JP4218696B2

JP4218696B2 - 燃料噴射ノズル

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Publication number: JP4218696B2
Application number: JP2006139906A
Authority: JP
Inventors: 恵理子松村; 知士郎杉本; 素成鎗野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: WO2007135526A3; DE602007003219D1; KR20080108622A; EP2024633A2; EP2024633B1; JP2007309236A; CN101449050B; KR101007163B1; CN101449050A; US8231069B2; US20090230219A1; WO2007135526A2

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射ノズルに関し、詳しくは、燃料噴射ノズルの内部でキャビテーションを発生させて噴射燃料を微粒化させる技術に関する。

燃料噴射ノズルから噴射される燃料の微粒化は、排気エミッションを改善し、また、燃費を改善する効果がある。噴射燃料を微粒化する方法としては、特許文献１或いは特許文献２に開示されるように、燃料噴射ノズルの内部で燃料中にキャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡が混合した状態の燃料を噴射することが知られている。

特許文献１に開示された技術では、バルブシートに燃料流れ中へ突き出た縁突起を取り付け、この縁突起によって燃料流れを剥離させてキャビテーションを発生させるようにしている。また、縁突起を燃料の噴射孔の直ぐ上流に配置することで、縁突起で発生したキャビテーション気泡を噴射孔に流入している燃料に直接同伴させるようにしている。

特許文献２に開示された技術では、ノズルボデーにバルブシートから延びる複数の噴孔入口流路を設け、これら噴孔入口流路の下流端を連通路によって連通させている。そして、連通路からノズルボデーの外面に形成された噴射口に向けて複数の噴孔出口流路を設けている。この従来技術では、バルブシートから噴射口に向かう燃料流が複数の噴孔入口流路内を通過する際、その流路壁面にてキャビテーションを発生させるようにしている。また、連通路内を流れる燃料流と噴孔入口流路から流出した燃料流とを噴孔出口流路の入口部において衝突させることで、その衝突エネルギーにより噴孔出口流路内にて燃料流の乱れを促進させ、キャビテーション気泡と燃料流との混合を促進させるようにしている。
特開２００３−２０６８２８号公報特開２００４−３１６５９８号公報

しかしながら、上記の特許文献１に開示された技術においては、キャビテーションが発生する位置が噴射孔に近いために、キャビテーション気泡が燃料に十分に混合しない状態で噴射される可能性がある。一方、上記の特許文献２に開示された技術においては、バルブシートから直接、噴孔入口流路が延びる構造のため、バルブシートとニードルバルブ間の流路面積が噴孔入口流路内でのキャビテーションの発生に大きく影響してしまう。具体的には、ニードルバルブの開き始めの過渡状態では、バルブシートとニードルバルブ間の流路面積は狭く、噴孔入口流路の流路面積との差は小さい。このため、バルブシートから噴孔入口流路に流入したときの燃料流の圧力低下が小さく、噴孔入口流路内でキャビテーションを十分に発生させることができない可能性がある。

以上のように、従来提案されている何れの燃料噴射ノズルも、燃料の微粒化の面において未だ改良の余地を残すものであった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、十分に微粒化した燃料を安定して噴射することが可能な、燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
複数の噴射口と、前記噴射口に通じる燃料の流路に形成されたバルブシートと、前記バルブシートに着座するニードルバルブとを有する燃料噴射ノズルにおいて、
前記バルブシートよりも燃料の流れ方向の下流側に設けられた第１容積部と、
前記第１容積部よりも燃料の流れ方向の下流側に設けられた第２容積部と、
前記第１容積部と前記第２容積部とを接続する第１燃料通路と、
前記第２容積部と前記噴射口とを接続する第２燃料通路と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記第２燃料通路は、前記第１燃料通路に直角な方向に対して前記第１燃料通路の上流側に向けて傾斜して設けられていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記第１容積部は、前記ニードルバルブの軸線上に設けられ、
前記第２容積部は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って設けられ、
前記第１燃料通路は、前記第１容積部の周面から前記ニードルバルブの径方向に向けて延びていることを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記燃料噴射ノズルは、前記ニードルバルブを収容し且つ前記バルブシートが形成されたノズルボデーと、前記噴射口が形成されたノズルプレートとの組立体として構成され、
前記第１容積部は、前記ニードルバルブと前記ノズルプレートとの隙間によって形成され、
前記第１燃料通路及び前記第２容積部は、前記ノズルボデーと前記ノズルプレートとの隙間によって形成され、
前記第２燃料通路は、前記ノズルプレート内に形成されていることを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、
前記ノズルボデーと前記ノズルプレートとの間には前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って隙間が設けられ、前記隙間は径方向の内側に設けられた狭い隙間と径方向の外側に設けられた広い隙間とからなり、前記狭い隙間によって前記第１燃料通路が形成され、前記広い隙間によって前記第２容積部が形成されていることを特徴としている。

第６の発明は、第５の発明において、
前記狭い隙間は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って連続的に設けられていることを特徴としている。

第７の発明は、第５又は第６の発明において、
前記広い隙間は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って連続的に設けられていることを特徴としている。

第８の発明は、第５又は第６の発明において、
前記広い隙間は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って所定の間隔で設けられ、複数設けられた前記広い隙間のそれぞれに前記噴射口が連通していることを特徴としている。

第９の発明は、第５乃至第８の何れか１つの発明において、
前記隙間は、前記ノズルボデーの前記ノズルプレートに対向する面に形成された凹凸によって構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、ニードルバルブとバルブシートとの間を通った燃料は、第１容積部から第１燃料通路へ流入し、第１燃料通路を通って第２容積部に流入する。燃料が第１燃料通路を通過する際、減圧沸騰の原理によってキャビテーションが発生する。第１燃料通路内で生成されたキャビテーション気泡は燃料とともに第２容積部に流入し、第２容積部内で混合された後、第２燃料通路を通って噴射口から噴射される。これによれば、キャビテーション気泡と燃料とを十分に混合させてから噴射することができ、噴射燃料の微粒化を促進することが可能となる。また、燃料は、ニードルバルブとバルブシートとの間から直接ではなく第１容積部を介して第１燃料通路に流入するので、ニードルバルブの開き始めの過渡状態においても安定して第１燃料通路内にキャビテーションを発生させることができる。

特に、第２燃料通路を第１燃料通路に直角な方向に対して第１燃料通路の上流側に向けて傾斜して設けることで、第１燃料通路から第２容積部へ流入した燃料がそのまま第２燃料通路に流出することを防止することができる。これによれば、第２容積部内での燃料の滞留期間を長くすることができ、キャビテーション気泡と燃料との混合を促進することができる。また、第２燃料通路が第１燃料通路に直角な方向に対して第１燃料通路の上流側に向けて傾斜していることで、噴射口からの燃焼ガスの侵入に伴うデポジットが第１燃料通路を閉塞することも防止でき、デポジットの付着によってキャビテーション気泡と燃料との混合が阻害されることを抑制することができる。

また、第１燃料通路及び第２容積部をノズルボデーとノズルプレートとの隙間によって形成することで、ニードルバルブとバルブシートとの間から噴射口に至る燃料流路の加工を容易にすることができる。特に、前記隙間をノズルボデーのノズルプレートに対向する面に形成された凹凸によって構成することで、ノズルプレートの形状を単純にして加工をより容易にすることが可能になる。

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１の燃料噴射ノズルの構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料噴射ノズルの先端部の断面図である。本実施の形態の燃料噴射ノズルは、ニードルバルブ４と、ニードルバルブ４を収容するノズルボデー１０と、ノズルボデー１０に組み付けられるノズルプレート２０を含んでいる。

ノズルボデー１０の内部には、燃料が流れる燃料通路６が形成されている。以下、この燃料通路１４をノズル内通路と称する。このノズル内通路６には、ニードルバルブ４が収容されている。ニードルバルブ４はその軸線ＣＬの方向へ往復移動することができる。ノズル内通路６の出口には、ニードルバルブ４が着座するバルブシート１２が形成されている。ニードルバルブ４がその軸線ＣＬの方向に移動してバルブシート１２から離れることで、ノズル内通路６の出口が開き、燃料はノズル内通路６からその下流へ供給される。ニードルバルブ４がバルブシート１２に着座することで、ノズル内通路６から下流への燃料の供給は遮断される。

ノズルボデー１０の先端部には、ノズルプレート２０を取り付けるための平面（取付面）１８が形成されている。また、この取付面１８よりもノズルボデー１０の内側に向けて凹部１６が形成されている。凹部１６は、ニードルバルブ４の軸線ＣＬを中心とする円筒形状の孔であり、その深さはバルブシート１２の近傍まで達している。ニードルバルブ４がバルブシート１２に着座した状態では、ニードルバルブ４の先端は凹部１４内に全く突き出ないか、或いは、僅かしか突出しないようになっている。

ノズルプレート２０には、燃料を噴射するための多数の燃料噴射孔（第２燃料通路）２４が形成されている。燃料噴射孔２４は、ノズルボデー１０に対向する面からその反対側の面に向けてノズルプレート２０を貫通している。ノズルプレート２０をノズルボデー１０に取り付けた状態では、燃料噴射孔２４の入口は凹部１６内に位置している。また、燃料噴射孔２４は、ニードルバルブ４の軸線ＣＬの方向から所定の角度だけニードルバルブ４の径方向に傾けて形成されている。

ノズルプレート２０のノズルボデー１０に対向する面には、円環形状の凸部２２が形成されている。この凸部２２は、燃料噴射孔２４の入口よりも内側に形成されている。凸部２２の外径は凹部１６の径よりも小さく、ノズルプレート２０をノズルボデー１０に取り付けた状態では、凸部２２はニードルバルブ４の軸線ＣＬを中心とする円上に位置し、凹部１６の内部に収まるようになっている。一方、その内径はバルブシート１２の径と略同径に設定されている。また、凸部２２の高さは凹部１６の高さ（深さ）よりも僅かに小さく、ノズルプレート２０をノズルボデー１０に取り付けた状態では、凸部２２の頂面と凹部１６の底面との間に狭い隙間ができるようになっている。

図２は図１の一部（破線の楕円で囲んだ部分）を拡大して示す断面図である。この図に示すように、ニードルバルブ４の先端とノズルプレート２０との間には、凸部２２の内周面で囲まれる容積部３２が形成される。また、ノズルボデー１０とノズルプレート２０との間には、凹部１６の周面と凸部２２の外周面とで囲まれる容積部３６が形成される。以下、燃料の流れ方向の上流側の容積部３２を第１容積部と称し、下流側の容積部３６を第２容積部と称する。これら２つの容積部３２，３６は、凸部２２の頂面と凹部１６の底面との隙間で形成される燃料通路（第１燃料通路）３４によって接続されている。つまり、ノズルボデー１０とノズルプレート２０との隙間のうち、広い隙間によって第２容積部３６が形成され、狭い隙間によって燃料通路３４が形成されている。

図３は、図１のＡ−Ａ方向の断面図である。この図に示すように、第１容積部３２は、ニードルバルブの軸線ＣＬ上に位置する円筒形状の空間となる。一方、第２容積部３６は、ニードルバルブの軸線ＣＬを中心とする円環形状の空間となる。そして、燃料通路３４は、ニードルバルブの軸線ＣＬを中心とする円環形状を有し、第１容積部３２の周面から径方向に向けて延びて第２容積部３６の内周面に繋がっている。

第２容積部３６には、前述の燃料噴射孔２４が接続されている。燃料噴射孔２４は、図２に示すように、その出口である噴射口２６を第２容積部３６に連通させている。また、図３に示すように、燃料噴射孔２４の入口は、ニードルバルブの軸線ＣＬを中心とする同一円上に等間隔で配列されている。

［実施の形態１の燃料噴射ノズルの作用及び効果］
次に、本実施の形態の燃料噴射ノズルの作用及び効果について図２を用いて説明する。図２においては、ニードルバルブ４が開いたときの燃料の流れを矢印で示している。

ニードルバルブ４がその軸方向に移動し、ニードルバルブ４がバルブシート１２から離れると、ノズル内通路６と第１容積部３２とが連通状態となり、ノズル内通路６から第１容積部３２へ燃料が流入する。第１容積部３２に流入した燃料は、さらに、第１容積部３２から燃料通路３４へと流れ込む。燃料通路３４の流路面積は、燃料が第１容積部３２を通過する際の流路面積に比較して極めて小さい。このため、燃料通路３４へ流れ込んだ燃料の流速は上昇し、それに伴って燃料通路３４内を流れる燃料の圧力は低下する。この圧力の低下によって燃料通路３４内ではキャビテーションが発生する。

燃料通路３４を流れる燃料は、燃料通路３４内で生じたキャビテーション気泡とともに第２容積部３６へ流入する。第２容積部３６に流入した燃料は、さらに、下流の燃料噴射孔２４に流れ込むことになるが、燃料が第２容積部３６を通過する際の流路面積は燃料噴射孔２４の流路面積に比較して極めて大きい。このため、燃料は暫くの間、第２容積部３６内で滞留することになる。また、燃料噴射孔２４は燃料通路３４に直角な方向に対して燃料通路３４の上流側に向けて傾斜して設けられているので、燃料通路３４から燃料噴射孔２４への燃料の直接の流れを遮断して確実に滞留させることができる。燃料が第２容積部３６内で滞留している間、燃料とキャビテーション気泡との混合が進み、燃料噴射孔２４にはキャビテーション気泡が十分に混合した燃料が流れ込むことになる。

以上のことから、本実施の形態の燃料噴射ノズルによれば、キャビテーション気泡と燃料とを十分に混合させてから噴射することができ、噴射燃料の微粒化を促進することが可能となる。また、本実施の形態の燃料噴射ノズルによれば、燃料はニードルバルブ４とバルブシート１２との間から直接、燃料通路３４に流入するのではなく、第１容積部３２を介して燃料通路３４に流入するので、ニードルバルブ４の開き始めの過渡状態においても安定して燃料通路３４内にキャビテーションを発生させることができるという効果もある。

また、本実施の形態の燃料噴射ノズルによれば、燃料噴射孔２４が燃料通路３４に直角な方向に対して燃料通路３４の上流側に向けて傾斜していることにより、噴射口２６からの燃焼ガスの侵入に伴うデポジットが燃料通路３４を閉塞することは防止される。したがって、第２容積部３６内に付着したデポジットによってキャビテーション気泡と燃料との混合が阻害されることは抑制される。

また、本実施の形態の燃料噴射ノズルには製造上の利点もある。上記のように、燃料通路３４及び第２容積部３６をノズルボデー１０とノズルプレート２０との隙間によって形成することで、ノズル内通路６から噴射口２６に至る燃料流路の加工を容易にすることができる。特に、キャビテーションを効率良く発生させるためには燃料通路３４は微小な隙間にする必要があるが、本実施の形態の燃料噴射ノズルの構成によれば、必要とされる微小隙間を高い精度で実現することができる。

実施の形態２．
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２としての燃料噴射ノズルの先端部の断面図であり、実施の形態１にかかる図３（図１のＡ−Ａ方向の断面図）に相当する。図４において、実施の形態１の燃料噴射ノズルと同一の部品及び部位については、同一の符号を付している。また、既に説明した部品及び部位については重複する説明は省略するものとする。

本実施の形態の燃料噴射ノズルは、第２容積部３６の構成に特徴がある。本実施の形態では、第２容積部３６は燃料噴射孔２４毎に独立して設けられ、ニードルバルブの軸線ＣＬを中心とする円に沿って一定の間隔で配置されている。このような第２容積部３６の構成は、ノズルボデー１０の凹部１６を実施の形態１のような円筒形状ではなく、図４に示すような歯車形状に形成することで実現される。歯車の基礎円部にあたる部分が凸部２２の外周面に嵌合することで、第２容積部３６が燃料噴射孔２４毎に仕切られるようになっている。

上記のような構成によれば、第１容積部３２から燃料通路３４へと流れ込んだ燃料は、燃料通路３４から各第２容積部３６へ分配されて燃料噴射孔２４へ供給される。これによれば、第２容積部３６によってキャビテーション気泡と燃料との混合を促進させる効果は維持しつつ、第２容積部３６のデッドボリュームを少なくすることができる。なお、上記の構成では実施の形態１と同じく円環形状の燃料通路３４を採用しているが、第２容積部３６だけでなく燃料通路３４も燃料噴射孔２４毎に独立して設けてもよい。

実施の形態３．
以下、図５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

図５は、本発明の実施の形態３としての燃料噴射ノズルの先端部の断面図であり、実施の形態１にかかる図２（図１の破線の楕円で囲んだ部分を拡大して示す断面図）に相当する。図５において、実施の形態１の燃料噴射ノズルと同一の部品及び部位については、同一の符号を付している。また、既に説明した部品及び部位については重複する説明は省略するものとする。

本実施の形態では、ノズルプレート２０のノズルボデー１０に対向する面は平面であり、ノズルボデー１０の凹部１６内に凸部１８が形成されている。この凸部１８は円環形状を有し、ニードルバルブ４の軸線を中心とする円上に位置している。凸部１８の外径は凹部１６の径よりも小さく、内径はバルブシート１２の径と略同径に設定されている。また、凸部１８の高さは凹部１６の深さよりも僅かに小さく、ノズルプレート２０をノズルボデー１０に取り付けた状態では、凸部１８の頂面とノズルプレート２０との間に狭い隙間ができるようになっている。

本実施の形態では、ニードルバルブ４の先端とノズルプレート２０との間において、凸部１８の内周面で囲まれる空間が第１容積部３２となる。また、ノズルボデー１０とノズルプレート２０との間において、凹部１６の周面と凸部１８の外周面とで囲まれる空間が第２容積部３６となる。そして、凸部１８の頂面とノズルプレート２０との隙間で形成される通路が２つの容積部３２，３６を接続する燃料通路３４となる。

上記のような構成によれば、ノズルプレート２０は薄い平板でよく、複雑な加工が不要になるという利点がある。また、燃料通路３４のクリアランスを取付面１４から凸部１８の頂面までの切削量によって制御することができ、キャビテーションを効率良く発生させるために必要とされる微小隙間を高い精度で実現することが可能という利点もある。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態２にかかる構成に実施の形態３にかかる構成を組み合わせてもよい。

本発明の実施の形態１としての燃料噴射ノズルの先端部の断面図である。図１の一部（破線の楕円で囲んだ部分）を拡大して示す断面図である。図１のＡ−Ａ方向の断面図である。本発明の実施の形態２としての燃料噴射ノズルの先端部の断面図であり、実施の形態１にかかる図３に相当する図である。本発明の実施の形態３としての燃料噴射ノズルの先端部の断面図であり、実施の形態１にかかる図２に相当する図である。

符号の説明

４ニードルバルブ
６ノズル内通路
１０ノズルボデー
１２バルブシート
１４取付面
１６凹部
１８凸部
２０ノズルプレート
２２凸部
２４燃料噴射孔（第２燃料通路）
２６噴射口
３２第１容積部
３４燃料通路（第１燃料通路）
３６第２容積部

Claims

複数の噴射口と、前記噴射口に通じる燃料の流路に形成されたバルブシートと、前記バルブシートに着座するニードルバルブとを有する燃料噴射ノズルにおいて、
前記バルブシートよりも燃料の流れ方向の下流側であって、前記ニードルバルブの軸線上に設けられた第１容積部と、
前記第１容積部よりも燃料の流れ方向の下流側であって、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って設けられた第２容積部と、
前記第１容積部の周面から前記ニードルバルブの径方向に向けて延びている、前記第１容積部と前記第２容積部とを接続する第１燃料通路と、
前記第２容積部と前記噴射口とを接続する第２燃料通路とを備え、
前記第２燃料通路は、前記噴射口側を前記第１燃料通路に直角な方向から前記第１燃料通路の上流側に傾けて設けられ、
前記燃料噴射ノズルは、前記ニードルバルブを収容し且つ前記バルブシートが形成されたノズルボデーと、前記噴射口が形成されたノズルプレートとの組立体として構成され、
前記第１容積部は、前記ニードルバルブと前記ノズルプレートとの隙間によって形成され、
前記第１燃料通路及び前記第２容積部は、前記ノズルボデーと前記ノズルプレートとの隙間によって形成され、
前記第２燃料通路は、前記ノズルプレート内に形成され、
前記ノズルボデーと前記ノズルプレートとの間には前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って隙間が設けられ、前記隙間は径方向の内側に設けられた狭い隙間と径方向の外側に設けられた広い隙間とからなり、前記狭い隙間によって前記第１燃料通路が形成され、前記広い隙間によって前記第２容積部が形成されていること、
を特徴とする燃料噴射ノズル。
前記狭い隙間は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って連続的に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射ノズル。
前記広い隙間は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って連続的に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射ノズル。
前記広い隙間は、前記ニードルバルブの軸線を中心とする円に沿って所定の間隔で設けられ、複数設けられた前記広い隙間のそれぞれに前記噴射口が連通していることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射ノズル。
前記隙間は、前記ノズルボデーの前記ノズルプレートに対向する面に形成された凹凸によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料噴射ノズル。