特開 2023-142635 燃料噴射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023142635

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】燃料噴射装置

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/02 20060101AFI20230928BHJP

   F02M 61/16 20060101ALI20230928BHJP

   F02M 61/18 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

F02M21/02 G

F02M61/16 K

F02M61/16 M

F02M61/18 350Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022049629

(22)【出願日】2022-03-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005463

【氏名又は名称】日野自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100130052

【弁理士】

【氏名又は名称】大阪 弘一

(72)【発明者】

【氏名】小野 元昭

【テーマコード（参考）】

3G066

【Ｆターム（参考）】

3G066AA07

3G066AB02

3G066AB05

3G066BA46

3G066CA21

(57)【要約】

【課題】耐久性を向上可能な燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射装置１は、エンジン１００の燃焼室１０６に向けて水素ガスを含む燃料Ｆを噴射する燃料噴射装置１であって、燃料Ｆの噴射孔２１ｐが開口する第１表面２１ｓを有する弁座部（本体２、先端部２１）と、第１表面２１ｓに対向する第２表面３１ｓを有し、第１表面２１ｓと第２表面３１ｓとの距離が変化するように駆動されることにより噴射孔２１ｐの開閉を行うための弁体（ニードル３、バルブ部３１）と、第１表面２１ｓと第２表面３１ｓとの間に介在し、噴射孔２１ｐの閉状態において第１表面２１ｓ及び第２表面３１ｓに接触することにより噴射孔２１ｐをシールするシール部材５０と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンの燃焼室に向けて水素ガスを含む燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
前記燃料の噴射孔が開口する第１表面を有する弁座部と、
前記第１表面に対向する第２表面を有し、前記第１表面と前記第２表面との距離が変化するように駆動されることにより前記噴射孔の開閉を行うための弁体と、
前記第１表面と前記第２表面との間に介在し、前記噴射孔の閉状態において前記第１表面及び前記第２表面に接触することにより前記噴射孔をシールするシール部材と、
を備える燃料噴射装置。

【請求項2】

前記シール部材は、カーボンナノチューブを含む、
請求項１に記載の燃料噴射装置。

【請求項3】

前記シール部材は、前記第１表面に設けられている、
請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料噴射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置が記載されている。この燃料噴射装置では、ノズルボディの内部にノズルニードルが軸方向に移動可能に収容されている。ノズルボディには、ノズルニードルの先端部が着座する弁座が形成されている。ノズルボディの先端部には、複数の燃料噴射孔が形成されている。この燃料噴射装置では、コモンレールから供給された高圧の補助燃料が、ノズルボディの内部に貯留され、ノズルニードルの移動により、燃料噴射孔を通じてエンジンの燃焼室に噴射される。また、ノズルニードルが弁座に着座するとき、ノズルニードルが弁孔を閉じ、燃料供給部と燃料噴射孔とが遮断される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８-１９３９７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のように、従来の燃料噴射装置では、ノズルニードルの先端である弁体が、ノズルボディの弁座に開口する燃料噴射孔の開閉を行う。このため、弁体及び弁座に摩耗が生じる。特に、エンジンでは、例えば数十ＭＰａといった高圧下での燃料噴射が求められるため、弁体の弁座への押し付け力が強くなる。さらに、燃料が水素ガスである場合には、燃料が軽油やガソリンである場合と比較して、弁体と弁座との間に潤滑剤（軽油やガソリン）が介在しない。この結果、弁体及び弁座の摩耗が顕著となり、運転時間の制限となる。換言すれば、高圧下における燃料噴射装置の耐久性の向上が望まれている。

【0005】

本開示は、耐久性を向上可能な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】

本開示に係る燃料噴射装置は、エンジンの燃焼室に向けて水素ガスを含む燃料を噴射する燃料噴射装置であって、燃料の噴射孔が開口する第１表面を有する弁座部と、第１表面に対向する第２表面を有し、第１表面と第２表面との距離が変化するように駆動されることにより噴射孔の開閉を行うための弁体と、第１表面と第２表面との間に介在し、噴射孔の閉状態において第１表面及び第２表面に接触することにより噴射孔をシールするシール部材と、を備える。

【0007】

この燃料噴射装置では、弁座部における噴射孔が開口する第１表面と、弁体における当該第１表面に対向する第２表面との間に、シール部材が介在されている。このため、弁体が噴射孔を閉状態とした場合には、弁座部の第１表面と弁体の第２表面に該シール部材が接触し、噴射孔がシールされる。したがって、噴射孔が確実に封じられると共に、弁体及び弁座部の摩耗が抑制される。このように、この燃料噴射装置によれば、高圧下（エンジンの燃焼室に燃料を噴射する場合）において、耐久性が向上される。

【0008】

本開示に係る燃料噴射装置では、シール部材は、カーボンナノチューブを含んでもよい。この場合、弁体及び弁座部の摩耗をより確実に抑制して耐久性を向上可能である。

【0009】

本開示に係る燃料噴射装置では、シール部材は、第１表面に設けられていてもよい。この場合、耐久性の向上に際して、駆動部分である弁体の重量増加が避けられる。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、耐久性を向上可能な燃料噴射装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、一実施形態に係るエンジンの一部を示す模式的な断面図である。

【図2】図２は、図１に示されたインジェクタを示す概略断面図である。

【図3】図３は、図１に示されたインジェクタを示す概略断面図である。

【図4】図４は、図２の要部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して一実施形態に係る燃料噴射装置について説明する。なお、各図において、同一の要素又は相当する要素には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0013】

図１は、一実施形態に係るエンジンの一部を示す模式的な断面図である。図１に示されるように、エンジン１００は、例えば車両に搭載されている。エンジン１００は、シリンダブロック１０２と、シリンダブロック１０２の上側に配置されたシリンダヘッド１０３と、シリンダブロック１０２に圧入された複数（図１では１つのみ図示）のシリンダライナ１０４と、シリンダライナ１０４内に往復昇降可能に配置されたピストン１０５と、を備えている。シリンダヘッド１０３とシリンダライナ１０４とピストン１０５とで囲まれる空間は、燃焼室１０６を画成している。

【0014】

シリンダヘッド１０３には、燃焼室１０６と連通された吸気ポート１０７及び排気ポート１０８が設けられている。吸気ポート１０７は、吸気バルブ１０９により開閉される。排気ポート１０８は、排気バルブ１１０により開閉される。また、シリンダヘッド１０３には、燃焼室１０６に燃料を噴射する燃料噴射装置１が取り付けられている。

【0015】

図２及び図３は、図１に示された燃料噴射装置を示す概略断面図である。図４は、図２の要部拡大図である。図２～４に示される燃料噴射装置１は、エンジン１００の燃焼室１０６に燃料Ｆを噴射する装置である。燃料Ｆは、水素ガスを含む。一例として燃料Ｆは水素ガスである。この場合、エンジン１００は水素エンジンである。なお、図２では、燃料Ｆを噴射していない状態の燃料噴射装置１が示され、図３では、燃料Ｆを噴射している状態の燃料噴射装置１が示されている。

【0016】

燃料噴射装置１は、ニードル３を備えている。ニードル３は、本体２の内部に収容されている。ニードル３は、燃料Ｆを噴射孔２１ｐから噴射させるための弁体として機能する。ニードル３は、例えば、円柱状に形成される。本体２は、円筒状に形成され、ニードル３を軸方向に対し摺動可能に収容している。ニードル３は、先端側からバルブ部３１、拡径部３２及びピストン部３３を形成している。

【0017】

バルブ部３１は先端を先細りとした形状に形成され、その先端が弁体として機能する。バルブ部３１は、バルブ部３１より大きく形成される第一室２２に収容されている。拡径部３２は、バルブ部３１の基端側に形成され、バルブ部３１より拡径した形状となっている。拡径部３２は、第一室２２に収容されている。拡径部３２の外径は、第一室２２の内径と同じ又はほぼ同じ径とされている。拡径部３２の外周面と第一室２２の内周面の間に隙間ができないように、拡径部３２が形成されている。

【0018】

拡径部３２にはスプリング２３が掛止されている。スプリング２３は、本体２に反力をとってニードル３を先端側へ付勢する付勢部材である。拡径部３２の基端側には、ピストン部３３が形成されている。ピストン部３３は、円柱状に形成され、第二室２４に収容されている。ピストン部３３の外径は、第二室２４の内径と同じ又はほぼ同じ径とされている。ピストン部３３の外周面と第二室２４の内周面の間に隙間ができないように、ピストン部３３が形成されている。第二室２４には、制御室２４ａが形成されている。制御室２４ａは、第二室２４のうちピストン部３３の端面３３ａで区画される領域である。

【0019】

本体２には、燃料Ｆの供給路２６が形成されている。供給路２６は、本体２の外部から注入された燃料Ｆを本体２の先端側へ供給するための燃料供給路である。例えば、燃料Ｆは、図示しない燃料タンクからフィルタ、ポンプ及びコモンレールを介して燃料噴射装置１に供給され、高圧状態となっている。供給路２６は、途中で分岐しており、第一室２２及び制御室２４ａに連通している。

【0020】

本体２の先端部２１には、噴射孔２１ｐ及びサック部２１ａが形成されている。噴射孔２１ｐは、燃料噴射装置１から燃料Ｆを噴射させるための孔である。噴射孔２１ｐは、例えば複数形成される。サック部２１ａは、噴射孔２１ｐに連通する領域である。サック部２１ａ及び噴射孔２１ｐは、バルブ部３１の閉弁動作により第一室２２から遮断され、且つ、バルブ部３１の開弁動作により第一室２２と連通される。このように、本体２の先端部２１は、弁体としてのバルブ部３１と対を成す弁座部として機能する。

【0021】

本体２には、コントロールバルブ４が設けられている。コントロールバルブ４は、制御室２４ａの燃料Ｆの圧力を調整してニードル３を移動させる弁体である。コントロールバルブ４は、弁室２７に収容されている。弁室２７は、制御室２４ａと流出路２７ａを通じて連通している。コントロールバルブ４は、スプリング４１により付勢され、流出路２７ａの入り口に押し付けられている。弁室２７には、ソレノイド５が設けられている。

【0022】

ソレノイド５は、コントロールバルブ４を移動させる駆動部として機能する。ソレノイド５は、図示しない電子制御ユニットからの制御信号に従って作動する。ソレノイド５がオフ状態の場合、コントロールバルブ４は、閉弁状態である。つまり、コントロールバルブ４は、流出路２７ａの入り口を閉じている。一方、ソレノイド５がオン状態となった場合、コントロールバルブ４は、開弁状態となる。つまり、コントロールバルブ４は、スプリング４１の付勢に抗して流出路２７ａの入り口から離間し、流出路２７ａと弁室２７を連通させる。本体２には、リターン路２８が形成されている。リターン路２８は、弁室２７と連通している。リターン路２８は、供給路２６に流入した燃料Ｆのうちの一部を燃料タンクへ戻すための流路である。つまり、リターン路２８は、供給路２６に流入し、噴射孔２１ｐから噴射されなかった燃料Ｆを燃料タンクへ戻す。

【0023】

燃料Ｆの噴射前において、コントロールバルブ４により流出路２７ａが閉じられている。このため、制御室２４ａから弁室２７への燃料Ｆの流入はない。従って、制御室２４ａと第一室２２は、同じ圧力となっており、ニードル３は、スプリング２３の付勢により先端側へ移動し閉弁した状態となっている。

【0024】

このとき、ソレノイド５に制御信号が入力され、ソレノイド５が所定の時間だけオン状態となる。これにより、ソレノイド５が作動して、コントロールバルブ４がソレノイド５側へ移動する。つまり、コントロールバルブ４が流出路２７ａの入り口から離間し、流出路２７ａと弁室２７が連通する。このため、流出路２７ａを通じて制御室２４ａの燃料Ｆが弁室２７へ流れ込み、制御室２４ａの圧力が低減する。これにより、ニードル３が制御室２４ａ側へ移動し、バルブ部３１が第一室２２の壁面（後述する第１表面２１ｓ）から離間する。そして、燃料Ｆが第一室２２からサック部２１ａへ流入し、噴射孔２１ｐから噴射される。

【0025】

このように、燃料噴射装置１では、本体２及び本体２の先端部２１は、燃料Ｆの噴射孔２１ｐが開口する第１表面２１ｓを有する弁座部であり、ニードル３及びニードル３のバルブ部３１は、第１表面２１ｓに対向する第２表面３１ｓを有し、第１表面２１ｓと第２表面３１ｓとの距離が変化するように駆動されることにより、噴射孔２１ｐの開閉を行うための弁体である（図４参照）。

【0026】

第１表面２１ｓは、第一室２２の内壁面であり、第一室２２の先端に向かうにつれて縮小するテーパ状をなしている。ここでは、第１表面２１ｓは、その先端部が噴射孔２１ｐの形成により欠落された円錐状を呈している。換言すれば、ニードル３の軸方向（駆動方向）からみたとき、第１表面２１ｓの内縁によって噴射孔２１ｐの開口が画定される。

【0027】

第２表面３１ｓは、第一室２２内において第１表面２１ｓに略平行な部分を有するように形成されている。ここでは、第２表面３１ｓは、バルブ部３１の先端部３１ａの外表面であり、第一室２２の先端に向かうにつれて縮小するテーパ状をなしており、具体的には円錐状である。

【0028】

そして、第１表面２１ｓと第２表面３１ｓとの間には、シール部材５０が介在されている。ここでは、シール部材５０は、第１表面２１ｓに設けられている。シール部材５０は、ニードル３の軸方向からみて噴射孔２１ｐに通じるサック部２１ａの開口部を囲うように設けられている。シール部材５０は、カーボンナノチューブを含む。一例として、シール部材５０は、高温域まで粘弾性をもつ耐熱粘弾性カーボンナノチューブから構成されており、カーボンナノチューブ複合材料のシート又は塗膜である。

【0029】

このようなシール部材５０は、噴射孔２１ｐの閉状態（第２表面３１ｓが第１表面２１ｓに最近接した状態）において、第１表面２１ｓ及び第２表面３１ｓに接触することにより、サック部２１ａの開口部を囲ってシールすることにより、噴射孔２１ｐをシールする。したがって、燃料噴射装置１では、噴射孔２１ｐの閉状態においても、シール部材５０によって第１表面２１ｓと第２表面３１ｓとが直接接触することが避けられる。なお、第１表面２１ｓと第２表面３１ｓとの距離が拡大するようにニードル３が駆動され、噴射孔２１ｐが開状態とされるときには、シール部材５０は第１表面２１ｓ側に残存する（図３参照）。

【0030】

以上説明したように、燃料噴射装置１では、本体２の先端部２１（弁座部）における噴射孔２１ｐが開口する第１表面２１ｓと、ニードル３のバルブ部３１（弁体）における当該第１表面２１ｓに対向する第２表面３１ｓとの間に、シール部材５０が介在されている。このため、弁体が噴射孔２１ｐを閉状態とした場合には、弁座部の第１表面２１ｓと弁体の第２表面３１ｓに該シール部材５０が接触し、噴射孔２１ｐがシールされる。

【0031】

したがって、噴射孔２１ｐが確実に封じられると共に、弁体及び弁座部の摩耗が抑制される。したがって、燃料噴射装置１によれば、高圧雰囲気に燃料Ｆを噴射すべく噴射圧力の高圧化が可能となると共に、寿命が向上され耐久性が向上される。この結果、水素エンジンの高出力化、圧縮着火化、或いは水素噴流火花点火エンジン化等の実現が可能となり、冷却損失の低減、熱効率の向上が期待され、ひいては、幅広い分野への水素エンジンの普及が見込まれる。

【0032】

また、燃料噴射装置１では、シール部材５０は、カーボンナノチューブを含む。このため、弁体及び弁座部の摩耗をより確実に抑制して耐久性を向上可能である。

【0033】

さらに、燃料噴射装置１では、シール部材５０は、弁座部の第１表面２１ｓに設けられている。このため、上記のような効果を奏するに際して、駆動部分である弁体の重量増加が避けられる。

【0034】

以上の実施形態は、本開示の一側面を説明したものである。したがって、本開示は、上述した燃料噴射装置１に限定されることなく、任意に変形されえる。

【0035】

例えば、上記実施形態においては、シール部材５０が弁座部の第１表面２１ｓに設けられる場合について例示した。しかし、シール部材５０は、弁体の第２表面３１ｓに設けられていてもよいし、第１表面２１ｓ及び第２表面３１ｓの両方に設けられていてもよい。すなわち、シール部材５０は、噴射孔２１ｐの閉状態において、噴射孔２１ｐをシールするように第１表面２１ｓ及び第２表面３１ｓの少なくとも一方に設けられていればよい。

【0036】

また、シール部材５０の材料としては、カーボンナノチューブを含むものに限定されず、任意の材料を用いることが可能である。

【符号の説明】

【0037】

１…燃料噴射装置、２…本体（弁座部）、３…ニードル（弁体）、２１…先端部（弁座部）、２１ｓ…第１表面、２１ｐ…噴射孔、３１…バルブ部（弁体）、３１ｓ…第２表面、５０…シール部材、１００…エンジン、１０６…燃焼室、Ｆ…燃料。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】