JP2014196702A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、所望の噴射角を維持しつつ、噴霧貫徹力を向上させる。【解決手段】噴孔１１は、サック壁面２０に開口する入口１１ａを有する内側部１１ｃと、出口１１ｂを有する外側部１１ｄを有する。また、内側部１１ｃの流路軸ｘと外側部１１ｄの流路軸ｙとは交差し、内側部１１ｃの流路軸とサック壁面２０とのなす角度θｉｎが、外側部１１ｄの流路軸とサック壁面２０とのなす角度θｏｕｔよりも大きい。これによれば、噴孔１１の外側部１１ｄによって所望の噴射角を維持しつつも、噴孔１１の内側部１１ｃによって燃料流入角を緩やかにすることができるため、噴孔入口近傍での燃料流れの剥離を抑制することができる。この結果、圧力損失を低減できるので、噴霧貫徹力を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射ノズル（以下、略してノズルと呼ぶことがある。）に関する。

従来から、例えば、内燃機関に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁では、燃料を噴射するノズルと、このノズルを開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータとを備えるものが周知である。また、燃料噴射弁に用いられるノズル（燃料噴射ノズル）では、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備えるものが公知である。そして、このノズルは、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。

つまり、ノズルボディの内壁には、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着するシート位置が設けられ、さらに、シート位置よりも軸方向の先端側の内壁には、燃料の噴孔が複数開口している。そして、シート部がシート位置から離座することで、噴孔を通じてノズルボディの内周から外部に燃料が導かれて噴射される。

ところで、燃料噴射ノズルでは、噴射された燃料の噴霧がより遠くまで到達することにより空気との混合が促進されてスモークの低減に有効であると考えられ、内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射する場合に、特に有効であると考えられている。そして、噴霧が空間を貫徹する能力（以下、噴霧貫徹力と呼ぶ。）を高めるのに有効な手段として、噴孔入口での燃料の圧力損失を低減することがある。

一方、未燃ＨＣの排出量低減を目的としてサック室の容積を低減させるためにサック室を形成するノズルボディの内壁面をノズルボディの軸方向に対して傾斜させる技術（サック室のテーパ化）がある（特許文献１参照）。この場合、噴孔が開口するノズルボディの内壁面と噴孔の流路軸とのなす角度が小さくなるため、燃料流入角が小さくなり、噴孔の入口で燃料流れの剥離が生じて、圧力損失が増加する。

また、サック室を形成するノズルボディの内壁面をテーパ面であるか否かに関わらず、噴射角を大きくしたい場合にも、やはり、テーパ面と噴孔の流路軸とのなす角度が小さくなり、噴孔入口近傍で燃料流れの剥離が生じて、圧力損失が増加する（特許文献２参照）。
すなわち、サック室のテーパ化、もしくは、サック室の形状に関わらず噴射角の増大化の背反として、圧力損失の増大により、噴霧貫徹力の低下が生じる。このため、噴霧貫徹力を向上させようとすると噴射角を自由に設定することが困難であった。

特開平３−７８５６２号公報 特開平５−９９０９９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、所望の噴射角を維持しつつ、噴霧貫徹力を向上させることを目的とする。

本発明の燃料噴射ノズルは、円筒状のノズルボディと、このノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備え、前記ニードルが前記ノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。
また、燃料噴射ノズルは、ノズルボディの内壁面の一部であり、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着するシート位置と、シート位置よりも軸方向の先端側でノズルボディの内壁面に開口するとともに、ノズルボディの外壁面に開口し、シート部がシート位置から離座することでノズルボディの内周から外部に燃料を導く噴孔とを備える。

噴孔は、内壁面における噴孔の開口を有するとともに噴孔の内側をなす内側部、及び、外壁面における噴孔の開口を有するとともに噴孔の外側をなす外側部を有し、内側部の流路軸と内壁面とのなす角度θｉｎが、外側部の流路軸と内壁面とのなす角度θｏｕｔよりも大きい。

これによれば、噴孔の外側部によって所望の噴射角を維持しつつも、噴孔の内側部では噴孔入口への燃料流入角を緩やかにすることができるため、噴孔入口近傍での燃料流れの剥離を抑制することができる。この結果、圧力損失を低減できるので、噴霧貫徹力を向上させることができる。
すなわち、本発明によれば、所望の噴射角を維持しつつ、噴霧貫徹力を向上させることができる。

燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である（実施例１）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（実施例１）。 図２のIII−III断面図である（実施例１）。 噴孔の形状を説明する説明図である（実施例１）。 従来の燃料噴射ノズルの問題点を説明する説明図である（従来例）。 本発明の燃料噴射ノズルの作用効果を説明する説明図である（実施例１）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（実施例２）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（変形例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図である（変形例）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１と呼ぶ。）の構成を、図１〜図６を用いて説明する。
ノズル１は、開弁して燃料を噴射するものであり、ノズル１を開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータ（図示せず。）とともに燃料噴射弁を構成する。そして、燃料噴射弁は、例えば、内燃機関（図示せず。）に搭載され、１００ＭＰａを超える高圧の燃料を気筒内に直接噴射するために用いられる。

なお、アクチュエータは、例えば、ノズル１の弁体（後記するニードル２）に作用する背圧を増減して弁体を駆動するものであり、コイル（図示せず。）への通電により発生する磁気力を利用して背圧室（図示せず。）を開閉することで背圧を増減する。
そして、燃料噴射弁は、例えば、燃料を高圧化して吐出する燃料供給ポンプ（図示せず。）、および、燃料供給ポンプから吐出された燃料を高圧状態で蓄圧する蓄圧容器（図示せず。）とともに蓄圧式の燃料供給装置を構成し、蓄圧容器から高圧の燃料を分配されて気筒内に噴射する。

ノズル１は、図１に示すように、円筒状のノズルボディ３と、ノズルボディ３の内周に軸方向に移動可能となるように収容される弁体としてのニードル２とを備える。そして、ノズル１は、ニードル２がノズルボディ３の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。

ここで、ニードル２は、ノズルボディ３により軸方向に摺動自在に支持される摺動軸部２ａ、および、実質的に弁部として機能する円錐状の先端部２ｂを有し、摺動軸部２ａと先端部２ｂとの間は軸方向に長い円柱部２ｃをなす。
ノズルボディ３の内周は、軸方向に長い円筒状をなし先端が閉じられている。また、ノズルボディ３の内周の一部は、局部的に径方向に拡大され、噴射すべき燃料が一時的に溜まる燃料溜まり４をなす。

そして、ノズルボディ３の内周の内、燃料溜まり４の軸方向後端側の領域は、摺動軸部２ａを摺動自在に支持するための摺動孔５をなし、燃料溜まり４の軸方向先端側の領域は、先端部２ｂおよび円柱部２ｃを収容して円環筒状の燃料通路６を形成する。なお、ノズルボディ３には、蓄圧容器から受け入れた燃料を燃料溜まり４に導くための燃料通路７が、別途、燃料溜まり４に接続している。

また、ノズル１は、以下に示すシート位置１０と噴孔１１とを備える。
まず、シート位置１０は、ノズルボディ３の内壁面の一部であり、ニードル２の軸方向の先端近傍に設けられたシート部１３が離着する部分である。

ノズルボディ３の先端近傍の内壁面は、ノズルボディ３の軸βと同軸に設けられ、軸方向先端側ほど小径となる円錐面１５を有し、ノズルボディ３の内周先端を袋状に閉じている。シート位置１０はこの円錐面１５上に設けられている。
そして、シート位置１０よりも軸方向先端側の内周領域はサック室１６を形成している。

なお、先端部２ｂの外周面は、例えば、３つの異なる円錐面１８ａ、１８ｂ、１８ｃが先端から軸方向後端側に同軸に連続するものであり、円錐面１８ａ〜１８ｃは、それぞれの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度が先端側ほど大きくなっている。そして、円錐面１８ａ、１８ｂ同士の交線１９ａ、および円錐面１８ｂ、１８ｃ同士の交線１９ｂは軸αに垂直な円であり、交線１９ｂがシート部１３として機能し、シート位置１０は円形である。

噴孔１１は、シート位置１０よりも軸方向の先端側でノズルボディ３の内壁面に開口するとともに、ノズルボディ３の外壁面に開口し、シート部１３がシート位置１０から離座することでノズルボディ３の内周から外部に燃料を導く。つまり、シート部１３がシート位置１０から離座することで、シート部１３とシート位置１０との間に隙間が形成され、この隙間を通って燃料通路６から噴孔１１に燃料が導入されてノズルボディ３の外部に噴射される。

具体的には、円錐面１５の一部であってシート位置１０より先端側の部分に噴孔１１の入口１１ａが開口している。この噴孔１１の入口１１ａが開口した円錐面１５の部分をサック壁面２０と呼ぶ。そして、噴孔１１の出口１１ｂは、サック室１６を形成するノズルボディ３の外壁面２１に開口している。

〔本実施例の特徴〕
本実施例によれば、噴孔１１は、噴孔１１の入口１１ａを有するとともに噴孔１１の内側をなす内側部１１ｃ、及び、噴孔１１の出口１１ｂを有するとともに噴孔１１の外側をなす外側部１１ｄを有している。

内側部１１ｃの流路軸ｘと外側部１１ｄの流路軸ｙとは交差しており、流路軸ｘ及び流路軸ｙを含んで軸βに平行な特定断面において、内側部１１ｃの流路軸ｘとサック壁面２０とのなす角度θｉｎが、外側部１１ｄの流路軸ｙとサック壁面２０とのなす角度θｏｕｔよりも大きくなっている。なお、角度θｉｎは、好ましくは鈍角に設定されている。

また、外側部１１ｄの流路長Ｌｏｕｔは、内側部１１ｃの流路長Ｌｉｎよりも長い。
ここで、流路長Ｌｉｎは、内側部１１ｃの流路軸ｘと外側部１１ｄの流路軸ｙとの交点を交点ｏとすると、流路軸ｘ上での入口１１ａと交点ｏとの距離であり、流路長Ｌｏｕｔは、流路軸ｙ上での出口１１ｂと交点ｏとの距離である。

なお、本実施例では、図４に示すように、噴孔入口と噴孔出口とを直線的に結ぶような仮噴孔１１Ｋを想定し、その仮噴孔１１Ｋの内周面とサック壁面２０との間に形成される角部Ｃの内、シート位置１０に近い側の角部Ｃを面取りもしくはＲ加工したような形状となっている。

〔本実施例の作用効果〕
本実施例の作用効果を図５及ぶ図６を用いて説明する。
まず、従来例の噴孔１１Ｊついて、図５を用いて説明する。
従来例の噴孔１１Ｊは、サック壁面２０とノズルボディ３の外壁面との間を直線的に貫通する形状である。この形状において、噴射角θ１を所定値ａとする。

次に、図６は、本実施例の噴孔１１の拡大断面図であって、噴射角θ１を従来例と同じく所定値ａとしている。なお、本実施例の場合は、出口１１ｂを含む外側部１１ｄの流路軸ｙと軸βとのなす角度が噴射角θ１となる。

従来例と本実施例とを比較すると、噴射角θ１は同じであるが、本実施例では内側部１１ｃの存在によって、入口１１ａでの燃料流入角が緩和される。
すなわち、従来例では噴孔の入口側と出口側とで流路軸が一致しているため、燃料流入角は、噴孔入口上流側のサック壁面２０と流路軸ｙ´とのなす角度θｊに依存する。このため、本実施例と比較して燃料流入角が小さくなり、燃料流れが噴孔入口付近で剥離しやすくなる。流れ剥離領域が増大すると、圧力損失が増加してしまうため、噴霧貫徹力が低減し、スモーク悪化を招く虞がある。

これに対して、本実施例では、燃料流入角は、入口１１ａ上流側のサック壁面２０と流路軸ｘとのなす角度θｉｎに依存する。角度θｉｎは、サック壁面２０と流路軸ｙとのなす角度よりも大きいため、燃料流入角が大きくなり、入口近傍での燃料流れの剥離を抑制することができる。これにより、圧力損失を低減できるので、噴霧貫徹力を向上させることができ、結果として、スモーク排出量を低減できる。

すなわち、本実施例によれば、噴孔１１の外側部１１ｄによって所望の噴射角θ１を維持しつつも、噴孔１１の内側部１１ｃによって燃料流入角を緩やかにすることができるため、噴孔入口近傍での燃料流れの剥離を抑制することができる。この結果、圧力損失を低減できるので、噴霧貫徹力を向上させることができる。

さらに、本実施例によれば、外側部１１ｄの流路長Ｌｏｕｔが内側部１１ｃの流路長Ｌｉｎよりも長い。これによれば、噴霧貫徹力がさらに向上する。

〔実施例２〕
実施例２のノズル１を実施例１とは異なる点を中心に図７を用いて説明する。なお、実施例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
実施例２のノズル１は、サック室１６の形状が実施例１のものと異なる。

すなわち、本実施例のノズルボディ３の内壁面は、以下の円錐面２５ａ、円筒面２５ｂおよび半球面２５ｃを有し、ノズルボディ３の内周先端を袋状に閉じている。
円錐面２５ａは、軸βと同軸に設けられ、軸方向先端側ほど小径であって先端が円２６である。そして、円錐面２５ａ上のシート位置１０が存在している。

また、円筒面２５ｂは、軸βと同軸に設けられ、円２６と同径であって円２６から軸方向先端側に連続する。さらに、半球面２５ｃは、円筒面２５ｂと同径であり、軸方向先端側に凸を形成するように円筒面２５ｂに連続する。そして、シート位置１０よりも軸方向先端側の内周領域はサック室１６を形成している。
噴孔１１の入口１１ａは、円筒面２５ｂに開口しており、噴孔１１は実施例１と同様の特徴を有している。

本実施例によっても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

〔変形例〕
ノズル１の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のノズル１によれば、噴孔１１は図４における角部Ｃを切除したような形状を呈していたが、図８に示すように、内側部１１ｃをサック壁面２０側から穿孔された円柱状の空間とし、外側部１１ｄを外壁面２１側から穿孔された円柱状の空間としてもよい。

また、図９に示すように、図４における角部Ｃに相当する箇所を、軸βと同軸のザグリ加工によって面取りすることで、内側部１１ｃを形成してもよい。

１ ノズル（燃料噴射ノズル）、２ ニードル、３ ノズルボディ、１０ シート位置、１１ 噴孔 、１１ａ 入口、１１ｂ 出口、１１ｃ 内側部、１１ｄ 外側部、１３ シート部 、２０ サック壁面、２２ 外壁面

Claims (2)

1. 円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
   前記ノズルボディ（３）の内壁面の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１３）が離着するシート位置（１０）と、
   前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁面（２０）に開口するとともに、前記ノズルボディ（３）の外壁面（２２）に開口し、前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導く噴孔（１１）とを備え、
   前記噴孔（１１）は、前記内壁面（２０）における前記噴孔（１１）の開口（１１ａ）を有するとともに前記噴孔（１１）の内側をなす内側部（１１ｃ）、及び、前記外壁面（２２）における前記噴孔（１１）の開口（１１ｂ）を有するとともに前記噴孔（１１）の外側をなす外側部（１１ｄ）を有し、
   前記内側部（１１ｃ）の流路軸と前記内壁面（２０）とのなす角度θｉｎが、前記外側部（１１ｄ）の流路軸と前記内壁面（２０）とのなす角度θｏｕｔよりも大きいことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記外側部（１１ｄ）の流路長Ｌｏｕｔは、前記内側部（１１ｃ）の流路長Ｌｉｎよりも長いことを特徴とする燃料噴射ノズル。
   
   

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