JP2007321711A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない部品点数で噴孔を開閉可能とし、燃料を噴射する噴孔を制御可能とする。
【解決手段】複数の噴孔７を設けたノズルプレート６の上流側に、回転位置に応じて、一部の噴孔を開閉可能な回転プレート８を設ける。そして、ノズルプレート６に設けた固定子１１と、回転プレート８に設けた移動子１２とにより、誘導電荷型静電マイクロモータを構成し、回転プレート８を回転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関において、複数の噴孔より燃料を噴射する燃料噴射弁（マルチホールインジェクタ）に関する。

特許文献１には、ディーゼル機関用の可変噴孔型燃料噴射ノズルとして、ノズル先端部にホールを形成すると共にこのホールの周壁に噴孔を形成したノズルボディと、前記噴孔に対向可能な燃料通路を有しこの噴孔の噴孔開度を変化させることができるロータリーバルブと、ソレノイドによりアーマチュアを往復動させ、往復動回転変換機構を介して、前記ロータローバルブを回転駆動可能な駆動機構と、を有するものが開示されている。
特開２０００−１６１１８３号公報

しかしながら、ロータリーバルブの駆動機構として、ソレノイド、アーマチュア及び往復動回転変換機構を設けているため、装置構造が大がかりで複雑となるという問題点があった。
また、ノズル・ホール内周面とロータリーバルブ外周面との隙間を厳しく管理しないと、燃料が漏れたり垂れたりする恐れがある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、少ない部品点数で噴孔を開閉可能で、燃料を噴射する噴孔を制御可能な燃料噴射弁を提供することを目的とする。

このため、本発明では、複数の噴孔を設けたノズルプレートの上流側に、燃料噴射弁の軸線を中心として回転可能で、その回転位置に応じて、少なくとも一部の噴孔を開閉可能な回転プレートを設ける。そして、前記噴孔が設けられる部位より外周側で、前記ノズルプレートと前記回転プレートとを対向させ、前記ノズルプレート側の対向部分に固定子、前記回転プレート側の対向部分に移動子を配置して、前記回転プレートを回転させる誘導電荷型静電マイクロモータを構成する。

本発明によれば、ノズルプレート及び回転プレートに誘導電荷型静電マイクロモータを一体化して内蔵することにより、少ない部品点数で、噴孔の開閉が可能となる。
また、静止状態では、２枚のプレート間に強い吸引力が働くため、軸線方向の隙間を管理しなくても、燃料噴射時に２枚のプレート間に燃料が流れ込み、閉じている噴孔から燃料が垂れる心配もない。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃料噴射弁（インジェクタ）の先端部の断面図である。
燃料噴射弁の先端部は、ノズルボディ１と、ニードルバルブ５と、ノズルプレート６と、回転プレート８とを備えている。
図２はノズルプレート６を図１のＡ方向から視た図、図３は回転プレート８を図１のＡ方向から視た図である。

ノズルボディ１は、その先端部内面に先すぼまりのテーパ面からなるシート面２を有し、シート面２中央に開口３を有している。
ニードルバルブ５は、図示しないバルブスプリングにより軸線方向下向きに付勢されることで、その先端部がノズルボディ１のシート面２に着座して、開口３を閉じ、図示しない電磁駆動装置により上向きに駆動されることで、その先端部がノズルボディ１のシート面２から離れて、開口３を開くようになっている。

ノズルプレート６は、中央にあって外側（図で下方）に凸の湾曲部６ａと、その周囲の平面部６ｂと、最外周の固定部６ｃとを有し、この固定部６ｃで、ノズルボディ１先端面の最外周の固定部４に固定されている。中央の湾曲部６ａは、ノズルボディ１先端面の開口３を覆っており、ここに複数の噴孔７が形成されている。従って、ニードルバルブ５が開駆動されると、複数の噴孔７からそれぞれの指向する方向に燃料が噴射される。

ここで、燃料を噴射する噴孔（噴孔数）を可変とするため、ノズルプレート６とノズルボディ１との間に、回転プレート８が装着されている。
回転プレート８は、ノズルプレート６と同様に、中央にあって外側（図で下方）に凸の湾曲部８ａと、その周囲の平面部８ｂとを有し、ノズルプレート６とノズルボディ１との間の収納空間に収納されて、軸線方向及び径方向に位置決めされると共に、軸線を中心として回転可能となっている。

但し、回転プレート８の回転角を規制するストッパを設けている。このストッパは、回転プレート８の外周部の一部に形成した切欠き９と、ノズルプレート６より突設されて回転プレート８の切欠き９内に位置するストッパピン１０とにより構成されている。従って、回転プレート８は、図３に示すように、切欠き９の一側がストッパピン１０に当接する位置（第１の回転位置）から、時計方向に回転して、切欠き９の他側がストッパピン１０に当接する位置（第２の回転位置）まで回転可能である。

そして、この状態で、ノズルプレート６の湾曲部６ａ内面（凹面）に、回転プレート８の湾曲部８ａ外面（凸面）が摺接するようになっている。
回転プレート８は、回転位置に応じて、ノズルプレート６の噴孔７のうち、一部の噴孔を開閉するためのもので、一部の噴孔に対し設けられて、回転位置に応じ当該噴孔と合致することで当該噴孔を開き、当該噴孔とずれることで当該噴孔を閉じる孔と、残りの噴孔に対し設けられて、回転位置にかかわらず当該噴孔を遮断しない孔とを有している。

具体例で説明すると、ノズルプレート６が図２に示すように、同一半径の円周上に噴孔ａ〜ｈを有し、更に中心に噴孔ｉを有する場合で、このうち、噴孔ｆ、ｇ、ｈを開閉し、残りの噴孔ａ〜ｅ、ｉを常に開く場合は、次のようにする。
噴孔ｆ、ｇ、ｈに対しては、孔ｆ’、ｇ’、ｈ’（図３）を設けて、第１の回転位置で合致することで当該噴孔ｆ〜ｈを開き、第２の回転位置でずれることで当該噴孔ｆ〜ｈを閉じるようにする。

噴孔ａ〜ｅに対しては、一連の円弧状の長孔ａ’（図３）を設けて、回転位置（第１及び第２の回転位置）にかかわらず当該噴孔ａ〜ｅを遮断しないようにする。尚、噴孔ｉに対しては、孔ｉ’を設ける。噴孔ｉは回転中心にあるため、回転位置にかかわらず噴孔ｉと孔ｉ’の位相は変化せず、噴孔ｉは常に開くことになる。
次に回転プレート８の回転駆動機構（誘導電荷型静電マイクロモータ）について説明する。

ノズルプレート６の平面部６ｂの内面に固定子１１を設けている。
図４は固定子１１を図１のＢ−Ｂの方向から視た図である。
固定子１１は、円環状の樹脂フィルムの上に、位相切換可能な３相電極を円周方向に交互に配置・形成し、その上を絶縁被膜で覆っている。尚、図４では、３相電極を３組のみ示しているが、全周に設けられることは言うまでもない。

その一方、回転プレート８の平面部８ｂの外面（固定子１１と対向する面）に移動子１２を設けている。
移動子１２は、円環状の樹脂フィルムの上に、抵抗体層を円周方向に連続して配置・形成したものである。
かかる固定子１１と移動子１２とで、誘導電荷型静電マイクロモータを構成している。

誘導電荷型静電マイクロモータの駆動原理を図５により説明する。
〔初期充電〕 最初、移動子１２は電荷を持たない。先ず、図５の（ａ１）に示すように、固定子１１の各３相電極に（＋，−，０）の電圧を印加し、移動子１２上に電極と逆極性の電荷を誘導する。これにより、固定子電極のパターンが、電荷のパターンとして移動子上に転写される。充電に要する時間は、固定子・移動子間の容量と抵抗体層の抵抗率で定まる。図５の（ａ２）に示すように、充電が完了した時点においては、移動子は垂直下向きに吸引され、摩擦により強く保持されている。

〔駆動〕 図５の（ｂ１）のように、電圧を（−，＋，−）に切換える。これにより固定子電極の電荷は瞬時に入れ替わるが、移動子の電荷配置が新たな平衡状態に達するには、初期充電と同じく、ある程度の時間を要するため、切換直後には、（ｂ１）のような電荷配置が現れる。このとき、移動子上の電荷とその直下の電極の電荷は同符号となるため、移動子には浮上力が働く、それと同時に、右下の電極の電荷の吸引効果により、移動子には右向きの駆動力が働き、結果として、移動子は、図５の（ｂ２）のように、右側に電極１ピッチ分駆動される。尚、左側へ駆動する場合は、電圧を（−，＋，＋）に切換えればよい。

〔再充電〕 駆動中に移動子の電荷が失われるため、連続して駆動すると、推力が減少する。そこで、移動子が静止した状態で、図５の（ｃ）のように、電極を１相ずらして正負の電圧を印加し、再充電を行う。失われる電荷は全体の一部なので、再充電の時間は初期充電時間よりも短くて良い。
この後、電圧を印加する電極を１相ずつずらして、駆動〜再充電のステップを繰り返すことにより、連続的な駆動を行う。

上記原理のため、ノズルプレートと固定子、回転プレートと移動子の位相を合わせて組み立てる必要がない。
本発明に係る燃料噴射弁では、誘導電荷型静電マイクロモータを用い、回転プレート８を第１の回転位置に位置決めすることにより、図６（ａ）に示すように、全ての噴孔ａ〜ｉを開いて、全ての噴孔ａ〜ｉから燃料を噴射させることができる。その一方、回転プレート８を回転させて、第２の回転位置に位置決めすることにより、図６（ｂ）に示すように、一部の噴孔ｆ〜ｈを閉じ（ハッチングで閉じていることを示す）、残りの噴孔ａ〜ｅ、ｉのみから燃料を噴射させることができる。

また、噴孔配置と開閉パターンは、これに限るものではなく、図７に示すようなものであってもよい。
図７は、ノズルプレート６が、同一半径の円周上に噴孔ａ〜ｆを有する場合で、このうち、噴孔ｃ〜ｆを開閉し、噴孔ａ、ｂを常に開く場合である。
この場合は、誘導電荷型静電マイクロモータを用い、回転プレート８を第１の回転位置に位置決めすることにより、図７（ａ）に示すように、全ての噴孔ａ〜ｆを開いて、全ての噴孔ａ〜ｆから燃料を噴射させることができる。その一方、回転プレート８を回転させて、第２の回転位置に位置決めすることにより、図７（ｂ）に示すように、一部の噴孔ｃ〜ｆを閉じ（ハッチングで閉じていることを示す）、残りの噴孔ａ、ｂのみから燃料を噴射させることができる。

従って、運転条件に応じ、燃料を噴射する噴孔（噴孔数）を変化させて、最適な噴霧パターンに設定することができる。
また、ノズルプレート６及び回転プレート８に誘導電荷型静電マイクロモータ（固定子１１、移動子１２）を一体化して内蔵することにより、少ない部品点数で、噴孔７の開閉が可能となる。

また、固定子１１及び移動子１２はフィルムタイプで数十μｍと薄くできるため、狭い部位に対応可能である。移動子は最初電荷を持たず、固定子電極のパターンを転写するため、ノズルプレートと固定子、回転プレートと移動子の位相を合わせる必要がない。移動子には電気を流す必要もなく、構造がシンプルとなる。固定子電極はエッチングで形成可能であり、低コストとなる。電極ピッチ数十μの細かな動きをさせることが可能である。

また、静止状態では、２枚のプレート間に強い吸引力が働くため、軸線方向の隙間を管理しなくても、燃料噴射時に２枚のプレート間に燃料が流れ込み、閉じている噴孔から燃料が垂れる心配もない。言い換えれば、静止状態では、移動子は固定子に強く吸引されるため、移動子の上下方向に隙間があっても、ノズルプレートと回転プレートとは密着し、塞いだ噴孔からの燃料垂れは起こらない。

また、本実施形態によれば、回転プレート８は、一部の噴孔に対し設けられて、回転位置に応じ当該噴孔と合致することで当該噴孔を開き、当該噴孔とずれることで当該噴孔を閉じる孔と、残りの噴孔に対し設けられて、回転位置にかかわらず当該噴孔を遮断しない孔と、を有する構成とすることにより、噴孔を的確に開閉可能となる。
また、本実施形態によれば、回転プレート８は、ノズルプレート６とこれが取付けられるノズルボディ１との間の収納空間に収納されて、軸線方向及び径方向に位置決めされることにより、軸受のような機構が不要となり、噴孔ピッチに余裕があれば、回転プレート側の孔を大きめに開けることによって径方向精度もあまり要らなくなる。

また、本実施形態によれば、回転プレート８の回転角を規制するストッパを設けることにより、具体的には、ストッパとして、回転プレート８の外周部の一部に形成した切欠き９と、この切欠き内に位置する固定のピン１０とを設けることにより、所望の回転位置に容易に制御可能となる（モータのみでは絶対位置を合わせにくい）。
次に本発明に係る燃料噴射弁の内燃機関（直噴火花点火式内燃機関）への適用例について図８により説明する。尚、図８は図７の例に対応するものである。

図８において、シリンダヘッド１０１とシリンダボア１０２とピストン１０３とにより、ペントルーフ型の燃焼室１０４が形成され、その上面中央部に点火プラグ１０５が配置されている。そして、燃焼室１０４の側部（吸気側の側部）に、本発明に係る燃料噴射弁１００が斜め下向きに配置されている。
吸気行程にて燃料を噴射する均質燃焼時には、全ての噴孔を開いて、全ての噴孔から燃料を噴射させる。すなわち、ピストン１０３が比較的降下しているときに、全ての噴孔から燃料を噴射させて、燃焼室１０４全域に広がる噴霧を形成する。従って、筒内全域に燃料噴射を行って、均質な混合気を形成することができ、良好な均質燃焼を実現できる。

圧縮行程にて燃料を噴射する成層燃焼時には、ピストン側を指向する噴孔を閉じ、点火プラグ側を指向する噴孔のみを開いて、開いた噴孔のみから燃料を噴射させる。すなわち、ピストン１０３が比較的上昇しているときに、点火プラグ１０５を指向する噴霧を形成する。このとき、噴霧は、シリンダヘッド１０１とピストン１０３との間の狭い燃焼室空間を壁面に衝突することなく進行する。従って、圧縮上死点付近で燃料を噴射しても、噴霧の壁面付着を生じることなく、良好な成層燃焼を実現できる。

また、燃料噴射している噴孔数を減少させていることから、噴射時間（噴射パルス幅）は長くなり、噴射特性を安定化させることもできる。すなわち、パルス幅―流量特性の直線性が失われる低パルス幅領域での使用を避けることができる。
本実施形態のように、点火プラグ側を指向する噴孔と、ピストン側を指向する噴孔とのうち、回転プレートにより、ピストン側を指向する噴霧を開閉可能とすることにより、全ての噴孔から筒内全域に燃料噴射を行わせる制御（均質燃焼）と、点火プラグ側を指向する噴孔のみから点火プラグ近傍に燃料噴射を行わせる制御（成層燃焼）とを、いずれも良好に実施可能となる。

尚、以上の説明では、複数の噴孔のうち、一部の噴孔を開閉することで、全ての噴孔からの噴射と、開閉しない残りの噴孔（常に開いている噴孔）からの噴射とを切換えるようにしたが、一部の噴孔を開閉すると共に、残りの噴孔（或いはその一部）を逆特性で開閉するようにして、燃料噴射を行う噴孔を切換えるようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の先端部の断面図 ノズルプレートを示す図（図１のＡ矢視図） 回転プレートを示す図 固定子を示す図（図１のＢ−Ｂ矢視図） 誘導電荷型静電マイクロモータの駆動原理図 噴孔数可変の様子を示す図 噴孔数可変の他の例を示す図 内燃機関への適用例を示す図

符号の説明

１ ノズルボディ
２ シート面
３ 開口
４ 固定部
５ ニードルバルブ
６ ノズルプレート
６ａ 湾曲部
６ｂ 平面部
６ｃ 固定部
７ 噴孔
８ 回転プレート
８ａ 湾曲部
８ｂ 平面部
９ 切欠き
１０ ストッパピン
１１ 固定子
１２ 移動子
１００ 燃料噴射弁
１０１ シリンダヘッド
１０２ シリンダボア
１０３ ピストン
１０４ 燃焼室
１０５ 点火プラグ

Claims (7)

1. 先端部に複数の噴孔を設けたノズルプレートを備え、前記複数の噴孔より燃料を噴射する燃料噴射弁において、
   前記ノズルプレートの上流側に、燃料噴射弁の軸線を中心として回転可能で、その回転位置に応じて、少なくとも一部の噴孔を開閉可能な回転プレートを設け、
   前記噴孔が設けられる部位より外周側で、前記ノズルプレートと前記回転プレートとを対向させ、前記ノズルプレート側の対向部分に固定子、前記回転プレート側の対向部分に移動子を配置して、前記回転プレートを回転させる誘導電荷型静電マイクロモータを構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記固定子は、位相切換可能な３相電極を円周方向に交互に配置してなり、前記移動子は、抵抗体層を円周方向に連続して配置してなることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記回転プレートは、一部の噴孔に対し設けられて、回転位置に応じ当該噴孔と合致することで当該噴孔を開き、当該噴孔とずれることで当該噴孔を閉じる孔と、残りの噴孔に対し設けられて、回転位置にかかわらず当該噴孔を遮断しない孔と、を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料噴射弁。
4. 前記回転プレートは、前記ノズルプレートとこれが取付けられるノズルボディとの間の収納空間に収納されて、軸線方向及び径方向に位置決めされることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
5. 前記回転プレートの回転角を規制するストッパを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
6. 前記ストッパは、前記回転プレートの外周部の一部に形成した切欠きと、この切欠き内に位置する固定のピンとにより構成したことを特徴とする請求項５記載の燃料噴射弁。
7. 前記燃料噴射弁は、直噴火花点火式内燃機関の燃焼室の側部に配置されて、点火プラグ側を指向する噴孔と、ピストン側を指向する噴孔とを有するものであり、前記回転プレートにより、前記ピストン側を指向する噴孔を開閉可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。

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