JP3849224B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンに高圧燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関等においては、厳しくなる排気ガス規制及び燃費規制に対処する必要が生じている。排気ガス中に含まれる有害成分の低減、及び燃費向上を達成するためには、燃料噴射による噴霧を時間的、空間的、及び質的に最適化することが望まれている。時間的には高精度な噴射時期制御、空間的には噴霧分散の向上、質的には噴霧の微粒化がそれぞれ必要である。このような燃料噴霧の最適化を目的とした燃料噴射弁として、燃料を強制的に旋回させて噴射する渦巻噴射弁が提案されている（特開昭６２−２８４９５５号、特開平３−７０８６５号、特開平３−２７５９７３号の各公報参照）。
この渦巻噴射弁は、図６に示す様に、ニードル１００の先端部に複数の突起部１１０によって旋回通路１２０が形成され、ノズルボディ２００に形成された弁座２１０からニードル１００がリフトすると、高圧燃料が旋回通路１２０を通って噴孔２２０より噴射される。この時、旋回通路１２０によって高圧燃料に強制的に旋回力が付与され旋回流となるため、噴霧の微粒化が促進され、且つ噴霧を広い範囲に拡散できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の渦巻噴射弁は、旋回通路１２０がニードル１００に形成され、その通路断面積がニードル１００のリフト期間中一定であるため、以下の様な問題点を生じる。
１）噴射初期（低リフト域）には、ニードル１００と弁座２１０との隙間が小さいため、旋回通路１２０により旋回力を与えられた燃料がニードル１００と弁座２１０との隙間を通過する際に旋回力が弱められてしまう。この結果、噴霧角の小さい液柱状噴霧が噴射されるため、直接噴射式エンジンの場合、ピストン壁面やシリンダ壁面に燃料が付着してＨＣ排出量が増大する。
２）ニードル１００のリフトに伴ってニードル１００と弁座２１０との隙間による断面積が旋回通路１２０の通路断面積より大きくなると、旋回通路１２０が最小絞り部となって噴霧角が一定となる（図４のグラフＣ参照）。その結果、所望の噴霧角が得られず、噴射時期が上死点に近づくと、ピストンヘッドに燃料が付着してＨＣ排出量が増大する。
３）ニードル１００のリフト量に応じてニードル１００と弁座２１０との隙間が変化しても旋回通路１２０の通路断面積が一定であるため、噴射量のダイナミックレンジが狭くなる。その結果、エンジンの低速回転域（低負荷時）から高速回転域（高負荷時）までの全域で良好な噴霧を実現することは困難である。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、噴射初期から広噴霧角を噴射でき、且つニードルのリフト量によって最適な噴霧角を実現できる燃料噴射弁を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
ニードルのリフト量が小さい時は旋回室に通じる旋回通路の通路断面積が小さく、ニードルのリフト量が大きい時は通路断面積が大きくなる。これにより、ニードルのリフト量が小さい低リフト域では、旋回通路より燃料に与えられた旋回力が弱められることなく噴孔より噴射されるため、噴射初期から広い噴霧角の燃料噴射を行うことができる。また、ニードルのリフト量が大きい高リフト域では、旋回室に通じる旋回通路の通路断面積が大きくなる。これにより、従来技術の様に旋回通路によって噴射量が絞られることはなく、本発明ではニードルのリフト量に応じた噴射量を噴射することができるため、噴射量のダイナミックレンジが広くなる。
また、ニードルは、旋回流形成部材の丸孔に摺動自在に挿入され、且つ丸孔の円筒内周面に開口する旋回通路の開口面積をリフト量に応じて可変する大径部と、この大径部の下流側に大径部より外径が小さく、且つ軸方向に所定の長さを有する円柱状の小径部とが設けられている。このニードルの小径部の外周面と、旋回流形成部材の旋回通路より軸方向下流側の丸孔の円筒内周面との間に旋回室が形成され、旋回通路は、ニードルの作動方向に所定の開口幅を有している。
この場合、ニードルがリフトすると、そのリフト量に応じて、丸孔の円筒内周面に開口する旋回通路の開口面積が変化する。即ち、ニードルのリフト量が小さい時は、旋回室に通じる旋回通路の通路断面積が小さく、ニードルのリフト量が大きい時は、同通路断面積が大きくなる様に、ニードルのリフト量に応じて旋回室に通じる旋回通路の通路断面積が連続的に変化する。これにより、旋回室に通じる旋回通路の通路断面積の変化に応じて燃料噴射量が変化するので、エンジンの低速回転域（低負荷時）から高速回転域（高負荷時）までの全域で広噴霧角の良好な噴霧を実現することが可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の燃料噴射弁を図面に基づいて説明する。
図１はノズル先端部の拡大断面図（図３のＢ部拡大図）、図３はノズルの断面図である。
本実施例の燃料噴射弁は、図３に示す様に、ノズルボディ１、旋回流形成部材２、及びニードル３から構成されるノズルＮを備える。
ノズルボディ１は、図３に示す様に、中央部を長手方向（図３の上下方向）に延びる長孔１ａ、この長孔１ａの途中に設けられた燃料溜まり１ｂ、この燃料溜まり１ｂに高圧燃料を導く燃料通路１ｃ、長孔１ａの下端面中央部より略円錐状に窪むサックホール１ｄ、このサックホール１ｄの底部に開口する噴孔１ｅ等が設けられ、長孔１ａの下端面からサックホール１ｄに通じる円錐状の壁面が弁座１ｆ（図１参照）として形成されている。なお、このノズルボディ１は、図示しないノズルホルダに保持されて、ディーゼルエンジンのシリンダに取り付けられている。
【０００９】
旋回流形成部材２は、供給された燃料に旋回力を与えるもので、中央部を丸孔が貫通する筒体に形成され、ノズルボディ１に形成された長孔１ａ内の下端部に圧入状態で挿入されている。この旋回流形成部材２は、その外周形状が上部側と下部側とで異なり、上部側が略四角形状、下部側が円形に形成され、その円形を成す下部側の外径が上部側の対向する二面間の距離と等しく設けられている（図２参照）。また、下部側には、図２（図１のＡ−Ａ断面図）に示す様に、円形外周面から丸孔の円筒内周面２ａまで貫通する旋回通路２ｂが４本形成されている。各旋回通路２ｂは、それぞれ円筒内周面２ａの接線に沿って形成され、その通路断面形状が旋回流形成部材２の上下方向（図１の上下方向）に長く、断面方向に短い矩形状に設けられている。
この旋回流形成部材２は、上部側の各角部外周面がノズルボディ１の長孔１ａの内周面に密着し（略四角形を形成する各壁面と長孔１ａの内周面との間には隙間（以下、燃料導入路４と言う）が形成されている／図２参照）、下部側下端面が長孔１ａの下端面に密着した状態で長孔１ａ内部に固定されている。
【００１０】
ニードル３は、細長い段付き円柱形状に形成されて、下端部に設けられた大径部３ａが旋回流形成部材２の丸孔に挿入され、上端部に設けられたスライド部３ｂがノズルボディ１の長孔１ａ（燃料溜まり１ｂより上部側の長孔１ａ）に挿入されて、丸孔及び長孔１ａに対し上下方向に摺動自在に保持されている。このニードル３は、丸孔に挿入された大径部３ａの下部に小径部３ｃが形成され、さらに小径部３ｃより下部にシート部３ｄが形成されて、このシート部３ｄがノズルボディ１の弁座１ｆに着座している。小径部３ｃは、丸孔の円筒内周面２ａに摺接する大径部３ａより外径が小さく、小径部３ｃの外周面と丸孔の円筒内周面２ａとの間に環状の隙間（以下、旋回室５と言う）が形成されている。この旋回室５は、図１に示す様に、シート部３ｄが弁座１ｆに着座している状態で、旋回流形成部材２の旋回通路２ｂに一部連通している。
ニードル３のスライド部３ｂと大径部３ａとの間は、小径部３ｃと略同一径に設けられて、長孔１ａの内周面との間に環状の隙間（以下、燃料通路６と言う）が確保されている。なお、このニードル３は、図示しないスプリングにより図３の上部側より下方へ向かって付勢されている。
【００１１】
次に、本実施例の作動及び効果を説明する。
燃料噴射ポンプ（図示しない）より供給された高圧燃料は、ノズルホルダに設けられた燃料通路（図示しない）を通ってノズルボディ１の燃料通路１ｃに供給され、その燃料通路１ｃから燃料溜まり１ｂ→燃料通路６→燃料導入路４→旋回通路２ｂ→旋回室５を通りシート部３ｄの上流まで流れ込む。ここで、燃料圧力が開弁圧（ニードル３を付勢するスプリングの付勢力）より高くなると、ニードル３がリフトしてシート部３ｄが弁座１ｆから離れることにより、そのシート部３ｄと弁座１ｆとの隙間を通ってサックホール１ｄへ流入した燃料が噴孔１ｅより噴霧される。なお、ニードル３のリフトによって噴霧される燃料は、旋回室５の接線方向に位置する旋回通路２ｂによって旋回力が与えられる。その結果、旋回室５及びサックホール１ｄを旋回しながら噴孔１ｅより噴霧されるため、噴霧の微粒化が促進され、且つ噴霧を広い範囲に拡散できる。
【００１２】
（本実施例の効果）
本実施例において、ニードル３のリフト量が小さい間は、旋回通路２ｂの大部分がニードル３の大径部３ａによって塞がれているため、旋回室５への流入断面積（旋回室５に通じる旋回通路２ｂの通路断面積）が小さくなる。その結果、旋回通路２ｂによって旋回力を与えられた燃料がシート部３ｄと弁座１ｆとの隙間を通過する際に旋回力が弱められることなく、噴射初期から広い噴霧角の燃料噴射を行うことができる（図４のグラフＡ参照）。これにより、噴射初期（低リフト域）にピストン壁面やシリンダ壁面に燃料が付着することもなく、ＨＣ排出量を低減できる。
【００１３】
その後、ニードル３のリフト量が大きくなると、旋回室５に通じる旋回通路２ｂの通路断面積が増大して旋回通路２ｂより旋回室５へ流入する燃料の量も増大するため、噴射量が絞られることはなく、噴射量のダイナミックレンジが広くなる。
更にニードル３がリフトして最大リフト量に達すると、旋回通路２ｂの全部（または大部分）が旋回室５に通じるため、旋回通路２ｂより旋回室５へ流入する燃料の量が最大となり、結果として狙いの噴霧角の噴霧を噴射できる（図４のグラフＡ参照）。
本実施例のノズルＮは、開弁圧を２段階に設定した２スプリングタイプのノズルホルダに装着すると、旋回室５への流入断面積を２段階に制御できるため、噴霧角が２段階に変化する噴霧を実現できる。また、ピエゾ素子駆動等の最大リフトを可変できるインジェクタに装着した場合は、無段階に最適な噴霧角を噴射できる。
【００１４】
（第２実施例）
図５はノズル先端部の拡大断面図である。
本実施例は、旋回通路２ｂ（２ｂ1 、２ｂ2 ）を旋回流形成部材２の上下方向（ニードル３のリフト方向）に２段に配置したもので、低リフト域では下段側の旋回通路２ｂ1 のみが旋回室５に連通し、高リフト域では下段側と上段側の両旋回通路２ｂ1 、２ｂ2 が旋回室５に連通することができる。従って、本実施例のノズルＮを上記の２スプリングタイプのノズルホルダに装着した場合、旋回室５に通じる旋回通路２ｂの通路断面積をニードル３のリフト位置に応じて２段階に制御できる（図４のグラフＢ参照）。
また、この場合、第１実施例に示した旋回通路２ｂと比較して、各旋回通路２ｂ1 、２ｂ2 の上下方向の開口幅を大きくする必要がないため、各旋回通路２ｂ1 、２ｂ2 の断面形状を円形とすることによって旋回通路２ｂ1 、２ｂ2 の加工が容易となるメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズル先端部の拡大断面図である（第１実施例）。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】ノズルの断面図である。
【図４】噴霧角特性を示すグラフである。
【図５】ノズル先端部の拡大断面図である（第２実施例）。
【図６】ノズル先端部の拡大断面図である（従来技術）。
【符号の説明】
１ｅ 噴孔
１ｆ 弁座
２ 旋回流形成部材
２ａ 円筒内周面
２ｂ 旋回通路
３ ニードル
３ａ 大径部
３ｃ 小径部
５ 旋回室

Claims (1)

1. 供給された燃料に旋回力を与える旋回通路が形成された旋回流形成部材と、
   前記旋回通路より旋回力を付与された燃料が流入する旋回室と、
   弁座からリフトすることで前記旋回室に流入した燃料を噴孔より噴射させるニードルとを具備し、
   このニードルのリフト量に応じて前記旋回室に通じる前記旋回通路の通路断面積が変化する燃料噴射弁であって、
   前記旋回流形成部材は、軸方向に貫通する丸孔を有すると共に、前記旋回流形成部材の外周面から前記丸孔の円筒内周面まで前記丸孔の接線方向に前記旋回通路が形成され、この旋回通路は、前記ニードルの作動方向に所定の開口幅を有し、
   前記ニードルは、前記旋回流形成部材の丸孔に摺動自在に挿入され、且つ前記丸孔の円筒内周面に開口する前記旋回通路の開口面積をリフト量に応じて可変する大径部と、この大径部の下流側に前記大径部より外径が小さく、且つ軸方向に所定の長さを有する円柱状の小径部とが設けられ、この小径部の外周面と、前記旋回流形成部材の前記旋回通路より軸方向下流側の前記丸孔の円筒内周面との間に前記旋回室が形成され、
   前記ニードルのリフト量が小さい時は、前記旋回室に通じる前記旋回通路の通路断面積が小さく、前記ニードルのリフト量が大きい時は、前記通路断面積が大きくなる様に、前記ニードルのリフト量に応じて前記旋回室に通じる前記旋回通路の通路断面積が連続的に変化することを特徴とする燃料噴射弁。

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