JP2010203314A

JP2010203314A - 燃料噴射ノズルの製造方法

Info

Publication number: JP2010203314A
Application number: JP2009049288A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Ito; 寿記伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】キャビテーション室や屈曲部を持つ噴孔を備えた燃料噴射ノズルの製造効率を向上できる燃料噴射ノズルの製造方法を提供する。
【解決手段】工程Ａにおいて、スリット状の噴孔７を放電加工を利用してノズルボディ４に形成し、工程Ｂにおいて、キャビテーション室１０Ａの形状に対応した穴１０Ａ′を放電加工を利用してノズルボディ４に形成し、工程Ｃにおいて、穴１０Ａ′の開口部１９を塞ぐことによりキャビテーション室１０Ａを形成し、燃料噴射ノズル２Ａを製造する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料噴射弁に組み込まれる燃料噴射ノズルの製造方法に関する。

燃料噴射ノズルの噴孔形状として従来から様々な形状が提案されている。例えばスリット状の噴孔が形成された燃料噴射ノズルがあり、こうしたスリット状の噴孔をワイヤ式の放電加工を利用して形成するノズルの製造方法が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平１１−８２２４７号公報特開平１１−８２２４５号公報

ところで、噴孔の途中に流路を拡大させるキャビテーション室を形成し、そのキャビテーション室で生じたキャビテーション気泡を燃料に混入させることにより、噴射燃料の微粒化を促進できることが知られている。キャビテーション室が形成されることにより噴孔の流入口又は流出口よりも広い空間が噴孔の途中に存在することになるが、こうした形状をノズルボディに加工することは困難である。そのため、キャビテーション室と噴孔との境界でノズルボディを２分割し、これら分割部のそれぞれに穴開け加工を施した後に、これらを互いに接合することによりキャビテーション室を備えたノズルを製造することが考えられる。また、噴孔の流路を途中で屈曲させることも知られているが、こうした形状の加工も一般に困難であるので、上記と同様に屈曲部でノズルボディを２分割する方法でないと屈曲した噴孔を持つ燃料噴射ノズルを製造することが難しい。更に、屈曲部を持つ噴孔にキャビテーション室を組み合わせたノズルの場合には加工の難易度が増大する。このように、キャビテーション室や屈曲部を備えたノズルの製造は工程が複雑化し製造効率が悪いという問題があった。

そこで、本発明は、キャビテーション室や屈曲部を持つ噴孔を備えた燃料噴射ノズルの製造効率を向上できる燃料噴射ノズルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の製造方法は、スリット状の噴孔と、前記噴孔に連通するようにして前記噴孔の流入口と流出口との間に配置されて流路面積を拡大させるキャビテーション室とがノズルボディに形成された燃料噴射ノズルの製造方法であって、前記噴孔を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記キャビテーション室の形状に対応した穴を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記穴の開口部を塞ぐことにより前記キャビテーション室を形成する工程と、を備えるものである（請求項１）。

この製造方法によれば、噴孔を形成し、キャビテーション室の形状に対応した穴を形成し、その穴の開口部を塞ぐ３つの工程で、ノズルボディに噴孔とキャビテーション室とが形成された燃料噴射ノズルを製造できる。従って、キャビテーション室と噴孔との境界でノズルボディを分割するなどの複雑な工程を回避できるため製造効率が向上する。なお、噴孔を形成する工程と穴を形成する工程との実施順序は問わない。従って、噴孔を形成した後に穴を形成してもよいし、穴を形成した後に噴孔を形成してもよい。

本発明の第２の製造方法は、流入口と流出口との間に位置する屈曲部にて屈曲したスリット状の噴孔と、前記噴孔の前記屈曲部に連通して流路面積を拡大させるキャビテーション室とがノズルボディに形成された燃料噴射ノズルの製造方法であって、前記流入口から前記屈曲部までに相当する前記噴孔の上流部及び前記キャビテーション室の各形状に対応した穴を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記屈曲部から前記流出口までに相当する前記噴孔の下流部を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記穴の開口部を塞ぐことにより前記噴孔の上流部及び前記キャビテーション室のそれぞれを形成する工程と、を備えるものである（請求項２）。

この製造方法によれば、噴孔の上流部及びキャビテーション室の各形状に対応した穴を形成し、噴孔の下流部を形成し、穴の開口部を塞ぐ３つの工程で、ノズルボディに屈曲した噴孔とその屈曲部にキャビテーション室が設けられた燃料噴射ノズルを形成できる。従って、キャビテーション室と噴孔との境界や屈曲部でノズルボディを分割するなどの複雑な工程を回避できるため製造効率が向上する。なお、穴を形成する工程と噴孔の下流部を形成する工程との実施順序は問わない。従って、穴を形成した後に噴孔の下流部を形成してもよいし、噴孔の下流部を形成した後に穴を形成してもよい。

以上説明したように、本発明の製造方法によれば、噴孔を形成し、キャビテーション室の形状に対応した穴を形成し、その穴の開口部を塞ぐ３つの工程で、又は噴孔の上流部及びキャビテーション室の各形状に対応した穴を形成し、噴孔の下流部を形成し、穴の開口部を塞ぐ３つの工程で、キャビテーション室や屈曲部を持つ噴孔を備えた燃料噴射ノズルを形成できるので製造効率が向上する。

本発明の第１の形態に係る製造方法にて製造された燃料噴射ノズルが組み込まれた燃料噴射弁の先端部分を示した図であって、スリット状の噴孔が幅広に見える方向から燃料噴射弁の先端部の断面を示した正面側の断面図。図１に対して切断面の向きを９０°変えた側面側の断面図。図１及び図２に示された燃料噴射ノズルのキャビテーション室の作用を説明する説明図。第１の形態に係る燃料噴射ノズルの製造方法を概略的に示した説明図。第１変形例に係る燃料噴射ノズルの断面図。第１変形例に係るキャビテーション室の作用を説明する説明図。第２変形例に係る燃料噴射ノズルの断面図。第２変形例に係るキャビテーション室の作用を説明する説明図。第３変形例に係る燃料噴射ノズルの断面図。第３変形例に係る噴孔及びキャビテーション室の作用を説明する説明図。第４変形例に係る燃料噴射ノズルの断面図。第４変形例に係る噴孔及びキャビテーション室の作用を説明する説明図。第３変形例及び第４変形例に係る工程Ａを示した説明図。第２の形態に係る製造方法にて製造された燃料噴射ノズルを示した図であって、燃料噴射ノズルの正面側の断面図。図１４に対して切断面の向きを９０°変えた側面側の断面図。第２の形態に係る燃料噴射ノズルの作用を説明する説明図。第２の形態に係る燃料噴射ノズルの製造方法を概略的に示した説明図。第２の形態の変形例を示した断面図。図１８の変形例の作用を説明する説明図。段付き穴を形成する製造方法を、第１の形態に適用した製造方法の説明図。

（第１の形態）
図１及び図２は本発明の第１の形態に係る製造方法にて製造された燃料噴射ノズルが組み込まれた燃料噴射弁の先端部分を示しており、図１はスリット状の噴孔が幅広に見える方向から燃料噴射弁の先端部の断面を示した正面側の断面図、図２は図１に対して切断面の向きを９０°変えた側面側の断面図である。燃料噴射弁１は内燃機関用の燃料噴射弁として構成されている。燃料噴射弁１は先端部に装着される燃料噴射ノズル２Ａと、そのノズル２Ａを開閉する弁体３とを備えている。燃料噴射ノズル２Ａはノズルボディ４を有しており、そのノズルボディ４には弁体３が着座する弁座５と、弁座５に繋がっている燃料溜まり６と、その燃料溜まり６に連通する噴孔７とがそれぞれ形成されている。弁体３は不図示のソレノイドを動力源とした不図示の駆動装置によって燃料噴射ノズル２Ａの中心線の方向（図の上下方向）に駆動され、弁体３が弁座５から離座することにより噴孔７の流入口８と流出口９との間に圧力差が生じて燃料が外部へ噴射される。

噴孔７は扁平なスリット状に構成されており流入口８から流出口９に向かって図１に示した横幅Ｗ１が徐々に広がっている。流入口８と流出口９との間には流路面積を拡大させるキャビテーション室１０Ａが噴孔７と連通するようにしてノズルボディ４に形成されている。キャビテーション室１０Ａの空間は円柱状に形成されている。キャビテーション室１０Ａよりも上流側の上流部１１及び下流側の下流部１１のそれぞれの縦幅Ｗ２（図２）は一定である。図３はキャビテーション室１０の作用を説明する説明図である。図３に示すように、キャビテーション室１０Ａは、噴孔７の上流部１１との接続部において流路面積が拡大している。このため、噴孔７の上流部１１を流れる燃料流れＦは、その接続部に隣接する上流隅部１３にて剥離する。その剥離によりキャビテーションが発生し空気等のガスが巻き込まれて、キャビテーション室１０Ａを通過する燃料に多数のキャビテーション気泡Ｂが混入する。これにより、キャビテーション気泡Ｂが燃料に混入した状態で噴孔７から噴射されるため噴射燃料（燃料噴霧）の微粒化が促進される。

図４は燃料噴射ノズル２Ａの製造方法を概略的に示した説明図である。図４の右側に示された図は正面側の断面図であり図１に対応し、左側に示された図は側面側の断面図であり図２に対応する（以下の図も同様である）。燃料噴射ノズル２Ａは３つの工程Ａ〜Ｂを経て製造される。

まず、工程Ａにおいては、放電加工を行う放電加工機１５を用いて噴孔７をノズルボディ４に形成する。放電加工機１５はいわゆる形彫り式の加工機として構成されており、アーク放電を行う電極部１６を有している。電極部１６の形状は、図示されるように噴孔７の形状に対応した台形状になっており、電極部１６の厚さは一定である。工程Ａでは、ノズルボディ４の下端側から電極部１６を矢印方向に所定速度で挿入し、その後、電極部１６を矢印方向に引き抜くことにより噴孔７の形成が完了する。

次に、工程Ｂでは、放電加工機１７を用いてキャビテーション室１０Ａの形状に対応した穴１０Ａ′を噴孔７を横切るようにしてノズルボディ４に形成する。放電加工機１７の電極部１８はキャビテーション室１０の形状に対応した円柱状になっている。工程Ｂでは、ノズルボディ４の下端の側方から矢印方向に電極部１８を所定速度で挿入し、その後電極部１８を矢印方向に引き抜くことにより穴１０Ａ′の形成が完了する。

最後に、工程Ｃでは、工程Ｂで形成した穴１０Ａ′の開口部１９をろう付けや溶接等の穴埋め手段にて形成される閉塞部２０にて塞ぎ、これによりキャビテーション室１０Ａの形成が完了する。なお、穴１０Ａ′を塞ぐ手段としては、閉塞部２０の代わりに同一形状の穴埋め部材（不図示）を穴１０Ａ′に圧入することにより実現してもよい。

本形態によれば、図４に示した３つの工程Ａ〜Ｃにより燃料噴射ノズル２Ａが製造されるため、ノズルボディ４を２分割するなどの複雑な工程を回避できる。このため製造時間が短縮し加工精度も容易に担保できる。つまり製造効率が向上する。なお、本形態の製造方法においては、図４に示した工程Ａと工程Ｂとの実施順序を入れ替えて、工程Ｂの後に工程Ａを実施することも可能である。

本形態の製造方法では、放電加工に用いる電極部の形状を変更することにより、格別な制約を伴うことなく種々の形状の噴孔及びキャビテーション室を形成できる。図５〜図１２は噴孔やキャビテーション室の形状が図１の形態と相違する変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｂ〜２Ｅの構成及びそれらの作用を示している。

図５は第１変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｂの断面図であり、図６は第１変形例に係るキャビテーション室１０Ｂの作用を説明する説明図である。このキャビテーション室１０Ｂは四角柱状の空間を持つように形成されている。そのため、図１の形態よりも、噴孔７の上流部１１とキャビテーション室１０Ｂの境界における流路の広がり角θが大きくなるので燃料流れＦの剥離が促進される。これにより、キャビテーション室１０Ｂで生成されるキャビテーション気泡Ｂの数が増加する。

図７は第２変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｃの断面図であり、図８は第２変形例に係るキャビテーション室１０Ｃの作用を説明する説明図である。このキャビテーション室１０Ｃは頂点を下流側に向けた三角柱状の空間を持つように形成されている。そのため、キャビテーション室１０Ｃから下流部１２への接続が第１変形例よりも滑らかになり、流路抵抗が低減される。従って、第１変形例と同等のキャビテーション気泡Ｂの数的増加効果を発揮しつつ流路抵抗を低減することができる。

第１変形例及び第２変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｂ、２Ｃの製造は、図４に示した工程Ｂにおいてキャビテーション室１０Ｂ、１０Ｃの形状に対応した形状を持つ電極部に変更して各形状に対応した穴（不図示）を形成し、残りの工程Ａ及び工程Ｃを行うことにより実現できる。

図９は第３変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｄの断面図であり、図１０は第３変形例に係る噴孔７Ｄ及びキャビテーション室１０Ｄの作用を説明する説明図である。これらの図から明らかなように、この噴孔７Ｄは上流部１１Ｄに比べて下流部１２Ｄの縦幅Ｗ２が広くなっている。そして、キャビテーション室１０Ｄは第１変形例と同様に四角柱状の空間を持つように形成されている。そのため、第３変形例は、図１の形態や第１変形例及び第２変形例のようにキャビテーション室１０Ｄの下流側で流路が上流側と同等に絞られないので、キャビテーション室１０Ｄで生じたキャビテーション気泡Ｂの大きさが上流側の領域ＡＲ１から下流側の領域ＡＲ２に至る過程で大きくなる。つまり、領域ＡＲ１で発生したキャビテーション気泡Ｂは下流部１２Ｄを流れながら成長する。従って、第３変形例は第１変形例と同等のキャビテーション気泡Ｂの数的増加効果を発揮しつつキャビテーション気泡Ｂの成長効果を得ることができる。

図１１は第４変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｅの断面図であり、図１２は第４変形例に係る噴孔７Ｅ及びキャビテーション室１０Ｅの作用を説明する説明図である。これらの図から明らかなように、この噴孔７Ｅは上流部１１Ｅよりも下流部１２Ｅの方が縦幅Ｗ２が広くなっている。そして、キャビテーション室１０Ｅは第２変形例と同様に頂点を下流側に向けた三角柱状の空間を持つように形成されている。この燃料噴射ノズル２Ｅはキャビテーション室１０Ｅの形状を除き第３変形例と共通の構成を有しているので、上流側の領域ＡＲ１から下流側の領域ＡＲ２に至る過程でキャビテーション気泡Ｂの大きさを拡大できる第３変形例と同等の成長効果を発揮しつつ、併せて第２変形例の効果である流路抵抗の低減効果を発揮することができる。

第３変形例及び第４変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｄ、２Ｆの製造は、図４の工程Ａを図１３の工程Ａに置き換えるとともに、図４の工程Ｂを第１変形例及び第２変形例と同様にキャビテーション室１０Ｄ、１０Ｅの形状に対応した形状を持つ電極部に変更し、その上で工程Ｃを実施することにより実現できる。図１３は第３変形例及び第４変形例に係る工程Ａを示した説明図である。なお、この図では第３変形例に係る燃料噴射ノズル２Ｄについての工程Ａを示している。図示するように、工程Ａで使用される放電加工機２１は、噴孔７Ｄを形成するため、台形状でかつ先端の厚さが基端よりも薄い電極部２２を有している。その電極部２２をノズルボディ４の下端側から矢印方向に所定速度で挿入し、その後、電極部２２を矢印方向に引き抜くことにより噴孔７Ｄの形成が完了する。その後、上記工程Ｂ及びＣを経て燃料噴射ノズル２Ｄが形成される。

（第２の形態）
次に、図１４〜図１７を参照して第２の形態を説明する。図１４及び図１５は第２の形態に係る製造方法にて製造された燃料噴射ノズルを示しており、図１４は第２の形態に係る燃料噴射ノズルの正面側の断面図、図１５は図１４に対して切断面の向きを９０°変えた側面側の断面図である。燃料噴射ノズル３１は、ノズルボディ３２を有しており、そのノズルボディ３２には不図示の弁体が着座する弁座３３と、弁座３３に繋がっている燃料溜まり３４と、その燃料溜まり３４に連通する噴孔３５とがそれぞれ形成されている。

噴孔３５は流入口３６と流出口３７との間に位置する屈曲部３８にて屈曲している。屈曲部３８の内側には流路面積を拡大させるキャビテーション室３９が形成されていて、そのキャビテーション室３９は屈曲部３８に連通している。噴孔３５は扁平のスリット状に構成されており、図１４の横幅Ｗ１は流入口３６から流出口３７に向かって徐々に拡大している。また、流入口３６から屈曲部３８までに相当する上流部４１は、その縦幅Ｗ２が屈曲部３８から流出口３７までに相当する下流部４２よりも若干広く形成されている。

図１６は燃料噴射ノズル３１の作用を説明する説明図である。図示するように、噴孔３５内の燃料の主流Ｆａは屈曲部３８の外側を流れつつ屈曲部３８で向きを変える。キャビテーション室３９へ流入した燃料は流路の拡大により剥離を生じ縦渦状の剥離渦Ｆｂを生じ、キャビテーション室３９内を旋回する。それによりキャビテーション室３９内にキャビテーション泡Ｂが発生して、その泡Ｂが主流Ｆａに合流して燃料に混入する。これにより、キャビテーション気泡Ｂが燃料に混入した状態で噴孔３５から噴射されるため噴射燃料の微粒化が促進される。

図１７は燃料噴射ノズル３１の製造方法を概略的に示した説明図である。図１７の右側に示された図は正面側の断面図であり、左側に示された図は側面側の断面図である。燃料噴射ノズル３１は３つの工程Ａ〜Ｂを経て製造される。

まず、工程Ａにおいては、放電加工を行う形彫り式の放電加工機４５を用いて、噴孔３５の上流部４１及びキャビテーション室３９の各形状に対応した穴５０をノズルボディ３２に形成する。放電加工機４５はアーク放電を行う電極部４６を有しており、その電極部４６は穴５０に対応した形状を持っている。工程Ａでは、ノズルボディ３２の下端の側方から矢印方向に電極部４６を所定速度で挿入し、その後電極部４６を矢印方向に引き抜くことにより穴５０の形成が完了する。

次に、工程Ｂでは、放電加工機４７を用いて噴孔３５の下流部４２を穴５０と繋がるようにしてノズルボディ３２に形成する。放電加工機４７に設けられた電極部４８は、その形状が噴孔３５の下流部４２の形状に対応した台形状になっており、その厚さは一定である。工程Ｂでは、ノズルボディ３２のの下端の斜め下方から電極部４８を矢印方向に所定速度で挿入し、その後、電極部４８を矢印方向に引き抜くことにより下流部４２の形成が完了する。

最後に、工程Ｃでは、工程Ａで形成した穴５０の開口部５１をろう付けや溶接等の穴埋め手段にて形成される閉塞部４９にて塞ぎ、上流部４１及びキャビテーション室３９のそれぞれの形成が完了する。なお、穴５０を塞ぐ手段としては、閉塞部４９の代わりに同一形状の穴埋め部材（不図示）を穴５０に圧入することにより実現してもよい。

本形態によれば、図１７に示した３つの工程Ａ〜Ｃにより燃料噴射ノズル３１が製造されるため、ノズルボディ３２を屈曲部３５にて２分割するなどの複雑な工程を回避できる。このため製造時間が短縮し加工精度も容易に担保できる。つまり製造効率が向上する。なお、本形態の製造方法においては、図１７に示した工程Ａと工程Ｂとの実施順序を入れ替えて、工程Ｂの後に工程Ａを実施することも可能である。

図１８は第２の形態の変形例を示した断面図であり、図１９はその作用を説明する説明図である。この変形例に係る燃料噴射ノズル３１′は、その屈曲部３８′が丸みを持つ内壁面５５を有している。その内壁面５５により、主流Ｆａが屈曲部３８′にて曲げられる際の抵抗が緩和されるので、図１４及び図１５の形態と同等の効果を発揮しつつ流路抵抗の低減効果を発揮し得る。

本発明は、上記各形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。第１の形態又は第２の形態でノズルボディに穴１０Ａ′、５０を形成する際には、開口部側の大きさが拡大された段付き状の穴を形成してもよい。図２０は段付き穴を形成する製造方法を、第１の形態に適用した製造方法の説明図である。図２０に示すように、工程Ｂにおいて、段付き穴１０Ａ″の形状に対応した形状の電極部１８′を、ノズルボディ４の下端の側方から矢印方向に挿入し、その後電極部１８′を引き抜くことにより、段付き穴１０Ａ″の形成が完了する。この工程Ｂで段付き穴１０Ａ″を形成しているので、次の工程Ｃにおいて、段付き穴１０Ａ″の開口部１９′を塞ぐ際に、段付き穴１０Ａ″に形成された段差Ｇがろう付け等の穴埋め手段を実施する際の目安となる。そのため、穴埋め手段を実施する際に、空間として必要な部位を埋めてしまったり、埋め込みが浅くなったりすることを防止できる。これにより、適切な大きさの閉塞部２０′を容易に形成することができる。

２Ａ〜２Ｅ燃料噴射ノズル
４ノズルボディ
７噴孔
７Ｄ、７Ｅ噴孔
８流入口
９流出口
１０Ａ〜１０Ｅキャビテーション室
１０Ａ′ 穴
１９開口部
３１燃料噴射ノズル
３２ノズルボディ
３５噴孔
３６流入口
３７流出口
３８屈曲部
３９キャビテーション室
４１上流部
４２下流部
５０穴
５１開口部

Claims

スリット状の噴孔と、前記噴孔に連通するようにして前記噴孔の流入口と流出口との間に配置されて流路面積を拡大させるキャビテーション室とがノズルボディに形成された燃料噴射ノズルの製造方法であって、
前記噴孔を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記キャビテーション室の形状に対応した穴を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記穴の開口部を塞ぐことにより前記キャビテーション室を形成する工程と、を備えることを特徴とする燃料噴射ノズルの製造方法。
流入口と流出口との間に位置する屈曲部にて屈曲したスリット状の噴孔と、前記噴孔の前記屈曲部に連通して流路面積を拡大させるキャビテーション室とがノズルボディに形成された燃料噴射ノズルの製造方法であって、
前記流入口から前記屈曲部までに相当する前記噴孔の上流部及び前記キャビテーション室の各形状に対応した穴を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記屈曲部から前記流出口までに相当する前記噴孔の下流部を放電加工を利用して前記ノズルボディに形成する工程と、前記穴の開口部を塞ぐことにより前記噴孔の上流部及び前記キャビテーション室のそれぞれを形成する工程と、を備えることを特徴とする燃料噴射ノズルの製造方法。