(57)【要約】【課題】燃料噴射ノズルを加熱可能なヒータを利用して、燃料噴射ノズルの耐熱性への影響を低減しつつ燃焼安定性を効果的に向上させられるようにした燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料噴射装置は、燃料噴射ノズルと、ヒータとを備えている。燃料噴射ノズルはノズルボディを備える。ノズルボディは、内燃機関の燃焼室に近い側の端部に形成されたノズル部と、ノズルの端面から燃焼室の側に突出するように形成された噴孔部とを含む。ヒータは、ノズル部を覆い、かつ、ノズル部の上記端面に対して燃焼室側に突出するように配置されている。【選択図】図１
2020105940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に近い側の端部に形成されたノズル部と、前記ノズル部の端面から前記燃焼室の側に突出するように形成された噴孔部とを含むノズルボディを備える燃料噴射ノズルと、
前記ノズル部を覆い、かつ、前記ノズル部の前記端面に対して前記燃焼室側に突出するように配置されたヒータと、
を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記ヒータは、空隙を介して前記ノズル部を覆っている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料噴射装置に関し、より詳細には、内燃機関に搭載され、燃料噴射ノズルを加熱可能なヒータを備える燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、内燃機関の燃料噴射ノズル（燃料噴射弁）が開示されている。この燃料噴射ノズルは、燃料を噴射する噴孔部と、当該噴孔部に近いノズル部とを有するノズルボディを備えている。そして、ノズルボディを覆うようにヒータが設けられている。より詳細には、ヒータは、上記のノズル部の外周を覆うように設けられているが、当該ノズル部の端面よりも燃焼室内に突出するようには形成されていない。すなわち、ヒータは、噴孔部の周囲には及んでいない。また、ヒータは、ノズルボディ（燃料噴射弁本体）の線膨張量と、ノズルボディ内部のノズルニードル（弁体）の線膨張量との差を大きくして噴射率を高めるために作動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８１３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
着火雰囲気温度が低い条件下での燃焼安定性（例えば、低温始動性）の向上のために、燃料噴射ノズルにより噴射される燃料をヒータによって加熱することが考えられる。このような目的でヒータを備える場合には、燃焼安定性を効果的に向上させられるようにヒータを配置することが望まれる。また、ヒータの配置は、燃料噴射ノズルの耐熱性にも考慮して決定されることが望まれる。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、燃料噴射ノズルを加熱可能なヒータを利用して、燃料噴射ノズルの耐熱性への影響を低減しつつ燃焼安定性を効果的に向上させられるようにした燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料噴射装置は、燃料噴射ノズルと、ヒータとを備えている。燃料噴射ノズルはノズルボディを備える。ノズルボディは、内燃機関の燃焼室に近い側の端部に形成されたノズル部と、前記ノズル部の端面から前記燃焼室の側に突出するように形成された噴孔部とを含む。ヒータは、前記ノズル部を覆い、かつ、前記ノズル部の前記端面に対して前記燃焼室側に突出するように配置されている。
【０００７】
また、前記ヒータは、空隙を介して前記ノズル部を覆っていてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ヒータは、燃料噴射ノズルのノズル部を覆い、かつ、ノズル部の端面に対して燃焼室側に突出するように配置されている。これにより、ヒータを利用して、燃料噴射ノズル（ノズル部）の先端の加熱、及びノズル部内の燃料の加熱を行うことができるだけでなく、燃焼室内の燃料噴霧付近のガスの加熱も行うことができる。そして、ノズル部の端面に対して燃焼室側に突出しているヒータの部分については、ノズル部に対しては熱を与えにくく、噴孔から噴射された燃料噴霧付近のガスに対しては熱を与え易いといえる。したがって、このため、ヒータの当該部分の利用により、燃料噴射ノズルの耐熱性への影響を低減しつつ、燃料噴霧付近のガスへの熱の供給を促進できるといえる。以上のように、本発明によれば、ヒータを利用して、燃料噴射ノズルの耐熱性への影響を低減しつつ燃焼安定性を効果的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料噴射装置の構成例を説明するための図である。
【図２】図１に示す燃料噴射ノズル周りの要部の構成を表した図である。
【図３】噴霧境界のガス温度Ｔと、ヒータと噴霧軸Ｌ２との距離Ｄとの関係を表したグラフである。
【図４】エンジン停止後の結露防止のためのヒータの通電制御を説明するためのタイムチャートである。
【図５】ヒータを備えない燃料噴射ノズルの課題を説明するための図である。
【図６】図４に示すヒータの通電制御が実行された燃料噴射ノズルに関する図である。
【図７】ヒータへの通電によるエンジン停止後の結露防止効果について説明するためのグラフである。
【図８】本発明に係る燃料噴射装置が備えるヒータ形状の他の例を説明するための図である。
【図９】本発明に係る燃料噴射装置が備えるヒータ形状の他の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１１】
１．燃料噴射装置の構成例
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料噴射装置１０の構成例を説明するための図である。図２は、図１に示す燃料噴射ノズル１２周りの要部の構成を表した図である。直線Ｌ１は、燃料噴射ノズル１２の中心軸に相当する。
【００１２】
図１は、燃料噴射装置１０が搭載される内燃機関１の燃焼室２周りの構成を示している。内燃機関１は、圧縮着火エンジン（例えば、ディーゼルエンジン）である。燃焼室２は、シリンダヘッド３の下面とピストン４の頂面とシリンダライナ５の壁面とによって形成されている。シリンダヘッド３には、燃焼室２に連通する貫通孔６が形成されている。燃料噴射ノズル１２は、貫通孔６に挿入される。
【００１３】
本実施形態の燃料噴射装置１０は、燃料噴射ノズル１２と、ヒータ１４とを備えている。図１、２に示すように、燃料噴射ノズル１２は、ノズルニードル１６を収容するノズルボディ１８を備えている。ノズルボディ１８は、略円筒形状に形成されている。ノズルボディ１８は、ノズル部１８ａと噴孔部１８ｂとを含む。
【００１４】
ノズル部１８ａは、燃焼室２に近い側におけるノズルボディ１８の端部において円筒形状に形成されている。噴孔部１８ｂは、ノズル部１８ａの端面１８ａ１から燃焼室２の側に突出するように構成されており、燃料が噴射する噴孔２０を備えている。より詳細には、図示省略するピエゾ式又はソレノイド式のアクチュエータによってノズルニードル１６がノズルボディ１８のシート部１８ｃから離れると、図２に示すように、ノズルボディ１８の内部の高圧の燃料が噴孔２０を介して燃焼室２内に噴射される。付け加えると、図２では、１つの噴孔２０しか図示されていないが、噴孔部１８ｂには、噴孔２０以外にも複数の噴孔が形成されている。燃料は、これらの複数の噴孔から燃料噴射ノズル１２の中心軸Ｌ１を中心として放射状に噴射される。
【００１５】
ヒータ１４は、ヒータホルダ２２によって保持されている。ヒータ１４には、ヒータ１４に通電するためのリード線２４が接続されている。ヒータ１４は、リード線２４を介して供給されて電力によって加熱する。ヒータ１４は、基本的にノズル部１８ａを覆うように形成されている。そのうえで、本実施形態の燃料噴射装置１０は、ヒータ１４の配置部位に特徴を有している。
【００１６】
具体的には、ヒータ１４は、円筒形状に形成され、ノズル部１８ａとシリンダヘッド３の貫通孔６との間に介在し、燃焼室２に近い側の部位においてノズル部１８ａを覆っている。そして、ヒータ１４は、ノズル部１８ａの端面１８ａ１に対して燃焼室２側に突出するように配置されている。その結果、ヒータ１４の燃焼室２側の端部は、図２に示すように、噴孔２０から噴射された燃料噴霧に近接している。
【００１７】
さらに、ヒータ１４は、図２に示すように、空隙Ｇを介してノズル部１８ａを覆っている。より詳細には、ヒータ１４への通電は、着火雰囲気温度が低い条件下での燃焼安定性（例えば、低温始動性）の向上のために行われる。また、ヒータ１４への通電は、図４〜６を参照して後述のように、エンジン停止後に筒内残留ガスが結露することによる燃料噴射ノズル１２の腐食を抑制するためにも実行される。ヒータ１４の最高出力は、前者の燃焼安定性向上の目的で通電が行われる時に使用される。上記の空隙Ｇは、ヒータ１４の最高出力時であっても燃料噴射ノズル１２の温度がその耐熱温度を上回らないようにするために必要な幅を有している。
【００１８】
なお、ヒータ１４の外周とシリンダヘッド３の貫通孔６との隙間を通過して筒内ガスがシリンダヘッド３の外部に漏れるのを防止するために、ヒータホルダ２２の燃焼室２側の表面とシリンダヘッド３との隙間が、ガスケット２６によってシールされている。また、ノズル部１８ａとヒータ１４の内周との隙間を通過して筒内ガスが漏れるのを防止するために、ヒータホルダ２２の非燃焼室側の表面とノズルボディ１８を覆うハウジング２８との隙間が、ガスケット３０によってシールされている。さらに、燃料噴射ノズル１２の制御及びヒータ１４の制御は、それぞれ、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３２によって行われる。
【００１９】
次に、図３は、噴霧境界のガス温度Ｔと、ヒータ１４と噴霧軸Ｌ２との距離Ｄとの関係を表したグラフである。燃料噴射装置１０によれば、ピストン４が図１に示すように上昇している時の高温高圧場に対して燃料噴射ノズル１２を用いて燃料が噴射される。そして、その燃料の噴霧が着火に至ることで燃焼が行われる。ここで、ヒータ１４（の燃焼室２側の端部）と噴霧軸Ｌ２（図２参照）との距離Ｄが短いほど、ヒータ１４による燃料噴霧付近のガスの加熱が促進される。このため、図３に示すように、噴霧境界のガス温度Ｔ（図２参照）は、上記の距離Ｄが短いほど高くなる。
【００２０】
そこで、本実施形態では、図３に示す関係に基づいて噴霧境界のガス温度Ｔを燃料の着火温度（例えば、７００Ｋ）よりも高くできる距離Ｄが得られるように、ヒータ１４の燃焼室２側への突出量が決定されている。
【００２１】
図４は、エンジン停止後の結露防止のためのヒータ１４の通電制御を説明するためのタイムチャートである。図５は、ヒータを備えない燃料噴射ノズルの課題を説明するための図である。図６は、図４に示すヒータ１４の通電制御が実行された燃料噴射ノズル１２に関する図である。
【００２２】
低温下での排気ガス規制の強化により、窒素酸化物ＮＯｘ低減のために要求されるＥＧＲガスの導入量が増加している。このことは、イグニッションスイッチ（ＩＧ）オフに伴うエンジン停止後の筒内残留ガスの露点Ｔｄの上昇に繋がる。エンジン停止後（又は、その後の低エンジン水温化での半暖機運転時など）にノズル温度Ｔｎ（ノズル部１８ａの温度）が残留ガスの露点Ｔｄを下回ると、残留ガスに曝されている燃料噴射ノズル１２の先端部（ノズル部１８ａ及び噴孔部１８ｂ）において、酸性ガスが結露する。その結果、燃料噴射ノズル１２に腐食が発生する可能性がある。
【００２３】
より詳細には、エンジン停止後にヒータ１４への通電が行われない場合には、図４中に破線で示すように、ノズル温度Ｔｎが残留ガスの露点Ｔｄを下回り、その結果、図５に示すヒータを有しない燃料噴射ノズルの例のように、燃料噴射ノズルの先端部に結露が発生する可能性がある。
【００２４】
そこで、本実施形態では、このような結露の発生防止のために、エンジン停止前からエンジン停止後に及ぶ所定期間にわたってヒータ１４への通電を実行してノズル部１８ａの加熱が行われる。すなわち、図４中に実線で示すように、エンジン停止後に露点Ｔｄを下回らないようにするために必要な電力がヒータ１４に投入される。その結果、燃料噴射ノズル１２の先端部における結露の発生（図５参照）、及びこれに伴う腐食の発生を抑制できる。
【００２５】
３．効果
以上説明した燃料噴射ノズル１２とヒータ１４とを備える燃料噴射装置１０によれば、燃焼安定性を向上させたい場合には、ヒータ１４への通電が行われる。上述のように、ヒータ１４は、ノズル部１８ａを覆い、かつ、ノズル部１８ａの端面１８ａ１に対して燃焼室２側に突出するように配置されている。これにより、ヒータ１４を利用して、燃料噴射ノズル１２（ノズル部１８ａ）の先端の加熱、及びノズル部１８ａ内の燃料の加熱を行うことができるだけでなく、燃焼室２内の燃料噴霧付近のガスの加熱も行うことができる。そして、ノズル部１８ａの端面１８ａ１に対して燃焼室２側に突出しているヒータ１４の部分については、ノズル部１８ａに対しては熱を与えにくく、噴孔２０から噴射された燃料噴霧付近のガスに対しては熱を与え易いといえる。このため、ヒータ１４の当該部分の利用により、燃料噴射ノズル１２の耐熱性への影響を低減しつつ、燃料噴霧付近のガスへの熱の供給を促進できるといえる。このように、本実施形態の燃料噴射装置１０によれば、ヒータ１４を利用して、燃料噴射ノズル１２の耐熱性への影響を低減しつつ燃焼安定性を効果的に向上させることができる。
【００２６】
さらに付け加えると、従来のグロープラグを備える内燃機関では、グロープラグの近くを通過する燃料噴霧以外の燃料噴霧に対して熱を効果的に供給することは難しい。これに対し、本実施形態によれば、噴孔２０を含む複数の噴孔から放射状に噴射される燃料噴霧のそれぞれに対して円筒形状のヒータ１４から熱を供給できるので、高い着火性促進効果を期待できる。
【００２７】
また、ヒータ１４とノズル部１８ａとの間には、空隙Ｇ（図２参照）が設けられている。空隙Ｇの存在は、ヒータ１４からノズル部１８ａへの熱伝達の抑制に繋がる。このため、このような空隙Ｇが両者の間に設けられない例と比べて、ヒータ１４の出力が高められた際のヒータ１４によるノズル部１８ａの過熱を抑制できる。すなわち、空隙Ｇを設けることにより、燃料噴射ノズル１２の耐熱性を良好に確保しつつ、燃焼安定性を向上させられる。
【００２８】
より詳細には、本実施形態では、空隙Ｇは、ヒータ１４の最高出力時においても燃料噴射ノズル１２の温度がその耐熱温度を上回らないようにするために必要な幅を有している。このため、ヒータ最高出力時にヒータ１４をグロープラグとして機能させることで燃焼安定性を高めつつ、燃料噴射ノズル１２の耐熱性を良好に確保できる。付け加えると、空隙Ｇにより、ヒータ１４による過熱に起因してノズル部１８ａや噴孔部１８ｂにデポジットが生成されることを抑制しつつ燃焼安定性を高められる。
【００２９】
また、本実施形態では、図３に示す関係に基づいて噴霧境界のガス温度Ｔを燃料の着火温度よりも高くできる距離Ｄが得られるように、ヒータ１４の燃焼室２側への突出量が決定されている。これにより、グロープラグとしての機能をヒータ１４に好適に持たせることが可能となる。
【００３０】
次に、図７は、ヒータ１４への通電によるエンジン停止後の結露防止効果について説明するためのグラフである。より詳細には、図７は、エンジン始動後に所定期間にわたってアイドリング運転を行った後にエンジン停止を行った場合のノズル温度Ｔｎの推移を、ヒータ１４への通電の有無によって比較した図である。
【００３１】
図７に示すように、ノズル温度Ｔｎは、ヒータ１４への通電の有無に関係なく、エンジン始動と同時に内燃機関１の燃焼により生じた熱の影響で上昇し始める。その後に内燃機関１が停止すると、図４を参照して既述したように、ノズル温度Ｔｎは低下していく。そのうえで、図７に示すように、ヒータ１４への通電なしの場合のノズル温度Ｔｎに対する、ヒータ１４への通電ありの場合のノズル温度Ｔｎの差は、アイドリング運転時間の経過とともに拡大していく。このため、ヒータ１４への通電ありの例では、エンジン停止後にノズル温度Ｔｎが低下しても露点Ｔｄを下回らずに済んでいる。したがって、本実施形態によれば、図７に示す例のように、燃料噴射ノズル１２の先端部における結露の発生及びこれに伴う腐食の発生を抑制できる。
【００３２】
付け加えると、本実施形態の燃料噴射装置１０によれば、結露防止の機能とグロープラグの機能とをヒータ１４で両立できるので、低コスト化を図りつつ、燃焼安定性を促進できる。
【００３３】
４．ヒータ形状の他の例
図８は、本発明に係る燃料噴射装置が備えるヒータ形状の他の例を説明するための図である。図８に示すヒータ３４の基本形状は、図１に示すヒータ１４と同様に円筒形状である。そのうえで、ヒータ３４の燃焼室２側の端部には、図８（Ａ）〜８（Ｃ）の各図に示されるように、複数の切欠き３４ａが設けられている。
【００３４】
より詳細には、これらの複数の切欠き３４ａは、燃料噴射ノズルの各噴孔からの燃料噴霧を避けるように（ヒータ３４が燃料噴霧に直接接触しないように）櫛歯状に形成されている。付け加えると、複数の切欠き３４ａは、図８（Ｃ）に示すように、燃料噴射ノズルの各噴孔からの燃料噴霧の進行方向と交わる位置に設けられている。その結果、各噴孔からの燃料噴霧は、切欠き３４ａの内部を通過しながら進行するようになる。このような構成によれば、切欠き３４ａを有しないヒータ１４と比べて燃焼室２側にヒータ３４をより大きく突出させつつ、燃料噴霧を避けるようにすることができる。このため、ヒータ３４を燃料噴霧により近づけられる（つまり、燃料噴霧への熱の伝達を促進できる）ようになるので、ヒータ３４による燃料噴霧付近のガスの加熱をより効果的に促進できるようになる。
【００３５】
図９は、本発明に係る燃料噴射装置が備えるヒータ形状の他の例を説明するための図である。図９に示すヒータ３６の基本形状は、図１に示すヒータ１４と同様に円筒形状である。そのうえで、ヒータ３６は、複数の切欠き３４ａに代え、切欠き３４ａと同様の目的を有する複数の貫通孔３６ａを備えている点において、図８に示すヒータ３４と相違している。
【００３６】
より詳細には、複数の貫通孔３６ａは、図９（Ｂ）に示すように、燃料噴霧がその内部を通過する噴霧孔として機能する。このように形成されたヒータ３６によっても、貫通孔３６ａを有しないヒータ１４と比べて、燃料噴霧を避けつつヒータ３６を燃料噴霧により近づける（つまり、燃料噴霧への熱の伝達を促進させる）ことができる。このため、ヒータ３６による燃料噴霧付近のガスの加熱をより効果的に促進できるようになる。
【００３７】
５．空隙を有しない燃料噴射装置の例
上述した実施の形態においては、ノズル部１８ａとヒータ１４との間に空隙Ｇ（図２参照）を有する燃料噴射装置１０の例が挙げられた。しかしながら、本発明に係る「燃料噴射装置」は、「燃料噴射ノズルのノズル部を覆い、かつ、当該ノズル部における噴孔部側の端面に対して燃焼室側に突出するように配置されたヒータ」を備えている限り、空隙Ｇのような空隙を、必ずしもヒータとノズル部との間に備えていなくてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  内燃機関
２  燃焼室
３  シリンダヘッド
４  ピストン
５  シリンダライナ
６  シリンダヘッドの貫通孔
１０  燃料噴射装置
１２  燃料噴射ノズル
１４、３４、３６  ヒータ
１６  ノズルニードル
１８  ノズルボディ
１８ａ  ノズルボディのノズル部
１８ａ１  ノズル部の端面
１８ｂ  ノズルボディの噴孔部
１８ｃ  シート部
２０  噴孔
２２  ヒータホルダ
２４  リード線
２６、３０  ガスケット
２８  ハウジング
３２  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３４ａ  ヒータの切欠き
３６ａ  ヒータの貫通孔
【図１】
2020105940.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020105940.tif 000009
【図８】
2020105940.tif 000010
【図９】
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