JP3662775B2 - 筒内噴射式エンジン、それに用いるアトマイザ、及び燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジン、及びそれに用いるアトマイザ、燃料噴射弁、これらの要素を備えた自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用のガソリンエンジンにおいて、燃焼効率を向上させるため、燃料を燃焼室内に直接噴射させる筒内噴射式エンジンが普及しつつある。
【０００３】
筒内噴射式エンジンにおいては、燃焼効率を高めるために、シリンダ内に噴射される燃料を短時間で気化させて空気と混合させる必要がある。このため燃料噴霧の微粒化が要求される。現行の筒内噴射式エンジンにおいて、燃料は５〜１２ＭＰａに加圧され、燃料噴射弁に供給される。
【０００４】
燃料噴射弁には、燃料に渦状の旋回流を与えて、燃料を円錐状に噴射する方式がある（以下、これを燃料旋回方式と呼ぶことがある）。燃料旋回方式により噴射された燃料は、遠心力によって薄い液膜を形成し、これが分裂して微粒化する。この微粒化燃料の粒径は、燃料圧力７ＭＰａの条件で約２０〜４０μｍの範囲でばらつきがある。燃焼効率のさらなる向上を図るためには、噴射燃料の噴霧粒径のばらつき範囲を小さくして平均粒径の微粒化の促進が要求されている。
【０００５】
燃料を微粒化する手段としては、上記の燃料旋回方式の他に、燃料噴射弁のノズル部の噴孔（ノズル孔）の下流にスリット状の孔（流路）を十字に交差するよう一部重ねて配置し、この重ねた部分で最終的な燃料噴出孔を形成するいわゆるクロススリット方式が提案されている（例えば、特開平６−２９９９３２号公報、特開平７−７７１３６号公報、特開平７−２４６３５２号公報、特開平７−２８９９５３号公報）。これらは、燃料噴射弁のノズル孔から噴出する燃料を、まずクロススリット（交差するスリット）のうちの上流側のスリットにて、スリットの両端側から中央に向けて流れる燃料流を生じさせて、この対向する燃料の流れを衝突させて、その後下流側のスリットに導くことで、薄い扇状の液膜を形成し、これが分裂して燃料を微粒化する。これにより、噴霧は扇状となる。
【０００６】
また、例えば実開昭６０−８２５７５号において、噴射弁に加熱した燃料を供給し、燃料の減圧沸騰を利用して微粒化する方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクロススリット方式の燃料噴射は、燃料微粒化と燃料噴霧の適度の噴霧角度を図り得るものとして期待できるが、クロススリットにより形成される噴出孔を燃料噴射弁のノズル孔の直下に配置させているため、噴射燃料（燃料噴霧）のペネトレーション（貫通力）が、燃料旋回方式に比べて増大する。
【０００８】
ペネトレーションの増大は、噴射燃料がシリンダの内壁に付着し、未燃分の発生につながるので、燃焼効率や排ガス浄化の観点からも抑制することが望まれる。
【０００９】
また、燃料噴射弁に加熱した燃料を供給し、燃料の減圧沸騰を利用して微粒化する従来方式は、吸気ポート噴射式エンジン用の燃料供給装置に適用しようとするものである。吸気ポート噴射式エンジン用において、燃料の圧力は約０．０５ＭＰａ以下で燃料噴射弁に供給される。この条件で、ガソリンを１００℃まで加熱すると、ガソリンに含まれている２０％以上の低沸点成分が配管内にて気化してしまい、それにより配管内に気泡が発生して燃料供給不足が生じることも考えられるので、吸気ポート噴射式エンジンの燃焼室内で減圧沸騰の噴霧を実現させることは困難であった。
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑みてなされ、その目的は、一つは、筒内噴射式エンジンに適用されるクロススリット方式のアトマイザ、燃料噴射弁及びガソリンエンジンにおいて、今まで以上に燃料微粒化を図ることで、燃焼効率の向上，排ガス浄化に貢献できる技術を提供することにある。
【００１１】
さらに、別の目的は、噴射される燃料噴霧（ガソリン）の燃焼室内での減圧沸騰を実現させることで燃料噴霧の微粒化促進を図り得るエンジン及び燃料供給系を備えた自動車を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、基本的には次のような発明を提案する。
【００１３】
（１）一つは、エンジンのシリンダに燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁において、
上流から下流側に向けて、弁座、オリフィス、前記オリフィスの径より流路面積を拡大して該オリフィスから噴出する燃料の流速を低減させる流路拡大部、前記流路拡大部より流路面積を小さくした上段，下段のスリットを設け、この上段，下段のスリットが一部重なるよう交差して燃料の噴出孔を構成していることを特徴とする。
【００１４】
上記構成において、流路拡大部やクロススリットを構成する上段，下段のスリットは、予め前記燃料噴射弁と別にアトマイザとして製作したり、或いはその一部については元々燃料噴射弁の本体側に形成し、残りをアトマイザに委ねたりしてもよい（例えば、流路拡大部については燃料噴射弁のノズル部のオリフィス下流に形成し、上段，下段のスリットはアトマイザ側に形成する等が考えられる）。
【００１５】
本発明によれば、開弁時に燃料噴射弁のオリフィス（ノズル孔）から噴出される燃料は、その直下の流路拡大部に流入する。流路拡大部の流路面積は前記オリフィス（ノズル孔）の径の面積よりも大きいので、流路拡大部で燃料の流速は低減し、燃料噴射弁の前記オリフィスにて与えられた燃料の鉛直下方の運動エネルギーは低減させられる。また、流路拡大部に充満した燃料は、その後、上段スリットへ流れ、上段スリットの全ての辺から万遍なく流入する。上段スリット内の燃料は、上下段のスリットの交差部（最終的な噴出孔）に向かって流れ、前記スリットの交差部にて対向流として衝突してスリット交差部から噴射する。その噴射の方向性を下段スリットの壁面により規制され、前記衝突エネルギーを受けて、偏平なファンスプレー形状（扇形に近い噴霧形状）となって噴射される。これにより、噴霧は微粒化され、ペネトレーションは抑制される。
【００１６】
さらに、上記第１の発明をベースにして、次のような発明も提案する。
【００１７】
（２）前記した上段，下段のスリットの交差部（噴出孔）は、該流路拡大部の直下から外れるようにして配置する。
【００１８】
このようにすれば、燃料の鉛直下方の運動エネルギーの更なる低減を図り、燃料噴霧のペネトレーションをさらに減衰させることが可能になる。それによって、燃料噴霧のシリンダ内壁等の付着防止を有効に図れ、また、燃料噴霧の到達距離を短くすることで、点火プラグ付近に速やかに集中させることに貢献する。
【００１９】
（３）第１の発明で述べた弁座、オリフィス、流路拡大部、上段，下段のスリットと燃料に渦状の旋回流を与える燃料旋回子（スワラー）とを組み合わせ、この燃料旋回子を上記弁座の上流に設ければ、燃料噴射弁のオリフィスから噴出する燃料を該オリフィスの下流にある流路拡大部（孔）に多方向からすみやかに充満させることが可能になる。その結果、燃料は、上記流路拡大部から上段スリットにすみやかに流入，充満し、該スリット両端から噴出孔（上段，下段スリットの交差部）に勢いを増して向い、上記噴出孔の対向燃料の衝突エネルギーをより一層高め、燃料微粒化に貢献する。
【００２０】
（４）前記した上段スリット，下段スリットを複数組（例えば２組）備えて、各組の上段，下段のスリットは一部重なるよう交差し該交差部が燃料の噴出孔となって前記流路拡大部の下流に位置し、これらの噴出孔が前記ノズル部のノズル孔の直下から外れて該ノズル孔の中心軸線を基準にして左右対称に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
このようにすれば、ペネトレーションの緩和をはかったファンスプレー状の微粒化燃料噴霧を複数の噴出孔を介して噴射することが可能になり、また左右対称配置の噴出孔であるため、各噴出孔の燃料噴霧量の均等化を図り得る。
【００２２】
（５）前記流路拡大部は、流路拡大部の面積が大きすぎると燃料の充満に時間がかかり、燃料噴射の応答遅れにつながり、また燃料流を減速し過ぎると、次のクロススリットの交差部での燃料衝突の勢いを低下させてしまうので、以上の点を配慮して形状，大きさを設定する必要がある。ここでは、流路拡大部の最適形状例として、前記流路拡大部は、流路幅が前記燃料噴射弁のノズル孔のオリフィス径よりも幾分幅広で長さが中心軸線を基準にして左右に展開する横長形状の孔で、この流路拡大部を構成する横長の孔の直下に前記上段スリットがスリットの長手方向の向きを流路拡大部の長さ方向に一致させて配置されているものを提案する。
【００２３】
このように流路拡大部の形状を設定することで、流路拡大部にはすばやく燃料が充満し、その下流の上段スリットには該スリット両端方向からスリット中心に向けて流入する燃料の流れに勢いをつけて上段，下段のスリット交差部で燃料を衝突させることができ、したがって、燃料の衝突エネルギーを高めて燃料微粒化の向上を図れる。
【００２４】
（６）前記上段，下段のスリットの交差部よりなる噴出孔の流路面積を、筒内噴射式エンジンの燃料供給系の通路の中で最小とすれば、この噴出孔によってアトマイザ側から燃料流量を規制することが可能になる。
【００２５】
（７）前記下段のスリットの幅を上段のスリットの幅よりも狭くすると、液膜を薄くでき、燃料噴霧を微粒化できる。
【００２６】
（８）前記上段のスリットの幅を下段のスリットの幅よりも狭くすると、上段スリット内の流速を高め、扇状噴霧の広がり角が大きくなり、燃料噴霧の粒径のばらつきも小さくでき、噴霧の到達距離も短くできる。
【００２７】
（９）前記クロススリット（上段，下段スリット）のうち、下段スリットが前記シリンダの中心軸線の向きを縦方向とみた場合にこの中心軸線と立体的に交差する横方向に向くように配置されている筒内噴射式エンジン。このように構成すれば、燃料噴霧角は横広がりとなるが、その広がり角は３０°〜７０°位に抑えられることが判明し、燃料噴霧のシリンダ内壁への付着を防止できる。また、本発明によれば、下段スリットを縦向きにして燃料噴霧させた場合よりも、燃焼圧力の変動を小さく抑えることができることを試験結果で確認でき、特に運転条件を種々変えた場合であっても、燃焼圧力の安定領域（圧力変動が±５％の範囲）を広い運転領域にわたって確保できる結果が得られた。
【００２８】
（９）エンジンのシリンダに燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式エンジンと、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を５ＭＰａ以上にする高圧燃料ポンプと、前記燃料噴射弁に供給する高圧燃料を加熱する加熱手段とを備えてなることを特徴とする自動車。
【００２９】
上記筒内噴射式エンジンにおいては、高圧燃料ポンプを用いて供給燃料を昇圧させるので（例えば５ＭＰａ〜７ＭＰａ）、燃料を約２００℃程度に加熱しても配管内では沸騰せず、気泡はほとんど生じない。そして、この高温，高圧燃料を燃焼室（燃焼室圧力は０．１〜０．６ＭＰａ）に直接噴射することで、燃焼室（シリンダ）内の減圧沸騰の実現を可能にする。以下、これらの発明の詳細及びこの項で触れなかったその他の技術事項については、次の実施の形態の項で説明する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３１】
図１の（ａ）は本発明の一実施例に係るアトマイザ６を筒内噴射エンジン用の燃料噴射弁３６に装着した要部断面図及びそのアトマイザ６のＡ−Ｂ線横断面図、Ｃ−Ｄ線横断面図、Ｅ−Ｆ線横断面図、（ｂ）は上記（ａ）と同様の図面に開弁時の燃料の流れ状態を示した説明図、図２は本発明に係るアトマイザが装着される筒内噴射式エンジン用燃料噴射弁の縦断面図、図３は図１のＸ−Ｙ断面図、図４は上記アトマイザの上面図である。
【００３２】
まず、図２に示す筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁について説明すると、燃料噴射弁３６は、本体内部に、燃料通路５１ａを有する固定コア５２と、固定コア５２の周囲に配置される電磁コイル５３と、一端に可動コア５５及び他端にボール弁（弁体）３を有するロッド５６と、ボール弁３を閉じ方向に付勢するスプリング５４とを内装する。５１ｂはロッド５６に設けた燃料通路、５１ｃはノズル部（ノズルボディ）５内の燃料通路である。
【００３３】
噴射弁本体の先端には、ノズル孔（オリフィス）４及び弁座３４を有するノズル部５が取り付けられ、ノズル部５の内部に燃料を旋回させるためのスワラー（燃料旋回子）２が固定されている。スワラー２の中央には、ボール弁３を案内する中央孔３７（図１参照）が設けられている。
【００３４】
図３に示すようにスワラー２の外周から底部にかけて燃料通路１，１´が形成され、その下流側の通路開口が中央孔３７の内周壁面に臨んでいる。
【００３５】
電磁コイル５３を通電させて励磁すると、可動コア５５と共にボール弁３が固定コア５２側に吸引され、ボール弁３が弁座３４から離れて開き、スワラー２で燃料が旋回されてノズル孔（オリフィス）４から噴出し、さらに、本実施例では、ノズル部５に装着したアトマイザ６を介して燃料がシリンダに噴射される。
【００３６】
ここで、図１及び図３によりノズル部５とアトマイザ６について説明する。
【００３７】
スワラー２は、ノズル孔４及び弁座３４の上流に配置され、図３に示すように燃料通路１のうちスワラー底部にかかる通路部１′がスワラー２の中心を外して中央孔３７の内周に臨むように配設されており（上記通路部１′は中央孔３７のほゞ接線方向に向く）、本実施例では上記通路部１′を４本としているが、同じ形状の燃料通路部１′が等間隔に配置されれば何本でも構わない。
【００３８】
スワラー２は、ノズル部５のボディ内周に圧入されて固定されている。ボール弁３は図面の上下方向に可動である。ボール弁３の挙動は電気信号により制御される。
【００３９】
アトマイザ６は、円盤形で、内部に形成される孔の形状が各段で異なる４段重ねの孔構造を呈しており、その最上段の孔部１１は、ノズル部５のボディ下端に設けた円形凸部５ａにインロー嵌合で嵌まり込むために円形を呈している。円形凸部５ａに嵌め込まれたアトマイザ６は、外周縁をノズル部５のボディ底部外周に全周溶接（符号７で示す）することで、ノズル部５のボディ下端の固着されている。全周溶接によりアトマイザのシール性と耐圧性を保証する。
【００４０】
アトマイザ６の外径とノズル部５の外径は寸法が等しく、燃料噴射弁３６の中心軸線３８を互いの中心軸線としており、アトマイザ６は、ノズル部５との接合部７において、レーザによる全周溶接がなされる。
【００４１】
アトマイザ６の上から２段目の孔８は、ノズル孔４のオリフィス径より流路面積を拡大して、該ノズル孔４から噴出する燃料の流速を低減させる流路拡大部を構成する。孔８は、例えば、横長の孔でその流路幅Ｗが燃料噴射弁のノズル孔４のオリフィス径の直径Ｄよりも大きくしている。孔８はノズル孔４に接している。
【００４２】
孔（流路拡大部）８の直下には、上段スリット（第１のスリット）９が形成されている。上段スリット９は単数，複数いずれも可能であるが、本実施例では２個の上段スリット９をアトマイザ６の径方向に横一列にして配置している。アトマイザ６を上流側からみた場合、上段スリット９は、その上流にある流路拡大部８の内側に収まっており、その全流路面積は孔８の流路面積よりも小さい。また、２個の上段スリット９は、図１のＣ―Ｄ断面において、中心線ＣＤ上でアトマイザ６及び燃料噴射弁３６の中心軸線３８に対して、左右対称となる位置に設けられている。図１において、上段スリット９の数は２個であるが、上記の規定を満たせば、その数は制約されるものではない。
【００４３】
上段スリット９の下流には、下段スリット１０（第２のスリット）が配設され、ここでは２個の下段スリット１０がアトマイザ６の中心軸線３８に対して、左右対称となる位置に平行に配置されている。
【００４４】
一組の上段スリット９，下段スリット１０と、もう一組の上段スリット９，下段スリット１０は、中央部が重なるように交差して、交差部３５が燃料噴出孔となって流路拡大部８の下流に位置し、これらの噴出孔３５がノズル孔４の直下すなわち真下から外れて該ノズル孔の中心軸線３８を基準にして左右対称に配置されている（図４参照）。
【００４５】
アトマイザ６の噴出孔３５の全流路面積がアトマイザ６の出口流路面積となり、この出口流路面積は、ここには図示しないが筒内噴射式エンジンの燃料供給系の通路の中で最小としてある。これにより噴出孔３５が燃料流量を規制している。
【００４６】
アトマイザ６をノズル部５に孔１１及び凸部５ａを介してインロー嵌合させたのは、孔１１の形成に必要な肉厚部１１ａを、アトマイザを補強する意味で確保し、これにより、アトマイザ６をノズル部５に溶接した場合の熱応力によるアトマイザ内の燃料流路の変形を防止し、また耐圧１０ＭＰａを確保するためである。肉厚部１１ａを確保しても、アトマイザ６のインロー嵌合方式を採用することで、これが流路長の増加につながらず、ボール弁下流の流路短縮を図り得、また、アトマイザの位置決めが簡単となる。
【００４７】
このような熱応力及び耐圧性の問題を、アトマイザ６の孔８，９，１０を形成する肉厚部８ａ，９ａ，１０ａの合計だけで対処し得る場合には、わざわざノズル側に円形凸部５ａを形成したり、これに嵌合するアトマイザ側の孔１１を形成しなくともよい。この場合には、ノズル部５の先端（下端面）は水平面として加工され、また、アトマイザ６の孔８を形成する肉厚部８ａの上面が、ノズル部５との接合部７となる。
【００４８】
燃料噴射弁３６の弁が開くと、図３（ｂ）に示すように、燃料は４方向あるスワラー２内の燃料流路１，１′より均等に中央孔３７に送られ、中央孔３７にて渦状の旋回流が生じ、旋回流となった燃料は、図１（ｂ）に示すように、弁座３４に沿ってノズル孔（オリフィス）４に流入し、旋回流を保ったままでアトマイザ６の流路拡大部８に流入する。
【００４９】
流路拡大部８は、次に述べる噴出孔３５から噴出される燃料噴霧のペネトレーションを低減（緩和）させるために、ノズル孔４から流入する燃料の流速を低減させるために設けられたものである。ただし、流路拡大部８の面積が大きすぎると燃料の充満に時間がかかり、燃料噴射の応答遅れにつながり、また燃料流を減速し過ぎると、次のクロススリット９，１０の交差部３５での燃料衝突の勢いを低下させてしまうので、以上の点を配慮して形状，大きさを設定する必要がある。
【００５０】
以上の見地から、流路拡大部８は、図４に示すように、流路幅Ｗがノズル孔４の径より幾分幅広（例えばＷはノズル孔４の径の１．２〜２倍程度）とし、長さＬがノズル孔４の径の３〜５倍程度の横長の孔形状とし、この横長の孔８がノズル孔４の直下中心位置を基準にしてそこから左右に展開するように設定しており、その長手方向と上段スリット９の長手方向の向きを一致させている。
【００５１】
上段スリット９と下段スリット１０の交差部である噴出孔３５は、噴出孔３５から噴射される燃料噴霧のペネトレーション緩和のために、上記した流路拡大部８の左右の展開位置に対応した位置にノズル孔４の直下から外れるようにして配置されている。
【００５２】
流路拡大部８の流路面積を大きくしたこと、及び噴出孔３５の位置をノズル孔４直下から外したことで、燃料の鉛直下方の運動エネルギーを低減し、噴射燃料のペネトレーションを有効に低減させることが可能になる。
【００５３】
流路拡大部８には、渦状に旋回した燃料が流入するために、燃料が図１（ｂ）の矢印に示す流れ、すなわち中央から左右に拡散する流れとなってすみやかに充満する。その結果、上段スリット９に流入する燃料は、スリット９の左右両端から中心（交差部３５）に向けて、勢いがあり且つバランスのとれた対向した流れを伴って充満し、交差部３５にて対向する燃料流の衝突エネルギーを高める。
【００５４】
図５にクロススリット式アトマイザの微粒化原理を示す。上記したように、上段スリット９において、燃料は各スリット９の左右両端から中央部（アトマイザの噴出孔３５のある位置）に向かって流れる。これにより、アトマイザの噴出孔３５にて、対向して流れる燃料が衝突する。衝突した燃料は、縮流して下段スリット１０に薄い液膜として供給される。下段スリット１０の液膜は、厚さを下段スリットの流路幅Ｗ２により規定され、下段スリット流路長さＬ２の方向に広がる。これにより、燃料は扇状（ファンスプレー状）に拡大して偏平な噴霧として噴射される。
【００５５】
上段スリット９と下段スリット１０の関係は、その幅関係を任意に設定することが可能であるが、例えば図１に示すように、上段スリット９の流路幅Ｗ１の方を下段スリット１０の流路幅Ｗ２よりも小さくすることで、燃料の衝突するスピードを上げ、扇状噴霧の広がり角が大きくなり、噴霧粒径のばらつきを小さくした状態で微粒化した噴霧を形成できる。
【００５６】
燃料流量は、噴出孔３５の面積に比例し、好ましい一例をあげれば、２個の噴出孔３５の合計は、０．２〜０．３ｍｍ²は確保したく、上段スリット９の流路幅Ｗ１は０．２ｍｍ以下、長さＬ１は２．０ｍｍ，下段スリット１０の流路幅Ｗ２は０．５〜０．８ｍｍ、長さＬ２は５．０ｍｍ以上、上段スリット９同士の間隔は０．２ｍｍである。流路拡大部８，上段スリット９，下段スリット１０の全体の流路深さは０．７〜１．５ｍｍの範囲であり、各要素８，９，１０ごとにみれば上記深さが３等分される。
【００５７】
本実施例によれば、燃料噴霧の更なる微粒化促進を図り（従来の燃料旋回方式では、燃料噴霧の粒径は２０〜４０μｍであったものを、本実施例では１５〜２５μｍとすることが可能になり、微粒化と粒径ばらつき範囲を小さくすることが可能になる）、しかも、噴射燃料のペネトレーションの抑制を図ることで、シリンダ内壁への燃料付着を少なくして、燃焼効率の向上及び排気浄化の向上を実現することが可能になる。
【００５８】
また、左右対称の噴出孔３５により、各噴出孔３５からの燃料噴霧量の均等化を図り得る。
【００５９】
図６は本発明のアトマイザ６に係る他の実施例であり、図１と同様に図式化したものである。図１と異なる点は、下段スリット１０についてはその長手方向の壁面に互いの下段スリット１０同士が外側（反中心軸３８側）に向かうように斜面をつけたものである。本方式は、複数の下段スリット１０から噴射される燃料噴霧の干渉を避けたい場合に好適である。下段スリット１０の斜面角度は、中心軸３８を基準にして１５〜３０°位が好ましい。
【００６０】
図７は上記した図１又は図６のアトマイザ６付き燃料噴射弁３６を筒内噴射式エンジンに装着した実施例である。
【００６１】
図７（ａ）は筒内噴射式エンジンのシリンダの見取り図、（ｂ）はシリンダの上面図、（ｃ）はシリンダの中心と燃料噴射弁の中心を含む方向の断面図を示す。
【００６２】
吸気バルブ２２は一例として２つの吸気ポート１８ａ，１８ｂを備え、その一つに、運転条件（例えば理論空燃比より高くした希薄燃焼空燃比の運転条件）に合わせてシリンダ１２の燃焼室１４内に空気旋回流が生じるようにコントロールするスワールコントロールバルブ２２が設けてある。１９は吸気バルブ、２０は排気ポート、２１は排気バルブである。
【００６３】
吸気ポート１８ａと１８ｂから流入した空気と、燃料噴射弁３６から噴射された燃料が混合し、点火プラグ１５により着火して燃焼する。スワールコントロールバルブ２２により、吸気ポート１８ａ，１８ｂの２方向から燃焼室１４内に流入する空気の流量バランスを変化させることで（吸気ポート１８ａから流入する空気流量比率を吸気ポート１８ｂに比べて大きくすることで）、燃焼室１４内の空気は、図７（ｂ）に示すように反時計回りの旋回流２４ａとなる。
【００６４】
燃料噴射弁３６は、吸気ポート１８ａと１８ｂの間に取り付けられている。
【００６５】
本実施例では、アトマイザ６に形成された上段，下段のスリット９，１０のうち下流側に位置する下段スリット１０がシリンダ１２の中心軸線を縦方向とみた場合にこれと立体的に交差する横方向に向けて配置されている（下段スリット１０と１０の間の中心線１７がシリンダ中心軸線に対して立体的に直交する方向に向いている）。
【００６６】
このように下段スリット１０を横向きになるようにして燃料噴射弁３６をエンジンに実装すると、噴霧角は３０〜７０度位になり、シリンダ内壁への燃料付着が少なくなる試験結果が得られた。
【００６７】
燃焼室１４内の噴霧燃料は、シリンダ内の旋回空気流動の流れに乗りやすい。特に、図７（ｃ）に示すように、燃料が圧縮工程中に噴射される場合、噴霧燃料は空気の流動に乗って、点火プラグ付近に集められ、燃焼する。このしくみがリーンバーン（希薄空燃比燃焼）運転を実現した。
【００６８】
図７（ｂ）に示すように、燃料噴射弁３６の中心線３８は、シリンダ１２の径方向の中心線２５と一致することが、シリンダ内壁への燃料付着を防ぐためにも望ましい。
【００６９】
本例の燃料噴霧２３の形状は、下段スリット１０を横向きにすることから、横広がり扇形となり、燃料噴霧の一つ一つは噴霧の厚みが扁平であるが、噴出孔３５及び下段スリット１０が上下に並列に配置されているため、これらの扁平な燃料噴霧が集まることで上下方向（縦方向）に噴霧層が形成される〔図７（ｃ）〕。そのため、上側の下段スリット１０により形成された燃料噴霧２３の上端は、噴射時に与えられた自身の運動エネルギーにより直接点火プラグ１５付近に到達する。また、下側の下段スリット１０により形成された燃料噴霧２３の下端は、ピストン１３の上面（フラット面）に衝突して空気流動２４に乗る。噴霧２３の下端の燃料は、上端の燃料より少し遅れて点火プラグ１５に搬送される。これにより、燃料が過度に点火プラグ１５に集中することによるくすぶりをなくすことができる。換言すれば、点火プラグ１５付近に良好な混合気を形成して、いわゆる成層燃焼が可能になる。
【００７０】
本実施例によれば、燃焼圧力の変動を小さく抑えることができることを試験結果で確認でき、特に運転条件を種々変えた場合であっても、燃焼圧力の安定領域（圧力変動が±５％の範囲）を広い運転領域にわたって確保できる結果が得られた。
【００７１】
図８は筒内噴射式エンジンに装着した本実施例に係わる燃料噴射弁の別の取り付け例を示すものであり、（ａ）は筒内噴射式エンジンのシリンダの見取り図、（ｂ）はシリンダの上面図、（ｃ）はシリンダの中心と燃料噴射弁の中心を含む方向の断面図を示す。
【００７２】
本例も図７の実施例同様に吸気ポート１８ｂにスワールコントロールバルブ２２を備えているものであり、図７の実施例との相違点は、アトマイザ６の下段スリット１０の向きにある。
【００７３】
すなわち、本実施例では、下段スリット１０の向きを図７よりも９０°変えていわゆる斜め縦向きの状態にしたものである（下段スリット１０と１０の間の中心線１７をシリンダ中心軸線と一致させている）。
【００７４】
本実施例においても、圧縮工程において、吸気ポート１８ａと１８ｂから燃焼室１４に流入した空気は、反時計回りの旋回流２４ａとして、ピストン１３に衝突した後、点火プラグ１５近傍に集まる。
【００７５】
本実施例では、燃料噴霧２３は上下方向に広がる扇形噴霧であり〔図８（ｃ）〕、燃料噴霧の横方向（径方向）の拡散の度合いを小さくしているため、シリンダ内壁への燃料付着を少なくすることができる。燃料噴霧角は、８０°〜１４０°位になり、そのため、図７の実施例に較べて点火プラグ近傍側或るいはピストン側への燃料付着が増えることが予想されるが、エンジンが大きくなれば（排気量が大きくなれば）、その燃料付着度合いを抑えることが可能になる。
【００７６】
図９，図１０に、上記した実施例に係わるアトマイザ付き燃料噴射弁３６を噴霧上端角を規定する見地から取付けた実施例を示す。
【００７７】
図９において、取り付け角θは、シリンダ中心軸線に対する燃料噴射弁３６の中心線３８の交わる角度であり、噴霧角Ｐは噴射後０．９ｍｓの燃料噴霧の広がり角を示しており、噴霧上端角αは噴射後０．９ｍｓの燃料噴霧において水平線を基準して示した角度である。
【００７８】
噴霧上端角αを大きくすると、点火プラグ１５に燃料が付着し、上端角αを小さくすると、燃料が点火プラグ１５に届かず、ピストン１３への燃料の付着度合いが高くなる。点火プラグ及びピストンへの燃料付着を少なくして点火プラグ付近に良好な混合気を形成する目安として、噴霧上端角αが±３°以内になるように、燃料噴射弁３６の取り付け角θを設定している。
【００７９】
なお、図７，図８の燃料噴射弁取り付け例によれば、図１１（ｂ）に示すように下段スリット１０と燃料噴霧２３との間に角度的なずれβが生じる場合がある。図１１（ａ）では、燃料噴霧のずれβは±５°以内になるように下段スリット１０の向きを調整してある。換言すれば、β＝０の場合は、下段スリットのずれが±５°以内にすることと等価になる。
【００８０】
図１２は、本発明に係わるアトマイザ付き燃料噴射弁を採用した筒内噴射式エンジンと、加熱した燃料を供給できる燃料供給装置とを搭載した自動車の実施例を示す説明図である。
【００８１】
燃料タンク３２内の燃料は、フィルタ３１にて不要物を除去され、低圧ポンプ３０にて加圧されて、高圧燃料ポンプ２９に供給される。高圧燃料ポンプ２９において、燃料はエンジンの運転条件において５〜１２ＭＰａに加圧される。次に、燃料はエンジン２６に隣接するギャラリー２８に供給されて、ギャラリー２８から分岐して各気筒に取り付けられたアトマイザ付き燃料噴射弁３６より燃焼室内に噴射される。
【００８２】
燃料はギャラリー２８に設けられた保温用燃料加熱器２７により約６０〜１００℃に加熱される。燃料加熱器２７の熱源は、エンジンの冷却水（約８０℃）やＥＧＲ等の廃熱の利用が最適であるが、電気ヒータ等を利用しても良い。次に、ギャラリー２８と燃料噴射弁３６の間に設けられた昇温用燃料加熱器４４により、燃料を約２００℃に加熱する。昇温用燃料加熱器４４の熱源はＥＧＲか電気ヒータとして、温度調整機能も付帯させる。昇温用燃料加熱器４４のみをギャラリー２８に設けてもよい。
【００８３】
図１３は自動車用ガソリンの液体温度と累積留出割合の関係を示す。これによると、筒内噴射式エンジンの５ＭＰａ以上の燃料圧力の条件ならば、燃料は約２００℃に加熱しても配管内で沸騰しない。従って、筒内噴射式エンジンによれば、図１２の燃料加熱機構付きの燃料供給装置を用いて減圧沸騰噴霧方式を実現できるとの知見が得られた。したがって、加熱燃料をエンジンの燃焼室内で減圧沸騰させることが可能になる。なお、この減圧沸騰の実現は、燃料加熱機構と筒内噴射式エンジンによれば可能となり、上記のクロススリット方式以外の筒内噴射式エンジンとの組み合わせでも可能である。
【００８４】
従来の吸気ポート噴射式エンジンにおいては、燃料の圧力は最大約０．５ＭＰａ程度である。液体の圧力を５気圧とすると、１２５℃のガソリンの約２５％が気化する。これは吸気ポート噴射式エンジンにおいて、燃料は最大で数十℃までしか加熱できないことを意味する。従って吸気ポート噴射式エンジンにおいて、減圧沸騰噴霧の実現は非常に困難である。
【００８５】
図１４に液体燃料（ガソリン）の加熱が平均粒径に及ぼす影響を示し、横軸に燃料温度を示し、縦軸に本実施例に係るアトマイザ付き燃料噴射弁を用いた燃料噴霧の平均粒径を示し、燃料圧力を３ＭＰａと７ＭＰａとした場合を例示している。平均粒径は、Malvernのレーザ回折法により測定したものである（図１５も同様である）。図１４から明らかなように、燃料温度の上昇が平均粒径を低減させる。従って、保温用燃料加熱器２７のみ稼動しても、噴霧の微粒化は促進される。また、燃料温度が約１８０℃以上になると、減圧沸騰により粒径がさらに低減する。燃料圧力３ＭＰａの場合には、燃料の加熱による粒径は約２５μｍ前後の平均粒径であり、減圧沸騰による場合は平均粒径が約２０〜２５μｍにすることができた。燃料圧力７ＭＰａの場合には、燃料の加熱による平均粒径は約１５〜２０μｍであり、減圧沸騰による場合は平均粒径が約１０〜１５μｍにすることができた。
【００８６】
図１５は、図１及び図６のアトマイザ付き燃料噴射弁を筒内噴射用エンジンに適用し、且つ、燃料を減圧沸騰する燃料温度（１８９℃）と常温（２０℃）で噴射した場合の燃料噴霧の平均粒径を比較したものである。いずれも燃料圧力を３ＭＰａ〜７ＭＰａの範囲で変化させて、その燃料噴霧の平均粒径を測定したものであり、常温でも平均粒径を約１５〜２５μｍとし、平均粒径の微粒化を図ることができるが、燃料温度１８９℃の噴霧の平均粒径は、常温の場合よりも約２０％低減する。さらに、微粒化性能を保ったまま、燃料圧力が低減できる。これにより、高圧ポンプ２９の駆動損失が低減され、燃費が向上する。
【００８７】
次に上記したクロススリット方式のアトマイザ６の製造方法を図１６〜図１９により説明する。
【００８８】
図１６は、アトマイザ６の製作方法の第１例を示す断面図であり、本実施例は、一枚の材料（ＳＵＳ板など）から、放電加工やエッチング或いは切削によって作る場合を示す。
【００８９】
図１６の例では、まず（ａ）に示すように、アトマイザ母材６´に最上段の嵌合孔（円形凹部）１１を形成する。この円形凹部１１は、嵌め込みの相手方となる燃料噴射弁３６の先端凸部５ａと同一の形状で、凹部１１の周りに所望の肉厚部１１ａを確保にするものである。
【００９０】
図１６（ｂ）に流路拡大部８の製作工程を示す。製作は上流側より行う。この流路拡大部８は、既述したように、▲１▼オリフィス４よりも大きな流路面積を有することによる鉛直下方の燃料の運動エネルギーの低減（これにより、噴霧のペネトレーションが低減される）と、▲２▼その直下の上段スリット９にあらゆる方向から万遍なく燃料を供給することにあり、一例として、図１において小判型に近い形状のものを例示したが、上記２点の役割及び応答性を保証する面積であれば、流路拡大部８はどんな形状でもよい。
【００９１】
上記の流路拡大部８の形成後に、図１６（ｃ）に示すように上段スリット９を製作し、次いで図１６（ｄ）に示すように下段スリット１０を形成する。下段スリット１０の製作は、下流側より行われる。
【００９２】
図１７の（ａ）は本発明に係るアトマイザ６の別の製作方法であり、アトマイザの要素の複数の板材と有底円筒部材を用いて製作した例である。
【００９３】
アトマイザ６の加工はプレスにより１方向のみから打ち抜く工程と、穿孔する工程と、プレートをインサートする工程で製作できる。穿孔加工は、削り出し、旋盤、放電加工やエッチング等を利用する。
【００９４】
本例では、下段スリット１０を有する有底円筒部材６１と、上段スリット９を有する部材（板材）６３と、流路拡大部８を有する部材（板材）６２とをそれぞれ別部材とし、これらの板材（プレート）６２，６３をそれぞれのスリット及び流路拡大部を形成した後に、有底円筒部材６１に嵌め込むことで、図１７（ｂ）に示すようなアトマイザ６の完成品が製作される。
【００９５】
有底円筒部材６１は、中心軸線３８を中心として下段スリット１０ａの厚みを残して母材を削孔したものである。削孔する孔の形状は円形でも良いが、板材６２，６３の位置決めを容易にするため、正方形等の他の形状でも良い。また下段スリット１０の上流側の面は、板材６２，６３をインサートして密着させるため、表面荒さを６．４μｍ以下とするが望ましい。
【００９６】
下段スリット１０は、中心軸３８に対称に２箇所製作される。有底円筒部材６１は、治具に固定され、ＮＣ加工機に所望の下段スリット１０の位置や寸法を入力して加工される。
【００９７】
流路拡大部８と上段スリット９は、それぞれの板材６２，６３を治具に固定し、プレス加工機により打ち抜いて製作される。
【００９８】
板材６２，６３を有底円筒部材６１にインサートする際の方向性は、治具に固定して決定してもよく、板材の形状を工夫して決定してもよい。また、インサートした板材は、スポット溶接や溶着等により固定されることが望ましい。
【００９９】
図中の７０，７１は逃げ溝で、アトマイザ６とノズル部５に設ける。アトマイザ６はノズル部５に加圧力を加えて塑性流動結合させた後にレーザ溶接するものであり、その塑性流動の逃げを溝７０，７１で行うものである。これにより塑性流動時の応力集中を低減することが可能になる。
【０１００】
本例に製作方法でアトマイザ６を大量生産した場合、図１６の例よりも低コストであると考えられる。
【０１０１】
図１８は、図１７の製作方法で成形されたアトマイザ６を燃料噴射弁３６のノズル部５に装着した状態を示すものである。
【０１０２】
図１９，図２０は、本発明に係るアトマイザの他の実施例に係る要部断面図であり、図中、既述した実施例と同一要素には同一の符号が示してある。いずれも、流路拡大部８については燃料噴射弁３６のノズル部５のオリフィス４下流に形成したものであり、上段，下段のスリット９，１０についてはアトマイザ６側に形成している。図１９の場合には、一つのアトマイザ母材６´に上段スリット９及び下段スリット１０を形成したものであり、図２０の場合には、下段スリット１０を有する有底円筒部材６１に上段スリット９を有する板材６３をインサートしたものである。流路拡大部８，上段スリット９，下段スリット１０の形状，仕様は図１及び図６の実施例同様である。図１９，２０の実施例においても本発明の所期する効果を奏することができる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、クロススリット方式の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、その燃料噴霧のペネトレーションの緩和やスリットの向き等に工夫をこらし、またスリット流路へすみやかでバランスのとれた燃料充満を図る等して、今まで以上に燃料微粒化を図り、燃焼効率の向上，排ガス浄化の向上を図ることができる。
【０１０４】
さらに、もう一つの発明では、噴射される燃料噴霧（ガソリン）の燃焼室内での減圧沸騰を実現させることで燃料噴霧の微粒化促進を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例に係るアトマイザを筒内噴射エンジン用の燃料噴射弁に装着した要部断面図及びそのアトマイザのＡ−Ｂ線横断面図、Ｃ−Ｄ線横断面図、Ｅ−Ｆ線横断面図、（ｂ）は上記（ａ）と同様の図面に開弁時の燃料の流れ状態を示した説明図。
【図２】本発明に係るアトマイザが装着される筒内噴射式エンジン用燃料噴射弁の縦断面図。
【図３】（ａ）は図１のＸ−Ｙ断面図、（ｂ）はそれに燃料の流れの状態を加えたＸ−Ｙ断面図。
【図４】本発明の一実施例に係るアトマイザの上面図。
【図５】クロススリット式アトマイザの微粒化原理を示す説明図。
【図６】（ａ）は本発明の他の実施例に係るアトマイザを筒内噴射エンジン用の燃料噴射弁に装着した要部断面図及びそのアトマイザのＡ−Ｂ線横断面図、Ｃ−Ｄ線横断面図、Ｅ−Ｆ線横断面図、（ｂ）は上記（ａ）と同様の図面に開弁時の燃料の流れ状態を示した説明図。
【図７】（ａ）は本発明の実施例に係る筒内噴射式エンジンのシリンダの見取り図、（ｂ）はそのシリンダの上面図、（ｃ）はシリンダの中心と燃料噴射弁の中心を含む方向の断面図。
【図８】（ａ）は本発明の他の実施例に係る筒内噴射式エンジンのシリンダの見取り図、（ｂ）はそのシリンダの上面図、（ｃ）はシリンダの中心と燃料噴射弁の中心を含む方向の断面図。
【図９】上記した実施例に係わるアトマイザ付き燃料噴射弁の噴霧上端角を規定する説明図。
【図１０】上記した実施例に係わるアトマイザ付き燃料噴射弁を噴霧上端角を規定する見地から取付けた実施例。
【図１１】（ａ）は本発明に係る燃料噴射弁の取付状態を示す斜視図、（ｂ）は下段スリットに対する燃料噴霧のずれを示す説明図。
【図１２】本発明に係わるアトマイザ付き燃料噴射弁を採用した筒内噴射式エンジンと、加熱した燃料を供給できる燃料供給装置とを搭載した自動車の実施例を示す説明図。
【図１３】自動車用ガソリンの液体温度と累積留出割合の関係を示すグラフ。
【図１４】燃料噴射弁に加熱した燃料を供給した場合、加熱による燃料噴霧の平均粒径と減圧沸騰による粒径の低減を示すグラフ。
【図１５】燃料の減圧沸騰による噴霧の平均粒径の低減を常温による燃料噴霧の平均粒径と比較して示すグラフ。
【図１６】本発明のアトマイザに係る製造方法の第１例を示す説明図。
【図１７】本発明のアトマイザに係る製造方法の第２例を示す説明図。
【図１８】上記第２例で製造したアトマイザを燃料噴射弁に装着した状態を示す要部断面図。
【図１９】本発明の他の実施例に係るアトマイザを燃料噴射弁のノズル部の装着して例を示す要部断面図。
【図２０】本発明の他の実施例に係るアトマイザを燃料噴射弁のノズル部の装着して例を示す要部断面図。
【符号の説明】
２…燃料旋回子（スワラー）、ボール弁、４…ノズル孔（オリフィス）、５…ノズル部、６…アトマイザ、７…溶接部、８…流路拡大部、９…上段スリット、１０…下段スリット、１１…嵌め込み用凹部、１２…シリンダ、１３…ピストン、１４…燃焼室、１５…点火プラグ、２２…スワールコントロールバルブ、２６…エンジン、２７…保温用燃料加熱器、２８…ギャラリー、２９…高圧燃料ポンプ、３６…燃料噴射弁、４４…昇温用燃料加熱器。

Claims (14)

1. 筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁のノズル部に装着されるアトマイザで、前記ノズル部のノズル孔のオリフィス径より流路面積を拡大して該ノズル孔から噴出する燃料の流速を低減させる流路拡大部と、前記流路拡大部より流路面積を小さくした組をなす上段，下段のスリットとを有し、前記上段，下段のスリットは複数組形成され、各組の上段，下段のスリットは一部重なるよう交差しこれらの交差部が燃料の噴出孔となって前記流路拡大部の下流に位置し、且つこれらの噴出孔が前記ノズル部のノズル孔のオリフィスの直下から外れて配置されていることを特徴とする筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
2. 前記噴出孔は、前記ノズル部のノズル孔のオリフィスの直下から外れて該流路拡大部の中心軸線を基準にして左右対称に配置されている請求項１記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
3. 前記流路拡大部は、流路幅が前記燃料噴射弁のノズル孔のオリフィス径よりも幅広で長さが中心軸線を基準にして左右に展開する横長形状の孔で、この流路拡大部を構成する横長の孔の直下に前記上段スリットがスリットの長手方向の向きを流路拡大部の長さ方向に一致させて配置されている請求項１又は２記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
4. 前記上段，下段のスリットの交差部よりなる噴出孔の流路面積が、筒内噴射式エンジンの燃料供給系の通路の中で最小としてある請求項１ないし３のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
5. 前記下段のスリットの壁面に燃料噴霧を方向づける傾斜面が形成されている請求項１ないし４のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
6. 前記下段のスリットの幅を上段のスリットの幅よりも狭くしている請求項１ないし５のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
7. 前記上段のスリットの幅を下段のスリットの幅よりも狭くしている請求項１ないし５のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
8. 前記流路拡大部及び上段，下段のスリットは一つの母材に形成されている請求項１ないし７のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
9. 前記下段スリットが有底円筒部材の底部に設けられ、前記上段スリット及び前記流路拡大部が前記有底円筒部材と別部材の板材に設けられ、この板材が前記有底円筒部材に嵌め込まれている請求項１ないし７のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
10. アトマイザ本体が、前記燃料噴射弁の先端に設けた凸部にインロー嵌合され、この嵌合部が全周溶接されている請求項１ないし９のいずれか１項記載の筒内噴射式エンジン用のアトマイザ。
11. エンジンのシリンダに燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁において、
    上流から下流側に向けて、弁座と、ノズル孔となるオリフィスを有するノズル部と、前記ノズル部に装着されるアトマイザとを備え、前記アトマイザには、前記オリフィスの径より流路面積を拡大して該オリフィスから噴出する燃料の流速を低減させる流路拡大部と、前記流路拡大部より流路面積を小さくした組をなす上段，下段のスリットとを設け、前記上段，下段のスリットは、複数組形成され、各組の上段，下段のスリットは一部重なるよう交差しこれらの交差部が燃料の噴出孔となって前記流路拡大部の下流に位置し、これらの噴出孔が前記ノズル部のノズル孔のオリフィスの直下から外れて配置されることを特徴とする筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁。
12. エンジンのシリンダに燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁において、
    上流から下流側に向けて、燃料に渦状の旋回流を与える燃料旋回子と、弁座と、ノズル孔となるオリフィスを有するノズル部と、前記ノズル部に装着されるアトマイザとを備え、前記アトマイザには、前記オリフィスの径より流路面積を拡大して該オリフィスから噴出する燃料の流速を低減させる流路拡大部と、前記流路拡大部より流路面積を小さくした組をなす上段，下段のスリットとを設け、前記上段，下段のスリットは、複数組形成され、各組の上段，下段のスリットは一部重なるよう交差しこれらの交差部が燃料の噴出孔となって前記流路拡大部の下流に位置し、且つこれらの噴出孔が前記ノズル部のノズル孔のオリフィスの直下から外れて配置されることを特徴とする筒内噴射式エンジン用の燃料噴射弁。
13. エンジンのシリンダに燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、
    前記燃料噴射弁は、請求項１ないし１０のいずれか１項記載のアトマイザが装着され、該アトマイザに形成された前記下段スリットが前記シリンダの中心軸線の向きを縦方向とみた場合にこの中心軸線と立体的に交差する横方向に向くように配置されていることを特徴とする筒内噴射式エンジン。
14. エンジンのシリンダに燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、
    前記燃料噴射弁は、請求項１１又は１２に記載の燃料噴射弁で、前記下段スリットが前記シリンダの中心軸線の向きを縦方向とみた場合にこの中心軸線と立体的に交差する横方向に向くように配置されていることを特徴とする筒内噴射式エンジン。

Images