燃料噴射ノズル
【課題】 ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる燃料噴射ノズルを提供する。
【解決手段】 燃料噴射ノズル１は、半球面状のサック部２６と、サック部２６に連通する噴孔２７とが設けられたノズルボディ２と、ノズルボディ２に摺動自在に収容されるニードル３と、を備えている。噴孔２７の入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分には、第１の面取り部Ｒ１が形成されており、噴孔２７の入口のうち、燃料流の下流側に位置する下流側部分には第１の面取り部Ｒ１よりも曲面半径の小さい第２の面取り部Ｒ２が形成されている。噴孔２７は、下流側部分がサック部２６の上端部となるように配置されている。
【解決手段】 燃料噴射ノズル１は、半球面状のサック部２６と、サック部２６に連通する噴孔２７とが設けられたノズルボディ２と、ノズルボディ２に摺動自在に収容されるニードル３と、を備えている。噴孔２７の入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分には、第１の面取り部Ｒ１が形成されており、噴孔２７の入口のうち、燃料流の下流側に位置する下流側部分には第１の面取り部Ｒ１よりも曲面半径の小さい第２の面取り部Ｒ２が形成されている。噴孔２７は、下流側部分がサック部２６の上端部となるように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料噴射ノズルに関し、特にニードルのリフト量（以下、ニードルリフト量と称す）に応じて燃料の流通態様が変化する燃料噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、噴孔が設けられたノズルボディと、該ノズルボディに摺動自在に収容されるニードルとを備えた燃料噴射ノズルが知られている。かかる燃料噴射ノズルでは、ノズルボディのシート部とニードルの当接部とが接触することで噴孔への燃料供給が遮断され、閉弁状態となる。またノズルボディのシート部とニードルの当接部とが離間することで噴孔への燃料供給が可能となり、開弁状態となる。かかる燃料噴射ノズルの噴孔について、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１または２で提案されている。
【０００３】
特許文献１では、噴孔入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分を円弧面で面取りした燃料噴射ノズルが開示されている。この燃料噴射ノズルでは、噴孔入口に対向するくぼみをニードルに設けており、くぼみを設けることで燃料流路の抵抗増大を回避し、燃料の初期噴射率を高めている。そしてこの燃料噴射ノズルでは、かかる構成でさらに噴孔入口の上流側部分を円弧面で面取りすることで、燃料を噴孔にスムースに流入させて流入損失の低減を図り、初期噴射率の向上に寄与させている。
【０００４】
特許文献２では、噴孔入口のうち、上流側部分に曲面半径の大きな面取り部を形成するとともに、下流側部分に曲面半径の小さな面取り部を形成した燃料噴射ノズルが開示されている。この燃料噴射ノズルでは、このような面取り部を形成することで、流量が相対的に大きな上流側からの曲がり損失を低減し、これにより噴射燃料の流速増大およびこれに基づく燃料噴霧の微粒化促進を図っている。このほかニードルリフト量に応じて噴流を変化させている点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献３で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１２０４７４号公報
【特許文献２】特開平１０−３３１７４７号公報
【特許文献３】特開２００７−５１５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで燃料噴射ノズルでは、ニードルリフト量が小さいパイロット噴射時や初期噴射時には、燃料が極低圧下で噴射されることから、一般に燃料噴霧の貫徹力が弱い。このため、かかる燃料噴射ノズルでは、パイロット噴射や初期噴射で粗大液滴の濃い燃料噴霧が形成され、この結果、スモーク発生量が増大したり、粗大液滴が燃焼室壁面に付着することでＨＣ排出量が増大したりする虞があった。この点、特許文献１が開示する燃料噴射ノズルでは、初期噴射率の向上とともに、初期に噴射される燃料噴霧の貫徹力が高まるものの、噴射初期に燃料圧力が瞬間的に低下することから、少量の燃料を噴射するパイロット噴射では燃料噴霧の微粒化が必ずしも十分には得られない虞があると考えられる。
【０００７】
また燃料噴射ノズルでは、ニードルリフト量が小さい場合と大きい場合とで、燃料の流通態様が変化することがある。このため、上述のように濃い燃料噴霧が形成されることに対して燃料噴霧の性状を改善するにあたり、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合には、さらに燃料の流通態様の変化も考慮した改善を図る必要がある。しかしながら、特許文献２が開示する燃料噴射ノズルでは、上流側から噴孔に流入する燃料の流速を高め、燃料噴霧の微粒化促進を図っているものの、燃料の流通態様の変化については特段考慮されていない。このため特許文献２が開示する燃料噴射ノズルでは、ニードルリフト量が小さいパイロット噴射時や初期噴射時の燃料噴霧の性状については、必ずしも十分には改善されない虞がある点で問題があった。
【０００８】
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明は、半球面状のサック部と、該サック部に連通する噴孔とが設けられたノズルボディと、前記ノズルボディに摺動自在に収容されるニードルと、を備え、前記噴孔の入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分に第１の面取り部を形成するとともに、前記噴孔の入口のうち、燃料流の下流側に位置する下流側部分に前記第１の面取り部よりも曲面半径の小さい第２の面取り部を形成するか、或いはエッジ部を形成し、前記下流側部分が前記サック部の上端部となるように前記噴孔を配置した燃料噴射ノズルである。
【００１０】
また本発明は前記第１の面取り部の曲面半径を０．１ｍｍ以上とした構成であることが好ましい。
【００１１】
また本発明は前記下流側部分に前記エッジ部を形成した場合に、前記サック部の前記上端部の壁面と、前記下流側部分の前記噴孔側の壁面とのなす角度が９０度以下である構成であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】内燃機関５０を関連する各構成とともに模式的に示す図である。
【図２】燃料噴射ノズル１を垂直断面で模式的に示す図である。
【図３】ニードルリフト量が小さい状態にある燃料噴射ノズル１の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図である。
【図４】ニードルリフト量が大きい状態にある燃料噴射ノズル１の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図である。
【図５】噴霧の粒径、噴霧の長さおよびキャビテーション発生量それぞれと、ニードルリフト量との関係を示す図である。
【図６】噴孔２７の入口に設けた面取り部Ｒの曲面半径と、キャビテーション発生量との関係を示す図である。
【図７】噴孔２７の入口に設けた面取り部Ｒの曲面半径と、噴孔２７に占めるキャビテーション割合との関係を示す図である。
【図８】エッジ部Ｌを形成した燃料噴射ノズル１´の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図である。なお、燃料噴射ノズル１´は第２の面取り部Ｒ２の代わりにエッジ部Ｌが形成されている点以外、燃料噴射ノズル１と実質的に同一のものである。
【図９】キャビテーション発生量と噴霧粒径との関係を示す図である。
【図１０】噴霧粒径とスモーク発生量との関係を示す図である。
【図１１】燃料噴射ノズル１の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図において、広がり角βを図示した図である。
【図１２】第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様が変化することになるニードルリフト量γが広がり角βに応じて変化することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１５】
図１は内燃機関５０を関連する各構成とともに模式的に示す図である。内燃機関５０はディーゼルエンジンであり、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２、ピストン５３およびインジェクタ５４を備えている。シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２およびピストン５３は燃焼室５５を形成している。インジェクタ５４は、シリンダヘッド５２のうち、燃焼室５５上方略中央の部分に配置されており、燃焼室５５に燃料を直接噴射する。インジェクタ５４には、燃料噴射ポンプ６１からコモンレール６２を介して高圧燃料が供給される。インジェクタ５４および燃料噴射ポンプ６１は制御対象として燃料噴射制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）７０に電気的に接続されている。ＥＣＵ７０には、エンジン回転数やアクセル開度や冷却水温などの各種の情報が入力される。インジェクタ５４は先端側に燃料噴射ノズル１を備えている。
【００１６】
図２は燃料噴射ノズル１を垂直断面で模式的に示す図である。燃料噴射ノズル１はノズルボディ２とニードル３とを備えている。ノズルボディ２は有底円筒状の部材であり、内部に第１の中空部２１と、第２の中空部２２と、燃料溜まり形成部２３と、燃料供給通路２４と、シート部２５と、サック部２６と、噴孔２７とが設けられている。第１の中空部２１は円筒面を有しており、ノズルボディ２の略中央上端（後端）に開口するとともに、軸方向に沿って下方（先端側）に向かって延伸している。第１の中空部２１の下端は、燃料溜まり形成部２３に接続している。燃料溜まり形成部２３はニードル３とともに環状の燃料溜まり４０を形成している。燃料溜まり４０には燃料供給通路２４が連通している。燃料溜まり形成部２３の下端には第２の中空部２２が接続している。第２の中空部２２は第１の中空部２１よりも径が小さい円筒面を有している。第２の中空部２２は燃料溜まり形成部２３の下端から軸方向に沿って下方に向かって延伸している。
【００１７】
第２の中空部２２の下端はシート部２５に接続している。シート部２５は下方に向かって次第に縮径する円錐台面を有している。シート部２５の下端は半球面状のサック部２６に接続している。サック部２６はノズルボディ２の先端部内に設けられている。噴孔２７はノズルボディ２の先端部に設けられており、サック部２６と外部とを連通している。噴孔２７は周方向に沿って複数設けられている。複数の噴孔２７は例えば周方向に沿って略等間隔に設けることができる。ノズルボディ２にはニードル３がノズルボディ２の軸線方向に沿って摺動自在に収容されている。
【００１８】
ニードル３は大径円柱部３１と、小径円柱部３２と、第１の縮径部３３と、第２の縮径部３４と、当接部３５と、先端部３６とを備えている。大径円柱部３１は第１の中空部２１と遊嵌合する。小径円柱部３２は燃料溜まり４０近傍からシート部２５近傍まで軸方向に沿って延伸している。小径円柱部３２の外径は第２の中空部２２の内径よりも小さくなっており、小径円柱部３２と第２の中空部２２との間には燃料通路４１が形成される。第１および第２の縮径部３３、３４は円錐台面を有している。第１の縮径部３３の下端は第２の縮径部３４の上端に接続している。第１の縮径部３３は、第２の縮径部３４よりも小さな度合いで下方に向かって次第に縮径している。第２の縮径部３４は、第１の縮径部３３よりも大きな度合いで下方に向かって次第に縮径している。第１および第２の縮径部３３、３４の接続位置には、円形の当接部３５が形成されている。第２の縮径部３４の下端は円錐状の先端部３６に接続している。先端部３６は第２の縮径部３４よりも大きな度合いで下方に向かって次第に縮径しており、閉弁状態でサック部２６にその一部が収容される。
【００１９】
燃料は燃料供給通路２４、燃料溜まり４０および燃料通路４１を介して噴孔２７に供給される。これに対して、当接部３５がシート部２５に当接している場合には、燃料供給が遮断され、閉弁状態となる。一方、ニードル３がリフトし、当接部３５がシート部２５から離間した場合には、燃料供給が可能となり、開弁状態となる。ニードル３は供給された燃料が上方に押し上げる力よりも、下方に押し下げる力が小さくなった場合にリフトする。この点、インジェクタ５４は、ニードル３に作動流体（例えば高圧燃料）の背圧を作用させる図示しない制御室と、制御室への作動流体の流出入を制御する図示しない電気式切替弁とを備えており、制御室の背圧がニードル３を下方に押し下げる力を発生させる。そして、ＥＣＵ７０は電気式切替弁を制御してニードル３に作用させる背圧を切り替えることで、ニードルリフト量を制御する。
【００２０】
次に燃料の流通態様について、図３および図４を用いて説明する。燃料噴射ノズル１では、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する。ニードルリフト量が小さい場合（第１のリフト量である場合）、流通する燃料はシート部２５で絞られる。そしてこの場合、燃料の流通態様は第１の流通態様となる。第１の流通態様は、図３に示すように、燃料がサック部２６に流入した後、噴孔２７の下流側から噴孔２７に流入する流れが主流となる燃料の流通態様である。このとき燃料は噴孔２７から極低圧下で噴射される。一方、ニードルリフト量が大きい場合（第１のリフト量よりもリフト量が大きい第２のリフト量である場合）、流通する燃料は噴孔２７で絞られる。そしてこの場合、燃料の流通態様は第２の流通態様となる。第２の流通態様は、図４に示すように、燃料が噴孔２７の上流側から噴孔２７に流入する流れが主流となる燃料の流通態様である。
【００２１】
このように燃料の流通態様が変化することに対し、燃料噴射ノズル１では噴孔２７の入口が具体的には次に示すように形成されている。すなわち噴孔２７の入口は、燃料流の上流側に位置する上流側部分に曲面半径の大きい第１の面取り部Ｒ１が形成されるとともに、燃料流の下流側に位置する下流側部分に第１の面取り部Ｒ１よりも曲面半径の小さい第２の面取り部Ｒ２が形成されている。
【００２２】
これにより、ニードルリフト量が小さいパイロット噴射時や初期噴射時には、図３に示すように燃料が噴孔２７に流入する際に、燃料流が第２の面取り部Ｒ２で剥離し易くなり、この結果、噴孔２７内でキャビテーションを発生させることができる。また燃料噴射ノズル１では、サック部２６が半球面状に形成されていることから、第１の流通態様において燃料がサック部２６内でスムースに旋回する。このためこれにより噴孔２７に流入する燃料流の減衰を抑制することができ、これによっても燃料流の剥離およびキャビテーションの発生に寄与することができる。そして、燃料が噴孔２７から噴射された後には、キャビテーションが急激に成長し崩壊することから、これによって燃料噴霧の微粒化を促進できる。
【００２３】
一方、ニードルリフト量が大きいメイン噴射時には、図４に示すように燃料が第１の面取り部Ｒ１に沿って噴孔２７にスムースに流入する。このためこの場合には、燃料流の剥離を防止或いは抑制でき、この結果、キャビテーションの発生を防止或いは抑制できる。また流量係数が高まるとともに燃料の流速が高まることから、噴孔２７から噴射された燃料噴霧の貫徹力を強めることができ、これにより従来同様、雰囲気とのせん断分裂による噴霧の微粒化を促進できる。またこれにより従来同様、短期間で多量の燃料を噴射でき、高出力にも対応できる。
【００２４】
さらに燃料噴射ノズル１では、垂直断面において噴孔２７入口の下流側部分がサック部２６の上端部になるように噴孔２７が配置されている。これにより、燃料が噴孔２７に上流側から流入する場合と下流側から流入する場合とで、ともに燃料流の減衰がより少ない状態で燃料を噴孔２７に好適に到達させることができる。換言すれば、これにより第１および第２の流通態様の双方にとってバランスの良い位置に噴孔２７を配置することができる。そしてこれらにより、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、ニードルリフト量が大きい場合の噴霧の微粒化が損なわれないようにしつつ、燃料噴霧の性状を改善できる点で、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる。
【００２５】
次に噴霧の長さ、キャビテーション発生量および噴霧の粒径それぞれと、ニードルリフト量との関係について図５を用いて説明する。なお、図５（ｃ）では、従来の場合についても参考として破線で同時に示している。燃料噴射ノズル１では、ＥＣＵ７０の制御のもと、インジェクタ５４によってニードルリフト量が制御される。インジェクタ５４を制御するにあたり、ＥＣＵ７０は具体的にはＨＣ排出の要因となるピストン５３や燃焼室５５壁面（シリンダ壁面）への燃料付着を抑制可能な噴射パターンでインジェクタ５４を制御する。そしてこの噴射パターンで、噴霧の長さは図５（ａ）に示すようになる。
【００２６】
パイロット噴射時や初期噴射時には、ニードルリフト量がシート絞り領域（燃料がシート部２５で絞られる領域）にある。この場合には極低圧下で燃料が噴射されるため、燃料の貫徹力が小さくなる。しかしながらニードルリフト量がシート絞り領域にある場合には、前述の通り、燃料流が面取り部Ｒ２で剥離される。このためこの場合には、図５（ｂ）に示すように噴孔２７内でキャビテーションが発生し、この結果、図５（ｃ）に示すようにキャビテーションの崩壊によって、ＨＣの排出を抑制しつつ、燃料の微粒化を図ることができる。
【００２７】
一方、メイン噴射時には、ニードルリフト量が噴孔絞り領域にある。この場合には前述の通り、燃料が面取り部Ｒ１に沿ってスムースに噴孔２７に流入するため、貫徹力が強くなる。またこの場合には、図５（ｂ）に示すようにキャビテーションが発生しなくなる。したがってこの場合には、図５（ｃ）に示すように雰囲気とのせん断分裂によって、ＨＣの排出を抑制しつつ、燃料の微粒化を図ることができる。すなわち、燃料噴射ノズル１によれば、ＨＣの排出を抑制可能な噴射パターンにおいても、常に燃料噴霧の微粒化を図ることができる。
【００２８】
次に第１および第２の面取り部Ｒ１、Ｒ２の曲面半径の好ましい大きさについて図６、図７を用いて説明する。図６に示すように、キャビテーション発生量は、噴孔２７の入口に設けた面取り部Ｒの曲面半径が大きくなるほど減少し、最後にはゼロになる傾向にある。この点、さらに具体的には図７に示すように、面取り部Ｒの曲面半径が０．１ｍｍ以上である場合には、噴孔２７に占めるキャビテーション割合はほぼゼロとなる一方で、面取り部Ｒの大きさが０．１ｍｍ未満になると次第に大きくなることがわかる。したがって、第１の面取り部Ｒ１の曲面半径は、キャビテーションの発生を防止或いは抑制する観点から０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２９】
一方、図７から第２の面取り部Ｒ２の曲面半径は、キャビテーションをより多く発生させる観点から０．１ｍｍ未満であることが好ましい。この点、さらに好ましくは噴孔２７の入口の下流側部分に第２の面取り部Ｒ２を形成する代わりに、エッジ部Ｌ（図８参照）を形成することが望ましい。これにより、キャビテーションをより多く発生させることができることから、図９に示すように燃料噴霧の微粒化をさらに促進できる。また燃料噴霧の微粒化をさらに促進できることから、図１０に示すようにスモークの発生量をより低減することができる。またエッジ部Ｌを形成する場合、エッジ部Ｌがなす角度（垂直断面においてサック部２６の上端部の壁面と下流側部分の噴孔２７側の壁面とがなす角度）αは９０度以下であることが好ましい。これにより、燃料流をより好適に剥離させることができることから、より確実にキャビテーションを発生させることができる。
【００３０】
次にニードル３の先端部３６と、サック部２６の上端部とがなす角度である広がり角β（図１１参照）の設定について、図１２を用いて説明する。この広がり角βは、ニードルリフト量に応じて第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様を適切に変化させるにあたって重要となってくる。図１２に示すように、広がり角βが１５ｄｅｇ以上であれば、ニードルリフト量が小さい場合に燃料の流通態様が第１の流通態様となることがわかる。そして広がり角βが大きくなるほど、第１の流通態様が維持されるニードルリフト量の範囲が大きい側に広がることがわかる。
【００３１】
このため、ニードルリフト量に応じて第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様を適切に変化させるにあたっては、第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様が変化するときのニードルリフト量γが、パイロット噴射時の最大ニードルリフト量以上になるように広がり角βを設定することが好ましい。この点、燃料噴射ノズル１ではパイロット噴射時の最大ニードルリフト量が０．０３ｍｍであることから、パイロット噴射時に第１の流通態様を適切に維持するためには、広がり角βがおよそ３０ｄｅｇ以上必要となる。このように広がり角βの設定を管理することにより、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様を適切に変化させることができ、以ってパイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状をさらに好適に改善できる。
【００３２】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、広がり角βの設定の管理が容易となることから、ニードル３に第２の縮径部３４とは別に先端部３６を設けた例について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、例えば先端部は第２の縮径部と同じ傾斜角で一体的に設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１ 燃料噴射ノズル
２ ノズルボディ
２５ シート部
２６ サック部
２７ 噴孔
３ ニードル
３３ 第１の縮径部
３４ 第２の縮径部
３５ 当接部
３６ 先端部
４０ 燃料溜まり
４１ 燃料通路
５０ 内燃機関
５４ インジェクタ
６１ 燃料噴射ポンプ
６２ コモンレール
７０ ＥＣＵ
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料噴射ノズルに関し、特にニードルのリフト量（以下、ニードルリフト量と称す）に応じて燃料の流通態様が変化する燃料噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、噴孔が設けられたノズルボディと、該ノズルボディに摺動自在に収容されるニードルとを備えた燃料噴射ノズルが知られている。かかる燃料噴射ノズルでは、ノズルボディのシート部とニードルの当接部とが接触することで噴孔への燃料供給が遮断され、閉弁状態となる。またノズルボディのシート部とニードルの当接部とが離間することで噴孔への燃料供給が可能となり、開弁状態となる。かかる燃料噴射ノズルの噴孔について、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１または２で提案されている。
【０００３】
特許文献１では、噴孔入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分を円弧面で面取りした燃料噴射ノズルが開示されている。この燃料噴射ノズルでは、噴孔入口に対向するくぼみをニードルに設けており、くぼみを設けることで燃料流路の抵抗増大を回避し、燃料の初期噴射率を高めている。そしてこの燃料噴射ノズルでは、かかる構成でさらに噴孔入口の上流側部分を円弧面で面取りすることで、燃料を噴孔にスムースに流入させて流入損失の低減を図り、初期噴射率の向上に寄与させている。
【０００４】
特許文献２では、噴孔入口のうち、上流側部分に曲面半径の大きな面取り部を形成するとともに、下流側部分に曲面半径の小さな面取り部を形成した燃料噴射ノズルが開示されている。この燃料噴射ノズルでは、このような面取り部を形成することで、流量が相対的に大きな上流側からの曲がり損失を低減し、これにより噴射燃料の流速増大およびこれに基づく燃料噴霧の微粒化促進を図っている。このほかニードルリフト量に応じて噴流を変化させている点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献３で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１２０４７４号公報
【特許文献２】特開平１０−３３１７４７号公報
【特許文献３】特開２００７−５１５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで燃料噴射ノズルでは、ニードルリフト量が小さいパイロット噴射時や初期噴射時には、燃料が極低圧下で噴射されることから、一般に燃料噴霧の貫徹力が弱い。このため、かかる燃料噴射ノズルでは、パイロット噴射や初期噴射で粗大液滴の濃い燃料噴霧が形成され、この結果、スモーク発生量が増大したり、粗大液滴が燃焼室壁面に付着することでＨＣ排出量が増大したりする虞があった。この点、特許文献１が開示する燃料噴射ノズルでは、初期噴射率の向上とともに、初期に噴射される燃料噴霧の貫徹力が高まるものの、噴射初期に燃料圧力が瞬間的に低下することから、少量の燃料を噴射するパイロット噴射では燃料噴霧の微粒化が必ずしも十分には得られない虞があると考えられる。
【０００７】
また燃料噴射ノズルでは、ニードルリフト量が小さい場合と大きい場合とで、燃料の流通態様が変化することがある。このため、上述のように濃い燃料噴霧が形成されることに対して燃料噴霧の性状を改善するにあたり、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合には、さらに燃料の流通態様の変化も考慮した改善を図る必要がある。しかしながら、特許文献２が開示する燃料噴射ノズルでは、上流側から噴孔に流入する燃料の流速を高め、燃料噴霧の微粒化促進を図っているものの、燃料の流通態様の変化については特段考慮されていない。このため特許文献２が開示する燃料噴射ノズルでは、ニードルリフト量が小さいパイロット噴射時や初期噴射時の燃料噴霧の性状については、必ずしも十分には改善されない虞がある点で問題があった。
【０００８】
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明は、半球面状のサック部と、該サック部に連通する噴孔とが設けられたノズルボディと、前記ノズルボディに摺動自在に収容されるニードルと、を備え、前記噴孔の入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分に第１の面取り部を形成するとともに、前記噴孔の入口のうち、燃料流の下流側に位置する下流側部分に前記第１の面取り部よりも曲面半径の小さい第２の面取り部を形成するか、或いはエッジ部を形成し、前記下流側部分が前記サック部の上端部となるように前記噴孔を配置した燃料噴射ノズルである。
【００１０】
また本発明は前記第１の面取り部の曲面半径を０．１ｍｍ以上とした構成であることが好ましい。
【００１１】
また本発明は前記下流側部分に前記エッジ部を形成した場合に、前記サック部の前記上端部の壁面と、前記下流側部分の前記噴孔側の壁面とのなす角度が９０度以下である構成であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】内燃機関５０を関連する各構成とともに模式的に示す図である。
【図２】燃料噴射ノズル１を垂直断面で模式的に示す図である。
【図３】ニードルリフト量が小さい状態にある燃料噴射ノズル１の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図である。
【図４】ニードルリフト量が大きい状態にある燃料噴射ノズル１の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図である。
【図５】噴霧の粒径、噴霧の長さおよびキャビテーション発生量それぞれと、ニードルリフト量との関係を示す図である。
【図６】噴孔２７の入口に設けた面取り部Ｒの曲面半径と、キャビテーション発生量との関係を示す図である。
【図７】噴孔２７の入口に設けた面取り部Ｒの曲面半径と、噴孔２７に占めるキャビテーション割合との関係を示す図である。
【図８】エッジ部Ｌを形成した燃料噴射ノズル１´の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図である。なお、燃料噴射ノズル１´は第２の面取り部Ｒ２の代わりにエッジ部Ｌが形成されている点以外、燃料噴射ノズル１と実質的に同一のものである。
【図９】キャビテーション発生量と噴霧粒径との関係を示す図である。
【図１０】噴霧粒径とスモーク発生量との関係を示す図である。
【図１１】燃料噴射ノズル１の要部を拡大して垂直断面で模式的に示す図において、広がり角βを図示した図である。
【図１２】第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様が変化することになるニードルリフト量γが広がり角βに応じて変化することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１５】
図１は内燃機関５０を関連する各構成とともに模式的に示す図である。内燃機関５０はディーゼルエンジンであり、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２、ピストン５３およびインジェクタ５４を備えている。シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２およびピストン５３は燃焼室５５を形成している。インジェクタ５４は、シリンダヘッド５２のうち、燃焼室５５上方略中央の部分に配置されており、燃焼室５５に燃料を直接噴射する。インジェクタ５４には、燃料噴射ポンプ６１からコモンレール６２を介して高圧燃料が供給される。インジェクタ５４および燃料噴射ポンプ６１は制御対象として燃料噴射制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）７０に電気的に接続されている。ＥＣＵ７０には、エンジン回転数やアクセル開度や冷却水温などの各種の情報が入力される。インジェクタ５４は先端側に燃料噴射ノズル１を備えている。
【００１６】
図２は燃料噴射ノズル１を垂直断面で模式的に示す図である。燃料噴射ノズル１はノズルボディ２とニードル３とを備えている。ノズルボディ２は有底円筒状の部材であり、内部に第１の中空部２１と、第２の中空部２２と、燃料溜まり形成部２３と、燃料供給通路２４と、シート部２５と、サック部２６と、噴孔２７とが設けられている。第１の中空部２１は円筒面を有しており、ノズルボディ２の略中央上端（後端）に開口するとともに、軸方向に沿って下方（先端側）に向かって延伸している。第１の中空部２１の下端は、燃料溜まり形成部２３に接続している。燃料溜まり形成部２３はニードル３とともに環状の燃料溜まり４０を形成している。燃料溜まり４０には燃料供給通路２４が連通している。燃料溜まり形成部２３の下端には第２の中空部２２が接続している。第２の中空部２２は第１の中空部２１よりも径が小さい円筒面を有している。第２の中空部２２は燃料溜まり形成部２３の下端から軸方向に沿って下方に向かって延伸している。
【００１７】
第２の中空部２２の下端はシート部２５に接続している。シート部２５は下方に向かって次第に縮径する円錐台面を有している。シート部２５の下端は半球面状のサック部２６に接続している。サック部２６はノズルボディ２の先端部内に設けられている。噴孔２７はノズルボディ２の先端部に設けられており、サック部２６と外部とを連通している。噴孔２７は周方向に沿って複数設けられている。複数の噴孔２７は例えば周方向に沿って略等間隔に設けることができる。ノズルボディ２にはニードル３がノズルボディ２の軸線方向に沿って摺動自在に収容されている。
【００１８】
ニードル３は大径円柱部３１と、小径円柱部３２と、第１の縮径部３３と、第２の縮径部３４と、当接部３５と、先端部３６とを備えている。大径円柱部３１は第１の中空部２１と遊嵌合する。小径円柱部３２は燃料溜まり４０近傍からシート部２５近傍まで軸方向に沿って延伸している。小径円柱部３２の外径は第２の中空部２２の内径よりも小さくなっており、小径円柱部３２と第２の中空部２２との間には燃料通路４１が形成される。第１および第２の縮径部３３、３４は円錐台面を有している。第１の縮径部３３の下端は第２の縮径部３４の上端に接続している。第１の縮径部３３は、第２の縮径部３４よりも小さな度合いで下方に向かって次第に縮径している。第２の縮径部３４は、第１の縮径部３３よりも大きな度合いで下方に向かって次第に縮径している。第１および第２の縮径部３３、３４の接続位置には、円形の当接部３５が形成されている。第２の縮径部３４の下端は円錐状の先端部３６に接続している。先端部３６は第２の縮径部３４よりも大きな度合いで下方に向かって次第に縮径しており、閉弁状態でサック部２６にその一部が収容される。
【００１９】
燃料は燃料供給通路２４、燃料溜まり４０および燃料通路４１を介して噴孔２７に供給される。これに対して、当接部３５がシート部２５に当接している場合には、燃料供給が遮断され、閉弁状態となる。一方、ニードル３がリフトし、当接部３５がシート部２５から離間した場合には、燃料供給が可能となり、開弁状態となる。ニードル３は供給された燃料が上方に押し上げる力よりも、下方に押し下げる力が小さくなった場合にリフトする。この点、インジェクタ５４は、ニードル３に作動流体（例えば高圧燃料）の背圧を作用させる図示しない制御室と、制御室への作動流体の流出入を制御する図示しない電気式切替弁とを備えており、制御室の背圧がニードル３を下方に押し下げる力を発生させる。そして、ＥＣＵ７０は電気式切替弁を制御してニードル３に作用させる背圧を切り替えることで、ニードルリフト量を制御する。
【００２０】
次に燃料の流通態様について、図３および図４を用いて説明する。燃料噴射ノズル１では、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する。ニードルリフト量が小さい場合（第１のリフト量である場合）、流通する燃料はシート部２５で絞られる。そしてこの場合、燃料の流通態様は第１の流通態様となる。第１の流通態様は、図３に示すように、燃料がサック部２６に流入した後、噴孔２７の下流側から噴孔２７に流入する流れが主流となる燃料の流通態様である。このとき燃料は噴孔２７から極低圧下で噴射される。一方、ニードルリフト量が大きい場合（第１のリフト量よりもリフト量が大きい第２のリフト量である場合）、流通する燃料は噴孔２７で絞られる。そしてこの場合、燃料の流通態様は第２の流通態様となる。第２の流通態様は、図４に示すように、燃料が噴孔２７の上流側から噴孔２７に流入する流れが主流となる燃料の流通態様である。
【００２１】
このように燃料の流通態様が変化することに対し、燃料噴射ノズル１では噴孔２７の入口が具体的には次に示すように形成されている。すなわち噴孔２７の入口は、燃料流の上流側に位置する上流側部分に曲面半径の大きい第１の面取り部Ｒ１が形成されるとともに、燃料流の下流側に位置する下流側部分に第１の面取り部Ｒ１よりも曲面半径の小さい第２の面取り部Ｒ２が形成されている。
【００２２】
これにより、ニードルリフト量が小さいパイロット噴射時や初期噴射時には、図３に示すように燃料が噴孔２７に流入する際に、燃料流が第２の面取り部Ｒ２で剥離し易くなり、この結果、噴孔２７内でキャビテーションを発生させることができる。また燃料噴射ノズル１では、サック部２６が半球面状に形成されていることから、第１の流通態様において燃料がサック部２６内でスムースに旋回する。このためこれにより噴孔２７に流入する燃料流の減衰を抑制することができ、これによっても燃料流の剥離およびキャビテーションの発生に寄与することができる。そして、燃料が噴孔２７から噴射された後には、キャビテーションが急激に成長し崩壊することから、これによって燃料噴霧の微粒化を促進できる。
【００２３】
一方、ニードルリフト量が大きいメイン噴射時には、図４に示すように燃料が第１の面取り部Ｒ１に沿って噴孔２７にスムースに流入する。このためこの場合には、燃料流の剥離を防止或いは抑制でき、この結果、キャビテーションの発生を防止或いは抑制できる。また流量係数が高まるとともに燃料の流速が高まることから、噴孔２７から噴射された燃料噴霧の貫徹力を強めることができ、これにより従来同様、雰囲気とのせん断分裂による噴霧の微粒化を促進できる。またこれにより従来同様、短期間で多量の燃料を噴射でき、高出力にも対応できる。
【００２４】
さらに燃料噴射ノズル１では、垂直断面において噴孔２７入口の下流側部分がサック部２６の上端部になるように噴孔２７が配置されている。これにより、燃料が噴孔２７に上流側から流入する場合と下流側から流入する場合とで、ともに燃料流の減衰がより少ない状態で燃料を噴孔２７に好適に到達させることができる。換言すれば、これにより第１および第２の流通態様の双方にとってバランスの良い位置に噴孔２７を配置することができる。そしてこれらにより、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、ニードルリフト量が大きい場合の噴霧の微粒化が損なわれないようにしつつ、燃料噴霧の性状を改善できる点で、パイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状を好適に改善できる。
【００２５】
次に噴霧の長さ、キャビテーション発生量および噴霧の粒径それぞれと、ニードルリフト量との関係について図５を用いて説明する。なお、図５（ｃ）では、従来の場合についても参考として破線で同時に示している。燃料噴射ノズル１では、ＥＣＵ７０の制御のもと、インジェクタ５４によってニードルリフト量が制御される。インジェクタ５４を制御するにあたり、ＥＣＵ７０は具体的にはＨＣ排出の要因となるピストン５３や燃焼室５５壁面（シリンダ壁面）への燃料付着を抑制可能な噴射パターンでインジェクタ５４を制御する。そしてこの噴射パターンで、噴霧の長さは図５（ａ）に示すようになる。
【００２６】
パイロット噴射時や初期噴射時には、ニードルリフト量がシート絞り領域（燃料がシート部２５で絞られる領域）にある。この場合には極低圧下で燃料が噴射されるため、燃料の貫徹力が小さくなる。しかしながらニードルリフト量がシート絞り領域にある場合には、前述の通り、燃料流が面取り部Ｒ２で剥離される。このためこの場合には、図５（ｂ）に示すように噴孔２７内でキャビテーションが発生し、この結果、図５（ｃ）に示すようにキャビテーションの崩壊によって、ＨＣの排出を抑制しつつ、燃料の微粒化を図ることができる。
【００２７】
一方、メイン噴射時には、ニードルリフト量が噴孔絞り領域にある。この場合には前述の通り、燃料が面取り部Ｒ１に沿ってスムースに噴孔２７に流入するため、貫徹力が強くなる。またこの場合には、図５（ｂ）に示すようにキャビテーションが発生しなくなる。したがってこの場合には、図５（ｃ）に示すように雰囲気とのせん断分裂によって、ＨＣの排出を抑制しつつ、燃料の微粒化を図ることができる。すなわち、燃料噴射ノズル１によれば、ＨＣの排出を抑制可能な噴射パターンにおいても、常に燃料噴霧の微粒化を図ることができる。
【００２８】
次に第１および第２の面取り部Ｒ１、Ｒ２の曲面半径の好ましい大きさについて図６、図７を用いて説明する。図６に示すように、キャビテーション発生量は、噴孔２７の入口に設けた面取り部Ｒの曲面半径が大きくなるほど減少し、最後にはゼロになる傾向にある。この点、さらに具体的には図７に示すように、面取り部Ｒの曲面半径が０．１ｍｍ以上である場合には、噴孔２７に占めるキャビテーション割合はほぼゼロとなる一方で、面取り部Ｒの大きさが０．１ｍｍ未満になると次第に大きくなることがわかる。したがって、第１の面取り部Ｒ１の曲面半径は、キャビテーションの発生を防止或いは抑制する観点から０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２９】
一方、図７から第２の面取り部Ｒ２の曲面半径は、キャビテーションをより多く発生させる観点から０．１ｍｍ未満であることが好ましい。この点、さらに好ましくは噴孔２７の入口の下流側部分に第２の面取り部Ｒ２を形成する代わりに、エッジ部Ｌ（図８参照）を形成することが望ましい。これにより、キャビテーションをより多く発生させることができることから、図９に示すように燃料噴霧の微粒化をさらに促進できる。また燃料噴霧の微粒化をさらに促進できることから、図１０に示すようにスモークの発生量をより低減することができる。またエッジ部Ｌを形成する場合、エッジ部Ｌがなす角度（垂直断面においてサック部２６の上端部の壁面と下流側部分の噴孔２７側の壁面とがなす角度）αは９０度以下であることが好ましい。これにより、燃料流をより好適に剥離させることができることから、より確実にキャビテーションを発生させることができる。
【００３０】
次にニードル３の先端部３６と、サック部２６の上端部とがなす角度である広がり角β（図１１参照）の設定について、図１２を用いて説明する。この広がり角βは、ニードルリフト量に応じて第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様を適切に変化させるにあたって重要となってくる。図１２に示すように、広がり角βが１５ｄｅｇ以上であれば、ニードルリフト量が小さい場合に燃料の流通態様が第１の流通態様となることがわかる。そして広がり角βが大きくなるほど、第１の流通態様が維持されるニードルリフト量の範囲が大きい側に広がることがわかる。
【００３１】
このため、ニードルリフト量に応じて第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様を適切に変化させるにあたっては、第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様が変化するときのニードルリフト量γが、パイロット噴射時の最大ニードルリフト量以上になるように広がり角βを設定することが好ましい。この点、燃料噴射ノズル１ではパイロット噴射時の最大ニードルリフト量が０．０３ｍｍであることから、パイロット噴射時に第１の流通態様を適切に維持するためには、広がり角βがおよそ３０ｄｅｇ以上必要となる。このように広がり角βの設定を管理することにより、ニードルリフト量に応じて燃料の流通態様が変化する場合に、第１および第２の流通態様の間で燃料の流通態様を適切に変化させることができ、以ってパイロット噴射時や初期噴射時の極低圧下で噴射される燃料噴霧の性状をさらに好適に改善できる。
【００３２】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、広がり角βの設定の管理が容易となることから、ニードル３に第２の縮径部３４とは別に先端部３６を設けた例について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、例えば先端部は第２の縮径部と同じ傾斜角で一体的に設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１ 燃料噴射ノズル
２ ノズルボディ
２５ シート部
２６ サック部
２７ 噴孔
３ ニードル
３３ 第１の縮径部
３４ 第２の縮径部
３５ 当接部
３６ 先端部
４０ 燃料溜まり
４１ 燃料通路
５０ 内燃機関
５４ インジェクタ
６１ 燃料噴射ポンプ
６２ コモンレール
７０ ＥＣＵ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半球面状のサック部と、該サック部に連通する噴孔とが設けられたノズルボディと、
前記ノズルボディに摺動自在に収容されるニードルと、を備え、
前記噴孔の入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分に第１の面取り部を形成するとともに、前記噴孔の入口のうち、燃料流の下流側に位置する下流側部分に前記第１の面取り部よりも曲面半径の小さい第２の面取り部を形成するか、或いはエッジ部を形成し、
前記下流側部分が前記サック部の上端部となるように前記噴孔を配置した燃料噴射ノズル。
【請求項２】
請求項１記載の燃料噴射ノズルであって、
前記第１の面取り部の曲面半径を０．１ｍｍ以上とした燃料噴射ノズル。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料噴射ノズルであって、
前記下流側部分に前記エッジ部を形成した場合に、前記サック部の前記上端部の壁面と、前記下流側部分の前記噴孔側の壁面とのなす角度が９０度以下である燃料噴射ノズル。
【請求項１】
半球面状のサック部と、該サック部に連通する噴孔とが設けられたノズルボディと、
前記ノズルボディに摺動自在に収容されるニードルと、を備え、
前記噴孔の入口のうち、燃料流の上流側に位置する上流側部分に第１の面取り部を形成するとともに、前記噴孔の入口のうち、燃料流の下流側に位置する下流側部分に前記第１の面取り部よりも曲面半径の小さい第２の面取り部を形成するか、或いはエッジ部を形成し、
前記下流側部分が前記サック部の上端部となるように前記噴孔を配置した燃料噴射ノズル。
【請求項２】
請求項１記載の燃料噴射ノズルであって、
前記第１の面取り部の曲面半径を０．１ｍｍ以上とした燃料噴射ノズル。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料噴射ノズルであって、
前記下流側部分に前記エッジ部を形成した場合に、前記サック部の前記上端部の壁面と、前記下流側部分の前記噴孔側の壁面とのなす角度が９０度以下である燃料噴射ノズル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１８０７６３（Ｐ２０１０−１８０７６３Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４３２９（Ｐ２００９−２４３２９）
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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