JP2015101982A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】噴射圧を高めても、噴霧貫徹力の低下を抑制することができる燃料噴射ノズル１の構造を提供する。【解決手段】燃料噴射ノズル１によれば、他端側領域εの体積Ｖεより一端側領域ζの体積Ｖζの方が大きくなり、墳孔に向かう燃料流れに対して、一端側領域ζが他端側領域εに対して絞りとならない。このため、シート位置１０の一端側における燃料の流速の増加を抑制することができるので、噴射圧を高めてもシート位置１０の一端側における圧力損失が増加を抑制することができる。この結果、噴射圧を高めても噴霧貫徹力の低下を抑制することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射ノズルに関する。

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、燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、この燃料噴射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一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一端側の内壁には、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、燃料噴射ノズルにおいては、図６に示すように、シート位置１１０の他端側におけるニードル１０２とノズルボディ１０３との隙間に比べて、シート位置１１０の一端側におけるニードル１０２とノズルボディ１０３との隙間が狭くなっている（例えば、特許文献１参照。）。このため、墳孔に向かう燃料流れに対してシート位置１１０の一端側が絞りとなり燃料の流速が増加し、圧力損失が増大しやすい。

近年、ディーゼルエンジンに搭載され直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいては、噴霧微粒化のため噴射圧の高圧化が進んでいる。しかし、噴射圧が高圧になるほど燃料噴射ノズル内での燃料の流速が増え、従来の構造ではシート位置の一端側における圧力損失の増大が無視できなくなるものと考えられている。このため、噴射圧が高圧になるほど噴霧貫徹力が低下する虞がある。

特開２００３−１６１２３０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、噴射圧を高めても、噴霧貫徹力の低下を抑制することができる燃料噴射ノズルの構造を提供することにある。

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、この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納されるニードルとを備える。
ここで、ノズルボディは、軸方向一端に向かうにつれ縮径するテーパ内周面を有し、ニードルは軸方向一端に向かうにつれ縮径するテーパ外周面を有する。
そして、テーパ外周面のシート部が、テーパ内周面のシート位置に離着座することで、シート位置の軸方向一端側で前記ノズルボディの内壁に開口する墳孔から燃料の噴射を開始したり停止したりする。ここで、テーパ外周面は、シート部の一端側の一端面とシート部の他端側の他端面とを有する。

そして、ノズルボディの軸を中心としてシート位置から径方向に所定の距離Ｌだけ離間して外周側に配された第１仮想円筒面と、軸を中心としてシート位置から径方向に距離Ｌだけ離間して内周側に配された第２仮想円筒面を設定したとき、シート部がシート位置に着座した場合において、第１仮想円筒面と他端面とテーパ内周面によって囲まれる部分（以下、他端側領域と呼ぶことがある。）の体積が、第２仮想円筒面と一端面と前記テーパ内周面によって囲まれる部分（以下、一端側領域と呼ぶことがある。）の体積以下である。

これにより、他端側領域の体積より一端側領域の体積の方が大きくなるため墳孔に向かう燃料流れに対して、一端側領域が他端側領域に対して絞りとならない。
このため、シート位置の一端側における燃料の流速の増加を抑制することができるので、噴射圧を高めてもシート位置の一端側における圧力損失の増加を抑制することができる。この結果、噴射圧を高めても噴霧貫徹力の低下を抑制することができる。

本願の第２発明によれば、燃料噴射ノズルは、シート部がシート位置に着座した場合において、シート位置から径方向に０．０１ｍｍだけ内周側に離間した位置でのテーパ外周面とテーパ内周面の軸方向の離間距離が、シート位置から径方向に０．０１ｍｍだけ外周側に離間した位置でのテーパ外周面とテーパ内周面の軸方向の離間距離以上である。
ところで、圧力損失の増大を抑制するためには、シート位置の一端側においてシート位置から離れた領域ではなく、できるだけシート位置に近い領域で燃料の流速を低下させ、速やかに圧力損失の増加抑制を図ることが好ましい。

そこで、シート位置から径方向に０．０１ｍｍだけ内周側に離間した位置でのテーパ外周面とテーパ内周面の軸方向の離間距離が、シート位置から径方向に０．０１ｍｍだけ外周側に離間した位置でのテーパ外周面とテーパ内周面の軸方向の離間距離以上であるという構成を採用する。
このため、シート位置の一端側においてできるだけシート位置に近い領域で燃料の流速を低下させ、速やかに圧力損失の増加抑制を図ることができる。
なお、シート位置から径方向の内周側および外周側に０．０１ｍｍ離間した位置におけるテーパ外周面とテーパ内周面の軸方向の離間距離を比較しているが、この０．０１ｍｍの値は現状行われているシート位置近傍の隙間計測手段の一つである。

燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である（実施例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である（実施例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す断面図である（実施例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す断面図である（変形例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す断面図である（変形例）。 燃料噴射ノズルの要部を示す断面図である（従来例）。

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。

〔実施例の構成〕
実施例の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１と呼ぶ。）の構成を、図１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の軸方向他端側の領域は、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の軸方向一端側の領域は、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、次のようなシート位置１０および噴孔１１備える。

まず、シート位置１０は、ノズルボディ３の一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、軸方向一端に向かうにつれ縮径するテーパ外周面１４を構成する３つの異なる円錐面１４ａ、１４ｂ、１４ｃが一端から軸方向他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一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。
よって、円錐面１４ａおよび円錐面１４ｂはテーパ外周面１４のシート部１３の一端側の面（以下、一端面１７と呼ぶ。）となっており、円錐面１４ｃはテーパ外周面１４のシート部１３の他端側の面（以下、他端面１８と呼ぶ。）となっている。

また、噴孔１１は、シート位置１０よりも軸方向の一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の外部に噴射が開始される。
そして、シート部１３がシート位置１０に着座することにより、燃料が遮断され、墳孔１１からの燃料の噴射が停止する。

なお、噴孔１１は、軸αと同軸であるノズルボディ３の軸βの周囲に等角度間隔で放射状に複数本設けられている。また、噴孔１１は、ノズルボディ３を直線的に貫通し、外周側ほど軸方向一端側に傾斜している。

ここで、ノズルボディ３の先端近傍の内壁は、以下のテーパ内周面２０、円筒面２１および半球面２２を有し、ノズルボディ３の内周一端を袋状に閉じている。
まず、テーパ内周面２０は、軸βと同軸に設けられ、軸方向一端に向かうにつれ縮径する円錐面であって先端が円２３であり、シート位置１０はテーパ内周面２０に設定される。

また、円筒面２１は、軸βと同軸に設けられ、円２３と同径であって円２３から軸方向一端側に連続する。さらに半球面２２は、円筒面２１と同径であり、軸方向一端側に凸を形成するように円筒面２１に連続する。そして、噴孔１１の内壁における開口１１ａは、半球面２２に設けられている。そして、円筒面２１と半球面２２が凹部２４を形成する。すなわち、凹部２４は、テーパ内周面２０の内周側かつ一端側に軸方向一端側に窪んでいる部分であり、凹部２４とテーパ内周面２０が交差して円２３を形成している。

ここで、テーパ外周面１４とテーパ内周面２０との特徴的な配置を、図３を用いて説明する。
図３（ａ）において示すように、軸βを中心としてシート位置１０から径方向に所定の距離Ｌだけ離間して外周側に配された第１仮想円筒面γを設定する。同様に、軸βを中心としてシート位置から径方向に距離Ｌだけ離間して内周側に配された第２仮想円筒面δを設定する。

そして、シート部１３がシート位置１０に着座した場合において、第１仮想円筒面γと他端面１８とテーパ内周面２０によって囲まれる部分ε（以下、他端側領域εと呼ぶ。）の体積をＶε、第２仮想円筒面δと一端面１７とテーパ内周面２０によって囲まれる部分ζ（以下、一端側領域ζと呼ぶ。）の体積をＶζとした場合、
Ｖε≦Ｖζ
の関係を満たしている。

また、図３（ｂ）において示すように、シート部１３がシート位置１０に着座した場合において、シート位置１０から径方向に０．０１ｍｍだけ内周側に離間した位置でのテーパ外周面１４とテーパ内周面２０の軸方向の離間距離が、前記シート位置から径方向に０．０１ｍｍだけ外周側に離間した位置でのテーパ外周面１４とテーパ内周面２０の軸方向の離間距離以上となっている。
この場合、シート位置１０の一端側における軸を含む断面におけるテーパ外周面１４の断面縁とテーパ内周面２０の断面縁のなす角度をθｄ、他端側におけるテーパ外周面１４の断面縁とテーパ内周面２０の断面縁のなす角度をθｕとした場合、
θｄ≧θｕ
の関係を満たしている。

ここで、ノズルボディ３は、テーパ内周面２０の内周側かつ一端側に軸方向一端側に窪む凹部２４を有しており、凹部２４とテーパ内周面２０が交差して形成される円２３の外周側に第２仮想円筒面δが存在している。

〔実施例の効果〕
実施例のノズル１によれば、一端側領域ζの体積Ｖζが他端側領域εの体積Ｖε以上となっている。
これにより、他端側領域εの体積Ｖεより一端側領域ζの体積Ｖζの方が大きくなるため墳孔１１に向かう燃料流れに対して、一端側領域ζが他端側領域εに対して絞りとならない。
このため、シート位置１０の一端側における燃料の流速の増加を抑制することができるので、噴射圧を高めてもシート位置１０の一端側における圧力損失が増加を抑制することができる。この結果、噴射圧を高めても噴霧貫徹力の低下を抑制することができる。

また、ノズル１は、シート位置１０ごく近傍でのシート位置１０の一端側におけるテーパ外周面１４とテーパ内周面２０の軸方向の隙間が、シート位置１０ごく近傍でのシート位置１０の他端側におけるテーパ外周面１４とテーパ内周面２０の軸方向の隙間より大きくなっている。
このため、シート位置１０の一端側においてできるだけシート位置１０に近い領域で燃料の流速を低下させ、速やかに圧力損失の増加抑制を図ることができる。

また、ノズル１は、凹部２４の外周側に第２仮想円筒面δが存在している。
これにより、一端側領域ζにおいて十分に圧力損失の増加を抑制された燃料が、空間容量を増加させる凹部２４に到達し、更に燃料の流速を低下させ、更に圧力損失の増加が抑制される。

［変形例］
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形例を考えることができる。
例えば、実施例によれば、ニードル２のテーパ外周面１４は３つの円錐面から構成され、ノズルボディ３のテーパ内周面２０は円錐面から構成されていたが、テーパ外周面１４およびテーパ内周面２０の形状はこのような態様に限定されない。例えば、図４（ａ）に示すように、軸βを含む断面におけるテーパ内周面２０の断面縁が内周側に緩やかに突出するような形状を呈するノズルボディ３としてもよい。
また、図４（ｂ）に示すように軸αを含む断面におけるテーパ外周面１４の断面縁が外周側に緩やかに突出するような形状を呈するニードル２としてもよい。更に、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）のノズルボディ３と図４（ｂ）のニードル２を組み合わせた構成としてもよい。

また、例えば、図５（ａ）に示すように、軸βを含む断面におけるテーパ内周面２０の断面縁が外周側に緩やかに突出するような形状を呈するノズルボディ３と、図４（ｂ）において示したニードル２とを組み合わせた構成としてもよい。この場合、軸βを含む断面におけるテーパ内周面２０の断面縁の曲率は、軸αを含む断面におけるテーパ外周面１４の曲率より小さくなっている。

また、図５（ｂ）に示すように、ニードル２の一端を半球面としてもよい。更に、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）のニードル２と図４（ａ）のノズルボディ３を組み合わせた構成としてもよい。
また、実施例においては、凹部２４は、円筒面２１および半球面２２から構成されていたがこの態様にこだわるものではない。例えば、凹部２４を円錐面としてもよい。この場合、この円錐面の母線と軸βとの間に形成される角度がテーパ内周面２０の母線と軸βとの間に形成される角度より大きくなっている。

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 １７ 一端面 １８ 他端面 β 軸 γ 第１仮想円筒面
δ 第２仮想円筒面 ε 他端側領域（囲まれる部分）
ζ 一端側領域（囲まれる部分） Ｖε 体積 Ｖζ 体積

Claims (3)

1. 軸方向一端に向かうにつれ縮径するテーパ内周面（２０）を有する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納され、軸方向一端に向かうにつれ縮径するテーパ外周面（１４）を有するニードル（２）とを備え、
   前記テーパ外周面（１４）のシート部（１３）が、前記テーパ内周面（２０）のシート位置（１０）に離着座することで、前記シート位置（１０）の軸方向一端側で前記ノズルボディ（３）の内壁に開口する墳孔（１１）から燃料の噴射を開始したり停止したりする燃料噴射ノズル（１）において、
   前記テーパ外周面（１４）は、前記シート部（１３）の一端側の一端面（１７）と前記シート部（１３）の他端側の他端面（１８）とを有し、
   前記ノズルボディ（３）の軸（β）を中心として前記シート位置（１０）から径方向に所定の距離Ｌだけ離間して外周側に配された第１仮想円筒面（γ）と、前記軸（β）を中心として前記シート位置（１０）から径方向に前記距離Ｌだけ離間して内周側に配された第２仮想円筒面（δ）を設定したとき、
   前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）に着座した場合において、前記第１仮想円筒面（γ）と前記他端面（１８）と前記テーパ内周面（２０）によって囲まれる部分（ε）の体積（Ｖε）が、前記第２仮想円筒面（δ）と前記一端面（１７）と前記テーパ内周面（２０）によって囲まれる部分（ζ）の体積（Ｖζ）以下であることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
2. 請求項１に記載した燃料噴射ノズル（１）において、
   前記シート部（１３）が前記シート位置（１０）に着座した場合において、前記シート位置（１０）から径方向に０．０１ｍｍだけ内周側に離間した位置での前記テーパ外周面（１４）と前記テーパ内周面（２０）の軸方向の離間距離が、前記シート位置（１０）から径方向に０．０１ｍｍだけ外周側に離間した位置での前記テーパ外周面（１４）と前記テーパ内周面（２０）の軸方向の離間距離以上であることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載した燃料噴射ノズル（１）において、
   前記ノズルボディ（３）は、前記テーパ内周面（２０）の内周側かつ一端側に軸方向一端側に窪む凹部（２４）を有し、
   前記凹部（２４）と前記テーパ内周面（２０）が交差して形成される円（２３）の外周側に前記第２仮想円筒面（δ）が存在することを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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