JP2009520153A - 内燃機関用燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

特にニードル引込み式またはニードル飛出し式の内燃機関用燃料噴射器（４４、６６、７０、７４）において、特に噴射孔で終端するノズル（１６）を形成する燃料噴射器本体（１２）と、燃料噴射器本体の噴射孔を閉塞する手段であって、噴射孔の閉塞ヘッド（２６）で終端する振動ロッド（２４）を備える閉塞手段と、閉塞手段を噴射孔の閉塞位置へと復帰させる手段（３０）と、噴射孔を交互に開放および閉鎖するようにロッド（２４）および／またはノズル（１６）を周期的に長手方向に発振させる手段（３６、７２）とを備える。燃料噴射器（４４、６６、７０、７４）が、本体（１２）に対してロッド（２４）を固定する選択的に作動可能な手段（４６、４８）を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、特に自動車車両での使用を目的とした、内燃機関用、特にディーゼルエンジン用の燃料噴射器に関する。

従来型の内燃機関はシリンダを少なくとも１本備え、その内部でピストンが両端位置の間を摺動する。ピストンは、シリンダおよびシリンダヘッドとともに燃焼室を画定する。こうした内燃機関において、燃料噴射器の役割は、細かく霧化された燃料を内燃機関の燃焼室に供給することである。

例えば出願人の名義による特許ＦＲ２８０１３４６により、図６に示されるような燃料噴射器１０を備えた内燃機関用噴射装置が知られている。

この燃料噴射器１０は、超音波周波数で縦モードの振動を発生させることができるトランスデューサ１４を備える本体１２を具備する。トランスデューサ１４はその下部がノズル１６で終端し、そのノズル１６内でトランスデューサ１４からの振動が増幅される。

トランスデューサ１４全体が、第１の内部キャビティ１８を有する。第１の内部キャビティ１８は加圧された燃料で満たされるためのものである。このために、第１のキャビティ１８は、加圧燃料供給回路（図示せず）と連通することができる燃料供給口２０に接続されている。第１のキャビティ１８は、燃料噴射器のノーズとも呼ばれるノズル１６の下端２２で噴射孔に開口する。

燃料噴射器１０は、さらに、基本的に軸ｙ−ｙ’に沿って延びるロッド２４またはニードルを備える。ロッド２４は、ノズル１６内において軸方向に移動可能に収容されている。ニードル２４の下端は、ノズル１６の外に延びる閉塞ヘッド２６を有する。この閉塞ヘッド２６は、ノズル１６の噴射孔を画定するノズル１６の内面と接触して、燃料噴射孔を塞ぐことができるように構成されている。

ロッド２４の他端は、バネ３０を介して燃料噴射器１０の本体１２に弾性的に連結された質量体２８を備えている。質量体２８とバネ３０とから成る系３２は、燃料噴射器１０の本体１２の後部に形成された第２のキャビティ３４内に収容される。

ロッド２４とバネ３０とから成る弾性アセンブリは、所望の弾性復元力を作用させ、これにより、ノズル１６の噴射孔を取り囲む区域にロッド２４の閉塞ヘッド２６を当接させることを可能にする。加えられる応力は、燃料噴射器１０に所与の圧力で燃料が供給された際にノズル１６端部に設けられた噴射孔を密封することを可能にするとともに、ロッド２４の閉塞ヘッド２６がノズル１６と接触する区域に摩耗が生じた場合にそれを補償することを可能にする。

質量体２８は、ロッド２４と質量体２８との境界で機械的インピーダンスの断絶が実現されるように、例えばねじ込みによってロッド２４に固定される。

質量体２８の質量およびバネ３０の剛性は、トランスデューサ１４の励起持続時間に比べて極めて大きな応答時間をもつ系が形成されるように選定される。

トランスデューサ１４は、電場または磁場がそれぞれ加えられることによって厚さに関して変形する圧電式または磁歪式の能動部品の積層３６からなる区域を備える。この積層３６は、弾性材料からなる他の２つの要素３７ａ、３７ｂ間に挟持される。能動部品間の結合は、ナット３８のような応力付与手段によって行われる。複数の能動部品を積層することにより、それぞれの能動部品において生じる厚さ変形を合計することができるが、能動部品の積層全体の移動によって生じる変形は応力付与手段の弾性変形限界の範囲内にとどまる。

圧電式能動要素に電圧がかけられると、圧電式能動要素は変形し、弾性変形を生じて、それがノズル１６の下端まで伝えられる。

好ましくは、トランスデューサ１４とノズル１６とから成るアセンブリ４０は、能動部品の励起周波数で共振して、長手方向の移動がノズル１６の下端２２のレベルまで増幅されるように寸法設定される。ロッド２４は、最初はその閉塞ヘッド２６で噴射孔を塞いでいるが、ノズル１６が振動し始めると供給されるパルスの作用で変形する。この変形が、ロッド２４の長さ全体にわたって弾性的に分配され、ロッド２４と質量体２８との間の境界４２で反射する。

ロッド２４およびノズル１６のそれぞれの固有応答は、位相および振幅の相違を伴ってロッド２４端部および開口部を振動させることができる。この相違は、ロッド２４とノズル１６の端部２２との間に環状の隙間が開く結果となって現れ、その隙間の幅は、ノズル１６端部２２の振動とロッド２４の閉塞ヘッド２６の振動との位相差および相対振幅差に依存する。

燃料噴射器１０の最小開放時間はトランスデューサ１４に加えられる励起の時間と同程度であり、その励起は数十キロヘルツ、典型的には５０ｋＨｚで行うことができるので、約２０μｓの最小開放時間が可能になる。これによって、短時間にマイクロリットル単位の燃料を供給することが可能となる。

燃料噴射器１０の本体１２は、図示しない手段によって内燃機関のシリンダヘッド上端に固定されるようになっている。

燃料噴射器１０はロッド２４を長手方向に発振させるための間接的手段を有するが、ロッドを周期的に発振させるための直接的手段を備える燃料噴射器も知られている。とりわけ、ロッド本体に直接取り付けられ、ロッドの弾性変形を生じるようにロッドを励起する圧電セラミックスの積層または磁歪バーを備える燃料噴射器が知られている。

直接的手段または間接的手段のどちらで燃料噴射器のロッドを励起する場合であれ、ロッドは一方の端部が質量体にはめ込まれる。この質量体の役割は、ロッド内を伝播する変形波がロッドと質量体との境界で反射するように、機械的インピーダンスの断絶を実現することである。

また、燃料噴射器１０はニードル飛出し式であるが、ニードル引込み式の燃料噴射器も知られている。ニードル引込み式の燃料噴射器の場合、ロッドは、休止時は、バネの作用によってノズル下端の内面に押し付けられる。バネは、第２のキャビティ内に取り付けられる。これにより、噴射孔の閉塞が確保される。燃料噴射器の本体が励起されると、ロッドは長手方向に発振される。すると、ロッドの端部が噴射孔の閉塞位置と噴射孔の開放位置との間で振動する。

燃料噴射器の形式に応じて、バネはロッドに対して引張力（ニードル飛出し式噴射器の場合）または圧縮力（ニードル引込み式噴射器の場合）を及ぼすことに留意されたい。

しかし、燃料噴射器の寸法は、内燃機関において、および内燃機関の直接的な環境内において、利用可能な場所によって強制的に決まる。そのため、燃料噴射器の体積が強制的に決まると、十分な機械的インピーダンスの断絶と噴射孔のレベルにおける十分な密封応力とを確保するための質量体とバネとから成る系の大きさは、質量体とバネとから成る系の共振周波数が内燃機関の振動によって強制的に決まる励起範囲にあるような剛性のバネに対応するものとなり得る。質量体とバネとから成るアセンブリをその共振周波数で励起すると、無秩序な燃料噴射器の開放が引き起こされる。

この問題に対する公知の解決策の１つは、質量体とバネとから成る系に緩衝手段を追加するものである。しかし、このような措置では、共振周波数で励起される質量体とバネとから成る系の振動の振幅を小さくすることしかできず、この解決策は質量体とバネとから成る系の共振の問題を不完全にしか解決できない。

燃料噴射器の本体に質量体を固定し、その中にニードルをはめ込むという方法も知られている。しかし、このような解決策には、燃料噴射器が熱を帯びて燃料噴射器の本体およびニードルが膨張することによって、制御されない軸方向の力がニードル内に生じるという不都合がある。この軸方向の力は、ニードルの周期的な変形を妨害し、燃料噴射器による噴射を妨害する。

本発明の目的は、上述した欠点をもたず、とりわけ、燃料噴射器の設置環境による制約を克服して、よりよく制御された細かな霧状の燃料噴射を行うことができる燃料噴射器を提供することである。

本発明の目的は、特にニードル引込み式またはニードル飛出し式の内燃機関用燃料噴射器であって、
− 特に噴射孔で終端するノズルを形成する燃料噴射器本体と、
− 前記燃料噴射器本体の前記噴射孔を閉塞する手段であって、前記噴射孔の閉塞ヘッドで終端する振動ロッドを備える閉塞手段と、
− 前記閉塞手段を前記噴射孔の閉塞位置へと復帰させる手段と、
− 噴射孔を交互に開放および閉鎖するように前記ロッドおよび／または前記ノズルを周期的に長手方向に発振させる手段と
を備える燃料噴射器によって達成される。

本発明によれば、前記燃料噴射器は、前記本体に対して前記ロッドを固定する選択的に作動可能な手段を備える。

そのため、後でさらに詳しく見るように、燃料噴射器の本体に対してロッドを固定する手段が作動すると、ロッドは振動せず、したがって、内燃機関の共振周波数でロッドが振動する一切のリスクが排除され、これにより噴射の制御が保証される。ロッドと燃料噴射器の本体との膨張差に関連する問題を回避するために、ロッドの固定手段は作動解除することができる。その場合、閉塞手段の復帰手段が、本体に対するロッドの膨張差による応力がロッドから取り除かれる位置に閉塞手段を配置し直すことを可能にする。

好ましくは、前記ロッドの選択的に作動可能な前記固定手段は、機械的インピーダンスの断絶を実現するように、前記ロッドおよび／または前記ロッドが固定されている質量体と協働することができる。

好ましくは、前記固定手段は、前記ロッドとほぼ直角の方向に摺動することができるピストンを備える。

好ましくは、本発明による燃料噴射器は、前記ピストンを動作させる制御用油圧チャンバを備える。

好ましくは、前記制御用油圧チャンバは、前記燃料噴射器の燃料供給口と流体連通する少なくとも１つの燃料入口を備える。

好ましくは、前記制御用油圧チャンバは、少なくとも１つの燃料出口をさらに備え、前記少なくとも１つの燃料入口の合計断面積は前記少なくとも１つの燃料出口の合計断面積よりも小さい。

好ましくは、本発明による燃料噴射器は、前記制御用油圧チャンバの充填または排出のための磁歪式、電磁式、電歪式または圧電式の制御手段を備える。

好ましくは、前記ロッドおよび／または前記ノズルを周期的に発振させる前記手段は、圧電式、磁歪式および／または電磁式である。

好ましくは、前記ロッドおよび／または前記ノズルを周期的に発振させる前記手段は、超音波周波数で前記ロッドおよび／または前記ノズルの弾性変形を引き起こすことができるものである。

好ましくは、前記ロッドおよび／または前記ノズルを周期的に発振させる前記手段は、前記本体および／または前記ロッドと一体に取り付けられる。

本発明のその他の利点および特徴は、もっぱら非限定的な例として添付の図面を参照する以下に紹介される好ましい実施形態についての説明を読むことで明らかになるであろう。

これらの図で、同一の要素または同じ機能をもつ要素は、同じ参照番号で示されている。

本発明による燃料噴射器４４の第１の実施形態を、図１の長手方向断面図により示す。

本発明の第１の実施形態による燃料噴射器４４の要素のなかで、図６を参照して説明した従来技術の燃料噴射器の要素と同一であるものについては、以下では改めて説明しない。

本発明によれば、燃料噴射器４４は、選択的に作動可能であって、本体１２に対して質量体２８を固定する手段を備える。

これらの固定手段は、ロッド２４の軸ｙ−ｙ’とほぼ直角をなす軸ｘ−ｘ’に沿って燃料噴射器４４の本体１２に対して移動自在に取り付けられたピストン４６を備える。固定手段は、さらに、ピストン４６と協働して、軸ｙ−ｙ’に沿って質量体２８が移動するのを阻止することができる支持部片４８も備える。

好ましくは、ピストン４６および／または支持部片４８は、質量体２８と相補形に形成され、質量体２８に支持される面を有する。したがって、質量体２８はこの場合円筒形なので、ピストン４６および支持部片４８は、質量体２８と協働することができる、ほぼ円筒形のくぼんだ形状の支持面を有する。これにより、好適には、固定手段によって加えられる係止力が所与の圧力について最適化される。

好ましくは、支持部片４８は硬鋼から作製される。

さらに、好ましくは、ピストンおよび支持部片と質量体との間の接触面ができるだけ大きくなるように、ピストン４６および支持部片４８は質量体２８とほぼ同じ高さにある。これにより、好適には、固定手段によって加えられる係止力が所与の圧力について最適化される。

ピストン４６の移動を制御するために、本発明の第１の実施形態による燃料噴射器４４は、制御用油圧チャンバ５０を有する。この制御用油圧チャンバ５０は、燃料噴射器４４の本体１２とピストン４６とによって画定される。制御用油圧チャンバ５０は、燃料入口５２を有する。燃料分岐流路５３が、この燃料入口５２に開口している。分岐流路５３は、燃料噴射器４４の供給路５４に、好ましくは供給口２０と第１のキャビティ１８との間において開口している。

制御用油圧チャンバ５０は、また、好ましくは入口５２の断面積よりも大きい断面積の作動油出口５６を有する。この出口５６は、第２のキャビティ３４に接続される。第２のキャビティ３４は、栓５８によって塞がれる。この栓５８は、低圧燃料排出流路６０を有する。

一方、制御用油圧チャンバ５０の充填または排出を制御するために、本発明の第１の実施形態による燃料噴射器４４は、電気制御式、好ましくは磁歪式、電磁式または電歪式の弁６２を備える。この弁６２は、制御用油圧チャンバ５０と第２のキャビティ３４との間の流体連通を遮断することができる。

本発明の第１の実施形態による燃料噴射器４４の動作および利点は、上記の説明から直ちに導き出される。

加圧された燃料が供給口２０から燃料噴射器４４の本体１２内に入ると、燃料は第１のキャビティ１８内および制御用油圧チャンバ５０内に広がる。

弁６２が給電されていない際には、弁６２は閉じ、第２のキャビティ３４と制御用油圧チャンバ５０との間の流体連通は遮断される。したがって、燃料は第２のキャビティ３４に向けて排出されない。そのため、制御用油圧チャンバ５０内の燃料の圧力は高いままであり、すなわち第２のキャビティ３４内の燃料の圧力よりも高い。そのため、燃料はピストン４６を軸ｘ−ｘ’に沿って質量体２８の方向に押圧する。これにより、ピストン４６は、質量体２８を支持部片４８に押し付けることで質量体２８をその初期位置に保持する。質量体２８の初期位置およびロッド２４内における初期引張力は、構造に基づいて、特に第２のキャビティ３４内に配設されたバネ３０に基づいて定まる。

弁６２が給電されると、弁６２は開く。これにより、燃料は第２のキャビティ３４に向けて排出される。そして、制御用油圧チャンバ５０内の圧力が下がり、ピストン４６はその締付けを緩める。質量体２８は解放され、ロッド２４内における引張力はバネ３０によって強制的に決まる値に戻る。

弁６２のこの開放操作は、周期的に（例えば毎分）、数百ミリ秒程度のごく短時間で行われ、それによって、ロッド２４内における引張力がバネ３０によって強制的に決まる値に戻ることが可能になるとともに、燃料噴射器４４の本体１２とロッド２４との膨張差によってロッド２４に生じ得る過剰な引張力がなくなる。弁６２の開放は、例えば、連続する２回の噴射の間に行うことができる。

ポンプによって加圧供給され続ける燃料は、ピストン４６に圧力を加え続けることに留意されたい。そのため、弁６２が開いても、燃料は、制御用油圧チャンバ５０内において第２のキャビティ３４内の圧力よりも高い圧力を保つ傾向をもち得る。この問題は、制御用油圧チャンバ５０への燃料の到達が細い分岐流路５３を通して行われ、制御用油圧チャンバ５０外への燃料の排出が、分岐流路５３の直径よりも大きな直径の排出口５６および排出流路６０によって行われることで解決される。そのため、制御用油圧チャンバ５０外への燃料の排出時の損失水頭は、その制御用油圧チャンバ５０への注入時の損失水頭よりも小さい。したがって、制御用油圧チャンバ５０外への燃料の排出を促し、これにより制御用油圧チャンバ５０内の燃料の圧力を極めて急速に下げるようにすることができる。

弁６２は、制御用油圧チャンバ５０内の圧力が急速に下がるように、好ましくは損失水頭が小さい。分岐流路５３は、制御用油圧チャンバ５０内の圧力の再上昇に対して十分に抵抗する。したがって、制御用油圧チャンバ５０内の燃料の圧力の再上昇により質量体２８の解放を妨げるまでの十分な時間はない。

弁６２が給電されなくなると、弁６２は閉じて、制御用油圧チャンバ５０と第２のキャビティ３４との間の流体連通を遮断する。これにより、制御用油圧チャンバ５０内の圧力が上昇する。そして、ピストン４６は、図２に示すように、質量体２８を支持部片４８に対して押し付けることで質量体２８を固定する。ロッド２４は膨張差によって生じていた余分な応力から解放されるので、固定直後においてロッド２４に作用する力はバネ３０によって強制的に決まる値である。

図３は、本発明による燃料噴射器の第２の実施形態を示したものである。図３に示される燃料噴射器６６は、ニードル引込み式の燃料噴射器である点で、本発明の第１の実施形態による燃料噴射器４４とは異なる。したがって、噴射孔６８を塞ぐために、ロッド２４は、休止時に、第２のキャビティ３４内に取り付けられたバネ３０の作用によってノズル１６の下端２２の内面に押し付けられる。

図４は、本発明による燃料噴射器の第３の実施形態を示したものである。図４に示される燃料噴射器７０は、燃料噴射器の本体に取り付けられた例えば圧電式または磁歪式の能動部品の積層３６を有さない点で、本発明の第１の実施形態による燃料噴射器４４と異なる。実際、電場または磁場の作用で変形することができる能動部品、好ましくは圧電式または磁歪式の部品の積層７２は、能動部品の積層７２の変形が直接にロッド２４の長手方向の発振を引き起こすように、ロッド２４に一体に取り付けられている。

図５は、本発明による燃料噴射器の第４の実施形態を示したものである。図５に示される燃料噴射器７４は、燃料噴射器の本体に取り付けられた例えば圧電式または磁歪式の能動部品の積層３６を有さない点で、本発明の第２の実施形態による燃料噴射器６６と異なる。実際、第３の実施形態による燃料噴射器７０について説明したように、電流の作用で変形することができる能動部品、例えば圧電式または磁歪式の部品の積層７２は、能動部品の積層７２の変形が直接にロッド２４の長手方向の発振を引き起こすように、ロッド２４に一体に取り付けられている。

当然のことながら、本発明は、説明のための非限定的な例として紹介した上記の実施形態だけにとどまるものでなく、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、数々の変更が可能である。

すなわち、固定用ピストンおよび支持部片はロッドと直接協働することができ、その場合、質量体は場合によっては省くことができる。

また、ピストン４６と支持部片４８とから成る装置は、選択的に作動可能な固定手段の有利な実施形態をなすものであるが、質量体および／またはロッドの固定を有効に果たすことができる選択的に作動可能なあらゆる装置で置き換えることが可能である。とりわけ、例として、電動式もしくは油圧式のジャッキまたは電磁石による固定を挙げることができる。

本発明の第１の実施形態による燃料噴射器の長手方向断面図である。 図１の燃料噴射器のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の第２の実施形態による燃料噴射器の長手方向断面図である。 本発明の第３の実施形態による燃料噴射器の長手方向断面図である。 本発明の第４の実施形態による燃料噴射器の長手方向断面図である。 従来技術による燃料噴射器の長手方向断面図である。

Claims (10)

1. 特に噴射孔で終端するノズル（１６）を形成する燃料噴射器本体（１２）と、
   前記燃料噴射器本体の前記噴射孔を閉塞する手段であって、前記噴射孔の閉塞ヘッド（２６）で終端する振動ロッド（２４）を備える閉塞手段と、
   前記閉塞手段を前記噴射孔の閉塞位置へと復帰させる手段（３０）と、
   噴射孔を交互に開放および閉鎖するように前記ロッド（２４）および／または前記ノズル（１６）を周期的に長手方向に発振させる手段（３６、７２）と
   を備える、特にニードル引込み式またはニードル飛出し式の内燃機関用燃料噴射器（４４、６６、７０、７４）において、
   前記本体（１２）に対して前記ロッド（２４）を固定する選択的に作動可能な手段（４６、４８）を備えることを特徴とする燃料噴射器。
2. 前記ロッドを固定する選択的に作動可能な前記手段が、機械的インピーダンスの断絶を実現するように、前記ロッド（２４）および／または前記ロッド（２４）が固定されている質量体（２８）と協働することができることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
3. 前記固定手段（４６、４８）が、前記ロッド（２４）とほぼ直角の方向に摺動することができるピストン（４６）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射器。
4. 前記ピストン（４６）を動作させる制御用油圧チャンバ（５０）を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射器。
5. 前記制御用油圧チャンバ（５０）が、前記燃料噴射器（４４、６６、７０、７４）の燃料供給口（２０）と流体連通する少なくとも１つの燃料入口（５２）を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射器。
6. 前記制御用油圧チャンバ（５０）が、少なくとも１つの燃料出口（５６）をさらに備え、前記少なくとも１つの燃料入口（５２）の合計断面積が前記少なくとも１つの燃料出口（５６）の合計断面積よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射器。
7. 前記制御用油圧チャンバ（５０）の充填または排出のための磁歪式、電磁式、電歪式または圧電式の制御手段（６２）を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料噴射器。
8. 前記ロッド（２４）および／または前記ノズル（１６）を周期的に発振させる前記手段が、圧電式、磁歪式および／または電磁式であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
9. 前記ロッド（２４）および／または前記ノズル（１６）を周期的に発振させる前記手段が、超音波周波数で前記ロッド（２４）および／または前記ノズル（１６）の弾性変形を引き起こすことができるものであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
10. 前記ロッド（２４）および／または前記ノズル（１６）を周期的に発振させる前記手段が、前記本体（１２）および／または前記ロッド（２４）と一体に取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料噴射器。

Images