JP6807770B2 - インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室内又は吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタに関し、特にアクチュエータを構成する部材の温度変化を抑制したものに関する

自動車用の直噴ガソリンエンジンは、高圧ポンプから供給される燃料をノズル内に蓄圧された状態で保持するとともに、非噴射時に噴孔を閉塞する弁体を有するニードルを、電磁石等を有するアクチュエータで開方向に駆動することによって燃料噴射を行うインジェクタ（燃料噴射弁）を備えている。
従来、各種の目的でインジェクタの周囲に真空層などの断熱構造を設けることが提案されている。

インジェクタの断熱に関する従来技術として、特許文献１には、電磁式燃料噴射弁の表面の全部又は一部に、低熱伝導率の液体、気体、真空等による断熱層を設けることが記載されている。
特許文献２には、燃料噴射弁を囲んだ壁の少なくとも一部を、空隙を有する二重壁とし、空隙をエンジン運転により負圧を発生する部分と連通させて負圧を封入することで、断熱効果及び防音効果を得ることが記載されている。

特開平 ９−３１０６６０号公報 特開２００４−３１６５４０号公報

エンジンの運転サイクルに応じて、インジェクタは種々の受熱及び冷却を受ける。
エンジンの運転中には、直噴インジェクタの先端部は高温の燃焼ガスに曝されて加熱される一方、シリンダヘッド内に形成された冷却水流路によって冷却を受ける。
また、通常シリンダヘッドから外部に露出しているアクチュエータ部は、外気温度の影響を強く受け、特に寒冷地においては、相当な低温まで冷却される。
一方、ニードルを駆動するアクチュエータとして、コイル及びコア（アーマチュア）を有する電磁石装置を用いるインジェクタの場合には、性能、耐久性等を考慮した場合、コア等の構成部品が大きな温度変化に曝されることは好ましくない。
これに対し、従来技術のようにインジェクタの表面を広範囲にわたって真空層等の断熱層で覆った場合、本来冷却が必要なノズル等の冷却まで妨げられてしまい、構成部材や内部の燃料の過熱等の問題が生じてしまう。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、アクチュエータを構成する部材の温度変化を抑制したインジェクタを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、燃料を蓄圧された状態で保持しかつ先端に噴孔を有するとともに取付対象部材に形成された開口に挿入されるノズルと、前記ノズルの内部に設けられ非噴射時に前記噴孔を閉塞する弁体を有するニードルと、前記ノズルの前記噴孔側とは反対側に設けられ噴射時に前記ニードルを前記弁体が開弁される方向に駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを収容し、前記ノズルの燃焼室側とは反対側の端部から連続して金属材料により形成されたハウジングとを備えるインジェクタであって、前記ハウジングの内部において前記ノズルからの熱が前記アクチュエータに伝導する箇所の一部に、前記ノズルの中心軸に対して周方向に分布して配置された真空層を設けたことを特徴とするインジェクタである。
これによれば、シリンダヘッド等の取付対象部材から、ノズルを伝わってアクチュエータ側へ伝導される熱を、アクチュエータを収容するハウジングに設けた真空層で遮断することによって、アクチュエータを構成する部材が高温の燃焼ガス等の熱影響を受けにくくなり、大きな温度変化に曝されることを防止できる。
また、アクチュエータ周辺に貯留される燃料を、エンジン停止時にも保温することが可能となり、低温時のエンジンの始動性を向上することができる。
一方、取付対象部材内の冷却液流路等によるノズル等の冷却は妨げられることがなく、十分な冷却性能を確保することができる。
さらに、アクチュエータの駆動により発生する騒音が外部へ放射されたり、ノズルを経由して取付対象部材側へ伝搬することを抑制し、エンジンの静粛性を向上することができる。

請求項２に係る発明は、前記アクチュエータは、コイル及び前記コイルが発生する磁力により前記ニードルを駆動するコアを有し、前記真空層は、前記コア、前記コイルの少なくとも一方の周囲に設けられることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタである。
これによれば、大きな温度変化に曝されることが好ましくないコア、コイル等を保温し、温度変化を抑制して電磁石式アクチュエータの性能や信頼性を確保することができる。
また、開弁時にコア（アーマチュア）がコイル側に吸引されて他部品と衝突する際に発生する騒音を抑制することができる。

請求項３に係る発明は、前記真空層は、前記ハウジングにおける前記取付対象部材の表面に隣接する領域に設けられることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタである。
これによれば、例えばシリンダヘッド等の取付対象部材の表面と、アクチュエータとの間の熱の授受を抑制し、アクチュエータの構成部品や内部に貯留される燃料等を保温して温度変化を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、アクチュエータを構成する部材の温度変化を抑制したインジェクタを提供することができる。

本発明を適用したインジェクタの第１実施形態をインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。 本発明を適用したインジェクタの第２実施形態をインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。 本発明を適用したインジェクタの第３実施形態をインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。 本発明を適用したインジェクタの第４実施形態をインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明を適用したインジェクタの第１実施形態について説明する。
第１実施形態のインジェクタは、例えば、乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載されるガソリン直噴（筒内噴射）エンジンに備えられる燃料噴射弁である。
図１は、第１実施形態のインジェクタをインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。
インジェクタ取付構造１は、エンジンのシリンダヘッド１０に、インジェクタ１００を取り付けて構成されている。
シリンダヘッド１０は、インジェクタ１００を保持する、本発明にいう取付対象部材として機能する。

シリンダヘッド１０は、図示しないシリンダブロックのクランクシャフト側とは反対側の端部に取り付けられる部材である。
シリンダヘッド１０の本体部は、例えばアルミニウム系合金からなる鋳造品に、所定の機械加工（切削可能）を施して製造されている。
シリンダヘッド１０は、燃焼室Ｃ、図示しない吸気ポート、排気ポート、吸気バルブ、排気バルブ、点火栓などを有する。

燃焼室Ｃは、圧縮された混合気が燃焼する空間部を構成するものであって、シリンダヘッド１０におけるシリンダ側の面部を凹ませた凹部として形成されている。
吸気ポートは、燃焼室Ｃに燃焼用空気（新気）を導入する流路である。
排気ポートは、燃焼室Ｃから排ガス（既燃ガス）を排出する流路である。
吸気バルブ及び排気バルブは、吸気ポート及び排気ポートをそれぞれ所定のバルブタイミングで開閉するものである。
シリンダヘッド１０は、吸気バルブ、排気バルブを駆動する動弁駆動系を備える。
点火栓は、燃焼室Ｃ内で電気的なスパークを発生し、混合気に点火させるものである。

シリンダヘッド１０には、開口１１、凹部１２、テーパ部１３、ウォータジャケット１４等が形成されている。
開口１１は、インジェクタ１００のノズル１１０が挿入されるものである。
開口１１は、シリンダヘッド１０を貫通して形成された円形断面の貫通穴である。
凹部１２は、開口１１の燃焼室Ｃ側とは反対側の端部に設けられ、シリンダヘッド１０の表面を段状に凹ませて形成されている。
凹部１２には、インジェクタ１００のアクチュエータ１３０のノズル１１０側の端部等が収容される。
テーパ部１３は、開口１１における凹部１２側の端部近傍に設けられ、凹部１２に近づくのに応じて拡径されるテーパ状に形成されている。

ウォータジャケット１４は、エンジンの冷却水が通流される冷却水流路の一部を構成する部分である。
ウォータジャケット１４は、シリンダヘッド１０の内部における燃焼室Ｃと隣接する領域に設けられている。
ウォータジャケット１４は、インジェクタ１００のノズル１１０に対して、ノズル１１０の径方向に離間して配置されている。

インジェクタ１００は、図示しないエンジン制御ユニットが生成する噴射信号に応じて、燃焼室Ｃ内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁である。
第１実施形態においては、燃料として、ガソリンを用いる。
インジェクタ１００は、ノズル１１０、ニードル１２０、アクチュエータ１３０等を有して構成されている。

ノズル１１０は、燃焼室Ｃ内に燃料を噴射する部分であり、インジェクタ１００における燃焼室Ｃ側の部分を構成する。
ノズル１１０は、筒状部１１１、オリフィスカップ１１２、拡径部１１３、テーパ部１１４、シーリングリング１１５等を有する。

筒状部１１１は、実質的にストレートな円筒状に形成された部分であって、燃料が図１における上方から下方へ搬送される流路であるとともに、ニードル１２０を収容する部分である。
筒状部１１１は、シリンダヘッド１０の開口１１に、開口１１と実質的に同心となるように挿入される。

オリフィスカップ１１２は、筒状部１１１の燃焼室Ｃ側の先端部に設けられ、筒状部１１１内から燃焼室Ｃ内へ燃料噴霧を噴出する噴孔が形成されている。
オリフィスカップ１１２は、複数の噴孔を有し、インジェクタ１００は、燃料噴霧からなるビームを放射状に複数噴射するマルチホールインジェクタとなっている。

拡径部１１３は、筒状部１１１における燃焼室Ｃ側とは反対側の端部に設けられ、筒状部１１１に対して拡径された円筒状の部分である。
拡径部１１３の内部は、図示しない燃料流路から加圧された燃料が導入され、蓄圧された状態で貯留される燃料溜め部として機能する。
テーパ部１１４は、筒状部１１１と拡径部１１３との間に設けられ、これらの径差に応じて、軸方向に沿って径が連続的に変化するテーパ状に形成されている。
筒状部１１１、拡径部１１３、テーパ部１１４は、例えばステンレス鋼等の金属材料によって一体に形成されている。
なお、拡径部１１３、テーパ部１１４は、それぞれアクチュエータ１３０のハウジング１３１におけるノズル１１０側の端部、及び、端面部としての機能を有する。

シーリングリング１１５は、筒状部１１１の外周面とシリンダヘッド１０の開口１１の内周面との間の隙間をシールし、燃焼ガス等の吹き抜けを防止する部材（シール部材）である。
シーリングリング１１５は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によって円環状に形成されるとともに、筒状部１１１の燃焼室Ｃ側の先端部近傍において、外周面に形成された周方向溝に嵌め込まれている。

ニードル１２０は、ノズル１１０の筒状部１１１内に実質的に同心となるように挿入され収容される軸状の部材である。
ニードル１２０の燃焼室Ｃ側の端部には、球状のバルブボール１２１が設けられている。
バルブボール１２１は、インジェクタ１００の非噴射時に、オリフィスカップ１１２に加圧接触し、噴孔を閉塞する弁体である。
ニードル１２０、バルブボール１２１は、例えばステンレス鋼等の金属材料によって一体に形成されている。
ニードル１２０は、図示しないスプリング等の付勢手段によって、バルブボール１２１が噴孔を閉塞する方向（図１における下方）に付勢されている。

アクチュエータ１３０は、図示しないエンジン制御ユニットが生成する噴射信号（開弁信号）に応じて、ニードル１２０をバルブボール１２１がオリフィスカップ１１２から離間する方向（図１における上方）に駆動する電磁石式の駆動装置である。
アクチュエータ１３０は、ハウジング１３１、コイル１３２、インターナルポール１３３、コア１３４、トレランスリング１３５等を有して構成されている。

ハウジング１３１は、コイル１３２、インターナルポール１３３、コア１３４等を収容する部材である。
ハウジング１３１は、例えばステンレス鋼等の金属材料によって、実質的に円筒状に形成され、ノズル１１０と実質的に同心であり、かつノズル１１０の拡径部１１３に対して燃焼室Ｃ側とは反対側に設けられている。

コイル１３２は、例えばポリアミド等の樹脂系材料によって形成された芯材に、銅線を巻きまわして形成された電磁石である。
コイル１３２は、円環状に形成され、ハウジング１３１の内周面に沿って配置されている。
コイル１３２は、通電時に発生する磁力によってコア１３４を吸引し、ニードル１２０を開弁方向に駆動する駆動力を発生する。

インターナルポール１３３は、例えばステンレス鋼等の金属材料によって形成された円柱状の部材である。
インターナルポール１３３は、コイル１３２の内径側に配置されている。
コア１３４は、例えばステンレス鋼等の金属材料によって形成された円柱状の部材（アーマチュア）である。
コア１３４は、インターナルポール１３３の燃焼室Ｃ側に隣接して配置されている。
コア１３４には、ニードル１２０のバルブボール１２１側とは反対側の端部が接続されている。
アクチュエータ１３０は、通電時にコイル１３２が発生する磁力によって、コア１３４をインターナルポール１３３側へ吸引し、ニードル１２０を開弁方向に駆動する。

トレランスリング１３５は、ハウジング１３１における燃焼室Ｃ側の端部を、ノズル１１０の拡径部１１３に締結する締結部材である。
トレランスリング１３５は、バネ鋼等の比較的強い弾性を有する金属材料によって形成された環状の部材である。

第１実施形態において、アクチュエータ１３０は、以下説明する真空断熱層２１０を有する。
真空断熱層２１０は、ハウジング１３１におけるノズル１００側の端部に設けられ、ノズル１００の中心軸に対して実質的に同心となる円環状に延在している空間部である。
真空断熱層２１０の内部は、真空状態となっている。ここで、真空状態とは、内圧が大気圧よりも低圧とされた状態を指すものとする。
真空断熱層２１０は、例えば、ハウジング１３１と、ノズル１００の拡径部１１３との合わせ面部に、それぞれ溝を形成して空間部を形成した後、ポンプにより真空吸引をした状態で、蓋や溶接等によって密封することによって形成することができる。
また、ハウジング１３１を鋳造によって形成する場合には、除去可能な中子を用いて空間部を形成してもよい。
また、真空断熱層２１０は、円環状のチューブ内部を予め真空状態としたものを、別部品として形成されたハウジング１３１に取り付け又は埋め込んで構成してもよい。

図１に示すように、真空断熱層２１０の横断面形状は、一例としてノズル１１０の長手方向に沿った長辺方向を有する矩形状に形成されている。
真空断熱層２１０は、アクチュエータ１３０におけるコア１３４の周囲を包囲するように配置されている。

以上説明した第１実施形態によれば、真空断熱層２１０が有する断熱機能によって、燃焼室Ｃ内の燃焼ガスからノズル１００を伝わってアクチュエータ１３０側へ伝搬する熱を遮断し、アクチュエータ１３０のコア１３４等が大きな温度変化に曝されることを防止できる。
また、コア１３４の周囲（拡径部１１３内）に収容される燃料を、寒冷地でエンジンを停止した場合等に保温することが可能となり、低温時の始動性を向上することができる。
一方、シリンダヘッド１０内のウォータジャケット１４等によるノズル１１０等の冷却は妨げられることがなく、十分な冷却性能を確保することができる。
さらに、アクチュエータ１３０の開弁駆動時に、コア１３４がコイル１３２に吸引されてインターナルポール１３３に衝突して発生する騒音が外部に放射されたり、ノズル１００を経由してシリンダヘッド１０等へ伝搬することを抑制し、エンジンの静粛性を向上することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用したインジェクタの第２実施形態について説明する。
以下説明する各実施形態において、従前の実施形態と実質的に共通する箇所には同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図２は、第２実施形態のインジェクタをインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。
第２実施形態のインジェクタ１００は、第１実施形態における真空断熱層２１０に代えて、以下説明する真空断熱層２２０を備えている。
真空断熱層２２０は、アクチュエータ１３０のハウジング１３１の外周面部内であって、コイル１３２の外径側の領域に設けられている。
第２実施形態によれば、コイル１３２の周囲を断熱することによって、コイル１３２及び周辺部品の温度変化を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明を適用したインジェクタの第３実施形態について説明する。
図３は、第３実施形態のインジェクタをインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。
第３実施形態のインジェクタ１００は、第１実施形態と同様の真空断熱層２１０、及び、第２実施形態と同様の真空断熱層２２０を併せて備えている。
第３実施形態によれば、上述した第１実施形態の効果、第２実施形態の効果をともに得ることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明を適用したインジェクタの第４実施形態について説明する。
図４は、第４実施形態のインジェクタをインジェクタのノズル軸心を含む平面で切って見た模式的断面図である。
第４実施形態のインジェクタ１００は、第１実施形態における真空断熱層２１０に代えて、以下説明する真空断熱層２３０を備えている。
真空断熱層２３０は、ノズル１００のアクチュエータ１３０側の端部に設けられたテーパ部１１４の内部に、テーパ部１１４の表面に沿って延在するよう配置されている。
第４実施形態によれば、シリンダヘッド１０の表面の一部であるテーパ部１３と、アクチュエータ１３０との間の熱の授受を抑制し、アクチュエータ１３０の構成部品や内部に貯留される燃料等を保温して温度変化を抑制することができる。
また、テーパ部１１４は、ノズル１００の筒状部１１１からアクチュエータ１３０のハウジング１３１等への伝熱経路となっているため、ここに真空断熱層２３０を設けることによって、ノズル１１０を伝ってくる熱のアクチュエータ１３０側への伝搬も抑制することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）インジェクタ及びその取付構造を構成する各部材の形状、構造、材質、製法、配置等は、上述した実施形態に限定されることなく適宜変更することが可能である。
例えば、インジェクタの内部構造等は、適宜変更することが可能である。
また、真空層は、実施形態のようにノズルの全周にわたって同一断面で設ける構成に限らず、断続的に設けたり、断面形状や断面積が周方向にわたり変化する構成としてもよい。
（２）実施形態において、インジェクタはガソリンエンジン用の直噴インジェクタであったが、本発明はこれに限らず、ポート噴射用のインジェクタや、ディーゼルエンジン用のインジェクタ、さらに、その他の液体燃料を噴射するインジェクタにも適用することができる。
ポート噴射用のインジェクタにおいては、本発明にいう取付対象部材は、例えばインテークマニホールドとなる。
また、実施形態ではインジェクタは電磁石をアクチュエータとしているが、本発明はこれ以外のアクチュエータを用いるインジェクタにも適用することができる。例えば、ピエゾ素子の変形を駆動力として利用するピエゾインジェクタにも適用することができる。

１ インジェクタ取付構造 １０ シリンダヘッド
１１ 開口 １２ 凹部
１３ テーパ部 Ｃ 燃焼室
１００ インジェクタ １１０ ノズル
１１１ 筒状部 １１２ オリフィスカップ
１１３ 拡径部 １１４ テーパ部
１１５ シーリングリング １２０ ニードル
１２１ バルブボール １３０ アクチュエータ
１３１ ハウジング １３２ コイル
１３３ インターナルポール １３４ コア
１３５ トレランスリング
２１０，２２０，２３０ 真空断熱層

Claims (3)

1. 燃料を蓄圧された状態で保持しかつ先端に噴孔を有するとともに取付対象部材に形成された開口に挿入されるノズルと、
   前記ノズルの内部に設けられ非噴射時に前記噴孔を閉塞する弁体を有するニードルと、
   前記ノズルの前記噴孔側とは反対側に設けられ噴射時に前記ニードルを前記弁体が開弁される方向に駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを収容し、前記ノズルの燃焼室側とは反対側の端部から連続して金属材料により形成されたハウジングと
   を備えるインジェクタであって、
   前記ハウジングの内部において前記ノズルからの熱が前記アクチュエータに伝導する箇所の一部に、前記ノズルの中心軸に対して周方向に分布して配置された真空層を設けたこと
   を特徴とするインジェクタ。
2. 前記アクチュエータは、コイル及び前記コイルが発生する磁力により前記ニードルを駆動するコアを有し、
   前記真空層は、前記コア、前記コイルの少なくとも一方の周囲に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
3. 前記真空層は、前記ハウジングにおける前記取付対象部材の表面に隣接する領域に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
   

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