JP2009138580A - 燃料噴射弁及びそれを備えた燃料噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】主に高圧気体燃料を噴射する噴射弁において、作動油として導入されている高圧液体燃料を噴射燃料として利用可能とする簡易な構成の燃料噴射弁と、該燃料噴射弁を備え、運転状況に応じて高圧気体燃料と高圧液体燃料とを選択的に噴射する燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁１０は、高圧気体燃料ＧＦの導入される高圧気体燃料導入流路３６２と、高圧液体燃料ＬＦの導入される高圧液体燃料導入流路２５０と、ノズル部１１内に設けた燃料室４０８と、高圧気体燃料導入流路３６２と燃料室４０８とを連通せしめる第１の流路と、高圧液体燃料導入流路２５０と燃焼室４０８とを連通せしめる第２の流路と、第１の流路と第２の流路とを切換える流路切換弁４００とを具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高圧気体燃料を内燃機関の筒内に噴射する燃料噴射弁及びそれ備えた燃料噴射装置に関するものである。
次世代の自動車開発においては、燃焼排気中の環境負荷物質（ＮＯｘ、ＣＯ２、ＰＭ等）の低減が重視されているが、従来の化石液体燃料に頼る燃焼ではその低減に限界がある。化石液体燃料の代替燃料として、より高い燃焼効率が期待される天然ガス（ＬＮＧ、ＣＮＧ）、石油ガス（ＬＰＧ）、水素ガスといった気体燃料を用いる気体燃料機関の開発が進められている。
気体燃料は、その容積当たりの発熱量、即ち、エネルギー密度が低いことから、従来の気体燃料機関を搭載した車両では、気体燃料の搭載量を多くするため燃料貯蔵タンクの高圧化や大型化が必要となる。しかし、実際の車両に搭載できる燃料貯蔵タンクには限度が有り、又、気体燃料供給用ステーション等のインフラ整備の遅れもあり、ガソリンや軽油などの液体燃料機関に比べて十分な走行距離を確保することが困難であった。
一方、従来の化石燃料を用いた機関でも、更なる燃焼排気エミッションの低減を図るべく、ガソリンエンジンにおいてはディーゼルエンジンに匹敵する燃費の実現、ディーゼルエンジンにおいてはガソリンエンジンに匹敵する清浄排気の実現を目指しており、両者の長所を両立する技術として、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）が注目されている。ＨＣＣＩ機関は、空気と燃料の予混合気を燃焼室内に導入し、ピストンの圧縮により高温・高圧とすることで多点同時に自己着火させる機関である。しかし、ＨＣＣＩ機関における着火は燃料固有の着火温度に依存するため着火時期の制御が困難であり、高負荷領域においてはノッキングが発生し易く、高回転領域では、混合時間が不足するため、十分な空気と燃料との混合が行われず、運転領域が低負荷領域及び低回転領域に限られるといった課題が存在する。
特許文献１には、液化石油ガスと液体燃料又は気体燃料とを、機関運転条件に応じて選択的若しくは同時に供給するようにした、２種燃料噴射技術が開示されている。この技術では、液化石油ガスを供給する高圧気体燃料供給系と、液体燃料又は気体燃料を供給する高圧液体燃料供給系を設けて、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には、エンジンに供給する燃料として水素燃料とガソリンとを切替える燃料切替手段と、予め設定された切替条件に基づいて、該切替手段を制御する切替制御手段と、水素燃料残量検出手段と、水素燃料残量によって走行可能な距離を検出する第１距離検出手段と、最寄りの水素燃料補給所までの距離を検出する第２距離検出手段とを備え、第１距離と第２距離とに応じて水素燃料とガソリンとを使い分けることにより、水素燃料の困難性を考慮しつつ、ガソリンの使用頻度を抑制するように水素燃料とガソリンとの使用燃料の最適化を図る制御方法に関する技術が開示されている。
特許文献３には、内部に低セタン価燃料と高セタン価燃料とが供給される２種類の流路を有し、先端部に噴射軸線が出口直後で交差するように配置された前記各流路と繋がる２種類の噴孔を有する燃料噴射ノズルと、予混合圧縮着火燃焼時、前記両噴孔の出口直後で前記両燃料を衝突させて、上死点から離れたピストンへ向かうように燃料を噴霧させる手段とを具備して、燃料予混合圧縮着火燃焼領域の拡大を図った燃料噴射弁が開示されている。
特開２００３−２３２２３４号公報 特開２００６−２００４３８号公報 特開平１１―３５１０９１号公報
ところが、特許文献１の技術では、高圧気体燃料供給手段（高圧気体燃料用燃料噴射弁）と高圧液体燃料供給手段（高圧液体燃料用燃料噴射弁）とを必要とし、燃料噴射装置の複雑化、大型化、高コスト化を招く虞がある。加えて、複数の燃料噴射弁を気筒毎に搭載することは極めて困難で、特許文献１の図１にあるように、複数の燃料噴射弁は吸気マニホルドに載置せざるを得ず、機関筒内に直接燃料を噴射する直噴機関への適用は困難であると推察される。また、液化石油ガスの残量が減少した場合には、高圧気体燃料が供給不足となり失火に至る虞がある。
また、特許文献２の技術では、水素燃料用の燃料噴射弁とガソリン用燃料噴射弁とを個別に有する場合には、供給燃料切替装置によって、いずれか一方の噴射弁を作動させる場合には、他方の噴射弁を休止する構成としている。この様な構成では、装置が大型化し、気筒毎に燃料噴射弁を搭載する直噴機関に適用が困難となる虞がある。又、水素燃料用の燃料噴射弁とガソリン用燃料噴射弁とを兼用する場合には、それぞれの燃料タンクに設けた開閉弁のうちいずれか一方を開弁し他方を閉弁する構成が記載されている。しかし、具体的な燃料噴射弁の構造が不明であるのに加えて、この様な構成では、燃料噴射弁とは別に供給燃料切替手段が必要であり、構成が複雑で、装置の大型化、高コスト化を招く虞がある。
更に、特許文献３の技術では、外側針弁と内側針弁との２重針弁構造の基端部に２重ロッド構造のノズルホルダを組み合わせて構成した燃料噴射弁によって低セタン価燃料の噴射と高セタン価燃料の噴射とを開閉しており、燃料噴射弁の構造が極めて複雑で、特に２重針弁構造は、極めて高い加工精度が要求され、燃料噴射弁の高コスト化を招く虞がある。
本発明は、上記実情に鑑みて、主に高圧気体燃料を噴射する噴射弁において、作動油として導入されている高圧液体燃料を噴射燃料として利用可能とする簡易な構成の燃料噴射弁を提供するとともに、該燃料噴射弁を備え、運転状況に応じて高圧気体燃料と高圧液体燃料とを選択的に噴射可能とし、燃焼排気清浄性の更なる向上と信頼性の更なる向上とを実現可能な燃料噴射装置の提供を目的とする。
請求項１の発明では、高圧液体燃料を圧力伝達媒体として利用して、ノズル部の先端に設けられた噴孔の開閉を行い、高圧気体燃料を上記噴孔から機関燃焼室に噴射する燃料噴射弁であって、上記燃料噴射弁は、上記高圧気体燃料を導入する高圧気体燃料導入流路と、上記高圧液体燃料を導入する高圧液体燃料導入流路と、上記ノズル部内に設けた燃料室と、上記高圧気体燃料導入流路と上記燃料室とを連通せしめる第１の流路と、上記高圧液体燃料導入流路と上記燃焼室とを連通せしめる第２の流路と、上記第１の流路と上記第２の流路とを切換える流路切換弁とを具備する。
請求項１の発明によれば、上記流路切換弁の第１の流路と第２の流路との切換によって、上記燃料室に導入される燃料として気体燃料と液体燃料とのいずれかを適宜選択可能となる。従って、簡易な構成で、高圧気体燃料と高圧液体燃料とを選択的に機関燃焼室内に噴射する燃料噴射弁が実現可能となる。又、一つの燃料噴射弁によって、２種類の燃料の噴射ができるので、燃料噴射弁の搭載位置が制限されず、直噴形式と予混合形式とのいずれの燃焼形式の機関にも適用が可能となる。
具体的には、請求項２の発明のように、上記流路切換弁は、上記高圧気体燃料の圧力と上記高圧液体燃料の圧力との圧力差で作動する差圧弁によって構成しても良い。
請求項２の発明によれば、上記高圧気体燃料の残量が低下し、その圧力が高圧液体燃料の圧力よりの低下した場合には、高圧液体燃料のみが上記燃料室に導入される。従って、高圧気体燃料の噴射ができなくなった場合であっても、緊急避難として高圧液体燃料が噴射され、機関の運転が継続できる。
又、請求項３の発明のように、上記流路切換弁は、ソレノイドの励磁で作動する電磁弁によって構成しても良い。
請求項３の発明によれば、ソレノイドの励磁によって、任意の位置に切換えできるので、緊急避難時のみならず、運転状況に応じて、高圧気体燃料と高圧液体燃料とを選択的に噴射することができる。
請求項４の発明のでは、上記噴孔を開閉する弁部を有するニードルと、該ニードルを摺動可能に保持する略筒状に形成された燃料噴射弁基体と、上記高圧液体燃料を圧力伝達媒体として上記ニードルに閉弁方向の圧力を作用せしめる背圧制御室と、該背圧制御室に設けた出口流路を開閉する背圧制御弁と、該背圧制御弁を駆動するアクチュエータとを具備し、上記流路切換弁の切換弁位置によって選択的に導入された上記燃料室内の高圧気体燃料と高圧液体燃料とのいずれかの高圧燃料を圧力伝達媒体として上記ニードルに開弁方向の圧力を作用せしめる。
請求項４の発明によれば、上記アクチュエータの駆動によって、上記背圧制御弁が自在に開閉され、上記背圧制御室内の液体燃料の圧力の増減によって、上記噴孔を自在に開閉できるので、上記流路切換弁によって燃料室に選択的に導入された高圧気体燃料と高圧液体燃料とを任意の条件で自在に噴射する燃料噴射弁が実現できる。
請求項５の発明では、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁と電子制御装置とを有する燃料噴射装置であって、上記電子制御装置は、機関の運転目標を読込む運転目標読込手段と、機関の運転状態を読込む運転状態読込手段と、上記高圧気体燃料の残量と上記高圧液体燃料の残量とを読込む燃料残量読込手段と、燃料の選択をする燃料選択手段と、上記燃料噴射弁の駆動制御を行う駆動制御手段とを具備する。
請求項５の発明によれば、機関の運転目標と、機関の運転状況と、上記高圧気体燃料及び上記高圧液体燃料の残量に応じて、上記高圧気体燃料と上記高圧液体燃料とを、適宜選択して最適の条件で噴射制御することが可能となる。
具値的には、請求項６の発明では、上記燃料選定手段は、上記高圧気体燃料の残量が所定値以下となった場合には、上記高圧液体燃料のみを上記燃料室に導入すべく上記流路切換弁を上記第２の流路位置に設定する切換制御を行う。
請求項６の発明によれば、上記高圧気体燃料の残量が所定値以下となっても、失火に至らず、高圧液体燃料の噴射によって、機関の運転を継続できる。従って、燃料噴射装置としての信頼性が向上する。
又、請求項７の発明のように、上記燃料選定手段は、上記高圧液体燃料の所定量を上記高圧気体燃料の噴射に先立って噴射すべく上記流路切換弁を上記第２の流路位置に設定した後、上記流路切換弁を上記第１の流路位置に設定する切換制御を行っても良い。
請求項７の発明によれば、液体燃料をパイロット噴射として噴射することができるので、気体燃料の着火性が悪い条件でも確実に着火でき、燃料噴射装置としての信頼性が更に向上できる。又、高圧液体燃料として自己着火し易い高セタン価燃料を用いれば、点火装置が不要となり、更に簡易な構成とすることも可能となる。加えて、液体燃料の自己着火を利用することにより、気体燃料のより確実な燃焼を引き起こし、燃焼排気の清浄性が更に向上できる。
又、請求項８の発明のように、上記燃料選定手段は、上記高圧気体燃料を噴射した後、上記高圧液体燃料の所定量を点火時期に噴射すべく上記流路切換弁を上記第１の流路位置に設定した後、上記流路切換弁を上記第２の流路位置に設定する切換制御を行っても良い。
請求項８の発明によれば、高圧気体燃料を予混合することにより、更なる希薄燃焼を可能とし、予混合燃焼による着火性の低下を、高圧液体燃料の噴射によって、補うことが可能となり、確実な着火に結びつけられる。従って、燃料噴射装置としての信頼性が更に向上する。
本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置１の概要について図１を参照して説明する。本実施形態においては、高圧気体燃料として、天然ガス（ＬＮＧ、ＣＮＧ）、石油ガス（ＬＰＧ）、水素ガス等の気体燃料ＧＦを用い、高圧液体燃料として、セタン価の高い軽油、ＤＭＥ等の液体燃料ＬＦを用いている。
燃料噴射装置１は、１つの燃料噴射弁１０を気体燃料ＧＦの噴射を担う気体燃料噴射系（ＧＦＩＳ）と液体燃料ＬＦの噴射を担う液体燃料噴射系（ＬＦＩＳ）とによって共用している。
燃料噴射弁１０は、燃料を筒内に直接噴射する多気筒圧内燃機関用の燃料噴射弁として構成され、１気筒当たりに１つの燃料噴射弁１０が設けられている。
ＧＦＩＳは、高圧ＧＦタンク３０、開閉バルブ３１、調圧バルブ３２、パージタンク３３、リリーフバルブ３４、ＧＦコモンレール３５、ＧＦ圧力センサ３６、ＧＦ供給管３７、燃料噴射弁１０、電子制御装置（ＥＣＵ）４０、噴射弁駆動装置（ＥＤＵ）４１によって構成されている。
ＬＦＩＳは、ＬＦタンク２０、給液管２１、２３、高圧ポンプ２２、ＬＦコモンレール２４、ＬＦ供給管２５、ＬＦ圧力センサ２６、安全弁２７、ＬＦ回収管２８、燃料噴射弁１０、ＥＣＵ４０、ＥＤＵ４１によって構成されている。
ＬＦタンク２０から高圧ポンプ２２によって汲み上げられた液体燃料ＬＦは、ＬＦコモンレール２４に蓄圧され、複数の燃料噴射弁１０に供給されている。
高圧ＧＦタンク３０から調圧弁３２を介してＧＦコモンレール３５に蓄圧された高圧気体燃料ＧＦが複数の燃料噴射弁１０に供給されている。燃料噴射弁１０から液体燃料ＬＦの一部がＬＦ回収管２８を介してＬＦタンク２０に還流されている。
ＥＣＵ４０は、図略のエンジン回転計、Ｇセンサ、ＧＦ圧力センサ２６、ＬＦ圧力センサ３４、冷却水温センサ、等から入力されるエンジン回転数Ｎｅ、クランク角（ＴＤＣ）、ＧＦ圧力Ｐｈ、液体燃料ＬＦ圧力Ｐｃ、冷却水温等の入力信号に従って、機関の運転条件を算出し、ＥＤＵ４１へ燃料噴射弁１０の駆動信号を送信し、ＥＤＵ４１から燃料噴射弁１０へ供給される駆動電流に従って燃料噴射弁１０が噴射制御される。
ＥＣＵ４０は、運転状況並びに燃料残量に応じて、燃料噴射弁１０から内燃機関に噴射される燃料を気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとから適宜選択して噴射するよう燃料噴射弁１０に内蔵された流路切換弁４００の切換制御を行う。
液体燃料ＬＦは、着火性の低い気体燃料の着火性を向上する助燃料として用いられるだけでなく、燃料噴射弁１０の駆動力を伝達する圧力伝達媒体並びに潤滑油としても用いられる。
燃料噴射弁１０の詳細について、図２〜図４を参照して説明する。図３、図４は本実施形態の燃料噴射弁１０の全体構成を示す縦断面図で、図２は、図３中Ｃ矢視における平面図であり、図３は、図２中Ａ−Ａ矢視断面図、図４は、図２中Ｂ−Ｂ矢視断面図となっている。
先ず、燃料噴射弁１０の基本構造について説明する。燃料噴射弁１０は、略筒状に形成された噴射弁基体１００と、噴射弁基体１００の先端側に設けられたノズル部１１と、噴射弁基体１００の内部に燃料流路４０１、４０２、４０３、４０４、４０５等が設けられた流路形成部１２と、噴射弁基体１００の基端側に設けられた制御部１３と背圧制御弁１４と背圧制御弁１４の駆動を行なうアクチュエータ１４と、本発明の要部である流路切換弁４００とによって構成されている。
噴射弁基体１００には、気体燃料ＧＦが導入される高圧ＧＦ導入流路３６２と、液体燃料ＬＦが導入される高圧ＬＦ導入流路２５０とが形成されている。
流路切換弁４００は、切換弁位置１では、第１の流路として、第１のポートＰ１と第３のポートＰ３とが連通し、切換弁位置２では、第２の流路として、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とが連通する２位置３方弁によって構成されている。
高圧ＧＦ導入流路３６２は、流路切換弁４００の第１のポートＰ１に接続されている。一方、高圧ＬＦ導入流路２５０は、ＬＦ供給流路２６０と背圧流路２７０とに分岐している。更に、ＬＦ供給流路２６０は、ＬＦ流路結合部２６１、ＬＦ流路２６２を経由し、流路切換弁４００の第２のポートＰ２に接続されている。更に、背圧流路２７０は、絞り流路１３１を介して制御背圧室１３０に接続されている。
更に、流路切換弁４００の第３のポートＰ３は、燃料流路４０1、４０２、４０３、４０４を介して、燃料供給流路４０５に接続されている。燃料供給流路４０５は更に、後述するフィード流路４０７を介して燃料室４０８に接続されている。
ノズル部１１は、有底筒状のノズル部基体１１０とノズル部基体１１０を噴射弁基体１００に嵌着するリテーニングナット部１３０とノズル部基体１１０内に摺動可能に保持されるニードル１２０とによって構成されている。
ノズル部基体１１０は、中心に軸方向に伸びる縦穴がニードル摺動穴１１１として形成され、軸状に伸びるニードル１２０の摺動部１２１を摺動自在に保持し、底部１１４には、ニードル１２０の先端に設けられた弁部１２４離着座によって開閉する噴孔１１５が形成されている。
ノズル部基体１１０の内部で、ニードル１２０のニードル軸部１２３の周りには、ノズル部基体１１０の内周壁との間に燃料室４０８となる環状空間が形成されており、その下方にサック室１１６が形成されている。噴孔１１５は、このサック室１１６を形成する底部１１４を貫通して形成されている。
また、ノズル部基体１１０には、一端が燃料室４０８に開口し、他端がノズル部基体１１０の上端面において開口しつつ、燃料供給流路４０５に連通する高圧気体燃料フィード流路４０７が穿設されている。
更に、ノズル部基体１１０には、一端がニードル摺動穴１１１に開口し、他端がノズル部基体１１０の上端面において開口しつつ、燃料供給流路４０５に連通する潤滑油供給流路４０６が穿設されている。
なお、ノズル部基体１１０の下半部に形成される燃料室４０８は、ニードル軸部１２３の外径を径小に縮径し、ノズル部基体１１０の内径を拡大することで、燃料室４０８内に収容可能な燃料の容積を増大するように形成されている。具体的には燃料室４０８の内径はニードル摺動穴１１１の内径より大きくなっており、ニードル軸部１２３の外径はニードル摺動部１２１よりも小さく縮径されている。
ニードル１２０の先端には、略逆円錐面状のニードル弁部１２４が形成されており、弁部座面１２５が対向するノズル部基体１１０の着座部内周面１１３に密接可能に形成されている。
更に、ニードル１２０の基端側には、ニードル１２０と一体的に連動する制御ピストン１２６が燃料噴射弁基体１００に形成された制御ピストン摺動穴１０１に摺動自在に配設されている。
ニードル摺動部１２１と同様に、制御ピストン１２６の摺動部１２７の外周には、複数の環状溝部２１２が形成され、気体燃料ＧＦが環状溝部１２８に滞留して摺動部２１１を潤滑可能となっている。
制御ピストン１２６の背面側には、制御ピストン摺動穴１０１を閉鎖するように背圧制御弁部１４が配設されている。制御ピストン１２６の上端面と、その上方の制御ピストン摺動穴１０１の内周壁と、背圧制御弁部１４の下端面とで区画された空間によって、背圧制御室１３０が構成されている。
背圧制御室１３０には、高圧の液体燃料ＬＦが絞り流路１３１を介して導入され、高圧液体燃料ＬＦの圧力が制御ピストン１２６の背面にニードル弁部１２４の閉弁方向に作用している。
背圧制御弁部１４は、制御弁体１４０と開放流路１４１によって構成され、制御弁体１４０は、アクチュエータ１５によって開閉駆動される。背圧制御室１３０には、制御弁体１４０によって開閉される出口流路１３２が形成されている。
制御ピストン１２６には、背圧制御室１３０内の液体燃料によって閉弁方向の圧力と、燃料室４０８内の燃料によってニードル１２０を介して開弁方向の圧力とが作用している。更に、制御ピストン１２６の中腹部外周に設けたスプリング室に配設されるリターンスプリングにより閉弁方向に付勢されている。
従って、制御ピストン１２６とニードル１２０とは、背圧制御室１３０内の液体燃料ＬＦの圧力を増減することによって、上下動するようになっている。 なお、制御ピストン１２６のピストン軸部の周りに形成されたノズル基体１００の内周壁との空隙には、カウンタバランス圧力を生む圧力伝達媒体として液体燃料ＬＦが導入されている。
本実施形態におけるアクチュエータ１５は、筒状のソレノイド１５０と、その下端面に対向する断面Ｔ字形のアーマチャ１５１と、ソレノイド１５０の筒内に設けた付勢バネ１５２とによって構成され、ＥＣＵ４０並びにＥＤＵ４１によって通電制御されている。
非通電時には、付勢バネ１５２によってアーマチャ１５１が閉弁方向に付勢され、アーマチャ１５１の先端に固定された制御弁体１４０によって、制御背圧室出口流路１３２が閉弁されている。一方、通電時にはソレノイド１５０が励磁され、アーマチャ１５１が付勢バネ１５２のバネ圧に抗して引き上げられ、制御背圧室出口流路１３２が開弁される。
なお、アーマチャ１５１の上下の空間にはカウンタバランス圧力を作用させるために開放流路２８１と連通した状態で液体燃料ＬＦが導入されている。
ＥＣＵ４０は、図略のエンジン回転計、Ｇセンサ、ＧＦ圧力センサ２６、ＬＦ圧力センサ３４、冷却水温センサ、等から入力されるエンジン回転数Ｎｅ、クランク角、ＧＦ圧力Ｐｈ、ＬＦ圧力Ｐｃ、冷却水温等の入力信号に従って、機関の運転条件を算出し、ＥＤＵ４１へ燃料噴射弁１０の駆動信号を送信し、ＥＤＵ４１からアクチュエータ１５へ供給される駆動電流に従ってアクチュエータ１５が駆動される。
ＥＣＵ４０から指令に従って、ソレノイド１５０に通電されると、ソレノイド１５０が励磁し、付勢バネ１５２のバネ力に抗して、アーマチャ１５１が引き上げられる。これに連動して制御弁体１４０が引き上げられ、背圧制御室１３０の出口流路１３１が開口し、背圧制御室１３０内の気体燃料ＧＦが、出口流路１３１を通って、開放流路２８１、２８０から流出され、背圧制御室１３０内の圧力が下がり、制御ピストン１２６及びニードル１２０が上昇し、噴孔１１５が開口し、燃料室４０８から高圧の燃料が噴射される。
この時、ＥＣＵ４０は、運転状況並びに燃料残量に応じて、燃料噴射弁１０から内燃機関に噴射される燃料を気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとから適宜選択して噴射するよう燃料噴射弁１０に内蔵された流路切換弁４００の切換制御を行う。
図５を参照して、本発明の要部である流路切換弁４００について更に詳述する。本図中、（ａ）は概念図、（ｂ）は、第１の流路を形成する切換弁位置１の状態における流路切換弁４００の断面模式図、（ｃ）は、第２の流路を形成する切換弁位置２の状態における流路切換弁４００の断面模式図である。
切換弁位置１では、第１の流路として、第１のポートＰ１と第３のポートＰ３とが連通し、高圧ＧＦ導入流路３６２と燃料室４０８とが連通し、第２の切換弁位置では、第２の流路として、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とが連通し、高圧ＬＦ導入流路２６０と燃料室４０８とが連通する。
本実施形態における流路切換弁４００は、本図（ａ）に示すような２位置３方弁で構成され、第１のポートＰ１には、高圧気体燃料ＧＦが供給され、第２のポートＰ２には、高圧液体燃料ＬＦが供給されている。
本図（ｂ）に示すように、ソレノイド４１０が励磁されていない切換弁位置１の場合には、バネ４１１が、弁体４１３を第２のポートＰ２の閉弁方向に付勢し、第１のポートＰ１と第３のポートＰ３とが切換弁室３６３、連通路３６４、切換弁室３６５を介して連通状態となり、燃料室４０８には高圧の気体燃料ＧＦが供給されている。
本図（ｃ）に示すように、ソレノイド４１０が励磁された切換弁位置２の場合には、バネ４１２のバネ力に抗してアーマチャ４１２がソレノイド４１０に引き上げられ、弁体４１３によって、連通路３６４が封止され、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とが切換弁室３６５を介して連通状態となり、燃料室４０８には、高圧の液体燃料ＬＦが供給されている。
ＥＣＵ４０からの通電指令に従って、切換弁位置１と切換弁位置２とを切換ることによって、第１の流路と第２の流路とが切換えられ、燃料室４０８に供給される燃料が切換えられる。
図６に、燃料噴射装置１における気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとの選択条件について説明する。本図（ａ）に示すように、気体燃料ＧＦの残量が所定値以上、例えば、ＧＦタンクの圧力Ｐｈが全充填圧Ｐ０の１／２以上の場合には、低負荷領域においては、流路切換弁４００を切換弁位置１と切換弁位置２とを適宜切換えて、気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとの両方の噴射を行う噴射制御がなされ、高負荷領域においては、流路切換弁４００を切換弁位置２に固定して、液体燃料ＬＦのみの噴射制御がなされる。
又、本図（ｂ）に示すように、気体燃料ＧＦの残量が所定値以下、例えば、ＧＦタンクの圧力Ｐｈが全充填圧Ｐ０の１／２以下の場合には、全負荷領域において流路切換弁４００を切換弁位置２に固定して、液体燃料ＬＦのみの噴射制御がなされる。
この様な制御を行うことにより、気体燃料ＧＦの残量が十分有る間で、液体燃料ＬＦのみによる燃焼では、燃焼排気中の有害エミッションが増加する低負荷領域において、気体燃料ＧＦの燃焼による燃焼排気中のエミッションの低減を図り、液体燃料ＬＦのみによる燃焼でも、燃焼排気中の有害エミッションが比較的少ない高負荷領域においては、液体燃料ＬＦのみによる燃焼を行い、気体燃料ＧＦの使用量を抑制することができる。
又、気体燃料ＧＦの残量が所定値以下となった場合には、緊急避難的に全負荷領域において液体燃料ＬＦのみの燃焼によって、運行を継続することができる。
以下に、本実施形態において用いられる、気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとの切換制御について説明する。
先ず、制御のメインルーチンについて図７を参照して説明する。Ｓ１００において、運転目標の取り込みを行う。次いで、Ｓ１１０において、機関の運転状態を取り込むと同時に、気体燃料ＧＦと液体燃料ＧＦとの残量を取り込む。
次いで、Ｓ１２０において、運転目標、運転状態、燃料残量に応じた最適の燃料選択を行い、流路切換弁４００の切換弁位置を決定し、燃料切換制御を行う。
次いで、Ｓ１３０において、運転目標、運転状態、燃料残量、選定燃料に応じた、制御目標値を設定する。具体的には、制御対象として、気体燃料ＧＦを噴射する場合には、噴射時期ＴＧＦと噴射量ＱＧＦを決定し、液体燃料ＬＦを噴射する場合には、噴射圧力Ｐｃと噴射時期ＴＬＦと噴射量ＱＬＦとを決定する。
次いで、Ｓ１４０にて、制御目標値に応じた制御出力を行い、アクチュエータ１５を所定の条件で駆動し、燃料噴射弁１０から所定の燃料噴射を実施する。
尚、メインルーチンでは、気体燃料ＧＦの噴射を基本とし、運転状況に応じて、以下に述べる、燃料選定及び噴射方法の選定を行う。
次に、燃料選定ルーチンについて図８を参照して説明する。
先ずＳ２００において、運転目標の取り込みを行う。次いで、Ｓ２１０において、機関の運転状態を取り込むと同時に、気体燃料ＧＦと液体燃料ＧＦとの残量を取り込む。気体燃料ＧＦの残量が所定値以上の場合は、Ｓ２３０に進み流路切換弁４００を切換弁位置１に設定し、メインルーチンに従って、所定の気体燃料ＧＬの噴射を行う。
気体燃料ＧＦを消費して、気体燃料ＧＦの残量が所定値以下となった場合には、Ｓ２４０に進み、流路切換弁４００を切換弁位置２に設定し、液体燃料ＬＦに固定した燃料噴射を行う。
更に、液体燃料ＬＦの残量が所定値以下の場合にはＳ２６０に進み、警告信号を発信し、運転者に注意を促すことができる。
次に、気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとを適宜切換えて行うパイロット噴射と予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ）噴射とに付いて、図９〜図１１を参照して説明する。
図９（ａ）に示すように、パイロット噴射においては、着火性に悪い気体燃料ＧＦの着火の点火源として、液体燃料ＬＦを予め少量噴射（本図中ＬＦＩと表示）し、次いで気体燃料ＧＦを噴射（本図中ＧＦＩと表示）するように流路切換弁４００を制御することもできる。
又、図９（ｂ）に、ＨＣＣＩ噴射においては、予め気体燃料を気筒内に噴射（本図中ＧＦＩと表示）して空気との均質な混合気を形成した後、点火源として液体燃料ＬＦを少量噴射（本図中ＬＦＩと表示）するように流路切換弁４００を制御することもできる。
図１０を参照して、パイロット噴射制御ルーチンについて説明する。
パイロット噴射制御ルーチンでは、Ｓ３００において、運転目標の取り込みを行う。次いで、Ｓ３１０において、機関の運転状態を取り込む。Ｓ３２０にて、運転条件の判定を行う。運転条件が所定値以上、例えば、エンジン回転数Ｎｅが高い場合には、燃料噴射開始から上死点到達までの時間が短くなり、高負荷領域では、燃料噴射量を増加する必要があり、噴射時間が長くなる。
従って、高回転領域、高負荷領域においては、着火性を向上すべく、Ｓ３４０に進み、流路切換弁４００を切換弁位置２に設定し、Ｓ３５０にて所定量の液体燃料ＬＦをパイロット噴射として所定のタイミングで噴射し、次いでメインルーチンに戻り、所定量の気体燃料ＧＦを噴射することとなる。
一方、運転条件が所定値以下、例えば、低回転領域、低負荷領域の場合には、Ｓ３３０に進み、流路切換弁４００を切換弁位置１に設定した状態でメインルーチンに戻り、所定量の気体燃料ＧＦを噴射することとなる。
図１１を参照して、ＨＣＣＩ噴射制御ルーチンについて説明する。Ｓ４００において、運転目標の取り込みを行う。次いで、Ｓ４１０において、機関の運転状態を取り込む。Ｓ４２０にて、運転条件の判定を行う。運転条件が所定値以下、例えば、低回転、低負荷領域の場合には、Ｓ４４０に進み、流路切換弁４００を切換弁位置１に設定し、Ｓ４５０にて所定量の気体燃料をＨＣＣＩ噴射として、所定のタイミングで噴射し、圧縮空気と均質混合させ、次いでＳ３６０にて、流路切換弁４００を切換弁位置２に設定し、Ｓ３７０にて点火源となる所定量の液体燃料ＬＦを所定のタイミングで噴射して着火の制御を行う。
一方、運転条件が所定値以上、例えば、高回転領域、高負荷領域の場合には、Ｓ４３０に進み、流路切換弁４００を切換弁位置１に設定した状態でメインルーチンに戻り、所定量の気体燃料ＧＦを噴射することとなる。
図１２〜図１４に本発明の第２の実施形態として、流路切換弁４００ａを用いた燃料噴射弁１０ａを示す。上記実施形態と同一の構成については、図中に同じ符号を付したので説明を省略する。
図１２、図１３は本実施形態における燃料噴射弁１０ａの縦断面図である。
図１４は、本実施形態に用いられる流路切換弁４００ａを示し、本図中、（ａ）は概念図、（ｂ）は切換弁位置１の状態における流路切換弁４００ａの断面模式図、（ｃ）は、切換弁位置２の状態における流路切換弁４００ａの断面模式図である。
本実施形態においては、流路切換弁４００ａに図１４（ａ）に示す２位置４方弁を用い、高圧ＧＦ流路３６２を第１の逆止弁ＣＶ１を介して、流路切換弁４００ａの第１のポートＰ１ａと接続し、高圧ＬＦ流路２６３ａと第２のポートＰ２ａとを接続し、第３のポートＰ３ａをＧＦ流路３７０、３７１、３７２、３７３を介して、燃料室４０８に接続し、第４のポートＰ４ａを第２の逆止弁ＣＶ２、ＬＦ流路４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、４０４ａ、４０５ａ、４０６ａ、４０７ａを介して、燃料室４０８に接続した点が上記実施形態と相違する。
流路切換弁４００ａは、ソレノイド４１０ａとピストン４１２ａとバネ４１１ａと弁室３６３ａ、３６４ａ、環状溝３６４ａ、３６５ａ、第１の逆止弁ＣＶ１、第２の逆止弁ＣＶ２、第１のポートＰ１ａ、第２のポートＰ２ａ、第３のポートＰ３ａ、第４のポートＰ４ａとによって構成されている。
流路切換弁４００ａは、第１の切換弁位置では、第１の流路として、第１のポートＰ１ａと第３のポートＰ３ａとを連通せしめ、第２の切換弁位置では、第２の流路として、第２のポートＰ２ａと第４のポートＰ４ａとを連通せしめる。
第１のポートＰ１ａから導入された気体燃料ＧＦは、第１の逆止弁ＣＶ１の開弁圧力以上の圧力Ｐｈを維持していれば、第１の逆止弁ＣＶを押し広げて弁室３６３ａ内に導入され、ピストン４１２ａの背面を押圧し、気体燃料ＧＦの圧力とバネ４１ａの付勢力が第２のポートＰ２ａから導入される液体燃料ＬＦの圧力よりも高い場合には、ピストン４１２ａによって、ポートＰ２と環状溝３６５ａが閉弁され、環状溝３６４ａは開弁状態となり第３のポートＰ３ａと連通し、気体燃料ＧＦがり第３のポートＰ３ａから排出され、燃料流路４０１ａ〜４０７ａを介して、燃料室４０１ａに導入される。
バネ４１１ａにより付勢されたピストン４１２ａの背面に作用する気体燃料ＧＦの圧力が液体燃料ＬＦの圧力よりも低くなった場合、又は、ソレノイド４１０ａが励磁された場合には、ピストン４１２ａが、ソレノイド４１０ａ側に引き上げられ、環状溝３６４ａが閉弁されると共に、第１の逆止弁ＣＶ１により、第１のポートＰ１ａが閉弁される。又、環状溝３６５ａは開弁状態となり、第２のポートＰ２ａが、弁室３６４ａ及び第２の逆止弁ＣＶ２を介して、第４のポートＰ４ａと連通状態となる。液体燃料ＬＦの圧力が第２の逆止弁ＣＶ２の開弁圧力以上であると、第２の逆止弁ＣＶ２が開弁され、ＬＦ流路３７０〜３７３を介して、燃料室４０８へ気体燃料ＬＦが導入される。
本実施形態によれば、ソレノイド４１０ａの駆動制御により、燃料室４０８に供給される気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとを任意のタイミングで切り換えることができるので、上記実施形態と同様の効果が得られる。加えて、第１の逆止弁ＣＶ１及び第２の逆止弁ＣＶ２の効果により、燃料の逆流を防ぐことができる。又、ＧＦ流路４０１ａ〜４０７ａとＬＦ流路３７０〜３７３が別個に燃料室４０８へ接続されているので、ＧＦ流路４０１ａ〜４０７ａに液体燃料ＬＦが逆流したり、ＬＦ流路３７０〜３７３に気体燃料ＧＦが逆流したりすることがなく、気体燃料ＧＦ噴射時に、液体燃料ＬＦが混ざって噴射されたり、液体燃料ＬＦ噴射時に、気体燃料ＧＦが混ざって噴射されたりすることを防ぐことができ、より精度の高い燃料噴射を行うことができる。
又、本実施形態に用いた流路切換弁４００ａに換えて、ソレノイド４１０ａを廃して気体燃料ＧＦと液体燃料ＬＦとの圧力差によってのみピストン４１２ａが移動する構造とすることにより、気体燃料ＧＦが一定圧力以下となった場合に、液体燃料ＬＦのみの噴射を行うように制御することが可能である。
なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、流路切換弁の弁位置を切換えによって第１の流路と第２の流路とを切換えて燃料室内に導入される燃料を切換える本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本発明の第１の実施形態に用いたアクチュエータ１５を圧電素子を用いたピエゾアクチュエータに換えた構成としても良い。
又、上記実施形態においては、高圧気体燃料として気体燃料を用い、高圧液体燃料として液体燃料を用いた例について説明したが、高圧気体燃料として液化石油ガスを用い、高圧液体燃料として液体燃料用いた構成でも良いし、高圧気体燃料としてセタン価の低い燃料を用い、高圧液体燃料としてセタン価の高い燃料用いた構成でも同様の効果が得られる。
は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の全体構成を示す構成図。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射弁の平面図 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射弁の図２中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射弁の図２中Ｂ−Ｂに沿った矢視断面図。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態における流路切換弁の概念図、（ｂ）は、切換弁位置１における流路を示す要部断面図、（ｃ）は、切換弁位置２における流路を示す要部断面図。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の制御状態を示す特性図で、（ａ）は、気体燃料残量が所定値以上の場合を示し、（ｂ）は、気体燃料残量が所定値以上の場合を示す。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の制御方法の内メインルーチンを示すフローチャート。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の制御方法の内燃料切換ルーチンを示すフローチャート。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置に適用可能な噴射パターンを示す模式図、（ａ）は、パイロット噴射を示し、（ｂ）はＨＣＣＩ噴射を示す。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置に適用可能なパイロット噴射ルーチンを示すフローチャート。 は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置に適用可能なＨＣＣＩ噴射ルーチンを示すフローチャート。 は、本発明の第２の実施形態における燃料噴射弁の図２中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。 は、本発明の第２の実施形態における燃料噴射弁の図２中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。 は、（ａ）は、本発明の第２の実施形態における流路切換弁の概念図、（ｂ）は、切換弁位置１における流路を示す要部断面図、（ｃ）は、切換弁位置２における流路を示す要部断面図。
符号の説明
１ 燃料噴射装置
１０ 燃料噴射燃料噴射弁
１１ ノズル部
１１５ 噴孔
３６２ 高圧気体燃料導入流路
２５０ 高圧液体燃料導入流路
４００ 流路切換弁
４０８ 燃料室
ＧＦ 高圧気体燃料
ＬＦ 高圧液体燃料

Claims (8)

  1. 高圧液体燃料を圧力伝達媒体として利用して、ノズル部の先端に設けられた噴孔の開閉を行い、高圧気体燃料を上記噴孔から機関燃焼室に噴射する燃料噴射弁であって、
    上記燃料噴射弁は、
    上記高圧気体燃料を導入する高圧気体燃料導入流路と、
    上記高圧液体燃料を導入する高圧液体燃料導入流路と、
    上記ノズル部内に設けた燃料室と、
    上記高圧気体燃料導入流路と上記燃料室とを連通せしめる第１の流路と、
    上記高圧液体燃料導入流路と上記燃焼室とを連通せしめる第２の流路と、
    上記第１の流路と上記第２の流路とを切換える流路切換弁とを具備することを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 上記流路切換弁は、上記高圧気体燃料の圧力と上記高圧液体燃料の圧力との圧力差で作動する差圧弁によって構成した請求項１に記載の燃料噴射弁。
  3. 上記流路切換弁は、ソレノイドの励磁で作動する電磁弁によって構成した請求項１に記載の燃料噴射弁。
  4. 上記噴孔を開閉する弁部を有するニードルと、該ニードルを摺動可能に保持する略筒状に形成された燃料噴射弁基体と、上記高圧液体燃料を圧力伝達媒体として上記ニードルに閉弁方向の圧力を作用せしめる背圧制御室と、該背圧制御室に設けた出口流路を開閉する背圧制御弁と、該背圧制御弁を駆動するアクチュエータとを具備し、上記流路切換弁の切換弁位置によって選択的に導入された上記燃料室内の高圧気体燃料と高圧液体燃料とのいずれかの高圧燃料を圧力伝達媒体として上記ニードルに開弁方向の圧力を作用せしめたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁と電子制御装置とを有する燃料噴射装置であって、
    上記電子制御装置は、機関の運転目標を読込む運転目標読込手段と、機関の運転状態を読込む運転状態読込手段と、上記高圧気体燃料の残量と上記高圧液体燃料の残量とを読込む燃料残量読込手段と、燃料の選択をする燃料選択手段と、上記燃料噴射弁の駆動制御を行う駆動制御手段とを具備することを特徴とする燃料噴射装置。
  6. 上記燃料選定手段は、上記高圧気体燃料の残量が所定値以下となった場合には、上記高圧液体燃料のみを上記燃料室に導入すべく上記流路切換弁を上記第２の流路位置に設定する切換制御を行う請求項５に記載の燃料噴射装置。
  7. 上記燃料選定手段は、上記高圧液体燃料の所定量を上記高圧気体燃料の噴射に先立って噴射すべく上記流路切換弁を上記第２の流路位置に設定した後、上記流路切換弁を上記第１の流路位置に設定する切換制御を行う請求項５又は６に記載の燃料噴射装置。
  8. 上記燃料選定手段は、上記高圧気体燃料を噴射した後、上記高圧液体燃料の所定量を点火時期に噴射すべく上記流路切換弁を上記第１の流路位置に設定した後、上記流路切換弁を上記第２の流路位置に設定する切換制御を行う請求項５又は６に記載の燃料噴射装置。
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