JP2009008030A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】燃料からの圧力を考慮して噴孔間の燃料噴霧のばらつきが抑制された燃料噴射ノズルを提供する。
【解決手段】燃料噴射ノズル１は、上流側穴２２と下流側穴２１とを有するノズルボディ２０と、ノズルボディ２０より大きい縦弾性係数を有しているとともに上流側穴２２及び下流側穴２１の一部に嵌合する管状部材５０と、燃料が流通するクリアランスを有して管状部材５０内を往復動するニードル１０とを備えている。これにより、噴孔間の燃料噴霧のばらつきが抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射ノズルに関する。

従来から、内燃機関に用いられる燃料噴射ノズルは、ニードルと、燃料を噴出する複数の噴孔とニードルが着座するシート面とを有するノズルボディとを備えたものが知られている。ところでこのような燃料噴射ノズルは、ニードルが偏芯している場合には、複数の噴孔から均一な燃料噴霧が得られない恐れがある。特許文献１及び２には、このような課題に対して対策がなされた燃料噴射ノズルが開示されている。

特開２００６−００２６５７号公報 特開２００２−３１７７３５号公報

ノズルボディには、ニードルを収容するための縦穴が形成されており、この縦穴とニードルとの間には、燃料が流通可能であると共にニードルの往復動を許容するために所定のクリアランスが設けられている。このクリアランスは、縦穴の内周面及びニードルの外周面がそれぞれ受ける燃料からの圧力によって変動するものである。このクリアランスの変動によっても、ニードルの偏芯の度合が変動することになる。しかしながら、上記特許文献１及び２には、このような観点から考察が成されていない。

したがって本発明の目的は、燃料からの圧力を考慮して噴孔間の燃料噴霧のばらつきが抑制された燃料噴射ノズルを提供することである。

上記目的は、縦穴を有するノズルボディと、前記ノズルボディより大きい縦弾性係数を有しているとともに前記縦穴に嵌合する管状部材と、燃料が流通するクリアランスを有して前記管状部材内を往復動するニードルとを備えた、ことを特徴とする燃料噴射ノズルによって達成できる。
管状部材は、ノズルボディよりも縦弾性係数が大きい材料によって形成するこことにより、管状部材の内面に作用する燃料からの内圧によって、管状部材とニードルとのクリアランスが拡大することを抑制できる。これにより、ニードルの偏芯の度合を抑制でき、噴孔間の燃料噴霧のばらつきが抑制される。

また、上記構成において、前記管状部材は、焼きばめによって前記縦穴と嵌合する、構成を採用できる。
管状部材と軸孔との嵌合の強度を確保することができる。

また、上記構成において、前記管状部材は、前記縦穴の内壁との当接部分に溝が形成されている、構成を採用できる。
これにより、焼きばめによる管状部材からのノズルボディに対する面圧を低く抑えることができる。これにより、ノズルボディの信頼性が向上する。

また、上記構成において、前記溝は、燃料が流通可能に形成されている、構成を採用できる。
これにより、管状部材は、溝内を流れる燃料から外圧を受けるので、内圧による管状部材とニードルとのクリアランスの拡大を抑制できる。

本発明によれば、燃料からの圧力を考慮して噴孔間の燃料噴霧のばらつきが抑制された燃料噴射ノズルを提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料噴射ノズルについて説明する。

図１は、燃料噴射ノズル１の部分断面図である。図２は、ニードル１０の先端部１４周辺の拡大図である。燃料噴射ノズル１は、燃料ポンプ（図示せず）により加圧された燃料を、内燃機関の気筒内に噴射供給するノズルである。燃料噴射ノズル１は、図１に示すように、その軸方向に往復動可能なニードル１０と、ニードル１０を収容するノズルボディ２０とからなる。

ニードル１０は、例えば炭素鋼等の金属材料により略丸棒形状に形成されている。このニードル１０は、３段の円錐形状面からなる先端部１４、先端部１４と同軸の略円柱状をなす小径部１５、小径部１５と同軸の略円柱状であって小径部１５よりも径が大きい大径部１６とを有する。

ノズルボディ２０は、例えば炭素鋼等の金属材料により略円筒形状に形成されている。このノズルボディ２０は、図１及び図２に示すように、内燃機関の気筒（不図示）内に燃料を噴射するための噴孔２６、先端部１４が着座するシート面２４、シート面２４よりも燃料の流れ方向の下流に設けられて噴孔２６により内燃機関の気筒内と連通するサック室４４を有する。また、サック室４４よりも上流で小径部１５を所定の径方向のクリアランスを保って収容する下流側穴２１（縦穴）、さらに下流側穴２１よりも上流で大径部１６を軸方向に往復摺動自在に収容する上流側穴２２（縦穴）、下流側穴２１と上流側穴２２との間に形成されて燃料を一時的に蓄える油溜り室４１、油溜り室４１へ燃料を導く高圧燃料通路２３を有する。そして、図１に示すように、小径部１５と下流側穴２１との隙間は、油溜り室４１からサック室４４へ向かう第１燃料通路４２をなしている。ニードル１０は、下流側穴２１及び上流側穴２２内を往復動する。

また、図１に示すように、下流側穴２１の一部及び上流側穴２２には、管状部材５０が嵌合している。管状部材５０は、ノズルボディ２０よりも縦弾性係数の大きい金属材料であるセラミックにより形成されている。詳細には、管状部材５０は、窒化珪素、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素等を主成分とし、公知の焼結助剤を含有するセラミックスにより形成されている。尚、管状部材５０は、ＴｉＣ、ＴｉＮ等の硬質成分と、鉄族金属等の金属成分との複合焼結体であるサーメット、又はＷＣを主成分として金属成分を含有する超硬合金であってもよい。

管状部材５０は、大径部１６の外周面と摺接する。管状部材５０は、油溜り室４１との干渉を防止するために油溜り室４１に対応する箇所に穴部が形成されている。また、管状部材５０の内周面と、大径部１６の外周面との間には、燃料が通過すると共にニードル１０の往復動を許容するための所定のクリアランスが設けられている。このクリアランスについては、詳しくは後述する。

ニードル１０は、スプリング３０の付勢力により、サック室４４を閉鎖する方向に、常時、付勢されている。そして、ニードル１０は、先端部１４がシート面２４に着座することによりサック室４４を閉鎖し、先端部１４がシート面２４から離脱することによりサック室４４を開放する。なお、先端部１４は、油溜り室４１および第１燃料通路４２の燃料圧力がスプリング３０による付勢力より大きくなったときにシート面２４から離脱する。また、この離脱により先端部１４とシート面２４との間に形成される隙間は、第１燃料通路４２からサック室４４へ向かう第２燃料通路４３をなす。

また、先端部１４は、シート面２４の座部に液密的に接触して第２燃料通路４３を遮断するシート部１８を有する。図２に示すように、２段目の円錐形状面の最下流部をなす略円環状の稜線（エッジ）がシート部１８をなす。これにより、先端部１４がシート面２４に着座し、サック室４４が閉鎖される。

燃料噴射ノズル１は、燃料ポンプから所定量の燃料が吐出されると、燃料は高圧燃料通路２３を介して、油溜り室４１、第１燃料通路４２に供給される。油溜り室４１及び第１燃料通路４２内の燃料の圧力が、スプリング３０の不勢力よりも大きくなると、先端部１４はシート面２４から離脱する。

この離脱により、先端部１４のシート部１８からシート面２４から離れ、第２燃料通路４３が開放される。これにより、燃料はサック室４４へと流れ込み、噴孔２６から燃料が噴射される。

次に、従来の燃料噴射ノズルにおいて起こり得る問題点について詳細に説明する。図３、図４は、従来の燃料噴射ノズルにおいて起こり得る問題点の説明図である。尚、図３、図４において示している従来の燃料噴射ノズルは、本実施例に係る燃料噴射ノズルとほぼ同様の箇所に関して類似の符号を用いている。尚、従来の燃料噴射ノズルの構成は、図１に示した実施例に係る燃料噴射ノズル１の構成とことなり、管状部材５０は設けられていない。また、図３においては、大径部１６ｘの外周面１７ｘと上流側穴２２ｘとのクリアランスを誇張して示している。

図３（ａ）は、従来の燃料噴射ノズルの大径部１６ｘ周辺の拡大図である。尚、図３（ａ）は、シート面に着座しているときのニードル１０ｘの状態を示している。大径部１６ｘの径をＤ_１とし、大径部１６ｘの外周面１７ｘと上流側穴２２ｘの内周面との左右のクリアランスをそれぞれＣｘ_１、Ｃｘ_２とする。図３（ｂ）は、シート面から脱離したときのニードル１０ｘの状態を示している。図３（ｂ）に示すように、ニードル１０ｘがシート面から脱離した場合には、ニードル１０ｘが左右の何れか一方にずれて偏芯する場合がある。この偏芯の度合いは、クリアランスＣｘ_１、Ｃｘ_２の大きさに依存する。尚、このクリアランスＣｘ_１、Ｃｘ_２は、大径部１６ｘ、及び上流側穴２２ｘの双方が、燃料の圧力を受けている状態でのクリアランスである。

図４（ａ）は、このようにニードル１０ｘが偏芯した場合での、ニードル１０ｘがシート面２４ｘから離脱した状態の先端部１４ｘ周辺を示している。図４（ａ）においては、ニードル１０ｘが、左側へと偏芯しており、左側の第２燃料通路４３ｘよりも右側での第２燃料通路４３ｘの方が大きく開かれている。このような場合、高圧燃料は、ニードル１０ｘに対して片側からより多くサック室４４ｘへと流れ込むことになる。

図４（ｂ）は、ニードル１０ｘが偏芯した場合での燃料噴霧のばらつきの説明図であり、従来の燃料噴射ノズルの先端側から見た図である。ニードル１０ｘが偏芯すると、図４（ｂ）に示すように、各噴孔２６ｘ間で燃料噴霧にばらつきが発生する。これは、上述したように、ニードル１０ｘが偏芯することにより、図４（ａ）においてサック室４４ｘ内に圧力分布が生じ、この結果、サック室４４ｘ内の高圧部分周辺の噴孔２６ｘからは多くの燃料が噴射され、サック室４４ｘ内の低圧部分周辺の噴孔２６ｘからは比較的少ない燃料が噴射されるからである。ニードル１０ｘが、傾いた場合にも同様の現象が起こる。

次に、本実施例に係る燃料噴射ノズル１の管状部材５０の機能について説明する。図５は、管状部材５０の説明図であり、図５（ａ）（ｂ）は、大径部１６周辺の拡大図であり、それぞれ、シート面２４に着座しているときのニードル１０、シート面２４から脱離しているときのニードル１０の状態を示したものである。図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ図３（ａ）（ｂ）に対応している。図５（ｃ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、ニードル１０については図示を省略している。尚、大径部１６の径Ｄ_１は、前述した大径部１６ｘの径Ｄ_１と同様である。また、大径部１６の外周面１７と、管状部材５０の内周面５１との左右のクリアランスをＣ_１、Ｃ_２とする。

また、管状部材５０は、図５（ｃ）に示すように燃料からの内圧Ｐを受ける。
また、大径部１６の外周面１７と、管状部材５０の内周面５１とのクリアランスを、Ｃ_１、Ｃ_２とする。クリアランスＣ_１、Ｃ_２は、前述したクリアランスＣｘ_１、Ｃｘ_２よりも小さいものとなっている。従って、従来のものよりも、本実施例に係る燃料噴射ノズル１の方がニードル１０の偏芯の度合が小さくなる。

この点について説明する。図６は、従来の燃料噴射ノズルと本実施例に係る燃料噴射ノズルとのクリアランスの相違についての説明図である。図６（ａ）（ｂ）は、それぞれ、燃料からの圧力を受ける前、及び受けている状態での大径部１６の外周面１７と上流側穴２２とのクリアランスの説明図である。図６（ａ）（ｂ）においては、上段に従来の燃料噴射ノズルを、下段に本実施例に係る燃料噴射ノズル１のクリアランスを示している。

図６（ａ）に示すように、燃料からの圧力を受ける前の状態においては、燃料噴射ノズル１におけるクリアランスＣは、従来の燃料噴射ノズルのクリアランスＣと一致するように設定されている。このクリアランスＣは、例えば２、３μｍである。このクリアランスを小さくするほど、ニードル１０の偏芯する度合を減少させることができるが、このクリアランスを小さく設定しすぎると、上流側穴２２内にニードル１０を挿入する時の組立作業性が悪化する恐れがある。従って、本実施例に係る燃料噴射ノズル１は、このクリアランスを、従来の物と略同一となるように設定することにより、組立作業性の悪化を防止している。

次に、燃料からの圧力を受けた状態での大径部１６の外周面１７と、上流側穴２２とのクリアランスについて説明する。図６（ｂ）に示すように、燃料からの圧力を受けた状態では、本実施例に係る燃料噴射ノズル１におけるクリアランスＣ_１は、従来の燃料噴射ノズルにおけるクリアランスＣｘ_１よりも小さくなる。例えば、クリアランスＣｘ_１は、７、８μｍであるのに対し、クリアランスＣ_１は、５μｍ程度である。これは、管状部材５０がノズルボディ２０よりも縦弾性係数の大きい金属材料で形成されているため、燃料からの圧力によって生じる管状部材５０の径方向のひずみが、従来のものよりも小さくなるからである。

即ち、管状部材５０を上流側穴２２に嵌合させた場合と、従来の燃料噴射ノズルのように管状部材５０を設けていない場合とではクリアランスが異なり、上流側穴２２に管状部材５０を嵌合させた場合の方が、ニードル１０の偏芯の度合が小さくなる。従って、管状部材５０を上流側穴２２及び下流側穴２１に嵌合させることにより、燃料からの圧力を考慮して偏芯の度合を抑制でき、噴孔２６間の燃料噴霧のばらつきを抑制できる。

また、管状部材５０は、焼きばめによって上流側穴２２及び下流側穴２１と嵌合されている。これにより管状部材５０と上流側穴２２、下流側穴２１との嵌合の強度を確保することができる。尚、管状部材５０の径方向の厚みは、２ｍｍ〜３ｍｍ程度に設定されている。

尚、管状部材５０は、図１に示したように、ニードル１０の先端部１４近傍には設けられていない。これは、例えば燃料噴射ノズル１が直噴式内燃機関に採用された場合、先端部１４近傍は、熱の影響を受けやすく、ノズルボディ２０の先端部近傍は熱膨張を生じるおそれがある。従って、先端部１４近傍の下流側穴２１に、管状部材５０を嵌合させると、ノズルボディ２０の先端部の熱膨張により、ノズルボディ２０からの管状部材５０への外圧が減少し、管状部材５０とニードル１０の外周面とのクリアランスが、想定したものより大きくなる可能性があるからである。

次に、管状部材の変形例について説明する。図７は、変形例に係る管状部材５０ａの説明図である。図７（ａ）は、図５（ｃ）に対応している。図７（ａ）に示すように、管状部材５０ａは、上流側穴２２と当接する外周面５２に、溝部５３が形成されている。この溝部５３は、管状部材５０ａの軸方向に延びるように形成されている。また、溝部５３は、管状部材５０ａの周方向に所定の間隔を隔てて複数形成されている。このように、溝部５３が形成されていることにより、焼きばめによる、上流側穴２２に対する管状部材５０ａの面圧を低く抑えることができる。これにより、ノズルボディ２０の強度の低下を抑制できる。

また、溝部５３内には燃料が流通可能に形成されている。図７（ａ）は、溝部５３の拡大図である。溝部５３内に燃料が流通するため、溝部５３内には、径方向内向きに燃料の外圧Ｐ１が作用する。また、前述したように、内周面５１には、径方向外向きに燃料の内圧Ｐが作用する。このように、外圧Ｐ１は、内圧Ｐと相反する方向に作用するため、内圧Ｐによる管状部材５０ａと大径部１６とのクリアランスの拡大を抑制できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

管状部材５０は、ノズルボディ２０よりも縦弾性係数の大きい材料で形成されていればよい。

また、管状部材５０は、油溜り室４１を介して、上流側穴２２と、下流側穴２１の一部分とに嵌合するが、このような構成に限定されず、例えば、油溜り室４１よりも上流側にある上流側穴２２のみと嵌合するように構成されていてもよい。

燃料噴射ノズルの部分断面図である。 ニードルの先端部周辺の拡大図である。 従来の燃料噴射ノズルにおいて起こり得る問題点の説明図である。 従来の燃料噴射ノズルにおいて起こり得る問題点の説明図である。 管状部材の説明図である。 従来の燃料噴射ノズルと本実施例に係る燃料噴射ノズルとのクリアランスの相違についての説明図である。 変形例に係る管状部材５の説明図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ノズル
１０ ニードル
１４ 先端部
１５ 小径部
１６ 大径部
１８ シート部
２０ ノズルボディ
２１ 下流側穴
２２ 上流側穴
２３ 燃料孔
２４ シート面
２６ 噴孔
３０ スプリング
４１ 油溜り室
４２ 第１燃料通路
４３ 第２燃料通路
４４ サック室
５０、５０ａ 管状部材
５３ 溝部

Claims (4)

1. 縦穴を有するノズルボディと、
   前記ノズルボディより大きい縦弾性係数を有しているとともに前記縦穴に嵌合する管状部材と、
   燃料が流通するクリアランスを有して前記管状部材内を往復動するニードルとを備えた、ことを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 前記管状部材は、焼きばめによって前記縦穴と嵌合する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
3. 前記管状部材は、前記縦穴の内壁との当接部分に溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射ノズル。
4. 前記溝は、燃料が流通可能に形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射ノズル。

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