JP6186979B2

JP6186979B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP6186979B2
Application number: JP2013152516A
Authority: JP
Inventors: 裕志藤川; 浩康内田; 典朗水戸部
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: JP2015021470A

Description

本発明は、自動車用等のエンジン、特にロータリエンジンにおいて作動室内に水素ガス等の気体燃料を直接噴射する直噴式の燃料噴射弁の技術分野に属する。

従来、自動車等に水素ロータリエンジンを用いる技術が開発され或いは実用化されている。

ここで、一般にロータリエンジンは、ロータとロータハウジングの間に形成される作動室の気密を保つためのアペックスシールの潤滑と気密性確保のため、メタリングオイルを作動室に供給する必要がある。

もっとも、直噴式の燃料噴射弁を採用するロータリエンジンの場合、高圧縮状態の作動室（燃焼室）内に燃料噴射弁から燃料を直接噴射するため、該作動室内から燃料噴射弁内、特にプランジャと該プランジャが摺動自在に嵌合されたハウジングとの嵌合隙間にメタリングオイルが侵入してしまうことがあった。このメタリングオイルは一般に低温時に粘度が高くなるため、エンジン温度が低いときにプランジャの摺動抵抗が大きくなり、エンジンコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」という）から噴射信号を受けてから実際に燃料噴射弁が開弁するまでの作動遅れ時間（以下、「無効噴射時間」という。）が増大し、エンジンの応答性、特に冷間始動時や寒冷地での始動性が悪化し、具体的にはエンジンがかかりにくい、かかっても失火しやすい状態となる。

また、ロータリエンジンに限らず、一般に直噴式燃料噴射弁を採用するエンジンにおいては、燃焼室（作動室）内でのオイルの燃焼により発生するカーボン粒子（煤）が、燃焼ガスに含まれた状態で燃料噴射弁内に侵入し、燃料噴射弁の応答性を低下させる原因となる。

例えば、特許文献１には、直噴式燃料噴射弁において、プランジャの周囲にダイヤモンドライクカーボンからなる高硬度被膜を形成する技術が開示されている。

しかし、特許文献１に記載された上述の技術では、プランジャとハウジング間の摩擦抵抗は低減できるが、高硬度被膜と金属面との嵌合面間には寸法精度に起因する隙間や両面の微妙な凹凸による空隙を完全になくすることはできないため、この隙間にメタリングオイルやカーボン粒子が侵入するのを完全には阻止できない。

特開２００３−２０６８２０号公報

そこで、本発明は、プランジャとハウジングとの嵌合隙間へのメタリングオイルやカーボン等の侵入による直噴式燃料噴射弁の応答性の低下を抑制することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る燃料噴射弁は、次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に係る発明は、
ロータハウジング、サイドハウジング及びロータにより形成される作動室と、前記ロータと前記ロータハウジングとの間に介在するアペックスシールと、該アペックスシールの潤滑のためのメタリングオイルを前記作動室に供給するメタリングオイル供給手段とを備えたロータリエンジンにおいて、気体燃料を前記作動室に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁であって、
プランジャと、該プランジャが摺動自在に嵌合され、先端に噴孔が設けられたハウジングと、前記噴孔を閉じるように前記プランジャを付勢するスプリングと、磁力により前記スプリングの付勢力に抗して前記噴孔を開弁させ、前記ハウジング内に供給されている前記気体燃料を前記噴孔から噴射させるソレノイドとを備え、
前記ハウジングの内周面と前記プランジャの外周面との間の円筒形嵌合隙間に液体が充填されており、
前記嵌合隙間の軸方向両端部に高圧気体を供給して前記嵌合隙間に前記液体を封止する高圧気体供給手段を有すると共に、
前記液体は、前記メタリングオイルに比べて、０℃以下での動粘度、及び、−２０℃〜２０℃での粘度変化率が小さいシリコーンオイルであることを特徴とする。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、
前記シリコーンオイルは、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイルのうちのいずれか一つであることを特徴とする。

また、本願の請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、
前記高圧気体は、前記燃料として供給される気体燃料である
ことを特徴とする。

以上の構成により、本願の各請求項に係る発明によれば、次の効果が得られる。

請求項１に係る発明によれば、燃料噴射弁のプランジャとハウジング間の嵌合隙間が液体で充填されており、この液体は高圧気体によって嵌合隙間に封止されているため、この液体の存在によって燃焼室内からこの嵌合隙間にメタリングオイルやカーボン粒子等が侵入するのを防止できる。したがって、燃料噴射弁の応答性の低下を抑止することができ、ひいてはエンジンの応答性の低下を防止できる。

また、請求項１に係る発明によれば、嵌合隙間に充填する液体として、温度変化に対する粘度変化率が小さなシリコーンオイルを用いることで、エンジンが始動時から暖機完了時までプランジャの摺動抵抗の変化が小さくなり、すなわち、エンジンの温度変化に応じた燃料噴射弁の無効噴射時間の変化が小さくなるため、ＥＣＵによる燃料噴射弁の燃料噴射量の制御性が向上する。
さらに、請求項２に係る発明によれば、前記シリコーンオイルとして、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイルのうちのいずれか一つが用いられる場合に、上記の効果が得られる。

請求項３に係る発明によれば、嵌合隙間に液体を封止する高圧気体として、燃料噴射弁に供給されている気体燃料を用いているため、嵌合隙間に液体を封止するための専用の高圧気体を供給する機構を別途設ける必要がなく、シンプルな機構で上述の効果を実現できる。

本発明に係る燃料噴射弁の全体構造を示す縦断面図である。図１のプランジャ周辺部の拡大断面図である。シリコーンオイルの粘度特性をメタリングオイルと比較して示す図である。本発明における無効噴射時間の温度依存性を従来技術と比較して示す図である。

以下、本発明に係る燃料噴射弁１の実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。

まず、本発明に係る燃料噴射弁１が適用されるロータリエンジン（図示しない）について説明する。当該ロータリエンジンは、燃料として水素ガスを用いる水素エンジンであり、トロコイド状内周面を有する繭状のロータハウジングとその両側に配置されたサイドハウジングとに囲まれたロータ収容室に略三角形状のロータが収容されており、ロータの外周面とロータハウジングの内周面との間に３つの作動室（燃焼室）が形成されている。

各作動室は、サイドハウジングの内側面に開口する吸気ポートが開かれたときに、その内部に吸気通路からエアを吸入した上、該エア中に水素供給源から燃料噴射弁１を介して燃料である水素ガスを噴射して混合気を形成し、この混合気をロータで圧縮した上で点火プラグで点火して燃焼させ、このときの該作動室の膨張によりロータに回転力を与え、ロータハウジングの内周面に開口する排気ポートが該作動室と連通したときに、燃焼ガスを排気通路に排出するといった吸気、圧縮、膨張（爆発）、排気の一連の工程を順次繰り返すようになっている。

この回転力によってロータは、その頂部をアペックスシールを介してロータハウジングのトロコイド状内周面に摺接させつつ偏心軸まわりで遊星回転運動を行い、この遊星回転運動に伴って偏心軸が回転することで、この偏心軸の回転力がエンジンの出力として取り出されるようになっている。

また、ロータリエンジンには、ロータハウジングとアペックスシールの潤滑と作動室の気密性確保のため、作動室内にメタリングオイルを供給するメタリングオイル供給手段が設けられており、該オイル供給手段は、オイルタンク内のメタリングオイルをオイルポンプによってオイルノズルを介して作動室内に直接供給するように構成されている。このオイルポンプはＥＣＵからの制御信号により駆動されてエンジンの状況に応じて所定の吐出量のメタリングオイルを吐出するようになっている。

水素供給源から燃料噴射弁１まで水素ガスを導く水素供給通路には、水素ガスの流量を制御する水素供給制御弁が介設されており、この水素供給制御弁は、ＥＣＵによって制御されるようになっている。また、燃料噴射弁１は、偏心軸と同期する所定のタイミングで開閉するようにＥＣＵによって制御されるようになっている。なお、水素供給源としては、常温で水素ガスを高密度で貯蔵する高圧ボンベ、水素を保冷して液体水素として貯蔵する液体水素タンク、水素を高密度で吸蔵することができる水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵器等を用いることができる。

次に、図１を参照しながら、本実施形態の燃料噴射弁１の構成について説明する。

本実施形態の燃料噴射弁１の本体は、その内周面に後述のプランジャ２０が摺動自在に嵌合される円筒状のハウジング１０と、該ハウジング１０の後端に連接された円筒状の非磁性体よりなる固定コア１２とが同心状に配設された構成を有している。ハウジング１０は、その中央を貫通する噴孔１８を備えたバルブボディ１６が前端に嵌合されて構成されている。

プランジャ２０は、有底円筒状の磁性体であり、その外周面に自己潤滑性の被膜がコーティングされ、その先端面にゴム製の着座部２４が接合され、その先端部に外周面に開口する複数の横孔２２を備えており、その後端部と固定コア１２の間に挟んで設けられたスプリング３０によって、固定コア１２から離間する方向（すなわち閉弁方向）に付勢されている。

また、上述の本体内部には、プランジャ２０の後部から固定コア１２の前部に亘ってこれらを囲むように延在するソレノイドコイル４０が収納されており、本体後端にはソレノイドコイル４０を励磁するための通電部５０が一側方に突出して樹脂で一体成形されており、ソレノイドコイル４０で発生した磁力によって、固定コア１２側に可動コアであるプランジャ２０がスプリング３０の付勢力に抗して吸引される。このとき、バルブボディ１６の噴孔１８の周囲の内壁面にある円環状の弁座１９に、同じく円環状とされたプランジャ２０の着座部２４が、プランジャ２０の移動に応じて対接、離間することにより、噴孔１８が閉弁、開弁するように構成されている。

さらに、固定コア１２の後端には、ハウジング１０内に水素ガスを供給するための燃料供給部６０が設けられており、燃料噴射弁１は、この燃料供給部６０に接続されたパイプ（図示せず）から固定コア１２内の燃料通路６２を経由して、固定コア１２の先端部とプランジャ２０の後端部との間にある空間６４まで高圧の水素ガスが圧送されると共に、プランジャ２０内の燃料通路６６と横孔２２を経由して、バルブボディ１６の内壁面とハウジング１０の内周面１０ａとプランジャ２０の先端部との間にある空間６８にも高圧の水素ガスが圧送されるように構成されている。

なお、ソレノイドコイル４０の励磁および消磁の切り替えは、燃料制御部（図示しない）によって制御される。この燃料制御部は、ＥＣＵ（図示しない）内に設けられ、エンジンの運転状態を示す各種信号を入力し、これらの信号が示す運転状態に応じて要求される噴射量となるように、燃料噴射弁１のソレノイドコイル４０にパルス状の制御電流を出力するように構成されている。

図２は、プランジャ２０周辺の拡大図と該拡大図における嵌合隙間７０の一部をさらに拡大した図を示している。図２に示すように、燃料噴射弁１は、プランジャ２０の外周面２０ａとハウジング１０の内周面１０ａの間に円筒形の嵌合隙間７０（例えば、最大隙間１０μｍ）を備え、該嵌合隙間７０は液体のシリコーンオイル８０が予め所定量充填されるように構成されている。この嵌合隙間７０の軸方向両端部は、その上下にある空間６４、６８とそれぞれ連通しており、空間６４、６８に圧送される水素ガスの圧力（例えば、０．３〜１．２ＭＰａ）によって、嵌合隙間７０に充填されているシリコーンオイル８０が上下から圧力を受けて嵌合隙間７０の内部に封止されるように構成されている。

ここで、一般にシリコーンオイルは、無色透明の液体であり、耐寒性に優れている。特にジメチルシリコーンオイルは、−４０〜−５０℃でも流動性を保つことができ、少量のフェニル基を含有するメチルフェニルシリコーンオイルは、凝固点が−７０℃以下のものもあり、これらは低温での使用に適している。また、一般にシリコーンオイルは、粘度安定性にも優れており、温度による粘度変化が鉱油系または植物系の油に比べて非常に少ない。

そして、本実施形態の燃料噴射弁１で用いられるシリコーンオイル８０も耐寒性と粘度安定性に優れた液体のシリコーンオイルであって、特に、アペックスシールの潤滑等のために用いられるメタリングオイルに比べて耐寒性と粘度安定性が共に優れたものを用いるのが望ましい。図３に示すように、シリコーンオイル８０は、−２０℃における動粘度が約１１００（ｍｍ^２／ｓ）、０℃における動粘度が約６００（ｍｍ^２／ｓ）、２０℃における動粘度が約４００（ｍｍ^２／ｓ）であり、２０℃の動粘度を基準とした−２５℃での粘度変化率が１１００／４００＝２．７５である。一方、メタリングオイルは、−２０℃における動粘度が約１４９００（ｍｍ^２／ｓ）、０℃における動粘度が約１３００（ｍｍ^２／ｓ）、２０℃における動粘度が約２５０（ｍｍ^２／ｓ）であり、２０℃の動粘度を基準とした−２５℃での粘度変化率が１４９００／２５０＝５９．６である。よって、シリコーンオイル８０は、メタリングオイルと比較すると、低温時（０℃以下）での動粘度が小さいと共に、使用温度範囲（−２０〜２０℃）での粘度変化率が小さいことがわかる。シリコーンオイル８０として、例えばジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル等を用いてもよい。

次に、本実施形態の燃料噴射弁１の作用について説明する。

まず、ソレノイドコイル４０が消磁された状態で、燃料供給部６０から水素ガスが燃料噴射弁１に供給されると、水素ガスは固定コア１２内の燃料通路６２を経由して固定コア１２の先端部とプランジャ２０の後端部との間にある空間６４まで圧送され、さらに、プランジャ２０内の燃料通路６６と横孔２２を経由して、バルブボディ１６の内壁面とハウジング１０の内周面１０ａとプランジャ２０の先端部との間にある空間６８に圧送される。このとき、空間６４、６８に圧送されている水素ガスの圧力によって嵌合隙間７０に充填されているシリコーンオイル８０が上下から圧力を受けて嵌合隙間７０の内部に封止される。

その後、ソレノイドコイル４０を励磁すると、プランジャ２０が固定コア１２側に吸引され、プランジャ２０の着座部２４とバルブボディ１６の弁座１９との間に隙間ができて、上述のように空間６８に圧送されている水素ガスがバルブボディ１６の噴孔１８から噴射される。次に、ソレノイドコイル４０を消磁すると、プランジャ２０が固定コア１２側に吸引されなくなると共に、スプリング３０によってプランジャ２０が固定コア１２から離間する方向に押圧され、プランジャ２０の着座部２４がバルブボディ１６の弁座１９に着座し、バルブボディ１６の噴孔１８からの水素ガスの噴射が止まる。この間、常に嵌合隙間７０の両端部に水素ガスによる同等の圧力がかかるため、プランジャ２０が摺動しても、嵌合隙間７０にあるシリコーンオイル８０が漏れ出すことはない。

次に、図４を参照しながら、本発明の効果について説明する。

図４は、本実施形態の燃料噴射弁１における無効噴射時間の温度依存性について従来技術と比較したグラフである。なお、該グラフの縦軸が示す無効噴射時間（ｍｓｅｃ）は、ＥＣＵから噴射信号を受けてから実際に燃料噴射弁１が開弁するまでの作動遅れ時間を測定した値であり、横軸が示す温度（℃）は、燃料噴射弁１の温度の実測値である。図４に示すように、本実施形態の燃料噴射弁１は、−１５℃での無効噴射時間が約３．４（ｍｓｅｃ）であり、２０℃での無効噴射時間が約２．５（ｍｓｅｃ）である。一方で、従来技術の燃料噴射弁は、−１５℃での無効噴射時間が約６．０（ｍｓｅｃ）であり、２０℃での無効噴射時間が約２．８（ｍｓｅｃ）である。よって、嵌合隙間７０にシリコーンオイル８０を封止した方が封止しない場合に比べて、温度変化に対する無効噴射時間の変化が小さいことがわかる。

したがって、本実施形態の燃料噴射弁１によれば、プランジャ２０とハウジング１０間の嵌合隙間７０が液体のシリコーンオイル８０で充填されており、該シリコーンオイル８０は両端部を高圧の水素ガスによって封止されているため、このシリコーンオイル８０の存在によってロータリエンジンの作動室内からこの嵌合隙間７０にメタリングオイルやカーボン粒子等が侵入するのを防止できる。したがって、燃料噴射弁１の応答性の低下を抑止することができ、ひいてはロータリエンジンの応答性の低下を防止できる。

また、嵌合隙間７０に充填する液体として、温度変化に対する粘度変化率が小さなシリコーンオイル８０を用いることで、エンジンが始動時から暖機完了時までのプランジャ２０の摺動抵抗の変化が小さくなり、すなわち、エンジンの温度変化に応じた燃料噴射弁１の無効噴射時間の変化が小さくなるため、ＥＣＵによる燃料噴射弁１の燃料噴射量の制御性が向上する。

また、嵌合隙間７０にシリコーンオイル８０を封止する高圧気体として、燃料噴射弁１に供給されている気体燃料である水素ガスを兼用しているため、嵌合隙間７０にシリコーンオイル８０を封止するための専用の高圧気体を供給する機構を別途設ける必要がなく、シンプルな機構で上述の効果を実現できる。

なお、本発明は例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、本実施形態では、燃料噴射弁１を水素ロータリエンジンに適用したが、直噴エンジンであれば適用でき、例えば直噴式のレシプロエンジンに適用してもよい。また、気体燃料も水素ガスに限るものではなく、ＣＮＧ、ＬＰＧ等の天然ガスを用いても良い。

また、本実施形態では、嵌合隙間７０に封止される液体としてシリコーンオイル８０を用いたが、メタリングオイルよりも使用温度範囲において動粘度が小さく、かつ、温度変化に対する動粘度の変化率が小さいものであればどのような種類の液体を用いても良い。

さらに、本実施形態では、気体燃料である水素ガスを用いてシリコーンオイル８０を嵌合隙間７０に封止したが、シリコーンオイル８０を嵌合隙間７０に封止する気体は気体燃料に限るものではなく、気体燃料とは別に、嵌合隙間７０にシリコーンオイル８０を封止するための専用の高圧気体を供給できるようにしても良い。

以上のように、本発明によれば、水素ガス等の気体燃料を直接噴射する直噴式燃料噴射弁を適用したエンジン、特に水素ロータリエンジンにおいて、エンジンの応答性の低下を抑制できるため、この種の自動車用等のエンジンの製造産業分野において好適に利用される。

１燃料噴射弁
１０ハウジング
１０ａハウジングの内周面
１８噴孔
２０プランジャ
２０ａプランジャの外周面
２２横孔（高圧気体供給手段）
３０スプリング
４０ソレノイドコイル（ソレノイド）
６４、６８燃料通路（高圧気体供給手段）
７０嵌合隙間
８０シリコーンオイル（液体）

Claims

ロータハウジング、サイドハウジング及びロータにより形成される作動室と、前記ロータと前記ロータハウジングとの間に介在するアペックスシールと、該アペックスシールの潤滑のためのメタリングオイルを前記作動室に供給するメタリングオイル供給手段とを備えたロータリエンジンにおいて、気体燃料を前記作動室に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁であって、
プランジャと、該プランジャが摺動自在に嵌合され、先端に噴孔が設けられたハウジングと、前記噴孔を閉じるように前記プランジャを付勢するスプリングと、磁力により前記スプリングの付勢力に抗して前記噴孔を開弁させ、前記ハウジング内に供給されている前記気体燃料を前記噴孔から噴射させるソレノイドとを備え、
前記ハウジングの内周面と前記プランジャの外周面との間の円筒形嵌合隙間に液体が充填されており、
前記嵌合隙間の軸方向両端部に高圧気体を供給して前記嵌合隙間に前記液体を封止する高圧気体供給手段を有すると共に、
前記液体は、前記メタリングオイルに比べて、０℃以下での動粘度、及び、−２０℃〜２０℃での粘度変化率が小さいシリコーンオイルであることを特徴とする燃料噴射弁。
前記シリコーンオイルは、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイルのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記高圧気体は、前記燃料として供給される気体燃料である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。