JP2004150398A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の微粒化性能に優れた燃料噴射弁を実現する。
【解決手段】弁体２に開口し燃料を噴射供給する噴口７を備え、噴口７の入口側８の径をＤ１とし、出口側９の径をＤ２とするとき、噴口７の入口側８の径Ｄ１よりも出口側９の径Ｄ２を大に設定すると共に、噴口７の入口側８の軸方向長さＬ１とし、出口側９の軸方向長さをＬ２とするとき、
Ｌ２／Ｄ２ ＞ ０．１１・（Ｄ２／Ｄ１）＋２．６６
（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２） ＜ ２．２
の関係とし、燃料を噴射供給する微粒化性能を良好とすることができる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、噴射供給する燃料の微粒化性能を良好にする燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図６に示すように、段付きディフューザ２１を設け、噴口２０の壁厚Ｓに対する噴口２０の有効長さＬを短縮させることにより、噴口２０における圧力損失Δｐを減少させる燃料噴射弁が提案されている（特開２０００−７３９１７号）。
【０００３】
この従来の燃料噴射弁は、以下の作用・効果を奏する。
（１）噴出される燃料噴流が濃密であって燃焼室奥深くまで達し，急速に微粒化される。
（２）高噴射圧に対する強度を向上させたノズルを製造できる。
（３）高圧力または低圧力ではあるが大きな噴口２０の断面積をもって大量の燃料（全負荷運転）を燃焼室内の奥深くにまで微粒子化した乱流噴出流を発生させることができる。
【０００４】
しかし、従来の燃料噴射弁において、噴口２０の延長化は、燃料噴出流に存在する乱流がノズル壁で大幅に減速される。その結果、部分負荷の際に燃料が燃焼室内の奥深くにまで送り込まれず、不十分な微粒子しか生じないということがある。ところで、従来の燃料噴射弁は、噴口２０の壁厚に対する噴口２０の有効長を短縮でき、噴出される燃料流は濃密であって燃焼室奥深くにまで達し，急速に微粒子化されるとする。また、段付きディフューザ２１の直径Ｄは両側に隣接する噴口２０によって制限される。さらに、隣接する段付きディフューザ２１相互間の間隔部の最小厚さは、専門家の対応する強度計算によって決定されるとしている。
【０００５】
これらの記述から，従来の燃料噴射弁は、ノズル強度を確保しつつ噴口２０を短縮し，噴口２０内での圧力損失を減少させることによって燃料流速度を増加させることを目的としたものである。そして、噴口２０から噴出した燃料を段付きディフューザ２１に付着させないことを狙っている。すなわち、もし噴口２０から噴出した燃料が段付きディフューザ２１に付着させる構成を意図した構成であれば、（１）段付き部での流路拡大により、燃料流速度が低下するので燃料を燃焼室奥深くにまで送り込むことができない。（２）噴霧が広がるので濃密な燃料流を形成させることができない。ことになるのである。
【０００６】
従来の燃料噴射弁では、噴口２０を短縮して噴流速度を増加させることから、段付きディフューザ２１が施されていない噴口と比較すれば微粒化が促進される。しかし、噴口２０の短縮による噴流速度の増加には限度があり、さらに大幅に微粒化を促進させることは困難である。
【０００７】
上述の他、主噴口を副噴口より大径とし、主噴口の長さを副噴口の長さより小さくすることにより、両噴口から噴射された燃料噴霧の貫徹力をほぼ等しくして、主噴口から噴射される燃料の拡散性を高くしているものが提案されている（特開平８−６１１８８号）。
【０００８】
また、オリフィスの入口有効開口面積よりも出口有効開口面積を大に設定し空間容積の大きな拡開部を構成したことにより、燃料べーパが大容積空間に逃げてこの燃料べーパによる燃料流量の低下を防止するものが提案されている（特開平８−２３２８１２号）。
【０００９】
これらは、上記と同様の解決すべき課題を有している。
【００１０】
【特許文献１】［特開平８−６１１８８号 請求項１〔０００７〕］
【００１１】
【特許文献２】［特開平８−２３２８１２号 請求項１〔０００８〕］
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、以上の課題を解決するために案出されたもので、噴射供給する燃料の微粒化性能良好にする燃料噴射弁を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料噴射弁は、弁体に開口し燃料を噴射供給する噴口を備え、噴口の入口側の径をＤ１とし、出口側の径をＤ２とするとき、噴口の入口側の径Ｄ１よりも出口側の径Ｄ２を大に設定すると共に、噴口の入口側の軸方向長さＬ１とし、出口側の軸方向長さをＬ２とするとき、
Ｌ２／Ｄ２ ＞ ０．１１・（Ｄ２／Ｄ１）＋２．６６…式（Ａ）
（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２） ＜ ２．２・…・・式（Ｂ）
の関係としたことを特徴としている。
【００１４】
【発明の作用・効果】
上記構成からなる燃料噴射弁は、微細な粒子径の噴霧を得ることができる。その結果、エンジン筒内で蒸発が速く、燃焼室内の空気との混合が促進されて、スモーク排出量が少ない良好な燃焼を実現できる．また，同じ粒子径の噴霧を得るのに，従来の噴口より噴射圧が低くできるので，燃料噴射ポンプの駆動トルクを低減でき，燃費を向上させることができる。パイロット噴霧は噴射量（噴射期間）が微少であるためにニードルが上がりきる前に噴射が終了する。
【００１５】
そのために、噴射期間中はシートチョーク状態（噴口面積よりノズルシート部での流路面積の方が小さい）であり、実噴射圧は供給燃料圧力と比較してかなり低い。このような条件下で、従来のような噴口では微粒化状態が悪く、粗大燃料粒子が発生する。粗大燃料粒子は蒸発が遅く、スモーク発生要因となる。また、一部の粗大粒子はシリンダ壁に衝突して液膜を形成し、未燃のまま排出されたり、膨張行程時にピストンリングによって掻き落とされ、エンジンオイルを希釈する。これに対して本発明の燃料噴射弁はパイロット噴霧の微粒化状態が良好であるため、これらが改善されるのである。
【００１６】
〔作用：効果が生じる理由〕
本発明の燃料噴射弁は、燃料の微粒化に対して燃料噴流中の乱れが大きく作用する。従来のような噴口では噴口内で乱れを付与する部分がないため、噴口壁面で乱れが減衰し、微粒化されにくくなる。一方、上記特開２０００−７３９１７号に記載のものは、噴口を段付きにしたものであるが、段付き部で燃料噴流に乱れを積極的に付与するものではなく、有効噴口長を低減して噴口壁面での摩擦損失による噴流速度の減衰を低減するものである。 そのため、微粒化の改善しろが小さくなるのである。
【００１７】
これに対して本発明の燃料噴射弁は、噴口内の段付き部で燃料噴流に乱れを積極的に付与して微粒化を促進することを狙ったものである。
この狙いに対して、（１）図２に示した噴口φＤ１から流出した燃料噴流がφＤ２内で付着すること（付着しないまま流出するものは、特開２０００−７３９１７に記載のものであり、有効噴口長の低減効果による微粒化改善のみである。）かつ（２）段付き部で付与される乱れによって微粒化が促進される寸法諸元の噴口であること、が重要な構成要素である。
【００１８】
この構成要素について詳述する。φＤ１からφＤ２の段付き部で流路が拡大することによって燃料噴流に乱れが付与される。また、時として段付き部でキャビテーションが発生し、非常に強い乱れが燃料噴流に付与される。このように強い乱れを付与された燃料が噴口φＤ２から流出すると、その乱れが燃料噴流の表面に現われる。その部分は周囲気体によってせん断力を強く受けて分裂が促進され、微細な燃料粒子が発生する。このとき、段付き部で乱れを付与する効果を発揮させるには、まず前記の要件（１）を満たすことが重要である。この要件（１）を満たす領域（噴口φＤ１から流出した燃料噴流がφＤ２内で付着する領域）を実験的に評価した結果、図３に示す領域であることが判明した。これを数式化したものが式（Ａ）である。
【００１９】
また，要件（１）を満たしていても、出口側噴口の直径φＤ２に対して噴口長Ｌ２が短すぎると燃料噴流中の乱れが十分に発達しないまま噴口から噴出されるうえ、燃料噴流横断面積増加によって燃料噴流の速度低下を伴うので、微粒化の改善しろが小さく、最悪の場合には微粒化状態が悪化する。 したがって、燃料噴流の横断面積増加に伴う燃料噴流速度の低下による微粒化阻害要因を上回る微粒化改善効果が得られるように燃料噴流に乱れを付与できる寸法諸元を選択すること（前記の要因（２））が重要である。それを実験的に評価した結果を図４に示す。噴口φＤ２内での流れに対して噴口φＤ１も影響することから、図４の横軸は入口側噴口の諸元も加味した（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２）で整理した。
【００２０】
また、縦軸の噴霧粒径は、噴口径φＤ１、噴口長（Ｌ１＋Ｌ２）の噴霧粒径で割ってノーマライズした値である。この図４から、要件（２）を満たす領域を数式化したものが式（Ｂ）である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における燃料噴射弁１は、図１に示すように構成されている。弁体２の基端面に穿設した弁孔３に針弁４を往復動自在に摺嵌されている。弁体２には、針弁４の円錐状の先端部５が当接する円錐状の弁座部６を設けてある。弁体２には、弁座部６から弁体２の先端面に開口され燃料を噴射供給する噴口７を設けられている。噴口７は小径の入口側噴口８と大径の出口側噴口９が同軸的に開口連通されている。噴口７は、弁体２の軸周りに等間隔で、弁体２の軸方向に対し所定角度で複数設けられている。そして、本発明の実施の形態の燃料噴射弁１は、入口側噴口８の径をＤ１とし、出口側噴口９の径をＤ２とするとき、入口側噴口８の径Ｄ１よりも出口側噴口９の径Ｄ２を大に設定すると共に、入口側噴口８の軸方向長さＬ１とし、出口側噴口９の軸方向長さをＬ２とするとき、
Ｌ２／Ｄ２ ＞ ０．１１・（Ｄ２／Ｄ１）＋２．６６…式（Ａ）
（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２） ＜ ２．２・…・・式（Ｂ）
の関係に構成されている。
【００２２】
〔数値限定の根拠〕
上記構成からなる本発明の実施の形態における燃料噴射弁１は、式Ａの要件を充たすことにより、入り口側噴口８の径Ｄ１と出口側噴口９の径Ｄ２の間に形成される段付部１０で流路が急拡大し出口側噴口９内で燃料が付着する。このように出口側噴口９内で燃料が付着するような状態にすると、段付部１０で燃料噴流に乱れを付与することができる。また時としてキャビテーションが発生し、非常に強い乱れが付与される。このように強い乱れを付与された燃料は、出口側噴口９から流出すると、その表面が乱され、周囲気体によってせん断力を強く受けて分裂が促進される。このように段付噴口の構成は微粒化促進効果を有する。
【００２３】
ただし本構成は、出口側噴口９の横断面積が入り口側噴口８より大きく、燃料噴流の速度が低下する。これによって噴口から噴出した燃料と周囲気体との相対速度が減少し、燃料噴流に作用するせん断力が減少する。これは微粒化阻害要因である。
したがって本発明の実施の形態における燃料噴射弁１では、段付構造による前者の微粒化促進効果が後者の微粒化阻害効果を上回る構成にすることが重要になる。それには段付部１０で付与された乱れが十分に発達した後に燃料が噴口から噴出するように出口側噴口９の噴口長Ｌ２を適切に設定することである。また出口側噴口９内での燃料の流れに対して入り口側噴口８の径Ｄ１も影響する。このようなことから（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２）を指標とすると、良好な微粒化状態が得られる範囲は前記図４に示したように式Ｂに示す範囲になる。
【００２４】
Ｌ１／Ｄ１ の値を固定して考えると分かりやすいが、（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２）が２．２以上の場合には、出口側噴口９の径Ｄ２に対して噴口長Ｌ２が短すぎることを意味する。この場合には、噴口内で乱れが十分に発達する前に燃料が噴口から噴出されるために、段付部１０での乱れ付与による微粒化促進よりも、入り口側噴口８から出口側噴口９への横断面積の拡大に伴う噴流速度低下による微粒化阻害要因の方が大きくなって従来ノズルより微粒化状態が悪化する。これに対して式Ｂに示す範囲では、出口噴口９内での乱れ付与による微粒化促進効果の方が上回って従来ノズルより良好な微粒化状態になる。
【００２５】
さらに良好な微粒化状態が得られる（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２）の範囲は式Ｃに示す範囲である。
０．７＜（Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２） ＜１．３ ・・・・・・・・・・・・ （式Ｃ）
この式の上限値は、式Ｂの範囲を限定してさらに望ましい良好な微粒化状態が得られるように、噴口内で乱れが十分に発達するのに必要な出口側噴口９の噴口長Ｌ２の下限を表している。一方、式Ｃの下限値は，Ｌ２が必要以上に長くなりすぎると、出口側噴口９内で形成された乱れが噴口壁での摩擦によって減衰されることになる。微粒化に対してこの摩擦による乱れの減衰の影響がそれほど大きく現れない範囲が式Ｃの下限値として設定された０．７という値である。
【００２６】
以上ようするに、上記構成からなる本発明の実施の形態の燃料噴射弁１は、入口側噴口８の径Ｄ１と出口側噴口９の径Ｄ２の間に形成される段付部１０で流路が急拡大することにより、燃料噴流に乱れが付与されることとなる。また、段付部１０では、キャビテーションが発生し，非常に強い乱れを燃料噴流に付与する。このように強い乱れを付与された燃料は、出口側噴口９から流出すると、その表面が乱され、周囲気体によってせん断力を強く受けて分裂が促進され、従来に比して極めて微細な燃料粒子を発生することができる。
【００２７】
【その他の実施の形態】
本発明のその他の実施の形態の燃料噴射弁１１は、図５に示すように、前記実施の形態とは、入口側噴口８と出口側噴口９の間に形成される段付部１０が傾斜面１２で構成されている点が異なり、その他は同様に構成されている。
【００２８】
上記構成からなる本発明のその他の実施の形態の燃料噴射弁１１は、出口側噴口９をドリルで加工することができ、加工がより一層用意になる。また、傾斜面１２の傾斜角θが１５°以上であれば入口側噴口１３内で剥離を生じて、これによって燃料噴流に乱れが付与されることから、段付部１０を傾斜面１２で構成してもほぼ同様な微粒化改善効果が得られる。これ以外に、流体研磨によってエッジ部を研磨した形状のものでも同様な効果が得られる。また、これによってノズルの流量係数の調整、キャビテーション等による噴口のエッジ部の摩耗を避けることができ，ノズルの自由度と耐久性が向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な実施の形態例を示す燃料噴射弁の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態例の燃料噴射弁の要部を拡大して示す構成図である。
【図３】本発明の代表的な実施の形態例において噴口諸元と燃料付着の関係を示す線図である。
【図４】本発明の代表的な実施の形態例において噴口諸元と噴霧粒径の関係を示す線図である。
【図５】本発明のその他の実施の形態例を示す燃料噴射弁の要部を拡大して示す構成図である。
【図６】従来の燃料噴射弁の要部を拡大して示す構成図である。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁
２…弁体
３…弁孔
４…針弁
５…先端部
６…弁座部
７…噴口
８…入口側噴口
９…出口側噴口
１０…段付部

Claims (1)

1. 弁体に開口し燃料を噴射供給する噴口を備え、噴口の入口側の径をＤ１とし、出口側の径をＤ２とするとき、噴口の入口側の径Ｄ１よりも出口側の径Ｄ２を大に設定すると共に、噴口の入口側の軸方向長さＬ１とし、出口側の軸方向長さをＬ２とするとき、
   Ｌ２／Ｄ２ ＞ ０．１１・（Ｄ２／Ｄ１）＋２．６６
   （Ｌ１／Ｄ１）／（Ｌ２／Ｄ２） ＜ ２．２
   の関係としたことを特徴とする燃料噴射弁。

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