JPH0610461B2 - 内燃機関の燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、内燃機関用の燃料噴射装置に用いる燃料噴射
弁に係り、超音波流体噴霧器を用いた燃料噴射弁の改良
と、噴射量制御の高精度化と微粒化の改善を図つた内燃
機関の燃料噴射弁に関する。

〔発明の背景〕

燃料量の制御と微粒化の促進機能を備えた燃料噴射弁に
特開昭56−146054公報に記載のものがある。以下に構造
及び動作を本文を引用して説明し、配慮されていなかつ
た点について記述する。

第７図において、容器１の内部には鉄心２があり、これ
はばね３により図の左側の方向４に押圧される。ばね３
の圧力によつて、ノズル針５はそれ自身の針座６をノズ
ル座７に向けて押圧される。この記載した状態は、閉じ
られた燃料噴射ノズルに相当し、図では開かれた状態を
示す。導線８を介して制御可能に給電される励磁巻線９
により鉄心２が矢印４とは反対方向にばね３の圧力に抗
して引き戻され、これによつて座６と７との間に噴射す
べき燃料量の通過のためのノズル断面が釈放される。ノ
ズル針５の先端にはノズル端（先端）を越えて伸び出し
た電球形のノズル針突起１０が設けられ、この突起は噴
射ビーム形成などに役立つ。１１は超音波液体噴霧器で
あり、大きい背面側には圧電セラミックスからなる円板
１２が固着されている。１３は振動子で縦振動する。振
動子１３の表面１４に達した燃料は、ここで微粒化され
る。１５は閉じられた保持リングであり、これは噴霧器
の振動節において振動子１３に取り付けられていて、こ
の保持リングの外周縁は図示のように容器１につながつ
ている。供給燃料はエンジンのサイクルに応じた動作様
式によつて制御される。燃料は燃料供給口１６より矢印
の如く流入し通路１７を通して供給されるが、この場
合、磁石巻線９の励磁中、すなわち座６と７間のノズル
断面が開かれている状態であり、燃料は振動子１３の表
面１４にて微細に噴霧される。この実施例では、以下に
示す点が配慮されていなかつた。

（１）燃料流量を制御する針座６とノズル座７が超音波
液体噴霧器１１の振動節に設けられていることから、こ
の弁座より流出する燃料は、その後振動子１３の表面１
４に至るまでの通路１７を通り外部へ噴射される。従つ
て噴射までの燃料噴射時間、すなわち燃料の応答遅れが
生ずる。ちなみに，この通路の長さは振動子の全長をｌ
とすると、振動子の共振周波数１００ｋＨｚの場合にお
いて１／２ｌ以上となる。計算手法は周知であるので細
かく寸法諸元は承略するが、例えば１５mmの通路長があ
るとすると、この種の噴射弁の燃料噴出速度１５ｍ／ｓ
程度として燃料の応答遅れ時間を求むると１msecとな
る。ガソリン機関を考慮すると、噴射孔より流出する燃
料の応答遅れ時間は０．５msec程度が必要とさるので不
十分な値である。この燃料遅れは、内燃機関を安定，円
滑な運転状態を保つうえで大きく影響を及ぼすものであ
り、できる限り短縮しなければならない。

また、逆に運転を停止した場合を考えると、この通路１
７に残存した燃料は時間とともに外部へ放出（後だれと
称す）されるため、吸気弁の上流に滞溜し余剰燃料とな
つて燃料に悪影響を及ぼす。すなわち、大気汚染物質等
を排出する要因となる。従つて弁座より下流の通路（空
間）はできる限り小さくする必要がある。さらに、燃料
流量の変化、すなわち弁座より流出する燃料速度の変化
によつて超音波液体噴霧器における有効な微粒化の範囲
が限定さるものと考えられる。すなわち、燃料速度が速
い場合、電球形のノズル針突起に衝突した燃料はその一
部がはねかえされて振動子先端の表面に供給され微粒化
を促進されるものであり、振動を受けない残りの燃料は
粗大な粒となつて外部へ放出されるものと考えられる。
逆に燃料速度の遅い場合、燃料は電球形のノズル針突起
に沿つて流れ、流動を受けず外部へ放出されるものと考
えられる。従つて、少量から多量の広い範囲にわたり微
粒化が効率良く行われると考えにくい。

（２）その都度噴射すべき燃料量が、励磁巻線９の電磁
力とばね力の相互作用により、ノズル針５に設けた針座
６と振動子１３の振動部に設けたノズル座７を密着ある
いは開放して制御されるものであるため、燃料の応答速
度に限界があり流量制御の高密度化が図れないものと考
えられる。また、応答速度の限界があることから直接的
に流量を噴射できる範囲が狭いものと考えられる。これ
らは、電磁石方式の燃料噴射弁が有する根本的な課題と
言える。すなわち、速い開弁応答を得るためには、ばね
力を弱くするが、逆に閉弁時間が長くなる。閉弁応答を
速くするためには、ばね力を強くするが、逆に開弁時間
が長くなるという具合に両者を成立させることは仲々難
しい。一方、流量の直線性は、この応答性に起因するも
のであり少流量時には開弁動作の途中で閉信号が与えら
れ、弁の開口面積が変化する。すなわち、弁の開口面積
が流量によつて直線的に変化しないというものである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、かかる問題点を解消するものであつ
て、超音波液体噴霧器より噴射される燃料の応答遅れ時
間を短縮し、かつ少量から多量にわたる供給燃料の効率
の良い微粒化を行わせしめる振動子の構造と燃料供給方
法を提供すると共に、燃料の噴射を高速で行わせしめ噴
射量を高精度に制御し得る燃料噴射弁を提供し、内燃機
関の運転を安定し、円滑に行うことにある。

〔発明の概要〕

本発明では、超音波液体噴霧器の構成部品である振動子
の先端近傍に燃料の噴射孔を開口すると共に、該噴射孔
のごく近傍にシート部を形成した。この場合、燃料の噴
射に対応して、前記超音波液体噴霧器を励振させること
になる。すなわち、前記超音波液体噴霧器の励振は、噴
射孔の開閉（燃料の噴射）に同期するか、多少の時間差
をもつて励振するものであり、連続励振するものではな
い。これによつて、噴射時の燃料の応答遅れ時間を短縮
せしめると同時に燃料の微粒化を行うものである。ま
た、超音波振動による燃料の微粒化は、燃料の処理量が
振動面（いわゆる燃料のぬれ面）によつて制約される。
したがつて、これの解決が重要となる。本発明では、噴
射孔下流に末広がり部を設けて燃料のぬれ面の拡大を図
るとともに、この末広がり部に燃料が十分付着するよう
な燃料供給手段を付加した。すなわち、噴射孔近傍に設
けたシート部上流で、燃料の半径方向に運動成分を与え
る旋回室を設けたものである。

以上の構成により、噴射される燃料は噴射孔を出たのち
末広がり部に沿つた薄膜状の流れとなり、この際前記超
音波液体噴霧器の励振によつて、この液膜を細断せしめ
効率良く微粒化を行うもので、かつ少量から多量にわた
る供給燃料の流量変化によつても微粒化を損わないとい
うものである。

一方、駆動源は電磁石によつて成立するが、応答性向上
を目的として高速動作が可能な圧電素子を用いた構成に
ついて記述する。本実施例の如く内開きシートを構成す
るにあたり、この圧電素子を多数枚積層した積層圧電部
材を中空円筒状とし、この中空部にニードル弁を配設し
た。該ニードル弁は従来例の如き可動部材として構成す
るのではなく、固定部材としたものである。すなわち、
該積層圧電部材に前記超音波液体噴霧器を機械的に結合
した。

以つて、前者の中空部には、前記ニードル弁が内接して
成り、該ニードル弁の先端は前記超音波液体噴霧器の構
成部品である振動子に設けたシート部を閉止し、燃料の
流れを阻止する。その動作は、前記積層圧電部材にパル
ス電圧を印加した際、該積層圧電部剤の高速変位（伸
び）によつて、超音波液体噴霧器は高速で動作し、該超
音波液体噴霧器の振動子に設けたシート部が、前記ニー
ドル弁より離脱する。これによつて噴射すべき燃料量の
通過のための断面が開放され、その制御は高精度に行い
うるものである。なお、燃料の微粒化は、前記した如く
積層圧電部材にパルス電圧を印加したと同時に、もしく
は多少の時間間隔をもつて超音波液体噴霧器を励振させ
るものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。説明に用い
た図は、駆動源に積層圧電素子を適用したものである
が、前記したように電磁石の構成においても実用上の効
果は得られるものである。第１図および第２図は本発明
の第１実施例を示す断面図，第３図および第４図は本発
明の第２実施例の部分断面図，要部拡大図を示し、第５
図は本発明の第１実施例および第２実施例の超音波液体
噴霧器の制御方法の例を示す。

第１図において、５０は圧電素子を多数枚積層した中空
円筒状の積層圧電部材、５１は積層圧電部材５０内に挿
入した絶縁材、５２は超音波液体噴霧器の構成部品であ
る振動子であり空洞部５３を有する。振動子５２の大き
い面側には圧電素子５４（例えばジルコン酸チタン酸
鉛）がナツト５５にて固定される。また、振動子５２の
小さい面側に向つて噴射孔５６が設けてあり、該噴射孔
５６は前記振動子５２の空洞部５３に連通すると共に、
振動子５２の小さい面側に向つて急拡大されるぬれ面５
７に連通する。前記積層圧電部材５０はこの振動子５２
と機械的に結合される。

５８は絶縁材５１および振動子５２に内接してなるニー
ドルで、振動子５２側に比較的隙間を小さくして嵌合さ
れる。例えば、隙間は２０ミクロン程度である。５８ａ
流体入口で、燃料配管が結合される。５８ｂはニードル
５８内に設けた圧力流体通路、５８ｃは圧力流体通路５
８ｂに連通してなり、圧力流体に旋回運動を与える旋回
孔で複数個設けてある。５８ｄはシートで面接触あるい
は線接触にて構成される。５９は圧力流体通路５８ｂに
設けたフィルター、６０はニードル５８の先端部外周に
形成した渦巻室、６１はニードル５８と振動子５２間に
設けたＯリングで、圧力流体の積層圧電部材５０側への
漏れを阻止する。６２は振動子２の外周に設けた圧縮バ
ネ、６３は以上掲げた各々の部品を包含するように設け
た弁ケースで、一端を振動子５２が適当な間隔をもつて
挿入可能な寸法に開放し、他端をニードル５８に固定す
るためのネジを切つてなる中空円筒状に構成される。即
ち、振動子５２及び他の部品を覆つて挿入し、他端をニ
ードル５８に適当な位置までネジ込み固定される。かか
る構成で振動子５２は、圧縮バネ６２の復元力によりニ
ードル５８のシート５８ｄに押圧されており圧力流体の
外部への漏れを阻止する。押圧される力（シート力）は
圧縮バネ６２のバネ定数と、弁ケース６３の固定位置に
よつて所望の強さに設定できる。

第２図は、第１図の旋回孔５８ｃを示した詳細断面図で
ある。

第３図は、第２図の実施例を示す部分断面図であり、第
２の実施例はニードル５８の構成を構成したもので、別
なる構造のニードル６４を有する。即ち、ニードル６４
の先端寄りの一部に段部を設け、この段部と振動子５２
間に空間６５を形成したものである。空間６５と圧力流
体通路６４ｂは別なる複数個の圧力流体通路６６にて連
通する。また、空間６５より下流のニードル６４の周面
には、複数個の旋回孔６４ｃが設けてあり、この旋回孔
６４ｃは渦巻室６０と連通する。即ち、圧力流体通路６
４ｂから流入した圧力流体は、別なる圧力流体通路６６
を通つて空間６５に流入し、これより圧力流体は、旋回
孔６４ｃによつて旋回運動を与えられ渦巻室６０に至
る。

第４図は、第２の実施例におけるニードル６４の先端部
の拡大図である。第１図から第４図において、同一符号
を付したものは同一部品を示す。

かかる構成において、以下にその動作を説明する。第１
図において、積層圧電部材５０のパルス電圧を印加する
と、パルスのＯＮ時間に対応して積層圧電部材５０が変
位（伸びる）する。積層圧電部材５０の伸びによつて、
超音波液体噴霧器の構成部品である振動子５２が圧縮バ
ネ６２のバネ力に抗して押され、ニードル５８に設けた
シート５８ｄより離脱する。これによつて噴射すべき燃
料量の通過のための開口断面が形成される。この際、圧
力流体は加圧ポンプ（図示せず）等の搬送機器を経て、
圧力流体入口５８ａからフイルター５９を介して流入す
る。さらに、圧力流体はニードル５８の圧力流体通路５
８ｂを経て旋回孔５８ｃに至る。旋回孔５８ｃで旋回運
動を与えられた圧力流体は、渦巻室６０にて集められ圧
力流体の保持する運動エネルギーを損うことなく、シー
ト５８ｄの隙間より噴射孔５６に向つて流れ、噴射孔５
６より外部へ噴射される。この際、圧力流体は広がりを
もつた薄膜状のスプレー形状となる。噴射孔５６の下流
に設けた急拡大してなるぬれ面５７は、この薄膜状スプ
レーを助長する。

一方、積層圧電部材５０にパルス電圧を印加すると同時
刻、もしくは適当な時間間隔をもつて超音波液体噴霧器
の圧電素子５４に通電し振動子５２とパルス状励振させ
る。第５図にその一例を示す。この場合、積層圧電部材
５０に印加する入力パルス波形（１）に対して、非加振
時の振動子５２が図中（２）のような変位の応答波形を
示したときに、変位が定常に達した点より時間間隔τを
もたせて振動子５２をパルス励振した例である。

励振された振動子５２の振動は、振動子５２の大きい面
から小さい面に向つて伝播し、この振動振幅が拡大され
小さい面の先端で最大となる。以つてこの近傍に設けた
噴射孔５６に流入した圧力流体は効率よく微細な液滴に
細分される。また、旋回孔５８ｃによつて旋回運動を与
えられた圧力流体は噴射孔５６より薄膜状のスプレー形
状となるが、この薄膜を振動によつて微粒化するため、
微粒化の効率が極めて良い。さらに、噴射孔５６の下流
に急拡大して設けたぬれ面５７は、薄膜状スプレーを助
長するのは勿論であるが、振動子５２の振動を薄膜に効
率よく伝達するもので、以つて微粒化を促進ならしめる
ものである。

なお、内燃機関の運動状態によつては、超音波液体噴霧
器をパルス励振させなくてもよい。例えば、内燃機関の
外部及び内部の温度が暖まつた状態にある場合は、液滴
は高温壁面に衝突し瞬時に気化して運転効率を低下する
ことはない。

以上がパルス電圧のＯＮ状態であるが、次の瞬間に電圧
がＯＦＦ状態になると、液体噴霧器の振動子５２は圧縮
バネ６５の復元力により、瞬時に元の位置に押し戻さ
れ、ニードル５８のシート５８ｄを押圧する。以つて、
振動子５２に設けた噴射孔５６は閉止される。この際、
圧力流体の外部への噴射が止まる。

一方、パルス電圧のＯＦＦと同時刻に、もしくは時間間
隔をもつて超音波液体噴霧器への通電がやめられる。

第２の実施例における動作は、第１の実施例とほぼ同じ
てあるが、圧力流体はニードル６４の圧力流体通路６４
ｂから別なる圧力流体通路６６を経て、ニードル６４の
外周に設けた旋回孔６４ｃにて旋回運動を与えられるも
のである。

本実施例に用いた積層圧部材は、圧電素子を多数枚積層
してなるが、ｎ枚積層した圧電素子に直流電圧Ｖを印加
すると、変位量δはδ＝ｎ・d₃₃・（Ｖ／ｔ）で与えられ
る。ｄ₃₃：圧電歪定数、ｔ：素子の厚み一般に、厚電素
子を１００枚積層すると４０ミクロン程度の変位が得ら
れる。このときの印加電圧は、直流４００Ｖである。ま
た、圧電素子の固有振動数が高いので応答性が良く、通
常１００μsecの応答が得られる。従つて、従来例で記
した電磁石方式の電磁弁（開弁応答時間は１msecから２
msec）に比べて、非常に優れる。本実施域では、前記し
たように中空円筒状の積層圧電部材と先端寄りに噴射孔
を有する超音波液体噴霧器を機械的に結合したので、積
層圧電部材の高速動作をそのまま生かすことができ、噴
射孔の開閉動作を高速で行うことができる。同時に、応
答性の向上によつて、１パルス当たりの噴射量を正確に
調量することができ、噴射流量の制御を高精度を行うこ
とができる。

なお、積層圧電部材は、変位を拘束したときに７０kg程
度の力を発生する。従つて、本実施例において、シート
の押圧力を数１０kgに向上させて構成することも可能で
ある。この場合、超音波液体噴霧器の構成部品である振
動子の外周と弁ケース間に設けた圧縮バネのバネ定数を
大きくする。これにより、供給燃料の圧力を高めたとし
ても振動子がバネ力に抗して、燃料圧力により押し上げ
られシートが開けられて燃料が外部へ漏れることはな
い。電磁石方式の電磁弁では、燃料の供給圧力は０．１
ＭＰａから０．３ＭＰａ程度であるが、本実施例によれ
ば５ＭＰａまで上げられても良いことが確認されてい
る。

第６図は、本実施例の燃料噴射弁をガソリンエンジンの
吸気通路に装備した適用例を示す断面図である。吸気系
統として吸気通路１００には、その上流にエアフイル
タ、吸入空気量の制御を開閉にて行うスロツトルバルブ
（共に図示せず）を、また下流に、点火プラグ１１０の
点火部１２０を臨まして配設する燃焼室１３０と開口連
通する吸気孔１４０およびこの吸気孔１４０を開閉制御
する吸気弁１５０を装備してなる。この吸気弁１５０の
上流で吸気通路１００の壁部１７０（インテークマニホ
ールド）に設けた取付孔１８０には本実施例の燃料噴射
弁１９０が取り付けられ、吸気弁１５０の弁座２００方
向に噴射可能としてある。以上の構成において、ガソリ
ン機関は、吸入行程において燃焼室１３０内に所定量の
吸入空気を、吸入通路１００、吸気弁１５０を経て吸入
されるものである。この燃料噴射弁１９０からは、従来
に比べて燃料が弁座２００方向へ微粒化特性及び噴射圧
に対する応答性が良好にして噴霧供給される。これが吸
入空気と効率よく均一に拡散混合され所定の混合比なる
燃料と空気の混合気が形成される。燃焼室１３０では、
前記混合気を吸入し圧縮工程にて圧縮したのち点火プラ
グ１１０により着火燃焼させ、燃焼を適確に完結させる
のである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の燃料噴射弁は、超音波液
体噴霧器の構成部品である振動子の先端近傍に燃料の噴
射孔を開口するとともに、該噴射孔のごとく近傍にシー
ル部を形成し、かかる状態で燃料が噴射される際、噴射
孔の開閉に同時刻もしくは多生の時間間隔をもつて超音
波液体噴霧器を励磁するもので、第１にシート部下流の
燃料通路は極めて短く、燃料はすぐさま外部へ開放され
るので、燃料噴射時の応答遅れ時間を大幅に短縮できる
ものである。また、振動子に設けた噴射孔の下流に末広
がり部を設けて燃料のぬれ面を拡大するとともに、該噴
射孔の近傍に設けたシート部の上流で燃料に半径方向の
運動成分を与えて、前記末広がり部に供給される燃料が
十分付着するようにしたもので、第２の該末広がり部に
沿つた薄膜状の燃料に超音波液体噴霧器を励振した際の
振動エネルギーを効率良く伝播することができ、燃料の
微粒化を促進せしめるとともに、少量から多量にわたる
供給燃料流量変化によつても微粒化を損うことはないと
いう効果がある。さらに、積層圧電部材に機械的に結合
した超音波液体噴霧器を、該積層圧電部材の高速動作で
もつて移動せしめ該超音波液体噴霧器の振動子に設けた
噴射孔の開閉を高速で行わせしめたので、第３に燃料の
噴射時の応答遅れ時間をさらに短縮せしめ、その都度噴
射すべき燃料量の制御を高精度に行うことができるとと
もに、開弁時間が少い領域（パルスＯＮ時間０．５msec
間）での流量制御を可能とし、幅広い流量制御を行うこ
とができるという効果がある。

なお、本発明の燃料噴射弁は、これを各種産業分野に適
用すれば実益は大である。例えば、内燃機関への適用を
考えると、燃料の適確な噴射供給によつて燃焼の十分な
完結を得て、有害ガスの発生を抑制し排気による大気汚
染を防止できるとともに、機関を安定，円滑に運転でき
各種作動効率等を大幅に改善し、しかも燃費を大幅に低
減できるという実用上の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例を示す断面
図、要部拡大断面図、第３図および第４図は本発明の第
２実施例を示す部分断面図、要部拡大図、第５図は本発
明の第１実施例および第２実施例の超音波液体噴霧器の
制御方法の一例を示す図、第６図は本発明の燃料噴射弁
をエンジンの吸気通路に装備した適用例を示す断面図、
第７図は、従来の燃料噴射ノズルの断面図である。 ５０……積層圧電部材、５２……超音波振動子、５６…
…噴射孔、５７……ぬれ面、５８……ニードル、６０…
…渦巻室、６２……圧縮バネ、６２……弁ケース。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子の内部の燃料通路を設けて成るとと
   もに、振動の節面をシート部として成り、該シート部を
   閉止する如く弁部材を押圧し、前記振動子を励振するこ
   とによって燃料の噴霧を行う内燃機関の燃料噴射弁にお
   いて、前記振動子は先端部の噴射孔の下流側に、段階的
   に断面積が大きくなる開口部を設けたものであって、か
   つ前記噴射孔近傍に設けられた前記シート部上流で燃料
   の半径方向に運動成分を与える旋回室を設けたことを特
   徴とする内燃機関の燃料噴射弁。