JP2005194929A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は筒内噴射式内燃機関に関し、点火プラグ周辺に着火性に優れた混合気層を形成し、安定した燃焼を実現することを目的とする。
【解決手段】 燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁２６を配置する。燃料噴射弁２６は、複数の噴孔３４を備える。噴孔３４から噴射された燃料の噴霧境界外側の巻き上がり領域に点火するように点火プラグ２８を配置する。噴孔３４は、点火プラグ２８の方向に燃料を噴射するための、径方向に並んで形成された噴孔３４a、３４b、３４cを有する。点火プラグ２８に向かう燃料の速度成分が外側の噴孔ほど低下するように、これらの噴孔３４a、３４b、３４cを構成する。
【選択図】 図６

Description

この発明は筒内噴射式内燃機関に係り、特に、筒内にガソリン燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグを備える筒内噴射式内燃機関に関する。

従来、例えば特開２０００−３３７１４９号公報に開示されているように、筒内にガソリン燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と点火プラグを備えた筒内噴射式内燃機関が知られている。この内燃機関では、成層運転時に、燃料の一部が直接点火プラグに届くように燃料噴射を行っている。

特開２０００−３３７１４９号公報 特開２００２−３０３２２７号公報 特開２００３−２０６８３０号公報

上記の如く、従来の筒内噴射式内燃機関では、燃料の一部が直接点火プラグに届くように噴射されている。このため、十分に霧化されていない燃料が点火プラグに到達してしまい、安定した着火が困難となる。安定した着火が実行されないと、失火、内燃機関のトルク変動の増大、エミッションの悪化などの不都合が生ずることとなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、点火プラグ周辺に着火性に優れた混合気層を形成し、安定した燃焼を実現することのできる筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の噴孔を備え、燃焼室内に直接燃料を噴射するように配置された燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔から噴射された燃料の噴霧境界外側の巻き上がり領域に点火するように配置された点火プラグとを備え、
前記複数の噴孔は、前記点火プラグの方向に燃料を噴射するための、径方向に並んで形成された２以上の噴孔を含み、
前記２以上の噴孔は、前記点火プラグに向かう燃料の速度成分が、内側の噴孔より外側の噴孔の方が低下するように構成されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記２以上の噴孔は、前記点火プラグに向けて同一の軸線方向に燃料が噴射され、噴孔から噴射される燃料の初速が外側ほど小さくなるように構成されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記２以上の噴孔は、前記点火プラグに向かう方向に対して、外側の噴孔ほど噴射角度が大きく傾斜されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、複数の噴孔を備え、燃焼室内に直接燃料を噴射するように配置された燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔の一部から噴射された燃料に点火するように配置された点火プラグとを備え、
前記複数の噴孔は、前記点火プラグに向けて燃料を直接噴射する１以上の噴孔を含み、
前記１以上の噴孔から噴射される燃料の貫徹力が、前記複数の噴孔のうちの他の噴孔から噴射される燃料の貫徹力より弱められていることを特徴とする。

この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、燃料噴射弁が有する２以上の噴孔から点火プラグに向けて噴射される燃料の速度成分を外側の噴孔ほど低下させることで、安定した巻き上がりを形成でき、かつ、その巻き上がり領域を大きくすることができる。このため、本発明によれば、点火プラグ周辺に着火性に優れた混合気層を形成し、安定した燃焼を実現することができる。

第２の発明によれば、噴射される燃料の初速を変えることで、点火プラグに向かう燃料の速度成分を外側の噴孔ほど低下させることができる。このため、本発明によれば、安定した巻き上がりを形成でき、かつ、その巻き上がり領域を大きくすることができる。

第３の発明によれば、噴射される燃料の進行方向を変えることで、点火プラグに向かう燃料の速度成分を外側の噴孔ほど低下させることができる。このため、本発明によれば、安定した巻き上がりを形成でき、かつ、その巻き上がり領域を大きくすることができる。

第４の発明によれば、点火用に設けられた噴孔から直接点火プラグに向けて噴射された燃料により、点火プラグの周辺に着火性に優れた混合気層を形成でき、安定した燃焼を実現することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の燃料噴射弁を搭載した内燃機関１０を示す図である。
内燃機関１０は、シリンダヘッド１２を備えている。シリンダヘッド１２には、吸気ポート１４と排気ポート１６が連通している。吸気ポート１４および排気ポート１６には、それぞれ吸気弁１８および排気弁２０が配置されている。また、内燃機関１０の筒内には、その内部を往復移動するピストン２２が設けられている。内燃機関１０の筒内には、シリンダヘッド１２とピストン２２の頂部との間に燃焼室２４が形成されている。

シリンダヘッド１２には、筒内（燃焼室内２４）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が組み込まれている。燃料噴射弁２６は、燃焼室２４の中央に設けられている。燃焼室２４内に突出した燃料噴射弁２６の噴射部には、燃料を噴射するための噴孔が複数個設けられている。また、シリンダヘッド１２には、点火プラグ２８が燃料噴射弁２６の近傍に組み込まれている。本実施形態の燃料噴射弁２６は、燃料噴射部の形状に特徴を有している。以下、図２および図３を参照して、本実施形態の燃料噴射弁２６の噴孔形状およびその周辺の形状について詳述する。

図２は、図１に示す燃料噴射弁２６の噴射部の構造を説明するための図であり、図２（Ａ）は、噴射部を噴射出口側から見た図を示し、図２（Ｂ）は、燃料噴射弁２６の噴射部の断面図を示している。
図２に示すように、燃料噴射弁２６は、ニードル弁３０を備えている。また、燃料噴射弁２６には、燃焼室２４に突出した先端部にプレート３２が設けられている。プレート３２には、燃焼室２４内に燃料を噴射する際の指向性を決定する複数の噴孔３４が形成されている。これらの噴孔３４は、円筒状に形成された孔であり、プレート３２の軸線を中心とする同心円上となる位置に設けられている。また、それぞれの噴孔３４の中心線は、噴霧角がプレート３２の軸線に対して傾斜して構成されている。このような形状を有する噴孔３４によれば、燃料を分散して、かつ、噴霧角が広角となるように噴射することができる。尚、燃料噴射弁２６では、ニードル弁３０によりプレート３２の上流側の流路が開放または遮断されることで、燃料噴射の実行または停止が制御されている。

図３は、燃料噴射弁２６のプレート３２周辺を拡大した断面図である。
図３に示すように、噴孔３４の内周面には、プレート３２の外側の噴孔ほど段階的に大きなテーパが施されている。この噴孔３４のテーパは、噴射出口側に向かって広がるように形成されている。より具体的には、図３に示す噴孔３４a、３４b、３４cは、その中心線がともに同一方向となるように形成されており、噴孔３４b、３４cには、テーパが施されている。噴孔３４cには、噴孔３４bよりも大きなテーパが施されている。このような構成によれば、外側の噴孔から噴射される燃料の初速を内側の噴孔から噴射される燃料の初速より段階的に小さくすることができる。

次に、図４を参照して、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０で用いられる燃焼方式について説明する。
図４は、本実施形態の燃料噴射弁２６が燃料を噴射した際に形成される噴霧を示す図である。
筒内噴射式内燃機関では、例えば低負荷時などにおいて、燃料消費量を抑えるべく、空燃比を下げた状態で安定した運転を実現するために成層運転が行われる。この成層運転は、点火時に、点火プラグ２８周辺に着火性に優れた混合気層が形成されるように燃料を噴射する運転である。図４に示すように、本実施形態の燃料噴射弁２６では、上記成層運転を行う際に、複数の噴孔から細かく分散された燃料を、燃料噴射弁２６の軸線方向に対して広角となる噴霧角で噴射している。ここでは、この噴射角の境界、すなわち、最外周の噴孔（例えば、図３中の噴孔３４c）の中心線の延長線上を「噴霧境界」と称する。それぞれの噴孔から所定の初速で噴射された燃料は、噴孔の中心線方向に直進性を有して進むが、噴霧境界の外側にあるほぼ流速ゼロの空気との間に相対速度が生ずる。その結果、噴霧境界周辺には、渦が形成される。そして、噴射された燃料は、その渦によって、巻き上げられながら空気と混ざることで、噴霧境界周辺に混合気層を形成する。上述した点火プラグ２８は、その巻き上げられた混合気層に点火できる位置に設けられている。つまり、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０は、燃料噴射弁２６が有する複数の噴孔から燃料が噴射された後に形成される混合気の巻き上がり部分に点火することにより、燃焼を行うことができる。

図５は、複数の噴孔から燃料が噴射された際に渦が形成される原理を概念的に示した図である。
ここでは、本実施形態の燃料噴射弁２６との対比のため、複数の噴孔は同様に構成されており、同じ初速で燃料を噴射するものとする。その結果、最も外側の噴霧と周囲の空気との間には、大きな速度差が生じることにより、噴霧境界上には、複数の小さな渦が形成される。つまり、複数の噴孔から同じ初速の燃料が噴射された場合には、渦は、最外周の噴孔から噴射された燃料と周囲の空気の間にのみ生じ、内周側の噴孔から噴射された燃料は、渦の形成に寄与しない。また、このような構成により形成された小さな渦では、噴射された燃料を大きく巻き上がらせることができない。このため、燃料噴射量にばらつきがあると、点火プラグ２８の周辺に着火性に優れた混合気層を安定して形成することが困難となり、安定した燃焼を実現することができない。安定した燃焼を実現するには、噴霧境界の外側に大きなスケールの渦を生じさせ、巻き上がり領域を大きくするのが望ましい。本実施形態の燃料噴射弁２６は、この要求を満たすべく、上述した噴孔形状を有している。

図６は、本実施形態１の燃料噴射弁２６により噴射される燃料の巻き上がりが大きくなる原理を概念的に示した図である。
既述した通り、本実施形態の燃料噴射弁２６は、プレート３２の外側の噴孔ほど段階的に大きなテーパが施されている。このため、本実施形態の燃料噴射弁２６によれば、外側の噴孔から噴射される燃料の初速を内側の噴孔から噴射される燃料の初速より段階的に小さくすることができる。つまり、複数の噴孔から噴射された燃料と周囲空気との速度差を、段階的に変化させることができる。このため、最外周の噴孔のみでなくその内周側の噴孔から噴射される燃料をも渦の形成に寄与させることができ、大きなスケールの渦を形成することが可能となる。すなわち、燃料の巻き上がり領域を大きくすることが可能となる。そして、巻き上げられながら十分に霧化された混合気層に点火することにより、安定した着火が可能となる。このため、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０によれば、サイクル間の燃焼変動の低減、主にHCなどの未燃成分の低減による排気ガスの清浄化、および燃費の向上を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、プレート３２に形成される噴孔３４を、外周側の噴孔ほど大きなテーパを設けることとしたが、燃料噴射弁２６から噴射される燃料の巻き上がりを大きくするための噴孔およびその周辺部の形状は、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、以下の図７乃至図１２に示す形状であってもよい。尚、燃料の巻き上がりを大きくするために設けるこれらの形状は、少なくとも点火プラグ２８に向かう巻き上がりを生じさせる噴孔に施しておけばよい。

図７は、プレート３２に設けられる噴孔形状の第１の変形例を示す図である。
図７に示す噴孔３６a、３６b、３６cは、その中心線がともに同一方向となるように形成されている。更に、噴孔３６bおよび３６cには、その内周面に流路面積を制限するための絞りが設けられている。この絞りは、外側の噴孔ほど大きく噴孔の流路面積を小さくするように形成されている。このため、外側の噴孔ほど段階的に燃料の初速を低下させることができる。

図８は、プレート３２に設けられる噴孔形状の第２の変形例を示す図である。
図８に示す例では、プレート３２の上流側に設けられた燃料噴射弁２６の弁座３８の形状に特徴を有している。すなわち、弁座３８がプレート３２の上方を覆うように設けられており、プレート３２の上面と弁座３８との隙間が外側の噴孔ほど徐々に小さくなるように形成されている。このような構成によれば、外側の噴孔から噴射される燃料ほど弁座３８によって大きく絞られた後に噴射されることとなる。このため、各々の噴孔から噴射される燃料の燃圧は、外側の噴孔ほど段階的に小さくなる。つまり、外側の噴孔ほど段階的に噴射される燃料の初速を低下させることができる。

図９は、プレート３２に設けられる噴孔形状の第３の変形例を示す図である。
図９に示す例は、プレート３２の弁座４０が上記図８に示す例と同様に、プレート３２の上方を覆うように設けられており、弁座４０によりプレート３２の上方の流路を外側の噴孔ほど絞るように構成されたものである。このような構成によれば、上記図８に示す例と同様の理由で、各々の噴孔から噴射される燃料の燃圧を、外側の噴孔ほど段階的に小さくすることができる。つまり、外側の噴孔ほど段階的に噴射される燃料の初速を低下させることができる。

図１０は、プレート３２に設けられる噴孔形状の第４の変形例を示す図である。
図１０に示す例では、噴孔４２bと噴孔４２cはともに、同一方向となる中心線を有する２つの円筒部からなり、その２つの円筒部の中心線間距離を所定距離だけ離間させた段付き形状で形成されている。更に、最も外側の噴孔４２cの中心線間距離の方が内側の噴孔４２bの中心線間距離よりも大きくなるように形成されている。このような構成によれば、外側の噴孔ほど絞りを大きくすることができる。つまり、外側の噴孔ほど段階的に噴射される燃料の初速を低下させることができる。

図１１は、プレート３２に設けられる噴孔形状の第５の変形例を示す図である。
図１１に示す例は、上記図１０と同様に、噴孔４４bと噴孔４４cはともに、同一方向となる中心線を有する２つの円筒部からなり、その２つの円筒部の中心線間距離を所定距離だけ離間させた段付き形状で形成されている。上記図１０に示す例に対し、図１１に示す例では、噴孔４４bと噴孔４４cのそれぞれに設けられた２つの円筒部の中心線間距離は一定とされている。図１１に示す例では、噴孔４４bに対し噴孔４４cの方が段差部が小さくなるように形成されている。このような構成によれば、外側の噴孔ほど絞りを大きくすることができる。つまり、外側の噴孔ほど段階的に流速を減少させることができる。

図１２は、プレート３２に設けられる噴孔形状の第６の変形例を示す図であり、図１２（Ａ）は、プレート３２の拡大した断面図を示し、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）中の矢視Ｃ方向から見た噴孔の断面図を示している。
図１２に示す例では、図１２（Ａ）に示す方向から見た場合には、各噴孔４６a、４６b、４６cは、いずれも中心線が同一方向となるように形成されているが、図１２（Ｂ）に示す方向から見た場合には、外側の噴孔の中心線ほど大きく傾斜するように形成されている。つまり、図１２に示す例は、各噴孔から噴射される燃料の初速に差はないが、図１２（Ｂ）に示す方向において、外側の噴孔ほど噴射角度が大きく傾斜するように構成されている。その結果、図１２（Ｂ）に示す方向において、外側の噴孔ほど噴射される燃料の初速の下方向成分（図１２（Ｂ）中の破線を用いた矢印参照）が減少することとなる。従って、図１２（Ａ）に示す方向において、各噴孔から噴射される燃料の初速を、外側の噴孔ほど段階的に低下させることができる。

図１３は、プレート３２に設けられる噴孔のパターンの変形例を示す図である。
上述した実施の形態１においては、プレート３２に設けられる噴孔３４の形状は、円形断面を有し、円筒状に形成された孔であり、プレート３２の軸線を中心とする同心円上となる位置に設けられたものであるとしたが、噴射された燃料の巻き上がりを大きくすべく、プレート３２に設けられる噴孔の形状はこれに限定されるものではない。すなわち、図１３に示す例のように、噴孔は、プレート３２の軸線を中心とする同心円上に所定間隔毎に形成された複数のスリット４８からなるものであってもよい。そして、このように形成された噴孔に、図６乃至図１１に示す手法を適用することにより、外側の噴孔ほど段階的に噴射される燃料の初速を低下させることができる。

尚、上述した実施の形態１においては、噴孔３４a、３４b、３４cが、前記第１の発明における「２以上の噴孔」に相当している。

実施の形態２．
次に、図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の内燃機関１０は、燃料噴射弁２６の構成を除き、実施の形態１の内燃機関１０と同様の構成を有している。

上述した実施の形態１では、燃料噴射弁２６の噴孔３４から噴射された燃料の巻き上がりを大きくすることにより、点火プラグ２８の周辺に着火性に優れた混合気層を形成させることとしている。これに対して、本実施形態では、点火プラグ２８に向かう噴孔から貫徹力の弱い燃料を直接点火プラグ２８に向けて噴射することにより、点火プラグ２８の周辺に着火性に優れた混合気層を形成させる点に特徴を有している。

次に、図１４を参照して、上記機能を実現するための具体的な手法について説明する。

図１４は、本発明の実施の形態２の燃料噴射弁の噴孔周辺を拡大した断面図である。
本実施形態の燃料噴射弁２６のプレート５０には、複数の噴孔５２が設けられている。この噴孔５２は、図２（Ａ）に示す噴孔３４と同様に円筒状に形成されている。これらの噴孔５２は、点火プラグ２８に向けて燃料を噴射するための噴孔５２cを備えている。噴孔５２cからは、他の噴孔に比して貫徹力の弱い燃料が点火プラグ２８に向けて直接噴射されている。より具体的には、燃料が液滴状態で点火プラグ２８に直接到達しない程度の貫徹力で、噴孔５２cから点火プラグ２８に向けて燃料が噴射されている。このような強さで噴射された燃料は、点火プラグ２８に向かう飛行の途中で霧化が進み易い。このため、このような構成によれば、点火プラグ２８の周辺に十分に霧化され、着火性に優れた混合気を形成することができ、安定した着火が可能となる。具体的には、このような貫徹力の弱い燃料噴射は、上述した実施の形態１で説明した図３の手法により噴孔５２cにテーパ形状を施すことで、或いは図７乃至図１２に示す手法により噴孔５２cを構成することで実現されるものである。

ところで、上述した実施の形態２においては、噴孔５２a、５２b、５２cの中心線は、同一方向となるように形成されているが、これに限らず、点火プラグ２８の位置に合わせ、その噴射方向、すなわち、点火用とされる噴孔５２cの中心線の傾斜角度は、噴孔５２a、５２bの傾斜角度と異なるものであってもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、噴孔５２cが、前記第４の発明における「１以上の噴孔」に相当している。

本発明の実施の形態１の燃料噴射弁を搭載した内燃機関を示す図である。 図１に示す燃料噴射弁の噴射部の構造を説明するための図である。 燃料噴射弁のプレート周辺を拡大した断面図である。 本実施形態の燃料噴射弁が燃料を噴射した際に形成される噴霧を示す図である。 複数の噴孔から燃料が噴射された際に渦が形成される原理を概念的に示した図である。 本実施形態１の燃料噴射弁により噴射される燃料の巻き上がりが大きくなる原理を概念的に示した図である。 プレートに設けられる噴孔形状の第１の変形例を示す図である。 プレートに設けられる噴孔形状の第２の変形例を示す図である。 プレートに設けられる噴孔形状の第３の変形例を示す図である。 プレートに設けられる噴孔形状の第４の変形例を示す図である。 プレートに設けられる噴孔形状の第５の変形例を示す図である。 プレートに設けられる噴孔形状の第６の変形例を示す図である。 プレートに設けられる噴孔のパターンの変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２の燃料噴射弁の噴孔周辺を拡大した断面図である。

符号の説明

１０ 筒内噴射式内燃機関
２４ 燃焼室
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３２、５０ プレート
３４、３６、４２、４４、４６、５２ 噴孔
３８、４０ 弁座

Claims (4)

1. 複数の噴孔を備え、燃焼室内に直接燃料を噴射するように配置された燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔から噴射された燃料の噴霧境界外側の巻き上がり領域に点火するように配置された点火プラグとを備え、
   前記複数の噴孔は、前記点火プラグの方向に燃料を噴射するための、径方向に並んで形成された２以上の噴孔を含み、
   前記２以上の噴孔は、前記点火プラグに向かう燃料の速度成分が、内側の噴孔より外側の噴孔の方が低下するように構成されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
2. 前記２以上の噴孔は、前記点火プラグに向けて同一の軸線方向に燃料が噴射され、噴孔から噴射される燃料の初速が外側ほど小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
3. 前記２以上の噴孔は、前記点火プラグに向かう方向に対して、外側の噴孔ほど噴射角度が大きく傾斜されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
4. 複数の噴孔を備え、燃焼室内に直接燃料を噴射するように配置された燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔の一部から噴射された燃料に点火するように配置された点火プラグとを備え、
   前記複数の噴孔は、前記点火プラグに向けて燃料を直接噴射する１以上の噴孔を含み、
   前記１以上の噴孔から噴射される燃料の貫徹力が、前記複数の噴孔のうちの他の噴孔から噴射される燃料の貫徹力より弱められていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
   

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