JP4225297B2

JP4225297B2 - 内燃機関用燃料噴射弁

Info

Publication number: JP4225297B2
Application number: JP2005189646A
Authority: JP
Inventors: 信幸清水; 知士郎杉本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: US20070012803A1; JP2007009765A; US7651038B2

Description

本発明は、燃料噴霧の微粒化によりＨＣ等の排気エミッションを低減させるように改良した内燃機関用燃料噴射弁に関する。

自動車エンジン等の内燃機関では、噴霧の微細化が良い方が、完全燃焼に近づき、機関の高性能化と排気エミッションの低減が図られる。

特許文献１には、周状の燃料シール部（ニードル）を通った燃料の流れ（縦流れ）を流量計量部とニードルとの間の燃料の流れ（横流れ）に変換し、燃料噴射弁の中央に向かう途中で噴孔に導く構造が開示されている。噴孔のニードル側入口で流れを剥離させることにより強い渦流を発生させ、これにより噴霧の微粒化を図るものである。

しかし、この方法では、噴孔のニードル側で燃料の流れを剥離させるため、流れが燃料噴射弁の中央側の噴孔内壁面に集中してしまい、噴孔内壁上を流れる燃料液膜が厚くなってしまう虞がある。燃料液膜が厚くなると、噴孔から噴出した液膜を粒子に分断するのに大きなエネルギーを要するため、噴出後直ちに噴霧粒子に分断され難く、一旦厚い液膜状（液筒状）で噴射されてから分断されることになり、噴霧粒子への分断までに時間がかかり、微粒化が阻害される。

これは、燃料と噴孔内壁面（通常はステンレス鋼等）との表面張力の関係で燃料が内壁面に濡れ広がり難く、噴孔内壁面上で燃料液膜が流れの強い方に偏って液膜厚さが不均等になるからである。

特許文献２にはデポジット抑制のために噴孔内壁に撥油被膜を施すことが開示されており、特許文献３には微粒化のために噴孔の内壁に燃料の流れ方向と直角な溝を設けることが開示されているが、いずれも微粒化効果が不十分であり、更に改良が求められていた。

特許文献４には、特許文献２とは逆に、噴孔内壁に親油性を有する酸化チタンコーティングを施すことにより、噴霧の微粒化が図られているが、圧損が大きくなるという問題があった。

特開平９−３２６９５号公報（特許第３１５６５５４号）特開平１１−３４３４８１号公報特開２００３−２２７４４５号公報特開２００４−３４６８１７号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、燃料噴霧の微粒化によりＨＣ等の排気エミッションを低減させるように改良した内燃機関用燃料噴射弁を提供することを目的とする。

参考技術によれば、内燃機関の燃焼室もしくは吸気ポートへ燃料を噴射する噴孔の内壁を、親油部と撥油部とがナノオーダーで相互に微細分散して成る複合被膜で被覆したことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁が提供される。

また、本発明によれば、内燃機関の燃焼室もしくは吸気ポートへ燃料を噴射する噴孔の内壁を、燃料噴流方向に延在する多数の溝と、これら溝間の平面部とで構成し、上記溝の内壁は撥油被膜で被覆し、上記平面部は親油被膜で被覆したことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁が提供される。

参考技術においては、（１）噴孔内壁を被覆した複合被膜を構成する親油部と撥油部とがナノオーダーで微細分散しているため、噴孔内の燃料液膜に対して分子レベルで作用することにより、噴孔内壁に対する燃料液膜の高い濡れ性が確保され噴孔内壁に薄く濡れ広がり薄膜化するので、噴霧が微粒化する。同時に、（２）複合被膜と燃料液膜との表面張力が同等であるため燃料液膜は薄い液膜のまま噴孔内壁を滑るので、噴孔内でのエネルギー損失すなわち圧損が大きくなることがない。

本発明においては、（１）親油性の平面部では濡れ性が高まり燃料液膜が薄く濡れ広がり薄膜化し、同時に、（２）撥油性の溝と親油性の平面部との境界で滑り速度の差で生じた剪断力により燃料液膜が引きちぎられ、溝内では燃料が液糸状になるため、噴出した液糸が長手方向に分断されることで、噴霧が微粒化する。

参考技術、本発明のいずれによっても、燃料噴霧の微粒化が達成される。

〔参考形態〕
図１、２、３を参照して、参考技術による噴霧の微粒化の原理を説明する。

図１は参考技術の内燃機関用燃料噴射弁の噴孔付近を示す断面図であり、（Ａ）は噴孔の長手方向に沿った縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける横断面図である。

図１（Ａ）は、ニードルバルブ１を開放位置に上げた状態を示しており、燃料は矢印で示したように流れて、バルブボディー２の噴孔３から外部（燃焼室内）に噴霧される。

参考技術の特徴として、噴孔３の内壁は、親油（ＰＥＳ）／撥油（ＦＥＰ）複合被膜１０が被覆している。燃料は噴孔３の内部では噴孔３の内壁に被覆された複合被膜１０の表面を液膜４として流れる。すなわち液膜４は図１（Ｂ）に示したように噴孔内壁３の全体に広がった筒状をしており、その内側には残留空気層５がある。

図２（Ａ）に、参考技術の複合被膜１０の構造を模式的に示す。親油性のＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）１２中に撥油性のＦＥＰ（４弗化エチレン・６弗化プロピレン共重合体）１４がナノオーダーで微細分散している。例えば図中に示したように一辺０．１μｍ（１００ｎｍ）〜１μｍの正方形のＰＥＳマトリクス１２中に、ＦＥＰ粒子１４が数十個のオーダーで微細に分散している。すなわち、ＦＥＰ撥油部のサイズは数ｎｍ〜数十ｎｍのオーダーであり、ＰＥＳ親油部のサイズ（ＦＥＰ撥油部の間隔）も数ｎｍ〜数十ｎｍのオーダーである。

なお、ＦＥＰ撥油部１４は図２（Ａ）のように単独の粒子から成る場合もあるが、図２（Ｂ）に示したように複数の粒子から成る場合もある。また、図２（Ｂ）では個々のＦＥＰ撥油部１４がそれぞれ３個づつの粒子から成るように描いたが、必ずしも全て同数の粒子から成る必要はない。一般的には個々のＦＥＰ撥油部１４は単独あるいは複数個の粒子から成っていてよい。

図３を参照して、複合被膜１０の作用を説明する。親油性ＰＥＳ領域１２と撥油性ＦＥＰ領域１４とが交互に配列されているところに燃料液滴Ｐが接触すると、図３（Ａ）に示すように、それぞれの領域上で燃料液滴Ｐには矢印のような力が作用して、点線で仮想的に示したように個々の領域上に個々の液滴Ｐを形成しようとする。

しかし実際には、親油性ＰＥＳ領域１２と撥油性ＦＥＰ領域１４との交互配列がナノオーダーであるため、燃料の分子レベルで図３（Ｂ）の矢印のように力が作用し、個々の領域上で燃料液滴Ｐが孤立して存在できずに隣接液滴Ｐ同士が連結し、燃料液膜４（図１）として全体に薄く濡れ広がる。その際、親油部１２からの引力により濡れ性が確保されると同時に、撥油部１４からの斥力で滑り性が確保される。これにより、燃料液膜４は複合被膜１０上に薄く濡れ広がりつつ容易に滑ることができる。その結果、圧損の上昇を招くことなく薄い燃料液膜４が噴孔３から噴出し、容易に分断されて微粒化される。

本参考形態の具体的な一例として、スプレー塗布やディッピング等の方法により噴孔３の内壁にＰＥＳ／ＦＥＰ混合溶液（例えばＰＥＳ／ＦＥＰ比＝７０／３０）を塗布し、一次焼成（例えば１８０℃×３０分）と二次焼成（例えば３５０℃×３０分）を行なって、２〜５μｍ程度の膜厚のＰＥＳ／ＦＥＰ複合被膜１０を形成することができる。

〔実施形態〕
図４を参照して、本発明による噴霧の微粒化の原理を説明する。図４（Ａ）は噴孔３の出口付近の斜視図であり、周囲は省略してある。図４（Ｂ）は噴孔３の内壁付近の一部分を拡大した横断面図である。

本発明の特徴として、噴孔の内壁３を、平面部３Ａと噴流方向の溝３Ｂとが交互に配列されており、平面部３ＡはＰＥＳから成る親油被膜１２で被覆し、溝３Ｂの内壁はＦＥＰから成る撥油被膜１４で被覆してある。

親油性の平面部３Ａ上では燃料は薄い液膜４Ａとして濡れ広がり、撥油性の溝部３Ｂ内では燃料は自己の表面張力で断面が丸くなり液糸４Ｂとして細長くなる。親油性の平面部３Ａは濡れによる抵抗で流速が相対的に遅く、撥油性の溝部３Ｂは濡れ難い分だけ流速が相対的に速い。両者の流速の差により平面部３Ａ上の液膜４Ａと、溝３Ｂ内の液糸４Ｂとの境界には剪断力が生じ、これにより両者が引きちぎられて図４（Ｂ）のように、平面部３Ａ上の薄い液膜４Ａと、溝３Ｂ内の液糸４Ｂとに分離される。燃料はこの状態で噴孔３から噴出し、薄い液膜４Ａも細長い液糸４Ｂも容易に分断されて噴霧６が微粒化される。

なお、本実施形態の付加的な効果として、溝３Ｂが噴流を案内することにより、噴霧の噴出し方向が安定する。

本実施形態による具体的な一例として、噴孔径はφ０．２ｍｍ程度、溝３Ｂは深さ３０μｍ程度、幅３０μｍ程度である。例えば、溝は放電加工等の方法により形成することができ、ＰＥＳをローラ塗り等の手段により、またＦＥＰをディッピング等の手段により平面部３Ａと溝部３ＢにそれぞれＰＥＳ（親油剤）とＦＥＰ（撥油剤）を被覆することができる。

なお、以上の説明においては、最も望ましい形態として親油剤はＰＥＳ、撥油剤はＦＥＰとしたが、本発明はこれらに限定する必要はない。例えば、ＰＥＳ以外の親油剤としては有機シリコン、ＴｉＯ₂等を用いることができるし、ＦＥＰ以外の撥油剤としてはＣＦ（フルオロカーボン）、ＰＴＦＥ等を用いることができる。

本発明によれば、燃料噴霧の微粒化によりＨＣ等の排気エミッションを低減させるように改良した内燃機関用燃料噴射弁が提供される。

図１は、参考技術による内燃機関用燃料噴射弁の噴孔付近の断面図であり、（Ａ）は噴孔の長手方向に沿った縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける横断面図である。図２は、参考技術の複合被膜の構造を模式的に示す斜視図である。図３は、参考技術の複合被膜の作用を説明するための断面図である。図４は、本発明による内燃機関用燃料噴射弁の噴孔部分を示す（Ａ）斜視図および（Ｂ）断面図である。

符号の説明

１ニードルバルブ
２バルブボディー
３噴孔（の内壁）
３Ａ噴孔内壁の平面部
３Ｂ噴孔内壁の溝部
４燃料液膜
４Ａ噴孔内壁平面部上の燃料液膜
４Ｂ噴孔内壁溝部の燃料液糸
１０親油（ＰＥＳ）／撥油（ＦＥＰ）複合被膜
１２親油性のＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）
１４撥油性のＦＥＰ（４弗化エチレン・６弗化プロピレン共重合体）

Claims

内燃機関の燃焼室もしくは吸気ポートへ燃料を噴射する噴孔の内壁を、燃料噴流方向に延在する多数の溝と、これら溝間の平面部とで構成し、上記溝の内壁は撥油被膜で被覆し、上記平面部は親油被膜で被覆したことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁。
請求項１において、上記撥油被膜がＦＥＰから成り、上記親油被膜がＰＥＳから成ることを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁。