JP2819702B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ディーゼル機関に燃料を噴射する燃料噴射
装置に用いられる燃料噴射弁に関するものである。
装置に用いられる燃料噴射弁に関するものである。
〔従来の技術〕 ディーゼル機関の燃料噴射装置では、排ガス、パティ
キュレート規制対策として、高噴射圧、可変噴射時期お
よび可変噴射率制御が要求されており、燃料噴射弁に対
しては、閉弁時における噴射弁のシート部と機関の燃焼
室に開口する噴孔までの容積（サックボリューム）を低
減する必要がある。その一つとして、第13図に示すよう
なサックレスノズル１が提案されている。
キュレート規制対策として、高噴射圧、可変噴射時期お
よび可変噴射率制御が要求されており、燃料噴射弁に対
しては、閉弁時における噴射弁のシート部と機関の燃焼
室に開口する噴孔までの容積（サックボリューム）を低
減する必要がある。その一つとして、第13図に示すよう
なサックレスノズル１が提案されている。
このサックレスノズル１は、先端内部に円錐面21、凹
部22および噴孔23、24を有するバルブボデー２と、円柱
軸31、第１の傾斜面32および第２の傾斜面33を有するニ
ードル弁３とから構成されている。
部22および噴孔23、24を有するバルブボデー２と、円柱
軸31、第１の傾斜面32および第２の傾斜面33を有するニ
ードル弁３とから構成されている。
しかし、この構成では、ニードル弁３のリフト量が小
さい場合には、バルブボデー２とニードル弁３との間に
はほとんど隙間がなく、圧送された燃料はこの小さい隙
間を大きな速度で加工用逃し穴である凹部22に向いて流
れ込み、噴孔23、24にはほとんど流れ込まず、流れ込む
僅かな燃料は噴孔下側に偏って偏流し、縮流係数も非常
に小さい値となる。これにより噴霧は噴孔23、24の出口
で非対称となり、しかも噴霧角が拡がり到達距離が不足
し、燃焼の悪化をもたらす。
さい場合には、バルブボデー２とニードル弁３との間に
はほとんど隙間がなく、圧送された燃料はこの小さい隙
間を大きな速度で加工用逃し穴である凹部22に向いて流
れ込み、噴孔23、24にはほとんど流れ込まず、流れ込む
僅かな燃料は噴孔下側に偏って偏流し、縮流係数も非常
に小さい値となる。これにより噴霧は噴孔23、24の出口
で非対称となり、しかも噴霧角が拡がり到達距離が不足
し、燃焼の悪化をもたらす。
さらに、サックレスの問題を解決するため、ニードル
弁の先端に環状のニードルサックを形成するという提案
（SAE860416）もあるが、この対策では流れが急変し、
また噴孔に対するニードル弁のリフト−面積特性の変化
があり、リフト量の大きいノズルには適用できないとい
う問題がある。
弁の先端に環状のニードルサックを形成するという提案
（SAE860416）もあるが、この対策では流れが急変し、
また噴孔に対するニードル弁のリフト−面積特性の変化
があり、リフト量の大きいノズルには適用できないとい
う問題がある。
そこで、本発明では、サックボリュームが少なく、か
つ噴霧特性の優れた燃料噴射弁を提供することを目的と
する。
つ噴霧特性の優れた燃料噴射弁を提供することを目的と
する。
上記目的を達成するため、本発明では、 先端内部に所定の角度をなして形成された円錐面と、
この円錐面の内部から外部に連通して形成された噴孔と
を有するバルブボデーと、 円柱軸体と、この円柱軸体の先端に形成され、前記円
錐面より小さい角度をなし、下端面が前記円錐面と離着
する接線をなす第１の傾斜面と、この第１の傾斜面の先
端に形成され、前記円錐面とほぼ等しい角度をなす第２
の傾斜面と、この第２の傾斜面の先端に形成され、前記
円錐面より大きい角度をなす第３の傾斜面とを有し、前
記バルブボデー内に移動可能に配されたニードル弁とを
備え、 前記バルブボデー内に燃料が圧送されることで前記ニ
ードル弁が開弁し、前記噴孔から燃料が噴射される燃料
噴射弁であって、 前記ニードル弁の第３の傾斜面と前記バルブボデーの
円錐面とのなす角が７〜15°の範囲に設定されているこ
とを特徴としている。
この円錐面の内部から外部に連通して形成された噴孔と
を有するバルブボデーと、 円柱軸体と、この円柱軸体の先端に形成され、前記円
錐面より小さい角度をなし、下端面が前記円錐面と離着
する接線をなす第１の傾斜面と、この第１の傾斜面の先
端に形成され、前記円錐面とほぼ等しい角度をなす第２
の傾斜面と、この第２の傾斜面の先端に形成され、前記
円錐面より大きい角度をなす第３の傾斜面とを有し、前
記バルブボデー内に移動可能に配されたニードル弁とを
備え、 前記バルブボデー内に燃料が圧送されることで前記ニ
ードル弁が開弁し、前記噴孔から燃料が噴射される燃料
噴射弁であって、 前記ニードル弁の第３の傾斜面と前記バルブボデーの
円錐面とのなす角が７〜15°の範囲に設定されているこ
とを特徴としている。
以下図面に基づき本発明の実施例を説明する。第１図
において、本実施例の燃料噴射弁１は、ノズルボデー２
と、ニードル弁３とから構成され、ニードル弁３はノズ
ルボデー２内に移動可能に挿入され、径方向に図示しな
いガイド部で保持されている。
において、本実施例の燃料噴射弁１は、ノズルボデー２
と、ニードル弁３とから構成され、ニードル弁３はノズ
ルボデー２内に移動可能に挿入され、径方向に図示しな
いガイド部で保持されている。
ノズルボデー２は、図示しない内燃機関の燃焼室に向
けて装着され、ノズルボデー２の先端内部には、円柱孔
21と、円錐面22と、加工逃し用の凹み23と、円錐面22の
内部と外部とを連通する噴孔24、25とが形成されてお
り、噴孔24と噴孔25の長さが等しい長さｌとなるように
座ぐり26、27が形成されている。また、噴孔24が中心軸
Ｘとなす角β1は、噴孔25が中心軸Ｘとなす角β2より小
さく設定されている。
けて装着され、ノズルボデー２の先端内部には、円柱孔
21と、円錐面22と、加工逃し用の凹み23と、円錐面22の
内部と外部とを連通する噴孔24、25とが形成されてお
り、噴孔24と噴孔25の長さが等しい長さｌとなるように
座ぐり26、27が形成されている。また、噴孔24が中心軸
Ｘとなす角β1は、噴孔25が中心軸Ｘとなす角β2より小
さく設定されている。
ニードル弁３は、円柱軸31と、バルブボデー２の円錐
面22の角度α2より小さい角度をなす第１の傾斜面32
と、円錐面22と当接する環状の接線30を境として円錐面
22より僅かに大きい角度をなす第２の傾斜面33と、円錐
面22の角度α2より大きい角度α1をなす第３の傾斜面34
とが連続的に形成されることにより構成され、バルブボ
デー２の円柱孔21内へ図示しない燃料噴射ポンプから高
圧燃料が供給されることでニードル弁３は開弁方向（図
中上方）へ押圧され、また図示しない弾性部材により閉
弁方向（図中下方）へ押圧され、そのつり合いによりニ
ードル弁３は往復駆動される。
面22の角度α2より小さい角度をなす第１の傾斜面32
と、円錐面22と当接する環状の接線30を境として円錐面
22より僅かに大きい角度をなす第２の傾斜面33と、円錐
面22の角度α2より大きい角度α1をなす第３の傾斜面34
とが連続的に形成されることにより構成され、バルブボ
デー２の円柱孔21内へ図示しない燃料噴射ポンプから高
圧燃料が供給されることでニードル弁３は開弁方向（図
中上方）へ押圧され、また図示しない弾性部材により閉
弁方向（図中下方）へ押圧され、そのつり合いによりニ
ードル弁３は往復駆動される。
ニードル弁３の円柱軸31および第１の傾斜面32には、
複数の傾斜溝35が形成されており、この複数の傾斜溝35
によって円柱孔21内に供給された燃料はニードル弁３の
周囲を旋回しながら流れる。
複数の傾斜溝35が形成されており、この複数の傾斜溝35
によって円柱孔21内に供給された燃料はニードル弁３の
周囲を旋回しながら流れる。
次に、本実施例の作動について説明する。
ニードル弁３のリフト量が小さい時には、第２図に示
すようにバルブボデー１の円錐面22とニードル弁３の接
線30との距離HDが小さく、円錐面22と接線30とによって
形成される流路面積が小さいため、燃料流量は少なく、
流速は速い。このため、傾斜溝35による旋回流の円周速
度成分が強く影響して、噴孔24、25には中心軸Ｘに対し
て傾いた速度を持った燃料が流入する。そして、噴孔2
4、25の入口部は流路面積が増大しているので流速が低
下し、燃料は第３図に示すように旋回しながら流れる。
すようにバルブボデー１の円錐面22とニードル弁３の接
線30との距離HDが小さく、円錐面22と接線30とによって
形成される流路面積が小さいため、燃料流量は少なく、
流速は速い。このため、傾斜溝35による旋回流の円周速
度成分が強く影響して、噴孔24、25には中心軸Ｘに対し
て傾いた速度を持った燃料が流入する。そして、噴孔2
4、25の入口部は流路面積が増大しているので流速が低
下し、燃料は第３図に示すように旋回しながら流れる。
その後、ニードル弁１のリフト量が大きくなると、第
４図に示すように、ニードル弁１の円錐面22と接線30と
の距離HDが大きく、円錐面22と接線とによって形成され
る流路面積が大きくなり、燃料流量は増加し、流速は遅
くなり、中心軸Ｘに沿う流れが中心となる。さらに、燃
料は噴孔24、25の入口部で流速が低下し、逆に圧力が高
まる。これにより、噴孔24、25には第５図に示すように
入口の全周から均一に燃料が流入する。
４図に示すように、ニードル弁１の円錐面22と接線30と
の距離HDが大きく、円錐面22と接線とによって形成され
る流路面積が大きくなり、燃料流量は増加し、流速は遅
くなり、中心軸Ｘに沿う流れが中心となる。さらに、燃
料は噴孔24、25の入口部で流速が低下し、逆に圧力が高
まる。これにより、噴孔24、25には第５図に示すように
入口の全周から均一に燃料が流入する。
次に、第６図および第７図を用いて、この噴射特性の
基本原理を説明する。第６図および第７図は、ニードル
弁３のリフト量の増加によってニードル弁３とバルブボ
デー２との距離が大きくなる、つまりニードル弁３と噴
孔24との距離が大きくなるにつれて噴射特性がどのよう
に変化するかを模式的に示すもので、第６図はリフト量
が小さい場合、第７図はリフト量が大きい場合を各々示
している。
基本原理を説明する。第６図および第７図は、ニードル
弁３のリフト量の増加によってニードル弁３とバルブボ
デー２との距離が大きくなる、つまりニードル弁３と噴
孔24との距離が大きくなるにつれて噴射特性がどのよう
に変化するかを模式的に示すもので、第６図はリフト量
が小さい場合、第７図はリフト量が大きい場合を各々示
している。
第６図に示すように、ニードル弁３のリフト量が小さ
い場合は、ニードル弁３とバルブボデー２との間隙は狭
く、圧送された燃料はニードル弁３とバルブボデー２間
を大きな流速で流れ、噴孔24で大きな縮流損失が発生
し、噴孔24内における最小縮流面積A0はかなり小さくな
る。このことは、縮小係数がかなり小さくなることを示
す。そして、一度縮流した燃料は、圧縮性があるため、
噴孔24の半径方向に急激に拡大して噴霧角α3で噴射さ
れる。従って、噴孔24の長さｌを、拡大した燃料が衝突
しないような適当な長さに設定すれば、燃料は噴霧角α
Sで図示しない燃焼室へ噴射される。
い場合は、ニードル弁３とバルブボデー２との間隙は狭
く、圧送された燃料はニードル弁３とバルブボデー２間
を大きな流速で流れ、噴孔24で大きな縮流損失が発生
し、噴孔24内における最小縮流面積A0はかなり小さくな
る。このことは、縮小係数がかなり小さくなることを示
す。そして、一度縮流した燃料は、圧縮性があるため、
噴孔24の半径方向に急激に拡大して噴霧角α3で噴射さ
れる。従って、噴孔24の長さｌを、拡大した燃料が衝突
しないような適当な長さに設定すれば、燃料は噴霧角α
Sで図示しない燃焼室へ噴射される。
そして、第７図に示すように、ニードル弁３のリフト
量が大きくなると、ニードル弁３とバルブボデー２との
間隙は大きくなり、ニードル弁３とバルブボデー２との
間を流れる燃料の流速は低下し、噴孔24の入口でも縮流
はほとんど発生せず、たとえ発生したとしても、すぐに
整流されてしまい、噴孔に沿う流れが主となり、噴霧角
αSは小さな値になる。
量が大きくなると、ニードル弁３とバルブボデー２との
間隙は大きくなり、ニードル弁３とバルブボデー２との
間を流れる燃料の流速は低下し、噴孔24の入口でも縮流
はほとんど発生せず、たとえ発生したとしても、すぐに
整流されてしまい、噴孔に沿う流れが主となり、噴霧角
αSは小さな値になる。
従って、ニードル弁２のリフト量が小さい時は噴霧角
αSが大きくなって空気との混合が活発に行われ、燃料
の着火性が高められるとともに、ニードル弁２のリフト
量が大きい時は噴霧角αSが小さくなって到達距離が大
きくなり、噴霧の運動エネルギーによって空気との混合
が促進される。
αSが大きくなって空気との混合が活発に行われ、燃料
の着火性が高められるとともに、ニードル弁２のリフト
量が大きい時は噴霧角αSが小さくなって到達距離が大
きくなり、噴霧の運動エネルギーによって空気との混合
が促進される。
第８図は、ニードル弁２のリフト量HD（ニードル弁２
と噴孔24との距離）と噴霧角αSとの関係を実験により
確認したもので、◎、○、△、×は噴射圧が100MPa、80
MPa、60MPa、40MPaの場合を各々示し、実線は噴射圧が1
00MPaの場合の計算値、破線は噴射圧が40MPaの場合の計
算値を示している。第８図から明らかなように、リフト
量が大きくなるにつれて噴霧角は小さくなる。
と噴孔24との距離）と噴霧角αSとの関係を実験により
確認したもので、◎、○、△、×は噴射圧が100MPa、80
MPa、60MPa、40MPaの場合を各々示し、実線は噴射圧が1
00MPaの場合の計算値、破線は噴射圧が40MPaの場合の計
算値を示している。第８図から明らかなように、リフト
量が大きくなるにつれて噴霧角は小さくなる。
また、燃料噴射弁１の機関への適合は噴孔24の径ｄ
と、噴孔24の長さｌとによって行われる。第９図は、噴
孔24の長さｌに対する孔径ｄの割合d/lと噴霧角αSとの
関係を示し、第９図の場合と同様に、◎、○、△、×は
噴射圧が100MPa、80MPa、60MPa、40MPaの場合の実験
値、実線は噴射圧が100MPaの場合の計算値、破線は噴射
圧が40MPaの場合の計算値を各々示している。従って、
噴孔の長さｌに対する孔径ｄの割合d/lを調整すること
で噴霧角αS、すなわち到達距離を調整することができ
る。
と、噴孔24の長さｌとによって行われる。第９図は、噴
孔24の長さｌに対する孔径ｄの割合d/lと噴霧角αSとの
関係を示し、第９図の場合と同様に、◎、○、△、×は
噴射圧が100MPa、80MPa、60MPa、40MPaの場合の実験
値、実線は噴射圧が100MPaの場合の計算値、破線は噴射
圧が40MPaの場合の計算値を各々示している。従って、
噴孔の長さｌに対する孔径ｄの割合d/lを調整すること
で噴霧角αS、すなわち到達距離を調整することができ
る。
さらに、第３の傾斜面34と、円錐面22とのなす角δ2
は、接線30と円錐面22との間隙から流入する燃料の拡大
損失をもっとも少なくし、かつ噴孔入口に適当な距離を
保てるように、δ2＝７〜15°の範囲に設定されてい
る。第10図は、拡大角θeと拡大損失係数ζeとの関係を
示すもので、θe＝０〜15°の範囲で拡大損失係数ζeが
小さいことが示されている。
は、接線30と円錐面22との間隙から流入する燃料の拡大
損失をもっとも少なくし、かつ噴孔入口に適当な距離を
保てるように、δ2＝７〜15°の範囲に設定されてい
る。第10図は、拡大角θeと拡大損失係数ζeとの関係を
示すもので、θe＝０〜15°の範囲で拡大損失係数ζeが
小さいことが示されている。
また、本実施例では、曲り損失を均一とするため、噴
孔24、25の開孔の位置を角度β1、β2に応じてずらして
ある。つまり、βが小さいほど、燃料の曲り角θ が小さくなり、曲り損失は小さくなる。第11図は曲り角
θと、曲り損失係数ζθとの関係を示すもので、曲り角
θが小さいほど曲り損失係数ζθが小さいことが示され
ている。また、曲り損失は流速の２乗に比例するので、
曲り損失の大きい噴孔25（角度β2）は、曲り損失の小
さい噴孔24（角度β1）より、下部に開孔することで、
流入する燃料の流速を低くしている。その結果、噴孔2
4、25における曲り損失の値がほぼ一定となるよう調整
される。
孔24、25の開孔の位置を角度β1、β2に応じてずらして
ある。つまり、βが小さいほど、燃料の曲り角θ が小さくなり、曲り損失は小さくなる。第11図は曲り角
θと、曲り損失係数ζθとの関係を示すもので、曲り角
θが小さいほど曲り損失係数ζθが小さいことが示され
ている。また、曲り損失は流速の２乗に比例するので、
曲り損失の大きい噴孔25（角度β2）は、曲り損失の小
さい噴孔24（角度β1）より、下部に開孔することで、
流入する燃料の流速を低くしている。その結果、噴孔2
4、25における曲り損失の値がほぼ一定となるよう調整
される。
第12図は他の実施例を示すもので、斜め溝35を第２の
傾斜面33および第３の傾斜面34に形成するようにしたも
のである。
傾斜面33および第３の傾斜面34に形成するようにしたも
のである。
以上説明したように、本発明によれば、ニードル弁の
リフト量が小さい場合には、円錐面と接線とのなす流路
面積が小さいため、流入する燃料の流速は速く、噴孔か
ら噴射される噴霧角は大きく、空気との混合が活発にな
り、着火性が高められ、またニードル弁のリフト量が大
きい場合には、円錐面と接線のなす流路面積が大きくな
り、燃料の流速は低下し、噴孔から噴射される噴霧角は
小さくなり、到達距離が増大し、噴霧の運動エネルギー
によって空気との混合が促進される。さらにまた、噴孔
に至るまでのニードル弁外周の傾斜面とバルブボデー内
周面との間の角度を適正な大きさに設定したことによ
り、ニードル弁とノズルボデーとの間の下流方向への流
路の拡大に伴う燃料圧力損失を小さく抑えることがで
き、高噴射率化が可能となる。
リフト量が小さい場合には、円錐面と接線とのなす流路
面積が小さいため、流入する燃料の流速は速く、噴孔か
ら噴射される噴霧角は大きく、空気との混合が活発にな
り、着火性が高められ、またニードル弁のリフト量が大
きい場合には、円錐面と接線のなす流路面積が大きくな
り、燃料の流速は低下し、噴孔から噴射される噴霧角は
小さくなり、到達距離が増大し、噴霧の運動エネルギー
によって空気との混合が促進される。さらにまた、噴孔
に至るまでのニードル弁外周の傾斜面とバルブボデー内
周面との間の角度を適正な大きさに設定したことによ
り、ニードル弁とノズルボデーとの間の下流方向への流
路の拡大に伴う燃料圧力損失を小さく抑えることがで
き、高噴射率化が可能となる。
第１図〜第11図は本発明の実施例に関するもので、第１
図は本実施例の特徴部分を示す図、第２図〜第５図は本
実施例の作動を説明するためのもので、第２図および第
３図はニードル弁３のリフト量が小さい時の作動状態を
示し、第４図および第５図はニードル弁のリフト量が大
きい時の作動状態を示し、第６図および第７図は本実施
例の基本原理を説明するための図、第８図はニードル弁
３のリフト量HDと噴霧角αSとの関係を示す図、第９図
は噴孔24の径ｄに対する長さｌの割合と噴霧角αSとの
関係を示す図、第10図は拡大角θeと拡大損失係数ζeと
の関係を示す図、第11図は曲り角θと曲り損失係数ζθ
との関係を示す図、第12図は本発明の他の実施例を示す
図、第13図は本発明の従来技術を示す図である。 １…燃料噴射弁,2…バルブボデー,22…円錐面,24,25…
噴孔,3…ニードル弁,30…接線,31…円柱軸体,32…第１
の傾斜面,33…第２の傾斜面,34…第３の傾斜面。
図は本実施例の特徴部分を示す図、第２図〜第５図は本
実施例の作動を説明するためのもので、第２図および第
３図はニードル弁３のリフト量が小さい時の作動状態を
示し、第４図および第５図はニードル弁のリフト量が大
きい時の作動状態を示し、第６図および第７図は本実施
例の基本原理を説明するための図、第８図はニードル弁
３のリフト量HDと噴霧角αSとの関係を示す図、第９図
は噴孔24の径ｄに対する長さｌの割合と噴霧角αSとの
関係を示す図、第10図は拡大角θeと拡大損失係数ζeと
の関係を示す図、第11図は曲り角θと曲り損失係数ζθ
との関係を示す図、第12図は本発明の他の実施例を示す
図、第13図は本発明の従来技術を示す図である。 １…燃料噴射弁,2…バルブボデー,22…円錐面,24,25…
噴孔,3…ニードル弁,30…接線,31…円柱軸体,32…第１
の傾斜面,33…第２の傾斜面,34…第３の傾斜面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児島 輝忠 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 楢原 義広 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 東條 重樹 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 実開 昭61−37466（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−171869（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−194771（ＪＰ，Ｕ) ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．860416 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02M 61/10 F02M 61/18
Claims (3)
- 【請求項１】先端内部に所定の角度をなして形成された
円錐面と、この円錐面の内部から外部に連通して形成さ
れた噴孔とを有するバルブボデーと、 円柱軸体と、この円柱軸体の先端に形成され、前記円錐
面より小さい角度をなし、下端面が前記円錐面と離着す
る接線をなす第１の傾斜面と、この第１の傾斜面の先端
に形成され、前記円錐面とほぼ等しい角度をなす第２の
傾斜面と、この第２の傾斜面の先端に形成され、前記円
錐面より大きい角度をなす第３の傾斜面とを有し、前記
バルブボデー内に移動可能に配されたニードル弁とを備
え、 前記バルブボデー内に燃料が圧送されることで前記ニー
ドル弁が開弁し、前記噴孔から燃料が噴射される燃料噴
射弁であって、 前記ニードル弁の第３の傾斜面と前記バルブボデーの円
錐面とのなす角が７〜15°の範囲に設定されていること
を特徴とする燃料噴射弁。 - 【請求項２】前記ニードル弁の外周面に、前記バルブボ
デー内に圧送された燃料をニードル弁の周囲で旋回させ
る斜め溝を複数形成した請求項１記載の燃料噴射弁。 - 【請求項３】前記バルブボデーには異なる傾斜角をなす
複数の噴孔が形成され、中心軸に対して大きな傾斜角を
なす噴孔が前記円錐面の先端側の位置で開孔している請
求項１または２に記載の燃料噴射弁。
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