JP2005163710A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構造、制御によって複数の燃料噴射パターンを切換え可能にする。
【解決手段】弁本体１に設けられたシート部に着座する第１の針弁３と、前記第１の針弁３に設けられたシート部に着座する第２の針弁２と、前記第２の針弁２を開閉方向に動作させるアクチュエータと、を備え、前記弁本体１に対する前記第１の針弁３の開動作方向と、前記第１の針弁３に対する前記第２の針弁２の開動作方向とが反対向きで、前記第１の針弁３に着座している前記第２の針弁２を、前記アクチュエータによってさらに閉方向に動作させると、前記第１の針弁３が開方向に動作する構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に、噴霧パターンを変更することが可能な燃料噴射弁の構造に関する。

エンジンの燃焼効率を向上させるために、エンジンの負荷状態に応じて燃料噴射弁の燃料噴霧パターンを切換える方法が提案されており、特許文献１には、ディーゼル直噴用噴射弁として用いられることの多い差圧式の噴射弁に、広角噴霧用と狭角噴霧用の燃料噴霧口を設け、燃料噴射弁内を移動する針弁の位置によって前記燃料噴霧口を切換えて燃料噴霧パターンを切換える技術が開示されている。
特開２００３-００３９３３号

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、針弁の位置を精密に制御する必要があるので、制御システム等が複雑化し、コスト増加が避けられないといった問題があった。

そこで、本発明では、シンプルな構造によって燃料噴霧パターンの変更を可能にすることを目的とする。

本発明の燃料噴射弁は、弁本体に設けられたシート部に着座する第１の針弁と、前記第１の針弁に設けられたシート部に着座する第２の針弁と、前記第２の針弁を開閉方向に動作させるアクチュエータと、を備え、前記弁本体に対する前記第１の針弁の開動作方向と、前記第１の針弁に対する前記第２の針弁の開動作方向とが反対向きで、前記第１の針弁に着座している前記第２の針弁を前記アクチュエータによってさらに閉方向に動作させると、前記第１の針弁が開方向に動作する。

本発明によれば、アクチュエータの動作方向を切換えるだけで第１、第２の針弁の開弁動作を切換えることが可能なので、複雑な制御システム等を設けることなく複数の燃料噴射パターンを切換えることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の燃料噴射弁は、燃焼室の上部略中央に燃料噴射弁が設置される筒内直接噴射エンジンに使用する。なお、この筒内直接噴射エンジンは、低負荷運転時から所定の負荷まではリーン成層燃焼、所定以上の高負荷運転時には均質燃焼を行うよう制御される。

図１は本実施形態で用いる燃料噴射弁の構造を示したものであり、この燃料噴射弁は、略円筒形状で先端部が開口している燃料噴射ノズル本体１と、燃料噴射ノズル本体１の開口部に燃料噴射ノズル本体１と同軸に組み込まれ、内部に略円筒形状の空間を有する外側針弁３と、外側針弁３の内部の空間に、外側針弁３と同軸に組み込まれた内側針弁２と、内側針弁２を開閉方向に動作させるアクチュエータと、を備えている。

燃料噴射ノズル本体１内部の上端付近から先端方向に向けて突出する突起１９の外周には、燃料噴射ノズル本体１と同軸状に永久磁石１３ａが取り付けられる。永久磁石１３ａと対峙する壁面には、永久磁石１３ａと反対の極性が永久磁石１３ａと対峙するように、かつ永久磁石１３ｂが永久磁石１３ａと同軸状になるように設置される。例えば、永久磁石１３ａがＮ極を外側に向け、永久磁石１３ｂがＳ極を内側に向けて設置されているとする。

外側針弁３は、側面からテーパー状のガイド部１７が張り出しており、このガイド部１７の最大径は燃料噴射ノズル本体１の外径と略等しくなっている。最大径部分から先端部までは、先端を頂点とする略円錐形状となっている。このテーパー部分が後述する燃料噴射パターンを決定する。

また、外側針弁３は、上端部付近３ａがバネ１０によって燃料噴射ノズル本体１の側壁から内側に突出する突起２０と接続され、燃料噴射ノズル本体１に引き付けられている。

したがって、初期状態では、ガイド部１７が燃料噴射ノズル本体１の先端部付近に設けられたシート部１８に着座している。シート部１８に外側針弁３が着座した状態において、ガイド部１７のテーパー面の最外周部がシート部１８に当接している。なお、外側針弁３の先端部付近３ｂには、内側針弁用噴孔４が複数開口している。内側針弁用噴孔４は燃料噴射ノズル本体１の中心軸に対して所定の角度を持って開口しており、この所定角度は、後述する外側針弁用噴孔５の燃料噴射ノズル本体１の中心軸に対する角度よりも小さい。

内側針弁２は、先端部は略円錐形状であり、また、上端部付近２ａがバネ９によって燃料噴射ノズル本体１の天井面から突出する突起１９と接続されて、燃料噴射ノズル本体１の先端方向、つまり外側針弁３に押付けられている。したがって、初期状態では内側針弁２は外側針弁３の内部のシート部２１に着座している。シート部２１に内側針弁２が着座した状態において、内側針弁２先端の円錐面の最外周部がシート部２１に当接しており、このシール位置より先端側に内側針弁用噴孔４が設けられている。

なお、バネ９、１０のバネ定数は、全てのバネ１０によって外側針弁３を燃料噴射ノズル本体１に引き付ける力が、バネ９によって内側針弁２を外側針弁３に押付ける力よりも強くなるように、かつどちらの力も後述する電磁力より弱くなるように設定する。

永久磁石１３ａと永久磁石１３ｂの間には、先端部が内側針弁２の上端部付近２ａと接続され、外周にコイル１１が巻かれ、内側針弁２と接続されたコイル支持部材１４が設置される。永久磁石１３ａ、１３ｂ、コイル１１およびコイル支持部材１４が内側針弁２を開閉方向に動作させるアクチュエータを構成する。

コイル１１の両端部には信号線１２が接続されており、この信号線１２に流れる電流の向きは、図示しないコントロールユニットによって、エンジンの負荷に基づいて制御される。

燃料噴射ノズル本体１の側壁には、内部に燃料供給通路が設けられた燃料供給孔８が設けられる。燃料供給孔８は図示しない燃料タンクと接続されている。

上記のように構成される燃料噴射弁の作用について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ低負荷運転時、リーン成層燃焼可能な程度の高負荷運転時、全負荷運転時のような高負荷運転時における、燃焼室内および燃料噴射弁先端付近を示している。燃焼室３０は、ピストン３１の上面とシリンダヘッド３３の下面との間に形成される。シリンダヘッド３３には、燃焼室３０の略中央に位置するよう本実施形態の燃料噴射弁３４が取り付けられており、ピストン３１の上面には、燃料噴射弁３４からの燃料噴霧中心軸上に中心が位置する円形のキャビティ３５が凹設されている。燃焼室３０内に形成された混合気は、点火プラグ３２によって点火される。

低負荷運転時には、コイル１１に、コイル１１上側からみて反時計回りに電流を流す。このとき、コイル支持部材１４にはフレミングの左手の法則にしたがって燃料噴射ノズル本体１先端方向の力が加わる。これにより、内側針弁２が外側針弁３を押す力が、外側針弁３を燃料噴射ノズル本体に引き付ける力に打ち勝って、図２（ａ）に示すように外側針弁３は燃料噴射ノズル本体１の先端方向に移動し、ガイド部１７と燃料噴射ノズル本体１の先端部付近１８との間に隙間（外側針弁用噴射孔５）が形成される。燃料供給孔８から供給された燃料は、燃料噴射ノズル本体１の内側側面と外側針弁３の外側側面とで形成される外側燃料通路７を通り、外側針弁用噴射孔５から燃焼室内へ噴射される。

このときの燃料噴射パターンは、図２（ａ）の噴射パターンＡで示すように、広角度の円錐状であり、ピストン３１の方向へ向かう速度成分が小さいため、燃焼室３０の上方に燃料が留まり易くなる。また、燃料噴射時期はピストン３１がほぼ上死点位置に到達したとき、つまり、点火時期に近づいたときとする。

これにより、点火時期には噴射された燃料の多くが点火プラグ３２周辺に分布することとなる。低負荷運転時のように燃料噴射量が少ない場合には噴射燃料を直接点火プラグ３２の近傍へ到達させた方が良好な着火が得られ、燃料を効率よく燃焼させることが可能となる。

リーン成層燃焼が行える程度の比較的負荷が高い状態では、上記とは逆にコイル１１に、コイル１１上側からみて時計回りに電流を流す。このときコイル支持部材１４には燃料噴射ノズル本体１上部向きの力が加わる。これにより内側針弁２は引き上げられて、内側針弁２の外側側面と外側針弁３の内側側面とで形成される内側燃料通路６と、内側針弁用噴孔４とが連通する。外側針弁３はバネ１０によって燃料噴射ノズル本体１に引き付けられるので、外側針弁用噴孔５は閉じた状態となる。したがって、燃料供給孔８から供給された燃料は内側燃料通路６を通って内側針弁用噴射孔４から噴射される。

このときの噴射パターンは、図２（ｂ）の噴射パターンＢで示すようにパターン１よりも挟角度の円錐形状となる。

燃料噴射時期は、圧縮行程の中頃から後半に設定する。この場合、内側針弁用噴孔４から噴射された燃料はキャビティ３５の底面３５ｂに衝突し、その後キャビティ側壁３５ａに沿って上昇する。このような燃料の流れ（図中に矢印で示すような旋回流）に周囲の空気が巻き込まれてキャビティ３５とその上方の空間に混合気が形成される。燃料噴射量が比較的多く十分な強さの噴霧旋回流が得られる場合、キャビティ３５を利用した方が良好な混合気（燃料の気化が進み内部の空燃比むらが少ない混合気）を得ることができる。

全負荷運転時のように負荷が高く、均質燃焼を行う必要がある場合には、コイル１１に流す電流の向きを、１回の吸気行程中に複数回切換える。これにより、内側針弁用噴孔４と外側針弁用噴孔５から交互に燃料が噴射されて、燃料は図２（ｃ）中にＣで示したように燃焼室全体に広がる。一つの燃料噴射孔から噴射した場合であっても、燃料分布が図２（ｃ）中のＣのようになることもあるが、本実施形態のように複数の燃料噴射孔４、５から交互に噴射すると、均質度をより高くすることができる。

以上により、本実施形態では、コイル１１に流す電流の向きによって複数の燃料噴射パターンを切換えることができる燃料噴射弁３４を用い、エンジン負荷に応じて電流の向きを制御して複数の燃料噴射パターンを切換えるので、幅広い運転条件において効率のよい燃焼を行うことが可能である。

なお、本実施形態では内側針弁用噴孔４を複数設けたが、噴射パターンＢで燃料を噴射することが可能であるならば、噴孔は１つでも構わない。

また、内側針弁用噴孔４および外側針弁用噴孔５が燃料噴射ノズル本体１の中心軸となす角度を上記とは逆にして、低負荷運転時には内側針弁用噴孔４から噴射パターンＡで、また比較的負荷が高い状態では外側針弁用噴孔５から噴射パターンＢで燃料噴射を行うようにすることも可能である。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、筒内直接噴射エンジンの燃焼効率を、幅広い運転条件において向上させるために利用可能である。

本実施形態の構成を表す図である。 負荷が低い運転状態の燃料噴射ノズル先端の状態と燃料噴射パターンを説明するための図である。 比較的負荷が高い運転状態の燃料噴射ノズル先端の状態と燃料噴射パターンを説明するための図である。 均質燃焼時の燃料噴射ノズル先端の状態と燃料噴射パターンを説明するための図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ノズル本体
２ 内側針弁
３ 外側針弁
４ 内側針弁用噴孔
５ 外側針弁用噴孔
６ 内側燃料通路
７ 外側燃料通路
８ 燃料供給孔
９ バネ
１０ バネ
１１ コイル
１２ 信号線
１３ 突起
１４ コイル支持部材
１７ ガイド部
３０ 燃焼室
３１ ピストン
３２ 点火プラグ
３３ シリンダヘッド
３４ 燃料噴射弁
３５ キャビティ

Claims (10)

1. 弁本体に設けられたシート部に着座する第１の針弁と、
   前記第１の針弁に設けられたシート部に着座する第２の針弁と、
   前記第２の針弁を開閉方向に動作させるアクチュエータと、を備え、
   前記弁本体に対する前記第１の針弁の開動作方向と、前記第１の針弁に対する前記第２の針弁の開動作方向とが反対向きで、
   前記第１の針弁に着座している前記第２の針弁を、前記アクチュエータによってさらに閉方向に動作させると、前記第１の針弁が開方向に動作することを特徴とする、燃料噴射弁。
2. 前記弁本体の内側に前記第１の針弁が着座するシート部を設け、
   前記第１の針弁の内側に前記第２の針弁が着座するシート部を設ける請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記第１の針弁の、前記第２の針弁とのシール部分よりも先端部側に、１または複数個の孔を設けた請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記第１の針弁の外周部分には、テーパー状に張り出だしたガイド部が設けられ、
   前記ガイド部に沿った噴射角度で燃料が噴射される請求項２に記載の燃料噴射弁および前記燃料噴射弁を用いた筒内直噴エンジン。
5. 前記第１の針弁には、非作動時に前記弁本体に着座する方向の力がかかる弾性体が接続され、開動作時には前記アクチュエータが前記第２の針弁を前記弁本体の先端方向に押し出し、
   前記第２の針弁には、非作動時に前記第１の針弁に着座する方向の力がかかる弾性体が接続され、開動作時には前記アクチュエータによって前記第２の針弁を前記弁本体の内部方向に引っ張る請求項１に記載の燃料噴射弁。
6. 前記アクチュエータは、一対の永久磁石と、その間に移動可能に設置されたコイルと、前記コイルと前記第２の針弁とを接続するコイル支持体とからなり、
   前記コイルに流す電流の向きを変化させることにより、作動する方向を制御する請求項５に記載の燃料噴射弁。
7. 燃焼室に請求項１に記載の燃料噴射弁を備え、
   前記第１の針弁の開弁によって噴射される燃料噴霧と、前記第１の針弁の開弁により噴射される燃料噴霧とを、エンジンの運転状態に応じて切換える筒内直噴エンジン。
8. 前記第１の針弁の開弁によって噴射される燃料噴霧の噴霧角度を、
   前記第２の針弁の開弁によって噴射される燃料噴霧の噴霧角度より大きくする請求項７に記載の筒内直噴エンジン。
9. エンジンが低負荷運転の状態では前記第１の針弁のみを開弁し、
   負荷が高い状態では前記第２の針弁のみを開弁する請求項８に記載の筒内直噴エンジン。
10. 全負荷に近い状態まで負荷が高い場合には、前記コイルに通電する電流の向きを吸気行程中に複数回切換えることによって、前記第１、第２の針弁を交互に開弁させる請求項９に記載の筒内直噴エンジン。

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