JP2016041937A - パティキュレートエミッションを減じる高圧ガソリン噴射装置の座部 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁の先端部におけるパティキュレートの発生を低減する。【解決手段】燃料噴射装置が、座部２６と少なくとも１つの座部通路２８とを有している。該座部２６は外側の先端面３０を有していて、該外側の先端面３０を前記座部通路２８が貫通して延在している。フィン構造体３４が、外側の先端面３０に設けられていて、このフィン構造体３４は、フィン構造体３４が設けられていない外側の先端面３０の表面積と比較して、外側の先端面３０の表面積が増大するように、形成され、配置されている。このフィン構造体３４を含む外側の先端面３０は、燃焼ガスによって加熱されるように形成され、配置されているので、前記外側の先端面３０は、フィン構造体３４が設けられていない場合に外側の先端面３０が到達する温度よりも高い温度に達し、これにより、この外側の先端面３０に接触する燃料は気化される。【選択図】図３

Description

本発明は、車両用のガソリン直接噴射に関し、特に、高温燃焼ガスにさらされる表面積が増大させられている噴射装置座部を提供することに関し、これにより座部の温度を上昇させて、パティキュレートエミッションを減じるようになっている。

ガソリンエンジンのパティキュレートエミッションは最近、欧州で規制されることになり、２０１４年には６×１０¹² particles／ｋｍとするＥＵ６ａ規制が導入され、さらに２０１７年にはＥＵ６ｃの導入により６×１０¹¹ particles／ｋｍにまで減じられることになっている。米国の規制も、ＬＥＶIIIの導入により、同様の目標基準を課すだろう。基準は、２０１４年に１０ｍｇ／ｍｉ、２０１８年に３ｍｇ／ｍｉ、２０２５年には１ｍｇ／ｍｉと仮定されている。パティキュレートエミッションの主要な原因は、燃料噴射装置先端における堆積物からの気化燃料により供給される拡散炎によるものであることが知られている。

燃焼室内にさらに燃料噴射装置を突入させることによりパティキュレートエミッションが減じられることが公知である。噴射装置先端の突入が増大すると、高温の燃焼ガスにより多くの噴射装置先端面積がさらされることにより、噴射装置先端温度は上昇する。これによりさらに、先端に残っている燃料の気化も向上し、従って、火炎前面が通過する際に点火されるような残留燃料は先端に全く又は殆どない。より高温の先端温度は、先端における堆積物の酸化も向上させて、燃料内に含まれる堆積物のスポンジ状の表面を減少させる。

一見単純に見える改良であるが、既存のエンジン及び噴射装置において噴射装置先端の突出部を増大させることは単純なものでも安価なものでもない。噴射装置を基本的に変更しないならば、突出部は、シリンダヘッドと燃料レールの設計及び機械加工を変更することによってしか増大させることはできない。大容量のものと仮定すると、単純で安価な変更ではない。また、エンジンの構成要素を変更せずに噴射装置をより長くすることは、自動化された構成部品製造や、組み立て、試験装置に大きな影響を与え、結果として大きな加工費用と、標準的ではない製品、品質の危険が生じ、これは工具及び構成部品の変更を伴う。

従って、主要な方式によるエンジン又は噴射装置の機械加工及び組み立て加工に影響を与えることなしに、パティキュレートエミッションを低下させるために噴射装置先端温度を上げる必要がある。本発明の課題は、上述した必要性を満たすことにある。

実施態様の原理によれば、この課題は、入口と、出口と、この入口から出口への燃料流管路を形成する通路とを備えた燃料噴射装置を設けることにより解決される。この燃料噴射装置は、第1の位置と第２の位置の間で前記通路内において可動な弁構造を有している。前記出口に座部が設けられており、この座部は、前記通路と連通する少なくとも１つの座部通路を有している。この座部は、前記第１の位置にある弁構造の一部と接触するように係合し、これにより座部通路は閉鎖され、燃料が座部通路から流出するのは阻止される。この弁構造は前記第２の位置では、座部通路から間隔を置いて位置しているので、燃料は前記通路を通って動き、座部通路から流出することができる。座部は外側の先端面を有していて、座部通路はこの先端面を貫通して延在している。この外側の先端面にフィン構造体が設けられていて、このフィン構造体が設けられていない外側の先端面の表面積と比較して外側の先端面の表面積が増大するように形成され、配置されている。このフィン構造体を含む外側の先端面は、燃焼ガスによって加熱されるように形成され配置されているので、前記外側の先端面は、フィン構造体が設けられていない場合に外側の先端面が到達する温度よりも高い温度に達し、従って、前記外側の先端面に接する燃料を気化させる。このような燃料噴射装置を提供する方法も開示されている。

開示された実施態様の別の解決手段によれば、燃料噴射装置用の座部が、少なくとも１つの座部通路を画定する表面を有していて、この表面を座部通路が貫通している。外側の先端面が設けられていて、少なくとも１つの座部通路はこの先端面を貫通して延在している。この外側の先端面には、外側の先端面の表面積を増大させる手段が設けられていて、この手段は、この手段が設けられていない外側の先端面の表面積と比較して外側の先端面の表面積を増大させる。この場合、この座部が、エンジンと協働する燃料噴射装置に配置されているならば、前記手段を含む外側の先端面は、燃焼ガスによって加熱されるように形成され配置されているので、外側の先端面は、前記手段が設けられていない場合に外側の先端面が到達する温度よりも高い温度に達し、従って、外側の先端面に接する燃料を気化させる。

本発明のその他の対象、詳細、特徴及び、構造の関連する部材の機能と操作方法、部品の組み合わせ、製造の経済的側面については、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明、請求の範囲を考えることで明らかになり、これらの全ては、この明細書の一部を成す。

本発明は、図面につき示した好適な実施態様の以下に示す説明によりより良く理解される。実施態様では、類似する参照符号は、類似の部材を示している。

一実施態様によるガソリン直接燃料噴射装置を示した図である。 図１の円で囲んで示した部分を拡大して示した図である。 図３Ａは、第１実施態様によるフィン構造体を含む先端面を有した、図１の噴射装置の噴射装置座部を拡大して示した斜視図であり、図３Ｂは、座部の出口通路を省いて図３Ａの噴射装置座部を示した断面図である。 図４Ａは、第２実施態様によるフィン構造体を含む先端面を有した噴射装置座部を示した斜視図であり、図４Ｂは、座部の出口通路を省いて図４Ａの噴射装置座部を示した断面図である。 図５Ａは、第３実施態様によるフィン構造体を含む先端面を有した噴射装置座部を示した斜視図であり、図５Ｂは、座部の出口通路を省いて図５Ａの噴射装置座部を示した断面図である。

図１には、一実施態様によるガソリン直接燃料噴射装置の全体が符号１０で示されている。この燃料噴射装置１０は、燃料入口１２と、燃料出口１４と、この燃料入口１２から燃料出口１４まで延在する燃料通路１６とを有している。この噴射装置１０は、従来のソレノイド操作式の噴射装置であって、コイル２０によって操作されるアーマチュア１８とを有している。電磁力は、コイル２０によって電子制御ユニット（図示せず）からの電流によって発生させられる。アーマチュア１８の動きにより、作動可能に取り付けられたニードル２２とボール弁２４とは、全体を符号２６で示した座部から離れる位置又はこの座部２６に隣接して係合する位置へと動かされる。ニードル２２とボール弁２４とは、噴射装置１０の弁構造を形成している。ボール弁２４を設ける代わりに、弁構造がニードル２２のみを有しているものであっても良く、このニードル２２の端部が座部２６と係合する。

ボール弁２４の動きにより、座部２６を貫通して設けられた少なくとも１つの調量オリフィス又は座部通路２８（図２）は開放又は閉鎖され、その都度、燃料噴射装置１０の燃料出口１４から燃料が流出するのを可能にする又は不可能にする。この実施態様では、座部２６のボディに複数の調量座部通路２８が設けられている。複数の又は少数の通路２８を形成する表面は用途に応じて設けることができる。これらの通路２８は、座部２６の外側の先端面３０の半球状又は凸面状の隆起部３２を貫通して延在している。外側の先端面３０の扁平面３３（図３Ａ）がこの隆起部３２を取り囲んでいる。扁平面３３は好適には、噴射装置１０の弁構造体内に座部２６を押し付けるために使用される。外側の先端面３０は、燃料噴射装置１０の一方の端部を画定しており、噴射装置先端面と考えることができる。隆起部３２はしばしば、「凹み（ｄｉｍｐｌｅ）」と言われる。

図３Ａと図３Ｂとには、一実施態様による座部２６が隆起部３２も含めて示されている。先端面３０の表面積を増大させるために、全体を符号３４で示されたフィン構造体が先端面３０に設けられている。この実施態様では、フィン構造体３４が、先端面３０の隆起部３２の表面に設けられているが、必要とあらば、先端面３０の扁平面３３に設けることもできる。図３Ａと図３Ｂの実施態様では、フィン構造体３４は、隆起部３２の外面に設けられた複数の溝３８として形成されていて、これらの溝３８は隆起部３２の中心から半径方向に延在している。溝３８は、座部通路２８に隣接しているが、座部通路２８又はボール弁２４が位置する通路４０とは連通しない。通路４０は燃料通路１６に連通している。複数の溝３８は同じ又は異なる長さ、幅、及び／又は深さを有していて良い。

フィン構造体３４を備えた外側の先端面３０により、噴射装置１０がエンジンと協働する場合には、先端面３０の表面積が増大するので、通路２８の周りの臨界区域における先端面３０の温度及びサック容積は増大する。従って、フィン構造体３４を含む外側の先端面３０は、燃焼ガスによって加熱されるように形成され配置されているので、外側の先端面３０は、フィン構造体３４が設けられていない場合に外側の先端面３０が到達する温度よりも高い温度に達し、従って、外側の先端面３０に接する燃料を気化させる。これにより気化、フラッシュボイリング、混合の作用を高める。先端面を高温に保ち、燃焼前の燃料を気化させることによっても、先端面上の堆積物を最小にすることができる。

図４Ａ、図４Ｂには、全体を符号３４´で示されたフィン構造体の別の実施態様が示されている。この実施態様では、溝３８´は全て、通路２８を取り囲む同心円として形成されている。溝３８´は、座部通路２８又は通路４０に連通しない。複数の溝３８´は同じ又は異なる幅及び／又は深さを有していて良い。この実施態様は有利である。何故ならば、座部２６は典型的には旋削部品であって、フィン構造体３４´は、サイクル時間に大きな影響なくねじ切り盤プロセスに加えることができるからである。

図５Ａ、図５Ｂには、全体を符号３４´´で示されたフィン構造体のさらに別の実施態様が示されている。この実施態様では、溝３８´´は、隆起部３２を横断するように線状に延在しており、座部通路２８に隣接している。溝３８´´は好適には、エンジンの吸入空気流、負荷運動、典型的な４バルブエンジンでは乱流を伴う排気流と整列していて、全て同じ方向に向けられている。溝３８´´が空気流と整列していることにより、熱伝達率は上がり、これにより先端面温度はさらに上昇することが見込まれる。溝３８´´は、座部通路２８又は通路４０に連通しない。複数の溝３８´´は同じ又は異なる長さ、幅、及び／又は深さを有していて良い。

外側の先端面３０の表面積をさらに増大させる別の手段は、隆起部３２のサイズと高さを増大することである。しかしながら、この手段には限界と欠点がある。燃料噴射装置のニードルの長さといった内部の構成部分を変更することなく隆起部３２のサイズと高さを最初に増大させるならば、肉薄な部分が生じることになり、これにより、燃料への熱伝達は減じられ、段のあるオリフィス孔が生じる。このようなことは製品として望ましくないことが知られている。肉薄部分を形成するならば、アーマチュアニードルアッセンブリは延長されなければならず、これは構成部分の製造とアッセンブリの加工に不都合な影響を与える。より大きな隆起部３２における肉薄部分は、座部に関する構造的問題につながる恐れがある。

図３Ａ、図４Ａ、図５Ａにはフィン構造体の様々な構成が示されているが、フィン構造がない場合の先端面と比較して、先端面３０の表面積が増大するならば、フィン構造は別の構成で設けられていて良い。フィン構造体は、熱伝達を最大化するために、表面積と溝の形状を最大化することに基づいて最良にすることができる。有利にはフィン構造体は、エンジン設計、燃料レール設計、組み立て加工に対して影響を与えない。座部の製造加工に対する影響は最小限である。フィン構造体を機械加工するのではなく、フィン構造体を、金属粉末射出成形プロセスにより簡単に成形することもできる。

上述した実施態様は、本発明の構造的かつ機能的原理を説明し、かつ好適な実施態様を使用する方法を説明するために示され、記載された。この実施態様は、このような原理を逸脱することなく変更することができる。従って本発明は、以下に示す請求の範囲の思想内にある全ての変化実施態様を含んでいる。

１０ 燃料噴射装置、 １２ 燃料入口、 １４ 燃料出口、 １６ 燃料通路、 １８ アーマチュア、 ２０ コイル、 ２２ ニードル、 ２４ ボール弁、 ２６ 座部、 ２８ 座部通路、 ３０ 外側の先端面、 ３２ 隆起部、 ３３ 扁平面、 ３４，３４´，３４´´ フィン構造体、 ３８，３８´，３８´´ 溝、 ４０ 通路

Claims (20)

1. 入口と、出口と、前記入口から前記出口への燃料流管路を形成する通路とを備えた燃料噴射装置であって、該燃料噴射装置には、
   前記通路内で第１の位置と第２の位置との間で可動な弁構造が設けられており、
   前記出口における座部であって、前記通路と連通する少なくとも１つの座部通路を有する座部が設けられており、該座部は、前記第１の位置にある前記弁構造の一部と接触するように係合し、これにより前記少なくとも１つの座部通路は閉鎖され、前記少なくとも１つの座部通路から燃料が流出するのは阻止されていて、前記弁構造は前記第２の位置では、前記少なくとも１つの座部通路から間隔を置いて位置しているので、燃料は前記通路を通って動き、前記少なくとも１つの座部通路を通って流出し、前記座部は外側の先端面を有していて、該先端面を貫通して少なくとも１つの座部通路が延在していて、
   前記外側の先端面にフィン構造体が設けられており、該フィン構造体は、前記外側の先端面の表面積が、前記フィン構造体が設けられていない外側の先端面の表面積と比較して増大されるように形成され、配置されていて、
   前記フィン構造体を含む外側の先端面は、燃焼ガスによって加熱されるように形成され配置されているので、前記外側の先端面は、前記フィン構造体が設けられていない場合に前記外側の先端面が到達する温度よりも高い温度に達し、従って、前記外側の先端面に接する燃料を気化させることを特徴とする、燃料噴射装置。
2. 前記外側の先端面は凸状の隆起部を有していて、該隆起部を貫通して前記少なくとも１つの座部通路が延在しており、前記フィン構造体は前記隆起部に設けられている、請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記フィン構造体は、前記少なくとも１つの座部通路と連通しないように、前記隆起部に設けられた複数の溝を有している、請求項２記載の燃料噴射装置。
4. 前記溝は、前記少なくとも１つの座部通路を取り囲む複数の同心円で形成されている、請求項３記載の燃料噴射装置。
5. 前記溝は、前記隆起部の中心に対して半径方向に延在していて、前記少なくとも１つの座部通路に隣接している、請求項３記載の燃料噴射装置。
6. 前記溝は、直線状に延在していて、前記少なくとも１つの座部通路に隣接しており、前記溝は、前記噴射装置がエンジンに組み込まれている場合、エンジンの吸入空気流に整列している、請求項３記載の燃料噴射装置。
7. 前記座部は全体として円筒状であって、前記隆起部を取り囲む扁平部分を有している、請求項２記載の燃料噴射装置。
8. 燃料噴射装置用の座部であって、
   少なくとも１つの座部通路を画定する表面を有したボディであって、前記表面を前記座部通路が貫通しているボディと、
   外側の先端面であって、該先端面を貫通して前記少なくとも１つの座部通路が延在している外側の先端面と、
   前記外側の先端面に設けられた手段であって、該手段が設けられていない外側の先端面の表面積と比較して、前記外側の先端面の表面積を増大させるための手段と、を有しており、
   前記座部が、エンジンと協働する燃料噴射装置に配置されている場合、前記手段を含む外側の先端面は、燃焼ガスによって加熱されるように形成され配置されているので、前記外側の先端面は、前記手段が設けられていない場合に前記外側の先端面が到達する温度よりも高い温度に達し、従って、前記外側の先端面に接する燃料を気化させることを特徴とする、燃料噴射装置用の座部。
9. 前記外側の先端面は凸状の隆起部を有していて、該隆起部を貫通して前記少なくとも１つの座部通路が延在しており、前記手段は前記隆起部に設けられている、請求項８記載の座部。
10. 前記手段は、前記少なくとも１つの座部通路と連通しないように、前記隆起部に設けられた複数の溝を有している、請求項９記載の座部。
11. 前記溝は、前記少なくとも１つの座部通路を取り囲む複数の同心円として形成されている、請求項１０記載の座部。
12. 前記溝は、前記隆起部の中心に対して半径方向に延在していて、前記少なくとも１つの座部通路に隣接している、請求項１０記載の座部。
13. 前記溝は、直線状に延在していて、少なくとも１つの座部通路に隣接しており、前記溝は、前記噴射装置がエンジンと協働する場合、エンジンの吸入空気流に整列している、請求項１０記載の座部。
14. 燃料噴射装置と協働してパティキュレートエミッションを減じる方法であって、
    入口と、出口と、前記入口から前記出口への燃料流管路を形成する通路とを備えた燃料噴射装置を設けるステップを有していて、該燃料噴射装置には、
    前記通路内で第１の位置と第２の位置との間で可動な弁構造が設けられており、
    前記出口における座部であって、前記通路と連通する少なくとも１つの座部通路を有する座部が設けられており、該座部は、前記第１の位置にある前記弁構造の一部と接触するように係合し、これにより前記少なくとも１つの座部通路は閉鎖され、前記少なくとも１つの座部通路から燃料が流出するのは阻止されていて、前記弁構造は前記第２の位置では、前記少なくとも１つの座部通路から間隔を置いて位置しているので、燃料は前記通路を通って動き、前記少なくとも１つの座部通路を通って流出し、前記座部は外側の先端面を有していて、該先端面を貫通して前記少なくとも１つの座部通路が延在していて、
    前記外側の先端面の少なくとも一部にフィン構造体を設けるステップを有しており、これにより、前記外側の先端面の表面積が、前記フィン構造体が設けられていない外側の先端面の表面積と比較して増大されることを特徴とする、燃料噴射装置と協働してパティキュレートエミッションを減じる方法。
15. 前記外側の先端面は凸状の隆起部を有していて、該隆起部を貫通して前記少なくとも１つの座部通路が延在しており、前記フィン構造体は前記隆起部の表面に設けられている、請求項１４記載の方法。
16. 前記フィン構造体を、前記少なくとも１つの座部通路と連通しないように、前記隆起部に設けられた複数の溝として設ける、請求項１５記載の方法。
17. 前記溝を、前記少なくとも１つの座部通路を取り囲む複数の同心円として形成する、請求項１５記載の方法。
18. 前記溝は、前記隆起部の中心に対して半径方向に延在していて、前記少なくとも１つの座部通路に隣接している、請求項１５記載の方法。
19. 前記溝は直線状に延在しており、前記方法はさらに、
    前記溝がエンジンへの吸入空気流と整列するように、前記噴射装置を前記エンジンと協働させるステップを有している、請求項１５記載の方法。
20. 前記座部は全体として円筒状に設けられていて、前記隆起部を取り囲む扁平部分を有している、請求項１５記載の方法。