JP2000230466A - 筒内燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】筒内噴射ガソリンエンジンにあっては、希薄な
混合気を形成して安定した燃焼を実現し燃費向上や排気
ガス浄化を図る。 【解決手段】スワールタイプの電磁式燃料噴射弁にあっ
て、燃料噴射孔の出口端より弁座側に向かって所望の位
置に外気との連通孔を設け、燃料噴射の際の噴流ジェッ
トによって外気を該燃料噴射孔内に誘引し微粒化を促進
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料（ガソリン）
を燃焼室内に直接噴射して燃焼させる内燃機関にあっ
て、希薄な混合気を安定して燃焼可能な噴霧特性を生成
し得る筒内燃料噴射装置に関し、特に、内燃機関が冷機
時において未燃焼ガス（ハイドロカーボン）の排出量が
抑制される微粒度の高い噴霧を生成し得る筒内燃料噴射
装置に関するするものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの吸気管内に燃料を噴射する吸
気管内燃料噴射装置に対して、燃焼室内に直接燃料を噴
射する筒内燃料噴射装置の普及が進んでいる。

【０００３】筆者らが検討対象とした筒内噴射ガソリン
エンジンの主要構成図を図６に示す。詳細は後述する
が、該筒内噴射ガソリンエンジンに取り付けられる電磁
式燃料噴射弁は、シリンダヘッドの吸気側に３０°〜４
５°程度の傾斜をもって配置されており、該噴射孔はピ
ストン上面に設けられるキャビティ（凹み）に向けられ
ている。吸気弁部より導入される吸気流は、該キャビテ
ィ回りを流れる旋回流として形成され、該電磁式燃料噴
射弁から噴射された燃料噴霧のシリンダ内壁面への付着
を防止するとともに、上方の点火プラグへ誘導し、希薄
燃焼でも安定して機関を運転できるように構成してい
る。この種の筒内噴射ガソリンエンジンは、負荷によっ
て均質燃焼と成層燃焼を使い分けている。

【０００４】筆者らの実験解析結果によると、均質燃焼
では、燃焼室全体に噴霧を拡散させて混合気の均質化を
行う必要性から広角噴霧でかつ軸対象の均一な噴霧であ
ること、また一方、成層燃焼では、混合気の過度の分散
を防止して点火プラグ回りに可燃混合気を導く必要性か
ら噴霧角は狭くコンパクトな噴霧であることが総論とし
て得られた。

【０００５】このような噴霧を生成するために、筆者ら
はスワールタイプの電磁式燃料噴射弁を用いている。関
連する噴射弁として、特開昭60−95186 号公報記載の間
欠式渦巻噴射弁が挙げられる。該噴射弁は、弁体に設け
た弁孔に針弁を挿入し針弁の弁先端部が当接する弁孔の
弁座部に噴射孔を連設し、針弁が弁孔の弁座部からリフ
トして離脱することにより開弁したときに燃料に旋回運
動を付与する渦巻噴射弁であって、前記接線通路の近傍
で弁孔と針弁間の開口面積を針弁のリフト量に応じて増
加及び減少させるようにしたというもので、燃料噴霧の
角度，貫徹力（到達距離），微粒化等の特性を針弁のリ
フト量に応じて制御するということを特徴としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】スワールタイプの電磁
式燃料噴射弁にあっては、その噴霧は、大気圧下では内
部に空洞を有する中空円錐状となって噴射孔出口部の液
膜は速やかに分裂し、液滴の運動量が失われるため噴霧
の到達距離が抑制されるという特徴をもっている。一
方、加圧下では雰囲気密度の増大によって噴霧の到達距
離は抑制されるとともに、内外の圧力差によって噴霧は
しぼみ、形態としてはコンパクトな噴霧構造となる。

【０００７】本発明に係る筒内噴射ガソリンエンジン
は、このような噴霧の形態変化を利用して安定した燃焼
を実現している。しかるに本発明の主旨は、特にエンジ
ンの冷機時に発生する未燃焼ガスの排出量の低減に着目
したものであり、このためには燃料噴射弁の間欠動作時
に生ずる粗大な粒子の微粒化度を高め、瞬時に気化混合
せしめて、より希薄な混合燃焼を実現する必要がある。

【０００８】前者の引用例では、噴霧角や噴霧の到達距
離といったマクロな形状を機関の運転条件によって最適
に維持するという画期的な配慮がなされているが、噴霧
特性がミクロな観点から取り扱われておらず、機関の希
薄燃焼範囲の拡大についてはさほど考慮がなされている
とはいえない。

【０００９】本発明の目的は、筒内噴射ガソリンエンジ
ンに用いるスワールタイプの電磁式燃料噴射弁にあっ
て、エンジンの冷機時においても希薄混合燃焼を適確に
行わせしめ、未燃焼ガスの排出量を低減し得る高微粒化
噴霧を生成し得る燃料噴射弁を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このために、本発明の筒
内燃料噴射装置は、内部に燃料の流通する燃料通路が形
成されるとともに、該燃料通路の開閉を行う弁部材と、
該弁部材の弁座部の上流側において燃料に旋回を与える
燃料旋回部材と、該弁座部の下流側において燃料の通過
を許す燃料噴射孔とを備えてなり、該前記燃料噴射孔の
出口端より該弁座側に向かって所望の位置に、該燃料噴
射孔の内部と外気とを連通する複数個の連通孔が径方向
において開けられている。

【００１１】また、本発明の筒内燃料噴射装置は、内部
に燃料の流通する燃料通路が形成されるとともに、該燃
料通路の開閉を行う弁部材と、該弁部材の弁座部の上流
側において燃料に旋回を与える燃料旋回部材と、該弁座
部の下流側において燃料の通過を許す燃料噴射孔とを備
えてなり、該燃料噴射孔の出口端の外周部が該弁座側に
向かって凹部状となっており、該凹部状空間と前記燃料
噴射孔の内部とを連通する複数個の連通孔が、該燃料噴
射孔の出口端より該弁座側に向かって所望の位置に開け
られている。

【００１２】さらに、本発明の筒内燃料噴射装置は、内
部に燃料の流通する燃料通路が形成されるとともに、該
燃料通路の開閉を行う弁部材と、該弁部材の弁座部の上
流側において燃料に旋回を与える燃料旋回部材と、該弁
座部の下流側において燃料の通過を許す燃料噴射孔とを
備えてなり、前記燃料噴射孔に開けられる複数個の連通
孔から、燃料噴射の際に生ずる該燃料ジェットの誘引作
用によって該燃料噴射孔の外周より内部に向かって空気
を導入するように構成した。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１な
いし図４により説明する。図１は本発明の一実施例を示
す筒内燃料噴射装置用の電磁式燃料噴射弁１の縦断面
図、図２は弁部を拡大した要部縦断面図、図３は本発明
に係る燃料噴射孔周辺部の拡大図、図４は燃料噴射を示
すパターン図である。各々の図を用いて構造及び動作に
ついて説明する。

【００１４】電磁式燃料噴射弁１は、コントロールユニ
ットにより演算されたデューティのＯＮ−ＯＦＦ信号に
より、シート部の開閉を行うことにより燃料の噴射を実
施する。磁気回路は、有底筒状のヨーク３，ヨーク３の
開口端を閉じる栓体部２ａとヨーク３の中心部に延びる
柱状部２ｂとからなるコア２及びコア２に空隙を隔てて
対面するプランジャ４とからなる。柱状部２ｂの中心に
は、プランジャ４とロッド５と弁体６からなる可動部４
Ａを、ノズル部材７に形成された燃料の通過を許す燃料
噴射孔部８の上流側のシート面９に、押圧する弾性部材
としてのスプリング１０を挿入保持するための穴が設け
てある。

【００１５】スプリング１０の上端は、セット荷重を調
整するためにコア２の中心に挿通されたスプリングアジ
ャスタ１１の下端に当接している。コア２の柱状部２ｂ
側とヨーク３の可動部４Ｂ側で対面する隙間部は、コイ
ル１４側へ燃料が流出するのを防ぐために、両者間に機
械的に固定されたシールリング１２が設けられている。

【００１６】磁気回路を励磁するコイル１４はボビン１
３に巻かれ、その外周をプラスチック材でモールドされ
ている。これらから成るコイル組立体１５の端子１７
は、コア２のつば部に設けた穴１６に挿入されている。

【００１７】この端子１７は、図示しないコントロール
ユニットの端子と結合されている。ヨーク３の有底部に
は、可動部４Ａを受容するプランジャ受容部１８が開け
られており、その下部にはさらにプランジャ受容部１８
より大径に形成され、ストッパ１９及びノズル部材７を
受容するノズル受容部２０がヨーク先端まで貫設されて
いる。

【００１８】可動部４Ａは、磁性材料製プランジャ４
と、一端がプランジャ４に接合されたロッド５とロッド
５に連接する弁体６とより成るが、ロッド５のプランジ
ャ４側には燃料の通過を許す空洞部５Ａが設けてある。
この空洞部５Ａには燃料の流出口５Ｂが設けてある。ま
た可動部４Ａは、プランジャ４の外周がシールリング１
２に当接することでその軸方向の動きを案内されるとと
もに、他端部に接合された弁体６がノズル部材７の中空
部の内壁２１に挿入される円筒状の燃料旋回部材２２の
内壁に当接することでそれぞれガイドされている。

【００１９】ノズル部材７には、弁体６をガイドする円
筒状の燃料旋回部材２２に続いて、弁体６をシートする
シート面９が形成されており、シート面９の中央には燃
料の通過を許す燃料噴射孔８が設けられている。可動部
４Ａのストローク（軸上方への移動量）は、ロッド５の
首部の受け面５Ｃとストッパ１９間の空隙の寸法で決定
される。なお、２７はフィルターで燃料中、配管中のゴ
ミや異物がシート側へ侵入するのを防ぐために設けられ
ている。

【００２０】ここに、本発明に係る燃料噴射孔８部に設
けた２６について図２ないし図４を用いて説明する。

【００２１】図２において、加圧された燃料は弁体６の
上方より導入され、軸方向通路２３から径方向通路２４
を至りさらに下流の燃料噴射孔８に向かう。この際、燃
料は径方向通路２４によって軸中心より偏心導入され
る。いわゆる、燃料に旋回が付与される。燃料噴射孔８
の外周部は、弁座（シート面９）方向に向かって凹部状
に形成されており、この凹部２５から外気が燃料噴射孔
８の出口端より所望離れ対置に開けられている複数個の
連通孔２６を介して燃料噴射孔８内に導かれる。

【００２２】図３に付した実線の矢印がこの外気の流れ
を示している。この外気は、噴射される燃料ジェット
（噴流）によって誘引されるが、特に、図４に示される
噴射パターンの後期にその誘引が著しく起こる。燃料噴
射弁１が閉弁動作を行う際の噴射パターンに相当してお
り、噴霧中に粗大粒子が発生しやすく、外気の導入によ
って粒子の微細化がこの噴射パターンに起こるというも
のである。

【００２３】なお、図４において、図の上段は燃料噴射
弁１の駆動パルス信号を示しており、図の中段は弁体６
の挙動波形を、そして図の下段は噴射パターンをそれぞ
れ示している。

【００２４】戻って、図１により本発明に係る燃料噴射
弁１の動作を説明する。

【００２５】燃料噴射弁１は、電磁コイル１４に与えら
れる電気的なＯＮ−ＯＦＦ信号により、可動部４Ａを操
作してバルブシート面９の開閉を行い、それによって燃
料の噴射制御を行う。電気信号がコイル１４に与えられ
ると、コア２，ヨーク３，プランジャ４で磁気回路が形
成され、プランジャ４がコア２側に吸引される。プラン
ジャ４が移動すると、これと一体になっている弁体６も
移動してノズル部材７の弁座のシート面９から離れ噴射
孔８を開放する。

【００２６】燃料は、図示しない燃料ポンプや燃料圧力
を調整するレギュレータを介して加圧調整され、フィル
タ２６から燃料噴射弁１の内部に流入し、コイル組立体
１５の下部通路、プランジャ４の外周部分、ストッパ１
９とロッド５の隙間、燃料旋回部材２２の径方向通路２
３及び２４を通って、シート部へ向けて旋回供給され、
燃料噴射孔８から噴射される。

【００２７】図５は本発明の第二実施例を示すものであ
る。この実施例は、燃料噴射孔の内部通路形状を末広が
り状３０としたもので、該出口端からシート面９側に向
かって所望の位置に外気の導入孔３１が設けてある。こ
の導入孔３１は、好ましくは末広がり状の噴射孔３０の
最小径部に設けられると良い。これによって、噴流ジェ
ットの加速が進み外気の導入が促進されることになる。
この結果、本実施例においても、第一実施例と同様な作
用効果が得られている。

【００２８】次に、図６を用いて、筆者らが検討に用い
た筒内直噴ガソリンエンジン６０についてその構成と燃
焼動作の概要を説明する。図は、エンジン回りの要部拡
大図を示している。６１はスロットルバルブを内蔵する
吸入空気量制御装置で、６２は吸入空気量制御装置６１
を取り付ける吸気マニホールドである。６３はシリンダ
ヘッドで、吸気マニホールド６２側に吸気弁６４，中央
部に点火プラグ６５，吸気弁６４と反対側に排気弁６６
が設けられている。

【００２９】本発明に係る筒内燃料噴射装置用の電磁式
燃料噴射弁１は、シリンダヘッド６３の吸気マニホール
ド６２との結合部付近に３０°〜４５°程度傾斜して取
り付けられる。その噴射方向は、燃焼室６７内のピスト
ン６９に設けられたキャビティ６９Ａに向かうように配
置されている。６８はシリンダである。図中の白抜きの
矢印は吸気の流れを示しており、ハッチングの矢印は排
気ガスの流れをそれぞれ示している。

【００３０】本ガソリンエンジンは、負荷によって燃焼
状態を以下のように制御している。部分負荷では後期筒
内噴射（圧縮行程噴射）により成層燃焼を、また、高負
荷では前記筒内噴射（吸気行程噴射）により均質燃焼を
行っている。成層燃焼では点火プラグ６５近傍に濃い混
合気の層を形成させ希薄な混合気の安定燃焼を実現す
る。また、均質燃焼では燃焼室全体に混合気の均質化を
図り、予混合希薄燃焼を実現する。

【００３１】これらは、低燃費と高出力を同時に実現す
ることを狙ったものであり、筒内燃料噴射装置用の電磁
式燃料噴射弁１から噴射される噴霧は、吸気，圧縮行程
時における最適な噴射タイミングに合わせてそれぞれ生
成される。噴射信号は、図示しない制御ユニットがエン
ジンの運転情報に基づいて行う。

【００３２】図は圧縮行程時の燃料噴射の状況を示した
もので、噴霧燃料は燃焼室６７内の点火プラグ６５に向
かうように分散され、速度の小さい小径液滴は、燃焼室
６７内の空気とすみやかに混合が促進される。しかる
後、混合気はさらに圧縮され点火プラグ６５にて安定し
て着火され、未燃焼ガスの排出量が抑制された安定した
希薄燃焼が実現される。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の筒内燃料
噴射装置は、燃料噴射孔の出口端より弁座側に向けて所
望の位置に該燃料噴射孔の内部と外気を連通させるため
の複数個の連通孔を設けたので、該燃料噴射孔からの噴
流ジェットによって外気が噴射孔内に誘引され、特に噴
射弁が閉弁動作にある場合でも燃料液滴の微細化が促進
される。このような噴霧を筒内噴射ガソリンエンジンの
燃焼室に供給すると、安定した着火燃焼が実現されると
共に、エンジンの冷機時においても未燃ガス成分の排出
量の低減が図られ、合わせて燃費の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である筒内燃料噴射装置用の
電磁式燃料噴射弁の縦断面図。

【図２】本発明の燃料噴射弁の先端部周辺の拡大断面
図。

【図３】本発明に係る燃料噴射孔の周辺部の拡大図。

【図４】燃料噴射を示すパターン図。

【図５】本発明の第二実施例を示す燃料噴射弁の先端部
周辺の断面図。

【図６】本発明の燃料噴射弁を組み込んだ筒内噴射ガソ
リンエンジンの要部拡大図。

【符号の説明】

１…電磁式燃料噴射弁、６…弁体、８…燃料噴射孔、２
２…燃料旋回部材、２３…軸方向通路、２４…径方向通
路、２５…燃料旋回室、２６…外気との連通孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山門 誠 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 宮島 歩 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 天羽 清 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 石川 亨 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 Ｆターム(参考） 3G066 AA02 AA04 AB02 AD12 BA03 BA14 BA17 BA26 CC06U CC14 CC15 CC20 CC37 CC43 CC46 DB04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する
   電磁式燃料噴射弁であって、内部に燃料の流通する燃料
   通路が形成されるとともに、該燃料通路の開閉を行う弁
   部材と、該弁部材の弁座部の上流側において燃料に旋回
   を与える燃料旋回部材と、該弁座部の下流側において燃
   料の通過を許す燃料噴射孔とを備えてなり、該前記燃料
   噴射孔の出口端より該弁座側に向かって所望の位置に、
   該燃料噴射孔の内部と外気とを連通する複数個の連通孔
   が径方向において開けられていることを特徴とする筒内
   燃料噴射装置。
2. 【請求項２】内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する
   電磁式燃料噴射弁であって、内部に燃料の流通する燃料
   通路が形成されるとともに、該燃料通路の開閉を行う弁
   部材と、該弁部材の弁座部の上流側において燃料に旋回
   を与える燃料旋回部材と、該弁座部の下流側において燃
   料の通過を許す燃料噴射孔とを備えてなり、該燃料噴射
   孔の出口端の外周部が該弁座側に向かって凹部状となっ
   ており、該凹部状空間と前記燃料噴射孔の内部とを連通
   する複数個の連通孔が、該燃料噴射孔の出口端より該弁
   座側に向かって所望の位置に開けられていることを特徴
   とする筒内燃料噴射装置。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２記載の筒内燃料噴射
   装置において、前記燃料噴射孔に開けられる複数個の連
   通孔から、燃料噴射の際に生ずる該燃料ジェットの誘引
   作用によって該燃料噴射孔の外周より内部に向かって空
   気を導入するようにしたことを特徴とする筒内燃料噴射
   装置。