JP5691336B2

JP5691336B2 - 内燃機関の燃料噴射弁

Info

Publication number: JP5691336B2
Application number: JP2010209351A
Authority: JP
Inventors: 芹澤　義久; 義久芹澤; 宮崎　昭二; 昭二宮崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: JP2012062858A

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関する。

内燃機関の燃料噴射弁の噴孔回りにデポジットが堆積すると、燃料噴射率を大きく低下させて意図する燃料噴射を実現することができなくなる。従って、燃料噴射弁の噴孔近傍の温度をデポジットが生成され難いように燃料の９０％蒸留温度以下に維持することが提案されており（特許文献１参照）、また、燃料噴射弁の噴孔近傍の温度をデポジットの燃焼温度へ高めて堆積デポジットを焼失させることも提案されている（特許文献２参照）。

特開平１０−０８９１９２特開２００８−１６７９３５

燃料噴射弁の噴孔近傍の温度を燃料の９０％蒸留温度以下に維持してもデポジット生成を完全に防止することはできない。また、燃料噴射弁の噴孔近傍をデポジットの燃焼温度まで高めるためには、燃料噴射弁を耐熱性の高い高価な材料から形成しなければならなくなる。

従って、本発明の目的は、燃料噴射弁の噴孔近傍の温度をデポジットの燃焼温度まで高めることなく燃料噴射弁の噴孔近傍に堆積するデポジットを除去可能とする内燃機関の燃料噴射弁を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁は、噴孔近傍を加熱する加熱装置を具備し、機関停止中に前記加熱装置によって前記噴孔近傍の温度を機関運転中より高くデポジットの燃焼温度より低い第一設定温度に高めることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射弁は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記第一設定温度は１６０°Ｃから２４０°Ｃの間の温度であることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射弁は、請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、前記加熱装置は、機関停止後に前記噴孔近傍の温度が第二設定温度まで低下した後に前記噴孔近傍の温度を前記第一設定温度へ高めることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射弁は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、前記噴孔近傍の温度を前記第一設定温度に３０分以上維持することを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射弁は、請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、前記噴孔近傍の温度を前記第一設定温度に３０分以上維持した後に設定時間が経過するまで燃料噴射を開始しないことを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁によれば、噴孔近傍を加熱する加熱装置を具備し、燃料噴射が停止されて新たなデポジットが堆積することのない機関停止中に加熱装置によって噴孔近傍の温度を機関運転中より高くデポジットの燃焼温度より低い第一設定温度に高めるようになっている。こうして、機関運転中に噴孔近傍に安定的に堆積したデポジットが機関運転中より高い第一設定温度へ高められると、酸化反応が起こって部分的に炭化するために、内部応力が発生し、噴孔部材との間の密着性が低下する。それにより、噴孔近傍に堆積するデポジットは容易に脱落し、燃料噴射弁の噴孔近傍の温度をデポジットの燃焼温度まで高めることなく噴孔近傍に堆積するデポジットを除去することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射弁によれば、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記第一設定温度は１６０°Ｃから２４０°Ｃの間の温度であり、機関運転中に噴孔近傍に安定的に堆積したデポジットは、機関運転中より高くデポジットの燃焼温度よりかなり低いこのような第一設定温度へ高められると、酸化反応が起こって部分的に炭化するために、内部応力が発生し、確実に噴孔部材との間の密着性を低下させることができる。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射弁によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、加熱装置は、機関停止後に噴孔近傍の温度が第二設定温度まで低下した後に噴孔近傍の温度を第一設定温度へ高めるようになっている。それにより、噴孔近傍に堆積するデポジットは、酸化及び炭化により内部応力が発生するだけでなく、第二設定温度から第一設定温度への比較的大きな温度差による熱膨張によっても内部応力が発生するために、噴孔部材との間の密着性をさらに低下させることができる。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射弁によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、噴孔近傍の温度を第一設定温度に３０分以上維持するようになっている。それにより、噴孔近傍に堆積するデポジットは、酸化が促進されて内部応力が発生し、噴孔部材との間の密着性を確実に低下させることができる。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射弁は、請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射弁において、噴孔近傍の温度を第一設定温度に３０分以上維持した後に設定時間が経過するまで燃料噴射を開始しないようになっており、それにより、デポジットは設定時間で第一設定温度から温度低下して熱収縮により内部応力が発生するために、噴孔部材との間の密着性をさらに低下させることができ、燃料噴射が開始されると噴射燃料により噴孔近傍に堆積するデポジットをさらに確実に脱落させることができる。

本発明による燃料噴射弁が取り付けられた筒内噴射式火花点火式の内燃機関の概略断面図である。本発明による燃料噴射弁の噴孔近傍の拡大断面図である。本発明による燃料噴射弁の噴孔近傍からのデポジットの除去を説明する図である。本発明による燃料噴射弁の噴孔内からのデポジットの除去を説明する図である。

図１は、本発明による燃料噴射弁が取り付けられた筒内噴射式火花点火内燃機関の概略断面図である。同図において、１は一対の吸気弁であり、２は一対の吸気弁を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートである。一方、３は一対の排気弁であり、４は一対の排気弁を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。

５は気筒内へ直接的に燃料Ｆを噴射する燃料噴射弁であり、気筒上部周囲の吸気ポート２側に配置されている。６は点火時期において気筒内の混合気を着火させる点火プラグであり、気筒上部略中心に配置されている。均質燃焼を実施する際には、燃料噴射弁５は、吸気行程において燃料を噴射して点火時期において気筒内に均質混合気を形成する。一方、成層燃焼を実施する場合には、燃料噴射弁５は圧縮行程後半において燃料を噴射して点火時期において点火プラグ近傍に成層混合気を形成する。

このような筒内噴射式火花点火内燃機関に取り付けられた燃料噴射弁５において、噴孔近傍に噴射燃料の一部が付着すると、比較的高温の筒内温度によって軽質分が揮発することにより粘性の高い重質分が残留してデポジットとなり、このようなデポジットは新たな燃料が付着すると同様に重質分が残留して堆積するために成長し、また、気筒内の燃焼に際して生成される煤等の生成物が付着することによっても成長する。

燃料噴射弁の噴孔近傍に堆積するデポジットが大きく成長すると、噴孔を狭めて燃料噴射率を大きく低下させて意図する燃料噴射を実現することができなくなる。従って、燃料噴射弁の噴孔近傍に堆積するデポジットを確実に除去することが必要とされる。

本実施形態の燃料噴射弁５は、図２に示すように、高圧燃料通路５１と、高圧燃料通路５１内に配置された弁体５２と、噴孔５４に連通する燃料溜５３とを具備している。弁体５２を開弁することにより高圧燃料通路５１と燃料溜５３とを連通させ燃料溜５３を介して高圧燃料通路５１内の高圧燃料を噴孔５４から噴射する。また、弁体５２を閉弁することにより高圧燃料通路５１と燃料溜５３との間の連通を遮断して燃料噴射を停止させる。本実施形態の燃料噴射弁５には、噴孔５４近傍を加熱するための加熱装置５５が設けられている。加熱装置５５は、例えば、通電により発熱する電気ヒータとすることができる。また、５６は噴孔５４近傍の温度を検出するための温度センサである。

図３（Ａ）は、燃料噴射弁５の噴孔５４近傍にデポジットＤが堆積して比較的大きく成長した場合を示しており、デポジットＤにより噴孔５４が狭められている。本燃料噴射弁５においては、燃料噴射が停止されて新たなデポジットが堆積することのない機関停止中に加熱装置５５によって噴孔５４近傍の温度を機関運転中より高くデポジットの燃焼温度（４００°Ｃ以上）より低い第一設定温度に高めるようにしている。噴孔５４近傍の温度が第一設定温度となっているか否かは温度センサ５６により確認することができる。

燃料噴射弁５の噴孔５４近傍の温度は、燃料噴射弁５が気筒内でも比較的低温度の吸気ポート側に配置されているために、機関運転中において燃焼ガスに晒されていても約１５０°Ｃまでしか高くならない。このような温度において成長したデポジットＤを１６０°Ｃ以上に加熱すると、燃料噴射が停止された機関停止中であるために、噴孔５４近傍においては新たな燃料の付着及び燃焼生成物等の付着はないために、デポジットが成長することはなく、さらに酸化されて炭化が進行するために内部応力が発生し、図３（Ｂ）に示すように、亀裂が発生して燃料噴射弁５の噴孔が形成された先端部材との間の密着性が低下する。それにより、車両の振動等によってデポジットＤは脱落して除去される。また、機関運転が開始されると、図３（Ｃ）に示すように、噴射燃料Ｆにより噴孔近傍に堆積するデポジットＤは容易に砕かれて脱落する。こうして、燃料噴射弁５の噴孔５４近傍に堆積するデポジットＤを確実に除去することができる。

図４（Ａ）は、燃料噴射弁５の噴孔５４内にデポジットＤが堆積して比較的大きく成長した場合を示しており、デポジットＤにより噴孔５４が狭められている。このような場合においても、燃料噴射が停止されて新たなデポジットが堆積することのない機関停止中に加熱装置５５によって噴孔５４近傍の温度を機関運転中より高くデポジットの燃焼温度（４００°Ｃ以上）より低い第一設定温度に高めるようにすれば、燃料噴射が停止された機関停止中であるために、噴孔５４内においては新たな燃料の付着及び燃焼生成物等の付着はないために、デポジットが成長することはなく、さらに酸化されて炭化が進行するために内部応力が発生し、図４（Ｂ）に示すように、亀裂が発生して燃料噴射弁５の噴孔が形成された先端部材との間の密着性が低下する。それにより、車両の振動等によってデポジットＤは脱落して除去される。また、機関運転が開始されると、図４（Ｃ）に示すように、噴射燃料Ｆにより噴孔近傍に堆積するデポジットＤは容易に砕かれて脱落する。こうして、燃料噴射弁５の噴孔５４内に堆積するデポジットＤを確実に除去することができる。

デポジットＤを除去するために機関停止中に昇温させる燃料噴射弁５の噴孔近傍は、デポジットＤの燃焼温度（４００°Ｃ以上）まで高められないために、燃料噴射弁５を構成する材料は、耐熱性に優れた高価な材料とする必要はない。デポジットＤを除去するための燃料噴射弁５の噴孔近傍の第一設定温度は、例えば、１６０°Ｃから２４０°Ｃまでの範囲内とすることが好ましい。

また、機関停止してから噴孔近傍の温度が第二設定温度（例えば、８０°Ｃ以下）まで低下した後に噴孔近傍の温度を第一設定温度へ高めることが好ましい。こうすることにより、噴孔近傍（噴孔内も含む）に堆積するデポジットは、第一設定温度（１６０°Ｃから２４０°Ｃ）への昇温によって炭化により内部応力が発生するだけでなく、第二設定温度から第一設定温度への比較的大きな温度差による熱膨張によっても内部応力が発生するために、噴孔部材との間の密着性をさらに低下させることができる。

また、機関停止中に噴孔近傍の温度を第一設定温度に３０分以上のような長時間維持することが好ましい。それにより、噴孔近傍に堆積するデポジットは、確実に炭化して内部応力が発生し、噴孔部材との間の密着性を確実に低下させることができる。

また、噴孔近傍の温度を第一設定温度に３０分以上維持した後に設定時間（例えば４時間）が経過するまで燃料噴射を開始しないことが好ましい。それにより、設定時間の間は機関始動が許可されないこととなるが、デポジットは設定時間で第一設定温度から温度低下して熱収縮により内部応力が発生するために、噴孔部材との間の密着性をさらに低下させることができ、機関始動のために燃料噴射が開始されると噴射燃料により噴孔近傍に堆積するデポジットをさらに確実に脱落させることができる。

本実施形態は、筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射弁として説明したが、ディーゼルエンジンの燃料噴射弁も気筒内へ直接的に燃料を噴射するものであり、同様にデポジットを除去することができる。また、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁においても、機関運転中に噴孔近傍に安定的に堆積したデポジットが機関停止中に機関運転中より高くデポジットの燃焼温度より低い設定温度へ高められると、酸化反応が起こって部分的に炭化するために、内部応力が発生して噴孔部材との間の密着性が低下し、噴孔近傍に堆積するデポジットを容易に脱落させることができる。

５燃料噴射弁
５４噴孔
５５加熱装置

Claims

噴孔近傍を加熱する加熱装置を具備し、機関運転中に噴孔近傍に堆積したデポジットを部分的に炭化させるために機関停止中に前記加熱装置によって前記噴孔近傍の温度を機関運転中より高くデポジットの燃焼温度より低い第一設定温度に高めることを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、前記第一設定温度は１６０°Ｃから２４０°Ｃの間の温度であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
前記加熱装置は、機関停止後に前記噴孔近傍の温度が第二設定温度まで低下した後に前記噴孔近傍の温度を前記第一設定温度へ高めることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
前記噴孔近傍の温度を前記第一設定温度に３０分以上維持することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
前記噴孔近傍の温度を前記第一設定温度に３０分以上維持した後に設定時間が経過するまで燃料噴射を開始しないことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射弁。