JP2001123915A - 筒内燃料噴射弁及びこれを搭載した内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直噴式ガソリンエンジン用の電磁式燃料噴射弁
の噴霧特性においては、点火プラグ方向へ可燃蒸気を収
斂しすることで点火性を向上し、ピストン方向への燃料
粒子を希薄にすることで燃焼性を向上する、いわゆる偏
向噴霧を生成する必要がある。 【解決手段】本発明の燃料噴射弁では、旋回体の旋回溝
を弁体の軸線に対して非対称にし、溝幅および溝高さの
寸法がそれぞれ異なるように設置することにより、ノズ
ル内の燃料流れに強弱を与えて、噴孔から噴射される噴
霧を偏向させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、点火性および燃焼
性に優れた燃料噴霧を形成する燃料噴射弁に係り、特
に、シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射型の
内燃機関に有益な噴霧形状を生成し得る燃料スワール型
の噴射弁構造に関する。

【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が知られている。

【０００３】このような、筒内噴射ガソリンエンジンと
して、特開平６−１４６８８６号公報がある。本例で
は、燃料噴射弁の取付け位置に対する配慮と、吸気開口
端から上方に延びる吸気ポートにより燃焼室内に縦渦の
吸気流れ（タンブル流）を形成する構成として、理論混
合気よりも希薄な燃料で希薄燃焼を安定して行い、燃費
を改善するというものである。

【０００４】一方、筆者らが検討した筒内噴射ガソリン
エンジンは、従来エンジンのシリンダヘッドを大幅に変
更することなく希薄燃焼を実現しようとするものであ
る。詳細は後述するが、この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
に３０°〜４５°程度の傾斜をもって取り付けられてお
り、その噴射孔は、ピストンに設けられるキャビティ
（凹み）に向けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の筒内燃料噴射装
置を始め従来技術では、燃料の微粒化を促進したり、燃
料を噴霧する向きや噴霧の広がりを工夫したりしてい
る。しかし、以下に述べるような、点火性（着火性）と
燃焼性（未燃ガス排出量低減）を共に向上させ得るよう
な噴霧形状、或いは噴霧構造に対しては、必ずしも十分
な配慮がなされていなかった。

【０００６】燃料噴射弁より噴射される噴霧の最適化に
は、以下の様な特性を考慮する必要がある。

【０００７】第一は噴霧形状であり、噴霧の広がり角度
や到達距離が因子となる。第二は噴霧粒径であり、大粒
子の個数をできるかぎり少なくして粒径分布の均一化を
図る必要がある。第三は噴霧構造であり、噴霧される燃
料粒子の空間的分布を適正化する必要がある。

【０００８】筆者等は、これらの噴霧特性が内燃機関の
燃焼特性にどのように関与するかについて、実験解析に
より検討してきた。これまでのところ、以下のことが明
らかになっている。点火性向上のためには、点火プラグ
回りの燃料粒子分布を多くして、可燃蒸気分布を高くす
ることが有効である。一方、ピストン方向への燃料粒子
分布を少なくさせると、燃焼の未燃ガス成分（ＨＣ、Ｃ
Ｏ）が減少する傾向にあり、燃焼性が向上する。

【０００９】そこで、本発明の目的は、内燃機関の点火
性を良好とし、燃焼の未燃ガス成分の排出量を低減する
ことにある。このために、点火プラグ方向へ可燃蒸気を
収斂し、ピストン方向への燃料粒子を希薄にした、いわ
ゆる偏向噴霧を噴射することができる燃料噴射弁とこれ
を用いた内燃機関を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料噴射弁では、旋回体の旋回溝を弁体の
軸線に対して非対称に設置することにより、ノズル内の
燃料流れに強弱を与えて、噴孔から噴射される噴霧を偏
向させる。

【００１１】また、本発明の内燃機関では、点火装置側
に濃い噴霧が形成され、ピストン側に薄い噴霧が形成さ
れるように、上記燃料噴射弁を配置する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の第一実施例を図１乃至２
を参照して説明する。 図１は、本発明の電磁式燃料噴
射弁１の縦断面図を示しており、この図を用いて、電磁
式燃料噴射弁１の構造及び動作について説明する。

【００１３】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を噴射す
る。磁気回路は、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アンカ
ー４とからなる。柱状部２ｂの中心には、アンカー４と
ロッド５と弁体であるボール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燃料噴射孔
８の上流側のシート面９に押圧するように挿入した、弾
性部材としてのスプリング１０を保持するための穴４Ｂ
が設けてある。このスプリング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４Ａ側で対面する隙間部に
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るシールリング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２ａ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ールユニットの端子
と結合される。

【００１４】ヨーク３には、可動部４Ａを受容するアン
カー受容部１８が開けられている。さらに、アンカー受
容部１８の径より大径で、そこにストッパ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３先端ま
で貫設されている。可動部４Ａは、磁性材料製アンカー
４と、一端がアンカー４に一体的に形成されたロッド５
と、ロッド５の先端部に接合されたボール６とより成
る。なお、ロッド５のアンカー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。

【００１５】また、可動部４Ａは、アンカー４の外周が
シールリング１２に当接することでその軸方向の動きを
案内すると共に、弁体であるボール６を、ノズル部材７
の中空部の内壁２１に挿入した燃料旋回素子２２の内周
面２３で、ガイドしている。ノズル部材７には、ボール
６が接合されたロッド５の端部近傍をガイドする燃料旋
回素子２２につづいて、ボール６を着座するシート面９
が形成されており、シート面９の下流の中央部には燃料
の通過を許す燃料噴射孔８が設けられている。

【００１６】また、可動部４Ａのストローク（図１では
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間の空隙の寸法で設定される。なお、フィ
ルター２４は燃料中や配管中のゴミや異物が、ボール弁
６とシート面９との間のバルブシート側への侵入を防ぐ
ために設けられている。

【００１７】次に、図２を参照しながら、本実施例の非
対称の旋回溝を設けた燃料旋回素子２２について説明す
る。図２（ａ）は、燃料旋回素子２２とノズル部材７お
よびボール６部の縦断面の拡大図を示しており、（ｂ）
は燃料旋回素子２２を矢印Ｑから見た平面図およびＸ−
Ｘ断面図を示している。

【００１８】燃料旋回素子２２には、燃料旋回素子の外
周部を平面カットした軸方向溝２５と、弁体軸線Ｊに対
して非対称に配置した旋回溝３０が設けてある。この軸
方向溝２５と旋回溝３０は、燃料旋回素子２２の上方よ
り導入される燃料の通路を構成している。軸方向溝２５
を通過した燃料は、旋回溝３０にて軸中心より偏心導入
して、燃料に旋回を付与し、ノズル部材７に設けた噴射
孔８より噴射する際の微粒化を促進する働きがある。こ
こで、燃料旋回素子２２により付与される旋回強度（ス
ワール数Ｓ）はＳ＝（角運動量）／（噴射軸方向の運動
量）×（オリフィス半径）で求められる。数式で表わす
と次のようになる。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、ｄ0：燃料噴射孔の直径 Ｌｓ：溝の偏心量（弁軸心と溝（幅）中心間の距離） ｎ ：溝の数 θ ：弁座の角度 ｄｓ： ＝２・ｗ・ｈ/ｗ＋ｈ。

【００２１】流れ学的等価直径で溝幅ｗと溝高さｈを用
いて表される。

【００２２】このスワール数Ｓを大きくすると、微粒化
が促進され噴霧が分散される。

【００２３】本実施例では、旋回溝を２本設けている
が、旋回溝数は１乃至３以上であっても良い。また、本
実施例では、旋回溝２２の高さｈと幅ｗを同一にしてい
るが、噴霧の偏向を強くするために、一方の旋回溝の高
さを高くするか、あるいは幅を広くすると大きな効果が
得られる。例えば、一方の旋回溝の高さを０．２〜０．
５ｍｍ、幅を０．５〜１．０ｍｍとし、もう一方の旋回
溝の高さを０．１〜０．２ｍｍ、幅を０．１〜０．５ｍ
ｍとすることで、収斂性の高い偏向噴霧を生成し、点火
装置６５へ可燃混合気を搬送することで燃焼効率を向上
することができる。

【００２４】さらに、本実施例では、燃料噴射孔８が弁
体軸線Ｊと並行して設けられているが、燃料噴射孔を弁
体軸線に対して傾斜させることで、偏向噴霧生成を促進
しても良い。さらに、本実施例では、軸方向溝２５は平
面カット面で形成しているが、環状通路等他の形状であ
っても良い。

【００２５】以上のように構成された、噴射弁１の動作
を説明する。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を軸方向
に上下動させてボール６とシート面９の隙間の開閉を行
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、アンカー
４で磁気回路が形成され、アンカー４がコア２側に吸引
される。アンカー４が移動すると、これと一体になって
いるボ−ル６も移動してノズル部材７の弁座のシート面
９から離れ燃料噴射孔８を開放する。燃料は、フィルタ
２４から燃料噴射弁１の内部に流入し、コア２の内部通
路、アンカー４の外周部及びアンカー４内に設けた燃料
の通過を許す空洞部５Ａから燃料の流出口５Ｂを経て下
流に至り、ストッパ１９とロッド５の隙間、燃料旋回素
子２２の軸方向燃料通路２５、旋回溝３０を通ってシー
ト部へ旋回供給され、開弁時に燃料噴射孔８から噴射さ
れる。

【００２６】図３は、本実施例の旋回溝から噴射孔まで
の燃料の流れ、及び燃料噴射弁から噴射される噴霧を模
式的に示したものである。図３の（ａ）は、ノズル部材
７内における旋回溝３０ａ、３０ｂから噴射孔８までの
燃料の流れを模式的に示しており、図３（ｂ）は噴射さ
れた後の燃料の分布の縦断面の様子を模式的に示したも
のである。

【００２７】図３（ａ）において、旋回溝３０ａおよび
３０ｂから流出する燃料はそれぞれ、ハッチングＸ１、
Ｘ２で示す領域を通過して噴射孔８に到達し、太線ＲＲ
で示す噴射孔端の一部より噴射孔に導入される。従っ
て、図３（ｂ）の点線ＦＲ１に示すような噴霧角β１の
偏向噴霧が生成される。一般に、噴霧角は燃料圧力を高
くすると大きくなる傾向がある。例えば、図３（ｂ）に
示す点線ＦＲ１の噴霧形状を生成する燃料圧力よりも圧
力を高くすると、実線ＦＲ２に示すような噴霧角β２の
偏向度の大きい噴霧を形成することができる。この傾向
に従って、噴射弁の取り付け角（一般に１０°〜４５
°）に応じて、所望の噴霧角を得られるように燃料圧力
をコントロールすると良い。また、噴霧を所望の偏向方
向に向かわせるために、燃料圧力と噴射孔８の長さを調
節すると良い。

【００２８】図４は、本発明に係る燃料噴射弁を搭載し
た内燃機関の実施例を示す縦断面図である。シリンダ６
８内に往復動可能に設けられたピストン６９は、図示し
ないクランクシャフトの回転に応じてシリンダ６８内を
上下動する。シリンダ６８の上部には、シリンダヘッド
６３が取り付けられており、シリンダ６８と共に密閉空
間を形成する。シリンダヘッド６３には、スロットルバ
ルブを内蔵した吸入空気量制御装置６１を介して外部空
気をシリンダ内に導く吸気マニホールド６２と、シリン
ダ６８内で燃焼した燃焼ガスを排気装置へ導く排気マニ
ホールドとが形成されている。

【００２９】シリンダヘッド６３の吸気マニホールド６
２側には吸気弁６４が、中央部には点火装置６５が、そ
して吸気弁６４と反対側には排気弁６６がそれぞれ設け
られている。吸気弁６４および排気弁６６は燃焼室６７
内に延在して設けられている。ここで、本発明に係る燃
料噴射弁１は、シリンダヘッド６３の吸気マニホールド
６２結合部付近に取り付けられており、燃料の噴射弁の
軸が燃焼室６７内でやや下向き方向となるように設定さ
れている。その取り付け角度θpは一般に１０°〜４５
°程度である。６９はピストンを示しており、６９Ａは
ピストン６９に設けられたキャビティである。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
印は排気の流れをそれぞれ示している。

【００３０】内燃機関６０の燃料は、吸気のタイミング
に合わせて燃料噴射弁１により直接燃焼室６７内へ噴射
され、内燃機関６０に設けられた点火装置６５の周辺に
収斂し、一方、シリンダ６８内に往復可能に取り付けた
ピストン６９のキャビティ６９Ａの周辺では希薄とな
り、噴霧角β、領域ＦＲのような分布となる。噴射によ
り霧化した燃料は、燃焼室６７において吸気マニホール
ド６２を経て導かれた空気との混合を促進するが、この
際、噴霧が偏向している為に、点火装置６５には可燃濃
度の混合気が向かうようになる。また一方、キャビティ
６９Ａの方向に向かう噴霧は、希薄とり、ピストン６９
に燃料噴霧を過剰に送ることがない。しかる後の混合気
は、圧縮行程中に圧縮され、点火装置６５にて安定して
着火され、未然ガスの排出量が抑制された安定した燃焼
が実現される。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、旋回体の旋回溝を弁体
の軸線に対して非対称に設置することにより、ノズル内
の燃料流れに強弱を与えて、噴孔から噴射される噴霧を
偏向させ、点火プラグ方向へ可燃蒸気を収斂し、ピスト
ン方向への燃料粒子を希薄にした、いわゆる偏向噴霧を
噴射することができる燃料噴射弁を提供することができ
る。

【００３２】また、この燃料噴射弁を内燃機関に用いる
ことにより、内燃機関の点火性を良好とし、燃焼の未燃
ガス成分の排出量を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である電磁式燃料噴射弁の断
面図である。

【図２】図１の電磁式燃料噴射弁のノズル部分と燃料旋
回素子の拡大図である。

【図３】図１の実施例の旋回溝から噴射孔までの燃料の
流れおよび燃料噴射弁から噴射される噴霧を模式的に示
した図である。

【図４】本発明に係る電磁式燃料噴射弁のを組み込んだ
筒内噴射ガソリンエンジンの要部拡大図である。

【符号の説明】

１…電磁式燃料噴射弁、４Ａ…可動部、６…ボ−ル弁、
８…燃料噴射孔、７…ノズル、ＦＲ…偏向噴霧の分布形
状、２２…燃料旋回素子、２３…案内孔、３０…燃料旋
回溝軸、６０…内燃機関、６９Ａ…ピストンキャビテ
ィ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 門向 裕三 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 富樫 盛典 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 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 前川 典幸 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グループ内 Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AB01 AC05 AD03 AD12 AG01 3G066 AA02 AA05 AB02 AD12 BA03 BA14 BA26 CC14 CC34 CC43 CC48 CD30 CE22

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】噴射孔を有するノズル体と、燃料に旋回力
   を付与する旋回体と、弁体と、この弁体をその軸方向に
   駆動する駆動手段とを備え、前記弁体を駆動することに
   より前記噴射孔を開閉し、燃料噴射を行う燃料噴射弁に
   おいて、 前記旋回体の旋回溝は、弁体の軸線に対して非対称に配
   置されていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】噴射孔を有するノズル体と、燃料に旋回力
   を付与する旋回体と、弁体と、この弁体をその軸方向に
   駆動する駆動手段とを備え、前記弁体を駆動することに
   より前記噴射孔を開閉し、燃料噴射を行う燃料噴射弁に
   おいて、 前記旋回体の旋回溝は、溝幅および溝高さの寸法がそれ
   ぞれ異なることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 【請求項３】噴射孔を有するノズル体と、燃料に旋回力
   を付与する旋回体と、弁体と、この弁体をその軸方向に
   駆動する駆動手段とを備え、前記弁体を駆動することに
   より前記噴射孔を開閉し、燃料噴射を行う燃料噴射弁に
   おいて、 前記旋回体の旋回溝は、溝幅および溝高さの寸法がそれ
   ぞれ異なり、なおかつ、弁体の軸線に対して非対称に配
   置したことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 【請求項４】シリンダと、このシリンダの中で往復運動
   するピストンと、前記シリンダ内に空気を導入する吸気
   手段と、燃焼ガスを前記シリンダ内から排気する排気手
   段と、前記シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
   と、この燃料噴射弁に燃料タンクから燃料を供給する燃
   料供給手段と、前記吸気手段によって前記シリンダ内に
   導入した空気と前記燃料噴射弁によって前記シリンダ内
   に噴射された燃料との混合気に点火する点火装置とを備
   え、前記燃料噴射弁に、噴射孔を有するノズル体と、燃
   料に旋回力を付与する旋回体と、前記噴射孔を開閉する
   弁体と、この弁体をその軸方向に駆動する駆動手段を備
   えた内燃機関において、 前記旋回体の旋回溝を弁体の軸線に対して、非対称に設
   けることによって、前記噴射孔からの噴霧を偏向噴霧状
   とし、前記シリンダ内に噴射することを特徴とする内燃
   機関。
5. 【請求項５】請求項４に記載の内燃機関において、前記
   点火装置側に噴霧濃度が高く、前記ピストン側に噴霧濃
   度が希薄な偏向噴霧を形成することを特徴とする内燃機
   関。