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

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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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