(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周壁面上に環状の弁座が形成されたノズルボデイと、
前記内周壁面に対向する外周壁面上に環状の弁部が形成され、軸方向に移動されることにより該弁部が前記弁座に離着座するニードル弁と、
複数のオリフィスが形成され前記ニードル弁の下端面と対向する底部と、前記ノズルボディに取り付けられた取付部とを含むオリフィスプレートと、
から成り、前記ニードル弁の下端面と前記オリフィスプレートの底部との間に扁平なノズル前室が形成された、筒内噴射式内燃機関において使用される燃料噴射ノズルであって、
各前記オリフィスは、燃料の流入側に絞り部を、流出側に剥離促進部を備え、該剥離促進部は、各該オリフィスの外周側の半周のみに亘って形成されたくぼみからなることを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項２】
前記弁部の前記弁座からの離座時における前記ノズル前室の高さをｈ、前記底部の厚さをｔ、前記オリフィスの孔径をｄとしたとき、ｄ／４＜ｈ＜２ｄ、かつ０．５≦ｔ／ｄ≦２．０である請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項３】
前記複数のオリフィスは前記底部の中心を中心とする円上に配置されている請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項４】
隣接する前記複数のオリフィス間の距離は１．５ｄ以上である請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式内燃機関において燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射ノズルとは、自動車のエンジン等の内燃機関において、燃料の噴霧を噴射するものである。燃料噴射ノズルの一種に燃料通路及びノズル前室を形成し弁座を持つノズルボディと、ノズルボディ内に移動可能に配置され弁部を持つニードル弁と、ノズルボディに取り付けられ複数のオリフィスを持つオリフィスプレートとからなるものがある。
【０００３】
燃料噴射ノズルでは、燃料の消費量の低減や排気エミッションの向上等の点から、オリフィスから噴射される噴霧の微粒化が重要である。特に噴霧を燃焼室内に直接噴射し、運転状態に応じて燃焼モードを切り換える筒内噴射エンジンでは、高い微粒化が要求される。
【０００４】
筒内噴射エンジンではまた、燃焼モードに応じて噴霧の形状（主に噴霧の長さ即ち到達距離と噴射方向とにより決まる）を変更できることが要求される。つまり、噴霧と空気とを混合して燃焼室内で同じ空燃比にする均質燃焼モードでは、噴霧が燃焼室の全体に大きく拡散し、到達距離が長いことが必要である。燃料と空気とが充分に混合された混合気に点火されるため、燃焼が円滑に進み高い出力が得られる。一方、燃焼室のうち点火プラグの回りに噴霧の濃度の濃い層が、それ以外の部分に薄い層が形成される成層燃焼モードでは、噴霧は余り拡散せず到達距離が短いことが望ましい。
【０００５】
しかし、上記全ての要求をスワール噴霧やスリット噴霧で充足することは困難である。そこで、多数のオリフィスが形成されたプレートを含む燃料噴射ノズルが開発されている。例えば、特開平１１−７０３４７号に開示された流体噴射ノズルが知られている。この流体噴射ノズルでは、弁座に着座する当接部の環状のシート径をＤｓ、プレートの対向面におけるオリフィス間のピッチをＤｈ、オリフィスの孔径をｄ、弁座の当接部との環状シート部から対向面までの垂直距離をＨ、ニードル弁のリフト時における先端面から対向面までの距離をｈとするとき、１．５＜Ｄｓ／Ｄｈ＜６、ｈ＜１．５ｄ、Ｈ＜４ｄを満たしている。これにより、燃料流れの内部エネルギの減少を抑えて燃料が各オリフィス上で衝突し、微粒化された噴霧となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記流体噴射ノズルは吸気系中に噴射する形式の通常ガソリンエンジン用に開発されたものであり、これを筒内噴射ガソリンエンジンに使用することはできない。通常ガソリンエンジンの吸気系と筒内噴射ガソリンエンジンの燃焼室とでは雰囲気圧力が大きく異なり、微粒化のための条件が異なる。また、通常ガソリンエンジンでは噴霧は吸気系中に噴射されるので、その形状や長さは余り問題にならない。
【０００７】
また、複数のオリフィスを備えたオリフィスプレートを含む、筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射ノズルも知られている。しかし、燃料の微粒化に優れるとともに所望の噴霧形状が得られる燃料噴射ノズルは知られていない。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、均質燃焼モード及び成層燃焼モードにおいて微粒化に優れ、所望の噴霧形状が得られる筒内噴射ガソリンエンジン用燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、筒内噴射エンジンで使用される燃料噴射ノズルにおいて、ニードル弁の下端面とオリフィスプレートの底部との間に形成されるノズル前室の形状と、オリフィスの孔径及びオリフィスプレートの厚さと、燃料の微粒化、噴霧の形状（特に噴霧の長さ）との関係について研究した。その結果、これらの間に一定の関係があること、及びこの関係が高い微粒化が所望の噴霧形状を得るための前提であることを見いだして本発明を完成した。
【００１０】
即ち、本願発明の燃料噴射ノズルは、請求項１に記載したように、内周壁面上に環状の弁座が形成されたノズルボデイと；内周壁面に対向する外周壁面上に環状の弁部が形成され、軸方向に移動されることにより該弁部が弁座に離着座するニードル弁と；複数のオリフィスが形成されニードル弁の下端面と対向する底部と、ノズルボディに取り付けられた取付部とを含むオリフィスプレートと；から成り、ニードル弁の下端面とオリフィスプレートの底部との間に扁平なノズル前室が形成される。かかる筒内噴射式内燃機関において使用される燃料噴射ノズルにおいて、各オリフィスは、燃料の流入側に絞り部を、流出側に剥離促進部を備え、剥離促進部は、各オリフィスの外周側の半周のみに亘って形成されたくぼみからなることを特徴とする。
この燃料噴射ノズルによれば、絞り部が燃料の流れ方向を急激に変更して流量を絞る。また、剥離促進部がオリフィスの燃料の流れを積極的に剥離させる。
【００１１】
請求項２に記載の燃料噴射ノズルは、請求項１において、弁部の弁座からの離座時におけるノズル前室の高さをｈ、オリフィスプレートの厚さをｔ、オリフィスの孔径をｄとしたとき、ｄ／４＜ｈ＜２ｄ、かつ０．５≦ｔ／ｄ≦２．０である。
この燃料噴射ノズルにおいて、ノズル前室の高さｈとオリフィスの孔径ｄとがｄ／４＜ｈ＜２ｄの関係にあるので、ノズル前室全体が扁平になる。この扁平なノズル前室内において、燃料は外周側から内周側に向かって水平方向に流れる。その後、オリフィスの直上で等方的に衝突し、分裂し易くなり、微粒化が促進される。
【００１２】
また、オリフィスプレートの厚さｔとオリフィスの孔径ｄとが０．５≦ｔ／ｄ≦２．０の関係にあるので、燃料の微粒化が達成されるとともに、燃料はオリフィスからその軸線方向に噴射され、噴射方向が規制される。
【００１３】
請求項３に記載の燃料噴射ノズルは、請求項１において、複数のオリフィスが底部の中心を中心とする所定半径の円上に形成されている。この燃料噴射ノズルによれば、オリフィスの形成が容易で、中空円錐形状の噴霧が形成される。
【００１４】
請求項４に記載の燃料噴射ノズルは、請求項１において、隣接する複数のオリフィス間の距離は１．５ｄ以上である。この燃料噴射ノズルによれば、隣接するオリフィスの周囲の環状の空間があることによってノズル前室内での水平方向の流れが互いに衝突するため、微粒化が更に促進される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料噴射ノズルは、燃料通路を区画し弁座を持つノズルボディと、ノズルボディ内に軸方向に移動可能に配置され弁部を持つニードル弁と、複数のオリフィスを持つオリフィスプレートとを含み、オリフィスの構成により第１タイプと第２タイプとに分けられる。
＜第１タイプ＞
第１タイプではオリフィスプレートの底部上の複数のオリフィスが孔径が等しい。複数のオリフィスは例えば、底部の中心部に中心を持つ円上に円周方向に等間隔又は異なる間隔で配置できる。底部上に格子状に配置することもできる。
【００２６】
複数のオリフィスの軸線は底部の軸線に対して、上流側から下流側に進むにつれて半径方向外側となるように傾斜していることが望ましい。各オリフィスの傾斜角度は同じでも良いし異なっても良い。オリフィスの軸線が底部の軸線と平行であっても良い。例えば、燃焼室内で、噴霧の軸線方向が燃料噴射ノズルの軸線方向と異なるような噴霧を形成したい場合、全体又は一部のオリフィスの軸線方向をその方向に向けることもできる。
＜第２タイプ＞
これに対して、第２タイプの燃料噴射ノズルでは底部には孔径の異なる少なくとも２種類のオリフィスが形成されている。孔径の異なるオリフィスを底部に配置する場合、孔径の大きい第１オリフィスを底部の中心側に、孔径の小さい第２オリフィスを周辺側に配置することが望ましい。但し、中心側に第２オリフィスを配置し、周辺側に第１オリフィスを配置しても良い。
【００２７】
例えば、第１オリフィスを底部の中心部に中心を持つ第１円上に円周方向に等間隔又は異なる間隔で配置し、第２オリフィスを底部の中心部に中心を持つ第２円上に円周方向に等間隔又は異なる間隔で配置することができる。また、第１オリフィス及び第２オリフィスは底部上に格子状に配置することもできる。第２円の直径は第１円の直径の１．２から２．０倍程度にすることができる。
【００２８】
複数の第１オリフィスの開口面積の合計と、複数の第２オリフィスの開口面積の合計とは同じでも良いし、異なっても良い。複数の第１オリフィスの軸線及び複数の第２オリフィスの軸線は、底部の軸線に対して、上流側から下流側に進むにつれて半径方向外側となるように傾斜していることが望ましい。各第１オリフィス及び各第２オリフィスの傾斜角度は同じでも良いし異なっても良い。第１及びオリフィスの軸線が底部の軸線と平行であっても良い。
【００２９】
例えば、燃焼室内で、噴霧の軸線方向が燃料噴射ノズルの軸線方向と異なるような噴霧を形成したい場合、第１及び第２オリフィスの全体又は一部の軸線方向をその方向に向けることもできる。また、第１オリフィスの傾斜角度と、第２オリフィスの傾斜角度とは同じでも良いし異なっても良い。
＜ノズル前室の高さｈとオリフィスの孔径ｄとの関係＞
ノズル前室の高さｈは、オリフィスの孔径ｄの四分の一よりも大きく、２倍よりも小さい（ｄ／４＜ｈ＜２ｄ）。ｈ＝ｄ／４の関係は、πｄ2／４＝πｄｈより求めた。ノズル前室の高さｈが孔径ｄの四分の一よりも小さいと、ノズル前室が非常に扁平となり、オリフィスの入口部を区画する底部の周縁が絞りとして作用してしまう。一方、ノズル前室の高さｈがオリフィスの孔径ｄの２倍よりも大きいと、ノズル前室の扁平度が小さくなり、燃料の水平流が形成されずに各オリフィス直上での衝突も弱くなる。
＜オリフィスの孔径ｄとオリフィスプレートの厚さｔとの関係＞
オリフィスの孔径ｄに対するオリフィスプレートの厚さｔの比は０．５よりも大きく２よりも小さい（０．５≦ｔ／ｄ≦２．０）ことが望ましい。換言すれば、厚さｔは孔径ｄの半分よりも大きく、２倍よりも小さい（０．５ｄ≦ｔ≦２．０ｄ）。
【００３０】
ｔ／ｄの値は、厚さｔが厚いとき及び孔径ｄが小さいとき大きくなり、それにより微粒化は良くなるが噴霧の方向性は低下する。一方、ｔ／ｄの値は、厚さｔが薄いとき及び孔径ｄが大きいとき小さくなり、それにより噴霧の方向性は良くなるが微粒化は低下する。ｔ／ｄが０．５から２．０の範囲にあれば、微粒化と方向性の両方が満足される。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
（筒内噴射ガソリンエンジン）
図１に示すように、筒内噴射ガソリンエンジンは、シリンダ１０と、ピストン２０と、燃料噴射弁３０と、点火プラグ２５とから成る。このうちシリンダ１０は円筒状の本体部１１と、その上端開口に取り付けられた頭部（ヘッド部）１２とを有し、燃焼室１８を区画している。ヘッド部１２に形成された吸入口１３及び排気口１４は、それぞれ吸入弁１６及び排気弁１７により開閉される。
【００３２】
ピストン２０は円柱形状を有し、シリンダ１０の本体部１１に摺動可能に滑合されている。ピストン２０の頂面２１には従来例のようなキャビティは形成されておらず、平坦とされている。燃料噴射弁３０は、吸入口１３側の肩部に本体部１１に対して所定角度で取り付けられ、その軸線がピストン２０の頂面２１の中央部に延びている。点火プラグ２５はヘッド部１２の中央部に取り付けられている。
（燃料噴射ノズル）
図２に要部を示す燃料噴射ノズル３１はノズルボディ３２と、ニードル弁３８と、オリフィスプレート４５とを含む。
【００３３】
ノズルボディ３２は燃料通路３３を区画する内周壁３４と、その上に形成された環状の弁座３５とを備えている。ニードル弁３８は内周壁３４に対向する外周壁３９と、その上に形成され弁座３５に着座可能な環状の弁部４１とを備えている。ノズルボディ３２内でニードル弁３８が軸方向に移動されることにより弁部４１が弁座３５に着座又は離座する。
【００３４】
図２及び図３に示すように、オリフィスプレート４５は薄い金属板から成り、底部４６と取付部４９とを含む。底部４６はノズル前室３３の下流側開口に対向する複数のオリフィス（噴孔）４７、４８を備え、取付部４９においてノズルボディ３２に取り付けられている。ニードル弁３８とオリフィスプレート４５との間にノズル前室４３が形成されているが、これについては後述する。
【００３５】
底部４６の中心に中心Ｏを持つ半径ｒ1の内側円Ｒ1上に４個のオリフィス４７が形成されている。内側円Ｒ1を円周方向に４等分し直交する一対の直径上（４ヶ所）にオリフィス４７を形成し、円周方向に等間隔で配置している。各オリフィス４７は孔径ｄ1を持ち、底部４６の上面４６ａ即ち上流側から下面４６ｂ即ち下流側に進むにつれて、半径方向外向きに進むように傾斜している。オリフィス４７の軸線ｌ1 は底部４６の軸線Ｌに対して所定角度θ1を成す。
【００３６】
また、底部４６の中心に中心Ｏを持つ、上記半径ｒ1よりも大きい半径ｒ2の外側円Ｒ2上に８個のオリフィス４８が形成されている。上記一対の直交する直径により区分された四分円を３等分する２本の半径上にそれぞれ（合計８個の）オリフィス４８が円周方向に等間隔で配置されている。各オリフィス４８は上記孔径ｄ1よりも小さい孔径ｄ2を持ち、上流側から下流側に進むにつれて、半径方向外向きに進むように形成され、その軸線ｌ2は軸線Ｌに対して角度θ2（上記角度θ1と同じ）を成している。
【００３７】
その結果、６本の何れの直径上においても２個のオリフィス４７又は２個のオリフィス４８が位置している。内側円Ｒ1 上のオリフィス４７と外側円Ｒ2 上のオリフィス４８とが隣接する場合と、外側円Ｒ2 上のオリフィス４８同士が隣接する場合とがある。
【００３８】
図４に示すように、ニードル弁３８の下端面３８ａとオリフィスプレート４５の底部４６との間に円形状で扁平なノズル前室４３が形成されている。このノズル前室４３の高さ（軸方向長さ）ｈはオリフィス４７の孔径ｄ2 に等しい（ｈ＝ｄ2 ）。また、オリフィスプレート４５の底部４６の厚さｔはオリフィス４７の孔径ｄ1と等しい（ｔ＝ｄ1）。
【００３９】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、オリフィス４７の入口側には絞り部４７ａが形成されている。絞り部４７ａはオリフィス４７の外縁を通り軸線ｌ１と直交する平面ｐよりも上流側の部分により区画される。また、図５（ａ）及び（ｃ）に示すように、オリフィス４７の出口側には剥離促進部４７ｂが形成されている。剥離促進部４７ｂは上記平面ｐよりも下流側で、オリフィス４７の外周側の半周に亘って孔径ｄ1とほぼ同じ内径で形成されたくぼみから成る。
【００４０】
尚、図示はしないが、外側円Ｒ2上のオリフィス４８にも同様の絞り部及び剥離促進部が形成されている。
（作用効果）
図１において、均質燃焼時は吸気工程即ちピストン２０の下降時に燃料噴射弁３０から燃焼室１８内にガソリンを直接噴射する。雰囲気圧力は比較的低い（約０．１ＭＰａ）ため、噴霧１９は燃焼室１８内全体ほぼ均等に分散し、混合気が点火プラグ２５により点火される。
【００４１】
これに対して、成層燃焼時は、圧縮工程即ちピストン２０の上昇時に燃焼室１８内にガソリンを噴射する。この時、燃焼室１８内の雰囲気圧力は比較的高い（約０．５ＭＰａ）。そのため、図１に示すように、噴霧１９は円錐形状に広がりつつその先端がピストン２０の頂面２１の中央部と点火プラグとの間付近まで至る。噴霧１９は吸気ポート１３から吸入される空気と混合され、点火プラグ２５により点火される。
【００４２】
本実施例によれば、上記均質燃焼モード及び成層燃焼モードにおいて、以下の効果が得られる。
【００４３】
第１に、３つの理由によりガソリンの高微粒化が達成される。
【００４４】
１つ目の理由は、所定形状のノズル前室４３の形成による。即ち、ニードル弁３８の下端面３８ａとオリフィスプレート４５の底部４６の上面４６ａとの間に、円形で水平方向に延びるノズル前室４３が存在し、その高さはオリフィス４７の孔径ｄ1と等しい（ｈ＝ｄ1）。その結果、ガソリンはノズル前室４３内を半径方向外側から内側に向かって流れる水平流となり、オリフィス４７及び４８の直上で互いに衝突し、オリフィス４７及び４８へと流れ方向を変えられ、微粒化が促進される。
【００４５】
２つ目の理由は、オリフィス４７及び４８の周囲に環状の空間を確保したことによる。各オリフィス４７及び４８は隣接するどの組合せについても、一定距離以上離れて配置されている。その結果、オリフィス４７及び４８の周囲にそれぞれ水平流が互いに衝突できる空間が確保される。
【００４６】
３つ目の理由は、オリフィス４７及び４８に絞り部４７ａ等及び剥離促進部４７ｂ等を形成したことによる。絞り部４７ａはノズル前室４３内において外周側から中心部に向かうガソリンの流れ方向に対して鋭角を成し、流れ方向を急激に変更させて流量を絞る。また、剥離促進部４７ｂ等はオリフィス４７及び４８からのガソリンの流出時にその内周面からガソリン流れを積極的に剥離させる。その結果、ガソリン液膜が形成され微粒化し易くなる。
【００４７】
第２に、オリフィス４７とオリフィス４８とで噴霧の到達距離（噴霧長さ）を独立して変更でき、中実の噴霧を形成することができる。到達距離の変更は、内側円Ｒ1上のオリフィス４７の孔径を大きく、外側円Ｒ2上のオリフィス４８の孔径を小さくしたことによる。
【００４８】
孔径の大きいオリフィス４７からは比較的多いガソリンが噴射され、噴霧の内周側（中心側）の到達距離が長くなる。一方、孔径の小さいオリフィス４８からは比較的少ないガソリンが噴射され、外周側（周辺側）の到達距離が短くなる。その結果、均質燃焼モードでも成層燃焼モードでも、噴霧の中心側の長さが長く、周辺側の長さが短くなる。このような形状の噴霧は、シリンダ１０の内周面にウエットが生じ難く、好都合である。
【００４９】
中実形状の噴霧の形成は、各オリフィス４７の開口面積を等しくし、各オリフィス４８の開口面積を等しくした上で、４個のオリフィス４７の開口面積の合計と８個のオリフィス４８の開口面積の合計とを等しくしたことによる。その結果、内周側の４個のオリフィス４７から噴射される噴霧の流量と、外周側の８個のオリフィス４８から噴射される噴霧の流量とがほぼ等しくなった。
【００５０】
第３に、燃焼室１８内において噴霧の所望の噴射方向を得ることができる。これは、底部４６の厚さｔとオリフィス４７の孔径をｄ1とを等しくしたこと、及び内側のオリフィス４７の傾斜角度θ1と外側のオリフィス４８を所定の傾斜角度θ2とを等しくしたことによる。
【００５１】
オリフィス４７の孔径ｄ1と等しい厚さｔの底部４６は噴霧の微粒化と、噴霧の噴射方向性との両方を満足できる。オリフィス４７と４８とで傾斜角度を等しくすることにより、オリフィス４７で形成される環状の噴霧とオリフィス４８で形成される環状の噴霧との間に隙間ができにくい。
【００５２】
第４に、多数のオリフィス４７及び４８の形成にも関わらず、底部４６の強度が確保できる。オリフィス４７及び４８は、底部４６の中心Ｏを通るどの直径上にも２個しか存在しないように配置されている。よって、多数のオリフィス４７及び４８を形成しても、底部４６の強度が不足することはない（３個以上のオリフィス４７及び４８が同一直径上に配置されると、これらのオリフィスがミシン目を形成し、底部４６が該直径に沿って破断し易くなる）。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本願発明によれば、ノズル前室の高さｈとオリフィスの孔径ｄとがｄ／４＜ｈ＜２ｄの関係にあり、またオリフィスプレートの厚さｔとオリフィスの孔径ｄとが０．５≦ｔ／ｄ≦２．０の関係にある。その結果、燃料はノズル前室内においてオリフィスの直上で求心方向に衝突し、その後オリフィスに向かって流れ方向を急激に変えられ、微粒化が促進される。また、燃料はオリフィスからその軸線方向に噴射され、噴射方向が規制される。
【００５４】
また、上記の効果に加えて、複数のオリフィスの孔径に差をつけることにより大きい孔径のオリフィスから噴射される噴霧は長く、小さいオリフィスから噴射される噴霧の長さは短くすることができる。その結果、オリフィスの孔径の大小とオリフィスの軸線方向とを組み合わせることにより所望の噴霧形状を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射ノズルが使用される筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図である。
【図２】本発明の燃料噴射ノズルの実施例を示す要部縦断面図である。
【図３】図２における底面図であり、オリフィスプレートの底部を示す。
【図４】図２の要部拡大図である。
【図５】（ａ）は図４の要部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＹ−Ｙ断面図である。
【符号の説明】
３１：燃料噴射ノズル                ３２：ノズルボディ
３５：弁座                          ３８：ニードル弁
４１：弁部                          ４５：オリフィスプレート
４６：底部                          ４７，４８：オリフィス
４７ａ：絞り部                      ４７ｂ：剥離促進部（くぼみ）
４９：取付部
【図１】
0003888579.tif 000002
【図２】
0003888579.tif 000003
【図３】
0003888579.tif 000004
【図４】
0003888579.tif 000005
【図５】
0003888579.tif 000006