JP5536953B2 - 噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のための燃料噴射システムの中で使用される噴射ノズルに関する。本発明は、特に、しかし排他的ではなく、ディーゼル用コモンレール燃料噴射システムの中で使用するための噴射ノズル、および噴射ノズルの弁針が圧電アクチュエータで制御される噴射ノズルに関する。

コモンレール燃料噴射システムでは、燃料噴射器（通常、４、６または８個）が、関連する燃焼シリンダ内に高圧で燃料を噴射するために設けられる。各燃料噴射器は、噴射器によって燃料送出を制御するために、弁座に向かって、また弁座を離れて移動するようにアクチュエータによって操作される弁針を有する噴射ノズルを含む。

知られている噴射ノズルが図１に示され、そのような噴射ノズルは、欧州特許第０９５５９０１号に記載されるように直動式（direct-acting）圧電噴射器内に組み込まれてよく、また、間接作動式（indirect-acting）噴射器、または「サーボ」噴射器にも適用可能である。

図１を参照すると、噴射ノズル２は、円筒形の盲内腔６を画定する金属ノズル本体４を含み、盲内腔６内で針状の弁部材８が滑動可能である。ノズル内腔６の盲端（換言すれば、閉鎖端）が、半径方向内向きにサック容積（sac volume）１２と一体になる円錐形の着座面１０によって画定される。また、ノズル本体４は複数のノズル出口通路１４（それらのうちの２つが図示される）を含み、ノズル出口通路１４の内端が、サック容積１２の壁を通して開いている。

弁針８は、全体的に円筒形の（上部）領域１５および着座面１０と密閉状態で係合可能な全体的に円錐形の先端部分１６を含む。この目的で、先端部分１６は、円錐形の着座面１０の円錐角より小さい円錐角を有する円錐台形の上部領域１８と、上部領域１８の下に位置し、円錐形の着座面１０より大きな円錐角を有する下方の円錐形領域２０とを画定する。

上部先端領域と下部先端領域との間の交差部は、円錐形の着座面１０と係合可能な着座線（seating line）２２を画定し、着座線２２は、効果的で耐久性のある密閉が達成されることを確実にする、正確な環状係合点を画定する。

以後「送出室」と呼ばれる、燃料のための室２４を画定するために、弁針８の円筒形の領域１５は、内腔６の周辺部より細いことに留意されたい。
出口通路１４からの燃料を制御するために、弁針８は、噴射ノズル２の長手方向軸に沿って軸方向に移動可能である。使用中、弁針８は、図１に示される方位において上方に動かされるので、先端部分１６が着座面１０との係合を解き、それにより、送出室２４内に存在する高圧の燃料が、先端部分１６を通り過ぎてサック容積１２に入り、出口通路１４を通過して関連する燃焼室に流入することができる。先端部分１６が着座面１０と再係合すると、出口通路１４が閉ざされ、それゆえ燃料噴射が終了される。

出願人は、そのような従来技術のノズルでは、低揚程（lift）状態（最大揚程の約３５％まで）の間、着座領域を通り過ぎて流れる燃料が、出口への進入開口（entry opening）に入るためにしっかりと向きを変える前に、弁針の表面に追従または「粘着」してサック容積の中に入る傾向があることを観察した。しかし、弁針の揚程が増加し、サック容積の中への開口がより大きくなるにつれて、流れは、サック容積の表面に追従または「粘着」するように切り替わる。しかし、弁針に追従する流れからサック表面に追従する流れに位相が切り替わることは瞬間的ではなく、この遷移は流れの不安定性の期間によって特徴付けられ、この期間の間に、流れは、弁針への追従とサック壁面への追従との間ではためき（flap）、すなわち切り替わる（toggle）可能性があり、最悪の場合には、流れの不安定性が、サック容積内で無秩序な流れ状況（regime）を生成する。

上で説明された流れの不安定性現象は、ノズルの出口毎の（outlet-to-outlet）噴霧の変動を助長する可能性があり、同様に、弁針に作用する軸方向上向きの力に何らかの変動を引き起こす可能性があり、そのことが、弁揚程を不円滑にさせて噴霧をさらに変動させることにつながる可能性がある。さらに、噴射器の噴射毎の（shot-to-shot）燃料送出の正確さが損なわれる可能性がある。

一般に、上記の要因は、より高レベルの汚染排出ならびに機関の性能および効率の低下につながる。

このような背景に対して、本発明が考案され、本発明が、内燃機関、とりわけ圧縮点火機関すなわち「ディーゼル」機関、のための噴射ノズルによって定義される。噴射ノズルは、内腔を設けられたノズル本体を備え、内腔内で弁針が移動可能であり、弁針が、一組のノズル出口を通る燃料送出を制御するように弁座と係合可能であり、前記ノズル出口がノズル本体のサック容積の壁の中に画定された進入開口を含み、弁針が、第１の弁領域（と、第２の弁領域と、第１および第２の弁領域の間の移行部によって画定される座領域とを含み、座領域は、ノズルが噴射しない状態にあるときに弁座に着座する。また、弁針は、第２の弁領域に隣接し、湾曲したプロフィールを画定する外面を有する第３の弁領域を含み、弁針が弁座と係合されるときに、外面の端部が進入開口と概して平面で整合して終端する。

別の方法で表現すると、第３の領域の端部は、ノズル出口の内側の開口と、好ましくは内側の開口の中心とほぼ同一平面上の位置で、すなわち同じ平面を共有する位置で終端する。

特有のサック容積を特色とする噴射ノズルとの関連で、本発明は、低揚程の状態からより中程度のまたは高揚程の状態まで弁針が上がるときに、流れが不安定になる現象を回避することによって、大きな流れ効率の利点を提供する。形作られた第３の領域は、サック容積の入り口から、出口への進入穴まで燃料を案内するように働き、それゆえ、サック容積はもはや、ノズル出口に対する供給リザーバとして作用しない。結果として、流れの不安定性がほぼ排除され、より効率的な経路が、サック容積への進入点からノズル穴まで燃料が流れるために設けられ、そのことが、図１に示される、知られている噴射ノズルに比較して、低揚程状態における流速を増大させる。

第３の領域の表面は、ノズル出口の進入開口から所定の最小距離だけ離間され、その距離は、サック容積の進入口径の１０％と３０％との間、より好ましくはサック容積の進入口径の１５％と２５％との間、最も好ましくはサック容積の進入口径のほぼ２０％である。

第３の領域の表面とノズル出口との間に最小の間隙を選択することで、端部領域とサック壁との間の間隙が狭すぎることによって燃料流れが過度に制限されることがないことが確実になり、同様に、より高い針揚程において端部表面が、ノズル出口への燃料流れを妨げないことが確実になる。

一実施形態では、第１の弁領域および第２の弁領域が、共に円錐台の形状であり、互いに隣接して配置されて、相互の境界において着座線を画定する。第１および第２の弁領域をこのように形作ることで、弁針と着座面との間に正確な接触点を生成して信頼性のある密閉を確実にする。

他の形状が可能であるが、一実施形態では、第３の弁領域は、比較的下流の位置において第２の弁領域に隣接するナイロイド錐台（neiloidic frustum）である。
本発明の一変異形態では、第３の領域が、鋭い周縁部を画定するように平坦な端面で終端してよいが、当該周縁部は、燃料のサック容積内への燃料の流れに影響を与える可能性が低い適切な面取りまたは半径で、鈍くされてよい。

状況に応じて、噴射ノズルの着座面は、比較的大きい円錐角、例えば６０度と１４０度との間、を有する。より好ましくは、角度は９０度と１４０度との間、最も好ましくはほぼ１２０度である。噴射ノズルが比較的大きい円錐角を伴う着座面を有する状況において、流れの遷移の問題が最も多く見られる。

さらに、着座領域とノズル出口への進入穴との間の距離が比較的小さいノズル、例えば、ノズルの着座径（seating diameter）のほぼ２０％と６０％との間、より好ましくは３０％と５０％との間にあるノズルにおいて、流れの遷移の問題がより多く見られることが観察されている。

知られている噴射ノズルを示す図１が、すでに参照されている。次に、本発明が、単なる例として、添付の図面を参照して説明される。

従来の噴射ノズルを示す図である。 本発明の一実施形態による噴射ノズルの部分断面図である。 図２ａの一部をより詳細に示す図である。 図２ａおよび図２ｂにおける噴射ノズルが第１の噴射位置にある状態で示される部分断面図である。 図３ａの拡大された一部を示す図である。 図２ａおよび図２ｂにおける噴射ノズルが第２の噴射位置にある状態で示される部分断面図である。 図４ａの拡大された一部を示す図である。

図２ａを参照すると、噴射ノズル（全体として３０で示される）は、細長いノズル本体３２と、ノズル本体３２の中に設けられた円筒形の盲内腔３６の中で滑動可能である弁針３４とを備える。使用中に、一組のノズル出口通路４０を通って、ノズル３０が中に突出する燃焼室（図示されず）内に入る燃料送出を制御するために、弁針３４が、内腔３６の盲端で画定される弁針の着座面３８と係合しまた係合を解くように、軸方向に移動可能である。用語「組」は、本明細書では複数のノズル出口に言及するように使用され、そのことは実際的な用途において典型的ではあるが、当業者は、用語が単一のノズル出口をも同様に包含することを理解することに留意されたい。

本明細書では図示されないが、実際には、弁針３４は、当業者によく知られており、ディーゼル機関用コモンレール燃料噴射システムとの関連で、欧州特許第０９５５９０１号に例示されるような圧電アクチュエータで作動される種類のものであってよい噴射制御弁装置（図示されず）によって移動可能である。ノズルが、直動式の圧電型噴射器の中で使用されうることが、本発明の特別な利点であり、圧電アクチュエータは、直動によって、液圧式もしくは機械式の増幅器もしくはカップラを介して、または他の直接的接続手段によってのいずれかで、弁針３４の移動を制御する。あるいは、弁針は、電磁装置によって、または単に、弁針をその座から浮揚させる液圧力によって移動可能であり、弁針の移動を制御する両技術は、当業者には理解される。

弁針３４は、全体的に円筒形の（上部）領域４６と全体的に円錐形の先端部分４８とを含み、先端部分４８は着座面３８と密閉状態で係合可能であり、ノズル出口４０への燃料流れを制御する。以後「送出室」と呼ばれる、燃料のための室５０を画定するために、弁針４６の円筒形領域４６は、内腔３６の周辺部より細いことに留意されたい。

着座面３８は、全体的に円錐の形状であり、この実施形態では、１２０度の円錐角θ_１を画定する。内腔３６の真底（換言すれば、最下端部）に配置され、ノズル本体３２の長手方向軸Ａにその中心を有する内腔内で中央に設置される、急傾斜の壁部４４で画定されるサック容積４２の中に、着座面３８が移行する。サック容積４２の壁は、円錐形の着座面３８とは別個に明確に区別できることに留意されたい。

サック容積４２は収集容器（collection bowl）または収集室として働き、サック容積４２内に、弁針３４と着座面３８との間に画定される環状経路に沿って送出室５０から燃料が流入し、サック容積４２から、壁部４４において開く出口通路４０のそれぞれの内端４０ａに燃料が流入する。

弁針３４は、噴射ノズル３０の長手方向軸Ａに沿って軸方向に移動可能であり、それにより、噴射ノズル３０が着座面３８と係合されるかまたは係合を解かれるかに従って、出口通路４０からの燃料を制御する。使用中、図２ａに示される方位において上方に、弁針３４が移動されると、先端部分４８が着座面３８との係合を解き、それにより、送出室５０内に存在する高圧の燃料が、先端部分４８を通り過ぎてサック容積４２に入り、ノズル出口４０を通って進むことができる。先端部分４８が着座面３８と再係合すると、ノズル出口４０が閉ざされ、それゆえ燃料噴射が終端される。

先端部分４８の構成および形状が、噴射ノズル３０の機能にとりわけ重要であり、噴射ノズル３０が霧状の燃料噴霧を正確にかつある周波数範囲（例えば、５〜２００噴射事象／秒）で繰り返して送出する能力に対して、比較的小さな構造的変化が著しい影響を与えうることに留意されたい。

この状況において、先端部分４８をより詳細に参照すると、弁針３４は、円錐の着座面３８の円錐角より小さい円錐角θ_２を有する円錐台の形体の第１の（上部）領域５２と、上部領域５２にその下に隣接して位置し、着座面３８の円錐角θ_１より大きい円錐角θ_３を有する、やはり円錐台の形体の第２の領域５４とを含む。図示される実施形態では、θ_２が約１０５度で、θ_３が約１２１度であるが、これらの値は単なる例によるものであることに留意されたい。

上部領域５２と下部領域５４との間で円錐角が異なるため、先端部分４８が着座面３８と係合するために正確な環状接触点をもたらす交差線すなわち境界線６０（以後、着座線６０と呼ばれる）が、上部領域５２と下部領域５４との間に画定され、それにより、着座面３８の表面粗さにおける局所的な変動による影響を受けない、効果的な密閉が確保される。着座線６０は、ノズルのいわゆる「着座径」を画定することに留意されたい。

また、先端部分４８は、全体的に先細りの形体を有し、下流の位置で第２の領域５４に隣接し、それにより、弁針３４の終端部すなわち終端区画を画定する、第３の異なる領域６２を設けられる。第２の領域５４が、サック容積の中に延びていないことに留意されたい。この実施形態では、第３の領域６２は、先細りであるが、くぼんだ側面６５を設けられている。別の言い方で表されると、第３の領域６２の幾何学的形状は、ナイロイド状の形体、すなわちナイロイド錐台である。

第２の領域に隣接する端部領域６２の上部は、比較的広い直径を有し、内向きに先細りになって湾曲した外面６５を画定し、弁針３４の長手方向軸Ａに対して垂直に向けられたほぼ平らな端面６４において終端する。この実施形態では、側面６５のプロフィールは、一定半径の弧によって画定される。

外面６５が曲線を成す先細りであるため、端面６４は、端部領域６２の上部より狭い直径を有することに留意されたい。
弁針３４が着座面３８と係合されると、端面６４は、ノズル出口４０の進入穴４０ａとおおむね一致する軸方向の位置を有する。また、端部領域６２の詳細をより明確に示す図２ｂを参照すると、湾曲した表面６５が、進入穴４０の中心で画定される平面と整合する位置、すなわち同一平面内にある位置において終わることは明らかである。

この実施形態では、湾曲した表面６５のプロフィールは、湾曲した表面６５が端面６４と出合う点において、（図に示される方位において）ほぼ垂直であることは、注目に値する。しかし、このことは、発明に関する概念にとって必須ではなく、表面６５の曲率半径は、表面６５が端面６４に対して斜角を画定するように選択されてよい。

次に同様に、図３ａおよび図３ｂを参照すると、弁針３４が、実際的な用語において最大揚程の約２０％未満を意味する低揚程位置にあるとき、先端部分４８のより低い領域５４と着座面３８の隣接部との間に、環状チャネル７０が確立される。それゆえ、高圧燃料は、送出室５０の中の上流位置から環状チャネル７０を通ってノズル出口４０およびサック容積４２に向かって流れる。環状チャネル７０を通って流れる燃料が、ノズル出口４０の進入穴４０ａに入るために鋭く方向を変えることを必要とされ、この状況において、第３の領域６４の機能は、燃料流れをより効率的に出口４０の中に案内することであることが理解されよう。

燃料流れは、第２の領域５４の下縁部５４ａを通り過ぎると、第３の領域６２と出合い、第３の領域６２の表面は、燃料の流れの方向を変えるために湾曲しており、それゆえ、図３ｂに流線Ｆで明確に示されるように、滑らかで連続的な経路に沿ってノズル出口通路の内側の開口に流れを案内する。

低揚程状態において、第３の領域６２は燃料流れにある程度の案内をもたらし、それゆえ、図１のノズル針のような従来技術のノズル針で観察されたような、制御されないやり方で燃料がサック容積４２に流入することは、起こりにくい。それゆえ、いくつかの知られているノズルが、時として「遷移流れ（flow transition）」として知られる流体力学的現象を示す、低および中間の針揚程高さにおいて特に、終端部６２は、燃料流れの不安定性を防ぐ。非常に低い揚程において、燃料流れは弁針の表面に追従または「粘着」する傾向があり、次いで、弁針が着座面からさらに離れて上がると、サック壁面に追従または「粘着」するように急激に切り替わる場合に、この遷移現象が発生する。例として、不安定性がとりわけ観察される、弁針の揚程の高さは、最大揚程の１５％と３５％との間である。

低い針揚程における流れの不安定性は、多くの異なるノズル構成において発生し得るが、着座面の円錐角（図１の着座面３２の円錐角θ_１参照）が６０度と１４０度との間、特に９０度と１４０度との間である噴射ノズルにおいて、流れの不安定性が最も多く見られることを、出願人は観察した。

この状況において、着座面の円錐角が大きいほど、低い針揚程高さにおいて発生する流れの不安定性によって増加されるサックの乱流のレベルが大きくなることが観察されている。というのは、着座線を通り過ぎてサック容積に入る燃料流れは、この角度があまり厳しくない噴射ノズルに比べて、より大きな角度に方向を変えることを必要とされるからである。従って、燃料噴射ノズルが上のパラメータを有する状況において、本発明はとりわけ有利である。

また、着座線６０とノズル出口の進入穴４０ａとの間の距離が比較的低い、例えば、弁針が着座面と係合する点において弁針によって画定される直径、すなわち座の直径（seat diameter）のほぼ２０％〜６０％の範囲にあるノズル構成において、流れの不安定性はより発生しやすい。

図２ａ、および同様に弁針３４の端部をより詳細に示す図２ｂに戻ると、第３の領域６２の湾曲した表面６５が、進入穴４０から離間されて環状の間隙すなわち隔たりＬを画定し、出願人が決定した隔たりＬの最小寸法は、サック容積４２の進入口径（図２ｂに「Ｄ」で記される）の１０％と３０％との間、より好ましくは、１５％と２５％との間で最も有利であることに留意されたい。より好ましくは、寸法Ｌは、サック容積４２の進入口径Ｄの１７％〜２３％の範囲内にあり、最大の利点は、ほぼ２０％の寸法Ｌによって得られる。

湾曲した表面６５、およびそれゆえ同様に下端面６４がサック容積４２の内面と共に画定するこの最小間隙Ｌは、ｉ）端部領域とサック壁との間の間隙が狭すぎることによって燃料流れが制限されることがないことを確実にする、ｉｉ）低い針揚程において燃料流れが湾曲した表面６５に追従することを確実にする、ｉｉｉ）より高い針揚程において端部表面６５が、出口に入る燃料流れを妨げないことを確実にする、という必要条件の間の均衡を取る。例えば、図４ａおよび図４ｂを参照すると、弁針３４はより大きい揚程高さにあり、それゆえ第２の領域５４と着座面３８との間に開かれた環状チャネル７０は、図３ａおよび図３ｂに示される低い揚程位置における環状チャネルより大きい。それゆえ、端部領域６２は、サック容積４２の外にさらに持ち上げられて、ノズル出口４０に入る燃料流れ（Ｆで示される）に影響を与えることのない位置におかれる。

発明に関する概念を逸脱することなく、噴射ノズルの多くの変形形態が可能である。例えば、その側面６５と端面６４との間に比較的鋭い縁部プロフィール８０を有する端部６２が示されるが、縁部８０は、適切なプロファイリング技術、例えば面取りまたは半径で鈍くされてよい。さらに、弁針３４の端部領域６２が、平らな端面６４を有するように上で説明され、図に示されたが、これは必ずしもそうとは限らず、他の形作られた部分が、先細りの端部領域６２からサック容積内に（すなわち下流方向に）さらに延びてよいことを理解されたい。そのような特徴部分は、サック容積４２内の死容積（dead volume）を低減するために望ましく、そのことが、弁針が閉じた後で出口４０を通して「滴下する（dribble）」または蒸発することを許容されるサック容積内の燃料の量を低減する効果がある。しかし、そのような特徴部分が端部領域６２に加えられるならば、より高い針揚程位置において進入穴４０ａに入る燃料流れを妨げることを回避するために、その特徴部分は出口４０と少なくとも隔たりＬに等しい間隙を維持すべきであることを理解されたい。

また、上の実施形態では、表面６５は、一定の曲率半径を有する断面を有するが、このことは本発明にとって必須ではなく、曲率半径は不規則であってよいことに留意されたい。例えば、端部領域の上端から端部表面６４まで延びるものと考えられる場合、曲率半径は、増加してよくまたは減少してよい。他の例として、湾曲した表面は、最初は円錐形に先細りになる部分を備え、次いでその部分が湾曲したプロフィールと一体となってよい。

Claims (13)

1. 弁針（３４）が中で移動可能である内腔（３６）が設けられたノズル本体（３２）を備え、
   前記弁針（３４）が、一組のノズル出口（４０）を通る燃料送出を制御するように弁座（３８）と係合可能であり、前記弁座（３８）が、前記内腔（３６）の真底に配置される急傾斜の壁部により画定される、前記ノズル本体のサック容積（４２）内に移行し、前記ノズル出口が、前記サック容積の壁の中に画定された進入開口（４０ａ）を含む、内燃機関のための噴射ノズル（３０）であって、
   前記弁針が、第１の弁領域（５２）と、第２の弁領域（５４）と、前記第１の弁領域（５２）と前記第２の弁領域（５４）との間の移行部によって画定され、前記ノズルが噴射しない状態にあるときに前記弁座（３８）に着座する座領域（６０）とを含み、
   前記弁針（３４）が、前記第２の弁領域に隣接して第３の弁領域（６２）を備え、前記第３の弁領域が湾曲したプロフィールを画定する外面（６５）を有し、前記弁針が前記弁座（３８）と係合されるときに、前記外面（６５）の端部が前記進入開口（４０ａ）の中心によって画定される平面と同一の平面内にあり、
   前記第３の弁領域（６２）の前記外面（６５）が、前記ノズル出口（４０）の前記進入開口（４０ａ）から、前記サック容積（４２）の進入口径（Ｄ）の１０％と３０％との間の距離（Ｌ）だけ離間される、噴射ノズル（３０）。
2. 前記第１の弁領域（５２）および前記第２の弁領域（５４）が、円錐台の形体であり、前記第１の弁領域（５２）および前記第２の弁領域（５４）の相互境界において着座線（６０）を画定するように互いに隣接する、請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記第３の弁領域（６２）が、くぼんだ側面（６５）を有する先細りの形状を有している、請求項１または請求項２に記載の噴射ノズル。
4. 前記第３の弁領域（６２）が、前記第２の弁領域（５４）に対して下流の位置で前記第２の弁領域（５４）に隣接する、請求項１から３のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
5. 前記距離（Ｌ）が、前記サック容積（４２）の前記進入口径（Ｄ）の１５％と２５％との間である、請求項１から４のいずれかに記載の噴射ノズル。
6. 前記距離（Ｌ）が、前記サック容積（４２）の前記進入口径（Ｄ）の１７％と２３％との間である、請求項５に記載の噴射ノズル。
7. 前記距離（Ｌ）が、前記サック容積（４２）の前記進入口径（Ｄ）の約２０％である、請求項６に記載の噴射ノズル。
8. 前記第３の弁領域（６２）の周縁部（８０）が、面取りされるかまたは丸みをつけられる、請求項１から７のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
9. 前記弁座（３８）が円錐形であり、６０度と１４０度との間の座の円錐角を画定する、請求項１から８のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
10. 円錐形の前記弁座（３８）が、９０度と１４０度との間の座の円錐角を画定する、請求項９に記載の噴射ノズル。
11. 円錐形の前記弁座（３８）が、１２０度の座の円錐角を画定する、請求項１０に記載の噴射ノズル。
12. 前記座領域（６０）と前記ノズル出口の進入穴（４０ａ）との間の距離が、前記ノズルの着座径の約２０％と６０％との間である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
13. 前記座領域（６０）と前記ノズル出口の進入穴（４０ａ）との間の前記距離が、前記ノズルの着座径の約３０％と５０％との間である、請求項１２に記載の噴射ノズル。

Images