JP6655724B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関に使用される燃料噴射装置に関するものである。

本発明の従来技術として例えば特許文献１に示すように、複数の燃料噴霧点火プラグの近傍に噴霧を集中させて、点火プラグ７の電極周りに燃料が微粒化した混合気を形成し、燃焼室４内を適正に成層化して着火性を向上させる方法が開示されている。

また、例えば文献２に示すように、複数の噴射孔を有し、タンブル流の強い領域を含む環状に向けて燃料を噴射する大径噴射孔と、タンブル流の弱い空間に向けて燃料を噴射する小径噴射孔とを有することで、噴霧のペネトレーションが増加した噴霧による悪影響を減らす方法が開示されている。

特開２００５−５４６７６号公報 国際公開番号ＷＯ２０１３／００８６９２号公報

内燃機関の燃料噴射装置においては、低排気を実現するため、システム燃料圧力を高圧化し、噴射した燃料の粒子を微粒化することで空気との混合を促進させて未燃焼ガスを抑制する方法や、燃料噴霧のエンジン筒内での付着を抑制して未燃焼粒子を低減する方法が考案されている。特に微粒化を狙って高燃料圧力にする場合、燃料噴霧の貫徹力が増加するため、噴射した燃料噴霧が吸気弁や筒内壁面に付着し、有害物質の排出量が増加する場合がある。

例えば特許文献１の方法のように、複数の噴射孔を有する燃料噴射装置において、空気流動の小さい領域の噴射孔を小さくし、空気流動の大きい領域の噴射孔を大きく構成することで、ペネトレーション増加による悪影響を低減することが可能となる。

しかしながら、ペネトレーションの低減を狙って噴射孔の孔径を小さくした場合であっても高圧化等の理由によって燃料の流速が早い場合、燃料の流れが噴射孔壁面から剥離して、噴射孔出口での燃料流速が不均一となることで噴霧の到達距離が長くなる場合があった。

以上の理由により、上記した特許文献に開示されている方法では、噴霧の到達距離の低減する手段として必ずしも十分でなかった。

そこで、本発明は、上記の問題を解決し、噴霧の到達距離を短くする燃料噴射装置を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、同一のシート面に入口面を有する複数の噴射孔を有する燃料噴射装置において、複数の噴射孔のうち、シート面の法線方向と噴射孔の中心軸方向とがなす噴射孔角度が他の噴射孔の噴射孔角度よりも大きくなるように形成される噴射孔は、出口面の面積が、何れの他の噴射孔の出口面の面積よりも大きくなるように構成され、かつ当該噴射孔の出口面での開弁時流速が他の何れの噴射孔の出口面での開弁時流速よりも小さくなるように構成される。
また、上記課題を解決するために本発明は、同一のシート面に入口面を有する複数の噴射孔を有する燃料噴射装置において、複数の噴射孔のうち、シート面の法線方向と噴射孔の中心軸方向とがなす噴射孔角度が何れの他の噴射孔の噴射孔角度よりも大きくなるように形成される二つの噴射孔は、出口面の面積のそれぞれが、何れの他の噴射孔の出口面の面積よりも小さくなるように構成され、かつ前記二つの噴射孔の出口面の面積の合計面積が他の何れの噴射孔の出口面の面積よりも大きくなるように構成され、さらに前記二つの噴射孔は、これらの出口面の中心の間の距離が、一方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離より小さく、かつ他方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離よりも小さくなるように構成される。

本発明によれば、噴霧の到達距離を短くする燃料噴射装置を提供することが可能となる。上記した本発明の課題、構成、効果以外の内容については、以下の実施例において、詳細に説明する。

本発明の実施形態の燃料噴射装置とＥＣＵ構成される燃料噴射システムと、燃料噴射装置の縦断面図を示した図である。 本発明の実施形態の筒内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射方の内燃機関（直噴エンジン）の模式図である。 本発明の実施形態における図２のＡ−Ａ’断面から燃料噴射装置の方向にみた場合のオリフィス形成部から噴射される燃料噴霧の投影図である。 本発明の実施形態における燃料噴射装置２０４の先端方向から見たオリフィス形成部の拡大図である。 本発明の実施形態の図４におけるオリフィス形成部の噴射孔近傍の拡大図である。 本発明の実施形態の図５のＢ−Ｂ’断面におけるオリフィス形成部、弁体１１４の断面図である。 本発明の実施形態の図６の拡大部における燃料の流速分布を示した図である。 本発明の第一の実施形態における燃料噴射装置の先端方向から見たオリフィス形成部の近傍の拡大図である。 本発明の第一の実施形態の図８における断面Ｃ−Ｃ’の第１の噴射孔近傍の流速ベクトルを示した拡大図である。 本発明の第一の実施形態の図８における断面Ｄ−Ｄ’の第１の噴射孔近傍の流速ベクトルを示した拡大図である。 本発明の第一の実施形態における図２のＡ−Ａ’断面から燃料噴射装置の方向にみた場合のオリフィス形成部から噴射される燃料噴霧の投影 図である。 本発明の第一の実施形態における図２のＡ−Ａ’断面から燃料噴射装置の方向にみた場合のオリフィス形成部から噴射される燃料噴霧の投影図である。 本発明の第二の実施形態における燃料噴射装置の先端方向から見たオリフィス形成部の近傍の拡大図である。

以下図１〜１３を用いて、本発明の実施例による燃料噴射装置の動作および構成について説明する。

最初に図１を用いて本発明に係る第一の実施例における燃料噴射装置の構成と動作について説明する。図１は、本実施形態の燃料噴射装置とＥＣＵとで構成される燃料噴射システムと、燃料噴射装置の縦断面図を示した図である。

燃料噴射装置の燃料の噴射はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５４から送出される噴射パルスの幅によって制御される。この噴射パルスは燃料噴射装置の駆動回路１５３に入力され、駆動回路１５３はＥＣＵ１５４からの指令に基づいて駆動電流波形を決定する。そして駆動回路１５３は、噴射パルスに基づく時間だけ燃料噴射装置に前記駆動電流波形を供給するようになっている。なお、駆動回路１５３は、ＥＣＵ１５４と一体の部品や基板として実装されている場合もある。駆動回路１５４とＥＣＵ１５４が一体となった装置を駆動装置１５０と称する。

次に、燃料噴射装置及びその駆動装置の構成と基本的な動作を説明する。ＥＣＵ１５４では、エンジンの状態を示す信号を各種センサから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置から噴射する噴射量を制御するための噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。また、ＥＣＵ１５４には、各種センサからの信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器とＩ／Ｏポートが備えられている。ＥＣＵ１５４より出力された噴射パルスは、信号線１５１を通して燃料噴射装置の駆動回路１０３に入力される。駆動回路１５３は、ソレノイド１０５に印加する電圧を制御し、電流を供給する。ＥＣＵ１５４は、通信ライン１５２を通して、駆動回路１５３と通信を行っており、燃料噴射装置に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動回路１５３によって生成する駆動電流を切替えることや、電流および時間の設定値を変更することが可能である。

次に燃料噴射装置の構成と動作について説明する。図１における燃料噴射装置は、通常閉弁型の電磁式燃料噴射装置であり、コイル１０５に通電されていない状態では、弁体１１４はスプリング１１０によって付勢され、弁座１１８に密着し閉状態となっている。この閉状態においては、可動子１０２は、ゼロスプリング１１２によって、弁体１１４に密着させられ、弁体１１４が閉じた状態で可動子１０２と磁気コア１０７との間に空隙を有している。燃料は燃料噴射装置の上部より供給され、弁座１１８で燃料をシールしている。閉弁時には、スプリング１１０による付勢力および燃料圧力による付勢力が弁体１１４に作用し、閉方向に押されている。

燃料噴射装置は弁体１１４の開閉のための電磁吸引力を発生させる磁気回路を備える。
この磁気回路は、磁気コア１０７と可動子１０２の外周側に配置された筒状部材であるノズルホルダ１０１と磁気コア１０７、可動子１０２、ハウジング１０３によって構成されている。コイル１０５に電流が供給されると、磁気回路中に磁束が発生し、可動部品である可動子１０２と磁気コア１０７との間に磁気吸引力が発生する。可動子１０２に作用する磁気吸引力がスプリング１１０による荷重（付勢力）と、燃料圧力によって弁体１１４に作用する付勢力の和を超えると、可動子１０２が上方（上流方向）へ動く。このとき弁体１１４のつば部と可動子１０２の弁体支持部とが係合することで、弁体１１４が可動子１０２と共に上方へ移動する。その後、可動子１０２は可動子１０２の上端面が磁気コア１０７の下面に衝突するまで移動する。

その結果、弁体１１４が弁座１１８より離間し、図示しないコモンレールから供給された燃料が、複数の噴射口１１９から噴射される。次に、可動子１０２の上端面が磁気コア１０７の下面に衝突した後、弁体１１４は可動子１０２から離脱し、オーバーシュートするが、一定の時間の後に弁体１１４は可動子１０２上で静止する。コイル１０５への電流の供給が切れると、磁気回路中に発生していた磁束が減少し、磁気吸引力が低下する。磁気吸引力がスプリング１１０による荷重と、燃料圧力によって弁体１１４および可動子１０２が受ける流体力を合わせた力よりも小さくなると、可動子１０２および弁体１１４は下方へ動き、弁体１１４が弁座１１８と衝突した時点で、可動子１０２は弁体１１４から離脱する。一方弁体１１４は弁座１１８と衝突した後に静止し、燃料の噴射が停止する。

なお、可動子１０２と弁体１１４は同じ部材として一体成形するかもしくは、別部材で構成し溶接もしくは圧入等の方法で結合されていてもよい。複数の噴射孔１１９を有する円筒状のオリフィス形成部１１６はノズルホルダ１０１に結合されており、オリフィス形成部１１６は弁体１１４の径方向の動きを規制するガイド部１２０を有する。また、図１ではオリフィス形成部１１６とガイド部１２０は一体に形成されているが、別部材としてもよい。弁体２１４は、ガイド部１２０と、弁体１１４のつば部１３０で磁気コア１０７の内径の２箇所で径方向の動きを規制され、開・閉弁方向に動作できるように構成されている。

可動子１０２と弁体が同じ部材である場合、ゼロスプリング１１２は構成上ない場合であっても、本発明の効果は変わらない。

次に、図２から図７を用いて本実施例の構成と燃料噴射装置の課題について説明する。
図２はエンジンの筒内に直接、燃料を噴射する筒内直接噴射方の内燃機関（直噴エンジン）の模式図である。なお、図２には、燃料噴射装置のオリフィス形成部１１６の先端部から燃料が噴射された直後のエンジン筒内の燃料噴霧の状態を記載する。

図３は、図２のＡ−Ａ’断面から燃料噴射装置をその中心軸２０１の方向に見た場合の燃料噴射装置２０４のオリフィス形成部１１６から噴射される燃料噴霧の投影図である。
図４は、オリフィス形成部１１６（オリフィスカップ）を燃料噴射装置２０４の先端方向から見た図である。図５は、図４の４０１におけるオリフィス形成部１１６の噴射孔近傍の拡大図である。図６は、図５のＢ−Ｂ’断面におけるオリフィス形成部１１６、弁体１１４の断面図である。図７は、図６の拡大部６１０における燃料の流速分布を示した図である。

図２より、本実施例における直噴エンジンは、燃料噴射装置２０４、吸気バルブ２０５、点火プラグ２０３、排気バルブ２１１、吸気管２０７、排気管２１２、ピストン２０９、ピストン２０９を内包するシリンダ２２０により構成される。燃料噴射装置２０４は、シリンダ２２０の円筒面に取り付けられ、燃料噴射装置２０４を中心として吸気バルブ２０５は左右に２個取り付けられている。図２では説明の関係上、吸気バルブ２０５は燃料噴射装置と同一断面に取り付けられた図面で説明する。図３に噴霧と二つの吸気バルブ２０５Ａ、２０５Ｂとの位置の関係を示す。

最初に直噴エンジンの動作について説明する。吸気バルブ２０５が開いた後、吸気管２０７を通過した空気はエンジン筒内２０８に導かれ、流入した空気の流動に合わせて燃料噴射装置２０４から燃料を噴射する。噴射された燃料は、エンジン筒内２０８に導かれた空気の流動にのって、空気と混合され、混合気を形成する。その後、ピストン２０９が上支点に近づいたタイミングにおいて、点火プラグ２０３で混合気に着火することで、燃焼し、推進力を得る。

本実施例の燃料噴射装置２０４は、流入空気と燃料の混合を促進させるため、吸気バルブ２０５に近いエンジン筒内壁面２１０に取り付けられる。また、燃料噴射装置２０４の取り付け角度は、吸気バルブ２０５との干渉を防ぐために、燃料噴射装置２０４の中心軸２０１がエンジンの筒内の水平軸２０２に対して、その交差角度５１０が５〜３０ｄｅｇとなるように取り付けられる。吸気バルブ２０５を介して空気を吸気する吸気ポートを高くすると、吸気管の圧損が増加するため、吸気管の角度を小さくする必要がある。そのため、吸気管２０７の角度に応じて、燃料噴射装置２０４の取り付け角度を決定している。
したがって、吸気管２０７との干渉を防ぐために、燃料噴射装置２０４の中心軸がエンジン筒内の水平軸２０２に対して角度が小さくなるように配置するとよい。

燃料噴射装置２０４から噴射される燃料噴霧のうち、第１の噴霧Ｄ１は他の噴霧に対して最も、点火プラグ２０３の先端部１２０１の側を指向するように形成される。また第２の噴霧Ｄ２、第６の噴霧Ｄ６は、第１の噴霧Ｄ１の次に点火プラグ２０３の先端部１２０１の側を指向するように形成されるとともに、吸気バルブ２０５Ａ、２０５Ｂの近傍において形成される。
また第３の噴霧Ｄ３、第５の噴霧Ｄ５は、第１の噴霧Ｄ１、第２の噴霧Ｄ２、及び第６の噴霧Ｄ６に次いで、点火プラグ２０３の先端側を指向するように形成される。またこれらの第３の噴霧Ｄ３、第５の噴霧Ｄ５は、点火プラグ２０３の先端側よりも、ピストン２０９の側を指向するように形成される。また第４の噴霧Ｄ４は、第３の噴霧Ｄ３、第５の噴霧Ｄ５よりもさらにピストン２０９の側を指向するように形成され、全ての噴霧の中で最もピストン２０９の側を指向するように形成される。二つ燃料噴射装置２０４の取り付け位置と、点火プラグ２０３の取り付け位置の関係上、最も点火プラグ２０３の先端部１２０１の側を指向する第１の噴霧Ｄ１の中心軸５０１３は、燃料噴射装置２０４の中心軸２０１に対して０〜十数°程度の角度となる。

次に、燃料噴射装置２０４のオリフィス形成部１１６の構成について、図５、６、７を用いて説明する。図６は、図５における第１の噴霧Ｄ１を形成する噴射孔５０１と第４の噴霧Ｄ４を形成する噴射孔５０４を通過する断面Ｂ−Ｂ’の断面拡大図である。図５において、図１と同様の構成部品には同じ記号を用いる。図７は、図６における６１０の拡大図であり、燃料の流速ベクトルを示した図である。流速が速い領域が黒く、流速が遅い領域を白色で示す。図７において、図１、６と同様の構成部品には同じ記号を用いる。

弁体１１４と接して燃料をシールする弁座１１８を形成するシート面（５０１１、５０４１）は、略円錐状の形状であり、弁体１１４の球面部６１０と接することで燃料をシールしている。オリフィス形成部１１６には、シート面（５０１１、５０４１）と接触面（５０１５、５０４５）に対して下流側に噴射孔が形成される。噴射孔は、噴霧Ｄ１〜Ｄ６を形成する噴射孔５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６から構成される。噴射孔５０１から５０６の先端部には、噴射孔より内径が大きいザグリ部５１１から５１６が形成される。なお、噴霧Ｄ１と噴射孔５０１、噴霧Ｄ２と噴射孔５０２、噴霧Ｄ３と噴射孔５０３、噴霧Ｄ４と噴射孔５０４、噴霧Ｄ５と噴射孔５０５、噴霧Ｄ６と噴射孔５０６がそれぞれ対応関係にある。

図５において、下側（図２のピストン２０９の側）に噴射孔５０４が形成され、上側（図２の点火プラグ２０３の側）に噴射孔５０１が形成される。それぞれの噴射孔は、上流側の小径部と下流側の大径部とで構成される。噴射孔５０４は、その長さ５０４Ｌを調整するために大径部のザグリ部５１４が形成されるものであり、小径部の噴射孔５０４の孔がパンチで形成された後に大径部のザグリ部５１４が同様にパンチで形成される。同様に噴射孔５０１には大径部のザグリ部５１１が形成される。但し、パンチに限定される訳ではなく、レーザ加工で形成しても良いし、又はその他の方法でも良い。

また、オリフィス形成部１１６のシート面（５０１１、５０４１）はドリルを図５の左側から右側に向かって当てて旋盤加工で形成される。そのため、オリフィス形成部１１６の先端には下流側に凹む凹み部６０５が形成される。この凹み部６０５は球形状に形成され、一定のボリュームを有するので、この凹み部６０５が燃料噴射特性に影響を与える。
噴射孔５０１では、シート面５０１１の法線方向の線５０１２と噴射孔５０１の中心軸５０１３とのなす角度θ（以降、噴射孔角度と称する）が噴射孔角度５０１４となる。

なお、シート面５０１１は弁座１１８において弁体１１４の球面６１０と接触する面５０１５と同一平面で構成され、図６の断面図において、ほぼ直線上に形成される。またシート面５０１１は噴射孔５０１の入り口面と平行な面で定義される。同様にシート面５０４１は弁座１１８において弁体１１４の球面６１０と接触する面５０４５と同一平面で、図６の断面図においてはほぼ直線上に形成される。またシート面５０４１は噴射孔５０４の入り口面と平行な面で定義される。ここで、シート面（５０１１、５０４１）の角度は例えば、８０〜１６０ｄｅｇで構成される。

図６では、シート面５０４１の角度が９０ｄｅｇの状態を図示する。シート面５０４１の角度は、図６においてシート面５０４１を示す直線と、オリフィス形成部１１６の中心軸（図６の点線で示す直線２０１）との交点から、シート面５０４１を示す直線と対称となる直線を引き、シート面５０４１を示す直線及びこの対称線で構成される角度のことである。すなわち、図６においてシート面５０４１を示す直線と、オリフィス形成部１１６の中心軸２０１とで構成される角度は４５ｄｅｇとなる。

シート面（５０１１、５０４１）の角度は、小さいほど、シート面（５０１１、５０４１）と噴射孔（５０１、５０４）の中心軸（５０１３、５０４３）とのなす角度（５０１６、５０４６）が鋭角になり、噴射孔角度（５０１４、５０４４）が大きくなる。たとえば、シート面５０１１の方がシート面５０４１に比べて、その角度が小さいため、シート面５０１１と噴射孔５０１のなす角度５０１６の方がシート面５０４１と噴射孔５０４のなす角度５０４６に比べて鋭角になる。したがって、噴射孔角度５０１４の方が噴射孔角度５０４４に比べて大きくなる。

ここで、図７は、図６における四角で囲った５０１Ｘの拡大図であり、噴射孔５０１における燃料の流速ベクトルを示している。流速が速い領域を黒色に、流速が遅い領域を白色になるように、その濃淡で流速の速さを示している。噴射孔角度が大きいと、弁体１１４の先端の凹み部６０５（ボリューム）から流れてきた燃料が、噴射孔入口（噴射孔入口面５０１７）で下流側噴射孔壁面５０１８から剥離し易くなる。したがって、剥離を抑制するために、シート面の角度は９０ｄｅｇ以上で構成することが望ましい。
ここで、燃料噴射弁２０４の取り付け上、他の噴射孔に対して噴射孔５０１の噴射孔角度５０１４の大きさが大きい。シート面（５０１１、５０４１）の法線方向の線（５０１２、５０４２）と各噴射孔（５０１、５０４）の中心軸（５０１３、５０４３）との噴射孔角度（５０１４、５０４４）の大きさが大きい場合、燃料が噴射孔の入口で剥離して、噴射孔内の燃料が剥離した逆側の面に偏って流れる。

そのため、噴射孔５０１においては、噴射孔５０４と比較して、弁体１１４の先端の凹み部６０５（ボリューム）から流れてきた燃料が、噴射孔入口（噴射孔入口面５０１７）で下流側噴射孔壁面５０１８から剥離することになる。そして燃料がシート面５０１１における弁体１１４との接触面５０１５の側の上流側噴射孔壁面５０１９側に沿って流れる。したがって、噴射孔出口面５１１１での燃料噴霧の流速分布は不均一となり、噴射孔出口面５１１１での噴射孔中心軸方向の速度ベクトルの最大値が大きくなる。なお、ここでの噴射孔入口面５０１７及び噴射孔出口面５１１１は、噴射孔５０１の小径部の入口面及び出口面で定義される。また噴射孔の中心軸５０１３は小径部の入口面中心と出口面中心とを結んだ直線で定義される。

ここで上述した通り、図２に示す燃料噴射装置２０４の中心軸２０１がエンジンの筒内の水平軸２０２に対して５〜３０ｄｅｇに取り付けられる。また、噴射孔５０１は最も点火プラグ２０３の先端部１２０１の側を指向するために中心軸２０１に対する噴霧の噴射角度５１００が他の噴霧Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６の噴射角度に比べて小さくなる。
そうすると図６に示すようにシート面５０１１と直交する法線５０１２に対して噴射孔５０１の中心軸５０１３が傾斜することになり、結果として噴射孔５０１の噴射孔角度５０１４が大きくなる。

燃料の剥離によって、噴射孔内が燃料で満たされていない場合、実質的に噴射孔の内径が小さくなる効果に相当する。したがって、噴射孔から噴射される燃料の単位時間当たりの流量をＱｏ、噴射孔から噴射される燃料の流速をｖ_ｏ、噴射孔の断面積をＤ_ｏとすると、流速ｖ_ｏは式（１）の関係で求められる。

ｖ_ｏ＝Ｑｏ／Ｄｏ （１）
式（１）より、噴射孔径Ｄ_ｏが小さくなると、流速ｖ_ｏが大きくなる。その結果、噴霧の貫徹力が大きくなるため、燃料噴霧の到達距離（ペネトレーション）は長くなる。ペネトレーションが長くなることで、燃料噴霧の筒内壁面２１０、ピストン２０９、排気バルブ２１１への燃料付着が増加する。筒内壁面２１０やピストン２０９に付着した燃料は気化しにくいため、ＰＮが増加する場合がある。

とくに、噴射孔５０１は、上述で説明したとおりに、噴射孔角度θ（５０１４）が大きくなるため、ペネトレーションが長くなり易く、筒内壁面２１０に付着し易い課題があった。

次に、図８、９を用いて本実施例の構成について説明する。図８は、図１における燃料噴射装置２０４の先端方向から見た本実施例のオリフィス形成部１１６の噴射孔の近傍の拡大図である。図９は断面Ｃ−Ｃ‘の噴射孔８０１近傍の流速ベクトルを示した拡大図である。図１０は断面Ｄ―Ｄ‘の噴射孔８０２近傍の流速ベクトルを示した拡大図である。
図９、１０において、流速が速い領域が黒く、流速が遅い領域を白色で示す。図８−１０において、図１、６と同様の部品については同じ記号を用い、詳細な説明を省略する。

図１１は、図２のＡ−Ａ’断面から燃料噴射装置の方向にみた場合の本実施例における燃料噴射装置２０４のオリフィス形成部１１６から噴射される燃料噴霧の投影図である。
図１２は本実施例における直噴エンジンの模式図であり、燃料噴射装置のオリフィス形成部１１６の先端部から燃料が噴射された直後のエンジン筒内の燃料噴霧の状態を示す。図１１、１２において、図２、図３と同様の部品については同じ記号を用い、詳細な説明を省略する。

図８に示すように本実施例のオリフィス形成部１１６には、第１の噴射孔８０１と、第２の噴射孔８０２と、その他の複数の噴射孔８０３、８０４、８０５、８０６、８０７が形成されている。またそれぞれの噴射孔は、小径部で形成される第１から第７の噴射孔（８０１−８０７）と大径部で形成される第１から第７の噴射孔（８１１−８１７）とで形成される。また噴射孔（８０１−８０７）は、図１１に示す噴霧Ｄ１１〜Ｄ１７をそれぞれ形成する。

図９は第１の噴射孔（８０１、８１１）の噴射孔軸における断面図を示しており、小径部の第１の噴射孔８０１の入口面８０１７と出口面８１１１のそれぞれの中心を結んだ直線で噴射孔中心軸８０１３が定義される。また小径部の第１の噴射孔８０１の長さを調整するために、下流側の大径部の第１の噴射孔８１１が形成される。小径部の第１の噴射孔８０１は、下流側の下流側噴射孔壁面８０１８と上流側の上流側噴射孔壁面８０１９とで構成される。

シート面８０１１は弁座１１８において弁体１１４の球面６１０と接触する面８０１５と同一平面で構成され、図９の断面図においてはほぼ直線上に形成される。またシート面８０１１は噴射孔８０１の入り口面８０１７と平行な面で定義される。シート面８０１１の法線方向の線８０１２と噴射孔８０１の中心軸８０１３とで形成される角度が噴射孔角度８０１４で定義される。

図１０は第２の噴射孔（８０２、８１２）の噴射孔軸における断面図を示しており、小径部の第１の噴射孔８０２の入口面８０２７と出口面８０２１のそれぞれの中心を結んだ直線で噴射孔中心軸８０２３が定義される。また小径部の第２の噴射孔８０２の長さを調整するために、下流側の大径部の第２の噴射孔８１２が形成される。小径部の第２の噴射孔８０２は、下流側の下流側噴射孔壁面８０２８と上流側の上流側噴射孔壁面８０２９とで構成される。

第１の噴射孔（８０１、８１１）と同様に第２の噴射孔（８０２、８１２）においても、シート面８０２１は弁座１１８において弁体１１４の球面６１０と接触する面８０２５と同一平面で構成され、図１０の断面図においてはほぼ直線上に形成される。またシート面８０２１は噴射孔８０２の入り口面８０２７と平行な面で定義される。シート面８０２１の法線方向の線８０２２と噴射孔８０２の中心軸８０２３とで形成される角度が噴射孔角度８０２４で定義される。

詳細な図示は無いが第３から第７の噴射孔（８０２−８０７、８１２−８１７）も同様に、小径部の噴射孔（８０３−８０７）と大径部の噴射孔（８１３−８１７）とから構成される。またそれぞれの小径部の噴射孔（８０３−８０７）の中心軸（８０３３−８０７３）は、それぞれの出口面（８０３１−８０７１）の中心と入口面（８０３７−８０７７）の中心とを結んだ直線で定義される。また同様に、シート面（８０３１−８０７１）が弁座１１８において弁体１１４の球面６１０と接触する面（８０３５−８０７５）と同一平面で構成され、断面図においてはほぼ直線上に形成される。またシート面（８０３１−８０７１）は噴射孔（８０３−８０７）の入り口面（８０３１−８０７１）と平行な面で定義される。またシート面（８０３１−８０７１）の法線方向の線（８０３２−８０７２）と噴射孔（８０３−８０７）の中心軸（８０３３−８０７３）とで形成される角度が噴射孔角度（８０３４−８０７４）で定義される。

本実施例の燃料噴射装置２０４は図２に示したエンジン筒内壁面２１０に取り付けられ、第１の噴射孔８０１と、第２の噴射孔８０２が図２のエンジン軸方向において点火プラグ２０３の側に配置される。また第５の噴射孔８０５が図２のエンジン軸方向においてピストン２０９の側に配置される。

この場合、上記したように第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２のそれぞれの噴射孔角度θの大きさがその他の第３から第７の噴射孔（８０３、８０４、８０５、８０６、８０７）の噴射孔角度θの大きさよりも小さくなるように構成される。なお、第３から第７の噴射孔（８０３、８０４、８０５、８０６、８０７）の噴射孔角度θ（８０３４−８０７４）の大きさは、図５、６における噴射孔角度θ（５０３４−５０７４）のそれぞれの大きさと同一とする。図５の構成においては、図７で説明したとおり、噴射孔５０１において、噴霧Ｄ１のペネトレーションが長くなる。この要因は、燃料の流速が速く、噴射孔入口で下流側噴射孔壁面５０１８から燃料が剥離するためである。これに対して本実施例の構成では、他の噴射孔に対して噴射孔角度θが大きい噴射孔５０１を二つに分割する。つまり、他の噴射孔（８０３−８０７）に対して噴射孔角度θ（８０１４、８０２４）が大きい第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２をオリフィス形成部１１６に形成することで、図５の構成にくらべて１つの噴射孔当たりの流量を小さくすることができる。したがって、図９、１０に示すように、噴射孔８０１の噴射孔の出口面８１１１、および噴射孔８０２の出口面８１２１での流速を抑制可能となる。

なお、噴射孔から噴射される燃料は、弁体１１４が開弁した状態すなわちシート開口部の断面積が大きくなった状態で最大となり、この条件でペネトレーションが大きくなる。
本実施例によれば、弁体１１４が開弁した状態での流速を低減できる。上記したように、本実施例では、複数の噴射孔（８０１−８０７）において、シート面（８０１１−８０７１）の法線（８０１２−８０７２）の方向と噴射孔（８０１−８０７）の中心軸（８０１３−８０７３）の方向とがなす角度（８０１４−８０７４）を噴射孔角度とする。そして、複数の噴射孔（８０１−８０７）のうち、噴射孔（８０１、８０２）がシート面６０１の法線（８０１２、８０２２）の方向と噴射孔（８０１、８０２）の中心軸（８０１３、８０２３）の方向とがなす噴射孔角度（８０１４、８０２４）が何れの他の噴射孔（８０３−８０７）の噴射孔角度（８０３４−８０７４）よりも大きくなるように形成されている。

そして、当該噴射孔（８０１、８０２）を上記したように二つの噴射孔（８０１、８０２）で構成することにより、当該噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１、８１２１）での開弁時流速が他の何れの噴射孔（８０３−８０７）の出口面（８１３１−８１７１）での開弁時流速よりも小さくなるように構成されたものである。

そして、オリフィス形成部１１６を下流側から見て、オリフィス形成部１１６の中心８４０に対して複数の噴射孔（８０１−８０７）が周方向に並んで形成される。本実施例では、二つの噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１、８１２１）の面積のそれぞれが、何れの他の噴射孔（８０３−８０７）の出口面（８１３１−８１７１）の面積よりも小さくなるように構成される。そして、二つの噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１−８１２１）の面積の合計面積が他の何れの噴射孔（８１３１−８１７１）の出口面の面積よりも大きくなるように構成したものである。

二つの噴射孔（８０１、８０２）は、これらを挟むように位置する二つの噴射孔（８０３、８０７）の出口面（８１３１、８１７１）の何れに対しても、その出口面（８１１１、８１２１）の面積が小さくなるように形成された。つまり、開弁時に低流速となる噴射孔は、二つの噴射孔（８０１、８０２）で構成され、これらの噴射孔（８０１、８０２）を挟むように位置する二つの噴射孔（８０３、８０７）の出口面（８１３１、８１７１）の面積に対して開弁時に低流速となる噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１、８１２１）の面積の何れもが小さくなるように形成する。

以上の本実施例の構成によれば、弁体１１４が開弁した状態での流速を低減できるため、従来においてはペネトレーションが大きくなる条件においても、ペネトレーションの抑制が可能となり、ＰＮ低減効果を高められる。
また、二つの噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１、８１２１）の面積（断面積）はほぼ同じ大きさとなるように形成することが望ましい。これにより、式（１）より、噴射孔８０１および噴射孔８０２の流量をほぼ同一とすることができる。オリフィス形成部の中心８４０と最もピストン側を指向する噴射孔８０５を通る平面８２０に対して噴射孔８０１、噴射孔８０２とを左右対称に形成することができる。したがって、噴射孔８０１と噴射孔８０２とを平面８２０に対して左右対称の流量の噴霧Ｄ１１、Ｄ１２を形成できる。これにより、エンジン筒内の混合気の均質度を向上させ、ＰＮを抑制可能となる。また、噴射孔８０１と噴射孔８０２の噴射孔間の距離８３０は、噴射孔８０１と隣り合う噴射孔８０７との距離８３６および噴射孔８０２と隣り合う噴射孔８０３との距離８３１よりも小さくなるように構成するとよい。

ここで、図８のように、噴射孔８０１の出口面８１１１の中心と、隣り合う噴射孔８０２の出口面８１２１の中心とを結んだ直線の長さを距離８３０と定義する。なお、噴射孔の出口面は図９に示すように噴射孔８０１の小径部の出口面８１１１で定義される。同様に噴射孔８０２の出口面８１２１の中心と、隣り合う噴射孔８０３の出口面８１３１の中心とのを結んだ直線の長さを距離８３１と定義する。以下、同様に噴射孔（８０３−８０７）の出口面（８１３１−８１７１）の中心と、隣り合う噴射孔（８０４−８０７、８０１）の出口面（８１４１−８１７１、８１１１）の中心とのを結んだ直線の長さを距離（８３２−８３６）と定義する。

そして、噴射孔８０１の出口面８１１１の中心と噴射孔８０２の出口面８１２１の中心との間の距離８３０が噴射孔８０２の出口面８１２１の中心と噴射孔８０３の出口面８１３１の中心との間の距離８３１よりも小さくなるように形成される。また噴射孔８０１の出口面８１１１の中心と噴射孔８０２の出口面８１２１の中心との間の距離８３０が噴射孔８０７の出口面８１７１の中心と噴射孔８０１の出口面８１１１の中心との間の距離８３６よりも小さくなるように形成される。

噴射孔の間の距離８３１および距離８３６が長くなることで、噴射孔間の流体抵抗が大きくなるため、噴射孔の上流から流れてきた燃料が噴射孔８０１および噴射孔８０２に流れ込みにくくなり、第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２の流量を小さくできる。結果、図５において特に問題となっていた点火プラグ側を指向する噴射孔のペネトレーションが抑制でき、ＰＮ低減が可能となる。

また、第１の噴射孔８０１と第２の噴射孔８０２の噴射孔間の距離８３０は、第２の噴射孔８０２と第３の噴射孔８０３との距離８３１および第３の噴射孔８０３と第４の噴射孔８０４の距離８３２、第４の噴射孔８０４と第５の噴射孔８０５との距離８３３、第５の噴射孔８０５と第６の噴射孔８０６との距離８３４、第６の噴射孔８０６と第７の噴射孔８０７との距離８３５、第７の噴射孔８０７と第１の噴射孔８０１との距離８３６の何れよりも小さく構成するとよい。

この結果、第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２の流体抵抗をその他の噴射孔に比べて大きくできるため、噴射孔の上流から流れてきた燃料が第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２に流れ込みにくくなり、第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２の流量を小さくできる。結果、第１の噴射孔８０１の噴霧Ｄ１１および第２の噴射孔８０２の噴霧Ｄ１２のペネトレーションが抑制でき、ＰＮ低減が可能となる。

なお、この二つの噴射孔（８０１、８０２）を一つの噴射孔で構成しても良い。すなわち、複数の噴射孔のうち、シート面の法線方向と噴射孔の中心軸方向とがなす噴射孔角度が他の噴射孔の噴射孔角度よりも大きくなるように形成される単一の噴射孔の出口面の面積が、他の何れの噴射孔の出口面の面積よりも大きくなるように構成しても良い。この二つの噴射孔（８０１、８０２）を一つの噴射孔で構成する場合、噴射孔の形状を例えば噴射孔の断面積を大きくし易いように楕円形状などにしてもよい。

また、第１の噴射孔８０１と第２の噴射孔８０２に流れる流量を小さくすることで、第１の噴射孔８０１と隣り合う第７の噴射孔８０７、第２の噴射孔８０２と隣り合う第３の噴射孔８０３の流量が増加する。よって、第３の噴射孔８０３および第７の噴射孔８０７の噴射孔出口での流速が速くなり、図１１の噴霧Ｄ１３および噴霧Ｄ１７の貫徹力を強くし、これらの噴射孔のペネトレーションを長くできる。

吸気バルブ２０５Ａ、２０５Ｂの近傍に形成される噴霧Ｄ１３、Ｄ１７は、吸気バルブ２０５Ａ、２０５Ｂに近いために、流入空気の流動の影響を受け易い。そこで本実施例の上記構成を採用することで、噴霧Ｄ１３、Ｄ１７の貫徹力を確保してペネトレーションを長くすることによって、空気流動が強い場合であっても噴霧Ｄ１３、Ｄ１７の指向性を確保でき、混合気の均質度を向上できる。その結果、燃焼効率の向上とＰＮ低減の効果が得られる。

また、エンジン回転数が一定の定常走行の場合に比べて、車両が加速、減速する過渡の状態では、空気流動が強く、噴霧が影響を受けて混合気の均質度が低下する場合がある。
本実施例の構成によれば、過渡の状態においても噴霧Ｄ１３、Ｄ１７の貫徹力を強くすることによって、混合気の均質度を向上し、ＰＮ低減効果を高められる。

また、本実施例では、第１の噴射孔８０１と第７の噴射孔８０７との距離８３６および第２の噴射孔８０２と第３の噴射孔８０３との距離８３１をその他の隣り合う噴射孔同士の距離８３０、距離８３２、距離８３３、距離８３４、距離８３５の何れよりも大きくする。これにより、吸気バルブ２０５Ａ、２０５Ｂを指向する噴霧Ｄ１３、Ｄ１７のペネトレーションが他の噴霧Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６と比較して最も長くすることができる。したがって、噴霧Ｄ１３、Ｄ１７よりも点火プラグ２０３方向を指向する噴霧Ｄ１１、Ｄ１２のペネトレーションを短くすることが可能となる。これを吸気バルブ２０５と点火プラグ２０３とピストン２０９、シリンダ２２０とで構成する直噴エンジンに適用することで、ＰＮ低減効果が得られる。

また本実施例では、燃料噴射装置が取り付けられた状態において、二つの噴射孔（８０１，８０２）は、それぞれの噴射孔中心軸（８０１３、８０２３）が点火プラグ２０３の先端部１２０１に対してピストン２０９の側を指向するように配置される。なお、二つの噴射孔（８０１，８０２）を単一の噴射孔で構成した場合には、他の何れの噴射孔（８０３−８０７）よりも大きな出口面の面積を有する当該噴射孔が何れの他の噴射孔（８０３−８０７）よりも最も点火プラグ２０３の側を指向するように構成されると良い。

さらにこの場合には、この単一の噴射孔が他の噴射孔に対して最も点火プラグ側を指向することが望ましい。さらに二つの噴射孔（８０１，８０２）で構成する場合には、二つの噴射孔（８０１，８０２）が他の噴射孔（８０３−８０７）に対して最も点火プラグ２０３の側を指向するように構成することが望ましい。

つまり、点火プラグ方向を指向する噴霧Ｄ１１、Ｄ１２は点火プラグ２０３の先端部１２０１に対してピストン２０９側を指向するように形成されるとよい。また、噴霧Ｄ１１、噴霧Ｄ１２の角度は、噴射孔８０１および噴射孔８０２の中心軸（噴射孔中心軸）の角度で決まるため、噴射孔８０１および噴射孔８０２の噴射孔の中心軸が点火プラグ２０３の先端部１２０１に対してピストン２０９側を指向するように構成するとよい。この結果、噴霧Ｄ１１、噴霧Ｄ１２が点火プラグの燃料かぶりを抑制でき、安定した混合気の着火を実現できるため、燃焼安定性を高められる。 また、図６のシートの成す角度６３０が小さいほど、噴射孔８０１および噴射孔８０２の噴射孔噴角θが大きくなるため、本実施例では、例えば角度６３０が１５０ｄｅｇ以下の範囲で有効となる。

以上の通り、本実施例では、弁体のシートの法線方向と各噴射孔の中心軸とがなす噴射孔角度θが大きい噴射孔の流速が、他の噴射孔の流速よりも遅くなるよう構成する。噴射孔角度θが大きい噴射孔から流れる燃料が少なくなると、噴射孔を流れる燃料の流速が低下し、噴射孔入口での燃料の剥離が小さくなる。その結果、噴射孔角度θが大きい噴射孔の全体に燃料が均等に流れられるため、実質的な噴射孔径が大きくなり、噴射孔角度θが大きい噴射孔の出口での流速が低下する。したがって、噴射孔角度θが大きい噴射孔から噴射される噴霧の貫徹力が小さくなるため、ペネトレーションを短くでき、ＰＮを抑制できる。これにより、ペネトレーションを短くして燃料の筒内壁面への付着を抑制し、ＰＮ低減が可能となる。

次に、図１３を用いて本発明の実施例２について説明する。図１３は、本実施例における燃料噴射装置２０４の先端方向から見た本実施例のオリフィス形成部１１６の噴射孔の近傍の拡大図である。図１３において図８と同様の部品については同じ符号を用いて説明を省略する。

本実施例と実施例１との差異は、第１の噴射孔８０１、第２の噴射孔８０２にそれぞれ隣接する噴射孔１３０３と噴射孔１３０７の噴射孔の内径が噴射孔８０１と噴射孔８０２の噴射孔の内径よりも大きくしたことを明確にした点である。

実施例１と同様に、第１の噴射孔８０１、及び第２の噴射孔８０２の噴射孔角度（８０１４、８０２４）は何れの他の噴射孔（１３０３、８０４−８０６、１３０７）の噴射孔角度よりも大きくなるように形成されている。そして、周方向においてこれらの二つの噴射孔（８０１、８０２）を挟むように位置する二つの噴射孔（１３０３、１３０７）の出口面の内径が、二つの噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１、８１２１）の内径よりも大きくなるように構成する。別の言い方をすると、周方向においてこれらの二つの噴射孔（８０１、８０２）を挟むように位置する二つの噴射孔（１３０３、１３０７）の出口面の面積が、二つの噴射孔（８０１、８０２）の出口面（８１１１、８１２１）の面積よりも大きくなるように構成する。なお、二つの噴射孔（１３０３、１３０７）の出口面の定義は実施例１と同様であるため、説明を省略する。

このように構成することで、第１の噴射孔８０１、及び第２の噴射孔８０２よりも第３の噴射孔１３０３、及び第７の噴射孔１３０７から噴射される燃料の割合を多くすることができ、相対的に第１の噴射孔８０１および第２の噴射孔８０２から噴射される燃料は少なくなる。第１の噴射孔８０１、及び第２の噴射孔８０２を流れる燃料が少なくなった場合、第１の噴射孔８０１、及び第２の噴射孔８０２の噴射孔内の燃料の流速が低下する。
よって、図９において噴射孔入口での燃料の剥離が小さくなり、燃料は噴射孔壁面８０１９を沿って噴射孔から噴射され易くなる。したがって、剥離が小さいことで、第１の噴射孔８０１、及び第２の噴射孔８０２の全体に燃料が流れるため、式（１）の関係より、実質的な噴射孔径Ｄｏが大きくなり、流速Ｖｏが低下する。

また、第１の噴射孔８０１、及び第２の噴射孔８０２での出口での流速分布が均一化されることで、流速ベクトルの最大値が低下する。したがって、噴霧の貫徹力が小さくなるため、ペネトレーションが短くできる。その結果、筒内壁面２１０への燃料付着を低減でき、ＰＮを抑制できる。
また、噴射孔１３０３の大径部１３１３と、噴射孔１３０７の大径部１３１７の内径は、大径部８１１、８１２の内径よりも大きくなるように構成するとよい。噴射孔径と大径部の隙間には、噴射孔から噴射された燃料が大径部の内径に付着しないように一定のクリアランスを設ける必要があるため、噴射孔径に応じて大径部の内径を決定することで、大径部への燃料付着を抑制し、付着した燃料によって発生するＰＮを抑制できる。

１０１・・・ノズルホルダ
１０２・・・可動子
１０３・・・ハウジング
１０４・・・ボビン
１０５・・・コイル
１０７・・・磁気コア
１１０・・・スプリング
１１２・・・ゼロスプリング
１１４・・・弁体
１１６・・・オリフィス形成部
１１８・・・弁座
１１９・・・噴射孔
１２０・・・ガイド部
１２１・・・シール部材
１２４・・・アジャスタピン
１５３・・・駆動回路
１５４・・・ＥＣＵ
２０３・・・点火プラグ
２０４・・・燃料噴射装置
２０５・・・吸気バルブ
２０９・・・ピストン
２１１・・・排気バルブ
２２０・・・シリンダ

Claims (10)

1. 同一のシート面に入口面を有する複数の噴射孔を有する燃料噴射装置において、
   複数の噴射孔のうち、シート面の法線方向と噴射孔の中心軸方向とがなす噴射孔角度が何れの他の噴射孔の噴射孔角度よりも大きくなるように形成される噴射孔は、出口面の面積が、何れの他の噴射孔の出口面の面積よりも大きくなるように構成され、かつ当該噴射孔の出口面での開弁時流速が他の何れの噴射孔の出口面での開弁時流速よりも小さくなるように構成された燃料噴射装置。
2. 同一のシート面に入口面を有する複数の噴射孔を有する燃料噴射装置において、
   複数の噴射孔のうち、シート面の法線方向と噴射孔の中心軸方向とがなす噴射孔角度が何れの他の噴射孔の噴射孔角度よりも大きくなるように形成される二つの噴射孔は、出口面の面積のそれぞれが、何れの他の噴射孔の出口面の面積よりも小さくなるように構成され、かつ前記二つの噴射孔の出口面の面積の合計面積が他の何れの噴射孔の出口面の面積よりも大きくなるように構成され、
   さらに前記二つの噴射孔は、これらの出口面の中心の間の距離が、一方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離より小さく、かつ他方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離よりも小さくなるように構成された燃料噴射装置。
3. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   開弁時に低流速となる前記噴射孔は、二つの噴射孔で構成され、
   前記二つの噴射孔は、それぞれの出口面の面積の何れもが、当該二つの噴射孔を挟むように位置する他の二つの噴射孔の出口面の面積に対して、小さくなるように形成され、
   さらに開弁時に低流速となる前記二つの噴射孔は、これらの出口面の中心の間の距離が、一方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離より小さく、かつ他方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離よりも小さくなるように構成された燃料噴射装置。
4. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、
   前記二つの噴射孔は、当該二つの噴射孔を挟むように位置する何れの二つの噴射孔の出口面に対しても、その出口面の面積が小さくなるように形成された燃料噴射装置。
5. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、
   前記二つの噴射孔の出口面の面積がほぼ同じ大きさとなるように形成された燃料噴射装置。
6. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   開弁時に低流速となる前記噴射孔は、二つの噴射孔で構成され、これらの出口面の中心の間の距離が、一方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離より小さく、かつ他方の噴射孔の出口面の中心と隣り合う噴射孔の出口面の中心との間の距離よりも小さくなるように構成された燃料噴射装置。
7. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   他の何れの噴射孔よりも大きな出口面の面積を有する前記噴射孔の噴射孔中心軸が点火プラグの先端部に対してピストン側を指向するように配置された燃料噴射装置。
8. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、
   前記二つの噴射孔の噴射孔中心軸が点火プラグの先端部に対してピストン側を指向するように配置された燃料噴射装置。
9. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   他の何れの噴射孔よりも大きな出口面の面積を有する前記噴射孔が何れの他の噴射孔よりも最も点火プラグ側を指向するように構成された燃料噴射装置。
10. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、
    前記二つの噴射孔が他の噴射孔に対して最も点火プラグ側を指向するように構成された燃料噴射装置。

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