JP2002500308A - 加圧渦流型燃料噴射器の平頭ニードル - Google Patents

加圧渦流型燃料噴射器の平頭ニードル

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Abstract

(57)【要約】 本発明の噴射器のノズルは、アーマチャ組立体によって軸方向に往復運動する円筒状ニードルを有する。このニードルの先端部は平らな端面で終端するため、平らな端面とニードルの側壁との間に球面状の遷移表面が存在する。ニードルの直径及び弁座の角度に応じて、平らな端面の直径は弁座を貫通するオリフィスの直径よりも小さい。平らな端面と球面状遷移表面との間の円形端縁部は、弁の開位置において、液体燃料と空気とをニードルからいつも同じ箇所で分離させるため、スプレー円錐角と流量のばらつきが定常及び過渡運転状態において最小限に抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、内燃機関で燃焼する液体燃料を噴射するための燃料噴射 器に関し、さらに詳細には、内燃機関に燃料を直接噴射する高圧渦流型燃料噴射
器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射器は、通常、電気機械式アクチュエータの 電気的付勢及び脱勢に応答してその本体内部でニードルを軸方向に往復運動させ
ることにより燃料噴射器の先端の燃料流路を選択的に開閉するアーマチャ組立体
を有することがよく知られている。このアーマチャ組立体のニードルは、一般的
に、弁座に関して往復運動して、弁の開位置では噴射器の先端部のオリフィスを
燃料が流れるが、弁の閉位置ではニードルの先端部が弁座と係合する。従来型ニ
ードルでは、その先端部が弁座と係合するため球面状になっている。
【０００３】 燃料噴射器の多くは、噴射される燃料に渦流を発生させるものである。渦流型 噴射器の利点は、比較的低い噴射圧力で広く散開したスプレーを注入し霧化を促
進できることである。噴射プロセスでは、加圧燃料が接線通路を流れて大きな角
速度を発生する。その結果、燃料は薄い円錐板の形で吐出しオリフィスから放出
されて中空円錐状のスプレーとなり、急速に崩壊して細かい液滴となる。弁の開
位置で燃料流路を画定する表面、すなわちニードルの球面状先端部と弁座の円錐
台状凹部との構成により、板状の液体燃料がニードルの先端部から離れる位置は
いつも一定しない。即ち、弁構造体内部の液体燃料と空気との間の界面は、ニー
ドル先端部から明確で一定の箇所で分離しない。このように分離箇所が一定しな
いため、燃料流量及びスプレー円錐角、すなわち、スプレー円錐パターンの側部
間の角度に定常及び過渡運転状態時に実質的なばらつきが生じる。例えば、スプ
レー円錐角のばらつきは球頭型ニードルで５度、流量のばらつきは球頭型先端部
を有するニードルでほぼ±４．８％であることが判明している。板状の液体燃料
がニードル先端部から分離する位置が一定であることは、燃料を正確に計量し望
ましいスプレー円錐角を得るに当たって重要なことである。このことは、燃料が
燃焼室に直接噴射される直接噴射火花点火エンジンでは、燃料と空気とが混合す
るための時間が非常に短いため、特に重要である。その結果、スプレー円錐角と
流量のばらつきを減少させる必要が存在することが分かっている。
【０００４】
【発明の概要】
本発明によると、定常状態及び過渡状態の運転時においてスプレー円錐角と流 量のばらつきを減少させ且つ燃料と空気の混合物がいつも同じ一定の箇所で分離
するように構成したニードル先端部を有する燃料噴射器が提供される。上記目的
を達成するために、燃料噴射器のニードルの先端部にはそのニードルの軸及びそ
の往復運動軸に鉛直な平らな端面が設けられている。平らな端面の直径はその下
方の弁座のオリフィスの直径よりも小さい。その結果、ニードルの平らな端面と
、その平らな端面とニードルの側部との間の遷移表面との間に境界線、例えば円
形の端縁部が存在する。この端縁部は、ニードル上において液体と空気とが分離
する位置を形成するように設計される。この端縁部はニードル上にある一定の構
造的特徴部分であるため、ニードルの先端部上における燃料と空気との分離位置
は定常及び過渡運転状態を通して一定で変化がない。
【０００５】 ニードルの平らな端面と側部との間の遷移表面は、球面状であるのが好ましい 。殆どの場合、この平らな端面の直径はオリフィスの直径よりも小さいため、弁
の閉位置において、ニードル先端部の球面部分とオリフィスの周りのテーパー付
き円錐状弁座とが係合してそれらの間が密封状態となる。この構成により、スプ
レー円錐角と流量のばらつきは球面状ニードル先端部を使用する場合のスプレー
円錐角と流量のばらつきと比較すると著しく減少するため、設計した角度を有し
一定の燃料流量の円錐状スプレーをいつも容易に形成できる。このことは、空気
と燃料を混合するための時間が比較的短い直接噴射火花点火式エンジンでは特に
重要である。
【０００６】 本発明の好ましい実施例によると、アーマチャ組立体と、オリフィスを有する 弁座とを備え、アーマチャ組立体のニードルは、その先端部が弁座から離隔して
ニードルと該先端部との間にオリフィスに通じる燃料流路を画定する第１の位置
と、該先端部が弁座と係合して燃料流路を閉じる第２の流路との間で往復運動可
能であり、ニードルの先端部はその軸に鉛直な平らな端面を有する内燃機関用燃
料噴射器が提供される。
【０００７】 本発明のさらに好ましい実施例によると、弁座と、弁座を貫通するオリフィス と、ニードルとを有する噴射器より成り、該ニードルはその先端部が弁座から離
隔してニードルと該先端部との間にオリフィスに通じる燃料流路を画定する第１
の位置と、該先端部が弁座と係合して燃料流路を閉じる第２の流路との間で往復
運動可能であり、ニードルの先端部は横方向寸法がニードルの横方向寸法よりも
小さいその軸に鉛直な平らな端面を有し、その端面は、弁座に関するニードルの
第１の位置においてニードルの先端部から燃料が分離する箇所を画定する、ニー
ドルの横方向境界内の連続端縁部を形成する内燃機関用燃料噴射器が提供される
。
【０００８】 従って、本発明の主要目的は、直接噴射火花点火式エンジンにとって特に効果 的である、スプレー円錐角と流量のばらつきが少ない新規且つ改良型の燃料噴射
器を提供することにある。
【０００９】
【発明を実施するための最適実施態様】
図１を参照して、往復運動するアーマチャ組立体１２により噴射器のニードル １４が支持される燃料噴射器を総括的に１０で示す。このアーマチャ組立体１２
は、弁座１６に関する開位置と閉位置との間でニードル１４を軸方向に変位させ
るように往復運動可能である。噴射器のニードルの先端部は、弁の開位置では、
弁座又はシート１６から離隔するため、吐出しオリフィス１８を介して燃料が流
出し、また、弁の閉位置では、噴射用オリフィス１８に隣接するところで弁座又
はシート１６と係合する。アーマチャ組立体１２はばね１９を有するが、このば
ねはニードル１４を閉位置の方へ付勢する。電磁コイル２２は、電気パルス信号
に応答して、アーマチャ組立体１２及びニードル１４をばねの力に抗して周期的
に変位させることにより、ニードルを弁の開位置に周期的に変位させる。ＥＣＵ
の駆動回路２４は、これらの信号を電磁コイル２２に印加する。燃料噴射器入口
１７に供給される燃料は、中央の軸方向通路２１を流れ、アーマチャ１２を通っ
てニードル１４の周りを流れ、吐出しオリフィス１８から噴射される。ニードル
１４の先端部は、従来は球面状であった。
【００１０】 図２に示すように、燃料噴射器１０の下部２６には、下方に末広がりの壁面２ ８と、下方の案内部材３２、計量用渦流ディスク３４及び弁座１６を収納する円
筒状壁面３０とを備えたチェンバを有する。この案内部材３２とディスク３４と
は、ニードル１４が摺動できるように中央の開口を有する。弁座１６は、テーパ
ー付き表面３８、すなわち円錐台状の表面を有し、この表面は円筒状の中央オリ
フィス１８で終端している。案内部材３２及び計量用渦流ディスク３４はそれぞ
れ整列開口４０及び４２を有するが、これらの開口はニードル１４と弁の本体２
６との間の環状空間を流れてチェンバ２９に流入する燃料を受け、流すものであ
る。この燃料は計量用ディスクにより方向を変えられてニードル先端部とテーパ
ー付き円錐表面３８との間の空間に流入した後、オリフィス１８を流れる。計量
用渦流ディスク３４は、ニードル１４の先端部と表面３８との間の空間に連通す
る通路４４を有する。噴射器の上述した構成要素はよく知られているため、さら
に説明することは不要であろう。
【００１１】 図２から明らかなように、本発明によると、ニードル１４の先端部は、その軸 Ａに鉛直な平らな円形表面４６、及びこの平らな円形表面４６とニードル１４の
円筒状側壁との間の遷移表面４８を有する。好ましくは、この遷移表面４８は中
心がニードル１４の軸Ａに沿う所にある半径４９の球面の一部を形成する。従っ
て、この遷移表面４８と平らな円形表面４６との間の境い目は、鋭い円形端縁部
５０を形成する。大部分の実施例において、ニードルの直径と円錐台状弁座の角
度に応じて、平らな端面４６の直径ｄfはオリフィス１８の直径ｄoよりも小さく
、オリフィスとニードルは軸Ａの上にある。
【００１２】 ニードルと弁座とは、図示の弁の開位置において、遷移表面４８とテーパー付 き表面３８との間に、計量用渦流ディスク３４からオリフィス１８へ通じる燃料
流路５２を画定する。端縁部５０は円形の分離線、すなわち流れ離脱場所を形成
するが、そこではオリフィスの方へ流れる液体燃料がニードルの先端部からいつ
も決まった箇所で分離する。燃料流路５２及びオリフィス１８を流れる燃料は渦
流であるため、スプレー円錐角、すなわちスプレーの円錐体両側の角度がαであ
る円錐状スプレーパターン５４が発生することがわかるであろう。先端部の平ら
な端面と遷移表面４８との間の境い目の端縁部５０を位置決めすることにより、
スプレー円錐角と流量のばらつきは定常及び過渡運転状態において最小限に抑え
られる。流量のばらつきは、球面状端面を有する従来型ニードル先端部と比較す
ると、±４．８％から±２．２％に減少した。円錐角のばらつきも球面状ニード
ル先端部と比べると５°から３°に減少した。
【００１３】 本発明の好ましい実施例において、ニードルの直径は約２ｍｍ、平らな端面の 直径は約０．７ｍｍ、好ましくは０．７２ｍｍ、オリフィスの直径は約１ｍｍで
ある。球面上の遷移表面４８の半径４９は、中心が軸Ａにあって約１．２ｍｍで
ある。
【００１４】 ニードルが閉位置にある場合、球面状遷移表面４８はテーパー付き表面３８と 係合するため弁を閉じることがわかるであろう。この点では、このニードルと、
先端部が完全な球面である従来型ニードルとは作用が同じである。しかしながら
、ニードルが表面３８から離れて図示の弁の開位置にくると、燃料流がニードル
の先端部から、平らな端面４６と球面状表面４８との間の端縁部５０の所で分離
するため、スプレー円錐角と流量のばらつきが最小限に抑えられる。上述したよ
うに、これは、燃料噴射器が燃焼室、すなわち噴射器１０の先端部によりその一
部が画定されるチェンバ内に直接開いている直接噴射火花点火式エンジンにとっ
て非常に重量である。
【００１５】 本発明を現在において最も実用的で好ましいと思われる実施例につき説明した が、本発明は図示の実施例に限定されず、頭書の特許請求の範囲の精神及びその
範囲内に含まれる種々の変形例及び等価構成を包含するものと意図されているこ
とを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、燃料噴射器のニードルの下方端部に球面状表面を有する従来型燃料噴 射器の断面図である。
【図２】 図２は、本発明に従って構成した燃料噴射器の端部を示す断片的な拡大断面図 である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１１年１２月８日（１９９９．１２．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】 内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射器は、通常、電気機械式アクチュエータの 電気的付勢及び脱勢に応答してその本体内部でニードルを軸方向に往復運動させ
ることにより燃料噴射器の先端の燃料流路を選択的に開閉するアーマチャ組立体
を有することがよく知られている。このアーマチャ組立体のニードルは、一般的
に、弁座に関して往復運動して、弁の開位置では噴射器の先端部のオリフィスを
燃料が流れるが、弁の閉位置ではニードルの先端部が弁座と係合する。従来型ニ
ードルでは、その先端部が弁座と係合するため球面状になっている。 米国特許第５，５３３，４８０号は、ニードル弁を有する公知の燃料噴射器を 開示する。このニードルは、平らな端面と、円筒状オリフィスの平らな弁座と接
する円錐台状遷移表面とを有する。弁が閉位置にある時、ニードルの先端の一部
がオリフィス内に延びるケースについても論じられている。この構成は、弁を小
さい力で作動するのに好適である。 米国特許第５，３８３，６０７号のニードル弁もまた、平らな端面と遷移表面 とを有する。弁が閉位置にある時はニードルのどの部分もオリフィス内に延びこ
とはないが、これはニードルの端部がオリフィスよりも広いからである。その結
果、ニードル弁が閉位置にある時、ニードルの端部表面と弁座との間にギャップ
が形成される。この遷移表面は丸みを帯びているため、平らな端面と遷移表面と
の間には不連続な端縁部は存在しない。この構成では、平らな端面と丸みを帯び
た遷移表面とが採用されているが、これは平らな端面と弁座との間の軸方向間隔
が、軸からの半径方向距離が減少するに従って増加するため、流れ断面積の減少
が阻止されるからである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】 ニードルの平らな端面と側部との間の遷移表面は球面状である。殆どの場合、 この平らな端面の直径はオリフィスの直径よりも小さいため、弁の閉位置におい
て、ニードル先端部の球面部分とオリフィスの周りのテーパー付き円錐状弁座と
が係合してそれらの間が密封状態となる。この構成により、スプレー円錐角と流
量のばらつきは球面状ニードル先端部を使用する場合のスプレー円錐角と流量の
ばらつきと比較すると著しく減少するため、設計した角度を有し一定の燃料流量
の円錐状スプレーをいつも容易に形成できる。このことは、空気と燃料を混合す
るための時間が比較的短い直接噴射火花点火式エンジンでは特に重要である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G066 AA02 AB02 AD12 BA02 BA51 CC06U CC14 CC20 CC43 CC48 CD30 CE24 DA01

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アーマチャ組立体と、オリフィスを有する弁座とより成る内
    燃機関用燃料噴射器であって、 前記アーマチャ組立体は第１の位置と第２の位置との間で軸方向に往復運動可能
    なニードルを有し、第１の位置ではニードルの先端部が前記弁座から離隔してニ
    ードルと弁座との間にオリフィスを介する燃料流路を画定し、第２の位置ではニ
    ードルの先端部が弁座と係合して前記燃料流路を閉じ、 前記ニードルの先端部は軸方向に鉛直な平らな端面を有する内燃機関用燃料噴射
    器。
  2. 【請求項２】 前記ニードルはほぼ円筒状であり、前記平らな端面は円形で
    あり、前記平らな端面の直径はオリフィスの直径よりも小さい請求項１の燃料噴
    射器。
  3. 【請求項３】 前記オリフィスはほぼ円筒状であってニードルの往復運動軸
    と同じ軸を有し、前記ニードルはほぼ円筒状であってその平らな端面の直径が円
    筒状オリフィスの直径よりも小さい請求項１の燃料噴射器。
  4. 【請求項４】 前記ニードルはほぼ円筒状であり、前記平らな端面は円形で
    あり、前記平らな端面の直径はニードルの直径よりも小さく、前記先端部は、ニ
    ードルの前記平らな端面と側部をつなぐ遷移表面を有する請求項１の燃料噴射器
    。
  5. 【請求項５】 前記遷移表面は球面の一部であり、前記球面部分はニードル
    の第２の位置で弁座と係合する請求項４の燃料噴射器。
  6. 【請求項６】 前記弁座は、ニードルの第２の位置において前記球面部分と
    係合する円錐台状テーパー付き凹面を有する請求項５の燃料噴射器。
  7. 【請求項７】 前記弁座の上方でニードルを囲み、燃料流路及びオリフィス
    を流れる燃料に渦流を発生させる渦流ディスクを備えた請求項６の燃料噴射器。
  8. 【請求項８】 前記ニードルの直径は約２ｍｍであり、前記平らな端面の直
    径は約７ｍｍであり、前記オリフィスの直径は約１ｍｍである請求項４の燃料噴
    射器。
  9. 【請求項９】 前記球面の半径は約１．２ｍｍである請求項８の燃料噴射器
    。
  10. 【請求項１０】 弁座と、弁座を貫通するオリフィスと、第１の位置と第２
    の位置との間で軸方向に往復運動可能なニードルとを有する噴射器本体より成る
    内燃機関用燃料噴射器であって、 第１の位置はニードルの先端部が前記弁座から離隔してニードルと弁座との間に
    前記オリフィスを介する燃料流路を画定し、第２の位置はニードルの先端部が弁
    座と係合して前記燃料流路を閉じ、 前記ニードルの先端部は、横方向寸法がニードルの横方向寸法より小さいその
    軸と鉛直な平らな端面を有し、前記端面は、ニードルが弁座に関して第１の位置
    にある時燃料がニードルの先端部から分離する位置を画定する、ニードルの横方
    向境界内の連続端縁部を形成する内燃機関用燃料噴射器。
  11. 【請求項１１】 前記ニードルはほぼ円筒状であり、前記平らな端面は円形
    であり、前記平らな端面の直径はオリフィスの直径よりも小さい請求項１０の燃
    料噴射器。
  12. 【請求項１２】 前記オリフィスはほぼ円筒状であってニードルの往復運動
    軸と同じ軸を有し、前記ニードルはほぼ円筒状であってその平らな端面の直径が
    円筒状オリフィスの直径よりも小さい請求項１０の燃料噴射器。
  13. 【請求項１３】 前記ニードルはほぼ円筒状であり、前記平らな端面は円形
    であり、前記平らな端面の直径はニードルの直径よりも小さく、前記先端部は、
    ニードルの前記平らな端面と側部をつなぐ遷移表面を有する請求項１０の燃料噴
    射器。
  14. 【請求項１４】 前記遷移表面は球面の一部であり、前記球面部分はニード
    ルの第２の位置で弁座と係合する請求項１３の燃料噴射器。
  15. 【請求項１５】 前記弁座は、ニードルの第２の位置において前記球面部分
    と係合する円錐台状テーパー付き凹面を有する請求項１４の燃料噴射器。
  16. 【請求項１６】 前記弁座の上方でニードルを囲み、燃料流路及びオリフィ
    スを流れる燃料に渦流を発生させる渦流ディスクを備えた請求項１５の燃料噴射
    器。
  17. 【請求項１７】 前記ニードルの直径は約２ｍｍであり、前記平らな端面の
    直径は約７ｍｍであり、前記オリフィスの直径は約１ｍｍである請求項１６の燃
    料噴射器。
  18. 【請求項１８】 前記球面の半径は約１．２ｍｍである請求項１７の燃料噴
    射器。
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