JP3885853B2

JP3885853B2 - 燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JP3885853B2
Application number: JP30674498A
Authority: JP
Inventors: 稔之依田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: JP2000130291A

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_１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α_Aとなるため、噴霧角がα_A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_２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α_Bとなるため、噴霧角がα_B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Ｑ_Lの噴霧角θ_Lは比較的大きく、燃料噴霧Ｑ_L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Ｑ_Hの噴霧角θ_Hは比較的小さく、かつ燃料噴霧Ｑ_H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_１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α_Aとなるため、噴霧角がα_A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_２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α_Bとなるため、噴霧角がα_B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

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。
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。
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。
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。
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。