JP2007032421A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 直噴式内燃機関の燃料噴射弁であって、ノズルボディの先端面から外周面を連続して覆う撥油被膜を備えた燃料噴射弁において、ノズル表面のデポジット発生を低減した燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】 直噴式内燃機関の燃料噴射弁であって、ノズルボディの先端面から外周面を連続して覆う撥油被膜を備えた燃料噴射弁において、ノズルボディの燃料噴口の口径は、弁座部口径より先端部口径が大きい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、直噴式内燃機関の燃料噴射弁に関し、特にノズル表面のデポジット発生を低減した燃料噴射弁に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関において、燃料を燃焼室内に直接噴射する直噴方式は、燃費が良好であり環境への負荷も軽減できる点で優れている。

しかし、直噴方式に特有な現象として、燃料噴射弁のノズル表面にデポジットが発生し易いという問題があった。

燃焼室内には未燃焼の燃料液滴や潤滑油由来の液滴などがミストとして飛散しており、燃焼室内に露出している燃料噴射弁のノズル表面に付着する。ノズル表面は燃焼室内で燃焼熱により加熱されて高温になっているため、付着したミスト液滴は高温で脱水素反応（酸化反応）により分解し、炭化物を主成分とするデポジットとなってノズル表面に強固に接合して堆積する。デポジットが多量に堆積してノズル先端の噴口を狭めたり塞いでしまい、適正な燃料噴射を妨げる。

上記メカニズムによるデポジット発生を防止するために、たとえば特許文献１や特許文献２に、ノズル外表面を高温で安定な撥油被膜で覆うことにより飛散ミストの付着を抑制することが提案されている。

しかし本発明者は、上記提案を適用してノズル表面に撥油被膜を施した燃料噴射弁について種々の実験を行なったところ、ノズル表面のデポジット発生は低減もしくは防止されず、むしろ増大する場合さえあることが分かった。

特開平１１−３４３４８１号公報 特開２００４−３３０６６４号公報

本発明は、直噴式内燃機関の燃料噴射弁であって、ノズルボディの先端面から外周面を連続して覆う撥油被膜を備えた燃料噴射弁において、ノズル表面のデポジット発生を低減した燃料噴射弁を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、直噴式内燃機関の燃料噴射弁であって、ノズルボディの先端面から外周面を連続して覆う撥油被膜を備えた燃料噴射弁において、
ノズルボディの燃料噴口の口径は、弁座部口径より先端部口径が大きいことを特徴とする。

ノズルボディの弁座部から弁座部口径に対応した直径を持って噴出した燃料噴霧流は、設計に応じた所定のテーパ状に広がりながらノズル先端部を通って噴出する。

従来は、ノズルボディの燃料噴口は弁座部から先端部に至る全長が同一口径であったため、テーパ状に広がった燃料噴霧流がノズル先端部の噴口内壁に接触して多量に付着し、デポジットの形成材料が多量に供給されていた。

本発明によれば、ノズルボディの燃料噴口の口径は、弁座部口径より先端部口径が大きいので、燃料噴霧流とノズル先端部との接触を低減または回避できるため、デポジットの形成材料の供給が低減または停止し、デポジットの発生を低減または防止できる。

図1に、本発明の燃料噴射弁を適用する対象の一例として、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室およびシリンダヘッドの近傍を示す。シリンダヘッド１内には、カムシャフト２、エンジン弁３、弁シート４、弁リフタ５、弁スプリング６、リテーナ７、弁ステムガイド８から成る一対の吸気弁および排気弁がそれぞれ吸気ポート９および排気ポート１０と燃焼室１１との間の開閉を行なう。

ピストン１２の上面がこれらの吸気弁および排気弁に対面して燃焼室１１の一方の面を確定している。

本発明の対象とする燃料噴射弁１３のノズル１３Ｎが燃焼室１１内に露出しており、ノズル１３Ｎの先端から燃料噴霧流を燃焼室１１内に噴射する。

前述のように、従来の燃料噴射弁においては、飛散ミストに由来するデポジットを防止するために撥油被膜を付与したにもかかわらず、何故デポジットが低減も防止もされずむしろ増大さえするのか。

図２（１）に示すように、従来の燃料噴射弁２０はノズルボディ２２内でプランジャ２４が上下運動してノズルボディ２２の弁座２２Ｓに当接または離脱することにより開閉して、所定タイミングで燃料液滴Ｆの噴霧流２６を噴射する。ノズルボディ２２の燃料噴口Ｄは弁座部から先端部に至る全長が同一口径のストレート形状である。

ノズルボディ２２の外表面は、先端面Ｔから外周面Ｃにかけて連続した撥油被膜２８を被覆してある。従来技術の欄で既に述べたように、エンジンの燃焼室内には未燃焼の燃料液滴や潤滑油由来の液滴などがミストとして飛散しており、これがノズル外表面に付着するとデポジットとなって堆積し、正常な燃料噴射を妨げる。ノズルボディ２２の外表面を撥油被膜２８で被覆したことにより、燃焼室内の飛散ミストの付着が防止され、これに起因するデポジット発生が防止される。

しかし、本発明者が種々実験を行なったところ、ノズル表面のデポジット発生は低減もしくは防止されずに、むしろ増大してしまうことが分かった。

これに対して本発明者は種々検討を行なった結果、以下に説明するように、従来とは全く異なるメカニズムによってデポジットが発生することが判明した。

すなわち、図２（２）に示すように、噴霧流２６はノズル弁座部からノズル先端部へテーパ状に広がりながら進行するが、ノズル先端部では噴霧流２６の最外郭では流速が遅くなることも一因となって、噴口Ｄの内壁に燃料液滴Ｆが付着する。

図２（３）に示すように、付着した液滴は噴霧流の貫徹力（運動エネルギー）によりノズル表面を進行して先端面Ｔに達する。ここまで移動した液滴Ｆは噴口Ｄの内壁との摩擦により貫徹力が消耗しているが、残留している貫徹力によりまだ進行できる。また後続の燃料液滴Ｆが衝突して貫徹力を付与されることもある。

先端面Ｔから外周面Ｃは撥油被膜２８に被覆されていて、燃料液滴Ｆが付着し難く滑り易い表面状態になっている。そのため、先端面Ｔに到達し残留貫徹力を持つ燃料液滴Ｆは、先端面Ｔの撥油被膜２８上を矢印Ａのように容易に滑って外周方向に移動し、更に外周面Ｃの撥油被膜２８上を矢印Ｂのように滑って這い上がる。このときの燃料液滴Ｆの移動距離は、燃料液滴Ｆの持つ貫徹力、ノズルボディ２２の表面を成す撥油被膜２８の表面張力、表面粗さ、燃料液滴Ｆの温度によって決まる。

次に図２（４）に示すように、ノズル外周面Ｃをある位置まで這い上がった燃料液滴Ｆが障壁となり、噴射毎に燃料液滴の滞留量が増す。ノズルボディの先端部は燃焼室に露出していて表面が高温になっているため、滞留した燃料液滴が脱水素化（または酸化）して、炭化物を主体とするデポジットＰに変質する。

次に図２（５）に示すように、生成したデポジットが新たな障壁となり、進行を阻まれた後続の燃料液滴Ｆが累積的に滞留およびデポジット化する。これによりデポジットは燃料液滴の移動方向を遡って成長し、遂には図２（６）に示すように噴口出口まで到達する。デポジットが更に成長すると噴口を小径化し噴射流量を低下させ、更にはデポジットが噴口内にまで侵入して噴射角の狭角化を招くことにより、動力性能の低下、適正な空燃比が得られないことによる排気エミッションの悪化等の問題が生ずる。

このように、本発明が解消しようとするデポジットは、燃料噴射弁内から噴射する燃料噴霧流自体を直接の成因とする点で、燃料噴射弁外の飛散ミストを成因とする従来のデポジットとは発生メカニズムが全く異なる。特に、従来技術においてデポジットを解消するために付与した撥油被膜自体が、本発明の対象とするデポジットに対しては逆に生成を促進する点が非常に特異であり、従来の知見からは全く予測し得なかった事象である。

そこで本発明においては、従来知見されていた飛散ミスト起因のデポジットを防止するために撥油被膜は従来どおり用いることを前提とした上で、新規に知見された燃料噴霧流起因のデポジットをも同時に防止するように改良した。

図３に、本発明の一実施形態による燃料噴射弁を示す。図示した燃料噴射弁３０において、ノズルボディ２２は弁座２２Ｓでプランジャ２４との当接／離脱によりシール／燃料噴射の動作をする。ノズル先端面Ｔから外周面Ｃにかけて連続的に撥油被膜２８で被覆されている。

本発明の特徴として、ノズルボディ２２の先端領域Ｒ（図中の楕円で囲んだ部分）の噴口を段付き形状にして、弁座２２Ｓ寄りの噴口Ｄ１に対して先端部の噴口Ｄ２の口径を大きくしてある。これにより燃料噴霧流２６は最外郭がノズル先端領域Ｒで噴口Ｄ２に接触せずに噴射されるので、燃料液滴Ｆが噴口内壁に付着することがない。すなわち、デポジットの形成材料となる燃料液滴Ｆがノズル先端面Ｔに供給されない。したがって、図２を参照して説明したデポジット発生メカニズムが働かず、燃料噴霧流に起因するデポジットの発生が防止される。

また本発明の前提として、従来と同じく撥油被膜２８を備えているので、飛散ミストに起因するデポジット発生も防止する。

図４に、本発明の別の実施形態による燃料噴射弁を示す。図示した燃料噴射弁４０は、図３の燃料噴射弁３０と同一の基本構造であるが、ノズルボディ２２の先端領域Ｒにおける段付き大径部Ｄ２の内周面Ｑが粗面化してある点で異なる。粗面化は＃１００程度の粒子でショットブラスト処理をするなどの方法により行なう。

図４の実施形態においては、Ｄ２内周面への燃料液滴の付着を完全に防止できない場合を想定し、むしろ付着燃料を積極的に利用する。すなわち、Ｄ２内周面に付着した燃料液滴は粗面化による摩擦増大により先端面Ｔへの移動が困難になり、図２に示したデポジット生成過程をたどらず、その場で気化する。その際、気化潜熱により、燃料噴射中の噴口内壁の表面温度を下げ、高温による付着燃料のデポジット化を防止する。大径Ｄ２部は段付きにしたことにより元の径Ｄ１部より薄肉化しているため、上記の表面温度低下作用が効果的に作用する。一般に、噴口内壁の温度は６０℃以下が望ましい。

図３、図４に示した実施形態においては、ノズル先端部を段付き形状としたが、燃料噴霧流の最外郭から逃げる形状であればよく、例えば弁座２２Ｓ寄りの基本径Ｄ１から先端部の大径Ｄ２までがテーパ状に拡大する形状であってもよい。

本発明の燃料噴射弁は、従来と同様に燃焼室内の飛散ミストに起因するデポジット発生を防止した上で、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧流に起因するデポジット発生を同時に防止することができる。

図1は、本発明の燃料噴射弁を適用する対象の一例として、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室およびシリンダヘッドの近傍を示す断面図である。 図２は、従来の燃料噴射弁において飛散ミスト起因のデポジットを防止する撥油被膜が燃料噴霧流起因のデポジットの発生を促進するメカニズムを説明するための燃料噴射弁ノズル部の断面図である。 図３は、本発明の燃料噴射弁の一実施形態を示す断面図である。 図４は、本発明の燃料噴射弁の別の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 直噴式ディーゼルエンジンのシリンダヘッド
２ カムシャフト
３ エンジン弁
４ 弁シート
５ 弁リフタ
６ 弁スプリング
７ リテーナ
８ 弁ステムガイド
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ 燃焼室１１
１２ ピストン
１３ 燃料噴射弁
１３Ｎ 燃料噴射弁１３のノズル
２０ 従来の燃料噴射弁
２２ ノズルボディ
２２Ｓ 弁座
２４ プランジャ
２６ 燃料噴霧流
２８ 撥油被膜
３０、４０ 本発明の燃料噴射弁
Ｆ 燃料液滴
Ｄ 燃料噴口
Ｔ ノズルボディの先端面
Ｃ ノズルボディの外周面
Ｐ デポジット
Ｒ ノズル先端領域
Ｄ１ 弁座２２Ｓ寄りの噴口
Ｄ２ 先端部の噴口
Ｑ 粗面化した噴口内周面

Claims (2)

1. 直噴式内燃機関の燃料噴射弁であって、ノズルボディの先端面から外周面を連続して覆う撥油被膜を備えた燃料噴射弁において、
   ノズルボディの燃料噴口の口径は、弁座部口径より先端部口径が大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１において、上記大きい口径を持つ噴口先端部の内周面が粗面化され、平滑面より表面張力が大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
   

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