JP4155251B2

JP4155251B2 - 燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JP4155251B2
Application number: JP2004255124A
Authority: JP
Inventors: 義明西島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP2006070802A

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に用いられる燃料噴射ノズルに関する。

〔従来の技術〕
エンジンに燃料を噴射供給する燃料噴射弁に用いられる燃料噴射ノズルは、噴孔が形成されたノズルボディ、および噴孔を開閉するノズル等を備える。そして、電磁アクチュエータ等によりノズルがリフトされて、噴孔から燃料が噴射供給される。この燃料噴射ノズルでは、噴射燃料の微粒化および拡散性向上を促進するため、種々の改良が行われている。

例えば、燃料噴射ノズルの軸方向に複数の噴孔を同列に、かつ平行に設けることにより、各噴孔からの噴射流を干渉させて噴孔の軸方向への貫徹力を保持しつつ、噴射燃料を微粒化させるものがある（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。さらに、各噴孔から噴射される噴射流を互いに衝突させて噴射流をより広角的に拡散させるものもある（例えば、特許文献３や特許文献４参照）。

〔従来技術の不具合〕
近年、燃料消費量の低減、排気ガスの浄化、エンジンの安定運転性の向上等の観点から、燃料噴射ノズルには、更なる、噴射燃料の拡散性向上が要求されている。
特開平１１−３５１１０５号公報特開２０００−３２０４２９号公報特開平８−１０５３２６号公報特開平１１−１７３２４５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、エンジンに燃料を噴射供給する燃料噴射弁の燃料噴射ノズルにおいて、更なる、噴射燃料の拡散性向上を達成することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の燃料噴射ノズルは複数の噴孔が設けられたノズルボディを備え、これらの噴孔の内、少なくとも２つの噴孔の軸心は、互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置にあり、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、一方の軸心を含むとともに他方の軸心に平行な第２面に他方の軸心が投影されると、外周側に向かって２つの軸心間の距離が狭くなる。
これにより、２つの噴孔からの噴射流は、互いに衝突することなく干渉しあう。また、これらの噴孔からの噴射流は旋回しながら拡散する。このため、噴射流が平行で干渉する場合や、噴射流が衝突して一方向に広角的に拡散する場合よりも、広範囲に噴射燃料を拡散することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の燃料噴射ノズルは複数の噴孔が設けられたノズルボディを備え、これらの複数の噴孔は、少なくとも２つの噴孔から形成され２つの噴孔の軸心が互いに平行な群噴孔と、群噴孔の２つの軸心と互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置に軸心がある少なくとも１つの噴孔とを含む。そして、群噴孔の２つの軸心と１つの噴孔の軸心とは、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、群噴孔の２つの軸心および１つの噴孔の軸心の内のいずれかの１つの軸心を含むとともに他の２つの軸心に平行な第２面に他の２つの軸心が投影されると、外周側に向かって群噴孔の２つの軸心と１つの噴孔の軸心との距離が狭くなる。
これにより、群噴孔からの噴射流と１つの噴孔からの噴射流とは、互いに衝突することなく干渉しあう。また、群噴孔からの噴射流と１つの噴孔からの噴射流とは、旋回しながら拡散する。このため、群噴孔からの噴射流と１つの噴孔からの噴射流とが平行で干渉する場合や、群噴孔からの噴射流と１つの噴孔からの噴射流とが衝突して一方向に広角的に拡散する場合よりも、広範囲に噴射燃料を拡散することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の燃料噴射ノズルでは、噴孔または群噴孔の内、後に開放される噴孔または群噴孔からの噴射流量が、先に開放される噴孔または群噴孔からの噴射流量よりも大きい。
直噴型エンジンでは、先に噴射される燃料の燃焼により酸素が消費された後、残った酸素は、後から噴射される燃料の燃焼により消費される。このため、後から供給される噴射流の貫徹力が先に供給される噴射流の貫徹力よりも大きい方が好ましい。そこで、上記のように噴射流量を設定すれば、後から供給される噴射流の貫徹力を、先に供給される噴射流の貫徹力よりも大きくすることができる。これにより、エンジンの効率を向上させることができる。

最良の形態１の燃料噴射ノズルは、複数の噴孔が設けられたノズルボディ、およびこれらの噴孔を開閉するニードルを備え、ニードルをリフトすることにより噴孔から燃料を噴射供給するものである。また、複数の噴孔の内、少なくとも２つの噴孔の軸心は、互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置にあり、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、一方の軸心を含むとともに他方の軸心に平行な第２面に他方の軸心が投影されると、外周側に向かって２つの軸心間の距離が狭くなる。
また、後に開放される噴孔からの噴射流量が、先に開放される噴孔からの噴射流量よりも大きい。

最良の形態２の燃料噴射ノズルの複数の噴孔は、少なくとも２つの噴孔から形成され２つの噴孔の軸心が互いに平行な群噴孔と、群噴孔の２つの軸心と互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置に軸心がある少なくとも１つの噴孔とを含む。そして、群噴孔の２つの軸心と１つの噴孔の軸心とは、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、群噴孔の２つの軸心および１つの噴孔の軸心の内のいずれかの１つの軸心を含むとともに他の２つの軸心に平行な第２面に他の２つの軸心が投影されると、外周側に向かって群噴孔の２つの軸心と１つの噴孔の軸心との距離が狭くなる。
また、後に開放される噴孔または群噴孔からの噴射流量が、先に開放される噴孔または群噴孔からの噴射流量よりも大きい。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射ノズル１の構成を図１および図２を用いて説明する。この燃料噴射ノズル１は、例えば、４気筒のディーゼルエンジン（図示せず：以下、単にエンジンと呼ぶ）の各気筒に搭載され気筒内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に用いられる。

燃料噴射ノズル１は、図１に示すように、複数の噴孔２、３が設けられたノズルボディ４、および噴孔２、３を開閉するニードル５を備える。また、燃料噴射弁は、この燃料噴射ノズル１と、ニードル５をリフトする電磁アクチュエータ（図示せず）とを備える。そして、電磁アクチュエータがニードル５をリフトすることにより、噴孔２、３が開放され噴孔２、３から燃料が噴射供給される。

ノズルボディ４には、図１に示すように、燃料通路８をなす燃料通路面９、ニードル５のシート部１０が着座する円錐面１１、トップニードル１２が摺動する摺動面１３が、燃料の流れ方向に沿い順次に形成されている。

燃料通路面９は、ニードル５の外周面とともに燃料通路８をなす。この燃料通路８は、例えば、高圧燃料を蓄圧するコモンレール等に連通し、電磁アクチュエータが作動してニードル５がリフトすると高圧燃料を噴孔２、３へ導く。

円錐面１１は、ニードル５のシート部１０が着座する座１４をなすように設けられている。また、円錐面１１には、座１４よりも下流側に噴孔２が開口し気筒内へ通じている（以下、噴孔２を第１噴孔２とする）。このように第１噴孔２は、ニードル５がリフトしてシート部１０が座１４から離れると開放され、コモンレール等の高圧燃料を気筒内へ導く。

摺動面１３には、噴孔３が開口し気筒内へ通じている（以下、噴孔３を第２噴孔３とする）。第２噴孔３は、第１噴孔２よりも下流側に設けられている。そして、第２噴孔３は、ニードル５のリフトとともにトップニードル１２が図示上方へ所定距離だけ摺動すると、第１噴孔２に遅れて開放され、サック室１５の高圧燃料を気筒内へ導く。なお、サック室１５には、トップニードル１２に設けられた燃料通路１６により、コモンレール等から高圧燃料が導かれる。

ここで、第１噴孔２の軸心と第２噴孔３の軸心とは、図２に示すように、互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置にある。すなわち、第１噴孔２の軸心と第２噴孔３の軸心とは、図２（ｂ）に示すように、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、図２（ｃ）に示すように、第１噴孔２の軸心を含むとともに第２噴孔３の軸心に平行な第２面に第２噴孔３の軸心が投影されると、外周側に向かって第１噴孔２の軸心と第２噴孔３の軸心との距離が狭くなる。
また、第２噴孔３からの噴射流量が第１噴孔２からの噴射流量よりも大きくなるように、噴孔径等が設定されている。
また、第１、第２噴孔２、３は、第１噴孔２が開放されてから第２噴孔３が開放されるまでのニードル５のリフト量が０．０５ｍｍ以上となるように設けられている。すなわち、トップニードル１２が摺動面１３を摺動する所定距離は、０．０５ｍｍ以上に設定されている。

また、第１、第２噴孔２、３の軸心方向は、燃料噴射のタイミングに応じて変更するのが好ましい。例えば、ピストン（図示せず）が上死点近傍にあるときに燃料を噴射する場合には、第１噴孔２の軸心をほぼ水平方向に一致させ、第２噴孔３の軸心を第１噴孔２の軸心に向かわせるようにするのが好ましい。また、ピストンが上死点に対し進角または遅角しているときに燃料を噴射する場合には、第１噴孔２の軸心を水平方向より下方に向けさせ、第２噴孔３の軸心をほぼ水平方向に一致させ第１噴孔２の軸心に向かわせるようにするのが好ましい。なお、第１、第２噴孔２、３の軸心方向の設定は、第１、第２噴孔２、３を予め上記のような条件を満たすように設けたり、燃料噴射弁の組み付け角度を変更したりすることにより行うことができる。

ニードル５には、図１に示すように、第１噴孔２を開閉する縮径部２０、第２噴孔３を開閉するトップニードル１２が先端に向かい順次に設けられている。

縮径部２０は、ニードル本体２１と、ニードル本体２１よりも径小のトップニードル１２との間に、先端に向かい縮径するように設けられている。縮径部２０には、先端側の第１テーパ面２２、および第１テーパ面２２よりも勾配が大きく、かつ径大の第２テーパ面２３が形成されている。そして、第１テーパ面２２と第２テーパ面２３との接合部が、座１４に着座するシート部１０をなす。

トップニードル１２は、ノズルボディ４の摺動面１３と摺接する摺動面２４が形成されている。トップニードル１２は、ニードル５全体がリフトされ図示上方へ所定距離だけ移動すると、第２噴孔３を開放する。これにより、サック室１５の高圧燃料が第２噴孔３から気筒内に導かれる。また、トップニードル１２には、燃料噴射ノズル１の軸方向およびこの軸方向に垂直な方向に燃料通路１６が設けられている。この燃料通路１６により、シート部１０と座１４との隙間を通過した高圧燃料がサック室１５へ導かれる。

〔実施例１の作用〕
実施例１の燃料噴射ノズル１の作用を、図３を用いて説明する。
まず、ニードル５がリフトする前は、図３（ａ）に示すようにシート部１０が座１４に着座しており、第１、第２噴孔２、３ともに閉鎖されている。このため、燃料の噴射は全く行われていない。電磁アクチュエータが作動しニードル５のリフトが開始されると、まず、図３（ｂ）に示すようにシート部１０が座１４から離座し、第１噴孔２が開放される。これにより、第１噴孔２から、先に燃料が気筒内に噴射供給される。さらに、ニードル５がリフトすると、図３（ｃ）に示すようにトップニードル１２が図示上方へ移動し、第２噴孔３が開放される。これにより、第１噴孔２の後に第２噴孔３から、燃料が気筒内に噴射供給される。

〔実施例１の効果〕
実施例１の燃料噴射ノズル１では、第１、第２噴孔２、３の軸心が、互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置にある。すなわち、第１噴孔２の軸心と第２噴孔３の軸心とは、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる（図２（ｂ）参照）。また、第１噴孔２の軸心を含むとともに第２噴孔３の軸心に平行な第２面に第２噴孔３の軸心が投影されると、外周側に向かって第１噴孔２の軸心と第２噴孔３の軸心との距離が狭くなる（図２（ｃ）参照）。
これにより、第１、第２噴孔２、３からの噴射流は、互いに衝突することなく干渉しあう。また、第１、第２噴孔２、３がねじれの位置にあり、第２面において第１、第２噴孔２、３の軸心間距離が外周側に向かって狭くなっているので、第１、第２噴孔２、３からの噴射流は旋回しながら拡散する。このため、第１、第２噴孔２、３の軸心を平行に設定し噴射流を平行で干渉させる場合や、第１、第２噴孔２、３の軸心を交わるように設定し噴射流を衝突させて一方向に広角的に拡散する場合よりも、広範囲に噴射燃料を拡散することができる。

また、燃料噴射ノズル１では、後に開放される第２噴孔３からの噴射流量が、先に開放される第１噴孔２からの噴射流量よりも大きい。
ディーゼルエンジンのような直噴型エンジンでは、先に噴射される燃料の燃焼により酸素が消費された後、残った酸素は、後から噴射される燃料の燃焼により消費される。このため、後から供給される噴射流の貫徹力が先に供給される噴射流の貫徹力よりも大きい方が好ましい。そこで、第２噴孔３からの噴射流量が第１噴孔２からの噴射流量よりも大きくなるように噴孔径等を設定し、後から供給される噴射流の貫徹力を先に供給される噴射流の貫徹力よりも大きくする。これにより、気筒内の酸素利用率を高めエンジンの効率を向上させることができる。

また、燃料噴射ノズル１の第１、第２噴孔２、３は、第１噴孔２が開放されてから第２噴孔３が開放されるまでのニードル５のリフト量が０．０５ｍｍ以上となるように設けられている。
これにより、第１噴孔２の開放から第２噴孔３の開放まで充分な時間差を得ることができる。この結果、第１噴孔２からの噴射後の残留酸素を、第２噴孔３からの噴射燃料により効率的に消費することができる。

実施例２の燃料噴射ノズル１では、図４に示すように、円錐面１１に２つの第１噴孔２が開口している。また、摺動面１３には第２噴孔３が開口している。そして、２つの第１噴孔２は、互いの軸心が平行となるように設けられた群噴孔をなす（以下、２つの第１噴孔２からなる群噴孔を第１群噴孔２７と呼ぶ）。また、第１群噴孔２７をなす２つの第１噴孔２は、燃料噴射ノズル１の軸方向に同じ位置を占めるように、かつ互いの軸心が平行となるように設けられている。
また、第２噴孔３の軸心は、燃料噴射ノズル１の周方向において、２つの第１噴孔２の軸心の間に配置されるとともに、第１噴孔２の軸心とねじれの位置を占める。つまり、図４（ｂ）に示すように、第１群噴孔２７の２つの軸心と第２噴孔３の軸心とは、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、図４（ｃ）に示すように、第１群噴孔２７の２つの軸心の内の一方の軸心を含むとともに第１群噴孔２７の他方の軸心および第２噴孔３の軸心に平行な第２面に、第１群噴孔２７の他方の軸心および第２噴孔３の軸心が投影されると、外周側に向かって第１群噴孔２７の２つの軸心と第２噴孔３の軸心との距離が狭くなる。
また、第２噴孔３からの噴射流量が第１群噴孔２７からの噴射流量よりも大きくなるように、噴孔径等が設定されている。

これにより、第１群噴孔２７からの噴射流は、互いに干渉することにより第１噴孔２の軸心方向に貫徹力を保持するとともに、第１噴孔２からの噴射粒子は微粒化される。このように微粒化され、かつ貫徹力を保持する噴射流に、さらに第１群噴孔２７とねじれの位置関係にある第２噴孔３からの噴射流を干渉させることにより、旋回流を生じさせ、さらに広範囲に噴射燃料を拡散することができる。

実施例３の燃料噴射ノズル１では、図５に示すように、第１群噴孔２７をなす２つの第１噴孔２は、燃料噴射ノズル１の軸方向に異なる位置を占めるように、かつ互いの軸心が平行となるように設けられている。
また、第２噴孔３の軸心は、燃料噴射ノズル１の周方向において、２つの第１噴孔２の軸心の間に配置されるとともに、２つの第１噴孔２の軸心とねじれの位置を占める。つまり、図５（ｂ）に示すように、第１群噴孔２７の２つの軸心と第２噴孔３の軸心とは、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となる。また、図５（ｃ）に示すように、第２噴孔３の軸心を含むとともに第１群噴孔２７の２つの軸心に平行な第２面に第１群噴孔２７の２つの軸心が投影されると、外周側に向かって第１群噴孔２７の２つの軸心と第２噴孔３の軸心との距離が狭くなる。
これにより、実施例３の燃料噴射ノズル１は、実施例２の燃料噴射ノズル１と同様の効果を奏することができる。

〔実施例４の構成〕
実施例４のニードルは、図６に示すように、第１噴孔２のみを開閉するアウタニードル２９と、第２噴孔３のみを開閉するインナニードル３０とを有する。アウタニードル２９は円筒状に形成され、その外周面はノズルボディ４の燃料通路面９とともに燃料通路８をなす。また、内周面はインナニードル３０の外周面と摺接する摺動面である。また、アウタニードル２９の先端部は、縮径部２０でありシート部１０を有する。インナニードル３０は円柱状に形成され、その外周面はアウタニードル２９の内周面と摺接する摺動面である。また、インナニードル３０の先端部は、トップニードル１２であり摺動面２４を有する。
なお、電磁アクチュエータは、先にアウタニードル２９をリフトし、その後、インナニードル３０をリフトする。

〔実施例４の作用〕
まず、アウタ、インナニードル２９、３０がともにリフトする前は、図６（ａ）に示すようにシート部１０が座１４に着座しており、第１噴孔２は閉鎖されている。また、第２噴孔３もトップニードル１２により閉鎖されている。このため、燃料の噴射は全く行われていない。電磁アクチュエータが作動しアウタニードル２９のリフトを開始すると、まず、図６（ｂ）に示すようにシート部１０が座１４から離座し、第１噴孔２が開放される。これにより、第１噴孔２から、先に燃料が気筒内に噴射供給される。その後、インナニードル３０のリフトが始まり、図６（ｃ）に示すようにトップニードル１２が図示上方へ移動し、第２噴孔３が開放される。これにより、第１噴孔２の後に第２噴孔３から、燃料が気筒内に噴射供給される。
なお、第１噴孔２が開放されてから第２噴孔３が開放されるまでの時間差が１００μｓｅｃ以上となるように、各種条件が設定されている。

〔実施例４の効果〕
実施例４の燃料噴射ノズル１では、ニードル５が、アウタ、インナニードル２９、３０の２部材で構成され、各々が第１、第２噴孔２、３を開閉する。
これにより、第１、第２噴孔２、３を開閉する部材が別々に設けられている燃料噴射ノズル１も、実施例１ないし実施例３と同様の効果を奏することができる。

また、燃料噴射ノズル１では、第１噴孔２が開放されてから第２噴孔３が開放されるまでの時間差が１００μｓｅｃ以上となるように、各種条件が設定されている。この結果、第１噴孔２からの噴射後の残留酸素を、第２噴孔３からの噴射燃料により効率的に消費することができる。

〔変形例〕
本実施例の燃料噴射ノズル１の第２噴孔３の開閉は、トップニードル１２の摺動面２４がノズルボディ４の摺動面１３を摺動するスライド方式により行われていたが、第１噴孔２の開閉と同様に、ノズルボディ４側に座を設け、ニードル５側にシート部を設けて、座からシート部が着座または離座することにより、第２噴孔３を開閉するようにしてもよい。
また、本実施例では、第１噴孔２の後に開放される第２噴孔３は、１つしか設けられていなかったが、軸心が互いに平行な２つ以上の第２噴孔３から形成される第２群噴孔としてもよい。
また、本実施例の第１群噴孔２７は２つの第１噴孔２からなるものであったが、３つ以上の第１噴孔２からなるものであってもよい。

（ａ）は、燃料噴射ノズルの要部断面図であり、（ｂ）は、噴孔の位置関係を示す正面図である（実施例１）。（ａ）は、噴孔の位置関係を示す燃料噴射ノズルの正面図であり、（ｂ）は、噴孔の位置関係を示すノズルボディ要部の平面図であり、（ｃ）は、噴孔の位置関係を示すノズルボディ要部の断面図である（実施例１）。（ａ）は、第１、第２噴孔が両方とも閉鎖されているときの燃料噴射ノズルの要部断面図であり、（ｂ）は、第１噴孔のみが開放されているときの燃料噴射ノズルの要部断面図であり、（ｃ）は、第１、第２噴孔が両方とも開放されているときの燃料噴射ノズルの要部断面図である（実施例１）。（ａ）は、噴孔の位置関係を示す燃料噴射ノズルの正面図であり、（ｂ）は、噴孔の位置関係を示すノズルボディ要部の平面図であり、（ｃ）は、噴孔の位置関係を示すノズルボディ要部の断面図である（実施例２）。（ａ）は、噴孔の位置関係を示す燃料噴射ノズルの正面図であり、（ｂ）は、噴孔の位置関係を示すノズルボディ要部の平面図であり、（ｃ）は、噴孔の位置関係を示すノズルボディ要部の断面図である（実施例３）。（ａ）は、第１、第２噴孔が両方とも閉鎖されているときの燃料噴射ノズルの要部断面図であり、（ｂ）は、第１噴孔のみが開放されているときの燃料噴射ノズルの要部断面図であり、（ｃ）は、第１、第２噴孔が両方とも開放されているときの燃料噴射ノズルの要部断面図である（実施例４）。

符号の説明

１燃料噴射ノズル
２第１噴孔（噴孔）
３第２噴孔（噴孔）
４ノズルボディ
５ニードル
２７第１群噴孔（群噴孔）

Claims

複数の噴孔が設けられたノズルボディ、およびこれらの噴孔を開閉するニードルを備え、前記ニードルをリフトすることにより前記噴孔から燃料を噴射供給する燃料噴射ノズルにおいて、
前記複数の噴孔の内、少なくとも２つの噴孔の軸心は、互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置にあり、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となり、
一方の軸心を含むとともに他方の軸心に平行な第２面に前記他方の軸心が投影されると、外周側に向かって２つの軸心間の距離が狭くなることを特徴とする燃料噴射ノズル。
複数の噴孔が設けられたノズルボディ、およびこれらの噴孔を開閉するニードルを備え、前記ニードルをリフトすることにより前記噴孔から燃料を噴射供給する燃料噴射ノズルにおいて、
前記複数の噴孔は、
少なくとも２つの噴孔から形成され前記２つの噴孔の軸心が互いに平行な群噴孔と、
この群噴孔の２つの軸心と互いに平行ではなく、かつ互いに交わらないねじれの位置に軸心がある少なくとも１つの噴孔とを含み、
前記群噴孔の２つの軸心と前記１つの噴孔の軸心とは、軸方向に垂直な第１面に投影されると互いに平行となり、
前記群噴孔の２つの軸心および前記１つの噴孔の軸心の内のいずれかの１つの軸心を含むとともに他の２つの軸心に平行な第２面に前記他の２つの軸心が投影されると、外周側に向かって前記群噴孔の２つの軸心と前記１つの噴孔の軸心との距離が狭くなることを特徴とする燃料噴射ノズル。
請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
前記噴孔または前記群噴孔の内、後に開放される噴孔または群噴孔からの噴射流量が、先に開放される噴孔または群噴孔からの噴射流量よりも大きいことを特徴とする燃料噴射ノズル。