JP2003148302A - 内燃機関の燃料噴射弁及び燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】点火性及び燃料安定性に優れた燃料噴霧を形成
する。 【解決手段】内燃機関の燃料噴射弁４に、空気を噴射す
る空気噴射孔１２と、該空気噴射孔１２を取り囲むよう
に燃料を噴射する燃料噴射孔１３とを設け、燃料噴射時
に、燃料噴霧ｆの内部に圧力調整された空気ａを噴射す
ることで、噴霧のしぼみを防止すると共に、安定した噴
霧形状を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内に直接燃料を
噴射する内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に、点火性、
燃焼安定性に優れた噴霧形状を形成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】筒内に直接燃料を噴射する内燃機関にお
いては、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火栓付近に燃料
噴霧をとどめ着火しやすい混合気を形成することで成層
燃焼を行っている。このような成層燃焼を行う機関の点
火性を向上させる技術としては、特開２０００−３２９
０３６号公報に開示されたものがある。

【０００３】このものは、燃料噴射弁４０の噴射孔出口
部４１に段差を設けることで、点火栓側の混合気濃度が
濃く、ピストン側の混合気濃度が希薄（又は、噴霧が裁
断された状態）となる燃料噴霧ｆを形成する。このと
き、前記混合気濃度の希薄になった部分４２から、噴霧
外の高圧空気ａが噴霧内に流入するので、筒内圧による
燃料噴霧ｆのしぼみを防止でき、燃料を確実に点火栓に
到達させるようにしている（図８参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のも
のは、以下の点で問題がある。すなわち、燃料噴霧の状
態は、燃料噴射自体のばらつきや流動状態等の筒内雰囲
気により影響を受けるため、前記混合気濃度が希薄（又
は噴霧が裁断された状態）となる部分にもばらつきが生
じる。このため、流入する空気が変動して噴霧形状も安
定せず、サイクル毎、気筒毎の燃焼が安定しない。

【０００５】本発明は、上記のような問題に鑑みなされ
たものであって、点火性及び燃焼安定性に優れた噴霧形
状を形成できる内燃機関の燃料噴射弁及び燃料噴射装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、請求項１に係
る燃料噴射弁は、空気噴射用の空気噴射孔と、該空気噴
射孔の周りを取り囲むように設けられた燃料噴射用の燃
料噴射孔と、を備えたことを特徴とする。

【０００７】請求項２に係る燃料噴射弁は、空気噴射用
の空気噴射孔と、該空気噴射孔の周りを取り囲むように
設けられた燃料噴射用の燃料噴射孔と、前記空気噴射孔
に連通し、弁体によって開閉される空気通路と、前記燃
料噴射孔に連通する燃料通路と、該燃料通路を開閉する
弁体と、を備え、前記燃料通路を開閉する弁体の内部
に、前記空気通路に空気を導入するための空気導入路を
形成したことを特徴とする。

【０００８】請求項３に係る燃料噴射弁は、前記空気通
路を開閉する弁体を別体にしたことを特徴とする。請求
項４に係る燃料噴射弁は、前記空気通路を開閉する弁体
と前記燃料通路を開閉する弁体とを、一体に形成し、前
記空気通路及び燃料通路を開閉することを特徴とする。

【０００９】請求項５に係る燃料噴射弁は、前記燃料噴
射孔からの燃料噴射により略中空状の燃料噴霧を形成
し、該燃料噴霧の中空部分に前記空気噴射孔から空気を
噴射することを特徴とする。請求項６に係る燃料噴射装
置は、空気噴射用の空気噴射孔と、該空気噴射孔の周り
を取り囲むように設けられた燃料噴射用の燃料噴射孔
と、を有する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁に加圧した空
気を供給する空気供給手段と、前記燃料噴射弁に加圧し
た燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料噴射弁から
の燃料噴射及び空気噴射を制御する制御装置と、を備え
たことを特徴とする。

【００１０】請求項７に係る燃料噴射装置は、前記制御
装置が、少なくとも成層燃焼時においては、機関の負荷
が大きくなるほど、噴射する空気の圧力を高く設定する
ことを特徴とする。請求項８に係る燃料噴射装置は、前
記制御装置が、機関の負荷と機関回転速度とに基づいて
噴射する空気の圧力を設定することを特徴とする。

【００１１】請求項９に係る燃料噴射装置は、前記制御
装置が、空気噴射と燃料噴射とをそれぞれ独立して制御
することを特徴とする。

【００１２】

【発明の効果】請求項１に係る燃料噴射弁によれば、燃
料噴射孔からの燃料噴射により燃料噴霧を形成すると共
に、空気噴射孔から燃料噴霧の内部に空気を噴射するこ
とができるので、成層燃焼等の筒内圧が高い場合におい
ても噴霧のしぼみを防止できる。これにより、点火栓に
確実に燃料を到達させることができ、点火性を向上でき
る。また、燃料が空気に囲まれた状態となるので、燃料
の気化を促進でき、燃料効率も向上する。

【００１３】請求項２から請求項４に係る燃料噴射弁に
よれば、空気噴射孔に連通する空気通路に空気を導入す
るための空気導入孔を、燃料噴射孔に連通する燃料通路
を開閉する弁体の内部に空気導入路を形成したので、燃
料噴射弁全体としての大きさをほとんど変更することな
く、燃料噴霧内に空気を噴射することができる。

【００１４】また、空気通路を開閉する弁体を燃料噴射
弁に内蔵すること、更に、空気通路を開閉する弁体と燃
料通路を開閉する弁体とを一体に形成することで、燃料
噴射弁の設置上の制約を少なくできる。請求項５に係る
燃料噴射弁によれば、噴霧のしぼみを防止しつつ、所望
の広がりを有する燃料噴霧を形成できる。

【００１５】請求項６に係る燃料噴射装置によれば、燃
料噴射弁から噴射する空気及び燃料の圧力、噴射時期及
び噴射量を制御できるので、運転状態に応じて良好な燃
料噴霧を形成できる。また、噴霧内部に圧力が制御され
た空気を噴射できるので、サイクル毎、気筒毎の燃焼安
定性も向上させることができる。

【００１６】請求項７に係る燃料噴射装置によれば、機
関の負荷が大きくなるほど、すなわち、筒内圧が高くな
る運転状態であるほど、噴射する空気の圧力を高く設定
できるので、燃料噴霧のしぼみをより効果的に防止でき
る。特に、筒内圧の高い圧縮行程中に燃料噴射を行う成
層燃焼時においては、より効果的である。

【００１７】請求項８に係る燃料噴射装置によれば、機
関の負荷と機関回転速度に基づいて噴射する空気の圧力
を設定するので、筒内圧及び筒内の発生した旋回流を考
慮しつつ、最適な空気圧力を設定できる。請求項９に係
る発明によれば、空気噴射と燃料噴射とをそれぞれ独立
して制御できるので、空気の噴射時期、噴射量をより細
かく制御できる。これにより、燃料噴霧を最適な形状に
することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す内
燃機関の燃料噴射装置のシステム図である。図１に示す
ように、本実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置１
は、空気加圧ポンプ２と、燃料加圧ポンプ３と、燃料噴
射弁４と、該燃料噴射弁４の開閉を制御するインジェク
タ制御回路５と、コントロールユニット（ＥＣＵ）６
と、を含んで構成されている。

【００１９】前記空気加圧ポンプ２は、コントロールユ
ニット（ＥＣＵ）６からの空気圧力信号に基づいて、例
えば吸気系から供給される空気を所定の圧力に調整し、
空気供給路９を介して各気筒の設けられた燃料噴射弁４
に供給する。なお、過剰な空気は、リリーフ弁７を介し
て吸気系に戻される。前記燃料加圧ポンプ３は、コント
ロールユニット（ＥＣＵ）６からの燃料圧力信号に基づ
いて、燃料タンクから供給される燃料を所定の圧力に調
整し、燃料供給路１０を介して各気筒に設けられた燃料
噴射弁４に供給する。

【００２０】前記燃料噴射弁４は、電磁式の燃料噴射弁
であり、その要部断面図を図２、図３に示す。図に示す
ように、燃料噴射弁４の本体（インジェクタ本体）１１
の先端側には、空気を噴射する空気噴射孔１２と、該空
気噴射孔１２の周りを取り囲むように配置され、燃料を
噴射する燃料噴射孔１３と、が設けられている。

【００２１】前記空気噴射孔１２及び燃料噴射孔１３
は、それぞれインジェクタ本体１１に設けられた内部空
気通路１４、内部燃料通路１５に連通しており、該内部
空気通路１４及び内部燃料通路１５は、弁体１６によっ
て開閉される。そして、その開時間により燃料噴射弁４
からの空気及び燃料の噴射量が制御される。具体的に
は、燃料噴射弁４の閉弁時においては、図示しないリタ
ーンスプリング等によって前記弁体１６が先端側へと押
し付けられて、前記内部空気通路１４及び内部燃料通路
１５を閉塞する（図２参照）。

【００２２】一方、燃料噴射弁４の開弁時においては、
図示しないコイルへの通電により発生する起磁力によ
り、前記弁体１６を前記リターンスプリング等の押し付
け力に抗して移動させることで、前記内部空気通路１４
及び内部燃料通路１５を開放する（図３参照）。また、
前記内部空気通路１４には、前記空気加圧ポンプ２によ
り圧力調整された空気が、前記弁体１６の内部に形成さ
れた空気導入路１７を介して供給されるようになってお
り、前記内部燃料通路１５には、前記燃料加圧ポンプ３
により圧力調整された燃料が、インジェクタ本体１１に
形成された燃料導入路１８を介して供給されるようにな
っている。

【００２３】なお、単に空気通路というときは、前記空
気供給路９、内部空気通路１４及び空気導入路１７を含
むものとし、単に燃料通路というときは、前記燃料供給
路１０、内部燃料通路１５及び燃料導入路１８を含むも
のとする。前記インジェクタ制御回路５には、バッテリ
等の電源８から電圧が供給されており、コントロールユ
ニット（ＥＣＵ）６からの噴射信号に基づいて、前記コ
イルへの通電を制御する。

【００２４】前記コントロールユニット（ＥＣＵ）６
は、マイクロコンピュータを内蔵し、機関回転速度信号
Ｎｅや機関負荷信号等の入力される各種信号に基づい
て、前記空気圧力及び燃料圧力を演算し、それぞれ空気
圧力信号、燃料圧力信号として前記空気加圧ポンプ２、
燃料加圧ポンプ３に出力する。また、空気及び燃料の噴
射パルス幅を演算し、噴射信号として前記インジェクタ
制御回路５に出力する。

【００２５】次に、以上のような構成を有する燃料噴射
装置の作用について説明する。コントロールユニット
（ＥＣＵ）６からの噴射信号に基づき、燃料噴射弁４が
開弁すると、前記燃料加圧ポンプ３により圧力調整され
た燃料が燃料噴射孔１３から噴射され、略中空状の噴霧
ｆを形成する。このとき、空気噴射孔１２からは、前記
空気加圧ポンプ２により筒内圧に応じて圧力調整された
空気ａが前記噴霧の中空部分に噴射される（図４（Ａ）
参照）。

【００２６】この結果、筒内雰囲気圧（図４（Ｂ）中の
矢印ｆｐ）による燃料噴霧ｆのしぼみを、内部に噴射さ
れた空気ａの圧力（図４（Ｂ）中の矢印ａｐ）によって
防止できると共に、圧力が制御された空気により安定し
た噴霧形状を確保できる。従って、基本的には、筒内雰
囲気圧が高くなるほど、すなわち、機関負荷が大きくな
るほど、噴射される空気の圧力も高く設定する必要があ
る。

【００２７】図５は、前記燃料噴射装置を備えた内燃機
関のシステム図である。図５において、機関の燃焼室２
１は、シリンダヘッド２２、シリンダブロック２３及び
ピストン２４により画成されており、該燃焼室２１には
吸気通路２５及び排気通路２６が接続されている。吸気
通路２５の燃焼室２１側の開口端には、図示しない吸気
カムによって開閉駆動される吸気弁２７が設けられ、排
気通路２６の燃焼室２１側の開口端には、図示しない排
気カムによって開閉駆動される排気弁２８が設けられて
いる。

【００２８】シリンダヘッド２２の吸気通路２５下方に
は、燃焼室２１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁４が
設けられており、点火栓２９は、燃焼室２１の略中央部
を臨んで配設されている。なお、前記燃料噴射弁４及び
点火栓２９の駆動は、運転状態に応じてコントロールユ
ニット（ＥＣＵ）６により制御される。

【００２９】コントロールユニット（ＥＣＵ）６は、運
転状態に応じて空気圧力、燃料圧力、燃料噴射時期及び
噴射量を演算するが、本実施形態においては、圧縮行程
中に燃料噴射を行う場合（すなわち、成層燃焼を行う場
合）においては、前記空気圧力を、図６に示すような機
関負荷と機関回転速度に基づくマップを参照して設定す
る。

【００３０】そして、燃料噴射が行われると、図５に示
すように、燃料噴射弁４の燃料噴射孔１３から噴射され
た燃料により中空の燃料噴霧ｆが形成されると共に、燃
料噴霧ｆの中空部分に空気噴射孔１２から圧力調整され
た空気ａが同時に噴射される（すなわち、燃料噴霧ｆの
内部には、圧力調整された空気ａが存在することにな
る）。

【００３１】これにより、運転状態に応じた筒内圧及び
筒内に発生する旋回流の影響を考慮しつつ、噴射する空
気の圧力を設定することができ、燃料噴霧のしぼみを防
止すると共に、最適かつ安定した形状の噴霧を形成でき
る。従って、確実に燃料を点火栓２９に到達させること
ができ、点火性が向上すると共に、サイクル毎、気筒毎
における噴霧形状も安定化できるので、燃焼安定性も向
上する。

【００３２】また、燃料噴霧ｆの内側、外側に空気が存
在し、空気に囲まれている状態にあることから、燃料の
気化が促進されて燃焼期間が短縮し、燃焼効率も向上す
るという効果もある。なお、以上の説明では、燃料噴射
弁４に内蔵された１つの弁体１６（すなわち、空気通路
を開閉する弁体と燃料通路を開閉する弁体とが一体に形
成された弁体）により空気通路及び燃料通路を開閉（内
部空気通路１４及び内部燃料通路１５を開閉）し、燃料
噴射と空気噴射を同時に行う燃料噴射弁（燃料噴射装
置）について述べてきたが、これに限られるものではな
く、燃料噴射と空気噴射とをそれぞれ独立して制御（噴
射時期、噴射量制御）できる構成のものであってもよ
い。

【００３３】この場合は、例えば図７（Ａ）〜（Ｃ）に
示すように、燃料噴射弁４'が、内部空気通路１４開閉
用の弁体１６ａと、内部燃料通路１５開閉用の弁体１６
ｂとをそれぞれ別体で構成し、それぞれの弁体１６ａ、
１６ｂの駆動を独立して制御するようにすればよい（す
なわち、それぞれの弁体１６ａ、１６ｂに対して、上述
したリターンスプリング及び起磁力発生用のコイルを設
け、インジェクタ制御回路５によるコイルへの通電をそ
れぞれ独立して行うようにすればよい）。

【００３４】これにより、燃料噴射弁をコンパクトに維
持しつつ、空気噴射と燃料噴射とを独立して制御でき
る。また、空気通路の開閉を、燃料噴射弁４の内部に設
けた弁体１６によらず、燃料噴射弁４の外部に設けた弁
体によって行うよう構成してもよい（すなわち、空気供
給路９を開閉するようにしてもよい）。

【００３５】この場合は、例えば、空気供給路９を開閉
する開閉弁３０（図１中、破線で示す）を設けておくと
共に、燃料噴射弁４内の空気導入路１７と内部空気通路
１２とが（弁体１６の位置にかかわらず）常に連通する
ように構成する。そして、前記開閉弁３０の駆動を制御
することで、空気噴射時期、噴射量を制御するようにす
る。

【００３６】これにより、簡単な装置構成で空気噴射と
燃料噴射とを独立して制御できる。このように空気噴射
と燃料噴射とを独立して制御すれば、噴射される空気の
圧力のみならず、噴射時期や噴射量についても燃料噴射
とは別に、さらに細かく制御することができるので、噴
霧のしぼみを防止するだけでなく、例えば、噴霧のしぼ
みを調整したり、逆に噴霧を広げたりして噴霧形状を任
意に制御することも可能となる。

【００３７】従って、筒内圧が高い圧縮行程中に燃料を
噴射する場合（成層燃焼時）に限られず、吸気行程中に
燃料を噴射する場合（均質燃焼時）においても、運転状
態に応じた最適な噴霧形状を形成することが可能とな
る。また、本実施形態では電磁式の燃料噴射弁を用いて
いるが、これに限定されるものではなく、他の方式の燃
料噴射弁であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料噴射装置の一実施形態を示す
システム図。

【図２】本発明に係る燃料噴射弁の要部を示す図（閉弁
時）。

【図３】本発明に係る燃料噴射弁の要部を示す図（開弁
時）。

【図４】本発明に係る燃料噴射弁（燃料噴射装置）のよ
る燃料噴霧形状を示す図。

【図５】本発明の係る燃料噴射装置を備えた内燃機関の
システム図。

【図６】噴射する空気の圧力設定用マップの１例を示す
図。

【図７】本発明の他の実施形態に係る燃料噴射弁の要部
を示す図。

【図８】従来の燃料噴射弁（燃料噴射装置）による燃料
噴霧形状を示す図。

【符号の説明】

１ 燃料噴射装置 ２ 空気加圧ポンプ ３ 燃料加圧ポンプ ４ 燃料噴射弁 ５ インジェクタ制御回路 ６ コントロールユニット（ＥＣＵ） ９ 空気供給路 １０ 燃料供給路 １１ インジェクタ本体 １２ 空気噴射孔 １３ 燃料噴射孔 １４ 内部空気通路 １５ 内部燃料通路 １６ 弁体 １７ 空気導入路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気噴射用の空気噴射孔と、 該空気噴射孔の周りを取り囲むように設けられた燃料噴
   射用の燃料噴射孔と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
2. 【請求項２】空気噴射用の空気噴射孔と、 該空気噴射孔の周りを取り囲むように設けられた燃料噴
   射用の燃料噴射孔と、 前記空気噴射孔に連通し、弁体によって開閉される空気
   通路と、 前記燃料噴射孔に連通する燃料通路と、 該燃料通路を開閉する弁体と、を備え、 前記燃料通路を開閉する弁体の内部に、前記空気通路に
   空気を導入するための空気導入路を形成したことを特徴
   とする内燃機関の燃料噴射弁。
3. 【請求項３】前記空気通路を開閉する弁体を別体にした
   ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料噴射
   弁。
4. 【請求項４】前記空気通路を開閉する弁体と前記燃料通
   路を開閉する弁体とを一体に形成し、前記空気通路及び
   燃料通路を開閉することを特徴とする請求項２記載の内
   燃機関の燃料噴射弁。
5. 【請求項５】前記燃料噴射孔からの燃料噴射により略中
   空状の燃料噴霧を形成し、 該燃料噴霧の中空部分に前記空気噴射孔から空気を噴射
   することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか
   １つに記載の内燃機関の燃料噴射弁。
6. 【請求項６】空気噴射用の空気噴射孔と、該空気噴射孔
   の周りを取り囲むように設けられた燃料噴射用の燃料噴
   射孔と、を有する燃料噴射弁と、 前記燃料噴射弁に加圧した空気を供給する空気供給手段
   と該燃料噴射弁に加圧した燃料を供給する燃料供給手段
   と、 前記燃料噴射弁からの燃料噴射及び空気噴射を制御する
   制御装置と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
7. 【請求項７】前記制御装置は、機関の負荷が大きくなる
   ほど、噴射する空気の圧力を高く設定することを特徴と
   する請求項６記載の内燃機関の燃料噴射装置。
8. 【請求項８】前記制御装置は、機関の負荷と機関回転速
   度とに基づいて噴射する空気の圧力を設定することを特
   徴とする請求項６記載の内燃機関の燃料噴射装置。
9. 【請求項９】前記制御装置は、空気噴射と燃料噴射とを
   それぞれ独立して制御することを特徴とする請求項６か
   ら請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射
   装置。