(57)【要約】【課題】低負荷時に、燃料噴霧を過度に拡散させずに点火プラグ近傍に良好な混合気を形成できるようにする。【解決手段】筒内に燃料噴射弁３に並んで点火プラグが配置される。燃料噴射弁３は、噴射弁ボディ３１に５個の噴孔３４が設けられたホールノズル形式に構成され、ニードル弁３２のテーパ面３６が入口開口部３４ａを覆っている。各噴孔３４の取付角θは、点火プラグに近い噴孔３４では小さく、点火プラグから遠い噴孔３４では大きい。低負荷時にはニードル弁３２のリフト量が小さく制御される。そのため、取付角θの小さな噴孔３４でキャビテーションが生じやすく、有効噴孔径が小さくなる。これに伴い、環状間隙３７で周方向の圧力分布が不均衡となり、ニードル弁３２が点火プラグと反対側に偏心し、点火プラグ側に向かう燃料噴射量が増える。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、を備えてなる筒内直接噴射式内燃機関において、
上記燃料噴射弁は、噴射弁ボディの先端部に複数の噴孔が周方向に離れて開口形成されるとともに、ニードル弁着座状態で各噴孔の入口開口部がニードル弁先端のテーパ面により覆われるホールノズル形式に構成され、かつ燃料噴射時に、噴射弁ボディとニードル弁との間の燃料流路となる環状間隙に、ニードル弁を上記点火プラグと反対側に偏心させるような周方向の圧力不均衡が生じるように構成されていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
上記ニードル弁のリフト量が内燃機関の負荷に応じて可変制御され、かつニードル弁のリフト量が小さいときに上記の圧力不均衡が生じるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
上記ニードル弁のリフト量が内燃機関の負荷に応じて可変制御され、かつ低負荷時に上記の圧力不均衡が生じるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
上記ニードル弁のリフト量が、低負荷時に小リフトに、高負荷時に大リフトになるように、内燃機関の負荷に応じて可変制御されることを特徴とする請求項２または３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
上記の圧力不均衡が生じるように、各噴孔の噴射弁ボディにおける取付角（噴射弁ボディ内周における噴孔上流の傾斜面と噴孔軸線とのなす角）θが、少なくとも一部の噴孔で異なっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
点火プラグに近い側の噴孔の取付角θが、点火プラグから遠い側の噴孔の取付角θに比べて相対的に小さいことを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
上記ニードル弁のリフト量が内燃機関の負荷に応じて可変制御され、低負荷時にニードル弁のリフト量を小さくするとともに、噴射圧力を高くすることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、を備えてなる筒内直接噴射式内燃機関において、
上記燃料噴射弁は、噴射弁ボディの先端部に複数の噴孔が周方向に離れて開口形成されるとともに、ニードル弁着座状態で各噴孔の入口開口部がニードル弁先端のテーパ面により覆われるホールノズル形式に構成されており、かつ各噴孔の噴射弁ボディにおける取付角（噴射弁ボディ内周における噴孔上流の傾斜面と噴孔軸線とのなす角）θが、点火プラグから遠い側の噴孔の取付角θに比べて点火プラグに近い側の噴孔の取付角θが相対的に小さく設定され、
さらに、上記ニードル弁のリフト量が、低負荷時に小リフトに、高負荷時に大リフトになるように、内燃機関の負荷に応じて可変制御されることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内に直接燃料を噴射するとともに、点火プラグを備えた筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直接噴射式内燃機関の一例として、特許文献１に記載されているものがある。これは、シリンダヘッドの燃焼室中心に、シリンダ中心軸と平行に燃料を噴射するように燃料噴射弁を配置し、かつこの燃料噴射弁に隣接した位置に点火プラグを配置したものであって、燃料噴射弁の噴霧角を、部分負荷時には広噴霧角とし、高負荷時には狭噴霧角とするように構成されている。このように噴霧角を負荷により可変とすることにより、特に、部分負荷時に、燃料噴霧が点火プラグへ向かうようにし、良好な混合気を点火プラグ近傍に形成するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１７７６８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、部分負荷時に噴霧角を大きくすることで、燃料噴霧の一部を点火プラグ側へ指向させるようにしているが、部分負荷運転時に広噴霧角にて燃料を噴射することは、むしろ燃料の拡散を促進することにつながる。特に、部分負荷時には、噴射燃料量が少ないので、過度に燃料が拡散することにより、未燃燃料が増加するばかりでなく、燃焼安定度の悪化にもつながる。
【０００５】
本発明は、過度に燃料を拡散させることなく、負荷に応じて燃料噴射弁から噴射される混合気の主方向を変化させ、部分負荷運転時においても点火プラグ近傍に混合気を安定して形成し、未燃ＨＣの抑制ならびに燃焼安定度の向上を達成することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、請求項１に記載のように、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、を備えてなる筒内直接噴射式内燃機関を対象とするものであり、上記燃料噴射弁は、噴射弁ボディの先端部に複数の噴孔が周方向に離れて開口形成されるとともに、ニードル弁着座状態で各噴孔の入口開口部がニードル弁先端のテーパ面により覆われるホールノズル形式に構成されている。そして、燃料噴射時に、噴射弁ボディとニードル弁との間の燃料流路となる環状間隙に、ニードル弁を上記点火プラグと反対側に偏心させるような周方向の圧力不均衡が生じるように構成されている。
【０００７】
上記の圧力不均衡は、例えば、各噴孔の噴射弁ボディにおける取付角（噴射弁ボディ内周における噴孔上流の傾斜面と噴孔軸線とのなす角）θが、少なくとも一部の噴孔で異なっていることによって生じる。この環状間隙の圧力不均衡によって、ニードル弁が偏心するため、点火プラグと反対側に位置する噴孔からの燃料噴射量が少なくなるとともに、点火プラグ側に位置する噴孔からの燃料噴射量が増え、点火プラグ近傍に良好な混合気を形成できる。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料噴射弁のニードル弁が偏心することで、燃料噴霧を点火プラグ側へ指向させることができるので、燃料噴霧の過度の拡散を生じることがなく、未燃燃料の増加を抑制しつつ安定した燃焼を実現することができる。
【０００９】
【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。
【００１０】
図１は、この発明を４サイクル火花点火式ガソリン機関に適用した一実施例を示しており、この内燃機関は、シリンダブロック２１に複数のシリンダ２が形成され、かつ各シリンダ２に、キャビティ１ａを備えたピストン１が配置されている。シリンダヘッド２２側には、吸気ポート４と排気ポート６とが形成され、かつそれぞれを、吸気弁５および排気弁７が開閉している。また、シリンダヘッド２２側の燃焼室中心位置に、燃料噴射弁３が垂直に配置されている。そして、この燃料噴射弁３の側方に電極部が位置するように点火プラグ８が配置されている。
【００１１】
なお、図示例では、燃焼室を構成するシリンダヘッド２２の底面が平坦な所謂フラットヘッド型の構成となっているが、ペントルーフ型燃焼室として構成した場合にも、本発明は適用できる。
【００１２】
上記燃料噴射弁３および点火プラグ８は、エンジンコントロールユニット１０によって制御され、運転条件に応じて、所定の高負荷域では、混合気を均質化した均一燃焼方式により運転され、所定の低負荷域では、混合気を成層化した成層燃焼方式により運転されるようになっている。従って、エンジンコントロールユニット１０は、これらの燃焼方式の選択を行う燃焼パターン判定部１１と、成層燃焼の際の制御を司る成層燃焼制御部１２と、均一燃焼の際の制御を司る均一燃焼制御部１３とを、その機能として備えているが、これらの機能は、本実施例では、マイクロコンピュータのプログラムとして実現される。なお、それぞれをハードワイヤードの論理回路で構成しても良い。
【００１３】
図２は、上記エンジンコントロールユニット１０において実行される燃料噴射制御の概略を示すフローチャートであって、まずステップ１１にて、機関回転数Ｎおよび負荷Ｔを検出し、ステップＳ１２で、これらの運転条件から、最適な燃焼形態を判断する。すなわち、成層燃焼を行うか均一燃焼を行うかを判断する。成層燃焼を行う場合には、ステップ２１で成層燃焼の制御を開始し、ステップ２２で、噴射量、噴射時期、ニードル弁のリフト量、噴射圧力（燃圧）、をそれぞれ計算する。そして、ステップ２３において、ステップ２２で定めた噴射量、噴射時期、リフト量、噴射圧力でもって、圧縮行程中に噴射する。一方、均一燃焼を行う場合には、ステップ３１で均一燃焼の制御を開始し、ステップ３２で、噴射量、噴射時期、ニードル弁のリフト量、噴射圧力（燃圧）、をそれぞれ計算する。そして、ステップ３３において、ステップ３２で定めた噴射量、噴射時期、リフト量、噴射圧力でもって、吸気行程中に噴射する。
【００１４】
図３は、上記燃料噴射弁３の要部つまり先端部の構成を示す断面図である。この燃料噴射弁３は、噴射弁ボディ３１の内周側にニードル弁３２が摺動可能に配設されたものであって、噴射弁ボディ３１内周のテーパ面３３に、複数の噴孔３４が開口形成された所謂ホールノズル形式に構成されている。複数の噴孔３４は、周方向に離れて配置されている。本実施例では、５個の噴孔３４が周方向に等間隔に配置されている。ニードル弁３２は、噴射弁ボディ３１のテーパ面３３に着座するシール線３５を有するとともに、このシール線３５より先端側に、テーパ面３６を有し、このテーパ面３６が各噴孔３４の入口開口部３４ａを覆うようになっている。つまり、本実施例は、ニードル弁３２のテーパ面３６が入口開口部３４ａに近接したいわゆるＶＣＯ（ｖａｌｖｅ　ｃｏｖｅｒｅｄ　ｏｒｉｆｉｃｅ）型ノズルとなっているが、このほか、両テーパ面３３，３６の間に円錐形のサック容積が与えられたコニカル・サック（ｃｏｎｉｃａｌ　ｓａｃ）型の構成とすることもできる。但し、ホールノズル形式であっても、先端の袋状のサック部に噴孔が直接に連通した一般的なサック型のものは含まれない。
【００１５】
上記ニードル弁３２は、図示せぬソレノイドや圧電素子等からなるアクチュエータによってリフトするようになっているが、前述したように、開弁時のリフト量を可変制御することができ、特に、本実施例では、低負荷時に相対的にリフト量が小さく制御され、高負荷時に相対的にリフト量が大きく制御される。なお、リフト量を必ずしも連続的に可変制御する必要はなく、段階的、例えば低リフトと高リフトとの２段階にリフト量を切り換える構成であってもよい。
【００１６】
本実施例の５個の噴孔３４は、噴射弁中心軸線に対し傾斜して形成されているが、図３に示すように、噴射弁ボディ３１内周における噴孔３４上流の傾斜面つまりテーパ面３６と噴孔３４の軸線とがなす角θを、噴孔３４の「取付角」と定義すると、５個の噴孔３４の取付角θは、一定ではない。図４は、５個の噴孔３４を噴射弁軸方向から見た説明図を示しているが、１個の噴孔３４Ａが点火プラグ８側に位置し、この噴孔３４Ａは、取付角θ１を有している。この点火プラグ８寄りの噴孔３４Ａの両隣りに位置する一対の噴孔３４Ｂは、取付角θ２を有している。残りの２個つまり点火プラグ８とは反対側となる位置の一対の噴孔３４Ｃは、取付角θ３を有している。そして、これらの取付角θは、「θ１＜θ２＜θ３」の関係を有している。つまり、点火プラグ８に近い噴孔３４Ａの取付角θ１が、点火プラグ８から最も遠い噴孔３４Ｃの取付角θ３よりも小さく、中間に位置する噴孔３４Ｂの取付角θ２は、両者の中間の大きさとなっている。
【００１７】
なお、各噴孔３４の入口開口部３４ａは、噴射弁ボディ３１の軸方向の同じ位置にそれぞれ開口している。上記ニードル弁３２のテーパ面３６と上記噴射弁ボディ３１のテーパ面３３との間には、図３，図４に示すように、燃料流路となる環状間隙３７が存在し、各入口開口部３４ａは、この環状間隙３７に常に連通している。
【００１８】
次に、上記のように構成された実施例の作用について説明する。
【００１９】
上記の燃料噴射弁３は、ニードル弁３２がリフトすることにより各噴孔３４に上流側から燃料が流れ込み、各噴孔３４の軸線に沿って噴霧として噴射されるのであるが、その際に、噴孔３４内で微細な気泡つまりキャビテーションが発生する。特に、図５に示すように、テーパ面３３，３６に沿って上流側から流れてきた燃料流が取付角θに沿って曲げられることから、曲がりの内側となる領域で符号３８で示すキャビテーションが発生し、この結果、このキャビテーション３８以外の符号Ｌで示す範囲に実質的な流路断面積が狭められてしまう。この実質的な流路断面積と等価な通路径を「有効噴孔径」と呼ぶものとすると、各噴孔３４の有効噴孔径は、噴孔３４内でのキャビテーションの程度に依存し、キャビテーションの発生量が多ければ、それだけ有効噴孔径が小さくなる。
【００２０】
ここで、図６は、噴孔３４の取付角θ１，θ２，θ３（前述したように、θ１＜θ２＜θ３である）と有効噴孔径との関係を示したものであり、取付角θが小さいほど、有効噴孔径が小さくなる。これは、取付角θが小さいと、噴孔３４の入口開口部３４ａにおいて流れが急に曲がることからキャビテーションが発生しやすくなるためである。また、噴射圧力（燃圧）が高い方がキャビテーションが生じやすく、有効噴孔径が小さくなる傾向がある。
【００２１】
そして、上記のように５個の噴孔３４について有効噴孔径に差異が生じる結果、燃料噴射の際に、ニードル弁３２と噴射弁ボディ３１との間の環状間隙３７における圧力が、周方向の各部で異なるものとなる。図７は、環状間隙３７の各噴孔３４の入口開口部３４ａにおける圧力（図に測定点として示す位置での圧力）と取付角θとの関係を示したものであり、取付角θが小さいほど圧力が高くなる。つまり、５個の噴孔３４について見ると、取付角θが最も小さい噴孔３４Ａ側の圧力が高く、かつ取付角θが最も大きい噴孔３４Ｃ側の圧力が低くなり、環状間隙３７において周方向の圧力不均衡が生じる。この結果、リフトしたニードル弁３２は、図９に示すように、噴孔３４Ａから離れる方向に、つまり点火プラグ８とは反対側に、偏心する。このようなニードル弁３２の偏心により、噴孔３４Ａから噴射される燃料量は増え、逆に噴孔３４Ｃから噴射される燃料量は少なくなる。特に、噴孔３４Ａでは、有効噴孔径が狭いことから噴孔３４Ａを通過する燃料流の流速が高くなり、かつキャビテーションの存在によって燃料液滴の微粒化が促進されることから、気化が促進される。従って、図１０に示すように、点火プラグ８側を指向して全体の噴霧３９が形成され、かつその気化の促進によって、点火プラグ８近傍に良好な混合気が形成される。
【００２２】
図８は、ニードル弁３２のリフト量と有効噴孔径との関係を示しているが、図示するように、リフト量が小さいと、噴孔３４でのキャビテーションが生じやすいことから、有効噴孔径が小さくなる。そのため、上述した取付角θの差異に起因した圧力不均衡が顕著となり、上述したように点火プラグ８側を指向した噴霧を形成することができる。従って、本実施例では、低負荷時にニードル弁３２のリフト量を小さくすることで、少量の燃料噴射量となる低負荷時にも、点火プラグ８近傍に良好な混合気を安定して形成することが可能となり、過度に燃料を拡散させないことから、未燃燃料を増加させることなく安定した燃焼を実現できる。
【００２３】
また、一方、均一燃焼となる高負荷域においては、ニードル弁３２のリフト量を大きく設定することで、各噴孔３４でのキャビテーションが生じにくくなり、各噴孔３４からほぼ均等に燃料が噴射される。なお、圧力不均衡も弱まることから、ニードル弁３２の偏心も生じにくい。そのため、燃料噴射量が多い高負荷運転において、均質な混合気の形成が可能となり、ＮＯｘの増加やすす（ｓｏｏｔ）の排出を抑制することができる。
【００２４】
また、低負荷時に、ニードル弁３２のリフト量を小さくすると同時に、噴射圧力（燃圧）を高くすることが望ましい。このように噴射圧力を高くすると、図６で説明したように、噴孔３４でのキャビテーションが生じやすくなり、かつニードル弁３２の偏心も確実に生じるので、点火プラグ８近傍により確実に良好な混合気を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の構成説明図。
【図２】燃料噴射制御の概略を示すフローチャート。
【図３】燃料噴射弁の要部の拡大断面図。
【図４】噴孔の配置を示す説明図。
【図５】噴孔におけるキャビテーションの発生状態を示す説明図。
【図６】取付角θと有効噴孔径との関係を示す特性図。
【図７】取付角θと入口開口部における圧力との関係を示す特性図。
【図８】リフト量と有効噴孔径との関係を示す特性図。
【図９】ニードル弁が偏心した状態を示す説明図。
【図１０】低負荷時における噴霧の形状を示す説明図。
【符号の説明】
３…燃料噴射弁
８…点火プラグ
３１…噴射弁ボディ
３２…ニードル弁
３４…噴孔
３７…環状間隙
【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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【図１０】
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