JP2017507269A - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

本発明の一態様によれば、内燃エンジンの燃焼チャンバ内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルが提供される。このノズルは、加圧燃料用の供給ラインから燃料を受け入れるための穴を有するノズル本体を備える。少なくとも１つの噴射開口が、穴から燃焼チャンバまで燃料を供給するために設けられ、少なくとも１つの噴射開口は、総断面積（Ａtot）を有している。ニードルが、少なくとも１つの噴射開口を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れが阻止される閉位置と、少なくとも１つの噴射開口を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れが可能になる噴射位置と、の間で、穴内を長手方向に変位可能である。穴を通る燃料の流れを制限するために制限部が設けられる。制限部は、少なくとも１つの噴射開口の総断面積（Ａtot）の関数としての寸法を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射ノズルに関し、特に、内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルに関する。

ＥＰ０８４４３８３およびＥＰ２５６８１５７は、内燃エンジン用の高圧燃料インジェクタを開示している。この燃料インジェクタは、穴を形成する噴射ノズルを有している。この穴は、燃料入口と複数の出口との間に高圧燃料のための流路を提供する。燃料は、高圧燃料供給路から受け入れられる。燃料インジェクタは、穴内で摺動可能なニードルを備えている。穴の下端において、ニードル座部が形成されており、ニードルは、この座部と係合可能である。出口は、座部の下流に設けられており、その結果、ニードルが座部に係合されたとき、燃料は噴射されることが阻止される。ニードルが座部から持ち上げられたときに、燃料は、座部を過ぎて、出口を通り、エンジンの関連する燃焼チャンバに入るように流れることができる。

ニードルは、少なくとも１つの下流に向いたスラスト面を備えている。このスラスト面に対して穴内の高圧燃料が作用して、リフト力がニードルに提供される。制御チャンバが噴射ノズル内でニードルの上端のところに設けられており、その結果、ニードルの上端は、制御チャンバ内の燃料圧にさらされる。制御チャンバは、高圧の燃料を供給路から受け入れる。また、制御チャンバは、バルブを介して低圧ドレインに接続可能である。したがって、バルブは、制御チャンバ内の燃料の圧力を制御し、それ故、ニードルの上端に作用する下向きの閉鎖力を決定する。このように、ニードルに作用する正味の液圧力の方向（それ故に、バルブニードルの開移動および閉移動）が制御され得る。

制限部（バルブニードルと穴の一部分との間の径方向の小さなクリアランスの形態である）が、燃料入口と出口との間で穴を通る燃料の流れを制限するために設けられる。制限部は、下流に向いたスラスト面の上流にある。したがって、ニードルが開いて噴射が可能になり、次いで、制御チャンバとドレインとの間の連通が閉じられてニードルの閉状態が開始されるときに、穴内の燃料圧に起因する下流に向いたスラスト面に作用する上向きの力が制御チャンバ内の燃料圧に起因するニードルの上端に作用する下向きの力よりも小さくなることが確実になる。制限部によって生じる差圧によって、実質的に正味の閉鎖液圧力がニードルに作用し、迅速なニードル閉鎖を達成することが可能になる。

少なくともいくつかの実施形態では、本発明は、公知の燃料噴射ノズルに関する欠点を克服するか、少なくとも改善することを目的としている。特に、少なくともいくつかの実施形態では、本発明は、ニードルの閉動作が迅速であり、開フェーズ中のニードル速度が制御される燃料噴射ノズルを提供することを目的としている。

本発明の諸態様は、燃料噴射ノズルに関し、特に、内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルに関する。

本発明のさらなる態様によれば、内燃エンジンの燃焼チャンバ内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルが提供される。この燃料噴射ノズルは、加圧燃料用の供給ラインから燃料を受け入れるための穴を有するノズル本体と；穴から燃焼チャンバまで燃料を供給するための少なくとも１つの噴射開口であって、総断面積Ａtotを有する少なくとも１つの噴射開口と；少なくとも１つの噴射開口を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れが阻止される閉位置と、少なくとも１つの噴射開口を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れが可能になる噴射位置と、の間で穴内を長手方向に変位可能なニードルと、を備えている。

燃料噴射ノズルは、穴を通る燃料の流れを制限するための制限部を備えている。この制限部は、少なくとも１つの噴射開口の総断面積Ａtotの関数としての寸法を有している。総断面積Ａtotとの用語は、少なくとも１つの噴射開口の累積断面積のことである。少なくともいくつかの実施形態では、噴射開口または噴射開口の各々の断面積は、その長さに沿って変わり得ることが理解されよう。本明細書に記載される少なくとも１つの噴射開口の断面積とは、少なくとも１つの噴射開口の出口のところで測定された断面積のことであり、この出口は、少なくとも１つの噴射開口の、燃焼チャンバに開口した端部のところにある。

制限部は、１／Ａtotの関数である水力直径を有していてもよい。ここでＡtotは、少なくとも１つの噴射開口の総断面積である。この関数は、線形関数であってもよい。制限部の水力直径の逆数は、総断面積の線形関数であってもよい。線形関数の傾きは、−ａ／Ｌであってもよい。ここで、ａは定数であり、Ｌは制限部の長手方向長さである。

水力直径と総断面積との関係は、アファイン変換によって定義され得る。アファイン変換は、変換（translation）を含み得る。変換は、制限部の長手方向長さＬの逆数の関数になり得る。変換は、ｂ／Ｌの関数になり得る。ここで、ｂは定数であり、Ｌは制限部の長手方向長さである。制限部の水力直径は、次の式にしたがうことができる。

ここで、Ｄhydは水力直径であり、Ｌは制限部の長手方向長さであり、Ａtotは少なくとも１つの噴射開口の総断面積であり、ａおよびｂは定数である。定数ａは、例えば１１．５〜２２の範囲とすることができる。定数ｂは、例えば２〜４．５の範囲とすることができる。

燃料噴射ノズルは、上流断面を有する上流領域と、下流断面を有する下流領域と、を備えていてもよい。上流断面は、下流断面よりも大きい。制限部は、上流領域に配置されてもよい。変形形態では、制限部は、下流領域に配置されてもよい。

制限部は、ノズル本体とフランジとの間に形成されてもよい。制限部は、フランジによって形成されてもよい。フランジは、ニードルに配置されてもよい。変形形態では、フランジは、ノズル本体に配置されてもよい。

フランジの上面は、少なくとも１つの噴射開口の総断面積Ａtotの２００〜８００倍の、ニードルの長手方向中央軸線に直交する断面積を有していてもよい。フランジの断面積は、少なくとも１つの噴射開口の総断面積Ａtotの４００〜６００倍であってもよい。フランジの断面積は、少なくとも１つの噴射開口の総断面積Ａtotの約５００倍であってもよい。

燃料噴射ノズルは、閉位置に向けてニードルを付勢するためのスプリングを備えていてもよい。ニードルは、スプリングのためのスプリング座部を形成する環状カラーを備えていてもよい。

また、環状カラーは、制限部を形成してもよい。制限部は、環状カラーと穴との間に形成されてもよい。使用時において、環状カラーとノズル本体との間の燃料の流れは制限され得る。

環状カラーは、フランジを備えていてもよい。制限部は、ノズル本体とフランジとの間に形成されてもよい。

代替的または追加的に、環状カラーは、燃料の流れを制限するための制限部を形成するために、１つ以上の孔部を備えていてもよい。例えば、１つ以上の孔部は、フランジを貫通していてもよい。孔部は、それぞれ、フランジを貫通する貫通穴の形態であってもよい。フランジは、ノズル本体内で穴と摺動的に協働して、少なくとも実質的にシール部を形成する。この構成では、環状カラーは、穴内にピストンを形成する。供給ラインから噴射開口に至る燃料の流れは、フランジに形成された１つ以上の孔部を通る。

環状カラーは、ニードルと一体的に形成されてもよい。代替的には、環状カラーは、別体で形成され、ニードルに取り付けられてもよい。例えば、環状カラーは、ニードルに圧入されてもよい。

本発明のさらなる態様によれば、内燃エンジンの燃焼チャンバ内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルが提供される。この燃料噴射ノズルは、加圧燃料用の供給ラインから燃料を受け入れるための穴を有するノズル本体と；穴から燃焼チャンバまで燃料を供給するための少なくとも１つの噴射開口と；少なくとも１つの噴射開口を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れが阻止される閉位置と、少なくとも１つの噴射開口を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れが可能となる噴射位置と、の間で穴内において長手方向に変位可能なニードルと；ニードルを閉位置に向けて付勢するためのスプリングと、を備えている。ニードルは、スプリング座部を形成する環状カラーと、穴を通る燃料の流れを制限するための制限部と、を備えている。制限部は、オプションとして、少なくとも１つの噴射開口の総断面積Ａtotの関数としての寸法を有していてもよい。

制限部は、環状カラーと穴との間に形成されてもよい。環状カラーは、フランジを備えていてもよい。制限部は、ノズル本体とフランジとの間に形成されてもよい。

環状カラーは、ニードルと一体的に形成されてもよい。代替的に、環状カラーは、別体で形成され、ニードルに取り付けられてもよい。環状カラーは、例えば、ニードルに圧入されてもよい。

代替的または追加的に、フランジは、制限部を形成するために、１つ以上の孔部を備えていてもよい。１つ以上の孔部は、フランジを貫通していてもよい。孔部は、それぞれ、フランジを貫通する貫通穴の形態であってもよい。フランジは、ノズル本体内で穴と摺動的に協働してもよい。この構成では、環状カラーは、穴内にピストンを形成する。

本発明のさらなる態様によれば、本明細書で説明されるタイプの燃料噴射ノズルを備える燃料インジェクタが提供される。

本願の範囲内において、上述の段落、特許請求の範囲、および／または、次の説明および図面に説明された様々な態様、実施形態、例および代替形態、特に、その個々の特徴は、独立して、または、任意の組み合わせで実施することができることが明確に考えられる。１つの実施形態に関連して説明される特徴は、そのような特徴が矛盾しなければ、すべての実施形態に適用可能である。

本発明の１つ以上の実施形態について、単に例示目的で、添付図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１実施形態にしたがった燃料噴射ノズルの縦断面を示している。 図１に示される噴射ノズルの下部先端の詳細図を示している。 本発明の一実施形態にしたがった燃料噴射ノズルの横断面を示している。 様々な噴射ノズルについての水力直径Ｄhydと総断面積Ａtotとの関係のグラフ表示を示している。 本発明の第２実施形態にしたがった燃料噴射ノズルの縦断面を示している。

本発明の第１実施形態にしたがった燃料噴射ノズルについて添付図面を参照して説明する。

本発明の一態様にしたがった燃料噴射ノズル１が図１に示されている。図示される噴射ノズル１は、関連する内燃エンジンの燃焼チャンバ（図示せず）内に燃料を供給するように構成される。噴射ノズル１は、圧縮点火エンジン（すなわち、ディーゼルエンジン）における特定の用途を有しているが、本発明は、火花点火エンジン（すなわち、ガソリンエンジン）用の噴射ノズル１において実施されてもよい。

「上」および「下」との用語は、本明細書では、噴射ノズル１の特徴の相対位置を説明するために使用されるものであり、付与される保護の範囲を限定するものではない。噴射ノズル１の「下」端との言及は、燃焼チャンバに近い側に配置された端部（図１の下側に示される）を指している。逆に、噴射ノズル１の「上」端との言及は、燃焼チャンバから遠い側に配置された端部（図１の上側に示される）を指している。さらに、「上流」および「下流」との用語は、本明細書では、通常の使用において噴射ノズル１を通って燃焼チャンバに入る燃料の流れの方向に関して使用される。

噴射ノズル１は、長手方向軸線ＸＸ’に沿って延在している。噴射ノズル１は、ノズル本体３と、加圧燃料用の供給ラインから燃料を受け入れるためにノズル本体３に形成された穴５と、を備えている。噴射ノズル１には、ニードル７が設けられている。ニードル７は、穴５内において長手方向軸線ＸＸ’に沿って変位可能である。穴５は、高圧供給路１１に連通する拡大上部領域９を備えている。この高圧供給路１１を通って高圧の燃料が供給される。ニードル７には、円錐台形態のスラスト面１０が設けられている。スラスト面１０は、穴５内の燃料圧にさらされる。

ニードル座部１３が穴５の下端のところに形成されている。ニードル座部１３は、円錐台形態を有しており、ニードル７の先端１４は、この円錐台形態と係合可能である。ニードル座部１３の下流において、ノズル本体３には、複数の噴射開口１５（図１および図２には、これらのうちの１つのみが示されている）が設けられている。噴射開口１５は、
穴５の最下部先端１９に形成されたサック容積１７に連通している。噴射開口１５によって、穴５内の高圧燃料を関連する内燃エンジンの燃焼チャンバ（図示せず）内に噴射することができる。ニードル７が座部１３に係合されるとき、燃料は、噴射ノズル１から燃焼チャンバ内に噴射されることが阻止される。この場合、ニードル７は、閉位置にあるということができる。ニードル７が座部１３から持ち上がって離れると、ニードル７の先端１４は、座部１３から係合解除され、燃料が噴射開口１５を通って燃焼チャンバ内に噴射される。この状態では、ニードル７は噴射位置にあるということができる。

図１に示されるように、噴射ノズル１は、穴５を通る燃料の流れを制限するための制限部２１を備えている。制限部２１は、ニードル７に設けられたフランジ２３の形態の制限的圧力低減要素を有して形成される。フランジ２３は、ニードル７の円柱状シャフト部分２５に続いている。フランジ２３は、環状であり、ニードル７から径方向外側に延在しており、ニードルの残りの部分の平均断面積よりも大きな断面積を有している。以下でより詳細に説明するように、ニードル７が動作可能に座部１３から持ち上がると、フランジ２３は、高圧供給路１１と噴射開口１５との間で穴５を通る燃料流路に圧力低下を生じさせる。

ニードル７の移動は、制御チャンバ２７内の燃料圧を制御することによって行われる。ニードル７は、上流端２９を有している（図１では、これらのうちの下部部分のみが示されている）。ニードル７を閉位置に向けて押圧するために、スプリング（図示せず）が設けられている。ニードル７の上流端２９は、制御チャンバ２７内に受け入れられ、その結果、ニードル７の端面は、制御チャンバ２７内の燃料圧にさらされる。

制御チャンバ２７内の燃料圧は、当業者によく知られた作動システム（図示せず）によって制御される。例えば、作動システムは、燃料が高圧燃料供給路１１から制御チャンバ２７へ流れるのか、それとも、制御チャンバ２７と低圧ドレインとの間の燃料の流れが阻止されるのか、あるいは、燃料が制御チャンバ２７から低圧ドレインへ流れることができ、高圧燃料供給路１１から制御チャンバ２７への燃料の流れが阻止されるのかを制御する三方弁を備えていてもよい。三方弁の動作は、例えば、ソレノイドまたは圧電アクチュエータによって制御される。変形形態では、作動システムの三方弁は、二方弁に置き換えられてもよい。

ノズル本体３は、２つの別々の部分、すなわち、上流大径部３１と下流小径部３５とを有している。噴射開口１５は、小径部３５の端部に配置されている。より正確には、噴射開口１５は、小径部３５の先端３９のところに配置されている。先端３９は、使用時において、関連するエンジンの燃焼チャンバ（図示せず）内に位置する。

ノズル本体３の穴５は、上流領域４１と下流領域４３とから形成されている。下流領域４３は、内径Ｄeを有している。ニードル７は、穴５の上流領域４１および下流領域４３の両方を通って同軸に延在している。

燃料は、高圧燃料供給路１１から、穴５の上流領域４１の上端のところに設けられた燃料入口４５を通って、穴５に入る。穴５は、燃料入口４５から上流領域４１を通って下流領域４３に入り、噴射開口１５に向かう燃料用の流路を形成する。使用時において、燃料は、上流領域４１および下流領域４３の両方を満たし、上流領域４１および下流領域４３は、ともに燃料のためのアキュムレータ容積を形成する。

フランジ２３は、穴５の下流領域４３においてニードル７に設けられている。フランジ２３は、図３に示すように、環状の形態であり、穴５の下流領域４３の内径Ｄeよりも小さい直径Ｄiを有している。したがって、フランジ２３は、穴５の内面５１の隣接部分５３とともに、燃料入口４５と噴射開口１５との間での燃料流路に沿った燃料の流れを制限するための制限部２１を形成する。制限部２１は、制限部２１と隣接部分５３との間で、フランジ２３の外周面のまわりに形成される。したがって、制限部２１は、環状通路すなわちクリアランスの形態をとる。以下で説明されるように、制限部２１の寸法は、ニードル７が噴射位置にあり、燃料が穴５を通って流れているときに、フランジの前後での圧力低下が生じるように形成される。このようにして、ニードル７が噴射位置にあるとき、フランジ２１の上流の燃料圧と比べて低減された燃料圧がフランジの下流に存在する。

制限部２１の寸法は、次のように定義される。制限部２１は、次式によって定義され得る水力直径Ｄhydを有している。

ここで、Ａは制限部２１の断面積であり、Ｐは制限部２１の断面の浸辺長である。換言すると、浸辺長Ｐは、使用時において燃料と接触する、制限部２１の断面の周長である。

図３に示されるように、制限部２１は、環状の間隙であり、穴５の下流領域４３の内径Ｄeに等しい外径と、フランジの直径Ｄiと等しい内径と、を有している。したがって、水力直径は次式によって定義される。

噴射開口１５は、総断面積Ａtotを有している。噴射開口１５の総断面積Ａtotは、本明細書では、噴射開口１５を通る燃料の流れのために利用可能な総面積として定義される。つまり、複数の噴射開口を有する噴射ノズル１について、総断面積Ａtotは、各々の噴射開口の断面積の合計である。本明細書で説明される噴射開口の断面積とは、噴射開口の出口のところで測定された断面積のことである。噴射開口の出口は、噴射開口の下端のところにあり、燃焼チャンバ内に開口している。本実施形態では、制限部２１は、噴射開口１５の総断面積Ａtotの関数としての寸法を有している。総断面積Ａtotは、所与の噴射ノズル１について固定される。しかしながら、総断面積Ａtotは、様々な噴射ノズル１ごとに異なっていてもよいことが理解されよう。例えば、総断面積Ａtotは、様々な噴射ノズル１ごとに０．０５〜０．１５ｍｍ^２の範囲にあってもよい。

本実施形態では、制限部２１の水力直径Ｄhydは、総断面積Ａtotの逆数の関数である。具体的には、水力直径Ｄhydは、次式によって定義される。

ここで、Ｄhydは水力直径であり、Ｌは制限部２１の長手方向長さである。Ａtotは噴射開口１５の総断面積であり、ａ，ｂは定数である。本実施形態では、ａは１１．５〜２２の範囲にあり、ｂは２〜４．５の範囲にある。ａ，ｂ，Ａtotについての上述の範囲の値を有する上記の式によってカバーされる対応する領域が図４に示されている。より正確には、図４は、０．０５〜０．１５ｍｍ^２の範囲の様々な総断面積Ａtotをそれぞれ有するいくつかのタイプのインジェクタについて、総断面積Ａtotの関数としてのＬ／Ｄhydの値を示している。総断面積Ａtotの各々の値についてのＬ／Ｄhydの様々な値、および、定数ａ，ｂの各々の値についての様々な値は、図４に表された斜線部分によって表されている。

したがって、フランジ２３は、アキュムレータ容積を２つの分離した圧力制御容積（以下で穴容積と称される）に分割する。上部穴容積５５は、穴５の頂部端とフランジ２３との間に形成され、下部穴容積５７は、フランジ２３と座部１３との間に形成される。ニードル７が噴射位置にあるとき、上部穴容積５５の燃料圧は、制限部２１によって、下部穴容積５７の燃料圧よりも大きくなる。

本発明の本実施形態によれば、フランジ２３は、ニードル７とは別の噴射ノズル１の構成要素である。フランジは、ニードル７のシャフト部分に圧入されるように構成されており、その結果、フランジ２３は、ニードル７に対して移動できない。したがって、フランジは、ニードル７が穴５内を摺動するときにニードル７とともに移動する。ニードル７とは別にフランジを製造する１つの利点は、ニードル７の製造に必要な棒状部材の大きさを低減することができ、それによって、製造コストおよび製造中の廃棄材料を低減できることである。しかしながら、本発明の代替実施形態では、フランジはニードルと一体的な構造であってもよいことが理解されよう。

フランジの上面は、噴射開口１５の総断面積Ａtotよりも２００〜８００倍大きい（好ましくは、約５００倍大きい）、長手方向軸線ＸＸ’に垂直な断面積を有するように構成される。この面積比を提供することは、閉鎖中にニードル７が、フランジ２３の近傍の燃料とおよそ同じ速度で移動することを意味している。

本発明の一実施形態にしたがった噴射ノズル１の動作について図１〜３を参照して説明する。

ニードル７が閉位置にあると、ニードル７の先端１４は、燃焼チャンバにおいて噴射開口１５の燃料流出の流れを阻止するために、座部１３と係合する。この位置では、高圧燃料が、穴５の上流領域４１および下流領域４３を満たす。燃料の流れが阻止されているので、フランジ２３のいずれかの側の上部穴容積５５および下部穴容積５７内の圧力は同じになる。この段階では、制御チャンバ２７とドレインとの間の連通は閉じられており、その結果、制御チャンバ２７内の燃料圧は高い。

その結果、制御ピストン２９に作用する制御チャンバ２７内の燃料圧と、スプリングによって提供される下向きの力と、に起因してニードル７に作用する組み合わされた下向きの力すなわち閉鎖力は、ニードル７のスラスト面１０に作用する燃料の圧力に起因してニードル７に作用する上向きの力すなわち開放力よりも大きくなる。これによって、正味の下向きの力すなわち閉鎖力がニードル７にもたらされ、ニードル７は、閉位置に留まる。上部穴容積５５および下部穴容積５７内の燃料圧が同じであるので、それぞれの容積内の燃料圧に起因してフランジ２３に作用する上向きの力および下向きの力は互いに平衡する。

ニードル７を開けるために、三方弁が操作されて、制御チャンバ２７と低圧ドレインとの間の接続が開かれ、それによって、制御チャンバ２７内の圧力が低下する。制御チャンバ２７の圧力が低下すると、結果として生じるニードル７の上流端２９に作用する下向きの力が減少し、最終的には、下部穴容積５７内の燃料圧に起因してニードル７のスラスト面１０に与えられる上向きの力が、スプリングに起因する下向きの力と組み合わされた、制御チャンバ２７内の燃料圧に起因してニードル７に作用する下向きの力よりも大きくなる点に到達する。この点では、正味の上向きの力すなわち開放力がニードル７に作用し、ニードル７は、座部１３から離れて噴射位置に向けて上方に変位される。

ニードル７が座部１３から持ち上がると、燃料は、開口１５から流出して、燃焼チャンバ内に流入し始める。高圧燃料供給路１１は、燃料を穴５に供給し続けるが、下部穴容積５７における穴５の下端での圧力は、燃料が燃焼チャンバ内に噴射されることに起因して低下する。これは、ニードル７が持ち上がる初期速度を低速化する助けとなる。それは、燃料によってスラスト面１０に与えられる上向きの圧力が低下するからである。

さらに、燃料がフランジ２３を超えて（したがって、制限部２１を通って）下部穴容積５７内へ流れるので、下部穴容積５７の燃料圧は、上部穴容積５５の燃料圧と比べて低下する。結果として、フランジ２３の各側に作用する燃料圧は、もはや平衡しておらず、その代わりに、フランジ２３は、ニードル７に下向きの力を加える。それによって、フランジ２３の上面領域は、上流に向いたスラスト面を形成する。このスラスト面は、上部穴容積５５の燃料圧にさらされて、ニードル７に作用する下向きの力成分を生成する。

その結果、燃料が穴５を通って流れると、この燃料は、フランジ２３の上流に向いたスラスト面に対して圧力を加える。このため、ニードル７が座部１３から離れて上向きに移動する速度を低下させる助けとなる。さらに、燃料を通るフランジ２３の移動によって抗力効果が生じる。抗力効果によってもニードル７の速度が弱まる。したがって、フランジ２３は、ニードル７の移動とは反対方向の燃料の流れに対してニードル７の開放移動を緩衝させる効果を有している。フランジ２３を介してニードル７に作用する下向きの力成分は、スラスト面を介して作用する上向きの力成分に打ち克つには十分ではなく、このため、正味の上向きの力はニードル７を開けるように作用し続けることに留意されたい。

ニードル７は、最終的には、最大リフト位置に到達し、燃料は、高圧燃料路から穴５を通り、開口１５を通って燃焼チャンバ内まで流れ続ける。

所望の量の燃料が燃料チャンバに供給されると、バルブが操作されて、ドレインへの接続が閉じられ、高圧燃料が制御チャンバ２７へ流れることができるようになる。制御チャンバ２７内の圧力は増加し、この結果、ニードル７の上流端２９を介してニードル７に作用する下向きの力すなわち閉鎖力は大きくなる。最終的には、ニードル７に作用する組み合わせられた下向きの力は、ニードル７に作用する上向きの力を超え、ニードル７に作用する正味の下向きの力が生じ、この力によってニードル７が閉位置に移動される。

上述からも分かるように、制限部はフランジ２３の前後間の圧力低下をもたらすので、上部穴容積５５には、フランジ２３の下流の下部穴容積５７に存在する圧力よりも高圧が存在する。上流に向いたスラスト面に作用する燃料の圧力によってフランジ２３を介してニードル７に加えられる結果として生じる下向きの力は、閉鎖力の追加的な成分を提供し、この成分はニードル７の閉鎖速度を増大させる。

この閉動作は、ニードル７が座部１３と係合すると終了となり、それによって、さらなる開動作が実行されるまで開口１５から燃料が流出することが阻止される。

ニードル７の移動に関する制限部２１の効果はヒステリシスを表すことが理解されよう。噴射ノズル１の開動作中において、フランジ２３は、ニードル７の移動を緩衝させ、小さな噴射容積の良好な制御を可能にしている。ニードル７が閉じられている間、フランジは、ニードル７の閉鎖速度を高め、これによって、噴射の迅速な停止が可能になる。

ニードル７の中央軸線に平行な方向に沿ったフランジ２３の長手方向長さＬすなわち厚みは、フランジ２３の直径Ｄiと比べて相対的に小さい。薄いフランジ２３は、フランジ２３の質量（したがって、ニードル７の移動質量）を低減するために好ましい。

他の実施形態では、点または場所が限定された制限部が、ノズル本体の内面と、フランジの縁部と、の間に形成されてもよい。例えば、フランジは、鋭利なまたは先が尖った外側縁部を形成するように形状付けられてもよい。

図５は、本発明の第２実施形態にしたがった燃料噴射ノズル１０１の縦断面を示している。同様の構成要素には同様の符号が使用されるが、明確化のために１００だけ増やした値にしている。

噴射ノズル１０１は、ノズル本体１０３と、加圧燃料用の供給ラインから燃料を受け入れるためにノズル本体１０３に形成された穴１０５と、を備えている。噴射ノズル１０１には、長手方向軸線ＸＸ’に沿って移動可能なニードル１０７が設けられている。高圧供給路１１１は、複数の噴射開口１１５を介した噴射のために、高圧燃料を穴１０５に供給する。ニードル座部１１３は、ニードル１０７の先端１３９と協働して噴射開口１１５を閉じるために、穴１０５の下端のところに形成されている。ニードル１０７が座部１１３と係合すると、燃料は、噴射ノズル１０１から噴射されることが阻止される。ニードル１０７が座部１１３から持ち上がると、噴射開口１１５が開き、燃料が噴射される。

噴射ノズル１０１は、ニードル１０７を制御するための制御チャンバ（図示せず）を備えている。ニードル１０７を閉位置に向けて付勢するために、スプリング１５９が設けられている。スプリング１５９は、ニードル１０７のまわりに配置されたコイルスプリングである。環状カラー１６１がニードル１０７に固定的に取り付けられている。環状カラー１６１は、スプリング１５９の下端を支持するために、スプリング座部１６２を形成する。穴１０５を通る燃料の流れを制限するために、環状フランジ１２３が環状カラー１６１によって形成されている。フランジ１２３の直径Ｄiは、穴１０５の内径Ｄeと実質的に等しい。フランジ１２３は、穴１０５の側壁と摺動的に係合し、少なくとも実質的にシール部を形成する。複数の孔部１６３がフランジ１２３に形成されている。本実施形態における孔部１６３は、フランジ１２３を通って噴射ノズル１０１の長手方向軸線ＸＸ’と実質的に平行に延在する複数の穴の形態である。孔部１６３は、環状カラー１３１を超えた流体連通を確立するように動作可能である。

使用時において、ニードル１０７が座部１１３から作動的に持ち上がると、フランジ１２３の下方に圧力低下が生じる。孔部１６３は、本明細書で説明される第１の実施形態における制限部１２１によって形成されるのと同等の水力断面積を集合的に形成する。フランジ１２３の孔部１６３は、有効水力断面積が噴射開口１１５の総断面積Ａtotの関数になるように構成されてもよい。総断面積Ａtotに対する水力断面積の関係は、本明細書で定義される本発明の第１の実施形態にしたがった総断面積Ａtotに対する水力直径Ｄhydに関する関係と同等であってもよい。

環状カラー１６１は噴射ノズル１０１内において緩衝ピストンを形成することが理解されよう。環状カラー１６１を超える燃料の流れを制限することによって、孔部１６３は、ニードル１０７のリフト（上昇）速度を低下させることができる。ニードル１０７の開動作の速度は、環状カラー１６１が燃料を通って穴１０５内を移動する際の液圧緩衝、および、環状カラー１６１の前後での圧力低下によって低減され得る。圧力低下は、ニードル先端１３９に向かう方向に正味の力を生じさせる、環状カラー１６１よりも下方での減圧に起因して生じる。環状カラー１６１は、スプリング１５９のためにスプリング座部１６３を形成する機能と、穴１０５内の燃料の流れを制御するために孔部１６３を形成する機能と、の２つの機能を提供することが理解されよう。

噴射ノズル１０１の第２実施形態の変形形態では、制限部１２１は、穴１０５とフランジ１２３との間に形成された環状の間隙である。制限部１２１は、穴１０５の内径Ｄeと等しい外径と、フランジ１２３の直径Ｄiに等しい内径と、を有している。噴射開口１１５は、総断面積Ａtotを有している。制限部１２１は、噴射開口１１５の総断面積Ａtotの関数としての寸法を有している。制限部１２１の水力直径Ｄhydは、総断面積Ａtotの逆数の関数である。水力直径Ｄhydと総断面積Ａtotとの関係は、第１実施形態について本明細書で定義された関係と変わらない。この構成では、環状カラー１６１は、スプリング１５９のためにスプリング座部１６３を形成する機能と、穴１０５内の燃料の流れを制御するための制限部１２１を形成する機能と、の２つの機能を提供する。

本明細書で説明される噴射ノズル１；１０１の第１および第２の実施形態に対して様々な変更および修正がなされ得る理解されよう。例えば、他の任意の適切な制限部が設けられ、少なくとも部分的にフランジまたは他の任意の適切な制限要素によって形成されてもよい。

変形形態では、噴射ノズルは、凹部を有するフランジ２３を備えていてもよい。この凹部は、穴と一緒になって制限部を形成するその外面に、平坦部を備えている。フランジとニードルとにアンバランスな負荷が作用することを避けるために、複数の平坦部が設けられてもよい。この変形形態では、フランジの環状縁部は、ニードルが穴内を自由に移動することができるように、穴の内面に摺動的に接触する。この場合、燃料は、平坦部と穴との間で流れることができるだけであり、フランジの周囲全体のまわりを流れることはできない。多数の制限部を設けるために、フランジの角度付けられて離間された複数の場所に多数の平坦部が設けられてもよい。この平坦部は、多数の制限部によって提供される総断面積がフランジの前後での所望の総圧力低下を提供するように構成されてもよい。平坦部に代えて、または、加えて、他の任意の形状の凹部または構造（例えば、１つ以上のチャネルまたは溝）が使用されてもよい。

他の変形形態では、制限部は、フランジの上面からフランジの下面まで延在する１つ以上の穴の形態のフランジのオリフィスによって提供されてもよい。この構成では、フランジの外周は、ニードルが穴内で摺動的に移動することができるように、穴の内面との摺動嵌めを提供するように構成されてもよい。この場合、燃料は制限部を通って流れることができるだけであり、フランジの外面のまわりを流れることはできない。多数のオリフィスが設けられて、フランジを通る複数の制限部が形成されてもよい。これらのオリフィスは、所望の機能を達成するのに適した任意の形状または形態で提供され得る。

他の構成では、複数の凹部がノズル本体に設けられてもよい。この凹部は、フランジの外面とともに、フランジを超える燃料流路の制限部を形成する。再述するが、フランジの外面は、ノズル本体の内面との摺動嵌めを提供するように構成されており、ニードルは穴領域内において摺動移動することができる。このため、燃料は、制限部を通って流れることができるだけであり、フランジの外面の残りの部分を超えて流れることはできない。他の実施形態では、フランジの外面のまわりに環状流路が設けられてもよい。任意の適切な数の凹部が設けられてもよいことが理解されよう。凹部は、ノズル本体を加工して凹部を形成することによって、または、ノズル本体を形成するための鋳造工程に凹部形状を組み入れることによって製造されてもよい。

制限要素の前後での圧力低下を提供するための他の任意の適切な手段が利用されてもよく、それは、異なるタイプの制限部の組み合わせであってもよい。再述するが、制限部は、制限部によって提供される総断面積が所望の総圧力低下を提供するように構成される。多数の制限部が噴射ノズルを通る燃料流路内に直列に配置されてもよい。フランジは、その外周面のまわりに周方向に形成された２つ以上の溝を有していてもよい。２つの溝が、フランジのまわりを周方向に延在する複数の突出環状部を形成してもよい。

本願の範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更および修正がなされ得ることが理解されよう。

１，１０１…燃料噴射ノズル
３，１０３…ノズル本体
５，１０５…穴
７，１０７…ニードル
９…拡大上部領域
１０…スラスト面
１１，１１１…高圧燃料供給路
１３，１１３…ニードル座部
１４…先端
１５，１１５…噴射開口
１７…サック容積
１９…最下部先端
２１，１２１…制限部
２３…フランジ
２５…円柱状シャフト部分
２７…制御チャンバ
２９…上流端
３１…上流大径部
３５…下流小径部
３９，１３９…先端
４１…上流領域
４３…下流領域
４５…燃料入口
５１…内面
５３…隣接部分
５５…上部穴容積
５７…下部穴容積
１２３…環状フランジ
１３１…環状カラー
１５９…スプリング
１６１…環状カラー
１６２…スプリング座部
１６３…孔部

Claims (15)

1. 内燃エンジンの燃焼チャンバ内に燃料を噴射するための燃料噴射ノズルであって、
   加圧燃料用の供給ラインから燃料を受け入れるための穴を有するノズル本体と、
   前記穴から前記燃焼チャンバまで燃料を供給するための少なくとも１つの噴射開口であって、総断面積（Ａtot）を有する少なくとも１つの噴射開口と、
   前記少なくとも１つの噴射開口を通って前記燃焼チャンバに入る燃料の流れが阻止される閉位置と、前記少なくとも１つの噴射開口を通って前記燃焼チャンバに入る燃料の流れが可能になる噴射位置と、の間で、前記穴内を長手方向に変位可能なニードルと
   を備え、
   前記燃料噴射ノズルは、前記穴を通る燃料の流れを制限するための制限部を備え、
   前記制限部は、前記少なくとも１つの噴射開口の前記総断面積（Ａtot）の関数としての寸法を有している
   燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルであって、
   前記制限部は、１／Ａtotの関数である水力直径（Ｄhyd）を有し、
   Ａtotは、前記少なくとも１つの噴射開口の前記総断面積である
   燃料噴射ノズル。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズルであって、
   前記水力直径（Ｄhyd）は次式にしたがい、
   

   

   Ｄhydは水力直径であり、Ｌは前記制限部の長手方向長さであり、Ａtotは前記少なくとも１つの噴射開口の前記総断面積であり、ａ，ｂは定数である
   燃料噴射ノズル。
4. 請求項３に記載の燃料噴射ノズルであって、
   前記定数ａは、１１．５以上、２２以下の範囲にあり、
   前記定数ｂは、２以上、４．５以下の範囲にある
   燃料噴射ノズル。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルであって、
   上流断面を有する上流領域と、下流断面を有する下流領域と、を備え、
   前記上流断面は、前記下流断面よりも大きく、
   前記制限部は、前記上流領域に配置される
   燃料噴射ノズル。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルであって、
   上流断面を有する上流領域と、下流断面を有する下流領域と、を備え、
   前記上流断面は、前記下流断面よりも大きく、
   前記制限部は、前記下流領域に配置される
   燃料噴射ノズル。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルであって、
   前記制限部は、前記穴内に配置されたフランジによって形成され、その結果、前記制限部が前記ノズル本体と前記フランジとの間に形成される
   燃料噴射ノズル。
8. 請求項７に記載の燃料噴射ノズルであって、
   前記フランジは、前記ニードルに配置される
   燃料噴射ノズル。
9. 請求項７に記載の燃料噴射ノズルであって、
   前記フランジは、前記ノズル本体に配置される
   燃料噴射ノズル。
10. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルであって、
    前記燃料噴射ノズルは、前記ニードルを前記閉位置に向けて付勢するためのスプリングを備え、
    前記ニードルは、スプリング座部を形成するとともに前記制限部を画定する環状カラーを備える
    燃料噴射ノズル。
11. 請求項１０に記載の燃料噴射ノズルであって、
    前記環状カラーは、フランジを備え、
    前記制限部は、前記ノズル本体と前記フランジとの間に形成される
    燃料噴射ノズル。
12. 請求項１０に記載の燃料噴射ノズルであって、
    前記環状カラーは、前記制限部を形成するための１つ以上の孔部を備える
    燃料噴射ノズル。
13. 請求項１２に記載の燃料噴射ノズルであって、
    前記環状カラーは、フランジを備え、
    前記１つ以上の孔部は前記フランジを貫通する
    燃料噴射ノズル。
14. 請求項１０ないし請求項１３のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルであって、
    前記環状カラーは、前記ニードルと一体的に形成されるか、あるいは、前記ニードルに取り付けられている
    燃料噴射ノズル。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルを備える燃料インジェクタ。

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