JP2011226416A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ニードルのリフト量が小さい燃料噴射初期の段階から、ニードルが上昇する過程においても燃料のキャビテーションを発生させることを課題とする。
【解決手段】燃料噴射弁１は、シート部２ａを備えたニードル２と、内部にニードル２が摺動自在に配置され、シート部２ａが着座するシート位置３ａを備えるとともに、先端部にサック室４が設けられたノズルボディ３と、を備える。ニードル２の中心軸ＡＸ１と、サック室４の中心軸ＡＸ２とは、ずらして配置される。また、サック室４の上端縁となる稜線５は、サック室４の中心軸ＡＸ２と直交する平面Ｆに対して角度θを有するように設けられている。ニードル２が燃料から受ける力は、リフト開始直後より、不均衡となり、揺れながら上昇する。ニードル２が揺れることにより、ニードル２とノズルボディ３の内壁とが接近する箇所が生まれ、当該箇所においてキャビテーションを発生させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関する。

例えば、直接噴射式の内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料の微粒化が排気ガス成分やエンジン出力に影響を与えることが知られている。従来、過度に燃料を拡散させることなく、負荷に応じて燃料噴射弁から噴射される噴霧の主方向を変化させ、部分負荷運転においても点火プラグ近傍に混合気を安定して形成し、未燃ＨＣの抑制ならびに燃焼安定度の向上を狙った提案がされている（特許文献１参照）。特許文献１の提案における燃料噴射弁は、ニードル弁を点火プラグと反対側に偏心させるような周方向の圧力不均衡を生じさせている。ここで、周方向の圧力不均衡を生じさせるために、各噴孔の噴射弁ボディにおける取付角θが、少なくとも一部の噴孔で異なる構成としている。ここで、取付角θが小さいほど、圧力が高まるとしている。また、特許文献１の提案における燃料噴射弁は、噴孔内でキャビテーションを生じさせる。このキャビテーションの発生量は、噴孔の取付角θに依存するとしている。

特開２００４−１４３９４６号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された燃料噴射弁におけるキャビテーションの発生量は、ニードル弁のリフト量にも依存する。すなわち、リフト量が小さいほど、噴孔内でキャビテーションは発生し易いが、リフト量が増すと、キャビテーションは発生し難い。

そこで、本明細書開示の燃料噴射弁は、ニードルのリフト量が小さい燃料噴射初期の段階から、ニードルが上昇する過程においても燃料のキャビテーションを発生させることを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示の燃料噴射弁は、シート部を備えたニードルと、内部に前記ニードルが摺動自在に配置され、前記シート部が着座するシート位置を備えるとともに、先端部にサック室が設けられたノズルボディと、を備え、前記ニードルの中心軸と、前記サック室の中心軸とをずらして配置するとともに、前記サック室の上端縁となる稜線を前記サック室の中心軸と直交する平面（直交平面）に対して角度を有するように設けたことを特徴としている。

稜線をサック室の中心軸と直行する平面に対して角度を有するように設定し、さらに、ニードルの中心軸とサック室の中心軸とをずらして配置することにより、ノズルボディ内の状態に非対称性が創出される。これにより、ニードルが離座したときにニードルが燃料から受ける力が不均衡となる。これにより、ニードルは、揺れながらリフトする。ニードルが揺れることにより、ニードルと、ノズルボディ内壁とが接近する位置が継続的に出現する。ニードルとノズルボディ内壁とが接近することにより燃料の流路が狭まる。燃料は、流路が狭まった箇所を通過した後、再び、流路が拡大する領域に流れ込む。これにより、当該箇所においてキャビテーションが発生し、燃料の微粒化が促進される。

ニードルは、まず、リフト開始時の燃料から受ける力の不均衡によって揺れ始める。ニードルが揺れると、燃料流路面積の分布が不均一な状態となる。燃料流路面積の分布が不均一となると、噴孔毎の燃料噴射量に不均衡が生じる。この結果、燃料流路内の燃料の圧力が不均一に分布し、ニードルが燃料から受ける力が不均衡となる。また、燃料の圧力を受ける面積が不均一となり、リフト開始時の燃料から受ける力が不均衡となってニードルが一方に偏心すると、ニードルはその反動により反対側に偏る。この偏りがさらに元に戻ろうとする反動により反対側に偏る。このような現象が連続的に生じることにより、ニードルの揺れは継続され、長期間に亘ってキャビテーションを発生させる。

また、ニードルの中心軸（前記シート部に対する中心軸）とサック室の中心軸とをずらしたことにより、稜線をサック室の中心軸との直交平面に対して角度を有するように設けてあっても、シート部は、シート位置に着座することができる。これにより燃料の噴射を停止することができる。

前記ニードルは、前記シート部よりも先端側にテーパ部を備え、当該テーパ部の傾斜角度は、前記シート部が前記シート位置に着座した状態で、少なくとも前記稜線よりも先端側まで一定であることが望ましい。テーパ部の途中でその傾斜角度を変更し、いわゆる「逃がし」を設けると、ニードルの全周に亘って受圧部がほぼ均一に分布し、ニードルリフト初期にニードルが燃料から受ける力に差を設けることが困難となる。そこで、テーパ部の傾斜角度を所定位置まで一定として、ニードル先端部から逃がしを廃止することによって、ニードルにおける受圧部の分布を異ならせ、ニードルリフト初期にニードルが燃料から受ける力に差を設ける。このように非対称性が創出されることにより、ニードルは、リフト開始直後から揺れ始める。その後は、上記のように、揺れが継続し、キャビテーションが連続して発生、燃料の微粒化が図られる。

本明細書開示の燃料噴射弁によれば、ニードルのリフト量が小さい燃料噴射初期の段階から、ニードルが上昇する過程においても燃料のキャビテーションを発生させることができる。

図１（Ａ）は、実施例の燃料噴射弁のニードルとノズルボディとを分解した状態を示す説明図であり、図１（Ｂ）は実施例の燃料噴射弁のニードルがノズルボディに着座した状態を示す説明図である。 図２（Ａ）は、図１（Ａ）におけるＡ視断面図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＢ視断面図である。 図３（Ａ）は、実施例の燃料噴射弁の先端部を示す説明図であり、図３（Ｂ）は、比較例の燃料噴射弁の先端部を示す説明図である。 図４は、実施例のニードルリフトの様子を比較例とともに示した説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。

図１（Ａ）は、実施例の燃料噴射弁１のニードル２とノズルボディ３とを分解した状態を示す説明図である。図１（Ｂ）は実施例の燃料噴射弁１のニードル２がノズルボディ３に着座した状態を示す説明図である。図２（Ａ）は、図１（Ａ）におけるＡ視断面図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＢ視断面図である。

燃料噴射弁１は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、シート部２ａを備えたニードル２と、内部にニードル２が摺動自在に配置され、シート部２ａが着座するシート位置３ａを備えるとともに、先端部にサック室４が設けられたノズルボディ３を備える。ニードル２の中心軸ＡＸ１と、サック室４の中心軸ＡＸ２とは、ずらして配置されている。そして、サック室４の上端縁となる稜線５は、サック室４の中心軸ＡＸ２と直交する平面Ｆに対して角度θ１を有するように設けられている。すなわち、稜線５は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示されるように、傾いた軌跡を描く。サック室４には、噴孔６の入口が開口している。噴孔６は放射状に複数設けられている。

ニードル２は、シート部２ａよりも先端側にテーパ部２ｂを備えている。このテーパ部２ｂの傾斜角度θ２は、図１（Ｂ）に示すように、シート部２ａがシート位置３ａに着座した状態で、稜線５よりも先端側まで一定である。このように、傾斜角度θ２を稜線よりも先端側まで一定としたことによる効果を図３（Ａ）、図３（Ｂ）を参照しつつ説明する。図３（Ａ）は、実施例の燃料噴射弁１の先端部を示す説明図であり、図３（Ｂ）は、比較例の燃料噴射弁２１の先端部を示す説明図である。

図３（Ａ）中、ハッチングを施して示した領域は、ニードル２ａがリフトを開始した直後の受圧部Ｓ１を示している。図３（Ａ）に示すように、テーパ部２ｂは、傾斜角度θ２を有しており、傾斜角度θ２は、ニードル２の先端まで維持されている。すなわち、ニードル２には、逃がしが設けられていない。このため、受圧部Ｓ１の傾斜方向に沿った長さは、稜線５がノズルボディ３において最も先端側となる位置に対応する箇所において最大となる。すなわち、最大長さは、Ｌ１となる。一方、受圧部Ｓ１の傾斜方向に沿った長さは、稜線５がノズルボディ３において最も基端側となる位置に対応する箇所において最小となる。すなわち、最小長さは、Ｌ２となる。このように、受圧部Ｓ１の傾斜方向に沿った長さは、明確に異なり、受圧部Ｓ１の分布は不均一となるので、受圧面積に差が生じる。受圧面積に差が設けられることにより、ニードル２のリフト初期にニードル２が燃料から受ける力に不均衡が生じる。これにより、ニードル２のリフト開始直後より、ニードル２は揺れ始める。

これに対し、図３（Ｂ）に示す比較例の燃料噴射弁２１が有するテーパ部２２ｂの傾斜角度は、シート部２２ａに近い側のθ２から、先端部に近い側でθ３に変化し、逃がしが設けられている。この結果、受圧部Ｓ２の傾斜方向に沿った長さは、稜線５がノズルボディ３において最も先端側となる位置に対応する箇所と、稜線５がノズルボディ３において最も基端側となる位置に対応する箇所とでほぼ同一となる。すなわち、Ｌ３≒Ｌ４となる。これにより、受圧部Ｓ２の分布は、テーパ部２２ｂの全周に亘ってほぼ均一となり、ニードル２２が燃料から受ける力もテーパ部２２ｂの全周に亘ってほぼ均一となるため、ニードル２２は、揺れにくい。

つぎに、以上のような燃料噴射弁１の動作につき、図４を参照しつつ説明する。図４は、実施例の燃料噴射弁１のニードルリフトの様子を、比較例の燃料噴射弁３１のニードルリフトの様子とともに示した説明図である。ニードルのリフト量は、（ａ）から（ｄ）に向かうに従って大きくなる。ここで、比較例の燃料噴射弁３１について説明する。燃料噴射弁３１は、ニードル３２及びノズルボディ３３を有するが、ニードル３３の中心軸と、ノズルボディ３３の中心軸は一致している。また、ノズルボディ３３の先端部に形成されたサック室３４の上端縁となる稜線３５と、ノズルボディ３３（サック室３４）の中心軸とは、直交している。

まず、リフト量が（ａ）の段階では、比較例の燃料噴射弁３１、実施例の燃料噴射弁１ともに、閉弁状態となっている。図面中、ニードル先端視は、それぞれ、受圧部Ｓ１、Ｓ３を示している。図面から明らかなように、受圧部Ｓ３は、均等に分布しているのに対し、受圧部Ｓ１の分布は不均一となっている。すなわち、図面中、右側が狭く、左側が広くなっている。このため、ニードル２がリフトを開始すると、ニードル２が燃料から受ける力に不均衡が生じる。

リフト量がわずかである（ｂ）の段階では、比較例の燃料噴射弁３１においても、ニードル３２とノズルボディ３３の内壁との間隔が狭く、サック室３４に流入する燃料はキャビテーションｃを生じる。一方、本実施例の燃料噴射弁１は、上記のように、受圧部Ｓ１の分布が不均一となっており、受圧部Ｓ１が燃料から受ける力が、図面中、右側よりも左側が大きくなる。このため、図に示すように、ニードル２の先端部は右側に振れる。（ｂ）の段階では、リフト量が小さいため、仮にニードル２の先端が振れていなくても燃料はキャビテーションｃを発生することができる。これに加え、ニードル２の先端部が振れ、ニードル２の先端部とノズルボディ３の内壁とが近づくことにより、燃料の流路が狭くなることから、よりキャビテーションｃが発生し易くなる。

リフト量が増加した（ｃ）の段階における比較例の燃料噴射弁３１は、ニードル３２とノズルボディ３３の内壁との間隔が広がり、燃料の流路面積が拡大するため、キャビテーションｃを発生し難くなる。一方、本実施例の燃料噴射弁１のニードル２は、揺れが継続し、その先端が、ノズルボディ３の内周壁と接近している箇所があるため、キャビテーションｃを発生させることができる。

リフト量がさらに増加した（ｄ）の段階における比較例の燃料噴射弁３１は、ニードル３２とノズルボディ３３の内壁との間隔がさらに広がり、燃料の流路面積が拡大するため、キャビテーションｃを発生させることができなくなる。一方、本実施例の燃料噴射弁１のニードル２は、揺れが継続し、その先端が、ノズルボディ３の内周壁と接近している箇所があるため、キャビテーションｃを発生させることができる。ニードル２の揺れは、中心軸ＡＸ１に対して周方向に均等に発生するため、全噴孔６に対して同様のキャビテーション効果を得ることができる。また、キャビテーションｃが発生することにより、燃料が微粒化し、噴霧が拡散しやすくなることから、ペネトレーションを抑制することができる。ペネトレーションを抑制することにより、燃料の壁面付着も抑制することができる。

以上説明したように、本実施例の燃料噴射弁１は、ニードル２のリフト量が小さい燃料噴射初期の段階から、ニードル２が上昇する過程においても燃料のキャビテーションを発生させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。上記のような燃料噴射弁は、筒内噴射を行う内燃機関に用いられるのみならず、ポートに燃料を噴射する内燃機関に用いることもできる。また、点火プラグを用いた点火式の内燃機関のみならず、圧縮着火式の内燃機関に用いることもできる。

１、２１、３１…燃料噴射弁
２、２２、３２…ニードル
２ａ…シート部
２ｂ…テーパ部
３、３３…ノズルボディ
３ａ…シート位置
４…サック室
５…稜線
６…噴孔
Ｆ…直交平面
θ１…稜線と直交平面とがなす角
θ２…テーパ部の傾斜角度
ＡＸ１…ニードル中心軸
ＡＸ２…サック室中心軸

Claims (2)

1. シート部を備えたニードルと、
   内部に前記ニードルが摺動自在に配置され、前記シート部が着座するシート位置を備えるとともに、先端部にサック室が設けられたノズルボディと、を備え、
   前記ニードルの中心軸と、前記サック室の中心軸とをずらして配置するとともに、
   前記サック室の上端縁となる稜線を前記サック室の中心軸と直交する平面に対して角度を有するように設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記ニードルは、
   前記シート部よりも先端側にテーパ部を備え、
   当該テーパ部の傾斜角度は、前記シート部が前記シート位置に着座した状態で、少なくとも前記稜線よりも先端側まで一定であることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射弁。

Images