JP2009236048A - 内燃機関の燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションの発生量を増加させると共に発生したキャビテーションの分布を均一にする内燃機関の燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】ニードル４とスリット状噴孔２とを備えた内燃機関の燃料噴射弁１において、スリット状噴孔２の燃料流路内にキャビテーション発生部材６，７を形成すると共に、キャビテーション発生部材６，７の下流端をスリット状噴孔の流出端から近接して配置することによってキャビテーション発生部材６，７とスリット状噴孔２の流出端との間にキャビテーション拡散領域２０を形成する。燃料噴射時に燃料流路内を流れる燃料がキャビテーション発生部材６，７周りを流れたときに、キャビテーション発生部材６，７がその下流にキャビテーションを発生させ、キャビテーションがキャビテーション拡散領域２０内で拡散する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の燃料噴射弁に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関においては、燃料噴射弁から燃焼室に噴射される燃料噴霧の微粒化が排気性状及び機関出力に大きく影響する。即ち、燃料噴霧の微粒化が促進されると、燃料の着火性が向上して良好な燃焼が確保されるため、排気ガスに含まれる有害成分を低減でき、且つ、燃費の向上にとって有利である。

ところで、スリット状噴孔を備えた燃料噴射弁として、スリット状噴孔の中途部分に隔壁を設けることによって、スリット状噴孔の長手寸法及び短手寸法を小さくすることなく、スリット状噴孔の流路断面積を小さくした燃料噴射弁が公知である（特許文献１参照）。

特開２００１−２７１６８号公報

この燃料噴射弁に依れば、燃料の噴射率を比較的小さな値に維持しつつ、燃料噴霧の広がり角度を比較的大きな値に維持することが可能となるが、燃料噴霧の微粒化について考慮がされていない。即ち、燃料噴霧の微粒化の手法として、燃料噴射弁においてキャビテーションを発生させ、それによって燃料噴霧の微粒化を行う方法が考えられる。キャビテーションは、消滅するときに衝撃圧力を発生し、それによって燃料噴霧の微粒化を促進する役割を果たす。しかし、特許文献１に記載の燃料噴射弁において、キャビテーションを発生させることは考慮されておらず、従って偶発的にキャビテーションが発生したとしても、発生量は非常に微量であり且つその分布が均一にならない。

ここで、キャビテーション分布について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、一般的な燃料噴射弁先端部の概略縦断面図を示す。図１１において、９０１は燃料噴射弁、９０２はスリット状噴孔、９０３は噴射弁本体、９０４はニードル、９０５は球状壁面によって形成されたサック部である。図１２は、図１１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図であり、スリット状噴孔９０２の流出端近傍のキャビテーション分布を説明するため燃料噴射時の状態を示す。Ａは燃料中にキャビテーションが発生している領域を示し、Ｂは燃料中にキャビテーションが発生していないか又は発生量が少ない領域を示す。

図１２から明らかなように、特許文献１に記載された燃料噴射弁を含む一般的なスリット状噴孔を備えた燃料噴射弁は、キャビテーションの発生量が微量で且つスリット状噴孔の内壁面に集中した不均一な分布を示す。そのため、噴射される燃料の噴霧の粒径にばらつきが生じ、内燃機関の燃焼室内の燃料の濃度が不均一となり、その結果、安定した燃焼が得られないという問題がある。

そこで本発明は、キャビテーションの発生量を増加させると共に発生したキャビテーションの分布を均一にする内燃機関の燃料噴射弁を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、ニードルとスリット状噴孔とを備えた内燃機関の燃料噴射弁において、前記スリット状噴孔の燃料流路内に少なくとも１つのキャビテーション発生部材を形成すると共に、該キャビテーション発生部材の下流端を前記スリット状噴孔の流出端から近接して配置することによって前記キャビテーション発生部材と前記スリット状噴孔の流出端との間にキャビテーション拡散領域を形成し、燃料噴射時に燃料流路内を流れる燃料が前記キャビテーション発生部材周りを流れたときに、該キャビテーション発生部材がその下流にキャビテーションを発生させ、該キャビテーションが前記キャビテーション拡散領域内で拡散する内燃機関の燃料噴射弁が提供される。

即ち、請求項１に記載の発明では、スリット状噴孔の燃料流路内にキャビテーション発生部材を形成することによって、多量のキャビテーションを発生させることが可能となる。更に、前記キャビテーション発生部材と前記スリット状噴孔の流出端との間にキャビテーション拡散領域を形成することで燃料全体にキャビテーションを拡散させることが可能となる。更に、キャビテーション拡散領域を形成するに際し、該キャビテーション発生部材の下流端を前記スリット状噴孔の流出端から近接して配置することによって、発生したキャビテーションが消滅する前にスリット状噴孔から燃料が噴射され、燃料噴霧の微粒化が促進される。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記キャビテーション発生部材の上流端を前記スリット状噴孔の流入端から離間して配置することによって前記キャビテーション発生部材と前記スリット状噴孔の流入端との間に燃料を整流する整流領域を形成した内燃機関の燃料噴射弁が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、整流された燃料によってサイクル間のキャビテーションの発生量の変動が少なくなるという効果を奏する。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項１又は２に記載の発明において、前記キャビテーション発生部材の前記スリット状噴孔長手方向に沿った断面が楔形であり、該楔形の先端が上流を向いて形成される内燃機関の燃料噴射弁が提供される。即ち、請求項３に記載の発明では、キャビテーション発生部材のスリット状噴孔長手方向に沿った断面を楔形とすることによって、後述するようにキャビテーションの発生に必要な剥離及び負圧の発生が促進されるという効果を奏する。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか１つに記載の発明において、前記キャビテーション発生部材が前記スリット状噴孔の長手方向内壁面から延び、燃料流路を分割する隔壁である内燃機関の燃料噴射弁が提供される。

また、請求項５に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか１つに記載の発明において、前記キャビテーション発生部材が前記スリット状噴孔の長手方向内壁面から延びる突起である内燃機関の燃料噴射弁が提供される。

また、請求項６に記載の発明によれば請求項１から５のいずれか１つに記載の発明において、燃料の流れ方向に対して並列に形成された少なくとも３つの前記キャビテーション発生部材を備え、噴射中心軸線に近い内側に形成された前記キャビテーション発生部材が外側に形成された前記キャビテーション発生部材よりも燃料の流れ方向に短い形状を有する内燃機関の燃料噴射弁が提供される。

後で詳述するが、通常、スリット状噴孔は噴射中心軸線近傍の流速が最も遅く、外側に行くにつれて流速が速くなる。そして流速が速い方がキャビテーション発生部材によるキャビテーションの発生量が多い。また、キャビテーション発生部材の形状を燃料の流れ方向に短くすることによって、後述するように、助走距離が短くなり、キャビテーションがより多く発生する。従って、請求項３に記載の発明では、噴射中心軸線に近い内側に形成されたキャビテーション発生部材が外側に形成されたキャビテーション発生部材よりも燃料の流れ方向に短い形状を有することによって、外側のキャビテーション発生部材によるキャビテーション発生量を減らすと共に内側のキャビテーション発生部材によるキャビテーション発生量を増加させることで、キャビテーション分布を均一にすることが可能となる。

また、請求項７に記載の発明によれば請求項１から６のいずれか１つに記載の発明において、前記ニードルが環状の凹部を備え、該凹部に沿って燃料が流れることによって、前記スリット状噴孔の噴射中心軸線近傍に燃料の流れを誘導する内燃機関の燃料噴射弁が提供される。即ち、請求項７に記載の発明では、スリット状噴孔の噴射中心軸線近傍に燃料の流れを誘導することで、その噴射中心軸線近傍の流速を速くし、それによってキャビテーション発生量を増やすことでキャビテーション分布を均一にすることが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、キャビテーションの発生量を増加させると共に発生したキャビテーション分布を均一にすることができるという共通の効果を奏する。

図１は本発明の第１の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図１を参照すると、１は燃料噴射弁、２はスリット状噴孔、３は噴射弁本体、４はニードル、５は球状壁面によって形成されたサック部、６、７はスリット状噴孔２の燃料流路内に形成されたキャビテーション発生部材である。

本実施形態において、キャビテーション発生部材６、７は、同じ形状及び大きさであり、図１に示すようにスリット状噴孔長手方向に沿った断面が二等辺三角形をした楔形であり、且つ、スリット状噴孔２の長手方向内壁面から延び、燃料流路内を分割する三角柱の隔壁である。本実施形態では、スリット状噴孔２の中央部分に配置されたキャビテーション発生部材６と、その両側に配置された２つのキャビテーション発生部材７を備える。

中央のキャビテーション発生部材６は、その楔形の中心軸線が、扇形のスリット状噴孔２の幾何学中心である噴射中心軸線１０と、図１において一致するように形成される。また、その両側のキャビテーション発生部材７は、その楔形の中心軸線が、スリット状噴孔２内のキャビテーション発生部材７近傍を流れる燃料の流線と、略平行となるように形成される。また、これらキャビテーション発生部材６，７は、スリット状噴孔２流出端までの距離がそれぞれ略等しくなるよう形成される。なお、以下の実施形態においては、噴射中心軸線に近い方を内側と称し、それに対して遠い方を外側と称す。

図２は、図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図であり、スリット状噴孔２の流出端近傍のキャビテーション分布を説明するため燃料噴射時の状態を示す。Ａは燃料中にキャビテーションが発生している領域を示し、Ｂは燃料中にキャビテーションが発生していないか又は発生量が少ない領域を示す。図２を参照すると、前述した図１２に示される従来の燃料噴射弁に比べ、キャビテーションがより多量に発生し且つより均一に分布していることが分かる。

次に、図３を参照しながらキャビテーション発生部材６を例に、キャビテーション発生部材によるキャビテーションの発生について説明する。Ａは燃料中にキャビテーションが発生している領域を示し、Ｃはキャビテーション発生部材６近傍を流れる燃料の流線を示す。燃料は、キャビテーション発生部材６に達するとその上流端である先端角部６ａにおいて左右に分配され、キャビテーション発生部材６の助走壁面６ｂに沿って移動する。その後、助走壁面６ｂに沿って流れた燃料は、キャビテーション発生部材６の下流側の下流角部６ｃにおいて剥離する。下流角部６ｃで剥離した流れは、キャビテーション発生部材６の下流端である後壁６ｄ下流領域において剥離渦Ｄを形成する。その剥離渦Ｄによって後壁６ｄ下流領域には負圧が発生し、それによってキャビテーションが発生する。

先端角部６ａの角度を楔角θとすると、楔角θが大きいほど、即ち、楔形の長さが短いほど剥離が発生しやすく、従って、キャビテーションもより多く発生する。逆に、楔角θが小さいほど、即ち、楔形の長さが長いほど剥離が発生しにくく、更に、助走壁面６ｂに沿って燃料が流れる距離である助走距離が長くなることによって剥離が発生しにくくなる。即ち、助走距離が長くなると、助走壁面６ｂに沿って流れる燃料が整流され、それによって、下流角部６ｃにおける剥離が発生しにくくなる。

各キャビテーション発生部材６，７において発生したキャビテーションは、各キャビテーション発生部材６，７の下流端である後壁と、スリット状噴孔２の流出端との間に形成されたキャビテーション拡散領域２０において拡散する。その結果、図２に示されるようなキャビテーション分布が得られる。

なお、キャビテーションは、燃料がスリット状噴孔２から噴射されるまで消滅しないでいることが微粒化の観点から望ましい。従って、キャビテーション発生部材６，７の下流端である後壁と、スリット状噴孔２の流出端との間の距離が長いと、燃料がスリット状噴孔２から噴射される前に、発生させたキャビテーションが消滅してしまう。従って、キャビテーション発生部材６，７の下流端である後壁と、スリット状噴孔２の流出端とが近接して配置されていることが好ましい。一方で、距離が短いとキャビテーションが十分に拡散しない。キャビテーションが消滅せず、且つ、十分拡散されるような最適な距離は、予め実験又は計算によって求められる。

一方、本実施形態では、キャビテーション発生部材６，７の上流端である先端角部と前記スリット状噴孔の流入端との間に整流領域３０を形成している。整流領域３０は、キャビテーション発生部材６，７に燃料が到達する前にスリット状噴孔２に流入した燃料を整流する役割を果たす。燃料を整流することによって、サイクル間のキャビテーションの発生量の変動が少なくなるという利点がある。

本実施形態では、スリット状噴孔内での加工性の観点からキャビテーション発生部材として楔形を用いたが、その他の形状とすることも可能である。即ち、キャビテーション発生部材は、剥離が発生しやすい形状とすることが望ましく、更に剥離した流れが剥離渦を形成する領域があることが望ましい。具体的には、キャビテーション発生部材が、燃料が沿って流れる助走壁面６ｂのような助走壁面と、剥離を促進する下流角部６ｃのような鋭角の下流角部と、剥離渦の形成スペースを提供する後壁６ｄのような後壁とを有する形状であることが望ましい。

キャビテーション発生部材のその他の形状の例として、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示される縦断面形状を有するキャビテーション発生部材が考えられる。また、図４（Ｃ）に示されるように、キャビテーション発生部材が三角柱等の隔壁でなく、スリット状噴孔２の対向する一方又は両方の長手方向内壁面から突出した三角柱等の突起であってもよい。

また、本実施形態では、中央のキャビテーション発生部材６と、その外側に配置された２つのキャビテーション発生部材７を備えるが、キャビテーション発生部材は１つ若しくは２つ又は４つ以上であってもよい。この場合、キャビテーション発生部材の配置は、キャビテーション分布が均一となるように、予め実験又は計算によって求める。

以下の実施形態においては、第１の実施形態と同様にキャビテーション発生部材として３つの楔形の隔壁を例に用いて説明する。

ところで、図２から明らかなように、第１の実施形態におけるキャビテーション分布は、その中央部分においてキャビテーションの発生量が少ない領域Ｂが存在し、キャビテーション分布が一部均一ではない。これは、スリット状噴孔２内の燃料の流速が、スリット状噴孔２の噴射中心軸線１０近傍である内側が最も遅く、そこから外側に離れるに従って速くなることに起因する。即ち、燃料の流速が遅いということは、それだけ剥離が発生しにくく、従ってキャビテーションの発生量も少なくなる。この問題を以下の実施形態で解決する。

図５は本発明の第２の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図５を参照すると、１０１は燃料噴射弁、１０２はスリット状噴孔、１０３は噴射弁本体、１０４はニードル、１０５は球状壁面によって形成されたサック部、１０６、１０７はスリット状噴孔１０２の燃料流路内に形成されたキャビテーション発生部材、１１０はスリット状噴孔１０２の噴射中心軸線、１２０はキャビテーション拡散領域、１３０は整流領域である。

本実施形態における燃料噴射弁１０１は、ニードル１０４は凹部１０４ａ及び伸張した先端部１０４ｂを備える。凹部１０４ａ及び伸張した先端部１０４ｂによって、サック部１０５に流入する燃料の流れ方向を少ない抵抗で変化させ、スリット状噴孔１０２の噴射中心軸線１１０近傍に案内している。その結果、スリット状噴孔１０２の噴射中心軸線１１０近傍の流速が速くなり、流速が速くなることによって剥離の発生が増え、より多くのキャビテーションが発生する。

更に、本実施形態においては、中央のキャビテーション発生部材１０６の楔角が、外側のキャビテーション発生部材１０７の楔角に比べて大きい。前述のように、楔角が大きいほど剥離が発生しやすく、キャビテーションもより多く発生する。

図６は、図５の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図であり、スリット状噴孔１０２の流出端近傍のキャビテーション分布を説明するため燃料噴射時の状態を示す。Ａは燃料中にキャビテーションが発生している領域を示す。図６を参照すると、前述した図２に示される第１の実施形態による燃料噴射弁に比べ、キャビテーション分布が更に均一になっていることが分かる。

以上より、本実施形態においては、ニードル１０４の凹部１０４ａ及び先端部１０４ｂを備えることによってスリット状噴孔１０２の噴射中心軸線１１０近傍の流速を速くすると共に、中央のキャビテーション発生部材１０６の楔角を外側のキャビテーション発生部材１０７の楔角に比べて大きくすることによって、キャビテーション分布を均一にしている。なお、ニードル１０４が凹部１０４ａ及び先端部１０４ｂを備えること、又は、中央のキャビテーション発生部材１０６の楔角を外側のキャビテーション発生部材１０７の楔角に比べて大きくすることのいずれか一方によってキャビテーション分布を均一にしてもよい。

図７は本発明の第３の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図７を参照すると、２０１は燃料噴射弁、２０２はスリット状噴孔、２０３は噴射弁本体、２０４はニードル、２０５は球状壁面によって形成されたサック部、２０６、２０７はスリット状噴孔２０２の燃料流路内に形成されたキャビテーション発生部材、２１０はスリット状噴孔２０２の噴射中心軸線、２２０はキャビテーション拡散領域、２３０は整流領域である。ニードル２０４は凹部２０４ａ及び伸張した先端部２０４ｂを備える。

本実施形態による燃料噴射弁２０１は、図５に示す第２の実施形態と略同様であるが、キャビテーション発生部材２０６，２０７が、対応する第２の実施形態のキャビテーション発生部材１０６，１０７よりも小さい楔角の縦断面形状を有する。楔角を小さくすることによって、前述のように助走距離が長くなり、剥離の発生が少なくなる。その結果、キャビテーションの発生量は第２の実施形態よりも少なくなるが、貫徹力（ペネトレーション）が得られる。従って、本実施形態による燃料噴射弁によれば、均一なキャビテーション分布を有しつつ貫徹力のある燃料噴霧が得られる。

図８は本発明の第４の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図８を参照すると、３０１は燃料噴射弁、３０２はスリット状噴孔、３０３は噴射弁本体、３０４はニードル、３０５は球状壁面によって形成されたサック部、３０６、３０７はスリット状噴孔３０２の燃料流路内に形成されたキャビテーション発生部材、３１０はスリット状噴孔３０２の噴射中心軸線、３２０はキャビテーション拡散領域、３３０は整流領域である。

本実施形態による燃料噴射弁３０１は、図１に示す第１の実施形態と略同様であるが、ニードル３０４の先端が、凹部３０４ａを有する截頭円錐形状である点において異なる。このような形状とすることによって、スリット状噴孔１０２の噴射中心軸線３１０から外側に離れるにつれ燃料の流速が更に速くなり、流量が増加する。それによって、キャビテーション発生量を増加させつつ、燃料噴射後の広がり角度がより大きい燃料噴霧を形成することができる。

図９は本発明の第５の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図９を参照すると、４０１は燃料噴射弁、４０２はスリット状噴孔、４０３は噴射弁本体、４０４はニードル、４０５は球状壁面によって形成されたサック部、４０６、４０７はスリット状噴孔４０２の燃料流路内に形成されたキャビテーション発生部材、４１０はスリット状噴孔４０２の噴射中心軸線、４２０はキャビテーション拡散領域、４３０は整流領域である。

本実施形態による燃料噴射弁４０１は、スリット状噴孔４０２の燃料流路内に、流量を調整するため、スリット状噴孔４０２の流入端の内壁面に流量調整突起４０８が設けられている。その他の構成は、第２の実施形態と略同様であるが、ニードルは通常のものを用いている。流量調整突起４０８によってスリット状噴孔４０２内の外側の壁面近傍の流量を絞り込み、スリット状噴孔４０２の噴射中心軸線４１０近傍に燃料を集中させている。従って、スリット状噴孔４０２の噴射中心軸線４１０近傍の流速を速くすることが可能となり、結果としてより多くのキャビテーションを発生させつつ、均一なキャビテーション分布が得られる。

図１０は本発明の第６の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。図１０を参照すると、５０１は燃料噴射弁、５０２はスリット状噴孔、５０３は噴射弁本体、５０４はニードル、５０５は球状壁面によって形成されたサック部、５０６、５０７はスリット状噴孔５０２の燃料流路内に形成されたキャビテーション発生部材、５１０はスリット状噴孔５０２の噴射中心軸線、５２０はキャビテーション拡散領域である。

本実施形態による燃料噴射弁５０１は、上述の実施形態のような整流領域を有していない。従って、燃料はサック部５０５から直ぐに助走壁面に沿って流れ、助走距離が長くなることによって、キャビテーションを発生させつつ貫徹力のある燃料噴霧が得られる。

本発明の第１の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 図１の線Ｉ−Ｉにおける断面図である。 キャビテーション発生部材によるキャビテーションの発生について説明する図である。 キャビテーション発生部材の形状の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 本発明の第３の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 本発明の第４の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 本発明の第５の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 本発明の第６の実施形態による内燃機関の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 従来の燃料噴射弁先端部の概略縦断面図である。 図１１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける燃料噴射時の断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ スリット状噴孔
４ ニードル
６，７ キャビテーション発生部材
２０ キャビテーション拡散領域

Claims (7)

1. ニードルとスリット状噴孔とを備えた内燃機関の燃料噴射弁において、前記スリット状噴孔の燃料流路内に少なくとも１つのキャビテーション発生部材を形成すると共に、該キャビテーション発生部材の下流端を前記スリット状噴孔の流出端から近接して配置することによって前記キャビテーション発生部材と前記スリット状噴孔の流出端との間にキャビテーション拡散領域を形成し、燃料噴射時に燃料流路内を流れる燃料が前記キャビテーション発生部材周りを流れたときに、該キャビテーション発生部材がその下流にキャビテーションを発生させ、該キャビテーションが前記キャビテーション拡散領域内で拡散する内燃機関の燃料噴射弁。
2. 前記キャビテーション発生部材の上流端を前記スリット状噴孔の流入端から離間して配置することによって前記キャビテーション発生部材と前記スリット状噴孔の流入端との間に燃料を整流する整流領域を形成した請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
3. 前記キャビテーション発生部材の前記スリット状噴孔長手方向に沿った断面が楔形であり、該楔形の先端が上流を向いて形成される請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射弁。
4. 前記キャビテーション発生部材が前記スリット状噴孔の長手方向内壁面から延び、燃料流路を分割する隔壁である請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射弁。
5. 前記キャビテーション発生部材が前記スリット状噴孔の長手方向内壁面から延びる突起である請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射弁。
6. 燃料の流れ方向に対して並列に形成された少なくとも３つの前記キャビテーション発生部材を備え、噴射中心軸線に近い内側に形成された前記キャビテーション発生部材が外側に形成された前記キャビテーション発生部材よりも燃料の流れ方向に短い形状を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射弁。
7. 前記ニードルが環状の凹部を備え、該凹部に沿って燃料が流れることによって、前記スリット状噴孔の噴射中心軸線近傍に燃料の流れを誘導する請求項１から６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射弁。

Images