| 【発明の名称】 |
可変噴孔型燃料噴射ノズル |
| 【発明者】 |
【氏名】島田 正仁
【氏名】前原 勇人
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| 【要約】 |
【課題】噴孔断面積を可変としてエンジン燃焼特性を改善可能であるとともに、燃料通路１１から噴孔１５に向かう燃料の流れに乱れがないようにして噴孔１５内部の旋回流を低減し、噴射角度の変化を抑えることができる可変噴孔型燃料噴射ノズルを提供すること。
【解決手段】噴孔角度を変更すること、噴孔１５の長さＬを変更すること、あるいは噴孔可変機構におけるロータリーバルブ２１などの部品の形状を変更することに着目したもので、噴孔１５および噴孔１５につながるシート面１７を形成したノズルボディ８と、噴孔１５の開口断面積を変化させることができる噴孔可変機構１０と、を有する可変噴孔型燃料噴射ノズルであって、噴孔１５とシート面１７とがなす流路角度θをほぼ直角にしたことを特徴とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 噴孔およびこの噴孔につながるシート面を形成したノズルボディと、前記噴孔の開口断面積を変化させることができる噴孔可変機構と、を有する可変噴孔型燃料噴射ノズルであって、前記噴孔と前記シート面とがなす流路角度をほぼ直角にしたことを特徴とする可変噴孔型燃料噴射ノズル。
【請求項２】 前記噴孔に直交するように、前記シート面の形状を変更することを特徴とする請求項１記載の可変噴孔型燃料噴射ノズル。
【請求項３】 前記シート面に直交するように、前記噴孔の噴孔角度を変更することを特徴とする請求項１記載の可変噴孔型燃料噴射ノズル。
【請求項４】 前記噴孔可変機構は、前記シート面にシート可能なロータリーバルブと、このロータリーバルブを駆動するドライブシャフトと、を有し、このロータリーバルブを回動させることにより前記噴孔の前記開口断面積を変化させることを特徴とする請求項１記載の可変噴孔型燃料噴射ノズル。
【請求項５】 噴孔およびこの噴孔につながるシート面を形成したホールを有するノズルボディと、前記噴孔の開口断面積を変化させることができる噴孔可変機構と、を有する可変噴孔型燃料噴射ノズルであって、前記噴孔の長さを、前記噴孔の直径の４．８倍〜５．８倍としたことを特徴とする可変噴孔型燃料噴射ノズル。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は可変噴孔型燃料噴射ノズルにかかるもので、とくにディーゼルエンジンその他の内燃機関に燃料を霧化状態で供給するための燃料噴射ノズルであって、噴孔の断面積を可変とすることができる可変噴孔型燃料噴射ノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来からエンジン性能の向上、窒素酸化物（ＮＯｘ）やスモークなどの排気ガスの低減、および燃焼騒音の低減を目的としてディーゼル噴射ノズルでは、噴射ノズルの噴孔径の最適化が行われてきた。しかしながら、従来のように噴孔径がエンジンの運転領域の変化にかかわらず一定のままであると排気ガス性能の改善に問題があることから、エンジンの負荷および回転数に合わせて、噴口径を変化させる噴孔可変機構を有する可変噴孔型燃料噴射ノズルの研究報告および特許出願が行われている。たとえば、特開平１０−１９６４９０号、特願平１０−３７５８８１号などがある。
【０００３】特願平１０−３７５８８１号では、噴孔可変機構としてロータリーバルブなどを採用している。図１１ないし図１４にもとづき概説する。図１１は、従来の可変噴孔型燃料噴射ノズルを採用した、たとえばジャーク式の燃料噴射装置１の概略図であって、燃料噴射装置１は、燃料噴射ポンプ２と、可変噴孔型燃料噴射ノズル３と、噴射量センサー４と、制御手段５と、を有する。
【０００４】燃料噴射ポンプ２は、燃料タンク（図示せず）からの燃料を高圧化して燃料噴射ノズル３の燃料導入部６に供給する。
【０００５】燃料噴射ノズル３は、燃料導入部６を形成したノズルハウジング７と、ノズルハウジング７に取り付けたノズルボディ８と、ノズルボディ８内に往復摺動するニードル弁９と、噴孔可変機構１０と、を有する。ノズルハウジング７には、その燃料導入部６からノズルボディ３まで燃料通路１１を形成し、燃料溜まり室１２においてニードル弁９の受圧部１３に圧力を作用可能としてある。
【０００６】図１２は、ニードル弁９のシート時における図１１のＸＩＩ部分拡大断面図、図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線拡大断面図であって、燃料噴射ノズル３は、ホールノズルタイプであり、そのノズルボディ８の先端部にホール１４を形成し、ホール１４の周壁に複数個（たとえば５個）の噴孔１５を等角度間隔で形成してある。
【０００７】ニードル弁９は、そのシート時には、ニードル弁９のシート部１６がノズルボディ８の噴孔１５より上流側のシート面１７にシートすることにより、燃料導入部６からの燃料通路１１と噴孔１５とを遮断している。燃料溜まり室１２（図１１）においてニードル弁９の受圧部１３が燃料噴射ポンプ２からの燃料圧力を受けると、バルブスプリング１８の付勢力に抗してニードル弁９がリフトして噴孔１５から燃料を噴射する。
【０００８】制御手段５は、噴射量センサー４からの燃料圧力の検出信号に応じて噴孔可変機構１０のアクチュエータ１９（たとえばロータリーソレノイドあるいはステッピングモーターなど）を駆動し、燃料噴射ノズル３における噴孔可変機構１０を制御する。
【０００９】噴孔可変機構１０は、アクチュエータ１９と、このアクチュエータ１９に取り付けたドライブシャフト２０と、このドライブシャフト２０の先端部に一体に形成したロータリーバルブ２１と、を有する。ドライブシャフト２０は、ノズルハウジング７の頂部からニードル弁９の内部に挿入されてその下部に至る。ドライブシャフト２０は、その回転運動をロータリーバルブ２１に伝達可能である。図１４は、ロータリーバルブ２１の斜視図であって、ロータリーバルブ２１は、ニードル弁９の下部に位置してホール１４の内部に係合可能な、下流側に先細りとしたほぼ円錐状を呈し、噴孔１５を閉鎖可能なシート円弧部２２と、シート円弧部２２の間であって噴孔１５に連通可能な所定容積の可変用溝部２３（導入用燃料通路）と、を（図示の例ではそれぞれ５個づつ）有する。
【００１０】また、ニードル弁９のシート時に、ロータリーバルブ２１はその軸線のまわりに回転可能であり、ロータリーバルブ２１のシート円弧部２２が噴孔１５に対向位置すれば噴孔１５を閉鎖し、可変用溝部２３が噴孔１５に臨めばニードル弁９のリフトにより燃料通路１１と噴孔１５とが可変用溝部２３を介して連通可能となる。
【００１１】図１３中、ロータリーバルブ２１を時計方向あるいは反時計方向に回動させることにより、ノズルボディ８（ホール１４）における噴孔１５に対するロータリーバルブ２１の可変用溝部２３の相対位置を可変とし、シート円弧部２２が噴孔１５の入口部分における開口断面積の所定割合を遮蔽して噴孔１５の開口度を変えることができる。
【００１２】こうした構成の可変噴孔型燃料噴射ノズル３ないし噴孔可変機構１０において、噴孔可変機構１０により噴孔１５の開口断面積を可変とすることができるため、エンジンの負荷状態ないし回転状態に応じた噴射特性を得ることが可能とはなる。
【００１３】しかしながら、ロータリーバルブ２１の回転に応じて噴孔１５の開口断面積（噴孔径）を小さくすると、すなわち噴孔開度を小さくすると、ノズルボディ８のシート面１７とロータリーバルブ２１の可変用溝部２３との間から噴孔１５に至る燃料は、噴孔１５の入口部分においてシート円弧部２２により遮蔽されていない開口部（すなわち噴孔１５の軸線からずれた開口部）から噴孔１５内に流れ込むので、噴孔１５内部にその軸線のまわりの旋回流が発生し、噴孔１５どうしがノズルボディ８の軸線方向においてなす噴孔角度α（図１２）よりも実際の噴射角度（噴霧角）が大きくなる可能性がある。あるいは、それぞれの噴孔１５から噴射される燃料の広がり角（噴射傘角）も所定の角度より大きくなる可能性がある。
【００１４】噴射方向ないし噴射角が噴孔角度αよりも大きくなると、エンジン燃焼時において燃焼特性を悪化させる要因になることが考えられる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、噴孔断面積を可変としてエンジン燃焼特性を改善可能な可変噴孔型燃料噴射ノズルを提供することを課題とする。
【００１６】また本発明は、噴孔内部の旋回流を低減し、噴射角度の変化を抑えることができる可変噴孔型燃料噴射ノズルを提供することを課題とする。
【００１７】また本発明は、燃料通路から噴孔に向かう燃料の流れにできるだけ乱れがないようにして噴孔内部の旋回流の発生を抑制可能な可変噴孔型燃料噴射ノズルを提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、噴孔角度を変更すること、噴孔長さを変更すること、あるいは噴孔可変機構におけるロータリーバルブなどの部品の形状を変更することに着目したもので、第一の発明は、噴孔およびこの噴孔につながるシート面を形成したノズルボディと、上記噴孔の開口断面積を変化させることができる噴孔可変機構と、を有する可変噴孔型燃料噴射ノズルであって、上記噴孔と上記シート面とがなす流路角度をほぼ直角にしたことを特徴とする可変噴孔型燃料噴射ノズルである。
【００１９】上記噴孔に直交するように、上記シート面の形状を変更することができる。
【００２０】上記シート面に直交するように、上記噴孔の噴孔角度を変更することができる。
【００２１】上記噴孔可変機構は、上記シート面にシート可能なロータリーバルブと、このロータリーバルブを駆動するドライブシャフトと、を有し、このロータリーバルブを回動させることにより上記噴孔の上記開口断面積を変化させることができる。
【００２２】第二の発明は、噴孔およびこの噴孔につながるシート面を形成したホールを有するノズルボディと、上記噴孔の開口断面積を変化させることができる噴孔可変機構と、を有する可変噴孔型燃料噴射ノズルであって、上記噴孔の長さを、上記噴孔の直径の４．８倍〜５．８倍としたことを特徴とする可変噴孔型燃料噴射ノズルである。
【００２３】上記噴孔可変機構は、ロータリーバルブを採用したものに限定されず、噴孔の入口部分を所定の割合で部分的に遮蔽することができるタイプの噴孔可変機構であれば、たとえば噴孔の入口部分に対してスライドする部材を利用するなど、その他任意のものを採用可能である。
【００２４】本発明による可変噴孔型燃料噴射ノズルにおいて、とくに第一の発明では、ノズルボディの先端部におけるホール内のシート面から噴孔にいたる燃料通路の角度変更部分の角度（流路角度）をほぼ直角にしたので、ノズルボディの先端部のシート面から噴孔に流入していく燃料に旋回流成分が発生しにくく、噴孔内部の旋回流を抑制し、噴孔から燃焼室に噴射されてゆく燃料の噴射角度（噴霧角度）を拡大させることなく、噴孔の噴孔角度に合わせてほぼ一定に維持することができる。
【００２５】第二の発明では、噴孔径に対する噴孔長さの比を従来の３．９から、これより大きな４．８〜５．８程度としたので、燃料が噴孔内部を流れる期間あるいは長さを従来より長くし、発生する可能性がある旋回流が噴孔の出口部分に至るときにはこれを消失させ、旋回流の発生による噴霧角度の拡大を同じく抑制することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】つぎに本発明による可変噴孔型燃料噴射ノズルについて説明する。図１１ないし図１４において述べた従来の可変噴孔型燃料噴射ノズル３との比較を行うため、従来の可変噴孔型燃料噴射ノズル３をモデル１とし、本発明による可変噴孔型燃料噴射ノズル３をモデル２（可変噴孔型燃料噴射ノズル３０）、モデル３（可変噴孔型燃料噴射ノズル３１）、モデル４（可変噴孔型燃料噴射ノズル３２）およびモデル５（可変噴孔型燃料噴射ノズル３３）とした。ただし、図１１ないし図１４と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。すなわち図１は、従来の可変噴孔型燃料噴射ノズル３（モデル１）の要部断面図、図２は、本発明（第二の発明）による可変噴孔型燃料噴射ノズル３０（モデル２）の要部断面図、図３は、本発明（第二の発明）による可変噴孔型燃料噴射ノズル３１（モデル３）の要部断面図、図４は、本発明（第一の発明）による可変噴孔型燃料噴射ノズル３２（モデル４）の要部断面図、図５は、本発明（第一の発明）による可変噴孔型燃料噴射ノズル３３（モデル５）の要部断面図である。
【００２７】図６は、それぞれのモデル１、２、３、４、５についての各諸元、すなわち、噴孔角度α、噴孔角度αの１／２の角度、ロータリーバルブ２１におけるシート円弧部２２の軸線に対するコーン角度β、ロータリーバルブ２１のシート円弧部２２（すなわちノズルボディ８のシート面１７）および噴孔１５がなす流路角度θ、ならびに噴孔１５の直径Ｄに対する長さＬの比Ｌ／Ｄをまとめた図表である。すなわち、モデル１（従来の可変噴孔型燃料噴射ノズル３）は、噴孔角度αが１４５度、αの１／２が７２．５度、ロータリーバルブ２１のコーン角度βが３０度、ロータリーバルブ２１および噴孔１５のなす流路角度θが７７．５度、比Ｌ／Ｄが従来とおり３．９であることを示している。本発明による他のモデル２、３、４、５についても同様である。すなわち、モデル２（可変噴孔型燃料噴射ノズル３０）（図２）は、比Ｌ／Ｄを４．８とした以外は従来と同じである。モデル３（可変噴孔型燃料噴射ノズル３１）（図３）は、比Ｌ／Ｄを５．８とした以外は従来と同じである。モデル４（可変噴孔型燃料噴射ノズル３２）（図４）は、比Ｌ／Ｄが３．９、および噴孔角度αが１４５度と従来と同じであるが、ロータリーバルブ２１および噴孔１５のなす流路角度θを９０度とし、これに合うようにロータリーバルブ２１のコーン角度βを１７．５度としてある。モデル５（可変噴孔型燃料噴射ノズル３３）（図５）は、比Ｌ／Ｄが３．９、およびロータリーバルブ２１のコーン角度βが３０度と従来と同じであるが、噴孔角度αを１２５度とし、これに合うようにロータリーバルブ２１および噴孔１５のなす流路角度θを８７．５度（ほぼ直角）としてある。
【００２８】上述のようなモデル１、２、３、４、５について、燃料の流れの数値解析を行った。図７は、モデル１、２、３について、ロータリーバルブ２１を軸線まわりに所定角度すなわち、１０度、１５度、２０度、２２．５度、２５度だけ回転させ、そのときの噴孔１５の開口度（たとえば１００％は全開状態）、および燃料噴射角度（噴霧角度）を数値解析により計算した結果を示す図表である。図８は、図７の結果を横軸がロータリーバルブ２１の回転角、縦軸を噴霧角度として示したグラフである。
【００２９】図７および図８からわかるように、モデル１に対して、モデル２は噴孔１５の長さを１．２５倍（Ｌ／Ｄ＝４．８）とし、およびモデル３は１．５倍（Ｌ／Ｄ＝５．８）としたものであるが、比Ｌ／Ｄを大きくするように噴孔１５の長さを長くすると、とくにロータリーバルブ２１の回転角度が２２．５度および２５度のときに噴射角度の変化をモデル１に比較して小さく、すなわち、噴孔角度α（＝１４５度）からのズレを小さくすることができる。
【００３０】これは、ロータリーバルブ２１を回転させることにより噴孔１５の開口度を絞ると、噴孔１５内部に強い旋回流が生じ、従来のモデル１の場合には噴孔１５の出口における燃料噴射角度が噴孔角度αに比べて上向きとなるが、モデル２およびモデル３のように噴孔１５の長さを長くすると、噴孔１５内部で流れがさらに回転することによりモデル１に比較して噴射角度が下向きになったためと考えられる。
【００３１】つぎにモデル４は、ロータリーバルブ２１のシート円弧部２２が噴孔１５の軸線と直交するようにロータリーバルブ２１の形状を変更し、これについても上述の場合と同様に流れの数値解析を行った。モデル５は、噴孔１５とロータリーバルブ２１とのなす流路角度θが直角に近づくように噴孔角度を１２５度にしたもので、このモデル５についても数値解析を行った。図９は、モデル１、４についての数値解析の結果を示す図表である。図１０は、図９の結果、およびモデル５についての結果を示したグラフである。
【００３２】図９および図１０に示すように、モデル４についてはロータリーバルブ２１を回転させても、噴射角度がほとんど変わらないことを確認することができる。これは、ロータリーバルブ２１の可変用溝部２３から噴孔１５に至るその入口部分において、噴孔１５とロータリーバルブ２１とを直交させることにより、噴孔１５の入口部分における流路の左右の壁部に生じる圧力がほぼ均等となり、噴孔１５内に生じる可能性がある旋回流を低減させることができるためと考えられる。さらに、噴孔角度θを１２５度とすることにより流路角度θをほぼ９０度（８７．５度）としたモデル５についても、従来のモデル１に比較して、ロータリーバルブ２１を回転させたときの噴孔角度α（＝１２５度）からの噴射角度の変化が小さくなっていることを確認することができる。これは、モデル４の場合と同様に、噴孔１５の入口部分における流れをできるだけ均等化し、噴孔１５内で生ずる可能性がある旋回流を低減させることができたことによるものと考えられる。
【００３３】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、噴孔とロータリーバルブないしはシート面とがなす流路角度を直角に近づけること、あるいは噴孔の長さを従来より長くすることなどにより、噴孔内部における旋回流の発生を抑制し、噴射角度の大きな変化を防止して、エンジン燃焼特性の改善に寄与することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３３３３
【氏名又は名称】株式会社ボッシュオートモーティブシステム
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| 【出願日】 |
平成１２年１月１８日（２０００．１．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７９３６０
【弁理士】
【氏名又は名称】池澤 寛
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２００７７４（Ｐ２００１−２００７７４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月２７日（２００１．７．２７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−９３３７（Ｐ２０００−９３３７） |
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