JP3797133B2

JP3797133B2 - エンジンの燃料噴射装置

Info

Publication number: JP3797133B2
Application number: JP2001141928A
Authority: JP
Inventors: 明宏榊田; 浩幸小松; 賢明久保; 明裕飯山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002332929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃料噴射装置に関し、詳しくは、燃料と空気との混合気を噴射する２流体燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直噴火花点火式エンジンの燃料噴射装置としては、特開平５−２５６２３０号公報に記載されるように、燃料と空気とを予め混合し、針弁を電磁力によってリフトさせて、前記燃料と空気との混合気を噴射する構成のものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように燃料と空気との混合気を噴射する燃料噴射装置においては、燃料のみを噴射する装置に対して噴射体積流量が増加するため、ノズルのシート部の径及び針弁のストロークを大きくして、噴射ノズルの噴孔部の開口面積を大きくする必要が生じる。
【０００４】
ここで、シート径を大きくすると、針弁が燃焼室内の圧力を受け易くなり、吸気行程から圧縮行程の後半までを噴射時期とする場合、閉弁方向に働く燃焼室内の圧力に対抗し得る電磁力で針弁を開駆動させることが要求され、大きな磁性材料を必要とすることになる。
しかし、大きな磁性材料の使用によって可動部分の重量が増加すると、応答性を維持するためには、針弁を閉弁方向に付勢するスプリングのセット荷重を増加させる必要が生じ、その結果、更に大きな電磁力が必要とされ、磁性材料部が大型化し、引いては、燃料噴射装置を大型化させることになってしまうという問題があった。
【０００５】
更に、可動部分の重量が増加することで、針弁がシート部に着座するときの衝突エネルギーが増加することになり、これにより、噴射装置の耐久性が低下し、また、衝撃音が発生し、更には、閉弁後の針弁の再リフト（バウンシング）が生じるという問題があった。
特に、針弁のバウンシングが発生すると、余分な混合気の噴射によって排気性能が悪化すると共に、ノズルに対するデポジット堆積の原因になってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、小さい電磁力、即ち、軽い可動部でありながら、噴射時期を圧縮行程の後半まで設定することが可能な電磁式の２流体燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明は、ノズルに保持される針弁を駆動して燃料と空気との混合気を噴射するエンジンの燃料噴射装置において、前記針弁及びノズルにより形成される空間を前記針弁に設けた針弁ガイドによって前記針弁の軸方向に隔成することで、前記針弁ガイドを挟んでエア室と作動補助室とを形成し、前記エア室にエンジンに噴射する混合気を供給する一方、前記針弁に作用する電磁力と、前記作動補助室内の圧力により前記針弁に作用する力との合力により前記針弁を駆動する構成とし、かつ、前記混合気の噴射時期を前記電磁力の発生時期によって制御する構成とした。
【０００８】
かかる構成によると、針弁をノズルに摺接させて移動案内させるために設けられる針弁ガイドが、混合気の供給経路を構成するエア室と針弁を補助的に駆動するための作動補助室とを隔成する遮断部としても機能する。そして、電磁力のみで針弁を開弁駆動するのではなく、作動補助室の圧力を補助的に作用させ、電磁力と作動補助室の圧力との合力で針弁を開弁駆動するものであり、針弁の開閉は電磁力の発生の有無で切換えられる。
【０００９】
請求項２記載の発明では、前記作動補助室内の液体の圧力を変化させる構成であって、前記作動補助室内の液体の圧力を前記エア室内の圧力よりも高く設定する構成とした。
【００１０】
かかる構成によると、作動補助室内の液体の圧力が、エア室内の圧力よりも高いから、作動補助室とエア室とを隔成する針弁ガイド部の隙間における流体の流れが、作動補助室からエア室に向かう流れに限定される。請求項３記載の発明では、前記作動補助室内の液体の圧力を変化させる構成であって、前記針弁ガイドにシール部材を介装させる構成とした。
【００１１】
かかる構成によると、エア室側から作動補助室に対する空気の漏れ出しが、シール部材で遮断されることになる。請求項４記載の発明では、前記燃料噴射装置が、エンジンの燃焼室内に直接混合気を噴射する構成であり、前記作動補助室内の圧力を、前記燃焼室内の圧力に応じて変化させる構成とした。
【００１２】
かかる構成によると、針弁が閉弁方向に受ける圧力である燃焼室内の圧力に応じて、針弁を開弁方向に駆動させる力を発生させる作動補助室の圧力が変化することになる。請求項５記載の発明では、前記作動補助室に液体燃料を供給する燃料供給通路と、該燃料供給通路に介装され前記作動補助室内の圧力が所定圧以下であるときに液体燃料を前記作動補助室内に供給するチェック弁と、前記燃焼室内の圧力を受圧して前記作動補助室内の液体を加圧するピストンとを備える構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、作動補助室の圧力が低下すると、チェック弁が開いて液体燃料が作動補助室に供給され、作動補助室内の圧力が一定圧以上に保持され、燃焼室内の圧力が上昇すると、ピストンによって作動補助室内が加圧される。請求項６記載の発明では、前記ピストンが、前記作動補助室内の圧力を前記燃焼室内の圧力以上に増圧する構成とした。
【００１４】
かかる構成によると、ピストンによって作動補助室内の液体燃料の圧力が、燃焼室内の圧力以上に加圧され、該作動補助室の圧力と電磁力とによって針弁を駆動する。請求項７記載の発明では、前記作動補助室とエンジンの燃焼室とを連通させる連通路を備えると共に、前記連通路を、前記燃焼室内の圧力が所定値以上になったときに閉塞させる構成とした。
【００１５】
かかる構成によると、作動補助室と燃焼室とが連通路で連通されるので、作動補助室内の圧力が、燃焼室内の圧力と同等になるが、燃焼室の圧力が所定値以上になったとき、特に燃焼行程において前記連通路を閉塞させることで、燃焼ガスの作動補助室への侵入が遮断される。請求項８記載の発明では、前記燃焼室内の圧力を受圧してストロークし、ストローク途中で前記連通路を閉塞すると共に、前記作動補助室内の圧力を前記燃焼室内の圧力以上に増圧するピストンを備える構成とした。
【００１６】
かかる構成によると、燃焼室内の圧力が高まると、ピストンがストロークすることで連通路が閉塞されて、作動補助室が閉じた空間となり、更に、ピストンがストロークすることで、作動補助室内の圧力が燃焼室内の圧力以上に増圧される。請求項９記載の発明では、前記ピストンのストロークがストッパによって規制される構成とした。
【００１７】
かかる構成によると、作動補助室を加圧するピストンのストロークがストッパによって規制され、ストッパ位置を越えるストローク、換言すれば、ストッパ位置での圧力を超える加圧が禁止される。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、針弁のガイド部によってエア室と作動補助室とを隔成させ、前記作動補助室の圧力を補助的に用いて針弁を駆動するので、小さい電磁力で針弁を開駆動することができ、これにより、可動部分の重量を軽くできるので、磁性材料部を小型化して燃料噴射装置を小型化でき、また、着座時の衝撃エネルギーが小さくなるので、耐久性を向上させることができると共に、閉弁時の再リフトが防止され排気性能を向上させることができるという効果がある。
【００１９】
請求項２，３記載の発明によると、エア室の空気が作動補助室に入るのを防止でき、以って、作動補助室内の液体のキャビテーションを防止できるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によると、針弁が受ける燃焼室内の圧力を相殺させることができ、圧縮行程後半に噴射時期が設定されたとしても、開弁に必要な電磁力を小さくすることができるという効果がある。請求項５記載の発明によると、作動補助室内の液体の圧力を燃焼室内の圧力上昇に応じて増加させて、針弁が受ける燃焼室内の圧力を相殺させることができるという効果がある。
【００２１】
請求項６記載の発明によると、針弁に対して閉弁方向に加わるスプリングなどによる付勢力及び燃焼室内の圧力に抗する圧力を作動補助室内に発生させることができるという効果がある。請求項７記載の発明によると、作動補助室内の圧力を簡便な構成で燃焼室に対応させ、針弁が受ける燃焼室内の圧力を相殺させることができると共に、燃焼ガスが作動補助室に入って、噴射装置内が汚損されるのを防止できるという効果がある。
【００２２】
請求項８記載の発明によると、針弁に対して閉弁方向に加わるスプリングなどによる付勢力及び燃焼室内の圧力に抗する圧力を作動補助室内に発生させることができると共に、燃焼ガスが作動補助室に入ることを簡便な構成で防止できるという効果がある。請求項９記載の発明によると、作動補助室内を加圧するピストンのストロークを規制することで、作動補助室内の圧力が高くなり過ぎるのを確実に防止できるという効果がある。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態における燃料噴射装置を示す断面図である。
この図１に示す燃料噴射装置１は、エンジン２の燃焼室３内に、燃料と空気との混合気を直接噴射する装置である。
【００２４】
前記燃料噴射装置１の本体１１には、先端に噴孔１２ａが形成される中空のノズル１２が設けられ、該ノズル１２に針弁１３が保持される。
前記針弁１３の中間部には拡径された針弁ガイド１３ａが設けられ、該針弁ガイド１３ａがノズル１２の中空部に嵌合されることで、ノズル１２に対する針弁１３の軸方向への移動が案内される。
【００２５】
前記針弁ガイド１３ａを挟んで上下に、針弁１３の外周とノズル１２の内周とにより作動補助室１４，エア室１５がそれぞれ環状に形成される。
前記針弁ガイド１３ａよりも先端側に形成されるエア室１５には、本体１１内に設けられる混合気供給通路１６を介してエンジン２に噴射する混合気が供給される。
【００２６】
前記混合気供給通路１６の途中には、本体１１に固定される液体燃料噴射弁１７が臨む一方、本体１１の外にまで延設される前記混合気供給通路１６の端部にはエアポンプ１８が設けられ、エアポンプ１８で加圧された圧縮空気中に液体燃料噴射弁１７から燃料を噴射することで、燃料と空気との混合気が形成される。前記液体燃料噴射弁１７には、燃料タンク１９から燃料ポンプ２０によって吸引され、プレッシャレギュレータ２１で所定圧力に調整された液体燃料が第１燃料供給通路２２を介して供給される。
【００２７】
前記プレッシャレギュレータ２１は、リリーフ通路２１ａを介して余剰燃料を燃料タンク１９に戻すことで、燃料圧力を所定の圧力に調整する。一方、前記針弁ガイド１３ａよりも基端側に形成される作動補助室１４には、前記プレッシャレギュレータ２１で所定圧力に調整された液体燃料が第２燃料供給通路２３を介して供給される。
【００２８】
前記第２燃料供給通路２３の途中には、チェック弁２４が介装されている。
前記チェック弁２４は、該チェック弁２４下流側の液体燃料の圧力が、上流側の液体燃料の圧力（前記プレッシャレギュレータ２１の設定圧）よりも所定以上低くなったときに開弁して、燃料の作動補助室１４への導入を許容し、それ以外では、第２燃料供給通路２３を遮断する弁である。
【００２９】
尚、作動補助室１４内の圧力がエア室１５の圧力よりも高くなるように設定してあり、これにより、作動補助室１４とエア室１５とを隔成する針弁ガイド１３ａの嵌合隙間を介してエア室１５の空気が作動補助室１４に侵入することを防止するようにしてある。
ここで、上記圧力設定が行えない場合や、作動補助室１４からエア室１５への燃料の漏れ出しをも防止したいときには、図２に示すように、針弁ガイド１３ａの外周に、Ｏリング１３ｂ（シール部材）を介装させるようにすれば良い。
【００３０】
また、前記チェック弁２４下流側の第２燃料供給通路２３には、一方端が燃焼室３内の圧力を受けるピストン２５の他端部を臨ませてある。
前記ピストン２５は、スプリング２６によって燃焼室３側に向けて付勢される一方、前記燃焼室３内の圧力を受ける大径部２５ａと、第２燃料供給通路２３に臨む小径部２５ｂとから構成される。
【００３１】
従って、前記ピストン２５は、燃焼室３内の圧力が高くなると、図３に示すように、第２燃料供給通路２３に向けてストロークすることで、作動補助室１４内の燃料を加圧することになり、かつ、作動補助室１４側と燃焼室３側との受圧面積の違いによって燃焼室３内の圧力を増圧して作動補助室１４の燃料に伝えることになる。
【００３２】
ここで、前記ピストン２５の第２燃料供給通路２３に向けてのストロークが、ストッパ２５ｃによって規制され、ピストン２５によって作動補助室１４内の燃料圧力が所定以上に増圧されることがないようにしてある。
前記針弁１３は、コイルスプリング２７によって閉弁方向（図１で上方）に付勢される一方、基端部にアーマチャー２８（磁性材料）が一体的に設けられ、本体１１に固定される電磁コイル２９に電流を流すことで、針弁１３を開弁方向（図１で下方）に駆動する電磁吸引力が発生するようになっている。
【００３３】
尚、ノズル１２の基端側を貫通する針弁１３の摺接部分から前記コイルスプリング２７を内設する空間に漏れ出した燃料は、ドレン通路３０を介して燃料タンク１９に戻されるようになっている。
上記構成の燃料噴射装置１において、噴射時期において前記電磁コイル２９に電流を流すことで、針弁１３をリフトさせて開弁させるが、前記電磁コイル２９により開弁方向に作用する電磁力と共に、前記作動補助室１４内の燃料圧力が針弁１３に対して開弁方向に作用するから、開弁駆動に必要とされる電磁力を小さくできる。
【００３４】
更に、前記作動補助室１４内の燃料圧力は、燃焼室３内の圧力増加に応じて増大するから、噴射時期として圧縮行程後半が設定されたとしても、開弁駆動に要する電磁力が吸気行程噴射時に対して急増することがない。
従って、噴射時期として吸気行程から圧縮行程の後半まで設定される場合であっても、開弁駆動に要する電磁力を小さく抑制でき、これによって、アーマチャー２８（磁性材料）を小さくでき、燃料噴射装置１を小型化できる。
【００３５】
図４は、燃焼室内の圧力変化と、針弁に作用する力との相関を示すものである。
この図４に示すように、針弁１３には、コイルスプリング２７による閉弁方向の力と、燃焼室３内の作動ガス圧力による閉弁方向の力と、エア室１５内の混合気圧力による開弁方向の力と、作動補助室１４内の燃料圧力による開弁方向の力とが常に加わることになる。
【００３６】
ここで、燃焼室３内の作動ガス圧力による閉弁方向の力の増大変化に応じて、作動補助室１４内の燃料圧力による開弁方向の力を増大変化させることができるから、ピストン２５の径や針弁ガイド１３ａにおける受圧面積等の設定によって、閉弁方向の力と開弁方向の力とを、燃焼室３内の圧力変化に関わらずに略バランスさせることができ、開弁駆動のために要求される電磁量を、燃焼室内の圧力変化（噴射タイミング）に因らずに小さな値に抑制できる。
【００３７】
これに対し、前記作動補助室１４による開弁方向の力を作用させない場合には、図５に示すように、作動補助室１４による開弁方向の力がない分、電磁力を増加させる必要が生じ、噴射時期を圧縮行程後半に設定することを可能にするためには大きな電磁力が要求され、アーマチャー２８（磁性材料）の大型化、引いては、燃料噴射装置１の大型化を招くことになる。
【００３８】
図６は、第２の実施形態における燃料噴射装置を示す。
この図６に示す燃料噴射装置は、前記図１に示した第１の実施形態に対して、作動補助室１４の圧力制御系の構成のみが異なる。
図６に示す燃料噴射装置では、作動補助室１４に導く流体を、燃焼室３内の作動ガスとする。
【００３９】
具体的には、燃焼室３内と作動補助室１４とを連通する連通路３１が設けられると共に、作動補助室１４内の圧力を燃焼室３内の圧力よりも高めるためのピストン３２が設けられる。
前記ピストン３２は、燃焼室３内の圧力を受ける大径部３２ａと作動補助室１４側に臨む小径部３２ｂとからなり、スプリング３３によって付勢される燃焼室３側の基準位置では、前記連通路３１が開放されるので、燃焼室３内の圧力と作動補助室１４内の圧力とが等しくなる。
【００４０】
ここで、燃焼室３内の圧力が上昇して、受圧面積の差によりピストン３２をストロークさせる方向に作用する力が、スプリング３３の付勢力を上回るようになると、ピストン３２がストロークし、小径部３２ｂのシリンダ壁に開口する連通路３１を閉塞するようになる（図７参照）。
ピストン３２により連通路３１を閉塞した後は、燃焼室３内の圧力がより高くなると、ピストン３２が更にストロークし、作動補助室１４内の圧力を燃焼室３内の圧力よりも高く増圧する。
【００４１】
尚、上記第２の実施形態においても、ストッパ３２ｃが、ピストン３２のストロークを規制し、作動補助１４内の圧力が所定以上に加圧されないようにしてある。
係る構成の第２実施形態においても、作動補助室１４内の圧力が針弁１３の開弁方向に作用し、然も、作動補助室１４内の圧力が燃焼室３の圧力上昇に応じて増大するから、たとえ圧縮行程の後半に噴射時期が設定される構成であっても、開弁駆動に要求される電磁力を低く抑えることができ、以って、アーマチャー２８（磁性材料）を小さくでき、燃料噴射装置１を小型化できる。
【００４２】
また、燃焼室３内の圧力が高くなったときに連通路３１を閉塞することで、作動補助室１４内への燃焼ガスの流入を防止でき、作動補助室１４内に燃焼ガスが流入して針弁１３とノズル１２との間の摺動部にカーボン等が入り込み、針弁１３の動きが阻害されるようになることを未然に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料噴射装置を示すシステム構成図。
【図２】第１の実施形態において針弁ガイドにＯリングを追加した構成を示す部分拡大図。
【図３】第１の実施形態におけるピストンのストローク状態を示す部分拡大図。
【図４】第１の実施形態における針弁に加わる荷重と燃焼室内の圧力との相関を示すグラフ。
【図５】作動補助室により閉弁方向の力を発生させない場合の針弁に加わる荷重と燃焼室内の圧力との相関を示すグラフ。
【図６】第２の実施形態における燃料噴射装置を示すシステム構成図。
【図７】第２の実施形態におけるピストンのストローク状態を示す部分拡大図。
【符号の説明】
１…燃料噴射装置
２…エンジン
１２…ノズル
１３…針弁
１３ａ…針弁ガイド
１４…作動補助室
１５…エア室
１６…混合気供給通路
１７…液体燃料噴射弁
１８…エアポンプ
１９…燃料タンク
２０…燃料ポンプ
２１…プレッシャレギュレータ
２４…チェック弁
２５…ピイトン
２７…コイルスプリング
２８…アーマチャー
２９…電磁コイル
３１…連通路
３２…ピストン

Claims

ノズルに保持される針弁を駆動して燃料と空気との混合気を噴射するエンジンの燃料噴射装置において、
前記針弁及びノズルにより形成される空間を前記針弁に設けた針弁ガイドによって前記針弁の軸方向に隔成することで、前記針弁ガイドを挟んでエア室と作動補助室とを形成し、前記エア室にエンジンに噴射する混合気を供給する一方、
前記針弁に作用する電磁力と、前記作動補助室内の圧力により前記針弁に作用する力との合力により前記針弁を駆動する構成とし、かつ、前記混合気の噴射時期を前記電磁力の発生時期によって制御することを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。
前記作動補助室内の液体の圧力を変化させる構成であって、前記作動補助室内の液体の圧力を前記エア室内の圧力よりも高く設定したことを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記作動補助室内の液体の圧力を変化させる構成であって、前記針弁ガイドにシール部材を介装させたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記燃料噴射装置が、エンジンの燃焼室内に直接混合気を噴射する構成であり、前記作動補助室内の圧力を、前記燃焼室内の圧力に応じて変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記作動補助室に液体燃料を供給する燃料供給通路と、該燃料供給通路に介装され前記作動補助室内の圧力が所定圧以下であるときに液体燃料を前記作動補助室内に供給するチェック弁と、前記燃焼室内の圧力を受圧して前記作動補助室内の液体を加圧するピストンとを備えたことを特徴とする請求項４記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記ピストンが、前記作動補助室内の圧力を前記燃焼室内の圧力以上に増圧することを特徴とする請求項５記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記作動補助室とエンジンの燃焼室とを連通させる連通路を備えると共に、前記連通路を、前記燃焼室内の圧力が所定値以上になったときに閉塞させることを特徴とする請求項４記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記燃焼室内の圧力を受圧してストロークし、ストローク途中で前記連通路を閉塞すると共に、前記作動補助室内の圧力を前記燃焼室内の圧力以上に増圧するピストンを備えたことを特徴とする請求項７記載のエンジンの燃料噴射装置。
前記ピストンのストロークがストッパによって規制されることを特徴とする請求項５，６，８のいずれか１つに記載のエンジンの燃料噴射装置。