JP3823543B2

JP3823543B2 - Fuel injection valve

Info

Publication number: JP3823543B2
Application number: JP16359098A
Authority: JP
Inventors: 武志庄司; 芳人小林; 好央武田
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: JPH11351091A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮着火燃焼に好適な燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、通常、圧縮行程の上死点近傍で燃料を噴射させて、同燃料を圧縮熱で燃焼させるという、ディーゼル燃焼が行なわれている。
このディーゼル燃焼は、燃料が燃えるまでの時間がかなり短いために、ＮＯｘ、黒煙が多く発生しやすい。
【０００３】
こうしたＮＯｘ、黒煙を低減させるためには、例えば混合ガスを希薄にしてリーン燃焼すればよいことがわかってきた。
そこで、この希薄燃焼を実現させるべく、近年、予混合圧縮着火燃焼方式を採用したディーゼルエンジンが提案されてきた。
【０００４】
同エンジンの予混合圧縮着火燃焼方式は、早期に筒内に燃料を噴射し、時間をかけて燃料を筒内の空気とまぜて、筒内全体を均一な希薄混合気にしてから燃焼させようとするものである。具体的には、予混合圧縮着火燃焼は、例えば圧縮行程の初期に燃料を筒内に噴射し、同燃料を圧縮行程で気化混合させ、同圧縮行程の終わりで燃料予混合気を自着火させようとするものである。
【０００５】
ところで、ディーゼルエンジンは、燃料として軽油を用いているが、着火性が良好な燃料（高セタン価燃料）のため、予混合圧縮着火燃焼時、筒内に高い温度上昇をもたらす高圧縮比や高負荷の運転では圧縮行程の途中で圧縮自己着火が生じてノッキングが起きる難点がある。
【０００６】
このため、予混合圧縮着火燃焼は、ノッキングが生じない低い圧縮比の運転や、ノッキングが生じない限られた狭い運転領域（低負荷域、中負荷域）しか行えない。
【０００７】
そこで、この対策として燃料のセタン価を変えて、より高圧縮比／高負荷域でも、予混合圧縮着火燃焼が採用されるようにすることが考えられる。
例えば特開平７−２４３３５５号、特許２５３８９０８号に示されるような２種類の流路がノズル内部で１つに合体し１つの噴孔から噴射する構造の燃料噴射弁を用いて、予混合圧縮着火燃焼時は、低セタン価燃料と高セタン価燃料とをノズル内部で混合させて、１つの噴孔からセタン価を変えた燃料を噴射させることが考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、予混合圧縮着火燃焼は、周りの壁面に触れずに、ピストンが上死点から離れた地点にあるピストンのキャビティへ向かって噴霧が最適に行なわれることが求められる。具体的には、狭い噴射角、低貫徹力、高い分散などが求められる。
【０００９】
ところが、１つの噴孔から、セタン価を変えた燃料、あるいは高セタン価燃料が噴射可能な燃料噴射弁だと、予混合圧縮着火燃焼に適した噴霧形状にすることは難しい。
【００１０】
すなわち、予混合圧縮着火燃焼は、上死点から離れた地点のピストンに向かって、予混合を促進するような特性で燃料噴霧が行なわれないと、十分な排出ガス性能が発揮される燃焼が得られない。
【００１１】
しかし、１つの噴孔からの噴霧では、先の狭い噴射角、低貫徹力、高い分散を満足させた噴霧を行うことは難しい。特にディーゼル燃焼に用いている噴孔は、上死点近傍に配置されたピストンキャビティ（燃焼室）に適した横（径）方向に向かう高貫徹力の噴霧形状なので、この噴孔をそのまま予混合圧縮着火燃焼のときにも流用すると、上死点からピストンが離れている都合上、ノズル周辺の壁面に燃料が付着するという、予混合を妨げるような燃料噴霧が行なわれてしまい、良好な予混合圧縮着火燃料が得られない。
【００１２】
このため、予混合圧縮着火燃焼の領域の拡大はできても、本来の目的とする良好な排出ガス性能、すなわち低ＮＯｘ、低黒煙をもたらす予混合圧縮着火燃焼は行なわれない問題があり、予混合圧縮着火燃焼の効果が十分に発揮できる技術が要望されている。
【００１３】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、良好な排出ガス性能をもたらす予混合圧縮着火燃焼の領域を拡大させることができる燃料噴射弁を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載した燃料噴射弁は、先端部に、噴射軸線が出口直後で交差するように、高セタン価燃料が供給される流路からの高セタン価燃料を横向きの噴流で噴射させる、ピストンの径方向へ向かって開口する高セタン価燃料噴射用の噴孔と、低セタン価燃料が供給される流路からの低セタン価燃料を下向きの噴流で噴射させる、ピストンの軸心方向へ向かって開口する低セタン価燃料噴射用の噴孔とをそれぞれ配置した燃料噴射ノズルを設け、予混合圧縮着火燃焼時、両噴孔の出口直後で両燃料を衝突させて、上死点から離れたところに位置するピストンへ向かうように燃料を噴霧させる手段を設けた構造を採用して、予混合圧縮着火燃焼時、セタン価を低く調節した燃料を予混合圧縮着火燃焼に適した噴霧形状で噴霧させるようにしたことにある。
【００１５】
請求項２に記載の燃料噴射ノズルは、上記目的に加え、さらに予混合着火燃焼が続けられないときは、高セタン価燃料を用いた通常のディーゼル燃焼が続けて行なわれるよう、予混合圧縮着火燃焼が続けられられないときは、高セタン価燃料の噴孔からだけの噴霧によるディーゼル燃焼に切換える切換手段を設けたことにある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１ないし図４に示一実施形態にもとづいて説明する。
図１は本発明を適用したディーゼルエンジンの燃料噴射装置を示し、図中１はシリンダヘッド２に装着された可変式の燃料噴射弁である。
【００１７】
この燃料噴射弁１は、二重針弁構造を採用したノズルチップ１ａ（燃料噴射ノズルに相当）の基端部に、二重ロッド構造のノズルホルダ１ｂを組み合せて構成してある。
【００１８】
すなわち、燃料噴射弁１の各部について説明すれば，図１中３はノズルチップ１ａのノズルボディである。ノズルボディ３は、図２に示す拡大図で詳しく示されるように上側に大径な筒部３ａを有し、下側に小径な筒部３ｂを有して形成してある。そして、小径な筒部３ｂの下端部が、シリンダヘッド２の下面からシリンダ内に臨んでいる。
【００１９】
このノズルボディ３内の空間で形成されている針弁室５には、大小２種類の針弁を同心円状に組み合わせた二重針弁６が上下方向に摺動自在に収めてある。この二重針弁６には、針状の内側針弁７と、この内側針弁７の外周面に摺動自在に嵌挿された有底筒状の外側針弁８とを組み合わせた構造を用いてある。
【００２０】
具体的には、外側針弁８は、大径な筒部３ａ内に収まる大径軸部８ａと小径な筒部３ｂ内に収まる小径軸部８ｂとを有し、両軸部８ａ、８ｂとの境界部には円錐面８ｃが形成され、先端部が半球状に形成された有底筒形状をなしている。また半球状部８ｄの基部側には、複数個の噴孔、例えば６個の噴孔８ｅが周方向に所定の間隔で形成してある。この半球状部８ｄが小径な筒部３ｂの下端から突き出ている。また小径軸部８ｂの直線部分を形成する外周面には、上記半球状部８ｄの噴孔位置と対応して、それぞれ軸方向に延びるスリット状の溝部９が周方向沿いに並行に形成されている。各溝部９の上端部は、円錐面８ｃまで延びている。そして、各溝部９の上端部が、円錐面８ｃを用いたシート部、すなわち円錐面８ｃとこれと接離するシール面１１とを組み合わせて構成される外側シート部１２、その直上に形成してある受圧面１３を囲むよう大径な筒部３ａの内面に形成された油溜り部１４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路１６を介して、ノズルボディ３の上端面に開口している。また各溝部９の下端部は、小径な筒部３ｂの下端からシリンダ内に開口し、噴孔８ｅの出口直後の噴射軸線が交差する地点に噴孔１７を形成している。
【００２１】
内側針弁７は、大径軸部８ａ内に収まる太軸部７ａと、小径軸部８ｂ内に収まる細軸部７ｂとを有した針状をなしている。細軸部７ｂの下端部には、小径軸部８ｂの内面部分に形成してある円錐状のシール面１９と組み合う円錐面７ｃが形成されていて、同部分に噴孔８ｅを開閉する内側シート部２０を構成している。そして、この内側シート部２０は、細軸部７ｂの外周面と小径軸部８ｂの外周面との間に形成されている通路２１、その通路端の直上に形成してある受圧部２２を囲むよう大径軸部８ａの内面に形成された油溜り部２３、大径軸部８ａの外周面に形成されている中継用の環状溝２４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路２５を介して、ノズルボディ３の上端面に開口している。
【００２２】
こうしたノズルチップ１ａに、噴孔８ｅおよび噴孔１７の両方からの燃料噴射と、噴孔８ｅからだけの燃料噴射とを可能にしたノズルホルダ１ｂを組み合せてある。
【００２３】
ノズルホルダ１ｂについて説明すれば、３０はノズルホルダ１ｂのホルダボディである。ホルダボディ３０は、例えばノズルチップ１ａの外径とほぼ同径な有底筒状に形成してある。そして、このホルダボディ３０の下端部が、接続具３１を介して、ノズルボディ３の上端部に接続され、ノズルチップ１ａにホルダボディ３０を直列に組み付けている。
【００２４】
このホルダボディ３０内の空間で形成されているロッド室３２には、二重針弁６と対応するよう大小２種類のロッド部材を同心円状に組み合せた二重ロッド３３が上下方向に摺動自在に収められている。この二重ロッド３３には、外側針弁８とつらなる外側ロッド部材、例えば筒状の外側プッシュロッド３４ａ、外側スプリング３４ｂ、筒状の外側プレッシャピストン３４ｃを直列に連結してなる外側ロッド３４の内部に、内側針弁７とつらなる内側ロッド部材、例えば筒状の内側プッシュロッド３５ａ、内側スプリング３５ｂ、筒状の内側プレッシャピストン３５ｃを直列に連結してなる内側ロッド３５を摺動自在に嵌挿した構造が用いられている。
【００２５】
この収容構造を利用して、二重ロッド３３の上端部に、該ロッド端が出入自在な油溜り室３６を形成している。
また二重ロッド３３の外側、例えばロッド室３２を挟むホルダボディ３０の両側の周壁部分内には、軸心方向に沿って延びる一対の通路３７が形成されている。これら各通路３７の下端部は、ノズルボディ３の上端面で開口している通路１６、２５に連通していて、各針弁先端に向かう独立した一対の燃料通路３８を形成している。
【００２６】
そして、各通路３７の途中から分かれている通路部分３７ａが、ホルダボディ３０の両側に突き出た一対のボス部３０ａにそれぞれ形成してある燃料入口３９と連通している。
【００２７】
このうち内側針弁７に向かう燃料入口３９には、高セタン価燃料、例えば軽油を供給する高セタン価燃料圧送装置２７（例えば蓄圧器、送油ポンプ、軽油用燃料タンクを組み合せて構成されたる装置）に接続され、外側針弁８に向かう燃料入口３９には、低セタン価燃料、例えば水（又はメタノール等）を供給する低セタン価燃料圧送装置２８（例えば蓄圧器、送油ポンプ、水又はメタノール用燃料タンクを組み合せて構成されたる装置）に接続してある。
【００２８】
また各通路３７の上端部は、それぞれ逆止弁４０、オリフィス４１を介装した通路部分３７ｂ介して、油溜り室３６に接続されていて、各燃料入口３９から供給される燃料の圧力が各内／外側針弁７，８の先端側、内／外側プレッシャピストン端に加わるようにしてある。そして、この二重針弁６を挟むように加わる燃料圧を用いて、内／外側針弁７，８を閉弁させている。
【００２９】
油溜り室３６には、例えば燃料タンク（図示しない）へ至る、常閉式の電磁弁４２ａ（リーク弁：切換手段に相当）、オリフィス４２ｂを介装したリーク路４２が接続してあり、電磁弁４２ａを通じて油溜り室３６の圧力を逃がせるようにしてある。
【００３０】
また外側針弁８へ至る通路部分３７ａの途中には、例えば燃料タンク（図示しない）へ至る、オリフィス４３、常閉式の電磁弁４４ａ（リーク弁：切換手段に相当）を介装したリーク路４４が接続してあり、電磁弁４４ａを通じて油溜り室３６の圧力を逃がせるようにしてある。
【００３１】
そして、電磁弁４２ａを開にして油溜り室３６の圧力を逃がすと、二重針弁全体がリフト可能となり、二重針弁６の各先端部に加わる燃料圧で、内／外側針弁７，８の油溜り部１４、２３に溜まる軽油（高セタン価燃料）／水（低セタン価燃料）が噴孔８ｅ、１７の両方から同時に噴射され、双方の燃料が噴孔出口直後で衝突しながら噴霧される衝突噴射が行なわれるようにしてある。この横方向の噴流と下向きの噴流との衝突から、低いセタン価に調節された燃料（高セタン価燃料と低セタン価燃料とが混合した燃料）が予混合圧縮着火燃焼に適した噴霧形状で噴霧されるようにしてある。具体的には、横方向の噴流に下方向の噴流が衝突させると、両燃料が互いに混合されながら狭い噴射角、低貫徹力、高分散され、上死点から離れたピストン４７に向かう下向きの噴霧となる。
【００３２】
また電磁弁４２ａ、４４ａの両方を開にして、油溜り室３６の圧力と外側針弁８に加わる燃料圧を逃がすと、内側針弁７がリフト可能となり、内側針弁７の先端部に加わる燃料圧で、内側針弁７の油溜り部２３に溜まる軽油が噴孔１７から噴射されるようにしてある。この噴孔１７からだけの噴射により、通常のディーゼル燃焼に適した噴霧、すなわち真横（径）方向に噴射されるようにしてある。具体的には、噴孔１７だけから燃料が噴射させるので、上死点近傍のピストン４７のキャビティ内面（燃焼室内面）に向かう横（径）向きの噴霧となる。
【００３３】
こうした燃料噴射弁１の各電磁弁４２ａ、４４ａには、ＥＣＵ４６（例えばマイクロコンピュータよりなる）が接続されている。このＥＣＵ４６により電磁弁４２ａ、４４ａを制御して、予混合圧縮着火燃焼時には、低／高セタン価混合燃料の早期噴射（吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの間）が行なわれ、通常のディーゼル燃焼時には、高セタン価燃料の通常噴射（上死点近傍での噴射）が行われるようにしている。この噴射の切換えには、上死点近傍の着火遅れを用いて切換える制御が採用されている。具体的には、ＥＣＵ４６には、例えばディーゼルエンジンの回転数、同じく燃料噴射量、同じく吸気温度、同じく吸気圧力、同じく水温、同じくＥＧＲ率から、上死点（ＴＤＣ）近傍の筒内ガスの平均温度および酸素濃度を算出する機能、この算出結果から２燃料の流量比等を用いて噴射しようとする燃料の上死点近傍の着火遅れτｍを算出する機能、予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とで噴霧形状を切換えるための例えばあらかじめ燃料性状と２流路の推定流量比等から設定した着火遅れ値とが設定されている。またＥＣＵ４６には、着火遅れ値と、算出された着火遅れτｍとの対比により、着火遅れ差があるうちは両噴孔８ｅ、１７からの衝突噴射、すなわち予混合圧縮着火燃焼にし、着火遅れに差がなくなると噴孔１７からだけの噴射、すなわちディーゼル燃焼に切換える機能が設定してある。これにより、低いセタン価に調節された燃料を用いた予混合圧縮着火燃焼と、高セタン価燃料を用いたディーゼル燃焼との切換えが行なわれるようにしている。またＥＣＵ４６には、予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼との切換えの際、例えば１サイクル中に上記早期噴射と上記通常噴射との双方を用いた２段噴射を経由してから切換えを行う機能が設定されている。この機能により、予混合圧縮着火燃焼からディーゼル燃焼へ、ディーゼル燃焼から予混合圧縮着火燃焼へのいずれの切換えでも、クッションとなる中間の移行燃焼を介在させてから移行させるようにしてある。
【００３４】
こうした予混合圧縮着火燃焼／ディーゼル燃焼に切換える制御が図３のフローチャートに示されている。
つぎに、同フローチャートにもとづいて燃焼の切換えを説明する。
【００３５】
ディーゼルエンジンの運転中、ＥＣＵ４６は、ステップＳ１に示されるようにエンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量ｑ、吸気温度、吸気圧力、水温、ＥＧＲ率を読み取り、続くステップＳ２でこれら検出値を用いて、上死点（ＴＤＣ）近傍における筒内ガスの平均温度Ｔ、酸素濃度Ｃを算出する。そして、つぎのステップＳ３でこれら平均温度Ｔ、酸素濃度Ｃから着火遅れτｍを算出し、噴射しようとする燃料流量比から同着火遅れτｍを補正する（τｍ＝α・τｕ＋β・τｌ但し、τｕ：高セタン価燃料、τｌ：低セタン価燃料、α，β＝２流路からの燃料噴射量比）。
【００３６】
一方、ＥＣＵ４６は、予め燃料性状と２流路の推定流量比等とから設定されている、燃焼を切換えるための着火遅れ値、具体的には着火遅れ値τｐとτｄとを読み込む。
【００３７】
ここで、設定値τｐは予混合燃焼とディーゼル燃焼との境を規定するしきい値であり、設定値τｄは燃焼の切換えを滑らかにする移行燃焼の領域を規定するしきい値である（τｐ＞τｄ）。
【００３８】
そして、ステップＳ４、５で、しきい値τｐ、τｄと先の算出された着火遅れτｍとが対比されていく。
この対比した結果、算出した着火遅れτｍがしきい値τｐより高く、ノッキングの発生のない予混合圧縮燃焼が可能であると判定されると、ＥＣＵ４６は、ステップＳ４からステップＳ６へ進み、例えば圧縮行程の中期で、電磁弁４２ａを負荷に応じて開動作させる。すると、図４（ａ）に示されるように内側針弁７と外側針弁８との双方が圧縮行程の中期で開弁される。これにより、低セタン価燃料である水と、高セタン価燃料である軽油とが、燃料噴射弁１の先端部から衝突噴射、すなわち図２中のＹに示されるように各噴孔８ｅ、１７から互いに衝突して予混合圧縮着火燃焼に最適な噴霧形状を形成しながら、筒内へ噴射される。具体的には、横方向の噴流（高セタン価燃料）に下方向の噴流（低セタン価燃料か）が衝突することにより、シリンダブロック２の下面に燃料が付着せず、かつ低貫徹力で、燃料の微細化を促進しながら、上死点から離れた地点にあるピストン４７のキャビティ４７ａへ向かう最適な噴霧角（狭い噴霧角）で噴霧が行なわれる。
【００３９】
これにより、予混合圧縮着火燃焼、すなわち燃料が、圧縮行程で気化混合され、同圧縮行程の終わりで燃料予混合気が自着火されるという燃焼が行なわれる。このとき、噴射される燃料は、燃料の混合割合によりセタン価が小さく調節された燃料（着火しにくく調節した燃料）であり、しかも、噴霧形状は、予混合圧縮着火燃料を考慮した適切な専用の形状である。
【００４０】
それ故、より高圧縮比の下でも、より高負荷域の下でも、十分な低ＮＯｘ、低黒煙をもたらす良好な予混合圧縮着火燃焼が行なわれる。
したがって、予混合圧縮着火燃焼の効果が十分に発揮できる領域を拡大させることができる。
【００４１】
しかも、予混合圧縮着火燃焼が続けられなくると、通常のディーゼル燃焼に切り換わるので、どのような運転領域でも対応できる。
すなわち、先の算出した着火遅れτｍが小さくなり、セタン価を小さく調節した燃料、予混合圧縮着火燃焼に適した噴霧形状を用いても、良好な予混合圧縮着火燃焼が続けることが難しくなると、ＥＣＵ４６は、図４（ｂ）に示されるような移行燃焼を介在させてから、図４（ｃ）に示されるような通常のディーゼル燃焼に切り換える。
【００４２】
具体的には、ＥＣＵ４６が、良好な予混合圧縮着火燃焼が続けられない程、着火遅れτｍが小さくなったと判定すると、ステップＳ５からステップＳ７へ進み、例えば吸入行程の中期で電磁弁４２ａを開動作、続く圧縮行程の上死点近傍で両電磁弁４２ａ、４４ａを開動作させる。すると、図４（ｂ）に示されるように吸入行程の中期で内側針弁７と外側針弁８との双方が開弁、続く圧縮行程の上死点近傍で内側針弁７だけが開弁される。
【００４３】
この１サイクル中に行なわれる、低セタン価に調節された燃料と高セタン価燃料との２段噴射により、予混合圧縮着火燃焼からディーゼル燃焼へスムーズに移行させるための中間の燃焼（移行燃焼）が行なわれる。
【００４４】
そして、着火遅れτｍが、ディーゼル燃焼へ移行する設定値τｄを越えると、ＥＣＵ４６は、ステップＳ８へ進み、圧縮行程の上死点近傍で両電磁弁４２ａ、４４ａを負荷に応じて開動作させる。すると、図４（ｃ）に示されるように上死点近傍で内側針弁７だけが開弁する。これにより、図２中のＸに示されるように噴孔１７から軽油（高セタン価燃料）が横方向へ噴射され、ディーゼル燃焼に適した噴霧形状で、ピストン上面のキャビティ４７ａ（燃焼室を形成する部分）内へ燃料が噴霧され、ディーゼル燃焼に切り換わる。このディーゼル燃焼が、予混合圧縮着火燃焼が続けられない運転領域をカバーするので、どのような運転条件でも対応できることになる。
【００４５】
なお、上述した一実施形態では、移行燃焼として、全噴射量を、両噴孔８ｅ、１７からの衝突噴射と、噴孔１７からの噴射とに分けて２段に噴射する方法（噴射量を調節）を採用したが、これに限らず、例えばセタン価割合を可変する手段を採用して、各噴孔８ｅ、１７から燃料割合を予混合圧縮着火燃焼〜ディーゼル燃焼で変えるようにしてもよい。
【００４６】
また上述した一実施形態では、針弁の前後に加わる圧力を利用して閉弁し、後端側の圧力をリークすることで開弁するノズルホルダ１ｂを採用したが、これに限らず、弾性部材で針弁を閉弁方向に付勢し、燃料圧で針弁を開弁させるようにしたノズルホルダを採用しても構わない。
【００４７】
また上述した一実施形態では、筒内に直接、燃料を噴射させるエンジンに適用したが、それ以外のエンジン，例えば吸気管へ燃料を噴射するエンジンに適用してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、予混合圧縮着火燃焼時、セタン価を低く調節した燃料を、予混合圧縮着火燃焼に適した噴霧形状で、噴霧させることができ、より高圧縮比の元でも、より高負荷域の元でも、十分な低ＮＯｘ、低黒煙をもたらす良好な予混合圧縮着火燃焼を得ることができる。
【００４９】
したがって、予混合圧縮着火燃焼の効果が十分に発揮できる領域を拡大させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、さらに上記効果に加え、予混合圧縮着火燃焼が続けられなくなると、高セタン価燃料を用いた通常のディーゼル燃焼に切り換わるので、どのような運転領域でも対応できるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図。
【図２】同噴射弁のノズルチップ回りの構造を、同ノズルチップ先端からの衝突噴射／単独噴射の噴霧形状と一緒に示す断面図。
【図３】予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とで噴霧パターンを切換える制御を説明するためのフローチャート。
【図４】同切換に伴う噴射タイミングを説明するための図。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁
１ａ…ノズルチップ（燃料噴射ノズル）
７…内側針弁
８…外側針弁
８ｅ、１７…噴孔
３３…二重ロッド
３８…一対の燃料通路（２種類の流路）
４２ａ、４４ａ…電磁弁（切換手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel injection valve suitable for premixed compression ignition combustion.
[0002]
[Prior art]
In diesel engines, diesel combustion is usually performed in which fuel is injected near the top dead center of the compression stroke and the fuel is burned with compression heat.
In this diesel combustion, since the time until the fuel burns is considerably short, a lot of NOx and black smoke are likely to be generated.
[0003]
In order to reduce such NOx and black smoke, it has been found that, for example, a lean mixed gas should be used to perform lean combustion.
In order to realize this lean combustion, a diesel engine employing a premixed compression ignition combustion method has been proposed in recent years.
[0004]
The premixed compression ignition combustion system of the same engine will inject fuel into the cylinder early, mix the fuel with the air in the cylinder over time, and burn it after making the entire cylinder a uniform lean mixture It is what. Specifically, premixed compression ignition combustion, for example, injects fuel into the cylinder at the beginning of the compression stroke, vaporizes and mixes the fuel in the compression stroke, and autoignites the fuel premixed gas at the end of the compression stroke. It is about to try.
[0005]
By the way, diesel engines use light oil as the fuel. However, because the fuel has good ignitability (high cetane number fuel), a high compression ratio and high temperature that cause a high temperature rise in the cylinder during premixed compression ignition combustion. In the load operation, compression self-ignition occurs in the middle of the compression stroke, causing knocking.
[0006]
For this reason, premixed compression ignition combustion can be performed only in a low compression ratio operation in which knocking does not occur or in a limited narrow operation region (low load region, medium load region) in which knocking does not occur.
[0007]
Therefore, as a countermeasure, it is conceivable to change the cetane number of the fuel so that premixed compression ignition combustion is adopted even in a higher compression ratio / high load range.
For example, premixed compression ignition is performed by using a fuel injection valve having a structure in which two kinds of flow paths are combined into one inside a nozzle and injected from one injection hole as disclosed in JP-A-7-243355 and Japanese Patent No. 2538908. At the time of combustion, it is conceivable to mix a low cetane number fuel and a high cetane number fuel inside the nozzle and inject fuel having a different cetane number from one nozzle hole.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the premixed compression ignition combustion is required to be sprayed optimally toward the piston cavity at a point away from the top dead center without touching the surrounding wall surface. Specifically, a narrow injection angle, a low penetration force, a high dispersion, etc. are required.
[0009]
However, if the fuel injection valve is capable of injecting fuel having a different cetane number or high cetane number fuel from one nozzle hole, it is difficult to obtain a spray shape suitable for premixed compression ignition combustion.
[0010]
In other words, premixed compression ignition combustion is a combustion that exhibits sufficient exhaust gas performance if fuel spray is not performed toward the piston away from the top dead center with characteristics that promote premixing. I can't get it.
[0011]
However, in spraying from one nozzle hole, it is difficult to perform spraying that satisfies the narrow injection angle, low penetration force, and high dispersion. In particular, the nozzle hole used for diesel combustion has a high penetrating spray shape in the transverse (diameter) direction suitable for the piston cavity (combustion chamber) located near the top dead center. If diverted during compression ignition combustion, fuel is sprayed on the wall surface around the nozzle to prevent premixing due to the fact that the piston is far from top dead center. Mixed compression ignition fuel cannot be obtained.
[0012]
For this reason, even if the premixed compression ignition combustion region can be expanded, there is a problem that the original target good exhaust gas performance, that is, the premixed compression ignition combustion resulting in low NOx and low black smoke is not performed, There is a demand for a technique that can sufficiently exhibit the effect of premixed compression ignition combustion.
[0013]
The present invention has been made paying attention to the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel injection valve capable of expanding a premixed compression ignition combustion region that provides good exhaust gas performance. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Fuel injection valve according to claim 1 in order to achieve the above object, the distal end portion, so that the injection axes intersect at right after the exit, the low-octane fuel from flow path is high octane fuel is supplied A low cetane fuel injected from a flow path to which a low cetane fuel is injected and a low cetane fuel injection hole that is injected in the radial direction of the piston and is injected in a lateral jet are injected in a downward jet. A fuel injection nozzle is provided with a low cetane fuel injection nozzle hole that opens toward the axial direction of the piston, and during premixed compression ignition combustion, both fuels collide immediately after the outlets of both nozzle holes. In addition, a structure with a means for spraying the fuel toward the piston located away from the top dead center is adopted, and the premixed compression ignition is applied to the fuel with a low cetane number adjusted during premixed compression ignition combustion. Spray type suitable for combustion In in that so as to spray.
[0015]
In addition to the above object, the fuel injection nozzle according to claim 2 is further provided with a premixed compression ignition so that normal diesel combustion using a high cetane fuel is continued when premixed ignition combustion cannot be continued. When combustion cannot be continued, there is provided a switching means for switching to diesel combustion by spraying only from the injection hole of the high cetane fuel.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on an embodiment shown in FIGS.
FIG. 1 shows a fuel injection device for a diesel engine to which the present invention is applied, in which 1 is a variable fuel injection valve mounted on a cylinder head 2.
[0017]
The fuel injection valve 1 is configured by combining a nozzle holder 1b having a double rod structure with a base end portion of a nozzle tip 1a (corresponding to a fuel injection nozzle) employing a double needle valve structure.
[0018]
That is, each part of the fuel injection valve 1 will be described. In FIG. 1, reference numeral 3 denotes a nozzle body of the nozzle tip 1a. As shown in detail in the enlarged view shown in FIG. 2, the nozzle body 3 has a cylindrical portion 3a having a large diameter on the upper side and a cylindrical portion 3b having a small diameter on the lower side. And the lower end part of the small diameter cylinder part 3b has faced in the cylinder from the lower surface of the cylinder head 2. FIG.
[0019]
In a needle valve chamber 5 formed in the space in the nozzle body 3, a double needle valve 6 in which two types of large and small needle valves are combined concentrically is housed slidably in the vertical direction. The double needle valve 6 has a structure in which a needle-like inner needle valve 7 and a bottomed cylindrical outer needle valve 8 slidably fitted on the outer peripheral surface of the inner needle valve 7 are combined. It is used.
[0020]
Specifically, the outer needle valve 8 has a large-diameter shaft portion 8a that fits within the large-diameter tube portion 3a and a small-diameter shaft portion 8b that fits within the small-diameter tube portion 3b, and both shaft portions 8a, 8b A conical surface 8c is formed at the boundary portion of the bottom, and a bottomed cylindrical shape is formed with a tip portion formed in a hemispherical shape. A plurality of nozzle holes, for example, six nozzle holes 8e, are formed at predetermined intervals in the circumferential direction on the base side of the hemispherical part 8d. The hemispherical portion 8d protrudes from the lower end of the small diameter cylindrical portion 3b. In addition, slit-like groove portions 9 extending in the axial direction are formed in parallel along the circumferential direction on the outer peripheral surface forming the straight portion of the small-diameter shaft portion 8b corresponding to the nozzle hole position of the hemispherical portion 8d. Yes. The upper end of each groove 9 extends to the conical surface 8c. And the upper end part of each groove part 9 is formed on the sheet | seat part using the conical surface 8c, ie, the outer sheet | seat part 12 comprised combining the conical surface 8c, and the seal surface 11 contacted / separated from this, directly on it. The oil reservoir 14 formed on the inner surface of the large-diameter cylindrical portion 3a so as to surround a certain pressure-receiving surface 13 and the upper end surface of the nozzle body 3 via the passage 16 formed in the peripheral wall of the larger-diameter cylindrical portion 3a. It is open. Moreover, the lower end part of each groove part 9 is opened in a cylinder from the lower end of the small diameter cylinder part 3b, and the injection hole 17 is formed in the point which the injection axis immediately after the exit of the injection hole 8e cross | intersects.
[0021]
The inner needle valve 7 has a needle shape having a thick shaft portion 7a that fits in the large diameter shaft portion 8a and a thin shaft portion 7b that fits in the small diameter shaft portion 8b. A conical surface 7c combined with a conical sealing surface 19 formed on the inner surface portion of the small-diameter shaft portion 8b is formed at the lower end portion of the thin shaft portion 7b, and an inner sheet that opens and closes the injection hole 8e in the same portion. Part 20 is configured. The inner sheet portion 20 surrounds a passage 21 formed between the outer peripheral surface of the thin shaft portion 7b and the outer peripheral surface of the small diameter shaft portion 8b, and a pressure receiving portion 22 formed immediately above the end of the passage. The oil reservoir 23 formed on the inner surface of the large-diameter shaft portion 8a, the relay annular groove 24 formed on the outer peripheral surface of the large-diameter shaft portion 8a, and the peripheral wall of the larger-diameter cylindrical portion 3a. It opens to the upper end surface of the nozzle body 3 through the passage 25.
[0022]
A nozzle holder 1b that enables fuel injection from both the nozzle hole 8e and the nozzle hole 17 and fuel injection only from the nozzle hole 8e is combined with the nozzle tip 1a.
[0023]
If the nozzle holder 1b is demonstrated, 30 is the holder body of the nozzle holder 1b. The holder body 30 is formed, for example, in a bottomed cylindrical shape having substantially the same diameter as the outer diameter of the nozzle tip 1a. And the lower end part of this holder body 30 is connected to the upper end part of the nozzle body 3 via the connection tool 31, and the holder body 30 is assembled | attached to the nozzle chip | tip 1a in series.
[0024]
In the rod chamber 32 formed in the space in the holder body 30, a double rod 33 in which two kinds of large and small rod members are concentrically combined to correspond to the double needle valve 6 is slidable in the vertical direction. It is contained in. The double rod 33 has an outer rod member connected to the outer needle valve 8, for example, a cylindrical outer push rod 34a, an outer spring 34b, and a cylindrical outer pressure piston 34c connected in series. Further, an inner rod member that is connected to the inner needle valve 7, for example, a cylindrical inner push rod 35a, an inner spring 35b, and a cylindrical inner pressure piston 35c, are connected in a slidable manner. Structure is used.
[0025]
Using this housing structure, an oil reservoir chamber 36 is formed at the upper end of the double rod 33 so that the rod end can freely enter and exit.
A pair of passages 37 extending along the axial direction are formed outside the double rod 33, for example, in the peripheral wall portions on both sides of the holder body 30 that sandwich the rod chamber 32. The lower end portions of these passages 37 communicate with the passages 16 and 25 opened at the upper end surface of the nozzle body 3 to form a pair of independent fuel passages 38 toward the tip of each needle valve.
[0026]
A passage portion 37 a separated from the middle of each passage 37 communicates with a fuel inlet 39 formed in each of the pair of boss portions 30 a protruding on both sides of the holder body 30.
[0027]
Among these, the fuel inlet 39 toward the inner needle valve 7 is configured by combining a high cetane number fuel, for example, a high cetane number fuel pressure feeding device 27 for supplying light oil, for example, a pressure accumulator, an oil feed pump, and a light oil fuel tank. A low cetane number fuel pumping device 28 (for example, a pressure accumulator, an oil feed pump, water, etc.) for supplying a low cetane number fuel, for example, water (or methanol, etc.) Or a device configured by combining methanol fuel tanks).
[0028]
The upper end portion of each passage 37 is connected to the oil sump chamber 36 through a passage portion 37b having a check valve 40 and an orifice 41, respectively, and the pressure of the fuel supplied from each fuel inlet 39 is different. The inner / outer needle valves 7 and 8 are added to the distal end side and the inner / outer pressure piston end. The inner / outer needle valves 7 and 8 are closed using fuel pressure applied so as to sandwich the double needle valve 6.
[0029]
Connected to the oil sump chamber 36 is, for example, a normally closed solenoid valve 42a (leak valve: corresponding to switching means) and a leak path 42 with an orifice 42b leading to a fuel tank (not shown). The pressure in the oil reservoir chamber 36 can be released through 42a.
[0030]
Further, in the middle of the passage portion 37a leading to the outer needle valve 8, for example, a leak path 44 including an orifice 43 and a normally closed electromagnetic valve 44a (leak valve: corresponding to switching means) leading to a fuel tank (not shown). Are connected so that the pressure in the oil sump chamber 36 can be released through the electromagnetic valve 44a.
[0031]
When the solenoid valve 42a is opened to release the pressure in the oil reservoir chamber 36, the entire double needle valve can be lifted, and the inner / outer needle valve 7 can be lifted by the fuel pressure applied to each tip of the double needle valve 6. , 8 oil reservoirs 14 and 23 of light oil (high cetane number fuel) / water (low cetane number fuel) are injected simultaneously from both nozzle holes 8e and 17, and both fuels collide immediately after the nozzle hole outlet. However, the collision injection sprayed is performed. From the collision between the lateral jet and the downward jet, the fuel adjusted to a low cetane number (a mixture of high cetane number fuel and low cetane number fuel) has a spray shape suitable for premixed compression ignition combustion. It is supposed to be sprayed. Specifically, when the downward jet collides with the lateral jet, the fuels are mixed with each other while being narrowly injected, with a low penetration force, highly dispersed, and directed downward toward the piston 47 away from the top dead center. It becomes spraying.
[0032]
If both the solenoid valves 42a and 44a are opened to release the pressure in the oil reservoir chamber 36 and the fuel pressure applied to the outer needle valve 8, the inner needle valve 7 can be lifted and applied to the tip of the inner needle valve 7. The light oil accumulated in the oil reservoir 23 of the inner needle valve 7 is injected from the injection hole 17 by the fuel pressure. By spraying only from the nozzle hole 17, the spray is suitable for normal diesel combustion, that is, sprayed in the right lateral (radial) direction. Specifically, since the fuel is injected only from the injection hole 17, the spray is in the lateral (diameter) direction toward the cavity inner surface (combustion chamber inner surface) of the piston 47 near the top dead center.
[0033]
An ECU 46 (for example, composed of a microcomputer) is connected to each electromagnetic valve 42a, 44a of the fuel injection valve 1. The ECU 46 controls the solenoid valves 42a and 44a to perform low- / high-cetane number mixed fuel early injection (from the initial stage of the intake stroke to the middle stage of the compression stroke) during premixed compression ignition combustion. During diesel combustion, normal injection of cetane fuel (injection near the top dead center) is performed. For the switching of the injection, a control for switching using an ignition delay near the top dead center is employed. Specifically, the ECU 46 determines, for example, the average of in-cylinder gas near the top dead center (TDC) from the rotational speed of the diesel engine, the fuel injection amount, the intake air temperature, the intake air pressure, the water temperature, and the EGR rate. A function for calculating temperature and oxygen concentration, a function for calculating an ignition delay τm near the top dead center of the fuel to be injected from the calculation result using a flow rate ratio of the two fuels, premixed compression ignition combustion and diesel combustion For example, a fuel property for switching the spray shape and an ignition delay value set in advance from the estimated flow rate ratio of the two flow paths are set. Further, the ECU 46 compares the ignition delay value with the calculated ignition delay τm, so that while there is an ignition delay difference, the ECU 46 performs collision injection from both the nozzle holes 8e and 17, that is, premixed compression ignition combustion. When the difference disappears, the function of switching to injection only from the nozzle hole 17, that is, diesel combustion, is set. As a result, switching between premixed compression ignition combustion using a fuel adjusted to a low cetane number and diesel combustion using a high cetane number fuel is performed. In addition, the ECU 46 has a function of performing switching after passing through two-stage injection using both the early injection and the normal injection in one cycle when switching between premixed compression ignition combustion and diesel combustion, for example. Is set. With this function, in any switching from premixed compression ignition combustion to diesel combustion and from diesel combustion to premixed compression ignition combustion, transition is performed after interposing intermediate transition combustion serving as a cushion.
[0034]
The control for switching to such premixed compression ignition combustion / diesel combustion is shown in the flowchart of FIG.
Next, switching of combustion will be described based on the flowchart.
[0035]
During operation of the diesel engine, the ECU 46 reads the engine speed Ne, the fuel injection amount q, the intake air temperature, the intake air pressure, the water temperature, and the EGR rate as shown in step S1, and uses these detected values in the subsequent step S2, An in-cylinder gas average temperature T and oxygen concentration C in the vicinity of the top dead center (TDC) are calculated. Then, in the next step S3, the ignition delay τm is calculated from the average temperature T and oxygen concentration C, and the ignition delay τm is corrected from the fuel flow ratio to be injected (τm = α · τu + β · τl where τu: High cetane number fuel, τl: Low cetane number fuel, α, β = 2 fuel injection amount ratio from flow path).
[0036]
On the other hand, the ECU 46 reads the ignition delay value for switching the combustion, specifically, the ignition delay values τp and τd, which are set in advance from the fuel properties and the estimated flow rate ratio of the two flow paths.
[0037]
Here, the set value τp is a threshold value that defines the boundary between premixed combustion and diesel combustion, and the set value τd is a threshold value that defines the transition combustion region in which the switching of combustion is smooth (τp > Τd).
[0038]
In steps S4 and S5, the threshold values τp and τd are compared with the previously calculated ignition delay τm.
As a result of this comparison, if it is determined that the calculated ignition delay τm is higher than the threshold value τp and premixed compression combustion without knocking is possible, the ECU 46 proceeds from step S4 to step S6. In the middle of the stroke, the solenoid valve 42a is opened according to the load. Then, as shown in FIG. 4A, both the inner needle valve 7 and the outer needle valve 8 are opened in the middle stage of the compression stroke. As a result, water that is a low cetane number fuel and light oil that is a high cetane number fuel are subjected to collision injection from the tip of the fuel injection valve 1, that is, as shown by Y in FIG. Are injected into the cylinder while colliding with each other to form an optimum spray shape for premixed compression ignition combustion. Specifically, when the downward jet (low cetane number fuel) collides with the lateral jet (high cetane number fuel), the fuel does not adhere to the lower surface of the cylinder block 2 and has a low penetrating force. Spraying is performed at an optimum spray angle (narrow spray angle) toward the cavity 47a of the piston 47 located at a point away from the top dead center while promoting fuel miniaturization.
[0039]
Thus, premixed compression ignition combustion, that is, combustion in which the fuel is vaporized and mixed in the compression stroke and the fuel premixed gas is self-ignited at the end of the compression stroke. At this time, the fuel to be injected is a fuel whose cetane number is adjusted to be small according to the mixing ratio of the fuel (a fuel that is difficult to ignite), and the spray shape is an appropriate dedicated fuel that takes into account the premixed compression ignition fuel. It is the shape.
[0040]
Therefore, even under a higher compression ratio and a higher load range, good premixed compression ignition combustion that provides sufficiently low NOx and low black smoke is performed.
Therefore, the region where the effect of the premixed compression ignition combustion can be sufficiently exhibited can be expanded.
[0041]
In addition, if the premixed compression ignition combustion is not continued, the operation is switched to the normal diesel combustion, so that it can cope with any operation region.
That is, when the previously calculated ignition delay τm becomes small and it becomes difficult to continue good premixed compression ignition combustion even when using a fuel whose cetane number is adjusted to be small and a spray shape suitable for premixed compression ignition combustion, The ECU 46 causes the transition combustion as shown in FIG. 4 (b) to intervene, and then switches to normal diesel combustion as shown in FIG. 4 (c).
[0042]
Specifically, when the ECU 46 determines that the ignition delay τm has become so small that the premixed compression ignition combustion cannot be continued, the process proceeds from step S5 to step S7. For example, the electromagnetic valve 42a is opened in the middle of the intake stroke. Both solenoid valves 42a and 44a are opened near the top dead center of the operation and the subsequent compression stroke. Then, as shown in FIG. 4B, both the inner needle valve 7 and the outer needle valve 8 are opened in the middle of the intake stroke, and only the inner needle valve 7 is opened in the vicinity of the top dead center of the subsequent compression stroke. Is done.
[0043]
Intermediate combustion (transition combustion) for smooth transition from premixed compression ignition combustion to diesel combustion by two-stage injection of fuel adjusted to low cetane number and high cetane number fuel performed during this one cycle Is done.
[0044]
When the ignition delay τm exceeds the set value τd for shifting to diesel combustion, the ECU 46 proceeds to step S8 and opens both solenoid valves 42a and 44a in accordance with the load near the top dead center of the compression stroke. Then, as shown in FIG. 4C, only the inner needle valve 7 is opened near the top dead center. As a result, as shown by X in FIG. 2, light oil (high cetane number fuel) is injected laterally from the nozzle hole 17 and has a spray shape suitable for diesel combustion, forming a cavity 47a (forming a combustion chamber) on the piston upper surface. The fuel is sprayed into the part), and it switches to diesel combustion. Since this diesel combustion covers the operation region in which the premixed compression ignition combustion cannot be continued, it can cope with any operation condition.
[0045]
In the above-described embodiment, as the transition combustion, the total injection amount is divided into the collision injection from both the nozzle holes 8e and 17 and the injection from the nozzle hole 17 and is injected in two stages (the injection amount is set to be different). However, the present invention is not limited to this. For example, a means for changing the cetane number ratio may be used to change the fuel ratio from the injection holes 8e and 17 between premixed compression ignition combustion and diesel combustion. .
[0046]
Further, in the above-described embodiment, the nozzle holder 1b that closes using the pressure applied before and after the needle valve and opens the valve by leaking the pressure on the rear end side is employed. You may employ | adopt the nozzle holder which urged | biases the needle valve in the valve closing direction with a member, and opened the needle valve with fuel pressure.
[0047]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to an engine that injects fuel directly into a cylinder. However, the present invention may be applied to other engines, for example, an engine that injects fuel into an intake pipe.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention described in claim 1, during premixed compression ignition combustion, the fuel whose cetane number is adjusted low can be sprayed in a spray shape suitable for premixed compression ignition combustion, Good premixed compression ignition combustion that provides sufficiently low NOx and low black smoke can be obtained even at higher compression ratios and higher load ranges.
[0049]
Therefore, the region where the effect of the premixed compression ignition combustion can be sufficiently exhibited can be expanded.
According to the second aspect of the present invention, in addition to the above effect, when the premixed compression ignition combustion cannot be continued, the operation is switched to the normal diesel combustion using the high cetane number fuel. The effect that it can respond is produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure around a nozzle tip of the injection valve together with a spray shape of collision injection / single injection from the tip of the nozzle tip.
FIG. 3 is a flowchart for explaining control for switching a spray pattern between premixed compression ignition combustion and diesel combustion.
FIG. 4 is a view for explaining an injection timing accompanying the switching.
[Explanation of symbols]
1 ... Fuel injection valve 1a ... Nozzle tip (fuel injection nozzle)
7 ... Inner needle valve 8 ... Outer needle valve 8e, 17 ... Injection hole 33 ... Double rod 38 ... A pair of fuel passages (two kinds of passages)
42a, 44a ... Solenoid valves (switching means).

Claims

Low-octane fuel to the internal, has two types of flow paths are low-octane fuel is supplied, the distal end portion, so that the injection axes intersect at right after the outlet, passage wherein the high-octane fuel is supplied The high cetane number fuel from the injection hole for injecting the high cetane number fuel from the side with a lateral jet and opening toward the radial direction of the piston, and the low cetane number from the flow path to which the low cetane number fuel is supplied to inject fuel at a downward jet flow, and fuel injection nozzle and the injection hole for low-octane fuel injection is arranged to open toward the axial direction of the piston,
Means for causing the fuel to collide immediately after the outlets of the two injection holes during premixed compression ignition combustion and spraying the fuel toward the piston located away from the top dead center. Fuel injection valve.

2. The fuel injection valve according to claim 1, further comprising switching means for switching to diesel combustion by spraying only from a high cetane fuel injection hole when the premixed compression ignition combustion is not continued.