(57)【要約】【課題】広角微粒子インジェクタを燃焼室に近づけることができ、吸気バルブの壁面への燃料の付着を大幅に抑制して燃焼効率を向上させること。【解決手段】シリンダ（２）内に設けられた燃焼室（２１）に連通する複数の吸気ポート（３）と、燃焼室と各吸気ポートとの連通口（３１）を開閉する吸気バルブ（４）と、吸気ポート内で燃料を噴射するインジェクタ（５）と、を備え、一つのインジェクタで複数の吸気ポートの連通口に向けて燃料を噴射する燃料噴射構造（１）であって、インジェクタを吸気バルブに近接させて配置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に設けられた燃焼室に連通する複数の吸気ポートと、
前記燃焼室と各吸気ポートとの連通口を開閉する吸気バルブと、
前記吸気ポート内で燃料を噴射するインジェクタと、を備え、
一つのインジェクタで複数の吸気ポートの連通口に向けて燃料を噴射する燃料噴射構造であって、
前記インジェクタを前記吸気バルブに近接させて配置したことを特徴とする燃料噴射構造。
【請求項２】
前記インジェクタは、燃料を広角に噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射構造。
【請求項３】
前記吸気バルブは、前記連通口を開閉する蓋部を有し、
前記インジェクタは、前記蓋部に向けて燃料を噴射するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射構造。
【請求項４】
前記インジェクタから噴射される燃料の噴霧の前記蓋部上における噴射面積と、前記吸気ポートに面する前記蓋部の面積が等しいことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射構造。
【請求項５】
前記インジェクタから噴射される燃料の噴霧の噴射角をα、
前記吸気バルブの蓋部の直径をＤ、
前記吸気バルブの軸線と前記噴霧の中心軸線のなす角をβ、
前記インジェクタの噴射口から前記蓋部までの距離をＬとした場合に、
Ｌ＝Ｄ×ｃｏｓβ／ｓｉｎα
の関係が成立することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料噴射構造。
【請求項６】
前記インジェクタから各吸気バルブへ噴射される各噴霧の中心軸線がなす角をγ、
前記吸気バルブの蓋部の中心間の距離をＧ、
各蓋部の中心を通る平面上において、前記インジェクタの噴射口から各蓋部の中心間を結ぶ直線と各噴霧の中心軸線との交点までの距離をＦ、
各蓋部の中心を通る平面上において、前記インジェクタの噴射口から各蓋部の中心間を結ぶ直線までの最短距離をＨとした場合に、
Ｆ＝（（Ｄ＋Ｇ）／２）／（ｃｏｓ（γ／２）×ｔａｎ（（γ＋α）／２））
の関係が成立することを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンに設けられる燃料噴射構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンには燃料噴射装置が設けられている。燃料噴射装置は、吸気ポート内に配置されたインジェクタを備えており、インジェクタから燃料を霧状に噴射して吸気ポートに連通されたシリンダの燃焼室内に送り込み、燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させる（例えば、特許文献１参照）。
図５に示すように、インジェクタ１００は、吸気ポート１０１の狭い空間内に配置されることから、噴射される燃料が吸気ポート１０１の壁面１０１ａに付着しないよう、燃料を狭い開き角（噴射角）で霧状に噴射している。インジェクタ１００は、空気との混合を促進するために吸気バルブ１０２から比較的離れた位置に配置されている。
しかし、燃料を狭角で噴射すると、燃料の微粒化が困難であるため、近年は、噴射口から燃料を広角に噴射し、燃料を微粒化することで、燃焼室内での燃焼効率を向上させることができる広角微粒化インジェクタが開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−６２９９２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
広角微粒化インジェクタは、噴射された霧状の燃料の状態だけを考慮すると微粒化の効果は高い。しかし、図６に示すように、一般的に広く用いられている狭角インジェクタ１００に代えて広角微粒化インジェクタ１１０を吸気ポート１０１に配置すると、吸気ポート１０１の壁面１０１ａへの燃料の付着量が増加してしまう。現実的には、吸気ポート１０１内での気化の程度や気流の影響により、噴霧の形状と吸気ポート１０１の形状により一意に燃料の付着領域が確定するわけではないが、一般的には、噴霧を広角化した場合の付着量は増加する。燃料が吸気ポート１０１の壁面１０１ａに付着してしまうと液膜を形成し、そこからの蒸発は吸気ポート１０１の壁面１０１ａの温度や液膜厚に依存することになるため、微粒化により得られた蒸発しやすさのメリットを大きく阻害する。さらに、壁面１０１ａから蒸発した燃料は吸気ポート１０１全体でみれば壁面１０１ａ周辺に局所的に濃い混合気を形成することになるため、混合気全体の均質性に悪影響を及ぼすことにつながる。
また、広角微粒化インジェクタの利点を生かすため、各吸気バルブに広角微粒化インジェクタを個別に配置することも考えられるが、一つのインジェクタで複数の吸気バルブに向けて燃料を噴射するような構造と比べてコストが高くなり、各インジェクタの燃料噴射制御も複雑になってしまう。
以上のように、広角微粒化インジェクタの配置は、設計上重要であるにも関わらず、広角微粒化インジェクタの配置の最適化については行われていなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、一つの広角微粒子インジェクタで複数の吸気バルブに向けて燃料を噴射するような構造において、インジェクタの配置を最適化して排気性能、出力性能、燃費を向上させることができる燃料噴射構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、シリンダ内に設けられた燃焼室に連通する複数の吸気ポートと、前記燃焼室と各吸気ポートとの連通口を開閉する吸気バルブと、前記吸気ポート内で燃料を噴射するインジェクタと、を備え、一つのインジェクタで複数の吸気ポートの連通口に向けて燃料を噴射する燃料噴射構造であって、前記インジェクタを前記吸気バルブに近接させて配置したことを特徴とする。
【０００７】
また、前記インジェクタは、燃料を広角に噴射することが好ましい。
【０００８】
また、前記吸気バルブは、前記連通口を開閉する蓋部を有し、前記インジェクタは、前記蓋部に向けて燃料を噴射するように配置されていることが好ましい。
【０００９】
また、前記インジェクタから噴射される燃料の噴霧の前記蓋部上における噴射面積と、前記吸気ポートに面する前記蓋部の面積が等しいことが好ましい。
【００１０】
また、前記インジェクタから噴射される燃料の噴霧の噴射角をα、前記吸気バルブの蓋部の直径をＤ、前記吸気バルブの軸線と前記噴霧の中心軸線のなす角をβ、前記インジェクタの噴射口から前記蓋部までの距離をＬとした場合に、Ｌ＝Ｄ×ｃｏｓβ／ｓｉｎαの関係が成立することが好ましい。
【００１１】
また、前記インジェクタから各吸気バルブへ噴射される各噴霧の中心軸線がなす角をγ、前記吸気バルブの蓋部の中心間の距離をＧ、各蓋部の中心を通る平面上において、前記インジェクタの噴射口から各蓋部の中心間を結ぶ直線と各噴霧の中心軸線との交点までの距離をＦ、各蓋部の中心を通る平面上において、前記インジェクタの噴射口から各蓋部の中心間を結ぶ直線までの最短距離をＨとした場合に、Ｆ＝（（Ｄ＋Ｇ）／２）／（ｃｏｓ（γ／２）×ｔａｎ（（γ＋α）／２））の関係が成立することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一つの広角微粒子インジェクタで複数の吸気バルブに向けて燃料を噴射するような構造において、広角微粒子インジェクタを燃焼室に近づけて配置することができ、吸気バルブの壁面への燃料の付着を大幅に抑制して、排気性能、出力性能、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における燃料噴射構造の概要を示す斜視図である。
【図２】インジェクタから噴射される燃料の噴霧と吸気バルブとの関係を説明する図である。
【図３】インジェクタから吸気バルブまでの最適な距離を算出するための概念を説明する図である。
【図４】インジェクタから吸気バルブまでの最適な距離を算出するための概念を説明する図である。
【図５】従来技術において、吸気ポートに狭角インジェクタを配置した燃料噴射構造の模式図である。
【図６】従来技術において、吸気ポートに広角微粒化インジェクタを配置した燃料噴射構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は一つの例示であり、本発明の範囲において、種々の実施形態をとり得る。
【００１５】
＜燃料噴射構造＞
図１は、燃料噴射構造の概要を示す斜視図である。図１に示すように、燃料噴射構造１は、シリンダ２内に設けられた燃焼室２１に連通する複数の吸気ポート３と、燃焼室２１と各吸気ポート３との連通口３１を開閉する吸気バルブ４と、吸気ポート３内で燃料を噴射するインジェクタ５と、を備えている。
シリンダ２の一端（上端）には、吸気ポート３が接続されており、吸気ポート３の一端（下端）とシリンダ２の一端（上端）とが連通されている。これによって、吸気ポート３内の空間とシリンダ２内の燃焼室２１とが連通されている。シリンダ２と吸気ポート３との境界となる連通口３１は、平面視した際に円形状に形成されている。
吸気バルブ４は、シリンダ２と吸気ポート３との連通口３１を開閉する蓋部４１と、この蓋部４１に設けられ、蓋部４１による連通口３１の開閉方向（移動方向）に延びる軸部４２とを有している。蓋部４１は、その底面が連通口３１と同様に円形状に形成されており、その上面は軸部４２に向けて緩やかに傾斜している。軸部４２は、円形の蓋部４１と共通の軸線を有するように、蓋部４１の中心に設けられており、蓋部４１の底面と軸部４２の延在方向が直交している。
インジェクタ５は、燃料を広角に噴射して燃料の微粒化できる広角微粒化タイプのものが用いられる。
このような燃料噴射構造１は、吸気ポート３内に露出するインジェクタ５の噴射口から霧状の燃料を吸気バルブ４に向けて噴射し、吸気バルブ４が開くことで、霧状の燃料と空気との混合気をシリンダ２の燃料室２１内に取り込み、燃料室２１内でこの混合気に点火して燃焼させる。
【００１６】
＜インジェクタの配置の最適化＞
次に、インジェクタ５の最適な配置について説明する。
（１）インジェクタの縦方向（高さ方向）の配置の最適化
図２は、吸気バルブ４の蓋部４１、軸部４２、噴霧Ｂ、噴霧Ｂの中心軸線Ｂｃを模式的に表した図である。
ここで、インジェクタ５から噴射される霧状の燃料、すなわち噴霧Ｂは、吸気バルブ４の蓋部４１に向けられている。
この理由としては、従来から行われているポート噴射の噴射時期制御は、吸気行程の吸気バルブ開弁時期までに噴射が終わるように制御されているため、直接燃焼室２１に晒されている吸気バルブ４の蓋部４１が吸気ポート３内の噴霧Ｂの到達圏内としては最も温度の高い場所であり、吸気ポート３内における壁面付着後の燃料の蒸発が最も早く行われるからである。
【００１７】
また、吸気バルブ４の蓋部４１の位置での噴霧Ｂの噴射面積が吸気バルブ４の蓋部４１の面積と等しくなるように設定されている。
この理由としては、燃料を微粒化して広角に噴射することが重要になりつつある吸気行程での噴射においては、吸気バルブ４が開弁状態となっているタイミングでも燃料の噴射を行っており、噴射した燃料の大部分が直接シリンダ２内に送り込まれる。このような噴射においても、吸気バルブ４と比較して温度の低い吸気ポート３の壁面になるべく燃料を付着させないことと、霧状の燃料を気流に乗せてシリンダ２内に供給することが重要であるため、吸気バルブ４の蓋部４１の位置での噴射面積が吸気バルブ４の蓋部４１の直径と等しくなるように設定されている。噴射面積が蓋部４１の面積よりも大きい場合には、吸気ポート３への燃料の付着量が増加し、噴射面積が蓋部４１の面積よりも小さい場合には、広角噴射を実現するための燃料の微粒化が困難である。
【００１８】
上記のような燃料噴射を前提として、図２に示すように、噴霧Ｂの噴射角をα、噴霧Ｂの中心軸線Ｂｃと吸気バルブ４の軸部４２の軸線がなす角をβ、蓋部４１の直径をＤ、インジェクタ５の噴射口Ｓから蓋部４１までの距離をＬとする。
次に、図３を用いて、α、β、Ｄ、Ｌの関係について説明する。図３は、図２の関係に基づいて、インジェクタ５から吸気バルブ４の蓋部４１までの最適な距離を算出するための方法を説明する図である。
図２及び図３に示すように、吸気バルブ４の蓋部４１の直径を直線ＰＱで表わすと、インジェクタ５から噴射される噴霧Ｂの噴射角αを一定とした場合、インジェクタ５の噴射口Ｓは、中心をＯ、半径をｒとする円周上に位置することになる（円周角の定理）。
図３において、△ＯＰＱは同じ長さｒを二辺とする二等辺三角形であり、直線ＰＱの中点Ｔと中心Ｏとを通る直線を引き、この直線が半径をｒとする円と交わる交点をＵとする。直線ＯＵは吸気バルブ４の軸部４２の軸線に一致する。
【００１９】
ここで、△ＯＰＱが二等辺三角形であることから、直線ＯＴと直線ＰＱは直交し、△ＯＰＴ及び△ＯＱＴは同じ大きさの直角三角形となる。また、円周角の定理により、角ＰＯＱは角ＰＳＱの２倍となるため、角ＰＯＴ及び角ＱＯＴは、角ＰＳＱと等しい角αとなる。噴霧Ｂの中心軸線Ｂｃは直線ＳＵと一致し、直線ＳＵと直線ＯＵのなす角がβとなる。なお、噴霧Ｂの中心軸線Ｂｃが直線ＳＵに一致する理由は、△ＵＯＱと△ＵＳＱがそれぞれ共通する二つの頂点Ｕ，Ｑを有しているため、円周角の定理によって、角ＵＯＱ（＝α）が角ＵＳＱ（＝１／２α）の２倍となっているからである。
【００２０】
図３に示した関係に基づいて、△ＰＯＴに着目すると次式が成り立つ。
ｓｉｎα＝（Ｄ／２）／ｒ  ・・・（１）
次に、△ＯＵＳに着目する。△ＯＵＳも同じ長さｒの二辺を有する二等辺三角形である。直線ＳＵの距離をＬとし、その中点をＶとすると、△ＯＵＶ、△ＯＳＶもまた直角三角形となる。ここで、△ＯＵＶに着目すると次式が成り立つ。
ｃｏｓβ＝（Ｌ／２）／ｒ  ・・・（２）
式（１）、式（２）についてｒで整理すると、
ｒ＝（Ｄ／２）／ｓｉｎα＝（Ｌ／２）／ｃｏｓβ  ・・・（３）
となり、次式が成り立つ。
Ｌ＝Ｄ×ｃｏｓβ／ｓｉｎα  ・・・（４）
【００２１】
なお、直線ＳＵをＬと定義したが、点Ｕは、吸気ポート３に面した蓋部４１の上面の点Ｔから若干の距離がある。この点Ｕから点Ｔまでの距離をＷとすると、
Ｗ＝ｒ−ｒ×ｃｏｓα  ・・・（５）
で表わされる。
しかし、例えば、広角微粒化タイプのインジェクタ５として一般的な噴霧Ｂの噴射角をα＝２５°、蓋部４１の直径をＤ＝２５ｍｍとした場合には、式（３）と式（５）よりＷ≒３ｍｍとなり、吸気バルブ４の蓋部４１の厚みとほぼ一致する。このように、現実的な吸気バルブ４の蓋部４１の直径及び噴霧の開き角であれば距離Ｌは、インジェクタ５の噴射口から蓋部４１の底面までの距離とみなすことができ、距離Ｗは問題にならない。
よって、上記の要求を満たすインジェクタ５から吸気バルブ４の蓋部４１までの距離Ｌは式（４）で示されるように、インジェクタ５から噴射される噴霧Ｂの噴射角αが決まれば、吸気バルブ４の蓋部４１の直径Ｄと、吸気バルブ４の軸部４２の軸線と噴霧Ｂの中心軸線とのなす角βにより決まる。
【００２２】
一般的に、吸気バルブ４の蓋部４１の直径Ｄは、エンジン設計の初期段階で決まるため、蓋部４１の直径Ｄを固定値とみなすと、距離Ｌと角βについては以下のことがいえる。
（ア）βが小さければ（吸気バルブに近ければ）Ｌは大きく（遠く）なる
（イ）βが大きければ（吸気バルブから遠ければ）Ｌは小さく（近く）なる
図５、図６に示したような従来の吸気ポートの形状に基づけば、（イ）で示した場合の方が実現しやすく、インジェクタを突き出して配置することにより、実現が可能である。
【００２３】
（２）インジェクタの横方向（水平方向）の配置の最適化
次に、噴霧を上方からみた場合のインジェクタ５と吸気バルブ４の配置について説明する。
図４は、インジェクタの上方から吸気ポート３、二つの吸気バルブ４ａ，４ｂ及び噴霧Ｂ１，Ｂ２を模式的に示した図である。
図４に示すように、噴霧Ｂ１，Ｂ２は各々の吸気バルブ４ａ，４ｂに向けられ、吸気バルブ４ａ，４ｂの蓋部４１ａ，４１ｂの軸線間（中心間）を結ぶ直線Ｘ（以下、バルブ軸間線Ｘと定義する）が吸気バルブ４ａ，４ｂと重なる長さと、各々の噴霧Ｂ１，Ｂ２がバルブ軸間線Ｘと交わる部分の長さが等しくなるように、すなわち、蓋部４１ａ，４１ｂの直径と等しくなるように噴霧Ｂ１，Ｂ２の開き角を設定している。
ここで、既に定義した噴霧Ｂ１，Ｂ２の噴射角α、吸気バルブ４の蓋部４１の直径Ｄに加え、噴霧Ｂ１，Ｂ２の中心軸線間の開き角をγ、吸気バルブ４の軸線間の距離をＧ、本平面上でのインジェクタの噴射口から噴霧Ｂ１，Ｂ２の中心軸上のバルブ軸間線Ｘまでの距離をＦ、本平面上でのインジェクタの噴射口からバルブ軸間線Ｘまでの最短直線距離をＨとする。このとき、最短直線距離Ｈで示す直線はバルブ軸間線Ｘに直交している。
【００２４】
広角微粒化インジェクタ５では噴射角αが増加するとともに、噴霧Ｂ１，Ｂ２間の干渉を防ぐため、噴霧Ｂ１，Ｂ２の開き角γも拡大する必要があり、インジェクタ５の搭載位置は必然的に吸気バルブ４に近づけることになる。図５に示す位置関係から、次の二式が成り立つ。
Ｆ×ｃｏｓ（γ／２）＝Ｈ  ・・・（６）
Ｈ×ｔａｎ（（γ＋α）／２）＝（Ｄ＋Ｇ）／２  ・・・（７）
これをＨで整理すると、
Ｆ＝（（Ｄ＋Ｇ）／２）／（ｃｏｓ（γ／２）×ｔａｎ（（γ＋α)／２））  ・・・（８）
となる。
ここで、例えば、広角微粒化タイプのインジェクタとして一般的な噴霧Ｂ１とＢ２との開き角をγ＝３５°、各噴霧Ｂ１，Ｂ２の噴射角をα＝２５°とした場合、
Ｆ＝０．９１×（Ｄ＋Ｇ）  ・・・（９）
となり、インジェクタ５の仕様である燃料の噴霧の噴射角αと噴霧間の開き角γにより、インジェクタ５の配置がエンジンの仕様である吸気バルブ４の蓋部４１の直径Ｄと蓋部４１の中心間距離Ｇのみで決まる。
【００２５】
＜効果＞
以上のような構成を有する燃料噴射構造１によれば、広角微粒化タイプのインジェクタ５を吸気バルブ４の蓋部４１に近接させて配置したので、広角に噴射される霧状の燃料のほとんどを蓋部４１に向けて噴射することができる。これにより、広角微粒化タイプのインジェクタ５を用いた場合であっても、吸気ポート３の壁面に付着する燃料を大幅に減らすことができ、燃焼効率を向上させることができる。よって、狭角タイプのインジェクタと広角微粒化タイプのインジェクタの双方の欠点を解消することができる。
また、インジェクタ５は、蓋部４１に向けて燃料を噴射するので、連通口３１から燃焼室２１内に入りきらなかった燃料があったとしても、底面が燃焼室２１の壁面の一部を構成している蓋部４１は高温に晒されているので、蓋部４１に付着した燃料は短時間で気化され、次のサイクルで吸気バルブ４が開いた段階で燃焼室２１に送られる。よって、吸気ポート３の壁面に液体状の燃料が付着し続けることがなくなり、燃焼効率の低下を抑制することができる。
また、インジェクタ５から吸気バルブ４までの距離Ｌは、インジェクタ５による燃料の噴射角αと、吸気バルブ４の蓋部４１の直径Ｄと、吸気バルブ４の軸線と燃料の噴霧の中心軸線とのなす角βと、によって定めることができる。さらに、吸気バルブ４の蓋部４１の面上におけるインジェクタ５から吸気バルブ４の軸間線Ｘまでの距離Ｆは、インジェクタ５による燃料の噴射角αと、噴霧Ｂ１，Ｂ２の中心軸線間の開き角γと、吸気バルブ４の蓋部４１の直径Ｄと、吸気バルブ４の中心間距離Ｇと、によって定めることができる。
よって、距離Ｌと距離Ｆを求めることで、インジェクタ５を最適な位置に容易に配置することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料噴射構造
２  シリンダ
３  吸気ポート
４  吸気バルブ
５  インジェクタ
２１  燃焼室
３１  連通口
４１  蓋部
４２  軸部
Ｂ  噴霧
Ｄ  蓋部の直径
Ｆ  横方向におけるインジェクタ噴射口から噴霧の中心軸上でのバルブ軸間線までの距離
Ｇ  吸気バルブの軸線間距離
Ｈ  インジェクタの噴射口からバルブ軸間線までの最短直線距離
Ｘ  バルブ軸間線
α  噴霧の噴射角
β  噴霧の中心軸線と吸気バルブの軸部の軸線がなす角
γ  噴霧の中心軸線間の開き角
【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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