(57)【要約】【課題】デポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させる。【解決手段】ニードル４の先細り部５における当接部１３より先端側には、窪み部１４が設けられており、サック室１９における燃料流れ上流端部での直径Ｄｓａｃが、窪み部１４における燃料流れ上流端部での直径Ｄｇｕより小さく、且つ窪み部１４における燃料流れ下流端部での直径Ｄｇｌより大きい。窪み部１４で発生したキャビテーション気泡が噴孔９内で崩壊するときの衝撃力によって噴孔９内のデポジットを浸食することができるとともに、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に先細り部を有するニードルと、
ニードルの先細り部が当接するシート面が形成され、該シート面より先端側に、噴孔が形成されたサック部を有するノズルボディと、
を備える燃料噴射弁であって、
ニードルの先細り部には、ノズルボディのシート面に当接する当接部が設けられ、
ニードルの先細り部における当接部より先端側には、窪み部が設けられ、
ニードルの先細り部における当接部より先端側が、ノズルボディのサック部によって形成され且つ噴孔に連通するサック室に臨んで配置され、
ニードルの当接部がノズルボディのシート面から離れることで、ノズルボディのシート面とニードルの先細り部との間を流れる燃料が、サック室を通って噴孔から噴射され、
サック室における燃料流れ上流端部での直径が、窪み部における燃料流れ上流端部での直径より小さく、且つ窪み部における燃料流れ下流端部での直径より大きい、燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
窪み部における燃料流れ上流端部が、当接部に対して燃料流れ下流側に所定距離はなされて配置されている、燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばディーゼルエンジン等の内燃機関において連続運転を行った場合に、燃料噴射弁の噴孔内にデポジットが付着すると、噴孔の有効径が減少して単位時間当たりの燃料噴射量（噴射率）が減少したり、燃料の噴射方向や噴霧角が変化したりして、排気特性の悪化等を招きやすくなる。
【０００３】
下記特許文献１では、燃料噴射ノズルの噴孔の周りに、例えばジュラルミンや酸化チタンのような高膨張率物質を環状のコーティング部として設けている。コーティング部の熱膨張率を、カーボン等からなるデポジットの熱膨張率よりも大きくするので、燃焼室内の温度変化によってコーティング部が厚さ方向に伸縮するときに、付着したデポジットがせん断力を受けて剥離するようにしている。あるいは、噴孔の周りに設ける環状のコーティング部を、フッ素樹脂のような撥油性物質によって形成することで、デポジットが付着し難いようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６４４９８号公報
【特許文献２】特表２００４−５１９６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、燃料噴射ノズルの噴孔がエンジン筒内の高温・高圧のガスに晒されるため、噴孔の周りに設けたコーティング部が経時劣化等により取れる可能性がある。その結果、噴孔内でのデポジットの堆積をコーティング部により抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性が低下する。
【０００６】
本発明に係る燃料噴射弁は、噴孔内でのデポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料噴射弁は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る燃料噴射弁は、先端部に先細り部を有するニードルと、ニードルの先細り部が当接するシート面が形成され、該シート面より先端側に、噴孔が形成されたサック部を有するノズルボディと、を備える燃料噴射弁であって、ニードルの先細り部には、ノズルボディのシート面に当接する当接部が設けられ、ニードルの先細り部における当接部より先端側には、窪み部が設けられ、ニードルの先細り部における当接部より先端側が、ノズルボディのサック部によって形成され且つ噴孔に連通するサック室に臨んで配置され、ニードルの当接部がノズルボディのシート面から離れることで、ノズルボディのシート面とニードルの先細り部との間を流れる燃料が、サック室を通って噴孔から噴射され、サック室における燃料流れ上流端部での直径が、窪み部における燃料流れ上流端部での直径より小さく、且つ窪み部における燃料流れ下流端部での直径より大きいことを要旨とする。
【０００９】
本発明の一態様では、窪み部における燃料流れ上流端部が、当接部に対して燃料流れ下流側に所定距離はなされて配置されていることが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窪み部で発生したキャビテーション気泡が噴孔内で崩壊するときの衝撃力によって噴孔内のデポジットを浸食することができるとともに、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。その結果、噴孔内でのデポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の他の概略構成を示す図である。
【図３】噴孔中心を含む縦断面内でのキャビテーション気泡のボイド率分布と、噴孔表面でのデポジットの浸食速度分布を数値計算した結果の一例を示す図である。
【図４】噴孔全域での浸食速度の平均値を計算した結果の一例を示す図である。
【図５】窪み部の上流端部位置（Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ）と浸食速度（時間平均）との関係を計算した結果を示す図である。
【図６】環状溝の円弧半径を変化させた場合に噴孔全域での浸食速度の平均値を計算した結果の一例を示す図である。
【図７】窪み部の下流端部位置（Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ）と燃料流量との関係を計算した結果を示す図である。
【図８】デポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果をエンジン実験で確認した結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図であり、中心軸と直交する方向から見た噴射弁先端部の内部構成を示す。本実施形態に係る燃料噴射弁は、内開弁形式の噴射弁であり、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関にて用いられるものである。なお、噴射弁先端部以外の構成については、公知の構成を適用可能であるため、図１では図示を省略している。
【００１４】
ノズルボディ７の中空部にはニードル４が内挿されており、ニードル４はノズルボディ７の内周面に沿って摺動可能な状態で支持されている。ノズルボディ７の内部（ニードル４の外周面とノズルボディ７の内周面との間）には燃料室１８が形成されており、図示しない燃料ポンプにより圧送された燃料が燃料室１８に供給される。ニードル４は、その先端部に先細り部５を有しており、ノズルボディ７の内周面には、ニードル４の先細り部５が当接する円錐面形状のシート面６が形成されている。ノズルボディ７は、概ね半球形状のサック部８をシート面６より先端側に有しており、サック部８には複数の噴孔９が形成されている。図１に示す例では、円筒形状の噴孔９が放射状に配置されている。
【００１５】
ニードル４の先細り部５には、円錐面１１，１２が形成されており、円錐面１２が円錐面１１より先端側に位置する。円錐面１２の円錐角θ２は、円錐面１１の円錐角θ１より大きく（θ２＞θ１）、シート面６の円錐角θｓｅａｔは、円錐面１１の円錐角θ１より大きく、且つ円錐面１２の円錐角θ２より小さい（θ２＞θｓｅａｔ＞θ１）。円錐面１１と円錐面１２との接続部分が、ノズルボディ７のシート面６に当接する当接部１３となる。ニードル４の先細り部５における当接部１３より先端側が、ノズルボディ７のサック部８によって形成され且つ噴孔９に連通するサック室１９に臨んで配置されている。
【００１６】
ニードル４は図示しないニードル駆動機構（例えばソレノイドやピエゾ素子等を用いた電磁アクチュエータ）により駆動可能である。例えばニードル駆動機構を駆動していない場合は、ニードル４が図示しないばねやニードル後端部に作用する燃料圧力によりノズルボディ７のシート面６側（図１の下側）へ付勢されていることで、ニードル４の当接部１３がシート面６に密着している。この場合は、燃料室１８と各噴孔９との連通が遮断され、燃料が噴射されない。一方、ニードル駆動機構を駆動すると、ニードル４の当接部１３がノズルボディ７のシート面６から離れることで、燃料室１８が各噴孔９と連通し、燃料室１８に供給された燃料が、ノズルボディ７のシート面６とニードル４の先細り部５との間の燃料流路を流れ、サック室１９を通って各噴孔９から内燃機関（例えばディーゼルエンジン）の筒内に噴射される。その際には、サック室１９が圧力溜まりとして機能し、サック室１９から各噴孔９に燃料が均等に分散する。
【００１７】
本実施形態では、ニードル４の先細り部５の円錐面１２に環状溝が形成されていることで、ニードル４の先細り部５における当接部１３より先端側（燃料流れ下流側）には、ノズルボディ７のシート面６に対し離間するよう径方向内側に窪んだ窪み部１４が全周に渡って設けられている。さらに、ニードル４の先細り部５における窪み部１４より先端側には、円錐面１５が形成されている。図１は、円錐面１５の円錐角θ３が円錐面１２の円錐角θ２より大きい例（θ３＞θ２）を示しているが、例えば図２に示すように、円錐面１５の円錐角θ３を円錐面１２の円錐角θ２に等しくすることも可能であるし、円錐面１５の円錐角θ３を円錐面１２の円錐角θ２より小さくすることも可能である。さらに、窪み部１４における燃料流れ上流端部（円錐面１２との接続部分）での直径Ｄｇｕは、サック室１９における燃料流れ上流端部（サック部８の内周面とシート面６との接続部分）での直径Ｄｓａｃより大きく（Ｄｇｕ＞Ｄｓａｃ）、窪み部１４における燃料流れ下流端部（円錐面１５との接続部分）での直径Ｄｇｌは、サック室１９における燃料流れ上流端部での直径Ｄｓａｃより小さい（Ｄｇｌ＜Ｄｓａｃ）。
【００１８】
ディーゼルエンジン等の内燃機関において連続運転を行った場合に、噴孔９内にデポジットが付着すると、噴孔９の有効径が減少して単位時間当たりの燃料噴射量（噴射率）が減少したり、燃料の噴射方向や噴霧角が変化したりして、排気特性の悪化等を招きやすくなる。これに対して本実施形態では、燃料噴射時に、ニードル４の当接部１３を通過した燃料は、ノズルボディ７のシート面６を沿うように流れ、窪み部１４（環状溝）の上流端部で流れがニードル壁面から剥離し、剥離領域の圧力が燃料の飽和蒸気圧以下になってキャビテーション気泡が発生する。そして、サック室１９内に流入したキャビテーション気泡を含む燃料は、サック室１９の内壁に沿うようにして各噴孔９に流入する。なお、キャビテーションは窪み部１４の全周に渡って発生するため、キャビテーション気泡は図１や図２に示す縦断面内のみだけではなく、その両脇からも噴孔９内に導かれる。噴孔９内で崩壊するキャビテーション気泡の衝撃力によって、噴孔９内に形成されたデポジットが浸食（剥離）される。
【００１９】
ここで、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ上流端部位置をサック室１９の内壁に対して変化させながら（Ｄｇｕ−Ｄｓａｃを変化させながら）、噴孔９表面のデポジットがキャビテーション気泡の崩壊によって浸食される速度（浸食速度とする）を市販のＡＶＬ社製熱流体解析ソフトＦＩＲＥ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２００８）を使用して数値計算した。噴孔９内に堆積するデポジットは運転条件等によって変化するため、ここでは鋼の物性値を用いて計算した。噴射圧＝１００ＭＰａ、噴射期間＝１ｍｓ、噴孔９の直径＝０．１ｍｍ、サック室１９の直径Ｄｓａｃ＝０．８５ｍｍの条件で、噴孔９中心を含む縦断面内でのキャビテーション気泡のボイド率（体積分率）分布と、噴孔９表面でのデポジットの浸食速度分布を数値計算した結果の一例を図３に示す。図３に示すように、窪み部１４（環状溝）でキャビテーション気泡が発生し、噴孔９にキャビテーション気泡が流入することがわかる。図３に示す浸食速度データから、噴孔９全域での浸食速度の平均値をグラフ化した結果を図４に示す。図４には、本実施形態の計算結果の一例を従来ノズル（窪み部１４が無い形状）と比較して示した。このようにして求めた浸食速度の時系列データを時間平均した値と、窪み部１４の上流端部位置（Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ）との関係を整理した結果を図５に示す。図５には、時間平均した浸食速度の噴孔９内分布も併せて示した。
【００２０】
図５のＡに示すＤｇｕ−Ｄｓａｃ＞０の範囲内では、図５のＢに示すそれ以外の範囲と比較して、デポジットの浸食速度が増大しており、デポジット堆積に伴う流量低下に対する抑制効果があることがわかる。Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ＞０の範囲内では、噴射開始直後に窪み部１４の上端部で流れがニードル壁面から剥離して、剥離領域の圧力が燃料の飽和蒸気圧以下になってキャビテーションが発生する。さらに、窪み部１４では縦渦が発達して、その中心部の圧力が燃料の飽和蒸気圧以下になってキャビテーションが発生する。このようにして窪み部１４で発生したキャビテーション気泡がサック室１９の内壁に沿うようにして噴孔９に流入し、噴孔９の内壁近傍でキャビテーション気泡が崩壊することで、噴孔９の内壁に形成されたデポジットが浸食されるため、デポジットの浸食速度が増大する。一方、範囲外の浸食速度は従来ノズル（窪み部１４が無い形状）とほとんど差がみられなかった。これは、窪み部１４の上端部がサック室１９内に存在すると、ノズルボディ７のシート面６上を通過した燃料がサック室１９の内壁を沿うようにして噴孔９に流入するために、窪み部１４で強い縦渦が形成されず、キャビテーションの発生が抑制されるためである。なお、噴射開始直後の極めて短期間には、ノズルボディ７のシート面６上を通過した燃料がニードル４に沿うように流れるが、約０．１ｍｓ以下の短期間であり、浸食速度に対する効果はそれほど大きくない。そこで、本実施形態では、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ上流端部をサック室１９の内壁（シート面６との接続部分）より径方向外側に配置し、Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ＞０にすることで、噴孔９内でのキャビテーション気泡の崩壊によるデポジットの浸食効果を向上させることができる。なお、特許文献２では、ニードルにおける当接部より上流側及び下流側に切り欠きを設けているが、ノズルボディのシート面に対する当接部の「ずれ移動」を制限するためのものであり、噴孔内でのキャビテーション気泡の崩壊によるデポジットの浸食効果を狙ったものではない。
【００２１】
また、燃料の多様化や地域差等によって想定外の物性の燃料（例えば飽和蒸気圧が高い成分を含有する燃料）が使用される場合や、燃料が超高圧噴射される場合には、窪み部１４で大量のキャビテーション気泡が発生する可能性がある。その場合には、耐用年数以内に窪み部１４の一部がキャビテーション気泡により浸食される可能性がないとは言い切れない。このとき、窪み部１４の上流端部が当接部１３と一致する場合には、当接部１３が浸食されてシート不良による故障の原因になる。これを避けるためには、窪み部１４の燃料流れ上流端部を、当接部１３に対して燃料流れ下流側（ニードル先端側）に所定距離Ｌはなして配置することが好ましい。そうすれば万一、窪み部１４の浸食が始まってもすぐにシート不良に至らず、ノズル（エンジン）の寿命を延ばすことができる。そのためには、当接部１３と窪み部１４の上流端部との距離Ｌを０．２ｍｍ以上に設定することが好ましい。ノズル（エンジン）の寿命をより延ばすためには、当接部１３と窪み部１４の上流端部との距離Ｌを０．３ｍｍ以上に設定することが好ましい。
【００２２】
また、図５の浸食速度の結果に示すように、Ｄｇｕ−Ｄｓａｃ＞０の範囲内では、Ｄｇｕ−Ｄｓａｃの値が小さい、つまり窪み部１４の上流端部を当接部１３から離した方が浸食速度がやや高くなる。これは、窪み部１４で発生したキャビテーション気泡が噴孔９に到達する前に崩壊して消滅するものもあり、窪み部１４と噴孔９との距離が短い方が噴孔９に到達するキャビテーション気泡がやや多くなることによる。
【００２３】
また、図１や図２に示す構成例では、窪み部１４（環状溝）は円弧状であり、図６に示すように、円弧の半径が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲で数値計算し、浸食速度の増加に効果があることを確認した。ただし、窪み部１４については、円弧状以外にも、例えば円弧と直線を組み合わせた形状や四角状や台形状等、窪み部１４の上流端部で燃料流れを壁面から剥離させてキャビテーションを発生できる形状であれば、同様の効果が得られることは容易に推測できる。
【００２４】
次に、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ下流端部位置をサック室１９の内壁に対して変化させながら（Ｄｇｌ−Ｄｓａｃを変化させながら）、燃料流量を数値計算した結果を図７に示す。図７の縦軸の燃料流量は、窪み部１４（環状溝）が無い場合の燃料流量で割って正規化（ノーマライズ）したものであり、ニードル４のリフト量が０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２５ｍｍであるときにおけるＤｇｌ−Ｄｓａｃと燃料流量との関係を示す。図７に示すように、ニードル４のリフト量が大きい０．２５ｍｍのときには、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の範囲において、窪み部１４が無い場合より若干低い燃料流量を示すが、それほど大きな差ではない。しかし、ニードル４のリフト量が小さい０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍのときには、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の範囲において、窪み部１４が無い場合より燃料流量が大きく低下している。これに対して、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ＜０の範囲では、ニードル４のリフト量が小さいときにおいても、燃料流量の低下が抑制されていることがわかる。これは以下の理由による。窪み部１４で発生したキャビテーション気泡は、その上流から流れてくる燃料（液相）とともに下流に流れる。Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の範囲では、窪み部１４の下流端部とノズルボディ７のシート面６間の燃料（液相）の見かけ上の流路断面積（幾何学的な流路断面積からキャビテーション気泡が通過する流路断面積を差し引いた面積）が減少する。ニードル４のリフト量が小さいときには、ニードル４のリフト量が大きいときと比較して、幾何学的な流路断面積が小さく、幾何学的な流路断面積に対するキャビテーション気泡が通過する流路断面積の割合が大きくなる。その結果、キャビテーションがほとんど発生しない窪み部１４が無い場合と比較して、シート面６の領域で燃料流量の低下が大きく現れる。これに対して、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ＜０の範囲では、キャビテーション気泡が発生しても窪み部１４の下流端部での見かけ上の流路断面積を十分確保することができるため、ニードル４のリフト量が小さいときでも燃料流量の低下を抑制することができる。
【００２５】
ニードル４のリフト量が小さく、当接部１３で燃料の流路断面積が絞られているような場合（例えば図７におけるニードル４のリフト量が０．０５ｍｍの場合）には、燃料流量の小さいＤｇｌ−Ｄｓａｃ≧０の方が、燃料流量の大きいＤｇｌ−Ｄｓａｃ＜０と比較して、サック室１９内の圧力が低くなる。サック室１９内の圧力が低いと、ニードル４をリフトさせる方向に働く力が弱いため、ニードル４のリフト速度が小さく、ニードル４のリフト量が小さい期間（サック室１９内の圧力が低い期間）が長く続く。サック室１９内の圧力が低いと、噴孔９から噴射される燃料噴霧の微粒化状態の悪化を招きやすくなる。特にパイロット噴射は、ニードル４のリフト量が小さいため、上述の影響を大きく受ける。パイロット噴射による燃料噴霧の微粒化状態が悪化すると、燃料の蒸発も悪化するため、スモークやＰＭの排出要因となる。また、液滴のままシリンダ内壁に付着するものも出現し、これらは未燃ＨＣやＰＭの排出要因となる。そこで、本実施形態では、窪み部１４（環状溝）の燃料流れ下流端部をサック室１９の内壁（シート面６との接続部分）より径方向内側に配置し、Ｄｇｌ−Ｄｓａｃ＜０にすることで、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。そのため、サック室１９内の圧力が低い期間を短くすることができ、噴孔９から噴射される燃料噴霧の微粒化を向上させることができる。その結果、スモークや未燃ＨＣやＰＭの排出を抑制することができる。
【００２６】
以上説明した本実施形態によれば、窪み部１４で発生したキャビテーション気泡が噴孔９内で崩壊するときの衝撃力によって噴孔９内のデポジットを浸食（剥離）することができるとともに、キャビテーション気泡の発生による燃料流量の低下を抑制することができる。その際には、デポジットの堆積を抑制するためのコーティング部を噴孔９の内壁に形成する必要も無い。したがって、噴孔９内でのデポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果の耐久性を向上させることができる。
【００２７】
デポジットの堆積を抑制することで燃料流量の低下を抑制する効果をエンジン実験で確認した結果の一例を図８に示す。この結果は、デポジット堆積を促進するといわれている亜鉛イオンを燃料（軽油）に３ｐｐｍ添加し、デポジットが非常に堆積しやすい過酷な条件に設定して実験したものである。図８に示すように、従来ノズル（窪み部１４が無い形状）では、時間経過とともに燃料流量の低下率が増加するのに対して、本実施形態では、初期に燃料流量の低下率が増加するものの、その後に燃料流量が回復していることがわかる。
【００２８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００２９】
４  ニードル、５  先細り部、６  シート面、７  ノズルボディ、８  サック部、９  噴孔、１１，１２，１５  円錐面、１３  当接部、１４  窪み部、１８  燃料室、１９  サック室。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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