JP2015101982A - 燃料噴射ノズル - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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)。 - 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)。 - 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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---|---|---|---|---|
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