JP2016142247A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内壁への燃料付着を抑制することができ、燃料のオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物の発生を防止することができる燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズルボディ１０とニードル弁２０とを備え、ノズルボディ１０は、ニードル弁２０の先端との間で空間を形成するサック部１４と、ニードル弁２０の外周面が着座するシート部１１より下流かつサック部１４より上流の内壁に形成された全周溝１３と、を有し、全周溝１３及びサック部１４内に燃料を噴射するための全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂが設けられている燃料噴射装置１００とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、噴霧形状を変更できる燃料噴射装置に関する。

自動車等のエンジンに対して燃料を噴射する燃料噴射装置において、噴孔から噴射させる燃料の噴霧状態を変更する技術が開発されている。

第１燃料流路と第２燃料流路とが第１及び第２噴孔の開閉にかかわらず常に連通しており、第２ニードルの先端側に常に燃料が導かれ、第２ニードルに対して常に開方向に付勢力を及ぼすことによって第２ニードルを単独でリフトさせることを可能とし、噴射量が少ないときでも第２噴孔から燃料を噴射してデポジットの堆積を防止したり、堆積したデポジットを除去したりすることができるノズルの構造が開示されている（特許文献１）。

また、サック室に摺動自在に嵌合して第２の噴孔を開閉する摺動軸部をニードルの先端部に設け、シート部がシート面に着座する直前まで摺動軸部の内部を通るバイパス通路がサック室と第１の噴孔との間を連通することによって、摺動軸部が第２の噴孔を閉じた後、更にニードルが下降してもサック室の燃料が圧縮されることはなくバイパス通路を通って第１の噴孔から噴射されるノズルの構成が開示されている（特許文献２）。

特開２００７−２３９７３５号公報 特開２００４−１１５２６号公報

２つのニードルを制御して噴射に利用される噴孔の数を変化させる構成を採用した場合、ニードル着座時に燃料漏れを起こさないように、第１のニードルと第２のニードルとを同心に配置するために高い加工精度（同心度、円筒度等）が必要となる。また、ノズルの外径が大きくなる。さらに、２つのニードルを制御するためにそれぞれソレノイドを必要とし、製品コストが上昇してしまう。

また、ニードルの先端部にバイパス通路を設けて、ニードルのリフト量に応じて噴射に利用される噴孔の数を変化させる構成では、ニードル先端部に形成された第２の噴孔を開閉する摺動軸の他にニードル後端部にも摺動部があり、いずれの摺動部からも燃料が漏れないように高い加工精度（同心度、円筒度等）を必要とする。また、噴孔を開閉するためのバイパス通路をニードル内部に設けた構成は機械的な強度を弱め、バイパス通路部に力が加わったときに破損を生ずるおそれがある。

本発明の１つの態様は、ノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、前記ノズルボディは、前記ニードル弁の先端との間で空間を形成するサック部と、前記ニードル弁の外周面が着座するニードルシート部より下流かつ前記サック部より上流の内壁に形成された全周溝と、を有し、前記サック部及び前記全周溝内に燃料を噴射するための噴孔が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置である。

ここで、前記全周溝の入口の延長線と前記ニードルシート部の面とのなす角が１５°以上であることが好適である。さらに、前記全周溝の入口の延長線と前記ニードルシート部の面とのなす角が３０°以上であることがより好適である。

本発明によれば、高い加工精度を必要とすることなく、パイロット噴射やポスト噴射等の燃料の多段噴射を行う際にシリンダ内壁への燃料付着を抑制することができる燃料噴射装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における燃料噴射装置の構成を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態における燃料噴射装置での燃料流れの計算結果を示す図である。 本発明の実施の形態における低リフト時の燃料の流れの例を示す図である。 本発明の実施の形態における高リフト時の燃料の流れの例を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料噴射装置での燃料流れの計算結果を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料噴射装置の構成を示す平面断面図である。 本発明の実施の形態における燃料噴射装置の全周溝の形状を説明する図である。 本発明の実施の形態における燃料噴射装置の全周溝の形状を説明する図である。

本発明の実施の形態における燃料噴射装置１００は、図１の部分拡大断面図に示すように、ノズルボディ１０及びニードル弁２０を備える。ノズルボディ１０は、略円筒状であり、内部にニードル弁２０を収納する空間を有する。ニードル弁２０は、ノズルボディ１０内に収納され、ノズル中心軸Ｎに沿って往復運動が可能に配置される。

ノズルボディ１０のノズル側となる先端部は略円錐状に形成され、ノズルボディ１０の内壁面は、燃料の流れの上流側が円筒状とされ、下流側が円錐状に形成される。内壁面の円錐状部はニードル弁２０が着座するシート面１１とされている。

ニードル弁２０の先端部は、ノズルボディ１０の内壁面と対応する円錐状に形成される。円錐状部の表面は、ノズルボディ１０のシート面１１に着座するシート部２１となる。すなわち、ニードル弁２０のシート部２１がノズルボディ１０のシート面１１に押しつけられることによって、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０の外周面とによって形成される燃料供給路からの燃料の供給を止めることができる。

また、ノズルボディ１０のニードル弁２０の先端部に対向する部分にはサック部１４が形成される。サック部１４は、ニードル弁２０の先端部において燃料溜まりとなる部分である。サック部１４は、例えば、ノズルボディ１０の内壁面を半球状に加工して形成される。

また、ノズルボディ１０のシート面１１に全周溝１３が設けられる。全周溝１３は、シート面１１より下流、かつサック部１４より上流のノズルボディ１０の内壁に形成される。シート面１１の内周面をノズル中心軸Ｎの周りを周回するように環状に切欠いて形成される。

本実施の形態では、全周溝１３及びサック部１４にそれぞれ全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂが形成される。全周溝側噴孔１２ａは、全周溝１３の内側にその入口が位置するように形成される。サック部側噴孔１２ｂは、サック部１４の内側にその入口が位置するように形成される。

全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂは、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０の外壁面との間隙を通って供給される燃料を噴霧するための孔である。全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂの径は、これに限定されるものではないが、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下程度の大きさにすることが好適である。全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂは、ノズル中心軸Ｎから放射状に複数（例えば６〜１２個）設けられる。

燃料噴射装置１００は、ニードル弁２０をノズル中心軸Ｎに沿って移動させるためのニードル移動機構（図示しない）を備える。ノズルボディ１０内を下流方向にニードル弁２０を移動させるとシート部２１がシート面１１に接触する。これによって、燃料噴射装置１００は閉弁状態となる。閉弁状態からニードル弁２０を上流方向に移動させると、シート部２１とシート面１１とが離間され、シート部２１とシート面１１との間隙を通じて燃料が全周溝１３又は／及びサック部１４に供給される。これによって、燃料噴射装置１００は開弁状態となる。

以下、ニードル移動機構によって、シート部２１がシート面１１から十分に離れた状態までニードル弁２０が移動（リフト）された状態を高リフト状態と称し、シート部２１とシート面１１とが近い状態を低リフト状態と称する。

図２は、このような構成の燃料噴射装置１００における燃料の流れを数値計算して、全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂから噴射される燃料のボイド率を計算した結果を示す。数値計算には、ＡＶＬ社製熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２０１０）を用いた。ボイド率は、流体の単位体積内に含まれる気相の体積割合である。図２では、ボイド率を濃淡で示し、ボイド率が高いほど薄く、ボイド率が低いほど濃く表わしている。

なお、ニードル弁２０の開弁前におけるシート面１１より下流の全周溝１３、サック部１４、全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂ内は空気で満たされた状態（以下、ケースＡと称する）として計算した。

ニードル弁２０のリフト開始直後、すなわちニードル弁２０が低リフト状態である期間は、図２（ａ）に示すように、燃料はシート面１１と全周溝１３との境界部分でノズルボディ１０の内壁面から剥離した状態で、ニードル弁２０の外周面に沿ってサック部１４内に流入する。そして、図２（ｂ）に示すように、サック部１４に流入した燃料がサック部側噴孔１２ｂから燃焼室に噴射される。このとき、全周溝側噴孔１２ａから燃料は噴射されない。図３（ａ）は、このときの燃料の流れを模式的に示す。

さらにニードル弁２０のリフト量が大きくなり、ニードル弁２０が高リフト状態になると、図２（ｃ）に示すように、燃料は全周溝１３内にも流入するようになり、サック部側噴孔１２ｂと共に全周溝側噴孔１２ａからも燃料が噴射される。図３（ｂ）は、このときの燃料の流れを模式的に示す。

ニードル弁２０がノズルボディ１０のシート面１１に着座して、サック部１４内への燃料の供給が停止しても、慣性によってシート部２１より下流に残留した燃料の一部がサック部側噴孔１２ｂ及び全周溝側噴孔１２ａ（高リフト噴射条件の場合）から噴射される。また、サック部側噴孔１２ｂ及び全周溝側噴孔１２ａが絞りとなり、排気行程時にはサック部１４内及び全周溝１３内の圧力が燃焼室内より高くなる時期があり、サック部１４内や全周溝１３内に残留している燃料の一部がサック部側噴孔１２ｂや全周溝側噴孔１２ａから流出する。これに伴って、噴射又は流出された燃料の体積に相当する気体が燃焼室からサック部１４内や全周溝１３内に流入する。したがって、燃料の噴射開始前のサック部１４内や全周溝１３内に存在する燃料は少量であると考えられるが、サック部１４の形状やサック部側噴孔１２ｂ，全周溝側噴孔１２ａの大きさ、エンジンの運転条件等に応じてサック部１４や全周溝１３内に残留する燃料の量は変化することが推測される。

そこで、最も極端な例として、ニードル弁２０の開弁前におけるシート面１１より下流が燃料で満たされた状態（以下、ケースＢと称する）について、ニードル弁２０のリフト量が小さいときのボイド率と流速分布を計算した。

図４は、ケースＡとケースＢにおける計算結果を示す。図４では、ボイド率を濃淡で示し、ボイド率が高いほど薄く、ボイド率が低いほど濃く表わしている。また、燃料の流速を濃淡で示し、流速が小さいほど薄く、流速が大きいほど濃く表わしている。ケースＢでは、ニードル弁２０のリフト量が小さい低リフト状態においてもサック部側噴孔１２ｂと共に全周溝側噴孔１２ａからも燃料が流出する。しかしながら、全周溝側噴孔１２ａからの流出速度はサック部側噴孔１２ｂからの流出速度の約１／２である。なお、リフト量が大きい高リフト状態では、ケースＢにおける燃料の噴射はケースＡと同様である。

ディーゼルエンジンでは、排気浄化を目的として、早期パイロット噴射やポスト噴射等の複数回に分割された多段階の燃料噴射が取り入れられている。早期パイロット噴射やポスト噴射では、ピストンが下降した位置、すなわち燃焼室内の雰囲気圧力が低い状態において燃料が噴射されるので、シリンダ内壁への燃料付着に伴うオイル希釈や未燃炭化水素化合物（ＨＣ）の発生を抑制するために貫徹力の小さい噴射が要求される。

早期パイロット噴射やポスト噴射における燃料の噴射量は数ｍｍ^３である。この程度の噴射量では、ニードル弁２０のリフト量は小さく、ケースＡの条件では、上記図２（ｂ）に示したように、サック部側噴孔１２ｂのみから燃料が噴射される。燃料噴射装置１００では、全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂが設けられており、サック部１４のみに噴孔が設けられている従来の燃料噴射装置と噴孔の開口面積と合わせるように全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂのそれぞれの径が小さくされている。噴孔の径が小さいほど噴孔から噴射される燃料の噴霧の貫徹力が小さいため、エンジンのシリンダ内壁への燃料の付着を抑制することができる。これによって、燃料のオイルによる希釈や未燃炭化水素化合物（ＨＣ）の発生も抑制される。

また、ケースＢの条件では、サック部側噴孔１２ｂと共に全周溝側噴孔１２ａからも燃料が噴出するが、全周溝側噴孔１２ａからの流出速度はサック部側噴孔１２ｂからの流出速度の約１／２であり、噴霧の貫徹力はサック部側噴孔１２ｂからの噴射が支配的である。したがって、ケースＡの条件と同様に、従来の燃料噴射装置による噴射よりも貫徹力が小さくなり、ケースＢにおいてもエンジンのシリンダ内壁への燃料の付着を抑制することができる。また、燃料のオイルによる希釈や未燃炭化水素化合物（ＨＣ）の発生も抑制される。

一方、主噴射時には、ニードル弁２０のリフト量が大きくなり、図２（ｃ）に示したように、サック部側噴孔１２ｂと共に全周溝側噴孔１２ａからも燃料が噴射される。このとき、全周溝側噴孔１２ａからの流出速度はサック部側噴孔１２ｂからの流出速度と同程度となる。そこで、全周溝側噴孔１２ａとサック部側噴孔１２ｂとを近接配置し、両方から噴射された燃料が両方の開口面積の合計に等しい１つの噴孔から噴射された状態と同じになれば、従来の燃料噴射装置と同程度の貫徹力を有する噴霧が実現される。

具体的には、図１に示すように、全周溝側噴孔１２ａの噴射角θｇとサック部側噴孔１２ｂの噴射角θｓとを略等しくすることが好適である。また、図５に示すように、ノズル中心軸Ｎの周方向における全周溝側噴孔１２ａとサック部側噴孔１２ｂとの角度αを略０にすればよい。なお、図５は、図１のラインＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ及びラインＡ’−Ｂ’−Ｃ’−Ｄ’に沿った断面を示している。図５では、表現の便宜上、ラインＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄに沿った断面を破線及びラインＡ’−Ｂ’−Ｃ’−Ｄ’に沿った断面を実線で示す。

なお、主噴射時における噴霧貫徹力が弱くてもよい場合には、全周溝側噴孔１２ａの噴射角θｇとサック部側噴孔１２ｂの噴射角θｓとを異ならせたり、周方向の角度αを大きく設定したりすればよい。

また、図６及び図７に示すように、全周溝１３の入口の延長線Ｘとノズルボディ１０のシート面１１とがなす角度βを１５°以上とすることが好適である。このような角度βとすることによって、ニードル弁２０のリフト量が小さいときに全周溝１３の入口付近で燃料がノズルボディ１０の内面から剥離し、ニードル弁２０の表面に沿って燃料をサック部１４に流入させることができる。ただし、エンジンの運転条件等の変動を考慮すると、燃料噴射装置１００の安定性を高めるために角度βは３０°以上とすることがより好適である。

なお、全周溝１３の入口の延長線Ｘは、図６のように全周溝１３の入口が直線である場合には直線をそのまま延長した線とし、図７のように全周溝１３の入口が曲線である場合には曲線の接線方向に延長した線とする。ここで、全周溝側噴孔１２ａ及びサック部側噴孔１２ｂの流量係数を増加させる目的でノズルボディ１０の内面に流体研磨を施すことがあるが、これによって全周溝１３の入口に２０μｍ程度の丸め（Ｒ）が付くことがある。しかしながら、この程度の丸め（Ｒ）であれば、低リフト状態における燃料の剥離に対して大きな影響はないので、延長線Ｘは丸め（Ｒ）を考慮せず、流体研磨前の形状に基づいて定めればよい。

以上のように、本発明の実施の形態における燃料噴射装置１００によれば、燃料のオイル希釈や未燃焼の炭化水素化合物の発生を抑制することができる。また、燃料噴射装置１００は、非常に簡単な構造であるため、高い加工精度を必要とすることなく、加工時間や製造コストを低減することができる。また、ニードル弁２０の機械的強度を損なうことなく、耐久性に優れた燃料噴射装置１００を提供することができる。

１０ ノズルボディ、１１ シート面、１２ａ 全周溝側噴孔、１２ｂ サック部側噴孔、１３ 全周溝、１４ サック部、２０ ニードル弁、２１ シート部、１００ 燃料噴射装置。

Claims (3)

1. ノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、
   前記ノズルボディは、前記ニードル弁の先端との間で空間を形成するサック部と、前記ニードル弁の外周面が着座するニードルシート部より下流かつ前記サック部より上流の内壁に形成された全周溝と、を有し、
   前記サック部及び前記全周溝内に燃料を噴射するための噴孔が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射装置であって、
   前記全周溝の入口の延長線と前記ニードルシート部の面とのなす角が１５°以上であることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項２に記載の燃料噴射装置であって、
   前記全周溝の入口の延長線と前記ニードルシート部の面とのなす角が３０°以上であることを特徴とする燃料噴射装置。