JP2014196703A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズル１において、サック室の容量低減と噴霧貫徹力の向上とを両立させる。【解決手段】本発明のノズル１によれば、ニードル先端形状を構成する複数の円錐面２１ａ、２１ｂは、それぞれの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度がそれぞれ等しいもしくは先端側ほど小さい。また、最大リフト時において、ニードル２の軸方向の先端２１ｄが噴孔１１の入口１１ａよりも軸方向の先端側に位置する。このため、ニードル先端部が噴孔よりも先端側の空間に大きく突き出す構成となり、サック室の容量が低減できる。円錐面２１ａをサック壁面２５に近づけることが可能となるため、ニードル２とサック壁面２５との間で燃料流れを整流して噴孔入口に燃料流れを導くことができる。したがって、サック室内で旋回流が生じても噴孔入口付近の燃料流れに旋回流の影響が及ばなくなり、噴霧貫徹力が向上する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射ノズル（以下、略してノズルと呼ぶことがある。）に関する。

従来から、例えば、内燃機関に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁では、燃料を噴射するノズルと、このノズルを開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータとを備えるものが周知である。また、燃料噴射弁に用いられるノズル（燃料噴射ノズル）では、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備えるものが公知である。そして、このノズルは、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。

つまり、ノズルボディの内壁には、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着するシート位置が設けられ、さらに、シート位置よりも軸方向の先端側の内壁には、燃料の噴孔が複数開口している。そして、シート部がシート位置から離座することで、噴孔を通じてノズルボディの内周から外部に燃料が導かれて噴射される。

ところで、燃料噴射弁では、噴射された噴霧の態様が変動しないことが理想的とされている。そして、特に、噴霧態様の中でも、噴霧が空間を貫徹する能力（噴霧貫徹力）や噴射量が同一噴射時に個々の噴孔間で変動せず、さらに、同一噴孔でも、同一噴射条件が現れるたびに経時的に変動しないことが理想的とされている。そこで、ノズルボディの内周において、シート位置よりも軸方向の先端側に適切な容量を形成する空間としてサック室を設け、噴孔をサック室に開口させている。これにより、燃料は、シート部とシート位置との間を通ってサック室に流入した後、噴孔から噴射される。

ところで、ノズル閉弁後にサック室及び噴孔に残った燃料は未燃ガス（ＨＣ）の発生源となり得るため、サック室の容量はできるだけ小さい方が好ましい。
また、サック室の噴孔の開口よりも先端側の空間が大きい場合（例えば特許文献１参照）、シート部がシート位置から離座してシート部とシート位置との距離が最大となる最大リフト時において、サック室内で旋回流が生じて噴孔入口付近の燃料流れに旋回流の影響が及ぶことがわかった。噴孔入口付近の燃料流れに旋回流の影響が及ぶと、噴霧貫徹力が低下して、スモークの低減効果が薄れてしまう。

特開平８−１４４８９５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、サック室の容量低減と噴霧貫徹力の向上とを両立させることにある。

本発明の燃料噴射ノズルは、円筒状のノズルボディと、このノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備え、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。
そして、燃料噴射ノズルは、以下のシート位置、噴孔、ニードルの先端形状、および配置関係を備える。

シート位置は、ノズルボディの内壁の一部であり、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着する。
噴孔は、シート位置よりも軸方向の先端側でノズルボディの内壁に開口するとともに、ノズルボディの外壁に開口し、シート部がシート位置から離座することでノズルボディの内周から外部に燃料を導く。

ニードルのシート部より先端側の形状は、複数の異なる円錐面が先端から軸方向後端側に同軸に連続し、複数の円錐面は、それぞれの母線とニードルの軸との間に形成される角度がそれぞれ等しいもしくは先端側ほど小さい。

また、燃料噴射ノズルは、シート部がシート位置から離座してシート部とシート位置との距離が最大となる最大リフト時において、ニードルの軸方向の先端が噴孔の内壁における開口よりも軸方向の先端側に位置する配置関係を有する。

これによれば、ニードル先端部が噴孔よりも先端側の空間に大きく突き出す構成となるため、サック室の容量が低減できる。また、サック室の入口よりも先端側の空間を小さくできるため、空間での旋回流の発生を抑制できる。
また、本発明のニードル先端部の形状によれば、サック室を形成するノズルボディの内壁（サック壁面）にニードルの円錐面を近づけることが可能となるため、ニードルとサック壁面との間で燃料流れを整流して噴孔入口に燃料流れを導くことができる。したがって、サック室内で旋回流が生じても噴孔入口付近の燃料流れに旋回流の影響が及ばなくなり、噴霧貫徹力が向上する。

すなわち、燃料噴射ノズルにおいて、サック室の容量低減と噴霧貫徹力の向上とを両立させることができる。

燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である（実施例１）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（実施例１）。 従来例の問題点を説明する説明図である（従来例）。 本実施例の作用効果を説明する説明図である（実施例１）。 本実施例と従来例の噴霧貫徹力を比較する図である（従来例、実施例１）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（実施例１）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（比較例）。 本実施例と比較例の燃料噴射ノズルの作用効果について説明する説明図である（実施例１、比較例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（実施例２）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（変形例）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１と呼ぶ。）の構成を、図１〜図８を用いて説明する。
ノズル１は、開弁して燃料を噴射するものであり、ノズル１を開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータ（図示せず。）とともに燃料噴射弁を構成する。そして、燃料噴射弁は、例えば、内燃機関（図示せず。）に搭載され、１００ＭＰａを超える高圧の燃料を気筒内に直接噴射するために用いられる。

なお、アクチュエータは、例えば、ノズル１の弁体（後記するニードル２）に作用する背圧を増減して弁体を駆動するものであり、コイル（図示せず。）への通電により発生する磁気力を利用して背圧室（図示せず。）を開閉することで背圧を増減する。
そして、燃料噴射弁は、例えば、燃料を高圧化して吐出する燃料供給ポンプ（図示せず。）、および、燃料供給ポンプから吐出された燃料を高圧状態で蓄圧する蓄圧容器（図示せず。）とともに蓄圧式の燃料供給装置を構成し、蓄圧容器から高圧の燃料を分配されて気筒内に噴射する。

ノズル１は、図１に示すように、円筒状のノズルボディ３と、ノズルボディ３の内周に軸方向に移動可能となるように収容される弁体としてのニードル２とを備える。そして、ノズル１は、ニードル２がノズルボディ３の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。

ここで、ニードル２は、ノズルボディ３により軸方向に摺動自在に支持される摺動軸部２ａ、および、実質的に弁部として機能する円錐状の先端部２ｂを有し、摺動軸部２ａと先端部２ｂとの間は軸方向に長い円柱部２ｃをなす。
ノズルボディ３の内周は、軸方向に長い円筒状をなし先端が閉じられている。また、ノズルボディ３の内周の一部は、局部的に径方向に拡大され、噴射すべき燃料が一時的に溜まる燃料溜まり４をなす。

そして、ノズルボディ３の内周の内、燃料溜まり４の軸方向後端側の領域は、摺動軸部２ａを摺動自在に支持するための摺動孔５をなし、燃料溜まり４の軸方向先端側の領域は、先端部２ｂおよび円柱部２ｃを収容して円環筒状の燃料通路６を形成する。なお、ノズルボディ３には、蓄圧容器から受け入れた燃料を燃料溜まり４に導くための燃料通路７が、別途、燃料溜まり４に接続している。

また、ノズル１は、以下に示すシート位置１０と噴孔１１を備える。
まず、シート位置１０は、ノズルボディ３の内壁の一部であり、ニードル２の軸方向の先端近傍に設けられたシート部１３が離着する部分である。

ノズルボディ３の内壁は、以下の円錐面１５ａ、円筒面１５ｂおよび半球面１５ｃを有し、ノズルボディ３の内周先端を袋状に閉じている。
円錐面１５ａは、ノズルボディ３の軸βと同軸に設けられ、軸方向先端側ほど小径であって先端が円１７である。そして、円錐面１５ａ上のシート位置１０が存在している。

また、円筒面１５ｂは、軸βと同軸に設けられ、円１７と同径であって円１７から軸方向先端側に連続する。さらに、半球面１５ｃは、円筒面１５ｂと同径であり、軸方向先端側に凸を形成するように円筒面１５ｂに連続する。そして、シート位置１０よりも軸方向先端側の内周領域はサック室１９を形成している。

ここで、ニードル２の先端部２ｂの外周面は、３つの異なる円錐面２１ａ、２１ｂ、２１ｃが先端から軸方向後端側に同軸に連続するものである。そして、円錐面２１ｂは円錐面２１ｃよりも母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度が大きい。そして、円錐面２１ｂ、２１ｃ同士の交線２３は軸αに垂直な円であり、交線２３がシート部１３として機能し、シート位置１０は円形である。

噴孔１１は、シート位置１０よりも軸方向の先端側でノズルボディ３の内壁に開口するとともに、ノズルボディ３の外壁に開口し、シート部１３がシート位置１０から離座することでノズルボディ３の内周から外部に燃料を導く。つまり、シート部１３がシート位置１０から離座することで、シート部１３とシート位置１０との間に隙間が形成され、この隙間を通って燃料通路６から噴孔１１に燃料が導入されてノズルボディ３の外部に噴射される。

噴孔１１の入口１１ａはサック室１９を形成するノズルボディ３の内壁に開口している。具体的には、円筒面１５ｂに噴孔１１の入口１１ａが開口している。この噴孔１１の入口１１ａが開口した円筒面１５ｂをサック壁面２５と呼ぶ。そして、噴孔１１の出口１１ｂは、サック室１６を形成するノズルボディ３の外壁に開口している。

〔本実施例の特徴〕
本実施例のノズル１は、以下に説明するニードル２の先端形状と、最大リフト時の配置関係とを備える。

ニードル２の先端部２ｂのシート部１３より先端側の形状は、２つの異なる円錐面２１ａ、２１ｂが先端から軸方向後端側に同軸に連続し、円錐面２１ａ、２１ｂはそれぞれの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度が先端側ほど小さい。すなわち、円錐面２１ｂの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度θ１とし、円錐面２１ａの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度θ２とすると、
θ１＞θ２
の関係が成り立つ。

なお、円錐面２１ａを有するニードル２の先端は円錐台形状をしており、先端が平面２１ｄとなっている。

そして、燃料噴射ノズルは、シート部がシート位置から離座してシート部とシート位置との距離が最大となる最大リフト時において、ニードル２の軸方向の先端が入口１１ａよりも軸方向の先端側に位置する配置関係を備える。
すなわち、ノズルボディ３の軸β上において、最大リフト時の平面２１ｄの位置が入口１１ａよりも先端側に位置している。

〔本実施例の作用効果〕
本実施例の作用効果を図３〜８を用いて説明する。
まず、従来例のノズルＪついて、図３を用いて説明する。
従来例のノズルＪによれば、図３に示すように、ニードル２の先端部を形成する円錐面２１ａｊ、２１ｂｊは、それぞれの母線とニードルの軸αとの間に形成される角度が先端側ほど大きい。
そして、最大リフト時において、ニードル２の軸方向の先端が入口１１ａよりも後端側に位置している。

このため、従来例のノズルＪでは、サック室１９の容量が大きい。特に、サック室１９の入口１１ａよりも先端側の空間Ｓが大きくなっている。このため、サック室内に流入する燃料が空間Ｓに回り込んでから噴孔１１へ流入しようとする旋回流が生じやすくなる。噴孔入口付近の燃料流れに旋回流の影響が及ぶと、噴霧貫徹力が低下して、スモークの低減効果が薄れてしまう。

これに対して、本実施例のノズル１では、ニードル２の先端部２ｂが噴孔１１よりも先端側の空間に大きく突き出す構成となるため、サック室１９の容量が低減できる。また、サック室１９の入口１１ａよりも先端側の空間Ｓを小さくできるため、旋回流の発生を抑制できる。

また、円錐面２１ａをサック壁面２５に近づけて、円錐面２１ａと入口１１ａとの間の距離を狭くすることが可能となるため、ニードル２とサック壁面２５との間で燃料流れを整流して噴孔入口に燃料流れを導くことができる（図４参照）。
したがって、サック室内で旋回流が生じても噴孔入口付近の燃料流れに旋回流の影響が及ばなくなり、噴霧貫徹力が向上する。

すなわち、燃料噴射ノズルにおいて、サック室１９の容量低減と噴霧貫徹力の向上とを両立させることができる。

図５は、噴射開始からの時間と噴霧貫徹力との相関図であるが、本実施例は従来例と比較して噴霧貫徹力が向上していることがわかる。

噴霧貫徹力を向上させる方法として、噴孔長Ｌと噴孔径Ｄとの比であるＬ／Ｄを大きくする方法がある。しかし、Ｌ／Ｄを大きくすると、その背反事象として、噴孔に生成されたコーキングの分解排出がされにくくなる。つまり、コーキング耐性が低下する。しかし、本実施例では、ニードル形状によって噴霧貫徹力を向上させるものであり、Ｌ／Ｄを大きくすることなく噴霧貫徹力を維持できるため、コーキング耐性を低下させることがない。また、Ｌ／Ｄを小さくしても噴霧貫徹力を維持でき、コーキング耐性を向上させることもできる。

なお、ここで本実施例のノズル１と、ニードル先端が半球状を呈する比較例のノズルＨ（図７参照）とを対比する。
図６及び図７に示すように、軸αに垂直で且つ入口１１ａを通過する切断面でのニードル２と入口１１ａとの間の断面積Ａとする。
そして、図８は、ニードル２のリフト量と断面積Ａとの相関図である。断面積Ａが小さいほど、ニードル２と入口１１ａとの間の距離が狭く、上述の整流効果が高いことになる。

図８に示すように、比較例でも従来例と比べて、ニードル２のリフト初期は断面積Ａが小さく整流の効果がある。しかしながら、リフト量の増加に伴って指数関数的に断面積Ａが増加すするため、整流効果は著しく低下する。
これに対して、本実施例では、リフト量の増加に伴う断面積Ａの変化は小さく、最大リフトに到るまで整流効果を維持することができる。

〔実施例２〕
実施例２のノズル１を実施例１とは異なる点を中心に図９を用いて説明する。なお、実施例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
実施例２によれば、噴孔１１は、入口１１ａから外側に向かって径が一定のストレート部１１ｃと、ストレート部１１ｃの外側に接続して出口１１ｂに向かって拡径するテーパ部１１ｄとを有する。

これによれば、実施例１と比較して、燃焼室内での噴霧の拡散が大きくなり、安定した燃焼を得ることができる。またストレート部１１ｃの長さを短くすることによって、コーキング耐性を向上させることもできる。

〔変形例〕
ノズル１の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例１のノズル１によれば、ニードル２のシート部１３より先端側が円錐面２１ａ及び円錐面２１ｂから成っていたが、実施例１においてθ１＝θ２として、１つの円錐面２１ｅから成るようにしてもよい（図１０参照）。この場合でも、図３に示すような従来例と比較して、ニードル２と入口１１ａとの間の距離を狭くすることができるため、整流効果を得ることができる。
また、シート部１３は、円錐面２１ｂ上にあってもよい。

１ ノズル（燃料噴射ノズル）、２ ニードル、３ ノズルボディ、１０ シート位置、１１ 噴孔 、１１ａ 入口、１１ｂ 出口、２１ａ 円錐面、２１ｂ 円錐面

Claims (3)

1. 円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
   前記ノズルボディ（３）の内壁の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１３）が離着するシート位置（１０）と、
   前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口するとともに、前記ノズルボディ（３）の外壁に開口し、前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導く噴孔（１１）と、
   前記ニードル（２）の前記シート部（１３）より先端側の形状であって、複数の異なる円錐面が先端から軸方向後端側に同軸に連続し、前記複数の円錐面（２１ａ、２１ｂ）は、それぞれの母線と前記ニードル（２）の軸との間に形成される角度がそれぞれ等しいもしくは先端側ほど小さい先端形状と、
   前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座して前記シート部（１３）と前記シート位置（１０）との距離が最大となる最大リフト時における配置関係であって、前記ニードル（２）の軸方向の先端（２１ｄ）が前記噴孔（１１）の前記内壁における開口（１１ａ）よりも軸方向の先端側に位置する配置関係とを備える燃料噴射ノズル。
2. 円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
   前記ノズルボディ（３）の内壁の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１３）が離着するシート位置（１０）と、
   前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口するとともに、前記ノズルボディ（３）の外壁に開口し、前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導く噴孔（１１）と、
   前記ニードル（２）の前記シート部（１３）より先端側の形状であって、前記シート部（１３）より先端側が１つの円錐面（２１ｅ）により構成される先端形状と、
   前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座して前記シート部（１３）と前記シート位置（１０）との距離が最大となる最大リフト時における配置関係であって、前記ニードル（２）の軸方向の先端（２１ｄ）が前記噴孔（１１）の前記内壁における開口（１１ａ）よりも軸方向の先端側に位置する配置関係とを備える燃料噴射ノズル。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記噴孔（１１）は、前記内壁における開口（１１ａ）から外側に向かって径が一定のストレート部（１１ｃ）と、前記ストレート部（１１ｃ）の外側に接続して前記外壁における開口（１１ｂ）に向かって拡径するテーパ部（１１ｄ）とを有することを特徴とする燃料噴射ノズル。

Images