JP2017180242A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン等に対する燃料の噴霧状態を変更でき、製造コストを低減させた燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズルボディ１０と、ノズルボディ１０内に配置されたニードル弁２０と、を備え、ノズルボディ１０の先端部には、内側が柱状に盛り上がった円環状に設けられた半円溝１３が形成され、噴孔１２に連通する円筒状のサック室１４が設けられ、ノズルボディ１０のシート面１１にニードル弁２０が接触したニードル着座時に、サック室１４の側壁１５の端面とニードル弁２０の先端突起部２２の端面とが接触しないように隙間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。

例えば、複数の噴孔を備えるノズルボディとノズボディ内に配置されたニードル弁とを備えたノズルにおいて、ニードル弁の周囲に燃料を旋回させるための溝である燃料旋回部とそこに燃料を導く案内溝を設けた構成が開示されている（特許文献１）。ニードル弁が低リフト位置にあり、噴孔と燃料旋回部との一部がオーバーラップする位置では燃料が拡散噴霧状態となり、ニードル弁が高リフト位置にあり、噴孔と燃料旋回部とがオーバーラップしない位置では燃料が柱状噴霧状態となる。

特開２００６−１１８４９３号公報

ところで、ニードル弁の外周面に噴孔の一部とオーバーラップする燃料旋回部のような溝を設ける場合、ノズルボディに対してニードル弁が適切な位置までリフトアップされたときに噴孔と燃料旋回部の溝とがオーバーラップするような適切な位置に溝を形成する必要がある。このような位置に燃料旋回部となる溝を加工することは非常に高い加工精度が必要とされ、加工コストが高くなる。特に、近年の排気ガス規制の条件を満たすためには噴孔を０．１ｍｍ以下まで小径化する場合があり、このように小さな径の噴孔に対して適切な位置に溝を加工することは難しく、さらなるコストアップの原因となっている。

本発明の１つの態様は、噴孔を有するノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、前記ノズルボディの先端部には、略円錐形状のノズルボディシート面に連接し、前記先端部には内側が柱状に盛り上がった円環状に設けられた半円溝が形成され、前記噴孔に連通する円筒状のサック室が設けられ、前記ノズルボディのシート面に前記ニードル弁が接触したニードル着座時に、前記サック室の側壁の端面と前記ニードル弁の先端部の端面とが接触しないように隙間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。

本発明の別の態様は、噴孔を有するノズルボディと、前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、を備え、前記ノズルボディの先端部には、略円錐形状のノズルボディシート面に連接し、前記噴孔に連通する円筒状のサック室が設けられ、前記ニードル弁の先端部には、内側が柱状に盛り上がった円環状に設けられた半円溝が形成され、前記ノズルボディのシート面に前記ニードル弁が接触したニードル着座時に、前記サック室の側壁の端面と前記ニードル弁の先端部の端面とが接触しないように隙間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、前記ニードル弁の先端部には、前記円環の半径Ｒｈより大きい半径Ｒｎを有する円柱状のニードル突起部が設けられ、前記ニードル着座時には、前記ニードル弁の先端部が前記ノズルボディの前記サック室の側壁とオーパラップすることが好適である。

また、前記半径Ｒｎは、前記半径Ｒｈ＋前記半円溝の半径Ｒｓの１／２以上であることが好適である。また、前記半径Ｒｎは、前記半径Ｒｈ＋前記半円溝の半径Ｒｓの３／４以上であることがより好適である。

また、前記噴孔の中心軸（Ｍ）がノズル中心軸（Ｎ）からオフセットしていることが好適である。

本発明によれば、エンジン等に対する燃料の噴霧状態を変更でき、製造コストを低減させた燃料噴射装置を提供することができる。

第１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。 第１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。 第１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。 第１の実施の形態における燃料噴射装置の変形例の構成を示す側面断面図である。 第１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。 第１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。 第１の実施の形態における燃料噴射装置の変形例１の構成を示す側面断面図である。 第１の実施の形態における燃料噴射装置の変形例２の構成を示す側面断面図である。 第１の実施の形態における燃料噴射装置の変形例２の構成を示す平面断面図である。 変形例２における低リフト時の燃料の流れの例を示す図である。 変形例２における高リフト時の燃料の流れの例を示す図である。 第２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。 第２の実施の形態における高リフト時の状態を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における燃料噴射装置１００は、図１〜図３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。図１は、図３におけるＥ−Ｆライン横断面図を示す。図２は、図３におけるＧ−Ｈライン横断面図を示す。図３は、図２におけるＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄライン断面図を示す。

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。

シート面１１よりも下流側に噴孔１２が設けられる。噴孔１２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。噴孔１２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。噴孔１２の中心軸Ｍをノズル中心軸Ｎからオフセットさせて、放射状に複数（例えば６〜１２個）設けられる。すなわち、噴孔１２は、ノズル中心軸Ｎからノズルボディ１０の半径方向に向かうラインから距離Ｘだけオフセットされた位置においてノズルボディ１０の半径方向に向けてノズルボディ１０の周方向に沿って所定間隔で配置される。

ニードル弁２０は、ノズルボディ１０の内壁面と対応する略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。ニードル弁２０の先端部には、略円柱状の先端突起部２２が形成される。

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噴孔１２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。

ノズルボディ１０の先端部には、シート面１１に連接する側壁１５とニードル弁２０との間に円筒状のサック室１４が形成される。本実施の形態では、ノズルボディ１０の先端部に燃料旋回部としてのノズル中心軸Ｎを中心とした半径Ｒｈの円環状に半径Ｒｓの半円溝１３が設けられる。半円溝１３は、その内側に噴孔１２の入口が位置するように、ノズルボディ１０の先端部のシート面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。なお、半円溝１３は、完全な半円でなくともよく、後述するように燃料旋回部として燃料を旋回させるような形状とすればよい。

円環状に形成された半円溝１３の内側には円柱状に盛り上がった柱状部１６が設けられる。ニードル弁２０が着座した状態において、柱状部１６の上端面とニードル弁２０の先端突起部２２の下端面とが衝突しないように隙間δが空けられている。隙間δは、できるだけ小さい方が好ましいが、熱膨張等の影響を考慮すると０．１ｍｍ程度にすることが好適である。

ニードル弁２０の着座時には、サック室１４の側壁１５とニードル弁２０の先端突起部２２とが長さＬ０だけオーバーラップする。また、着座時において、ニードル弁２０の先端突起部２２の側面とサック室１４の側壁１５との間に形成される燃料経路は略平行とすることが好適である。また、図４に示すように、ニードル弁２０の先端突起部２２を下流に行くほど燃料経路が狭くなるようにテーパ形状にしてもよい。

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５及び図６は、それぞれ低リフト状態における燃料の噴射状況及び高リフト状態における燃料の噴射状況を説明するための図である。

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に着座しているときには噴孔１２への通路が閉じられる。この状態からリフト量の小さい低リフト位置にニードル弁２０を移動させると、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０のシート部２１との間に僅かな間隙が生じる。この状態において燃料噴射装置１００に燃料を供給すると、図５に示すように、サック室１４の側壁１５とニードル弁２０の先端突起部２２と隙間から燃料がサック室１４内に流入し、側壁１５と半円溝１３の内面に沿って縦渦３０が形成される。燃料は、縦渦３０となって半円溝１３内において螺旋状に旋回しながら噴孔１２の入口に流入する。このとき、噴孔１２の延設方向（中心軸Ｍに沿った方向）からの流れ（図中、Ｒ側からの流れ）は噴孔１２に比較的スムーズに流入し、燃料はそのまま噴孔１２内において旋回しながら噴孔１２の出口から噴出される。一方、噴孔１２の延設方向（中心軸Ｍに沿った方向）に沿わない流れ（図中、Ｌ側からの流れ）も噴孔１２の延設方向（中心軸Ｍに沿った方向）の流れ（図中、Ｒ側からの流れ）に沿って流れを妨げることなく噴孔１２に流入する。これにより、噴孔１２内では１つの大きな旋回流が形成され、噴孔１２の出口では強い遠心力が作用して噴霧が半径方向に分散され、噴霧角が大きな噴霧が形成される。これによって、燃料の運動量が広範囲に分散するので貫徹力が小さくなる。

ここで、ニードル弁２０の先端突起部２２の側壁（流路が最も狭くなる部分）の半径Ｒｎは、円環の半径Ｒｈよりも大きく、円環の半径Ｒｈ＋半円溝１３の半径Ｒｓの１／２以上とすることが好適であり、さらに円環の半径Ｒｈ＋半円溝１３の半径Ｒｓの３／４以上とすることがより好適である。半径Ｒｎ、Ｒｈ及びＲｓをこのような関係とすることによって、低リフト状態においてサック室１４内において燃料の強い旋回流を形成することができる。

また、噴孔１２の中心軸Ｍは、サック室１４の側壁１５の円筒部と半円溝１３の接点を概ね通るように配置することが好適である。特に、噴孔１２の中心軸Ｍのオフセット量Ｘは円環の半径Ｒｈに略等しくすることが好適である。これによって、半円溝１３内における燃料の渦中心と噴孔１２の中心軸Ｍとが略一致するため、噴孔１２内に燃料がよりスムーズに流入し、噴孔１２内においてより強い螺旋状の旋回流を得ることができる。

また、図４に示すように、ニードル弁２０の先端突起部２２を下流に行くほど燃料経路が狭くなるようにテーパ形状にしてもよい。先端突起部２２をテーパ形状にすることによって、下流ほど燃料流路が狭くなり、燃料経路部分での圧力損失を低減することができる。

ニードル弁２０のリフト量が大きくなり、ニードル弁２０のシート部２１とノズルボディ１０のシート面１１との間隙が拡がると、図６に示すように、シート部２１とシート面１１との間の燃料の流路が拡がり、シート面１１に沿ってサック室１４内に燃料が流入し、半円溝１３内での旋回による縦渦３０が形成されなくなる。したがって、燃料は縦渦３０となって旋回することなく噴孔１２の出口まで流れる。したがって、噴霧角が小さな、貫徹力が大きい噴霧が形成される。

［変形例１］
図７は、本実施の形態の変形例１に係る燃料噴射装置１０２の構成を示す図である。燃料噴射装置１０２では、ニードル弁２０の先端突起部２２に円柱状の窪み２３が設けられる。この場合、ニードル弁２０が低リフト状態にあり、ノズルボディ１０の柱状部１６とニードル弁２０の先端突起部２２とのオーバーラップが長さＬ０より小さいときに半円溝１３の内側に形成された柱状部１６が窪み２３内に挿入された状態となるような構成とする。

燃料噴射装置１００では、ニードル弁２０のリフト量が小さく、オーバーラップが長さＬ０より小さい場合において、リフト量が大きくなるほど柱状部１６の先端面と先端突起部２２の先端面との間に形成される空間が大きくなり、サック室１４内に形成される縦渦３０の旋回流が弱くなる。これに対して、本変形例における燃料噴射装置１０２では、リフト量が大きくなっても柱状部１６側面と先端突起部２２の側面との隙間が一定に維持されるのでサック室１４内に形成される縦渦３０の旋回流を強く維持することができる。

［変形例２］
図８及び図９は、本実施の形態の変形例２に係る燃料噴射装置１０４の構成を示す図である。図８は、図９におけるＥ−Ｆライン横断面図を示す。図９は、図８におけるＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄライン断面図を示す。

図９の平面断面図に示すように、燃料噴射装置１０４では、噴孔１２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。すなわち、噴孔１２は、ノズルボディ１０の半径方向に向いており、ノズルボディ１０の周方向に沿って所定間隔で配置される。

図１０及び図１１は、それぞれ低リフト状態における燃料の噴射状況及び高リフト状態における燃料の噴射状況を説明するための図である。

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に着座しているときには噴孔１２への通路が閉じられる。この状態からリフト量の小さい低リフト位置にニードル弁２０を移動させると、ノズルボディ１０の内壁面とニードル弁２０のシート部２１との間に僅かな間隙が生じる。この状態において燃料噴射装置１０４に燃料を供給すると、図１０に示すように、サック室１４の側壁１５とニードル弁２０の先端突起部２２と隙間から燃料がサック室１４内に流入し、側壁１５と半円溝１３の内面に沿って縦渦３０が形成される。燃料は、縦渦３０となって半円溝１３内において旋回しながら噴孔１２の入口に流入する。このとき、図１０に示すように、噴孔１２の入口のＲ側とＬ側から螺旋状に燃料が流入するので、噴孔１２内ではそれぞれが異なる渦中心（図中、破線で示す）をもつ双子渦３２となって旋回しながら噴孔１２の出口から噴出される。噴孔１２の出口から噴射された燃料は双子渦３２の旋回する流れに起因する遠心力によって噴霧が半径方向に分散され、噴霧角が大きなものとなる。これによって、燃料の運動量が広範囲に分散するので貫徹力が小さくなる。

上記実施の形態における燃料噴射装置１００及び変形例１の燃料噴射装置１０２に比べて、双子渦３２の旋回半径が縦渦３０の旋回半径よりも小さいために遠心力が弱くなり、噴霧角はより小さくなる。しかしながら、噴孔１２の加工において位置の精度を高くすることができ、また加工が容易であるという利点がある。

ニードル弁２０のリフト量が大きくなり、ニードル弁２０のシート部２１とノズルボディ１０のシート面１１との間隙が拡がると、図１１に示すように、シート部２１とシート面１１との間の燃料の流路が拡がり、半円溝１３内での双子渦３２が弱く又は形成されなくなる。したがって、燃料は渦となって旋回することなく噴孔１２の出口まで流れる。したがって、噴霧角が小さな、貫徹力が大きい噴霧が形成される。

＜第２の実施の形態＞
上記燃料噴射装置１００〜１０４ではノズルボディ１０側に円環状の半円溝１３を設ける構成としたがニードル弁２０に円環状の半円溝１３を設ける構成としてもよい。

図１２は、第２の実施の形態における燃料噴射装置１０６の構成を示す横断面図である。燃料噴射装置１０６は、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とされる。

燃料噴射装置１０６では、ニードル弁２０の先端突起部２２の外周に円環状の半円溝１３が形成される。ニードル弁２０の先端突起部２２に燃料旋回部としてのノズル中心軸Ｎを中心とした半径Ｒｈの円環状に半径Ｒｓの半円溝１３が設けられる。半円溝１３は、ニードル弁２０の先端突起部２２の外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。なお、半円溝１３は、完全な半円でなくともよく、後述するように半円溝１３を燃料旋回部として燃料を旋回させるような形状であればよい。円環状に形成された半円溝１３の内側には円柱状に盛り上がった柱状部２４が設けられる。

燃料噴射装置１０６においても、燃料噴射装置１００〜１０４と同様に、ニードル弁２０のリフト量に応じて燃料の噴霧状態を変更することができる。ニードル弁２０が低リフト状態では、サック室１４の側壁１５とニードル弁２０の先端突起部２２と隙間から燃料がサック室１４内に流入し、側壁１５と半円溝１３の内面に沿って縦渦が形成される。燃料は、縦渦となって半円溝１３内において螺旋状に旋回しながら噴孔１２の入口に流入する。これにより、噴孔１２内では１つの大きな旋回流が形成され、噴孔１２の出口では強い遠心力が作用して噴霧が半径方向に分散され、噴霧角が大きな噴霧が形成される。これによって、燃料の運動量が広範囲に分散するので貫徹力が小さくなる。

一方、図１３に示すようなニードル弁２０が高リフト状態にある場合、ニードル弁２０のシート部２１とノズルボディ１０のシート面１１との間隙が拡がり、シート面１１に沿ってサック室１４内に燃料が流入し、半円溝１３内での旋回による縦渦が形成されなくなる。したがって、燃料は旋回することなく噴孔１２の出口まで流れる。したがって、噴霧角が小さな、貫徹力が大きい噴霧が形成される。

以上のように、本実施の形態における燃料噴射装置１００〜１０６によれば、ニードル弁２０のリフト量が小さい状態では燃料の噴霧角が大きく、貫徹力が小さな噴霧が得られる。また、ニードル弁２０のリフト量が大きい状態では燃料の噴霧角が小さく、貫徹力が大きな噴霧が得られる。

なお、上記燃料噴射装置１００〜１０６に係る構成を適宜組み合わせた構成としてもよい。

１０ ノズルボディ、１１ シート面、１２ 噴孔、１３ 半円溝、１４ サック室、１５ 側壁、１６ 柱状部、２０ ニードル弁、２１ シート部、２２ 先端突起部、２４ 柱状部、３０ 縦渦、３２ 双子渦、１００，１０２，１０４，１０６ 燃料噴射装置。

Claims (6)

1. 噴孔を有するノズルボディと、
   前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、
   を備え、
   前記ノズルボディの先端部には、略円錐形状のノズルボディシート面に連接し、前記先端部には内側が柱状に盛り上がった円環状に設けられた半円溝が形成され、前記噴孔に連通する円筒状のサック室が設けられ、
   前記ノズルボディのシート面に前記ニードル弁が接触したニードル着座時に、前記サック室の側壁の端面と前記ニードル弁の先端部の端面とが接触しないように隙間が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 噴孔を有するノズルボディと、
   前記ノズルボディ内に配置されたニードル弁と、
   を備え、
   前記ノズルボディの先端部には、略円錐形状のノズルボディシート面に連接し、前記噴孔に連通する円筒状のサック室が設けられ、
   前記ニードル弁の先端部には、内側が柱状に盛り上がった円環状に設けられた半円溝が形成され、
   前記ノズルボディのシート面に前記ニードル弁が接触したニードル着座時に、前記サック室の側壁の端面と前記ニードル弁の先端部の端面とが接触しないように隙間が設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃料噴射装置であって、
   前記ニードル弁の先端部には、前記円環の半径Ｒｈより大きい半径Ｒｎを有する円柱状のニードル突起部が設けられ、
   前記ニードル着座時には、前記ニードル弁の先端部が前記ノズルボディの前記サック室の側壁とオーパラップすることを特徴とする燃料噴射装置。
4. 請求項３に記載の燃料噴射装置であって、
   前記半径Ｒｎは、前記半径Ｒｈ＋前記半円溝の半径Ｒｓの１／２以上であることを特徴とする燃料噴射装置。
5. 請求項３に記載の燃料噴射装置であって、
   前記半径Ｒｎは、前記半径Ｒｈ＋前記半円溝の半径Ｒｓの３／４以上であることを特徴とする燃料噴射装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置であって、
   前記噴孔の中心軸（Ｍ）がノズル中心軸（Ｎ）からオフセットしていることを特徴とする燃料噴射装置。