JPS6270656A - 内燃機関の燃料噴射弁 - 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、内燃機関用の燃料噴射装置に用ｂ）る煙流噴
射弁に係り、超音波液体噴霧器を用−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った内
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号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
ていなかっ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
の圧力によって、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、これによっ
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π」節において振動子１
３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につながっている。供給燃料はエンジ
ンのサイクルに応じた動作様式によって制御される。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、飼下に示す点が配慮されていなかっ
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。従っ
て噴射までの燃料噴射時間、すなわち燃料の応＃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Ｑ
とすると、振動子の共振周波数１００　ｋ　Ｈｚの場合
において１／２Ｑ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１５ａｍ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１５
ｍ／ｓ程度として燃料の応答遅れ時間を求むると１　ｍ
５ｅｃ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　、５　ｍ５ｅｃ程度
が必要とされ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２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
って燃焼に悪影響を及ぼす。

すなわち、大気汚染物質等を排出する要因となる。

従っ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って超音波液体噴霧
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って外部へ
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って流れ、振動を受
けず外部へ放出されるものと考えられる。従って、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ノ高精度化が図れないものと考
えられる。また、応答速度の唄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ばね力を
弱くすれば逆に閉弁時間が長くなり、閉弁応答を速くす
るためにばね力を強くすれば、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雅しい。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
流景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
っ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って
、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、多少の時間差をもって励振するものであり、連続
励振するものではない。

これによって、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）によって制約される。したが
って、これの解決が重要となる０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。

以上の記載により、噴射される燃料は噴射孔を出たのち
末広がり部に沿っ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って、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って
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って成立するが、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゛准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。

以って、両者の中空部には、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
ス電圧を印加し九際、該積層圧電部材の高速変位（伸び
）によって、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。これによっ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っ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
る振動子であり空胴部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
さい面側に向って噴射孔５６が設けてあり、該噴射孔５
６は前記振動子５２の空胴部５３に連通すると共に、振
動子５２の小さい面側に向って急拡大されるぬれ面５７
に連通ずる。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０例えば、隙間は２０ミクロン程度である。５８ｃ
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
孔で複数個設けである。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合するように設けた弁ケースで、一
端を振動子５２が適当な間隔をもっ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
ってなる中空円筒状に構成される。即ち、振動子５２及
び他の部品を覆って挿入し、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５
２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。抑圧される力（シート力）は圧縮バネ６２のバ
ネ定数と、弁ケース６３の固定位置によって所望の強さ
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の構造を変更したもので、別な
る構造のニードル６４を有する６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
ずる。

また、空間６５より下流のニードル６４の局面には、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６４ｂから
流入した圧力流体は、別なる圧力流体通路６６を通って
空間６５に流入し、これより圧力流体は、旋回孔６４ｃ
によっ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５ｏ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の伸びによって、
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。これによって噴射すべき撚
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、
圧力流体人口５８ａからフィルター５９を介して流入す
る。さらに、圧力流体はニードル５８内の圧力流体通路
５８ｂ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に向って流れ。

噴射孔５６より外部へ噴射される。この際、圧力流体は
広がりをもった薄膜状のスプレー形状となる。噴射孔５
６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っ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てを
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
から小さい面に向って伝播し、この振動振幅が拡大され
小さい面の先端で最大となる。以っ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によって旋回運動を与
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って微粒化するため。

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、以って微粒化を促進ならしめる
ものである。

なお、内燃機関の運転状態によっては、超音波液体噴霧
器をパルス励振させなくてもよい０例えば、内燃機関の
外部及び内部の温度が暖まっ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６２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を抑圧する。以って、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
隔をもっ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
であるが、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−ｄｓｓ・（ｖ／ｌ）で与え
られる。ｄａａ：圧電歪定数１．：素子の厚み一般に、
圧電素子を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。従って、従
来例で記した電磁石方式の電磁弁（開弁応答時間は１　
ｍ５ｅｃから２　ｍ５ｅｃ）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、ＭＭ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、応答性の向上によって、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
制御を高精度に行うことができる。

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。従って、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、ｆ！１磁石
方式の電磁弁では、燃料の供給圧力は０　、１　Ｍ　Ｐ
　ａから０　、３　Ｍ　Ｐ　ａ程度であるが、本実施例
によれば５　Ｍ　Ｐ　ａ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、その上流にエアフィルタ
、吸入空気量の制御を開閉にて行うスロットルバルブ（
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が取り伺けら
れ、吸気弁１５０の弁座２００方向に噴射可能としであ
る０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内に所定量の吸込空気を、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１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
ト部を形成し、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少の時間間隔をもって超音
波液体噴霧器を励振するもので、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に該末広がり部に
沿っ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
供給燃料の流量変化によっ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
でもっ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Ｑ　、５
　ｍ５ｅｃ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って燃焼の十分な
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２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、５
６・・・噴射孔、５７・・・ぬれ面、５８・・・ニード
ル、６０代理人　弁理士　小川勝男　゛・、↓ノ′冨１
図 １２図 １３図　　　　１４図 ￥Ｊ　６　邑 百　７　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．　超音波液体噴霧器の構成部品である振動子の内部
   に燃料通路を設けて成るとともに、該振動子の振動の節
   面をシート部として成り、該シート部を閉止する如くニ
   ードル弁をバネ力にて押圧し、電磁力の作用により前記
   ニードル弁を吸収すると同時に、もしくは時間間隔をも
   つて前記超音波液体噴霧器を励振して、その都度開かれ
   る通路断面によつて噴射すべき燃料量が与えられ噴射時
   に燃料噴霧が行われる内燃機関の燃料噴射弁において、
   先端部近傍に噴射孔を設けて成るとともに、該噴射孔よ
   り下流に向つて末広がり部を設けて成る前記超音波液体
   噴霧器の振動子と、前記ニードル弁の弁体より連続する
   軸端を固定し、該固定端より延長される弁ケースと前記
   振動子の外周間に圧縮バネを配設し、該圧縮バネの復元
   力により前記振動子を前記ニードル弁に押圧して該振動
   子の噴射孔を閉止する如く構成し、電磁力の作用により
   前記振動子を可動せしめて噴射孔を開閉し、該噴射孔の
   開閉と同期させるか、もしくは多少の時間差をもつてパ
   ルス励振させ、燃料量の制御を燃料噴霧を行わせしめる
   ようにしたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
2. ２．　前記振動子の噴射孔上流に、燃料に旋回流を与え
   るべく旋回孔を前記ニードル弁に配設し、該噴射孔より
   流出する燃料を薄膜化するとともに、該噴射孔の下流で
   燃料を末広がり部の壁面に十分付着させ、前記振動子の
   励振時に効率良く振動を伝達せしめて少量から多量に及
   ぶ燃料の微粒化を促進せしめたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の内燃機関の燃料噴射弁。
3. ３．　前記振動子を可動せしめる駆動源として、電圧を
   印加すると変位が生ずる圧電素子を多数枚積層して成る
   中空円筒状の積層圧電部材を用いたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の内燃機関の燃料噴
   射弁。