JP2005240805A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】作動能力や信頼性を犠牲にすることなく有害排出物の排出量を少なく抑えることができるノズル・ヘッドを有する燃料噴射ノズルを提供すること。
【解決手段】ノズル・ボディ２と、ノズル・ボディ２に結合されたノズル・ヘッド３とを有し、ノズル・ボディ２の内部に配置されたノズル・ニードル７を有し、ノズル・ニードルの端部はバルブ・シート８と協働して、開位置ではノズル・ニードル７がバルブ・シート８のところで燃料通路を開放し、閉位置ではその通路を閉鎖するように働き、バルブ・シート８からノズル・ボディ３の中を延びる、ある流れ直径の縦穴３２を有し、又、縦穴３２から始まり、燃料を燃焼機関の燃焼室２０の中へそれを通って導入することができる少なくとも１つのノズル孔３１を有する、内燃機関、特に大型ディーゼル・エンジン用の燃料噴射ノズルを提案する。縦穴３２の長さＬと縦穴３２の流れ直径の比は少なくとも１７、好ましくは少なくとも２０、特に好ましくは２２より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項のプリアンブルに記載の燃焼機関の燃料噴射ノズルに関し、詳細には大型ディーゼル・エンジンの燃料噴射ノズルに関する。

大型ディーゼル・エンジンは、例えば２ストローク方式で作動し、船舶や発電用定置設備の駆動装置として使用される。この種のディーゼル・エンジンでは、通常、ノズル・ボディとノズル・ヘッドとを有する燃料噴射ノズルが用いられる。通常、ノズル・ヘッドには、燃料を燃焼室に噴射するための複数のノズル孔が開いている。噴射行程を開始し終了するためにノズル孔への流路を開閉するようにバルブ・シートと協動する可動ノズル・ニードルが燃料噴射ノズル中に設けられている。

熱的、機械的、化学的な高複合負荷を受けるので、通常、ノズル・ヘッドは損耗しやすく割れやすい部分である。機械的負荷は、中でも、１０００バール以上に達する高い噴射圧力に関係する。熱的負荷は、燃焼室内の高い温度、及び燃焼温度と新鮮な吸入掃気空気との間の非常に大きな温度変動によって引き起こされ、化学的負荷は主に高温腐食に起因する。

これらの理由、特に熱的負荷上の理由で、バルブ・シートは、ノズル孔が燃焼による熱を過度に受けるのを避けるために、通常ある程度ノズル孔から離して配置される。

バルブ・シートとノズル孔の間の距離は、以下の問題に関連する。燃料噴射の停止時には、ノズル・ニードルがバルブ・シートに押し込まれて、バルブ・シートの下流、言い換えるとバルブ・シートとノズル孔の間に存在する燃料にもはや供給圧力が掛からなくなる。ノズル・ヘッドに残ったこの燃料が、まずいことに霧化してノズル孔を通って燃焼室に入ることがあり、そこでほんの僅かだけ燃焼するか或いは全く燃焼しない。これにより、排出ガスが更に汚染され、とくに排煙が生じることになり、又、或る種の状況下では、燃焼室及び排気ガスを流す構成部品の全ての部分に未燃焼燃料を堆積させることになる。

従って、本発明の目的は、この現況技術に基づいて、作動能力や信頼性を犠牲にすることなく有害排出物の排出量を少なく抑えることができるノズル・ヘッドを有する燃料噴射ノズルを提供することである。

この目的を満足する本発明の主題は、独立請求項の記述により特徴付けられる。

即ち、本発明によれば、ノズル・ボディと、ノズル・ボディに結合されたノズル・ヘッドとを有し、ノズル・ボディの内部に配置されたノズル・ニードルを有し、ノズル・ニードルの端部はバルブ・シートと協働して、開位置ではノズル・ニードルがバルブ・シートのところで燃料通路を開放し、閉位置ではその通路を閉鎖するように働き、バルブ・シートからノズル・ボディの中を延びる、ある流れ直径の縦穴を有し、又、縦穴から始まり、燃料を燃焼機関の燃焼室の中へそれを通って導入することができる少なくとも１つのノズル孔を有する、内燃機関、特に大型ディーゼル・エンジン用の燃料噴射ノズルが提案される。縦穴の長さと流れ直径の比は、少なくとも１７、好ましくは少なくとも２０、特に好ましくは２２より大きい値である。

燃料噴射ノズル及びノズル・ヘッドのこの設計によって、バルブ・シートとノズル孔の間の空間（盲穴）が、公知のノズル・ヘッドに比べて大幅に縮小される。ノズル・ヘッドの縦穴の長さと流れ直径の比をかなり大きくすることにより、この容積を５０％又はそれ以上減らすことができる。その結果、噴射行程の終了後、かなり少量の燃料しかノズル・ヘッド中に存在しなくなり、そのため、この燃料によって生じる悪影響、特に有害な排出物が大幅に減少する。

好ましい実施例によれば、全てのノズル孔が一緒になって燃料の総流れ直径をもたらし、縦穴の流れ直径は、全てのノズル孔の流れ直径の大きくても２倍、好ましくは小さくても０．５倍から大きくても１．５倍である。

縦穴は、ノズル孔の領域に拡張部分を有することが望ましい。この局部的な拡張部分は２つの利点をもたらす。ある所定の数のノズル孔に対して、縦穴中へのノズル孔の各開口間の間隔をより大きく選ぶことができ、それによって、内圧によって生じるノズル・ヘッド母材中の機械的応力のピーク値を減少させることができる。更に、局部的な拡張部分によって、縦穴からノズル孔へ燃料の流れが偏向し易くなり、それによって、ノズル孔へ流入時の流体摩擦損失が減少する。

縦穴の縦軸に関して非対称な拡張部分を形成することが有利であり得る。製造技術の点から、この方が実現しやすい。更に、ノズル孔が設けられた領域のノズル・ヘッドの壁厚を、ノズル孔がない領域より薄くすることができる。それによって、ノズル孔が過度に長くならないという利点がもたらされ、従って、燃料噴流が過度に強く集束するのを避けることができる。

その代わりに、又はそれに加えて、有利な非対称性を、縦穴をノズル・ヘッドの縦軸に対し傾けて延ばすことによって得ることもできる。

各ノズル孔は、９０°より大きい角度で縦穴に接続されることが好ましい。即ち、組込み状態では、ノズル孔は縦穴から斜め下方に延びる。そうすることにより、燃料流れが簡単に向きを変えられるようになり、従って流体摩擦損失が減少するようになる。

摩擦損失を減少させるための更なる有利な対策は、縦穴とノズル孔の間の移行領域にどの場合もまるみを持たせることである。

流体工学の観点から、ノズル・ニードルが開位置でのバルブ・シートのところの通路が、少なくとも縦穴の流れ断面積と同じ面積であれば、有利であることが分かっている。

通常、ノズル・ヘッドは損耗しやすい部品なので、ノズル・ヘッドがノズル・ボディに取り外し可能に結合されている、燃料噴射ノズルの設計が好ましい。

本発明による燃料噴射ノズルは、ディーゼル原動機、とりわけ２ストローク大型ディーゼル・エンジンに特に適している。

本発明の更なる有利な対策及び好ましい実施例は、従属請求項から得られる。

本発明を、図面と実施例を援用してより詳細に以下に説明する。図面の一部は、断面図である。

本発明を理解するために、本発明による燃料噴射ノズルの実施例の本質的部分を参照番号１を付けた縦断面図として図１に示す。図を明瞭にするために、公知の種類の燃料噴射ノズルの、それ自体周知である要素は図示されていない。図１では、例えば船舶動力用の２ストローク大型ディーゼル・エンジンのシリンダ・ヘッド１０に組み込まれた燃料噴射ノズルを示す。図によれば、燃料噴射ノズル１の下端は、組込み状態では、ディーゼル・エンジンのシリンダの燃焼室２０中に延出している。

「上、下」などの相対位置の記述は、常に図面中の表示に関するものであり、例示的なものであり限定的なものではないことを理解されたい。

燃料噴射ノズル１は、ノズル・ボディ２と、ノズル・ボディ２に結合されているノズル・ヘッド３の実施例とを含む。ここで説明する実施例では、この結合は、その下端で燃料噴射ノズル１の縦軸Ａに向かって先細になる保持スリーブ４によって行われている。この縦軸Ａは同時に、ノズル・ヘッド３の縦軸Ａである。保持スリーブ４は、スリーブ・ナット５及び例えば半円形ワッシャである可撓性エレメント４５によってノズル・ボディ２に取り付けられている。ノズル・ヘッド３は、保持スリーブ４の先細部中に支持されている。

ノズル・ヘッド３は縦穴３２と、その下端の領域に少なくとも１個、通常例えば５個のノズル孔３１とを有し、ノズル孔３１は縦穴３２を始点とし、ノズル孔３１を通して燃料を燃焼室２０中に流出させることができる。

図２は、ノズル・ヘッド３の下側部分を示しており、５個のノズル孔３１が配列されているのが認められる。ノズル孔３１は、縦穴３２から燃焼室２０に向かって下方に傾いて延びる。即ち、各ノズル孔３１は、９０°より大きい角度α（図１）で縦穴３２に開口している。

ノズル・ボディ２の内部に、燃料供給ライン１２が開口している圧力室６が設けられている。圧力室６は、バルブ・シート８によって軸方向に仕切られている。ノズル・ニードル７が更に、ノズル・ボディ２の内部に配置され、実質的に縦軸Ａの方向に延び、バルブ・シート８と協働する。図１に示す閉位置では、ノズル・ニードル７の下側先端が、バルブ・シートに押し込まれて、圧力室６から隣接する下流の縦穴３２に入る通路が塞がれている。ノズル・ニードル７は、図示されていない圧力スプリングによって、それ自体は公知の方法でばね力を加えられ、バルブ・シート８に向かって付勢されている。ノズル・ニードル７の開位置では、ノズル・ニードル７がバルブ・シート８の外へ持ち上げられて、ノズル・ニードル７の下端とバルブ・シート８との間に通路が開き、燃料がそこを通って圧力室６から縦穴３２へ流入することができる。

図１に示すように、縦穴３２の長さＬは、バルブ・シート８の、閉位置でノズル・ニードル７が接する表面の、図に示す底端と縦穴３２の底端、即ち燃焼室の端部との間の距離を意味する。

通常、バルブ・シート８とノズル孔３１の間の空間を盲穴と呼ぶ。

ここで説明する実施例における縦穴３２は、縦軸Ａの方向に延びる実質的に円筒形の穴として設計されている。縦穴３２の直径Ｄによって流れ直径（ｆｌｏｗ ｄｉａｍｅｔｅｒ）が決まり、従って、流れ断面積が決まる。流れ断面積とは、燃料を流すのに使われる縦穴３２中の断面積を意味する。縦穴が円筒形ではなく、例えば円錐型で直径が変化するように設計された場合には、「縦穴の流れ断面積又は流れ直径」という表現は、その最小の流れ断面又は流れ直径を意味する。

各ノズル孔３１は、どの場合も円筒形の穴として、同じように設計される。どの場合もノズル孔の直径ｂ（図２）によって、各ノズル孔３１の流れ断面積が決まる。各ノズル孔３１の直径ｂは、ノズル孔ごとに異なってもよいし、ノズル孔３１の一部又は全部が同じでもよい。個々のノズル孔３１によって決まるそれぞれの流れ断面積の合計がノズル孔の総流れ断面積になる。従って、全ての、この場合は５個のノズル孔の流れ断面積の合計が、ノズル孔３１の総流れ断面積になり、即ち、燃料が縦穴３２から流れ出て燃焼室２０に入るのに使われる総流れ断面積になる。ノズル孔３１の総流れ直径についても同様なことが云える。

本発明によれば、燃料噴射ノズル１又はノズル・ヘッド３は、縦穴３２の長さＬとその流れ直径の比が少なくとも１７、好ましくは少なくとも２０、特に好ましくは２２より大きな値になるように設計される。

こうすることにより、盲穴、即ちバルブ・シート８の下流でノズル孔３１の上流の容積が、公知の実施例に比べて例えば５０％減少する。その結果、盲穴が著しく小さくなるので、ノズル・ニードル７が再びバルブ・シート８に密封式に押し込まれて噴射工程が終了した後にバルブ・シートの下流に存在する燃料が、かなり少なくなる。その結果、噴射工程が終了した後に、盲穴からの燃料によって燃焼室内及び排気排出用構成部品内で生じる有害な排出物がかなり大幅に減少する。

縦穴３２の長さＬと流れ直径の比を、引合いに出された、少なくとも１７、好ましくは２０、特に好ましくは２２より大きな値にすると、流体力学的特性を顕著に劣化させず、またノズル・ヘッド３両端間の圧力低下を過度に大きくせずに、盲穴の容積をうまく減らすことができる。

具体的な実施例では、縦穴の長さＬは、例えば直径が約２．１ｍｍの場合は約４８．１ｍｍ、直径が約２．９ｍｍの場合は約７０．７ｍｍになる。

この実施例では、ノズル・ヘッド３は、好ましくは、縦穴３２の流れ直径がノズル孔３１の総流れ直径のせいぜい２倍であるように設計される。実際には、縦穴３２の流れ直径は、ノズル孔３１の総流れ直径の小さくても０．５倍から大きくても１．５倍が良いことが分かっている。

作動状態では、燃料噴射ノズル１は以下のように作動する。燃料は供給ライン１２を通って圧力室６に送られる。噴射を開始するには、燃料用コモンレール畜圧室（ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔｏｒｅ）と圧力室６の間の接続を例えばバルブによって開くか、或いは、燃料をインジェクション・ポンプによって圧力室６に送る。燃料はそこでノズル・ニードル７に荷重を掛け、図示されていない圧力ばねの初期荷重に逆らってノズル・ニードル７をバルブ・シート８の外へ持ち上げ、それにより、ノズル・ヘッド３の中への通路を開く。燃料は縦穴３２の中を流れ、ノズル孔３１を通って燃焼室２０の中へ噴射される。噴射を終了するには、燃料の供給を止めるか、又はコモンレール畜圧室との接続を閉じることによって、圧力室６内の圧力を減少させ、その結果、圧力ばねがノズル・ニードル７を再びバルブ・シートに押し込み、燃料の通路を閉じる。盲穴の体積を大幅に減少させることにより、バルブ・シートのところで通路を閉じた後に燃焼室２０の中に滴る燃料が著しく減少する。

縦穴３２の直径Ｄを小さくする、即ち盲穴の容積を減少させると縦穴３２の流れ断面積がかなり減少することになり、それが燃料と穴の壁との間の摩擦を増加させる。これは、ノズル・ヘッド３によって生じる圧力降下又は圧力損出が大きくなることに相当する。摩擦によって、本発明によるノズル・ヘッドで生じる圧力降下は、優に５０〜１００バールになる。コモンレール原理によって作動する最新式大型ディーゼル・エンジンでは、摩擦によって生じるこの圧力降下は、コモンレール畜圧室の燃料圧力をそれに応じて増加することにより簡単に埋め合わせることができる。従って、特に、低回転速度においても、燃料がノズル孔３１を通って実際に噴射されるのに、例えば５００〜７００バールの十分な圧力が依然として存在し、それにより燃焼室２０の中への問題のない噴射が保証される。

それに代わって、又はそれに加えて、流れ断面積の低減、即ち盲穴の容積の低減によって増加する流れ抵抗を少なくとも部分的に補償する他の対策を講じることもできる。

即ち、例えば、ノズル孔３１の断面を大きくしてもよい。更に、縦穴３２とノズル孔３１の間の移行領域を、どの場合もまるみを持たせるように設計することが有利であり、まるみを持たせれば持たせるほど、縦穴３２を出てノズル孔３１に入る燃料が流れやすくなり、従って、流れ抵抗の低減を達成することができる。

極めて有利な別の対策を、図３及び４に示される本発明によるノズル・ヘッドの第２の実施例に示す。同一の部品、又は機能の点で同等な部品はそれぞれ、図で同じ参照番号が付けられている。

図３は第２の実施例の断面図であり、図４はノズル・ヘッド３の下部の拡大図である。図３及び図４に示すように、この実施例の縦穴３２は、ノズル孔３１の領域に拡張部分３２１を有する。図２に示すのと同様な５個のノズル孔３１が、第２の実施例でも設けられている。

拡張部分３２１により、縦穴３２から出てノズル孔３１に入る燃料が容易に流れることができ、即ち、拡張部分３２１のより大きい断面から出てノズル孔に入る流れの向きをより簡単に変えられるので、流れ抵抗を最小限に抑えることができる。従って、ノズル孔３１に流入するときの流体摩擦が低減される。

さらに、拡張部分は追加の利点を有する。所定の直径で、開口領域で所定のまるみを有する所定の数のノズル孔３１に対し、縦穴３２の中への各ノズル孔３１の開口間の間隔を大きくすることができる。この間隔を大きくすると、ノズル・ヘッドの母材内の機械的応力のピーク値が減少するという利点がある。

図４に特に認められるように、拡張部分３２１を縦軸Ａに関して非対称に形成することが、更なる有利な対策になる。縦穴３２の縦軸は、この実施例でもノズル・ヘッド３の縦軸Ａ、即ち燃料噴射ノズル１の縦軸と同一である。拡張部分３２１の縦軸Ｃは、縦軸Ａに平行に、ただし縦軸Ａからずれて延びており、その結果、拡張部分３２１は縦穴３２に関して非対称、又は偏心した位置にある。

この対策は、縦穴３２の比較的小さな直径Ｄによって決まる、厚目のノズル・ヘッド３の壁の厚さを、燃焼室２０に面している側、即ちノズル孔３１が設けられている側で拡張部分３２１によって減少することができるという利点を有する。厚目の壁厚は機械的負荷の点からは十分に利点になり得るが、どの場合もノズル孔３１をより長くすることになる。これは、ノズル孔が長過ぎると中を流れる燃料噴流が強く集束されて、噴霧プロセスに悪影響を及ぼし得るので、欠点となり得る。これを、拡張部分３２１によって避けることができる。というのは、ノズル・ヘッド３の、燃焼室２０に面する側の壁厚が薄くなり、従ってノズル孔３１の長さが短くなるからである。更に、拡張部分３２１を非対称に設計すると、製造がより簡単になる。

図５に示す本発明によるノズル・ヘッドの第３の実施例を用いても、同様な効果を得ることができる。この実施例では、縦穴３２は、ノズル・ヘッドの縦軸に対して傾いて延びている。図５に示すように、ここで符号Ａ´を付けた縦穴３２の縦軸は、ノズル・ヘッド３の軸Ａに対し零ではない角度βで延びている。

当然、具体的な３つの実施例に関して説明した対策は、互いに組み合わせることもできる。

更に、本発明による燃料噴射ノズル１に関し、ノズル・ニードルが開位置のとき、バルブ・シート８のところでの通路が、少なくとも縦穴３２の流れ断面積と同じ大きさであれば有利である。これは、ノズル・ニードル７が開位置のとき、ノズル・ニードルとバルブ・シート８との間の流れ断面積が、縦穴３２の流れ断面積と同じ大きさであるか又はそれより大きいことを意味する。縦穴３２の流れ断面積はノズル孔３１全ての総流れ断面積より大きいので、ノズル・ニードル７が開位置のときは、圧力室６から下流のどこでも流れ断面積は増加しない。即ち、流れ断面積の増加があれば生じたはずの燃料の流速の低下が起こり得ないことを意味する。これは、燃料噴射ノズルにおいて有利に働く。というのは流れ断面積が広がっていくことによる運動エネルギーの回収（ディフューザ効果）は効率が悪いからである。

本発明による燃料噴射ノズルのノズル・ヘッドの製造は、それ自体は公知のあらゆる加工方法を用いて行うことができる。縦穴３２、ノズル孔３１、まるみ部分、及び必要なら拡張部分３２１の加工は、中ぐり及び／又は電気化学的加工方法、例えば電解加工によって行うことができる。

本発明による燃料噴射ノズルの実施例の本質的部分を、ノズル・ヘッドの実施例とともに示す図である。 ノズル・ヘッドの下部を示す図である。 第２の実施例のノズル・ヘッドを示す図である。 図３のノズル・ヘッドの下部領域を示す拡大図である。 第３の実施例のノズル・ヘッドを示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ノズル
２ ノズル・ボディ
３ ノズル・ヘッド
４ 保持スリーブ
５ スリーブ・ナット
６ 圧力室
７ ノズル・ニードル
８ バルブ・シート
１０ シリンダ・ヘッド
１２ 燃料供給ライン
２０ 燃焼室
３１ ノズル孔
３２ 縦穴
４５ 可撓性エレメント
３２１ 拡張部分

Claims (10)

1. ノズル・ボディ（２）と、前記ノズル・ボディ（２）に結合されたノズル・ヘッド（３）とを有し、
   前記ノズル・ボディ（２）の内部に配置されたノズル・ニードル（７）を有し、前記ノズル・ニードルの端部はバルブ・シート（８）と協働して、開位置では前記ノズル・ニードル（７）が前記バルブ・シート（８）のところで燃料通路を開放し、閉位置では前記通路を閉鎖するように働き、
   前記バルブ・シート（８）から前記ノズル・ヘッド（３）の中を延びる、ある流れ直径の縦穴（３２）を有し、又
   前記縦穴（３２）から始まり、燃料を燃焼機関の燃焼室（２０）の中へそれを通って導入することができる少なくとも１つのノズル孔（３１）を有する
   内燃機関、特に大型ディーゼル・エンジン用の燃料噴射ノズルであって、
   前記縦穴（３２）の長さ（Ｌ）と前記縦穴（３２）の前記流れ直径の比が少なくとも１７、好ましくは少なくとも２０、特に好ましくは２２より大きいことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 全てのノズル孔が一緒になって燃料の総流れ直径をもたらし、前記縦穴（３２）の流れ直径が、前記ノズル孔（３１）全ての総流れ直径の大きくても２倍、好ましくは小さくても０．５倍から大きくても１．５倍である、請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
3. 前記縦穴（３２）が前記ノズル孔（３１）の領域に拡張部分（３２１）を有する、請求項１又は２に記載の燃料噴射ノズル。
4. 前記拡張部分（３２１）が前記縦穴（３２）の縦軸に関して非対称に形成される、請求項３に記載の燃料噴射ノズル。
5. 前記縦穴（３２）が前記ノズル・ヘッド（３）の縦軸（Ａ）に対して傾いて延びる、請求項３に記載の燃料噴射ノズル。
6. 各ノズル孔（３１）が９０°を超える角度（α）で前記縦穴（３２）の中へ開口する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル。
7. 前記縦穴（３２）と前記ノズル孔（３１）の間の移行領域がいずれもまるめられている、請求項１から６までのいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル。
8. 前記ノズル・ニードルが開位置のとき、前記バルブ・シート（８）のところでの前記通路が、少なくとも前記縦穴（３２）の流れ断面積と同じ大きさの面積を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル。
9. 前記ノズル・ヘッド（３）が、前記ノズル・ボディ（２）に取り外し可能に結合されている、請求項１から８までのいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル（１）を有するディーゼル・エンジン、特に２ストローク大型ディーゼル・エンジン。

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