(57)【要約】【課題】ピストンボウルくぼみによって一部画定される燃焼室を有する火花点火式直噴エンジン（ＳＩＤＩ）およびこのようなエンジンのためのインジェクタを提供すること。【解決手段】噴霧孔が２．０以下のＬ／Ｄ（直径に対する長さ）比を有する噴射ノズルを備える。噴射ノズルは、部分的に球状の内部および外部表面が共通中心で形成された、内部サックおよび端部壁を有し、噴霧孔のパターンは、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円を含み、噴霧孔が、弧に沿って離隔された、直線のわずかに下方にある出口開口を有し、半円上にある噴霧孔は、共通中心から延びている一方、直線の下にある噴霧孔が、共通中心の上方から延びる軸を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダおよびその中で往復運動可能なピストンによって画定された燃焼室と、
燃料噴霧を燃焼室内へ方向付けるためにエンジン内に取り付けられた噴射ノズルを有する燃料インジェクタとを有し、
前記ノズルが、ほぼ半円形のパターンで形成された複数の噴霧孔を有し、噴霧孔が２．０以下のＬ／Ｄ（直径に対する長さ）比を有する、火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
噴霧孔の数が、５から１０の範囲内である、請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
噴霧孔の数が、５または６である、請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
噴霧孔の数が、５である、請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
大気圧条件下で噴射ノズルの下の固定された距離での燃料噴霧のパターンが、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円に近く、スプレーの中心位置が弧および直線に沿って離隔されている、請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
噴射ノズルが、弁座を備える端部壁を有し、内部サックが弁座の下にあり、
サックおよび壁がそれぞれ、共通中心で形成された球状の内部および外部表面を有し、
噴霧孔のパターンが、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円を含み、噴霧孔が、弧および直線に沿って離隔された出口開口を有し、
半円上にある噴霧孔は、共通中心から延びている軸を有する一方、直線状にのみある噴霧孔が、共通中心とはずれた軸を有する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
ずれた軸が、共通中心の内側のノズルの長手方向軸と交差し、付随する噴霧孔の出口開口が、直線のわずかに下方にある、請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
噴霧孔の数が５であり、噴霧孔のうち４つが半円上にある一方、中央噴霧孔が、直線に沿って直線のわずかに下方に中心付けされ、ノズルの長手方向軸と交差する軸を有する、請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
エンジン燃焼室が、吸気側および排気側を有し、ピストンが、中心領域から吸気側へ延びるくぼみを有する上部表面を有し、燃料噴射ノズルが、軸をピストンくぼみのほうへ下向きに傾斜させて吸気側に配置され、噴霧孔のパターンが、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円を含み、
前記噴霧孔が、弧に沿っておよび直線に沿って離隔され、直線に沿った孔が、くぼみの吸気側のほうへ方向付けられる一方、直線から遠い弧に沿った孔が、くぼみの排気側のピストンの中心領域のほうへ方向付けられる、請求項１に記載のエンジン。
【請求項１０】
ほぼ半円形のパターンで形成された複数の噴霧孔を有し、噴霧孔が２．０以下のＬ／Ｄ（直径に対する長さ）比を有する、燃料噴霧を燃焼室内に方向付けるためにエンジン内に取付可能な噴射ノズルを備える、火花点火式直噴エンジン用燃料インジェクタ。
【請求項１１】
大気圧条件下で噴射ノズルの下の固定された距離での燃料噴霧のパターンが、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円に近く、スプレーの中心位置が弧および直線に沿って離隔されている、請求項１０に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１２】
噴射ノズルが、弁座を備える端部壁を有し、内部サックが弁座の下方にあり、
サックおよび壁がそれぞれ、共通の中心で形成された部分的に球状の内部および外部表面を有し、
噴霧孔のパターンが、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円を含み、スプレー孔が弧および直線に沿って離隔された出口開口を有し、
半円上にある噴霧孔は、共通中心から延びている軸を有する一方、直線状にのみある噴霧孔が、共通中心とはずれた軸を有する、
請求項１０に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１３】
ずらされた軸が、共通中心の内側のノズルの長手方向軸と交差し、付随する噴霧孔の出口開口が、直線のわずかに下方にある、請求項１２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１４】
噴霧孔の数が５であり、噴霧孔のうち４つが半円上にある一方、中央噴霧孔が、直線に沿って直線のわずかに下方に中心付けされ、ノズルの長手方向軸と交差する軸を有する、請求項１３に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１５】
噴霧孔の数が、５である、請求項１０に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１６】
噴霧孔の数が、５または６である、請求項１０に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１７】
噴霧孔の数が、５から１０の範囲内である、請求項１０に記載の燃料インジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式直噴エンジン、および有利なパターンで形成された複数の噴霧孔を有するこのようなエンジンのためのインジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリンダ内に直接燃料を噴射することによって燃料消費を改善しようと試みる、多くの内燃機関が提案されてきた。一部負荷された状態で圧縮行程中に噴射することによって、適切な量の燃料蒸気が点火プラグの周囲で収集され、全体の消費動作が実現される。いくつかの４バルブＳＩＤＩエンジンが、これまでに開示されてきた。これらの多くは、燃料がその中で渦流構成要素によって噴射される、渦流タイプの噴射デバイスを使用している。スリット（ファン）噴霧構造もまた、これまでに提案されてきた。
図１は、シリンダ（図示せず）の吸気バルブ側へ向けて位置決めされたボウルくぼみ１４を備えるピストン１２を有する、従来技術のエンジン１０を概略的に示している。インジェクタ１６は、圧縮行程でピストンが上昇するときボウルくぼみ１４に向けて噴射される、ほぼ円錐状の渦流タイプスプレー１８を提供する。しかし、渦流構成要素を有しない初期スプレー２０がある。この初期スプレーは、比較的大きな噴霧粒子サイズを有し、霧化が不十分であるため、煙の発生、および炭化水素（ＨＣ）の未燃焼という結果となる。さらに、主なスプレー形状１８でさえも円錐状に制限されているため、燃料は、ピストン上に最適に分散されない。インジェクタの直下にある円錐状のスプレーの下側部品が、最初にピストンと接触することになり、表面上に液体膜を生じさせ、煙を発生させる可能性がある。また、スプレーの部分が、ボウルくぼみの外側でピストンと相互作用し、拡散雲を発生させ、燃焼に有害な影響を与え、未燃焼のＨＣを放出することがある。また、燃料温度、シリンダ圧力などの条件により、噴霧角２２が変動する（小さくなる）可能性があり、したがって噴霧の混合状態を制御するのが困難になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、ピストンボウルくぼみによって一部画定される燃焼室を有する火花点火式直噴エンジン（ＳＩＤＩ）およびこのようなエンジンのためのインジェクタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このインジェクタは、ほぼ半円形パターンで形成された複数の噴霧孔を有する、燃料噴霧を燃焼室内に方向付けるための噴射ノズルを備える。大気圧条件下で噴射ノズルの下の固定された距離での燃料噴霧のパターンは、直線によって接続された端部を有する弧によって形成された半円に近く、スプレーの中心位置が弧および直線に沿って離隔される一方、端部スプレーは、弧と直線の交点に配置されている。
噴霧パターンが、直線によってその端部を接合された、ほぼ半円形に形成された多数の噴霧孔を有するノズルによって形成される。半円上にある噴霧孔は、直線の端部にあるものを含めて、噴射ノズル内の部分的に球形の燃料サックの中心から延びる軸を有し、直線に沿った中間の噴霧孔は、噴射ノズル燃料サックの中心から延びる中心を有する。中間の孔は、それによって、中間噴霧孔での燃料の乱流を増加させて、弧の周縁の周りに配置された孔と等しくして、それによってすべての噴霧孔からの噴霧の通過率をほぼ同じにし、所望の半円形噴霧パターンの結果を得るために、直線のわずかに下方にオフセットされる。
ほぼ半円形の噴霧孔パターンおよび結果として生じる半円形の燃料噴霧パターンは、ピストンボウルくぼみ内にほぼ全体的に含まれ、ピストン表面に当たる前に大部分気化される燃料噴霧を供給することができそれによって煙の発生が最小化され、燃料の経済性が最大化される。
好ましくは、ノズルの噴霧孔は、２．０以下の直径に対する長さ（Ｌ／Ｄ）比を有する。特定の実施形態の試験では、半円形の弧の周りの４つの孔および直線上の端部穴の間の中心（中間穴）を有する５つの噴霧孔が、煙および燃料の経済性で最良なものを提供することがわかった。しかし、６つの孔も、所望の煙制限値内にあると予想された。より大きいエンジンサイズに対して、約１０までのまたはそれ以上の追加の数の孔を、同様の結果を得るために使用することができる。
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、添付の図面とともに行われた本発明のある特定の実施形態の以下の説明から、より完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
ここで図面の図２を参照すると、符号３０は、火花点火式直噴エンジン（ＳＩＤＩ）の全体を示す。このエンジンの関連部分は、複数のシリンダ３４（そのうちの１本のみを図示）を有する、エンジンブロック３２を備える。シリンダ３４は、燃焼室４２内に延びる中央点火プラグ４０を担持しているシリンダヘッド３８によって閉じられている。燃焼室４２はその閉端部で、ピストンおよびシリンダによって画定されている。シリンダヘッドは、燃焼室の排気側から延びる排気ポート４４と、燃焼室内の吸気側へ延びる吸気ポート４６とを備える。燃料インジェクタ４８は、ピストン上部表面５４のボウルくぼみ５２のほうへ燃焼室内の吸気側へ下向きの角度で方向付けられ、ピストンの吸気側５８のほうへピストンの中心領域５６から延びている、噴射ノズル５０を備える。
図３を参照すると、格子６０が示されており、格子上に、半円形パターンを形成する１、２、３、５、４と番号が付けられた５つのスプレーの中心部分の位置を示す代表的な半円形の噴霧パターン６２が示されている。ここに示された位置は、大気条件下でインジェクタの５０ｍｍ下方の各スプレーの中心位置を表す。ＸおよびＹ座標が示されている。ここで、Ｘ座標は、ピストンくぼみ５２を横切る寸法を表し、Ｙ座標は、図に示すように、くぼみの吸気側６４からくぼみの排気側６６への半径方向距離を表す。スプレー２、１および４はほぼ直線６８に配列されているが、スプレー２、３、５および４はすべて、半円状の弧７０上に配置されていることに留意されたい。
スプレー２および４は、弧７０および直線６８の両方の上にあるため、両者は、中央のスプレー１、噴霧パターンのこの実施形態で線６８上での唯一の中間スプレーと同じＹ座標を共有する。スプレー３および５のＹ座標は、スプレー１から噴霧パターンの排気側６６のほうへ約１０〜２０ｍｍだけオフセットしている。スプレー２および４のＸ座標は、スプレー１から１５〜２５ｍｍだけ反対方向にオフセットしており、スプレー３および５のＸ座標は、スプレー１のＸ座標から５〜１５ｍｍだけオフセットしている。
図４は、図３の半円形の噴霧パターンを形成するように設計された、噴霧ノズル７２の端面図である。中央孔７４以外は番号の付けられていない噴霧孔が、図３と同様の近似的に半円形のパターンで形成されていることに留意されたい。図５は、図４の線５−５による横断面図であり、その先端がサック８０と呼ばれるくぼんだ空間である弁座７８を内側に備える、ほぼ円錐形のインジェクタ端部壁７６を示している。サックの底部は、半球状であり、円錐形形状の先端に、壁７６の部分的に球状の外部表面８４を備える共通中心である中心８２を有する。
オリフィスは、長さＬと直径Ｄを有し、これらは、オリフィスのすべてに対して２．０を超えない数値を有する比Ｌ／Ｄを形成している。この実施形態では、中央オリフィス７４を含むすべてのオリフィスは、図５に示すようなそのそれぞれの位置に下側壁面を通って共通中心８２から延びる軸を有する。
図４および５の実施形態の試験は、中央孔７４が、エンジン燃焼室内に、番号の付けられていない半円状の弧に配置された残りの噴霧穴よりもかなり大きい通過率を与えることを示している。しかし、すべての燃料噴霧の通過率が、ほぼ等しくされることが望ましい。
このことは、図６および７に示す修正された噴霧ノズル８６で提供される。この修正された実施形態では、５つの噴霧孔９１、９２、９３、９４および９５を備える半円状の弧８８および直線９０によって近似的に半円形のパターンが形成される。噴霧孔９２、９３、９４、９５は、弧８８の周囲で間隔を空けられ、孔９２および９５は、前の実施形態と同一である直線９０の端部に配置されている。しかし、中央噴霧孔９１は、その軸９６が、噴霧ノズル８６の中心軸１００上の中心９８から描かれ、残りの４つの噴霧孔９２、９３、９４および９５の軸がそこから描かれる共通中心１０２の上方に配置されるように、直線９０の下または上にわずかに移動される。その結果、サックに流入し、噴霧孔９１内を通過する燃料は、噴霧孔に入るためにより鋭い回転を作成することが必要になる。この変更によって、孔に入る燃料の方向の変更による噴霧孔のそれぞれに形成される乱流が、ほぼ等しくされ、それによって燃料噴射の通過率がほぼ等しくされる。
図８は様々なＬ／Ｄ比のノズルでの燃焼によって発生される煙に対する噴霧ノズルのＬ／Ｄ比の関係を示す図６および７のノズルの試験の結果を示すグラフである。Ｌ／Ｄ比２では、煙のレベルが、グラフの線１０４によって示された煙制限値に到達するが、２より低いＬ／Ｄ比では、生成される煙の量は減少することに留意されたい。
図９は、ピストンの様々なクランク角位置での、４孔または５孔インジェクタ用ピストンの表面上で予想される壁膜液体の質量の別のグラフである。線１０６によって示されている５孔ノズルが、線１０８によって示されている４孔ノズルよりもずっと低い質量のピストン表面上の液体燃料を示していることに留意されたい。
試験の結果は、２以下のＬ／Ｄ比の５孔噴霧ノズルが、試験された特定のサイズおよび形状のエンジンに対して、極めて好ましい動作条件の煙、ＢＳＦＣ（正味燃料消費率）および壁膜液体質量を提供することになる。しかし、より大きいサイズの火花点火式直噴エンジンに本発明の半円形の噴霧パターンを適用することは、もちろん、それらの所望のサイズおよび各シリンダサイクルで噴射される燃料の量に応じて、おそらくパターンで１０までの、より多い数の噴霧孔によって最良の動作状態に到達する結果になることがあることを、理解されたい。
本発明を、ある好ましい実施形態を参照にして説明してきたが、ここに記載した本発明の概念の精神および範囲内で、様々な変更を行うことができることを理解されたい。したがって、本発明は、ここに開示した実施形態に限定されず、頭記の特許請求の範囲の言語によって許された全範囲を有するように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】渦流タイプのインジェクタを備える従来技術のエンジンのピストンの、前に説明した概略図である。
【図２】本発明による異形の多孔噴霧ノズルを備える燃料インジェクタを有する火花点火式直噴エンジンの横断面図である。
【図３】大気条件下で形成されたときの噴射ノズルによって生成された半円形の噴霧パターンを示す図である。
【図４】半円形パターンでの５孔の噴霧孔パターンを示す噴射ノズルの底面図である。
【図５】図４の線５−５からの噴射ノズルの底部断面図である。
【図６】修正された噴射ノズルの端部の噴霧孔パターンを示す図４と同様の図である。
【図７】パターンの直線部分に沿った中央（中心）孔に対する噴霧孔中心軸の再配置を示す、図６のノズルの横断面図である。
【図８】インジェクタ噴霧孔のＬ／Ｄ比に対してエンジンテストで展開された煙の関係を示す図である。
【図９】４孔および５孔インジェクタに対する壁フィルム液体質量を示す図である。
【符号の説明】
【０００７】
１、２、３、４、５  スプレー
１０  従来技術のエンジン
１２  ピストン
１４  ボウルくぼみ
１６  インジェクタ
１８  渦流タイプスプレー
２０  初期スプレー
２２  噴霧角
３０  火花点火式直噴エンジン
３２  エンジンブロック
３４  シリンダ
３８  シリンダヘッド
４０  中央点火プラグ
４２  燃焼室
４４  排気ポート
４６  吸気ポート
４８  燃料インジェクタ
５０  噴射ノズル
５２  ボウルくぼみ
５４  上部表面
５６  中心領域
５８  吸気側
６０  格子
６２  噴霧パターン
６４  吸気側
６６  排気側
６８、９０  直線
７０、８８  弧
７２  噴霧ノズル
７４  中央孔、中央オリフィス
７６  端部壁
７８  弁座
８０  サック
８２、９８  中心
８４  外部表面
８６  修正された噴霧ノズル
９１、９２、９３、９４、９５  噴霧孔
１００  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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