JP6660132B2 - 噴燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射装置が特許文献１、２に記載されている。特許文献１に記載された燃料噴射装置は、ノズル部で支持されて直線状に動作可能なニードルと、ニードルにプッシュロッドを介して付勢力を加える第１スプリングと、ニードルが所定距離以上動作した場合にニードルに付勢力を加える第２スプリングと、ノズル部に設けたノズル室、サブノズル及びメインノズルと、を有する。また、燃料タンクのタンク燃料を、ノズル室へ供給する燃料噴射ポンプが設けられている。燃料噴射ポンプは、電磁弁を有し、電磁弁により高圧の燃料がノズル室へ圧送される。

特許文献１に記載された燃料噴射装置は、ノズル室へ燃料が供給されていない場合は、ニードルが第１スプリングの付勢力でノズル部のシート面に押し付けられ、サブノズル及びメインノズルが共に閉じられている。これに対して、ノズル室へ燃料が供給されて、ニードルが第１スプリングの付勢力に抗して動作すると、ノズル部がシート面から離れ、サブノズルが開いて燃料が噴射される。なお、ノズル室へ供給される燃料の圧力が低圧である場合は、ニードルの動作量が所定距離以下であり、メインノズルは閉じられている。

さらに、電磁弁の制御により、ノズル室へ供給される燃料の圧力が上昇して、ニードルが所定気距離以上動作すると、ニードルは、第１スプリング及び第２スプリングの付勢力に抗して動作し、サブノズルに加えてメインノズルも開かれる。

特許文献２に記載された燃料噴射装置は、低圧通路及び高圧通路を備えた本体と、本体内に配置されたピストン、内側ニードル弁、外側ニードル弁及び閉鎖部材と、本体の先端側に形成された第１噴射孔及び第２噴射孔と、本体内に形成された制御室と、制御室に配置されてピストンを付勢する第１圧縮バネと、閉鎖部材と内側ニードル弁との間に配置された第２圧縮バネと、を備えている。

特許文献２に記載された燃料噴射弁は、制御室に供給される高圧燃料の圧力が高い場合は、ピストン、内側ニードル弁及び外側ニードル弁が、第１圧縮バネ及び第２圧縮バネの力で付勢され、第１噴射孔及び第２噴射孔は閉じられている。

制御室に供給される高圧燃料の圧力が低下すると、ピストン及び外側ニードル弁に加わる付勢力が低下する。また、高圧通路に供給される燃料の圧力が上昇し、その圧力で外側ニードル弁が第１圧縮バネの力に抗して動作し、第２噴射孔が開く。このため、高圧通路の燃料が第２噴射孔から噴射される。

さらに、高圧通路に供給される燃料の圧力が上昇して、外側ニードル弁の移動量が所定量を超えると、外側ニードル弁の肩部が、内側ニードル弁の肩部に係合し、内側ニードル弁が第２圧縮バネの力に抗して移動し、第１噴射孔が開く。このため、高圧通路の燃料が、第１噴射孔及び第２噴射孔から噴射される。

特開２００２−１８８５４１号公報 特開２００２−３２２９６９号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されている燃料噴射装置は、燃料の圧力を利用して弁体を動作させ、燃料噴射量を２段階に制御している。このため、弁体の動作切り替えが燃料の圧力に依存することとなり、制御の精度が低下する問題があった。

本発明の目的は、弁体の動作を複数段階に切り替える場合に、制御精度を向上することの可能な燃料噴射装置を提供することにある。

本発明は、燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射装置であって、前記燃料を噴射するノズルと、前記ノズルを開閉する弁体を含む動作部材と、前記動作部材を前記ノズルの中心線方向に動作させる動作機構と、前記動作部材に接触して前記動作部材の動作を停止させるストッパと、前記動作部材と前記ストッパとを前記中心線を中心として相対回転させることにより、前記動作部材が前記ストッパに接触して停止する位置を、前記中心線方向で互いに異なる位置である第１停止位置と第２停止位置とに切り替える切替機構と、を有し、前記ストッパは、前記中心線方向に突出した第１凸部を有し、前記動作部材は、前記中心線方向に突出し、かつ、前記第１凸部に接触する第２凸部を有し、前記動作部材は、前記中心線を中心とする回転方向で前記第１凸部と前記第２凸部とが同じ位置にあると、前記第１停止位置で停止し、前記動作部材は、前記中心線を中心とする回転方向で前記第１凸部と前記第２凸部とが異なる位置にあると、前記第２停止位置で停止する。

本発明における前記ノズルは、燃料を噴射する第１噴射口及び第２噴射口を有し、前記弁体は、前記動作部材が前記第１停止位置で停止すると前記第１噴射口を開き、かつ、前記第２噴射口を閉じ、前記動作部材が前記第２停止位置で停止すると前記第１噴射口及び前記第２噴射口を開く。

本発明における前記切替機構は、前記動作部材を前記ストッパに対して回転させる力を発生する油圧室と、前記油圧室の圧力を制御する油圧制御部と、を有する。

本発明は、前記燃焼室における燃焼状態を均質燃焼と成層燃焼とで互いに切り替えるコントローラが設けられ、前記動作部材は、前記燃焼室における燃焼状態を均質燃焼とする場合に前記第１停止位置に停止し、前記動作部材は、前記燃焼室における燃焼状態を成層燃焼とする場合に前記第２停止位置に停止する。

本発明は、弁体を含む動作部材とストッパとの相対位置を変更することにより、弁体がノズルの中心線方向で停止する位置を切替えることができるため、弁体の動作を複数段階に切り替える場合の制御精度を向上することができる。

本発明の燃料噴射装置を備えたエンジンの模式図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の燃料噴射装置による燃料の噴射状態を示す断面図である。 （Ａ）は、本発明の燃料噴射装置を示す断面図、（Ｂ）は、本発明の燃料噴射装置の要部を示す断面図である。 本発明の燃料噴射装置に用いるノズルの底面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の燃料噴射装置に用いる切替機構の模式的な断面図である。 本発明の燃料噴射装置に用いるコア及びステータの展開図である。 （Ａ）は、本発明の燃料噴射装置を示す断面図、（Ｂ）は、本発明の燃料噴射装置の要部を示す断面図である。 （Ａ）は、本発明の燃料噴射装置を示す断面図、（Ｂ）は、本発明の燃料噴射装置の要部を示す断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の燃料噴射装置に用いるノズルの構造例を示す断面図である。 図９に示すノズルの底面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の燃料噴射装置による燃料の噴射状態を示す断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の燃料噴射装置に用いるノズル及びニードルの構造例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すエンジン１０は、車両の駆動力源として搭載されている。エンジン１０に吸気装置１１、排気装置１２及び燃料供給装置１３が設けられている。エンジン１０は、ガソリンエンジンであるものとする。燃料供給装置１３は、ガソリンを貯留する燃料タンク１３Ａ、ポンプ１３Ｂ及び燃料供給管１３Ｃ等を有する。吸気装置１１は、エアクリーナ、スロットルバルブ、インテークマニホルド等を有する。排気装置１２は、触媒コンバータ、排気管等を有する。

エンジン１０は、図２に示すシリンダ１４を備え、シリンダ１４内にピストン１５が往復動作可能に収容されて、シリンダ１４内に燃焼室１６が形成されている。また、シリンダ１４に吸気ポート１７及び排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７は、燃焼室１６及びインテークマニホルドに接続されている。さらに、吸気ポート１７を開閉する吸気弁が設けられている。排気ポート１８は、燃焼室１６及び触媒コンバータにつながっている。さらに、排気ポート１８を開閉する排気弁が設けられている。

シリンダ１４に点火プラグ１９が設けられている。また、シリンダ１４に燃料噴射装置２０が設けられており、点火プラグ１９及び燃料噴射装置２０を制御するコントローラ５５が、エンジンルーム内に設けられている。燃料噴射装置２０は、シリンダ１４内面で燃焼室１６を形成する箇所に取り付けられている。例えば、燃焼室１６の平面視で略中央に燃料噴射装置２０が配置されている。燃料噴射装置２０は、図３（Ａ）のように、筒形状のケーシング２１と、ケーシング２１に対して環状のホルダ２２を介して取り付けたノズル２３と、ケーシング２１、ホルダ２２及びノズル２３内に亘って配置した弁体としてのニードル２４と、を有する。ニードル２４は中心線Ａ１方向に直線状に往復動作可能である。
ノズル２３は、図３（Ｂ）のように、大径部２５と、大径部２５に傾斜部２６を介して連続する小径部２７と、小径部２７において傾斜部２６とは反対側に設けた傾斜部２８と、を有する。大径部２５及び小径部２７は筒形状であり、大径部２５の内径は、小径部２７の内径よりも大きい。

傾斜部２６を貫通する第１噴射口２９が複数設けられ、傾斜部２８は円錐形状に傾斜しており、傾斜部２８を貫通する第２噴射口３０が複数設けられている。図４のように、複数の第１噴射口２９は、中心線Ａ１の周りで互いに同一円周上に配置され、複数の第２噴射口３０は、互いに同一円周上に配置されている。複数の第１噴射口２９及び複数の第２噴射口３０は、共にノズル２３の内外をつないでいる。

ニードル２４は、大径部３１及び小径部３２を有し、大径部３１及び小径部３２は同心状に配置されている。大径部３１の外径は、大径部２５の内径よりも小さく、かつ、小径部２７の内径よりも大きい。小径部３２は小径部２７の内径よりも小さい。大径部３１の外周面と、ノズル２３の内周面との間に、通路２３Ａが形成されている。燃料タンク１３Ａの燃料は、ポンプ１３Ｂにより吸入及び吐出され、ポンプ１３Ｂから吐出された燃料は、燃料供給管１３Ｃを通り通路２３Ａに供給される。

大径部３１であって小径部３２に最も近い箇所に形成された環状のシール部３１Ａの直径は、傾斜部２６の内面２６Ａにおける複数の第１噴射口２９の外接円の直径よりも大きい。シール部３１Ａは、ニードル２４に形成されたエッジである。ニードル２４は、小径部３２の外周面が小径部２７の外周面に接触した状態で、中心線Ａ１方向に移動可能である。中心線Ａ１は、図２でピストン１５が動作する場合の中心線と共通である。

図３（Ａ）のように、ケーシング２１の内周にソレノイド３３が取り付けられている。ソレノイド３３は、非磁性材のコアに電磁コイルを巻いたものである。コントローラ５５は、ソレノイド３３に印加する電圧を制御する。また、ケーシング２１内に環状のステータ３４が設けられている。ステータ３４は磁性材であり、ケーシング２１に対して中心線Ａ１方向に移動しないように固定されている。ステータ３４内にストッパ３５が固定されている。ストッパ３５は環状であり、ストッパ３５内にニードル２４の一部が配置されている。

ニードル２４の外周面に環状のコア３６が取り付けられている。コア３６は、図３（Ａ）及び図５のように軸孔３７を有し、ニードル２４は軸孔３７に配置されている。軸孔３７は中心線Ａ１と同心状に形成されている。コア３６は、ニードル２４に対して中心線Ａ１を中心として回転可能であり、コア３６及びニードル２４は、ケーシング２１、ホルダ２２及びノズル２３に対して、中心線Ａ１方向に移動可能である。このコア３６及びニードル２４により、弁体としてのニードルを含む動作部材が構成される。コア３６は磁性体であり、ソレノイド３３に電圧を印加すると、ステータ３４及びコア３６を通る磁界が形成され、コア３６及びニードル２４は、磁気吸引力でステータ３４に向けて付勢される。

ケーシング２１は、シリンダ１４に対して中心線Ａ１方向及び円周方向の何れにも移動しないように固定されている。ケーシング２１内に環状の固定部材３８が設けられ、固定部材３８内にスリーブ３９が固定されている。ニードル２４であって、ストッパ３５内に配置された箇所に受け部４０が取り付けられている。受け部４０は、中心線Ａ１方向でにスリーブ３９とコア３６との間に配置されており、受け部４０はニードル２４の外周面に取り付けられている。受け部４０は、樹脂製または金属製であり、筒形状を有する。受け部４０は、ニードル２４に対して中心線Ａ１方向に移動可能である。受け部４０は外向きのフランジ４１を有し、フランジ４１とスリーブ３９との間に第１圧縮バネ４２が介在されている。また、フランジ４１とコア３６との間に第２圧縮バネ４３が介在されている。第１圧縮バネ４２及び第２圧縮バネ４３は、中心線Ａ１方向の付勢力を発生するコイルバネである。第１圧縮バネ４２のバネ定数は、第２圧縮バネ４３のバネ定数よりも大きい。

次に、燃料噴射装置２０の燃料噴射量を制御する機構、つまり、中心線Ａ１方向におけるニードル２４の位置を制御する機構を、図３〜図６を参照して説明する。環状のホルダ２２は、内周面２２Ａから内側に向けて突出した壁４４を複数備えている。複数の壁４４は、中心線Ａ１を中心とする円周方向に間隔をおいて配置されている。複数の壁４４の内径は、コア３６の外径よりも大きく、コア３６が中心線Ａ１を中心として回転する場合に、複数の壁４４は、コア３６の回転を阻害しない。

一方、コア３６の外周面３６Ａから外側に向けて突出した壁４５が複数設けられている。複数の壁４４の数と、複数の壁４５の数とは同じであり、壁４４と壁４５とが、中心線Ａ１を中心とする円周方向で交互に配置されている。複数の壁４５の外径は、ホルダ２２の内径よりも小さく、コア３６が中心線Ａ１を中心として回転する場合に、複数の壁４５は、コア３６の回転を阻害しない。

そして、１つの壁４４と１つの壁４５とを１組として、壁４４と壁４５との間に油圧室４６が形成されている。つまり、外周面３６Ａと内周面２２Ａとの間に、円周方向に沿って複数の油圧室４６が形成されている。壁４５の先端と内周面２２Ａとの間、及び壁４４と外周面３６Ａとの間にシール部材が配置され、油圧室４６を液体密にシールしている。また、ホルダ２２は、油圧室４６に通じる油路４７を備えている。

さらに、油圧制御部４８が設けられており、油圧制御部４８と油路４７とが、油路５４により接続されている。油圧制御部４８は、図示しないオイルポンプから吐出されたオイルが通る油圧回路、油圧回路の油圧を制御する圧力制御弁等を備えている。コントローラ５５は、油圧制御部４８を制御する信号を出力する。そして、油圧制御部４８は、油圧室４６の油圧を、第１制御油圧と第２制御油圧とに切り替えることができる。第２制御油圧は、第１制御油圧よりも高圧である。

さらに、引張バネ４９が、油圧室４６にそれぞれ配置されている。引張バネ４９は、油圧室４６を形成する１組の壁４４，４５同士を、円周方向で互いに近づけ合う向きの付勢力を発生する。引張バネ４９は、中心線Ａ１を中心とする径方向で、コア３６の外周面３６Ａよりも外側に配置されている。また、ホルダ２２はケーシング２１に固定されている。このため、図５において、コア３６は引張バネ４９の付勢力で時計回りに付勢される。

さらに、図６のように、コア３６であってストッパ３５に近い方の端部に凸部５０が設けられている。凸部５０は、図５のように、中心線Ａ１を中心とする同一円周上に複数配置されており、凸部５０同士の間に凹部５１が形成されている。また、ストッパ３５であってコア３６に近い方の端部に、凸部５２が設けられている。凸部５２は、中心線Ａ１を中心とする同一円周上に複数配置されており、凸部５２同士の間に凹部５３が形成されている。凸部５０，５２及び凹部５１，５３は、共に同一円周上に配置されている。凸部５０の周長は、凹部５３の周長よりも小さく、凸部５２の周長は、凹部５１の周長よりも小さい。また、凸部５０，５２の高さ及び、凹部５１，５３の深さは同じである。

次に、エンジン１０の制御及び動作を説明する。吸気バルブが開き、かつ、排気弁が閉じられている状態で、吸気装置及び吸気ポート１７を介して燃焼室へ空気が吸入されるとともに、吸気弁が閉じられ、燃料噴射装置２０から燃料が噴射される。また、ピストン１５が動作し、かつ、点火プラグ１９により混合気に点火されて燃焼した後に排気弁が開かれ、燃焼室１６で発生した排気ガスは、排気装置１２を経由して大気中へ排出される。

コントローラ５５は、車両の状態、具体的には、エンジン１０の負荷等に基づいて燃料噴射装置２０を制御し、燃焼室１６における混合気の燃焼状態を、成層燃焼領域と均質燃焼領域とに切り替えることができる。燃料噴射装置２０は、成層燃焼領域における燃料噴射量が、均質燃焼における燃料噴射量よりも少ない。コントローラ５５は、成層燃焼領域と均質燃焼領域とを切り替える条件を検出する。均質燃焼領域とする条件は、例えば、エンジン１０が高負荷であると成立する。均質燃焼は、空気を燃料と混合する際、燃料が燃焼室１６の広範囲に行き亘る。均質燃焼では、吸入行程前期の大気圧以下に燃料を噴射し、燃料の気化熱を吸入空気の冷却に利用して体積効率を上げ、空燃比を理論空燃比近く、例えば、１２〜１５程度とし、エンジン１０を高出力とする。

これに対して、成層燃焼領域とする条件は、例えば、エンジン１０の負荷が均質燃焼領域の負荷よりも低負荷であると成立する。成層燃焼領域では、ピストン１５の下降に伴うシリンダ１４内の気流等を利用し、燃料と空気が均一に交じり合うことを防ぎ、点火プラグ１９の近傍に燃料を傘状に拡散させ、点火プラグ１９の近傍に滞在させる。ピストン１５の頂面に凹部が形成されており、燃焼室１６に噴射された燃料は、燃焼室１６内で渦状に流動する。燃料は、圧縮行程後期の高圧雰囲気下で燃焼室１６に噴射される。成層燃焼の空燃比は、例えば、２２〜５５程度である。

以下、燃料噴射装置２０の制御及び動作を説明する。まず、エンジン１０の燃焼室１６に燃料を噴射しない条件が成立していると、図３（Ａ）に示すソレノイド３３に電圧は印加されず、ステータ３４は磁気吸引力を発生しない。また、主に第１圧縮バネ４２の付勢力が、コア３６を介してニードル２４に伝達され、ニードル２４のシール部３１Ａが図３（Ｂ）のように傾斜部２６の内面２６Ａに押し付けられている。このため、コア３６は、ステータ３４から最も離れた初期位置で停止し、ニードル２４もノズル２３に対して、中心線Ａ１方向の初期位置で停止している。

ニードル２４が初期位置で停止していると、第１噴射口２９及び第２噴射口３０は、ニードル２４によって通路２３Ａから遮断されるため、第１噴射口２９及び第２噴射口３０の何れからも燃料は噴射されない。

燃焼室１６に燃料を噴射する条件が成立し、かつ、均質燃焼領域とする条件が成立すると、ソレノイド３３に第１電圧が印加され、ステータ３４が磁気吸引力を発生する。すると、コア３６は、主に第１圧縮バネ４２の付勢力に抗して、初期位置からステータ３４に近づく向きで中心線Ａ１方向に移動する。また、均質燃焼領域とする条件が成立すると、油圧制御部４８は、油圧室４６の油圧を第１制御油圧に設定する。このため、壁４５は、図５（Ａ）のように、引張バネ４９の付勢力で壁４４に最も近づいた第１制御位置で停止する。つまり、コア３６は第１回転位置で停止しており、図６（Ａ）のように、円周方向で凸部５０と凸部５２とが同じ位置にある。

そして、コア３６が初期位置からステータ３４に近づく向きで中心線Ａ１方向に移動して、凸部５０が凸部５２に接触すると、コア３６及びニードル２４は、図７（Ａ）に示す第１停止位置で停止する。コア３６およびニードル２４が、初期位置から第１停止位置へ向けて移動を開始すると、図７（Ｂ）のように、シール部３１Ａが内面２６Ａから離れ、通路２３Ａは第１噴射口２９につながる。したがって、通路２３Ａの燃料は第１噴射口２９から噴射される。つまり、第１噴射口２９から噴射された燃料は、図２（Ａ）のように燃焼室１６の全体に拡散する。

燃焼室１６に燃料を噴射する条件が成立し、かつ、成層燃焼領域とする条件が成立すると、ソレノイド３３に印加される第２電圧は、均質燃焼領域の場合にソレノイド３３に印加される第１電圧よりも高く設定される。このため、ステータ３４が発生する磁気吸引力は、均質燃焼領域の場合よりも、成層燃焼領域とする場合の方が強くなる。また、成層燃焼領域とする条件が成立すると、油圧制御部４８は、油圧室４６の油圧を第２制御油圧に設定する。

このため、壁４５は、引張バネ４９で接続された壁４４から離れる向きで、引張バネ４９の付勢力に抗して所定量移動する。その結果、コア３６は、図５（Ａ）の第１位置から、反時計回りに所定角度回転し、図５（Ｂ）に示す第２回転位置で停止する。コア３６が、第２回転位置で停止すると、コア３６の回転方向で凸部５０と凹部５３とが同じ位置になり、凸部５２と凹部５１とが同じ位置となる。つまり、コア３６の回転方向で、凸部５０の位置と凸部５２の位置とが異なる。

すると、コア３６はステータ３４が形成する磁気吸引力により、図７（Ａ）に示す第１停止位置から、さらにステータ３４に近づく向きで移動する。この場合、コア３６及びステータ３４は、主に第１圧縮バネ４２の付勢力に抗して移動する。コア３６が第１停止位置からさらに移動して、ニードル２４の小径部３２が小径部２７から抜けると、第１噴射口２９及び第２噴射口３０が、共に通路２３Ａにつながる。このため、燃料噴射装置２０から噴射された燃料は、第１噴射口２９のみから噴射される場合に比して噴射圧が低下し、図２（Ｂ）のように燃焼室１６で点火プラグ１９の近傍に分布する。

そして、図６（Ｂ）のように、凸部５０の先端が凹部５３の底に接触し、凸部５２の先端が凹部５１の底に接触すると、図８（Ａ）のように、コア３６が第２停止位置で停止する。コア３６が第２停止位置で停止すると、図８（Ｂ）のように、第１噴射口２９及び第２噴射口３０が、通路２３Ａにつながった状態に維持される。

一方、成層燃焼領域とする条件から、均質燃焼領域とする条件に切り替わると、ソレノイド３３に印加される電圧が、第２電圧から第１電圧に低下される。すると、ステータ３４が発生する磁気吸引力が低下し、コア３６は、主に第１圧縮バネ４２の付勢力で、ステータ３４から離れる向きで移動する。すると、小径部３２が図７（Ｂ）のように小径部２７へ進入して第２噴射口３０が通路２３Ａから遮断され、コア３６及びニードル２４は、図７（Ａ）に示す第１停止位置で停止する。

また、油圧制御部４８は、油圧室４６の油圧を、第２制御油圧から第１制御油圧に切り替える。このため、コア３６は、図５（Ｂ）に示す第２回転位置から、引張バネ４９の付勢力で時計回りに回転し、図５（Ａ）に示す第１回転位置で停止する。つまり、コア３６の回転方向で、凸部５０と凸部５２とが同じ位置となり、凹部５１と凹部５３とが同じ位置となる。

さらに、燃焼室１６に燃料を噴射しない条件が成立すると、ソレノイド３３に電圧が印加されなくなり、ステータ３４は磁気吸引力を発生しない。このため、コア３６は、主に第２圧縮バネ４３の付勢力で、ステータ３４から離れる向きで移動する。そして、図３（Ｂ）のようにシール部３１Ａが傾斜部２６の内面２６Ａに接触し、第１噴射口２９及び第２噴射口３０は、通路２３Ａから遮断される。

なお、燃料噴射装置２０は、ピストン１５がシリンダ１４内で複数回往復する間、燃焼室１６における燃焼状態を、均質燃焼領域または成層燃焼領域のいずれか一方とする燃料噴射制御を実行できる。また、燃料噴射装置２０は、ピストン１５がシリンダ１４内で１往復する間に、均質燃焼領域と成層燃焼領域とを交互に行い、燃焼室１６への吸気中は均質燃焼領域とし、点火プラグ１９による点火制御の直前に成層燃焼領域とすることも可能である。

以上のように、本発明の燃料噴射装置２０は、均質燃焼領域と成層燃焼領域とで、燃焼室１６に対する燃料の噴射状態を切り替えることができる。また、中心線Ａ１方向におけるニードル２４及びコア３６の停止位置として、第１停止位置及び第２停止位置を決定するストッパ３５は、中心線Ａ１方向に移動しないように、ステータ３４に固定されている。そして、コア３６を回転させて凸部５０と凹部５３との位置を同じとし、凸部５２と凹部５１との位置を同じにすると、コア３６を第１停止位置から第２停止位置へ移動することができる。

このため、コア３６及びニードル２４をステータ３４に近づける力が増加しても、コア３６の凸部５０と、ストッパ３５の凸部５２とが接触している限り、コア３６が第１停止位置から第２停止位置へ移動することは無い。このため、中心線Ａ１方向におけるニードル２４の位置を高精度に制御でき、燃料噴射装置２０の燃料噴射量を高精度に調整できる。

例えば、コア３６及びニードル２４が第１停止位置で停止している場合に、通路２３Ａの圧力が高くなること、または、ソレノイド３３の磁気吸引力が意に反して高くなること、等により、コア３６及びニードル２４をステータ３４に近づける向きの力が増加しても、油圧制御部４８が、油圧室４６の油圧を第１制御油圧から第２制御油圧に切り替えない限り、コア３６及びニードル２４が、第１停止位置から第２ストトーク位置へ移動することを防止でき、制御の信頼性が高まる。

次に、ノズル２３の他の構造例を、図９及び図１０を参照して説明する。ノズル２３は、前述と同様に複数の第１噴射口２９を有する。また、傾斜部２８を貫通する第２噴射口５６は、中心線Ａ１を中心とする円周方向で１箇所のみに設けられている。第２噴射口５６は、中心線Ａ１を中心とする円周方向で、点火プラグ１９に最も近い箇所に配置されている。また、第２噴射口５６の内径は、第２噴射口３０の内径よりも大きく、第２噴射口５６の中心線は、噴射される燃料が点火プラグ１９に向くように、中心線Ａ１に対して傾斜している。

図９（Ａ）は、ニードル２４が第１停止位置で停止している場合を示す。ニードル２４が第１停止位置で停止している場合、第１噴射口２９及び第２噴射口５６は、共に通路２３Ａから遮断される。このため、燃料は、第１噴射口２９及び第２噴射口５６から噴射されない。

また、図９（Ｂ）は、ニードル２４が第１停止位置で停止している場合、または、ニードル２４が第１停止位置と第２停止位置との間にある場合を示す。ニードル２４が、図９（Ｂ）に示す位置にあると、シール部３１Ａが内面２６Ａから離れているため、第１噴射口２９は通路２３Ａに接続され、第２噴射口５６は通路２３Ａから遮断される。このため、燃料は、第１噴射口２９から噴射され、第２噴射口５６から噴射されない。ニードル２４が図９（Ｂ）の位置にある場合、燃料噴射装置２０が噴射する燃料は、図１１（Ａ）のように点火プラグ１９に向かいながら燃焼室１６内に拡散する。このため、点火プラグ１９付近にリッチな混合気を供給することができる。

さらに、図９（Ｃ）は、小径部３２が小径部２７から抜けた状態、例えば、ニードル２４が第２停止位置で停止している場合を示す。小径部３２が小径部２７から抜けた場合、第１噴射口２９及び第２噴射口５６は、共に通路２３Ａに接続される。このため、燃料は、第１噴射口２９及び第２噴射口５６から噴射される。ニードル２４が図９（Ｃ）の位置にある場合、燃料噴射装置２０が噴射する燃料は、図１１（Ｂ）のように点火プラグ１９の近傍に分布する。

このため、成層燃焼領域とする条件が成立して、燃焼室１６における空燃比を、リッチ空燃比、つまり、理論空燃比よりも小さい値とする場合において、ニードル２４を図９（Ｃ）に示す位置にすれば、点火プラグ１９の近傍へ混合気を輸送することができる。

次に、燃料噴射装置２０に用いるノズル２３及びニードル２４の他の構造例を、図１２を参照して説明する。ノズル２３は、円筒部５７と、中心線Ａ１方向で円筒部５７の端部に形成した傾斜部５８と、を有する。傾斜部５８は、中心線Ａ１に対して円錐形状に傾斜しており、傾斜部５８を貫通する第１噴射口５９及び第２噴射口６０が設けられている。第１噴射口５９及び第２噴射口６０は、ノズル２３の内外をつなぐ。第１噴射口５９は、中心線Ａ１を中心とする同一円周上に複数配置され、第２噴射口６０は、中心線Ａ１を中心とする同一円周上に複数配置されている。複数の第２噴射口６０は、ノズル２３の径方向で、複数の第１噴射口５９よりも内側に配置されている。

さらに、ニードル２４は、ノズル２３内に配置された箇所に円筒部６１を有する。円筒部６１は中心線Ａ１を中心として配置されており、円筒部６１内にボール６２が配置されている。ボール６２の直径は、円筒部６１の内径よりも小さく、ボール６２とニードル２４とは、中心線Ａ１方向に相対移動可能である。また、円筒部６１において、傾斜部５８に最も近い端部に、環状のシール部２４Ａが形成されている。シール部２４Ａは、傾斜部５８の内面５８Ａにおいて、第１噴射口５９の開口部よりも外側に配置されている。

さらに円筒部６１において、傾斜部５８に最も近い端部に、円筒部６１の内周面から内側に向けて突出した係止部６３が設けられている。係止部６３は、円筒部６１の内周面から、径方向で内側に向けて突出している。係止部６３の内接円の直径は、ボール６２の直径よりも小さい。また、円筒部６１内に圧縮バネ６４が配置されており、ボール６２は、圧縮バネ６４の付勢力で傾斜部５８に向けて付勢されている。中心線Ａ１方向で、ボール６２の一部は、ニードル２４の端部から外に露出している。燃料噴射装置２０の他の構成は、図３、図５、図７、図８の構成と同じである。

図１２の燃料噴射装置２０の作用を説明する。コア３６が図３（Ａ）に示す初期位置に停止していると、図１２（Ａ）に示すように、ニードル２４のシール部２４Ａが傾斜部５８に接触し、ニードル２４は第１停止位置で停止する。ニードル２４が第１停止位置で停止すると、通路２３Ａは、第１噴射口５９及び第２噴射口６０から遮断される。このため、第１噴射口５９及び第２噴射口６０から燃料は噴射されない。

また、コア３６が図５（Ａ）に示す初期位置から、図７（Ａ）に示す第１停止位置に向けて移動すると、図１２（Ｂ）のように、ニードル２４のシール部２４Ａが傾斜部５８から離れる。すると、通路２３Ａは、第１噴射口５９に接続される。また、ボール６２は、圧縮バネ６４の付勢力で傾斜部５８の内面５８Ａに押し付けられている。ボール６２は、第１噴射口５９と第２噴射口６０との間で、内面５８Ａに対して環状に接触し、通路２３Ａは、第２噴射口６０から遮断される。このため、第１噴射口５９から燃料が噴射され、第２噴射口６０から燃料は噴射されない。

さらに、コア３６が図７（Ａ）に示す第１停止位置から、図８（Ａ）に示す第２停止位置に向けて移動すると、係止部６３がボール６２に接触する。すると、ニードル２４の移動に伴い、図１２（Ｃ）のように、ボール６２が傾斜部５８の内面５８Ａから離れ、ニードル２４が第２停止位置で停止する。ボール６２が傾斜部５８の内面５８Ａから離れると、通路２３Ａは、第１噴射口５９及び第２噴射口６０に接続される。このため、燃料は、第１噴射口５９及び第２噴射口６０から噴射される。したがって、図１２に示す燃料噴射装置２０は、図３〜図８に示す燃料噴射装置２０と同じ効果を得ることができる。

実施の形態で説明した事項と、本発明の構成との対応関係を説明すると、燃料噴射装置２０が、本発明の燃料噴射装置に相当し、燃焼室１６が、本発明の燃焼室に相当し、ノズル２３が、本発明のノズルに相当し、コア３６及びニードル２４が、本発明の動作部材に相当し、ソレノイド３３が、本発明の動作機構構及びソレノイドに相当し、ストッパ３５が、本発明のストッパに相当し、油圧室４６、引張バネ４９及び油圧制御部４８が、本発明の切替機構に相当する。また、第１噴射口２９，５９及び第２噴射口３０，５６，６０が、本発明の燃料噴射口に相当し、ニードル２４、ボール６２が、本発明の弁体に相当し、コア３６が、本発明の磁性部材に相当し、凸部５２が、本発明の第１凸部に相当し、凸部５０が、本発明の第２凸部に相当し、油圧室４６が、本発明の油圧室に相当し、油圧制御部４８が、本発明の油圧制御部に相当し、コントローラ５５が、本発明のコントローラに相当する。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。本発明の切替機構は、中心線方向における動作位置の動作範囲を規制する機構である。つまり、切替機構は、コア３６をストッパ３５に対して回転させて、コア３６及びニードル２４の動作範囲を２段階に切り替える構造の他、コア３６を回転させず、ストッパ３５をケーシング２１に対して回転させることにより、コア３６及びニードル２４の動作範囲を２段階に切り替える構造を含む。また、コア３６とストッパ３５とを相対回転させる切替機構は、油圧室４６及び油圧制御部４８に代えて、磁気吸引力でコア３６とストッパ３５とを相対回転させるソレノイドを用いてもよい。

本発明の動作部材は、中心線方向に直線状に動作して、燃料噴射口を開閉するニードル、プランジャ、スプール等の弁要素を含む。本発明の動作機構は、磁気吸引力を制御することにより、動作部材に加える中心線方向の付勢力を調整するソレノイドの他、油圧または空気圧により、動作部材に加える中心線方向の付勢力を調整する油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータを含む。この場合、コアは非磁性体でよい。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンであってもよい。この場合、点火プラグは設けられず、ピストンが動作して混合気が高温高圧となり、自然着火で燃料が燃焼する。

１０ エンジン
１１ 吸気装置
１２ 排気装置
１３ 燃料供給装置
１３Ａ 燃料タンク
１３Ｂ ポンプ
１３Ｃ 燃料供給管
１４ シリンダ
１５ ピストン
１６ 燃焼室
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
１９ 点火プラグ
２０ 燃料噴射装置
２１ ケーシング
２２ ホルダ
２２Ａ 内周面
２３ ノズル
２３Ａ 通路
２４ ニードル
２４Ａ，３１Ａ シール部
２５，３１ 大径部
２６，２８ 傾斜部
２６Ａ，５８Ａ 内面
２７，３２ 小径部
２９，５９ 第１噴射口
３０，５６，６０ 第２噴射口
３３ ソレノイド
３４ ステータ
３５ ストッパ
３６ コア
３６Ａ 外周面
３７ 軸孔
３８ 固定部材
３９ スリーブ
４０ 受け部
４１ フランジ
４２ 第１圧縮バネ
４３ 第２圧縮バネ
４４，４５ 壁
４６ 油圧室
４７，５４ 油路
４８ 油圧制御部
４９ 引張バネ
５０，５２ 凸部
５１，５３ 凹部
５５ コントローラ
５６ 第２噴射口
５７ 円筒部
５８ 傾斜部
６１ 円筒部
６２ ボール
６３ 係止部
６４ 圧縮バネ
Ａ１ 中心線

Claims (4)

1. 燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
   前記燃料を噴射するノズルと、
   前記ノズルを開閉する弁体を含む動作部材と、
   前記動作部材を前記ノズルの中心線方向に動作させる動作機構と、
   前記動作部材に接触して前記動作部材の動作を停止させるストッパと、
   前記動作部材と前記ストッパとを前記中心線を中心として相対回転させることにより、前記動作部材が前記ストッパに接触して停止する位置を、前記中心線方向で互いに異なる位置である第１停止位置と第２停止位置とに切り替える切替機構と、
   を有し、
   前記ストッパは、前記中心線方向に突出した第１凸部を有し、
   前記動作部材は、前記中心線方向に突出し、かつ、前記第１凸部に接触する第２凸部を有し、
   前記動作部材は、前記中心線を中心とする回転方向で前記第１凸部と前記第２凸部とが同じ位置にあると、前記第１停止位置で停止し、
   前記動作部材は、前記中心線を中心とする回転方向で前記第１凸部と前記第２凸部とが異なる位置にあると、前記第２停止位置で停止する、燃料噴射装置。
2. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記ノズルは、燃料を噴射する第１噴射口及び第２噴射口を有し、
   前記弁体は、前記動作部材が前記第１停止位置で停止すると前記第１噴射口を開き、かつ、前記第２噴射口を閉じ、
   前記動作部材が前記第２停止位置で停止すると前記第１噴射口及び前記第２噴射口を開く、燃料噴射装置。
3. 請求項１または２記載の燃料噴射装置において、
   前記切替機構は、
   前記動作部材を前記ストッパに対して回転させる力を発生する油圧室と、
   前記油圧室の圧力を制御する油圧制御部と、
   を有する、燃料噴射装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料噴射装置において、
   前記燃焼室における燃焼状態を均質燃焼と成層燃焼とで互いに切り替えるコントローラが設けられ、
   前記動作部材は、前記燃焼室における燃焼状態を均質燃焼とする場合に前記第１停止位置に停止し、
   前記動作部材は、前記燃焼室における燃焼状態を成層燃焼とする場合に前記第２停止位置に停止する、燃料噴射装置。

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