JP2005163567A - 燃料噴射ノズルおよび内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 ジメチルエーテルのように気化しやすく、かつ、単位熱発生量が小さく噴射量が多くなる性向を有する燃料を使用する圧縮着火式のエンジンにおいて、出力トルクの向上を図ることである。
【解決手段】 インジェクタ１６が行うプレ噴射の噴霧角を広くして予混合気化を促進するとともに到達距離を主噴射よりも短くして、プレ噴射に係る燃料噴霧が燃焼室１3壁面などに付着しないようにする。噴霧角を主噴射よりも広くすることで主噴射に係る噴霧がプレ噴射に係る噴霧から離れた領域に分布させて、拡散燃焼となる主噴射に係る燃料噴霧の空気との混合が、プレ噴射に係る燃料噴霧により妨げられないようにする。これにより、出力トルクを向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料噴射ノズルおよび内燃機関に関し、特に噴射された燃料の噴射の制御に関する。

圧縮着火式の内燃機関における燃焼は、圧縮空気中に燃料噴射ノズルから噴射された液滴状の燃料が微粒化、蒸発し、空気との混合により可燃混合気が形成されて、これが自然着火することにより行われる。かかる圧縮着火式の内燃機関を搭載した近年の自動車に対し、パティキュレートの排出規制に代表されるように清浄性が要求されるようになっており、従来の軽油に代わる清浄性のよい代替燃料も検討されている。

かかる代替燃料としてジメチルエーテル（以下，適宜、ＤＭＥという）がパティキュレートを発生せず期待されている。しかし、ジメチルエーテルは、その低臨界性ゆえに噴霧が気化しやすく、噴霧貫通力が弱い。このため、空気との混合に時間を要する。また、容積当りの発熱量が小さい（厳密には、単位発熱量（低位発熱量）が小さい）ために、軽油に比して相対的に多量の噴射が必要である。圧縮着火式の内燃機関では燃焼はＮＯｘの発生を抑えるべく高負荷域では拡散燃焼が基本となるため、ＤＭＥを燃料として用いる場合には、噴射期間とともに燃焼時間が長くなる傾向を呈する。このため、多くの量の燃料噴射が要求される高負荷域、特にピストンの往復動が高速で適切なクランク角域において燃焼させるのが困難になる高回転域において出力が不足するおそれがある。図１４はかかる事情を説明するもので、燃料の混合時間に余裕がある低回転域に比して、高回転域になると混合時間に余裕がなく、単純に燃料噴射量を増量してもトルクの増大は望めない。燃焼期間によるトルク限界があることを示している。このため、黒煙の排出量でトルク限界が規定される軽油と対比すると、ＤＭＥは、低回転域では高い最大機関トルクが得られるが、高回転域では軽油に劣り、実用化の上で課題となる。

圧縮着火式の内燃機関において、燃料と空気との混合促進を企図した技術として、燃料の噴射を複数回に分けて噴射する技術がある（下記特許文献１など）。例えば、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う。パイロット噴射の燃料噴霧は予混合燃焼させ、主噴射の燃料噴霧は拡散燃焼させる。一部の燃料を予混合燃焼とすることで、燃焼期間の短縮が期待できる。前記ＤＭＥに則して言えば、燃焼期間の短縮化は最大機関トルクを向上する方向に作用する。特許文献１にはさらに、分割された燃料噴射のそれぞれを間欠的に噴射を行うようにすることが提案されており、燃料噴霧の微粒化、燃料と空気との混合に有利である、としている。

また、下記特許文献２ではパイロット噴射の燃料噴霧に、これに後続する主噴射の燃料噴霧が重なり、主噴射の燃料噴霧への空気の供給が阻害されて黒煙が増大するという点に着目し、これをスワール流などの筒内旋回気流により改善している。すなわち、パイロット噴射の燃料噴霧の火炎をスワール流によりその周方向下流に流して、主噴射の燃料噴霧に良好に空気が導入されるようにし、空気利用率の向上を図っている。なお、特許文献２では、負荷に応じて燃焼室内のスワール強さを変えるアクチュエータを備えたものが提案されており、空気利用率の向上に対する要請の強い高負荷域に、燃焼室内のスワール強さを大にして、前記スワール流による空気利用率向上作用を高め、その他の運転域では、スワール強さを弱くして、主噴射の燃料噴霧への既燃ガスの巻き込みを許容して内部ＥＧＲ効果が得られるようにしている。

下記特許文献３、４では、燃料噴射ノズルの構造に工夫をしており、特許文献３では、中心線がノズルの径方向に形成された主噴孔と、主噴孔から分岐し、中心線がノズルの周方向に形成された副噴孔とを有する燃料噴射ノズルが提案されている。この技術では、副噴孔から噴射された燃料噴霧によりスワール流を形成して、混合を促進する。

また、下記特許文献４では、ノズルのサック部に設けられた噴孔の一部を、サック部の内面に開口する端部で面とりし（ラウンドエッジ型噴孔）、残りの噴孔は、面とりのないシャープなエッジのもの（シャープエッジ型噴孔）としている。ラウンドエッジ型噴孔とシャープエッジ型噴孔とは例えば、サック部の周方向に等間隔に交互に配置される。噴射圧を低圧とし噴射量を少量としたパイロット噴射では、流路抵抗が大きいシャープエッジ型噴孔から燃料が噴射されるのが抑制されて、燃料噴射が、流路抵抗の小さいラウンドエッジ型噴孔からなされる。噴射圧を高圧とし噴射量を多量としたメイン噴射では、ラウンドエッジ型噴孔に加えてシャープエッジ型噴孔も噴射に加わる。この技術によれば、パイロット噴射により生じる燃焼場に突入する主噴射の燃料噴霧を減らすことで、空気利用率の向上を企図している。
特開２００２−１８０８８１号公報 特開平５−１１３１２３号公報 実開平５−７５４７４号公報 特開平９−４２１０４号公報

しかしながら、ＤＭＥのような低臨界燃料は気化しやすいことによる噴霧貫通力が弱く、軽油と比較すると、特に、高速高負荷域では充分な空気との混合を得るための時間が不足する傾向にある。この不足する時間に対し、より多くの燃料を筒内に供給しようとすることから、特許文献１の技術では、プレ噴射の燃料噴霧が、筒内に広がりすぎることによって初期に噴射された燃料が燃焼室壁面やシリンダボア面に付着したり、ピストンとシリンダボア面との隙間から燃料が逃げ、燃焼に寄与しない燃料の割合が増える。また、パイロット噴射の燃料噴霧が同じ噴孔から噴射される主噴射の燃料噴霧と重なって主噴射の燃料噴霧が空気と混合するのを妨げてしまい、十分な空気利用率が得られない。

また、特許文献２、３の技術のように筒内旋回気流を利用したり、特許文献４の技術のようにプレ噴射が噴射されない噴孔を設けるだけでは、結局、プレ噴射および主噴射の燃料噴霧について噴射方向の分布を制御することができず、燃料の付着などを防止し空気利用率を向上せしめるには必ずしも十分ではない。ＤＭＥのような低臨界燃料に対しては必ずしも十分とはいえない。

なお、引用文献３の技術は、特に、高負荷域において、副噴孔から噴射された燃料噴霧が主噴孔から噴射された噴霧と重なるおそれがある。また、特許文献４の技術は、パイロット噴射時には噴射に寄与する噴孔の数を少なくすることができるが、ラウンドエッジ型噴孔から噴射された燃料噴霧については、結局、パイロット噴射の噴霧とメイン噴射による噴霧とが重なる。いずれも、これらの技術によって得られるとしている改善効果についても疑問がある。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、空気利用率の向上とともに未燃燃料の防止を図り、出力トルクを増大することができる燃料噴射ノズルおよび内燃機関を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、ノズルボディに穿成した縦穴に、弁体部と軸部とからなるニードルを前記縦穴の基準の中心線に沿って直線動自在に挿置するとともに、前記弁体部が着座するシート部を設け、前記縦穴および前記ニードルにより、該ニードルの軸部の外周に導入された加圧燃料が、前記ニードルのリフト時に前記弁体部とシート部との間隙を通り前記縦穴の終端部に流下せしめる燃料通路を形成して、前記縦穴の終端部位置でノズルボディ壁を貫通する噴孔から燃料を噴射する燃料噴射ノズルであって、
前記縦穴または前記ニードルの形状を、前記ニードルのリフト量が小さいほど、前記ニードルの弁体部を挟んで流下する２箇所の燃料流の通路断面積が、前記弁体部の先端側の外周若しくは前記弁体部の直下流で不均等となる形状とする。

燃料流の通路断面積が異なれば燃料流の流速が異なる。ニードルのリフト量が小さければ、ニードルの弁体部は縦穴の終端部と近接するから、縦穴の終端部には流速の異なる２種類の燃料流が進入することになる。この流速差に基因して縦穴の終端部において燃料の旋回流が発生する。旋回流は縦穴の終端部の内周面に沿う速度成分を有しており、また、噴孔は前記内周面と交叉する方向に形成されているから、縦穴終端部の燃料は曲がりながら噴孔へと進入していく。このときの向心力は、噴孔の内周面の、噴孔の径方向の一方の側から燃料流が剥離することによる負圧である。この負圧により噴孔を通過する燃料流に縮流回復が生じる。この縮流回復とは、概説すると、噴孔の入口（内周面側）から噴孔の出口（外周面側）に向けた主たる燃料流れを成す断面積の推移が、燃料流れによる剥離により前記入口にて狭く縮小化され、その縮小された断面積が前記出口に向けて広くなるように回復することを示す。燃料流は、噴孔の中心線方向の速度成分に加えて、縮流回復により前記噴孔の径方向の速度成分が生じる。また、前記旋回流により空洞（エアロケーション）が発生し、これが噴孔内にも発達して、噴孔内で噴孔出口方向に向かう螺旋状の旋回流となり、噴孔周方向の速度成分が生じる。この結果、噴霧角が広がる。そして、前記縮流回復による前記噴孔の径方向の速度成分が生じる分、噴孔の中心線方向の速度成分は低下する。また、広がった噴霧の、噴孔の径方向中央部に形成される空洞に噴霧とは逆方向に空気が吸い込まれ、噴霧を減速させる方向に作用する。この結果、到達距離は短くなる。

一方、ニードルのリフト量を大きくしていくと、ニードルの弁体部が縦穴の終端部から離れるから、ニードルの弁体部の先端側の外周若しくは前記弁体部の直下流で通路断面積が不均等であると否とによらず、縦穴の終端部に進入する燃料流の流速差は小さいか生じない。この結果、縦穴終端部では旋回流が弱いか生じないので、噴霧角が狭まるとともに到達距離が長くなる。

このように、リフト量に応じて噴霧の形態を変えることができる。これにより、例えばプレ噴射においてリフト量を小さくし、主噴射においてリフト量を大きくする。プレ噴射の噴霧角が広くしてあるから空気を巻込みやすく、噴霧が速やかに予混合気を形成する。これとともに、到達距離が短くなっているので、燃料噴霧が燃焼室壁面に付着などしないようにすることができる。また、主噴射の燃料噴霧の噴霧角を狭くしたのに対してプレ噴射の噴霧角を広くしているから、同じ噴口から噴射されたものであってもプレ噴射の燃料噴霧が主噴射の燃料噴霧への空気の供給を阻害するのが抑制され、空気利用率が向上する。また、燃料噴霧の到達距離をプレ噴射で短く主噴射で長くなっていれば、プレ噴射の燃料噴霧と主噴射の燃料噴霧とについて、噴射方向の相対的な位置関係の制御を容易になし得る。これにより、プレ噴射の燃料噴霧の予混合燃焼が主噴射に対する燃焼アシスト効果を調整することができる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記ニードルの形状は、前記シート部と当接する着座位置よりも先端側で、前記ニードルの横断面の重心が、前記軸部の中心線を通る仮想面を挟む一方の側に偏心した形状とする。
形状とする。

シート部と当接する着座位置よりも先端側で、ニードル弁体部の横断面の重心が前記ニードル軸部の中心線を通る仮想面を挟む一方の側に偏した形状とすることで、前記重心の偏心の分、ニードル弁体部の外周では前記一方の側の燃料流の通路断面積が他方の側の燃料流の通路断面積よりも狭くなる。このため、燃料の流下方向の燃料の圧力傾斜にニードル弁体部を挟んで差が生じ、ニードル弁体部を挟んで流下する燃料流の流速差を生む。リフト量が小さければ、この通路断面積が不均等となる位置が、前記縦穴終端部に近接する。

リフト量が大きくなるほど、通路断面積が不均等となるのが、前記縦穴終端部から離れる。このため、通路断面積がニードル弁体部位置で不均等であっても、燃料流の流速差は、縦穴の終端部位置に到達する間に解消されていく。

請求項３記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記ニードルの形状は、前記シート部と当接する着座位置よりも基端側かつ着座位置の近傍で、前記ニードルの横断面の重心が、前記軸部の中心線を通る仮想面を挟む一方の側に偏心した形状とする。

シート部と当接する着座位置よりも基端側かつ着座位置の近傍で、ニードル弁体部の横断面の重心が前記ニードル軸部の中心線を通る仮想面を挟む一方の側に偏した形状とすることで、前記重心の偏心の分、ニードル弁体部または軸部の外周では前記一方の側の燃料流の通路断面積が他方の側の燃料流の通路断面積よりも狭くなる。通路断面積が広くなった側でニードルの側面に作用する燃料の圧力の方が、通路断面積が狭くなった側でニードルの側面に作用する燃料の圧力よりも大きくなる。シート部と当接する着座位置よりも基端側かつ着座位置の近傍は、十分ニードルの先端側に位置しているから、ニードルが傾斜して実質的に弁体部の中心線が前記基準の中心線に対して偏心し、ニードル弁体部の先端側でも燃料流の通路断面積がニードルを挟んで不均等となる。このため、燃料の流下方向の燃料の圧力傾斜にニードル弁体部を挟んで差が生じ、燃料の流速差を生む。リフト量が小さければ、この通路断面積が不均等となる位置が、前記縦穴の終端部と近接する。

リフト量が大きくなるほど、通路断面積が不均等となるのが、前記縦穴の終端部から離れる。このため、燃料通路の通路断面積がニードル弁体部位置で不均等であっても、燃料流の流速差は、縦穴の終端部位置に到達する間に解消されていく。

請求項４記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記縦穴の形状は、前記終端部の中心線が、前記基準の中心線に対して偏心する形状とする。

ニードルのリフト量が小さければ、ニードル弁体部が縦穴の終端部に近接している。縦穴の終端部の偏心方向にニードル弁体部を挟んで流れる２箇所の燃料流は、前記偏心した側を流下する燃料流は縦穴の終端部で通路断面積が相対的に狭まり、前記偏心した側とは反対側を流下する燃料流は縦穴の終端部で通路断面積が相対的に広がる。

リフト量が大きいと、ニードルの弁体部が縦穴終端部から離れて弁体部から縦穴の終端部まで十分な長さが確保されるので、その間に前記２箇所の燃料流が合流し、燃料流の流速差も解消されていく。

請求項５記載の発明では、所定量の燃料を筒内に複数回に分割して噴射する分割噴射が可能な圧縮着火式の内燃機関であって、
噴霧角および噴霧の到達距離をリフト位置の進行に伴って可変に構成された燃料噴射ノズルと、
該燃料噴射ノズルのリフト位置を制御して、先行する燃料噴射では噴霧角を広く到達距離を短くし、後続する燃料噴射では噴霧角を狭く到達距離を長くする分割噴射制御手段とを具備する構成とする。

先行する燃料噴射の噴霧角が広くしてあるから空気を巻込みやすく、噴霧が速やかに予混合気を形成する。これとともに、到達距離が短くなっているので、燃料噴霧が燃焼室壁面などに付着するのを回避することができる。また、後続する燃料噴射の噴霧の噴霧角を狭くしたのに対して先行する燃料噴射の噴霧角を広くしているから、先行する燃料噴射の燃料噴霧が後続する燃料噴射の燃料噴霧への空気の供給を阻害するのが抑制され、後続する燃料噴射の燃料噴霧への空気の供給が良好になされる。また、燃料噴霧の到達距離をプレ噴射で短く主噴射で長くしているので、プレ噴射の燃料噴霧と主噴射の燃料噴霧とについて、噴射方向の相対的な位置関係の制御を容易になし得る。これにより、プレ噴射の燃料噴霧の予混合燃焼が主噴射に対する燃焼アシスト効果を調整することができる。

請求項６記載の発明では、請求項５の発明の構成において、筒内旋回気流を生成自在とする。

先行する燃料噴射の噴霧が筒内気流の下流に流され、後続する燃料噴射の噴霧と先行する燃料噴射の噴霧とを燃焼室の周方向に分散せしめることができる。これにより、さらに空気利用率が向上する。燃料噴射ノズルが複数の噴孔を有する場合には先行する燃料噴射の噴霧と後続する燃料噴射の噴霧とが周方向に交互に、後続する燃料噴射の噴霧が、先行する燃料噴射の噴霧噴霧により周方向に挟まれる分布となるので、先行する燃料噴射の燃料噴霧による後続する燃料噴射の燃料噴霧に対する燃焼アシスト作用がバランスよくなされる。

請求項７記載の発明では、請求項５または６の発明の構成において、前記燃料噴射ノズルは請求項１ないし４記載の燃料噴射ノズルにより構成し、
前記分割噴射制御手段は、前記先行する燃料噴射時には前記リフト量が小なる小リフトとし、前記後続する燃料噴射時には前記リフト量が大なる大リフトとするようにする。

請求項１ないし４記載の燃料噴射ノズルを用いることで、ニードルのリフト量により簡易に燃料噴霧の噴霧角と到達距離とを切換えることができるので、請求項５または６の内燃機関の実施が容易である。

図１に本発明を適用した圧縮着火式の内燃機関である、ＤＭＥを燃料とするディーゼルエンジン（以下，適宜、単にエンジンという）の構成を示す。エンジンは、本体部分が気筒数分のシリンダボア１０ａを形成したシリンダブロック１０にシリンダヘッド１１が覆着されてなり、各気筒には図示しないコンロッドを介してクランクシャフトと連動するピストン１２が配置される。ピストン１２の頂面には曲面上の凹部が形成されて燃焼室１３としてある。

シリンダヘッド１１には吸気ポート１１ａおよび排気ポート１１ｂが形成され、気筒内の吸排気がなされる。吸気ポート１１ａを開閉する吸気弁１４および排気ポート１１ｂを開閉する排気弁１５が設けられ、図示しない動弁機構により作動する。かかる給排気系は例えば一般的な４弁式とすることができる。なお、エンジンは筒内旋回気流を生成自在なエンジンであり、ヘリカルポートや公知の燃焼室構造などを採用してスワール流やタンブル流を生成せしめる。以下の説明において旋回気流としてスワール流が生成されるものとして説明する。

シリンダヘッド１１を貫通してインジェクタ１６が取り付けられており、先端の燃料噴射ノズル１６１が燃焼室１３に臨んでいる。インジェクタ１６には各気筒共通のコモンレール２２から燃料としてジメチルエーテルが加圧状態で供給され、燃料噴射ノズル１６１から噴射される。コモンレール２２には燃料タンクからの燃料が圧送装置２１により圧送供給される。インジェクタ１６はＥＣＵにより制御され、所定の時期に所定量の燃料の噴射がなされるようになっている。ＥＣＵ３０は一般的なエンジンのものと同様に、クランク角やスロットル開度など、エンジン各部の状態を検出するセンサの出力信号が入力しており、噴射時期、噴射量などを演算し、設定する。また、ＥＣＵ３０は圧送装置２１を制御してコモンレール内の燃料圧力（以下、適宜、コモンレール圧力という）を調整する。

図２、図３に燃料噴射ノズル１６１を示す。燃料噴射ノズル１６１は、略丸棒状のノズルボディ４の中心線Ｃ１に沿って穿成された断面円形の縦穴５０内にニードル６が収容されたもので、縦穴５０にはコモンレール２２からの加圧燃料が供給通路５２を経て供給される。縦穴５０はノズルボディ４先端側の終端部５０１がノズルボディ４の先端部に位置する長さのもので、終端部５０１に連なる位置には、終端部５０１側ほど縮径するテーパー状の部分５０２が設けてある。縦穴終端部５０１は底面が半球状で、ノズルボディ４の先端部内径側がドーム状のサック４１としてある。

サック４１には、ノズルボディ４の壁厚方向に貫通する噴孔５１が形成されている。噴孔５１は複数、例えば４つ形成され、サック４１の周方向に等間隔に配置される。各噴孔５１は噴射方向となる中心線Ｃ２が図中やや下方に傾斜する方向にとってある。

ニードル６は丸棒状部材の先端部を略円錐形に尖らせて弁体部６１としたもので、弁体部以外の軸部６２は基端側で縦穴５０の図２中中央の拡径部分５０３よりも上側部分５０４に摺動自在に保持されている。ニードル１６は前記中心線Ｃ１に沿って直線動する。以下，適宜、ニードル１６の直線動軌跡を規定する中心線Ｃ１を基準の中心線Ｃ１という。弁体部６１は２段階に先端側ほどテーパー角が鈍る段付き形状で、先端側が縦穴テーパー状部分５０２のテーパー角よりも大きく、基端側が小さくなっており、その境界の断面山形の環状段部６１ａにて、前記縦穴テーパー状部分５０２に設けられたシート５０２ａに着座するようになっている。前記縦穴５０の拡径部分５０３は、前記供給通路５２が縦穴５０周面に開口する位置に設定され、当該拡径部分５０３を上流端として、ニードル６のリフト時に 燃料がニードル６の外周から、前記弁体部６１とシート５０２ａとの環状間隙を通り、サック４１内に流下する燃料通路７を形成する。サック４１内に流下した燃料は複数の噴孔５１から放射方向に噴射される。

ニードル６の上側部分５０４と環状段部６１ａの断面積の差に加圧燃料が図中上向きすなわちニードル６のリフト方向に作用している。そして、ニードル６を下向きに付勢する図示しない手段が、ニードル６への下向きの付勢力を解除することでニードル６がリフトする。ニードル６を図中下向き、すなわち着座方向に付勢する手段として、噴射に供される燃料と同じ加圧燃料が供給されて該燃料によりニードル６の背圧を発生する圧力室を設けることができる。ニードル６の背圧の解除は例えば前記圧力室から燃料を低圧側に逃がすことで行う。その切換えを行うバルブは例えば高応答のピエゾアクチュエータにより駆動する構成とすることができる。

ニードル６のリフトの態様は、リフト量が機械的に規制される大リフトであるフルリフトの他、フルリフトに達する前に前記ニードル６への着座方向の付勢力を回復せしめ、ハーフリフト等の小リフトを選択し得る。図３はハーフ小リフト時のものである。後述する分割噴射において、前者は主噴射で用いられ、後者は主噴射に先立つプレ噴射で用いられる。図４はニードル６のリフトパターンを示すもので、プレ噴射ではリフト量が主噴射時の１／４〜１／３に抑えられる。

また、ニードル弁体部６１は、着座時にシート５０２ａと当接する環状段部６１ａよりも先端側を斜めにカットしてあり、ニードル弁体部６１の表面に、ニードル軸部６２の中心線でもある基準の中心線Ｃ１と斜めに交わるカット面６１ｂが現れるようになっている。図例は、前記カット面６１ｂが紙面直交方向となるように描かれている。前記カットの分、ニードル弁体部６１の横断面において、その重心が、基準の中心線Ｃ１を通り図３の紙面と直交する仮想面を挟む一方の側（図３中右側）に偏心している。この結果，燃料通路７は、この非対称な形状のニードル弁体部６１の外周に形成される通路部分７１で、通路断面積がカット面６１ｂ側と、該カット面６１ｂと背向する側とで不均等となる。図３中ニードル弁体部６１の左側を流下する燃料流Ｆ２の通路断面積が、右側を流下する燃料流Ｆ１の通路断面積よりも広くなっている。この結果、燃料通路７において、カット面６１ｂ側と、カット面６１ｂと背向する側とで燃料流Ｆ１，Ｆ２の流下方向の圧力傾斜が異なり、燃料の流速差を生じることになる。通路断面積が広いカット面６１ｂ側で流速が遅く、通路断面積が狭いカット面６１ｂと背向する側で流速が速くなる。

プレ噴射時を示す図３において、ニードル弁体部６１の尖った先端は、燃料通路７の、サック４１の入口の直上流に位置しており、サック４１の入口で、前記カット面６１ｂ側から流下した燃料流Ｆ２と、前記カット面６１ｂと背向する面側から流下した燃料流Ｆ１とで、流速に最も大きな差が生じることになる。このため、図３，５に示すように、前記カット面６１ｂと背向する面側からの燃料流Ｆ２が主流となり、カット面６１ｂ側からの燃料流Ｆ１を巻き込み一体となり、サック４１内における燃料流は、サック４１の内周面に沿う方向の旋回流となる。噴孔５１は前記内周面と交叉する方向に形成されているから、燃料は旋回流の速度で曲がりながら噴孔５１に進入していくことになる。このときの向心力は、燃料流が、噴孔５１の内周面の、噴孔５１の径方向の一方の側（サック内旋回流上流側）から剥離することによる負圧である。この負圧により噴孔５１を通過する燃料の流れに縮流回復が生じる。燃料流は、噴孔５１の中心線Ｃ２方向の速度成分に加えて、縮流回復により前記噴孔５１の径方向の速度成分が生じる。また、サック４１内の前記旋回流により空洞（エアロケーション）が発生し、これが噴孔５１内にも発達して、噴孔５１内でその出口方向に向かう螺旋状の旋回流となり、噴孔５１の周方向の速度成分が生じる。この結果、噴霧角が広がる。そして、前記縮流回復による噴孔５１の径方向の速度成分が生じる分、噴孔５１の中心線Ｃ２方向の速度成分は低下する。また、広がった噴霧の、噴孔５１の径方向中央部に形成される空洞に噴霧とは逆方向に空気が吸い込まれ、噴霧を減速させる方向に作用する。この結果、到達距離は短くなる。

一方、ニードル６がフルリフトのときには、ニードル弁体部６１がサック４１の入口よりも相当程度、燃料通路７の上流側にくるので、前記カット面６１ｂ側から流下する燃料流と、前記カット面６１ｂと背向する面側から流下する燃料流とは、サック４１内への流入に先立って合流することになる。したがって、燃料通路７は、サック４１の直上流で、図３の左右で流れの速さに大きな差は生じない。サック４１内の旋回流も生じないかごく弱いものとなる。この結果、噴霧角が狭まり、到達距離も伸びることになる。

このように、ニードル６のリフト量を切換えるだけで、燃料噴霧の噴霧角および到達距離を切換えることができる。

ＥＣＵ３０ではインジェクタ１６の制御を運転状態に基づいて行うが、高速高負荷域では分割噴射を選択する。図６に分割噴射制御手段であるＥＣＵ３０による制御のもとでの要求トルクに対する噴射期間を示す。図中、併せて着火時期を示している。所定の負荷域までは１回の噴射で行い、多くの燃料が必要になる高負荷域では、要求される噴射量をプレ噴射と主噴射とに分割する分割噴射が選択される。前記のごとくＤＭＥでは燃焼期間によるトルク限界があるから、プレ噴射を予混合燃焼として、主噴射の拡散燃焼分の割合を低くすることで、燃焼期間を短縮し、出力トルクの増大を図るためである。

ところで、従来の単純な分割噴射では、出力トルクの増大作用は必ずしも十分ではない。図７、図８は本エンジンの主噴射燃料着火時期付近の噴射態様を示し、図９、図１０は従来の内燃機関の燃料の噴射態様を示している。いずれも燃料噴射をプレ噴射と主噴射とに分割するものである。両者に共通に、噴射された燃料噴霧が到達した位置に対して燃料噴霧中における空気に対する燃料の割合Ｆ／Ａ、反応速度Ｖr、発生するエミッションを示している。噴射された燃料噴霧が希釈し、ストイキよりもややリーン側のときに反応速度Ｖrが最大となる様子を示している。また、噴霧の状態は、模式的に着火時の噴霧のおおよその位置を示している。噴射直後で燃料噴射ノズルに近くＦ／Ａがリッチとなる領域ではＳＯＯＴが発生し、反応速度が大きく燃焼温度が高くなる領域ではＮＯxが発生する。さらに燃料噴射ノズルから遠ざかりリーン化が進むと、ＨＣが発生する。

そこで、図例のごとくこれらのエミッションが少なくなる領域を狙ってプレ噴射および主噴射を行うのであるが、前記のごとく、ＤＭＥのように気化しやすく混合に時間を要する燃料では、従来の単純な分割噴射では早期に噴射された燃料の噴霧が広がりすぎて燃焼室の壁面やシリンダボア面に燃料が付着する。また、圧縮行程では筒内ガスの一部はピストン側面とシリンダボア面との間隙から漏れるから、このとき、燃料噴霧の到達距離が長く燃料噴霧が広がりすぎていると燃料噴霧の一部も逃げてしまうことになる。

また、図１０に示すように、プレ噴射の燃料噴霧と主噴射の燃料噴霧とで噴霧角が同じであると、既に気化したプレ噴射の燃料噴霧が主噴射の燃料噴霧への空気の供給を阻害する方向に作用し、空気利用率の低下させる。

これに対して本エンジンでは、プレ噴射時の到達距離を短くすることで、プレ噴射の燃料噴霧を燃焼室１３内に略集中させ、燃焼室１３の壁面などに付着しないようにすることができる。また、燃焼室１３に入らなかった燃料噴霧も、到達距離を短くしていることで、スキッシュにより燃焼室内に押し込めることができる。さらに、主噴射時には到達距離が長くなるフルリフトでの噴射を行うようにしているから、また、プレ噴射の燃料噴霧の重心と主噴射の燃料噴霧の重心とを燃料噴射ノズルから略同じ距離の位置におくことができる。このとき、プレ噴射の燃料噴霧は噴霧角を広くしているので、同じ噴孔から噴射された噴霧であっても、プレ噴射の燃料噴霧が主噴射の燃料噴霧と空気との混合を妨げず、空気利用率も十分となる。

また、後続する主噴射の方が到達距離が長いので、噴射間隔の設定しだいで噴射方向の相対的な位置関係の制御を容易になし得る。プレ噴射の燃料噴霧と主噴射の燃料噴霧とで燃料噴射ノズル１６から略同じ距離の位置に分布させることができる。これにより、プレ噴射の燃料噴霧の予混合燃焼が主噴射に対する良好な燃焼アシスト効果を発揮する。

ところで、燃料噴射ノズル１６はその中心線である基準の中心線Ｃ１をピストン１２の移動方向にとり、噴孔５１は燃料噴射ノズル１６の周方向に等間隔に配置されているから、図８のようにプレ噴射の燃料噴霧と主噴射の燃料噴霧とが周方向に交互に分布する。したがって、プレ噴射の燃料噴霧の火炎による主噴射の噴霧の燃焼に対するアシスト効果がバランスよく得られる。

これにより、未燃燃料を低減するとともに空気利用率を向上させてトルク限界を向上させることができる。高回転高負荷域においても軽油に対して遜色のない特性を獲得する。

なお、プレ噴射と主噴射との噴射間隔をあけて、プレ噴射の燃料噴霧と空気との混合が十分なされたところへ主噴射をするようにしてもよい。この場合は筒内旋回気流は必ずしも必要はない。また、噴射回数をプレ噴射と主噴射との２回にしたが、噴射回数をそれ以上とするのもよい。

また、本実施形態では高速高負荷域において特に低臨界燃料の課題が端的に現れることから、分割噴射をこの運転域においてのみ限定的に実行しているが、その他の運転域において分割噴射とするのも勿論よい。

（第２実施形態）
図１１に第２実施形態になる内燃機関の燃料噴射ノズルの構造を示す。第１実施形態において、ニードルの形状を別の形状に変更したもので、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

ニードル６Ａは、基本的な形状については第１実施形態のものと同じである。相違点は、ニードル６Ａの弁体部６１Ａの形状が平面状の形状要素を有せず、テーパー状、円錐状の形状要素のみからなることである。ニードル弁体部６１Ａの形状は、環状段部６１ａよりも先端側が環状段部６１ａに連なるテーパー状部分６１２に円錐状の尖頭部分６１１を継いでなり、テーパー状部分６１２の中心線Ｃ１に対して先端側の尖頭部分６１１の中心線Ｃ３が傾斜せしめてある。図例では図中、右側に傾斜せしめてある。すなわち、ニードル弁体部６１Ａの横断面において、その重心が、基準の中心線Ｃ１を通り紙面と直交する仮想面に対して、尖頭部分６１１の傾斜方向（図中右側）に偏心した形状となっている。

これにより、燃料通路７Ａは、ニードル弁体部６１Ａの外周の通路部分７１Ａが、テーパー状部分６１２と尖頭部分６１１との境界部近傍より下流側において、ニードル弁体部６１Ａを尖頭部分６１１の傾斜方向に挟む２箇所で、通路断面積が不均等になっている。尖頭部分６１１が傾斜した側（図中右側）で狭く、尖頭部分６１１が傾斜した側と背向する側（図中左側）で広くなる。燃料通路部分７１Ａはニードル６のリフト量に応じてリフト方向に変位するから、第１実施形態と同様にニードル６Ａのリフト量が小さいほどサック４１内に旋回流を発生させることができる。

（第３実施形態）
図１２に第３実施形態になる内燃機関の燃料噴射ノズルの構造を示す。第１実施形態において、ニードルの形状を別の形状に変更したもので、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

ニードル６Ｂは、基本的な形状については第１実施形態のものと同じである。相違点は、ニードル６Ｂの弁体部６１Ｂの形状について、環状段部６１ａよりも先端側で基準の中心線Ｃ１に対して対称な単純な円錐形であることの他、次の特徴を有していることである。すなわち、ニードル６Ｂの環状段部６１ａよりも基端側で軸部６２Ｂにかけて、弁体部６１Ｂと軸部６２Ｂとの境界となる山形の環状段部を、ニードル６Ｂの周方向の一部を削り取るように切り欠いてある。図例では切り欠き部６１ｃは図中、左側に位置している。すなわち、ニードル６Ｂの横断面の重心が、切り欠き部６１ｃが形成された位置において、基準の中心線Ｃ１を通り紙面と直交する仮想面に対して、切り欠き部６１ｃとは反対側（図中右側）に偏心した形状となっている。

これにより、燃料通路７Ｂは、ニードル６Ｂを挟んで流下する２箇所の燃料流の通路断面積が、切り欠き部６１ｃ形成位置と、切り欠き部６１ｃと背向する位置とで不均等となる。切り欠き部６１ｃ形成位置（図中左側）では広く、切り欠き部６１ｃと背向する位置（図中右側）では狭くなる。このため、切り欠き部６１ｃ形成位置において圧力が高く、切り欠き部６１ｃと背向する位置では低くなる。切り欠き部６１ｃは環状段部６１ａの近傍に形成されニードル６Ｂの十分先端側に位置しているから、縦穴５０と摺接するニードル６Ｂの基端部を中心に、ニードル６Ｂは前記圧力の低い側（図中右側）に傾斜する。ニードル弁体部６１Ｂにおいては、ニードル６Ｂの中心線が実質的にＣ１からＣ１‘となる。したがって、燃料通路７Ｂの、ニードル弁体部６１Ｂの外周の通路部分７１Ｂは、ニードル弁体部６１Ｂを挟んで流下する２箇所の燃料流Ｆ１，Ｆ２の通路断面積が、環状段部６１ａよりも先端側でも図中左右方向に不均等となる。燃料通路部分７１Ｂはニードル６Ｂのリフト量に応じてリフト方向に変位するから、第１実施形態と同様にニードル６Ｂのリフト量が小さいほどサック４１内に旋回流を発生させることができる。

（第４実施形態）
図１３に第４実施形態になる内燃機関の燃料噴射ノズルの構造を示す。第１実施形態において、縦穴およびニードルの形状を別の形状に変更したもので、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

ニードル６Ｃは、カット面を有しない点を除き基本的な形状については第１実施形態のものと同じであり、基準の中心線Ｃ１に対称な単純な形状となっている。縦穴５０Ｃは、終端部５０１Ｃの中心線Ｃ４が基準の中心線Ｃ１に対して偏心せしめてある。図中、縦穴終端部５０１Ｃの中心線Ｃ４が基準の中心線Ｃ１に対して左側に位置している。したがって、サック４１の入口の断面積が、ニードル６Ｃの中心線である基準の中心線Ｃ１を通り縦穴終端部５０１Ｃの偏心方向と直交する仮想面を挟んで不均等となっており、縦穴終端部５０１Ｃが偏心した側（図中左側）では広く、反対側（図中右側）では狭くなっている。ニードル６Ｃのリフト量が小さいときには、ニードル弁体部６１Ｃの先端がサック４１Ｃの入口に近接しており、燃料通路７Ｃは、ニードル弁体部６１Ｃを前記縦穴終端部５０１Ｃの前記偏心方向に挟んで流下する燃料流Ｆ１，Ｆ２のうち、偏心した側（図１２中左側）の燃料流Ｆ２の方が、縦穴終端部５０１Ｃの偏心の分、偏心した側とは反対側（図１２中右側）の燃料流Ｆ１よりも広い通路断面積の領域に進入していくので、流速が減じられるようになっている。これにより、サック４１Ｃ内に旋回流が生じる。ニードル６Ｃのリフト量が大きければ、ニードル弁体部６１Ｃの先端がサック４１Ｃの入口から離れる。このため、ニードル弁体部６１Ｃを前記縦穴終端部５０１Ｃの偏心方向に挟んで流下する２箇所の燃料流Ｆ１，Ｆ２は、合流した後、サック４１内に進入していくことになるから、流速差は小さくなる。これにより、第１実施形態と同様にニードル６Ｃのリフト量が小さいほどサック４１内に旋回流を発生させることができる。

なお、前記第３実施形態の特徴部分を第１，第２実施形態と組み合わせてもよいし、第４実施形態の特徴部分を第１〜第３実施形態と組み合わせてもよい

また、前記各実施形態のものに限らず、縦穴またはニードルの形状が、前記ニードルのリフト量が小さいほど、前記ニードルの弁体部を挟んで流下する２箇所の燃料流の通路断面積が、前記弁体部の先端側の外周若しくは前記弁体部の直下流で不均等となる形状のものであればよい。

本発明を適用した内燃機関の構成図である。 前記内燃機関を構成するインジェクタの燃料噴射ノズルの断面図である。 前記燃料噴射ノズルの要部の一部断面側面図である。 前記燃料噴射ノズルの作動を説明するタイミングチャートである。 前記燃料噴射ノズルの作動を説明する図である。 前記内燃機関の作動を説明する図である。 前記内燃機関の作動を説明する図である。 前記内燃機関の作動を説明する別の図である。 前記内燃機関と比較する従来の内燃機関の作動を説明する図である。 前記内燃機関と比較する従来の内燃機関の作動を説明する別の図である。 前記本発明の内燃機関の第１の変形例の燃料噴射ノズルの要部断面図である。 前記本発明の内燃機関の第２の変形例の燃料噴射ノズルの要部断面図である。 前記本発明の内燃機関の第３の変形例の燃料噴射ノズルの要部断面図である。 前記内燃機関と比較する従来の内燃機関の作動を説明する別の図である。

符号の説明

１０ シリンダブロック
１１ シリンダヘッド
１２ ピストン
１３ 燃焼室
１６ インジェクタ
１６１ 燃料噴射ノズル
３０ ＥＣＵ（分割噴射制御手段）
４，４Ｃ ノズルボディ
４１，４１Ｃ サック
５０，５０Ｃ 縦穴
５０１，５０１Ｃ 終端部
５０２ａ シート部
５１ 噴孔
５２ 供給通路
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ ニードル
６１，６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ 弁体部
６１ａ 環状段部
６２，６２Ｂ 軸部
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 燃料通路
Ｃ１ 基準の中心線
Ｃ４ 縦穴終端部の中心線

Claims (7)

1. ノズルボディに穿成した縦穴に、弁体部と軸部とからなるニードルを前記縦穴の基準の中心線に沿って直線動自在に挿置するとともに、前記弁体部が着座するシート部を設け、前記縦穴および前記ニードルにより、該ニードルの軸部の外周に導入された加圧燃料が、前記ニードルのリフト時に前記弁体部とシート部との間隙を通り前記縦穴の終端部に流下せしめる燃料通路を形成して、前記縦穴の終端部位置でノズルボディ壁を貫通する噴孔から燃料を噴射する燃料噴射ノズルであって、
   前記縦穴または前記ニードルの形状を、前記ニードルのリフト量が小さいときに、前記ニードルの弁体部を挟んで流下する２箇所の燃料流の通路断面積が、弁体部の先端側の外周若しくは前記弁体部の直下流で不均等となる形状としたことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１記載の燃料噴射ノズルにおいて、前記ニードルの形状は、前記シート部と当接する着座位置よりも先端側で、前記ニードルの横断面の重心が、前記軸部の中心線を通る仮想面を挟む一方の側に偏心した形状とした燃料噴射ノズル。
3. 請求項１記載の燃料噴射ノズルにおいて、前記ニードルの形状は、前記シート部と当接する着座位置よりも基端側かつ着座位置の近傍で、前記ニードルの横断面の重心が、前記軸部の中心線を通る仮想面を挟む一方の側に偏心した形状とした燃料噴射ノズル。
4. 請求項１記載の燃料噴射ノズルにおいて、前記縦穴の形状は、前記終端部の中心線が、前記基準の中心線に対して偏心する形状とした燃料噴射ノズル。
5. 所定量の燃料を筒内に複数回に分割して噴射する分割噴射が可能な圧縮着火式の内燃機関であって、
   噴霧角および噴霧の到達距離をリフト位置の進行に伴って可変に構成された燃料噴射ノズルと、
   該燃料噴射ノズルのリフト位置を制御して、先行する燃料噴射では噴霧角を広く到達距離を短くし、後続する燃料噴射では噴霧角を狭く到達距離を長くする分割噴射制御手段とを具備することを特徴とする内燃機関。
6. 請求項５記載の内燃機関において、筒内旋回気流を生成自在な内燃機関。
7. 請求項５または６いずれか記載の内燃機関において、前記燃料噴射ノズルは請求項１ないし４記載の燃料噴射ノズルにより構成し、
   前記分割噴射制御手段は、前記先行する燃料噴射時には前記リフト量が小なる小リフトとし、前記後続する燃料噴射時には前記リフト量が大なる大リフトとするように設定した内燃機関。

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