JP2015021390A - インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によって燃料のシリンダ壁面付着を抑制しかつ成層燃焼時の燃焼安定性を確保したインジェクタを提供する。【解決手段】火花点火式エンジンの燃焼室３０内に燃料を噴射するインジェクタ５０を、インジェクタ及び点火プラグ４０を含みかつシリンダの中心軸方向に沿った平面に沿って噴射される複数の噴霧１１０，１２０からなる第１の噴霧群１００と、第１の噴霧群から離間した領域に噴射される第２の噴霧群２００とを形成し、第２の噴霧群を構成する複数の噴霧２１０，２２０間に生じるコアンダ効果を第１の噴霧群を構成する複数の噴霧間に生じるコアンダ効果に対して強くすることによって第２の噴霧群のペネトレーションを第１の噴霧群のペネトレーションに対して低下させた構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火式の直噴エンジンに設けられる多孔式（マルチホール）インジェクタに関し、特に簡単な構成によって燃料のシリンダ壁面付着を抑制しかつ成層燃焼時の燃焼安定性を確保したものに関する。

近年ガソリンエンジン等の火花点火式エンジンにおいても、燃焼室内（シリンダ筒内）に直接燃料を噴射する直噴（筒内噴射）エンジンが普及している。
このように直噴化することによって、燃料の気化潜熱で新気を冷却することによる耐ノック性の向上や、充填効率の改善による出力向上、さらに、冷間始動後のファストアイドル時に点火プラグの周囲にリッチな混合気を形成し成層燃焼させることによって燃焼安定性を高めることが可能といったメリットがある。

このようなインジェクタに関する従来技術として、例えば特許文献１、２には、点火プラグを指向する主噴孔と、主噴孔から噴射される噴霧の周囲に噴射する副噴孔とを備えたマルチホールインジェクタにおいて、副噴孔から噴射される噴霧のペネトレーション（貫徹力）を、主噴孔から噴射される噴霧のペネトレーションよりも小さくなるように噴孔の径や形状を設定することが記載されている。
また、特許文献３には、点火プラグを指向する以外の噴孔から噴霧される複数の噴霧を相互に干渉させることによって一つの噴霧塊を形成することが記載されている。
また、特許文献４には、噴孔から放射状に拡散し噴射された噴霧の隣り合う噴霧軸線間の開き角度が小さいほど貫徹力が大きくなるように設定することが記載されている。

特開２００７−２９１９３４号公報 特開２００７−３１５２７６号公報 特開２００７−２７８２３３号公報 特開２００７−２９２０３５号公報

直噴ガソリンエンジン用のマルチホールインジェクタにおいて、暖機後にピストンが下死点付近にある時期に噴射を行って実質的に均一の混合気を生成する場合、スモーク発生を抑制するため、スモーク発生の感度が高いピストン冠面や燃焼室を避ける噴霧配置が設定される。
しかし、この場合、各噴霧の軸線がいずれもシリンダスリーブの内面を指向することになるため、シリンダへの燃料付着が多くなり、クランク室側への燃料の流入による潤滑油の希釈などが問題となる。
このようなシリンダ壁面への燃料付着を抑制するためには、噴霧のペネトレーションを低下させることが有効であるが、全ての噴霧のペネトレーションを低下させると、エンジンの冷間始動直後に点火プラグ周辺にリッチな混合気を形成して成層燃焼させることが難しくなる。
また、噴霧のペネトレーションを異ならせる手法としても、例えば特許文献１、２に記載されたように噴孔間で径や形状を異ならせた場合、ノズル製造時の加工が煩雑となる。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、簡単な構成によって燃料のシリンダ壁面付着を抑制しかつ成層燃焼時の燃焼安定性を確保したインジェクタを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、火花点火式エンジンの燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタであって、前記インジェクタは、該インジェクタ及び点火プラグを含みかつシリンダの中心軸方向に沿った平面に沿って噴射される複数の噴霧からなる第１の噴霧群と、前記第１の噴霧群から離間した領域に噴射される第２の噴霧群とを形成し、前記第２の噴霧群を構成する複数の噴霧間に生じるコアンダ効果を前記第１の噴霧群を構成する複数の噴霧間に生じるコアンダ効果に対して強くすることによって前記第２の噴霧群のペネトレーションを前記第１の噴霧群のペネトレーションに対して低下させたことを特徴とするインジェクタである。
コアンダ効果とは、噴流が周囲の流体を巻き込む性質によって隣接する噴流が相互に干渉して互いを巻き込む効果である。
これによれば、第２の噴霧群を構成する噴霧間で作用するコアンダ効果を強めることによって、第２の噴霧群のペネトレーションが低下してシリンダ壁面まで到達する燃料が減少し、均一混合気形成時における燃料のシリンダ壁面付着を抑制することができる。
また、このようなコアンダ効果によって燃料噴霧の粒径も微細化されることがわかっており、燃焼を改善してスモークの発生を抑制する効果も有する。
一方、第１の噴霧群は、第２の噴霧群よりもペネトレーションを強くすることによって、冷間暖機直後に点火プラグ周囲に局所リッチな混合気を生成する性能には影響がなく、安定した成層燃焼を行うことができる。

請求項２に係る発明は、前記第２の噴霧群を噴射する複数の噴孔間の距離、相対角度の少なくとも一方を、前記第１の噴霧群を噴射する複数の噴孔間の距離、相対角度に対して小さくして各噴孔から噴射される噴霧の軸線を近接させたことを特徴とする請求項１に記載のインジェクタである。
これによれば、噴孔の径や形状を第１の噴霧群を形成する噴孔、第２の噴霧群を形成する噴孔とで異ならせることなく、一般的なインジェクタと同様の加工工程によって上述した効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成によって燃料のシリンダ壁面付着を抑制しかつ成層燃焼時の燃焼安定性を確保したインジェクタを提供することができる。

本発明を適用したインジェクタの実施例を有するエンジンにおける暖機後の燃料噴霧状態の一例を模式的に示す図である。 実施例のインジェクタを有するエンジンにおける冷間始動直後の燃料噴霧状態の一例を模式的に示す図である。 本発明の比較例のインジェクタを有するエンジンにおける暖機後の燃料噴霧状態の一例を模式的に示す図である。

本発明は、簡単な構成によって燃料のシリンダ壁面付着を抑制しかつ成層燃焼時の燃焼安定性を確保したインジェクタを提供する課題を、ファストアイドル時に成層燃焼を行うための第１の噴霧群に対して、その周囲の第２の噴霧群において各噴霧相互間の軸線を近接させ、コアンダ効果によってペネトレーションを低下させることによって解決した。

以下、本発明を適用したインジェクタの実施例について説明する。
実施例のインジェクタは、例えば乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載されるガソリン直噴レシプロエンジンの燃焼室内（シリンダ筒内）に燃料を噴射するものである。
インジェクタは、図示しない燃料ポンプによって加圧され蓄圧室に貯留されたガソリンを、ピエゾ式等のアクチュエータによって駆動されるニードルバルブによって所定のタイミングで所定の噴射時間にわたって噴射するものである。
インジェクタは、それぞれビーム状の噴霧を形成する噴孔が複数（例えば６つ）形成されたマルチホール（多孔式）インジェクタである。

実施例においては、インジェクタは、エンジンの暖気完了後（温間時）においては、ピストンが吸入下死点付近にあるときに燃料を噴射し、燃焼室内全体にわたって実質的に均一な混合気を形成する。
図１は、実施例のインジェクタを有するエンジンにおける暖気後の燃料噴霧状態の一例を模式的に示す図である。
図１（ａ）は、インジェクタ及び点火プラグを含みかつシリンダ中心軸線と平行な平面で切って見た断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である（図２、図３において同様）。

エンジンは、シリンダ１０、ピストン２０、燃焼室３０、点火プラグ４０、インジェクタ５０等を備えて構成されている。
シリンダ１０は、円筒状に形成されたスリーブを有する。
ピストン２０は、シリンダ１０の内径側に挿入されるとともに、図示しないクランクシャフトの回転とコネクティングロッドを介して連動し、シリンダ１０の中心軸方向に往復運動する。
ピストン２０が燃焼室３０と対向する冠面２１には、キャビティ２２が形成されている。
キャビティ２２は、冠面２１の中心に対して、インジェクタ５０側にオフセットして形成された皿状の凹部である。
キャビティ２２は、ファストアイドル（冷間始動後の暖気運転）時に、インジェクタ５０から噴射された燃料を燃焼室３０側に反転させて点火プラグ４０の近傍にリッチな混合気を集める効果を有する。

燃焼室３０は、シリンダ１０の一方の端部開口を実質的に閉塞するシリンダヘッドに形成された凹部であって、ピストン２０の冠面２１と対向して配置されている。
燃焼室３０は、一例として、ペントルーフ型に形成され、図示しない吸気ポート、排気ポートが接続されている。また、各ポートには、これらを所定のバルブタイミングで開閉する吸気バルブ、排気バルブがそれぞれ設けられている。

点火プラグ４０は、スパークを発生させることによって所定の点火時期に混合気に点火するものである。
点火プラグ４０は、スパークを発生させる電極部が、燃焼室３０の中央部（ペントルーフの頂部）に配置されている。

インジェクタ５０は、シリンダヘッドに形成された装着穴を介して、ノズル部が燃焼室３０内に露出するように挿入、固定されている。
インジェクタ５０のノズル部は、燃焼室３０の一方の端部（シリンダ１０の端部と隣接する部分）に寄せて配置され、ここからシリンダ１０の中央部側へ燃料を噴射するよう、シリンダ１０の中心軸線方向及び径方向に対してそれぞれ傾斜して配置されている。

図１に示すように、インジェクタ５０は、第１の噴霧群１００、第２の噴霧群２００を形成する。
第１の噴霧群１００は、点火プラグ４０の電極部及びインジェクタ５０のノズル部を含みかつシリンダ１０の中心軸線を含む平面（図１（ａ）の紙面と実質的に同一）に沿って噴射される噴霧１１０、１２０を有する。
噴霧１１０は、噴射後ノズルから離間するのに応じて噴霧１２０に対してシリンダヘッド側（図１における上方）へ開いていく方向に噴射される噴霧である。
噴霧１１０は、シリンダ１０における燃焼室３０側の端部近傍を指向して噴射される。
噴霧１２０は、下死点近傍にあるときのピストン２０の冠面２１よりもやや燃焼室３０側のシリンダ１０の内面を指向して噴射される。

第２の噴霧群２００は、第１の噴霧群１００に対して、上述した平面の法線方向に離間した方向に噴射される噴霧２１０，２２０を有する。
第２の噴霧群２００は、第１の噴霧群１００を挟んで実質的に対称に一対が形成される。
噴霧２１０は、下死点近傍にあるときのピストン２０の冠面２１の外周縁部近傍を指向して噴射される。
噴霧２２０は、噴霧２１０と第１の噴霧群１００の噴霧１１０との間であって、これらの中間よりも噴霧２１０側に噴射軸線を近接させて噴射される。
なお、本明細書、特許請求の範囲等において、「噴射軸線」とは、噴霧の進行方向に沿った噴霧の中心軸を示すものとする。
このような噴射軸線の配置は、インジェクタ５０における噴霧２１０、２２０を形成する噴孔の噴射方向の相対角度を相対的に近づける（開きを小さくする）こと、噴孔の位置を近接させることの一方又は両方によって実現することができる。

ここで、上述した噴霧１１０，１２０，２１０，２２０のうち、噴霧２１０と噴霧２２０とは、他のどの噴霧の組合せに対しても、噴射軸線が近接するとともに、噴射軸線がなす相対角度が小さくなるように配置されている。

また、実施例のインジェクタ５０は、エンジンの冷間始動直後の暖気運転（ファストアイドル）時には、圧縮行程後期（例えば、クランク角にして上死点前４０°程度）に、ピストン２０の冠面２１を指向して噴射を行い、局所的にリッチな混合気を点火プラグ４０の周囲に形成するようになっている。
図２は、実施例のインジェクタを有するエンジンにおける冷間始動直後の燃料噴霧状態の一例を模式的に示す図である。
図２に示すファストアイドル時においては、第１の噴霧群１００の噴霧１１０、１２０がピストン２０の冠面２１におけるキャビティ２２周辺の領域を指向して噴射され、噴霧１１０、１２０は、キャビティ２２等によって反転し、燃焼室３０側へ巻き上げられ、点火プラグ４０の周囲に局所的にリッチな混合気を形成する。
これによって、冷間時であっても、確実に混合気に着火させて燃焼を安定化することができる。

次に、上述した実施例の効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。
比較例の説明において、上述した実施例と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図３は、比較例のインジェクタを有するエンジンにおける暖機後の燃料噴霧状態の一例を模式的に示す図である。
比較例においては、噴霧２２０を、噴霧２１０と噴霧１１０との実質的な中間位置に配置している。
その結果、噴霧２１０と噴霧２２０は、実施例の場合に対して、噴射軸線が相対的に離間して配置されている。

比較例においては、第２の噴霧群２００の噴霧２１０、２２０は、コアンダ効果の影響が小さいため比較的強いペネトレーション（貫通力）を持ち、シリンダ１０内を横断してインジェクタ５０とは反対側のシリンダ１０内面に到達する。
これによって、液体の燃料がシリンダ１０の壁面に付着し、その一部はクランク室側へ流出して潤滑油の希釈を生じさせる。
また、このような燃料の壁面付着によって空燃比の制御精度も低下する。

これに対し、実施例によれば、第２の噴霧群２００に含まれる噴霧２１０、２２０の噴射軸線を近接させて配置することによって、噴霧２１０、２２０の間で、近接する噴流が相互に干渉して引き寄せ合う一種のコアンダ効果が発生する。
これによって、第２の噴霧群２００の噴霧２１０、２２０のペネトレーションが低下し、シリンダ１０の壁面に到達する燃料が減少し、燃料の壁面付着が抑制される。
また、このとき噴霧間の相互干渉によって、噴霧２１０，２２０に含まれる燃料飛沫の粒径が小さくなり、燃焼を改善してスモークの発生も抑制することができる。
一方、第１の噴霧群１００においては、比較例の場合と実質的に同様のペネトレーションを有するため、図２に示すようなファストアイドル時における成層燃焼時の混合気形成性能に影響が及ぶことはない。
以上説明したように、本実施例によれば、簡単な構成によって燃料のシリンダ壁面付着を抑制しかつ成層燃焼時の燃焼安定性を確保したインジェクタを提供することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）インジェクタ及びエンジンを構成する各構成要素の形状、構造、配置等は上述した実施例に限定されず、適宜変更することができる。また、インジェクタにより形成される噴霧の配置や数も特に限定されない。
（２）実施例のエンジンは、一例としてガソリンエンジンであったが、本発明は、液体燃料を用いて混合気を形成し、火花点火するレシプロエンジンであれば他の燃料を用いるエンジンにも適用することが可能である。

１０ シリンダ ２０ ピストン
２１ 冠面 ２２ キャビティ
３０ 燃焼室 ４０ 点火プラグ
５０ インジェクタ
１００ 第１の噴霧群 １１０，１２０ 噴霧
２００ 第２の噴霧群 ２１０，２２０ 噴霧

Claims (2)

1. 火花点火式エンジンの燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタであって、
   前記インジェクタは、該インジェクタ及び点火プラグを含みかつシリンダの中心軸方向に沿った平面に沿って噴射される複数の噴霧からなる第１の噴霧群と、前記第１の噴霧群から離間した領域に噴射される第２の噴霧群とを形成し、
   前記第２の噴霧群を構成する複数の噴霧間に生じるコアンダ効果を前記第１の噴霧群を構成する複数の噴霧間に生じるコアンダ効果に対して強くすることによって前記第２の噴霧群のペネトレーションを前記第１の噴霧群のペネトレーションに対して低下させたこと
   を特徴とするインジェクタ。
2. 前記第２の噴霧群を噴射する複数の噴孔間の距離、相対角度の少なくとも一方を、前記第１の噴霧群を噴射する複数の噴孔間の距離、相対角度に対して小さくして各噴孔から噴射される噴霧の軸線を近接させたこと
   を特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。

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