JP2005171776A - 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】針弁２と、針弁２と同じ方向に連動して動く永久磁石９と、針弁２と動作方向が同じである針弁３と、針弁３と同じ方向に連動して動き、永久磁石９とは反対の向きに磁化された永久磁石１０と、永久磁石９および永久磁石１０と対向する位置に配置され、前記２つの永久磁石９、１０と向き合う側の端部を任意の極性に磁化させ得る電磁石１３と、を備え、電磁石１３の極性を変化させることにより針弁２、針弁３を開閉させる。
【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、第１針弁と、前記第１針弁と連動して同じ方向に動く第１永久磁石と、前記第１針弁と動作方向が同じである第２針弁と、前記第２針弁と同じ方向に連動して動き、前記第１永久磁石とは反対の向きに磁化され、かつ、並列に配置された第２永久磁石と、前記第１永久磁石および第２永久磁石と対向する位置に配置され、前記２つの永久磁石と向き合う側の端部を任意の極性に磁化させ得る電磁石と、を備え、前記電磁石の極性を変化させることにより前記第１針弁、第２針弁を開閉させる。

本発明によれば、燃料噴射弁に第１、第２の二つの針弁を設け、前記二つの針弁に永久磁石を設け、また、前記二つの永久磁石に向き合い、弁本体に極性を任意に変化させることが可能な電磁石を設けたので、前記電磁石の極性を変化させることにより前記第１、第２針弁の開閉を切換えること、つまり電磁石に流す電流の向きを切換えるだけで燃料噴霧パターンを切換えることが可能となる。

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、本実施形態の筒内直接噴射エンジンは、低負荷運転時にはリーン成層燃焼を行い、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、燃料噴射ノズル本体１と、燃料噴射ノズル本体１の内側に収納される筒状の外側針弁３と、外側針弁３の内側に外側針弁３と同軸に組み込まれる内側針弁２と、内側針弁２および外側針弁３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の上面には、燃料噴射ノズル１の先端方向に向けて突出する突起部１７が設けられる。突起部１７の側壁面には、電磁石として機能するコイル１１が巻き回されたコイル支持体１３が設置される。コイル１１には銅線１２が接続されており、図示しないコントロールユニットによって制御される方向に電流が流れる。内側永久磁石９、外側永久磁石１０、バネ１４、１５、コイル１１およびコイル支持体１３、が内側針弁２、外側針弁３を開閉方向に動作させるアクチュエータを構成する。

突起部１７の下面１７ａにはバネ１５の一方の端部が接続されており、バネ１５の他方の端部は内側永久磁石９の上端部に接続されており、内側永久磁石９の下端部は内側針弁２の上端部に結合されている。したがって、内側針弁２はバネ１５の力によって燃料噴射ノズル本体１の底部に押付けられる。押付けられた状態では、内側針弁２の先端の円錐面の最外周部が燃料噴射ノズル本体１の底面と当接する。

燃料噴射ノズル本体１の底部の、内側針弁２と当接する円周の内側、かつ後述する外側針弁３と当接する円周の外側には、一または複数の外側針弁用噴孔７が燃料噴射ノズル本体１の中心軸方向に対して所定の角度ｂをもって設けられる。

内側永久磁石９の周囲には、外側永久磁石１０が永久磁石９と極性を上下逆にして設置されている。外側永久磁石１０の下端部はプレート１６を介して外側針弁３の上端部と接続される。これら外側永久磁石１０とプレート１６と外側針弁３は結合されている。

プレート１６は、下面の少なくとも一部が内側針弁２の上面と接触し、外側針弁３が燃料噴射ノズル本体１に押付けられた状態では、プレート１６が内側針弁２の上面を燃料噴射ノズル本体１の先端方向に押し、内側針弁２も燃料噴射ノズル本体１の底部に押付けられるようになっている。

外側永久磁石１０の上端部にはバネ１４が接続されている。このバネ１４は、他方の端部が燃料噴射ノズル本体１と接続され、外側針弁３を燃料噴射ノズル本体１の底部に押付けている。押付けられた状態では、外側針弁３の先端の円錐面の最外周部が燃料噴射ノズル本体１と当接する。そして、燃料噴射ノズル本体１の底部の内側針弁２と当接する円周の内側には、一または複数の内側針弁用噴孔４が燃料噴射ノズル本体１の中心軸方向に対して所定の角度ａをもって設けられる。

内側針弁用噴孔４の燃料噴射ノズル本体１の中心軸に対する角度ａは、外側針弁用噴孔７の燃料噴射ノズル本体１の中心軸に対する角度ｂよりも小さくする。

なお、角度Ｂは、外側針弁用噴孔７からの燃料噴霧が、広角度の円錐形状となるように大きめの角度とする。

次に内側針弁２と外側針弁３の開閉動作について説明する。

コイル１１に電流を流すと、その内部および外部には磁界が形成される。したがって、例えば外側永久磁石１０の上端側をＮ極、内側永久磁石９の上端側をＳ極とすると、電流を流すことによってコイル１１の下端側がＳ極になると外側永久磁石１０にはコイル１１に引き付ける力が、また内側永久磁石９にはコイル１１と反発する力が作用する。逆にコイル１１の下端側がＮ極となる場合には、外側永久磁石１０にはコイル１１と反発する力が、また内側永久磁石９にはコイル１１に引き付ける力が作用する。

ここで、コイル１１が外側永久磁石１０と反発する力と、バネ１０が外側針弁３を燃料噴射ノズル本体１に押付ける力と、バネ１５が内側針弁２を燃料噴射ノズル本体１に押付ける力とを合わせた力よりも、コイル１１が内側永久磁石９を引き付ける力の方が強くなるように、また、バネ１４が外側針弁３を燃料噴射ノズル本体１に押付ける力はコイル１１が離宮磁石１０を引き付ける力よりも小さくなるように、バネ１４、１５のバネ定数およびコイル１１の巻数、電流値等を設定する。

これにより、コイル１１の下端側がＳ極のときには、永久磁石１０がコイル１１に引き付けられるので外側針弁３は引き上げられ、外側針弁用噴孔７が外側燃料通路５と連通する。また、永久磁石９はコイル１１と反発するので内側針弁２は燃料噴射ノズル本体１に押付けられ、内側針弁用噴孔４は閉じられた状態となる（後述する図２（ａ）の下図参照のこと）。

このとき、燃料供給孔８から供給された燃料は、外側燃料通路５を経由して外側針弁用噴孔７から噴射される。

電流を流す向きを反対にするとコイル下端側はＮ極となり、永久磁石９がコイル１１に引き付けられるので内側針弁２が引き上がられる。このとき、永久磁石１０はコイル１１と反発するものの、内側針弁２がプレート６を介して外側針弁３を引き上げるので、内側針弁用噴孔４、外側針弁用噴孔７はともに開いた状態となる（後述する図２（ｂ）の下図参照のこと）。

このとき、燃料供給孔８から供給された燃料は、前述したように外側針弁用噴孔７から噴射されるとともに、内側針弁用噴孔４からも噴射される。

上記のように、電流を流す向きを変化させることにより、内側針弁２、外側針弁３の開閉を制御することができ、燃料噴射を行う噴孔を切換えることが可能となる。

ここで、燃料噴霧パターンについて図３（ａ）、３（ｂ）を参照して説明する。

図２（ａ）、２（ｂ）は、それぞれ低負荷運転時、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の下端側がＳ極となるように電流を流し、図２（ａ）の下図に示すように外側針弁用噴孔７からのみ燃料を噴射する。

この時の噴霧パターンは図２（ａ）上図に噴霧パターン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。

エンジンが高負荷運転時には、コイル１１の下端側がＮ極となるように電流を流し、図２（ｂ）の下図に示すように外側針弁用噴孔７および内側針弁用噴孔４の両方からの燃料を噴射する。

この時の噴霧パターンは、図２（ｂ）上図に噴霧パターンＢで示すように燃料噴霧が燃焼室３０全体に広がるようになる。なお、噴霧パターンＢは外側針弁用噴霧孔７からの噴霧パターンＡと内側針弁用噴孔４からの噴霧パターンとを合わせたものであるので、従来から用いられているような単一の噴霧パターンしかもたない燃料噴射弁による燃料噴霧に比べて、混合気の均質度が高くなる。

したがって、低負荷運転時には外側針弁用噴孔７のみを開き、確実に点火プラグ３２周辺に混合気を形成することができ、高負荷運転時には外側針弁用噴孔７および内側針弁用噴孔４の両方を開き、燃焼室３０全体に均質度の高い混合気を形成することができるので、燃焼効率が高くなり、燃費、排気性能を向上することができる。

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、１つでも構わない。

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、筒内直接噴射型のエンジンに適用することが可能である。

本実施形態の燃料噴射弁の断面図である。 （ａ）（ｂ）は本実施形態の燃料噴射弁の動作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（第１針弁）
３ 外側針弁（第２針弁）
４ 内側針弁用噴孔
５ 外側燃料通路
６ 内側燃料通路
７ 外側針弁用噴孔
８ 燃料供給孔
９ 永久磁石（第１永久磁石）
１０ 永久磁石（第２永久磁石）
１１ コイル
１２ 銅線
１３ コイル支持体
１４ バネ
１５ バネ
１６ プレート
１７ 突起部
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 (6)

1. 第１針弁と、
   前記第１針弁と同じ方向に連動して動く第１永久磁石と、
   前記第１針弁と動作方向が同じである第２針弁と、
   前記第２針弁と同じ方向に連動して動き、前記第１永久磁石とは反対の向きに磁化され、かつ並列に配置された第２永久磁石と、
   前記第１永久磁石および第２永久磁石の動作方向上に配置され、前記２つの永久磁石と向き合う側の端部を任意の極性に磁化させ得る電磁石と、を備え、
   前記電磁石の極性を変化させることにより前記第１針弁、第２針弁を開閉させることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記第１針弁および第２針弁は、閉弁状態では弁本体の内側に設けられたシート部に着座する請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記第２針弁は、略円筒形状であり、前記第１針弁の外周側に略同軸に配置される請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記第１針弁が開弁するときには前記第２針弁も開弁するように、前記第１針弁の開弁方向の動作を前記第２針弁に伝達する係止手段を設ける請求項３に記載の燃料噴射弁。
5. 燃焼室に請求項１に記載の燃料噴射弁を備え、
   前記電磁石の極性をエンジンの運転状態に応じて切換えることを特徴とする筒内直接エンジン。
6. エンジンが低負荷運転時には前記第２針弁のみが開弁し、高負荷運転時には前記第１針弁および前記第２針弁の両方が開弁する請求項５に記載の筒内直接噴射エンジン。

Images