JP4033684B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴式内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に、燃料噴射弁の取り付け構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室に燃料を直接噴射する直噴式エンジンでは、燃料噴射弁の先端に設けたノズル部が燃焼室内に露出する構造となっており、高温に曝されやすい。このために、ノズル部温度が上昇して、噴孔に残留する未燃燃料が燃焼以外の化学反応を起こしたり、燃料中の不純物が析出することにより、デポジットを生成する問題がある。このデポジットが、噴孔内やその近傍に付着すると、燃料噴射量を変動させる要因となり、初期特性の維持が困難となる。特に、ノズル部が高温になるほどデポジットの付着量が増加し、噴射量制御性への影響が大きくなることが判っている。
【０００３】
これに対し、従来より、デポジットを抑制するための種々の対策が提案されている。例えば、デポジット生成にはある一定以上の温度が必要である点に着目し、ノズル温度を低下させる冷却機構を備えた装置や、特開２００１−９０６３５に開示されるように、ノズル部外周とシリンダヘッドのノズル取付け孔内周とに接して、これらの間隙を埋めつつ、放熱性を有する中間部材を介在させた取付構造が知られている。放熱性を有する中間部材としては、熱伝導率が高く、硬度がノズル部およびシリンダヘッドよりも低いものが用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却機構を設けることは、シリンダヘッド形状側からの制約により、実現が難しい。また、特開２００１−９０６３５のように、ノズル部と取付け孔の間に中間部材を介在させる構造では、ノズル外周−中間部材−取り付け孔内周間の密着性により放熱効果が大きく左右される。さらに、放熱性向上のためには、相互の間隙をできるだけ低減させる必要があるが、この場合、個々の製造バラツキにより、局所的に間隙の存在しない嵌合部が発生すると、中間部材の熱膨張により、外周からノズル部中心方向に横力が偏荷重として加わる。これは、ノズル部内を摺動するニードルの作動不良等の要因となる。
【０００５】
また、特開２００１−９０６３５において、中間部材は、ノズル外周とシリンダヘッドの間に介設されるため、燃焼ガスにさらされる面積を低減して、シリンダヘッド側への放熱効果が期待できるのはノズル外周部のみである。ところが、ノズル部において、噴霧形状を制御しかつ最高温度部となって、デポジットの生成、付着による性能変化に最も影響するのは、先端の噴孔部であり、この部分の放熱性を向上させることが課題となっている。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジン形状への制約やニードルの作動不良等を生じることなく、高温となりやすい燃料噴射弁先端部、特に、噴孔近傍の熱量をシリンダヘッド側へ効果的に放熱することで、噴孔部へのデポジットの付着を抑制し、高い燃料噴射性能を維持できる燃料噴射装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の燃料噴射装置は、直噴式の内燃機関に用いられるもので、シリンダヘッドに燃焼室に開口する取付け孔を貫設して、該取付け孔に燃料噴射弁の噴射ノズル部を挿通配置し、該噴射ノズル部の先端面に設けた噴孔から燃焼室に燃料を噴射する。上記噴射ノズル部は、上記先端面中央部に上記噴孔を配置するとともに、上記取付け孔の開口端部内周縁から径方向内方に突出形成したリング状のフランジ部に上記先端面外周部を対向させ、上記先端面外周部を、対向する上記フランジ部の支持面にシール部材を介して密着支持させて、上記先端面から上記シール部材を経て上記シリンダヘッドへ至る放熱経路を形成している。具体的には、上記先端面中央部に設けた上記噴孔は、上記取付け孔の上記フランジ部より上記燃焼室側へ突出しないように配置され、上記噴孔の径方向外方に上記シール部材が近接配置される。
【０００８】
請求項１の発明によれば、上記シール部材を介して上記噴射ノズル部の先端面外周部と上記取付け孔の支持面の間に密着面が形成されるので、最も温度が高くなる上記先端面からその周囲のシリンダヘッドへの熱伝導経路が形成され、かつ上記シール部材および上記支持面により、上記燃焼室に露出する上記噴射ノズル部の最先端面の面積を低減できる。よって、噴孔近傍の温度上昇を抑制するとともに、発生した熱量を速やかにシリンダヘッド側へ放熱することで、デポジットの生成、付着を効果的に抑制できる。具体的には、上記取付け孔の先端にフランジ部を形成する簡単な構成変更で上記支持面を形成し、容易に、ガスシール部を兼ねる放熱経路を形成することができる。また、ノズル外周とシリンダヘッドの間に中間部材を介設する従来構成のように、密着性の確保が難しかったり、逆にノズル外周部に偏荷重が加わったりすることがなく、エンジン形状等に制約を与えることもない。従って、簡単な構成で、噴射特性の変化を抑制し、初期の燃料噴射性能を長期に渡り維持することができる。
【０００９】
請求項２の発明のように、上記シール部材は、上記噴射ノズル部の上記先端面および上記シリンダヘッドの上記取付け孔形成部位より熱伝導率が高い材料で構成することが好ましい。これにより、燃焼ガスにさらされ高温となる噴射ノズル部先端面から周囲の上記シリンダヘッドの熱引けを促進し、上記噴射ノズル部の温度上昇をさらに効果的に抑制することができる。
【００１０】
請求項３の発明のように、具体的には、上記シール部材を、上記支持面および上記先端面外周部との間にそれぞれ密着面を形成する金属ガスケットとすることができる。金属ガスケットは、通常の燃料噴射弁の取付け構造において、燃焼ガスシールのために使用されているので、新たな部材を必要とせず、経済的である。
【００１９】
請求項４の発明では、請求項１の構成において、上記噴孔を板面中央部に形成した噴孔プレートを、上記噴射ノズル部の先端に配置して、上記先端面を構成する。そして、上記噴孔プレートの外周部に硬度低下処理を施して、上記噴孔が形成される中央部より低硬度とし、シール部材を兼ねる上記外周部を介して上記噴射ノズル部を上記取付け孔に設けた支持面に密着支持させる。
【００２０】
上記噴孔プレートを用いることで、噴孔形状の変更により噴霧形状の設定等が任意にでき、所望の噴射特性が容易に得られる。従って、上述した上記先端面外周部と上記取付け孔の支持面の間にシール部材を介設する構成、あるいは上記噴射ノズル部を上記取付け孔にネジ締めする構成と組み合わせることで、デポジットの付着による性能変化を防止して、初期の良好な噴射特性を長期間維持することができ、より高性能な燃焼噴射装置を実現できる。
【００２１】
上記噴孔プレートを用いる場合、通常は、噴射圧、筒内燃焼圧、熱的ストレス等による噴孔の変形を防止し、所望の噴霧形状とするために、硬度を高くすることが要求される。このため、そのままではシール部材として用いることはできないが、噴孔が形成されない上記噴孔プレートの外周部に硬度低下処理を施すことで、シール部材としての柔軟性を持たせることが可能である。よって、噴孔の変形防止とシール性の確保を両立させることができ、上記噴孔プレートがシール部材を兼ねる構成とすることで、構成をより簡略化できる。
【００２２】
請求項５の発明では、上記シール部材を介して上記支持面からガスシールのための圧縮荷重を受ける、上記先端面外周部の受圧面の内径を、上記噴射ノズル部内を摺動して上記噴孔を開閉するニードルの摺動孔径より大きく設定する。これにより、噴射ノズル部の先端面にガスシール部を形成する際に生じる荷重により、ボデー部材に生じる歪みを抑制でき、ニードルの作動不良等を確実に防止できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に従って説明する。図１（ａ）は、本発明を適用した直噴式エンジンの燃料噴射装置の主要部構成を示す図で、シリンダヘッド１には、燃焼室２に開口する取付け孔４が設けられており、該取付け孔４内に燃料噴射弁３が挿通固定されている。取付け孔４は、通常、燃焼室２の吸気ポート（図略）近傍にその入射方向と略一致させて形成される。燃料噴射弁３は、下半部が取付け孔４内に位置し、中間部外周に嵌着したブラケット８とボルト７にてシリンダヘッド１に固定されている。燃料噴射弁３の上端部には、図略の燃料供給路に連結される燃料供給管５１が、上側部には図略の噴射弁駆動回路に電気的に接続される噴射弁に内蔵された電磁コイル接続コネクタ５２が設置される。
【００２４】
取付け孔４は、燃焼室２側が小径となる段付き形状に形成されており、その小径部４１内に、燃料噴射弁３先端の小径の噴射ノズル部３１が位置している。図１（ｂ）において、噴射ノズル部３１は、中空のボデー部材３３内に摺動自在に配設されたニードル３４が、ボデー部材３３先端面中央部に形成される噴孔３２を開閉することにより、燃料噴射の開始・停止の切替を行うように構成されている。ニードル弁２の駆動は、燃料噴射弁３上半部内に収容される電磁コイル等によって制御され、電磁コイルに通電しない通常状態では、ニードル３４の先端部が、ボデー部材３３内周に形成したテーパ状のシート面３５に着座して、燃料通路と噴孔３２の間を遮断している。
【００２５】
ここで、本実施の形態では、取付け孔４の小径部４１に、燃焼室２への開口端部内周縁から径方向内方に突出するリング状のフランジ部４２を形成し、該フランジ部４２上に、噴射ノズル部３１のボデー部材３３を支持する。この時、フランジ部４２の上面を支持面４３とし、該支持面４３と、対向するボデー部材３３の先端面外周部との間に、燃焼ガスシ−ル用のシール部材となるガスケット６を介設する。ガスケット６は、ボデー部材３３やシリンダヘッド１の構成部材より高い熱伝導率を有する材料、例えば、銅等の金属を所定厚のリング板状に加工してなる。このガスケット６を介して、燃料噴射弁３を上記ブラケット８とボルト７にて締めつけ固定すると、フランジ部４２の支持面４３およびボデー部材３３の先端面外周部との間にそれぞれ密着面が形成され、ガスシールがなされる。同時に、噴射ノズル部３１の先端面からシリンダヘッド１への放熱経路を形成し、放熱を促進して、特に噴孔３２ないしその近傍の冷却効果を高めることができる。
【００２６】
ここで、ボデー部材３３をフランジ部４２上に密着支持させる場合、ガスケット６を介して取付け孔４の支持面４３より圧縮荷重を受ける受圧面（先端面外周部）の内径ｒ1 が、ニードル３４の摺動孔となるボデー部材３３の内径ｒ2 以上の大きさとなるように設定するのがよい。これにより、シール荷重によりボデー部材３３に歪みが生じるのを抑制し、ニードル３４の作動不良等を防止することができる。
【００２７】
以上のように、取付け孔４の開口端部に設けたフランジ部４２と噴射ノズル部３１の先端面外周部の間にガスケット６を介設して、ガスシール部を構成したことで、燃焼室２内の高温の燃焼ガスにさらされるボデー部材３３先端面の面積を小さくするとともに、噴孔３２近傍から熱伝導性の良好なガスケット６を経てシリンダヘッド１へ至る放熱経路を形成することができる。よって、噴射ノズル部３１先端面の放熱を促進し、噴孔３２近傍の温度を低減する効果が得られ、デポジットの生成、付着を防止し、初期の噴射性能を長期に渡り維持できる。また、ガスシールおよび放熱部材となるガスケット６をボデー部材３３先端面と取付け孔４の間に設置したので、ボデー部材３３外周部に偏荷重が加わって歪み等を生じるのを抑制でき、燃料噴射弁３の作動不良を防止する効果が得られる。
【００２８】
図２は、本発明の第２の実施の形態であり、本実施の形態では、ボデー部材３３の先端面中央部に形成される噴孔３２が、ノズル中心に対し軸対称に形成される燃料噴射弁３に好適な取り付け構造を示す。上記第１の実施の形態では、燃料噴射弁３をブラケット８とボルト７にてシリンダヘッド１に固定したが、本実施の形態では、燃料噴射弁３の噴射ノズル部３１外周面にネジ加工を施して、ネジ部３６を形成するとともに、対応する取付け孔４の小径部４１内周面にネジ加工を施して、ネジ部４４とし、ネジ締めにより燃料噴射弁３の噴射ノズル部３１を取付け孔４の小径部４１に固定する。
【００２９】
取付け孔４の開口端部に突設したフランジ部４２と噴射ノズル部３１の間にガスケット６を介設してガスシール部とする構造は、上記第１の実施の形態と同様である。この時、上記第１の実施の形態と同様に、燃焼室２に露出する噴射ノズル部３１先端面の面積を低減することにより、噴孔３２近傍の温度上昇を抑制する効果が得られる。
【００３０】
あるいは、ネジ部３６、４４の形成により密着面積が増大し、充分な放熱効果が得られる場合には、ガスシール部を噴射ノズル部３１の先端面に設定する代わりに、取付け孔４の段付き部４５と大径部の燃料噴射弁３中間部の間に、ガスケット６´を介設してガスシール部とすることもできる。この場合、取付け孔４の小径部４１先端にフランジ部４２を形成する必要がないので、加工工数を低減できる利点がある。また、噴射ノズル部３１内のニードル３４に、燃料噴射弁３の固定による荷重がかからないので、作動不良等を起こすのを防止することができる。
【００３１】
ここで、噴射ノズル部３１へのネジ部３６の形成は、ニードル３４の摺動部となるボデー部材３３の強度を確保するために、ネジ加工されない内周側の未加工部分の肉厚が、ボデー部材３３外周に形成されるネジ部３６のネジ深さ以上となるようにするのがよい。これにより、ネジ締め時にボデー部材３３に歪みが発生するのを抑制できる。
【００３２】
噴孔３２形状が、ノズル中心に対し軸対称である場合、ネジ締め時の燃料噴射弁３搭載角度バラツキによる、燃焼室２内の混合気形成への影響が小さい。例えば、ボデー部材３３の先端面中央に噴孔３２を１つ有する構成では、燃料噴射弁３の回転方向の位置決めが不要であるので、上記取り付け構造を採用することにより、燃料噴射弁３の固定が容易になり、かつ安定した噴射性能が得られる。複数の噴孔３２がノズル中心に対し軸対称に配置されており、搭載角度による噴霧形成への影響が小さい場合も同様である。しかも、ネジ部３６、４４を介してボデー部材３３からシリンダヘッド１側へ放熱することができるので、冷却効果がより大きくなり、デポジットの生成、付着を防止する効果が高い。
【００３３】
図３、４は、本発明の第３の実施の形態であり、本実施の形態では、噴射ノズル部３１先端面に、１つ以上の噴孔３２を形成した噴孔プレート９を有する燃料噴射弁３の取り付け構造を示す。本実施の形態の基本構成は、図３のように、上記第１の実施の形態と同様である。図４（ａ）、（ｂ）において、噴射ノズル部３１は、先端部内周面にニードル３４が当接するシート面３５を形成したボデー部材３３を有し、該ボデー部材３３の下端開口を閉鎖するように、噴孔プレート９が配置されている。噴孔プレート９は、ニードル３４に対向する板面中央部の複数箇所に複数の噴孔３２を貫通形成してなる。噴孔プレート９は、外周縁部をボデー部材３３形状に沿って屈曲加工し、ボデー部材３３の先端部と、その外周に配したボデー部材３３固定用の筒状ガイド部材３７の先端部間に挟持することにより固定される。
【００３４】
本実施の形態においても、取付け孔４の燃焼室２への開口端部に、内方へ突出するフランジ部４２を設けてあり、噴射ノズル部３１の先端面外周部となる、ガイド部材３７の下端面と、フランジ部４２の支持面４３との間にガスケット６を介設してある。ガスケット６は、噴孔プレート９、ガイド部材３７、ボデー部材３３やシリンダヘッド１の構成部材より高い熱伝導率を有する材料よりなり、放熱を促すとともに、燃料ガスシールを行う。燃料噴射弁３は、第１の実施の形態と同様、ブラケット８とボルト７によってシリンダヘッド１に固定されている。
【００３５】
このように、噴孔プレート９を有する構成においても、高温の燃焼ガスにさらされる噴射ノズル部３１先端面の噴孔プレート９から、これに密着するガイド部材３７、ガスケット６を経て、シリンダヘッド１側へ効果的に放熱することができる。よって、デポジットの生成、付着を抑制して、噴射性能を維持することが可能である。また、噴孔プレート９を用いることで、噴孔形状の変更が容易にできるので、噴霧形状の設定を任意に行って、所望の噴射特性が容易に得られる。さらに、噴孔プレート９の材質を高硬度とすることで、噴射圧、筒内燃焼圧、熱的ストレス等による噴孔の変形を防止し、噴霧形状の変化を抑制することができる。
【００３６】
図５は、本発明の第４の実施の形態であり、本実施の形態では、噴孔プレート９を有する燃料噴射弁３を取付ける際に、噴孔プレート９の外周部に硬度低下処理を施すことで、燃焼ガスシール用のガスケットを兼ねる構成とする。この時、噴孔プレート９は平板状で、複数の噴孔３２が貫設される中央部（ａ部）には、焼入れ等の硬度増大処理を施してあり、焼鈍し等の硬度低下処理を施した外周部（ｂ部）を、ガイド部材３７の下端面とフランジ部４２の支持面４３との間に介設する。硬度低下処理を施す外周部（ｂ部）の内径を、支持面４３の内径よりも小さくするのがよく、シール性が向上する。
【００３７】
上記構成によれば、噴孔プレート９が燃焼ガスシール用のガスケットを兼ねるので、シール部材を別体で設ける必要がなく、構成の簡略化を図ることができる。この時、ガスシール部となる外周部（ｂ部）は硬度低下処理されているので、ガイド部材３７およびフランジ部４２との密着性が向上し、また、シール部材が介在する構成よりもシリンダヘッド１側への放熱が速やかになされる。さらに、噴孔３２が形成される噴孔プレート９中央部（ａ部）は硬度増大処理されているので、外力による噴孔３２形状変化が抑えられ、噴霧特性の安定性が向上する。よって、簡単な構成で、噴射ノズル部３１先端面のガスシールと冷却効果を両立させて、高性能な燃料噴射装置を実現できる。
【００３８】
図６は、本発明の第５の実施の形態であり、本実施の形態では、噴孔プレート９を有する燃料噴射弁３の取付け構造において、噴射ノズル部３１のガイド部材３７の外周面にネジ部３９を形成するとともに、対向する取付け孔４の小径部４１内周面にネジ部４４を形成し、ネジ締めにより固定している。噴孔プレート９の噴孔３２形状が軸対称であれば、ボルト等を用いずにネジ固定することもでき、放熱面積を増大させて冷却効果を高めるとともに、取付け作業が簡略化できる。また、噴孔プレート９をガイド部材３７下端面に予め溶接により固定することで（図中Ｃ部）、作業性をより向上できる。
【００３９】
以上のように、本発明によれば、噴射ノズル部３１先端面の放熱性を大きく向上させることができる。よって、噴孔近傍の温度低下を図り、作動不良等を生じることなく、デポジットの付着を防止して高性能な燃料噴射装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）は燃料噴射装置の全体構成を示す一部断面概略図、（ｂ）は燃料噴射弁の取付け構造を示す先端部の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における燃料噴射装置の全体構成を示す一部断面概略図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における燃料噴射装置の全体構成を示す一部断面概略図である。
【図４】（ａ）は図３の燃料噴射弁の先端部の断面図、（ｂ）は図３の燃料噴射弁の取付け構造を示す先端部の拡大断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態における燃料噴射弁の取付け構造を示す先端部の拡大断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態における燃料噴射弁の取付け構造を示す先端部の拡断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ 燃焼室
３ 燃料噴射弁
３１ 噴射ノズル部
３２ 噴孔
３３ ボデー部材
３４ ニードル
３５ シート面
３６ ネジ部
４ 取付け孔
４１ 小径部
４２ フランジ部
４３ 支持面
４４ ネジ部
５１ 燃料供給管
５２ 燃料排出管
６ ガスケット（シール部材）
７ ボルト
８ ブラケット
９ 噴孔プレート

Claims (5)

1. シリンダヘッドに燃焼室に開口する取付け孔を貫設して、該取付け孔に燃料噴射弁の噴射ノズル部を挿通配置し、該噴射ノズル部の先端面に設けた噴孔から燃焼室に燃料を噴射する内燃機関の燃料噴射装置において、上記噴射ノズル部の上記先端面中央部に上記噴孔を配置するとともに、上記取付け孔の開口端部内周縁から径方向内方に突出するリング状のフランジ部を形成して、該フランジ部の上記先端面外周部との対向面を支持面とし、上記先端面外周部を上記支持面にシール部材を介して密着支持させることにより、上記先端面から上記シール部材を経て上記シリンダヘッドへ至る放熱経路を形成する一方、上記先端面中央部に設けた上記噴孔を上記取付け孔の上記フランジ部より上記燃焼室側へ突出しないように配置し、上記噴孔の径方向外方に上記シール部材を近接配置したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 上記シール部材を、上記噴射ノズル部の上記先端面および上記シリンダヘッドの上記取付け孔形成部位より熱伝導率が高い材料で構成した請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 上記シール部材は、上記支持面および上記先端面外周部との間にそれぞれ密着面を形成する金属ガスケットである請求項２記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 上記噴孔を板面中央部に形成した噴孔プレートを、上記噴射ノズル部の先端に配置して、上記先端面を構成するとともに、上記噴孔プレートの外周部に硬度低下処理を施して、上記噴孔が形成される中央部より低硬度とし、上記シール部材を兼ねる上記外周部を介して上記噴射ノズル部を上記取付け孔に設けた支持面に密着支持させた請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 上記シール部材を介して上記支持面からガスシールのための圧縮荷重を受ける、上記先端面外周部の受圧面の内径を、上記噴射ノズル部内を摺動して上記噴孔を開閉するニードルの摺動孔径より大きく設定した請求項１ないし４のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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