JP3885853B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ノズルに関し、特に内燃機関(以下、「内燃機関」をエンジンという)用の燃料噴射弁の燃料噴射ノズルに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ノズルボディにバルブニードルを往復移動可能に収容し、バルブニードルの当接部がノズルボディに形成した弁座部に着座ならびに弁座部から離座することにより、噴孔から噴射する燃料を断続するエンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルが知られている。
【0003】
このような燃料噴射ノズルにおいては、燃料消費量の低減、排気エミッションの向上、エンジンの安定した運転性等の観点から、噴孔から噴射される「燃料の微粒化」が重要な要素であり、特に筒内直接噴射式エンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルの場合、「燃料の微粒化」は最も重要な要素の一つである。筒内直接噴射式エンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルとして、例えば▲1▼実開平5−24956号公報に開示されるように、燃料を旋回流(スワール)にするための部材をノズルボディ内部に設けた燃料噴射ノズル、▲2▼実開昭62−171662号公報に開示されるように、バルブニードルの先端の外周に螺旋状の溝を形成することにより、特に高速高負荷域で燃料に十分な貫通力とスワール性を付与する燃料噴射角度が得られる燃料スワール機構を設けた燃料噴射ノズルが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、▲1▼実開平5−24956号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、燃料をスワールにするための部材としてスワール孔を有するスワーラと、スワールを形成するスワール形成室の容積を可変する圧電素子とをノズルボディの内部に設けているので、圧電素子に通電するための手段を配設しなければならず、部品点数および組付工数が増大し、製造コストが上昇するという問題があった。
【0005】
また、▲2▼実開昭62−171662号公報に開示されている燃料噴射装置においては、ニードルの先端の外周に形成された螺旋状の溝はニードルの軸方向に対して外接線の角度が一定になるように形成されているため、ニードルのリフト量にかかわらず燃料噴射角度が常に一定であった。そのため、高速高負荷域では燃料に十分な貫通力とスワール性を付与する燃料噴射角度とすることができたが、低速低負荷域では十分なスワール性を付与する燃料噴射角度とすることができなかった。
【0006】
そこで本発明は、燃料の噴霧角度が可変である燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料の微粒化を促進し、噴霧特性の制御を行うことが可能な燃料噴射ノズルを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の燃料噴射ノズルによると、バルブニードル先端の突出部に溝が形成されている。溝は、溝の中心線がバルブニードルの軸方向に対して角度が変化するように形成されており、燃料は溝に沿って溝の接線方向に噴射されるため、バルブニードルのリフト量によって燃料の噴射角度を変化させることができ、エンジンの負荷状態に応じて所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料の微粒化を促進し、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【0008】
本発明の請求項2記載の燃料噴射ノズルによると、溝の中心線とニードルバルブ軸との角度は、当接部から遠ざかるにしたがって小さくなるので、ニードルバルブのリフト量が小さい低速低負荷時は軸方向と溝の外接線との角度を大きく、ニードルバルブのリフト量が大きい高速高負荷時は軸方向と溝の中心線との角度を小さくすることができ、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、バルブニードルのリフト量によって燃料噴射角度を可変にすることができ、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料の微粒化を促進し、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【0009】
本発明の請求項3記載の燃料噴射ノズルによると、溝の中心線とニードルバルブ軸との角度は、当接部から遠ざかるにしたがって大きくなるので、ニードルバルブのリフト量が小さい低速低負荷時は軸方向と溝の外接線との角度を小さく、ニードルバルブのリフト量が大きい高速高負荷時は軸方向と溝の中心線との角度を大きくすることができる。したがって、バルブニードルのリフト量によって燃料噴射角度を可変にすることができ、エンジンの特性に応じて所望の燃料の噴射角および到達距離とすることができる。
【0010】
本発明の請求項4および5記載の燃料噴射ノズルによると、溝の中心線の角度は連続的、または段階的に変化させることができる。したがって、燃料噴射ノズルを適用するエンジンの特性に応じて所望の噴霧角および到達距離とすることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
本発明をディーゼルエンジン用燃料噴射弁に適用した第1実施例を図1〜図6に示す。
図2に示す燃料噴射弁1は、図示しないディーゼルエンジンの燃焼室内へ段階的に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、ノズルホルダ18、リテーニングナット17、ディスタンスピース16、燃料噴射ノズル10からなる外郭形成部材を備えている。燃料噴射弁1は、ノズルホルダ18、ディスタンスピース16および燃料噴射ノズル10がリテーニングナット17により固定されている。
【0012】
ノズルホルダ18は、燃料インレット30を有しており、軸方向に貫通する第1スプリング収容室40および第2スプリング収容室50が形成されている。燃料インレット30は、図示しない高圧ポンプから図示しない燃料配管が接続されており、高圧ポンプから燃料噴射ノズル10内に高圧燃料が供給される。燃料インレット30の内部には燃料通路31が形成されている。
【0013】
第1スプリング収容室40内には、第1スプリング41、スペーサ42および後述するプレッシャピン28のフランジ部29が収容されている。第1スプリング41は、一方の端部がプレッシャピン28のフランジ部29に当接し、他方の端部がスペーサ42に当接している。第1スプリング41はプレッシャピン28を介してバルブニードル20を図2に示す下方向に付勢している。
【0014】
第2スプリング収容室50内には、第2スプリング51、スペーサ52、スプリングキャップ53およびスプリング座54が収容されている。第2スプリング51は、一方の端部がスプリング座54に当接し、他方の端部がスペーサ52に当接している。スペーサ52はスプリングキャップ53に当接し、スプリングキャップ53はスプリング収容室50の内壁に形成された段差部50aに当接しているので、第2スプリング51はスプリング座54をディスタンスピース16に押付ける方向に付勢している。
【0015】
ディスタンスピース16は、縮径部16aを有しており、ディスタンスピース16内にはスペーサ46が設けられている。このスペーサ46と縮径部16aとの距離でバルブニードル20の最大リフト量が規制される。また、スペーサ46とスプリング座54との距離で初期リフト量が規制される。
【0016】
燃料噴射弁1の噴孔側に燃料噴射ノズル10が設けられており、燃料噴射ノズル10は、ノズルボディ11と、このノズルボディ11の内部に軸方向に往復摺動可能に収容されるバルブニードル20とから構成される。
ノズルボディ11は、有底の中空円筒形状であって、内部に案内孔14、弁座部13、噴孔12、燃料通路孔34、燃料溜り33、燃料供給孔32が形成されている。
【0017】
案内孔14は、ノズルボディ11の内部に軸方向に延びており、一方の端部がノズルボディ11の開口端15に接続しており、他方の端部側が燃料溜り33に接続している。案内孔14の内壁は、ノズルボディ11の開口端15から燃料溜り33の近傍まで概略同一内径に形成されている。
【0018】
図1に示すように、弁座部13は、円錐台面を有し、大径側の一端が燃料通路孔34に連続し、小径側の他端側が噴孔12に接続している。この弁座部13に後述するバルブニードル20の当接部21が当接可能である。噴孔12は、ノズルボディ11の先端部にノズルボディ11の内外を連通する通路に形成されている。噴孔12は弁座部13に入口部が開口している。
【0019】
図2に示すように、燃料通路孔34は、ノズルボディ11の内部に軸方向に延びており、一方の端部が弁座部13に接続しており、他方の端部側が燃料溜り33に接続している。燃料溜り33は、案内孔14と燃料通路孔34とを接続する内壁に環状に形成されている。燃料溜り33には、外部から燃料を供給する燃料供給孔32が接続されている。燃料供給孔32は、ノズルボディ11に軸方向に傾斜して形成されている。
【0020】
バルブニードル20は、中実円柱形状であって、首部27、摺動部26、柱部24、第1円錐台部22、第2円錐台部25、シート部61および突出部としてのニードルピン部60からなる。
バルブニードル20の首部27は、一端がプレッシャピン28に接続し、他端が摺動部26に接続しており、首部27の外径はスペーサ46の内径よりも僅かに小さい。
【0021】
摺動部26は、外径が同一径で、クリアンスを介して案内孔14に遊嵌合し、軸方向に往復移動することが可能である。摺動部26は、一端が首部27に接続し、他端が第1円錐台部22に接続している。第1円錐台部22は、大径側の一端が摺動部26に接続し、小径側の他端が柱部24に接続している。柱部24は、外径が同一径で軸方向に往復移動することが可能である。柱部24は、一端が第1円錐台部22に接続し、他端が第2円錐台部25に接続している。第2円錐台部25は、一端が柱部24に接続し、他端がシート部61に接続している。シート部61は、大径側の一端が第2円錐台部25に接続し、小径側の他端がバルブニードル20の先端のニードルピン部60に接続している。シート部61と第2円錐台部25との接続部分は円形状であり、この円形状の部分が弁閉時に弁座部13と当接する当接部21である。弁閉時、当接部21が弁座部13に着座することにより噴孔12からの燃料噴射が遮断される。
【0022】
ニードルピン部60は、外径が噴孔12と略同径になるような外径がほぼ同一径の中実円柱形状に形成され、噴孔12内壁を摺動可能である。図1に示すように、ニードルピン部60の外周面には複数の溝62が形成され、噴孔12に遊嵌合状態にある部分には噴孔12の内壁面と溝62によって燃料通路が形成される。ノズルボディ11の終端部11aにおいて噴孔12の内壁面と溝62によって形成された燃料通路は消滅し、開放端となって燃料が噴射される。
【0023】
溝62は、ニードルピン部60とシート部61との接続部からニードルピン部60の下端に向かって放物線を描くようにニードルピン部60の外周面を旋回しながらほぼ同一幅で形成されている。溝62の深さは、溝幅とほぼ同一であり、溝62の燃料流通方向に垂直な断面は略半円形に形成されている。溝62相互間の間隔は、溝幅とほぼ同一に等間隔に形成されている。
【0024】
溝62の中心線は、バルブニードル20の軸方向の位置によって軸線との角度が変化する。燃料は溝62の外接線に沿って噴射され、溝62の中心線と溝62の外接線の角度は同一である。バルブニードル20のリフト量が増大するにしたがって、溝62の外接線の角度が軸線に対し小さくなるように形成されている。図3に示すように、ニードルピン部60の当接部21に近い燃料流通路の上流側における溝62の外接線とバルブニードル20の軸線との角度が大きく、ニードルピン部60の当接部から遠い燃料通路の下流側は溝62の外接線とバルブニードル20の軸線との角度が小さくなっている。
【0025】
例えば、バルブニードル20のリフト量がhであるとき、ノズルボディ11の終端部11aは図3に示すAの位置にあり、溝62の外接線の角度はαAとなるため、噴霧角がαAになるように燃料が噴射される。一方、バルブニードルのリフト量がフルリフトhであるとき、終端部11aは図3に示すBの位置にあり、溝62の外接線の角度はαBとなるため、噴霧角がαBになるように燃料が噴射される。
【0026】
本実施例において溝62は、図3に示すように外接線の角度が連続的に変化するように緩やかな曲線で形成されているが、図6に示すように外接線の角度が段階的に変化するように溝62を形成することもできる。
【0027】
次に、上記構成の燃料噴射弁の作動を説明する。
(1) 高圧ポンプから所定量の燃料が所定の時期に圧送され、高圧燃料が燃料配管を経由して燃料インレット30に供給される。この高圧燃料は、燃料通路31、燃料供給孔32、燃料溜り33を経由して燃料通路孔34に蓄えられる。燃料通路孔34内の燃料圧力が増大し、この圧力が第1スプリング41の付勢力に打勝つ圧力に達すると、バルブニードル20は図2の上方にリフトし、弁座部13から当接部21が離間して開弁する。そして、燃料が弁座部13と当接部21との開口部を通って噴孔12から噴射される。図4に示すように、低速低負荷時においては、バルブニードル20のリフト量が比較的小さいので、ノズルボディ11の終端部11aは図3のA付近であり、低速低負荷時の燃料噴霧QLの噴霧角θLは比較的大きく、燃料噴霧QLの到達距離は比較的小さい。
【0028】
(2) 燃料通路孔34内の燃料圧力がさらに増大すると、バルブニードル20のリフト量が増大し、スペーサ46がスプリング座54に当接する。この状態がバルブニードル20の初期リフト状態である。そして、燃料通路孔34内の燃料圧力が第1スプリング41の付勢力と第2スプリング51の付勢力との合力に打勝つ圧力に達すると、スペーサ46がディスタンスピース16の縮径部16aに当接し、バルブニードル20はフルリフト状態に達する。図5に示すように、フルリフト状態においては、ノズルボディ11の終端部11aは図3のB付近であり、高速高負荷時の燃料噴霧QHの噴霧角θHは比較的小さく、かつ燃料噴霧QHの到達距離は比較的大きくなる。
【0029】
(3) 高圧ポンプの燃料圧送が終わりに近づくと、燃料通路孔34の燃料圧力が低下し、第1スプリング41および第2スプリング51の付勢力によりバルブニードル20が図2の下方に移動し、当接部21が弁座部13に着座して燃料噴射を終了する。
【0030】
第1実施例においては、バルブニードル20のリフト位置に応じて、ニードルピン部60に形成された溝62のバルブニードル20軸方向の角度が変化するため、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、低速低負荷時に溝62の軸方向の角度を比較的大きくし、高速高負荷時に溝62の軸方向の角度を比較的小さくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料の微粒化を促進し、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【0031】
(第2実施例)
本発明をディーゼルエンジン用燃料噴射弁に適用した第2実施例を図7〜図8に示す。第1実施例と実質的に同一の構成部分に同一の符号を付す。
本実施例においては、第1実施例とは反対にバルブニードル20のリフト量が増大するにしたがって、溝62の外接線の角度が軸線に対し大きくなるように形成されている。ニードルピン部60の当接部21に近い燃料流通路の上流側における溝62の外接線とバルブニードル20の軸線との角度が小さく、ニードルピン部60の当接部から遠い燃料通路の下流側は溝62の外接線とバルブニードル20の軸線との角度が大きくなっている。
【0032】
例えば、バルブニードル20のリフト量がhであるとき、ノズルボディ11の終端部11aは図7に示すAの位置にあり、溝62の外接線の角度はαAとなるため、噴霧角がαAになるように燃料が噴射され、燃料の噴射角は比較的小さく、到達距離は比較的大きくなる。一方、バルブニードルのリフト量がフルリフトhであるとき、終端部11aは図7に示すBの位置にあり、溝62の外接線の角度はαBとなるため、噴霧角がαBになるように燃料が噴射され、燃料の噴射角は比較的大きく、到達距離は比較的小さくなる。
【0033】
図7に示すように、溝62の外接線の角度が連続的に変化するように緩やかな曲線で形成されているが、第2実施例においても図8に示すように外接線の角度が段階的に変化するように溝62を形成することもできる。
【0034】
第2実施例においては、低速低負荷時に溝62の軸方向の角度を比較的小さくし、高速高負荷時に溝62の軸方向の角度を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とし、高速高負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とすることができる。したがって、エンジンの特性に応じて所望の噴霧特性の制御を行うことができ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【0035】
本発明の第1実施例と第2実施例においては、燃料の噴霧形成において逆の特性を有しているが、本発明の燃料噴射ノズルを適用するエンジンの特性に応じて最適な形状を選択することで、より最適な噴霧特性の制御を行なうことができ、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【0036】
本発明の複数の実施例においては、ディーゼルエンジン用の燃料噴射弁に本発明の燃料噴射ノズルを適用したが、ガソリンエンジン用の燃料噴射弁に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による燃料噴射ノズルの主要部を拡大した断面図である。
【図2】本発明の第1実施例による燃料噴射ノズルを適用した燃料噴射弁を示す縦断面図である。
【図3】本発明の第1実施例による燃料噴射ノズルのニードルピン部に形成される溝を示す拡大図である。
【図4】本発明の第1実施例による燃料噴射ノズルの低速低負荷時における作動を説明するための縦断面図である。
【図5】本発明の第1実施例による燃料噴射ノズルの高速高負荷時における作動を説明するための縦断面図である。
【図6】本発明の第1実施例による燃料噴射ノズルのニードルピン部に形成される溝を示す拡大図である。
【図7】本発明の第2実施例による燃料噴射ノズルのニードルピン部に形成される溝を示す拡大図である。
【図8】本発明の第2実施例による燃料噴射ノズルのニードルピン部に形成される溝を示す拡大図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁
10 燃料噴射ノズル
11 ノズルボディ
12 噴孔
13 弁座部
20 バルブニードル
21 当接部
22 第1円錐台部
24 柱部
25 第2円錐台部
41 第1スプリング
51 第2スプリング
60 ニードルピン部(突出部)
61 シート部
62 溝

Claims (5)

  1. 噴孔の上流に弁座部が設けられるノズルボディと、
    前記ノズルボディに往復摺動可能に支持され、前記弁座部に着座可能な当接部、および前記噴孔の内壁を摺動可能な突出部を有し、前記当接部が前記弁座部から離座ならびに前記弁座部に着座することにより燃料の遮断および流通を行うバルブニードルとを備え、
    前記噴孔と摺動する前記突出部の外周面は溝を有し、前記溝の中心線と前記バルブニードルの軸との角度は前記軸方向に変化することを特徴とする燃料噴射ノズル。
  2. 前記中心線と前記軸との角度は、前記当接部から遠ざかるにしたがって小さくなることを特徴とする請求項1記載の燃料噴射ノズル。
  3. 前記中心線と前記軸との角度は、前記当接部から遠ざかるにしたがって大きくなることを特徴とする請求項1記載の燃料噴射ノズル。
  4. 前記中心線と前記軸との角度は、連続的に変化することを特徴とする請求項2または3のいずれか記載の燃料噴射ノズル。
  5. 前記中心線と前記軸との角度は、段階的に変化することを特徴とする請求項2または3のいずれか記載の燃料噴射ノズル。
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