JP2017210933A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグを指向するリード噴霧の噴孔もピストン側に向かって噴孔軸を配置することで吸気バルブ方向へ噴霧が向かわない様にすることで吸気バルブへの燃料付着を低減することを目的とする。【解決手段】弁体と、前記弁体が着座する座部と、前記弁体の下流側に設けられ、複数の噴孔を有する燃料噴射装置の噴孔形成部において、点火プラグ側に噴霧する噴孔の軸を含め、すべての噴孔の軸が前記弁体の軸方向に沿うようにまたは、噴孔形成部の中心軸よりピストン側に向かうように形成される燃料噴射装置を構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料噴射装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−１８５６８７号公報（特許文献１）がある。この公報には、「成層燃焼により始動する際に、点火プラグ回りの空燃比を比較的長い時間範囲にわたって可燃状態に保ち、着火安定性を向上させる。」技術が開示されていると記載されている（要約参照）。

特開２００９−１８５６８７号公報

前記特許文献１には、マルチホール式燃料噴射装置の仕組みが記載されている。しかし、特許文献１の燃料噴射装置は点火プラグに向かって噴霧が伸びているため、吸気バルブに燃料が付着し易く、かつ噴霧の到達距離がほかの噴霧と比べて同等の長さであり、シリンダ壁面に燃料が付着しやすいため、出力低下やすすが増加する場合がある。

そこで、本発明は、点火プラグを指向するリード噴霧の噴孔もピストン側に向かって噴孔軸を配置することで吸気バルブ方向へ噴霧が向かわない様にすることで吸気バルブへの燃料付着を低減することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射装置は、点火プラグ側に噴霧する噴孔の軸を含め、すべての噴孔の軸が前記弁体の軸方向に沿うようにまたは、噴孔形成部の中心軸よりピストン側に向かうように形成する。

本発明によれば、吸気バルブ方向へ向かう噴霧および噴霧を形成する噴孔軸をピストン側に向けることで、吸気バルブ方向へ噴霧が向かわない様にし、吸気バルブへの燃料の付着量を低減し、燃焼の高効率化を促進する燃料噴射装置を提供できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

燃料噴射装置の全体を示す断面図である。 燃料噴射装置を取り付けた直噴エンジンの断面図である。 従来の噴孔形成部の燃焼室側からみた正面図である。 従来の噴孔形成部の径方向からみた断面図である。 従来の噴孔形成部のリード噴孔の軸をピストン側に向けたときの断面図である。 本発明の噴孔形成部の径方向からみた断面図である。 本発明の噴孔形成部の燃焼室側からみた正面図である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１から図７を用いて、本発明に係る燃料噴射装置２０４の一実施例の構成について説明する。図１は本発の実施形態による燃料噴射装置２０４の縦断面図である。図２から図７は図１の噴孔カップ１１６、弁体先端部１１４Ｂを中心とした部分拡大図で、本実施例における燃料噴射装置２０４の特徴となる部品に限定し、形状を簡略化して示したものである。図２から図５では動作や機能を分かり易くするために部品の大きさや隙間の大きさは実際の比率よりも誇張されており、機能を説明するために不要な部品は省略されている。各実施形態において同一の構成要素には同一の符号が与えられており、重複する説明は省略している。

図１において、噴孔カップ支持体１０１は直径が小さい小径筒状部２２と直径が大きい大径筒状部２３とを備えている。小径筒状部２２の先端部分の内部に、案内部１１５、燃料噴射孔１１７を備えた噴孔カップ（燃料噴射孔形成部材）１１６が挿入または圧入され、噴孔カップ１１６の先端面の外周の縁部が全周溶接されることにより、小径筒状部２２に固定される。案内部１１５は後述する可動子を構成する針弁１１４Ａの先端に設けられた針弁１１４Ａが燃料噴射装置２０４の軸方向に上下運動する際に、外周を案内する機能を有する。

噴孔カップ１１６には案内部１１５の下流側に円錐状の弁座シート部３９が形成されている。この弁座シート部３９には針弁１１４Ａの先端に設けた針弁１１４Ａが当接または離反することで、燃料の流れを遮断したり燃料噴射孔に導く機能を有する。噴孔カップ支持体１０１の外周には溝が形成されており、この溝に樹脂材製のチップシール１３１に代表される燃焼ガスのシール部材が嵌め込まれている。

噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の内周下端部には可動子１０２を構成する針弁１１４Ａをガイドする針弁案内部材１１３が大径筒状部２３の絞り加工部２５に圧入固定されている。針弁案内部材１１３は中央に針弁１１４Ａをその軸方向にガイドする案内部１２７が設けられており、その周囲に複数個の燃料通路１２６が穿孔されている。細長い形状の針弁１１４Ａは針弁案内部材１１３の案内部１２７によって径方向の位置を規定され、かつ軸方向にまっすぐに往復運動するようガイドされる。なお、開弁方向は弁軸方向の上、閉弁方向は弁軸方向の下に向かう方向である。

針弁１１４Ａの弁体先端部１１４Ｂが設けられている端部とは反対の端部には針弁１１４Ａの直径より大きい外径を有する段付き部１２９を有する頭部１１４Ｃが設けられている。段付き部１２９の上端面には針弁１１４Ａを閉弁方向に付勢するスプリング１１０の着座面が設けられており、頭部１１４Ｃと併せてスプリング１１０を保持する。

可動部品は針弁１１４Ａが貫通する貫通孔１２８を中央に備えた可動子１０２を有する。可動子１０２と針弁案内部材１１３との間に可動子１０２を開弁方向に付勢するゼロスプリング１１２が保持されている。

頭部１１４Ｃの段付き部１２９の直径より貫通孔１２８の直径の方が小さいので、針弁１１４Ａを噴孔カップ１１６の弁座に向かって押付けるスプリング１１０の付勢力もしくは重力の作用下においては、ゼロスプリング１１２によって保持された可動子１０２の上側面と針弁１１４Ａの段付き部１２９の下端面が当接し、両者は係合している。これによりゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に逆らう上方への可動子１０２の動きあるいは、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に沿った下方への針弁１１４Ａの動きに対して両者は協働して動くことになる。しかし、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に関係なく針弁１１４Ａを上方へ動かす力、あるいは可動子１０２を下方へ動かす力が独立して両者に作用したとき、両者は別々の方向に動くことができる。

噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の内周部には固定コア１０７が圧入され、圧入接触位置１１８で溶接接合されている。この溶接接合により噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。固定コア１０７は中心に針弁１１４Ａの段付き部１２９の直径よりわずかに大きい直径の貫通孔１０７Ｄが燃料導入通路として設けられている。

固定コア１０７の下端面や、可動子１０２の上端面及び衝突端面にはメッキを施して耐久性を向上させることがある。可動子に比較的軟らかい軟磁性ステンレス鋼を用いた場合においても、硬質クロムメッキや無電解ニッケルメッキを用いることで、耐久信頼性を確保することができる。

針弁１１４Ａの頭部１１４Ｃに設けられた段付き部１２９の上端面に形成されたスプリング受け面にはスプリング１１０の下端が当接しており、スプリング１１０の他端が固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内部に圧入される調整子５４で受け止められることで、スプリング１１０が頭部１１４Ｃと調整子５４の間に保持されている。調整子５４の固定位置を調整することでスプリング１１０が針弁１１４Ａを弁座シート部３９に押付ける初期荷重を調整することができる。

噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の外周にはカップ状のハウジング１０３が固定されている。ハウジング１０３の底部には中央に貫通孔が設けられており、貫通孔には噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３が挿通されている。ハウジング１０３の外周壁の部分は噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の外周面に対面する外周ヨーク部を形成している。ハウジング１０３によって形成される筒状空間内には環状を成すように巻回されたコイル１０５が配置されている。コイル１０５は半径方向外側に向かって開口する断面がＵ字状の溝を持つ環状のコイルボビン１０４と、この溝の中に巻きつけられた銅線で形成される。コイル１０５の巻き始め、巻き終わり端部には剛性のある導体１０９が固定されており、固定コア１０７に設けた貫通孔より引き出されている。この導体１０９と固定コア１０７、噴孔カップ支持体１０１の大径筒部２３の外周はハウジング１０３の上端開口部内周から絶縁樹脂を注入して、モールド成形され、樹脂成形体１２１で覆われる。かくして、コイル１０４、１０５の周りにトロイダル状の磁気通路が形成される。

導体１０９の先端部に形成されたコネクタ４３Ａには高電圧電源、バッテリ電源より電力を供給するプラグが接続され、図示しないコントローラによって通電、非通電が制御される。コイル１０５に通電中は、磁気回路に形成される磁束によって、可動子１０２と固定コア１０７通る磁束によって磁気吸引ギャップにおいて可動子１１４の可動子１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生し、可動子１０２がスプリング１１０の設定荷重を超える力で吸引されることで上方へ動く。このとき可動子１０２は針弁の頭部１１４Ｃと係合して、針弁１１４Ａと一緒に上方へ移動し、可動子１０２の上端面が固定コア１０７の下端面に衝突するまで移動する。その結果、針弁１１４Ａの先端の弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９より離間し、燃料が燃料通路１１８を通り、噴孔カップ１１６先端にある噴射孔１１７から内燃機関の燃焼室内に噴出する。

針弁１１４Ａの先端の弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９より離間し、上方に引き上げられている間、細長い形状の針弁１１４Ａは針弁案内部材１１３の案内部１２７と、噴孔カップ１１６の案内部１１５の２箇所によって弁軸方向に沿って上下方向に復動するようガイドされる。

電磁コイル１０５への通電が断たれると、磁束が消滅し、可動子１０２に作用する磁気吸引力も消滅する。この状態では、針弁１１４Ａの頭部１１４Ｃを反対方向に押す初期荷重設定用のスプリング１１０のばね力がゼロスプリング１１２の力に打ち勝って可動子１１４全体（可動子１０２、針弁１１４Ａ）に作用する。その結果、可動子１０２はスプリング１１０のばね力によって、弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９に接触する閉弁位置に押し戻される。

針弁１１４Ａの先端の弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９に接触し閉弁位置にある間、細長い形状の針弁１１４Ａは針弁案内部材１１３の案内部１２７のみによりガイドされており、噴孔カップ１１６の案内部１１５とは接触していない。このとき、頭部１１４Ｃの段付き部１２９が可動子１０２の上面に当接して可動子１０２を、ゼロスプリング１１２の力に打ち勝って針弁案内部材１１３側へ移動させる。弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９に衝突すると、可動子１０２は針弁１１４Ａと別体であるため、慣性力によって針弁案内部材１１３方向への移動を継続する。このとき針弁１１４Ａの外周と可動子１０２の内周との間に流体による摩擦が発生し、弁座シート部３９から再度開弁方向に跳ね返る針弁１１４Ａのエネルギが吸収される。慣性質量の大きな可動子１０２が針弁１１４Ａから切り離されているので、跳ね返りエネルギ自体も小さくなる。また、針弁１１４Ａの跳ね返りエネルギを吸収した可動子１０２は自らの慣性力がその分だけ減少し、ゼロスプリング１１２を圧縮した後に受ける反発力も小さくなるため、可動子１０２自体の跳ね返り現象によって針弁１１４Ａが開弁方向に再び動かされる現象は発生し難くなる。かくして、針弁１１４Ａの跳ね返りは最小限に抑えられ、コイル１０４、１０５への通電が断たれた後に弁が開いて、燃料が不作為に噴射される、いわゆる二次噴射現象が抑制され、エミッション軽減効果が期待できる。

図２に図１の燃料噴射装置２０４を直噴エンジンへ取付け際の断面図を示す。本実施例における直噴エンジンは、燃料噴射装置２０４、吸気バルブ２０５、点火プラグ２０３、排気バルブ２１１、吸気管２０７、排気管２１２、ピストン２０９、ピストン２０９を内包するシリンダ２２０により構成される。燃料噴射装置２０４は、シリンダ２０４の円筒面に取り付けられ、燃料噴射装置２０４を中心として吸気バルブ２０５は左右に２個取り付けられている。図２では説明の関係上、吸気バルブ２０５は燃料噴射装置２０４と同一断面に取り付けられた図面で説明する。

図３に噴孔カップ１１６を弁体１１４Ａの軸方向の吐出側から見た正面図を示す。図３の噴孔カップ１１６を備えた燃料噴射装置２０４は、エンジンのシリンダに横方向から取り付けられた状態であり、リード噴射孔３９Ａ側に点火プラグ２０３が配置される。ここでは一例として噴孔カップ１１６に５つの噴射孔が形成された場合を示しており、リード噴射孔３９Ａが点火プラグ２０３に近い位置、あるいは点火プラグ２０３を指向するように形成される。それ以外の噴射孔はリード噴射孔３９Ａを頂点として左右対称になるように形成される。

図４は図３の噴孔カップ１１６の経線５００の断面における縦断面図を示す。なお図４には、弁体１１４Aは図示しないが、実際には図１と同様の構成とする。噴射孔軸５０Ａは噴射孔３９Ａの上流側の噴射孔入口の中心と下流側の噴射孔出口の中心とをつないだ軸線と定義する。本発明の第一実施例における燃料噴射装置２０４では、オリフィスカップ１１６の中心軸４０１と噴射孔軸５０Ａの２つの軸が燃焼室側すなわち、噴射孔３９Ａの出口側で交差しないように構成されており、さらに弁座シート部３９を形成する面４０２と噴射孔軸５０Ａとが成す角度４０３が直角すなわち９０°に近づくように配置される。その結果、噴射孔入口の中心と下流側の噴射孔出口の中心との噴孔長さ４０３を短くすることができる。結果、燃料の流れが噴孔３９Ａ内で整流される整流効果を抑制することができ、噴射孔軸５０Ａに対して径方向の流速ベクトルを維持することができるため、噴霧の到達距離（ペネトレーション）を短くできる。

図４におけるリード噴射孔３９Ａは点火プラグ２０３の方向を向いているため、吸気バルブ２０５に燃料が付着しやすい場合がある。吸気バルブ２０５は温度が低いため、吸気バルブ２０５に燃料噴射装置２０４から噴射した燃料が付着すると、燃料が気化しにくく混合気の均質度が低下することで、部分的に燃料が濃い部分が発生し、PNの発生原因となる。本発明によれば、点火プラグ２０３の方向を指向する噴射孔３９Ａのペネトレーションを短くできるため、燃料噴霧の吸気バルブ２０５またはボア壁面２１０への燃料付着を抑制することができ、ＰＮを低減できる。

図５は噴孔カップ１１６Ｂを径方向から見た断面図でリード噴射孔の傾斜を変更した構成を示す。図５において、図３、４と同等の部品には同じ記号を用いる。

図５は、吸気バルブ２０５への燃料の付着を抑えるためにリード噴射孔の軸を噴孔カップ１１６Ｂの中心軸との交点を燃焼室側にしたものである。しかし図４では図３と反対にこれらの２つの軸が燃焼室側で交差するように構成されており、噴射孔軸の長さ（Ｌ）６１Ｂ、つまり、噴射孔入口の中心と下流側の噴射孔出口の中心との長さが長くなってしまう。すると、噴孔内での燃料の整流効果が大きくなることで、噴孔内で燃料が噴射軸５１の方向の速度ベクトルが大きくなり、ペネトレーションが長くなる場合があった。

すなわち、噴射孔軸の長さＬと噴孔の内径Ｄとの比率であるＬ/Ｄが大きくなると、噴霧の整流効果が大きくなり、噴孔軸５１に対して径方向の速度ベクトルが小さくなることで、噴霧が噴孔軸５１に対して径方向に広がらず、ペネトレーションが伸びる場合がある。その結果、ボア壁面２１０やピストン２０９へ燃料が付着し、未燃炭化水素やススなどのエミッションが増加する場合があった。そこで本実施例では、これらの問題を解消できる噴孔カップの形状について図１、６を用いて説明する。

図６に、本実施例１における噴孔カップ１１６Ｃを弁体１１４Ａの径方向から見た断面図を示す。図６において、図１、４と同様の部品については同じ記号を用いる。図６では、弁体１１４Ａを図示しないが、実際は図１に示す構成とする。

図1に示すように本実施例の燃料噴射装置２０４は弁体１１４Ａと、弁体１１４Ａが着座する座部１１５と、弁体１１４Ｂの下流側に設けられ、少なくとも２つ以上の複数の噴孔を有する。そして点火プラグ２０４側に燃料を噴射する噴孔３９Ｃの軸を含め、すべての噴孔の軸が前記弁体１１４Ａの軸方向に沿うようにまたは、噴孔形成部の中心軸よりピストン側に向かうように形成されるように構成した。

すなわち、本実施例の構成によればリード噴霧を含むすべての噴孔軸をピストン側に向けるため、Ｌ／Ｄを小さくすることができ、整流効果を抑制し、ペネトレーションを短くできる。結果、吸気バルブ２０５への燃料付着を抑制でき、ＰＮを低減できる。

なお、複数の噴孔のうち最もピストンに近い位置に形成される噴孔が噴孔形成部の中心軸に沿うように形成されることが望ましい。この構成によりエンジンに燃料噴射装置２０４を取り付けつけた際、最もピストン２０９に近い位置に形成される噴孔の軸と点火プラグ２０４との中心軸が交わるため、効率的に点火プラグ２０３の周辺近傍の混合気を部分的にリッチにできる。結果、弱成層燃焼が可能となり、エンジン燃焼の高効率化を促進する燃料噴射装置２０４を提供できる。

たとえば図７に示すように、５つの噴孔を構成する場合、第１噴孔７０Ａをピストン側の頂点として、第１噴孔７０Ａを基準に左右にそれぞれ２つずつの噴孔７１Ａ，７２Ａ、７３Ａ，７４Ａを形成し、燃料をエンジン筒内に左右均等に噴射させるとよい。左右均等に燃料を噴射することで、混合気の均質度を向上させて、ＰＮを低減することができる。

一方で、６つの噴孔を構成する場合には、第１噴孔７０Ａをピストン２０９側の頂点とすると、残りの噴孔を左右に均等に配置することはできない。よって、噴霧形状が左右にばらつく課題がある。したがって、本実施例に示すように奇数の噴孔を有することが望ましい。

本発明の第１実施例における構成によれば、噴孔形成部の中心から点火プラグ２０４側に向かって３６０°を前記複数の噴孔の数で除算した角度で構成されるエリア以外に前記複数の噴孔７０Ａ〜７４Ａの全てが配置されるよう構成する。吸気バルブ２０５への燃料付着を抑制し、弱成層燃焼の実現を図るためには、すべての噴孔の軸が弁体１１４Ａの軸方向に沿うようにまたは、噴孔形成部の中心軸よりピストン２０９側に向かうように形成されることが望ましい。しかし、この場合に、点火プラグ２０３に近い位置に噴孔が形成されると、噴孔形成部において弁体１１４Ａの中心軸に対する噴孔軸の傾きが大きくなる。これは噴孔軸が長くなり、Ｌ／Ｄが大きくなることを意味するため、ペネトレーションの増加を招くことになり、ピストンに燃料が付着してＰＮが増加する場合がある。

そこで本実施例では、図７の構成を採用することで、噴孔形成部において弁体中心軸に対する噴孔軸の傾きを抑制することができ、吸気バルブ２０５への燃料付着を低減することが可能となる。結果、ＰＮを低減可能な燃料噴射装置２０４を提供できる。
以上の通り本実施例の燃料噴射装置によれば、ピストン上部のキャビティに沿って巻き上げられた噴霧が点火プラグ付近で混合気を形成する燃料噴射装置を提供することが可能である。

Claims (6)

1. 弁体と、
   前記弁体が着座する座部と、
   前記弁体の下流側に設けられ、複数の噴孔を有する燃料噴射装置の噴孔形成部において、点火プラグ側に噴霧する噴孔の軸を含め、すべての噴孔の軸が前記弁体の軸方向に沿うようにまたは、噴孔形成部の中心軸よりピストン側に向かうように形成される燃料噴射装置。
2. 弁体と、
   前記弁体が着座する座部と、
   前記弁体の下流側に設けられ、複数の噴孔を有する燃料噴射装置の噴孔形成部において、前記複数の噴孔のうち最もピストンに近い位置に形成される噴孔が噴孔形成部の中心軸に沿うように形成される燃料噴射装置。
3. 噴孔形成部において、噴孔形成部の中心から点火プラグ側に向かって360°を前記複数の噴孔の数で除算した角度で構成されるエリア以外に前記複数の噴孔を全てが配置された燃料噴射装置。
4. 請求項１、２に記載の燃料噴射装置において、噴孔形成部の中心軸に最も近く噴射される噴孔の軸と水平な投影面において、少なくとも２つ以上の噴孔軸が公差する燃料噴射装置。
5. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、奇数の噴孔を有することを特徴とする燃料噴射装置。
6. 請求項１に記載の燃料噴射装置の噴孔形成部において、噴孔の軸が噴孔出口からさらに先において噴孔形成部の中心軸と交差しない燃料噴射装置。

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