍に比較的濃い混合気が確実に形成される。
【００１１】
さらに請求項３の発明においては、上記ピン部と上記噴孔との間に生じる実質的な流路面積は、点火プラグ側の方向の流路面積が反対側の方向の流路面積よりも相対的に大きくなっている。つまり、ピン部と噴孔との間に生じる実質的な流路面積は周方向に均一ではなく、点火プラグ側で大きくなっている。これにより、傘部で衝突して分散する燃料の分布も、点火プラグ側で相対的に多いものとなり、希薄成層燃焼の際により良好な成層化が図れる。
【００１２】
請求項３の発明をより具体化した請求項４の発明では、上記ピン部の周方向の一部に、上記の流路面積差を形成するための異形部が設けられているとともに、この針弁が回転しないように噴射弁本体に対するガイド部を備えている。
【００１３】
例えば異形部として、ピン部の点火プラグ側の一部に切欠部や溝部を設けることにより、点火プラグ側の流路面積を相対的に拡大することが可能である。この場合、針弁の回転を規制する必要があるので、例えば互いに係合するガイド溝と突起部などからなるガイド部が設けられる。
【００１４】
また請求項５の燃料噴射装置をさらに限定した請求項６の発明は、上記シート部の上流側に、上記スワール手段による旋回成分付与作用を受けない燃料溜まり部が設けられており、成層燃焼時に分割可能な回数をＮ、成層燃焼領域での最も高い負荷での要求燃料噴射量をＱとしたときに、上記燃料溜まり部が、（Ｑ／Ｎ）よりも大きな容積を有していることを特徴としている。
【００１５】
上記のような燃料溜まり部を設けた場合、この燃料溜まり部の中に溜められていた燃料は、旋回成分を伴わずに噴孔から直進して傘部に衝突する。従って、この燃料溜まり部の容積を上記のように十分大きく確保することにより、成層燃焼領域で最も要求燃料噴射量が多いときでも、分割噴射によって確実に傘部に衝突させて点火プラグ近傍に噴霧をとどめることができる。
【００１６】
【発明の効果】
この発明に係る火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射弁および燃料噴射装置によれば、必要な燃料量を１回で噴射するか、あるいは複数回の短期間の噴射に分割して行うか、の切換によって、燃料噴霧の分布形態を、均質混合気あるいは局部的に濃い成層混合気に制御することができる。従って、均質燃焼による出力確保等と成層燃焼による安定した希薄燃焼とを、一層高いレベルで両立させることが可能となる。
【００１７】
また特に請求項２〜４のように、短期間の噴射により傘部に衝突させた際に、より多量の燃料噴霧が点火プラグ近傍へ向かうようにすれば、より確実に成層化を行うことができる。
【００１８】
さらに請求項６のように、スワール手段の影響を受けない燃料溜まり部を設けることにより、成層燃焼領域の中で必要な燃料噴射量が多くなる高負荷側においても、燃料が旋回成分により円錐状に拡散してしまうことを防止して、確実に成層化することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１１は、この発明に係る火花点火型直接噴射式内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁１を示している。この燃料噴射弁１は、内燃機関のシリンダ２１（図４参照）内に向けて取り付けられる噴射弁本体３と、この噴射弁本体３内に軸方向に沿って移動可能に配置された針弁２と、を備えている。上記噴射弁本体３は、先端中心に単一の噴孔４を有するとともに、この噴孔４の入口側にテーパ状のシート部５を有し、かつ、このシート部５の外周側に、略接線方向に流れを案内することで燃料流に旋回成分を付与するスワラーチップ６が設けられている。上記針弁２は、先端が略円錐面をなし、かつシート線７において上記シート部５に着座するようになっているとともに、噴孔４を貫通するピン部８が一体に設けられており、かつ該ピン部８先端に、該ピン部８よりも大径となった傘部９が形成されている。
【００２１】
上記ピン部８は、上記噴孔４よりも小径な円柱形状をなしているとともに、その周方向の一部が、図２に示すように、平面をなすように切り取られている。換言すれば、周面の一部に切欠部８ａが形成されている。これによって、ピン部８と噴孔４との間の間隙からなる実質的な流路面積は、上記切欠部８ａの部分において部分的に拡大している。内燃機関に取り付けた状態においては、上記切欠部８ａが、点火プラグ２２（図４参照）側となる。上記傘部９は、上記噴孔４を貫通可能なように該噴孔４よりも僅かに小径であり、針弁２のリフト時においても噴孔４から突出した位置にある。この傘部９の噴孔４に対向する燃料衝突面９ａは、緩いテーパ面をなし、その角度θは、噴孔４を直進して該燃料衝突面９ａに当たった燃料が点火プラグ２２の電極へ向かうように、点火プラグ２２との位置関係を考慮して設定されている。燃料衝突面９ａに衝突した噴霧は、燃料衝突面９ａの角度θより若干小さな角度をなす方向へ向かうので、上記角度θは、実際の電極方向への角度よりも若干大きな角度として設定される。なお、ピン部８を囲む燃料衝突面９ａを円錐面とせずに、一つの平面とし、その全体を点火プラグ２２側へ僅かに傾斜させるように構成することも可能である。
【００２２】
上記針弁２は、図示せぬリターンスプリングによって常時着座方向へ付勢されているとともに、図示せぬソレノイドの磁力によってリフトする構成となっている。そして、この針弁２の外周面の一部に、軸方向に沿ったガイド溝１１が形成されており、噴射弁本体３側の突起部１２に係合している（図３参照）。つまり、これらのガイド溝１１および突起部１２によって、針弁２の回転姿勢を規制するガイド部が構成されており、上述したピン部８の切欠部８ａが常に点火プラグ２２側に位置するようになっている。
【００２３】
また、図１に示すように上記スワラーチップ６とシート部５との間に、少量の燃料が溜まる燃料溜まり部１３を設けるようにしてもよい。この燃料溜まり部１３から噴孔４へ向かう燃料は、スワラーチップ６による旋回作用を受けることがない。なお、スワール手段として、スワラーチップ６に代えて、針弁２先端部に螺旋状の凹溝を形成した構成を用いることもできる。
【００２４】
図４および図７は、上記構成の燃料噴射弁１が点火プラグ２２とともにシリンダ２１へ向けて取り付けられた状態を示しているが、低速低負荷側の成層燃焼とすべき運転条件においては、図４に示すように、ピストン２３が上死点にある程度近付いた圧縮行程後半において、燃料が噴射される。そして、このとき、図５に示すように、必要な燃料噴射量を複数回の微小噴射パルスに分割した形で噴射を実行する。燃料噴射弁１の応答性にもよるが、例えば、０．３ｍｓ以下のパルス幅に分割することが望ましい。このような短期間の噴射では、スワラーチップ６による旋回成分は十分に発達せず、図６に矢印Ｆで示すように、燃料は噴孔４から直進しようとする。そのため、ピン部８先端の傘部９に衝突し、その衝突エネルギによって微粒化するとともに、傘部９により方向を曲げられて、点火プラグ２２近傍に向かう。特に、前述したピン部８の切欠部８ａによって、周方向に見て点火プラグ２２側へ相対的に多くの燃料が分布する。従って、全体として希薄な空燃比でもって、確実に成層化を実現することができる。また、上記のように燃料溜まり部１３を設けるようにすれば、旋回成分を伴わずに噴射される燃料量が増えるため、微小噴射パルスのパルス幅をある程度大きなものとすることが可能である。
【００２５】
これに対し、高速高負荷側の均質燃焼とすべき運転条件においては、図７に示すように、吸気行程もしくは圧縮行程前半において、燃料が噴射される。この場合には、図８に示すように、必要な燃料噴射量の全量が１回の噴射パルスでもって噴射される。このように噴射期間が長いと、初期の噴射燃料は、前述した成層燃焼の場合と同様に傘部９に衝突するものの、その後のスワラーチップ６を通って流れる燃料は、旋回成分が強く与えられるので、遠心力でもって半径方向外側へ向かおうとする。そのため、図７および図９に矢印Ｆで示すように、噴孔４から円錐状に広がった噴霧が得られ、傘部９と干渉することがない。従って、燃料は、シリンダ２１内に広く分布し、均質な混合気が形成される。
【００２６】
図１０は、上記のような燃料噴射を実現するための制御の流れを示すフローチャートである。この図に示すように、まずステップ１において、そのときの運転条件が成層燃焼領域であるか均質燃焼領域であるかを判別する。これは、図１１に示すように、機関回転数と負荷、例えばスロットル開度とに基づいて、決定される。ここで、均質燃焼領域であれば、ステップ２へ進み、必要な燃料噴射量Ｑを算出するとともに、ステップ３でパルス繰り返し回数Ｎを１とし、かつ、ステップ４で、燃料噴射量Ｑに対応したパルス幅を算出する。そして、ステップ８に進み、所定のタイミングにおいて、駆動パルス信号を燃料噴射弁１へ出力する。一方、成層燃焼領域であれば、ステップ１からステップ５へ進み、同様に必要な燃料噴射量Ｑを算出するとともに、ステップ６で、パルス繰り返し回数Ｎを決定する。これは、例えば燃料噴射量Ｑ自体の大小や機関回転数などを考慮して決定される。そして、ステップ７で１回当たりのパルス幅を算出し、ステップ８へ進んで、駆動パルス信号を出力する。
【００２７】
次に、図１２は、この発明に係る燃料噴射弁１の異なる実施例を示している。この実施例においては、針弁２および噴射弁本体３の中心軸線Ｌに対し、噴孔４が僅かに偏心して加工されている。具体的には、内燃機関への取付状態において点火プラグ２２側となる方向に片寄って噴孔４が形成されている。なお、シート部５やスワラーチップ６は、上記中心軸線Ｌを中心として配置されている。
【００２８】
また、この実施例では、針弁２先端のピン部８および傘部９が、上記中心軸線Ｌを中心とした対称形状に形成されている。換言すれば、前述した切欠部８ａのような異形部を具備せずに、ピン部８が単純な円柱状をなしており、かつ傘部９の燃料衝突面９ａが、周方向に均等な緩いテーパの円錐面をなしている。
【００２９】
この実施例の構成によれば、噴孔４を偏心させたことにより、図１２に明らかなように、噴孔４とピン部８との間の環状の流路面積が、周方向で均等ではなくなり、点火プラグ２２側で最も広く、これと１８０°異なる方向で最も狭いものとなる。従って、前述した実施例と同様に、点火プラグ２２側へ燃料を多く分布させることができる。特に、この実施例の構成によれば、針弁２の回転姿勢が問題とならないため、格別のガイド部を設ける必要がなく、しかも針弁２の構成も異形部がないことから単純化できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料噴射弁の一実施例の要部を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図４】成層燃焼におけるシリンダ内の噴霧の形態を示す説明図。
【図５】成層燃焼における分割した噴射パルスを示す波形図。
【図６】微小噴射パルスによる燃料の流れを示す説明図。
【図７】均質燃焼におけるシリンダ内の噴霧の形態を示す説明図。
【図８】均質燃焼における噴射パルスを示す波形図。
【図９】１回の長い噴射パルスによる燃料の流れを示す説明図。
【図１０】この発明に係る制御の流れを示すフローチャート。
【図１１】均質燃焼領域と成層燃焼領域とを示す特性図。
【図１２】この発明に係る燃料噴射弁の他の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁
２…針弁
４…噴孔
６…スワラーチップ
８…ピン部
８ａ…切欠部
９…傘部
【図１】
0003578081.tif 000002
【図２】
0003578081.tif 000003
【図３】
0003578081.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003578081.tif 000006
【図６】
0003578081.tif 000007
【図７】
0003578081.tif 000008
【図８】
0003578081.tif 000009
【図９】
0003578081.tif 000010
【図１０】
0003578081.tif 000011
【図１１】
0003578081.tif 000012
【図１２】
0003578081.tif 000013