JP7381177B2

JP7381177B2 - 燃料噴射用インジェクタ

Info

Publication number: JP7381177B2
Application number: JP2019236430A
Authority: JP
Inventors: 嗣人廣邊
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: JP2021105356A

Description

本願発明は、内燃機関に使用する燃料噴射用インジェクタに関するものである。

ガソリン機関のような火花点火式内燃機関において、燃料噴射にはインジェクタが使用されており、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射方式と、燃料を気筒に噴射する直噴方式とがある。このうちポート噴射方式は、燃料と吸気との混合性に優れている利点や、直噴方式に比べてインジェクタのコストを抑制できる等の利点がある。

他方、ポート噴射方式の問題として、燃料が吸気ポートの内面に付着するポートウエット現象がある。この点について更に述べると、インジェクタから噴射されて霧化した燃料は吸気の流れによって方向変換するため、インジェクタを吸気ポートの上方に配置している場合は、インジェクタの軸心を吸気ポートの下面に向けているが、吸気の流速はスロットルバルブの開度によって増減するため、暖機運転時のような低速回転領域では、燃料の直進性が吸気の流れに勝って、霧化燃料が吸気ポートの下面に付着しやすくなっている。

つまり、暖機運転時には機関温度が低いために燃料が吸気ポートに付着すると蒸発しにくい事情があり、従って、暖機運転時には特にポートウエット現象を防止すべきであるが、吸気の流速が低いためポートウエット現象を防止しにくいのであった。

このような状況への対応策として、特許文献１には、インジェクタの先端に設けているノズル板をバイメタル製として、ノズル板が温度によって反り変形することを利用して、機関低温時には燃料の噴射角度が小さくて、機関がある程度まで昇温すると燃料の噴射角度（広がり角度）が大きくなるようにした構成が開示されている。

特開２００８－１４１５６号公報

特許文献１のように燃料の噴射角度を変えると、機関低温時のポートウエット現象を低減できると云えるが、ノズル板の反り変形によって噴射角度を変えるには、ノズル板を相当に厚くしたり、反り変形の程度を相当に大きくしたりせねばならないと推測され、所望の効果を得ることができるか否か不明である。

本願発明はこのような現状を背景にして成されたものであり、機関温度の変化に応じて燃料の噴射態様を自動的に変えることは特許文献１と共通しつつ、ポートウエット現象抑制効果の確実性を向上させんとするものである。

本願発明のインジェクタは、２つの独立した構成を含んでいる。第１の発明は、請求項１のとおり、
「軸心を吸気ポートに向けた姿勢でシリンダヘッド又は吸気マニホールドに装着されるボデーと、前記ボデーの先端部に配置されたノズル板とを備えており、前記ノズル板に燃料噴射穴が開口している」
という基本構成において、
「前記ノズル板は、少なくとも外周寄りの部位が、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する内側感温変形部と、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する外側感温変形部とに二分されており、前記内側感温変形部と外側感温変形部とが前記ボデーの軸心を挟んで非対称に反り変形することにより、前記吸気ポートの軸心と前記燃料噴射穴の軸心との成す夾角が昇温によって大きくなるように設定されている」
という特徴を有している。

第２の発明は、請求項２のとおり、
「軸心を吸気ポートに向けた姿勢でシリンダヘッド又は吸気マニホールドに装着されるボデーと、前記ボデーの先端部に配置されて燃料噴射穴が形成されたノズル部と、前記ノズル部から突出した先端筒部とを備えており、
前記燃料噴射穴から噴出した燃料の広がり角度が前記先端筒部によって規定されている」
という基本構成において、
「前記先端筒部は、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する内側感温変形部と、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する外側感温変形部とに二分されており、前記内側感温変形部と外側感温変形部とが前記ボデーの軸心を挟んで非対称に反り変形することにより、前記吸気ポートの軸心と前記燃料噴射穴の軸心との夾角が大きくなるように設定されている」
という特徴を有している。

両発明において、感温変形部はバイメタルで構成することもできるし、内側感温変形部と外側感温変形部とを単層の金属板で構成することもできる。

機関温度が低い暖機運転時には吸気の流速は低いため、インジェクタから噴射された霧化燃料が吸気の流れによって方向変換させられる程度は低くなる。従って、機関温度が低い状態では、インジェクタの軸心が吸気ポートの出口に寄る（向かう）ように設定しておくことにより、暖機運転時のポートウエット現象を防止できる。

他方、機関が暖機運転を脱して機関温度がある程度まで昇温すると、例えば自動車であると走行に至って吸気の流速が速くなるが、請求項１では、外側感温変形部と内側感温変形部との反り変形の非対称性により、昇温に応じて燃料噴射方向の軸心と吸気ポートとの夾角を大きくするように姿勢変化していくため、霧化燃料は吸気ポートに至る前に流速が速い吸気に乗って気筒に向けて流れていく。従って、ポートウエット現象を防止できる。

このように、請求項１の発明では、感温変形部を利用してノズル板の姿勢を変えることにより、燃料の噴射方向を温度に応じて変えるものであるが、ノズル板の姿勢変化と霧化燃料の噴射方向との応答性は高いため、温度変化によって霧化燃料の噴射方向を変更させることの確実性に優れている。

請求項２では、先端筒部の姿勢変化によって霧化燃料の噴射方向が変えられるが、先端筒部の突出長さは任意に設定できるため、内側感温変形部と外側感温変形部との反り変形の非対称性に起因した先端筒部の姿勢変化によって霧化燃料の噴射方向を変えることの確実性に優れている。

従って、請求項１，２のいずれの発明においても、吸気の流速が遅い暖機運転時には霧化燃料が吸気ポートの内面に付着しないように噴射方向を設定しつつ、暖機運転状態を脱して吸気の流速が速くなる運転領域に至ると、霧化燃料の噴射方向が吸気の流れを横切る方向に自動的に変化して、霧化燃料と吸気との混合性を向上させることができる。その結果、暖機運転時のポートウエット現象を防止又は大幅に抑制しつつ、霧化燃料と吸気との混合性を高めて完全燃焼を実現できる。

内側感温変形部と外側感温変形部とは、例えば、熱膨張率が相違する単層の金属板で構成することも可能であるが、内側感温変形部と外側感温変形部との両方を熱膨張率が相違する複数の金属板からなるバイメタルで構成すると、反り変形を確実化させて霧化燃料の噴射方向の変更を確実化できる利点がある。

内燃機関の要部の縦断面図である。（Ａ）は図１の要部拡大図、（Ｂ）は（Ａ）の断面図で（Ｃ）のＢ－Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）（Ｂ）のＣ－Ｃ視断面図である。昇温時の作用を示す図である。第２実施形態を示す図で、（Ａ）は低温時の縦断面図、（Ｂ）は昇温時の縦断面図である。（Ａ）は第３実施形態を軸線方向から見た図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図である。

(1).内燃機関の要部の概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１を参照して内燃機関の要部の概要を説明する。本実施形態は車両用内燃機関のインジェクタに適用しており、内燃機関は、機関本体の主要構成要素として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有している。シリンダブロック１には複数の気筒（シリンダボア）３が形成されており、各気筒にピストン４が摺動自在に嵌まっている。シリンダヘッド２には、気筒３に向けて開口した断面台形の凹所５が形成されている。

シリンダヘッド２のうちクランク軸線を挟んで両側の部位に、各気筒３に対応して吸気ポート６と排気ポート７とが一対ずつ振り分けて形成されている。各吸気ポート６は、それぞれシリンダヘッド２の吸気側面２ａに開口しているが、一対の吸気ポート６を集合ポートに集合させて、集合ポートを吸気側面２ａに開口させてもよい。各吸気ポート６の出口（終端）は、吸気バルブ８で開閉される。吸気バルブ８は、ばね９によって閉じ方向に付勢されている。

シリンダヘッド２の吸気側面２ａには吸気マニホールド１０が固定されており、吸気マニホールド１０の各枝通路１１が吸気ポート６と連通している。

吸気マニホールド１０には上向きのフランジ１２を設けており、このフランジ１２に、各吸気ポート６に対応したインジェクタ１３が装着されている。すなわち、吸気マニホールド１０のフランジ１２に、吸気ポート６に対応したインジェクタ挿入穴１４を設け、このインジェクタ挿入穴１４にインジェクタ１３を挿入している。従って、インジェクタ挿入穴１４は枝通路１１及び吸気ポート６の上方に位置している。

また、インジェクタ１３の軸心Ｏ１の延長線は、吸気ポート６の出口の下端部のあたりに延びている。従って、インジェクタ１３の軸心Ｏ１は枝通路１１及び吸気ポート６の軸心Ｏ２に対して傾斜しており、両線Ｏ１，Ｏ２の成す夾角（交叉角度）θは鋭角になっている。図示は省略しているが、各インジェクタ１３は、クランク軸線方向に長い分配管（デリバリ管）に接続されており、分配管にはその端部等から燃料が供給され。排気ポート７は排気バルブ１５で開閉される。

(2).インジェクタ
次に、インジェクタ１３の詳細と取付け構造を、主として図２に基づいて説明する。インジェクタ１３は、既述の分配管に接続されるボデー（本体部）１８を備えており、ボデー１８は、分配管に接続される大径部１９と、先端側に位置した小径部２０と、両者の間に位置した中間径部２１とを有しており、中間径部２１がＯリング２２を介してインジェクタ挿入穴１４に保持されている。インジェクタ１３の小径部２０はシリンダヘッド２まで入り込んでおり、吸気ポート６の上面には、小径部２０の入り込みを許容するための凹所２３が形成されている。

図２に示すように、ボデー１８の先端部には燃料溜まり２４が形成されている一方、ボデー１８の先端には、燃料噴射穴２５が開口したノズル板２６を配置しており、燃料をプランジャ２７で押し出して燃料噴射穴２５から噴出させるようになっている。ボデー１８には、燃料溜まり２４に燃料を供給する供給通路２８が形成されており、供給通路２８を閉じた状態でプランジャ２７を電磁ソレノイドで前進させることにより、燃料の噴射が行われる。

ノズル板２６は、ボデー１８の先端に形成した円形凹所２９の底部に配置されており、ノズル板２６に４つの燃料噴射穴２５が開口している。但し、燃料噴射穴２５の数と位置は任意に設定することができる。例えば、中央部に１つのみ空けることも可能である。ボデー１８の先端の燃料噴射口３０は先広がりのテーパ状になっているため、霧化燃料は、所定の噴射角度（広がり角度）で拡散しながら吸気ポート６に向けて噴出する。

ノズル板２６は請求項１を具体化したもので、燃料噴射穴２５が空けられている円形の基板２６ａと、基板２６ａを上から囲う半円状の外側感温変形部２６ｂと、基板２６ａを下から囲う半円状の内側感温変形部２６ｃとで構成されており、基板２６ａと感温変形部２６ｂ，２６ｃの内周縁が溶接等によって一体に接合されていると共に、感温変形部２６ｂ，２６ｃの外周縁は、リング体３２によってボデー１８における円形凹所２９の底部に押さえ保持されている。なお、感温変形部２６ｂ，２６ｃは、円形凹所２９の内周面に溶接やろう付けで接合してもよい。

感温変形部２６ｂ，２６ｃは、それぞれ高膨張率金属板３３と低膨張率金属板３４とを張り合わせたバイメタルになっており、外側感温変形部２６ｂでは、低膨張率金属板３４を円形凹所２９の底側に配置し、内側感温変形部２６ｃでは高膨張率金属板３３を円形凹所２９の底側に配置している。また、例えば、感温変形部２６ｂ，２６ｃの温度が常温程度の状態では、ノズル板２６の全体がフラットな姿勢になるように設定している。ボデー１８における円形凹所２９の底面には、ノズル板２６の変形を許容するため、基板２６ａに裏側から当接し得る環状突起３５を設け、環状突起３５の外側に環状空間３６を形成している。

以上の構成において、ノズル板２６がフラットな状態では、既述のとおり、インジェクタ１３の軸心Ｏ１は吸気ポート６の出口の下部を通るように設定されている。従って、インジェクタ１３から噴出した霧化燃料は、暖機運転状態において吸気の流速が遅くても、吸気ポート６の下面に付着することなく、吸気に乗せられて気筒に運ばれる。これにより、暖機運転時のポートウエット現象を防止できる。

他方、機関温度が昇温すると、燃焼ガスの熱がシリンダヘッド２を介してインジェクタ１３のボデー１８に伝わったり、昇温した冷却水の熱が冷却ジャケットからシリンダヘッド２を介してインジェクタ１３のボデー１８に伝わったりして、ノズル板２６の温度が高くなっていくが、ノズル板２６の温度がある程度まで昇温していくと、バイメタルより成る感温変形部２６ｂ，２６ｃが反り変形をし始める。

すなわち、外側感温変形部２６ｂは、高膨張率金属板３３が表面側で低膨張率金属板３４が裏面側に位置しているため、昇温により、図３に示すように、内周部が円形凹所２９の底面から離反するように反り変形する一方、内側感温変形部２６ｃは、高膨張率金属板３３が裏面側で低膨張率金属板３４が裏面側に位置しているため、昇温により、内周部が円形凹所２９の底面に近づくように反り変形していく。
すなわち、内側感温変形部２６ｃと外側感温変形部２６ｂとが、ボデーの軸心を挟んで非対称の逆向きに反り変形する。これにより、基板２６ａは、その垂線がインジェクタ１３の軸心Ｏ１に対して下向きに傾斜するように姿勢変化していく。

このように、内側感温変形部２６ｃと外側感温変形部２６ｂとが逆方向に（非対称に）反り変形することにより、ノズル板２６を構成する基板２６ａが吸気ポート６の側に傾くようにして姿勢変化して、基板２６ａの垂線がインジェクタ１３の軸心Ｏ１に対して下方に傾く。すると、霧化燃料の噴射の軸心Ｏ３（燃料噴射穴２５の軸心）と吸気ポート６の軸心Ｏ２との夾角θが大きくなるが、吸気の流速が速くなっていることと、吸気ポート６の内面が昇温して霧化燃料が付着しても蒸発しやすくなっていることとにより、ポートウエット現象を防止できる。

そして、霧化燃料の噴射方向の変更はバイメタルの作用によって自動的に行われるため、制御機構は不要でコストを抑制できる。

(3).他の実施形態
次に、図４，５に示す他の実施形態を説明する。図４に示す第２実施形態は請求項２を具体化したものであり、ボデー１８の内部のうちその先端部に、ボール状弁体３７が着座する弁座３８が配置されており、ボデー１８の先端の中央部に１つの燃料噴射穴２５が開口している。また、ボール状弁体３７は弁棒３９の先端に固定されており、弁棒３９を後退させるとことにより、燃料を燃料噴射穴２５から噴出させるようになっている。

そして、ボデー１８の先端面に、霧化燃料の噴射角度を規制する先端筒部４０が固定されている。すなわち、燃料噴射穴２５から拡散しつつ噴出した霧化燃料が先端筒部４０の先端縁に当たることにより、霧化燃料の噴射角度（広がり角度）が規定されている。従って、霧化燃料の噴射角度は、先端筒部４０の突出高さに反比例している。

先端筒部４０は、互いに重なり合って円筒を構成する半割状の外側感温変形部４０ａ及び内側感温変形部４０ｂで構成されているが、両感温変形部４０ａ，４０ｂを、高膨張率金属板３３と低膨張率金属板３４との積層体からなるバイメタルで構成している。すなわち、外側感温変形部４０ａでは、内周側が低膨張率金属板３４で外周側が高膨張率金属板３３になっている一方、内側感温変形部４０ｂでは、内周側が高膨張率金属板３３で外周側が低膨張率金属板３４になっている。

この実施形態では、機関温度の昇温によって先端筒部４０がある程度まで昇温すると、感温変形部４０ａ，４０ｂにおいて、低膨張率金属板３４が高膨張率金属板３３に押されて下向きに傾斜することにより、外側感温変形部４０ａと内側感温変形部４０ｂとが上下非対称に反り変形して、先端筒部４０は、全体として軸心Ｏ４を下向きに傾斜させるように姿勢が変化する。従って、吸気ポート６の軸心Ｏ２と成す夾角θが大きくなるが、暖機運転域を脱すると吸気の流速が速い状態で運転されるため、霧化燃料は、吸気ポート６に付着することなく、流速が速い吸気に乗せられて気筒に送り込まれる。従って、第１実施形態と同じ効果を奏する。

図５に示す第３実施形態は請求項１を具体化したもので、この実施形態では、外側感温変形部２６ｂと内側感温変形部２６ｃとは、熱膨張係数が大きい単層の金属板で構成されている。そして、基板２６ａの中心に１つの燃料噴射穴２５が空いているが、燃料噴射穴２５の軸心がインジェクタ１３の軸心Ｏ１と一致している状態で、外側感温変形部２６ｂと内側感温変形部２６ｃとは、下に行くに従って円形凹所２９の底面から遠ざかるように傾斜している。

また、この実施形態では、（Ａ）に示すように、外側感温変形部２６ｂと内側感温変形部２６ｃとは、インジェクタ１３の軸心Ｏ１の方向から見て、両端に向かって上下幅が小さくなるように三日月状になっている。また、（Ｂ）に示すように、基板２６ａはボデー１８に向けて突出した半球状突起４１を有している一方、ボデー１８の先端には、半球状突起４１が回転自在に嵌まる半球状凹所４２を設けており、半球状突起４１と半球状凹所４２とを面接触させた状態で基板２６ａが姿勢変化することを許容している。

この実施形態では、外側感温変形部２６ｂと内側感温変形部２６ｃとは熱膨張して反り変形しつつ幅方向（上下方向）にも膨張するが、元々曲がり癖が付けられているため、外側感温変形部２６ｂと内側感温変形部２６ｃとが上下非対称に伸び及び反り変形することにより、基板２６ａは、その垂線を下向きに変化させるように姿勢変化する。従って、第１実施形態と同様に、内燃機関の昇温に合わせて、霧化燃料の噴射方向を下向きに自動的に変化させることができる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他も様々に具体化できる。例えば、第１実施形態のように感温変形部をバイメタルで構成した場合も、第３実施形態のように、非昇温状態において感温変形部を傾斜姿勢に設定しておくことが可能である。また、インジェクタは吸気ポートの下方に配置することも可能である。この場合は、機関の昇温によって燃料噴射方向が上に起きるように設定したらよい。また、インジェクタはシリンダヘッドに取り付けてもよい。

本願発明は、内燃機関の燃料噴射用インジェクタに具体化できる。従って、産業上利用できる。

２シリンダヘッド
６吸気ポート
１０吸気マニホールド
１３インジェクタ
１４インジェクタ挿入穴
１８ボデー
２０小径部
２５燃料噴射穴
２６ノズル板
２６ａ基板
２６ｂ外側感温変形部
２６ｃ内側感温変形部
２７プランジャ
２９円形凹所
３３バイメタルを構成する高膨張率金属板
３４バイメタルを構成する低膨張率金属板
３７弁体
３８弁座
３９弁棒
４０先端筒部
４０ａ先端筒部の外側感温変形部
４０ｂ先端筒部の内側感温変形部
Ｏ１インジェクタの軸心
Ｏ２吸気ポート６軸心
Ｏ３燃料噴射方向の軸心

Claims

軸心を吸気ポートに向けた姿勢でシリンダヘッド又は吸気マニホールドに装着されるボデーと、前記ボデーの先端部に配置されたノズル板とを備えており、前記ノズル板に燃料噴射穴が開口している構成であって、
前記ノズル板は、少なくとも外周寄りの部位が、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する内側感温変形部と、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する外側感温変形部とに二分されており、前記内側感温変形部と外側感温変形部とが前記ボデーの軸心を挟んで非対称に反り変形することにより、前記吸気ポートの軸心と前記燃料噴射穴の軸心との成す夾角が昇温によって大きくなるように設定されている、
燃料噴射用インジェクタ。
軸心を吸気ポートに向けた姿勢でシリンダヘッド又は吸気マニホールドに装着されるボデーと、前記ボデーの先端部に配置されて燃料噴射穴が形成されたノズル部と、前記ノズル部から突出した先端筒部とを備えており、
前記燃料噴射穴から噴出した燃料の広がり角度が前記先端筒部によって規定されている構成であって、
前記先端筒部は、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する内側感温変形部と、前記吸気ポートの側に位置して昇温により熱膨張して反り変形する外側感温変形部とに二分されており、前記内側感温変形部と外側感温変形部とが前記ボデーの軸心を挟んで非対称に反り変形することにより、前記吸気ポートの軸心と前記燃料噴射穴の軸心との夾角が大きくなるように設定されている、
燃料噴射用インジェクタ。