JP4710785B2 - 内燃機関の燃料噴射ノズル - Google Patents

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技術が知られている。これに関連する技術の例としては、ノズルボディのサック室の内周面に第１と第２の微小噴孔を有する群噴孔を開口させた燃料噴射ノズルにおいて、ノズルボディのシート面とニードルの第１の円錐面との角度差を大きく設定し、キャビテーションの発生を抑制する技術を挙げることができる（例えば、特許文献１参照。）。

また、ノズルボディの複数の円錐台面に各々開口した複数の噴孔を有し、バルブニードルには前記円錐台面の弁座に当接する当接部が設けられた複数のテーパ面を有し、前記複数の円錐台面及びテーパ面の角度を変えて、バルブニードルのリフト量に応じて噴孔からの噴射量を制御可能とした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、ノズルボディに設けられた複数の噴孔の間の距離及び角度を規定して噴霧の形状を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

上記のいずれの技術においても、ノズルボディ内部におけるニードルのためのガイド孔の先端に、複数の噴孔が、径方向または軸方向に分布して開口するように設けられている。この場合、ニードルを後退させて燃料噴射ノズルを開弁した際に、燃料が前記ノズルボディ内部のガイド孔の先端中央に向かって導入されるため、ガイド孔の先端中央の近くに設けられた噴孔の開口部と、先端中央部から離れた部分に設けられた噴孔の開口部とでは、燃料圧力に差が生じる場合があった。

そうすると、前記の複数の噴孔から噴射される燃料の到達距離や粒径が異なってしまい、燃焼室内に燃料を均一に噴霧させることが困難となる場合があった。
特開２００４−２７９５５号公報 特開２０００−３２０４２９号公報 特開２００１−１６５０１７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、ノズルボディに複数形成された噴孔より燃料を燃焼室に噴射する燃料噴射ノズルにおいて、前記複数の噴孔から、より均等に燃料の噴射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、ノズルボディのガイド孔の内部をニードルが進退運動して開閉弁する燃料噴射ノズルに関する。なかでも、ノズルボディのガイド孔の先端に円錐状の着座部が設けられ、着座部の頂部付近に複数の噴孔が径方向または軸方向に分布して開口している燃料噴射ノズルについてのものである。そして、前記ニードルを後退させて開弁した際に前記着座部の頂部付近に導入された燃料の一部を前記頂部付近から除去することで、前記複数の噴孔の開口部における燃料圧力を均等化する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、該着座部の頂部付近に凹状のサック室が設けられるとともに該サック室と外部とを貫通して複数の噴孔が少なくとも前記ガイド孔の先端中央部から離れる方向に分布して開口するノズルボディと、
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略円錐状の先端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先端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、前記ニードルを前進または後退させることによって開閉弁する燃料噴射ノズルであって、
前記ニードルを後退させて開弁した際に前記着座部の頂部付近に導入された燃料の一部を前記頂部付近から除去することで、前記複数の噴孔の開口部における燃料圧力を均等化する燃圧均等化手段をさらに備えることを特徴とする。

ここで、上記の構成においてニードルが後退して燃料噴射ノズルが開弁した際の作用について説明する。この時、燃料はニードルの先端部と着座部との間を着座部に沿って流れ、着座部の頂部付近に流入する。その後、着座部の頂部付近に開口した複数の噴孔に流入して噴射される。

この際、着座部の頂部付近に導入される燃料は、頂部の先端中央に向かって高圧で流入するので、頂部の先端中央の圧力が一時的に特に高圧となる。その際には、頂部の先端中央から径方向または軸方向に離れるに従って圧力が低下する状態となる。

従って、その状態において前記複数の噴孔を通じて燃料が噴射された場合には、前記頂部の先端中央に近い噴孔から噴射された燃料は到達距離が長く粒径も小さくなり、それから離れた部分に開口する噴孔から噴射された燃料は到達距離が短く粒径も大きくなる。その結果、燃焼室に均一に燃料を噴霧することが困難となる場合があった。

そこで、本発明における内燃機関の燃料噴射ノズルでは、ニードルを後退させて開弁した際に、着座部の頂部付近に導入された燃料の一部を頂部付近から除去することで、複数の噴孔の開口部における燃料圧力を均等化する燃圧均等化手段を備えるようにした。そうすれば、着座部の頂部の先端中央に向かって流入した燃料の一部が頂部から除去されるので、着座部の頂部の先端中央の燃料圧力を低下させることができ、着座部の頂部付近における燃料圧力の分布を均等化することができる。

その結果、前記複数の噴孔の開口部における燃料圧力を均等化することができ、各噴孔からの噴射を均等にすることができる。

ここで、前記燃圧均等化手段は、前記ノズルボディにおける前記着座部の頂部の先端中央に開口し、燃料を前記頂部付近から前記ノズルボディの外部へ漏洩させるノズルボディ燃料通路であってもよい。

すなわち、最も燃料圧力が高くなる着座部の頂部の先端中央からノズルボディの外部に燃料を漏洩させる。それにより、より効果的に着座部の頂部付近の燃圧を均等化することができ、前記複数の噴孔からの燃料噴射を均等化することができる。

ここで、ノズルボディ燃料通路は、着座部の頂部の先端中央から燃料を外部に漏洩できればよく、燃料を噴射する機能は必要ないので、燃料噴射用の複数の噴孔と比較して孔径は小さくてよい。このノズルボディ燃料通路の孔径は、低下させるべき燃料圧力の値との関係において予め定められる。

また、前記燃圧均等化手段は、前記ニードルの前記先端部の略中心に開口し、燃料を前
記頂部付近からニードル内を通過させて回収または待避させるニードル内燃料通路としてもよい。

これによっても、着座部の頂部の先端中央の燃料圧力を低下させることで、着座部の頂部付近の燃料圧力を均等化することができ、前記複数の噴孔からの燃料噴射を均等化することができる。

ここで、ニードル内燃料通路は、着座部の頂部の先端中央から燃料を回収または待避させることができればよく、燃料を噴射する機能は必要ないので、燃料噴射用の複数の噴孔と比較して孔径は小さくてよい。このニードル内燃料通路の孔径は、低下させるべき燃料圧力の値との関係において予め定められる。

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、ノズルボディに複数形成された噴孔より燃料を燃焼室に噴射する燃料噴射ノズルにおいて、前記複数の噴孔から、より均等に燃料の噴射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べき燃料噴射ノズル１の全体を説明するための図である。図１（ａ）は燃料噴射ノズル１の全体の横断面図である。図１（ｂ）は、燃料噴射ノズル１を先端側から見た場合の拡大図である。図１（ａ）に示すように、本実施例の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１ともいう。）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、内燃機関の各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の径が小さくなるように着座部７が形成され、更に着座部７の頂部に相当する部分にサック室８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、その燃料溜室９に高圧燃料を導入する。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、ニードル３の閉弁時に着座部７に着座する先端部としての当接部１０が設けられている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）から分かるように、燃料噴射ノズル１においては、サック室８の内壁と外壁とを貫通するように噴孔６が形成されている。そして、図１（ｂ）に示すように、噴孔６は、ノズルボディ２の中心の周りに同心円状に３列の噴孔列６ａ、６ｂ、６ｃを構成するように配置されている。燃料噴射ノズル１においては、このような多数の噴孔６を有することにより、燃料噴射の際に燃焼室に燃料を均等に供給するようにしている。

次に、従来の燃料噴射ノズルの先端部分の詳細について説明する。図２は従来の燃料噴射ノズル１の先端部分の拡大断面図である。図２（ａ）はニードル３が降下して閉弁している状態、図２（ｂ）はニードル３がリフトして開弁した状態を示している。

図２（ａ）の状態においては、ニードル３が降下しており、ニードル３の当接部１０がノズルボディ２の着座部７に当接している。従って、ノズル１に供給された燃料は、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の部分まで充填されている。この状態から、ニードル３を開弁方向（図２（ｂ）の上方向）に付勢する力がニードル３の開弁圧まで上昇すると、ニードル３がガイド孔４をリフトして図２（ｂ）に示すように噴孔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との間を通ってサック室８に燃料が流入し、噴孔６を介して燃料が燃焼室に噴射される。

ところで、上記のようにニードル３がリフトした瞬間は、燃料が着座部７と当接部１０との間を通ってサック室８の先端中央部８ａに向けて流入する。そうすると、サック室８の先端中央部８ａの燃料圧力が最大となり、サック室８の先端中央部８ａから離れるに従って燃料圧力が低下するという状態が一時的に発生する。

そうすると、サック室８の中央寄りの第１列６ａの噴孔６からの噴射燃料は遠くまで噴射されて粒径も細かく、第２列６ｂ、第３列６ｃの噴孔６からの噴射燃料はあまり遠くまで噴射されずに粒径も大きいという事態が生じ易い。その結果、内燃機関の燃焼室に燃料を均等に噴霧することが困難になる場合があった。

そこで、本実施例においては、ニードル３をリフトすることによって高圧の燃料がサック室８の先端中央部８ａに向けて流入した際に、サック室８内の燃料の一部をノズルボディ２の外部にリークするリーク通路を、噴孔６とは別に設けることとした。

図３には、本実施例におけるノズル先端部分の詳細図を示す。図３において、本実施例におけるリーク通路１５は、サック室８の先端中央部８ａとノズルボディ２の外部とをノズルボディ２の軸方向に連通するように設けられている。これにより、ニードル３をリフトすることによって高圧の燃料がサック室８の先端中央部８ａに向けて流入した際にも、最も燃料圧力が高い先端中央部８ａの燃料を、ノズルボディ２の外部に逃がすことができる。

そうすれば、サック室８内の燃料圧力の分布をより均等にすることができ、各噴孔列６ａから６ｃにおける噴孔６から噴射される燃料の到達距離や粒径をより均等にすることができる。その結果、燃焼室内により均等に燃料を噴霧することができる。

なお、リーク通路１５は、サック室８の先端中央部８ａの燃料圧力を降下させるために設けられているので、リーク通路１１から外部への燃料のリーク量は噴孔６からの燃料噴射量と比較して少なくてもよい。従って、燃焼室における燃焼の状態への影響は殆どないと言える。

なお、サック室８の形状や容量によっては、リーク通路１１の孔径をある程度大きくして、より多くの燃料をリークする必要が生じる場合がある。そのような場合は、リーク通路１５からのリーク燃料量が増加し、ピストンの頂面と干渉してしまうおそれがある。そうすると、ピストンの頂面に付着した燃料が燃え残り、その後排出されることによってエミッションを悪化させてしまうおそれがある。そのような場合には、ピストンの頂面にリーク通路からリークされた燃料との干渉回避のための凹部を設けるようにしてもよい。

図４には、リーク通路１５からのリーク燃料量が多い場合の燃焼室３０の概略図を示す。この場合には、ピストン３１の頂面３１ａには、噴孔６から噴射された燃料を受けるキャビティ３２が形成されている。そして、キャビティ３２の中央部には、リーク通路１１
から噴射された燃料が干渉することを回避するための凹部３３が形成されている。

このような凹部３３を形成することにより、リーク通路１１から噴射された燃料がピストン頂面３１ａのキャビティ３２に直接付着することを抑制できる。そして、キャビティ３２に付着した燃料が燃え残り、後から排出されてエミッションが悪化することを抑制できる。

なお、上記の説明では、リーク通路１５は、サック室８の先端中央部８ａから軸方向に形成された例について説明したが、リーク通路１５の配置や数はこれに限られない。図５には、リーク通路のその他の形成例について示す。

図５（ａ）に示すのは、サック室８の先端中央部８ａ近傍に複数のリーク通路１６を設けた例である。また、図５（ｂ）に示すのは、噴孔列６ａのさらに先端側に噴孔６より径の小さいリーク通路１７を複数個形成し、同心円状にリーク通路列１７ａを構成させた例である。

なお、本実施例において、リーク通路は燃圧均等化手段及びノズルボディ燃料通路に相当する。

次に、本発明における実施例２について説明する。本実施例においては、ニードル３がリフトしてサック室８の先端中央部８ａに燃料が流入した際に、燃料を、ノズルボディ２から外部にリークするのではなく、ニードル３側に逃がす例について説明する。

図６には、本実施例における燃料噴射ノズル１の断面図を示す。図６（ａ）に示すように、本実施例においては、ニードル３の中心軸上に燃料回収通路１８を形成している。この燃料回収通路１８の先は、例えば燃料溜室９に開口されるようにしてもよいし、図示しない燃料タンクに接続されるようにしてもよい。

この構成によれば、ニードル３のリフト時に高圧の燃料がサック室８の先端中央部８ａに向かって流入した場合にも、サック室８の先端中央部８ａの燃料をニードル３内へ回収することができ、先端中央部８ａ付近の燃料圧力を低減できる。その結果、複数の噴孔６からの噴射をより均等に行わせることができる。

図６（ｂ）には、同じくニードル３の中心線上に燃料待避通路１９を形成した例を示す。この例では、ニードル３の内部に空気室１９ａが設けられており、燃料待避通路１９は、ニードル３の先端部分と空気室１９ａとを連通することとした。

そうすれば、ニードル３のリフト時にサック室８の先端中央部８ａ付近の燃料圧力が上昇した場合に、高圧の燃料を燃料待避通路１９に待避させ、サック室８の先端中央部８ａにおける燃料圧力を低減することが可能となる。ここで、燃料待避通路１９に導入された燃料は燃料待避通路１９に留まり、空気室１９ａの空気を圧縮させた状態で保持される。そして、サック室８の先端中央部８ａにおける燃料圧力が定常状態となり低下した際には、サック室８側の開口部から戻ることとなる。

以上、説明したとおり、本実施例においては、サック室８の先端中央部８ａの燃料圧力が上昇した状態においては、燃料をニードル３の中心軸上に設けられた燃料回収通路１８または燃料待避通路１９に導入することにより、サック室８の先端中央部８ａの燃料圧力を減少させる。これにより、サック室８における燃料圧力の分布を均等化することができ、複数の噴孔６からの燃料噴射をより均等に行わせることができる。

なお、本実施例において燃料回収通路及び燃料待避通路は、燃圧均等化手段及びニードル内燃料通路に相当する。

また、本実施例においては、燃料回収通路の先は燃料を再循環させることができる箇所に接続されていればよく、燃料溜室に限定されるものではない。例えば回収された燃料タンクを備えており、内燃機関の使用者が該燃料タンクに貯留された燃料を回収することとしてもよい。

さらに、上記においてニードル内燃料通路を通過した燃料は、燃焼室内にリークされるようにしてもよい。

本発明の実施例における内燃機関の燃料噴射ノズルの全体構成を示す図である。 従来の内燃機関の燃料噴射ノズル先端部分の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１における燃料噴射ノズル先端部分の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１における燃料噴射ノズル及び燃焼室付近の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１における燃料噴射ノズル先端部分の概略構成の別の例を示す図である。 本発明の実施例２における燃料噴射ノズル先端部分の概略構成を示す図である。

符号の説明

１・・・燃料噴射ノズル
２・・・ノズルボディ
３・・・ニードル
４・・・ガイド孔
５・・・燃料通路
６・・・噴孔
６ａ、６ｂ、６ｃ・・・噴孔列
７・・・着座部
８・・・サック室
８ａ・・・先端中央部
９・・・燃料溜室
１０・・・当接部
１５、１６、１７・・・リーク通路
１８・・・燃料回収通路
１９・・・燃料待避通路
３０・・・燃焼室
３１・・・ピストン
３１ａ・・・ピストン頂面
３２・・・キャビティ
３３・・・凹部

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、該着座部の頂部付近に凹状のサック室が設けられるとともに該サック室と外部とを貫通して複数の噴孔が少なくとも前記ガイド孔の先端中央部から離れる方向に分布して開口するノズルボディと、
   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略円錐状の先端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先端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、前記ニードルを前進または後退させることによって開閉弁する燃料噴射ノズルであって、
   前記ニードルを後退させて開弁した際に前記着座部の頂部付近に導入された燃料の一部を前記頂部付近から除去することで、前記複数の噴孔の開口部における燃料圧力を均等化する燃圧均等化手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射ノズル。
2. 前記燃圧均等化手段は、前記ノズルボディにおける前記着座部の頂部の先端中央に開口し、燃料を前記頂部付近から前記ノズルボディの外部へ漏洩させるノズルボディ燃料通路であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射ノズル。
3. 前記燃圧均等化手段は、前記ニードルの前記先端部の略中心に開口し、燃料を前記頂部付近からニードル内を通過させて回収または待避させるニードル内燃料通路であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射ノズル。
4. 請求項２に記載の燃料噴射ノズルを燃焼室内に有する内燃機関であって、
   前記燃焼室を形成するピストンの頂面には、前記ノズルボディ燃料通路から漏洩した燃料の干渉を回避する凹部が設けられたことを特徴とする内燃機関。

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