JP4157826B2 - 燃料噴射ノズルの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルの製造方法に関し、より詳しくは、ＰＭ・黒煙の発生を抑えることができるような燃料噴射ノズルの製造方法に関する。

ディーゼルエンジンの排ガスからＰＭ・黒煙を減らすことは急務である。

排ガスからＰＭ・黒煙を選らす方法としては、後処理によるものがあるが、これは一度発生したＰＭ・黒煙を捕集したりするものであって、根本的な解決にはならない。

このため、ＰＭ・黒煙の発生自体を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。

この技術は、燃焼室内における空気と燃料の混合を均一化できるようにするというもので、燃料噴射ノズルのノズルボディに、燃料の到達距離に差のある二種類の噴孔を形成する構成である。すなわち、複数設けた噴孔のうち一部の噴孔（第１噴孔）には、噴孔の入口部に面取りを施して面取り部を形成し、残りの噴孔（第２噴孔）の入口部には、面取り部を施さない、又は上記第１噴孔の面取り部よりも小さい面取りを施して、上記第１噴孔を通過する燃料の流量係数を、第２噴孔を通過する燃料の流量係数よりも高く設定するものである。この構成により、第１噴孔から噴霧される燃料の到達距離のほうが、第２噴孔から噴霧される燃料の到達距離よりも長くなる。

上記面取り部は、電解加工等の加工方法によりＲ形状に形成する。

しかし、このような面取り部の加工は容易ではなく、ましてや噴孔入口部はごく小さな部分であるので細かに寸法を定めることはむつかしい。僅かな寸法の違いが大きな到達距離の差となって現れてしまう。このため、燃料の到達距離を設定し、燃料噴霧の均一化を図ることは、現実には非常に困難である。

また、噴孔の噴孔径は、φ０．２〜φ０．３であって、従前の燃料噴射ノズルの噴孔径と同等で、噴孔から噴霧される燃料の粒子の大きさについては従前の場合と大差がない。つまり、燃焼室内に均一になるように噴霧することはできても、燃料がこれまでと同様に大きな粒のままの状態で燃焼することになり、燃料が蒸し焼き状態になりやすい。このため、ＰＭ・黒煙の低減には限界があった。
特開平８−２４６９９９号公報

そこで、この発明は、燃料の到達距離の設定が比較的容易に、しかも確実にできるようにすることを主たる課題とする。

また、噴霧される燃料の超微粒子化が図れ、空気と燃料との混合状態がより一そう良好な噴霧状態が得られるようにすることを課題とする。

そのための手段は、ノズルボディの先端部に複数の噴孔を有した燃料噴射ノズルを製造する燃料噴射ノズルの製造方法であって、原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、上記成形処理を、主型内に中子を入れて行うとともに、該中子には、燃料噴射ノズルのニードルが収納される中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて燃料噴射ノズルに噴孔を形成する複数種類の太さの複数本の枝部と、これらの枝部を支えるべく主型内で定置される支持部とを一体に有する合成樹脂製の中子を用い、上記成形処理後に、上記中子を除去する中子除去処理を行う燃料噴射ノズルの製造方法である。

中子には、複数種類の太さの複数本の枝部を備えたので、燃料噴射ノズルの噴孔には、噴孔径に対する噴孔長さの比が大きい噴孔と、それよりも噴孔径に対する噴孔長さの比が小さい噴孔とができ、前者の噴孔からは、後者の噴孔からの場合によりも、燃料をより遠くへ噴霧することができる。このように噴霧の到達距離が異なる複数種類の噴孔を適宜配置することで、燃料の噴霧状態の均一化を図ることができる。

噴孔の配置は、他の噴孔よりも噴孔径に対する噴孔長さの比が大きい噴孔を設けた部分には、その噴孔の近傍に、上記噴孔よりも噴孔径に対する噴孔長さの比が小さい噴孔を設けるように行うとよい。噴霧の到達距離が長い噴孔から燃料を噴霧した部分では、噴孔に近い部分で濃度が薄くなるが、上記噴孔よりも噴孔径に対する噴孔長さの比が小さい噴孔から噴霧された燃料がそれを補うからである。

また、複数種類の噴孔は、ノズルボディの周方向に分散して形成することはもちろん、軸方向にも分散して形成するとよい。様々な燃焼室形状に対応させることができる。

さらに、上記噴孔径に対する噴孔長さの比は、中子除去処理後に噴孔の出口に切削処理して面取り部を形成することによっても変えることができる。

また上噴孔のうち少なくともひとつの噴孔の噴孔径を、穿孔加工不可能な０．２ｍｍより小径に設定できるように中子を特定するとよい。より好ましくは、全ての噴孔の噴孔径が穿孔加工不可能な０．２ｍｍより小径であるとよい。噴霧される燃料の超微粒子化を図ることができる。

以上のように、この発明によれば、噴孔の寸法設定を高い精度で細かに行えるとともに、噴孔径の小径化が確実に行える。

しかも、得られた燃料噴射ノズルでは、噴霧の到達距離の異なる複数種類の噴孔が設けられることになるので、その噴孔の配置により、燃焼室内における空気の燃料の混合状態を均一にすることができる。

その上、噴霧の到達距離の違いは、噴孔径に対する噴孔長さの比で設定されることになるので、寸法設定を細かく行うことができる。このため、燃料の到達距離の設定が確実に行える。さらに燃料の到達距離の設定は、噴孔径と噴孔長さの値に加えて、噴孔出口における面取り部の有無や角度によっても行えるので、段階的に多様な、所望の寸法設定が容易である。

また、得られた燃料噴射ノズルの噴孔の噴孔径を、穿孔加工不可能な０．２mmより小径に形成すれば、これまで不可能であった燃料の超微粒子化を図ることができる。このため、空気と燃料との混合状態がより一そう良好な噴霧状態が得られ、燃料の燃焼を完全に行わせることができ、燃焼時のＰＭ・黒煙の発生を阻止することができる。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。

図１、図２は、燃料噴射ノズル１１からの燃料の噴霧状態を示す説明図であり、この図に示すように、燃料噴射ノズル１１は、燃料の到達距離に違いのある複数の噴孔を有している。これら噴孔は、噴霧される燃料が燃焼室１２内でムラなく均一に空気と混合するように、その到達距離と配置を設定している。

燃料噴射ノズル１１は、ノズルボディ１３と、このノズルボディ１３内に収納したニードル１４とからなる。上記ノズルボディ１３は、燃料噴射ノズル１１の軸方向に穿設され上記ニードル１４を収納する中空の内孔１５と、この内孔１５の先端に設けられたテーパコーン状のシート部１６と、このシート部１６の先端に設けられたホール部１７とを有している。該ホール部１７は、図３に示したように内筒内壁面１７ａ及び半球面１７ｂからなり、上記半球面１７ｂに、上記複数の噴孔１８，１９を形成している。

上記ニードル１４は、先端部が円錐形状をなす丸棒状で、上記噴孔を閉じる方向に付勢されて収納されている。

この燃料噴射ノズル１１は、ピストン２０の頂面に凹設された燃焼室１２に臨むようにシリンダヘッド２１に装着する。

噴孔１８，１９における燃料の到達距離の違いは、噴孔径に対する噴孔長さの比を異ならせて設定する。

図３がそのノズルボディ１３の先端部を示す断面図、図４がノズルボディ１３の先端部の底面図であり、燃料の到達距離の長い第１噴孔１８の噴孔径Ｄ1を、この第１噴孔Ｄ1と噴孔長さＬが同一である第２噴孔１９の噴孔径Ｄ2よりも小径に設定して、第１噴孔１８の燃料の到達距離Ｌを第２噴孔１９のそれよりも長く設定している。

この例では、図１に示したように燃焼室１２の内底面中央部に形成する隆起部１２ａを左右均等な形状に形成し、燃焼室１２の形状を水平方向において均等な形状にしている。このため、上記第１噴孔１８は、等間隔に放射状に配設し、第２噴孔１９は、第１噴孔１８の間に、同じく放射状に配設している。

すなわち、図５（ａ）に示したように、噴孔長さＬが同一であるのに対して、噴孔径Ｄ1，Ｄ2が異なる噴孔１８，１９同士では、噴孔径の小さい噴孔１８から噴霧される燃料のほうが、噴孔径の大きい噴孔１９から噴霧される燃料よりも到達距離が長くなる。このため、上記第１噴孔１８から噴霧される燃料はノズル先端部を中心に外周側ほど広がる燃焼室１２内の遠い位置に噴霧され、外周側において主に分布される。一方、上記第２噴孔１９から噴霧される燃料は、燃焼室１２内における中心部から近い位置に噴霧され、中心部から外周側に掛けての部位に主に分布される。

また、図１、図３に示したように、第１噴孔１８は、第２噴孔１９よりも下に向け、ノズルボディ１３の軸方向においても分散して形成し、噴霧分布の均一状態を得られるようにしている。

上記噴孔径と噴孔長さを所望の値に設定することで、所望の到達距離を得ることができる。

このように同一噴孔長さに対して噴孔径の数値を異ならせるほか、図５（ｂ）、（ｃ）に示したように、噴孔長さを異ならせることによって、噴孔径に対する噴孔長さの比を設定するもよい。図５中、左側には到達距離の長い噴孔１８の例を示し、右側には到達距離の短い噴孔１９の例を示している。

図５（ｂ）では、噴孔１９の入口部にテーパ状の面取り部２２を形成して、噴孔長さＬ2を短く設定し、図５（ｃ）では、噴孔１９の出口部にテーパ状の面取り部２２を形成して、噴孔長さＬ2を短く設定している。

このように噴孔１９の入口部又は出口部に面取り部２２を形成して、その他の噴孔１８よりも噴孔長さＬ2を短くするのは、噴孔１８，１９を形成する部位である半球面１７ｂ部分の厚みが同一の場合であって、噴孔１８，１９を形成する部位を他の部位よりも肉厚に設定するなどして、噴孔１８，１９の噴孔長さＬ1，Ｌ2を違えるもよい。

また、複数種類形成する噴孔１８，１９は、噴孔径を異ならせることと、噴孔長さを異ならせることとを混在させて、設けるもよい。また、これらに、図５（ｄ）に示したような噴孔出口部の面取り部２２における角度の違いを合わせて、噴孔径に対する噴孔長さの比を設定するもよい。

このような噴孔１８，１９を有したノズルボディ１３は、図６のフローチャートに示したような複数段階の処理を経て製造する。

まず、燃料噴射ノズルが所望の性状を示すようにすべく、各種の金属粉体等からなる原料粉体を所定の割合で混合し、成形材料を得る（混合処理、ステップｎ１）。

続いて、その成形材料を射出成形又は高速遠心成形により成形して成形体を得る（成形処理、ステップｎ２）。この成形処理は、図７、８、９、１０に示したような中子３１を用いて行う。図７、１０中、３２が主型で、３３が成形材料である。つまり、主型３２内に中子３１を入れてから成形材料３３を入れて成形する。

ここで、上記中子３１は、上記内孔１５に対応する棒状の幹部３１ａと、該幹部３１ａの先端部から放射状に延びて上記噴孔を形成する枝部３１ｂ…と、これら枝部３１ｂ…を主型３２内で安定して支持すべく、枝部３１ｂの先端を一体に連結するリング状に形成された支持部３１ｃとを有している。支持部３１ｃには、主型３２の内面に接触して定置される接地部３１ｄを形成している。接地部３１ｄは、図示したように断面円形に形成するほか、断面略かまぼこ形に形成して接地部３１ｄを平らに形成したりするもよい。また図１０に仮想線で示したように、支持部３１ｃが主型３２の下部隅部３２ａに位置するように形成することにより、より安定よく支持できる。

このように形成した中子３１は、図７に示したように、主型３２内に下ろし、中子３１と主型３２の寸法に基づいてあらかじめ計算した位置まで下ろして支持部３１ｃの接地部３１ｄを無理なく接地させ、その位置で固定する。

また、上記枝部３１ｂの太さは、焼結により収縮する収縮率を考慮して、所望する噴孔１８，１９の径よりも若干大きく設定する。例えば、第１噴孔１８を０．０５mmの噴孔とする場合、図８に示したようにこの噴孔１８を形成する枝部３１ｂａの太さＤ1は、例えば０．０７〜０．０６５mm程度に設定するとよい。また、第２噴孔１９を０．１mmの噴孔とする場合、この噴孔１９を形成する枝部３１ｂｂの太さは、例えば０．１２〜０．１６５mm程度に設定するとよい。

さらに、この中子３１は、例えばアクリルやポリカーボネート等の合成樹脂で形成し、中でもアクリル樹脂で形成するのがよい。

アクリル樹脂は、射出成形（成形温度約２５０〜２８０度）により上記形状に形成する。

成形処理ｎ２を射出成形で行う場合には、およそ１６０〜１８０度くらいの成形温度で成形材料の成形を行う。この場合、原料粉体は粘度の高い有機バインダを媒体として使用し、粉体を分散させて上記成形材料とする。

高速遠心成形で行う場合は、粘土の低い水やエタノール等の有機溶媒を媒体として粉体を分散させ泥漿を得る。図７は、高速遠心成形による成形処理を示す説明図である。

つまり、主型３２内に中子３１を入れ（図７（ａ）参照）、中子３１の支持部３１ｃが主型３２内に接地した定置状態に保持するとともに、成形材料としての泥漿を中子３１の上端部を構成している中子保持部材３４の貫通孔３４ａを通して入れて（図７（ｂ）参照）、常温で高速回転させる。すると、泥漿内の原料粉体が下方に移動して、成形体３５を得ることができる。なお、上記中子保持部材３４もアクリル樹脂で形成する。中子３１と一体に形成するもよい。

図７中、３４ｂは位置決め部で、中子３１を主型３２内におろして支持部３１ｃの接地部３１ｄを接地させた状態に位置決めするためのものである。

このような成形処理ｎ２の後は、成形体３５を主型３２から外す。そして、成形体３５は、中子３１を有した状態であるので、次の中焼結処理ｎ３で、中子３１を蒸発させ、消失させる。すなわち、原料粉体に混入したパラフィン等を溶かすとともに、中子３１を蒸発させることが可能な中温（本来の焼結温度よりも低い温度、例えば７００度位）で加熱する中焼結処理ｎ３を行う。この中焼結処理ｎ３により、切削処理ｎ４が行いやすくなるので、続いて、図６に示したように切削処理ｎ４を行い、図７（ｃ）に仮想線で示したような中子３１の支持部対応部位の近傍を含む不要部位と、その他内側の不必要部位とを適宜切削して噴射孔１８，１９を露出させるとともに、所望の形状に形成する。

次に本来の焼結温度（例えば１３００〜１４００度位）で加熱する本焼結処理ｎ５を行い、燃料噴射ノズルのノズルボディ１３を得る。

これら切削処理ｎ４と本焼結処理ｎ５は、図６に仮想線で示したように順序を入れ替えるもよい。

この後は、必要に応じて、適宜の後処理を行う。その後処理とは、例えば、所望の形状になるように形を整える整形で、例えば鍛造である。

噴孔径に対する噴孔長さの比が異なる噴孔の到達距離と、その種類及び配置は、燃焼室１２の形状に応じて、適宜設定する。

図１１に示したように、燃焼室１２中央部の隆起部１２ａが偏った位置にある場合には、広い方に到達距離の長い第１噴孔１８を設け、狭い方に到達距離の短い第２噴孔１９を設ける。そして、到達距離の長い第１噴孔の近傍（両側）には、図１２に示したように、その噴孔距離よりも未到達距離が短い第２噴孔１９を配設する。

図１３はノズルボディの断面図であり、到達距離の長い第１噴孔１８と、それよりも到達距離の短い第２噴孔１９とを設けるとともに、図１４に示したように、第１噴孔１８よりも到達距離が短く、第２噴孔１９よりも到達距離の長い第３噴孔２３を設けている。この例では、ひとつの第１噴孔１８の１８０度反対側に、第２噴孔１９を設け、これら第１噴孔１８と第２噴孔１９との間の９０度位置に、第２噴孔１９を設けるとともに、該第２噴孔１９と上記第１噴孔１８との間には、第２噴孔１９と第３噴孔２３をひとつずつ形成し、上記９０度位置の第２噴孔１９と第１噴孔１８の反対側の第２噴孔１９との間には、ひとつの第３噴孔２３を形成して、噴霧される燃料と空気のムラのない均一化を図るようにしている。

また、上述のようにノズルボディ１３の周方向に複数の噴孔１８，１９，２３を配設するほか、図１５に示したように、ノズルボディ１３の軸方向（上下方向）にも分散して配設し、燃焼室１２の深さ方向でも燃料と空気の混合が均一に行われるようにすると良い。

このように構成したノズルボディ１３で燃料の噴霧を行うと、噴霧の到達距離の異なる複数種類の噴孔１８，１９，２３の配置により、燃焼室１２内における空気の燃料の混合状態を均一にすることができ、完全燃焼を図ることができる。このため、ＰＭ・黒煙の発生を抑制できる。

しかも、その噴霧の到達距離の違いは、噴孔径に対する噴孔長さの比で設定しているので、噴孔の噴孔径、噴孔長さの寸法設定を何段階にも細かく行うことができる。このため、燃料の到達距離の設定が確実に行える。その上、噴孔径と噴孔長さの値で設定するので、所望の寸法設定は容易である。

また、噴孔１８，１９，２３の噴孔径を、穿孔加工不可能な０．２mmより小径に設定しているので、これまで不可能であった燃料の超微粒子化を図ることができる。このため、空気と燃料との混合状態がより一そう良好な噴霧状態が得られ、燃料の燃焼を完全にすることができる。このため、燃焼時のＰＭ・黒煙の発生をより一そう抑制することができる。

また、ノズルボディ１３の噴孔１８，１９，２３は、上述のようにして形成するので、ドリルや放電、レーザで穿孔できなかった微細孔とすることが確実にできる。しかも、噴孔の寸法制度は高く、所望とおりに製造できる。このため、上述のように、噴霧される燃料の超微粒子化を図れ、急務とされているディーゼルエンジンから排出されるＰＭ・黒煙の低減若しくは皆無化が、実現できる。

以上の一形態における第１噴孔１８、第２噴孔１９、第３噴孔２３は、この発明の噴孔に対応し、
中焼結処理ｎ３は、中子除去処理に対応し、
本焼結処理ｎ５は、焼結処理に対応するも、
この発明は、上記一形態の構成のみに限定されるものではない。

例えば、噴孔は上述例のように２種類、３種類のみではなく、４種類、５種類と多くの種類の噴孔を配設するもよい。この発明の製造方法によれば、複雑な形状となっても容易に製造可能である。

燃料噴射ノズルの作用状態の説明図。 燃料噴射ノズルの作用状態の説明図。 燃料噴射ノズルの要部断面図。 燃料噴射ノズルの拡大底面図。 噴孔の構造説明図。 製造工程を示すフローチャート。 高速遠心成形法に基づく製造工程を示す説明図。 中子の要部縦断面図。 中子要部の横断面図。 成形状態を示す断面図。 他の例に係る燃料噴射ノズルの作用状態の説明図。 他の例に係る燃料噴射ノズルの拡大底面図。 他の例に係る燃料噴射ノズルの要部断面図。 他の例に係る燃料噴射ノズルの作用状態の説明図。 他の例に係る燃料噴射ノズルの作用状態の説明図。

符号の説明

１１…燃料噴射ノズル
１３…ノズルボディ
１８…第１噴孔
１９…第２噴孔
２２…面取り部
２３…第３噴孔
３１…中子
３１ａ…幹部
３１ｂ…枝部
３１ｃ…支持部
３２…主型
３５…成形体

Claims (4)

1. ノズルボディの先端部に複数の噴孔を有した燃料噴射ノズルを製造する燃料噴射ノズルの製造方法であって、
   原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、
   上記成形処理を、主型内に中子を入れて行うとともに、
   該中子には、燃料噴射ノズルのニードルが収納される中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて燃料噴射ノズルに噴孔を形成する複数種類の太さの複数本の枝部と、これらの枝部を支えるべく主型内で定置される支持部とを一体に有する合成樹脂製の中子を用い、
   上記成形処理後に、上記中子を除去する中子除去処理を行う
   燃料噴射ノズルの製造方法。
2. 前記中子除去処理後に、噴孔の出口に面取り部を形成する切削処理を行なう
   請求項１に記載の燃料噴射ノズルの製造方法。
3. 前記中子に、枝部が幹部の周方向のほか、軸方向にも分散形成されたものを用いる
   請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズルの製造方法。
4. 前記中子に、少なくとも一部の枝部が、孔径０．２ｍｍより小径の噴孔を形成可能な太さに設定されたものを用いる
   請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射ノズルの製造方法。

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