JP3948006B2 - ラビリンスシールを備えた燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラビリンスシールを備えた内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジンという）用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。このため、特にガソリンエンジン用の筒内直接噴射式燃料噴射弁の燃料噴射ノズルとして、高燃圧化の要求があり、バルブニードルを電磁コイルにより駆動するソレノイド作動式から燃料圧力により駆動する流体圧力作動式に移行する研究が進められている。
【０００４】
上記の流体圧力作動式燃料噴射弁の燃料噴射ノズルとして、例えばディーゼルエンジン用の燃料噴射弁においては、高圧燃料を噴射する噴孔を有するノズルボディ内に減圧ピストンを収容し、この減圧ピストンと噴孔との間のノズルボディ中空部（必要により噴孔を閉じる方向にノズルニードルを付勢するスプリングが収容される）を噴孔への高圧燃料の供給通路として用いるとともに、減圧ピストンに付与される背圧を電磁弁で制御することにより、減圧ピストンの上下動に伴ってノズルニードルが軸方向に移動して噴孔を開閉する燃料噴射ノズルが知られている。
【０００５】
このように、ノズルボディ中空部を噴孔への高圧燃料の供給通路として用いる燃料噴射ノズルは、ノズルボディ内に油溜りおよび燃料孔を設けなくてよい。この種燃料噴射ノズルでは、ノズルニードルの上から噴孔を閉じる方向に加わる燃料圧に抗してノズルニードルを引上げて噴射を行なわせるために、前述のようにノズルニードルの上側に減圧ピストンを配置し、この減圧ピストンにノズルニードルを連動させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の流体圧力作動式燃料噴射弁においては、燃料の加圧または減圧によりバルブニードルのリフトを行うため、バルブニードルの摺動部の燃料漏れにより燃料噴射ノズルの開閉弁作動が損なわれ、応答性が悪化するという問題がある。
【０００７】
そこで、上記摺動部のクリアランスを狭くし、燃料漏れを抑制することが考えられる。ところが、摺動部のクリアランスを単に狭くしたのでは、摺動部の油切れによる焼き付きが発生し、バルブニードルのリフトが困難になるという問題があった。特に、ガソリン燃料はディーゼル燃料に比べて粘度が小さいため、温度変化の影響を受け易く、ガソリンエンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルにおいて、摺動部の油切れによる焼き付きが発生し易い傾向にある。
【０００８】
また、摺動部のクリアランスにフィン等を設けて燃料漏れを減少させる、いわゆるラビリンス効果に関わる流れの作用を狙ったラビリンスシール（labyrinth seal）を燃料噴射ノズルに設けることが考えられる。しかしながら、従来のラビリンスシールをそのまま燃料噴射ノズルに適用したのでは、バルブニードルがリフトする際の開弁作動時と閉弁作動時とで燃料漏れを制御することが困難であり、開閉弁作動の応答性を改善することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、流体漏れ制御が容易なラビリンスシールを備えた燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、開閉弁作動の応答性を向上する燃料噴射ノズルを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、摺動部の焼き付きを防止する燃料噴射ノズルを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１記載の燃料噴射ノズルによると、バルブニードルおよびノズルボディの一方または両方に設けられるラビリンス部は、開弁時、バルブニードルの摺動部のクリアランスであって軸方向の一方向及び他方向の相反する２つの流体漏出方向に漏れ流体の流れが生じるクリアランスから減圧室に燃料が漏出する際に生じる燃料流れの剥離を、閉弁時に減圧室からクリアランスに燃料が漏出する際に生じる燃料流れの剥離よりも大きく設定している。このため、バルブニードルが軸方向の一方向に摺動するとき、摺動部のクリアランスを漏れる燃料に渦流が発生して燃料の滞留状態を促進し、燃料漏れ止めを積極的に行う。また、バルブニードルが軸方向の他方向に摺動するとき、摺動部のクリアランスを漏れる燃料に渦流が発生せず燃料の滞留状態を抑制し、燃料の漏れ量の増大を図ることができる。したがって、バルブニードルが軸方向の一方向に摺動するときと、他方向に摺動するときとで燃料の漏れ量を可変とし、燃料漏れ制御を容易に行うことができる。その結果、バルブニードルがリフトする際の開弁作動時と閉弁作動時とで燃料漏れを容易に制御することが可能となり、開閉弁作動の応答性を向上することができる。
【００１３】
また、摺動部のクリアランスを狭くするわけではないので、摺動部の油切れによる焼き付きを防止し、バルブニードルのリフトが困難になることを抑制する。したがって、特にガソリンエンジン用燃料噴射弁に適用した場合、温度上昇によるガソリン燃料の粘度低下の悪影響を抑制し、摺動部の油切れによる焼き付き防止に効果的である。
【００１４】
本発明の請求項２記載の燃料噴射ノズルによると、ラビリンス部は摺動部の外周面に形成されている円柱部、前記外周面に形成されている円錐台部、及び円柱部と円錐台部とのみを接続させて形成されている溝部を有し、円錐台部は軸方向の一方向に傾斜している内壁が形成されているので、開閉弁作動時における燃料の漏れ量の可変を確実なものとし、燃料漏れ制御を簡単な構成で確実に行うことができる。
【００１５】
図１に示す燃料噴射弁１００は、図示しない高圧ポンプから供給される高圧燃料を図示しないエンジンに設けた各燃焼室に噴射するものである。この燃料噴射弁１００におけるホルダ本体３１はシリンダヘッド等のベースに設けた図示しない穴部に密封状態で取り付けられる。ホルダ本体３１の下端部には、後述する燃料噴射ノズル１０のノズルボディ１１が図示しないスリーブナットをホルダ本体３１のねじ部に螺入することによって固定され、ホルダ本体３１の下端面とノズルボディ１１との上端面とはシール面を構成している。
【００１６】
ホルダ本体３１の上部には、減圧ピストン３２を往復動させるための図示しない電磁弁が固定される。この電磁弁は、一端がピストン収容室３３に連通し、他端が図示しない燃料出口に接続された図示しない燃料タンクに連通している。ピストン収容室３３には減圧ピストン３２が摺動自在に収容され、この減圧ピストン３２の下端面とピストン収容室３３の下端面との間に減圧室３３ａを形成している。減圧室３３ａは、後述するノズルボディ１１に形成された案内孔１４に連通している。減圧ピストン３２が図１に示す矢印Ｚ方向に上昇すると、減圧室３３ａの圧力が低下し、減圧により後述するバルブニードル２０がリフトし、燃料噴射ノズル１０の開閉弁作動を実行させることができる。
【００１７】
燃料噴射弁１００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、スプリング３０と、ラビリンスシール４０とから構成される。
静止部材としてのノズルボディ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、燃料吸入孔１６が形成されている。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、他方の端部側が弁座部１３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から弁座部１３の近傍まで概略同一内径に形成されている。
【００１８】
弁座部１３は、円錐台面を有し、大径側の一端が案内孔１４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として形成されている。噴孔１２は弁座部１３に入口部が開口している。燃料吸入孔１６は、図示しない燃料配管を経由して高圧ポンプに接続され、高圧燃料を燃料噴射ノズル１０内に供給するためのものである。
被駆動部材としてのバルブニードル２０は、中実円柱形状であって、摺動部２５、円柱部２４、円錐台部２３および円錐部２２からなる。
【００１９】
摺動部２５は、外壁に後述するラビリンス部４１および４２が設けられ、隙間通路としての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２５は、円柱部２５ａ、２５ｂおよび２５ｃと、各円柱部に挟まれる円錐台部２５ｄおよび２５ｅとから構成される。円柱部２５ｃは、一端がスプリング３０に当接し、他端が円錐台部２５ｅに接続している。円錐台部２５ｅは、一端が円柱部２５ｃに接続し、他端が円柱部２５ｂに接続している。円柱部２５ｂは、一端が円錐台部２５ｅに接続し、他端が円錐台部２５ｄに接続している。円錐台部２５ｄは、一端が円柱部２５ｂに接続し、他端が円柱部２５ａに接続している。円柱部２５ａは、一端が円錐台部２５ｄに接続し、他端が円柱部２４に接続している。
【００２０】
円柱部２４は、一端が摺動部２５に接続し、他端が円錐台部２３に接続しており、燃料供給孔１６の近傍から弁座部１３の近傍まで軸方向に延びている。円柱部２４の外径は、案内孔１４の内径よりも小さい。円柱部２４と案内孔１４の内壁との隙間が燃料通路になる。
【００２１】
円錐台部２３は、一端が円柱部２４に接続し、他端が当接部２１を介して円錐部２２に接続している。円錐台部２３と円錐部２２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。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】
スプリング３０は、一方の端部がホルダ本体３１の下端面に当接し、他方の端部が摺動部２５の円柱部２５ｃに当接している。スプリング３０は、バルブニードル２０を弁閉方向に付勢している。
【００２３】
図２に示すように、ラビリンスシール４０は、摺動部２５のクリアランスの燃料漏れ止めを行うものであって、摺動部２５の外壁に設けられるラビリンス部４１および４２から構成される。ラビリンス部４１および４２は摺動部２５の外周面に形成される溝部４１ａおよび４２ａを有しており、円錐台部２５ｄおよび２５ｅの外壁は溝部４１ａおよび４２ａの内壁を構成している。すなわち、溝部４１ａおよび４２ａの内壁は軸方向の一方向に傾斜して形成されている。
【００２４】
次に、上記構成の燃料噴射弁１００の作動について、図１〜図４を用いて説明する。なお、図３は、燃料噴射ノズル１０の開弁作動時の状態を示しており、図４は、燃料噴射ノズル１０の閉弁作動時の状態を示している。
(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吸入孔１６に供給される。この高圧燃料は円柱部２４と案内孔１４の内壁との隙間に蓄えられる。電磁弁を制御して減圧ピストン３２が図１に示す矢印Ｚ方向に上昇すると、減圧室３３ａの圧力が低下し、減圧によりバルブニードル２０がスプリング３０の付勢力に抗して図１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、円柱部２４と案内孔１４の内壁との隙間に蓄えられていた燃料が弁座部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。
【００２５】
このとき、バルブニードル２０の摺動部２５のクリアランスから減圧室３３ａに燃料が漏出する。この燃料漏れによりバルブニードル２０のリフトが損なわれるため、燃料漏れ止めを行う必要がある。ところが、本実施例においては、図３に示すように、ラビリンス部４１および４２の溝部４１ａおよび４２ａにより、図３の矢印で示す燃料漏出方向の流路容積変化が急激であるため、流れの剥離の発生が促進される。これにより、摺動部２５のクリアランスを漏れる燃料に渦流が発生して燃料の滞留状態を促進し、燃料漏れ止めを積極的に行うことができる。その結果、燃料噴射ノズル１０の開弁応答性が高められる。
【００２６】
(2) 電磁弁を制御して減圧ピストン３２が図１に示す矢印Ｚ方向に下降すると、減圧室３３ａの圧力が初期状態に回復し、スプリング３０の付勢力によりバルブニードル２０が図１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。
【００２７】
このとき、上記の(1)でバルブニードル２０の摺動部２５のクリアランスから減圧室３３ａに漏出した燃料を、早期に減圧室３３ａから摺動部２５のクリアランスを経由して円柱部２４と案内孔１４の内壁との隙間に逃がし、閉弁作動を促す必要がある。ところが、本実施例においては、図４に示すように、ラビリンス部４１および４２の溝部４１ａおよびｂにより、図４の矢印で示す燃料漏出方向の流路容積変化が緩やかであるため、流れの剥離の発生が抑制される。これにより、摺動部２５のクリアランスを漏れる燃料に渦流が発生せず燃料の滞留状態を抑制し、燃料漏れ量の増大を図ることができる。その結果、燃料噴射ノズル１０の閉弁応答性が高められる。
【００２８】
次に、図３および図４に示す本実施例のラビリンス部４１および４２とは異なる構成のラビリンスシールを備える比較例について、図５および図６を用いて説明する。その他は、本実施例と実質的に同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。なお、図５は、比較例による燃料噴射ノズルの開弁作動時の状態を示しており、図６は、比較例による燃料噴射ノズルの閉弁作動時の状態を示している。
【００２９】
比較例においては、図５および図６に示すように、ラビリンス部１４１および１４２は摺動部１２５の外周面に形成される溝部１４１ａおよび１４２ａを有しており、溝部１４１ａおよび１４２ａはＶ字状に形成されている。すなわち、溝部１４１ａおよび１４２ａの内壁は軸方向の両方向に対向するように傾斜して形成されている。
【００３０】
上記比較例では、図５に示す開弁作動時に、ラビリンス部１４１および１４２の溝部１４１ａおよび１４２ａにより、図５の矢印で示す燃料漏出方向の流路容積変化が急激でないため、流れの剥離の発生が促進されない。このため、摺動部１２５のクリアランスを漏れる燃料に渦流がほとんど発生せず、燃料の滞留状態は促進されないので、燃料漏れ止めを行うことはそれほど期待できない。したがって、開弁応答性はラビリンスシールを備えない燃料噴射ノズルに比べて若干向上される程度である。
【００３１】
また、図６に示す閉弁作動時に、ラビリンス部１４１および１４２の溝部１４１ａおよび１４２ａにより、図６の矢印で示す燃料漏出方向の流路容積変化は図５に示す開弁作動時と同等であるため、流れの剥離が若干発生し、燃料漏れ量の増大を図ることはできない。したがって、開弁応答性はラビリンスシールを備えない燃料噴射ノズルに比べて悪化する。
【００３２】
このように、図５および図６に示す比較例では、バルブニードルがリフトする際の開弁作動時と閉弁作動時とで燃料漏れを制御することが困難であり、開閉弁作動の応答性を改善することができないという問題がある。
一方、図３および図４に示す本実施例においては、開弁作動時に、摺動部２５のクリアランスを漏れる燃料に渦流が発生して燃料の滞留状態を促進し、燃料漏れ止めを積極的に行い、閉弁作動時に、摺動部２５のクリアランスを漏れる燃料に渦流が発生せず燃料の滞留状態を抑制し、燃料の漏れ量の増大を図ることができる。したがって、開弁作動時と閉弁作動時とで燃料の漏れ量を可変とし、燃料漏れ制御を容易に行うことができる。その結果、燃料噴射ノズル１０の開閉弁作動の応答性を向上することができる。
【００３３】
また、本実施例においては、摺動部２５のクリアランスを狭くしているわけではないので、摺動部２５の油切れによる焼き付きを防止し、バルブニードル２０のリフトが困難になることを抑制する。したがって、温度上昇によるガソリン燃料の粘度低下の悪影響を抑制し、摺動部２５の油切れによる焼き付き防止に効果的である。
【００３４】
さらに、本実施例においては、ラビリンス部４１および４２は摺動部２５の外周面に形成される溝部４１ａおよび４２ａを有し、この溝部４１ａおよび４２ａの内壁は軸方向の一方向に傾斜して形成されているので、燃料噴射ノズル１０の開閉弁作動時における燃料の漏れ量の可変を確実なものとし、燃料漏れ制御を簡単な構成で確実に行うことができる。
以上説明した本発明の一実施例では、ガソリンエンジン用の燃料噴射弁１００に本発明の燃料噴射ノズルを適用したが、ディーゼル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】本発明の燃料噴射ノズルをガソリンエンジン用の燃料噴射弁に適用した一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１のII部分拡大図である。
【図３】本発明の一実施例による燃料噴射ノズルの開弁作動時における状態を示す部分断面図である。
【図４】本発明の一実施例による燃料噴射ノズルの閉弁作動時における状態を示す部分断面図である。
【図５】比較例による燃料噴射ノズルの開弁作動時における状態を示す部分断面図である。
【図６】比較例による燃料噴射ノズルの閉弁作動時における状態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０ 燃料噴射ノズル
１１ ノズルボディ（静止部材）
１２ 噴孔
１３ 弁座
１４ 案内孔
２０ バルブニードル（被駆動部材）
２１ 当接部
２５ 摺動部
３０ スプリング
３２ 減圧ピストン
３３ａ 減圧室
４０ ラビリンスシール
４１、４２ ラビリンス部
４１ａ、４２ａ 溝部
１００ 燃料噴射弁

Claims (2)

1. 先端に当接部を有するバルブニードルと、
   前記バルブニードルを軸方向に往復摺動可能に嵌合する案内孔、前記当接部と接触可能な弁座部、ならびに前記弁座部の下流側に内外を連通する噴孔を有するノズルボディと、
   前記バルブニードルの摺動部のクリアランスであって前記軸方向の一方向及び他方向の相反する２つの流体漏出方向に漏れ流体の流れが生じるクリアランスの燃料漏れ止めを行うラビリンスシールとを備えた燃料噴射ノズルであって、
   燃料の加圧または減圧によりバルブニードルのリフト制御を行う減圧室と、
   開弁時、前記クリアランスから前記減圧室に燃料が漏出する際に生じる燃料流れの剥離を、閉弁時、前記減圧室から前記クリアランスに燃料が漏出する際に生じる燃料流れの剥離よりも大きく設定したラビリンス部とを備えることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 前記ラビリンス部は前記摺動部の外周面に形成されている円柱部、前記外周面に形成されている円錐台部、及び前記円柱部と前記円錐台部とのみを接続させて形成されている溝部を有し、前記円錐台部は前記軸方向の一方向に傾斜している内壁が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射ノズル。

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