JP4591555B2 - 燃料噴射ノズルおよびそれを用いた燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、噴孔から噴射される燃料の噴射方向を制御可能な燃料噴射ノズルおよびそれを用いた燃料噴射制御装置に関する。

従来の燃料噴射制御装置は、噴孔に入る燃料の流れをニードルのリフト位置で制御することにより、噴孔から噴射される燃料の噴射方向を制御するようになっている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、ニードルのリフト位置が高い（リフト量大）場合は噴孔に向う燃料の流れは急激に曲げられ、燃料噴射方向が噴孔中心軸よりも上向きとなる。すなわち、ニードルのリフトに伴って燃料噴射方向が次第に上向きになる。
特開２００２−１１５６２９号公報

ところで、圧縮着火式内燃機関においては、高負荷運転時には、上死点前にパイロット噴射を行い、上死点近傍でメイン噴射を行う。また、低・中負荷運転時には、排気ガス清浄化の観点から、上死点近傍でパイロット噴射を行い、上死点後にメイン噴射を行うようにしている。

そして、このような圧縮着火式内燃機関に従来の燃料噴射制御装置を適用した場合は、高負荷運転時には内燃機関のピストンの上昇時（すなわち圧縮行程）に燃料が噴射されるため、ピストンの上昇に伴って燃料噴射方向が次第に上向きになり、したがって、ピストン頂部に形成された燃焼室内に燃料を噴射することができ、スモークやＨＣを抑制することができる。

しかしながら、低・中負荷運転時には、ピストンの下降時（すなわち膨張行程）に燃料が噴射されるため、ピストンは下降するのに対して燃料噴射方向は次第に上向きになり、したがって、ピストンの燃焼室内に燃料を噴射することができない。このため、ピストンの燃焼室壁における噴霧が衝突する位置が狙いから外れてスモークが増加したり、或いは、内燃機関のシリンダの壁面やピストンの燃焼室のリップ部に粗い液滴噴霧が付着してＨＣが増加するという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、ピストンの上昇時に燃料が噴射される場合およびピストンの下降時に燃料が噴射される場合のいずれにおいても、ピストンの燃焼室内に燃料を噴射可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、噴孔（１１３２）が形成されたノズルボディ（１１３）、ノズルボディ（１１３）と接離して噴孔（１１３２）を開閉する筒状のアウターニードル（１１１）と、アウターニードル（１１１）内に摺動自在に挿入されたインナーニードル（１１２）とを備え、アウターニードル（１１１）とノズルボディ（１１３）とが当接するシート部（１６）の下流側にニードル（１１１、１１２）とノズルボディ（１１３）とによって形成される空間をサック（１７）とし、このサック（１７）のうち噴孔（１１３２）が開口した部位よりも下流側で、且つインナーニードルの先端部（１１２１）が出入りする部位をサック先端部空間（１７１）としたとき、アウターニードル（１１１）がリフトした状態で、且つインナーニードルがリフトしていない状態では、燃料がシート部（１６）側からサック先端部空間（１７１）を経由せずに直接噴孔（１１３２）に向って流れることにより、噴孔（１１３２）内での燃料の流速がシート部（１６）に近い側よりも遠い側の方が高くなるように構成され、アウターニードル（１１１）がリフトした状態で、且つインナーニードルもリフトした状態では、アウターニードル（１１１）およびインナーニードルの外周面に沿った燃料の流れがサック先端部空間（１７１）を経由して噴孔（１１３２）に向って流れることにより、噴孔（１１３２）内での燃料の流速がシート部（１６）に近い側よりも遠い側の方が低くなるように構成されていることを特徴とする。

これによると、アウターニードル（１１１）がリフトすることにより、噴孔（１１３２）が開かれて燃料が噴射される。ここで、インナーニードル（１１２）がリフトしていない状態では、噴孔（１１３２）内においては、噴孔（１１３２）の上部（シート部に近い側）の流速が低く噴孔（１１３２）の下部（サックの底に近い側）の流速が高い流速分布となり、燃料噴射方向が噴孔中心軸よりも下向きとなる。

一方、インナーニードル（１１２）がリフトした状態では、燃料は、サック先端部空間（１７１）に向って流れてサック（１７）の底で流れの向きが反転し、サック（１７）の底側から噴孔（１１３２）に向う流れとなり、噴孔（１１３２）内においては、噴孔（１１３２）の上部の流速が高く噴孔（１１３２）の下部の流速が低い流速分布となり、燃料噴射方向が噴孔中心軸よりも上向きとなる。

したがって、インナーニードル（１１２）のリフト量を制御することにより、燃料噴射方向を任意に制御することができるため、ピストンの上昇時に燃料が噴射される場合およびピストンの下降時に燃料が噴射される場合のいずれにおいても、ピストンの燃焼室内に燃料を噴射することが可能になる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料噴射ノズル（１１）と、アウターニードル（１１１）を駆動する第１駆動部（１２）と、インナーニードル（１１２）を駆動する第２駆動部（１３）と、第１駆動部（１２）および第２駆動部（１３）の作動を制御する制御手段（５）とを備えることを特徴とする。

これによると、請求項１に記載の燃料噴射ノズルの、燃料噴射時期、燃料噴射時間、および燃料噴射方向を制御することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の燃料噴射制御装置において、第２駆動部（１３）は、インナーニードル（１１２）のリフト量を連続的に制御可能に構成されていることを特徴とする。

これによると、燃料噴射ノズル（１１）の燃料噴射方向を連続的に制御することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の燃料噴射制御装置において、第２駆動部（１３）は、磁気吸引力によってインナーニードル（１１２）を駆動するソレノイドであることを特徴とする。

これによると、請求項３に記載の発明を容易に実施することができる。

請求項５に記載の発明では、ピストン（９２）が往復動する内燃機関（９）に搭載される請求項３または４に記載の燃料噴射制御装置であって、制御手段（５）は、ピストン（９２）が上死点に近い位置にあるほどインナーニードル（１１２）のリフト量が大きくなるように第２駆動部（１３）を制御することを特徴とする。

これによると、ピストン（９２）が上死点に近い位置にあるほど燃料噴射方向が噴孔中心軸よりも上向きとなり、ピストン（９２）の上昇時に燃料が噴射される場合およびピストン（９２）の下降時に燃料が噴射される場合のいずれにおいても、ピストン（９２）の燃焼室（９２１）内に燃料を噴射することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る燃料噴射ノズルを用いた燃料噴射制御装置を示す模式的な断面図、図２および図３は図１の燃料噴射弁の燃料噴射方向を示す模式的な断面図である。なお、図２はピストンが上死点から離れた位置にあるときの作動状態を示し、図３はピストンが上死点に近い位置にあるときの作動状態を示している。

図２、図３に示すように、圧縮着火式内燃機関９は、シリンダ９１内にピストン９２が往復動自在に挿入され、シリンダヘッド９３に燃料噴射弁１が装着されている。ピストン９２の頂部には燃焼室９２１が形成されている。

図１に示すように、燃料噴射制御装置は、内燃機関９に燃料を噴射する燃料噴射弁１、高圧燃料を蓄える蓄圧器２、燃料を低圧状態で蓄える燃料タンク３、燃料タンク３から吸い上げた燃料を高圧にして蓄圧器２に供給するサプライポンプ４、および燃料噴射弁１やサプライポンプ４の作動を制御する制御手段としての制御回路５を備えている。より詳細には、制御回路５は、クランク角信号を含む各種信号が入力され、燃料噴射時期、燃料噴射時間、燃料噴射方向（詳細後述）、サプライポンプ４の燃料吐出量を制御する。

燃料噴射弁１は、開弁時に燃料を噴射する燃料噴射ノズル１１、燃料噴射ノズル１１のアウターニードル１１１を駆動する第１駆動部１２、燃料噴射ノズル１１のインナーニードル１１２を駆動する第２駆動部１３、第１駆動部１２および第２駆動部１３を収容する磁性金属製のホルダボディ１４を備えている。なお、本実施形態では、第１駆動部１２および第２駆動部１３として、磁気吸引力によってアウターニードル１１１またはインナーニードル１１２を駆動するソレノイドを用いている。

燃料噴射ノズル１１は、金属製の有底円筒状のノズルボディ１１３内に、磁性金属製の円筒状のアウターニードル１１１が摺動自在に挿入され、アウターニードル１１１内に、磁性金属製の円柱状のインナーニードル１１２が摺動自在に挿入されている。アウターニードル１１１の内周部の溝にＯリング１１４が配置され、Ｏリング１１４によってアウターニードル１１１とインナーニードル１１２との間がシールされている。

ノズルボディ１１３には、テーパ状の弁座１１３１が形成され、この弁座１１３１に、高圧燃料を内燃機関９（図２参照）に噴出させる噴孔１１３２が開口している。アウターニードル１１１には、テーパ状のシート面１１１１が形成され、アウターニードル１１１の往復動に伴って弁座１１３１にシート面１１１１が接離することにより、噴孔１１３２が開閉される。

ノズルボディ１１３の内周面とアウターニードル１１１の外周面との間には、蓄圧器２からホルダボディ１４の高圧燃料通路１４１を介して高圧燃料が供給される燃料溜まり１５が形成されている。燃料溜まり１５の下流側、より詳細には、弁座１１３１とシート面１１１１とが当接するシート部１６の下流側には、弁座１１３１とシート面１１１１とによってサック１７が形成されている。

図４、図５は、燃料噴射ノズル１１における噴孔１１３２の近傍を拡大して示す断面図である。なお、図４はインナーニードル１１２のリフト量が０のときの作動状態を示し、図５はインナーニードル１１２のリフト量が最大のときの作動状態を示している。そして、サック１７のうち噴孔１１３２が開口した部位よりも下流側の空間１７１（以下、サック先端部空間という）に、インナーニードル１１２の先端部１１２１が出入するようになっている。

図１に戻り、アウターニードル１１１におけるシート面１１１１とは反対側の端部に第１鍔部１１１２が形成され、第１鍔部１１１２におけるシート面１１１１とは反対側の端面とホルダボディ１４との間に、第１圧力室１８が形成されている。第１圧力室１８は、ホルダボディ１４の低圧燃料通路１４２を介して燃料タンク３に接続されて常時低圧になっている。第１圧力室１８には、アウターニードル１１１を閉弁向きに付勢する第１スプリング１９が配置されている。ホルダボディ１４には、第１鍔部１１１２におけるシート面１１１１とは反対側の端面に対向して第１駆動部１２が配置されている。そして、第１駆動部１２の磁気吸引力により、アウターニードル１１１は開弁向きに付勢される。なお、制御回路５により、第１駆動部１２への通電時期や時間が制御される。

インナーニードル１１２における先端部１１２１とは反対側の端部に第２鍔部１１２２が形成され、ホルダボディ１４内に形成された第２圧力室２０に第２鍔部１１２２が配置されている。第２圧力室２０は、インナーニードル１１２とホルダボディ１４との間の隙間を介して第１圧力室１８に連通している。したがって、第２圧力室２０は常時低圧になっている。第２圧力室２０には、第２鍔部１１２２における先端部１１２１とは反対側の端面に対向して第２スプリング２１が配置されており、この第２スプリング２１により、インナーニードル１１２は先端部１１２１がサック先端部空間１７１（図５参照）に侵入する向きに付勢される。

ホルダボディ１４には、第２鍔部１１２２における先端部１１２１とは反対側の端面に対向して第２駆動部１３が配置されている。そして、第２駆動部１３の磁気吸引力により、インナーニードル１１２は先端部１１２１がサック先端部空間１７１から抜け出す向きに付勢される。なお、制御回路５により、第２駆動部１３への通電時期や時間が制御されるとともに、印加電圧が制御されて磁気吸引力が連続的に制御されるようになっている。

次に、上記構成になる燃料噴射制御装置の作動を説明する。サプライポンプ４は内燃機関９により駆動されて、燃料タンク３から吸い上げた燃料を高圧にして蓄圧器２に供給する。また、蓄圧器２内の燃料圧力が目標圧力になるように、サプライポンプ４の燃料吐出量が制御回路５により制御される。蓄圧器２内の燃料は、高圧燃料通路１４１を介して燃料溜まり１５に供給されている。

そして、第１駆動部１２に通電されていない場合は、アウターニードル１１１は第１スプリング１９により閉弁向きに付勢され、シート面１１１１が弁座１１３１に当接して噴孔１１３２が閉じられている。一方、第１駆動部１２に通電されると、アウターニードル１１１は第１スプリング１９に抗して吸引されてリフトすることにより、シート面１１１１が弁座１１３１から離れて噴孔１１３２が開かれ、噴孔１１３２から燃料が噴射される。したがって、第１駆動部１２への通電制御により、燃料噴射時期、および燃料噴射時間が制御される。

ここで、第２駆動部１３に通電されていない場合は、インナーニードル１１２は第２スプリング２１に付勢され、図４に示すように、インナーニードル１１２のリフト量は０であり（すなわち、インナーニードル１１２の先端面がサック１７の底に当接している）、インナーニードル１１２の先端部１１２１はサック先端部空間１７１に侵入した状態になる。この状態では、サック１７の中を流れる燃料は、矢印Ａで示すように、シート部１６側から直接噴孔１１３２に向う流れとなる。これにより、噴孔１１３２出口部の３つの矢印で示すように、噴孔１１３２内においては、噴孔１１３２の上部（シート部１６に近い側）の流速が低く（すなわち流量が少なく）噴孔１１３２の下部（サック１７の底に近い側）の流速が高い（すなわち流量が多い）流速分布となり、燃料噴射方向Ｂが噴孔中心軸Ｃよりも下向きとなる。

一方、第２駆動部１３に所定値以上の電圧が印加されている場合は、インナーニードル１１２は第２スプリング２１に抗して吸引され、図５に示すように、インナーニードル１１２のリフト量は最大になり、インナーニードル１１２の先端部１１２１はサック先端部空間１７１から完全に抜け出した状態になる。この状態では、サック１７の中を流れる燃料は、矢印Ａで示すように、サック先端部空間１７１に向って流れ、サック１７の底で流れの向きが反転して、サック１７の底側から噴孔１１３２に向う流れとなる。これにより、噴孔１１３２出口部の３つの矢印で示すように、噴孔１１３２内においては、噴孔１１３２の上部の流速が高く噴孔１１３２の下部の流速が低い流速分布となり、燃料噴射方向Ｂが噴孔中心軸Ｃよりも上向きとなる。

また、第２駆動部１３に印加される電圧が所定値未満に制御されている場合は、インナーニードル１１２のリフト量は最大値未満であり、印加される電圧の値に応じてインナーニードル１１２のリフト量が連続的に制御される。そして、インナーニードル１１２のリフト量が中間領域に制御されてインナーニードル１１２がサック先端部空間１７１の一部を埋めている状態では、サック１７の中を流れる燃料のうち一部の燃料はサック１７の底で流れの向きが反転してサック１７の底側から噴孔１１３２に向かい、残部の燃料はシート部１６側から直接噴孔１１３２に向う流れとなり、燃料噴射方向は噴孔中心軸に近くなる。

したがって、インナーニードル１１２のリフト量を０から最大の範囲で制御することにより、燃料噴射方向を図４の最も下向き方向と図５の最も上向き方向の間で任意に制御することができる。

そして、シリンダ９１の壁面に燃料が付着しないように、より詳細には、ピストン９２の燃焼室９２１内の最適な位置に燃料が噴射されるように、制御回路５は、クランク角信号に基づくピストン９２の位置情報をもとに、ピストン９２の位置に応じてインナーニードル１１２のリフト量を制御し、ひいては燃料噴射方向を制御する。

具体的には、圧縮行程では、ピストン９２が上死点に近づくにつれ、インナーニードル１１２のリフト量が０の状態（図４のように燃料噴射方向が下向きの状態）からインナーニードル１１２のリフト量が最大の状態（図５のように燃料噴射方向が上向きの状態）に連続的に切り替え、膨張行程では、ピストン９２が上死点から遠ざかるにつれ、インナーニードル１１２のリフト量が最大の状態からインナーニードル１１２のリフト量が０の状態に連続的に切り替える。

このようにピストン９２の位置に応じてインナーニードル１１２のリフト量を制御することにより、ピストン９２が上死点から離れた位置にある場合には図２に示すように燃料噴射方向が下向きになり、ピストン９２が上死点に近い位置にある場合には図３に示すように燃料噴射方向が上向きになり、ピストン９２の燃焼室９２１内の最適な位置に確実に燃料を噴射することができる。また、ピストン９２の上昇時に燃料が噴射される場合およびピストン９２の下降時に燃料が噴射される場合のいずれにおいても、ピストン９２の燃焼室９２１内の最適な位置に確実に燃料を噴射することができる。

なお、本実施形態では、第２駆動部１３に印加される電圧を連続的に制御したが、第２駆動部１３に供給される電流を連続的に制御することにより、第２駆動部１３の磁気吸引力を連続的に制御し、ひいてはインナーニードル１１２のリフト量を連続的に制御するようにしてもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態に係る燃料噴射ノズルを用いた燃料噴射制御装置を示す模式的な断面図である。

本実施形態は、アウターニードル１１１を駆動する第１駆動部１２の構成が第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図６において、第１圧力室１８は、ホルダボディ１４の連通孔１４３を介して高圧燃料通路１４１に接続されている。そして、アウターニードル１１１は、第１圧力室１８の圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、燃料溜まり１５の圧力により開弁向きに付勢される。第１駆動部１２は、低圧燃料通路１４２を開閉する磁性金属製の弁体１２１と、通電時に弁体１２１を開弁向きに吸引するソレノイド１２２とからなる。なお、制御回路５により、ソレノイド１２２への通電時期や時間が制御される。

そして、ソレノイド１２２に通電されていない場合は、低圧燃料通路１４２は弁体１２１により閉じられているため、第１圧力室１８の高圧燃料の圧力によりアウターニードル１１１は閉弁向きに付勢され、シート面１１１１が弁座１１３１に当接して噴孔１１３２が閉じられる。

一方、ソレノイド１２２に通電されると、弁体１２１がソレノイド１２２に吸引されて低圧燃料通路１４２が開かれるため、第１圧力室１８は低圧燃料通路１４２を介して燃料タンク３に連通して低圧になる。そして、アウターニードル１１１は燃料溜まり１５の圧力により第１スプリング１９に抗して開弁向き駆動され、シート面１１１１が弁座１１３１から離れて噴孔１１３２が開かれ、噴孔１１３２から燃料が噴射される。

なお、本実施形態では、第１圧力室１８の高圧燃料の圧力によりアウターニードル１１１が閉弁向きに付勢されること、また、燃料溜まり１５の圧力により第１スプリング１９に抗してアウターニードル１１１が開弁向き駆動されることから、第１スプリング１９のばね力は第１実施形態の場合よりも小さく設定されている。

そして、本実施形態においても、第１実施形態と同様にピストン９２（図２、図３参照）の位置に応じてインナーニードル１１２のリフト量を制御することにより、ピストン９２の上昇時に燃料が噴射される場合およびピストン９２の下降時に燃料が噴射される場合のいずれにおいても、ピストン９２の燃焼室９２１（図２、図３参照）内の最適な位置に確実に燃料を噴射することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料噴射ノズルを用いた燃料噴射制御装置を示す模式的な断面図である。 図１の燃料噴射弁の所定条件下での燃料噴射方向を示す模式的な断面図である。 図１の燃料噴射弁の他の条件下での燃料噴射方向を示す模式的な断面図である。 図１の燃料噴射弁の所定条件下での作動状態を示す要部拡大断面図である。 図１の燃料噴射弁の他の条件下での作動状態を示す要部拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料噴射ノズルを用いた燃料噴射制御装置を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１６ シート部
１７ サック
１１１ アウターニードル
１１２ インナーニードル
１１３ ノズルボディ
１７１ サック先端部空間
１１３２ 噴孔

Claims (5)

1. 噴孔（１１３２）が形成されたノズルボディ（１１３）と、
   前記ノズルボディ（１１３）と接離して前記噴孔（１１３２）を開閉する筒状のアウターニードル（１１１）と、
   前記アウターニードル（１１１）内に摺動自在に挿入されたインナーニードル（１１２）とを備え、
   前記アウターニードル（１１１）と前記ノズルボディ（１１３）とが当接するシート部（１６）の下流側に前記ニードル（１１１、１１２）と前記ノズルボディ（１１３）とによって形成される空間をサック（１７）とし、
   このサック（１７）のうち前記噴孔（１１３２）が開口した部位よりも下流側で、且つ前記インナーニードルの先端部（１１２１）が出入りする部位をサック先端部空間（１７１）としたとき、
   前記アウターニードル（１１１）がリフトした状態で、且つ前記インナーニードルがリフトしていない状態では、燃料が前記シート部（１６）側から前記サック先端部空間（１７１）を経由せずに直接前記噴孔（１１３２）に向って流れることにより、前記噴孔（１１３２）内での燃料の流速が前記シート部（１６）に近い側よりも遠い側の方が高くなるように構成され、
   前記アウターニードル（１１１）がリフトした状態で、且つ前記インナーニードルもリフトした状態では、前記アウターニードル（１１１）および前記インナーニードルの外周面に沿った燃料の流れが前記サック先端部空間（１７１）を経由して前記噴孔（１１３２）に向って流れることにより、前記噴孔（１１３２）内での燃料の流速が前記シート部（１６）に近い側よりも遠い側の方が低くなるように構成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズル（１１）と、
   前記アウターニードル（１１１）を駆動する第１駆動部（１２）と、
   前記インナーニードル（１１２）を駆動する第２駆動部（１３）と、
   前記第１駆動部（１２）および前記第２駆動部（１３）の作動を制御する制御手段（５）とを備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
3. 前記第２駆動部（１３）は、前記インナーニードル（１１２）のリフト量を連続的に制御可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記第２駆動部（１３）は、磁気吸引力によって前記インナーニードル（１１２）を駆動するソレノイドであることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射制御装置。
5. ピストン（９２）が往復動する内燃機関（９）に搭載される燃料噴射制御装置であって、
   前記制御手段（５）は、前記ピストン（９２）が上死点に近い位置にあるほど前記インナーニードル（１１２）のリフト量が大きくなるように前記第２駆動部（１３）を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料噴射制御装置。

Images