JP2014148897A

JP2014148897A - 燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JP2014148897A
Application number: JP2013016381A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Funayama; 悦弘舩山; Yuugo Kudo; 有吾工藤; Kiyohiro Shimokawa; 清広下川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP6116083B2

Abstract

【課題】比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室に臨んで設けられる燃料噴射ノズルから燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式内燃機関において、燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高めながら、同時に燃料噴霧の周囲気体との運動量交換（混合）を促進することができ、以って黒煙の排出濃度を低減することができる燃料噴射ノズルを提供する。
【解決手段】本発明は、その先端が内燃機関１００の燃焼室１５０に臨んで設けられる燃料噴射ノズル２００であって、ノズルサック部２２０に、該ノズルサック部２２０のノズルニードル半径方向における最大内径より、燃料流入部２３０の燃料入口径を小さく絞るエッジ部２４０が設けられると共に、該エッジ部２４０の内側先端から前記ノズルサック部２２０の内周壁に向かって拡径するエグリ部２５０を形成したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射供給する燃料噴射ノズルに関する。

内燃機関においては、例えば、その先端が燃焼室内に臨んで設けられ直接的に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備えた燃料供給装置が採用されている。
この種の燃料噴射弁ノズル１０においては、以下に説明するようにして、開閉弁動作がなされる。

（Ａ）非噴射時（閉弁時：非通電時）（図７の（Ａ）を参照）
電磁弁（ソレノイドコイル）１１への通電が行なわれない状態では、アウタバルブ１２はバルブスプリング１３により流出オリフィス１４に押し付けられて閉弁されている。
一方、コマンド室１５には、流入オリフィス１６からコモンレール圧を有する燃料が供給され、コマンド室１５にはコモンレール圧が印加されているため、コマンドピストン１７を介してノズルニードル１８は、シート部１９に閉弁付勢され、噴孔２０からの燃料噴射は行なわれない状態となっている。

（Ｂ）噴射時（開弁時：通電時）（図７の（Ｂ）を参照）
所定タイミングで制御装置より開弁指令が出力され、電磁弁（ソレノイドコイル）１１への通電が開始されると、アウタバルブ１２は、バルブスプリング１３の付勢力に抗して電磁力により電磁弁１１側へ吸引されて開弁され、流出オリフィス１４が開路される。
一方、コマンド室１５では、アウタバルブ１２の開弁によりコマンド室１５の室圧が下がり、コマンドピストン１７が上昇し、同時にノズルニードル１８も上昇して開弁され、図８に示すような噴孔２０からの燃料噴射が開始される。

（Ｃ）噴射終了時（通電停止時）
所定タイミングで制御装置より閉弁指令が出力され、電磁弁（ソレノイドコイル）１１への通電が停止されると、アウタバルブ１２は、バルブスプリング１３の付勢力により押し下げられて閉弁され、流出オリフィス１４が閉路される。
一方、コマンド室１５では、アウタバルブ１２の閉弁に伴い、流入オリフィス１６から流入する高圧燃料の流入により、コマンド室１５の室圧が上昇し、コマンドピストン１７が押し下げられ、同時にノズルニードル１８も押し下げられて開弁され、噴孔２０からの燃料噴射が終了される（図７の（Ａ）を参照）。

ここで、上述したような燃料噴射ノズル１０において、噴孔２０から噴射した燃料に関して所望のペネトレーション（噴霧貫徹力）を得るための技術として、例えば、図９に示すように、噴孔２０の燃料入口側に燃料流れ上流側に向かって拡径するテーパ部２１を設けることで、燃料の圧力損失を抑え、噴孔２０への燃料の流入速度を高めることで、燃料噴霧を遠くへ飛ばすことを可能にした技術がある。

特表平７−５０５４６０号公報

図９に示したように、噴孔２０の入口部にテーパ部２１を形成することにより、燃料をスムースに噴孔２０に導くことができる一方で、噴孔２０内の燃料が整流化され、燃料の撹乱が抑えられる傾向となり、噴孔から燃焼室へ噴出した直後の燃料噴霧が周囲気体と混合され難くなってしまうといった背反があった。

また、例えば、特許文献１などには、噴孔付近のオリフィスの形状に関する提案がなされてはいるが、直接燃料噴射式のディーゼル燃焼機関のように比較的高圧な燃料供給を行うコモンレール式の燃料供給装置に利用される燃料噴射弁としては改良の余地が残されているのが実情である。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室に臨んで設けられる燃料噴射ノズルから燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式内燃機関において、燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高めながら、同時に燃料噴霧の周囲気体との運動量交換（混合）を促進することができ、以って黒煙の排出濃度を低減することができる燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。

このため、本発明に係る燃料噴射ノズルは、
その先端が内燃機関の燃焼室に臨んで設けられる燃料噴射ノズルであって、
ノズルニードルの先端燃焼室側に設けられノズルニードルがリフトしたときに燃料を噴孔へ導く容積であるノズルサック部に、該ノズルサック部のノズルニードル半径方向における最大内径より、該ノズルサック部の燃料流入部の燃料入口径を小さく絞るエッジ部が設けられると共に、該エッジ部の内側先端から前記ノズルサック部のノズルニードル半径方向内周壁に向かって拡径するエグリ部を形成したことを特徴とする。

本発明において、前記エッジ部のノズルニードル周方向に複数の切欠部が形成されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室に臨んで設けられる燃料噴射ノズルから燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式内燃機関において、燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高めながら、同時に燃料噴霧の周囲気体との運動量交換（混合）を促進することがき、以って黒煙の排出濃度を低減することができる燃料噴射ノズルを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼室のピストン上死点付近における断面図（クランク軸に略直交する平面で切断した断面図）である。（Ａ）は同上実施の形態に係る燃料噴射ノズルの先端部分（ノズルニードル、ノズルサック部、噴孔）を拡大して示す断面図（ノズルニードルリフト時：開弁時）であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。図２の燃料噴射ノズルの先端部分（ノズルニードル、ノズルサック部、噴孔）における燃料の流れる様子（矢印）を示す図である。（Ａ）は同上実施の形態に係る燃料噴射ノズルの先端部分（ノズルニードル、ノズルサック部、切欠部、噴孔）の他の一例（浅い切欠部）を拡大して示す断面図（ノズルニードルリフト時：開弁時）であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。（Ａ）は同上実施の形態に係る燃料噴射ノズルの先端部分（ノズルニードル、ノズルサック部、切欠部、噴孔）の他の一例（深い切欠部）を拡大して示す断面図（ノズルニードルリフト時：開弁時）であり、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。同上実施の形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔の周方向位置の配置例を示す図である（図５（Ａ）のＣ−Ｃ矢視相当）。（Ａ）は燃料噴射ノズルの開閉弁動作（閉弁時：非噴射時）を説明する図であり、（Ｂ）は燃料噴射ノズルの開閉弁動作（開弁時：噴射時）を説明する図である。従来の燃料噴射ノズルの先端部分（ノズルニードル、ノズルサック部、噴孔）の一例を拡大して示す断面図（ノズルニードルリフト時：開弁時）である。従来の燃料噴射ノズルの先端部分（ノズルニードル、ノズルサック部、テーパー付き噴孔）の他の一例を拡大して示す断面図（ノズルニードルリフト時：開弁時）である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る直接噴射式ディーゼル機関である内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１１０の下面１１１と、ピストン１２０の頂面（上面）及びピストン燃焼室１２１と、シリンダブロック（図示せず）に嵌挿されるシリンダライナ内周壁面（図示せず）と、により画成される燃焼室１５０に、燃料噴射ノズル２００の先端が臨むように、シリンダヘッド１１０に取り付けられている。

この燃料噴射ノズル２００は、所謂コモンレール式（蓄圧式）燃料噴射装置（燃料供給装置）に接続されて燃料噴射量、燃料噴射開始時期、燃料噴射期間、燃料噴射率などを任意に制御可能に構成されている。

また、当該燃料噴射ノズル２００は、気筒（シリンダ、燃焼室）毎にシリンダヘッド１１０に設けられ、その先端が、ピストン１２０の往復運動方向から見たときに燃焼室１５０の略中心となるように配設される。

燃焼室１５０に臨む燃料噴射ノズル２００の先端には、本実施の形態においては図示が省略されているが、例えば５〜１０個程度の複数の噴孔が周方向に所定間隔で設けられていて、該複数の噴孔からやや下向きに（円錐角（コーン角）として例えば１４０〜１６０度程度）ピストン１２０の頂面に凹状に設けられたピストン燃焼室（キャビティ）１２１へ向けて、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に応じて設定された燃料噴射量にて、所定タイミングで燃料が噴射供給されるようになっている。

ここにおいて、本実施の形態に係る燃料噴射ノズル２００の先端部は、図２に示すように構成されている。

すなわち、図２に示したように、本実施の形態では、図７で示したような従来同様のコマンドピストン（図７の符号１２参照）に連接される従来同様のノズルニードル２１０の先端に存在するノズルサック部２２０（燃料を収容して噴孔２６０へ分配するための容積部分）の燃料流入部２３０にエッジ部２４０が形成され、エッジ部２４０から下側に向かって外側にノズルサック部２２０を抉るエグリ部２５０が形成されている。

つまり、ノズルサック部２２０のノズルニードル半径方向における最大内径より、燃料流入部２３０の入口径（内径）を、エッジ部２４０により小さく絞ると共に、燃料流入部２３０の最小内径部（エッジ部２４０の内側先端）からノズルサック部２２０のノズルニードル半径方向内周壁に向かって拡径するエグリ部２５０を形成する。

このように、ノズルサック部２２０の燃料流入部２３０にエッジ部２４０を形成しその下に徐々に拡径していくエグリ部２５０を形成すると、図３に示すように、燃料流入部２３０からノズルサック部２２０への燃料流入時に剥離が生じて、キャビテーションが発生し、ノズルサック部２２０内において圧力変動が生じ、以って噴孔２６０への燃料流入速度が大きく変動することになる。

従って、噴孔２６０から噴射される燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高いレベルとしながら、噴孔２６０から燃焼室１５０へ噴出された燃料噴霧と、その周囲の空気と、の混合が促進され、黒煙（スモーク）の排出（濃度）を低減することができる。

なお、図２、図３では、噴孔２６０を１つのみ表示しているが、これに限定されるものではなく周方向に複数配設できるものである。

また、図４に示すように、ノズルサック部２２０の燃料流入部２３０に設けたエッジ部２４０に周方向に複数の切欠部２７０を形成した構成とすることもできる。

このように、切欠部２７０を設けることで、エッジ部２４０によるノズルサック部２２０への燃料流入時における剥離延いてはキャビテーションを発生させることができることに加え、より細かな乱れを発生させることができ、以って噴孔２６０への燃料流入速度をより大きく変動させることができ、延いては噴孔２６０から噴射される燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高いレベルとしながら、噴孔２６０から燃焼室１５０へ噴出された燃料噴霧と、その周囲の空気と、の混合が促進され、黒煙（スモーク）の排出（濃度）を低減することができる。

なお、図４においても、噴孔２６０を１つのみ表示しているが、これに限定されるものではなく周方向に複数配設できるものである。

また、図５に示すように、複数の切欠部２７０の底部が、ノズルサック部２２０の最大内径と略一致する程度まで深く切り欠くように構成することができる。

図５に示すような深い切欠部２７０を設けることによっても、エッジ部２４０によるノズルサック部２２０への燃料流入時における剥離延いてはキャビテーションを発生させることができることに加え、より細かな乱れを発生させることができ、以って噴孔２６０への燃料流入速度をより大きく変動させることができ、延いては噴孔２６０から噴射される燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高いレベルとしながら、噴孔２６０から燃焼室１５０へ噴出された燃料噴霧と、その周囲の空気と、の混合が促進され、黒煙（スモーク）の排出（濃度）を低減することができる。

なお、図５においても、噴孔２６０を１つのみ表示しているが、これに限定されるものではなく周方向に複数配設できるものである。

また、図６に示すように、噴孔２６０の周方向位置は適宜に変更可能であり、図６（Ａ）のようにエッジ部２４０と周方向位置を略一致させるように噴孔２６０を配置したり、図６（Ｂ）のように切欠部２７０と周方向位置を略一致させるように噴孔２６０を配置することができる。

更に、これらの異なる噴孔２６０の配置を、１つのノズルサック部２２０延いては燃料噴射ノズル２００において混在させることも可能である。

以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料噴射ノズルによれば、エッジ部２４０及びエグリ部２５０を形成したので、燃料流入部２３０からノズルサック部２２０への燃料流入時に剥離が生じてキャビテーションが発生し、以ってノズルサック部２２０内において圧力変動が生じ、噴孔２６０への燃料流入速度が大きく変動させることができるので、噴孔２６０から噴射される燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高いレベルとしながら、噴孔２６０から燃焼室１５０へ噴出された燃料噴霧と、その周囲の空気と、の混合が促進され、黒煙（スモーク）の排出（濃度）を低減することができる。

また、本実施の形態においては、更に、切欠部２７０を設けることで、エッジ部２４０によるノズルサック部２２０への燃料流入時における剥離延いてはキャビテーションを発生させることができることに加え、より細かな乱れを発生させることができ、以って噴孔２６０への燃料流入速度をより大きく変動させることができ、延いては噴孔２６０から噴射される燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高いレベルとしながら、噴孔２６０から燃焼室１５０へ噴出された燃料噴霧と、その周囲の空気と、の混合が促進され、黒煙（スモーク）の排出（濃度）を低減することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室に臨んで設けられる燃料噴射ノズルから燃焼室内に直接燃料を噴射供給する直接噴射式内燃機関において、燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を高めながら、同時に燃料噴霧の周囲気体との運動量交換（混合）を促進することがき、以って黒煙の排出濃度を低減することができる燃料噴射ノズルを提供することができる。

本実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリン、アルコール、バイオ燃料など軽油以外の燃料であっても、直接的に燃焼室に燃料を噴射供給する内燃機関であれば、本発明は適用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明は、上述した発明の実施の形態に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、種々変更を加え得ることは可能である。

１００内燃機関（エンジン）
１１０シリンダヘッド
１２０ピストン
１２１ピストン燃焼室（キャビティ）
１５０燃焼室
２００燃料噴射ノズル
２１０ノズルニードル
２２０ノズルサック部
２３０燃料流入部
２４０エッジ部
２５０エグリ部
２６０噴孔
２７０切欠部

Claims

その先端が内燃機関の燃焼室に臨んで設けられる燃料噴射ノズルであって、
ノズルニードルの先端燃焼室側に設けられノズルニードルがリフトしたときに燃料を噴孔へ導く容積であるノズルサック部に、該ノズルサック部のノズルニードル半径方向における最大内径より、該ノズルサック部の燃料流入部の燃料入口径を小さく絞るエッジ部が設けられると共に、該エッジ部の内側先端から前記ノズルサック部のノズルニードル半径方向内周壁に向かって拡径するエグリ部を形成したことを特徴とする燃料噴射ノズル。
前記エッジ部のノズルニードル周方向に複数の切欠部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。