JP2019190320A - ポート噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＮ量を低減できるポート噴射弁を提供する。【解決手段】エンジンの吸気ポートに搭載されるポート噴射弁の噴孔形状を、噴孔の数と、ポート噴射弁の先端部から一定の位置における、隣り合う噴孔から噴射された燃料噴霧の中心間の距離の平均値と、先端部と燃料噴霧が吸気バルブ又は吸気ポートの壁面に衝突する位置の距離の平均値と、に応じて算出される、排出されるＰＮ量の変化を示す値が、基準値以下となるよう設定する。【選択図】図６

Description

本発明はポート噴射弁に関する。

特許文献１には、その先端部に燃料を噴射させるための複数の噴孔を有するポート噴射弁が記載されている。より具体的に特許文献１には、ポート噴射弁から噴射される燃料噴霧が互いに干渉しないように、ポート噴射弁の噴霧角と噴孔間距離とが設計されることが記載されている。

特開２００８−０９５６４４号公報

ポート噴射弁から噴射される燃料噴霧の粗粒化は、ＰＭ（Particulate Matter）の排出量、及びＰＮ（Particulate Number；即ち、ＰＭ排出個数）を増大させる要因となる。つまり、近年強化されるＰＮ量の規制に対応するべく、ＰＮ量の低減を図るためには、燃料噴霧の微粒化が重要となる。そして、特許文献１に記載されているように、燃料噴霧の微粒化においては、ポート噴射弁から噴射された燃料噴霧が互いに干渉するのを抑制することは重要である。

しかし、燃料噴霧の微粒化を妨げる要因は、燃料噴霧同士の干渉だけではない。例えば、燃料噴霧が噴射されてから吸気ポートの壁面又は吸気バルブに衝突するまでの距離が短い場合、燃料噴霧が微粒化されにくい。燃料噴霧の更なる微粒化によるＰＮ量の低減を図るためには、燃料噴霧の微粒化に影響する様々な要因を総合的に考慮したポート噴射弁の開発が望まれる。この点、特許文献１のポート噴射弁は、吸気ポートへの搭載状態が考慮されておらず、改善の余地が残るものである。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、ポート噴射弁の吸気ポートへの搭載状態を含め、燃料噴霧の微粒化に影響する種々の要因を考慮して、ＰＮ量を低減できるよう改良されたポート噴射弁を提供するものである。

本発明は、エンジンの吸気ポートに搭載されるポート噴射弁であって、先端部に、燃料を噴射するための複数の噴孔を備える。このポート噴射弁は、数式１に示す関数の値が、基準値以下となるように設計されたものである。数式１において、ｎは、ポート噴射弁の噴孔の数である。ｘは、ポート噴射弁の先端部から一定の位置における、隣り合う噴孔から噴射された燃料噴霧の中心間の距離の平均値である。ｙは、先端部と、燃料噴霧が吸気バルブ又は吸気ポートの壁面に衝突する位置の距離の平均値である。ａ、ｂ、及び、ｃは所定の定数である。

上記数式１は、排出されるＰＮ量に相関する関数であり、その値の増減はＰＮ量の増減傾向と一致する。特に、数式１の関数では、吸気バルブ又は吸気ポートの壁面と燃料噴霧との衝突位置が考慮されており、ポート噴射弁の吸気ポートへの搭載状態を考慮したものとなっている。このようにＰＮ量の増減傾向を示す関数の値が、基準値以下となるようにすることで、ポート噴射弁の吸気ポートへの搭載状態をも考慮して、実際にＰＮ量を一定以下に低減できるポート噴射弁を設計することができる。

本発明の実施の形態のポート噴射弁の設置状態について説明するための図である。 本発明の実施の形態のポート噴射弁を模式的に示す図である。 噴霧角の異なるポート噴射弁から噴射される燃料噴霧のバリエーションについて説明するための図である。 噴霧角の異なるポート噴射弁から噴射される燃料噴霧のバリエーションについて説明するための図である。 噴霧角の異なるポート噴射弁から噴射される燃料噴霧のバリエーションについて説明するための図である。 噴霧角のずれ量と、ＰＮ量との関係について説明するための図である。 排出されるＰＮ量の実測値と回帰式を用いて算出されたＰＮ量の推定値とを比較する図である。 異なる機種のポート噴射弁を用いた場合に排出されるＰＮ量の実測値と、回帰式を用いて算出されたＰＮ量の推定値との関係を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

図１は、本発明の実施の形態におけるポート噴射弁の設置状態について説明するための模式図である。図１には、エンジンのシリンダヘッド側面に形成される吸気ポート１０の一部と、一方の吸気バルブ１２、及び、ポート噴射弁１４のみが表されている。吸気ポート１０は、シリンダヘッドの側面に形成された入口から燃焼室に連通する開口部に向かう途中で二股に分かれている。開口部それぞれには吸気バルブ１２が設置される。但し、図１では一方の開口部側のみに吸気バルブ１２を表している。ポート噴射弁１４は、吸気ポート１０が二股に分かれる部分の上流部に、先端が吸気ポート１０に臨むようにして設置されている。

図１には、ポート噴射弁１４から噴射される燃料噴霧のうち、二股に分かれた部分の一方の吸気ポート１０側に噴射される燃料噴霧のみが表されている。図１に示されるように、ポート噴射弁１４から噴射される燃料噴霧は、吸気ポート１０の壁面や吸気バルブ１２に衝突する。

図２は、本実施の形態のポート噴射弁を模式的に示す図である。図２において（ａ）はシリンダヘッドの上側からみた図であり、（ｂ）は、エンジン側面側から見た図である。ポート噴射弁１４は、その先端部に、複数の噴孔を有している。図２においても、吸気ポート１０の二股に分かれた部分の一方側に噴射される燃料噴霧のみを記載しているが、ポート噴射弁１４は実際には、吸気ポート１０の二股に分かれた部分の、それぞれに向けて、燃料噴霧を噴射できるように、左右対称に噴孔が形成されている。なお、図２の例では、ポート噴射弁１４は、その先端部に左右対称に５つずつ合計１０個の噴孔を有し、これにより、図２に示されるように、１の吸気ポート１０に対して、燃料噴霧を５本ずつ噴射する。但し、噴孔の数はこれに限定されない。

図３〜図５は、噴霧角の異なるポート噴射弁から噴射される燃料噴霧のバリエーションについて説明するための図である。図３〜図５に示すポート噴射弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、いずれも、先端部に合計１０個の噴孔を有し、吸気ポート１０の二股に分かれた部分それぞれに対して、５本の噴霧を噴射するように構成されている。図３のポート噴射弁１４ａは、噴射される燃料噴霧の噴霧角が小さく、燃料噴霧が互いに密接している例、図５のポート噴射弁１４ｃは、噴射される燃料噴霧の噴霧角が大きく、燃料噴霧間の距離が大きい例、図４のポート噴射弁１４ｂは、図３と図５の間にあり、燃料噴霧の噴霧角が中ぐらいの例を表している。

図６は、基準とするポート噴射弁の燃料噴霧に対する噴霧角ずれ量と、各ポート噴射弁を用いた場合にエンジンから排出されるＰＮ量の関係について説明する図である。なお、図６における噴霧角のずれ量は、図４のポート噴射弁１４ｂの燃料噴霧それぞれの中心軸を基準位置としたものである。即ち、ポート噴射弁１４ｂの燃料噴霧それぞれの中心軸に対する、各ポート噴射弁１４ａ、１４ｃの対応する位置の燃料噴霧の中心軸の角度である。図３のポート噴射弁１４ａのように燃料噴霧の開きが小さい例では、そのずれ量はマイナス側の値であり、図５のポート噴射弁１４ｃのように、燃料噴霧の開きが大きい例では、そのずれ量はプラス側の値となっている。

図６に示されるように、排出されるＰＮ量は、基準とするポート噴射弁１４ｂの場合に最も少なく、燃料噴霧の噴霧角がこの基準より大きい場合にも小さい場合にも、増大している。

ところで、排出されるＰＮ量に影響する因子としては、以下の因子が挙げられる。
（１）燃料噴霧同士の距離
燃料噴霧同士の距離が近いほどコアンダ効果で噴霧が集中し、噴霧同士が干渉するため、ＰＮ量が大きくなる。
（２）ポート噴射弁の噴孔数
噴孔が多いほど、噴霧の干渉が大きくなり、燃料の微粒化が妨げられる。
（３）噴霧分岐点（即ち、噴孔の出口）から燃料噴霧が吸気ポートの壁面又は吸気バルブに衝突するまでの距離
衝突までの距離が短いほど燃料の微粒化が促進されないため、ＰＮ量が増大する。

本願発明者は、噴射角又は噴孔の数が異なる第１〜第６の６種のポート噴射弁を用いた繰り返しの実験により、各ポート噴射弁の、燃料噴霧同士の距離、燃料噴霧の衝突までの距離を測定し、排出されるＰＮ量を計測した。その結果、上述した（１）燃料噴霧同士の距離、（２）噴孔数、（３）燃料分岐点から衝突までの距離と、排出されるＰＮ量との間には、一定の相関があり、以下の回帰式が成立することを見出した。

上記数式２の回帰式において、「噴霧間距離」は、（１）の燃料噴霧同士の距離に対応する指標であり、ここではポート噴射弁の噴孔の出口から50ｍｍの位置における、隣り合う燃料噴霧の中心点間の距離の平均値である。また「噴霧衝突距離」は、（２）の燃料分岐点から衝突までの距離に対応する指標であり、ここでは、噴孔の出口から、燃料噴霧が吸気ポート１０壁面又は吸気バルブ１２に衝突する位置までの距離の平均値である。

図７は、上記の回帰式算出の実験における、第１噴射弁〜第６噴射弁それぞれを用いた場合のＰＮ量の実測値と、回帰式を用いて算出されたＰＮ量の推定値とを比較する図である。図７からも、上記の回帰式により、ＰＮ量が高い精度で推定できることがわかる。

図８は、異なる機種のポート噴射弁を用いた場合のＰＮ量の実測値と回帰式によるＰＮ量の推定値との関係を説明する図である。図８では、第７噴射弁〜第９噴射弁の例を示しており、第８噴射弁のＰＮ量の実測値又は推定値に対す割合を表している他の機種のポート噴射弁を用いた場合、ＰＮ推定値の値は、実測値とは異なるものとなった。しかし、図８に示すように、第８噴射弁のＰＮ量の実測値と推定値とのそれぞれに対する、第７又は第９噴射弁のＰＮ量の実測値又は推定値の割合は、概ね一致する。つまり、ＰＮ量の増減の傾向は、実測値と回帰式による推定値とで、一致していることが確認された。従って、数式２の回帰式により、ＰＮ量の増減が推定できることがわかる。

以上より、数式２の回帰式を用いて、ＰＮ量を最小にする、あるいは基準値以下とする噴孔数、噴霧間距離、噴霧衝突距離を求め、これを満たすように、ポート噴射弁を設計すればよい。即ち、ポート噴射弁の噴孔数、各噴孔の角度、各噴孔の大きさ、及び、噴孔のテーパー角を調整することで、噴孔数、噴霧間距離、噴霧衝突距離が所望の値となるよう、ポート噴射弁を設計すればよい。

なお、数式２の回帰式に替えて、数式３に示す関数の値が最小又は基準値以下となるようにしてもよい。

ここで、a、ｂ、ｃはそれぞれ定数であり、実験等によって定められる値である。この式において噴霧間距離は、噴孔出口から所定の距離における隣り合う燃料噴霧の中心間の距離であればよく、所定の距離は適宜定めることができる。このように定数ａ、ｂ、ｃの値を適宜求めることで、形状が大きく異なる吸気ポートに搭載されるポート噴射弁についても、その噴孔の形状をＰＮ量の減量に最適な形状に設計することができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０ 吸気ポート
１２ 吸気バルブ
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ ポート噴射弁

Claims (1)

1. エンジンの吸気ポートに搭載されるポート噴射弁であって、
   先端部に、燃料を噴射するための複数の噴孔を備え、
   前記噴孔の数をｎ、前記先端部から一定の位置における、隣り合う前記噴孔から噴射された燃料噴霧の中心間の距離の平均値をｘ、前記先端部と、燃料噴霧が吸気バルブ又は前記吸気ポートの壁面に衝突する位置との距離の平均値をｙとし、ａ、ｂ、及び、ｃを所定の定数とした場合に、数式１に示す関数の値が、基準値以下となることを特徴とするポート噴射弁。
   

   

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