WO2021100545A1

WO2021100545A1 - 燃料噴射弁及びポート噴射式内燃機関

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Publication number: WO2021100545A1
Application number: PCT/JP2020/041867
Authority: WO
Inventors: 高輔神田; 村井　淳; 吉辰中村
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2022-05-18
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Abstract

本発明に係る燃料噴射弁及びポート噴射式内燃機関は、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置が吸気弁よりも上流に設定され、吸気ポートの断面形状、及び、ブレイクアップ位置に基づく所定位置での燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における燃料噴霧の断面形状は、相互に直交する２軸それぞれの方向での幅寸法が異なり、吸気ポートの横断面の長手方向と燃料噴霧の横断面の長手方向とが合うように設定されている。これにより、吸気ポート内での燃料噴霧と空気との予混合を促進できる。

Description

燃料噴射弁及びポート噴射式内燃機関

　本発明は、内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁、及び、係る燃料噴射弁を備えたポート噴射式内燃機関に関する。

　特許文献１に開示される内燃機関の制御装置は、ストレートポートからなる２つの吸気ポートと、燃料の噴霧形状が中心軸線に対して非対称に設定された２つの燃料噴射弁とを備え、燃料噴射時には、２つの燃料噴射弁から噴射される燃料のうち、吸気バルブのステム間に噴射される噴射量が、吸気バルブのステムの外側に噴射される噴射量よりも多くなるようにし、かつ、燃料の噴霧を噴射方向と垂直な平面で破断した噴霧の断面形状がＣ字状になるようにし、前記噴霧の断面形状に設けられた１箇所の切欠きをステムの位置に合わせるよう構成される。

特開２０１２－０３６７５７号公報

　ところで、燃料噴霧が吸気ポート中の一部空間に分布し、かつ、噴霧断面が不均一であると、吸気ポート内での燃料噴霧と空気との予混合が不均一になって、筒内混合気の均質性が悪化し、未燃燃料の増加、ノッキングの発生、燃焼性の悪化などを招くという問題があった。

　本発明は、従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気ポート内での燃料噴霧と空気との予混合を促進できる、燃料噴射弁及びポート噴射式内燃機関を提供することにある。

　そのため、本発明に係る燃料噴射弁は、その一態様として、内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置が、吸気弁よりも上流に設定される。
　また、本発明に係るポート噴射式内燃機関は、その一態様として、内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたポート噴射式内燃機関であって、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置が吸気弁よりも上流に設定され、前記ブレイクアップ位置に基づく所定位置での前記燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における前記燃料噴霧の断面形状が、前記吸気ポートの断面形状を縮小した形状である。

　上記発明によると、吸気ポート内での燃料噴霧と空気との予混合を促進でき、筒内混合気の均質性を改善できる。

ポート噴射式内燃機関の概略構成図である。燃料噴射弁の縦断面図である。燃料噴射弁の先端部を拡大した縦断面図である。燃料噴射弁のオリフィスプレートの上面図である。燃料噴射弁の吸気ポートへの搭載状態を示す概略図である。燃料噴射弁の噴射角と吸気ポート内壁との相関を説明するための図である。吸気ポート内での燃料噴霧の分布状態を示す図である。吸気ポートの断面が横長の楕円であるときの燃料噴霧の断面形状を示す図である。吸気ポートの断面が円形であるときの燃料噴霧の断面形状を示す図である。吸気ポートの断面が縦長の楕円であるときの燃料噴霧の断面形状を示す図である。吸気ポートの断面の縦横比と燃料噴霧の断面の縦横比とを示す線図である。吸気ポートの断面の縦横比と燃料噴霧の断面の縦横比との相関を示す線図である。ストレートポートでの吸気ポートの断面を示す図である。サイアミーズポートでの吸気ポートの断面を示す図である。ブレイクアップ位置Ｌｓと、粒子数、平均粒径、平均速度との相関を示す線図である。ブレイクアップ位置Ｌｓと、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径及び平均速度とに応じた所定位置ＬＰを示す線図である。

　以下に本発明の実施の形態を説明する。
　図１は、内燃機関１０１の概略構成図である。
　内燃機関１０１は、自動車に駆動源として搭載される火花点火ガソリン機関であって、例えば、直列４気筒機関である。
　但し、内燃機関１０１の気筒数を４気筒に限定するものではなく、また、内燃機関１０１は、水平対向型やＶ型であってもよい。

　内燃機関１０１は、点火装置１０４、燃料噴射弁１０５などを備える。
　燃料噴射弁１０５は、吸気弁１１９の上流の吸気ポート１０２に、吸気弁１１９を指向して取り付けられ、吸気ポート１０２内に燃料を噴射する。
　つまり、図１の内燃機関１０１は、所謂ポート噴射式内燃機関である。

　点火装置１０４は、点火プラグ、点火コイル、パワートランジスタなどで構成され、燃焼室１１０内の混合気を着火燃焼させる。
　エアークリーナ１０７を通過した空気は、電制スロットル１０８のスロットルバルブ１０８ａで流量を調節され、燃料噴射弁１０５から噴射された燃料とともに吸気弁１１９を介して燃焼室１１０に吸引される。

　電制スロットル１０８は、スロットルモータ１０８ｂでスロットルバルブ１０８ａを開閉する装置であり、スロットルバルブ１０８ａの開度の情報であるスロットル開度信号ＴＰＳを出力するスロットル開度センサ１０８ｃを備える。
　クランク角センサ１０６は、リングギア１１４の突起を検出することで、クランクシャフト１１７の所定回転角毎に立ち上がるパルス信号であるクランク角信号ＣＡを出力する。

　流量検出装置１０９は、電制スロットル１０８の上流に配置され、内燃機関１０１の吸入空気流量の情報である吸入空気流量信号ＱＡＲを出力する。
　また、内燃機関１０１の排気管１０３に配置される触媒コンバータ１１２は、三元触媒を内蔵し、内燃機関１０１の排気を浄化する。

　空燃比センサ１１１は、触媒コンバータ１１２の上流の排気管１０３に配置され、排気中の酸素濃度に応じて排気空燃比の情報である空燃比信号ＲＡＢＦを出力する。
　また、排気温度センサ１１６は、触媒コンバータ１１２の上流の排気管１０３に配置され、触媒コンバータ１１２の入口での排気温度［℃］の情報である排気温度信号ＴＥＸを出力する。

　また、水温センサ１１８は、内燃機関１０１の冷却水ジャケット内における冷却水の温度［℃］の情報である冷却水温度信号ＴＷを出力する。
　エンジン制御装置１１３は、ＭＰＵ（Microprocessor Unit）１２６、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２７、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２８を含むマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。
　エンジン制御装置１１３は、取得した情報に基づいて演算を行い、演算した結果を点火装置１０４、燃料噴射弁１０５、電制スロットル１０８などに出力して内燃機関１０１の運転を制御するコントロール部としての機能を有する。

　エンジン制御装置１１３は、前述した各センサが出力する、スロットル開度信号ＴＰＳ、吸入空気流量信号ＱＡＲ、クランク角信号ＣＡ、空燃比信号ＲＡＢＦ、排気温度信号ＴＥＸなどを取得する。
　そして、エンジン制御装置１１３は、取得した各種信号に基づいて点火時期や燃料噴射量などを演算して、点火時期を制御する点火制御信号を点火装置１０４に出力し、燃料噴射量を制御する噴射パルス信号（換言すれば、空燃比制御信号）を燃料噴射弁１０５に出力する。

　エンジン制御装置１１３は、各種センサの計測結果や各種装置に出力する操作量などの入出力を行うために、アナログ入力回路１２０、Ａ／Ｄ変換回路１２１、デジタル入力回路１２２、出力回路１２３及びＩ／Ｏ回路１２４を備える。
　アナログ入力回路１２０は、吸入空気流量信号ＱＡＲ、スロットル開度信号ＴＰＳ、空燃比信号ＲＡＢＦ、排気温度信号ＴＥＸ、冷却水温度信号ＴＷなどのアナログ検出信号の取得処理を行う。

　アナログ入力回路１２０が取得したアナログ検出信号は、Ａ／Ｄ変換回路１２１に供給されてデジタル信号に変換されてバス１２５上に出力される。
　また、デジタル入力回路１２２が取得処理するデジタル検出信号であるクランク角信号ＣＡなどは、Ｉ／Ｏ回路１２４を介してバス１２５上に出力される。

　バス１２５には、ＭＰＵ１２６、ＲＯＭ１２７、ＲＡＭ１２８、タイマ／カウンタ（ＴＭＲ／ＣＮＴ）１２９等が接続されている。そして、ＭＰＵ１２６、ＲＯＭ１２７、ＲＡＭ１２８は、バス１２５を介してデータの授受を行う。
　ＭＰＵ１２６には、クロックジェネレータ１３０からクロック信号が供給され、ＭＰＵ１２６は、クロック信号に同期して様々な演算や処理を実行する。

　ＲＯＭ１２７は、例えばデータの消去と書き換えが可能なＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）からなり、エンジン制御装置１１３を動作させるためのプログラム、設定データ及び初期値などを記憶する。
　ＲＯＭ１２７が記憶する情報は、バス１２５を介してＲＡＭ１２８及びＭＰＵ１２６に読み込まれる。

　ＲＡＭ１２８は、ＭＰＵ１２６による演算結果や処理結果を一時的に記憶する作業領域として用いられる。
　なお、タイマ／カウンタ１２９は、時間の測定や様々な回数の測定などに用いられる。
　ＭＰＵ１２６による演算結果である点火制御信号や空燃比制御信号などの操作量の信号は、バス１２５上に出力された後、Ｉ／Ｏ回路１２４を介して出力回路１２３から点火装置１０４、燃料噴射弁１０５、電制スロットル１０８などに供給される。

　図２－図４は、燃料噴射弁１０５の構造の一態様を示す。
　図２は燃料噴射弁１０５の全体構成を示した縦断面図、図３は燃料噴射弁１０５の先端部を拡大した縦断面図、図４は噴射孔を有するオリフィスプレート２０の上面図である。
　燃料噴射弁１０５は、パイプ１３にノズル体２、弁体６を収容し、弁体６を電磁コイル１１で往復動作させる構造である。

　燃料噴射弁１０５は、電磁コイル１１を取り囲む磁性体のヨーク１０と、電磁コイル１１の中心に位置するコア７と、弁体６と、弁体６が着座する弁座面３と、弁体６と弁座面３の隙間を通った燃料が流入する燃料噴射室４と、燃料噴射室４の下流に配置され、複数個の噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃを有するオリフィスプレート２０とを備えている。
　また、コア７の中心には、弁体６を弁座面３に押圧するスプリング８が備えられ、スプリング８の弾性力はスプリングアジャスタ９によって調整される。

　電磁コイル１１に通電されていない状態では、弁体６が弁座面３に着座し、噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃからの燃料噴射は行われない。
　一方、電磁コイル１１に通電されると、電磁コイル１１が発生する電磁力によって弁体６が対面するコア７の端面に接触するまで移動する。
　そして、係る弁体６の移動によって弁体６と弁座面３の間に隙間が生じて燃料通路が開き、噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃから燃料が噴射される。

　なお、燃料噴射弁１０５には入口部にフィルター１４を有する燃料通路１２が設けられている。
　また、燃料噴射弁１０５の外周は樹脂モールド１５によって被覆されている。

　次に、ノズル体２の構造を、図３を参照しつつ詳細に説明する。
　オリフィスプレート２０は、その上面２０ａがノズル体２の下面２ａに接触しており、この接触部分の外周をレーザ溶接してノズル体２に固定されている。

　ノズル体２の下端部には、弁座面３のシート部３ａの径φＳより小径の燃料導入孔５が設けられている。
　弁座面３は円錐形状をしており、その下流端中央部に燃料導入孔５が形成されている。

　弁座面３の中心線と燃料導入孔５の中心線とは弁軸心Ｘに一致するように、弁座面３と燃料導入孔５とが形成されている。
　燃料導入孔５によって、ノズル体２の下面２ａにオリフィスプレート２０の中央室２４に連通する開口が形成される。

　次いで、オリフィスプレート２０の構造を詳述する。
　中央室２４は、オリフィスプレート２０の上面２０ａに設けられた凹形状部である。

　中央室２４には、その周方向に配置され、外周に向けて放射状に延びる４個の旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが接続されている。
　そして、旋回用通路２１ａの下流端は旋回室２２ａに連通し、旋回用通路２１ｂの下流端は旋回室２２ｂに連通し、旋回用通路２１ｃの下流端は旋回室２２ｃに連通し、旋回用通路２１ｄの下流端は旋回室２２ｄに連通する。

　旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの壁面は、上流から下流に向かって曲率が次第に大きくなるように形成されている。そして、旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、上流から下流に向けて徐々に中心に近づく渦巻き状の燃料通路を形成する。
　旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの中心には、噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄがそれぞれ開口している。
　また、図４に示すオリフィスプレート２０において、旋回用通路２１ａ及び旋回用通路２１ｂの組と、旋回用通路２１ｃ及び旋回用通路２１ｄの組とが、オリフィスプレート２０の直径を挟んで線対称に配置される。更に、旋回用通路２１ａと旋回用通路２１ｂとがなす角度、及び、旋回用通路２１ｃ及び旋回用通路２１ｄがなす角度が、それぞれ９０degを下回るように設定してある。

　上記の燃料噴射弁１０５によれば、オリフィスプレート２０に設けた旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを経て噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄから噴射される燃料噴霧は、渦状の流れになることで微粒化が促進される。
　つまり、旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ、噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが微粒化促進機構を構成する。

　但し、微粒化促進機構を、旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄによって燃料噴霧を渦状の流れにする機構に限定するものではない。例えば、燃料噴霧に空気流を衝突させる機構、燃料噴射弁の弁体に螺旋状の溝を形成した機構、噴射孔から噴射される前の燃料を加熱する機構など、公知の微粒化促進機構を適宜採用することができる。
　また、オリフィスプレート２０における旋回用通路の配置や個数を、図４のものに限定するものではなく、所望の噴霧形状とするために適宜変更することができる。
　例えば、４個の旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを、中央室２４の周方向に等間隔に配置し、隣接する旋回用通路２１がなす角度を全て９０degとすることができ、また、旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ及び噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを４個以外に設定することもできる。

　次に、燃料噴射弁１０５の噴射特性、詳細には、噴霧形状、噴霧角、指向性などについて説明する。
　図５及び図６は、燃料噴射弁１０５の吸気ポート１０２への搭載状態、及び、燃料噴射弁１０５の噴霧角を示す図である。

　燃料噴射弁１０５は、吸気ポート１０２に、吸気弁１１９の方向を指向して取り付けられる。
　詳細には、燃料噴射弁１０５の軸心の延長線が吸気弁１１９の傘部１１９ｃの中央付近を通るように、燃料噴射弁１０５が吸気ポート１０２の周壁に取り付けられる。
　なお、燃料噴射弁１０５の軸心は、燃料噴射弁１０５のオリフィスプレート２０の中心又は弁体６の中心を通ってオリフィスプレート２０の外面の噴射方向を結ぶ軸線、又は、噴霧パターンの中心軸線とすることができる。

　また、燃料噴射弁１０５から噴射された燃料噴霧の指向性が十分に低下する所定位置ＬＰでの燃料噴霧の噴射方向に直角な断面（図５のＡ－Ａ断面）における燃料噴霧の断面形状が、吸気ポート１０２の断面形状を縮小した相似形状になるように、噴射特性が設定されている。
　但し、燃料噴霧の断面形状と吸気ポート１０２の断面形状とを、スケール変換によって相互が重なる相似形状に限定するものではない。
　つまり、吸気ポート１０２の断面形状、及び、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における燃料噴霧の断面形状が、相互に直交する２軸それぞれの方向での幅寸法が異なり、吸気ポート１０２の横断面の長手方向と燃料噴霧の横断面の長手方向とが合うように設定することができる。
　例えば、燃料噴霧の断面形状と吸気ポート１０２の断面形状とが相似ではないが、共に楕円形であって、燃料噴霧の断面の長手方向と、燃料噴霧の断面の長手方向とが同じ方向となるように設定することができ、燃料噴霧の断面形状と吸気ポート１０２の断面形状とがスケール変換で重なる相似形であることを要件とするものではない。

　更に、燃料噴霧の噴霧角θの範囲内の領域を延長した仮想延長領域内に、所定位置ＬＰよりも吸気弁１１９寄りの吸気ポート１０２の内壁を含むように設定されている（図６参照）。
　換言すれば、燃料噴霧が指向性を維持したまま吸気弁１１９ａ、１１９ｂにまで到達する貫徹力を有すると仮定した場合に、所定位置ＬＰよりも下流の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁に燃料噴霧が衝突する噴霧角に設定されている。

　図７は、燃料噴射弁１０５の燃料噴霧の吸気ポート１０２中での分布状態を示す図である。
　つまり、所定位置ＬＰ及び所定位置ＬＰよりも燃料噴射弁１０５寄りの燃料噴霧が指向性を有する領域では、燃料噴霧の断面が吸気ポート１０２の断面に内包されるようにして、燃料噴霧が吸気ポート１０２の内壁に衝突することを抑止する。また、所定位置ＬＰよりも下流の燃料噴霧の指向性が十分に低下する領域では、吸気ポート１０２内に燃料噴霧を可及的に広く分布させることができるように、燃料噴射弁１０５の噴射特性、詳細には、噴霧角、指向性などが設定されている。

　なお、所定位置ＬＰは、燃料噴射弁１０５の噴射孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃから燃料噴射弁１０５の軸心（噴霧の中心軸）に沿った距離［mm］を示す値である。
　また、所定位置ＬＰは、燃料噴霧のブレイクアップ位置Ｌｓに基づき設定される位置であり、後で詳細に説明する。

　図８－図１０は、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の断面形状と吸気ポート１０２の断面形状との相関を示した図である。
　ここで、内燃機関１０１は、各気筒それぞれに２つの吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ及び２つの吸気弁１１９ａ、１１９ｂを備える。
　そして、本願においては、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ（吸気弁１１９ａ、１１９ｂ）の並び方向を横方向（Ｘ軸方向）とし、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ（吸気弁１１９ａ、１１９ｂ）の並び方向に直交する方向を縦方向（Ｙ軸方向）とする。

　図８は、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が、横方向（Ｘ軸方向）の噴霧断面長さ（最大横幅）が縦方向（Ｙ軸方向）の噴霧断面長さ（最大縦幅）よりも長い、横長の楕円形（Ｘ軸方向に長い楕円形）に設定された内燃機関１０１を例示する。
　このように、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が横長の楕円形（Ｘ軸方向に長い楕円形）である場合、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の断面形状は、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状を縮小した横長の楕円形（Ｘ軸方向に長い楕円形）に設定される。

　図９は、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が、横方向（Ｘ軸方向）の噴霧断面長さ（最大横幅）と縦方向（Ｙ軸方向）の噴霧断面長さとが略同等である円形に設定された内燃機関１０１を例示する。
　このように、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が円形である場合、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の断面形状は、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状を縮小した円形に設定される。

　図１０は、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が、横方向（Ｘ軸方向）の噴霧断面長さ（最大横幅）が縦方向（Ｙ軸方向）の噴霧断面長さ（最大縦幅）よりも短い、縦長の楕円形（Ｙ軸方向に長い楕円形）である内燃機関１０１を例示する。
　このように、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が縦長の楕円形（Ｙ軸方向に長い楕円形）である場合、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の断面形状は、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状を縮小した縦長の楕円形（換言すれば、Ｙ軸方向に長い楕円形）に設定される。

　つまり、内燃機関１０１において、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の断面形状の縦横比が、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状の縦横比と同等であることが、燃料噴霧の断面形状が、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状を縮小した相似形状になるように設定されていることを示す。

　ここで、図１１に示すように、燃料噴霧の断面形状の縦方向（Ｙ軸方向）の長さをＳｙ、横方向（Ｘ軸方向）の長さをＳｘで表し、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状の縦方向（Ｙ軸方向）の長さをＰｙ、横方向（Ｘ軸方向）の長さをＰｘで表すものとする。
　このとき、燃料噴霧の断面形状の縦横比はＳｙ／Ｓｘとなり、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状の縦横比はＰｙ／Ｐｘとなる。

　図１２は、燃料噴霧の断面形状の縦横比と、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状の縦横比との相関を示す。
　図８に示した、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が横方向（Ｘ軸方向）に長い楕円形である場合、縦横比Ｐｙ／Ｐｘは１未満の値になり、燃料噴霧の断面形状の縦横比Ｓｙ／Ｓｘも、縦横比Ｐｙ／Ｐｘと同等の値になるように噴霧形状が設定される。

　また、図９に示した、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が円形である場合、縦横比Ｐｙ／Ｐｘは１になり、燃料噴霧の断面形状の縦横比Ｓｙ／Ｓｘも１になるように噴霧形状が設定される。
　また、図１０に示した、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状が縦方向（Ｙ軸方向）に長い楕円形である場合、縦横比Ｐｙ／Ｐｘは１を超える値になり、燃料噴霧の断面形状の縦横比Ｓｙ／Ｓｘも、縦横比Ｐｙ／Ｐｘと同等の値になるように噴霧形状が設定される。

　次に、吸気ポート１０２の形状の違いによる、吸気ポート１０２の縦横比Ｐｙ／Ｐｘの特定位置の違いを説明する。
　図１３は、内燃機関１０１の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂそれぞれがストレートポートである場合での吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの縦横比Ｐｙ／Ｐｘの特定位置を示す。
　ストレートポートとは、内燃機関１０１の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂそれぞれが、燃料噴射弁１０５の設置位置から分岐することなく吸気弁１１９ａ、１１９ｂにまで延びる形状である。

　ここで、内燃機関１０１は、燃料噴射弁１０５として、吸気ポート１０２ａ内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０５ａと、吸気ポート１０２ｂ内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０５ａとを備える。
　内燃機関１０１の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂがストレートポートである場合、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状の縦横比Ｐｙ／Ｐｘを、所定位置ＬＰでの吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの縦方向長さＰｙと、所定位置ＬＰでの吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの横方向長さＰｘとの比とする。

　図１４は、内燃機関１０１の吸気ポート１０２がサイアミーズポート（サイアミーズ型）である場合での吸気ポート１０２の縦横比Ｐｙ／Ｐｘの特定位置を示す。
　サイアミーズポートとは、内燃機関１０１の吸気ポート１０２が途中の分岐部１０２ｃで２つの吸気ポート１０２ａ、１０２ｂに分岐する形状であり、更に、図１４の例では、燃料噴射弁１０５の設置位置及び所定位置ＬＰの下流に分岐部１０２ｃが設定される。

　ここで、内燃機関１０１は、燃料噴射弁１０５として、吸気ポート１０２ａ内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０５ａと、吸気ポート１０２ｂ内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０５ａとを、分岐部１０２ｃより上流の吸気ポート１０２にそれぞれ配置してある。
　係るサイアミーズポートである場合、所定位置ＬＰが分岐部１０２ｃの上流であるため、吸気ポート１０２の断面の横方向長さＰｘを、分岐部１０２ｃよりも吸気弁１１９ａ、１１９ｂに近い分岐後の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂぞれぞれの横方向長さとする。

　次に、所定位置ＬＰを詳しく説明する。
　内燃機関１０１において、燃料噴射弁１０５のブレイクアップ（breakup）位置Ｌｓが、吸気弁１１９ａ、１１９ｂよりも上流になるように噴霧特性が設定されている。
　ブレイクアップ位置Ｌｓは、噴射直後の円錐状に整った燃料噴霧の形から、噴霧粒子の指向性が弱まることで燃料噴霧の形に乱れが生じ始める位置である。

　図１５は、燃料噴射弁１０５の噴射孔（噴射点）からの距離と、燃料噴霧の単位体積当たりの粒子数、平均粒径、平均速度との相関を示す。
　なお、レーザ回析錯乱法、顕微鏡法などによる粒径分布、粒子密集度、粒子速度の計測結果から、噴射孔からの距離に応じた粒子数、粒径、速度を定量化することができる。
　また、噴霧の粒径は、ザウター平均粒径（ＳＭＤ若しくはＤ３２）で定量化するのが一般的であるが、個数平均径（Ｄ１０）、メディアン径（Ｄ５０）、９０％粒子径（Ｄ９０）を用いて定量化することができる。

　ブレイクアップ位置Ｌｓは、燃料噴射弁１０５の噴射孔からの距離毎に、燃料噴霧の単位体積当たりの粒子数、平均粒径、平均速度を求めたときに、距離変化に対して燃料噴霧の単位体積当たりの粒子数が極大値となる位置、又は、距離変化に対して平均粒径が極小値となる位置、又は、平均速度が所定速度以下になる位置として定めることができる。
　つまり、ブレイクアップ位置Ｌｓ以降の領域は、燃料噴霧の指向性が十分に低下する領域であって、係る領域において、燃料噴霧は吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内に漂うようにして吸気弁１１９に向けて流れることになる。

　したがって、図６に示したように、燃料噴霧の噴霧角θの範囲内の領域を延長した仮想延長領域内に、ブレイクアップ位置Ｌｓよりも吸気弁１１９寄りの吸気ポート１０２の内壁を含んでいても、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁への燃料付着を抑制しつつ、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内部に広く燃料噴霧を分布させることができる。
　ブレイクアップ位置Ｌｓの手前で燃料噴霧が吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁に衝突するように広角に燃料を噴霧させると、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内に燃料噴霧を広く分布させることができるとしても、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁への燃料付着が多くなってしまう。

　これに対し、ブレイクアップ位置Ｌｓ手前で、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁近傍まで噴霧を広げておけば、その後は燃料噴霧の指向性が十分に低下するので、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内に燃料噴霧を広く分布させつつ、ブレイクアップ位置Ｌｓよりも下流の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁への燃料付着を抑制できる。
　但し、燃料噴霧の貫徹力は、燃料噴霧粒子の径と噴霧速度との乗算値に相関する力であるから、係るブレイクアップ位置Ｌｓで燃料噴霧がある程度の指向性を維持していて、ブレイクアップ位置Ｌｓを噴射特性の基準位置としても、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁への燃料付着を十分に抑制できない場合がある。

　そこで、ブレイクアップ位置Ｌｓを基準とし、更に、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径及び平均速度、換言すれば、ブレイクアップ位置Ｌｓでの燃料噴霧の貫徹力を加味して、噴霧形成の基準位置としての所定位置ＬＰを設定する。
　図１６は、ブレイクアップ位置Ｌｓ、及び、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径及び平均速度に基づく、所定位置ＬＰの設定特性を示す。

　図１６の横軸はブレイクアップ位置Ｌｓである。
　また、図１６の縦軸は、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径とブレイクアップ位置Ｌｓでの平均速度との乗算値であって、ブレイクアップ位置Ｌｓでの燃料噴霧の貫徹力に相関する値である。

　ここで、ブレイクアップ位置Ｌｓが燃料噴射弁１０５の噴射孔から遠いほど、所定位置ＬＰは、燃料噴射弁１０５の噴射孔から遠い位置に設定され、また、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径と平均速度との乗算値が大きいほど、所定位置ＬＰは、燃料噴射弁１０５の噴射孔から遠い位置に設定される。
　換言すれば、ブレイクアップ位置Ｌｓが同じでも、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径と平均速度との乗算値、つまり、貫徹力が大きいと、所定位置ＬＰをより遠い位置に変更する。

　例えば、ブレイクアップ位置Ｌｓを所定位置ＬＰに設定した場合、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径及び／又は平均速度が大きいと、所定位置ＬＰでの燃料噴霧の断面形状を、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状を縮小した形状に設定しても、所定位置ＬＰ以降も燃料噴霧が指向性を維持することで、燃料噴霧が吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁に衝突して付着する可能性がある。
　そこで、ブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径及び／又は平均速度が大きく指向性を維持する場合、所定位置ＬＰをより遠くに変更して、係る所定位置ＬＰで、燃料噴霧の断面形状が吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面に内包されように噴射特性を設定する。

　これにより、所定位置ＬＰでの噴霧断面を極力広げつつ、所定位置ＬＰ以降で、燃料噴霧が吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁に衝突して付着することを抑止でき、また、所定位置ＬＰ以降の吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内に燃料噴霧を均一に分布させることができる。
　したがって、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内の燃料噴霧と空気の予混合が均一化して筒内混合気の均質性が改善され、未燃燃料の減少、ノッキングの抑止、燃焼性の改善などの効果を奏する。

　上記実施形態で説明した各技術的思想は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせて使用することができる。
　また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

　例えば、燃料噴霧の噴霧角の範囲内の領域を延長した仮想延長領域内に、所定位置ＬＰよりも吸気弁１１９ａ、１１９ｂ寄りの吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの内壁を含まない設定とすることができる。
　この場合も、燃料噴射弁１０５から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置Ｌｓが、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ中になるように設定され、かつ、ブレイクアップ位置Ｌｓに基づく所定位置ＬＰでの燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における燃料噴霧の断面形状が、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂの断面形状を縮小した相似形状に設定されていれば、燃料噴霧の指向性が十分に低下した後において、吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内に燃料噴霧を広く拡散させ、吸気ポート１０２内の燃料噴霧と空気との予混合の均一化を図ることができる。

　また、燃料噴射弁１０５を備えた内燃機関１０１において、燃料噴射弁１０５による噴射終了タイミングを、吸気上死点前に設定することができる。
　燃料噴射弁１０５による噴射終了タイミングを、吸気上死点前、つまり、筒内に向かう吸気の流れが生じる前に設定すれば、燃料噴射弁１０５から噴射された燃料噴霧を吸気ポート１０２ａ、１０２ｂ内に広く拡散させ、燃料噴霧と空気との予混合を均一化してから、予混合気を筒内に吸引させることができる。

　また、本願において、燃料噴霧の断面形状が吸気ポートの断面形状を縮小した形状であるという事項は、燃料噴霧の断面の縦横比と、吸気ポートの断面の縦横比とが略同等であることを示し、拡大、縮小によって形が完全に一致することを要件とするものではない。
　また、燃料噴霧の断面形状が吸気ポート１０２の断面形状を縮小した相似形状であるという事項は、相互の断面形状が回転移動を伴わずにスケール変換によって重なることを示し、一方が縦長の楕円（換言すれば、Ｙ軸方向に長い楕円）で、他方が横長の楕円（換言すれば、Ｘ軸方向に長い楕円）である場合を含まない。

　また、図１４に示した、燃料噴射弁１０５の下流で吸気ポート１０２が２つの吸気ポート１０２ａ、１０２ｂに分岐する内燃機関１０１において、燃料噴射弁１０５は、各吸気ポート１０２ａ、１０２ｂにそれぞれ設けることができ、また、各吸気ポート１０２ａ、１０２ｂそれぞれに向けて２方向に噴射する１本の燃料噴射弁１０５を設けることができる。
　また、所定位置ＬＰを、ブレイクアップ位置Ｌｓに設定することができ、更に、ブレイクアップ位置Ｌｓとブレイクアップ位置Ｌｓでの平均粒径とに基づき所定位置ＬＰを設定でき、また、ブレイクアップ位置Ｌｓとブレイクアップ位置Ｌｓでの平均速度とに基づき所定位置ＬＰを設定できる。

　１０１…内燃機関、１０２…吸気ポート、１０５…燃料噴射弁、１１９…吸気弁

Claims

　内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁であって、
　前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置が、吸気弁よりも上流に設定されている、
　燃料噴射弁。
　前記吸気ポートの断面形状、及び、前記ブレイクアップ位置に基づく所定位置での前記燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における燃料噴霧の断面形状は、相互に直交する２軸それぞれの方向での幅寸法が異なり、
　前記吸気ポートの横断面の長手方向と前記燃料噴霧の横断面の長手方向とが合うように設定されている、
　請求項１に記載の燃料噴射弁。
　前記ブレイクアップ位置に基づく所定位置での前記燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における前記燃料噴霧の断面形状が、前記吸気ポートの断面形状を縮小した形状である、
　請求項１に記載の燃料噴射弁。
　前記所定位置は、前記ブレイクアップ位置、及び、前記ブレイクアップ位置での前記燃料噴霧の平均粒径と前記ブレイクアップ位置での前記燃料噴霧の平均速度との少なくも一方に応じた位置である、
　請求項２記載の燃料噴射弁。
　前記所定位置は、前記ブレイクアップ位置での前記燃料噴霧の平均粒径が大きいほど前記吸気弁により近い位置に設定され、前記ブレイクアップ位置での前記燃料噴霧の平均速度が速いほど前記吸気弁により近い位置に設定される、
　請求項４記載の燃料噴射弁。
　前記ブレイクアップ位置は、前記燃料噴霧の平均粒径又は単位体積当たりの粒子数が極値となる位置である、
　請求項４記載の燃料噴射弁。
　前記吸気ポートは、前記燃料噴射弁の下流の分岐部で２つに分岐し、
　前記吸気ポートの断面形状は、前記分岐部よりも前記吸気弁寄りでの断面形状である、
　請求項２記載の燃料噴射弁。
　前記吸気ポートは、ストレートポートであり、
　前記吸気ポートの断面形状は、前記所定位置での断面形状である、
　請求項２記載の燃料噴射弁。
　前記燃料噴霧の噴霧角の範囲内の領域を延長した仮想延長領域内に、前記所定位置よりも前記吸気弁寄りの前記吸気ポートの内壁を含むように設定されている、
　請求項２記載の燃料噴射弁。
　微粒化した燃料を噴射するための微粒化促進機構を備えた、
　請求項２記載の燃料噴射弁。
　内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたポート噴射式内燃機関であって、
　前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置が吸気弁よりも上流に設定され、
　前記吸気ポートの断面形状、及び、前記ブレイクアップ位置に基づく所定位置での前記燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における断面形状は、相互に直交する２軸それぞれの方向での幅寸法が異なり、前記吸気ポートの横断面の長手方向と前記燃料噴霧の横断面の長手方向とが合うように設定されている、
　ポート噴射式内燃機関。
　内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を備えたポート噴射式内燃機関であって、
　前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧のブレイクアップ位置が吸気弁よりも上流に設定され、
　前記ブレイクアップ位置に基づく所定位置での前記燃料噴霧の噴射方向に直角な断面における前記燃料噴霧の断面形状が、前記吸気ポートの断面形状を縮小した形状である、
　ポート噴射式内燃機関。
　前記燃料噴霧の噴霧角の範囲内の領域を延長した仮想延長領域内に、前記所定位置よりも前記吸気弁寄りの前記吸気ポートの内壁を含むように設定されている、
　請求項１１記載のポート噴射式内燃機関。