内燃機関の燃料噴射装置
【課題】燃料噴霧の指向性を燃圧によって変化させることが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射弁２１Ａは、複数の噴孔２５ｕが含まれ気筒の中心線方向の上側に位置する上側噴孔群２５Ｕと、複数の噴孔２５ｄが含まれ中心線方向の下側に位置する下側噴孔群２５Ｄとを含み、下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流での燃料存在密度が、上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高い特性を有している。その特性を得るため、燃料噴射弁２１Ａは、下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量が上側噴孔群Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成されている。
【解決手段】燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射弁２１Ａは、複数の噴孔２５ｕが含まれ気筒の中心線方向の上側に位置する上側噴孔群２５Ｕと、複数の噴孔２５ｄが含まれ中心線方向の下側に位置する下側噴孔群２５Ｄとを含み、下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流での燃料存在密度が、上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高い特性を有している。その特性を得るため、燃料噴射弁２１Ａは、下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量が上側噴孔群Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔ノズルを持つ燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置として、燃料噴霧間の距離が近く燃圧が高い場合に多孔ノズルの噴射方向下流の空間の燃料存在密度が高くなって、燃料噴霧群全体のペネトレーションが増大する性質を、ピストン運動量が弱い条件で利用するものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５４７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、噴霧特性は噴孔形状、噴霧の広がり角、噴射方向などのノズル固有仕様に依存する。噴霧特性には燃圧で変化するものもあるが、噴霧特性のうち燃料噴霧の指向性を燃圧によって変化させることは困難である。つまり、従来の燃料噴射弁においては、燃料噴霧の指向性を特定の燃圧の前後で有意に変化させることは困難な状況にある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料噴霧の指向性を燃圧によって変化させることが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の燃料噴射装置は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の中心線を横切る方向に噴射された燃料が向かうように配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されているものである（請求項１）。また、本発明の第２の燃料噴射装置は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の吸気側から排気側に向けて配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されているものである（請求項２）。
【０００７】
上側噴孔群及び下側噴孔群から噴射された燃料噴霧群を合わせて一つの燃料噴霧とみなした場合、燃圧が低ければ燃料存在密度の偏りが目立たずに各燃料噴霧が離散的であり一体となり難い。一方、燃圧が高ければ下側噴孔群の噴射方向下流の燃料存在密度が更に高まって下側の燃料噴霧群が全体に対する主要な流れを形成した一つの燃料噴霧が得られる。その燃料噴霧は、下側の燃料噴霧群が主要な流れを形成するため、燃圧が低い場合に比べてその指向性が下側に変化する。従って、燃圧を適宜制御することによって燃料噴霧の指向性を変化させることができるので、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を単一の燃料噴射弁によって得ることが可能となる。
【０００８】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様として、前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される燃料の流量が、前記上側噴孔群から噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成してもよい（請求項３）。この態様によれば、上側噴孔群に含まれる噴孔と下側噴孔群に含まれる噴孔とが同一の噴孔であっても、下側噴孔群から噴射される燃料の流量が上側噴孔群から噴射される燃料の流量に比べて大きいことにより、下側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度が上側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度に比べて高くなる。
【０００９】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様として、前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が第１直線上に、前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が第２直線上にそれぞれ配置されており、前記第１直線と前記第２直線とが互いに平行であってもよい（請求項４）。また、前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチと、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチとが等しく、前記第１ピッチ及び第２ピッチが前記第１直線と前記第２直線との間隔よりも大きくてもよい（請求項５）。これらの場合には、各噴孔群の配列が簡素化されるため燃料噴射弁の製作が容易になる。また、多くの燃料噴射弁を製作した場合の個体差が生じ難い利点がある。
【００１０】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様において、前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、前記上側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔に比べて狭くなるように構成されてもよい（請求項６）。下側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、上側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔に比べて狭くなることで、下側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度が上側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度に比べて高くなる。隣り合う燃料噴霧間の間隔は、隣り合う２つの噴孔の中心間距離を調整することにより調整可能である。
【００１１】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様において、前記燃料噴射弁は、前記中心線と直交しかつ前記燃料噴射弁の先端を通る基準線を基準とした下向きの噴射角の変化率が切り替わる特定燃圧値が燃圧の変更範囲内に存在するように構成されており、前記内燃機関が所定の回転速度よりも低い低回転速度時に前記特定燃圧値よりも低くなるように、かつ前記内燃機関が前記所定の回転速度以上の高回転速度時に前記特定燃圧値以上となるように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御する燃圧制御手段を更に備えてもよい（請求項７）。内燃機関の回転速度が高くなるに従って、気筒内に形成されるタンブルの渦中心は気筒の中心線方向の下方向に移動することが知られている。この態様によれば、内燃機関の低回転速度時に特定燃圧値よりも燃圧を低く、内燃機関の高回転速度時に燃圧を特定燃圧値以上とすることができるので、タンブルの渦中心の変化に燃料噴霧の噴射角を合わせることが可能になる。これにより、内燃機関の回転速度の変化に伴って変化するタンブルに燃料噴霧をうまく乗せて混合気の攪拌を促進できる。よって、燃料混合気の均質度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様として、前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチは、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチよりも大きくされていてもよい（請求項８）。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明の燃料噴射装置によれば、燃圧を適宜制御することによって燃料噴霧の指向性を変化させることができるので、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を単一の燃料噴射弁によって得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示した図。
【図２】第１の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。
【図３】図１の燃料噴射弁の先端から噴射方向に向かう距離Ｚの位置における燃料噴霧のＡ−Ａ断面を模式的に示した図。
【図４】燃圧と噴霧長との関係を示した図。
【図５】燃圧が特定燃圧値よりも低い場合、燃圧が特定燃圧値以上の場合のそれぞれにおける燃料噴霧の状態を気筒の半径方向から見て模式的に示した説明図。
【図６】内燃機関の回転速度の変化に伴うタンブルの渦中心の変化を示した図。
【図７】第２の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。
【図８】第３の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関を気筒の中心線方向から見た状態を示した平面図。
【図９】第３の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。
【図１０】図９のX−X線に沿った断面図。
【図１１】燃圧が特定燃圧値よりも低い場合、燃圧が特定燃圧値以上の場合のそれぞれにおける燃料噴霧の状態を気筒の中心線方向から見て模式的に示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載可能な火花点火式の４サイクル内燃機関として構成されている。内燃機関１は複数（図では１つ）の気筒２を備えている。各気筒２はシリンダブロック３に形成されており、各気筒２の上部はシリンダヘッド４にて塞がれている。各気筒２にはピストン５が往復運動自在に設けられている。なお、本発明における上側、下側とは、気筒における上死点側、下死点側を意味しており、例えば気筒が横向き等に配置されていても、上死点に近い側が上側であり、下死点に近い側が下側である。
【００１６】
各気筒２には吸気通路９及び排気通路１０がそれぞれ接続されている。吸気通路９はシリンダヘッド４に形成された吸気ポート１１を含み、排気通路１０はシリンダヘッド４に形成された排気ポート１２を含む。吸気ポート１１は吸気バルブ１３にて、排気ポート１２は排気バルブ１４にてそれぞれ開閉される。図示を省略したが、排気通路１０には三元触媒が設けられていて、排気通路１０を流れる既燃ガスである排気はその三元触媒にて浄化される。
【００１７】
シリンダヘッド４には、気筒２内に先端部を臨ませるようにして気筒２の天井面の中央部に配置された点火プラグ２０が設けられている。また、シリンダヘッド４には気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁２１Ａが吸気ポート１１に沿うように設けられている。即ち、燃料噴射弁２１Ａは、気筒２の中心線ＣＬを横切る方向に噴射された燃料が向かうように配置されている。燃料噴射弁２１Ａは電磁駆動式の燃料噴射弁であり、その先端部には複数の噴孔が形成されている。気筒２毎に設けられた燃料噴射弁２１Ａは共通のデリバリパイプ２２に接続される。デリバリパイプ２２には不図示のオイルポンプにて圧送された燃料が導かれる。デリバリパイプ２２には各燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧を調整する燃圧調整機構２３が設けられている。燃料噴射弁２１Ａ及び燃圧調整機構２３のそれぞれはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２４にて制御される。ＥＣＵ２４は内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２４には、内燃機関１の回転速度等の運転状態を示す情報が不図示の各種センサから入力される。ＥＣＵ２４は、こうした情報を利用しつつ予め用意された各種の制御プログラムを実行して燃料の噴射時期、噴射期間（噴射量）等の制御を含む燃料噴射制御や点火時期の制御等を行う。ＥＣＵ２４が行う本発明に関連する制御については後述する。
【００１８】
図２に示したように、燃料噴射弁２１Ａは合計６つの噴孔２５ｕ、２５ｄが形成されている。なお、図２の上下方向は図１の上下方向に、図２の左右方向は図１の紙面と直交する方向にそれぞれ対応する。図２に示したこれらの噴孔のうち、気筒２の中心線ＣＬ（図１参照）の方向の上側に位置する３つの噴孔２５ｕは上側噴孔群２５Ｕを構成し、中心線ＣＬの方向の下側に位置する３つの噴孔２５ｄは下側噴孔群２５Ｄを構成する。上側噴孔群２５Ｕに含まれる３つの噴孔２５ｕは第１直線Ｌ１上に、下側噴孔群２５Ｄに含まれる３つの噴孔２５ｄは第２直線Ｌ２上にそれぞれ配置されており、これら第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２は互いに平行である。上側噴孔群２５Ｕに含まれる隣接する２つの噴孔２５ｕの中心間距離である第１ピッチＰ１と下側噴孔群２５Ｄの第２ピッチＰ２とは等しい。そして、第１ピッチＰ１及び第２ピッチＰ２は第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との間隔ｄよりも大きい。燃料噴射弁２１Ａは、複数の噴孔が互いに同一で、各噴孔群が直線上に配置されているため各噴孔群の配列が簡素化される。これにより燃料噴射弁２１Ａの製作が容易になる。また、多くの燃料噴射弁２１Ａを製作した場合の個体差が生じ難い利点がある。
【００１９】
燃料噴射弁２１Ａは、各噴孔に燃料を導く燃料通路（不図示）の設計によって下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量が上側噴孔群２５Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成されている。そのため、燃料噴射弁２１Ａが噴射する燃料噴霧Ｆ（図１）には、その燃料存在密度の分布の上側が低く下側が高い偏りが形成される。図３は、燃料噴射弁２１Ａの先端から噴射方向に向かう距離Ｚの位置（図１参照）における燃料噴霧Ｆ（燃料噴霧群）のＡ−Ａ断面を模式的に示している。図３から明らかなように、燃料噴霧Ｆは各噴孔から噴射される噴霧ｆｕ、ｆｄが集まって構成され、各噴霧ｆｕ、ｆｄの配列は図２に示された噴孔２５ｕ、２５ｄの配列と相似関係にある。つまり、上側噴孔群２５Ｕから噴射された噴霧ｆｕは第１直線Ｓ１上に、下側噴孔群２５Ｄから噴射された噴霧ｆｄは第２直線Ｓ２上にそれぞれ配置され、これら第１直線Ｓ１及び第２直線Ｓ２は互いに平行である。そして、噴霧ｆｕの第１ピッチｐ１と噴霧ｆｄの第２ピッチｐ２とが等しく、第１ピッチｐ１及び第２ピッチｐ２は第１直線Ｓ１と第２直線Ｓ２との間隔ｄ′よりも大きい。そして、図示のように、下側噴孔群２５Ｄから噴射された噴霧ｆｄの流量Ｑｄが上側噴孔群２５Ｕから噴射された噴霧ｆｕの流量Ｑｕよりも大きくなっている。換言すれば、燃料噴射弁２１Ａは下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流における燃料存在密度が上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流における燃料存在密度よりも高い特性を有する。
【００２０】
燃料噴霧Ｆの燃料存在密度が上側と下側とで相違することから、燃料噴霧Ｆの指向性（噴射角及び噴霧長）を燃圧によって変化させることができる。図１に示すように、噴射角Ｖは、気筒２の中心線ＣＬと直交しかつ燃料噴射弁２１Ａの先端を通る基準線Ｌｓを基準とした下向きの角度として定義される。なお、噴射角Ｖを決定する直線Ｌは噴孔から所定距離離れた位置における燃料噴霧Ｆの重心Ｇを通るものとして定義される。
【００２１】
図４は燃圧と噴霧長との関係を示している。なお、燃圧に対する噴射角の変化も図４と同様の傾向を示す。この図の実線は本実施形態を、破線は燃料存在密度が上下で同一である比較例をそれぞれ示している。図４から明らかなように、燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧が変化した場合、その燃圧の変更範囲内に噴霧長（噴射角）の変化率が切り替わる特定燃圧値Ｐｃが存在する。つまり、噴霧長及び噴射角に代表される燃料噴霧Ｆの指向性が特定燃圧値Ｐｃを境界として顕著に変化する。
【００２２】
図５は燃圧が特定燃圧値よりも低い場合と特定燃圧値以上の場合とのそれぞれにおける燃料噴霧Ｆの状態を模式的に示した説明図であり、図中Ａは燃圧が特定燃圧値より低い場合を、図中Ｂは燃圧が特定燃圧値以上の場合をそれぞれ示している。図５のＡに示したように、燃料噴霧Ｆは、燃圧が低ければ燃料存在密度の偏りが目立たずに各燃料噴霧ｆｕ、ｆｄが離散的である。そのため、噴霧長ｌは相対的に短くなり、燃料噴霧Ｆの重心も燃料噴霧Ｆの略中央部に位置する。そして噴射角Ｖも相対的に小さくなる。一方、図５のＢに示したように、燃料噴霧Ｆは、燃圧が高ければ下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流の燃料存在密度が更に高まって下側の燃料噴霧群ｆｄ…が全体に対する主要な流れを形成する。そのため、燃料噴霧Ｆは、燃圧が低い場合に比べてその指向性が下側に変化する。つまり、燃料噴霧Ｆは、重心位置が下側にずれる。そして、下側の燃料噴霧群ｆｄ…が支配的になり上側の燃料噴霧群ｆｕ…を巻き込むため、燃料噴霧Ｆの指向性、即ち噴霧長ｌ及び噴射角Ｖがそれぞれ拡大する。噴射角Ｖの変化は一定値である燃料噴射弁２１Ａの搭載角αを参照すれば明確である。以上のことから、下側の燃料噴霧群ｆｄ…が主要な流れを形成し始める燃圧値が図４に示した特定燃圧値Ｐｃと推測できる。
【００２３】
次に、このような特性を利用したＥＣＵ２４による燃圧の制御について説明する。図６は内燃機関１の回転速度の変化に伴うタンブルの渦中心の変化を示している。図６に示すように、内燃機関１は吸気行程において気筒２内にタンブルＴが形成されるように吸気ポート１１が設計されている。そして、タンブルＴの渦中心Ｏは回転速度が高くなるに従って下側にシフトする。一般に、タンブルの渦中心の少し上側に燃料噴霧が位置するように噴射角が設定されると、燃料噴霧がタンブルに乗って攪拌されやすくなる。従って、このように噴射角を設定することは燃料混合気の均質性を高めるために有利であることが知られている。
【００２４】
そこで、ＥＣＵ２４は、燃圧調整機構２３を操作することによって、タンブルＴの渦中心Ｏが高い位置にある低回転速度時に燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも低く制御して燃料噴霧Ｆの噴射角Ｖを小さくし、かつタンブルＴの渦中心Ｏが低い位置にある高回転速度時に燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも高く制御して燃料噴霧Ｆの噴射角Ｖ及び噴霧長ｌをそれぞれ大きくしている。これにより、タンブルＴの渦中心Ｏの変化に応じて燃料噴霧Ｆの噴射角Ｖを合わせることが可能になるため、内燃機関１の回転速度の変化に伴って変化するタンブルＴに燃料噴霧Ｆをうまく乗せて混合気の攪拌を促進できる。よって、燃料混合気の均質度を向上させることができる。本形態において、本発明に係る燃圧制御手段はＥＣＵ２４及び燃圧調整機構２３が協働することにより実現される。
【００２５】
（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態について図７を参照しながら説明する。図７は第２の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示している。第２の形態は噴孔の配列を除いて第１の形態と共通である。図７に示すように、第２の形態の燃料噴射弁２１Ｂでは、噴孔の個数は第１の形態と同一であるが、下側噴孔群２５Ｄの第２ピッチＰ２が上側噴孔群２５Ｕの第１ピッチＰ１よりも小さくなっている。これにより、下側噴孔群２５Ｄから噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、上側噴孔群２５Ｕから噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔よりも狭くなる。従って、本形態においても、下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流の燃料存在密度が上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流の燃料存在密度よりも高くなるため、燃圧の変化に伴って燃料噴霧の指向性が変化する。これにより、上述した第１の形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合においては、第１の形態と同様に下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量を上側噴孔群２５Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくしてもよいし、上側噴孔群２５Ｕ及び下側噴孔群２５Ｄの流量配分を同じにしてもよい。
【００２６】
（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態について図８〜図１１を参照しながら説明する。第３の形態は噴孔の個数及び配列を除いて第１の形態と共通である。図８〜図１０に示したように、燃料噴射弁２１Ｃは、気筒２の吸気側から排気側へ向けて配置されている。燃料噴射弁２１Ｃに設けられた噴孔の個数は合計４つである。上側噴孔群２５Ｕに含まれる２つの噴孔２５ｕは第１直線Ｌ１上に、下側噴孔群２５Ｄに含まれる２つの噴孔２５ｄは第２直線Ｌ２上にそれぞれ配置されており、これら第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２は互いに平行である。そして、下側噴孔群２５Ｄの第２ピッチＰ２が上側噴孔群２５Ｕの第１ピッチＰ１よりも小さくなっている。第１ピッチＰ１及び第２ピッチＰ２のそれぞれは第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との間隔ｄよりも大きい。これにより、下側噴孔群２５Ｄから噴射される２つの燃料噴霧間の間隔が、上側噴孔群２５Ｕから噴射される２つの燃料噴霧間の間隔よりも狭くなる。従って、第３の形態においても、下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流の燃料存在密度が上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流の燃料存在密度よりも高くなるため、燃圧の変化に伴って燃料噴霧の指向性が変化する。これにより、上述した第１の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
また、図１０に示したように、燃料噴射弁２１Ｃに形成された４つの噴孔２５ｕ、２５ｄは気筒２の中心線ＣＬ方向を上下方向とした場合の左右方向に広がるように配置されている。なお、図１０の左右方向は図１の紙面と直交する方向に相当する。各噴孔２５ｕ、２５ｄの噴射方向は全体として放射状に設定されている。４つの噴孔２５ｕ、２５ｄがこのように構成されているため、気筒２の中心線ＣＬ方向から見た場合、各噴孔２５ｕ、２５ｄからの燃料噴霧ｆは図８に示した状態で気筒２内に配置される。各噴孔２５ｕ、２５ｄの噴射方向を規定する直線を噴射軸線Ａｘｆとし、隣り合う２つの噴射軸線Ａｘｆで形成される角度を挟み角θ１、θ２、θ３とする。この場合、気筒２の中央部の近くに位置する２つの噴射軸線Ａｘｆで形成される挟み角θ１は、他の挟み角θ２、θ３に比べて小さくなっている。本形態では、挟み角θ２と挟み角θ３とは同一である。但し、これらの挟み角θ２、θ３は、中央部の挟み角θ１よりも大きいことを条件として、互いに異ならせることもできる。
【００２８】
図８から理解できるように、挟み角が小さい場合は大きい場合に比べて隣接する燃料噴霧間の噴霧間隔が狭くなる。従って、４つの噴孔２５ｕ、２５ｄから噴射された４つの燃料噴霧ｆは中央部で噴霧間隔が狭く、その外側で噴霧間隔が広くなるように気筒２内に配置される。４つの燃料噴霧ｆがこのように配置されるため、燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧が低ければ、中央部の噴霧間隔が狭くても隣接する２つの燃料噴霧は合体しない。そのため、図１１のＡに示したように、４つの燃料噴霧ｆの集まりを一つの燃料噴霧Ｆとみなした場合、その一つの燃料噴霧Ｆの噴霧形状は中央部の燃料存在密度が外側よりも低い中抜き状となる。一方、その燃圧が高ければ、中央部に位置する２つの燃料噴霧の噴霧間隔が更に狭くなってこれらの燃料噴霧ｆが合体する。そのため、図１１のＢに示したように、燃料噴霧Ｆの噴霧形状は中央部とその外側とで燃料存在密度の差が少ない中実状となる。複数の燃料噴霧ｆが合体すると合体前に比べてペネトレーションが増加する。このため、図１１のＢに示すように燃料噴霧Ｆの噴霧長ｌは図１１のＡに示した合体前に比べて増加する。
【００２９】
このように、第３の形態によれば、燃圧によって燃料噴霧の指向性を変更できるとともに噴霧形状を中抜き状と中実状との間で変更することができる。なお、噴霧形状は、指向性の変化と同様に噴霧長の変化率が切り替わる特定燃圧値Ｐｃ（図４）を境界として変化すると推測される。従って、第３の形態は、燃圧が変化することによって噴霧形状と指向性とが同調して特定燃圧値Ｐｃを境界として変化すると考えられる。一般に、中抜き状の噴霧形状が適した運転状態と、中実状の噴霧形状が適した運転状態とが存在するため、内燃機関１の運転状態に応じて燃圧を、特定燃圧値Ｐｃよりも低い状態と特定燃圧値Ｐｃ以上の状態との間で切り替えることで、運転状態に適した噴霧形状を選択することができる。
【００３０】
例えば、点火プラグ２０の近傍に成層混合気を形成して着火性を向上させるべき運転状態の場合、ＥＣＵ２４が燃圧調整機構２３を操作することによって、燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも低い状態に制御して燃料噴霧Ｆの噴霧形状を中抜き状に変更する（図１１のＡ参照）。この場合、燃料濃度が局所的に高い成層混合気を点火プラグ２０の近傍に形成できる。しかも、中抜き状の噴霧形状のため点火プラグ２０に対する燃料の衝突を抑制できるから点火プラグ２０の点火不良を回避することが可能となる。また、内燃機関１の出力を向上させるべき運転状態の場合、ＥＣＵ２４が燃圧調整機構２３を操作することによって、燃圧を特定燃圧値Ｐｃ以上の状態に制御して燃料噴霧Ｆの噴霧形状を中実状に変更する（図１１のＢ参照）。この場合、燃料噴霧Ｆのペネトレーションが高いため、その噴流効果によって内燃機関１の燃焼効率が増加して出力の向上に寄与することができる。このようにＥＣＵ２４及び燃圧調整機構２３が協働することによって燃圧制御手段として機能できる。なお、第３の形態においても、第１の形態と同様に下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量を上側噴孔群２５Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくしてもよいし、上側噴孔群２５Ｕ及び下側噴孔群２５Ｄの流量配分を同じにしてもよい。
【００３１】
本発明は上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記の各形態は６又は４つの噴孔を上下２列に直線的に配列したものであるが、噴孔の個数に制限はない。また、噴孔の配列も、気筒の中心線方向の上側に位置する上側噴孔群及び下側に位置する下側噴孔群をそれぞれ観念できるものであれば格別の制限はない。要するに、下側噴孔群の噴射方向下流の燃料存在密度が上側噴孔群の噴射方向下流の燃料存在密度よりも高くなるのであれば、複数の噴孔をどのように配列してもよい。また、複数の噴孔を全て同じ形状及び寸法に設計することは一例であって、噴孔毎に形状や寸法を変化させることも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 内燃機関
２ 気筒
２１Ａ〜２１Ｃ 燃料噴射弁
２３ 燃圧調整機構（燃圧制御手段）
２４ ＥＣＵ（燃圧制御手段）
２５Ｕ 上側噴孔群
２５Ｄ 下側噴孔群
２５ｕ、２５ｄ 噴孔
ＣＬ 中心線
Ｌ１ 第１直線
Ｌ２ 第２直線
Ｌｓ 基準線
Ｖ 噴射角
ｄ 第１直線と第２直線との間隔
Ｐ１ 第１ピッチ
Ｐ２ 第２ピッチ
Ｐｃ 特定燃圧値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔ノズルを持つ燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置として、燃料噴霧間の距離が近く燃圧が高い場合に多孔ノズルの噴射方向下流の空間の燃料存在密度が高くなって、燃料噴霧群全体のペネトレーションが増大する性質を、ピストン運動量が弱い条件で利用するものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５４７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、噴霧特性は噴孔形状、噴霧の広がり角、噴射方向などのノズル固有仕様に依存する。噴霧特性には燃圧で変化するものもあるが、噴霧特性のうち燃料噴霧の指向性を燃圧によって変化させることは困難である。つまり、従来の燃料噴射弁においては、燃料噴霧の指向性を特定の燃圧の前後で有意に変化させることは困難な状況にある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料噴霧の指向性を燃圧によって変化させることが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の燃料噴射装置は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の中心線を横切る方向に噴射された燃料が向かうように配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されているものである（請求項１）。また、本発明の第２の燃料噴射装置は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の吸気側から排気側に向けて配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されているものである（請求項２）。
【０００７】
上側噴孔群及び下側噴孔群から噴射された燃料噴霧群を合わせて一つの燃料噴霧とみなした場合、燃圧が低ければ燃料存在密度の偏りが目立たずに各燃料噴霧が離散的であり一体となり難い。一方、燃圧が高ければ下側噴孔群の噴射方向下流の燃料存在密度が更に高まって下側の燃料噴霧群が全体に対する主要な流れを形成した一つの燃料噴霧が得られる。その燃料噴霧は、下側の燃料噴霧群が主要な流れを形成するため、燃圧が低い場合に比べてその指向性が下側に変化する。従って、燃圧を適宜制御することによって燃料噴霧の指向性を変化させることができるので、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を単一の燃料噴射弁によって得ることが可能となる。
【０００８】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様として、前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される燃料の流量が、前記上側噴孔群から噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成してもよい（請求項３）。この態様によれば、上側噴孔群に含まれる噴孔と下側噴孔群に含まれる噴孔とが同一の噴孔であっても、下側噴孔群から噴射される燃料の流量が上側噴孔群から噴射される燃料の流量に比べて大きいことにより、下側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度が上側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度に比べて高くなる。
【０００９】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様として、前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が第１直線上に、前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が第２直線上にそれぞれ配置されており、前記第１直線と前記第２直線とが互いに平行であってもよい（請求項４）。また、前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチと、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチとが等しく、前記第１ピッチ及び第２ピッチが前記第１直線と前記第２直線との間隔よりも大きくてもよい（請求項５）。これらの場合には、各噴孔群の配列が簡素化されるため燃料噴射弁の製作が容易になる。また、多くの燃料噴射弁を製作した場合の個体差が生じ難い利点がある。
【００１０】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様において、前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、前記上側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔に比べて狭くなるように構成されてもよい（請求項６）。下側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、上側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔に比べて狭くなることで、下側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度が上側噴孔群の噴射方向下流における燃料存在密度に比べて高くなる。隣り合う燃料噴霧間の間隔は、隣り合う２つの噴孔の中心間距離を調整することにより調整可能である。
【００１１】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様において、前記燃料噴射弁は、前記中心線と直交しかつ前記燃料噴射弁の先端を通る基準線を基準とした下向きの噴射角の変化率が切り替わる特定燃圧値が燃圧の変更範囲内に存在するように構成されており、前記内燃機関が所定の回転速度よりも低い低回転速度時に前記特定燃圧値よりも低くなるように、かつ前記内燃機関が前記所定の回転速度以上の高回転速度時に前記特定燃圧値以上となるように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御する燃圧制御手段を更に備えてもよい（請求項７）。内燃機関の回転速度が高くなるに従って、気筒内に形成されるタンブルの渦中心は気筒の中心線方向の下方向に移動することが知られている。この態様によれば、内燃機関の低回転速度時に特定燃圧値よりも燃圧を低く、内燃機関の高回転速度時に燃圧を特定燃圧値以上とすることができるので、タンブルの渦中心の変化に燃料噴霧の噴射角を合わせることが可能になる。これにより、内燃機関の回転速度の変化に伴って変化するタンブルに燃料噴霧をうまく乗せて混合気の攪拌を促進できる。よって、燃料混合気の均質度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の第１又は第２の燃料噴射装置の一態様として、前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチは、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチよりも大きくされていてもよい（請求項８）。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明の燃料噴射装置によれば、燃圧を適宜制御することによって燃料噴霧の指向性を変化させることができるので、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を単一の燃料噴射弁によって得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示した図。
【図２】第１の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。
【図３】図１の燃料噴射弁の先端から噴射方向に向かう距離Ｚの位置における燃料噴霧のＡ−Ａ断面を模式的に示した図。
【図４】燃圧と噴霧長との関係を示した図。
【図５】燃圧が特定燃圧値よりも低い場合、燃圧が特定燃圧値以上の場合のそれぞれにおける燃料噴霧の状態を気筒の半径方向から見て模式的に示した説明図。
【図６】内燃機関の回転速度の変化に伴うタンブルの渦中心の変化を示した図。
【図７】第２の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。
【図８】第３の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関を気筒の中心線方向から見た状態を示した平面図。
【図９】第３の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。
【図１０】図９のX−X線に沿った断面図。
【図１１】燃圧が特定燃圧値よりも低い場合、燃圧が特定燃圧値以上の場合のそれぞれにおける燃料噴霧の状態を気筒の中心線方向から見て模式的に示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載可能な火花点火式の４サイクル内燃機関として構成されている。内燃機関１は複数（図では１つ）の気筒２を備えている。各気筒２はシリンダブロック３に形成されており、各気筒２の上部はシリンダヘッド４にて塞がれている。各気筒２にはピストン５が往復運動自在に設けられている。なお、本発明における上側、下側とは、気筒における上死点側、下死点側を意味しており、例えば気筒が横向き等に配置されていても、上死点に近い側が上側であり、下死点に近い側が下側である。
【００１６】
各気筒２には吸気通路９及び排気通路１０がそれぞれ接続されている。吸気通路９はシリンダヘッド４に形成された吸気ポート１１を含み、排気通路１０はシリンダヘッド４に形成された排気ポート１２を含む。吸気ポート１１は吸気バルブ１３にて、排気ポート１２は排気バルブ１４にてそれぞれ開閉される。図示を省略したが、排気通路１０には三元触媒が設けられていて、排気通路１０を流れる既燃ガスである排気はその三元触媒にて浄化される。
【００１７】
シリンダヘッド４には、気筒２内に先端部を臨ませるようにして気筒２の天井面の中央部に配置された点火プラグ２０が設けられている。また、シリンダヘッド４には気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁２１Ａが吸気ポート１１に沿うように設けられている。即ち、燃料噴射弁２１Ａは、気筒２の中心線ＣＬを横切る方向に噴射された燃料が向かうように配置されている。燃料噴射弁２１Ａは電磁駆動式の燃料噴射弁であり、その先端部には複数の噴孔が形成されている。気筒２毎に設けられた燃料噴射弁２１Ａは共通のデリバリパイプ２２に接続される。デリバリパイプ２２には不図示のオイルポンプにて圧送された燃料が導かれる。デリバリパイプ２２には各燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧を調整する燃圧調整機構２３が設けられている。燃料噴射弁２１Ａ及び燃圧調整機構２３のそれぞれはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２４にて制御される。ＥＣＵ２４は内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２４には、内燃機関１の回転速度等の運転状態を示す情報が不図示の各種センサから入力される。ＥＣＵ２４は、こうした情報を利用しつつ予め用意された各種の制御プログラムを実行して燃料の噴射時期、噴射期間（噴射量）等の制御を含む燃料噴射制御や点火時期の制御等を行う。ＥＣＵ２４が行う本発明に関連する制御については後述する。
【００１８】
図２に示したように、燃料噴射弁２１Ａは合計６つの噴孔２５ｕ、２５ｄが形成されている。なお、図２の上下方向は図１の上下方向に、図２の左右方向は図１の紙面と直交する方向にそれぞれ対応する。図２に示したこれらの噴孔のうち、気筒２の中心線ＣＬ（図１参照）の方向の上側に位置する３つの噴孔２５ｕは上側噴孔群２５Ｕを構成し、中心線ＣＬの方向の下側に位置する３つの噴孔２５ｄは下側噴孔群２５Ｄを構成する。上側噴孔群２５Ｕに含まれる３つの噴孔２５ｕは第１直線Ｌ１上に、下側噴孔群２５Ｄに含まれる３つの噴孔２５ｄは第２直線Ｌ２上にそれぞれ配置されており、これら第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２は互いに平行である。上側噴孔群２５Ｕに含まれる隣接する２つの噴孔２５ｕの中心間距離である第１ピッチＰ１と下側噴孔群２５Ｄの第２ピッチＰ２とは等しい。そして、第１ピッチＰ１及び第２ピッチＰ２は第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との間隔ｄよりも大きい。燃料噴射弁２１Ａは、複数の噴孔が互いに同一で、各噴孔群が直線上に配置されているため各噴孔群の配列が簡素化される。これにより燃料噴射弁２１Ａの製作が容易になる。また、多くの燃料噴射弁２１Ａを製作した場合の個体差が生じ難い利点がある。
【００１９】
燃料噴射弁２１Ａは、各噴孔に燃料を導く燃料通路（不図示）の設計によって下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量が上側噴孔群２５Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成されている。そのため、燃料噴射弁２１Ａが噴射する燃料噴霧Ｆ（図１）には、その燃料存在密度の分布の上側が低く下側が高い偏りが形成される。図３は、燃料噴射弁２１Ａの先端から噴射方向に向かう距離Ｚの位置（図１参照）における燃料噴霧Ｆ（燃料噴霧群）のＡ−Ａ断面を模式的に示している。図３から明らかなように、燃料噴霧Ｆは各噴孔から噴射される噴霧ｆｕ、ｆｄが集まって構成され、各噴霧ｆｕ、ｆｄの配列は図２に示された噴孔２５ｕ、２５ｄの配列と相似関係にある。つまり、上側噴孔群２５Ｕから噴射された噴霧ｆｕは第１直線Ｓ１上に、下側噴孔群２５Ｄから噴射された噴霧ｆｄは第２直線Ｓ２上にそれぞれ配置され、これら第１直線Ｓ１及び第２直線Ｓ２は互いに平行である。そして、噴霧ｆｕの第１ピッチｐ１と噴霧ｆｄの第２ピッチｐ２とが等しく、第１ピッチｐ１及び第２ピッチｐ２は第１直線Ｓ１と第２直線Ｓ２との間隔ｄ′よりも大きい。そして、図示のように、下側噴孔群２５Ｄから噴射された噴霧ｆｄの流量Ｑｄが上側噴孔群２５Ｕから噴射された噴霧ｆｕの流量Ｑｕよりも大きくなっている。換言すれば、燃料噴射弁２１Ａは下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流における燃料存在密度が上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流における燃料存在密度よりも高い特性を有する。
【００２０】
燃料噴霧Ｆの燃料存在密度が上側と下側とで相違することから、燃料噴霧Ｆの指向性（噴射角及び噴霧長）を燃圧によって変化させることができる。図１に示すように、噴射角Ｖは、気筒２の中心線ＣＬと直交しかつ燃料噴射弁２１Ａの先端を通る基準線Ｌｓを基準とした下向きの角度として定義される。なお、噴射角Ｖを決定する直線Ｌは噴孔から所定距離離れた位置における燃料噴霧Ｆの重心Ｇを通るものとして定義される。
【００２１】
図４は燃圧と噴霧長との関係を示している。なお、燃圧に対する噴射角の変化も図４と同様の傾向を示す。この図の実線は本実施形態を、破線は燃料存在密度が上下で同一である比較例をそれぞれ示している。図４から明らかなように、燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧が変化した場合、その燃圧の変更範囲内に噴霧長（噴射角）の変化率が切り替わる特定燃圧値Ｐｃが存在する。つまり、噴霧長及び噴射角に代表される燃料噴霧Ｆの指向性が特定燃圧値Ｐｃを境界として顕著に変化する。
【００２２】
図５は燃圧が特定燃圧値よりも低い場合と特定燃圧値以上の場合とのそれぞれにおける燃料噴霧Ｆの状態を模式的に示した説明図であり、図中Ａは燃圧が特定燃圧値より低い場合を、図中Ｂは燃圧が特定燃圧値以上の場合をそれぞれ示している。図５のＡに示したように、燃料噴霧Ｆは、燃圧が低ければ燃料存在密度の偏りが目立たずに各燃料噴霧ｆｕ、ｆｄが離散的である。そのため、噴霧長ｌは相対的に短くなり、燃料噴霧Ｆの重心も燃料噴霧Ｆの略中央部に位置する。そして噴射角Ｖも相対的に小さくなる。一方、図５のＢに示したように、燃料噴霧Ｆは、燃圧が高ければ下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流の燃料存在密度が更に高まって下側の燃料噴霧群ｆｄ…が全体に対する主要な流れを形成する。そのため、燃料噴霧Ｆは、燃圧が低い場合に比べてその指向性が下側に変化する。つまり、燃料噴霧Ｆは、重心位置が下側にずれる。そして、下側の燃料噴霧群ｆｄ…が支配的になり上側の燃料噴霧群ｆｕ…を巻き込むため、燃料噴霧Ｆの指向性、即ち噴霧長ｌ及び噴射角Ｖがそれぞれ拡大する。噴射角Ｖの変化は一定値である燃料噴射弁２１Ａの搭載角αを参照すれば明確である。以上のことから、下側の燃料噴霧群ｆｄ…が主要な流れを形成し始める燃圧値が図４に示した特定燃圧値Ｐｃと推測できる。
【００２３】
次に、このような特性を利用したＥＣＵ２４による燃圧の制御について説明する。図６は内燃機関１の回転速度の変化に伴うタンブルの渦中心の変化を示している。図６に示すように、内燃機関１は吸気行程において気筒２内にタンブルＴが形成されるように吸気ポート１１が設計されている。そして、タンブルＴの渦中心Ｏは回転速度が高くなるに従って下側にシフトする。一般に、タンブルの渦中心の少し上側に燃料噴霧が位置するように噴射角が設定されると、燃料噴霧がタンブルに乗って攪拌されやすくなる。従って、このように噴射角を設定することは燃料混合気の均質性を高めるために有利であることが知られている。
【００２４】
そこで、ＥＣＵ２４は、燃圧調整機構２３を操作することによって、タンブルＴの渦中心Ｏが高い位置にある低回転速度時に燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも低く制御して燃料噴霧Ｆの噴射角Ｖを小さくし、かつタンブルＴの渦中心Ｏが低い位置にある高回転速度時に燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも高く制御して燃料噴霧Ｆの噴射角Ｖ及び噴霧長ｌをそれぞれ大きくしている。これにより、タンブルＴの渦中心Ｏの変化に応じて燃料噴霧Ｆの噴射角Ｖを合わせることが可能になるため、内燃機関１の回転速度の変化に伴って変化するタンブルＴに燃料噴霧Ｆをうまく乗せて混合気の攪拌を促進できる。よって、燃料混合気の均質度を向上させることができる。本形態において、本発明に係る燃圧制御手段はＥＣＵ２４及び燃圧調整機構２３が協働することにより実現される。
【００２５】
（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態について図７を参照しながら説明する。図７は第２の形態に係る燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示している。第２の形態は噴孔の配列を除いて第１の形態と共通である。図７に示すように、第２の形態の燃料噴射弁２１Ｂでは、噴孔の個数は第１の形態と同一であるが、下側噴孔群２５Ｄの第２ピッチＰ２が上側噴孔群２５Ｕの第１ピッチＰ１よりも小さくなっている。これにより、下側噴孔群２５Ｄから噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、上側噴孔群２５Ｕから噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔よりも狭くなる。従って、本形態においても、下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流の燃料存在密度が上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流の燃料存在密度よりも高くなるため、燃圧の変化に伴って燃料噴霧の指向性が変化する。これにより、上述した第１の形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合においては、第１の形態と同様に下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量を上側噴孔群２５Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくしてもよいし、上側噴孔群２５Ｕ及び下側噴孔群２５Ｄの流量配分を同じにしてもよい。
【００２６】
（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態について図８〜図１１を参照しながら説明する。第３の形態は噴孔の個数及び配列を除いて第１の形態と共通である。図８〜図１０に示したように、燃料噴射弁２１Ｃは、気筒２の吸気側から排気側へ向けて配置されている。燃料噴射弁２１Ｃに設けられた噴孔の個数は合計４つである。上側噴孔群２５Ｕに含まれる２つの噴孔２５ｕは第１直線Ｌ１上に、下側噴孔群２５Ｄに含まれる２つの噴孔２５ｄは第２直線Ｌ２上にそれぞれ配置されており、これら第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２は互いに平行である。そして、下側噴孔群２５Ｄの第２ピッチＰ２が上側噴孔群２５Ｕの第１ピッチＰ１よりも小さくなっている。第１ピッチＰ１及び第２ピッチＰ２のそれぞれは第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との間隔ｄよりも大きい。これにより、下側噴孔群２５Ｄから噴射される２つの燃料噴霧間の間隔が、上側噴孔群２５Ｕから噴射される２つの燃料噴霧間の間隔よりも狭くなる。従って、第３の形態においても、下側噴孔群２５Ｄの噴射方向下流の燃料存在密度が上側噴孔群２５Ｕの噴射方向下流の燃料存在密度よりも高くなるため、燃圧の変化に伴って燃料噴霧の指向性が変化する。これにより、上述した第１の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
また、図１０に示したように、燃料噴射弁２１Ｃに形成された４つの噴孔２５ｕ、２５ｄは気筒２の中心線ＣＬ方向を上下方向とした場合の左右方向に広がるように配置されている。なお、図１０の左右方向は図１の紙面と直交する方向に相当する。各噴孔２５ｕ、２５ｄの噴射方向は全体として放射状に設定されている。４つの噴孔２５ｕ、２５ｄがこのように構成されているため、気筒２の中心線ＣＬ方向から見た場合、各噴孔２５ｕ、２５ｄからの燃料噴霧ｆは図８に示した状態で気筒２内に配置される。各噴孔２５ｕ、２５ｄの噴射方向を規定する直線を噴射軸線Ａｘｆとし、隣り合う２つの噴射軸線Ａｘｆで形成される角度を挟み角θ１、θ２、θ３とする。この場合、気筒２の中央部の近くに位置する２つの噴射軸線Ａｘｆで形成される挟み角θ１は、他の挟み角θ２、θ３に比べて小さくなっている。本形態では、挟み角θ２と挟み角θ３とは同一である。但し、これらの挟み角θ２、θ３は、中央部の挟み角θ１よりも大きいことを条件として、互いに異ならせることもできる。
【００２８】
図８から理解できるように、挟み角が小さい場合は大きい場合に比べて隣接する燃料噴霧間の噴霧間隔が狭くなる。従って、４つの噴孔２５ｕ、２５ｄから噴射された４つの燃料噴霧ｆは中央部で噴霧間隔が狭く、その外側で噴霧間隔が広くなるように気筒２内に配置される。４つの燃料噴霧ｆがこのように配置されるため、燃料噴射弁２１Ａに供給される燃料の燃圧が低ければ、中央部の噴霧間隔が狭くても隣接する２つの燃料噴霧は合体しない。そのため、図１１のＡに示したように、４つの燃料噴霧ｆの集まりを一つの燃料噴霧Ｆとみなした場合、その一つの燃料噴霧Ｆの噴霧形状は中央部の燃料存在密度が外側よりも低い中抜き状となる。一方、その燃圧が高ければ、中央部に位置する２つの燃料噴霧の噴霧間隔が更に狭くなってこれらの燃料噴霧ｆが合体する。そのため、図１１のＢに示したように、燃料噴霧Ｆの噴霧形状は中央部とその外側とで燃料存在密度の差が少ない中実状となる。複数の燃料噴霧ｆが合体すると合体前に比べてペネトレーションが増加する。このため、図１１のＢに示すように燃料噴霧Ｆの噴霧長ｌは図１１のＡに示した合体前に比べて増加する。
【００２９】
このように、第３の形態によれば、燃圧によって燃料噴霧の指向性を変更できるとともに噴霧形状を中抜き状と中実状との間で変更することができる。なお、噴霧形状は、指向性の変化と同様に噴霧長の変化率が切り替わる特定燃圧値Ｐｃ（図４）を境界として変化すると推測される。従って、第３の形態は、燃圧が変化することによって噴霧形状と指向性とが同調して特定燃圧値Ｐｃを境界として変化すると考えられる。一般に、中抜き状の噴霧形状が適した運転状態と、中実状の噴霧形状が適した運転状態とが存在するため、内燃機関１の運転状態に応じて燃圧を、特定燃圧値Ｐｃよりも低い状態と特定燃圧値Ｐｃ以上の状態との間で切り替えることで、運転状態に適した噴霧形状を選択することができる。
【００３０】
例えば、点火プラグ２０の近傍に成層混合気を形成して着火性を向上させるべき運転状態の場合、ＥＣＵ２４が燃圧調整機構２３を操作することによって、燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも低い状態に制御して燃料噴霧Ｆの噴霧形状を中抜き状に変更する（図１１のＡ参照）。この場合、燃料濃度が局所的に高い成層混合気を点火プラグ２０の近傍に形成できる。しかも、中抜き状の噴霧形状のため点火プラグ２０に対する燃料の衝突を抑制できるから点火プラグ２０の点火不良を回避することが可能となる。また、内燃機関１の出力を向上させるべき運転状態の場合、ＥＣＵ２４が燃圧調整機構２３を操作することによって、燃圧を特定燃圧値Ｐｃ以上の状態に制御して燃料噴霧Ｆの噴霧形状を中実状に変更する（図１１のＢ参照）。この場合、燃料噴霧Ｆのペネトレーションが高いため、その噴流効果によって内燃機関１の燃焼効率が増加して出力の向上に寄与することができる。このようにＥＣＵ２４及び燃圧調整機構２３が協働することによって燃圧制御手段として機能できる。なお、第３の形態においても、第１の形態と同様に下側噴孔群２５Ｄから噴射される燃料の流量を上側噴孔群２５Ｕから噴射される燃料の流量に比べて大きくしてもよいし、上側噴孔群２５Ｕ及び下側噴孔群２５Ｄの流量配分を同じにしてもよい。
【００３１】
本発明は上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記の各形態は６又は４つの噴孔を上下２列に直線的に配列したものであるが、噴孔の個数に制限はない。また、噴孔の配列も、気筒の中心線方向の上側に位置する上側噴孔群及び下側に位置する下側噴孔群をそれぞれ観念できるものであれば格別の制限はない。要するに、下側噴孔群の噴射方向下流の燃料存在密度が上側噴孔群の噴射方向下流の燃料存在密度よりも高くなるのであれば、複数の噴孔をどのように配列してもよい。また、複数の噴孔を全て同じ形状及び寸法に設計することは一例であって、噴孔毎に形状や寸法を変化させることも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 内燃機関
２ 気筒
２１Ａ〜２１Ｃ 燃料噴射弁
２３ 燃圧調整機構（燃圧制御手段）
２４ ＥＣＵ（燃圧制御手段）
２５Ｕ 上側噴孔群
２５Ｄ 下側噴孔群
２５ｕ、２５ｄ 噴孔
ＣＬ 中心線
Ｌ１ 第１直線
Ｌ２ 第２直線
Ｌｓ 基準線
Ｖ 噴射角
ｄ 第１直線と第２直線との間隔
Ｐ１ 第１ピッチ
Ｐ２ 第２ピッチ
Ｐｃ 特定燃圧値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の中心線を横切る方向に噴射された燃料が向かうように配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の吸気側から排気側に向けて配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される燃料の流量が、前記上側噴孔群から噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成されている請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が第１直線上に、前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が第２直線上にそれぞれ配置されており、前記第１直線と前記第２直線とが互いに平行である請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、
前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチと、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチとが等しく、前記第１ピッチ及び第２ピッチが前記第１直線と前記第２直線との間隔よりも大きい請求項４に記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、前記上側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔に比べて狭くなるように構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
前記燃料噴射弁は、前記中心線と直交しかつ前記燃料噴射弁の先端を通る基準線を基準とした下向きの噴射角の変化率が切り替わる特定燃圧値が燃圧の変更範囲内に存在するように構成されており、
前記内燃機関が所定の回転速度よりも低い低回転速度時に前記特定燃圧値よりも低くなるように、かつ、前記内燃機関が前記所定の回転速度以上の高回転速度時に前記特定燃圧値以上となるように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御する燃圧制御手段を更に備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、
前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチは、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチよりも大きい請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項１】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の中心線を横切る方向に噴射された燃料が向かうように配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
内燃機関の気筒内に燃料を噴射するとともに、前記気筒の吸気側から排気側に向けて配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な内燃機関の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁は、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の上側に位置する上側噴孔群と、複数の噴孔が含まれ前記中心線の方向の下側に位置する下側噴孔群とを備え、前記下側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度が、前記上側噴孔群の噴射方向下流での燃料存在密度に比べて高いように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される燃料の流量が、前記上側噴孔群から噴射される燃料の流量に比べて大きくなるように構成されている請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が第１直線上に、前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が第２直線上にそれぞれ配置されており、前記第１直線と前記第２直線とが互いに平行である請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、
前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチと、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチとが等しく、前記第１ピッチ及び第２ピッチが前記第１直線と前記第２直線との間隔よりも大きい請求項４に記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記燃料噴射弁は、前記下側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔が、前記上側噴孔群から噴射される複数の燃料噴霧のうち隣り合う燃料噴霧間の間隔に比べて狭くなるように構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
前記燃料噴射弁は、前記中心線と直交しかつ前記燃料噴射弁の先端を通る基準線を基準とした下向きの噴射角の変化率が切り替わる特定燃圧値が燃圧の変更範囲内に存在するように構成されており、
前記内燃機関が所定の回転速度よりも低い低回転速度時に前記特定燃圧値よりも低くなるように、かつ、前記内燃機関が前記所定の回転速度以上の高回転速度時に前記特定燃圧値以上となるように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御する燃圧制御手段を更に備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記上側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置され、かつ前記下側噴孔群の前記複数の噴孔が等間隔に配置されており、
前記上側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第１ピッチは、前記下側噴孔群に含まれる隣接する２つの噴孔の中心間距離である第２ピッチよりも大きい請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２５１５４８（Ｐ２０１２−２５１５４８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０８６２２（Ｐ２０１２−１０８６２２）
【出願日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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