JP2013217324A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を旋回させて噴射するときに、燃料の噴霧を引き寄せる負圧の発生を抑制することを課題とする。
【解決手段】燃料噴射弁は、先端側にシート部を有するニードル弁と、前記シート部が着座するシート面を有すると共に前記シート面の下流側にサック室を備え、前記サック室内に入口を有する噴孔を備えたノズルボディと、前記サック室内に導入される燃料を旋回させる旋回流生成部と、を備え、前記ニードル弁は、前記噴孔から噴射される燃料が形成する旋回流の中央部に気体を導入する気体導入手段を備える。旋回流の中央部に気体が導入されることにより、コーン形状の噴霧の中央部に負圧が発生することを抑制し、噴霧が引き寄せられることを回避することができる。
【選択図】図２

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、リーン状態が進行したり、ＥＧＲが大量に導入されたりして、燃焼限界により近づいた状態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、メタノールやバイオ燃料など多種の燃料でも安定して燃焼させることが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、噴霧燃料が液滴のまま燃焼室壁やポート壁面に衝突すると、オイル希釈が問題となり、ＰＭ（Particulate Matter）やスモークの発生、さらには、過渡応答性の低下が懸念されるため、これらの対策も必要となる。これらの対策としては、燃料が速やかに気化できるように噴霧燃料を微細化し、また、燃焼室壁やポート壁に燃料が衝突しないように低ペネトレーション化することが有効である。

このような状況下、燃料の微粒化を図るべく、旋回流（スワール）を形成する燃料噴射弁が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、例えば、特許文献２には、燃料貯留部に燃料の旋回流を発生させ、ノズルボディの外部から燃料貯留部に気体を吸入可能な気体吸入孔を備える燃料噴射ノズルが開示されている。特許文献２における気体吸入孔は、ノズルボディの先端部側からニードルの軸線方向に向かって燃料貯留部に気体を吸入可能な構成となっている。

このように、良好な燃焼を得るために、燃料の旋回流が利用されることがある。

特開２０００−１４５５８４号公報 特開２０１１−２２０２０９号公報

ところで、燃料を旋回流として噴射する場合、噴射された燃料は、中空のコーン形状となる。中空となるコーン形状噴霧の中央部には、負圧が発生する。この負圧は、コーン形状をなす燃料噴霧をそのコーン形状の内側へ引き付ける可能性がある。燃料噴霧がコーン形状の内側に引き寄せられると、場合によっては燃料噴霧が交差してしまうおそれがある。燃料噴霧が交差すると、燃料の微粒化が妨げられる。

そこで本明細書開示の燃料噴射弁は、燃料を旋回させて噴射するときに、燃料の噴霧を引き寄せる負圧の発生を抑制す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、先端側にシート部を有するニードル弁と、前記シート部が着座するシート面を有すると共に前記シート面の下流側にサック室を備え、前記サック室内に入口を有する噴孔を備えたノズルボディと、前記サック室内に導入される燃料を旋回させる旋回流生成部と、を備え、前記ニードル弁は、前記噴孔から噴射される燃料が形成する旋回流の中央部に気体を導入する気体導入手段を備える。

噴孔からコーン形状に噴射される燃料噴霧の中央部へ、気体導入手段により気体が導入されることにより、コーン形状の中央部における負圧の発生が抑制される。これにより、噴霧がコーン形状の中央部に引き寄せられることが回避され、噴霧の微粒化が妨げられることがない。噴霧角が狭いとき、噴霧が近いため、噴霧同士が衝突したり、交差したりするおそれが高まるが、気体導入手段が備えられたことにより、狭噴霧角の場合であっても噴霧の微粒化が妨げられることがない。

前記気体導入手段は、前記ニードル弁内に設けられ、前記ニードル弁の前記シート部よりも先端側に延設されて前記サック室内に臨む延長部に、前記噴孔の入口に対向可能に設けられた開口部を有する貯気室とすることができる。

延長部が設けられ、貯気室の開口部と噴孔の入口とが対向することにより、貯気室内の気体が、噴孔から噴射される燃料が形成する旋回流の中央部へ速やかに導入される。

前記噴孔は、前記ノズルボディに複数設けられ、前記貯気室の開口部は、前記複数の噴孔の数に対応させて複数設けられ、前記複数の開口部は、それぞれ前記複数の噴孔の入口に対向可能に設けられる。

燃料噴射弁が複数の噴孔を備える場合であっても、貯気室の開口部と噴孔の入口とが対向することにより、それぞれの噴孔から噴射される燃料の旋回流の中央部に気体を導入することができる。この結果、各噴孔から噴射される燃料の噴霧がコーン形状の中央部に引き寄せられることが回避される。

本明細書開示の燃料噴射弁は、前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口とが対向する第１の状態と、前記第１の位置から、前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口との位置関係を変化させた第２の状態との間で前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口との相対位置関係を変化させる駆動部を備えることができる。

駆動部により、前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口とが対向した第１の状態とすることにより、噴霧のコーン形状が維持され、この結果、燃料の微粒化が促進され、低ペネトレーションが実現される。一方、駆動部により、第２の状態とされると、噴霧のコーン形状の中央部に負圧が発生する。この結果、噴霧が交差し、噴霧内に含まれる微細気泡が結合し、微細気泡の分離が阻害される。これにより、微細気泡の圧壊が遅れ、噴孔から離れた位置で微細気泡が圧壊し、燃料の微粒化が達成される。すなわち、ペネトレーションが強まる。なお、駆動部は、前記第１の状態と第２の状態とを創出することができるものであれば、どのような構成であってもよい。

例えば、前記駆動部は、磁石部材と電磁石との組み合わせであり、前記磁石部材と電磁石の一方を前記ニードル弁に配置し、他方を前記ニードル弁の周囲に配置した構成とすることができる。電磁石の通電の向きを入れ換えることにより、第１の状態と第２の状態を創出することができる。

本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、燃料を旋回させて噴射するときに、燃料の噴霧を引き寄せる負圧の発生を抑制することができる。

図１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２（Ａ）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３は、比較例の燃料噴射弁による噴霧の形状を模式的に示す説明図である。 図４は実施例２の燃料噴射弁の先端部を断面として示す説明図である。 図５（Ａ）は第１の状態にある実施例３の燃料噴射弁の先端部を断面として示す説明図であり、図５（Ｂ）は噴孔、永久磁石及び電磁石の配置を示す説明図である。 図６（Ａ）は第２の状態にある実施例３の燃料噴射弁の先端部を断面として示す説明図であり、図６（Ｂ）は噴孔、永久磁石及び電磁石の配置を示す説明図である。

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。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。燃料噴射弁１は、ノズルボディ１０、ニードルガイド２０、ニードル弁３０を備える。

ノズルボディ１０は、筒状の部材であり、内側に、シート面１１を有する。シート面１１には、後述するシート部３１が着座する。シート面１１の上流側には、圧力室１２が形成されている。また、ノズルボディ１０は、シート面１１の下流側にサック室１３を備える。サック室１３には、その軸線方向が、ニードル弁３０の軸線ＡＸ０と一致する噴孔１４の入口１４ａが設けられている。

ニードルガイド２０は、ノズルボディ１０内に装着されている。ニードルガイド２０は、筒状の部材であり、先端部の外周部に螺旋溝２１が設けられている。螺旋溝２１は、サック室１３内に導入される燃料を旋回させる旋回流生成部に相当する。すなわち、ノズルボディ１０の内周壁と、ニードルガイド２０の基端側外周面との間に形成された燃料流路４０を通じて一旦圧力室１２に導入された燃料が螺旋溝２１へ導入される。これにより、燃料に旋回成分が付与され、旋回流が生成される。

ニードル弁３０は、ニードルガイド２０の内周壁面２０ａに摺動自在に装着されている。ニードル弁３０は、軸線ＡＸ０方向に沿って往復動する。ニードル弁３０には、シート部３１が設けられている。このシート部３１がシート面１１に着座することにより、燃料噴射弁１は、閉弁状態となる。ニードル弁３０は、シート部３１よりも先端側に延設されてサック室１３に臨む延長部３２を備える。ニードル弁３０は、その内部に貯気室３３を備える。貯気室３３の開口部３３ａは、延長部３２に位置し、噴孔１４の入口１４ａに対向させて設けられている。貯気室３３の他端側は、閉塞されている。このように、ニードル弁３０内に設けられ、ニードル弁３０のシート部３１よりも先端側に延設されてサック室１３内に臨む延長部３２に、噴孔１４の入口１４ａに対向させた開口部３３ａを有する貯気室３３は、気体導入手段に相当する。貯気室３３は、噴孔１４から噴射される燃料が形成する旋回流の中央部に気体を導入する。これにより、コーン形状となる噴霧の中央部に負圧が発生することを抑制し、噴霧がコーン形状の中央部に引き寄せられることを回避することができる。なお、延長部３２は、燃料の流通を妨げない外形寸法を備える。具体的には、ニードル弁３０がリフトした状態のときに、シート部３１におけるニードル弁３０の外周壁面とシート面１１との間の流路面積と比較して、噴孔１４の入口１４ａと延長部３２の先端部との間の流路面積を同等とする。

図１を参照すると、燃料噴射弁１は、駆動機構４１を備えている。駆動機構４１はニードル弁１の摺動動作を制御する。駆動機構４１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弁３０へ適切な圧力を付与する弾性部材など、ニードル弁３０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。実施例１の燃料噴射弁１には、ニードル弁３０を先端側へ付勢するコイルスプリング４２が備えられている。

つぎに、以上のような燃料噴射弁１による、燃料噴射の様子について説明する。ニードル弁３０がリフトし、シート部３１がシート面１１から離座すると、燃料通路４０を通過した燃料は、一旦、圧力室１２に導入され、その後、螺旋溝２１へ流入する。これにより、燃料が旋回流となる。そして、旋回流は、シート面１１に沿って、サック室１３内へ導入される。ここで、燃料噴射弁１によって実現される噴霧の状態について説明する。燃料噴射弁１は、ニードルガイド２０を備え、噴射される燃料に旋回流を付与する。旋回流を付与する目的として、燃料の良好な拡散や燃料の微粒化を挙げることができる。燃料の微粒化の原理は以下の如くである。燃料噴射弁１内で旋回速度の速い旋回流が形成され、その旋回流が径の小さい噴孔に導入されると、旋回流の旋回速度が加速され、その強い旋回流の旋回中心に負圧が発生する。負圧が発生すると貯気室３３内の空気が噴孔１４内に吸引される。これにより噴孔１４内に気柱が発生する。こうして発生した気柱と燃料との界面において気泡が生成する。発生した気泡は気柱の周囲を流れる燃料に混入し、気泡混入流として外周側を流れる燃料流とともに噴射される。そして、気泡が分裂し、その後、自己加圧作用によって圧壊することにより、燃料の微粒化が達成される。図２を参照すると、噴射された燃料は、液膜状態の噴霧がコーン形状に拡散する。このコーン形状の中心部は中空であるが、その中心部に貯気室３３内の空気が供給されることにより、その中心部に負圧が発生することは抑制される。

図３を参照すると、比較例の燃料噴射弁１００では、噴孔１０１から噴射された燃料は、噴霧の中央部に噴霧が引き寄せられ、噴霧同士が交差してしまう。比較例の燃料噴射弁１００では、螺旋溝を通過した燃料が旋回流となり、旋回流の中心部に発生した負圧によって噴孔１０１を通じて燃焼ガスや空気が取り込まれる。そして、噴孔１０１内に気柱が発生して気柱と燃料との境界において気泡が発生する。発生した気泡は気柱の周囲を流れる燃料に混入し、気泡混入流として外周側を流れる燃料流とともに噴孔１０１から噴射される。旋回流となった燃料が噴孔１０１から噴射されると、その噴霧形状がコーン形状をなす点は実施例１と共通する。しかしながら、比較例の燃料噴射弁１００は、実施例１の燃料噴射弁１と異なり、ニードル弁の延長部及び貯気室を備えていない。このため、燃料噴射弁１００から噴射された噴霧は、コーン形状を形成した後、コーン形状の中心部に発生する負圧に起因して噴霧が中央部に引き寄せられる。その結果、噴霧同士が交差する。噴霧同士が交差すると噴孔１０１内への燃焼ガスや空気の吸引が妨げられ、十分な量の気泡を発生させることができない可能性がある。また、気泡が分裂する前に液膜の状態で噴霧が衝突すると、気泡がさらに結合することになるため、液膜厚さが厚くなり、気泡の分裂を遅らせる。その結果、気泡が分裂する前に燃料がポート壁や燃焼室壁に衝突してしまう。

これに対し、実施例１の燃料噴射弁１は、噴孔１４の入口１４ａの近傍まで延びる貯気室３３を備えており、噴孔１４の中央部に発生する負圧で貯気室３３内の空気が吸引される。このため、噴霧の交差、衝突を回避することができる。燃料噴射弁１は、ポート噴射とする場合に、好適に用いることができる。ポート噴射とする場合、燃料がポート壁に当たらないように噴霧角は小さい方が都合がよい。噴霧角を小さくする場合、中空のコーン形状の噴霧は、交差し易い状態であるといえるが、このような場合であっても、コーン形状の中心部に貯気室３３内の空気が導入されることから、コーン形状の中心部における負圧の発生が抑制され、噴霧の交差、衝突を回避することができる。燃料噴射弁１では、微細気泡の分裂が速やかに行われ、分裂した微細気泡の圧壊が行われる。この結果、低ペネトレーション化が達成され、この点でも、燃料噴射弁１０は、ポート噴射に適している。

つぎに、実施例２について図４を参照しつつ説明する。図４は実施例２の燃料噴射弁５０の先端部を断面として示す説明図である。実施例２の燃料噴射弁５０は、複数の噴孔５３を備えるノズルボディ５１を備える。ノズルボディ５１は、サック室５２を備え、噴孔５３の入口５３ａは、それぞれサック室５２内に位置している。噴孔５３の軸線は、それぞれＡＸ１で示されている。燃料噴射弁５０は、ニードル弁６０を備える。ニードル弁６０は、サック室５２に臨む延長部６１を備える。また、ニードル弁６０は、貯気室６２を備える。貯気室６２の開口部６２ａは、延長部６１の先端部に位置している。開口部６２ａは、噴孔５３の数に対応させて設けられている。そして、それぞれの開口部６２ａは、ニードル弁６０のフルリフト状態で噴孔５３の入口５３ａと対向している。噴孔５３の軸線ＡＸ１は、ニードル弁６０のフルリフト状態において、開口部６２ａの中心部を通過している。なお、他の構成は、実施例１と同様であるので、共通する構成要素については図面中、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

このように、複数の噴孔５３を備える場合であっても、それぞれ複数の噴孔５３の入口５３ａに対向可能に貯気室６２の開口部６２ａを設けることにより、開口部６２ａから噴孔中心部に空気を供給することができるので、噴孔中心部で気泡を発生させることができる。さらに、各噴孔５３から噴射された噴霧のコーン形状の中心部へ貯気室６２から空気を供給することができる。

例えば、ディーゼル機関に用いられる燃料噴射弁は、圧縮ＴＤＣ（上死点）近傍で噴射することから、燃焼室内に燃料を拡散し、噴霧の勢いで空気とのミキシングを促進する必要がある。このようにある程度のペネトレーションが必要となる場合、多噴孔、狭角噴霧とすることが有効であるが、貯気室６２を備えることにより、所望の噴霧形態を実現し易くなる。

つぎに、実施例３につき、図５及び図６を参照しつつ説明する。図５（Ａ）は第１の状態にある実施例３の燃料噴射弁７０の先端部を断面として示す説明図であり、図５（Ｂ）は噴孔、永久磁石及び電磁石の配置を示す説明図である。図６（Ａ）は第２の状態にある実施例３の燃料噴射弁７０の先端部を断面として示す説明図であり、図６（Ｂ）は噴孔、永久磁石及び電磁石の配置を示す説明図である。

実施例３の燃料噴射弁７０は、ニードル弁６０の外周壁面に磁石部材７１を備え、ニードルガイド２０の内周壁面に電磁石７２を備える点で実施例２の燃料噴射弁５０と異なる。磁石部材７１と電磁石７２との組み合わせは、駆動部に相当する。磁石部材７１と電磁石７２とを組み合わせることにより、貯気室６２の開口部６２ａと噴孔５３の入口５３ａとの相対位置関係を変化させることができる。磁石部材７１と電磁石７２とを入れ換えて配置してもよい。電磁石７２を、磁石部材７１を備えたニードル弁６０の周囲に配置することにより、軸線ＡＸ０を回転中心としてニードル弁６０を回転させることができる。電磁石７２はＥＣＵ（Electronic control unit）７３と電気的に接続されており、ＥＣＵ７３の指令により、通電制御されている。磁石部材７１は、ニードル弁６０の外周壁面に等間隔に６個設けられている。電磁石７２は、ニードルガイド２０の内周壁面に等間隔に６個設けられている。磁石部材７１と電磁石７２とは、電磁石７２に通電されていない状態で対向状態とならないようにずらして配置されている。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示す燃料噴射弁７０は、ニードル弁６０のフルリフト時に貯気室６２の開口部６２ａと噴孔５３の入口５３ａとが対向する第１の状態を示している。このとき、電磁石７２には通電されていない。例えば、エンジンが中軽負荷であるときは、このような第１の状態とする。第１の状態では、噴孔５３の中心部が負圧となると貯気室６２から空気が導入される。このため、噴孔５３中で気柱を発生させて微細気泡を生成することができる。また、噴射された燃料のコーン形状を維持することができる。噴霧のコーン形状が維持されることにより、噴霧中の微細気泡が速やかに分離され、その後、微細気泡は、自己加圧作用によって圧壊される。これにより、適度なペネトレーションを得ることができる。

一方、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す燃料噴射弁７０は、第１の状態から貯気室６２の開口部６２ａと噴孔５３の入口５３ａとの位置関係を変化させた第２の状態を示している。具体的には、第１の状態のときに、ＥＣＵ７３の指令により電磁石７２に通電する。これにより、磁石部材７１が電磁石７２に引き寄せられてニードル弁６０が回転し、磁石部材７１と電磁石７２とが対向する状態となる。磁石部材７１と電磁石７２とが対向する状態となると、貯気室６２の開口部６２ａと噴孔５３の入口５３ａとはずれた状態となり、貯気室６２内の空気の噴孔５３内への導入が遮断される。例えば、エンジンが高負荷であるときは、このような第２の状態とする。第２の状態では、噴孔５３内に貯気室６２内の空気が導入されないことから、噴孔５３から噴射された噴霧のコーン形状の中心部に負圧発生する。すると、微細気泡が分離する前の液膜状態の噴霧が負圧に引き寄せられて交差する。この結果、液膜がさらに厚くなり、微細気泡の分離を遅らせる。これにより、噴霧のペネトレーションは強くなり、燃料が微粒化しないまま、噴霧は遠くまで分散される。

なお、電磁石７２に通電し、ニードル弁６０を回転させると、これに伴って、図１に示すコイルスプリング４２が捩じられる。このため、電磁石７２の通電を解除すると、コイルスプリング４２の弾性によってニードル弁６２が逆回転し、ニードル弁６０は、元の位置（第１の状態）に復帰する。ニードル弁６０を元の位置に復帰させるために、電磁石７２へ逆向きの電流を流し、斥力を発生させてもよい。

高負荷時のように、燃料量が多い運転条件では、微細気泡を含んだ噴霧を燃焼室全体に分散させることで、空気利用率を高めることができる。また、噴霧の勢いを強くすることで燃焼室内に気流の乱れを生じさせて燃焼効率を高めることができる。実施例３の燃料噴射弁７０によれば、このような高負荷時の要請にも応えることができる。

実施例３の燃料噴射弁７０は、例えば、ガソリンエンジンの中央噴射弁として用いたり、ディーゼ噴射弁にように運転条件によって噴霧のペネトレーションの変化が求められたりする場合に有用である。

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、５０、７０、１００ 燃料噴射弁
１０、５１ ノズルボディ
１１ シート面
１２ 圧力室
１３ サック室
１４、５３ 噴孔
１４ａ、５３ａ 入口
２０ ニードルガイド
２０ａ 内周壁面
２１ 螺旋溝
３０、６０ ニードル弁
３１ シート部
３２ 延長部
３３、６２ 貯気室
３３ａ、６２ａ 開口部

Claims (5)

1. 先端側にシート部を有するニードル弁と、
   前記シート部が着座するシート面を有すると共に前記シート面の下流側にサック室を備え、前記サック室内に入口を有する噴孔を備えたノズルボディと、
   前記サック室内に導入される燃料を旋回させる旋回流生成部と、
   を備え、
   前記ニードル弁は、前記噴孔から噴射される燃料が形成する旋回流の中央部に気体を導入する気体導入手段を備える燃料噴射弁。
2. 前記気体導入手段は、前記ニードル弁内に設けられ、前記ニードル弁の前記シート部よりも先端側に延設されて前記サック室内に臨む延長部に、前記噴孔の入口に対向可能に設けられた開口部を有する貯気室である請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記噴孔は、前記ノズルボディに複数設けられ、前記貯気室の開口部は、前記複数の噴孔の数に対応させて複数設けられ、前記複数の開口部は、それぞれ前記複数の噴孔の入口に対向可能に設けられた請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口とが対向する第１の状態と、前記第１の位置から、前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口との位置関係を変化させた第２の状態との間で前記貯気室の開口部と前記噴孔の入口との相対位置関係を変化させる駆動部を備えた請求項２又は３に記載の燃料噴射弁。
5. 前記駆動部は、磁石部材と電磁石との組み合わせであり、前記磁石部材と電磁石の一方を前記ニードル弁に配置し、他方を前記ニードル弁の周囲に配置した請求項４記載の燃料噴射弁。

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