JP2006112391A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
燃料噴射後の燃料室内への液ダレを防止する燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】
燃料噴射弁の噴射弁ボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉するニードル弁の燃料噴射方向下流側には、噴射孔を備えたノズル板が配置される。ノズル板上にはスライド弁が設置される。ニードル弁が閉じられると、噴射孔の開口面積を変更するスライド弁が駆動して噴射孔の開口面積を拡大し、ニードル弁とノズル板との間または噴射孔内に残存する燃料を排出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、自動車用の内燃機関に設けられて燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

近年、自動車用の内燃機関（例えばガソリンエンジン）において燃費の向上と排出ガス中のＣＯ_２低減のために、燃焼室のシリンダへ直接燃料を噴射する、いわゆる直接噴射方式が広く採用されている。直接噴射方式では、燃料噴射ノズルの先端に多数の貫通孔を設け、高圧燃料ポンプによって加圧供給した燃料を貫通孔を通して霧状にして燃焼室のシリンダ内へ噴射する。

燃焼室内での均一な燃焼を実現し、エンジンの安定的な燃焼サイクルを得るためには、噴射燃料をできるだけ微粒化した状態とすることが求められるため、ノズル先端の貫通孔の構造を工夫して噴射燃料を微粒化する方法が試みられている（例えば特許文献１参照）。この燃料噴射ノズルは、ニードル弁の燃料下流側に設けられ、複数の開口を備えたプレート部材と、プレート部材の燃料下流側のバルブボディに取り付けられ、複数のオリフィスを備えたオリフィスプレートとを備えている。オリフィスプレートの凹面とプレート部材の燃料下流側面との狭い隙間に燃料を流し、燃料同士の衝突を誘起することにより、燃料同士の衝突エネルギーを大きくして燃料の微粒化を促進している。

本願発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開平１１−２００９９８号公報

しかしながら、上述したような従来の装置は、噴射孔の複雑な構造や燃料の粘性のため、ニードル弁を閉じた後でも燃料が噴射孔内に残留し、残留した燃料が液滴として少しずつ噴射孔からシリンダ内に漏れ出してしまうという問題があった。

本発明による燃料噴射装置は、バルブボディと、バルブボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉する第１の弁と、第１の弁よりも燃料噴射方向下流側に配置され、燃料を噴射するための噴射孔を有するノズル板と、ノズル板に設置され、噴射孔の開口面積を変更する第２の弁と、第１の弁が閉じられると、第２の弁を駆動して噴射孔の開口面積を拡大する噴射孔調整機構とを備える。
本発明による燃料噴射装置は、バルブボディと、バルブボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉する第１の弁と、第１の弁よりも燃料噴射方向下流側に配置され、燃料を噴射するための複数の噴射孔を有するノズル板と、ノズル板に設置され、複数の噴射孔の開口面積を変更する第２の弁と、第２の弁を駆動して複数の噴射孔を選択的に開くことにより、開口面積を拡大する噴射孔調整機構とを備える。
本発明による燃料噴射装置は、バルブボディと、バルブボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉する第１の弁と、第１の弁よりも燃料噴射方向下流側に配置され、前記燃料を噴射するための噴射孔を有するノズル板と、ノズル板に設置され、噴射孔の開口面積を変更する第２の弁と、第１の弁が閉じられると、第２の弁を駆動して噴射孔を閉鎖する噴射孔調整機構とを備える。

本発明による燃料噴射装置によれば、バルブボディ内を摺動する第１の弁で燃料の流路を開閉するとともに、第２の弁を用いて噴射孔の開口面積を調整することにより、液ダレを防止した燃料噴射を行うことができる。

《第１の実施の形態》
以下、本発明の第１の実施の形態による燃料噴射装置について、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態による燃料噴射装置が設けられる直接噴射式内燃機関の概要を示す図である。

図１に示すように、直接噴射式内燃機関は、シリンダブロック１、ピストン２、シリンダヘッド３、および燃焼室４等から構成される。なお、燃焼室４はシリンダブロック１、ピストン２およびシリンダヘッド３から形成される。シリンダヘッド３には、吸気弁６により開閉される吸気ポート５と、排気弁８により開閉される排気ポート７とが設けられている。また、吸気弁６の近傍には、燃焼室４に直接燃料を噴射する燃料噴射装置（燃料噴射弁）１１が配置されている。

コントロールユニット９は、燃料噴射弁ドライブユニット１０に燃料噴射パルス信号を送信し、燃料噴射弁ドライブユニット１０は、この燃料噴射パルス信号に応じて燃料噴射弁１１を駆動する。すなわち、コントロールユニット９および燃料噴射弁ドライブユニット１０により、燃料の噴射時期および噴射期間を制御する。

図２に、燃料噴射弁１１の先端部、すなわち噴射孔周辺の拡大断面図を示す。図２に示すように燃料噴射弁１１は、噴射弁ボディ（バルブボディ）１００の内側にニードル弁２００が摺動可能に配置されている。噴射弁ボディ１００の内周面には、先端部に向かうに従って縮径するテーパ面１０１が形成されている。ニードル弁２００の先端部には平面（先端面）２０１、および先端面２０１より燃料噴射方向に関して上流側にテーパ面２０２が形成されている。ニードル弁２００のテーパ面２０２は、噴射弁ボディ１００のテーパ面１０１に着座するように構成されている。

噴射弁ボディ１００の燃料噴射方向に関して下流側には、複数の貫通孔１１５を有するノズル板１１０が取り付けられている。ノズル板１１０の燃料噴射方向上流側には、凹部１１３が形成されており、複数の貫通孔１１６を有するスライド弁１１１が載置されている。スライド弁１１１は、バネ１１８を介してノズル板１１０に接続されている。

図３（ａ）（ｂ）に、ノズル板１１０の概略構成図を示す。図３（ａ）（ｂ）は、ノズル板１１０を燃料噴射方向上流側から見た様子を示している。なお、ここではノズル板１１０およびスライド弁１１１の動作をわかりやすく説明するため、ノズル板１１０の凹部１１３のみを示している。

ノズル板１１０は複数、ここでは２つの貫通孔１１５を備え、スライド弁１１１はノズル板１１０の一部を覆うように配置されている。ノズル板１１０の貫通孔１１５とスライド弁１１１の貫通孔１１６が重なる開口部分１２０が、燃料を燃焼室４に噴射するための噴射孔として働く。バネ１１８は金属や半導体等で形成されており、一端をスライド弁１１２に、他端をノズル板１１０の凹部１１３の壁面に接続している。ノズル板１１０とスライド弁１１１との位置関係は、バネ１１８によって規定される。

スライド弁１１１は、例えば鉄Ｆｅ，ニッケルＮｉ，およびコバルトＣｏ等を含む合金類から形成される薄板であり、コア１１９に巻かれたコイル１１２によって生成される磁場によって可動する磁性体である。コイル１１２に通電しない場合は、スライド弁１１１はバネ１１８のバネ力により図３（ａ）に示す状態となる。コイル１１２に通電すると、コイル１１２間に発生する磁場によってスライド弁１１１が図３（ｂ）に示すように変位する。このとき、スライド弁１１１の長手方向は、バネ１１８のバネ力に抗して磁力線と実質的に平行となる。これにより、ノズル板１１０の貫通孔１１５とスライド弁１１１の貫通孔１１６とが重なる開口部分１２０の面積が増大し、図３（ａ）に示す非通電時よりも大きくなる。コイル１１２への通電を停止すると、スライド板１１１はバネ１１８のバネ力により図３（ａ）に示す状態に戻る。

なお、ノズル板１１０およびスライド弁１１１は、燃料噴射時の高温、高圧に耐え得るような材料から形成される。また、コイル１１２およびコア１１９は、燃料噴射弁１１の動作を妨げないような位置に適切に配置される。コイル１１２への通電/非通電、すなわちスライド弁１１１の開閉動作は、コントロールユニット９および燃料噴射弁ドライブユニット１０によって制御される。

次に、燃料噴射弁１１の動作を説明する。まず、図４を用いてスライド弁１１１を備えない従来の燃料噴射弁の動作を簡単に説明する。図４の横軸は時間、縦軸はニードル弁の開閉信号および燃料噴射量をそれぞれ示している。

時間ｔ＝ｔ１でニードル弁の開信号が出力されると、燃料噴射が開始する。その後、時間ｔ＝ｔ２でニードル弁の閉信号が出力されると、ニードル弁が閉じられる。しかし、ニードル弁が閉じられた時点では、噴射孔の小径化や燃料の粘性等の影響により燃料噴射は完全には停止しない。すなわち、ニードル弁の閉鎖後に、燃料が少しずつ噴射孔から漏れ出す、いわゆる液ダレが発生する。このような液ダレは、燃料室内の汚れや不完全燃料を引き起こす可能性がある。

そこで、第１の実施の形態では、ノズル板１１０に載置したスライド弁１１１を開閉して噴射孔の開口面積を調整することにより、液ダレを防止する。以下に、図５を用いて第１の実施の形態による燃料噴射弁１１の動作を詳細に説明する。図５の横軸は時間、縦軸はニードル弁２００およびスライド弁１１１の開閉信号および燃料噴射量をそれぞれ示している。

コントロールユニット９からニードル弁２００の開信号が出力されると、ニードル弁２００がリフトし、燃料噴射が開始する（時間ｔ＝ｔ１）。このとき、スライド弁１１１の開信号は出力されていないので、図３（ａ）に示すように噴射孔の開口面積が縮小している。開口面積が縮小しているため、噴射燃料を微粒化することができる。

所定時間が経過し、時間ｔ＝ｔ２でニードル弁２００の閉信号が出力されるとともに、スライド弁１１１の開信号が出力される。これに応じて、ニードル弁２００は閉じられ、スライド弁１１１はコイル１１２に発生する磁場により変位し、図３（ｂ）に示すように噴射孔の開口面積が拡大する。その結果、噴射孔内に残存する燃料が排出され、図４に示すような液ダレを起こすことなく、燃料噴射が終了する。時間ｔ＝ｔ３でスライド弁１１１の閉信号が出力されると、スライド弁１１１が図３（ａ）に示す位置に復帰し、噴射孔の開口面積が再び縮小する。

このように、以上説明した第１の実施の形態においては以下のような作用効果を奏することができる。
（１）噴射弁ボディ１００内で摺動し、燃料の流路を開閉するニードル弁（第１の弁）２００が閉じられると、噴射孔の開口面積を変更するスライド弁（第２の弁）１１１が駆動して噴射孔の開口面積を拡大する。これにより、ニードル弁２００が閉じられた後、ニードル弁２００とノズル板１１０との間または噴射孔内に残存する燃料を排出することができ、無用な液ダレの発生を防止した、適切な燃料噴射を行うことができる。
（２）スライド弁１１１を駆動して、ノズル板１１０に設けられた複数の貫通孔１１５を選択的に開くことにより、噴射孔の開口面積を拡大する。具体的には、複数の貫通孔１１５を、所望のタイミングで、例えばニードル弁２００の閉動作と同時に開くことにより、噴射孔全体の開口面積を拡大し、ニードル弁２００とノズル板１１０との間、または噴射孔内に残存する燃料を排出することができる。これにより、無用な液ダレの発生を防止した、適切な燃料噴射を行うことができる。なお、複数の貫通孔１１５のうちのいずれかを開くことにより、開口面積を拡大することもできる。
（３）ノズル板１１０に実質的に接するスライド弁１１１を、ノズル板１１０に対してスライドさせることにより、噴射孔の開口面積を変更する。これにより、簡単な構成で開口面積を調整することができる。

−第１の実施の形態の変形例−
図６（ａ）（ｂ）に、第１の実施の形態の変形例によるノズル板１５０を燃料噴射方向上流側から見た場合の概略構成を示す。ノズル板１５０には長方形の貫通孔１５５が複数設けられており、ノズル板１５０上には貫通孔１５５の一部を覆うように流路調整板１５１が載置されている。流路調整板１５１は、上述した第１の実施の形態と同様に、ノズル板１５０の凹部内に配置されている。図６（ａ）（ｂ）は、ノズル板１５０および流路調整板１５１の動作をわかりやすく説明するために、凹部に相当するノズル板１５０のみを示している。

流路調整板１５１は、例えばＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）０）といった圧電材料から形成される薄板である。流路調整板１５１の両端は、それぞれ電源回路１５２に接続されている。図６（ａ）に示すように電圧を印加していない場合、流路調整板１５１は変形しないため、流路調整板１５１によって覆われる部分だけ貫通孔１５５の開口面積、すなわち噴射孔の開口面積が縮小する。電源回路１５２により流路調整板１５１の両端に電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように流路調整板１５１が変形する。具体的には、流路調整板１５１の長手方向に伸張し、幅方向には縮小するので、噴射孔の開口面積が拡大する。

コントロールユニット９によってニードル弁２００の開閉動作および流路調整板１５１の変形動作を適切に制御し、液ダレが起こらないように燃料噴射を行う。

なお、変位量を増大するように、流路調整板１５１を複数の材料からなる積層構造として形成することもできる。

このように、スライド板１１１の代わりに流路調整板１５１を設けても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

《第２の実施の形態》
次に、第２の実施の形態による燃料噴射装置について説明する。第２の実施の形態による燃料噴射装置の構造は、上述した第１の実施の形態と同様である。第２の実施の形態では、ノズル板１１０に設けられたスライド弁１１１の開閉動作タイミングが、上述した第１の実施の形態と相違している。ただし、第２の実施の形態においては、コイル１１２に通電しない初期状態でスライド弁１１１により噴射孔を全閉することができる。具体的には、ノズル板１１０の貫通孔１１５とスライド板１１１の貫通孔１１６とが重ならないようにして燃料の流路を遮断する。そして、コイル１１２に通電することにより、図３（ｂ）に示すように噴射孔を全開する。

図７を用いて、第２の実施の形態による燃料噴射弁１１の動作を詳細に説明する。図７の横軸は時間、縦軸はニードル弁２００およびスライド弁１１１の開閉信号および燃料噴射量をそれぞれ示している。

コントロールユニット９からニードル弁２００の開信号が出力されると、ニードル弁２００がリフトする。このとき、スライド弁１１１の開信号も出力され、コイル１１２に発生する磁場によりスライド弁１１１が変位して図３（ｂ）に示すように噴射孔が全開する。これにより、燃料噴射が開始する。所定時間が経過し、時間ｔ＝ｔ２でニードル弁２００の閉信号が出力されると、スライド弁１１１の閉信号も出力される。これに応じて、ニードル弁２００およびスライド弁１１１が閉じられる。その結果、噴射孔が閉鎖され、液ダレが発生することなく燃料の噴射が終了する。

このように、以上説明した第２の実施の形態においては、以下のような作用効果を奏することができる。
ニードル弁２００が閉じられると、スライド弁１１１を駆動して噴射孔を閉鎖する。これにより、ニードル弁２００が閉じられた後に、ニードル弁２００とノズル板１１０との間、または噴射孔に残存する燃料が残圧によって噴射孔から漏れ出してしまうことを防止できる。その結果、無用な液ダレを防止した適切な燃料噴射を行うことができる。

以上説明した第１および第２の実施の形態においては、噴射孔調整機構としてコイル１１２を用いた電磁式の駆動方式によりスライド弁１１１を駆動した。また、噴射孔調整機構として電源回路１５２を用いて圧電材料である流路調整板１５１を駆動した。しかしこれらには限定されず、例えば静電力やバイメタル効果等を利用して噴射孔の開口面積を調整することも可能である。

上述した第１および第２の実施の形態においては、スライド弁１１１または流路調整板１５１をノズル板１１０，１５０の燃料噴射方向上流側にそれぞれ設置する例を説明した。しかし、これには限定されず、これらの部材をノズル板１１０，１５０の燃料噴射方向下流側に設置することも可能である。また、ノズル板１１０，１５０に設けられる貫通孔１１５，１５５の数は、２つには限定されず１つでも３つ以上でもよい。貫通孔１１５，１５５の形状を、丸形の代わりに、楕円形、四角形、あるいは多角形とすることもできる。貫通孔１１５，１５５の数、大きさおよび形状は、燃料噴射中の燃料の微粒化および燃料噴射後の液ダレの防止を考慮して適切に設定されることが好ましい。

本発明の第１の実施の形態による燃料噴射装置が設けられる直接噴射式内燃機関の概要を示す図。 燃料噴射弁の先端部の拡大断面図。 （ａ）（ｂ）燃料噴射弁の先端に取り付けられたノズル板を燃料噴射方向上流側から見た場合の概略図。 従来の燃料噴射弁におけるニードル弁の開閉信号と燃料噴射量の時間変化の一例を示す図。 第１の実施の形態の燃料噴射弁におけるニードル弁およびスライド弁の開閉信号と燃料噴射量の時間変化を示す図。 （ａ）（ｂ）第１の実施の形態の変形例による燃料噴射弁の先端に取り付けられたノズル板を燃料噴射方向上流側から見た場合の概略図。 第２の実施の形態の燃料噴射弁におけるニードル弁およびスライド弁の開閉信号と燃料噴射量の時間変化を示す図。

符号の説明

４：燃料室
９：コントロールユニット
１０：燃料噴射弁ドライブユニット
１１：燃料噴射弁
１１０，１５０：ノズル板
１１１：スライド弁
１１２：コイル
１１５，１１６，１５５：貫通孔
１１８：バネ
１５１：流路調整板

Claims (4)

1. バルブボディと、
   前記バルブボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉する第１の弁と、
   前記第１の弁よりも燃料噴射方向下流側に配置され、前記燃料を噴射するための噴射孔を有するノズル板と、
   前記ノズル板に設置され、前記噴射孔の開口面積を変更する第２の弁と、
   前記第１の弁が閉じられると、前記第２の弁を駆動して前記噴射孔の前記開口面積を拡大する噴射孔調整機構とを備えることを特徴とする燃料噴射装置。
2. バルブボディと、
   前記バルブボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉する第１の弁と、
   前記第１の弁よりも燃料噴射方向下流側に配置され、前記燃料を噴射するための複数の噴射孔を有するノズル板と、
   前記ノズル板に設置され、前記複数の噴射孔の開口面積を変更する第２の弁と、
   前記第２の弁を駆動して前記複数の噴射孔を選択的に開くことにより、前記開口面積を拡大する噴射孔調整機構とを備えることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射装置において、
   前記第２の弁は、前記ノズル板に実質的に接する薄板であり、前記薄板を前記ノズル板に対してスライドさせることにより、前記開口面積を変更することを特徴とする燃料噴射装置。
4. バルブボディと、
   前記バルブボディ内で摺動し、燃料の流路を開閉する第１の弁と、
   前記第１の弁よりも燃料噴射方向下流側に配置され、前記燃料を噴射するための噴射孔を有するノズル板と、
   前記ノズル板に設置され、前記噴射孔の開口面積を変更する第２の弁と、
   前記第１の弁が閉じられると、前記第２の弁を駆動して前記噴射孔を閉鎖する噴射孔調整機構とを備えることを特徴とする燃料噴射装置。

Images