JPH1130124A - 筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内直接燃料噴射式内燃機関において、筒内
に旋回流を形成させた場合の燃焼状態を改善する。 【解決手段】 燃料噴射弁１の先端に噴射部２を設け、
その内部に形成された分岐部によって燃料噴霧の流れを
分流させる。噴射量の多い方の噴霧７は、ピストン９の
頂面の深皿部分１３に当てて転向させ、点火プラグ８の
近傍を通過後に筒内の旋回流（スワール又はタンブル）
に乗せる。噴射量の少ない方の噴霧６は、旋回流とは反
対の方向となるように噴射し、点火プラグ８の近傍を通
過させると共に、前述の噴霧７の流れと衝突させる。そ
れによって、点火プラグ８の近傍の燃料の濃度が高くな
ると共に周辺部の濃度が低くなり、混合気が流れの衝突
によってよく撹乱されるので、着火性が改善されると共
に、未燃ＨＣの排出量が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内に燃料（例え
ばガソリン）を直接に噴射する内燃機関に係り、特にこ
の種の機関の燃料噴射装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、筒内へ直接に高圧でガソリンのよ
うな燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、吸気
ポートに気流制御弁を装着し、更に吸気ポートをヘリカ
ル状に形成して、シリンダの周方向に吸気と燃料噴霧の
混合気の旋回流を形成することにより、比較的希薄な燃
料混合気によって運転することができるようにしたエン
ジン、即ちリーンバーンエンジンが開発されている。
（従来例としては、特開平４−２２４２３１号公報、特
開平２−１２５９１１号公報、特開平１−２１９３１１
号公報、特開平１−２０３６１３号公報、及び特開平６
−１４６８８６号公報等を参照。）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のリーンバーンエ
ンジンにおいては、冷間時に燃焼室内のピストン頂面の
クレビスボリューム及びシリンダ壁面等に燃料噴霧が多
量に付着することにより、それらの部分では燃料濃度が
過濃となって、排気ガス中に未燃ＨＣが排出されるとい
う問題があった。また、特開平４−２２４２３１号公報
記載の方式は、旋回流を強くすることによって空気と燃
料の混合を促進するものであるが、燃料を高圧で噴射す
るために、燃料噴霧が直接シリンダの壁面に衝突する
か、あるいはシリンダ近傍の混合気濃度が増大すること
により、逆に点火プラグ回りの混合気濃度が低下するた
め、混合気濃度が望ましい濃淡状態とは逆の方向に偏
り、燃焼割合が低下するという問題を生じる。

【０００４】本発明の目的は、筒内に噴射された燃料噴
霧を、スワール流またはタンブル流のような旋回流を利
用して均質に微粒化するとともに、筒内に形成された混
合気のうちで点火プラグの周辺にある部分の燃料の濃度
を濃くするように、噴射する燃料噴霧の形状を最適化し
た燃料の噴射装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された内燃機関の燃料噴射装置を提供する。すな
わち、本発明によれば、筒内に旋回流を発生する手段を
備えている筒内直接噴射式火花点火機関において、燃料
噴射弁から噴射される燃料噴霧の流れを、点火プラグの
近傍を通過した後に筒内の旋回流に沿って流れる方向
と、やはり点火プラグの近傍を通過した後に旋回流とは
反対向きに流れる方向との２方向に分けて噴出させるこ
とにより、この２つの流れを異なる角度から点火プラグ
に集中させるとともに相互に衝突させる。そして、それ
ら２つの燃料噴霧の流れの分流比が、旋回流と同じ方向
には多く、旋回流と逆向きには少なくなるように設定す
る。

【０００６】このように燃料噴霧の噴射方向を２方向に
分けて噴射することにより、燃焼室内の過濃となりやす
い周辺領域の混合気濃度を低減させることができる。ま
た、旋回流と反対方向にも燃料を噴射することによっ
て、その燃料噴霧を旋回流と同じ向きに噴射された燃料
噴霧を含む混合気と衝突させて、混合気の流れの乱れを
増大させ、燃料と空気との混合を促進することができ
る。

【０００７】さらに、２つの流れが衝突したところから
混合気が燃焼室中央に向うため、点火プラグの回りに着
火しやすい、理論空燃比よりも濃い均質な混合気を形成
することができる。その結果、シリンダの壁面及びピス
トン頂面部への燃料付着が少なくなるとともに、点火プ
ラグの回りに着火しやすい混合気を形成できる噴射時期
を拡大することができるため、広範囲にわたってＨＣ排
出量を低減することができる。

【０００８】このように、燃料噴霧の流れを２方向に分
けるとともに、２つの流れの噴射量を異なる割合とする
ために、燃料噴射弁の先端に付設され、内部に２つの分
岐通路と偏心した分岐部を有する噴射部を用いることが
できる。また、その分岐通路には頭部とテーパ面からな
る拡径部を設けて、流れが流路壁面に付着するのを防止
することができる。

【０００９】また、シリンダ内が高温になった場合にお
いては、ピストンに付着した燃料が炭化してデポジット
となることがあるが、本発明によればピストンへの燃料
噴霧の付着量が減少するためデポジットも少なくなる。
それにともなって、ピストンリングの摩耗、エンジンオ
イルの汚れ、及びエンジンオイルの燃焼室内への流入も
低減させることができる。

【００１０】さらに、シリンダの壁面に付着する燃料噴
霧の量も減少するため、シリンダに付着した燃料がピス
トンリングによってかき落されてエンジンオイル中に混
入し、オイルダイリューションを起こして潤滑を阻害す
ることも少なくなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示す実施例に
より詳細に説明する。図１および図２は、本発明の燃料
噴射装置をシリンダ５内にスワール流を形成する内燃機
関に適用した場合の実施例を示す、内燃機関の１つの気
筒の縦断正面図と概念的な平面図である。１は燃料噴射
弁であって、噴射部２の２個の噴孔１５，１６から２方
向に向って燃料噴霧６，７を噴射することができるよう
になっている。スワール流と同じ向きに噴射される燃料
噴霧７と、スワール流とは逆向きに噴射される燃料噴霧
６との分流比は６：４〜８：２とする。つまり、スワー
ルと同じ旋回方向に噴射される燃料噴霧７の噴射量は全
噴射量の６０％〜８０％に設定する。

【００１２】このエンジンの場合、シリンダ５内にスワ
ールを形成するために、１気筒あたり２本設けられた吸
気管３の一方３ａにシャフト１２によって回転自在に取
り付けられた気流制御弁１１と、他方の吸気管３ｂに取
り付けられた突起部１０とを有する。また、ピストンの
頂面は深皿形であって、燃料噴射弁の噴射部２と対向す
る位置がわん曲して窪んだ深皿部分１３を形成してい
る。なお、図１において４は排気管を示す。

【００１３】このようなエンジンにおいては、気流制御
弁１１が閉弁している状態において、吸気管３ｂと吸気
弁１４を通って流入する空気は、シリンダ５の図示しな
い中心軸線を中心として図２において時計回りに旋回す
るスワールを生じる。また、燃料噴射弁１に付設された
噴射部２の一方の噴孔１５から噴射される燃料噴霧７
は、ピストン９の深皿部分１３によって点火プラグ８の
方へ流れの方向を変えられる。その後、燃料噴霧７はス
ワールに乗って時計方向に旋回する。

【００１４】また、燃料噴射弁１に付設された噴射部２
の他方の噴孔１６から噴射される燃料噴霧６は、図２に
おいて反時計方向で、かつ点火プラグ８に近い方向に噴
射される。ここで、燃料噴霧７の噴射方向については、
図３に示すようにクランク角度が吸気上死点後６０°の
時期において、燃料噴霧７を噴射する噴孔１５の中心と
深皿部分１３の中で噴孔１５から最も遠くなる点１７と
を結ぶ直線１８上に燃料噴霧７の中心線を合致させてあ
る。噴射方向の設定にあたっては、燃料噴霧の飛行時間
が最も長く、シリンダ５の壁面に燃料噴霧が衝突しない
方向を選定する必要がある。

【００１５】たとえば、燃料噴霧７は、図４に示すよう
に、シリンダ５の中心と燃料噴射弁１に付設された噴射
部２の中心を通る垂直面に対して−３０〜−４０°、ま
た、図３に示すように、水平面に対して−２０°〜−３
０°の方向に噴射する。これに対して燃料噴霧６は、燃
料噴霧７とは逆向きに、つまり、前述の垂直面に対し
て、＋２０°〜＋３０°、水平面に対して＋５°〜３０
°の間に噴霧の中心線を設定する。

【００１６】図５は前述のような２条の燃料噴霧を形成
することができる噴射部２を付設する相手方の燃料噴射
弁１の縦断面図、図６は燃料噴射弁１に付設される噴射
部２を拡大して示す図であって、これらの図に基づいて
この実施例の燃料噴射装置の具体的な構造と作用を説明
する。燃料噴射弁１のバルブボディ（以下、「ボディ」
と称する。）２２の内周にはニードル１９が移動可能に
収納される。そして、電磁コイル３４が通電されるとボ
ディ２２底部の弁座２２ｂに着座していたニードル１９
が吸引される。それによってニードル１９と弁座２２ｂ
との間に隙間ができ、その隙間を燃料が通過してボディ
２２の底部に形成された噴口２２ａから噴射される。そ
して、電磁コイル３４への通電中は燃料は噴射され続
け、通電が終了するとニードル１９はスプリング２８に
押されて弁座２２ｂに着座し、燃料噴射は終了する。

【００１７】さらに詳細に説明すると、燃料噴射弁１の
磁性材料からなる略円筒状のハウジング３８内には、軸
方向に固定鉄心３１、可動コア２５、ニードル１９、ボ
ディ２２等が設けられる。ハウジング３８の内周には、
合成樹脂製のスプール３３が固定される。このスプール
３３には電磁コイル３４が巻装される。ハウジング３８
の中径の円筒孔４０の内部には、中空円板状のスペーサ
２４を介してボディ２２が装着される。このボディ２２
の内部には、ニードル１９のガイド部２０及び２１が摺
動する円筒面２２ｃと、ニードル１９の円錐状の先端部
２９が着座する弁座２２ｂとが形成される。さらに、ボ
ディ２２の底部には後述のように噴射部２が付設され
る。

【００１８】ハウジング３８の小径の円筒孔３７の空間
には、磁性材料からなり筒状に形成された可動コア２５
が収容される。可動コア２５の外径はハウジング３８の
円筒孔３７の内径よりもやや小さく設定されているの
で、可動コア２５はハウジング３８の円筒孔３７内で摺
動することができ、可動コア２５の上端面は、固定鉄心
３１の下端面と所定の隙間を介して対向するように設け
られる。さらに、可動コア２５の下端の内周面には、ニ
ードル１９の上端が挿入されて、レーザ溶接されること
によって、ニードル１９と可動コア２５とは一体に連結
される。また、可動コア２５の上端面には、可動コア２
５を図５において下方へ付勢し、ニードル１９の円錐状
の先端部２９をボディ２２の弁座２２ｂに着座させるリ
ターンスプリング２８が設けられる。このリターンスプ
リング２８は、可動コア２５の内部から固定鉄心３１の
内部へ突出し、固定鉄心３１の内部に挿入して固定され
たアジャスティングパイプ２７によって支持される。そ
して、このアジャスティングパイプ２７の軸方向位置を
調節することによって、リターンスプリング２８の付勢
力が調節される。

【００１９】また、固定鉄心３１の上方には、燃料タン
クから燃料ポンプ等によって圧送され、燃料噴射弁１内
に流入する燃料中のダスト等を除去するフィルタ３２が
設けられる。そして、固定鉄心３１内に流入する燃料
は、アジャスティングパイプ２７の内部、可動コア２５
とニードル１９の接合部２６に形成された平面逃がし部
３０との隙間、さらには、ボディ２２の円筒面２２ｃと
ニードル１９のガイド部２０及び２１に形成された平面
逃がし部との隙間を通過して、噴口２２ａの弁座２２ｂ
に到る。

【００２０】また、固定鉄心３１のスプール３３の上方
から突出した部分の外周には、合成樹脂からなるコネク
タ３６が設けられる。そして、上記電磁コイル３４に電
気的に接続されるターミナル３５がコネクタ３６および
スプール３３に埋設される。さらに、ターミナル３５は
図示しない電子制御装置にワイヤーハーネスを介して接
続され、電子制御装置によってターミナル３５を介して
電磁コイル３４に励磁電流が流れる。それによって、ニ
ードル１９および可動コア２５が、リターンスプリング
２８の付勢力に抗して固定鉄心３１の方向へ吸引され
る。そして、図示しない燃料ポンプと圧力レギュレータ
とにより一定圧力に加圧された燃料は、固定鉄心３１の
上部からフィルタ３２、アジャスティングパイプ２７、
可動コア２５、ボディ２２の円筒面の各内部を通過し
て、弁座２２ｂの上流側に供給され、噴口２２ａから噴
射される。

【００２１】その後、電磁コイル３４への噴射制御信号
が出力されなくなり、電磁力が作用しなくなると、ニー
ドル１９はリターンスプリング２８の付勢力によって下
降し、ボディ２２の弁座２２ｂと当接するので燃料噴射
は停止する。このように、燃料はニードル１９が上昇し
てから下降するまで、ニードル１９のシート部２９と弁
座２２ｂとの隙間から噴口２２ａを通過して噴射され
る。

【００２２】図６に、第１実施例の燃料噴射装置に適用
される噴射部２の構造を詳細に示す。噴射部２は前述の
燃料噴射弁１のボディ２２にかしめつけて結合される。
噴射部２には、連通孔５９がボディ２２の噴口２２ａと
連通するように設けられており、連通孔５９は分岐部５
２から２方向に分かれて、分岐通路５３，５４に接続し
ている。分岐部５２の頂点はボディ２２の噴口２２ａの
中心線５０に対して偏心して設けている。分岐通路５
３，５４の通路径は前述の噴射量比（例．６０％〜８０
％）に比例して決定する。つまり、 （分岐通路５４の面積）／（分岐通路５３の面積）＝
（燃料噴霧７の量）／（燃料噴霧６の量） とする。

【００２３】分岐通路５３，５４の開放端側にはそれら
の径よりも大きい円筒通路５５，５７を設け、さらに、
前述の噴孔１５，１６まで拡径するテーパ面５６，５８
を設けてある。分岐通路５３，５４の面積と円筒通路５
５，５７の面積の比は１．３〜２とするのが望ましい。
また、テーパ面５６，５８の拡開角度は３０°〜４０°
の間にするのが望ましい。

【００２４】次に本発明の第１実施例の、特に噴射部２
の作動について説明する。前述のようにして燃料噴射弁
１の噴口２２ａから噴射された燃料噴霧の流れは、連通
孔５９を通り、分岐部５２において２方向の燃料噴霧
６，７の流れに分かれる。分岐部２５はボディ２２の中
心線、すなわち連通孔５９へ流入する燃料噴霧の中心線
５０よりも分流比の小さい分岐通路５３側にずれている
ため、図７に示すように、分流比の大きい分岐通路５４
側へ流入した燃料噴霧７の流れは、通路内で壁面から剥
離する。

【００２５】さらに、円筒通路５５，５７の部分で渦が
発生し、燃料噴霧６，７の流れが撹乱される。テーパ面
５５，５８は撹乱された燃料噴霧６，７の流れが通路の
壁面に付着するのを妨げるために設けられている。この
ようにして、噴射部２を備えた燃料噴射弁１により、燃
料噴霧６，７の流れの外周部に粒径の小さい領域を作る
ことができるため、ピストン９及びシリンダ５の壁面に
は比較的粒径の小さい燃料噴霧が衝突することになる。

【００２６】前述のように、噴射された燃料噴霧７は、
ピストン９の深皿部分１３に形成されたわん曲部と筒内
のスワール流により、図２および図４において時計方向
に旋回しながら、点火プラグ８に向って流れる。この時
に燃料噴霧６の流れが反対方向から衝突するため、合流
部において混合気の流れが乱れることにより、燃料噴霧
の霧化促進（微粒化、気化）と、空気と燃料噴霧との混
合が促進される。その後、燃料噴霧は燃焼室の中心にあ
る点火プラグ８に向って流れる。

【００２７】その結果、点火プラグ８の近傍には、微粒
化して空気との混合割合が高くなった混合気が形成され
るため、点火プラグ８による混合気の着火性が高くな
る。また、シリンダ５及びピストン９への燃料噴霧の付
着も少なくなるため、排出される未燃燃料の割合も少な
くなるという利点がある。次に本発明の燃料噴射装置第
２の実施例について説明する。図８及び図９は本発明の
燃料噴射装置を、シリンダ５内にタンブル流を形成する
筒内直接噴射式火花点火機関に適用した場合の噴射状態
を示す、１つの気筒の縦断面図と概念的な平面図であ
る。燃料噴射弁１に付設された噴射部２の噴孔１５，１
６から噴射される燃料噴霧６と７の各中心線は、図９に
示すようにシリンダ５の水平断面において見た場合に、
双方とも噴射部２の図示しない中心線上に設定する。図
８に示すようにシリンダ５の垂直断面において見た場合
には、燃料噴霧７はピストン９の頂面の深皿部分１３に
向って、また燃料噴霧６は点火プラグ８に向って噴射さ
れる。

【００２８】燃料噴霧６及び７の分流比及び角度は、前
記第１の実施例における諸元と同じでよい。また、図中
の参照符号も、第１実施例において対応するものと同じ
符号を付しているので、第２実施例についての第１実施
例と重複する詳細な説明は省略する。このように構成さ
れた第２実施例の燃料噴射装置は第１実施例と実質的に
同様な作用効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の燃料噴射装置を示す縦断
正面図である。

【図２】第１実施例の概念的な平面図である。

【図３】第１実施例における燃料噴霧の流れを示す縦断
正面図である。

【図４】第１実施例における燃料噴霧の流れを示す概念
的な平面図である。

【図５】燃料噴射弁の構造を示す縦断正面図である。

【図６】第１実施例における噴射部を示す縦断正面図で
ある。

【図７】第１実施例の噴射部内の燃料噴霧の流れを示す
縦断正面図である。

【図８】本発明の第２実施例の燃料噴射装置における燃
料噴霧の流れを示す縦断正面図である。

【図９】第２実施例における燃料噴霧の流れを示す概念
的な平面図である。

【符号の説明】 １…燃料噴射弁 ２…噴射部 ３…吸気管 ５…シリンダ ６…噴射量比率の少ない燃料噴霧の流れ ７…噴射量比率の多い燃料噴霧の流れ ８…点火プラグ ９…ピストン １０…突起部 １１…気流制御弁 １３…深皿部分 １４…吸気弁 １５…噴射量比率の多い側の噴孔 １６…噴射量比率の少ない側の噴孔 １７…深皿部分内で噴孔の中心から最も遠くなる点 １８…燃料噴霧の中心線 １９…ニードル ２２…バルブボディ ２２ａ…噴口 ２５…可動コア ２８…リターンスプリング ３２…フィルタ ３４…電磁コイル ５０…バルブボディと噴口の中心線 ５１…分岐部の中心線 ５２…分岐部 ５３，５４…分岐通路 ５５，５７…円筒通路 ５６，５８…テーパ面 ５９…連通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小浜 時男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 小林 辰夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内に旋回流を形成する手段を備え
   ている筒内直接燃料噴射式の内燃機関において、点火プ
   ラグの近傍を経た後に旋回流の旋回方向に沿う向きに流
   れる方向と、前記点火プラグの近傍を経た後に旋回流の
   旋回方向とは反対向きに流れる方向との２方向に燃料噴
   霧の流れを分割する手段と、前記旋回方向に沿う方向へ
   の燃料噴射量を前記反対の方向への燃料噴射量よりも多
   くする手段とを備えていることを特徴とする燃料噴射装
   置。
2. 【請求項２】 前記各手段が、燃料噴射弁の先端に付設
   され、内部に偏心した分岐部によって分離される２つの
   分岐通路と、それらの通路の末端において各方向に対応
   して開口する噴孔とを備えている噴射部からなる請求項
   １記載の燃料噴射装置。
3. 【請求項３】 前記噴射部に設けられる分岐通路が前記
   噴孔の上流側に段部とテーパ面からなる拡径部を備えて
   いる請求項２記載の燃料噴射装置。
4. 【請求項４】 前記旋回流がスワール流である請求項１
   ないし３のいずれかに記載された燃料噴射装置。
5. 【請求項５】 前記旋回流がタンブル流である請求項１
   ないし３のいずれかに記載された燃料噴射装置。