(57)【要約】    【課題】群噴孔タイプの燃料噴射弁において、噴霧の強い貫徹力を確保する。    【解決手段】噴霧に貫徹力を持たせる方向として、針弁１５１を中心とする周方向にずらして複数の方向を設定する。この複数の方向のそれぞれについて、各方向を示す基準線Ｌ，Ｌ・・・を規定するとともに、各基準線Ｌを中心とする周方向に配列させて、各基準線Ｌに対して鋭角をなす複数の噴孔１５２ａ，１５２ａ・・・を形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
針弁を中心とする周方向に配列された複数の噴孔から燃料が噴射される燃料噴射弁であって、
噴霧に貫徹力を持たせる方向を示す基準線として、前記針弁を中心とする周方向にずらして第１及び第２の基準線が設定され、
前記第１の基準線に関し、この第１の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第１の噴孔群が設けられるとともに、
前記第２の基準線に関し、この第２の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第２の噴孔群が設けられ、
前記第１の噴孔群の各噴孔は、前記第１の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第１の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成し、
前記第２の噴孔群の各噴孔は、前記第２の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第２の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成する燃料噴射弁。
【請求項２】
前記第１及び第２の噴孔群において、噴孔が各基準線に対してなす角の大きさが２０〜４５°である請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記第１及び第２の噴孔群において、噴孔の孔径が０．１ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記第１及び第２の噴孔群において、各噴孔群を形成する噴孔の孔径が、両噴孔群の基準線上の２点を結ぶ線に近い噴孔のものほど小さい請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記第１及び第２の噴孔群において、各噴孔群を形成する噴孔のうち隣り合うもの同士の間隔が、両噴孔群の基準線上の２点を結ぶ線に近い位置におけるものほど小さい請求項１〜４のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
第１又は第２の基準線を中心とする周方向の噴孔の位相が噴孔群毎にずらして設定された請求項１〜５のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記第１及び第２の基準線が前記針弁の中心軸の方向にずらして設定された請求項１〜５のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関し、詳細には、針弁を中心とする周方向に配列させて複数の噴孔が形成された多噴孔タイプの燃料噴射弁において、噴霧の貫徹力を強化するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料の微細化のため、多噴孔タイプの燃料噴射弁が採用されることは、よく知られたことである。この多噴孔タイプの燃料噴射弁のうち、特に噴霧における燃料の分布均一化を目的としたものとして、次の群噴孔タイプの燃料噴射弁が知られている。すなわち、噴霧に貫徹力を持たせる方向として、針弁を中心とする周方向にずらして複数の方向が設定されるとともに、この複数の方向のそれぞれについて、複数の小さな噴孔からなる噴孔群が設けられたものである（特許文献１）。このものにおいて、各噴孔群の噴孔は、貫徹力を持たせる方向を示す軸上の位置と、この軸を基準とする円周上の位置とに、円陣状に配置される。
【特許文献１】特開昭６２−０８７６６５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この公知の群噴孔タイプの燃料噴射弁には、次のような噴射特性上の問題がある。すなわち、このものでは、各噴孔群において、複数の噴孔が前記軸上の位置を含む円陣状に配置される。このため、貫徹力を持たせる方向毎に、その方向を示す軸上の位置のみに噴孔が設けられた一般的な多噴孔タイプのものと比較して、噴霧における燃料の分布均一化を促進することができる。しかしながら、噴霧の拡がり角を単に拡大させるものに過ぎないため、逆に噴霧の貫徹力の低下を来し、燃料と空気との混合が充分に進行せず、すすの発生を満足に抑制することができない場合があることである。
【０００４】
本発明は、群噴孔タイプの燃料噴射弁において、噴霧の強い貫徹力を確保し、すすの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、多噴孔タイプの燃料噴射弁を提供する。本発明に係る装置は、針弁を中心とする周方向に配列された複数の噴孔から燃料が噴射される燃料噴射弁であって、噴霧に貫徹力を持たせる方向を示す基準線として、針弁を中心とする周方向にずらして第１及び第２の基準線が設定され、第１の基準線に関し、この第１の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第１の噴孔群が設けられるとともに、第２の基準線に関し、この第２の基準線上を除く位置に形成された複数の噴孔からなる第２の噴孔群が設けられ、第１の噴孔群の各噴孔は、第１の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第１の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成し、第２の噴孔群の各噴孔は、第２の基準線に対して鋭角をなすとともに、この第２の基準線を中心とする周方向に並ぶ開口端を形成するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、噴霧に貫徹力を持たせる方向を示す複数の基準線（すなわち、第１及び第２の基準線）に関し、各基準線上の位置を外して、各基準線に対して鋭角をなす複数の噴孔を周方向に配列させて形成したので、噴霧における燃料の分布均一化を促進するとともに、各基準線上を進む噴霧が形成され、この噴霧により噴霧全体としての強い貫徹力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射弁１０１を含んで構成される内燃機関１の構成を示している。
内燃機関（以下「エンジン」という。）１は、燃焼の予混合化が促進された、いわゆるＨＣＣＩ（又は予混合圧縮着火）タイプのディーゼルエンジンである。このエンジン１において、燃料噴射弁１０１は、気筒中心軸ｍ上に配置され、燃焼室１０２の上部中央に臨ませて、シリンダヘッドＨに設置されている。燃料噴射弁１０１により、燃焼室１０２内に燃料が直接噴射され、噴射された燃料は、全体として中空のコーン状噴霧を形成する。
【０００８】
シリンダブロックＢには、ピストン１０３が挿入されており、ピストン１０３の冠面とシリンダヘッドＨの下面との間に形成される空間が、燃焼室１０２となる。シリンダヘッドＨには、気筒中心軸ｍを基準とした一側に吸気ポート１０４が形成されており、吸気ポート１０４は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート１０４は、吸気弁１０５により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸ｍを基準とした他側に排気ポート１０６が形成されており、排気ポート１０６は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート１０６は、排気弁１０７により開放及び遮断される。吸気弁１０５及び排気弁１０７は、各弁１０５，１０７の上方に配置された吸気カム及び排気カム（図示せず。）により夫々駆動される。
【０００９】
本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じ、ＨＣＣＩ燃焼と、燃料の噴射終了前に燃焼を開始させる典型的な圧縮着火（以下「圧縮着火」という。）燃焼との間で燃焼形態を切り換える。エンジン１が比較的に低回転、かつ低負荷側の領域にあるときは、前者のＨＣＣＩ燃焼によることとし、これ以外の領域にあるときは、後者の圧縮着火燃焼によることとする。ＨＣＣＩ燃焼による場合は、内部ＥＧＲ等により多量の既燃ガスを筒内に循環させるとともに、燃料の噴射時期を圧縮着火燃焼による場合よりも遅角させる。ＨＣＣＩ燃焼により、本来的にトレードオフの関係にある窒素酸化物及びすすの発生を同時に低減することができる。内部ＥＧＲの実施のため、本実施形態では、吸気カムに可変機構を採用し、吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ量を変化させることとしている。
【００１０】
燃料噴射弁１０１の動作は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２０１により制御される。ＥＣＵ２０１には、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルセンサ２５１からの信号、及び単位クランク角及び基準クランク角を検出するクランク角センサ２５２からの信号（この信号に基づいてエンジン回転数を検出する。）等が入力される。ＥＣＵ２０１は、入力した各種の信号をもとに、燃料噴射弁１０１による燃料の噴射量及び噴射時期を制御する。
【００１１】
図２は、燃料噴射弁１０１のノズル部の構成を示している。図２（ａ）は、このノズル部を、針弁１５１の中心軸（以下「針弁中心軸」という。）ｎを含む平面による断面で示しており、同図（ｂ）は、その先端を拡大して示している。
燃料噴射弁１０１は、多噴孔タイプの燃料噴射弁であり、針弁１５１を中心とする周方向に配列させて複数の噴孔１５２ａ，１５２ａ・・・が形成されている。本体１５２の内部には、軸方向に空洞が形成されており、この空洞に針弁１５１が同軸に挿入されて、針弁１５１の周面及び本体１５２の内面により、噴孔１５２ａに連通する燃料の内部通路１５３が形成されている。針弁１５１は、ＥＣＵ２０１からの信号に基づいて駆動され、この信号に基づいて図示しないソレノイドが励磁されることで、このソレノイドに吸着されて針弁中心軸ｎ上を上昇し、噴孔１５２ａを開放させる。燃料は、燃料ポンプ１０８により配管１０９を介して供給され、内部通路１５３及び噴孔１５２ａを介して燃焼室１０２内に噴射される。
【００１２】
本実施形態では、噴射された燃料の噴霧に貫徹力を持たせる方向として、針弁１５１を中心とする周方向にずらして複数の方向が設定され、かつこの方向毎に対応させて、複数の基準線Ｌ，Ｌ・・・が設定されている。各基準線Ｌは、針弁中心軸ｎに対して鋭角をなすとともに、針弁１５１を中心とする周方向に所定の角度（ここでは、６０°）毎にずらして、放射状に設定されている。本体１５２の先端には、貫徹力を持たせる方向のそれぞれについて、その方向を規定する基準線Ｌを中心とする周方向に複数の噴孔１５２ａ，１５２ａ・・・が並設されており、基準線Ｌ毎に噴孔群ｇ，ｇ・・・が形成されている。各噴孔群ｇの噴孔１５２ａは、本体１５２の端面において、基準線Ｌを中心とする円周上に並ぶ開口端を形成している。各噴孔１５２ａ（中心軸をＣで示す。）は、基準線Ｌに対して２０〜４５°の角度θで傾斜するとともに、０．１ｍｍ以下の孔径φで形成されている。角度θ及び孔径φに関するこのような設定は、後述する噴霧の巻き込みにより貫徹力の強い噴霧Ｓ２を形成するために必要であると考えられる。なお、本実施形態では、基準線Ｌを中心とする周方向の噴孔１５２ａの位相αを、全ての噴孔群ｇで一致させている。
【００１３】
図３は、燃料噴射弁１０１による噴霧の形成過程を示している。
噴射初期において、各噴孔１５２ａから噴射された燃料の噴霧Ｓ１は、全体として、貫徹力を持たせる方向を示す基準線Ｌを中心とする中空のコーン状噴霧を形成する（図３（ａ））。ここで、各噴孔１５２ａが基準線Ｌに対して傾斜させて形成されるとともに、各噴孔１５２ａの孔径φが小さな値に設定され、燃料が充分に微細化されることで、内部通路１５３内の燃料の圧力が充分に高められた場合は、噴射開始直後にコーン状噴霧の周囲の空気を内部に巻き込む旋回流動Ｆが形成される。この旋回流動Ｆにより、後続の噴霧Ｓ１が周囲の空気とともにコーン状噴霧の内部に、加速しながら巻き込まれる（図３（ｂ））。巻き込まれた噴霧は、基準線Ｌ上を進むほぼ中実の、かつ燃料濃度差の小さい噴霧Ｓ２を形成する。この噴霧Ｓ２が噴射終了までに先行の噴霧Ｓ１を追い越すことで、この噴霧Ｓ２により噴霧全体としての強い貫徹力が与えられることになり（図３（ｃ））、燃料と空気との混合不足によるすすの発生が抑制される。噴射終期において、各噴孔群ｇからの噴霧Ｓ２により、燃焼室１０２の比較的に広い範囲に拡散された中空のコーン状噴霧が形成される（図３（ｄ））。
【００１４】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、多噴孔タイプの燃料噴射弁１０１において、噴霧に貫徹力を持たせる方向毎に基準線Ｌを設定し、この方向のそれぞれについて、基準線Ｌ上の位置を外して、基準線Ｌに対して鋭角をなす複数の噴孔１５２ａを周方向に配列させて形成した。このため、噴射開始直後に旋回流動Ｆが形成され、この旋回流動Ｆにより後続の噴霧が、先行の噴霧が形成するコーンの内部に巻き込まれることで、基準線Ｌ上を進み、燃焼濃度差の小さな噴霧を形成するため、噴霧全体としての燃料の分布均一化を促進することができる。また、旋回流動Ｆによる巻き込みにより形成される噴霧Ｓ２は、先行の噴霧Ｓ１よりも貫徹力が強く、かつ噴射終了までにこの先行の噴霧Ｓ１を追い越すため、噴霧Ｓ２により噴霧全体としての強い貫徹力を得ることができ、すすの発生を抑制することができる。特に、ＨＣＣＩ燃焼による場合は、燃焼の予混合化も相俟って、すすの低減効果を一層際立たせることができる。
【００１５】
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の先端を拡大して示している。
本実施形態では、隣り合う噴孔群ｇ，ｇの間における噴霧の干渉を抑制し、旋回流動Ｆを確実に発達させることを企図している。すなわち、本実施形態では、各噴孔群ｇにおいて、噴孔１５２ａの孔径φと、隣り合う噴孔１５２ａ，１５２ａ同士の間隔ρとを、基準線Ｌを中心とする周方向で変化させ、孔径φを、針弁中心軸ｎに対して垂直な線（以下「原線」という。）ｘに近い噴孔１５２ａのものほど小さな値に設定するとともに、間隔ρも、この原線ｘに近い位置におけるものほど小さな値に設定している。図５は、原線ｘから角度αの位置における噴孔１５２ａの孔径φ、及びこの噴孔１５２ａと隣り合う噴孔１５２ａとの間隔ρを示している。孔径φは、原線ｘ上の位置（α＝０，１８０°）で最も小さな値に設定するとともに、角度αが９０，２７０°の位置で最も大きな値に設定し、最小点及び最大点の間で徐々に変化させている。また、間隔ρも、これと同様に、原線ｘ上の位置で最も小さな値に設定するとともに、角度αが９０，２７０°の位置で最も大きな値に設定している。言い換えれば、範囲当たりの噴孔１５２ａの数μを、原線ｘ上の位置で最も大きな値に設定するとともに、角度αが９０，２７０°の位置で最も小さな値に設定している。なお、本実施形態では、間隔ρとして、隣り合う噴孔１５２ａ，１５２ａの中心軸上の２つの点により切り取られる円弧の中心角を採用している。孔径φ及び間隔ρの設定以外の構成は、第１の実施形態のものと同様である。
【００１６】
本実施形態により得られる効果について、図６，７により説明する。図６は、第１の実施形態のものによる場合に、隣り合う噴孔群ｇ，ｇの間で噴霧Ｓ１，Ｓ１が干渉し、旋回流動Ｆが充分に発達せず、基準線Ｌ上を進む噴霧Ｓ２が良好に形成されない状態を示している。他方、図７は、本実施形態の採用により、噴霧Ｓ１，Ｓ１の干渉が抑制され、旋回流動Ｆが発達し、噴霧Ｓ２が良好に形成された状態を示している。
【００１７】
孔径φ及び間隔ρを周方向で一定とした図６の場合は、隣り合う噴孔群ｇ，ｇの間で噴霧Ｓ１，Ｓ１が干渉し易い傾向にある。噴霧Ｓ１，Ｓ１が実際に干渉すると、干渉領域で周囲の空気を取り込み難くなるため、旋回流動Ｆの未発達により後続の噴霧の巻き込みが弱くなり、噴霧Ｓ２の貫徹力を充分な強さで得ることができない。また、噴霧に燃料濃度差を生じさせることとなり、干渉領域に集中した燃料によりすすの発生量が増大する。これに対し、本実施形態の採用により、孔径φ及び間隔ρを周方向で変化させた図７の場合は、噴霧Ｓ１，Ｓ１の干渉を抑制することができ、旋回流動Ｆを確実に発達させて、噴霧Ｓ２の貫徹力を充分な強さで得ることができる。この効果は、干渉が生じ易い領域で噴孔φを小さな値に設定することで、燃料の微細化が促進され、周囲の空気に付与される運動エネルギーが大きくなるためであり、また、この領域で間隔ρを小さな値に設定し、範囲当たりの噴孔１５２ａの数μを増大させることで、噴射初期の圧力低下が大きくなり、噴霧の巻き込みが強くなるためであると考えられる。
【００１８】
図８，９は、本発明の第３及び第４の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の構成を夫々示している。図８（ａ）は、燃料噴射弁のノズル部の先端を示しており、同図（ｂ）は、この先端を拡大して示している。他方、図９（ａ）は、燃料噴射弁のノズル部を、針弁中心軸ｎを含む平面による断面で示しており、同図（ｂ）は、このノズル部の先端を示している。
【００１９】
これらの実施形態でも、先の第２の実施形態におけると同様に、隣り合う噴孔群ｇ，ｇの間における噴霧の干渉を抑制することを目的とし、第３の実施形態では、基準線Ｌを中心とする周方向の噴孔１５２ａの位相αを噴孔群ｇ毎にずらして設定することとし、第４の実施形態では、隣り合う噴孔群ｇ，ｇの基準線Ｌ，Ｌを針弁中心軸ｎの方向にずらして設定している。第３の実施形態では、隣り合う噴孔群ｇ，ｇの間で、噴孔１５２ａ，１５２ａの位相をα／２ずつずらして設定し（図８（ｂ））、第４の実施形態では、噴孔１５２ａの位相を全ての噴孔群ｇで一致させる一方、基準線Ｌ，Ｌを針弁中心軸ｎの方向に距離ｌだけずらして設定している。
【００２０】
これらの実施形態によれば、噴霧が隣接する領域で空気の取り込みを生じ易くし、旋回流動Ｆを確実に発達させることができるので、噴霧の干渉による旋回流動Ｆの未発達を回避し、強い貫徹力の噴霧Ｓ２を良好に形成することができる。
なお、以上では、内燃機関としてＨＣＣＩタイプのディーゼルエンジンを採用した場合を例に説明したが、本発明は、これに限らず、ＨＣＣＩタイプのガソリンエンジンに適用することもできる。ガソリンエンジンに適用する場合は、圧縮着火を確実なものとするため、内部ＥＧＲ等により圧縮開始時における筒内温度を上昇させるとともに、実用運転領域を確保するため、点火プラグを設置し、ＨＣＣＩ燃焼と均質燃焼との間で燃焼形態を切り換えるようにするとよい。
【００２１】
また、内燃機関としてガソリンエンジンを採用する場合は、燃料の分布均一性及び噴霧の貫徹力が得られるこの燃料噴射弁の特性により、直噴タイプのものを採用すると効果的である。
更に、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を運転状態に応じて変化させ、貫徹力の確保を主体とする噴射形態と、拡がり角の拡大を主体とする噴射形態とを、たとえば、燃焼形態に対応させて切り換えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成
【図２】同上実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の構成
【図３】同上実施形態に係る燃料噴射弁による噴霧の形成過程
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の構成
【図５】同上燃料噴射弁における噴孔の孔径及び間隔の設定
【図６】隣り合う噴孔群の間における噴霧の干渉
【図７】第２の実施形態に係る燃料噴射弁により形成される噴霧
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の構成
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料噴射弁のノズル部の構成
【符号の説明】
【００２３】
１…内燃機関、１０１…燃料噴射弁、１０２…燃焼室、１０３…ピストン、１０４…吸気ポート、１０５…吸気弁、１０６…排気ポート、１０７…排気弁、１５１…針弁、１５２…燃料噴射弁の本体、１５２ａ…噴孔、２０１…エンジンコントロールユニット、２５１…アクセルセンサ、２５２…クランク角センサ、Ｈ…シリンダヘッド、Ｂ…シリンダブロック、Ｌ…基準線、Ｓ１，Ｓ２…噴霧、Ｆ…空気の流れ、ｇ…噴孔群、ｍ…気筒中心軸、ｎ…針弁中心軸。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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