JP2013050085A

JP2013050085A - 内燃機関の燃料噴射装置

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Publication number: JP2013050085A
Application number: JP2011188965A
Authority: JP
Inventors: Shinya Furukawa; 伸哉古川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP5891658B2

Abstract

【課題】内燃機関の燃料噴射装置に関し、燃料の燃焼反応を効果的に向上する。
【解決手段】インジェクタＩのノズルボディ３０内に針弁３３が軸方向に移動可能に収容され、コモンレールからノズルボディ３０内に供給された高圧燃料が、針弁３３の軸方向への移動によりノズルボディ３０の先端側に形成された噴孔３１から噴射される内燃機関の燃料噴射装置であって、ノズルボディ３０の先端部に電圧を印加する高圧電源装置１０と、高圧燃料の噴射に同期させてノズルボディ３０の先端部に電圧が印加されるように高圧電源装置１０を制御するコントロールユニット２０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。

従来より、コモンレールに畜圧した高圧燃料をインジェクタのノズル室及び、針弁の背圧を発生させる圧力制御室に供給し、電磁弁を用いて圧力制御室の圧力を増減することで、燃料の噴射と停止とを切替える燃料噴射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料噴射装置においては、噴射された燃料は燃焼室内の高温・高圧の空気と混合することで燃焼される。

特開２０００−１８６６４６号公報

ところで、特許文献１に開示された燃料噴射装置では、燃料が噴射される噴孔の面積を可変とすることで、エンジン燃焼に適した噴霧パターンの形成を可能としている。しかしながら、このような噴孔面積の変更による噴霧パターンの調整は、噴射された燃料の燃焼反応を間接的に制御するものであり、燃焼反応を効果的に促進させる上では自由度が低いとも考えられる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、噴孔内で燃料に形成されるキャビテーション気泡に電力を供給し、炭化水素分子の分解及び、活性化学種の生成を促進することで、燃料の燃焼反応を効果的に向上させることにある。

上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、インジェクタのノズルボディ内に針弁が軸方向に移動可能に収容され、高圧燃料供給手段から前記ノズルボディ内に供給された高圧燃料が、前記針弁の軸方向への移動により前記ノズルボディの先端側に形成された噴孔から噴射される内燃機関の燃料噴射装置であって、前記ノズルボディの先端部に電圧を印加して、前記噴孔の内壁周りに電界を形成する電圧印加手段と、高圧燃料の噴射に同期させて前記ノズルボディの先端部に電圧が印加されるように前記電圧印加手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記ノズルボディの中間部に、前記ノズルボディの先端部を電気的に絶縁する絶縁体を設けてもよい。

また、前記ノズルボディ内に供給される高圧燃料の燃料圧力を検出する燃料圧力センサをさらに備え、前記制御手段は、前記燃料圧力センサの検出値が、前記噴孔を通過する高圧燃料にキャビテーションが生じる所定の燃料圧力に達した場合にのみ、高圧燃料の噴射に同期させて前記ノズルボディの先端部に電圧が印加されるように前記電圧印加手段を制御してもよい。

本発明の内燃機関の燃料噴射装置によれば、噴孔内で燃料に形成されるキャビテーション気泡に電力を供給し、炭化水素分子の分解及び、活性化学種の生成を促進することで、燃料の燃焼反応を効果的に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置の全体構成を示す模式的な部分断面図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置において、噴孔内にキャビテーション気泡が生じた状態を示す模式的な図である。

以下、図１、２に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本実施形態の燃料噴射装置は、内燃機関としての図示しないディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）に適用されるもので、図１に示すように、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタＩと、電圧を印加する電圧印加手段としての高圧電源装置１０と、制御手段としてのコントロールユニット２０と、燃料圧力センサ２１とを備えている。

インジェクタＩは、先端側に噴孔３１が形成された中空状のノズルボディ３０と、ノズルボディ３０の中空部３２内に軸方向に移動可能に収容された針弁３３とを備え構成されている。また、ノズルボディ３０の中間部には、ノズルボディ３０の先端部をノズルボディ３０の上部及びシリンダヘッドＣＨから電気的に絶縁する絶縁体３４が環状に介装されている。この絶縁体３４は、例えばセラミックス等の絶縁材料で形成されている。

ノズルボディ３０の中空部３２の下部には、噴孔３１を介してエンジンの燃焼室と連通するノズル室３５が形成され、このノズル室３５の内側壁には後述する弁本体４４の円錐面が着座するシート面３６が設けられている。また、中空部３２の上部には圧力制御室３７が形成され、これら圧力制御室３７およびノズル室３５には供給油路３８を介して高圧燃料供給手段としてのコモンレール（不図示）から高圧燃料が導入される。さらに、圧力制御室３７には、圧力制御室３７の高圧燃料を排出するための排出路３９が接続され、圧力制御室３７の上方には排出路３９を開閉するための電磁弁４０が設けられている。

針弁３３は、略円柱状に形成されており、圧力制御室３７内の高圧燃料から下向きの圧力を受けるサーボピストン４１と、ノズル室３５内の高圧燃料から上向きの圧力を受けると共に、スプリング４２から下向きの付勢力を受けるノズルピストン４３とを有する。また、ノズルピストン４３の下部には、シート面３６に着座する円錐面を有する弁本体４４が接続されている。

すなわち、電磁弁４０が排出路３９を閉鎖して、圧力制御室３７及びスプリング４２による下向きの力がノズル室３５による上向きの力よりも大きくなると、針弁３３は下方に移動するように構成されている。このように、針弁３３が下方に移動すると、弁本体４４の円錐面がシート面３６に着座して噴孔３１は閉塞される。一方、電磁弁４０が排出路３９を開放して、圧力制御室３７及びスプリング４２による下向きの力がノズル室３５による上向きの力よりも小さくなると、針弁３３は上方に移動する。このように、針弁３３が上昇して弁本体４４の円錐面がシート面３６から離間すると、噴孔３１は開放されて噴孔３１から高圧燃料が噴射されるように構成されている。

燃料圧力センサ２１は、燃料の噴射圧力に相当するコモンレール（不図示）に畜圧された燃料圧力を検出するもので、電気配線を介してコントロールユニット２０に接続されている。

高圧電源装置１０は、電界形成電極としてのノズルボディ３０の先端部と、接地電極としての接地点１１とに電気的に接続されている。この高圧電源装置１０によりノズルボディ３０の先端部と接地点１１との間に所定周波数の交流電圧が印加されると、噴孔３１の内壁周りに電界が形成されるように構成されている。なお、図示の関係で特に示されてはいないが、接地点１１は針弁３３に設けられた接地電位を有する電極やシリンダヘッドＣＨに設けられた接地電位を有する電極で構成することができる。

コントロールユニット２０は、運転状態に応じて燃料噴射量や燃料噴射時期等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、コントロールユニット２０には、何れも図示しないエンジン回転センサやアクセル開度センサ等の出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、コントロールユニット２０は、高圧電源装置１０と電気的に接続されており、高圧電源装置１０による交流電圧の印加を制御する。具体的には、インジェクタＩによる燃料噴射と同期してノズルボディ３０の先端部と接地点１１との間に所定周波数の交流電圧が印加されるように、インジェクタＩの電磁弁４０への通電と同時に高圧電源装置１０に作動信号を出力するように構成されている。なお、印加される交流電圧の周波数は、例えば実験等で作成した高圧燃料の燃料圧力と印加されるべき交流電圧の周波数との関係を示すマップ（不図示）を予めコントロールユニット２０に記憶させておき、このマップと燃料圧力センサ２１の検出値とに基づいて決定してもよい。また、噴孔３１内にキャビテーション気泡が生じる所定の燃料圧力を実験等で予め求めておき、燃料圧力センサ２１の検出値がこのキャビテーション気泡が生じる所定の燃料圧力に達した場合にのみ、高圧電源装置１０による電圧の印加が行われるように構成してもよい。

次に、本実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置による作用について説明する。

電磁弁４０が通電されて排出路３９を開放すると、針弁３３の上方への移動に伴い噴孔３１が開放されて、ノズル室３５内の高圧燃料は噴孔３１から燃焼室へと噴射される。このように、噴孔３１が開放される燃料の噴射期間中においては、高圧燃料の噴孔３１への流れ込みにより、噴孔３１の内壁面には高速流に伴うキャビテーション気泡が生じる（図２参照）。

ここで、本実施形態の内燃機関の燃料噴射装置によれば、燃料の噴射期間中、すなわち電磁弁４０への通電と同時に、高圧電源装置１０により電界形成電極としてのノズルボディ３０の先端部と接地電極としての接地点１１との間に所定周波数の交流電圧が印加される。すなわち、噴孔３１の内壁周りに電界が形成され、キャビテーション気泡内に電力が供給されることになる。このように、キャビテーション気泡内に電力が供給されると、気泡内は液体中に比べて密度が低く衝突頻度も低いため、電子は衝突によるエネルギー損失を受けることなく、電界により効果的に加速される。そして、高速の電子は、気泡内の燃料分子を分解してイオン化することで増加され、活性化学種を生成すると共に、生成された活性化学種は気泡の崩壊に伴って燃焼室内に放出されることになる。

したがって、噴孔３１のキャビテーション気泡内に電力を供給して、このキャビテーション気泡内にプラズマが生成されることで、炭化水素分子の分解及び、活性化学種の生成を促進することが可能となり、燃料の燃焼反応を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、高圧電源装置１０は所定周波数の交流電圧を印加するものとして説明したが、直流電圧やパルス電圧を印加するものであってもよい。

また、本実施形態の内燃機関の燃料噴射装置は、ディーゼルエンジンに適用されるものとして説明したが、例えばガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０高圧電源装置（電圧印加手段）
２０コントロールユニット（制御手段）
２１燃料圧力センサ
３０ノズルボディ
３１噴孔
３３針弁
３４絶縁体
Ｉインジェクタ

Claims

インジェクタのノズルボディ内に針弁が軸方向に移動可能に収容され、高圧燃料供給手段から前記ノズルボディ内に供給された高圧燃料が、前記針弁の軸方向への移動により前記ノズルボディの先端側に形成された噴孔から噴射される内燃機関の燃料噴射装置であって、
前記ノズルボディの先端部に電圧を印加して、前記噴孔の内壁周りに電界を形成する電圧印加手段と、
高圧燃料の噴射に同期させて前記ノズルボディの先端部に電圧が印加されるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、を備えた
ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
前記ノズルボディの中間部に、前記ノズルボディの先端部を電気的に絶縁する絶縁体を設けた請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
前記ノズルボディ内に供給される高圧燃料の燃料圧力を検出する燃料圧力センサをさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料圧力センサの検出値が、前記噴孔を通過する高圧燃料にキャビテーションが生じる所定の燃料圧力に達した場合にのみ、高圧燃料の噴射に同期させて前記ノズルボディの先端部に電圧が印加されるように前記電圧印加手段を制御する請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。