JPH11117830A - インジェクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】インジェクタより噴射される燃料噴霧の微粒化
を向上し、噴霧内濃度分布を均一にする。その結果燃焼
室内で生成される混合気中に極度な燃料の濃度むらや粗
大液滴の発生を防止して、燃焼を改善する。 【解決手段】インジェクタのノズル部先端に燃料噴射口
と、これにより径が大きく、且つ、中心軸をオフセット
させた燃料ガイド噴口を設け、更に燃料に旋回力を与え
る要素を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に燃料を供
給するインジェクタに関し、特にインジェクタより噴射
される燃料噴霧の微粒化方法及び、噴霧内濃度分布の均
一化の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のインジェクタにおいて噴射燃
料に旋回力を与えるインジェクタは従来からよく知られ
ている（例えば特開平7−174058 号）。この従来例では
噴射口上流部に燃料を水平方向に旋回させるための燃料
旋回素子を設け、そこで得られる旋回力を利用して燃料
の微粒化を促進させる機構を持ったインジェクタであ
る。このようなインジェクタから噴射される燃料噴霧は
図３に示すような円錐形状を持つ。しかし、噴霧の内部
は燃料の持つ旋回方向の遠心力により図３のように円錐
外周部に燃料が集中し、ある断面をとると図４のような
濃度分布を示す。円錐外周部ｃにおいては燃料の濃度が
高いだけではなく粒径の大きな粒子が多数存在し、燃料
の気化を妨げる要因となっている。このように、従来の
燃料旋回式インジェクタでは分布が不均一で粗大粒子を
有する燃料噴霧しか得ることができない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、筒内に直接燃
料を噴射するガソリンエンジンに上記燃料旋回式インジ
ェクタを適用した場合、不均一な濃度分布と粗大粒子を
有する燃料噴霧が直接シリンダ内に噴射されるため、シ
リンダに形成される混合気中に極度に燃料濃度の高い部
分が生じる。そのうえ、筒内直接噴射エンジンでは吸気
行程噴射以外に圧縮行程噴射を行うため、ポート噴射エ
ンジン（吸気行程噴射）に比べ気化，混合時間が非常に
短く、粗大粒子や燃料濃度の高い部分の燃料が完全に気
化する前に点火されることがある。よって、燃料が液滴
のまま燃焼することになり、すすなどの有害排気物を増
加させる要因となる。本発明は、このような燃料噴霧の
分布の不均一性と低微粒化によるエンジン性能の悪化を
抑制し、有害排気物を低減することが可能なインジェク
タを安価に提供するものである。また、デポジットが燃
料噴出口に堆積しにくいインジェクタを得るものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、インジェクタのノズル先端部に燃料噴射口
と、この燃料噴射口より大きい断面積の燃料ガイド噴口
を設け、前記燃料ガイド噴口の中心軸と前記燃料噴射口
の中心軸をずらすと共に噴射燃料に旋回力を与える旋回
力発生要素を設けた。

【０００５】好適には上記インジェクタにおいて、前記
燃料噴射口と燃料ガイド噴口の間を滑らかな曲線で連続
的に構成する。

【０００６】あるいは前記燃料噴射口と燃料ガイド噴口
を燃料噴射口の中心軸に対し角度を持った直線で連続的
に構成する。

【０００７】また前記燃料噴射口と燃料ガイド噴口の直
径比を剥離限界以下に構成する。

【０００８】また、好適には噴射ノズル長さを燃料噴射
口の直径に比べて大きく構成する。更に前記噴射ノズル
中流部にキャビテーションの発生をうながす突起を設け
る。

【０００９】より具体的には、突起部下流のノズル長を
突起部上流のノズル長に対して長くした。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００１１】図１は、本発明の１つの実施の形態に関す
る燃料旋回式インジェクタの先端部断面図及びその下面
図（Ｐ矢視図）である。本発明の燃料旋回式インジェク
タ１はインジェクタ下部中央に燃料を放出する燃料噴射
口６と、それと同軸に配置されほぼ同一直径を持ち円筒
形状を有するノズル部６ａと、ノズル部６ａと連続して
おり燃料噴射口６の中心軸に対して所定の角度を形成す
るシート面(弁座)２０を有するノズル本体２を備え、こ
のノズル本体２の内部は燃料旋回機構としてインジェク
タ中心軸に対し偏心させた４本の燃料流路を有する燃料
旋回素子３と、先端にボール状の弁体４と他端にプラン
ジャを有する可動弁５で構成されている。また、ノズル
本体２下部には前記燃料噴射口６の中心軸からオフセッ
ト量ａだけオフセットさせた中心軸と、燃料噴射口６に
比べて大きい直径を持つ、円筒形状の燃料ガイド噴口７
を有する。

【００１２】次に、図２を用いて前記構造を持つインジ
ェクタの動作を説明する。このインジェクタは図示しな
いコントロールユニットにより演算決定された開弁信号
に基づいて燃料の噴射を行うものである。コントロール
ユニットより開弁信号を受けるとコネクタ１３を通り電
磁コイル１２に電流が流れ、磁気回路が構成されること
によりプランジャ９が上昇する。また、プランジャ９が
上昇するに伴ってこれと一体になっているボール弁４も
上昇、ボール弁４とシート面２０の間に間隙が形成され
る。

【００１３】上記構造を備え、動作する燃料旋回式イン
ジェクタ内における燃料の流れを説明する。インジェク
タ上部から流入した加圧燃料は燃料通路１４を通り、イ
ンジェクタ先端の燃料流路１５に達する。通常、可動弁
５はその上部よりスプリング１１によってシート面２０
に押さえつけられており、そこで燃料は遮断されている
が、上記開弁信号により可動弁５が上昇すると可動弁５
とシート面２０の間にできる間隙から燃料が押し出され
る。このとき、燃料は燃料流路１５から燃料旋回素子３
を通ることになり、ここで水平方向の旋回力を得る。最
後に燃料噴射口６のオリフィスで計量され外部に噴射さ
れるが、燃料噴射口下流に設けられた燃料ガイド噴口７
を通過する際に燃料の旋回方向と鉛直方向の速度に大小
様々な成分が与えられるため噴射される噴霧は中実で均
一な濃度分布を持つことになる。図５，図６を用いて噴
口内での現象を詳細に説明する。図５は噴口内で燃料が
持つ鉛直方向の速度成分の分布を表したものである。ま
ず、燃料噴射口内では中心付近の燃料は速い速度成分を
持つが、壁面近傍の燃料は壁面との摩擦により比較的遅
い速度成分を持つ（図５(ａ)）。次に燃料が燃料ガイド
噴口に入ると管路が急激に広がるため平均速度が減少
し、壁面摩擦と管路形状により図５（ｂ）のような燃料
噴射口側に片寄った速度分布を示す。よって、図中２０
０側から噴射された燃料は鉛直方向に速い速度成分を持
ち、３００側から噴射された燃料は比較的遅い鉛直成分
を持つ。図６は燃料噴射口及び燃料ガイド噴口近辺にお
いて、燃料の持つ代表的な流線を表したものである。燃
料噴射口６から噴射される燃料の一部は燃料ガイド噴口
７の噴射口から比較的近距離にある壁（２００側）を伝
い流線５０で示されるように鉛直方向の速度成分を多く
持ったまま狭い噴霧角で噴射される。また、他の一部は
噴射口６から出たあと燃料ガイド噴口７の最遠部の壁面
（３００側）に達し、鉛直成分が減少しより多くの旋回
方向の速度成分を持ち噴射されるため、噴射角度の大き
い噴霧が形成される。このように、燃料が最終的に噴口
のどの部位から噴射されるかによりそれぞれの燃料が持
つ速度成分が変化する。これにより様々な方向成分を持
つ噴霧が生成され、噴霧の粒子がかき乱されるため中実
で均一な構造の噴霧が得られる。

【００１４】また、本発明のインジェクタは、燃料の噴
出方向を燃料ガイド噴口７の中心軸のオフセット量によ
り変化させることができる。このため、筒内直接噴射エ
ンジンのようにインジェクタ取付場所が狭く余裕がない
場合であっても、燃料の噴射方向を簡単に制御すること
が可能である。

【００１５】ここで、燃料噴射口６と燃料ガイド噴口７
の間において通路の急激な広がりを伴うため、ここで燃
料の剥離の問題が生じる。そこで、インジェクタを燃料
旋回式とし、噴射口６内で燃料が旋回力を有するように
する。つまり燃料は遠心力により壁面に押さえつけら
れ、剥離は起こりにくくなる。図８に示すように燃料が
剥離しようとする力が、壁面に押さえつけようとする力
を上回ると剥離が起こるため、この点を剥離限界と呼
び、それを超えない様に直径比を設計する。剥離限界を
伸ばす為に図７に示すように燃料噴射口６と燃料ガイド
噴口７を滑らかにつなぐ方法も考えられる。

【００１６】他の実施の形態を図９を用いて説明する。
上記記載の動作をするインジェクタにおいて、図９に示
すように噴射ノズル部６ａ長と噴口径との比（Ｌ／Ｄ）
を１以上に構成する。図１０に噴口内燃料圧力の変化と
それに伴って析出，成長する気泡の挙動を示す。燃料は
噴口入り口で断面積の低下により縮流されるため一時的
に減圧される（図中Ｌ）。この減圧により燃料中に溶解
していた空気が析出し気泡となるが、直後に加圧される
（図中Ｍ）ため気泡は収縮，崩壊しさらに小さな気泡核
となり燃料中に存在する。そして燃料が噴口より外気に
噴射される（図中Ｎ）際に再び急激な減圧が起こり、そ
れにともない気泡も急激に成長する。図１１に示すよう
に噴口から出た燃料はまず液膜となるが、その液膜を形
成している燃料中に存在する気泡核が、減圧により急激
に成長し液膜を破るため、微粒化が促進される。このよ
うに噴口内において減圧，加圧が起こるようにＬ／Ｄは
できるだけ大きいことが望ましい。

【００１７】また、図１２に示すように気泡核の生成を
促進するために１００のような突起を噴口内に設ける方
法もある。これにより、突起部でさらに減圧されるため
析出する空気量が増加し、生成する気泡核の数も増加す
る。よって噴口から噴射される燃料中に含まれる気泡核
数が増し、微粒化が促進される。

【００１８】以上、実施の形態はすべて筒内噴射エンジ
ンを対象に説明したが、この技術がポート噴射エンジン
にも適用できることは言うまでもない。

【００１９】尚、燃料噴射口６と燃料ガイド噴口７とそ
の中心軸のずれ量には次式の関係があることが望まし
い。

【００２０】α＋ｒ≦Ｒ（α：ずれ量，ｒ：燃料噴射口
半径，Ｒ：燃料ガイド噴口半径）次に図１３に示すよう
に燃料噴射口に傾斜をもたせる方法では、噴霧の分布の
均一性を保ちながら噴射方向を自由に制御することがで
きる。この噴霧を筒内噴射エンジンに適用する。たとえ
ば図１４のように燃焼室内に横方向の渦（以後スワール
と呼ぶ）をもつ空気の流れがあると、そのながれ方向に
噴霧を偏向させることでキャビティから燃料を早く吹き
上げ点火プラグに到達させ、着火性を確保することがで
きる。ここで、噴霧の分布が均一であるため、燃料の極
度集中を避けることが可能となりすすの発生を抑制する
ことができる。また、反対に空気の流れに対抗させる方
向に噴霧を偏向させると噴霧を分散させ、すすの発生を
抑制することができる。

【００２１】図１５に示すように燃料ガイド噴口７を楕
円形にすると、均一な燃料分布の扁平噴霧が得られる。
これを、筒内噴射エンジンに適用する方法を説明する。
扁平噴霧を横向きにエンジン内に噴射するとキャビティ
全域に均質に燃料が分散し衝突するため、気化時間が短
縮される。これにより、すすの低減と燃焼の改良をはか
る。

【００２２】また、燃料旋回素子のないインジェクタに
は、図１６に示すように燃料噴射口の内壁に螺旋状の溝
６１を切り、強制的に燃料を旋回させて噴射することで
上記発明の適用を可能とする。

【００２３】尚、実開平1−148065 号，実開昭63−2869
号のように、ノズル体の先端部にアダプタをかぶせてノ
ズル体の噴口に対して中心軸がオフセットしたガイド噴
口を形成するものが知られているが、このようにアダプ
タを取付けるものでは、両者間にデポジットが堆積しや
すく、また、ノズル体の噴口軸線とガイド噴口の軸線と
の寸法管理が難しく、目的とする噴霧形状が得られにく
い。

【００２４】

【発明の効果】本発明のインジェクタは以上のような構
成になっているので、噴霧が十分に微粒化されており気
化しやすく、また、噴霧領域においては噴霧の濃度分布
が均一となるため極端に濃度の高い部分が生じることが
なく、有害排気物を低減することができる。また、デポ
ジットの堆積が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示した構成図。

【図２】インジェクタの構成例を示した図。

【図３】燃料旋回式インジェクタより噴射される燃料噴
霧の断面形状の説明図。

【図４】図３における噴霧のある横断面の燃料濃度分布
を示した説明図。

【図５】噴口内における燃料流速の垂直方向成分の説明
図。

【図６】噴口から噴出する燃料の流線の一例を描いた説
明図。

【図７】他の実施の形態の構成図。

【図８】燃料剥離限界の説明図。

【図９】本発明の第２の実施の形態を示した構成図。

【図１０】噴口内の燃料圧力の変化を示した説明図。

【図１１】噴出した燃料中における気泡の成長の模式
図。

【図１２】他の実施の形態の構成図。

【図１３】他の実施例を示す図面。

【図１４】シリンダ内での燃料噴霧形状を説明するため
の図面。

【図１５】（ａ）は他の実施例を示す図面。（ｂ）はそ
のＰ矢視図。

【図１６】更に他の実施例を示す図面。

【符号の説明】

１…インジェクタ、３…燃料旋回素子、５…可動弁、６
…燃料噴射口、７…燃料ガイド噴口、２０…シート面、
５０…燃料流線、１００…突起部。

フロントページの続き (72)発明者 大須賀 稔 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁座と、その下流に穿設された燃料噴射口
   とを備えた燃料噴射ノズル体、前記弁座と協動して前記
   燃料噴射口の開閉を制御する弁体を有するものにおい
   て、前記燃料噴射ノズル体の前記燃料噴射口の下流側に
   前記燃料噴射口より大きい通路断面積を有する燃料ガイ
   ド噴口を凹設し、且つ前記燃料ガイド噴口の中心軸と前
   記燃料噴射口の中心軸をずらすと共に、前記噴射燃料に
   旋回力を与える旋回力発生部を設けたことを特徴とする
   インジェクタ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記燃料
   噴射口と燃料ガイド噴口の間を滑らかな曲線で連続的に
   構成することを特徴とするインジェクタ。
3. 【請求項３】請求項１に記載のものにおいて、前記燃料
   噴射口と燃料ガイド噴口を燃料噴射口の中心軸に対し角
   度を持った直線で連続的に構成したことを特徴とするイ
   ンジェクタ。
4. 【請求項４】上記請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記燃料噴射口と燃料ガイド噴口の直径比を剥離限界以
   下にしたことを特徴とするインジェクタ。
5. 【請求項５】弁座部と前記燃料噴射口とを接続する前記
   燃料噴射口とほぼ同一直径を有する噴射ノズルの長さを
   前記燃料噴射口の直径にくらべて大きくしたことを特徴
   とする請求項１乃至４記載のインジェクタ。
6. 【請求項６】請求項５に記載のものにおいて、前記噴射
   ノズル中流部にキャビテーションの発生をうながす突起
   を設けたことを特徴とするインジェクタ。
7. 【請求項７】上記請求項６に記載のものにおいて、前記
   突起部下流のノズル長を前記突起上流のノズル長に対し
   て長くしたことを特徴とするインジェクタ。
8. 【請求項８】ノズル体の噴口から噴射される燃料が、内
   側に小径の旋回流、外側に大径の旋回流によって形成さ
   れる２層噴霧パターンを呈することを特徴とするインジ
   ェクタ。