JP2000199468A - 内燃機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高圧化対策を施すことなく、燃料の粒径の微
細化と噴霧燃料の均一分布化とを実現することのできる
内燃機関の燃料噴射装置。 【解決手段】 燃焼室へ噴射される燃料が通過するため
の微細な貫通孔が形成されたノズル口金を備えている。
ノズル口金に形成された微細な貫通孔の各々は、ノズル
口金を介して得られるべき燃料の所望の粒径と実質的に
同程度の大きさを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の燃料噴
射装置および燃料噴射方法に関し、特に燃料噴射装置の
ノズル口金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気汚染の問題が世界的にクロー
ズアップされ、我が国においてもガソリン乗用車の排出
ガス規制が施行され現在に至っている。さらに、石油の
供給不安の問題に関連して省エネルギ化が年々高く叫ば
れ、排出ガス対策と同時に燃費改善を行うことが重要な
課題となっている。この課題を解決するには、内燃機関
の燃料効率を向上させることが不可欠である。

【０００３】そこで、内燃機関の燃料効率を向上させる
ために、希薄燃焼ガソリンエンジンや、筒内噴射ガソリ
ンエンジンなどの研究および実用化が従来より進められ
ている。一般に、燃料効率の向上のための最重要要素と
して、燃焼室（燃焼シリンダ）内へ供給される燃料の粒
径を微細化することと、微細粒径化された燃料を均一な
分布をするように噴霧することが挙げられる。

【０００４】燃焼室へ燃料を霧化状態で噴射する従来の
燃料噴射装置（インジェクタ）では、先端のノズル口金
に数個〜十個程度の噴射口が設けられている。このガソ
リン噴霧口は、たとえばステンレス鋼からなるプレート
部材にプレス加工により形成された四角錐台状の貫通孔
である。このように、ガソリン噴霧口がプレス加工によ
り形成されるので、その大きさ（装置内部側の大きさ）
は小さくても約１５０μｍ程度である。従来の燃料噴射
装置では、特に筒内噴射ガソリンエンジンにおける燃料
噴射装置では、ガソリン粒径の微細化を図るために燃料
噴射圧力を高く設定している。

【０００５】図９は、従来の筒内噴射ガソリンエンジン
における燃料噴射圧力と噴霧された燃料の平均粒径との
関係を示す図である。図９に示すように、たとえば２０
μｍ程度の微細粒径の燃料を得るには、１２０ｋｇ／ｃ
ｍ² （５ＭＰａ）程度の燃料噴射圧力をかける必要があ
ることがわかる。そこで、従来の筒内噴射ガソリンエン
ジンでは、ガソリン粒径の微細化と噴霧ガソリンの均一
分布化とを図るために、燃料の噴射に際して５０ｋｇ／
ｃｍ²〜３６０ｋｇ／ｃｍ² 程度の非常に高い圧力をか
けている。また、希薄燃焼ガソリンエンジンの場合に
は、燃料の噴射に際して数ｋｇ／ｃｍ² の圧力をかけて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
燃料噴射装置では、ガソリン粒径の微細化と噴霧ガソリ
ンの均一分布化とを図るために、燃料の噴射に際して高
い圧力をかける必要がある。その結果、燃料ポンプ、燃
料噴射装置、および燃料ポンプと燃料噴射装置とを結ぶ
燃料供給ホースなどにおいて高圧化対策を施す必要があ
る。また、従来の燃料噴射装置では、図９を参照して明
らかなように、燃料噴射圧力の高圧化をさらに進めても
燃料の粒径の微細化を効率的に向上させることができな
い。

【０００７】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、燃料ポンプ、燃料噴射装置、および燃料供給
ホースなどにおいて高圧化対策を施すことなく、燃料の
粒径の微細化と噴霧燃料の均一分布化とを実現すること
のできる内燃機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明では、内燃機関の燃焼室へ燃料を霧化状態で
噴射するための燃料噴射装置において、前記燃焼室へ噴
射される燃料が通過するための微細な貫通孔が形成され
たノズル口金を備え、前記ノズル口金に形成された微細
な貫通孔の各々は、前記ノズル口金を介して得られるべ
き燃料の所望の粒径と実質的に同程度の大きさを有する
ことを特徴とする燃料噴射装置を提供する。

【０００９】本発明の好ましい態様によれば、前記ノズ
ル口金は、前記微細な貫通孔の部分に対応する非電導性
領域と前記微細な貫通孔以外の部分に対応する電導性領
域とからなる原版の表面に所定の金属を電気めっきする
ことによって形成されている。この場合、前記ノズル口
金は、電導性を有する基板上に塗布された感光剤を所定
の光パターンで露光することにより成形された前記原版
を用いて形成されていることが好ましい。

【００１０】なお、前記ノズル口金には、前記微細な貫
通孔の大きさと実質的に同程度のピッチに基づいて前記
微細な貫通孔が多数形成されていることが好ましい。ま
た、前記ノズル口金に形成された微細な貫通孔の各々
は、装置内部側において５０μｍ以下の径を有すること
が好ましい。さらに、前記ノズル口金に形成された微細
な貫通孔の各々は、円柱状に形成されているか、燃焼室
側の径よりも装置内部側の径の方が小さい円錐台状また
は楕円錐台状に形成されているか、あるいは実質的に回
転非対称な形状に形成されていることが好ましい。

【００１１】また、前記ノズル口金に形成された微細な
貫通孔は、各貫通孔の長手軸線が互いに平行になるよう
に形成されているか、各貫通孔の長手軸線が燃焼室へ向
かって拡散放射状になるように形成されていることが好
ましい。さらに、前記ノズル口金に形成された微細な貫
通孔は、燃焼室側に凸面を向けたプレート部材に形成さ
れていることが好ましい。この場合、前記プレート部材
の前記凸面は球面形状に形成されていることが好まし
い。

【００１２】また、本発明の別の局面によれば、内燃機
関の燃焼室へ燃料を霧化状態で噴射する方法において、
霧化状態で噴射すべき燃料の所望の粒径と実質的に同程
度の大きさを有する微細な貫通孔を介して、前記燃料を
前記燃焼室へ向かって霧化状態で噴射することを特徴と
する燃料噴射方法を提供する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、希薄燃焼ガソリンエンジ
ンの内部の構成を概略的に示す断面図である。図１に示
すように、希薄燃焼ガソリンエンジンでは、インジェク
タ１１からある程度の高圧力で噴射されたガソリンがタ
ンブルジェネレータバルブ１２の開放により吸入された
空気と混合され、希薄な混合気（混合ガス）となって燃
焼シリンダ１３の内部へ供給される。この場合、非常に
希薄な混合気で完全燃焼させるので、熱効率の向上によ
り燃費改善を図ることができるとともに、ＮＯｘなどの
発生を抑えて排気ガス対策上も有利である。

【００１４】図２は、筒内噴射ガソリンエンジンの内部
構成を概略的に示す断面図である。図２に示すように、
筒内噴射ガソリンエンジンでは、高圧燃料ポンプ２２か
ら供給されたガソリンが、高圧スワールインジェクタ２
１を介して、燃焼シリンダ２３の内部へ直接噴射され
る。この直接噴射方式においても希薄燃焼方式と同様
に、ガソリン粒径の微細化と噴霧ガソリンの均一分布化
とを図ることができるので、燃費改善を図ることができ
るとともに、排気ガス対策上も有利である。

【００１５】本発明では、たとえば上述の希薄燃焼ガソ
リンエンジンや筒内噴射ガソリンエンジンのようなガソ
リン機関の燃焼室へ燃料であるガソリンを霧化状態で噴
射するための燃料噴射装置のノズル口金において、燃焼
室へ噴射される燃料が通過するための微細な貫通孔が形
成されている。各貫通孔の大きさは、ノズル口金を介し
て得られるべき燃料の所望の粒径と実質的に同程度の大
きさを有する。具体的には、微細な貫通孔は、その大き
さと実質的に同程度のピッチに基づいて多数形成され、
装置内部側において５０μｍ以下の径を有することが好
ましい。なお、本発明において、貫通孔の大きさまたは
径（直径）とは、燃焼室側すなわち装置外部側における
貫通孔の大きさまたは径ではなく、装置内部側における
貫通孔の大きさまたは径である。

【００１６】このように、本発明の燃料噴射装置では、
ノズル口金に形成された貫通孔の大きさが微細であるた
め、特に高い圧力で噴射しなくても、各貫通孔の径より
もわずかに小さい微細な粒径を有する噴霧ガソリンを均
一な分布をするように得ることができる。その結果、燃
料ポンプ、燃料噴射装置、および燃料供給ホースなどに
おいて高圧化対策を施すことなく、燃料の粒径の微細化
と噴霧燃料の均一分布化とを実現することができ、熱効
率の向上により従来技術よりもさらに燃費改善を図るこ
とができるとともに、ＮＯｘなどの発生を従来技術より
もさらに良好に抑えて排気ガス対策上も非常に有利であ
る。

【００１７】本発明において、微細な貫通孔が多数形成
されたノズル口金は、たとえばフォトリソグラフィ工程
にしたがって成形された原版を用いた電鋳法により製造
することができる。図３は、本発明のノズル口金の具体
的な製造方法を模式的に示す図である。まず、図３
（ａ）に示すように、たとえばＮｉ（ニッケル）または
Ｎｉ系合金からなる基板３１の表面に酸化膜（ＮｉＯ）
３１ａを形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、
酸化膜３１ａが形成された側の基板３１の表面に、所定
の感光剤（フォトレジスト）３２を所定の厚さｔで塗布
する。このレジスト層３２の厚さｔは、後に形成される
ノズル口金のプレート部材の厚さＬと一致することにな
る。

【００１８】さらに、図３（ｃ）に示すように、基板３
１に塗布されたレジスト層３２の表面を、光透過部３３
ａと遮光部（図中斜線で示す）３３ｂとのパターンから
なるマスク３３で覆う。このマスク３３は、たとえば透
明なガラス基板にクロム薄膜などをパターニング蒸着す
ることにより形成されている。そして、たとえば紫外光
のような照明光３４をマスク３３に照射する。こうし
て、基板３１に塗布されたレジスト３２の表面には、マ
スク３３の光透過部３３ａからなるパターンに対応した
光パターンが露光される。

【００１９】ネガ型レジストを用いた場合、光照射を受
けないレジスト部分（マスク３３の遮光部３３ｂに対応
する部分）が現像液に溶ける。したがって、現像の結
果、図３（ｄ）に示すように、基板３１の表面には、レ
ジスト像３５が形成されることになる。本発明では、以
上のようにフォトリソグラフィ技術に基づいて成形され
た原版、すなわち基板３１からなる電導性領域とレジス
ト像３５からなる非電導性領域とのパターンを有する原
版を用いて、いわゆる電鋳法によりノズル口金を形成す
る。この場合、レジスト像３５からなる非電導性領域が
ノズル口金に形成すべき微細な貫通孔に対応することに
なる。

【００２０】電鋳法では、原版（３１，３５）の表面
に、たとえばＮｉまたはＮｉ系合金を電気めっきする。
その結果、図３（ｅ）および（ｆ）に示すように、レジ
スト像３５の厚さｔとほぼ同じ厚さＬのプレート部材３
６が得られ、このプレート部材３６にはレジスト像３５
に対応した微細な貫通孔３６ａが多数形成される。前述
したように、基板３１の表面には酸化膜３１ａが形成さ
れているので、基板３１とプレート部材３６との剥離が
円滑に行われる。

【００２１】一般に、フォトリソグラフィ工程によれ
ば、基板３１の表面に微細なレジスト像３５を形成する
ことは容易である。したがって、フォトリソグラフィ技
術に基づいて成形された原版を用いる電鋳法によれば、
ノズル口金に所望の大きさを有する微細な貫通孔を所望
のパターンにしたがって形成することができる。図４
は、筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、ノズル口金の
全体に亘って微細な貫通孔を一様に多数形成した様子を
示している。また、図５は、希薄燃焼ガソリンエンジン
において、ノズル口金の２つの領域にそれぞれ微細な貫
通孔を一様に多数形成した様子を示している。

【００２２】図６は、ノズル口金に形成される個々の貫
通孔の形状を示す図である。図６（ａ）は、貫通孔４１
が円柱状に形成されている例を示している。この場合、
ノズル口金のプレート部材４２の装置内部側（図中上
側）における貫通孔４１の直径Ｄと燃焼室側（図中下
側）における貫通孔４１の直径とは等しい。また、プレ
ート部材４２の厚さＬは、プレート部材４２に所要の機
械的強度を付与することのできる範囲において、微細粒
径化された噴霧ガソリンを得るのに望ましいＬ／Ｄ比に
したがって貫通孔４１の直径Ｄに関連して求められる。
以下、この点は他の形状例においても同様である。

【００２３】また、図６（ｂ）は、貫通孔４３が円錐台
状または楕円錐台状に形成されている例を示している。
この場合、プレート部材４２の装置内部側（図中上側）
における貫通孔４３の直径Ｄは、燃焼室側（図中下側）
における貫通孔４３の直径よりも小さく設定されてい
る。さらに、図６（ｃ）は、貫通孔４４が回転非対称な
形状に形成されている例を示している。回転対称である
と回転非対称であるとを問わず、図６（ｂ）および図６
（ｃ）に示すように貫通孔が全体的に円錐台状または楕
円錐台状に形成されている場合、この貫通孔を介して微
細粒径化されたガソリンが拡散放射状に噴射されるの
で、噴霧ガソリンの均一分布化の点で有利である。

【００２４】以上のように、ノズル口金に形成される微
細な貫通孔の形状は、本発明の目的をより良く達成する
ために、必要に応じて上述の形状を含む様々な形状（た
とえば角錐台状を含む）から適宜選択することができ
る。いずれの形状を選択する場合にも、貫通孔の大きさ
は、前述したように、プレート部材の装置内部側におけ
る貫通孔の大きさで定義される。また、プレート部材の
Ｌ／Ｄ比は、所要の機械的強度を得るのに望ましい値、
および微細粒径化された噴霧ガソリンを得るのに望まし
い値に基づいて決定される。

【００２５】図７は、ノズル口金に形成される多数の貫
通孔の中心軸線の関係を示す図である。図７では、図面
の明瞭化のために、円柱状の貫通孔を多数形成する場合
を例にとっているが、他の形状の貫通孔についても同様
である。図７（ａ）では、各貫通孔５１の中心軸線（長
手軸線）５１ａが互いに平行になるように構成されてい
る。一方、図７（ｂ）では、各貫通孔５２の中心軸線５
２ａが燃焼室（図中下側）へ向かって拡散放射状になる
ように形成されている。ノズル口金から噴射された微細
粒径の燃料の再結合を回避するには、各貫通孔の中心軸
線を拡散放射状に形成することが好ましい。

【００２６】図８は、ノズル口金から噴射された微細粒
径の燃料の再結合を回避するのに有利な変形例を示す図
である。図８（ａ）では、燃焼室側（図中下側）に球面
形状の凸面を向けたプレート部材６１に多数の微細な貫
通孔６２（図中斜線で示す）が形成されている。この構
成は、図７（ａ）に示すように、平面状のプレート部材
に中心軸線が互いに平行な円柱状の貫通孔を多数形成し
た後に、このプレート部材をたとえばプレス加工により
成形することにより得られる。この場合も、ノズル口金
から噴射された微細粒径の燃料が燃焼室へ向かって拡散
されるので、一旦噴霧された燃料の再結合を有効に回避
することができる。また、図８（ｂ）に示すように、プ
レート部材６３の凸面を円錐形状または角錐形状（三角
錐形状、四角錐形状、多角錐形状など）に形成しても同
様の効果を得ることができる。

【００２７】具体的に、約５００ｍｌ容量の燃焼シリン
ダの場合、この燃焼シリンダへ燃料を霧化状態で噴射す
る燃料噴射装置のノズル口金に形成すべき貫通孔の径と
その総数との関係は次の表１に示すとおりである。

【表１】 貫通孔の径 貫通孔の総数 １０μｍ １，０２８〜２，０５６ ２０μｍ ２５７〜５１４ ３０μｍ １１４〜２２８ ５０μｍ ４１〜８２

【００２８】本発明では、燃料ポンプから連続的にある
いは間欠的に供給されたガソリンを、たとえば１４μｍ
の径を有する多数の微細な貫通孔を介して、たとえば２
ｋｇ／ｃｍ² の低圧力で噴射すると、たとえば１１〜１
２μｍに超微細粒径化されたガソリンを均一な分布をす
るように噴霧することができる。すなわち、従来の高圧
噴射方式では得ることのできなかった超微細粒径の噴霧
ガソリンを、非常に低い噴射圧力で得ることができる。

【００２９】以上のように、本発明の燃料噴射装置で
は、燃料ポンプから供給される燃料を多数の微細な貫通
孔を介して低圧力で噴射するだけで、超微細粒径化され
た燃料を均一な分布をするように噴霧することができ
る。したがって、燃料ポンプ、燃料噴射装置、および燃
料供給ホースなどにおいて高圧化対策を施すことなく、
燃料の粒径の微細化と噴霧燃料の均一分布とを実現する
ことができる。その結果、燃焼室内の熱エネルギを効率
良く吸収して燃費改善を図ることができるとともに、Ｎ
Ｏｘなどの発生を良好に抑えることができる。

【００３０】なお、上述の説明では、希薄燃焼ガソリン
エンジンや筒内噴射ガソリンエンジンのようなガソリン
機関の燃料噴射装置に本発明を適用しているが、ディー
ゼル機関なども含む一般の内燃機関の燃料噴射装置に本
発明を適用することもできる。また、上述の説明では、
ＮｉまたはＮｉ系合金を用いた電鋳法によりノズル口金
を形成しているが、他の適当な物質および他の適当な方
法を用いて本発明の燃料噴射装置のノズル口金を形成す
ることもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、霧化
状態で噴射すべき燃料の所望の粒径と実質的に同程度の
大きさを有する微細な貫通孔を介して燃料を燃焼室へ向
かって霧化状態で噴射する。したがって、燃料ポンプか
ら供給される燃料を多数の微細な貫通孔を介して低圧力
で噴射するだけで、超微細粒径化された燃料を均一な分
布をするように噴霧することができる。すなわち、燃料
ポンプ、燃料噴射装置、および燃料供給ホースなどにお
いて高圧化対策を施すことなく、燃料の粒径の微細化と
噴霧燃料の均一分布とを実現することができる。その結
果、熱効率の向上により従来技術よりもさらに燃費改善
を図ることができるとともに、ＮＯｘなどの発生を従来
技術よりもさらに良好に抑えて排気ガス対策上も非常に
有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】希薄燃焼ガソリンエンジンの内部の構成を概略
的に示す断面図である。

【図２】筒内噴射ガソリンエンジンの内部構成を概略的
に示す断面図である。

【図３】本発明のノズル口金の具体的な製造方法を模式
的に示す図である。

【図４】筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、ノズル口
金の全体に亘って微細な貫通孔を一様に多数形成した様
子を示している。

【図５】希薄燃焼ガソリンエンジンにおいて、ノズル口
金の２つの領域にそれぞれ微細な貫通孔を一様に多数形
成した様子を示している。

【図６】ノズル口金に形成される個々の貫通孔の形状を
示す図である。

【図７】ノズル口金に形成される多数の貫通孔の中心軸
線の関係を示す図である。

【図８】ノズル口金から噴射された微細粒径の燃料の再
結合を回避するのに有利な変形例を示す図である。

【図９】従来の筒内噴射ガソリンエンジンにおける燃料
噴射圧力と噴霧された燃料の平均粒径との関係を示す図
である。

【符号の説明】

１１、２１ インジェクタ １２ バルブ １３、２３ 燃焼シリンダ ２２ 燃料ポンプ ３１ 基板 ３２ レジスト層 ３３ マスク ３４ 照射光 ３５ レジスト像 ３６、４２ プレート部材 ３６ａ、４１、４３、４４、５１、５２ 貫通孔

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G066 AA02 AA03 AA04 AA07 AB02 AD12 BA03 BA17 BA25 CC21 CC24 CD14 CD21 CD29 CD30

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の燃焼室へ燃料を霧化状態で噴
   射するための燃料噴射装置において、 前記燃焼室へ噴射される燃料が通過するための微細な貫
   通孔が形成されたノズル口金を備え、 前記ノズル口金に形成された微細な貫通孔の各々は、前
   記ノズル口金を介して得られるべき燃料の所望の粒径と
   実質的に同程度の大きさを有することを特徴とする燃料
   噴射装置。
2. 【請求項２】 前記ノズル口金は、前記微細な貫通孔の
   部分に対応する非電導性領域と前記微細な貫通孔以外の
   部分に対応する電導性領域とからなる原版の表面に所定
   の金属を電気めっきすることによって形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 【請求項３】 前記ノズル口金は、電導性を有する基板
   上に塗布された感光剤を所定の光パターンで露光するこ
   とにより成形された前記原版を用いて形成されているこ
   とを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 【請求項４】 前記ノズル口金には、前記微細な貫通孔
   の大きさと実質的に同程度のピッチに基づいて前記微細
   な貫通孔が多数形成されていることを特徴とする請求項
   １乃至３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
5. 【請求項５】 前記ノズル口金に形成された微細な貫通
   孔の各々は、装置内部側において５０μｍ以下の径を有
   することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に
   記載の燃料噴射装置。
6. 【請求項６】 前記ノズル口金に形成された微細な貫通
   孔の各々は、円柱状に形成されていることを特徴とする
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
7. 【請求項７】 前記ノズル口金に形成された微細な貫通
   孔の各々は、燃焼室側の径よりも装置内部側の径の方が
   小さい円錐台状または楕円錐台状に形成されていること
   を特徴とする請１項１乃至５のいずれか１項に記載の燃
   料噴射装置。
8. 【請求項８】 前記ノズル口金に形成された微細な貫通
   孔の各々は、実質的に回転非対称な形状に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記
   載の燃料噴射装置。
9. 【請求項９】 前記ノズル口金に形成された微細な貫通
   孔は、各貫通孔の長手軸線が互いに平行になるように形
   成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれ
   か１項に記載の燃料噴射装置。
10. 【請求項１０】 前記ノズル口金に形成された微細な貫
    通孔は、各貫通孔の長手軸線が燃焼室へ向かって拡散放
    射状になるように形成されていることを特徴とする請求
    項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
11. 【請求項１１】 前記ノズル口金に形成された微細な貫
    通孔は、燃焼室側に凸面を向けたプレート部材に形成さ
    れていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか
    １項に記載の燃料噴射装置。
12. 【請求項１２】 前記プレート部材の前記凸面は球面形
    状または円錐形状または角錐形状に形成されていること
    を特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
13. 【請求項１３】 内燃機関の燃焼室へ燃料を霧化状態で
    噴射する方法において、 霧化状態で噴射すべき燃料の所望の粒径と実質的に同程
    度の大きさを有する微細な貫通孔を介して、前記燃料を
    前記燃焼室へ向かって霧化状態で噴射することを特徴と
    する燃料噴射方法。