JP6013291B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射ノズル（以下、略してノズルと呼ぶことがある。）に関する。

従来から、例えば、内燃機関に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁では、燃料を噴射するノズルと、このノズルを開弁駆動するアクチュエータとを備えるものが周知である。また、燃料噴射弁に用いられるノズル（燃料噴射ノズル）では、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備えるものが公知である。そして、このノズルは、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。

つまり、ノズルボディの内壁には、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着するシート位置が設けられ、さらに、シート位置よりも軸方向の先端側の内壁には、燃料の噴孔が複数開口している。そして、シート部がシート位置から離座することで、噴孔を通じてノズルボディの内周から外部に燃料が導かれて噴射される（例えば、特許文献１参照。）。

また、ノズルボディの内周の内、シート位置よりも軸方向の先端側を占める領域（以下、サック室と呼ぶ。）の容積は、残留した燃料が未燃ガス（ＨＣ）の発生源となる得るため、できるだけ小さいほうが好ましい。そこで、特許文献１には、ノズルの閉弁時にニードルの先端部をサック室に大きく突出させることで、ノズル閉弁時のサック室の容量低減を意図した構成が開示されている。

ところで、燃料噴射ノズルでは、サック室の容量低減によるＨＣ抑制とともに、噴射された燃料の噴霧が空間を貫徹する能力（以下、噴霧貫徹力と呼ぶ。）を高めることが要求されている。すなわち、燃料の噴霧がより遠くまで到達することにより空気との混合が促進されてスモークの低減に有効であると考えられており、噴霧貫徹力の向上によるスモークの低減が要求されている。
このため、燃料噴射ノズルでは、サック室の容量低減によるＨＣ抑制効果を維持しながら、噴霧貫徹力を向上させてスモークを低減することが可能な構造が求められている

特開２００６−００９６２２号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、サック室の容量低減によるＨＣ抑制効果を維持しながら、噴霧貫徹力を向上させてスモークを低減することにある。

本願発明によれば、燃料噴射ノズルは、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備え、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。そして、燃料噴射ノズルは、以下に説明するシート位置、噴孔、サック室、凸部および凹部を備える。

まず、シート位置は、ノズルボディの内壁の一部であり、ニードルの軸方向の先端近傍に設けられたシート部が離着する。また、噴孔は、シート位置よりも軸方向の先端側でノズルボディの内壁に開口し、シート部がシート位置から離座することでノズルボディの内周から外部に燃料を導く。また、サック室は、ノズルボディの内周の内、シート位置よりも軸方向の先端側を占める領域であり、噴孔が開口する。

また、凸部は、サック室で軸方向に平行な棒体として存在する部分であり、ニードルまたはノズルボディのいずれか一方と一体化している。さらに、凹部は、ニードルまたはノズルボディの内、凸部が一体化していない方に設けられる窪みであって凸部が嵌まり、ニードルの軸方向への移動に応じ、凸部に対し軸方向に摺接して相対的に移動する。
そして、シート部とシート位置との軸方向の離間距離がゼロと最大離間距離との間のいかなる値である時にも、凸部は、噴孔のサック室における開口と径方向に隙間を隔てて対向している。

まず、凸部をサック室に存在させることで、サック室の容量を低減することができるので、ＨＣを抑制することができる。
また、凸部をサック室に存在させることで、シート部とシート位置との間からサック室に流入した燃料を、凸部の表面に沿わせて流すことができる。このため、ノズルボディの内壁に沿わせて流す場合に比べて、噴孔内で剥離が発生する領域を噴孔の入側開口近傍に狭めることができる。この結果、噴霧貫徹力を向上させてスモークを低減することができる。
以上により、サック室の容量低減によるＨＣ抑制効果を維持しながら、噴霧貫徹力を向上させてスモークを低減することができる。

燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である（実施例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（実施例）。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である（実施例）。 燃料噴射ノズルが開弁しているときの要部を示す部分断面図である（実施例）。 （ａ）はサック室において燃料が凸部に沿って流れた後、噴孔に流入する様子を示す説明図であり、（ｂ）はサック室において燃料が円錐面および円筒面に沿って流れた後、噴孔に流入する様子を示す比較対象の説明図である（実施例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（変形例）。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である（変形例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（変形例）。 図８のＩＸ−ＩＸ断面図である（変形例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（変形例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（変形例）。

以下、発明を実施するための形態を実施例に基づいて説明する。

〔実施例の構成〕
実施例の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１と呼ぶ。）の構成を、図面を用いて説明する。
ノズル１は、開弁して燃料を噴射するものであり、ノズル１を開弁駆動するアクチュエータ（図示せず。）とともに燃料噴射弁を構成する。そして、燃料噴射弁は、例えば、内燃機関（図示せず。）に搭載され、１００ＭＰａを超える高圧の燃料を気筒内に直接噴射するために用いられる。

なお、アクチュエータは、例えば、ノズル１の弁体（後記するニードル２）に作用する背圧を増減して弁体を駆動するものであり、コイル（図示せず。）への通電により発生する磁気力を利用して背圧室（図示せず。）を開閉することで背圧を増減する。
そして、燃料噴射弁は、例えば、燃料を高圧化して吐出する燃料供給ポンプ（図示せず。）、および、燃料供給ポンプから吐出された燃料を高圧状態で蓄圧する蓄圧容器（図示せず。）とともに蓄圧式の燃料供給装置を構成し、蓄圧容器から高圧の燃料を供給されて気筒内に噴射する。

ノズル１は、図１に示すように、円筒状のノズルボディ３と、ノズルボディ３の内周に軸方向に移動可能となるように収容される弁体としてのニードル２とを備える。そして、ノズル１は、ニードル２がノズルボディ３の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。

ここで、ニードル２は、ノズルボディ３により軸方向に摺動自在に支持される摺動軸部２ａ、および、実質的に弁部として機能する円錐状の先端部２ｂを有し、摺動軸部２ａと先端部２ｂとの間は軸方向に長い円柱部２ｃをなす。
ノズルボディ３の内周は、軸方向に長い円筒状をなし先端が閉じられている。また、ノズルボディ３の内周の一部は、局部的に径方向に拡大され、噴射すべき燃料が一時的に溜まる燃料溜まり４をなす。

そして、ノズルボディ３の内周の内、燃料溜まり４の軸方向後端側の領域は、摺動軸部２ａを摺動自在に支持するための摺動孔５をなし、燃料溜まり４の軸方向先端側の領域は、先端部２ｂおよび円柱部２ｃを収容して円環筒状の燃料通路６を形成する。なお、ノズルボディ３には、蓄圧容器から受け入れた燃料を燃料溜まり４に導くための燃料通路７が、別途、燃料溜まり４に接続している。

以下、ノズル１の特徴的な構成を、図２〜図４を用いて説明する。
ノズル１は、特徴的な構成として、以下に説明するシート位置１０、噴孔１１、サック室１２、凸部１３および凹部１４を備える。

シート位置１０は、ノズルボディ３の先端近傍の内壁の一部であり、先端部２ｂに設けられたシート部１６が離着する。
ここで、先端部２ｂの外周面には、２つの異なる円錐面１７ａ、１７ｂが同軸に連続している。また、先端側の円錐面１７ｂは、後端側の円錐面１７ａよりも、母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度が大きい。そして、円錐面１７ａ、１７ｂ同士の交線がシート部１６として機能する。なお、シート部１６およびシート位置１０は円形であり、軸αに垂直な円を形成する。

噴孔１１は、シート位置１０よりも軸方向の先端側でノズルボディ３の内壁に開口し、シート部１６がシート位置１０から離座することでノズルボディ３の内周から外部に燃料を導く。つまり、シート部１６がシート位置１０から離座することで、シート部１６とシート位置１０との間に隙間が形成され、この隙間を通って燃料通路６からサック室１２を経て噴孔１１に燃料が導入され、ノズルボディ３の外部に噴射される。なお、噴孔１１の軸は直線であり、噴孔１１は円筒状に設けられている。

サック室１２は、ノズルボディ３の内周の内、シート位置１０よりも軸方向の先端側を占める領域であり、噴孔１１が開口する。
ここで、サック室１２を形成するノズルボディ３の先端部の内壁は、例えば、次のような形状である。

すなわち、ノズルボディ３の先端部の内壁は、先端側ほど縮径する円錐面１９、円錐面１９の先端側に連続する円筒面２０、および、円筒面２０の径と同径であって軸方向の先端側に凸を形成する半球面２１により形成される。円錐面１９は、シート部１６が離着座するシート面として機能し、シート位置１０を含んでいる。また、円錐面１９は、ノズルボディ３の軸βと軸が略一致するものであり、先端が円である。さらに、円筒面２０は、円錐面１９と同軸であって円錐面１９の先端の円と同径である。そして、円筒面２０に噴孔１１が開口して噴孔１１の入側開口１１ａが形成される。

凸部１３は、サック室１２で軸心αと軸が略一致する略円柱体として存在する部分であり、先端部２ｂの最先端を構成する。ここで、凸部１３は、円錐面１７ｂの先端の円よりも大幅に小径であり、凸部１３の後端側は、後端側に凸をなす滑らかなテーパ面により円錐面１７ｂに連続している。また、凸部１３の先端外周には、先端に向って縮径するテーパ２２が設けられている。さらに、凸部１３の外周面には、軸αに平行な溝２３が、等角度間隔で複数本設けられている。

凹部１４は、略半球形状の別部材２４に設けられる窪みであって凸部１３の先端部が嵌まる。
ここで、別部材２４の外表面は、主に、凹部１４が開口する円面２４ａと、円筒面２０の先端寄りの範囲および半球面２１に圧接する曲面２４ｂからなる。そして、別部材２４は、円筒面２０および半球面２１に圧接することで、ノズルボディ３に固定されて一体化し、ノズルボディ３と同軸をなす。

また、凹部１４は、円面２４ａに垂直に開口し、軸βと軸が略一致する。さらに、凹部１４は、凸部１３との間に所定の摺動クリアランスを形成する径を有し、ニードル２の軸方向への移動に応じ、凸部１３を軸方向に摺動自在に支持する。また、凹部１４の先端は、円錐面により閉じられており、凹部１４の先端領域は、凸部１３により後端側を画される空間２６が形成される。空間２６は、溝２３を通路としてサック室１２と連通しており、ニードル２の軸方向への移動に応じて自在に拡大縮小する。

また、シート部１６がシート位置１０に着座しているときに凸部１３と凹部１４とが接触している軸方向の長さ（以下、最大接触深さＸと呼ぶ：図２参照。）は、シート部１６とシート位置１０との軸方向の最大離間距離（以下、最大リフト量Ｌと呼ぶ：図４参照。）よりも大きい。すなわち、ニードル２が、最大限に開弁側に移動しても、凸部１３は凹部１４と接触して凹部１４により支持されている。

〔実施例の効果〕
実施例のノズル１によれば、凸部１３は、ニードル２の一部であり、サック室１２で軸心αと軸が略一致する略円柱体として存在する。また、凹部１４は、ノズルボディ３に設けられる窪みであって凸部１３が嵌まり、ニードル２の軸方向への移動に応じ、凸部１３を軸方向に摺動自在に支持する。
まず、凸部１３をサック室１２に存在させることで、サック室１２の容量を低減することができるので、ＨＣを抑制することができる。

また、凸部１３をサック室１２に存在させることで、シート部１６とシート位置１０との間からサック室１２に流入した燃料を、凸部１３の表面に沿わせて流すことができる（図５（ａ）参照。）。このため、比較対象のように円錐面１９および円筒面２０に沿わせて流す場合（図５（ｂ）参照。）に比べて、噴孔１１内で剥離が発生する領域を入側開口１１ａの近傍に狭めることができる。この結果、噴霧貫徹力を向上させてスモークを低減することができる。

以上により、サック室１２の容量低減によるＨＣ抑制効果を維持しながら、噴霧貫徹力を向上させてスモークを低減することができる。
なお、実施例では、別部材２４をサック室１２にてノズルボディ３に一体化することで、さらに、サック室１２の容量を低減している。

また、最大接触深さＸは最大リフト量Ｌよりも大きい。すなわち、ニードル２が、最大限に開弁側に移動しても、凸部１３は凹部１４と接触して凹部１４により支持されている。
これにより、シート位置１０とシート部１６との離間量に関わらず、凸部１３が凹部１４に支持されてサック室１２に存在する。このため、シート位置１０とシート部１６との離間量に関わらず（噴射量の大小に関わらず）、燃料を凸部１３の表面に沿わせて流すことができる。この結果、噴射量の大小に関わらずスモーク低減効果を得ることができる。

また、凸部１３の外周には、空間２６をサック室１２に連通させる溝２３が設けられている。これにより、ニードル２の移動に応じて、空間２６とサック室１２との間で燃料を自在に往来させることができるので、空間２６を形成することによる応答性の低下を抑制することができる。
また、凸部１３の先端外周には、先端に向って縮径するテーパ２２が設けられている。これにより、ノズル１の製造時に、凸部１３を凹部１４に円滑に差し入れることができる。

さらに、凹部１４は別部材２４に設けられた窪みであり、別部材２４はノズルボディ３に固定されて一体化する。
ノズルボディ３に、直接、凹部１４を設けようとすると、ノズルボディ３の内周先端まで工具を差し入れて加工する必要があり、さらに、凹部１４の軸を軸αおよび軸βと一致させる必要がある。このため、凹部１４を設ける工程が極めて煩雑になってしまう。
そこで、凹部１４を予め別部材２４に設けておき、別部材２４をノズルボディ３に固定して一体化させることで、凹部１４を設ける煩雑さを解消することができる。

〔変形例〕
ノズル１の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のノズル１によれば、凸部１３の外周面に溝２３を設け、溝２３を通路として空間２６とサック室１２とが連通していたが、空間２６とサック室１２とを連通させる通路の態様は、このようなものに限定されない。

例えば、図６および図７に示すように、凸部１３の外周面に、軸αに平行な平坦面２８を等角度間隔で複数設け、平坦面２８と凹部１４の内周面とで囲われる領域を通路として空間２６とサック室１２とを連通させてもよい。
また、図８および図９に示すように、凹部１４の内周面に、軸βに平行な溝２９を等角度間隔で複数本設け、溝２９を通路として空間２６とサック室１２とを連通させてもよい。

さらに、実施例のノズル１によれば、凸部１３がニードル２に設けられ、凹部１４がノズルボディ３に設けられていたが、図１０および図１１に示すように、凸部１３をノズルボディ３に設け、凹部１４をニードル２に設けてもよい。

例えば、図１０に示すように、ズルボディ３に固定される略半球形状の固定部３１との一体物として凸部１３を設け、固定部３１をサック室１２の先端領域に嵌めて固定することで、凸部１３をサック室１２に配置してもよい。また、図１１に示すように、凸部１３として機能する円柱体３２をサック室１２の先端に設けた窪みに圧入して固定することで、凸部１３をサック室１２に配置してもよい。
なお、凹部１４は、ニードル２の先端に設けられて後端側に向って窪んでおり、凸部１３が嵌まって空間２６が形成される。さらに、凹部１４の内周面に設けた溝３３により空間２６とサック室１２とが連通している。

１ ノズル（燃料噴射ノズル） ２ ニードル ３ ノズルボディ １０ シート位置
１１ 噴孔 １１ａ 開口 １２ サック室 １３ 凸部 １４ 凹部 １６ シート部

Claims (5)

1. 円筒状のノズルボディ（３）と、このノズルボディ（３）の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル（２）とを備え、前記ニードル（２）が前記ノズルボディ（３）の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する燃料噴射ノズル（１）において、
   前記ノズルボディ（３）の内壁の一部であり、前記ニードル（２）の軸方向の先端近傍に設けられたシート部（１６）が離着するシート位置（１０）と、
   前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口し、前記シート部（１６）が前記シート位置（１０）から離座することで前記ノズルボディ（３）の内周から外部に燃料を導く噴孔（１１）と、
   前記ノズルボディ（３）の内周の内、前記シート位置（１０）よりも軸方向の先端側を占める領域であり、前記噴孔（１１）が開口するサック室（１２）と、
   このサック室（１２）で軸方向に平行な棒体として存在する部分であり、前記ニードル（２）または前記ノズルボディ（３）と一体化している凸部（１３）と、
   前記ニードル（２）または前記ノズルボディ（３）の内、前記凸部（１３）が一体化していない方に設けられる窪みであって前記凸部（１３）が嵌まり、前記ニードル（２）の軸方向への移動に応じ、前記凸部（１３）に対し軸方向に摺接して相対的に移動する凹部（１４）とを備え、
   前記シート部（１６）と前記シート位置（１０）との軸方向の離間距離がゼロと最大離間距離との間のいかなる値である時にも、前記凸部（１３）は、前記噴孔（１１）の前記サック室（１２）における開口（１１ａ）と径方向に隙間を隔てて対向していることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
   前記シート部（１６）が前記シート位置（１０）に着座しているときに前記凸部（１３）と前記凹部（１４）とが接触している軸方向の長さ（Ｘ）は、前記シート部（１６）と前記シート位置（１０）との軸方向の最大離間距離よりも大きいことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
3. 請求項２に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
   前記凸部（１３）の外周および前記凹部（１４）の内周の少なくとも一方には、前記凸部（１３）と前記凹部（１４）との嵌合により形成される空間（２６）を前記サック室（１２）に連通させる通路が設けられていることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
4. 請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載の燃料噴射ノズル（１）において、
   前記凸部（１３）の外周には、凸側の端に向って縮径するテーパ（２２）が設けられていることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
5. 請求項１ないし請求項４の内のいずれか１つに記載の燃料噴射ノズル（１）において、
   前記凸部（１３）または前記凹部（１４）の内、前記ノズルボディ（３）に設けられる方は、前記ノズルボディ（３）とは別部材（２４）により構成され、前記別部材（２４）を前記ノズルボディ（３）に固定することで設けられることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
   

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