JP2010151025A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射終了直前に燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧の微粒化を促進することを課題とする。
【解決手段】燃料噴射装置１は、噴孔３１が形成されたサック部３３と、このサック部３１よりも基端側に形成されたシート面３３とを有するノズルボディ３と、このノズルボディ３内でノズルボディ３の軸方向に移動し、シート面３３に着座する第１ニードル４と、ノズルボディ３の軸方向に移動可能に第１ニードルの中心部に配置された第２ニードル５と、第１ニードル４と、第２ニードル５とを独立して移動させるように構成された第１制御室６、第２制御室７と、を備え、第１ニードル４がシート面３３に着座する直前に、ＥＣＵ１０が第２制御弁９を開弁状態として、第２制御室７内の燃料を排出し、第２ニードルを基端側へ移動させて、サック部３２内の圧力を負圧にし、燃料の微粒化を促進する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

ディーゼルエンジン、直噴型ガソリンエンジンの燃料噴射装置では、気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射ノズルが採用されている。このような燃料噴射ノズルのひとつに、先端側に形成したサック部に溜めた燃料を噴射するサック型噴射ノズルがある。サック型の燃料噴射ノズルは、製造誤差による噴孔間のばらつきを抑制した噴霧を形成することができる。

このようなサック型燃料噴射ノズルを改良したものが特許文献１に開示されている。特許文献１の燃料噴射ノズルでは、ノズルボディ内に形成したシート面に当接するアウターニードルと、閉弁時にサック部内に進入して空間を埋めるインナーニードルとを備え、サック部に溜まった燃料が、噴射停止時に噴孔から筒内へ漏出することによるエミッション悪化を抑制する。
特開２００８−３８７１５号公報

ところで、燃料噴射ノズルからの燃料の噴射では、噴射開始初期と噴射終了直前に、開弁、閉弁の応答遅れにより噴射圧が低下する噴射時期が生じる。燃料噴霧は、噴射圧が低下すると噴霧を微粒化させる効果が低下し、燃料粒子が大きく、空気との良好な混合の妨げとなる。噴射開始初期の噴霧は、着火や点火までに拡散する時間があることや、その後に噴射される高圧の噴霧の影響により微粒化されやすい。一方、噴射終了直前の噴霧は、着火や点火までの時間が短く、後から燃料が噴射されることもないため、微粒化が困難である。このような現象に起因して従来の燃料噴射ノズルでは、噴射終了直前の噴霧は、微粒化されずに燃焼されることがあり、改善する余地があった。

そこで、本発明は、噴射終了直前に燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧の微粒化を促進することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の燃料噴射装置は、噴孔が形成されたサック部と、当該サック部よりも基端側に形成されたシート面とを有するノズルボディと、当該ノズルボディ内で軸方向に移動し、前記シート面に着座する第１ニードルと、前記軸方向に移動可能に、前記第１ニードルの中心部に配置された第２ニードルと、前記第１ニードルと、前記第２ニードルとを独立して移動させる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１ニードルが前記シート面に着座する直前に、前記第２ニードルを基端側へ移動させ、前記サック部内の圧力を負圧にすることを特徴とする。

このような構成とすることにより、噴射終了直前に、サック部内の燃料の圧力を低下することができる。このように燃料の圧力が低下することによる負圧効果は、燃料を微粒化し、気化しやすい状態とする。このように気化しやすい状態の燃料は、空気と容易に混合されるため、エミッション、燃費が向上する。

本発明は、負圧効果により噴射終了直前に燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧を微粒化することができる。これにより、エミッション、及び燃費を向上することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の燃料噴射装置１の概略構成を示した説明図である。燃料噴射装置１は、燃料噴射ノズル２を備えている。燃料噴射ノズル２は、内燃機関の燃焼室内へ燃料を噴射するノズルである。例えば、燃料噴射ノズル２は、内燃機関の各気筒に搭載され、コモンレール等の蓄圧部から供給される高圧燃料を気筒内へ噴射する。

燃料噴射ノズル２は、ノズルボディ３と、第１ニードル４と、第２ニードル５とを備えている。ノズルボディ３は、ノズルボディ３の先端に、噴孔３１が形成されたサック部３２を有している。また、ノズルボディ３は、サック部３２よりも基端側にシート面３３が形成されている。また、ノズルボディ３のサック部３２側へ高圧燃料が供給される。

第１ニードル４は、ノズルボディ３内でノズルボディ３の軸方向に移動し、先端部に形成されたシール部４１が、シート面３３に着座可能に配置されている。また、第１ニードル４の基端部には、第１ニードル４を先端側に付勢するように第１制御ばね４２が組み込まれている。さらに、ノズルボディ３内には、第１ニードル４を先端側に押付ける燃料が貯留される第１制御室６が形成されている。第１制御室６内には、サック部３２側へ供給されるのと同じ高圧燃料が供給されている。このような第１ニードル４は、シール部４１が形成された先端側の燃料から受ける力と、第１制御室６内の燃料から受ける力と、第１制御ばね４２による力とを受ける。第１ニードル４は、第１制御室６内の燃料量が調節されて、シール部４１が形成された先端側の燃料から受ける力と、第１制御室６内の燃料から受ける力と、第１制御ばね４２により受ける力との平衡状態が変化することにより移動する。したがって、第１制御室６内の燃料量が調節されることにより、シール部４１がシート面３３に当接するか否かが制御される。すなわち、第１ニードル弁４の開閉状態が制御される。

第２ニードル５は、ノズルボディ３の軸方向に移動可能に、第１ニードル４の中心部に配置されている。ノズルボディ３内には、第２ニードル５を先端側に押付ける燃料が貯留される第２制御室７が形成されている。第２制御室７内には、サック部３２側へ供給されるのと同じ高圧燃料が供給されている。また、第２制御室７内の第２ニードル５の基端部には第２制御ばね５２が第２ニードル５を先端側に付勢するように組み込まれている。第２ニードル５は、サック部３２側、すなわち、先端側の燃料から受ける力と、第２制御室７内の燃料から受ける力と、第２制御ばね５２による力とを受けている。第２ニードル５は、第２制御室７内の燃料量が調節されて、先端側の燃料から受ける力と、第２制御室７内の燃料から受ける力と、第２制御ばね５２により受ける力との平衡状態が変化することにより移動する。したがって、第２制御室７内の燃料量が調節されることにより、第２ニードル弁５の移動が制御される。

さらに、燃料噴射装置１は、第１制御弁８、第２制御弁９、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０とを備えている。第１制御弁８は、開弁状態で、第１制御室６内の燃料を排出させる。第２制御弁９は、開弁状態で、第２制御室７内の燃料を排出させる。ＥＣＵ１０は、第１制御弁８、第２制御弁９のそれぞれと電気的に接続されており、第１制御弁８、第２制御弁９のそれぞれへ開閉状態を指令する信号を送信する。すなわち、ＥＣＵ１０により、第１制御室６内、第２制御室７内の燃料量が調節され、第１ニードル４、第２ニードル５の移動が制御される。また、ＥＣＵ１０が第１制御弁８、第２制御弁９へ送信する信号は、独立している。したがって、第１ニードル４、第２ニードル５は、それぞれ独立して制御される。このようなＥＣＵ１０と、第１制御室６、第１制御弁８と、第２制御室７、第２制御弁９とは、本発明の制御手段として機能する。

次に、第１ニードル４の移動と第２ニードル５の移動について説明する。ＥＣＵ１０は燃料噴射の実行を判断すると、第１制御弁８、第２制御弁９を開弁状態とする信号を送る。第１制御弁８が開弁状態となると、第１制御室６内の高圧燃料が排出されて、第１ニードル４が第１制御室６内の高圧燃料から受ける力が減少する。これにより、第１ニードル４が先端側から受ける力が、第１制御ばね４２の付勢力及び第１制御室６内の燃料から受ける力より大きくなり、第１ニードル４が基端側へ移動し、第１ニードル４が開弁する。同様に、第２制御弁９が開弁状態となると、第２制御室７内の高圧燃料が排出されて、第２ニードル５が第２制御室７内の高圧燃料から受ける力が減少する。これにより、第２ニードル５が先端側から受ける力が第２制御ばね５２の付勢力、及び第２制御室７内の燃料から受ける力より大きくなり、第２ニードル５が基端側へ移動する。

一方、第１ニードル４を閉弁する場合には、ＥＣＵ１０は、第１制御弁８を閉弁させる。これにより、第１制御室６内の燃料の圧力が上昇し、第１ニードル４を先端側へ押す力が増加し、第１ニードル４は先端側に移動し、閉弁する。同様に、第２ニードル５を先端側に移動させる場合には、ＥＣＵ１０は、第２制御弁９を閉弁させる。これにより、第２制御室７内の燃料の圧力が上昇し、第２ニードル５を先端側へ押す力が増加し、第２ニードル５は先端側に移動する。

次に、第１ニードル４の移動と第２ニードル５の移動の制御について説明する。初めに、燃料噴射ノズルの噴射開始からの時間と噴射される燃料の圧力について説明する。図２は、燃料噴射ノズルの噴射開始からの時間と、燃料の噴射圧との関係を示した説明図である。このような時間と噴射圧の関係は、一般的な燃料噴射ノズルでは同様な関係が得られる。図２に示すように、噴射開始初期と噴射終了直前とでは、燃料の噴射圧が目標圧よりも低いため、噴霧の微粒化が促進されない。特に、着火（点火）までの時間の短い噴射終了直前の噴霧は、着火（点火）までの間の拡散時間も短く、噴霧が微粒化されないまま燃焼過程へ進む。このため、噴射終了直前の噴霧の燃焼状態は、噴霧が微粒化される以前の噴霧と比較して空気との混合状態が劣っている。

これに対して、本発明の燃料噴射装置１では、噴射終了直前のニードルを以下に示すように移動させる。図３は、ニードルリフト量と、時間との関係を示した説明図である。図４は、燃料噴射ノズル２の先端側を示した説明図であって、図４（ａ）は、閉弁に移行する際のニードルの状態を示し、図４（ｂ）は閉弁直前のニードルの状態を示した説明図である。

図３、図４（ｂ）に示すように、燃料噴射装置１では、噴射終了時に第１ニードル４を閉弁方向へ移動させる際、第１ニードル４が所定のリフト量まで下がった時点で、第２ニードル５を上昇させる。具体的には、第１ニードル４が所定のリフト量まで下がった時点で、ＥＣＵ１０が第２制御弁９を開弁状態とし、第２制御室７内の圧力を低下させ、第２ニードル５を上昇させる。このように制御することにより、第１ニードル４が下降し、シール部４１がシート面３３に当接する直前で、第２ニードル５が上昇することになるので、サック部３２付近の容積が拡大し、燃料の圧力が低下する。

このようにサック部３２付近の燃料の圧力が低下することにより、シール部４１付近に旋回流が生まれ、サック部３２内で負圧効果（キャビテーション）が発生する。図５は、シール部４１付近で負圧効果が発生するまでを説明した図である。図５で示した領域は、図４中の領域Ａを拡大したものである。図５（ａ）の時点では、サック部３２内の圧力が低下することにより、第１ニードル４の基端側の領域Ｂから、サック部３２側の領域Ｃへ燃料が急速に流れ込む（矢示ａ）。このような燃料の流れに伴い、これまで、停滞していた燃料が流れ出す（矢示ｂ）。次に、図５（ｂ）のように、矢示ｂの流れによりできた空間へ、周りから燃料が流れ込み、旋回流が発生する（矢示ｃ１）。そして、図５（ｃ）のように、旋回流が発達し（矢示ｃ２）、旋回流の中心部が負圧になり、負圧効果（キャビテーション）が発生する。

このような負圧効果は、以下に示すキャビテーション係数ＣＮにより、その発生を評価することができる。キャビテーション係数ＣＮは、次式（１）の計算式で表される。
ＣＮ ＝ （Ｐｃ−Ｐａ）／（Ｐａ−Ｐ） （１）
ここで、Ｐｃはシール部４１よりも基端側の圧力、すなわち、領域Ｂの圧力、Ｐａはサック部３２内の圧力、すなわち、領域Ｃの圧力、Ｐは燃料の飽和蒸気圧を表している。ＣＮが大きくなるほど、キャビテーションが発生しやすくなる。すなわち、サック部３２内の圧力が低下するほど、キャビテーションが発生しやすく、負圧効果が得られやすくなる。また、上記、第２ニードル５を上昇させる際の第１ニードル４の所定のリフト量は、計算式（１）に基づいて決定することができる。

このようにして負圧効果により、燃料の微粒化が促進され、燃料が気化しやすくなる。これにより、噴射終了直前に噴孔３１から噴射される燃料は、容易に空気と混合することができ、燃焼状態が良好になるので、エミッション、燃費が改善される。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

例えば、第１ニードル、第２ニードルの制御を、第１制御室７、第２制御室８の油圧による制御に代えて、ピエゾアクチュエータを用いることもできる。また、その他種々のニードルリフト手段を用いることができる。

燃料噴射装置の概略構成を示した説明図である。 燃料噴射ノズルの噴射開始からの時間と、燃料の噴射圧との関係を示した説明図である。 燃料噴射ノズルのニードルリフト量と、時間との関係を示した説明図である。 燃料噴射ノズルの先端側を示した説明図であって、（ａ）は、閉弁時のニードルの状態を示し、（ｂ）は噴射終了直前のニードルの状態を示した説明図である。 シール部付近で負圧効果が発生する様子を説明した図である。

符号の説明

１ 燃料噴射装置
２ 燃料噴射ノズル
３ ノズルボディ
３１ 噴孔
３２ サック部
３３ シート面
４ 第１ニードル
４１ シール部
５ 第２ニードル
６ 第１制御室
７ 第２制御室
８ 第１制御弁
９ 第２制御弁
１０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 噴孔が形成されたサック部と、当該サック部よりも基端側に形成されたシート面とを有するノズルボディと、
   当該ノズルボディ内で軸方向に移動し、前記シート面に着座する第１ニードルと、
   前記軸方向に移動可能に、前記第１ニードルの中心部に配置された第２ニードルと、
   前記第１ニードルと、前記第２ニードルとを独立して移動させる制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記第１ニードルが前記シート面に着座する直前に、前記第２ニードルを基端側へ移動させ、前記サック部内の圧力を負圧にすることを特徴とする燃料噴射装置。

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