JP6531714B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents
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そこで、ディーゼルサイクルやサバテサイクルによる良好な燃焼状態を生成するため、内燃機関が上死点に位置する時の燃料噴射率を、時間に比例して燃料噴射率がゼロから増加するように噴射するデルタ形噴射に切り替える必要がある。
ハウジングは、有底筒状で、燃料が噴射される噴孔(12)を先端部に有し、内面(18)で区画形成され燃料が流入出可能な圧力制御室(20)を後端部に有する。
圧力制御弁は、圧力制御室に収容され、圧力制御室を開閉する方向に移動し、圧力制御室における燃料の流出量を制御し、圧力制御室内の圧力を制御可能である。
コイルは、電力が供給されるとき、圧力制御弁を開方向に吸引するように磁界を生成する。
第1付勢部材は、圧力制御弁を閉方向に付勢する。
鍔部は、少なくとも1つが側壁に設けられ、圧力制御弁の径方向内側から径方向外側に延びており、第2付勢部材に付勢されたとき、圧力制御弁が開閉する方向の力(Fs2_p)を圧力制御弁に作用する。
燃料噴射装置1の構成について、図1から図5を参照して説明する。燃料噴射装置1は、内燃機関の各気筒に取り付けられ、コモンレール34の高圧状態で蓄えられた燃料を各気筒に噴射する。
図1に示すように、燃料噴射装置1は、ハウジング10、圧力制御弁25、コイル30、第1付勢部材40、第2付勢部材50およびニードル60を備える。
ハウジング10は、先端側に、ノズル室11、噴孔12および弁座13を有する。
また、ハウジング10は、後端側に、燃料通路14〜17および圧力制御室20を有する。
噴孔12は、ハウジング10の周方向に所定の間隔で複数形成されている。
弁座13は、ハウジング10の内側における噴孔12の開口の周囲に形成され、底部の円錐状の底面に形成されている。
燃料通路15は、圧力制御室20に連通しており、燃料通路16は、ノズル室11に連通しており、燃料通路17は、圧力制御室20に連通している。燃料通路14〜17は、燃料が流れる方向に対して、径が一様に形成されている。
中央通路21は、流路が絞られるように形成されている。中央通路21の流路面積をAc[mm2]とし、圧力制御室20側の燃料通路15の流路面積をAi[mm2]とし、圧力制御室20側とは反対側の燃料通路17の流路面積Aoとする。
Ai≧Ac≧Ao ・・・(1)
第1実施形態において、圧力制御室20を開閉する方向は、ハウジング10の軸方向および圧力制御弁25の軸方向に一致する。
圧力制御弁25が開方向に移動したとき、圧力制御室20側の燃料通路17が開口し、燃料通路17を経由して燃料が流出する。
関係式(1)を満たすように流路径が調整されているため、開口面積Aによって、燃料の流出量Qoが決まる。
燃料の流出量Qoは、例えば、以下の関係式(2)で表される。ξは流量係数、ΔPyは圧力差[N/mm2]、ρは密度[g/mm3]を表す。流量係数ξは、構造に起因する係数で無次元数である。圧力差ΔPyは、供給される燃料圧力が一定であるため、定数とする。密度ρは、燃料は非圧縮性であるため、定数とする。
Qo=ξ×A×√(2ΔPy/ρ) ・・・(2)
支持部材32は、軟磁性体で形成され、ハウジング10の後端側に設けられる有底穴31を有する。また、圧力制御弁25が開方向に移動し続けたとき、支持部材32は、圧力制御弁25の開方向側の端面201と接触するように形成されている。
コイル30に電力Wが供給されるとき、コイル30の周囲に磁界を生成し、コイル30および圧力制御弁25に磁気回路が形成される。磁気回路が形成されるとき、圧力制御弁25がコイル30に向かって吸引され、圧力制御弁25が開方向に摺動する。
また、第1付勢部材40は、スプリングで形成されており、圧力制御弁25を閉方向に付勢している。
図2に示すように、接触部51は、圧力制御弁25の径方向の断面が長方形形状で、圧力制御弁25の軸方向の断面が円形形状で湾曲して形成されている。
接触部51は、半円柱形状に形成されており、圧力制御弁25の側壁251に線接触する接触面53を有する。
スプリング52は、一端521がハウジング10の内部に接続され、他端522が接触部51に接続されており、圧力制御弁25を径方向に付勢している。
また、ニードル60は、先端側の一端61が弁座13に接触したとき、噴孔12を閉塞し、一端61が弁座13から離間したとき、噴孔12を開放する。
受圧面63は、ノズル室11に流入する燃料から開方向に働く圧力を受ける。
ニードル60の後端部は、圧力制御室20に露出しており、圧力制御室20に面する背圧面64が設けられている。
背圧面64は、圧力制御室20内に流入している燃料から閉方向に働く圧力を受ける。
ニードルスプリング65は、一端651が背圧面64に対向するハウジング10の内壁に接続されており、他端652がニードル60に接続されている。
初期状態では、コモンレール34から燃料通路14、15を経由して、燃料が圧力制御室20に供給されている。コモンレール34から燃料通路14、16を経由して、燃料がノズル室11に供給されている。また、圧力制御弁25は第1付勢部材40に付勢され、燃料通路17を閉塞している。
初期状態では、以下関係式(3)が満たされており、ニードル60は、弁座13に当接し、噴孔12を閉塞している。
Fp+Fn>Fb ・・・(3)
Fp+Fn<Fb ・・・(3)
背圧面64が受ける圧力が上昇し、付勢力Fpが初期状態に戻り、以下関係式(3)が満たされ、ニードル60は、弁座13に接触し、噴孔12が閉塞される。噴孔12が閉塞され、燃料の噴射が停止する。
また、内燃機関が上死点に位置する時から矩形噴射を継続すると、燃焼が促進されないため、筒内体積Cが膨張すると同時に、定圧加熱過程にもかかわらず、筒内圧力Pが低下する虞があった。
図4に示すように、圧力制御弁25は、第2付勢部材50よりも開方向側に位置する側壁251において、圧力制御弁25の径方向内側から径方向外側に延びる鍔部252を有する。
鍔部252は、圧力制御弁25は一体となって形成されており、圧力制御弁25の軸方向における鍔部252の外縁の断面形状が三角波形状に形成されている。
また、鍔部252は、圧力制御弁25の径方向における鍔部252の長さが数μmから数mmとなるように形成されている。
さらに、鍔部252は、第2付勢部材50に付勢されるとき、開閉方向に対し、圧力制御弁25に推進力を作用する。
図4に戻って、初期状態では、圧力制御弁25は、燃料通路17を閉塞しており、第2付勢部材50と鍔部252は接触していない。また、第1付勢部材40が圧力制御弁25を閉方向に付勢する。第1付勢部材40が圧力制御弁25を閉方向に付勢する付勢力をFs1とする。
Fs1=−K×(X+X0) ・・・(4)
付勢力Fs2は、閉方向に向かう推進力Fs2_pと、圧力制御弁25の径方向外側から径方向内側に向かう力と、に分解することができる。推進力Fs2_pは、付勢力Fs2を用いて以下関係式(5)のように、表すことができる。鍔部252と第2付勢部材50との接触点または接触面の法線方向と圧力制御弁25の軸方向とでなす角度を法線角度θpとする。
Fs2_p=Fs2×cos(θp) ・・・(5)
第2付勢部材50が一端面254に接触するとき、鍔部252は閉方向に推進する力が働き、燃料噴射率Qを変更することができる。
Fv×sin(θc)+Fs2_d×cos(θc)>μ×Fs2 ・・・(6)
Fr=−μ×Fs2 ・・・(7)
付勢力Fs2は、開方向に向かう推進力Fs2_pと、径方向外側から径方向内側に向かう力と、に分解することができる。
第2付勢部材50が他端面256に接触するとき、鍔部252は開方向に推進する力が働き、燃料噴射率Qを変更することができる。
Fs1×sin(θc)+Fs2_d×cos(θc)>μ×Fs2 ・・・(8)
Fr=μ×Fs2 ・・・(9)
時刻t0の時を初期状態とする。時刻t0に、コイル30に電力Wが供給され、吸引力Fuが圧力制御弁25に働く。
時刻t0では、駆動力Fvは、関係式(10)のように、吸引力Fuから変位X0にばね定数Kを乗じた値を減算した値である。圧力制御弁25の移動速度Vはゼロであり、燃料噴射率Qはゼロである。
Fv=Fu+Fs1+Fs2_p ・・・(10)
Fv=Fu−K×X0 ・・・(11)
時刻t0から時刻t1では、圧力制御弁25が開方向に移動し、変位Xは増加する。変位Xの増加に伴い、付勢力Fs1の大きさは大きくなる。
駆動力Fvは、吸引力Fuが付勢力Fs1よりも大きいため、駆動力Fvにより加速され、移動速度Vは増加する。
変位Xの増加に伴い、開口面積Aが増加して圧力制御室20内の圧力が低下する。圧力制御室20内の圧力によって、ニードル60が噴孔12を開き、燃料噴射率Qが増加する。
駆動力Fvは、付勢力Fs1と推進力Fs2_pとによって小さくなる。
駆動力Fvは、付勢力Fs1と推進力Fs2_pとによって小さくなる。駆動力Fvによって、移動速度Vは増加する。変位Xの増加に伴い、燃料噴射率Qは増加する。
時刻t2に駆動力Fvがゼロとなり、移動速度Vは最大速度V_maxとなる。
駆動力Fvは、付勢力Fs1と推進力Fs2_pとによって小さくなり、閉方向に働き、負方向に大きくなる。駆動力Fvが閉方向に働くため、移動速度Vは減速される。変位Xの増加に伴い、燃料噴射率は増加する。移動速度Vは減速されるため、時刻t1から時刻t2までと比較して、燃料噴射率変化量ΔQは減少する。
駆動力Fvは、付勢力Fs1によって閉方向に働く。駆動力Fvによって減速された移動速度Vはゼロである。移動速度Vがゼロのとき、燃料噴射率Qが最大となる。
付勢力Fs1に推進力Fs2_pが加わり、駆動力Fvの大きさは、負方向に大きくなる。駆動力Fvが大きくなることによって、移動速度Vは、閉方向に加速され、燃料噴射率Qが急激に小さくなる。
駆動力Fvは、付勢力Fs1によって、閉方向に働いている。推進力Fs2_pがゼロであり、移動速度Vが最小速度V_minとなる。
付勢力Fs1の大きさが小さくなるに伴い、駆動力Fvの大きさが小さくなる。移動速度Vは、駆動力Fvによって加速されるが、駆動力Fvの大きさが小さくなるに伴い、移動速度Vの変化は小さくなる。変位Xの減少に伴い、燃料噴射率Qは小さくなる。
駆動力Fvおよび移動速度Vがゼロとなり、燃料噴射率Qがゼロとなり燃料の噴射が停止する。
燃料噴射装置1は、鍔部252によって、圧力制御弁25が閉方向に移動しやすくなり、デルタ形噴射がしやすくなる。
時刻m0では、変位Xはゼロで、関係式(4)より付勢力Fs1は、変位X0にばね定数Kを乗じた値で圧力制御弁25に働いている。
時刻m0から時刻m4で、コイル30に電力Wは供給され、吸引力Fuが開方向に働いている。
駆動力Fvは、吸引力Fuが付勢力Fs1よりも大きいため、駆動力Fvにより加速され、移動速度Vは増加する。
変位Xの増加に伴い、開口面積Aが増加して圧力制御室20内の圧力が低下する。圧力制御室20内の圧力によって、ニードル60が噴孔12を開き、燃料噴射率Qが増加する。
駆動力Fvの大きさは、付勢力Fs1と推進力Fs2_pとによって小さくなる。
付勢力Fs1と推進力Fs2_pとによって、駆動力Fvの大きさは小さくなる。駆動力Fvによって、移動速度Vは増加する。変位Xの増加に伴い、燃料噴射率Qは増加する。
時刻m2に、変位Xが変位X2に到達し、頂点255が第2付勢部材50に接触する。付勢力Fs1は、関係式(4)の変位Xに変位X2を代入した値である。法線角度θpになるため、推進力Fs2_pはゼロである。
駆動力Fvは、吸引力Fuに推進力Fs2_pが加わって開方向に働き、駆動力Fvの大きさは大きくなる。駆動力Fvの大きさが大きくなることによって、移動速度Vは、開方向に加速され、燃料噴射率変化量ΔQが大きくなり、燃料噴射率Qが急激に大きくなる。
時刻m3から任意の時間が経過した時刻m4まで、他端面256と第2付勢部材50とは接触したまま、圧力制御弁25が停止し、燃料噴射をし続ける。
時刻m4に、コイル30への電力Wの供給を停止し、吸引力Fuがゼロになる。
駆動力Fvは、付勢力Fs1が推進力Fs2_pを上回るため、閉方向に働き、移動速度Vが閉方向に加速され、燃料噴射率Qが小さくなる。
駆動力Fvは、付勢力Fs1が推進力Fs2_pを上回るため、閉方向に働き、移動速度Vが閉方向に加速され、燃料噴射率Qが小さくなる。
付勢力Fs1に推進力Fs2_pが加わり、駆動力Fvは閉方向に働き、駆動力Fvの大きさは大きくなる。駆動力Fvの大きさが大きくなることによって、移動速度Vは、閉方向に加速され、燃料噴射率Qが急激に小さくなる。
付勢力Fs1の大きさが小さくなるに伴い、駆動力Fvの大きさが小さくなる。移動速度Vは、駆動力Fvによって加速され、駆動力Fvの大きさが小さくなるに伴い、移動速度Vの変化は小さくなる。変位Xの減少に伴い、燃料噴射率Qは小さくなる。
駆動力Fvおよび移動速度Vがゼロとなり、燃料噴射率Qがゼロとなり燃料の噴射が停止する。
燃料噴射装置1は、鍔部252によって、圧力制御弁25が開方向に移動しやすくなり、一定量の燃料噴射率Qにするまでの時間である時定数を大きくすることができ、矩形噴射がしやすくなる。
[1]本実施形態では、鍔部252が第2付勢部材50に接触したとき、鍔部252が開閉方向に働く推進力Fs2_pによって、圧力制御弁25が開閉方向に移動しやすくなり、デルタ形噴射または矩形噴射がしやすくなる。
図13を参照して、定圧加熱過程を有するサバテサイクルについて説明する。
サバテサイクルは、過程点S1から過程点S2の断熱圧縮過程、過程点S2から過程点S3の定容加熱過程、過程点S3から過程点S4の定圧加熱過程、過程点S4から過程点S5の断熱膨張過程、過程点S5から過程点S1の定容冷却過程の5つからなる。燃料噴射に関する過程は、過程点S3から過程点S4の定圧加熱過程である。
定圧加熱過程とは、燃料噴射装置1から燃料を高圧で高温高圧の圧縮空気中へ直接噴射すると燃料が自然に着火燃焼し、この熱エネルギーを一定筒内圧力下で燃焼室へ投入する過程である。
第2実施形態では、複数の鍔部の配置が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
図15に示すように、燃料噴射装置2の鍔部352は、圧力制御弁25の軸方向に、2つ並列して、側壁251に設けられている。鍔部352の数は2つ以上設けてもよい。
第2実施形態において、第1実施形態と同様の効果を奏する。さらに、鍔部352が複数設けられているため、圧力制御弁25の開閉方向の移動がしやすくなり、燃料噴射率Qの制御性が向上する。
第3実施形態では、鍔部の形態が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
図16および図17に示すように、燃料噴射装置3の鍔部452は、環状の1つである円環形状に径方向の断面が形成されており、圧力制御弁25とは別部材で形成されている。
鍔部452は、圧入方法によって圧力制御弁25が挿入され、嵌合されている。
第4実施形態では、鍔部の形態が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
図18に示すように、燃料噴射装置4の鍔部552は、コーティングで成膜されている。図18において、鍔部552は、他の実施形態と区別するため、鍔部552の箇所をドット柄で記載する。
鍔部552は、スパッタ法やイオンビーム蒸着法等の物理蒸着法で成膜されている。または、RFプラズマ、表面波励起プラズマ等のプラズマCVD法で成膜されている。
(i)第1実施形態の思想を共有する他の実施形態では、図19に示すように、燃料噴射装置5の鍔部257は、圧力制御弁25の軸方向の断面が半円形形状となるように形成してもよい。
図21に示すように、燃料噴射装置7の鍔部259は、圧力制御弁25の軸方向の断面が台形形状となるように形成してもよい。
また、炭化チタン(TiC)もしくは炭化タングステン(WC)等の金属炭化物で成膜されてもよい。
さらに、溶射を用いて成膜されてもよい。アルミナ(Al2O3)もしくはチタニア(TiO2)等の金属酸化物で成膜されてもよい。
(iv)本実施形態の燃料噴射装置は、燃料噴射率Qの制御性を向上させる目的で、オットーサイクルを有するガソリンエンジンに適用してもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
12 ・・・噴孔、
18 ・・・内面、
20 ・・・圧力制御室、
25 ・・・圧力制御弁、 251 ・・・側壁、
40 ・・・第1付勢部材、
50 ・・・第2付勢部材、 53 ・・・接触面、
60 ・・・ニードル、
252、257、258、259、352、452、552 ・・・鍔部。
Claims (5)
- 有底筒状で、燃料が噴射される噴孔(12)を先端部に有し、内面(18)で区画形成され燃料が流入出可能な圧力制御室(20)を後端部に有するハウジング(10)と、
前記圧力制御室に収容され、前記圧力制御室を開閉する方向に移動し、前記圧力制御室における燃料の流出量を制御し、前記圧力制御室内の圧力を制御可能な圧力制御弁(25)と、
前記ハウジング内で往復摺動可能に収容され、前記圧力制御弁が開閉したとき、前記ハウジングの軸方向に摺動し、前記噴孔を開閉するニードル(60)と、
電力が供給されるとき、前記圧力制御弁を開方向に吸引するように磁界を生成するコイル(30)と、
前記圧力制御弁を閉方向に付勢する第1付勢部材(40)と、
前記ハウジングの内部から突出するように設けられており、前記圧力制御弁の側壁(251)に接触し、前記圧力制御弁の移動に伴い前記側壁に沿って摺動する接触面(53)を有し、前記圧力制御弁の径方向に前記圧力制御弁を付勢する第2付勢部材(50)と、
前記側壁に設けられ、前記圧力制御弁の径方向内側から径方向外側に延びており、前記第2付勢部材に付勢されたとき、前記圧力制御弁が開閉する方向の力(Fs2_p)を前記圧力制御弁に作用する少なくとも1つの鍔部(252、257、258、259、352、452、552)と、
を備える燃料噴射装置。 - 前記圧力制御弁の軸方向における前記鍔部(252、257)の外縁の断面形状が湾曲している請求項1に記載の燃料噴射装置。
- 前記鍔部(258、259)は、前記圧力制御弁の軸方向の断面が多角形形状である請求項1または2に記載の燃料噴射装置。
- 前記鍔部(352)は、前記圧力制御弁の軸方向に複数設けられている請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
- 前記鍔部(452)は、前記圧力制御弁の径方向の断面が環状で、前記圧力制御弁とは別部材である請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
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