JP2007051549A - 燃料噴射弁及びそれを備えた筒内噴射式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 成層燃焼運転時と均質燃焼運転時それぞれの要求噴霧特性を満足させることのできる燃料噴射弁及びそれを備えた筒内噴射式エンジンを提供する。
【解決手段】 相互に重ね合わせることのできる複数の噴口１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂがそれぞれ所定の配列状態で形成された２枚のオリフィスプレート１、２を有し、一方のプレート２を他方のプレート１に対して回転もしくは移動させることにより、噴口形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させることができるようにされた燃料噴射弁１０と、混合気の成層化や均質混合気の生成等を行うための混合気生成調節機構１０２、１０３と、前記燃料噴射弁１０及び前記混合気生成調節機構１０３の制御を行う制御手段１００と、を備え、前記制御手段１００は、運転状態に基づいて、前記噴口の形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させて、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するようにされてなる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料噴射弁に係り、特に、燃料を燃焼室内に直接噴射する一つ又は複数の噴口を持つ燃料噴射弁及びそれを備えた筒内噴射式エンジンに関する。

従来より、燃焼室内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式の火花点火式ガソリンエンジンが広く知られている。この筒内噴射式エンジンにおいては、主に低負荷時や始動時において、燃焼室内の混合気を点火プラグ近傍に偏在させる、いわゆる成層燃焼運転を行うことにより、ポンピングロスを低減して燃費を向上したり、あるいは、点火時期を遅らせる、いわゆるリタード状態で運転することにより、排気浄化性能（排気エミッション特性）を向上する技術等が種々開発されている。

そして、かかる筒内噴射式エンジンでは、一般に、成層燃焼運転と、これより高負荷時、又はエンジンの暖機後に行われる均質燃焼運転とでは、理想的とされる燃料噴霧の特性が異なっており、それぞれに対応して燃料噴霧を形成する必要があるとされている。

これに関連して、例えば、下記特許文献１には、２ストロークエンジンの燃焼室に、成層燃焼運転用の第１燃料噴射弁（インジェクタ）と、均質燃焼運転用の第２燃料噴射弁（インジェクタ）とを臨設し、エンジンの運転状態に応じて、いずれかの燃料噴射弁から選択的に燃料噴射を行うようにされた直噴エンジンが開示されている。かかるエンジンでは、成層燃焼運転時には、第１燃料噴射弁からのみ燃料噴射を行って、点火プラグの近傍のみに混合気を存在させ、均質燃焼運転時には、第２燃料噴射弁からの燃料噴霧と燃焼室内の掃気流を対向させて、燃料と空気の混合を促進させる。これにより、エンジンの広い運転範囲で良好な燃焼を得ることができるとしている。
特開平７−２４７８４１号公報

しかしながら、前記特許文献１に所載のエンジンのように、一つの気筒（燃焼室）に２本の燃料噴射弁を設ける構成では、燃料噴射弁が１本の場合に比して、コストが高くなることに加えて、特に、車載用の筒内噴射式エンジンでは、燃料噴射弁や高圧の燃料配管のスペースを確保することが難しいという問題がある。

一方、成層運転の効率を上げるためには、燃料噴射量を絞り、空燃比を大きくしてポンピングロスを小さくしなければならない。前記従来例のように２本の燃料噴射弁であれば、成層用燃料噴射弁の噴射率を下げることにより可能であるが、前述のように２本ではコストやスペースの問題がある。よって、１本の燃料噴射弁でこれを行うとすれば、成層運転時の最小噴射量をカバーしながら、最大トルク時の燃料流量も供給できなければならず、燃料噴射弁のダイナミックレンジを大きくすることが要求され、微小な燃料噴射量を精度良く供給できなかったり、逆に大流量を満足できないという問題が生じる。

本発明は、前記した如くの従来の問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、コストを低く抑えながら、また、エンジン周辺に大きなスペースを必要とすることなく、成層燃焼運転時と均質燃焼運転時のそれぞれにおける要求噴霧特性を満足することができ、さらに、高負荷時に十分な燃料を供給できるようにしながら、低負荷時には精度良く少量の燃料を供給できて、燃費や排気エミッション特性等を向上させることのできる燃料噴射弁及びそれを備えた筒内噴射式エンジンを提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る燃料噴射弁は、基本的には、相互に重ね合わせることのできる複数の噴口がそれぞれ所定の配列状態で形成された２枚のオリフィスプレートを有し、一方のプレートを他方のプレートに対して回転もしくは移動させることにより、噴口形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させることができるようにされてなる。

以下に本発明に係る燃料噴射弁の好ましい態様を列挙する。

流体の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるベーン機構を備える。

前記ベーン機構は、弁内に供給される燃料の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるようにされる。

一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるためのステッピングモータを備える。

前記ベーン機構もしくは前記ステッピングモータは、弁駆動コイルと前記プレートとの間に配在される。

一方のオリフィスプレートの噴口の配列態様が、他方のオリフィスプレートの噴口の配列態様と異なるようにされる。

一方のオリフィスプレートの噴口の断面積もしくは口径が、他方のオリフィスプレートの噴口の断面積もしくは口径より大きくされる。

前記２枚のオリフィスプレートのうちの一方の噴口の少なくとも一つが、中心から距離の等しい円弧からなる長穴形状とされる。

前記２枚のオリフィスプレートは、相互に摺動自在に対接する円錐面を有し、この円錐面に前記噴口が開口せしめられる。

前記噴口は、中心軸線に対して外側に傾斜せしめられる。

一方、本発明に係る筒内噴射式エンジンは、前記した燃料噴射弁と、混合気の成層化や均質混合気の生成等を行うための混合気生成調節機構と、前記燃料噴射弁及び前記混合気生成調節機構の制御を行う制御手段と、を備える。

そして、前記制御手段は、運転状態に基づいて、前記噴口の形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させて、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するようにされる。

この場合、前記燃料噴射弁は、好ましくは、燃焼室における吸気通路側に横向きで臨設される。

また、前記混合気生成調節機構は、好ましくは、吸気通路の下流通路部を上側通路部と下側通路部とに分割する仕切り板と、前記下側通路部の上流側端部に配在されて該下側通路部を選択的に開閉する吸気制御弁と、を備える。

他の好ましい態様では、弁内に供給される燃料の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させる前記ベーン機構が設けられた燃料噴射弁を備え、前記制御手段は、成層燃焼運転時には燃圧を上げるか又は下げることにより、また、均質燃焼運転時には燃圧を下げるか又は上げることにより、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するようにされる。

さらに好ましい態様では、前記制御手段は、一燃焼サイクル毎に、燃料噴射を複数回に分けて行うようにされる。

本発明に係る燃料噴射弁及びそれを備えた直噴ガソリンエンジンでは、次のような作用効果が得られる。

まず、２枚のオリフィスプレートに形成されている噴口のうちの、共に開口している噴口からのみ燃料が噴射されるので、成層燃焼運転又は均質燃焼運転のそれぞれに応じた混合気分布とすることができる。

また、噴口径を小さくするか又は開口する噴口本数を少なくすること等により、同一燃料噴射パルス幅、同一燃圧の場合であっても噴口総断面積が減少し、流量（噴射量）が小さくなる。これにより、パルス幅を下げなくても燃料噴射率を下げることができる。

さらに、分割噴射と組み合わせることにより、混合気分布をさらに適正化することが可能になる。

以上の燃料噴射弁による作用効果から、成層燃焼運転時の空燃比を薄くできるとともに、ポンピングロスを低減でき、さらに、燃料噴霧の壁面付着を低減し得て未燃炭化水素の低減を図ることができる。

また、上記の特徴を備えながら、高負荷時には空気利用率を高め、高出力を得ることができるという効果もある。この効果は、吸気行程において分割噴射を行った場合にも同様である。

さらに、エンジンの冷機時にピストンや燃焼室壁面への燃料付着が少なく、分割噴射等により後燃え燃焼を行い、触媒の活性化を早めて排気エミッション特性を向上できるという利点も得られる。

以下、本発明の燃料噴射弁及び筒内噴射式エンジンの実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１、図２は、それぞれ本発明に係る筒内噴射式エンジンの一実施形態を示す概略側面図、概略平面図である。

図示の筒内噴射式エンジン９０は、例えば車載用直列４気筒エンジンであって、シリンダ９２と、このシリンダ９２の各気筒（一つの気筒しか示されていない）に摺動自在に嵌挿されたピストン１０７とを有し、該ピストン１０７上方には燃焼室９５が画成される。燃焼室９５には、その頂部に点火プラグ１１３が臨設されるとともに、その吸気通路（吸気ポート）１０１側に、燃焼室９５内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１０が横向きで臨設されている（後で詳述）。

燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路１０１の始端部に設けられたエアクリーナ１０６から取り入れられ、エアフローセンサ１０５を通り、電制スロットル弁１０８を通ってコレクタ１１６に入り、このコレクタ１１６から前記吸気通路１０１の下流通路部（吸気管、吸気ポート）１０１Ａ及びその下流端に配在された吸気弁１１１を介して燃焼室９５に吸入される。

燃焼室９５に吸入された空気と燃料噴射弁１０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ１１３により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排ガス）は、排気弁１１２を介して排気通路１１０に排出され、排気通路１１０に配備された三元触媒１１５で浄化された後、消音器１１７を介して外部に排出される。

前記吸気通路１０１の下流通路部（吸気管、吸気ポート）１０１Ａは、仕切り板１０２によって、上側通路部１０１ａと下側通路部１０１ｂとに分割されており、下側通路部１０１ｂの上流側端部には吸気制御弁１０３が配在され、この吸気制御弁１０３により前記下側通路部１０１ｂが選択的に開閉されるようになっている。

そして、本実施形態の筒内噴射式エンジン９０においては、燃料噴射弁１０、点火プラグ１１３、吸気制御弁１０３、スロットル弁１０８を含むエンジン９０の各部の制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット２００が備えられている。

コントロールユニット２００は、それ自体はよく知られているもので、ＭＰＵ、ＥＰ−ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び、Ａ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ等で構成され、入力信号として、エアフローセンサ１０５により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ１０４により検出されるスロットル弁１０８の開度に応じた信号、クランク角センサ９７からのクランクシャフトの回転速度、すなわちエンジン回転数を示す信号の他、図示はされていないが、排気通路１１０に配設された空燃比センサにより検出される排ガス中の例えば酸素濃度に応じた信号、シリンダ９２に配設された水温センサにより検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、イグニッションスイッチからの始動開始（クランキング開始）を示す信号、アクセルセンサから得られるアクセルペダルの踏み込み量を示す信号、車速センサから得られる車両の走行速度に応じた信号等も供給される。

コントロールユニット２００は、前記各信号を所定の周期をもって取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された制御信号を、燃料噴射弁１０、点火プラグ１１３、吸気制御弁１０３、電制スロットル弁１０８等に供給して、燃料噴射（噴射量、噴射時期、噴射回数）制御、点火時期制御、吸気制御弁１０３の開度制御、スロットル弁１０８の開度制御等を実行する。

ここでは、コントロールユニット２００は、例えば、通常走行時に、エンジンが低負荷状態であると判断されると、吸気制御弁１０３を、より最適なタンブル強度になるように開度制御する。また、基本的には、低燃圧時には成層燃焼運転を行うべく、吸気制御弁１０３を全閉とし、高燃圧時は均質燃焼運転を行うべく、吸気制御弁１０３を開くようにされる。また、圧縮行程後半、例えば上死点前４０度で燃料噴射を行うようにされる。

図３は、本実施形態のエンジン９０に使用される燃料噴射弁の一例を示す縦断面図、図４は、図３に示される燃料噴射弁１０の下端部（噴口周辺部）を示す拡大断面図である。

図３及び図４に示される燃料噴射弁１０では、燃料Ｆはその上部から供給される。燃料噴射弁１０と燃料配管（図示せず）との接合部は、Ｏリング９Ａとバックアップリング９Ｂによってシールされる。燃料Ｆは、コア１２内、スプリング１１部分を通り、プランジャロッド８に穿設された穴８ａを通った後、プランジャロッド８とインナーホルダ４との間を通って底部に向かう。

前記コントロールユニット２００からの指令（パルス信号）により、電極２０に電圧が印加されると、コイル１５が励磁され、ヨーク１４及びコア１２の下にあるプランジャロッド８が、スプリング１１の付勢力に打ち勝って引き上げられる。これにより、図４に示される如くに、燃料Ｆはプランジャロッド８の下端部（円錐面）と円錐状のインナーオリフィスプレート２との間に形成される間隙及びインナーオリフィスプレート２に形成された噴口２ａ、２ｂ（後述）、前記インナーオリフィスプレート２が摺動自在に対接せしめられる円錐面を持つアウターオリフィスプレート１に形成された噴口１ａ、１ｂ（後述）を通り、燃焼室９５内との圧力差により微粒化されて、霧状になって噴射される。

インナーオリフィスプレート２は、段付き円筒状のインナーホルダ４と一体化されており、インナーホルダ４の上部には可動ベーン６が一体化されている。また、アウターオリフィスプレート１は、アウターホルダ３と一体化され、アウターホルダ３はハウジング１６に圧入固定されている。このアウターホルダ３及びアウターオリフィスプレート１に対し、インナーホルダ４及びインナーオリフィスプレート２が回転摺動可能に内挿されている。なお、燃焼室９５からのガスの吹き抜けを防止するため、チップシール５がアウターホルダ３に装着されている。

図５及び図６に、それぞれアウターオリフィスプレート１の噴口１ａ、１ｂとインナーオリフィスプレート２の噴口２ａ、２ｂの第１態様を示す（図３の底面図及び底面透視図）。アウターオリフィスプレート１には、前後方向の一方側（図５における上部側）に断面円形の成層用噴口１ａが形成されるととも、前後方向の中央から他方側（図５における中央から下部側）にかけて、同一円周上に５つの断面円形の均質用噴口１ｂ、１ｂ、・・・が等角度間隔で形成されている。一方、インナーオリフィスプレート２には、前後方向の一方側（図６における上部側）に、円周方向に長い、円弧状の成層用噴口２ａが形成されるとともに、中央から他方側（図６における中央から下部側）にかけて、統一円周上に５つの断面円形の均質用噴口２ｂ、２ｂ、・・・が等角度間隔で形成されている。

それぞれの噴口１ａ、１ｂ、１ｂ、・・・、２ａ、２ｂ、２ｂ、・・・の中心位置は、共通のプレート中心（中心軸線Ｏ）からの距離が略同じになるように配置されており、噴口１ａと２ａ並びに噴口１ｂ、１ｂ、・・・と２ｂ、２ｂ、・・・とは、基準位置（図５、図６に示される位置）にて重なり合うようになっている。ここでは、噴口１ａ、１ｂの口径又は円周方向の幅は、噴口２ａ、２ｂの口径又は円周方向の幅よりも小さくされており、燃料Ｆがここを通る際には、まず噴口２ａ，２ｂで絞られた後、噴口１ａ、１ｂでさらに絞られるようになっている。また、各噴口１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂは、円錐面に垂直、すなわち、中心軸線Ｏに対して外側に傾斜して開口せしめられている。

図７及び図８に、前記した噴口１ａ、１ｂが形成されたアウターオリフィスプレート１、アウターホルダ３、噴口２ａ、２ｂが形成されたインナーオリフィスプレート２、インナーホルダ４、可動ベーン６等で構成される噴霧可変機構の作動の様子を示す。図７は成層燃焼運転時、図８は均質燃焼運転時の状態を表している。これらの図は、作動の様子を分かり易く示すために、主要部品を図３の平面透視図として描いたものである。

図７、図８において、インナーオリフィスプレート２と可動ベーン６は一体であり、可動ベーン６は円周方向に沿って等角度（９０°）間隔で４つ設けられている。隣り合う可動ベーン６−６間には、固定ベーン７が等角度（９０°）間隔で４つ設けられており、可動ベーン６と固定ベーン７との間にはベーンスプリング２１が配在されている。

図７に示される成層燃焼運転時には、可動ベーン６は、ベーンスプリング２１が伸びようとする力により、図において反時計回りに回転し、固定ベーン７との間に、隙間２２を残して止まる。このとき、円弧状の長穴である噴口２ａが噴口１ａ上に位置しているため、噴口１ａは開口しているが、噴口１ｂと噴口２ｂとはずれており、噴口１ｂは、インナーオリフィスプレート２により閉じられているので、燃料を噴射することができない。すなわち、燃料は１本の成層用噴口１ａ、２ａからのみ噴射される。これにより、図９に示される如くに、点火プラグ１１３近傍にのみ燃料を分布させ、混合気の成層度を高めることができる（後述）。

それに対し、図８に示される均質燃焼運転時には、高圧ポンプ（図示せず）から、前記成層燃焼運転時より高い燃圧の燃料Ｆが供給される。これにより、可動ベーン６は、ベーンスプリング２１が伸びようとする力に打ち勝って、時計回りに回転し、スプリング力と釣り合う位置で止まる。このとき、円弧状の長穴である噴口２ａが噴口１ａ上に位置しているため、噴口１ａは開口し、さらに、５つの噴口１ｂと５つの噴口２ｂもそれぞれ重なり合うので、５つの噴口１ｂも開口し、結局燃料は６本の噴口を用いて噴射される。これにより、図１０に示される如くに、燃焼室９５の上下方向に燃料が分布し、均等な噴霧とすることができる（後述）。

図９に、成層燃焼運転時において、ピストン１０７が圧縮行程にあるときにおける燃焼室９５及びその周辺の様子を示す。吸気行程後に、吸気弁１１１が閉じられ、圧縮行程に入ると、ピストン１０７の上昇により、吸入空気が圧縮される。このとき、燃料噴射弁１０からは、前述したように、成層用噴口１ａからのみ燃料が点火プラグ１１３に向けて噴射され、１本の噴霧１２５が形成され、この後、点火プラグ１１３近傍に混合気が生成される。これにより、低負荷時にも多くの空気を吸入してポンピングロスを減少させながら、点火燃焼を安定して行わせることができ、失火や燃焼変動を抑えつつ、効率の良い燃焼を行うことが可能になる。また、ピストン１０７や燃焼室内壁に燃料が付着することがなく、未燃炭化水素（ＨＣ）の排出を抑制することができる。

図１０に、均質燃焼運転時において、ピストン１０７が吸気行程にあるときにおける燃焼室９５及びその周辺の様子を示す。中負荷又は高負荷時には均質燃焼運転が行われ、吸気行程で燃料が噴射される。吸気行程では、ピストン１０７が下降し、吸気弁１１１が開いて吸気通路１０１から空気が燃焼室９５に流入する。排気弁１１２は閉じられている。このとき、燃料噴射弁１０からは、前述したように、成層噴口１ａ及び５つの均質用噴口１ｂから燃料が噴射されて、６本の噴霧１２５が形成される。この噴霧は幅が広く、燃焼室９５の上下方向に広く分布するため、吸気行程から圧縮行程にかけて上側通路部１０１ａ及び下側通路部１０１ｂからの空気流１２０と混合され、均質度の高い混合気が生成される。これにより、燃焼効率、空気利用率が高められ、燃費の向上を図りながら高出力を得ることが可能となる。

図１１及び図１２は、それぞれアウターオリフィスプレート１の噴口１ａ、１ｂとインナーオリフィスプレート２の噴口２ａ、２ｂの第２態様を示す。これは、図５及び図６に示される第１態様とほぼ同じであるが、インナーオリフィスプレート２の噴口２ａを円弧状ではなく、断面円形としている。この噴口２ａは、成層燃焼運転時にのみ噴口１ａに重なる位置に形成される。すなわち、成層燃焼運転時には、燃料が第１配置例と同様に成層用噴口１ａ、２ａからのみ噴射されるが、均質燃焼運転時には、成層用噴口１ａ、２ａからは噴射されず、５本の均質用噴口１ｂ、２ｂからのみ噴射される。これにより、点火プラグ１１３の周りの混合気が濃すぎたり、多量の噴霧によって点火プラグ１１３がくすぶったりするのを防止できる。

図１３及び図１４は、それぞれアウターオリフィスプレート１の噴口１ａ、１ｂとインナーオリフィスプレート２の噴口２ａ、２ｂの第３態様を示す。概略は第２態様と同じであるが、インナーオリフィスプレート２の噴口２ａ、２ｂの口径が、アウターオリフィスプレート１の噴口１ａ，１ｂよりも小さくされている。すなわち、燃料は噴口２ａ、２ｂにより絞られ、噴口１ａ，１ｂはガイドの役割となる。このように構成すると、噴口２ａや２ｂの周囲に生じるデポジット成分が、インナーオリフィスプレート２が回転することによって自動的かつ機械的に除去されるので、経年変化の少ない、安定した噴霧形成を行うことができる。

図１５及び図１６に、それぞれアウターオリフィスプレート１の噴口１ａ、１ｂとインナーオリフィスプレート２の噴口２ａ、２ｂの第３態様を示す。概略は第１態様と同じである。噴口を４本とし、１つの成層用噴口１ａ、２ａ、２つの弱成層用噴口１ｃ、２ｃ、１つの均質用噴口１ｂ、２ｂとなっている。インナーオリフィスプレート２の噴口２ａ、２ｂ、２ｃは、噴口２ａが長い円弧状の長穴、噴口２ｃが短い円弧状の長穴、噴口２ｂは断面円形となっている。このように構成すると、燃圧、すなわち、図７、図８に示される可動ベーン６の回転変位量に応じて、使用する噴口の本数を、成層用の１本、成層及び弱成層用の計３本、そしてこれに均質用を加えた計４本と、３通りに変化させることが可能になる。これにより、中負荷時にも、燃焼室９５内の混合気の分布を、より適正に点火プラグ１１３の近傍に存在させることが可能になる。

図１７は、前記噴口１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂを前記第１態様としたもとで（本発明）、同一燃圧で燃料噴射弁１０に供給する制御信号（パルス信号）のパルス幅（デューティ比）を変えた場合の噴射燃料量の変化を、噴口数が不変である従来型燃料噴射弁（従来例）と比較して示し、図１８は、同様に前記噴口１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂを前記第１態様としたもとで（本発明）、同一パルス幅における燃料噴射量の変化を、噴口数が不変である従来型燃料噴射弁（従来例）と比較して示す。

一般に、噴口断面積が一定の場合、燃料噴射量は、ほぼ燃圧の１／２乗に比例する。通常、燃料噴射弁は、パルス幅と燃料流量の関係が直線的である領域で使用されるが、パルス幅が小さくなると、ある値以下では弁挙動の時間遅れの影響などにより、直線性が保てなくなる。この最小値を最小噴射量と呼ぶ。噴霧の微粒化、貫通力の適正値を考慮すると、燃圧にも最低値が存在し、最低燃圧、最小パルス幅以下の燃料は安定して噴射することができない。

ここで、本実施形態では、低燃圧（５ＭＰａ）時には成層用噴口１ａの１本のみからの噴射となるので、図１７に示される如くに、パルス幅に対する燃料噴射量量の傾きは非常に緩やかになり、よって、本実施形態（本発明）の最小噴射量Ｑｍｉｎ２と、従来例の最小噴射量Ｑｍｉｎ１を比較すると、Ｑｍｉｎ２はＱｍｉｎ１の数分の１となる。これにより、成層燃焼運転を行う場合の制御性が向上し、燃料噴射を一燃焼サイクル毎に複数回に分けて行う分割噴射等で１回の噴射量が小さい場合にも対応することができる。さらに高燃圧（１０ＭＰａ）時には、従来例と同等の噴射量を確保でき、高出力の要求に対応することができる。

図１９は、本発明に係る燃料噴射弁の他の例を示す。前記した図３に示される燃料噴射弁１０に対し、本例の燃料噴射弁１０’は、ハウジング１６とコイル１５との間に、インナーホルダ４回転用のステッピングモータコイル４０とステッピングモータ軸４１とを備えたステッピングモータが設けられている。

本例の燃料噴射弁１０’が用いられた筒内噴射式エンジン９０では、コントロールユニット１００が、成層燃焼運転か均質燃焼運転運転かを、エンジン回転数、要求トルク（アクセルペダル踏み込み量等）により判断し、ステッピングモータ軸４１の回転量を決定する。ステッピングモータ軸４１が回転すると、それに伴いインナーホルダ４及びインナーオリフィスプレート２も回転し、この回転により、噴口数が変化する。噴口態様は、前記第１〜第４態様と同じであるので、ここでは省略する。この燃料噴射弁１０’を用いると、燃圧によらず、自由に噴口数を選ぶことができ、例えば高負荷、高燃圧で成層用噴口１ａのみからの噴射とすることができ、その結果、燃料微粒化により燃焼効率を向上させることができる。

図２０に、本実施形態の筒内噴射式エンジン９０において、始動時に分割噴射を行った場合の燃焼室９５内の混合気分布を示す。図示例では、圧縮行程において１回、膨張行程（図示状態）において１回、計２回の噴射を行っている。なお、燃圧は小さく、噴霧１２５は成層用噴口１ａからの１本のみ形成される。圧縮行程噴射により、点火プラグ１１３の近傍に可燃性混合気が生成される。その後、膨張行程においても燃料を噴射し、略同時に点火を行う。２回の燃料噴射の合計空燃比は１６前後とする。これにより、２回目（膨張行程）に噴射した燃料を後燃えさせ、三元触媒１１５の暖機前（活性化前）における未燃炭化水素（ＨＣ）の減少と、触媒１１５の早期昇温（活性化）を同時に行う。

図２１に、本実施形態の筒内噴射式エンジン９０において、高負荷時に分割噴射を行った場合の燃焼室９５内の混合気の状態を示す。図は吸気行程後半を示しており、吸気行程前半に１回、図示の吸気行程後半に１回の噴射を行う。燃圧は高く、噴霧１２５の形状は、成層用噴口１ａと５本の均質用噴口１ｂの計６本であり、広い噴霧角を持ち、燃焼室９５内に広く分布する。分割して噴射することにより、混合気分布をより均一化する一方、吸気冷却効果により充填効率を高め、多くの燃料と空気をシリンダ内に吸入し、大きなトルクを得ることができる。

図２２に、本実施形態（本発明）の作用効果を従来例と比較して示す。従来例に比べて確実かつ良好な成層燃焼運転を行えるので、空燃比を薄く（リーンに）できる。そのため、ポンピングロスを減らし、燃料消費量を少なく抑えることができる。さらに、始動時にピストン１０７や燃焼室壁面への燃料付着を抑えられるので、ＨＣ排出量も低くすることができる。さらに、エンジン始動直後などの冷機時に２回（分割）噴射による後燃えを行うことで、三元触媒１１５を早期に暖機（活性化）でき、モード運転におけるＨＣやＮＯｘの排出を抑えることが可能である。また、均質燃焼運転時の空気利用率を高めたり、吸気行程で分割噴射を行うことにより、最大トルクを上げて高出力を得ることができる。

なお、前記実施形態では、噴口が６本又は４本の燃料噴射弁１０、１０’が用いられているが、これに限定される訳ではなく、噴口形状、噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向き等の噴口態様は適宜変更することができる。さらに、例えば、単孔のスワールタイプの燃料噴射弁、又はスリット噴口タイプの噴口を持つ燃料噴射弁であっても、２つ又はそれ以上に重ねたオリフィスプレートを移動させることにより、噴口の一部もしくは全体を隠し、噴霧の形状を変える等々、種々の態様をとることができる。

本発明に係る筒内噴射式エンジンの一実施形態を示す概略側面図。 本発明に係る筒内噴射式エンジンの一実施形態を示す概略平面図。 図１、図２に示されるエンジンに使用される燃料噴射弁の一例を示す縦断面図。 図３に示される燃料噴射弁の下端部（噴口周辺部）を示す拡大断面図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のアウターオリフィスプレートの噴口の第１態様を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のインナーオリフィスプレートの噴口の第１態様を示す図。 図３に示される燃料噴射弁における噴霧可変機構の成層燃焼運転時での作動の様子を示す図。 図３に示される燃料噴射弁における噴霧可変機構の均質燃焼運転時での作動の様子を示す図。 図１、図２に示されるエンジンの成層燃焼運転時において、ピストンが圧縮行程にあるときにおける燃焼室及びその周辺の様子を示す図。 図１、図２に示されるエンジンの成層燃焼運転時において、ピストンが吸気行程にあるときにおける燃焼室及びその周辺の様子を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のアウターオリフィスプレートの噴口の第２態様を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のインナーオリフィスプレートの噴口の第２態様を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のアウターオリフィスプレートの噴口の第３態様を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のインナーオリフィスプレートの噴口の第３態様を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のアウターオリフィスプレートの噴口の第４態様を示す図。 図３、図４に示される燃料噴射弁のインナーオリフィスプレートの噴口の第４態様を示す図。 本発明と従来例の燃料噴射弁において、同一燃圧でパルス幅を変えた場合の噴射燃料量の変化を、比較して示す図。 本発明と従来例の燃料噴射弁において、同一パルス幅とした場合における燃料噴射量の変化を、比較して示す図。 図１、図２に示されるエンジンに使用される燃料噴射弁の他の例を示す縦断面図。 図１、図２に示されるエンジンにおいて、始動時に分割噴射を行った場合の燃焼室内の混合気分布を示す図。 図１、図２に示されるエンジンにおいて、高負荷時に分割噴射を行った場合の燃焼室内の混合気の状態を示す図。 本発明実施形態の作用効果を従来例と比較（成層運転における空燃比、燃料消費量、ＨＣ及びＮＯｘ排出量の比較、及び均質時出力の比較）して示す図。

符号の説明

１ …アウターオリフィスプレート
１ａ …成層用噴口
１ｂ …均質用噴口
１ｃ …弱成層用噴口
２ …インナーオリフィスプレート
２ａ …成層用噴口
２ｂ …均質用噴口
２ｃ …弱成層用噴口
３ …アウターホルダ
４ …インナーホルダ
６ …可動ベーン
７ …固定ベーン
８ …プランジャ
１０ …燃料噴射弁
１１ …スプリング
１２ …コア
１３ …樹脂モールド
１４ …ヨーク
１５ …コイル
１６ …ハウジング
２０ …電極
２１ …スプリング
２２ …隙間
４０ …ステッピングモータコイル
４１ …ステッピングモータ軸
９０ …筒内噴射式エンジン
９２ …シリンダ
９５ …燃焼室
１０１…吸気通路
１０２…仕切り板
１０３…吸気制御弁
１０４…スロットルセンサ
１０５…エアフローセンサ
１０６…エアクリーナ
１０７…ピストン
１０８…電制スロットル弁
１１０…排気通路
１１１…吸気弁
１１２…排気弁
１１３…点火プラグ
１１５…三元触媒
１１６…コレクタ
１１７…消音器
１２０…タンブル
１２５…噴霧
２００…コントロールユニット
Ｏ …中心軸線
Ｆ …燃料

Claims (15)

1. 相互に重ね合わせることのできる複数の噴口がそれぞれ所定の配列状態で形成された２枚のオリフィスプレートを有し、一方のプレートを他方のプレートに対して回転もしくは移動させることにより、噴口形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させることができることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 流体の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるベーン機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記ベーン機構は、弁内に供給される燃料の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるためのステッピングモータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
5. 前記ベーン機構もしくは前記ステッピングモータは、弁駆動コイルと前記プレートとの間に配在されていることを特徴とする請求項２又は４に記載の燃料噴射弁。
6. 一方のオリフィスプレートの噴口の配列態様が、他方のオリフィスプレートの噴口の配列態様と異なることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
7. 一方のオリフィスプレートの噴口の断面積もしくは口径が、他方のオリフィスプレートの噴口の断面積もしくは口径より大きくされていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
8. 前記２枚のオリフィスプレートのうちの一方の噴口の少なくとも一つが、中心から距離の等しい円弧からなる長穴形状とされていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
9. 前記２枚のオリフィスプレートは、相互に摺動自在に対接する円錐面を有し、この円錐面に前記噴口が開口せしめられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
10. 前記噴口は、中心軸線に対して外側に傾斜せしめられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料噴射弁と、混合気の成層化や均質混合気の生成等を行うための混合気生成調節機構と、前記燃料噴射弁及び前記混合気生成調節機構の制御を行う制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、運転状態に基づいて、前記噴口の形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させて、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するように制御することを特徴とする筒内噴射式エンジン。
12. 前記燃料噴射弁は、燃焼室における吸気通路側に横向きで臨設されていることを特徴とする請求項１１に記載の筒内噴射式エンジン。
13. 前記混合気生成調節機構は、吸気通路の下流通路部を上側通路部と下側通路部とに分割する仕切り板と、前記下側通路部の上流側端部に配在されて該下側通路部を選択的に開閉する吸気制御弁と、を備えていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の筒内噴射式エンジン。
14. 供給される燃料の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させる前記ベーン機構が設けられた前記燃料噴射弁を備え、前記制御手段は、成層燃焼運転時には燃圧を上げるか又は下げることにより、また、均質燃焼運転時には燃圧を下げるか又は上げることにより、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するようにされていることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の筒内噴射式エンジン。
15. 前記制御手段は、一燃焼サイクル毎に、燃料噴射を複数回に分けて行うように制御することを特徴とする請求項１１から１４のいずれか一項に記載の筒内噴射式エンジン。

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