JP2006144774A - 気体燃料噴射インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧気体燃料インジェクタにおいて、機関１気筒あたり１本のインジェクタで、大流量の気体燃料を短時間で噴射可能とし、また、空気との混合を促進することにより、小型で高出力であり、未燃燃料排出の少ないインジェクタを得る。
【解決手段】 高圧気体燃料コモンレールに接続されるインジェクタ１内の高圧気体通路４１の途中にインジェクタチャンバ４３を、ニードル３１のシート部３８上流側にノズルチャンバ３５を設けて噴射に必要な容積を確保する。また、ノズルチャンバ３５、インジェクタチャンバ４３を断面積が急拡大する形状とすることで、噴射による圧力低下を抑制しながら、短時間に大量の噴射を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧気体燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する気体燃料噴射インジェクタに関する。

次世代の自動車開発においては、排気ガスの清浄さとＣＯ2 の低減が重視されており、従来の化石液体燃料に頼る燃焼では限界がある。化石液体燃料の代替燃料として、より効率よい燃焼が期待される気体燃料、例えば天然ガス、石油ガスといった化石気体燃料や、さらには水素ガスといった燃料を用いる気体燃料機関の開発が進められ、一部実用化されている。

従来の気体燃料は、その密度の低さから筒内直噴機関では十分な噴射量を噴射できず、出力不足を起こしやすい。火花点火機関では、予混合する時間が長く必要量を噴射できるが、気体噴霧の運動量の低さから十分な空気との混合ができず、未燃ガスの排出と出力不足が問題となっている。また、圧縮着火機関では、短期間に必要量を噴射することおよび空気と混合することがさらに困難であり、出力不足と未燃燃料排出への対策が課題となっている。

このため、上記出力不足を改善し、あるいは未燃燃料排出を低減することを目的として、種々の技術が検討されている。例えば、２種燃料噴射技術が特許文献１に、分割２段噴射技術が特許文献２に、また、２燃料噴射弁技術が特許文献３に、それぞれ紹介されている。
特開２００３−２３２２３４号公報 特開２０００−３４５８８４号公報 特開２００４−６８７６２号公報

特許文献１は、液化石油ガス（例えばＬＰＧ）と液体燃料（例えばガソリン）を選択的若しくは同時に供給するようにした、所謂バイフューエル式の内燃機関に関する。この機関では、液化石油ガスを供給する第１の燃料供給系と、液体燃料を供給する第２の燃料供給系を有し、液化石油ガスのみによる運転に切換える際に、液化石油ガスと液体燃料の両方を内燃機関に供給することで、空燃比が極度のリーンにならないようにし、失火の発生や運転性の悪化を防止している。

特許文献２は、気体燃料を燃焼室に直接噴射する内燃機関において、噴射必要時間に応じて圧縮行程のみでの噴射と、吸気行程・圧縮行程での噴射を切り替える制御方法を開示する。すなわち、噴射必要時間が短いときには圧縮行程で燃料噴射を行い、噴射必要時間が長いときには、圧縮行程での噴射可能時間との差分だけ吸気行程でも燃料噴射を行うことで、燃焼室への吸気が不十分となるのを抑制し、内燃機関の性能低下を防止している。

特許文献３には、筒内にガス燃料を直接噴射するための一対の筒内噴射弁（または筒内噴射弁と吸気通路内噴射弁）を具備する内燃機関の燃料供給装置が記載されている。噴射率が互いに異なる一対の噴射弁を設け、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには噴射率が低い方の噴射弁を、要求燃料量が設定量よりも多いときには噴射率が高い方の噴射弁を用いることで、要求燃料量が多くなったときに吸気充填効率が低下するのを防止して、高い機関出力を確保している。

しかしながら、特許文献１の装置は、気体燃料を主燃料とする機関用ではない。特許文献１に開示されている２種燃料噴射技術は、液化した気体燃料と液体燃料を機関運転条件に応じて噴射制御することで運転性の向上を図っているが、液化気体燃料の気化を抑制するために液体燃料による運転領域が多くなっており、気体燃料用と液体燃料用の２つの大型燃料タンクの搭載が必要となる。さらにこれら２つの燃料タンクに続く２系統の燃料供給系と、２つの燃料噴射弁を必要とし、装置が大型化する欠点がある。また、液化した気体燃料を液体の状態で機関に噴射する技術であり、気体燃料を短期間で必要量噴射する技術は示されていない。

特許文献２の制御方法は、できるだけ圧縮行程で燃料噴射を行って効率よい燃焼を行うもので、必要な燃料を短時間に噴射することはできない。噴射量が多い場合には、噴射必要時間が長くなって吸気行程でも燃料噴射がなされ、体積の大きい気体燃料が空気吸入量を低減させる。このため、出力増大には限界があり、出力低下を抑制する程度の効果しか得られない。

特許文献３には、低噴射率と高噴射率の２つの筒内噴射弁による噴射制御が開示されるが、その具体的構成は示されていない。要求噴射量が多い領域で２つの筒内噴射弁から噴射することも可能であるが、２つの筒内噴射弁と２系統の燃料供給系が必要で、装置構成が複雑となる。しかも、噴霧を混合促進させるために設置位置を限定されるなどの制約があり、高価格になる問題がある。

このように、現状では、高圧気体燃料を主に噴射するインジェクタにおいて、出力不足を改善し、未燃燃料排出を低減することは困難である。また、大量の気体燃料の噴射により他気筒の噴射に影響を与えるおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高圧気体燃料を主に噴射するインジェクタにおいて、機関１気筒あたり１本のインジェクタで、大流量の気体燃料を短時間で噴射可能とし、また、空気との混合を促進することにより、小型で高出力であり、未燃燃料排出の少ないインジェクタを得ることにある。そして、機関の吸排気バルブの構成、形状に影響なく設置することが可能であり、気体燃料を他筒の噴射に影響を与えることなく噴射可能な、小型で実用性の高い高性能インジェクタを実現するものである。

請求項１の発明は、高圧気体燃料をノズル先端に設けた噴孔から機関燃焼室に噴射するインジェクタであり、
噴孔へ高圧気体燃料を供給する高圧気体燃料供給通路と、
噴孔を開閉するニードルの駆動を制御する電気式駆動部とを備え、
さらに、ノズル内の高圧気体燃料供給通路に、噴孔側から上流側へ向かう方向に上記高圧気体燃料供給通路の断面積を急拡大させる容積拡大部を設けたものである。

上記構成によれば、噴孔に近いノズル内の高圧気体燃料供給通路に、所定容積を有する容積拡大部を設けたので、噴射初期に噴孔へ大量の高圧気体燃料を供給することができる。さらに、噴射の際に発生する圧力波が伝播するときに、通路断面積が急拡大する容積拡大部において反転し、初期圧力より高い圧力で反射される。これにより、短時間に大量の気体燃料を高圧で機関燃焼室噴射することができ、空気との混合を促進して、高出力化と未燃燃料の排出防止を同時に実現する。
よって、機関１気筒あたり１本のインジェクタでよく、出力不足を補うために２燃料としたり、複雑な制御等が不要となるので、装置構成が大幅に簡素化され、実用性が高い。

請求項２の発明では、容積拡大部を、間欠噴射される１噴射時における噴射開始から噴射終了の期間であって、この期間内における燃料圧の変動幅が、全運転領域において、狙いの圧力変動幅値内となる容積値に設定する。

容積値を適切に設定することにより、内燃機関に必要量の気体燃料を供給しても、大きく圧力変動することがなくなる。よって、噴射量ばらつきが生じるのを防止し、全運転領域において、制御性よい噴射が実現できる。

請求項３の発明では、容積拡大部をニードルのシート部上流位置に設ける。

具体的には、絞り部となるニードルシート部の上流側に近接して容積拡大部を設けると、通路断面積が急拡大する構成とすることができ、開孔端反射を利用した高圧化が容易に実現できる。

請求項４の発明では、容積拡大部をニードルの周囲に設ける。あるいはニードルの周囲および内部に形成してもよく、この容積拡大部の総流路断面積がニードルの断面積に対して１〜１０倍の範囲となるように構成する。

好適には、ノズルボデー内径を拡大しまたはニードルを縮径して、ニードル周りの容積を拡大する。ニードルを中空として内部空間を利用することもできる。このとき、ニードル内外に形成される空間の断面積とニードル断面積の比が上記範囲となるように構成することで、上述した容積拡大部の効果を得ることができる。

請求項５の発明では、インジェクタ入口部と容積拡大部との間の高圧気体燃料供給通路に、容積拡大部側から上流側へ向かう方向に高圧気体燃料供給通路の断面積を急拡大させる第２の容積拡大部を設ける。

インジェクタ内に第２の容積拡大部を設けて、一噴射に必要な容積を確保することで、噴孔上流の容積拡大部への燃料供給を速やかに行い、圧力低下を防止することができる。このとき、第２の容積拡大部においても、上述した開孔端反射による効果が得られるので高圧燃料を継続して供給することができる。よって、大量の高圧気体燃料を噴射圧を低下させることなく短時間に噴射することができ、高出力化、未燃燃料排出防止の効果を高めることができる。

請求項６の発明では、外部の高圧気体燃料蓄圧手段と高圧気体燃料供給通路のインジェクタ入口部とを高圧気体配管で接続し、該高圧気体配管の高圧気体燃料蓄圧手段への接続部近傍に絞り部を設ける。

好適には、外部に各気筒供給の高圧気体燃料蓄圧手段を設け、上述した噴射開始により発生する負の圧力波を利用して、上流の高圧気体燃料蓄圧手段から燃料を吸い出す流路絞り構成とすることで、インジェクタ内の容積拡大部へ大容量の燃料供給を効果的に行い、圧力低下を抑制しながら短期間に大容量の気体燃料を噴射できる。さらに、インジェクタ内の容積拡大部を透過してくる負の圧力波を、高圧気体燃料蓄圧手段の出口近傍の絞り部で透過波と反射波の合成により減衰させることができるので、他気筒への圧力変動の伝播が防止できる。

請求項７の発明では、噴孔形状を、噴孔の途中で径が最小となり出口側へ向けて次第に拡径する高拡散噴孔形状とする。

この噴孔形状では、最小径部を高圧気体燃料が音速で通過し、さらに下流側の拡径部で超音速となって噴出するので、高圧高密度の気体燃料噴射が実現でき、燃焼室内の空気との混合を促進する効果が高い。

請求項８の発明では、電気式駆動部を、ニードルに圧力を作用させる制御室と、該制御室へ作動液体を供給する作動液体供給通路と、制御室への作動液体の流出入を制御する電気式切替弁を備える構成とする。

高圧燃料等の作動液体を用いてニードルに背圧を作用させ、電気式切替弁で背圧を制御することで、大きなニードル駆動力が得られ、高圧気体燃料の噴射を制御性よく行うことができる。

本発明の第１の実施形態である図１〜図７について説明する。本実施形態のインジェクタ１は、高圧気体燃料を筒内に直接噴射する多気筒圧縮着火機関用のインジェクタとして構成され、１つの気筒の燃焼室について１つのインジェクタが設けられる。図１、図２は本実施形態のインジェクタ１の縦断面図で、図１は、ノズル３から噴射される高圧気体燃料の供給経路を、図２は、ノズル３を駆動するための制御室２に供給される作動液体の流通経路を示している。高圧気体燃料としては、例えば、水素燃料等が用いられる。作動液体としては、いわゆる作動油を用いることも、液体燃料、例えば軽油等を用いることもできる。図３は、インジェクタ１の平面図で図１のＣ矢視図であり、図３のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面が、それぞれ図１、図２となっている。

本実施形態は、制御室２圧力をＯＮ／ＯＦＦ制御するために、噴射燃料である高圧気体燃料とは異なる作動液体を用いており、ニードル３１の閉弁駆動を制御室２の作動液体の圧力で行い（図２）、ニードル３１の開弁駆動を容積拡大部であるノズルチャンバ３５の高圧気体燃料の圧力で行う方式（図１）としている。ニードル３１に閉弁方向の圧力を作用させる制御室２を設ける構成は、公知の液体燃料を噴射するインジェクタのノズル駆動方式として知られており、この方式を応用して作動液体による制御室２の圧力制御を行い、噴射を制御する。

まず、図２によりインジェクタ１の基本構造と作動液体の供給経路について説明する。図中、インジェクタ１は、インジェクタボデー５と、その下端側にチップパッキン５１を介して配設されるノズル３と、インジェクタボデー５の上端開口にプレート部材２１を介して装着される電気式切替弁としての電磁弁６にて構成されている。ノズル３とチップパッキン５１はリテーニングナット３３で、また電磁弁６はナット６２でそれぞれインジェクタボデー５に一体的に締結されている。

インジェクタボデー５は筒状で、その筒穴内に制御ピストン５２が摺動自在に配設され、該制御ピストン５２の上端側に制御室２１が形成されている。インジェクタボデー５の筒壁部には、制御ピストン５２の周囲に他の通路と重複しない位置に軸方向（図の上下方向）に延びる２つの作動液体通路が形成され、一方を高圧液体通路２２、他方を液体リターン通路２５としている。高圧液体通路２２は、インジェクタボデー５の上側部から斜め上方に突設した液体導入管２３に連通し、液体供給配管２８を介して作動液体が所定の高圧で蓄えられる高圧気体燃料蓄圧手段としての液体コモンレール２７に接続している。これら通路にて作動液体供給通路が構成される。液体リターン通路２５は、インジェクタボデー５の上側部から上方に突設した液体導出管２６を経て、図示しない作動液体タンクに連通している。

ノズル３は、ノズルボデー３２に軸方向に形成した縦穴に、段付きのニードル３１を摺動自在に保持している。ニードル３１は上端部が制御ピストン５２の下端部に連結されて一体に上下動するようになっており、制御ピストン５２の下端部外周に設けたスプリング室５４に配設されるリターンスプリング５３により下方に付勢されている。高圧液体通路２２の下端は、潤滑用通路３４に連通しており、ニードル３１の大径のガイド部３１１に潤滑油を供給している。液体リターン通路２５の下端はスプリング室５４に連通し、インジェクタ各部からのリーク油を回収して液体導出管２６から導出する。

インジェクタボデー５の上端開口内には、制御ピストン５２が摺動する筒穴を閉鎖するようにプレート部材２１が配設される。制御室２は、制御ピストン５２の上端面と、その上方の筒穴内周壁と、プレート部材２１の下端面中央に設けた凹部とで画成される空間にて構成される。制御室２は、高圧液体通路２２から分岐する高圧通路２４と入口絞り部２ａを介して常時連通し、制御室２の圧力は、制御ピストン５２を介してニードル３１に下向きに作用している。また、制御室２は、出口絞り部２ｂを介して液体リターン通路２５に連通し、液体リターン通路２５への連通・遮断を電磁弁６にて制御することにより、制御室２の圧力を増減するようになっている。

電磁弁６は、ソレノイドボデー６１内に収容される筒状ソレノイド６４と制御弁６３とで構成されている。制御弁６３は、ソレノイド６４の下端面に対向するＴ字断面のアーマチャと、アーマチャ先端部に設けた半球状凹部に保持されるボール弁を有し、アーマチャ先端部周りには、出口絞り部２ｂと液体リターン通路２５を連通させる低圧通路６５が設けられる。制御弁６３は、非通電時には、ソレノイド５の筒内に設けたスプリング６６１により下方に付勢されて、ボール弁が制御室２の出口絞り部２ｂを閉鎖している。

図１は、ノズル３の先端に形成される噴孔３７への高圧気体燃料の供給経路を示すものである。ニードル３１の小径のステム部３１２周りには、ノズルボデー３２内周壁との間にノズルチャンバ３５となる環状空間が形成されており、その下方にサック部３９が形成されている。噴孔３７は、このサック部３９形成壁を貫通して形成される。インジェクタボデー５の筒壁部には、軸方向（図の上下方向）に延びる２つの気体燃料通路が形成され、一方を高圧気体通路４１、他方を漏れ気体回収通路４２としている。高圧気体通路４１は、インジェクタボデー５の上側部から斜め上方に突設した高圧気体導入管４４に連通し、高圧気体配管４７および絞り部４５を介して、高圧気体燃料蓄圧手段である高圧気体燃料コモンレール４６（または蓄圧アキュムレータでもよい）に接続している。漏れ気体回収通路４２は、インジェクタボデー５側部の導出口から図示しない気体燃料タンクに連通している。高圧気体導入管４４は、図３のように、液体導入管２３の突出方向と９０度の角度を有して形成される。高圧気体導入管４４から噴孔３７までの各通路にて、高圧気体燃料供給通路を構成している。

密度の低い気体燃料を短時間で大量に噴射するためには、高圧気体燃料コモンレール４６からインジェクタ１の噴孔３７へ至る高圧気体燃料通路に、流路断面積が急拡大する容積部を複数設けることが望ましい。本実施形態では、高圧気体導入管４４から高圧気体通路４１に至る流路途中の、肉厚の筒壁部に中空部を設けて、インジェクタチャンバ４３（第２の容積拡大部）とするとともに、噴孔３７の上流のニードル３１形状を工夫することにより、その周囲に形成されるノズルチャンバ３５容積を確保している。また、ノズルチャンバ３５に高圧気体燃料を速やかに供給するために、ノズルボデー３２に複数のフィード通路３６ａ、３６ｂを設けて、高圧気体通路４１に接続し、ノズルチャンバ３５へ大量の高圧気体燃料を供給可能としている。

ここで、図示しない制御装置からの開弁指令により電磁弁６のソレノイド６４に駆動電流が負荷され、スプリング６６のバネ力に抗して制御弁６３を引き上げると、制御室２の出口絞り部２ｂが開放される。制御弁６３の開弁により、制御室２の高圧燃料は出口絞り部２ｂおよび低圧通路６５を介して液体リターン通路２５へ排出される。このとき、図２に示した高圧通路２４から制御室２に入る高圧燃料を制御する入口絞り部２ａより、制御室２から低圧通路６５への排出を制御する出口絞り部２ｂの方が、流路面積を大きく設定されていることから、制御弁６３の開弁で制御室２の圧力は低下する。

制御室２の圧力が低下すると制御ピストン５２およびニードル３１を押し下げる力が減少し、ノズルチャンバ３５の高圧気体燃料がニードル３１を押し上げる力が、スプリング５３と制御室２の低下した液体圧力がニードル３１を押し下げる力の合力より、大きくなる。これに伴い、ニードル３１が上昇してシート部３８がノズルボデー３２から離座すると、ノズルチャンバ３５の高圧気体燃料がサック室３９を経て、噴孔３７から機関燃焼室に噴射される。このように、ニードル３１に背圧を作用させる制御室２を設けて、高圧の作動液体で制御ピストン５２を駆動する構成とすることで、大きな駆動力が得られ、ニードル３１を迅速に駆動することができる。

次に、図４に拡大して示すノズル３の詳細構造について説明する。ニードル３１は、先端部が略逆円錐面状に形成されており、図１の制御室２圧力とスプリング５３のバネ力によって下方に付勢されて、シート部３８が対向するノズルボデー３２内周面に押接されている。このとき、ノズルボデー３２先端とニードル３１とで構成されるサック室３９と、ノズルチャンバ３５の間が遮断され、サック室３９に連通する噴孔３７から機関燃焼室へ高圧気体燃料が噴射されることはない。

ノズルボデー３２の下半部に形成されるノズルチャンバ３５は、ニードル３１のステム部３１２の外径を縮小し、ノズルボデー５の内径３２２を拡大することで、ノズルチャンバ３５内に収容可能な高圧気体燃料の容積を増大するように形成されている。具体的にはノズルボデー５の下半部内径３２２はニードル３１のガイド部３１１摺動径より大きくなっており、ニードル３１のステム部３１２の外径は略円錐状先端部の最大径よりも小さく、例えばシート部３８径とほぼ同程度に縮径されている。また、ニードル３１のステム部３１２を中空として、軸方向に延びるニードルチャンバ孔３１５が形成され、ステム部３１２の上下端部に設けた連通孔３１３、３１４でノズルチャンバ３５に連通している。さらに、ノズルボデー３２に、ノズルチャンバ３５の上端部に連通する追加チャンバ３２１を設けることもできる。これらニードルチャンバ孔３１５、追加チャンバ３２１は、ノズル３内に内蔵する気体容積を拡大するのに利用できる。その他の容積拡大手段により、ノズル３内に包含する気体燃料容積を拡大することも可能である。

好適には、ノズルボデー３２内の容積拡大部の総流路断面積（ノズルチャンバ３５断面積＋ニードルチャンバ孔３１５断面積）を、ニードル３１のステム部３１２断面積（ステム部３１２断面積−ニードルチャンバ孔３１５断面積）に対して１〜１０倍の範囲となるように、これら各部材を構成することが望ましい。ノズルチャンバ３５の容積を大きくすることにより、噴孔３７直上流部の高圧気体燃料の容積を十分大きくし、噴射初期の流量と圧力を確保することができる。また、一噴射に必要な高圧気体燃料の容積をインジェクタ１内に確保するには、高圧気体通路４１途中に設けられるインジェクタチャンバ４３の容積を大きくし、例えば数ｃｍ3 とするのがよい。

ノズルボデー３２には、高圧気体通路４１からノズルチャンバ３５へ高圧気体燃料を供給するために、本実施例では２本のフィード通路３６ａ、３６ｂが形成されている。フィード通路３６ａ、３６ｂはニードル３１のガイド部３１１側方に形成されて、ノズルチャンバ３５の上端部に開口している。ノズルボデー３２内の気体燃料容積を増加するためには複数のフィード通路３６ａ、３６ｂを設けることが必要であり、容積を拡大する内径を確保することができるように２本ないしそれ以上形成される。

なお、内燃機関に供給される必要量の気体燃料は、狙い量に併せる精度が要求され、インジェクタ１の先端部領域（主に、ノズルボデー３２）における高圧気体燃料供給通路内の燃料圧力は、噴射開始から噴射終了の期間にかけて所定値内の圧変動幅が要求される（圧力変動幅が大きすぎると、噴射量ばらつきを生じやすい）。そこで、本発明では、全運転領域において、ノズル３内の高圧気体燃料供給通路に、噴射実行と噴射休止とが繰り返される間欠噴射における１噴射量が、狙い量噴射されるように、その容積を考慮した容積拡大部を設けた。

上記した１〜１０倍の範囲の設定は、下記事項を考慮し決定されたものである。つまり、次世代の自動車において、本願発明が採用されるインジェクタ１の体格は、例えば、ノズルボデー３２の寸法について、図４に示す軸方向長Ｌを、２４〜４０ｍｍの範囲と設定している。ノズルボデー３２の径寸法については、その外径Ｃを、７〜９．２ｍｍの範囲とし、ニードル３１が内挿される内径Ｄを、３．９〜４．９ｍｍの範囲としている。また、ノズルボデー３２の材質はＳＣＭ鋼を、ニードル３１の材質はＳＫＨ鋼を、各々用いることを前提としている。

このような設定環境のもと、上記１倍の設定については、流路拡大の下限値であって、狙いの気体燃料の噴射性能を確保できるように考慮されている。上限値の設定については、流路拡大は大きく設定される程良いものの、限られたインジェクタ体格、および構成材の強度とを考慮して上記１０倍に設定されるものである。なお、この１〜１０倍の範囲は、相当する従来のインジェクタにあっては、０．２倍〜０．５倍の範囲に設定されていたものである。

ノズルボデー３２のニードル３１のガイド部３１１側方には、潤滑用通路３４も形成されており、ガイド部３１１が摺動する縦穴に開口している。ガイド部３１１外周面には、潤滑用溝が複数形成されており、高圧液体通路２２から潤滑用通路３４を介して供給された高圧液体が、ガイド部３１１とノズルボデー３２の摺動部を潤滑するようになっている。ガイド部３１１を潤滑した液体は、ノズルボデー３２内の高圧気体によりガイド部３１１の上方に押し上げられ、インジェクタボデー５内のスプリング室５４に漏れ出て、液体リターン通路２５、液体導出管２６より回収される。

インジェクタ１内の燃料チャンバの製作方法について、図５に従い説明する。図５（ａ) は、高圧気体燃料の供給経路を示す図で、図１と同じものである。本実施形態では、高圧気体導入管４４が接続されるインジェクタボデー５上側部内に、高圧気体通路４１に連なる中空部を設けてインジェクタチャンバ４３を形成している。このインジェクタチャンバ４３を形成する方法としては、インジェクタボデー５を鋳造によるソルトコア方式、あるいは焼結にて製造し置き中子方式とする等が採用可能である。

インジェクタチャンバ４３を形成する方法の変形例を、図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）により説明する。図５（ｂ）は、旋盤等の中繰り加工でインジェクタチャンバ４３となるチャンバ４３１を形成し、栓４３２で密閉した構成となっている。図５（ｃ）は鍛造によりあらかじめ凹部４３ａ、４３ｂを形成しておき、後加工でねじを加工し栓４３２ａ、４３２ｂにて密閉したものである。また、図５（ｄ）は、インジェクタ１内にチャンバを設けずに、インジェクタ１と図１の高圧気体燃料コモンレール４６間に追加チャンバ部材４３４を設け、この追加チャンバ部材４３４内にチャンバ４３ｃを形成して、コネクタ４３３ａ、４３３ｂでインジェクタ１、コモンレール４６あるいは高圧気体導入管４４に接続しインジェクタチャンバ４３を構成しているものである。この場合、チャンバ４３ｃはインジェクタ１にできるだけ近い位置とする方が望ましい。

本実施形態では、高圧気体通路に複数の容積拡大部（チャンバ）を設けることにより、必要な噴射量を確保するとともに、噴射圧を高圧を維持することができる。各チャンバの構成と役割について、図６に従い説明する。図６（ａ）は、高圧気体燃料コモンレール４６から機関燃焼室へ至る高圧気体通路に配置した、各チャンバの位置と容積の大きさ、および絞りとなる狭い流路の位置とを模式的に示したものである。図６（ｂ）は高圧気体通路における流路断面積の変化が、伝播する圧力波に対して反射波と透過波に分かれる割合を流路断面積Ａ１、Ａ２を用いた数式に表現したものである。

まず、図６（ａ）において、ニードル３１が開弁すると高圧気体通路の気体燃料の流れは噴射により、図中に矢印で示すように左方から右方へ向かう流れとなる。また、ニードル３１の開弁による噴射開始時には、初期圧力から下記式（１）で表される圧力波を減じた値（＝初期圧力−圧力波）が、シート部３８からその上流のノズルチャンバ３５へ伝わる。
圧力波＝気体密度×音速×流出速度・・・式（１）
すなわち、図６（ａ）、（ｂ）の右方から左方に圧力波が伝播することになる（図６（ｂ）に矢印で示す）。絞りとなるシート部３８から、容積の大きいノズルチャンバ３５に圧力波が伝播するときは、ノズルチャンバ３５の流路断面積（Ａ２）が大きく開孔端反射になり、反射波は下記式（２）に示すようにＡ１よりＡ２が大であるから負の値をとる。
反射係数＝（Ａ１−Ａ２）／（Ａ１＋Ａ２）・・・式（２）
つまり、初期圧力より低い圧力波は、ノズルチャンバ３５により正負反転して初期圧力より式（１）×式（２）分だけ高くなった圧力でシート部３８へ反射される。これにより、噴射初期の実噴射圧低下を防止して、高圧噴射を維持することができる。

さらに噴射を継続すると、ノズルチャンバ３５にある高圧気体燃料が噴射されて、初期圧力が低下していく。ノズルチャンバ３５の上流には大容積のインジェクタチャンバ４３があるので、これを補うように、インジェクタチャンバ４３から高圧燃料が継続して供給される。これにより、ノズルチャンバ３５の圧力低下を防止することができる。この効果を得るために必要なインジェクタチャンバ４３の容積は、気体燃料の種類と機関の大きさにより異なるが、前記したように数ｃｍ3 程度である。例えば、気体燃料が水素燃料であり圧力６０ＭＰａであるとき、機関の１気筒あたり排気量が２０００ｃｍ3 であれば、インジェクタチャンバ４３の容積は、通常、５から１０ｃｍ3 ほどあれば十分で、圧力低下を低減できる。

インジェクタチャンバ４３には、高圧気体導入管４４、高圧気体配管４７を介して高圧気体燃料コモンレール４６から高圧気体燃料が継続して供給されるため、インジェクタチャンバ４３の圧力低下も低減できる。シート部３８から伝播される圧力波は、図６（ｂ）のように下記式（３）で表される透過係数に従い、ノズルチャンバ３５、インジェクタチャンバ４３を経由して高圧気体燃料コモンレール４６に伝播する。
透過係数＝２Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）・・・式（３）
このため、そのままでは、他気筒へ伝わり圧力干渉を起こして、他気筒の噴射を変動させてしまう。そこで、本実施形態では、絞り部４５を高圧気体燃料コモンレール４６の直近に構成し、高圧気体配管４７の断面積と絞り部４５の断面積、絞り部４５の断面積と高圧気体燃料コモンレール４６の開孔断面積を、前述した式（２）および式（３）を基に設定する。つまり、式（３）により絞り部４５を透過した透過波は、式（２）により開孔端となる高圧気体燃料コモンレール４６で反射する。この反射してくる反転波を、再び絞り部４５を式（３）により透過してくる透過波と合成して、正負の変動を相殺させてしまうように、絞り部４５の断面積を設定することで、高圧気体燃料コモンレール４６から他気筒への圧力波の伝播を防止できる。絞り部４５及び他の絞り部の圧力波伝播方向の長さは、絞り部を通過する透過波と反射波の位相差が生じない長さとなっている。つまり、長さ／音速≒０とできる長さとして、位相が反転している透過波と反射波の位相差１８０度を維持するように形成されている。

以上のように、インジェクタ１内の高圧気体通路に容積拡大部としてノズルチャンバ３５、インジェクタチャンバ４３を構成し、さらにインジェクタ１外の高圧気体通路において大容積の高圧気体燃料コモンレール４６近傍に絞り部４５を構成することで、噴孔３７から必要量の燃料を燃料圧力を低下させずに噴射し、しかも噴射で発生するシート部３８からの圧力波を吸収して他気筒への影響を防止するという効果を、同時に得ることができる。また、制御室を設けてニードル３１の駆動を高圧の作動液体で行うことで、コンパクトな構成で大きな駆動力が得られ、噴射制御性が向上する。

なお、図６（ａ）において、シート部３８の下流の圧力変化については次のようにする。ニードル３１の開弁によりシート部３８からその下流側（図６（ａ）の右方向）に位置するサック室３９、噴孔３７に高圧気体燃料が流入し、噴孔３７より噴射される。シート部３８から噴孔３７までは、流路長が短く、流路断面積変化もシート部３８の上流に比べれば小さいことから、この間の圧力変化は前述したようにシート部３８に流入する圧力に代表して差し支えないが、上記と同様な効果を出すようにサック室３９の断面積と噴孔３７とシート部３８の断面積関係を設定することも可能である。

次に、高速噴射を可能とするノズル噴孔の形状を図７に従い説明する。図７（ａ）は、図１のノズル３における噴孔３７形状を拡大して示すもので、図７（ｂ）には、図７（ａ）の噴孔形状の特徴を模式的に示している。図７（ａ）、（ｂ）において、噴孔３７はサック室３９に連通する噴孔入口側がＲ形状部３７ｂとなり、機関燃焼室に開口する噴孔出口側が流れ方向に径が拡大するテーパ形状部３７ｃとなるように形成されている。この噴孔３７形状と、高圧気体燃料により、高速噴射が可能となる。すなわち、気体燃料が流れる噴孔３７上流のサック室３９の圧力と下流の燃焼室圧力の差を大きくして、上下流の圧力比（下流／上流）がある値（臨界圧力比）以下になると、噴孔径が一番狭くなるスロート部３７ａを通る気体燃料の流速は音速に等しくなる、チョーク状態になる。このとき、スロート部３７ａにおける流速は噴孔３７の下流状態に依存しなくなり、いったん音速に達した後は、圧力差が大きい限り（臨界圧力比以下）音速から変化することはなくなる。そして、テーパ部３７ｃにおいて噴孔３７の断面積が拡大すると噴流は音速を超える高速気体噴流が形成される。

噴孔入口側のＲ形状部３７ｂの大きさは、噴孔径（噴孔３７の最小径）以下から噴孔径以上の広い範囲で上記効果を発生可能であるが、噴孔径以上の大きさとすることが望ましい。テーパ形状部３７ｃの角度αは、最も損失が少ないのはテーパ角度で２０度以下、理想的には５度から１０度の範囲に形成されるのが望ましい。

図７（ｃ）に示すように、噴孔３７の入口をテーパ形状部３７ｄとしてもよい。この場合も入口側のテーパ角θを、上述した出口側のテーパ角αと同程度に設定することが望ましい。また、テーパ形状部３７ｃ、３７ｄは充分な長さが必要で、スロート部３７ａの３倍以上あることが望ましい。

図８に本発明の第２の実施形態を示す。上記第１の実施形態と異なるのは、高圧液体で制御ピストン５２を駆動する構成とする代わりに、電磁弁６のソレノイド６４が直接ニードル３１を駆動して、高圧気体燃料をノズル３から噴射する構成のインジェクタ１としたことである。それ以外の基本構成は上記第１の実施形態とほぼ同様であり、同一符号は同一部材を示す。以下、相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

図８において、インジェクタ１は、筒状のインジェクタボデー５の下端側にノズル３をリテーニングナット３３で一体的に締結し、インジェクタボデー５の上端開口に電磁弁６を装着しナット６２で一体的に締結してなる。ニードル３１は、ノズルボデー３２に対して摺動自在に保持されており、その上端はインジェクタボデー５の筒内を経て上方に延び、電磁弁６の下端に位置している。

本実施形態では、インジェクタボデー５の筒内を利用してニードル３１との間に高圧気体通路４１を形成する。高圧気体通路４１は、インジェクタボデー５の上側部に突設した高圧気体導入管４４を経て図示しない高圧気体燃料コモンレールに連通するとともに、その通路途中に、複数のインジェクタチャンバ４３４、４３５を有している。第１のインジェクタチャンバ４３４は、高圧気体導入管４４下流のインジェクタボデー５筒壁部において通路を拡径することにより設けられ、第２のインジェクタチャンバ４３５は、ニードル３１周りのインジェクタボデー５筒壁を円筒状に凹陥させて設けられる。本実施形態では、ニードル３１は、ノズルボデー３２内を摺動するガイド部３１１ａと、インジェクタボデー５内を摺動するガイド部３１１ｂの、２つのガイド部を有している。ガイド部３１１ａ、３１１ｂの外周には対向する２ヵ所に面取り部が形成され、第２のインジェクタチャンバ４３５へ至るフィード通路３６１ａと、第１のノズルチャンバ３５１へ至るフィード通路３６１ｂを構成している。

本実施形態では、ノズル３内に複数のノズルチャンバ３５１、３５２を有する。第１のノズルチャンバ３５１の構成は、上記第１の実施形態のノズルチャンバ３５と同様である。ノズル３の上端部には、インジェクタボデー５との衝合部に、スプリング５３を収容するスプリング室を兼ねた第２ノズルチャンバ３５２が形成される。高圧気体通路４１の先端は、この第２ノズルチャンバ３５２に接続し、フィード通路３６１ａを経て、第１のノズルチャンバ３５１へ燃料を供給している。

本実施形態の構成によれば、液体通路や制御室が不要であるため、インジェクタ１が簡略に構成されるとともに、インジェクタ１内に複数のインジェクタチャンバ４３４、４３５、ノズルチャンバ３５１、３５２が形成できるので、気体燃料圧を維持する効果をより高めることができる。このインジェクタ１は、大型機関の最大噴射量を充分供給できる容積を持つ。例えば軽油２５０ｍｍ3 に相当する熱量を６０ＭＰａの水素燃料で噴射する場合の容積は２．５ｃｍ3 で、必要なチャンバ容積は１０ｃｍ3 あれば充分であり、噴射による圧力降下は１５ＭＰａ以下である。実際には、高圧気体燃料コモンレール４６からの気体燃料の供給補充があるため、圧力降下は抑制される。

なお、各チャンバ形状は、円筒状、直方体形状等が適宜選択することができ、通路を複数とする等の設定変更も自由に選択できる。設定位置はできるだけ、ノズル３の噴孔３７に近い方が好ましい。噴射期間内に音速が往復できる位置であれば、噴射量増加に効果がある。

以上の実施形態構成によれば、高圧気体燃料を筒内に直接噴射するインジェクタにおいて、インジェクタ内に形成した複数のチャンバにより、大量の気体燃料を短時間に噴射して高出力化を実現するとともに、流路絞り構成を工夫することにより噴射開始時に発生する負の圧力波を利用して、上流のコモンレールあるいは蓄圧アキュムレータから燃料を吸い出し、燃料を継続して供給できる。また、ノズル噴孔を気体燃料が音速で通過する形状としたことで、高圧高密度の気体燃料が噴射でき、空気との混合を促進する。この高速噴霧と各チャンバからの圧力低下の少ない大容量の燃料供給により、短期間に気体燃料を噴射できる構造を持つインジェクタを得ることができる。これにより、気体燃料は密度が低いため噴射量は大容積が必要になるとともに、燃焼室内の空気と混ざりにくいため高拡散噴霧が必要となるという課題を解決し、機関の高出力化、未燃燃料の排出低減を両立できる。

本発明の第１の実施形態におけるインジェクタの高圧気体燃料の供給経路を示す全体断面図で、図３のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態におけるインジェクタの作動液体の供給経路を示す全体断面図で、図３のＢ−Ｂ線断面図である。 第１の実施形態におけるインジェクタの上方視図で、図１のＣ矢視図である。 第１の実施形態のインジェクタのノズル構成を示す要部拡大断面図である。 （ａ）は第１の実施形態におけるインジェクタチャンバの形成方法を説明するためのインジェクタの縦断面図であり、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はインジェクタチャンバの形成方法の他の例を説明するための断面図である。 （ａ）、（ｂ）は第１の実施形態のインジェクタにおける高圧気体燃料通路構成とその作動を説明するための模式図である。 （ａ）は第１の実施形態におけるインジェクタのノズル噴孔形状を示す要部拡大断面図であり、（ｂ）はその模式図、（ｃ）は噴孔形状の他の例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態におけるインジェクタの全体断面図である。

符号の説明

１ インジェクタ
２ 制御室
２ａ 入口絞り部
２ｂ 出口絞り部
２１ プレート部材
２２ 高圧液体通路（作動液体供給通路）
２３ 液体燃料導入管（作動液体供給通路）
２４ 高圧通路（作動液体供給通路）
２５ 低圧液体リターン通路
２７ 液体コモンレール
２８ 液体供給配管
３ ノズル
３１ ニードル
３１１ ガイド部
３１２ ステム部
３１５ ニードルチャンバ孔
３２ ノズルボデー
３２１ 追加チャンバ
３４ 潤滑用通路
３５ ノズルチャンバ（容積拡大部）
３６ フィード通路（高圧気体燃料供給通路）
３７ 噴孔
３８ シート部
３９ サック室
４１ 高圧気体通路（高圧気体燃料供給通路）
４２ 漏れ気体回収通路
４３ インジェクタチャンバ（第２の容積拡大部）
４４ 高圧気体導入管（高圧気体燃料供給通路）
４５ 絞り部
４６ 高圧気体燃料コモンレール（高圧気体燃料蓄圧手段）
４７ 高圧気体供給配管
５ インジェクタボデー
５２ 制御ピストン
５ インジェクタボデー
６ 電磁弁（電気式切り替え弁）
６１ ソレノイドボデー
６４ ソレノイド
６５ 低圧通路

Claims (8)

1. 高圧気体燃料をノズル先端に設けた噴孔から機関燃焼室に噴射するインジェクタであって、
   上記噴孔へ高圧気体燃料を供給する高圧気体燃料供給通路と、
   上記噴孔を開閉するニードルの駆動を制御する電気式駆動部とを備え、
   上記ノズル内の上記高圧気体燃料供給通路に、上記噴孔側から上流側へ向かう方向に上記高圧気体燃料供給通路の断面積を急拡大させる容積拡大部を設けたことを特徴とするインジェクタ。
2. 上記容積拡大部は、間欠噴射される１噴射時における噴射開始から噴射終了の期間であって、この期間内における燃料圧の変動幅が、全運転領域において、狙いの圧力変動幅値内となる容積値に設定される請求項１記載のインジェクタ。
3. 上記容積拡大部を上記ニードルのシート部上流位置に設けた請求項１または２記載のインジェクタ。
4. 上記容積拡大部を、上記ニードルの周囲または上記ニードルの周囲および内部に形成し、上記容積拡大部の総流路断面積が上記ニードルの断面積に対して１〜１０倍の範囲となるように構成した請求項３記載のインジェクタ。
5. インジェクタ入口部と上記容積拡大部との間の上記高圧気体燃料供給通路に、上記容積拡大部側から上流側へ向かう方向に上記高圧気体燃料供給通路の断面積を急拡大させる第２の容積拡大部を設けた請求項１ないし４のいずれか記載のインジェクタ。
6. 外部の高圧気体燃料蓄圧手段と上記高圧気体燃料供給通路のインジェクタ入口部とを高圧気体配管で接続し、該高圧気体配管の上記高圧気体燃料蓄圧手段への接続部近傍に絞り部を設けた請求項１ないし５のいずれか記載のインジェクタ。
7. 上記噴孔形状を、噴孔の途中で径が最小となり出口側へ向けて次第に拡径する高拡散噴孔形状とした請求項１ないし６のいずれか記載のインジェクタ。
8. 上記電気式駆動部が、上記ニードルに圧力を作用させる制御室と、該制御室へ作動液体を供給する作動液体供給通路と、上記制御室への作動液体の流出入を制御する電気式切替弁とを備える請求項１ないし７のいずれか記載のインジェクタ。