(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルボディと、
先端が有底に形成された外側針弁と、この外側針弁内に摺動自在に嵌挿された内側針弁とから構成され、先端部が前記ノズルボディの先端から突き出るように前記ノズルボディ内に嵌挿された二重針弁と、
を有し、
前記内側針弁と前記外側針弁との間には第１の燃料通路が形成され、
前記外側針弁と前記ノズルボディとの間には前記外側針弁の外周面に形成された溝部よりなる第２の燃料通路が形成され、
前記外側針弁の先端部には前記内側針弁の開弁にしたがい前記第１の燃料通路からの燃料を噴射する第１の噴孔が設けられ、
前記外側針弁の先端周囲には、前記第２の燃料通路の先端を前記第１の噴孔と対応する前記ノズルボディの先端位置で開口させてなり、前記外側針弁の開弁にしたがい前記第２の燃料通路からの燃料を噴射する第２の噴孔が設けられ、
前記第１の噴孔から燃料が噴霧される第１の噴霧パターンと、前記第１の噴孔からの噴流と前記第２の噴孔からの噴流とが衝突して噴霧される第２の噴霧パターンとに切替え可能に構成されることを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項２】
前記第１の噴霧パターンは、エンジンの運転状態が高負荷のときに行われ、前記第２の噴霧パターンはエンジンの運転状態が低・中負荷のときに行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、適切な燃焼を行えるよう噴霧パターンを可変可能とした燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、通常、圧縮行程の上死点近傍で燃料（軽油）を噴射させて、同燃料を圧縮熱で燃焼させるという、ディーゼル燃焼が行われている。
このディーゼル燃焼は、燃料が混合する時間がかなり短いために、ＮＯｘ、黒煙が多く発生しやすい。
【０００３】
こうしたＮＯｘ、黒煙を低減させるためには、例えば混合ガスを希薄にしてリーン燃焼させればよいことがわかってきた
そこで、この希薄燃焼を実現させるべく、近年、予混合圧縮着火方式を採用したディーゼルエンジンが提案されてきた。
【０００４】
同エンジンの予混合圧縮着火方式は、早期に筒内に燃料を噴射し、時間をかけて燃料を筒内の空気にまぜて、筒内全体を均一な希薄混合気にしてからゆっくり燃焼させようとするものである。具体的には、予混合圧縮着火燃焼は、例えば圧縮行程の初期に燃料を筒内に噴射し、同燃料を圧縮行程で気化混合させ、同圧縮行程の終わりで燃料予混合気を自着火させるようとするものである
ところが、予混合圧縮着火燃焼は、均一な希薄混合気を確保して始めて成立する燃焼なので、筒内の空気過剰率が大きなときの運転、すなわち低・中負荷という、限られたエンジンの運転のときだけしか行えない。しかも、この燃焼を良好に行わせるためには、広分散、低貫徹力、微粒化が促進されるような燃料の噴霧が求められる。
【０００５】
そこで、特開平７- ３１０６２８号公報に示されるような広分散、低貫徹力、微粒化の点で高い効果をもたらす衝突噴射（２つの噴流を衝突させて燃料を噴射）方式の燃料噴射ノズルと、通常方式の燃料噴射ノズルとをシリンダヘッドに並行に配置して、低・中負荷時には衝突噴射を行い、高負荷時には通常噴射を行うことが考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような２種類の燃料噴射ノズルを並行に配置するノズル構造は、ノズル構造が大型になったり、多くの部品点数を要したりするので、実用的でない。
【０００７】
そこで、通常噴射の異なる噴霧パターンの切換えであるが、特開平７−２４３３５５号公報のようなノズルボディの先端部に２種類の噴孔を設け、このノズルボディ内に二重針弁を嵌挿した小型化に優れる重ノズル構造で、噴霧パターンを切替えることが考えられる。
【０００８】
しかし、衝突噴射の場合は、通常噴射を切替えるのではなく、通常噴射と所定の角度で２つの噴孔からの噴流を衝突させる衝突噴射とを燃料の漏れなどが起きないよう、確実に切替えることが求められ、単に通常噴射を切替える重ノズル構造では切り替えが難しい。
【０００９】
しかも、衝突噴射は、種々のエンジンで広分散、低貫徹力、微粒化が得られる、２つの噴孔の位置合わせが正確に行え、かつ同位置合わせが容易であることが求められるが、上記重ノズル構造だと、衝突噴射の２噴孔は、半球状に形成されていたり傾斜してしているノズルボディの先端に設けられるために、簡単には求められる衝突角が定められない。そのうえ、この２噴孔の位置合わせは、常に両噴孔の傾きを考慮して決定する必要があるために、位置合わせの加工が難しい。
【００１０】
このため、こうした衝突噴射の切り替えを鑑みて改善した燃料噴射ノズルが要望されている。
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、コンパクト、かつ衝突噴射の２噴孔の位置合わせが容易な構造で、燃料の漏れなく予混合圧縮着火燃焼に適した衝突噴射と通常のディーゼル燃焼に適した通常噴射との切替えが行える燃料噴射ノズルを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載した燃料噴射ノズルは、有底の外側針弁に内側針弁に摺動自在に嵌挿した二重針弁を、先端がノズルボディの先端から突き出るようノズルボディ内に嵌挿し、内側針弁と外側針弁との間に第１の燃料通路を形成し、外側針弁とノズルボディとの間に、外側針弁の外周面に溝部を形成してなる第２の燃料通路を形成し、外側針弁の先端部に内側針弁の開弁によって開放される第１の噴孔を形成し、外側針弁の先端部外周に第１の噴孔と対応する地点で第２の燃料通路端を開口させてなる第２の噴孔を形成し、第１の噴孔から燃料が噴霧される第１の噴霧パターンと、第１の噴孔からの噴流と第２の噴孔からの噴流とが衝突して噴霧される第２の噴霧パターンとに切替えられるようにしたことにある。
【００１２】
このように構成された燃料噴射ノズルは、外側針弁内に内側針弁が嵌挿された二重針弁をノズルボディに組込む構造なので、コンパクトな上、構造的に簡単ですむ。しかも、内側針弁の開弁で、外側針弁の先端にある第１の噴孔から燃料を噴射させ、外側針弁の開弁で、ノズルボディの先端にある第２の噴孔から燃料を噴射させるという、それぞれ独立した燃料噴射系統を採用して、通常噴射は第１の噴孔からだけで行い、衝突噴射は第１の噴孔と第２の噴孔との両方からの噴流の衝突で行うので、燃料の漏れというトラブルを生じることなく、通常噴射と衝突噴射の切り替えが行えるようになる。そのうえ、第１の噴孔と第２の噴孔との位置合わせは、外側針弁の外周面端に形成されている溝部の開口端という、一定方向に向いて開口している第２の噴孔を基準に、同一部品である外側針弁の先端部で位置合わせを行い衝突角を決めて同部分に第１の噴孔の加工を行えばよく、容易に衝突角の設定が行えるようになる。
【００１３】
これにより、予混合圧縮着火燃焼に適した衝突噴射と、通常のディーゼル燃焼に適した通常噴射との切替えが行える燃料噴射ノズルが実現される。
請求項２に記載の燃料噴射ノズルは、さらに予混合圧縮着火燃焼がもたらす低ＮＯｘ、低黒煙燃焼と、通常のディーゼル燃焼がもたらす出力の確保との双方が両立されるよう、通常噴射による噴霧パターンが、エンジンの運転状態が高負荷のときに行われ、衝突噴射による噴霧パターンが、エンジンの運転状態が低・中負荷のときに行われるようにしたことにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１および図２に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は本発明を適用したディーゼルエンジンの燃料噴射ノズル回りを示し、図２は同ノズル先端部回りを示している。
【００１５】
図１中１はシリンダヘッド２に装着された燃料噴射ノズルを示す。
この燃料噴射ノズル１には、通常のディーゼル燃焼に適した噴霧パターン、予混合圧縮着火に適した噴霧パターンといった２種類の異なる噴霧パターンで、燃料（軽油）の噴霧が可能な可変ノズル構造が用いられている。
【００１６】
この燃料噴射ノズル１の構造について説明すれば，図中３はノズルボディである。ノズルボディ３は、上側に大径な筒部３ａを有し、下側に小径な筒部３ｂを有して形成してある。そして、小径な筒部３ｂの下端部（ノズルボディ先端に相当）が、シリンダヘッド２の下面からシリンダ内に臨んでいる。
【００１７】
このノズルボディ３内の空間で形成されている針弁室５には、大小２種類の針弁を同心状に組み合わせた二重針弁６が上下方向に摺動自在に収められている。この二重針弁６には、針状の内側針弁７と、この内側針弁７の外周面に摺動自在に嵌挿された有底筒状の外側針弁８との組み合わせた構造を用いてある。
【００１８】
具体的には、外側針弁８は、大径な筒部３a 内に収まる大径軸部８ａと小径な筒部３b 内に収まる小径軸部８ｂとを有し、両軸部８ａ、８ｂとの境界部に円錐面８ｃを有し、先端部が半球状に形成された有底筒形状をなしている。また先端となる半球状部８ｄの基部側には、図２にも示されるように複数個の第１の噴孔、例えば６個の噴孔８ｅが周方向に所定の間隔で形成してある。そして、この半球状部８ｄがノズルボディ３の先端、すなわち小径な筒部３ｂの下端から突き出ている。なお、小径軸部８ｂの直線部分の外径は、半球状部８ｄの外径より大きくしてある。また小径軸部８ｂの直線部分を形成する外周面には、それぞれ軸方向に延びる６個のスリット状の溝部９が周方向沿いに並行に形成されている。各溝部９は、半球状部８ｄに形成してある噴孔位置と対応する地点に形成されていて、小径な筒部３ｂの内面との間に軸方向に沿う直線状の通路１０（第２の燃料通路に相当）を形成している。この通路１０の上端部は円錐面８ｃまで延びている。そして、各通路１０の上端部が、円錐面８ｃを用いたシート部、すなわち円錐面８ｃとこれと接離するシール面１１とを組み合わせて構成される外側シート部１２、その直上に形成してある受圧面１３を囲むよう大径な筒部３ａの内面に形成された油溜り部１４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路１６を介して、燃料圧送部（図示しない）と連通している。また各通路１０の下端（溝部９の先端）は、筒部３ｂの先端( 下端) からシリンダ内に開口し、噴孔１７（第２の噴孔に相当）を形成している。そして、外側針弁８は、同外側針弁８を開閉動（上下動）させる開弁機構部１８( 例えば燃料圧を利用して開弁させる機構）に接続され、同機構部１８で行われる外側針弁８の開弁により、外側針弁８の先端部外周にある噴孔１７から燃料が噴射できるようにしてある。
【００１９】
内側針弁７は、大径軸部８ａ内に収まる太軸部７ａと、小径軸部８ｂ内に収まる該小径軸部８ｂの内径よりも小径な細軸部７ｂ（図２に図示）とを有した針状をなしている。細軸部７ｂの先端部には、噴孔８ｅ上流側の小径軸部８ｂの内面部分に形成してある円錐状のシール面１９と組み合う円錐面７ｃが形成されていて、同部分に内側シート部２０を構成している。そして、この内側シート部２０は、細軸部７ｂの外周面と小径軸部８ｂの外周面との間の空隙で形成される通路２１（第１の燃料通路に相当）、その通路端の直上に形成してある受圧部２２を囲むよう大径軸部８ａの内面に形成された油溜り部２３、大径軸部８ａの外周面に形成されている中継用の環状溝２４、さらに大径な筒部３ａの周壁に形成された通路２５を介して、上記燃料圧送部（図示しない）と連通している。そして、内側針弁７も上記開弁機構部１８に接続され、同機構部１８で行われる内側針弁７の開弁により、外側針弁８の先端にある噴孔８ｅから燃料を噴射できるようにしてある。
【００２０】
そして、各噴孔８ｅから横方向へ噴射される燃料によって、図１中のX で示されるように圧縮行程の上死点近傍に達したピストン上面のキャビティ２６（燃焼室を形成する部分）内へ良好に燃料が噴霧されるようにしてある。つまり、通常のディーゼル燃焼に適した噴射が行われるようになっている( 通常噴射）。
【００２１】
また各噴孔８ｅから横方向へ噴射される燃料と各噴孔１７から下方向へ噴射される燃料とを衝突させるという衝突噴射によって、吸入行程の初期から圧縮行程の中期までの間を用いて、図１中のY に示されるような予混合圧縮着火燃焼に適した燃料の噴霧が行われるようにしてある( 衝突噴射）。具体的には、横方向の噴流に下方向の噴流を衝突させると、シリンダブロック２の下面に燃料が付着せず、かつ低貫徹力で、燃料の微細化が促進されながら、上死点から離れた地点にあるピストン２７のキャビティ２６へ向かう最適な噴霧角で噴霧が行われるようにしている。
【００２２】
つまり、１本の可変式の燃料噴射ノズル１により、予混合圧縮着火燃焼、通常ディーゼル燃焼に適した２種類の噴霧パターンＸ、Ｙに切替えられるようにしてある。
【００２３】
また燃料噴射ノズル１の開弁機構部１８には、コントローラ２８（例えばマイクロコンピュータよりなる）が接続され、同コントローラ２８により、エンジンの運転状態にしたがい開弁機構部１８を制御して、低・中負荷時（低温始動時を除く）には衝突噴射が行われ、高負荷時には通常噴射が行われるようにしてある。
【００２４】
すなわち、ディーゼルエンジンの運転中、コントローラ２８が低・中負荷と判定すると、開弁機構部１８を制御して、内側針弁７と外側針弁８との双方を、早期時期、例えば圧縮行程の中期で開弁（リフト）させる。これにより、燃料は、燃料噴射ノズル１の先端部から衝突噴射、具体的には各噴孔８ｅ，１７から噴射される燃料が互いに衝突して予混合圧縮着火燃焼に最適な噴霧パターンＹを形成しながら筒内へ噴射される。
【００２５】
これにより、衝突噴射により、予混合圧縮着火燃焼、すなわち燃料を圧縮行程で気化混合させて、同圧縮行程の終わりで燃料予混合気を自着火させる燃焼が行われる。
【００２６】
その後、コントローラ２８が高負荷と判定すると、開弁機構部１８を制御して、圧縮行程の上死点近傍で内側針弁７だけを開弁させる。これにより、燃料は、外側針弁８の先端にある噴孔８ｅから筒内へ噴射、すなわち通常噴射される。
【００２７】
これにより、ディーゼル燃焼に切り替わる。
こうした通常噴射と衝突噴射の切替えを行う燃料噴射ノズル１は、外側針弁８内に内側針弁７が嵌挿された二重針弁６をノズルボディ３に組込む構造なので、コンパクトである。しかも、構造的にも簡単である。
【００２８】
そのうえ、内側針弁７の開弁で、外側針弁８の先端にある噴孔８ｅから燃料を噴射させ、外側針弁８の開弁で、ノズルボディ３の先端にある噴孔１７から燃料を噴射させるという、それぞれ独立した燃料噴射系統を採用して、通常噴射は噴孔８ｅからだけで行い、衝突噴射は噴孔８ｅと噴孔１７との両方からの噴流の衝突で行うので、燃料の漏れというトラブルを生じることなく、通常噴射と衝突噴射の切り替えを行うことができる。
【００２９】
加えて、噴孔８ｅと噴孔１７との位置合わせは、外側針弁８の外周面端に形成されている直線状溝部９の開口端がなす、一定方向に向いて開口している噴孔１７を基準に、同一部品である外側針弁８の先端部で、最適な衝突角となるよう位置合わせを行って同部分に噴孔８ｅを加工するだけでよく、噴霧パターンをなす衝突角の設定を容易に行うことができる。
【００３０】
それ故、予混合圧縮着火燃焼に適した衝突噴射と、通常のディーゼル燃焼に適した通常噴射との切替えができる実用的に優れた可変式の燃料噴射ノズル１が実現できる。しかも、ディーゼルエンジンの運転状態が高負荷のときは、噴霧パターンX （通常噴射）で燃料噴射を行い、ディーゼルエンジンの運転状態が低・中負荷のときは、噴霧パターンY （衝突噴射）で燃料噴射を行うようにしたので、予混合圧縮着火燃焼がもたらす低ＮＯｘおよび低黒煙燃焼と、通常のディーゼル燃焼がもたらす出力の確保との双方を両立させることができる。特に衝突噴射では、衝突角θが３０°≦θ≦８０°に設定されると、シリンダブロック２の下面に燃料が付着せず、かつ低貫徹力で、燃料の微細化が促進される予混合圧縮着火燃焼に適した燃料の噴霧が行われ、通常噴射では噴射角がほぼ１６０°に設定されると、ディーゼル燃焼に適した燃料の噴霧が行われるものであった。
なお、一実施形態では、筒内に直接、燃料を噴射させるエンジンに適用したが、それ以外，例えば吸気管へ燃料を噴射するエンジンに適用してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、二重針弁をノズルボディに組込む可変式の燃料噴射ノズルなので、占有面積が少ない、構造的に簡単な構造ですむ。しかも、独立した燃料噴射系統で通常噴射と衝突噴射を切り替えるので、燃料漏れのない噴霧パターンの切り替えができる。そのうえ、衝突噴射をなす２噴孔は、外側針弁の先端周囲の溝部端で形成される定方向に向く第２の噴孔を基準に第１の噴孔の位置を定めればよく、衝突角を定める設定ならびに加工は容易である。
【００３２】
それ故、コンパクト、かつ衝突噴射の２噴孔の位置合わせが容易な構造で、予混合圧縮着火燃焼に適した衝突噴射と通常のディーゼル燃焼に適した通常噴射との切替えが行える燃料噴射ノズルを提供できる。
【００３３】
請求項２に記載の発明によれば、さらに上記効果に加え、さらに予混合圧縮着火燃焼がもたらす低ＮＯｘ、低黒煙燃焼と、通常のディーゼル燃焼がもたらす出力の確保との双方が両立させることができ、ディーゼルエンジンのエンジン性能を十分に発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料噴射ノズル回りの構造を示す図。
【図２】同燃料噴射ノズルの先端部の構造を詳細に示す図。
【符号の説明】
１…燃料噴射ノズル
３…ノズルボディ
６…二重針弁
７…内側針弁
８…外側針弁
８ｅ…噴孔（第１の噴孔）
９…溝部
１０…
１７…噴孔（第２の噴孔）
２１…通路（第１の燃料通路）。
【図１】
0003780699.tif 000002
【図２】
0003780699.tif 000003