(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に円形断面の１次噴孔が形成された弁本体と、
上記１次噴孔の入口開口部を開閉する弁体と、
上記１次噴孔へ流入する燃料に上記１次噴孔の中心軸回りの旋回流れ成分を付与するスワール手段と、
上記１次噴孔の出口開口部を閉塞する位置に配置されたプレートと、
を備え、
上記プレートに、上記１次噴孔よりも断面積の小さい複数の２次噴孔を開口形成し、
上記複数の２次噴孔を、上記１次噴孔の周辺部分に形成した第１群と、上記１次噴孔の中心付近に形成した第２群と、から構成し、
上記第１群の複数の２次噴孔が、上記周辺部分の全周に亘って連続するように、上記第１群を構成する２次噴孔の周方向長さよりも短い僅かな間隙を残して互いに近接して配置されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
上記第１群の２次噴孔の総断面積を上記第２群の２次噴孔の総断面積より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
上記１次噴孔内の燃料流れが定常の旋回状態に達したときに、上記１次噴孔の内周壁面上に形成される燃料液膜部分に上記第１群の２次噴孔が開口し、かつ上記１次噴孔の中心付近に形成される空胴部分に上記第２群の２次噴孔が開口するように、それぞれの群の２次噴孔の形成位置を設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
上記第１群の２次噴孔は、上記１次噴孔の外周に沿った複数の円弧状のスリットからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
成層燃焼運転と均質燃焼運転とが可能な直接噴射式ガソリン機関に用いられるとともに、
上記第１群の２次噴孔の周方向の長さをＢとし上記プレートの厚さをｔとしたときの両者の比Ｂ／ｔが、成層燃焼運転時に要求される噴霧角θ1'と均質燃焼運転時に要求される噴霧角θ2'との差Δθ（Δθ=θ2'-θ1'）に基づいて、設定されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
上記第１群を構成する多数の円形の２次噴孔が円周方向に列をなすように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
上記第１群の２次噴孔は、その半径方向の幅が上記燃料液膜の厚さに対応していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
上記第１群の２次噴孔の周方向両端が、周方向に沿った断面において、上記スワール手段による旋回方向に対し順方向となるように傾斜していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
上記第１群の２次噴孔は、半径方向に沿った断面において、両側縁が、半径方向外側へ拡がるように傾斜していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
上記スワール手段は、旋回流強さを変化させることができるスワール可変手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項１１】
上記スワール手段は、上記１次噴孔の接線方向に沿った燃料案内溝を有するスワールチップからなり、
上記スワール可変手段として、旋回成分を生じないように燃料案内溝が放射状に配設された板状部材が上記スワールチップの先端側に重ねられており、
上記弁体のリフト量に応じて旋回流強さが変化することを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
【請求項１２】
上記弁体を駆動するアクチュエータに微小周期のオン−オフパルス信号を与えることで上記弁体のリフト量を可変制御するようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射弁。
【請求項１３】
上記スワール可変手段として、上記弁体が微小リフトと着座とを繰り返すように上記弁体を駆動するアクチュエータにオン−オフパルス信号を与えて旋回流強さを小さくするようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
【請求項１４】
燃料噴射弁と点火プラグとが燃焼室上部に配置され、成層燃焼運転と均質燃焼運転とが行われる直接噴射式ガソリン機関に用いられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項１５】
点火プラグが燃焼室上部に配置されるとともに燃料噴射弁が燃焼室の側方に配置され、成層燃焼運転と均質運転燃焼とが行われる直接噴射式ガソリン機関に用いられることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃料噴射弁、特に成層燃焼運転と均質燃焼運転とに切換可能な直接噴射式内燃機関に好適な燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料噴射弁として、例えばスワールチップを噴孔上流側に配置して、燃料を噴孔軸回りに旋回させつつ噴射するようにしたスワール燃料噴射弁が従来から知られている。
【０００３】
このスワール燃料噴射弁によれば、特性の異なる２種の噴霧、すなわち、噴孔内に旋回流が発達する前の初期噴霧と、旋回流が十分発達した後の中空円錐形噴霧と、が得られる。
【０００４】
また、特開２０００−９００２号公報には、０．１〜０．８ｍｍの径の１次噴孔の下流側に、噴孔板を配置し、この噴孔板に、０．０１ｍｍ〜０．００４ｍｍのほぼ均一な径の多数の噴孔をほぼ偏りなく分布させた燃料噴射弁が開示されている。
【０００５】
この燃料噴射弁によれば、上記噴孔板を介して噴射される燃料の粒径が１０μｍ程度以下となり、蒸発速度が高められて、気体との混合が改善される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料噴射弁により筒内に燃料を直接噴射する直接噴射式ガソリン機関においては、種々の条件に応じて、成層燃焼と均質燃焼とを使い分けるのが一般的である。
【０００７】
ここで、成層混合気を形成するのに適した燃料噴霧と均質混合気を形成するのに適した燃料噴霧とではその特性が異なっており、上述した従来の燃料噴射弁では、成層燃焼に適した噴霧と均質燃焼に適した噴霧との２種の噴霧を得ることが困難である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料噴射弁は、請求項１のように、先端に円形断面の１次噴孔が形成された弁本体と、上記１次噴孔の入口開口部を開閉する弁体と、上記１次噴孔へ流入する燃料に上記１次噴孔の中心軸回りの旋回流れ成分を付与するスワール手段と、上記１次噴孔の出口開口部を閉塞する位置に配置されたプレートと、を備え、上記プレートに、上記１次噴孔よりも断面積の小さい複数の２次噴孔が開口形成され、上記複数の２次噴孔を、上記１次噴孔の周辺部分に形成した第１群と、上記１次噴孔の中心付近に形成した第２群と、から構成し、上記第１群の複数の２次噴孔が、上記周辺部分の全周に亘って連続するように、上記第１群を構成する２次噴孔の周方向長さよりも短い僅かな間隙を残して互いに近接して配置されている。
【０００９】
上記構成においては、弁体が１次噴孔の入口開口部を開くと、燃料は１次噴孔に流入し、かつ複数の２次噴孔を通して噴射される。ここで、上記スワール手段によって発生した燃料の旋回流れは、２次噴孔を通過する際にも維持されるので、複数の２次噴孔から噴出した燃料は全体として中空円錐状の噴霧を形成する。このように、十分な旋回成分を付与された状態での噴霧は、一般的なスワール燃料噴射弁による噴霧と同様の特性、つまり噴霧角が大でかつ良好に微粒化される、という特性を有している。
【００１０】
一方、１次噴孔内に旋回流が発達していない状態では、２次噴孔を通過して形成される噴霧は、噴霧角の小さい噴霧となる。また、１次噴孔よりも断面積の小さい複数の２次噴孔から噴射されるので、適度に微粒化された噴霧となる。
【００１１】
このように本発明の燃料噴射弁では、弁体のリフト量などで１次噴孔内の旋回流を調整することにより、大噴霧角で高度に微粒化された噴霧と小噴霧角で適度に微粒化された噴霧とを得ることが可能となる。従って、例えば、均質燃焼と成層燃焼とを使い分ける直接噴射式内燃機関に適したものとなる。
【００１２】
また、より具体的な請求項２に係る燃料噴射弁は、上記の複数の２次噴孔を、上記１次噴孔の周辺部分に形成した第１群と、上記１次噴孔の中心付近に形成した第２群と、から構成し、上記第１群の２次噴孔の総断面積を上記第２群の２次噴孔の総断面積より大きくしたことを特徴としている。
【００１３】
噴霧角が大きくなる状態、すなわち１次噴孔内の旋回流が発達した状態では、１次噴孔の内周壁面上に薄い燃料液膜が形成され、かつ１次噴孔の中心付近に空洞が形成される。換言すれば、この状態のときには、燃料は１次噴孔の周辺部分のみに偏在する。従って、この１次噴孔の周辺部分にある２次噴孔つまり第１群の２次噴孔の断面積は、旋回成分を阻害しないように、大きくすることが望ましい。また、中心付近の空洞形成のためには、この中心付近においてプレートを貫通する孔、つまり第２群の２次噴孔が必要である。
【００１４】
一方、旋回成分が弱いときに得られる小噴霧角の噴霧は貫徹力が大きいので、対向するピストン等への燃料付着量が多くなる可能性がある。これを防止するには、噴霧の速度を大きくすることが有利である。この小噴霧角のときには、燃料は１次噴孔の中心付近にある第２群の２次噴孔をも通過するので、噴霧速度を高めるために、第２群の２次噴孔の総断面積は小さい方がよい。
【００１５】
【発明の効果】
この発明に係る燃料噴射弁においては、弁体のリフト量などで１次噴孔内の旋回流を調整することにより、大噴霧角で高度に微粒化された噴霧と小噴霧角で適度に微粒化された噴霧とを得ることができ、直接噴射式内燃機関において均質燃焼と成層燃焼とのそれぞれに適した噴霧の形成が可能となる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料噴射弁の一実施例を示した断面図である。図示するように、噴射弁本体１の先端中心に円形断面の１次噴孔４が開口形成されており、この１次噴孔４の入口開口部を、弁体つまり針弁２が開閉している。この針弁２は、圧電素子ないしはソレノイド等からなるアクチュエータ３により作動するものであり、その基端の隔壁部８と噴射弁本体１内周面との間がシールリング９によってシールされている。上記針弁２の先端は、円錐形のシート面１１ａとなっており、これが１次噴孔４周囲の円錐形のシート面１１ｂに着座する。なお、７は燃料入口、１０はリード線である。
【００１８】
この実施例では、スワール手段として、燃料に旋回流を与えるスワールチップ６が弁本体１の先端部に固定されており、１次噴孔４の周囲を囲っている。また、上記１次噴孔４の出口開口部を閉塞する位置に、薄い円板状のプレート５が配置されている。
【００１９】
図２は、上記スワールチップ６の詳細を示しており、旋回流を生成するために、例えば４本の燃料案内溝６ｃが接線方向に沿って形成されている。また各燃料案内溝６ｃの下流端つまりスワールチップ６内周部には、旋回溝の無い空間６ｂが作られている。なお、燃料案内溝６ｃの上流端には、スワールチップ６の軸方向に沿った燃料導入溝６ａが接続されている。
【００２０】
図３は、上記プレート５の詳細を示したものであり、このプレート５には、図示するように、複数個の２次噴孔が開口形成されている。具体的には、１次噴孔４の周辺部分に位置する４個の第１群の２次噴孔２１と、１次噴孔４の中央部に位置する４個の第２群の２次噴孔２２と、を有している。
【００２１】
上記第１群２次噴孔２１は、１次噴孔４の外周に沿った円弧状のスリットからなり、４個の２次噴孔２１が、僅かな間隙を残してほぼ全周に亘って連続するように配置されている。このスリット状の２次噴孔２１の半径方向の幅は、１次噴孔４内の燃料流れが定常の旋回状態に達したときに該１次噴孔４の内周壁面上に形成される燃料液膜部分の厚さに等しく設定されている。また、このスリット状の２次噴孔２１の周方向両端２１ａ，２１ｂは、図３（Ｃ）に示すように、周方向に沿った断面（（Ａ）のＹ−Ｙ断面）において、スワールチップ６による旋回方向に対し順方向となるように傾斜している。さらに、図３（Ｂ）に示すように、半径方向に沿った断面（（Ａ）のＸ−Ｘ断面）においては、各２次噴孔２１の両側縁２１ｃ，２１ｄが、１次噴孔４の中心から半径方向外側へ拡がるように傾斜している。なお、スリット状をなす各２次噴孔２１の半径方向の幅は、各部で一定である。
【００２２】
また、プレート５の中心付近に位置する第２群の２次噴孔２２は、それぞれ円形をなし、４個の２次噴孔２２が、１次噴孔４の中心から等距離に９０°毎に配置されている。そして、各２次噴孔２２は、１次噴孔４の中心から半径方向外側へ拡がるように、プレート５に対し傾斜して貫通形成されている。
【００２３】
上記第１群の２次噴孔２１の総断面積は、第２群の２次噴孔２２の総断面積よりも大きい。
【００２４】
閉弁時には、針弁２がシート面１１ｂに着座しており、上流側の高圧燃料は、噴射弁本体１内に保持されている。この状態から針弁２が僅かにリフトすると、燃料はシート面１１ａ，１１ｂの間を通って１次噴孔４内に導かれるが、例えばリフト初期には、旋回流が十分に形成されていないまま１次噴孔４内に燃料が流入する。そして、この燃料は、プレート５の２次噴孔２１，２２を通して噴射される。図４は、このように１次噴孔４内で旋回成分を持たない流れによる噴霧の形成を説明した図であり、前述したように、半径方向に沿った断面Ｘ−Ｘにおいては、各２次噴孔２１，２２が外側へ拡がるように傾斜していることから、この２次噴孔２１，２２の傾斜に沿って燃料が噴射される（図４（Ａ）参照）。これに対し、周方向に沿った断面Ｙ−Ｙを示す図４（Ｂ）のように、スリット状をなす２次噴孔２１はその周方向の長さが大きいことから、スリット状の２次噴孔２１の周方向両端２１ａ，２１ｂの傾斜は、噴霧の方向に殆ど影響しない。なお、これについては、さらに後述する。従って、全体としては、いわゆるスリットノズルとして、比較的噴霧角の小さな噴霧が形成されることになる。このタイプのノズルの噴霧は、雰囲気圧力に対して噴霧角が影響を受けにくいことがわかっており、成層運転時に、ピストンのキャビティに向けて精度良く噴射することが可能である。
【００２５】
一方、針弁２が十分にリフトして燃料がスワールチップ６の燃料案内溝６ｃを通って１次噴孔４に流入するようになると、１次噴孔４内の旋回成分が強くなる。そして、定常の旋回状態に達した段階では、図５（Ａ）に示すように、遠心力によって１次噴孔４の内周壁面上に燃料液膜３１が形成され、同時に、１次噴孔４の中心部では、第２群の２次噴孔２２を通して外部から空気が侵入し、空洞状となる。従って、燃料は、基本的に周辺部分にある第１群の２次噴孔２１を通して噴射される。ここで、１次噴孔４から２次噴孔２１へ向かう燃料の流れは、スワールチップ６による旋回成分を備えているが、この第１群の２次噴孔２１は周方向に沿って長いスリット状をなし、しかもその周方向両端２１ａ，２１ｂが旋回流と順方向に傾斜しているので、図５（Ｂ）のように、旋回成分を保持したまま外部へ噴射される。この旋回成分によって、図５（Ａ）に示すように、噴霧は半径方向へさらに拡がり、噴霧角が大きくかつ良好に微粒化した噴霧が得られる。
【００２６】
なお、上述したように、１次噴孔４の中心部は、外部から空気が侵入して空洞状となるが、この空気の導入に際しては、中心付近の第２群の２次噴孔２２が重要な役割を果たしており、ここから空気が導入されることで、燃料液膜３１の形成が円滑に行われるのである。また、スリット状をなす２次噴孔２１は、構造上、完全な円形に連続させることはできず、隣接する２次噴孔２１同士の間に生じる接続部によって、円錐形に拡がる噴霧が周方向の数カ所（図示例では４カ所）に切れ目をもつものとなるが、この噴霧の切れ目は、逆に外部からの空気の導入を促進し、雰囲気圧力による噴霧の縮まりを防止して、効率のよい微粒化に寄与する。
【００２７】
また図３（Ｃ）に示した第１群の２次噴孔２１の断面Ｙ−Ｙの形状は、スワール噴霧つまり旋回成分を有する円錐形噴霧を形成する上で重要である。このスリット状の２次噴孔２１の円周方向の長さをＢ、プレート５の厚さをｔとしたときに、両者の比Ｂ／ｔの大小によって、上流の流れが下流に与える影響の大きさが変化する。図６は、上記の比Ｂ／ｔが、上流側の流れ角度θ１と下流側の流れ角度θ２との関係に与える影響を示したもので、比Ｂ／ｔが「１」および「６」のスリット状噴孔について、上流側の流れ角度θ１が０°および４５°の場合の出口側の流れを、流線の形で示している。なお、スリット状噴孔は、角度θ０だけ傾いている。これらの図に示すように、比Ｂ／ｔが大きければ、下流側の流れの方向は、上流側の流れ角度に大きく影響を受けるのに対し、比Ｂ／ｔが小さい場合には、上流の流れ角度の影響をほとんど受けない。図７は、図中の説明のように、Θ＝θ２／θ０と定義したときの、Θと比Ｂ／ｔとの関係を示している。
【００２８】
上記の第１群の２次噴孔２１は、前述したように、周方向両端２１ａ，２１ｂがスワールチップ６による旋回方向に対し順方向となるように傾斜しているとともに、その両側縁２１ｃ，２１ｄが、１次噴孔４の中心から半径方向外側へ拡がるように傾斜しているのであるが、周方向つまり断面Ｙ−Ｙについて見ると、その比Ｂ／ｔは大きく、また半径方向つまり断面Ｘ−Ｘについて見ると、その比Ｂ／ｔは小さい。従って、円周方向の旋回成分に対しては、この上流側の流れに沿って出口側の流れが得られる。従って、均質燃焼に適した、より微粒化した噴霧となるように噴霧角が大きく得られる。これに対し、旋回成分を具備しない流れに対しては、半径方向に、両側縁２１ｃ，２１ｄの傾斜に沿って噴射されることになり、成層燃焼に一層適した噴霧が得られる。
【００２９】
つまり、第１群の２次噴孔２１としては、スリット状の細く長い形状が最適であると言える。なお、この２次噴孔２１の半径方向の幅が、上流で旋回流が起きている場合の燃料液膜３１の厚さよりも小さいと、旋回流のプレート５からの自然な流出を妨げるので好ましくない。同様に、スリット状の２次噴孔２１の外周が１次噴孔４の外周におおよそ一致していないと燃料の自然な流出を妨げることになり、好ましくない。従って、外周を１次噴孔４の外周に一致させるとともに内周側は旋回流によって形成される燃料液膜厚さに一致させ、かつ円周方向に長い形状とすることにより、最も良好な効果が得られる。
【００３０】
図８は、上記構成の燃料噴射弁１０１を燃焼室１０２の頂部に配置した直接噴射式ガソリン機関の一例を示している。なお、１０３は燃焼室１０２の上部に上記燃料噴射弁１０１に並んで配置された点火プラグ、１０４はピストン、１０５はこのピストン１０４に形成されたキャビティを示す。この内燃機関は、均質燃焼と成層燃焼とが選択的に切換可能なものであり、成層運転時には、（ａ）図に示すように、圧縮行程後半において、キャビティ１０５へ向けて燃料が噴射される。従って、このときには、比較的小さな噴霧角θ１’が要求される。均質運転時には、（ｂ）図に示すように、吸気行程において筒内に燃料が噴射される。従って、このときには、比較的大きな噴霧角θ２’が要求される。上記の第１群の２次噴孔２１の周方向および半径方向のＢ／ｔの値は、それぞれの要求の噴霧角θ１’，θ２’を考慮して設定されている。
【００３１】
図９は、プレート５における第１群の２次噴孔２１の変形例を示したものであり、この例では、円形の噴孔２１を円周方向に列をなすように多数形成してある。このような構成においても、特にプレート５の厚さｔが小さい場合には、同様の作用効果が得られる。この構成では、加工が容易になるとともに、プレート５の強度確保の上で有利となる。
【００３２】
前述した噴霧形態の切換は、スワールチップ６による旋回流の強さを制御することで行われるが、これは、例えば針弁２が微小リフトと着座とを繰り返すようにアクチュエータ３に適宜な周期のオン−オフパルス信号を与えることで実現可能である。すなわち、針弁２が微小量リフトしたら旋回流が生じる前に再び着座させる、という動作を繰り返させることで、旋回成分を十分に小さくすることが可能である。
【００３３】
また図１０に示すようなスワール抑制用の板状部材５１を、スワールチップ６の先端側に重ねて配置し、かつ針弁２のリフト量を制御することで、旋回流の強さを変化させることもできる。上記板状部材５１は、スワールチップ６と類似した形状であるが、４本の燃料案内溝５２が１次噴孔４の半径方向に沿って放射状に形成されている。つまり、旋回成分を伴わずに燃料が１次噴孔４内に導入されるようになっている。従って、リフト量をこの板状部材５１の範囲内に制限すれば、１次噴孔４内では旋回流が発生しない。なお、リフト量の可変制御は、アクチュエータ３に微小周期のオン−オフパルス信号を与え、そのオン・デューティ比を可変制御することで実現できる。
【００３４】
本発明の燃料噴射弁は、燃料噴射弁と点火プラグとが離れて配置されたいわゆるワイド・スペーシング型の直接噴射式ガソリン機関にも用いることができる。図１１は、その具体的な一例を示しており、点火プラグ１０３が燃焼室１０２上部に配置されるとともに燃料噴射弁１０１が燃焼室１０２の側方に配置され、成層運転と均質運転とでそれぞれ図示のように燃料噴射が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料噴射弁の一実施例を示す断面図。
【図２】スワールチップの詳細を示す平面図（Ａ）およびそのＺ−Ｚ線に沿った断面図（Ｂ）。
【図３】プレートの詳細を示す平面図（Ａ）、Ｘ−Ｘ線断面図（Ｂ）およびＹ−Ｙ線断面図（Ｃ）。
【図４】旋回成分を持たない流れにおける噴射方向を示したもので、図３のＸ−Ｘ線に沿った断面の説明図（Ａ）およびＹ−Ｙ線に沿った断面の説明図（Ｂ）。
【図５】旋回成分を有する流れにおける噴射方向を示したもので、図３のＸ−Ｘ線に沿った断面の説明図（Ａ）およびＹ−Ｙ線に沿った断面の説明図（Ｂ）。
【図６】比Ｂ／ｔによる噴霧の方向への影響を示した説明図。
【図７】比Ｂ／ｔとΘとの関係を示す特性図。
【図８】成層運転時（ａ）と均質運転時（ｂ）とにおける噴霧の状態を示す説明図。
【図９】プレートの異なる実施例を示す平面図（Ａ）、Ｘ−Ｘ線断面図（Ｂ）およびＹ−Ｙ線断面図（Ｃ）。
【図１０】旋回成分を制限するための板状部材を示す平面図。
【図１１】ワイド・スペーシング型の直接噴射式ガソリン機関に適用した例を示す成層運転時（ａ）と均質運転時（ｂ）とにおける噴霧の説明図。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁本体
２…針弁
４…１次噴孔
５…プレート
６…スワールチップ
２１…第１群の２次噴孔
２２…第２群の２次噴孔
【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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【図１１】
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