JP2008523313A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

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Abstract

【課題】体積小さく、簡素な機構で、コスト低く、噴射方向を自由に設定でき、更にノズルシートが燃焼火炎の直接侵害を避けられることができるパルス式燃料ポンプ用の噴射ノズルを提供すること。
【解決手段】燃料噴射ノズルとして、ノズル本体と、ノズル弁とノズルキャップとを具備し、前記ノズル本体中の燃料圧力が所定の値より高くなると、ノズル弁が開き、燃料がノズルキャップから噴出される。前記ノズル弁がバルブ体と、バルブシートとスプリングとからなり、前記バルブシートの後端がノズル本体につながって燃料溜り室を形成し、前記ノズル本体には前記燃料溜り室への入口通路が設けられ、前記スプリングが前記燃料溜り室の中に位置して、バルブ体とバルブシートとの間に作用してノズル弁を閉じることになり、バルブシートの先端とノズルキャップとがつながっていて、サックボリュームを形成して、ノズルキャップにはサックボリュームからの噴射ホールが設けられる。

Description

本発明はエンジン技術に関し、特に電子コントロル燃料噴射システムに使われるパルス式燃料噴射装置の噴射ノズルに関する。
中国特許CN1474910Aによる一種の新型吸気ポート噴射システム、と、中国特許CN1369633及び米国特許US6422836B1による筒内直接噴射システムにはパルス式燃料噴射装置がその燃料供給ユニットとしてしめされた。そのパルス式燃料噴射装置がパルス式燃料ポンプと噴射ノズルからなり、ユニットポンプノズルか、高圧燃料チューブによりポンプとノズルとをつなげる燃料供給ユニットのような形にされる。このようなパルス式燃料噴射装置に使われる噴射ノズルは、体積が小さく、機構簡素で、より自由に噴射方向が設定でき、ノズルシートが燃焼火炎の直接侵害を避けられることが要求される。
前述パルス式燃料噴射装置がよく使う噴射ノズルは外向けに開くスロットルノズルである。スロットルノズルには中向け開にくものと外向けに開くものとの二種類あり、中向け開にくものでは弁体の開く方向が燃料噴射方向と逆になり、例えば予燃焼室式のディーゼルエンジンが使うもの、外向け開にくものでは、弁体の開く方向が燃料噴射方向と同一になる。中向けに開くものより、外向けに開く形式のノズルが機構簡素されているが、次の欠点も明らかである：第一に、噴射スプレーの方向がノズルと同軸でなければならず、第二にノズルシートが外部に露出して使用寿命が影響される。これらのため、前述パルス式ユニットポンプノズルは応用面が大きく制限されている。例えば、パルス式ユニットポンプノズルを二輪車に用いる場合、噴射方向の制限で吸気ポートの設計が困難となり、また直接噴射の船外機に用いる場合、ノズルシートが燃焼室中の火炎に露出するため、シート摩耗等の問題が発生される。
既知の従来の技術では、多孔式ノズルが噴射方向の設定が自由であり、またノズルシートも燃焼火炎の直接侵害を避けられる。多孔式ノズルがピストンエンジンの噴射システムに広く応用され、主にノズル弁と噴射ホールからなり、そのノズル弁が弁体としてのニードルと弁座からなり、ニードルと弁座が精密のもので、とくに弁座がセンターホールシートの機構であり、とても高い加工技術を要求する。多孔式ノズルの最大の欠点は、体積大がきく、機構複雑で、製造コストが高い。
明らかに、既知のノズルはパルス式燃料噴射装置にとって理想のものにならない。それらが小さい体積、簡素な機構、低いコスト、自由に設定できる噴射方向、更にノズルシートが燃焼火炎の直接侵害を避けられること等の要求を満たすことができない。エンジンの電子コントロールパルス式燃料噴射装置には新しい機構のノズルが必要になる。
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、体積小さく、簡素な機構、コスト低く、噴射方向が自由に設定でき、更にノズルシートが燃焼火炎の直接侵害を避けられることができる新しい噴射ノズルを提供する。
前記目的を達成するために、本発明の噴射ノズルは、ノズル本体と、ノズル弁とノズルキャップとを具備し、前記ノズル本体中の燃料圧力が所定の値より高くなると、ノズル弁が開き、燃料がノズルキャップから噴出され、またノズル弁がバルブ体と、バルブシートとスプリングとからなり、前記バルブシートの後端がノズル本体につながって燃料溜り室を形成し、前記ノズル本体には前記燃料溜り室への入口通路が設けられ、前記スプリングが前記燃料溜り室の中に位置して、バルブ体とバルブシートとの間に作用してノズル弁を閉じることになり、バルブシートの先端とノズルキャップとがつながっていて、サックボリュームを形成して、ノズルキャップにはサックボリュームからの噴射ホールが設けられる点に特徴がある。
本発明の噴射ノズルが、前記ノズル本体中の燃料圧力によりノズル弁が開かれ、前記燃料溜り室の中に位置してバルブ体とバルブシートとの間に作用するスプリングによりノズル弁が閉じられることから、ノズル弁とスプリングとバルブシートとからコンパクトのノズルができている。
本発明の噴射ノズルのバルブシートのシール面が大端がサックボリューム側にある円錐面か、或は先端面と一致する平面である。スプリングとバルブ体とバルブシートとの関係から、バルブ体の開き動きが燃料の流れ方向と一致しなければならず、従って、バルブシートのシール面の大端がサックボリューム側にある円錐面にすることがより優れ、比較的に良好なシール性能をもち、またバルブ体の着座力も耐えられる。もしノズル弁の開き圧力が低ければ、バルブシートの先端面をシール面としてもよく、シール面にシール材を使ってもよい。
本発明の噴射ノズルのバルブ体のシール面が大端がサックボリューム側にある円錐面か、または球状面である。バルブ体の円錐面がバルブシートの円錐面とは、同じ円錐角にして耐摩耗性を改善するか、違う円錐角にしてシール性能を改善するか選択できる。バルブ体のシール面を球状面にすることは、製造工程の簡略化に有利である。
本発明の噴射ノズルのノズル本体上に燃料入口が設けられ、バルブ体の後端にスプリングシートがあり、それとノズル本体との間にできた隙間によりバルブのリフトを設定できるし、またはバルブ体の先端面と前記ノズルキャップのサックボリューム内壁面との距離によりバルブのリフトを設定できる。バルブのリフトが噴射流量を大きく影響するので、前記前者のリフト設定方式は製造上有利であるが、後者のリフト設定方式はノズルの使用安全性が高くなる。
本発明の前記サックボリュームの容積と形状は、バルブ体の先端の突出部の寸法及び形状を変えることにより調整できるが、噴射流量と噴霧特性にきく影響するため、噴射流量がまず保証されれば、その容積が小さいほどエンジンの燃焼に有利になる。
ノズルの入口周りにフィルタメッシュを設けることができ、フィルタメッシュを通った燃料のみバルブ体とバルブシートとが精密にはめあわされたところまで入れる。このフィルタメッシュが燃料中に存在可能な粒子状物質などの雑物を遮断することにより、バルブ体の異常運動を防止できる。
本発明のノズルの噴射口方向がノズルの軸線と垂直か平行か或はある角度をなすように、自由に設定できる。燃料噴射方向はエンジンの燃焼システムにとって極めて重用であり、例えばポート噴射では燃料が直接吸気バルブまで到達することが要求され、筒内直接噴射燃焼では燃料が直接若しくは間接的にスパークプラグ周辺まで噴射されることが要求される。
前記ノズルの入口通路にチェックバルブを設けることにより、ノズル本体内にある一定の残留圧力が保証され、高温時の燃料ベーパが噴射を乱すことを避けることができる。
本発明のノズルの比較的優れる案として、ノズルの入口通路にチェックバルブを設けて、ノズル本体内にある一定の残留圧力が保証され、高温時の燃料ベーパが噴射を乱すことを避けるものである。前記チェックバルブシートのシール面形状が残留容積側に向ける内円錐面で、チェックバルブ体のシール面がそれに適合する外円錐面である。前記チェックバルブ体にスプリングシートが設けられ、チェックバルブシートの後端面との間の距離によりチェックバルブのリフトが設定される。チェックバルブシートに燃料入口があり、その入口周りにフィルタメッシュが設けられ、ノズルの噴射口方向がノズル弁の軸線と垂直である。
以上の説明から明らかなとおり、本発明によれば、スプリングが燃料溜り室の中に位置して、バルブ体とバルブシートとの間に作用してノズル弁を閉じる特徴により、ノズルが簡素な機構になり体積も小さくなる。またバルブシートの先端にノズルキャップを設ける特徴によりノズルシートが燃焼火炎の直接侵害を避けられることができる。さらにノズルキャップに一つ或は一つ以上の噴射ホールが設けられる特徴により、噴射方向とスプレーのカバーできる範囲が自由に設定できる。従って、本発明により、既知のパルス式ユニットポンプのような燃料供給装置での噴射方向設定困難の問題が解決される。
つぎに図面を参照して本発明を更に具体的に説明する。
実施例1。図1に示されるように、本発明の噴射ノズルは、ノズル本体31と、ノズル弁10とノズルキャップ21とを具備し、またノズル弁がバルブ体11と、バルブシート12とスプリング13とからなり、バルブ体11が動き案内と燃料流れを提供するステム11aと、バルブ体シール面11bと、スプリングシート16との三部分からなり、バルブシート12にはステム11aとの滑べりはめあう通路14aと、バルブシートシール面12bと、スプリングシート12cと、ホール14とが設けられ、ノズル弁10の後端がノズル本体31につながって燃料溜り室32を形成し、ノズル弁10の先端がノズルキャップ21につながっていて、サックボリューム22を形成する。
スプリング13の一端がバルブ体11上のスプリングシート16に当たり、もう一端がバルブシート12のスプリングシート12cに当たる；スプリング13の作用によりバルブ体シール面11bとバルブシートシール面12bが緊密接触してノズル弁10が閉まる状態になる。ステム11a上に燃料通路があり、燃料溜り室32中の燃料がホール14及び前記通路を通ってシール面11b/12bまで到達する。
ノズル弁10が燃料圧力より開かれ、スプリング13が完全に燃料溜り室32の中に位置して、バルブ体11とバルブシート12との間に作用することにより、コンパクトなノズル弁ができ、小型化が実現され、例えば、ノズル弁の長さが30mm以内にすることができる。これは従来の多孔式ノズルのスプリング13がバルブ体11とノズル本体31との間に作用することより優れる。
ノズルキャップ21にはサックボリューム22に貫通している噴射ホール23が設けられ、噴射ホール23が一個或は一個以上あり、ノズル弁10の軸線に垂直か、ある角度をなすことができる。多数の噴射ホール23がスプレーの微粒化を促進でき、またスプレーの分配を合理化できる。この特徴が二輪車では高い価値をもち、二輪車の構造あるいはエンジンの性能を悪化せずに適用できるからである。例として、本発明のノズルが既知市販されている125cc排気量のモータサイクルの構造に簡単適用できる。
前記バルブ体11のシール面11bがバルブシート12のシール面12bよりサックボリューム22のほうに位置して、燃料溜り室32中の燃料圧力がスプリング13の圧縮力より高くなると、バルブ体11がサックボリューム22のほうに動き、ノズル弁10が開く。
バルブシート12のシール面12bが軸対称の内円錐面であり、その大口がサックボリューム22のほうに位置して、バルブ体11のシール面11bがシール面12bと環状シール接触面を形成し、バルブ体11の円錐状シール面11bも大口がサックボリューム22のほうに位置する。
バルブ体11の円錐状の端部に円柱状の突出し15が設けられ、サックボリューム22の形状に合わせることにより、燃料の流れる通路が形成されると同時にサックボリューム22の容積が最小化される。
ホール14のまわりにフィルタメッシュ40が設けられ、フィルタメッシュ40を通った燃料のみがノズル弁10のシール面11b/12b及び滑べりはめあう通路14aなどの精密はめあい部まで入れることになる。
バルブ体11の開きは、バルブシートの端12aにより制限されるように設定できるし、またサックボリューム22の内壁面22aにより制限されるようにも設定できる。実施例1ではバルブシートの端12aによるものである。
本実施例によるノズルの作動過程はつぎのようである: 燃料入口33からの燃料が燃料溜り32に入り、燃料の圧力のバルブ体11に作用する力がスプリング13の力より大きくなれば、バルブ体11がサックボリューム22のほうへ動き、ノズル弁が開くことになる。それで燃料がフィルタメッシュ40を通ってホール14からノズル弁10に入り、サックボリューム22に到達して噴射ホール23から噴出される。バルブ体11の開きはバルブシートの端12aにより制限され、最大リフトまで到達する。そのあと、もし燃料の圧力のバルブ体11に作用する力がスプリング13の力より小さくなれば、バルブ体11が着座して、ノズル弁が閉まることになって、一つの燃料噴射周期が完成された。
図2は本発明の燃料噴射ノズルの実施例2の機構を示している。
実施例2のノズルは、燃料入口33のところにチェックバルブ50が設けられる。チェックバルブ50がシート51と、ボディ52とスプリング53とからなり、スプリング53の一端がボディ52をシート51のうえに押えて、もう一端がノズル本体31に着座する。チェックバルブ50内の容積55が燃料入口33と燃料溜り32につながっている。チェックバルブ50を設ける目的として、噴射終了後燃料溜り32にある一定の残留圧力を維持し、高温時の燃料ベーパの生成を避けることにある。
図2に示すサックボリューム22の形状は、燃料の流通に有利ながらサックボリューム22の容積を最小化できる。
図2に示す機構では、ノズルキャップ21がノズル本体31と一体になっており、ノズル弁10が燃料溜り32とサックボリューム22とを隔離している。
そのほかの部分が実施例1とおなじである。
図3には本発明の噴射ノズルを応用する典型的な例を示している。パルス式電子燃料ポンプ3が本発明の噴射ノズル1と一緒にガソリンエンジンのポートインジェクションシステムの燃料供給部品になっている。
図3のシステムには、燃料タンク6からの燃料がフィルタメッシュとベーパセパレーター7及び低圧燃料チューブ4を通って、パルス式電子燃料ポンプ3に到達し、ポンプ3がPWM電圧により駆動され、一部分の燃料がノズル1まで圧送され、それからエンジン2の吸気ポート2に噴射され、残りの燃料が燃料リターンチューブ5を経て燃料タンク6まで戻る。燃料タンク6の中にベーパ排出管8が設けられる。
前記システムは同様にシリンダー内直接噴射燃焼系統又は代替燃料エンジンにも適用でき、この場合、噴射ノズル1が燃料を直接シリンダー内に噴射する。
本発明のノズルを前記のような燃焼系統に使われる場合、明らかなメリットとして、ノズルの噴射方向が自由に設定できることから、パルス式電子燃料ポンプ3の取り付け寸法及び方向の制限と要求による車体との干渉問題が有効的に解決できるものである。
は本発明の燃料噴射ノズルの一実施形体例の断面図である。 は本発明の燃料噴射ノズルのもう一つの実施形体例の断面図である。 は本発明の燃料噴射ノズルの応用実施例を示す図である。

Claims (11)

  1. ノズル本体(31)と、ノズル弁(10)とノズルキャップ(21)とを具備し、ノズル本体(31)中の燃料圧力が所定の値より高くなると、ノズル弁(10)が開き、燃料がノズルキャップ(21)から噴出され、
    また前記ノズル弁(10)がバルブ体(11)と、バルブシート(12)とスプリング(13)とからなり、
    前記バルブシート(12)の後端が前記ノズル本体(31)につながって燃料溜り室(32)を形成し、
    前記ノズル本体(31)には前記燃料溜り室(32)へ入口通路(33)が設けられ、
    前記スプリング(13)が前記燃料溜り室(32)の中に位置して、前記バルブ体(11)と前記バルブシート(12)との間に作用して前記ノズル弁(10)を閉じることになり、
    前記バルブシート(12)の先端が前記ノズルキャップ(21)につながっていて、サックボリューム(22)を形成して、
    前記ノズルキャップ(21)には前記サックボリューム(22)からの噴射ホール(23)が設けられることを特徴とする燃料噴射ノズル。
  2. 前記バルブシート(12)のバルブシートシール面(12b)が大口が前記サックボリューム(22)のほうに位置する円錐状の内面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. 前記バルブ体(11)のバルブ体シール面(11b)が大口が前記サックボリューム(22)のほうに位置する円錐状の外面であることを特徴とする請求項2記載の燃料噴射ノズル。
  4. 前記バルブ体(11)のバルブ体シール面(11b)が球状面であることを特徴とする請求項2記載の燃料噴射ノズル。
  5. 前記バルブ体(11)の開きリフトが前記バルブシート(12)の端(12a)により制限されることを特徴とする請求項1記載の燃料噴射ノズル。
  6. 前記バルブ体(11)の開きリフトが前記ノズルキャップ(21)の前記サックボリュームの内壁面(22a)により制限されることを特徴とする請求項1記載の燃料噴射ノズル。
  7. 前記バルブ体(11)の前記サックボリューム(22)側の端に突出し(15)が設けられることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
  8. 前記バルブ体(11)の前記バルブシート(12)に燃料のノズル弁(10)に入るホール(14)が設けられ、ホール(14)のまわりにフィルタメッシュ(40)が設けられることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
  9. 前記噴射ホール(23)の軸方向がノズル弁(10)の軸に垂直であることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
  10. 前記入口通路(33)の入口にチェックバルブ(50)が設けられることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
  11. 前記入口通路(33)の入口にチェックバルブ(50)が設けられ、バルブシート(12)のシール面形状が残留容積(22)側に向ける内円錐面で、バルブ体(11)のシール面が大端が残留容積(22)側にある外円錐面で、バルブ体(11)のリフトがバルブシート(12)の端面(12a)に制限され、バルブシート(12)にホール(14)が設けられ、ホール(14)のまわりにフィルタメッシュ(40)が設けられ、噴口(23)の方向がノズル弁(10)の軸線と垂直であることを特徴とする請求項1載の燃料噴射ノズル。
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