JP3788275B2

JP3788275B2 - 筒内直噴型内燃機関

Info

Publication number: JP3788275B2
Application number: JP2001192447A
Authority: JP
Inventors: 賢明久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: US20020195079A1; JP2003003852A; US6705274B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内へ直接燃料を噴射する筒内直噴型内燃機関、特に、均質燃焼させるときには吸気行程中に燃料を噴射し、成層燃焼させるときには圧縮行程中に燃料を噴射するようにした筒内直噴型内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火式ガソリン機関等に用いられる燃料噴射弁として、いわゆるスワール式燃料噴射弁が知られている。これは、噴孔に流入する燃料の流れに、噴孔中心軸回りの旋回成分を付与し、噴孔から出た噴霧が中空の円錐形状に拡散するように構成したものであって、通常の燃料噴射弁に比べて、噴霧角（噴孔中心軸からの噴霧の角度）が大きくなり、燃料の微粒化を図りつつ広範囲に燃料を噴射することができる特徴を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスワール式燃料噴射弁は、噴射を行うときの雰囲気圧力つまり噴孔出口側の圧力が高くなるほど噴霧角が小さくなる特性を有している。つまり、雰囲気圧力が高いと、噴霧の円錐形状の拡がりが小さくなり、旋回成分を付与しない通常の燃料噴射弁の噴霧形状に近付く形となる。
【０００４】
このような特性は、ピストン冠面上のキャビティを利用して成層燃焼を実現するようにした形式の筒内直噴型内燃機関においては、有利な特性であると言える。つまり、この種の形式の筒内直噴型内燃機関は、高負荷域などには、吸気行程中に燃料噴射を行うことで均質燃焼を実現し、また低負荷域などには、圧縮行程中にピストンキャビティへ向けて燃料を噴射することで成層燃焼を実現するようになっているが、均質燃焼のための燃料噴射がなされる吸気行程中は燃焼室内の圧力が低いので、噴霧角が大きく拡がり、良好な均質混合気を得ることができ、また、成層燃焼時の燃料噴射は燃焼室内の圧力が高い圧縮行程中に行われるので、噴霧角の小さな噴射によって燃料をピストンキャビティに集中させることができる。
【０００５】
しかしながら、筒内直噴型内燃機関として、成層燃焼の際に、燃料噴霧を直接点火プラグ方向へ指向させて点火プラグ近傍に成層混合気を形成するようにした形式のものに適用する場合には、スワール式燃料噴射弁の上記の特性は、好ましくない。すなわち、成層燃焼を考慮して圧縮行程中に噴射した噴霧の上部が点火プラグの放電ギャップに直接かかるように燃料噴射弁の位置や噴霧角等を設定したとすると、均質燃焼の際の吸気行程中の噴射では、噴霧角がこれよりも大きくなって、点火プラグ全体を噴霧が直撃し、点火プラグのくすぶりやＨＣ排出量の増加を引き起こしてしまう。
【０００６】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、均質燃焼運転と成層燃焼運転とを行う筒内直噴型内燃機関におけるスワール式燃料噴射弁の先端形状を最適化することで、均質燃焼と成層燃焼とを高いレベルで両立させることを目的とする。
【０００７】
なお、スワール式燃料噴射弁の先端形状については、本出願人による特開平８−４２４２７号公報において各種の形状が提案されており、噴霧の形成方向を噴孔軸方向と異ならせるための形状として、噴孔の開口縁を含む平面が噴孔中心軸に対して傾斜した先端形状が開示されているが、この従来技術は、均質燃焼と成層燃焼とを両立させることを特に考慮したものではなく、噴射実行時の雰囲気圧力が変化する場合の噴霧特性と噴射弁先端形状との関係に関する開示はない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、を備え、均質燃焼させるときには吸気行程中に燃料を噴射し、成層燃焼させるときには圧縮行程中に燃料を噴射するようにした筒内直噴型内燃機関において、
上記燃料噴射弁は、噴孔の中心軸回りに燃料を旋回させる旋回成分付与手段を有し、
上記噴孔中心軸と直交する基準平面に対し所定の傾斜角度だけ傾いた傾斜面が上記燃料噴射弁の先端に設けられており、
上記噴孔が上記傾斜面に開口していることを特徴としている。
そして、圧縮行程中に行われた燃料噴射の噴霧角が、吸気行程中に行われた燃料噴射の噴霧角とほぼ等しいかまたはこれよりも大きくなるように、上記傾斜角度が設定されている。
【０００９】
より具体的な請求項２の発明は、上記傾斜面が上記点火プラグに向かう方向となるように上記燃料噴射弁が配設されていることを特徴としている。
【００１１】
また望ましくは、請求項３のように、上記傾斜角度は１０度以上である。
【００１２】
また、請求項４の発明は、圧縮行程中に行われた燃料噴射の噴霧の外郭が、上記点火プラグの放電ギャップ位置に到達するように上記燃料噴射弁が配設されていることを特徴としている。
【００１３】
旋回成分付与手段を備えたいわゆるスワール式燃料噴射弁では、上述したように、略円錐形状の噴霧が形成されるが、上記のように傾斜面に噴孔が開口していると、この噴霧全体がやや傾いた形となる。つまり、噴孔中心軸からの噴霧角が、周方向の一方の側で大きくなるのであるが、この部分での噴霧角に着目すると、雰囲気圧力が高くなったときに逆に噴霧角が拡がる現象が見られる。これは、傾斜面の傾斜角度に依存し、傾斜角度が小さいと、前述した従来技術のように、雰囲気圧力の上昇に伴って噴霧がすぼまるようになるが、傾斜角度が大きいと、雰囲気圧力が高くなったときに逆に噴霧角が拡がるようになる。
【００１４】
このような作用の原因は、上記のように傾斜面とすることで、噴孔の軸方向の長さが、その周方向の一方と他方とで異なるものとなり、噴孔を流れてきた燃料は、噴孔の周方向の一方で相対的に早く外部へ噴出し、周方向の他方の位置では、相対的に遅れて噴出するようになるが、燃料の流量分布として、早く外部へ噴出する方から相対的に多量の燃料が噴出するためである。
【００１５】
【発明の効果】
この発明に係る筒内直噴型内燃機関においては、成層燃焼のための圧縮行程中の燃料噴射による噴霧形状ならびに均質燃焼のための吸気行程中の燃料噴射による噴霧形状を、それぞれ点火プラグ等に対して最適なものとすることができる。従って、例えば、均質燃焼時の点火プラグのくすぶりやＨＣ排出量の増加を回避しつつ成層燃焼時の安定した着火燃焼を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明に係る筒内直噴型内燃機関の一実施例を示しており、燃焼室１の頂部略中央に点火プラグ２が配置されているとともに、この点火プラグ２の近傍へ燃料を噴射するように燃料噴射弁３が配置されている。この実施例は、特に、燃料噴射弁３と点火プラグ２とが隣接したいわゆるナロースペーシング（Narrow Spacing）タイプの構成となっている。吸気ポート４を開閉する一対の吸気弁５は、上記燃料噴射弁３の両側に位置しており、これと対向する反対側に、排気ポート６を開閉する一対の排気弁７が配置されている。また、８はシリンダ、９はピストンをそれぞれ示しているが、この筒内直噴型内燃機関は、基本的に、ピストン９冠面のキャビティに依存せずに成層燃焼を実現する形式となっている。
【００１８】
図２および図３は、上記燃料噴射弁３の構成を示す断面図であって、噴射弁ボディ１１の先端中央に噴孔１２が開口形成されており、この噴孔１２を、圧電素子もしくはソレノイド等からなるアクチュエータ１４により駆動される針弁１３が開閉している。なお、１５は燃料入口、１６はリード線である。上記噴孔１２の周囲には、針弁１３外周を囲むように、旋回成分付与手段として公知のスワラーチップ１７が設けられている。このスワラーチップ１７は、針弁１３の接線方向へ沿って形成された複数の燃料通路１８を有し、これによって、噴孔１２へ流れ込む燃料の流れに旋回成分を付与している。なお、本発明においては、スワラーチップ以外の旋回成分付与手段を利用することも勿論可能である。
【００１９】
この実施例の燃料噴射弁３では、噴孔１２の中心軸Ｌは、針弁１３の中心軸に一致している。そして、噴孔１２が開口する噴射弁ボディ１１の先端面は、一方の三日月型領域を占める第１平面２１と、他方の三日月型領域を占める第２平面２２と、両者の間に位置する傾斜面２３と、からなる。ここで、上記第１平面２１ならびに第２平面２２は、上記の噴孔１２の中心軸Ｌに直交する基準平面とそれぞれ平行であり、かつ、図左側の第１平面２１の方が第２平面２２よりも相対的に高く突出したものとなっている。そして、両者を接続する中間の傾斜面２３は、基準平面つまり第１，第２平面２１，２２に対し、傾斜角度φだけ傾いており、この傾斜面２３に、上記噴孔１２が開口している。
【００２０】
図４および図５は、この傾斜面２３の向きと点火プラグ２との位置関係を示したものであって、図示するように、相対的に後退したものとなる第２平面２２が点火プラグ２寄りに位置し、従って、傾斜面２３は、点火プラグ２へ向かうような方向に傾斜している。
【００２１】
次に、上記のような傾斜面２３の作用について説明する。
【００２２】
本発明の筒内直噴型内燃機関は、前述したように、均質燃焼の際には、図６に示すように吸気行程中に燃料噴射を行い、また成層燃焼の際には、図７に示すように圧縮行程中に燃料噴射を行う。つまり、均質燃焼の際には、比較的低圧（例えば大気圧）の雰囲気圧力下で燃料が噴射され、成層燃焼の際には、比較的高圧（例えば０．６ＭＰａ）の背圧下で燃料が噴射される。上記のように噴孔１２が傾斜面２３に開口している結果、噴霧は基本的に、一方に傾いた略円錐形状をなす。また、燃料液滴は直進成分とともに旋回成分を有するので、噴射後、時間の経過とともに拡散していくが、やはり、傾斜面２３の作用により、一方に大きく拡がっていく。
【００２３】
図８および図９は、実際の燃料噴霧の形状への影響を実験したものであって、図８に示すように、燃料噴射弁３の先端形状として、傾斜角度φが０つまり全く傾斜していないものと、傾斜面２３の傾斜角度φが２０°のものと、同じく４０°のものと、の３種類を用い、それぞれについて大気圧下（０．１ＭＰａ）と背圧下（０．６ＭＰａ）とで、燃料噴射を行った。そして、その噴霧形状をストロボライトを用いて撮影した結果が図９にまとめて示してある。特に、噴射直後（１ｍｓ後）と、３ｍｓ経過後と、を対比して撮影してある。ここで、「３ｍｓ」の遅れは、噴孔１２から出た噴霧が点火プラグ２の放電ギャップ２ａに到達するまでの所要時間に相当するものであり、噴孔１２と放電ギャップ２ａとの間の距離を例えば４０mmと仮定して求めたものである。なお、燃料の噴射圧(Pinj)は、１０ＭＰａである。
【００２４】
図９に見られるように、傾斜角度φが０である場合には、背圧下での噴霧は細くつぼまってしまう。これに対し、傾斜角度φが２０°あるいは４０°のものでは、噴霧全体としての形状は背圧下の方が小さくなるものの、傾斜面２３の傾斜に沿った方向についての噴霧角は狭まらず、むしろ、より大きく傾斜したものとなる。
【００２５】
図１０および図１１は、上記の傾斜面２３の影響を定量的に評価したものであって、図１０の（ａ）に示すように、大気圧下で噴射した場合の噴射直後の噴霧Ｆ１の噴霧角をθ１とする。また、（ｂ）に示すように、背圧下で噴射した場合の３ｍｓ経過後の噴霧Ｆ２の噴霧角をθ２とする。なお、いずれも傾斜面２３の傾斜に沿った同じ方向において対比する。そして、両者の差、θ＝θ２−θ１を求め、これを背圧変化による噴霧角変化とする。図１１は、この噴霧角変化θと傾斜角度φとの関係を示したものである。この図１１に明らかなように、背圧変化による噴霧角変化θと傾斜角度φとは、直線的な関係があり、傾斜角度φが小さな場合には、背圧下において噴霧角が小さくなる傾向が見られるが、傾斜角度φが１０°以上の領域では、逆に、背圧下において噴霧角が拡がる傾向が得られる。
【００２６】
このように噴霧角が背圧下において拡がる現象は、噴孔１２から出る燃料の片寄りに起因するものと考えられる。図１２は、傾斜による燃料分布の片寄りを実験した結果を示しており、同図に付記されているように、燃料噴射弁３の噴孔１２の直下に燃料を受ける容器を配置しておき、かつNo．１〜No．４までの９０°ずつの４象限に分けて、それぞれの燃料噴射量を測定したものである。この図１２に示すように、傾斜角度φが０であれば当然のことながら各象限の燃料量は略均一であるが、傾斜角度φが大きくなると、それに伴って、No．３およびNo．４の領域の燃料量が、No．１およびNo．２の領域の燃料量に比べて、明らかに大となる。この流量ばらつきを無次元化して示したのが図１３である。この図１３によると、傾斜角度φが１０°では、流量比が２程度であり、従って、これ以上の流量比となるように傾斜角度φが大きければ、背圧下において、点火プラグ２側への噴霧角が小さくなることはない。
【００２７】
上記傾斜角度φの具体的な大きさは、図７に示すように圧縮行程中に燃料噴射した場合に、噴霧Ｆ２が点火プラグ２の放電ギャップ２ａまでの距離を進んだとき（つまりこれに相当する時間が経過したとき）に、該噴霧Ｆ２の上方の外郭がちょうど放電ギャップ２ａに差し掛かるように設定することが望ましく、かつ同時に、図６に示すように吸気行程中に燃料噴射した場合に、初期の噴霧Ｆ１の噴霧角θ１が図７の圧縮行程中の噴霧角θ２と同じかこれよりも小さくなることが望ましい。
【００２８】
次に、図１４および図１５は、それぞれ燃料噴射弁３の異なる実施例を示している。図１４の実施例においては、噴孔１２が開口する傾斜面２３が完全な平面ではなく、針弁１３寄りに凹んだ湾曲面をなしている。図１５の実施例においては、噴孔１２が開口する傾斜面２３が完全な平面ではなく、先端側へ凸となった湾曲面をなしている。
【００２９】
次に、図１６および図１７は、燃料噴射弁３のさらに異なる実施例を示している。この実施例の燃料噴射弁３は、噴孔１２の中心軸Ｌが針弁１３の中心軸Ｍに対し傾斜したものとなっている。そして、噴孔１２は、やはり第１平面２１と第２平面２２との間の傾斜面２３に開口している。この傾斜面２３は、噴孔１２の中心軸Ｌと直交する基準平面Ｐに対し、所定の傾斜角度φだけ傾斜している。これによって、前述した実施例と同様の作用が得られる。図１６は、特に大気圧下で燃料噴射した直後の燃料噴霧Ｆ１を示しており、これによって、噴霧角θ１が定義される。また図１７は、特に背圧下で燃料噴霧してから若干の遅れ期間（前述したように例えば３ｍｓ）が経過した時点での燃料噴霧Ｆ２を示しており、これによって、噴霧角θ２が定義される。
【００３０】
次に図１８は、この発明を、いわゆるワイドスペーシング（Wide Spacing）タイプの筒内直噴型内燃機関として構成した実施例を示している。この形式においては、燃料噴射弁３がシリンダ８の外周部に位置し、従って、燃料噴射弁３と点火プラグ２との間の距離Ｄが比較的大きい。このような構成においても、前述したように噴孔１２が開口する傾斜面２３の傾斜角度φを適宜に設定することで、同様の作用効果を得ることができる。この場合でも、燃料噴射弁３と点火プラグ２との間の距離Ｄを考慮して、圧縮行程中に燃料噴射した場合に、噴霧Ｆ２が点火プラグ２の放電ギャップ２ａまでの距離を進んだとき（つまりこれに相当する時間が経過したとき）に、該噴霧Ｆ２の上方の外郭がちょうど放電ギャップ２ａに差し掛かるように設定することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内直噴型内燃機関の断面図。
【図２】この発明に係る燃料噴射弁の断面図。
【図３】この燃料噴射弁の先端部の拡大断面図。
【図４】傾斜面の方向と点火プラグとの関係を示す断面図。
【図５】同じく平面図。
【図６】吸気行程中の燃料噴射の直後の噴霧状態を示す説明図。
【図７】圧縮行程中の燃料噴射の所定時間経過後の噴霧状態を示す説明図。
【図８】実験に用いた燃料噴射弁の先端形状の説明図。
【図９】大気圧下および背圧下での噴霧の形状を撮影した図面代用写真。
【図１０】噴霧角θ１，θ２の定義を説明する説明図。
【図１１】背圧変化による噴霧角変化と傾斜角度φとの関係を示すグラフ。
【図１２】燃料分布の片寄りを示すグラフ。
【図１３】左右の流量比と傾斜角度φとの関係を示すグラフ。
【図１４】傾斜面の異なる実施例を示す燃料噴射弁先端部の断面図。
【図１５】傾斜面のさらに異なる実施例を示す燃料噴射弁先端部の断面図。
【図１６】噴孔中心軸Ｌを傾けた燃料噴射弁の実施例を示し、特に、大気圧下での燃料噴霧を併せて示す断面図。
【図１７】噴孔中心軸Ｌを傾けた燃料噴射弁の実施例を示し、特に、背圧下での燃料噴霧を併せて示す断面図。
【図１８】ワイドスペーシングタイプの構成に適用した実施例を示す内燃機関要部の断面図。
【符号の説明】
２…点火プラグ
３…燃料噴射弁
１２…噴孔
１３…針弁
１７…スワラーチップ
２３…傾斜面

Claims

燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、を備え、均質燃焼させるときには吸気行程中に燃料を噴射し、成層燃焼させるときには圧縮行程中に燃料を噴射するようにした筒内直噴型内燃機関において、
上記燃料噴射弁は、噴孔の中心軸回りに燃料を旋回させる旋回成分付与手段を有し、
上記噴孔中心軸と直交する基準平面に対し所定の傾斜角度だけ傾いた傾斜面が上記燃料噴射弁の先端に設けられており、
上記噴孔が上記傾斜面に開口し、
圧縮行程中に行われた燃料噴射の噴霧角が、吸気行程中に行われた燃料噴射の噴霧角とほぼ等しいかまたはこれよりも大きくなるように、上記傾斜角度が設定されていることを特徴とする筒内直噴型内燃機関。
上記傾斜面が上記点火プラグに向かう方向となるように上記燃料噴射弁が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴型内燃機関。
上記傾斜角度は１０度以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直噴型内燃機関。
圧縮行程中に行われた燃料噴射の噴霧の外郭が、上記点火プラグの放電ギャップ位置に到達するように上記燃料噴射弁が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直噴型内燃機関。