(57)【要約】【課題】エンジン１のシリンダ２ａ内の燃焼室５にインジェクタ７の先端部（ノズル７３）の噴孔を臨ませて配設する構造において、燃料の噴射後に噴孔付近に残留する燃料をシリンダ２ａ内のガス流動によって除去し、デポジットの堆積を抑制する。【解決手段】インジェクタ７のノズル７３が挿入されるシリンダヘッド３の挿入孔３５において、燃焼室５に臨む開口部３５ａを、シリンダ２ａの吸気行程ないし圧縮行程における少なくとも燃料の噴射から点火までの期間、ガス流動（主にスワール流Ｓ）に曝されるように配置する。挿入孔３５の軸方向に見て開口部３５ａは、縦方向（シリンダ２ａの中心線Ｘの方向）よりも横方向（シリンダ２ａの周方向）に長い形状とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内の燃焼室に燃料噴射弁の先端部の噴孔を臨ませて配設する燃料噴射弁の配設構造であって、
前記燃料噴射弁の先端部が挿入される挿入孔の前記燃焼室に臨む開口部は、気筒の吸気行程ないし圧縮行程における少なくとも燃料の噴射から点火までの期間、気筒内のガス流動に曝されるように配置され、
前記開口部が、前記挿入孔の軸方向に見て、気筒の中心線方向よりも周方向に長い形状とされている、ことを特徴とする燃料噴射弁の配設構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内の燃焼室に先端部の噴孔を臨ませて燃料噴射弁を配設する構造に関し、特にその先端部が挿入される挿入孔の形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、気筒内の燃焼室に向けて燃料を噴射するようにした筒内噴射式の内燃機関は知られている。このような内燃機関のインジェクタ（燃料噴射弁）は、その先端部のノズルに設けられた噴孔が燃焼室に臨んで、高温の燃焼ガスや煤に曝されることになるので、噴孔の付近に残留する燃料の変質物（カーボンデポジット、以下、単にデポジットと呼ぶ）が堆積しやすく、燃料流量の低下や燃料噴霧の形状の変化などの不具合を引き起こすおそれがあった。
【０００３】
これに対して特許文献１に記載の内燃機関では、インジェクタの先端を挿入孔（同文献では噴射通路６０）の開口部から少し奥に引っ込めて配置するようにしている。そして、その噴孔の位置から燃焼室側に向かって挿入孔の断面積を徐々に増大させることにより、噴孔からの燃料噴霧の形状の悪化を防止し、ひいては気筒内のガス流動（逆タンブル流）を好適に維持できるようになっている。また、挿入孔の開口部は、燃焼室の周縁部から天井部の中央に向かって延びる縦長の形状とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−２０９７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記のようにインジェクタの挿入孔を燃焼室側の開口部に向かって断面積の大きくなる形状とすると、気筒内のガス流動の一部が挿入孔内に導かれるようになるので、このガス流動によってインジェクタの噴孔付近に残留する燃料が除去されて、乾燥するようになる。これにより、残留燃料の変質物（デポジット）の堆積が抑制されるとも考えられる。
【０００６】
しかしながら、気筒内のガス流動は一般的に、ピストンの下降に伴い縦方向（気筒中心線の方向）に大きく渦を巻くタンブル流（従来例の逆タンブル流を含む）と、気筒の周方向に旋回するスワール流とが合わさったものであり、気筒の圧縮行程においてピストンが上昇し、燃焼室の容積が小さくなってゆく過程では、これに伴い気筒中心線の方向に押し潰されるタンブル流は急激に減衰するようになる。
【０００７】
このため、仮に気筒の圧縮行程でインジェクタによる燃料の噴射が行われた場合、その後、点火プラグによって混合気に点火されるまでの間、タンブル流は非常に弱くなってしまい、スワール流が支配的となるところ、前記の従来例ではインジェクタ挿入孔の開口部が縦長に形成されているため、スワール流は流入し難く、スワール流によって噴孔付近の燃料を除去することは困難であると考えられる。
【０００８】
このような実状を考慮して本発明の目的は、インジェクタ（燃料噴射弁）による燃料の噴射後に、その先端部の噴孔付近に残留する燃料を気筒内のガス流動によって除去し、デポジットの堆積を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の気筒内の燃焼室に燃料噴射弁の先端部の噴孔を臨ませて配設する構造を対象とする。そして、前記燃料噴射弁の先端部が挿入される挿入孔の前記燃焼室に臨む開口部を、気筒の吸気行程ないし圧縮行程における少なくとも燃料の噴射から点火までの期間、気筒内のガス流動に曝されるように配置するとともに、この開口部は、前記挿入孔の軸方向に見て気筒の中心線方向よりも周方向に長い（即ち横長の）形状としたものである。
【００１０】
前記したように内燃機関の運転中には、気筒の吸気行程において燃焼室に吸入される吸気の流れによって、タンブル流およびスワール流などのガス流動が生成されるとともに、この吸気行程ないし圧縮行程において燃料噴射弁から燃料が噴射され、前記のガス流動によって拡散されつつ混合気を形成する。また、その燃料噴射から点火までの期間、ガス流動に曝される開口部から挿入孔内にガス流動の一部が流入して、燃料噴射弁の噴孔付近に残留する燃料を除去するようになる。
【００１１】
ここで、前述したように気筒の圧縮行程ではタンブル流が急減衰し、その後期においてはスワール流が支配的となるが、このスワール流に曝されるように形成されている挿入孔の開口部の形状が横長に、言い換えるとスワール流の旋回する方向に長くなっているので、この開口部から挿入孔にスワール流が流入しやすくなり、燃料噴射弁の噴孔付近に残留する燃料が効果的に除去される。よって、噴孔付近のデポジットの堆積を抑制できる。
【発明の効果】
【００１２】
以上、説明したように本発明では、燃料噴射弁が挿入される挿入孔の開口部を、少なくとも燃料の噴射から点火までの期間、気筒内のガス流動に曝されるように配置するとともに、この開口部を気筒の周方向に長い形状としたことで、圧縮行程の後期に気筒内に残留するスワール流を開口部から挿入孔内に導入して、燃料噴射弁の噴孔付近に残留する燃料を効果的に除去し、デポジットの堆積を抑制することができる。よって、デポジットの堆積に起因する燃料流量の低下や燃料噴霧の形状の変化などの不具合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る燃料噴射弁の配設構造を適用した内燃機関の要部を示す概略構成図である。
【図２】シリンダヘッドの挿入孔へインジェクタを配設する構造の拡大図である。
【図３】吸気行程で気筒内の燃焼室に形成されるタンブル流を示す図１相当図である。
【図４】圧縮行程の後期に支配的となるスワール流を示す図１相当図である。
【図５】インジェクタのノズルの先端温度と、デポジットの堆積に起因する噴射量変化率との相関を調べた実験結果のグラフ図である。
【図６】インジェクタの噴孔に吹き付けるガスの流速と、残留燃料量との相関を調べた実験結果のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料噴射弁の配設構造を適用した内燃機関として、筒内噴射式のガソリンエンジン１（以下、エンジン１と称する）の要部を示している。このエンジン１は、シリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を組み付けて、シリンダ２ａ（気筒）の内部に嵌挿したピストン４との間に燃焼室５を区画している。なお、前記「上部」というのは、シリンダ２ａの中心線Ｘ（図１にのみ示す）の方向における上死点側のことであり、以下では説明の便宜上、この方向を単に上下方向というものとするが、これは実際の使用状態における方向や向きを限定するものではない。
【００１６】
図１の例ではシリンダヘッド３の下面に、燃焼室５の天井面となる浅い窪みが形成されている一方、燃焼室５の床面となるピストン４の頂面には、その吸気側（図の左側）に偏在するように浅皿状の窪み４ａが形成されている。また、シリンダヘッド３の吸気側には、下端が燃焼室５の天井面に開口し、そこから斜め上方に向かって延びるように吸気ポート３１が形成されている一方、シリンダヘッド３の排気側（図１の右側）には排気ポート３２が形成されている。
【００１７】
図示はしないが、吸気ポート３１の上端の開口には吸気マニホルドが取り付けられて、エアクリーナを通過した空気（吸気）を吸気ポート３１へ流通させるようになっている。すなわち、図１のように吸気バルブ３３がリフトして、吸気ポート３１の下端の開口が開かれると、ピストン４の下降に伴い、矢印Ａとして示すように吸気が吸気ポート３１からシリンダ２ａ内に吸い込まれる。吸気バルブ３３は、図示しないカム軸などを有する動弁系によってクランク軸の回転に同期して作動される。
【００１８】
同様に図示はしないが、排気ポート３２の上端の開口には排気マニホルドが取り付けられている。そして、カム軸などを有する動弁系によって排気バルブ３４がリフトされ、排気ポート３２の下端の開口が開かれると、既燃ガスがシリンダ２ａから排気ポート３２へ排出され、排気マニホルドから排気管へと流出するようになる。なお、図には１つのシリンダ２ａのみを示しているが、本実施の形態のエンジン１は、例えば４つのシリンダ２ａが図の手前から奥に向かって並んだ直列４気筒エンジンである。
【００１９】
また、図１に示すようにシリンダヘッド３には、シリンダ２ａ毎に点火プラグ６が配設されており、点火回路６ａから電力の供給を受けて点火プラグ６の電極間に火花放電することにより、燃焼室５内に形成された混合気に点火するようになっている。この混合気は、筒内噴射インジェクタ７（以下、単にインジェクタと称する）から燃焼室５に向かって噴射された燃料が、前記のように燃焼室５内に流入した吸気と混じり合って形成される。
【００２０】
すなわち、インジェクタ７の基端部（図の上端部）には、図には模式的に示すように燃料分配管７１が接続され、これが燃料供給管７２を介して図示しない燃料ポンプに接続されている。燃料ポンプは、例えば動弁系のカム軸によって駆動され、所定の高圧状態の燃料を燃料供給管７２を介して燃料分配管７１に供給する。燃料分配管７１は、複数のシリンダ２ａの並ぶ方向（図１の紙面に直交する方向）に延びていて、それぞれのシリンダ２ａ毎のインジェクタ７に燃料を分配する。
【００２１】
一方、インジェクタ７のノズル７３（先端部）は、以下に図２を参照して詳述するように下方に向けてシリンダヘッド３の挿入孔３５に挿入されており、その先端の噴孔は、燃焼室５の天井部における吸気側の周縁部（図の例では吸気バルブ３３の傘部の近傍）から燃焼室５に臨んでいる。そして、インジェクタ７は、エンジンコントローラ１０（以下、ＥＣＵ１０と表記する）からの制御信号を受けて動作し、燃焼室５に向かって斜め下向きに燃料を噴射するようになっている。
【００２２】
なお、ＥＣＵ１０は公知のデジタルコンピュータからなり、図示はしないが、例えばクランク角センサ、エアフローメータ、吸気温度センサ、空燃比センサ、冷却水温センサ、燃料圧センサ等、エンジン１の運転状態を表す種々のセンサからの信号を入力する。そして、ＥＣＵ１０は、各種の制御ルーチンを実行することにより、エンジン運転状態に応じてインジェクタ７の作動による燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ６の点火時期等を制御する。
【００２３】
−インジェクタの配設構造−
前記のようにインジェクタ７は、ノズル７３の先端に設けられた噴孔が燃焼室５に臨んで、高温の燃焼ガスや煤に曝されることになるので、噴孔の付近に残留する燃料の変質物（デポジット）が堆積しやすく、燃料流量の低下や燃料噴霧の形状の変化などの不具合が発生するおそれがあった。そこで、本実施の形態では、図２に拡大して示すように、インジェクタ７のノズル７３の先端を挿入孔３５の燃焼室５に臨む開口部３５ａ（図２にのみ符号を付す）の少し奥に引っ込めて、その温度上昇を抑制するようにしている。
【００２４】
しかしながら、そうしてノズル７３の先端を挿入孔３５の開口部３５ａから奥に引っ込めると、むしろデポジットが堆積しやすくなることが、本発明者の実験により判明した。図５は、インジェクタのノズルの先端をシリンダヘッドの挿入孔の開口部から少し奥に引っ込めた場合（実線のグラフ）と、奥に引っ込めない場合（二点鎖線のグラフ）とのそれぞれについて、ノズル先端温度と噴射量変化率との相関を調べた実験結果のグラフ図である。
【００２５】
ここで、噴射量変化率は、未使用のインジェクタによる燃料の噴射量を基準（噴射量変化率＝０）とし、経年変化によって噴射量の減少する割合（％）を調べたものである。こうして噴射量が減少するのは、デポジットの堆積に起因するものと考えられる。図５において実線のグラフに表れているように、横軸に示すノズル先端温度が高いほど、縦軸に示す噴射量変化率（負の値）の絶対値が大きくなっている。これは、ノズル先端温度が高いほど、噴孔の付近にデポジットが堆積しやすく、燃料流量の低下を引き起こすことを表している。
【００２６】
また、実線のグラフと二点鎖線のグラフとを比較すると、図５において破線の楕円Ｏで囲んで示すように、インジェクタのノズルの先端を挿入孔の開口部から奥に引っ込めることで、同一の運転条件であればノズルの先端温度の上昇を抑制できるものの、こうして温度が低くなっているにもかかわらず、噴射量変化率の絶対値が大きくなることが分かる。このことから、ノズルの先端を引っ込めると、温度以外の要因によってデポジットが堆積しやすくなると考えられる。
【００２７】
その要因としては、ノズルの先端位置が挿入孔の開口部から奥に引っ込むことによって、シリンダ内のガス流動がノズルの先端にまで届き難くなることが挙げられる。すなわち、以下に述べるようにシリンダの圧縮行程ではガス流動（特にタンブル流Ｔ）が減衰してゆくので、前記のようにノズルの先端が挿入孔の奥に引っ込んで、ガス流動が届き難くなることと相俟って、このガス流動によって噴孔付近の燃料を除去することが難しくなると考えられる。
【００２８】
より詳しくは、エンジン１のシリンダ２ａ内では、図１を参照して上述したように吸気行程において吸気ポート３１から流入する吸気の流れＡが、ピストン４の下降に伴い下方に湾曲して、図３に模式的に示すように大きな縦渦（タンブル流Ｔ）が生成される。また、２つの吸気ポート３１からの流れの強さや向きが互いに異なることなどに起因して、シリンダ２ａの周方向の旋回流（スワール流Ｓ：図４を参照）も生成される。
【００２９】
そして、そのようなガス流動が徐々に減衰してゆき、特にシリンダ２ａの圧縮行程においてピストン４が上昇し、燃焼室５の容積が小さくなってゆく過程では、これに伴い上下に押し潰されるタンブル流Ｔが急激に減衰し、圧縮行程の後期においてタンブル流Ｔは殆ど消滅してしまう。即ち、圧縮行程の後期では図４に模式的に示すようにスワール流Ｓが支配的となるのである。
【００３０】
本発明者は、そのように圧縮行程の後期においても燃焼室５に残るスワール流Ｓに着目した。すなわち、本実施の形態では、前記のようにインジェクタ７のノズル７３の先端を挿入孔３５の開口部３５ａから少し奥に引っ込めつつも、その挿入孔３５の開口部３５ａの形状をシリンダ２ａの周方向に長い形状として、この開口部３５ａから挿入孔３５内にスワール流Ｓが流入しやすくなるようにしたものである。
【００３１】
具体的には前記の図２に表れているように、本実施の形態において挿入孔３５の開口部３５ａは、インジェクタ７のノズル７３の先端位置から燃焼室５側に向かって（図では右下側に向かって）徐々に断面積が大きくなっている。また、図の右下に拡大して示すように挿入孔３５の軸方向に見ると、開口部３５ａは縦方向（シリンダ２ａの中心線Ｘの方向）よりも横方向（シリンダ２ａの周方向）に長い長方形状とされている。
【００３２】
特に本実施の形態では、開口部３５ａの長方形の長辺がシリンダ２ａの周方向と合致しており、言い換えると、図に模式的に矢印Ｓとして示すスワール流Ｓの流れと平行な長辺を有する長方形となっている。このことで、図４を参照して前記したように圧縮行程の後期においてスワール流Ｓが支配的となったときに、このスワール流Ｓが開口部３５ａから挿入孔３５に流入しやすくなり、ノズル７３の先端の噴孔付近に残留する燃料が効果的に除去されるようになる。
【００３３】
図６には、本実施の形態と同様の構成の実験用エンジンを用いて、インジェクタの噴孔付近に残留する燃料の量と、その噴孔に吹き付けるガスの流速との相関を調べた実験の結果を示す。すなわち、実験用エンジンのシリンダヘッドを取り外して所定温度に保ちながら、実験用の送風ノズルによってインジェクタの挿入孔の開口部に所定時間、空気を吹き付けた後に、その後に残留する燃料の量を計測した。
【００３４】
同図によると、横軸に示すガスの流速が高いほど、縦軸に示す残留燃料量が少なくなっており、流速Ｖ０以上であれば残留燃料量が所定の閾値Ｑ０以下となることが分かる。このような実験の結果に基づいて本実施の形態では、エンジン１の所定の運転状態において燃料噴射から火花点火までの期間の平均流速（インジェクタ７の挿入孔３５内に導入されるガス流動の平均流速）が前記の流速Ｖ０以上となるように、当該挿入孔３５の開口部３５ａの形状および大きさを設定している。
【００３５】
したがって、本実施の形態に係るエンジン１では、その運転中に各シリンダ２ａの吸気行程において燃焼室５に吸入される吸気の流れＡにより、タンブル流Ｔおよびスワール流Ｓなどのガス流動が生成されるとともに、この吸気行程ないし圧縮行程においてインジェクタ７から燃料が噴射されて、ガス流動によって拡散されつつ混合気を形成する。また、そうして燃料が噴射されてから点火に至るまでの期間、ガス流動に曝される開口部３５ａからインジェクタ７の挿入孔３５内にガス流動の一部が流入するようになる。
【００３６】
そして、その開口部３５ａがシリンダ２ａの周方向に長い長方形状とされているので、圧縮行程の後期においてもシリンダ２ａ内に残留するスワール流Ｓが開口部３５ａから挿入孔３５内に導入されるようになり、インジェクタ７のノズル７３の噴孔付近に残留する燃料を効果的に除去することができる。これにより噴孔付近のデポジットの堆積を抑制して、インジェクタ７の燃料流量の低下や燃料噴霧の形状の変化などによるエンジン１の性能低下を防止することができる。
【００３７】
つまり、本実施の形態では、インジェクタ７のノズル７３の先端を挿入孔３５の開口部３５ａから少し奥に引っ込めて配置することで、その温度上昇を抑制しながらも、シリンダ２ａ内のガス流動（スワール流Ｓ）を挿入孔３５内に効果的に導入し、ノズル７３先端の噴孔付近に残留する燃料の除去を促進することができる。
【００３８】
−他の実施の形態−
なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、その他の種々の形態を包含している。例えば前記実施の形態では、筒内噴射式のインジェクタ７のみを備えたガソリンエンジン１に本発明を適用しているが、これに限らず、筒内噴射式のインジェクタ７以外に、例えば吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタを備えたガソリンエンジンにも本発明を適用することができる。
【００３９】
また、本発明は、ガソリンエンジンにも限定されず、例えばアルコール燃料や液化ガス燃料を用いる筒内噴射式エンジンにも適用可能であり、さらに、前記実施の形態のように４つのシリンダ２ａを備えたエンジン１にも限定されず、例えば単気筒、２気筒、３気筒若しくは５気筒以上のエンジンにも適用可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、筒内噴射式の内燃機関において燃料噴射弁の噴孔付近のデポジットの堆積を抑制し、燃料流量の低下や燃料噴霧の形状の変化などによる内燃機関の性能低下を防止することができるので、例えば自動車のガソリンエンジンに適用して有益である。
【符号の説明】
【００４１】
１        エンジン（内燃機関）
２ａ      シリンダ（気筒）
３        シリンダヘッド
３５    インジェクタの挿入孔
３５ａ  開口部
５        燃焼室
７        インジェクタ（燃料噴射弁）
７３    ノズル（先端部）
Ｓ        スワール流（ガス流動）
Ｔ        タンブル流（ガス流動）
Ｘ        シリンダ中心線（気筒の中心線）
【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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