JP5188899B2

JP5188899B2 - 燃料噴射弁

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Publication number: JP5188899B2
Application number: JP2008181689A
Authority: JP
Inventors: 義人安川; 元幸安部; 秀治江原; 石川　　亨; 武彦小渡
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010019194A; WO2010004838A1; EP2302197A1; EP2302197A4; EP2302197B1

Description

本発明は、内燃機関に燃料を供給するための燃料噴射弁に係り、特に、燃料噴霧の形状を変えることができる燃料噴射弁に関する。

近年、自動車の燃費規制が強化されてきており、自動車用内燃機関には低燃費化が求められている。一方で、内燃機関には高出力化も求められている。低燃費化と高出力化を同時に達成するための手段として、燃焼室へ燃料を直接噴射するＤＩ（Direct Injection）エンジンが提案されている。

ＤＩエンジンでは、噴射された燃料の気化潜熱により燃焼室内を冷却できる。ガソリンエンジンでは、点火後の火炎の伝播よりも早く混合気が自己着火するノッキングが生じるため、一般に圧縮比を低くして設計する必要がある。ＤＩエンジンでは、前述の効果によりノッキングが抑制され、圧縮比を上げた設計が可能になり燃費が向上する。ＤＩ方式においては、成層燃焼を行うことで更に燃費を低減できる。成層燃焼とは、筒内の理論空燃比よりも供給する燃料の量を減じて所謂リーンバーン（希薄燃焼）を実現する方式である。希薄燃焼をさせることにより、低負荷時においてもより多くの空気を吸入し、吸気行程に生じる負圧を減じ、これに抗ってエンジンが行う仕事（ポンピング損失）を減らして、燃費を向上できるという燃焼方式である。

一方で、高出力を得るためには、均質燃焼を行うことが必要である。均質燃焼とは、燃料と空気の比率が理論空燃比となるように燃料を供給し、これを燃焼室内で均質に混合して点火させる方式である。そのためには、多くの空気を取り込んで、より多量の燃料と十分に混合させる必要がある。

そのため、要求させる噴霧が異なり、噴霧形状を変えられることが望ましい。

これを実現するための燃料噴射弁として、外開き式噴射弁において、ストロークにより燃料通路を切替えることにより、噴霧形状を可変にするというものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１３００８６号公報

直上噴射を行うための燃料噴射弁の方式として、外開き式燃料噴射弁がある。外開き式燃料噴射弁とは、弁体がノズルの先端から突出することでシートと弁体の隙間を燃料が流れ、その隙間から燃料を噴射するものであり、狭い隙間から燃料が噴射されるために微粒化性能が良いことが特徴である。

低燃費と高出力の両立のために要求される、直上噴射方式において、成層燃焼と均質燃焼を両立させるためには、要求される噴霧形状が異なり、燃料噴射弁としては、噴霧形状を変えられることが必要となっている。必要とされる噴霧は、例えば、成層燃焼時には流量が少なくプラグ周りに噴霧が滞留するような噴霧であり、均質燃焼時には流量が多く筒内への分散性が高い噴霧である。

特許文献１に示される従来技術には、弁体ストロークを変化させることにより、燃料通路自体を切替え噴霧の形状を可変にするという構造は開示されている。しかしながら、弁体の上下動によって燃料通路を切替える構造は、実際に製造する上で困難が伴う。例えば、特許文献１のように燃料通路を切替える方法を採用すると、弁体の上下動位置によって燃料通路を切替えているために、数百μmまたは数mmの弁体ストロークが必要となる。そのため、十分な応答性が得られないということや、実用的な流体通路断面積に設定することが難しいという問題が生じる。なお、弁体ストロークは、実用上では、数十μｍ程度であり、前述のような数百μmないし数mmの弁体ストロークは、実用的でないものである。

本発明の目的は、低燃費化と高出力化の両立を図るために、成層燃焼と均質燃焼の各々に適した噴霧を形成できるよう、外開き方式の燃料噴射弁において噴霧形状を可変できる燃料噴射弁を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、内部に複数の燃料通路を有するノズルと、該ノズルの内部にて、上下に動作可能であるとともに、前記ノズルの円錐状の弁座面と対向する円錐状の弁体面を有し、該弁体面が前記弁座面と当接して燃料をシールするシート部を形成する弁体とを有し、前記燃料通路は、前記シート部の上流に開口部があり、前記弁体の動作によって前記シート部と前記ノズルの弁座面との間に円環状の隙間を形成することで、前記円環状の隙間部から燃料が噴射される外開き式の燃料噴射弁であって、前記弁体が前記弁座面から離れた状態における前記シート部と前記ノズルの弁座面の距離が、可変であり、前記弁体の円錐面は、前記弁座面より傾斜が急な第１の円錐面と前記弁座面より傾斜が緩い第２の円錐面とからなり、前記燃料通路は、前記弁座面と同一面に出口部を形成し、前記第２の円錐面と対向し、前記燃料通路の断面積が、前記前記シート部と前記ノズルの弁座面との間に円環状の隙間の断面積よりも大きくなる状態と、前記燃料通路の断面積が、前記前記シート部と前記ノズルの弁座面との間に円環状の隙間の断面積よりも小さくなる状態を取り、どちらの状態においても燃料が常に前記燃料通路を通過するようにしたものである。
かかる構成により、外開き方式の燃料噴射弁において噴霧形状を可変でき、成層燃焼と均質燃焼の各々に適した噴霧を形成できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記複数の燃料通路の出口部から前記シート部に到る燃料通路の断面積が、下流に向かうに従って減少するか、または、下流に向かうに従って同一の断面積となる領域によって構成されるものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記複数の燃料通路は、前記弁体の周囲の円周上に均等に配列されている。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記複数の燃料通路は、前記弁体の周囲の円周上の一部に偏って配列されている。

本発明によれば、外開き方式の燃料噴射弁において噴霧形状を可変でき、低燃費化と高出力化の両立を図ることができる。

以下、図１〜図１３を用いて、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による燃料噴射弁を用いた燃料噴射装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を用いた燃料噴射装置の構成を示すシステムブロック図である。

燃料噴射弁１は、弁体がノズルの先端から突出することでシートと弁体の隙間を燃料が流れる外開き式の噴射弁である。また、燃料噴射弁１は、弁体のストロークが可変なものである。以下の説明では、弁体のストロークは、２段階に切り替えることができる。

燃料噴射弁１は、ノズル２と、ノズル２の内部に収納された弁体１０とを備えている。弁体１０は、矢印Ａ方向と、それと反対の矢印Ｂ方向に摺動可能である。弁体１０が矢印Ａ方向に移動すると、弁体１０とノズル２の先端の間には隙間が形成され、燃料が噴射される。反対に弁体１０が矢印Ｂ方向に移動して、弁体１０とノズル２が接触すると、燃料噴射は停止する。このように、燃料噴射弁１は、弁体がノズルの先端から突出することでシートと弁体の隙間を燃料が流れ外開き式の噴射弁である。

燃料噴射弁１のノズル２の上部には、ボディＢＤが固定されている。なお、ノズル２とボディＢＤは、一体的に構成することもできる。ボディＢＤの内部には、２つのコイルＣＬ１，ＣＬ２が固定されている。コイルＣＬ１，ＣＬ２の内周には、２つのプランジャＰＬ１，ＰＬ２が矢印Ａ，Ｂ方向に摺動可能に保持されている。コイルＣＬ１に通電すると、プランジャＰＬ１が吸引され、矢印Ａ方向に摺動する。コイルＣＬ２に通電すると、プランジャＰＬ２が吸引され、矢印Ａ方向に摺動する。

コイルＣＬ１に通電すると、プランジャＰＬ１が矢印Ａ方向に摺動し、プランジャＰＬ２を矢印Ａ方向に押し出し、さらに、弁体１０を矢印Ａ方向に押し出すことで、開弁する。また、コイルＣＬ２に通電すると、プランジャＰＬ２が矢印Ａ方向に摺動し、弁体１０を矢印Ａ方向に押し出すことで、開弁する。

ここで、プランジャＰＬ１の摺動量（ストローク）は、プランジャＰＬ１の摺動量（ストローク）よりも大きくなっている。したがって、コイルＣＬ１に通電したときの弁体１０のストロークは、コイルＣＬ２に通電したときの弁体１０のストロークよりも大きくなり、コイルＣＬ１の通電と、コイルＣＬ２の通電を切り替えることで、弁体１０のストロークを切り替えることができる。

また、ノズル２と弁体１０の頂部との間には、スプリングＳＰ１が配置されている。スプリングＳＰ１は、ノズル２に対して、弁体１０を矢印Ｂ方向に付勢している。これにより、コイルＣＬ１，ＣＬ２に通電してないときは、弁体１０を矢印Ｂ方向に付勢して、閉弁している。また、ボディＢＤの上部に設けられたスプリングＳＰ２は、プランジャＰＬ１，ＰＬ２に対して矢印Ａ方向の付勢力を与えており、プランジャＰＬ１，ＰＬ２が自由振動しないようにしている。ただし、スプリングＳＰ２の付勢力は、スプリングＳＰ１の付勢力よりも小さいため、コイルＣＬ１，ＣＬ２に通電してないときは、閉弁状態を保つことができる。

燃料タンクＦＴに収納された燃料は、燃料ポンプＰにより、燃料噴射弁１に供給される。

燃料噴射弁駆動コントロールユニットＤＣＵは、コイルＣＬ１，ＣＬ２への通電を制御する。燃料ポンプコントロールユニットＰＣＵは、燃料ポンプＰを制御して、燃料噴射弁駆動に供給する燃料圧力を可変する。なお、本実施形態では、燃料圧力の制御は行わないため、燃料ポンプコントロールユニットＰＣＵは必須のものではない。但し、後述する他の実施形態では、燃料圧力の制御は行わうため、燃料ポンプコントロールユニットＰＣＵが必要となる。

エンジンコントロールユニットＥＣＵは、アクセル開度θACC，吸入空気量Ｑａ，エンジン回転数Ｎｅなどの、運転者の意図を示す信号や、エンジンの状態を示す信号を取りこむ。エンジンコントロールユニットＥＣＵは、アクセル開度θACCに応じて、電子制御スロットル装置を制御して、スロットルバルブの開度を制御して、吸入空気量Ｑａを可変する。また、エンジンコントロールユニットＥＣＵは、アクセル開度θACCに応じて、燃料噴射弁１による燃料噴射量を可変して、エンジン回転数Ｎｅを制御する。このとき、エンジンコントロールユニットＥＣＵが、燃料噴射弁駆動コントロールユニットＤＣＵに対して、燃料噴射量の制御信号を出力すると、燃料噴射弁駆動コントロールユニットＤＣＵは、例えば、燃料噴射量が小さいときは、コイルＣＬ２に通電して、弁体１１のストロークが小さくなるように制御すると共に、開弁時間も制御する。また、燃料噴射弁駆動コントロールユニットＤＣＵは、例えば、燃料噴射量が大きいときは、コイルＣＬ１に通電して、弁体１１のストロークが大きくなるように制御すると共に、開弁時間も制御する。

また、必要に応じて、エンジンコントロールユニットＥＣＵは、燃料ポンプコントロールユニットＰＣＵに対して燃圧制御信号を出力し、燃料ポンプコントロールユニットＰＣＵは、燃料ポンプＰを制御して、燃料噴射弁駆動に供給する燃料圧力を可変する。

次に、図２〜図４を用いて、本実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成を示す拡大断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の下方斜視図である。なお、図２〜図４において、同一符号は同一部分を示している。また、図２〜図４において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２に示すように、燃料噴射弁の先端部であるノズル２は、ガイド孔３を有している。ガイド孔３には、弁体１０が挿入されている。弁体１０には２つの円錐面が同軸に設けられ、円錐の切替部がシート部１１を形成する。なお、シート部１１の近傍の詳細構成については、図５を用いて後述する。

閉弁状態においては、弁体１０とノズル２はシート部１１で当接し、燃料をシールしている。弁体１０は上下方向（図１の矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）に変位することができる。弁体１０がシート位置１１から離れると、燃料溜り室４から、複数の燃料通路５を通り、ノズル２の弁座面１５と弁体１０の弁体面１６の隙間を通り、燃料は円環隙間部２２から噴射される。

なお、弁体１０の先端には凸状のチャック部１７がある。これは、弁座面１６を高精度に加工する際に加工機に安定して固定するために、弁体１０を把持する部分となる。

図２に示す複数の燃料通路５は、図３に示すように、周方向に配置された複数の燃料通路５ａ，５ｂ，…，５ｆからなる。本例では、例えば、６孔としている。また、複数の燃料通路５は、図４に示すように、弁座面１５と同一面に出口部を形成している。

次に、図５〜図８を用いて、本実施形態による燃料噴射弁におけるノズルの先端の燃料の流れおよびそれにより生成される燃料噴霧のメカニズムについて説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端の拡大断面図である。図５は、図２のＢ部の拡大断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における弁体ストロークと燃料の流路の断面積の関係の説明図である。図７及び図８は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。なお、図５，図７，図８において、図１〜図４と同一符号は、同一部分を示している。

図５は、本実施形態におけるノズル２の先端部における構成及び燃料の流れを示している。

図５に示すように、弁体の上流に設けた燃料通路５を通過した燃料は、燃料通路５の出口部６を通過してギャップ状通路２４に到る。

弁体１０には、２つの円錐面１６ａ，１６ｂが同軸に設けられている。円錐面１６ａ，１６ｂの切替部が、シート部１１を形成する。円錐面１６ｂは、弁体２の弁座面１５よりも傾斜が急である。一方、円錐面１６ａは、弁座面１５よりも傾斜が緩やかであり、弁座面１５と弁体面１６ａの間に挟まれる通路は、複数の出口部６からシート部１１にむけて通路断面積が減少し、シート部１１から円環隙間部２２にかけて通路断面積が増加する。したがって、シート部１１において、最も通路断面積が小さくなる。シート部１１を通過した燃料は、円環隙間部２２から噴霧２５として噴射される。

なお、円錐面１６ｂと弁座面１５を平行として、複数の出口部６からシート部領域１１’にむけて通路断面積が一定として、シート部１１から円環隙間部２２にかけて通路断面積が増加するようにしてもよいものである。また、円錐面１６ａと弁座面１５を平行として、複数の出口部６からシート部領域１１’にむけて通路断面積が減少し、シート部１１から円環隙間部２２にかけて通路断面積が一定としてもよいものである。いずれにしても、出口部６と円環隙間部２２との間に、通路断面積が最小となるシート部１１を設ける。

次に、図６を用いて、本実施形態による燃料噴射弁における弁体ストロークと燃料の流路の断面積の関係について説明する。

図６において、横軸は、弁体１０のストロークｓｔを示し、縦軸は燃料流路の断面積Ａを示している。

図６において、実線Ｘ１は、燃料通路５の断面積を示している。燃料通路５は、図３に示したように、周方向に配置された６個の燃料通路５ａ，５ｂ，…，５ｆからなる場合、図６の実線Ｘ１は、これらの６個の燃料通路の断面積の和を示している。燃料通路５の断面積は、弁体１０のストロークｓｔが変わっても一定である。

一方、図６において、破線Ｘ２は、シート部１１における燃料流路の断面積を示している。シート部１１は、図２に示したように、弁体１０と弁座面１５の間に、円環状に形成される。破線Ｘ２は、リング状のシート部１１における燃料流路の断面積を示している。シート部１１の幅が変わることで、シート部１１における燃料流路の断面積も変化する。シート部１１の幅は、弁体１０のストロークが変化することで変化する。すなわち、破線Ｘ２に示すように、ストロークｓｔが０のときは、閉弁状態であり、ストロークｓｔが増加するにつれて、燃料流路の断面積が増加する。

図６において、ストロークｓｔがｓｔ０のとき、実線Ｘ１で示す燃料通路５の断面積と、破線Ｘ２で示すシート部１１における燃料流路の断面積が等しいものとする。ストロークｓｔ０より、ストロークｓｔが小さいときは、シート部１１での圧力損失の影響が支配的となる。また、ストロークｓｔ０より、ストロークｓｔが大きいときは、燃料通路５での圧力損失の影響が支配的となる。

図１に示した構成において、例えば、コイルＣＬ２に通電されるストロークが小さいときのストローク量をｓｔ１とし、コイルＣＬ１に通電されるストロークが大きいときのストローク量をｓｔ２とする。ストロークｓｔ１は、例えば、３０μｍであり、ストロークｓｔ２は、例えば、６０μｍであり、実用的な弁体ストロークである。

次に、図７は、弁体１０のストロークが小さいときの燃料の流れ及び噴霧形状の断面と、図３に示した燃料通路５ａ〜５ｆとの位置関係を示している。

図７に示すように、弁体１０のストローク量が小さい（シート部１１からのリフト量が小さい）状態では、シート部１１での圧力損失の影響が支配的となる。このため、シート部１１における燃料速度が最も速くなるために、複数の燃料通路５ａ〜５ｆによる流れの影響が小さくなり、シート部１１の近傍で噴射直前の流れ２４を形成し均一に流れ、中空円錐状噴霧２５ａが噴射される。

図８は、弁体１０のストロークが大きい時の燃料流れ及び噴霧形状の断面と、図３に示した燃料通路５ａ〜５ｆとの位置関係を示している。

図８に示すように、弁体１０のストロークが大きい場合には、シート部１１での絞りの影響は小さくなる。燃料流れは、複数の燃料通路５ａ〜５ｆによって絞られる効果が相対的に大きくなる。この結果、複数の燃料通路５ａ〜５ｆでの流速が速くなり、その影響が大きくなる。

ここで、燃料通路５ａおよび燃料通路５ｂを例に説明すると、燃料通路５ａおよび５ｂを流れてきた燃料は、弁体面１６に到達すると、燃料通路の外側に向かう流れを形成する。このため、燃料通路５ａおよび燃料通路５ｂが向かい合う箇所の流れは互いに衝突して噴射直前の流れ２４ｂを形成する。この結果、シート面あるいは弁体の円錐面に対して垂直な方向の液膜を形成し、噴霧２５ｂとして径方向に噴射される。

また、燃料通路５ａおよび５ｂを流れてきた燃料のうち、衝突せずに流出する燃料は、弁体の円錐面もしくはシートの円錐面に略平行な液膜を形成し、噴霧２５ｃとして噴射される。燃料通路５の出口部６からシート部領域１１’に到るまでの弁体面１６ａと弁座面１５の間の通路断面積が徐々に狭くなる構成とすることによって、ストロークが大きく燃料通路５の絞りの影響が大きい場合に、燃料は燃料通路による流れの効果を保ってシート部１１を通過し、円環隙間部２２から噴霧２５ｃとして噴射させられる。これは、通路出口部から、シート部領域までの間に通路面積の大きな燃料溜り室のような領域があると、その領域で燃料の速度が遅くなってしまうために燃料通路の影響が消え、弁体の円錐面に対して略垂直な径方向への噴霧は形成されなくなるためである。

弁体１０のストロークが大きい場合には、複数の燃料通路の間に位置に対応した径方向に分散された径方向分散噴霧２５ｂが形成される。径方向に噴射される噴霧の貫通力は、図７に示した中空円錐状噴霧２５ａの貫通力よりも大きいものである。

以上のような構成により、ストローク量の変化によって、噴霧形状を可変にすることができる。

本実施形態において、配置した燃料噴射孔は６本の例を示したが、燃料通路の数はこれに限られるものではない。

また、燃料通路の径は全て同じ径としているが、それに限られているものではない。燃料通路の径を変えることによって、弁体面１６およびシート部１１に流れ込む燃料量が変化することで噴霧形状を変えることが可能である。

また、本実施形態において、複数の燃料通路５は円筒状の孔としているが、これに限られたものではない。

燃料通路５の形状及び数あるいは配置がストロークの変化に伴ってシート部１１との間で燃料絞りの影響度を変化させる形状であれば、本発明での作用効果が損なわれるものではない。

なお、本実施形態において、弁体１０の弁体面１６は２つの円錐面を有する構造としたが、球面であってもよい。これにより、ノズル体２に対して弁体１０が偏芯する場合にも、弁体がノズルに対して調芯する作用が起きるため燃料のシール性を向上できる。

さらに、ストロークが大きい場合の噴霧２５ｂおよび２５ｃの径方向の広がりといった相対的な大きさは、ストロークにより変化し、ストロークの大きさによっては径方向の拡がりを持った噴霧２５ｂのみになる場合もある。

なお、ストロークを変える手段としては、図１に示したように、コイルとプランジャからなるソレノイド方式の他に、ピエゾ素子等の電歪素子、超磁歪素子を用いることもできる。電歪素子や磁歪素子を用いる場合、図１において、プランジャは、一つのみである。電歪素子や磁歪素子は、プランジャの上部とボディの上部との間に配置される。電歪素子や磁歪素子は、制御入力に応じて、歪み量が変化するため、弁体のストロークを連続的に変えることができる。図１に示す方式では、ストロークは２種類を切り替えるだけであるが、ストロークを連続的に変化することで、図７から図８の状態まで、噴霧形状を連続的に変えることができる。

次に、図９〜図１１を用いて、本実施形態による燃料噴射弁における燃焼室への噴霧状態について説明する。
図９及び図１０は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。図１１は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における、内燃機関の運転状態と燃料噴射弁の駆動状態の説明図である。

図９に示す構成において、内燃機関１０１は、吸気の開閉弁となる吸気弁１０３と、燃焼された排気ガスを排出するための開閉弁となる排気弁１０４を有している。燃料噴射弁１は、内燃機関１０１の燃焼室１０５の中央上方に略垂直に備えられている、直上噴射式である。

燃料噴射弁１からの噴霧１２５は、燃焼室１０５に直接噴射され、混合気の形成を行っている。さらに、燃焼室１０５の混合気を圧縮するシリンダ１０７と、圧縮された混合気に点火する点火プラグ１０６とを有している。点火プラグ１０６は、燃料噴射弁１の近傍に点火プラグ下流側を燃料噴射弁側に向け傾いて設置されている。なお、燃料噴射弁１は図示しない燃料ポンプより加圧された燃料を供給されている。

図９は、本実施形態に係る燃料噴射弁１を内燃機関１０１に取付け、燃料噴射弁のストローク量が小さい状態での噴霧を噴射している様子を示している。噴霧１２５は、図７にて説明した中空円錐状噴霧２５ａである。

図１０は、燃料噴射弁１のストローク量が大きい状態で噴霧を噴射している様子を示している。噴霧１２６は、図８にて説明した径方向分散噴霧２５ｂである。

図１１は、内燃機関の運転状態と燃料噴射弁の駆動状態の関係を示している。内燃機関の運転状態が低負荷時には、燃料噴射弁１のストロークを小さくする。ストロークが小さいことにより中空円錐状の噴霧形状が噴射されるとともに、噴射量が少なくなり、微小噴射量の制御が容易になる。中空円錐状の噴霧が噴射されることになり、噴霧の周囲に安定した再循環領域を形成し、圧縮行程噴射時にも、点火プラグ１０６の周りに燃料を安定して滞留させることができる。

また、高負荷時には、燃料噴射弁１のストロークを大きくすることにより、径方向に分散した噴霧が噴射され、燃焼室１０５内部での燃料の分散性を上げることができる。

内燃機関の運転状態が低負荷の場合も、高負荷の場合も、燃料圧力は、通常の圧力（例えば、１０Ｍｐａ）としている。

また、燃料の噴射は、複数回に分けて噴射すると良い。そのようにすることで、１回辺りの噴射量が減少して噴霧の貫徹力を小さくできるため、形成された噴霧１２５が点火プラグ１０６に滞留し易くなり、更に燃焼の安定性を向上する。

次に、図１２及び図１３を用いて、本実施形態による燃料噴射弁の他の構成について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁の他の構成におけるノズル先端部の構成を示す拡大断面図である。図１３は、図２のＣ部拡大図である。なお、図２及び図５と同一符号は、同一部分を示している。

本例では、図２及び図５に示したノズル２と弁体１０の例とは、円錐面の構成が異なる。

図２及び図５に示した例では、弁体１０に２つの円錐面１６ａ，１６ｂ、弁座面１６が１つの円錐面により構成されていた。それに対して、本例では、ノズル体２Ａに円錐面１５ａおよび１５ｂの二つの円錐面を設けて、その交線部がシート部１１’を形成するように構成されている。弁体１０Ａのシートを形成する面である弁体面１６ｃは１つの円錐面で構成されている。燃料通路５を流れた燃料は、弁体面１６ｃと弁座面１５ａの間を通り、シート部１１’に到達し、円環隙間部２２から噴霧２５として噴射される。

本例においても、図２及び図５の例と同様に、燃料通路５の出口部６からシート部１１’に到るまでの弁体面１６ｃと円錐面１５の間の通路断面積が狭くなる構成としている。これにより形成される噴霧形状は同様の形態となる。弁体１０Ａのストローク量が小さい状態では、シート部１１’での圧力損失の影響が支配的となる。このため、シート部１１’における燃料速度が最も速くなるために、燃料通路５による流れの影響が小さくなり、中空円錐状噴霧が噴射される。また、ストロークが大きく燃料通路５の絞りの影響が大きい場合には、燃料は燃料通路による流れの効果を保ってシート部１１’を通過し、円環隙間部２２から径方向に拡がりを持つ噴霧が噴射させられる。

本例のような構造とすることで、円錐面１５ａの角度が弁体面１６ｃに向かっているため燃料には弁体面１６ｃに押し付けられる力が作用する。そのため、噴射された燃料は、燃料噴射弁中心側に安定して噴射される。

以上説明したように、本実施形態によれば、成層燃焼と均質燃焼の双方に適する噴霧を形成でき、ＤＩエンジンの低燃費化と高出力化を両立できる。

次に、図１４〜図１６を用いて、本発明の第２の実施形態による燃料噴射弁の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による燃料噴射弁を用いた燃料噴射装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成は、図２に示したものとほぼ同様である。
図１４は、本発明の第２の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成を示す拡大断面図である。図１４は、図２のＡ−Ａ断面図である。図１５及び図１６は、本発明の第２の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。なお、図１４〜図１６において、図１〜図８と同一符号は、同一部分を示している。

図３に示した例では、燃料噴射弁の６本の燃料通路５ａ〜５ｆは、円周上に均等に配列されていた。それに対して、図１４に示す例では、ノズル２Ｂに形成される燃料噴射弁の燃料通路は、燃料通路５ａ，５ｂ，５ｆの３本のみとして、円周上の一部に偏って配列されている。なお、弁体１０の構成は、図２や図５に示したものと同様である。

次に、図１５及び図１６を用いて、本実施形態における燃料の流れおよびそれにより生成される可変噴霧のメカニズムについて説明する。

図１５は弁体１０のストロークが小さいときの燃料の流れ及び噴霧形状の断面と、図１４に示した燃料通路５ａ，５ｂ，５ｆとの位置関係を示している。

弁体１０のストローク量が小さい（シート部１１からのリフト量が小さい）場合には、シート部１１での流路絞りの影響が大きくなり、シート部での流速が速くなるため、複数の燃料通路５ａ，５ｂ，５ｆを流れてきた燃料は、複数の燃料通路５ａ，５ｂ，５ｆの影響を受けにくくなり、シート噴射直前の流れ２４ａとして周方向に均一な流れを形成し、噴霧２５ａとして中空円錐状に噴射される。

図１６は、弁体１０のストロークが大きいときの燃料流れ及び噴霧形状の断面と、図６に示した燃料通路５ａ，５ｂ，５ｆとの位置関係を示している。

弁体１０のストロークが大きい場合には、シート部１１での絞りの影響は小さくなり、燃料通路５ａ，５ｂ，５ｆの絞り効果が大きくなる。そのため、燃料通路５ａと５ｂを例に説明すると、燃料通路５ａと５ｂを流れてきた燃料は、弁体面１６に到達すると燃料通路の外側に向かう流れを形成する。このため、燃料通路５ａと５ｂが向かい合う箇所の流れは衝突して噴射直前の流れ２４ｂとなり、周方向に対して垂直な液膜を形成し噴霧２５ｂとして噴射される。燃料通路５ａと５ｂを流れてきた燃料のうち、向かい合う燃料通路が無いものは、噴射前燃料２４ｃとなりシート部へ向かって流れ、噴霧２５ｃとして、中空円錐状に噴射される。この場合、燃料通路は３本であるため、径方向の噴霧２５ｂは、２本となる。

このとき、径方向の２本の噴霧２５ｂが、内燃機関の２つの排気弁ＶEX1，ＶEX2の下方の位置を指向するように、燃料噴射弁の設置方向を決める。なお、点火プラグＰIGNの図示は、別の例のものであり、この点については後述する。
一般に、燃焼室内のうち、排気弁の下方の位置には、高温領域が形成されやすく、ノッキングが発生しやすいゾーンとなっている。そこで、このようなノッキングゾーンに対して、貫通力の高い２本の噴霧２５ｂにより燃料を噴射することで、ノッキングゾーンの温度を低下させることができる。その結果、ノッキングの発生を防止できるため、従来よりも、圧縮比を高くしてもノッキングの発生しにくい内燃機関を構成することができる。圧縮比を高くすることで、燃費を向上することができる。

また、以上の説明は、燃料噴射弁を燃焼室の真上に配置する直上噴射タイプの例についてであるが、燃料噴射弁を燃焼室の側方に配置するサイド噴射タイプのＤＩエンジンに、図８の噴霧形状を適用することができる。この場合には、一点鎖線で示す点火プラグＰIGNの位置に対して、２本の燃料噴霧２５ｂをその両側でかつ下方を指向するように、燃料噴射弁の設置方向を決める。直上噴射に比べて、サイド噴射の場合には、燃料噴射弁から点火プラグまでの位置が遠くなる。このような場合、貫通力の高い噴霧２５ｂを用いることで、点火プラグの近傍に燃料噴霧を形成することができる。なお、点火プラグの方向に噴霧２５ｂを指向すると、点火プラグが燃料噴霧によって濡れ、ミス着火の恐れがあるため、２本の噴霧２５ｂは、点火プラグの両側を指向するようにしている。

本実施形態のように、複数の燃料通路５の配置を不均等にすることにより、シート１１部上流での流れを変えることが可能となり、所望の噴霧形状を得ることができる。

なお、配置した燃料噴射孔は３本の例を示したが、燃料通路の数はこれに限られるものではない。また、燃料通路の径は全て同じ径としているが、それに限られているものではない。燃料通路の径を変えることによって、弁体面１６およびシート部１１に流れ込む燃料量が変化することで噴霧形状を変えることが可能である。また、本例において、複数の燃料通路５は円筒状の孔としているが、これに限られたものではない。燃料通路５の形状及び数あるいは配置がストロークの変化に伴ってシート部１１との間で燃料絞りの影響度を変化させる形状であれば、本発明での作用効果が損なわれるものではない。

なお、本実施例において、弁体１０の弁体面１６は２つの円錐面を有する構造としたが、球面であっても良い。これにより、ノズル体２に対して弁体１０が偏芯してしまった場合にも、弁体がノズルに対して調芯する作用が起きるため燃料のシール性を向上できる。

次に、図１７〜図２０を用いて、本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による燃料噴射弁を用いた燃料噴射装置の構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成は、図２に示したものと同様である。
図１７は、本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。図１８は、本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。図１９は、本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。図２０は、本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁における、内燃機関の運転状態と燃料噴射弁の駆動状態の説明図である。なお、図１７〜図２０において、図１〜図１６と同一符号は、同一部分を示している。

図１７は、本実施形態に係る燃料噴射弁１を内燃機関１０１に取付け、燃料噴射弁のストローク量が小さい状態での噴霧を形成している様子を示している。各部の構成は、図９に示したものと同様である。

図１８は、図１７に示した例における燃料噴霧２５ｄの形状を示している。燃料噴霧２５ｄは、径方向に分散した噴霧としているが、貫通力は、図８に示したものより、小さくなっている。径方向の噴霧は、点火プラグ１０６の方向ではなく、その両側の方向となっている。

図１９は、燃料噴射弁１のストローク量が大きい状態の噴霧を形成している様子を示している。噴霧２５ｅは、中空円錐状噴霧であるが、貫通力は、図７に示したものより、大きくなっている。

次に、図２０により、内燃機関の運転状態と燃料噴射弁の駆動状態の関係について説明する。

低負荷の運転条件では、燃料噴射弁１のストロークを大きくして、径方向に分散する噴霧２５ｄを形成させる。また、図１８に示すように、噴霧２５ｄが点火プラグ１０６を挟み込むように燃料噴射弁１を取り付ける。燃料噴射量は、燃料ポンプから供給される圧力を低くすることで、必要な燃料噴射量に制御する。例えば、低負荷時には燃料圧力を３〜８ＭＰａに設定する。

高負荷の運転条件では、燃料噴射弁１のストロークを小さくして燃料噴射量を確保するために燃料圧力を上げて使用すると良い。中空円錐状の噴霧２５ｅを高圧で噴射することで、径方向の噴霧の拡がりを抑え、燃焼室の壁面への付着を抑制することができる。例えば、高負荷時には燃料圧力を１２〜２０ＭＰａに設定する。

以上の様にすることで、低負荷時には、点火プラグ１０６の近傍に安定して噴霧２４ｄを滞留させることが可能となり、成層燃焼を行った場合にも燃焼を安定させることができる。一方、高負荷時には、供給燃料の高圧化により、通常より微粒化した噴霧２５ｅが形成されるので燃焼室１０５内における噴霧の分散性が良くなり、高出力化を促進することが可能となる。

また、燃料の噴射は、複数回に分けて噴射すると良い。そのようにすることで、１回辺りの噴射量が減少して噴霧の貫徹力を小さくできるため、形成された噴霧２４ｄが点火プラグ１０６に滞留し易くなり、更に燃焼の安定性を向上することが可能となる。

本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を用いた燃料噴射装置の構成を示すシステムブロック図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成を示す拡大断面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の下方斜視図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端の拡大断面図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における弁体ストロークと燃料の流路の断面積の関係の説明図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁における、内燃機関の運転状態と燃料噴射弁の駆動状態の説明図である。本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁の他の構成におけるノズル先端部の構成を示す拡大断面図である。図２のＣ部拡大図である。本発明の第２の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部の構成を示す拡大断面図である。本発明の第２の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。本発明の第２の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁における燃料噴霧形状の説明図である。本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁を搭載した内燃機関の断面図である。本発明の第３の実施形態による燃料噴射弁における、内燃機関の運転状態と燃料噴射弁の駆動状態の説明図である。

符号の説明

１…燃料噴射弁
２…ノズル
４…燃料溜り室
５…燃料通路
１０…弁体
１１…シート部
２２…円環隙間部
１５…弁座面
１６…弁体面
１７…チャック部
１０１…内燃機関
１０３…吸気弁
１０４…排気弁
１０５…燃焼室
１０６…点火プラグ
１０７…ピストン

Claims

内部に複数の燃料通路を有するノズルと、
該ノズルの内部にて、上下に動作可能であるとともに、前記ノズルの円錐状の弁座面と対向する円錐状の弁体面を有し、該弁体面が前記弁座面と当接して燃料をシールするシート部を形成する弁体とを有し、
前記燃料通路は、前記シート部の上流に開口部があり、
前記弁体の動作によって前記シート部と前記ノズルの弁座面との間に円環状の隙間を形成することで、前記円環状の隙間部から燃料が噴射される外開き式の燃料噴射弁であって、
前記弁体が前記弁座面から離れた状態における前記シート部と前記ノズルの弁座面の距離が、可変であり、
前記弁体の円錐面は、前記弁座面より傾斜が急な第１の円錐面と前記弁座面より傾斜が緩い第２の円錐面とからなり、
前記燃料通路は、前記弁座面と同一面に出口部を形成し、前記第２の円錐面と対向し、
前記燃料通路の断面積が、前記シート部と前記ノズルの弁座面との間の円環状の隙間の断面積よりも大きくなる状態と、前記燃料通路の断面積が、前記シート部と前記ノズルの弁座面との間の円環状の隙間の断面積よりも小さくなる状態を取り、どちらの状態においても燃料が常に前記燃料通路を通過することを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１記載の燃料噴射弁において、
前記複数の燃料通路の出口部から前記シート部に到る燃料通路の断面積が、下流に向かうに従って減少するか、または、下流に向かうに従って同一の断面積となる領域によって構成されることを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１記載の燃料噴射弁において、
前記複数の燃料通路は、前記弁体の周囲の円周上に均等に配列されていることを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１記載の燃料噴射弁において、
前記複数の燃料通路は、前記弁体の周囲の円周上の一部に偏って配列されていることを特徴とする燃料噴射弁。