JP2006144674A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料噴射装置では、特に直噴タイプの場合、燃料ポンプが大型化し、デポジットが発生し易かった。
【解決手段】燃料噴射装置３０は内燃機関に取り付けられ、軸方向で一端の燃料流入部５０と、他端の噴射部３１と、中間の駆動部４１とを含む。燃料流入部又は弁駆動部に、燃料を溜める燃料溜まり５３が形成されるとともに、燃料溜まり内の燃料に高電圧を印加する電極５２が取り付けられている。電極の放電により燃料の一部の温度が上昇して気化し、燃料溜まり内の燃料の体積が増加し、圧力が上昇する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射装置、特にその内部で燃料の一部を加熱して気化させ燃料の圧力を上昇させるものに関する。

燃料噴射装置（インジェクタ）は内燃機関において吸気孔等に燃料を噴射するものである。通常、先端に噴孔を備えた筒状のケーシングと、その中空部に挿入され先端に弁部を備えたニードル弁とを含む。燃料ポンプで所定の燃料圧力（燃圧）まで上昇された燃料が供給され、ニードル弁を後退（上昇）させて噴孔を開き、噴霧を吸気孔等に噴射している。

近年、燃料噴射装置の先端の噴孔がシリンダブロックの各気筒の燃焼室内（筒内）に配置された直噴タイプの燃料噴射装置が注目されている。直噴タイプでは、噴霧をインレットポートに噴射するマニホールド噴射方式と比べて、噴射から燃焼までの時間が短く燃料を霧化させる時間が確保困難である。そのため、燃料の微粒化のために燃圧をより高くする必要がある。

高い燃圧を得るために従来の直噴タイプの燃料噴射装置（特許文献１参照）は、低圧用燃料ポンプ及び高圧用燃料ポンプを使用している。しかし、２つの燃料ポンプの使用により配置スペース及びコストが倍増する。また、従来の燃料噴射装置（特許文献２参照）は、燃圧を上昇させるために、燃料噴射装置内にヒータを配置して燃料を加熱し、燃料を気化させている。しかし、ヒータでは燃料の気化を促進する上で限界がある。

更に、燃料噴射装置内で燃料に高電圧を印加してプラズマを発生させる技術も開発されている（特許文献３参照）。図６に示すように、この燃料噴射装置では、シリンダブロック８０に滑合されたピストン８１の上面に形成したくぼみ８２に、燃料噴射装置９５から燃料を噴射している。

燃料噴射装置９５は、図７に示すように、ボデイ８５の先端（下端）にキャビティ８６が形成され、金属製で噴孔８７を形成するオリフィスプレート８８が、このキャビティ８６を覆うように取り付けられている。ボデイ８５の上端から中間部に配置されたホルダ９２の中心孔に中心電極９１が挿入され、その下端はキャビティ８６内まで延びている。

中心電極９１に高電圧を印加すると、中心電極９１とオリフィスプレート８８との間にプラズマが発生し、キャビティ８６内の燃料が高温にさらされる。この高温により燃料が化学反応速度が上昇し、燃料速度が上昇する。また、化学的に活性のある中間生成物が生成され、更に化学反応速度が上昇する結果、燃焼速度が上昇する。
特開平１１−２７０３８５号公報 特開２００１−１３２５７４号公報 特開２００３−１４８２８５号公報

しかし、上記図７の直噴タイプの燃料噴射装置には以下の問題が発生する虞がある。まず、キャビティ８６の内周壁にすす等のデポジットが付着、堆積し易い。この燃料噴射装置９５は燃焼室のくぼみ８２内に配置される先端（下端）に噴射弁を備えていないため、燃焼室８２内の空気の一部がキャビティ８６内に進入するからである。この空気でキャビティ８６内の燃料が空気で酸化されてキャビティ８６の内周面にデポジットが堆積し易く、デポジットが高電圧の印加不良を発生させる。

また、ボディ８５の先端に弁機構が設けられていないため、燃料噴射装置９５が上下方向に配置され先端が下方に位置すると、非噴射時に霧化していない燃料の一部が燃焼室８２内に漏れる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料ポンプを小型化でき、デポジットの発生量を低減できる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本願の発明者は、燃料噴射装置の内部に設けた手段により燃料の圧力を上昇させ、しかも燃料を改質する方策を見出して、本発明を完成した。

（イ）本発明による燃料噴射装置は、請求項１に記載したように、内燃機関に取り付けられ、燃料が流入する燃料流入部と、燃料を噴出する燃料噴射部と、燃料噴射部を駆動する駆動部とを含む燃料噴射装置において、燃料流入部又は駆動部に、燃料を溜める燃料溜まりが形成されるとともに燃料溜まり内の燃料に高電圧を印加し放電する電極が取り付けられている。

この燃料噴射装置において、噴射部からの燃料の噴射の直前に、燃料溜まり内の燃料へ高電圧を印加及び放電し、燃料の一部の温度を上昇させて気化させる。気化により燃料溜まり内の燃料の体積が増加し、燃料溜まり内の圧力が上昇し、圧力の上昇が燃料噴射装置内の中空部の全体に伝播する。

（ロ）本発明の燃料噴射装置は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンでも、軽油を燃料とするディーゼルエンジンでも使用でき、燃料流入部と、燃料噴射部と、駆動部とから成る。ガソリンエンジン用の燃料噴射装置（第１タイプ）では燃料流入部が軸方向一端に、燃料噴射部が軸方向他端に、駆動部が軸方向中間にそれぞれ配置されている。円筒状の燃料流入部に燃料溜まりが形成されるとともに電極が半径方向に取り付けられている。これに対して、ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置（第２タイプ）では、燃料流入部及び駆動部が軸方向一端に、燃料噴射部が軸方向他端にそれぞれ配置され、円筒状の燃料流入部に燃料溜まりが形成されている。

第１タイプでも第２タイプでも、燃料流入部は、所定量の燃料を溜める燃料溜まりを備える。なお、燃料溜まりは駆動部に形成することもできる。燃料溜まりの形状や体積に特別の制約はないが、体積は０．１から１０ｃｍ³程度であることが望ましい。燃料流入部は燃料の流れ方向において燃料溜まりの上流側に、燃料の流入方向と反対方向の流れを禁止する逆止弁を備えることができる。

第１タイプでも第２タイプでも、電極は燃料流入部又は駆動部に取り付けられ、燃料溜まり内の燃料に直接高電圧を印加し、放電を発生させる。高電圧を発生させるために、電極の先端に点火プラグと同様の接地電極を備えても良いし、電極の先端と周辺の金属部材との間で放電しても良い。高電圧は車載バッテリの電圧をトランスなどで昇圧して発生させる。

燃料の一部の温度を上昇させて気化させるために望ましい印加電圧は５から３０ＫＶで、電圧の下限は放電可能な最低電圧で決まり、上限は碍子や配線の耐電圧及び電源の能力で決まる。電圧値と電流値との積で決まる（Ｖ×Ｉ）放電エネルギは０．１から１０Ｊの範囲で選定できる。印加時期は噴射部からの燃料の噴射時よりも少し前が望ましい。燃料噴射装置は、燃料噴射部がエンジンの吸気孔内に位置する状態（マニホールドタイプ）で使用しても、燃料室内に位置する状態（直噴タイプ）で使用しても良い。

本発明にかかる燃料噴射装置によれば、燃料溜まり内の燃料への高電圧の印加により燃料が気化し体積が増加するので、燃料噴射装置全体の燃圧が増加する。その結果、燃料ポンプから燃料噴射装置まで燃料を低い圧力で供給することができ、燃料ポンプが小型化できるとともに燃料ポンプから燃料噴射装置までの配管が簡略化できる。

請求項２の燃料噴射装置によれば、内燃機関がガソリンエンジンで燃料がガソリンの場合に、電極により燃料溜まり内のガソリンの一部を気化させ、燃料溜まり内の燃圧を上昇させることができる。しかも、燃料溜まりの形成及び電極の配置のために内燃料噴射装置の基本設計を変更する必要はなく、コストの増加が抑制できる。

請求項３の燃料噴射装置によれば、内燃機関がディーゼルエンジンで燃料が軽油の場合に、電極により燃料溜まり内の軽油の一部を気化させ、燃料溜まり内の燃圧を上昇させることができる。しかも、燃料溜まりの形成及び電極の配置のために内燃料噴射装置の基本設計を変更する必要はなく、コストの増加が抑制できる。

請求項４の燃料噴射装置によれば、燃料噴射部からの噴射の直前に燃料たまり内の燃料に高電圧が印加され放電するので、燃料溜まり内の燃料の燃圧を噴射前に確実に上昇させることができる。

請求項５の燃料噴射装置によれば、燃料溜まりの上流側に逆止弁が形成されているので、燃料溜まり内の燃料の逆流が防止できる。請求項６の燃料噴射装置によれば、燃料溜まりが噴射部と反対側の燃料入口部に形成されているので、例え燃料噴射部が燃焼室内に位置しても、燃料が酸化されない。従って、燃料中に燃焼し難いアロマや大きな分子の結合が切断され、低分子で燃焼し易い炭化水素に改質する。その結果、すす等の廃棄物の発生量が低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しつつ説明する。

＜第１の最良の形態＞
（構成）
第１の最良の形態では、本発明の燃料噴射装置（インジェクタ）が直噴タイプのガソリンエンジンに適用されている。

ａ．始めに、エンジンにつき説明する。図１に示すように、シリンダブロック１０の各気筒にピストン１２が滑合され、シリンダヘッド１５に燃焼室１３に連通する吸気孔（インレットポート）１６及び排気孔（アウトレットポート）１８が形成されている。インレットポート１６には吸気弁（インレットバルブ、不図示）が配置され、アウトレットポート１８には排気弁（エグゾーストバルブ）１９が配置されている。

インレットポート１６とアウトレットポート１８との間に点火プラグ２１が装着され、その作動が点火装置２２により制御されるようになっている。インレットポート１６と点火プラグ２１との間に次述する燃料噴射装置３０が装着されている。燃料ポンプ２６から配管２７を通して流入口６１に燃料が供給され、高電圧発生装置２４から高電圧電極（以下、実施例では「電極」と略称する）５５に高電圧が印加される。この高電圧発生装置２４及び上記点火装置２２はＥＣＵ２８により制御されるようになっている。

ｂ．次に燃料噴射装置（インジェクタ）３０につき、図２を基に説明する。図２において、インジェクタ３０は弁本体３２、ニードル弁３７、ソレノイド４８、燃料溜まり５３及び電極５５等を含む。弁本体３２の先端（下端）に、噴孔３５を備えたノズルボデイ３４が取り付けられている。弁本体３２の中空孔にニードル弁３７が挿入され、その先端の弁部３８が噴孔３５を開閉可能である。ニードル弁３７の上端が次述するアーマチャ４２に結合されている。噴孔３５及び弁部３８は上記燃焼室１３に延びている。弁本体３２、ノズルボディ３４及びニードル弁３７等が燃料噴射部４１を構成する。

樹脂筒４０の中空部にアジャストパイプ４４が取り付けられ、その中空部に何れも中空円柱形状のアーマチャ４２及びステータコイル４３が、軸方向に並んで配置されている。ステータコア４３はアジャストパイプ４４に固定されているが、アーマチャ４２はアジャストパイプ４４に対し軸方向（上下方向）に移動可能で、上記ニードル弁３７に結合されている。よって、アーマチャ４２とニードル弁３７とは一体的に上下動する。

アーマチャ４２の中空部からステータコア４３の中空部にかけてバネ４６が配置され、その下端はアーマチャ４２に当接され、上端はステータコア４３に当接されている。これによりアーマチャ４２及びニードル弁３７はバネ４６により常時下方（閉弁方向）に付勢されている。

アーマチャ４２及びステータコア４３の外周に環状のソレノイド４８が配置され、ターミナル４９を介して電力が供給されるようになっている。電力を供給されたとき、ソレノイド４８は電磁力によりアマーマチャ４２をステータコア４３に向かって吸引し、ニードル弁３７が上方（開弁方向）に移動される。樹脂筒４０、アーマチャ４２、ステータコア４３及びソレノイド４８などが駆動部３１を構成する。

上端のキャップ部材５１は大径部５２と小径部５７とを有し、小径部５７の開口（流入口）６１が配管２７を介して燃料ポンプ２６に接続されている。大径部５２により区画された横断面円形状で所定高さの燃料溜まり５３は、小径部５７の流入口６１、並びにステータコア４３及びアーマチャ４２の中空孔に連通している。

大径部５２の円周壁に電極５５が半径方向内向きに取り付けられ、先端の放電部が燃料溜まり５３内に延びている。この電極５５は、車載バッテリの電力を増幅した５から３０ＫＶ（例えば１５ＫＶ）の高電圧を燃料溜まり５３内のガソリンに印加し、先端の放電部と大径部５２との間で放電可能である。放電エネルギは０．１から１０Ｊ（例えば５Ｊ）とする。

小径部５４の中空部に逆止弁（ボール）５８が配置され、バネ５９によりシート面に押圧されている。通常はボール５８がガソリンの燃圧より下方に移動してシート面から離れ、流入口６１から燃料溜まり５３へのガソリンの流入は許す。しかし、燃料溜まり５３内の圧力が上昇したときは、ボール５８がシート部に着座し、燃料溜まり５３内の燃料の上方への流出は禁止する。キャップ部材５１，燃料溜まり５３、電極５５及び逆止弁５８等が燃料流入部５０を構成する。

流入口６１、燃料溜まり５３、ステータコア４３及びアーマチャ４２の中空孔及び弁本体３２の中空部などによりガソリンの流通路が区画されている。

（作用）
図１において、燃料ポンプ２６で所定の燃圧に昇圧された燃料が燃料噴射装置３０に供給され、空気と噴霧との混合気に点火プラグ２１が点火する。但し、図２において、非噴射時は、ターミナル４９からソレノイド４８に電力が供給されておらず、アマーマチャ４２はバネ４６の付勢力によりステータコア４３から下方に離れている。そのため、ニードル弁３７の下端の弁部３８が噴孔３５を閉じている。

噴射時の作動を説明する。次述するターミナル４９からソレノイド４８への電力の供給の直前に、電極５５から燃料溜まり５３内のガソリンに高電圧を印加及び放電すると、ガソリンの一部の温度が上昇し、気化する。気化により燃料溜まり５３内の燃料の体積が増加して、燃圧が上昇し、この燃圧上昇が燃料噴射装置３０全体に伝播する。

所定時期にターミナル４９からソレノイド４８に電力を供給する。すると、アマーマチャ４２がバネ４６の付勢力に抗してステータコア４３に向かって上方に移動し、ニードル弁３７がアーマチャ４２と一体的に上方に移動して、下端の弁部３８が所定時間及び所定量だけ噴孔３５を開く。その結果、噴孔３５からガソリンの噴霧が燃焼室１３に噴射される。

（効果）
第１の最良の形態によれば、第１に、燃料溜まり５３内のガソリンの一部の気化によりその内部燃圧が上昇する。図３において、横軸は放電エネルギを示し、縦軸は燃料溜まり５３の燃圧を示す。これから分かるように、電極５５の放電エネルギの上昇につれて、燃料溜まり５３内の燃圧が上昇している。その結果、燃料噴射装置３０全体の燃圧が上昇するので、燃料ポンプ２６から燃料噴射装置３０まではガソリンを低い燃圧で供給でき、燃料ポンプ２６での燃圧上昇が低くて済むので、燃料ポンプ２６が小型化できる。

第２に、燃焼室１３内でのガソリンの噴霧と空気との混合気の燃焼時に発生するすす等の廃棄物の量が低減できる。燃料溜まり５３は密閉され、しかも燃焼室１３にさらされず、空気と接触しない環境にあるため、ガソリン中に含まれている燃焼し難いアロマや大きな分子の結合が高温（高熱）により切断され、低分子で燃焼し易い炭化水素に改質されるからである。

第３に、燃料溜まり５３の上流側のキャップ部材５１に逆止弁５８を配置したので、高電圧の放電時も、燃料溜まり５３のガソリンが逆流する心配がない。また、燃料噴射装置３０は下端に噴孔３５をふさぐ弁部３８を有するので、非噴射時に霧化されていないガソリンが噴孔３５から漏れることが防止される。

＜第２の最良の形態＞
第２の最良の形態では、本発明のインジェクタがディーゼルエンジン用のインジェクタに適用されている。

（構成）
図４において、インジェクタはノズル６５とノズルボディ６０とから成る。ノズルボディ６０は本体部６１、入口部６９及び戻し（リーク）部７６を含む。本体部６１の下端に噴孔６２が形成され、中心孔６３と平行に給送路６４が形成されその下端が圧力室６８になっている。中心孔６３に挿入されバネ６６で下方に付勢されたノズル（ニードル弁）６５の下端が弁部６７となっている。

入口部６９に形成された流入通路７１の先端は２つに分岐し、一方通路７１ａが上記給送路６４に接続され、他方通路７１ｂは三方切換え式電磁弁（駆動部）７５に接続されている。入口部６９の中間に燃料溜まり７２が形成されるとともに電極７３が取り付けられ、後端に逆止弁７４が配置されている。戻し部７６に形成されたリーク通路７７が電磁弁７５に接続されている。入口部６９、燃料溜まり７２及び逆止弁７４が燃料流入部７８を、ノズルボディ６０の噴孔６２及びニードル弁６５の弁部６７が燃料噴射部７９を、それぞれ構成する。

（作用効果）
噴射時は、三方切換え式電磁弁７５を切り換えて、流入通路７１の他方通路７１ｂを閉じて一方通路７１ａを給送路６４に接続すると、圧力室６８の圧力が上昇しニードル弁６５が上方に移動する。これにより、弁部６７が噴孔６２を開き燃料が燃焼室１３に噴射される。この直前に、燃料溜まり７２内の燃料に電極７３から高電圧を印加し、温度を上昇させると、燃料の一部の気化により燃料溜まり７２内の燃圧が上昇し、上昇した燃圧が燃料弁全体に伝播する。

非噴射時は、電磁弁７５を切り換えて、他方通路７１ｂをリーク通路７７に接続すると、圧力室６８の圧力が下がるので、ニードル弁６５がバネ６６の付勢力により下方へ移動する。弁部６７が噴孔６２を閉じ、燃料の噴射を停止する。

第２実施例によれば、エンジンがディーゼルエンジンで、燃料が軽油の場合に、燃料溜まり７２内のガソリンの一部の気化によりその内部燃圧が上昇し、上記第１実施例の第１の効果と同様の効果が得られる。

また、燃料の燃焼時に噴射部などに発生するデポジットが低減できる。即ち、放電による軽油の性質（構成）の変化を示す図５において、横軸は軽油中のカーボン数であり、縦軸は軽油の構成の割合（改質の程度）である。左側ほどカーボン数が少なく、上側ほど改質の程度が大きい。電極７３による放電なしを示す曲線ｙに比べて、放電ありを示す曲線ｘの方がカーボン数が少なく、改質の程度が大きくなっていることが分かる。少ないカーボン数及び大きな改質はデポジットの低減に貢献する。

本発明が適用される内燃機関の説明図である。 本発明の第１の最良の形態の燃料噴射装置の正面断面図である。 第１形態の作用効果を説明するグラフである。 本発明の第２の最良の形態の燃料噴射装置を示す模式図である。 第２の最良の形態の作用効果を説明するグラフである。 従来例を示す全体図である。 従来例を示す要部説明図である。

符号の説明

１０：シリンダブロック １３：燃焼室
３０：燃料噴射装置 ３１：噴射部
３２：弁本体 ３５：噴孔
３７：ニードル弁 ３８：弁部
４０：樹脂筒 ４１：駆動部
４２：アーマチャ ４３：ステータコア
４６：バネ ５０：燃料流入部
４８：ソレノイド ５１：キャップ部材
５３：燃料溜まり ５５：電極
５８：逆止弁

Claims (6)

1. 内燃機関に取り付けられ、燃料が流入する燃料流入部（５０）と、燃料を噴出する燃料噴射部（３１）と、該燃料噴射部を駆動する駆動部（６１）とを含む燃料噴射装置（３０）において、
   前記燃料流入部又は前記駆動部に、燃料を溜める燃料溜まり（５３）が形成されるとともに該燃料溜まり内の燃料に高電圧を印加し放電する電極（５５）が取り付けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記内燃機関はガソリンエンジン、前記燃料はガソリンで、前記燃料流入部（５０）が軸方向一端に、前記燃料噴射部（３１）が軸方向他端に、前記駆動部（６１）が軸方向中間にそれぞれ配置され、円筒状の該燃料流入部（５０）に前記燃料溜まり（５３）が形成されるとともに前記電極（５５）が半径方向に取り付けられている請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記内燃機関はディーゼルエンジン、前記燃料は軽油で、前記燃料流入部（７８）及び前記駆動部（７５）が軸方向一端に、前記燃料噴射部（７９）が軸方向他端にそれぞれ配置され、円筒状の前記燃料流入部（７８）に、前記燃料溜まり（７２）が形成されるとともに前記電極（７３）が半径方向に取り付けられている請求項１に記載の燃料噴射装置。
4. 前記電極は、前記燃料噴射部からの燃料の噴射の直前に、前記燃料たまり内の燃料に高電圧を印加し放電する請求項２又は３に記載の燃料噴射装置。
5. 燃料の流れ方向において前記燃料溜まりの上流側に、燃料の逆流を禁止する逆止弁（５８）が配置されている請求項４に記載の燃料噴射装置。
6. 前記燃料噴射部（３１）はシリンダブロック（１０）の燃焼室（１３）内に位置決めされている請求項５に記載の燃料噴射装置。

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