JP2013185455A - 燃料噴射弁、及び該燃料噴射弁を備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に向けて燃料をホロコーン状に噴射する外開弁方式のインジェクタにおいて、燃料噴霧の先端付近から該噴霧の一部がコーン外側の負圧空間に向かって巻き上げられるのを抑制し、延いては、巻上げられた燃料噴霧が燃焼室の天井面に到達した後に燃焼して冷却損失が増大するのを防止する。
【解決手段】外開弁４２の弁本体４２ａにおけるノズル流路６０を形成する部分の面粗度を、噴射弁ボディ４３の弁座部４３ａにおけるノズル流路６０を形成する部分の面粗度よりも荒くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料噴射弁、及び、該燃料噴射弁を備えた内燃機関に関する技術分野に属する。

従来より、外開弁方式の燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料噴射弁は、先端部に弁座部を有する噴射弁ボディと、該弁座部に着座（当接）する弁体と、弁体を弁座部に対してリフト駆動するためのピエゾ駆動部と、を備えている。弁座部は、噴射弁ボディの先端側ほど拡径するテーパ面状をなしており、弁体における弁座部との当接面は同じくテーパ面状をなしている。そして、ピエゾ駆動部により弁体がリフトされると、弁座部と弁体との間にテーパ状のノズル流路が形成され、このノズル流路から燃焼室内に向かって燃料がホロコーン状（中空円錐状）に噴射される。噴射弁ボディ内には、高圧ポンプから供給される燃料をこのノズル流路へと導くための燃料通路が形成されている。そして、上記特許文献１に示すものでは、ノズル流路から噴射される燃料噴霧の微粒化を促進するべく、この燃料通路内にキャビテーション発生通路を形成するようにしている。

特許第４０７９１４４号公報

上述の外開弁方式の燃料噴射弁は、例えば直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃焼室の天井部に取り付けられる。燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧は、ホロコーン状をなして周囲の空気を取り込みながら拡散する。このとき、このホロコーン状の燃料噴霧に囲まれたコーン内側の空間は、コーン外側の空間に比べて狭いので、空気量が不足し易い。

このため、ホロコーン状の燃料噴霧のうちコーン外側寄りを流れる噴霧の方が、コーン内側寄りを流れる噴霧に比べて空気との混合が進み易く、この結果、コーン外側寄りの噴霧流れとその外側空間（径方向の外側の空間）との境界部には、噴霧内に空気が取り込まれるのに伴い多数の渦が生成される。そうして多数の渦が形成されることで、この外側空間の負圧化（特に、この外側空間における燃料噴霧に隣接する部分の負圧化）が促進され、この結果、燃料噴霧の先端付近から噴霧の一部がこの負圧に引き寄せられてコーン外側に向かって上側に巻き上げられる。そうして、巻き上げられた燃料が燃焼室の天井面或いは側面に到達した後に燃焼すると、燃焼火炎が天井面或いは側面に接触して、燃焼ガスの持つ熱が該天井面或いは側面から外部に逃がされる結果、冷却損失が増大するという問題がある。

特に、ペントルーフ型又はコーンルーフ型の燃焼室を採用した場合、天井面の高さが燃焼室中心部から周縁部側に向かって低くなるため、バスタブ型の燃焼室等に比べて、燃料噴霧の先端から燃焼室の天井面までの距離が短くなる。この結果、燃料噴霧の先端付近から上方に巻き上げられた燃料噴霧の一部が天井面に容易に到達してしまう。このため、燃料噴霧が燃焼室壁面に到達後に燃焼することに起因した上述の冷却損失の問題がより一層顕著になる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室内に向けて燃料をホロコーン状に噴射する外開弁方式の燃料噴射弁に対して、その構成に工夫を凝らすことで、噴射された燃料噴霧の一部が、コーン外側の負圧空間に向かって巻き上げられるのを抑制し、延いては、該燃料噴霧が燃焼室壁面（特に天井面）に到達した後に燃焼して冷却損失が増大するのを防止しようとすることにある。

第１の発明は、先端部に環状の弁座部を有する噴射弁ボディと、該噴射弁ボディの弁座部に着座する弁体と、該弁体をリフト移動させることで該弁体と上記弁座部との間にノズル流路を形成して、該ノズル流路から燃焼室内に向けて燃料をホロコーン状に噴射させる弁体駆動手段と、を備えた燃料噴射弁を対象とする。

そして、上記弁体における上記ノズル流路を形成する部分の面粗度が、上記噴射弁ボディの弁座部における上記ノズル流路を形成する部分の面粗度よりも荒いものとした。

第１の発明によれば、燃料噴射時には、弁体駆動手段により弁体をリフトさせることで、弁体と弁座部との間にノズル流路が形成され、該ノズル流路から燃焼室内に向けて燃料が噴射される。噴射された燃料噴霧は、周囲の空気を巻き込みながらホロコーン状に拡散して行く。

ここで、本発明では、弁体におけるノズル流路を形成する部分の面粗度が、噴射弁ボディの弁座部におけるノズル流路を形成する部分の面粗度よりも荒く設定されている。こうすることで、ノズル流路内における弁座部の表面近傍の燃料流れを意図的に乱することができる。これにより、ノズル流路から噴射された燃料噴霧のうちコーン内側寄りを流れる噴霧を、コーン外側寄りを流れる噴霧に比べて微粒化することができるため、コーン内側寄りを流れる噴霧とその内側（径方向内側）の空間内の空気との混合を促進することができる。この結果、該コーン内側寄りの噴霧流れと該内側空間との境界部に、燃料と空気との混合が進むことによる多数の渦が生成されて、この内側空間の負圧化が促進される。

この結果、燃料噴霧の先端付近からの巻上げ流を、燃料噴霧のコーン外側（上記外側空間）に向かう流れと、燃料噴霧のコーン内側（上記内側空間）に向かう流れとの二手に分けることができ、これにより、燃料噴霧の先端からコーン外側に向かって巻き上がる噴霧流の流量を、コーン内側に向かう噴霧流の流量分だけ低減することができる。こうして、燃料噴霧の先端からコーン外側に巻き上がる噴霧流の流量を低減することで、燃料噴霧が燃焼室の壁面（特に天井面）に到達するのを抑制することができる。延いては、燃料噴霧が燃焼室の壁面に到達した後に燃焼して冷却損失が増加するのを防止することができる。

第２の発明は、第１の発明に係る燃料噴射弁を備えた内燃機関を対象とする。

そして、上記燃焼室は、天井面が燃焼室の軸心を中心とする円錐面状をなすコーンルーフ型の燃焼室、又は、天井面が吸気側天井面と排気側天井面とによって三屋根形状をなすペントルーフ型の燃焼室であるものとした。

第２の発明によれば、燃焼室の天井面がコーンルーフ型又はペントルーフ型に形成されているため、例えばバスタブ型の燃焼室を採用した場合に比べて、燃料噴霧の先端と燃焼室の天井面との距離が短くなり、燃料噴霧の先端付近からコーン外側に巻き上げられた燃料噴霧が天井面に到達し易くなる。このため、燃料噴霧が天井面に到達後に燃焼することによる冷却損失の問題が特に生じ易い。したがって、本発明は、このような燃焼室形状を有する内燃機関に対して有用である。

第３の発明は、第２の発明において、上記燃焼室は、シリンダヘッドの下面とシリンダ周壁面とピストンの冠面とによって形成され、上記燃焼室の天井面には、圧縮行程の末期にピストンの冠面の周縁部とシリンダヘッドとの間に挟まれることによりシリンダ径方向の内方側に向かって押し出されたスキッシュ流を、シリンダ径方向の内方側から外方側に向かって斜め下側に向かうように案内流動させるガイド部材が設けられているものとした。

第３の発明によれば、圧縮行程の末期に、ピストン冠面の外周部とシリンダヘッドの下面との間に挟まれてシリンダ径方向内側に押し出されたスキッシュ流は、燃焼室の天井面に設けられたガイド部により、シリンダ径方向の内方側から外方側に向かって斜め下側へと案内流動される。そうして、案内流動された案内流れ（スキッシュ流）は、燃料噴霧の先端からコーン外側に巻き上がった噴霧流に略対向する形で衝突する。これにより、この巻き上がった噴霧流が燃焼室の天井面に到達するのを確実に防止することができる。

以上説明したように、本発明に係る燃料噴射弁及び該燃料噴射弁を備えた内燃機関によると、弁体におけるノズル流路を形成する部分の面粗度を、噴射弁ボディの弁座部におけるノズル流路を形成する部分の面粗度よりも荒く設定したことで、該ノズル流路からホロコーン状に噴射された燃料噴霧の一部が、コーン外側に向かって上方に巻き上がるのを抑制することができる。これにより、巻き上がった燃料噴霧が燃焼室壁面（特に燃焼室の天井面）に到達するのを抑制することができ、延いては、該燃料噴霧が燃焼室壁面に到達した後に燃焼して冷却損失が増大するのを防止することができる。

本発明の実施形態に係るインジェクタ（燃料噴射弁）を備えた火花点火式直噴エンジン１を示す概略図である。 インジェクタの内部構成を示す断面図である。 インジェクタの先端部の拡大断面図であり、（ａ）は閉弁状態を示し、（ｂ）は開弁状態を示す。 図３（ｂ）のＡ部拡大図である。 インジェクタにより噴射された燃料噴霧のイメージを示す模式図であり、（ａ）は従来のインジェクタにより噴射された燃料噴霧を示し、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るインジェクタにより噴射された燃料噴霧を示す。 他の実施形態を示す図３（ｂ）相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインジェクタ３３を備えた火花点火式直噴エンジン１（以下、単にエンジン１という）を概略的に示す。

エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１のエンジン本体は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１（気筒）が形成されている（図１では、１つのみ示す）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１８以上４０以下とされている。この幾何学的圧縮比εは、特に２５以上３５以下が好ましい。

各シリンダ１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン１５は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。本実施形態では、燃焼室１７は所謂ペントルーフ型であり、その天井面１０（シリンダヘッド１３の下面）は、吸気側天井面１０ａと排気側天井面１０ｂとからなる三角屋根形状をなしている。ピストン１５の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、断面ω状のキャビティ１５ａが形成されている。尚、上記天井面及びピストン１５の冠面の形状は、どのような形状であってもよい。

図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（吸気側天井面１０ａ）に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（排気側天井面１０ｂ）に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。

また、シリンダヘッド１３には、点火プラグ３１が配設されている。この点火プラグ３１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取付固定されている。点火プラグ３１は、本実施形態では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部（電極）は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。この点火プラグ３１の先端部は、後述のインジェクタ３３のノズル口４１の近傍に位置する。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。そして、点火プラグ３１は、点火システム３２によって火花を発生する。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。

シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１（燃焼室１７）の中心軸上には、気筒内（燃焼室１７内）に燃料を直接噴射するインジェクタ３３が配設されている。このインジェクタ３３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３３の先端部は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。

インジェクタ３３は、外開弁方式のインジェクタ３３であって、外開弁４２をピエゾ素子４４によりリフト駆動することで、弁本体（弁体に相当）４２ａと噴射弁ボディ４３との間にノズル流路６０（図３参照）を形成して、該ノズル流路６０から燃焼室１７内に向けて燃料をホロコーン状（中空円錐状）に噴射する。そして、このノズル流路６０の燃焼室１７側の開口がノズル口４１を形成している。

燃料供給システム３４は、外開弁４２（ピエゾ素子４４）を駆動するための電気回路と、インジェクタ３３に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。

上記燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ３３が作動する（外開弁４２がリフトされる）ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口４１から噴射される。

エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。

エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、及び、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメーターを計算する。そして、エンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４（上記電気回路）、点火システム３２、ＶＶＴ２３等に出力する。

図２及び図３に示すように、上記インジェクタ３３は、外開弁方式のインジェクタ３３であって、外開弁４２と中空円筒状の噴射弁ボディ４３とを有している。噴射弁ボディ４３の内部空間は燃料通路５２を形成している。噴射弁ボディ４３の基端側の端部は、内部に弁体駆動手段としてのピエゾ素子４４が配設されたケース４５に接続されている。

噴射弁ボディ４３の先端部には、その先端側の開口の周縁部を囲むように環状の弁座部４３ａが形成されている。弁座部４３ａは、噴射弁ボディ４３の軸方向の先端側に向かうほど拡径するテーパ面からなり、本実施形態では、軸方向から見て円環状をなしている。弁座部４３ａは、噴射弁ボディ４３の先端側の開口の周縁部を４５°面取りして形成されている。上記外開弁４２は、上記噴射弁ボディ４３の弁座部４３ａに着座する弁本体４２ａと、弁本体４２ａから噴射弁ボディ４３内の燃料通路５２を通ってピエゾ素子４４に接続された連結ロッド部４２ｂとを有している。

連結ロッド部４２ｂの先端側の部分は、その他の部分に比べて径が小さい小径軸部５０とされている。小径軸部５０の周壁面と噴射弁ボディ４３の内周面との間には燃料溜まり部５３が形成されている。高圧燃料ポンプから圧送される燃料は、噴射弁ボディ４３内の燃料通路５２を通って該燃料溜まり部５３に流入する。

弁本体４２ａの連結ロッド部４２ｂ側の端部には、上記弁座部４３ａに当接するテーパ面部５５が形成されている。該テーパ面部５５は、弁本体４２ａの先端側（連結ロッド部４２ｂ側とは反対側）に向かうほど拡径している。弁本体４２ａの先端側の部分は、噴射弁ボディ４３よりも外側に突出して円錐台状をなしている。

弁本体４２ａのテーパ面部５５が、上記噴射弁ボディ４３の弁座部４３ａに当接（着座）する状態（図３（ａ）の状態）ではインジェクタ３３は閉弁状態にあり、インジェクタ３３より燃料が噴射されることはない。この状態から、外開弁４２を軸方向の燃焼室１７側に移動させることで、弁本体４２ａを弁座部４３ａからリフトさせると、該弁座部４３ａと弁本体４２ａ（弁本体４２ａのテーパ面部５５）との間にテーパ状のノズル流路６０が形成される。この結果、インジェクタ３３が開弁状態になり、燃料溜まり部５３内の燃料が、このノズル流路６０から燃焼室１７内に向けて、シリンダ１１の中心軸を中心とするホロコーン状（中空円錐状）に噴射される。上記外開弁４２は、エンジン制御器１００より電圧印加を受けたピエゾ素子４４が変形することで燃焼室１７側に移動する。そして、エンジン制御器１００によるピエゾ素子４４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子４４が元の状態に復帰することで、弁本体４２ａが噴射弁ボディ４３の弁座部４３ａに着座して、インジェクタ３３は再び閉状態となる。このとき、上記ケース４５内における連結ロッド部４２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ４６がピエゾ素子４４の復帰を助長する。

上記外開弁４２の弁本体４２ａの外径Ｄｍax（図４参照）は、本実施形態では４ｍｍとされ、噴射弁ボディ４３の弁座部４３ａと弁本体４２ａとの間に形成されるノズル流路６０の長さＬ（燃料噴射方向の長さ）は略３ｍｍとされている。ここでノズル流路６０の流路高さをＨとすると、Ｌ／Ｈは１０〜１５の範囲内に設定されている。尚、図４では、説明を分かり易くするために、寸法Ｌに対する寸法Ｈの比率を実際よりも大きく表している。このＬ／Ｈの値が大きいほど、インジェクタ３３より噴射される燃料噴霧の直進性が増してペネトレーション（噴霧到達距離）も大きくなる。外開弁４２のリフト量ｑ_liftは１５〜２０μｍの範囲で可変とされている。

燃料噴霧のペネトレーションが大き過ぎると、燃料噴霧が燃焼室壁面（シリンダ１１の周壁面及びピストン１５の冠面）まで到達して、該燃料噴霧が燃焼室壁面に到達後に燃焼することで冷却損失が増加してしまう。したがって、このペネトレーションは、燃料噴霧が燃焼室壁面に届かないような大きさ（長さ）に設定することが好ましい。ペネトレーションは、上述のＬ／Ｈの値や、ピエゾ素子４４のリフト量、ピエゾ素子４４の印加電圧のパルス幅（外開弁４２のリフト時間）、及び燃料圧力等を調整することで制御することができる。

しかしながら、上記外開弁方式のインジェクタ３３を採用した場合、後述するように、燃料噴霧の先端付近からコーン外側へと向かう巻上げ流が生じるため、上記のパラメータを調整することで燃料噴霧のペネトレーションを所定値に以下に制御したとしても、この巻上げ流により燃料噴霧の一部が燃焼室天井面１０に到達してしまう。したがって、燃料噴霧の燃焼室壁面への到達を完全に抑制することは困難である。この燃料噴霧の巻き上げ現象は、燃料噴霧のうちコーン外側寄りを流れる噴霧に隣接する外側空間８１（図５参照）が負圧になるために生じる。すなわち、この外側空間８１（特に、外側空間８１における燃料噴霧との境界部）には、燃料と空気との混合が進むに連れて多数の渦が生成されるので、この渦生成により外側空間８１の負圧化が進む結果、燃料噴霧の先端付近の噴霧の一部が、この負圧によりコーン外側に向かって巻き上げられる。そうして、巻き上げられた燃料噴霧が燃焼室１７の天井面１０に到達すると、この到達した燃料の燃焼火炎と燃焼室天井面１０との接触により冷却損失が増加してしまう。したがって、燃料噴霧の先端付近からコーン外側へと向かう巻上げ流を抑制することが、冷却損失を抑制する上で重要になる。

そこで、本実施形態では、この燃料噴霧の巻上げを抑制するために、弁本体４２ａ（テーパ面部５５）におけるノズル流路６０を形成する部分（図４の太線で示す面部６１）の面粗度を、噴射弁ボディ４３の弁座部４３ａにおけるノズル流路６０を形成する部分（図４の太破線で示す面部６２）の面粗度よりも荒くなるようにした。

具体的には、本実施形態では、弁本体４２ａのノズル流路形成面部６１に、深さが１〜５μｍ程度の円周方向に延びる微少溝を１ｍｍ間隔で形成することで、弁本体４２ａのノズル流路形成面部６１の面粗度を、噴射弁ボディ４３のノズル流路形成面部６２の面粗度よりも荒くなるようにした。尚、このように微小溝を設けるのではなく、例えば、加工条件（研磨加工する場合には砥粒の荒さや砥石の回転速度）の設定を調整することで、弁本体４２ａのノズル流路形成面部６１の面粗度を、噴射弁ボディ４３のノズル流路形成面部６２に比べて粗くするようにしてもよい。面粗度を図る尺度としては、例えば算術平均荒さＲａを採用することができ、この場合、「面粗度が粗い」とは算術平均荒さＲａの値が大きいことを意味する。

この構成によれば、ノズル流路６０内の弁座部４３ａの表面付近の燃料流れを意図的に乱すことができ、延いては、ノズル流路６０から噴射された燃料噴霧のうちコーン内側寄りを流れる噴霧を、コーン外側寄りを流れる噴霧に比べて微粒化することができる。これにより、コーン内側寄りを流れる噴霧とその内側の空間８０内の空気との混合が促進される。この結果、該コーン内側寄りの噴霧流れと該内側空間８０との境界部には、燃料噴霧と空気との混合が進むことによる多数の渦が形成されて、該内側空間８０内の負圧化が促進される。

内側空間８０の負圧化が促進されると、図５（ｂ）に示すように、燃料噴霧の先端からの巻き上げ流の一部が内側空間８０へと向かう。これにより、燃料噴霧の先端からの巻き上げ流を、燃料噴霧のコーン外側（上記外側空間８１）に向かう流れと、燃料噴霧のコーン内側（上記内側空間８０）に向かう流れとの二手に分けることができる。したがって、燃料噴霧の先端からコーン外側に向かって巻き上がる噴霧流の流量を、図５（ａ）に示す従来例と比較して、コーン内側に向かう噴霧流の流量分だけ低減することができる。こうして、燃料噴霧の先端付近からコーン外側に巻き上がる噴霧流の流量を低減することで、該噴霧の一部が燃焼室１７の天井面１０に到達するのを抑制することができる。延いては、燃料噴霧が燃焼室１７の天井面１０に到達した後に燃焼して冷却損失が増加するのを防止することができる。

さらに本実施形態では、燃料噴霧の先端からコーン外側へと向かう巻上げ流を抑制するために、燃焼室１７の天井面に土手部７５を形成するようにしている。

この土手部７５は、圧縮行程の末期に燃焼室１７内に生じるシリンダ径方向外側から内側へと向かうスキッシュ流を、シリンダ径方向の内側から外側に向かって斜め下側に向かうように案内流動させるものである（図５（ｂ）参照）。スキッシュ流は、圧縮行程末期に、ピストン１５の冠面の周縁部とシリンダヘッド１３の下面との間に挟まれた空気（又は混合気）がシリンダ径方向の内方側に向かって押し出されることにより生じる流れである。本実施形態では、このスキッシュ流を生じさせるスキッシュエリア７６が燃焼室１７の全周囲に亘って形成されており、このため、土手部７５をシリンダ１１の軸心を中心とするリング状に形成することで、この全周囲に亘るスキッシュエリア７６からのスキッシュ流を、該土手部７５により確実に受け止めて下方へと案内流動させるようにしている。

図５（ｂ）に示すように、土手部７５に衝突したスキッシュ流は、その流動方向を、シリンダ径方向外側に向かって斜め下側へと変更する。そして、コーン外側に巻き上がった噴霧流に対向する形で衝突する。これにより、この燃料噴霧の先端付近からコーン外側へ巻上げられた噴霧流れが、燃焼室１７の天井面１０に到達するのを確実に防止することができる。

上記土手部７５は断面山型状をなしていて、その頂部は円弧状の湾曲面とされている。燃焼室１７の天井面と土手部７５の外表面とは円弧面７５ａを介して滑らかに繋がっている。このように、本実施形態では、土手部７５の角張った部分を極力無くすようにしたので、土手部７５がヒートポイントになることもない。

（他の実施形態）
本発明の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、燃焼室１７はペントルーフ型の燃焼室とされているが、これに限ったものではなく、例えば、燃焼室１７の天井面が燃焼室１７の軸心を中心とする円錐面状をなすコーンルーフ型の燃焼室であってもよい。また、燃焼室１７の天井面が、シリンダ１１の中心軸に対して垂直な面をなすバスタブ型の燃焼室１７であってもよい。

また、上記実施形態では、エンジン１は、インジェクタ３３より燃焼室１７内に噴射された燃料噴霧を点火プラグ３１により火花着火させる火花点火式直噴エンジン１とされているが、これに限ったものではなく、例えば、燃焼室１７内の噴霧燃料を、ピストン１５の上昇により圧縮して自己着火させるディーゼルエンジンであってもよい。また、エンジン１の運転状態等に応じて、火花着火モードと自己着火モードとを切り換え可能に構成したエンジンであってもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ３３は、外開弁４２をピエゾ素子４４により駆動するピエゾ型の外開弁式インジェクタであるとしたが、ノズル流路６０から燃焼室１７内に燃料を噴射させる弁体駆動手段としては、ピエゾ素子４４には限られない。但し、応答性が良好な点でピエゾ素子４４が好ましい。

また、上記実施形態では、弁本体４２ａにおける弁座部４３ａとの当接面をテーパ面状に形成するようにしているが、これに限ったものではなく、例えば、図６に示すように、該当接面を断面Ｒ形状をなす曲面で形成してもよい。また、弁座部４３ａの面形状についても、テーパ面状に限らず湾曲面で形成してもよい。すなわち、燃料をホロコーン状に噴射させることができれば、弁座部４３ａ及び弁本体４２ａの形状はいかなる形状であってもよく、両者の間に形成されるノズル流路６０の形状も必ずしもテーパ状に限らない。

また、上記実施形態では、インジェクタ３３により噴射された燃料噴霧のうちコーン内側寄りの噴霧流れの微粒化を促進するために、弁本体４２ａのノズル流路形成面部６１の面粗度を荒くするようにしたが、燃料噴霧の微粒化をさらに促進するためには、これに加えてさらに、弁本体４２ａのノズル流路形成面部６１の温度を、噴射弁ボディ４３のノズル流路形成面部６２の温度に比べて高く設定するようにしてもよい。そのためには、例えば、弁本体４２ａの構成材料として、噴射弁ボディ４３に比べて比熱の低い材料を使用する等すればよい。

また、上記実施形態では、土手部７５を、シリンダ軸心周りに全周に亘って（リング状に）形成するようにしたが、これに限ったものではなく、例えば、スキッシュ流が発生する範囲が限られている場合には、スキッシュ流の発生する範囲に限定して土手部７５を形成するようにしてもよい。

本発明は、外開弁方式の燃料噴射弁及び該燃料噴射弁を備えた内燃機関に有用であり、特に、燃焼室の形状がペントルーフ型又はコーンルーフ型である場合に有用である。

１ エンジン
１０ 天井面
１０ａ 吸気側天井面
１０ｂ 排気側天井面
１１ シリンダ
１５ ピストン
１７ 燃焼室
３３ インジェクタ（燃料噴射弁）
４２ａ 弁本体（弁体）
４３ 噴射弁ボディ
４３ａ 弁座部
４４ ピエゾ素子（弁体駆動手段）
６０ ノズル流路
６１ ノズル流路形成面部
６２ ノズル流路形成面部
７５ 土手部（ガイド部）
７６ スキッシュエリア

Claims (3)

1. 先端部に環状の弁座部を有する噴射弁ボディと、該噴射弁ボディの弁座部に着座する弁体と、該弁体をリフト移動させることで該弁体と上記弁座部との間にノズル流路を形成して、該ノズル流路から燃焼室内に向けて燃料をホロコーン状に噴射させる弁体駆動手段と、を備えた燃料噴射弁であって、
   上記弁体における上記ノズル流路を形成する部分の面粗度が、上記噴射弁ボディの弁座部における上記ノズル流路を形成する部分の面粗度よりも荒いことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１記載の燃料噴射弁を備えた内燃機関であって、
   上記燃焼室は、天井面が燃焼室の軸心を中心とする円錐面状をなすコーンルーフ型の燃焼室、又は、天井面が吸気側天井面と排気側天井面とによって三屋根形状をなすペントルーフ型の燃焼室であることを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２記載の内燃機関において、
   上記燃焼室は、シリンダヘッドの下面とシリンダ周壁面とピストンの冠面とによって形成され、
   上記燃焼室の天井面には、圧縮行程の末期にピストンの冠面の周縁部とシリンダヘッドとの間に挟まれることによりシリンダ径方向の内方側に向かって押し出されたスキッシュ流を、シリンダ径方向の内方側から外方側に向かって斜め下側に向かうように案内流動させるガイド部が設けられていることを特徴とする内燃機関。

Images