JP2009293443A - 燃料噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃焼速度を速めることでエンジン出力を向上し、エミッションを低減する燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】シリンダの軸100方向から見たとき、噴孔の中心軸線が吸気弁領域11と排気弁領域12とを通っており、噴射方向が吸気弁領域11から排気弁領域12に向かう方向となっている。このため、吸入工程においてシリンダ内に流入する吸気流を燃料噴射装置から噴射される燃料によって加速することができる。これにより、混合気の均質性が向上すると共に混合気の乱れが大きくなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関(以下、「エンジン」という)に燃料を噴射供給する燃料噴射装置に関する。
従来、複数の噴孔を有する燃料噴射装置をエンジンのシリンダ上面の略中央に設置し、各噴孔から噴射される燃料を円錐状に設定し、圧縮工程中に燃料を噴射して成層混合気を形成することにより、エンジンの燃費を改善する手段が特許文献1に開示されている。
しかしながら、上記手段では、成層燃焼時には有効であるが、全負荷時の吸気行程中に燃料を噴射する条件では、十分にエンジンの出力性能を引き出せない可能性がある。その理由は下記による。
一般に、エンジンは、噴射した燃料と空気とを十分に混合し、かつ、点火時の混合気の乱れを向上させるほど燃焼速度が増大し、出力が増大する。
しかし、特許文献1記載の燃料噴射装置では、燃料をシリンダ上面の略中央からピストンに向けて円錐状に噴射するので、吸気弁側に噴射された燃料は吸気流に対向する方向に噴射される。このため、混合気の乱れが減衰するとともに、燃料と空気との混合が十分に促進されず、エンジンの出力が低下する可能性がある。
特開2006−183597号公報
本発明の目的は、燃焼速度を速めることでエンジン出力を向上し、エミッションを低減する燃料噴射装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、着火性を良くする燃料噴射装置を提供することにある。
請求項1に記載の発明によると、燃料噴射装置は、内燃機関のシリンダ上面の略中央に位置するように取り付けられて用いられ、単一または複数の噴孔を有する噴孔プレートを備える。シリンダの中心軸方向から見たとき、単一または複数の噴孔の中心軸線が吸気弁領域と排気弁領域とを通り、この単一または複数の噴孔から噴射される燃料の噴射方向が吸気弁領域から排気弁領域に向かう構成になっている。吸入工程においてシリンダ内に流入する吸気流を、噴孔から噴射される高圧燃料が加速する。このため、空気と燃料との混合が促進すると共に混合気の乱れが大きくなる。これにより、混合気の均質性が向上し、燃焼速度を速くすることができる。この結果、エンジンの出力を向上し、エミッションを低減することができる。
請求項2に記載の発明によると、噴孔の中心軸とシリンダの中心軸とでなす角度θを20〜45°に設定する。さらに、請求項3に記載の発明によると、シリンダの中心軸方向から見たとき、複数の噴孔の中心軸の最外角αを40〜90°に設定する。これにより、噴孔から噴射される高圧燃料によって吸気流が高効率に加速され、混合気の乱れを大きくすることができる。
請求項4に記載の発明によると、内燃機関のシリンダ上面の略中央に位置するように取り付けられる点火プラグを備える。シリンダの中心軸方向から見たとき、点火プラグのプラグギャップ領域を避けて噴射方向を設定する。このため、点火プラグ部への燃料衝突による燃料濡れを抑制し、失火もしくは点火プラグのくすぶりを減少することができる。
請求項5に記載の発明によると、内燃機関のシリンダ上面の略中央に位置するように取り付けられて用いられる燃料噴射装置は、第1噴孔群と第2噴孔群を有している。第1噴孔群は、シリンダの中心軸方向から見たとき、単一または複数の噴孔の中心軸線が吸気弁領域と排気弁領域とを通り、この単一または複数の噴孔から噴射される燃料の噴射方向が吸気弁領域から排気弁領域に向かう構成になっている噴孔で構成される。第2噴孔群は、点火プラグのプラグギャップ領域を挟む方向に中心軸線を設定した少なくとも2つ以上の噴孔で構成される。エンジンの均質燃焼モードでは、吸入工程においてシリンダ内に流入する吸気流が第1噴孔群からから噴射される高圧燃料によって加速する。これにより、空気と燃料との混合が促進し、混合気の乱れが大きくなる。この結果、混合気の均質性を向上し、燃焼速度を速くすることができる。さらに、成層燃焼モードでは、圧縮工程において第2噴孔群がプラグギャップ領域へ燃料を拡散することで、着火性を向上することができる。
請求項6に記載の発明によると、第1噴孔群を構成する噴孔の中心軸と、シリンダの中心軸とでなす角度θを20〜45°に設定する。さらに、請求項7に記載の発明によると、第1噴孔群は複数の噴孔で構成される。シリンダの中心軸方向から見たとき、第1噴孔群の噴孔の中心軸の最外角αを40〜90°に設定する。これにより、第1噴孔群から噴射される高圧燃料によって吸気流が高効率に加速され、混合気の乱れを大きくすることができる。
請求項8に記載の発明によると、第2噴孔群を構成する各噴孔の中心軸でなす角度のうち、プラグギャップ領域を挟む中心軸の最内角βを40〜60°に設定する。これにより、プラグギャップ領域の混合気の濃度および流速を適正にし、着火率を向上することができる。
請求項9に記載の発明によると、シリンダの中心軸とプラグギャップ領域とを含む平面を垂直方向から見た場合、第2噴孔群を構成する噴孔から噴射される噴霧の輪郭が、プラグギャップ領域を通っている。これにより、プラグギャップ領域に適正濃度の混合気を拡散することができる。
請求項10に記載の発明によると、第1噴孔群の噴射量は第2噴孔群の噴射量より多い。このため、第2噴孔群の噴射方向が吸気流を加速する方向に向いていない場合、第2噴孔群の噴射燃料は、第1噴孔群からの噴射燃料が吸気流を加速する効果を極力阻害しない。これにより、均質燃焼モードでは吸気流を加速し、成層燃焼モードでは着火性を向上することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による燃料噴射装置(以下、燃料噴射装置を「インジェクタ」という。)を適用したエンジンシステムを図2に示す。エンジンシステム1は、エンジン本体2、および制御装置(ECU)3を備えている。エンジン本体2は、例えばガソリンを燃料とするガソリンエンジンである。エンジン本体2は、シリンダブロック4とシリンダヘッド5とを備えている。シリンダブロック4は、筒状のシリンダ6を形成している。エンジン本体2は、1つまたは複数のシリンダ6を有している。シリンダ6は、内側にピストン7を収容している。ピストン7は、シリンダ6の軸方向へ往復移動する。
シリンダヘッド5は、シリンダブロック4の一方の端部側に配置されている。シリンダヘッド5は、吸気ポート8および排気ポート9を形成している。エンジン本体2は、シリンダヘッド5を貫いて吸気ポート8を開閉する吸気弁14と、排気ポート9を開閉する排気弁16とを備えている。シリンダ6を形成するシリンダブロック4の内壁面と、シリンダヘッド5のシリンダブロック4側の面と、ピストン7のシリンダヘッド5側の端面と、吸気弁14のピストン7側の端面と、排気弁16のピストン7側の端面とが形成する空間は燃焼室18である。
インジェクタ10および点火プラグ13は、シリンダヘッド5を貫いて設けられている。シリンダヘッド5の燃焼室18側の面がシリンダ上面である。インジェクタ10および点火プラグ13は、端部をシリンダ上面から燃焼室18に露出している。インジェクタ10は、燃料ポンプで加圧された燃料を燃焼室を流れる吸気へ噴射する。
ECU3は、例えばCPU、ROMおよびRAMから構成されるマイクロコンピュータである。ECU3は、インジェクタ10および点火プラグ13に接続している。ECU3は、インジェクタ10および点火プラグ13だけでなく、図示しない回転センサ、スロットルセンサおよび水温センサ等に接続している。ECU3は、エンジン本体2の運転状態および負荷状態を検出し、インジェクタ10の噴射量および噴射タイミング、噴射量および点火プラグ13の点火時期を制御する。
図3に示すように、エンジンの吸気行程において、ピストン7の往復移動によって吸気ポート8と吸気弁との開口からシリンダ6内へ空気が流入する。空気は、矢印101および矢印102に示すように流入する。矢印101の方向に流れる空気量は、矢印102の方向に流れる空気量より大きい。このため、燃焼室18では矢印101の方向の吸気流が発生し、タンブル流が形成される。
次に、本発明のインジェクタ10の基本構成および作動を説明する。
図4に示すようにインジェクタ10のハウジング40は筒状に形成されている。ハウジング40は、同軸上に第一磁性部42、非磁性部44および第二磁性部46を有している。非磁性部44は、第一磁性部42と第二磁性部46との磁気的な短絡を防止する。固定コア54は、磁性材料により筒状に形成され、ハウジング40の内周側に固定されている。可動コア50は、磁性材料で筒状に形成され、ハウジング40の内周側に収容されている。可動コア50は、ハウジング40の内周側を軸方向へ往復移動可能である。
ハウジング40の外周側にはスプール62が装着されている。スプール62には、コイル60が巻回されている。スプール62およびコイル60の外周側は樹脂モールド63により覆われている。樹脂モールド63は、ターミナル65を埋設するコネクタ64を一体に形成している。コイル60は、コネクタ64のターミナル65と電気的に接続されている。ターミナル65を経由してコイル60に通電されると、固定コア54と可動コア50との間には磁気吸引力が発生する。
アジャスティングパイプ56は、固定コア54の内周側に圧入されている。スプリング58は、一方の端部がアジャスティングパイプ56に当接し、他方の端部が可動コア50に当接している。スプリング58は、可動コア50が固定コア54から離間する方向へ付勢する。アジャスティングパイプ56の圧入量を調整することにより、可動コア50を付勢するスプリング58の荷重が調整される。
ハウジング40の軸方向の一方の端部には入口部材47が設けられている。入口部材47に形成される燃料入口48には、燃料タンクから燃料ポンプにより加圧された燃料が供給される。燃料入口48から流入した燃料は、フィルタ70を経由してハウジング40の内周側に流入する。フィルタ70は、燃料に含まれる異物を除去する。
ハウジング40の軸方向の他方の端部にはノズルホルダ41が接続されている。ノズルホルダ41は筒状に形成され、端部に開口43を形成している。弁ボディ51は、筒状に形成され、ノズルホルダ41の内側に固定されている。弁ボディ51は、先端部に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁52に弁座53を有している。弁ボディ51の先端側の端部とノズルホルダ41との間には、有底筒状の噴孔プレート19が設けられている。噴孔プレート19は、ノズルホルダ41の開口43の内周側に複数の噴孔20を有している。
弁部材としてのニードル弁38は、ハウジング40、ノズルホルダ41および弁ボディ51の内周側に軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル弁38は、一方の端部が可動コア50に接続されている。これにより、ニードル弁38は、可動コア50と一体に軸方向へ往復移動可能である。ニードル弁38の反可動コア側の端部には、弁ボディ51の弁座53に着座可能な当接部39が形成されている。
燃料入口48から入口部材47の内周側に流入した燃料は、フィルタ70、アジャスティングパイプ56の内周側に形成されている燃料通路31、ならびに固定コア54の内周側に形成されている燃料通路32を経由して、可動コア50の内周側に形成されている燃料通路33へ流れる。燃料通路33の燃料は、可動コア50の内周と外周とを連通する燃料孔34を経由して、ハウジング40とニードル弁38との間に形成される燃料通路35へ流れる。そして、燃料通路35の燃料は、ノズルホルダ41とニードル弁38との間に形成される燃料通路36を経由して、弁ボディ51とニードル弁38との間に形成されている燃料通路37へ流入する。
コイル60に通電されていないとき、ニードル弁38はスプリング58の付勢力により可動コア50とともに図4の下方へ移動している。そのため、当接部39は弁座53に着座している。その結果、燃料通路37から噴孔20への燃料の流れは遮断され、燃料は噴射されない。
コイル60に通電されると、固定コア54と可動コア50との間には磁気吸引力が発生する。これにより、可動コア50ならびに可動コア50と一体のニードル弁38は、スプリング58の付勢力に抗して固定コア54方向へ移動する。そのため、当接部39は弁座53から離座する。その結果、燃料通路37から噴孔20への燃料の流れは許容される。弁ボディ51の弁座53とニードル弁38の当接部39との間に形成される開口を通過した燃料は、弁座53の下流側の燃料通路55から弁ボディ51の燃料孔56を経由し、噴孔プレート19に形成されている噴孔20から図2に示すエンジン本体2の燃焼室18へ噴射される。
コイル60への通電が停止されると、固定コア54と可動コア50との間の磁気吸引力が消滅する。これにより、可動コア50ならびにニードル弁38は、スプリング58の付勢力により図4の下方へ移動する。そのため、当接部39は再び弁座53に着座する。その結果、燃料通路37から噴孔20への燃料の流れは遮断され、燃料の噴射は終了する。
次に、噴孔プレート19に形成されている噴孔20について説明する。
本実施形態のインジェクタを備えるエンジン本体をシリンダ6の中心軸100方向から見た模式図を図1に示す。燃焼室18には、吸気ポート8および排気ポート9がそれぞれ2本づつ連通している。吸気ポート8の端部に吸気弁14が設けられ、排気ポート9の端部に排気弁16が設けられている。点火プラグ13は、吸気弁14と排気弁16で囲まれたシリンダ6の上面の略中央に設けられている。インジェクタは、吸気弁14と排気弁16で囲まれたシリンダ6の上面の略中央の噴射位置200に設けられる。
シリンダ6の中心軸100と平行な仮想平面109で燃焼室18を区分したとき、2つの吸気弁14が配置された領域を吸気弁領域11と称し、2つの排気弁が配置された領域を排気弁領域12と称する。点火プラグ13およびインジェクタの噴射位置200は、仮想平面109上に設けられている。また、点火プラグ13およびインジェクタの噴射位置200は、シリンダ6の中心軸100を含み、仮想平面109に垂直な平面に対して対称な位置に設けられている。
図5に示すように、噴孔プレート19には、6個の噴孔21〜26がインジェクタ10の中心軸108と噴孔プレート19との接点を中心とする円周上に形成されている。周方向に隣接する各噴孔の間隔は等しく、噴孔プレート19の機械的強度を確保している。各噴孔21〜26の中心軸21b〜26bはインジェクタの中心軸108に対して傾斜して形成されているので、各噴孔21〜26は噴孔プレート19に楕円形に開口している。
噴孔プレート19を、インジェクタ10の中心軸108を通る直線で区分したとき、図5の右側がシリンダ6の吸気弁領域11に対応する領域15である。図5の左側がシリンダ6の排気弁領域12に対応する領域17である。図5に記載する矢印は、各噴孔から噴射される燃料の噴射方向を示している。各噴孔21〜26は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート19の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。
各噴孔21〜26から噴射されるそれぞれの噴霧21a〜26aを図1に示す。噴霧21a〜26aは、各噴孔21〜26の中心軸21b〜26bに沿って形成され、噴孔から遠くなるに従い拡散して輪郭を大きくする。
シリンダ6の中心軸100に対して垂直な平面に、各噴孔21〜26の中心軸21b〜26b、吸気弁領域11および排気弁領域12を投影したとき、中心軸21b〜26bの延長線は、吸気弁領域11および排気弁領域12を通っている。
インジェクタ10の中心軸108と噴孔プレート19との接点を含み仮想平面109に垂直かつシリンダ6の中心軸100に平行な平面に対し、中心軸23b、24b、22bと中心軸21b、25b、26bとはそれぞれ左右対称に配置され、インジェクタの中心軸108から見て扇状となっている。扇状の最外角に、中心軸26bと中心軸23bとが配置されている。シリンダ6の中心軸100の方向から見たとき、中心軸26bと中心軸23bとでなす最外角αは、40〜90°に設定されている。
吸気弁領域11を右に、排気弁領域12を左に見た図6では、吸気行程においてシリンダ6内には矢印101の方向の吸気流が形成される。噴孔21の中心軸21bとシリンダ6の中心軸100とのなす角度θは20〜45°に設定されている。また、噴孔22〜26の中心軸22b〜26bとシリンダ6の中心軸100とのなす角度θも同様に、20〜45°に設定されている。このため、噴霧21a〜26aは、排気弁領域12を吸気流が流れる矢印101の方向と略同じ方向に形成され、吸気流を加速する。
このように加速された吸気流が圧縮行程で潰されることで混合気の乱れが大きくなる。混合気の乱流成分の運動エネルギーが乱流エネルギーである。
各噴孔の中心軸とシリンダ6の中心軸100とのなす角度θを変化させたとき、エンジンの点火時における混合気の乱流エネルギーの変化を図7に示す。本実施形態のインジェクタ10による混合気の乱流エネルギーを実線104で示す。従来のインジェクタによる混合気の乱流エネルギーを破線105で示す。従来のインジェクタは、シリンダの上面の略中央に設けられ、シリンダの中心軸線と平行な中心軸を有する円錐面に沿って、複数の噴孔からピストンに向けて燃料を噴射するものである。
本実施形態のインジェクタ10における混合気の乱流エネルギーは、角度θを20〜45°に設定したとき、従来のインジェクタによる混合気の乱流エネルギーの最大値K(m2/s2)を超えるものとなる。
複数の噴孔の中心軸の最外角αを変化させたとき、エンジンの点火時における混合気の乱流エネルギーの変化を図8に示す。本実施形態のインジェクタ10による混合気の乱流エネルギーを実線106で示す。本実施形態のインジェクタ10における混合気の乱流エネルギーは、最外角αを40〜90°に設定したとき、従来のインジェクタにおいて図7で示した混合気の乱流エネルギーの最大値K(m2/s2)を超えるものとなる。
本実施形態では、シリンダの上面の略中央の噴射位置より、上記角度θおよび最外角αで設定した複数の噴孔から燃料を噴射することで吸気流を加速することができる。この加速された吸気流は圧縮工程で潰され、エンジンの点火時における混合気の乱れが大きくなり、均質性を向上する。このため、燃焼速度を速くすることができる。この結果、エンジンの出力を向上し、エミッションを低減することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態によるインジェクタの噴孔およびこの近傍を図9に示す。第1実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。第2実施形態は第1実施形態の変形例である。噴孔27は、中心軸108に垂直な断面が扁平なスリット形状に形成されている。図9に記載する矢印は、噴孔27から噴射される燃料の両端部の噴射方向を示している。噴孔27は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート191の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。したがって、噴射方向は、吸気弁領域から排気弁領域に向かう方向となっている。
両端部の延長線27b、27cのなす最外角αは40〜90°に設定されている。シリンダの中心軸を含む平面による噴孔27の噴霧の断面の中心線と、シリンダの中心軸とのなす角度は20〜45°に設定されている。
本実施形態では、スリット形状の噴孔27から噴射される燃料の貫徹力が強くなる。このような噴孔から噴射される噴霧によっても吸気流を加速して混合気の乱れを大きくし、混合気の均質性を向上することで、燃焼速度を速くすることができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態によるインジェクタを備えるエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図を図10に示し、インジェクタの噴孔およびこの近傍を図11に示す。第1、第2実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
第3実施形態では、点火プラグ13とインジェクタの噴射位置201は、シリンダ6の上面のうち、シリンダ6の中心軸100を含み、仮想平面109に垂直な平面上に設けられている。点火プラグ13は排気弁領域12側に設けられ、インジェクタの噴射位置201は吸気弁領域11側に設けられている。
噴孔プレート192には、6個の噴孔211〜261がインジェクタの中心軸108と噴孔プレート192との接点を中心とする円周上に形成されている。噴孔211〜261は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート192の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。
図10に示すように、噴孔211〜261から噴射される噴霧211a〜261aは、シリンダ6の中心軸100を含み、仮想平面109に垂直な平面に対して対称に配置され、扇状になっている。この扇状の噴霧の最外角に、噴孔241、251の中心軸241b、251bが配置されている。噴孔221、211から噴射される噴霧221a、211aは、点火プラグ13の中心電極と設置電極との隙間のプラグギャップ領域を通過していない。
シリンダ6の中心軸100の方向から見たとき、中心軸241bと中心軸251bとでなす最外角αは40〜90°に設定されている。噴孔211〜261の中心軸211b〜261bと、シリンダの中心軸100とのなす角度は20〜45°に設定されている。
本実施形態では、噴孔221、211の噴射方向は、点火プラグ13のプラグギャップ領域を挟んで設定されている。このため、点火プラグ13への燃料衝突による燃料濡れを抑制し、着火性を良くすることができる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態によるインジェクタの噴孔およびこの近傍を図12に示す。第1〜第3実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。第4実施形態は第3実施形態の変形例である。噴孔271、281は、中心軸108に垂直な断面が扁平なスリット形状に形成されている。噴孔271、281は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート193の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。噴孔281の端部の延長線281bと、噴孔271の端部の延長線271bとのなす最外角αは40〜90°に設定されている。シリンダの中心軸を含む平面による噴孔271、281の噴霧の断面の中心線と、シリンダの中心軸とのなす角度は20〜45°に設定されている。
噴孔271、281の端部の延長線271c、281cは、噴孔271、281から噴射される燃料が点火プラグのプラグギャップ領域を通らないように設定されている。
本実施形態では、スリット形状の噴孔271、281は、点火プラグのプラグギャップ領域を避けるように噴射方向を設定している。このため、点火プラグへの燃料衝突による燃料濡れを抑制し、着火性を良くすることができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態によるインジェクタを備えるエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図を図13に示し、インジェクタの噴孔およびこの近傍を図14に示す。第1〜第4実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
点火プラグ13およびインジェクタの噴射位置202は、シリンダ6上面の仮想平面109上に設けられている。また、点火プラグ13およびインジェクタの噴射位置202は、シリンダ6の中心軸100を含み仮想平面109に垂直な平面に対して対称な位置に設けられている。
噴孔プレート194には、6個の噴孔212〜262がインジェクタの中心軸108と噴孔プレート194との接点を中心とする円周上に形成されている。周方向に隣接する各噴孔の間隔は等しく形成されている。噴孔212、222、232、262は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート194の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。噴孔212、222、232、262は、第1噴孔群を構成する。噴孔242、252は、燃料を噴射する方向をプラグギャップ領域を挟む方向に形成されている。噴孔242、252は第2噴孔群を構成する。
シリンダ6の中心軸100に対して垂直な平面に、第1噴孔群を構成する噴孔212、222、232、262の中心軸212b、222b、232b、262b、吸気弁領域11および排気弁領域12を投影したとき、中心軸212b、222b、232b、262bの延長線は、吸気弁領域11および排気弁領域12を通っている。
インジェクタの中心軸108と噴孔プレート194との接点を含み仮想平面に垂直かつシリンダ6の中心軸100に平行な平面に対し、中心軸232b、222bと中心軸262b、212bとはそれぞれ左右対称に配置され、インジェクタの中心軸108から見て扇状となっている。扇状の最外角には、中心軸232bと中心軸262bとが配置されている。シリンダ6の中心軸100の方向から見たとき、中心軸232bと中心軸262bとでなす最外角αは、40〜90°に設定されている。
吸気弁領域11を右に、排気弁領域12を左に見た図15では、噴孔212の中心軸212bとシリンダ6の中心軸100とのなす角度θは、20〜45°に設定されている。また、第1噴孔群を構成する他の噴孔222、232、262の中心軸222b、232b、262bと、シリンダ6の中心軸100とのなす角度θも同様に20〜45°に設定されている。このため、噴霧212a、222a、232a、262aは、排気弁領域12を吸気流が流れる矢印101の方向と略同じ方向に形成され、吸気流を加速する。
第2噴孔群を構成する噴孔242、252の中心軸242b、252bは、点火プラグ13を挟んで対称となるように設定されている。噴孔242、252から噴射される噴霧242a、252aは、シリンダ6の中心軸100方向から見たとき、プラグギャップ領域を通っていない。
プラグギャップ領域131とシリンダ6の中心軸100とを含む平面を、この平面に垂直な方向から見たとき、図16に示すように、噴霧242aの輪郭はプラグギャップ領域131を通っている。第2噴孔群を構成する他の噴孔252の噴霧252aの輪郭も同様にプラグギャップ領域131を通っている。噴霧242a、252aの輪郭とは、噴霧の密度が所定の値を満たす噴霧の外線をいう。なお、噴孔242、252の中心軸242b、252bがプラグギャップ領域131を通ることが好ましい。
プラグギャップ領域131を挟む第2噴孔群の噴孔242、252の中心軸242b、252bの最内角βを変化させたときのエンジンの失火率を図17に示す。本実施形態のインジェクタは、最内角βが40〜60°の範囲で失火率が0になる。最内角βが40°より小さいとき、プラグギャップ領域の混合気の濃度が過濃となり、さらに、混合気の流速が増大して火花放火を阻害するため失火率が大きくなる。一方、最内角βが60°より大きいとき、プラグギャップ領域の混合気の濃度が希薄となり、失火率が大きくなる。
本実施形態では、吸気行程で燃料を噴射する均質燃焼モードでは、燃焼室18の吸気流が第1噴孔群から噴射される燃料によって加速し、空気と燃料との混合が促進する。圧縮工程でこの加速された吸気流が潰され、混合気の乱れが大きくなる。この結果、混合気の均質性を向上し、燃焼速度を速くすることができる。
さらに、圧縮工程で燃料を噴射する成層燃焼モードでは、第2噴孔群がプラグギャップ領域へ適正な濃度および流速の混合気を拡散することで、着火性を向上することができる。
また、本実施形態では、第1噴孔群を構成する噴孔212、222、232、262の数が、第2噴孔群を構成する噴孔242、252の数より多く設定されている。このため、第1噴孔群の噴射量は第2噴孔群の噴射量より多い。これにより、均質燃焼モードにおいて第1噴孔群の噴射燃料が吸気流を加速する効果を、第2噴孔群の噴射燃料が極力阻害しないようにすることができる。
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態によるインジェクタの噴孔およびこの近傍を図18に示す。第1〜第5実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。第6実施形態は第5実施形態の変形例である。第1噴孔群を構成する噴孔272は、中心軸108に垂直な断面が扁平なスリット形状に形成されている。噴孔272は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート195の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。第2噴孔群を構成する噴孔282、292は、燃料を噴射する方向をプラグギャップ領域を挟む方向に形成されている。
噴孔272の端部の延長線272b、272cのなす最外角αは40〜90°に設定されている。シリンダの中心軸を含む平面による噴孔272の噴霧の断面の中心線と、シリンダの中心軸とのなす角度は20〜45°に設定されている。
噴孔282、292は、噴孔282、292から噴射される燃料が点火プラグのプラグギャップ領域を通らないように設定されている。噴孔282、292は、シリンダ6の中心軸方向から見たとき、中心線282b、292bのなす最内角βを40〜60°に設定している。また、噴孔282、292は、プラグギャップ領域とシリンダの中心軸とを含む平面を、この平面に垂直な方向から見たとき、噴孔282、292の噴霧の輪郭がプラグギャップ領域を通るように設定している。
本実施形態では、均質燃焼モードでは、第1噴孔群を構成するスリット形状の噴孔272から噴射される燃料によって吸気流を加速して混合気の乱れを大きくし、混合気の均質性を向上することで、燃焼速度を速くすることができる。
さらに、成層燃焼モードでは、第2噴孔群を構成する噴孔282、292がプラグギャップ領域へ適正な濃度および流速の混合気を拡散することで、着火性を向上することができる。
また、本実施形態では、噴孔272から噴射される噴射量は噴孔282、292から噴射される噴射量より多い。これにより、均質燃焼モードにおいて第1噴孔群の噴射燃料が吸気流を加速する効果を、第2噴孔群の噴射燃料が極力阻害しないようにすることができる。
(第7実施形態)
本発明の第7実施形態によるインジェクタを備えるエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図を図19に示し、インジェクタの噴孔およびこの近傍を図20に示す。第1〜第6実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
点火プラグ13およびインジェクタの噴射位置202は、シリンダ6の上面のうち、シリンダ6の中心軸100を含み、仮想平面109に垂直な平面上に設けられている。点火プラグ13は吸気弁領域11側に設けられ、インジェクタの噴射位置201は排気弁領域12側に設けられている。
噴孔プレート196には、6個の噴孔213〜263がインジェクタの中心軸108と噴孔プレート196との接点を中心とする円周上に形成されている。周方向に隣接する各噴孔の間隔は等しく形成されている。第1噴孔群を構成する噴孔213、223、233、263は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート196の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。第2噴孔群を構成する噴孔243、253は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート196の領域17から領域15に向かう方向に形成されている。
シリンダ6の中心軸100に対して垂直な平面に、第1噴孔群を構成する噴孔213、223、233、263の中心軸213b、223b、233b、263b、吸気弁領域11および排気弁領域12を投影したとき、中心軸213b、223b、233b、263bの延長線は、吸気弁領域11および排気弁領域12を通っている。
インジェクタの中心軸108と噴孔プレート196との接点を含み仮想平面に垂直かつシリンダ6の中心軸100に平行な平面に対し、中心軸233b、223bと中心軸263b、213bとはそれぞれ左右対称となるよう設定され、インジェクタの中心軸108から見て扇状となっている。扇状の最外角には、中心軸233bと中心軸263bとが配置されている。シリンダ6の中心軸100の方向から見たとき、中心軸232bと中心軸262bとでなす最外角αは、40〜90°に設定されている。
噴孔243、253の中心軸243b、253bは、点火プラグ13を挟んで対称となるよう設定されている。噴孔243、253から噴射される噴霧243a、253aは、シリンダ6の中心軸100方向から見たとき、プラグギャップ領域を通っていない。中心軸243bと中心軸253bとのなす最内角βは40〜60°に設定されている。
吸気弁領域11を右に、排気弁領域12を左に見た図21では、噴孔213の中心軸213bとシリンダ6の中心軸100とのなす角度θは、20〜45°に設定されている。また、第1噴孔群を構成する他の噴孔223、233、263の中心軸223b、233b、263bと、シリンダ6の中心軸100とのなす角度θも同様に20〜45°に設定されている。このため、噴霧213a、223a、233a、263aは、排気弁領域12を吸気流が流れる矢印101の方向と略同じ方向に形成され、吸気流を加速する。
プラグギャップ領域131とシリンダ6の中心軸100とを含む平面を、この平面に垂直な方向から見たとき、噴霧253aの輪郭はプラグギャップ領域131を通っている。第2噴孔群を構成する他の噴孔243の噴霧243aの輪郭も同様にプラグギャップ領域131を通っている。
本実施形態では、均質燃焼モードでは、燃焼室18の吸気流が第1噴孔群から噴射される燃料によって加速し、空気と燃料との混合が促進する。圧縮工程でこの加速された吸気流が潰され、混合気の乱れが大きくなる。この結果、混合気の均質性を向上し、燃焼速度を速くすることができる。
さらに、成層燃焼モードでは、第2噴孔群が吸気弁領域11側のプラグギャップ領域へ適正な濃度および流速の混合気を拡散することで、着火性を向上することができる。
また、本実施形態では、第1噴孔群の噴射量は第2噴孔群の噴射量より多い。このため、均質燃焼モードにおいて第1噴孔群の噴射燃料が吸気流を加速する効果を、第2噴孔群の噴射燃料が極力阻害しないようにすることができる。
(第8実施形態)
本発明の第8実施形態によるインジェクタの噴孔およびこの近傍を図22に示す。第1〜第7実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。第8実施形態は第7実施形態の変形例である。第1噴孔群を構成する噴孔273は、中心軸108に垂直な断面が扁平なスリット形状に形成されている。噴孔273は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート197の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。第2噴孔群を構成する噴孔283、293は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート197の領域17から領域15に向かう方向に形成されている。
噴孔273の端部の延長線273b、273cのなす最外角αは40〜90°に設定されている。シリンダの中心軸を含む平面による噴孔273の噴霧の断面の中心線と、シリンダの中心軸とのなす角度は20〜45°に設定されている。
噴孔283、293は、噴孔283、293から噴射される燃料が点火プラグのプラグギャップ領域を通らないように設定されている。噴孔283、293は、シリンダ6の中心軸方向から見たとき、中心線283b、293bのなす最内角βを40〜60°に設定している。また、噴孔282、292は、プラグギャップ領域とシリンダの中心軸とを含む平面を、この平面に垂直な方向から見たとき、噴孔283、293の噴霧の輪郭がプラグギャップ領域を通るように設定している。
本実施形態では、均質燃焼モードでは、第1噴孔群を構成するスリット形状の噴孔273から噴射される燃料によって吸気流が加速し、空気と燃料との混合が促進する。圧縮工程でこの加速された吸気流が潰され、混合気の乱れが大きくなる。この結果、混合気の均質性を向上し、燃焼速度を速くすることができる。
さらに、成層燃焼モードでは、第2噴孔群が吸気弁領域11側のプラグギャップ領域へ適正な濃度および流速の混合気を拡散することで、着火性を向上することができる。
また、本実施形態では、第1噴孔群の噴射量は第2噴孔群の噴射量より多い。このため、均質燃焼モードにおいて第1噴孔群の噴射燃料が吸気流を加速する効果を、第2噴孔群の噴射燃料が極力阻害しないようにすることができる。
(第9実施形態)
本発明の第9実施形態によるインジェクタを備えるエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図を図23に示し、インジェクタの噴孔およびこの近傍を図24に示す。第1〜第8実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
点火プラグ13およびインジェクタの噴射位置202は、シリンダ6の上面のうち、シリンダ6の中心軸100を含み、仮想平面109に垂直な平面上に設けられている。点火プラグ13は排気弁領域12側に設けられ、インジェクタの噴射位置201は吸気弁領域11側に設けられている。
噴孔プレート198には、6個の噴孔214〜264がインジェクタの中心軸108と噴孔プレート198との接点を中心とする円周上に形成されている。周方向に隣接する各噴孔の間隔は等しく形成されている。噴孔234、244、254、264は、第1噴孔群を構成する。噴孔214、224は第2噴孔群を構成する。第1噴孔群および第2噴孔群を構成する噴孔214〜264は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート198の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。
シリンダ6の中心軸100に対して垂直な平面に、第1噴孔群および第2噴孔群を構成する噴孔214〜264の中心軸214b〜264b、吸気弁領域11および排気弁領域12を投影したとき、中心軸214b〜264bの延長線は、吸気弁領域11および排気弁領域12を通っている。
インジェクタの中心軸108と噴孔プレート198との接点を含み仮想平面に垂直かつシリンダ6の中心軸100に平行な平面に対し、中心軸244b、234b、224bと中心軸254b、264b、214bとはそれぞれ左右対称となるよう設定され、インジェクタの中心軸108から見て扇状となっている。扇状の最外角には、中心軸244bと中心軸254bとが配置されている。シリンダ6の中心軸100の方向から見たとき、中心軸244bと中心軸254bとでなす最外角αは、40〜90°の間に設定されている。
噴孔224、214の中心軸224b、214bは、点火プラグ13を挟んで対称に配置されている。噴孔224、214から噴射される噴霧224a、214aは、シリンダ6の中心軸100方向から見たとき、プラグギャップ領域を通っていない。中心軸224bと中心軸214bとのなす最内角βは40〜60°に設定されている。
吸気弁領域11を右に、排気弁領域12を左に見た図25では、噴孔264の中心軸264bとシリンダ6の中心軸100とのなす角度θは、20〜45°に設定されている。また、第1噴孔群を構成する他の噴孔234、244、254の中心軸234b、244b、254bと、シリンダ6の中心軸100とのなす角度θも同様に20〜45°に設定されている。このため、噴霧234a、244a、254a、264aは、排気弁領域12を吸気流が流れる矢印101の方向と略同じ方向に形成され、吸気流を加速する。
プラグギャップ領域131とシリンダ6の中心軸100とを含む平面を、この平面に垂直な方向から見たとき、噴霧214aの輪郭はプラグギャップ領域131を通っている。第2噴孔群を構成する他の噴孔224の噴霧224aの輪郭も同様にプラグギャップ領域131を通っている。
本実施形態では、均質燃焼モードでは、燃焼室18の吸気流が第1噴孔群から噴射される燃料によって加速し、空気と燃料との混合が促進する。圧縮工程でこの加速された吸気流が潰され、混合気の乱れが大きくなる。この結果、混合気の均質性を向上し、燃焼速度を速くすることができる。
さらに、成層燃焼モードでは、第2噴孔群が吸気弁領域11側のプラグギャップ領域へ適正な濃度および流速の混合気を拡散することで、着火性を向上することができる。
(第10実施形態)
本発明の第10実施形態によるインジェクタの噴孔およびこの近傍を図26に示す。第1〜第9実施形態と実質的に同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。第10実施形態は第9実施形態の変形例である。第1噴孔群を構成する噴孔274、284は、中心軸108に垂直な断面が扁平なスリット形状に形成されている。第1噴孔群を構成する噴孔274、284および第2噴孔群を構成する噴孔294、304は、燃料を噴射する方向を噴孔プレート199の領域15から領域17に向かう方向に形成されている。
噴孔274の端部の延長線274bと、噴孔284の端部の延長線284bとのなす最外角αは40〜90°に設定されている。シリンダの中心軸を含む平面による噴孔274、284の噴霧の断面の中心線と、シリンダの中心軸とのなす角度は20〜45°に設定されている。
噴孔274、284の端部の延長線274c、284cは、噴孔274、284から噴射される燃料が点火プラグのプラグギャップ領域を通過しないように設定されている。
噴孔294、304は、シリンダの中心軸方向から見たとき、中心線294b、304bのなす最内角βを40〜60°に設定している。また、噴孔294、304は、プラグギャップ領域とシリンダの中心軸とを含む平面を、この平面に垂直な方向から見たとき、噴孔283、293の噴霧の輪郭がプラグギャップ領域を通るように設定している。
本実施形態では、均質燃焼モードでは、第1噴孔群を構成するスリット形状の噴孔274、284から噴射される燃料によって吸気流が加速し、空気と燃料との混合が促進する。圧縮工程でこの加速された吸気流が潰され、混合気の乱れが大きくなる。この結果、混合気の均質性を向上し、燃焼速度を速くすることができる。
さらに、成層燃焼モードでは、第2噴孔群がプラグギャップ領域へ適正な濃度および流速の混合気を拡散することで、着火性を向上することができる。
また、本実施形態では、スリット形状の噴孔274、284の噴射方向は、点火プラグのプラグギャップ領域を避けて設定されている。このため、点火プラグへの燃料衝突による燃料濡れを抑制し、着火性を良くすることができる。
(他の実施形態)
上述した第1および第3実施形態では、噴孔プレートに6個の噴孔を形成するインジェクタについて説明した。また、第2および第4実施形態では、噴孔をスリット形状に形成するインジェクタについて説明した。これに対し、本発明は噴孔の数に制限はなく、1個または複数の噴孔を形成するものであればよい。
第5、第7および第9実施形態では、噴孔プレートに第1噴孔群を4個形成し、第2噴孔群を2個形成するインジェクタについて説明した。また、第6、第8および第10実施形態では、第1噴孔群をスリット形状に形成し、第2噴孔群を2個形成するインジェクタについて説明した。これに対し、本発明は、第1噴孔群と第2噴孔群の噴孔の数に制限はなく、複数の噴孔が形成されていればよい。
上述した第1〜第10実施形態では、吸気弁14および排気弁16をそれぞれ2個づつ備えるエンジンに適用されるインジェクタついて説明した。これに対し、吸気弁および排気弁の数に制限はなく、吸気弁および排気弁を1個づつ備えるエンジンまたは例えば吸気弁を2個、排気弁を1個備えるマルチバルブエンジンに本発明のインジェクタを適用してもよい。
このように、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、上記複数の実施形態を組み合わせることに加え、他の種々の実施形態に適用可能である。
本発明の第1実施形態による燃料噴射装置を適用したエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図。 本発明の第1実施形態による燃料噴射装置を適用したエンジンを示すシステム構成図。 本発明の第1実施形態による燃料噴射装置の吸気流を示す模式図。 本発明の第1実施形態による燃料噴射装置の断面図。 本発明の第1実施形態燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 図1のA−A線断面図。 本発明の第1実施形態による燃料噴射装置の特性図。 本発明の第1実施形態による燃料噴射装置の特性図。 本発明の第2実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 本発明の第3実施形態による燃料噴射装置を適用したエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図。 本発明の第3実施形態燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 本発明の第4実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 本発明の第5実施形態による燃料噴射装置を適用したエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図。 本発明の第5実施形態燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 図13のB−B線断面図。 図13のC−C線断面図。 本発明の第5実施形態による燃料噴射装置の特性図。 本発明の第6実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 本発明の第7実施形態による燃料噴射装置を適用したエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図。 本発明の第7実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 図19のD−D線断面図。 本発明の第8実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 本発明の第9実施形態による燃料噴射装置を適用したエンジン本体をシリンダの中心軸方向から見た模式図。 本発明の第9実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。 図23のE−E線断面図。 本発明の第10実施形態による燃料噴射装置の噴孔およびこの近傍を示す図。
符号の説明
10:インジェクタ、21:弁ボディ、23:弁座、25:噴孔、27:燃料溜り室、28:燃料通路、38:ニードル弁

Claims (10)

  1. 内燃機関のシリンダ上面の略中央に位置するように取り付けられて用いられる燃料噴射装置であって、
    内壁と外壁とを連通する燃料孔、内壁に形成される弁座、および、内壁の前記弁座の上流側及び下流側に形成される燃料通路、を有する弁ボディと、
    前記弁ボディ内を軸方向に往復移動可能に設けられ、前記弁座に着座および離座可能な弁部材と、
    前記弁ボディの燃料孔の出口側に設けられ、単一または複数の噴孔を有する噴孔プレートと、を備え、
    前記シリンダ内の空間を前記シリンダの中心軸と平行な仮想平面によって吸気弁が配置された吸気弁領域と排気弁が配置された排気弁領域とに区分すると、
    前記シリンダの中心軸方向から見たとき、前記単一または複数の噴孔の中心軸線が前記吸気弁領域と前記排気弁領域とを通り、前記単一または複数の噴孔から噴射される燃料の噴射方向が前記吸気弁領域から前記排気弁領域に向かう構成になっていることを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 前記単一または複数の噴孔の中心軸と前記シリンダの中心軸とでなす角度θを20〜45°に設定することを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射装置。
  3. 前記噴孔プレートの有する噴孔は複数であって、
    前記シリンダの中心軸方向から見たとき、前記複数の噴孔の中心軸の最外角αを40〜90°に設定することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料噴射装置。
  4. さらに、内燃機関のシリンダ上面の略中央に位置するように取り付けられる点火プラグを備え、
    前記シリンダの中心軸方向から見たとき、前記点火プラグのプラグギャップ領域を避けて噴射方向を設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
  5. 内燃機関のシリンダ上面の略中央に位置するように取り付けられて用いられる燃料噴射装置であって、
    内壁と外壁とを連通する燃料孔、内壁に形成される弁座、および、内壁の前記弁座の上流側及び下流側に形成される燃料通路、を有する弁ボディと、
    前記弁ボディ内を軸方向に往復移動可能に設けられ、前記弁座に着座および離座可能な弁部材と、
    前記弁ボディの燃料孔の出口側に設けられ、複数の噴孔を有する噴孔プレートと、を備え、
    前記シリンダ内の空間を前記シリンダの中心軸と平行な仮想平面によって吸気弁が配置された吸気弁領域と排気弁が配置された排気弁領域とに区分すると、
    前記シリンダの中心軸方向から見たとき、単一または複数の噴孔の中心軸線が前記吸気弁領域と前記排気弁領域とを通り、前記単一または複数の噴孔から噴射される燃料の噴射方向が前記吸気弁領域から前記排気弁領域に向かう構成になっている噴孔で構成される第1噴孔群と、
    点火プラグのプラグギャップ領域を挟む方向に中心軸線を設定した少なくとも2つ以上の噴孔で構成される第2噴孔群と、を有することを特徴とする燃料噴射装置。
  6. 前記第1噴孔群を構成する前記単一または複数の噴孔の中心軸と、前記シリンダの中心軸とでなす角度θを20〜45°に設定することを特徴とする請求項5に記載の燃料噴射装置。
  7. 前記第1噴孔群は複数の噴孔から構成され、
    前記シリンダの中心軸方向から見たとき、前記第1噴孔群の前記複数の噴孔の中心軸の最外角αを40〜90°に設定することを特徴とする請求項5または6に記載の燃料噴射装置。
  8. 前記第2噴孔群を構成する各噴孔の中心軸でなす角度のうち、前記プラグギャップ領域を挟む中心軸の最内角βを40〜60°に設定することを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
  9. 前記シリンダの中心軸と前記プラグギャップ領域とを含む平面を垂直方向から見た場合、前記第2噴孔群を構成する噴孔から噴射される噴霧の輪郭が、前記プラグギャップ領域を通っていることを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
  10. 前記第1噴孔群の噴射量は、前記第2噴孔群の噴射量より多いことを特徴とする請求項5〜9のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
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