JPH07324664A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ニードルによるノズル口の開閉制御の応答性
を向上する。 【構成】 ニードル６１が下降して弁部６２が下降する
とノズル口７３が開く。ピストン１１１をニードル６１
の上端部に固定し、このピストン１１１の両側に夫々圧
力制御室１１２と漏洩燃料排出室１１４とを形成する。
ピエゾ圧電素子６６により駆動されるピストン１１８に
より可変容積室１２０の容積を制御する。燃料は燃料供
給口６５から圧力制御室１１２、可変容積室１２０およ
び燃料貯留室６４内に供給される。可変容積室１２０内
の燃料圧を変化させることに圧力制御室１１２内の燃料
圧を変化させてニードル６１の上昇下降制御をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料噴射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より燃料噴射弁本体の先端部に形成
されたノズル口を燃料噴射弁本体内に配置されたニード
ルによりノズル口の内側から開閉制御する、いわゆる内
開弁式の燃料噴射弁と、ニードルの先端部を燃料噴射弁
本体の先端部から外部に突出させると共にニードルの突
出先端部に弁部を形成し、このニードル弁部によってノ
ズル口をノズル口の外側から開閉制御する、いわゆる外
開弁式の燃料噴射弁とが公知である。内燃機関において
は通常、内開弁式の燃料噴射弁が使用されており、燃料
を燃焼室内全体に分散させたい場合にはスロットルノズ
ルやピントルノズルが使用される。

【０００３】ところでこのようなスロットルノズルやピ
ントルノズルを用いると燃料を燃焼室内に分散させるこ
とはできるがこれらのノズルでは粒径の大きな燃料を分
散させつつ短時間で噴射させることはできない。この点
外開弁式の燃料噴射弁はノズル口の面積も大きくするこ
とができ、ニードルのリフト量も大きくすることができ
るので粒径の大きな燃料を分散させつつ短時間で噴射さ
せるのには適している。

【０００４】ところが外開弁式の燃料噴射弁においてノ
ズル口の面積を大きくするとニードル弁部に内側から加
わる燃料圧によってニードルを開弁しようとするニード
ル開弁力が極めて大きくなり、この大きなニードル開弁
力に対してニードルを閉弁状態に保持するには極めて大
きなニードル閉弁力をニードルに加えなければならな
い。そこで外開弁式の燃料噴射弁では通常、例えば特開
昭６２−６７２７６号公報に記載されているように強力
な圧縮ばねによってニードルを閉弁状態に維持するよう
にしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
に強力な圧縮ばねによってニードルを閉弁状態に維持し
ようとすると寸法の大きな圧縮ばねが必要となるために
燃料噴射弁の寸法が大きくなってしまうという問題があ
る。また、ニードルを開弁するときにはこの強力な圧縮
ばねに抗してニードルを開弁しなければならないために
ニードルに対して強力なアクチュエータが必要になると
いう問題がある。また、このような強力な圧縮ばねを用
いるとニードルの開弁動作に応答遅れを生じ、また上述
の公報に記載された燃料噴射弁におけるように圧縮ばね
のばね力のみによってニードルを閉弁しようとするとニ
ードルの閉弁動作に応答遅れを生じるという問題があ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、ニードルの先端部を燃料噴射弁本
体の先端部から外部に突出させると共にニードルの突出
先端部に弁部を形成し、ニードルを燃料噴射弁本体の内
部方向に移動させたときに弁部がノズル口を閉鎖し、ニ
ードルを外方に向けて移動させたときに弁部がノズル口
を開口するようにした燃料噴射弁において、ニードルの
内端部を圧電素子の軸方向一端部に連結し、圧電素子を
伸縮させることによりニードルを移動させてノズル口の
開閉制御を行うようにしている。

【０００７】また、本発明によれば上記問題点を解決す
るために、ニードルの先端部を燃料噴射弁本体の先端部
から外部に突出させると共にニードルの突出先端部に弁
部を形成し、ニードルを燃料噴射弁本体の内部方向に移
動させたときに弁部がノズル口を閉鎖し、ニードルを外
方に向けて移動させたときに弁部がノズル口を開口する
ようにした燃料噴射弁において、ニードル上にピストン
を固定し、ノズル口側のピストンの一側に燃料で満たさ
れた圧力制御室を形成すると共にノズル口と反対側のピ
ストンの他側に圧力制御室から漏洩した燃料を排出する
ための漏洩燃料排出室を形成し、圧電素子の伸縮作用に
より圧力制御室内の燃料圧を制御して圧力制御室内の圧
力を増大させたときにピストンに作用する燃料圧により
ニードルを移動させてノズル口を閉鎖すると共に圧力制
御室内の圧力を減少させたときにニードルの弁部に作用
する燃料圧によりニードルを移動させてノズル口を開口
するようにしている。

【０００８】更に本発明によれば上記問題点を解決する
ために、上記２番目の発明において燃料噴射弁の燃料入
口通路内に間欠的に燃料を供給するための燃料供給装置
を具備し、漏洩燃料排出室を漏洩燃料排出室から燃料入
口通路に向けてのみ流通可能な逆止弁を介して燃料入口
通路に連結している。

【０００９】

【作用】１番目の発明ではニードルによるノズル口の開
弁動作および開弁動作が圧電素子の伸縮動作を駆動力と
して行われる。２番目の発明ではニードルによるノズル
口の開弁動作および閉弁動作が共に燃料圧により行われ
る。

【００１０】３番目の発明では圧力制御室から漏洩燃料
排出室に漏洩した燃料は燃料入口通路に返戻される。

【００１１】

【実施例】図１および図２は本発明による燃料噴射弁を
用いた４ストローク圧縮着火式内燃機関を示している。
図１および図２を参照すると、１は機関本体、２はシリ
ンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５
は燃焼室、６は一対の吸気弁、７は一対の吸気ポート、
８は一対の排気弁、９は一対の排気ポート、１０は燃焼
室５の頂部中央部に配置された燃料噴射弁、１１は機関
駆動の噴射ポンプを夫々示す。各吸気ポート７はほぼま
っすぐに延びるストレートポートからなり、従って図１
および図２に示す圧縮着火式内燃機関では吸気ポート７
から燃焼室５内に流入する空気流によって燃焼室５内に
はスワールが発生せしめられない。

【００１２】図３は噴射ポンプ１１の側面断面図を示
す。図３を参照すると、２０は噴射ポンプ本体、２１は
燃料供給ポンプを夫々示し、構造を容易に理解しうるよ
うに燃料供給ポンプ２１は９０度回転したところを示し
ている。燃料供給ポンプ２１は機関により駆動される駆
動軸２２上に取付けられたロータ２３を有し、燃料供給
口２４から吸込まれた燃料はロータ２３を経て燃料吐出
口２５から噴射ポンプ本体２０内の加圧燃料室２６内に
吐出される。駆動軸２２の内端部は加圧燃料室２６内に
突出しており、この駆動軸２２の内端部には歯車２７が
取付けられる。

【００１３】一方、燃料ポンプ本体２０内に形成された
シリンダ２８内にはプランジャ２９の一端部が挿入さ
れ、プランジャ２９の他端部は気筒数と同数のカム山３
０ａを形成したカムプレート３０に連結される。駆動軸
２２の内端部は回転力を伝達しうるカップリング３１を
介してカムプレート３０に連結され、カムプレート３０
は圧縮ばね３２のばね力によりローラ３３上に押圧され
る。駆動軸２２が回転してカムプレート３０のカム山３
０ａがローラ３３と係合するとプランジャ２９は軸方向
に移動する。従ってプランジャ２９は回転しつつ往復動
せしめられることになる。

【００１４】プランジャ２９の先端部には加圧室３４が
形成され、プランジャ２９内には加圧室３４内に連通す
る燃料吐出口３５と燃料溢流孔３６とが形成される。プ
ランジャ２９の周りには燃料吐出口３５と整列可能な気
筒数と同数の燃料吐出通路３７が等角度間隔で形成され
ており、各燃料吐出通路３７は逆止弁３８を介して夫々
対応する燃料噴射弁１０に連結される。一方、プランジ
ャ２９上には燃料溢流孔３６の開閉制御をするスピルリ
ング３９が挿入され、このスピルリング３９の位置はピ
ボットピン４０周りにおいて回動可能に支持されている
制御リンク機構４１により制御される。

【００１５】制御リンク機構４１の上端部は回動軸４２
に固定された偏心ピン４３に引張りばね４４を介して連
結され、回動軸４２はアクセルペダル１２（図１）に連
結されてアクセルペダル１２により回動せしめられる。
また、加圧燃料室２６内には歯車２７により回転せしめ
られて回転数が高くなるほど制御リング機構４１を時計
回りに付勢するガバナ機構４５が設けられる。加圧燃料
室２６内の加圧燃料は燃料供給ポート２６ａから加圧室
３４内に供給され、加圧室３４内の燃料はプランジャ２
９が右方に移動するにつれて圧縮される。次いでプラン
ジャ２９に形成された燃料吐出口３５がいずれかの燃料
塗出通路３７に連通すると加圧室３４内の加圧燃料が逆
止弁３８を介して対応する燃料噴射弁１０に供給され
る。

【００１６】次いでプランジャ２９が更に右方に移動
し、燃料溢流孔３６が加圧燃料室２６内に開口すると燃
料噴射弁１０への燃料の供給が停止される。燃料溢流孔
３６が加圧燃料室２６内に開口する時期はスピルバルブ
３９の位置によって変化し、従ってスピルバルブ３９の
位置によって燃料噴射弁１０に供給される燃料量が制御
される。このスピルバルブ３９の位置は制御リンク機構
４１とガバナ機構４５によってアクセルペダル１２（図
１）の踏込み量が増大するほど燃料噴射弁１０への供給
燃料量が増大し、機関回転数が高くなるほど燃料噴射弁
１０への供給燃料量が減少するように制御される。

【００１７】図３に示されるように燃料ポンプ本体１１
には噴射圧制御弁４６が取付けられる。この噴射圧制御
弁４６は加圧室３４内に連通する燃料溢流ポート４７
と、この燃料溢流ポート４７を通常圧縮ばね４８のばね
力により閉鎖している弁体４９と、弁体４９の背圧室５
０とを具備し、背圧室５０は導管５１を介して加圧燃料
室２６に連結される。プランジャ２９により加圧室３４
内の燃料が圧縮されたときに加圧室３４内の燃料圧が弁
体４９の開弁圧よりも高くなると加圧室３４内の燃料は
燃料溢流ポート４７を介して溢流し、次いでこの溢流し
た燃料は導管５２を介して加圧燃料室２６内に返戻され
る。従って加圧室３４内の最大燃料圧は弁体４９の開弁
圧によって定まり、燃料噴射弁１０に供給される燃料の
最大圧も弁体４９の開弁圧によって定まることになる。

【００１８】ところで機関回転数が高くなるほど燃料供
給ポンプ２１の吐出量が増大するので機関回転数が高く
なるほど加圧燃料室２６内の燃料圧が高くなる。加圧燃
料室２６内の燃料圧が上昇するとそれに伴なって背圧室
５０内の燃料圧が上昇するので機関回転数が高くなるほ
ど弁体４９の開弁圧が高くなり、斯くして機関回転数が
高くなるほど燃料噴射弁１０に供給される燃料の最大圧
が増大せしめられる。

【００１９】なお、上述の噴射ポンプ１１は従来の分配
型燃料噴射ポンプに改良を加えたものであり、スピルリ
ング３９、ガバナ機構４５等による燃料の調量機構を具
えている。しかしながら、後述するように本発明による
実施例では燃料噴射弁１０が内部に燃料を蓄えるための
燃料貯蔵室を有する型式の燃料噴射弁からなり、燃料噴
射弁１０の開弁時間、又は燃料噴射時間と燃料噴射圧を
制御することにより燃料噴射量を制御可能とされている
ので、スピルリング３９やガバナ機構４５等を有さずに
噴射圧制御弁４６のような燃料調圧手段のみを具えた燃
料噴射ポンプを使用することもできる。

【００２０】図４は燃料噴射弁１０の側面断面図を示し
ている。図４を参照すると、６０は燃料噴射弁本体、６
１は燃料噴射弁本体６０内において摺動可能なニード
ル、６２はニードル６１の先端部に一体形成された弁
部、６３はニードル６１の円錐状受圧面６１ａ周りに形
成された燃料溜まり、６４は最大噴射量時における燃料
噴射量の数十倍の容積を有する燃料貯留室、６５は燃料
供給口、６６は環状をなす薄板状のピエゾ圧電素子板を
積層することよって得られたピエゾ圧電素子を夫々示
す。図４に示されるようにピエゾ圧電素子６６の下端部
は燃料噴射弁本体６０により支持されており、ピエゾ圧
電素子６６の上端部には端板６７が固定される。ニード
ル６１の上端部はピエゾ圧電素子６６内および端板６７
内を延びており、端板６７はニードル６１の上端部に螺
着される。この端板６７は例えば弛み止めナット６８に
よってニードル６１に強固に固定される。

【００２１】燃料供給口６５は噴射ポンプ１１の対応す
る燃料吐出通路３７（図３）に連結され、斯くして噴射
ポンプ１１から吐出された燃料が燃料供給口６５に供給
される。燃料供給口６５に供給された燃料は燃料供給口
６５から燃料貯留室６４に向けてのみ流通可能な逆止弁
６９を介して燃料貯留室６４に供給され、燃料貯留室６
４内に供給された燃料は燃料溜まり６３および燃料通路
７０を介してニードル６１の先端部周りに供給される。

【００２２】図５はニードル６１の先端部を示してい
る。図５に示されるようにニードル６１の弁部６２は円
錐状の噴射燃料案内面７１を有しており、この噴射燃料
案内面７１は通常シート面７２上に着座している。この
とき燃料噴射弁１０からの燃料噴射は停止せしめられて
いる。燃料噴射弁１０から燃料を噴射すべきときにはピ
エゾ圧電素子６６から電荷がディスチャージされる。ピ
エゾ圧電素子６６から電荷がディスチャージされるとピ
エゾ圧電素子６６が軸方向に収縮するためにニードル６
１が下降せしめられる。その結果、弁部６２がシート面
７２から離れ、斯くして燃料貯留室６４内の燃料が弁部
６２とシート面７１間に形成されるノズル口７３から噴
射される。

【００２３】次いでピエゾ圧電素子６６に電荷がチャー
ジされるとピエゾ圧電素子６６は軸方向に伸長する。そ
の結果、ニードル６１が上昇せしめられ、弁部６２の噴
射燃料案内面７１が再びシート面７２上に着座する。斯
くして燃料の噴射作用が停止せしめられる。このように
図４に示される燃料噴射弁１０ではニードル６１を軸方
向に付勢するばねが一切設けられておらず、ニードル６
１によるノズル口７３の開閉制御はピエゾ圧電素子６６
の伸縮作用によって行われる。ピエゾ圧電素子６６の伸
縮時間は極めて短かく、従ってこのようにニードル６１
をピエゾ圧電素子６１により直接駆動するとニードル６
１によるノズル口７３の開閉時間を極めて短かくするこ
とができる。

【００２４】図５に示されるように燃料噴射時には噴射
燃料Ｆは弁部６２の噴射燃料案内面７１により案内され
てノズル口７３から薄膜円錐状に広げられる。図１に示
される実施例では燃料噴射弁１０は燃焼室５の頂部中央
部に配置されており、従って図１に示される実施例では
燃料Ｆは燃焼室５の頂部中央部から燃焼室５の周辺部に
向けて薄膜円錐状に広がるように噴射される。

【００２５】燃料噴射弁１０のピエゾ圧電素子６６は図
１に示す電子制御ユニット８０の出力信号に基いて制御
される。この電子制御ユニット８０はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス８１を介して相互に接続
されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＭＡ（ラ
ンダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセ
ッサ）８４、入力ポート８５および出力ポート８６を具
備する。アクセルペダル１２にはアクセルペダル１２の
踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ９０
が取付けられ、この出力電圧はＡＤ変換器８７を介して
入力ポート８５に入力される。また、入力ポート８５に
は機関が一定クランク角度回転する毎に出力パルスを発
生するクランク角センサ９１が接続され、このクランク
角センサ９１の出力パルスから現在のクランク角と機関
回転数とが算出される。一方、出力ポート８６は駆動回
路８８を介して燃料噴射弁１０のピエゾ圧電素子６６に
接続される。

【００２６】次に図６から図９を参照しつつ図４に示す
燃料噴射弁１０を用いて行われるすすおよびＮＯ_X の発
生量を実質的に零にしうる画期的な新たな燃焼方法につ
いて説明する。なお、この新たな燃焼方法については最
もすすおよびＮＯ_X が発生しやすい高負荷運転時に焦点
をあてて説明する。従来より用いられている通常の圧縮
着火式内燃機関では平均粒径が２０μｍ〜５０μｍ程度
或いはそれ以下である燃料が圧縮上死点前３０度程度以
後に燃焼室内に供給される。しかしながらこのように燃
料粒子の平均粒径が５０μｍ以下となるように燃料を微
粒化して噴射するようにしている限り噴射時期をいかに
設定しようとも燃料噴射圧をいかに設定しようともすす
とＮＯ_X の同時低減を図ることは困難であり、ましてや
すすおよびＮＯ_X の発生量を実質的に零にすることは不
可能である。これは従来の燃焼方法に本質的な問題があ
るからである。即ち、従来の燃焼方法においてすすおよ
びＮＯ_X の同時低減が困難である大きな要因は二つある
と考えられる。その一つは燃料が噴射されるや否や一部
の燃料がただちに気化し、この気化した燃料により早期
に急激な燃焼が開始されることである。他の一つは燃料
を燃焼室内全体に均一に分散させようとしても実際には
燃料が燃焼室内全体に均一に分散せず、燃料が燃焼室内
の限られた領域内に集まってしまうか、或いは燃料が燃
焼室内のほぼ全体に分散しても過濃領域と稀薄領域とが
混在してしまうことにある。

【００２７】即ち、上述したように噴射開始後早期に燃
焼が開始されると後続する噴射燃料が燃焼火炎内に飛び
込むためにこれらの噴射燃料は空気不足の状態で燃焼せ
しめられることになり、斯くしてすすが発生することに
なる。また、燃焼室内に過濃混合気が形成されるとこの
過濃混合気の燃焼によってもすすが発生することにな
る。一方、噴射燃料が燃焼室内の限られた領域内に集ま
り、この集まった燃料が燃焼せしめられるとこの領域内
の燃焼温度は燃料が燃焼室内に分散している場合の燃焼
温度よりも高くなり、斯くしてＮＯ_X が発生することに
なる。また噴射燃料が早期に急激に燃焼して燃焼圧が急
激に上昇すると燃焼温度が更に高くなり、斯くして更に
ＮＯ_X が発生することになる。

【００２８】そこで本発明者は上述の二つの要因を取除
けば、即ち噴射燃料が噴射後早期に気化するのを阻止
し、噴射燃料を燃焼室内に均一に分散させればすすとＮ
Ｏ_X の同時低減が可能になると考えたのである。そして
実験を重ねた結果、噴射燃料の平均粒径を従来の燃焼方
法において使用されている平均粒径よりも大巾に大きく
し、かつ噴射時期を従来の燃焼方法において通常使され
ている噴射時期よりもかなり早めるとすすおよびＮＯ_X
の発生量を実質的に零まで低減できることを見い出した
のである。次にこのことについて説明する。

【００２９】図６の曲線はピストン４の圧縮作用のみに
よる燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。図６から
わかるように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死点前Ｂ
ＴＤＣ ６０度を越えると急速に上昇する。これは吸気
弁６の閉弁時期とは無関係であっていかなる往復動式内
燃機関であっても燃焼室５内の圧力Ｐは図６に示される
ように変化する。

【００３０】図７の実線で示す曲線は各クランク角にお
ける燃料の沸騰温度、即ち沸点Ｔを示している。燃焼室
５内の圧力Ｐが上昇すれば燃料の沸点Ｔもそれに伴なっ
て上昇するので燃料の沸点Ｔもほぼ圧縮上死点前６０度
を越えると急速に上昇する。一方、図７において破線は
圧縮上死点前ＢＴＤＣ θ₀ 度において燃料が噴射され
たときの燃料粒子の径の差による燃料粒子の温度変化の
差異を示している。噴射直後の燃料粒子の温度はそのと
きの圧力により定まる沸点Ｔよりも低く、次いで燃料粒
子は周囲から熱を受けて温度上昇する。このときの燃料
粒子の温度上昇速度は粒径が小さいほど速くなる。

【００３１】即ち、燃料粒子の粒径が２０μｍから５０
μｍ程度であったとすると燃料粒子の温度は噴射後急速
に上昇して圧縮上死点ＴＤＣよりもはるか前のクランク
角において沸点Ｔに達し、燃料粒子からの沸騰による急
激な燃料の蒸発作用が開始される。また、図７からわか
るように燃料粒子の粒径が２００μｍの場合でも燃料粒
子の温度は圧縮上死点ＴＤＣに達する前に沸点Ｔに達
し、沸騰による急激な燃料の蒸発作用が開始される。こ
のように圧縮上死点ＴＤＣに達する前に沸騰による急激
な燃料の蒸発作用が開始されるとこのとき蒸発した燃料
による爆発的な燃焼が生じ、斯くして前述したように多
量のすすおよびＮＯ_X が発生することになる。

【００３２】これに対して燃料粒子の径が５００μｍ程
度よりも大きくなると燃料粒子の温度の上昇速度が遅く
なるためにほぼ圧縮上死点ＴＤＣ或いはそれ以後になら
ないと燃料粒子の温度が沸点Ｔに達しない。従って燃料
粒子の径を５００μｍ程度よりも大きくすればほぼ圧縮
上死点ＴＤＣに達する前に沸騰による急激な燃料の蒸発
作用は行われず、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ或いは圧縮上死
点ＴＤＣ後に沸騰による急激な燃料の蒸発作用が開始さ
れることになる。

【００３３】なお、実際には燃料は沸点の異なる種々の
成分を含んでおり、燃料の沸点というと多数の沸点が存
在することになる。従って燃料の沸点を考える場合には
主要燃料成分の沸点を考えることが好ましいと云える。
また、噴射燃料の粒径は完全に均一になることはあり得
らないので噴射燃料の粒径を考える場合には噴射燃料の
平均粒径で考えることが好ましいと云える。このように
考えると噴射燃料の平均粒径を平均粒径の燃料粒子の温
度がほぼ圧縮上死点ＴＤＣ又は圧縮上死点ＴＤＣ後にそ
のときの圧力により定まる主要燃料成分の沸点Ｔに達す
る粒径以上とすれば噴射後ほぼ圧縮上死点ＴＤＣに達す
るまでは燃料粒子からの沸騰による急激な燃料の蒸発は
生じず、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ後に燃料粒子からの沸騰
による急激な蒸発を生じることになる。

【００３４】なお、この場合には全燃料粒子においてほ
ぼ同時に沸騰による急激な燃料の蒸発作用が開始され、
全燃料粒子から蒸発した燃料がいっせいに着火し燃焼を
開始する。このとき図８（Ａ）に示されるように燃料粒
子が燃焼室５内の一部に集まっていると各燃料粒子の周
りの空気量が不十分であるために各燃料粒子は空気不足
の状態で燃焼せしめられることになり、斯くしてすすが
発生することになる。このようにすすが発生するのを阻
止するためには燃料が着火するときに各燃料粒子の周り
に十分な空気が存在するように各燃料粒子同志が互いに
十分な間隔を隔てつつ図８（Ｂ）に示されるように各燃
料粒子が燃焼室５内全体に亘って分散していることが好
ましい。

【００３５】図８（Ｂ）に示されるように着火時に燃料
粒子が燃焼室５内全体に分散するためには燃焼室５内の
圧力Ｐが低いときに燃料噴射弁１０から燃料を噴射させ
なければならない。即ち、燃焼室５内の圧力Ｐが高くな
ると空気抵抗が大きくなるために噴射燃料の飛行距離が
短かくり、斯くしてこのときには図８（Ａ）に示される
ように燃料粒子が燃焼室５内全体に広がることができな
い。前述したように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死
点前ＢＴＤＣ ６０度を越えると急速に上昇して高くな
り、事実ほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ ６０度を越えた後
に燃料噴射を行うと図８（Ａ）に示されるように燃料粒
子が燃焼室５内に十分に広がらない。これに対してほぼ
圧縮上死点前ＢＴＤＣ ６０度以前は燃焼室５内の圧力
Ｐは低く、従ってほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ ６０度以
前に燃料噴射が行われると着火時に図８（Ｂ）に示され
るように燃料粒子が燃焼室５内の全体に亘って分散する
ことになる。このことは実験により確かめられている。
なお、この場合、燃料の噴射時期はほぼ圧縮上死点ＴＤ
Ｃ前ＢＴＤＣ ６０度以前であれば圧縮行程時であって
も吸気行程時であってもよい。

【００３６】このようにほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ ６
０度以前に燃料を噴射し、このときの噴射燃料の平均粒
径を平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死点ＴＤＣ
又は圧縮上死点ＴＤＣ後にそのときの圧力により定まる
主要燃料成分の沸点Ｔに達する粒径以上とすれば噴射後
ほぼ圧縮上死点ＴＤＣに達するまでは燃料粒子からの沸
騰による急激な燃料の蒸発は生じず、ほぼ圧縮上死点Ｔ
ＤＣ後に燃料粒子からの沸騰による急激な燃料の蒸発が
開始され、このとき各燃料粒子は図８（Ｂ）に示される
ように燃焼室５内全体に分散することになる。

【００３７】各燃料粒子からの燃料の蒸発が開始される
と各燃料粒子から蒸発した燃料はいっせいに着火燃焼せ
しめられる。このとき各燃料粒子の周りには十分な空気
が存在するのですすが発生することがなく、また燃焼室
５内全体で燃焼が行われるので燃焼温度が低くなり、斯
くしてＮＯ_X が発生することもない。また、各燃料粒子
が燃焼開始に時間差を生ずると先に燃焼した燃料の燃焼
熱によって後から燃焼する燃料の燃焼ガスが加熱される
ために燃焼ガス温が高くなってＮＯ_X が発生してしま
う。しかしながら上述したように各燃料粒子から蒸発し
た燃料はほぼ同時に燃焼が開始されるのでこの意味から
もＮＯ_X が発生することがない。

【００３８】図９は圧縮比を１８とし、燃料噴射圧を２
０MPa とし、機関回転数を１０００r.p.m とし、燃料噴
射量を１５mm³ として噴射時期を変えた場合のすす、即
ちスモークの発生量とＮＯ_X の発生量の実験結果を示し
ている。燃料噴射時期をほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ ６
０度以前に設定すると驚くべきことにスモークおよびＮ
Ｏ_X が全く発生しないことがわかる。

【００３９】以上の説明からわかるように本発明者によ
り確立された新たな燃焼方法は、ほぼ圧縮上死点ＴＤＣ
前６０度以前に燃料噴射を開始し、このときの噴射燃料
の平均粒径を平均粒径の燃料粒子の温度がほぼ圧縮上死
点ＴＤＣ又は圧縮上死点ＴＤＣ後にそのときの圧力によ
り定まる主要燃料成分の沸点Ｔに達する粒径以上とする
ことにある。そしてこの新たな燃焼方法を用いるとすす
およびＮＯ_X の発生量を実質的に零とすることができ
る。

【００４０】この新たな燃焼方法を実行するに当って重
要な点は比較的大きな粒径の燃料を燃料粒子同志の間隔
を隔だてつつ燃焼室５内全体に分散させることであり、
従ってハードの面からみると新たな燃焼方法を実行する
上で燃料噴射装置、特に燃料噴射弁１０が重要な役割を
果すことになる。図４はこのような新たな燃焼方法を実
行するのに適した燃料噴射弁１０の一例を示している。
一方、図１０は燃料噴射制御のタイムチャートを示して
おり、従って次に図１０を参照しつつ燃料噴射弁１０に
よる燃料噴霧の形成方法について説明する。

【００４１】前述したようにピエゾ圧電素子６６の駆動
信号が発生してピエゾ圧電素子６６から電荷がディスチ
ャージされると燃料噴射が開始される。図１０に示され
るように本発明による実施例では噴射時期の例えば１８
０度位前に噴射ポンプ１１から吐出された加圧燃料が燃
料噴射弁１０の燃料貯留室６４内に供給される。その結
果、燃料貯留室６４内の燃料圧が上昇せしめられる。こ
のときの燃料貯留室６４内の燃料圧は２０MPa 程度であ
る。次いで圧縮上死点前ＢＴＤＣ ６０度の少し手前に
なるとピエゾ圧電素子６６の駆動信号が発せられ、それ
によってピエゾ圧電素子６６から電荷がディスチャージ
される。ピエゾ圧電素子６６から電荷がディスチャージ
されるとニードル６１が下降して燃料貯留室６４内の燃
料が燃焼室５内に噴出される。

【００４２】燃料貯留室６４内の燃料圧は２０MPa 程度
であってかなり低圧であり、一方ニードル６１のリフト
量は一般的な燃料噴射弁よりも大きく設定されている。
従ってニードル６１が下降するとノズル口７３からは粒
径の大きな燃料が一気に噴射される。このときには燃焼
室５内の圧力は低く、従って噴射燃料は燃焼室５の周辺
部まで良好に飛散する。燃料噴射が開始されると図１０
に示されるように燃料貯留室６４内の圧力が低下し、斯
くして燃料噴射率は噴射開始時に最も高くなり、次いで
徐々に減少する。燃料貯留室６４内の圧力が低下すると
ノズル口７３からの燃料の噴出速度が低下する。従って
後から噴射された燃料が先に噴射された燃料を追い抜く
ことがなく、斯くして燃料粒子が燃焼室５内に均一に分
散されることになる。次いで図１０に示されるように圧
縮上死点前ＢＴＤＣ ６０度に達する前に燃料噴射が完
了せしめられる。

【００４３】前述したように噴射ポンプ１１に取付けら
れた噴射圧制御弁４６の弁体４９の開弁圧は機関回転数
が高くなるにつれて高くなり、従って燃料ポンプ１１か
ら吐出された燃料が燃料貯留室６４内に供給されたとき
の燃料貯留室６４内の燃料圧は図１１（Ａ）に示される
ように機関回転数Ｎが高くなるほど高くなる。即ち、噴
射燃料が燃焼室５の周辺部まで広がるには時間を要し、
一方噴射が行われてから着火するまでの時間は機関回転
数Ｎが高くなるほど短かくなる。そこで機関回転数Ｎが
高くなるほど燃料貯留室６４内の燃料圧を高くして機関
回転数Ｎが高くなるほど噴射燃料が燃焼室５内に速く広
がるようにし、それによって着火時には機関回転数Ｎに
かかわらずに燃料粒子が図８（Ｂ）に示されるように燃
焼室５内に均一に広がるようにしている。なお、この場
合燃料噴射圧を制御する代りに機関回転数Ｎが高くなる
につれて噴射開始時期を早めるようにしてもよい。

【００４４】また、本発明による実施例では図１１
（Ｂ）に示されるように燃料噴射開始時期θＳはアクセ
ルペダル１２の踏込み量Ｌが増大するほど、即ち機関負
荷が高くなるほど早められる。また、噴射期間θＴはア
クセルペダル１２の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数と
して図１１（Ｃ）に示すマップの形で予めＲＯＭ８２内
に記憶されている。

【００４５】燃料噴射弁１０からの燃料噴射制御は図１
２に示すルーチンにより実行される。なお、このルーチ
ンは一定クランク角毎の割込みによって実行される。図
１２を参照するとまず初めにステップ１００において図
１１（Ｂ）に示す関係から噴射開始時期θＳが算出され
る。次いでステップ１０１では図１１（Ｃ）に示す関係
から噴射期間θＴが算出される。次いでステップ１０２
では噴射開始時期θＳと噴射期間θＴから噴射完了時期
θＥが算出される。次いでステップ１０３では噴射開始
時期θＳにピエゾ圧電素子６６から電荷をディスチャー
ジし、噴射完了時期θＥにピエゾ圧電素子６６に電荷を
チャージするピエゾ圧電素子６６の駆動信号が発生せし
められる。

【００４６】図１３に燃料噴射弁１０の別の実施例を示
す。なお、この実施例において図４と同様の構成要素は
同一の符号で示す。図１３を参照するとこの実施例では
ニードル６１の上端部周りの燃料噴射弁本体６０内にニ
ードル６１と共軸的にシリンダ１１０が形成され、ニー
ドル６１の上端部に固定されたピストン１１１がシリン
ダ１１０内に摺動可能に挿入される。ノズル口７３側の
ピストン１１１の一側には圧力制御室１１２が形成さ
れ、この圧力制御室１１２内にはピストン１１１を上方
に向けて付勢するばね力の弱い圧縮ばね１１３が配置さ
れる。一方、ノズル口７３と反対側のピストン１１１の
他側には圧力制御室１１２から漏洩した燃料を外部に排
出するための漏洩燃料排出室１１４が形成される。この
漏洩燃料排出室１１４内の燃料は排出通路１１５を介し
てピエゾ圧電素子６６の周囲に導びかれ、ピエゾ圧電素
子６６を冷却した後に排出口１１７から排出される。従
ってこの漏洩燃料排出室１１４内は低圧となっている。

【００４７】一方、燃料噴射弁本体６０内にはニードル
６１の軸線方向に摺動可能なピストン１１８が配置さ
れ、ピストン１１８の頂面と燃料噴射弁本体６０間にピ
エゾ圧電素子６６が挿入される。このピストン１１８は
皿ばね１１９によってピエゾ圧電素子６６に向けて付勢
される。一方、ピストン１１８の下方にはピストン１１
８の下端面により画定された可変容積室１２０が形成さ
れる。この可変容積室１２０は一方では燃料通路１２１
を介して圧力制御室１１２に連結され、他方では燃料通
路１２２を介して燃料貯留室６４内に連結される。この
燃料通路１２２内には可変容積室１２０から燃料貯留室
６４内に向けてのみ流通可能な逆止弁１２３が配置され
る。また、燃料供給口６５は燃料入口通路１２４および
燃料入口通路１２４から圧力制御室１１２に向けてのみ
流通可能な逆止弁１２５を介して圧力制御室１１２に連
結される。

【００４８】前述したように燃料供給口６５へは噴射ポ
ンプ１１から燃料噴射が行われるほぼ１８０°クランク
角前に燃料が供給される。この燃料は逆止弁１２５を介
して圧力制御室１１２および可変容積室１２０内に供給
され、更に逆止弁１２３を介して燃料貯留室６４内に供
給される。このとき圧力制御室１１２、可変容積室１２
０および燃料貯留室６４内はほぼ等しい高圧となってお
り、従ってこのときにはピストン１１１に作用する圧力
制御室１１２内の燃料圧によりニードル６１は上方に付
勢されて弁部６２によりノズル口７３が閉鎖されてい
る。このようにニードル６１によるノズル口７３の閉鎖
作用は圧力制御室１１２内の燃料圧によって行われる。

【００４９】燃料噴射を開始すべきときにはピエゾ圧電
素子６６から電荷がディスチャージされる。ピエゾ圧電
素子６６から電荷がディスチャージされるとピエゾ圧電
素子６６は収縮し、その結果ピストン１１８が上昇する
ために可変容積室１２０内の燃料圧が低下する。可変容
積室１２０内の燃料圧が低下すると圧力制御室１１２内
の燃料圧も低下し、斯くしてニードル６１の弁部６２の
背面に作用する燃料圧によりニードル６１が下降して燃
料噴射が開始される。次いでピエゾ圧電素子６６に電荷
がチャージされてピエゾ圧電素子６６が伸長するとピス
トン１１８が下降して圧力制御室１１２内の燃料圧が上
昇し、斯くしてニードル６１が上昇せしめられるために
燃料噴射が停止される。

【００５０】なお、この実施例ではピストン１１１の径
はピストン１１８の径よりもかなり小さい。このように
ピストン１１１の径をピストン１１８の径よりも小さく
するとピストン１１８の移動量が小さくてもピストン１
１１の移動量を大きくすることができる。云い換えると
ニードル６１のリフト量を大きくすることができる。な
お、この実施例では圧縮ばね１１３のばね力によりニー
ドル６１の閉弁作用を行うわけでないので圧縮ばね１１
３のばね力は小さなばね力で十分であり、場合によって
はこの圧縮ばね１１３を設けなくともよい。

【００５１】図１４に燃料噴射弁１０の更に別の実施例
を示す。なお、図１４において図１３と同様な構成要素
は同一符号で示す。図１４を参照するとこの実施例では
漏洩燃料排出室１１４が排出通路１３０を介して逆止弁
１２５上流の燃料入口通路１２４に連結され、この排出
通路１３０内に漏洩燃料排出室１１４から燃料入口通路
１２４内に向けてのみ流通可能な逆止弁１３１が配置さ
れる。この実施例においても燃料供給口６５へは噴射ポ
ンプ１１から燃料噴射が行われるほぼ１８０°クランク
角前に燃料が供給され、噴射ポンプ１１からの燃料供給
作用が行われておらず、従って燃料入口通路１２４内の
燃料圧が低圧のときに漏洩燃料排出室１１４内の燃料が
逆止弁１３１を介して燃料入口通路１２４内に返戻され
る。この実施例では漏洩燃料排出室１１４から燃料を排
出するための排出導管を燃料噴射弁の外部に配設する必
要がないので燃料噴射システム全体を簡素化することが
できる。

【００５２】

【発明の効果】特許請求の範囲第１項および第２項に記
載の発明ではニードルによるノズル口の開閉制御の応答
性を向上することができ、特許請求の範囲第３項に記載
の発明では更に燃料噴射システム全体を簡素化すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮着火式内燃機関の側面断面図である。

【図２】図１のシリンダヘッドの底面図である。

【図３】噴射ポンプの側面断面図である。

【図４】燃料噴射弁の側面断面図である。

【図５】燃料噴射弁の先端部の拡大側面断面図である。

【図６】ピストンの圧縮作用のみによる燃焼室内の圧力
変化を示す図である。

【図７】沸点と燃料粒子の温度変化とを示す図である。

【図８】燃料粒子の分布を示す図である。

【図９】スモークおよびＮＯ_X の発生量を示す図であ
る。

【図１０】燃料噴射制御のタイムチャートである。

【図１１】燃料貯留室内の燃料圧等を示す図である。

【図１２】噴射制御を行うためのフローチャートであ
る。

【図１３】燃料噴射弁の別の実施例の側面断面図であ
る。

【図１４】燃料噴射弁の更に別の実施例の側面断面図で
ある。

【符号の説明】

５…燃焼室 ６…吸気弁 ８…排気弁 １０…燃料噴射弁 ６１…ニードル ６２…弁部 ６４…燃料貯留室 ６５…燃料供給口 ６６…ピエゾ圧電素子 ６９，１２３，１２５，１３１…逆止弁 ７３…ノズル口 １１１，１１８…ピストン １１２…圧力制御室 １１４…漏洩燃料排出室 １２０…可変容積室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニードルの先端部を燃料噴射弁本体の先
   端部から外部に突出させると共にニードルの突出先端部
   に弁部を形成し、ニードルを燃料噴射弁本体の内部方向
   に移動させたときに弁部がノズル口を閉鎖し、ニードル
   を外方に向けて移動させたときに弁部がノズル口を開口
   するようにした燃料噴射弁において、ニードルの内端部
   を圧電素子の軸方向一端部に連結し、圧電素子を伸縮さ
   せることによりニードルを移動させてノズル口の開閉制
   御を行うようにした燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 ニードルの先端部を燃料噴射弁本体の先
   端部から外部に突出させると共にニードルの突出先端部
   に弁部を形成し、ニードルを燃料噴射弁本体の内部方向
   に移動させたときに弁部がノズル口を閉鎖し、ニードル
   を外方に向けて移動させたときに弁部がノズル口を開口
   するようにした燃料噴射弁において、ニードル上にピス
   トンを固定し、ノズル口側のピストンの一側に燃料で満
   たされた圧力制御室を形成すると共にノズル口と反対側
   のピストンの他側に圧力制御室から漏洩した燃料を排出
   するための漏洩燃料排出室を形成し、圧電素子の伸縮作
   用により圧力制御室内の燃料圧を制御して圧力制御室内
   の圧力を増大させたときにピストンに作用する燃料圧に
   よりニードルを移動させてノズル口を閉鎖すると共に圧
   力制御室内の圧力を減少させたときにニードルの弁部に
   作用する燃料圧によりニードルを移動させてノズル口を
   開口するようにした燃料噴射弁。
3. 【請求項３】 燃料噴射弁の燃料入口通路内に間欠的に
   燃料を供給するための燃料供給装置を具備し、上記漏洩
   燃料排出室を漏洩燃料排出室から上記燃料入口通路に向
   けてのみ流通可能な逆止弁を介して燃料入口通路に連結
   した請求項２に記載の燃料噴射弁。