JP4134968B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射ノズルに関する。

例えば、コモンレール式燃料噴射装置に使用されるインジェクタがある。このインジェクタは、図９に示す様に、ノズルボディ１００とニードル１１０から成るノズル部を備えている。このノズル部では、ノズルボディ１００の内部に穿設された縦穴内をニードル１１０が図示上方へ移動して、ニードル１１０のシートライン（稜線）１２０がノズルボディ１００のシート面１３０から離れると、ニードル１１０の周囲に形成される燃料通路１４０と噴孔１５０との間が連通することで、燃料通路１４０より供給される高圧燃料が噴孔１５０より噴射される。その後、リフトしたニードル１１０が図示下方へ移動して、シートライン１２０がシート面１３０に着座すると、燃料通路１４０と噴孔１５０との間が遮断されることで、噴射が終了する。

ところで、ニードル１１０の閉弁時には、シートライン１２０がシート面１３０に着座した位置でニードル１１０が静止することはなく、慣性によってニードル１１０が深く沈み込むため、ニードル１１０の往復動作が繰り返し行われると、シート部１６０の面圧が増大してシート摩耗が進行することにより、噴射量が増加する要因となっている。
これに対し、シート摩耗を低減するための公知技術として、例えば、特許文献１に記載された燃料噴射ノズルがある。この燃料噴射ノズルは、ノズルボディのシート面にシートラインを設けて、このシートラインにニードルのテーパ面（円錐面）が着座する構成である。
特開２００２−１６８１６２号公報

ところが、上記の公知技術（特許文献１）では、縦穴の最深部にシートラインを設ける必要があるため、そのシートラインを精度良く加工することが困難であり、ニードルの閉弁時に燃料漏れを生じる恐れがある。
また、先のノズル部（図９参照）の場合と同様に、ニードルの往復動作が繰り返し行われることで、ニードルのテーパ面およびノズルボディのシートラインが摩耗することは避けられず、根本的な解決には至っていない。
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、シート摩耗を軽減できる燃料噴射ノズルを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明の燃料噴射ノズルは、先端部に噴孔を有するノズルボディと、このノズルボディの内部に往復動可能に収容されるニードルとを備え、ノズルボディには、噴孔より上流側に円錐状のシート面が設けられ、ニードルの先端部には、閉弁時にシート面に着座するシートラインが設けられている。また、ニードルの閉弁時にシートラインがシート面に着座すると同時またはその直後に、ニードルとノズルボディとが軸方向に直接当接する当接部を設けている。この当接部は、シートラインがシート面に着座するシート部より上流側に設けられて、ニードルに設けられたボディ当接部と、ノズルボディに設けられたニードル当接部とから成り、シートラインがシート面に着座すると同時またはその直後に、ボディ当接部がニードル当接部に当接する構成であり、且つ、ボディ当接部は、ニードルの周方向に複数箇所設けられ、それぞれの間に上流側と下流側とを連通して燃料通路の一部を成す切欠きが形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ニードルのシートラインがシート面に着座すると同時（但し、シートラインがシート面に着座する前に、ニードルとノズルボディとが当接部にて当接することはない）、または着座直後に、ニードルとノズルボディとが当接部にて直接当接するので、閉弁荷重がシート部だけに加わることはなく、シート部と当接部との二箇所に分散される。これにより、シート部の面圧を低減できるので、シート摩耗を軽減できる。なお、前記シート部は、ニードルのシートラインがシート面に着座する部位である。
また、ニードルの周方向に複数箇所設けられたボディ当接部とボディ当接部との間に燃料通路の一部を成す切欠きが形成されているので、ニードルのボディ当接部がノズルボディのニードル当接部に当接した状態でも、当接部によって燃料通路が遮られることはなく、切欠きを通ってニードルのシートラインまで高圧燃料を導くことができる。

（請求項２の発明）
本発明の燃料噴射ノズルは、先端部に噴孔を有するノズルボディと、このノズルボディの内部に往復動可能に収容されるニードルとを備え、ノズルボディには、噴孔より上流側に円錐状のシート面が設けられ、ニードルの先端部には、閉弁時にシート面に着座するシートラインが設けられている。また、ニードルの閉弁時にシートラインがシート面に着座すると同時またはその直後に、ニードルとノズルボディとが軸方向に直接当接する当接部を設けている。この当接部は、ニードルの先端部に突設されたボディ当接部を有し、ニードルのシートラインがシート面に着座すると同時またはその直後に、ボディ当接部の先端がノズルボディの先端部に凹設されたサック室の底面に当接することを特徴とする。
上記の構成によれば、ニードルのシートラインがシート面に着座すると同時（但し、シートラインがシート面に着座する前に、ニードルとノズルボディとが当接部にて当接することはない）、または着座直後に、ニードルとノズルボディとが当接部にて直接当接するので、閉弁荷重がシート部だけに加わることはなく、シート部と当接部との二箇所に分散される。これにより、シート部の面圧を低減できるので、シート摩耗を軽減できる。なお、前記シート部は、ニードルのシートラインがシート面に着座する部位である。
また、当接部を設けるためにノズルボディの形状を変更する必要はなく、ニードルの先端部にボディ当接部を突設するだけで良いため、加工が容易である。さらに、ボディ当接部は、ニードルの先端部（シートラインより下流側）に設けられるので、シートラインより上流側で燃料通路が絞られることはない。

（請求項３の発明）
請求項２に記載した燃料噴射ノズルにおいて、当接部は、ニードルの先端部に突設されたボディ当接部と、ノズルボディのサック室に配設されたストッパ部材とから成り、ニードルのシートラインがシート面に着座すると同時またはその直後に、ボディ当接部がストッパ部材に当接することを特徴とする。
この構成では、当接部を設けるためにノズルボディの形状を変更する必要はなく、ノズルボディとは別体のストッパ部材をノズルボディのサック室に配設するだけで良い。また、ニードルのボディ当接部は、ニードルの先端部に突設するだけで良いため、加工が容易である。さらに、ボディ当接部は、ニードルの先端部（シートラインより下流側）に設けられるので、シートラインより上流側で燃料通路が絞られることはない。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射ノズルは、高圧燃料を蓄えるコモンレールに接続され、コモンレールより供給される燃料を内燃機関に噴射するコモンレール用インジェクタに用いられていることを特徴とする。
近年、コモンレール用インジェクタでは、噴射圧の増加により、ノズルに掛かる負荷が大きくなっているため、シート摩耗の問題が深刻になっている。これに対し、請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射ノズルをインジェクタに採用することで、シート摩耗の軽減に効果を発揮する。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

実施例１では、本発明の燃料噴射ノズルを内燃機関用のインジェクタ１に採用した一例を説明する。
図１はインジェクタ１のノズル部の断面図である。
インジェクタ１は、例えば、ディーゼル機関用のコモンレール式燃料噴射装置に使用されるもので、図３に示す様に、先端部に噴孔２を有するボディ３と、このボディ３に収容されるニードル４と、このニードル４の背圧（ニードル４を閉弁方向に付勢する燃料圧力）を蓄える制御室５と、この制御室５の燃料圧力を制御するためのバルブ６と、このバルブ６を駆動する駆動手段（後述する）等より構成される。

ボディ３には、ニードル４を収容する収容孔が形成され、その収容孔の下端部に円錐形状に凹設された円錐孔が設けられ、更に円錐孔の先端にサック室７が連続して設けられている。また、円錐孔の内周面には、周方向に複数箇所、前記噴孔２が穿設されている。以下、円錐孔の内周面のうち、噴孔２より上流側をシート面８（図１参照）と呼ぶ。
ニードル４は、収容孔の内周に微小なクリアランスを有して摺動可能に嵌合する摺動部４ａと、この摺動部４ａより外径が小さく設けられて、摺動部４ａの図示下方へ棒状に延設された軸部４ｂと、この軸部４ｂの先端に設けられる円錐形状部（以下に説明する）とを有している。

軸部４ｂの外周には、収容孔との間に環状の空間が形成され、この環状の空間が高圧通路９に接続されて燃料通路１０として設けられている。なお、高圧通路９は、外部のコモンレール（図示せず）に接続され、そのコモンレールより高圧燃料が供給される。
円錐形状部は、図１に示す様に、円錐角が異なる第１円錐部４ｃと第２円錐部４ｄとで構成され、円錐角が小さい第１円錐部４ｃと円錐角が大きい第２円錐部４ｄとの稜線がシートライン４ｅとして設けられている。

上記のニードル４は、摺動部４ａの上側に配設されたスプリング１１により常時閉弁方向（図３の下方向）に付勢されて、シートライン４ｅが前記シート面８に着座（当接）している。なお、シートライン４ｅがシート面８に着座する位置（以下、シート部１２と呼ぶ）は、図１に示す様に、シート面８に穿設された噴孔２の入口より上流側であり、シート部１２によって前記燃料通路１０と噴孔２との間が遮断される。
このニードル４とボディ３には、シート部１２の他に、ボディ３とニードル４とが軸方向（ニードル４の閉弁方向）に当接する当接部（後述する）が設けられている。

制御室５は、収容孔の一部としてニードル４の摺動部４ａより上部に形成され、制御室５の燃料圧力が摺動部４ａの上端面に作用している。この制御室５は、インオリフィス１３を有する連通路１４を介して高圧通路９に連通すると共に、アウトオリフィス１５を有する連通路１６を介してバルブ室１７に連通している。なお、インオリフィス１３の方がアウトオリフィス１５より絞り径が小さく設けられている。
バルブ室１７には、連通路１６が接続される制御ポート１８と、高圧通路９に通じる高圧ポート１９、および低圧通路２０に通じる低圧ポート２１が設けられている。低圧通路２０は、燃料タンク等の低圧側に接続されている。

バルブ６は、バルブ室１７に収容され、同じくバルブ室１７に配設されるスプリング２２により上方へ付勢されて、バルブ室１７の上端面に開口する低圧ポート２１を閉じている。このバルブ６は、二位置三方弁として構成され、低圧ポート２１を閉じる初期位置と、高圧ポート１９を閉じる制御位置との間でバルブ室１７を移動可能に設けられている。従って、バルブ６が初期位置に移動して低圧ポート２１を閉じると、制御ポート１８と高圧ポート１９とが連通し、バルブ６が制御位置に移動して高圧ポート１９を閉じると、制御ポート１８と低圧ポート２１とが連通する。

駆動手段は、ピエゾアクチュエータ２３、ピエゾピストン２４、およびバルブピストン２５等より構成される。
ピエゾアクチュエータ２３は、印加電圧に応じて伸張するピエゾ素子（圧電素子）を複数枚積層して構成され、ボディ３の上部に形成されたピエゾ室２６に収容されている。
ピエゾピストン２４は、ピエゾ室２６の下部に連続して形成された大径シリンダ２７に摺動自在に挿入されると共に、ピエゾアクチュエータ２３の下端面に当接するピストン頭部２４ａがスプリング２８に付勢されてピエゾアクチュエータ２３に押圧されている。

バルブピストン２５は、大径シリンダ２７の下部に連続して形成された小径シリンダ２９に摺動自在に挿入されると共に、ピエゾピストン２４との間に配設されたスプリング３０により図示下方へ付勢されている。また、ピエゾピストン２４とバルブピストン２５との間には、油で満たされた油密室３１が形成され、この油密室３１の油を介してピエゾピストン２４の変位（図示下方への移動）がバルブピストン２５に伝達される。小径シリンダ２９は、低圧ポート２１を通じてバルブ室１７に連通して設けられると共に、連通路３２を介して低圧通路２０に接続されている。また、バルブピストン２５は、反油密室側に小径ピン２５ａが突出して設けられ、この小径ピン２５ａが低圧ポート２１に挿通されて、バルブ６の上端面に当接している。

続いて、前記当接部について説明する。
ニードル４は、図１に示す様に、第１円錐部４ｃの最大外径が軸部４ｂの外径より小さく設けられて、軸部４ｂと第１円錐部４ｃとの間に段差を有している。軸部４ｂの下端部には、前記段差を利用した４箇所のニードルストッパ３３が設けられている。このニードルストッパ３３は、軸部４ｂの外周面に４箇所の切欠き３４を周方向等間隔（等間隔でなくても良い）に形成することで、周方向に隣合う切欠き３４と切欠き３４との間に設けられている。
４箇所の切欠き３４は、図２に示す様に、軸部４ｂの外周面を第１円錐部４ｃの略最大外径まで円弧状に切り取って形成されている。

一方、ボディ３は、図１に示す様に、円錐孔の最大外径が収容孔の内径より小さく設けられて、収容孔と円錐孔との間に段差を有している。また、円錐孔の最大外径は、軸部４ｂの外径より小さく設定されている。これにより、ニードル４側の段差（ニードルストッパ３３の下端面）とボディ３側の段差とが軸方向に当接可能であり、両者の当接部が、それぞれ本発明のボディ当接部３５およびニードル当接部３６として設けられている（図１及び図２参照）。

但し、上記の当接部３５、３６は、ニードル４の閉弁時にシート部１２より先に当接することはなく、図４に示す様に、（ａ）シート部１２が当接した後、つまりシートライン４ｅがシート面８に着座した直後（略同時）に、（ｂ）ボディ当接部３５がニードル当接部３６に当接する構成である。あるいは、シートライン４ｅがシート面８に着座すると同時に、ボディ当接部３５がニードル当接部３６に当接する構成でも良い。
また、ニードル４の軸部４ｂに形成された切欠き３４は、当接部３５、３６の上流側と下流側とを連通する連通路として設けられている。すなわち、ボディ当接部３５とニードル当接部３６とが当接した状態でも、ニードル４の軸部４ｂに形成された切欠き３４（連通路）を通って、ニードル４のシートライン４ｅまで高圧燃料を導くことができる。

次に、インジェクタ１の作動を説明する。
ピエゾアクチュエータ２３に通電されると、ピエゾアクチュエータ２３の伸張によりピエゾピストン２４が下方に押し下げられ、更に油密室３１の油を介してバルブピストン２５が押し下げられる。このバルブピストン２５に押されてバルブ６が初期位置から制御位置へ移動すると、高圧ポート１９と制御ポート１８との間が遮断されると共に、低圧ポート２１と制御ポート１８との間が連通する。これにより、制御室５がバルブ室１７を介して低圧通路２０と連通することにより、制御室５の高圧燃料が低圧通路２０へ排出されて、制御室５の燃料圧力が低下する。制御室５の燃料圧力が低下してニードル４がリフトする（シートライン４ｅがシート面８から離れる）と、燃料通路１０より供給される高圧燃料が噴孔２より噴射される。

その後、ピエゾアクチュエータ２３への通電が終了すると、ピエゾアクチュエータ２３の収縮により、ピエゾピストン２４がスプリング２８の反力で押し上げられるため、バルブピストン２５に対する押圧力が低下する。その結果、バルブ６がバルブピストン２５と共にスプリング２２の反力で押し上げられ、制御位置から初期位置へ移動すると、低圧ポート２１と制御ポート１８との間が遮断されると共に、高圧ポート１９と制御ポート１８との間が連通する。これにより、制御室５の燃料圧力が上昇してニードル４が押し戻され、シートライン４ｅがシート面８に着座すると、燃料通路１０と噴孔２との間が遮断されて、噴射が終了する。この時、図４に示した様に、シートライン４ｅがシート面８に着座した直後（略同時）に、ニードル４のボディ当接部３５（ニードルストッパ３３の下端面）がボディ３のニードル当接部３６に当接する。

（実施例１の効果）
実施例１に記載したインジェクタ１によれば、ニードル４のシートライン４ｅがシート面８に着座した直後（略同時）に、ニードル４のボディ当接部３５がボディ３のニードル当接部３６に当接するので、閉弁荷重がシート部１２だけに加わることはなく、シート部１２と当接部３５、３６との二箇所に分散される。これにより、ニードル４の沈み込みが抑制されて、シート部１２の面圧を低減できるので、シート摩耗を軽減できる。特に、コモンレール用インジェクタ１では、１６０ＭＰａ以上の高圧噴射において深刻となっているシート摩耗に対し効果を発揮する。
なお、ニードル４の閉弁時に当接部３５、３６がシート部１２より先に当接することはないので、シート不良による燃料漏れを生じることはない。

図５はインジェクタ１のノズル部の断面図である。
この実施例２では、図５に示す様に、ニードル４の先端部（第２円錐部４ｄの先端部）に棒状のニードルストッパ３７を突設した一例を示す。
ニードル４の閉弁時には、図６に示す様に、（ａ）シートライン４ｅがシート面８に着座した直後（略同時）に、（ｂ）本発明のボディ当接部３５であるニードルストッパ３７の先端面が、ボディ３に形成されたサック室７の底面に当接する。あるいは、シートライン４ｅがシート面８に着座すると同時に、ニードルストッパ３７の先端面がサック室７の底面に当接する構成でも良い。
この実施例２においても、実施例１と同様に、ニードル４の沈み込みが抑制されて、シート部１２の面圧を低減できるので、シート摩耗を軽減できる。

この実施例２に示す構成によれば、ボディ３の形状を変更する必要がなく、例えば、図９に示した従来と同じ形状を採用できる。また、ニードル４は、実施例１の様に軸部４ｂと第１円錐部４ｃとの間に段差を設ける必要はなく、先端部に棒状のニードルストッパ３７を突設するだけで良いので、ニードル４の設計変更を最小限に抑えることができる。さらに、ニードルストッパ３７をシートライン４ｅより下流側に設けているので、実施例１の様に、ニードル４に切欠き３４（連通路）を形成しなくても、ニードル４のシートライン４ｅまで高圧燃料を導くことができる。
この実施例２の変形例として、図７に示す様に、ボディ３とは別体のストッパ部材３８をサック室７に配設することもできる。すなわち、シートライン４ｅがシート面８に着座すると同時またはその直後に、ニードルストッパ３７の先端面がストッパ部材３８に当接する構成でも良い。

図８は実施例３に係るインジェクタ３９の断面図である。
この実施例３に示すインジェクタ３９は、制御室５の燃料圧力を電磁弁４０によって制御する方式である。
電磁弁４０は、ソレノイド４１が通電されると、電磁力によってアーマチャ４２が吸引され、そのアーマチャ４２に結合されたバルブ４３が図示上方へ移動することで、制御室５に通じるアウトオリフィス１５を開放する。制御室５には、インオリフィス１３を介して高圧通路９より高圧燃料が流入するが、インオリフィス１３の方がアウトオリフィス１５より絞り径が小さいため、アウトオリフィス１５が開放されると、インオリフィス１３を介して制御室５に流入する燃料量より制御室５からアウトオリフィス１５を介して流出する燃料量の方が多くなる。この結果、制御室５の燃料圧力が低下するため、コマンドピストン４４と共にニードル４がリフトして噴射が開始される。

その後、ソレノイド４１への通電が終了すると、アーマチャ４２がスプリング４５の反力で押し戻されるため、アーマチャ４２と一体にバルブ４３が図示下方へ移動してアウトオリフィス１５を閉じる。これにより、制御室５の燃料圧力が上昇するため、コマンドピストン４４を介してニードル４が押し戻され、ニードル４のシートライン４ｅがボディ３のシート面８に着座して噴射が終了する。この時、シートライン４ｅがシート面８に着座すると同時またはその直後に、例えば、実施例１と同じく、ニードル４のボディ当接部３５（ニードルストッパ３３の下端面）がボディ３のニードル当接部３６に当接する（図４参照）。

この実施例３においても、実施例１と同様に、ニードル４の沈み込みが抑制されて、シート部１２の面圧を低減できるので、シート摩耗を軽減できる。なお、当接部の構成は、実施例２と同じでも良い。つまり、ニードル４の先端部に棒状のニードルストッパ３７を突設して、そのニードルストッパ３７の先端面が、ボディ３に形成されたサック室７の底面、あるいはサック室７に配設されたストッパ部材３８に当接する構成でも良い。

インジェクタのノズル部断面図である（実施例１）。 ニードルを先端側から見た平面図（図１のＡ視図）である（実施例１）。 インジェクタの断面図である（実施例１）。 ニードル閉弁時の当接順序を示すノズル部断面図である（実施例１）。 インジェクタのノズル部断面図である（実施例２）。 ニードル閉弁時の当接順序を示すノズル部断面図である（実施例２）。 インジェクタのノズル部断面図である（実施例２の変形例）。 インジェクタの断面図である（実施例３）。 燃料噴射ノズルの先端部断面図である（公知技術）。

符号の説明

１ インジェクタ（実施例１）
２ 噴孔
３ ボディ（ノズルボディ）
４ ニードル
４ｅ シートライン
７ サック室
８ シート面
３４ 切欠き（連通路）
３５ ボディ当接部（当接部）
３６ ニードル当接部（当接部）
３８ ストッパ部材
３９ インジェクタ（実施例３）

Claims (4)

1. 先端部に噴孔を有するノズルボディと、
   このノズルボディの内部に往復動可能に収容されるニードルとを備え、
   前記ノズルボディには、前記噴孔より上流側に円錐状のシート面が設けられ、
   前記ニードルの先端部には、閉弁時に前記シート面に着座するシートラインが設けられている燃料噴射ノズルにおいて、
   前記ニードルの閉弁時に前記シートラインが前記シート面に着座すると同時またはその直後に、前記ニードルと前記ノズルボディとが軸方向に直接当接する当接部を設け、この当接部は、前記シートラインが前記シート面に着座するシート部より上流側に設けられて、前記ニードルに設けられたボディ当接部と、前記ノズルボディに設けられたニードル当接部とから成り、前記シートラインが前記シート面に着座すると同時またはその直後に、前記ボディ当接部が前記ニードル当接部に当接する構成であり、且つ、前記ボディ当接部は、前記ニードルの周方向に複数箇所設けられ、それぞれの間に上流側と下流側とを連通して燃料通路の一部を成す切欠きが形成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 先端部に噴孔を有するノズルボディと、
   このノズルボディの内部に往復動可能に収容されるニードルとを備え、
   前記ノズルボディには、前記噴孔より上流側に円錐状のシート面が設けられ、
   前記ニードルの先端部には、閉弁時に前記シート面に着座するシートラインが設けられている燃料噴射ノズルにおいて、
   前記ニードルの閉弁時に前記シートラインが前記シート面に着座すると同時またはその直後に、前記ニードルと前記ノズルボディとが軸方向に直接当接する当接部を設け、この当接部は、前記ニードルの先端部に突設されたボディ当接部を有し、前記ニードルのシートラインが前記シート面に着座すると同時またはその直後に、前記ボディ当接部の先端が前記ノズルボディの先端部に凹設されたサック室の底面に当接することを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項２に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   前記当接部は、前記ニードルの先端部に突設されたボディ当接部と、前記ノズルボディのサック室に配設されたストッパ部材とから成り、前記ニードルのシートラインが前記シート面に着座すると同時またはその直後に、前記ボディ当接部が前記ストッパ部材に当接することを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射ノズルは、
   高圧燃料を蓄えるコモンレールに接続され、前記コモンレールより供給される燃料を内燃機関に噴射するコモンレール用インジェクタに用いられていることを特徴とする燃料噴射ノズル。

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