JP3911770B2

JP3911770B2 - 燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JP3911770B2
Application number: JP16739597A
Authority: JP
Inventors: 修二木村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: JPH1113594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接噴射式ディーゼルエンジンにおいては、図１２のようにピストン２０の頂面に窪状の燃焼室２５（ピストンキャビティ）を設け、燃料噴射ノズル１０から燃焼室２５の凹部２２に燃料を噴射するようにしたものがある（特開昭６３ー１６２９２５号公報）。燃焼室２５の入口に絞り部２１が形成され、内側の凹部２２に強い乱流を発生させる。これにより、燃料と空気との混合が促進され、スモークの発生量が低減するようになる。３０は燃料の噴霧を表す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スモークとＮＯｘをともに低減するため、高率のＥＧＲ（排気還流）を行う運転域において、噴射時期を極端に遅延させるようにしたものがある（特開平７ー４２８７号公報）。図１３に燃料噴射角度を▲１▼，▲２▼のように広角と狭角に変えた場合における、高ＥＧＲ条件下の排気性能と全負荷時の出力性能の実験結果を表す。
【０００４】
▲１▼のように噴孔角度が大きい広角ノズル１０ａにより、燃焼室２５の絞り部２１に噴霧を衝突させる場合、高ＥＧＲ条件下においては、燃料の噴射時期がピストン上死点以降へ遅延すると、それまで増加傾向を示したパテキュレートが減少傾向へ転じるようになる。これは、噴射時期の遅延によって着火遅れ期間が長くなり、その間に噴霧３０がピストン２０の下降に伴う逆スキシュ流によって燃焼室全体へと広がり、予混合燃焼する効果と思われる。その反面、着火遅れ期間の短い高速高負荷域においては、噴射期間が相対的に長くなり、着火以降に流動の弱い燃焼室２５外に噴射される噴霧が増加するため、スモークが発生しやすく、全負荷性能は低下する。
【０００５】
▲２▼のように噴孔角度が小さい狭角ノズル１０ｂにより、図１２の従来例と同様に燃焼室２５の絞り部２１の下側に噴霧を衝突させる場合、高速高負荷域においては、燃焼室２５の絞り部２１によって強い乱流が凹部２２に発生し、噴霧３０と空気との混合を促進するため、スモークの発生量が抑制され、全負荷性能は向上する。その反面、高ＥＧＲ条件下においては、噴霧３０が燃焼室２５の凹部２２に保持され、燃焼室２５の外側への広がりを抑えられるため、予混合化が十分に行われず、噴射時期をピストン上死点以降へ遅延しても、パテキュレートの減少傾向は見られない。
【０００６】
この発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、１つの噴射ノズルに広角噴孔と狭角噴孔を併用することにより、広い運転範囲で予混合燃焼による排気性能を改善しつつ、高速域での出力性能の向上を実現しようとするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の発明では、ピストン頂面の燃焼室へ向けて燃料を噴射するディーゼルエンジンにおいて、燃料の噴射量を制御する針弁と、針弁のリフト量を運転条件に応じて制御するリフト量制御手段と、針弁のリフトに伴って燃料を燃焼室に広角をもって噴射する小径の噴孔と、針弁のリフトに伴って燃料を燃焼室に狭角をもって噴射する大径の噴孔と、リフト量が小さい場合には前記小径の噴孔からの噴射量が大径の噴孔からの噴射量よりも同等以上となるように噴射し、リフト量が大きい場合には大径の噴孔からの噴射量が前記小径の噴孔からの噴射量よりも多くなるように噴射する噴射量調整手段と、を設ける。
【０００８】
第２の発明では、第１の発明における前記大径噴孔は、そのノズル内部への開口部に流量係数を高める手段を備える。
【０００９】
第３の発明では、第１の発明又は第２の発明における前記リフト量制御手段は、針弁のリフト量を低速域で小さく、高速域で大きく制御する。
【００１０】
第４の発明では、第１の発明から第３の発明における噴射量調整手段は、燃料噴射時の前記針弁とその針弁が着座するシート部との隙間面積を、リフト量が小さい場合には前記小径の噴孔と前記大径の噴孔との総開口面積よりも小さくなるように設定し、リフト量が大きい場合には前記小径の噴孔と前記大径の噴孔との総開口面積よりも大きくなるように設定する。
第５の発明では、第４の発明において、前記小径噴孔の位置を大径噴孔の位置に対し、燃料の供給上流側に配設する。
【００１１】
第６の発明では、第４の発明又は第５の発明における前記針弁には、針弁低リフト時の小径噴孔と相対する位置に凹部を形成する。
【００１２】
第７の発明では、第１の発明から第６の発明における、前記ピストン頂面の燃焼室がその開口部に絞り部を備え、広角の小径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、ピストン上死点位置における燃焼室の絞り部の壁面、狭角の大径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、ピストン上死点位置における燃焼室の絞り部内側の壁面になるようにそれぞれ設定する。
【００１３】
第８の発明では、第１の発明から第６の発明における、前記ピストン頂面の燃焼室がその最大幅と同幅の開口部を備え、広角の小径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、ピストン上死点位置における燃焼室の上端から内側下方へ所定距離を境にその上側の壁面、狭角の大径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、同じく所定距離の位置を境にその下側の壁面になるようにそれぞれ設定する。
【００１４】
第９の発明では、第１の発明から第８の発明における前記リフト量制御手段は、高ＥＧＲ率の運転域で噴射時期をピストン上死点以降へ遅延させる場合に針弁のリフト量を小さく制御する。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明において、各噴孔から針弁のリフトに伴って燃料が噴射する。リフト量が小さい場合には小径の噴孔からの噴射量が大径の噴孔からの噴射量よりも同等以上となるように噴射し、リフト量が大きい場合には大径の噴孔からの噴射量が小径の噴孔からの噴射量よりも多くなるように噴射する。
【００１６】
針弁の低リフト時において、スモークの増加を抑えつつ、ＮＯｘを低減するため、高率のＥＧＲにより燃焼温度を低下させ、同時に噴射時期をピストン上死点以降へ遅延させると、広角噴射による予混合燃焼の効果により、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果も確保できる。高速高負荷域では、針弁が高リフト状態になり、流動の弱い燃焼室外への広角噴射量の割合よりも、流動の強い燃焼室への狭角噴射量の割合が大きくなるため、スモーク性能や出力性能の向上をもたらす。
【００１７】
第２の発明では、流量係数を高める手段により、針弁の高リフト時における、狭角噴射量の割合がさらに大きくなる。つまり、狭角ノズル単独の場合にスモーク性能や出力性能を近づけられる。
【００１８】
第３の発明では、低速域は針弁が低リフト状態になり、高率のＥＧＲにより燃焼温度を低下させ、同時に噴射時期をピストン上死点以降へ遅延させると、広角噴射による予混合燃焼の効果により、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果も確保できる。高速域は針弁の高リフト状態になり、流動の強い燃焼室内への狭角噴射量の割合が広角噴射量の割合よりも大きくなるため、スモーク性能や出力性能の向上をもたらす。
【００１９】
第４の発明では、針弁の低リフト時は、針弁とそのシート部との隙間面積が小さく、各噴孔の噴射量は噴孔径の違いにあまり影響されない。針弁の高リフト時は、針弁とそのシート部との隙間面積が総噴孔面積よりも上回るため、各噴孔の噴射量は噴孔径に比例するようになる。つまり、広角噴射と狭角噴射の噴射量割合は、低リフト時にほぼ同等になる一方、高リフト時は大径側の狭角噴孔の噴射量割合が大きくなる。
第５の発明では、針弁のリフト時とくにその低リフト時における、燃料の供給上流側に位置する広角噴孔への流量割合（噴射量割合）が増加し、また第６の発明では、針弁の低リフト時において、凹部に相対する広角噴孔への流量割合（噴射量割合）はさらに大きくなる。これらにより、広角噴射による予混合燃焼の影響が強まるため、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果を促進できる。
【００２０】
第７の発明では、針弁の低リフト時において、スモークの増加を抑えつつ、ＮＯｘを低減するため、高率のＥＧＲにより燃焼温度を低下させ、同時に噴射時期をピストン上死点以降へ遅延させると、広角噴射による予混合燃焼の効果により、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果を確保できる。高速高負荷域においては、針弁が高リフト状態になり、燃焼室の奥部への狭角の噴射量割合が増えるのと、燃焼室にその絞り部で強い乱流が発生するのとにより、スモーク性能や出力性能の向上をもたらす。
【００２１】
第８の発明では、絞り部がないため、燃焼室に強い乱流は生じないが、第６の発明と同様の排気性能と出力性能が得られる。
【００２２】
第９の発明では、高率のＥＧＲを行う運転域において、噴射時期をピストン上死点以降へ遅延させるにより、スモークの増加を抑えつつ、ＮＯｘを低減できる。また、この運転域では、針弁が低リフト状態になるため、広角噴射による予混合燃焼の効果により、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果も確保できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は燃料噴射ノズルの構成を示すものであり、ノズルホルダ１の下部にノズル１０ｃが取り付けられ、ノズル１０ｃの内部に燃料噴射を制御する針弁１１が収装される。針弁１１のリフト量を運転条件に応じて制御するため、第１スプリング２および第２スプリング３が針弁１１の上部に設けられる。
【００２４】
これらスプリング２，３により、針弁１１はシート部（図２の１４）に着座するように付勢され、エンジン回転に同期して駆動される燃料噴射ポンプから燃料が供給されると、針弁１１はその圧力に応じてリフトする。
【００２５】
燃料圧力が低いときは、第１スプリング２がロッド４およびスペーサ５を介して圧縮され、第１スプリング２の撓み量が隙間ｘ１（初段リフト量）になると、第２スプリング３の下端にスペーサ５が突き当たる。
【００２６】
燃料圧力が高いときは、針弁１１のリフトにより、第１スプリングに加えて第２スプリング３もスペーサ５を介して圧縮される。第１スプリング２および第２スプリング３の撓み量が全体として隙間ｘ２になると、針弁１１の大径段部１１ａがピース７（第２スプリング３とノズル１０ｃとの間に介装される）に突き当たり、針弁１１のそれ以上のリフトは規制される。したがって、隙間ｘ２がフルリフト量に相当する。
【００２７】
図２はノズル１０ｃの先端部における、噴孔の配設状態を表すものであり、燃料を広角αに噴射する小径の噴孔１２ａ〜１２ｃと、燃料を狭角βに噴射する大径の噴孔１３ａ〜１３ｃと、がそれぞれ円周方向へ交互に配設される。噴孔１３ａ〜１３ｃの流量係数を高めるため、これら内側の開口（噴孔への流入口）をなめらかな円弧状に広げる面取り部１８が設けられる。
【００２８】
これらの噴孔１２ａ〜１２ｃおよび１３ａ〜１３ｃは、針弁１１がリフトすると、シート部１４との隙間を通して供給される燃料を噴射する。燃料噴射時の針弁１１とそのシート部１４との隙間面積については、低リフト時は噴孔１２ａ〜１２ｃと１３ａ〜１３ｃの総開口面積を下回り、図３のフルリフト時は噴孔１２ａ〜１２ｃと１３ａ〜１３ｃの総開口面積を大幅に上回るように設定される。
【００２９】
図示しないが、ディーゼルエンジンの制御装置として、エンジンの運転条件に応じてＥＧＲ率を制御する手段と、針弁が低リフトの高ＥＧＲ条件下において、噴射時期を上死点以降へ遅延させる手段を備える。
【００３０】
このような構成に基づく作用を説明する。図４に各代表点での広角噴射１と狭角噴射２の噴射量割合の比較を表す。
【００３１】
針弁１１の低リフト時は、シート部１４との隙間面積が小さく、この隙間に各噴孔１２ａ〜１２ｃと１３ａ〜１３ｂへの流量は支配されるため、広角噴射量の割合と狭角噴射量の割合が略同等となるのに対し、針弁１１のフルリフト時は、大径噴孔１３ａ〜１３ｂの噴射量割合が小径噴孔１２ａ〜１２ｃの噴射量割合に較べて大きくなる。
【００３２】
高ＥＧＲ条件下においては、高率のＥＧＲにより燃焼温度を低下させ、同時に噴射時期を上死点以降へ遅延させると、スモークの増加を抑えつつ、ＮＯｘを低減できる。この運転域では、針弁１１が初段リフト（低リフト）に止どまるため、着火遅れの間に広角噴射１の噴霧３１がピストン２０の下降に伴う逆スキシュにより燃焼室２５から外側全体へ広がり、予混合燃焼の割合が増えるため、図５のように噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果も得られる。
【００３３】
高速域においては、針弁１１がフルリフト状態になり、円弧状の面取り部１８の効果も手伝って、広角噴射１の噴射量割合よりも、流動の弱い燃焼室２５への狭角噴射２（その噴霧は３２で表す）の噴射量割合が大きくなる。燃焼室２５は絞り部２１を備えるので、その内部に強い乱流が発生するため、燃料と空気との混合がいっそう促進され、図５のように全負荷時の出力性能を確保できる。
【００３４】
図６は別の実施形態を表すものであり、小径噴孔１２ａ〜１２ｃは大径噴孔１３ａ〜１３ｃよりも針弁１１のシート部１４へ近づけて形成される。つまり、小径噴孔１２ａ〜１２ｃの位置は大径噴孔１３ａ〜１３ｃの位置に対し、燃料の供給上流側に配設される。これにより、針弁１１の低リフト時において、大径噴孔１３ａ〜１３ｃよりも小径噴孔１２ａ〜１２ｃへの流量割合が増えるため、広角噴射１による予混合燃焼の影響を強めることができる。つまり、高ＥＧＲ条件下において、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果を促進できる。
【００３５】
図７の実施形態では、針弁１１の低リフト時に小径噴孔１ａ〜１２ｃと相対する環状凹部１６が針弁１１の外周に形成される。図９において、針弁１１の低リフト時は、上流側の小径噴孔１２ａ〜１２ｃへの流量割合（広角噴射１の噴射量割合）がさらに増えるため、噴射時期の遅延に伴うパティキュレートの低減効果は、図１０のように広角ノズル単独の性能に近づくようになる。
【００３６】
針弁１１のフルリフト時は、図８のように環状凹部１６が上方へ退き、針弁１１とシート部１４との隙間が大きくなり、小径噴孔１２ａ〜１２ｃが環状凹部１６と相対しなくなるため、円弧状の面取り部１８を持つ大径噴孔１３ａ〜１３ｃからの噴射量（狭角噴射２の噴射量）の割合は大きく確保され、高速域の良好な出力性能をもたらす（図９，図１０参照）。
【００３７】
ピストン２０頂面の燃焼室２５がその最大幅と同幅の開口部を備える場合、絞り部を持たないため、燃焼室２５に強い乱流は発生しないが、この燃料噴射ノズルを適用することにより、これまでの説明と同様の排気性能と出力性能を得ることが可能になる。その場合、図１１において、広角噴射１による噴霧３１の衝突位置は、ピストン上死点位置における燃焼室２５の上端から内側へ垂直に所定距離ｘ（例えば、７ｍｍ）だけ下がる位置を境にその上側の壁面、また狭角噴射２による噴霧３２の衝突位置は、同じく燃焼室２５の上端から所定距離ｘだけ下がる位置を境にその下側の壁面になるようにそれぞれ設定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表す燃料噴射ノズルの構成説明図である。
【図２】同じく噴孔の配設状態を表す説明図である。
【図３】同じく針弁のフルリフト時を表す説明図である。
【図４】同じく噴射量割合の説明図である。
【図５】同じく効果を説明する特性図である。
【図６】別の実施形態として噴孔の配設状態を表す説明図である。
【図７】別の実施形態として噴孔の配設状態を表す説明図である。
【図８】同じく針弁のフルリフト時を表す説明図である。
【図９】同じく噴射量割合を表す説明図である。
【図１０】同じく効果を説明する特性図である。
【図１１】別の実施形態を表す噴射状態の説明図である。
【図１２】従来例の説明図である。
【図１３】同じく問題点の説明図である。
【符号の説明】
２第１スプリング
３第２スプリング
１０ｃノズル
１１針弁
１２ａ〜１２ｃ広角の小径噴孔
１３ａ〜１３ｃ狭角の大径噴孔
１４針弁のシート部
１６環状凹部
１８面取り部
２０ピストン
２１絞り部
２５燃焼室
３１，３２噴霧

Claims

ピストン頂面の燃焼室へ向けて燃料を噴射するディーゼルエンジンにおいて、
燃料の噴射量を制御する針弁と、
前記針弁のリフト量を運転条件に応じて制御するリフト量制御手段と、
針弁のリフトに伴って燃料を燃焼室に広角をもって噴射する小径の噴孔と、
針弁のリフトに伴って燃料を燃焼室に狭角をもって噴射する大径の噴孔と、
前記リフト量が小さい場合には前記小径の噴孔からの噴射量が前記大径の噴孔からの噴射量よりも同等以上となるように噴射し、リフト量が大きい場合には前記大径の噴孔からの噴射量が前記小径の噴孔からの噴射量よりも多くなるように噴射する噴射量調整手段と、
を設けたことを特徴とする燃料噴射ノズル。
前記大径噴孔は、
そのノズル内部への開口部に流量係数を高める手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
前記リフト量制御手段は、
針弁のリフト量を低速域で小さく、高速域で大きく制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射ノズル。
前記噴射量調整手段は、
燃料噴射時の前記針弁とその針弁が着座するシート部との隙間面積を、リフト量が小さい場合には前記小径の噴孔と前記大径の噴孔との総開口面積よりも小さくなるように設定し、リフト量が大きい場合には前記小径の噴孔と前記大径の噴孔との総開口面積よりも大きくなるように設定した、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
前記小径噴孔の位置を大径噴孔の位置に対し、燃料の供給上流側に配設したことを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射ノズル。
前記針弁には針弁低リフト時の小径噴孔と相対する位置に凹部を形成したことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料噴射ノズル。
前記ピストン頂面の燃焼室がその開口部に絞り部を備え、
広角の小径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、ピストン上死点位置における燃焼室の絞り部の壁面、狭角の大径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、ピストン上死点位置における燃焼室の絞り部内側の壁面になるようにそれぞれ設定したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
前記ピストン頂面の燃焼室がその最大幅と同幅の開口部を備え、
広角の小径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、ピストン上死点位置における燃焼室の上端から内側下方へ所定距離を境にその上側の壁面、狭角の大径噴孔から噴射される噴霧の衝突位置が、同じく所定距離の位置を境にその下側の壁面になるようにそれぞれ設定したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。
前記リフト量制御手段は、
高ＥＧＲ率の運転域で噴射時期をピストン上死点以降へ遅延させる場合に針弁のリフト量を小さく制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料噴射ノズル。