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JP2000110568A - 筒内噴射型内燃機関の燃料噴射方法および、燃料噴射弁，内燃機関，燃焼方法 - Google Patents

筒内噴射型内燃機関の燃料噴射方法および、燃料噴射弁，内燃機関，燃焼方法

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JP2000110568A
JP2000110568A JP10279586A JP27958698A JP2000110568A JP 2000110568 A JP2000110568 A JP 2000110568A JP 10279586 A JP10279586 A JP 10279586A JP 27958698 A JP27958698 A JP 27958698A JP 2000110568 A JP2000110568 A JP 2000110568A
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fuel
spray
piston
combustion chamber
valve
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Yoko Nakayama
容子 中山
Minoru Osuga
大須賀　　稔
Toshiji Nogi
利治 野木
Takuya Shiraishi
拓也 白石
Noboru Tokuyasu
徳安　　昇
Yoshihiro Sukegawa
義寛 助川
Yusuke Kihara
裕介 木原
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Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to US09/409,848 priority patent/US6334427B1/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来は、キャビティ付ピストンに中空円錐形状
の燃料噴霧を衝突させて点火プラグへ燃料噴霧をガイド
していたが、ピストンへの燃料付着による排出ＨＣの低
減や成層化不足による燃焼安定性，燃費向上には問題が
あった。 【解決手段】冷却損失の少ないフラットピストンを用い
て燃焼室を形成し、そこに順タンブルを生成させる。燃
料噴霧は旋回微粒化式燃料噴射弁の先端にスプリッタを
噴口中心からオフセットさせて設け噴霧を貫通力大と小
に分割し、貫通力大は点火プラグ付近へ向けて噴射す
る。これによりピストンへの燃料付着を低減でき、排出
ＨＣの低減および燃費の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室に直接燃料
を供給する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃費の向上を図るためには成層リーンバ
ーンが重要な燃焼方法である。この成層リーンバーンを
実現させるためにはリッチ混合気を点火プラグ付近に集
めることが必要であり、例えば特開平6−81651号公報や
特開平6−81656号公報のような技術が知られている。
【０００３】特開平6−81651号公報は、シリンダ内にタ
ンブルを形成し、噴射された燃料をピストンに衝突さ
せ、キャビティの壁でガイドし、タンブルでサポートし
て燃料を点火プラグに供給するものである。
【０００４】また、噴霧の微粒化のためには旋回式燃料
噴射弁を用いることが有効であり、この際の燃料噴霧は
中空の円錐形状となる。図３は、これらを組み合わせた
従来技術を示したものである。
【０００５】特開平6−81656号公報は、シリンダ内にタ
ンブルを形成し、燃料噴射弁の第１噴口からは点火プラ
グ方向へ、第２噴口からはタンブルの流れに沿った方向
（吸気弁の直下を経て排気弁の直下近傍を狙い、且つシ
リンダ水平方向に対して若干斜め下の方向）への２方向
に噴射するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これら燃料噴射技術に
おいては、ピストン，シリンダ壁面あるいは点火プラグ
への燃料付着が考慮されておらず、ピストンへの燃料付
着が生じるため、付着燃料の不完全燃焼による排出ＨＣ
（未燃炭化水素）を低減する上においては好ましくな
い。
【０００７】本発明は、以上の問題点に鑑み成されたも
のである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、ピストンの移動により容積が変化する燃焼室内に空
気の旋回流を発生させ、一方燃料噴射弁からの燃料噴霧
を貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧とに分割
し、前記貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向または点
火プラグ付近へ向けて、前記貫通力小の燃料噴霧を前記
ピストン方向へ向けて直接前記燃焼室内に噴射する。
【０００９】また上記目的を達成するため、弁座と協働
して燃料噴口を開閉する弁体と、前記弁体に挿通され、
燃料に旋回力を与える旋回素子と、前記弁座の下流に配
設され、前記燃料噴口の中心から偏心した位置にスプリ
ッタを備えた燃料噴霧分割手段とを有する筒内噴射型燃
料噴射弁を用いる。
【００１０】また上記目的を達成するため、弁座と協働
して燃料噴口を開閉する弁体と、前記弁座に挿通され、
燃料に旋回力を与える旋回素子と、前記弁座の下流に配
設され、その燃料噴口に対向する部分が非等辺の山形に
形成されているスプリッタを備えた燃料噴霧分割手段と
を有する筒内噴射型燃料噴射弁を用いる。
【００１１】また上記目的を達成するため、弁座と協働
して燃料噴口を開閉する弁体と、前記弁体の下流に設け
られ、前記燃料噴口より大径の孔を有する燃料拡大手段
と、前記燃料拡大手段の下流に設けられ、スリット状の
孔を有する燃料案内手段と、前記燃料案内手段の下流に
設けられ、前記燃料案内手段の前記スリット状の孔に対
して直角に設けられた第１のスリット状の孔と前記第１
のスリット状の孔と平行で前記第１のスリット状の孔よ
り幅の大きな第２のスリット状の孔を備えた燃料噴霧手
段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁を用いる。
【００１２】また上記目的を達成するため、２つの吸気
弁を通して空気を吸入する燃焼室の容積を変化させるピ
ストンと、前記燃料室内に空気の旋回流を発生させる旋
回流生成手段と、前記燃焼室に直接燃料を供給する筒内
噴射型の燃料噴射弁であって、貫通力大の燃料噴霧と貫
通力小の燃料噴霧とに分割して燃料を噴射する燃料噴射
弁とを有し、前記燃料噴射弁から噴射される貫通力大の
燃料噴霧を点火プラグ方向または点火プラグ付近へ向け
て燃料を噴射するように、且つ貫通力小の燃料噴霧を前
記ピストン方向へ向けて噴射するように前記２つの吸気
弁の間に前記燃料噴射弁を配置した筒内噴射型内燃機関
を用いる。
【００１３】また上記目的を達成するため、２つの吸気
弁を通して空気を吸入する燃焼室の容積を変化させるピ
ストンを有し、前記燃焼室内に空気の旋回流を発生させ
る旋回流生成手段と、前記２つの吸気弁の間に配置さ
れ、前記空気の旋回流が生成されている前記燃焼室に直
接燃料を供給する燃料噴射弁であって、噴射される燃料
噴霧を貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧とに分
割して前記貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向または
点火プラグ付近へ向けて、前記貫通力小の燃料噴霧を前
記ピストン方向へ向けて噴射する燃料噴射弁とを有する
筒内噴射型内燃機関を用いる。
【００１４】また上記目的を達成するため、ピストンに
より燃焼室の容積を変化させ、前記燃焼室内に順タンブ
ルを発生させ、点火プラグ方向または点火プラグ付近へ
向けて噴射される貫通力大の燃料噴霧と前記ピストン方
向へ向けて噴射される貫通力小の燃料噴霧とに分割して
噴射し、前記順タンブルによって前記ピストンの方向か
ら前記貫通力小の燃料噴霧を巻き上げて前記点火プラグ
方向へ搬送し、前記点火プラグに点火して前記燃料噴霧
を燃焼させる。
【００１５】この際燃焼室の方から燃料噴霧を観察する
と、貫通力大の方が小の方より、シリンダ周壁方向への
広がり角度が小さい。これにより必要な量の燃料がシリ
ンダ内の特定領域に分散でき、着火性能を低下させるこ
となく、超リーンバーン運転が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】実施の形態を図１に示す。このエ
ンジン３００のピストン３０１はキャビティのないフラ
ットな形状、燃焼室内の旋回流１５０は吸気弁から流入
して排気弁、ピストンへと向かう順タンブルであり、噴
射弁１は燃焼室の２つの吸気弁３１０の間に水平から約
４０度の角度で配置した構造である。噴霧１００は点火
プラグ方向に強い貫通力１０１，ピストン方向には弱い
貫通力１０２を有する。噴霧の形成方法は後述する。
【００１７】図２の燃焼圧力波形を用いてエンジンの動
作を説明する。エンジンはピストンの上下運動により吸
気，圧縮，爆発，排気の４行程をセットとして動作す
る。吸気行程では吸気弁３１０が開き、ピストンの下降
と共に空気が燃焼室に流入する。この時、吸気弁上流に
流れを制御する機構を設けることで燃焼室内に強い順タ
ンブルを形成する。圧縮行程に入ると吸排気弁ともに閉
じてピストンが上昇するため内部の空気が圧縮され燃焼
室内圧力が上昇する。圧縮行程終了直前に点火を行い、
爆発行程が始まると急激に燃焼室内圧力は上昇し、圧力
に押されてピストンが下降し仕事をする。最後の排気行
程では排気弁が開きピストンが上昇することで燃焼室内
の燃焼ガスを排出する。
【００１８】筒内噴射エンジンでは大別して成層燃焼と
均質燃焼の２つの燃焼方法がある。成層噴射燃焼は、圧
縮行程後半の加圧雰囲気中に燃料を噴射し、可燃混合気
を点火プラグ付近に集合させて燃料噴霧を成層化し点火
する燃焼方法である。燃料噴霧を成層化することで、燃
焼室全体としては空燃比４０程度の希薄な状態で燃焼で
きるので燃費を向上させることができる。
【００１９】均質燃焼は、吸気行程中に燃料を噴射し均
質に混合してから点火する燃焼方法である。燃焼室全体
として空燃比が理論空燃比程度になるように燃料を噴射
するので、成層リーンバーンに比べ、高出力運転を行う
ことができる。
【００２０】図３は従来の中空円錐噴霧を加圧雰囲気中
に噴射した図である。この場合、噴霧角の狭いコンパク
トな噴霧（図１９（ｂ））が形成される。このような噴
霧はキャビティピストンに噴霧を衝突させて成層化する
場合には、キャビティ内に噴霧がおさまり成層化しやす
いというメリットがあった。しかし、フラットピストン
では図４のように、順タンブルの旋回流１５０と衝突し
て干渉するため成層化が困難である。
【００２１】図５は、図１の噴霧１００をフラットピス
トンエンジンに適用し、タンブル（順タンブル）との関
係を示したものである。まず噴霧１００の内部へ旋回流
１５０が導入される（Ａ）。貫通力が強く、点火プラグ
方向またはその周辺へ向かって噴射された噴霧は、タン
ブルのサポートなしでも点火プラグ付近に到達できる
が、タンブルによって点火プラグへの到達をサポートさ
れており、タンブルに乗って点火プラグへ搬送される
（Ｂ）。また、ピストン方向へ向かって噴射された噴霧
は、タンブルが抵抗となってピストンへ向かう力が抑制
されピストンへの到達が阻害されるので、ピストンへの
燃料付着が低減される。ピストン方向への貫通力が弱ま
った噴霧は、タンブルによって巻き上げられ、点火プラ
グへ搬送される（Ｃ）。この時燃焼室上方から燃料噴霧
を観察すると図１の下側図に示すように貫通力大の噴霧
のシリンダ周壁方向への広がり角度Ｗ1 、貫通力小の噴
霧広がり角度をＷ2 とすると、Ｗ1 は２本の排気弁ステ
ム間におさまる程度の噴霧角、Ｗ2 は２本の吸気弁ステ
ム間に収まる程度の噴霧角であり、それらの関係はＷ1
／Ｗ2＝１／３程度となっている。貫通力大の噴霧の広
がり角Ｗ1 は燃焼室内に噴霧が分散しすぎないように小
さい値が望ましい。貫通力小の噴霧広がり角Ｗ2 は広く
ても貫通力がないためコンパクトにまとまる。よって、
燃焼室内壁面への燃料付着量が抑えられる。
【００２２】特開平6−81656号公報では、燃料噴霧がピ
ストン方向へ向かうタンブルに乗ってしまい噴霧をピス
トン方向へ搬送し、その後点火プラグへ搬送するので、
ピストンへの付着に関して考慮されていないのに対し
て、図５は、ピストン方向へ噴射された噴霧の抵抗（ブ
レーキ）としてタンブルを用いるので、上述のようにピ
ストンへの燃料付着が低減される。
【００２３】図６に従来のキャビティ付ピストンを用い
たエンジンに従来の中空円錐噴霧を適用した場合の混合
気挙動のシミュレーション結果を示す。計算条件は１４
００rpm 、空燃比４０である。ピストンキャビティ壁面
に衝突した噴霧がピストンの上昇と共に点火プラグ付近
へ押し上げられており、２０゜ＢＴＤＣにならないと点
火プラグへ混合気が到達しない。
【００２４】図７にはフラットピストンに噴霧１００に
近い形状の噴霧を適用した場合の混合気挙動のシミュレ
ーション結果を示す。計算条件は図６と同一である。
【００２５】点火プラグ方向に向かう貫通力の強い噴霧
は、順タンブルの流動と共に点火プラグに到達し、時間
が経過すると噴霧とピストンの間に入り込んだ順タンブ
ルによりピストン方向へ噴射された貫通力の小さい噴霧
も点火プラグへ到達していることが分かる。つまり、噴
射直後（４０゜ＢＴＤＣ）から点火プラグに混合気が到
達し、ＴＤＣまでの長時間にわたって混合気が点火プラ
グの周辺に成層化している。
【００２６】図８にクランク角度と点火プラグ付近混合
気濃度の関係を示す。図６（従来）ではプラグ付近の混
合気濃度はクランク角度に対して狭い範囲のピークを持
っており、濃度が可燃範囲に入る短時間の間に点火する
必要があった。図７(本発明)では点火プラグ付近の混合
気濃度が長時間にわたって可燃範囲にあるため、点火時
期に余裕を持たせることができる（つまり最適点火時期
の選択に自由度が与えられる）。
【００２７】図９に横軸に噴射時期、縦軸に点火時期を
取った場合の燃焼安定範囲を示す。従来エンジンでは燃
費が最良になる点火時期での燃焼安定範囲７０１は非常
に狭い。このため、噴射弁の機差や経時変化等の条件の
変化に対応して燃焼を安定させるのは困難である。ま
た、回転数が高くなると噴射から点火までのクランク角
度が長く必要となる。これは、回転数の上昇によりピス
トンの動きが早くなるのに加え、雰囲気圧力の上昇によ
り噴霧の速度が遅くなるためと考えられる。本発明では
燃料安定範囲７００は広くなるので噴霧等の条件が変動
しても安定した燃焼を行うことが可能である。また、エ
ンジンの回転数に依らず安定した燃焼を行うことが可能
である。
【００２８】図１０は横軸にエンジン回転数、縦軸にク
ランク角度をとり、噴射から圧縮ＴＤＣまでに点火プラ
グ付近に可燃混合気が存在する領域を示している。従来
例では可燃混合気が存在する領域７１０は狭く、回転数
が上昇すると圧縮ＴＤＣ近くにならなければ点火プラグ
付近に可燃混合気が到達しないため、燃費の良い点火時
期に点火できない。本発明では従来例と同様に雰囲気圧
力の上昇により噴霧速度は遅くなるが、回転数の上昇と
共に強くなる順タンブルにより噴霧の流れがサポートさ
れ、結果的に噴霧が点火プラグに到達するまでの時間は
回転数の影響を受け難い（７１１）。また、混合気が成
層化している時間は図７に示したように長いため、図１
０のように回転数とクランク角度に対して広い領域で可
燃混合気が点火プラグ付近に成層化されて燃焼安定性が
向上し、燃費最良点火時期を選択することにより燃費を
向上させることができる。
【００２９】図１１は、キャビティピストンを用いた従
来エンジンと比較した燃費と空燃比の関係図である。本
発明では、燃料が直接プラグへ向かうため従来より成層
化の効率が良く、空燃比（Ａ／Ｆ）の大きい（燃費の良
い）領域で安定した燃焼を行うことができ、また、同じ
空燃比でも前述のように最良燃費となる点火時期を選択
できるため、空燃比の全領域にわたって燃費が向上す
る。また、ピストンで燃料をガイドしないため、ピスト
ンへの燃料付着が低減され、噴霧の未燃焼による排出Ｈ
Ｃを低減することができる。
【００３０】図１２は均質運転時の燃焼室内の様子を表
した図である。均質燃焼を行う高回転高出力時には、吸
気行程中の強い旋回流の中に燃料を噴射する必要があ
る。従来は、中空円錐噴霧にキャビティピストンを用い
ており、左図のような双子渦が燃焼室に形成された。よ
って、噴射された燃料が流されて燃焼室吸気側に集中し
て均質に混合されず、出力が上がらない欠点があった。
本発明はフラットピストン（または、順タンブルを阻害
しないような形状であればキャビティを持つピストンで
も良い）を用いているので、ピストンで旋回流が阻害さ
れることはなく、燃焼室全体にわたって順タンブルが形
成される。吸気弁から直下に向かう流れはあるが、貫通
力が強い噴霧を用いるため噴霧が旋回流に打ち勝ち燃焼
室内全体に混合気が分布する。
【００３１】このように、燃焼室全体を均質に混合させ
ることで、図１３のように出力向上を図ることができ
る。また、回転数が上昇すると共に空気流動は強くなる
が、噴射期間も長くなるために噴霧の貫通力が増大し、
混合が促進される。よって、回転数が上昇しても出力向
上効果は維持される。
【００３２】図１２の左図のようなキャビティ付のピス
トンに本発明の筒内噴射型燃料噴射弁を用いた場合につ
いて考えると、本発明では噴霧が分割されているので、
ピストン方向に向かう燃料噴霧は従来と比べて少量とな
り、ピストンへの燃料付着が低減される。また、プラグ
方向へ向かう貫通力大の噴霧は吸気ポートから真下へ向
かう流れに逆らうため空気との混合が促進され、従来の
構成より燃焼室内を均質に混合することができ、出力向
上効果が得られる。
【００３３】図１４は中空円錐噴霧を偏向させて点火プ
ラグ方向に強くピストン方向へ弱い噴霧を形成した場合
の例である。加圧雰囲気下でコンパクトな噴霧形状（図
１９（ｂ））になるが、噴霧の一部がタンブルの力を借
りて点火プラグ付近に到達できるため、従来のものより
点火性能は改善される。また、噴霧の貫通力が小さいた
め、ピストンへの燃料の付着も低減できる。
【００３４】図１５にエンジンシステムを示す。電子制
御絞弁９０１は、図示しないエアクリーナを通過した空
気の空気量を高精度に制御している。その下流には旋回
流生成機構９００があり、これを電子制御することで運
転条件に合わせた旋回流を燃焼室内に生成させることが
できる。これらの弁や、燃料噴射弁１はエンジンコント
ロールユニット（ＥＣＵ）９０２によって制御されてい
る。排気管には従来のポート噴射で用いられている三元
触媒９０３と、空燃比の大きいリーン燃焼で多く発生す
るＮＯｘを排除するリーンＮＯｘ触媒９０４を備えてい
る。９０５，９０６は、Ｏ2 センサまたはＡ／Ｆセンサ
である。
【００３５】図１６は燃料噴射弁１の燃料噴口付近の縦
断面図と底面図である。燃料噴射弁１の先端は、弁体３
と協働して噴射燃料量を制御する弁座７，燃料に旋回力
を与える燃料旋回素子２，噴霧を分割するためのスプリ
ッタ１１，それを支えるスペーサ１０から構成される。
スプリッタ１１は噴口中心から偏心量（オフセット）を
持って配置されている。
【００３６】この燃料噴射弁１の動作を説明する。通
常、弁体３は弁座７に押さえつけられており、上部から
流入する燃料をシールしている。噴射信号が入力される
と弁体３が上昇し弁座７の間に間隙が形成され、噴射信
号が切れると弁体３は弁座７に戻る。
【００３７】次に、燃料の流れを説明する。燃料は上部
から一定圧力で燃料噴射弁１に流入し、燃料旋回素子２
に到達する。噴射信号により弁体３が上昇すると燃料が
流れ始め、噴射が開始される。燃料は燃料旋回素子２に
よって旋回力が与えられ、噴口８から噴射された噴霧は
中空円錐形状となる。噴霧はスペーサ１０を通り、スプ
リッタ１１に衝突することにより、中空円錐噴霧の一部
が切り取られ、噴霧内部への空気流路１０１が形成され
る（図１７）。
【００３８】図１７上図は雰囲気圧力が大気の場合の図
である。このように空気流路１０１が形成されると噴霧
の内外圧差がなくなり、噴霧は直線的に噴射方向に飛翔
する。
【００３９】しかし図１７下図のような加圧下では、不
均等に分割した噴霧のうち、貫通力大に分割された噴霧
は内部に十分に空気が導入されるため直線的に飛翔する
が、他方の貫通力小に分割された噴霧は内部への空気導
入が不十分となるために内外圧差が発生し、噴霧は内部
へ巻き込まれ、コンパクトな形状（図１９（ｂ））とな
る。
【００４０】図１８に撮影装置系を示す。（ａ）は平面
図、（ｂ）は側面図である。耐圧約１ＭＰａの容器２１
０に噴射弁１を取り付け、その内部に燃料を噴射する。
出力３ＷのＡｒレーザ２００を２枚のシリンドリカルレ
ンズを用いた光学系２０１によりシート状２０３にし、
それを耐圧容器２１０のアクリル製の窓２１１を通して
噴射弁中心軸を含む断面に照射する。噴霧１００による
レーザの散乱光をレーザの平面と直角方向に配置した高
速度ビデオカメラ２２０で、シャッタ速度4500コマ／秒
で撮影する。撮影した画像は高速度ビデオカメラの本体
２２１を通してモニタ２２２に表示する。パルスジェネ
レータ２３０からの噴射信号（１ms）と同期して高速度
ビデオカメラは撮影を開始し、噴射弁は駆動回路２３１
で駆動され燃料を噴射する。燃料は燃料タンク２４０か
らポンプ２４１で加圧して噴射弁１へ送る。耐圧容器内
は、圧縮行程の加圧雰囲気下を模擬した０.５ＭＰａ(絶
対圧）にした場合と吸気行程噴射を模擬して０.１ＭＰ
ａ(大気圧）にした場合の噴霧を観察する。容器内部は
安全性を考慮して窒素ガス２５０を充填した。
【００４１】図１９に従来の旋回式噴射弁の噴霧写真、
図２０に本発明の噴霧写真（スプリッタオフセット量＝
０）を示す。実際には、スプリッタとして噴口下２mmの
位置に幅２mm高さ０.５mm 程度の板を設けた。（ａ）は
雰囲気圧力０.１ＭＰａ の場合で、噴射開始から約１.
８ｍｓ後の噴霧形状である。（ｂ）は雰囲気圧力０.５
Ｍｐａの場合で、噴霧の特徴が明確になる噴射開始から
約４.０ｍｓ の噴霧形状である。
【００４２】従来噴霧は大気圧下では中空円錐形（図１
９（ａ））で、加圧雰囲気下では噴霧内部への空気のエ
ントレイメントによりコンパクトな噴霧形状となってい
ることが分かる（ｂ）。本発明の噴霧は大気圧下では図
２０（ａ）に示すような中空噴霧であるが、従来噴霧と
比較すると噴霧角が広く貫通力が強くなっていることが
分かる。加圧雰囲気下（ｂ）では圧力が抵抗となって噴
霧の拡散が進み、噴霧角は大気と同等程度に広がってい
る。
【００４３】図２１に、噴射期間による噴霧角の変化を
示す。噴霧角αは噴霧形状の特徴をよく表すように、噴
射終了直前において噴霧の巻き上げが生じる点での噴霧
幅Ｗと噴霧巻き上げが生じる点までの噴霧の長さＬから
三角形を形成して図中の式により算出した。従来噴霧は
大気中でも噴射期間が長くなると噴霧角が小さくなる傾
向にある。加圧雰囲気下では大気と比較すると２０〜５
０％程度噴霧角が狭くなっている。本発明の噴霧は大気
圧下と加圧下で、上記定義による噴霧角αの変化は小さ
く、噴射期間の影響も小さい。
【００４４】図２２を用いて噴霧角の変化を説明する。
大気圧下と加圧下で噴霧角の変化が小さいという現象は
噴霧の内外圧差に起因する。噴霧の内外圧差は図中の式
のようにベルヌーイの定理によって説明できる。
【００４５】静止雰囲気中に噴射された噴霧は周囲の空
気を引張りながら成長する。空気は引張られるとその部
分の圧力が低下するが、従来噴霧の場合、噴霧外部は周
囲から空気が補給される。しかし、噴霧内部には空気が
補給されないため、噴霧内部圧力は低下する。噴霧１０
０の噴霧内部圧力をＰ１、外部圧力をＰ２とするとＰ２
＞Ｐ１となり、圧力差により図中１６０のような力が生
じ流れが形成される。
【００４６】加圧雰囲気では圧力差が増大し、例えば、
中空円錐噴霧において大気圧下での噴霧を基準に、雰囲
気圧力０.５ＭＰａ での噴霧の内外圧差を計算すると、
約３.２ 倍の差があることが分かる。よって、加圧下で
は内部へ向かう力が大きくなるので、噴霧が内部に引き
込まれて噴霧角が狭くなる。噴射射期間が長くなる場合
も同様で噴霧に引張られる空気量が増し、内外圧差が増
加するため噴霧角が狭くなる。
【００４７】本発明の噴霧では、スプリッタで噴霧の一
部を切り取り噴霧内部への空気導入路を形成すること
で、噴霧の内外圧差を低減している。内外圧差がなくな
ると１６０の流れは生じないため、噴射期間や雰囲気圧
力によって噴霧角は変化しない。
【００４８】図１のような噴霧１００を作るにはスプリ
ッタ１１の位置を噴口８の中心からオフセットさせるこ
とで可能となる。図２３は噴霧とスプリッタの関係を噴
射弁１下方から見た模式図である。噴霧１００は中空円
錐形状であり、噴霧はスプリッタ１１によって分割され
る。このとき、スプリッタ１１を図のように噴霧中心か
らオフセットさせた位置に配置すると、分割されて領域
が大きく残った１２２の噴霧内部１２０にはスプリッタ
１１により形成された空気通路からの空気流入が充分で
なく、噴霧の内外圧差が生じることになる。反対側１２
１は内外圧差が無いため噴霧は直線的に成長するが、内
外圧差ができる側は噴霧内部への流れが形成され、貫通
力が小さくなり、図２３右図のような噴霧となる。
【００４９】図２３において、噴霧の長い方(貫通力大
の方)の長さをＬａ、短い方（貫通力大の小）の長さを
Ｌｂとすると、Ｌｂとスプリッタオフセット量の関係は
図２４のようになる。オフセットがない場合は左右均等
な噴霧となるため、Ｌａ＝Ｌｂとなり、オフセット量が
大きくなるに従い内部１２０への空気導入が困難になる
ためＬｂが減少する。ここで、オフセットが少なくＬｂ
の貫通力が大きいとピストンへの燃料付着量が増加し、
反対にオフセットが多いとＬｂは低減できるが、プラグ
へ向かう燃料量が減少するため燃焼安定性が悪化する。
以上を参考にしてオフセット量を決定する必要がある。
【００５０】図２５に噴口８，スペーサ１０，スプリッ
タ１１の寸法の関係を示す。噴口８の直径をａ，スペー
サ１０の空洞径をｂ，厚みをｃ，スプリッタの厚みを
ｄ，太さをｅ，噴口中心からのオフセット量をｆ，噴射
される噴霧の角度をα（図２１で定義）、噴霧角の頂点
から噴口８出口までの距離をｘとした。これらの寸法は
図中の式を満たす必要がある。式１はスペーサの穴径ｂ
を規定しており、噴口径ａと噴霧角αから噴霧がスペー
サと干渉しない寸法でなければならない。式２はスプリ
ッタの幅ｅを噴霧角とスペーサの厚みから算出してい
る。スプリッタの幅はスプリッタに到達したときの噴霧
径よりも小さい値でなければならない。式３はスプリッ
タのオフセット量ｆであり、これが噴霧径とスプリッタ
の幅から噴霧を分割できるところに配置できる値でなけ
ればならない。式４は他の式で用いたｘの計算式であ
る。
【００５１】図２６は、スプリッタ１１を片持ち梁を２
本用いた形状にしたものである。このような形状でも噴
霧を分割する事が可能であり、更にスプリッタ１１に付
着する燃料量を低減できるメリットがある。また、スプ
リッタ１１の断面形状は四角柱以外に多角柱（三角柱を
含む）や円柱が考えられる。四角柱と比較して三角柱や
円柱では流れに与える抵抗が少なく分離することが可能
であり、エネルギの損失を低減できる。
【００５２】また、図２７のようにスプリッタ１１の形
状を応用すると、スプリッタ１１をオフセットさせなく
ても噴霧に貫通力の大小を持たせることが可能である。
このスプリッタ１１の断面形状は三角形の最も長い辺を
噴射弁底面と角度（この図では４５度）を持って配置し
ている。これによって、最終的に噴霧を大小に分割する
ことができ、貫通力に違いを与えることが可能となる。
この図では、左側の噴霧が貫通力大である。
【００５３】図２８は、スプリッタを３つ設けた場合で
あり、３つに分割した１つの辺を点火プラグ方向へ向け
て使用することで見かけのＬａ／Ｌｂを大きくできる。
【００５４】図２９に示すように噴射弁の先端に厚さ数
百ミクロン程度の厚みの板を数枚取り付け、板４００に
は数ミリの円形の穴４０１を、板４１０には数百ミクロ
ン×数ミリの長いスリット４１１を、板４２０にはスリ
ット４１１と直角方向に数ミリ×数百ミクロンのスリッ
ト４２１とそれより幅の狭いスリット４２２を設けた。
これらのスリットを介すことで燃料は微粒化され、スリ
ットの幅により４２１は流量が多く貫通力が強くなり、
４２２は流量が少なく貫通力を弱くできる。
【００５５】図３０はディーゼルエンジンの噴射弁のよ
うに、噴射弁内部に燃料を溜めるサック５００を持た
せ、サック５００から外部に通じる径の大きい噴口５０
１と径の小さい噴口５０２を設けた構造である。これも
噴口径を不均等にすることで、燃料流量を変化させて噴
霧の形状に貫通力の大小を持たせることができる。噴口
５０１側の噴霧が貫通力大、噴口５０２側の噴霧が貫通
力小である。
【００５６】このように、従来の旋回微粒化式噴射弁の
先端にスプリッタを設ける等して燃料噴霧を分割すると
いう簡単な構成で、加圧雰囲気下でも広い噴霧角を維持
し、点火プラグ方向に強い貫通力、ピストン方向に弱い
貫通力を持った噴霧を形成することができる。この噴霧
をフラットピストンを用いた筒内噴射エンジンに適用す
ることで、燃焼安定性と燃費を向上させ、排出ＨＣを低
減し、高回転域での成層化を達成できる。
【００５７】
【発明の効果】ピストンへの燃料付着を低減できる。こ
れによって排出ＨＣを低減し、燃費を向上するという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関断面図（１）。
【図２】エンジン動作説明図。
【図３】内燃機関断面図（２）。
【図４】内燃機関断面図（３）。
【図５】噴霧と旋回流の関係。
【図６】混合気分布計算結果（１）。
【図７】混合気分布計算結果（２）。
【図８】プラグ近傍空燃比の変化。
【図９】燃焼安定範囲。
【図１０】回転数とプラグ近傍空燃比の関係。
【図１１】空燃比と燃費の関係。
【図１２】内燃機関断面図（４）。
【図１３】回転数と出力の関係。
【図１４】内燃機関断面図（５）。
【図１５】システム図。
【図１６】燃料噴射弁断面図（１）。
【図１７】噴霧斜視図。
【図１８】噴霧撮影装置。
【図１９】噴霧断面形状（１）。
【図２０】噴霧断面形状（２）。
【図２１】噴射期間と噴霧角の関係。
【図２２】噴霧角変化の説明図。
【図２３】噴霧形状模式図（１）。
【図２４】スプリッタオフセット量と燃焼の関係。
【図２５】燃料噴射弁寸法関係図。
【図２６】燃料噴射弁断面図（２）。
【図２７】スプリッタ配置図（１）。
【図２８】スプリッタ配置図（２）。
【図３９】燃料噴射弁断面図（３）。
【図３０】燃料噴射弁断面図（４）。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁、２…燃料旋回素子、３…弁体、１０…
スペーサ、１１…スプリッタ、１００…燃料噴霧、１５
０…旋回流、３００…内燃機関、３０１…ピストン、３
０２…点火プラグ、３１０…吸気弁、３２０…排気弁。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１０年１２月９日（１９９８．１２．
９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関断面図（１）。
【図２】エンジン動作説明図。
【図３】内燃機関断面図（２）。
【図４】内燃機関断面図（３）。
【図５】噴霧と旋回流の関係。
【図６】混合気分布計算結果（１）。
【図７】混合気分布計算結果（２）。
【図８】プラグ近傍空燃比の変化。
【図９】燃焼安定範囲。
【図１０】回転数とプラグ近傍空燃比の関係。
【図１１】空燃比と燃費の関係。
【図１２】内燃機関断面図（４）。
【図１３】回転数と出力の関係。
【図１４】内燃機関断面図（５）。
【図１５】システム図。
【図１６】燃料噴射弁断面図（１）。
【図１７】噴霧斜視図。
【図１８】噴霧撮影装置。
【図１９】噴霧断面形状（１）。
【図２０】噴霧断面形状（２）。
【図２１】噴射期間と噴霧角の関係。
【図２２】噴霧角変化の説明図。
【図２３】噴霧形状模式図（１）。
【図２４】スプリッタオフセット量と燃焼の関係。
【図２５】燃料噴射弁寸法関係図。
【図２６】燃料噴射弁断面図（２）。
【図２７】スプリッタ配置図（１）。
【図２８】スプリッタ配置図（２）。
【図２９】燃料噴射弁断面図（３）。
【図３０】燃料噴射弁断面図（４）。
【符号の説明】 １…燃料噴射弁、２…燃料旋回素子、３…弁体、１０…
スペーサ、１１…スプリッタ、１００…燃料噴霧、１５
０…旋回流、３００…内燃機関、３０１…ピストン、３
０２…点火プラグ、３１０…吸気弁、３２０…排気弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/18 ３６０ Ｆ０２Ｍ 61/18 ３６０Ｊ (72)発明者 野木 利治 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 (72)発明者 白石 拓也 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 (72)発明者 徳安 昇 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 (72)発明者 助川 義寛 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 (72)発明者 木原 裕介 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 Ｆターム(参考） 3G023 AA02 AA04 AB03 AC05 AD03 AD07 AD09 AE05 3G066 AA02 AA03 AB02 AD12 CC22 CC32 CC37 CC43 CC48 DC24

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ピストンにより燃焼室の容積を変化させ、 前記燃焼室内に空気の旋回流を発生させ、 燃料噴射を貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧と
    に分割し、 前記貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向へ向けて、前
    記貫通力小の燃料噴霧を前記ピストン方向へ向けて直接
    前記燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関の燃
    料噴射方法。
  2. 【請求項２】請求項１において、 前記空気の旋回流は順タンブルであり、 この順タンブルによって前記ピストンの方向から前記貫
    通力小の燃料噴霧を巻き上げ、前記点火プラグへ搬送す
    ることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の燃料噴射方
    法。
  3. 【請求項３】端部に燃料噴口を有する燃料通路と、燃料
    通路の途中に設けられた弁座と、この弁座と協動して、
    前記燃料通路を開閉する弁体と、 前記弁体と弁座との間を通る燃料に旋回力を与える旋回
    素子と、 前記燃料噴口部に前記燃料噴口の中心から偏心した位置
    にスプリッタを備えた燃料噴霧分割手段とを有する筒内
    噴射型燃料噴射弁。
  4. 【請求項４】端部に燃料噴口を有する燃料通路と、燃料
    通路の途中に設けられた弁座と、この弁座と協動して、
    前記燃料通路を開閉する弁体と、 前記弁体と弁座との間を通る燃料に旋回力を与える旋回
    素子と、 前記燃料噴口部にその燃料噴口に対向する部分が非等辺
    の山形に形成されているスプリッタを備えた燃料噴霧分
    割手段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁。
  5. 【請求項５】端部に燃料噴口を有する燃料通路と、燃料
    通路の途中に設けられた弁座と、この弁座と協動して、
    前記燃料通路を開閉する弁体と、 前記燃料噴口部に設けられ、前記燃料噴口より大径の孔
    を有する燃料拡大手段と、 前記燃料拡大手段の下流に設けられ、スリット状の孔を
    有する燃料案内手段と、 前記燃料案内手段の下流に設けられ、前記燃料案内手段
    の前記スリット状の孔に対して直角に設けられた第１の
    スリット状の孔と前記第１のスリット状の孔と平行で前
    記第１のスリット状の孔より幅の大きな第２のスリット
    状の孔を備えた燃料噴霧手段とを有する筒内噴射型燃料
    噴射弁。
  6. 【請求項６】請求項３において、前記スプリッタは円柱
    又は多角柱であることを特徴とする筒内噴射型燃料噴射
    弁。
  7. 【請求項７】請求項３において、前記スプリッタは中心
    部分で分断されていることを特徴とする筒内噴射型燃料
    噴射弁。
  8. 【請求項８】吸気弁を通して空気を吸入する燃焼室と、 この燃焼室の容積を変化させるピストンと、 前記燃焼室内に空気の旋回流を発生させる旋回流生成手
    段と、 前記燃焼室に直接燃料を供給する筒内噴射型の燃料噴射
    弁であって、貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧
    とに分割して燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、 前記燃料噴射弁から噴射される貫通力大の燃料噴霧を点
    火プラグ方向へ向けて噴射するように、且つ貫通力小の
    燃料噴霧を前記ピストン方向へ向けて噴射するように前
    記燃焼室に対し前記燃料噴射弁を配置し、前記空気の旋
    回流によって、前記貫通力大の燃料噴霧が前記プラグ側
    へ案内される様に構成した筒内噴射型内燃機関。
  9. 【請求項９】請求項８において、 前記ピストンはフラットピストンであることを特徴とす
    る筒内噴射型燃料機関。
  10. 【請求項１０】２つの吸気弁を通して空気を吸入する燃
    焼室と、 この燃焼室の容積を変化させるピストンを有し、 前記燃焼室内に空気の旋回流を発生させる旋回流生成手
    段と、 前記２つの吸気弁の間に配置され、前記空気の旋回流が
    生成されている前記燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴
    射弁であって、噴射される燃料噴霧を貫通力大の燃料噴
    霧と貫通力小の燃料噴霧とに分割して前記貫通力大の燃
    料噴霧を点火プラグまたは点火プラグ付近へ向けて、前
    記貫通力小の燃料噴霧を前記ピストンへ向けて噴射する
    燃料噴射弁とを有する筒内噴射型内燃機関。
  11. 【請求項１１】ピストンにより、燃焼室の容積を変化さ
    せ、 前記燃焼室内に順タンブル空気流を発生させ、 点火プラグまたは点火プラグ付近へ向けて噴射される貫
    通力大の燃料噴霧と前記ピストンへ向けて噴射される貫
    通力小の燃料噴霧とに分割して噴射し、 前記順タンブル空気流によって前記ピストンの方向から
    前記貫通力小の燃料噴霧を巻き上げて前記点火プラグ方
    向へ搬送し、 前記点火プラグに点火して前記燃料噴霧を燃焼させる筒
    内噴射型内燃機関の燃焼方法。
  12. 【請求項１２】請求項１，１１のいずれかにおいて、前
    記燃焼室の上方から見た時、貫通力大の燃料噴霧のシリ
    ンダ周壁方向への広がり角度が貫通力小の燃料噴霧のシ
    リンダ周壁方向への広がり角度より小さい筒内噴射型内
    燃機関の燃料噴射方法もしくは燃焼方法。
  13. 【請求項１３】請求項８，１０のいずれかにおいて、前
    記燃焼室の上方から見た時、貫通力大の燃料噴霧のシリ
    ンダ周壁方向への広がり角度が貫通力小の燃料噴霧のシ
    リンダ周壁方向への広がり角度より小さくした筒内噴射
    型内燃機関。
JP27958698A 1998-01-10 1998-10-01 筒内噴射型内燃機関の燃料噴射方法および、燃料噴射弁，内燃機関，燃焼方法 Expired - Fee Related JP3932697B2 (ja)

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