JP2005315160A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 予混合燃焼と拡散燃焼のどちらを実現させる際にも適切な噴射角度を確保できる燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】 ノズルホルダ１の下部に配置され、比較的小径で且つ噴射角度θ１が比較的小さく設定された第一噴射孔３ａと、第一噴射孔３ａよりも上方に配置され、第一噴射孔３ａの孔径以上の孔径でかつ噴射角度θ２が第一噴射孔３ａの角度θ１以上に設定された第二噴射孔３ｂとを備え、予混合燃焼を実現させる領域では、針弁２のリフト量を比較的小さくして主に第一噴射孔３ａから燃料Ｆを噴射し、拡散燃焼を実現させる領域では、針弁２のリフト量を予混合燃焼を実現させる領域よりも大きくして主に第二噴射孔３ｂから燃料Ｆを噴射するようにしたものである。
【選択図】 図６

Description

本発明は燃料噴射装置に係り、特に、エンジンの運転状態に応じて予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンでは、筒内が高温・高圧となるピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するのが一般的であった。この場合、燃料の噴射中に燃料が着火して火炎が形成され、その火炎に後続の燃料が供給されることで燃焼が継続される。このような従来の燃焼形態では、初期に噴射した燃料が着火遅れ期間の後一気に燃焼する部分と、空気が不足する燃焼ガス中での燃焼部分とが存在し、ＮＯｘやスモーク等が発生するという問題が指摘されていた。このように、燃料がその噴射中に着火する燃焼形態を本明細書では拡散燃焼と称する。

一方、近年では、燃料の噴射時期を圧縮上死点近傍よりも早期にして、燃料の噴射終了後に予混合気を着火させるようにしたディーゼルエンジンが提案されている（特許文献１、２参照）。

このディーゼルエンジンでは、燃料の噴射終了後、ある程度の期間を経て予混合気が着火するため、着火までに予混合気が充分に希薄・均一化される。従って、局所的な燃焼温度が下がりＮＯｘ排出量が低減する。また、局所的に空気不足状態での燃焼も回避されるのでスモークの発生も抑制される。このように燃料の噴射終了後に予混合気が着火する燃焼形態を本明細書では予混合燃焼と称し、燃料の噴射が終了してから予混合気が着火するまでの期間を予混合期間と称する。

この予混合燃焼を実現させる場合、ピストンの圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射するため、ピストンが比較的下方に位置した（燃料噴射弁から離れた）状態で燃料が噴射される。このため、燃料の噴射角度を拡散燃焼を実現させるときよりも狭くする必要がある。なぜなら、燃料を噴射するときのピストン位置が低いので、燃料の噴射角度が広いと噴射された燃料がピストン頂部のキャビティ内に入らずに、シリンダ側壁に衝突・付着してしまいＨＣ等の発生につながるからである。

特開平１０−３３１６９０号公報 特開平１１−３２４８６７号公報

ところで、エンジンの高負荷領域で予混合燃焼を実現させると、筒内圧力が高くなりノッキング等が生じるおそれがあるため、エンジンの高負荷領域では拡散燃焼に切り換える必要がある。

しかしながら、予混合燃焼用に燃料噴射角度が狭く設定された燃料噴射弁を用いて拡散燃焼を実現させると、噴射された燃料がキャビティの中心側に集中してしまうため分散が悪くなり、燃料と空気との良好な混合が得られずスモーク等が発生してしまう可能性がある。

これを図７を用いて説明する。

図中左半分が、予混合燃焼を実現させるときの燃料噴霧とピストンとの関係を示しており、右半分が拡散燃焼を実現させるときの同関係を示している。

上述したように、予混合燃焼を実現させる場合（図の左側）、ピストンＰが比較的下方に位置した状態で燃料Ｆが噴射される。この燃料Ｆの全てがピストンＰのキャビティＣ内に入るように燃料噴射弁Ｉの噴射角度θが設定される。キャビティＣに衝突した燃料Ｆは、燃焼室Ｎ内の比較的広い範囲に分散されて空気と良好に混合する。

一方、拡散燃焼を実現させる場合（図の右側）、ピストンＰが圧縮上死点近傍に位置した状態で燃料Ｆが噴射されるため、燃料ＦはキャビティＣの径方向内側部分（中心側部分）に衝突する。こうなると、燃料ＦがキャビティＣの中心部に集中してしまうため、燃料Ｆと空気との混合が不充分となり排気ガスが悪化する。特に、拡散燃焼は高負荷領域で実行されるため燃料噴射量が多いので、多量の燃料がキャビティＣ中心に集中してしまうことになり、排気ガスが悪化する。

つまり、予混合燃焼と拡散燃焼とでは燃料の噴射時期が異なり、最適な噴射角度が異なるため、エンジンの運転状態に応じて両燃焼形態を切り換えるエンジンでは、両方の燃焼形態で適切な噴射角度を確保することが課題となっていた。

なお、燃料の噴射角度を調節できる可変噴射弁を用いればこの課題は解決するが、そのような燃料噴射弁は現時点では研究段階であり、信頼性やコスト面等に課題を残している。

そこで、本発明の目的は、エンジンの運転状態に応じて予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるエンジンに用いられる燃料噴射装置において、どちらの燃焼形態を実現させる場合でも適切な噴射角度を確保できる燃料噴射装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、エンジンの運転状態が比較的低負荷領域であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気を着火させる予混合燃焼を実現させるべく、ピストンの圧縮上死点近傍よりも前に燃料を噴射し、エンジンの運転状態が上記予混合燃焼を実現させる領域よりも高負荷領域であるときは、燃料をその噴射中に着火させる拡散燃焼を実現させるべく、圧縮上死点近傍で燃料を噴射するディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射装置であって、燃料の噴射孔を備えたノズルホルダと、そのノズルホルダ内に上下方向に移動可能に設けられた針弁とを備えた燃料噴射弁と、上記燃料噴射弁の針弁をリフトさせて上記ノズルホルダの上記噴射孔を開き、その噴射孔から燃料噴射を実行させるための制御装置とを備え、上記噴射孔は、上記ノズルホルダの下部に配置され、比較的小径で且つノズルホルダの軸心に対する角度が比較的小さく設定された第一噴射孔と、上記第一噴射孔よりも上方に配置され、上記第一噴射孔の孔径以上の孔径で且つノズルホルダの軸心に対する角度が上記第一噴射孔の角度以上に設定された第二噴射孔とを備え、上記制御装置は、上記予混合燃焼を実現させる領域では、上記針弁のリフト量を比較的小さくして主に上記第一噴射孔から燃料を噴射し、上記拡散燃焼を実現させる領域では、上記針弁のリフト量を上記予混合燃焼を実現させる領域よりも大きくして主に上記第二噴射孔から燃料を噴射するものである。

請求項２の発明は、上記第一噴射孔の上記ノズルホルダの軸心に対する角度を、上記予混合燃焼を実現させる際に、上記第一噴射孔から噴射される燃料がピストン上部に形成された凹部内に噴射されるように設定するものである。

ここで、上記請求項１又は２の燃料噴射装置はコモンレール型燃料噴射装置であっても良い。

本発明によれば、エンジンの運転状態に応じて予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるエンジンに用いられる燃料噴射装置において、どちらの燃焼形態を実現させる場合でも適切な噴射角度を確保できるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態はディーゼルエンジンのコモンレール型燃料噴射装置に適用したものであり、図１がディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略図である。なお、図１では一気筒のみ示されているが、当然多気筒であっても良い。

図中１０１がエンジン本体であり、これはシリンダ１０２、シリンダヘッド１０３、ピストン１０４、吸気ポート１０５、排気ポート１０６、吸気弁１０７、排気弁１０８、吸気管１１２、排気管１１３等を備える。

シリンダ１０２とシリンダヘッド１０３との空間に燃焼室１１０が形成され、この燃焼室１１０内に本実施形態の燃料噴射装置から燃料が直接噴射される。ピストン１０４の頂部には凹部（キャビティ）１１１が形成され、キャビティ１１１は燃焼室１１０の一部をなす。本実施形態では、キャビティ１１１は底部中央が隆起したトロイダル型燃焼室の形態をなす。なお、本発明は燃焼室１１０の形状に制約はなく、リエントラント型燃焼室等であっても良い。

燃料噴射装置は、燃料室１１０内に臨んで設けられたインジェクタ（燃料噴射弁）１０９、インジェクタ１０９に供給する燃料を蓄圧するためのコモンレール１２４、コモンレール１２４に燃料を供給するためのサプライポンプ１２５、サプライポンプ１２５の吐出圧力、インジェクタ１０９による燃料噴射時期及び燃料噴射量等を制御する制御装置（ＥＣＵ）１２６等から構成される。

このエンジンは、排気管１１３内の排気ガスの一部を吸気管１１２に還流するＥＧＲ装置１１９を備えている。ＥＧＲ装置１１９は、吸気管１１２と排気管１１３とを結ぶＥＧＲ管１２０と、ＥＧＲ管１２０の管路面積を変えてＥＧＲ率を調節するためのＥＧＲ弁１２１と、ＥＧＲ弁１２１の上流側にてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１２２とを備えており、ＥＧＲ弁１２１の弁開度を調節することで混合気のＥＧＲ率を制御できるようになっている。

ＥＣＵ１２６には各種センサ類が接続されており、ＥＣＵ１２６はそれらセンサの検出値に基づいてエンジンの運転状態を読み取り、サプライポンプ１２５、インジェクタ１０９、ＥＧＲ弁１２１等を制御する。前記センサ類としては、アクセル開度（エンジン負荷）を検出するアクセル開度センサ１１４、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転センサ１１５、エンジンのクランク軸の角度を検出するクランク角度センサ１１６、コモンレール１２４内の燃料圧力を検出するコモンレール圧センサ１１７等が含まれる。

本実施形態のディーゼルエンジンは、エンジンの運転状態に応じて上述した予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるものである。

即ち、図２に示すように、エンジンの運転状態が予め設定された第一運転領域（図から分かるように比較的低負荷領域に設定される）であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気を着火させる予混合燃焼を実現させるべく、ピストン１０４の圧縮上死点近傍よりも前（例えば４０〜２０°ＢＴＤＣ程度）に燃料を噴射する。本実施形態では、この第一運転領域（予混合燃焼領域）では、ＥＧＲ装置１９により混合気のＥＧＲ率が比較的高く制御される。これにより、予混合気の酸素濃度が低くなり着火時期が遅れて予混合期間が長くなるため、排気ガスの改善効果をより高めることができる。

一方、エンジンの運転状態が予め設定された第二運転領域（第一運転領域よりも高負荷領域に設定される）であるときは、燃料がその噴射中に着火する拡散燃焼を実現させるべく、少なくともピストン１０４の圧縮上死点近傍（例えば１０°ＢＴＤＣ〜１０°ＡＴＤＣ程度）で燃料を噴射する。

次に、本実施形態のインジェクタ１０９の詳細構造を図３及び図４を用いて説明する。なお、このインジェクタ１０９の構造は、本出願人が特開２０００−０１８１２２号公報で開示しているものと同様である。

図示するように、インジェクタ１０９は、下端部（先端部）に燃料の噴射孔（ホール）３を備えたノズルホルダ１と、そのノズルホルダ１内に上下方向に移動可能に設けられた針弁２とを備え、ＥＣＵ１２６（図１参照）により針弁２をリフト（上昇）させることで、ノズルホルダ１の噴射孔３を開いて燃料噴射を実行する、ホール型（ＶＣＯ：Valve Covered Orifice）のノズルである。ここで、本実施形態の燃料噴射装置の特徴は、インジェクタ１０９の噴射孔３にあるのだが、まず、インジェクタ１０９の全体構造を説明する。

ノズルホルダ１は、中央本体４の下部に、第一ピース５、第２ピース６、第３ピース７を順次同軸に取付け、リテーニングナット８でこれらを一括保持した構成となっている。針弁２は第二、第三ピース６，７に形成された中心穴１０内に装入される。針弁２の外周面と、第三ピース７の中心穴１０の内周面との間に所定の隙間１１が設けられ、燃料の通過が許容されている。この隙間１１は、ノズルホルダ１内部に形成された燃料通路１２を介して、コモンレール１２４（図１参照）に接続された燃料配管１３に連通される。これにより隙間１１にはコモンレール圧の高圧燃料が常時供給され、針弁２は中間部の受圧面１４と尖頭状の先端面とで燃圧を受け、上昇力を受ける。

燃料通路１２と隙間１１とはスプリング室１５を介して連通され、スプリング室１５にはスプリング１６が設けられる。スプリング１６は針弁２の外周に嵌合されると共に、針弁２のツバ部１７と第二ピース６との間に圧縮状態で挟まれ、針弁２を閉弁方向（下方）に付勢する。

針弁２の直上には圧力制御部１８が設けられる。これについては後述する。そしてその上方に押圧ピストン１９が、押圧ピストン１９の上方にプッシュピン２０がそれぞれ配設される。押圧ピストン１９とプッシュピン２０とはそれぞれスプリング２１，２２により上方に付勢され、かつ互いに当接される。プッシュピン２０の上方にソレノイド２３が設けられ、ソレノイド２３がＯＮ（通電）されるとプッシュピン２０及び押圧ピストン１９が同時に下降し、ソレノイド２３がＯＦＦ（非通電）されるとプッシュピン２０と押圧ピストン１９とがスプリング２１，２２の付勢力により同時に上昇するようになっている。ソレノイド２３のＯＮ/ＯＦＦはＥＣＵ１２６（図１参照）によって行われる。

プッシュピン２０は中央本体４の中心穴２４内に挿入されるが、やはりこれらの間の隙間２５でも燃料の通過が許容され、特にリーク燃料を通過させられるようになっている。即ち、インジェクタ１０９の開弁時に圧力制御部１８から燃料がリークされるが、この燃料は押圧ピストン１９の外周側の隙間、押圧ピストン１９とプッシュピン２０との当接部の隙間、及び上記隙間２５を通じてリーク通路２７に至り、ニップル２８及びリーク配管（図示せず）を通じて燃料タンク（図示せず）に戻される。

図４を用いて圧力制御部１８の構造を説明する。

図示するように、第二ピース６には中心穴２９が形成され、第一ピース５にはその底面から所定長さだけ加工された穴部３０が形成される。中心穴２９と穴部３０とは同軸上に配置されて互いに連通され、中心穴２９は穴部３０より２倍程度の大径とされる。中心穴２９には針弁２の上端部３１が摺動自在に挿入される。ただしここでの隙間は小さく、燃料が通過できないような大きさである。従って、この挿入部（中心穴２９と上端部３１）により軸シール部３４が形成される。そして、中心穴２９と、穴部３０と、針弁２の上端面３２とで圧力制御室３３（バランスチャンバ）が区画形成される。このように圧力制御室３３は第一ピース５と第二ピース６との分割部に形成される。上記スプリング室１５は第二ピース６の直下にあり、軸シール部３４により圧力制御室３３と隔離される。

穴部３０の上端部は上方に向かうほど小径となるテーパ状に形成される。そしてその上端には、小孔３５が同軸上に形成される。この小孔３５により圧力制御室３３の燃料排出口が形成される。ただし小孔３５には軸体３６が挿通されるので、燃料のリークは小孔３５と軸体３６との隙間を通じて行われることになる。小孔３５の出口は凹部３７を介してピストン挿入穴３８に連通される。そしてリーク燃料はピストン挿入穴３８と押圧ピストン１９の隙間を通じて上方に流れる。

圧力制御室３３内には弁体３９が装入配置される。弁体３９の中心孔４０に上記軸体３６が圧入され、カシメにより完全に固定される。これら弁体３９及び軸体３６がセルフシール弁４１を形成し、一体に昇降移動して小孔３５を開閉する。

セルフシール弁４１の下端面は針弁２の上端面３２と対向する。弁体３９の上端部は小孔３５の上端部に倣うテーパ状とされ、それらテーパ面同士が面接触するようになっている。つまり小孔３５のテーパ面が弁座を形成する。この面接触は圧力制御室３３内の燃圧が高まれば高まるほど強力となり、これによりセルフシールが達成される。

軸体３６の上端部は小孔３５から上方に突出され、且つその上端部に上方ほど大径となるテーパ部４６が形成される。このテーパ部４６に押圧ピストン１９が上方から当接し、軸体３６及び弁体３９を一体に下降させて小孔３５を開放するようになっている。この下降時にはテーパ部４６が凹部３７内に入り込み、これにより押圧ピストン１９が凹部３７の外周側のピストン挿入穴３８底面に突き当たって停止できる。押圧ピストン１９と軸体３６とが当接すると、図示のようにテーパ部４６が押圧ピストン１９の中心孔４５を塞ぐが、押圧ピストン１９が上昇しテーパ部４６から離れると、中心孔４５にもリーク燃料が導入され、リーク燃料の排出が促進される。

圧力制御室３３と燃料通路１２とは燃料導入通路４２で連通される。即ち、圧力制御室３３には燃料通路１２の途中から分岐された高圧燃料が燃料導入通路４２を通じて常時導入される。燃料導入通路４２は大径穴４３と小径孔４４とからなる。即ち、第一ピース５の底部から穴部３０を利用して側方且つ斜め上方に大径穴４３をドリル加工し、この後大径穴４３の先端から燃料通路１２まで同軸に小径孔４４をドリル加工することにより、燃料導入通路４２は形成される。小径孔４４が絞り通路をなすため、燃料の導入がある程度制限される。小径孔４４の通路面積は、小孔３５と軸体３６との隙間の通路面積より小さい。

このインジェクタの作用を述べる。

燃料噴射を実行しないときは、ＥＣＵ１２６によりソレノイド２３がＯＦＦされ、プッシュピン２０及び押圧ピストン１９が上端に位置し、圧力制御室３３内の燃圧によりセルフシール弁４１が上方に押し付けられ小孔３５を閉じる。この場合、燃料が小孔３５を通じてリークできないので、圧力制御室３３内の燃圧が針弁２の上端面３２に作用し、針弁２が下方に押し付けられ、ノズルホルダ１の噴射孔３が閉じられる。

燃料噴射を実行するときは、ＥＣＵ１２６によりソレノイド２３がＯＮされる。これにより、プッシュピン２０及び押圧ピストン１９が下方に移動し、セルフシール弁４１を下方に押して小孔３５が開かれる。すると、圧力制御室３３内の燃料が小孔３５からリークされ圧力制御室３３内が低圧となる。これにより、針弁２の上端面３２に作用していた燃圧が解放されるので、力のバランスが崩れ、針弁２が上昇し、ノズルホルダ１の噴射孔３が開かれる。これにより隙間１１にあった燃料が噴射孔３から燃焼室１１０（図１参照）内に噴射される。

ＥＣＵ１２６は、燃料噴射を実行する際、エンジン運転状態に基づいて、予め定められたマップから目標燃料噴射量を決定し、その目標燃料噴射量に従ってソレノイド２３に対する通電電流を調節する。これにより、小孔３５の開度が調節され圧力制御室３３内の圧力が調節されるため、結果として針弁２のリフト量が制御される。具体的には、エンジン負荷が高い領域では目標燃料噴射量が多く設定され、ＥＣＵ１２６はソレノイド２３に対する通電量を多くして針弁２のリフト量を比較的大きくする。逆に、エンジン負荷が低い領域では目標燃料噴射量が少なく設定され、ＥＣＵ１２６はソレノイド２３に対する通電量を少なくして針弁２のリフト量を比較的小さくする。

さて、上述したように本実施形態の燃料噴射装置の特徴は、インジェクタ１０９の噴射孔３にあるので、以下、図５を用いて噴射孔３の構造を説明する。

図５はノズルホルダ１及び針弁２の下端部の拡大図であり、図の左半分が予混合燃焼を実現させる場合（エンジン運転状態が第一運転領域である場合）を示し、右半分が拡散燃焼を実現させる場合（エンジン運転状態が第二運転領域である場合）を示している。

図から分かるように、ノズルホルダ１の下端部はテーパ状に形成されており、そのテーパ部分の上下方向に間隔を隔てた二つの位置に噴射孔３ａ，３ｂが形成される。

図中下側に配置される第一噴射孔３ａは、ノズルホルダ１の周方向に等間隔を隔てて複数形成されており、その孔径が比較的小さく（例えば、φ０．１５ｍｍ以下）設定される。また、第一噴射孔３ａの中心軸とノズルホルダ１の軸心Ｃとの角度θ１（燃料の噴射角度）は比較的小さく（例えば、１３５°／２以下）設定される。具体的に説明すると、第一噴射孔３ａの噴射角度θ１は、予混合燃焼を実現させる際に、第一噴射孔３ａから噴射される燃料が全てピストン１０４のキャビティ１１１の径方向外側部分に衝突するような角度に設定される。つまり、第一噴射孔３ａの噴射角度θ１は、拡散燃焼を実現させるディーゼルエンジンの噴射角度よりも狭く設定される。

他方、第一噴射孔３ａよりも上方に配置される第二噴射孔３ｂもまた、ノズルホルダ１の周方向に等間隔を隔てて複数形成されており、その孔径が第一噴射孔３ａの孔径以上（例えば、φ０．１５ｍｍ以上）に設定される。また、第二噴射孔３ｂの中心軸とノズルホルダ１の軸心Ｃとの角度θ２は、第一噴射孔３ａの噴射角度θ１以上（例えば、１３５°／２〜１６０°／２）に設定される。具体的には、第二噴射孔３ｂの噴射角度θ２は拡散燃焼を実現させる際に、第二噴射孔３ｂから噴射される燃料がピストン１０４のキャビティ１１１の径方向外側部分に衝突するように設定される。つまり、第二噴射孔３ｂの噴射角度θ２は、拡散燃焼を実現させるディーゼルエンジンの噴射角度とほぼ等しく設定される。なお、第二噴射孔３ｂの噴射角度θ２を第一噴射孔３ａの噴射角度θ１以上としたのは、第二噴射孔３ｂが第一噴射孔３ａよりも上方に位置しているので、噴射角度θ２を第一噴射孔３ａの噴射角度θ１と等しくしても、第二噴射孔３ｂから噴射される燃料は第一噴射孔３ａから噴射される燃料よりも径方向外側に到達するからである。

このように、本実施形態のノズルホルダ１は、上下方向位置及び噴射角度の異なる（噴射角度については同じ場合もある）二種類の噴射孔３ａ，３ｂを備えている。

針弁２の下端部はノズルホルダ１の下端部とほぼ同じ角度で傾斜したテーパ状に形成されており、針弁２が下端部に位置したときには、このテーパ部分が第一噴射孔３ａ及び第二噴射孔３ｂを完全に閉ざすようになっている。

以上説明してきた燃料噴射装置を備えたエンジンにおいて、予混合燃焼及び拡散燃焼を実現させるときの燃料噴霧とピストンとの関係を図５及び図６を用いて説明する。

１：予混合燃焼を実現させる場合
上述したように、予混合燃焼を実現させる領域はエンジンの低負荷領域であり、目標燃料噴射量が比較的少ないので、ＥＣＵ１２６は、針弁２のリフト量を比較的小さくする。即ち、ＥＣＵ１２６は、予混合燃焼を実現させる場合、図５の左半分に示すように、針弁２が第一噴射孔３ａのみを主に開放するような距離だけ針弁２をリフトさせる。

この結果、図６（ａ）に示すように、主に第一噴射孔３ａから燃料Ｆが噴射される。予混合燃焼ではピストン１０４の圧縮上死点近傍よりも早期に燃料Ｆが噴射されるため、ピストン１０４が比較的下方に位置した（インジェクタ１０９から離れた）状態で燃料Ｆが噴射されるが、上述したように第一噴射孔３ａの噴射角度θ１は狭く設定されているため、第一噴射孔３ａから噴射された燃料Ｆは全て、ピストン１０４のキャビティ１１１の径方向外側部分に衝突する。キャビティ１１１に衝突した燃料Ｆは、燃焼室１１０内の比較的広い範囲に分散されて空気と良好に混合する。なお、針弁２のリフト量によっては、第二噴射孔３ｂと針弁２との間に若干の隙間が形成され、第二噴射孔３ｂからも燃料が噴射される場合もあると考えられるが、この場合、第二噴射孔３ｂから噴射される燃料は極僅かであることと、第二噴射孔３ｂの孔径が大きく噴射圧力が低いことから、燃料噴霧の到達距離が短くなるため、シリンダの側壁に衝突することはない。

このように、予混合燃焼を実現させる場合、主に噴射角度の狭い第一噴射孔３ａを用いて燃料噴射を行うため、噴射された燃料がシリンダの側壁に衝突・付着して未燃ＨＣが発生することはない。また、噴射された燃料が広い範囲に分散されるため、空気との良好な混合を得られる。また、第一噴射孔３ａの孔径は比較的小さく設定されているため、予混合燃焼時の噴射量に見合った噴射圧力で燃料を噴射することができる。

２：拡散燃焼を実現させる場合
上述したように、拡散燃焼を実現させる領域はエンジンの高負荷領域であり、燃料噴射量が比較的多いので、ＥＣＵ１２６は、針弁２のリフト量を予混合燃焼を実現させるときよりも大きくする。即ち、ＥＣＵ１２６は、図５の右半分に示すように、針弁２がノズルホルダ１の第一噴射孔３ａと第二噴射孔３ｂの両方を開放するように針弁２をリフトさせる。

この結果、図６（ｂ）に示すように、ノズルホルダ１の第一噴射孔３ａ及び第二噴射孔３ｂ両方から燃料Ｆが噴射される。このとき、第二噴射孔３ｂの孔径が第一噴射孔３ａの孔径よりも大きいため、インジェクタ１０９に供給された燃料Ｆの大半は第二噴射孔３ｂから噴射される。

拡散燃焼ではピストン１０４が圧縮上近傍に位置した状態で燃料Ｆが噴射されるが、第二噴射孔３ｂの噴射角度θ２が広く設定されているため、第二噴射孔３ｂから噴射された燃料Ｆはピストン１０４のキャビティ１１１の径方向外側部分に衝突し、燃焼室１１０内の比較的広い範囲に分散される。第一噴射孔３ａから噴射された燃料Ｆはキャビティ１１１の径方向中心側に衝突することになるが、第一噴射孔３ａから噴射される燃料は極僅かであるため問題とはならない。むしろ、燃料Ｆの全てを第二噴射孔３ｂから噴射するよりも、より広い領域に燃料Ｆを噴射でき燃焼室１１０中心部の空気を効果的に利用できるため、燃料と空気との混合がより良好に行われる。

このように、拡散燃焼を実現させる場合、噴射角度の広い第二噴射孔３ｂを主に用いて燃料噴射を行うため、噴射された燃料がキャビティ１１１の中心部に集中することはなく、スモーク等の発生を防止できる。また、第二噴射孔３ｂの孔径が比較的大きく設定されているため、拡散燃焼時の噴射量に見合った噴射圧力で燃料を噴射することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料噴射装置によれば、予混合燃焼を実現させる領域では、主に噴射角度の狭い第一噴射孔３ａから燃料を噴射し、拡散燃焼を実現させる領域では、主に噴射角度の広い第二噴射孔３ｂから噴射することができるため、各燃焼形態に適した噴射角度で燃料噴射を行うことができ、燃料と空気との良好な混合を全ての運転領域で確保できる。

なお、インジェクタ１０９の構造は単に一例として示したものであり、本発明は様々な構造のインジェクタに適用できるものである。

また、上記実施形態では、拡散燃焼を行う場合、圧縮上死点近傍で一回の噴射を行うとして説明したが、本発明はこの点において限定されず、圧縮上死点近傍の噴射よりも前に所謂パイロット噴射を実行する等、多段噴射を実行するエンジンにも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を適用するディーゼルエンジンの概略図である。 予混合燃焼と拡散燃焼の運転領域を説明する図である。 本実施形態の燃料噴射弁の断面図である。 図３の部分拡大図である。 ノズルホルダの噴射孔を示す拡大断面図である。 本実施形態の燃料噴射装置を備えたエンジンにおける燃料噴霧とピストンとの関係を示す図であり、（ａ）が予混合燃焼を実現させる場合、（ｂ）が拡散燃焼を実現させる場合を示している。 従来の燃料噴射装置を備えたエンジンにおける燃料噴霧とピストンとの関係を示す図であり、左半分が予混合燃焼を実現させる場合、右半分が拡散燃焼を実現させる場合を示している。

符号の説明

１ ノズルホルダ
２ 針弁
３ 噴射孔
３ａ 第一噴射孔
３ｂ 第二噴射孔
１０９ インジェクタ（燃料噴射弁）
１２４ コモンレール
１２６ ＥＣＵ（制御装置）

Claims (3)

1. エンジンの運転状態が比較的低負荷領域であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気を着火させる予混合燃焼を実現させるべく、ピストンの圧縮上死点近傍よりも前に燃料を噴射し、エンジンの運転状態が上記予混合燃焼を実現させる領域よりも高負荷領域であるときは、燃料をその噴射中に着火させる拡散燃焼を実現させるべく、圧縮上死点近傍で燃料を噴射するディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射装置であって、
   燃料の噴射孔を備えたノズルホルダと、そのノズルホルダ内に上下方向に移動可能に設けられた針弁とを備えた燃料噴射弁と、
   上記燃料噴射弁の針弁をリフトさせて上記ノズルホルダの上記噴射孔を開き、その噴射孔から燃料噴射を実行させるための制御装置とを備え、
   上記噴射孔は、上記ノズルホルダの下部に配置され、比較的小径で且つノズルホルダの軸心に対する角度が比較的小さく設定された第一噴射孔と、上記第一噴射孔よりも上方に配置され、上記第一噴射孔の孔径以上の孔径で且つノズルホルダの軸心に対する角度が上記第一噴射孔の角度以上に設定された第二噴射孔とを備え、
   上記制御装置は、
   上記予混合燃焼を実現させる領域では、上記針弁のリフト量を比較的小さくして主に上記第一噴射孔から燃料を噴射し、
   上記拡散燃焼を実現させる領域では、上記針弁のリフト量を上記予混合燃焼を実現させる領域よりも大きくして主に上記第二噴射孔から燃料を噴射する
   ことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 上記第一噴射孔の上記ノズルホルダの軸心に対する角度は、上記予混合燃焼を実現させる際に、上記第一噴射孔から噴射される燃料がピストン上部に形成された凹部内に噴射されるように設定される
   請求項１記載の燃料噴射装置。
3. コモンレール型燃料噴射装置である請求項１又は２記載の燃料噴射装置。
   

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