(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射方向に向って開口する複数個の噴口を備えたホール型燃料噴射ノズルにおいて、ピストンに設けたキャビティの周壁の中間部に向って噴射する主噴口と、隣接する主噴口の間に位置してキャビティのエッジ部に向って噴射する副噴口を設け、副噴口の総開口面積を主噴口の総開口面積の３５％〜６５％にするとともに、主噴口を基準としてスワールの下流側に位置する副噴口を、隣接する主噴口に対する周方向等間隔位置よりもスワールの上流側に変位させたことを特徴とするホール型燃料噴射ノズル。
【請求項２】
放射方向に向って開口する複数個の噴口を備えたホール型燃料噴射ノズルにおいて、ピストンに設けたキャビティの周壁の中間部に向って噴射する主噴口と、キャビティのエッジ部に向って噴射する副噴口を設け、主噴口を副噴口とほぼ同径の噴口で構成するとともに、２つの主噴口に対して１つの副噴口を設けて副噴口の総開口面積を主噴口の総開口面積の３５％〜６５％に設定し、かつ、対をなす主噴口の間における周方向等間隔点を基準としてスワールの下流側に位置する副噴口を、隣接する周方向等間隔点に対する周方向等間隔位置よりもスワールの上流側に変位させたことを特徴とする請求項１に記載のホール型燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズルに係り、詳しくは、直接噴射式ディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）および黒煙を効果的に低減できるようにしたホール型の燃料噴射ノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直接噴射式ディーゼルエンジンに用いられるホール型の燃料噴射ノズルとしては、例えば実開昭５７−１５８９７４号公報などに見られるようにコーン角の異なる複数の噴口を交互に設けたもの、あるいは、実開平２−５９２６０号公報に見られるように複数個の噴口の開口面積を当該噴口到達時点での流量係数に応じて設定したものがある。
【０００３】
ところが、自動車用ディーゼルエンジンのように使用する回転・負荷域が広いエンジンにおいては、燃料供給量の制御範囲が広い。従って、例えば低負荷域のように燃料の供給量が少ない領域での初期噴射率を低くしてＮＯｘの生成を抑制すべく噴口径を小さくすると、燃料の噴射量が多い高負荷域で噴射期間が必要以上に長くなり過ぎる。また、逆に高負荷域での噴射期間を適正化すべく噴口径を大きくすると、低負荷域においても初期噴射率が高くなって着火時点までの噴射量が多くなるために、ＮＯｘが生成され易くなるという不具合がある。
【０００４】
上記のような不具合を解消するためには副室式ディーゼルエンジンに用いられるピントル型、スロットル型あるいはピントークス型の燃料噴射ノズルを用いることが考えられ、もしくは、二段開弁圧ノズルとすることが有効である。ところが、前者の副室式ディーゼルエンジン用のノズルを直噴式ディーゼルエンジンに用いることは実質的に不可能であり、後者の二段開弁圧ノズルは構成が複雑で高価であるという問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、噴射量が多い領域での噴射期間の長期化を予防し、初期噴射率を低くして着火時点までの噴射量を可及的に少なくしてＮＯｘの生成を抑制することができるとともに、空気利用率を高くして黒煙の排出量を削減することができる燃料噴射ノズルを提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、ピストンに設けたキャビティの周壁の中間部に向って噴射する主噴口を設ける一方、キャビティのエッジ部に向って噴射する副噴口を隣接する主噴口の間に設けている。そして、副噴口の総開口面積を主噴口の総開口面積の３５％〜６５％にするとともに、主噴口を基準としてスワールの下流側に位置する副噴口を、隣接する主噴口に対する周方向等間隔位置よりもスワールの上流側に変位させたことを特徴としている。
【０００７】
また本発明は、主噴口を副噴口とほぼ同径の噴口で構成したうえで、２つの主噴口に対して１つの副噴口を設けて副噴口の総開口面積を主噴口の総開口面積の３５％〜６５％にすることができる。
【０００８】
【作用】
燃料噴射ポンプから吐出された燃料の圧力が上昇すると、燃料噴射ノズルに設けたニードルがリフトされて噴口から燃料が噴射される。また、主噴口からキャビティの周壁の中間部に向って噴射するとともに、副噴口のコーン角を主噴口のコーン角より大きくし、もしくは、副噴口を主噴口よりもノズルの基端側に位置させるなどして副噴口からキャビティのエッジ部に向って噴射するようにし、かつ、主噴口と副噴口の流量係数ならびに流路抵抗を異ならせている。
【０００９】
すなわち、噴口の流路抵抗は口径を小さくするにつれて大きくなり、口径が同一である場合はコーン角を大きくするにつれて大きくなる。また、ノズルの先端側に位置する噴口ほど流量係数が大きくなる。
【００１０】
このために、燃料噴射ポンプの送油率が低い領域では流路抵抗が大きい副噴口からの噴射量は少なくなる。従って、低負荷域での運転のように送油率が低いときは初期噴射率が抑えられるために、静粛な燃焼が行なわれて燃焼音が低減されるとともに、ＮＯｘの生成が抑制される。
【００１１】
ところが、高負荷域での運転のように噴射量が増大した場合は、燃料噴射ポンプの送油率が高くなり、燃料の供給圧力が上昇する。すると、流路抵抗が大きな副噴口からもある程度の量の燃料が噴射されることになり、噴口の有効開口面積および有効数が増大して噴射された燃料と空気との混合性が改善されるために、黒煙の発生が抑制される。
【００１２】
一方、主噴口からキャビティの周壁の中間部に向って噴射させるとともに、副噴口からキャビティのエッジ部に向って噴射させるようにしているために、主噴口から噴射された燃料噴霧は主としてキャビティ内において空気と混合されるが、副噴口から噴射された燃料噴霧の一部はピストン頂面のスキッシュエリアにおいて空気と混合される。
【００１３】
また、燃料噴霧を押し流しつつ拡散させるスワールは、スキッシュエリアよりもキャビティ内において非常に強くなっている。そして、主噴口から噴射された燃料噴霧はキャビティ内に誘起されたスワールで押し流されつつ拡散するが、副噴口から噴射された燃料噴霧の一部はスキッシュエリアに位置するスワールによる押し流し作用を受けつつ拡散する。
【００１４】
さらに、主噴口を基準としてスワールの下流側に位置する副噴口を、隣接する主噴口に対する周方向等間隔位置よりもスワールの上流側に変位させており、しかも、キャビティ内とスキッシュエリアのスワール強度の相違により主噴口から噴射された燃料噴霧の単位時間あたりの拡散角度が大きく、副噴口から噴射された燃料噴霧の単位時間あたりの拡散角度が小さい。従って、燃焼が進行して逆スキッシュで混合気がキャビティからスキッシュエリアに流出し始める時点においては主噴口から噴射された燃料噴霧による混合気が副噴口から噴射された燃料噴霧による混合気に追いついて重なりあうこともある。
【００１５】
しかしながら、前記したように副噴口を予めスワールの上流側に変位させているために、主噴口から噴射された燃料噴霧による混合気が副噴口から噴射された燃料噴霧による混合気に追いついたとしても、万一にも副噴口から噴射された燃料噴霧による混合気が主噴口から噴射された燃料噴霧による混合気に追いつくことがなく、副噴口から噴射された燃料噴霧による混合気の前方に常に新気が確保される。
【００１６】
そして、ピストンがさらに下ってキャビティからスキッシュエリアに大量の混合気が流出した状態においても前記混合気の分布状態が継続されて混合気の前方に存在する新気を取り込みつつ燃焼が進行するために、空気の利用率が高くなって黒煙の発生が抑制される。また、副噴口から噴射された燃料噴霧の一部はキャビティに流入する激しい空気の流れによる撹拌作用を受けつつスキッシュエリアに到達して空気と混合されるために、黒煙の発生抑制効果がより高くなる。
【００１７】
なお、主噴口を副噴口より大径にした場合は該主噴口から噴射された燃料噴霧の貫徹力が大きくなってキャビティの周壁に付着してしまうことが懸念される。ところが、主噴口の外端部に例えばザグリ加工を施して噴口の有効長さを小さくすることにより、主噴口から噴射された燃料噴霧の貫徹力を減少補正することができる。よって、主噴口を大径化したことにより懸念されるキャビティの周壁への燃料噴霧の付着による不具合を回避することができる。
【００１８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るホール型燃料噴射ノズルの一実施例を示すノズル先端側から見た正面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、放射方向に向って開口する６個の噴口をノズル１の先端に設けている。噴口は大径の主噴口２と小径の副噴口３の組合せで構成されており、３個の主噴口２と３個の副噴口３を交互に配設している。
【００１９】
また、副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％〜６５％に設定するとともに、副噴口３のコーン角βを主噴口２のコーン角αより大きくすることにより、主噴口２からピストン４に設けたキャビティ５の周壁の中間部に向って噴射させるとともに、副噴口３からキャビティ５のエッジ部に向って噴射させるようにしている（なお、図２においては主噴口２のコーン角αおよび副噴口３のコーン角βの２分の１に相当するα／２、β／２を示している）。
【００２０】
また、主噴口２を基準として、スワール６の下流側に位置する副噴口３をそれぞれ、隣接する主噴口２に対する周方向等間隔位置よりもスワール６の上流側に変位させている。なお、ノズル１の内部には従来のホール型燃料噴射ノズルの場合と同様に図示しないニードルなどを設けており、図示しない燃料噴射ポンプから供給された燃料の圧力が上昇すると、この燃料の圧力でニードルがリフトされて噴口２、３を経て燃料が噴射されるようにしている。
【００２１】
以上のような構成になる燃料噴射ノズルにおいて、図示しない燃料噴射ポンプから吐出された燃料の圧力が上昇すると、ノズル１に設けているニードル（図示省略）がリフトされて噴口２、３から燃料が噴射される。また、このときにおける噴射量は、各噴口２、３の流路抵抗および噴口２、３の開口位置による流量係数に依存して変化する。そして、噴口の通路抵抗は口径を小さくするにつれて大きくなり、口径が同一である場合はコーン角を大きくするにつれて流路抵抗が大きくなる。なお、ノズルの先端側に位置する噴口ほど流量係数が大きくなる。
【００２２】
従って、燃料噴射ポンプの送油率が低い領域では流路抵抗が大きい小径の副噴口３からの噴射量が少なくなり、流路抵抗が小さい大径の主噴口２から主として燃料が噴射される。このために、低負荷域での運転のように噴射量が少ないときは噴口の有効数（全体としての噴口の有効開口面積）が少なくなるために初期噴射率が抑えられ、静粛な燃焼が行なわれて燃焼音が低減されるとともに、ＮＯｘの生成が抑制される。
【００２３】
なお、主噴口２をキャビティ５の周壁の中間部に向って開口させている。よって、主噴口２から噴射された燃料噴霧はキャビティ５の深い部分においてスワール６による押し流し作用を受けて拡散されつつ燃焼し、逆スキッシュによる誘導作用でスキッシュエリアに流出して充分な量の新気を取り込みながら燃焼する。
【００２４】
一方、高負荷域での運転時のように噴射量が増大した場合は、燃料噴射ポンプの送油率が高くなり、これにともなって燃料の供給圧力が上昇する。すると、流路抵抗が大きな小径の副噴口３からもかなりの量の燃料が噴射されるために、噴口の有効数および有効開口面積が増加する。
【００２５】
このために、初期噴射率を低くできるにも拘らず噴射期間が必要以上に長くなることがなく、噴射された燃料と空気との混合性が改善されて黒煙の発生が抑制される。なお、副噴口３から噴射された燃料噴霧はキャビティ５に流入する強い流れによる拡散作用を受けつつスキッシュエリアに到達してスワール６による押し流し拡散作用を受けて空気と混合されるために、空気の導入が改善される。
【００２６】
ところで、燃料噴霧を押し流しつつ拡散させるスワール６は、スキッシュエリアよりもキャビティ５内において非常に強くなっている。そして、主噴口２から噴射された燃料噴霧はキャビティ５内に誘起されたスワールで押し流されつつ拡散するが、副噴口３から噴射された燃料噴霧はスキッシュエリアに位置するスワール６による押し流し作用を受けつつ拡散する。
【００２７】
また、主噴口２を基準としてスワール６の下流側に位置する副噴口３を、隣接する主噴口２に対する周方向等間隔位置よりもスワール６の上流側に変位させており、しかも、キャビティ５内とスキッシュエリアのスワール強度が相違する。従って、主噴口２から噴射された燃料噴霧の単位時間あたりの拡散角度が大きく、副噴口から噴射された燃料噴霧の単位時間あたりの拡散角度が小さくなる。
【００２８】
このために、噴射直後は主副の噴口２、３から噴射された燃料噴霧ａ、ｂが図３（Ａ）に示したようにほとんど拡散しない状態を示す。ところが、主噴口２から噴射された燃料噴霧ａに作用するスワール６が副噴口３から噴射された燃料噴霧ｂに作用するスワール６よりも強い。従って、燃焼が進行して混合気がキャビティ５からスキッシュエリアに流出し始める時点においては、図３（Ｂ）に示したように主噴口２から噴射された燃料噴霧ａによる混合気Ａが副噴口３から噴射された燃料噴霧ｂによる混合気Ｂに追いついて一部重なりあう。
【００２９】
しかしながら、副噴口３を予めスワール６の上流側に変位させているために、主噴口２から噴射された燃料噴霧ａによる混合気Ａが副噴口３から噴射された燃料噴霧ｂによる混合気Ｂに追いついた場合においても、副噴口３から噴射された燃料噴霧ｂによる混合気Ｂが主噴口２から噴射された燃料噴霧ａによる混合気Ａに追いつくことがなく、副噴口３から噴射された燃料噴霧ｂによる混合気Ｂの前方に新気Ｃが確保される。
【００３０】
また、ピストン４がさらに下ってキャビティ５から逆スキッシュに誘導されてスキッシュエリアに大量の混合気が流出した状態においても前記混合気の分布状態が継続されるために、図３（Ｃ）に示したように混合気の前方に新気Ｃが確保される。そして、その後の燃焼過程においても同図（Ｄ）に示したように混合気の前方に新気Ｃが存在し続けるために、この新気Ｃを取り込みつつ燃焼が遂行されることになり、空気の利用率が高くなって黒煙の発生が予防される。
【００３１】
なお、副噴口３から噴射された燃料噴霧ｂの一部はキャビティ５に流入する激しい空気の流れによる撹拌作用を受けつつスキッシュエリアに到達してスワール６による押し流し作用を受けて空気と混合されるために、黒煙の抑制効果がより高くなる。
【００３２】
また、本発明においては副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％〜６５％に設定しているために、黒煙およびＮＯｘの生成をともに効果的に抑制することができる。すなわち、図４は噴射ノズル全体としての噴口の総開口面積および噴射タイミングを一定にして主噴口２の総開口面積に対する副噴口３の総開口面積の割合を変化させた場合におけるＮＯｘおよび黒煙の排出特性を示している。
【００３３】
この図４からも明らかなように、副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％より小さくした場合は、主噴口２の総開口面積が相対的に増大して低負荷域における初期噴射率が高くなるとともに燃料噴霧の微粒化性能が低下するためにＮＯｘおよび黒煙の生成量が増大する。
【００３４】
一方、副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の６５％より大きくした場合は、黒煙の発生を抑制する点では好ましい。ところが、この場合は低負荷域において副噴口３からの噴射量が増加して初期噴射率が高くなるために、ＮＯｘの生成が多くなってしまう。従って、エンジンの要求性能によっても相違するが、副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％〜６５％に設定することで黒煙およびＮＯｘの生成をともに効果的に抑制することができる。
【００３５】
図５は本発明に係るホール型燃料噴射ノズルの他の実施例を示す側面図、図６は図５に示したノズルを先端側から見た正面図である。この実施例においては、主噴口２を副噴口３とほぼ同径の噴口で構成したうえで、２つの主噴口２に対して１つの副噴口３を設けて副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％〜６５％にしている。
【００３６】
そして、対をなす主噴口２の間における周方向等間隔点を基準としてスワール６の下流側に位置する副噴口３を、隣接する周方向等間隔点に対する周方向等間隔位置よりもスワール６の上流側に変位させている。また、主噴口２を副噴口３よりもノズル１の先端側に位置させるとともに、副噴口３のコーン角を主噴口２のコーン角よりも大きくすることにより、副噴口３をキャビティ５のエッジ部に向って開口させている。従って、主噴口２と副噴口３の口径が同一であったとしてもコーン角の大きな副噴口３の流路抵抗が大きく、ノズル１の先端側に位置する主噴口２の流量係数が大きくなっている。
【００３７】
よって、燃料噴射ポンプの送油率が低い領域では流路抵抗が大きくて流量係数が小さい副噴口３からの噴射量は少なくなり、高負荷域での運転のように噴射量が増大して燃料噴射ポンプの送油率が高くなった場合は、流路抵抗が大きくて流量係数が小さい副噴口３からもある程度の量の燃料が噴射される。従って、この実施例の場合においても前記実施例同様の作用効果が得られることになる。
【００３８】
なお、図示はしないがキャビティ５の底壁の中央部に向って開口する補助噴口を設け、この補助噴口の総開口面積を副噴口２の総開口面積の５０％〜８０％に設定することにより、キャビティの中心付近の空気を有効に利用することもできる。すなわち、このようにキャビティ５の底壁中央部に向って開口する補助噴口を設けた場合は、噴射量がきわめて多い高負荷域においては補助噴口からも燃料を噴射してキャビティ５の中央部に燃料を直接に供給できる。
【００３９】
このために、従来は必ずしも有効利用されていなかったキャビティ５の中央部の空気も燃焼に供することができ、しかも、噴射量が増加するにつれて噴口の有効開口面積が増大する。よって、初期噴射率の増加をともなうことなく噴射期間をより短縮できるために、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘおよび黒煙を充分に少なくして燃焼効率をより改善することができる。
【００４０】
さらに、図１および図２に示した実施例のように主噴口２を副噴口３より大径にした場合は、該主噴口２から噴射された燃料噴霧の貫徹力が大きくなり過ぎてキャビティ５の周壁に付着することが懸念される。ところが、主噴口２の外端部に例えばザグリ加工を施して該主噴口２の有効長さを小さくして主噴口２から噴射された燃料噴霧の貫徹力を減少補正した場合は、主噴口２を大径化したことにより懸念されるキャビティ５の周壁への燃料噴霧の付着による空気利用率の低下を予防することができるとともに、排気中に含まれるＮＯｘおよび黒煙をより効果的に低減することができる。
【００４１】
上記実施例においてはいずれも合計６個の噴口を設けているが、噴口の総数は必ずしも６個である必要性はなく、燃料の噴射特性に応じて主噴口２および副噴口３の数、口径、コーン角および形成位置を設定すればよい。また、本発明を二段開弁圧ノズルの噴口に適用してＮＯｘの低減効果をより改善することもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るホール型燃料噴射ノズルによれば、噴射期間が長期化されることを予防しつつ初期噴射率を低くすることができる。また、燃焼の最終段階まで新気を取り込む安定的な燃焼が継続されるために、燃焼温度の上昇をともなうことなく空気利用を飛躍的に高くすることができる。よって、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘおよび黒煙をより効果的に低減することができるとともに、例えば二段開弁圧ノズルに比較してノズルの構成を簡略化できるために、燃料噴射ノズルを安価に提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料噴射ノズルの一実施例を示す先端側から見た正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】燃料噴霧（混合気）の拡散過程を示すピストン上方からの概略平面図である。
【図４】主噴口と副噴口の開口面積比によるＮＯｘおよび黒煙の排出特性を示す図である。
【図５】本発明に係るホール型燃料噴射ノズルの他の実施例を示す側面図である。
【図６】図５に示したノズルを先端側から見た正面図である。
【符号の説明】
１    ノズル
２    主噴口
３    副噴口
４    ピストン
５    キャビティ
６    スワール
ａ    燃料噴霧
ｂ    燃料噴霧
Ａ    混合気
Ｂ    混合気
Ｃ    新気
【図１】
0003707563.tif 000002
【図２】
0003707563.tif 000003
【図３】
0003707563.tif 000004
【図４】
0003707563.tif 000005
【図５】
0003707563.tif 000006
【図６】
0003707563.tif 000007