JP4639169B2 - 内燃機関の燃料噴射装置及び燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、吸気バルブの上流側から前記吸気バルブに向けて燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射装置及び燃料噴射弁に関する。

特許文献１には、燃料噴射弁の先端部に延長管を備え、この延長管を介して燃料を吸気バルブに向けて噴射する内燃機関の燃料噴射装置が開示されている。
前記燃料噴射装置では、燃料噴霧が吸気管内壁と干渉しないように燃料噴射弁の噴霧角を設定し、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧の全てを吸気バルブの傘部に直撃させる。
特開２００１−２９５７３８号公報

ところで、上記のように、燃料噴霧の全てを吸気バルブの傘部に直撃させる場合、暖機後で吸気バルブの温度が高い状態であれば、傘部を直撃した燃料が順次気化して均質な混合気が形成され、排気エミッションを低減させることができる。
しかし、低温始動時で吸気バルブの温度が低いために気化速度が低下すると、傘部を直撃した燃料の気化が進まず、傘部に付着する液状燃料の膜厚が厚くなり、燃料が液状のまま燃焼室内に流入することで、排気エミッションを増大させてしまうという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低温始動時であっても吸気管内での燃料噴霧の気化を促進させることが可能な内燃機関の燃料噴射装置及び燃料噴射弁を提供することにある。

そのため請求項１記載の発明は、気筒毎に２つの吸気バルブを備える内燃機関の燃料噴射装置であって、前記２つの吸気バルブ上流側の吸気管に取り付けられ、前記２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気管の空気の流通経路を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に沿って２つに仕切る整流板とを備え、
前記燃料噴射弁の各噴霧の横断面形状を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に長い楕円状とし、かつ、各噴霧が、前記吸気バルブの傘部中心よりも隣接する吸気バルブに近い側に偏った位置を通るようにし、かつ、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向において相互に対向する吸気管の内壁部分を燃料噴霧が直撃するように、前記燃料噴射弁の噴霧形状を設定したことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、気筒毎に２つの吸気バルブを備えると共に、吸気管の空気の流通経路を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に沿って２つに仕切る整流板を備えた内燃機関において、前記吸気管に取り付けられ、前記２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記各噴霧の横断面形状を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に長い楕円状とし、かつ、各噴霧が、前記吸気バルブの傘部中心よりも隣接する吸気バルブに近い側に偏った位置を通るようにし、かつ、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向において相互に対向する吸気管の内壁部分を燃料噴霧が直撃するように、噴霧形状を設定したことを特徴とする。

上記請求項１，２に係る発明によると、燃料噴射弁は、２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射し、各噴霧の横断面形状は、２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に長い楕円状であり、かつ、各噴霧が、吸気バルブの傘部中心よりも隣接する吸気バルブに近い側に偏った位置を通り、更に、２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向において相互に対向する吸気管の内壁部分を燃料噴霧が直撃するように、噴霧形状が設定される。
吸気管内の空気の流通経路を仕切る整流板が設けられることで、２つの吸気バルブの並び方向に対して直交する方向の両端で空気流動が強くなり、この空気流動が強くなる側の吸気管内壁に燃料が直撃するように、燃料噴霧の形状が設定される。

即ち、吸気バルブの傘部に対する燃料噴霧の直撃率を低下させつつ、吸気管内壁の空気流動が強い部分に燃料噴霧を直撃させることになり、吸気バルブの傘部に付着する液状燃料の膜厚を薄くでき、また、吸気管内壁に直撃する燃料噴霧の気化も促進させることができる。
更に、各噴霧が、隣接する吸気バルブ側に偏った位置を通るようにしたことで、吸気管内壁のうち最も空気流動の強い部分に燃料を直撃させることができ、更に、シリンダボアから所定以上離れた吸気管内壁に燃料を直撃させることで、吸気管内壁に直撃させた燃料が液状のまま直ぐにシリンダ内の気流に巻き込まれてしまうことを回避できる。
従って、低温始動時であっても、燃料噴霧の気化を最大限に促進させることができ、排気エミッションの低減を図ることができる。

請求項３記載の発明は、気筒毎に２つの吸気バルブを備えると共に、吸気管の空気の流通経路を、前記２つの吸気バルブの並び方向に対して直交する方向に沿って２つに仕切る整流板を備えた内燃機関において、前記吸気管に取り付けられ、前記２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記整流板に直交し、一方の燃料噴霧の中心線を含む平面における燃料噴霧の広がり角をθ３、各吸気バルブに向かう２つの燃料噴霧の中心線がなす角度をθ１、２つの燃料噴霧の中心線を含む平面における各燃料噴霧の広がり角をθ２、前記燃料噴射弁の噴射位置を基点とし、該基点と前記２つの吸気バルブそれぞれの中心とを結んだ線がなす角度をθbaseとしたときに、前記角度θbaseに対する前記角度θ１の割合が６５％〜７５％となり、かつ、前記角度θbaseに対する前記角度θ２の割合が６０％〜７０％となり、かつ、前記角度θbaseに対する前記角度θ３の割合が７５％〜８５％となるように噴霧角度を設定したことを特徴とする。

上記発明によると、吸気管内の空気の流通経路を仕切る整流板が設けられることで、２つの吸気バルブの並び方向に対して直交する方向の両端で空気流動が強くなり、この空気流動が強くなる側の吸気管内壁への燃料噴霧の直撃率及び吸気バルブの傘部に対する燃料噴霧の直撃率を最適に設定して、低温始動時における気化促進を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置及び燃料噴射弁が適用される内燃機関の断面図であり、図２は、図１の上面図である。
図１，２に示すように、内燃機関１において、シリンダブロック２に形成されるシリンダ３に対して、往復動可能にピストン４が嵌挿される。

前記シリンダ３の上部には、シリンダヘッド５が取り付けられ、前記ピストン４のヘッドと前記シリンダヘッド５とによって燃焼室１１が形成される。
前記シリンダヘッド５の中央部には、点火プラグ１２が取り付けられる。また、前記シリンダヘッド５には、前記点火プラグ１２を中心に、２つの吸気バルブ６ａ，６ｂと２つの排気バルブ７ａ，７ｂとが配置される。

前記２つの吸気バルブ６ａ，６ｂの弁座に接続される吸気ポート８（吸気管）がシリンダヘッド５に形成される。前記吸気ポート８は、シリンダ３の斜め上方からシリンダヘッド５に向け延設され、途中で二股に分岐して各吸気バルブ６ａ，６ｂの弁座に接続される。
前記吸気ポート８の分岐点よりも上流側には、吸気ポート８内の空気の流通経路を、上下（シリンダ軸方向）に仕切る整流板９が設けられている。

ここで、例えば、前記整流板９で仕切られる下側の空気経路を開閉するバルブを設け、該バルブを閉じることで、シリンダ内におけるタンブル流を強化することが可能である。
また、前記吸気ポート８の分岐点よりも上流側の前記吸気ポート８の上側（前記整流板９の上方）には、燃料噴射弁１０が取り付けられる。前記燃料噴射弁１０は、電磁コイルによる電磁吸引力によって弁体をリフトさせることで開弁し、各吸気バルブ６ａ，６ｂを指向して燃料（例えばガソリン）を２方向に噴射する。

尚、前記整流板９が前記燃料噴射弁１０からの燃料噴霧に干渉しないように、整流板９の位置、更に、燃料噴射弁１０の位置及び噴霧角が設定されている。
前記燃料噴射弁１０から噴射された燃料は、空気と共に吸気バルブ６ａ，６ｂを介して燃焼室１１内に吸引され、燃焼室１１内で点火プラグ１２による火花点火によって着火燃焼し、ピストン４を押し下げる運動エネルギーを発生させる。

そして、排気ガスは、前記排気バルブ７ａ，７ｂを介して燃焼室１１内から排出され、図外の排気浄化装置で浄化された後、大気中に放出される。
ここで、前記燃料噴射弁１０から各吸気バルブ６ａ，６ｂに向けてそれぞれ噴射される燃料噴霧の形状は、その横断面が、前記整流板９によって吸気ポート８内が仕切られる方向（上下方向）に長い楕円状に設定される。

更に、前記燃料噴射弁１０から各吸気バルブ６ａ，６ｂに向けてそれぞれ噴射される燃料噴霧の中心線は、各吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部中心から、隣接する吸気バルブ６ａ，６ｂに近い側に偏った位置を通るように設定される。
そして、前記燃料噴射弁１０からの噴射された燃料は、各吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部のうち、隣接する吸気バルブ６ａ，６ｂに近い領域を直撃し、また、その上下において吸気ポート８の対向する内壁それぞれを直撃する（図２参照）。

本実施形態のように、整流板９が設けられる場合には、吸気ポート８内の空気流動は、整流板９を挟んだ上下で強くなり、燃料噴霧が直撃する吸気ポート８の内壁は、前記整流板９によって空気流動が強くなる領域である。
従って、吸気ポート８内壁を直撃した燃料噴霧は、前記空気流動が強い環境下で、低温始動時であっても気化が促進されることになる。

一方、上記のように、吸気ポート８の内壁を燃料噴霧の一部が直撃する結果、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に対する燃料の直撃率が低下する。これにより、低温始動時で吸気バルブ６ａ，６ｂの温度が低い状態において、傘部に付着する液状燃料の膜厚を、全ての燃料噴霧を吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に直撃させる場合に比べて薄くでき、傘部に付着する燃料の気化速度を速くすることができる。

即ち、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部においても、図３に示すように、整流板９を挟んだ上下側で空気流動が強く、空気流動が強い部分では液状燃料の膜厚が薄く高い気化速度を得られるが、中央付近の空気流動が比較的弱い部分では、液状燃料の膜厚が厚くなる傾向を示すことになる。
ここで、本実施形態では、吸気ポート８内壁にも燃料を直撃させることで、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に対する直撃率が低下し、傘部中央付近の空気流動が比較的弱い部分を含め、傘部に付着する液状燃料の膜厚を全体的に薄くでき、これによって傘部に付着する燃料の気化速度を速くすることができるものである。

従って、全ての燃料噴霧を吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に直撃させる場合に比べて、低温始動時における吸気ポート８内での気化を促進させることができ、低温始動時において混合気を均質化して、排気エミッションを低減できる。
次に、本実施形態における燃料噴射弁１０の噴霧角の設定をより詳細に説明する。
まず、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、前記整流板９に直交し、一方の燃料噴霧の中心線を含む平面における燃料噴霧の広がり角（縦方向の広がり角）をθ３、各吸気バルブ６ａ，６ｂにそれぞれ向かう２つの燃料噴霧の中心線がなす角度をθ１、２つの燃料噴霧の中心線を含む平面における各燃料噴霧の広がり角（横方向の広がり角）をθ２と定義し、前記燃料噴射弁１０の噴射位置を基点とし、該基点と前記２つの吸気バルブ６ａ，６ｂそれぞれの中心とを結んだ線がなす角度をθbaseとする。

前記角度θ１〜θ３，θbaseは、以下の関係を満足するように設定される。
θ１：θbaseの６５〜７５％
θ２：θbaseの６０〜７０％
θ３：θbaseの７５〜８５％
そして、上記噴霧角の設定によると、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部及び吸気ポート８内壁を直撃する燃料噴霧の流量分布（全噴射量に対する割合）は、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すようになる。

尚、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、燃料噴射弁１０の先端から略１００mm先の横断面における流量分布を示す。
２つの吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部中心を結ぶ線上での流量分布（Ｂ−Ｂ断面における流量分布）は、図５（Ｂ）に示すように、２つの吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部の間隔部分に相当する中央部で流量Ｐ２は殆ど０％であり、その両側で流量がピーク値Ｐ１，Ｐ３を示し、流量がピーク値Ｐ１，Ｐ３となる位置は、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部中心よりも内側である。

また、断面が楕円状である燃料噴霧の長手方向における流量分布、即ち、吸気ポート８の上下方向における流量分布（Ｃ−Ｃ断面における流量分布）は、図５（Ｃ）に示すように、バルブステム付近に相当する中央部が小さくその両側でピーク値Ｐ４，Ｐ６を示す分布となり、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部の径の外側は、吸気ポート８に対して燃料噴霧が直撃する部分を示すことになる。

ここで、前記ピーク値Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ６はいずれも８％未満になるように設定され、かつ、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に付着する燃料の体積が２０〜５０mm³の範囲内になるように設定される。
尚、各吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部中心を狙って燃料を噴射させ、燃料噴霧の全量を吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に直撃させる場合には、傘部中心で流量分布がピークとなり、そのピーク値は１５％程度となる。

上記のように、本実施形態では、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部と共に吸気ポート８の内壁にも燃料噴霧を直撃させ、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に対する燃料噴霧の直撃率を低下させるから、低温始動時であっても、傘部に付着する液状燃料の膜厚が厚くなることを抑止できる。
一方、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部への直撃率を低下させるために、吸気ポート８の内壁に燃料噴霧を直撃させるが、燃料噴霧を直撃させる吸気ポート８の内壁部分は、整流板９によって空気流動が強くなる領域であるから、吸気ポート８内壁を直撃させた燃料を充分に気化させることができる。

従って、たとえ低温始動時であっても、多くの液状燃料がそのまま燃焼室６に流入することがなく、均質な混合気を形成させて排気エミッションを低減できる。
本実施形態のように、各気筒に２つの吸気バルブ６ａ，６ｂを備え、吸気ポート８が２つに分岐して各吸気バルブ６ａ，６ｂの弁座部の接続される場合には、２つの吸気バルブ６ａ，６ｂのバルブステム（傘部中心）で挟まれる領域の上下（整流板９に直交する方向の両端）で空気流動が強くなる。

従って、各吸気バルブ６ａ，６ｂに向かう燃料噴霧の中心線をバルブステム（傘部中心）よりも、隣接する吸気バルブ６ａ，６ｂに近い側にずらすことで、吸気ポート８内壁のうちで最も空気流動が強くなる領域に燃料噴霧を直撃させることができ、より気化速度を速めることができる。
図６は、実施形態における燃料噴射装置及び燃料噴射弁における噴霧の特性を、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に対する燃料の直撃率に基づいて説明するものである。

図６に示すように、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に対する燃料の直撃率が４０％〜７０％の範囲内であれば、傘部上での気化速度を基準値以上として、内燃機関１から排出される未燃焼成分ＨＣの濃度を限界値以下に抑制できる。
尚、燃料の直撃率が４０％〜７０％の範囲は、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部に付着する燃料の体積が２０〜５０mm³の領域に略相当する。

また、本実施形態では、前述のように、各吸気バルブ６ａ，６ｂに向かう燃料噴霧の中心線を、隣接する他方の吸気バルブ６ａ，６ｂに近い側にずらし、２つの燃料噴霧がなす角度θ１が、燃料噴射弁１０の噴射位置と前記２つの吸気バルブ６ａ，６ｂそれぞれの中心とを結んだ線がなす角度θbaseよりも小さくなるように、燃料噴射弁１０の噴霧特性を設定してある。

吸気ポート８の燃焼室１１に対する開口縁（吸気バルブ６ａ，６ｂの弁座周縁）と、シリンダボアとの距離が近いところで、燃料噴霧を吸気ポート８内壁に直撃させると、充分に気化させることができなかった液状燃料がそのままシリンダ内の気流に巻き込まれ、均質な混合気形成を阻害する可能性がある。
そこで、吸気ポート８の燃焼室１１に対する開口縁とシリンダボアとの距離が所定値以上になるところで、燃料噴霧が吸気ポート８内壁に直撃するように、各吸気バルブ６ａ，６ｂに向かう燃料噴霧の中心線を、隣接する他方の吸気バルブ６ａ，６ｂに近い側にずらしてある。

従って、吸気ポート８内壁のうちの空気流動が強い領域に直撃させた燃料噴霧を、充分に気化させることができなかった場合でも、燃料噴霧が液状のままシリンダ内の気流に直ぐに巻き込まれてしまうことを回避でき、排気エミッションの低減に寄与できる。
尚、上記実施形態では、内燃機関が各シリンダに２つの吸気バルブ６ａ，６ｂを備えるものとしたが、各シリンダに１つだけ吸気バルブを備える内燃機関において、燃料噴霧を整流板９で吸気ポート８内が仕切られる方向に長い形状に設定し、この長手方向で燃料噴霧が吸気バルブの傘部及び吸気ポートの対向する内壁それぞれに直撃するようにすることで、上記実施形態と同様に、排気エミッションを低減させることができる。

また、燃焼室１１の形状や、燃焼室１１に対する点火プラグ１２の位置が、図１に示したものに限定されるものでないことは明らかである。
更に、燃料噴射弁１０の噴霧角を可変に構成し、低温条件において燃料噴霧を吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部及び吸気ポート８の対向する内壁それぞれに直撃させ、暖機後は、吸気バルブ６ａ，６ｂの傘部にのみ燃料噴霧を直撃させることができる。

次に、上記の実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。

（イ）前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が前記整流板に干渉しないように設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射装置又は燃料噴射弁。

上記発明によると、燃料噴射弁から噴射される燃料が、吸気バルブ及び吸気管内壁に直撃する前に、整流板を直撃することがないように、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状・方向追及び整流板の位置が設定される。
従って、燃料噴霧が、吸気バルブ及び吸気管内壁に直撃する前に整流板を直撃し、液滴となることを防止する。
（ロ）前記燃料噴射弁から噴射された燃料のうち、前記吸気バルブを直撃する燃料噴霧の割合が４０％〜７０％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射装置又は燃料噴射弁。

上記発明によると、吸気バルブを直撃する燃料噴霧の割合を４０％〜７０％の範囲内に設定し、残りを吸気管内壁の空気流動の強い部分に直撃させることで、吸気バルブの傘部に付着する燃料の膜厚を薄くする。
これにより、吸気バルブの傘部における気化速度を所定以上とし、排気エミッション（ＨＣ濃度）を低減できる。

本発明の実施形態における内燃機関の縦断面図。 本発明の実施形態における内燃機関の上面図。 本発明の実施形態における吸気バルブの傘部における空気流動の強さの分布を示す図。 本発明の実施形態における噴霧角を特定する角度変数を説明するための図。 本発明の実施形態における燃料噴霧の流量分布を示す線図。 本発明の実施形態における吸気バルブに対する噴霧直撃率と気化速度・ＨＣ濃度との相関を示す線図。

符号の説明

１…内燃機関、２…シリンダブロック、３…シリンダ、４…ピストン、５…シリンダヘッド、６ａ，６ｂ…吸気バルブ、７ａ，７ｂ…排気バルブ、８…吸気ポート（吸気管）、９…整流板、１０…燃料噴射弁、１１…燃焼室、１２…点火プラグ

Claims (3)

1. 気筒毎に２つの吸気バルブを備える内燃機関の燃料噴射装置であって、
   前記２つの吸気バルブ上流側の吸気管に取り付けられ、前記２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気管の空気の流通経路を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に沿って２つに仕切る整流板とを備え、
   前記燃料噴射弁の各噴霧の横断面形状を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に長い楕円状とし、かつ、各噴霧が、前記吸気バルブの傘部中心よりも隣接する吸気バルブに近い側に偏った位置を通るようにし、かつ、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向において相互に対向する吸気管の内壁部分を燃料噴霧が直撃するように、前記燃料噴射弁の噴霧形状を設定したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 気筒毎に２つの吸気バルブを備えると共に、吸気管の空気の流通経路を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に沿って２つに仕切る整流板を備えた内燃機関において、前記吸気管に取り付けられ、前記２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、
   前記各噴霧の横断面形状を、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向に長い楕円状とし、かつ、各噴霧が、前記吸気バルブの傘部中心よりも隣接する吸気バルブに近い側に偏った位置を通るようにし、かつ、前記２つの吸気バルブの並び方向に直交する方向において相互に対向する吸気管の内壁部分を燃料噴霧が直撃するように、噴霧形状を設定したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
3. 気筒毎に２つの吸気バルブを備えると共に、吸気管の空気の流通経路を、前記２つの吸気バルブの並び方向に対して直交する方向に沿って２つに仕切る整流板を備えた内燃機関において、前記吸気管に取り付けられ、前記２つの吸気バルブを指向して２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、
   前記整流板に直交し、一方の燃料噴霧の中心線を含む平面における燃料噴霧の広がり角をθ３、各吸気バルブに向かう２つの燃料噴霧の中心線がなす角度をθ１、２つの燃料噴霧の中心線を含む平面における各燃料噴霧の広がり角をθ２、前記燃料噴射弁の噴射位置を基点とし、該基点と前記２つの吸気バルブそれぞれの中心とを結んだ線がなす角度をθbaseとしたときに、
   前記角度θbaseに対する前記角度θ１の割合が６５％〜７５％となり、かつ、前記角度θbaseに対する前記角度θ２の割合が６０％〜７０％となり、かつ、前記角度θbaseに対する前記角度θ３の割合が７５％〜８５％となるように噴霧角度を設定したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。

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