JP5786875B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents
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Description
本発明は、
ディーゼルエンジンにおける超臨界噴射は、液相噴射の場合に生じる蒸発潜熱による着火遅れを防止することができ、さらに、気体噴射より高い質量噴射率を確保することができるというメリットがある。
特許文献１及び２には、軽油に不活性ガスである排ガスや液体ＣＯ２を混入した軽油主体の軽油燃料を加熱して、超臨界状態にして、インジェクタに供給する技術が開示されている。これによれば、コーキングを防止しつつ軽油燃料を超臨界状態で噴射をすることができる。
特許文献１及び２には、軽油に不活性ガスである排ガスや液体ＣＯ２を混入した軽油主体の軽油燃料を加熱して、超臨界状態にして、インジェクタに供給する技術が開示されている。これによれば、コーキングを防止しつつ軽油燃料を超臨界状態で噴射をすることができる。
しかしながら、軽油燃料を液相から超臨界状態にするためには非常に高い温度が必要であり、インジェクタに供給する前に、加熱システムを用いて超臨界状態としなければならず、装置が大掛かりとなる。また、特許文献１及び２の技術では、コーキング防止のための燃料混合装置を設けているため、さらに装置が複雑化している。
また、特許文献１及び２の技術は、相状態が変化しやすいＤＭＥ燃料（ジメチルエーテルを主成分とする燃料）を超臨界状態で噴射するためには適用しにくい技術である。
また、特許文献１及び２の技術は、相状態が変化しやすいＤＭＥ燃料（ジメチルエーテルを主成分とする燃料）を超臨界状態で噴射するためには適用しにくい技術である。
そこで、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、ＤＭＥ燃料を超臨界状態で燃焼室へ噴射可能な燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
本発明の燃料噴射ノズルは、複数の噴孔を有するノズルボディと、ノズルボディに収容されて噴孔を開閉するニードルとを備え、内燃機関の燃焼室にジメチルエーテルを主成分としたＤＭＥ燃料を噴射する。
ノズルボディは、ニードルが離着座するシート部の下流に設けられて噴孔に連通するサック室を有する。そして、複数の噴孔の内、少なくとも１つの噴孔を、その他の噴孔よりも小径とするとともに、この小径の噴孔をノズルボディの最先端部においてノズルボディの軸上に貫通させるよう設けることで、噴孔より噴射されたＤＭＥ燃料をサック室近傍で燃焼させ、サック室内のＤＭＥ燃料を燃焼室での燃焼熱によって加熱して超臨界状態とする。
ノズルボディは、ニードルが離着座するシート部の下流に設けられて噴孔に連通するサック室を有する。そして、複数の噴孔の内、少なくとも１つの噴孔を、その他の噴孔よりも小径とするとともに、この小径の噴孔をノズルボディの最先端部においてノズルボディの軸上に貫通させるよう設けることで、噴孔より噴射されたＤＭＥ燃料をサック室近傍で燃焼させ、サック室内のＤＭＥ燃料を燃焼室での燃焼熱によって加熱して超臨界状態とする。
ＤＭＥ燃料は軽油燃料と比較して低い温度で超臨界状態になる。そこで、本発明では、燃焼室の燃焼熱からの伝熱でサック室内のＤＭＥ燃料を超臨界状態にする。これによれば、噴射直前の燃料を超臨界状態とするので相状態が変わりやすいＤＭＥ燃料であっても確実に燃料を超臨界状態で噴射することができる。また、ＤＭＥ燃料を超臨界状態にするのに、熱源を用意する必要がなく、燃焼室内で燃焼熱を用いてサック室を加熱すればいいので、大掛かりなシステムは不要である。
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
〔参考例１の構成〕
参考例１の燃料噴射ノズル１を、図１〜７を用いて説明する。
燃料噴射ノズル１は、ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射装置２に搭載されるインジェクタ３に用いられている。なお、燃料として、ジメチルエーテルを主成分とするＤＭＥ燃料を用いている。
参考例１の燃料噴射ノズル１を、図１〜７を用いて説明する。
燃料噴射ノズル１は、ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射装置２に搭載されるインジェクタ３に用いられている。なお、燃料として、ジメチルエーテルを主成分とするＤＭＥ燃料を用いている。
燃料噴射装置２は、高圧ポンプ４から吐出された燃料を高圧状態で蓄圧するコモンレール５、コモンレール５に蓄圧された燃料をエンジンの燃焼室Ｃ内に噴射するインジェクタ３等を備える。
高圧ポンプ４は、コモンレール５の燃料がエンジンの状態に応じた目標圧力で蓄圧されるように、燃料タンク（図示せず）の燃料を吸入して加圧し吐出するものである。
コモンレール５は、高圧ポンプ４の吐出口と高圧配管６を介して接続され、加圧された燃料の供給を受けて燃料を高圧状態で蓄圧するとともに、インジェクタ３のインレットと高圧配管６を介して接続され、燃料をインジェクタ３に供給する。すなわち、コモンレール５は、高圧の燃料を蓄圧する蓄圧容器として機能するとともに、高圧の燃料をインジェクタ３に分配する分配容器として機能する。
インジェクタ３は、高圧配管が接続されてコモンレール５と連通するとともに、エンジンの燃焼室Ｃに燃料を噴射する燃料噴射ノズル１、燃料噴射ノズル１を作動させる電磁アクチュエータ等により構成されている。なお、インジェクタ３は、気筒数と同数だけ備えられている（図１では１つだけ示す）。
図２に示すように、燃料噴射ノズル１は、噴孔１０を有するノズルボディ１１と、ノズルボディ１１に収容されて噴孔１０を開閉するニードル１２とを具備する。
ノズルボディ１１には、燃料を供給するための燃料通路１４、燃料通路１４と連通するとともにニードル１２を嵌挿するガイド孔１５、ガイド孔１５と連通するサック室１７、サック室１７と連通する噴孔１０、等が設けられている。
ノズルボディ１１には、燃料を供給するための燃料通路１４、燃料通路１４と連通するとともにニードル１２を嵌挿するガイド孔１５、ガイド孔１５と連通するサック室１７、サック室１７と連通する噴孔１０、等が設けられている。
燃料通路１４は、ガイド孔１５の途中に内径を拡大して形成される燃料溜室１９に連通して設けられ、その燃料溜室１９に高圧燃料を導入する。
ガイド孔１５の燃料溜室１９の下流には、ニードル１２が離着座するシート部２０が形成されている。
サック室１７は、ノズルボディ１１の先端において、シート部２０の下流に設けられている。サック室１７には噴孔１０が開口しており、噴孔１０を介して燃焼室Ｃと連通している。
ニードル１２がシート部２０に当接して着座している状態が噴孔１０の閉状態、ニードル１２がリフトしてシート部２０から離座した状態が噴孔１０の開状態となる。
サック室１７は、ノズルボディ１１の先端において、シート部２０の下流に設けられている。サック室１７には噴孔１０が開口しており、噴孔１０を介して燃焼室Ｃと連通している。
ニードル１２がシート部２０に当接して着座している状態が噴孔１０の閉状態、ニードル１２がリフトしてシート部２０から離座した状態が噴孔１０の開状態となる。
〔本参考例の特徴〕
本参考例の燃料噴射ノズル１は、ノズルボディ１１の先端から燃焼室Ｃへ突出し、燃焼室Ｃの燃焼熱を受けて燃焼熱をサック室１７へ伝熱する受熱体２２を備える。
そして、受熱体２２から伝熱される燃焼熱によって、サック室１７内の燃料を加熱して超臨界状態とする。
本参考例の燃料噴射ノズル１は、ノズルボディ１１の先端から燃焼室Ｃへ突出し、燃焼室Ｃの燃焼熱を受けて燃焼熱をサック室１７へ伝熱する受熱体２２を備える。
そして、受熱体２２から伝熱される燃焼熱によって、サック室１７内の燃料を加熱して超臨界状態とする。
本参考例の受熱体２２は、ノズルボディ１１と一体的に形成されており、例えば、図２、３に示すようにサック室１７を形成するノズルボディ１１のボディ壁の最先端部１１ａから円柱状に突出している。すなわち、噴孔１０が開口する位置よりもさらに先端側に受熱体２２を設けている。
受熱体２２の形状及び寸法は、受熱体２２を介する燃焼熱の伝熱によってサック室１７内の燃料が臨界温度以上となり、かつ、シート部２０上流の燃料は液相を維持できる温度となるように設計されている。
受熱体２２の形状及び寸法は、受熱体２２を介する燃焼熱の伝熱によってサック室１７内の燃料が臨界温度以上となり、かつ、シート部２０上流の燃料は液相を維持できる温度となるように設計されている。
図４に示すように、先端に向かって小径となる円錐形状や、図５に示すように、円筒形状でもよい。
また、さらに効率よく受熱するために表面積を大きくすべく、例えば円柱状の受熱体２２の外周にフィン２２ａを設けてもよい（図６、７参照）。図６では、鍔状のフィン２２ａが軸方向に複数設けられており、図７では、フィン２２ａが円柱状の軸方向に沿って周方向に複数設けられている。なお、図４もしくは図５の受熱体２２に図６もしくは７のようなフィン２２ａを設けてもよい。
また、図８に示すように、円柱の軸方向先端と中間部に径大のフランジ２２ｂを設けて、受熱しやすくする工夫をしてもよい。
また、さらに効率よく受熱するために表面積を大きくすべく、例えば円柱状の受熱体２２の外周にフィン２２ａを設けてもよい（図６、７参照）。図６では、鍔状のフィン２２ａが軸方向に複数設けられており、図７では、フィン２２ａが円柱状の軸方向に沿って周方向に複数設けられている。なお、図４もしくは図５の受熱体２２に図６もしくは７のようなフィン２２ａを設けてもよい。
また、図８に示すように、円柱の軸方向先端と中間部に径大のフランジ２２ｂを設けて、受熱しやすくする工夫をしてもよい。
〔本参考例の作用効果〕
ＤＭＥ燃料は軽油燃料と比較して低い温度で超臨界状態になる。具体的には、軽油燃料の臨界温度は約４００℃であり、ＤＭＥ燃料は約１２７℃である。そこで、本参考例では、燃焼熱を用いて噴射直前の燃料であるサック室内の燃料を燃焼熱の伝熱で加熱して、燃料を超臨界状態にして噴射する構成とした。
ＤＭＥ燃料は軽油燃料と比較して低い温度で超臨界状態になる。具体的には、軽油燃料の臨界温度は約４００℃であり、ＤＭＥ燃料は約１２７℃である。そこで、本参考例では、燃焼熱を用いて噴射直前の燃料であるサック室内の燃料を燃焼熱の伝熱で加熱して、燃料を超臨界状態にして噴射する構成とした。
なお、軽油燃料の場合は、臨界温度が高すぎるため、燃焼熱の伝熱だけで超臨界状態にすることは困難である。また、軽油燃料の臨界温度までサック室１７内を加熱できたとしても、その場合、ノズルボディ１１が熱処理硬度を維持できない。
従って、本参考例のサック室１７内の燃料を超臨界状態とするという構成は、ＤＭＥ燃料を燃料とする燃料噴射ノズル１で実現可能な特有の構成である。
そして、本参考例では、燃焼室Ｃからのサック室１７への伝熱を促進するため、受熱体２２を設けた。
従って、本参考例のサック室１７内の燃料を超臨界状態とするという構成は、ＤＭＥ燃料を燃料とする燃料噴射ノズル１で実現可能な特有の構成である。
そして、本参考例では、燃焼室Ｃからのサック室１７への伝熱を促進するため、受熱体２２を設けた。
これによれば、噴射直前の燃料を超臨界状態とするので、相状態が変わりやすいＤＭＥ燃料であっても確実に超臨界状態で噴射することができる。
また、ＤＭＥ燃料を超臨界状態にするのに、熱源を用意する必要がなく、燃焼室Ｃ内で燃焼熱を用いてサック室１７を加熱すればいいので、大掛かりなシステムは不要である。
また、シート部２０上流では液相を維持するため、質量噴射量を確保することができる。
また、ＤＭＥ燃料を超臨界状態にするのに、熱源を用意する必要がなく、燃焼室Ｃ内で燃焼熱を用いてサック室１７を加熱すればいいので、大掛かりなシステムは不要である。
また、シート部２０上流では液相を維持するため、質量噴射量を確保することができる。
〔参考例２〕
参考例２を、参考例１とは異なる点を中心に、図９を用いて説明する。
なお、参考例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本参考例では、受熱体２２は、ノズルボディ１１と別体で、ノズルボディ１１よりも熱伝導率が高い材料にて形成され、一部がサック室１７内に露出し、一部が燃焼室Ｃ内に露出するように組み付けられている。
参考例２を、参考例１とは異なる点を中心に、図９を用いて説明する。
なお、参考例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本参考例では、受熱体２２は、ノズルボディ１１と別体で、ノズルボディ１１よりも熱伝導率が高い材料にて形成され、一部がサック室１７内に露出し、一部が燃焼室Ｃ内に露出するように組み付けられている。
ノズルボディ１１は、高炭素鋼やクロムモリブデン鋼により形成されているが、受熱体２２は、それよりも熱伝導率の高い材料によって形成されている。
例えば、純鉄材やタングステンは、燃料の臨界温度でも溶融せず、熱伝導率も高いため、受熱体２２の材料として好ましい。
例えば、純鉄材やタングステンは、燃料の臨界温度でも溶融せず、熱伝導率も高いため、受熱体２２の材料として好ましい。
受熱体２２は、例えば、円柱形状であり、ノズルボディ１１の最先端部１１ａに貫通する貫通孔２５に圧入されて溶接固定されている。そして、受熱体２２の軸方向一端がサック室内に、軸方向他端が燃焼室Ｃ内に露出するように組み付けられている。
なお、受熱体２２はセラミック系の接着剤によって貫通孔２５内に固定されていてもよい。
なお、受熱体２２はセラミック系の接着剤によって貫通孔２５内に固定されていてもよい。
本参考例によれば、サック室１７での伝熱がさらに促進され、燃料温度を臨界温度以上にしやすくなる。
〔参考例３、実施例〕
参考例３及び実施例を、参考例１とは異なる点を中心に、図１０及び図１１を用いて説明する。
なお、参考例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
参考例３及び実施例では、受熱体２２を用いずサック室１７の燃料を臨界温度以上に加熱する手段を示す。参考例３及び実施例では、サック室１７近くでも燃焼が生じるように、複数の噴孔１０の内の少なくとも１つを噴霧到達距離の小さい小径な噴孔１０としている。
参考例３及び実施例を、参考例１とは異なる点を中心に、図１０及び図１１を用いて説明する。
なお、参考例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
参考例３及び実施例では、受熱体２２を用いずサック室１７の燃料を臨界温度以上に加熱する手段を示す。参考例３及び実施例では、サック室１７近くでも燃焼が生じるように、複数の噴孔１０の内の少なくとも１つを噴霧到達距離の小さい小径な噴孔１０としている。
小径な噴孔１０を小噴孔１０Ａ、小噴孔１０Ａより径大な通常の噴孔１０を大噴孔１０Ｂと呼ぶと、参考例３では、小噴孔１０Ａと大噴孔１０Ｂとが周方向に交互に並ぶように設けられている。（図１０参照）。
なお、図１１に示すように、小噴孔１０Ａが１つであり、ノズルボディ１１の最先端部１１ａに貫通するように設けてもよい（実施例）。
なお、図１１に示すように、小噴孔１０Ａが１つであり、ノズルボディ１１の最先端部１１ａに貫通するように設けてもよい（実施例）。
これによれば、小噴孔１０Ａからの噴射燃料が、燃料噴射ノズル１近傍（つまり、サック室１７近傍）で燃焼するため、燃料噴射ノズル１の受熱量が増加し、サック室１７内の燃料への伝熱熱量が増加する。この結果、サック室１７内の燃料を臨界温度以上に加熱することが可能となる。
従って、参考例１と同様に、噴射直前の燃料を超臨界状態とするので、相状態が変わりやすいＤＭＥ燃料であっても確実に超臨界状態で噴射することができる。
また、ＤＭＥ燃料を超臨界状態にするのに、熱源を用意する必要がなく、燃焼室Ｃ内で燃焼熱を用いてサック室１７を加熱すればいいので、大掛かりなシステムは不要である。
また、シート部２０上流では液相を維持するため、質量噴射量を確保することができる。
また、ＤＭＥ燃料を超臨界状態にするのに、熱源を用意する必要がなく、燃焼室Ｃ内で燃焼熱を用いてサック室１７を加熱すればいいので、大掛かりなシステムは不要である。
また、シート部２０上流では液相を維持するため、質量噴射量を確保することができる。
〔参考例４〕
参考例４を、参考例１とは異なる点を中心に、図１２を用いて説明する。
なお、参考例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本参考例では、噴孔１０がラバール形状を呈している。すなわち、噴孔１０は入口がＲ形状や面取り形状により流入しやすくなっており、さらに入口付近に最小径部を有し、最小径部から出口に向かって径を拡大するような形状を呈している。
参考例４を、参考例１とは異なる点を中心に、図１２を用いて説明する。
なお、参考例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本参考例では、噴孔１０がラバール形状を呈している。すなわち、噴孔１０は入口がＲ形状や面取り形状により流入しやすくなっており、さらに入口付近に最小径部を有し、最小径部から出口に向かって径を拡大するような形状を呈している。
超臨界状態の燃料は、圧縮性流体といえるため、噴孔１０をラバール形状にすることで、超音速で噴射することができる。これにより、噴霧到達距離を大きくでき、燃焼室Ｃ内の空気を十分に活用することができる。
なお、参考例３、実施例において、大噴孔１０Ｂをラバール形状にしてもよい。
なお、参考例３、実施例において、大噴孔１０Ｂをラバール形状にしてもよい。
〔変形例〕
参考例１及び２では、サック室１７を形成する壁面の最先端部から先端へ突出するように受熱体２２を設けていたが、サック室１７を形成する壁面のいずれの箇所から突出させてもよい。
参考例１及び２では、サック室１７を形成する壁面の最先端部から先端へ突出するように受熱体２２を設けていたが、サック室１７を形成する壁面のいずれの箇所から突出させてもよい。
また、参考例３、実施例において、参考例１または参考例２の受熱体２２を設けてもよい。これによれば、さらにサック室１７を加熱しやすくなり、燃料温度を上げることができる。
１ 燃料噴射ノズル
１０ 噴孔
１１ ノズルボディ
１２ ニードル
１７ サック室
２０ シート部
１０ 噴孔
１１ ノズルボディ
１２ ニードル
１７ サック室
２０ シート部
Claims (5)
- 複数の噴孔（１０）を有するノズルボディ（１１）と、前記ノズルボディ（１１）に収容されて前記噴孔（１０）を開閉するニードル（１２）とを備え、内燃機関の燃焼室（Ｃ）にジメチルエーテルを主成分としたＤＭＥ燃料を噴射するＤＭＥ用燃料噴射ノズルであって、
前記ノズルボディ（１１）は、前記ニードル（１２）が離着座するシート部（２０）の下流に設けられて前記噴孔（１０）に連通するサック室（１７）を有し、
前記複数の噴孔（１０）の内、少なくとも１つの噴孔（１０Ａ）を、その他の噴孔（１０Ｂ）よりも小径とするとともに、
この小径の噴孔（１０Ａ）を前記ノズルボディ（１１）の最先端部（１１ａ）において前記ノズルボディ（１１）の軸上に貫通させるよう設けることで、前記噴孔（１０Ａ）より噴射されたＤＭＥ燃料を前記サック室（１７）近傍で燃焼させ、
前記サック室（１７）内のＤＭＥ燃料を前記燃焼室（Ｃ）での燃焼熱によって加熱して超臨界状態とすることを特徴とするＤＭＥ用燃料噴射ノズル。 - 請求項１に記載のＤＭＥ用燃料噴射ノズルにおいて、
前記ノズルボディ（１１）の先端から前記燃焼室（Ｃ）へ突出し、前記燃焼室（Ｃ）の燃焼熱を受けて前記サック室（１７）へ伝熱する受熱体（２２）を備えることを特徴とするＤＭＥ用燃料噴射ノズル。 - 請求項２に記載のＤＭＥ用燃料噴射ノズルにおいて、
前記受熱体（２２）は、前記ノズルボディ（１１）と一体に形成されていることを特徴とするＤＭＥ用燃料噴射ノズル。 - 請求項２に記載のＤＭＥ用燃料噴射ノズルにおいて、
前記受熱体（２２）は、前記ノズルボディ（１１）と別体で、前記ノズルボディ（１１）よりも熱伝導率が高い材料にて形成され、一部が前記サック室（１７）内に露出し、一部が前記燃焼室（Ｃ）内に露出するように組み付けられていることを特徴とするＤＭＥ用燃料噴射ノズル。 - 請求項１〜４のいずれか１つに記載のＤＭＥ用燃料噴射ノズルにおいて、
前記その他の噴孔（１０Ｂ）がラバール形状であることを特徴とするＤＭＥ用燃料噴射ノズル。
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