JP2000314355A - 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
ガス浄化等を図る。安定した希薄燃焼を行うには、点火
性の良い混合気をプラグ回りに供給し混合気の成層化を
図る必要があり、これを達成し得る筒内燃料噴射装置用
の電磁式燃料噴射弁が必要となる。 【解決手段】スワ−ルタイプの電磁式燃料噴射弁にあっ
て、燃料に旋回を与える燃料旋回部材内の軸方向におい
て複数段の燃料旋回通路を設けると共に、前記燃料噴射
孔に対して近接する側の燃料旋回通路の軸心に対する位
置が、遠い側に設けられる他の燃料旋回通路の軸心に対
する位置よりも大きくなるように構成し、噴射後期の噴
霧量を増加した。

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係り、
特に、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する。

【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】特開平６−１４６８８６号公報には、シリ
ンダに嵌挿されたピストン上面とシリンダヘッドの下面
との間に形成された燃焼室と、該シリンダの中心軸線を
含む基準面の一側で該燃焼室に開口する吸気開口端と、
該吸気開口端から上方へ延びる吸気ポ−トと、該基準面
の他側に位置するように該シリンダヘッドに形成され、
開閉弁を介して該燃焼室と連通する排気ポ−トと、該燃
焼室の該吸気ポ−ト側の側部に、噴射口を該燃焼室に臨
ませるように配置された電磁式燃料噴射弁とを備え、該
吸気ポ−トによって燃焼室内に導入される吸気流が、該
中心軸線方向に沿って該基準面の一側でシリンダヘッド
の下面からピストンの上面方向へ向かい該基準面の他側
でピストンの上面からシリンダヘッドの下面方向へ向か
う縦渦流を形成する構成とし、該縦渦流の形成を促進す
べく、該吸気ポ−トの吸気流心が該軸線方向一側半部へ
偏心されていることを特徴としている筒内噴射型内燃機
関が開示されている。

【０００４】上記構成とすることにより、電磁式燃料噴
射弁を筒内噴射に最適な状態で取り付けることができる
とともに、燃焼室内に強いタンブル（縦渦）流を形成し
て、希薄燃焼でも安定して機関を運転できるものであ
る。

【０００５】一方、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７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°
〜４５°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
付着を防止すると共に、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。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
な噴霧にする必要のあることがわかった。

【０００６】このような噴霧を生成するために、筆者ら
はスワ−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ものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記したように、均質
燃焼では広く分散した噴霧が、成層燃焼ではコンパクト
な噴霧が必要となるが、このような噴霧を生成するため
に、燃料に旋回力を付与するスワ−ルタイプの電磁式燃
料噴射弁を用いている。

【０００８】スワ−ルタイプの噴霧は、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
離は抑制されると共に、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中実構造の噴霧とな
る。

【０００９】本発明に係る筒内噴射ガソリンエンジン
は、均質燃焼時には広角噴霧を、成層燃焼時にはコンパ
クトな噴霧を必要としているため、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、本発明は、特に成層燃焼時の燃焼安定範囲の拡大に
着目したものであり、この安定燃焼範囲の拡大にはコン
パクトな噴霧であると共に、点火プラグ方向に指向され
る可燃混合気の持続時間をできる限り長くすることが必
須となる。すなわち、成層燃焼時に必要なコンパクトな
噴霧形状の時系列変化を最適化する必要がある。

【００１０】前者の引用例では、燃焼室内に発生する強
い縦渦流と噴射弁の噴口位置との適合や燃料噴射のタイ
ミングと着火性との関連に設計上の工夫がなされている
が、噴霧形状については特別な配慮がなされていない。
一方、後者の引用例では、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されているとはいえな
い。

【００１１】本発明は、筒内噴射ガソリンエンジンに用
いるスワ−ルタイプの電磁式燃料噴射弁にあって、成層
燃焼時の燃焼安定範囲の拡大し得る噴霧形状を実現でき
る噴射弁を提供することを目的としている。

【００１２】

【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、該燃料通路の開閉を行う弁部材と、該弁部材の
弁座部の上流側に燃料に旋回を与える燃料旋回部材と、
また、該弁座部の下流側に燃料の通過を許す燃料噴射孔
とを備え、前記燃料旋回部材の軸方向に複数段に複数個
の燃料旋回通路を設け、前記燃料噴射孔に対して近接す
る側の複数個の燃料通路の軸心に対する位置が、前記燃
料噴射孔に対して遠い側に設けられた他の複数個の燃料
旋回通路の軸心に対する位置よりも大きく構成した。

【００１３】また、前記燃料噴射孔に対して近接する側
の複数個の燃料燃料旋回通路の総面積が、前記燃料噴射
孔に対して遠い側に設けられた他の複数個の燃料旋回通
路の総面積よりも小さくなるように構成した。

【００１４】さらに、軸方向に設けられる複数段の燃料
旋回通路の中心間距離が前記燃料旋回部材の内筒の半径
よりも大きくなるように構成した。

【００１５】

【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５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は燃料旋
回部材の旋回通路の流れ特性を示す図、図４は燃料噴射
弁の開閉パルスに対する噴射量の時系列変化を示す図、
図５は実験により確認された噴射特性を示す図である。
各々の図を用いて構造及び動作について説明する。

【００１６】電磁式燃料噴射弁１は、コントロ−ルユニ
ットにより演算されたデュ−ティのＯＮ−ＯＦＦ信号に
よりシ−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−ク３、ヨ−ク３の開
口端を閉じる栓体部２ａとヨ−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とボ−ル弁６からなる可動
部４Ａを、ノズル部材７に形成された燃料の通過を許す
噴射孔部８の上流側のシ−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。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−ク３の可動部４Ｂ側で対面する隙間部は、コイル１
４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−ルリング１２が設けられている。磁気
回路を励磁するコイル１４はボビン１３に巻かれ、その
外周をプラスチック材でモ−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。この端子１７は、図
示しないコントロ−ルユニットの端子と結合されてい
る。ヨ−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
−ク先端まで貫設されている。

【００１７】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の他端に接合されたボ−ル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−
ルリング１２に当接することで、その軸方向の動きを案
内されると共に、他端部に接合されたボ−ル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
回素子２２の内壁に当接することでそれぞれガイドされ
ている。ノズル部材７には、ボ−ル弁６をガイドする円
筒状の燃料旋回素子２２に続いて、ボ−ル弁６をシ−ト
するシ−ト面９が形成されており、シ−ト面９の中央に
は燃料の通過を許す噴射孔８が設けられている。可動部
４Ａのストロ−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−で燃料中、配管中のゴ
ミや異物がシ−ト側へ侵入するのを防ぐために設けられ
ている。

【００１８】ここに、本発明に係る燃料旋回部材２２の
構造及び該燃料旋回部材２２を用いた電磁式燃料噴射弁
の噴射特性について図２ないし図５を用いて説明する。

【００１９】図２において、（ａ）は燃料旋回部材２２
を含む弁部の拡大図面を示しており、同図（ｂ）はＤ部
断面図を、同図（Ｃ）はＥ部断面図をそれぞれ示してい
る。

【００２０】この燃料旋回部材２２には、複数個の径方
向通路２３と、他の複数個の径方向通路２４が距離ｌを
開けて軸方向に配置されている。又、径方向通路２３の
弁中心からの位置、即ち、オフセット量Ｌ２は径方向通
路２４のオフセット量Ｌ１に対して小さくなるように設
けられている。さらに、燃料旋回部材２２の中央部には
孔２２ａが設けて有り、この孔２２ａに続いて下部側に
多少大きい穴２５ａがそれぞれ設けてある。弁体６は、
この孔２２ａ内を軸方向に移動可能となるように配置さ
れている。また、弁体６と孔２５ａによって形成される
環状空間が燃料旋回室２５となる。前記径方向通路２３
と２４は、この燃料旋回室２５に開口している。

【００２１】加圧された燃料は弁体６の上方より導入さ
れ、径方向通路２３及び２４から燃料旋回室２５に至
り、更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２３及び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燃料噴射孔８に
導かれる。図に付した実践の矢印がこの旋回流れを示し
ている。又、この際、径方向通路２３に至燃料は、径方
向通路２４に対して距離ｌだけ軸上方より流れ込むため
に、径方向通路２４の燃料より遅れて燃料噴射孔８から
噴射される。

【００２２】図３は、燃料旋回部材２２の流れ特性を示
している。燃料噴射孔８に対して遠い側に設けた径方向
通路２３を至る燃料は、旋回力が弱く流量係数が大きく
なるように、反して、燃料噴射孔８に対して近い側に設
けた径方向通路２４を至る燃料は旋回力が強く流量係数
が小さくなるように設計されている。

【００２３】図４は、開弁パルスに対する噴射量の時系
列変化を測定した例である。本発明の燃料噴射弁１で
は、噴射後期の流量が従来に比して多くなっている。

【００２４】図５は、燃焼室内の噴霧挙動を可視化した
実験からその様子を描写したものである。噴射弁から点
火プラグ方向に向かう燃料噴霧は、従来に比して燃料層
の厚さが大きくなることが観察された。

【００２５】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。

【００２６】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−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−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−ト面９から離れ噴射
孔８を開放する。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−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１９とロッド５の隙間、燃料旋回部材２２の径方向通
路２３及び２４を通って、シ−ト部へ旋回供給され、燃
料噴射孔８を介して噴射される。

【００２７】図６は、本発明の第二実施例を示すもので
ある。この実施例は、燃料旋回部材３０の軸方向に設け
た径方向通路３１及び３２の通路断面積を変化させたも
ので、その他の構成は第一実施例と同様である。即ち、
径方向通路３１に対して径方向通路３２の断面積が小さ
くなるように設計されている。本実施例においても、第
一実施例と同様な佐用効果が得られている。

【００２８】次に、図７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。

【００２９】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−ルドである。６３はシリンダヘッドで、吸
気マニホ−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。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−ルド６２
との結合部付近に３０°〜４５°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。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。

【００３１】図は圧縮工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。

【００３２】図８に、エンジン燃焼結果の一例を示して
いる。図は燃料噴射終了時期と点火時期のマップを示し
たもので、図中に示される領域が広くなるほど燃焼の安
定が良くなるものである。本発明の燃料噴射弁を用いる
と、従来の燃料噴射弁に比べて広い範囲に安定ゾーンが
得られている。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料旋回部材の軸方向において複数段であって段毎に複
数個の燃料旋回通路を設けると共に、前記燃料噴射孔に
対して近接する側の複数個の燃料旋回通路の軸心に対す
る位置が、前記燃料噴射孔に対して遠く側に設けられた
他の複数の燃料旋回通路の軸心に対する位置よりも大き
くなるように構成されるので、噴射後期の燃料量を増加
させた噴霧が生成される。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、点火プラグへ向
かう混合気の持続時間が長くなって安定した着火が実現
され、未燃ガス成分の排出量の低減と燃費の向上が図ら
れる。

【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】燃料旋回部材の旋回通路の流れ特性を示す図。

【図４】燃料噴射弁の開弁パルスに対する噴射量の時系
列変化を示す図。

【図５】シリンダ内の噴霧挙動を描写した図。

【図６】本発明の第二実施例の燃料噴射弁の先端部周辺
の断面図。

【図７】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

【図８】エンジン燃焼結果の一例を示す図。

【符号の説明】

１…燃料噴射弁、６…弁体、８…燃料噴射孔、２２…燃
料旋回部材、２３…噴射孔に遠い側の径方向通路、２４
…噴射孔に近い側の径方向通路、２５…燃料旋回室。

───────────────────────────────────────────────────── 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 AA05 AB02 AD12 BA14 BA16 BA17 BA26 CC06U CC14 CC20 CC21 CC32 CC34 CC43 CC48 CC66 CE22 CE31 DA12

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、前記燃料通路の開閉を行う弁部材と、
   前記弁部材の弁座部の上流側に燃料に旋回を与える燃料
   旋回部材と、前記弁座部の下流側に燃料を通過させる燃
   料噴射孔とを備え、前記燃料旋回部材の軸方向に複数段
   に複数個の燃料旋回通路を設け、前記燃料噴射孔に対し
   て近接する側の複数個の燃料通路の軸心に対する位置
   が、前記燃料噴射孔に対して遠い側に設けられた他の複
   数個の燃料旋回通路の軸心に対する位置よりも大きくな
   るように構成した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、前記燃料通路の開閉を行う弁部材と、
   前記弁部材の弁座部の上流側に燃料に旋回を与える燃料
   旋回部材と、前記弁座部の下流側に燃料の通過を許す燃
   料噴射孔とを備え、前記燃料旋回部材の軸方向に複数段
   に複数個の燃料旋回通路を設け、前記燃料噴射孔に対し
   て近接する側の前記複数個の燃料燃料旋回通路の総面積
   が、前記燃料噴射孔に対して遠い側に設けられた他の複
   数個の燃料旋回通路の総面積よりも小さくなるように構
   成した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２のいづれか１項記載の筒内
   燃料噴射装置において、軸方向に設けられた複数段の燃
   料旋回通路の中心間距離が前記燃料旋回部材の内筒の半
   径よりも大きくなるように構成したことを特徴とする筒
   内燃料噴射装置。