JP4619989B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁に関し、例えば内燃機関の気筒内に直接に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に適用して好適なものである。

内燃機関の気筒内（燃焼室内と同義）の空間に複数個の噴孔が形成された噴孔部を開口させ、複数個の噴孔より直接に燃料を噴射する燃料噴射弁が知られている。噴孔部の開口位置は、シリンダヘッド側からピストン側に向けて燃料噴射するように設けられている。このような内燃機関において、近年、高出力と低エミッションの両立が求められている。これを実現するには、気筒内の空気と噴射燃料との混合を促進する必要がある。詳細には、気筒内の空気を無駄なく利用し、かつ、噴射された燃料の燃え残りを生じさせないことが重要である。

特許文献１には、燃料を早期（吸気行程時）に噴射する技術が開示されている。この技術は、以下の作用を生じさせていると推定される。筒内へ流入する過程の空気と噴射燃料とを出会わせることにより、１）空気と噴射燃料との混合を促進する。２）噴射燃料の噴霧貫徹力（ペネトレーション強度とも言う）の強度低下による筒内シリンダ壁面への燃料付着を抑制する。これにより、未燃焼燃料の生成を抑制している。

特許文献２には、シリンダ軸方向に対して上下に２つの噴霧を形成して、気筒内の空気と噴射燃料との混合を促進する技術が開示されている。
特開２００３−２２７４４４号公報 特開２００４−２８０７８号公報

特許文献１に開示の技術では、機関の運転状態により、筒内へ流入空気の流れ方向、および流れの強度などが大きく変化する筒内流入空気を利用して、空気と噴射燃料とを混合促進させている。このことから、空気と噴射燃料との混合状態は、不安定に変化する。

特許文献２に開示の技術では、２つの噴霧を形成した気筒内の空間領域のみの限られた領域について、空気と噴射燃料とを混合促進させている。このことから、燃料と混合される事の無い気筒内空気の無駄を生じさせている。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、気筒内に直接に燃料を噴射供給する燃料噴射弁において、空気と噴射燃料との混合を安定させながら気筒内空気を高効率に利用することにある。又、他の目的は、未燃焼燃料の生成抑制により、高出力と低エミッションを維持することが可能となる燃料噴霧を形成することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。

請求項１の発明に関して、
本件の発明者は、複数の噴孔より気筒内の空間に直接に燃料を噴射させる際における、噴射方向設定、および、噴射量調整を行う、複数の噴孔の設け方につき、以下に示す知見を見出した。

１）仮想噴射軸線が、ピストンの上面、および、シリンダの壁面の双方に配置されるように、気筒内の空間領域を設定する（噴射方向の設定）。

２）空間領域を、噴孔部を基点とした該基点を共通して含むように、複数に分割された分割空間を設定した上で、これら複数の分割空間の各々における空燃比を、ピストン側領域に属する分割空間よりもシリンダヘッド側領域に属する分割空間の方が大きくなるように設定する（噴射量の設定、および、仮想噴射軸線の数操作による噴射方向の設定）。換言すると、シリンダヘッド側領域に属する分割空間よりもピストン側領域に属する分割空間の方をリッチ空燃比とする。

ピストン側領域に属する分割空間の方をシリンダヘッド側領域に属する分割空間よりもリッチ空燃比とすると良い主な理由は、以下のように推定される。ピストンの上面は、シリンダの壁面より高温度となる傾向にある。噴孔より噴射された燃料噴霧の一部が各面領域に到達する際に、その到達により面付着した一部の燃料は、面の温度が高いほどに気化が促進され、空気と燃料との混合が促進することから、高温度のピストン上面の方がシリンダの壁面よりも気化が促進される。

それにより、ピストン側領域に属する分割空間の方をリッチ空燃比とし、ピストン側領域に属する分割空間の方に多くの燃料を噴射することにより、空気と燃料との混合を促進できる。

なお、上記した空燃比とは、空気と燃料との混合比率を示し、λ値（ラムダ値）として重量比率の数値を用いることが一般的である。また、上記した仮想噴射軸線とは、噴孔より噴射される燃料噴霧の仮想中心軸であり、直線状の軸線である。この仮想噴射軸線と、噴孔の噴孔通路の中心軸線とを繋げて延設して設定する。

このように、シリンダヘッド側領域に属する分割空間とピストン側領域に属する分割空間の双方を含む気筒内の空間領域を対象にして仮想噴射軸線を配設しており、この両領域に対する噴射燃料の配設設定を発明者が見出した知見に基づいて計画的に行うことができる。

このことから、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させながら気筒内空気を高効率に利用できる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項２の発明では、複数の分割空間の各々における空燃比を、噴射噴霧の到達する方向、つまり、仮想噴射軸線が到達するピストン側領域に属する分割空間、および、シリンダヘッド側領域に属する分割空間における、ピストンの上面、および、シリンダの壁面の温度に基づいて、個別の分割空間への燃料噴射量を設定した、複数の噴孔を備える。

上記構成によれば、ピストンの上面、および、シリンダの壁面の温度との対応に基づいて、個別の分割空間への燃料噴射量を決定することから、空気と噴射燃料との混合を効率的に促進できる。

請求項３の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、その算出に用いる係数（指標値）として、分割空間に占めるピストンの上面の表面積が大きい程に、空燃比を小さな値に修正するピストン修正係数を設けている。

上記構成によれば、個別の分割空間への燃料噴射量を設定するために、ピストン上面の表面積の大きさを採用している。この採用により、空燃比の修正について、具体的な数値として示せることができ、その修正方向を合致させることができる。これにより、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項４の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、その算出に用いる係数（指標値）として、分割空間に占めるシリンダの壁面の表面積が大きい程に、空燃比を大きな値に修正するシリンダ修正係数を設けている。

上記構成によれば、個別の分割空間への燃料噴射量を設定するために、シリンダ壁面の表面積の大きさを採用している。この採用により、空燃比の修正について、具体的な数値として示せることができ、その修正方向を合致させることができる。これにより、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項５の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、その算出に用いる係数（指標値）として、全ての分割空間の空間領域のみを対象にし、空燃比の基準値として基準空燃比を設定し、分割空間に占めるピストンの上面の表面積が大きい程に、基準空燃比を小さな値に修正するピストン修正係数と、分割空間に占めるシリンダの壁面の表面積が大きい程に、基準空燃比を大きな値に修正するシリンダ修正係数と、を設けている。

上記構成によれば、個別の分割空間への燃料噴射量を設定するために、設定した基準空燃比に対し、この基準空燃比を修正する、ピストン上面の表面積の大きさ、および、シリンダ壁面の表面積の大きさ、を採用している。この採用により、基準空燃比の修正について、具体的な数値として示せることができ、その修正方向を合致させることができる。これにより、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項６の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、複数の噴孔からの燃料噴射量を略同一に設定し、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度を可変操作する。

上記構成によれば、複数の噴孔に対する同一の数値（燃料噴射量）の設定、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度の設定との２つの指標値に整理して、複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定することができる。これにより、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項７の発明では、
個別の分割空間への燃料噴射量を設定する噴孔の断面は、扁平状のスリット形状に形成される。このスリット形状の各噴孔は、ピストンの上面側とシリンダの壁面側とを結ぶ方向に並べて配置され、この並べる方向とは略直交するように噴孔の長手方向が配置され、かつ、複数の噴孔における長手方向に沿わせた仮想線が互いに並行となるように配置する。そして、複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、各噴孔からの燃料噴射量を略同一に設定し、並行配置の配置間隔を可変操作して、個別の分割空間への燃料噴射量を設定する。

上記構成によれば、スリット形状の各噴孔の配設、および噴射量の設定につき、上記した設定規定に従うことによって、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、分割空間における空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項８の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度を略同一に設定し、複数の噴孔からの燃料噴射量を可変操作する。

上記構成によれば、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度を同一の数値に設定し、複数の各噴孔からの燃料噴射量の可変数値の設定との２つの指標値に整理して、複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する。これにより、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項９の発明では、複数の各噴孔から個別の分割空間への燃料噴射量を設定する際に、空燃比の修正幅は、−７０％〜＋９０％の間に設定される。

上記構成によれば、空燃比の修正幅は、−７０％〜＋９０％の間に設定すれば、空気と噴射燃料との混合を安定させながら、気筒内空気を高効率に利用できる、燃料噴射弁を提供できる。ここで示す高効率とは、噴射燃料の出力への高効率な変換と、この変換時における筒内空気との高効率な混合による低エミッションの成立を言う。

請求項１０の発明では、
噴孔からの噴射される燃料が、シリンダ壁面ないしピストンの上面の各表面位置に到達する直前位置までに、主要量の噴射燃料が気化される噴霧貫徹力となるようにし、噴孔の吐出位置とシリンダの壁面位置との間、および、噴孔の吐出位置とピストンの上面位置との間の、各々の噴射行程距離の大きさに応じて、噴孔から噴射される燃料の噴霧貫徹力を修正する噴霧貫徹力修正係数を設けている。複数の各噴孔から個別の分割空間への噴射燃料の噴霧貫徹力を設定する際に、噴霧貫徹力修正係数に基づいて、個別の分割空間への噴霧貫徹力が設定される。詳細には、噴射行程距離が大きいほどに、噴霧貫徹力が大きくなるように設定される噴霧貫徹力修正係数を備える。

上記構成によれば、上記した噴霧貫徹力を修正する噴霧貫徹力修正係数を設けていることから、個別の分割空間への噴霧貫徹力の設定が良好に行われる。これにより、噴霧燃料の気筒内の面への衝突が軽減され、未燃焼燃料の生成が抑制されて、高出力と低エミッションを維持することが可能となる燃料噴射弁を提供できる。

請求項１１の発明では、
噴孔部より気筒内の空間に向けその噴射方向を放射状に拡散させて燃料噴射される際における、隣り合う仮想噴射軸線の間において形成される開き角度を設定する。この開き角度が小さい程に、噴霧貫徹力が大きくなる方向の値に噴霧貫徹力修正係数を修正する、複数の噴孔を備える。

上記構成によれば、噴霧貫徹力修正係数を修正する最に、この修正方向、および修正の程度を、開き角度値（１つの指標値）に基づいて行うことができ、噴霧貫徹力の調整を容易に行うことが出来る。

請求項１２の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への噴射燃料の噴霧貫徹力を設定する際に、噴孔のＬ／Ｄ設定値が大きい程に、噴霧貫徹力が大きくなる方向の値に前記噴霧貫徹力修正係数を修正する。

上記構成によれば、噴霧貫徹力の設定と、噴孔のＬ／Ｄ設定値と、を対応させることにより、噴霧燃料の気筒内の面への衝突が軽減され、未燃焼燃料の生成が抑制されて、高出力と低エミッションを維持することが可能となる燃料噴射弁を提供できる。

請求項１３の発明では、
平板形状の噴孔プレートに複数の噴孔が配設される構成下、複数の各噴孔から個別の分割空間への噴射燃料の噴霧貫徹力を設定する際に、噴霧貫徹力修正係数と対応させて、１本の仮想噴射軸線と見なせる１群として配置され、この１群内における、噴孔間の間隔、噴孔数、噴孔径を含む各調整がなされる。

上記構成によれば、噴霧貫徹力の設定と、上記した１群として配置・形成される群内の複数噴孔の仕様調整と、を対応させることにより、噴霧燃料の気筒内の面への衝突が軽減され、未燃焼燃料の生成が抑制されて、高出力と低エミッションを維持することが可能となる燃料噴射弁を提供できる。

請求項１４の発明では、
複数の各噴孔から個別の分割空間への噴射燃料の燃料噴射量、および、噴霧貫徹力を設定する際に、噴孔の吐出位置と、仮想噴射軸線が到達する気筒内の面位置との間の、各々の噴射行程距離が大きいほどに、噴孔の入口と噴孔の出口間との間の寸法値（Ｌ値）を大きく設定する。そして、噴孔の噴孔径を略同等とし、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度が調整される。

上記構成によれば、噴射行程距離の大きさに対し、寸法値（Ｌ値）を対応させる対応設定と、複数の噴孔に対して同一の数値（燃料噴射量）とし、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度を対応させる対応設定と、の２つの対応設定の組み合わせにより、個別の分割空間への燃料噴射量、および、噴霧貫徹力を設定することができる。これにより、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、噴霧燃料の気筒内の面への衝突が軽減され、空気と噴射燃料との混合を安定させる、燃料噴射弁を提供できる。

請求項１５の発明では、
噴孔部は、シリンダヘッド側における気筒内の上面角部領域に設けられ、その上面角部より気筒内に直接に燃料噴射する複数の噴孔を有する。

上記構成によれば、噴孔部は、シリンダヘッド側における気筒内の上面角部領域に設けられることにより、燃料と気筒内空気との混合効率を向上させながら、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設できる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態につき、図１〜図７に基づいて説明する。本実施形態のインジェクタ１は、高圧の液体燃料を筒内に直接噴射する内燃機関用の燃料噴射弁として構成され、１つの気筒の燃焼室に対し、複数の噴孔５１を有する１つのインジェクタ１が設けられる。内燃機関としては、ガソリンエンジンの例を示す。図１は、インジェクタ１より気筒内の空間に燃料が噴射される状態を模式的に示した図である。図２は、気筒内空間への噴射燃料量の配分調整を説明する図である。図３は、気筒内空間への噴射燃料の噴霧貫徹力調整を説明する図である。

図４は、複数の噴孔５１が形成される噴孔部１ａの拡大断面図、および、拡大平面図である。図５は、図４に示す噴孔部１ａよりの燃料噴射状態を示す模式図である。図６は、噴孔仕様を決定する処置手順を示す図である。図７は、噴孔仕様を決定するその他の処置手順を示す図である。図８は、分割空間を２つの領域に区分けた例を示す図である。図９は、本実施例のインジェクタ１を用いて得られる効果を示す図である。

本発明は、以下に示す構成特徴を備える。図１〜図５に基づき、以下に説明する。内燃機関の気筒内の空間に複数の噴孔５１を有する噴孔部１ａを開口させるように、インジェクタ１を配置する。噴孔部１ａは、シリンダヘッド３側における気筒内の上面角部領域に設けられ、その上面角部より気筒内に直接に燃料噴射する複数の噴孔５１を有する。

噴孔部１ａの配置位置は、上面角部領域に限られず、例えば、ピストン４の中央部と対抗するシリンダヘッド３位置であってもよい。噴孔部１ａは、シリンダヘッド３の側に向けて噴射される噴孔５１、および、ピストン４の側に向けて噴射される噴孔５１が複数個形成される。噴射される燃料圧力は、図示しない燃料圧送手段により、例えば、２〜１３ＭＰａに設定される。シリンダヘッド３には、点火プラグ２を配置する。

複数個の噴孔５１より気筒内に燃料噴射される時点の気筒内の空間領域を対象とし、この空間領域を複数の空間に分割した分割空間Ａ、Ｂ、Ｃを設定する（図２参照）。各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃへの燃料分配量、および、燃料噴霧の貫徹力の各調整を行う。この調整は、噴射方向、噴射量、噴霧貫徹力の各値を調整した、各噴孔５１の仕様設定により行う。

分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの設定方法の詳細につき、以下説明する。噴孔５１の噴孔通路の中心軸線（直線）５ｘと、噴孔５１より噴射される燃料噴霧の仮想中心軸であり、直線状の軸線である仮想噴射軸線５ｙとを１本の軸線として繋げて延設して設定する。複数の噴孔群の略中心部を、噴孔部１ａの噴射基点（以降、基点と呼ぶ）とする。この基点を共通して含み、仮想噴射軸線５ｙを少なくとも１つ含むように分割空間Ａ、Ｂ、Ｃを設定する。

分割空間Ａ、Ｂ、Ｃは、基点からピストン４の上面、および、シリンダ６の壁面に向けて直線の分割線Ｌ１〜Ｌ４を放射状に配設させる。分割線Ｌ１〜Ｌ４は、少なくとも３本の分割線により筒内空間を区分けられる。分割空間Ａ、Ｂ、Ｃは、分割線Ｌ１〜Ｌ４間を繋ぐ仮想面と、ピストン４の上面、および、シリンダ６の壁面により囲まれる空間にて形成する。分割対象とする空間領域には、ピストン４の上面、および、ピストン４を内挿させるシリンダ６の壁面の双方の面が含まれる。

本実施例では説明の便宜上、気筒内空間を横方向から見た断面を３つの分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに分割した例を示したが３つ以上に分割空間を分割しても良い。分割空間を複数個形成する際には、気筒内空間を横方向、および、縦方向、から見た断面方向に分割した分割面を組み入れて、これら分割面を組み合わせて分割してもよい。

各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃへの燃料量の分配操作につき、以下に説明する。各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの空間容積値と、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃへの噴射燃料の配分量の比である、空燃比（以降、λ値（ラムダ値）と呼称する）を可変に設定する。λ値の数値が大きな値ほどに等量空気に対する燃料量が少なく、リーン空燃比となる。

本実施形態では、各噴孔からの燃料噴射量を略同一に設定し、気筒内の等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度を可変操作する手法を説明する。複数の分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの各々におけるλ値は、ピストン４に近位置の分割空間Ｃより、シリンダヘッド３に近位置の分割空間Ａの方が大きくなるように、設定する。各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの重心位置と、ピストン４位置、および、シリンダヘッド３の各位置との近接の程度を比較すると、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃがどちらに近い位置であるかが判断できる。シリンダ６の壁面、および、ピストン４の上面の、各面の（推定）温度に基づいて、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに配置される仮想噴射軸線の数密度を設定し、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの燃料噴射量が決定される。

分割空間Ａに配設される仮想噴射軸線５ｙは、シリンダ６の壁面ＳＣａに向かう仮想噴射軸線５ｙのみである。分割空間Ｂに配設される仮想噴射軸線５ｙは、シリンダ６の壁面ＳＣｂに向かう仮想噴射軸線５ｙと、ピストン４の上面ＳＰｂに向かう仮想噴射軸線５ｙとを含む。分割空間Ｃに配設される仮想噴射軸線５ｙは、ピストン４の上面ＳＰｂ、ＳＰｃに向かう仮想噴射軸線５ｙのみである。このように分割された分割空間Ａ、Ｂ、Ｃのλ値の大きさは、分割空間Ａ＞分割空間Ｂ＞分割空間Ｃの関係となるように、仮想噴射軸線の数密度を可変に設定する。

図２では、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃにおける、仮想噴射軸線が向かう面の種別と対応させて、空気と燃料との混合を説明するために、図示・説明の便宜上、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに、各々２つの仮想噴射軸線５ｙを図示してある。

上記した、ピストン４側領域の分割空間Ｃの方には、シリンダヘッド３側領域の分割空間Ａの方よりも小さなλ値が設定されて、空気と燃料とが混合促進される理由は、以下のように推定される。ピストン４の上面４ａは、シリンダ６の壁面６ａより高温度となる傾向にある。噴孔５１より噴射された燃料噴霧の一部が各面４ａ、６ａ領域に到達する際に、その到達により面付着した一部の燃料は、燃料の到達面の温度が高いほどに気化が促進され、空気と燃料との混合が促進することから、高温度のピストン４上面４ａの方がシリンダ６の壁面６ａよりも気化が促進される。

そこで、ピストン４側領域に属する分割空間Ｃの方をシリンダ６側領域に属する分割空間Ａよりもリッチ空燃比とし、ピストン４側領域の方に多くの燃料を噴射する。これにより、噴射燃料を液化させることを抑制できるので、空気と燃料との混合を促進できる。なお、ピストン４の上面４ａのうち、ピストン４の中央側面はピストン４の外周側面よりも高温度になる傾向にある。このことから、ピストン４の中央側面に向かう噴射燃料量を、ピストン４の外周側面に向かう噴射燃料量より多くなるように微修正してもよい。

シリンダ６の壁面６ａとピストン４の上面４ａとの上記した温度差は、次に示す作用を生じさせると推定される。噴孔５１より噴射された燃料噴霧の一部が面付着した際に、高温度のピストン４上面４ａの方がシリンダ６の壁面６ａよりも気化が促進される。この気化促進される時の気化熱により筒内の空気が冷やされ、筒内へ充填される空気量が多くなって、充填効率を向上させて、空気と燃料との混合を促進させる。

燃料入口側、および、燃料出口側の双方の面を平坦面とし、この両面を略並行に配した平板形状の噴孔プレート７１に１４個の複数の噴孔５１が形成される（図３参照）。各噴孔５１から噴射される燃料量は略同一に設定される。等空間容積値に対する仮想噴射軸線５ｙの数密度を可変操作して、気筒内空間のλ値の分布を調整するように、各噴孔５１の噴射方向を設定する。図３では、シリンダ６の壁面をＳＣ、ピストン４の上面をＳＰと表記する。噴孔５１は、燃料入口側（図中にＩＮと表記する側）において、２つの大小の仮想円上に、略筒間隔に開口部を配置する。燃料出口側（図中にＯＵＴと表記する側）において、各噴孔通路の中心軸線５ｘの傾きが調整されることから、各噴孔５１の開口部の配置間隔は、不揃いとなる。

各噴孔５１の吐出位置とシリンダ６の壁面６ａ位置との間、および、噴孔５１の吐出位置とピストン４の上面４ａ位置との間の、各々の噴射行程距離の大きさ違いに応じて、噴孔５１から噴射される燃料の噴霧貫徹力を修正する。この噴霧貫徹力の操作は、噴孔５１からの噴射される燃料が、シリンダ６壁面６ａないしピストン４の上面４ａの各表面位置に到達する直前位置までに、主要量の噴射燃料が気化されることを狙いとする。

図３では、等空間容積に対する仮想噴射軸線の数密度の操作により、λ値の調整、および、噴霧貫徹力の操作を併せて調整されることを示す。

噴霧貫徹力の操作は、下記に示す手法にて設定される。図３は、噴孔部１ａより気筒内の空間に向けその噴射方向を放射状に拡散させて燃料噴射される状態を示す。隣り合う各仮想噴射軸線５ｙの間において開き角度θａ〜θｆが形成される。この開き角度の大きさと、噴霧貫徹力の強弱とを関連させて、開き角度の大きさを調整する複数の各噴孔５１を備える。詳細には、開き角度が小さい程に、噴霧貫徹力が大きくなる方向の値に噴霧貫徹力を修正することができる。

例えば、開き角度を、開き角度θａ＞開き角度θｃの関係に設定する。これにより、開き角度θｃを構成する仮想噴射軸線５ｙに対応する噴孔５１よりの噴霧貫徹力は、開き角度θａを構成する仮想噴射軸線５ｙに対応する噴孔５１よりの噴霧貫徹力よりも大きく設定される。開き角度は、θａ＞θｂ＞θｃの関係に設定されており、θａ側の仮想噴射軸線５ｙからθｃ側の仮想噴射軸線５ｙに向けて、これら仮想噴射軸線５ｙに対応する噴孔５１よりの噴霧貫徹力は大きくなるように調整される。開き角度の調整により噴霧貫徹力の大きさが操作できる理由は、開き角度が小さいほどに、個別の仮想噴射軸線５ｙ上を燃料噴霧が直進する際の空気抵抗が軽減されることによる。

各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに向けて燃料噴射する各噴孔５１の仕様を決定するに際して、λ値、および、噴霧貫徹力を設定する手順を、図６に基づき説明する。Ｓ１において、個別の分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに占めるピストン４の上面４ａの表面積を算出する。Ｓ２において、この表面積が大きい程に、λ値を小さな値に修正するピストン修正係数を求める。Ｓ３において、個別の分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに占めるシリンダ６の壁面６ａの表面積を算出する。Ｓ４において、この表面積が大きい程に、λ値を大きな値に修正するシリンダ修正係数を求める。

Ｓ５では、Ｓ２、Ｓ４において求めた、ピストン修正係数、シリンダ修正係数に基づいて、個別の分割空間Ａ、Ｂ、Ｃへの燃料噴射量を設定する。Ｓ６において、各噴孔５１の吐出位置と噴射方向に位置する面位置との距離（噴射行程距離）の大きさを算出する。Ｓ７において、噴射行程距離に応じた噴霧貫徹力修正係数を求める。Ｓ８では、この噴霧貫徹力修正係数を用いて、各噴孔５１の噴霧貫徹力を設定する。Ｓ９において、Ｓ５、Ｓ８において設定した燃料噴射量、および、噴霧貫徹力に基づいて、各噴孔５１の仕様を設定する。

図７に基づき、噴孔５１の仕様の決定する他の処置手順を説明する。Ｓ１１において、全ての分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの空間領域のみを対象にし、空燃比の基準値として基準空燃比（以降、基準λ値と呼称する）を設定する。Ｓ１２において、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに占めるピストン４の上面４ａの表面積を算出する。Ｓ１３において、この表面積が大きい程に、基準λ値を小さな値に修正するピストン修正係数を求める。Ｓ１４において、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃに占めるシリンダ６の壁面６ａの表面積を算出する。Ｓ１５において、この表面積が大きい程に、基準λ値を小さな値に修正するシリンダ修正係数を求める。

Ｓ１６では、Ｓ１３、Ｓ１５において求めた、ピストン修正係数、シリンダ修正係数に基づいて、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃにおけるλ値を修正する空燃比修正係数を算出する。Ｓ１７では、Ｓ１６において求めた空燃比修正係数に基づいて、各分割空間Ａ、Ｂ、Ｃへの燃料噴射量を設定する。Ｓ１８において、Ｓ１７において設定した燃料噴射量に基づいて、各噴孔５１の仕様を設定する。

本実施形態においては、気筒内の全空間のうち、ピストン４の上面４ａ、および、シリンダ６の壁面６ａのいずれかを含むことを前提とした部分領域の気筒内空間を、分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの対象領域とした。この部分領域の気筒内空間を分割する際に、図８に示すように、噴孔部１ａが設けられるシリンダヘッド３側における気筒内の上面角部と、この上面角部と対抗する下面角部とを結ぶ仮想分割面により区分けてもよい。この仮想分割面を境にして上側に位置する分割空間としての上側領域Ｄと、下側に位置する分割空間としての下側領域Ｅとの２つの領域に区分けてもよい。この２領域の区分け手法を採用すると、噴孔５１の仕様の決定に至る手順が簡潔化される効果がある。

部分領域の気筒内空間を、分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの対象領域とするのに限らず、気筒内の全空間を、分割空間の対象領域としてもよい。

図９に基づいて、本実施例のインジェクタ１を用いて得られる効果の一例を説明する。図９中における横軸は、図８に示した上側領域Ｄにおける、初期設定のλ値に対する修正率を示す。上段に示す特性図の縦軸は、エミッションの排出値である。下段に示す特性図の縦軸は、噴射サイクル間における出力変動率である。エミッションの排出値とは、空気との混合が不充分となって排出されるＨＣなどの排出量値を示す。出力変動率とは、空気と燃料との混合が不充分となり燃焼悪化し、噴射サイクル間における出力が変動する程度を示す。この出力変動率が大きいと、エミッション排出値と関連して燃費効率が悪化する。

上側領域Ｄでは、修正率が−４０％〜＋２０％の修正範囲にて、エミッション排出値、および、出力変動率が許容の範囲にあることを示し、修正率の中心値は、マイナス側（λ値はリーン側）にある。つまり、上側領域Ｄにおいては、シリンダ６の壁面６ａを主に含むことから、λ値を大きな値に修正すると良い。

本件発明の噴射方向、噴射量の設定手法を採用し、気筒内の全空間に対する分割する対象空間の比率を５０〜６０％に設定し、分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの基準λ値＝８とした際において、分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの全領域の範囲内において、基準λ値の修正幅は、−７０％〜＋９０％の間に設定すると、高出力と低エミッションとを高次元に両立させる効果を発揮する。λ値の設定に際しては、燃料噴射量一定の基に分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの大きさを調整する、あるいは、分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの大きさ一定の基に燃料噴射量の大きさを調整する、の何れでも良い。

上記に説明した、気筒内に直接に燃料を噴射供給するインジェクタ１は、空気と噴射燃料を気筒内の空間に計画的に配設でき、空気と噴射燃料との混合を安定させながら気筒内空気を高効率に利用できる。又、未燃焼燃料の生成抑制により、高出力と低エミッションを維持することが可能となる燃料噴霧を形成することができる。
（第１の実施形態の変形例）
図１０に第１の実施形態の変形例を示す。図１０は、複数の噴孔５２が形成される噴孔部１ｂの拡大断面図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。燃料入口側（ＩＮ側）を平坦面とし、燃料出口側（ＯＵＴ側）を２つの平面より構成される形状の噴孔プレート７２に対して、以下のように噴孔５２を形成する。

複数の各噴孔５２間の噴孔径は、略同一に形成する。噴孔５２の入口と噴孔５２の出口間との間の寸法値（Ｌ値：噴孔長さ）とし、噴孔５２の径値をＤとしたときに、噴孔５２のＬ／Ｄ設定値が大きい程に、噴霧貫徹力は大きくなる方向の値に設定できる。噴孔５２の吐出位置と、仮想噴射軸線５ｙが到達する気筒内の面位置との間の、各々の噴射行程距離が大きいほどに、噴霧貫徹力を大きく設定する。
分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの等空間容積に対する仮想噴射軸線５ｙの数密度は、略同一に設定する。

（第２の実施形態）
図１１〜図１３に第２の実施形態を示す。図１１は、インジェクタ１より気筒内の空間に燃料が噴射される状態を模式的に示した図である。図１２は、複数の噴孔５３ａ、５３ｂが形成される噴孔部１ｃの拡大断面図、および、拡大平面図である。図１３は、図１２に示す噴孔部１ｃよりの燃料噴射状態を示す模式図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。

噴孔プレート７３に対して、以下のように噴孔５３ａ、５３ｂを形成する。複数の各噴孔５３ａ、５３ｂ間の噴孔径は、異なえて形成する。シリンダ６の壁面６ａに向かう仮想噴射軸線５ｙに対応する噴孔５３ａは、ピストン４の上面４ａに向かう仮想噴射軸線５ｙに対応する噴孔５３ｂより、少ない噴射量が噴射されるように噴孔径を小さく設定する。本実施例では、ピストン４側とシリンダ６側の２種類の噴孔径を設定する。

分割空間Ａ、Ｂ、Ｃの等空間容積に対する仮想噴射軸線５ｙの数密度は、略同一に設定する。各噴孔５３ａ、５３ｂから噴射される燃料噴霧の噴霧貫徹力は、噴孔径を大きく設定するほど大きくなり、この噴孔径とＬ／Ｄ値とを組み合わせて設定する。
（第３の実施形態）
図１４、図１５に第３の実施形態を示す。図１４は、複数の噴孔５４が形成される噴孔部１ｄの拡大断面図、および、拡大平面図である。図１５は、図１４に示す噴孔部１ｄよりの燃料噴射状態を示す模式図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。

噴孔プレート７４に対して、以下のように噴孔５４を形成する。噴孔５４の断面は、扁平状のスリット形状に形成され、略同等の噴孔断面積の大きさに設定される。それにより、噴孔５４からの燃料噴射量は略同一に設定される。

噴孔５４は、ピストン４の上面側とシリンダ６の壁面６ａ側とを結ぶ方向に並べて配置され、この配置方向とは略直交するように噴孔５４の長手方向（図１４中にＷ方向）が配置される。更に、複数の各噴孔５４における長手方向に沿わせた仮想線Ｌａが互いに並行となるように配置される。この並行配置の配置間隔Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは可変に調整され、個別の分割空間Ａ、Ｂ、Ｃへの燃料噴射量が設定される。各噴孔５４から噴射される燃料噴霧の噴霧貫徹力は、Ｌ／Ｄ値にて設定する。スリット形状の噴孔におけるＤ値は、噴孔通路の断面積の大きさを指標値として採用する。
（他の実施例）
図１６に他の実施例を示す。図１６は、気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。噴孔プレート７５に対して、以下のように複数の噴孔５５を形成する。１本の仮想噴射軸線５ｙと見なせる１群として複数の噴孔５５をまとめ配置する（図１６中のＦ部）。噴孔径は略同等の大きさに設定される。狙いの噴霧貫徹力と対応させ、この１群内における、噴孔間の間隔、噴孔数、噴孔径を含む各調整が行われる。

図１７に他の実施例を示す。図１７は、気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。燃料入口側を平坦面とし、板厚さを２つに異なるように燃料出口側に段差を設けて形成される噴孔プレート７６を備える。板厚の厚い部分７６ａは、噴孔形成部を中心に円形状に設けられる。この噴孔プレート７６に対して、以下のように噴孔５６を形成する。噴孔径は略同等の大きさに設定される。噴霧貫徹力は、２つに異なる各板厚さを調整して設定される。

図１８に他の実施例を示す。図１８は、気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。燃料入口側を平坦面とし、燃料出口側においては、入口側の平坦面と平行に形成される平坦面７７ａと、入口側の平坦面と非平行に形成される非平坦面７７ｂとにより形成される噴孔プレート７７を備える。非平行な面領域は、噴孔形成部を中心に円形状に設けられる。この噴孔プレート７７に対して、以下のように噴孔５７を形成する。噴孔径は略同等の大きさに設定される。噴霧貫徹力は、平坦面領域の板厚さと、非平坦面領域における燃料出口側の面の傾斜度設定を調整して設定される。

図１９に他の実施例を示す。図１９は、気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。上記第１の実施形態と異なる点を中心に、以下に説明する。図１９に他の実施例は、第１の実施形態において、複数の噴孔５１を噴孔プレート７１に形成していたものを、この噴孔プレート７１に代え、サック室７８ａを有するサックノズルにおけるノズルボディ部７８に形成される。他の噴孔形成上の特徴事項は、第１の実施形態に示した特徴と同じであるので、説明を省略する。

インジェクタより気筒内の空間に燃料が噴射される状態を模式的に示した図である。（第１の実施形態） 気筒内空間への噴射燃料量の配分調整を説明する図である。 気筒内空間への噴射燃料の噴霧貫徹力調整を説明する図である。 複数の噴孔が形成される噴孔部の拡大断面図、および、拡大平面図である。 図４に示す噴孔部よりの燃料噴射状態を示す模式図である。 噴孔仕様を決定する処置手順を示す図である。 噴孔仕様を決定するその他の処置手順を示す図である。 分割空間を２つの領域に区分けた例を示す図である。 本実施例のインジェクタを用いて得られる効果を示す図である。 複数の噴孔が形成される噴孔部の拡大断面図である。（第１の実施形態の変形例） インジェクタより気筒内の空間に燃料が噴射される状態を模式的に示した図である。（第２の実施形態） 複数の噴孔が形成される噴孔部の拡大断面図、および、拡大平面図である。 図１２に示す噴孔部よりの燃料噴射状態を示す模式図である。 複数の噴孔が形成される噴孔部の拡大断面図、および、拡大平面図である。（第３の実施形態） 図１４に示す噴孔部よりの燃料噴射状態を示す模式図である。 気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。（他の実施例） 気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。（他の実施例） 気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。（他の実施例） 気筒内空間への噴射燃料調整を説明する図である。（他の実施例）

符号の説明

１ インジェクタ（燃料噴射弁）
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 噴孔部
５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８ 噴孔
３ シリンダヘッド
４ ピストン
４ａ ピストンの上面
５ｙ 仮想噴射軸線
６ａ シリンダの壁面
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 分割空間

Claims (15)

1. 複数の噴孔を有する噴孔部を備え、内燃機関の気筒内の空間に前記噴孔部を開口させ、内燃機関のシリンダヘッド側からピストン側に向け、前記噴孔部より直接に前記気筒内の空間に燃料を噴射する燃料噴射弁において、
   前記噴孔部より燃料噴射される時点の前記気筒内の空間領域を対象とし、該空間領域を、前記噴孔部を基点とした該基点を共通して含み、前記ピストンの上面、および、前記ピストンを内挿させるシリンダの壁面に向け、前記噴孔よりの噴射方向が設定された、噴射噴霧の仮想中心軸である仮想噴射軸線を少なくとも１つ含むように、複数に分割された分割空間が設定され、
   複数の前記分割空間の各々における空燃比は、ピストン側領域に属する前記分割空間よりもシリンダヘッド側領域に属する前記分割空間の方が大きくなるように、複数の前記噴孔により設定されることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 複数の前記分割空間の各々における空燃比は、噴射噴霧の到達する方向の、前記ピストン側領域に属する前記分割空間、および、前記シリンダヘッド側領域に属する前記分割空間における、前記ピストンの上面、および前記シリンダの壁面の温度に基づいて、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 個別の前記分割空間に占める、前記ピストンの上面の表面積が大きい程に、空燃比を小さな値に修正するピストン修正係数に基づいて、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 個別の前記分割空間に占める、前記シリンダの壁面の表面積が大きい程に、空燃比を大きな値に修正するシリンダ修正係数に基づいて、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
5. 全ての前記分割空間のみを対象にし、空燃比の基準値として設定された基準空燃比と、
   前記分割空間に占める、前記ピストンの上面の表面積が大きい程に、前記基準空燃比を小さな値に修正するピストン修正係数と、
   前記分割空間に占める、前記シリンダの壁面の表面積が大きい程に、前記基準空燃比を大きな値に修正するシリンダ修正係数と、
   前記ピストン修正係数および前記シリンダ修正係数に基づいて、個別の前記分割空間の空燃比を修正する空燃比修正係数とを採用し、
   前記空燃比修正係数に基づいて、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
6. 複数の前記噴孔からの燃料噴射量を略同一に設定し、前記気筒内の等空間容積に対する前記仮想噴射軸線の数密度を可変操作して、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の燃料噴射弁。
7. 前記噴孔の断面が扁平状のスリット形状に形成され、
   前記ピストンの上面側と前記シリンダの壁面側とを結ぶ方向に並べて配置され、
   前記方向とは略直交するように前記噴孔の長手方向が配置され、かつ、複数の前記噴孔における長手方向に沿わせた仮想線が互いに並行となるように配置され、
   前記噴孔からの燃料噴射量を略同一に設定し、前記並行配置の配置間隔を可変操作して、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項２ないし請求項５に記載の燃料噴射弁。
8. 前記気筒内の等空間容積に対する前記仮想噴射軸線の数密度を略同一に設定し、複数の前記噴孔からの燃料噴射量を可変操作して、個別の前記分割空間への燃料噴射量が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の燃料噴射弁。
9. 前記空燃比の修正幅は、−７０％〜＋９０％の間に設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の燃料噴射弁。
10. 前記噴孔からの噴射される燃料が、前記シリンダの壁面ないし前記ピストンの上面の各表面位置に到達する直前位置までに、主要量の噴射燃料が気化される噴霧貫徹力となるようにし、
    前記噴孔の吐出位置と前記シリンダの壁面位置との間、および、前記噴孔の吐出位置と前記ピストンの上面位置との間の、各々の噴射行程距離の大きさに応じて、前記噴孔から噴射される燃料の噴霧貫徹力を修正する噴霧貫徹力修正係数に基づいて、個別の前記分割空間への噴霧貫徹力が設定された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９に記載の燃料噴射弁。
11. 前記噴孔部より気筒内の空間に向けその噴射方向を放射状に拡散させて燃料噴射される際における、隣り合う前記仮想噴射軸線の間において形成される開き角度を設定し、
    前記開き角度が小さい程に、噴霧貫徹力が大きくなる方向の値に前記噴霧貫徹力修正係数を修正した複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
12. 前記噴孔の入口と前記噴孔の出口との間の寸法値をＬとし、前記噴孔の径値をＤとしたときに、
    前記噴孔のＬ／Ｄ設定値が大きい程に、噴霧貫徹力が大きくなる方向の値に前記噴霧貫徹力修正係数を修正した複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
13. 複数の前記噴孔が配設される平板形状の噴孔プレートを備え、
    前記噴霧貫徹力修正係数と対応させて、１本の前記仮想噴射軸線と見なせる１群として配置され、この１群内における、噴孔間の間隔、噴孔数、噴孔径を含む各調整がなされた複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。
14. 前記噴孔の吐出位置と、前記仮想噴射軸線が到達する前記気筒内の面位置との間の、各々の噴射行程距離が大きいほどに、前記噴孔の入口と前記噴孔の出口間との間の寸法値（Ｌ値）が大きく設定され、
    前記噴孔の噴孔径を略同等とし、前記気筒内の等空間容積に対する前記仮想噴射軸線の数密度が調整された複数の前記噴孔を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料噴射弁。
15. 前記噴孔部は、前記シリンダヘッド側における前記気筒内の上面角部領域に設けられ、その上面角部より前記気筒内に直接に燃料噴射する複数の前記噴孔を有することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれかに記載の燃料噴射弁。

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