JP4419795B2

JP4419795B2 - インジェクタ

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Publication number: JP4419795B2
Application number: JP2004309175A
Authority: JP
Inventors: 健治伊達; 正明加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-10-25
Also published as: JP2006118470A; US7438238B2; US20060086825A1

Description

本発明は、高圧気体燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する気体燃料噴射用のインジェクタに関する。

次世代の自動車開発においては、排気ガスの清浄さとＣＯ2 の低減が重視されており、従来の化石液体燃料に頼る燃焼では限界がある。化石液体燃料の代替燃料として、より効率よい燃焼が期待される気体燃料、例えば天然ガス、石油ガスといった化石気体燃料や、さらには水素ガスといった燃料を用いる気体燃料機関の開発が進められ、一部実用化されている。

従来の気体燃料は、その潤滑性の低さから筒内直噴機関では十分な耐久性を確保できず、インジェクタのノズル摺動部分の摩耗や焼き付き、弁部の摩耗による気密性不良など、信頼性に問題が生じている。また、圧縮着火機関では、セタン価の低い水素、圧縮天然ガスなどの気体燃料は、着火性が悪く、安定した運転ができないという問題がある。このため、上記信頼性不足を改善し、あるいは運転性の向上を目的として、種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
特開２００３−２３２２３４号公報実開昭６３−４３６５号公報実開平１−８８０５４号公報

例えば、特許文献１には、気体燃料（例えばＬＰＧ）と液体燃料（例えばガソリン）を、機関運転条件に応じて選択的若しくは同時に供給するようにした、２種燃料噴射技術が開示されている。この技術では、気体燃料を供給する第１の燃料供給系と、液体燃料を供給する第２の燃料供給系を設けて、液化石油ガスのみによる運転に切換える際に、液化石油ガスと液体燃料の両方を内燃機関に供給することで、空燃比が極度のリーンにならないようにし、失火の発生や運転性の悪化を防止している。

特許文献２は、蓄圧部から導入されたガスを噴射するガスインジェクタにおいて、弁部を開閉する作動油の導入路とは別に、ニードル部のガスシールのためのシール油をインジェクタに導入する通路を設け、シール油にてニードル摺動部の潤滑性を確保する構成となっている。また、特許文献３のインジェクタは、作動油を潤滑油としても使用することにより構成を簡素化し、また、作動油と気体燃料がシール油溜まりに溜まるように構成することで、ニードルの潤滑性向上を図っている。

ところが、特許文献１の技術は、液化気体燃料の気化を抑制するために液体燃料による運転領域が多くなっており、気体燃料を用いる効果が十分発揮できない。しかも、気体燃料用と液体燃料用の２つの大型燃料タンクの搭載を必要とし、これら燃料タンクに続く２系統の燃料供給系と２つの燃料噴射弁を設けるために、装置が大型化する欠点がある。

特許文献２は、インジェクタを駆動する作動油とは別にシール油をインジェクタ内に導入するために、構成が複雑になる。また、常時、シール油圧がニードルシール溝に負荷されて、作動油と気体燃料へ漏れ続けるという欠点がある。特許文献３は、気体燃料圧力が作用するシール油溜まりの下部、噴孔側には作動油が入り難く、ニードル下部の潤滑性が確保できない。また、特許文献２、３はいずれもニードル摺動部の潤滑性を向上させる技術で、弁部の摩耗を低減する効果はない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高圧気体燃料を主に噴射するインジェクタにおいて、機関１気筒あたり１本のインジェクタで、ニードル摺動部および弁部の潤滑性を維持しながら、高圧気体燃料を噴射可能とすることにより、摩耗や焼き付きを防止し、信頼性を向上させることにある。また、他の目的は、高圧気体燃料を噴射する際の着火性を向上させることにより、安定した運転を実現することにある。

請求項１の発明は、高圧気体燃料をノズル先端に設けた噴孔から機関燃焼室に噴射するインジェクタであり、
上記噴孔を開閉するニードルに圧力を作用させる制御室と、
該制御室へ作動液体となる液体燃料を供給する作動液体供給通路と、
上記制御室への液体燃料の流出入を制御する電気式切替弁と、
上記噴孔へ高圧気体燃料を供給する高圧気体燃料供給通路とを備え、
上記ノズル内の高圧気体燃料に晒される上記ニードルの摺動部および弁部に、上記作動液体供給通路から潤滑用の液体燃料を導入する潤滑用液体燃料供給通路を設け、
上記ノズル先端部内の上記高圧気体燃料供給通路に、上記作動液体供給通路から着火用の液体燃料を導入する着火用液体燃料供給通路を設けて、
上記潤滑用液体燃料供給通路を、
一端側が上記作動液体供給通路に連通し他端側が上記ニードルのガイド部が摺動する摺動穴に開口する第１の潤滑用液体燃料供給通路と、
上記ニードル内に設けられ、一端側が上記ニードルのガイド部外周面に開口して上記第１の潤滑用液体燃料供給通路に連通し他端側が上記ニードルのシート部上流側に開口する第２の潤滑用液体燃料供給通路にて構成するとともに、
上記着火用液体燃料供給通路を、上記ニードルのシート部下流側に開口させて、上記ニードルの開弁時に高圧気体燃料とともに着火用の液体燃料を噴射可能としたものである。

上記構成によれば、液体燃料を用いてニードルに背圧を作用させ、電気式切替弁で背圧を制御する構成とすることで、大きなニードル駆動力が得られ、高圧気体燃料の噴射を制御性よく行うことができる。さらに、この液体燃料をニードル摺動部および弁部に導入することで、摺動部や弁部の潤滑性を確保し、摩耗や焼き付きを防止して信頼性を向上させることができる。弁部に導入した液体燃料は、ニードル開弁時に高圧気体燃料とともに機関燃焼室へ噴射されるので、着火性を改善する効果もある。よって、機関１気筒あたり１本のインジェクタで、安定した運転が可能であり、装置構成が大幅に簡素化されるので、実用性に優れる。

上記構成によれば、第１の潤滑用液体燃料供給通路から導入される液体燃料にてニードルのガイド部を潤滑し、さらにその液体燃料の一部を第２の潤滑用液体燃料供給通路からシート部上流に導入することができる。液体燃料は、シート部近傍を流通する比較的低速の気体燃料によって搬送されてシート部を潤滑する。よって、比較的簡易な通路構成で、ニードル摺動部および弁部の潤滑性を確保することができる。
さらに、この液体燃料を上記ニードルの先端部に導入することで、ニードル開弁時に高速となる気体燃料で搬送して、機関燃焼室内で自着火させ、着火性の低い気体燃料の着火源とすることができる。よって、機関１気筒あたり１本のインジェクタで、安定した運転が可能となり、装置構成が大幅に簡素化されるので、実用性に優れる。

請求項２の発明において、第２の潤滑用液体燃料供給通路は、ニードルの開閉弁に伴って第１の潤滑用液体燃料供給通路との連通・遮断が切り換えられる構成となっている。

上記構成によれば、ニードルのリフトによって第２の潤滑用液体燃料供給通路が開閉制御され、所定量の液体燃料が弁部に供給されるので、液体の過剰な流出や、気体燃料の流れ込み、燃焼ガスの逆流といった不具合を防止することが可能となる。

請求項３の発明では、ニードルのシート部上流側に周方向溝を形成して、該周方向溝に第２の潤滑用液体燃料供給通路を開口させる。

上記構成によれば、第２の潤滑用液体燃料供給通路からニードルのシート部上流側に供給される液体燃料が、周方向溝の全周に広がるので、シート部全体を均一に液体燃料で濡らすことができる。

請求項４の発明では、着火用液体燃料供給通路を、ニードル内に設けられ、一端側が作動液体供給通路に連通し他端側がニードルのシート部近傍に開口する通路にて構成し、噴孔へ向かう高圧気体噴流のもつエネルギーを利用して着火用の液体燃料を噴射する。

具体的には、着火用液体燃料供給通路を、気体燃料が高速となるシート部近傍に開口させることで、霧吹きの現象により液体燃料を吸い出し、霧化して機関燃焼室へ供給することができる。

請求項５の発明では、着火用液体燃料供給通路の一端側を、ニードルのガイド部に開口させ、潤滑用液体燃料供給通路を介して作動液体供給通路に連通させる。

好適には、ニードルのガイド部に開口する潤滑用液体燃料供給通路を設けることで、ニードル摺動部の潤滑性を確保し、摩耗や焼き付きを防止することができる。この潤滑用液体燃料供給通路に着火用液体燃料供給通路を連通させれば、簡単な通路構成で、潤滑性および着火性を改善し、信頼性の向上と安定した燃焼を同時に実現できる。

請求項６の発明では、ニードルのシート部下流側に周方向溝を形成して、該周方向溝に着火用液体燃料供給通路を開口させる。

上記構成によれば、着火用液体燃料供給通路に供給される液体燃料が、シート部下流に設けた周方向溝の全周に広がり、高速の気体燃料により吸い出されるので、霧化を促進して、必要量の着火用液体燃料を効果的に機関燃焼室へ供給することができる。

請求項７の発明では、第２の潤滑用液体燃料供給通路の上記一端側が、着火用液体燃料供給通路と共通のニードル内燃料通路を経て上記ニードルのガイド部外周面に開口し、上記第１の潤滑用液体燃料供給通路に連通する構成とする。

好適には、第２の潤滑用液体燃料供給通路を設けることにより潤滑性を高め、弁部の摩耗による気密性低下を防止して、信頼性を向上させることができる。このとき、第２の潤滑用液体燃料供給通路の一部を、着火用液体燃料供給通路と共通に設ければ、通路構成が簡素となり、製作が容易である。

本発明の第１の実施形態である図１〜図４について説明する。本実施形態のインジェクタ１は、高圧気体燃料を筒内に直接噴射する多気筒圧縮着火機関用のインジェクタとして構成され、１つの気筒の燃焼室について１つのインジェクタが設けられる。
図２、図３は本実施形態のインジェクタ１の全体構成を示す縦断面図で、図１にその主要部であるノズル３の拡大断面図を示す。図２は、ノズル３を駆動するための制御室２に供給される作動液体の流通経路を、図３は、ノズル３から噴射される高圧気体燃料の供給経路を示している。高圧気体燃料としては、例えば、水素燃料等が用いられ、作動液体としては、液体燃料、例えば軽油等を用いることができる。図４は、インジェクタ１の平面図で図２のＣ矢視図であり、図４のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面が、それぞれ図２、図３となっている。

本発明の特徴の１つは、制御室２圧力をＯＮ／ＯＦＦ制御する作動液体に、噴射燃料である高圧気体燃料とは異なる液体燃料を用いた点にあり、ニードル３１の閉弁駆動を制御室２の液体燃料の圧力で行い（図２）、ニードル３１の開弁駆動をノズルチャンバ３５の高圧気体燃料の圧力で行う方式（図３）とする。ニードル３１に閉弁方向の圧力を作用させる制御室２を設ける構成は、液体燃料を噴射するインジェクタのノズル駆動方式として知られており、この方式を気体燃料用のインジェクタに応用して、１つのインジェクタ内に液体燃料と高圧気体燃料の導出入経路を組み込み、噴射を制御している。

さらに、本実施形態では、制御室２圧力を制御するために導入した液体燃料の一部を、ノズル摺動部に潤滑油として導入する一方、少量を高圧気体燃料とともに機関燃焼室内に噴射して着火用燃料とする。これにより、作動液体として導入される液体燃料を効果的に活用し、気体燃料用インジェクタの欠点である潤滑性、着火性を向上させる。これらを実現するための液体燃料通路構成については、詳細を後述する。

まず、図２によりインジェクタ１の基本構造と作動液体の流通経路について説明する。図中、インジェクタ１は、インジェクタボデー５と、その下端側にチップパッキン５１を介して配設されるノズル３と、インジェクタボデー５の上端開口にプレート部材２１を介して装着される電気式切替弁としての電磁弁６にて構成されている。ノズル３とチップパッキン５１はリテーニングナット３３で、また電磁弁６はナット６２でそれぞれインジェクタボデー５に一体的に締結されている。

インジェクタボデー５は筒状で、その筒穴内に制御ピストン５２が摺動自在に配設され、該制御ピストン５２の上端側に制御室２が形成されている。インジェクタボデー５の筒壁部には、制御ピストン５２を挟んで対向する位置に軸方向（図の上下方向）に延びる２つの作動液体通路が形成され、一方を高圧液体通路２２、他方を低圧液体リターン通路２５としている。高圧液体通路２２は、インジェクタボデー５の上側部から斜め上方に突設した液体導入管２３に連通し、液体供給配管２８を介して液体燃料が所定の高圧で蓄えられる液体コモンレール２７に接続している。低圧液体リターン通路２５は、インジェクタボデー５の上側部から上方に突設した液体導出管２６を経て、図示しない液体燃料タンクに連通している。

ノズル３は、ノズルボデー３２に軸方向に形成した縦穴に、段付きのニードル３１を摺動自在に保持している。ニードル３１は上端部が制御ピストン５２の下端部に連結されて一体に上下動するようになっており、制御ピストン５２の下端部外周に設けたスプリング室５４に配設されるリターンスプリング５３により下方に付勢されている。高圧液体通路２２の下端は、ノズルボデー３２内の高圧液体通路３４に連通し、高圧液体通路３４は、ニードル３１の大径のガイド部３１１周りに開口している。ノズル３内の液体燃料通路構成は本発明の特徴部分であり、詳細を後述する。低圧液体リターン通路２５の下端はスプリング室５４に連通し、インジェクタ各部からのリーク油を回収して液体導出管２６から導出する。

インジェクタボデー５の上端開口内には、制御ピストン５２が摺動する筒穴を閉鎖するようにプレート部材２１が配設される。制御室２は、制御ピストン５２の上端面と、その上方の筒穴内周壁と、プレート部材２１の下端面中央に設けた凹部とで画成される空間にて構成される。制御室２は、高圧液体通路２２から分岐する高圧通路２４と入口絞り部２ａを介して常時連通し、制御室２の圧力は、制御ピストン５２を介してニードル３１に下向きに作用している。また、制御室２は、出口絞り部２ｂを介して低圧液体リターン通路２５に連通し、低圧液体リターン通路２５への連通・遮断を電磁弁６にて制御することにより、制御室２の圧力を増減するようになっている。このとき、液体導入管２３から高圧液体通路２２、高圧通路２４、入口絞り部２ａを経て制御室２に至る作動液体供給通路が形成される。

電磁弁６は、ソレノイドボデー６１内に収容される筒状ソレノイド６４と制御弁６３とで構成されている。制御弁６３は、ソレノイド６４の下端面に対向するＴ字断面のアーマチャと、アーマチャ先端部に設けた半球状凹部に保持されるボール弁を有し、アーマチャ先端部周りには、出口絞り部２ｂと低圧液体リターン通路２５を連通させる低圧通路６５が設けられる。制御弁６３は、非通電時には、ソレノイド５の筒内に設けたスプリング６６により下方に付勢されて、ボール弁が制御室２の出口絞り部２ｂを閉鎖している。

図３は、ノズル３の先端に形成される噴孔３７への高圧気体燃料の供給経路を示すものである。ニードル３１の小径のステム部３１２周りには、ノズルボデー３２内周壁との間にノズルチャンバ３５となる環状空間が形成されており、その下方にサック部３９が形成されている。噴孔３７は、このサック部３９形成壁を貫通して形成される。インジェクタボデー５の筒壁部には、軸方向（図の上下方向）に延びる２つの気体燃料通路が形成され、一方を高圧気体通路４１、他方を漏れ気体回収通路４２としている。高圧気体通路４１は、インジェクタボデー５の上側部から斜め上方に突設した高圧気体導入管４４に連通し、高圧気体配管４７および絞り部４５を介して、高圧気体燃料コモンレール４６（または蓄圧アキュムレータでもよい）に接続している。漏れ気体回収通路４２は、インジェクタボデー５上側部に設けた導出口４８から図示しない気体燃料タンクに連通している。高圧気体導入管４４は、図４のように、液体導入管２３の突出方向と９０度の角度を有して形成される。高圧気体導入管４４から噴孔３７までの各通路にて、高圧気体燃料供給通路を構成している。

密度の低い気体燃料を短時間で大量に噴射するためには、高圧気体燃料コモンレール４６からインジェクタ１の噴孔３７へ至る高圧気体燃料通路に、流路断面積が急拡大する容積部を複数設けることが望ましい。本実施形態では、高圧気体導入管４４から高圧気体通路４１に至る流路途中の、肉厚の筒壁部に中空部を設けて、インジェクタチャンバ４３とするとともに、噴孔３７上流に位置するニードル３１のステム部３１２周囲に所定容積のノズルチャンバ３５を形成する。ノズルチャンバ３５に高圧気体燃料を速やかに供給するために、ノズルボデー３２には、高圧気体通路４１の下端に接続する複数のフィード通路３６ａ、３６ｂが設けられ、これらフィード通路３６ａ、３６ｂを介して、ノズルチャンバ３５へ大量の高圧気体燃料を供給可能としている。

ここで、図示しない制御装置からの開弁指令により電磁弁６のソレノイド６４に駆動電流が負荷され、スプリング６６のバネ力に抗して制御弁６３を引き上げると、制御室２の出口絞り部２ｂが開放される。制御弁６３の開弁により、制御室２の高圧燃料は出口絞り部２ｂおよび低圧通路６５を介して低圧液体リターン通路２５へ排出される。このとき、図２に示した高圧通路２４から制御室２に入る高圧燃料を制御する入口絞り部２ａより、制御室２から低圧通路６５への排出を制御する出口絞り部２ｂの方が、流路面積を大きく設定されていることから、制御弁６３の開弁で制御室２の圧力は低下する。

制御室２の圧力が低下すると制御ピストン５２およびニードル３１を押し下げる力が減少し、ノズルチャンバ３５の高圧気体燃料がニードル３１を押し上げる力が、スプリング５３と制御室２の低下した液体圧力がニードル３１を押し下げる力の合力より、大きくなる。これに伴い、ニードル３１が上昇してシート部３８がノズルボデー３２から離座すると、ノズルチャンバ３５の高圧気体燃料がサック室３９を経て、噴孔３７から機関燃焼室に噴射される。

本発明では、このように、ニードル３１に背圧を作用させる制御室２を設けて、高圧の液体燃料を作動液体として制御ピストン５２を駆動する構成とすることで、大きな駆動力が得られ、ニードル３１を迅速に駆動することができる。

次に、図１（ａ）に拡大して示すノズル３の詳細構造について説明する。ニードル３１は、先端部が略逆円錐面状に形成されており、図２の制御室２圧力とスプリング５３のバネ力によって下方に付勢されて、シート部３８が対向するノズルボデー３２内周面に押接されている。このとき、ノズルボデー３２先端とニードル３１とで構成されるサック室３９と、ノズルチャンバ３５の間が遮断され、サック室３９に連通する噴孔３７から機関燃焼室へ高圧気体燃料が噴射されることはない。

ノズルボデー３２の下半部に形成されるノズルチャンバ３５は、ニードル３１のステム部３１２の外径を縮小し、ノズルボデー５の内径３２２を拡大することで、ノズルチャンバ３５内に収容可能な高圧気体燃料の容積を増大するように形成されている。具体的にはノズルボデー５の下半部内径３２２はニードル３１のガイド部３１１摺動径より大きくなっており、ニードル３１のステム部３１２の外径は略円錐状先端部の最大径よりも小さく、例えばシート部３８径とほぼ同程度に縮径されている。

ノズルボデー３２内のノズルチャンバ３５の容積を大きくすることにより、噴孔３７直上流部の高圧気体燃料の容積を十分大きくし、噴射初期の流量と圧力を確保することができる。また、インジェクタボデー５内のインジェクタチャンバ４３からノズルチャンバ３５へ高圧気体燃料が補給されるので、噴射圧力を低下させることなく必要量の高圧気体燃料を噴射できる。高圧気体通路４１途中に設けられるインジェクタチャンバ４３の容積は、一噴射に必要な高圧気体燃料の容積をインジェクタ１内に確保するに十分な大きさ、例えば数ｃｍ3 とするのがよい。ノズルボデー３２またはインジェクタボデー５内に、それ以外の容積拡大手段を設けることもできる。

ノズルボデー３２には、高圧気体通路４１からノズルチャンバ３５へ高圧気体燃料を供給するために、本実施例では２本のフィード通路３６ａ、３６ｂが形成されている。フィード通路３６ａ、３６ｂはニードル３１のガイド部３１１側方に形成されて、ノズルチャンバ３５の上端部に開口している。ノズルボデー３２内の気体燃料容積を増加するためにフィード通路３６ａ、３６ｂを複数設けることが必要であり、容積を拡大する内径を確保することができるように２本ないしそれ以上形成される。

さらに、本実施形態では、制御室２圧力を制御するために導入した液体燃料の一部を、ノズル摺動部に潤滑油として導入する一方、少量を高圧気体燃料とともに機関燃焼室内に噴射して着火用燃料とする。これにより、作動液体として導入される液体燃料を効果的に活用し、気体燃料用インジェクタの欠点である潤滑性、着火性を向上させる。これらを実現するための液体燃料通路構成を、以下に説明する。

気体燃料は液体燃料に比べて潤滑性が低いことから、ノズル摩耗が問題になる。このため、ニードル３１のガイド部３１１側方に高圧液体通路３４が形成され、ガイド部３１１が摺動する摺動穴３２１に開口して、第１の潤滑用液体燃料供給通路を構成している。ガイド部３１１の外周には複数の環状溝３１７が形成されており、高圧液体通路３４に供給される液体燃料を、ガイド部３１１とノズルボデー３２の摺動部を潤滑可能とする。ガイド部３１１とノズルボデー３２の摺動部を潤滑した液体は、ノズルボデー３２内の高圧気体によりガイド部３１１の上方に押し上げられ、インジェクタボデー５内のスプリング室５４に漏れ出て、低圧液体リターン通路２５、液体導出管２６より回収される。

一方、ニードル３１内には、上端が連通孔３１６を介して環状溝３１７（図１（ａ）では最下端位置の環状溝）に連通し、下端がニードル３１先端部に達するニードル内燃料通路３１５が形成される。ニードル内燃料通路３１５は、ニードル３１先端部内において、シート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４に分岐し、ニードル３１先端面に開口する。高圧液体通路３４は、ニードル３１が開弁する上端位置にあるときに、連通孔３１６が形成される最下端位置の環状溝３１７に連通するように形成されており、ニードル３１が開弁すると、高圧液体通路３４から環状溝３１７、連通孔３１６、ニードル３１内燃料通路３１５を経てニードル３１先端部の燃料供給孔３１３、３１４へ高圧燃料が供給される。ここで、ニードル内燃料通路３１５とシート潤滑用液体燃料供給孔３１３とで、第２の潤滑用液体燃料供給通路を、ニードル内燃料通路３１５と着火用液体燃料供給孔３１４とで着火用液体燃料供給通路を構成している。

ニードル３１が図示する閉弁位置にあるときには、高圧液体通路３４と環状溝３１７は連通せず、ニードル内燃料通路３１５から先端部への燃料供給は遮断される。すなわち、ニードル３１がリフトする開弁時のみ、ニードル内燃料通路３１５から先端部へ燃料が供給されることになる。

図１（ｂ）に示すように、ニードル３１先端部外周面には、シート部３８上流側にニードル３１の中心軸に対して同心円状に環状溝（周方向溝）３１８が形成され、この環状溝３１８に複数のシート潤滑用液体燃料供給孔３１３が開口している。シート潤滑用液体燃料供給孔３１３の役割は、ニードル３１の開弁時に連通する高圧液体通路３４から環状溝３１７、連通孔３１６、ニードル内燃料通路３１５を介して送られる液体燃料にて、下流側のシート部３８を潤滑することにある。このとき、シート潤滑用液体燃料供給孔３１３の開孔域では、気体燃料は流速が低く高圧を維持しているため、シート部３８の表面を液体燃料で濡らす程度の量で液体燃料が吸い出される。この液体燃料にてシート部３８を一様に濡らすために環状溝３１８が形成され、液体燃料は環状溝３１８の全周に広がった後、ノズルチャンバ３５から噴孔３７へ向かう高圧気体燃料の流れによりニードル３１表面を伝わりながら搬送され、シート部３８を均一に濡らすことができる。

このようにして、ニードル３１のガイド部３１１のみならず、先端のシート部３８を液体燃料で潤滑できる。その結果、潤滑油不足で摺動部および弁座部が摩耗するのを防止できる。なお、シート潤滑用液体燃料供給孔３１３を複数ヶ所（本実施形態では２ヶ所）に開口させると、環状溝３１８に潤滑油をより均一供給しやすくなり、好ましい。

次に、着火用液体燃料供給孔３１４は、図示されるように、本実施形態ではニードル３１先端面のシート部３８下流の直近位置に開口している。この領域では、ニードル３１の開弁時に気体燃料が高速で通過するため、霧吹きの現象により着火用液体燃料供給孔３１４から液体燃料を吸い出して気体燃料によって搬送し、霧化して気体燃料とともに噴孔３７から機関燃焼室に噴射することが可能となる。このとき、前回の噴射時にシート潤滑用液体燃料供給孔３１３から供給されて下流のシート部３８を濡らしている液体燃料も、シート部３８から剥離され、着火用液体燃料供給孔３１４からの液体燃料および気体燃料とともに機関燃焼室へ噴射される。

このようにして筒内に噴射された液体燃料は、機関燃焼室の高温高圧に圧縮された空気内で自着火して、着火しにくい気体燃料の着火源となる。これにより、安定した燃焼を実現することができる。なお、本実施形態では、着火用液体燃料供給孔３１４をシート部３８直下流位置に開口しているが、着火用液体燃料供給孔３１４をシート部３８の直上流位置に開口させることもできる。

以上のように、本実施形態では、ニードル３１の開弁時のリフトを利用して、高圧液体通路３４と共通のニードル内燃料通路３１５を連通させ、ガイド部３１１へ導入した液体燃料を、一定の漏れ量でシート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４に流出させる。シート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４からは、開孔位置の高圧気体燃料圧力と流速により所定量の液体燃料が流出して、シート部３８を潤滑し、あるいは気体燃料とともに噴射される。本実施形態では、機関負荷が大きいときは、ニードル３１の開弁時間が長くなり、液体燃料の流出量が増加するように設定されている。噴射される液体燃料量は、機関アイドル運転に必要な量以下としている。よって、噴射毎に所定量の液体燃料を効率よく供給することができ、簡易な通路構成で、潤滑性と着火性を両立できる。

図５、６に本発明の第２の実施形態を示す。上記第１の実施形態と異なるのは、ニードル３１閉弁時に高圧液体通路３４が環状溝３１７に開口する構成としていること、およびニードル３１先端部のシート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４を、それぞれシート３８の直上流・直下流に開口させたことである。それ以外の基本構成は上記第１の実施形態とほぼ同様であり、同一符号は同一部材を示す。以下、相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

本実施形態では、図５に示すように、ニードル３１が閉弁する下端位置にあるときに、高圧液体通路３４と、連通孔３１６が形成される最下端位置の環状溝３１７が連通するように形成されており、ニードル３１の閉弁時に環状溝３１７、連通孔３１６、ニードル３１内燃料通路３１５、シート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４に、それら各通路の内容積分の液体燃料が充満される。

一方、図６に示すように、ニードル３１先端部外周面には、シート部３８上流の直近位置にシート潤滑用液体燃料供給孔３１３が開口し、シート部３８下流の直近位置に着火用液体燃料供給孔３１４が開口している。より好適には、これらシート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４の開口位置を含むように、シート部３８上流側にわずかな凹みを形成する環状溝（周方向溝）３１９ａを、シート部３８下流側にわずかな凹みを形成する環状溝３１９ｂを、ニードル３１の中心軸に対して同心円状に形成する。これらシート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４は、ニードル３１の閉弁時に実質的に閉口状態となるように構成される。これは、ノズルボデー３２のシート面３２２にニードル３１のシート部３８が押接されていることと、ニードル３１の先端に形成されてシート部３８を形成する二つの円錐面３８ａと３８ｂの角度差が小さく設定されていることによる。

具体的には、ノズルボデー３２のシート面３２２の円錐角に対して、シート部３８下流側の円錐面３８ｂは１度以下大きく、上流側の円錐面３８ａは１度以下小さく設定されている。ニードル３１の先端まで円錐面３８ｂで構成してしまうとサック室３９へ至る流路面積が小さくなりすぎるので、これを避けるため、ニードル３１の先端には第３の円錐面３８ｃが形成されている。この第３の円錐面３８ｃは、円錐角がノズルボデー３２のシート面３２２より１度以上大きくなるようにし、本実施形態では、例えば１５度の差を付けている。

上記弁座部における、シート面３２２、円錐面３８ａ、３８ｂ、３８ｃとの関係で、シート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４からの液体燃料は、滲み出る程度に、シート面３２２を濡らす。さらに、燃料供給孔３１３と３１４の開口部を含むように円錐面３８ａと３８ｂにわずかな凹みを形成する環状溝３１９ａ、３１９ｂを形成することで、シート面３２２を環状溝全周に渡って濡らすことができ潤滑性を増すことができる。

上記構成において、ニードル３１が閉弁すると、噴孔３７へ向かう高速の気体燃料によりシート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４から液体燃料が吸引、搬送されて、上記第１の実施形態と同様に着火源として燃焼室に供給される。本実施形態では、第１の実施例と異なり、環状溝３１７と液体燃料通路３４の連通がニードル３１の開弁時に断たれる構成としており、連通を断たれることで、環状孔３１７、連通孔３１６、燃料通路３１５、燃料供給孔３１３、３１４内の液体燃料圧力は低下する。このため、液体燃料自体の圧力で燃料供給孔３１３、３１４から液体燃料が噴出することはなくなり、気体燃料による吸引だけとなるので、燃料供給孔３１３、３１４出口、環状溝３１９ａ、３１９ｂには、吸引されない液体燃料が残る。この残留液体燃料によりシート面３２２とニードル３１のシート部３８と円錐面３８ａ、３８ｂの摩耗が防止できる。

本実施形態において、気体燃料とともに噴射される液体燃料の最大量は、環状溝３１７、連通孔３１６、ニードル内燃料通路３１５、シート潤滑用液体燃料供給孔３１３および着火用液体燃料供給孔３１４、環状溝３１９ａ、３１９ｂに充填された燃料量である。ニードル３１の開弁期間により吸引される燃料量が変化するのは第１実施形態と同様である。

以上のように、本発明によれば、ニードルの駆動を制御する作動液体となる液体燃料をノズル内に導入して、ニードルの潤滑油または着火用燃料として使用することにより、潤滑性、着火性を向上させることができる。これにより、高圧気体燃料を筒内に直接噴射する機関の課題である、インジェクタ特に噴射ノズルの摩耗を低減し、圧縮着火機関の課題である着火性を改善して安定した燃焼を実現できる。そして、機関の高出力化と、未燃燃料の排出低減を両立させることができる。

実施形態構成のように、液体燃料をニードルガイドの摺動部に高圧で供給すると同時に、一定の漏れ量をシート側へ漏らしてシート摩耗を防止し、かつ着火源として利用すれば、より効果的である。さらにノズルリフトを利用して毎回所定量を計量してシート部へ供給する機能を持たせ、液体燃料供給部との連通をニードルリフトにより開閉制御すれば、水素の流れ込みや液体の過剰な流れ出し、燃焼ガスの逆流等を防止でき、簡易な構成で高性能なインジェクタが実現できる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態におけるインジェクタのノズル構成を示す主要部断面図、（ｂ）はノズル先端部構成を示す図で、（ａ）のＩ部拡大断面図である。第１の実施形態におけるインジェクタの高圧気体燃料の供給経路を示す全体断面図で、図４のＡ−Ａ線断面図である。第１の実施形態におけるインジェクタの作動液体の供給経路を示す全体断面図で、図４のＢ−Ｂ線断面図である。第１の実施形態におけるインジェクタの上方視図で、図２のＣ矢視図である。本発明の第２の実施形態におけるインジェクタのノズル構成を示す断面図である。ノズル先端部構成を示す図で、図５のＩＩ部拡大断面図である。

符号の説明

１インジェクタ
２制御室
２ａ入口絞り部
２ｂ出口絞り部
２１プレート部材
２２高圧液体通路（作動液体供給通路）
２４高圧通路
２５低圧液体リターン通路
２７液体コモンレール
２８液体供給配管
３ノズル
３１ニードル
３１１ガイド部
３１２ステム部
３１３シート潤滑用液体燃料供給孔（第２の潤滑用液体燃料供給通路）
３１４着火用液体燃料供給孔（着火用液体燃料供給通路）
３１５ニードル内燃料通路
３１６連通孔
３１７環状溝
３１８環状溝（周方向溝）
３２ノズルボデー
３２１摺動穴
３４高圧液体通路（第１の潤滑用液体燃料供給通路）
３５ノズルチャンバ
３６ａ、３６ｂフィード通路
３７噴孔
３８シート部
３９サック室
４１高圧気体通路
４２漏れ気体回収通路
４３インジェクタチャンバ
４４高圧気体導入管
４５絞り部
４６高圧気体燃料コモンレール
４７高圧気体供給配管
５インジェクタボデー
５２制御ピストン
５インジェクタボデー
６電磁弁（電気式切り替え弁）
６１ソレノイドボデー
６４ソレノイド
６５低圧通路

Claims

高圧気体燃料をノズル先端に設けた噴孔から機関燃焼室に噴射するインジェクタであって、
上記噴孔を開閉するニードルに圧力を作用させる制御室と、
該制御室へ作動液体となる液体燃料を供給する作動液体供給通路と、
上記制御室への液体燃料の流出入を制御する電気式切替弁と、
上記噴孔へ高圧気体燃料を供給する高圧気体燃料供給通路とを備え、
上記ノズル内の高圧気体燃料に晒される上記ニードルの摺動部および弁部に、上記作動液体供給通路から潤滑用の液体燃料を導入する潤滑用液体燃料供給通路と、
上記ノズル先端部内の上記高圧気体燃料供給通路に、上記作動液体供給通路から着火用の液体燃料を導入する着火用液体燃料供給通路を設けて、
上記潤滑用液体燃料供給通路を、
一端側が上記作動液体供給通路に連通し他端側が上記ニードルのガイド部が摺動する摺動穴に開口する第１の潤滑用液体燃料供給通路と、
上記ニードル内に設けられ、一端側が上記ニードルのガイド部外周面に開口して上記第１の潤滑用液体燃料供給通路に連通し他端側が上記ニードルのシート部上流側に開口する第２の潤滑用液体燃料供給通路にて構成するとともに、
上記着火用液体燃料供給通路を、上記ニードルのシート部下流側に開口させて、上記ニードルの開弁時に高圧気体燃料とともに着火用の液体燃料を噴射可能としたことを特徴とするインジェクタ。
上記第２の潤滑用液体燃料供給通路は、上記ニードルの開閉弁に伴って上記第１の潤滑用液体燃料供給通路との連通・遮断が切り換えられる構成となっている請求項１記載のインジェクタ。
上記ニードルのシート部上流側に周方向溝を形成して、該周方向溝に上記第２の潤滑用液体燃料供給通路を開口させた請求項２記載のインジェクタ。
上記着火用液体燃料供給通路を、上記ニードル内に設けられ、一端側が上記作動液体供給通路に連通し他端側が上記ニードルのシート部近傍に開口する通路にて構成し、上記噴孔へ向かう高圧気体噴流のもつエネルギーを利用して着火用の液体燃料を噴射する請求項１ないし３のいずれか記載のインジェクタ。
上記着火用液体燃料供給通路の上記一端側を、上記ニードルの上記ガイド部に開口させて、上記潤滑用液体燃料供給通路を介して上記作動液体供給通路に連通させた請求項４記載のインジェクタ。
上記ニードルのシート部下流側に周方向溝を形成して、該周方向溝に上記着火用液体燃料供給通路を開口させた請求項５記載のインジェクタ。
上記第２の潤滑用液体燃料供給通路を、
上記一端側が上記着火用液体燃料供給通路と共通のニードル内燃料通路を経て上記ニードルのガイド部外周面に開口し、上記第１の潤滑用液体燃料供給通路に連通する構成とした請求項５または６記載のインジェクタ。