JPH10176632A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃焼室内の空気のさらなる有効利用を図り、ス
モークの低減と排出ガス中の窒素酸化物のさらなる低減
が図れる燃料噴射ノズルを提供する。 【解決手段】燃料噴射ノズル１は、主噴孔２０と副噴孔
２１とをノズル先端部１４の周方向に交互に設けてい
る。主噴孔２０は比較的燃料の流路が広くかつ流線が直
線に形成されるとともにノズル先端部１４の中心から径
方向に延びている。副噴孔２１は比較的燃料の流路が狭
くかつノズル先端部１４の内側から燃焼室１２に向かっ
て次第に相互の間隔が広くなるように広がり角度をもた
せて設けた複数の微小噴孔２４，２４によって構成され
ている。

Description

【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（Diesel Engine)などの内燃機関の燃料噴射装置に用
いられる燃料噴射ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車などの車両に用いられるディーゼ
ルエンジン等の内燃機関は、排出ガス中のスモーク及び
窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減化が要求されている。ディ
ーゼルエンジンは、ピストンを上死点に移動させる過程
で燃焼室内の空気を圧縮して高温の状態にしておき、ピ
ストンが上死点に達する前に燃料を燃焼室内に噴射する
とともに、燃料の噴霧を吸気の熱によって自然着火させ
て燃焼を行うようにしている。

【０００３】このようにディーゼルエンジンは噴霧燃焼
のため、従来より排出ガス中のスモークを低減させるた
めに燃焼室内に空気と燃料とが極力均一に混合するよう
に噴射するとともに、ＮＯｘの生成量を低減するために
燃料の微粒化を促進させて噴射することによって、着火
遅れを減少させて燃焼時の圧力上昇を極力おさえること
が課題としてとりあげられていた。

【０００４】上述した課題の解決策の一つとして特開平
７−１６７０１６号公報に記載されているような燃料噴
射ノズルが知られている。また、図８及び図９に例示す
るような燃料噴射ノズル３１も知られている。このもの
は、ピストン頭部（図示せず）に形成された凹部（ピス
トンキャビティ）に指向してシリンダヘッドの略中央に
取付けられており、主噴孔３２と、この主噴孔３２から
燃料の流路が分岐される二つの微小噴孔３３，３３とか
らなる噴孔群３４とを、ノズル先端部３５の円周方向に
複数設けて構成されている。

【０００５】図８および図９に示すように上記主噴孔３
２は、比較的燃料の流路が広くなるように流線Ｑ１に垂
直な断面積（開口面積）が比較的大きく形成されてい
る。上記微小噴孔３３，３３は、上記主噴孔３２よりも
燃料の流路が狭くなるように流線Ｑ２，Ｑ２に垂直な断
面積が比較的小さく形成されかつ一端３３ａ，３３ａが
上記主噴孔３２の上流側３２ａに開口するとともに、他
端３３ｂ，３３ｂが上記主噴孔３２の上下方向の略同間
隔の位置で燃焼室３６に開口している。

【０００６】上記のように構成された従来の燃料噴射ノ
ズル３１から燃料を噴射すると、図１０に示すように主
噴孔３２から噴射される燃料の噴流Ｇ１と微小噴孔３
３，３３から噴射される燃料の噴流Ｇ２，Ｇ２とがあた
かも一体となって比較的幅の広い噴流Ｇ３を形成するこ
ととなる。

【０００７】そのため、上記噴流Ｇ３は、燃料噴射ノズ
ル３１から噴射された直後から比較的多く空気を取込む
こととなるため、燃焼室３６の壁面（図示せず）方向に
進む速度が遅くなる。つまり燃焼室３６内に充満してい
る吸気を貫徹して進む力（貫徹力）が比較的弱くなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃料噴射ノ
ズル３１から噴霧された燃料は燃焼室３６の壁面付近ま
で到達しにくいため、燃料噴射ノズル３１付近は燃料過
多となって不完全燃焼によりスモークが発生しやすく、
一方燃焼室３６の壁面付近は燃料が不足気味となる。こ
のため燃焼室３６内の空気利用率が低くなる傾向とな
る。

【０００９】しかも、ディーゼルエンジンは、窒素酸化
物（ＮＯｘ）のさらなる生成抑制が要求されていること
から、燃焼室内の空気利用率を向上させかつ燃料の微粒
化を促進して着火遅れを減少させることが望まれてい
る。

【００１０】従って本発明の目的は、燃焼室内の空気利
用率を向上して排出ガス中のスモークをより低減させる
とともに、燃料の微粒化を促進して、窒素酸化物の生成
量のさらなる低減を可能とする燃料噴射ノズルを提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料噴射ノ
ズルは、ピストン頭部のピストンキャビティに指向して
取付けられる燃料噴射ノズルにおいて、貫徹力が大きく
燃焼室壁面へ衝突すべく燃料を噴射する主噴孔と、上記
主噴孔より貫徹力が弱くかつ主噴孔よりも噴霧の広がり
角が大きくなるように複数の微小噴孔を隣接して配した
微小噴孔群よりなる副噴孔とを具備し、上記主噴孔と上
記副噴孔とをノズル先端部の周方向に交互に設けたこと
を特徴としている。

【００１２】請求項２に記載の本発明の燃料噴射ノズル
は、請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、上記主
噴孔が、複数の微小噴孔を互いに平行に配した微小噴孔
群であることを特徴としている。

【００１３】請求項３に記載の本発明の燃料噴射ノズル
は、請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズルに
おいて、上記主噴孔の個々の開口面積と、上記副噴孔の
個々の開口面積とが互いに同等であることを特徴として
いる。

【００１４】上記手段を講じた結果、次のような作用が
生じる。請求項１に記載された燃料噴射ノズルは、主噴
孔によって形成される貫徹力の大きい燃料の噴流が燃焼
室の壁面に衝突することによって燃焼室の壁面付近に達
する噴霧を形成するとともに、微小噴孔群よりなる副噴
孔によって形成される貫徹力の小さい噴流が幅広な噴流
を形成して燃料噴射ノズルの近傍から空気を取込むこと
となり主に燃料噴射ノズルの近傍に燃料を噴霧すること
となる。そのうえ、副噴孔から噴射される燃料は噴孔が
微小なため微粒化が促進される。

【００１５】請求項２に記載された燃料噴射ノズルは、
主噴孔を構成する互いに平行な微小噴孔から噴射される
貫徹力の大きい燃料が主に燃焼室の壁面付近に到達しか
つ副噴孔から噴射される貫徹力の小さい燃料が主に燃料
噴射ノズルの近傍に幅広に噴霧される。

【００１６】また、副噴孔から噴射される燃料の微粒化
が促進されるうえ、上記主噴孔が複数の微小な噴孔によ
って構成されるため主噴孔から噴射される燃料も微粒化
が促進されるので、燃焼室内に噴霧された燃料はより微
粒化が促進される。

【００１７】請求項３に記載された燃料噴射ノズルは、
燃焼室の壁面付近に達する噴霧を形成する主噴孔の開口
面積と、主に燃料噴射ノズル付近に燃料を幅広に噴霧す
る副噴孔の開口面積を同等にしているため、燃焼室内に
おいてノズルの周方向に各噴孔からより均一な量の燃料
が噴霧されることとなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態につい
て、図１から図７を参照して説明する。図１は、本発明
の燃料噴射ノズル１を備えたディーゼルエンジン２を示
している。

【００１９】図１に示すようにディーゼルエンジン２
は、シリンダブロック３に形成されたシリンダボア４
と、ピストン５及びシリンダヘッド６などを備えてい
る。上記ピストン５の頭部７にピストンキャビティ１１
が形成されている。このピストンキャビティ１１は、略
中央に設けられた隆起部８とこの隆起部８と滑らかに連
続する曲面で形成された斜面９，１０とを有しかつピス
トン５の頭部７に対し下に凹の形状となっている。上記
シリンダボア４の内面とピストン５の頭部７とシリンダ
ヘッド６などで取り囲む空間は、燃焼室１２を形成して
いる。なお、ディーゼルエンジン２は高圧縮比を実現す
るためにピストン５の上死点においてピストン５をシリ
ンダヘッド６にできるだけ接近させている。また、ピス
トンキャビティ１１の内面は燃焼室１２の壁面１３の一
部を構成する。

【００２０】上記燃焼室１２の上方に位置するシリンダ
ヘッド６の略中央に燃料噴射ノズル１が設けられてい
る。上記燃料噴射ノズル１は、噴射孔（図２及び図３な
どに示す主噴孔２０及び副噴孔２１）を有するノズル先
端部１４をピストンキャビティ１１に指向させるように
配置されているとともに、上方に燃料供給部１５を備え
ていて、燃料供給部１５から供給された燃料をノズル先
端部１４の下記噴孔２０，２１から燃焼室１２に噴射す
る機能を有している。

【００２１】上記シリンダヘッド６の燃料噴射ノズル１
の左右どちらか一方側には吸気ポート１６が開口し、そ
の開口部１６ａには吸気弁１７が設けられている。さら
に、他方側には排気通路としての排気ポート１８と、排
気弁１９が設けられている。なお図示例においては、燃
料噴射ノズル１の左側に吸気ポート１６を設けており、
右側に排気ポート１８を設けている。

【００２２】上記燃料噴射ノズル１は、図２および図３
に示すように、そのノズル先端部１４に燃料を噴射する
主噴孔２０と副噴孔２１とをノズル１の円周方向にそれ
ぞれ３か所づつ略等間隔に交互に設けている。上記ノズ
ル先端部１４は、主噴孔２０及び副噴孔２１から燃焼室
１２に噴霧される燃料が例えば１００メガパスカル（Ｍ
Ｐａ）から１２０ＭＰａなどに加圧されるため、図３に
示すように中空の半球状に形成されるのが望ましい。

【００２３】上記主噴孔２０は、比較的燃料の流路が広
くかつその流線Ｕ１に垂直な断面積が略一定に形成され
かつ、一端２０ａがノズル先端部１４の内側１４ａに開
口し、他端２０ｂが燃焼室１２に開口するとともに、上
記流線Ｕ１が一直線でかつノズル先端部１４の内側１４
ａの中心Ｐから周方向に延びるように形成されている。

【００２４】また、図４に示すように上記主噴孔２０
は、上述したように一つの噴孔によって構成される場合
よりも燃料の流路が狭い噴孔２２を複数有する微小噴孔
群２３によって構成されても良い。その場合、上記微小
噴孔群２３を構成する噴孔２２，２２の流線Ｕ２，Ｕ２
は相互に平行となるように配置される。上記微小噴孔群
２３を構成する噴孔２２，２２は、一端２２ａ，２２ａ
がノズル先端部１４の内側１４ａに開口しかつ他端２２
ｂ，２２ｂが燃焼室１２に開口するとともに、上記流線
Ｕ２，Ｕ２が一直線に形成されている。

【００２５】このように主噴孔２０が微小噴孔群２３に
よって構成された場合は、図５に示すように上記微小噴
孔群２３を構成する噴孔２２，２２から噴射される燃料
の噴流Ｆ２，Ｆ３はあたかも一つの噴孔で構成された場
合のように一体となって比較的幅の狭い噴流Ｆ１を形成
する。さらに、副次的な効果として、上記噴孔２２，２
２の流路が比較的狭いため燃料は微粒化されることとな
る。

【００２６】上記副噴孔２１は、図３に示すように、比
較的燃料の流路が狭い２つの微小噴孔２４，２４によっ
て構成されている。上記微小噴孔２４，２４はその流線
Ｕ３，Ｕ３に垂直な断面積が略一定のオリフィス状に形
成され、かつノズル先端部１４の内側１４ａに開口して
いる一端２４ａ，２４ａから燃焼室１２に開口している
他端２４ｂ，２４ｂに向かって次第に噴孔２４，２４間
の間隔が広くなるように広がり角度を持たせて形成され
ている。さらに上記微小噴孔２４，２４の流線Ｕ３，Ｕ
３は略一直線に形成されている。

【００２７】また、上記副噴孔２１は、微小噴孔２４，
２４間の中心線Ｏがノズル先端部１４の内側１４ａの中
心Ｐから径方向に延びるように形成されている。上記微
小噴孔２４，２４の流線Ｕ３，Ｕ３間のなす角θ（図３
に示す）は、微小噴孔２４，２４から噴射される燃料が
一つの噴流を形成するために、例えば１８度などの比較
的小さな角度とするのが望ましい。上記微小噴孔２４，
２４は燃料の流路が比較的狭く形成されているため、噴
射される燃料は微粒化される。なお図示例においては、
副噴孔２１を構成する微小噴孔２４，２４の数が２つの
場合を示したが、製造上の問題がなければ３つ以上であ
っても良い。

【００２８】さらに、主噴孔２０と副噴孔２１の燃料噴
射量の均一化を図るために、主噴孔２０の個々の開口面
積と、各副噴孔２１ごとの微小噴孔２４，２４の開口面
積の総和が同等となるように形成されるのが望ましい。

【００２９】上記主噴孔２０及び微小噴孔２４，２４は
放電加工あるいはレーザによる孔あけ加工などによって
形成することができる。次に、上記実施形態の燃料噴射
ノズル１の作用について図１及び図６から図７を参照し
て説明する。

【００３０】ディーゼルエンジン２は、ピストン５が上
死点に達する前に燃料供給部１５に供給された燃料が燃
料噴射ノズル１の主噴孔２０及び副噴孔２１から燃焼室
１２内に噴射される。

【００３１】図６に示すように主噴孔２０から噴射され
る燃料は、燃焼室１２内の吸気の圧力（一般に３〜４Ｍ
Ｐａ）に対し、１００〜１２０ＭＰａまで加圧されてい
るため、図示中の矢印Ｆ１に示すように略直進してすす
む。このとき上記主噴孔２０は比較的断面積が広くかつ
流線Ｕ１がノズル先端部１４の内側１４ａの中心Ｐから
周方向に一直線に延びているため、上記噴流Ｆ１は略直
線状に形成されかつ噴射された直後には空気を多く取込
まずに噴射直後の速度を略維持したまま燃焼室１２の壁
面１３に向かって略直進する。

【００３２】したがって、主噴孔２０から噴射される燃
料は、燃焼室１２内に充満している吸気を貫徹して進む
力（貫徹力）が比較的強い状態を維持したまま矢印Ｆ１
（図６及び図７に示す）に沿って略直進し、図７に示す
ように燃焼室１２の壁面１３に衝突して、図示中の矢印
Ｆ４に示すように向きを変えることとなる。

【００３３】一方、上記副噴孔２１から噴射される燃料
は、まず、図６に示すように微小噴孔２４，２４から、
ほぼそれぞれの流線Ｕ３，Ｕ３に沿う矢印Ｆ５方向に進
む。そして、上記流線Ｕ３，Ｕ３間のなす角θが例えば
１８度などの比較的小さな角度であるため、図７に示す
ように上記噴流Ｆ５，Ｆ５が一体となってあたかも一つ
の噴流Ｆ６を形成する。

【００３４】そして、上述したように形成された噴流Ｆ
６は、主噴孔２０から形成される噴流Ｆ１に比べ、幅が
広く形成されているので、噴射直後から空気を多く取込
んで貫徹力が弱くなる。そのため、副噴孔２１から噴射
される燃料は、燃焼室１２の壁面１３付近まで進むこと
が困難となって、主に燃料噴射ノズル１４付近に噴霧さ
れることとなる。

【００３５】このように、上記主噴孔２０から噴霧され
る燃料が燃焼室１２の壁面１３付近に到達し、かつ副噴
孔２１が主に燃料噴射ノズル１４付近に燃料を噴霧する
こととなるので、燃焼室１２内の空気の有効利用を図り
やすくなる。また、主噴孔２０及び副噴孔２１には同圧
力で燃料が噴射されているので、主噴孔２０の個々の開
口面積と、一つの副噴孔２１を構成する微小噴孔２４，
２４の開口面積の総和を同等にした場合には、単位時間
あたりに主噴孔２０から噴射される燃料の質量と個々の
副噴孔２１から噴射される燃料の質量とが略等しくな
る。その結果、燃焼室１２内において、周方向により均
一に燃料が分配されることとなる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１の本発明によると、主噴孔から
噴射される燃料は燃焼室の壁面に達してから横に広がる
形状となり、かつ副噴孔から噴射される燃料は主に燃料
噴射ノズルの近傍に幅広がりの形状となって噴霧され
る。そのため、燃焼室内に燃料の空気の有効利用がさら
に向上することとになって排出ガス中のスモークをより
低減できる。そのうえ、副噴孔から噴霧される燃料は微
粒化が促進されているため、着火遅れが減少して窒素酸
化物の生成量をさらに低減できる。

【００３７】請求項２の本発明によると、請求項１の発
明の効果に加えて、上記主噴孔から噴射される燃料も噴
孔が微小なため微粒化が促進されるので、燃焼室内に噴
霧された燃料はより微粒化が促進される。そのため着火
遅れがさらに減少して窒素酸化物の生成量をさらに低減
できる。

【００３８】請求項３の本発明によると、主噴孔の断面
積と副噴孔の断面積とが略等しく形成されているため燃
焼室内において周方向に交互に配されている各噴孔から
より均一に燃料が噴霧される。そのため、より良好な燃
焼を期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射ノズルを用
いたディーゼルエンジンの一部の縦断面図。

【図２】本発明の一実施形態を示す燃料噴射ノズルの側
面図。

【図３】図２中のiii-iii 線に沿う断面図。

【図４】本発明の変形例を示す燃料噴射ノズルの一部の
断面図。

【図５】図４に示された本発明の変形例による燃料の噴
流の形成状態を示す図。

【図６】図２に示された本発明の実施形態による燃料の
噴流の形成状態を示す図。

【図７】図２に示された本発明の実施形態による燃料噴
霧状態を示す図。

【図８】従来の燃料噴射ノズルを示す側面図。

【図９】図８中のix−ix線に沿う断面図。

【図１０】図８に示された従来の燃料噴射ノズルによる
燃料の噴流の形成状態を示す図。

【符号の説明】

１…燃料噴射ノズル ５…ピストン ７…ピストン頭部 １１…ピストンキャビティ １２…燃焼室 １３…壁面 １４…ノズル先端部 ２０…主噴孔 ２１…副噴孔 ２４…微小噴孔 Ｕ１…主噴孔２０の流線 Ｕ３…微小噴孔２４の流線

フロントページの続き (72)発明者 武田 好央 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストン頭部のピストンキャビティに指向
   して取付けられる燃料噴射ノズルにおいて、 貫徹力が大きく燃焼室壁面へ衝突すべく燃料を噴射する
   主噴孔と、 上記主噴孔より貫徹力が弱くかつ主噴孔よりも噴霧の広
   がり角が大きくなるように複数の微小噴孔を隣接して配
   した微小噴孔群よりなる副噴孔とを具備し、 上記主噴孔と上記副噴孔とをノズル先端部の周方向に交
   互に設けたことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 【請求項２】上記主噴孔が、複数の微小噴孔を互いに平
   行に配した微小噴孔群であることを特徴とする請求項１
   記載の燃料噴射ノズル。
3. 【請求項３】上記主噴孔の個々の開口面積と、上記副噴
   孔の個々の開口面積とが互いに同等であることを特徴と
   する請求項１記載または請求項２記載の燃料噴射ノズ
   ル。