JP2010223094A - 内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関とラジエターを循環している冷却媒体を利用し、高い冷却効率を有する、内燃機関への燃料噴射弁取り付け構造を提供すること。
【解決手段】従来はエンジンヘッド２０によって隔てて設けられていた燃料噴射弁取り付け穴１９と冷却媒体流路２１を連通させる。連通路１６は各燃料噴射弁に対し１ヶ所以上とし、冷却媒体が燃料噴射弁に触れる際には流速を有するよう冷却媒体流路２１，連通路１６あるいは燃料噴射弁取り付け穴１９を配置する。連通路１６を設けることにより冷却媒体が流路外部へ流出することを防ぐため、エンジンヘッド２０と燃料噴射弁の隙間は燃料噴射弁上部及び下部に各１ヶ以上のシール部品を組み付けて燃料をシールする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に対して燃料を直接噴射する内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造に関する。

従来、弁部材を電磁的に駆動する燃料噴射弁，圧電効果を用いて駆動する燃料噴射弁及び磁歪現象を用いて駆動する燃料噴射弁が公知である。これらの燃料噴射弁では駆動の際の発熱が問題となっており、冷却性能の向上が望まれている。

特開２００４−１５０２７６号公報には、積層型の圧電体素子を用いて駆動する燃料噴射弁について、燃料噴射弁における圧電体素子を収容する部分の外周面の少なくとも一部に接触し、燃料噴射弁から吸熱するための冷却ジャケットを配設することによって燃料噴射弁を冷却する方法が開示されている。

また、センターインジェクション型筒内直接噴射に用いられる燃料噴射弁においては、燃料噴射弁が燃焼室のほぼ中央部に位置することにより高温に曝されることになる。

特開２００６−５２６６６号公報には、センターインジェクション型筒内直接噴射式内燃機関において、隣り合う気筒の燃料噴射弁と点火プラグを吸排気方向に異なる角度で配置することによって、燃料噴射弁とその上部の燃料配管と点火プラグとその上部のハイテンションケーブルもしくは点火コイルとの干渉を避けることを可能とした上で、同じ気筒の燃料噴射弁と点火プラグを内燃機関の前後方向に大きく傾斜させて配置し、同じ気筒の燃料噴射弁と点火プラグの間に広まったスペースに幅広い冷却水路を配置する燃料噴射弁の冷却方法が開示されている。

特開２００４−１５０２７６号公報 特開２００６−５２６６６号公報

特許文献１においては、冷却媒体と燃料噴射弁の間に冷却ジャケットが存在するので、冷却ジャケットを介する分だけ冷却効率が低下してしまう。また、導入できる冷却媒体の量は冷却ジャケットの大きさに依存するので、冷却効率を高めるためには冷却ジャケットを大きくしなければならない。

また、特許文献２においては、冷却媒体と燃料噴射弁の間にエンジンヘッド及び断熱材である空気層が存在するので、特に断熱材を介する分だけ冷却効率が低下する。

本発明の目的は、高い冷却効率を有する、内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造を提供することにある。

本発明は、内燃機関とラジエターを循環している冷却媒体の流路を、燃料噴射弁取り付け穴と１ヶ所以上連通させ、燃料噴射弁を冷却媒体と直接触れさせることにより冷却する。冷却媒体の流路外部への洩れ防止機構として燃料噴射弁の上部及び下部にそれぞれ１ヶ以上のシール部品を組み付ける。

本発明によれば、冷却対象である燃料噴射弁と冷却媒体の間に冷却の妨げとなるものが存在しないため、燃料噴射弁を効率よく冷却することが可能である。

本発明の実施例１における内燃機関への電磁式燃料噴射弁取り付け構造を示す燃料噴射弁軸方向断面図。 自動車における冷却媒体の循環経路の概略を示した構成図。 本発明の実施例１における内燃機関への電磁式燃料噴射弁取り付け構造を示す燃料噴射弁径方向断面図。 本発明の実施例２における電磁式燃料噴射弁の冷却部位をフィン形状とした場合を示す燃料噴射弁軸方向断面図。 本発明の実施例３における内燃機関への電磁式燃料噴射弁取り付け構造を示す燃料噴射弁軸方向断面図。 本発明の実施例４における電磁式燃料噴射弁を燃料噴射弁軸方向に冷却媒体を循環させ、冷却する場合を示す燃料噴射弁軸方向断面図。 本発明の実施例５における内燃機関への電磁式燃料噴射弁取り付け構造を示す燃料噴射弁軸方向断面図。 本発明の実施例６における内燃機関への圧電式燃料噴射弁取り付け構造を示す燃料噴射弁軸方向断面図。 本発明の実施例７における内燃機関への磁歪式燃料噴射弁取り付け構造を示す燃料噴射弁軸方向断面図。

自動車における冷却媒体の循環経路の概略を示した構成図を図２に示す。冷却媒体は内燃機関が動作している間は常に循環している。循環経路としては内燃機関冷却時または非冷却時の２モードが考えられ、内燃機関冷却時は、ウォーターポンプ２２によって押し出された冷却媒体は、冷却媒体流路２３を通り、エンジンヘッド２０内の冷却媒体流路２１を通り、内燃機関を冷却する。さらに、サーモスタッド２４を通過し、ラジエター２５によって冷却され、ウォーターポンプ２２に戻ってくる。一方で、内燃機関非冷却時は、ウォーターポンプ２２によって押し出された冷却媒体は、冷却媒体流路２６を通り、エンジンヘッド２０内の冷却媒体流路２１を通り、ラジエター２５を介さずに冷却媒体流路２６を通ってウォーターポンプ２２へと戻ってくる。

本発明では、上述のエンジンヘッド２０内を循環する冷却媒体を用いて燃料噴射弁の冷却を行う。以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施例の第１実施例を図１及び図３に示す。本実施例は筒内直噴式のガソリン内燃機関及びディーゼル内燃機関に、電磁式燃料噴射弁を適用した場合に関する。

燃料噴射弁は、図１上側のＯリング１及びバックアップリング２の部分で燃料配管に挿入され、加圧された燃料が異物混入を防ぐ機能を有するフィルタ３を介して燃料噴射弁内部へ供給される。また、プランジャロッド１１及びノズル１２の先端に取り付けられたオリフィスプレート１５によって形成される燃料噴射孔１７を開閉することにより、燃料の噴射を制御しており、閉弁時はプランジャロッド１１がオリフィスプレート１５に押し付けられて閉弁するように、ばね部材であるスプリング７が設けられている。閉弁時のスプリング７のセット荷重はアジャスタピン６の押し込み深さによって調整する。また、プランジャロッド１１はロッドガイド１３によって、ガイドされることによって安定に駆動する。プランジャロッド１１の駆動力を発生する手段として、燃料噴射弁にはソレノイドコイル８が具備されている。コネクタ５を接続し、端子１８に電圧を印加し、ソレノイドコイル８が通電されると、ソレノイドコイル８の収容部品であるコア４，ヨーク１０及びハウジング９、そして、プランジャロッド１１を磁路として磁束が発生し、コア４とプランジャロッド１１の間に吸引力が発生する。この吸引力がスプリング７によるセット荷重と、加圧された燃料による燃圧の和に打ち勝つ大きさに到達した時点で、プランジャロッド１１がオリフィスプレート１５から離れる方向（図１上側）に変位し、燃料が噴射される。ここで、駆動時にはソレノイドコイル８が通電されることにより、ジュール発熱しソレノイドコイル８及びソレノイドコイル８近傍の燃料噴射弁の部品は高温となる。

本実施例では、この問題を解決するため、従来はエンジンヘッド２０壁面を隔てて設けられていた燃料噴射弁取り付け穴１９と冷却媒体流路２１を、図１に示すように２ヶ所連通させる。具体的には、燃料噴射弁２７の左右に冷却媒体流路２１が形成されており、左の冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との間に１ヶ所、右の冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との間に１ヶ所、計２ヶ所の連通路１６が設けられている。連通路１６を１ヶ所とした場合の実施例は実施例３にて説明する。また、冷却媒体が燃料噴射弁と触れる際には、冷却媒体が流速を有するよう冷却媒体流路２１，連通路１６あるいは燃料噴射弁取り付け穴１９を配置する。ここで、冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との連通路１６を２ヶ所以上とすることにより、それぞれの連通路１６を流入口と流出口として設定することが可能となるため、流速を発生させやすい。

例えば、図３において、図３左側の冷却媒体流路２１，連通路１６を通り、燃料噴射弁２７側面にて熱交換を行った後、図３右側の連通路１６，冷却媒体流路２１へと冷却媒体が流れる場合か、あるいはその逆方向が考えられる。冷却媒体に流速を持たせることにより、対流熱伝達が促進され、燃料噴射弁の冷却効率が増す。

一方で、図１において連通路１６を設けることにより冷却媒体が流路外部へ流出することを防ぐため、エンジンヘッド２０と燃料噴射弁の間の空間は、燃料噴射弁上部及び下部にそれぞれ１ヶ以上のシール部品（Ｏリング１）を用いてシールする。

例えば、図１に示すように、ハウジング９上部及びヨーク１０上部にソレノイドコイル８が設けられた部分を挟むようにして各１ヶずつＯリング１を設ける。ここで、冷却媒体流路における冷却媒体の圧力は、通常燃料噴射弁で使用される燃料圧力よりも低く、Ｏリング１のみでも冷却媒体のシール性の確保が可能である。

本実施例では図１から分かるように、発熱体であるソレノイドコイル８のアウターケースであり、磁気回路の構成部品であるハウジング９が、断熱材である空気及びエンジンヘッド２０を介せずに、冷却媒体と直接熱交換することが可能となり、冷却効率が向上する。その結果、ソレノイドコイル８に通電可能な電流上限値を大きくすることが可能となり、燃料噴射弁性能向上が望めるだけでなく、発熱によってソレノイドコイル８が断線する、樹脂材・プラスチックが溶解する、といった燃料噴射弁故障のポテンシャル低減を実現できる。さらに、ソレノイドコイル８の抵抗値の温度依存性の影響を低減することも可能である。また、冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９の間の壁面を無くすことによるレイアウト性向上も期待できる。

本実施例は、実施例１における燃料噴射弁の冷却部の構造を変更した例である。本発明の燃料噴射弁冷却方法の伝熱形態は主として対流熱伝達となるので、冷却効率を向上させるために、冷却媒体との熱交換部位をフィン形状２８とすることが考えられる。図４に本実施例の実施形態を示す。ソレノイドコイル８駆動時に発熱体となるソレノイドコイル８のアウターケースであり、磁気回路の構成部品であるハウジング９の、冷却媒体との接触部である外表面を凹凸構造としている。凹凸構造とすることにより、熱交換の有効面積が大きくなり、冷却効率が向上する。また、フィン形状２８を設ける部位を制限することによって、部位ごとに冷却効果を制御することも可能である。

本実施例の実施形態を図５に示す。本実施例は、実施例１における冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との連通路１６を１ヶ所とし、連通路１６を大きくしたものである。冷却媒体が流路外部へ流出するのを防ぐために組み付けられたシール部品であるＯリング１はハウジング９上部及びノズル１２に設けられており、実施例１と比較して連通路１６が大きくなるようになっている。

連通路１６を１ヶ所とすることは、内燃機関のレイアウト性に優れる。一方で、連通路１６を大きくすることで、ソレノイドコイル８近傍だけではなく、燃料噴射弁全体を冷却することが可能である。その結果、燃料温度やノズル１２先端温度の低下も期待でき、デポジットが燃料噴射弁内外部に付着し、燃料の噴射性能を劣化させることを防ぐことが可能である。また、内燃機関が高温状態で停止した際に、燃料噴射弁内に滞留した燃料が蒸発することにより発生するベーパを抑制することも期待できる。

本実施例は、実施例１における冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との連通路１６の配置を変更した例である。実施例１では図１に示したように２ヶ所の連通路１６を燃料噴射弁軸方向（図面の上下方向）について、同じ高さ位置に配置することによって、冷却媒体を燃料噴射弁径方向（図面の左右方向）に循環させている。一方で、図６に示したように２ヶ所の連通路を燃料噴射弁軸方向に違う高さ位置で配置することによって、冷却媒体を軸方向に循環させることも考えられる。

例えば、燃料噴射弁下部の連通路１６から冷却媒体が流入し、ノズル１２，ヨーク１０，ハウジング９を冷却しながら燃料噴射弁側面を上方向に流れ、燃料噴射弁上部の連通路１６から流出する場合が考えられる。この場合流速を発生させる方法としては、冷却媒体の流れをそのまま利用する方法の他に、燃料噴射弁上部のハウジング９とノズル１２の間の温度差に起因した自然対流を利用する方法も考えられる。

また、このように燃料噴射弁軸方向に冷却媒体を流すことにより、連通路１６を小さくしても、燃料噴射弁全体を冷却することが可能である。

本実施例の実施形態を図７に示す。本実施例は、燃料噴射弁取り付け穴１９と冷却媒体流路２１の間に連通部は設けず、燃料噴射弁取り付け穴１９を冷却媒体流路２１の中に直接配置する。また、冷却媒体は圧入部２９によってシールされ、流路外部へは流出しない。本実施例では、冷却媒体シール手段として圧入を用いているが、溶接，接着，Ｏリングなどといった他の手段を用いることも考えられる。このように燃料噴射弁を冷却媒体流路内に直接配置することは、内燃機関のレイアウト性に優れる。さらに、冷却媒体流路２１内を流れる冷却媒体のそのままの流速及び温度で、燃料噴射弁を冷却することが可能であるため、冷却性能にも優れている。

本実施例は、実施例１〜実施例５における燃料噴射弁を電磁式から圧電式に変更した例であり、燃料噴射弁駆動力として磁気吸引力ではなく、圧電効果を用いる圧電式燃料噴射弁について説明する。図８は圧電式燃料噴射弁に対し、本発明を適用した場合の断面図を示す。圧電式燃料噴射弁では、端子１８を通して圧電体素子３４に電圧を印加すると、圧電体素子３４の長さが変位し、プランジャロッド３６が素子に押され、変位する。それによって、プランジャロッド３６及びアウターケース３３のノズル部分により形成される燃料噴射孔が開弁し、燃料が噴射される。ここで、燃料流入孔３１から流入した燃料は、圧電体素子３４をドライに保つために設けられた素子カバー３５の外側を通り、燃料噴射孔へと流れる。また、圧電体素子３４を使用するためには予圧をかけた状態にする必要があり、温度によって予圧が変化しないよう温度補償器３２が設けられている。また、予圧はアジャスタピン３０によって調整する。

圧電式燃料噴射弁では、圧電体素子３４のプランジャロッド３６を押す力を確保するため、圧電体素子３４に、より高い駆動電圧を印加して出力を高める必要があり、それ故、圧電体素子３４からは大きな熱量が発生する。そこで、図８に示したように、圧電式燃料噴射弁の圧電体素子３４側面部に合わせて冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との連通路１６を設け、アウターケース３３，燃料，素子カバー３５を介し、圧電体素子３４を冷却する。

本実施例により、従来の方法より冷却効率を高めることが可能であり、圧電体素子３４に印加できる電圧を大きくすることが可能である。さらに、圧電体素子３４の温度変動を小さくすることにより、圧電効果の温度依存性の影響を低減できる。

本実施例は、実施例１〜実施例５における燃料噴射弁の駆動方法を電磁式から磁歪式に変更した例であり、燃料噴射弁駆動力として磁気吸引力ではなく、磁歪現象を用いる磁歪式燃料噴射弁について説明する。図９は磁歪式燃料噴射弁に対し、本発明を適用した場合の断面図を示す。磁歪式燃料噴射弁では、ソレノイドコイル８に通電すると、電磁誘導によりハウジング３８，ノズル４０，プランジャロッド３６，磁歪素子３９，磁歪素子押さえ３７で磁気回路を構成し、磁歪素子３９に磁場が印加され、それに伴い磁歪素子３９の長さが変位し、素子に押されプランジャロッド３６が変位する。プランジャロッド３６が変位すると、プランジャロッド３６及びノズル４０により形成される噴射孔が開弁し、燃料が噴射される。ここで、燃料流入孔３１から流入した燃料は、磁歪素子３９をドライに保つために設けられた素子カバー３５の外側を通り、燃料噴射孔へと流れる。磁歪素子３９は磁歪素子押さえ３７により固定され、アジャスタピン３０により調整される。ここで、動作原理からもわかるように、磁歪式燃料噴射弁は電磁式燃料噴射弁同様ソレノイドコイル８に通電する電流を起動力としているので、ソレノイドコイル８及びソレノイドコイル８近傍部品がジュール発熱により高温となる。また、磁歪素子３９は変位量を確保するため大きくする必要があるので、電磁式燃料噴射弁と比較して磁歪式燃料噴射弁ではソレノイドコイル８が大きくなる。そこで、図９に示したように、磁歪式燃料噴射弁の磁歪素子３９側面部に合わせて冷却媒体流路２１と燃料噴射弁取り付け穴１９との連通路１６を設け、ハウジング３８及びノズル４０を介し、ソレノイドコイル８及びソレノイドコイル８周辺部品を冷却する。

本実施例により、従来の方法より冷却効率を高めることができ、ソレノイドコイル８に通電可能な電流上限値を大きくすることが可能となる。また、圧電効果同様に磁歪現象も温度依存性を有しているので、磁歪素子３９の温度変動を小さくすることにより、磁歪現象の温度依存性の影響を低減することが可能である。

１ Ｏリング
２ バックアップリング
３ フィルタ
４ コア
５ コネクタ
６，３０ アジャスタピン
７ スプリング
８ ソレノイドコイル
９，３８ ハウジング
１０ ヨーク
１１ プランジャロッド（内開き用）
１２，４０ ノズル
１３ ロッドガイド
１４ チップシール
１５ オリフィスプレート
１６ 冷却媒体連通路
１７ 燃料噴射孔
１８ 端子
１９ 燃料噴射弁取り付け穴
２０ エンジンヘッド
２１ エンジンヘッド内の冷却媒体流路
２２ ウォーターポンプ
２３ 内燃機関冷却時の冷却媒体流路
２４ サーモスタッド
２５ ラジエター
２６ 内燃機関非冷却時の冷却媒体流路
２７ 燃料噴射弁
２８ フィン形状
２９ 圧入部
３１ 燃料流入孔
３２ 温度補償器
３３ アウターケース（ノズル＋ハウジング）
３４ 圧電体素子
３５ 素子カバー
３６ プランジャロッド（外開き用）
３７ 磁歪素子押さえ
３９ 磁歪素子

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室内に対して燃料を直接噴射する内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造において、内燃機関とラジエターを循環している冷却媒体が燃料噴射弁に直接触れるようにしたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造において、内燃機関の燃料噴射弁取り付け穴と冷却媒体流路を１ヶ所以上連通させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造。
3. 請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造において、燃料噴射弁の上部及び下部にそれぞれ１ヶ以上のシール部品を有することを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造。
4. 請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁取り付け構造において、冷却媒体と直接触れる燃料噴射弁の部位をフィン形状とすることを特徴とした燃料噴射弁。

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