JP4221898B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に高圧燃料を噴射する燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直接噴射式エンジンでは、燃料噴射ノズルからエンジンの燃焼室に噴射される燃料噴霧の微粒化が排出ガス及びエンジン出力に大きく影響する。即ち、燃料噴霧の微粒化が促進されると、燃料の着火性が向上して良好な燃焼が確保されるため、排出ガスに含まれる有害成分を低減でき、且つ燃費の向上にも有効である。
この燃料噴霧を微粒化する従来技術として、例えば特開平４−８６３７３号公報が公知である。この従来技術は、噴孔の入口側開口縁でニードルのテーパ面との間に生じる間隙を円周方向で異ならせることにより、噴孔内で燃料に旋回流を生成させて噴霧の微粒化を促進する方法である。
【０００３】
しかし、上記の従来技術は、ニードルリフト量を２段階に変化させて噴射させる噴射装置に採用した場合、以下の不具合が生じる。
低リフト量域では、ニードルリフト量に対して略直線的に燃料流量が増加するため、個体間で設定された低リフト量にばらつきがあると、個体間での噴射量ばらつきが大きくなる可能性がある。この対策として、例えば特開平７−２５９７０４号公報が公知である。この従来技術は、ニードルの先端部にサック部の円筒内周面と径方向に対向するスロットル部を設けて、このスロットル部の外周面とサック部の円筒内周面との間に円筒状の隙間を形成し、この隙間の径方向断面積が低リフト量域で略一定となるように構成されている。これにより、個体間で低リフト量にばらつきがあっても、円筒状の隙間では略燃料流量が一定となるため、低リフト量域での流量を安定化させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、後者の従来技術は、低リフト量域では前記円筒状の隙間が絞り部となり、この絞り部を通過した燃料が大きな容積を有するサック部で減速されるため、十分な微粒化効果が得られないという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、ニードルリフト量を２段階に変化させて噴射を行う噴射装置に適用され、１段目の噴射量の個体間ばらつきを抑えることができ、且つ燃料噴霧の微粒化を促進でき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】
（請求項１の手段）
本発明の燃料噴射ノズルは、噴孔の出口側に噴孔径が拡大する拡大部を有すると共に、シート位置より下流側で且つ噴孔の入口より上流側のシート面に開口して拡大部に連通する絞り通路を設け、この絞り通路の入口開口面積が１段目の最大リフト位置で最小流路面積となり、更に、１段目のリフト領域で、噴孔内の燃料に旋回流を発生させる旋回流生成手段を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、１段目の最大リフト位置で、絞り通路の入口開口面積が最小流路面積となり、且つその絞り通路が噴孔より上流側のシート面に開口しているため、噴孔の入口部より絞り通路の入口部の方が高圧となる。このため、１段目のリフト時には、絞り通路から噴孔へ燃料が流れ込む。
【００１２】
この場合、絞り通路の断面積が一定であるため、１段目のリフト量にばらつきがあっても、絞り通路を流れる流量が変化することはない。なお、噴孔の入口とニードル外周面との間に形成される環状流路の開口面積は、ニードルのリフト量に応じて変化するため、１段目のリフト量にばらつきが生じると、前記環状流路の開口面積も微小変化する。しかし、１段目のリフト時には、噴孔の入口部が低圧であるため、前記環状流路の開口面積が微小変化しても流量変化に与える影響は少ないと言える。
また、１段目のリフト領域では、旋回流生成手段によって噴孔内の燃料に旋回流が発生することにより、噴霧の微粒化が促進される。
さらに、絞り通路は、噴孔の出口側に形成される拡大部に連通しているので、１段目のニードルリフトと２段目のニードルリフトとで噴霧の方向及び噴霧角を変化させることができる。
【００１５】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
旋回流生成手段は、絞り通路を利用して構成され、且つ、絞り通路の中心軸線が噴孔の中心軸線上を外れている。
この場合、絞り通路を通って噴孔内に流入する燃料が噴孔内で旋回流となるため、噴霧の微粒化を促進できる。
【００１８】
（請求項３の手段）
請求項１または２に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
複数の噴孔が拡大部を共有して設けられ、且つ拡大部に複数の絞り通路が連通している。この構成によれば、各噴孔及び各絞り通路の径を小さくできるので、低い圧力で噴霧を微粒化できる。
【００１９】
（請求項４の手段）
請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射ノズルにおいて、
噴孔は、サック室の内周面に開口し、ニードルは、シート部より下流に設けられてサック室に摺動自在に嵌合する小径軸部と、この小径軸部の下流側に連続して設けられ、外周面を部分的にカットした切欠き面が周方向に複数箇所形成されたガイド軸部とを有している。
ニードルの小径軸部は、ニードルの閉弁時及び１段目のリフト領域で、自身の少なくとも一部がサック室に嵌合して、２段目のリフト領域でサック室から抜け出し、ガイド軸部は、２段目のリフト領域で、自身の下端側をサック室に残して上端側のみサック室から抜け出し、切欠き面とサック室の内周面との間に噴孔に通じる連通路を形成する。
【００２０】
この構成によれば、ニードルの閉弁時及び１段目のリフト領域の際に、ニードルの小径軸部の少なくとも一部がサック室に嵌合しているので、シート面と噴孔との間が遮断される。
また、２段目のリフト領域では、小径軸部がサック室から抜け出すが、小径軸部の下流側に設けられるガイド軸部の下端側がサック室に残っているので、ノズルボディに対するニードルの傾きを防止できる。
（請求項５の手段）
本発明の燃料噴射ノズルは、シート部がシート面に着座した時のシート面上の位置をシート位置と呼ぶ時に、このシート位置より下流側で且つ噴孔の入口より上流側のシート面に開口して噴孔の出口付近に連通する絞り通路を設け、この絞り通路の入口開口面積が１段目の最大リフト位置で最小流路面積となり、更に、１段目のリフト領域で、噴孔内の燃料に旋回流を発生させる旋回流生成手段を設けている。
また、ニードルは、シート部より下流に設けられてサック室に摺動自在に嵌合する小径軸部と、この小径軸部の下流側に連続して設けられ、外周面を部分的にカットした切欠き面が周方向に複数箇所形成されたガイド軸部とを有し、小径軸部は、ニードルの閉弁時及び１段目のリフト領域で、自身の少なくとも一部がサック室に嵌合して、２段目のリフト領域でサック室から抜け出し、ガイド軸部は、２段目のリフト領域で、自身の下端側をサック室に残して上端側のみサック室から抜け出し、切欠き面とサック室の内周面との間に噴孔に通じる連通路を形成することを特徴とする。
（請求項６の手段）
請求項５に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
旋回流生成手段は、絞り通路を利用して構成され、且つ、絞り通路の中心軸線が噴孔の中心軸線上を外れていることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は１段目の最大リフト位置を示すノズル先端部の断面図、図２は２段目の最大リフト位置を示すノズル先端部の断面図、図３は燃料噴射ノズルの全体断面図である。
本実施例の燃料噴射ノズル１は、ディーゼルエンジンの燃焼室に高圧燃料を噴射するもので、図３に示すように、ノズルボディ２とニードル３とで構成され、ノズルの開弁圧（第１開弁圧と第２開弁圧）を設定するノズルホルダ（図示しない）に組付けられている。
【００２２】
ノズルボディ２には、ニードル３を摺動自在に嵌挿するガイド孔４、このガイド孔４の下方へ延びる燃料通路５、この燃料通路５に高圧燃料を導く燃料導路６、及び高圧燃料をエンジン燃焼室へ噴射するための噴孔７が形成されている。
燃料通路５は、その下端部に円錐状のシート面８が形成され、更にシート面８の下流側に連続してサック室９が形成されている。また、燃料通路５の上端には、燃料溜室１０が環状に形成され、この燃料溜室１０に燃料導路６を介して高圧燃料が供給される。
噴孔７は、シート面８に開口する入口からノズルボディ２の外周面に開口する出口までノズルボディ２の壁部を貫通して設けられている。この噴孔７は、周方向に複数設けられ、各噴孔７の入口及び出口が、それぞれノズルの軸線方向（図１の上下方向）において同一高さ位置に開口している。
【００２３】
ニードル３は、ガイド孔４に数μｍのクリアランスで嵌挿される摺動部１１と、この摺動部１１の下側に設けられて、燃料溜室１０の燃料圧力を受ける受圧面１２と、この受圧面１２より下方へ延びる軸部１３とで構成される。軸部１３の下端部は、図１に示すように、略円錐形状に設けられ、その外周面にシート部１４を有している。
このニードル３は、受圧面１２に掛かる燃料溜室１０の燃料圧力及びシート部１４の上流側に形成される円錐面１３ａに掛かる燃料通路５内の燃料圧力が第１開弁圧より大きくなると、図１に示す１段目の最大リフト位置までリフトし、更に燃料溜室１０及び燃料通路５の燃料圧力が第２開弁圧より大きくなると、図２に示す２段目の最大リフト位置までリフトする。また、燃料溜室１０及び燃料通路５の燃料圧力が第１開弁圧より小さくなると、シート部１４が噴孔７より上流側のシート面８に着座して燃料通路５を遮断する。
なお、以下の説明では、１段目のリフトを低リフト、２段目のリフトを高リフトと呼び、１段目の最大リフト位置を低リフト最大位置、２段目の最大リフト位置を高リフト最大位置と呼ぶ。
【００２４】
前記軸部１３の下端部には、図１に示すように、シート部１４の下流側に設けられる円錐面１５の一部を鉤形に切削して円筒面１６（本発明の垂直面）が形成されている。この円筒面１６は、ニードル３のリフト方向と平行に設けられ、低リフト領域（シート部１４がシート面８に着座した位置から低リフト最大位置までの間）において、噴孔７の入口開口縁の上端（入口上端７ａと呼ぶ）と径方向に対向できる長さ（図１の上下方向の長さ）を有している。つまり、円筒面１６の上端１６ａは、シート部１４がシート面８に着座した状態で、噴孔７の入口上端７ａより上方に位置し、円筒面１６の下端１６ｂ（円錐面１５との交点）は、噴孔７の入口開口縁の下端（入口下端７ｂと呼ぶ）と略同じ高さか、若干上方に位置し、且つ高リフト最大位置（図２）では、噴孔７の入口上端７ａより上方に位置する長さに設定されている。
【００２５】
円筒面１６と噴孔７の入口上端７ａとが径方向に対向している時、つまり低リフト領域では、図１に示すように、円筒面１６と噴孔７の入口上端７ａ位置でのシート面８との間に形成される環状の隙間（以後、絞り部１７と呼ぶ）が一定となり、且つ低リフト最大位置では、前記絞り部１７の断面積が最小流路面積となるように設計されている。なお、高リフト最大位置では、円筒面１６の下端１６ｂが噴孔７の入口上端７ａより図示上方へ移動して絞り部１７が解消され、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となるように設計されている。
また、シート部１４より下流側の円錐面１５（円筒面１６を除く）は、シート面８と略平行に設けられ、シート部１４がシート面８に着座した時に、シート面８に略密着して、噴孔７とサック室９との間を略遮断することができる。
【００２６】
次に、燃料噴射ノズル１の作動及び効果を説明する。
図示しない燃料ポンプより圧送された高圧燃料が燃料溜室１０に蓄えられ、燃料溜室１０の燃料圧力（受圧面１２に加わる圧力）が第１開弁圧より大きくなると、ニードル３が押し上げられて、図１に示す低リフト最大位置までリフトする。この結果、ノズル内の燃料が燃料通路５を通ってシート面８上へ流れ込み、シート面８に開口する噴孔７からエンジン燃焼室へ噴射される。この時、ニードル３の円筒面１６が噴孔７の入口上端７ａと径方向に対向しているため、低リフト量がばらついても、絞り部１７の最小流路面積が変化することはなく、噴射量のばらつきを防止できる。
【００２７】
また、この低リフトでは、サック室９へ流れ込んだ燃料が燃料圧力によって押し出され、噴孔７より下流側のシート面８とニードル３の円筒面１６より下流側の円錐面１５との隙間に流れ込んで噴孔７の入口部へ向かう。この時、図１に矢印で示すように、円筒面１６に沿って噴孔７の入口部へ向かう燃料流れと、サック室９から噴孔７の入口部へ向かう燃料流れとが噴孔７の入口部で衝突するため、噴孔７に流入する燃料の流れが乱されることにより、噴孔７からエンジン燃焼室に噴射される噴霧の微粒化が促進される効果が得られる。
【００２８】
更に、燃料溜室１０の燃料圧力が上昇して、受圧面１２に加わる燃料圧力が第２開弁圧より大きくなると、ニードル３が更に押し上げられ、図２に示す高リフト最大位置までリフトする。この時、円筒面１６の下端１６ｂが噴孔７の入口上端７ａより図示上方へ移動して、複数の噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となるように設計されているため、低リフト時より噴孔７の入口部が高圧化され、高速度で噴孔７からエンジン燃焼室へ噴射される。
【００２９】
その後、受圧面１２に加わる燃料圧力が第１開弁圧より小さくなると、ニードル３が降下して、シート部１４がシート面８に着座することで燃料通路５を遮断し、燃料噴射を停止する。この時、ニードル３の円筒面１６より下流側の円錐面１５が噴孔７より下流側のシート面８に略密着して、噴孔７の入口とサック室９との間を略遮断するため、噴射終了後に、サック室９の燃料が噴孔７よりエンジン燃焼室に吸い出されることを防止できる。
【００３０】
（第２実施例）
図４は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図５は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、低リフト時において、噴孔７の入口上端７ａより上流側に絞り部１７を構成した場合の一例である。
ノズルボディ２のシート面８上でニードル３のシート部１４が着座する位置をシート位置と呼ぶ時に、ノズルボディ２には、シート位置より下流側のシート面８に凹部１８が形成されている。この凹部１８は、シート面８の全周に渡って形成され、凹部１８の上流側のシート面８との交点（上端１８ａと呼ぶ）がシート位置より下流側で、且つ噴孔７の入口上端７ａより上流側に設けられ、凹部１８の下流側のシート面８との交点（下端１８ｂと呼ぶ）が噴孔７の入口上端７ａより低く、入口下端７ｂより高い位置に設けられている。
【００３１】
ニードル３は、第１実施例と同様に、シート部１４より下流側の円錐面１５に円筒面１６が設けられている。この円筒面１６は、図４に示すように、低リフト領域において、円筒面１６が凹部１８の上端１８ａと径方向に対向している。
また、円筒面１６と凹部１８の上端１８ａとが径方向に対向している時、つまり低リフト領域では、円筒面１６と凹部１８の上端１８ａ位置でのシート面８との間に形成される環状の隙間（絞り部１７）が一定となり、且つ低リフト最大位置では、前記絞り部１７が最小流路面積となるように設計されている。なお、高リフト最大位置では、図５に示すように、円筒面１６の下端１６ｂが凹部１８の上端１８ａより図示上方に移動して絞り部１７が解消され、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となる。
【００３２】
本実施例の構成においても、第１実施例と同様の効果を得ることができ、更に、凹部１８の下端１８ｂを噴孔７の入口上端７ａより低く、入口下端７ｂより高い位置に設けると、噴孔７の入口開口面積が増大するため、円筒面１６と凹部１８の上端１８ａ位置でのシート面８との間に形成される環状の隙間（絞り部１７）を、低リフト最大位置において最小流路面積に設計し易くできるメリットがある。
また、絞り部１７より下流側に凹部１８が形成されるため、絞り部１７を通過した燃料が凹部１８で流れを乱され、その乱れを直接噴孔７内へ導くことができるので、より効果的に噴霧の微粒化を促進できる。
【００３３】
（第３実施例）
図６は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図７は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、第２実施例と同様に、シート面８に凹部１８を形成した一例である。但し、凹部１８は、断面Ｌ字形状に設けられ、その径方向の内周面１８ｃ（本発明の垂直面）がニードル３のリフト方向（図６の上下方向）と平行に設けられている。
一方、ニードル３には、シート部１４より下流側に円筒面１６が設けられ、この円筒面１６が円錐面１５より外側に飛び出して形成されている。
【００３４】
この場合、低リフト領域において、図６に示すように、円筒面１６と凹部１８の内周面１８ｃとが径方向に対向し、両者の間で絞り部１７が構成されている。絞り部１７の条件は、第２実施例と同じで、低リフト領域では最小流路面積となるように設計されている。また、高リフト最大位置では、図７に示すように、円筒面１６の下端１６ｂが凹部１８の上端１８ａより図示上方に移動して絞り部１７が解消され、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となる。以上の構成により、第２実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
（第４実施例）
図８は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図９は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、第３実施例の構成に加えて、ニードル３の円筒面１６に燃料流れを乱すためのバイパス通路１９を設けた一例である。
ノズルボディ２は、第３実施例と同様に、シート面８に断面Ｌ字形状の凹部１８が形成され、その凹部１８の径方向内周面１８ｃがニードル３のリフト方向（図８の上下方向）と平行に設けられている。
【００３６】
ニードル３は、低リフト領域において、凹部１８との間に絞り部１７を構成する円筒面１６を有し、この円筒面１６が円錐面１５より外側に突出して設けられ、且つ円筒面１６から底面に貫通するバイパス通路１９が周方向に複数形成されている。
この構成によれば、図８に示すように、低リフト最大位置において、絞り部１７を通過した燃料の一部がニードル３のバイパス通路１９を通って噴孔７の入口部へ流れる。この時、噴孔７の入口部で、サック室９から噴孔７の入口部へ向かって流れ込む燃料と衝突し、噴孔７内の燃料流れに乱れが発生するため、噴霧の微粒化が促進される。
【００３７】
また、高リフト最大位置では、図９（ａ）に示すように、円筒面１６の下端１６ｂが凹部１８の上端１８ａより図示上方に移動して絞り部１７が解消され、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となるため、噴孔７から高速度でエンジン燃焼室へ噴射される。
なお、バイパス通路１９の総通路断面積を噴孔７の総入口開口面積より大きく設定できる場合は、図９（ｂ）に示すように、高リフト最大位置で、凹部１８の上端１８ａがバイパス通路１９の入口より下流に位置していれば良い。
【００３８】
（第５実施例）
図１０は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図１１は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、第３実施例の構成に加えて、噴孔７内で旋回流を発生させるために、ニードル３の円筒面１６に傾斜溝２０を設けた場合の一例である。
ノズルボディ２は、第３実施例と同様に、シート面８に断面Ｌ字形状の凹部１８が形成され、その凹部１８の径方向内周面１８ｃがニードル３のリフト方向（図１０の上下方向）と平行に設けられている。
【００３９】
ニードル３は、低リフト領域において、凹部１８との間に絞り部１７を構成する円筒面１６を有し、この円筒面１６が円錐面１５より外側に突出して設けられ、且つ円筒面１６から底面に掛けて、ニードル３の軸心に対して傾斜した傾斜溝２０が周方向に複数形成されている。
この構成によれば、図１０に示すように、低リフト領域において、絞り部１７を通過した燃料の一部がニードル３の傾斜溝２０に沿って周方向に斜めに流れながら噴孔７内へ流入するため、噴孔７内で燃料に旋回流が発生して、噴霧の微粒化を促進できる。
【００４０】
また、高リフト最大位置では、図１１に示すように、円筒面１６の下端１６ｂが凹部１８の上端１８ａより図示上方に移動して絞り部１７が解消され、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となるため、噴孔７から高速度でエンジン燃焼室へ噴射される。
なお、傾斜溝２０の総断面積を噴孔７の総入口開口面積より大きく設定できる場合は、第４実施例の場合と同様に、高リフト最大位置において、凹部１８の上端１８ａが傾斜溝２０の入口より下流に位置していれば良い。
【００４１】
（第６実施例）
図１２は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図１３は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、第３実施例の構成に加えて、噴孔７内で旋回流を発生させるために、ニードル３に偏心軸部２１を設けた場合の一例である。
ノズルボディ２は、第３実施例と同様に、シート面８に断面Ｌ字形状の凹部１８が形成され、その凹部１８の径方向内周面１８ｃがニードル３のリフト方向（図１２の上下方向）と平行に設けられている。
ニードル３は、低リフト領域において、凹部１８との間に絞り部１７を構成する円筒面１６を有し、且つこの円筒面１６の下流側に偏心軸部２１を具備している。この偏心軸部２１は、円筒面１６の外径より小径であり、且つニードル３の軸心に対し偏心して設けられている。
【００４２】
この構成によれば、図１２に示すように、偏心軸部２１とＬ字形凹部１８の内周面１８ｃとの間の隙間が円周方向で異なるため、円周方向の流路面積が変化する。これにより、噴孔７内へ流れ込む燃料の流速が噴孔７の周方向両側で異なるため、噴孔７内で旋回流が発生し、その結果、噴霧の微粒化が促進される。
また、高リフト最大位置では、図１３に示すように、円筒面１６の下端１６ｂが凹部１８の上端１８ａより図示上方に移動して絞り部１７が解消され、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となるため、噴孔７から高速度でエンジン燃焼室へ噴射される。
【００４３】
（第７実施例）
図１４は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図１５は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、噴孔７の上流側から噴孔７に連通する絞り通路２２を設けた場合の第１例である。
絞り通路２２は、シート面８上のシート位置（ニードル３のシート部１４が着座する位置）より下流側で且つ噴孔７の入口より上流側のシート面８に開口して、噴孔７の途中に連通している。但し、絞り通路２２は、ノズルボディ２の外周面まで貫通することはなく、下流端が閉じている。
【００４４】
この絞り通路２２は、通路径（内径）が一定で、その断面積が噴孔７の断面積より小さく設定され、且つ図１４に示す低リフト最大位置において、絞り通路２２の入口開口面積が最小流路面積となるように設計されている。
ここで、低リフト時と高リフト時におけるノズル内の圧力分布をシミュレーションによって解析した結果を図１６に示す。
なお、シミュレーションに使用した燃料噴射ノズルは、絞り通路２２を有していない一般的なノズルで、ニードル３のシート部１４が着座するシート面８上のシート位置より下流側のシート面８に噴孔７の入口が開口している。
【００４５】
この解析結果によれば、低リフト最大位置では、ニードル３のシート部１４で最も流路面積が絞られるため、図１６（ａ）に示すように、シート部１４より上流側では高圧となり、シート部１４より下流側では、シート部１４から噴孔７の入口部に向かって次第に圧力が低下し、噴孔７内では更に低圧となる。
また、高リフト最大位置では、噴孔７の入口が最小流路面積となるため、図１６（ｂ）に示すように、噴孔７の入口部より上流側は全て高圧となり、噴孔７内では低圧となっている。
【００４６】
上記の解析結果からも分かるように、本実施例の構成によれば、低リフト最大位置では、噴孔７より上流側に開口している絞り通路２２の入口部の方が噴孔７の入口部より高圧となるため、低リフト時には、絞り通路２２から噴孔７へ燃料が流れ込む。この時、最小流路面積となる絞り通路２２の断面積が一定であるため、絞り通路２２を流れる流量が変化することはない。但し、噴孔７の入口上端７ａとニードル３の円錐面１５との間に形成される環状流路の開口面積は、ニードル３のリフト量に応じて変化するため、低リフト量にばらつきが生じると、前記環状流路の開口面積も微小変化する。しかし、低リフト時には、噴孔７の入口部が低圧であるため、前記環状流路の開口面積が微小変化しても流量変化に与える影響は少ないと言える。
以上の結果、絞り通路２２を通って噴孔７へ流れる燃料が支配的となるため、個体間で低リフト量にばらつきが生じても、絞り通路２２を流れる流量が変化することはないため、個体間での流量ばらつきを低減することができる。
【００４７】
また、図１５に示す高リフト最大位置では、シート面８の全域が高圧状態となるため、絞り通路２２の断面積より大きな断面積を有する噴孔７の入口から多くの燃料が噴孔７内へ流れ込む。つまり、リフト量が大きくなる第２リフト位置では、断面積の大きな噴孔７からより多くの燃料が噴射されるため、噴孔７から高速度でエンジン燃焼室へ噴射される。
更に、本実施例では、図１４のＡ視図及びＢ視図に示すように、絞り通路２２を噴孔７の径方向外周寄りの位置に連通させることにより、特に低リフト時には、絞り通路２２から噴孔７内に流れ込む燃料が噴孔７内で旋回流を発生することができる。その結果、燃料噴霧がホロコーン状の薄膜噴霧となるため、噴霧を微粒化できる。
【００４８】
（第８実施例）
図１７は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図１８は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、噴孔７の上流側から噴孔７に連通する絞り通路２２を設けた場合の第２例である。
シート面８には、シート位置より下流側で、且つ噴孔７の入口より上流側に断面Ｌ字形状の凹部１８が形成され、この凹部１８の底面に絞り通路２２の入口が開口している。
【００４９】
絞り通路２２は、凹部１８の底面から略垂直下方へ穿設され、第７実施例と同様に、噴孔７の径方向外周寄りの位置に連通している。
この構成によれば、ノズルの軸線方向（図１７の上下方向）に絞り通路２２を形成できるので、絞り通路２２の加工が容易である。また、低リフト時に凹部１８内の圧力がより高圧になるため、ニードル３のリフト量変化に対する流量変化を更に抑制でき、より有効に旋回流を形成することができる。
【００５０】
（第９実施例）
図１９は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図２０は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、噴孔７の上流側から噴孔７に連通する絞り通路２２を設けた場合の第３例であり、ニードル３の円錐面１５に環状溝２３を形成している。この環状溝２３は、低リフト領域において、シート面８に開口する絞り通路２２の入口と対向する位置に形成される。この実施例でも、第８実施例と同様に、低リフト時に環状溝２３内の圧力がより高圧になるため、ニードル３のリフト量変化に対する流量変化を更に抑制でき、より有効に旋回流を形成することができる。なお、環状溝２３の下端（円錐面１５との交点）は、ニードル３の閉弁時（シート部１４がシート面８に着座した状態）に、噴孔７の入口下端７ｂより上流に位置している。
【００５１】
（第１０実施例）
図２１は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図２２は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、噴孔７の上流側から噴孔７に連通する絞り通路２２を設けた場合の第４例であり、第９実施例と同様にニードル３の円錐面１５に環状溝２３を形成している。また、噴孔７の入口側には、噴孔７より大径の旋回室２４が設けられている。
絞り通路２２は、図２１のＡ視図及びＢ視図に示すように、中心軸線が旋回室２４の中心軸線上から外れて、旋回室２４の径方向に中心からずれた位置に連通している。
本実施例の構成によれば、低リフト時に、絞り通路２２から旋回室２４へ流入する高圧燃料が支配的となって旋回室２４で旋回流を形成できるため、噴孔７より噴射される噴霧の微粒化を促進できる。
【００５２】
（第１１実施例）
図２３は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図２４は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例は、ノズルボディ２に絞り通路２２を設けた場合の第５例であり、絞り通路２２の入口より下流側で噴孔７の入口より上流側に微小絞り部（下述する）を設けた一例である。
【００５３】
ノズルボディ２には、噴孔７の入口上端７ａより上流側でシート面８からニードル３のリフト方向に沿って立ち上がる円環状の壁部２５が設けられ、この環状壁部２５の上端がシート面８に設けられた断面Ｌ字形の凹部１８の底面に繋がっている。
ニードル３には、第１実施例と同様に円錐面１５を切削して円筒面１６が形成され、この円筒面１６がニードル３のリフト方向と平行に設けられ、且つ低リフト領域において、円筒面１６がノズルボディ２の環状壁部２５の内周面と微小な間隔で対向して、前記の微小絞り部を構成している。
【００５４】
この構成によれば、図２３に示すように、低リフト領域において、シート面８から噴孔７へ流れる燃料が微小絞り部で略遮断されるため、殆ど絞り通路２２のみから噴孔７へ燃料が流れ込むことができる。これにより、低リフト量のばらつきに対し、より有効に流量を安定化させることができ、且つ旋回流の効果を向上できる。なお、高リフト最大位置では、図２４に示すように、ニードル３の円筒面１６とノズルボディ２の環状壁部２５とが離間することにより、微小絞り部が形成されることはなく、噴孔７の上流側で燃料が遮断されることはない。
【００５５】
（第１２実施例）
図２５は低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図、図２６は高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である。
本実施例の燃料噴射ノズル１は、サック室９の円筒内周面に噴孔７の入口が開口しているものである。
ニードル３は、シート部１４の下流側に円錐面１５が形成され、この円錐面１５の下流側に円柱状のピン部２６が設けられている。このピン部２６は、図２５に示すように、低リフト領域でサック室９内に入り込んでおり、ピン部２６の外周面２６ａが噴孔７の入口開口面７ｃと微小な間隔を有して対向している。この時、噴孔７の入口開口面７ｃとピン部２６の外周面２６ａとの隙間は、低リフト領域で略一定であり、且つ低リフト最大位置において最小流路面積となるように設計されている。
【００５６】
この構成によれば、個体間で低リフト量がばらついても、低リフト最大位置で最小流路面積が変化することはなく、個体間での噴射量ばらつきを防止できる。また、低リフト領域では、図２５に示すように、ピン部２６の外周面２６ａが噴孔７の入口開口面７ｃと微小な間隔を有して対向しているため、サック室９へ流れ込んだ燃料が、燃料圧力によって噴孔７の下流側から流れ込み、噴孔７の上流側から流れてくる燃料と衝突して、噴孔７に流入する燃料の流れが乱されることにより、噴霧の微粒化が促進される。
高リフト最大位置では、図２６に示すように、ピン部２６の下端２６ｂが噴孔７の入口上端７ａより上方に移動して、噴孔７の総入口開口面積が最小流路面積となるため、低リフト時より噴孔７の入口部が高圧化されて、噴孔７から高速度でエンジン燃焼室へ噴射される。
【００５７】
（第１３実施例）
図２７は閉弁時のノズル先端部の断面図である。
本実施例の燃料噴射ノズル１は、図２７に示す様に、シート面８に開口する副噴孔２７（本発明の絞り通路）とサック室９の円筒内周面９ａに開口する主噴孔２８（本発明の噴孔）とを有し、副噴孔２７が主噴孔２８の出口付近に連通し、且つ主噴孔２８に対し径方向にオフセットした位置に連通している（図２７のＡ視図参照）。
また、ニードル３は、シート部１４より下流に小径軸部２９を有し、更に小径軸部２９の下流側にガイド軸部３０を有している。
【００５８】
小径軸部２９は、円柱形状に設けられて、サック室９に摺動自在に嵌合できる外径を有し、ニードル３の閉弁時及び１段目のリフト領域で、自身の少なくとも一部がサック室９に嵌合しており、２段目のリフト領域でサック室９から抜け出す。
ガイド軸部３０は、小径軸部２９と同一径を有し、且つ外周面を部分的にカットした切欠き面３０ａが周方向に複数箇所形成されている。このガイド軸部３０は、２段目のリフト領域で、自身の下端側をサック室９に残して上端側のみサック室９から抜け出し、切欠き面３０ａとサック室９の内周面との間に主噴孔２８に通じる連通路を形成する。
【００５９】
この燃料噴射ノズル１は、低リフト最大位置において、副噴孔２７の入口開口面積が最小流路面積となる様に設計されている。
従って、低リフト時では、最小流路面積が一定となるため、個体間で低リフト量にばらつきが生じても、副噴孔２７を流れる流量が変化することはなく、個体間での流量ばらつきを低減できる。また、低リフト時には、ガイド軸部３０の一部がサック室９に残っているので、そのガイド軸部３０によって主噴孔２８に通じる連通路が遮断される。従って、低リフト時には、主噴孔２８から噴射が行われることはなく、副噴孔２７からのみ噴射が行われる。
【００６０】
更に、副噴孔２７は、主噴孔２８よりノズル中心軸に対して下向きに形成されているので、図２８に示す様に、低リフト時に副噴孔２７から噴射される燃料がエンジン燃焼室３１の壁面付近より内側（燃焼室３１の底面側）に噴射される。また、ピストン３２が上死点付近に無い時（例えば早期噴射あるいは後期噴射等の場合）でも、副噴孔２７から噴射される燃料がシリンダライナーに付着することがなく、高濃度炭化水素が排気ガスに放出されることを防ぐことができる。
また、低リフト時には、ニードル３の小径軸部２９がサック室９に残っているので、ノズルボディ２に対するニードル３の傾きを防止できる。その結果、ノズルボディ２に複数設けられている副噴孔２７間の噴霧のばらつきを抑制できる。
【００６１】
更に、副噴孔２７は、主噴孔２８に対し径方向にオフセットした位置に連通しているので、副噴孔２７から主噴孔２８内に流れ込む燃料が主噴孔２８内で旋回流を発生することにより、噴霧の微粒化が促進される。ここで、図２９に示す様に、主噴孔２８に対する副噴孔２７の偏心量ｅが大きい程、副噴孔２７から主噴孔２８に流入する燃料の角運動量が増加し、噴霧角αが大きくなる。また、副噴孔２７の噴孔径ｄと主噴孔２８の半径ｒとの比ｒ／ｄが大きくなる程、流入角運動量が増加し、やはり噴霧角αが大きくなる。従って、偏心量ｅと、副噴孔２７の噴孔径ｄと主噴孔２８の半径ｒとの比ｒ／ｄを選定することで、噴霧角αを広い範囲で設定できる。この噴霧角αを拡大することにより、噴霧到達距離をさらに低減でき燃料室内に噴霧を確実に形成できる。
【００６２】
高リフト最大位置では、小径軸部２９がサック室９から抜け出すことで、燃料通路５と主噴孔２８とが連通し、主噴孔２８より多くの燃料がエンジン燃焼室３１へ噴射される（図２８参照）。
この高リフト時には、副噴孔２７より噴孔径が大きく設定されている主噴孔２８からの噴霧が強く、副噴孔２７からの噴霧を合体させて燃料室３１の壁面に強い貫徹力の噴霧を形成することができる。これにより、高負荷運転時に必要な高噴射率を達成でき、且つ十分な空気と混合できるので、出力向上と排気ガス黒鉛の低減が可能となる。
【００６３】
なお、この高リフト時では、小径軸部２９がサック室９から抜け出すが、ガイド軸部３０の下端側がサック室９に残っているので、ノズルボディ２に対するニードル３の傾きを防止でき、ニードル３の閉弁を確実に行うことができる。
また、本実施例の燃料噴射ノズル１は、副噴孔２７と主噴孔２８の出口を共有しているので、主噴孔２８からの噴射がなくても、噴孔出口に堆積する炭化物等を副噴孔２７からの噴霧によって除去できる効果もある。
【００６４】
（第１４実施例）
図３０は閉弁時のノズル先端部の断面図である。
本実施例の燃料噴射ノズル１は、副噴孔２７と主噴孔２８とが合流する部位に拡大部３３を設け、この拡大部３３に複数の主噴孔２８と複数の副噴孔２７とが連通している。拡大部３３は、副噴孔２７と主噴孔２８の総断面積以上の断面積を有している。
副噴孔２７は、シート面８上のシート位置（閉弁時にニードル３のシート部１４が着座する位置）より下流側において、ノズルボディ２の中心軸方向及び周方向に任意に設定できる。
また、サック室９の内周面に開口する主噴孔２８は、閉弁時に小径軸部２９によって閉じられている。
【００６５】
この構成によれば、拡大部３３に対する副噴孔２７の偏心量および拡大部３３の半径と副噴孔２７の内径との比を選ぶ自由度が増すことにより、噴霧角αの設定範囲を拡大できる。また、要求に応じて噴霧形状を単純紡錐形状から複合紡錐形状に拡大でき、拡大方向も変化できる。更に、主噴孔２８からの噴霧も副噴孔２７からの噴霧と同様に形成できる。また、主流を副噴孔２７の群れとすることも、主噴孔２８の群れとすることもできる。
ニードル３の閉弁時には、小径軸部２９によって主噴孔２８の入口開口面が閉じられるので、シート面８に対し小径軸部２９の周囲に形成される凹部３４内の燃料及びサック室９の燃料が主噴孔２８から燃焼室３１に漏れることはない。
【００６６】
（変形例）
本発明の燃料噴射ノズル１は、ノズルボディ２とニードル３に関するものであり、ノズルホルダの構造は限定されるものではない。例えば、ピエゾ素子駆動によりニードルリフト量を任意に可変できるインジェクタ、あるいは電磁弁駆動によりニードルリフト量を段階的に可変できるインジェクタへも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１実施例）。
【図２】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１実施例）。
【図３】燃料噴射ノズルの全体断面図である。
【図４】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第２実施例）。
【図５】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第２実施例）。
【図６】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第３実施例）。
【図７】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第３実施例）。
【図８】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第４実施例）。
【図９】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第４実施例）。
【図１０】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第５実施例）。
【図１１】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第５実施例）。
【図１２】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第６実施例）。
【図１３】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第６実施例）。
【図１４】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第７実施例）。
【図１５】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第７実施例）。
【図１６】ノズル内の圧力分布図である（第７実施例）。
【図１７】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第８実施例）。
【図１８】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第８実施例）。
【図１９】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第９実施例）。
【図２０】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第９実施例）。
【図２１】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１０実施例）。
【図２２】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１０実施例）。
【図２３】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１１実施例）。
【図２４】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１１実施例）。
【図２５】低リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１２実施例）。
【図２６】高リフト最大位置を示すノズル先端部の断面図である（第１２実施例）。
【図２７】閉弁時のノズル先端部の断面図である（第１３実施例）。
【図２８】エンジン燃焼室の断面図である（第１３実施例）。
【図２９】偏心量と噴霧角との関係を示す特性図である（第１３実施例）。
【図３０】閉弁時のノズル先端部の断面図である（第１４実施例）。
【符号の説明】
１ 燃料噴射ノズル
２ ノズルボディ
３ ニードル
５ 燃料通路
７ 噴孔
８ シート面
９ サック室
１４ シート部
１６ 円筒面（垂直面）
１７ 絞り部
１８ｃ 内周面（垂直面）
２０ 傾斜溝（旋回流生成手段）
２１ 偏心軸部（旋回流生成手段）
２２ 絞り通路（旋回流生成手段）
２６ ニードルのピン部
２７ 副噴孔（絞り通路）
２８ 主噴孔（噴孔）
２９ 小径軸部
３０ ガイド軸部
３０ａ 切欠き面
３３ 拡大部

Claims (6)

1. 高圧燃料が供給される燃料通路を有し、この燃料通路の下流端部にサック室が形成され、このサック室の上流に円錐状のシート面が形成され、前記サック室の内周面または前記シート面に噴孔の入口が開口するノズルボディと、
   このノズルボディに摺動自在に嵌挿されて、自身の下端部に前記シート面に対向するシート部が設けられ、このシート部が前記シート面に着座した時に前記噴孔の上流側で前記燃料通路を遮断するニードルとを備え、
   このニードルのリフト量が低リフトと高リフトから成る２段階に設定されている燃料噴射ノズルであって、
   前記噴孔の出口側に噴孔径が拡大する拡大部を有すると共に、前記シート部が前記シート面に着座した時の前記シート面上の位置をシート位置と呼ぶ時に、このシート位置より下流側で且つ前記噴孔の入口より上流側の前記シート面に開口して前記拡大部に連通する絞り通路を設け、この絞り通路の入口開口面積が１段目の最大リフト位置で最小流路面積となり、更に、前記１段目のリフト領域で、前記噴孔内の燃料に旋回流を発生させる旋回流生成手段を設けたことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   前記旋回流生成手段は、前記絞り通路を利用して構成され、且つ、前記絞り通路の中心軸線が前記噴孔の中心軸線上を外れていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項１または２に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   複数の前記噴孔が前記拡大部を共有して設けられ、且つ前記拡大部に複数の前記絞り通路が連通していることを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射ノズルにおいて、
   前記噴孔は、前記サック室の内周面に開口し、
   前記ニードルは、前記シート部より下流に設けられて前記サック室に摺動自在に嵌合する小径軸部と、この小径軸部の下流側に連続して設けられ、外周面を部分的にカットした切欠き面が周方向に複数箇所形成されたガイド軸部とを有し、前記小径軸部は、前記ニードルの閉弁時及び前記１段目のリフト領域で、自身の少なくとも一部が前記サック室に嵌合して、前記２段目のリフト領域で前記サック室から抜け出し、
   前記ガイド軸部は、前記２段目のリフト領域で、自身の下端側を前記サック室に残して上端側のみ前記サック室から抜け出し、前記切欠き面と前記サック室の内周面との間に前記噴孔に通じる連通路を形成することを特徴とする燃料噴射ノズル。
5. 高圧燃料が供給される燃料通路を有し、この燃料通路の下流端部にサック室が形成され、このサック室の上流に円錐状のシート面が形成され、前記サック室の内周面に噴孔の入口が開口するノズルボディと、
   このノズルボディに摺動自在に嵌挿されて、自身の下端部に前記シート面に対向するシート部が設けられ、このシート部が前記シート面に着座した時に前記噴孔の上流側で前記燃料通路を遮断するニードルとを備え、
   このニードルのリフト量が低リフトと高リフトから成る２段階に設定されている燃料噴射ノズルであって、
   前記シート部が前記シート面に着座した時の前記シート面上の位置をシート位置と呼ぶ時に、このシート位置より下流側で且つ前記噴孔の入口より上流側の前記シート面に開口して前記噴孔の出口付近に連通する絞り通路を設け、この絞り通路の入口開口面積が１段目の最大リフト位置で最小流路面積となり、
   更に、前記１段目のリフト領域で、前記噴孔内の燃料に旋回流を発生させる旋回流生成手段を設け、
   前記ニードルは、前記シート部より下流に設けられて前記サック室に摺動自在に嵌合する小径軸部と、この小径軸部の下流側に連続して設けられ、外周面を部分的にカットした切欠き面が周方向に複数箇所形成されたガイド軸部とを有し、前記小径軸部は、前記ニードルの閉弁時及び前記１段目のリフト領域で、自身の少なくとも一部が前記サック室に嵌合して、前記２段目のリフト領域で前記サック室から抜け出し、
   前記ガイド軸部は、前記２段目のリフト領域で、自身の下端側を前記サック室に残して上端側のみ前記サック室から抜け出し、前記切欠き面と前記サック室の内周面との間に前記噴孔に通じる連通路を形成することを特徴とする燃料噴射ノズル。
6. 請求項５に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   前記旋回流生成手段は、前記絞り通路を利用して構成され、且つ、前記絞り通路の中心軸線が前記噴孔の中心軸線上を外れていることを特徴とする燃料噴射ノズル。

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