JP2012137053A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料中に気泡を発生させることにより燃料の微粒化を図るとともに、燃料噴射方向の自由度を高めることを課題とする。
【解決手段】燃料噴射弁は、噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内のシート部に着座する弁部を備えたニードルと、前記シート部よりも上流側に設けられ、燃料に、前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部と、前記シート部の下流側に設けられ、前記ニードルが最大リフト状態となったときに前記シート部と前記弁部との間に形成される隙間の中心軸と前記噴孔の噴孔軸との交点を中心点とする半球形状部を有し、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回中心軸を変換する旋回軸変換室と、を備えている。半球形状部は、旋回流の旋回軸を変更し、燃料噴射方向を変更することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料噴射弁に関する。

近年、内燃機関に関し、ＣＯ_２低減及びエミッション低減のため、過給リーン、大量ＥＧＲ及び予混合自着火燃焼の研究が盛んに行われている。これらの研究によると、ＣＯ_２低減及びエミッション低減の効果を最大限に引き出すには、より燃焼限界近傍において安定した燃焼状態を得る必要がある。また、石油燃料の枯渇化が進む中、バイオ燃料など多種の燃料でも安定して燃焼できるロバスト性が要求される。このような安定した燃焼を得るのに最も重要な点は混合気の着火ばらつきを低減することや膨張行程で燃料を燃やしきる速やかな燃焼が必要とされる。

また、内燃機関の燃料供給において、過度応答性の向上、気化潜熱による体積効率向上や低温での触媒活性化用の大幅な遅角燃焼のために燃焼室内へ燃料を直接噴射する筒内噴射方式が採用されている。ところが、筒内噴射方式を採用することにより、噴霧燃料が液滴のまま燃焼室壁に衝突して起こるオイル希釈や、液状燃料で噴射弁の噴孔周りに生成されるデポジットによる噴霧悪化により燃焼変動が助長されていた。

このような筒内噴射方式の採用により生じるオイル希釈や噴霧悪化の対策をするとともに、着火ばらつきを低減し安定した燃焼を実現するには、燃焼室内の燃料が速やかに気化するように、噴霧を微粒化することが重要となる。

燃料噴射弁から噴射される噴霧の微粒化には薄膜化した液膜のせん断力によるもの、流れの剥離で発生するキャビテーションによるもの、超音波の機械的振動で表面に付着した燃料を微粒化するものなどが知られている。

特許文献１には、ノズル本体の中空穴の壁面と針弁の摺動面との間に形成された螺旋状通路を通った燃料を環状チャンバである燃料溜まりにおいて回転流とする燃料噴射ノズルが提案されている。この燃料噴射ノズルは、燃料溜まり内で回転する燃料を燃料溜まりの下流に設けられ、末広のテーパ面を有する単噴孔から燃料を噴射する。噴射された燃料は分散され、空気との混合が促進される。

特許文献２には、袋孔壁領域に流入開口が位置する噴射開口を備えた燃料噴射弁が開示されている。昨今、いわゆるサイド噴射弁を採用するエンジンが登場しており、燃料噴射弁の側方に向かって燃料を噴射することが求められることがある。袋孔壁領域に流入開口を位置させることにより、燃料噴射方向の自由度が高く、サイド噴射弁とすることが可能であると考えられる。

このように、燃料噴射ノズル、燃料噴射弁に対し、種々の提案がされている。

特開平１０−１４１１８３号公報 特表２００２−５２４６８５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ノズルは、旋回する燃料を加速させて燃料の噴霧を拡散することができるが、燃料中に気泡を発生させることによる燃料の微粒化は考慮されていない。また、特許文献２に開示された燃料噴射弁も、燃料中に気泡を発生させることによる燃料の微粒化は考慮されておらず、燃料中に気泡を発生させることにより燃料の微粒化を図ろうとした場合に、即座に適用できるものではない。

そこで本発明は、燃料中に気泡を発生させることにより燃料の微粒化を図るとともに、燃料噴射方向の自由度を高めることを課題とする。

上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射弁は、噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内のシート部に着座する弁部を備えたニードルと、前記シート部よりも上流側に設けられ、燃料に、前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部と、前記シート部の下流側に設けられ、前記ニードルが最大リフト状態となったときに前記シート部と前記弁部との間に形成される隙間の中心軸と前記噴孔の噴孔軸との交点を中心点とする半球形状部を有し、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回中心軸を変換する旋回軸変換室と、を備えたことを特徴としている。

旋回軸変換室を備えることにより、半球形状部の任意の位置に開口した噴孔内に旋回流を導入することができる。噴孔内における旋回流は、燃料噴射弁の外部、例えば、燃焼室内から空気（既燃ガス）を導入して気柱を発生させることができる。気柱が発生すると、気柱の界面において燃料の微細気泡が生成される。生成された微細気泡は、噴射され、圧壊、すなわち、破壊される。これにより、燃料の微粒化が図られる。上述のように噴孔は、半球形状部の任意の位置に開口させることができるので、燃料噴射方向の自由度が高い。このため、本明細書開示の燃料噴射弁は、いわゆるサイド噴射弁として有用である。

ここで、前記中心点は、前記ニードルの摺動軸上に位置することが望ましい。

前記ニードルの先端部は、基端側に向かって凹状となる半球形状凹部を備えることができる。また、前記半球形状凹部の中心点は、前記ニードルが最大リフト状態となったときに、前記旋回軸変換室が備える前記半径球状部の中心点と一致することができる。

これにより、ニードルが閉弁状態となるときに、球体状の旋回軸変換室を形成することができる。これにより、ニードルの摺動方向に沿って生成された旋回流を、その減衰を抑制しつつ、噴孔軸に沿う方向に旋回流の旋回軸を変換することができる。

本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、燃料中に気泡を発生させることにより燃料の微粒化を図るとともに、燃料噴射方向の自由度を高めることができる。

図１は、実施例の燃料噴射弁を搭載したエンジンシステムの一構成例を示す説明図である。 図２は、実施例１の燃料噴射弁の要部を断面として示す説明図である。 図３は、実施例１の燃料噴射弁の先端部を断面とし拡大して示す説明図である。 図４は、実施例１の燃料噴射弁の先端部を模式的に示す説明図である。 図５は、旋回中心軸が変換され、噴孔内に旋回流が存在する状態を模式的に示す説明図である。 図６は、実施例２の燃料噴射弁の先端部を模式的に示す説明図である。

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。さらに、図面によっては断面を示すハッチングが省略されている場合がある。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料噴射弁３０を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジン１０００の一部の構成のみが示されている。

図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１０００を備えており、エンジン１０００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。エンジンシステム１は、エンジン１０００の燃焼室１１内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えている。エンジンＥＣＵ１０は、制御部の機能を備える。エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。

エンジン１０００は、車両に搭載されるエンジンであって、燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。ピストン１２は、エンジン１０００のシリンダに摺動自在に嵌合されている。そして、ピストン１２は、コネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。

吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入した吸入空気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定し燃料噴射弁３０に信号を送る。燃料噴射弁３０は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。燃料噴射弁３０より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合される。そして、吸入空気と混合された燃料は、点火プラグ１８によって点火されることで燃焼し、燃焼室１１内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１０００は動力を得る。

燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１０００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。吸気通路１４には、サージタンク２２が配置されている。

吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。

排気通路１６には、ターボチャージャ１９が設置されている。ターボチャージャ１９は、排気通路１６を流通する排気ガスの運動エネルギーを利用してタービンを回転させ、エアクリーナーを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラーへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラーで冷却された後に一旦サージタンク２２に貯留され、その後、吸気通路１４へと導入される。この場合、エンジン１０００は、ターボチャージャ１９を備える過給機付エンジンに限られず、自然吸気（Ｎａｔｕｒａｌ Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）エンジンであってもよい。

ピストン１２は、その頂面にキャビティを有する。キャビティは、燃料噴射弁３０の方向から点火プラグ１８の方向へと連続するなだらかな曲面によってその壁面が形成されており、燃料噴射弁３０から噴射された燃料を壁面形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導く。この場合、ピストン１２は、その頂面の中央部分に円環状にキャビティが形成されるリエントラント型燃焼室等、エンジン１０００の仕様に応じて任意の位置・形状でキャビティを形成することができる。

燃料噴射弁３０は、吸気ポート１３下部の燃焼室１１に装着されている。燃料噴射弁３０は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、燃料ポンプから燃料流路を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ３１先端部に設けられた噴孔３３より燃焼室１１内へ直接噴射する。噴射された燃料は、燃焼室１１内で霧化し吸入空気と混合されつつキャビティの形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導かれる。燃料噴射弁３０のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。

この燃料噴射弁３０は、吸気ポート１３下部に限られず燃焼室１１の任意の位置に設置することができる。例えば、燃焼室１１の中央上側から噴射するように配置することもできる。

なお、エンジン１０００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、その他、燃料噴射弁によって噴射可能などのような燃料を用いるエンジンであってもよい。エンジンシステム１は、エンジン１０００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。

次に、本発明の一実施例である燃料噴射弁３０の内部構成について詳細に説明する。

燃料噴射弁３０は、ノズルボディ３１、ニードル３２、駆動機構４５を備えている。駆動機構４５はニードル３２の摺動動作を制御する。駆動機構４５は、圧電素子、電磁石などを用いたアクチュエータやニードル３２へ適切な圧力を付与する弾性部材など、ニードル３２が動作するのに適する部品を備えた従来から知られる機構である。以下の説明において、先端側とは図面中の下側を示し、基端側とは図面中の上側を示すこととする。

ノズルボディ３１の先端部には噴孔３３が設けられている。ノズルボディ３１の内部には、ニードル３２の弁部３２ａが着座するシート部３４が形成されている。ニードル３２は、ノズルボディ３１内に摺動自在に配置されることによって、ノズルボディ３１との間に燃料圧力室を兼ねる燃料導入路３５を形成する。そして、ノズルボディ３１内のシート部３４に着座することによって燃料噴射弁３０を閉弁状態とする。ニードル３２は、駆動機構４５により上方に引き上げられ、シート部３４から離座することによって開弁状態となる。シート部３４は、噴孔３３から奥まった位置に設けられている。

燃料噴射弁３０は、ニードルガイド３６を備えている。ニードルガイド３６の外周面には、燃料通路となる螺旋溝３６ａが設けられている。このニードルガイド３６は、シート部３４よりも上流側に設けられ、燃料導入路３５から導入される燃料にニードル３２の摺動軸ＡＸ１に沿う方向（摺動方向）に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部に相当する。ニードルガイド３６は、筒状の部材であり、その内周面は、ニードル３２の摺動面となる。ニードルガイド３６は、ノズルボディ３１の内側に圧入によって固定されている。

シート部３４の下流側には、旋回軸変換室３７が設けられている。ニードルガイド３６は、シート部３４の下流、すなわち、旋回軸変換室３７に導入される燃料に旋回流を生成する。摺動軸ＡＸ１は、ニードル３２の軸線と一致している。

旋回軸変換室３７について、図４を参照して詳細に説明する。図４におけるニードル３２は、最大リフト状態となっている。旋回軸変換室３７は、シート部３４の下流側に設けられている。旋回軸変換室３７は、半球形状部３７ａを備えている。半球形状部３７ａは、ニードル３２が最大リフト状態となったときにシート部３４と弁部３２ａとの間に形成される隙間の中心軸ＡＸ２と噴孔の噴孔軸ＡＸ３との交点を中心点Ｃとしている。中心点Ｃは、摺動軸ＡＸ１上に位置している。すなわち、中心点Ｃは、摺動軸ＡＸ１、中心軸ＡＸ２及び噴孔軸ＡＸ３との交点に位置している。旋回軸変換室３７は、半球形状部３７ａに衝突した旋回流ｆ１を旋回流ｆ２に変換する。ここで、旋回流ｆ１は、ニードルガイド３６に設けられた螺旋溝３６ａを燃料が通過することにより形成される。旋回流ｆ１は、摺動軸ＡＸ１を旋回中心軸としている。旋回流ｆ２は、噴孔３３内に形成される。旋回流ｆ２は、噴孔軸ＡＸ３を旋回中心軸としている。

このように、旋回流ｆ１から旋回中心軸が変換された噴孔３３内の旋回流ｆ２は、図５で説明するように気柱ＡＰを形成する。具体的には、旋回流ｆ２の中心部に負圧の領域が発生する。噴孔３３は、燃焼室に開口しているため、噴孔３３内の負圧領域に既燃ガスが導入される。これによって気柱ＡＰが形成される。気柱ＡＰの界面では、微細気泡が生成される。生成された微細気泡は、噴孔３３から噴射された後に崩壊し、燃料の微粒化が達成される。

なお、噴孔３３の直径Ｄは、φ０．８ｍｍ、噴孔３３の長さＬは、２．０ｍｍに設定され、半球形状部３７ａの半径が０．８ｍｍに設定されている。また、摺動軸ＡＸ１と噴孔軸ＡＸ３とがなす角は３０°としている。各部の寸法は、以下のように決定することができる。すなわち、噴孔長Ｌと噴孔径Ｄの関係をＬ／Ｄ≧１．５とすることができる。例えば、噴孔長Ｌを１．３ｍｍに設定し、噴孔径Ｄを０．８ｍｍとすることができる。この場合、Ｌ／Ｄ＝１．６２５となり、上記条件を満たしている。このように寸法を決定することにより、噴孔３３内で燃料を十分に回転させることができ、噴孔軸ＡＸ３中心に安定した旋回流を発生させることができる。この結果、燃料室１１内から既燃ガスを吸引し、気柱ＡＰを発生させることができる。

以上のような燃料噴射弁３０は、半球形状部３７ａに噴孔３３を開口させることで、噴孔３３内に旋回流を導入することができる。燃料噴射弁３３は、噴孔軸の設定自由度が高い。このため、いわゆるサイド噴射のエンジンにおいて燃料が燃焼室壁面に付着することを抑制することができる。また、側方に拡がる燃焼室内に均質な混合気を行き渡らせることができる。

また、噴孔３３内で燃料が噴射されるため、噴霧角を大きくすることもできる。噴霧角が大きくなると、燃料が拡散することに伴って、微細気泡も拡散する。この結果、混合気の均質化が図られる。さらに、デッドボリュームを小さくすることができるため、噴射初期から微細気泡を発生させ、燃料が微粒化されることが期待される。

また、半球形状部３７ａは、比較的簡単に加工することができる。このため、生産性が向上し、低コスト化にも有利である。

つぎに、実施例２について図５を参照しつつ説明する。実施例２が実施例１と異なる点は、実施例２におけるニードル３２の先端部が、基端側に向かって凹状となる半球形状凹部３２ｂを備えている点である。他の構成要素は、実施例１と同様であるので、実施例１と共通する要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。なお、半球形状凹部３２ｂは、完全に半球形状であることは求められず、球形面の一部を備えていればよい。

半球形状凹部３２ｂの中心点は、中心点Ｃに一致している。すなわち、ニードル３２が最大リフト状態となったときに、旋回軸変換室３７が備える半径球状部３７ａの中心点と一致している。これにより、中心点Ｃを中心とする球体面が形成される。これにより、旋回軸変換室３７内において旋回ベクトルの減衰を抑制しつつ旋回流の旋回軸を変換し、旋回流を噴孔３３内へ誘導することができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ エンジンシステム
１０ エンジンＥＣＵ
１１ 燃焼室
１２ ピストン
３０ 燃料噴射弁
３１ ノズルボディ
３２ ニードル
３２ａ 弁部
３２ｂ 半球形状凹部
３３ 噴孔
３４ シート部
３５ 燃料導入路
３６ ニードルガイド
３６ａ 螺旋溝
３７ 旋回軸変換室
３７ａ 半球形状部
Ｃ 半球形状部の中心点
ＡＰ 気柱
ｆ１、ｆ２ 旋回流

Claims (4)

1. 噴孔が設けられたノズルボディと、
   前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディ内のシート部に着座する弁部を備えたニードルと、
   前記シート部よりも上流側に設けられ、燃料に、前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部と、
   前記シート部の下流側に設けられ、前記ニードルが最大リフト状態となったときに前記シート部と前記弁部との間に形成される隙間の中心軸と前記噴孔の噴孔軸との交点を中心点とする半球形状部を有し、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回中心軸を変換する旋回軸変換室と、
   を備えたことを特徴とした燃料噴射弁。
2. 前記中心点は、前記ニードルの摺動軸上に位置することを特徴とした請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記ニードルの先端部は、基端側に向かって凹状となる半球形状凹部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記半球形状凹部の中心点は、前記ニードルが最大リフト状態となったときに、前記旋回軸変換室が備える前記半径球状部の中心点と一致することを特徴とした請求項３記載の燃料噴射弁。

Images