JP6254122B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射を行う燃料噴射ノズルに関する。

ニードルの先端に設けられる円錐部が、ノズルボディのサック室と軸方向にオーバーラップする円錐挿入タイプの燃料噴射ノズルが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１０−１７４８１９号公報

（問題点）
この明細書では、ニードル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が移動する方向を上として説明する。
噴射開始直後など、ニードルのリフト量が小さい低リフト時は、サック室内で燃料の流れに強い乱れが生じてしまう。このため、サック室から噴孔に燃料を導くサック室内の流量係数が小さくなる不具合が生じてしまう。

なお、サック室内の流量係数が小さくなると、噴霧貫徹力が弱くなってしまう。ここで、噴霧貫徹力は、噴孔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。

また、リフト量が大きくなると、リフト量の変化に伴ってサック室を流れる燃料の流れに変化が生じてしまう。具体的には、低リフト時に円錐部に沿って流れていた燃料が、リフト量の増加に伴ってサック室の内壁に沿うように変化する。このように、サック室における燃料の流れが安定しない不具合がある。

（発明の目的）
本発明の目的は、サック室内の流量係数を大きくできるとともに、サック室における燃料の流れを安定化できる円錐挿入タイプの燃料噴射ノズルを提供することにある。

本発明の発明者らは、絞り開口面積（Ｓ１）と噴孔上流面積（Ｓ２）をコントロールすることで、サック室内における燃料の流れをコントロールできることを見出した。具体的には、絞り開口面積と噴孔上流面積を用いた下記の数式２が、サック室内の流量係数に比例することを見出した。

上記数式によって求められる指標値（Ｓａ）を０．５以上にすることで、サック室内の流量係数を大きくできるとともに、サック室における燃料の流れを安定化できる。

サック中心線に沿う燃料噴射ノズルの要部断面図である。 燃料噴射ノズルの要部の説明図である。 （ａ）絞り開口面積の説明図、（ｂ）噴孔上流面積の説明図、（ｃ）噴孔面積の説明図である。 指標値Ｓａが０．５に満たない場合の作動説明図である。 指標値Ｓａを０．５以上に設けた場合の作動説明図である。

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、一例を開示するものであって、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５に基づいて実施形態１を説明する。
自動車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、以下では、ニードル２の上方への移動量をリフト量、ニードル２が移動する方向を軸方向ｈとする。

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、高圧燃料が供給されるノズル孔４と、円錐面形状を呈する弁座シート５と、弁座シート５の内側を通過した加圧燃料を集合させる球面形状を呈するサック室６とが形成されている。
弁座シート５は、ノズル孔４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ように設けられている。

サック室６は、弁座シート５の下端から下方へ伸びる円筒面６ａと、この円筒面６ａの下端に繋がる半球面６ｂとを組み合わせて設けられる。
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。

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。なお、以下では、具体的な一例として、複数の噴孔３が形成される例を示す。

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の内壁面から膨出部７の外壁面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、放電加工、レーザー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の形状を限定するものではない。

ニードル２は、上下方向へ延びるシャフト形状を呈するものであり、ノズル孔４の中心部において上下方向へ駆動可能に支持される。
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。

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ｈ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、軸方向ｈに対して垂直な平面であっても良いし、図２とは異なり、円錐部９より広がり角の大きい円錐面であっても良い。

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ｈ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ｈ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。
逆に、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。

この実施形態の燃料噴射ノズルを、さらに具体的に説明する。
この明細書で用いる用語を説明する。
円筒面６ａの軸方向の寸法をサック長Ｉとする。
円筒面６ａの直径を径寸法φｄｓとする。
サック室６の中心を通る軸方向の直線、即ち円筒面６ａを成す円筒の中心を通る軸方向の直線をサック中心線Ｌ１とする。
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。
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とする。
この噴孔入口３ａの下端を通って噴孔延長線Ｌ２に平行な直線を下端延長線Ｌ３とする。
サック室６の上端と円錐部９との間に形成される絞り部ｘの開口面積を絞り開口面積Ｓ１とする。
サック室６をサック中心線Ｌ１に沿ってカットした断面（図１参照）のうち、絞り部ｘ、ニードル２、サック室６の内壁、下端延長線Ｌ３で囲まれる面積の１／２を噴孔上流面積Ｓ２とする。
噴孔３の通路面積を噴孔面積Ｓ３（図３参照）とする。
絞り開口面積Ｓ１が噴孔面積Ｓ３に噴孔３の数を乗じた面積に等しくなる時のニードル２のリフト量を所定リフト量Ｌとする。もちろん、噴孔３の数は、上述したように１つを含むものである。
燃料の粘性係数を係数ρとする。

絞り開口面積Ｓ１は、リフト量に応じて変化する面積である。具体的には、リフト量が大きくなるに従ってサック室６の上端から円錐部９までの距離が長くなって、絞り開口面積Ｓ１が大きくなる。

噴孔上流面積Ｓ２を具体的に説明する。
サック室６をサック中心線Ｌ１に沿ってカットした断面を図１に示す。図１の断面では、サック中心線の両側に噴孔上流面積Ｓ２が存在する。
図１に示すサック室６の断面を、サック中心線を境に２分割する。このように２分割した断面の一方を図２に示す。図２に示す断面のうちで、絞り部ｘ、ニードル２、サック室６の内壁、下端延長線Ｌ３で囲まれる面積が噴孔上流面積Ｓ２である。

この実施形態の燃料噴射ノズルは、広角噴射タイプを採用する。
広角噴射タイプは、噴射角θ１が６０°から８５°の範囲内に設けられる燃料噴射ノズルである。
具体的な一例として、図１に示すように、サック中心線Ｌ１を介して対向する２つの噴孔３を例に説明する。この場合、一方の噴孔３の噴孔延長線Ｌ２から下側のサック中心線Ｌ２を通って他方の噴孔３の噴孔延長線Ｌ２に至る角度が１２０°から１７０°の範囲内に設けられるものが広角噴射タイプである。

また、限定するものではないが、具体的な一例として、半球面６ｂの接線に対して噴孔延長線Ｌ２が垂直となるように噴孔３が形成される。

絞り開口面積Ｓ１と噴孔上流面積Ｓ２をコントロールすることで、サック室６内における燃料の流れをコントロールできる。
サック室６内の流量係数は、上述した数式２に比例する。
この実施形態の燃料噴射ノズルは、下記の数式３で求められる指標値Ｓａが、
Ｓａ≧０．５
の関係を満足するように設けられる。

具体的には、径寸法φｄｓの大径化とサック長Ｉの短縮化によって、指標値Ｓａを０．５以上に設けている。
このことをさらに具体的に説明する。径寸法φｄｓの大径化によって絞り開口面積Ｓ１を大きくするとともに、サック長Ｉの短縮化によって噴孔上流面積Ｓ２を小さくすることで、指標値Ｓａを０．５以上に設けている。

なお、上記の数式におけるｈ＝０は、ニードル２の軸方向位置が噴射停止時であることを示し、ｈ＝Ｌは、ニードル２の軸方向位置が所定リフト量Ｌに達することを示す。

次に、図４、図５を参照して、指標値Ｓａを０．５より小さく設けた場合と、指標値Ｓａを０．５以上に設けた場合の作動を比較する。

図４（ａ）は、指標値Ｓａが０．５より小さく設けられた場合における低リフト時の作動を示す。
絞り開口面積Ｓ１が小さいと、サック室６の内部に流入する燃料の勢いが強くなる。すると、サック室６内で燃料の流れに強い乱れが生じてしまい、サック室６内の流量係数が小さくなってしまう。

図４（ｂ）は、指標値Ｓａが０．５より小さく設けられた場合における高リフト時の作動を示す。
噴孔上流面積Ｓ２が大きいと、サック室６に流入した燃料の流れｂ１がサック室６の内壁に沿うように変化する。このように、サック室６における燃料の流れが安定しない。

図５（ａ）は、指標値Ｓａを０．５以上に設けた場合における低リフト時の作動を示す。
絞り開口面積Ｓ１が大きいと、サック室６の内部に流入する燃料の勢いを弱めることができる。すると、サック室６内における燃料の乱れを抑えることができ、サック室６内の流量係数を大きくできる。

図５（ｂ）は、指標値Ｓａを０．５以上に設けた場合における高リフト時の作動を示す。
噴孔上流面積Ｓ２が小さいと、サック室６に流入した燃料の流れｂ２の変化が抑えられる。即ち、サック室６における燃料の流れが安定化する。

（実施形態１の効果１）
上述したように、上記の数式３によって求められる指標値Ｓａを０．５以上に設けることで、サック室６内の流量係数を大きくできるとともに、サック室６における燃料の流れを安定化できる。
このため、リフト量が変化しても噴霧貫徹力が安定であり、且つ噴霧貫徹力の強い燃料噴射ノズルを提供することができる。

（実施形態１の効果２）
また、上記の数式３によって求められる指標値Ｓａを０．５以上に設けることで、サックボリュームを小さくできる。なお、サックボリュームは、サック室５内におけるノズルボディ１とニードル２の間の容積である。
このように、サックボリュームを小さくできることで、噴射を停止した後に、サック室６に残る燃料を減らすことができる。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により生じる排気ガス中のＨＣを低減する効果が得られる。

［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、以下の形態を採用するものであっても良い。

上記の実施形態では、サック室６を円筒面６ａと半球面６ｂを組み合わせて設けたが、サック室６の形状を限定しない。具体的には、円筒面６ａを他の形状に設けても良い。あるいは、円筒面６ａを維持したまま半球面６ｂを他の形状に変更しても良い。

上記の実施形態では、噴射角θ１を６０°〜８５°に設ける広角噴射タイプを例を示したが噴射角θ１を限定しない。即ち、噴射角θ１を６０°未満に設けても良いし、噴射角θ１を８５°より大きく設けても良い。

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。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。

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 ９・・・円錐部
ｈ・・・軸方向 Ｌ１・・サック中心線、
Ｌ２・・噴孔延長線 Ｌ３・・下端延長線
Ｓ１・・絞り開口面積 Ｓ２・・噴孔上流面積
Ｓ３・・噴孔面積 ｘ・・・絞り部

Claims (3)

1. 円錐面形状を呈する弁座シート（５）が内側に形成されるとともに、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）を有するとともに、前記シート部を境界部とした円錐形状を呈する円錐部（９）を有し、前記円錐部が前記サック室の内側に挿し入れられ、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、
   燃料噴射を開始する際に前記ニードルが移動する方向を上、
   燃料噴射を停止する際に前記ニードルが移動する方向を下、
   前記ニードルの上方への移動量をリフト量、
   前記ニードルが移動する方向を軸方向（ｈ）、
   前記サック室の中心を通る軸方向の直線をサック中心線（Ｌ１）、
   前記サック室の上端と前記円錐部との間に形成される絞り部（ｘ）の開口面積を絞り開口面積（Ｓ１）、
   前記噴孔の中心軸を前記サック室内へ延長した直線を噴孔延長線（Ｌ２）、
   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）、
   前記噴孔入口の下端を通り、前記噴孔延長線に平行な直線を下端延長線（Ｌ３）、
   前記サック室を前記サック中心線に沿ってカットした断面のうち、前記絞り部、前記ニードル、前記サック室の内壁、前記下端延長線で囲まれる面積の半分を噴孔上流面積（Ｓ２）、
   前記噴孔の通路面積を噴孔面積（Ｓ３）、
   前記絞り開口面積が、前記噴孔面積に前記噴孔の数を乗じた面積に等しくなる時のリフト量を所定リフト量（Ｌ）、
   燃料の粘性係数を係数（ρ）、
   とした場合、
   

   

   で求められる指標値（Ｓａ）が、
   Ｓａ≧０．５
   の関係を満足する燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記サック室は、前記弁座シートの下端から下方へ伸びる円筒面（６ａ）と、この円筒面の下端に形成される半球面（６ｂ）とを備え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、
   前記サック中心線の下側から前記噴孔延長線までの角度（θ１）は、６０°から８５°の範囲内に設けられることを特徴とする燃料噴射ノズル。

Images