JPWO2010035311A1 - 内燃機関の燃料噴射弁及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃料噴射弁において、噴孔から燃焼室壁面までの距離が短いほど、燃料の噴射角度が大きくなる内燃機関の燃料噴射弁を提供する。複数の噴孔を有し内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁１において、噴孔壁面の表面粗さを噴孔と燃焼室壁面２１０との距離に応じて噴孔毎に設定する。表面粗さが変わると、燃料の流れの乱れ度合いが変わるため、燃料の噴射角度が変化する。

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁及びその製造方法に関する。

内燃機関の気筒内へ直接燃料噴射を行う燃料噴射弁は、吸気弁及び排気弁の設置位置によっては、燃焼室の中心軸線上に設置できないことがある。例えば、１気筒あたり吸気弁及び排気弁を夫々１つ備えている内燃機関では、吸気及び排気の流量を確保するために、吸気弁及び排気弁が大きくされる。そのため、燃料噴射弁の設置位置をシリンダの中心軸からずらす必要がある。一方、ピストン上面に燃焼室を形成する場合には、ピストンの構造上燃焼室を形成することのできる位置が限られる。そのため、燃焼室の中心軸線上に燃料噴射弁を備えることができない場合がある。

ここで、複数の噴孔を備え、燃料を放射状に噴射する燃料噴射弁では、燃焼室の中心軸を中心に噴孔が配置されていない場合には、夫々の噴孔から燃焼室壁面までの距離が噴孔毎に異なる。このため、各噴孔から同じように燃料を噴射すると、噴孔から燃焼室壁面までの距離が短い噴孔から噴射された燃料が燃焼室壁面に付着する虞がある。また、気筒内の混合気の空燃比が不均一となり、スモークが発生したり、ＨＣが排出されたりする虞がある。これに対し、燃焼室形状や燃料の噴射方向を調節して、燃料を均一に供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、燃料が燃焼室壁面に付着することを抑制するために、燃焼室壁面に近いほど噴孔径を小さくすることも考えられる。しかし、噴孔径を小さくすると、燃料が噴孔から広がる角度（噴霧角度）が小さくなるため、空燃比を均一にするためには噴孔数を多くする必要がある。このような燃料噴射弁は、製造工程が複雑となり、コストも上がる。
特開平０６−２２１１６３号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものでありその目的は、噴孔から燃焼室壁面までの距離が短いほど、燃料の噴霧角度が大きくなる内燃機関の燃料噴射弁を提供することにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の燃料噴射弁は、以下の手段を採用した。すなわち、
複数の噴孔を有し内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁において、
噴孔壁面の表面粗さを噴孔と燃焼室壁面との距離に応じて噴孔毎に設定することを特徴とする。

この表面粗さは、噴孔内で燃料が接する箇所、つまり燃料が流通する箇所における表面粗さである。ここで、噴孔壁面の表面粗さを大きくすると、燃料の流れの乱れが大きくなるため、燃料が噴孔から流出する際により大きな角度で広がる。つまり、噴霧角度が大きくなる。また、燃料が広がる角度が大きいほど燃料の勢いが弱まるため、燃料の貫徹力（ペネトレーション）が低下するので、該燃料の到達距離が短くなる。つまり、燃焼室壁面へ燃料が付着し難くなる。このように、噴孔壁面の表面粗さにより燃料噴霧の態様が変わるため、噴孔から燃焼室壁面までの距離に応じて表面粗さを設定することにより、燃焼室壁面への燃料の付着を抑制できる。

表面粗さは、算術平均粗さ、最大高さ、または十点平均粗さ等で表すことができる。これらの数値が大きいほど、表面が粗いことになる。また、表面粗さは、表面のうねり等と合わせて表面性状として表しても良い。例えば、うねりが大きくなれば、燃料の流れの乱れも大きくなるため、噴霧角度が大きくなる。つまり、うねりが大きいほど、噴霧角度が大きくなり、燃料の貫徹力は小さくなる。

また、噴孔と燃焼室壁面との距離とは、例えば噴孔の中心軸の延長線上にある燃焼室壁面までの距離をいう。これは、燃料噴霧の中心の進行方向にある燃焼室壁面までの距離としても良い。

そして、本発明においては、前記噴孔と燃焼室壁面との距離が短いほど、前記噴孔壁面の表面粗さを大きくすることができる。

つまり、噴孔壁面の表面粗さを大きくするほど、燃料がより広い角度で噴射され、貫徹力も弱くなるため、噴孔と燃焼室壁面との距離が短くなっても該燃焼室壁面に燃料が付着し難くなる。また、噴霧範囲が噴孔から見て横方向へ拡大するため、噴孔の数を増加させる必要もない。なお、表面粗さは噴孔と燃焼室壁面との距離に応じて無段階に大きくしても良く、ある程度の距離毎に段階的に大きくしても良い。

また、本発明においては、前記噴孔と燃焼室壁面との距離が短いほど、隣り合う噴孔との間隔を大きくすることができる。

すなわち、噴孔と燃焼室壁面との距離が短いほど、燃料の噴霧範囲が噴孔からみて横方向へ広くなるため、夫々の噴霧が重ならないように噴孔間の距離を長くする。これにより、空燃比が過度に低くなる箇所ができることを抑制できる。噴孔の間隔は、噴孔と燃焼室壁面との距離に応じて無段階に大きくしても良く、段階的に大きくしても良い。

本発明においては、前記燃料噴射弁は、内燃機関の燃焼室の中心軸からずれた位置に備わることができる。

燃料噴射弁が内燃機関の燃焼室の中心軸に位置しているときには、燃料噴射弁の中心軸から、燃料の噴射方向における燃焼室壁面までの距離がどこも等しくなる。つまり、内燃機関の燃焼室の中心軸からずれているとは、燃料噴射弁の噴孔が燃焼室の中心軸を中心にして配置されていないことを意味する。そのため、燃料噴射弁の噴孔から燃焼室壁面までの距離が、噴孔によって変わる。これは、燃料噴射弁からの距離が噴射方向に応じて異なるともいえる。

このような場合に、噴孔から燃焼室壁面までの距離に応じて夫々の噴孔壁面の表面粗さを設定すれば、燃焼室壁面に燃料が付着することを抑制できる。また、これに併せて噴孔の間隔を設定すれば、空燃比が過度に低い箇所が発生することを抑制できる。

また、上記課題を達成するために以下の内燃機関の燃料噴射弁の製造方法を採用することもできる。すなわち、本発明による内燃機関の燃料噴射弁の製造方法は、
内燃機関の燃料噴射弁の噴孔にスラリーを流通させることにより噴孔壁面を研磨するときに、内燃機関へ燃料噴射弁を取り付けたと仮定したときの噴孔から燃焼室壁面までの距離が短いほどスラリーの量を少なくする工程を含むことを特徴とする。

ここで、噴孔壁面を研磨する際に研磨に用いるスラリーの量を少なくすると、研磨される度合いが低くなるため、噴孔の表面粗さが大きくなる。つまり、スラリーの量と噴孔の表面粗さとには相関関係がある。スラリーの量は、単位時間当たりの流量を噴孔毎に変えることにより調節しても良く、スラリーの総量を噴孔毎に変えることにより調節しても良い。また、スラリーを流通させる時間を噴孔毎に変かえても良い。

例えば、スラリーで研磨する前の噴孔径を変えることにより単位時間当たりのスラリーの流量を変更することができる。つまり、噴孔径を小さくするほどスラリーが流れ難くなるため、表面粗さが大きくなる。そして、燃料噴射弁を取り付けたと仮定したときに噴孔から燃焼室壁面までの距離に応じて例えば噴孔径を設定すれば、該距離に応じた表面粗さを得ることができる。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射弁によれば、噴孔から燃焼室壁面までの距離が短いほど、燃料の噴霧角度を大きくすることができる。これにより、燃料の貫徹力が小さくなるため、燃料室壁面に燃料が付着することを抑制できる。

実施例に係る燃料噴射弁とピストンとの位置関係を示した図である。 実施例に係る燃料噴射弁の先端付近の縦断面図である。 実施例に係る燃料噴射弁から燃料が噴射されたときの噴霧を内燃機関上方から見た図である。 実施例に係る燃料噴射弁の製造フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ ピストン
１１ 噴孔
２１ 燃焼室
２２ 燃焼室の中心軸
２３ ピストンの中心軸
１１０ 噴孔壁面
２１０ 燃焼室壁面

以下、本発明に係る内燃機関の燃料噴射弁の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る燃料噴射弁１とピストン２との位置関係を示した図である。この図１は、ピストン２が上死点近傍のときに、ピストン２をシリンダ軸方向に切断したときの断面図である。ピストン２の上面には、該上面の一部をピストン２の内部へ向かって窪ませた燃焼室２１が形成されている。この燃焼室２１は、ピストン２の中心軸と直行する面による断面が円形となるように形成されている。そして、燃焼室の２１の中心軸２２と、ピストン２の中心軸２３とは、平行で且つ離間している。

燃料噴射弁１は、燃焼室２１の中心軸２２と離間して取り付けられている。ここで、図２は、本実施例に係る燃料噴射弁１の先端付近の縦断面図である。本実施例に係る燃料噴射弁１は、８つの噴孔１１を備えている。そして、ピストン２が上死点近傍のときに、燃料噴射弁１から燃焼室２１内に燃料が噴射される。

また、図３は、本実施例に係る燃料噴射弁１から燃料が噴射されたときの噴霧を内燃機関上方から見た図である。燃料は、放射状に噴射される。夫々の噴孔１１から噴射される燃料の噴霧の態様は、該噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離に応じて変化させている。

そして本実施例では、燃料噴射弁１の製造時に噴孔壁面１１０の表面粗さを調節することにより、燃料の噴霧角度を変えている。夫々の噴孔壁面１１０の表面粗さは、噴孔１１と燃焼室壁面２１０との距離に応じて設定される。このときに、噴孔１１と燃焼室壁面２１０との距離が短いほど、噴孔壁面１１０の表面粗さを大きくしている。

図３では、Ｅの噴霧を形成する噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離（図３中のＹ）が最も短く、Ｆ，Ｇ，Ｈの噴霧の順に対応する噴孔１１と燃焼室壁面２１０までの距離が長くなっている。そして、Ｉの噴霧を形成する噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離（図３中のＺ）が最も長い。つまり、図３におけるＥの噴霧に対応する噴孔壁面１１０の表面粗さを最も大きくし、Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの噴霧の順に対応する噴孔壁面１１０の表面粗さを小さくする。ここで、噴孔壁面１１０の表面粗さが大きくなるほど、燃料が通過する際の乱れが大きくなるため、噴孔１１から外部に流出する燃料がより大きな角度で広がる。つまり、燃料の噴霧角度が大きくなる。そのため燃料の噴霧角度は、ＥＥ，ＦＦ，ＧＧ，ＨＨ，ＩＩの順に小さくなる。そして、燃料の噴霧角度が大きくなるほど、燃料の貫徹力が小さくなるため、燃料の到達距離が短くなる。すなわち、噴霧範囲は、Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの順に、幅が狭くなり且つ進行方向へ長くなる。

このように、噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離が短いほど、燃料の噴霧範囲が噴孔から大きな角度で広がるように噴孔１１が形成されている。

また、本実施例では、夫々の噴孔１１から噴射される燃料の噴霧範囲が重ならないように、夫々の噴孔１１と隣り合う噴孔１１との間隔を決定している。この間隔は、燃料噴射弁１の中心から見た夫々の噴孔１１間の角度としても良い。

すなわち、図３において、隣り合う噴孔１１の中心軸の角度が、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順に小さくなるように夫々の噴孔１１の位置が決定される。

また、噴孔１１の表面粗さの調節は、製造時に噴孔１１を研磨する際に用いるスラリーの量を噴孔１１毎に変えることにより行われる。なお、スラリーは、研磨剤としての固体微粒子が液体の中に存在する流動性のある混合物である。

例えば、スラリーの流量を少なくするほど、噴孔壁面１１０の研磨される度合いが低くなるため、表面粗さが大きくなる。つまり、噴孔１１毎に単位時間当たりのスラリーの流量を調節することにより、表面粗さを調節することができる。噴孔１１は、まず孔を開け、その後にスラリーを燃料噴射弁１の内側から流通させて研磨される。

例えば噴孔１１の大きさを調節することにより、単位時間当たりのスラリーの流量を調節することができる。つまり、噴孔１１の直径を小さくするほど、スラリーが流れ難くなり、単位時間当たりのスラリーの流量が少なくなる。そのため、噴孔径が小さいほど、噴孔壁面１１０の表面粗さが大きくなる。

また、例えば、一の噴孔１１を塞ぐことによりスラリーの流れを遮断すれば、他の噴孔１１と比較してスラリーが流れる時間を短くすることができるため、表面粗さを大きくすることができる。

燃料の噴霧角度と表面粗さとの関係は実験等により求めることができる。また、噴孔１１の間隔や噴孔壁面１１０の表面粗さは、実験により最適値を求めることができる。

次に、図４は、本実施例に係る燃料噴射弁１の製造フローを示したフローチャートである。

ステップＳ１０１では、内燃機関に燃料噴射弁１を取り付けた状態で噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離が算出される。このときに、複数の噴孔１１の夫々について距離を算出する。

ステップＳ１０２では、燃料噴射弁１の先端部に孔が開けられる。例えばドリルを用いて孔が開けられる。このときに、ステップＳ１０１で算出される距離が短いほど、噴孔径が小さくされる。この距離と噴孔径との関係は予め実験等により求めておく。

ステップＳ１０３では、燃料噴射弁１の内部へスラリーを供給する。これにより、噴孔１１からスラリーが流出するため、噴孔壁面１１０の研磨が行われる。そして、噴孔径によりスラリーの流量が変わるため、夫々の噴孔壁面１１０の表面粗さが変わる。スラリーの供給は予め設定された時間行う。

そして、噴孔壁面１１０の研磨が完了したら、他の部品を組み込んで燃料噴射弁１を完成させる。このように、内燃機関へ燃料噴射弁１を取り付けたと仮定したときの噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離が短いほどスラリーの量を少なくする工程を含んでいる。

以上説明したように本実施例によれば、噴孔１１から燃焼室壁面２１０までの距離が短くなるほど、噴孔壁面１１０の表面粗さを大きくしているため、該距離が短いほど燃料の噴霧角度を大きくすることができる。これにより、燃料の到達距離を短くできるため、燃料が燃焼室壁面２１０へ付着することを抑制できる。また、燃料が横方向へ広がる分、隣り合う噴孔１１までの距離を長くしているため、夫々の噴孔１１からの噴霧が重なることを抑制できる。これにより、燃焼室内へ燃料を均一に供給することができる。よって、ＨＣやＰＭの排出量を低減することができる。

なお、本実施例では、ピストン２に燃焼室２１が形成されているが、ピストンとシリンダヘッドとで囲まれる範囲を燃焼室とする場合であっても同様の効果を得ることができる。また、シリンダヘッド等に副燃焼室を形成し、該副燃焼室に燃料噴射弁を備える場合であっても同様に適用することができる。さらに、燃焼室は水平方向の断面が円形でなくても良い。つまり、噴孔から燃焼室壁面までの距離に応じて噴孔内壁の表面粗さ及び噴孔の間隔を決定すれば良い。例えば、燃焼室の水平方向の断面が楕円の場合には、燃料噴射弁が燃焼室の中心軸上に取り付けられていても、噴孔の向きによって燃焼室壁面までの距離が変わる。このような場合であっても、本実施例と同様に適用することができる。

Claims (5)

1. 複数の噴孔を有し内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射弁において、
   噴孔壁面の表面粗さを噴孔と燃焼室壁面との距離に応じて噴孔毎に設定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
2. 前記噴孔と燃焼室壁面との距離が短いほど、前記噴孔壁面の表面粗さを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
3. 前記噴孔と燃焼室壁面との距離が短いほど、隣り合う噴孔との間隔を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
4. 前記燃料噴射弁は、内燃機関の燃焼室の中心軸からずれた位置に備わることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
5. 内燃機関の燃料噴射弁の噴孔にスラリーを流通させることにより噴孔壁面を研磨するときに、内燃機関へ燃料噴射弁を取り付けたと仮定したときの噴孔から燃焼室壁面までの距離が短いほどスラリーの量を少なくする工程を含むことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁の製造方法。

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