JP2002364498A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディーゼルエンジン等に用いられる燃料噴射
ノズルの噴孔の周辺部にデポジットが堆積して排気エミ
ッション特性が悪化するのを防止する。 【解決手段】 燃料噴射ノズル１の噴孔５の周りに、例
えばジュラルミンや酸化チタンのような高膨張率物質を
環状のコーティング部６として設ける。コーティング部
６の熱膨張率を、カーボン等からなるデポジットの熱膨
張率よりも大きくするので、燃焼室内の温度変化によっ
てコーティング部６が厚さ方向に伸縮する時に、付着し
たデポジットがせん断力を受けて剥離する。また、環状
のコーティング部６はフッ素樹脂のような撥油性物質に
よって形成することもできる。この場合はデポジットが
付着し難くなる。

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
ンのように、各気筒の燃焼室内へ燃料を直接に噴射する
形式の内燃機関に使用するのに好適な燃料噴射ノズルに
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ディーゼルエンジンにおいて連
続運転を行った時には、燃料噴射ノズルの先端部にデポ
ジットが付着して、先端部に形成された噴孔の有効径が
減少することにより単位時間当たりの燃料噴射量（噴射
率）が減少するとか、噴射方向や燃料噴霧の拡開角度が
変化することによって、排気特性の悪化等の問題を引き
起こす場合がある。

【０００３】この問題を避けるための従来技術として、
特開平１１−２８７１３０号公報に記載されている「デ
ポジット付着抑制機構付き燃焼室」では、燃焼室内の露
出部分を酸化チタン等の光触媒によって被覆することに
より、光触媒が燃焼等によって発生する紫外線を受けた
時に、表面にＯＨラジカルが発生してデポジットを酸化
させるという性質があるのを利用して、燃焼室内の露出
部分にデポジットが付着するのを抑制している。

【０００４】しかしながら、デポジットのような有機化
合物には紫外線を含む光線を吸収するという性質がある
ため、この従来技術によっても、デポジットが少しでも
壁面に付着して紫外線を吸収するようになると光触媒の
効果が低下して、それ以後はデポジットの堆積が進行す
るという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前述のような問題に鑑み、新規な手段によってそ
の問題を解消して、燃焼室の中でも特に重要な燃料噴射
ノズルの噴孔付近にデポジットが付着するのを抑制する
と共に、少しでもデポジットが付着した時にはそれを剥
離させることにより、噴孔付近にデポジットが厚く堆積
して固着するのを防止して、排気エミッション特性の悪
化等の問題が生じるのを未然に防止することを目的とし
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に
記載された燃料噴射ノズルを提供する。

【０００７】本発明の燃料噴射ノズルにおいては、燃料
噴霧が噴出する噴孔の出口周辺部の表面に噴孔を取り巻
くように、デポジットの付着を抑制することができる材
料からなる環状のコーティング部が形成されるので、噴
孔の周辺部にデポジットが堆積して噴孔の有効面積を狭
めることによって単位時間当たりの燃料噴射量が最適値
からずれたり、噴射方向や燃料噴霧の拡開角度が変化す
ることによって排気エミッションが悪化するという問題
が解消する。

【０００８】環状のコーティング部の材料としては、デ
ポジットを形成する炭素の熱膨張率よりも大きい熱膨張
率を有する材料を使用することができる。例えば、ジュ
ラルミンや酸化チタン等である。熱膨張率の高い物質を
環状のコーティング部として燃料噴射ノズルの噴孔の周
辺部に設けると、その上にデポジットが付着しても、温
度が上昇した時に大きく膨張するコーティング部が、デ
ポジットを燃料噴射ノズルの表面から剥離させるように
作用する。それによって、デポジットは剥離して除去さ
れる。

【０００９】本発明によれば、環状のコーティング部の
材料として、フッ素樹脂のような撥油性物質を使用する
こともできる。この場合は、撥油性物質の作用によって
デポジットが燃料噴射ノズルの表面に付着,堆積し難く
なるので、堆積したデポジットによる問題が未然に回避
される。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１及び図２に本発明の具体的な
実施例を示す。図１はディーゼルエンジン用の燃料噴射
ノズル１の全体構成を示すもので、図２は、その要部の
みを拡大して示したものである。この場合の燃料噴射ノ
ズル１はソレノイドのような電磁式のアクチュエータ２
を備えており、それによって燃料通路３を制御するため
に設けられたニードル４を図において上下方向に作動さ
せて、燃料噴射ノズル１の先端部（図における下端部）
に開口している１個以上の噴孔５のすぐ上流側に設けら
れた弁座を開閉するように構成されている。

【００１１】従って、図示しない電子式制御装置等から
送られる制御信号によって電磁式アクチュエータ２が作
動した時にニードル４が僅かに上昇し、弁座開口が開い
て、図示しない燃料噴射ポンプから燃料通路３を介して
燃料噴射ノズル１内へ供給される高圧の燃料が噴孔５か
ら機関の燃焼室内へ噴射され、それとは別に燃焼室内へ
供給された空気と混合して燃焼する。

【００１２】この実施例の特徴として、燃料噴射ノズル
１の先端部の拡大図である図２に示したように、噴孔５
の周囲に半径方向に一定の距離をおいて、同心円状に環
状のコーティング部６を設けている。具体的にコーティ
ング部６を形成するための材料としては、ジュラルミン
や酸化チタンのような膨張率の高い物質 (高膨張率物質
という）とフッ素樹脂のような撥油性物質を挙げること
ができる。勿論、この材料は、噴射ノズル１の先端部が
曝される高温において安定なものでなければならない。
これらの物質を燃料噴射ノズル１の先端部に環状にコー
ティングするには、適当なマスクを使用した蒸着、スパ
ッタリング、溶射、塗布その他の公知の方法を利用する
ことができる。

【００１３】図３及び図４は、高膨張率物質を環状のコ
ーティング部６として設けた場合の噴孔５の周辺部を拡
大して示した断面図であって、図３は燃料噴射ノズル１
の先端部が低温の時を示しており、図４は同じく高温の
時を示している。この場合は環状のコーティング部６が
高膨張率物質からなっているので、その材料に強い撥油
性がない場合には、噴孔５の周囲において図３に示した
ようにコーティング部６を覆うようなデポジット７が付
着する恐れがある。

【００１４】しかしながら、機関の運転中に燃料噴射ノ
ズル１の先端部が高温（実験によれば、最高で３００℃
程度）になると、高膨張率物質からなるコーティング部
６がデポジット７よりも大きく膨張するため、図４に示
したように、デポジット７は燃料噴射ノズル１の先端部
の表面から強制的に引き剥がされ、それらの間に微小な
隙間ｇが形成される。そして、燃焼室内の温度と圧力は
絶えず大幅に変動しているし、燃焼室内には脈動的な流
体の激しい流れがあるから、次に機関の運転が停止され
てコーティング部６の温度が低下して収縮する時まで待
たなくても、剥離したデポジット７は壊れて吹き飛ばさ
れ、排気と共に外部へ排出される。

【００１５】このように、環状のコーティング部６が熱
による膨張と収縮を繰り返すことにより、デポジット７
が付着しても、間もなく剥離して消失するため、デポジ
ット７が噴孔５の周辺部に堆積するようなことが避けら
れる。

【００１６】環状のコーティング部６の材料としてフッ
素樹脂のような撥油性物質を用いた場合には、コーティ
ング部６の表面の摩擦係数が小さくなると共にデポジッ
ト７の付着力も小さくなるので、デポジット７がコーテ
ィング部６に付着し難くなるだけでなく、運転条件によ
ってデポジット７が一時的に付着しても、燃焼室内の温
度、圧力の変動や、流体の激しい流れ等によって自然に
剥離するので、デポジット７の堆積と悪影響は防止され
る。また、フッ素樹脂は化学的に且つ高温において非常
に安定な物質であるから、内燃機関の燃焼室のような過
酷な環境においても、長期間にわたって十分に高い耐久
性を維持することができる。

【００１７】次に、コーティング部６の好適な形状につ
いて説明する。図５に噴孔５を通過した後の燃料の噴流
を参照符号８によって示す。燃料の噴流８というのは噴
孔５の出口から燃焼室内へ拡開する燃料噴霧の流れのこ
とである。仮に、コーティング部６が燃料の噴流８に近
づき過ぎてそれらが接触すると、コーティング部６が燃
料噴射ノズル１の表面から剥離する恐れが生じる。ま
た、コーティング部６の加工時にコーティングの材料が
噴孔５の中へ流入して開口面積を狭める恐れもある。こ
の場合は、噴射量や噴射率が所定の値からずれることに
なる。

【００１８】また、コーティング部６が燃料の噴流８か
ら離れ過ぎると、コーティング部６の内側において噴孔
５の周りにデポジット７が付着する恐れが生じる。従っ
て、コーティング部６は、噴孔５の出口から最適の距離
をおいて最適の幅を有するように設ける必要がある。こ
の場合の距離Ｌin (mm) は、燃料の噴流８の拡開角度或
いは燃料噴霧角度θf (°)と、コーティング部６の厚さ
Ｈc (mm)とから、燃料の噴流８がコーティング部６に接
触しない最短の距離として算出することができる。即
ち、距離Ｌin (mm) は次の関係式から求めることができ
る。 Ｌin＝Ｈc ／tan(９０−θf ／２）

【００１９】発明者の研究によれば、この関係式におけ
る１つのパラメータである燃料噴霧角度θf について
は、 ５°≦θf ≦９０° として示したような可変の範囲があり、また、他のパラ
メータであるコーティング部６の厚さＨc については、
実質的に、 ０．０１ mm ≦Ｈc ≦１ mm として示したような可変の範囲があることが判った。

【００２０】コーティング部６を形成する範囲(幅）Ｌc
(mm)は、コストを考慮すると狭い方がよいが、コーテ
ィング部６の範囲Ｌc をあまり狭くすると、その上に付
着するデポジット７を剥離することが難しくなると考え
られる。一方、範囲Ｌc をあまり広くすると、コーティ
ング部６とデポジット７との間に、コーティング部６の
熱膨張と収縮によってデポジット７を剥離させるせん断
応力Ｓf が発生しなくなる。また、デポジット７に対す
る燃料の噴流８の剥離力Ｐf は、図５に示すように燃料
噴霧の噴出方向に作用するため、燃料噴霧角度θf が大
きくなると、デポジット７を剥離させる剥離力（せん断
力）Ｐf が小さくなる。

【００２１】この点を考慮して、コーティング部６の範
囲（幅）Ｌc は燃料噴霧角度θf の大きさに応じて変化
させる。即ち、噴霧角度θf が大きい場合は、それに応
じてコーティング部６の範囲Ｌc を大きくする。従っ
て、デポジット７の厚さがＨd(mm)であるときに、コー
ティング部６の範囲Ｌc を求めるための計算式は次のよ
うなものとすることができる。 Ｌc ＝２×(Ｈd ×tan(θf)−Ｌin)

【００２２】この計算式の根拠として、図６に示すよう
に、噴孔５の一点Ａから角度θf をもって燃料が噴出す
る場合に、点Ａから斜めに伸びて、設けられるべきコー
ティング部６の角部に接している直線Ｌa が、厚さがＨ
d と想定されるデポジット７の上面と交わる点をＢとす
ると共に、同じ点Ｂを通って環状のコーティング部６の
外周の一部に接した後に燃料噴射ノズル１の表面上の点
Ｃまで直線Ｌa に対して対称的に伸びる直線Ｌb を引
き、直線Ｌa 及び直線Ｌb と燃料噴射ノズル１の表面か
らなる二等辺三角形を考えて、幾何学的に前述の計算式
を導出している。

【００２３】前述の計算式を使用すると、燃料噴霧角度
θf の変化による剥離力Ｐf の変化に対応して、コーテ
ィング部６の範囲を広げることができ、必要最小限のコ
ーティング域を確保することができる。なお、発明者の
研究によると、エミッションの排出量に悪影響を与える
可能性があるデポジット７の厚さＨｄ は０．１mm以上
であり、また、デポジット７が堆積する厚さは最大でも
２mm程度であるから、デポジット７の厚さＨｄ は、 ０．１≦Ｈｄ ≦２ の範囲にあるものとする。

【００２４】前述のように、２つのパラメータＬin 及
びθf にはそれぞれ可変の範囲があって、θfは最小で
５°、最大で９０°であること、問題を生じるデポジッ
ト７の厚さＨｄ は最小で０．１mm、最大で２mmの範囲
内にあること、更に、コーティング部６の厚さＨc は最
小で０．０１mm、最大で１mmであることから、本発明に
よって設けるべきコーティング部６の幅（範囲）Ｌc と
位置を示す噴孔５からの距離Ｌin が実質的にとり得る
範囲は、それぞれ次のように規定することができる。 ２×(０．１× tan５−Ｌin ) ≦ Ｌc ≦ ２×(２× ta
n９０−Ｌin ) ０．０１／tan (９０−５／２ ) ≦ Ｌin ≦ １／tan
(９０−９０／２ )

【００２５】なお、前述のように、高温時の熱膨張と低
温時の収縮との差によってデポジット７の剥離を促進す
る場合に使用するコーティング部６の材料としては、主
として炭素からなるデポジット７よりも大きな熱膨張率
を有する物質を使用するが、炭素の熱膨張率が３×１０
^-6（℃^-1）程度であることから、コーティング部６の材
料としては、それよりも高い熱膨張率を有するジュラル
ミン（熱膨張率６５×１０^-6（℃^-1））や酸化チタン
（熱膨張率２７×１０^-6（℃^-1））を使用する例を挙げ
た。しかしながら、本発明におけるコーティング部６の
材料となる高膨張率物質がこれら２つの材料に限られる
とか、撥油性物質がフッ素樹脂等に限られる訳ではな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例としてディーゼルエンジン用の
燃料噴射ノズルの全体構成を一部切断して示す縦断面図
である。

【図２】図１に示す燃料噴射ノズルの要部を拡大して示
す正面図である。

【図３】デポジットが堆積した噴孔付近の低温状態を示
す断面図である。

【図４】本発明の作用を説明するためにデポジットが堆
積した噴孔付近の高温状態を示す断面図である。

【図５】噴孔と環状のコーティング部との距離及び燃料
の噴流とデポジットとの位置関係を説明するための噴孔
付近の断面図である。

【図６】好適な数値範囲を規定する計算式の導出過程を
説明するための噴孔付近の断面図である。

【符号の説明】

１…燃料噴射ノズル ２…電磁式アクチュエータ ３…燃料通路 ４…ニードル ５…噴孔 ６…高膨張率物質或いは撥油性物質からなる環状のコー
ティング部 ７…デポジット ８…燃料の噴流（燃料噴霧の流れ） Ｐf ，Ｓf …せん断力 Ｌc …コーティング部の範囲（幅） Ｌin…噴孔とコーティング部との距離 Ｈc …コーティング部の厚さ Ｈd …デポジットの厚さ Ｌa ,Ｌb …直線 θf …燃料噴霧の拡開角度

フロントページの続き (72)発明者 柴田 仁 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 藤原 清 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G066 AA07 BA23 BA32 CD15 CD21

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料噴霧が噴出する噴孔の出口周辺部の
   表面において前記噴孔を取り巻くように、デポジットの
   付着を抑制することができる材料からなる環状のコーテ
   ィング部が形成されていることを特徴とする燃料噴射ノ
   ズル。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記環状のコーティ
   ング部に使用される材料が、デポジットを形成する炭素
   の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有することを特徴と
   する燃料噴射ノズル。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記環状のコーティ
   ング部に使用される材料がジュラルミンであることを特
   徴とする燃料噴射ノズル。
4. 【請求項４】 請求項２において、前記環状のコーティ
   ング部に使用される材料が酸化チタンであることを特徴
   とする燃料噴射ノズル。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   排除すべきデポジットの厚さが最小０．１mm、最大２mm
   であり、前記環状のコーティング部の厚さが最小０．０
   １mm、最大１mmであり、燃料の噴霧角度が最小５°、最
   大９０°であるときに、噴孔から前記コーティング部ま
   での距離Ｌin (mm) 及び前記環状のコーティング部の範
   囲Ｌc (mm)が次の不等式によって規定される範囲内にあ
   ることを特徴とする燃料噴射ノズル。 ２×(０．１× tan５−Ｌin ) ≦ Ｌc ≦ ２×(２× ta
   n９０−Ｌin ) ０．０１／tan (９０−５／２ ) ≦ Ｌin ≦ １／tan
   (９０−９０／２ )
6. 【請求項６】 請求項１において、前記環状のコーティ
   ング部に使用される材料が撥油性物質であることを特徴
   とする燃料噴射ノズル。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記環状のコーティ
   ング部に使用される材料がフッ素樹脂であることを特徴
   とする燃料噴射ノズル。