JP2007224746A - インジェクタノズル - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の最大噴射率の向上を図ることができるインジェクタノズルを提供する。
【解決手段】ノズル本体２の先端部に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔１１が形成されたサック部２１と、そのサック部２１の基端部側に形成され、該サック部２１を閉塞するための針弁３を着座させるシート部２２とを有するインジェクタノズル１において、上記針弁３の先端部を、先端側に至るにつれ縮径されるテーパ状に形成すると共に、そのテーパ状の先端部における上記シート部２２との当接位置より先端側を切除したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンなどに適用されるインジェクタノズルに関するものである。

従来、ディーゼルエンジンなどに適用されるインジェクタノズルとして、先端部に形成した複数の噴孔（ノズル噴孔）を、ノズル内に昇降可能に収容した針弁（以下、ニードルという）にて開閉するように構成したインジェクタノズルが知られている（特許文献１参照）。

例えば、図６に示すように、インジェクタノズル６１は、ニードル６２を収容するノズル本体６３を有し、そのノズル本体６３は、複数の噴孔６４が形成されたサック部６５と、ニードル６２を着座させるシート部（ノズルシート）６６とで構成される。

図６のインジェクタノズル６１では、シート部６６が、下方に至るにつれ縮径されるテーパシート構造をなす。

また、近年、燃料噴射後の後ダレによるＨＣ量を低減することを目的として、サック部の容量を低減したもの（例えば、コニカル形状のサック部、ミニサック、あるいはＶＣＯ（Valve Covered Orifice）；サックなし）が主流となっており、例えば、図６のインジェクタノズル６１では、サック部６５がコニカル形状にて形成される。

図６のインジェクタノズル６１では、ニードル６２がリフトすると、図示しないコモンレールなどに貯留された加圧燃料が、ニードル６２とシート部６６およびサック部６５の隙間を通りサック部６５に流入し、噴孔６４より燃焼室に噴射される。

ところで、インジェクタノズル６１にて噴射させる燃料には、一般的な軽油の他に、例えば、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという）などの液化ガス燃料などが考えられる。

ＤＭＥを燃料とする場合、ＤＭＥは軽油と比較して体積当たりの発熱量が小さいため、軽油に対し約２倍の燃料を噴射する必要がある。

また、軽油噴射のディーゼルエンジンと異なり、ＤＭＥ燃料を用いたディーゼルエンジンでは、Ｃ−Ｃ結合（炭素−炭素結合）がないことにより、スモークの発生がなく、コモンレール圧力は、軽油と比較して低い領域が使用可能である。

以上から、ＤＭＥディーゼルエンジンにおいて、エンジン回転数・負荷などを、従来の軽油ディーゼルエンジンと同領域を使用し、同出力を得るためにはインジェクタノズルの噴孔径・噴孔数の総面積（つまり、ノズル噴孔総面積）を、軽油に対し広く取る必要がある。

特開２００５−１８０２５３号公報

しかしながら、ノズル噴孔総面積を大きくし、かつサック部容積を低減した場合に、サック部６５の内壁面とニードル６２との間の流路面積が、ノズル噴孔総面積よりも小さくなってしまうことがある。

そのように、サック部６５およびニードル６２間の流路面積がノズル噴孔総面積よりも小さくなると、噴孔６４による所望の噴霧特性が得られなくなり、最大噴射率の低下を招いてしまう。

つまり、サック部６５の入口で燃料が絞られてしまい、大きく設定した噴孔総面積に見合うだけの燃料噴射率が得られなくなる。

最大噴射率が低下してしまう場合、総噴射量を維持するために、噴射期間を長く設定することが考えられるが、高速エンジン回転速度領域では、噴射可能な期間が短いため、その短い噴射期間内では所望量の燃料を噴射しきれず、出力低下を引き起こしてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃料の最大噴射率の向上を図ることができるインジェクタノズルを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ノズル本体の先端部に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔が形成されたサック部と、そのサック部の基端部側に形成され、該サック部を閉塞するための針弁を着座させるシート部とを有するインジェクタノズルにおいて、上記針弁の先端部を、先端側に至るにつれ縮径されるテーパ状に形成すると共に、そのテーパ状の先端部における上記シート部との当接位置より先端側を切除したものである。

上記目的を達成するために本発明は、ノズル本体の先端部に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔が形成されたサック部と、そのサック部の基端部側に形成され、該サック部を閉塞するための針弁を着座させるシート部とを有し、上記サック部の内壁面が先端側に至るにつれ縮径されるテーパ状に形成されたインジェクタノズルにおいて、上記サック部における上記針弁の先端部に対峙する内壁面に、拡径部を形成したものである。

好ましくは、上記燃料がジメチルエーテルである。

本発明によれば、燃料の最大噴射率の向上を図ることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のインジェクタノズルは、例えば、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという）を燃料とするディーゼルエンジンのインジェクタなどに適用される。

図１に示すように、インジェクタノズル１は、燃料を噴射するための噴孔１１を有するノズル本体２と、そのノズル本体２内に昇降可能（図１において上下方向移動可能）に収容され、噴孔１１を開閉するための針弁（以下、ニードルという）３とを備える。

より具体的には、インジェクタノズル１は、ノズル本体２の先端部（図１において下端部）に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔１１が形成されたサック部２１と、そのサック部２１の基端部側（図１において上側）に形成され、該サック部２１を閉塞するためのニードル３を着座させるシート部２２と、そのシート部２２から上方に延出しニードル３を収容する挿通穴２３とを有する。

挿通穴２３は、略円形断面にて上下方向（ニードル軸方向）に延出し、ニードル３よりも大径に形成される。挿通穴２３は、図示しない燃料供給路を介してコモンレールに連通し、そのコモンレールからの加圧燃料が、挿通穴２３とニードル３との間に供給される。また、挿通穴２３の下部における径方向外側には、加圧された燃料を貯留して、後述するニードル３の受圧部３２を押圧する油溜まり２３１が形成される。

シート部２２は、ノズル本体２の内壁面をなし、挿通穴２３よりも小径で、かつ挿通穴２３から下方に縮径しつつ延出するテーパ状に形成される。図例では、シート部２２は、漏斗状に形成される。シート部２２の上下方向の中間部は、後述するニードル３のシート当接部３３と略同じ径を有し、ニードル３の着座時に、ニードル３のシート当接部３３と当接する。

詳しくは後述するが、ニードルリフト時には、そのニードル３のシート当接部３３とシート部２２との間に燃料流路をなす隙間が形成される。本実施形態では、その流路の最小流路面積が、噴孔１１の開口面積よりも大きくなるように設定される。図例では、最大リフト時のニードル３のシート当接部３３の上端からシート部２２の内壁面に垂線を下ろした位置での径がφ２．２ｍｍに設定される（図２符号Ｃ１参照）。また、シート当接部３３の下端の径がφ１．７ｍｍに設定される。

サック部２１は、シート部２２から下方に延出する第一テーパ面２１１と、その第一テーパ面２１１から下方に延出する第二テーパ面２１２と、その第二テーパ面２１２の下端に接続された底面２１３とを有する。第一テーパ面２１１は、シート部２２よりも小さなテーパにて下方に至るにつれ縮径されるように形成される。第二テーパ面２１２は、第一テーパ面２１１よりも大きなテーパにて下方に至るにつれ縮径されるように形成される。

サック部２１の内壁面には、複数の噴孔１１が設けられる。本実施形態では、それら噴孔１１は、周方向に並ぶよう所定の間隔を隔てて形成される。それら噴孔１１の数や、孔径は、噴射する燃料などに応じて適切に設定され、図例では、噴孔１１の合計開口面積（以下、噴孔面積という）が０．６７ｍｍ²となるよう、数および孔径が設定される。また、本実施形態では、噴孔１１は、第一テーパ面２１１と第二テーパ面２１２との境界部に配置される。

ニードル３は、円柱状の基部３１と、その基部３１の下端から下方に縮径しつつ延出するテーパ状の受圧部３２と、その受圧部３２の下端から下方に延出し、ニードル着座時にシート部２２に当接するシート当接部３３とを有する。

シート当接部３３は、受圧部３２よりも大きなテーパにて下方に至るにつれ縮径されるテーパ状に形成される。本実施形態では、シート当接部３３の幅（図において上下方向の長さ）は、シート部２２との接触面積幅を想定している。

このように、本実施形態では、ニードル３の先端部が、先端側に至るにつれ縮径される二段のテーパ状（受圧部３２およびシート当接部３３）に形成されると共に、そのテーパ状の先端部における上記シート部２２との当接位置の先端側境界より先端側が切除される。

次に、本実施形態のインジェクタノズル１の作用を説明する。

インジェクタの閉弁時には、ニードル３はシート部２２に着座し、サック部２１が上方側から閉塞される。このとき、サック部２１内には燃料は供給されず、噴孔１１からの燃料噴射は行われない。

図２に示すように、インジェクタの開弁時には、図示しないアクチュエータなどによりニードル３がリフト（図２において上方に移動）される。

そのニードル３のリフトにより、ニードル３とシート部２２との間に、隙間が形成される。その隙間を通り、挿通穴２３の燃料がサック部２１内に供給され、そのサック部２１に供給された燃料は、噴孔１１から燃焼室に向けて噴射される。

ここで、本実施形態では、ニードル３におけるシート部２２との当接位置よりも先端側を切除している。そのため、燃料は、サック部２１の入口にて絞られることなく、サック部２１に流入する。さらに、ニードル３のリフト時に、そのニードル３とシート部２２との間に形成される隙間の最小断面積（最小流路面積）が、噴孔面積よりも大きくなるよう、シート部２２の径およびテーパを設定しているので、コモンレールから噴孔１１に至るまの燃料流路の途中で燃料が絞られてしまうことがない。

このように、本実施形態では、ニードル３の先端部をサック部２１の内壁面からできるだけ距離をおき流路面積を確保することで、噴孔１１に至るまでの圧力損失を防止することができる。その結果、噴孔面積を大きく設定することで、燃料の最大噴射率の向上を図ることができる。

次に、図３に基づきインジェクタノズル１における開口面積（流路面積）と、ニードル３のリフト量との関係について説明する。

図３において、ラインＬ１は、本実施形態のインジェクタノズル１における燃料流路上の最小開口面積と、ニードルリフト量との関係を示す。ラインＬ２は、シート部において径がφ２．２ｍｍの位置での開口面積とニードルリフト量との関係を示す。ラインＬ３は、シート部２２において径がφ１．７ｍｍの位置での開口面積とニードルリフト量との関係を示す。ラインＬ４は、噴孔１１の噴孔面積（０．６７ｍｍ²）を示す。

ラインＬ１１は、図６に示す従来のニードル６２を用いた場合のサック部６５上端（φ１．０ｍｍ）での開口面積とニードルリフト量との関係を示す。

ラインＬ２１は、軽油ノズル（サック径φ１．０ｍｍ、シート径φ１．８ｍｍ、噴孔面積；０．１５ｍｍ²）における燃料流路上の最小開口面積と、ニードルリフト量との関係を示す。ラインＬ２２は、軽油ノズルにおける噴孔面積（０．１５ｍｍ²）を示す。

図３のラインＬ１に示すように、燃料流路上の最小開口面積は、ニードルリフト量が増大するにしたがい増大し、噴孔面積に近づいたところで収束して、噴孔面積と略同面積となる。この最小開口面積が収束するときのニードルリフト量が、燃料を噴孔面積で噴射する（つまり、最大噴射率を得る）ために必要なニードルリフト量（以下、必要ニードルリフト量という）となる。

例えば、軽油ノズルＬ１１では、必要ニードルリフト量は０．２５ｍｍ程度となる。

本実施形態では、ＤＭＥノズルの噴孔面積Ｌ４は、０．６７ｍｍ²に達するが、シート径の拡大と、ニードル３の先端を截頭円錐状に形成してサック部２１での流路面積を向上させることとにより、図４のようにシート部２２の径φ１．７ｍｍ部分Ｌ３が最小開口面積（図２符号Ｃ１参照）となり、必要ニードルリフト量は、０．３５ｍｍ程度となる。

これに対して、従来のインジェクタノズル６１（図６参照）の場合は、サック部６５の入口が最小流路面積Ｌ１１（図２符号Ｃ２参照）となるので、図３のラインＬ１１より推定すると、必要ニードルリフト量は０．５５ｍｍ以上となる。したがって、従来のノズル６１では、ニードル６２の応答性（コモンレール圧力によるニードル速度を一定とすると）が悪化し、制御室容量も増加し、インジェクタの応答性が悪化してしまう。また、ニードルリフト量を、０．５５ｍｍ以下とした場合には、噴孔面積を大きく設定したとしても有効活用できない。

以上のように、本実施形態では、ＤＭＥインジェクタノズル１におけるノズル噴孔面積の増大に伴い、サック部２１の内壁面とニードル３間の流路面積を広げ、所定のノズル噴孔面積を有効に活用することが可能となる。

また、噴孔面積を拡大しても、必要ニードルリフト量を、従来に比べて小さく抑えることができるので、応答性の悪化を防止することができる。

その他にも、本実施形態では、ニードル３を、先端をカット加工するという単純な加工により形成することができるので、加工コスト抑制と工程簡素化とが実現可能であり、かつ精度管理が容易に行える。

なお、切除されたニードル先端の分だけ、サック容量は増大することになるが、軽油とＤＭＥとの分子当たりの炭素数を比較すると、軽油が炭素数１４〜１６程度であるのに対し、ＤＭＥは、炭素数２と極端に少ないことから、噴射終了後、ニードル閉弁後のサック部２１にＤＭＥが滞留し後ダレが生じたとしても、その滞留ＤＭＥによる排気ガス中のＨＣ排出への影響は少ない。

次に、図４および図５に基づき他の実施形態を説明する。

本実施形態は、上述した図１の実施形態とは、ニードルおよびサック部の形状が異なり、それ以外は同様となっている。したがって、上述の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

なお、図５は、中央線Ｃで左右に分割されており、左側に本実施形態のインジェクタノズル４を示し、右側に従来のインジェクタノズル６１を示す。

本実施形態では、サック部２１に拡径部２１５を設けて、サック部２１とニードル３と間に区画される流路面積を広げることで、挿通穴２３から噴孔１１に至る燃料流路上の最小流路面積を噴孔面積より大きく設定する。

具体的には、本実施形態のインジェクタノズル４は、ノズル本体２の先端部に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔１１が形成されたサック部２１と、そのサック部２１の基端部側に形成され、該サック部２１を閉塞するためのニードル３を着座させるシート部２２とを有する。

ニードル３は、基部３１と、受圧部３２と、その受圧部３２の下端から下方に延出し、上下逆さの円錐状に形成されたシート当接部３５とを有する。本実施形態では、ニードル着座時に、シート当接部３５の上端部のみがシート部２２に当接する。

サック部２１は、その内壁面が先端側に至るにつれ縮径されるテーパ状（図例では、二段のテーパ状）に形成され、本実施形態では、サック部２１におけるニードル３の先端部に対峙する内壁面に、拡径部２１５が形成される。

本実施形態の拡径部２１５は、シート部２２の下端から断面円形にて下方に所定長さ延出する。図例では、拡径部２１５は、シート部２２の下端から、ニードル着座時のニードル３の先端位置まで延出する。拡径部２１５の内径は、ニードルリフト時にそのニードル３と拡径部２１５間の最小流路面積が、噴孔面積よりも大きくなるように設定される。さらに、ニードル３とシート部２２との間の最小流路面積も、噴孔面積よりも大きくなるように設定される。

また、拡径部２１５の内壁面は、下端部にて径方向内側に丸められＲ形状に形成される。そのＲ形状は、例えば、ボールエンドなどにて加工、形成される。

本実施形態でも、上述した図１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、燃料は、ＤＭＥに限定されず、軽油、ガソリンなど様々な液体燃料が考えられる。

また、上述した実施形態では、断面円形状の拡径部２１５を設けたが、これに限定されず、例えば、サック部２１の内壁面を、噴孔１１に対応する周方向位置にて窪ませて、溝状の拡径部を設けることが考えられる。

図１は、本発明に係る一実施形態によるインジェクタノズルの断面図である。 図２は、図１のＩＩ部拡大図である。 図３は、インジェクタノズルにおける開口面積と、ニードルリフト量との関係を説明するための図である。 図４は、他の実施形態に係るインジェクタノズルの断面図である。 図５は、他の実施形態に係るインジェクタノズルの断面図および従来のインジェクタノズルの断面図である。 図６は、従来のインジェクタノズルの断面図である。

符号の説明

１、４ インジェクタノズル
２ ノズル本体
３ 針弁（ニードル）
１１ 噴孔
２１ サック部
２２ シート部
２１５ 拡径部

Claims (3)

1. ノズル本体の先端部に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔が形成されたサック部と、そのサック部の基端部側に形成され、該サック部を閉塞するための針弁を着座させるシート部とを有するインジェクタノズルにおいて、
   上記針弁の先端部を、先端側に至るにつれ縮径されるテーパ状に形成すると共に、そのテーパ状の先端部における上記シート部との当接位置より先端側を切除したことを特徴とするインジェクタノズル。
2. ノズル本体の先端部に形成され燃料を溜めると共に、その溜めた燃料を噴射する噴孔が形成されたサック部と、そのサック部の基端部側に形成され、該サック部を閉塞するための針弁を着座させるシート部とを有し、上記サック部の内壁面が先端側に至るにつれ縮径されるテーパ状に形成されたインジェクタノズルにおいて、
   上記サック部における上記針弁の先端部に対峙する内壁面に、拡径部を形成したことを特徴とするインジェクタノズル。
3. 上記燃料がジメチルエーテルである請求項１または２記載のインジェクタノズル。
   

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