JP3738053B2 - 燃料噴射ノズル用ノズルヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料噴射ノズル用ノズルヘッドに関し、また、内燃機関内への燃料噴射方法に関する。さらに本発明は、燃料噴射用ノズル及びノズルヘッドを備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射ノズルは、一般的に、圧縮空気あるいは他のガスとともに燃料をレシプロ式容積型内燃機関の燃焼室内に噴射するために、噴射バルブと組み合わされて用いられる。噴射期間中に生じる燃焼室内における燃料流の形態は、一般的に燃料噴射ノズルの幾何学的特性により決定される。
【０００３】
特許明細書Ｃ６４５６９９に開示された燃料噴射バルブ用のノズルは、ノズルの表面がスワールを発生させるノズルヘッド内に固定配置されているので、燃料流はノズルヘッドからスワールを伴って現れることとなり、その結果、容易に霧化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この知られたノズルの具体例には、噴射された燃料流が単調な形態を有するという短所を有していた。
【０００５】
本発明の目的は、ノズルヘッドから噴射された燃料流が乱流状態を有するようにすることで燃料噴射ノズル用ノズルを改良するところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明において前記目的は、請求項１において明らかにされた特徴を備える構成要素により達成される。従属請求項２乃至８は、本発明の更に好適な実施例に関係する。
【０００７】
すなわち、前記目的を達成するため請求項１に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用のノズルヘッドは、空洞、燃料を供給するための供給口、及び燃料を噴射するための少なくとも１つのチャネル状の噴射孔を備えた燃料噴射ノズル用のノズルヘッドであって、回転干渉部材がノズルヘッドの空洞に配置されており、該回転干渉部材は筒状表面と回転軸とを有し、該筒状表面は回転軸に対して傾斜して延びる少なくとも一つの凹部を有し、かつ回転干渉部材は前記凹部内を燃料が流れることにより回転動作が引き起こされるノズルヘッドにおいて、筒状表面は、チャネル状の噴射孔の入口側開口部に対向して配置され、それにより回転干渉部材がチャネル状の噴射孔の入口側開口部を定期的に覆うとともに噴射された燃料の乱流状態を引き起こすことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用のノズルヘッドは、請求項１に記載の燃料噴射ノズル用ノズルヘッドにおいて、空洞は、少なくともチャネル状の噴射孔が形成されている部位において対称軸を伴う円筒状部を有し、凹部は回転軸に対して回転干渉部材の幅全体に沿って延びており、かつ回転干渉部材は、回転軸と対称軸とが一致するように空洞内に配置されていることを構成として備える。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用のノズルヘッドは、請求項２に記載の燃料噴射ノズル用ノズルヘッドにおいて、回転干渉部材は、はすば平歯車状に形成されていることを構成として備える。
【００１０】
またさらに、請求項４に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用のノズルヘッドは、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル用ノズルヘッドにおいて、ノズルヘッドがブラインドホールを含み、該ブラインドホールの下端はボールと接触しており、かつ該ボールは回転干渉部材と接触していることを構成として備える。
【００１１】
さらにまた、請求項５に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用のノズルヘッドは、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料噴射ノズル用ノズルヘッドにおいて、チャネル状の噴射孔は長手方向に延びる少なくとも一つの溝を有していることを構成として備える。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用のノズルヘッドは、請求項５に記載の燃料噴射ノズル用ノズルヘッドにおいて、溝が螺旋状に延びていることを構成として備える。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明に係る燃料噴射ノズルは、請求項１乃至６のいずれか１項に記載したノズルヘッドを構成として備える。
さらに、請求項８に記載の内燃機関は、請求項７に記載した燃料噴射ノズルを備える。
【００１４】
【作用】
上記構成を備えた請求項１に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッドでは、燃料流の通過により回転干渉部材が回転軸を中心にして回転し、その結果、干渉部材の筒状表面に回転軸に対して傾斜して延びるように形成された凹部が噴射孔を繰り返し開放、閉塞する。したがって、噴射孔から噴射された燃料流は脈動と乱流とを有する。
【００１５】
請求項２に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッドでは、少なくともチャネル状の噴射孔が形成されている部位においては対称軸を伴う円筒状部を有し、回転干渉部材はその回転軸が該対称軸と一致するように空洞内に配置されており、その結果、回転干渉部材の筒状表面に形成された凹部が噴射孔を繰り返し開放、閉塞する。したがって、噴射孔から噴射された燃料流は脈動と乱流とを有する。
【００１６】
請求項３に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッドでは、干渉部材ははすば平歯車状に形成されており、通過する燃料流により回転軸を中心にして回転し、噴射孔を繰り返し開放、閉塞する。
【００１７】
請求項４に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッドでは、ブラインドホールを更に含み、該ブラインドホールの下端はボールと接触しており、かつ該ボールが回転干渉部材と接触していることから、燃料流はブラインドホールから底部へ向かって効率よく流れる。また、回転干渉部材はボールと点接触しており摩擦抵抗が少ないので、円滑に回転し噴射孔を繰り返し開放、閉塞する。
【００１８】
請求項５に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッドでは、噴射孔は長手方向に延びる少なくとも１つの溝を有しているので、スワールが増大する。請求項６に記載の発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッドでは、噴射孔に形成された溝が螺旋状に形成されているので、スワールがさらに増大する。
【００１９】
請求項７に記載の発明に係る燃料噴射ノズルでは、噴射された燃料は乱流、及び脈動を有する。請求項８に記載の発明に係る燃料噴射ノズルを備えた内燃機関では、燃焼室内における窒素酸化物の発生が抑制される。
【００２０】
【実施例】
本発明に係るノズルヘッドは、ノズルヘッドの内部に配置されるとともに、ノズルヘッドを通過する燃料の流れによって作動される可動性干渉部材を備えている。したがって、噴射孔に入る流れは連続して変化し、噴射燃料の乱流強度を大きく増大させる。干渉部材の動きは時間の関数であり、噴射される燃料量、噴射速度、及び噴射方向といった他の要素によって変調する。
【００２１】
本発明に係る干渉部材の形状は、主に以下に述べる２つの具体例に大別することができる。
１．動きが制限された干渉部材
干渉部材の１つの具体例として、ノズルヘッドに固定された部分と、ノズルヘッドの内壁内に突出され自在に動く部分とからなる部材がある。そのような干渉部材は、例えば、一端がノズルヘッドに固定されて動かず、固定されていない他端はノズルヘッドの内壁内において振動し得る。
【００２２】
このようにしてノズルヘッドの内壁に配置されている干渉部材は、燃料流の通過によって振動する。例えば、一端が自由に動き得る状態で噴射孔内に突出されるようにして形成された棒状干渉部材は、ノズルヘッド内を流れる燃料流によって高周波数の振動を発生させる。その結果、噴射孔の環状隙間構造は変化し、棒状干渉部材と噴射孔との間に形成された環状の隙間により速度の方向が変化する。このようにして形成された速度分布のばらつきは、噴射された燃料に高い乱流強度をもたらす。
【００２３】
２．移動自在な干渉部材
他の具体例に係る干渉部材は、例えば、ノズルヘッド内において自由に動き得るように配置されている部材、例えば、ノズルヘッド内において回動自在な部材からなる。このような干渉部材は、ノズルヘッド内を流れる燃料の流れにより作動され、例えば、回転させられる。この動きを通じて、噴射孔の入口側開口部は、噴射孔から脈動、乱流を伴う燃料を噴射させる干渉部材により、継続的に繰り返して部分的あるいは完全に開閉される。
【００２４】
燃料流により作動するように形成された干渉部材、例えば、はす歯平歯車が形成された干渉部材は、歯車を通過する燃料の流れによって回転させられる。この他にも、例えば、球体状あるいは楕円体状に形成された干渉部材といったように、自由に動き得る干渉部材を種々形成することができる。
【００２５】
以下、上記２つの具体例について図面を参照してさらに詳細に説明する。
先ず、本発明に係る第１の実施例について図１〜図３を参照して説明する。図１は、例えば、大型ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズル２０の縦断面図を示している。ノズルヘッド２はノズルボディ１に連結されるとともに、空洞９、燃料を供給するための開口部５又は注入口５、及び燃料を噴射するための少なくとも１つの噴射孔６を備えている。空洞９は有底筒状に形成されるとともに、対称軸Ｂを有している。噴射孔６は、入口側開口部６ａと出口側開口部６ｂとを備えている。加圧下にある燃料は、燃料通路４を介して開口部５に導かれる。燃料の流量は、バネ荷重がかけられているニードル３を通じて調整される。
【００２６】
噴射孔６の形成位置は、燃焼室内におけるノズルの位置に応じて定められる。２サイクルエンジンにおいて一般的なペリフェラル噴射では、噴射孔は一箇所に集中して形成され、その噴射方向は一方向に向けられる。４サイクルエンジンにおいては、噴射孔６はノズルヘッド２の周縁一面に一様に形成されているので、通常、噴射は中央ノズルを通じて行われる。なお、明瞭化のため、干渉部材は図１に図示していない。
【００２７】
図２には、ノズルヘッド２の下側部分が噴射孔６と空洞９とともに示されている。空洞９の内部には、一端が空洞９の一側面に形成された固定部８に取り付けられ、他端が空洞９の他側面の噴射孔６内に突出させられた棒状の干渉部材７が配置されている。噴射孔６の直径は干渉部材７の直径よりも大きく設定されているので、干渉部材７が休止位置にある場合には、干渉部材７は噴射孔６と接触しない。
【００２８】
棒状の干渉部材７は、ノズルヘッド２の噴射孔６を介して、製造過程においてノズルヘッド２内に挿入することができる。干渉部材７の取り付け部としての固定部８は、噴射孔６の軸の延長線上である背面に形成され得る。したがって、棒状干渉部材７は、噴射孔６を介して挿入可能であり、ロウ付けによって固定可能である。棒状干渉部材７は、ブラインドホールが区画形成されている空洞９に燃料が流れることにより、高周波数の振動が発生するよう好適に寸法化がなされ、空洞９に配置されている。棒状干渉部材７の振動は、振動に同期した、流出する燃料を調整する噴射孔６における横断面の環状隙間構造の変化、あるいは、変調をもたらす。
【００２９】
この環状隙間構造の変化、あるいは、変調は、環状隙間から流出する燃料の速度ベクトルに影響を及ぼす。干渉部材７の振動は、流出する燃料の速度分布のばらつきをもたらし、このことは、図３ａ〜３ｄに示すように、ノズルヘッド２の外面における乱流の形成を導く。ここで、図３ａ〜３ｄは、燃焼室内に浸透する前線２２ａを伴う噴射燃料形状の発達の様子を時間を関数として示している。
【００３０】
フィヨルド状の通路に引き込まれた燃焼ガスは、燃焼ガスの縁部に現れた渦によって分散され、発生した渦は、燃焼過程における窒素酸化物生成の抑制をもたらすことが理解される。表示された噴射燃料形状を得るためだけであれば、棒状干渉部材７の最も小さな振幅で充分である。大きな振幅は、この環境下では噴射孔６内における噴射燃料形状に都合が悪いことが証明される。
【００３１】
したがって、第２の干渉部材の形状として図４及び図５に示されるように、干渉部材７に形成されているリブ１０によって、干渉部材７の振幅を制限することが好ましい。具体的に示すと、３つのリブ１０は干渉部材７の周壁に沿って配置されるとともに、干渉部材７の軸と平行をなすように延出されている。
【００３２】
また、第３の干渉部材の形状として図６及び図７に示すように、干渉部材７の表面において螺旋状に延出形成されたリブ１０を配置することが好ましい。スワールの動きは噴射孔６からの燃料の流れに影響され、例えば、噴射孔６の外側開口部における流れの広がり角度の拡大によって引き起こされる。
【００３３】
さらに、第４の干渉部材の形状が図８及び図９に示されている。可動干渉部材７は噴射孔６内において円錐台状に形成されている。したがって、噴射孔６と干渉部材７との間に形成されている環状の隙間６ｃは、入口側開口部から出口側開口部にかけて円錐台状に広がる部分を有している。そのようにして形成されている環状の隙間６ｃは、噴射孔軸６ｄ近傍における燃料滴の凝固を防ぐことができる。図１０には、噴射孔６の入口側開口部６ａとして好ましい形状が図示されている。入口側開口部６ａは、例えば、電気化学バーリングによって製造され得る縁角が丸められた孔を有している。その縁が丸められた孔は、噴射孔６内における流れの状態を長期の操作を通じて一定に保つことを保証する。
【００３４】
図１１に図示される本発明に係る第２の実施例では、対称軸Ｂを有するブラインドホール１１として形成された空洞９内には、干渉部材としてのはす歯平歯車１２が挿入されており、かかるはす歯平歯車１２は、燃料の流れによって噴射期間中回転するよう配置されている。したがって、噴射孔６の入口側開口部６ａは、定期的に覆われることになる。はす歯平歯車１２は、回転する干渉部材１２として形成されている。
【００３５】
はす歯平歯車１２は、円柱状に形成されるとともに、本実施例では、対象軸Ｂと一致するように配置された回転軸Ａを有している。はす歯平歯車１２は、はす歯平歯車１２の幅全体に沿って形成されるとともに、方向が回転軸Ａに対して傾けられている凹部１２ａを有している。その結果、燃料の流れは、はす歯平歯車１２の回転動作を引き起こす。ブラインドホール１１の末端９ａには、摩擦を小さく保つため回転干渉部材１２に対してベアリングとして機能するボール１４が配置されている。
【００３６】
ノズルヘッド２と回転干渉部材１２との間の隙間幅１５は、摩擦を小さくするのに都合の良い寸法に設定されている。回転干渉部材１２は噴射孔６ａの入口側開口部６ａを定期的に覆うので、図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、噴射された燃料の流れ２１は、脈動と乱流とを有し、燃焼室内で広がる前線２１ａ，２１ｂ，２１ｃを発生させる。噴射された燃料は、定期的に強く干渉し、複数の前線２１ａ，２１ｂ，２１ｃが生じる。したがって、乱流強度が優勢となり、燃焼生成物は燃料流内に引き込まれ、窒素酸化物生成の抑制をもたらすこととなる。
【００３７】
噴射孔６は、回転干渉部材１２との組み合わせ、平滑な内壁面との組み合わせ、または、図１３及び図１４に示すようなスワールを増加させるように形成された内壁に螺旋状に延出された溝１６を有する噴射孔６によって、円筒状になり得る。
【００３８】
燃料流の通過による脈動は入口側開口部６ａにおいてもたらされるので、噴射孔６とその内壁面は、あらゆる所望の方法によって形成され得る。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る燃料噴射ノズル用ノズルヘッド及び内燃機関への燃料噴射方法によれば、噴射された燃料形状が乱流を伴うので、燃焼室内での燃焼過程における窒素酸化物エミッション（ＮＯｘ）の発生を低減することができる。燃料流の縁に形成された渦は、燃焼ガスの一部を燃焼領域に引き込む作用をもたらす。これは、「内部燃焼ガス再循環」と呼ばれる。内部燃焼ガスは酸素分圧と燃焼温度を低下させ、たとえ小さな再循環率であっても、窒素酸化物エミッションの低減を導く。
【００４０】
本発明に係るノズルヘッドの他の利点は、干渉部材を従来品のノズルヘッドに装着することが可能な点にある。したがって、本発明に係るノズルヘッドは、構造が非常に近似している従来品と同様にして製造することができる。この結果、既存のノズルヘッドは、本発明に係るノズルヘッドに容易に置き換えることができる。
【００４１】
本発明の更に他の利点は、干渉部材が燃料の流れによって作動するので、干渉部材を作動させるために駆動装置を備える必要がないところにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施例に係る干渉部材を備えていない燃料噴射ノズルの縦断面図。
【図２】 干渉部材を備えた燃料噴射ノズルの縦断面図。
【図３】 （ａ）〜（ｄ）は噴射された燃料形状の時間に対する発達の様子を示す説明図。
【図４】 第２の形状を有する干渉部材を備えた燃料噴射ノズルの縦断面図。
【図５】 第２の形状を有する燃料噴射ノズルの噴射孔を外部から見た説明図。
【図６】 第３の形状を有する干渉部材を備えた燃料噴射ノズルの縦断面図。
【図７】 第３の形状を有する燃料噴射ノズルの噴射孔を外部から見た説明図。
【図８】 第４の形状を有する干渉部材を備えた燃料噴射ノズルの縦断面図。
【図９】 第４の形状を有する燃料噴射ノズルの噴射孔を外部から見た説明図。
【図１０】 噴射孔の入口側開口部の縦断面図。
【図１１】 回転干渉部材を備えた燃料噴射ノズルの縦断面図。
【図１２】 （ａ）〜（ｄ）は噴射された燃料形状の時間に対する発達の様子を示す説明図。
【図１３】 第２実施例に係る燃料噴射ノズルの噴射孔を外部から見た説明図。
【図１４】 第２実施例に係る干渉部材を備えた燃料噴射ノズルの縦断面図。
【符号の説明】
１…ノズルボディ、２…ノズルヘッド、３…ニードル、４…燃料通路、５…開口部、６…噴射孔、６ａ…入口側開口部、６ｂ…出口側開口部、６ｃ…６ｄ…７…干渉部材、８…固定部、９…空洞、１０…リブ、１１…ブラインドホール、１２…干渉部材、１２ａ…凹 部、１２ｂ…筒状表面、１４…ボール、１５…隙間幅、１６…溝、２０…燃料噴射ノズル。

Claims (8)

1. 空洞（９）、燃料を供給するための供給口（５）、及び燃料を噴射するための少なくとも１つのチャネル状の噴射孔（６）を備えた燃料噴射ノズル（２０）用のノズルヘッド（２）であって、
   回転干渉部材（１２）が前記ノズルヘッド（２）の前記空洞（９）に配置されており、該回転干渉部材（１２）は筒状表面（１２ｂ）と回転軸（Ａ）とを有し、前記筒状表面（１２ｂ）は前記回転軸（Ａ）に対して傾斜して延びる少なくとも一つの凹部（１２ａ）を有し、かつ前記回転干渉部材（１２）は前記凹部（１２ａ）内を燃料が流れることにより回転動作が引き起こされるノズルヘッド（２）において、
   前記筒状表面（１２ｂ）は、前記チャネル状の噴射孔（６）の入口側開口部（６ａ）に対向して配置され、それにより前記回転干渉部材（１２）が前記チャネル状の噴射孔（６）の入口側開口部（６ａ）を定期的に覆うとともに噴射された燃料の乱流状態を引き起こすことを特徴とする燃料噴射ノズル用ノズルヘッド。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズル（２０）用ノズルヘッド（２）において、
   前記空洞（９）は、少なくとも前記チャネル状の噴射孔（６）が形成されている部位において対称軸（Ｂ）を伴う円筒状部を有し、
   前記凹部（１２ａ）は前記回転軸（Ａ）に対して前記回転干渉部材（１２）の幅全体に沿って延びており、かつ
   前記回転干渉部材（１２）は、前記回転軸（Ａ）と前記対称軸（Ｂ）とが一致するように前記空洞（９）内に配置されていることを特徴とする燃料噴射ノズル用のノズルヘッド。
3. 請求項２に記載の燃料噴射ノズル（２０）用ノズルヘッド（２）において、
   前記回転干渉部材（１２）は、はすば平歯車状に形成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル用ノズルヘッド。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル（２０）用ノズルヘッド（２）において、
   前記ノズルヘッド（２）はブラインドホール（１１）を含み、該ブラインドホール（１１）の下端（９ａ）はボール（１４）と接触しており、かつ前記ボール（１４）は前記回転干渉部材（１２）と接触していることを特徴とする燃料噴射ノズル用ノズルヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル（２０）用ノズルヘッド（２）において、
   前記チャネル状の噴射孔（６）は長手方向に延びる少なくとも一つの溝（１６）を有していることを特徴とする燃料噴射ノズル用ノズルヘッド。
6. 請求項５に記載の燃料噴射ノズル（２０）用ノズルヘッド（２）において、
   前記溝（１６）が螺旋状に延びていることを特徴とする燃料噴射ノズル用ノズルヘッド。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載したノズルヘッド（２）を備えた燃料噴射ノズル。
8. 請求項７に記載した燃料噴射ノズルを備えた内燃機関。

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