JP2002221125A - 可変スワール型燃料直噴インジェクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車エンジンのシリンダ内に噴射される燃
料を強く渦流させることができる可変スワール型燃料直
噴インジェクタを提供する。 【解決手段】 ノズルボディーの貫通孔にニードルが備
えられ、インジェクションポンプから流入した燃料が通
過してエンジンの燃焼室に噴射されるように貫通路が形
成された燃料直噴インジェクターにおいて、中空円筒状
の本体の外周面にこの本体の長さ方向に傾斜する傾斜面
を有する多数の突出部が形成された内筒と；本体の外径
より大きな内径を持つ中空円筒状の大径本体の内周面に
この大径本体の長さ方向に傾斜する傾斜面を有する多数
の溝が形成された外筒と；からなるスワラと、内筒を周
方向に回転させる内筒回転手段とが貫通路に設置され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車のガソリン直
接噴射（Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃ
ｔｉｏｎ）エンジン用の燃料直噴インジェクタに関し、
より詳しくは、燃料直噴インジェクタのノズルボディの
内部にスワラが設けられシリンダ内に噴射される燃料の
渦流状態をコントロールすることができる可変スワール
型燃料直噴インジェクタに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリン直接噴射エンジンで最も重要な
部品の一つである燃料インジェクタは燃焼室に直接噴射
するため高圧で作動する。また、噴射を所望の時期、所
望の時間、所望の燃料量に合せて行う必要があるだけで
なく、噴射される条件としても所望の噴射到達距離、噴
射角、液滴の大きさ、蒸発程度など非常に多くのコント
ロールすべき事項が存在する。

【０００３】そして、燃料インジェクタは燃焼室に装着
されるので装着空間上の制約や温度に対する制約があ
る。最近開発されているガソリン直接噴射エンジンでい
くつかの形式の燃料直噴インジェクタが提案されてお
り、その中で最も多く採択されているものがスワール
（ＳＷＩＲＬ）型インジェクタである。

【０００４】スワール型インジェクタは円周方向に速度
を与えて噴射燃料を旋回させることによって噴射された
燃料の分散性を良くし、噴射燃料の直進方向の運動を抑
制してピストンやシリンダライナーに直接接触すること
を防止し、周囲の空気との混合状態を良くして細粒化を
促進することができる長所がある。

【０００５】しかし、ガソリン直接噴射エンジンにおけ
る燃料噴射制御方式をエンジン運転条件に適するように
燃料インジェクタによるスワール強度（噴射する燃料の
渦流を起こさせる度合い：噴射される燃料を旋回させる
度合い）を変化させることが求められる。つまり、低負
荷領域において圧縮後期成層燃焼する場合には、狭い体
積内で点火プラグ周囲で適当な混合気を得るために噴射
到達距離が比較的短く、空気との混合が速く行われなけ
ればならないので、高いスワール強度が要求される。一
方、高負荷領域で吸気行程あるいは圧縮初期に理論当量
に合致する燃料を噴射する場合には燃焼室内の体積が大
きく、点火まで充分な時間があるのでスワール強度を抑
える必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】既存のガソリン直接噴
射用インジェクタは、ノズル内部のニードルバルブ周囲
にスワラ（スワールジェネレーター）を設置してニード
ルバルブが開き燃料の流動が生じるとスワラの傾いた通
路を通じて噴射される燃料に円周方向速度を与えるよう
になっており、このようなスワラが発生させるスワール
強度は一定である。

【０００７】従来の燃料直噴インジェクタは噴射圧力が
一定な場合には、スワール強度が一定であるため、低負
荷領域と高負荷領域、または均一燃焼領域と成層燃焼領
域のそれぞれ両方の領域において、同一の噴射到達距
離、周囲空気との混合状態を与えることになり最適の運
転状態に制御することが殆ど不可能である。

【０００８】本発明は上述のような問題点を解決するた
めに創案されたものであって、本発明の目的は、ノズル
開口先端付近内部のニードル外周にスワール強度を変化
させることができるスワラを設置して噴射する燃料のス
ワール強度を運転状態によって変化させることができる
ようにした可変スワール型燃料直噴インジェクタを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の可変スワール型燃料直噴インジェクタは、
ノズルボディーの貫通孔にニードルが備えられ、ノズル
ボディーの内周面とニードルとの間の貫通孔にインジェ
クションポンプから流入した燃料が通過してエンジンの
燃焼室に噴射されるように貫通路が形成された自動車ガ
ソリン直接噴射エンジンのインジェクターにおいて、中
空円筒状の本体の外周面にこの本体の長さ方向に傾斜す
る傾斜面を有する多数の突出部が形成された内筒と；前
記本体の外径より大きな内径を持つ中空円筒状の大径本
体の内周面にこの大径本体の長さ方向に傾斜する傾斜面
を有する多数の溝が形成された外筒と；からなるスワラ
と、内筒を周方向に回転させる内筒回転手段とが貫通路
に設置されたことを特徴とする。ここで、ノズルボディ
の内径を形成する貫通孔の径方向断面上の中心位置に配
置され、ノズルボディの内径より小さな外径を有し貫通
孔の長さ方向に延びるように設けられるニードルと、こ
のニードルの周面外側の貫通孔部分を貫通路としてイン
ジェクションポンプから流入した燃料が通過してエンジ
ンの燃焼室に噴射される自動車のガソリン直接噴射エン
ジンの燃料直噴インジェクタにおいて、中空円筒状の本
体の外周面にこの本体の長さ方向に傾斜する傾斜面を有
する多数の突出部が形成された内筒と；本体の外径より
大きな内径を持つ中空円筒状の大径本体の内周面にこの
大径本体の長さ方向に傾斜する傾斜面を有する多数の溝
が形成された外筒と；からなるスワラと、内筒を周方向
に回転させる内筒回転手段とが貫通路に設置されている
ことが好ましい。すなわち、長さ方向の両端面が解放さ
れた円筒形状の本体と、この本体の外周面から一定厚さ
突出しノズルボディに装着された場合に燃料が流入する
側となる上端側から噴出させる側となる下端側に向かう
方向に拡がり、且つ、一辺が本体の外周面下端に対して
９０度以上の角度を有する前記本体外周面上の形状を持
つように本体と一体に形成された複数の突出部と、を備
える内筒と；内筒の本体突出部を除く外周全面に接する
内周面を形成するような内径を持ち長さ方向の両端面が
解放された円筒形状の大径本体と、この大径本体の内周
面から突出部の厚さに等しい一定の深さで凹欠し、内筒
の外面に重ねて嵌め合わせた場合に各突出部を周面方向
に所定の間隙を持って遊嵌可能とするような各突出部に
対応する形状を有する複数の溝とを備える外筒と；から
なるスワラと、内筒の突出部が外筒の溝を形成する外筒
の内周面部分に接して外筒の周面方向に摺動するように
内筒を回転させる内筒回転手段と、が貫通路に設置され
たことが好ましい。これにより、内筒の上端側から下端
側に向かう方向の突出部両側の側面と、これら側面にそ
れぞれ平行な溝の側面との間のそれぞれの間隙を調節す
ることができ、ここで、本体外周面上の本体中心軸線に
対する傾斜角度が異なる各突出部の両側の側面と溝の側
面のとの間隙を燃料が通過することによって、燃料噴射
の方向を変化させると共にそれぞれの噴射方向への燃料
噴射量が調節できる。

【００１０】また、上記燃料直噴インジェクタにおい
て、突出部は、本体の上端側から下端側に向かう程幅が
広く成形され、溝は、大径本体の上端側から下端側に向
かう程幅が広く成形されていることが好適である。すな
わち、突出部の本体外周面上の形状が、三角形又は台形
又は上端側を上底とし下端側を下底とする台形において
一方側の斜辺を台形の内側に向かって凸の弓形に変形し
た変形台形であることが好適である。さらに、外筒は、
外筒の中心軸線を通る平面によって２分割されており、
ノズルボディの貫通孔に挿入されたことが好ましく、す
なわち、２分割された分割面どうしが当接した状態で外
周面がノズルボディの燃料噴射側開口端部の内周全面に
当接して固定されていることが好ましい。また、ニード
ルが内筒回転手段に挿入され、内筒回転手段の一端は内
筒に固定連結され、内筒回転手段の他端には調節突起が
形成されていることが好適である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
による可変スワール型燃料直噴インジェクタの一実施の
形態につき詳細に説明する。

【００１２】図１は本実施の形態による可変スワール型
燃料直噴インジェクタの断面図であり、図２はスワラの
内筒の斜視図であり、図３はスワラの外筒の斜視図であ
り、図４は図１のＡ部分における主要部の拡大断面図で
ある。

【００１３】本実施の形態における自動車のガソリン直
接噴射エンジンの燃料直噴インジェクタ１０は、図１に
示されるように、ノズルボディ１２の内径を形成する貫
通孔の径方向断面上の中心位置にノズルボディの内径よ
り小さな外径を有するニードルバルブとして機能させる
ことも可能なニードル１４が配置され、貫通孔の長さ方
向に延びるように設けられている。このニードル１４の
周面外側の貫通孔部分を貫通路１６としてインジェクシ
ョンポンプから流入した燃料が通過する。ノズルボディ
１２貫通孔の燃料噴出口側である貫通路１６の下端側に
は、スワラ２４が設置される。

【００１４】スワラ２４は図４に示されるように、内筒
２６と外筒３２とからなり、内筒２６の本体２８及び外
筒３２の大径本体３４とも、径方向断面上の中央に貫通
孔を有する円筒形に形成される。また、内筒２６本体２
８の燃料が流入する側となる上端側の端面には、内筒回
転手段１８が固定連結されている。

【００１５】内筒２６は、図１及び図２に示されるよう
に、長さ方向の両端面が解放された円筒形の本体２８
と、本体２８の周方向に一定の間隔で本体２８の外周面
に形成された多数の突出部３０とからなる。突出部３０
は、本体２８の外周面から径方向に一定厚さ突出し、内
筒２６がノズルボディ１２に装着された状態で、燃料が
流入する側となる上端側から噴出させる側となる下端側
に向かう方向に拡がる本体２８外周面上の形状を有する
ように本体と一体に形成されている。即ちより具体的に
は、突出部３０の本体２８外周面上の形状は、本体２８
の上端側の外周の一部を上底とし下端側の外周の一部を
下底とする台形において、一方側の斜辺を上底及び下底
に対して直角とし、他方側の斜辺を台形の内側に向かっ
て凸の弓形に変形した変形台形である。本実施の形態で
は、突出部３０の本体２８外周面上の形状をこのような
変形台形としたが、全体的形状として上端側から下端側
に向けて拡がり、且つ、一辺が本体２８の外周面下端に
対して９０度以上の角度を有する形状であれば、一方側
の斜辺を下底に対して鈍角とする変形台形や他方側の斜
辺を弓形ではなく直線とした台形、また、これらの変形
台形や台形のそれぞれ上底を点に変えた変形三角形、鈍
角三角形や直角三角形などの三角形などいずれの形状で
あっても良い。

【００１６】内筒２６は図１及び図４に示されるよう
に、ニードル１４の外周が内筒２６の本体２８の内周面
に挿入される。挿入された後にニードル１４の外周で空
回りしないように内筒２６の本体２８内径を、本体２８
内周全面がニードル１４の外周面と接する程度に成形
し、ニードル１４の外周面の内筒２６を固定する部分に
は、シール材（ｓｅａｌ ｍｅｍｂｅｒ）を用いて内筒
２６がニードル１４に堅固に固定される。

【００１７】外筒３２は、図３に示されるように、長さ
方向の両端面が解放された円筒形状の大径本体３４と、
外筒３２の内周を内筒２６の外周面に重ねて嵌め合わせ
た場合に各突出部３０を周面方向に所定の間隙を持って
遊嵌可能とするような各突出部３０にそれぞれ対応する
形状を有する複数の溝３６とからなる。それぞれの溝３
６は、大径本体３４の内周面から突出部３０の厚さに等
しい一定の深さで凹欠するように形成されている。すな
わち、各突出部３０とそれぞれ対応する溝３６とは、周
面上の中心位置が互いに一致し、周面上の溝３６の形状
は突出部３０の両斜辺とそれぞれ平行であり周面方向に
所定の間隔だけ広い幅を有している。したがって、外筒
３２の内周を内筒２６の外周面に重ねて嵌め合わせた状
態では、各突出部３０の周面方向両側の側面と溝３６の
周面方向の両側の側面との間にそれぞれ所定の間隔の間
隙ができ、この間隙は燃料がスワラ２４を通過する際の
流通路となる。各流通路は、突出部３０の周面上の形状
における各斜辺の内筒２６の中心軸線からの傾斜角が０
度の場合は上端側から下端側に直線的な垂直流通路とな
り、傾斜角が０度以外の場合は傾斜角だけ燃料の噴射方
向を変える傾斜流通路となる。

【００１８】外筒３２は、図３及び図４に示されるよう
に外筒３２の中心軸線を通る平面によって２分割されて
おり、その分割面どうしが当接した状態で外筒３２の外
周面がノズルボディ１２の燃料噴射側開口端部の内周全
面に当接して固定されている。本実施の形態において、
外筒３２を２分割して成形したことで、燃料直噴インジ
ェクタ１０の組立製造に際して、ノズルボディ１２内部
への外筒３２の挿入、装着操作を容易とするが、外筒３
２は、２分割成形することなく、一体に成形されていて
も良い。

【００１９】内筒回転手段１８は、図１及び図４に示さ
れるように、内筒回転手段１８の内周全面がニードル１
４の外周面に接するように挿入されている。また、ノズ
ルボディ１２貫通孔の燃料噴出口側である貫通路１６の
下端側において、ニードル１４に固定された内筒２６の
本体２８の上端側の端面に内筒回転手段１８の一方側の
端部が固定連結されており、この内筒回転手段１８の他
方側の端部には調節突起２０が形成されている。調節突
起２０は、スワール強度制御装置により制御される燃料
流通路調節手段の回転駆動器（以上図示なし）などに接
続されており、回転駆動器によって調節突起２０が所定
角度だけ、内筒２６の周方向の所定方向に回転される
と、内筒回転手段１８に固定連結された内筒２６を、制
御された角度だけ所定方向に回転させることとなる。つ
まり、内筒回転手段１８は、内筒２６の突出部３０が外
筒３２の溝３６を形成する外筒３２の内周面部分に接し
て外筒３２の周面方向に摺動するように内筒２６を回転
させる。これにより、内筒２６を回転させて突出部３０
と外筒３２の溝３６との間隙を変化させることができ、
垂直流通路と傾斜流通路とを通過する燃料量の比率を変
化させることによってスワール強度を調節することがで
きる。

【００２０】調節突起２０は燃料インジェクタの上端部
に突出形成され、燃料注入口２２は調節突起２０を回転
させることができるように燃料インジェクタの中心軸と
一定の角を有するように設けられ、製作されている。

【００２１】次に、本実施の形態による可変スワール型
燃料直噴インジェクタの動作について説明する。燃料が
インジェクションポンプ（図示なし）の燃料注入口２２
からノズルボディ１２貫通孔の貫通路１６に流入し、貫
通路１６の下端側でニードル１４に固定され設置された
スワラ２４の内筒２６と外筒３２との間の間隙である垂
直流通路及び傾斜流通路を通過して燃焼室に噴射され
る。この時、垂直流通路を通過した燃料はスワラ２４の
内筒２６の本体２８（又は外筒３２の大径本体３４）の
中心軸線方向にそのまま方向を変えず噴射されるため、
シリンダ内長さ方向への噴射到達距離は大となるが、渦
流は殆ど発生せずスワール強度は殆ど０に等しい。一
方、傾斜流通路を通過した燃料は、突出部３０の側面
（本体２８外周面上の斜辺に相当する）が本体２８の中
心軸線に対して傾斜する角度（傾斜流通路の傾斜角）に
応じてスワラ２４の周方向に噴射方向を変えられること
からスワール強度が付与されることとなる。

【００２２】従って、スワラ２４の垂直流通路及び傾斜
流通路を通過した燃料は、本体２８の中心軸線（燃料直
噴インジェクタ１０の中心軸線）に対する本体２８内周
面上における流通路の傾斜角度に相当する傾斜角に応じ
た大きさのスワール強度が付与された状態で一定の噴射
到達距離にて燃焼室に噴射される。

【００２３】スワール強度制御装置により制御される燃
料流通路調節手段の回転駆動器（以上図示なし）によっ
て調節突起２０が所定角度だけ、内筒２６の周方向の所
定方向に回転されると、内筒回転手段１８に固定連結さ
れた内筒２６が、制御された角度だけ所定方向に回転す
ることとなる。ここで、内筒回転手段１８は、内筒２６
の突出部３０が外筒３２の溝３６を形成する外筒３２の
内周面部分に接して外筒３２の周面方向に摺動するよう
に内筒２６を回転させ、内筒２６が回転されることによ
り、突出部３０と外筒３２の溝３６との間隙の大きさが
変化する。したがって、垂直流通路と傾斜流通路とを通
過する燃料量の比率を変化することとなりスワール強度
が調節される。

【００２４】本実施の形態における突出部３０の本体２
８周面上の形状は、図２に示されるような変形台形であ
り、図３に示される溝３６の周面上の形状も変形台形と
して成形されており、スワラ２４としては垂直流通路と
下に凸の弓状（円弧状）に曲がった傾斜流通路とを有し
ている。ここで、内筒回転手段１８によって内筒２６
が、本体２８の上端側から見て時計回り方向に回転さ
れ、垂直流通路を形成していた突出部３０の側面と溝３
６の側面とが当接した場合、垂直流通路の間隙が０とな
り、燃料の全量が傾斜流通路を通過して噴射されること
となり、しかも、直線的な傾斜ではなく弓状に傾斜角を
広げるように曲がる傾斜流通路であるため、非常に大き
なスワール強度の噴射となる。

【００２５】一方、内筒２６が本体２８の上端側から見
て反時計回り方向に回転され、傾斜流通路を形成してい
た突出部３０の側面と溝３６の側面とが当接した場合、
傾斜流通路の間隙が０となり、燃料の全量が垂直流通路
を通過して噴射されることとなり、渦流が殆ど生じるこ
とがないスワール強度が殆ど０の極めて小さな噴射とな
る。また、流通路を形成する内筒２６の突出部３０と外
筒３２の溝３６との側面どうしを当接させるまでに至ら
ない範囲で内筒２６の回転角度と方向を調節することに
よって、可変スワール型燃料直噴インジェクタのスワー
ル強度をコントロールすることができる。なお、突出部
３０の周面上の形状が本実施の形態における変形台形以
外の、変形台形、台形、三角形などの形状の場合にも、
上記と同様に動作するが、特に本実施の形態の変形台形
における弓形の斜辺の他方側の斜辺を下底に対して鈍角
とする変形台形や、この変形台形の上底を点に変えた変
形鈍角三角形などの場合には、スワラ２４としては下に
凸の弓状に曲がった傾斜流通路とこの傾斜流通路とは傾
斜角が異なるが傾斜の方向が同一の傾斜流通路とを有す
るため、シリンダ内長さ方向への噴射到達距離は小とな
るが、本実施の形態よりさらに大きなスワール強度が得
られる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、既存の燃料直噴イ
ンジェクタは噴射圧力が一定な場合、スワール強度が一
定なため低負荷領域と高負荷領域、均一燃焼領域と成層
燃焼領域の両方で同一な噴射到達距離、周囲空気との混
合程度を得るので最適の運転状態で制御することが不可
能であったが、本発明によれば、内筒及び外筒からなる
スワラの内筒を周方向に回転させることによってスワー
ル強度を変化させることができることから、ガソリン直
接噴射エンジン運転モードに最適な噴射状態で燃料を噴
射可能であり、エンジンの出力性能及び燃費を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスワラが装着された可変スワール
型燃料直噴インジェクタの断面図である。

【図２】本発明によるスワラの内筒の斜視図である。

【図３】本発明によるスワラの外筒の斜視図である。

【図４】図１のＡ部分における主要部の拡大詳細図であ
る。

【符号の説明】

１２ ノズルボディ １４ ニードル １６ 貫通路 １８ 内筒回転手段 ２４ スワラ ２６ 内筒 ２８ 本体 ３０ 突出部 ３２ 外筒 ３４ 大径本体 ３６ 溝

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルボディーの貫通孔にニードルが備
   えられ、前記ノズルボディーの内周面とニードルとの間
   の貫通孔にインジェクションポンプから流入した燃料が
   通過してエンジンの燃焼室に噴射されるように貫通路が
   形成された自動車ガソリン直接噴射エンジンのインジェ
   クターにおいて、 中空円筒状の本体の外周面にこの本体の長さ方向に傾斜
   する傾斜面を有する多数の突出部が形成された内筒と；
   前記本体の外径より大きな内径を持つ中空円筒状の大径
   本体の内周面にこの大径本体の長さ方向に傾斜する傾斜
   面を有する多数の溝が形成された外筒と；からなるスワ
   ラと、 前記内筒を周方向に回転させる内筒回転手段とが前記貫
   通路に設置されたことを特徴とする可変スワール型燃料
   直噴インジェクタ。
2. 【請求項２】 前記突出部は、本体の上端側から下端側
   に向かう程幅が広く成形され、 前記溝は、大径本体の上端側から下端側に向かう程幅が
   広く成形されたことを特徴とする請求項１に記載の可変
   スワール型燃料直噴インジェクタ。
3. 【請求項３】 前記外筒は、外筒の中心軸線を通る平面
   によって２分割されており、前記ノズルボディの貫通孔
   に挿入されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の
   可変スワール型燃料直噴インジェクタ。
4. 【請求項４】 前記ニードルが前記内筒回転手段に挿入
   され、前記内筒回転手段の一端は前記内筒に固定連結さ
   れ、前記内筒回転手段の他端には調節突起が形成された
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の可
   変スワール型燃料直噴インジェクタ。