JP2014062536A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】気体燃料を効率良く燃焼させることの促進を図る。
【解決手段】気体燃料を噴射する燃料噴射弁20は、所定以上の流速で気体燃料を噴き出す噴出口262が形成されたノズル25と、噴出口262の下流側に連通する混合室31が形成されたハウジング30と、を備える。ハウジング30には、混合室31へ外部空気を流入する空気流入通路32が形成されるとともに、外部空気と気体燃料が混合した空気混合燃料を噴射する噴孔33が形成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、気体燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。
内燃機関の燃焼に用いる燃料には、ガソリンや軽油等の液体燃料が広く普及しているが、メタン等の気体燃料を用いる場合もある。特許文献1には、気体燃料用の燃料噴射弁が開示されており、この場合、燃料噴射弁から噴射された気体燃料と、吸気管を流通する吸気との混合気が、燃焼室で着火して燃焼することとなる。
特開2000−240525号公報
しかしながら、液体燃料に比べると気体燃料は空気と混ざりにくい。そのため、噴射した気体燃料を効率良く燃焼させることについて、従来の燃料噴射弁には改善の余地がある。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、気体燃料を効率良く燃焼させることを促進できる燃料噴射弁を提供することにある。
開示されたひとつの発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示された発明の技術的範囲を限定するものではない。
上記目的を達成する発明は以下の点を特徴とする。すなわち、気体燃料を噴射する燃料噴射弁において、所定以上の流速で気体燃料を噴き出す噴出口が形成されたノズルと、前記噴出口の下流側に連通する混合室が形成されたハウジングと、備え、前記ハウジングには、前記混合室へ外部空気を流入する空気流入通路が形成されるとともに、外部空気と気体燃料が混合した空気混合燃料を噴射する噴孔が形成されていることを特徴とする。
これによれば、空気流入通路を通じて外部空気が燃料噴射弁の内部に取り込まれ、気体燃料が外部空気と混合された状態で噴射される。つまり、燃料噴射弁の内部で外部空気と予め混合した状態の気体燃料(空気混合燃料)を燃料噴射弁から噴射する。そのため、気体燃料と空気との混合を促進できるので、気体燃料を効率良く燃焼させることを促進できる。
本発明の第1実施形態に係る燃料噴射弁の搭載レイアウトを示す図。 図1に示す燃料噴射弁の断面図。 図2に示す混合部の拡大図。 図3のIV−IV断面図。 図3のV矢視図。 本発明の第2実施形態に係る燃料噴射弁の断面図。 図6のVII矢視図。 本発明の第3実施形態に係る燃料噴射弁の断面図。 図8のIX矢視図。
以下、本発明にかかる燃料噴射弁の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、図中の同一符号を付した部分の構成は、特に構成の説明をしていない部分においては互いに同一もしくは均等であり、その説明を援用する。
(第1実施形態)
図1に示す内燃機関10は、吸気通路内へ燃料を噴射する吸気ポート噴射式のエンジンである。吸気管11に取り付けられた燃料噴射弁20は、気体燃料を外部空気と混合させた状態の空気混合燃料を吸気管11内部へ噴射する。燃料噴射弁20から噴射された空気混合燃料は、吸気管11を流通する吸気と混合して混合気を形成し、その混合気が燃焼室12へ流入し、圧縮されて着火燃焼する。
気体燃料の具体例としては、CNG(Compressed Natural Gas)、LNG(Liquefied Natural Gas)、水素等が挙げられる。燃料噴射弁20へ供給する気体燃料は、車両に搭載されたガスタンク13に高圧状態で貯蔵されている。電磁弁14を開作動させると、ガスタンク13内の高圧気体燃料は調圧弁14で所定圧力に調整された後、燃料噴射弁20へ供給される。
燃料噴射弁20は、本体部20Aおよび混合部20Bを備えて構成されている。本体部20Aは、ガスタンク13から供給された気体燃料を所定以上の流速に上昇させて噴射する。混合部20Bは、燃料噴射弁20の外部から外部空気を内部へ取り込んで、その外部空気と気体燃料とを混合させるとともに、混合させた燃料(空気混合燃料)を吸気管11内部へ噴射する。図1に示す例では、吸気管11内部を流通する吸気の一部を、前記外部空気として燃料噴射弁20の内部に取り込む。
図2は、燃料噴射弁20の構造を示す断面図であり、燃料噴射弁20は筒状のボデー21を備える。ボデー21は、電磁コイル22、固定コア23、弁体24およびノズル25を保持する。なお、ボデー21、固定コア23、弁体24およびノズル25は金属製である。図2中の一点鎖線Cは、円筒形状のボデー21の中心軸線を示しており、弁体24の中心軸線はボデー21の中心軸線Cと一致する。
ボデー21の内部には、ガスタンク13から供給された気体燃料を流通させる流通路21aが形成されている。また、ノズル25の内部には、流通路21aの下流側に連通する噴出通路26が形成されている。弁体24は、流通路21aと噴出通路26を連通させる開弁状態と、前記連通を遮断する閉弁状態とに切換える。
具体的には、弁体24には環状のシール部24aが形成されるとともに、弾性変形可能な弾性シール部材24bが取り付けられている。また、ノズル25のうち弾性シール部材24bおよびシール部24aと対向する箇所には、シート面25aが形成されている。
そして、電磁コイル22へ通電して電磁力を生じさせると、固定コア23に弁体24が吸引されて、弁体24は、該弁体24に対して噴出通路26の反対側(反噴孔側)へ移動する。これにより、弾性シール部材24bおよびシール部24aがシート面25aから離座して開弁状態となり、気体燃料が噴出通路26から噴き出される。一方、電磁コイル22への通電を停止させると、弾性部材27の弾性力により弁体24は噴出通路26の側(噴孔側)へ移動する。これにより、弾性シール部材24bおよびシール部24aがシート面25aに着座して閉弁状態となり、噴出通路26からの気体燃料の噴き出しが停止される。
次に、図3を用いて、ノズル25および混合部20Bの構造について説明する。
ノズル25には、開弁状態時において流通路21aの下流側に連通する噴出通路26が形成されている。弁体24を開弁作動させると、流通路21a内の気体燃料は、噴出通路26の流入口261を通過し、噴出通路26の内部で流速上昇されて噴出口262から噴き出される。具体的には、噴出通路26は、流入口261から下流に向けて流通断面積が小さくなる昇圧部26aと、昇圧部26aの下流側にて流通断面積が一定である中間部26bと、中間部26bから噴出口262に向けて流通断面積が大きくなる下流部26cと、から構成されている。
上記構成により、調圧弁14で調整された圧力の気体燃料は、噴出通路26を通過することで所定以上の流速(例えば音速以上の流速)に上昇され、噴出口262から高速で噴き出される。要するに、ノズル25は所謂ラバールノズルとして機能する。
混合部20Bは、噴出通路26の下流側に連通する混合室31が形成されたハウジング30と、混合室31に配置された円錐部材34とを備える。混合室31は、噴出口262から噴き出された気体燃料が流入する流入室31aと、流入室31aの下流側に連通する拡大室31bとを有する形状である。これらの流入室31aおよび拡大室31bは円柱形状であり、混合室31の円柱中心軸線はボデー21の中心軸線Cと一致する。流入室31aの流通断面積は、噴出口262の流通断面積よりも大きい。また、拡大室31bの流通断面積は、流入室31aの流通断面積よりも大きい。つまり、噴出口262より下流側では、気体燃料の流通断面積が、流入室31aおよび拡大室31bの2段階で拡大していく。
ハウジング30には、燃料噴射弁20の外部の空気を内部へ取り入れる空気流入通路32が形成されている。空気流入通路32の入口部32aは、吸気管11内部と連通している。そのため、吸気管11内部の吸気が外部空気として入口部32aから流入し、空気流入通路32の出口部32bから混合室31へ吸入される。出口部32bは流入室31aに位置する。図3の例では、流入室31aの最上流部分に出口部32bは位置する。
噴出口262から音速以上の流速で気体燃料が噴き出されると、流入室31aのうち噴出口262の周囲には負圧が生じる。この負圧により、空気流入通路32を通じて外部空気が流入室31aへ吸入される。円錐部材34の頂部34aは、出口部32bよりも下流側に位置する。このように、負圧で吸入された外部空気は、混合室31内で気体燃料と混合する。そして、外部空気と気体燃料が混合した空気混合燃料が、ハウジング30のうち噴出口262と反対側の面(底面)に形成された噴孔33から噴射される。
図1に示す例では、円柱形状である流入室31aの周面に、空気流入通路32の出口部32bが位置する。出口部32bから流入室31aへ吸入された外部空気は、矢印Y1に示すように、円錐部材34の周面に沿って旋回する流れとなる。一方、噴出口262から噴き出された気体燃料は、矢印Y2に示すように、円錐部材34の周面に衝突して径方向に拡大して流れる。したがって、円錐部材34により外部空気の旋回が促されるとともに、円錐部材34により気体燃料の径方向への拡大が促されるので、外部空気と気体燃料との混合が促進される。
図4は図3のIV−IV断面図であり、図5は図3のV矢視図である。以下の説明では、流入室31aを噴出通路26の側から見た場合における噴出口262の投影領域、つまり、図4および図5中に示す二点鎖線の内側の領域を、噴出領域262aと呼ぶ。また、空気流入通路32の出口部32bを、空気流入通路32の流通方向に延長させた領域、つまり、図4中に示す一点鎖線の内側の領域を出口領域32cと呼ぶ。
図4に示すように、流入室31a内のうち噴出領域262aから外れた位置へ向けて外部空気が流入するよう、空気流入通路32は形成されている。具体的には、出口領域32cが噴出領域262aの外側に位置することとなるよう、空気流入通路32の位置は設定されている。
また、空気流入通路32は複数形成されている。そして、各々の空気流入通路32から流入する外部空気の旋回の向きが同一となるよう、これらの空気流入通路32の位置は設定されている。また、噴出領域262aの接線に沿って外部空気が流入するよう、空気流入通路32は形成されている。
図5に示すように、噴孔33は複数形成されており、円錐部材34の軸中心線Cの周りに1列に並べて複数の噴孔33は配置されている。噴孔33の開口形状は、軸中心線C周りに円弧状に延びる形状であり、円弧の周方向長さが円弧の径方向長さよりも長い形状である。そして、これらの噴孔33は、出口領域32cの外側に位置するように配置されている。
以上により、本実施形態によれば、音速以上の流速で気体燃料を噴き出す噴出通路26の下流側に混合室31を設ける。そして、その混合室31を形成するハウジング30に、外部空気を流入させる空気流入通路32と、外部空気と気体燃料が混合した空気混合燃料を噴射する噴孔33とを形成する。
そのため、空気流入通路32を通じて外部空気が燃料噴射弁20の内部に取り込まれ、気体燃料が外部空気と混合された状態で噴射される。そのため、吸気管11内に比べて狭い空間(混合室31)で混合させ、しかも、気体燃料の噴出口262に近い位置で混合させるので、燃料噴射弁20から噴射した後に吸気管11内で空気と混合させる場合に比べて、気体燃料と空気との混合を促進できる。よって、気体燃料を効率良く燃焼させることを促進できる。
さらに、以下に列挙する特徴を備えた本実施形態によれば、各々の特徴により以下に説明する作用効果が発揮される。
<特徴1>
図3に示すように、混合室31は、噴出通路26から噴き出された気体燃料が流入する流入室31aと、流入室31aの下流側にて流通断面積を拡大させた拡大室31bとに区画され、空気流入通路32の出口部32bは流入室31aに位置することを特徴とする。
これによれば、流通断面積を拡大させた拡大室31bを有するので、気体燃料と外部空気との混合が不十分のまま噴孔33から噴射されることを抑制でき、拡大室31b内で混合を促進させることができる。
ここで、所定以上の流速で流入してきた気体燃料の周囲には負圧が生じるが、混合室31内のうち上流側に位置する部分(つまり噴出口262に近い位置)であるほど前記負圧は大きい。この点を鑑みた上記特徴によれば、上流側に位置する流入室31aから外部空気を流入させることになるので、下流側に位置する拡大室31bから流入させる場合に比べて、大きい負圧で外部空気が混合室31内に吸引されるようになる。よって、外部空気の流入量増大を図ることができ、外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
しかも、流入室31aの流通断面積は拡大室31bに比べて小さく設定されているので、流入室31aにおける気体燃料の流速低下が抑制される。よって、流入室31aで生じる負圧の増大を図ることができ、外部空気の流入量増大がより一層促進される。
<特徴2>
図5に示すように、混合室31を噴出通路26の側から見た場合における、噴出通路26の噴出口262の投影領域を噴出領域262aと呼ぶ場合において、噴孔33は、噴出領域262aの外側に位置することを特徴とする。
ここで、噴出通路26から噴き出された気体燃料は、噴出通路26の径方向に拡大室31bで拡大する。そのため、噴出領域262aの外側に噴孔33を位置させた上記特徴によれば、空気と混合した状態の気体燃料(空気混合燃料)が噴孔33から噴射される際に、空気混合燃料の速度が減衰しにくくなる。そのため、吸気管11内部へ勢い良く空気混合燃料を噴射されるようになる。よって、燃料噴射弁20から噴射された後における空気混合燃料と吸気との混合を促進できるので、その結果、気体燃料を効率良く燃焼させることを促進できる。
<特徴3>
図3に示すように、ハウジング30は、混合室31bへ流入した外部空気を旋回させながら噴孔33へと導くように構成されている。そのため、流入した外部空気が混合室31bで旋回するので、混合室31b内での外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
<特徴4>
図4に示すように、ノズル26の軸中心線Cから所定量だけずれた位置へ向けて外部空気が流入するよう、空気流入通路32は形成されていることを特徴とする。これによれば、軸中心線Cの周りに外部空気を旋回させることを促進でき、ひいては外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
<特徴5>
図4に示すように、空気流入通路32は複数形成され、各々の空気流入通路32から流入する外部空気の旋回の向き(図4の例では時計周りの向き)が同一となるよう、複数の空気流入通路32は形成されていることを特徴とする。これによれば、複数の空気流入通路32から外部空気が流入室31aへ流入し、しかも、それらの外部空気の旋回方向が同一となるので、軸中心線Cの周りに外部空気を旋回させることをさらに促進できる。
<特徴6>
図4に示すように、混合室31を噴出通路26の側から見た場合における、噴出通路26の噴出口262の投影領域を噴出領域262aと呼ぶ場合において、混合室31内のうち噴出領域262aから外れた位置へ向けて外部空気が流入するよう、空気流入通路32は形成されていることを特徴とする。ここで、噴出領域262aの周囲で生じる負圧は、噴出領域262aの内部で生じる負圧に比べて大きい。この点を鑑みた上記特徴では、噴出領域262aから外れた位置へ向けて外部空気を流入させるので、外部空気の流入量増大を図ることができ、外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
<特徴7>
図3に示すように、混合室31には、ノズル26の軸中心線Cに沿って延びる円錐形状であって、気体燃料の下流側へ向けて拡径していく形状の円錐部材34が配置されていることを特徴とする。これによれば、混合室31へ流入した外部空気が円錐部材34の表面に沿って流れることになるため、外部空気が混合室31内で旋回することが促進される。よって、混合室31内での外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
<特徴8>
図3に示すように、円錐部材34は、空気流入通路32の出口部32bよりも、気体燃料流れの下流側に設けられていることを特徴とする。ここで、上記特徴に反して、出口部32bと対向する位置(図3の例では噴出口262の近傍位置)に円錐部材34が存在すると、所定以上の流速で流入してきた気体燃料の周囲に生じる負圧を円錐部材34が低下させてしまう。この点を鑑みた上記特徴では、空気流入通路32の出口部32bよりも下流側に円錐部材34を設けるので、円錐部材34による負圧低下を抑制できる。よって、外部空気の流入量増大を図ることができ、外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態に係る噴孔33は、図3に示すように、軸中心線Cと平行に延びるよう、ハウジング30の底面を貫通した形状である。これに対し、本実施形態に係る噴孔33は、図6に示すように、円錐部材34の稜線方向L1に対して平行に延びる形状に形成されている。つまり、円錐部材34の側面に沿う方向L1と噴孔33の中心線方向L2とが平行になるように、噴孔33はハウジング30の底面を貫通する。
図7(a)は図6のVII矢視図であり、図示されるように、本実施形態に係る噴孔33は円形である。そして、噴孔33の入口33aと出口33bとが、中心軸線C方向から見てずれた位置となるように形成されている。入口33aの中心と出口33bの中心とを結ぶ方向が、上述した中心線方向L2に相当する。
以上により、本実施形態では、噴孔33は、円錐部材34の稜線方向L1に対して平行に延びる形状に形成されている。これによれば、円錐部材34の表面に沿って流れた空気混合燃料が噴孔33から噴射される際に、空気混合燃料の稜線方向速度成分が減衰することを抑制できる。そのため、吸気管11内部へ勢い良く空気混合燃料を噴射することができる。よって、燃料噴射弁20から噴射された後における吸気管11内部での空気混合燃料と吸気との混合を促進できるので、その結果、気体燃料を効率良く燃焼させることを促進できる。
(第2実施形態の変形例)
上記第2実施形態では、噴孔33は、稜線方向L1に対して平行に延びる形状である。つまり、噴孔33の出口33bの中心位置が、入口33aの中心位置に対して混合室31の径方向外側にずれている(図7(a)参照)。これに対し、本変形例では、図7(b)に示すように、噴孔の出口33bの中心位置が、入口33aの中心位置に対して、気体燃料の旋回方向Y1の下流側にずれている。
これによれば、混合室31内で旋回した空気混合燃料が噴孔33から噴射される際に、空気混合燃料の旋回方向速度成分が減衰することを抑制できる。そのため、吸気管11内部へ勢い良く空気混合燃料を噴射することができる。よって、燃料噴射弁20から噴射された後における空気混合燃料と吸気との混合を促進できるので、その結果、気体燃料を効率良く燃焼させることを促進できる。
(第3実施形態)
上記第1実施形態に係る空気流入通路32は、入口部32aの流通断面積が出口部32bの流通断面積と同じになるように形成されている(図3参照)。これに対し、図8および図9に示す本実施形態では、入口部32aの流通断面積を出口部32bの流通断面積よりも大きくしている。詳細には、入口部32aの形状を、旋回方向の上流側へ拡大している(図9参照)。また、入口部32aの形状を、軸中心線C方向の下流側へ拡大している(図8参照)。
ここで、外部空気が混合室31内で旋回する時の旋回速度を速くして気体燃料との混合促進を図ることが望ましい。そのためには、出口部32bの流通断面積をできるだけ小さくして、外部空気の流速を増大させることが要求される。しかしながら、本実施形態に反し、入口部32aと出口部32bを同じ流通断面積にした場合、出口部32bを小さくすることにともない入口部32aが小さくなってしまい、空気流入通路32で生じる圧力損失が大きくなる。この点を鑑みた本実施形態によれば、入口部32aの流通断面積を出口部32bよりも大きくしているので、出口部32bの流通断面積をできるだけ小さくして外部空気の旋回速度を増大させつつ、空気流入通路32で生じる圧力損失の抑制を図ることができる。
さらに、本実施形態では、円錐部材34の側面に、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びる螺旋溝34aが形成されている。これによれば、流入した外部空気の旋回が螺旋溝34aによって促進されるので、混合室内での外部空気と気体燃料との混合を促進できる。
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
・上記各実施形態では、燃料噴射弁20を吸気管11に取り付けているが、シリンダヘッド等に燃料噴射弁20を取り付けて、燃焼室12へ直接燃料を噴射するようにしてもよい。
・上記各実施形態では、混合室31へ取り入れる外部空気を、吸気管11内部の吸気としているが、吸気管11外部の空気を外部空気として混合室31へ取り入れるようにしてもよい。但し、吸気を外部空気として取り入れる図1の構成によれば、空気流入通路32の入口部32aから気体燃料が漏出したとしても、その漏出した気体燃料は吸気管11内に漏出することになる。よって、空気流入通路32を通じて、混合室31内の気体燃料が吸気管11の外部へ漏出することを防止できる。
20…燃料噴射弁、25…ノズル、262…噴出口、30…ハウジング、31…混合室、32…空気流入通路、33…噴孔。

Claims (13)

  1. 気体燃料を噴射する燃料噴射弁(20)において、
    所定以上の流速で気体燃料を噴き出す噴出口(262)が形成されたノズル(25)と、
    前記噴出口の下流側に連通する混合室(31)が形成されたハウジング(30)と、
    を備え、
    前記ハウジングには、前記混合室へ外部空気を流入する空気流入通路(32)が形成されるとともに、外部空気と気体燃料が混合した空気混合燃料を噴射する噴孔(33)が形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 前記混合室は、前記噴出口から噴き出された気体燃料が流入する流入室(31a)と、前記流入室の下流側にて当該流入室よりも流通断面積を拡大させた拡大室(31b)とに区画されており、
    前記空気流入通路の出口部(32b)は、前記流入室に位置することを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射弁。
  3. 前記混合室を前記噴出口の側から見た場合における、前記噴出口の投影領域を噴出領域(262a)と呼ぶ場合において、
    前記噴孔は、前記噴出領域の外側に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料噴射弁。
  4. 前記ハウジングは、前記混合室へ流入した外部空気を旋回させながら前記噴孔へと導くように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
  5. 前記ノズルの軸中心線から所定量だけずれた位置へ向けて外部空気が流入するよう、前記空気流入通路は形成されていることを特徴とする請求項4に記載の燃料噴射弁。
  6. 前記空気流入通路は複数形成され、
    各々の前記空気流入通路から流入する外部空気の旋回の向きが同一となるよう、前記複数の空気流入通路は形成されていることを特徴とする請求項5に記載の燃料噴射弁。
  7. 前記混合室を前記噴出口の側から見た場合における、前記噴出口の投影領域を噴出領域(262a)と呼ぶ場合において、
    前記混合室内のうち前記噴出領域から外れた位置へ向けて外部空気が流入するよう、前記空気流入通路は形成されていることを特徴とする請求項5または6に記載の燃料噴射弁。
  8. 前記混合室には、前記ノズルの軸中心線(C)に沿って延びる円錐形状であって、気体燃料の下流側へ向けて拡径していく形状の円錐部材(34)が配置されていることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
  9. 前記円錐部材は、前記空気流入通路の出口部(32b)よりも、気体燃料流れの下流側に設けられていることを特徴とする請求項8に記載の燃料噴射弁。
  10. 前記円錐部材の側面には、上流側から下流側に向けて螺旋状に延びる螺旋溝(34a)が形成されていることを特徴とする請求項8または9に記載の燃料噴射弁。
  11. 前記噴孔は、前記円錐部材の稜線方向に対して平行に延びる形状に形成されていることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
  12. 前記噴孔を前記噴出口の側から見た場合において、
    前記噴孔の出口(33b)の中心位置が、前記噴孔の入口(33a)の中心位置に対して、気体燃料の旋回方向の下流側にずれていることを特徴とする請求項4〜10のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
  13. 前記空気流入通路の入口部(32a)の流通断面積が、前記空気流入通路の出口部(32b)の流通断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
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