JP2008050968A - 流体噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】流体噴射ノズルについて、噴射流体の微粒化性能を向上させる。
【解決手段】流体噴射ノズルは、弁座面１４が設けられたノズル体２、シート部１８が設けられた弁体３及び噴射孔２２ａ、２２ｂが設けられた噴孔プレート４を備え、弁体のストローク動作によりシート部が弁座面に対して着座状態と着座解除状態をとることで弁の開閉をなし、開弁時に噴射孔から流体を噴射するようにされている。このような流体噴射ノズルについて、その噴孔プレートに流体通路用凹部２３ａ、２３ｂを設け、開弁時に流体通路用凹部をその開放側についてシート部の先端面で塞ぐことにより流体通路２７ａ、２７ｂを形成させ、そしてこの流体通路を前記流体が流下して噴射孔に流入するようにしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流体噴射ノズルに関し、特に噴射孔を有する方式の流体噴射ノズルに関する。

流体噴射ノズル、特に内燃機関に供給する燃料などのような流体を噴射する流体噴射ノズルでは、噴射流体の微粒化を高めることが重要である。噴射流体の微粒化を促進する方式の一つとして、オリフィスとも呼ばれる噴射孔を形成した平板状の噴射孔プレートを流体噴射ノズルに設け、その噴射孔から流体を噴出させる方式がある。これを仮にオリフィス方式と呼ぶ。

オリフィス方式では、図９（ａ）に模式化して示すように、噴射孔プレート５１に沿う流れである横流れを流体５２に生じさせ、この横流れを経た流体５２を噴射孔プレート５１に形成の噴射孔５３に流入させて噴出させるようにするのが微粒化促進の上で有効である。すなわち流体５２を横流れで噴射孔５３に流入させると、噴射孔５３では、横流れを経た流体５２の流入で発生する負圧による引込み空気流５４を伴いつつ流体５２が薄い膜状の流れである膜状流れ５５（図９（ｂ））を形成する。そしてこの膜状流れ５５は、縮流型の流体噴射ノズルで形成される流体の流れに比べて周囲の空気とのエネルギ交換が活発で、それにより分裂が促進されて微粒化し易く、このことで微粒化が促進される。ただ、その微粒化は、流体５２の圧力（流速）、具体的には流体が噴射孔５３に流入する位置あたりでの横流れにおける圧力に相関し、この流体圧力が大きいほど効果的になされる。こうしたオリフィス方式を仮に横流れオリフィス方式と呼ぶ。

横流れオリフィス方式の流体噴射ノズルの例が特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１に開示の流体噴射ノズルは、ニードル弁の先端の平坦面とオリフィスプレート（噴射孔プレート）の間に形成される扁平状の流路内でオリフィス（噴射孔）に向かう流れ（横流れ）を生じさせ、さらにその横流れ同士がオリフィス直上で衝突した後にオリフィスから流体が噴出するように構成されている。

一方、特許文献２に開示の流体噴射ノズルは、その構成を模式化して示すと図１０のようになる。すなわち板厚方向に貫通する複数の開口部６１を有し、ニードル弁６２の弁座の下流側でバルブボディ６３に取り付けて設けられるプレート部材６４、及びこのプレート部材６４よりも下流側でバルブボディ６３に取り付けられるオリフィスプレート６５を備え、そのオリフィスプレート６５に凹面部を設けることで流体室６６を形成するとともに、オリフィスプレート６５に複数のオリフィス６７を形成し、その流体室６６で流体６８に横流れを生じさせる構成とされている。

特開平９−１４０９０号公報 特開平１１−２００９９８号公報

上述のような横流れオリフィス方式には、立上り時間（ないしタイムラグ）の問題がある。図１１に示すのは、図１０の流体噴射ノズルにおける弁の駆動印加電圧と弁のストローク動作、それに流体圧力（これは上述のように、流体がオリフィスに流入する位置あたりの横流れにおける圧力）のタイミング関係の例である。この図に見られるように、従来の流体噴射ノズルでは、ニードル弁６２が開弁してから流体の圧力が最大値になるまでにかなり長い立上り時間Ｔを要する。この立上り時間Ｔは、ニードル弁６２とプレート部材６４の間に形成される空間６９、開口部６１及び流体室６６の各空間要素のトータルボリュームに起因している。すなわちニードル弁６２が開弁すると、まず空間６９、開口部６１、流体室６６の各空間要素を流体６８で充満させる必要があり、その充満がなされるまでは流体の圧力が最大値になれないことになるが、前進により開弁となる内開き型であるニードル弁６２の開弁で拡がる空間６９やオリフィスプレート６５の凹面部として形成される流体室６６のボリュームが大きいために流体充満空間要素のトータルボリュームが大きくなり、その結果としてかなり長い立上り時間Ｔが必要になっているということである。

上述のように横流れオリフィス方式における微粒化は、流体圧力に相関し、流体圧力が大きいほど効果的な微粒化がなされる。一方、立上り時間Ｔの間は、流体圧力が低い状態にある。そのため立上り時間Ｔが長いと、それだけ効果的な微粒化を得られない状態が続くことになる。すなわち長い立上り時間Ｔは、横流れオリフィス方式における微粒化性能を低下させるということである。このことは、言い換えれば、流体圧力の立上り時間を短縮することにより、横流れオリフィス方式における微粒化性能をさらに高めることが可能であるということである。

本発明は、以上のような知見を背景になされたものであり、横流れオリフィス方式の流体噴射ノズルについて、微粒化性能をより向上させることを課題としている。

本発明では上記課題を解決するために、弁座面が設けられたノズル体、シート部が設けられた弁体及び噴射孔が設けられた噴孔プレートを備え、そして前記弁体のストローク動作により前記シート部が前記弁座面に対して着座状態と着座解除状態をとることで弁の開閉がなされ、開弁時に前記噴射孔から流体を噴射するようにされている流体噴射ノズルにおいて、前記噴孔プレートに流体通路用凹部が設けられ、開弁時に前記流体通路用凹部をその開放側について前記シート部の先端面で塞ぐことにより流体通路が形成され、そしてこの流体通路を前記流体が流下して前記噴射孔に流入するようにされていることを特徴としている。

このような流体噴射ノズルでは、流体通路用凹部を弁体のシート部で塞ぐことで形成される流体通路だけが開弁後の実質的な流体充満空間要素であり、流体充満空間要素のトータルボリュームを小さなものに抑えることができる。このため流体圧力の立上り時間を短縮することができ、横流れオリフィス方式における微粒化性能を高めることが可能となる。またこのような流体噴射ノズルでは、部品点数を減らすことができ、コスト低減が可能となる。

また本発明では、上記のような流体噴射ノズルについて、前記流体通路用凹部を溝構造で形成するものとし、またこの溝構造の流体通路用凹部については、前記流体通路となった状態で前記噴射孔での流体の噴射量に見合った流量の導流をなせるサイズで形成するものとしている。このようにすることにより、流体充満空間要素のトータルボリュームをより小さくすることができる。

また本発明では、上記のような流体噴射ノズルについて、前記噴孔プレートの中心に弁体受け突起を設け、前記弁体が開弁ストロークの際に前記先端面を前記弁体受け突起に当接させることで前記開弁ストロークを停止するようにするか、又は前記シート部の先端面の中心に当接突起を設け、前記弁体が開弁ストロークの際に前記当接突起を前記噴孔プレートに当接させることで前記開弁ストロークを停止するようにしている。このようにすることで、開弁ストローク停止時の弁体先端面の支持を先端面の中心に対して行う中心支持とすることができ、弁体先端面が噴孔プレートのプレート面に対して傾いた状態で開弁ストロークが停止してしまうというアンバランス問題を有効に避けることができる。

上記のような本発明によれば、横流れオリフィス方式の流体噴射ノズルについて、微粒化性能をより向上させることができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１と図２に第１の実施形態による流体噴射ノズルの構成を断面した状態で示す。図１は閉弁状態を示し、図２は開弁状態を示している。

本実施形態の流体噴射ノズル１は、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射ノズルであり、ノズル体２、弁体３、噴孔プレート４及び付勢機構５を備えており、そのノズル体２と弁体３が外開き型つまり弁体３の前進により開弁となるタイプのニードル弁を構成している。

ノズル体２は、弁体３のストローク動作（開弁のための前進動作又は閉弁のための後退動作）をガイドする弁体ガイド孔１１が形成されている。弁体ガイド孔１１は、図３に示すように、内周面がガイド面１２とされ、そのガイド面１２に溝状に形成の流体通路１３が設けられている。したがって弁体ガイド孔１１のガイド面１２には流体通路１３を流れる流体つまり燃料がいきわたり、弁体ガイド孔１１でガイドされる弁体３のストローク動作はその燃料を潤滑剤としてスムースに行われる。またノズル体２は、弁体３の前進方向に拡がる円錐面とされた弁座面１４がその後端を弁体ガイド孔１１のガイド面１２に接続する状態にして設けられている。

弁体３は、図外の電磁的な駆動源からの駆動力を受ける頭部１６、ノズル体２の弁体ガイド孔１１によるストローク動作のガイドを受けるニードル部１７及びニードル部１７の先端に設けられたシート部１８を備えている。シート部１８は、弁座面１４の円錐面の角度よりも小さな角度の円錐面を外周面とする第１の円錐部１９と弁座面１４の円錐面の角度よりも大きな角度の円錐面を外周面とする第２の円錐部２０で構成され、両円錐部１９、２０の境界線がシート位置（着座位置）２１となって閉弁のために弁座面１４に当接して着座するようにされている。

噴孔プレート４は、適切な厚みを有する円板状に形成され、ノズル体２の下端部に埋め込むようにして取り付けられており、噴射孔２２（２２ａ、２２ｂ）、流体通路用凹部２３（２３ａ、２３ｂ）及び弁体受け突起２４が設けられている。

噴射孔２２は、開弁時に流体を噴射する要素である。図の例では噴射孔２２として、互いに対称となって弁座面１４と同じ方向に傾くようにして噴孔プレート４を貫通する状態で形成された噴射孔２２ａと噴射孔２２ｂの２つが設けられている。これは、流体噴射ノズル１が燃料を噴射供給する先が２系統あり、噴射孔２２ａがその１つの供給先系統に燃料を噴射供給し、噴射孔２２ｂが他の１つの供給先系統に燃料を噴射供給することを前提にしているからである。つまり噴射孔２２は、供給先系統の数に応じて設けられるということである。ただし噴射孔２２は、必要に応じて１つの供給先系統に複数ずつ設けられる場合もある。

流体通路用凹部２３は、溝構造で形成され、その開放側を開弁時に弁体３のシート部１８の先端面２６で塞がれることにより後述の流体通路（横流れ流体通路）２７（図２、図５）を形成する要素で、その流体通路２７は、流体に横流れを生じさせつつ噴射孔２２へ流体を導流するのに機能する。したがって流体通路用凹部２３は、流体通路２７となった状態で噴射孔２２での流体の噴射量に見合った流量の導流をなせるサイズの溝構造で形成されるのが好ましいことになる。

こうした流体通路用凹部２３は、噴射孔２２ごとに設けられる。図の例では噴射孔２２ａと噴射孔２２ｂに対応して流体通路用凹部２３ａと流体通路用凹部２３ｂが設けられている。これら流体通路用凹部２３ａと流体通路用凹部２３ｂは、図４に示すように、それぞれ噴孔プレート４の上面側に溝構造として形成され、流体通路用凹部２３ａは、一端部（下流側端部）が噴射孔２２ａに連通し、他端（上流側端）が弁座面１４の下端縁に近接するようにされ、流体通路用凹部２３ｂは、一端部（下流側端部）が噴射孔２２ｂに連通し、他端（上流側端）が弁座面１４の下端縁に近接するようにされている。

弁体受け突起２４は、噴孔プレート４のプレート面２８からわずかに突出するようにして噴孔プレート４の中心に設けられている。この弁体受け突起２４は、弁体３の開弁ストロークを停止させるのに機能する。つまり弁体３は、開弁ストロークの際にその先端面２６を弁体受け突起２４に当接させて弁体受け突起２４により支持されることで開弁ストロークを停止する。ここで、噴孔プレート４の中心は、弁体３の先端面２６の中心に対応している。したがって弁体３は、弁体受け突起２４に先端面２６の中心を当接させる、つまり中心支持を受けることで開弁ストロークを停止することになる。このため、先端面２６がプレート面２８に対して傾いた状態で開弁ストロークが停止し、そのことにより後述する図５の流体通路２７ａと流体通路２７ｂで流路断面サイズが異なってしまうというアンバランス問題を有効に避けることができる。このことは、弁体３が先端面２６を噴孔プレート４のプレート面２８に直接的に当接させる構造と比較すると分かりやすい。すなわち弁体３が先端面２６をプレート面２８に直接的に当接させて開弁ストロークを停止する構造であると、先端面２６がプレート面２８に対して傾いた状態で開弁ストロークを停止することの原因となる弁体先端面２６のプレート面２８への偏倚当接（弁体３の先端面２６が偏った部位でプレート面２８に当接すること）の可能性があり、アンバランス問題を招くおそれがある。一方、弁体受け突起２４により弁体３の中心支持を行えば、偏倚当接の可能性を排除でき、アンバランス問題を有効に避けることができる。

以上のような噴孔プレート４は、その材料となる金属円板に例えば放電加工のような加工技術により流体通路用凹部２３や噴射孔２２などを加工することで容易に形成することができる。

付勢機構５は、圧縮ばね２９とばね受３０で構成され、一端をノズル体２に支持され、他端をばね受３０で支持された圧縮ばね２９の付勢力をばね受３０を介して弁体３に伝えることで弁体３を閉弁方向に付勢している。

次に、流体噴射ノズル１の動作について説明する。図１の閉弁状態つまり弁体３のシート部１８におけるシート位置２１が弁座面１４に着座している状態では、図外の流体供給源から所定の圧力をもって流体噴射ノズル１に供給される流体（本実施形態の場合は内燃機関用の燃料）３１がシート位置２１の弁座面１４への着座で流下を止められて流体通路１３に充満している。この閉弁状態で、弁体３の頭部１６に図外の電磁的な駆動源からの駆動力が加わると、弁体３が開弁ストローク（図の状態で下降する動作）を行い、シート位置２１が弁座面１４から離れて着座解除となるとともに、シート部１８の先端面２６が弁体受け突起２４に当接し、図２の開弁状態となる。

シート位置２１が弁座面１４から離れて着座解除状態となることで、弁座面１４とシート部１８の周面の間に連通用流体通路３２が形成される。そしてこの連通用流体通路３２を通って流体３１が噴孔プレート４に向けて流下する。

一方、シート部１８が弁体受け突起２４に当接することで流体通路用凹部２３は、その一部、具体的には図４に示す仮想円３３（これは弁体３の先端面２６の縁に相当する仮想円である）より内側の部分を図５に示すようにして先端面２６で塞がれ、仮想円３３と仮想円３４（これは弁座面１４の先端縁に相当する仮想円である）で挟まれた部分に流入口３５（３５ａ、３５ｂ）を形成するとともに、流入口３５より下流に流体通路２７（２７ａ、２７ｂ）を形成する。

ここで、先端面２６が当接する弁体受け突起２４は、上述のように噴孔プレート４のプレート面２８からわずかに突出するようにされている。したがって、図５に示すように、その弁体受け突起２４の突出分だけプレート面２８と先端面２６の間に隙間Ｓを生じる。つまり流体通路２７は、隙間Ｓを伴った状態で流体通路用凹部２３を先端面２６で塞ぐことで形成される。この隙間Ｓは、流体３１が有する流体力学的な特性により流体３１が通過することのできない範囲となるようにされる。すなわち弁体受け突起２４のプレート面２８からの突出高さは、隙間Ｓとして流体３１がその流体力学的な特性において通過することのできない隙間を与えるように設定されることになる。このことは、流体通路２７形成のための先端面２６による流体通路用凹部２３の閉塞は、機械的な閉塞である必要はなく、流体力学的な閉塞で足りることを意味する。

以上のようにして流入口３５と流体通路２７が形成された状態で、連通用流体通路３２から噴孔プレート４に向けて流下する流体３１は、流入口３５から流体通路２７に流入する。そして流体通路２７を横流れとなって流下して噴射孔２２に流入し、そこから微粒化して噴出する。

図６に示すのは、本実施形態の流体噴射ノズル１における弁体３の駆動印加電圧と弁体３のストローク動作、それに流体圧力（これは流体が噴射孔２２に流入する位置あたりの横流れにおける圧力）のタイミング関係であり、図１１の従来の流体噴射ノズルにおける流体圧力のタイミング関係も併せて示してある。この図に見られるように、流体噴射ノズル１では、弁体３が開弁してからの立上り時間Ｔｓが従来の流体噴射ノズルにおける立上り時間Ｔに比べてきわめて短く、ほとんど瞬時的に流体圧力が最大値に達している。このような流体噴射ノズル１における立上り時間の短縮化は、開弁で流体通路１３から流入する流体３１が噴射孔２２に至るまでに流体３１の充満を必要とする空間要素のトータルボリュームが小さくなっていることでもたらされる。すなわち流体噴射ノズル１では、図５に見られるように、開弁後の流体充満空間要素は実質的に溝構造の流入口３５と流体通路２７だけであり、流体充満空間要素のトータルボリュームが最小限に抑えられており、そのためきわめて短い立上り時間Ｔｓが可能となり、これにより、横流れオリフィス方式における微粒化性能を高めることが可能となる。

また本実施形態の流体噴射ノズル１は、噴孔プレート４に形成の流体通路用凹部２３を弁体３のシート部１８で塞ぐことで流体通路２７を形成する構造としてあるので、部品点数を減らすことができ、コスト低減が可能となる。

図７に第２の実施形態による流体噴射ノズルの構成を閉弁状態について断面した状態で示す。本実施形態の流体噴射ノズル４１は、基本的には第１の実施形態の流体噴射ノズル１と同様である。流体噴射ノズル４１が流体噴射ノズル１と相違している点は、弁体３の先端面２６に当接突起４２が設けられていること、それに流体噴射ノズル１における噴孔プレート４に対応する要素として噴孔プレート４３が設けられていることである。したがって以下では、これらの相違点について主に説明し、流体噴射ノズル１と共通する要素については図１や図２の場合と同一の符号を用い、それらの説明は適宜省略する。

噴孔プレート４３は、基本的には流体噴射ノズル１における噴孔プレート４と同様である。相違しているのは、図８に示すように、噴射孔２２ａに対応する流体通路用凹部と噴射孔２２ｂに対応する流体通路用凹部が一体化されて流体通路用凹部４４とされていること、それに噴孔プレート４における弁体受け突起２４が省略されていることである。

当接突起４２は、先端面２６の中心において所定の高さで突出するように形成されており、流体噴射ノズル１における弁体受け突起２４に対応する機能を負っている。すなわち弁体３は、開弁ストロークの際に当接突起４２を噴孔プレート４に当接させることで、より具体的には噴孔プレート４における流体通路用凹部４４の底に当接させることで開弁ストロークを停止する。

本実施形態の流体噴射ノズル４１における一体構造の流体通路用凹部４４は、加工性に優れる。このため流体噴射ノズル４１は、流体噴射ノズル１の場合と同様に流体充満空間要素のトータルボリュームを抑えて微粒化性能を高めることを可能にするとともに、部品点数の削減でコスト低減を可能とし、さらにこれらに加えて、加工の容易化による、より一層のコスト低減を可能とする。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明は、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば、弁体３やノズル体２などの加工精度を十分に高めるなどして、弁体先端面２６を噴孔プレート４や噴孔プレート４３のプレート面２８に直接的に当接させるようにしてもアンバランス問題を実用上で無視できる程度にすることができれば、弁体受け突起２４や当接突起４２を省略した構成とすることもできる。また上記の各実施形態では、流体通路用凹部２３や流体通路用凹部４４を噴射孔２２での流体の噴射量に見合った流量の導流をなせるサイズの溝構造で形成していたが、これは流体充満空間要素のトータルボリュームをより小さくする上で有効であるということで、必ずしもこれに限られず、適宜なサイズで「流体通路用凹部」を形成することも可能である。

第１の実施形態による流体噴射ノズルの構成を閉弁状態について断面した状態で示す図である。 図１の流体噴射ノズルの開弁状態を示す図である。 図１の流体噴射ノズルにおける弁体ガイド孔の平面構成を示す図である。 図２の流体噴射ノズルにおける噴孔プレートの平面構成を示す図である。 図２の流体噴射ノズルの部分拡大図である。 図１の流体噴射ノズルにおける弁体駆動印加電圧、弁体ストローク、流体圧力それぞれのタイミング関係を示す図である。 第２の実施形態による流体噴射ノズルの構成を開弁状態について断面した状態で示す図である。 図７の流体噴射ノズルにおける噴孔プレートの平面構成を示す図である。 オリフィス方式の流体噴射ノズルにおける流体の微粒化噴射の原理を説明する図である。 従来の流体噴射ノズルの構成を模式化して示す図である。 図１０の流体噴射ノズルにおける弁駆動印加電圧、弁ストローク、流体圧力それぞれのタイミング関係を示す図である。

符号の説明

１ 流体噴射ノズル
２ ノズル体
３ 弁体
４、４３ 噴孔プレート
１４ 弁座面
１８ シート部
２２ａ、２２ｂ 噴射孔
２３ａ、２３ｂ 流体通路用凹部
２４ 弁体受け突起
２６ 先端面
２７ａ、２７ｂ 流体通路
４１ 流体噴射ノズル
４２ 当接突起

Claims (5)

1. 弁座面が設けられたノズル体、シート部が設けられた弁体及び噴射孔が設けられた噴孔プレートを備え、そして前記弁体のストローク動作により前記シート部が前記弁座面に対して着座状態と着座解除状態をとることで弁の開閉がなされ、開弁時に前記噴射孔から流体を噴射するようにされている流体噴射ノズルにおいて、
   前記噴孔プレートに流体通路用凹部が設けられ、開弁時に前記流体通路用凹部をその開放側について前記シート部の先端面で塞ぐことにより流体通路が形成され、そしてこの流体通路を前記流体が流下して前記噴射孔に流入するようにされていることを特徴とする流体噴射ノズル。
2. 前記流体通路用凹部は、溝構造とされていることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射ノズル。
3. 前記流体通路用凹部は、前記流体通路となった状態で前記噴射孔での流体の噴射量に見合った流量の導流をなせるサイズの溝構造で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体噴射ノズル。
4. 前記噴孔プレートに弁体受け突起が設けられ、前記弁体は、開弁ストロークの際に前記先端面を前記弁体受け突起に当接させることで前記開弁ストロークを停止するようにされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の流体噴射ノズル。
5. 前記シート部の先端面に当接突起が設けられ、前記弁体は、開弁ストロークの際に前記当接突起を前記噴孔プレートに当接させることで前記開弁ストロークを停止するようにされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の流体噴射ノズル。

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