(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内と第１連通路を介して連通された空気室と、該空気室と第２連通路を介して連通された混合気室と、前記第１連通路に介装された遮断弁と、前記第２連通路に介装され、前記空気室から前記混合気室に向かう流れを許容する逆止弁と、前記空気室と前記混合気室との間に介装され、前記空気室に臨む端面が前記混合気室に臨む端面より大きい昇圧用ピストンと、該昇圧用ピストンを前記空気室方向へ付勢するバネ部材と、前記混合気室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記混合気室内の混合気を筒内に噴射するための噴射口を開閉するバルブ部材と、を含んで構成される内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項２】
前記逆止弁が開弁するときの前記空気室と前記混合気室との圧力差をΔＰａ、前記昇圧用ピストンが前記バネ部材に抗して前記混合気室方向に移動を開始するときの前記空気室と前記混合気室との圧力差をΔＰｂとすると、
ΔＰｂ＞ΔＰａに設定したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項３】
前記遮断弁は、筒内圧力が上昇を開始した後所定値に達したときに閉弁することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項４】
前記遮断弁を燃焼後期或いは燃焼後における所定時期に開弁し、前記空気室内のガスを筒内に送り込むように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項５】
前記遮断弁を早くとも次のサイクルの吸気行程における所定時期まで閉弁するとともに、前記所定時期までに前記バルブ部材を開弁駆動して、前記空気室内のガスを筒内に送り込むように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項６】
前記遮断弁はソレノイドによって閉弁駆動され、その磁気回路におけるエアギャップの縮小方向に筒内圧力を作用させたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項７】
前記バルブ部材はソレノイドによって駆動され、そのコイル及び磁気回路の一部を前記遮断弁において共有する構造としたことを特徴とする請求項１〜請求項６記載のいずれか１つに内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【請求項８】
前記昇圧用ピストンの前記空気室に臨む端面と反対側の面のうち前記混合気室に臨む端面以外の部分と対向する背圧室を、内燃機関の吸気通路に連通させたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の混合気噴射インジェクター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と加圧空気とを予め混合して燃料の気化が促進された混合気を筒内に噴射する内燃機関の混合気噴射インジェクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の混合気噴射インジェクターは、圧縮行程において加圧及び加熱された筒内ガスを内部に導入した後、導入されたガスに対して燃料を噴射することにより燃料の気化を促進してから、この混合気を次のサイクルにおいて筒内に噴射するように構成されていた（ＳＡＥ論文ＳＡＥ９６０４６５参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、混合気は筒内ガスの導入前に噴射されるため、筒内ガスを導入する上死点付近の筒内圧力が高い時期において噴射することができなかった。従って、混合気の噴射時期及び点火時期が進角されることとなり、燃費の改善効果が低いという問題があった。
【０００４】
かかる実情に鑑み、本発明は、上死点付近における混合気の噴射を簡易な構成により可能とし、燃費の改善効果をより高めることができる内燃機関の混合気噴射インジェクターを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、筒内と第１連通路を介して連通された空気室と、該空気室と第２連通路を介して連通された混合気室と、前記第１連通路に介装された遮断弁と、前記第２連通路に介装され、前記空気室から前記混合気室に向かう流れを許容する逆止弁と、前記空気室と前記混合気室との間に介装され、前記空気室に臨む端面が前記混合気室に臨む端面より大きい昇圧用ピストンと、該昇圧用ピストンを前記空気室方向へ付勢するバネ部材と、前記混合気室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記混合気室内の混合気を筒内に噴射するための噴射口を開閉するバルブ部材と、を含んで構成される。
【０００６】
かかる構成によれば、前記第１連通路を介して前記空気室内に導入された筒内ガスの一部は、前記逆止弁が開弁されると、前記第２連通路を介して前記混合気室内に導入される。一方、筒内圧力の上昇に伴って空気室内圧力が上昇し、前記空気室と前記混合気室との圧力差が所定値に達すると、前記昇圧用ピストンが前記バネ部材に抗して前記混合気室方向に移動を開始し、前記混合気室内の混合気が圧縮される。
【０００７】
請求項２に係る発明では、前記逆止弁が開弁するときの前記空気室と前記混合気室との圧力差をΔＰａ、前記昇圧用ピストンが前記バネ部材に抗して前記混合気室方向に移動を開始するときの前記空気室と前記混合気室との圧力差をΔＰｂとしたときに、ΔＰｂ＞ΔＰａとなるように設定した。即ち、筒内圧力が上昇して前記昇圧用ピストンが前記混合気室方向に移動を開始する前に前記逆止弁が開弁して、筒内ガスが前記混合気室内に導入されるように構成するのである。
【０００８】
請求項３に係る発明では、前記遮断弁を、筒内圧力が上昇を開始した後所定値に達したときに閉弁するように構成した。
請求項４に係る発明では、前記遮断弁を燃焼後期或いは燃焼後における所定時期に開弁し、前記空気室内のガスを筒内に送り込むように構成した。
【０００９】
請求項５に係る発明では、前記遮断弁を早くとも次のサイクルの吸気行程における所定時期まで閉弁する一方、前記所定時期までに前記バルブ部材を開弁駆動して、前記空気室内のガスを筒内に送り込むように構成した。
【００１０】
請求項６に係る発明では、前記遮断弁をソレノイドによって閉弁駆動するように構成し、このソレノイドの磁気回路におけるエアギャップの縮小方向に筒内圧力を作用させた。
【００１１】
請求項７に係る発明では、前記バルブ部材をソレノイドによって駆動することとし、このソレノイドのコイル及び磁気回路の一部を前記遮断弁において共有する構造とした。即ち、前記遮断弁に形成されるエアギャップを、前記ソレノイドを構成するコイルに通電したときに発生する磁束の一部に配置して、前記ソレノイドにより前記バルブ部材の他前記遮断弁をも開閉するのである。
【００１２】
請求項８に係る発明では、前記昇圧用ピストンの前記空気室に臨む端面と反対側の面のうち前記混合気室に臨む端面以外の部分と対向する背圧室を、内燃機関の吸気通路に連通させた。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、昇圧用ピストンを用いて混合気室内のガスを圧縮可能としたことにより、筒内ガスの導入を上死点付近の筒内圧力が高い時期に行わなくても燃料の気化を十分に促進することができるため、混合気を上死点付近においても噴射することができる。また、筒内圧力を利用して昇圧用ピストンを駆動するように構成したので、構造も簡易である。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、昇圧用ピストンの混合気室方向へ向かう移動開始前に筒内ガスが混合気室内に導入開始されることで、混合気室内の混合気が圧縮されて逆止弁が閉弁するまでに、より多量の筒内ガスを混合気室内に導入することができるため、混合気室内圧力を高くすることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、空気室内圧力の過度な上昇を防ぐことができるため、装置の大型化、冷却損失の増大などの問題の発生を回避することができる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、筒内に送り込まれたガスにより筒内が加圧されるため、ポンピングロスを低減することができる。
請求項５に係る発明によれば、吸気行程において空気室内のガスが混合気室を介して筒内に送り込まれるため、高負荷時のように燃料噴射量の多い場合には、圧縮行程と吸気行程とに分けて混合気を噴射することで、噴射空気量を多くすることができる。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、ソレノイドを作動する遮断弁の閉弁時にはソレノイドにより生成される電磁力の他筒内圧力も作用するため、コイルヘの供給電力を低減することができる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、遮断弁とバルブ部材とを共通のコイルを用いて開閉できるため、遮断弁に専用のソレノイドを形成する必要がなく、装置を小型化することができる。
【００１９】
請求項８に係る発明によれば、背圧室に負圧が発生し、混合気室方向に向かって移動する昇圧用ピストンが補助されるという効果がある。また、混合気室内から昇圧用ピストンの摺動部を介して洩れた混合気が吸気通路内へ誘導されるため、燃料の大気ヘの放出を回避することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の混合気噴射インジェクターＩの構成を示している。混合気噴射インジェクターＩは、破線で示す燃焼室の略中央部に各気筒毎に設けられ、後述する噴射口１を形成する突部２が燃焼室内に配置するようにシリンダヘッドに搭載される。
【００２１】
この突部２の外側面に開口部を形成する第１連通路３は、ハウジングＨの略中央部に配置される空気室４の上端部に接続して、空気室４と筒内とを連通しており、途中に介装される遮断弁５により開閉される。遮断弁５は、図示しない遮断弁制御用コイルに通電したときに吸着面５ａとハウジングＨとの間に形成されるエアギャップを縮小するように駆動され、図示のごとく第１連通路３を閉じるように構成されている。
【００２２】
また、第１連通路３は、遮断弁５より上流側で分岐しており、一方の通路３ａが、空気室４への連通路を形成する。他方の通路３ｂは、遮断弁５が挿入される挿入空間に通じ、該挿入空間のうち遮断弁５の吸着面５ａと反対側の端面に対向する部分に臨む開口部を形成して、前記挿入空間と筒内との連通路を形成する。
【００２３】
空気室４は、その上端部に開口部を形成する第２連通路６を介して、空気室４より燃焼室側に形成される混合気室７の下端部に連通されている。第２連通路６の途中には逆止弁８が介装され、空気室４から混合気室７に向かう流れが許容される。
【００２４】
また、空気室４は、その水平方向断面積が混合気室７の水平方向断面積より大きくなるように形成されており、空気室４と混合気室７との間に、一方の端部が拡径された略円筒状の昇圧用ピストン９が介装されている。
【００２５】
昇圧用ピストン９は、小径側の円筒部９ａが混合気室７を形成するハウジング内側面１０内に摺動自在に挿入されており、大径側の円筒部９ｂが空気室４を形成するハウジング内側面１１と摺動する。ここに、昇圧用ピストン９の空気室４に臨む端面と反対側の面のうち混合気室７に臨む端面以外の部分と、小径側の円筒部９ａの外側面と、ハウジング内側面１１との間に、背圧室１２が形成される。背圧室１２は、その下側部分に開口部を形成する図示しない連通路を介して、スロットル弁（図示せず）の下流側における吸気通路の一部に連通される。
【００２６】
また、背圧室１２には、昇圧用ピストン９を空気室４方向へ付勢するバネ部材としてのリターンスプリング１３が配置されている。リターンスプリング１３の弾性力は、逆止弁８が開弁するときの空気室４と混合気室７との圧力差をΔＰａ、昇圧用ピストン９がリターンスプリング１３に抗して混合気室７方向に移動を開始するときの空気室４と混合気室７との圧力差をΔＰｂとしたときに、ΔＰｂ＞ΔＰａとなるように設定されている。
【００２７】
混合気室７から下方に延伸する混合気通路１４は、その先端部が拡径されて噴射口１を形成し、噴射口１を開閉するバルブ部材としてのポペット型の噴射バルブ１５が介装されている。噴射バルブ１５は、弁軸部１５ａが昇圧用ピストン９及びハウジングＨの一部を貫通して上下に延伸しており、弁頭部１５ｂと反対側の端部に可動子１６が形成されて、ハウジングＨと一体に形成される略円形状のコア１７の周囲に設けられる噴射弁制御用コイル１８に通電して発生する電磁力により開弁駆動される。
【００２８】
また、噴射バルブ１５に対しては、これを閉弁方向に付勢するリターンスプリング１９が設けられ、噴射弁制御用コイル１８への通電を遮断したときに噴射口１が閉じるように構成されている。
【００２９】
ところで、燃料は、燃料タンク２１から燃料ポンプ２２により圧送され、圧力制御弁２３により規定圧力に調圧された後、燃料噴射弁２４により混合気室７内に噴射される。
【００３０】
燃料噴射弁２４は、例えば図２（Ａ）に示すように、ハウジングＨを外部から貫通して形成される貫通孔３１内に挿入されて、混合気室７に臨んで配置されるか、或いは、混合気室７と外部とを連通する連通孔４１内に挿入される燃料用配管４２の一方の端部に取り付けられて、ハウジングＨの外部に配置される。ここで、燃料用配管４２の混合気室７に臨む端部には逆止弁４３が配設され、燃料の燃料噴射弁２４から混合気室７に向かう流れが許容される。
【００３１】
次に混合気噴射インジェクターＩの作用を説明する。
まず、図３及び図４を参照して低負荷時及び中負荷時の説明をする。図３において実線、一点鎖線及び破線は、それぞれ筒内圧力Ｐcy、空気室内圧力Ｐac及び混合気室内圧力Ｐmcを示しており、縦軸に圧力Ｐを、また横軸に圧縮上死点位置を０deg とするクランク角を示している。
【００３２】
また、図３はクランク角について４つの期間Ａ〜Ｄに分類されており、各期間における混合気噴射インジェクターＩの作用を、それぞれ図４（Ａ）〜（Ｄ）に示している。
【００３３】
期間Ａの初期には、逆止弁８は閉弁されており、昇圧用ピストン９は空気室４の最小容積位置に配置されている。これに対し、遮断弁５は期間Ａを通して常に開弁されており、筒内ガスが筒内圧力Ｐcyの上昇に伴って空気室４内に導入される。
【００３４】
ここで、期間Ａの後半時期においてまず逆止弁８が開弁されて筒内ガスが混合気室７内に導入開始される（θ＝θ１）。続いて、筒内圧力Ｐcyが更に上昇し、空気室内圧力Ｐacと混合気室内圧力Ｐmcとの差が所定値に達したときに、昇圧用ピストン９が混合気室７方向に移動を開始して、混合気の圧縮を開始する（θ＝θ２）。
【００３５】
期間Ｂでは、混合気室内圧力Ｐmcが上昇して逆止弁８が閉弁され（θ＝θ３）、混合気室７内の混合気が急速に圧縮されて、燃料の気化が十分に促進される。このとき、昇圧用ピストン９を構成する小径側の円筒部９ａの外側面とハウジング内側面１０との間から混合気が背圧室１２に洩れたとしても、洩れた混合気は吸気通路内へ誘導される。
【００３６】
期間Ｂの後半時期には、噴射弁制御用コイル１８に通電して噴射口１から混合気を筒内に噴射し（θ＝θ４）、噴射後通電を遮断して噴射口１を閉じる（θ＝θ５）。このとき、昇圧用ピストン９は混合気室７の最小容積位置に停止する。
【００３７】
期間Ｃでは、筒内圧力が所定値に達したときに遮断弁制御用コイル５１に通電して遮断弁５を閉じてから（θ＝θ６）、噴射された混合気を燃焼させる。期間Ｃにおいて昇圧用ピストン９は、混合気室７の最小容積位置を維持する。
【００３８】
期間Ｄでは、燃焼後期或いは燃焼後における所定時期に遮断弁制御用コイル５１への通電を遮断して遮断弁５を開く（θ＝θ７）。このことにより、空気室４内のガスが第１連通路３を介して筒内に送り込まれ、昇圧用ピストン９が空気室４の最小容積位置まで戻される。
【００３９】
また、期間Ｄでは、燃料噴射弁から燃料用配管４２を介した燃料が混合気室７内に噴射され、次のサイクルにおいて同様にして燃料の気化が促進された混合気が筒内に噴射される。
【００４０】
次に、図５及び図６を参照して高負荷時などの燃料噴射量が多い場合の説明をする。この場合には、圧縮行程の他吸気行程においても混合気が噴射される。図５における各圧力線及び各軸は、それぞれ図３と同様のものを示している。また、図５はクランク角について６つの期間に分類されており、これらのうちＡ〜Ｃは、前記の低負荷時及び中負荷時の場合と同様に作用する期間を示している。
【００４１】
そこで、以下にＥ〜Ｇの各期間における混合気噴射インジェクターＩの作用を説明することとし、期間Ｅ〜Ｇにおける作用を、それぞれ図６（Ｅ）〜（Ｇ）に示す。
【００４２】
期間Ｅでは、期間Ｃから引き続き遮断弁制御用コイル５１に通電し、遮断弁５を閉じた状態で混合気室７内に燃料を噴射する。昇圧用ピストン９は燃料噴射後期間Ｆの終期までは混合気室７の最小容積位置を維持しており、混合気室７内は高圧に維持されているため、期間Ｆの終期までに燃料の気化が十分に促進される。
【００４３】
期間Ｇでは、噴射弁制御用コイル１８に通電して噴射口１から混合気を筒内に噴射する（θ＝θ８）。このとき、混合気室内圧力Ｐmcが低下して逆止弁８が開弁されると、空気室４内のガスが第２連通路６を介して混合気室７内に流れ込み、昇圧用ピストン９が空気室４方向へ移動する。混合気室７内に流れ込んだガスは、混合気を形成して筒内に噴射される。
【００４４】
混合気噴射後、噴射弁制御用コイル１８への通電を遮断して噴射口１を閉じると同時に、遮断弁制御用コイル５１への通電をも遮断して、遮断弁５を開弁させる（θ＝θ９）。このとき、昇圧用ピストン９は空気室４の最小容積位置に停止する。
【００４５】
続く期間Ａでは、混合気室７内に燃料が噴射される一方、筒内ガスが筒内圧力Ｐcyの上昇に伴って空気室４内に、延いては混合気室７内に導入され、期間Ｂの終期までに燃料の気化が十分に促進されて混合気が筒内に噴射される。さらに期間Ｃでは、遮断弁制御用コイル５１に通電して遮断弁５を閉じ、噴射された混合気を燃焼させる。
【００４６】
このように混合気噴射インジェクターＩによれば、筒内ガスの導入を上死点付近の筒内圧力が高い時期に行わなくても、燃料の気化が十分に促進された混合気を、上死点付近において噴射することができる。また、高負荷時のように燃料噴射量の多い場合には、圧縮行程と吸気行程とに分けて混合気を噴射することで、噴射空気量を多くすることができる。
【００４７】
図７に本発明の他の実施の形態に係る混合気噴射インジェクターＩ’の構成を示す。この混合気噴射インジェクターＩ’は、遮断弁５を制御するソレノイドを、噴射バルブ１５を制御するソレノイドと共有した構成としている。即ち、遮断弁５に専用のコイルは設けず、遮断弁５の吸着面５ａとハウジングＨとの間に形成されるエアギャップを、噴射弁制御用コイル１８に通電して発生する磁束の一部に配置している。
【００４８】
また、ハウジングＨと一体に形成されるコアは、可動子１６の吸着面１６ａとの間にエアギャップを形成する略円弧状の第１コア７１ａと、可動子１６の一部を切り欠き、可動子１６の略上端部位置まで延伸させた第２コア７１ｂとから構成される。ここで、吸着面１６ａと第１コア７１ａとの間のエアギャップが大きく形成されており、吸着面１６ａに吸引力を発生する磁束Ｊ１が形成されにくいときでも、第２コア７１ｂを磁束が通過して、吸着面５ａに遮断弁５を閉じるのに十分な吸引力を発生する磁束Ｊ２が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る混合気噴射インジェクターの構成図
【図２】燃料噴射弁の設置方法を説明する図
【図３】圧縮行程噴射のみを行う場合の圧力変動を示す図
【図４】圧縮行程噴射のみを行う場合の混合気噴射インジェクターの動作を説明する図
【図５】圧縮行程噴射及び吸入行程噴射を行う場合の圧力変動を示す図
【図６】圧縮行程噴射及び吸入行程噴射を行う場合の混合気噴射インジェクターの動作を説明する図
【図７】本発明の他の実施形態に係る混合気噴射インジェクターの構成図
【符号の説明】
Ｉ  混合気噴射インジェクター
Ｈ  ハウジング
Ｊ  磁束
１  噴射口
３  第１連通路
４  空気室
５  遮断弁
６  第２連通路
７  混合気室
８  逆止弁
９  昇圧用ピストン
１２  背圧室
１３  リターンスプリング
１５  噴射バルブ
１６  可動子
１７  コア
１８  噴射弁制御用コイル
２４  燃料噴射弁
５１  遮断弁制御用コイル
７１ａ  第１コア
７１ｂ  第２コア
【図１】
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【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】
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