(57)【要約】【課題】シート部の流路面積と噴孔の総流路面積との関係に依存することなく、噴孔から噴射する燃料の噴霧状態を高分散噴霧と高貫徹力噴霧に切り換える。【解決手段】サック室１２のうちシート面１１の先端に連続する部分には筒状の入口側内壁１３が形成され、ニードル２の先端部には、サック室１２の入口側内壁１３にほぼ平行な筒状の流れ制御部２４が設けられ、ニードル２が着座時には、流れ制御部２４の一部がサック室１２内に位置し、ニードル２を後退させたリフト量が所定値以上の場合には、流れ制御部２４はサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置し、噴孔１４は、サック室１２の入口側内壁１３より下流側の部分に入口が設けられ、厚さがほぼ一定の扁平な扇状であり、出口に向かって幅が拡大する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルボディと、
前記ノズルボディの内部に収容され、前記ノズルボディの中心軸の方向に進退移動可能なニードルと、を備え、
前記ノズルボディの内壁には、前記ノズルボディの先端に向かって内径が縮小する円錐台の形状のシート面と、前記シート面の先端から前記中心軸の方向へ凹んだ凹部であるサック室と、が形成され、
前記ノズルボディには、前記サック室から前記ノズルボディの外部へ燃料を噴射する噴孔が形成され、
前記ニードルのシート部が前記ノズルボディの前記シート面に当接した着座時には燃料の噴射を停止し、
前記ニードルの前記シート部が前記ノズルボディの前記シート面から離間した離座時には、前記ノズルボディと前記ニードルとの間を前記サック室へ燃料が流れて、前記噴孔から燃料を噴射するノズルであって、
前記サック室のうち前記シート面の先端に連続する部分には筒状の入口側内壁が形成され、
前記ニードルの先端部には、前記サック室の前記入口側内壁にほぼ平行な筒状の流れ制御部と、前記流れ制御部の先端から前記ニードルの先端に向かって外径が縮小する先細り形状のニードル先端傾斜部と、が設けられ、
前記着座時には、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界が前記サック室内に位置し、
前記ニードルを後退させたリフト量が所定値以上の場合には、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界は、前記サック室と前記シート面との境界よりも上流側に位置し、
前記噴孔は、前記サック室の前記入口側内壁より下流側の部分に入口が設けられ、厚さがほぼ一定の扁平な扇状であり、出口に向かって幅が拡大すること、を特徴とするノズル。
【請求項２】
請求項１に記載のノズルであって、
前記着座時には、前記中心軸を含む前記ノズルの断面において、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界の点から延ばした直線を前記噴孔の噴孔中心軸と前記噴孔の入口部で交差させると、前記直線と前記噴孔中心軸とがなす角度が２０度以上であること、を特徴とするノズル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のノズルであって、
前記シート部と前記シート面との間の流路面積の方が全ての前記噴口の最小流路面積の合計よりも大きい噴孔絞り状態においても、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界が前記サック室内に位置する状態が存在すること、を特徴とするノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、噴霧分散度可変ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズルボディと、ノズルボディの内部に収容され、ノズルボディの中心軸の方向に進退移動可能なニードルと、を備え、ニードルのシート部がノズルボディのシート面に着座した状態から離脱することにより、ノズルボディの先端部に形成された開口形状が扁平な長円形状の噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁が特許文献１に開示されている。この燃料噴射弁は、ニードルのリフト量が小さい状態では、噴霧角が大きい高分散で低貫徹力の噴霧を噴孔から噴射する。そして、ニードルのリフト量が大きい状態では、噴霧角が小さい低分散で高貫徹力の噴霧を噴孔から噴射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１７２３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された燃料噴射弁は、ニードルのシート部とノズルボディのシート面との間の燃料流路の面積と噴孔の総流路面積との関係で、噴孔から噴射する燃料の噴霧状態を切り換えるものであり、噴霧状態が切り換わるニードルのリフト量は、シート部とシート面との間の流路面積と噴孔の総流路面積との関係に依存する。そのため、シート部とシート面との間の燃料流路の面積が噴孔の総流路面積よりも大きい噴孔絞り状態では、高分散の噴霧を得ることができない。また、高分散の噴霧を得るために、シート部とシート面との間の燃料流路の面積が噴孔の総流路面積よりも小さいシート絞り状態で使用すると、燃料流量が小さいため、所望の噴射量を得るには噴射時間を長くする必要があり、特にエンジンの回転速度が高い場合には噴射時間が長すぎて良好な燃焼状態を得られなくなる場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、ニードルのシート部とノズルボディのシート面との間の流路面積と噴孔の総流路面積との関係に依存することなく、噴孔から噴射する燃料の噴霧状態を高分散噴霧とするか高貫徹力噴霧とするか切り換えることができる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】
【０００６】
本発明に係るノズルは、ノズルボディと、前記ノズルボディの内部に収容され、前記ノズルボディの中心軸の方向に進退移動可能なニードルと、を備え、前記ノズルボディの内壁には、前記ノズルボディの先端に向かって内径が縮小する円錐台の形状のシート面と、前記シート面の先端から前記中心軸の方向へ凹んだ凹部であるサック室と、が形成され、前記ノズルボディには、前記サック室から前記ノズルボディの外部へ燃料を噴射する噴孔が形成され、前記ニードルのシート部が前記ノズルボディの前記シート面に当接した着座時には燃料の噴射を停止し、前記ニードルの前記シート部が前記ノズルボディの前記シート面から離間した離座時には、前記ノズルボディと前記ニードルとの間を前記サック室へ燃料が流れて、前記噴孔から燃料を噴射するノズルであって、前記サック室のうち前記シート面の先端に連続する部分には筒状の入口側内壁が形成され、前記ニードルの先端部には、前記サック室の前記入口側内壁にほぼ平行な筒状の流れ制御部と、前記流れ制御部の先端から前記ニードルの先端に向かって外径が縮小する先細り形状のニードル先端傾斜部と、が設けられ、前記着座時には、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界が前記サック室内に位置し、前記ニードルを後退させたリフト量が所定値以上の場合には、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界は、前記サック室と前記シート面との境界よりも上流側に位置し、前記噴孔は、前記サック室の前記入口側内壁より下流側の部分に入口が設けられ、厚さがほぼ一定の扁平な扇状であり、出口に向かって幅が拡大すること、を特徴とする。
【０００７】
このように、ニードルの流れ制御部がサック室の入口側内壁にほぼ平行に設けられているため、ニードルのリフト量が所定値未満では、燃料が流れ制御部に沿って流れて噴孔の入口に向かい、噴孔の壁面に衝突するように流れることにより、燃料は噴孔の幅方向に拡がり、噴孔の出口から噴霧の拡がりが大きい高分散噴霧を噴射することができる。これに対して、ニードルのリフト量が所定値以上では、サック室に流入した燃料はノズルボディの中心軸に向かった後に噴孔に流入するため、噴孔中心軸に沿うような流れが形成されて、噴霧の拡がりが抑制され、噴孔の出口から噴霧の拡がりが小さい高貫徹力噴霧を噴射することができる。そのため、ニードルの流れ制御部の長さを適切に設定することにより、シート部とシート面との間の流路面積と噴孔の総流路面積との関係に依存することなく、噴孔から噴射する燃料の噴霧状態を高分散噴霧とするか高貫徹力噴霧とするか切り換えることができる。
【０００８】
本発明のノズルの一態様において、前記着座時には、前記中心軸を含む前記ノズルの断面において、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界の点から延ばした直線を前記噴孔の噴孔中心軸と前記噴孔の入口部で交差させると、前記直線と前記噴孔中心軸とがなす角度が２０度以上であってもよい。
【０００９】
この態様によれば、ニードルのリフト量が所定値未満の状態で使用した場合の噴孔から噴射される燃料の噴霧の拡がり角と、ニードルが所定値以上の状態で使用した場合の噴孔から噴射される燃料の噴霧の拡がり角との比率を大きくすることができる。
【００１０】
本発明のノズルの一態様において、前記シート部と前記シート面との間の流路面積の方が全ての前記噴口の最小流路面積の合計よりも大きい噴孔絞り状態においても、前記流れ制御部と前記ニードル先端傾斜部との境界が前記サック室内に位置する状態が存在してもよい。
【００１１】
この態様によれば、ニードルのシート部とノズルボディのシート面との間の流路面積の方が全ての噴口の最小流路面積の合計よりも大きい噴孔絞り状態においても、流れ制御部とニードル先端傾斜部との境界がサック室内に位置する状態で使用すれば、噴孔から噴霧の拡がりが大きい高分散噴霧を噴射することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ニードルのシート部とノズルボディのシート面との間の流路面積と噴孔の総流路面積との関係に依存することなく、噴孔から噴射する燃料の噴霧状態を高分散噴霧とするか高貫徹力噴霧とするか切り換えることができるノズルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態のノズルのニードルが着座した状態のノズルの先端部分の内部構造を示した断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】出口の形状が四角形の噴口の出口の形状を示した図（ａ）と、出口の形状が角を丸めた四角の噴口の出口の形状を示した図（ｂ）と、出口の形状が長円の噴口の出口の形状を示した図（ｃ）である。
【図４】ニードルが着座した状態のノズルの先端部分の内部構造を拡大して示した断面図である。
【図５】ニードルのリフト量が小さく、流れ制御部とニードル先端傾斜部との境界がサック室内に位置する状態のノズルの噴孔付近を拡大して示した断面図（ａ）と、噴孔内の燃料の流れを示す図（ｂ）である。
【図６】ニードルのリフト量が大きく、流れ制御部とニードル先端傾斜部との境界がサック室とシート面との境界よりも上流側に位置する状態のノズルの噴孔付近を拡大して示した断面図（ａ）と、噴孔内の燃料の流れを示す図（ｂ）である。
【図７】流れ制御部とニードル先端傾斜部との境界がサック室内に位置する時の噴孔出口における燃料の分布を示した図（ａ）と、流れ制御部とニードル先端傾斜部との境界がサック室とシート面との境界よりも上流側に位置する時の噴孔出口における燃料の分布を示した図（ｂ）である。
【図８】噴孔出口における噴霧の拡がり角と、図４に示す角度θとの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本実施形態のノズル１０について説明する。図１に示すノズル１０は、例えば、自動車の走行用動力源として用いられる不図示の内燃機関に搭載される。図１に示すように、ノズル１０は、ノズルボディ１と、ノズルボディ１の内部に収容されたニードル２を備える。ニードル２はノズルボディ１及びニードル２の中心軸Ｌ１の方向に進退移動可能であり、ニードル２を中心軸Ｌ１の方向に進退移動させることにより、ノズルボディ１とニードル２との間の燃料が流れる流路の幅を調整することができる。
【００１５】
ノズルボディ１の内壁には、ノズルボディ１の先端に向かって内径が縮小する円錐台の形状のシート面１１が形成され、シート面１１の先端から中心軸Ｌ１の方向に凹んだ凹部であるサック室１２が形成されている。サック室１２は中心軸Ｌ１を中心軸とした円筒と半球を組み合わせた形状をしており、サック室１２のうちシート面１１に連続する部分は中心軸Ｌ１を中心軸とした円筒形状の入口側内壁１３が形成されている。
【００１６】
ノズルボディ１には、サック室１２からノズルボディ１の外部へ燃料を噴射する噴孔１４が形成されている。噴孔１４の入口は、サック室１２の入口側内壁１３よりも下流側に設けられている。図１及び図２に示すように、噴孔１４は厚さがほぼ一定の扁平な扇状の形状をしており、噴孔１４の入口から出口に向かって噴孔１４の幅が拡大している。図２では、８箇所の噴孔１４が形成された場合を示しているが、噴孔１４の数は８に限らず、８箇所以外の複数箇所の噴孔１４が形成されていてもよい。また、噴孔１４の入口部は流体研磨等により角を丸くする加工がなされており、これにより高い流量係数が得られる。
【００１７】
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、いずれも、図１のＢ視で噴孔１４を見た場合の噴孔１４の出口の形状を示している。噴孔１４の出口の形状は、図３（ａ）に示すように四角形であっても、図３（ｂ）に示すように角を丸めた四角であっても、図３（ｃ）に示すように長円であってもよい。また、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、いずれも噴孔１４の出口がノズルボディ１の周方向に細長くなるように形成された場合を示しているが、噴孔１４の出口は、ノズルボディ１の周方向ではなく、傾斜した方向に細長くなるように形成されていてもよい。噴孔１４の出口が傾斜した方向に細長くなるように形成されている場合は、噴孔１４の入口も含めて噴孔１４全体が傾斜した方向に細長くなるように形成される。
【００１８】
図１に示すように、ニードル２には、ニードル２の先端に向かって外径が縮小する第１円錐面２１及び第２円錐面２２が形成されており、第１円錐面２１と第２円錐面２２との境界に円環状のシート部２３が形成されている。ノズル１０は、ニードル２のシート部２３がノズルボディ１のシート面１１に当接した着座時には燃料の噴射を停止する。そして、ノズル１０は、シート部２３がシート面１１から離間した離座時には、ノズルボディ１とニードル２との間の流路をサック室１２に燃料が流れて、噴孔１４から燃料を噴射する。
【００１９】
ニードル２の先端部には、中心軸Ｌ１を中心軸とした円筒形状の流れ制御部２４が形成されている。流れ制御部２４は、サック室１２の入口側内壁１３と平行な円筒形状となっている。また、ニードル２の先端部には、流れ制御部２４の先端からニードル２の先端に向かって外径が縮小する円錐状のニードル先端傾斜部２５が形成されている。ニードル２のシート部２３がノズルボディ１のシート面１１に着座した状態では、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界はサック室１２内に位置する。図６（ａ）に示すように、ニードル２を後退させたリフト量が所定値以上の場合には、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界は、サック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する。
【００２０】
図４に示すように、ニードル２が着座した状態では、シート面１１をサック室１２の方向に延長した仮想面Ｌ２と流れ制御部２４が交差する。また、ニードル２が着座した状態では、中心軸Ｌ１を含むノズル１０の断面において、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界の点から延ばした直線Ｌ３を噴孔中心軸Ｌ４と噴孔１４の入口部で交差させると、直線Ｌ３と噴孔中心軸Ｌ４とがなす角度θは２０度以上である。
【００２１】
図５（ａ）に示すように、ニードル２のリフト量が小さく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する場合は、流線Ｓ１が示すように、燃料が流れ制御部２４とサック室１２の入口側内壁１３との間の流路を通過することによって、流れ制御部２４に沿う流れが形成される。そして、流れ制御部２４を通過した燃料は、噴孔１４の入口方向に流れ、噴孔１４の下壁面１５側に向かう流れが形成される。すると、このような噴孔１４の下壁面１５側に衝突するような流れによって、燃料は噴孔１４の幅方向に拡がり、噴孔１４の出口からは噴孔１４の幅方向に拡がる扁平な扇状の高分散噴霧が噴射される。図５（ｂ）は、噴孔１４内で幅方向に燃料が拡がる様子を図５（ａ）のＣ視で見た状態を示した図である。図５（ｂ）の矢印は、燃料の流れを示している。
【００２２】
図６（ａ）に示すように、ニードル２のリフト量が大きく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する場合は、流線Ｓ２が示すように、ノズルボディ１のシート面１１に沿ってサック室１２に流入した燃料は慣性によってノズルボディ１の中心軸Ｌ１の方向に流れた後に、噴孔１４に流入する。そのため、噴孔１４の入口では噴孔中心軸Ｌ４に沿うような流れが形成される。そして、噴孔１４の下壁面１５に衝突するような流れは抑制され、燃料は噴孔１４の幅方向にそれほど拡がらないで、そのままスムーズに噴孔１４の出口に向かって流出する。このように噴孔１４から噴射される燃料の噴霧の拡がりが抑制されるため、ニードル２のリフト量が小さく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する場合と比較して、高貫徹力噴霧が形成される。図６（ｂ）は、噴孔１４内で幅方向に燃料が拡がる様子を図６（ａ）のＣ視で見た状態を示した図である。図６（ｂ）の矢印は、燃料の流れを示している。
【００２３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２０１３）を使用してノズルボディ１の内部の燃料の流れを計算し、噴孔１４の出口部における燃料の分布を表示した結果の一例である。図７（ａ）は、ニードル２のリフト量が小さく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する場合の計算結果を示している。そして、図７（ｂ）は、ニードル２のリフト量が大きく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する場合の計算結果を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、いずれも燃料の拡がりを黒い領域で示している。図７（ａ）が示すように、ニードル２のリフト量が小さく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する場合は、燃料が噴孔１４の幅方向に広く分布し、幅Ｗ１まで拡がっている。これに対して、ニードル２のリフト量が大きく、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する場合は、図７（ｂ）に示すように幅Ｗ２しか拡がらず、図７（ａ）の幅Ｗ１と比較して噴孔１４の幅方向への燃料の拡がりが小さい。
【００２４】
図８は、噴孔１４の出口から燃料が噴出する方向（噴霧拡がり角：α）を計算した結果を示すグラフである。図８の横軸は、図４に示すニードル２を着座した状態の角度θである。図８の縦軸のαＬ／αＨは、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する状態での噴霧拡がり角αＬを、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する状態での噴霧拡がり角αＨで割ったものである。図８から、角度θを２０度以上に設定することで、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する状態での噴霧拡がり角αＬを、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する状態での噴霧拡がり角αＨの１．５倍以上とすることができる。そのため、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する状態で、ノズル１０は高分散噴霧を形成できる。
【００２５】
このように、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する場合には高分散噴霧が噴孔１４から噴射され、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する場合には高貫徹力噴霧が噴孔１４から噴射されるため、ニードル２の流れ制御部２４の長さを適切に設定することにより、シート部２３とシート面１１の間の流路面積と噴孔１４の総流路面積との関係に依存することなく、噴孔から噴射する燃料の噴霧状態を高分散噴霧とするか高貫徹力噴霧とするか切り換えることができる。つまり、噴孔１４から噴射する燃料の噴霧状態を高分散噴霧か高貫徹力噴霧に切り換えるニードル２のリフト量は、流れ制御部２４の長さを変えることで任意に設定できる。そのため、ニードル２のシート部２３とノズルボディ１のシート面１１との間の流路面積の方が全ての噴孔１４の最小流路面積の合計よりも大きい噴孔絞り状態においても、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する状態が存在するように流れ制御部２４の長さを設定すれば、噴孔１４から高分散噴霧を噴射することができる。
【００２６】
本実施形態のノズル１０は、噴孔絞り状態において、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置するように流れ制御部２４の長さが設定されているため、噴孔絞り状態においても噴孔１４から高分散噴霧を噴射することができる。
【００２７】
内燃機関の低負荷運転時又は中負荷運転時には、内燃機関の燃焼室のキャビティ内で大部分の燃料を燃焼させる。このとき、スモーク生成の要因となる過濃混合気の形成を抑制するために高分散噴霧が要求される。従来技術では、ニードル２のシート部２３とノズルボディ１のシート面１１との間の流路面積の方が全ての噴孔１４の最小流路面積の合計よりも小さいシート絞り状態でないと高分散噴霧を形成できず、シート絞り状態では燃料流量が小さいため、所望の噴射量を得るには噴射時間を長くする必要があり、特に内燃機関の回転速度が高い場合には噴射時間が長すぎて良好な燃焼状態を得られなくなる場合があった。これに対して、本実施形態のノズル１０は、シート絞り状態に限らず、噴孔絞り状態でも高分散噴霧を形成できるため、噴孔絞り状態で高分散噴霧を形成することにより、内燃機関の回転速度が高い場合でも良好な燃焼状態を得ることができる。
【００２８】
一方、内燃機関の高負荷運転時には、燃焼室全域に混合気を形成するために、低負荷運転時及び中負荷運転時より高貫徹力噴霧が要求される。高負荷運転時には噴射量が多く噴射時間が長いため、噴射初期に、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２内に位置する状態で高分散噴霧を噴射した後、流れ制御部２４とニードル先端傾斜部２５との境界がサック室１２とシート面１１との境界よりも上流側に位置する状態で高貫徹力噴霧を噴射する。
【００２９】
本開示の燃料噴射弁は、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、サック室の形状は、筒状の入口側内壁が形成されていれば、円筒と半球を組み合わせた形状以外の形状であってもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１  ノズルボディ、２  ニードル、１０  ノズル、１１  シート面、１２  サック室、１３  入口側内壁、１４  噴孔、１５  下壁面、２１  第１円錐面、２２  第２円錐面、２３  シート部、２４  流れ制御部、２５  ニードル先端傾斜部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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