JP2014194200A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいて、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立する。
【解決手段】ノズル１は次のような拡大構造を備える。すなわち、拡大構造とは、ノズルボディ３の断面の内、噴孔１１の軸を含んでノズルボディ３の軸方向に平行な特定断面における２つの孔壁線Ａ、Ｂの形状および配置により規定される噴孔１１の構造である。そして、拡大構造とは、シート位置１０から遠い方の孔壁線Ａがノズルボディ３の軸方向に対して非平行な直線であり、かつ、孔壁線Ａ、Ｂ間の距離が外壁に近いほど大きくなる、というものである。これにより、ノズル１において、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することができる。
【選択図】図２

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または閉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。

ところで、燃料噴射ノズルでは、噴射された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、内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴射する場合に、特に有効であると考えられている。そして、噴霧が空間を貫徹する能力（以下、噴霧貫徹力と呼ぶ。）を高めるには、噴孔長を長くすることが有効であると考えられている。

しかし、燃焼室に燃料を直接噴射する場合、噴孔近傍のノズルボディは高温の雰囲気に曝されるため、煤等による噴孔の詰まり（コーキング）が発生する虞がある。そして、コーキングが発生する虞は噴孔長が長いほど高まるので、コーキングに対する耐性を高めることと、噴霧貫徹力を高めることとは背反する。
そこで、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することができる構造が求められている。

ここで、コーキング耐性の向上策として、以下のような対策が公知となっている。
まず、特許文献１には、燃料噴射弁に高周波発振回路および共振管を追加し、噴孔近傍の空間を高周波で励起することによりコーキングを除去等する方法が開示されている。しかし、共振管によるデッドスペースが発生して燃焼を悪化させる虞があり、さらに、燃料 噴射弁のコストが高くなってしまう。

また、特許文献２には、噴孔を外壁の開口に向かって拡大することで、コーキング耐性を高める構成が開示されている。しかし、噴孔長が短く、噴霧貫徹力は弱いものと考えられる。
なお、噴霧の微粒化促進を目的として、特許文献３、４にも、噴孔を外壁側ほど拡大させる構成が開示されている。しかし、噴霧貫徹力の向上に関してどの程度の効果が得られるか未知数である。

特開２０１２−０４１８７１号公報 特開２００７−３２１５９２号公報 特開２００４−１５０３９８号公報 特開２０１０−２４８９１９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、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することにある。

本願の第１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、および拡大構造を備える。

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するとともに、ノズルボディの外壁に開口し、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。

そして、拡大構造とは、ノズルボディの断面の内、噴孔の軸を含んでノズルボディの軸方向に平行な特定断面において噴孔内とノズルボディの断面とを画する２つの孔壁線（Ａ、Ｂ）の形状および配置により規定される噴孔の構造である。そして、拡大構造とは、シート位置から遠い方の孔壁線（Ａ）がノズルボディの軸方向に対して非平行な直線であり、かつ、孔壁線（Ａ、Ｂ）間の距離が外壁に近いほど大きくなる、というものである。

これにより、孔壁線（Ａ、Ｂ）間の距離を外壁に近いほど大きくすることで、噴孔の長さを短くすることなく、噴孔の内壁寄りの部分を小径にするとともに、外壁に向かって拡径することができる。このため、噴霧の微粒化能力を落とすことなく、かつ、噴霧貫徹力を弱めることなく、コーキング耐性を高めることができる。

また、シート位置から遠い方の孔壁線（Ａ）をノズルボディの軸方向に対して非平行な直線にすることで、噴孔の壁の内、ノズルボディの内周から噴孔に流入した燃料が衝突する側の壁に燃料の流れを沿わせて噴霧貫徹力を高めることができる。
以上により、燃料噴射ノズルにおいて、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することができる。

本願の第１発明に従属する第２発明によれば、拡大構造は、次の２点により形成されている。すなわち、１点目は、噴孔が、内壁に開口する円筒状の内側部、および内側部よりも径大であって外壁に開口する円筒状の外側部を有することであり、２点目は、外側部が、内側部に対しシート位置に近づくように偏心することである。そして、内側部の長さ（Ｌ１）、内側部の径（Ｄ１）、外側部の長さ（Ｌ２）および外側部の径（Ｄ２）の間に、数式：Ｌ１／Ｄ１＜Ｌ２／Ｄ２が成り立つ。
これにより、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することができる噴孔を、より少ないパラメータで規定して設けることができる。

本願の第１発明に従属する第３発明によれば、拡大構造は、噴孔の幅に関し、ノズルボディの周方向に垂直、かつ、噴孔の軸に垂直な方向における幅（ａ）が外壁に近いほど大きくなること、および、ノズルボディの周方向における幅（ｂ）が略一定であって幅（ａ）の最小値以下であることにより形成される。
これにより、噴孔を周方向に拡大することなく拡大構造を形成することができるので、噴霧貫徹力をさらに高めることができる。

燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である（実施例１）。 （ａ）は燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図であり、（ｂ）は噴孔を外側から見た部分側面図である（実施例１）。 （ａ）は燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図であり、（ｂ）は噴孔を外側から見た部分側面図である（実施例２）。 （ａ）は燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図であり、（ｂ）は噴孔を外側から見た部分側面図である（変形例）。 （ａ）は燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図であり、（ｂ）は噴孔を外側から見た部分側面図である（変形例）。 （ａ）は燃料噴射ノズルの要部を示す特定断面における部分断面図であり、（ｂ）は噴孔を外側から見た部分側面図である（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１の構成〕
実施例１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を開弁駆動または閉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分配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を用いて説明する。
ノズル１は、特徴的な構成として次のようなシート位置１０、噴孔１１および拡大構造を備える。

まず、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１３が離着する。
ここで、先端部２ｂの外周面は、例えば、３つの異なる円錐面１４ａ、１４ｂ、１４ｃが先端から軸方向後端側に同軸に連続するものであり、円錐面１４ａ〜１４ｃは、それぞれの母線とニードル２の軸αとの間に形成される角度が先端側ほど大きくなっている。そして、円錐面１４ａ、１４ｂ同士の交線１５ａ、および円錐面１４ｂ、１４ｃ同士の交線１５ｂは軸αに垂直な円であり、交線１５ｂがシート部１３として機能し、シート位置１０は円形である。

また、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１３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１３がシート位置１０から離座することで、シート部１３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から噴孔１１に燃料が導入されてノズルボディ３の外部に噴射される。

ここで、ノズルボディ３の先端近傍の内壁は、以下の円錐面１７、円筒面１８および半球面１９を有し、ノズルボディ３の内周先端を袋状に閉じている。
まず、円錐面１７は、ノズルボディ３の軸βと同軸に設けられ、軸方向先端側ほど小径であって先端が円２０である。そして、円錐面１７に、シート位置１０が設定され、かつ、噴孔１１の内壁における開口１１ａが設けられる（以下、円錐面１７をシート面１７と呼ぶ。）。また、円筒面１８は、軸βと同軸に設けられ、円２０と同径であって円２０から軸方向先端側に連続する。さらに半球面１９は、円筒面１８と同径であり、軸方向先端側に凸を形成するように円筒面１８に連続する。

さらに、拡大構造とは、噴孔１１が外壁に近いほど流路断面積（例えば、噴孔１１の軸に垂直な噴孔１１の断面積）が大きくなる構造である。そして、拡大構造は、ノズルボディ３の断面の内、噴孔１１の軸を含んでノズルボディ３の軸方向に平行な特定断面において噴孔１１内とノズルボディ３の断面とを画する２つの孔壁線Ａ、Ｂの形状および配置により規定される。より具体的に、拡大構造とは、シート位置１０から遠い方の孔壁線Ａがノズルボディ３の軸方向に対して非平行な直線であり、かつ、孔壁線Ａ、Ｂ間の距離が外壁に近いほど大きくなる、というものである。

さらに詳しく説明すると、拡大構造は、次の２点により形成されている。すなわち、１点目は、噴孔１１が、内壁に開口する円筒状の内側部２２、および内側部２２よりも径大であって外壁に開口する円筒状の外側部２３を有することであり、２点目は、外側部２３が、内側部２２に対しシート位置１０に近づくように偏心することである。ここで、孔壁線Ａが１本の直線であることから、外側部２３の内側部２２に対する偏心量ｒは、内側部２２の径Ｄ１および外側部２３の径Ｄ２を用いると下記の数式１により表すことができる。
〔数式１〕ｒ＝（Ｄ２−Ｄ１）／２

さらに、内側部２２の長さＬ１、内側部２２の径Ｄ１、外側部２３の長さＬ２および外側部２３の径Ｄ２を用いると、内側部２２、外側部２３それぞれにおける長さと径との比Ｌ１／Ｄ１、Ｌ２／Ｄ２について、下記の数式２が成り立つ。
〔数式２〕Ｌ１／Ｄ１＜Ｌ２／Ｄ２
つまり、噴孔１１では、Ｌ１／Ｄ１とＬ２／Ｄ２との比（Ｌ２／Ｄ２）／（Ｌ１／Ｄ１）（以下、Ｌ／Ｄ比率と呼ぶことがある。）が１よりも大きくなる。また、径Ｄ１が径Ｄ２よりも小さいことから、長さＬ２は長さＬ１よりも大きくなる。

〔実施例１の効果〕
実施例１のノズル１によれば、拡大構造とは、ノズルボディ３の断面の内、噴孔１１の軸を含んでノズルボディ３の軸方向に平行な特定断面における２つの孔壁線Ａ、Ｂの形状および配置により規定される噴孔１１の構造である。そして、拡大構造とは、シート位置１０から遠い方の孔壁線Ａがノズルボディ３の軸方向に対して非平行な直線であり、かつ、孔壁線Ａ、Ｂ間の距離が外壁に近いほど大きくなる、というものである。

これにより、孔壁線Ａ、Ｂ間の距離を外壁に近いほど大きくすることで、噴孔１１の長さを短くすることなく、噴孔１１の内壁寄りの部分を小径にするとともに、外壁に向かって拡径することができる。このため、噴霧の微粒化能力を落とすことなく、かつ、噴霧貫徹力を弱めることなく、コーキング耐性を高めることができる。

また、シート位置１０から遠い方の孔壁線Ａをノズルボディ３の軸方向に対して非平行な直線にすることで、噴孔１１の壁の内、ノズルボディ３の内周から噴孔１１に流入した燃料が衝突する側の壁に燃料の流れを沿わせて噴霧貫徹力を高めることができる。
以上により、ノズル１において、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することができる。

また、拡大構造は、次の２点により形成されている。すなわち、１点目は、噴孔１１が、内壁に開口する円筒状の内側部２２、および内側部２２よりも径大であって外壁に開口する円筒状の外側部２３からなることであり、２点目は、外側部２３が、内側部２２に対しシート位置１０に近づくように偏心することである。そして、内側部２２の長さＬ１、内側部２２の径Ｄ１、外側部２３の長さＬ２および外側部２３の径Ｄ２の間に、数式２の関係が成り立つ。

これにより、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立することができる噴孔１１を、より少ないパラメータ（つまり、長さＬ１、Ｌ２および径Ｄ１、Ｄ２）で規定して設けることができる。
さらに、コーキング耐性の向上と噴霧貫徹力の向上とを両立する観点で、Ｌ／Ｄ比率は大きいほうが好ましく、特に、Ｌ／Ｄ比率を２．２以上とするのが好ましい。

〔実施例２〕
実施例２のノズル１によれば、拡大構造は、図３に示すように、噴孔１１の幅に関わる次の２点により形成されている。すなわち、１点目は、ノズルボディ３の周方向に垂直、かつ、噴孔１１の軸に垂直な方向における幅ａが外壁に近いほど大きくなることであり、２点目は、ノズルボディ３の周方向における幅ｂが略一定であって幅ａの最小値以下であることにより形成される。

より具体的に、噴孔１１は、内壁、外壁それぞれに矩形状に開口する矩形筒状の内側部２２、外側部２３からなる。また、外側部２３は、幅ａが内側部２２よりも大きく、幅ｂが内側部２２と等しい。さらに、外側部２３の長さＬ２は内側部２２の長さＬ１よりも大きい。また、孔壁線Ａが１本の直線であることから、外側部２３は、内側部２２に対しシート位置１０に近づくように偏心しており、孔壁線Ａを含む噴孔１１の壁面は、内側部２２と外側部２３とに共通する単一の平面をなす。
以上により、噴孔１１を周方向に拡大することなく拡大構造を形成することができるので、噴霧貫徹力をさらに高めることができる。

〔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、シート位置１０および開口１１ａが両方ともシート面１７に設けられていたが、シート位置１０および開口１１ａの態様はこのようなものに限定されず、例えば、図４に示すように、開口１１ａを円筒面１８に設けてもよい。

また、図５に示すように、先端近傍の内壁を、以下の第１、第２円錐面１７ａ、１７ｂおよび平面２５により形成してノズルボディ３の内周先端を袋状に閉じ、例えば、第１円錐面１７ａにシート位置１０を設けるとともに、平面２５に開口１１ａを設けてもよい。なお、第１、第２円錐面１７ａ、１７ｂはノズルボディ３の軸βと同軸であり、第２円錐面１７ｂは、第１円錐面１７ａの軸方向先端側に連続しており、軸βと母線との間に形成される角度が第１円錐面１７ａよりも小さい。また、平面２５は、軸βに垂直である。

さらに、実施例のノズル１によれば、拡大構造は、内側部２２、外側部２３の２段階に拡径することで形成されていたが、拡大構造の態様はこのようなものに限定されず、例えば、図６に示すように、矩形断面を有する噴孔１１の外側部２３において、孔壁線Ａ、Ｂ間の距離が連続的かつ一次関数的に増加するようにして拡大構造を形成してもよい。

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 １３ シート部 Ａ、Ｂ 孔壁線

Claims (3)

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（１３）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）の内壁に開口するとともに、前記ノズルボディ（３）の外壁に開口し、前記シート部（１３）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）の断面の内、前記噴孔（１１）の軸を含んで前記ノズルボディ（３）の軸方向に平行な特定断面において前記噴孔（１１）内と前記ノズルボディ（３）の断面とを画する２つの孔壁線（Ａ、Ｂ）の形状および配置により規定される前記噴孔（１１）の構造であり、前記シート位置（１０）から遠い方の孔壁線（Ａ）が前記ノズルボディ（３）の軸方向に対して非平行な直線であり、かつ、前記孔壁線（Ａ、Ｂ）間の距離が前記外壁に近いほど大きくなる拡大構造とを備える燃料噴射ノズル（１）。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
   前記拡大構造は、
   前記噴孔（１１）が、前記内壁に開口する円筒状の内側部（２２）、およびこの内側部（２２）よりも径大であって前記外壁に開口する円筒状の外側部（２３）を有すること、
   ならびに、前記外側部（２３）が、前記内側部（２２）に対し前記シート位置（１０）に近づくように偏心することにより形成され、
   前記内側部（２２）の長さ（Ｌ１）、前記内側部（２２）の径（Ｄ１）、前記外側部（２３）の長さ（Ｌ２）および前記外側部（２３）の径（Ｄ２）の間に、数式：Ｌ１／Ｄ１＜Ｌ２／Ｄ２が成り立つことを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
3. 請求項１に記載の燃料噴射ノズル（１）において、
   前記拡大構造は、前記噴孔（１１）の幅に関し、
   前記ノズルボディ（３）の周方向に垂直、かつ、前記噴孔（１１）の軸に垂直な方向における幅（ａ）が前記外壁に近いほど大きくなること、
   および、前記ノズルボディ（３）の周方向における幅（ｂ）が略一定であって前記幅（ａ）の最小値以下であることにより形成されることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。

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