(57)【要約】【課題】燃焼室内の燃料濃度にムラを生じ難くできる燃料の噴射構造を提供する。【解決手段】スワールが生成される燃焼室にインジェクタの先端部１Ｅから燃料を噴射する燃料の噴射構造である。前記先端部１Ｅは、その周方向に並列される複数の噴射単位領域１Ｕを備える。前記各噴射単位領域１Ｕは、一つ以上の噴射孔１Ｈの少なくとも一部で構成される円弧状部１Ａを有する。前記円弧状部１Ａは、前記インジェクタの軸方向に離れて配置される両端部と、前記両端部の間に配置され、前記両端部よりも前記スワールの上流側に膨らむ中間部とを備える。噴霧燃料の形状を、断面が円弧状の錐体状に形成できるため、リッチ領域の発生を抑制して、スモークの発生を低減できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スワールが生成される燃焼室にインジェクタの先端部から燃料を噴射する燃料の噴射構造であって、
前記先端部は、その周方向に並列される複数の噴射単位領域を備え、
前記各噴射単位領域は、一つ以上の噴射孔の少なくとも一部で構成される円弧状部を有し、
前記円弧状部は、
前記インジェクタの軸方向に離れて配置される両端部と、
前記両端部の間に配置され、前記両端部よりも前記スワールの上流側に膨らむ中間部とを備える燃料の噴射構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局部的に燃料濃度が高い領域の発生を抑制して、スモークの発生を低減できる燃料の噴射構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関として、燃焼室内の空気をピストンで圧縮して高温にし、インジェクタから燃焼室内に噴射した燃料を空気と混合させて自然着火により燃焼させるディーゼルエンジンが知られている。この燃焼を燃焼室内でスムーズに行うため、一般に吸気には、シリンダの軸回りに旋回するスワールと、シリンダと直交する軸回りに旋回するタンブルが付与される。
【０００３】
例えば、特許文献１の技術では、スワールに対する噴霧燃料の直進性を考慮して、インジェクタの噴射孔のサイズと配列に工夫を施すことで、各噴射孔から噴霧された燃料同士の干渉を低減し、局所的に燃料濃度の高い領域（リッチ領域）が発生することを抑制している。この技術は、噴孔のサイズと燃料の噴射方向が異なる２つの噴孔群を周方向に交互に配列し、相対的にスワールに対する直線性の低い第１の噴孔の中心軸線が、直進性の高い第２の噴孔の中心軸線に対してスワール上流側に所定の片寄りを持っている。これにより、局所的に燃料濃度の高い領域の発生を抑制し、当該領域で煤（スモーク）の発生を低減できるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２２４４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、噴射孔のサイズや配列の工夫により燃料濃度のばらつきを改善する手法には限界がある。従来の燃料の噴射は、図６（Ａ）に示すように、インジェクタ１の先端部に設けた複数の噴射孔１Ｈから放射状に行われる。各噴射孔１Ｈは円形であるため、噴射された燃料は、複数の円錐が放射状に並ぶ噴霧形状を形成する。燃焼室内にスワールが生じると、図６（Ｂ）に示すように、円錐状の噴霧燃料Ｆｓ（二点鎖線）は、スワール（白抜き矢印）の下流側に流されて変形し（実線）、隣り合う円錐状の噴霧燃料と部分的に重複する。その結果、重複箇所は局所的にリッチ領域Ｒとなり、この箇所で燃焼が生じることでスモーク（ハッチング部）が発生する場合がある。特許文献１の技術も噴射孔の形状が円形であり、燃料の噴霧形状が円錐状であることに変わりはなく、より確実にリッチ領域を低減するにはさらなる改善の余地がある。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、局部的にリッチな燃焼が生じることを抑制して、スモークの発生を低減できる燃料の噴射構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る燃料の噴射構造は、スワールが生成される燃焼室にインジェクタの先端部から燃料を噴射する燃料の噴射構造であって、前記先端部は、その周方向に並列される複数の噴射単位領域を備える。前記各噴射単位領域は、一つ以上の噴射孔の少なくとも一部で構成される円弧状部を有する。前記円弧状部は、前記インジェクタの軸方向に離れて配置される両端部と、前記両端部の間に配置され、前記両端部よりも前記スワールの上流側に膨らむ中間部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記の燃料の噴射構造によれば、噴霧燃料の形状を、断面が円弧状の錐体状に形成できるため、リッチ領域の発生を抑制して、スモークの発生を低減することができる。この錐体状の噴霧燃料は、スワールの上流側に膨らむ円弧状の断面を有するため、スワールに流された際、上記円弧の両端部側の噴霧燃料がスワールの下流側に流されやすく、両端部に挟まれる中間部の噴霧燃料は流され難い。そのため、断面が円弧状の噴霧燃料の両端部の間のほぼ全域に亘って、隣り合う錐体状の噴霧燃料同士が重なることがない。万一、隣り合う錐体状の噴霧燃料同士に重複箇所が生じるとしても、その位置は上記円弧の両端部付近に限られる。そのため、重複箇所が生じた付近でも、上記円弧の内側と外側に空気の介在スペースができやすく、噴霧燃料と空気との効率的な混合が可能であり、リッチ領域が形成され難い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料の噴射構造を含む燃焼室周辺の模式図である。
【図２】実施形態１に係る燃料の噴射構造を構成する噴射孔の近傍を示す模式図である。
【図３】実施形態１に係る燃料の噴射構造での燃料の噴霧形態の概略説明図であり、（Ａ）は弱いスワールの場合、（Ｂ）は強いスワールの場合を示す。
【図４】実施形態に係る燃料の噴射構造を構成する噴射孔の概略構成図であり、（Ａ）は変形例１、（Ｂ）は変形例２、（Ｃ）は変形例３を示す。
【図５】実施形態に係る燃料の噴射構造を構成する噴射孔の概略構成図であり、（Ａ）は変形例４、（Ｂ）は変形例５を示す。
【図６】（Ａ）は従来技術における燃料の噴霧形態を示す模式図、（Ｂ）はその噴射形態におけるスワールの影響を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る燃料の噴射構造を図１〜図３に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１１】
＜実施形態１＞
≪概要≫
図１に示すように、実施形態１に係る燃料の噴射構造を備える内燃機関１００は、ピストン２と、内部でピストン２を往復させるシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に配置されるシリンダヘッド４とを備える。ピストン２の頂面には凹部２ｃが形成されており、その凹部２ｃによって燃焼室９が構成される。シリンダヘッド４には、吸気ポート６と排気ポート７とが設けられており、両ポート６，７はシリンダブロック３の内周空間に繋がっている。吸気ポート６のシリンダブロック３側の開口端である吸気口は吸気バルブ６ｂによって開閉され、排気ポート７のシリンダブロック３側の開口端である排気口は排気バルブ７ｂによって開閉される。これら各バルブ６ｂ，７ｂと吸気口・排気口の形状や燃焼室９の形状などにより、燃焼室９内にはシリンダの軸を旋回軸とするスワールが形成される。そして、この内燃機関１００の燃焼室９の天井部分、即ちシリンダヘッド４のうち、燃焼室９に対向するルーフ面には、燃焼室９に燃料を噴射するインジェクタ１が取り付けられている。本実施形態に係る燃料の噴射構造の特徴の一つは、このインジェクタ１の先端部１Ｅに特定形状の噴射単位領域１Ｕ（図２）を備えることにある。
【００１２】
≪インジェクタの基本構成≫
インジェクタ１は、燃焼室９内に燃料の噴射を行う部材である。具体的には、内部に燃料通路を有する筒状のバルブボディー１Ｂと、その内部に配置されるニードルバルブ（図示せず）とを備える。バルブボディー１Ｂは、後端側の大径部と先端側の小径部とを備え、小径部の先端部１Ｅには、燃料通路内の燃料を先端部１Ｅの外方に噴射させる複数の噴射孔１Ｈが形成されている。この先端部１Ｅには複数の噴射単位領域１Ｕが形成されているが、噴射単位領域１Ｕの詳細は噴射孔１Ｈとの関係を含めて後述する。このような構成を備えるインジェクタ１では、ニードルバルブが後退（バルブボディー１Ｂの先端とは反対側に移動）することで、噴射孔１Ｈから燃料が噴射される。インジェクタ１は、エンジンコントロールユニットなどで構成される制御部（図示せず）に繋がっており、制御部の指令によってニードルバルブが進退することで、燃料の噴射量や時間を調節することができる。ニードルバルブは、ソレノイドなどやピエゾ素子などで進退される。
【００１３】
≪インジェクタの取付構造≫
インジェクタ１は、バルブボディー１Ｂの大半がシリンダヘッド４の挿入孔４Ｈに収納され、噴射孔１Ｈを有する先端部１Ｅが燃焼室９内に露出するように取り付けられている。挿入孔４Ｈは円筒孔で、バルブボディー１Ｂの大径部が挿入される大径孔と、小径部が挿入される小径孔とを備える。また、小径部と小径孔との間等の適所には、燃焼室９内を気密に保持するシール部材（図示略）が配置されている。
【００１４】
≪噴射単位領域≫
インジェクタ１の先端部１Ｅには、複数の噴射単位領域１Ｕが形成されている。噴射単位領域１Ｕは、円錐状の先端部１Ｅの側面に、周方向に並列される並列単位のことである。この噴射単位領域１Ｕは、単一の噴射孔１Ｈで構成される場合と、複数の噴射孔１Ｈの配列群で構成される場合がある。本例では単一の噴射孔１Ｈで噴射単位領域１Ｕを形成する場合について説明し、複数の噴射孔１Ｈの配列群で噴射単位領域１Ｕを形成する場合については後述する変形例にて説明する。各噴射単位領域１Ｕは、一つ以上の噴射孔１Ｈの少なくとも一部で構成される円弧状部１Ａを有する。「一つの噴射孔１Ｈの少なくとも一部で構成される」とは、次の場合が含まれる。
（Ａ）単一の噴射孔１Ｈの開口の一部が円弧状部１Ａである（後述の変形例1：図４（Ａ））。
（Ｂ）単一の噴射孔１Ｈの開口自体が円弧状部１Ａである（本例：図２）。
（Ｃ）円弧状に配列されている複数の噴射孔１Ｈ群が円弧状部１Ａである（後述の変形例２，３：図４（Ｂ），（Ｃ））。
【００１５】
いずれの場合も、円弧状部１Ａから燃料を噴射した場合に、断面が円弧状の錐体となる噴霧形状を形成できる。
【００１６】
この円弧状部１Ａは、インジェクタ１の軸方向に離れて配置される両端部と、両端部の間に配置され、両端部よりもスワールの上流側に膨らむ中間部とを備える。両端部と中間部とが上記の配置とされることで、断面が円弧状の錐体となる噴霧燃料Ｆｓは、両端部がスワールの下流側に流されやすいようにできる。本例では、図２に示すように、噴射孔の開口自体を円弧状部１Ａとしている。具体的には、湾曲状の噴射孔がインジェクタ１の周方向に複数並列されている。つまり、単一の円弧状部１Ａが単一の噴射単位領域１Ｕに相当する。
【００１７】
円弧状部１Ａの形状は、幾何学的な円弧である必要はなく、全体的に見て概略湾曲形状を有する長尺な形状であればよい。例えば、複数の直線状部を階段状に繋ぐことで全体をＣ状に構成して円弧状部１Ａとしたり、曲線状の円弧状部１Ａの途中に直線状部があっても構わない。
【００１８】
円弧状部１Ａの幅は、長手方向に一様でなくても良い。つまり、円弧状部１Ａの一部に幅の異なる領域を備えていても構わない。本例では、長手方向に一様な幅の円弧状部１Ａとしている。
【００１９】
一つの噴射単位領域１Ｕに含まれる円弧状部１Ａの数は特に限定されない。本例であれば、一つの噴射単位領域１Ｕに一つの円弧状部１Ａが形成されているが、例えば、複数の円弧状部１Ａがインジェクタ１の軸方向に並んでいても構わない。
【００２０】
円弧状部１Ａの両端部の位置は、互いにインジェクタ１の周方向にずれていても構わない。本例では、円弧状部１Ａの両端部はインジェクタ１の周方向の位置が一致している。
【００２１】
各噴射単位領域１Ｕの形状は、全て同一であっても良いし、一部に異なった形状の噴射単位領域が含まれていても良い。本例では、全て同一形状の噴射単位領域１Ｕとしている。
【００２２】
各噴射単位領域１Ｕの大きさは、均一でも不均一でも構わない。大きさの異なる噴射単位領域１Ｕを並列する場合、隣り合う噴射単位領域１Ｕにおいて、一方の噴射単位領域１Ｕにおける円弧状部１Ａの中央部と、他方の噴射単位領域１Ｕにおける円弧状部１Ａの両端部は、インジェクタ１の周方向に重ならないことが好適である。周方向に隣り合う円弧状部１Ａでは、一方の円弧状部１Ａの中央部と他方の円弧状部１Ａの両端部が周方向に近接するため、両者が重ならなければ、そこからの噴霧燃料Ｆｓ同士も重なり難い。
【００２３】
各噴射単位領域１Ｕの配置間隔は、先端部１Ｅの周方向に等間隔に設けることが好適である。それにより、放射状にほぼ均等に燃料を噴射することができる。本例では、インジェクタ１の先端部１Ｅにおいて、円弧状の噴射孔１Ｈが周方向に等間隔で複数並列されている。勿論、この配置間隔が均一でなくても良い。例えば、一部の噴射単位領域１Ｕ（第一領域）を等間隔に設け、その間隔の２等分線からずれた位置に残部の噴射単位領域１Ｕ（第二領域）同士を等間隔に設けても良い。この配置では、第一領域とその一方に隣り合う第二領域との間隔と、第一領域とその他方に隣り合う第二領域との間隔は異なることになる。
【００２４】
さらに、各噴射単位領域１Ｕには、リッチ領域が実質的に生じない限り、円弧状部１Ａだけで構成される必要はなく、円弧状部１Ａ以外の形態領域が存在しても構わない。例えば、２つの円弧状部１Ａがインジェクタ１の軸方向に沿って並列され、両円弧状部１Ａの間が直線状部で繋がれた形状の噴射単位領域１Ｕであっても構わない。
【００２５】
上述した噴射孔は、例えばレーザ加工などの微細加工により形成することができる。特に円弧状などの微細な非円形の噴射孔はレーザ加工により精密に加工することができる。
【００２６】
≪スワールと燃料の噴霧形態≫
以上の噴射単位領域１Ｕを備える燃料の噴射構造において、スワールの生成下で噴射された燃料の噴霧形態を図３に基づいて説明する。図３では噴霧燃料Ｆｓの断面形状を模式的に示し、スワールの流動方向を白抜き矢印で示している。図の左側がスワールの下流側、右側がスワールの上流側である。
【００２７】
スワールが弱い場合、図３（Ａ）に示すように、噴霧燃料Ｆｓは断面が円弧状の錐体がインジェクタ１の周方向に並んだ状態となるが、上記円弧状の噴霧燃料はスワールにより変形することが殆どない。そのため、隣り合う円弧状の噴霧燃料Ｆｓは、その円弧の両端部・中央部のいずれもが離隔されて互いに干渉することがなく、リッチ領域が実質的に形成されることもない。
【００２８】
スワールが強い場合、図３（Ｂ）に示すように、噴霧燃料Ｆｓは断面が円弧状の錐体がインジェクタの周方向に並んだ状態となる点は同じだが、個々の上記円弧状の噴霧燃料Ｆｓはスワールにより大きく変形される。その際、各噴霧燃料Ｆｓにおける円弧の中央部同士は互いに離隔されているが、円弧の両端部がスワールの下流側に大きく流された状態になり易く、隣り合う円弧状の噴霧燃料Ｆｓの一部に重なる場合がある。但し、この場合でも、隣り合う噴霧燃料Ｆｓ同士の重なる領域はごく一部に限られる上、重なった両端部付近においても円弧の内側と外側に空気の介在スペースが形成される。そのため、リッチ領域の生成を可及的に抑制して、燃料と空気の混合を十分に行うことができる。
【００２９】
≪効果≫
以上の燃料の噴射構造は、次の効果を奏する。噴霧燃料Ｆｓの形状を、断面が円弧状の錐体状に形成できるため、リッチ領域の発生を抑制して、スモークの発生を低減することができる。この錐体状の噴霧燃料Ｆｓは、スワールの上流側に膨らむ円弧状の断面を有するため、スワールに流された際、上記円弧の両端部側の噴霧燃料Ｆｓがスワールの下流側に流されやすく、両端部に挟まれる中間部の噴霧燃料Ｆｓは流され難い。そのため、断面が円弧状の噴霧燃料Ｆｓのほぼ全域に亘って、隣り合う錐体状の噴霧燃料Ｆｓ同士が重なることがない。万一、隣り合う錐体状の噴霧燃料Ｆｓ同士に重複箇所が生じるとしても、その位置は上記円弧の両端部付近に限られる。そのため、重複箇所が生じた付近でも、上記円弧の内側と外側に空気の介在スペースができやすく、噴霧燃料Ｆｓと空気との効率的な混合が可能であり、リッチ領域が形成され難い。
【００３０】
＜変形例＞
以上の実施形態１は、図４、図５に示す以下の構成に変更することができる。図４では単一の噴射単位領域を構成する噴射孔の開口を示し、図５では複数の噴射単位領域の配列状態を示す。いずれの図においても、紙面上下方向がインジェクタの軸方向、紙面左右方向がインジェクタの周方向であり、紙面左側がスワールの下流、紙面右側がスワールの上流である。
【００３１】
≪変形例１≫
変形例１は、図４（Ａ）に示すように、単一の噴射孔１Ｈで複数の円弧状部１Ａを有する単一の噴射単位領域１Ｕを形成した構成である。この噴射孔１ＨはＷ状の開口を有する。より具体的には、一対の円弧状部１Ａがインジェクタ１の軸方向に直列に一体化された噴射孔１Ｈである。このようなＷ状の噴射孔１Ｈをインジェクタ１の先端部１Ｅの周方向に複数並列することで、スワールの下流側に各円弧状部１Ａの両端部が、スワールの上流側に各円弧状部１Ａの中間部が配置されることになる。この噴射孔１Ｈからの噴霧燃料Ｆｓは、同図の右側に二点鎖線で示すように、Ｗ状の断面形状を有する錐体となる。そのため、実施形態１と同様に、隣り合う噴射孔１Ｈから噴射された噴霧燃料Ｆｓ同士が互いに干渉することを効果的に低減でき、スモークの発生を低減できる。
【００３２】
≪変形例２≫
変形例２は、図４（Ｂ）に示すように、複数の噴射孔１Ｈで単一の円弧状部１Ａを有する単一の噴射単位領域１Ｕを形成した構成である。個々の噴射孔１Ｈは円形の微噴口であり、これら微噴口が円弧状に配列されることで円弧状部１Ａを構成し、その円弧状部１Ａが単一の噴射単位領域１Ｕに相当している。このような円弧状の噴射単位領域１Ｕをインジェクタ１の先端部１Ｅの周方向に複数並列することで、スワールの下流側に各円弧状部１Ａの両端部が、スワールの上流側に各円弧状部１Ａの中間部が配置されることになる。これらの噴射孔１Ｈからの噴霧燃料Ｆｓは、同図の右側に二点鎖線で示すように、円弧状の断面形状を有する錐体となる。そのため、実施形態１と同様に、隣り合う噴射単位領域１Ｕから噴射された噴霧燃料Ｆｓ同士が互いに干渉することを効果的に低減でき、スモークの発生を低減できる。
【００３３】
≪変形例３≫
変形例３は、図４（Ｃ）に示すように、複数の噴射孔１Ｈで複数の円弧状部１Ａを有する単一の噴射単位領域１Ｕを形成した構成である。個々の噴射孔１Ｈは円形の微噴口であり、これら微噴口がＷ状に配列されることで２つの円弧状部１Ａがインジェクタ１の軸方向に直列に配列され、両円弧状部１Ａが単一の噴射単位領域１Ｕに相当している。このような円弧状の噴射単位領域１Ｕをインジェクタ１の先端部１Ｅの周方向に複数並列することで、スワールの下流側に各円弧状部１Ａの両端部が、スワールの上流側に各円弧状部１Ａの中間部が配置されることになる。これらの噴射孔１Ｈからの噴霧燃料Ｆｓは、同図の右側に二点鎖線で示すように、Ｗ状の断面形状を有する錐体となる。そのため、実施形態１と同様に、隣り合う噴射単位領域１Ｕから噴射された噴霧燃料Ｆｓ同士が互いに干渉することを効果的に低減でき、スモークの発生を低減できる。
【００３４】
≪変形例４≫
変形例４は、図５（Ａ）に示すように、大きさの異なる円弧状の噴射孔１ＨＳ、１ＨＬをインジェクタの周方向に交互に並列した構成である。この噴射孔１ＨＳ、１ＨＬからの噴霧燃料は、それぞれ小さな円弧状の断面形状を有する錐体と大きな円弧状の断面形状を有する錐体となる。この場合、各噴射孔１ＨＳ、１ＨＬからの噴霧燃料は、円弧の両端部がインジェクタの軸方向にずれているため、大きな噴射孔１ＨＬからの噴霧燃料の両端部が小さな噴射孔１ＨＳからの噴霧燃料の両端部に一層重複し難い。また、小さな噴射孔１ＨＳからの噴霧燃料は、スワールに対して大きな噴射孔１ＨＬのからの噴霧燃料に遮蔽されるような配置となるため、スワールの影響を受け難く、変形し難いと考えられる。
【００３５】
≪変形例５≫
変形例５は、図５（Ｂ）に示すように、形状の異なる噴射孔１ＨＷ、１ＨＡをインジェクタの周方向に交互に並列した構成である。噴射孔１ＨＷは変形例１と同様にＷ状の噴射孔であり、噴射孔１ＨＡは実施形態１と同様に円弧状の噴射孔である。この噴射孔１ＨＷ、１ＨＡからの噴霧燃料は、それぞれＷ状の断面形状を有する錐体と円弧状の断面形状を有する錐体となる。この場合も、実施形態１と同様に、隣り合う噴射孔１ＨＷ、１ＨＡから噴射された噴霧燃料同士が互いに干渉することを効果的に低減でき、スモークの発生を低減できる。また、隣り合う噴霧燃料の形態が異なるため、燃料と空気をより一層効率的に混合することが期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の燃料の噴射構造は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関における燃料の噴射構造として好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１  インジェクタ
１Ａ  円弧状部  １Ｂ  バルブボディー  １Ｅ  先端部  １Ｕ  噴射単位領域
１Ｈ，１ＨＳ，１ＨＬ，１ＨＷ，１ＨＡ  噴射孔
２  ピストン  ２ｃ  凹部  ３  シリンダブロック
４  シリンダヘッド
４Ｈ  挿入孔
６  吸気ポート  ６ｂ  吸気バルブ  ７  排気ポート  ７ｂ  排気バルブ
９  燃焼室
１００  内燃機関
Ｆｓ  噴霧燃料  Ｒ  リッチ領域
【図１】
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【図２】
2018017219.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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