JP2017008869A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】サックボリュームを縮小して排気ガス中のＨＣの低減を図るとともに、噴霧貫徹力を増強できる燃料噴射ノズルを提供する。【解決手段】サック室６の断面形状は、サック室６の上端から下方へ伸びる縦直線ｘと、この縦直線ｘの下端に繋がってサック室６の内径方向へ向かう円弧ｙと、この円弧ｙの内端に繋がってサック室６の内径方向へ向かう横直線ｚとによって設けられる。円弧ｙの曲率半径ｒ２を、サック開口６ａの曲率半径ｒ１より小さく設ける。これにより、サックボリュームを小さくでき、排気ガス中のＨＣを抑えることができる。また、噴孔入口３ａの下端を横直線ｚに接して設ける。これにより、噴孔入口３ａがサック室６の底側で開口するとともに、燃料流入角度θ２を大きくできる。このため、噴孔３の下面付近のキャビテーションを防ぐことができ、噴霧貫徹力を強めることができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料噴射を行う燃料噴射ノズルに関する。

燃料噴射ノズルの一例を図５に基づいて説明する。なお、後述する実施形態と同一機能物に同一符合を付したものである。
図５に示す燃料噴射ノズルは、ニードル２の先端に設けられる円錐部９が、ノズルボディ１のサック室６と軸方向にオーバーラップする円錐挿入タイプである（特許文献１参照）。

この明細書中では、説明の便宜上、ニードル２が移動する方向を軸方向、燃料噴射を開始する際にニードル２が移動する方向を上、燃料噴射を停止させる際にニードル２が移動する方向を下とする。また、サック室６を成す球面の中心点をサック中心点Ｐ１、サック室６の中心、即ちサック開口６ａの中心を通って軸方向へ伸びる直線をサック中心線Ｌ１、噴孔３の中心軸をサック室６内へ延長した直線を噴孔延長線Ｌ２とする。さらに、噴孔３においてサック室６内で開口する箇所を噴孔入口３ａ、サック室６内のうちでノズルボディ１とニードル２の間の容積をサックボリュームとする。
もちろん、説明で用いる上下方向は、搭載時等における天地方向を限定するものではない。

図５に示すサック室６は、球面形状を呈するものであり、具体的には円筒面と半球面とを組み合わせて形成される。
また、図５に示す燃料噴射ノズルは、噴孔延長線Ｌ２がサック中心点Ｐ１と交差するように設けられる。

特開２０１０−１７４８１９号公報

（問題点１）
噴射開始直後など、ニードル２のリフト量が小さい低リフト時には、図５の矢印αに示すように、サック室６に供給された加圧燃料が一旦サック室６の底にぶつかり、サック室６の底側から上昇して噴孔３に流入する。即ち、低リフト時では、高圧燃料が下方から上方へ流れて噴孔３に流入する。その結果、高圧燃料の急激な曲がりにより、噴孔３の下面付近でキャビテーションが発生し、流量係数が低下する課題がある。即ち、噴霧貫徹力が弱められる問題がある。
なお、噴霧貫徹力は、噴孔３から噴射される噴霧燃料を遠くへ飛ばす力であり、噴霧貫徹力が弱められることで噴霧燃料を遠くへ飛ばすことができなくなる。

（問題点２）
低リフト時には、上述したように、サック室６に供給された加圧燃料が一旦サック室６の底にぶつかり、サック室６の底側から上昇して噴孔３に流入する。このように、サック室６に供給された加圧燃料がサック室６の底にぶつかった後に上昇する現象により、噴射エネルギーが大きく減らされてしまい、噴霧貫徹力が弱められてしまう。

この不具合を解決するために、サック室６を成す球面の曲率半径を大きくして、噴射エネルギーが減るのを抑えることが考えられる。
しかし、サック室６を成す球面の曲率半径を大きくすると、サックボリュームが大きくなる。サックボリュームが大きくなると、噴射を停止した後に、サック室６に残る燃料が増える。すると、サック室６に残った燃料が噴孔３を通って燃焼室に漏れ出すことで、排気ガス中のＨＣが増加する不具合が生じてしまう。

（発明の目的）
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、サックボリュームを縮小するとともに、噴霧貫徹力の増強が可能な燃料噴射ノズルを提供することにある。

本発明は、サック中心線（ｌ１）に沿うサック室（６）の断面形状を縦直線（ｘ）と円弧（ｙ）と横直線（ｚ）で設ける。そして、円弧の曲率半径（ｒ２）を、サック室の上端における開口径の曲率半径（ｒ１）より小さく設ける。これにより、サック室を浅く設けることができるため、サックボリュームを小さくすることができ、排気ガス中のＨＣを抑えることができる。

本発明は、噴孔入口下端が円弧と横直線に設けられる。換言すれば、噴孔入口下端が円弧または横直線に接して設けられる。これにより、噴孔入口がサック室の下側で開口する。その結果、低リフト時に加圧燃料がサック室の底にぶつかった後に上方へ戻る現象が抑えられ、サック室に供給された加圧燃料が直接的に噴孔へ流入する。
これにより、噴孔の下面付近でキャビテーションが発生する不具合を回避して、流量係数の低下を抑制できる。即ち、従来技術に比較して低リフト時の噴霧貫徹力を強めることができる。

燃料噴射ノズルの要部の断面図である。 燃料噴射ノズルの要部の説明図である。 実施形態と従来技術のサックボリュームを比較したグラフである。 燃料噴射ノズルの要部の説明図である。 燃料噴射ノズルの要部の説明図である。

以下では、図面に基づいて発明を実施するための形態を説明する。なお、以下で開示する実施形態は具体的な一例であって、本発明が実施形態に限定されないことは言うまでもない。

［実施形態１］
図１〜図３に基づいて実施形態１を説明する。
車両に搭載されるエンジンは、燃料噴射装置を備える。

この実施形態に示す燃料噴射装置は、ディーゼルエンジン用であり、高圧燃料を蓄圧するコモンレールを備える。燃料噴射装置において高圧燃料を噴射するインジェクタは、エンジンの各気筒毎に搭載されて、燃料を各気筒内に直接噴射する直噴式である。

インジェクタは、コモンレールから加圧燃料の供給を受けるノズルボディ１と、このノズルボディ１の内部において直線方向に駆動されるニードル２とを有する燃料噴射ノズルとを備える。

なお、ニードル２の駆動形式は問うものではなく、電磁弁によって制御される油圧によりニードル２を駆動する電磁弁式インジェクタ、ピエゾアクチュエータによって制御される油圧によりニードル２を駆動するピエゾインジェクタ、電磁アクチュエータによってニードル２を直接駆動する電磁駆動式インジェクタなど、種々適用可能なものである。

燃料噴射ノズルを具体的に説明する。
ノズルボディ１の内部には、円錐面形状を呈する弁座シート５と、この弁座シート５の内側を通過した加圧燃料を集合させるサック室６とが形成されている。
弁座シート５は、ノズルボディ１の内側の下端に形成されており、弁座シート５の円錐面は上方から下方に向かって縮径する形状を呈する。

サック室６は、弁座シート５の下端に形成された下向きの凹部である。
具体的に、ノズルボディ１の下端の外面には、エンジンの燃焼室に露出する半球状の膨出部７が設けられており、サック室６は膨出部７の内側に形成される。

サック室６をサック中心線Ｌ１に沿ってカットした際の断面形状は、弁座シート５の下端から下方へ伸びて、サック室６の内周面を形成する縦直線ｘと、この縦直線ｘの下端に滑らかに繋がり、サック室６の内径方向へ向かう円弧ｙと、この円弧ｙの内端に滑らかに繋がってサック室６の内径方向へ向かって伸びる横直線ｚとを備える。

この実施形態では、円弧ｙの曲率半径ｒ２が、サック室６の上端における開口径の曲率半径ｒ１より小さく設けられる。
曲率半径ｒ２を補足説明する。図２に示すように、円弧ｙを含む円Ｅを描いた場合、その円の中心Ｐ２から円弧ｙまでの長さが曲率半径ｒ２である。
曲率半径ｒ１を補足説明する。サック室６の上端には、弁座シート５からサック室６へ加圧燃料が流入するサック開口６ａが設けられる。このサック開口６ａは、円形の開口である。そして、このサック開口６ａの直径の半分の長さが曲率半径ｒ１である。

具体的な一例として、縦直線ｘは、サック中心線Ｌ１に対して平行に設けられる。即ち、サック室６の内周面は、円筒面によって設けられる。
また、横直線ｚは、外径方向から内径方向に向かうに従って徐々に下がって設けられる。これにより、サック室６の底面には、下方へ向かって縮径する円錐面が設けられる。

また、ノズルボディ１には、サック室６に供給された加圧燃料をノズルボディ１の外部に噴射する噴孔３が１つまたは複数形成されている。
噴孔３は、膨出部７の内外を貫通して設けられる。具体的に、噴孔３は、サック室６の内壁から膨出部７の外壁まで斜めに貫通形成される穴であり、ドリル刃等による切削加工や放電加工等により形成される。なお、図１では、噴孔３の一例として、一定径の丸穴に設ける例を示すが、噴孔３の形状は限定するものではない。

この実施形態に示す燃料噴射ノズルは、広角噴射タイプを採用する。
なお、広角噴射タイプは、サック中心線Ｌ１の下側から噴孔延長線Ｌ２までの角度θ１が６０°より大きく設定されるものである。

噴孔入口３ａは、サック室６と噴孔３の境界箇所であり、その境界箇所に断面形状が円弧などの面取り部が形成されるものであっても良いし、面取り部が無いものであっても良い。
噴孔入口３ａの下端は、円弧ｙまたは横直線ｚにある。
好ましい一例として、この実施形態では、噴孔入口３ａの下端が横直線ｚに接するタイプを示す。このタイプを具体的に説明する。この実施形態では、円弧ｙと横直線ｚの境界を便宜上、円弧下境界ｙ１とする。この実施形態における噴孔入口３ａの下端は、図２に示すように、円弧下境界ｙ１より下に設けられるものである。

噴孔入口３ａの上端は、縦直線ｘによって形成される内周面に接して設けられる。換言すれば、噴孔入口３ａの上端は、縦直線ｘに接して設けられる。このことを具体的に説明する。この実施形態では、縦直線ｘと円弧ｙの境界を便宜上、円弧上境界ｙ２とする。この実施形態における噴孔入口３ａの上端は、図２に示すように、円弧上境界ｙ２より上に設けられるものである。

ニードル２は、軸方向へ延びるシャフト形状を呈する。
ニードル２には、弁座シート５に着座してサック室６への加圧燃料の供給を遮断する円環状のシート部８が設けられている。

このシート部８は、広がり角の異なる２つの円錐面の境界部に形成される。
具体的に、シート部８より上側の円錐面の広がり角は、弁座シート５の広がり角より小さいものであり、シート部８より下側の円錐面の広がり角は、弁座シート５の広がり角より大きいものである。
以下では、シート部８の下側の円錐個所を円錐部９と称して説明する。即ち、ニードル２には、シート部８を境界部とし、シート部８から下方へ縮径する円錐形状を呈する円錐部９が設けられている。

この実施形態の燃料噴射ノズルは、円錐部９の一部がサック室６の内部に挿し入れられて、円錐部９がサック室６と軸方向にオーバーラップする円錐挿入タイプである。即ち、円錐部９の下端に形成される逃げ部１０が、弁座シート５とサック室６の境界線１１よりも下方に配置されるタイプである。
なお、逃げ部１０の形状は限定するものではなく、図２に示すように、円錐部９より広がり角の大きい円錐面であっても良いし、図２とは異なり、軸方向に対して垂直な平面であっても良い。

円錐挿入タイプを補足説明する。
円錐挿入タイプの燃料噴射ノズルは、シート部８が弁座シート５に着座した状態の時に、逃げ部１０が境界線１１より下方に位置して、円錐部９とサック室６が軸方向にオーバーラップするものである。
そして、ニードル２の最大リフト時に円錐部９がサック室６と軸方向にオーバーラップすることが好ましいが、最大リフト時に円錐部９がサック室６から抜け出るものであっても良い。

ニードル２が下降してシート部８が弁座シート５に着座する状態では、加圧燃料の供給側と噴孔３の連通が遮断され、燃料噴射が停止される。
一方、ニードル２が上昇してシート部８が弁座シート５から離座する状態では、加圧燃料の供給側と噴孔３が連通して、燃料が噴孔３から噴射される。

（実施形態１の効果１）
この実施形態１の燃料噴射ノズルは、サック室６の断面形状が縦直線ｘと横直線ｚと円弧ｙで設けられるとともに、曲率半径ｒ２が曲率半径ｒ１より小さく設けられる。
これにより、サック室６の底面にサック中心線Ｌ１が交わる交点Ｐ３が、従来技術に比較して上側に設けられる。このため、曲率半径ｒ１が従来技術と同じであっても、サックボリュームを従来技術に比較して小さくすることができる。

このことを具体的に説明する。
シート部８が弁座シート５に着座した状態におけるサックボリュームを、実施形態１と従来技術とで比較する。なお、以下では、サック室６の上側を成す円筒の軸方向の寸法をサック長と称する。
実施形態１と従来技術の曲率半径ｒ１が同じで、且つ実施形態１と従来技術のサック長が同じの場合、実施形態１のサックボリュームを、従来技術に比較して大幅に小さくできる。

上記を具体的な数値を用いて説明する。
実施形態１と従来技術の曲率半径ｒ１を共に０．６ｍｍに設けるとともに、施形態１と従来技術のサック長を共に０．５ｍｍで設ける場合、実施形態１のサックボリュームを図３のグラフＡに示し、従来技術のサックボリュームを図３のグラフＢに示す。
グラフＡとグラフＢを比較して明らかなように、実施形態１のサックボリュームを、従来技術に比較して６０％ほど小さくできる。

このように、サックボリュームを大幅に小さくできるため、噴射を停止した後に、サック室６に残る燃料を大幅に減らすことができる。その結果、サック室６に残った燃料が噴孔３を通って燃焼室に漏れ出すことで生じる排気ガス中のＨＣを大幅に抑えることができる。

（実施形態１の効果２）
この実施形態１の燃料噴射ノズルは、噴孔入口３ａの下端が横直線ｚに接して設けられる。これにより、噴孔入口３ａは、サック室６の底側で開口する。その結果、噴射開始初期など、噴射量の少ない低リフト時には、図２の矢印αに示すように、加圧燃料がサック室６の底にぶつかった後に上方へ戻る現象が抑えられ、サック室６に供給された加圧燃料が直接的に噴孔３内へ流入する。このため、噴孔３の下面付近でキャビテーションが発生する従来技術の不具合を回避して、流量係数が低下を抑制できる。即ち、従来技術に比較して低リフト時の噴霧貫徹力を強めることができる。

（実施形態１の効果３）
この実施形態１の燃料噴射ノズルは、噴孔入口３ａの下端が横直線ｚに接するように設けられる。
このため、横直線ｚから噴孔３の下面に至る下側の燃料流入角度θ２を大きくすることができる。その結果、低リフト時において高圧燃料が噴孔３に流入する際に、サック室６の底側から噴孔３へ流入する燃料の流れの曲がりを緩やかにできる。これによっても、噴孔３の下面付近でキャビテーションが発生する不具合を回避することができ、低リフト時の噴霧貫徹力を強めることができる。

（実施形態１の効果４）
ニードル２のリフト量が大きくなる高リフト時には、サック室６が加圧燃料で満たされて高圧になる。このため、サック室６に供給された高圧燃料が上方から弧を描いて噴孔３に流入する。

ここで、この実施形態１の燃料噴射ノズルは、縦直線ｘがサック中心線Ｌ１に対して平行に設けられるとともに、噴孔入口３ａの上端が縦直線ｘに接して設けられる。
このため、縦直線ｘから噴孔３の上面に至る上側の燃料流入角度θ３を大きくすることができる。その結果、高リフト時において高圧燃料が噴孔３に流入する際に、上方から噴孔３へ流入する燃料の流れの曲がりを緩やかにでき、噴孔３の上面付近でキャビテーションが発生する不具合を回避できる。これにより、高リフト時の噴霧貫徹力を強めることができる。

［実施形態２］
図４に基づいて実施形態２を説明する。なお、以下において上記実施形態１と同一符合は同一機能物を示すものである。また、以下では、実施形態１に対する変更箇所のみを開示するものであり、実施形態２において説明していない箇所については先行して説明した形態を採用するものである。

この実施形態２は、横直線ｚがサック中心線Ｌ１に対して９０°に設けられる。即ち、サック室６の底面は、サック中心線Ｌ１に対して垂直な平面に設けられる。
また、この実施形態２は、逃げ部１０の形状が軸方向に対して垂直な平面に設けられる。
なお、他の構造は、上述した実施形態１と同じであり、説明は割愛する。

（実施形態２の効果）
横直線ｚをサック中心線Ｌ１に対して９０°に設けることにより、サックボリュームを最小にすることができる。このため、サック室６に残る燃料をさらに少なくすることができ、排気ガス中のＨＣをさらに抑えることができる。

［他の実施形態］
本発明は、上記で示した形態に限定されるものではなく、以下の形態を採用可能なものである。

上記の実施形態では、ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズルに本発明を適用する例を示した。ディーゼルエンジンは圧縮着火式内燃機関である。このため、燃料噴射ノズルが噴射する燃料は、軽油に限定するものではなく、ジメチルエーテルなど圧縮着火に適した他の燃料であっても良い。

上記の実施形態では、ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズルに本発明を適用する例を示したが、ガソリンエンジンに用いられる燃料噴射ノズルに本発明を適用しても良い。

燃料噴射ノズルは、燃料噴射ノズルの周囲に燃料を噴射する全周噴射タイプであっても良いし、燃料噴射ノズルの両側へ燃料を噴射する両側噴射タイプであっても良いし、燃料噴射ノズルの片側のみに燃料を噴射する片側噴射タイプであっても良い。

上記の実施形態では、円錐挿入タイプの燃料噴射ノズルを示したが、円錐挿入タイプとは異なる燃料噴射ノズルに本発明を適用しても良い。具体的には、シート部８が弁座シート５に着座した状態の時に、逃げ部１０が境界線１１と同じか、逃げ部１０が境界線１１より上方に位置するタイプの燃料噴射ノズルに本発明を適用しても良い。

上記の実施形態では、縦直線ｘをサック中心線Ｌ１に対して平行に設ける例を示したが、縦直線ｘをサック中心線Ｌ１に対して傾斜するように設けても良い。具体的には、サック室６の上側を下方へ向かって縮径するテーパ面に設けても良い。

１・・・ノズルボディ ２・・・ニードル
３・・・噴孔 ３ａ・・噴孔入口
５・・・弁座シート ６・・・サック室
８・・・シート部 Ｌ１・・サック中心線
ｒ１・・サック室上端の曲率半径 ｒ２・・円弧の曲率半径
ｘ・・・縦直線 ｙ・・・円弧
ｚ・・・横直線

Claims (4)

1. 円錐面形状を呈する弁座シート（５）が内側に設けられるとともに、前記弁座シートの内側を通過した加圧燃料を集合させるサック室（６）が内側に形成され、さらに前記サック室に供給された加圧燃料を外部に噴射する噴孔（３）が形成されるノズルボディ（１）と、
   前記弁座シートに着座して前記サック室への加圧燃料の供給を遮断するシート部（８）を有し、前記ノズルボディの内部において直線方向へ駆動されるニードル（２）とを備え、
   前記ニードルが移動する方向を軸方向、
   燃料噴射を噴射する際に前記ニードルが移動する方向を上、
   燃料噴射を停止させる際に前記ニードルが移動する方向を下、
   前記サック室の中心を通って軸方向へ伸びる直線をサック中心線（Ｌ１）、
   前記噴孔において前記サック室内で開口する箇所を噴孔入口（３ａ）、
   とした場合、
   前記サック室を前記サック中心線に沿ってカットした際の断面形状は、
   前記弁座シートの下端から下方へ伸びる縦直線（ｘ）と、
   この縦直線の下端に繋がり、前記サック室の内径方向へ向かう円弧（ｙ）と、
   この円弧の内端に繋がり、前記サック室の内径方向へ向かう横直線（ｚ）とを備え、
   前記円弧の曲率半径（ｒ２）が、前記サック室の上端における開口径の曲率半径（ｒ１）より小さく設けられ、
   前記噴孔入口の下端が、前記円弧または前記横直線にある燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記縦直線は、前記サック中心線に対して平行に設けられ、
   前記噴孔入口の上端は、前記縦直線によって形成される前記サック室の内周面に接することを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 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、
   前記ニードルは、前記シート部から下方へ向かって縮径する円錐形状を呈する円錐部（９）を備え、
   前記円錐部が、前記サック室の内側に挿し入れられた状態で配置されることを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項１〜請求項３いずれか１つに記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記横直線は、前記サック中心線に対して９０°に設けられることを特徴とする燃料噴射ノズル。

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