JP2009138736A - 噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】直動式圧電噴射器に装着されると、エネルギー効率を改善することができる噴射ノズルを提供する。
【解決手段】圧縮点火型内燃機関用の噴射ノズル１０であって、ノズル本体１２と弁座１８と係合して、第１及び第２吐出口２０、２２を通る燃料の送出を制御することができる弁針１４であって、第１弁領域３０と、第２弁領域３２と、第１座領域３１とを含んでおり、第１座領域３１は弁針１４とを備えている噴射ノズル１０において、弁針１４は第３弁領域３４と、第２及び第３弁領域３４、３６の間の移行部によって画定される逃げ領域３３であって、弁針１４が弁座１８から持ち上げられる時に、第１出口容積部４２を画定している逃げ領域３３と、逃げ領域３３よりも穴１６に近接している少なくとも一部分を有している第４弁領域３６であって、第２吐出口は第４弁領域３６の下流に配置されている、第４弁領域３６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射システムに使用するための噴射ノズルに関する。本発明は、特に、これに限定するわけではないが、内燃機関用のコモンレール式燃料噴射システムに使用するための噴射ノズルに、そして噴射ノズルの弁針が圧電アクチュエータを用いて制御されているものに関する。

コモンレール式燃料噴射システムでは、燃料をエンジンのシリンダの中へ高圧で噴射するため、複数の噴射器が設けられている。各噴射器は、弁針を有する噴射ノズルを含んでおり、この弁針は、噴射器による燃料送出を制御するため、アクチュエータによって弁座に向かってそして弁座から離れる方向に動くよう操作される。噴射の開始及び終了時それぞれでの噴射率の上昇と下降をできるだけ高速で行えば、最適な排気放出物が実現され、そのためには、噴射ノズル弁針を高速で動かす必要のあることが分かっている。間動式噴射器は、弁針の動作を制御するのをサーボ弁に依存しているため、通常、高速な針の応答を提供するものではない。しかしながら、直動式圧電噴射器は、高速な針の応答を提供することが知られている。直動式圧電噴射器では、アクチュエータは、油圧式及び／又は機械式動作増幅器を介して直接弁針に作用する。欧州特許ＥＰ第０９９５９０１号は、先に述べた型式の直動式圧電噴射器について説明している。

直動式噴射器の１つの欠点は、針を高く持ち上げるために大量の電気エネルギーを必要とするため、電気的に比較的非効率なことである。エネルギーの直接的損失の問題に加えて、圧電アクチュエータの寿命は、駆動に必要とされる大量のエネルギーのため悪影響を被る。

本発明の目的は、上に述べた問題に取り組んで、例えば直動式圧電噴射器に装着されると、エネルギー効率を改善することができるようにする噴射ノズルを提供することである。
欧州特許ＥＰ第０９９５９０１号

本発明の第１の態様によれば、圧縮点火型内燃機関のための噴射ノズルが提供されており、この噴射ノズルは、
一個の弁針が主弁針軸（Ａ−Ａ）に沿って中を動くことのできる穴が設けられているノズル本体と、この穴によって画定されている弁座と係合して、第１及び第２吐出口を通る燃料の送出を制御することができるようになっている弁針であって、第１弁領域と、第２弁領域と、第１及び第２弁領域の間の移行部によって画定される第１座領域と、を含んでおり、第１座領域は、ノズルが非噴射状態にある時には弁座に押し付けられて着座している、弁針と、を備えており、
弁針は、第３弁領域と、第２及び第３弁領域の間の移行部によって画定される逃げ領域であって、弁針が弁座から噴射状態へと持ち上げられる時に、弁針と、第１吐出口に隣接する穴との間に第１出口容積部を画定している、逃げ領域と、逃げ領域よりも穴に近接している少なくとも一部分を有している第４弁領域であって、第２吐出口は第４弁領域の下流に配置されている、第４弁領域と、を備えていることを特徴としている。

上記構成を有する噴射弁を提供することにより、第１及び第２吐出口を通る好都合な大流量の燃料が、比較的少量の針の持ち上げによって実現される。従って、噴射弁を駆動するのに必要なエネルギーを最小限に抑えることができ、弁針の被る磨耗及び引裂きが低減される。更に、上記利点は、単純な構造を有する一個の弁針によって実現することができる。而して、製造コストは、もっと複雑な可変オリフィスノズルに付帯するコストと比較して少なくなる。

第４弁領域は、ノズルが非噴射状態にある時は、穴の内面との第２座領域を画定することが望ましい。
第４弁領域は、２つの区画で形成されており、各区画は、実質的に円錐台形状でできていると好都合である。

代替的には、噴射ノズルは、第４弁領域の下流で弁針と穴の間に画定される第２出口容積部であって、弁針が噴射状態にある時に、燃料が第４弁領域を通過した後に流れ込む、第２出口容積部を備えており、第４弁領域は、部分的回転楕円面形状をしており、第２出口容積部に流れ込む分岐燃料流のために滑らかな移行部を画定して、第２出口容積部内の乱流を最小限に抑えている。

第１、第２、及び第３弁領域の少なくとも１つは、実質的に円錐台形状でできていてもよい。
第１及び第２弁領域の間の移行部によって画定される第１座領域は、部分的回転楕円面形状をしており、第１出口容積部へ流れ込む分岐燃料流のための滑らかな移行部を画定して、第１出口容積部内での乱流を最小限に抑えるようになっていることが望ましい。

第１及び／又は第２吐出口は、ノズル本体に、主針軸（Ａ−Ａ）に対して半径方向に間隔を空けて配置されている複数の直線的な開口部を備えていることが望ましい。第１及び第２吐出口は、平行に、発散するように、又は収束するように配置してもよい。

本発明の別の態様によれば、アクチュエータと本発明の噴射ノズルとを有している直動式燃料噴射が提供されており、アクチュエータは、ノズルの弁針の、弁座に向かう、及び弁座から遠ざかる運動を制御するように作られている。

前記アクチュエータは圧電アクチュエータであることが望ましい。
本発明の第１の態様の好適な及び／又は随意的な特徴は、単独で、又は適切に組み合わせて、第２の態様の燃料噴射器の中に組み込んでもよい。

以下、本発明を、単なる例を挙げて、添付図面を参照しながら説明する。
本発明の噴射ノズルは、噴射ノズル弁針の動きを制御するための圧電アクチュエータを有している噴射器の中に装着するのに適した型式の噴射ノズルである。噴射器は、内燃機関（例えば、圧縮点火式ディーゼルエンジン）用のコモンレール式燃料噴射システムで通常使用される型式の噴射器である。ノズルを直動式圧電噴射器に使用することができ、圧電アクチュエータが、直接動作で、油圧式又は機械式増幅器又は連結器を介して、又は直接的接続の何れかで、弁針の動きを制御するのは、本発明の特別の利点である。

図１と図２に示すように、噴射ノズル１０は、ノズル本体１２と弁針１４を備えている。ノズル本体１２には止まり穴１６が設けられ、その中で、弁針１４を、穴１６の止まり端部で画定される弁針座１８と可動的に係合及び係合解除させることができるようになっている。弁座１８は、当技術では既知のように、実質的に円錐台形状をしている。

ノズル本体１２は、更に、第１及び第２組のノズル吐出口２０、２２それぞれを含んでおり、弁針１４がその座１８から持ち上げられた状態で、それらの吐出口を通して、関係付けられたエンジンシリンダ又は燃焼空間の中へ燃料を噴射することができる。穴１６の止まり端部は、第２組のノズル吐出口２２の入口端部が通じている嚢容積部２４を画定している。

図１では、各組の吐出口２０、２２で１つの吐出口だけを示しているが、通常、各組２０、２２は、ノズル本体１２の周囲に半径方向に間隔を空けて配置された複数の吐出口を含んでいる。従って、この明細書の目的としては、「吐出口」に言及する場合、１つ又はそれ以上の吐出口を意味しているものと解釈して頂きたい。

第１及び第２吐出口２０、２２は、同じ大きさ及び数で構成されていてもよいし、異なる大きさ及び／又は数で構成されていてもよい。更に、図１に示すように、第１及び第２吐出口は、それぞれ、ノズル本体１２に形成された直線的な開口部を備えていてもよい。第１及び第２吐出口２０、２２は、それぞれ、フレア状の吐出口端部（図示せず）を有していてもよい。第１及び第２吐出口２０、２２は、互いに平行に、収束するように、又は発散するように配置されていてもよい。

弁針１４は、円筒形状の上部領域２６を含んでおり、この上部領域は、弁座１８の上流の内部穴面と共に、注入口（図示せず）からノズルがその一部を形成している噴射器までの高圧燃料を受け取るための送出室２８を画定している。上部領域２６に隣接して更に下流側には、針は、実質的に円錐台形状の第１領域３０（ノズルの入口領域３０と呼ぶ）と、更に下流側に、実質的に円錐台形状の第２領域３２を含んでいる。弁針１４の入口領域３０は、穴１６と共に、送出室２８と連通する燃料のための入口容積部４０を画定している。第１領域３０と第２領域３２の間の移行縁部は、第１座領域３１を形成し、この第１座領域は、針が非噴射状態にある時には、弁座１８に押し付けられて着座している。

第２領域３２に隣接してその下流側に、針は、第３及び第４領域３４、３６を含んでいる。第３弁領域３４は、実質的に円錐台形状をしている。第４弁領域３６は、部分的回転楕円面でできている。針は、第４領域３６の下流側の弁先端部３８で終端している。

第１及び第２領域３０、３２の間の移行部は、穴１６の表面から間隔を空けて形成され、針１４に逃げ領域又は溝３３を画定している。第１出口容積部４２は、弁針１４の逃げ部３３と穴１６の表面の間の空間によって画定されている。逃げ部３３は、弁針１４が図３に示すような噴射状態にある時に、第１出口容積部４２が、第１吐出口２０の入口端部に隣接して配置されるように、配設されている。

第４領域３６は、逃げ領域３３よりも穴１６の表面に近接している。第２出口容積部４６は、弁先端部３８と穴１６の表面の間の空間によって画定されている。
図１に示す本発明の実施形態では、第４領域３６は、弁針１４が非噴射状態にある時、穴１６の表面との第２座４４を好都合に形成する。この構成では、弁針１４が非噴射位置へと動く時に弁針１４に掛かる衝撃力は、第１及び第２領域３０、３２の間の移行縁部により形成される第１座領域３１と、第４領域３６により形成される第２座４４とに分配される。第２座４４は、更に、ノズルの死空間が確実に最小になるようにしている。より具体的には、噴射後に第１座領域３１の下流側に残存する未燃焼燃料は、その後吐き出され、炭化水素排出物を増すのに寄与する。従って、弁座１８の自由容積を最小限に保つことにより、望ましくない炭化水素排出物が低減される。第２座４４の更に別の利点は、第１吐出口２０の入口端部が、弁針１４が非噴射位置にある時には、第２吐出口２２の入口端部から隔離されていることである。これにより、燃焼ガスが、燃焼後に噴射ノズル１０の中へ逆流する機会を最小限に抑えることができる。

図３に示すように、弁針１４が、圧電アクチュエータによって弁座１８から持ち上がるように動かされると、送出室２８と入り口容積部４０へ送出された燃料は、覆われていない弁座１８を通過し、第１出口容積部４２の中へ流れ込むことができる。燃料の一部は、第１出口容積部４２から第１吐出口２０を通って流れる。例えば、第１出口容積部４２の５０％の燃料が、第１吐出口２０を通って流れる。燃料の残存部分は、第１出口容積部４２から、第４領域３６を通過し、第２出口容積部４６へ流れ込み、そこから、嚢容積部２４の中に入り、第２吐出口２２を通って流れ出る。

第１出口容積部４２の燃料の一部は、第１吐出口２０を通って流れ出るので、燃料の残存部が、第１出口容積部４２から弁針の第４領域３６を通過し、嚢容積部２４へ流れるのに必要な流れ面積は、小さくて済む。従って、第４領域３６は、燃料が第１出口容積部４２から流出する際に不必要な燃料の拡散を回避できるように、穴１６の表面に十分近接して配置されている。先に述べたように、第４領域３６を穴１６の表面に近接して設けることにより、弁針１４の周囲の死空間は、最小限に抑えられる。弁針先端部３８は、第２吐出口２２における圧力損失を最小限に抑えるため、第２出口容積部４６を通って嚢容積部２４へ流れる燃料の流速を最適化するような形状になっている。

従って、ノズル１０は、一体の、又は一個の弁針を利用して、比較的低い針の持ち上げ値で高流量水準を可能にすることが分かった効率的な流れの幾何学を提供している。結果的に、噴射器に関するエネルギー要求量は少なくなるので、ノズルは、先に述べた型式の直動式噴射器内に装着すると際立った利点を提供する。

本発明の代替実施形態では、第４領域３６は第２座として機能せず、弁針１４が非噴射位置にある時には、第４領域３６と穴１６の表面の間に間隙が存在する。
効率を最適にするため、第４領域３６は、（図１、２、３に示すように）回転楕円面として、燃料が第２出口容積部４６の中へ流れ込むための滑らかな流路を提供している。回転楕円面により、第４領域３６の外面、即ち、上方の第３領域３４との交点から下方の弁先端部３８まで伸長する領域は、弁針の主軸（Ａ−Ａ）上の点に中心を有する回転楕円面の一部を形成していることを意味している。第４領域３６が回転楕円面である場合、弁針が噴射状態に持ち上げられる時、第２出口容積部４６へ流れ込む燃料の圧力損失は最小限に抑えられ、これは、燃料が第４領域３６を通過して流れる時には燃料の流れに対する急激な移行部が無く、従って、座１８を通過する流れには、流れの面積と方向には滑らかで漸進的な変化しか生じないためである。第４領域３６を通過して第２出口容積部４６へ、次いで後嚢容積部２４へと流れ込む燃料は、従って、第２吐出口２２に到達する前に、効率的な方法で比較的高い圧力水準を回復することができる。第４領域３６は、代わりに、２つの円錐台形状の区画で形成してもよく、その場合、この２つの区画の間の移行縁部は、第２座４４を形成する。

本実施形態の第１座領域３１は、図１と図２では円錐台形状区画同士の交差又は移行縁部として図示しているが、第１座領域３１は、第４領域３６と同様に、回転楕円面で形成してもよい。第１座領域３１が回転楕円面である場合、弁針が噴射状態に持ち上げられる時には、第１出口容積部４２へ流れ込む燃料の圧力損失は最小限に抑えられ、これは、燃料が覆われていない弁座１８を通過して流れる時には、燃料流れに対する急激な移行部が無く、従って、座１８を通過する流れには、流れの面積と方向には滑らかで漸進的な変化しか生じないためである。弁座１８を通過して第１出口容積部４２へ流れ込む燃料は、従って、第１吐出口２０に到達する前に、効率的な方法で比較的高い圧力水準を回復することができる。

逃げ領域３３は、円錐区画の交差部として図示しているが、円筒形、回転楕円面、放射状、及び／又は円錐台区画の適切な組み合わせの交差部で形成してもよい。
弁先端部３８は、円錐状に図示しているが、回転楕円面、放射状、又は円錐台区画で形成してもよい。弁先端部は、面取りをした先端部で形成してもよい。

非噴射状態にある噴射ノズルの一部分の断面図である。 図１の弁座の拡大図である。 噴射状態にある時の図１の噴射ノズルの断面図である。

符号の説明

１０ 噴射ノズル
１２ ノズル本体
１４ 弁針
１６ 穴
１８ 弁座
２０ 第１吐出口
２２ 第２吐出口
２４ 嚢容積部
２６ 上部領域
２８ 送出室
３０ 第１領域
３１ 第１座領域
３２ 第２領域
３３ 逃げ領域
３４ 第３領域
３６ 第４領域
３８ 弁先端部
４０ 入り口容積部
４２ 第１出口容積部
４４ 第２座
４６ 第２出口容積部

Claims (10)

1. 圧縮点火型内燃機関用の噴射ノズル（１０）であって、
   一個の弁針（１４）が主弁針軸（Ａ−Ａ）に沿って中を動くことのできる穴（１６）が設けられているノズル本体（１２）と、
   前記穴（１６）によって画定されている弁座（１８）と係合して、第１及び第２吐出口（２０、２２）を通る燃料の送出を制御することができるようになっている弁針（１４）であって、第１弁領域（３０）と、第２弁領域（３２）と、前記第１及び第２弁領域（３０、３２）の間の移行部によって画定される第１座領域（３１）と、を含んでおり、前記第１座領域（３１）は、前記ノズルが非噴射状態にある時には前記弁座（１８）に押し付けられて着座している、弁針（１４）と、を備えている噴射ノズル（１０）において、
   前記弁針（１４）は、第３弁領域（３４）と、前記第２及び第３弁領域（３４、３６）の間の移行部によって画定される逃げ領域（３３）であって、前記弁針（１４）が前記弁座（１８）から噴射状態へと持ち上げられる時に、前記弁針（１４）と、前記第１吐出口（２０）に隣接する前記穴（１６）との間に第１出口容積部（４２）を画定している、逃げ領域（３３）と、前記逃げ領域（３３）よりも前記穴（１６）に近接している少なくとも一部分を有している第４弁領域（３６）であって、前記第２吐出口（２２）は前記第４弁領域（３６）の下流に配置されている、第４弁領域（３６）と、を備えていることを特徴とする噴射ノズル（１０）。
2. 前記第４弁領域（３６）は、前記ノズルが前記非噴射状態にある時は、前記穴（１６）の内面との第２座領域（４４）を画定する、請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記第４弁領域（３６）の下流で、前記弁針（１４）と前記穴（１６）の間に画定される第２出口容量（４６）であって、前記弁針（１４）が前記噴射状態にある時に、燃料が前記第４弁領域（３６）を通過した後に流れ込む、第２出口容量（４６）を備えており、前記第４弁領域（３６）は、部分的回転楕円形状をしており、第２出口容積部（４６）に流れ込む分岐燃料流のために滑らかな移行部を画定して、前記第２出口容積部（４６）内の乱流を最小限に抑えている、請求項１又は２に記載の噴射ノズル。
4. 前記第４弁領域（３６）は、２つの区画で形成されており、各区画は、実質的に円錐台形状をしている、請求項１又は２に記載の噴射ノズル。
5. 前記第１、第２、及び第３弁領域（３０、３２、３４）の少なくとも１つは、実質的に円錐台形状をしている、請求項１、２、３又は４の何れかに記載の噴射ノズル。
6. 前記第１及び第２弁領域（３０、３２）の間の前記移行部によって画定される前記第１座領域（３１）は、部分的回転楕円形状をしており、第１出口容積部（４２）へ流れ込む分岐燃料流のための滑らかな移行部を画定して、前記第１出口容積部（４２）内での乱流を最小限に抑えている、請求項１、２、３又は４の何れかに記載の噴射ノズル。
7. 前記第１及び／又は前記第２吐出口（２０、２２）は、前記ノズル本体（１２）に、前記主針軸（Ａ−Ａ）に対して半径方向に間隔を空けて配置されている複数の直線的な開口部を備えている、請求項１、２、３、４、５又は６の何れかに記載の噴射ノズル。
8. 前記第１及び第２吐出口（２０、２２）は、平行に、発散するように、又は収束するように配置されている、請求項７に記載の噴射ノズル。
9. アクチュエータと、請求項１、２、３、４、５、６、７又は８の何れかに記載の噴射ノズルとを有する直動式燃料噴射器であって、前記アクチュエータは、前記ノズル（１０）の前記弁針（１４）の、前記弁座（１８）に向かう、及び前記弁座（１８）から遠ざかる運動を制御するように作られている、燃料噴射器。
10. 前記アクチュエータは、圧電アクチュエータである、請求項９に記載の直動式燃料噴射器。

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