JP4042017B2 - 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、燃料通路の下流端にサック室を有する燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンでは、燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧の粒径が排出黒鉛に大きく影響する。即ち、噴射燃料の微粒化が促進されると、燃料の着火性が向上して良好な燃焼が確保されるため、排ガス中の有害成分を低減でき、且つ燃費の向上にも有効である。
この噴射燃料を微粒化する従来技術として、例えば特開平７−１４５７６７号に開示された燃料噴射弁がある。この燃料噴射弁は、ノズルボディの先端にサック室を有し、そのサック室と外部空間とを連通する空気吸入通路を設けている。
空気吸入通路は、ニードルがリフトしてサック室に燃料が流入した時に、サック室に生じる低圧部分に開口している。これにより、外部空間から空気吸入通路を通じてサック室に空気が導入され、その空気がサック室で燃料と混合されて噴射孔より噴射される。この結果、燃料噴霧が微粒化されて燃料の着火性が向上し、良好な燃焼が可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術に開示された燃料噴射弁の構造では、噴射率を段階的に変えることができないため、エンジンに対して最適な噴射率を得ることが困難である。つまり、上記の燃料噴射弁では、空気吸入通路を噴孔として使用することができないため、仮にニードルリフト量を段階的に制御しても、噴孔面積が一定であり、噴射率を変えることができない。
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、ニードルリフト量を段階的に制御して、低リフト時には気筒内の空気をサック室に導入して噴霧の微粒化を促進でき、高リフト時には大流量の燃料噴射を可能にできる燃料噴射ノズル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）
サック室の入口内周の流路面積をサック入口流路面積と呼び、シート部外周の流路面積をシート部流路面積と呼ぶ時に、
サック入口流路面積が、シート部流路面積より小さく且つ第２の噴孔の開口面積より小さくなる領域に低リフト時のリフト量が設定され、サック入口流路面積が、第１の噴孔の開口面積と第２の噴孔の開口面積とを合計した面積より大きくなる領域に高リフト時のリフト量が設定されている。
【０００５】
この構成によれば、ニードルの低リフト時には、サック入口流路面積がシート部流路面積より小さく且つ第２の噴孔の開口面積より小さくなるので、シート面に沿ってサック室へ流入する燃料の流速が速くなる。この場合、シート面に近いサック室の内壁面近傍で渦流が発生し、その渦流の影響によって第１の噴孔の開口部が低圧（エンジン気筒内より低圧）となる。その結果、ノズルボディの外部空間（エンジン気筒内）から第１の噴孔を通じてサック室に空気が導入され、その空気がサック室で燃料と混合されて、第２の噴孔より噴射される。
また、ニードルの高リフト時には、サック入口流路面積が第１の噴孔の開口面積と第２の噴孔の開口面積とを合計した面積より大きくなるので、サック室へ流入する燃料の流速が低リフト時より遅くなる。この場合、シート面に近いサック室の内壁面にも燃料圧力が加わるため、第１の噴孔の開口部が高圧（エンジン気筒内より高圧）となり、第１の噴孔と第２の噴孔の両方から燃料が噴射される。
【０００６】
（請求項２の手段）
第１の噴孔のサック室側開口部を第１開口部と呼び、反サック室側開口部を第２開口部と呼び、第１開口部に加わるサック室内の圧力を内部圧力と呼び、第２開口部に加わる外部の圧力を外部圧力と呼ぶ時に、
ニードルが低リフトした時は、第２開口部に加わる外部圧力より第１開口部に加わる内部圧力の方が低くなり、ニードルが高リフトした時は、第２開口部に加わる外部圧力より第１開口部に加わる内部圧力の方が高くなるように、低リフト時のリフト量及び高リフト時のリフト量が設定されている。
【０００７】
この構成によれば、ニードルの低リフト時には、第１の噴孔の第２開口部に加わる外部圧力（エンジン気筒内の圧力）より第１開口部に加わる内部圧力の方が低くなるので、ノズルボディの外部空間（エンジン気筒内）から第１の噴孔を通じてサック室に空気が導入され、その空気がサック室で燃料と混合されて、第２の噴孔より噴射される。
また、ニードルの高リフト時には、第１の噴孔の第２開口部に加わる外部圧力より第１開口部に加わる内部圧力の方が高くなるので、第１の噴孔と第２の噴孔の両方から燃料が噴射される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の燃料噴射ノズルを図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は燃料噴射ノズルの先端部の断面図である。
本実施例の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１と略す）は、図３に示すように、ディーゼルエンジンの気筒内２に燃料を噴射するもので、後述するノズルボディ３とニードル４とで構成され、リテーニングナット５によってノズルホルダ６に組付けられている。
【０００９】
ノズルホルダ６には、燃料ポンプ７より供給された燃料をノズル１まで導く燃料通路８が形成されるとともに、ノズル１の開弁圧を設定する２個のスプリング（第１スプリング９と第２スプリング１０）が組み込まれている。
第１スプリング９は、上端が調節螺子１１に支持され、下端がロッド１２の頭部１２ａに当接して、調節螺子１１によってセット荷重が調節され、そのセット荷重がロッド１２を介してニードル４に付与されている。
第２スプリング１０は、上端がシム１３に支持され、下端がスペーサ１４に支持されて、シム１３の厚さを変更することでセット荷重が調節される。
【００１０】
スペーサ１４は、図４に示すように、第２スプリング１０の下端を受ける大径部１４ａと、この大径部１４ａの下側に設けられた小径部１４ｂとを有し、大径部１４ａと小径部１４ｂの中央部を上下方向に貫通する貫通孔１４ｃが形成されている。
大径部１４ａは、ノズルホルダ６の下端面とノズルボディ３の上端面との間に挟持されるチップパッキン１５に支持されている。小径部１４ｂは、チップパッキン１５の中央部に形成された丸孔１５ａに摺動自在に挿通され、その下端面がチップパッキン１５の下端面より下方へ突出している。
【００１１】
次に、本発明に係わるノズル１の構成について説明する。
ノズルボディ３には、図２に示すように、ニードル４を摺動自在に嵌挿するガイド孔１６、このガイド孔１６の下方へ延びる燃料通路１７、この燃料通路１７に燃料を導く燃料導路１８、及び燃料を噴射するための噴孔１９、２０等が形成されている。
燃料通路１７は、その下端部に円錐状のシート面２１が形成され、更にシート面２１の下端に連続してサック室２２が設けられている。また、燃料通路１７の上端には、環状の燃料溜室２３が形成され、この燃料溜室２３に燃料導路１８が連通している。
【００１２】
噴孔１９、２０は、図１に示すように、軸方向（図１の上下方向）に位置が異なる第１の噴孔１９と第２の噴孔２０とで構成され、サック室２２を形成しているボディ下端部の円頂壁部３ａを貫通して設けられている。但し、第１の噴孔１９は、サック室２２側の開口部がシート面２１に近いサック室２２の内壁面に開口している。また、第２の噴孔２０は、サック室２２側の開口部が第１の噴孔１９の開口部より下流に開口している。以下、第１の噴孔１９のサック室２２側の開口部を入口１９ａと呼び、気筒側の開口部を出口１９ｂと呼ぶ。
この第１の噴孔１９と第２の噴孔２０は、周方向に各々複数個ずつ設けられているが、第１の噴孔１９と第２の噴孔２０の周方向位置は異なっていても良い。
【００１３】
ニードル４は、図２に示すように、ガイド孔１６に数μｍのクリアランスで嵌挿される摺動部２４と、この摺動部２４の上端面より上方へ突出する突起部２５と、摺動部２４の下側に形成されて燃料溜室２３の燃料圧力を受ける受圧面２６と、この受圧面２６より下方へ延びる軸部２７とで構成されている。また、軸部２７の下端部は、図１に示すように、円錐角が異なる二段の円錐面２８、２９によって構成され、円錐角が小さい上段側の円錐面２８と円錐角が大きい下段側の円錐面２９との境界線（稜線）がノズルボディ３のシート面２１に対向するシート部３０として設けられている。
【００１４】
このニードル４は、図４に示すように、突起部２５がスペーサ１４の貫通孔１４ｃに挿入されてロッド１２と対向し、そのロッド１２を介して第１スプリング９の付勢力を受けている。また、シート部３０がシート面２１に着座（当接）している状態で、摺動部２４の上端面２４ａとスペーサ１４の小径部１４ｂの下端面との間隔がニードル４の低リフト量HD1 として設定され、摺動部２４の上端面２４ａとチップパッキン１５の下端面との間隔がニードル４の高リフト量HD2 として設定されている。
但し、低リフト量HD1 及び高リフト量HD2 は、それぞれ図５に示す各部の流路面積との関係に基づいて以下の様に設定されている。
図中のグラフａはサック入口流路面積、グラフｂはシート部流路面積、グラフｃは第２の噴孔２０の開口面積、グラフｄは第１の噴孔１９の開口面積と第２の噴孔２０の開口面積とを合計した開口面積である。
【００１５】
なお、上記のサック入口流路面積とは、サック室２２の入口（シート面２１とサック室２２との境界線）内周でニードル４の外周面（下段側の円錐面２９）との間に形成される環状空間の面積であり、シート部流路面積とは、シート部３０の外周でシート面２１との間に形成される環状空間の面積である。
低リフト量HD1 は、サック入口流路面積が、シート部流路面積より小さく且つ第２の噴孔２０の開口面積より小さくなる領域（図５のａ−ｂ間）に設定される。
高リフト量HD2 は、サック入口流路面積が、第１の噴孔１９と第２の噴孔２０とを合計した開口面積より大きくなる領域（図５のｃ以降）に設定されている。
【００１６】
次に、本実施例の作動を説明する。
燃料ポンプ７より圧送された燃料が燃料溜室２３に蓄えられ、燃料溜室２３の燃料圧力（受圧面２６に加わる圧力）が第１スプリング９によって設定される第１開弁圧より大きくなると、ニードル４が押し上げられて、低リフト量HD1 だけリフトする。この低リフト時には、サック入口流路面積がシート部流路面積より小さく且つ第２の噴孔２０の開口面積より小さくなるので、シート面２１に沿ってサック室２２へ流入する燃料の流速が速くなる。この場合、シート面２１に近いサック室２２の内壁面近傍で渦流が発生し、その渦流の影響によって第１の噴孔１９の入口１９ａが低圧（エンジン気筒内２より低圧）となる。その結果、ノズルボディ３の外部空間（エンジン気筒内２）から第１の噴孔１９を通じてサック室２２に空気が導入され、その空気がサック室２２で燃料と混合されて、第２の噴孔２０より気筒内２に噴射される。
【００１７】
燃料溜室２３の燃料圧力が更に上昇し、その燃料圧力が第１スプリング９と第２スプリング１０との合力によって設定される第２開弁圧より大きくなると、ニードル４が更に押し上げられて、高リフト量HD2 までリフトする。この時、サック入口流路面積が第１の噴孔１９の開口面積と第２の噴孔２０の開口面積とを合計した面積より大きくなるので、サック室２２へ流入する燃料の流速が低リフト時より遅くなる。この場合、シート面２１に近いサック室２２の内壁面にも燃料圧力が加わるため、第１の噴孔１９の入口１９ａが高圧（エンジン気筒内２より高圧）となり、第１の噴孔１９と第２の噴孔２０の両方から気筒内２へ燃料が噴射される。
【００１８】
ここで、ニードル４の低リフト時と高リフト時とで第１の噴孔１９の入口圧力が変化する理由を図６及び図７に基づいて説明する。
図６（ｂ）は図６（ａ）に示す各部位（シート部３０、サック室２２の入口、噴孔入口）の流路面積を示すもので、低リフト時の流路面積を実線グラフ、高リフト時の流路面積を破線グラフで表している。
図７（ｂ）は図７（ａ）に示す各部位（１〜１０）の圧力をノズル１の拡大模型を使用して実測した結果を示すもので、低リフト時の圧力値を実線グラフ、高リフト時の圧力値を破線グラフで表している。
【００１９】
低リフト時には、図６（ｂ）に示すように、サック室２２入口の流路面積が最小となり、ここで流路は絞られるが、サック室２２の入口を過ぎると、サック室２２において急激に流路面積が拡大する。このため、サック室２２へ流入する燃料は、サック室２２の入口流路で最も流速が速くなり、シート面２１に沿って勢い良くサック室２２へ流入する。この時、シート面２１とサック室２２の入口側内壁面との間に角度差があるため、シート面２１に近いサック室２２の内壁面では低圧となる。実測した結果では、図７（ｂ）に示すように、シート面２１に近いサック室２２内壁面の測定ポイント（６及び７）で圧力がマイナス値を示していることが確認できる。
【００２０】
高リフト時には、図６（ｂ）に示すように、噴孔入口の流路面積（開口面積）が最小となり、ここで流路が絞られるため、低リフト時よりサック室２２入口の燃料流速は減速する。この場合、シート面２１とサック室２２の入口側内壁面との間に角度差があっても、サック室２２内は略全域が高圧に維持される。実測した結果では、図７（ｂ）に示すように、全ての測定ポイントで高い圧力に維持されていることが確認できる。
【００２１】
（本実施例の効果）
図６及び図７に示す結果からも明らかなように、シート面２１に近いサック室２２内壁面に第１の噴孔１９の入口１９ａを開口することにより、低リフト時には、第１の噴孔１９の入口１９ａが負圧となり、気筒内２の圧力が加わる出口１９ｂより低圧となるため、気筒内２の空気が第１の噴孔１９より自動的にサック室２２内に吸入される。
また、高リフト時には、第１の噴孔１９の入口１９ａが正圧となり、且つ気筒内２の圧力が加わる出口１９ｂより高圧となるため、サック室２２に流入した燃料が第１の噴孔１９からも噴射される。
これにより、ニードル４のリフト量に応じて噴射量を二段階に制御でき、且つ低リフト時には、第１の噴孔１９より気筒内２の空気をサック室２２に導入することができるので、適切な噴射率で微粒化した燃料を気筒内２に噴射することができる。
【００２２】
（第２実施例）
図８はノズル１の先端部の断面図である。
本実施例のノズル１は、図８に示すように、軸芯に対するシート面２１の傾斜角度αを大きく（例えば８０度以上）した場合の一例である。この場合、シート面２１の傾斜角度が小さい場合（例えば６０度前後）と比較すると、低リフト時にサック室２２へ流入する燃料の流れ方向とサック室２２の入口側内壁面との間の角度が大きくなるので、第１の噴孔１９を通じてより効果的に気筒内２の空気をサック室２２に導入することができる。
【００２３】
（第３実施例）
図９はノズル１の先端部の断面図である。
本実施例のノズル１は、図９に示すように、サック室２２の入口部分にシート面２１と逆方向に傾斜する傾斜面３１を設け、この傾斜面３１に第１の噴孔１９の入口１９ａを設けた場合の一例である。この場合、低リフト時にサック室２２へ流入する燃料の流れ方向と第１の噴孔１９の入口１９ａが開口する傾斜面３１との間の角度が大きくなるので、第１の噴孔１９を通じてより効果的に気筒内２の空気をサック室２２に導入することができる。
【００２４】
本発明の燃料噴射ノズル１は、ノズルボディ３とニードル４に関するものであり、ノズルホルダ６は上記の実施例で説明した構成に限定されるものではない。例えば、ピエゾ素子駆動によりニードルリフト量を任意に可変できるインジェクタ、或いは電磁弁駆動によりニードルリフト量を段階的に可変できるインジェクタへも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射ノズルの先端部の断面図である（第１実施例）。
【図２】ノズルの断面図である。
【図３】燃料噴射システムの全体図である。
【図４】ニードルリフト量を規定する部分の拡大断面図である。
【図５】ニードルリフト量と流路面積との相関図である。
【図６】ノズル先端部の断面図（ａ）と流路面積を表す特性図（ｂ）である。
【図７】圧力測定部位を示すノズル先端部の断面図（ａ）と各測定部位における圧力の測定結果を示す図（ｂ）である。
【図８】燃料噴射ノズルの先端部の断面図である（第２実施例）。
【図９】燃料噴射ノズルの先端部の断面図である（第３実施例）。
【符号の説明】
１ 燃料噴射ノズル
３ ノズルボディ
４ ニードル
１７ 燃料通路
１９ 第１の噴孔
１９ａ 入口（第１開口部）
１９ｂ 出口（第２開口部）
２０ 第２の噴孔
２１ シート面
２２ サック室
３０ シート部

Claims (2)

1. 燃料通路の下流に円錐状のシート面を有し、このシート面の下流に連続してサック室を有し、前記シート面に近い前記サック室の内壁面に開口する第１の噴孔とこの第１の噴孔より下流側に開口する第２の噴孔を有するノズルボディと、
   このノズルボディに摺動自在に嵌挿され、自身の下端部に前記シート面に対向するシート部が設けられたニードルとを備え、
   このニードルがリフトする時に、そのリフト量が小さい低リフトとリフト量が大きい高リフトが設定されている燃料噴射ノズルであって、
   前記サック室の入口内周の流路面積をサック入口流路面積と呼び、前記シート部外周の流路面積をシート部流路面積と呼ぶ時に、
   前記サック入口流路面積が、前記シート部流路面積より小さく且つ前記第２の噴孔の開口面積より小さくなる領域に前記低リフト時のリフト量が設定され、
   前記サック入口流路面積が、前記第１の噴孔の開口面積と第２の噴孔の開口面積とを合計した面積より大きくなる領域に前記高リフト時のリフト量が設定されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 燃料通路の下流に円錐状のシート面を有し、このシート面の下流に連続してサック室を有し、前記シート面に近い前記サック室の内壁面に開口する第１の噴孔とこの第１の噴孔より下流側に開口する第２の噴孔を有するノズルボディと、
   このノズルボディに摺動自在に嵌挿され、自身の下端部に前記シート面に対向するシート部が設けられたニードルとを備え、
   このニードルがリフトする時に、そのリフト量が小さい低リフトとリフト量が大きい高リフトが設定されている燃料噴射ノズルであって、
   前記第１の噴孔の前記サック室側開口部を第１開口部と呼び、反サック室側開口部を第２開口部と呼び、前記第１開口部に加わる前記サック室内の圧力を内部圧力と呼び、前記第２開口部に加わる外部の圧力を外部圧力と呼ぶ時に、
   前記ニードルが低リフトした時は、前記第２開口部に加わる外部圧力より前記第１開口部に加わる内部圧力の方が低くなり、前記ニードルが高リフトした時は、前記第２開口部に加わる外部圧力より前記第１開口部に加わる内部圧力の方が高くなるように、前記低リフト時のリフト量及び高リフト時のリフト量が設定されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。

Images