JP2013019386A - Fuel injection valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁に関する。 The present invention relates to a fuel injection valve that injects fuel from an injection hole.
例えばディーゼルエンジン等の内燃機関において連続運転を行った場合に、燃料噴射弁の噴孔内にデポジットが付着すると、噴孔の有効径が減少して単位時間当たりの燃料噴射量（噴射率）が減少したり、燃料の噴射方向や噴霧角が変化したりして、排気特性の悪化等を招きやすくなる。 For example, when continuous operation is performed in an internal combustion engine such as a diesel engine, if deposits adhere to the injection hole of the fuel injection valve, the effective diameter of the injection hole decreases, and the fuel injection amount (injection rate) per unit time decreases. It decreases, or the fuel injection direction and the spray angle change, leading to deterioration of exhaust characteristics.
下記特許文献１では、燃料噴射ノズルの噴孔の周りに、例えばジュラルミンや酸化チタンのような高膨張率物質を環状のコーティング部として設けている。コーティング部の熱膨張率を、カーボン等からなるデポジットの熱膨張率よりも大きくするので、燃焼室内の温度変化によってコーティング部が厚さ方向に伸縮するときに、付着したデポジットがせん断力を受けて剥離するようにしている。あるいは、噴孔の周りに設ける環状のコーティング部を、フッ素樹脂のような撥油性物質によって形成することで、デポジットが付着し難いようにしている。 In the following Patent Document 1, a high expansion material such as duralumin or titanium oxide is provided as an annular coating portion around the nozzle hole of the fuel injection nozzle. Since the thermal expansion coefficient of the coating part is larger than the thermal expansion coefficient of the deposit made of carbon or the like, when the coating part expands or contracts in the thickness direction due to the temperature change in the combustion chamber, the deposited deposit receives shearing force. I try to peel it off. Alternatively, an annular coating portion provided around the nozzle hole is formed of an oil repellent material such as a fluororesin so that deposits are difficult to adhere.
特許文献１では、燃料噴射ノズルの噴孔がエンジン筒内の高温・高圧のガスに晒されるため、噴孔の周りに設けたコーティング部が経時劣化等により取れる可能性がある。その結果、噴孔内でのデポジットの堆積をコーティング部により抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性が低下する。 In Patent Document 1, since the injection hole of the fuel injection nozzle is exposed to the high-temperature and high-pressure gas in the engine cylinder, there is a possibility that the coating portion provided around the injection hole can be removed due to deterioration over time. As a result, the durability of the effect of suppressing the decrease in the fuel flow rate is reduced by suppressing the deposition of deposits in the nozzle holes by the coating portion.
本発明に係る燃料噴射弁は、噴孔内でのデポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させることを目的とする。 An object of the fuel injection valve according to the present invention is to improve durability of an effect of suppressing a decrease in fuel flow rate by suppressing deposit accumulation in an injection hole.
本発明に係る燃料噴射弁は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。 The fuel injection valve according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係る燃料噴射弁は、先端部に先細り部を有するニードルと、ニードルの先細り部が当接するシート面が形成され、該シート面より先端側に、噴孔が形成されたサック部を有するノズルボディと、を備える燃料噴射弁であって、ニードルの先細り部には、ノズルボディのシート面に当接する当接部が設けられ、ニードルの先細り部における当接部より先端側には、窪み部が設けられ、ニードルの先細り部における当接部より先端側が、ノズルボディのサック部によって形成され且つ噴孔に連通するサック室に臨んで配置され、ニードルの当接部がノズルボディのシート面から離れることで、ノズルボディのシート面とニードルの先細り部との間を流れる燃料が、サック室を通って噴孔から噴射され、サック室における燃料流れ上流端部での直径が、窪み部における燃料流れ上流端部での直径より小さく、且つ窪み部における燃料流れ下流端部での直径より大きいことを要旨とする。 A fuel injection valve according to the present invention includes a needle having a tapered portion at a tip portion, a seat surface on which the tapered portion of the needle abuts, and a sac portion having a nozzle hole formed on the tip side from the seat surface. A nozzle body, wherein the tapered portion of the needle is provided with a contact portion that contacts the seat surface of the nozzle body, and a depression is provided on the tip side of the contact portion of the tapered portion of the needle. And a tip side of the contact portion of the tapered portion of the needle is disposed facing the sac chamber formed by the sac portion of the nozzle body and communicating with the nozzle hole, and the contact portion of the needle is the seat surface of the nozzle body The fuel flowing between the seat surface of the nozzle body and the tapered portion of the needle is injected from the nozzle hole through the sac chamber, and the fuel flow upstream end in the sac chamber Diameter less than the diameter of the fuel flow upstream end portion of the recessed portion, and summarized in that and larger than the diameter of the fuel flow downstream end of the recess.
本発明の一態様では、窪み部における燃料流れ上流端部が、当接部に対して燃料流れ下流側に所定距離はなされて配置されていることが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the upstream end portion of the fuel flow in the recess is disposed at a predetermined distance downstream of the contact portion with respect to the fuel flow.
本発明によれば、窪み部で発生したキャビテーション気泡が噴孔内で崩壊するときの衝撃力によって噴孔内のデポジットを浸食することができるとともに、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。その結果、噴孔内でのデポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させることができる。 According to the present invention, deposits in the nozzle hole can be eroded by the impact force generated when the cavitation bubble generated in the hollow portion collapses in the nozzle hole, and a decrease in the fuel flow rate due to the generation of the cavitation bubble is suppressed. be able to. As a result, the durability of the effect of suppressing the decrease in the fuel flow rate can be improved by suppressing the accumulation of deposits in the nozzle hole.
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図であり、中心軸と直交する方向から見た噴射弁先端部の内部構成を示す。本実施形態に係る燃料噴射弁は、内開弁形式の噴射弁であり、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関にて用いられるものである。なお、噴射弁先端部以外の構成については、公知の構成を適用可能であるため、図１では図示を省略している。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention, and shows an internal configuration of a tip portion of the injection valve viewed from a direction orthogonal to the central axis. The fuel injection valve according to the present embodiment is an internal opening type injection valve, and is used in, for example, an internal combustion engine such as a diesel engine. In addition, about a structure other than the injection valve front-end | tip part, since a well-known structure is applicable, illustration is abbreviate | omitted in FIG.
ノズルボディ７の中空部にはニードル４が内挿されており、ニードル４はノズルボディ７の内周面に沿って摺動可能な状態で支持されている。ノズルボディ７の内部（ニードル４の外周面とノズルボディ７の内周面との間）には燃料室１８が形成されており、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料が燃料室１８に供給される。ニードル４は、その先端部に先細り部５を有しており、ノズルボディ７の内周面には、ニードル４の先細り部５が当接する円錐面形状のシート面６が形成されている。ノズルボディ７は、概ね半球形状のサック部８をシート面６より先端側に有しており、サック部８には複数の噴孔９が形成されている。図１に示す例では、円筒形状の噴孔９が放射状に配置されている。 A needle 4 is inserted in the hollow portion of the nozzle body 7, and the needle 4 is supported in a state in which it can slide along the inner peripheral surface of the nozzle body 7. A fuel chamber 18 is formed inside the nozzle body 7 (between the outer peripheral surface of the needle 4 and the inner peripheral surface of the nozzle body 7), and fuel pumped by a fuel pump (not shown) is supplied to the fuel chamber 18. The The needle 4 has a tapered portion 5 at the tip thereof, and a conical surface sheet surface 6 with which the tapered portion 5 of the needle 4 abuts is formed on the inner peripheral surface of the nozzle body 7. The nozzle body 7 has a generally hemispherical sac portion 8 on the tip side from the seat surface 6, and a plurality of injection holes 9 are formed in the sac portion 8. In the example shown in FIG. 1, cylindrical nozzle holes 9 are arranged radially.
ニードル４の先細り部５には、円錐面１１，１２が形成されており、円錐面１２が円錐面１１より先端側に位置する。円錐面１２の円錐角θ２は、円錐面１１の円錐角θ１より大きく（θ２＞θ１）、シート面６の円錐角θｓｅａｔは、円錐面１１の円錐角θ１より大きく、且つ円錐面１２の円錐角θ２より小さい（θ２＞θｓｅａｔ＞θ１）。円錐面１１と円錐面１２との接続部分が、ノズルボディ７のシート面６に当接する当接部１３となる。ニードル４の先細り部５における当接部１３より先端側が、ノズルボディ７のサック部８によって形成され且つ噴孔９に連通するサック室１９に臨んで配置されている。 Conical surfaces 11 and 12 are formed on the tapered portion 5 of the needle 4, and the conical surface 12 is located on the tip side of the conical surface 11. The conical angle θ2 of the conical surface 12 is larger than the conical angle θ1 of the conical surface 11 (θ2> θ1), the conical angle θseat of the seat surface 6 is larger than the conical angle θ1 of the conical surface 11, and the conical angle of the conical surface 12 It is smaller than θ2 (θ2> θseat> θ1). A connecting portion between the conical surface 11 and the conical surface 12 serves as a contact portion 13 that contacts the seat surface 6 of the nozzle body 7. The tip end side of the contact portion 13 in the tapered portion 5 of the needle 4 is disposed facing the sac chamber 19 formed by the sac portion 8 of the nozzle body 7 and communicating with the injection hole 9.
ニードル４は図示しないニードル駆動機構（例えばソレノイドやピエゾ素子等を用いた電磁アクチュエータ）により駆動可能である。例えばニードル駆動機構を駆動していない場合は、ニードル４が図示しないばねやニードル後端部に作用する燃料圧力によりノズルボディ７のシート面６側（図１の下側）へ付勢されていることで、ニードル４の当接部１３がシート面６に密着している。この場合は、燃料室１８と各噴孔９との連通が遮断され、燃料が噴射されない。一方、ニードル駆動機構を駆動すると、ニードル４の当接部１３がノズルボディ７のシート面６から離れることで、燃料室１８が各噴孔９と連通し、燃料室１８に供給された燃料が、ノズルボディ７のシート面６とニードル４の先細り部５との間の燃料流路を流れ、サック室１９を通って各噴孔９から内燃機関（例えばディーゼルエンジン）の筒内に噴射される。その際には、サック室１９が圧力溜まりとして機能し、サック室１９から各噴孔９に燃料が均等に分散する。 The needle 4 can be driven by a needle driving mechanism (not shown) (for example, an electromagnetic actuator using a solenoid, a piezoelectric element, or the like). For example, when the needle drive mechanism is not driven, the needle 4 is urged toward the seat surface 6 side (lower side in FIG. 1) of the nozzle body 7 by a fuel pressure acting on a spring (not shown) or a needle rear end. Thus, the contact portion 13 of the needle 4 is in close contact with the seat surface 6. In this case, the communication between the fuel chamber 18 and each injection hole 9 is blocked, and fuel is not injected. On the other hand, when the needle drive mechanism is driven, the contact portion 13 of the needle 4 is separated from the seat surface 6 of the nozzle body 7, whereby the fuel chamber 18 communicates with each nozzle hole 9, and the fuel supplied to the fuel chamber 18 is The fuel flows between the seat surface 6 of the nozzle body 7 and the tapered portion 5 of the needle 4, passes through the sac chamber 19, and is injected into the cylinder of the internal combustion engine (for example, diesel engine) from each injection hole 9. . At that time, the sac chamber 19 functions as a pressure reservoir, and the fuel is evenly distributed from the sac chamber 19 to each nozzle hole 9.
本実施形態では、ニードル４の先細り部５の円錐面１２に環状溝が形成されていることで、ニードル４の先細り部５における当接部１３より先端側（燃料流れ下流側）には、ノズルボディ７のシート面６に対し離間するよう径方向内側に窪んだ窪み部１４が全周に渡って設けられている。さらに、ニードル４の先細り部５における窪み部１４より先端側には、円錐面１５が形成されている。図１は、円錐面１５の円錐角θ３が円錐面１２の円錐角θ２より大きい例（θ３＞θ２）を示しているが、例えば図２に示すように、円錐面１５の円錐角θ３を円錐面１２の円錐角θ２に等しくすることも可能であるし、円錐面１５の円錐角θ３を円錐面１２の円錐角θ２より小さくすることも可能である。さらに、窪み部１４における燃料流れ上流端部（円錐面１２との接続部分）での直径Ｄｇｕは、サック室１９における燃料流れ上流端部（サック部８の内周面とシート面６との接続部分）での直径Ｄｓａｃより大きく（Ｄｇｕ＞Ｄｓａｃ）、窪み部１４における燃料流れ下流端部（円錐面１５との接続部分）での直径Ｄｇｌは、サック室１９における燃料流れ上流端部での直径Ｄｓａｃより小さい（Ｄｇｌ＜Ｄｓａｃ）。 In the present embodiment, an annular groove is formed in the conical surface 12 of the tapered portion 5 of the needle 4, so that a nozzle is provided on the tip side (fuel flow downstream side) of the tapered portion 5 of the needle 4. A recessed portion 14 that is recessed inward in the radial direction so as to be separated from the seat surface 6 of the body 7 is provided over the entire circumference. Further, a conical surface 15 is formed on the distal end side of the recessed portion 14 in the tapered portion 5 of the needle 4. FIG. 1 shows an example in which the cone angle θ3 of the cone surface 15 is larger than the cone angle θ2 of the cone surface 12 (θ3> θ2). For example, as shown in FIG. It is possible to make the cone angle θ2 of the surface 12 equal, or the cone angle θ3 of the cone surface 15 can be made smaller than the cone angle θ2 of the cone surface 12. Further, the diameter Dgu at the fuel flow upstream end portion (connection portion with the conical surface 12) in the recess portion 14 is the fuel flow upstream end portion (connection between the inner peripheral surface of the sack portion 8 and the seat surface 6) in the sack chamber 19. (Dgu> Dsac), and the diameter Dgl at the downstream end of the fuel flow (connection portion with the conical surface 15) in the recess 14 is the diameter at the upstream end of the fuel flow in the sac chamber 19. Smaller than Dsac (Dgl <Dsac).
ディーゼルエンジン等の内燃機関において連続運転を行った場合に、噴孔９内にデポジットが付着すると、噴孔９の有効径が減少して単位時間当たりの燃料噴射量（噴射率）が減少したり、燃料の噴射方向や噴霧角が変化したりして、排気特性の悪化等を招きやすくなる。これに対して本実施形態では、燃料噴射時に、ニードル４の当接部１３を通過した燃料は、ノズルボディ７のシート面６を沿うように流れ、窪み部１４（環状溝）の上流端部で流れがニードル壁面から剥離し、剥離領域の圧力が燃料の飽和蒸気圧以下になってキャビテーション気泡が発生する。そして、サック室１９内に流入したキャビテーション気泡を含む燃料は、サック室１９の内壁に沿うようにして各噴孔９に流入する。なお、キャビテーションは窪み部１４の全周に渡って発生するため、キャビテーション気泡は図１や図２に示す縦断面内のみだけではなく、その両脇からも噴孔９内に導かれる。噴孔９内で崩壊するキャビテーション気泡の衝撃力によって、噴孔９内に形成されたデポジットが浸食（剥離）される。 When a deposit is deposited in the injection hole 9 when an internal combustion engine such as a diesel engine is continuously operated, the effective diameter of the injection hole 9 decreases, and the fuel injection amount (injection rate) per unit time decreases. In addition, the fuel injection direction and the spray angle change, and the exhaust characteristics are likely to deteriorate. On the other hand, in this embodiment, the fuel that has passed through the contact portion 13 of the needle 4 during fuel injection flows along the seat surface 6 of the nozzle body 7, and the upstream end portion of the recess portion 14 (annular groove). The flow is separated from the needle wall surface, and the pressure in the separation region becomes lower than the saturated vapor pressure of the fuel to generate cavitation bubbles. Then, the fuel containing cavitation bubbles flowing into the sac chamber 19 flows into each nozzle hole 9 along the inner wall of the sac chamber 19. Since cavitation occurs over the entire circumference of the recess 14, the cavitation bubbles are introduced into the injection hole 9 not only in the longitudinal section shown in FIGS. 1 and 2 but also from both sides thereof. The deposit formed in the nozzle hole 9 is eroded (separated) by the impact force of the cavitation bubbles that collapse in the nozzle hole 9.
ここで、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ上流端部位置をサック室１９の内壁に対して変化させながら（Ｄｇｕ−Ｄｓａｃを変化させながら）、噴孔９表面のデポジットがキャビテーション気泡の崩壊によって浸食される速度（浸食速度とする）を市販のＡＶＬ社製熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２００８）を使用して数値計算した。噴孔９内に堆積するデポジットは運転条件等によって変化するため、ここでは鋼の物性値を用いて計算した。噴射圧＝１００ＭＰａ、噴射期間＝１ｍｓ、噴孔９の直径＝０．１ｍｍ、サック室１９の直径Ｄｓａｃ＝０．８５ｍｍの条件で、噴孔９中心を含む縦断面内でのキャビテーション気泡のボイド率（体積分率）分布と、噴孔９表面でのデポジットの浸食速度分布を数値計算した結果の一例を図３に示す。図３に示すように、窪み部１４（環状溝）でキャビテーション気泡が発生し、噴孔９にキャビテーション気泡が流入することがわかる。図３に示す浸食速度データから、噴孔９全域での浸食速度の平均値をグラフ化した結果を図４に示す。図４には、本実施形態の計算結果の一例を従来ノズル（窪み部１４が無い形状）と比較して示した。このようにして求めた浸食速度の時系列データを時間平均した値と、窪み部１４の上流端部位置（Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ）との関係を整理した結果を図５に示す。図５には、時間平均した浸食速度の噴孔９内分布も併せて示した。 Here, the deposit on the surface of the injection hole 9 collapses the cavitation bubbles while changing the position of the upstream end of the fuel flow in the recess 14 (annular groove) with respect to the inner wall of the sac chamber 19 (while changing Dgu-Dsac). The rate of erosion (according to the erosion rate) was numerically calculated using a commercially available thermal fluid analysis software FIRE (Version 2008) manufactured by AVL. Since the deposit accumulated in the nozzle hole 9 varies depending on operating conditions and the like, calculation was performed using the physical property values of steel. Void ratio of cavitation bubbles in the longitudinal section including the center of the injection hole 9 under the conditions of injection pressure = 100 MPa, injection period = 1 ms, diameter of the injection hole 9 = 0.1 mm, and diameter Dsac = 0.85 mm of the sac chamber 19 FIG. 3 shows an example of a result of numerical calculation of the (volume fraction) distribution and the erosion rate distribution of the deposit on the surface of the nozzle hole 9. As shown in FIG. 3, it can be seen that cavitation bubbles are generated in the recess 14 (annular groove), and the cavitation bubbles flow into the nozzle hole 9. FIG. 4 shows the result of graphing the average value of the erosion rate in the entire nozzle hole 9 from the erosion rate data shown in FIG. FIG. 4 shows an example of the calculation result of the present embodiment in comparison with a conventional nozzle (a shape without the recessed portion 14). FIG. 5 shows the result of organizing the relationship between the time-averaged value of the time series data of the erosion rate thus obtained and the upstream end position (Dgu-Dsac) of the depression 14. FIG. 5 also shows the distribution in the nozzle hole 9 of the erosion speed averaged over time.
図５のＡに示すＤｇｕ−Ｄｓａｃ＞０の範囲内では、図５のＢに示すそれ以外の範囲と比較して、デポジットの浸食速度が増大しており、デポジット堆積に伴う流量低下に対する抑制効果があることがわかる。Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ＞０の範囲内では、噴射開始直後に窪み部１４の上端部で流れがニードル壁面から剥離して、剥離領域の圧力が燃料の飽和蒸気圧以下になってキャビテーションが発生する。さらに、窪み部１４では縦渦が発達して、その中心部の圧力が燃料の飽和蒸気圧以下になってキャビテーションが発生する。このようにして窪み部１４で発生したキャビテーション気泡がサック室１９の内壁に沿うようにして噴孔９に流入し、噴孔９の内壁近傍でキャビテーション気泡が崩壊することで、噴孔９の内壁に形成されたデポジットが浸食されるため、デポジットの浸食速度が増大する。一方、範囲外の浸食速度は従来ノズル（窪み部１４が無い形状）とほとんど差がみられなかった。これは、窪み部１４の上端部がサック室１９内に存在すると、ノズルボディ７のシート面６上を通過した燃料がサック室１９の内壁を沿うようにして噴孔９に流入するために、窪み部１４で強い縦渦が形成されず、キャビテーションの発生が抑制されるためである。なお、噴射開始直後の極めて短期間には、ノズルボディ７のシート面６上を通過した燃料がニードル４に沿うように流れるが、約０．１ｍｓ以下の短期間であり、浸食速度に対する効果はそれほど大きくない。そこで、本実施形態では、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ上流端部をサック室１９の内壁（シート面６との接続部分）より径方向外側に配置し、Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ＞０にすることで、噴孔９内でのキャビテーション気泡の崩壊によるデポジットの浸食効果を向上させることができる。なお、特許文献２では、ニードルにおける当接部より上流側及び下流側に切り欠きを設けているが、ノズルボディのシート面に対する当接部の「ずれ移動」を制限するためのものであり、噴孔内でのキャビテーション気泡の崩壊によるデポジットの浸食効果を狙ったものではない。 In the range of Dgu-Dsac> 0 shown in FIG. 5A, the erosion rate of the deposit is increased as compared with the other range shown in FIG. I understand that there is. Within the range of Dgu−Dsac> 0, immediately after the start of injection, the flow is separated from the needle wall surface at the upper end portion of the depression 14, and the pressure in the separation region becomes equal to or lower than the saturated vapor pressure of the fuel, resulting in cavitation. Furthermore, a vertical vortex develops in the hollow portion 14, and the pressure at the center thereof becomes lower than the saturated vapor pressure of the fuel, and cavitation occurs. Thus, the cavitation bubbles generated in the depression 14 flow into the nozzle hole 9 along the inner wall of the sac chamber 19, and the cavitation bubble collapses in the vicinity of the inner wall of the nozzle hole 9. Since the deposit formed in this is eroded, the erosion rate of the deposit increases. On the other hand, the erosion rate outside the range was hardly different from that of the conventional nozzle (the shape without the recessed portion 14). This is because when the upper end portion of the recess portion 14 exists in the sac chamber 19, the fuel that has passed over the seat surface 6 of the nozzle body 7 flows into the injection hole 9 along the inner wall of the sac chamber 19. This is because a strong vertical vortex is not formed in the depression 14 and the occurrence of cavitation is suppressed. In a very short time immediately after the start of injection, the fuel that has passed over the seat surface 6 of the nozzle body 7 flows along the needle 4, but it is a short period of about 0.1 ms or less, and the effect on the erosion rate is Not so big. Therefore, in this embodiment, the fuel flow upstream end portion of the recess portion 14 (annular groove) is arranged on the radially outer side from the inner wall of the sac chamber 19 (connection portion with the seat surface 6) so that Dgu−Dsac> 0. Thus, the erosion effect of the deposit due to the collapse of the cavitation bubbles in the nozzle hole 9 can be improved. In Patent Document 2, cutouts are provided on the upstream side and the downstream side of the contact portion of the needle, but this is for limiting the “shift movement” of the contact portion with respect to the seat surface of the nozzle body, It is not aimed at the erosion effect of the deposit due to the collapse of cavitation bubbles in the nozzle hole.
また、燃料の多様化や地域差等によって想定外の物性の燃料（例えば飽和蒸気圧が高い成分を含有する燃料）が使用される場合や、燃料が超高圧噴射される場合には、窪み部１４で大量のキャビテーション気泡が発生する可能性がある。その場合には、耐用年数以内に窪み部１４の一部がキャビテーション気泡により浸食される可能性がないとは言い切れない。このとき、窪み部１４の上流端部が当接部１３と一致する場合には、当接部１３が浸食されてシート不良による故障の原因になる。これを避けるためには、窪み部１４の燃料流れ上流端部を、当接部１３に対して燃料流れ下流側（ニードル先端側）に所定距離Ｌはなして配置することが好ましい。そうすれば万一、窪み部１４の浸食が始まってもすぐにシート不良に至らず、ノズル（エンジン）の寿命を延ばすことができる。そのためには、当接部１３と窪み部１４の上流端部との距離Ｌを０．２ｍｍ以上に設定することが好ましい。ノズル（エンジン）の寿命をより延ばすためには、当接部１３と窪み部１４の上流端部との距離Ｌを０．３ｍｍ以上に設定することが好ましい。 In addition, when a fuel with unexpected physical properties (for example, a fuel containing a component having a high saturated vapor pressure) is used due to diversification of fuel or regional differences, or when the fuel is injected with ultra-high pressure, the depression 14 may generate a large amount of cavitation bubbles. In that case, it cannot be said that there is no possibility that a part of the recess 14 is eroded by cavitation bubbles within the service life. At this time, when the upstream end portion of the recess portion 14 coincides with the contact portion 13, the contact portion 13 is eroded and causes a failure due to a sheet defect. In order to avoid this, it is preferable to arrange the fuel flow upstream end portion of the recess portion 14 at a predetermined distance L on the fuel flow downstream side (needle tip side) with respect to the contact portion 13. In that case, even if erosion of the dent portion 14 starts, the sheet failure does not occur immediately, and the life of the nozzle (engine) can be extended. For this purpose, it is preferable to set the distance L between the contact portion 13 and the upstream end portion of the recessed portion 14 to 0.2 mm or more. In order to further extend the life of the nozzle (engine), it is preferable to set the distance L between the contact portion 13 and the upstream end portion of the recess portion 14 to 0.3 mm or more.
また、図５の浸食速度の結果に示すように、Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ＞０の範囲内では、Ｄｇｕ−Ｄｓａｃの値が小さい、つまり窪み部１４の上流端部を当接部１３から離した方が浸食速度がやや高くなる。これは、窪み部１４で発生したキャビテーション気泡が噴孔９に到達する前に崩壊して消滅するものもあり、窪み部１４と噴孔９との距離が短い方が噴孔９に到達するキャビテーション気泡がやや多くなることによる。 Further, as shown in the result of the erosion rate in FIG. 5, within the range of Dgu−Dsac> 0, the value of Dgu−Dsac is small, that is, the upstream end of the recessed portion 14 is separated from the contact portion 13. Slightly higher erosion rate. This is because some of the cavitation bubbles generated in the depression 14 collapse and disappear before reaching the nozzle hole 9, and the cavitation in which the distance between the depression 14 and the nozzle hole 9 reaches the nozzle hole 9 is shorter. This is due to a slight increase in bubbles.
また、図１や図２に示す構成例では、窪み部１４（環状溝）は円弧状であり、図６に示すように、円弧の半径が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲で数値計算し、浸食速度の増加に効果があることを確認した。ただし、窪み部１４については、円弧状以外にも、例えば円弧と直線を組み合わせた形状や四角状や台形状等、窪み部１４の上流端部で燃料流れを壁面から剥離させてキャビテーションを発生できる形状であれば、同様の効果が得られることは容易に推測できる。 Further, in the configuration example shown in FIGS. 1 and 2, the recess 14 (annular groove) has an arc shape, and as shown in FIG. 6, numerical calculation is performed in the range where the radius of the arc is 0.2 mm to 0.6 mm. It was confirmed that the erosion rate was effective. However, in addition to the circular arc shape, the hollow portion 14 can generate cavitation by separating the fuel flow from the wall surface at the upstream end of the hollow portion 14 such as a combination of an arc and a straight line, a square shape, a trapezoidal shape, or the like. If it is a shape, it can be easily estimated that the same effect can be obtained.
次に、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ下流端部位置をサック室１９の内壁に対して変化させながら（Ｄｇｌ−Ｄｓａｃを変化させながら）、燃料流量を数値計算した結果を図７に示す。図７の縦軸の燃料流量は、窪み部１４（環状溝）が無い場合の燃料流量で割って正規化（ノーマライズ）したものであり、ニードル４のリフト量が０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２５ｍｍであるときにおけるＤｇｌ−Ｄｓａｃと燃料流量との関係を示す。図７に示すように、ニードル４のリフト量が大きい０．２５ｍｍのときには、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の範囲において、窪み部１４が無い場合より若干低い燃料流量を示すが、それほど大きな差ではない。しかし、ニードル４のリフト量が小さい０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍのときには、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の範囲において、窪み部１４が無い場合より燃料流量が大きく低下している。これに対して、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ＜０の範囲では、ニードル４のリフト量が小さいときにおいても、燃料流量の低下が抑制されていることがわかる。これは以下の理由による。窪み部１４で発生したキャビテーション気泡は、その上流から流れてくる燃料（液相）とともに下流に流れる。Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の範囲では、窪み部１４の下流端部とノズルボディ７のシート面６間の燃料（液相）の見かけ上の流路断面積（幾何学的な流路断面積からキャビテーション気泡が通過する流路断面積を差し引いた面積）が減少する。ニードル４のリフト量が小さいときには、ニードル４のリフト量が大きいときと比較して、幾何学的な流路断面積が小さく、幾何学的な流路断面積に対するキャビテーション気泡が通過する流路断面積の割合が大きくなる。その結果、キャビテーションがほとんど発生しない窪み部１４が無い場合と比較して、シート面６の領域で燃料流量の低下が大きく現れる。これに対して、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ＜０の範囲では、キャビテーション気泡が発生しても窪み部１４の下流端部での見かけ上の流路断面積を十分確保することができるため、ニードル４のリフト量が小さいときでも燃料流量の低下を抑制することができる。 Next, FIG. 7 shows the result of numerical calculation of the fuel flow rate while changing the fuel flow downstream end position of the recess 14 (annular groove) with respect to the inner wall of the sac chamber 19 (while changing Dgl-Dsac). Show. The fuel flow rate on the vertical axis in FIG. 7 is normalized by dividing by the fuel flow rate when there is no recess 14 (annular groove), and the lift amount of the needle 4 is 0.05 mm, 0.10 mm, The relationship between Dgl-Dsac and a fuel flow rate when it is 0.25 mm is shown. As shown in FIG. 7, when the lift amount of the needle 4 is 0.25 mm, the fuel flow rate is slightly lower in the range of Dgl−Dsac ≧ 0 than when there is no depression 14, but the difference is not so large. However, when the lift amount of the needle 4 is small 0.05 mm and 0.10 mm, in the range of Dgl−Dsac ≧ 0, the fuel flow rate is greatly reduced as compared with the case where there is no depression 14. On the other hand, in the range of Dgl−Dsac <0, it can be seen that the decrease in the fuel flow rate is suppressed even when the lift amount of the needle 4 is small. This is due to the following reason. Cavitation bubbles generated in the depression 14 flow downstream along with fuel (liquid phase) flowing from the upstream. In the range of Dgl−Dsac ≧ 0, the apparent flow cross-sectional area of the fuel (liquid phase) between the downstream end of the recess 14 and the seat surface 6 of the nozzle body 7 (from geometric flow cross-sectional area to cavitation) The area obtained by subtracting the cross-sectional area of the passage through which bubbles pass is reduced. When the lift amount of the needle 4 is small, the geometrical channel cross-sectional area is smaller than when the lift amount of the needle 4 is large, and the channel breakage through which cavitation bubbles pass through the geometrical channel cross-sectional area The area ratio increases. As a result, the fuel flow rate is greatly reduced in the region of the seat surface 6 as compared with the case where there is no recess 14 in which cavitation hardly occurs. On the other hand, in the range of Dgl−Dsac <0, even if cavitation bubbles are generated, the apparent channel cross-sectional area at the downstream end portion of the recess portion 14 can be sufficiently secured. Even when the amount is small, a decrease in the fuel flow rate can be suppressed.
ニードル４のリフト量が小さく、当接部１３で燃料の流路断面積が絞られているような場合（例えば図７におけるニードル４のリフト量が０．０５ｍｍの場合）には、燃料流量の小さいＤｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の方が、燃料流量の大きいＤｇｌ−Ｄｓａｃ＜０と比較して、サック室１９内の圧力が低くなる。サック室１９内の圧力が低いと、ニードル４をリフトさせる方向に働く力が弱いため、ニードル４のリフト速度が小さく、ニードル４のリフト量が小さい期間（サック室１９内の圧力が低い期間）が長く続く。サック室１９内の圧力が低いと、噴孔９から噴射される燃料噴霧の微粒化状態の悪化を招きやすくなる。特にパイロット噴射は、ニードル４のリフト量が小さいため、上述の影響を大きく受ける。パイロット噴射による燃料噴霧の微粒化状態が悪化すると、燃料の蒸発も悪化するため、スモークやＰＭの排出要因となる。また、液滴のままシリンダ内壁に付着するものも出現し、これらは未燃ＨＣやＰＭの排出要因となる。そこで、本実施形態では、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ下流端部をサック室１９の内壁（シート面６との接続部分）より径方向内側に配置し、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ＜０にすることで、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。そのため、サック室１９内の圧力が低い期間を短くすることができ、噴孔９から噴射される燃料噴霧の微粒化を向上させることができる。その結果、スモークや未燃ＨＣやＰＭの排出を抑制することができる。 When the lift amount of the needle 4 is small and the cross-sectional area of the fuel flow path is restricted by the contact portion 13 (for example, when the lift amount of the needle 4 in FIG. A smaller Dgl−Dsac ≧ 0 results in a lower pressure in the sac chamber 19 than Dgl−Dsac <0 where the fuel flow rate is large. When the pressure in the sac chamber 19 is low, the force acting in the direction in which the needle 4 is lifted is weak, so the lift speed of the needle 4 is small and the lift amount of the needle 4 is small (period in which the pressure in the sac chamber 19 is low). Continues for a long time. When the pressure in the sac chamber 19 is low, the atomization state of the fuel spray injected from the injection hole 9 is likely to be deteriorated. In particular, pilot injection is greatly affected by the above-described effect because the lift amount of the needle 4 is small. When the atomization state of the fuel spray by the pilot injection is deteriorated, the evaporation of the fuel is also deteriorated, which becomes a smoke and PM emission factor. In addition, some of the liquid droplets adhering to the inner wall of the cylinder also appear, and these become discharge factors of unburned HC and PM. Therefore, in the present embodiment, the fuel flow downstream end portion of the recess portion 14 (annular groove) is disposed radially inward from the inner wall of the sac chamber 19 (connection portion with the seat surface 6) so that Dgl−Dsac <0. Thereby, the fall of the fuel flow rate by generation | occurrence | production of a cavitation bubble can be suppressed. Therefore, the period during which the pressure in the sac chamber 19 is low can be shortened, and atomization of the fuel spray injected from the injection hole 9 can be improved. As a result, the emission of smoke, unburned HC and PM can be suppressed.
以上説明した本実施形態によれば、窪み部１４で発生したキャビテーション気泡が噴孔９内で崩壊するときの衝撃力によって噴孔９内のデポジットを浸食（剥離）することができるとともに、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。その際には、デポジットの堆積を抑制するためのコーティング部を噴孔９の内壁に形成する必要も無い。したがって、噴孔９内でのデポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させることができる。 According to the present embodiment described above, deposits in the nozzle holes 9 can be eroded (separated) by the impact force generated when the cavitation bubbles generated in the depressions 14 collapse in the nozzle holes 9, and the cavitation bubbles It is possible to suppress a decrease in fuel flow rate due to the occurrence of fuel. In this case, it is not necessary to form a coating portion for suppressing deposit accumulation on the inner wall of the injection hole 9. Therefore, the durability of the effect of suppressing the decrease in the fuel flow rate can be improved by suppressing the accumulation of deposits in the injection hole 9.
デポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果をエンジン実験で確認した結果の一例を図８に示す。この結果は、デポジット堆積を促進するといわれている亜鉛イオンを燃料（軽油）に３ｐｐｍ添加し、デポジットが非常に堆積しやすい過酷な条件に設定して実験したものである。図８に示すように、従来ノズル（窪み部１４が無い形状）では、時間経過とともに燃料流量の低下率が増加するのに対して、本実施形態では、初期に燃料流量の低下率が増加するものの、その後に燃料流量が回復していることがわかる。 FIG. 8 shows an example of the result of confirming the effect of suppressing the decrease in the fuel flow rate by suppressing the deposit accumulation in the engine experiment. This result was obtained by adding 3 ppm of zinc ions, which are said to promote deposit deposition, to fuel (light oil), and setting it under harsh conditions where deposits are very likely to deposit. As shown in FIG. 8, in the conventional nozzle (the shape without the hollow portion 14), the rate of decrease in the fuel flow rate increases with time, whereas in this embodiment, the rate of decrease in the fuel flow rate increases initially. However, it can be seen that the fuel flow rate has recovered after that.
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
４ ニードル、５ 先細り部、６ シート面、７ ノズルボディ、８ サック部、９ 噴孔、１１，１２，１５ 円錐面、１３ 当接部、１４ 窪み部、１８ 燃料室、１９ サック室。 4 Needle, 5 Tapered portion, 6 Seat surface, 7 Nozzle body, 8 Suck portion, 9 Injection hole, 11, 12, 15 Conical surface, 13 Abutting portion, 14 Recessed portion, 18 Fuel chamber, 19 Suck chamber.
Claims (2)
ニードルの先細り部が当接するシート面が形成され、該シート面より先端側に、噴孔が形成されたサック部を有するノズルボディと、
を備える燃料噴射弁であって、
ニードルの先細り部には、ノズルボディのシート面に当接する当接部が設けられ、
ニードルの先細り部における当接部より先端側には、窪み部が設けられ、
ニードルの先細り部における当接部より先端側が、ノズルボディのサック部によって形成され且つ噴孔に連通するサック室に臨んで配置され、
ニードルの当接部がノズルボディのシート面から離れることで、ノズルボディのシート面とニードルの先細り部との間を流れる燃料が、サック室を通って噴孔から噴射され、
サック室における燃料流れ上流端部での直径が、窪み部における燃料流れ上流端部での直径より小さく、且つ窪み部における燃料流れ下流端部での直径より大きい、燃料噴射弁。 A needle having a tapered portion at the tip, and
A nozzle body having a sac portion formed with a nozzle surface formed with a seat surface on which a tapered portion of the needle abuts, and a tip side from the sheet surface;
A fuel injection valve comprising:
The tapered portion of the needle is provided with a contact portion that contacts the seat surface of the nozzle body,
On the tip side of the contact portion in the tapered portion of the needle, a recess is provided
The tip side of the contact portion in the tapered portion of the needle is disposed facing the sac chamber formed by the sac portion of the nozzle body and communicating with the nozzle hole,
When the contact portion of the needle is separated from the seat surface of the nozzle body, the fuel flowing between the seat surface of the nozzle body and the tapered portion of the needle is injected from the nozzle hole through the sac chamber,
A fuel injection valve having a diameter at the upstream end of the fuel flow in the sac chamber that is smaller than a diameter at the upstream end of the fuel flow in the recess and greater than a diameter at the downstream end of the fuel flow in the recess.
窪み部における燃料流れ上流端部が、当接部に対して燃料流れ下流側に所定距離はなされて配置されている、燃料噴射弁。 The fuel injection valve according to claim 1,
A fuel injection valve, wherein a fuel flow upstream end portion in the recess is disposed at a predetermined distance downstream of the contact portion with respect to the fuel flow.
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| JP2017008859A (en) * | 2015-06-24 | 2017-01-12 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Fuel injection nozzle |
| JP2017067104A (en) * | 2015-09-29 | 2017-04-06 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Valve element driving mechanism and flow rate control valve including the same |
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| US11614061B2 (en) | 2020-09-30 | 2023-03-28 | Jiangsu University | Diesel fuel injector based on hollow spray structure induced by vortex cavitation in nozzle |
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