JP3797019B2 - 直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に用いる燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料噴射弁として、燃料溜まり及び噴孔を有する弁本体と、該弁本体内に配設されて噴孔入口側のシート部に着座し燃料噴射時にシート部からリフトする針弁と、燃料溜まりから噴孔へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路を有するスワールチップと、を備え、噴霧を強い旋回流により広げつつ噴射するようにしたものがあり、直噴火花点火式内燃機関においても用いられている。
【０００３】
しかし、このような従来の燃料噴射弁においては、スワールチップが機関の運転条件が変わっても同じであるために、運転条件に応じて吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行うなど、運転条件により雰囲気圧力（筒内圧）が違うところに噴射する直噴火花点火式内燃機関においては、適切な噴霧が得られず、燃費の悪化や排気性能の悪化が避けられないという問題点があった。
【０００４】
そこで、本問題点を解決するために、特開平９−２５０４２８号公報に示されているように、筒内圧に応じて噴霧角度を適切に制御し得るようにした燃料噴射弁が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載の燃料噴射弁にあっても、依然解決できない問題点があった。
【０００６】
すなわち、図１３及び図１４に示すように、燃料噴射弁１０１の噴霧角度が適切になっても、成層燃焼のために圧縮行程後半にて燃料を噴射する場合（図１３）では、燃料を軸対称に噴射するために、噴霧上端は点火プラグ１０２の方向に噴霧が届いても、噴霧下端においてピストン１０３の上面に噴霧が吹き付けられ、ＨＣの発生を起こしてしまう。また、均質燃焼のために吸気行程にて燃料を噴射する場合（図１４）では、流量が多くなるためにペネトレーションが長くなり、これもまたシリンダ１０４の壁面への付着が多くなり、ＨＣの増加を招くといった問題点である。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、噴霧の噴射率及び噴霧形状に偏りを設けることのできる燃料噴射弁を提供することにより、上記問題点を解決することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃料溜まり及び噴孔を有する弁本体と、該弁本体内に配設されて噴孔入口側のシート部に着座し燃料噴射時にシート部からリフトする針弁と、燃料溜まりから噴孔へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路を有するスワールチップと、を備える直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁において、針弁内部に、入口側が燃料溜まりに連通し、出口側が針弁先端面の針弁中心軸に対しオフセットした位置でシート部上流に開口する燃料通路を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、前記燃料通路を筒内圧に応じて開閉する開閉手段を設けたことを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記燃料通路は、針弁中心軸を挟んで対向する位置にそれぞれ設けられ、前記開閉手段は、各燃料通路を筒内圧に応じて選択的に開閉することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明では、前記対向する位置にある燃料通路の通路面積を互いに異ならせたことを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記開閉手段は、針弁とスワールチップとの間に設けられる可動円筒により構成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明では、前記可動円筒によりスワール生成用通路の通路面積を制御する構成としたことを特徴とする。
請求項７に係る発明では、前記燃料噴射弁を、針弁の先端にピントル部を有するピントル型燃料噴射弁としたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、針弁先端面の針弁中心軸に対しオフセットした位置でシート部上流に開口する燃料通路を設けたことで、この燃料通路からの燃料により、またその圧力で針弁を偏らせることにより、噴出流量を偏らせることができ、これにより噴霧の噴射率及び噴霧形状に偏りを設けて、幅広い機関の運転条件において壁面付着の低減により低燃費かつ排気性能の向上という効果が得られる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、前記燃料通路を筒内圧に応じて開閉することで、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時とで偏りの有無を制御でき、それぞれ適切な噴霧形態を得ることができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、前記燃料通路を複数設けて、筒内圧に応じて選択的に開閉することで、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時とで偏りを変化させ、それぞれ適切な噴霧形態を得ることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、対向する位置にある燃料通路の通路面積を互いに異ならせることで、偏りの程度と共に噴射率を適切に制御可能となる。
請求項５に係る発明によれば、針弁とスワールチップとの間に可動円筒を設けてこれにより開閉することで、開閉手段をスマートに構成できる。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、前記可動円筒によりスワール生成用通路の通路面積を同時に制御することで、噴射率及びスワール強度を可変にできる。
請求項７に係る発明によれば、ピントル型燃料噴射弁に適用することで、偏りの方向を規定し易くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す燃料噴射弁の断面図、図２は同上燃料噴射弁の要部拡大図、図３は作動状態別の図２のＸ−Ｘ断面図、図４は作動状態別の図２のＹ−Ｙ断面図である。
【００１８】
この燃料噴射弁の弁本体（ケーシング）１には、側壁に設けた高圧燃料導入部２より高圧燃料が導入される燃料溜まり（高圧燃料室）３が形成されている。燃料溜まり３の下方には、弁本体１の先端面に開口する噴孔４が形成され、該噴孔４の入口側にはテーパ状のシート面５が形成されている。
【００１９】
また、弁本体１内には、先端部にてシート部（本実施形態ではシート面５の内周側の端縁）５ａに着座して噴孔４を塞ぐ針弁（ニードル）６と、該針弁６の後方に設けられて正又は負の電圧を印加することにより可動部材７を介して針弁６をシート部５ａからリフトさせる圧電装置（圧電素子の積層構造体）８と、が配設されている。９は針弁ガイド、１０は圧電装置駆動配線、１１は圧電装置固定用ボルトを示している。
【００２０】
更に、弁本体１内には、燃料溜まり２と噴孔４との間に位置させて、外周側（弁本体１内壁側）に円筒状のスワールチップ１２が設けられ、内周側（針弁２外周側）には後述する可動円筒１６が設けられている。
【００２１】
スワールチップ１２には、燃料溜まり２から噴孔４へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路として、スワールチップ１２外周面（弁本体１内壁側）に縦方向に溝１３が形成されると共に、この溝１３の下端に連ねて、スワールチップ１２下端面に横方向かつ斜めに（針弁６の中心軸とはオフセットした位置を指向するように）溝１４が形成されている。そして、このスワール生成用の溝１４は、後述する可動円筒１６の切欠き部１７を介して、シート部５ａ上流にて弁本体１と針弁４とのテーパ面間に形成される環状のスワール室１５に開口している。
【００２２】
ここまでの構成での作用を説明する。
針弁６がシート部５ａに着座して噴孔４を塞いでいる閉弁状態では、図示しない燃料ポンプにより高圧燃料導入部２から導入される高圧燃料は、燃料溜まり２に高圧の状態で溜まっている。このとき、スワールチップ１２の溝１３，１４によりシート部５ａの直上流のスワール室１５まで高圧燃料で満たされている。
【００２３】
開弁させるために、圧電装置８に正又は負の電圧が印加されると、可動部材７を介して、針弁６が上方にリフトして、シート部５ａから離れる。
この針弁６のリフトにより、シート部５ａの隙間を通って、高圧燃料が噴孔４より噴出する。このとき、燃料は、燃料溜まり２からスワールチップ１２の溝１３，１４を通り、スワール室１５を介して噴孔４に導かれるため、スワール生成用の溝１４により燃料に旋回成分が与えられて、スワール室１５にて旋回流を生じつつ噴孔４へ向かう。よって、噴孔４では極めて強い旋回流となり、扇型状に噴霧が広がる。このとき、液膜は強いせん断力を受けて微粒化される。
【００２４】
次に本発明の特徴的構成について説明する。
可動円筒１６は、針弁６とスワールチップ１２との間に摺接状態で一定範囲内を回動可能に設けられている。もちろん、針弁６の上下動を案内し得る。
【００２５】
そして、この可動円筒１６には、スワールチップ１２のスワール生成用の溝１４に対応する位置に切欠き部１７が設けられ、この切欠き部１７は可動円筒１６の回動範囲においてスワール生成用の溝１４から噴孔４側への流れを妨げることがないよう周方向に大きく形成してある。
【００２６】
ここにおいて、針弁４の内部には、入口側が側部（可動円筒１６の内周面に相対する部位）に開口し、出口側が針弁４先端面の針弁４中心軸に対しオフセットした位置でシート部５ａよりわずかに上流側に開口する燃料通路１８，１９が、針弁４中心軸を挟んで対向する位置に、それぞれ設けられている。また、これらの燃料通路１８，１９の通路面積は互いに異ならせてあり、一方の燃料通路１８の通路面積を、他方の燃料通路１９の通路面積より大きくしてある。
【００２７】
可動円筒１６には、針弁４がリフトした状態での針弁４側部の燃料通路１８，１９の各入口部に対応する高さ位置に、内外を貫通する燃料通路２０，２１が設けられている。そして、可動円筒１６のある回動位置（後述する第１回動位置）で、針弁４側の一方の燃料通路１８と可動円筒１６側の一方の燃料通路２０とが連通し、可動円筒１６の他の回動位置（後述する第２回動位置）で、針弁４側の他方の燃料通路１９と可動円筒１６側の他方の燃料通路２１とが連通するように、周方向位置を設定してある。
【００２８】
可動円筒１６側の各燃料通路２０，２１は、可動円筒１６とスワールチップ１２との間に形成した空間部２２を介して燃料溜まり３に連通している。
次に可動円筒１６の回動機構について説明する。
【００２９】
円筒状のスワールチップ１２の下端面の周方向１箇所（スワール生成用の溝１４の無い部分）を切欠くことにより、弁本体１とスワールチップ１２と可動円筒１６とで囲まれる圧力室２３を形成する一方、図３に示されるように、可動円筒１６の圧力室２３を画成する外周壁より、一体的に、圧力隔壁２４を突出形成して、この圧力隔壁２４により、圧力室２３を２室（２３Ａ，２３Ｂ）に画成してある。
【００３０】
そして、一方の室２３Ａにスプリング２５を収納して、このスプリング２５により圧力隔壁２４を図３で反時計回り方向に付勢し、圧力隔壁２４をストッパ２６に当接させてある。
【００３１】
そして、一方の室２３Ａに弁本体１に形成した大気圧導入孔２７より大気圧を導入するようにして、室２３Ａを基準圧力室としてある。また、他方の室２３Ｂに弁本体１に形成した筒内圧導入孔２８より筒内圧を導入するようにして、室２３Ｂを圧力感知室としてある。
【００３２】
従って、筒内圧が大気圧以下である場合、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、スプリング２５の付勢力により圧力隔壁２４はストッパ２６に当接し、このときの可動円筒１６の第１回動位置で、燃料通路１８と燃料通路２０とが連通する。
【００３３】
これに対し、筒内圧が大気圧に比べ高くなると、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、圧力感知室２３Ｂ内の筒内圧と基準圧力室２３Ａ内の大気圧との差圧で、スプリング２５の付勢力に抗して、圧力隔壁２４と共に可動円筒１６が時計回り方向に第２回動位置まで回動し、このとき、燃料通路１９と燃料通路２１とが連通する。従って、可動円筒１６が開閉手段を構成する。
【００３４】
次に作用を説明する。
先ず、高負荷時のいわゆる均質燃焼時の場合とアイドリングや中低負荷時のいわゆる成層燃焼時の場合とに分けて、燃料噴射弁の状態を筒内圧力と共に説明する。
【００３５】
図５に示すように、均質燃焼時は吸気行程にて燃料を噴射するため、燃料噴射時の筒内圧は大気圧より低い状態になっている。一方、成層燃焼時は圧縮行程にて燃料を噴射するため、燃料噴射時の筒内圧は大気圧に比べて高い状態になっている。
【００３６】
従って、均質燃焼のため吸気行程にて燃料を噴射する場合、吸気行程の筒内圧は大気圧以下であるため、スプリング２５の付勢力により圧力隔壁２４はストッパ２６に当接する第１回動位置まで回動し、このとき、燃料通路１８と燃料通路２０とが連通する。
【００３７】
逆に、成層燃焼のため圧縮行程にて燃料を噴射する場合、圧縮行程の筒内圧は大気圧に比べ極めて高いため、圧力感知室２３Ｂ内の筒内圧と基準圧力室２３Ａ内の大気圧との差圧で、スプリング２５の付勢力に抗して、圧力隔壁２４と共に可動円筒１６が第２回動位置まで回動し、このとき、燃料通路１９と燃料通路２１とが連通する。
【００３８】
その結果、針弁４がリフトした場合に以下のようになる。
均質燃焼時（吸気行程噴射時）に針弁４がリフトすると、図６に示すように、燃料通路１８と燃料通路２０とが連通し、高圧燃料がスワール生成用の溝１４を通って出てくるだけでなく、この燃料通路１８からの燃料が加わる。同時に圧力により針弁４が図６において左側に偏る。これにより、燃料通路１８のある側（右側）を通る流量が多くなり、逆側の流量が少なくなる。これにより、噴霧は図６のように左側の流量が大きく且つペネトレーションが長くなる。一方、逆側は流量が小さくペネトレーションも小さい。
【００３９】
成層燃焼時（圧縮行程噴射時）に針弁４がリフトすると、図７に示すように、燃料通路１９と燃料通路２１とが連通し、高圧燃料がスワール生成用の溝１４を通って出てくるだけでなく、この燃料通路１９からの燃料が加わる。同時に圧力により針弁４が図７において右側に偏る。これにより、燃料通路１９のある側（左側）を通る流量が多くなり、逆側の流量が少なくなる。これにより、噴霧は図７のように右側の流量が大きく且つペネトレーションが長くなる。一方、逆側は流量が小さくペネトレーションも小さい。
【００４０】
但し、噴霧にはスワールがかかっているので、必ずしも上記のように開通した燃料通路１８，１９のある側と逆側の噴霧の流量が大きくなるというわけではないが、少なくとも均質燃焼時（吸気行程噴射時）と成層燃焼時（圧縮行程噴射時）とで互いに反対側に偏ることになるので、機関への燃料噴射弁の周方向取付角度の設定により、偏る方向を規定することができる。
【００４１】
これにより機関の中では以下のようになる。
成層燃焼時（圧縮行程噴射時）には、図８に示すように、燃料噴射弁１０１からの噴霧流量を噴霧上端側に偏らせることができ、噴霧下端側のピストン１０３冠面への噴霧の衝突を避け、可燃混合気を点火プラグ１０２回りにて形成しやすくなる。
【００４２】
均質燃焼時（吸気行程噴射時）には、図９に示すように、噴霧下端側の流量を多くすることができ、噴霧上端側がシリンダ１０４の壁面にぶつかるといった現象を生じないことになる。
【００４３】
これにより成層燃焼時の安定性が向上し、なおかつ均質燃焼時のＨＣ低減を図ることができる。
尚、本実施形態では、均質燃焼時に使用する燃料通路１８，２０の通路面積を成層燃焼時に使用する燃料通路１９，２１の通路面積より大きくしているが、これは、均質燃焼時と成層燃焼時とで偏りの程度を変化させると共に、均質燃焼時の噴射率を高くするためである。
【００４４】
図１０には第２実施形態を示す。
この実施形態は、燃料噴射弁をピントル型燃料噴射弁としたもの、すなわち、針弁６の先端に、ピントル部として、噴孔４を貫通して延びる軸状のピン４１と、該ピン４１の先端の傘状突起４２とを有する構成としたものである。
【００４５】
これによれば、流量が偏る方向を予測しやすいという効果がある。尚、本実施形態では、ピントル部として、ピン３１及び傘状突起３２を有するものとしたが、ピン３１のみを有する構造としてもよい。
【００４６】
図１１には第３実施形態を示す。
この実施形態は、均質燃焼時の噴射率を高くするために、均質燃焼時に使用する燃料通路１８，２０を複数個設けている。もちろん第１実施形態のように通路面積を変更しても同様の効果が得られる。あるいは、成層燃焼時に使用する燃料通路１９，２１の径で絞ってもよい。
【００４７】
図１２には第４実施形態を示す。
この実施形態は、第１実施形態（図３）に対し、可動円筒１６の切欠き部１７大きさを変えたもので、均質燃焼時の第１回動位置においてはスワールチップ１２のスワール生成用の溝１４の開口部と正しく合致させるが、成層燃焼時の第２回動位置においてはスワール生成用の溝１４の開口部を絞ることにより、成層燃焼時の流量を絞ることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す燃料噴射弁の断面図
【図２】 同上燃料噴射弁の要部拡大断面図
【図３】 作動状態別の図２のＸ−Ｘ断面図
【図４】 作動状態別の図２のＹ−Ｙ断面図
【図５】 筒内圧の変化を示す図
【図６】 均質燃焼の場合の針弁リフト時の様子を示す断面図
【図７】 成層燃焼の場合の針弁リフト時の様子を示す断面図
【図８】 成層燃焼の場合の噴霧形態を示す図
【図９】 均質燃焼の場合の噴霧形態を示す図
【図１０】 第２実施形態を示す図２のＹ−Ｙ断面図
【図１１】 第３実施形態を示す要部拡大断面図
【図１２】 第４実施形態を示す作動状態別の図２のＸ−Ｘ断面図
【図１３】 成層燃焼の場合の従来の問題点を示す図
【図１４】 均質燃焼の場合の従来の問題点を示す図
【符号の説明】
１ 弁本体
２ 高圧燃料導入部
３ 燃料溜まり
４ 噴孔
５ シート面
５ａ シート部
６ 針弁
７ 可動部材
８ 圧電装置
１２ スワールチップ
１３，１４ 溝（スワール生成用通路）
１５ スワール室
１６ 可動円筒（開閉手段）
１７ 切欠き部
１８，１９ 燃料通路
２０，２１ 燃料通路
２３ 圧力室
２３Ａ 基準圧力室
２３Ｂ 圧力感知室
２４ 圧力隔壁
２５ スプリング
２６ ストッパ
２７ 大気圧導入孔
２８ 筒内圧導入孔
３１ ピン
３２ 傘状突起
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に用いる燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料噴射弁として、燃料溜まり及び噴孔を有する弁本体と、該弁本体内に配設されて噴孔入口側のシート部に着座し燃料噴射時にシート部からリフトする針弁と、燃料溜まりから噴孔へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路を有するスワールチップと、を備え、噴霧を強い旋回流により広げつつ噴射するようにしたものがあり、直噴火花点火式内燃機関においても用いられている。
【０００３】
しかし、このような従来の燃料噴射弁においては、スワールチップが機関の運転条件が変わっても同じであるために、運転条件に応じて吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを行うなど、運転条件により雰囲気圧力（筒内圧）が違うところに噴射する直噴火花点火式内燃機関においては、適切な噴霧が得られず、燃費の悪化や排気性能の悪化が避けられないという問題点があった。
【０００４】
そこで、本問題点を解決するために、特開平９−２５０４２８号公報に示されているように、筒内圧に応じて噴霧角度を適切に制御し得るようにした燃料噴射弁が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載の燃料噴射弁にあっても、依然解決できない問題点があった。
【０００６】
すなわち、図１３及び図１４に示すように、燃料噴射弁１０１の噴霧角度が適切になっても、成層燃焼のために圧縮行程後半にて燃料を噴射する場合（図１３）では、燃料を軸対称に噴射するために、噴霧上端は点火プラグ１０２の方向に噴霧が届いても、噴霧下端においてピストン１０３の上面に噴霧が吹き付けられ、ＨＣの発生を起こしてしまう。また、均質燃焼のために吸気行程にて燃料を噴射する場合（図１４）では、流量が多くなるためにペネトレーションが長くなり、これもまたシリンダ１０４の壁面への付着が多くなり、ＨＣの増加を招くといった問題点である。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、噴霧の噴射率及び噴霧形状に偏りを設けることのできる燃料噴射弁を提供することにより、上記問題点を解決することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃料溜まり及び噴孔を有する弁本体と、該弁本体内に配設されて噴孔入口側のシート部に着座し燃料噴射時にシート部からリフトする針弁と、燃料溜まりから噴孔へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路を有するスワールチップと、を備える直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁において、針弁内部に、入口側が燃料溜まりに連通し、出口側が針弁先端面の針弁中心軸に対しオフセットした位置でシート部上流に開口する燃料通路を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、前記燃料通路を筒内圧に応じて開閉する開閉手段を設けたことを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記燃料通路は、針弁中心軸を挟んで対向する位置にそれぞれ設けられ、前記開閉手段は、各燃料通路を筒内圧に応じて選択的に開閉することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明では、前記対向する位置にある燃料通路の通路面積を互いに異ならせたことを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記開閉手段は、針弁とスワールチップとの間に設けられる可動円筒により構成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明では、前記可動円筒によりスワール生成用通路の通路面積を制御する構成としたことを特徴とする。
請求項７に係る発明では、前記燃料噴射弁を、針弁の先端にピントル部を有するピントル型燃料噴射弁としたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、針弁先端面の針弁中心軸に対しオフセットした位置でシート部上流に開口する燃料通路を設けたことで、この燃料通路からの燃料により、またその圧力で針弁を偏らせることにより、噴出流量を偏らせることができ、これにより噴霧の噴射率及び噴霧形状に偏りを設けて、幅広い機関の運転条件において壁面付着の低減により低燃費かつ排気性能の向上という効果が得られる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、前記燃料通路を筒内圧に応じて開閉することで、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時とで偏りの有無を制御でき、それぞれ適切な噴霧形態を得ることができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、前記燃料通路を複数設けて、筒内圧に応じて選択的に開閉することで、吸気行程噴射時と圧縮行程噴射時とで偏りを変化させ、それぞれ適切な噴霧形態を得ることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、対向する位置にある燃料通路の通路面積を互いに異ならせることで、偏りの程度と共に噴射率を適切に制御可能となる。
請求項５に係る発明によれば、針弁とスワールチップとの間に可動円筒を設けてこれにより開閉することで、開閉手段をスマートに構成できる。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、前記可動円筒によりスワール生成用通路の通路面積を同時に制御することで、噴射率及びスワール強度を可変にできる。
請求項７に係る発明によれば、ピントル型燃料噴射弁に適用することで、偏りの方向を規定し易くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す燃料噴射弁の断面図、図２は同上燃料噴射弁の要部拡大図、図３は作動状態別の図２のＸ−Ｘ断面図、図４は作動状態別の図２のＹ−Ｙ断面図である。
【００１８】
この燃料噴射弁の弁本体（ケーシング）１には、側壁に設けた高圧燃料導入部２より高圧燃料が導入される燃料溜まり（高圧燃料室）３が形成されている。燃料溜まり３の下方には、弁本体１の先端面に開口する噴孔４が形成され、該噴孔４の入口側にはテーパ状のシート面５が形成されている。
【００１９】
また、弁本体１内には、先端部にてシート部（本実施形態ではシート面５の内周側の端縁）５ａに着座して噴孔４を塞ぐ針弁（ニードル）６と、該針弁６の後方に設けられて正又は負の電圧を印加することにより可動部材７を介して針弁６をシート部５ａからリフトさせる圧電装置（圧電素子の積層構造体）８と、が配設されている。９は針弁ガイド、１０は圧電装置駆動配線、１１は圧電装置固定用ボルトを示している。
【００２０】
更に、弁本体１内には、燃料溜まり２と噴孔４との間に位置させて、外周側（弁本体１内壁側）に円筒状のスワールチップ１２が設けられ、内周側（針弁２外周側）には後述する可動円筒１６が設けられている。
【００２１】
スワールチップ１２には、燃料溜まり２から噴孔４へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路として、スワールチップ１２外周面（弁本体１内壁側）に縦方向に溝１３が形成されると共に、この溝１３の下端に連ねて、スワールチップ１２下端面に横方向かつ斜めに（針弁６の中心軸とはオフセットした位置を指向するように）溝１４が形成されている。そして、このスワール生成用の溝１４は、後述する可動円筒１６の切欠き部１７を介して、シート部５ａ上流にて弁本体１と針弁４とのテーパ面間に形成される環状のスワール室１５に開口している。
【００２２】
ここまでの構成での作用を説明する。
針弁６がシート部５ａに着座して噴孔４を塞いでいる閉弁状態では、図示しない燃料ポンプにより高圧燃料導入部２から導入される高圧燃料は、燃料溜まり２に高圧の状態で溜まっている。このとき、スワールチップ１２の溝１３，１４によりシート部５ａの直上流のスワール室１５まで高圧燃料で満たされている。
【００２３】
開弁させるために、圧電装置８に正又は負の電圧が印加されると、可動部材７を介して、針弁６が上方にリフトして、シート部５ａから離れる。
この針弁６のリフトにより、シート部５ａの隙間を通って、高圧燃料が噴孔４より噴出する。このとき、燃料は、燃料溜まり２からスワールチップ１２の溝１３，１４を通り、スワール室１５を介して噴孔４に導かれるため、スワール生成用の溝１４により燃料に旋回成分が与えられて、スワール室１５にて旋回流を生じつつ噴孔４へ向かう。よって、噴孔４では極めて強い旋回流となり、扇型状に噴霧が広がる。このとき、液膜は強いせん断力を受けて微粒化される。
【００２４】
次に本発明の特徴的構成について説明する。
可動円筒１６は、針弁６とスワールチップ１２との間に摺接状態で一定範囲内を回動可能に設けられている。もちろん、針弁６の上下動を案内し得る。
【００２５】
そして、この可動円筒１６には、スワールチップ１２のスワール生成用の溝１４に対応する位置に切欠き部１７が設けられ、この切欠き部１７は可動円筒１６の回動範囲においてスワール生成用の溝１４から噴孔４側への流れを妨げることがないよう周方向に大きく形成してある。
【００２６】
ここにおいて、針弁４の内部には、入口側が側部（可動円筒１６の内周面に相対する部位）に開口し、出口側が針弁４先端面の針弁４中心軸に対しオフセットした位置でシート部５ａよりわずかに上流側に開口する燃料通路１８，１９が、針弁４中心軸を挟んで対向する位置に、それぞれ設けられている。また、これらの燃料通路１８，１９の通路面積は互いに異ならせてあり、一方の燃料通路１８の通路面積を、他方の燃料通路１９の通路面積より大きくしてある。
【００２７】
可動円筒１６には、針弁４がリフトした状態での針弁４側部の燃料通路１８，１９の各入口部に対応する高さ位置に、内外を貫通する燃料通路２０，２１が設けられている。そして、可動円筒１６のある回動位置（後述する第１回動位置）で、針弁４側の一方の燃料通路１８と可動円筒１６側の一方の燃料通路２０とが連通し、可動円筒１６の他の回動位置（後述する第２回動位置）で、針弁４側の他方の燃料通路１９と可動円筒１６側の他方の燃料通路２１とが連通するように、周方向位置を設定してある。
【００２８】
可動円筒１６側の各燃料通路２０，２１は、可動円筒１６とスワールチップ１２との間に形成した空間部２２を介して燃料溜まり３に連通している。
次に可動円筒１６の回動機構について説明する。
【００２９】
円筒状のスワールチップ１２の下端面の周方向１箇所（スワール生成用の溝１４の無い部分）を切欠くことにより、弁本体１とスワールチップ１２と可動円筒１６とで囲まれる圧力室２３を形成する一方、図３に示されるように、可動円筒１６の圧力室２３を画成する外周壁より、一体的に、圧力隔壁２４を突出形成して、この圧力隔壁２４により、圧力室２３を２室（２３Ａ，２３Ｂ）に画成してある。
【００３０】
そして、一方の室２３Ａにスプリング２５を収納して、このスプリング２５により圧力隔壁２４を図３で反時計回り方向に付勢し、圧力隔壁２４をストッパ２６に当接させてある。
【００３１】
そして、一方の室２３Ａに弁本体１に形成した大気圧導入孔２７より大気圧を導入するようにして、室２３Ａを基準圧力室としてある。また、他方の室２３Ｂに弁本体１に形成した筒内圧導入孔２８より筒内圧を導入するようにして、室２３Ｂを圧力感知室としてある。
【００３２】
従って、筒内圧が大気圧以下である場合、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、スプリング２５の付勢力により圧力隔壁２４はストッパ２６に当接し、このときの可動円筒１６の第１回動位置で、燃料通路１８と燃料通路２０とが連通する。
【００３３】
これに対し、筒内圧が大気圧に比べ高くなると、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、圧力感知室２３Ｂ内の筒内圧と基準圧力室２３Ａ内の大気圧との差圧で、スプリング２５の付勢力に抗して、圧力隔壁２４と共に可動円筒１６が時計回り方向に第２回動位置まで回動し、このとき、燃料通路１９と燃料通路２１とが連通する。従って、可動円筒１６が開閉手段を構成する。
【００３４】
次に作用を説明する。
先ず、高負荷時のいわゆる均質燃焼時の場合とアイドリングや中低負荷時のいわゆる成層燃焼時の場合とに分けて、燃料噴射弁の状態を筒内圧力と共に説明する。
【００３５】
図５に示すように、均質燃焼時は吸気行程にて燃料を噴射するため、燃料噴射時の筒内圧は大気圧より低い状態になっている。一方、成層燃焼時は圧縮行程にて燃料を噴射するため、燃料噴射時の筒内圧は大気圧に比べて高い状態になっている。
【００３６】
従って、均質燃焼のため吸気行程にて燃料を噴射する場合、吸気行程の筒内圧は大気圧以下であるため、スプリング２５の付勢力により圧力隔壁２４はストッパ２６に当接する第１回動位置まで回動し、このとき、燃料通路１８と燃料通路２０とが連通する。
【００３７】
逆に、成層燃焼のため圧縮行程にて燃料を噴射する場合、圧縮行程の筒内圧は大気圧に比べ極めて高いため、圧力感知室２３Ｂ内の筒内圧と基準圧力室２３Ａ内の大気圧との差圧で、スプリング２５の付勢力に抗して、圧力隔壁２４と共に可動円筒１６が第２回動位置まで回動し、このとき、燃料通路１９と燃料通路２１とが連通する。
【００３８】
その結果、針弁４がリフトした場合に以下のようになる。
均質燃焼時（吸気行程噴射時）に針弁４がリフトすると、図６に示すように、燃料通路１８と燃料通路２０とが連通し、高圧燃料がスワール生成用の溝１４を通って出てくるだけでなく、この燃料通路１８からの燃料が加わる。同時に圧力により針弁４が図６において左側に偏る。これにより、燃料通路１８のある側（右側）を通る流量が多くなり、逆側の流量が少なくなる。これにより、噴霧は図６のように左側の流量が大きく且つペネトレーションが長くなる。一方、逆側は流量が小さくペネトレーションも小さい。
【００３９】
成層燃焼時（圧縮行程噴射時）に針弁４がリフトすると、図７に示すように、燃料通路１９と燃料通路２１とが連通し、高圧燃料がスワール生成用の溝１４を通って出てくるだけでなく、この燃料通路１９からの燃料が加わる。同時に圧力により針弁４が図７において右側に偏る。これにより、燃料通路１９のある側（左側）を通る流量が多くなり、逆側の流量が少なくなる。これにより、噴霧は図７のように右側の流量が大きく且つペネトレーションが長くなる。一方、逆側は流量が小さくペネトレーションも小さい。
【００４０】
但し、噴霧にはスワールがかかっているので、必ずしも上記のように開通した燃料通路１８，１９のある側と逆側の噴霧の流量が大きくなるというわけではないが、少なくとも均質燃焼時（吸気行程噴射時）と成層燃焼時（圧縮行程噴射時）とで互いに反対側に偏ることになるので、機関への燃料噴射弁の周方向取付角度の設定により、偏る方向を規定することができる。
【００４１】
これにより機関の中では以下のようになる。
成層燃焼時（圧縮行程噴射時）には、図８に示すように、燃料噴射弁１０１からの噴霧流量を噴霧上端側に偏らせることができ、噴霧下端側のピストン１０３冠面への噴霧の衝突を避け、可燃混合気を点火プラグ１０２回りにて形成しやすくなる。
【００４２】
均質燃焼時（吸気行程噴射時）には、図９に示すように、噴霧下端側の流量を多くすることができ、噴霧上端側がシリンダ１０４の壁面にぶつかるといった現象を生じないことになる。
【００４３】
これにより成層燃焼時の安定性が向上し、なおかつ均質燃焼時のＨＣ低減を図ることができる。
尚、本実施形態では、均質燃焼時に使用する燃料通路１８，２０の通路面積を成層燃焼時に使用する燃料通路１９，２１の通路面積より大きくしているが、これは、均質燃焼時と成層燃焼時とで偏りの程度を変化させると共に、均質燃焼時の噴射率を高くするためである。
【００４４】
図１０には第２実施形態を示す。
この実施形態は、燃料噴射弁をピントル型燃料噴射弁としたもの、すなわち、針弁６の先端に、ピントル部として、噴孔４を貫通して延びる軸状のピン４１と、該ピン４１の先端の傘状突起４２とを有する構成としたものである。
【００４５】
これによれば、流量が偏る方向を予測しやすいという効果がある。尚、本実施形態では、ピントル部として、ピン３１及び傘状突起３２を有するものとしたが、ピン３１のみを有する構造としてもよい。
【００４６】
図１１には第３実施形態を示す。
この実施形態は、均質燃焼時の噴射率を高くするために、均質燃焼時に使用する燃料通路１８，２０を複数個設けている。もちろん第１実施形態のように通路面積を変更しても同様の効果が得られる。あるいは、成層燃焼時に使用する燃料通路１９，２１の径で絞ってもよい。
【００４７】
図１２には第４実施形態を示す。
この実施形態は、第１実施形態（図３）に対し、可動円筒１６の切欠き部１７大きさを変えたもので、均質燃焼時の第１回動位置においてはスワールチップ１２のスワール生成用の溝１４の開口部と正しく合致させるが、成層燃焼時の第２回動位置においてはスワール生成用の溝１４の開口部を絞ることにより、成層燃焼時の流量を絞ることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す燃料噴射弁の断面図
【図２】 同上燃料噴射弁の要部拡大断面図
【図３】 作動状態別の図２のＸ−Ｘ断面図
【図４】 作動状態別の図２のＹ−Ｙ断面図
【図５】 筒内圧の変化を示す図
【図６】 均質燃焼の場合の針弁リフト時の様子を示す断面図
【図７】 成層燃焼の場合の針弁リフト時の様子を示す断面図
【図８】 成層燃焼の場合の噴霧形態を示す図
【図９】 均質燃焼の場合の噴霧形態を示す図
【図１０】 第２実施形態を示す図２のＹ−Ｙ断面図
【図１１】 第３実施形態を示す要部拡大断面図
【図１２】 第４実施形態を示す作動状態別の図２のＸ−Ｘ断面図
【図１３】 成層燃焼の場合の従来の問題点を示す図
【図１４】 均質燃焼の場合の従来の問題点を示す図
【符号の説明】
１ 弁本体
２ 高圧燃料導入部
３ 燃料溜まり
４ 噴孔
５ シート面
５ａ シート部
６ 針弁
７ 可動部材
８ 圧電装置
１２ スワールチップ
１３，１４ 溝（スワール生成用通路）
１５ スワール室
１６ 可動円筒（開閉手段）
１７ 切欠き部
１８，１９ 燃料通路
２０，２１ 燃料通路
２３ 圧力室
２３Ａ 基準圧力室
２３Ｂ 圧力感知室
２４ 圧力隔壁
２５ スプリング
２６ ストッパ
２７ 大気圧導入孔
２８ 筒内圧導入孔
３１ ピン
３２ 傘状突起
Claims (7)
- 燃料溜まり及び噴孔を有する弁本体と、該弁本体内に配設されて噴孔入口側のシート部に着座し燃料噴射時にシート部からリフトする針弁と、燃料溜まりから噴孔へ導く燃料に旋回力を付与するスワール生成用通路を有するスワールチップと、を備える直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁において、
針弁内部に、入口側が燃料溜まりに連通し、出口側が針弁先端面の針弁中心軸に対しオフセットした位置でシート部上流に開口する燃料通路を設けたことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。 - 前記燃料通路を筒内圧に応じて開閉する開閉手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。
- 前記燃料通路は、針弁中心軸を挟んで対向する位置にそれぞれ設けられ、前記開閉手段は、各燃料通路を筒内圧に応じて選択的に開閉することを特徴とする請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。
- 前記対向する位置にある燃料通路の通路面積を互いに異ならせたことを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。
- 前記開閉手段は、針弁とスワールチップとの間に設けられる可動円筒により構成されることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。
- 前記可動円筒によりスワール生成用通路の通路面積を制御する構成としたことを特徴とする請求項５記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。
- 前記燃料噴射弁を、針弁の先端にピントル部を有するピントル型燃料噴射弁としたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁。
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