JP2611345B2 - ２種燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はディーゼル機関等において、例えばアルコー
ルを主燃料とし、これよりも着火性に優れた軽油等を副
燃料として燃焼室へ噴射する２種燃料噴射弁に関する。

〔従来の技術〕

例えばディーゼル機関において、アルコール（例えば
エタノールまたはメタノール）を主燃料としたものは比
較的着火性に劣るため、この主燃料の噴射に先立ってこ
れよりも着火性に優れた軽油などの副燃料を噴射するも
のが知られている。

このような２種類の燃料は特開昭59−176461号に開示
してあるように、１個の燃料噴射弁により、まず着火性
に優れた軽油などの副燃料を少量噴射した後、引き続き
主燃料としてのアルコールを噴射するようになってい
る。

従来の２種燃料噴射弁について、第５図ないし第７図
に基づき説明する。図において、１はボディ、２はニー
ドル弁を示す。

ボディ１は、中空円筒形をなしており、下端に複数の
燃料噴射孔３を開口させているとともに、該燃料噴射孔
３の直上にテーパ部４を設けてある。また、ボディ１の
上部には太い主燃料供給通路５および細い副燃料供給通
路７を形成してあり、主燃料供給通路５は環状の油溜り
６に通じているとともに、副燃料供給通路７は偏心した
リング溝８に連通している。

ニードル弁２は、上端に設けたガイド部９が上記ボデ
ィ１の内面に摺動自在に嵌合されており、下端には上記
噴射孔３を開閉するシート部10が設けられている。

また、このニードル弁２には、前記ボディ１側のリン
グ溝８に導通する横孔形の副燃料導入口11が形成され、
この導入口11はニードル弁２の中心部に形成された中空
部12に通じている。そして、上記ニードル弁２にはシー
ト部10よりも上に位置し、しかしながらシート部10に近
い所に、複数の副燃料吐出口13が放射方向に開口されて
おり、これら副燃料吐出口13は中空路12に導通してい
る。

また、ニードル弁２のガイド部９とシート部10との間
は、ガイド部９より小径の円筒部14となっており、この
円筒部14の外面と上記ボディ１の内面との間には円筒状
隙間15が確保されている。この円筒状隙間15の上端は前
記環状の油溜り６に通じている。また、円筒状隙間15の
下端は上記副燃料吐出口13に対向して副燃料充填スペー
ス部16を構成している。

なお、上記ガイド部９と円筒部14は予め別体に構成さ
れ、これらを嵌合してニードル弁２が形成されている。

このような構成の２種燃料噴射弁は、ニードル弁２が
図示しないスプリングにより下方に押圧されている時、
ニードル弁２のシート部10がボディ１のテーパ部４に着
座し、したがって燃料噴射孔３と中空路12、円筒状隙間
15との間が連通しないようにされている。

この時、図示しない副燃料送油装置から軽油などのよ
うな着火性に優れた副燃料が所定量だけ副燃料供給通路
７に供給される。そしてこの際、リング溝８はニードル
弁２に形成した副燃料導入口11に通じているので、上記
副燃料はリング溝８から導入口11を経てニードル弁２の
中空路12に送られ、複数の副燃料吐出口13より副燃料充
填スペース部16へ吐出される。このため、副燃料充填ス
ペース部16には副燃料が充填される。

次に、図示しない主燃料噴射ポンプからアルコールな
どのような主燃料が主燃料供給通路５に供給される。こ
の主燃料は、油溜６からボディ１の内面とニードル弁２
の外面との間の円筒状間隙15に供給される。

この円筒状隙間15に供給された主燃料は下端の副燃料
充填スペース部16に充填された副燃料を加圧する。この
副燃料充填スペース部16の圧力が所定の圧力以上になる
と、ニードル弁２が図示しないスプリングの力に抗して
押上げられ、ニードル弁２のシート部10がボディ１のテ
ーパ部４から離れる。このため、まず副燃料充填スペー
ス部16に充填されている副燃料が燃料噴射孔３から噴射
され、引き続いて主燃料が噴射孔３から噴射される。

上述の燃料噴射が終了することにより、円筒状間隙15
および副燃料充填スペース部16の圧力が低下すると、ニ
ードル弁２は図示しないスプリングの押圧力を受け、シ
ート部10がボディ１のテーパ部４に着座して燃料噴射孔
３を閉塞する。

そして再び、副燃料送油装置から副燃料が副燃料供給
通路７およびニードル弁２の中空部12ならびに副燃料吐
出口13より副燃料充填スペース部16へ供給され、次に主
燃料噴射ポンプから主燃料が主燃料供給通路５を通じて
円筒状隙間15に供給される。したがって、燃料噴射孔３
が開かれ、再び副燃料を噴射し、引き続き主燃料を噴射
する。

以下、このような作動を繰り返す。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の２種燃料噴射弁の場合、副燃料を複数の副
燃料吐出口13から副燃料充填スペース部16へ吐出させる
際、この副燃料充填スペース部16には主燃料が残存して
いるため副燃料はこの主燃料を押し上げるようにして充
填される。

しかしながら、従来の副燃料充填スペース部16は周方
向に連続した円環状の空間となっている。このため副燃
料吐出口13から吐出された副燃料の圧力は周方向にも広
がろうとし、周方向に隣接する副燃料吐出口13の中間部
に主燃料を閉じ込めようとしてここに主燃料が残存す
る。第７図の20は残存した主燃料を示している。この現
象は流れ解析にても確認されており、複数の副燃料吐出
口13から副燃料を副燃料充填スペース部16へ吐出させた
場合、第７図に示すように、副燃料吐出口13の近傍に副
燃料（明確にするために副燃料を網目状に図示した）
が、また副燃料吐出口13相互間には主燃料20が位置し、
周方向に縦縞模様に主燃料と副燃料とが混在することが
判明している。

なお、第７図に示すように、特にシート部10の直上部
21付近には主燃料が多く残存している。

副燃料充填完了時点において、このようにシート部10
近傍に主燃料が副燃料中に混在し、停留することは、次
の噴射行程における噴霧の先頭部で、副燃料噴霧に主燃
料噴霧が混在する結果となり、本来目的とした副燃料を
火種とするパイロット着火性能が低下する不具合があ
る。

このような場合、例えば主燃料にメタノール、副燃料
に軽油を使用すると、従来の噴射弁では、噴射初期の噴
霧に、ある程度のメタノールの混在が避け得なかったた
めに、エンジン燃料室内において、メタノールの蒸発熱
による温度の低下が避けられず、自己着火性能を阻害す
る要因として存在していた。

従って、自己着火性能を確保するためには、軽油充填
量を増加するか、エンジンの圧縮比を上昇するしかな
く、軽油消費量の増大や、エンジ熱効率の低下などが問
題となっていた。

また、こうした場合でもメタノールの混在による着火
遅れなど、燃焼の不安定要因として問題が残っていた。

本発明においては、副燃料と主燃料が存在するのを防
止し、少量の副燃料で良好な着火性が得られる２種燃料
噴射弁を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、ニードル弁とボディとによってシート部近
傍に環状スペースを区画形成し、副燃料充填時の流れが
シート部に平行となるように、副燃料吐出口と主燃料通
路となる縦溝との位置を関係付けたものであり、詳しく
述べれば、前記シート部近傍には、前記ニードル弁と前
記ボディとによって区画形成される環状スペース（10
6）を備え、前記ニードル弁の外周には、前記環状スペ
ース（106）を主燃料供給通路へ導通する、複数の縦溝
（121）を備え、前記副燃料吐出口は、前記縦溝と前記
環状スペースとが連通する部位相互の間において、前記
環状スペースに開口しており、前記副燃料吐出口から前
記環状スペースを経由して前記縦溝に至る前記主燃料と
前記副燃料との置換経路を細管状に構成した２種燃料噴
射弁を開口するようにしたものである。

〔作用〕

本発明の構成によれば、副燃料溜りをシート部に隣接
した環状スペースとし、また副燃料充填時の流れはシー
ト部に接近して平行となるように構成したので、副燃料
充填時には、シート部近傍の環状スペースに残留してい
た主燃料を副燃料が効果的に排除して、主燃料→副燃料
の理想的な燃料置換が行われる。

つまり、副燃料充填完了時には、シート部近傍の燃料
溜りはほぼ完全に副燃料だけになるため、噴射初期の噴
霧先端部、いわゆる先立ち噴射は着火性の良好な副燃料
だけの噴霧となる。更に詳しく述べれば、本発明が利用
する原理は細管の中において先に第１流体を入れておい
たときに、細管の先端から別の第２流体を入れると、第
２流体は第１流体を細管の後端から追い出して、第１流
体と第２流体との置換が円滑に行われることを利用し、
副燃料吐出口（13）から環状スペース（106）、更には
縦溝（121）に至る主燃料と副燃料の置換経路を細管状
としたものである。

〔実施例〕

以下、本発明について第１〜３図に示す第１の実施例
について説明する。

第１の実施例で、上述した従来と同一の部分は同一の
番号を付して、その説明を省略する。また「主燃料はメ
タノール」、着火用燃料として「副燃料は軽油」を使用
するものとして、以下を説明する。

第１の実施例が従来装置と異なる点は、次の通りであ
る。

シート部10に隣接して、ニードル弁２とボディ１との
間に環状スペース106を区画形成する。

また、ニードル弁２の下部ガイド120の外周には、環
状スペース106を主燃料供給通路５へ導通させる縦溝121
を、軸対称に複数本設ける。更に、副燃料吐出口13の数
は縦溝121と同数とし、またその向きは、縦溝121が環状
スペース106に連通する部位から最も遠い位置とする。
なお、この一実施例では縦溝121および吐出口13は、そ
れぞれ２本ずつ対称位置としているために、互いに90度
の位置関係としている。

次に、上記構成における作動について説明する。

図示しない副燃料送油装置によって副燃料供給通路７
から供給された一定量の軽油は、リング溝８、中空路1
2、副燃料吐出口13を経て、環状スペース106内へ導入さ
れる。この時予めスペース106内に残留していたメタノ
ールは、新たに導入された軽油によって、縦溝121から
主燃料供給通路５ないし図示しない主燃料噴射ポンプの
方へ押し流される。

この時、スペース106内の流れは、第３図に示すよう
に、吐出口13から縦溝121へ向う。即ち、二つの吐出口1
3から環状スペース106内に導入された軽油はそれぞれ二
方向へ別れ、それぞれの流れが環状スペース106内を1/4
回周（90゜移動）して縦溝121へ到達する流れとなる。

そして、前述の1/4回周の流れは第2,3図から明らかな
ように、リング状のシート部10に対して平行な流れとな
る。このために、シート部10に隣接して設けた環状スペ
ース106の中は、ほぼ完全にメタノールから軽油に置換
される。なお、第３図中の矢印は軽油の流れを示してい
る。

この一連の流れにおいて流路の断面積は、環状スペー
ス106内、および縦溝121内において比較的狭く、また大
きな断面変化もないために、流れに乱れが少なく、軽油
とメタノールとの接液部における両者の混合は、最小限
に抑えられるものである。

以上のようにして、軽油の充填完了直後においては、
噴射孔３に最も近いシート部10近傍の環状スペース106
を先頭として、軽油が充満される。

次に図示しない主燃料噴射ポンプによって主燃料供給
通路５からメタノールが高圧供給されると、ニードル弁
２が上昇し、噴射孔３からは、まずシート部10近傍の軽
油が先立ち噴射され、やがてメタノールが噴射される。

この時、前述のようにシート部10近傍の軽油はメタノ
ールとの混合がきわめて少ないので、噴射初期の噴霧先
頭部は実質的に軽油のみの噴霧となり、自己着火性に優
れた先立ち噴射を実現できる。

ところで、１行程について充填供給される軽油の量
が、環状スペース106の容積よりも多いときは、スペー
ス106内を軽油が満たした後、さらに縦溝121内にまで軽
油が浸入することになる。

シート部10近傍から主燃料供給通路５へ至る一連の燃
料通路内でどこまで軽油が充満されるかは、１行程につ
いて充満供給される軽油の量や通路内容積などによって
決まる。しかし、安定な自己着火性能を得るためには、
縦溝121にまで軽油を充満するのが好ましいことが、実
験によって明らかになった。そして、このような実験結
果となった原因は次のように考えられる。つまり、主燃
料供給通路５からメタノールが高圧で供給された後の縦
溝121からシート部10、噴射部３に向う流れの流線が、
環状スペース106内において、充満した軽油の全てを、
効果的に押し出すような流線には必ずしもならないこと
が原因として考えられる。換言すれば、自己着火に必要
な最小限の量の軽油が環状スペース106内だけに充満さ
れてあっても、噴射行程においてその軽油全量が、メタ
ノール噴射以前に先立ち噴射されるとは限らないこと
が、安定な自己着火性能を阻害する原因である。

従って、噴射行程においては、環状スペース106内の
流れがいかなる流線をとろうとも、噴霧の先頭部にて高
濃度の軽油（メタノールの混在が少ない）噴霧を持続さ
せるためには、環状スペース106の容積を比較的小さく
取り、このスペース106内はもとより、縦溝121にまで軽
油を充満することが重要となる。

こうすることによって、最小限の軽油量にて、自己着
火性の優れた良好な先立ち噴射を実現することができ
る。そして、上記一実施例では、上述のことに鑑みて環
状スペース106の容積は、１回の燃料噴射工程において
供給充填される副燃料の体積よりも小さくし、１回の燃
料噴射工程が行われる直前に、縦溝121にまで、軽油が
充填されるようにしてある。

なお、本発明は上記一実施例に制約されるものでな
く、縦溝121や副燃料吐出口13は３以上であってもよ
い。

また、縦溝121の断面は丸底にて示したが、ニードル
弁下部ガイド120の円筒面を平面で切り取った、第４図
のような断面形状でもよい。

さらにまた、２種類の燃料は軽油とメタノールに限ら
ず、自己着火性の良好な燃料を副燃料とすれば、主燃料
は自己着火性の劣るエタノールや、その他ガス燃料を含
む流動性のあらゆる燃料を使用できる。

更に、縦溝121は必ずしも軸に平行である必要はな
く、例えば螺旋状であってもよい。

このようなことから、副燃料を供給した時、着火性に
優れた副燃料に着火性の劣る主燃料が混入することが防
止され、エンジンに噴射された場合には確実な着火を促
すことになり、良好な火種となって引き続き噴射される
主燃料を円滑に着火させることができる。

しかもこの場合、副燃料の供給量を増やす必要はな
く、少ない副燃料で着火性の向上が可能となる。

上述のように、本発明の実施例によれば噴射初期にお
いて、高濃度の軽油噴霧が持続できることから、着火遅
れ時間中のエンジン燃焼室内において、メタノールの気
化熱によるガス温度の低下が少ないので、自己着火が速
やかとなり、従って火種としての軽油使用量は最小限に
抑えることができる。

また着火は、通常の軽油運転とほぼ同等の特性になる
ので、エンジン圧縮比を上昇させる必要もなく、従来の
エンジン設定手法を何ら変えることなく、システムを適
用することができる。

また、上述の燃料噴射弁の構造は、特に直接噴射式デ
ィーゼルエンジンの多噴口噴射弁に適用した場合に効果
が大きい。その理由は、多方向噴霧のそれぞれの先頭部
には、火種としての軽油噴霧が必ず存在するために、引
き続き噴射されるメタノール噴霧への火炎伝播が確実に
行われるためである。なお、本発明はスロットル形噴射
弁にも応用できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明においては、従来はシート部
近傍に多く残留した主燃料を、良好にシート部と平行に
流れる副燃料で置換することができるので、この噴射弁
での噴射初期の噴霧に、主燃料が混在するのをきわめて
少なくでき、この結果、エンジンの着火性能を向上させ
ることができ、かつ、副燃料の消費量を少なくでき、ま
た、着火遅れをなくして、エンジンを安定的に燃焼させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明噴射弁の一実施例を示し、
第１図は縦断面図、第２図は第１図の下部拡大断面図、
第３図は第２図中のIII−III線に沿う断面図である。第
４図は本発明のその他の実施例を示す第３図と同様の断
面図である。第５図ないし第７図は従来の構造を示し、
第５図は２種燃料噴射弁の縦断面図、第６図は第５図中
VI−VI線に沿う拡大断面図、第７図は主要部の拡大した
断面図である。 １……ボディ,2……ニードル弁,3……噴射孔,5……主燃
料供給通路,7……副燃料供給通路,10……シート部,12…
…中空路,13……副燃料吐出口,106……環状スペース,12
1……縦溝。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料を噴射するための噴射孔を有し、主燃
   料の供給通路およびこの主燃料よりも着火性に優れた副
   燃料の供給通路を形成したボディと、 このボディに摺動自在に嵌合されて上記噴射孔を開閉す
   るシート部を有するとともに、中心部に上記副燃料供給
   通路と導通する中空路を備え、かつ上記シート部近傍に
   この中空路と連なる副燃料吐出口を周方向に複数個形成
   したニードル弁を具備した２種燃料噴射弁において、 前記シート部近傍には、前記ニードル弁と前記ボディと
   によって区画形成される環状スペース（106）を備え、 前記ニードル弁の外周には、前記環状スペース（106）
   を主燃料供給通路へ導通する、複数の縦溝（121）を備
   え、 前記副燃料吐出口は、前記縦溝と前記環状スペースとが
   連通する部位相互の間において、前記環状スペースに開
   口しており、前記副燃料吐出口から前記環状スペースを
   経由して前記縦溝に至る前記主燃料と前記副燃料との置
   換経路を細管状に構成した２種燃料噴射弁。
2. 【請求項２】前記副燃料吐出口は、前記縦溝と前記環状
   スペースとが連通する部位相互の中間において、前記環
   状スペースに開口している請求項１記載の２種燃料噴射
   弁。
3. 【請求項３】前記環状スペースの容積は、１回の燃料噴
   射行程において供給充填される前記副燃料の体積よりも
   小さくしたことを特徴とする請求項１記載の２種燃料噴
   射弁。