(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射ノズルであって、
上記燃焼室に臨む先端部を有するとともに、この先端部に上記燃焼室に開口する燃料の噴射孔が形成された金属製のノズルボデーと、
上記ノズルボデーの先端部に設置され、上記ノズルボデーとは異種の金属からなる導電体と、を具備し、
上記導電体は、上記ノズルボデーとの温度差によって生じる熱起電力に基づいて上記燃焼室の燃焼温度を検出するとともに、上記噴射孔の近傍において上記ノズルボデーの周方向に連続するリング状をなしていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項２】
請求項１の記載において、上記導電体は、実際の燃焼室の燃焼温度に基づいて失火を含む異常燃焼を検出することを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項３】
請求項１の記載において、上記導電体は、導線を介してノズルボデーの外部のコントローラに接続され、このコントローラで上記導電体を介して検出された実際の熱起電力の値と、予め燃焼温度に対応して設定された熱起電力の閾値とを比較することで、失火を含む異常燃焼の有無を判断することを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項４】
請求項１の記載において、上記導電体は、その燃焼室に露出される部分の表面が凹凸状に形成されているとともに、この導電体と上記ノズルボデーとの間に、熱起電力を発生させるに充分な接触部位を残して断熱材を介在させたことを特徴とする燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズルに係り、特にそのノズルボデーを利用して失火を含む異常燃焼を検出するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンの排ガス規制に対応するため、排ガスを取り扱う装置に自己診断機能を付与することが求められており、この診断項目の一つにエンジンの失火検出が含まれている。
【０００３】
この失火を検出する装置として、従来、「特開昭５７−７９２２６号公報」に見られるように、燃焼室から排出される燃焼ガスの温度を常時監視し、この燃焼ガスの温度に基づいて失火を含む異常燃焼の有無を検出するようにしたものが知られている。この従来の検出装置では、燃焼室に連なる排気ポートと排気管との接続部に温度センサが取り付けられている。温度センサは、燃焼ガスの排気経路に露出された感温部を有し、この感温部で燃焼室から排出される燃焼ガスの温度を直接検知することにより、エンジンに失火が生じたか否かについての検出を行っている。
【０００４】
また、その他の従来例として、例えば「特開平５−３０６６６４号公報」に示されるように、燃焼室に装着される燃料噴射ノズルを利用して異常燃焼を検知するようにしたものが知られている。
【０００５】
この従来の燃料噴射ノズルは、燃焼室に臨むノズルボデーを有し、このノズルボデーの内部にニードルと一体に移動する磁石と、この磁石と向かい合うサーチコイルとが収容されている。磁石は、その温度が予め設定されたキューリー点に達した時に、磁束密度が急激に低下するような特性を有しており、これにより磁石とサーチコイルとの間に生じる隙間の大小に拘わらず、磁石とサーチコイルとの間に形成される磁気回路が遮断されるようになっている。
【０００６】
したがって、異常燃焼が生じて燃焼室に臨むノズルボデーが高温に過熱されると、この熱がノズルボデーを介して磁石に伝わり、この磁石の温度がキューリー点を上回る。これにより、サーチコイルとの間の磁気回路が遮断されて、このサーチコイルの出力電圧が予め設定された基準電圧に到達することができなくなり、この出力電圧の低下に基づいて異常燃焼の発生を検出するようになっている。
【０００７】
なお、この他の例として、従来、燃焼時に発生するイオンの流れを測定することにより、エンジンの失火やノックを検出するようにした点火システムが提案されている。例えばSAEペーパ1999-01-0204においては、噴射装置の誘導コイルによって燃焼時のイオンの流れを検出し、エンジン運転中に失火が生じたか否かについての検出を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃焼室から排出される燃焼ガスの温度に基づいて失火を検出する従来の検出装置では、各気筒の排気経路に温度センサを設置しているので、気筒数に対応した数の温度センサが必要となる。このため、気筒数が多くなる程、数多くの温度センサを準備しなくてはならず、部品点数が多くなる。
【０００９】
しかも、温度センサは、排気管又はシリンダヘッドに形成した取付孔に組み付けられているので、これら排気管やシリンダヘッドに専用の取付孔を開けたり、これら取付孔に温度センサを一つ一つ組み付けていく作業を必要とする。このため、気筒数が多くなる程、排気管やシリンダヘッドに対する加工工数および温度センサの組み付け工数が増大し、上記部品点数が増大することと合わせて、製造コストが高くなるといった問題がある。
【００１０】
これに対し、燃料噴射ノズルを利用して燃焼ガスの温度を検出すれば、専用の温度センサやその取り付け構造が不要となり、コスト的な面で有利な構成となる。
【００１１】
しかしながら、上記従来の燃焼噴射ノズルでは、燃焼ガスの温度をノズルボデーからニードル、ピンおよび接着剤を介して間接的に磁石に伝えることにより異常燃焼を検出しているので、この燃焼ガスの温度を直接検出することができない。このため、燃焼ガスの温度変化に対する応答性の面で問題があり、燃料噴射ノズルが過度に加熱された状態が継続するような異常燃焼の検出は可能であるが、失火のような短期的な異常燃焼を精度良く検出することはできない。
【００１２】
また、燃焼時に発生するイオンの流れから失火を検出すれば、格別な温度検出手段を不要としつつ、応答性も確保することができる。しかしながら、燃焼時に発生するイオンが非常に微弱であるために、イオンの流れが少ない低負荷運転域での検出感度が非常に悪くなる。このため、特に燃焼状態が不安定となる低負荷運転域において、失火検出の信頼性が低下するといった問題が生じてくる。
【００１３】
本発明は、このような事情にもとづいてなされたもので、燃焼室の燃焼温度を検出するに当っての応答性および感度を十分に確保でき、失火を含む異常燃焼の検出を精度良く行えるとともに、構造簡単で性能劣化も少なく、かつ安価な燃料噴射ノズルの提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係る燃料噴射ノズルは、
ディーゼルエンジンの燃焼室に臨む先端部を有するとともに、この先端部に上記燃焼室に開口する燃料の噴射孔が形成された金属製のノズルボデーと、
上記ノズルボデーの先端部に設置され、上記ノズルボデーとは異種の金属からなる導電体と、を備えており、
上記導電体は、上記ノズルボデーとの温度差によって生じる熱起電力に基づいて上記燃焼室の燃焼温度を検出するとともに、上記噴射孔の近傍において上記ノズルボデーの周方向に連続するリング状をなしていることを特徴としている。
【００１９】
このような構成において、燃焼室への燃料噴射に引き続いてこの燃焼室内で燃焼が開始されると、燃焼室に臨むノズルボデーの先端部とここに設置された導電体とが加熱される。この加熱により、ノズルボデーと導電体との接触部分の温度差に基づいて燃焼温度に相当するような熱起電力が発生する。すなわち、導電体がノズルボデーと協働して熱電対を構成するので、この熱電対により検出された熱起電力の大きさに基づいて燃焼状態に異常があるか否かを検出することができる。
【００２０】
この際、上記導電体は、燃焼室に臨んでいるので、この燃焼室の燃焼温度を直接検出することができ、失火を含む異常燃焼が生じたか否かを精度良く検出することができる。それとともに、導電体が燃焼室内の燃焼ガスに直接さらされるので、燃焼温度の変動に対する応答性が高くなり、失火のような短期的な温度変化にも確実に対処できる。しかも、熱電対といった単純な構成であるため、燃焼生成物の付着による検出能力の低下等の性能劣化は少なく、燃焼温度を長期に亘って安定して検出することができる。
【００２１】
また、この構成によれば、ノズルボデーを利用して燃焼温度の検出が可能となるから、燃焼温度検出用の格別な温度センサやこの温度センサを取り付ける構造が不要となる。そのため、部品点数を削減できるとともに、温度センサの組み付けに要する手間を省け、製造コストの低減が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第１の実施の形態を、４サイクルディーゼルエンジンに適用した図１ないし図６にもとづいて説明する。
【００２３】
図１において、符号１はシリンダブロック、２はシリンダヘッドを夫々示している。シリンダブロック１は、ピストン３が収容されたシリンダ１ａを有し、このピストン３の頂面に燃焼室４を構成する凹所５が形成されている。シリンダヘッド２は、吸気バルブ６によって開閉される吸気ポート７と、排気バルブ８によって開閉される排気ポート９とを有している。これら吸気ポート７および排気ポート９は、燃焼室４に連なっている。
【００２４】
図１および図２に示すように、シリンダヘッド２には、ノズル装着孔１０が形成されている。ノズル装着孔１０は、燃焼室４に向けて開口された小径な連通口１０ａを有し、このノズル装着孔１０に本発明に係る燃料噴射ノズル１５が取り付けられている。
【００２５】
燃料噴射ノズル１５は、ノズルホルダ１６と、このノズルホルダ１６にリテーニングナット１７を介して同軸状に連結されたノズルボデー１８とを備えている。ノズルホルダ１６は、燃料パイプ１９を介して燃料噴射ポンプ２０に連なっており、このノズルホルダ１６の内部の燃料通路（図示せず）に燃料噴射ポンプ２０で加圧された燃料が供給されるようになっている。
【００２６】
ノズルボデー１８は、例えばステンレス合金にて構成されている。このノズルボデー１８は、図２に示すように、大径部１８ａと、この大径部１８ａに同軸状に連なる小径部１８ｂとを有する段付き円筒状をなしている。ノズルボデー１８の大径部１８ａは、リテーニングナット１７の内側に収められている。小径部１８ｂは、リテーニングナット１７を貫通して上記連通口１０ａに導入されている。小径部１８ｂは、先細り状に尖る先端部２１を有し、この先端部２１が連通口１０ａを通じて燃焼室４に突出されている。
【００２７】
ノズルボデー１８の内部には、ガイド孔２３が同軸状に形成されている。ガイド孔２３は、大径部１８ａから小径部１８ｂに亘って連続して形成されており、このガイド孔２３の途中に燃料供給路２４が接続されている。この燃料供給路２４は、上記燃料通路を介して燃料噴射ポンプ２０に連なっている。
【００２８】
ガイド孔２３の終端は、先細り状に尖る弁座面２３ａをなしている。この弁座面２３ａは、上記小径部１８ｂの先端部２１の内側に位置されている。また、小径部１８ｂの先端部２１には、複数の噴射孔２５が形成されている。これら噴射孔２５は、燃焼室４に連なるとともに、上記弁座面２３ａに開口されている。
【００２９】
ガイド孔２３には、ニードル２７が軸方向に摺動可能に精度良く嵌合されている。ニードル２７は、小径部１８ｂの内側を貫通する部分の径がガイド孔２３の内径よりも小さく定められており、このニードル２７の外周面とガイド孔２３の内面との間に、燃料を噴射孔２５に導くための隙間２８が形成されている。
【００３０】
ニードル２７は、弁座面２３ａに接離可能なシール部２９を有している。このニードル２７は、シール部２９が弁座面２３ａに接する閉じ位置と、シール部２９が弁座面２３ａから離脱する開き位置とに亘って軸方向に往復移動されるようになっている。このため、ニードル２７が開き位置に移動されると、噴射孔２５が開かれ、隙間２８に充填された燃料が噴射孔２５を通じて燃焼室４に噴射される。
【００３１】
なお、ニードル２７のシール部２９とは反対側の端部は、プレッシャピン３０に接している。このプレッシャピン３０は、図示しないリターンスプリングを介して上記ニードル２７を常に閉じ位置に向けて付勢している。
【００３２】
図２ないし図４に示すように、燃焼室４に臨むノズルボデー１８の先端部２１には、金属素子としての電極３３が設置されている。電極３３は、例えば銅のような上記ノズルボデー１８とは異種の金属材料からなる導電体にて構成されている。この電極３３は、銅をノズルボデー１８の先端部２１の外周面にメッキしたり、あるいは銅の薄板を圧着することにより構成され、上記噴射孔２５の近傍において、先端部２１の周方向に連続するようなリング状をなしている。
【００３３】
このため、燃焼室４に臨むノズルボデー１８の先端部２１が燃焼ガスの熱影響を受けて加熱されると、ノズルボデー１８と電極３３との接続部分の温度差によって熱起電力が発生するようになっている。したがって、電極３３とノズルボデー１８の先端部２１とは、互いに協働して熱電対を構成している。
【００３４】
図４に示すように、ノズルボデー１８の大径部１８ａの端面には、第１および第２の接続端子３４ａ，３４ｂが配置されている。第１の接続端子３４ａは、絶縁体３５を介して大径部１８ａに支持されており、この大径部１８ａに対し電気的に絶縁されている。第２の接続端子３４ｂは、大径部１８ａに支持されており、この大径部１８ａと電気的に導通されている。
【００３５】
上記電極３３は、導線３６を介して第１の接続端子３４ａに接続されている。導線３６は、電極３３と同種の金属材料、あるいは電極３３との間で熱起電力を発生し難いような金属材料、換言すれば上記熱電対と近似の熱起電力を有する金属材料を用いることが望ましい。この導線３６は、ノズルボデー１８の外周面のガイド溝３７を通して配線されている。ガイド溝３７は、ノズルボデー１８の軸方向に沿って延びており、このガイド溝３７の内部に上記導線３６が電気的に絶縁された状態で固定されている。
【００３６】
ノズルボデー１８の第１および第２の接続端子３４ａ，３４ｂは、ノズルボデー１８とノズルホルダ１６とを互いに連結した時に、このノズルホルダ１６のコネクタを介してリード線３８（図１に示す）に接続されるようになっている。リード線３８は、ノズルホルダ１６の内部をノズルボデー１８とは遠ざかる方向に配線された後、このノズルホルダ１６の外部に引き出されている。そして、このリード線３８は、図５に示すコントローラ４０に接続されており、このコントローラ４０によって上記燃料噴射ポンプ２０の動作が制御されるようになっている。
【００３７】
このことから、ノズルボデー１８の先端部２１と電極３３との接触部分に生じた熱起電力は、燃焼室４内の燃焼ガスの燃焼温度を示す信号として上記導線３６およびリード線３８を介してコントローラ４０に入力される。
【００３８】
コントローラ４０は、ノズルボデー１８および電極３３を介して検出された実際の熱起電力と、予め燃焼温度に対応して設定された熱起電力の閾値とを比較することで、失火を含む異常燃焼の有無を判断するためのものである。
【００３９】
すなわち、コントローラ４０は、上記リード線３８にＡ／Ｄ変換器４１を介して接続された比較器４２と、失火の判断基準となる熱起電力の閾値を設定するための閾値可変機構４３とを備えている。閾値可変機構４３は、エンジンの運転状況（燃料の噴射条件）に応じた燃焼温度に基づく熱起電力の閾値を予め設定するためのもので、本実施の形態においては、アイドリング運転域を含む低負荷低回転時のように燃焼温度が低い領域での熱起電力の閾値と、エンジンを低温状態で運転した時の燃焼温度に応じた熱起電力の閾値と、エンジンを高温状態で運転した時の燃焼温度に応じた熱起電力の閾値とが予め設定されている。
【００４０】
図６は、アイドリング運転域を含む低負荷低回転運転時において、ノズルボデー１８によって検出された実際の熱起電力Ｖ1と、閾値可変機構４３に設定された熱起電力の閾値Ｔとの関係を開示している。
【００４１】
この図６から明らかなように、ノズルボデー１８で検出された実際の熱起電力Ｖ1を示す信号がコントローラ４０に入力されると、比較器４２は、指定された噴射条件での熱起電力の閾値Ｔと、入力された実際の熱起電力Ｖ1とを比較する。そして、熱起電力Ｖ1が閾値Ｔを上回っていれば、図６の（Ｂ）に示すように着火フラグを出力し、逆に熱起電力Ｖ1が閾値Ｔに達しない場合は、図６の（Ａ）に示すように着火フラグを断って、失火を検出するようになっている。そして、この失火が検出されると、この検出信号が燃料噴射ポンプ２０に出力され、この燃料噴射ポンプ２０は上記検出信号に基づいて燃料の噴射時期を進角側に制御する。
【００４２】
このような構成のディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射ポンプ２０で加圧された燃料は、燃料パイプ１９からノズルホルダ１６および燃料供給路２４を介してノズルボデー１８の隙間２８に供給される。この隙間２８に供給された燃料の圧力がニードル２７を閉じ位置に付勢するリターンスプリングの付勢力に打ち勝つと、ニードル２７が閉じ位置から開き位置に向けてリフトされ、噴射孔２５が開かれる。このため、図１に破線で示すように、隙間２８に充填された燃料が噴射孔２５を通じて燃焼室４に噴射され、引き続き行われる着火爆発により燃焼が開始される。
【００４３】
燃焼によって生じた燃焼ガスは、燃焼室４内で燃え広がるので、燃焼室４に臨んでいるノズルボデー１８の先端部２１が高温の燃焼ガスに直接さらされる。これにより、加熱されたノズルボデー１８の先端部と、ここに設置された電極３３との接触部分に燃焼温度に相当するような熱起電力Ｖ1が発生する。この熱起電力Ｖ1は、コントローラ４０の比較器４２において閾値Ｔと比較される。そして、熱起電力Ｖ1が閾値Ｔに達しない時に、その時の噴射条件での燃焼温度が低すぎると判断されて、失火が検出される。
【００４４】
ところで、上記構成の燃料噴射ノズル１５によると、ノズルボデー１８の先端部２１と協働して熱電対を構成する電極３３は、このノズルボデー１８の先端部２１と共に燃焼室４に臨んでいる。このため、燃焼室４の燃焼温度を直接検出することができ、エンジン運転中に失火が生じたか否かを精度良く検出することができる。
【００４５】
加えて、温度検出用の電極３３が燃焼室４内の燃焼ガスに直接さらされるので、燃焼温度の変動に対する応答性が向上し、失火のような短期的な温度変化を確実に検出することができる。しかも、電極３３は、ノズルボデー１８と協働して単純な熱電対を構成しているにすぎないので、燃焼に伴う生成物の付着による検出能力の低下等の性能劣化は極僅かに抑えられ、燃焼室４の燃焼温度を長期に亘り安定して検出することができる。
【００４６】
その上、燃料噴射ノズル１５の電極３３は、アイドリング運転域を含む低負荷低回転運転時ばかりでなく、エンジンを低温状態で運転した時およびエンジンを高温状態で運転した時においても、その時の燃焼温度に比例する実際の熱起電力Ｖ1を出力する。この熱起電力Ｖ1を示す信号は、コントローラ４０においてエンジンを低温状態で運転した時の熱起電力の閾値Ｔ又はエンジンを高温で運転した時の熱起電力の閾値Ｔと比較される。
【００４７】
このため、燃焼室４の燃焼温度に基づいて、この燃焼温度と比例関係にある燃料噴射ノズル１５の作動温度が適正範囲内にあるか否かを検出することができる。よって、例えばノズルボデー１８が過熱された状態での燃料噴射ノズル１５の連続作動による耐摩耗性の低下あるいはノズルボデー１８の温度が適正範囲に達しない状態での燃料噴射ノズル１５の連続作動による金属腐食等を未然に防止することができ、燃料噴射ノズル１５の作動の信頼性を高めることができる。
【００４８】
また、この燃料噴射ノズル１５によれば、ノズルボデー１８を利用して燃焼室４の燃焼温度を直接検出できるので、燃焼温度検出用の格別な温度センサが不要となる。それとともに、シリンダヘッド２あるいは排気ポート９に連なる排気管に温度センサを取り付ける孔を開ける工程が不要となるとともに、この孔に温度センサを組み付ける手間も省くことができ、上記温度センサが不要となることと合わせて製造コストを低減できるといった利点がある。
【００４９】
なお、本発明は上記第１の実施の形態に特定されるものではなく、図７に本発明の第２の実施の形態を示す。
【００５０】
この第２の実施の形態は、主に電極５１回りの構成が上記第１の実施の形態と相違しており、それ以外の燃料噴射ノズル１５の基本的な構成は、第１の実施の形態と同様である。
【００５１】
すなわち、図７に示すように、電極５１は、その燃焼室４に露出される部分５１ａの肉厚が厚く形成されている。そして、この部分５１ａの表面には、周方向に沿う複数の溝５２が形成されており、これら溝５２は、ノズルホルダ１８の軸方向に間隔を存して配置されている。このため、溝５２の存在により電極５１の表面が凹凸状となって表面積が増加しており、この電極５１と燃焼ガスとの接触面積が充分に確保されている。
【００５２】
また、電極５１とノズルホルダ１８との間には、熱起電力を発生させるに充分な接触部位５３を残して断熱材５４が介在されている。断熱材５４は、例えば断熱性能に優れたセラミックスにて構成されており、この断熱材５４の存在により電極５１とノズルボデー１８との接触面積が必要最小限に抑えられている。
【００５３】
このような構成によると、電極５１の表面に複数の溝５２を形成することで、この電極５１と燃焼ガスとの接触面積を大きくしたので、電極５１の温度上昇が速やかに行われる。しかも、電極５１とノズルボデー１８との間には、断熱性に優れた断熱材５４が介在されているので、ノズルボデー１８の先端部２１が燃焼ガスの熱影響を受けた時に、電極５１とノズルボデー１８との間に生じる温度差が大きくなる。
【００５４】
このため、温度差に相当する大きさの熱起電力が確実に発生し、その分、燃焼温度の変動に対する応答性が向上して、失火のような短期的な燃焼温度の変動をより精度良く検出することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、燃焼室の燃焼温度を直接検出できるので、エンジン運転中に失火を含む異常燃焼が生じたか否かの検出精度を高めることができる。それとともに、検出素子としての導電体が燃焼ガスに直接さらされるので、燃焼温度の変動に対する応答性が向上し、失火のような短期的な温度変化を確実に検出することができる。
【００５６】
しかも、導電体は、ノズルボデーと協働して単純な熱電対を構成しているにすぎないので、燃焼に伴う生成物の付着による検出能力の低下等の性能劣化は極僅かに抑えられ、燃焼室の燃焼温度を長期に亘り安定して検出することができる。
【００５７】
また、ノズルボデーを利用して燃焼室の燃焼温度を検出できるので、燃焼温度検出用の格別な温度センサが不要となるとともに、その取り付け構造や取り付けの手間を省くことができ、その分、燃焼室回りの構造が簡略化されて、製造コストを低減できるといった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンの断面図。
【図２】シリンダヘッドに取り付けられたノズルボデーの断面図。
【図３】ノズルボデーの先端部を拡大して示す断面図。
【図４】電極を有するノズルボデーの斜視図。
【図５】燃料噴射の制御系統を概略的に示す図。
【図６】（Ａ）は、失火時の熱起電力の閾値Ｔと実際の熱起電力Ｖ1との関係を示す特性図。（Ｂ）は、着火時の熱起電力の閾値Ｔと実際の熱起電力Ｖ1との関係を示す特性図。
【図７】本発明の第２の実施の形態において、電極を有するノズルボデーの先端部を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
４…燃焼室、１５…燃料噴射ノズル、１８…ノズルボデー、２１…先端部、２５…噴射孔、３３，５１…導電体（電極）。
【図１】
0004310857.tif 000002
【図２】
0004310857.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004310857.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004310857.tif 000007
【図７】
0004310857.tif 000008