(57)【要約】【課題】  単孔ホール弁よりも，貫徹力の小さい噴霧を噴射でき噴孔周辺が壁面で囲まれる構成の燃料噴射弁を実現する。【解決手段】  噴孔５を燃料噴射弁１のボディに設けた凹部４の底部に設置し、噴霧燃料の壁面付着を防止でき、噴霧根元部での周囲空気の噴霧内への導入を抑制することにより、雰囲気圧力が高い条件においても周囲空気の流れに押されて噴霧が縮むことが無く、噴霧角が雰囲気条件に影響を受けない低貫徹力な噴霧を形成することができ、ウォールウェット生成を防止できる。【選択図】  図１
2005098160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を設け、燃料噴射弁により低負荷時には圧縮行程中に燃料を噴射し、成層混合気を形成する一方、高負荷時には吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成する筒内直噴式内燃機関において、燃料噴射弁を噴孔の上流部には燃料に対して軸芯まわりを旋回流通させる旋回手段を設けて略円錐形状の燃料噴霧を噴射供給すると共に、噴孔を燃料噴射弁の先端部に設けた凹所の底部に収容し噴孔周辺を凹所壁面で囲むように構成し、燃料噴射弁からの燃料噴霧の貫徹力を小とし、当該噴霧の根元部への周囲空気の導入を抑制して燃料噴霧が燃焼室の壁面に付着するのを防止して混合気形成を行うようにしたことを特徴とする筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項２】
燃焼室内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を設け、燃料噴射弁により低負荷時には圧縮行程中に燃料を噴射し、成層混合気を形成する一方、高負荷時には吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成する筒内直噴式内燃機関において、燃料噴射弁には複数の噴孔を設けて噴霧全体として略円錐形状の燃料噴霧を噴射供給すると共に、噴孔を燃料噴射弁の先端部に設けた凹所の底部に収容し噴孔周辺を凹所壁面で囲むように構成し、燃料噴射弁からの燃料噴霧の貫徹力を小とし、当該噴霧の根元部への周囲空気の導入を抑制して燃料噴霧が燃焼室の壁面に付着するのを防止して混合気形成を行うようにしたことを特徴とする筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術１として、シリンダヘッドの吸気側に設けた燃料噴射弁より、圧縮行程にピストンに設けたキャビティに向けて燃料を噴射し、燃料噴霧をキャビティで受け止め、キャビティ形状の壁面に沿わせて点火プラグへ誘導し、点火プラグまわりに成層した混合気を形成する筒内直噴ガソリンエンジンがある。
【特許文献１】特開２００３-３８５２号公報
【０００３】
また、従来技術２として、燃料を噴射する噴孔の上流部に設置したスワーラにより、燃料に旋回速度を与え、噴霧角の大きな、高分散かつ低貫徹力な噴霧を形成する燃料噴射弁により、圧縮行程において直接点火プラグに対向する方向と異なる方向に燃料を噴射して、筒内気流により噴霧を点火プラグの方向へ導き、点火プラグまわりに成層した混合気を形成するものがある。
【特許文献２】特開２０００-３８９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記従来技術１の課題は以下の通りである。すなわち、燃料噴霧をピストンキャビティなどの壁に衝突させるために、付着する燃料に起因する未燃ＨＣが多くなる。また、吸気行程噴射時にも燃料の一部は、キャビティ内へ噴射されるため、キャビティを設けない場合に比べ、混合気の均質度が低下して高出力を得られ難いという実用上解決すべき課題を有する。
【０００５】
また、従来技術２の課題としては、成層燃焼時に、燃料噴霧を筒内気流により曲げるため、比較的強い気流を必要とする。このため、強い気流を生じる吸気ポートは、一般的に流量係数が低く、高出力が得られ難いという実用上解決すべき課題を有する。さらに、気流速度はエンジン回転数に依存するため、広い回転数範囲で安定した成層混合気を形成するには、何らかの装置により運転条件に応じて気流を制御する必要がある。
【０００６】
これら各従来技術１、２では、ピストンキャビティに向けて燃料を噴射し、噴霧を壁面に衝突させるため、壁面上に液体燃料が付着する。このため、未燃ＨＣ、スモークなどの排気物質の生成が増大することがある。また、従来エンジンに採用されているスワール弁、所謂渦巻噴射弁では、大気圧下など雰囲気圧力が低い条件では、噴霧角が広く高分散かつ低貫徹力な噴霧が形成できる。その一方で、雰囲気圧力が高くなると、周囲空気が噴霧内へ取り込まれる際の噴霧内外の圧力差、これにより生じる空気流動により噴霧が内側へ押されて、噴霧が縮んでしまう傾向がある。この場合、噴霧角が小さくなるため、噴霧の貫徹力が大きくなる問題があって、筒内直噴エンジンに採用した場合、ウォールウェットを生じないような混合気形成ができないことがある。 
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決するために案出されたものである。すなわち、本発明の目的は、単孔ホール弁よりも，貫徹力の小さい噴霧を噴射できる燃料噴射弁であって、噴孔を噴射弁ボディに設けた凹所底部に設置すると共に、噴孔周辺を壁面で囲むように構成し、液体燃料が壁面に付着するのを防止して混合気形成を行う筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁を提供することにある。本発明の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、燃料噴霧の根元部での周囲空気の燃料噴霧内への導入を抑制することにより、雰囲気圧力が高い条件においても周囲空気の流れに押されて燃料噴霧が縮むことが無く、燃料噴霧角が雰囲気条件に影響を受けない低貫徹力な噴霧を形成することができ、ウォールウェット生成を防止することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、燃焼室内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を設け、燃料噴射弁により低負荷時には圧縮行程中に燃料を噴射し、成層混合気を形成する一方、高負荷時には吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成する筒内直噴式内燃機関において、燃料噴射弁を噴孔の上流部には燃料に対して軸芯まわりを旋回流通させる旋回力を付与する旋回手段を設けて略円錐形状の燃料噴霧を噴射供給すると共に、噴孔を燃料噴射弁の先端部に設けた凹所の底部に収容し噴孔周辺を凹所壁面で囲むように構成し、燃料噴射弁からの燃料噴霧の貫徹力を小とし、当該噴霧の根元部への周囲空気の導入を抑制して燃料噴霧が燃焼室の壁面に付着するのを防止して混合気形成を行うようにしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、燃焼室内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を設け、燃料噴射弁により低負荷時には圧縮行程中に燃料を噴射し、成層混合気を形成する一方、高負荷時には吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成する筒内直噴式内燃機関において、燃料噴射弁には複数の噴孔を設けて噴霧全体として略円錐形状の燃料噴霧を噴射供給可能にすると共に、噴孔を燃料噴射弁の先端部に設けた凹所の底部に収容し噴孔周辺を凹所壁面で囲むように構成し、燃料噴射弁からの燃料噴霧の貫徹力を小とし、当該噴霧の根元部への周囲空気の導入を抑制して燃料噴霧が燃焼室の壁面に付着するのを防止して混合気形成を行うようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、混合気の形成の際に、液体噴霧を燃焼室の壁面に衝突することがないため、液体燃料が燃焼室の壁面に付着してすることが無い。したがって、燃焼室の壁面に付着する燃料に起因する未燃ＨＣ、スモークの生成が抑制することができる。また、燃料噴霧がシリンダライナに到達することもないため、付着燃料によるオイル希釈も防止することができる。さらに、混合気の形成に燃焼室の壁面を利用しないため、複雑な形状の燃焼室を構成する必要が無い。
【００１１】
このため、燃焼室の壁面積が大きくならず、冷却損失が低減できるだけでなく、製造コストの低減も期待することができる。しかも、本発明の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、噴霧角で代表される噴霧形状が、雰囲気圧力（密度）によって変化しない、すなわち高圧下においても縮まない、低貫徹力で高分散な噴霧が形成することができる。このため、燃料の噴射時期によらず低貫徹力な燃料噴霧を利用することができ、有効な混合気の形成手法の実現する。
〔作用・効果が生じる理由〕
【００１２】
本発明の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、燃料噴霧内への空気導入が噴霧の根元からある長さの部分（いわゆるエントレイン長さ）で行われる。この長さは、雰囲気密度が高くなるほど短くなり、より噴霧の根元部からの空気導入が活発になるのである。このため、従来の渦巻噴射弁のようなスワール噴霧を用いた場合では、圧縮行程噴射時のように高圧下において周囲空気の流れに押されて噴霧が縮む特性があった。この場合、燃料噴霧の貫徹力は大きく、燃焼室の壁面まで燃料噴霧が到達し、壁面を燃料で濡らすことがある。
【００１３】
これに対して、本発明の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁では、燃料噴霧の根元部を壁で囲む構成にしたことにより、燃料噴霧の根元部での周囲から噴霧内への空気導入を抑制することができる。このため、高圧下においても、燃料噴霧の根元部では当該燃料噴霧が周囲からの空気の流れにより押されることがないことにより、燃料噴霧が縮むことがない。さらに、壁と噴霧との間では圧力が低下することも、噴霧が内側に縮むことを防止することができる。一方、雰囲気圧力が低い場合は、エントレイン長さが長くなるため、凹所底部の深さがこのときのエントレイン長さより十分に浅くなり、燃料噴霧の形成に与える影響が小さくなるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図１１、図１２に示すように、シリンダヘッド１１のほぼ中央に燃料噴射弁１および点火プラグ１２が設けられている。本発明の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、均質混合気を形成する場合には吸気行程中に、成層混合気を形成する場合は圧縮行程時に、それぞれ燃料を下方に向けて噴射する筒内直噴式火花点火機関において、低貫徹力、高分散な噴霧を形成することにより、壁面への燃料到達および燃料付着を防止し、これに起因する未燃ＨＣ、スモーク、オイル希釈などを解決できる。特に、圧縮行程噴射時では、燃料の噴射期間中および噴射終了直後に、噴霧に点火し、成層燃焼を実現する。
【００１５】
このとき、燃料噴射弁１として、従来の渦巻噴射弁（スワールノズル）を用いた場合には，図１０に示すように、内燃機関の圧縮行程時に、噴霧が縮み、噴霧の貫徹力が大きくなり、噴霧がピストン１０の頂面に衝突するのである。そこで、本発明の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図１１に示すように、高圧時における噴霧の縮みを防止する燃料噴射弁Ａを用いることにより、雰囲気条件によらず低貫徹力な噴霧を形成し、噴霧がピストン１０の頂面の壁面への燃料の到達を防止することができる。
【００１６】
ここで用いる燃料噴射弁１は、図１、図２に示すように、噴孔５の上流部には燃料に対して軸芯まわりを旋回流通させる旋回力を与える旋回手段が設けられている。具体的には、旋回通路を形成したスワーラ３を有するいわゆるスワールノズルである。その噴孔５は、インジェクタ先端部に設けられた凹所４の底部に設置されている。凹所４の深さは、高圧時のエントレイン長さの１／２以下に構成されている。図４、５は、凹所４の有無による効果を示すもので、図４に示す従来のスワールノズルのように、噴孔５に凹所４を設けない場合には、噴霧内への周囲空気の導入は、噴霧の根元部から盛んに行われる。このため、噴霧径が小さい根元に近い部分ほど、周囲空気の流速は大きくなり、噴霧を中心部へ押そうとする。この効果は、空気密度が大きくなる高圧時ほど顕著であり、圧縮行程噴射時では、噴霧が縮小してしまう。一度、噴霧が縮む方向へ向かうと、噴霧先端が閉じてしまうため、噴霧内外の圧力差がより大きくなり（内が外に対して低くなる）、さらに噴霧が縮小しようとする。
【００１７】
一方、本発明の実施形態の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図５に示すように、噴孔５に凹所４を有する場合では、噴霧の根元部が、凹所４を形成する壁で覆われており、この部分での周囲空気のエントレインを抑制するため、噴霧が周囲から押されることがない。凹所４により、噴霧の下流部分では、噴霧径が十分に大きくなっているため、エントレイン流速が過大になることがない。また、噴霧根元部の噴霧内部には、下流からの循環流が生じることと、噴霧と凹所４の壁で囲まれた空間では圧力が低下することにより、根元部では噴霧がより広がろうとするのである。
【００１８】
以上の効果は、空気密度が高くなる高圧時ほど大きく、圧縮行程噴射時においても、噴霧が縮むことがなく、低貫徹力、高分散な噴霧が形成できる。高圧場において、それぞれの噴霧挙動を解析した結果を図１６および図１７に示す。図１６に示すように、噴孔５の周辺が壁面で囲まれていない場合は、噴霧角が小さくなり、貫徹力が大きくなっている。一方、図１７に示すように、噴孔５に凹所４が設けられ、噴孔５の周辺が壁面で囲まれている場合は、噴霧の縮みがなく、貫徹力の弱い噴霧が形成されている。なお、いずれの噴射条件においても、噴霧が凹所４を形成する壁面と干渉しないような凹所の形状、構造、深さとすることができる。本発明の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図１２のような構成として筒内直噴式内燃機関に配設することにより、燃料噴射時期によらず、燃料噴霧を壁面に衝突することなく、混合気の形成が可能となるのである。
【００１９】
次に、本発明のその他の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図３に示すように、噴孔５の周辺部の空気エントレインを抑制する壁面が、噴孔５の周囲部に凸部６を設けて形成しても良い。
【００２０】
また、本発明のその他の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図６、図７に示すように、複数の噴孔５を有し、噴霧全体として、略円錐形状の燃料噴霧を形成するため、インジェクタ先端部に設けた凹所４の底部に、複数の噴孔５が開口されている。
【００２１】
さらに、本発明のその他の実施形態の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図８、図９に示すように、薄板１７に３つ以上の複数の噴孔５を開口して構成する。これにより、噴霧全体としては、略円錐形状の燃料を形成することができる。この燃料噴射弁は、インジェクタ先端の薄板１７の押え部１８により噴孔５の周囲に凸部６を形成する。これら凸部６および凹所４の形状は、インジェクタの軸に対して対称の他、図８、図９に示すようにインジェクタの軸に対して対称でなくとも良い。
【００２２】
また、本発明のその他の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁は、図１３ないし図１５に示すように、燃焼室のほぼ中央に点火プラグ１２を設置し、これとは離れた側方位置に、燃料噴射弁１を設置されている。燃料は、燃焼室の側方かやや下方に向けて噴射供給される。吸気行程、圧縮行程のいずれの時期に燃料を噴射しても、形成される噴霧は、高分散かつ低貫徹力であるため、噴霧が壁面に到達してウォールウェットを形成することがないのである。特に、圧縮行程噴射では、噴霧の貫徹力を、インジェクタから点火プラグ１２の位置までの距離と同等に設定することにより、図１４に示すように、点火プラグ１２まわりに成層した混合気を形成することができ、安定した燃焼が可能となるのである。
【００２３】
詳しくは、本発明のその他の実施形態における筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁が、図１３ないし図１５に示すように、シリンダのほぼ中心に点火プラグ１２と、点火プラグ１２から離れた側方位置に燃料噴射弁がそれぞれシリンダヘッド１１に配置されている。燃料噴射弁からの噴霧は、直接点火プラグ１２をねらわないよう水平かやや下方へ向けて噴射供給される。この噴霧軸に対してシリンダヘッド１１の下面の点火プラグ１２側が、その反対側よりも，噴孔５の位置に対して大きく張り出し形成されている。吸気行程噴射では、噴霧軸方向へ噴霧が進行し、燃料が点火プラグ１２を濡らすことはない。また、圧縮行程噴射では、点火プラグ１２の方向へ燃料噴霧が偏向され、点火プラグ１２まわりに成層混合気を形成することができる。このとき筒内空気は圧縮され高温となっているので、噴射された燃料の蒸発は十分に早く、点火プラグ１２を濡らす事がないのである。
【００２４】
ここで、燃料噴射弁の近傍に壁を設けない自由噴霧の場合、図１３に示すように、噴霧の根元付近から周囲空気が噴霧内へとエントレインされる。一方、図１５に示すように、燃料噴射弁の近傍の一部が壁で囲まれるようにした場合には、この部分からの周囲空気の噴霧内へのエントレインが制限される。このため、壁と反対側から噴霧へと向かう空気の運動量のみを選択的に噴霧内に取り込むことになる。さらに、噴霧と壁との間の空間では、圧力が低下することも合わせ、噴霧は壁側に曲げられる。エントレインされる空気の運動量は、その密度に比例し、エントレイン領域の長さＳは周囲空気の密度の−１／２乗に比例するため、有限な長さの壁の場合、壁方向への噴霧偏向の程度は、空気密度に対しおおよそ図１６の関係にある。すなわち、密度が高いほど、噴霧は偏向を受け易い。したがって、本形態例のような構成とすることで、密度の高い圧縮行程噴射では，噴霧をプラグ側へ曲げることができる．一方，密度の低い吸気行程噴射では、壁の影響は小さく、噴霧軸方向へ噴霧を飛ばすことができる。
【００２５】
実施形態の筒内直噴式内燃機関の燃料噴射弁による上記混合気形成手法は、ピストンキャビティなどの壁面に向けて燃料を噴射する必要がなく、燃料の壁面付着に起因する未燃HCが増大する恐れがない。また、深いピストンキャビティを設ける必要もないため、吸気行程噴射時には良好な均質混合気が形成できる。また、噴霧の偏向に強い気流を必要としないために、流量係数の高い吸気ポートを採用でき、出力が増大する。さらに、噴霧の偏向程度は、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時との雰囲気密度の違いにより変えられるため、特別な制御装置が必要なく、回転数依存も小さいため、広い運転条件で安定した混合気形成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の燃料噴射弁を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態の燃料噴射弁を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態の燃料噴射弁を示す断面図である。
【図４】従来の燃料噴射弁における噴霧根元部への周囲空気の導入状況を示す線図である。
【図５】本発明の実施形態の燃料噴射弁における噴霧根元部への周囲空気の導入状況を示す線図である。
【図６】本発明のその他の実施形態の燃料噴射弁を示す断面図である。
【図７】本発明のその他の実施形態の燃料噴射弁を示す斜視図である。
【図８】本発明のその他の実施形態の燃料噴射弁を示す断面図である。
【図９】本発明のその他の実施形態の燃料噴射弁を示す斜視図である。
【図１０】従来の燃料噴射弁による噴霧状況を示す概要図である。
【図１１】本発明の実施形態の燃料噴射弁による噴霧状況を示す概要図である。
【図１２】本発明の実施形態の燃料噴射弁を配置した燃焼室状況を示す概要図である。
【図１３】従来の燃料噴射弁による噴霧状況を示す概要図である。
【図１４】本発明の実施形態の燃料噴射弁による噴霧状況を示す概要図である。
【図１５】本発明の実施形態の燃料噴射弁を配置した燃焼室状況を示す概要図である。
【図１６】従来の燃料噴射弁による噴霧状況を示す概要図である。
【図１７】本発明の実施形態の燃料噴射弁による噴霧状況を示す概要図である。
【符号の説明】
【００２７】
１………燃料噴射弁
２………ニードル
３………スワーラ
４………凹所
５………噴孔
６………凸部
７………エントレイン流
８………循環流
９………噴霧
１０……ピストン
１１……シリンダヘッド
１２……点火プラグ
１３……吸気ポート
１４……吸気弁
１５……排気弁
１６……排気ポート
１７……薄板
【図１】
2005098160.tif 000003
【図２】
2005098160.tif 000004
【図３】
2005098160.tif 000005
【図４】
2005098160.tif 000006
【図５】
2005098160.tif 000007
【図６】
2005098160.tif 000008
【図７】
2005098160.tif 000009
【図８】
2005098160.tif 000010
【図９】
2005098160.tif 000011
【図１０】
2005098160.tif 000012
【図１１】
2005098160.tif 000013
【図１２】
2005098160.tif 000014
【図１３】
2005098160.tif 000015
【図１４】
2005098160.tif 000016
【図１５】
2005098160.tif 000017
【図１６】
2005098160.tif 000018
【図１７】
2005098160.tif 000019