JP2011033036A - コークス化を減少させる燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジンの燃料噴射装置においてコークス堆積を減少させると共に効率を向上させる。
【解決手段】本発明は、燃料を内燃エンジンのシリンダ内に噴射する燃料噴射装置の出口穴（１５０）を改造する。本発明では、出口穴の外側開口部（１６５）を拡径するような仕方で外側開口部を改造し、外側開口部を内側開口部（１６０）よりも大径にすると共にニードルハウジング（１２０′）内に凹んだ中間開口部（１７０）を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、これには限定されるものではないが、内燃エンジンに用いられる燃料噴射装置のためのニードルハウジングを含む内燃エンジンに関する。

内燃エンジンは、複数個のシリンダを備えたクランクケースを有する。シリンダは、ピストンを収容し、燃焼事象に起因したピストンの往復運動をクランクシャフトにより伝達してエンジンのトルク出力を生じさせることができる。多くの場合、エンジンクランクケースは、通常は、鋳造金属で作られ、これらエンジンクランクケース中に、種々の流体をエンジンの或る１つの場所から別の場所に輸送するための通路が一体に形成されている。典型的にはエンジン内の通路を通って輸送される流体としては、冷却液、空気、燃料、オイル等が挙げられる。

エンジンのシリンダ内の燃焼事象は、酸素と燃料の可燃性混合気の燃焼の結果である。現代のエンジンでは、燃料は、各シリンダと作動可能に関連した燃料噴射装置によってシリンダ内に直接噴射される。用いられている燃料噴射装置の形式は多種多様である。燃料噴射装置の中には、このような燃料噴射装置がシリンダ内に噴射する加圧燃料を用いるものがあれば、燃料を低圧状態で受け入れ、これを内部で加圧し、その後、所与の量の加圧燃料をシリンダ内に噴射するものもある。

図１及び図２は、公知の燃料噴射装置を示している。この噴射装置は、米国特許出願公開第２００８／０２９０１８８号明細書にも記載されており、この米国特許出願公開の記載内容を援用し、本明細書の一部とする。燃料噴射装置１００は、燃料を高圧で噴射することができるユニットインジェクタである。噴射装置１００は、燃料を低圧状態で受け入れて、燃料圧力を高圧まで増大させることができる。燃料噴射装置１００は、作動流体弁部分１０２、増圧部分１０４、ニードル弁部分１０６及びニードルハウジング部分１０８を有している。

作動弁部分１０２は、少なくとも１つの電子アクチュエータ（例えば、ソレノイド）１１２によって作動されるスプール弁１１０を有する。噴射装置１００の作動中、スプール弁１１０は、高圧状態にある作動流体、典型的には燃料又は油を受け入れるよう間欠的に開く。作動流体は、増圧ピストン１１４を含む増圧部分１０４に送られる。増圧ピストン１１４は、増圧チャンバ１１６と流体連通している。作動流体にさらされる増圧ピストン１１４の領域は、増圧チャンバ１１６に開口したその反対側の領域よりも広く、その結果、作動流体の圧力は、増圧チャンバ１１６内で高められるようになっている。

スプール弁１１０が増圧ピストン１１４を高圧状態の作動流体から隔離する場合には、増圧チャンバ１１６は、通常、初期圧力状態の燃料で占められる。初期圧力は、作動流体の高圧よりも低く又はこれにほぼ等しい圧力であるのが良い。増圧ピストン１１４は、スプール弁１１０が開くと、高圧状態の作動流体にさらされるようになる。増圧チャンバ１１６内に入っている燃料の圧力は、増圧ピストンの増圧効果に起因して作動流体の高い圧力よりも十分に高い最終の又は噴射圧力まで増大する。

燃料は、噴射圧力状態で増圧チャンバ１１６から出てノズル供給通路１１８を経て、ニードル弁部分１０６を通り、噴射装置１００のニードルハウジング部分１０８内に流入する。ニードルハウジング部分１０８は、ニードルハウジング１２０を有している。ニードルハウジングはニードル弁１２４を収容するニードルキャビティ１２２を形成している。収集キャビティ１２６が供給通路１２８を介してノズル供給通路１１８と流体連通している。収集キャビティ１２６は、ニードルハウジング１２０内に形成され、この収集キャビティは、ニードル弁部分１０６の近くに位置するニードル１２４の一部分を包囲している。

燃料が噴射圧力状態で収集キャビティ１２６に入った場合、圧力がニードル１２４に加わり、この圧力によりニードルはニードル弁部分１０６に向かって押されてこの中に入れられているばね１３０に押しつけられる。収集キャビティ１２６内に存在する噴射圧力状態の燃料に起因してニードル１２４に加わる力がばね１３０の力を超えると、ニードル弁１２４は、ニードル弁部分１０６に向かって動き、１つ又は２つ以上のノズル穴１３２を収集キャビティ１２６内の燃料にさらす。燃料は、穴１３２を通って噴射装置１００から流出し始める。これは、噴射事象となる。収集キャビティ１２６内の燃料圧力が減少すると、ばね１３０は、ニードル１２４をニードル弁部分１０６から押し離し、穴１３２を通る燃料の流れが終わる。

米国特許出願公開第２００８／０２９０１８８号明細書

コークス化（コーキング）は、燃料の燃焼の結果として生じ、シリンダの内部に堆積するコークスと呼ばれる炭質固形物を形成する。ノズル開口部周りへのコークスの付着堆積は、開口部を塞ぐ場合がある。その結果、燃料をエンジンのシリンダ内に適切に噴射することができず、それにより加速不良、不安定なアイドリング、もたつき、停動及び出力低下という形態のエンジン性能の低下が生じる。

本発明者は、幾つかの燃料噴射装置が遭遇する１つの問題が、ノズル出口開口部周りのコークス化であり、このコークス化により、穴１３２を通る流れが経時的に減少し、それによりエンジン性能が低下するという知見を得た。穴１３２の急峻な直角入口開口部を備えたノズルの場合、噴射事象中燃料がノズルを通って送られることにより、ノズル出口開口部からコークス化を取り除く傾向のあるキャビテーションが生じる。しかしながら、エンジンからのスート（すす状物質）エミッションを減少させるには一層高い効率のノズルが必要になる場合がある。効率は、本発明との関連においては、ノズル穴の入口のところの圧力エネルギーをノズル穴の出口のところの運動エネルギーに変換するノズル穴の性能又は能力として定義される。高い効率を得るには、穴１３２の入口開口部１３２ａ（図２ａ）を滑らかに面取りし又は丸くするのが良い。本発明者は、噴霧効率を向上させるがキャビテーションを減少させる高効率設計に関し、燃料送り出しのコークス取り除き機能の有効性が減少するという知見を得た。

更に、本発明者は、噴射装置ノズルのコークス化が、エミッションを減少させる技術的労力である排気ガス再循環（ＥＧＲ）のレベルの増大、吸気マニホルド温度の低下及び低硫黄燃料中への添加剤の全てによって悪化させられる場合があるという知見を得た。

本発明の例示の実施形態によれば、燃料を内燃エンジンのシリンダ内に噴射する燃料噴射装置のノズル穴が改造される。本発明の例示の実施形態によれば、ノズル穴は、サイズが内側開口部と比較して拡大された外側開口部を有する。

燃料噴射装置は、ニードル又は弁ハウジング内に保持されたニードル弁を含む噴射装置本体を有する。供給通路がニードルハウジングと高圧燃料源を流体結合する。ニードルハウジングを貫通して多数のノズル穴が設けられる。ノズル穴は、ハウジングの周囲に沿って所定の距離をおいて配置され、これらノズル穴により、燃料をエンジンのシリンダ内に噴射することができる。

ノズル穴は内側開口部及び外側開口部を有する。本発明の例示の実施形態によれば、外側開口部は、内側開口部よりも大径である。ノズル穴は、中間開口部から外側開口部まで次第に大きくなる開口部サイズを有する。

例示の実施形態によれば、中間開口部は、ニードルハウジングの外面から引っ込められ又は凹んでいる。拡大又は拡径外側開口部は、中間開口部をエンジンのシリンダ内で生じるコークス化から保護し又は遮蔽するよう働き、外側開口部のサイズの増大により、中間開口部を包囲する表面領域が広くなり、それによりコークスが中間開口部を塞ぎ、燃料噴射装置の機能を低下させる恐れが減少する。

本発明の一実施形態では、穴は、湾曲した輪郭を形成するよう外側開口部のところが皿状になっており、例えば、半球形出口が作られる。別の実施形態では、穴は、切頭円錐形出口を形成するよう外側開口部のところがテーパ状になっている。中間開口部がニードルハウジングの外面から引っ込められ又は凹んだ他の形状及び改造例が想定される。

切頭円錐形又は球形の形は、ノズル壁の外面に、そして中間開口部に滑らかに移行し又は合体するのが有利である。

このようなノズル穴の形状により、ニードルハウジングの外面から引っ込められ又は凹んだ外側開口部が作られ、それにより外側開口部直径が増大する。凹み外側開口部は、中間開口部をエンジンシリンダ内におけるコークス化への暴露から保護し、直径の増大により、中間開口部を包囲する表面領域が広くなる。例示の実施形態の全体的な効果の結果として、中間開口部のところにおけるコークス堆積が減少したり阻止されたりし、それにより燃料噴射装置が長期間にわたり効果的に機能する状態が保たれる。

本発明の多くの他の利点及び特徴は、本発明及びその実施形態の以下の詳細な説明、特許請求の範囲の記載及び添付の図面から容易に明らかになろう。

収集キャビティを備えたニードルハウジングを有する先行技術の燃料噴射装置の断面図である。 図１の先行技術の燃料噴射装置の一部として示されたニードルハウジングの詳細断面図である。 図２に示されたハウジングの先端部から取った拡大断面詳細図である。 本発明の一実施形態としてのニードルハウジングのノズル部分の拡大断面図である。 図３の一部の拡大断面図である。 図４に類似した拡大断面図であるが、本発明の別の実施形態を示す図である。 図４に類似した拡大断面図であるが、本発明の更に別の実施形態を示す図である。

本発明は、多種多様な形態で具体化できるが、本発明の開示が本発明の原理の例示として介され、本発明を図示した特定の実施形態に限定するまではないということを理解したうえで本発明の特定の実施形態が図面に示され、本明細書においてこれら実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２は、先行技術の燃料噴射ニードルを示している。先行技術の設計では、ノズル穴１３２周りのコークス化がノズル穴１３２を通る流れを経時的に減少させる場合があり、それによりエンジン性能が低下する。本発明は、ノズル穴１３２を改造することによりこの問題の軽減に役立つ。

図３は、本発明の第１の実施形態としての改造型ニードルハウジング１２０′の先端部の拡大断面図である。ニードルハウジング１２０′は、包囲壁１５５を有し、ニードルハウジング１２０′の周囲周りに所定の間隔をおいて配置されたノズル穴１５０がこの包囲壁を貫通して形成されている。ノズル穴１５０は、壁１５５の内面１５５ａに設けられた内側開口部１６０を有すると共に壁１５５の外面１５５ｂに設けられた外側開口部１６５を有する。外側開口部１６５は、エンジンシリンダと連通している。

内側開口部１６０は、図２Ａに示された開口部１３２ａと類似した面取りされ又は丸みが付けられた開口部であるのが良い。

本実施形態は、外側開口部１６５を壁１５５の外面１５５ｂから引っ込め又は凹ませ、それにより外側開口部１６５の直径を増大させると共に凹み中間開口部１７０を形成することによりノズル穴の幾何学的形状を変更している。その結果、このような改造により、中間開口部１７０を包囲した広い表面領域も又作られている。外側開口部１６５は、中間開口部１７０をエンジンのシリンダ内で生じるコークス化プロセスとの直接的な接触状態から保護するよう働く。全体的な結果として、外側開口部１６５周り及び中間開口部１７０内部へのコークス堆積が減少し、それにより、中間開口部１７０の閉塞が減少したり阻止されたりし、その結果、効率的な経時的燃料噴射が行われる。

図４は、図３のノズル穴１５０を示している。この実施形態では、外側開口部１６５は、切頭円錐形区分１６８を形成するよう真っ直ぐなテーパを有する。外側開口部１６５のこの新規な構造により、中間開口部１７０と比較して外側開口部の直径が増大すると共に中間開口部１７０を包囲する広い表面領域が作られる。このような改造により、中間開口部１７０が引っ込められ又は凹む。その結果、外側開口部１６５は、中間開口部１７０をエンジンシリンダ内で生じるコークス化との直接的な接触状態から遮蔽するよう働く。この改造はコークスが堆積して中間開口部１７０を塞ぐのを減少させたり阻止したりするよう働く。コークスは、中間開口部１７０のところに堆積する前に、壁１５５の外面１５５ｂ及び切頭円錐形区分１６８の増大した表面領域１６８ａに堆積する可能性が多分にある。

図５は、ノズル穴２５０の改造型外側開口部２６５を備えた別の実施形態としてのニードルハウジング１２０″を示している。この実施形態では、外側開口部２６５は、半球形区分２６８を形成するよう湾曲している。半球形区分２６８は、図４の実施形態の切頭円錐形と同様に働く。半球形という幾何学的形状は、外側開口部２６５の直径を増大させ、中間開口部２７０を包囲した増大表面領域２６８ａを作り、そして中間開口部がコークス化プロセスと直接的な接触状態に成るのを阻止するよう働き、これらは全て、中間開口部２７０のところのコークスの堆積を減少させたり阻止したりする。

図６は、更に別の実施形態としてのノズル穴３５０を示している。この実施形態では、外側開口部３６５は、切頭円錐形区分３６８を形成するよう真っ直ぐなテーパを有する。外側開口部３６５のこの新規な構造により、中間開口部３７０と比較して外側開口部の直径が増大すると共に中間開口部３７０を包囲する広い表面領域が作られる。このような改造により、中間開口部３７０が引っ込められ又は凹む。その結果、外側開口部３６５は、中間開口部３７０をエンジンシリンダ内で生じるコークス化との直接的な接触状態から遮蔽するよう働く。この改造はコークスが堆積して中間開口部３７０を塞ぐのを減少させたり阻止したりするよう働く。コークスは、中間開口部３７０のところに堆積する前に、壁１５５の外面１５５ｂ及び切頭円錐形区分３６８の増大した表面領域３６８ａに堆積する可能性が多分にある。この実施形態によれば、切頭円錐形区分３６８は、滑らかに湾曲して中間開口部及び外側開口部に移行する。

本発明は、上述したような外側開口部１６５，２６５，３６５又は内側開口部に関する幾何学的改造には限定されない。他の幾何学的改造、例えば、二重面取り又は二重丸み等が想定される。

例示の実施形態によれば、ノズル穴１５０，２５０は、内側開口部１６０から中間開口部１７０，２７０，３７０まで実質的に一定の開口部サイズ、例えば円筒形穴について一定の直径を有すると共に中間開口部１７０，２７０，３７０から外側開口部１６５，２６５，３６５まで次第に拡径し又は拡大する開口部を有する。しかしながら、ノズル穴は、内側開口部１６０から中間開口部１７０まで実質的に一定の開口部サイズを有する必要はなく、これは、テーパしていても良い。

上述したことから、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく多くの変形例及び改造例を想到できることがわかる。本明細書において説明した特定の装置に関する限定は、意図されておらず又は推定されるべきではない。

１００ 燃料噴射装置
１０４ 増圧部分
１０６ ニードル弁部分
１０８ ニードルハウジング部分
１１０ スプール弁
１１２ 電子アクチュエータ
１１４ 増圧ピストン
１１６ 増圧チャンバ
１２０，１２０′ ニードルハウジング
１２２ ニードルキャビティ
１３０ ばね
１５０，２５０，３５０ ノズル穴
１５５ 包囲壁
１６０ 内側開口部
１６５ 外側開口部
１７０，２７０，３７０ 中間開口部

Claims (20)

1. 燃料を内燃エンジンのシリンダ内に噴射する燃料噴射装置であって、
   包囲壁を備えた弁ハウジングと、
   前記弁ハウジング内に位置するニードル弁を含む噴射装置本体と、
   前記弁ハウジングと高圧燃料源を流体結合する供給通路と、
   前記包囲壁を貫通して設けられ、前記包囲壁の厚みの中に定められた第１の開口部サイズを有すると共に、前記包囲壁の外面のところで定められた第２の開口部サイズを有する少なくとも１つの穴とを有し、前記第２の開口部サイズは、前記第１の開口部サイズよりも大きい、
   ことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記穴は、前記包囲壁の内面のところで始まる丸くなった入口開口部を有すると共に前記包囲壁の前記外面のところで始まる丸くなった出口開口部を有する、
   請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記穴は、前記包囲壁の内面から中間位置まで一定のサイズを有すると共に前記中間位置から前記包囲壁の前記外面まで増大したサイズを有する、
   請求項１記載の燃料噴射装置。
4. 前記穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接して湾曲した輪郭を有する、
   請求項３記載の燃料噴射装置。
5. 前記穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接してテーパした輪郭を有する、
   請求項３記載の燃料噴射装置。
6. 前記穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接してテーパした輪郭を有する、
   請求項１記載の燃料噴射装置。
7. 前記穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接して漸増するサイズを有する、
   請求項１記載の燃料噴射装置。
8. 前記穴は、前記包囲壁の内面から中間位置まで一定のサイズを有すると共に前記中間位置から前記包囲壁の前記外面まで漸増する厚さを有する、
   請求項１記載の燃料噴射装置。
9. 内燃エンジンに用いられる燃料噴射装置のニードルハウジングであって、
   前記ニードルハウジングの一端の近くに位置した燃料入口及び前記ニードルハウジング上の中間位置から前記ニードルハウジングの反対側の端まで延びる先端部を有し、複数個の穴が前記先端部内の前記ニードルハウジングの壁を実質的に半径方向に貫通して形成されており、
   前記ニードルハウジングに形成された供給通路を有し、前記供給通路は、前記ニードルハウジングの前記燃料入口と前記穴を流体結合し、
   前記穴は各々、前記先端部の外面に隣接して増大した断面を有する、
   ことを特徴とするニードルハウジング。
10. 各穴は、前記包囲壁の内面のところで始まって内方に延びる丸くなった入口開口部を有する、請求項９記載のニードルハウジング。
11. 各穴は、前記包囲壁の前記外面のところで始まって内方に延びる丸くなった出口開口部を有する、
    請求項９記載のニードルハウジング。
12. 各穴は、前記包囲壁の前記内面から中間位置まで実質的に一定の直径を有すると共に前記中間位置から前記包囲壁の前記外面まで増大した直径を有する、
    請求項９記載のニードルハウジング。
13. 各穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接して湾曲した輪郭を有する、
    請求項１２記載のニードルハウジング。
14. 各穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接してテーパした輪郭を有する、
    請求項１２記載のニードルハウジング。
15. 各穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接して湾曲した輪郭を有する、
    請求項９記載のニードルハウジング。
16. 各穴は、前記包囲壁の前記外面に隣接してテーパした輪郭を有する、
    請求項９記載のニードルハウジング。
17. 増強コークス化モードで作動されているエンジンに用いられ、燃料を内燃エンジンのシリンダ内に噴射する燃料噴射装置であって、
    包囲壁を備えた弁ハウジングと、
    前記弁ハウジング内に位置するニードル弁を含む噴射装置本体と、
    前記弁ハウジングと高圧燃料源を流体結合する供給通路と、
    前記包囲壁を貫通して設けられ、前記包囲壁の厚みの中に定められた第１の開口部サイズを有すると共に前記包囲壁の外面のところに定められた第２の開口部サイズを有する少なくとも１つの穴とを有し、前記第２の開口部サイズは、前記第１の開口部サイズよりも大きい、
    ことを特徴とする燃料噴射装置。
18. 前記エンジンは、増大した排気ガス再循環量で作動される、
    請求項１７記載の燃料噴射装置。
19. 前記エンジンは、減少した吸気マニホルド温度で作動される、
    請求項１７記載の燃料噴射装置。
20. 前記エンジンは、低硫黄燃料用の添加剤の濃度を減少させた状態で作動される、
    請求項１７記載の燃料噴射装置。

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