WO2000077360A1 - Cylinder injection engine and fuel injection nozzle used for the engine - Google Patents

Description

明 細 書

筒内噴射エンジン及びそれに用いる燃料噴射弁 技術分野

本発明は、 筒内噴射エンジンと該エンジンの燃焼方法に係 り 、 特に、 タ ンブル空気流を形成する燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射ェン ジンと該エンジンの燃焼方法に関する。 背景技術

従来のこの種筒内噴射エンジンと しては、 米国特許第 5 8787 12 号明細 書， 特開平 1 0— 1 10660号公報， 特開平 1 0— 1 1 0662号公報， 特開平 1 0— 3044 1号公報， 特開平 10— 8967号公報， 特開平 6— 8 1656号公報， 特開平 9 — 3 1 7475号公報， 特開平 1 0— 1 69447号公報に記載されたものが知られて いる。

これら従来の筒内噴射エンジンにおいては、 燃料噴射弁から燃焼室内 に噴射される燃料噴霧自体に密度の差があ り 、 点火プラグ周辺に濃い燃 料を集める こ と に限界があっ た。 このため、 できるだけ少ない燃料で燃 焼させよ う とする、 所請希薄燃焼（リ ーンバーン， 超リ ーンバーン燃焼） では着火性能が低下し、 成層燃焼運転領域を 8 0 Km / h以上の高速走行 時やエンジン回転数 2 4 0 0 rpm のよ う な高回転領域にま で拡大する こ とができなかった。

つま り 、 燃料噴射弁の燃料噴霧自体に密度の偏り があ り 、 密度の薄い 部分が点火プラグに向かって噴霧されると希薄燃料を成層 して着火する . 所謂成層燃焼が困難にな り 、 成層燃焼ができな く なる。

具体的には、 従来の筒内噴射エンジンは、 低負荷低回転域でのタ ンブ ル空気流による成層燃焼も、 低負荷高回転域、 或いは高負荷高回転 ( 1 2 O Km Z h走行， エンジン回転数 3 2 0 0 rpm ) では、 燃焼室内に タ ンブル空気流を生成すると、 ピス トンの移動速度が早く なる こ とで、 噴霧燃料の気化時間の確保が難し く なる。 このために燃料の噴射時期を 早める必要があるが、 燃料の噴射時期を早めると、 燃焼室内の圧力が低 い内に燃料を噴霧する こ とにな り 、 燃料の噴霧角が大き く なつて、 噴霧 燃料がますますタ ンブル空気流によ つて攪拌され易く なる。

ま た、 シ リ ンダヘッ ドの内面、 燃焼室内壁面やピス ト ンに付着すると 云う問題が生じる虞がある。

従来の筒内噴射エンジンにおいては、 高負荷域及び高回転域では、 吸 気行程噴射等を行う と共に、 タ ンブル空気流の生成を中止し、 燃料を燃 焼室全体に拡散させる、 所謂均一燃焼を行う よ う に構成している。

しかし、 この場合にも、 噴霧した燃料がピス ト ン上面や、 燃焼室内壁 面に付着 して、 空気と混合されに く く な り 、 そのため付着した噴霧燃料 は気化が遅れて燃焼せずに排気ガスと一緒にエンジンから排出される傾 向が強く なる。

その結果、 エンジンから排出される排気ガス中の T H C (未燃炭化水 素） の量が多く なると共に、 エンジン性能， 燃費効率を低下させる原因 ともなっている。

本発明の目的とすると こ ろは、 アイ ドル運転領域のよ う な低回転低負 荷でのエンジンの着火性を向上させると共に、 低回転域から高回転域ま での運転領域において、 成層燃焼を可能とする こ とで、 T H C等の有害 成分ガスの排出を抑制すると共に、 燃費効率を向上させる ことができる 筒内噴射エンジンを提供する こ と にある。 発明の開示

上記目的を達成するために本発明では、 ①燃料噴射弁から噴射される 燃料噴霧が、 噴霧軸線に対して直角な面で見たとき密度が均一な環状を なすように構成した。

具体的には、 燃料噴射弁のノズル部に、 燃料噴射口の弁座に着座する 弁体と、 この弁体をガイ ドする通孔を有する燃料旋回素子を設け、 この 燃料旋回素子には周方向に間隔を置いて配置された 5本以上の旋回溝を 設け、 この旋回溝は燃料噴射口の中心軸線を通る仮想放射線に対して平 行に所定寸法オフセッ 卜 した位置に形成した。

また、 具体的には、 燃料噴射弁の弁体を球状弁体と し、 この球状弁体 の直径 D 1 と燃料旋回素子の通孔の直径 D 2 とが、 D 2 1 . 0 0 5 D 1 であり、 また、 燃料噴射口の直径 D 3 と長さ しとが、 L Z D 3 > 1 に構 成した。

②また別の解決策と して、 燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が、 噴 霧軸線に対して直角な面で見たとき密度が粗密になるよう構成し、 密度 が密な部分が点火プラグに対向するよう に燃料噴射弁を燃焼室に取り付 けた。

具体的には、 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置 した点火プラグに向かって流動する空気流を形成し、 点火タイ ミ ングの 少し前に燃料噴射弁から燃料を噴霧してこの空気流に燃料噴霧を乗せて 点火プラグの着火タイ ミ ングにちょ う ど燃料噴霧が点火プラグに到達す るように構成 （タ ンブルガイ ド方式と呼ぶ） し、 かつ燃料噴射弁から噴 射される燃料噴霧が、 噴霧軸線に対して直角な面で見たとき密度が均一 な環状をなすよう に構成し、 当該環状燃料噴霧の周方向の燃料密度の密 度偏差 σを、 σ < 1 5 %と した。 ま た、 具体的には、 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部 に配置した点火プラ グに向かって流動する空気流を形成し、 点火タイ ミ ングの少 し前に燃料噴射弁から燃料を噴霧して この空気流に燃料噴霧を 乗せて点火プラ グの着火タ イ ミ ングにち よ う ど燃料噴霧が点火プラグに 到達する よ う に構成 （タ ンブルガイ ド方式と呼ぶ） し、 燃料噴射弁から 噴射される燃料噴霧が、 噴霧軸線に対して直角な面で見たと き密度が粗 - 密になる よ う構成し、 密度が密な部分が点火ブラグに対向するよ う に 燃料噴射弁を燃焼室に取リ付けた。

以上の如 く 構成された第一の本発明では、 筒内噴射エンジンの燃焼性 能が燃料噴射弁の取付け姿勢に影響されない様にできる。

第二の発明では、 点火プラグに濃い燃料を供給できるので筒内噴射ェ ンジンの性能を向上できる。

具体的発明では、 噴霧燃料をタ ンブル空気流に乗せてシ リ ンダへッ ド に取付けた点火プラグまで搬送する （タ ンブルガイ ド方式） ので、 噴霧 燃料の移動距離が短かく 、 ビス ト ン上面ゃシ リ ンダ内壁への噴霧燃料の 付着が少な く なると共に、 点火プラグ付近の噴霧燃料の密度を高く する こ とができるので点火プラグによる着火性を向上させる こ とができる。 結果と して、 排ガス中の T H Cの量を少な く して排気ガスの浄化率を 向上させる こ とができ、 かつ燃費効率を向上させる こ とができる。 図面の簡単な説明

第 1 図は本発明の第一の実施形態の筒内噴射エンジンの斜視概念断面 図。

第 2 図は第 1 図の筒内噴射エンジンの燃焼室に吸入される順タ ンプリ 空気流と燃料噴霧の状態と を示す図。 第 3 図は第 1 図の筒内噴射エンジンの点火プラグと燃料噴射弁との位 置関係、 及び、 燃料噴射弁の噴霧状態と点火プラグの電極の点火ギヤ ッ プ部との位置関係を示した図。

第 4図は第 1 図の筒内噴射エンジンに備え られる燃料噴射弁のノ ズル 部の縦断面図。

第 5 図は第 4図の燃料噴射弁のノ ズル部の矢視 A— A横断面図。 第 6 図は第一の実施形態の燃料噴射弁の他の実施例で、 第 4図とは異 なる旋回溝数を備えたノ ズル部分の横断面図。

第 7 図は従来の燃料噴射弁の旋回溝が 3 本の噴霧燃料の密度分布を示 す図。

第 8 図は燃料噴射弁の燃料旋回部材に形成した旋回溝の数の相違に基 づく 、 噴霧円周方向角度 Θ と噴霧密度との関係を示 した図。

第 9 図はエンジン運転時の点火プラグの電極付近での、 時間 （クラ ン ク角） の変化に対する空気と燃料との混合気濃度の状態を示した図。 第 1 0 図は燃料噴射弁の燃料旋回部材の円孔の直径と球状弁体の直径 との差に基づく 円錐状嘖霧燃料の周方向の燃料密度分布の状態を示した 図。

第 1 1 図は燃料噴射弁の燃料旋回部材の噴射口の口径に対する該嘖射 口の長さの相違に基づく 円錐状嘖霧燃料の周方向の燃料密度分布の状態 を示した図。

第 1 2 図は燃料噴射弁から噴射される円錐状噴霧燃料の周方向の燃料 密度の偏差について説明 した図。

第 1 3 図は第 1 図の筒内噴射エンジンの運転の各行程の状態を説明 し たものであ り 、 （ a ) は吸気行程、 （ b ) は圧縮行程の前期、 （ c ) は 圧縮行程の後期を示す図。 第 1 4 図は本発明の第二の実施形態の筒内噴射エンジンに備え られる 燃料噴射弁のノ ズル部の横断面と、 該燃料噴射弁の噴霧燃料の密度分布 を示す図。

第 1 5 図は第 1 4図の筒内噴射エンジンの燃料噴射弁の噴霧燃料の密 度分布状態と、 エンジンへの装着状態を示した図。

第 1 6 図は第二の実施形態の燃料噴射弁の他の実施例で、 第 1 5 図と は異なる旋回溝を備えたノ ズル部分の横断面図と、 噴霧燃料の密度分布 状態とエンジンへの装着状態を示した図。

第 1 7 図は第二の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、 第 1 6 図とは異なる旋回溝を備えたノ ズル部分の横断面図と、 噴霧燃料の密度 分布状態とエンジンへの装着状態を示した図。

第 1 8 図は第二の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、 第 1 7 図とは異なる旋回溝を備えたノ ズル部分の横断面図と、 噴霧燃料の密度 分布状態とエンジンへの装着状態を示した図。

第 1 9 図は第一の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、 旋回溝 を備えたノ ズル部分の横断面図と、 噴霧燃料の密度分布状態を示した図 第 2 0 図は第一の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、 旋回溝 と環状溝と を備えたノ ズル部分の横断面図と、 噴霧燃料の密度分布状態 を示した図。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面に基づき本発明の筒内噴射エンジンの実施形態について説 明する。 第 1 図は、 本発明の第一の実施形態の筒内噴射エンジンの斜視 概念断面図であ り 、 エンジン本体 1 の各気筒は、 下部にシリ ンダブロ ッ ク 2 を備えると共に、 該シ リ ンダブロ ック 2 の上部にシリ ンダへッ ド 3 を配置している。

前記シ リ ンダブロ ック 2 の内部には、 頂面形状がほぼ平面のピス トン 4が上下摺動可能に配置され、 前記シリ ンダブ口 ック 2 と前記ビス トン 4 との間の空間は、 燃焼室 5 と して形成されている。 シ リ ンダヘッ ド 3 は、 ペン 卜ルーフ となっており 、 該シリ ンダヘッ ド 3 には、 燃焼室 5 に 開口する 2 本の吸気管 6， 6 と、 2 本の排気管 7， 7 が接続形成され、 前記各吸気管 6， 6 には、 各々吸気弁 8， 8 が、 前記各排気管 7， 7 に は、 各々排気弁 9， 9 が前記シリ ンダヘッ ド 3 との接続部に配置されて いる。

前記シ リ ンダへッ ド 3 の二つの吸気弁 6， 6 間には、 燃料を直接ェン ジンの気筒内に噴射する燃料噴射弁 1 0 が配設され、 その噴射口 （噴射 点） 1 0 a を燃焼室 5 に向けて位置している。 前記燃料噴射弁 1 0 は、 噴霧燃料に旋回力を与えて所定の噴霧角の円錐形状になるよ う な形状を 有する高圧旋回燃料噴射弁であ り 、 前記噴射された噴霧燃料は、 前記燃 焼室 5 内の圧力が高く なるにつれて前記燃料噴霧角が小さ く なる傾向が ある。 前記シ リ ンダヘッ ド 3 の天井部中心位置には、 点火プラグ 1 1 が 配設され、 点火ギャ ップ部を形成する電極 1 1 a を前記燃焼室 5 に向け て位置している。

前記吸気弁 8， 8 と前記排気弁 9， 9 は、 シ リ ンダヘッ ド 3 の上部に 配置されたカムシャ フ ト （図示省略） によ り 上下方向に移動して、 前記 シ リ ンダヘッ ド 3 に形成された吸気管 6， 6 と排気管 7， 7 との連通弁 孔を開閉する。 前記ピス トン 4は、 前記シ リ ンダブロ ック 2 の下部に回 転自在に軸支されたクラ ンク軸 （図示省略） にコネクテングロ ッ ド 4 a を介して連動連結され、 エンジンの稼働によ リ前記ビス トン 4が前記シ リ ンダブ口 ッ ク 2 内を上下するのに伴って、 前記クラ ンク軸を回転駆動 する。

前記吸気弁 8， 8 の上流の二つの吸気管 6， 6 内には、 該吸気管 6， 6 の吸入流路を上下に二分割する整流板 1 2， 1 2 が各々配置されると 共に、 該整流板 1 2， 1 2 の上流には、 分流弁 1 3 , 1 3 が配置されて 吸入空気制御手段と して機能している。 該分流弁 1 3， 1 3 は、 弁軸 1 3 a と弁体 1 3 b とからな り 、 弁軸 1 3 a を回動する こ と によ り 、 弁 体 1 3 b が真下から真横までの 9 0度の角度範囲で位置移動するよ う に 配置されている。 前記分流弁 1 3， 1 3 は、 燃焼室 5 内に生成される空 気流の速度とその方向性を調節するものであって、 空気流の速度を速く する場合には、 2分された吸入流路の内の下部流路 6 a , 6 a を前記分 流弁 1 3， 1 3 で塞ぐ こ と によ って、 吸気管 6， 6 内の流路面積を減少 させて行う こ と、 即ち、 燃焼室 5 内に順タ ンブル空気流を生成するもの であ り 、 ま た、 燃焼室 5 内に生成される空気流の速度を速く した く ない 場合あるいは燃焼室 5 内に空気を多 く 吸入する場合には、 分流弁 1 3， 1 3 を開状態と して下部流路 6 a , 6 a を開放する こ と によ って行う も のである。

第 2 図は、 本実施形態の筒内噴射エンジンの燃焼室 5 内へ吸入される 空気流のタ ンブル空気流の流動状態と燃料噴霧状態を示したものである 分流弁 1 3 を閉鎖状態と して吸気管 6 の上部流路 6 b のみから空気流を 燃焼室 5 に吸入する こ と によ って、 該燃焼室 5 に矢印 Aで示すよ う な順 タ ンブル空気流の流動状態が生成され、 前記ピス ト ン 4 の上面を移動し て吸気側の燃焼室の壁面 （シ リ ンダ壁面） に沿って上昇する。 前記燃料 噴射弁 3 から噴射される燃料は、 噴霧燃料 B ( 1 5 ) のよ う に、 プラグ 側が長く 、 ピス トン側が短かい円錐状噴霧を生成し、 その円錐状噴霧燃 料 Bがタ ンブル空気流に乗って点火プラグ 1 1 の電極 1 1 aの点火ギヤ ップ部まで搬送される。 これを我々 はタ ンブルガイ ド方式と呼ぶこ とに する。

前記タ ンブル空気流 Aの流動は、 燃料噴射弁 1 0の下から上昇し、 嘖 霧燃料 Bは燃料噴射弁 1 0から点火プラ グに向う タ ンブル空気流 Aに乗 つて点火プラ グ 1 1 の電極 1 1 a まで運ばれる。 例えば、 エンジン回転 数が 1 4 0 0 rpm 相当では、 燃料噴射弁 1 0から燃料が噴射されてから 3. 1 5 msec 後に噴霧燃料が点火プラグ 1 1 の電極 1 1 aに到達する。 第 2図で、 ①はブラグの着火次期に先立つて燃料が噴射された状態を 示す。

②はタ ンブル空気流に乗って燃料がプラ グ位置まで運ばれた状態を示 す。

この②の状態でち ょ う どプラグに点火信号が供給され着火タイ ミ ング となる。

具体的には、 エンジン回転数 1 4 0 0 rpm で燃焼室内平均有効圧力 3 2 0 Kpa (キロパスカル） のと き、 燃料は B T D C (上死点前） 7 0 degで噴射される。 着火タ イ ミ ングは B T D C 3 5 deg。

ま た、 エンジン回転数 3 2 0 0 rpmで燃焼室内平均有効圧力 3 5 OKpa (キロパスカル） のと き、 燃料は B T D C (上死点前） 8 0 deg で噴射 される。 着火タ イ ミ ングは B T D C 3 O deg。

どち らの場合も着火タ イ ミ ングの約 3 msec前に燃料が噴射される。 種々 の運転領域でこの時間を計測すると 3. 0乃至 3. 1 5 msec前に燃 料を噴射すれば良い事が解かった。

第 3図は、 本実施形態の筒内噴射エンジンの点火プラグ 1 1 と燃料嘖 射弁 1 0 との位置関係、 及び、 燃料噴射弁 1 0の噴射口（噴射点） 1 0 a と点火プラグ 1 1 の電極 1 1 aの点火ギャ ップ部 （着火点） との位置関 係を示 したものである。

点火プラグ 1 1 は、 その長手方向の軸心 Yをエンジンブロ ック 2 の軸 心と一致して垂直に配置され、 燃料噴射弁 1 0 は、 その軸心 Z を前記軸 心 Yと直角で該軸心 Y を通る軸線 Xに対して前記燃料噴射弁 1 0 の噴射 口 1 0 a を基点と して角度 （噴射弁取付角） α だけ傾斜して配置されて いる。 前記点火プラグ 1 1 の電極 1 1 aの点火ギャ ップ部 （着火点） は、 前記燃料噴射弁 1 0 の噴射口 （噴射点） 1 0 a を基点と して前記軸線 X に対して角度 /9 の位置に配置されている。

ま た、 前記燃料噴射弁 1 0 から噴射される嘖霧形態は、 円錐状噴霧で、 燃料噴霧角 0 0 (燃料噴射弁 1 0 の軸心 Z と噴霧上部縁 F とのなす角） で噴霧され、 前記軸線 Xと噴霧上部縁とのなす角が、 噴霧上端角 γ と さ れ、 前記円錐状噴霧の噴霧到達距離は、 前記噴射点 1 0 a と前記電極 1 1 a との間の位置距離よ り も長く なるよ う に噴霧生成するものである _c 燃料噴射弁 1 0 の燃料噴霧角 e o が決まれば、 第 3 図に示すよ う に、 角 α と角 /9 は、 各エンジンの各気筒によ り 予め決め られているものである ので、 θ ο— α = γから、 噴霧上端角 γ を決定する こ とができ、 予め決 められている角 9 に対して噴霧上端角 γ をどの程度するか、 即ち、 噴霧 燃料の噴霧上部 F と点火プラグ 1 1 の電極 1 1 a との位置関係をどの程 度するかを決定するこ とができる。

第 4 図と第 5 図は、 本実施形態の筒内噴射エンジンの燃料噴射弁 1 0 の駆動部と噴射ノ ズル部分を示 したものであ り 、 第 4図は、 燃料噴射弁 1 0 の駆動部と噴射ノ ズル部分の縦断面図、 第 5 図は、 第 4図の A— A 断面図である。

前記燃料噴射弁 1 0 の駆動部と噴射ノ ズル部分は、 その軸線 Z上に燃 料供給源から導かれる燃料をノ ズル部 3 0 の噴射口 1 0 a に案内する燃 料通路 2 1 を備え、 該燃料通路 2 1 の外周部には、 電磁ソ レノ ィ ド 2 3 が配置されている。 前記ノ ズル部 3 0 には、 励磁可動子 2 4 ， 圧縮コィ ルスプリ ング 2 2 ， 内部に燃料溜空間 2 8 a を有するノ ズルケース 2 8 該励磁可動子 2 4 と一体に移動 し前記ノ ズルケース 2 8 内の燃料溜空間 2 8 a に延びている弁軸 2 5 ， 該弁軸 2 5 の先端に固定され前記噴射口 1 0 aの弁座 2 6 に着座する球状弁体 1 8 、 及び、 該弁体 1 8 の周囲に 配置されたリ ング状の燃料旋回部材 1 7 と を備えている。

第 5 図に示すよ う に、 前記燃料旋回部材 1 7 は、 外形が 5角形で、 中 心に円孔 2 9 を有し、 前記 5角形の各辺 1 Ί aから前記円孔 2 9 に向け て軸線 Zから放射状に延びる線 Wに対して所定寸法オフセ ッ ト した 5本 の旋回溝 1 6 ， …が形成されている。 前記円孔 2 9 内には、 前記弁軸 2 5 と前記弁体 1 8 とが所定の間隙を有して上下移動可能に緩嵌合する よ う に配置されてレ、る。

前記燃料噴射弁 1 0 は、 通常、 前記圧縮スプリ ング 2 2 によ り 前記球 状弁体 1 8 を常時下方に付勢して、 前記弁座 2 6 に着座するよ う になつ ている。 前記燃料通路 2 1 から流入した燃料は、 前記ノ ズルケース 2 8 内の燃料溜空間 2 8 a に導かれ、 前記燃料旋回部材 1 7 の各旋回溝 1 6 , …から前記円孔 2 9 に導かれている。 前記状態において、 燃料噴射弁 1 0 の噴射口 1 0 aから燃料を噴射したい場合には、 前記電磁ソ レ ノ ィ ド 2 3 を励磁して前記励磁可動子 2 4 を上方に付勢すると、 前記圧縮コ ィルスプリ ング 2 2 の付勢力に杭して前記弁体 1 8 が上方に移動して、 前記弁体 1 8 が前記弁座 2 6 から離れて前記噴射口 1 0 aから燃料が噴 射される。 該燃料の噴射において、 前記噴射口 1 0 a に導かれる燃料は 前記燃料旋回部材 1 7 の所定寸法オフセ ッ ト した各旋回溝 1 6 ， …を介 して供給されるので、 前記噴射口 1 0 aから噴出される場合には、 略円 錐状の噴霧燃料と して噴霧される。

また、 前記略円錐状噴霧燃料は、 5本の旋回溝 1 6， …を介-して噴射 されたものであるので、 燃料にスワールを生成するもので、 その円錐状 の周方向の位置によって燃料の密度分布に相違が生じるが、 本実施形態 においては、 旋回溝 1 6 ， …を 5本と して従来の例えば 4本の旋回溝よ りその数を多く したこ と によ り 、 その周方向の燃料の密度分布の相違を 小さ く することができ、 噴霧燃料の周方向位置の燃料密度分布を均質化 する こ とができる。

第 6図は、 燃料噴射弁 1 0 の燃料旋回部材 1 7 に形成した旋回溝 1 6 を 6本と した本実施形態の他の具体的な実施例で、 第 5図と同様な横断 面図である。 旋回溝 1 6 を 6本とすることによ り、 旋回溝 1 6が 5本の ものよ りも、 更に円錐状噴霧燃料の周方向の位置の燃料密度分布の相違 を小さ く し、 噴霧燃料の周方向位置の燃料密度分布をよ り均質化するこ とができる。

第 7図は、 燃料旋回部材に形成した旋回溝を 3本と した通常の燃料噴 射弁から噴射された円錐状噴霧燃料の横断面図を示したものである。 該 第 7図から理解されるように、 旋回溝が 3本のものは、 円錐状噴霧燃料 の周方向の角度位置 0の相違によ リ燃料密度分布の相違が明確で、 周方 向に低噴霧密度部 1 5 Lと高噴霧密度部 1 5 Hとに区別されて噴射され る。

第 8図は、 燃料噴射弁の燃料旋回部材に形成した旋回溝の数の相違に 基づく 、 噴霧円周方向角度 e と噴霧密度との関係を示したものである。 第 8図おいて、 横軸が噴霧円周方向角度 0で縦軸が噴霧密度を示して おり、 従来の旋回溝が 3本あるいは 4のものに比べて、 本実施形態の実 施例の旋回溝が 5本あるいは 6本のほう力 円錐状噴霧燃料の周方向の 密度分布の差が少なく 、 周方向に均質な噴霧が行われているこ とが解る 第 9図は、 エンジン運転時の点火プラグの電極付近での、 時間 （クラ ンク角） の変化に対する空気と燃料との混合気濃度の状態を示したもの であり、 （ a ) は燃料噴射弁の燃料旋回部材に形成した旋回溝の数が 1 本の場合であり、 （ b ) は、 本実施形態の旋回溝が 5本の場合である。 第 9図において、 Aは、 燃料噴射弁から噴射される円錐状噴霧燃料の高 噴霧密度部分を示し、 Bは、 低嘖霧密度部分を示している。 （ a ) の旋 回溝が 1 本の燃料噴射弁は、 高噴霧密度部分 Aで燃焼時すすを発生する 限界濃度 Cを超える時期がある一方、 低濃度密度部分 Bでは、 点火しな い虞のある希薄限界濃度 D以下となって しまい、 円錐状噴霧燃料の周方 向の濃度差が高いことを示している。 しかし、 （ b ) の本実施形態の旋 回溝が 5本の燃料噴射弁は、 高噴霧密度部分 Aも、 低濃度密度部分 Bも すす限界 C以下、 あるいは、 希薄限界 D以上であり、 円錐状噴霧燃料の 周方向の濃度差が低く 、 該円錐状噴霧燃料の周方向での濃度が均質化し ていることを示してレヽる。

第 1 0図は、 本実施形態の燃料噴射弁の燃料旋回部材 （旋回溝 5本） 1 7の円孔と球状弁体との寸法関係に基づく 円錐状噴霧燃料の周方向の 燃料密度分布の状態を示したものである。

( a ) は、 円孔 2 9の直径 D 2 と球状弁体 1 8の直径 D 1 との関係を 示しており、 （ b ) に示すよう に、 円孔 2 9 と弁体 1 8 との直径の差が 大きいほど、 即ち、 円孔と弁体 1 8である球体との間隙が大きいほど、 円周方向の燃料噴霧密度の差が大き く生じることになるので、 円周方向 の燃料噴霧密度は、 円孔と球体との直径の差が小さいのが望ま しいこ と が解る。 そして、 実験の結果、 球状弁体 1 8の直径 D 1 に対して円孔 1 7の直径 D 2 を、 D 2 = 1 . 0 0 5 D 1 程度とすると、 噴霧密度の周 方向の差が一番小さ く なることが解った。

第 1 1 図は、 本実施形態の燃料噴射弁 1 0の燃料旋回部材 （旋回溝 5 本） 1 7 の噴射口の口径と長さとの関係に基づく 円錐状噴霧燃料の周方 向の燃料密度分布の状態を示したものである。 （ a ) は、 噴射口 1 0 a の口径 D 3 に対する該噴射口 1 0 aの長さ Lの関係を示しており、 （b ) に示すよう に、 口径 D 3 に対する該噴射口 1 0 aの長さ Lが短いほど円 周方向の燃料噴霧密度の差が大きく生じ、 円周方向の燃料噴霧密度は、 燃料噴射弁の噴射口の口径 D 3 に対する長さ Lは、 長さが長いほど望ま しいことが解る。 そして、 実験の結果、 噴射口 1 0 aの直径 D 3 とその 長さ Lとは、 L Z D 3 > 1 であると、 円周方向の燃料噴霧密度差が小さ く なることが解った。

第 1 2図は、 本実施形態の燃料噴射弁 1 0から噴射される円錐状噴霧 燃料の周方向の燃料密度の偏差について説明したものであり、 （ a ) は 燃料密度の偏差を導く 式を示しており 、 （ b ) は噴霧円周方向角度 0 と 噴霧密度との関係を示したものである。 （ a ) の式 （ 1 ) において、 |0 は密度、 p mは平均密度、 σは密度偏差であり 、 （ b ) において、 Cは すす限界密度、 Dは希薄限界密度である。

通常、 平均密度 / o mを、 p m = l とすると、 すす限界密度 Cと希薄限 界密度 Dとは、 その ± 0. 5 とされている。 そこで、 すす限界密度 Cと 希薄限界密度 Dとの範囲に入る噴霧密度のサイ ンカーブの密度 /0 を、 p = f ( 0 )と し、 f ( 0 ) = O . 5 sin e + l と仮定して、 式 （ 1 ) に代入す ると、 許容できる燃料密度の偏差 σは、 σ = 1 4. 3 % となる。 したが つて、 円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度を限界密度 Cと希薄限界密度 Dとの間の許容範囲内に納めるためには、 噴霧燃料の密度の周方向の偏 差 σ を σ < 1 5 %とする必要がある。 第 1 3図は、 前記燃料噴射弁を備えた本実施形態の筒内噴射エンジン の運転の各行程の状態を説明 したものであ り 、 （ a ) は吸気行程、 （b ) は圧縮行程の前期、 （ c ) は圧縮行程の後期である。

本実施形態の筒内噴射エンジンにおいては、 （ a ) の吸気行程では、 吸気管 6内の分流弁 1 3の弁体 1 3 b を閉 じた状態と して、 吸気弁 8 を 開く と、 吸入空気は、 前記吸気管 6 の上部流路 6 bからのみ燃焼室 5に 吸入される。 燃焼室 5に吸入された空気は、 矢印 Aで示すよ う に、 順タ ンブル空気流と して燃焼室 5内を流動する。 次の （ b ) の圧縮行程の前 期では、 ピス ト ン 4が上昇 し始めると共に、 燃料噴射弁 1 0の噴射口 1 0 &から燃料が嘖射される（8丁 0〇 7 0〜 9 0(16₈) 。 この時、 本実 施形態の燃料噴射弁 1 0は、 そのノ ズル部 3 0の燃料旋回部材 1 7が 5 本も し く は 6本の旋回溝 1 6 を備えた構成であるので、 その噴霧される 円錐状噴霧燃料の先端環状部の燃料密度がその周方向で均質化された状 態となつている。 該噴霧燃料は、 前記順タ ンブル空気流の外層に適度の 強さで噴霧されるので、 前記タ ンブル空気流に乗って移動する。 （ c ) の圧縮後期においては、 更にピス トン 4が上昇し、 噴霧された燃料がタ ンブル空気流によ って点火プラグ 1 1 の電極 1 1 a付近に搬送され、 該 点火プラグ 1 1 の電極 1 1 aで着火される（B T D C 3 0 ~ 3 5deg) 。 前記のよ う に、 本実施形態の筒内噴射エンジンは、 順タ ンブル空気流 の外層に燃料が噴射噴霧され、 同空気流でピラグまで運ばれ、 その状態 でビス ト ン 4によ リ圧縮されるので、 空気と燃料とは成層状態で着火さ れる こ と となる。 前記燃料噴射弁 1 0から噴霧される円錐状噴霧燃料の 燃料密度が、 その周方向で均質化されているので、 燃料密度の低いと こ ろがな く 点火プラグ 1 1 の電極部分には密度が均一な燃料が供給される こ ととな り 、 着火性が向上する。 即ち、 噴霧燃料を順タ ンブル流動によ る空気流によって受け止めてシ リ ンダへッ ドに取付けた点火プラグまで に移送するので、 移送距離が短かく 、 周囲への拡散も少ない。 従ってピ ス ト ン上面ゃシ リ ンダ内壁への噴霧燃料の付着が少な く なると共に、 点 火プラ グ付近の噴霧燃料の密度を高い状態で均一にする こ とができるの で点火プラグによ る着火性を向上させる こ とができる。

前記結果と して、 該エンジンの運転域をアイ ドル運転域から高回転域 まで成層運転をする ことができる と共に、 噴霧燃料の燃焼室内壁やビス ト ン上面への付着を減少させる こ とができるので、 排ガス中の T H Cの 量を少な く して排気ガスの浄化率を向上させる こ とができ、 かつ燃費効 率を向上させる こ とができる。

次に、 本発明の第二の実施形態の筒内噴射エンジンについて説明する 本実施形態の筒内噴射エンジンは、 基本的には、 前記第一の実施形態 の筒内噴射エンジンとその機能を同 じ く しておリ 、 前記第一の実施形態 の筒内噴射エンジンとの相違は、 構成的には、 該筒内噴射エンジンの燃 料噴射弁 1 0 の燃料旋回部材 1 7 の旋回溝 1 6 の構成の相違と、 該燃料 噴射弁 1 0 の筒内噴射エンジンへの取付方についてであるので、 その点 を中心に して説明 し、 両実施形態に共通する部分の説明は、 省略する。 第 1 4図は、 本実施形態の燃料噴射弁 1 0 のノ ズル部 3 0 の各旋回溝 1 6 の溝幅を異なる幅と した場合の噴霧燃料の密度分布を示したもので ある。 （ a ) はノ ズル部 3 0 の横断面図であ り 、 燃料噴射弁 1 0 は、 燃 料旋回部材 1 7 の旋回溝 1 6 を 4本と し、 各旋回溝 1 6 をオフセ ッ ト状 に配置すると共に、 その溝の幅を各々異なる幅 W l ， W 2 , W 3 , W 4 と したものである。 各旋回溝 1 6 を各々異なる幅 W l ， W 2， W 3， W 4 と したことで、 （ b ) に示すよ う に、 円錐状嘖霧燃料の周方向の角 度位置の相違によ り 噴霧燃料の密度差が顕著に現れる。 即ち、 幅 W 1 を 広く した旋回溝 1 6 に相当する角度部分 Θ Ηが他の旋回溝 1 6 よ り も燃 料濃度が高く 生成される。

第 1 5図は、 前記第 1 4図の燃料噴射弁 1 0の筒内噴射エンジンへの 取付方について説明 したもので、 （ a)(b ) に示すよ う に、 円錐状噴霧 燃料の燃料濃度の高い部分が、 点火プラグ 1 1 の電極 1 1 a側に成る よ う に、 筒内噴射エンジンに燃料噴射弁 1 0 を取付固定する。 前記のよ う に燃料噴射弁 1 0 を取付ける こ と によって、 点火プラグ 1 1 の電極 11 a 部分に燃料濃度の高い噴霧燃料が供給される こ と にな リ 、 着火性が良く なると共に、 逆に前記電極 1 1 aから離れた部分の円錐状噴霧燃料の燃 料濃度は相対的に低く なるので、 ビス トン 4ゃシ リ ンダブ口 ック内壁へ の燃料の付着が減少する。

第 1 6図は、 本実施形態の燃料噴射弁 1 0の他の実施例を示したもの で、 （ a ) は、 燃料ノ ズル部 3 0の断面図、 （ b ) は噴霧燃料と点火プ ラグ 1 1 の電極 1 1 a部分との配置関係を示したものである。 （ a ) に 示すよ う に、 前記燃料噴射弁 1 0は、 燃料旋回部材 1 7の旋回溝 1 6 を 3本と し、 各旋回溝 1 6は等しいオフセ ッ トで等間隔に配置されている , 前記燃料噴射弁 1 0から噴射される円錐状の噴射燃料は、 （ b ) に示す よ う に、 燃料濃度の高い部分 1 5 Hが、 等間隔に 3 ケ所生成され、 他の 部分は燃料濃度が低く 1 5 Lとなっている。 点火プラグ 1 1 との関係に おいては、 3つの燃料濃度の高い部分 1 5 Hの内の一つの濃度の高い部 分 1 5 Hを前記点火プラグ 1 1 の電極 1 1 aに接近して噴射するよ う に 配置する。 前記のよ う に、 燃料噴射弁 1 0 を筒内噴射エンジンに取り付 ける ことによ り点火プラグ 1 1 の電極 1 1 a部分に燃料濃度の高い噴霧 燃料が供給できて燃料の着火性が向上すると共に、 ビス トン 4に近い部 分の円錐状の噴射燃料は、 燃料濃度が低い部分 1 5 Lとなるので、 該ピ ス トン 4 の上面への噴霧燃料の付着が減少する。

第 1 7 図は、 第 1 6 図の燃料噴射弁 1 0 を変形した他の実施例を示し たもので、 （ a ) は、 燃料ノ ズル部 3 0 の断面図、 （ b ) は噴霧燃料と 点火プラグ 1 1 の電極 1 1 a部分との配置関係を示したものである。 第

1 6 図の燃料噴射弁 1 0 との相違は、 3 つの旋回溝 1 6 が等間隔に配置 されておらず、 各々異なる間隔の角度配置 Θ 1 ， Θ 2 , 0 3 と したこ と である。 点火プラグ 1 1 との関係においては、 3 つの燃料濃度の高い部 分 1 5 Ηの内の一つの濃度の高い部分 1 5 Ηを前記点火プラ グ 1 1 の電 極 1 1 a に接近して噴射する よ う に配置し、 他の 2 つの燃料濃度の高い 部分 1 5 Hも、 できるだけ、 上方で噴霧するよ う に配置する こ とで、 前 記第 1 5 図の燃料噴射弁 1 0 と同様な機能を奏する こ とができる。 第 1 8 図は、 本実施形態の燃料噴射弁 1 0 の他の実施例を示したもの で、 （ a ) は、 燃料ノ ズル部 3 0 の断面図、 （ b ) は嘖霧燃料と点火プ ラグ 1 1 の電極 1 1 a部分との配置関係を示したものである。 （ a ) に 示すよ う に、 前記燃料噴射弁 1 0 は、 燃料旋回部材 1 7 の旋回溝 1 6 を

1 本と し、 該旋回溝 1 6 はオフセ ッ トで配置されている。 前記燃料噴射 弁 1 0 から噴射される円錐状の噴射燃料は、 （ b ) に示すよ う に、 燃料 濃度の高い部分 1 5 Hと濃度の低い部分 1 5 L と に二分割して生成され る。

点火プラ グ 1 1 との関係においては、 燃料濃度の高い部分 1 5 Hを前 記点火プラ グ 1 1 の電極 1 1 a に接近して噴射するよ う に配置する。 前 記のよ う に、 燃料噴射弁 1 0 を筒内噴射エンジンに取り付ける こ とによ り点火プラグ 1 1 の電極 1 1 a部分に燃料濃度の高い噴霧燃料が供給で き着火性が向上すると共に、 ピス ト ン 4 に近い部分の円錐状の噴射燃料 は、 燃料濃度が低い部分 1 5 L となるので、 該ピス トン 4の上面への噴 霧燃料の付着が減少する。

以上、 本発明の二つの実地形態について詳述 したが、 本発明は、 前記 実施形態に限定されるものではな く 、 特許請求の範囲に記載された発明 の精神を逸脱する こ とな く 、 設計において種々 の変更ができるものであ る。

例えば、 第一の実施形態においては、 燃料噴射弁から噴射される円錐 状噴霧燃料の燃料密度が、 その周方向で均質化するよ う に、 該燃料噴射 弁の旋回溝の数， 旋回溝の幅、 及び、 旋回溝の配置位置を変更した幾つ かの実施例を示 したが、 燃料密度を均質化する構成と しては、 第 1 9 図 及び第 2 0 図に示す燃料噴射弁の構成とする こ とができ、 該構成の燃料 噴射弁は、 円錐状噴霧燃料の燃料密度を、 その周方向のみでな く 、 内部 まで均質化する こ とができる。

第 1 9 図は、 （ a ) に示されているよ う に、 燃料旋回部材 1 7 が、 外 形を 4角形で、 中心に円孔 2 9 を有し、 前記 4角形の各辺 1 7 aから前 記円孔 2 9 に向けて軸線 Zから放射状に延びる線 Wに対して各々オフセ ッ ト幅 O F 1 , 0 F 2 , 0 F 3 , O F 4 の異なる 4本の旋回溝 1 6， … を形成したものである。 前記構成の燃料噴射弁で燃料を噴射すると、 噴 射直後は、 （ b ) に示すよ う に、 燃料がその中心部 1 5 L S と周縁部 1 5 H S と に噴霧される こ とになるが、 燃料噴霧の中心部の噴出力 F C によって、 前記周縁部 1 5 H S を内側に押し込むよ う な力 F Eが発生し、 所定時間経過後は、 （ c ) に示すよ う な、 噴霧燃料の密度分布とな リ 、 噴霧燃料の中心部まで、 燃料が嘖霧される状態となって均質化される。 第 2 0図は、 （ a ) ( b ) に示されているよ う に、 燃料旋回部材 1 7 が、 外形を 4角形で、 中心に円孔 2 9 を有し、 前記 4角形の各辺 1 Ί aから 前記円孔 2 9 に向けて軸線 Zから放射状に延びる線 Wに対して各々オフ セ ッ ト した 4本の旋回溝 1 6 ， …を形成し、 前記円孔 2 9下端部に環状 溝 1 9 を形成したものである。 前記構成の燃料噴射弁で燃料を噴射する と、 （ c ) に示すよ う な、 噴霧燃料の密度分布とな り 、 噴霧燃料の中心 部まで、 燃料が噴霧される状態となって均質化される。 産業上の利用可能性

本発明は、 燃焼室上部に配置した点火プラグと、 前記燃焼室側部に配 置した燃料噴射弁と、 吸気管に配置した吸入空気制御手段と を備えた筒 内噴射エンジンに適用すると好適であるが、 プラグと燃料噴射弁の取付 け位置関係は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々 の変形が許される。 燃料噴射弁もポール弁に限らず、 ニー ドル弁タ イ プのものにも適用で さる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 燃焼室上部に配置した点火プラ グと、 前記燃焼室側部に配置した燃 料噴射弁と、 吸気管に配置した吸入空気制御手段と を備えた筒内噴射ェ ンジンに用いる燃料噴射弁であって、

当該燃料噴射弁から噴射される燃料嘖霧が、 噴霧軸線に対して直角な 面で見たと き密度が均一な環状をなすよ う に構成した筒内噴射エンジン 用の燃料噴射弁。

2 . 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁であって、 その燃料噴霧 は、 環状の燃料分布を有し、 この環状の燃料分布の周方向の燃料密度の 密度偏差 σ を、 σ < 1 5 %と した筒内噴射エンジン用の燃料噴射弁。

3 . 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁であって、 燃料噴射弁の 弁体弁座のシー ト部の直径 D 1 と燃料旋回素子の通孔の直径 D 2 とが、 D 2 = 1 . 0 0 5 D 1 であ り 、 ま た、 燃料噴射口の直径 D 3 と長さ し と が、 L / D 3 〉 l に構成した筒内噴射エンジン用の燃料噴射弁。

4 . 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置した点火プ ラグに向かって流動する空気流を形成し、 点火タイ ミ ングの少 し前に燃 料噴射弁から燃料を噴霧して この空気流に燃料噴霧を乗せて点火プラグ の着火タイ ミ ングにち よ う ど燃料噴霧が点火プラグに到達するよ う に構 成し、 前記燃料噴射弁のノ ズル部に、 燃料噴射口の弁座に着座する弁体 と、 この弁体をガイ ドする通孔を有する燃料旋回素子を設け、 この燃料 旋回素子には周方向に間隔を置いて配置された 5本以上の旋回溝を設け この旋回溝は燃料噴射口の中心軸線を通る仮想放射線に対して平行に所 定寸法オフセ ッ ト した位置に形成した筒内噴射エンジン。

5 . 前記各旋回溝は、 少な く とも 2種類の異なる溝幅と した請求の範囲 4項記載の筒内噴射エンジン。

6 . 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置した点火プ ラグに向かって流動する空気流を形成し、 点火タイ ミ ングの少 し前に燃 料噴射弁から燃料を噴霧して この空気流に燃料噴霧を乗せて点火プラグ の着火タイ ミ ングにち よ う ど燃料噴霧が点火ブラグに到達するよ う に構 成し、 前記燃料噴射弁は、 燃料が円錐状噴霧燃料で、 先端で環状をな し 当該環状噴霧燃料の周方向の燃料密度の密度偏差 σが、 σ < 1 5 %であ る筒内噴射エンジン。

7 . 前記燃料旋回部材は、 前記円孔に前記旋回溝に連通する環状溝を形 成したこ と を特徴とする請求項 5 に記載の筒内噴射エンジン。

8 . 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置した点火プ ラグに向かって流動する空気流を形成し、 点火タ イ ミ ングの少 し前に燃 料噴射弁から燃料を噴霧して この空気流に燃料噴霧を乗せて点火プラグ の着火タ イ ミ ングにち ょ う ど燃料噴霧が点火プラグに到達する よ う に構 成し、 前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が、 噴霧軸線に対して直 角な面で見たと き密度が粗密になる よ う構成し、 密度が密な部分が点火 プラグに対向するよう に燃料噴射弁を燃焼室に取り付けた筒内噴射ェン ジン。