(57)【要約】【課題】気筒の上方に燃料の濃い部分が形成されることを回避して、スモークの発生を抑制することができる燃料噴射弁を提供する。【解決手段】燃料噴射弁２０のハウジング２１は、外周に複数の噴孔２４ａ、２５ａが配置されてなる第一噴孔列２４及び第二噴孔列２５が形成されてなり、第一噴孔列２４が第二噴孔列２５よりも先端側に配置されており、ニードル２２により第一噴孔列２４及び第二噴孔列２５の両方を開弁する第一噴射形態と、第一噴孔列２４を閉弁すると共に第二噴孔列２５を開弁する第二噴射形態と、第一噴孔列２４及び第二噴孔列２５の両方を閉弁する噴射停止形態とを切り替え可能に構成されて、第一噴孔列２４におけるなす角θ１が、第二噴孔列２５におけるなす角θ２よりも大きい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒と、この気筒の内部に設置されて往復するピストンと、この気筒の内部に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えて、この燃料噴射弁が、先端側に噴孔が形成されてなる有底筒状のハウジングと、このハウジングの内部で筒軸方向に往復して前記噴孔を塞ぐニードルとを有して構成された内燃機関において、
前記ハウジングは、外周に複数の前記噴孔が周方向に間隔を空けて配置されてなる第一噴孔列及び第二噴孔列が形成されてなり、前記第一噴孔列が前記第二噴孔列よりも先端側に配置されており、
前記ニードルにより前記第一噴孔列及び前記第二噴孔列の両方を開弁する第一噴射形態と、前記第一噴孔列を閉弁すると共に前記第二噴孔列を開弁する第二噴射形態と、前記第一噴孔列及び前記第二噴孔列の両方を閉弁する噴射停止形態とを切り替え可能に構成されて、
前記第一噴孔列における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角が、前記第二噴孔列における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角よりも大きいことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ピストンが上死点に位置するときに、前記第一噴孔列は噴射した燃料を前記気筒の内壁に導く構成であり、前記第二噴孔列は噴射した燃料を前記ピストンの端面が窪んでなる燃焼室に導く構成である請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記気筒の筒軸方向に見て、前記第一噴孔列における前記噴孔からの噴射方向と、前記第二噴孔列における前記噴孔からの噴射方向とが、それぞれ互いに異なる請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
クランク角を取得するセンサと、このセンサ及び前記ニードルに電気的に接続された制御装置とを備えて、
前記センサが取得したクランク角に基づいて、前記制御装置により、前記ニードルを前記ハウジングの内部で往復させて、前記ピストンの上死点の近傍で前記噴射停止形態から前記第一噴射形態に切り換え、前記ピストンが上死点から下降した中途位置で前記第一噴射形態から前記第二噴射形態に切り換え、前記ピストンが下死点に到達する前に前記第二噴射形態から前記噴射停止形態に切り換える制御をする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、より詳細には、スモークの発生を抑制する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁の下端部に上下複数段の噴孔列が形成された内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に記載の内燃機関の燃料噴射弁における噴射形態は、構造上、両方の噴孔列を同時に開弁する形態、両方の噴孔列を同時に閉弁する形態、あるいは、下段の噴孔列を閉弁すると共に上段の噴孔列を開弁する形態のいずれかになる。それ故、それらの形態を組み合わせて所定の期間で燃料を噴射しようとすると、噴射された燃料は気筒の上方に多く噴射されることになり、気筒の上方に燃料の濃い部分が形成されてしまう。このように、気筒の上方に燃料の濃い部分が形成されることが、スモークの発生の要因となっている。
【０００５】
本発明の目的は、気筒の上方に燃料の濃い部分が形成されることを回避して、スモークの発生を抑制することができる燃料噴射弁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成する本発明の燃料噴射弁は、気筒と、この気筒の内部に設置されて往復するピストンと、この気筒の内部に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えて、この燃料噴射弁が、先端側に噴孔が形成されてなる有底筒状のハウジングと、このハウジングの内部で筒軸方向に往復して前記噴孔を塞ぐニードルとを有して構成された内燃機関において、前記ハウジングは、外周に複数の前記噴孔が周方向に間隔を空けて配置されてなる第一噴孔列及び第二噴孔列が形成されてなり、前記第一噴孔列が前記第二噴孔列よりも先端側に配置されており、前記ニードルにより前記第一噴孔列及び前記第二噴孔列の両方を開弁する第一噴射形態と、前記第一噴孔列を閉弁すると共に前記第二噴孔列を開弁する第二噴射形態と、前記第一噴孔列及び前記第二噴孔列の両方を閉弁する噴射停止形態とを切り替え可能に構成されて、前記第一噴孔列における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角が、前記第二噴孔列における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第一段噴孔列における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角を、第二噴孔列における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角よりも大きくすることで、第一噴射形態では、気筒の上方側と気筒の下方側との両方に向けて燃料を噴射し、第二噴射形態では、気筒の下方側にのみ燃料を噴射する。それ故、第一噴射形態と第二噴射形態とを組み合わせることで、所定の期間で噴射させても、気筒の上方側に燃料の濃い部分が形成されることを回避することができる。これにより、当量比の増加が抑えられて過濃燃焼の発生を回避するには有利になり、スモークの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の内燃機関の第一実施形態を例示する斜視図である。
【図２】図１の燃料噴射弁を例示する下面図である。
【図３】図２の矢印ＩＩＩを例示する縦断面図であり、第一噴射形態を示す。
【図４】図２の矢印ＩＩＩを例示する縦断面図であり、第二噴射形態を示す。
【図５】図２の矢印ＩＩＩを例示する縦断面図であり、噴射停止形態を示す。
【図６】本発明の内燃機関の制御方法を例示するフロー図である。
【図７】本発明の内燃機関の第二実施形態を例示する縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の内燃機関の実施形態について説明する。図中では、ｘ方向を気筒１１の径方向である水平方向のうちのスラスト方向に直交する方向とし、ｙ方向をスラスト方向とし、ｚ方向を気筒１１の筒軸方向とする。
【００１０】
図１に例示するように、本発明の第一実施形態の内燃機関１０は、複数の気筒１１を備えるものであるが、本明細書では、内燃機関１０の複数の気筒１１のうちの一つについてのみ説明する。内燃機関１０の気筒１１の数やその配列について、特に限定されるものではない。
【００１１】
内燃機関１０は、気筒１１、ピストン１２、コネクティングロッド１３、及び燃料噴射弁２０を備えている。
【００１２】
気筒１１は、図示しないシリンダブロックをｚ方向の筒軸を有する貫通孔で構成されて、略円筒状を成して、その内部にピストン１２が配置される。気筒１１の下端は、図示しないクランクシャフトが設置されているクランクケースに連通する。
【００１３】
ピストン１２は、ｚ方向に柱軸方向が向いた円柱形状を成しており、その頂面に燃焼室１５が形成されて、その外筒面にリング溝１６が形成されて、そのリング溝１６にピストンリング１７が装着される。
【００１４】
燃焼室１５は、ｚ方向から見てピストン１２の上端に配置されてピストン１２の頂面の中央部がｚ方向下方に向って窪んで形成されており、その形状は特に限定されない。
【００１５】
リング溝１６は、ピストン１２の外筒面の周方向に渡って径方向外側から内側に向って窪んでいる。ピストンリング１７は、略Ｃ環状のリングであり、合口１８が形成される。合口１８は、ピストンリング１７の切れ目であり、換言するとピストンリング１７の周方向の両端どうしの間の隙間である。
【００１６】
コネクティングロッド１３は、上端がピストン１２に傾動自在に連結されて、下端が図示しないクランクシャフトを回転可能にそのクランクシャフトに固定される。コネクティングロッド１３は、ピストン１２の往復運動を軸回転運動に変換する機構の一部であり、ピストン１２の上死点Ｐ１又はその近傍、及び、下死点Ｐ２又はその近傍を除いてｚ方向に対して傾く。このコネクティングロッド１３の傾きにより、ピストン１２にはｙ方向の側圧（サイドスラスト）の反力が生じる。特に、この反力は、ピストン１２の上死点Ｐ１の直後にｙ方向（スラスト方向）に大きくなり、ピストン１２及びピストンリング１７をｙ方向に押し付ける。
【００１７】
燃料噴射弁２０は、気筒１１の上部に設置されていて、先端部が気筒１１の内部に突出しており、ｚ方向から見てピストン１２の中央に配置されている。燃料噴射弁２０は、ハ
ウジング２１、ニードル２２、及び駆動装置２３を有して構成されていて、駆動装置２３が制御装置３０に信号線を介して電気的に接続されている。
【００１８】
制御装置３０は、各種情報処理を行うＣＰＵ、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置３０は、駆動装置２３、及びクランク角センサ３１に一点鎖線で示す信号線を介して電気的に接続されている。なお、制御装置３０は、クランク角センサ３１の代わりにカム角センサに接続されてもよく、クランク角センサ３１及びカム角センサの両方に接続されてもよい。
【００１９】
図２及び図３に例示するように、ハウジング２１は、有底筒状を成し、先端部が気筒１１の内部で、ピストン１２に向って吐出するように配置されている。ハウジング２１は、ボディ部２１ａ、縮径部２１ｂ、及びサック部２１ｃを有している。
【００２０】
ボディ部２１ａは、円筒状を成している。縮径部２１ｂは、ボディ部２１ａからサック部２１ｃに（ｚ方向下方に）向って筒径が窄まっている。サック部２１ｃは、有底筒状を成しており、サック部２１ｃの筒径は、ボディ部２１ａの筒径よりも小さい。
【００２１】
縮径部２１ｂには、第二噴孔列２５が形成されていて、サック部２１ｃには、第一噴孔列２４が形成されている。つまり、第一噴孔列２４における噴孔２４ａが配列されてなる円周は、第二噴孔列２５における噴孔２５ａが配列されてなる円周よりも小さくなる。
【００２２】
第一噴孔列２４は、ハウジング２１の筒周方向に複数の噴孔２４ａが等間隔に配置されてなる。第二噴孔列２５も同様に、ハウジング２１の筒周方向に複数の噴孔２５ａが等間隔に配置されてなる。噴孔２４ａ及び噴孔２５ａは、ハウジング２１の筒径方向外側に開弁すると共に筒径方向内側に開弁する貫通孔である。
【００２３】
ｚ方向に見て、第一噴孔列２４における噴孔２４ａからの噴射方向と、第二噴孔列２５における噴孔２５ａからの噴射方向とが、それぞれ互いに異なることが望ましい。つまり、ｚ方向に見て、噴孔２４ａからの噴射方向と噴孔２５ａからの噴射方向とは重複しないことが望ましい。この実施形態では、噴孔２４ａが噴孔２５ａに対して二つ置きに配置されており、筒周方向に見て、全ての噴孔２４ａ及び噴孔２５ａが互いに互い違いに配置される。なお、噴孔２４ａ及び噴孔２５ａは、ハウジング２１の筒周方向に互い違いに配置されてもよい。
【００２４】
ニードル２２は、ｚ方向上下に延在して、駆動装置２３によりｙ方向上下に往復可能に構成されている。ニードル２２の先端部は、第一噴孔列２４を塞ぐ第一弁部２２ａと第二噴孔列２５を塞ぐ第二弁部２２ｂとを有している。第一弁部２２ａは、サック部２１ｃの内筒面に接触した状態で第一噴孔列２４を塞ぐように構成されている。第二弁部２２ｂは、縮径部２１ｂのテーパー面に接触した状態で第二噴孔列２５を塞ぐように構成されている。
【００２５】
以下、Ｌ０を鉛直線とし、Ｌ１を第一噴孔列２４の燃料の噴射方向（噴孔２４ａの穴軸方向）を示す第一噴射軸線とし、Ｌ２を第二噴孔列２５の燃料の噴射方向（噴孔２５ａの穴軸方向）を示す第二噴射軸線とする。
【００２６】
鉛直線Ｌ０と下段噴射軸線Ｌ１とのなす角θ１は、鉛直線Ｌ０と第二噴射軸線Ｌ２とのなす角θ２よりも大きい。具体的に、なす角θ１は、ピストン１２が圧縮上死点Ｐ１に位置するときに、第一噴孔列２４から噴射された燃料がピストン１２の頂面からｚ方向上方の気筒１１の内壁に導かれる角度である。また、なす角θ２は、ピストン１２が圧縮上死
点Ｐ１に位置するときに、第二噴孔列２５から噴射された燃料がピストン１２の頂面に形成された燃焼室１５の壁面に導かれる角度である。なお、なす角θ１はなす角θ２よりも大きければよく、例えば、なす角θ２をピストン１２が圧縮上死点Ｐ１に位置するときに燃料が燃焼室１５の底に導かれる角度に設定した場合に、なす角θ１を燃料が燃焼室１５の壁面に導かれる角度にしてもよい。
【００２７】
図３に例示するように、ニードル２２がｚ方向最上方に位置する状態は、第一弁部２２ａ及び第二弁部２２ｂの両方が第一噴孔列２４及び第二噴孔列２５の塞ぎを解除して全ての噴孔２４ａ及び噴孔２５ａが開弁した状態である。この全ての噴孔２４ａ及び噴孔２５ａが開弁した状態が第一噴射形態である。
【００２８】
図４に例示するように、ニードル２２がｚ方向中途に位置する状態は、第一弁部２２ａのみが第一噴孔列２４を塞いで噴孔２４ａを閉弁した状態で、第二噴孔列２５の塞ぎを解除して噴孔２５ａが開弁した状態である。この第一噴孔列２４の噴孔２４ａのみを塞いで第二噴孔列２５の噴孔２５ａのみを開弁した状態が第二噴射形態である。
【００２９】
図５に例示するように、ニードル２２がｚ方向最下方に位置する状態は、第一弁部２２ａ及び第二弁部２２ｂの両方が第一噴孔列２４及び第二噴孔列２５を塞いで全ての噴孔２４ａ及び噴孔２５ａが閉弁した状態である。この全ての噴孔２４ａ及び噴孔２５ａが閉弁した状態が噴射停止形態である。
【００３０】
図６に例示するように、内燃機関１０の制御方法は、図示しないクランクシャフトが四ストロークの場合に二回転、二ストロークの場合に一回転するごとに繰り返し行われる制御である。なお、制御装置３０から噴射の指令が出されるまではニードル２２は噴射停止形態を維持するものとする。
【００３１】
吸気行程から開始されると、クランク角センサ３１がクランク角θｘを取得する（Ｓ１１０）。なお、クランク角センサ３１の代わりにカム角センサでクランク角θｘを取得してもよい。次いで、制御装置３０が取得したクランク角θｘが第一噴射角θ１になったか否かを判定する（Ｓ１２０）。
【００３２】
第一噴射角θ１は、第一噴射形態で燃料の噴射を開始するクランク角に設定される。第一噴射角θ１は、吸気行程の終了直前から膨張行程の開始直後までの間のピストン１２が圧縮上死点Ｐ１の近傍に位置することを判定可能なクランク角に設定されることが好ましく、圧縮行程から膨張行程に切り換わりピストン１２が圧縮上死点Ｐ１に位置したときを判定可能なクランク角に設定されることがより好ましい。
【００３３】
クランク角θｘが第一噴射角θ１になっていないと判定する（Ｓ１２０：ＮＯ）と、再び、クランク角センサ３１がクランク角θｘを取得する。一方、クランク角θｘが第一噴射角θ１になったと判定すると（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、制御装置３０が駆動装置２３によりニードル２２をｚ方向最上方まで引き上げて、燃料噴射弁２０から第一噴射形態で燃料を噴射させる（Ｓ１３０）。
【００３４】
第一噴射形態による燃料の噴射が開始された後は、後述する第二噴射形態による燃料の噴射が開始されるまで第一噴射形態による燃料の噴射が維持されるものとする。
【００３５】
次いで、クランク角センサ３１がクランク角θｙを取得する（Ｓ１４０）。なお、クランク角θｙはクランク角θｘよりも進角したことを示している。次いで、制御装置３０が取得したクランク角θｙが第二噴射角θ２になったか否かを判定する（Ｓ１５０）。
【００３６】
第二噴射角θ２は、第一噴射形態から第二噴射形態に切り換えて燃料噴射弁２０が第二噴射形態で燃料の噴射を開始するクランク角に設定される。第二噴射角θ２は、第一噴射角θ１からピストン１２が下死点に到達するまで間に設定された中途位置を判定可能なクランク角に設定されることが好ましい。
【００３７】
クランク角θｙが第二噴射角θ２になっていないと判定する（Ｓ１５０：ＮＯ）と、再び、クランク角センサ３１がクランク角θｙを取得する。一方、クランク角θｙが第二噴射角θ２になったと判定すると（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、制御装置３０が駆動装置２３によりニードル２２をｚ方向中途まで戻して、燃料噴射弁２０から第二噴射形態で燃料を噴射させる（Ｓ１６０）。
【００３８】
次いで、制御装置３０は、所定の期間が経過した後に、制御装置３０が駆動装置２３によりニードル２２をｚ方向最下方まで戻して、噴射停止形態にさせて（Ｓ１７０）、スタートへ戻る。
【００３９】
このように、内燃機関１０によれば、第一噴孔列２４における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角θ１を、第二噴孔列２５における燃料の噴射方向と鉛直方向とのなす角θ２よりも大きくする。つまり、第一噴射形態で、気筒１１の上方側と気筒１１の下方側との両方に向けて燃料を噴射することを可能にし、第二噴射形態で、気筒１１の下方側にのみ燃料を噴射することを可能にする。それ故、第一噴射形態と第二噴射形態とを組み合わせることで、所定の期間で噴射させても、気筒１１の上方側に燃料の濃い部分が形成されることを回避することができる。これにより、当量比の増加を抑えて過濃燃焼の発生を回避するには有利になり、スモークの発生を抑制することができる。
【００４０】
具体的に、ピストン１２が上死点Ｐ１の近傍に位置するときに、第一噴射形態により第一噴孔列２４及び第二噴孔列２５の両方から燃料を噴射させた後に、ピストン１２が上死点Ｐ１からｙ方向下方に下降したときに、第二噴射形態により第二噴孔列２５のみから燃料を噴射させることができる。つまり、最初に多量の燃料を噴射した後にピストン１２の下降に伴って広くなる空間に向ってさらに燃料を噴射することで、多量の燃料を噴射するに際して気筒１１の内部における燃料の濃い部分が形成されることを回避するには有利になり、スモークの発生を抑制することができる。
【００４１】
また、内燃機関１０は、なす角θ１をなす角θ２よりも大きくして、ピストン１２が上死点Ｐ１に位置するときに、第一噴孔列２４から噴射された燃料を気筒１１の内壁に導く共に、第二噴孔列２５から噴射された燃料をピストン１２の頂面に形成された燃焼室１５に導いている。それ故、ピストン１２が上死点Ｐ１に位置するときに、気筒１１の筒径方向へ燃料を拡散することができると共にピストン１２が下降することに伴って広がる空間へ燃料を拡散することができる。これにより、ピストン１２が上死点Ｐ１に位置してから所定の期間に渡って燃料を噴射する場合の当量比の増加を抑えて過濃燃焼の発生を回避するには有利になる。
【００４２】
内燃機関１０は、ｚ方向に見て、第一噴孔列２４における噴孔２４ａからの燃料の噴射方向と、第二噴孔列２５における噴孔２５ａからの燃料の噴射方向とを、それぞれ互いに異ならせることで、噴孔２４ａ及び噴孔２５ａどうしの間の距離を保つことができる。これにより、ハウジング２１の先端の耐久性を維持しながら、ハウジング２１に形成される噴孔数を多くするには有利になり、粒子化した燃料を多量に噴射させることができる。
【００４３】
内燃機関１０は、取得したクランク角に基づいて、制御装置３０により、ピストン１２の上死点Ｐ１の近傍で噴射停止形態から第一噴射形態に切り換え、ピストン１２が上死点P１から下降した中途位置で第一噴射形態から第二噴射形態に切り換え、ピストン１２が
下死点に到達する前に第二噴射形態から噴射停止形態に切り換える制御をする。つまり、ピストン１２の動きに合わせた気筒１１の内部の空間の拡大に応じて燃料を噴射させることで、気筒１１の一部に燃料の濃い部分が形成されることを回避して、スモークの発生を抑制することができる。
【００４４】
図７に例示するように、本発明の第二実施形態の内燃機関１０は、第一実施形態に対してハウジング２１の表面形状が異なっている。この実施形態のハウジング２１の表面形状は、球状を成している。
【００４５】
このように、ハウジング２１の表面形状は特に限定されず、ハウジング２１の内部が多段状を成すと共に、ニードル２２の先端も道央に多段状を成すことで、第一噴射形態、第二噴射形態、及び噴射停止形態を切り換え可能にすることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  内燃機関
１１  気筒
１２  ピストン
２０  燃料噴射弁
２１  ハウジング
２２  ニードル
２４  第一噴孔列
２５  第二噴孔列
２４ａ、２５ａ  噴孔
θ１、θ２  なす角
３０  制御装置
３１  クランク角センサ
【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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