JP2014194201A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

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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、噴射圧を高めても流量係数を低下させない。
【解決手段】例えば、第1構造を備えるノズルにおいて、不等式0.083mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。また、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。さらに、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
【選択図】図4

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(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、燃料噴射ノズルでは、エネルギー的に有利な構造を採用するため、流量係数を高める様々な検討がなされている。
しかし、燃料噴射ノズルの流量係数は噴射圧が高くなるほど低下するので、噴射圧が高いほどエネルギー的に不利になる。このため、例えば、ディーゼルエンジンの気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁のように、噴射圧の高圧化要求が高い用途では、噴射圧を高めても流量係数を低下させない構造が求められている。
なお、特許文献1には、噴孔の内壁における開口縁を曲面とすることで噴霧の性状を好適に改善することができる点が記載されている。また、特許文献2には、噴孔の半径rや、内壁における開口からの距離(L)に関し、特定の数式を満たすように噴孔を設けることで摩擦損失を低減することができる点が記載されている。しかし、特許文献1、2の構造を採用することにより、近年の噴射圧の高圧化要求に対し、どの程度の効果が得られるのか全く未知数である。。
特開2010−180763号公報 特開2001−182641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、噴射圧を高めても流量係数を低下させないことにある。
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、次のシート位置、噴孔および第1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ものである。
さらに、第1構造とは、内壁の内、シート位置および噴孔の内壁における開口(11a)が存在する壁部分の形状を規定する構造である。そして、第1構造によれば、壁部分の内、シート位置を含む部分であるシート面は、軸(β)と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である。また、開口(11a)を含む部分である噴孔開口面は、軸(β)と同軸であってシート面の先端の径以下の径を有する円筒面、または、円筒面の軸方向の先端側に連続するとともに、円筒面の径と同じ径を有して軸方向の先端側に凸を形成する半球面である。
そして、本願の第1発明によれば、燃料噴射ノズルは、ノズルボディの断面の内、噴孔の軸(γ)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)の内、シート位置に近い方の孔壁線(A)、および、噴孔開口面の両方に内接する内接円の半径として定義される旋回半径(R)に関し、不等式0.083mm≦R≦0.150mmを満たす。
これにより、第1構造を備えるノズルにおいて噴射圧を220MPaまで高めても、流量係数Cdを0.82以上にすることができる。なお、流量係数Cdは、下記の数式1で定義されるものである。
〔数式1〕q=Cd・A・(2・Pdif/ρ)1/2
ここで、qは、単一の噴孔から噴射される燃料の噴射量であり、Aは、噴孔の出口の断面積であり、Pdifは、噴射圧と燃料が噴射される空間(内燃機関の気筒内)の圧力との差圧であり、ρは、燃料の密度である(q、A、Pdifおよびρの単位はMKS単位系である。)。
すなわち、本発明者らの鋭意検討によれば、第1構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.083mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.083mm以上とすることにより、)、噴射圧が220MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
また、旋回半径(R)の上限である0.150mmは、噴孔の形状を崩すことなく、噴孔を設けることができるか否かの点に基づき定まるものである。
つまり、旋回半径(R)が大きくなるほど噴孔の加工時間が長くなり、旋回半径(R)が大きい噴孔を設ける際に加工時間を短縮すれば噴孔の壁面にうねりやくびれが発生して噴孔の形状が崩れやすくなる。そして、旋回半径(R)を0.150mmよりも大きくして加工時間を短縮すると、噴孔の形状が崩れてしまう。
以上により、第1構造を備えるノズルにおいて、不等式0.083mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第1発明に従属する第2発明よれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第1構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.088mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.088mm以上とすることにより、)、噴射圧が240MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
このため、第1構造を備えるノズルにおいて、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第2発明に従属する第3発明よれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第1構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.100mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.100mm以上とすることにより、)、噴射圧が260MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
このため、第1構造を備えるノズルにおいて、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第4発明によれば、燃料噴射ノズルは、次の第2構造を備える。
ここで、第2構造によれば、壁部分の内、シート位置を含む部分であるシート面は、軸(β)と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であり、開口(11a)もシート面に存在する。
そして、本願の第4発明によれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たす。
すなわち、本発明者らの鋭意検討によれば、第2構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.088mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.088mm以上とすることにより、)、噴射圧が220MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
これにより、第2構造を備えるノズルにおいて、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第4発明に従属する第5発明よれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.093mm≦R≦0.150mmを満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第2構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.093mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.093mm以上とすることにより、)、噴射圧が240MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
このため、第2構造を備えるノズルにおいて、不等式0.093mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第5発明に従属する第6発明よれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.106mm≦R≦0.150mmを満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第2構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.106mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.106mm以上とすることにより、)、噴射圧が260MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
このため、第2構造を備えるノズルにおいて、不等式0.106mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第7発明によれば、燃料噴射ノズルは、次の第3構造を備える。
ここで、第3構造によれば、壁部分の内、シート位置を含む部分であるシート面は、軸(β)と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である。また、開口(11a)を含む部分である噴孔開口面は、軸(β)と母線との間に形成される角度がシート面よりも小さく、かつ、軸(β)と同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径である。
そして、本願の第7発明によれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.089mm≦R≦0.150mmを満たす。
すなわち、本発明者らの鋭意検討によれば、第3構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.089mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.089mm以上とすることにより、)、噴射圧が220MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
これにより、第3構造を備えるノズルにおいて、不等式0.089mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第7発明に従属する第8発明よれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第3構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.100mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.100mm以上とすることにより、)、噴射圧が240MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
このため、第3構造を備えるノズルにおいて、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
本願の第8発明に従属する第9発明よれば、燃料噴射ノズルは、旋回半径(R)に関し、不等式0.110mm≦R≦0.150mmを満たす。
本発明者らの鋭意検討によれば、第3構造を備えるノズルにおいて旋回半径(R)の下限値を0.110mmとすることにより(つまり、旋回半径(R)を0.110mm以上とすることにより、)、噴射圧が260MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
このため、第3構造を備えるノズルにおいて、不等式0.110mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径(R)を設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である(実施例1〜12および比較例1〜9)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例1〜12および比較例1〜9)。 特定断面により旋回半径Rを示す説明図である(実施例1〜12および比較例1〜9)。 旋回半径R、噴射圧および流量係数Cdの相関を示す特性図である(実施例1〜12および比較例1〜9)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例13〜24および比較例10〜18)。 旋回半径R、噴射圧および流量係数Cdの相関を示す特性図である(実施例13〜24および比較例10〜18)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例25〜36および比較例19〜27)。 旋回半径R、噴射圧および流量係数Cdの相関を示す特性図である(実施例25〜36および比較例19〜27)。
以下、発明を実施するための形態を以下の実施例1〜36および比較例1〜27に基づいて説明する。
なお、実施例1〜12および比較例1〜9の燃料噴射ノズル(以下、ノズルと呼ぶことがある。)は、ノズルボディの先端近傍の内壁に関して、後記する第1構造を備えるものであり、実施例1〜12および比較例1〜9をまとめて第1グループと呼ぶことがある。
また、実施例13〜24および比較例10〜18のノズルは、ノズルボディの先端近傍の内壁に関して、後記する第2構造を備えるものであり、実施例13〜24および比較例10〜18をまとめて第2グループと呼ぶことがある。
さらに、実施例25〜36および比較例19〜27のノズルは、ノズルボディの先端近傍の内壁に関して、後記する第3構造を備えるものであり、実施例25〜36および比較例19〜27をまとめて第3グループと呼ぶことがある。
〔第1グループの構成〕
第1グループのノズル1の構成を、図面を用いて説明する。
なお、第1グループにおいて実施例1〜12および比較例1〜9のノズル1は、後記する旋回半径Rおよび噴射圧の点で互いに相違する。
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、シート位置10および噴孔11を備え、さらに、ノズルボディ3の先端近傍の内壁の形状を規定する第1構造を備える。また、ノズル1は、後記する旋回半径Rに関して種々の数値が設定されている。
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。なお、噴孔11の軸γは、ノズルボディ3の軸βに交差する。
また、第1構造とは、ノズルボディ3の先端近傍の内壁の内、シート位置10を含む部分であるシート面と、ノズルボディ3の内壁における噴孔11の開口11aを含む部分である噴孔開口面との関係を規定するものである。より詳しくは、第1構造によれば、シート面および噴孔開口面は、次のように規定される。まず、シート面は、軸βと同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である、というものである。また、噴孔開口面は、軸βと同軸であってシート面の先端の径以下の径を有する円筒面、または、この円筒面の軸方向の先端側に連続するとともに、円筒面の径と同じ径を有して軸方向の先端側に凸を形成する半球面である、というものである。
より具体的に説明すると、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。
円錐面17は、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は、シート位置10を含んでシート面となっている。
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。そして、開口11aは、円筒面18と半球面19とに跨るように設けられ、円筒面18、半球面19は、噴孔開口面となっている。
次に、旋回半径Rについて図3を用いて説明する。
まず、旋回半径Rを説明するため、ノズルボディ3の断面の内、軸βおよび軸γを含む特定断面を想定する。そして、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を考えると、旋回半径Rは、孔壁線A、Bの内、シート位置10に近い方の孔壁線A、および、噴孔開口面である円筒面18の両方に内接する内接円Cの半径として定義される。
そして、旋回半径R、噴射圧をパラメータとして変化させて実施例1〜12および比較例1〜9とし、実施例1〜12および比較例1〜9のそれぞれのノズル1において、数式1により規定される流量係数Cdがいかなる数値となるかを調査した。なお、噴射圧とは、噴孔11から噴射される燃料の圧力であり、燃料溜まり4や燃料通路5、6、または蓄圧容器内において燃料が示す圧力に略一致するものである。
調査結果を下記の表1に示す。なお、噴射圧には220MPa、240MPa、260MPaの3つの数値を用いている。具体的には、実施例1〜4および比較例1〜3が噴射圧を220MPaとしたものであり、実施例5〜8および比較例4〜6が噴射圧を240MPaとしたものであり、実施例9〜12および比較例7〜9が噴射圧を260MPaとしたものである。
〔表1〕
Figure 2014194201
さらに、横軸、縦軸にそれぞれ旋回半径R、流量係数Cdをとるとともに、噴射圧の3つの数値ごとにマークの形状を変えて表1の結果を図4のグラフに図示した。
この結果、旋回半径Rと流量係数Cdとの相関は、噴射圧の数値ごとに異なる曲線を描き、噴射圧が高い曲線ほど図示右側(旋回半径Rの大側)に現れることが判明した。また、それぞれの曲線は、下に凸を示す2次関数(2次の項が正の係数を有する2次関数)により近似できることが判明した。
そこで、3つの噴射圧ごとに旋回半径Rと流量係数Cdとの相関を2次関数として求めた。さらに、これら3つの2次関数それぞれに、流量係数Cdの下限として許容することができる数値0.82を当てはめ、流量係数Cdが0.82になるときの旋回半径Rの数値を噴射圧ごとに求めた。この計算により得られた旋回半径Rの数値は、噴射圧220、240、260MPaそれぞれの相関において0.083mm、0.088mm、0.100mmであった。
この結果、第1構造を備えるノズル1において旋回半径Rの下限を0.083mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.083mm以上とすることにより、)、噴射圧が220MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。また、旋回半径Rの下限を0.088mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.088mm以上とすることにより、)、噴射圧が240MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。さらに、旋回半径Rの下限を0.100mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.100mm以上とすることにより、)、噴射圧が260MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
〔実施例1〜12の効果〕
実施例1〜4のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式R≧0.083mmを満たすとともに噴射圧は220MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例1〜3のノズル1によれば、旋回半径Rは0.083mmよりも小さく、噴射圧は220MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第1構造を備えるノズル1において、不等式R≧0.083mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても、流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
なお、旋回半径Rの上限は、噴孔11の形状を崩すことなく、噴孔11を設けることができるか否かの点に基づき定まるものである。つまり、旋回半径Rが大きくなるほど噴孔11の加工時間が長くなり、旋回半径Rが大きい噴孔11を設ける際に加工時間を短縮すれば噴孔11の壁面にうねりやくびれが発生して噴孔11の形状が崩れやすくなる。そして、この観点から、旋回半径Rの上限は、例えば、0.150mmに設定することができる。
以上により、第1構造を備えるノズル1において、不等式0.083mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
実施例5〜8のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は240MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例4〜6のノズル1によれば、旋回半径Rは0.088mmよりも小さく、噴射圧は240MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第1構造を備えるノズル1において、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
実施例9〜12のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は260MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例7〜9のノズル1によれば、旋回半径Rは0.100mmよりも小さく、噴射圧は260MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第1構造を備えるノズル1において、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
〔第2グループの構成〕
第2グループのノズル1の構成を、図5を用いて説明する。
なお、第2グループにおいて実施例13〜24および比較例10〜18のノズル1は、旋回半径Rおよび噴射圧の点で互いに相違する。
第2グループのノズル1は、ノズルボディ3の先端近傍の内壁の形状を規定する構造として、次の第2構造を備える。
ここで、第2構造とは、第1構造と同様にシート面と噴孔開口面との関係を規定するものであるが、第2構造によれば、図5に示すようにシート面および噴孔開口面は共通の円錐面17であって、共通の円錐面17にシート位置10および開口11aが両方とも存在する。
すなわち、第2構造は、シート面が軸βと同軸の円錐面17として設けられ軸方向先端側ほど小径であり、シート面に開口11aが存在する、というものである。
なお、実施例2のノズル1によれば、ノズルボディ3の先端近傍の内壁には、第1グループ1のノズル1に存在した円筒面18、半球面19に相当する部分が存在せず、内周先端には、研削による逃し22が形成されている。
次に、第2グループの旋回半径Rについて説明する。
第2グループでは、旋回半径R、噴射圧をパラメータとして変化させて実施例13〜24および比較例10〜18とし、実施例13〜24および比較例10〜18のそれぞれのノズル1において流量係数Cdがいかなる数値となるかを調査した。
調査結果を下記の表2に示す。なお、噴射圧には220MPa、240MPa、260MPaの3つの数値を用いている。具体的には、実施例13〜16および比較例10〜12が噴射圧を220MPaとしたものであり、実施例17〜20および比較例13〜15が噴射圧を240MPaとしたものであり、実施例21〜24および比較例16〜18が噴射圧を260MPaとしたものである。
〔表2〕
Figure 2014194201
さらに、横軸、縦軸にそれぞれ旋回半径R、流量係数Cdをとるとともに、噴射圧の3つの数値ごとにマークの形状を変えて表2の結果を図6のグラフに図示した。
この結果、旋回半径Rと流量係数Cdとの相関は、噴射圧の数値ごとに異なる曲線を描き、噴射圧が高い曲線ほど図示右側(旋回半径Rの大側)に現れることが判明した。また、それぞれの曲線は、下に凸を示す2次関数により近似できることが判明した。
そして、第1グループと同様に、3つの噴射圧ごとに旋回半径Rと流量係数Cdとの相関を2次関数として求め、これら3つの2次関数それぞれから、流量係数Cdが0.82になるときの旋回半径Rの数値を噴射圧ごとに求めた。この計算により得られた旋回半径Rの数値は、噴射圧220、240、260MPaそれぞれの相関において0.088mm、0.093mm、0.106mmであった。
この結果、第2構造を備えるノズル1において旋回半径Rの下限を0.088mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.088mm以上とすることにより、)、噴射圧が220MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。また、旋回半径Rの下限を0.093mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.093mm以上とすることにより、)、噴射圧が240MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。さらに、旋回半径Rの下限を0.106mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.106mm以上とすることにより、)、噴射圧が260MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
〔実施例13〜24の効果〕
実施例13〜16のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は220MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例10〜12のノズル1によれば、旋回半径Rは0.088mmよりも小さく、噴射圧は220MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第2構造を備えるノズル1において、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても、流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
実施例17〜20のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.093mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は240MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例13〜15のノズル1によれば、旋回半径Rは0.093mmよりも小さく、噴射圧は240MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第2構造を備えるノズル1において、不等式0.093mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
実施例21〜24のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.106mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は260MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例16〜18のノズル1によれば、旋回半径Rは0.106mmよりも小さく、噴射圧は260MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第2構造を備えるノズル1において、不等式0.106mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
〔第3グループの構成〕
第3グループのノズル1の構成を、図7を用いて説明する。
なお、第3グループにおいて実施例25〜36および比較例19〜27のノズル1は、旋回半径Rおよび噴射圧の点で互いに相違する。
第3グループのノズル1は、ノズルボディ3の先端近傍の内壁の形状を規定する構造として、次の第3構造を備える。
ここで、第3構造とは、第1、第2構造と同様にシート面と噴孔開口面との関係を規定するものであるが、第3構造によれば、シート面および噴孔開口面は異なる2つの円錐面である。より詳しくは、第3構造によれば、シート面および噴孔開口面は、次のように規定される。すなわち、第3構造によれば、シート面は、軸βと同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円である。また、噴孔開口面は、軸βと母線との間に形成される角度がシート面よりも小さく、かつ、軸βと同軸の円錐面として設けられ軸方向先端側ほど小径である。
より具体的に説明すると、図7に示すように、ノズルボディ3の先端近傍の内壁は、以下の第1、第2円錐面17a、17bを有している。
第1、第2円錐面17a、17bは軸βと同軸であり、第1円錐面17aは、軸方向先端側ほど小径であって先端が円20である。また、第2円錐面17bは、円20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。
そして、シート位置10は第1円錐面17aに設けられ、第1円錐面17aがシート面となっている。また、開口11aは第2円錐面17bに設けられ、第2円錐面17bが噴孔開口面となっている。
なお、第3グループのノズル1によれば、ノズルボディ3の先端近傍の内壁には、第1グループのノズル1に存在した円筒面18、半球面19に相当する部分が存在せず、内周先端は、第3円錐面17cにより閉じられている。
次に、第3グループの旋回半径Rについて説明する。
第3グループでは、旋回半径R、噴射圧をパラメータとして変化させて実施例25〜36および比較例19〜27とし、実施例25〜36および比較例19〜27のそれぞれのノズル1において流量係数Cdがいかなる数値となるかを調査した。
調査結果を下記の表3に示す。なお、噴射圧には220MPa、240MPa、260MPaの3つの数値を用いている。具体的には、実施例25〜28および比較例19〜21が噴射圧を220MPaとしたものであり、実施例29〜32および比較例22〜24が噴射圧を240MPaとしたものであり、実施例33〜36および比較例25〜27が噴射圧を260MPaとしたものである。
〔表3〕
Figure 2014194201
さらに、横軸、縦軸にそれぞれ旋回半径R、流量係数Cdをとるとともに、噴射圧の3つの数値ごとにマークの形状を変えて表3の結果を図8のグラフに図示した。
この結果、旋回半径Rと流量係数Cdとの相関は、噴射圧の数値ごとに異なる曲線を描き、噴射圧が高い曲線ほど図示右側(旋回半径Rの大側)に現れることが判明した。また、それぞれの曲線は、下に凸を示す2次関数により近似できることが判明した。
そして、第1、第2グループと同様に、3つの噴射圧ごとに旋回半径Rと流量係数Cdとの相関を2次関数として求め、これら3つの2次関数それぞれから、流量係数Cdが0.82になるときの旋回半径Rの数値を噴射圧ごとに求めた。この計算により得られた旋回半径Rの数値は、噴射圧220、240、260MPaそれぞれの相関において0.089mm、0.100mm、0.110mmであった。
この結果、第3構造を備えるノズル1において旋回半径Rの下限を0.089mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.089mm以上とすることにより、)、噴射圧が220MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。また、旋回半径Rの下限を0.100mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.100mm以上とすることにより、)、噴射圧が240MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。さらに、旋回半径Rの下限を0.110mmとすることにより(つまり、旋回半径Rを0.110mm以上とすることにより、)、噴射圧が260MPa以下の範囲では、流量係数Cdが0.82以上になることを確認することができた。
〔実施例25〜36の効果〕
実施例25〜28のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.089mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は220MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例19〜21のノズル1によれば、旋回半径Rは0.089mmよりも小さく、噴射圧は220MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第3構造を備えるノズル1において、不等式0.089mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を220MPaまで高めても、流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
実施例29〜32のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は240MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例22〜24のノズル1によれば、旋回半径Rは0.100mmよりも小さく、噴射圧は240MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第3構造を備えるノズル1において、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を240MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
実施例33〜36のノズル1によれば、旋回半径Rは不等式0.110mm≦R≦0.150mmを満たすとともに噴射圧は260MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82以上であった。また、比較例25〜27のノズル1によれば、旋回半径Rは0.110mmよりも小さく、噴射圧は260MPaであり、流量係数Cdはいずれも0.82未満であった。
これにより、第3構造を備えるノズル1において、不等式0.110mm≦R≦0.150mmを満たすように旋回半径Rを設定することで、噴射圧を260MPaまで高めても流量係数Cdを0.82以上にすることができる。
〔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、第2構造を備えるノズル1において、サック室の先端を、軸βに垂直な平面に設けてもよい。
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 11a 開口 13 シート部 17 円錐面 18 円筒面 19 半球面 20 円 R 旋回半径 A、B 孔壁線 β、γ 軸

Claims (9)

  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、
    前記内壁の内、前記シート位置(10)および前記噴孔(11)の前記内壁における開口(11a)が存在する壁部分の形状を規定する構造であり、前記壁部分の内、前記シート位置(10)を含む部分であるシート面は、前記ノズルボディ(3)の軸(β)と同軸の円錐面(17)として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円(20)であり、前記開口(11a)を含む部分である噴孔開口面は、前記軸(β)と同軸であって前記シート面の先端の径以下の径を有する円筒面(18)、または、この円筒面(18)の軸方向の先端側に連続するとともに、前記円筒面(18)の径と同じ径を有して軸方向の先端側に凸を形成する半球面(19)である第1構造とを備え、
    前記ノズルボディ(3)の断面の内、前記噴孔(11)の軸(γ)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)の内、前記シート位置(10)に近い方の孔壁線(A)、および、前記噴孔開口面の両方に内接する内接円の半径として定義される旋回半径(R)に関し、不等式0.083mm≦R≦0.150mmを満たす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、
    前記旋回半径(R)に関し、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たす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、
    前記旋回半径(R)に関し、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  4. 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き、自身の軸(γ)が前記ノズルボディ(3)の軸(β)に交差する噴孔(11)と、
    前記内壁の内、前記シート位置(10)および前記噴孔(11)の前記内壁における開口(11a)が存在する壁部分の形状を規定する構造であり、前記壁部分の内、前記シート位置(10)を含む部分であるシート面は、前記ノズルボディ(3)の軸(β)と同軸の円錐面(17)として設けられ軸方向先端側ほど小径であり、前記開口(11a)も前記シート面に存在する第2構造とを備え、
    前記ノズルボディ(3)の断面の内、前記噴孔(11)の軸(γ)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)の内、前記シート位置(10)に近い方の孔壁線(A)、および、前記噴孔開口面の両方に内接する内接円の半径として定義される旋回半径(R)に関し、不等式0.088mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  5. 請求項4に記載の燃料噴射ノズル(1)において、
    前記旋回半径(R)に関し、不等式0.093mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  6. 請求項5に記載の燃料噴射ノズル(1)において、
    前記旋回半径(R)に関し、不等式0.106mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  7. 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き、自身の軸(γ)が前記ノズルボディ(3)の軸(β)に交差する噴孔(11)と、
    前記内壁の内、前記シート位置(10)および前記噴孔(11)の前記内壁における開口(11a)が存在する壁部分の形状を規定する構造であり、前記壁部分の内、前記シート位置(10)を含む部分であるシート面は、前記ノズルボディ(3)の軸(β)と同軸の円錐面(17a)として設けられ軸方向先端側ほど小径であって先端が円(20)であり、前記開口(11a)を含む部分である噴孔開口面は、前記軸(β)と母線との間に形成される角度が前記シート面よりも小さく、かつ、前記軸(β)と同軸の円錐面(17b)として設けられ軸方向先端側ほど小径である第3構造とを備え、
    前記ノズルボディ(3)の断面の内、前記噴孔(11)の軸(γ)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)の内、前記シート位置(10)に近い方の孔壁線(A)、および、前記噴孔開口面の両方に内接する内接円の半径として定義される旋回半径(R)に関し、不等式0.089mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  8. 請求項7に記載の燃料噴射ノズル(1)において、
    前記旋回半径(R)に関し、不等式0.100mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  9. 請求項8に記載の燃料噴射ノズル(1)において、
    前記旋回半径(R)に関し、不等式0.110mm≦R≦0.150mmを満たすことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
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