JP2011226417A - 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に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を備える。また、シート部２ａがシート位置３ａから離座したときに、シート部２ａの下流において、ニードル２とノズルボディ３との間に形成される燃料流路の面積を不均一に分布させ、リフトするニードル２の揺動を誘発する連通孔５を備える。これにより、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。
【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に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、前記シート部が前記シート位置から離座したときに、前記シート部の下流において、前記ニードルと前記ノズルボディとの間に形成される燃料流路の面積を不均一に分布させ、リフトする前記ニードルの揺動を誘発する揺動誘発手段と、を備えたことを特徴とする。

シート部がシート位置から離座したときに、シート部の下流において、ニードルとノズルボディとの間に形成される燃料流路の面積が不均一に分布すると、シート部よりも先端側に流れ込む燃料によるニードル押し上げ力が不均一に分布する。すなわち、ニードル中心軸を中心として、その周方向にニードル押し上げ力が不均一に分布する。ニードル押し上げ力が不均一に分布すると、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。

前記揺動誘発手段は、前記ノズルボディの一部に設けられ、前記シート位置の下流側に入口開口を備えるとともに、前記サック室内に出口開口を備えた連通路とすることができる。連通路を設けることにより、連通路が設けられた側の燃料流路の面積が拡大される。シート部とシート位置との間に流れ込む燃料の一部が、連通路を通じてサック室へ流れ込むと、このような連通路が設けられた側の燃料によるニードル押し上げ力が弱まる。このようにニードル押し上げ力が不均一に分布することにより、リフトするニードルを揺動させることができる。

また、前記揺動誘発手段は、前記ニードルの前記シート部よりも先端側の一部に設けられた凹部とすることができる。凹部を設けることにより、凹部が設けられた側の燃料流路の面積が拡大される。シート部とシート位置との間に流れ込む燃料の一部が、凹部内に流れ込むとき、凹部内が燃料で満たされるまでは、燃料によるニードル押し上げ力は、ニードルに作用しない。これにより、ニードル押し上げ力が不均一に分布するようになる。ニードル押し上げ力が不均一に分布することにより、リフトするニードルを揺動させることができる。

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に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１の燃料噴射弁の先端部を示す説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。 図２は、実施例１の燃料噴射弁のニードルリフトの様子を示す説明図である。 図３（Ａ）は、実施例２の燃料噴射弁の先端部を示す説明図であり、図３（Ｂ）は、ニードルを先端側からみた説明図である。

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の先端部を示す説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。図１（Ａ）において、燃料噴射弁１に含まれるニードル２とノズルボディ３とは、説明の都合上、実際よりも離間させて描かれている。

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を備える。ニードル２の中心軸と、ノズルボディ３の中心軸とは、軸ＡＸで共通している。サック室４には、噴孔６の入口が開口している。ノズルボディ３の一部には、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、シート位置３ａの下流側に入口開口５ａを備えるとともに、サック室４内に出口開口５ｂを備えた連通路５が設けられている。連通路５は、リフトするニードル２を揺動させる揺動誘発手段の一例である。すなわち、連通路５は、シート部２ａがシート位置３ａから離座したときに、シート部２ａの下流において、ニードル２とノズルボディ３との間に形成される燃料流路の面積を不均一に分布させる。これにより、リフトするニードル２の揺動を誘発する。

図１（Ｂ）に示されているように、連通路５は、ノズルボディ３の片側半分に分布させている。このため、図１（Ｂ）中、右側と、左側とでシート部２ａの下流において、ニードル２とノズルボディ３との間に形成される燃料流路の面積が異なる。流路面積が大きくなる右側の領域では、ニードル２がリフトを開始すると、シート部２ａの上流からサック室４へ流れ込む燃料は、連通孔５にも流入する。このため、シート部２ａの上流側から流れ込む燃料によるニードル押し上げ力が不均一に分布する。すなわち、ニードル押し上げ力は、図中、右側の領域で小さくなり、左側の領域よりも弱くなる。これにより、ニードル２は、左側から強く押し上げられ、揺れながらリフトする。

つぎに、以上のような燃料噴射弁１の動作につき、図２を参照しつつ説明する。図２は、燃料噴射弁１のニードルリフトの様子を示す説明図である。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。

まず、（ａ）は、燃料噴射弁１のリフト開始直後の状態を示している。燃料噴射弁１がリフトを開始すると、シート部２ａの上流側から、サック室４内へ燃料が流入し始める。このとき、図中、右側において、シート部２ａの上流側からサック室４内に流入する燃料は連通孔５も通過する。このため、図中、右側のニードル押し上げ力が左側と比較して弱まる。この結果、ニードル２は、まず、右側に押し出されつつ、リフトを継続する。

（ｂ）は、ニードル２が右側に揺られた状態を示している。ニードル２の先端部が右側に振れ、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、燃料流路が狭くなることから、キャビテーションｃが発生する。なお、この段階では、リフト量が少ないため、左側においてもニードル２とノズルボディ３の内壁との間隔が狭く、キャビテーションｃが発生する。

（ｃ）は、ニードル２のリフト量が増すとともに、ニードル２が左側に揺られた状態を示している。ニードル２の先端部が左側に振れ、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、燃料流路が狭くなることから、キャビテーションｃが発生する。この段階では、ニードル２のリフト量が増し、ニードル２とノズルボディ３の内壁との間隔が広がるが、左右の領域において継続的にキャビテーションｃを発生させることができる。なお、（ｂ）の状態において、左側の燃料流路の面積が増すため、左側の噴孔６から噴射される燃料量が右側の噴孔６から噴射される燃料量と比較して多くなる。この結果、燃料流路内の燃料の圧力が左側で小さく、右側で大きくなり、ニードル２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２は、左側に揺られる。

（ｄ）は、ニードル２のリフト量がさらに増すとともに、ニードル２が右側に揺られた状態を示している。ニードル２の先端部が右側に振れ、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、燃料流路が狭くなることから、キャビテーションｃが発生する。この段階では、ニードル２のリフト量がさらに増し、ニードル２とノズルボディ３の内壁との間隔が広がるため、左側の領域では、キャビテーションｃは、発生し難い。この一方で、上記のように右側ではキャビテーションｃを発生させることができるため、噴孔６から噴射される燃料の微粒化を図ることができる。なお、（ｃ）の状態において、右側の燃料流路の面積が増すため、右側の噴孔６から噴射される燃料量が左側の噴孔６から噴射される燃料量と比較して多くなる。この結果、燃料流路内の燃料の圧力が右側で小さく、左側で大きくなり、ニードル２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２は、右側に揺られる。

燃料噴射弁１は、以上のような動作をするため、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。これにより、噴孔６から噴射される燃料の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。

なお、上記実施例では、説明の都合上、ニードル２の揺動方向を左右方向としているが、ニードル２は、全周方向に揺動することができる。連通孔５を配置する箇所、個数、断面積を調整することによってニードル２の所望の揺動が実現される。

つぎに、実施例の燃料噴射弁２１について、図３を参照しつつ説明する。図３（Ａ）は、実施例２の燃料噴射弁２１の先端部を示す説明図であり、図３（Ｂ）は、ニードル２２を先端側からみた説明図である。実施例２の燃料噴射弁２１は、以下の点で、実施例１の燃料噴射弁１と異なる。

まず、燃料噴射弁２１が備えるノズルボディ２３は、燃料噴射弁１が備えるノズルボディ３と異なり、連通孔５を備えていない。また、燃料噴射弁２１が備えるニードル２２は、その先端側に、燃料噴射弁１が備えていない凹部２５を備えている。この凹部２５は、リフトするニードル２２を揺動させる揺動誘発手段の一例である。すなわち、凹部２５は、シート部２２ａがシート位置２３ａから離座したときに、シート部２２ａの下流において、ニードル２２とノズルボディ２３との間に形成される燃料流路の面積を不均一に分布させる。これにより、リフトするニードル２２の揺動を誘発する。

なお、ノズルボディ２３が先端部にサック室２４を備えている点、サック室２４に入口開口を備えた噴孔２６を備えている点は、実施例１の燃料噴射弁１と同様である。

凹部２５は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、ニードル２２のシート部２２ａよりも先端側の一部、より具体的には、図中右側に設けられている。このような凹部２５は、ニードル２２がリフトを開始すると、シート部２２ａの上流側からサック室２４内に流れ込む燃料が一旦貯留される。シート部２２ａの上流側からサック室２４内に流れ込む燃料は、ニードル２２を押し上げるが、凹部２５が設けられた側は、凹部２５の容積が燃料で満たされるまで圧力が上昇しない。このため、図中、右側のニードル押し上げ力は、左側と比較して、ニードル２２に作用するタイミングが遅れる。この結果、シート部２２ａの上流側から流れ込む燃料によるニードル押し上げ力が不均一に分布する。すなわち、ニードル押し上げ力は、図中、右側の領域で小さくなり、左側の領域よりも弱くなる。これにより、ニードル２２は、左側から強く押し上げられ、揺れながらリフトする。

このように、燃料噴射弁２１は、実施例１の燃料噴射弁１と同様に、ニードル２２のリフト開始直後にニードル押し上げ力の不均一な分布を創出することができる。この結果、実施例１の燃料噴射弁と同様に、ニードル２２のリフト量が小さい燃料噴射初期の段階から、ニードル２２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。これにより、噴孔２６から噴射される燃料の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。凹部２５を配置する箇所、個数、容積を調整することによってニードル２２の所望の揺動が実現される。

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…燃料噴射弁
２、２２…ニードル
２ａ、２２ａ…シート部
３、２３…ノズルボディ
３ａ、２３ａ…シート位置
４、２４…サック室
５…連通孔
６、２６…噴孔
２５…凹部

Claims (3)

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、
   前記シート部が前記シート位置から離座したときに、前記シート部の下流において、前記ニードルと前記ノズルボディとの間に形成される燃料流路の面積を不均一に分布させ、リフトする前記ニードルの揺動を誘発する揺動誘発手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記揺動誘発手段は、前記ノズルボディの一部に設けられ、前記シート位置の下流側に入口開口を備えるとともに、前記サック室内に出口開口を備えた連通路であることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記揺動誘発手段は、前記ニードルの前記シート部よりも先端側の一部に設けられた凹部であることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射弁。

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