JP2008196354A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射ノズルから内燃機関の燃焼室に燃料噴射する際に、より効率的に噴霧の微粒化を図ることができる技術を提供する。
【解決手段】ノズルボディ２に複数の噴孔６が同心円状に設けられており、その複数の噴孔６は、ノズルボディ２の中心軸２ｂに対して入口側から出口側に向かって外側に傾斜して形成されている。そして、燃料噴射の際にノズルボディ２内を流れる燃料の進行方向が各噴孔６に流入する前に一旦、横流れ部８において中心軸２ｂへ向かう方向に進み、各噴孔６に流入する際には燃料の進行方向が大きく変化する。このような燃料噴射ノズル１において噴孔６が、噴孔６のピッチ円１１の内側における内壁の長さが、ピッチ円１１の外側の内壁の長さより長くなるように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射ノズルの構造に関する。

近時、内燃機関の燃焼室内への燃料の均等噴射を図るために、燃料噴射ノズルの先端に噴孔を多数形成することが行なわれている。さらに、前記複数の噴孔を、燃料噴射ノズルの中心軸に対して、燃料の入口から出口に向かって外側に傾斜させて形成し、燃料噴射時において燃料が噴孔に流入する際に前記燃料の進行方向を大きく変化させる技術が提案されている。

この技術においては、例えば、燃料噴射時においてノズルボディにおけるニードルの着座部からノズルボディのガイド孔先端に向かう燃料を、一旦ノズルボディ中心軸側に横流れさせ、その後外側に傾斜した噴孔に流入させる。そうすることにより、噴孔に流入する際に燃料が噴孔のノズルボディ中心軸側（以下、「内側」ともいう）内壁に優先的に沿うことで、該噴孔中で燃料の流速分布を積極的に発生させることができる。また、噴孔における前記ノズルボディ中心軸と反対側（以下、「外側」ともいう）の内壁では燃料が噴孔壁面から剥離してキャビテーションの発生が促される。このような、噴孔の内側内壁と外側内壁における異なる作用によって、結果燃料が噴孔から噴出した際の噴霧の微粒化を促進することができる。

このような燃料噴射ノズルとしては、該燃料噴射ノズルの先端部をオリフィスプレートによって形成し、該オリフィスプレートに、その燃料入口から燃料出口に向かって、ノズル中心軸に対して傾斜するようにオリフィスを貫通形成し、オリフィスにおいて燃料出口側の噴孔面積を大きく形成し、これにより、オリフィスプレートの強度を確保するとともに噴孔に異物が付着しても燃料噴射量特性の変化を抑制する技術が公知である（例えば、特許文献１を参照。）。

ここで、噴孔の内側の内壁に対しては、内壁の長さを可及的に長くし、燃料を該内側の内壁に充分に長く沿わせる事が望ましいとされており、一方、噴孔の外側の内壁に対しては、内壁の長さが長いと、一度壁面から剥離した燃料の流れが再度壁面に戻るようになるため、内壁の長さがあまり長くない事が望ましいとされている。

これに対し、一般に上記噴孔の内壁の壁面長さは、噴孔全体（全周）に亘って一定となっているため、噴孔の内側内壁と外側内壁における異なる作用のそれぞれを最大限活用しているとは言えず、燃料が噴孔から噴出する際の噴霧微粒化が最適に行なえているとは言えなかった。
特開２００１−２６３２０５号公報

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料噴射ノズルから内燃機関の燃焼室に燃料噴射する際に、より効率的に噴霧の微粒化を行える技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、以下のような燃料噴射ノズルに適用される。すなわち、ノズルボディに複数の噴孔が設けられており、その複数の噴孔は、ノズルボディの
中心軸に対して入口側から出口側に向かって外側に傾斜して形成されている。そして、燃料噴射の際にノズルボディ内を流れる燃料の進行方向が各噴孔に流入する前に一旦、ノズルボディの中心軸へ向かう方向とされ、各噴孔に流入する際には燃料の進行方向が大きく変化するようになっている。

このような燃料噴射ノズルに適用される本発明は、前記噴孔が、前記噴孔における前記ノズルボディの中心軸側（以下、「内側」ともいう）の内壁の長さが、前記ノズルボディの中心軸と反対側（以下、「外側」ともいう）の内壁の長さより長くなるように形成されたことを最大の特徴とする。

より詳しくは、軸方向に設けられたガイド孔の先端に、略円錐状に孔径が細くなる着座部を有し、前記ガイド孔における前記着座部のさらに先端側に複数の噴孔が設けられたノズルボディと、
前記ガイド孔に往復動可能に挿入され、前記ガイド孔内を前進することによって先端に設けられた当接部を前記着座部に当接させて前記噴孔に通じる燃料経路を遮断するとともに前記ガイド孔内を後退することによって前記当接部の前記着座部への当接を解除して前記噴孔に通じる燃料経路を開放するニードルと、を備え、
前記ノズルボディをその中心軸を含む平面で切った断面において、前記噴孔が前記中心軸に対して該噴孔の入口側から出口側に向かって外側に傾斜して形成されるとともに、前記ガイド孔における前記着座部のさらに先端側には、燃料が前記噴孔に流入する前に該燃料の進行方向を一旦前記中心軸へ向かう方向とする横流れ部が形成された燃料噴射ノズルであって、
前記噴孔は、該噴孔における前記中心軸側の内壁の長さが前記中心軸と反対側の内壁の長さより長くなるように形成されたことを特徴とする。

本発明が適用される燃料噴射ノズルにおいては、上記のようにノズルボディに複数の噴孔が設けられている。また、その複数の噴孔は、ノズルボディの中心軸に垂直方向から見た場合に該中心軸に対して、噴孔の入口側から出口側に向かって外側に傾斜して形成されている。さらに、ノズルボディ内の燃料の流路は、着座部のさらに先端側に設けられた横流れ部によって一旦ノズルボディの中心軸方向に向けられている。従って、燃料噴射の際には、燃料は横流れ部において一旦ノズルボディの中心に向かう方向に流れ、その後各噴孔に流入する際にノズルから放射状に噴霧されるべく方向転換する。

このような燃料噴射ノズルにおいては、燃料が各噴孔に流入する際に燃料の進行方向が大きく変わるために、噴孔内の流速分布が大きくなる。具体的には、各噴孔における内側の内壁付近においては流速が大きくなり、各噴孔における外側の内壁付近においては流速が小さくなる。これにより、燃料が噴孔から噴出する際には、流速が大きい領域が限られている状態から一気に燃料が噴出するので、噴孔内の流速分布を均一とした場合と比較して噴霧の微粒化が促進される。

ここで、各噴孔における内側の内壁の長さをより長くすることにより、該内側の内壁に沿う、流速の大きい燃料の流れをより安定して形成させることができる。一方、各噴孔における外側の内壁については、燃料が噴孔に流入する際に内壁から一旦剥離し、その後剥離した燃料の流れが再度内壁に戻ることとなるので、内壁の長さが短い方が、噴出後の燃料の拡散及び微粒化を促進することができる。

従って、本発明においては、前記噴孔は、該噴孔における内側の内壁の長さが、外側の内壁の長さより長くするように形成されることとした。

各噴孔における内側の内壁の長さをより長くすることにより、噴孔に流入した燃料が内
側の内壁に沿う壁面面積を可及的に大きくし、流速の大きな領域を安定して形勢することができる。また、各噴孔における外側の内壁の長さをより短くすることにより、噴孔において一旦外側の内壁から剥離した燃料の流れが再度内壁の壁面に戻る前にそのまま噴出させることができる。従ってより効率よく、各噴孔からの燃料の噴霧の微粒化を促進することができる。

また、本発明においては、前記複数の噴孔は、前記中心軸に対して同心円状に設けられ、
前記噴孔は、前記複数の噴孔におけるピッチ円の内側における前記噴孔の内壁の長さが該ピッチ円の外側における前記噴孔の内壁の長さより長くなるように形成してもよい。

すなわち、噴孔が複数設けられた燃料噴射ノズルにおいては、噴孔が前記ノズルボディの中心軸に対して同心円状に配置されることが多いが、このような場合には、各噴孔において、前記複数の噴孔の配置に係るピッチ円の内側における噴孔の内壁の長さが、ピッチ円の外側における噴孔の内壁の長さより長くなるようにした。

そうすれば、複数の噴孔に対してより簡単に、より均一な条件で、その内側の内壁の長さが外側の内壁の長さより長くなるようにでき、効率よく噴霧の微粒化を促進することができる。

ここで、ピッチ円とは、各噴孔の中心を通る円を意味する。従って、複数の噴孔の配置に係るピッチ円の内側とは、厳密な意味で各噴孔の中心を通る円の内側と考えてもよいし、概略、各噴孔の中心より内側と考えてもよい。

また、本発明においては、前記噴孔における前記中心軸側の前記ノズルボディの厚みを、前記噴孔における前記中心軸と反対側の前記ノズルボディの厚みより厚くすることによって、前記噴孔が、該噴孔における前記中心軸側の内壁の長さが前記中心軸と反対側の内壁の長さより長くなるように形成してもよい。

すなわち、ノズルボディにおいて噴孔の内側に係る部分の厚みを、噴孔の外側に係る部分の厚みより厚くする。そうすれば、より簡単な形状または加工により、該噴孔における前記中心軸側の内壁の長さが前記中心軸と反対側の内壁の長さより長くなるように形成することができる。

また、本発明においては、前記ノズルボディの外壁における前記複数の噴孔の開口部付近に曲率を与えることによって、前記噴孔における前記中心軸側の前記ノズルボディの厚みを、前記噴孔における前記中心軸と反対側の前記ノズルボディの厚みより厚くしてもよい。

そうすれば、ノズル先端の外形をより滑らかな曲面で構成することができ、ノズルボディの強度を確保することができる。従って、ノズルボディの信頼性を向上させることができるとともにより高燃圧での使用が可能となる。

なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能な限り組み合わせて用いることができる。

本発明にあっては、燃料噴射ノズルから内燃機関の燃焼室に燃料噴射する際に、より効率的に噴霧の微粒化を行うことができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は本発明が適用される燃料噴射ノズル１の全体断面図である。本実施例の燃料噴射ノズル１（以下ノズル１と言う）は、ノズルボディ２と、このノズルボディ２に内蔵されるニードル３とで構成され、内燃機関の気筒毎に取り付けられるインジェクタ（図示せず）に組み込まれている。

ノズルボディ２には、ニードル３を嵌挿するガイド孔４、燃料通路５、及び噴孔６が設けられている。ガイド孔４の下端部には、円錐状にガイド孔４の径が小さくされることによって着座部７が形成されている。燃料通路５は、ガイド孔４の途中に内径を拡大して形成される燃料溜室９に連通して設けられ、燃料通路５を介して燃料溜室９に高圧燃料が導入される。ニードル３は、ノズルボディ２のガイド孔４に挿入されて、軸方向に進退運動可能に設けられている。

ニードル３の先端部には、燃料噴射ノズル１の閉弁時に着座部７に当接する当接部１０が設けられている。そして、ニードル３は、図示しないコイルスプリングによって図中下方に付勢されており、当接部１０が着座部７に押し付けられることにより燃料噴射ノズル１が閉弁する。

ニードル３には、やはり図示しない電磁コイルに通電することによって図中上方向の作動力が働くようになっている。この作動力が上述のコイルスプリングによる付勢力より大きくなるとニードル３が上昇して当接部１０の着座部７への当接が解除され、燃料噴射ノズル１が開弁する。

図２は、従来の燃料噴射ノズル１の先端付近の拡大断面図である。この従来例においては、ノズルボディ２の先端部に同心円状に４個の噴孔６が形成されている。図２（ａ）に示すように、燃料噴射ノズル１におけるニードル３の先端と、ガイド孔４の底面との間には、横流れ部８が形成されている。この横流れ部８においては、ニードル３がリフトして燃料噴射ノズル１が開弁した際には、当接部１０と着座部７との隙間から流入した燃料が図中水平方向に、ノズルボディ２の中心軸２ｂに向かって流れるようになっている。

また、噴孔６は、横流れ部８における底面（内壁）８ａと、ノズルボディ２の先端部２ａとを連通している。なお、噴孔６は、中心軸２ｂに対して、先端方向に行くに従って広がるように傾斜して形成されている。

ここで、燃料噴射ノズル１の閉弁時は、図示しない燃料ポンプによって圧送された燃料は、ノズルボディ２の燃料通路５から燃料溜室９を経てガイド孔４（ニードル３の周囲に形成される環状の空間）を通り、着座部７に当接している当接部１０まで充填されている。この状態から、燃料噴射ノズル１が開弁する際には、前述のようにニードル３がガイド孔４内をリフトして噴孔６に通じる燃料経路を開く。このことにより、着座部７と当接部１０との間を通って燃料が横流れ部８に流れ込む。

図２（ｂ）には、横流れ部８及び噴孔６付近の部分をさらに拡大した図を示す。前述のように、ニードル３がリフトすることで燃料噴射ノズル１が開弁した際には、図２（ｂ）に示すように、着座部７と当接部１０の隙間を通過した燃料は横流れ部８において、底面８ａに沿って、中心軸２ｂに向かって一旦水平方向に流動する。そして、噴孔６の開口部付近で９０度以上方向転換して噴孔６に流入する。ここで燃料経路は上述した、燃料が燃
料通路５から噴孔６に到るまでに通過するべき経路を意味している。

その際、噴孔６内には流速分布が生じる。具体的には、噴孔６に流入する燃料の進行方向の変化が大きいために、噴孔６における中心軸２ｂ側を通過する燃料の流速が大きくなる。そして、噴孔６に流入した燃料は、主に中心軸２ｂ側の内壁に沿って流動し噴出する。従って、この燃料が噴出した際には、噴孔６の一部を集中的に流動していた燃料が一気に外部に開放されることから効率的に拡散し、噴霧の微粒化が促進される。

一方、噴孔６において中心軸２ｂと反対側を通過する燃料の流速は比較的小さくなる。また、噴孔６における中心軸２ｂと反対側に流入した燃料は、その慣性によって、一旦噴孔６の中心軸２ｂの反対側の内壁から剥離する。この際、この流速が小さく、燃料の流れが剥離した領域でキャビテーションが発生する場合がある（以下、この領域を「キャビテーション発生領域６ａ」ともいう。）。その後、燃料の流れは噴孔６の中心軸２ｂと反対側の内壁に沿うように戻った後に噴出する。このように、燃料の内壁からの剥離や、キャビテーションの発生によっても、噴孔６からの噴出時における噴霧の微粒化を促進することができる。

そうすると、噴孔６における中心軸２ｂ側の内壁については、内壁の長さが長いほど、前述の流速分布が安定して形成されるため、燃料が噴出した際の微粒化が促進される。一方、噴孔６における中心軸２ａの反対側の内壁については、一旦内壁から剥離した燃料の流れが再び内壁に沿うように戻る前に噴出した方が微粒化が促進されるため、内壁の長さが短い方が、燃料が噴出した際の微粒化が促進される。

しかし、図２に示したような従来の燃料噴射ノズル１においては、ノズルボディ２の先端部２ａの厚みｔは一定値であった。従って、噴孔６の内壁の長さは場所によらず一定となるため、噴孔６の中心軸２ｂ側の内壁と反対側の内壁における異なる作用のそれぞれを最大限活用しているとは言えなかった。その結果、噴孔６から噴出した燃料が最適に微粒化されているとは言えなかった。

そこで、本実施例においては、ノズルボディ２に同心円状に配置されている複数の噴孔６において、ピッチ円より内側の噴孔６の内壁の長さを、ピッチ円より外側の噴孔６の内壁の長さより短くすることとした。

図３には、本実施例における燃料噴射ノズル１の先端付近の構成の例を示す。図３（ａ）は、この場合の燃料噴射ノズル１の先端付近の拡大断面図である。図３（ｂ）は、横流れ部８及び噴孔６付近の部分をさらに拡大した図である。この例では、図３（ｂ）に示すように、ノズルボディ２の先端部２ａの、噴孔６のピッチ円１１の内側（中心軸２ｂ側）の厚みをｔからｔ１に厚くし、噴孔６のピッチ円１１の外側（中心軸２ｂの反対側）の厚みをｔからｔ２に薄くすることにより、各噴孔６における内側（中心軸２ｂ側）の内壁の長さを外側（中心軸２ｂの反対側）の内壁の長さより長くした。

こうすることにより、図３（ｂ）に示すように、噴孔６の内側（中心軸２ｂ側）を流動する燃料については、より安定して内壁に沿わせることができる。また、噴孔６の外側（中心軸２ｂと反対側）を流動する燃料については、一旦内壁から剥離した後、再度内壁に沿うように戻る前に噴出させることができる。その結果、より効率的に燃料の噴霧の微粒化を促進することができる。また、図４には、本実施例における燃料噴射ノズル１を軸方向先端側から見た場合の図を示す。図を見て分かるように本実施例によれば、より簡単な加工によって、各噴孔６の内側（中心軸２ｂ側）の内壁の長さを外側（中心軸２ｂの反対側）の内壁の長さより長くすることができる。

次に、図５には、本実施例における燃料噴射ノズル１の先端付近の構成の他の例を示す。この例では、ノズルボディ２の先端部２ａ全体に曲率をつけることにより、各噴孔６の内側（中心軸２ｂ側）の内壁の長さを外側（中心軸２ｂの反対側）の内壁の長さより長くした。こうすれば、ノズルボディ２の先端部２ａにおける厚みの急激な変化を抑制できる。その結果、ノズルボディ２の先端部２ａの強度を確保しつつ、各噴孔６からの燃料噴霧の微粒化を促進することができる。

なお、上記の実施例においては、ノズルボディ２の先端部２ａの形状として、ピッチ円１１を境としてノズルボディ２の厚みｔを２段階に変更する例と、ノズルボディ２の先端部２ａ全体に曲率をつける例について説明したが、噴孔６の内側の内壁の長さを外側の内壁の長さより長くするための先端部２ａの形状はこれらに限られない。例えば、先端部２ａ全体をテーパ状に形成するなど、本発明の効果が得られる範囲での変更は可能である。

ノズルボディ２の厚みｔを噴孔６の内側と外側で２段階に変更する例においても、その境界線はピッチ円１１である必要はなく、本発明の効果が得られる範囲で適宜変更してよい。

内燃機関における従来の燃料噴射ノズルの全体構成を示す断面図である。 内燃機関における従来の燃料噴射ノズルの先端付近の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施例における燃料噴射ノズルの先端付近の概略構成の第１の例を示す断面図である。 本発明の実施例における燃料噴射ノズルの先端付近の第１の例を軸方向先端側から見た図である。 本発明の実施例における燃料噴射ノズルの先端付近の概略構成の第２の例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・燃料噴射ノズル
２・・・ノズルボディ
２ａ・・・先端部
２ｂ・・・中心軸
３・・・ニードル
４・・・ガイド孔
５・・・燃料通路
６・・・噴孔
６ａ・・・キャビテーション発生領域
７・・・着座部
８・・・横流れ部
９・・・燃料溜室
１０・・・当接部
１１・・・ピッチ円

Claims (4)

1. 軸方向に設けられたガイド孔の先端に、略円錐状に孔径が細くなる着座部を有し、前記ガイド孔における前記着座部のさらに先端側に複数の噴孔が設けられたノズルボディと、
   前記ガイド孔に往復動可能に挿入され、前記ガイド孔内を前進することによって先端に設けられた当接部を前記着座部に当接させて前記噴孔に通じる燃料経路を遮断するとともに前記ガイド孔内を後退することによって前記当接部の前記着座部への当接を解除して前記噴孔に通じる燃料経路を開放するニードルと、を備え、
   前記ノズルボディをその中心軸を含む平面で切った断面において、前記噴孔が前記中心軸に対して該噴孔の入口側から出口側に向かって外側に傾斜して形成されるとともに、前記ガイド孔における前記着座部のさらに先端側には、燃料が前記噴孔に流入する前に該燃料の進行方向を一旦前記中心軸へ向かう方向とする横流れ部が形成された燃料噴射ノズルであって、
   前記噴孔は、該噴孔における前記中心軸側の内壁の長さが前記中心軸と反対側の内壁の長さより長くなるように形成されたことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 前記複数の噴孔は、前記中心軸に対して同心円状に設けられ、
   前記噴孔は、前記複数の噴孔におけるピッチ円の内側における前記噴孔の内壁の長さが該ピッチ円の外側における前記噴孔の内壁の長さより長くなるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
3. 前記噴孔における前記中心軸側の前記ノズルボディの厚みを、前記噴孔における前記中心軸と反対側の前記ノズルボディの厚みより厚くすることによって、前記噴孔が、該噴孔における前記中心軸側の内壁の長さが前記中心軸と反対側の内壁の長さより長くなるように形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射ノズル。
4. 前記ノズルボディの外壁における前記複数の噴孔の開口部付近に曲率を与えることによって、前記噴孔における前記中心軸側の前記ノズルボディの厚みを、前記噴孔における前記中心軸と反対側の前記ノズルボディの厚みより厚くしたことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射ノズル。

Images