JPS60116848A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃
料噴射弁に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、燃料室内に燃料を直接噴射するエンジンがあるが
（例えば、特開５７−６２９１５号）、この種のエンジ
ンでは燃料噴射時期を圧縮行程の後期に設定しているた
め、高い圧縮圧力となっている燃料室内に燃料を噴射す
ることになり、必然的に高圧型（２５〜２００Ｋｆ／＊
？）の噴射弁を用いなければならず、燃料噴射の微細制
御に限界があり、また燃料供給系が高価になると共に電
子制御が極めて困難であるという欠点があった。

らに燃料供給系の低コスト化および電子制御化を可能と
し得る燃料噴射弁を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、噴射弁先端に燃料保持部を設け、かつ噴射弁
近傍に保持部を振動させる超音波振動子を設け、該振動
子により保持部内燃料を微粒化して噴射させるように構
成したものである。

〔発明の実施例〕

第１図には、本発明の一実施例が示されている。

図において、１はアクセル角度セ／す、２はマイクロコ
ンピュータ、３はクランク角センサ、４は噴射弁、５は
冷却水温センサ、６は空燃比センサ、７は燃料タンク、
８は燃料ポンプ、９は絞り弁、１０は絞り弁アクチユエ
ータ、１１はエアフロメータ（Ｈ／Ｗ）、１２は燃料管
、１３はプレッシャレギュレータ、１４は点火プラグ、
１５はイグニッションコイルでアル。

本実施例において、運転者の要求は、アクセル角度セン
サ１によつ・て検出される。この要求は、マイクロコン
ピュータ２に入力される。また、クランク角センサ３に
より検出された回転数もマイクロコンピュータ２に入力
される。これらの、アクセル角度と回転数よシ、マイク
ロコンピュータ２に記憶されているマツプを用いて、燃
料量つまりは、燃焼室内に直接取シ付けられた噴射弁４
の噴射量が決定され、出方されるのである。さらに１、
マイクロコンピュータ２には、冷却水温センサ５と空燃
比センサ６の信号も入力されているので、噴射弁４の噴
射、ｈｋは、これらふたつの入方値により補正を加えら
れた後に出力される。なお、燃料は、燃料タンク７と燃
料ポンプ８を通って噴射弁４に供給されている。このと
きプレッシャーレギュレータ１３１Ｃよる燃料圧の補正
も行われる。

本システムには、さらに、絞り弁９．絞り弁アクチュエ
ータ１０．吸入空気流量を検出する熱線式エア７０メー
タ（以下Ｈ／Ｗと記す）１１が設けられている。これは
、前述の噴射弁４の噴射量と回転数より、燃焼室内の混
合気濃度が、空気過剰率λが１よりも希薄側、たとえば
λ＝１．２になるようにマイクロコンピュータ２に記憶
されているマツプで吸入空気量を制御するだめのもので
ある。りまシ、マイクロコンピュータ２よシ出力された
吸入空気ｉＫなるように、Ｈ／Ｗｌｌの出力を見ながら
絞シ弁アクチュエータｌＯで絞り弁９を動作させ、閉ル
ープ制御を行うものである。

噴射弁４より燃料が噴射される時の噴射時期は、噴射弁
４の開弁時間つまりは燃料量と、回転数を基にしたマイ
クロコンピュータ２内にマツピングされたマツプにより
決定され出力される。

本システムには、点火プラグ１４が設けられておシ、混
合気に火花着火するようになっている。

この時の点火時期は、噴射弁４の噴射量と回転数より決
定され、マイクロコンピュータ２よりイグニッションコ
イル１５を介して点火プラグ１４に出力される。

つまシ本システムは、エンジンの各燃焼室ひとつひとつ
に、それぞれ噴射弁４と点火プラグ１４が設けられてお
シ、各燃焼室に噴射された燃料に点火プラグ１４で着火
させるものでアシ、この噴射量と噴射時期さらには点火
時期をマイクロコンピュータ２によシ各燃焼室ごとに制
御するものである。さらには、希薄燃焼を達成するため
に、絞り弁９．絞り弁アクチユエータ１０．　Ｈ／Ｗｌ
　１を装着し吸入空気量の閉ループ制御を行うものであ
る。

第２図は、本システムのコントロールユニットのハード
ウェアを示し九図である。本システムの制御回路は、Ｍ
ＰｔＪ、Ｐ−ＲＯＭ、ＲＡＭ。

ｌ１０ＬＳＩ、プログラマブルタイマ、Ｈ／Ｗ駆動回路
および出力回路からなる。このｌ１０ＬＳＩには、ディ
ジタル入力として、スタータスイッチ。

ニュートラルスイッチ、絞シ弁アクチュエータ１０のポ
テンションメータの出力であるスロットルスイッチ、さ
らにアナログ入力として、バッテリ電圧、水温センサ、
空燃比センサ、アクセル角センサさらに角度信号として
クランク角センナ。

気筒判別信号、さらにＨ／Ｗセンサの各信号が入力され
る。なおプログラマブルタイマは、空気流量取込みタイ
ミングの設定に使用される。またｌ１０ＬＳＩからは、
燃料ポンプの制御、低圧噴射弁（後述）の制御、振動子
（後述）の制御２点火時期制御用のイグニッションコイ
ル制御、絞す弁アクチユエータの各制御に用いられる信
号が送出される。

第３図は、第１図における燃焼室の拡大断面図である。

燃料は噴射弁４より燃焼室１６に供給され、点火プラグ
１４で点火される。

第４図は、噴射弁４の構成図であり、燃料は入口管１８
より低圧噴射弁１７に供給される。そこで、コイル１９
に電圧が印加されると、ボビン２０がバネ２１の力に打
ち勝って上昇し、これに伴いニードル２２も上昇する。

この時、燃料は噴出口２３より燃料通路２４中に噴射さ
れる。この燃料通路２４は燃料で充満しているために、
噴射時の燃圧のためにニードル２５がバネ２６に抗して
上昇する。これにより、燃料は噴射口２７よシ燃料だめ
２８に噴射される。燃料だめ２８を形成している振動部
材２９の先端には、バランス孔３０と噴出孔３１が設け
られている。燃料だめ２８に噴射された燃料は、一定時
間保持された後に、振動部材２９を振動子３２を振動さ
せることにより、噴出口３１より燃焼室内に噴出される
。

この場合、第４図（ｂ）に示すように、振動部材２９と
シリンダブロック３３との接触部３４が振動の節、噴出
孔３１が設けられている振動部材２９の先端が振動の腹
となるように、接触部３４より先端の振動部月２９の寸
法が決定されている。なお、燃料通路２４を形成する燃
料管３５と振動部材２９とシリンダブロック３３は、接
触部３４以外では接触していない。

第５図は、噴射弁４の先端部の拡大図である。

低圧噴射弁１７よシ燃料が噴射されることによって燃料
通路２４内の燃料圧が、燃料室内の圧力よシも大きくな
ると、ニードル２５がバネ２６０下向きの力に打ち勝っ
て上昇し、燃料が噴出孔２７よシ燃料だめ２８中に噴射
される。なお、このニードル２５の先端は、圧縮行程に
なって燃焼室１６の圧力が上昇した時にこの燃焼室圧力
によって閉じる方向に力が加わるようＦＣ１ｌ成されて
いる。、ところで、燃料が燃料だめ２８中に噴射された
後に振動部材２９の振動忙よシ噴出孔３１がら燃焼室内
に噴射されるのであるが、この際の噴射を容易にするた
めに燃焼室１６と燃料だめ２８の圧力をバランスさせる
バランス孔３ｏが設けられている。このバランス孔３０
により、燃焼室１６の圧力が高まっても燃料だめ２８と
の間に圧力差が生じなくなり、燃料は噴出孔３１よりス
ムーズに噴・射される。

前述したように、燃料は吸気行程等の燃焼室内の圧力が
低い時に燃料だめ２８中に噴射され、ある一定時間保持
された後に振動によシ燃焼室１６に噴出されるので、燃
料だめ２８は燃料を一定時間保持できる構造になってい
る。これは、次のような原理を利用したものである。す
なわち、第６図（ａ）に示すように底部に直径ｄの穴が
あいた容器に液体を入れた場合、穴から液体が漏れ出す
のに最低必要な圧力差（Ｐａ　Ｐｔ　）ｍｓと穴の直径
ｄとの関係は、液体として水を入れたときは第６図（ｂ
）の曲線（イ）で示すようなものとなり、ガソリンのと
きは第６図（ｂ）の曲線（ロ）で示すようなものとなる
。

具体的には穴の直径ｄ　’ｆｒ　１　ｗｐｉとした場合
、この穴部における表面張力に打ち勝ってガソリンを漏
出させるための最低圧力（ＰＩ　ＰＩ　）”は８ｍＨ２
Ｏであり、８ｆｌの水柱で加えた圧力に相当する。また
、穴の直径を０．５　ａｍとした場合の最低圧力（Ｐｚ
Ｐｔ）刷は１５ｍＨ＊０程度である。

従って、燃料だめ２８の客種を３ｃｃ程度に大きくして
もバランス孔３０によって圧力がバランスし、噴射孔３
１から燃料だめ２８内の燃料が漏れ出すことはない。

燃料だめ２８内の燃料はこのような原理にょって一定時
間保持される。

！７図は噴出孔３１の穴数と微粒化流量、処理時間の関
係を説明する図であって、同図（ａ）に示すように振動
によって噴出孔３１から噴出した燃料量を微粒化流量と
すると、振動子３２に印加される回路出力と微粒化流量
との関係は、同図（ｂ）のようＫなる。これによると、
回路出力が増加し、穴数が多くなるほど、単位時間当り
の微粒化流量が増加することがわかる。また、同図（Ｃ
）　Ｋは、回路出力と１ｃｃのガソリンを噴出するのに
要する時間との関係を示しているが、これによると、回
路出力が増加するはど、また穴数が多くなるにと処理時
間が減少していることがわかる。

以上に示した第６図および第７図の関係にょシ、噴出孔
３１の穴径を小さくしてその数を多くした方が、燃料保
持微粒化流量、処理時間に関して有利であることが明確
である。このため、本発明の噴射弁４の噴出孔３１は、
複数個の穴を設けた構成圧している。

第８図は燃料が噴出孔３１より出て微粒化されるととる
の原理を示す図であって、同図伸）Ｋ示すように振動部
材２９に振動を与えると、これに接触している燃料にも
振動が伝わる。すると、燃料は同図（ｂ）　Ｋ示すよう
に、表面張力で孔３１から出るのをふせがれていたが、
振動部材２９が振動して燃料も振動することにより、燃
料の見かけの慣性力が増加し、これが表面張力に打ち勝
って噴出孔３１の下方へ流れるようＫなる。その後、同
図（ｂ）の斜線部３６に達したときに振動部材２９に生
じている表面波により、励振されて微粒化される。

第９図に、（イ）燃焼室圧力、（ロ）低圧噴射弁１７の
開弁時期、（ハ）振動子３２の振動時期、に）点火時期
を示している。低圧噴射弁１７は、燃焼室圧力が低い吸
気行程か圧縮行程の初期に開弁し、この開弁時間で燃料
を計量する。その後、一定時間燃料を保持した後に振動
子３２を圧縮行程の中・後期に振動させて燃料を噴出さ
せ、その直後に点火プラグ１４により点火される。この
場合、振動部材２９は点火後も第９図（ハ）の破線で示
すように振動させておき、燃焼を促進させる。第９図（
ホ）には低圧噴射弁１７が開弁しているときの燃焼室１
６の様子を示しており、こむでは燃焼室１６内に燃料は
噴射されていない。第９図（へ）忙は、振動子３２が振
動していて、燃料が燃焼室１６に噴出されているときの
様子を示しておシ、ここでは点火直前に燃料を噴出させ
ることにより、点火プラグ近傍に燃料噴霧を集中させて
成層燃焼を可能にしている。このため、振動子３２の振
動時期は、ある一定の短かい時間に行われる。

次に、低圧噴射弁１７に作用する燃料圧力の補正につい
て説明する。第１０図（ａ）は、（イ）燃焼室１６内圧
力、（ロ）吸気管内圧力、第１０図（ｂ）には、（ハ）
排気弁の開度、に）吸気弁の開度ｆ　／　ｆ　ｍａｘを
それぞれ示しているが、吸気行程の中期から圧縮材ａの
前期の１ｏｏ０〜１２００Ｂ、ＢＤｃ〜２ｏ。

〜６０°Ａ、ＢＤＣの間は、燃焼室内圧力（イ）は吸気
管内圧力（ロ）とほぼ等しくなっている。このときは、
吸気弁にょる圧力損失分だけ異なっているのみであり、
しかもこの圧力損は非常に小さいため、この期間におい
て両者はほぼ等しいと考えてよい。

ゆえに、低圧噴射弁１７で燃料を噴射する場合には、吸
気管内の圧力を測定して、燃料圧補正を行えばよいこと
がわかる。

第１１図はブレラシャレギュレータ１３の構造の一例を
示す図であって、ここではスプリング室３７に吸気管負
圧（絞り弁径流）を導き、燃料圧を吸気管負圧に対して
常に一定圧力差（例えば３Ｋｇ　／　ｃｒｌ　）になる
ように保持し、噴射量の計量精度をあげるように構成し
ている。すなわち、燃料圧が吸気管負圧に対して一定圧
以上の圧力差になると、ダイヤスラム３８を押し上げ余
分な燃料はリターンパイプ３９を通り燃料タンク７にも
どされ、一定圧が差が保たれるように構成している。

第１２図は振動子３２を第９図（ハ）に示したようにパ
ルス的に振動させるための回路の一例を示す図であって
、４０はサイリスタ、４１はダイオードである。ここで
は、外部からの同期パルスによりサイリスタ４０が導通
状態になり、コンデンサ４２に充電された電荷を放電す
るが、次にサイリスタ４０は逆バイアスされて不導通に
なるため、この後はコンデンサ４２．抵抗４３．コイル
４４゜振動子３２で形成される供給回路で振動子３２は
自由振動をするようになる。Ｖｌは１２〜１５Ｖの直流
電圧であシ、■！はトランスを介して与えられる高電圧
である。

第１３図は燃料系、点火系の制御内容を示すフローチャ
ートであって、初めに運転者の要求としてのアクセル開
度θ、とエンジン回転数Ｎがマイクロコンピュータ２に
取込まれる。そこで、θ。

とＮを基に第１４図（ａ）に示すようなマツプＩより低
圧噴射弁１７の開弁時間Ｔｔが検索され、この後このＴ
ＩとＮを基に第１４図（ｂ）のマツプ■から吸入空気量
Ｑ、が検索され、このＱ、に対応して絞シ弁アクチュエ
ータ１０が駆動される。この時実際のＱ、がＨ／Ｗｌｌ
で測定され、Ｑ・とＱ・′とが比較され、その差がなく
なるように絞り弁アクチユエータｌＯが駆動される。な
お、このときのマツプπは、開弁時間Ｔｔに相当する燃
料量に対して例えばλ＝１．２となるように吸入空気量
Ｑ−がマツピングされている。

次に、開弁時間Ｔｔと回転数Ｎを基に第１４図（Ｃ）に
示すマツプ■によシ低圧噴射弁１７の噴射用開始時期Ｔ
ｔｇｄ”検索される。なお、第１４図（Ｃ）では、開弁
時期’Ｒｍ　４をクランクアングルのＢ、ＴＤＣ’で表
しており、１進”とはＴＤＣより前に開始時期が移動す
ることを表し、６遅”とはＴＤＣに近づくことを表して
いる。このようにしてめられたＴＩとＴＩｍｊは、低圧
噴射弁１７に対応する制御信号として出力されるが、こ
の場合のＴｓとＴｔｍＪは燃料噴射が第１θ図（ｂ）の
（ホ）で示した期間に開始し、終了するように決定され
る。次に開弁時間Ｔ＜と回転数Ｎを基に第１４図（ｄ）
に示すようなマツプ■より振動子３２の振動開始時期Ｔ
Ｐｚが、また振動子３２に出力される回路出力Ｗｐｚが
第１４図（ｅ）のマツプ■より検索され、振動子３２に
対し駆動信号が印加される。この場合、振動開始時期Ｔ
ｐｚに関しては、前述したように、成層燃焼を達成させ
るために所定の時期にしかも短期間に燃料の霧化を行わ
なければならないので、その自由度は少なく、ＴｔとＮ
により大きく左右されないように定められている。この
ため、燃料量が増加した場合には、第１４図（ｅ）のマ
ツプ■に示したように、振動子３２への出力Ｗｐｚを大
きくすることによシ単位時間当りの微粒化流量を増力口
して対処するように構成されている。なお、このときの
振動子３２への出力Ｗｐｚとは、周波数の増減でも電力
量（ワット数）の増減でも良い。最後に、開弁時間Ｔｒ
と回転数Ｎを基にして第１４図（ｆ）のマツプ■よシ点
火時期ＴＩＨａが検索され、イグニッションコイルが駆
動される。この場合の点火時期ＴＩａｍは、燃料噴射時
期の後期がその直後になるように決定される。

第１５図は、振動部材２９の先端を多孔質の部材４５で
構成した他の実施例を示すもので、多孔質のため燃料だ
め２８と燃焼室１６の圧力はバランスしておシ、燃料も
漏れることなく保持される。

さらに、振動させたときには部材４５の全面から燃料が
微粒化されて噴出するものとなる。

第１６図は、噴射弁４をディーゼル機関に応用した例を
示す図であり、燃料は燃焼室１６内に直接噴射されて圧
縮着火される。第１７図はこのときの噴射弁４の制御パ
ターンを示す図であり、０）は燃焼室内圧力、（ロ）は
低圧噴射弁１７の開弁時期。

（／つは振動子３２の振動時期を示している。ここでも
噴射弁１７の開弁時期は、吸気行程中期から圧縮行程前
期の間になっており、振動子３２は圧縮行程の後期に振
動が開始され、燃焼中も続けて振動させられて燃焼を促
進させている。なお、に）は噴射弁１７の開弁時期にお
ける燃焼室１６の様子を示す図であり、この状態では燃
料は燃焼室１６内には存在しない。第１７図（ホ）は、
振動子３２０−振動時期における燃焼室１６のこの状態
では燃料は燃焼室１６に噴射され圧縮着火される。

第１８図は、燃料を噴射弁４で吸気管の吸気ボート４６
に噴射する場合の例を示す図であり、第１９図はその制
御パターンを示す図である。この場合、（イ）（ロ）（
ハ）に）の記号は第９図と同じことを示し、噴射時期（
ロ）は吸気行程中に終了し、振動時期（ハ）は噴射と同
時に燃料が微粒化されるように決定されている。また、
点火時期に）は圧縮行程の後期に決定されている。第１
９図＋１＋に噴射時期の様子を示しているが、噴射時期
は吸気行程後期に行われるため、噴射された燃料は燃焼
室１６の上部に偏在するようになる。第１９図（へ）は
点火時期における様子であり、この時燃料は点火プラグ
の近くに集中するようになる。

以上のように、低圧噴射弁によって燃焼室内の圧力が低
い時に燃料保持部に燃料を噴射して保持しておくため、
計量部は低い燃料圧に耐え得るもので良く噴射弁の構成
が簡単となってコストを低減させられる。また、保持さ
れた燃料を圧縮行程の後期に超音波振動子の振動により
微粒化して燃焼室内に分散させる羨め、燃焼室内におけ
る燃料噴霧の制御を正確に行うことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、燃焼室
内直接噴射型エンジンにおいて、燃料供給系の低圧化、
低コスト化が可能となり、さらに超音波振動子との組合
せにより燃料噴霧の微細制御が可能となり、成層燃焼が
実現でき、燃費の大幅な低減を図れるなどの優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるエンジンの構成の一実施例
を示す図、第２図は制御系のブロック図、第３図は第１
図における燃焼室の拡大断面図、第４図は噴射弁の一実
施例を示す断面構成図、第５図は第４図の噴射弁先端部
の拡大断面図、第６図は噴射弁における燃料だめの原理
を説明する図、第７図は噴射弁における噴出孔の大数と
微粒化流量および処理時間の関係を説明するための図、
第８図は燃料微粒化の原理を説明するための図、第９図
は燃焼室圧力や噴射弁開弁時期などの制御パターンを示
す図、第１Ｏ図は噴射弁に作用する燃料圧力の補正につ
いて説明するための図、第１１図はプレッシャレギュレ
ータの構造の一例を示す図、第１２図は振動子を駆動す
る回路の一例を示す図、第１３図は燃料系および点火系
の制御内容を示すフローチャート、第１４図は燃料系お
よび点火系の制御に用いる各種マツプを示す図、第１５
図は噴射弁の振動部材の他の実施例を示す拡大断面図、
第１６図は本発明の噴射弁をディーゼル機関に適用した
例を示す図、第１７図はその制御パターンを示す図、第
１８図は吸気ボートに噴射する場合の例を示す図、第１
９図はその制御パターンを示す図である。 ４・・・噴射弁、１３・・・プレッシャレギュレータ、
１６・・・燃焼室、１７・・・低圧噴射弁、１８・・・
入口管、１９・・・コイル、２０・・・ボビン、２１・
・・ばね、２２゜２５・・・ニードル、２３・・・噴出
口、２４・・・燃料通路、２８・・・燃料だめ、２９・
・・振動部材、３０・・・バランス孔、３１・・・噴出
孔、３２・・・撮動子、３３・・・シリンダブロック。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 第１国 ＃２　図 第　１ 第　ら　６口 （仄） 直径　ｉｔ　（ｅｔｗ） 出力 第ｇ　の （０−） 第９　閃 １１０　図 Ｆ５．Ｂυに　／ｊＪＤｃ 第　１，５０ 察　１４　口 （（Ｌ）マツフ０Ｌ Ｃｂン　マ・ツブＬ 剛贅時而Ｔｆ ≠１４−圀 ＣＣ）　マゾデ亙 ｆｆ′Ｉ−２時町ガ （１）マッフ０亙 ｌｆ’１４時ｎη 第１４圀 （刊−、−ｙ’Ｖ ／１ｉｌｌｌ青時闇Ｔｆ げ）７・１７″１ ｆｆｉ音時叫ゲ 活１６図 第１Ｔ　Ｉ］ 第４０ φ 手続補正帯（斌） １．事件の表示 昭和５８年特許願第２２３９４０号 ２、発明の名称 燃料噴射弁 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　（５１０）株式会社日立製作所 ４、代理人 昭和５９年２月８日（発送日昭和５９年２月２８日）７
、補正の対象 図　面 ８、補正の内容 （１）　図面第１４図を別紙の如く訂正する６以上 第１４図 （０） ７りｔル閉厘ｅａ（％） （ｂ） 量弁時間Ｔｆ 第１４図 （Ｃ） 聞弁開間Ｔｆ （ｄ） １１１１１１′Ｔｆ５Ｔｆ 第１４図 （ｅ） （ｆ） 關　４ｔ　［１八４　Ｔず

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射
   弁において、先端に燃料保持部を有し、かつこの燃料保
   持部を振動させる超音波振動子を設け、前記超音波振動
   子によシ燃料保持部内燃料を微粒化して噴射させるよう
   に構成したことを特徴とする燃料噴射弁。 ２、前記燃料保持部に保持部内圧力と保持部外圧力とを
   パ２ンスさせる連通孔が設けられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料噴射弁。