JP2012041871A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、エネルギを効率的に利用し、燃料噴射弁の噴孔近傍に堆積するデポジットを確実に除去する燃料噴射装置の提供を目的とする。
【解決手段】ＥＣＵ３０と、ＥＣＵ３０からの燃料噴射信号ＩＮＪにしたがって駆動されるアクチュエータ１１によって、略筒状に形成した弁基体１００内に可動に保持されたニードルを昇降して、弁基体１００内に導入された高圧燃料をノズル部１２１の先端に設けた噴孔からの高圧燃料の噴射と停止とを制御する燃料噴射弁１０と、高周波を発振する高周波発振装置２１とを具備し、燃料噴射弁１０の固定部１０１をノズル部１２１の外側を覆いつつ共振空間２１５を区画する略筒状に形成して、ノズル部１２１の基端側の根本に高周波を入力する高周波入力部２１４を設けた燃料噴射弁と、ノズル部１２１を内側導体とし、固定部１０１を外側導体として、同軸共振管構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置に堆積するデポジットを除去し安定した燃料噴射を実現する燃料噴射装置に関する。

内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置においては、未燃燃料、煤、ブローバイガス、潤滑油中のシロキ酸等により燃料噴射弁の噴孔近傍にデポジットが堆積して噴孔の詰まりを起こし燃料噴射が不安定となる虞がある。
特に燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴エンジンにおいては、燃焼室内に燃料噴射装置の先端が露出しており、高温に晒されるためデポジットの堆積が起こり易い。

このような問題に対して、特許文献１には、エンジンの燃焼室に燃料を供給するインジェクタからの燃料の噴出を停止させる場合に、インジェクタの噴出孔の詰まりを除去させるために燃料を噴出させるインジェクタ噴出孔詰まり除去動作を指示するインジェクタ噴出孔詰まり除去装置が開示されている。
特許文献２には、内燃機関に装備される燃料噴射弁の噴孔部近傍にデポジットが付着する条件が成立するか否かを判定する条件判定手段によりデポジットが付着する条件が成立すると判定されたとき、燃料噴射弁に供給される燃料の供給圧の昇圧、前記内燃機関の点火時期の遅角化制御、排気再循環量の増加および空燃比のリッチ化制御のうち、少なくとも１つを実行するデポジット低減装置が開示されている。
特許文献３には、内燃機関へ燃料を噴射する燃料噴射装置において、燃料噴射弁の先端側に放電電極を設け、非熱平衡の放電プラズマを生じさせることによりデポジットを除去するデポジット除去機構を備えた燃料噴射装置が開示されている。
特許文献４には、デポジットの堆積する第１空間に連通する第２空間内への荷電粒子の供給手段と、電磁波を照射し前記第２空間の電場強度を高めることによりこの空間に存在する荷電粒子にエネルギを与えプラズマを形成させる電磁波放射手段と、前記第２空間内のプラズマ中の荷電粒子の加速手段とを備え、加速器は、前記第２空間内のプラズマを前記第１空間へ導入しデポジットをプラズマに曝露させることを特徴とするデポジットの除去装置が開示されている。

ところが、特許文献１や特許文献２にあるように、デポジットの堆積を抑制するために内燃機関の燃焼サイクルにおいて特定の時期に機関の運転とは関係のない燃料を噴射したのでは、デポジットの堆積を抑制することはできても、燃焼に不要な燃料が燃焼室内に導入されることになるので、その影響を排除するために燃焼に必要な燃料の噴射の際に補正が必要となったり、燃料が無駄となったりする虞がある。さらに、一旦デポジットが堆積してしまった場合には、噴孔の詰まりにより燃料の噴射圧の低下を招くため、燃料噴射ではデポジットを取り除くことができなくなる虞もある。
一方、特許文献３にあるように、噴燃料噴射弁の先端側に放電電極を設けて、非熱平衡の放電プラズマを発生させることにより、堆積したデポジットを除去することができる。しかし、このような構成により、噴孔に堆積したデポジットを除去するためには、噴孔に対して放電電極を対向させる必要があり、不可避敵に放電電極に噴射された燃料が付着し、放電電極にもデポジットが堆積する虞がある。加えて、複数の噴孔を設けて、燃料噴霧を微粒化し、多方向に噴射して燃焼効率を向上させた郡噴孔ノズルに適用する場合には、電極構造の複雑化を招く虞もある。
さらに、特許文献４にあるように、第２空間内でプラズマを形成し。これを加速させて第１空間内の燃料噴射弁に照射したのでは、プラズマ発生部分へのデポジットの堆積を回避することはできても、プラズマを加速させるための余分なエネルギが必要となったり、デポジットの堆積する第１空間から離れた第２空間内で形成されたプラズマがデポジットの堆積した噴孔に到達するまでに消滅したり、燃料噴射弁に複数の噴孔が設けられている場合には、第２空間に近い側の一部の噴孔に堆積したデポジットのみが除去され、第２空間から離れた側の噴孔に堆積したデポジットが除去されなかったりする虞もありデポジット除去装置としての信頼性に欠ける虞もある。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、簡易な構成で、エネルギを効率的に利用し、燃料噴射弁の噴孔近傍に堆積するデポジットを確実に除去する燃料噴射装置の提供を目的とするものである。

本発明では、内燃機関に設けられ、高圧燃料の噴射と停止とを制御する燃料噴射装置において、上記内燃機関の運転状況に応じて燃料の噴射と停止とを制御する燃料噴射信号と高周波の発振と停止とを制御する点火信号とを発信するエンジン制御装置と、上記エンジン制御装置から発振された燃料噴射信号にしたがって駆動制御されるアクチュエータと、該アクチュエータの作動により略筒状に形成された弁基体内に可動に保持されたニードルを昇降させて弁基体の先端に設けられ内側に高圧燃料が導入されたノズル部の噴孔を開閉して弁基体内に導入された高圧燃料の噴射と停止とを行う燃料噴射弁と、上記エンジン制御装置からの点火信号にしたがって高周波を発振する高周波発振装置と、を具備し、上記燃料噴射弁を上記内燃機関に固定する固定部を上記ノズル部の外周を覆いつつ所定の共振空間を区画する略筒状に形成し、上記ノズル部の基端側の根本に上記高周波発振装置からの高周波を入力する高周波入力部を設け、上記高周波入力部から上記ノズル部の先端までの長さを上記高周波発振装置から発振される高周波の波長の１／４の長さに形成する（請求項１）。

本発明によれば、上記高周波発振装置から高周波を入力したときに、上記ノズル部が内側導体となり、上記固定部が外側導体となって同軸共振管構造を形成し、上記ノズル部の先端に高電界領域が形成される。
上記ノズル部の先端に設けた噴孔の周囲にデポジットが堆積しても、高周波の入力により発生した高電界によってデポジットが自己発熱して燃焼除去され、また、上記ノズル部の先端に発生した高電界によって噴孔の周囲の気体が高温のプラズマとなり、デポジットを燃焼除去することができる。
従来のように、デポジットの除去のために高圧燃料の噴射を行う必要がなく、無駄な燃料を使用することがない。また、従来のように、デポジットの堆積し易い位置から離れた場所で発生したプラズマによってデポジットを除去しようとした場合には確実性を損なうが、本発明では、デポジットの堆積し易い位置に高電界を発生させ、直接的にデポジットの除去を行うのでエネルギの無駄がない。
したがって、デポジットの堆積による影響を受けることなく、安定した燃料噴射を維持する信頼性の高い燃料噴射装置が実現できる。
さらに、燃料噴射を行った後、高いエネルギの高周波を入力することにより、燃焼室内に噴射された高圧燃料と空気との混合気の点火を行う点火装置としても機能させることができる。

本発明の第1の実施形態における燃料噴射装置の概要を示す断面図。 本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の燃料噴射時の作動を示す断面図。 本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置のデポジット除去時の作動を示し、（ａ）はマイクロ波発振時の電界強度分布を示す模式図、（ｂ）は、その要部を示す拡大図。 本発明の燃料噴射装置を（ａ）〜（ｄ）に示す種々の内燃機関に適用した場合の制御方法を例示するタイムチャート。 本発明の第２の実施形態における燃料噴射装置の概要を示す断面図。 本発明の第３の実施形態における燃料噴射装置の概要を示す断面図。 本発明の第４の実施形態における燃料噴射装置の概要を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はその変形例を示す要部断面図。 本発明の第５の実施形態における燃料噴射装置の概要を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はその変形例を示す要部断面図。

本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置１は、車両用エンジン、船舶用エンジン等の内燃機関の燃料噴射や、発電機、コジェネレーションシステム等の燃焼機関の燃料噴射に用いられものである。
本発明の最大の特徴は、エンジン制御装置ＥＣＵ３０からの燃料噴射信号ＩＮＪにしたがって、アクチュエータ１１を駆動制御し、燃料噴射弁１０の内部に設けたニードル１１６を昇降させて、燃料噴射弁１０の先端のノズル部１２１の底部１２３に設けた噴孔１２５を開閉して、弁基体内に導入した高圧燃料の燃焼室４００内への噴射と停止とを制御すると共に、ＥＣＵ３０から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって燃料高周波を発振する高周波発振装置２１を具備し、ネジ部１０２が設けられ内燃機関４のシリンダヘッド４０に固定される固定部１０１を、燃料噴射弁１０を構成する略筒状の噴射弁基体１００に延設して、ノズル部１２１の周囲を覆い共振空間２１５を区画する略筒状に形成して、ノズル部１２１の根本の高周波入力部２１４からノズル部１２１の先端までの長さを高周波の４分の１波長の長さに形成することによって、高周波発振装置２１から高周波入力部２１４に高周波を入力したときにノズル部１２１がアンテナとなり、固定部１０１が共振管となって、ノズル部１２１の先端に設けた噴孔１２５の周囲に強電界を形成し、噴孔１２５の近傍に堆積したデポジットをその強電界中に晒すことにより直接的に燃焼除去し、安定した燃料噴射の実現を図った点にある。
また、本発明の燃料噴射装置１は、高周波の入力により、ノズル部１２１の先端に強力な電界を発生させ、噴孔１２５の周囲の気体をプラズマ化し、噴孔１２５から噴射された燃料と燃焼室内の空気との混合気に点火を行う点火装置としても用いることができる。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態における具体的な燃料噴射装置１の概要について説明する。
燃料噴射装置１は、詳述略の内燃機関４のシリンダヘッド４０に装着され燃焼室４００内にノズル部１２１の先端が露出し、図略の高圧燃料供給手段１３から供給された高圧燃料を燃焼室４００内に噴射する燃料噴射弁１０と、内燃機関４の運転状況に応じて燃料噴射信号ＩＮＪと点火信号ＩＧｔとを発信するエンジン制御装置ＥＣＵ３０と、燃料噴射信号ＩＮＪにしたがって、燃料噴射弁１０内に設けたニードル１１６を昇降させ、燃料噴射弁１０の先端側のノズル部１２１に設けた噴孔１２５を開閉するアクチュエータ１１と、点火信号ＩＧｔにしたがって電源２０から供給された直流電流を高周波に変換、増幅して高出力の高周波を燃料噴射弁１０に発振する高周波発振装置２１と、燃料噴射弁１０を内燃機関４のシリンダヘッド４０に固定しつつ、ノズル部１２１の先端側に強電界を形成するノズル部１２１を内側導体とし、固定部１０１を外側導体として同軸共振管構造を構成する共振部１２とによって構成されている。

高周波発振装置２１は、半導体高周波回路２１０と、半導体高周波回路２１０から発振された高周波を増幅する高周波増幅回路２１１と、高周波増幅回路２１１で増幅された高周波をさらに増幅しつつＥＣＵ３０から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって燃料噴射弁１０に供給するパワー素子２１２とによって構成されている。

本実施形態において高周波増幅回路２１１は、高周波発振回路２１０から発振される数ｍＷ程度の高周波を数Ｗ程度に増幅し、パワー素子２１２は、高周波増幅回路２１１によって増幅された高周波をさらに数１０ｗ〜３００ｗ程度にまで増幅している。
パワー素子２１２から発振された高周波は、同軸ケーブル２１３を介して、ノズル部１２１の基端側の根本に設けた高周波入力部２１４に入力される。

パワー素子２１２には、Ｓｉ半導体、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体、ダイヤモンド半導体等のワイドバンドギャップ半導体を含む高周波パワーデバイスが用いられている。ワイドバンドギャップ半導体を用いた高周波パワーデバイスは、高周波特性が良好で、周波数変動を押さえつつ高周波を高出力に増幅できる。また、本発明で使用される高周波は、１０ｍｍ〜１０００ｍｍの波長と３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波であり、特に２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域を用いるのが実用的である。
本実施形態において、高周波として、例えば、周波数２．４５ＧＨｚ、波長λが１２２ｍｍのマイクロ波を供給する場合、ノズル部１２１は、波長λの４分の１、即ち、３０．６ｍｍ程度、又は、その奇数倍に形成されている。
また、固定部１０２の長さも、略波長λの４分の１で良いが、本実施形態においては、ノズル部１２１を燃焼室４００内に若干突き出させるために、固定部１０１をノズル部１２１より１ｍｍほど短くしてある。

アクチュエータ１１は、燃料噴射弁１０の内部に摺動可能に保持されたニードル１１６を昇降して弁体１１７のシート部１１８とノズル着座部１２２とを離着座させて、ノズル部１２１の先端に設けた噴孔１２５の開閉を制御している。
燃料噴射弁１０は、略棒状の全体形状を有する弁基体１００の下半部内に、ニードル１１６を摺動自在に保持している。
燃料噴射弁基体１００の下端部に延設して、小径のノズル部１２１と、これを覆う略筒状の固定部１０１とによって同軸共振管が構成されている。
ノズル部１２１の先端は、燃焼室４００内に露出して、先端に設けた噴孔１２５から燃料を噴射する。
燃料噴射弁基体１００の上部には、高圧流路１３０と低圧流路１４０とが形成されており、高圧流路１３０は、図略のコモンレールに至る高圧燃料供給手段１３に、低圧流路１４０は、図略の燃料タンク１４に接続されるようになっている。
燃料噴射弁基体１００内には、高圧流路１３０に連通して、燃料室１２０、制御圧室１３１、背圧室１３２、背圧制御室１３３、制御圧調整流路１３４が形成され、低圧流路１４０に連通して、制御弁室１４１、制御弁背圧室１４２とが形成されている。
ニードル１１６の基端側には、背圧受圧部１１５が形成され、制御圧室１３１、背圧室１３２内に配設されている。
ニードル１１６の先端側には、弁体１１７が形成されている。

燃料噴射弁基体１００下半部内には、ニードル１１６の外周に燃料室１２０が形成され、燃料室１２０の下端部に設けたサック室１２４壁を貫通して複数の噴孔３が形成されている。燃料室１２０には、高圧流路１３０が接続されており、コモンレールからの高圧燃料が導入されて高圧となっている。
図示の状態で、ニードル１１６は、弁体１１７のシート部１１８が燃料室１２０とサック室１２４との境界に形成される着座部１２２に当接し、噴孔１２５を閉鎖している。
燃料噴射弁基体１００の上半部内には、アクチュエータ１１として、ソレノイド１１０及び、ソレノイド１１０の励磁と消磁との切換によって可動するプランジャ状の制御弁１１２が保持されている。
ソレノイド１１０及び制御弁１１２の下方で、燃料室１２０の上方位置には、背圧制御室１３３が形成されている。

ニードル１１６は基端部が燃料室１２０の頂部壁を貫通して、背圧制御室１３３内に背圧受圧部１１５が配設されている。
背圧受圧部１１５は、ソレノイド１１３の下端磁極面と対向している。
背圧制御室１３３は高圧流路１３０に連通し、高圧流路１３０から導入される燃料の圧力で、燃料室１２０の圧力と同等の圧力となっている。
この圧力は、背圧受圧部１１５と一体のニードル１１６に背圧として作用する。また、背圧受圧部１１５と背圧制御室１３３との間には、背圧調整バネ１１４が配設され、ニードル１１６を閉弁方向に付勢している。

一方、背圧制御室１３３の頂面中央には、制御圧調整流路１３４が設けられ、制御弁１１２によって開閉され、背圧制御室１３３と低圧流路１４０との連通と遮断を切替えて、背圧制御室１３３の圧力、すなわちニードル１１６に背圧として作用する荷重を増減するようになっている。
制御弁１１２はその上方に配したスプリング１１１によって、下方に付勢されており、ソレノイド１１０に通電しない図示の状態で、制御弁１１２が制御圧調整流路１３４を閉鎖する位置にある。
制御弁１１２が収容される制御弁室１４１及びスプリング１１１が収容されるバネ室１４２は、低圧流路１４０に連通している。

図２を参照して、本実施形態における燃料噴射装置１の燃料噴射時の作動について説明する。
機関４の運転状況に応じて、ＥＣＵ３０から燃料噴射信号ＩＮＪが発信されると、アクチュエータ１１として設けられた、ソレノイド１１０とソレノイド１１３とに通電が成される。
ソレノイド１１０の励磁により、制御弁１１２が吸引駆動されると、制御圧調整流路１３４が開放され、低圧流路１４０に背圧制御室１３３内燃料が低圧流路１４０に流れ、ニードル１１６の閉弁圧力が低下し、さらに、ソレノイド１１３の励磁により、背圧受圧部１１５が吸引駆動され、ニードル１１６が上昇して、シート部１２２とニードル弁体１１７とが離座し、噴孔１２４を開放する。
高圧流路１３０から燃料室１２０内に導入された高圧燃料がサック室１２４を経て、噴孔１２５から燃料室４００内に噴射される。
本発明の燃料噴射装置１は、点火装置を兼ねることができ、点火を実施する場合には、燃料噴射に続いて、所定の時期にＥＣＵ３０から、点火を実施すべく点火信号ＩＧｔが発信されると、高周波発振装置２１から、ノズル部１２１の高周波入力部２１４に増幅された高周波が入力され、ノズル部１２１の先端に強電界が形成され、噴孔１２５の周辺の気体が励起され、高温のプラズマＰＬＳを発生する。
これが点火源となって、燃焼室４００内に噴射された燃料ＦＬと燃焼室４００内の圧縮空気との混合気に着火され、内燃機関４の燃焼が開始される。

図３を参照して、本発明の燃料噴射装置１のデポジット除去装置としての作動について説明する。
本図（ａ）に示すように、高周波入力部２１４に高周波が入力されると、固定部１０１とノズル部１２１との間に高周波の電界が形成され、高周波入力部２１４から、１／４λの位置にあるノズル部１２１の先端に強電界領域が形成される。
本図（ｂ）に示すように、噴孔１２５の周辺に堆積したデポジットは、高周波の入力によって発生した強電界中に晒され、直接的にデポジットが自己発熱し、燃焼除去されることになる。
さらに、デポジットが堆積し易い噴孔１２４周辺の気体が強電界によりプラズマ化され、高温のプラズマが衝突することによりデポジットを分解除去できる。
特に、燃焼サイクルにおいて吸気時や排気時に、燃料噴射弁１０から燃料噴射が行われない状態で、高周波の入力を行った場合には、燃焼室４００内の圧力が低く燃焼室４００内に存在する気体の絶縁耐圧が低くなっているので、高周波の入力に際して比較的低いエネルギで噴孔１２５の周辺の気体が電離し易く、プラズマの発生により効果的にデポジットを除去することができる。

図４を参照して、本発明の燃料噴射装置を燃焼方式の異なる内燃機関に適用した場合の制御例について説明する。
本図（ａ）に示すように、吸気行程、及び／又は、排気行程の比較的燃焼室内の圧力が低い状態で高周波を１回、又は、複数回入力することにより、デポジットの燃焼除去を行い、圧縮行程後期に燃料噴射装置１から噴射された燃料と圧縮空気とからなる可燃層をマイクロ波プラズマを点火源として着火させる場合には、燃料噴射後に、高エネルギのマイクロ波を入力し、ノズル部先端に高温のプラズマを発生させ、点火を実施する。
本図（ｂ）に示すように、吸気行程で燃料噴射を実施し、空気との均質混合を図った後、マイクロ波によって、点火を実施する場合には、デポジットの燃焼のための高周波の入力は、吸気行程の燃料噴射前、及び／又は、排気行程において実施し、点火のための高周波の入力は、圧縮行程の後期に実施する。
本発明の燃料噴射装置は、ガソリンエンジンのみならず、ディーゼルエンジンにも利用できる。
本図（ｃ）に示すように、複数回の燃料噴射を実施し、圧縮による自着火を行う場合には、ＥＣＵ３０から発信される燃料噴射信号ＩＮＪによって、メイン噴射のみならずパイロット噴射やポスト噴射を任意に実施することができる。
また、この場合、高周波の入力は、デポジットの除去にのみ利用される。
さらに、本図（ｄ）に示すように、吸気行程で燃料噴射を実施し、空気との均質混合を図った後、圧縮行程で自己着火させる場合には、周波の入力は、デポジットの除去にのみ利用される。
なお、燃料噴射時期、及び、点火時期は、機関の燃焼状態や、負荷の高低や、排ガス状態等に応じて、適宜、進角化、遅角化することができる。
さらに、本発明の燃料噴射装置を、通常の点火プラグを備えた内燃機関等に用いることもできる。このような場合には、高周波の入力は、デポジットの除去にのみ用いられる。

図５を参照して、本発明の第２の実施形態における燃料噴射装置１ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に述べる。
上記実施形態においては、ノズル部１２１内に燃料室１２０が形成され、ノズル部１２１の先端でニードル弁体１１７が離着座する構成について説明したが、本図に示すように、燃料室１２０ａ、ニードル１１６ａ、ニードル弁体１１７ａ、シート部１１８ａ、着座部１２２ａを共振部１２の基端側に設け、共振部１２内にはノズル部１２１ａと底部１２３ａとによって区画されたサック室１２４ａ及び噴孔１２５ａが形成されている点が上記実施形態と相違する。
このような構成とすることにより、上記実施形態と同様の効果に加え、中心導体としてのノズル部１２１ａを細径に形成することが可能となり、共振部１２ａの小型化を図ることもできる。

図６を参照して、本発明の第３の実施形態における燃料噴射装置１ｂについて説明する。上記実施形態においては、アクチュエータ１１として、ソレノイドを用いた例を示したが、本発明においてはアクチュエータの種類を限定するものではなく、アクチュエータとして、圧電アクチュエータ１１ｂを用いることもできる。
本実施形態においては、筒状の噴射弁基体１００ｂに内蔵された圧電アクチュエータ１１０ｂを駆動源とし、充放電により伸縮する圧電アクチュエータ１１０ｂの変位を、加圧ピストン１１１ｂに伝達し、加圧ピストン１１１ｂの軸方向移動により、制御室１３１ｂ内の圧力を増減させ、この制御室内圧力の増減に応じて軸方向に昇降するニードル１１６の先端に設けたニードル弁体１１７ｂにより噴孔１２４を開閉して、燃料噴射弁１０ｂ内に導入された高圧燃料の噴射と停止を制御している。

燃料噴射弁基体１００ｂは、内部に高圧流路１３１ｂを設けた略筒状に形成され、燃料流路１３１ｂの基端側が封止され、側面に引き出した高圧流路１３０を介してコモンレール等の高圧燃料供給装置１３に接続され、高圧燃料が導入されている。
先端側には、径小に縮径されたノズル部１２１ｂが形成され、ノズル部１２１ｂの先端には、燃焼室４００内に開口する噴孔１２５が穿設されている。

圧電アクチュエータ１１０ｂは、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミック材料からなり、厚さ方向に分極した圧電セラミック層が分極方向を交互に替えて数十から数百枚積層された積層型圧電素子が用いられている。
積層型圧電素子の各圧電セラミック層の層間に形成された内部電極は一層毎に側面方向に左右交互に引き出されて側面電極と接続され、外部のＥＣＵ３０に接続され、ＥＣＵ３０から発信された燃料噴射信号ＩＮＪにしたがって通電制御されている。

圧電アクチュエータ１１０ｂは、噴射弁基体１００ｂ内に収納され、圧電アクチュエータ１１０ｂの基端側に形成された基端側保護層の上端面が、噴射弁基体１００ｂとの電気的絶縁性を確保しつつ噴射弁基体１００ｂの内壁に接し、先端側に形成された先端側保護層の下端面が、圧電アクチュエータ１１０ｂと同軸に配された加圧ピストン１１１ｂに接している。

加圧ピストン１１１ｂは、略柱軸状に形成され、基端側には外周方向に張り出したピストン鍔部が形成されている。加圧ピストン１１１ｂは、略筒状に形成されたピストン案内シリンダ内に摺動可能に保持されている。
ピストン案内シリンダの先端側下端には外周方向に張り出したシリンダ鍔部が形成されている。ピストン鍔部とシリンダ鍔部との間には、ピストン戻しバネ１１２ｂが配設され、ピストン１１１ｂを圧電アクチュエータ１１０ｂ側に付勢している。

ピストン案内シリンダの先端側には、隔壁部が配設され、ピストン１１１ｂの下端面とピストン案内の内周壁と隔壁部の上面とによって加圧室１４２ｂが区画されている。
加圧室１４２ｂ内には圧力伝達媒体として、噴射弁基体１００ｂ内に導入された高圧燃料の一部が導入されている。

ニードル１１６は、基端側には径大となる大径部が形成され、先端側には径小となる小径部が形成され、さらに先端側には、さらに径小に縮径されたニードル径変部が形成され、さらにその先端側には弁体１１７が形成されており、弁体１１７の先端面はシート部１２２ｂの内周壁に当接する弁体シート面１１８ｂが形成されている。

隔壁部と内挿シリダ１１３ｂとには、加圧室１４２ｂと制御室１３１ｂとを連通する連通流路１３２ｂが形成されている。加圧室１４２ｂ内の圧力が圧力伝達媒体として導入された高圧燃料を介して連通流路１３２ｂで連通された制御室１３１ｂに伝達されている。

ニードル１１６ｂの背面と隔壁部１３７ｂの先端側底面と内挿シリンダ１１３ｂの内周壁とによって、背圧室１３３ｂが区画されている。
隔壁部１３７ｂには、高圧流路１３１ｂと背圧室１３３ｂとを連通する背圧導入流路１３６ｂが形成され、高圧流路１３１ｂ内の高圧燃料が背圧室１３３ｂに導入されている。

背圧室１３３ｂは、ニードル１１６ｂの背面に配設され、ニードル１１６ｂを閉弁方向に付勢する背圧バネ１１４ｂを収納するバネ室を兼ねている。
ニードル１１６ｂには、背面側室１３３ｂと燃料室１２０ｂとを連通するニードル内流路１３５が形成されている。

背圧室１３３ｂ内の圧力は、ニードル１１６ｂの閉弁方向に作用し、燃料室１２０ｂ内の圧力は、ニードル１１６ｂの開弁方向に作用し、互いにバランスしている。
制御室１３１ｂ内の圧力はニードル１１６ｂの開弁方向に作用し、背圧バネ１１４ｂのバネ圧は、ニードル１１６ｂの閉弁方向に作用している。

圧電アクチュエータ１１０ｂへの充放電によって、圧電アクチュエータ１１０ｂが伸縮し、圧電アクチュエータ１１０ｂの伸縮によって加圧ピストン１１１ｂが軸方向に上下動し、圧ピストン１１１ｂの上下動によって、加圧室１４２ｂ内の圧力が増減し、加圧室１４２ｂ内の圧力の増減によって、制御室１３１ｂ内の圧力が増減する。

制御室１３１ｂ内の圧力が背圧バネ１１４ｂのバネ圧以上となるとニードル１１６ｂが上昇し、弁体シート面１１８ｂがシート部１２２ｂから離座し、噴孔１２５が開口し、燃料室１２０ｂ内の高圧燃料が、燃焼室４００内に噴射される。
制御室１３１ｂ内の圧力が背圧バネ１１４ｂのバネ圧以下となるとニードル１１６ｂが下降し、弁体シート面１１８ｂがシート部１２２ｂの内周壁に着座し、噴孔１２５が閉鎖され、燃料室１２０ｂ内の高圧燃料の噴射が停止される。

本実施形態においても、ノズル部１２１ｂを内側導体（アンテナ）とし、固定部１０１を外側導体として同軸共振管を構成し、ノズル部１２１ｂの根本の高周波入力部２１４に同軸ケーブル２１３を介して高周波発振装置２１から高周波が発振されると、高周波入力部２１４から１／４λの位置にあるノズル部１２１ｂの先端に強力な電界が形成され、ノズル部１２１ｂの先端に設けた噴孔１２５の周囲に堆積したデポジットを燃焼除去することができる。
なお、高圧燃料を如何なる流路を経由してニードルに作用させ、燃料を噴射させるかは、本発明において特に限定するものではなく、公知の燃料噴射弁の構造を適宜採用し得るものである。

図７を参照して本発明の第４の実施形態における燃料噴射弁１０ｃとその変形例である燃料噴射弁１０ｄについて説明する。
なお、アクチュエータについては、上記実施形態の構成を適宜採用し得るので、共振部１２ｃ、１２ｄについてのみ説明する。
本実施形態においては、本図（ａ）に示すように、ノズル部１２１ｃの先端に略環状に形成した誘電体１２９を配設した点が上記実施形態と相違する。
このように、誘電体１２９を用いることにより、ノズル部１２１ｃをアンテナとして高周波が入力されたときに、誘電体１２９が高周波によって自己発熱する。
これによってデポジットを燃焼除去し易くしたり、サック室１２４内を燃料が通過する際に燃料を加熱し、気化し易くすることにより、着火性を向上したりすることもできる。
デポジットを加熱し除去し易くするのに加え、加熱中にプラズマを発生させ、デポジットをさらに除去し易くすることもできる。
また、本図（ｂ）に示すように、燃料室１２０の一部を覆うように誘電体１２９ｄを略筒状に設けて、さらにその外側に空間部１２８を千鳥状に設けたノズル部１２１ｄで覆うようにしても良い。
このような構成とすることにより、空間部１２８から高周波が誘電体１２９ｄ内に進入し、誘電体１２９ｄが自己加熱して、燃料室１２０内の燃料を温めて、さらなる着火性の向上を図ることもできる。
なお、本実施形態においては、供給されたエネルギが誘電体１２９ｄの加熱にも使われるため、プラズマを発生させるには、その分、大きなエネルギを供給する必要があると推察される。
但し、誘電体１２９ｄの自己加熱によりデポジットが暖められれば、発生したプラズマが小さくてもデポジットの除去がし易くなるものと推察される。

図８を参照して、本発明の第５の実施形態における燃料噴射弁１０ｅとその変形例である燃料噴射弁１０ｆについて説明する。
本実施形態においては、本図（ａ）に示すように、ノズル部１２１ｅを誘電体によって形成し、ノズル部１２１ｅとは別体に軸方向に伸びる略棒軸状の内側導体１５０ｅを設け、その根本に高周波を入力する高周波入力部２１４ｅを設け、その先端に屈曲部１５１ｅを設けてノズル部１２１ｅの先端に対向させてある。
このような構成とすることにより、高周波発振装置２１から高周波が入力されたとき、内側導体１５０ｅの先端に強電界が発生し、固定部１０１ｄに電気的に接続されたノズル部１２１ｅとの間で放電が起こり、ノズル部１２１ｅの先端にプラズマを発生させ、これをデポジットの除去や点火に用いることができる。
なお、上記実施形態においては、噴孔１２５をノズル部１２１の先端に複数設けた例を示したが、本実施形態に示すように、単噴孔１２５ｅであっても良い。
また、本図（ｂ）に示すように、内側導体１５０ｆをノズル部１２１ｆも密接して設けても良い。このような構成とすることにより、ノズル部１２１ｆの機械的強度を補強することもできる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく。上記実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
さらに、上述の如く本発明の燃料噴射装置は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等、燃料の種類、燃焼方式等に拘わらず採用し得るものである。

１ 燃料噴射装置
１０ 燃料噴射弁
１００ 弁基体
１０１ 固定部（外側導体）
１０２ ネジ部
１１ アクチュエータ
１１６ ニードル
１１７ ニードル弁体
１１８ シート部
１２ 共振部
１２０ 燃料室
１２１ ノズル部（内側導体）
１２２ 着座部
１２４ サック室
１２５ 噴孔
１３ 高圧燃料供給装置
２０ 電源
２１ 高周波発振装置
２１０ 高周波発振回路
２１１ 高周波増幅回路
２１２ 同軸ケーブル
２１３ パワー素子
２１４ 高周波入力部
２１５ 共振空間
３０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
４ 内燃機関
４０ シリンダヘッド
４００ 燃焼室
ＩＮＪ 燃料噴射信号
ＩＧｔ 点火信号

特開２００７−１７０１９０号公報 特開２０１０−０５９８４８号公報 特開２００６−１６１７３１号公報 特開２０１０−０３８０２３号広報

Claims (1)

1. 内燃機関に設けられ、高圧燃料の噴射と停止とを制御する燃料噴射装置において、
   上記内燃機関の運転状況に応じて燃料の噴射と停止とを制御する燃料噴射信号と高周波の発振と停止とを制御する点火信号とを発信するエンジン制御装置と、
   上記エンジン制御装置から発振された燃料噴射信号にしたがって駆動制御されるアクチュエータと、該アクチュエータの作動により略筒状に形成された弁基体内に可動に保持されたニードルを昇降させて弁基体の先端に設けられ内側に高圧燃料が導入されたノズル部の噴孔を開閉して弁基体内に導入された高圧燃料の噴射と停止とを行う燃料噴射弁と、
   上記エンジン制御装置からの点火信号にしたがって高周波を発振する高周波発振装置と、を具備し、
   上記燃料噴射弁を上記内燃機関に固定する固定部を上記ノズル部の外周を覆いつつ所定の共振空間を区画する略筒状に形成し、
   上記ノズル部の基端側の根本に上記高周波発振装置からの高周波を入力する高周波入力部を設け、
   上記高周波入力部から上記ノズル部の先端までの長さを上記高周波発振装置から発振される高周波の波長の１／４の長さに形成したことを特徴とする燃料噴射装置。

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