JP2761762B2

JP2761762B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2761762B2
Application number: JP1180406A
Authority: JP
Inventors: 清隆緒方; 秀恭竹蓋; 芳夫黒田
Original assignee: Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH0347463A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は燃料噴射装置とりわけ火花点火式エンジンに
使用され、加圧空気を利用して燃料を噴射する形式の燃
料噴射装置に関するものである。

〔従来の技術及びその技術的課題〕

火花点火式ガソリンエンジンの燃焼室に燃料を直接噴
射するいわゆる筒内噴射は公知であり、かかる方式にお
いて、予め燃料と空気との混合気を作り、それを燃焼室
に導入することも特開昭54−4444号公報等により知られ
ている。しかし、この先行技術は、容積の大きなエア吸
込みチャンバへの燃料の噴射を利用して準大気圧の空気
を自然吸気させて燃料と混合するだけであるため、空気
量、圧力等が適切に制御されず、燃料の調合、微粒化等
の性能が不確実となりやすく、実用性が乏しかった。

そこで特開昭60−501963号公報に、燃料保持室に大気
圧以上の加圧空気を充填し、その燃料保持室に調量され
た燃料を押込み、選択作動噴射弁の開閉で燃料を空気圧
により燃焼室に噴射し、燃料の微粒化を図るようにした
装置が提案されている。

しかしながら、この先行技術においては、空気が適正
な圧力と量で保持室に送り込まれ、また燃料も調量され
て保持室に送り込まれたとしても、選択作動噴射弁のリ
フトが一定であり、従って、電磁弁を使用しその開弁時
間を電子制御することで噴射のタイミングと時期は制御
できても、装置先端の噴孔を通過する加圧空気の単位当
たりの絶対量を変えることはできない。そのため、噴射
する燃料量を増したり、エンジン回転数が上がり燃料噴
射に必要な噴射期間が短くなると、適量の燃料を噴射す
るために必要な空気量（空気噴出量）が減少し、これに
より気液比（空気と燃料の体積比）が変動し、燃料の適
切な微粒化を実現できなくなるという問題があった。

本発明は前記のような問題点を解消するために創案さ
れたもので、その目的とするところは、噴射する燃料量
が増したり、エンジン回転数が上がり燃料噴射に必要な
噴射期間が短くなっても、常に気液比を一定に保つこと
ができ、常に良好な微粒化を実現できるこの種の燃料噴
射装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、本体の先端に設け
られ燃焼室に臨む噴孔と、該噴孔と燃焼室とを連通、遮
断する弁機構と、噴孔の背後の本体内に設けられ空気送
給装置により加圧空気が供給される燃料保持室と、燃料
保持室に加圧空気が充填された状態で燃料を調量して燃
料保持室に導入する手段とを有し、前記弁機構により燃
焼室内に燃料を空気とともに直接噴射する装置であっ
て、前記弁機構が噴孔にシートするポペット弁部とこれ
より後方に延びる弁軸120を有するポペット弁からな
り、前記弁軸120がばね124により付勢されることでポペ
ット弁部12が噴孔70にシートされるようになっており、
かつ本体７は前記弁軸120を変位させてポペット弁部12
を開弁させるための圧電アクチュエータ13を備え、この
圧電アクチュエータ13に対する通電制御によりポペット
弁のリフト量を可変制御して噴孔開孔面積を変化させ、
噴射空気量を制御するようにした構成としている。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。

第１図ないし第３図は本発明による燃料噴射装置の一
実施例を示している。第２図において、１はシリンダブ
ロック、２はシリンダヘッド、３はピストン、４はピス
トン３とシリンダヘッド２で構成される燃焼室、５は燃
焼室４に望む点火プラグ、６は本発明による燃料噴射装
置である。

前記燃料噴射装置６は、第１図と第２図のように、下
端に燃焼室４に望む噴孔70を有し、これより上方に前記
噴孔70と通じる燃料保持室８を内蔵した本体７と、該本
体７に取付けられ、前記燃料保持室８に燃料を調量して
噴射する手段としてのインジェクタ９と、燃料保持室８
に予め所定の圧力の空気を充填する空気送給装置10と、
前記噴孔70と燃焼室４とを連通・遮断する弁機構11とを
備えている。

詳述すると、インジェクタ９は好ましくは電磁式のも
のが用いられる。第３図はその例を示しており、本体７
に挿着されるハウジング90の中心部に、燃料通路93aを
構成する筒状の固定鉄心93が設けられ、この固定鉄心93
の下端部にストローク用隙間を有せしめて可動コア94が
設置され、圧縮スプリング95により常時離反側に付勢さ
れている。前記固定鉄心93の上側はコネクタ管96となっ
ており、第２図のように、燃料供給管97によりレギュレ
ータ98a、燃料ポンプ98bを介して燃料タンク98cに連結
されている。

固定鉄心93の外周には電磁コイルアッセンブリ99が設
けられ、端子線を埋設した電気コネクタ99aにより電子
制御装置Ａから励磁電流が供給されるようになってい
る。

可動コア94の延長部はニードルバルブ94aとなってお
り、該ニードルバルブ94aの下端はノズルボディ91に形
成した弁座91aに対するシート部を有し、前記スプリン
グ95による押圧で常時燃料保持室８に望む噴孔91bを閉
じるようになっている。

次に、空気送給装置10は、前記燃料保持室８に直接か
または間接的に導通する空気供給通路100を有し、該空
気供給通路100は空気供給管101を介して供給源と接続さ
れている。図示するものでは、空気供給管101はエアレ
ギュレータ102を介してアキュムレータ103に接続され、
アキュムレータ103はエアコンプレッサ104から圧縮エア
が供給されるようになっている。そして、前記系はシリ
ンダブロック１に挿着した抽気弁105に接続され、電子
制御装置Ａからの信号で所定圧の空気を燃料保持室８に
送給するようになっている。

弁機構11はポペット弁を有し、該ポペット弁は、噴孔
70の円すい状シート面に接離するポペット弁部12とこれ
から後方に伸びる弁軸120を有している。ポペット弁を
用いたのは、燃料を燃焼室Ａ中に分散させることに加
え、噴孔70の円すい状シート面との相対関係により開弁
時のリフト量に応じて開孔断面積をリニアに変化できる
からである。

前記弁軸120は燃焼保持室８に通じるガイド穴71に適
度なクリアランスをもって配され、そのクリアランスす
なわち筒状通路121が燃料保持室８の一部を構成するよ
うになっている。前記弁軸120は後方に延び、圧電アク
チュエータ13によりリフト量可変に制御されるようにな
っている。

圧電アクチュエータ13は、本体１に固着された空気供
給通路形成部材14に嵌合される第１ケーシング130と、
該第１ケーシング130に冠着される第２ケーシング131
と、第１ケーシング130に設けた穴部132に摺動可能には
められた慣性体133と、該慣性体133の背面と第２ケーシ
ング131の下面に接着等により固定された圧電素子134と
を備えている。前記慣性体133は第１ケーシング130の穴
部132を貫いて伸びる押圧部136を有し、一方、弁軸120
は、これに固定したばね受け122と空気供給通路形成部
材14に配置した通路部材兼ばね受け123間に介装したば
ね124により、上方に付勢され、それによりポペット弁
部12が噴孔70のシート面に着座して閉弁されると共に、
弁軸120が押圧部136と圧接して慣性体133を押上げ、圧
電素子134に所定の予圧を与えるようになっている。

圧電素子134はバイモルフ形やスタック形のものでも
よいが、発生力エネルギ効率、変位の面などから積層形
のものが好ましい。その積層形としては、たとえば厚さ
100〜150μｍのセラミック薄膜シートに内部電極薄膜
（たとえば銀−パラジウム合金）を印刷して多層積層し
焼成したものなどが挙げられる。このセラミック積層タ
イプのものは、駆動電圧が低く、しかも非常に小形で、
応答速度を早くすることができる。

前記圧電素子134のリード線は、第２ケーシング131を
通して駆動電源回路135に導かれ、該回路は電子制御装
置Ａに接続され、これからの信号で圧電素子134は所定
の電圧が付加される。第４図はその電子制御装置Ａでの
制御フローを例示しており、エンジン回転数の検出信号
から噴射同期を演算し、これとフロットル開度の検出信
号から圧電素子の電圧マップを読み取って最適印加電圧
を求め、その信号を駆動電源回路135に送出するもので
ある。

なお、第１図では概略的に示したが、実際には噴孔70
とポペット弁部12はホルダに納められ、本体１に嵌着さ
れる。また、必要に応じ、ケーシング内に変位センサを
配し、これの出力をA/Dコンバータを介して電子制御装
置Ａに送り、フィードバック制御するようにしてもよ
い。また、場合によっては、慣性体133はヒンジ等の変
位拡大機構を有していてもよい。

〔実施例の作用〕

電子制御装置Ａで演算、設定された圧力と量の空気が
アキュムレータ103からエアレギュレータ102に送られ、
ここで均圧化されて空気供給管101および空気送給通路1
00に送り込まれ、その加圧空気は、通路部材兼ばね受け
123と弁軸120の間の筒状通路121を介して燃料保持室８
に送り込まれる。このときには、インジェクタ９と圧電
アクチュエータ13には通電せず、ニードルバルブ94aと
ポペット弁部12は閉弁状態に保たれる。従って加圧空気
は筒状通路121を含む燃料保持室８に設定圧（たとえば3
bar）で封入される。

その後、電子制御装置Ａからの信号でインジェクタ９
の電磁コイルアッセンブリ99に通電されると、可動鉄心
94が吸引されてニードルバルブ94aがリフトされて噴孔9
1Bが開弁するため、次に通電が停止されるまでの間、レ
ギュレータ98aで均圧された燃料（空気圧よりも高く、
たとえば4bar）が前記封入空気中に噴射される。前記通
電時間は電子制御装置Ａで回転数等の検出信号に基づき
演算処理されることにより制御され、従って通電時間に
応じた量の燃料が調量されて充填される。このときに
は、圧電アクチュエータ13は作動を停止しており、その
ため、噴射された調量燃料はそのエネルギーで封入空気
と撹拌混合される。

その後ピストン３の吸入工程から圧縮工程前半にかけ
て所要時期に電子制御装置Ａから所定のタイミングと時
期で信号が送出され、駆動電圧回路135から所定のパタ
ーンの電圧が圧電素子134に印加される。これにより、
圧電素子134は伸長し、その変位が慣性体133−押圧部13
6−弁軸120に伝達され、弁軸120はばね124のセット力に
抗してリフトされる。そのため、ポペット弁部12は噴孔
70のシートを離間して開弁し、燃料保持室８および筒状
通路121に封じ込められていた空気・燃料混合物は、保
有する空気圧により燃焼室４に微粒化されて噴射され
る。そして、電圧の印加を止めあるいは逆電圧を印加す
れば、圧電素子134は縮小するため、ポペット弁部12は
閉弁する。前記圧電素子134は変位の応答性が非常に早
いため、噴射時期やタイミングに的確にマッチさせるこ
とができる。

しかも、圧電素子134の変位量は印加する電圧の大き
さに比例するため、ポペット弁部12のリフト量は固定で
なく可変であり、電圧印加時間が同等でも、印加電圧の
大きさにより噴孔70の開孔断面積が変化する。従って、
第５図（Ｉ）に示す噴射量の少ない場合、（II）に示す
噴射量の多い場合に応じて、インジェクタ９の通電時間
とともに圧電素子134への印加電圧Ｖを変化させればよ
く、これによりポペット弁部12のリフト量が増して開孔
面積が大となり、空気流量が増すため、気液比をいずれ
の噴射量でも一定とすることができ、燃料を常に微粒化
することができる。

このことは非常にメリットがある。たとえば、２サイ
クルエンジンの筒内直接噴射は、6000rpmの全負荷で、
噴射量が約50mg/stroke、噴射期間が２〜3msecであるこ
とが前記先行技術に示されているが、このときでも燃料
粒径が30μｍ以下が最適であると言われている。この燃
料粒径を一定に保つには、気液流量比を一定に保持する
ことが肝要である。

このような最適粒径の燃料を噴射するには、たとえば
第６図のようなデータベースを用いて電子制御装置Ａで
演算すればよい。すなわち、第６図は燃料量、空気量お
よび粒径の関係を示しており、破線が標準状態（1atm、
０℃）で粒径30μｍとなる燃料噴射量と空気量であり、
燃料噴射量14mg/stroke（約16mm³/stroke）での空気量
は約3100（mm³/stroke）であり、気液比は約170であ
る。この気液比以上であれば燃料噴射量の増減に係らず
最適粒径が得られる。したがって、燃料の最大噴射量を
求め、この条件で気液比を約170以上にとれる空気量を
演算し、その空気量と燃料量を要求する期間に噴射する
のに必要な開孔面積を演算し、それに対応するポペット
弁部のリフト量を決めれば、圧電素子に対する印加電圧
も決まる。あとはその印加電圧をリニアに低減すれば各
燃料噴射量に応じた最適印加電圧が求められ、これをマ
ツプとして電子制御装置Ａにインプットしておけばよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、本体７の先端に
設けられ燃焼室４に臨む噴孔70と、該噴孔と燃焼室４と
を連通、遮断する弁機構11と、噴孔70の背後の本体内に
設けられ空気送給装置10により加圧空気が供給される燃
料保持室８と、燃料保持室８に加圧空気が充填された状
態で燃料を調量して燃料保持室８に導入する手段とを有
し、前記弁機構11により燃焼室４内に燃料を空気ととも
に直接噴射する装置であって、前記弁機構11が噴孔70に
シートするポペット弁部12とこれよりも後方に延びる弁
軸120を有するポペット弁からなり、前記弁軸120がばね
124により付勢されることでポペット弁部12が噴孔70に
シートされるようになっており、かつ本体７は前記弁軸
120を変位させてポペット弁部12を開弁させるための圧
電アクチュエータ13を備え、この圧電アクチュエータ13
に対する通電制御によりポペット弁のリフト量を可変制
御して噴孔開孔面積を変化させ、噴射空気量を制御する
ようにしたので、圧電アクチュエータ13により最適の時
期とタイミングで、しかも噴射する燃料量が増したり、
エンジン回転数が上がり燃料噴射に必要な噴射期間が短
くなっても、常に一定の気液比で筒内に燃料を噴射する
ことができ、常に良好な微粒化を達成することが可能と
なる。また、噴孔70から燃焼室４内に燃料を空気ととも
に直接噴射するためのアクチュエータが圧電アクチュエ
ータ13であるため、応答性がよくしかも小型で駆動電圧
も低くて済むため、コンパクトで経済性の良い噴射装置
とすることができるなどのすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料噴射装置の一実施例を概略的
に示す断面図、第２図は本発明装置の適用状態を示す説
明図、第３図は本発明における燃料調量手段の一例を示
す断面図、第４図は本発明におけるポペット弁リフト制
御系を示す説明図、第５図は燃料量が異なる場合のタイ
ミングチャート、第６図は気液比一定化のための燃料
量、空気量および粒径の関係を示すグラフである。４…燃焼室、８…燃料保持室、10…空気送給装置、11…
弁機構、12…ポペット弁部、13…圧電アクチュエータ、
70…噴孔、120…弁軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−12875（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−55437（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−154766（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−17443（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−166269（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02M 67/12 F02M 51/06 F02M 69/00 310

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】本体７の先端に設けられ燃焼室４に臨む噴
孔70と、該噴孔と燃焼室４とを連通、遮断する弁機構11
と、噴孔70の背後の本体内に設けられ空気送給装置10に
より加圧空気が供給される燃料保持室８と、燃料保持室
８に加圧空気が充填された状態で燃料を調量して燃料保
持室８に導入する手段とを有し、前記弁機構11により燃
焼室４内に燃料を空気とともに直接噴射する装置であっ
て、前記弁機構11が噴孔70にシートするポペット弁部12
とこれよりも後方に延びる弁軸120を有するポペット弁
からなり、前記弁軸120がばね124により付勢されること
でポペット弁部12が噴孔70にシートされるようになって
おり、かつ本体７は前記弁軸120を変位させてポペット
弁部12を開弁させるための圧電アクチュエータ13を備
え、この圧電アクチュエータ13に対する通電制御により
ポペット弁のリフト量を可変制御して噴孔開孔面積を変
化させ、噴射空気量を制御するようにしたことを特徴と
する燃料噴射装置。