JP2007315279A - マルチホール型インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に配置される点火プラグと、燃焼室に燃料を噴射するマルチホールインジェクタと、を備える火花点火式筒内直噴エンジンにおいて、低速低負荷域の着火や燃焼の安定度を高めるため、主噴孔の噴霧貫徹力を確保しつつ、燃料の噴霧密度を適度に分散しえるようにする。
【解決手段】マルチホール型インジェクタ１は、噴射中心が点火プラグ２を指向する主噴孔１０と、噴射中心が主噴孔の噴射中心と異なる方向を指向する副噴孔と、を備えるものであって、主噴孔１０の入口部１１については、出口側の内径Ｄ１を上流側へ拡径しつつノズルボディの内壁面に開口するように形成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、火花点火式筒内直噴エンジンに好適なマルチホール型インジェクタに関する。

従来から、燃費の向上を図るため、燃焼室内に配置される点火プラグと、燃焼室に燃料を噴射するマルチホール型インジェクタと、を備え、点火プラグ周辺に燃料を成層化する、火花点火式筒内直噴エンジンが知られている。

このようなエンジンにおいては、噴射中心が点火プラグを指向する主噴孔と、噴射中心が主噴孔の噴射中心と異なる方向を指向する副噴孔と、を備えるマルチホール型インジェクタが使用され、低速低負荷域においては、点火プラグ周辺に混合気を層状に偏在する状態で燃焼させるべく、圧縮上死点付近で燃料を噴射する一方、回転や負荷が高くなると、燃料室に均一な混合気を生成して燃焼させるべく、吸気行程中期において、燃料を噴射する。

マルチホール型インジェクタについては、高分散燃料噴霧とこれに隣接する低分散燃料噴霧とから、点火プラグを指向する燃料噴霧を形成するものが特許文献１に開示され、またピストン冠面の凹み（キャビティ）を利用して燃料噴霧を点火プラグへ指向させるものが特許文献２に開示される。
特開平１１−０５０８４８号 特開２０００−２８３００４号

火花点火式筒内直噴エンジンにおいては、噴射中心が点火プラグを指向する主噴孔と、噴射中心が主噴孔の噴射中心と異なる方向を指向する副噴孔と、を備えるマルチホール型インジェクタを使用する場合、ボア径が大型化すると、点火プラグとインジェクタとの距離が長くなり、主噴孔の噴霧貫徹力を強めることが要求される。しかし、燃料の噴射力を高めると、主噴孔の噴霧貫徹力ばかりでなく、副噴孔の噴霧貫徹力も強まるため、低速低負荷域において、副噴孔からの燃料噴霧が圧縮上死点付近にあるピストン冠面やボア壁に付着しやすく、スモークの発生やＨＣの増加を招いてしまう。そのため、副噴孔の噴霧貫徹力を主噴孔の噴霧貫徹力よりも小さく設定する。言い換えれば、主噴孔の噴霧貫徹力のみを大きく設定することが考えられるが、主噴孔から燃料噴霧が点火プラグ周辺に留まり、噴霧の燃料密度が高くなり、点火プラグ周辺の空燃比がオーバリッチとなり、着火や燃焼の安定性が損なわれ、ＨＣが増加しやすくなる。

この発明は、このような課題に着目してなされたものであり、火花点火式筒内直噴エンジンにおいて、低速低負荷域の着火や燃焼の安定度を高めるため、主噴孔の噴霧貫徹力を確保しつつ、主噴孔から噴射される噴霧の燃料密度を適正に分散しえる、マルチホール型インジェクタの提供を目的とする。

この発明は、燃焼室内に配置される点火プラグと、燃焼室に燃料を噴射するマルチホール型インジェクタと、を備える火花点火式筒内直噴エンジンにおいて、マルチホール型インジェクタは、噴射中心が点火プラグを指向する主噴孔と、噴射中心が主噴孔の噴射中心と異なる方向を指向する副噴孔と、を備えるものであって、主噴孔の入口部は、出口側の内径を上流側へ拡径しつつノズルボディの内壁面に開口するように形成したことを特徴とする。

この発明においては、主噴孔に流入する燃料の噴流は、出口側の内径を上流側へ拡径しつつノズルボディの内壁面に開口する入口部により、出口側へ抵抗なく円滑に流れ、縮流の度合いが小さく、噴霧角が大きくなる。主噴孔の内径が一律のストレートなノズルの場合、出口側の内径を上流側へ拡径しつつノズルボディの内壁面に開口する入口部を備えないので、主噴孔へ燃料が流入する際、その主流は入口の角部を大きく回り込むようになり、キャビテーションが発生しやすく、主流が縮流され、噴孔の有効径が縮小するため、噴射角が小さく抑えられてしまう。この発明においては、出口側の内径を上流側へ拡径しつつノズルボディの内壁面に開口する入口部により、キャビテーションの発生が避けられ、縮流の度合いも小さく、噴霧角が拡がるため、低速低負荷域においても、主噴孔の噴霧貫徹力を確保しつつ、噴霧の燃料密度が適度に分散され、着火に好適な空燃比の混合気塊を点火プラグ周辺に生成しえるのである。

この発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１において、３はエンジンの燃焼室であり、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン３０とから画成される。４１は吸気ポート３１の燃焼室３側の開口部をピストン３０に連動して開閉する吸気バルブであり、４２は排気ポート３２の燃焼室３側の開口部をピストン３０に連動して開閉する排気バルブであり、２は燃焼室３の天井の略中央に配置される点火プラグであり、１は燃焼室３の側方に配置されるマルチホール型インジェクタである。

インジェクタ１は、図示の場合、先端部を燃焼室３の周縁に臨ませてシリンダヘッド２２に組み付けられ、先端部１ａに主噴孔および複数の副噴孔が設けられる。図１において、Ｆ１は主噴孔から噴射される噴霧であり、Ｆ２〜Ｆ４は各副噴孔から噴射される噴霧であり、主噴孔の軸心は点火プラグ２の電極を指向するように設定され、各副噴孔の軸心は主噴孔の軸心と異なる方向を指向するように設定される。図示の場合、各副噴孔の軸心は、主噴孔の軸心に対して下方（ピストン側）をそれぞれ異なる角度方向へ指向するようになっている。

インジェクタ１は、低速低負荷域においては、点火プラグ２の周辺に混合気を層状に偏在する状態で燃焼させるべく、圧縮上死点付近で燃料を先端部１ａの各噴孔から噴射する一方、回転や負荷が高くなると、燃料室３に均一な混合気を生成して燃焼させるべく、吸気行程中期において、燃料を先端部１ａの各噴孔から噴射するのである。

図１に示す、低速低負荷域の圧縮上死点付近において、主噴孔から噴射される噴霧Ｆ１は、点火プラグ３に到達する長さＡ１が確保され、副噴孔から噴射される噴霧Ｆ２〜Ｆ４は、主噴孔からの噴霧Ｆ１に対して下方をそれぞれ異なる角度方向へ指向するが、いずれもピストン３０の冠面に到達しない長さ（Ａ２，Ａ３，Ａ４）に抑えられる。噴孔から噴射される噴霧の長さＡ１〜Ａ４（噴霧貫徹力）は、噴孔の径が一定の場合、各噴孔の有効長に略比例するため、各噴孔の有効長についても、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３＞Ａ４、と同等の関係に設定されるのである。

これにより、副噴孔の噴霧貫徹力が主噴孔の噴霧貫徹力よりも小さくなるように設定されるので、低速低負荷域において、副噴孔から噴射される燃料が圧縮上死点付近にあるピストン３０の冠面やボア壁に付着するのを防止しつつ、主噴孔に必要な噴霧貫徹力を確保することが可能となる。

主噴孔の内径が一律のストレートなノズルの場合、主噴孔へ燃料が流入する際、その主流は入口の角部を大きく回り込むようになり、キャビテーションが発生しやすく、燃料が縮流され、噴孔の有効径が縮小するため、噴射角が小さく抑えられてしまう。このため、主噴孔については、必要な噴霧貫徹力を確保しつつ、噴霧の燃料密度を適度に分散しえるように構成される。

図２の場合、主噴孔１０は、出口側の内径Ｄ１を上流側へ拡径しつつ、ノズルボディの内壁面に開口する入口部１１を備える。入口部１１は、出口側の内径Ｄ１を上流側へ所定のテーパ角αをもって円錐台形に拡径され、ノズルボディの内壁面に径Ｄ１’の開口を形成する。出口部１２は、内径が一律（Ｄ２＝Ｄ１）のストレートな断面円形の流路として入口部１１と同軸上を延びるように形成される。

図２においては、主噴孔１０へ流入する燃料の流れは、出口側の内径Ｄ１を上流側へ所定のテーパ角αをもって拡径しつつノズルボディの内壁面に開口する入口部１１により、径Ｄ１’の開口から出口側へ抵抗なく円滑に流れ、縮流の度合いも小さくなり、噴霧角が大きくなる。主噴孔１０の内径が一律のストレートなノズルの場合に較べると、キャビテーションの発生が避けられ、縮流の度合いも小さくなり、噴孔１０の有効径Ｄ１が確保され、噴霧角が拡がるため、低速低負荷域においても、主噴孔１０の噴霧貫徹力を強めつつ、噴霧の燃料密度が適度に分散され、着火に好適な空燃比の混合気塊を点火プラグ２周辺に生成しえるのである。

入口部１１のテーパ角αについては、図３に例示する如く設定を変えることにより、噴霧角（燃料の噴霧密度）が調整可能となる。例示（１）〜例示（３）において、低速低負荷域の噴霧角は、例示（１）＜例示（２）＜例示（３）、の関係となる。

図４の場合、主噴孔１０の入口部１１は、出口側の内径Ｄ１を上流側へ所定の曲率半径Ｒをもってラッパ状に拡径され、ノズルボディの内壁面に径Ｄ１’の開口を形成する。出口部は、図２と同じく内径が一律（Ｄ２＝Ｄ１）のストレートな断面円形の流路として入口部１１と同軸上を延びるように形成される。

図４においては、主噴孔１０に流入する燃料の流れは、出口側の内径Ｄ１を上流側へ所定の曲率半径Ｒをもって拡径しつつノズルボディの内壁面に開口する入口部１１により、図２のテーパ角αの場合よりも、出口側へ抵抗なく円滑に流れ、縮流の度合いも小さくなり、噴霧角が効率よく拡大することになる。この場合についても、キャビテーションの発生が避けられ、縮流の度合いも小さくなり、噴孔の有効径が確保され、噴霧角が拡がるため、低速低負荷域において、主噴孔１０の噴霧貫徹力を強めつつ、噴霧の燃料密度が適度に分散され、着火に好適な空燃比の混合気塊を点火プラグ２周辺に生成しえるのである。

入口部１１の曲率半径Ｒについては、図５に例示する如く設定を変えることにより、噴霧角（燃料の噴霧密度）の調整が可能となる。例示（１）〜例示（３）において、低速低負荷域の噴霧角は、例示（１）＜例示（２）＜例示（３）、の関係となる。

図６、図７は、主噴孔１０に係る別の変形例を表すものであり、入口部１１の断面形状（断面積）は、出口側の内径を上流側へ扁平化するように拡径される。

図６において、（ａ）は主噴孔１０の縦（垂直）断面であり、（ｂ）は主噴孔１０の横（水平）断面であり、入口部１１は、断面積が縦横に異なるテーパ角α１，α２をもって拡大することにより、楕円型の断面形状に形成される。出口部１２は、図２と同じく内径が一律のストレートな断面円形の流路として入口部１１と同軸上を延びるように形成される。

これによると、主噴孔１０の入口部１１は、断面積が縦横に異なるテーパ角α１，α２をもって拡大しつつ水平方向へ扁平に拡がる楕円型の断面形状に設定されるので、楕円の短軸側で縮流の度合いは大きく、長軸側で小さくなり、噴霧角は楕円の短軸側で小さく、長軸側で大きくなる。そのため、主噴孔１０からの燃料噴霧は、図７のように水平方向へ扁平に拡がるため、インジェクタ１を取り付ける際のロバスト性を向上させることにつながるほか、噴霧の燃料密度が適度に分散され、着火に好適な空燃比の混合気塊を点火プラグ周辺に生成しえるのである。

テーパ角α１，α２の関係は、α１＜α２に設定されるが、α１＞α２に設定することも考えられる。図７は、主噴孔１０から噴射される燃料の噴霧形状を説明するものであり、（ａ）は噴霧形状の平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ（点火プラグ２周辺）の矢視図である。

図８において、（ａ）は主噴孔１０をノズルボディの内側から軸心方向を直視する図であり、（ｂ）は（ａ）中のｘ−ｘ断面図であり、（ｃ）は同じくｙ−ｙ断面図である。入口部１１は、断面積が横方向のみテーパ角αをもって拡大される。出口部１１は、図２と同じく内径が一律のストレートな断面円形の流路として入口部１１と同軸上を延びるように形成される。

図８の場合、主噴孔１０の入口部１１は、出口側の内径を水平方向へテーパ角αをもって扁平に拡がる楕円型の断面形状に設定される。楕円の短軸は、出口側の内径と同一になるが、入口部１１の断面積は、水平方向へテーパ角をもって拡大されるため、図６の主噴孔と同様の効果（図７、参照）が得られる。

図示（図２〜図１１）の噴孔形状については、主噴孔１０のみでなく、噴霧角の拡大を図る上から、噴霧Ｆ２〜Ｆ４を形成する副噴孔（図１、参照）への適用も可能である。

火花点火式直噴エンジンの概要構成図である。 主噴孔の構成を例示する断面図である。 主噴孔の構成を例示する断面図である。 主噴孔の構成を例示する断面図である。 主噴孔の構成を例示する断面図である。 主噴孔の構成を例示する断面図である。 主噴孔の構成を例示する断面図である。 噴霧形状の説明図である。

符号の説明

１ マルチホール型インジェクタ
２ 点火プラグ
３ 燃焼室
１０ 主噴孔
１１ 主噴孔の入口部
１２ 主噴孔の出口部
２０ エンジン
Ｆ１ 主噴孔からの噴霧
Ｆ２〜Ｆ４ 副噴孔からの噴霧

Claims (4)

1. 燃焼室内に配置される点火プラグと、燃焼室に燃料を噴射するマルチホール型インジェクタと、を備える火花点火式筒内直噴エンジンにおいて、マルチホール型インジェクタは、噴射中心が点火プラグを指向する主噴孔と、噴射中心が主噴孔の噴射中心と異なる方向を指向する副噴孔と、を備えるものであって、主噴孔の入口部は、出口側の内径を上流側へ拡径しつつノズルボディの内壁面に開口するように形成したことを特徴とするマルチホール型インジェクタ。
2. 主噴孔の入口部は、出口側の内径を上流側へ所定のテーパ角をもって拡径するように形成したことを特徴とする請求項１に記載のマルチホール型インジェクタ。
3. 主噴孔の入口部は、出口側の内径を上流側へ所定の曲率半径をもって拡径するように形成したことを特徴とする請求項１に記載のマルチホール型インジェクタ。
4. 主噴孔の入口部は、出口側の内径を上流側へ断面形状が扁平化するように拡径したことを特徴とする請求項１に記載のマルチホール型インジェクタ。