JP2006322392A

JP2006322392A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2006322392A
Application number: JP2005146774A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】スプレーガイド式で混合気を形成する内燃機関５０において、成層燃焼を実現するためにより好適な燃料噴霧を形成可能な燃料噴射弁１を提供する。
【解決手段】混合気に着火する点火プラグ２を備えた内燃機関５０のシリンダ５１ａ内に燃料を噴射する燃料噴射弁１Ａであって、燃料噴射弁１Ａは、噴射した燃料の噴霧が内燃機関５０の点火時期において点火プラグ２の周囲にまとまった状態に変形するように同心円状に配置した５つの燃料噴射孔３ａからなる第１の燃料噴射部１０Ａと、点火プラグ２近傍へ燃料を噴射するように配置した１つの燃料噴射孔３ｂからなる第２の燃料噴射部２０Ａとを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に直噴ガソリン機関において成層燃焼を実現するにあたってより好適な燃料噴霧を形成可能なマルチホール式燃料噴射弁に関する。

近年実用化されている直噴ガソリン機関においては大幅な燃費向上のため、燃料を燃焼室に直接噴射し、濃い混合気を点火プラグの周囲に集めて燃焼させる成層燃焼を行っている。上述した直噴ガソリン機関において、成層燃焼を実現させる方式には、ウォールガイド式、エアガイド式及びスプレーガイド式がある。このうちスプレーガイド式とは、燃料噴射弁が噴射する噴霧自身の作り出す流れや空気を巻き込む動作によって混合気を形成する方式である。スプレーガイド式を採用する直噴ガソリン機関では、一般的に燃料噴射弁を燃焼室内においてシリンダヘッド頂部略中央に配設し、さらにその近傍に点火プラグを配設する。

上述したスプレーガイド式を採用する直噴ガソリン機関において点火プラグの周囲に集めた濃い混合気に着火させるために、特許文献１では以下の技術を提案している。特許文献１によれば、インジェクタ（燃料噴射弁）が粗な部分と密な部分とを有する燃料の噴霧を噴射し、噴霧の粗な部分を点火プラグ方向に指向させる技術を提案している。この提案技術によれば、上述のように燃料噴霧形状を生成することよって点火プラグへの液体燃料の直撃を防止できるので、点火プラグへの液体燃料付着によるくすぶりや、それに伴う燃焼安定性の悪化を抑制可能である。

特開２００３−１２０２９９号公報

しかしながら、特許文献１の提案技術で解決できる課題以外にも、スプレーガイド式を採用する直噴ガソリン機関の燃料噴射弁には以下に示すような課題がある。スプレーガイド式で混合気を形成する場合には、一般的に燃料噴射弁は円錐状の噴霧が形成されるように燃料を噴射することが多い。この円錐状の燃料噴霧には、円錐面が燃料の噴霧からなる所謂ホロコーン状の燃料噴霧と、円錐内も燃料の噴霧からなる所謂フルコーン状の燃料噴霧とがある。ここで、燃料噴射孔を複数有するマルチホール式燃料噴射弁によってフルコーン状の燃料噴霧を形成する場合には、燃料噴射弁には多数の燃料噴射孔を形成する必要があるが、多数の燃料噴射孔を形成することによって必然的に各々の燃料噴射孔の大きさは小さくなる。したがって、例えば燃料噴射部にデポジット付着が発生すると、燃料噴霧の形状が変化し噴射容量の低下を招く虞がある。

一方、マルチホール式燃料噴射弁によってホロコーン状の燃料噴霧を形成する場合にあっては、フルコーン状の燃料噴霧を形成する場合と比較して形成する燃料噴射孔の数が少なくて済むため上述のような虞はないが以下に示す課題がある。ホロコーン状の燃料噴霧を形成するマルチホール式燃料噴射弁にあっては、燃料噴霧内に発生する圧力低下を利用して円錐下部の燃料噴霧を巻き上げるようにして燃料噴霧を変形させる。この変形の際に燃料噴霧は適正な濃度の混合気に生成される。また、点火プラグは点火時期においてこのまとまった状態に変形された燃料噴霧に着火可能な位置に配置されている。この状態がすなわち、濃い混合気を点火プラグの周囲に集めた状態であり、この混合気に着火することによって成層燃焼を実現できる。ところが、上述の燃料噴霧の変形状態は内燃機関の回転数及び負荷の状態によって異なってくる。内燃機関では内燃機関の回転数及び負荷の状態に合わせて燃料噴射弁の燃料噴射圧も変更するので、それに伴って燃料噴霧内に発生する圧力低下具合も変化する。燃料噴射圧が低下した場合には圧力低下具合も小さくなるので、その結果燃料噴霧が自身の円錐下部を巻き上げる具合も小さくなる。さらに、この巻き上げ具合が小さくなると混合気生成の速度は低下するので混合気が適正濃度になるまで点火時期を遅らせる必要が発生する。そしてこのように点火時期を変更すると、変更した点火時期においては点火プラグの周囲から上述の燃料噴霧が移動してしまう場合がある。この結果、点火プラグが混合気に着火できなくなることに起因して成層燃焼できなくなるが、特許文献１の提案技術ではこのような課題を解決することができない。

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、スプレーガイド式で混合気を形成する内燃機関において、成層燃焼を実現するにあたってより好適な燃料噴霧を形成可能な燃料噴射弁を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、混合気に着火する点火プラグを備えた内燃機関のシリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記燃料噴射弁は、噴射した燃料の噴霧が前記内燃機関の点火時期において前記点火プラグの周囲にまとまった状態に変形するように配置した少なくとも１つの燃料噴射孔からなる第１の燃料噴射部と、前記点火プラグ近傍へ燃料を噴射するように配置した少なくとも１つの燃料噴射孔からなる第２の燃料噴射部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料噴霧が内燃機関の点火時期において点火プラグの周囲にまとまった状態に変形するように燃料を噴射する所謂スプレーガイド式で混合気を形成するとともに点火プラグ近傍へ燃料を噴射することによっても点火プラグの周囲に着火可能な混合気を形成することが可能である。これによって、内燃機関の運転状態が変化した結果、点火時期において点火プラグの周囲からまとまった状態に変形した燃料噴霧が移動しそれ故成層燃焼できなくなる場合であっても、点火プラグは第２の燃料噴射部が噴射する燃料によって生成される混合気に着火できる。すなわち、成層燃焼を実現することが可能である。なお、第１の燃料噴射部が燃料を噴霧する点火プラグ近傍とは、点火プラグに燃料が直撃せずかつ着火可能な混合気が点火プラグ周囲に生成される領域である。また、内燃機関の点火時期において点火プラグの周囲にまとまった状態に変形される燃料噴霧であれば、第１の燃料噴射部が有する燃料噴射孔は、複数の燃料噴射孔によって燃料噴霧を形成するものであってもよく、１つの燃料噴射孔で例えばホロコーン状の燃料噴霧を形成するものであってもよい。

また、本発明は、前記第１の燃料噴射部は、同心円状に配置した複数の燃料噴射孔からなり、該第１の燃料噴射部が噴射した燃料がホロコーン状の噴霧に形成されてもよい。ホロコーン状に形成された燃料噴霧は噴霧自身の作り出す流れや巻き上げ動作によってまとまった状態に変形する。すなわち、内燃機関の点火時期において燃料噴霧を点火プラグの周囲にまとまった状態に変形させるには、上述のような第１の燃料噴射部を有する燃料噴射弁で燃料を噴射すればよい。

また、本発明は、前記第１の燃料噴射部は、楕円状に配置した複数の燃料噴射孔からなっていてもよい。本発明によれば、第１の燃料噴射部に複数の燃料噴射孔を楕円状に配置することによっても、第１の燃料噴射部が噴射する燃料の噴霧をホロコーンに類似した形状の燃料噴霧に形成可能である。すなわち、内燃機関の点火時期において燃料噴霧を点火プラグの周囲にまとまった状態に変形させるには、このような第１の燃料噴射部を有する燃焼噴射弁で燃料を噴射することによっても実現可能である。

また、本発明は、前記第２の燃料噴射部は、前記点火プラグを間に挟む噴射方向を有する２つの燃料噴射孔からなっていてもよい。本発明によれば、第２の燃料噴射部に燃料噴射孔を１つ配置した場合と比較して、点火プラグへの燃料の直撃を抑制するとともにより確実に着火可能な混合気を生成することが可能である。

本発明によれば、スプレーガイド式で混合気を形成する内燃機関において、成層燃焼を実現するにあたってより好適な燃料噴霧を形成可能な燃料噴射弁を実現可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料噴射弁１を備える内燃機関５０の主要部分の構成を示す図である。図１に示すように、内燃機関５０は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３などによって構成されている。シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａを形成し、シリンダ５１ａの内周面には図示しない略円筒状のシリンダライナが配設してある。シリンダ５１ａ内には、このシリンダライナを介してピストン５３を収容している。ピストン５３は図示しないコネクティングロッドと連結されており、さらにコネクティングロッドは図示しないクランクシャフトと連結されている。これによって、ピストン５３がシリンダ５１ａ内で往復運動すると、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに動力が伝達され、さらにクランクシャフトによって往復運動が回転運動に変換される。本実施例においては、内燃機関５０は図示しない車両に備えられており、この回転運動に変換された動力によって車両は駆動する。

シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５４は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３によって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、吸気行程で吸気を燃焼室５４に導入するための吸気ポート５２ａを形成し、吸気ポート５２ａには流路を開閉するための吸気弁５５を配設している。また、シリンダヘッド５２には、燃焼したガスを燃焼室５４から排気するための排気ポート５２ｂを形成し、排気ポート５２ｂには流路を開閉するための排気弁５６を配設している。さらに、シリンダヘッド５２には燃料噴射弁１を燃焼室５４においてシリンダヘッド５２頂部略中央に配設し、その近傍に点火プラグ２を配設する。燃料噴射弁１は燃料噴射部に複数の燃料噴射孔３を配置したマルチポート式燃料噴射弁である。

図２は第１の具体例としての燃料噴射弁１Ａを示す図である。また、図２（ａ）は燃料噴射弁１Ａの燃料噴射部を示す図であり、図２（ｂ）は燃料噴射弁１Ａが噴射した燃料噴霧の変形態様を示す図である。図２（ａ）に示すように、燃料噴射弁１Ａの燃料噴射部は第１の燃料噴射部１０Ａと第２の燃料噴射部２０Ａとで構成されている。第１の燃料噴射部１０Ａには５つの燃料噴射孔３ａを同心円状に配置している。また、第２の燃料噴射部２０Ａには点火プラグ２近傍へ向かって燃料が噴射されるよう１つの燃料噴射孔３ｂを配置している。燃料噴射弁１Ａが燃料を噴射すると燃料噴射部１０Ａから噴射された燃料はホロコーン状の燃料噴霧に形成され、燃料噴射部２０Ａから噴射された燃料は点火プラグ２の周囲に着火可能な混合気を形成する。なお、燃料噴射部３Ａに配置する燃料噴射孔３ａは５つに限られず、ホロコーン状の燃料噴霧を形成するための必要数を適宜配置すればよい。また、燃料噴射孔３ａを例えば３０つ配置するといったように多数の燃料噴射孔３ａを配置することは燃料噴霧がフルコーン状になるため本実施例においては不適切である。また、燃料噴射孔３ａの配置数が５つよりも少ないと各燃料噴射孔３ａ間の隙間が大きくなり、その結果燃料噴霧の円錐面にも隙間が発生することから燃料噴霧内に圧力低下を発生させ難いので好ましくない。

第１の燃料噴射部１０Ａは内燃機関５０の吸気行程で燃料を噴射する。噴射した燃料はホロコーン状の燃料噴霧に形成され、この燃料噴霧内には燃料がほぼ存在しない状態になる。燃料は第１の燃料噴射部１０Ａから急速に噴射されるため、このような燃料噴霧が形成される際には、円錐周部の燃料噴霧は円錐内部の気体を円錐周部へ拡大しようとする。これによって円錐内部の圧力は低下するので、円錐周部は逆に収束しようとし円錐上部においては燃料噴霧が閉じた状態になる。一方、円錐下部の燃料噴霧はこの圧力によって円錐外側へ巻き上がるように変形し、その結果図２（ｂ）に示すような燃料噴霧１５に変形される。この際、燃料噴霧１５はこの巻き上げ動作によって適正な濃度の混合気に生成される。さらに、燃料噴霧１５は圧縮行程の点火時期まで点火プラグ２の周囲にまとまった状態で維持される。なお、ホロコーン状の燃料噴霧の円錐角が小さいと円錐下部においても燃料噴霧が閉じてしまうことがある。円錐下部において燃料噴霧が閉じてしまう円錐角は例えば燃料噴射圧によって異なるが、係る状態では上述したような適正な濃度の混合気が生成されない。そのため、例えば燃料噴射圧が変化しても円錐下部において燃料噴霧が閉じてしまうことがない円錐角を有する燃料噴霧を形成できるように第１の燃料噴射部１０Ａに燃料噴射孔３ａを配置する必要がある。

上述した燃料噴霧１５は、内燃機関５０の回転数及び負荷が変化すると燃料噴射圧が変化することに起因して変形状態が変化する。より具体的には、例えば内燃機関５０の回転数及び負荷が変化した結果燃料噴射圧が低下した場合、円錐状の燃料噴霧内の圧力低下具合も小さくなる。すると、燃料噴霧の周部を円錐内部方向へ引き寄せようとする力が弱くなるので燃料噴霧の円錐下部の巻き上がりも小さくなる。この巻き上がり具合が小さくなると混合気生成の速度は低下し適正濃度になるまで点火時期を遅らせる必要が発生する。このような場合、変更した点火時期においては点火プラグ２の周囲から燃料噴霧１５が移動してしまうことがある。このような状態では点火プラグ２は混合気に着火させることができなくなり、その結果成層燃焼を実現できなくなる。

本実施例では、燃料噴射弁１Ａが第２の燃料噴射部２０Ａを有している。燃料噴射部２０Ａに配置された燃料噴射孔３ｂは、図２（ｂ）に示すように点火プラグ２近傍へ向かって燃料を噴射し燃料噴霧２５を形成する。点火プラグ２はこの燃料噴霧２５によって生成される混合気に着火する。着火した混合気は燃焼室５４内で急速に燃焼拡大することによって第１の燃料噴射部１０Ａが噴射した燃料噴霧にも火炎を伝播させる。このように、燃料噴射弁１Ａが第２の燃料噴射部２０Ａを有することによって内燃機関５０の回転数、負荷が変化した結果、点火プラグ２が燃料噴霧１５に着火できなくなった場合でも燃料噴霧２５に着火できるので、成層燃焼を実現することが可能である。

図３は燃料噴射弁１の他の具体例を示す図であり、図３（ａ）は第２の具体例としての燃料噴射弁１Ｂの燃料噴射部を、図３（ｂ）は第３の具体例としての燃料噴射弁１Ｃの燃料噴射部を、図３（ｃ）は第４の具体例としての燃料噴射弁１Ｄの燃料噴射部をそれぞれ示す図である。また、図３（ｄ）は燃料噴射弁１Ｄが噴射した燃料噴霧の変形態様を示す図である。第２の具体例としては、図３（ａ）に示すように燃料噴射弁１Ｂの第１の燃料噴射部１０Ｂに楕円状に６つの燃料噴射孔３ａを配置する。但し、燃料噴射孔３ａの配置数は第１の具体例の場合と同様、６つに限られない。このような第１の燃料噴射部１０Ｂから噴射された燃料も、楕円状の円錐下面を有するホロコーンに類似した燃料噴霧に形成される。したがって、図２（ｂ）に示す燃料噴霧１５と同様、燃料噴霧が形成される際、燃料噴霧の下部が巻き上がるとともに燃料噴霧の上部が燃料噴霧内部に向かって収束することによって、燃料噴霧を点火プラグ２の周囲にまとまった状態に変形させることが可能である。なお、第２の燃料噴射部２０Ａには、第１の具体例として上述した燃料噴射弁１Ａと同様の燃料噴射孔３ｂを配置している。

また、第３の具体例としては、図３（ｂ）に示すように燃料噴射弁１Ｃの第１の燃料噴射部１０Ｃに各列３つからなる燃料噴射孔３ａを２列に並列配置する。さらに、燃料噴射孔３ａは各列から噴射された燃料噴霧の間隔がシリンダ５１ａの下死点方向へ向かって末広に広がるように配置する。但し、燃料噴射孔３ａの配置数は第１の具体例の場合と同様、６つに限られない。このように形成された燃料噴霧もまた噴霧下部が巻き上がるとともに噴霧上部が噴霧内部に向かって収束することによって、燃料噴霧を点火プラグ２の周囲にまとまった状態に変形させることが可能である。なお、第２の燃料噴射部２０Ａには、第１の具体例として上述した燃料噴射弁１Ａと同様の燃料噴射孔３ｂを配置している。

また、第４の具体例としては、図３（ｃ）に示すように燃料噴射弁１Ｄの第１の燃料噴射部１０Ｄに各列３つからなる燃料噴射孔３ａを２列に並列配置する。但し、燃料噴射孔３ａの配置数は第１の具体例の場合と同様、６つに限られない。本具体例においては、図３（ｂ）に示す燃料噴射部１０Ｃと直交する方向へ燃料噴射孔３ａの列を配置しているが燃料噴霧の収束性としては燃料噴射部１０Ｃが噴霧して形成した燃料噴霧と基本的に同様である。すなわち、燃料噴射孔３ａの列の方向は例えば第２の燃料噴射部２０Ｄの配置容易性などを考慮して適宜設定可能である。また、本具体例においては、第２の燃料噴射部２０Ｄが２つの燃料噴射孔３ｂで構成されている。燃料噴射孔３ｂは点火プラグ２を間に挟むような噴霧方向を有して配置され、図３（ｄ）に示すように燃料噴霧２５を噴射する。これによって、点火プラグ２に燃料が直撃するのを抑制するとともに点火プラグ２周囲により確実に着火可能な混合気を生成することができる。すなわち、上述した第２から第４の具体例としての燃料噴射弁１Ｂ、１Ｃ、１Ｄによっても第１の具体例としての燃料噴射弁１Ａと同様に成層燃焼を実現することが可能である。

なお、第１の燃料噴射部１０は上述した第１から第４の具体例に示したものに限られず、内燃機関５０の点火時期において点火プラグ２の周囲にまとまった状態に変形される燃料噴霧を形成可能な燃料噴射部であればよい。例えば第１の燃料噴射部１０は１つの燃料噴射孔３ａによってホロコーン状の燃料噴霧を形成する燃料噴射部であってもよい。また、第２の燃料噴射部２０も第１から第４の具体例に示したものに限られず、第１の燃料噴射部１０の燃料噴霧によって生成される混合気で成層燃焼を実現できなくなった状態において、点火プラグ２近傍に燃料を噴射することによって着火可能な混合気を生成可能な燃料噴射部であればよい。以上により、スプレーガイド式で混合気を形成する内燃機関５０において、成層燃焼を実現するにあたってより好適な燃料噴霧を形成可能な燃料噴射弁１を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

本発明に係る燃料噴射弁１を備える内燃機関５０の主要部分の構成を示す図である。第１の具体例としての燃料噴射弁１Ａを示す図である。また、図２（ａ）は燃料噴射弁１Ａの燃料噴射部を示す図であり、図２（ｂ）は燃料噴射弁１Ａが噴射した燃料噴霧の変形態様を示す図である。燃料噴射弁１の他の具体例を示す図であり、図３（ａ）は第２の具体例としての燃料噴射弁１Ｂの燃料噴射部を、図３（ｂ）は第３の具体例としての燃料噴射弁１Ｃの燃料噴射部を、図３（ｃ）は第４の具体例としての燃料噴射弁１Ｄの燃料噴射部をそれぞれ示す図である。また、図３（ｄ）は燃料噴射弁１Ｄが噴射した燃料噴霧の変形態様を示す図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
３燃料噴射孔
１０第１の燃料噴射部
１５第１の燃料噴射部が噴射した燃料噴霧
２０第２の燃料噴射部
２５第２の燃料噴射部が噴射した燃料噴霧
５０内燃機関

Claims

混合気に着火する点火プラグを備えた内燃機関のシリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、
前記燃料噴射弁は、噴射した燃料の噴霧が前記内燃機関の点火時期において前記点火プラグの周囲にまとまった状態に変形するように配置した少なくとも１つの燃料噴射孔からなる第１の燃料噴射部と、前記点火プラグ近傍へ燃料を噴射するように配置した少なくとも１つの燃料噴射孔からなる第２の燃料噴射部とを有することを特徴とする燃料噴射弁。
前記第１の燃料噴射部は、同心円状に配置した複数の燃料噴射孔からなり、該第１の燃料噴射部が噴射した燃料がホロコーン状の噴霧に形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
前記第１の燃料噴射部は、楕円状に配置した複数の燃料噴射孔からなることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
前記第２の燃料噴射部は、前記点火プラグを間に挟む噴射方向を有する２つの燃料噴射孔からなることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の燃料噴射弁。