JP2005113889A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】噴射期間を増加させず、かつ噴射圧力も増加させないで噴射燃料の微粒化を促進できる燃料噴射ノズル１を提供することにある。
【解決手段】燃料噴射ノズル１のニードル先端部４に、環状に形成された周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも上流に形成された２以上の溝１７からなる流れ攪乱手段を備える。なお、溝１７は、周方向凹部１６への開口部に向かい互いの間隔が小さくなっている。これにより、燃料は第２燃料通路１５を通過するときに流れが乱され、流れ同士の衝突、およびキャビテーションによる気泡の発生と崩壊が生じる。このため、サック室９内における燃料の乱流エネルギーが増加するので、燃料は強い乱れを伴って噴射される。この結果、燃料は従来よりも微粒化されるとともに、噴霧角度も従来よりも大きく広がる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルに関するものである。

従来より、直接噴射式内燃機関における燃料の燃焼特性は、燃料噴射ノズルから噴射された噴射燃料の粒径に影響を受けることが知られている。すなわち、噴霧粒径が小さいほど燃料の着火性が向上して良好な燃焼が確保される。これにより、排ガス中の黒煙を低減でき、燃費を向上させることができる。

噴射燃料の微粒化を促進する方法として、例えば噴孔径を縮小するなどの方法が考えられる。しかし、噴孔径を縮小すると噴射期間が長くなるため、黒煙の増加が懸念される。この噴射期間を短縮するために、噴射圧力を増加させることも考えられるが、コスト的にも、また材料強度的にも燃料噴射装置全体にかかる負荷が大きくなってしまう。

そこで、噴射期間も長くさせず、かつ噴射圧力も増加させない微粒化促進方法として、噴孔数を増やし噴霧同士の干渉により微粒化を促進する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法によれば噴霧同士の衝突に伴う燃料粒子の合体も生じ、かえって微粒化が損なわれる場合がある。
特開平８−２３２８０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、噴射期間を長くさせず、かつ噴射圧力も増加させないで噴射燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射ノズルを提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の発明によれば、燃料噴射ノズルのニードルの先端部に、噴孔へ向かう燃料の流れを乱す流れ攪乱手段を有する。
これにより、ニードル先端部とシート面との隙間を流れる燃料は流れが乱され、流れ同士の衝突、およびキャビテーションによる気泡の発生と崩壊が生じる。このため、サック室内における燃料の乱流エネルギーが増加するので、燃料は強い乱れを伴って噴射される。この結果、燃料は従来よりも微粒化されるとともに、噴霧角度も従来よりも大きく広がる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の発明によれば、流れ攪乱手段は、環状に形成された周方向凹部を具備している。
これにより、ニードル先端部とシート面との隙間を流れる燃料は、この周方向凹部に流れ込み旋回する。この旋回により生じた燃料流が、新たに周方向凹部へ流れ込もうとする燃料流と衝突する。このため、サック室内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる（図１１参照）。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の発明によれば、流れ攪乱手段は、周方向凹部と、この周方向凹部よりも燃料の流れ方向の上流に形成された２以上の溝とを具備している。また、これらの溝は、周方向凹部と交差するとともに、周方向凹部と交差する開口部に向かうほどに互いの間隔が小さく設定されている。
これにより、溝から流れ出た燃料流は周方向凹部で互いに衝突する（図３参照）。また、溝を流れた燃料は周方向凹部で旋回する。この旋回した燃料流が、溝の外側またはニードル先端部の表面を直線的に流れる燃料流と衝突する（図４参照）。さらに、周方向凹部からニードル先端部とシート面との隙間へ流れ出た燃料流は、はく離を生じキャビテーションによる気泡を発生する。この気泡はサック室内での圧力回復により崩壊する（図３参照）。以上により、サック室内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の発明によれば、流れ攪乱手段は、周方向凹部と、この周方向凹部よりも燃料の流れ方向の下流に形成された２以上の溝とを具備している。また、これらの溝は、周方向凹部と交差するとともに、サック室への開口部に向かうほどに互いの間隔が小さく設定されている。
これにより、溝から流れ出た燃料流はサック室で互いに衝突する。また、溝の外側またはニードル先端部の表面を流れた燃料はサック室で旋回する。この旋回した燃料流が、溝から直線的に流れ出る燃料流と衝突する（図６参照）。さらに、周方向凹部から溝へ流れ込む燃料流は、ニードル先端部の表面へ流れ出る燃料流よりもはく離を生じやすくキャビテーションによる気泡の発生および崩壊も生じやすい。以上により、サック室内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の発明によれば、流れ攪乱手段は、周方向凹部と、この周方向凹部よりも燃料の流れ方向の上流に形成された２以上の溝を具備している。また、これらの溝は、周方向凹部と交差するとともに、周方向凹部と交差する開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、周方向凹部に対し傾斜して合流している。
これにより、溝を流れる燃料の流れが、ニードル先端部の周囲を旋回するスワール流を形成する。このスワール流が周方向凹部でニードル先端部の表面を直線的に流れた燃料流と衝突する（図８参照）。以上により、サック室内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の発明によれば、流れ攪乱手段は、周方向凹部と、この周方向凹部よりも燃料の流れ方向の下流に形成された２以上の溝を具備している。また、これらの溝は、周方向凹部と交差するとともに、サック室への開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、サック室に対し傾斜して合流している。
これにより、溝を流れる燃料の流れが、ニードル先端部の周囲を旋回するスワール流を形成する。このスワール流がサック室でニードル先端部の表面を直線的に流れた燃料流と衝突する（図１０参照）。以上により、サック室内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

噴射期間を長くさせず、かつ噴射圧力も増加させないで噴射燃料の微粒化を促進するという課題を、燃料噴射ノズルのニードル先端部に形成されたシート面に、噴孔へ向かう燃料の流れを乱す流れ攪乱手段を設けることにより解決した。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射ノズル１を図面に基づいて説明する。実施例１の燃料噴射ノズル１は、燃料噴射ポンプ（図示せず）により加圧された燃料を、内燃機関の気筒内に噴射供給するノズルである。燃料噴射ノズル１は、図１に示すごとくその軸方向に往復動可能なニードル２と、ニードル２を収容するボディ３とからなる。

ニードル２は、例えば炭素鋼等の金属材料により略丸棒形状に形成されている。このニードル２は、３段の円錐形状面からなる先端部４（以降、ニードル先端部４と呼ぶ）、先端部４と同軸の略円柱状をなす径小部５、径小部５と同軸の略円柱状であって径小部５よりも径大の径大部６とを有する。

ボディ３は、例えば炭素鋼等の金属材料により略円筒形状に形成されている。このボディ３は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射するための噴孔７、ニードル先端部４が着座するシート面８、シート面８よりも燃料の流れ方向の下流に設けられて噴孔７により内燃機関の気筒内と連通するサック室９を有する（以下、燃料の流れ方向の上流または下流を、単に上流または下流と呼ぶ）。また、サック室９よりも上流で径小部５を所定の径方向クリアランスを保って収容する軸孔１０、さらに軸孔１０よりも上流で径大部６を軸方向に往復摺動自在に収容する摺動孔１１、軸孔１０と摺動孔１１との間に形成されて燃料を一時的に蓄える油溜り室１２、油溜り室１２へ燃料を導く燃料孔１３を有する。そして、図１および図３に示すごとく、径小部５と軸孔１０との隙間は、油溜り室１２からサック室９へ向かう第１燃料通路１４をなしている。

またニードル２は、スプリング等のニードル付勢手段（図示せず）の付勢力により、サック室９を閉鎖する方向に、常時、付勢されている。そして、ニードル２は、ニードル先端部４がシート面８に着座することによりサック室９を閉鎖し、ニードル先端部４がシート面８から離脱することによりサック室９を開放する。なお、ニードル先端部４は、油溜り室１２および第１燃料通路１４の燃料圧力がニードル付勢手段による付勢力より大きくなったときにシート面８から離脱する。また、この離脱によりニードル先端部４とシート面８との間に形成される隙間は、第１燃料通路１４からサック室９へ向かう第２燃料通路１５をなす。

ニードル先端部４は、第２燃料通路１５からサック室９を経由して噴孔７へ向かう燃料の流れを乱す流れ攪乱手段を具備する。流れ攪乱手段は、ニードル先端部４をなす３段の円錐形状面の内、２段目の円錐形状面に設けられている。実施例１の流れ攪乱手段は、図２に示すごとく、環状に形成された周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも上流に形成された２以上の溝１７である。これらの溝１７は、周方向凹部１６と交差するとともに、周方向凹部１６と交差する開口部に向かうほど互いの間隔が小さく設定されている。

また、ニードル先端部４は、シート面８の座部に液密的に接触して第２燃料通路１５を遮断するシート部１８を具備する。実施例１では、図２に示すごとく、２段目の円錐形状面の最下流部をなす略円環状の稜線（エッジ）がシート部１８をなす。これにより、ニードル先端部４がシート面８に着座し、サック室９が閉鎖される。

〔実施例１の作用〕
実施例１の燃料噴射ノズル１の作用を説明する。燃料噴射ポンプから所定の時期に所定量の燃料が吐出されると、この燃料は燃料孔１３を経由して油溜り室１２および第１燃料通路１４に供給される。そして、油溜り室１２内および第１燃料通路１４内の燃料圧力が、ニードル付勢手段による付勢力よりも大きくなると、ニードル先端部４はシート面８から離脱する。

この離脱により、ニードル先端部４のシート部１８がシール面の座部から離れて、第２燃料通路１５が開放される。これにより、油溜り室１２、第１燃料通路１４、第２燃料通路１５、サック室９および噴孔７は連通状態となる。そして、油溜り室１２→第１燃料通路１４→第２燃料通路１５→サック室９→噴孔７の順に流れる燃料の流れが形成され、噴孔７から気筒内へ燃料が噴射される。

この燃料の流れにおいて、燃料は第２燃料通路１５で流れ攪乱手段により、流れが乱されて、乱流エネルギーが増加させられる。まず、図３に示すごとく、溝１７から流れ出た燃料流１９は、周方向凹部１６で互いに衝突する。また、図４に示すごとく溝１７を流れた燃料は、周方向凹部１６で旋回する。この旋回した燃料流２０が、溝１７の外側またはニードル先端部４の表面を直線的に流れる燃料流２１と衝突する。さらに、図３に示すごとく、周方向凹部１６から第２燃料通路１５へ流れ出た燃料流２２は、はく離を生じキャビテーションによる気泡を発生する。この気泡はサック室９内での圧力回復により崩壊する。これら流れ同士の衝突と気泡の崩壊とにより燃料の流れが乱されて、燃料の乱流エネルギーが増加する。

〔実施例１の効果〕
実施例１の燃料噴射ノズル１は、ニードル先端部４に流れ攪乱手段を有する。
これにより、燃料は第２燃料通路１５を流れるときに流れが乱され、流れ同士の衝突、およびキャビテーションによる気泡の発生と崩壊が生じる。このため、サック室９内における燃料の乱流エネルギーが増加するので、燃料は強い乱れを伴って噴射される。この結果、燃料は従来よりも微粒化されるとともに、噴霧角度も従来よりも大きく広がる。

実施例１の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、環状に形成された周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも上流に形成された２以上の溝１７である。これらの溝１７は、周方向凹部１６と交差するとともに、周方向凹部１６と交差する開口部に向かうほど互いの間隔が小さく設定されている。
これにより、溝１７から流れ出た燃料流１９同士の衝突、溝１７を流れ周方向凹部１６で旋回する燃料流２０と溝１７の外側またはニードル先端部４の表面を直線的に流れる燃料流２１との衝突、周方向凹部１６から第２燃料通路１５へ流れ出た燃料流２２における気泡の発生および崩壊が生じる。このため、サック室９内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔実施例２の構成〕
実施例２の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、図５に示すごとく、周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも下流に形成された２以上の溝１７である。なお、流れ攪乱手段以外の燃料噴射ノズル１の構成は、図１ないし図３に示すとおりとする。溝１７は、周方向凹部１６と交差するとともに、サック室９への開口部に向かうほどに互いの間隔が小さく設定されている。また、実施例２では、１段目すなわち最上流段の円錐形状面の最下流部をなす略円環状の稜線（エッジ）がシート部１８をなす。

〔実施例２の作用〕
実施例２では、まず、溝１７から流れ出た燃料流は、サック室９で互いに衝突する。また、図６に示すごとく、溝１７の外側またはニードル先端部４の表面を流れた燃料は、サック室９で旋回する。この旋回した燃料流２３が、溝１７から直線的に流れ出た燃料流２４と衝突する。また、周方向凹部１６から溝１７へ流れ込む燃料流は、ニードル先端部４の表面へ流れ出る燃料流よりもはく離を生じやすくキャビテーションによる気泡の発生および崩壊も生じやすい。

〔実施例２の効果〕
実施例２の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、環状に形成された周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも下流に形成された２以上の溝１７である。これらの溝１７は、周方向凹部１６と交差するとともに、サック室９への開口部に向かうほどに互いの間隔が小さく設定されている。
これにより、溝１７から流れ出た燃料流同士の衝突、溝１７の外側またはニードル先端部４の表面を流れサック室９で旋回する燃料流２３と溝１７から直線的に流れ出た燃料流２４との衝突が生じる。また、周方向凹部１６から溝１７へ流れ込む燃料流はニードル先端部４の表面へ流れ出る燃料流よりも、気泡の発生および崩壊が激しくなる。このため、サック室９内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔実施例３の構成〕
実施例３の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、図７に示すごとく、周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも上流に形成された２以上の溝２５である。なお、流れ攪乱手段以外の燃料噴射ノズル１の構成は、図１ないし図３に示すとおりとする。溝２５は、周方向凹部１６と交差するとともに、周方向凹部１６と交差する開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、周方向凹部１６に対し傾斜して合流している。また、実施例３では、２段目の円錐形状面の最下流部をなす略円環状の稜線（エッジ）がシート部１８をなす。

〔実施例３の作用〕
実施例３では、溝２５を流れる燃料流が、ニードル先端部４の周囲を旋回するスワール流２６を形成する（図８参照）。このスワール流２６が、図８に示すごとく、周方向凹部１６でニードル先端部４の表面を直線的に流れる燃料流２７と衝突する。

〔実施例３の効果〕
実施例３の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも上流に形成された２以上の溝２５である。これらの溝２５は、周方向凹部１６と交差するとともに、周方向凹部１６と交差する開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、周方向凹部１６に対し傾斜して合流している。
これにより、ニードル先端部４の周囲を旋回するスワール流２６とニードル先端部４の表面を流れた燃料流２７との衝突が生じる。このため、サック室９内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔実施例４の構成〕
実施例４の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、図９に示すごとく、周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも下流に形成された２以上の溝２５である。なお、流れ攪乱手段以外の燃料噴射ノズル１の構成は、図１ないし図３に示すとおりとする。溝２５は、周方向凹部１６と交差するとともに、サック室９への開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、サック室９に対し傾斜して合流している。また、実施例４では、１段目すなわち最上流段の円錐形状面の最下流部をなす略円環状の稜線（エッジ）がシート部１８をなす。

〔実施例４の作用〕
実施例４では、溝２５を流れる燃料の流れが、ニードル先端部４の周囲を旋回するスワール流２６を形成する（図１０参照）。このスワール流２６が、図１０に示すごとく、サック室９でニードル先端部４の表面を直線的に流れる燃料流２７と衝突する。

〔実施例４の効果〕
実施例４の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、周方向凹部１６、および周方向凹部１６よりも下流に形成された２以上の溝２５である。これらの溝２５は、周方向凹部１６と交差するとともに、サック室９への開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、サック室９に対し傾斜して合流している。
これにより、ニードル先端部４の周囲を旋回するスワール流２６とニードル先端部４の表面を流れた燃料流２７との衝突が生じる。このため、サック室９内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。

〔実施例５の構成〕
実施例５の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、図１１に示すごとく、周方向凹部１６である。また、実施例５では、２段目の円錐形状面の最下流部をなす略円環状の稜線（エッジ）がシート部１８をなす。なお、流れ攪乱手段以外の燃料噴射ノズル１の構成は、図１ないし図３に示すとおりとする。

〔実施例５の作用〕
実施例５では、第２燃料通路１５を流れる燃料が、周方向凹部１６に流れ込み旋回する。この旋回により生じた燃料流２８が、新たに周方向凹部１６へ流れ込もうとする燃料流２９と衝突する。

〔実施例５の効果〕
実施例５の燃料噴射ノズル１の流れ攪乱手段は、周方向凹部１６である。
これにより、周方向凹部１６に流れ込み旋回した燃料流２８と、新たに周方向凹部１６へ流れ込もうとする燃料流２９との衝突が生じる。このため、サック室９内の燃料の乱流エネルギーを増加させることができる。また、流れ攪乱手段に溝が含まれていないので、ニードル先端部４への流れ攪乱手段の加工が極めて簡単になる。

〔変形例〕
本実施例では、燃料噴射ポンプにより加圧された燃料を内燃機関の気筒内に噴射供給する燃料噴射ノズル１に、本発明が適用されたが、燃料噴射ポンプにより加圧された燃料をコモンレール（蓄圧配管）に蓄圧し、このコモンレール内の燃料を各気筒に噴射供給する蓄圧式燃料噴射装置のインジェクタの燃料噴射ノズルに適用してもよい。
本実施例では、燃料噴射ノズル１は、シート面８よりも下流に噴孔７が形成されたミニサックノズルであったが、シート面８の中でシート部１８と面接する部分よりも上流に噴孔７が形成されたＶＣＯノズルに本発明を適用してもよい。
また、実施例１、実施例２、実施例３、および実施例４では溝１７、２５は直線状に形成されていたが、蛇行していてもよい。また、溝１７、２５の本数は２以上であれば任意である。

実施例１の燃料噴射ノズルを示す部分断面図である。 実施例１の燃料噴射ノズルのニードル先端部を示す説明図である。 実施例１の燃料噴射ノズルの第２燃料通路における燃料の乱流エネルギー増加を説明する説明図である。 実施例１の燃料噴射ノズルの第２燃料通路における燃料の乱流エネルギー増加を説明する説明図である。 実施例２の燃料噴射ノズルのニードル先端部を示す説明図である。 実施例２の燃料噴射ノズルの第２燃料通路における燃料の乱流エネルギー増加を説明する説明図である。 実施例３の燃料噴射ノズルのニードル先端部を示す説明図である。 実施例３の燃料噴射ノズルの第２燃料通路における燃料の乱流エネルギー増加を説明する説明図である。 実施例４の燃料噴射ノズルのニードル先端部を示す説明図である。 実施例４の燃料噴射ノズルの第２燃料通路における燃料の乱流エネルギー増加を説明する説明図である。 実施例５の燃料噴射ノズルの第２燃料通路における燃料の乱流エネルギー増加を説明する説明図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ノズル
２ ニードル
３ ボディ
４ ニードル先端部（ニードルの先端部）
７ 噴孔
８ シート面
９ サック室
１２ 油溜り室
１４ 第１燃料通路
１５ 第２燃料通路（ニードルの先端部とシート面との隙間）
１６ 周方向凹部（流れ攪乱手段）
１７ 溝（流れ攪乱手段）
１８ シート部
２５ 溝（流れ攪乱手段）

Claims (6)

1. 軸方向に往復動可能なニードルと、
   このニードルの先端部が着座するシート面、およびこのシート面よりも燃料の流れ方向の下流に設けられて噴孔により内燃機関の気筒内と連通するサック室を有するボディとを備え、
   前記ニードルの先端部を前記シート面に着座させることにより、前記サック室を液密的に閉鎖すると共に、前記ニードルの先端部を前記シート面から離脱させることにより、前記サック室を開放して、燃料を前記サック室へ導き、前記噴孔から燃料を噴射させる燃料噴射ノズルにおいて、
   前記ニードルの先端部は、前記ニードルの先端部と前記シート面との隙間から前記噴孔へ向かう燃料の流れを乱す流れ攪乱手段を有することを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記流れ攪乱手段は、環状に形成された周方向凹部を具備することを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記流れ攪乱手段は、前記周方向凹部よりも燃料の流れ方向の上流に形成された２以上の溝を具備し、
   これらの溝は、前記周方向凹部と交差するとともに、前記周方向凹部と交差する開口部に向かうほどに互いの間隔が小さく設定されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記流れ攪乱手段は、前記周方向凹部よりも燃料の流れ方向の下流に形成された２以上の溝を具備し、
   これらの溝は、前記周方向凹部と交差するとともに、前記サック室への開口部に向かうほどに互いの間隔が小さく設定されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
5. 請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記流れ攪乱手段は、前記周方向凹部よりも燃料の流れ方向の上流に形成された２以上の溝を具備し、
   これらの溝は、前記周方向凹部と交差するとともに、前記周方向凹部と交差する開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、前記周方向凹部に対し傾斜して合流していることを特徴とする燃料噴射ノズル。
6. 請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記流れ攪乱手段は、前記周方向凹部よりも燃料の流れ方向の下流に形成された２以上の溝を具備し、
   これらの溝は、前記周方向凹部と交差するとともに、前記サック室への開口部に向かうほどに互いの間隔が等しい状態に維持され、前記サック室に対し傾斜して合流していることを特徴とする燃料噴射ノズル。

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