JP2018105209A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料圧力が異なる燃料を噴射することが可能な燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射装置１は、燃料圧力が異なる第１燃料及び第２燃料を蓄える第１コモンレール及び第２コモンレールと、第１コモンレール及び第２コモンレールから供給された第１燃料及び第２燃料を燃焼室に噴射するインジェクタ１０とを備える。インジェクタ１０は、ノズルボディ１００と、ノズルボディ１００の先端部に形成された第１噴射孔１１０と、第１燃料を第１噴射孔１１０に導入する第１燃料導入路１１と、ノズルボディ１００内に収容されて第１噴射孔１１０を開閉する第１ニードル１２と、第１ニードル１２の先端部に形成された第２噴射孔２１０と、第２燃料を第２噴射孔２１０に導入する第２燃料導入路２１と、第１ニードル１２内に収容されて第２噴射孔２１０を開閉する第２ニードル２２とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コモンレールとインジェクタとを備える燃料噴射装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置として、燃料ポンプから送られた高圧の燃料（軽油）をコモンレールに蓄え、コモンレールからインジェクタに供給して、インジェクタから燃焼室に直接噴射する、所謂コモンレール式燃料噴射装置が知られている。コモンレールを採用することで、安定した燃料圧力を維持でき、高圧で燃料を噴射できる。高圧噴射により、燃料を微細化して空気との混合を促進したり、燃焼室内に混合気を行き渡らせられるので、より完全燃焼に近付けることが可能である。一般に、インジェクタは、先端部に噴射孔が形成されたノズルボディと、ノズルボディ内に収容され、噴射孔を開閉するニードルとを備える。

燃料噴射装置のインジェクタとして、例えば特許文献１及び２には、ノズルボディの内側に第１ニードル（大針弁）と、その内側に第２ニードル（小針弁）とが同軸に収容された２重構造のニードル弁を備える燃料噴射弁（燃料弁）が開示されている。特許文献１の燃料噴射弁では、第２ニードルのみを開弁し、供給された燃料を第２噴孔から第１噴孔を通して噴射することにより、貫徹力の高い噴霧が形成でき、第１ニードルを開弁し、燃料を第１噴射孔から噴射することにより、貫徹力の低い噴霧が形成できるとされている。特許文献２の燃料弁では、種類の異なるパイロット燃料と主燃料とが供給され、小針弁を開弁してパイロット燃料噴口から共用噴口を通してパイロット燃料を噴射し、大針弁を開弁して共用噴口から主燃料を噴射する。

特開２０１１−２２０１３２号公報 実開平２−４３４５７号公報

ディーゼルエンジンの燃料噴射装置では、電子制御によって、１回の燃焼サイクルで複数回の燃料噴射を行う多段噴射が実施されている。多段噴射には、順にパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射、ポスト噴射がある。これらのうち、メイン噴射は、燃焼室内で主燃焼を生じさせ、エンジントルクを発生させるための燃料噴射である。メイン噴射後に行うポスト噴射は、燃焼室内で燃料を燃焼させることが目的ではなく、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｒａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を再生させる際に、排気ガスと共に燃料を排気管へ送ることを目的としている。ポスト噴射のタイミングは、クランク角（°ＣＡ）が上死点後（ＡＴＤＣ）９０°ＣＡより遅いことが多い。そのため、ポスト噴射では、ピストンが下降した位置で燃料が噴射されるため、シリンダ内壁面に燃料が付着し、燃料の一部がエンジンオイルに混入するオイル希釈が起こることがある。インジェクタに供給する燃料の燃料圧力が高いと、インジェクタから燃焼室に噴射する燃料の噴射圧力も高く、シリンダ内壁面への燃料の付着量が増え、燃料によるオイル希釈が促進される。

そこで、ポスト噴射によるシリンダ内壁面への燃料の付着量を減らすため、燃料圧力を低くして、噴射圧力を低くすることが考えられるが、１回の燃焼サイクルにおいて燃料圧力を変更することはできないため、噴射圧力は１水準にしか設定できない。その場合、燃焼室内で燃料を燃焼させる際の噴射圧力も低くなることから、燃焼効率の低下やエンジントルクの低下を招き、燃費が悪化する問題が生じる。

本発明の目的の一つは、燃料圧力が異なる燃料を噴射することが可能な燃料噴射装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る燃料噴射装置は、
燃料圧力が異なる第１燃料及び第２燃料を蓄える第１コモンレール及び第２コモンレールと、
前記第１コモンレール及び第２コモンレールから供給された前記第１燃料及び第２燃料を燃焼室に噴射するインジェクタと、を備え、
前記インジェクタは、
ノズルボディと、
前記ノズルボディの先端部に形成された第１噴射孔と、
前記第１燃料を前記第１噴射孔に導入する第１燃料導入路と、
前記ノズルボディ内に軸方向に移動可能に収容され、前記第１噴射孔を開閉する第１ニードルと、
前記第１ニードルの先端部に形成され、前記第１噴射孔と連通可能に形成された第２噴射孔と、
前記第２燃料を前記第２噴射孔に導入する第２燃料導入路と、
前記第１ニードル内に軸方向に摺動可能に収容され、前記第２噴射孔を開閉する第２ニードルと、を有する。

上記燃料噴射装置は、燃料圧力が異なる第１燃料及び第２燃料を個別に１つのインジェクタから燃焼室に噴射することが可能であり、燃料を噴射する際の噴射圧力を制御できる。例えば、第１燃料を高圧、第２燃料を低圧とした場合、第１ニードルにより第１噴射孔を開いて、第１噴射孔から高圧の第１燃料を噴射することで、噴射圧力を高くでき、高圧の燃料噴射が可能である。一方、第２ニードルにより第２噴射孔を開いて、第２噴射孔から第１噴射孔を通して低圧の第２燃料を噴射することで、噴射圧力を低くでき、低圧の燃料噴射が可能である。逆に、第１燃料を低圧、第２燃料を高圧とする場合も同様に、第１ニードル又は第２ニードルにより第１噴射孔又は第２噴射孔を開閉して噴射する燃料を切り替えることで、噴射圧力が異なる燃料噴射が可能である。つまり、上記燃料噴射装置によれば、単一のインジェクタから燃料圧力が異なる２つの燃料を切り替えて噴射でき、必要に応じて噴射圧力を制御できる。例えば、メイン噴射時には、高圧の燃料噴射により燃焼効率を高め、ポスト噴射時には、低圧の燃料噴射によりシリンダ内壁面への燃料の付着を低減することが可能であり、燃焼効率を悪化させることなく、オイル希釈を抑制することが可能である。

実施形態１に係る燃料噴射装置の構成を示す概略図である。 実施形態１に係る燃料噴射装置に備えるインジェクタの構成を示す概略断面図である。 図２に示すインジェクタの第１ニードルが開弁した状態を示す概略断面図である。 図２に示すインジェクタの第２ニードルが開弁した状態を示す概略断面図である。

本発明の実施形態に係る燃料噴射装置の具体例を、図面を参照して説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。

［実施形態１］
図１〜図４を参照して、実施形態１に係る燃料噴射装置１を説明する。燃料噴射装置１は、ディーゼルエンジンに用いられ、図１に示すように、燃料圧力が異なる第１燃料及び第２燃料を蓄える第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２と、第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２から第１燃料及び第２燃料が供給されるインジェクタ１０とを備える。そして、インジェクタ１０は、図２に示すように、ノズルボディ１００と、ノズルボディ１００内に収容され、ノズルボディ１００の先端部に形成された第１噴射孔１１０を開閉する第１ニードル１２と、第１ニードル１２内に収容され、第１ニードル１２の先端部に形成された第２噴射孔２１０を開閉する第２ニードル２２とを有する。初めに、図１を参照して燃料噴射装置１の全体構成を説明し、その後、図２〜図４を主に参照してインジェクタ１０の構成を詳しく説明する。

＜第１コモンレール及び第２コモンレール＞
第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２は、図１に示すように、燃料ポンプ６１、６２をそれぞれ備え、各燃料ポンプ６１、６２により送られた燃料を蓄える。燃料ポンプ６１、６２は、燃料タンク７０内の燃料を所定の圧力にして、第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２にそれぞれ圧送する。この例では、各燃料ポンプ６１、６２で燃料にかけられる圧力が異なり、第１コモンレール５１に蓄えられる第１燃料と第２コモンレール５２に蓄えられる第２燃料とで燃料圧力が異なっており、第１コモンレール５１の第１燃料よりも第２コモンレール５２の第２燃料の方が燃料圧力が低く設定されている（第１燃料：高圧、第２燃料：低圧）。

この例では、２つの燃料ポンプ６１、６２により燃料圧力を異ならせ、各燃料ポンプ６１、６２から燃料圧力が異なる燃料を第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２にそれぞれ送る場合を説明したが、燃料ポンプは１つでもよい。その場合、１つの燃料ポンプで両方の第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２に高圧の燃料を送る。そして、例えば、燃料圧力を低圧とする側の第２コモンレール５２に燃料圧力を減圧する圧力調整弁を設けるなどして、第２コモンレール５２の燃料圧力を第１コモンレール５１よりも低くすることが挙げられる。

＜インジェクタ＞
インジェクタ１０は、図示しないエンジンの各気筒に設けられ、燃焼室内にノズルボディ１００の先端部が位置するように取り付けられており、燃焼室に燃料を噴射（筒内噴射）する。インジェクタ１０には、図１に示すように、第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２に蓄えられた第１燃料及び第２燃料が第１コモンレール５１及び第２コモンレール５２から供給される。インジェクタ１０は、図２に示すように、ノズルボディ１００と、第１噴射孔１１０及び第２噴射孔２１０と、第１燃料導入路１１及び第２燃料導入路２１と、第１ニードル１２及び第２ニードル２２とを有する。

（第１噴射孔・第１燃料導入路）
第１噴射孔１１０は、図２に示すように、ノズルボディ１００の先端部に形成され、第１燃料を噴射する孔である。第１噴射孔１１０の数は、少なくとも１つあればよく、複数あってもよい。ノズルボディ１００には、図１に示す第１コモンレール５１から供給された第１燃料を第１噴射孔１１０に導入する第１燃料導入路１１が設けられている。この例では、ノズルボディ１００の後端部に第１燃料導入路１１の導入口１１１が設けられ、この導入口１１１に第１コモンレール５１が接続される。また、ノズルボディ１００の先端部と第１ニードル１２の先端部との間に第１噴射孔１１０に連通する第１燃料室１１２が形成され、第１燃料導入路１１が第１燃料室１１２につながっており、第１燃料が第１燃料室１１２に導入される。

（第１ニードル）
第１ニードル１２は、図２に示すように、ノズルボディ１００内に軸方向に移動可能に収容され、第１噴射孔１１０を開閉する弁である。この例では、第１ニードル１２がスプリング１３によりノズルボディ１００の先端側（下方向）に付勢されており、ノズルボディ１００内に第１ニードル１２の動作を制御する第１制御室１４とアクチュエータ１５とが設けられている。第１制御室１４は、第１ニードル１２の後端側に形成され、第１制御室１４には第１ニードル１２の後端面が面している。第１制御室１４には、入口オリフィス１４１と出口オリフィス１４２が設けられており、入口オリフィス１４１を通して第１燃料導入路１１から第１燃料が導入される。入口オリフィス１４１側には、第１制御室１４内の第１燃料が第１燃料導入路１１に逆流しないように、逆止弁（図示せず）を設けてもよい。アクチュエータ１５は、バルブ１５１を駆動して第１制御室１４の出口オリフィス１４２を開閉する。アクチュエータ１５は、図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）８０により電気的に制御され、ＥＣＵ８０からの電気信号によって作動する。アクチュエータ１５の通電がＯＦＦの時、バルブ１５１が押し下げられ出口オリフィス１４２が閉じられる。一方、アクチュエータ１５の通電がＯＮの時、バルブ１５１が引き上げられ出口オリフィス１４２が開き、第１制御室１４内の第１燃料が出口オリフィス１４２を通って第１燃料排出路１６に排出される。アクチュエータ１５には、ソレノイドやピエゾ素子が利用できる。第１燃料を噴射するときの第１ニードル１２の動作については、後述する。

（第２噴射孔・第２燃料導入路）
第２噴射孔２１０は、図２に示すように、第１ニードル１２の先端部に形成され、第１噴射孔１１０と連通可能に形成されており、第２燃料を噴射する孔である。第２噴射孔２１０は第１噴射孔１１０に対向する位置に設けられ、第１噴射孔１１０が複数の場合は、第２噴射孔２１０の数は第１噴射孔１１０と同数又はそれよりも少なくてもよい。ノズルボディ１００には、図１に示す第２コモンレール５２から供給された第２燃料を第２噴射孔２１０に導入する第２燃料導入路２１が設けられている。この例では、ノズルボディ１００の後端部に第２燃料導入路２１の導入口２１１が設けられ、この導入口２１１に第２コモンレール５２が接続される。また、第１ニードル１２の先端部と第２ニードル２２の先端部との間に第２噴射孔２１０に連通する第２燃料室２１２が形成され、第１ニードル１２に形成された貫通孔を介して第２燃料導入路２１が第２燃料室２１２につながっており、第２燃料が第２燃料室２１２に導入される。

（第２ニードル）
第２ニードル２２は、図２に示すように、第１ニードル１２内に軸方向に移動可能に収容され、第２噴射孔２１０を開閉する弁である。第１ニードル１２と第２ニードル２２とは同心軸に配置されている。この例では、第２ニードル２２がスプリング２３により第１ニードル１２の先端側（下方向）に付勢されており、ノズルボディ１００内に第２ニードル２２の動作を制御する第２制御室２４とアクチュエータ２５とが設けられている。第２制御室２４は、第２ニードル２２の後端側に形成され、第２制御室２４には第２ニードル２２の後端面が面している。この例では、第２制御室２４が第１制御室１４の後端側に位置し、第２ニードル２２の後端部が第１制御室１４を通って第２制御室２４まで延びている。第２制御室２４には、入口オリフィス２４１と出口オリフィス２４２が設けられており、入口オリフィス２４１を通して第２燃料導入路２１から第２燃料が導入される。入口オリフィス２４１側には、第２制御室２４内の第２燃料が第２燃料導入路２１に逆流しないように、逆止弁（図示せず）を設けてもよい。アクチュエータ２５は、バルブ２５１を駆動して第２制御室２４の出口オリフィス２４２を開閉する。アクチュエータ２５は、図１に示すＥＣＵ８０により電気的に制御され、ＥＣＵ８０からの電気信号によって作動する。アクチュエータ２５の通電がＯＦＦの時、バルブ２５１が押し下げられ出口オリフィス２４２が閉じられる。一方、アクチュエータ２５の通電がＯＮの時、バルブ２５１が引き上げられ出口オリフィス２４２が開き、第２制御室２４内の第２燃料が出口オリフィス２４２を通って第２燃料排出路２６に排出される。アクチュエータ２５には、ソレノイドやピエゾ素子が利用できる。第２燃料を噴射するときの第２ニードル２２の動作については、後述する。

｛第１ニードル及び第２ニードルの動作｝
第１ニードル１２の動作を図２及び図３を用いて説明する。第１コモンレール５１から供給された第１燃料は第１燃料導入路１１を通って第１燃料室１１２及び第１制御室１４に導入される。図２に示すように、アクチュエータ１５の通電がＯＦＦの状態（初期状態）では、燃料圧力による第１ニードル１２を押し上げようとする第１燃料室１１２の圧力と、第１ニードル１２を押し下げようとする第１制御室１４の圧力が同じになる。そのため、スプリング１３による押し下げ方向の力によって第１ニードル１２がノズルボディ１００の先端側に押し付けられることから、第１ニードル１２により第１噴射孔１１０が閉じられ、第１噴射孔１１０から第１燃料が噴射されない。一方、図３に示すように、アクチュエータ１５の通電がＯＮになると、アクチュエータ１５が作動してバルブ１５１が引き上げられ、出口オリフィス１４２を通って第１制御室１４内の第１燃料が流出し、第１制御室１４の圧力が低下する。そのため、第１燃料室１１２の圧力による押し上げ方向の力よりも第１制御室１４の圧力による押し下げ方向の力が小さくなる。そして、第１ニードル１２に作用する押し下げ方向の力よりも押し上げ方向の力が大きくなると、第１ニードル１２が押し上げられることによって第１噴射孔１１０が開き、第１噴射孔１１０から第１燃料が噴射される。

第２ニードル２２の動作を図２及び図４を用いて説明する。第２コモンレール５２から供給された第２燃料は第２燃料導入路２１を通って第２燃料室２１２及び第２制御室２４に導入される。図２に示すように、アクチュエータ１５の通電がＯＦＦの状態（初期状態）では、燃料圧力による第２ニードル２２を押し上げようとする第２燃料室２１２の圧力と、第２ニードル２２を押し下げようとする第２制御室２４の圧力が同じになる。そのため、スプリング２３による押し下げ方向の力によって第２ニードル２２が第１ニードル１２の先端側に押し付けられることから、第２ニードル２２により第２噴射孔２１０が閉じられ、第２噴射孔２１０から第２燃料が噴射されない。一方、図４に示すように、アクチュエータ２５の通電がＯＮになると、アクチュエータ２５が作動してバルブ２５１が引き上げられ、出口オリフィス２４２を通って第２制御室２４内の第２燃料が流出し、第２制御室２４の圧力が低下する。そのため、第２燃料室２１２の圧力による押し上げ方向の力よりも第２制御室２４の圧力による押し下げ方向の力が小さくなる。そして、第２ニードル２２に作用する押し下げ方向の力よりも押し上げ方向の力が大きくなると、第２ニードル２２が押し上げられることによって第２噴射孔２１０が開き、第２噴射孔２１０から第１噴射孔１１０を通して第２燃料が噴射される。

第１ニードル１２及び第２ニードル２２はそれぞれ独立して動作することが可能であり、第１噴射孔１１０及び第２噴射孔２１０の開閉を個別に制御できるため、第１燃料及び第２燃料を個別に噴射できる。

なお、第１ニードル１２には、第２ニードル２２に作用する押し下げ方向の力も受けることになる。この例では、第１燃料を噴射するときは、アクチュエータ１５のみを作動させて、第１燃料室１１２の圧力による押し上げ方向の力により、第２ニードル２２が第１ニードル１２の先端側に押し付けられた状態で第１ニードル１２と共に第２ニードル２２が押し上げられるようになっている。勿論、アクチュエータ１５及びアクチュエータ２５の両方を作動させて、第２ニードル２２が第１ニードル１２の先端側に押し付けられた状態を保ちながら、第１ニードル１２及び第２ニードル２２を同時に押し上げるように制御してもよい。また、第２燃料を噴射するときは、アクチュエータ２５のみを作動させて第２ニードル２２のみを押し上げ、第１ニードル１２はノズルボディ１００の先端側に押し付けられた状態を維持するように制御する。

〔作用効果〕
上述した実施形態１の燃料噴射装置１は、次の効果を奏する。

燃料圧力が異なる第１燃料及び第２燃料を個別に１つのインジェクタ１０から燃焼室に噴射することが可能であり、噴射圧力が異なる燃料噴射が可能である。本例のように、第１燃料を高圧、第２燃料を低圧とする場合、高圧の燃料噴射を行うときは、第１ニードル１２により第１噴射孔１１０を開き、第１噴射孔１１０から高圧の第１燃料を噴射する。一方、低圧の燃料噴射を行うときは、第２ニードル２２により第２噴射孔２１０を開き、第２噴射孔２１０から第１噴射孔１１０を通して低圧の第２燃料を噴射する。したがって、燃料を噴射する際の噴射圧力を必要に応じて制御でき、例えば、メイン噴射時には、高圧の燃料噴射により燃焼効率を高めたり、ポスト噴射時には、低圧の燃料噴射によりシリンダ内壁面への燃料の付着を低減して、オイル希釈を抑制したりすることが可能である。

その他、エンジンの負荷状態に応じて噴射圧力を異ならせたり、また、多段噴射において、メイン噴射とそれ以外の各噴射（例、パイロット、プレ、アフター噴射など）の噴射圧力を異ならせることにより、燃焼室内の空気をより有効に利用するための噴射制御が可能となるなど、燃焼効率の向上が期待できる。

本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、上述した実施形態１では、第１燃料を高圧、第２燃料を低圧としているが、第１燃料を低圧、第２燃料を高圧とすることも可能である。

本発明の燃料噴射装置は、自動車のディーゼルエンジンに好適に利用可能である。

１ 燃料噴射装置
１０ インジェクタ
１００ ノズルボディ
１１０ 第１噴射孔
１１ 第１燃料導入路
１１１ 導入口
１１２ 第１燃料室
１２ 第１ニードル
１３ スプリング
１４ 第１制御室
１４１ 入口オリフィス
１４２ 出口オリフィス
１５ アクチュエータ
１５１ バルブ
１６ 第１燃料排出路
２１０ 第２噴射孔
２１ 第２燃料導入路
２１１ 導入口
２１２ 第２燃料室
２２ 第２ニードル
２３ スプリング
２４ 第２制御室
２４１ 入口オリフィス
２４２ 出口オリフィス
２５ アクチュエータ
２５１ バルブ
２６ 第２燃料排出路
５１ 第１コモンレール
５２ 第２コモンレール
６１、６２ 燃料ポンプ
７０ 燃料タンク
８０ 電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 燃料圧力が異なる第１燃料及び第２燃料を蓄える第１コモンレール及び第２コモンレールと、
   前記第１コモンレール及び第２コモンレールから供給された前記第１燃料及び第２燃料を燃焼室内に噴射するインジェクタと、を備え、
   前記インジェクタは、
   ノズルボディと、
   前記ノズルボディの先端部に形成された第１噴射孔と、
   前記第１燃料を前記第１噴射孔に導入する第１燃料導入路と、
   前記ノズルボディ内に軸方向に移動可能に収容され、前記第１噴射孔を開閉する第１ニードルと、
   前記第１ニードルの先端部に形成され、前記第１噴射孔と連通可能に形成された第２噴射孔と、
   前記第２燃料を前記第２噴射孔に導入する第２燃料導入路と、
   前記第１ニードル内に軸方向に摺動可能に収容され、前記第２噴射孔を開閉する第２ニードルと、を有する燃料噴射装置。

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