JP2020125707A - ノズル及び燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁のノズル近傍における噴霧間の空気を有効に利用することを可能とするノズルおよび燃料噴射弁を提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁に備えられたノズルであって、前記ノズルは、前記ノズルの中心軸を囲む様に配置された複数の噴孔を備え、前記複数の噴孔は、噴孔径の異なる２種類の噴孔からなり、かつ、隣り合う噴孔の噴孔径が異なるように配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁、及び燃料噴射弁に備えられるノズルに関する。

従来、内燃機関の燃焼室に直接燃料を噴射する、直噴式の燃料噴射制御装置が公知である。特に直噴式のディーゼルエンジンにおいては、蓄圧式燃料噴射制御装置が広く用いられている。蓄圧式燃料噴射制御装置は、高圧ポンプによって燃料を加圧して蓄圧器であるコモンレールへ圧送して蓄圧し、その蓄圧された高圧燃料を燃料噴射弁へ供給することにより、燃料噴射弁による内燃機関への高圧燃料の噴射を可能とする。蓄圧式燃料噴射制御装置における燃料噴射時の燃料の圧力は、１８０ＭＰａ程度に達し、燃費やエミッション特性等に優れるものとして知られている。

直噴式の燃料噴射制御装置に用いられる燃料噴射弁においては、先端部に位置するノズルに、複数の噴孔が放射状に配設され、その噴孔から燃料がピストン上部のキャビティに向かって噴射される。高圧で噴射された燃料の噴霧の形状は、概ね細長い扇型となる。燃料噴射弁は、ノズルが燃焼室上部の中心軸上に位置するように配置されることが一般的である。燃焼室の中心軸付近においては、燃焼室内のスワールが、中心軸から離れた領域に比べて弱いため、ノズル近傍における噴霧間の空気が、燃焼のために有効に利用されにくいという問題がある。

燃焼に利用されない空気が燃焼室に残ってしまう場合、未燃燃料が発生し易くなり、排気ガスの悪化につながる。また、未燃燃料が発生しない様にメイン噴射における噴射量を減らし、メイン噴射後のポスト噴射により、メイン噴射時に利用されなかった空気を利用することも考えられる。しかし、ポスト噴射はメイン噴射の後に実施されるため、ピストンが上死点よりも下がったタイミングでの噴射となる。そのため、燃焼により生じるエネルギのうち、機械エネルギ（すわなちトルク）に変換される割合が減り、一方、熱エネルギの割合が増加（すなわち排気温度の上昇）するため、燃費の悪化につながる。また、ポスト噴射を多用することで燃料噴射弁の作動回数を増加させることは、燃料噴射弁の劣化を早めるというデメリットにもつながる。

このような問題に対し、燃焼室を横から見た際に、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射開き角度が異なる様に複数の噴孔を配列したノズルを備えた燃料噴射弁を、適切なスワール比と共に用いることで、空気利用率の向上を図る技術が提案されている。（特許文献１参照）

特開２００２−２８５８４９号公報

しかしながら、上記先行技術においても、燃焼室の中心軸付近においてはスワールが弱い。従って、上記先行技術においては、燃焼室全体での空気利用率は高まるものの、ノズル近傍において、噴霧間に存在する空気が燃焼に利用されにくいという問題は残る。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁のノズル近傍における噴霧間の空気を有効に利用する技術を提供するものである。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁に備えられたノズルであって、前記ノズルは、前記ノズルの中心軸を囲む様に配置された複数の噴孔を備え、前記複数の噴孔は、噴孔径の異なる２種類の噴孔からなり、かつ、隣り合う噴孔の噴孔径が異なるように配置されていることを特徴とするノズルが提供される。

本発明によれば、燃料噴射弁のノズル近傍において、燃焼時の空気利用率を向上させることができ、排気ガスの悪化を抑圧することができる。

本発明の実施形態における蓄圧式燃料噴射制御装置の構成例を示す全体図である。 本発明の実施形態における燃料噴射弁の全体構造を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるノズルの噴孔部を示す図である。 比較例としてのノズルの噴孔部を示す図である。

以下、適宜図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について具体的に説明する。ただし、この実施形態は本発明の一態様を示すものであって本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄圧式燃料噴射制御装置１０の全体構成を示している。この蓄圧式燃料噴射制御装置１０は、車両に搭載された図示されないディーゼルエンジンの気筒内に燃料を噴射するための装置であって、燃料タンク１と、低圧ポンプ１１と、燃料フィルタ１２と、高圧ポンプ１３と、コモンレール１５と、燃料噴射弁１７と、制御装置５０（ＥＣＵ）等を主たる要素として備えている。

低圧ポンプ１１と高圧ポンプ１３とは低圧燃料通路３１で接続され、高圧ポンプ１３とコモンレール１５、およびコモンレール１５と燃料噴射弁１７はそれぞれ高圧燃料通路３３、３５で接続されている。また、高圧ポンプ１３、コモンレール１５、燃料噴射弁１７には、燃料噴射弁１７から噴射されない余剰燃料を燃料タンク１に戻すためのリターン通路３７、３８、３９がそれぞれ接続されている。

高圧ポンプ１３における、低圧燃料の入り口部分には、高圧ポンプの吐出量を調節するための流量制御弁１９が備えられている。流量制御弁１９には、例えば供給電流値によって弁部材のストローク量が可変とされ、燃料通過路の面積が調節可能な電磁比例式の流量制御弁が用いられる。

低圧ポンプ１１は、燃料タンク１内の燃料を吸い上げて圧送し、高圧ポンプ１３に燃料を供給する。この低圧ポンプ１１は燃料タンク１内に備えられたインタンク式の電動ポンプであって、バッテリから供給される電流によって駆動させられる。ただし、低圧ポンプ１１は、燃料タンク１の外部に設けられるものであってもよく、また、高圧ポンプ１３と一体に設けられるものであってもよい。

高圧ポンプ１３は、低圧ポンプ１１によって導入される燃料を加圧し、コモンレール１５に圧送する。

コモンレール１５は、高圧ポンプ１３によって加圧された高圧状態の燃料を蓄積し、各燃料噴射弁１７に燃料を供給する。このコモンレール１５には、コモンレール１５内の燃料の圧力（レール圧）を測定するためのレール圧センサ２５が取り付けられている。レール圧センサ２５のセンサ信号は制御装置５０に送られる。また、コモンレール１５には、レール圧を調節するための圧力制御弁２３が取り付けられている。圧力制御弁２３は、燃料通過路の面積が調節可能な電磁比例式の制御弁である。また、圧力制御弁２３の代わりに、機械式の安全弁を用いてもよい。

燃料噴射弁１７は、噴孔が設けられたノズル１８を備える。ノズル１８は、その内部に、噴孔を開閉するノズルニードルを備える。燃料噴射弁１７は、ノズルニードルの後端側に背圧を負荷することで噴孔が閉じられる一方、負荷された背圧が逃されることで噴孔が開かれる。燃料噴射弁１７の背圧制御手段としては、ピエゾ素子が備えられた電歪型のアクチュエータや、電磁ソレノイド式のアクチュエータが用いられる。（詳細は後述）

制御装置５０は、公知の構成のマイクロコンピュータを中心に、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子を有し、燃料噴射弁１７を駆動するための駆動回路や、高圧ポンプ１３の燃料吐出量を調節するための駆動回路を備える。また制御装置５０には、レール圧センサ２５の検出信号が入力される他、内燃機関の回転数やアクセル開度、燃料温度などの各種の検出信号が、内燃機関の動作制御や燃料噴射制御に供するために入力されるようになっている。

次に、燃料噴射弁１７の構造について、図２を参照しつつ説明する。図２は本実施形態における燃料噴射弁１７の断面図である。図２に示される燃料噴射弁１７の背圧制御手段は電磁ソレノイド式のアクチュエータであるが、電歪型のアクチュエータであっても構わない。また、電磁ソレノイド式のアクチュエータのアーマチュア周辺部も、これ以外の公知の構造であっても構わない。

燃料噴射弁１７は、インジェクタハウジング１０２と、ノズル１８と、バルブピストン１０５と、バルブボディ１０６と、背圧制御部１０７と、インレットコネクタ１０８とを主たる構成要素として備えている。

尚、燃料噴射弁１７の説明に際しては、ノズル１８側を下側とし、その反対側、すなわち背圧制御部１０７側を上側とする。

ノズル１８は、ノズルボディ１０３と、ノズルニードル１０４とを備える。ノズルボディ１０３の下側端部付近には、燃料を噴射するための複数の噴孔１４０が穿設されている

インジェクタハウジング１０２には、インレットコネクタ１０８から導入される高圧燃料をノズルボディ１０３側へ送る第１の燃料通路１１３が形成されている。

ノズルボディ１０３には、ノズルニードル１０４の受圧部１０４Ａに対向する部位に燃料溜まり室１１４が形成されている。また、ノズルボディ１０３には、インジェクタハウジング１０２の第１の燃料通路１１３に連通し、燃料溜まり室１１４に高圧燃料を導くための第２の燃料通路１１１が形成されている。

ノズルボディ１０３の下側端部付近に穿設された複数の噴孔１４０につながるシート部１１７にノズルニードル１０４の先端部が着座（シート）することにより噴孔１４０が閉鎖される。一方、ノズルニードル１０４がシート部１１７から上昇（リフト）することにより噴孔１４０が開放される。このような構成により、燃料の噴射開始、停止が可能となっている。

ノズルボディ１０３に接続されるインジェクタハウジング１０２内には、その中心軸を中心としたスプリング室１２２が形成されており、ノズルニードル１０４をシート部１１７の方向へ付勢するためのノズルスプリング１１８が配設されている。

インジェクタハウジング１０２に形成された孔１０２Ａ内にはバルブピストン１０５が挿入されている。バルブピストン１０５は、その上側端面１０５Ａがバルブボディ１０６に形成された摺動孔１０６Ａ内に摺動可能に挿入され、ノズルニードル１０４の上方部に位置するように配設されている。バルブボディ１０６は、バルブナット１３４により、インジェクタハウジング１０２に固定されている。

バルブボディ１０６における、バルブピストン１０５の上側端面１０５Ａが位置する部位に背圧制御室１１９が形成されており、バルブピストン１０５の上側端面１０５Ａが下側から臨むようになっている。背圧制御室１１９は、バルブボディ１０６に形成された導入側オリフィス１２０に連通している。この導入側オリフィス１２０は、バルブボディ１０６とインジェクタハウジング１０２との間にバルブボディ１０６の周方向で環状に形成された圧力導入室１２１を介してインレットコネクタ１０８内の高圧油路に連通されている。これによって、コモンレールからの導入圧力が背圧制御室１１９へ供給されるようになっている。

背圧制御室１１９は開閉用オリフィス１２３にも連通しており、開閉用オリフィス１２３は後述する背圧制御部１０７のバルブボール１２４によって開閉可能となっている。なお、背圧制御室１１９におけるバルブピストン１０５の上側端面１０５Ａの受圧面積は、ノズルニードル１０４の受圧部１０４Ａの受圧面積よりも大きく設定されている。

背圧制御部１０７は、ソレノイドバルブ１０９と、背圧制御室１１９と、バルブボール１２４とを主たる要素として備え、ソレノイドバルブ１０９は、マグネット１２５と、バルブスリーブ１２７と、バルブスプリング１２６と、アーマチュア１３０と、アーマチュアガイド１３２とを主たる要素として備えている。

アーマチュアガイド１３２は中央部に貫通穴を有し、その貫通穴でアーマチュア１３０を保持する。アーマチュアガイド１３２は、その外周付近がインジェクタハウジング１０２とソレノイドバルブ１０９とに挟まれることで固定されているため、アーマチュア１３０をガイドする機能を持つ。また、アーマチュア１３０は上端部に拡径部を有する。

ソレノイドバルブ１０９への通電がなされると、アーマチュア１３０が、マグネット１２５に吸引され上昇する。その結果、バルブボール１２４が開閉用オリフィス１２３を開放し、背圧制御室１１９の燃料が流出することで背圧制御室１１９の圧力が低下し、バルブピストン１０５およびノズルニードル１０４が上昇し、燃料噴射が開始される。尚、背圧制御室１１９から流出した燃料は、ソレノイドバルブ１０９内部を通過し、燃料還流路１１５を経由し、リターン通路３９を介して燃料タンクに戻される。

ソレノイドバルブ１０９への通電が停止されると、アーマチュア１３０に対するマグネット１２５の吸引力がなくなるため、アーマチュア１３０がバルブスプリング１２６の付勢力により下降する。その結果、アーマチュア１３０の下のバルブボール１２４が、開閉用オリフィス１２３上部のバルブシート部１２８に押圧されることとなり、開閉用オリフィス１２３が閉鎖される。すると、背圧制御室１１９内の燃料圧力が上昇し、バルブピストン１０５およびノズルニードル１０４が下降し、燃料噴射が終了する。

次に、本発明の実施の形態に係る、ノズルボディ１０３に穿設された複数の噴孔１４０の特徴について、図３を参照しつつ説明する。図３は、燃料噴射弁１７を下側から見た図である。説明の便宜上、複数の噴孔１４０の周辺部が主に示され、それ以外の部分は省略されている。

複数の噴孔１４０は、ノズル１８の中心軸を円状に囲むように配置されている。複数の噴孔１４０は、第一の噴孔１４０ａ、および第一の噴孔１４０ａよりも噴孔径の小さい第二の噴孔１４０ｂからなる。複数の噴孔１４０は、隣り合う噴孔の噴孔径が異なるように配置されている。なお、図３においては、第一の噴孔１４０aが４個、第二の噴孔１４０ｂが４個となっているが、隣り合う噴孔の噴孔径が異なるように配置されていれば、噴孔の数はこれに限定されない。

燃料噴射弁１７においては、噴孔径が大きい噴孔から噴射される燃料の噴霧の方が、噴孔径の小さい噴孔から噴射される燃料の噴霧よりも、燃焼室の中でより遠くまで到達することが知られている。また、燃料噴射弁１７においては、噴孔径が小さい噴孔から噴射される燃料の噴霧の方が、射孔径の大きい噴孔から噴射される燃料の噴霧よりも、噴孔の中心軸に対して半径方向に、より広がることが知られている。

従って、第一の噴孔１４０ａから噴射される燃料の噴霧である第一の噴霧１５０ａは、第二の噴孔１４０ｂから噴射される燃料の噴霧である第二の噴霧１５０ｂよりも、燃焼室の中でより遠くまで到達する。一方、第二の噴霧１５０ｂは、第一の噴霧１５０ａよりも、噴孔の中心軸に対して半径方向に、より広がる。

この様に第一の噴孔１４０ａおよび第二の噴孔１４０ｂを配置することにより、燃焼室内の空気を有効に燃焼に利用することができる。すなわち、第一の噴霧１５０ａは、主に燃焼室の中心軸から離れた領域の空気と反応して燃焼する。また、第二の噴霧１５０ｂは、主に燃焼室の中心軸付近の空気と反応して燃焼する。

ここで、比較例として全ての噴孔が第一の噴孔１４０aとして形成されている場合の噴霧の状態を図４に示す。図４における例では、図３に比べ、ノズルボディ１０３の周囲に燃料の噴霧の存在しない領域が広く存在する。燃焼室の中心軸に近い領域においてはスワールが弱いこともあり、噴霧の存在しない領域の空気は燃焼に利用されにくい。

また、図示はしないが、全ての噴孔が第二の噴孔１４０ｂとして形成された場合、噴霧が燃焼室の中心軸から離れた領域まで届かないため、燃焼室の中心軸から離れた領域の空気が燃焼に利用されにくいことは、図３から容易に理解される。

これらの比較例に比べ、本発明によれば、燃焼室内の空気全体を有効に利用することが可能となる。

なお、本発明の実施の形態として、蓄圧式燃料噴射制御装置の燃料噴射弁を例として説明したが、蓄圧式燃料噴射制御装置以外の直噴式の燃料噴射装置においても本発明を実施することが可能である。

１７：燃料噴射弁
１８：ノズル
１４０ａ：第一の噴孔
１４０ｂ：第二の噴孔
１５０ａ：第一の噴霧
１５０ｂ：第二の噴霧

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁に備えられたノズルであって、前記ノズルは、前記ノズルの中心軸を囲む様に配置された複数の噴孔を備え、前記複数の噴孔は、噴孔径の異なる２種類の噴孔からなり、かつ、隣り合う噴孔の噴孔径が異なるように配置されていることを特徴とするノズル。
2. 前記内燃機関は、直噴式のディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 請求項１に記載のノズルを備えた燃料噴射弁。
   

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