JP4454567B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射ノズルに関する。

従来、アウタニードルの内側にインナニードルを備える同軸２重ニードル式（以下２ニードル式と呼ぶ）の燃料噴射ノズルが知られている。
例えば、特許文献１に記載された燃料噴射ノズルは、図６に示す様に、第１の噴孔１００を開閉するインナニードル１１０と、第２の噴孔１２０を開閉するアウタニードル１３０とを有し、インナニードル１１０がアウタニードル１３０より先にリフトして第１の噴孔１００より燃料を噴射した後、アウタニードル１３０がリフトして第２の噴孔１２０より燃料を噴射する構成である。

また、アウタニードル１３０には、閉弁時に第２の噴孔１２０の上流側シート面に着座する上シート部１３１の他に、第２の噴孔１２０の下流側シート面に着座する下シート部１３２が設けられ、この下シート部１３２で第２の噴孔１２０の下流側（第１の噴孔１００と第２の噴孔１２０との間）をシールすることにより、インナニードル１１０とアウタニードル１３０との摺動隙間から流れ出る燃料、あるいはアウタニードル１３０の外側に形成される燃料通路１４０から連通孔１５０を通ってアウタニードル１３０の内側へ流れ込む燃料が第２の噴孔１２０より流出する燃料リークを防止している。

一方、特許文献２に記載された燃料噴射ノズルは、図７に示す様に、第１の噴孔２００を開閉するインナニードル２１０と、第２の噴孔２２０を開閉するアウタニードル２３０と、両ニードル２１０、２３０間に配置される環状の分割スリーブ２４０とを有し、この分割スリーブ２４０が第２の噴孔２２０の下流側をシールすることにより、第２の噴孔２２０からの燃料リークを防止している。
国際公開第０３／０４０５４３号パンフレット 特開平４−２３２３７５号公報

ところが、特許文献１に示される燃料噴射ノズルは、アウタニードル１３０に設けられた２か所のシート部１３１、１３２で第２の噴孔１２０の上流側と下流側を同時にシールするためには、高精度な加工が必要となる。つまり、シート部の摩耗を抑制するため、高硬度な材料が望まれる中で、２か所のシート部１３１、１３２が同時にシート面に着座できる様に加工することは、加工公差を考慮すると極めて困難であり、実際には、下シート部１３２に弾性を持たせたバネ構造を採用する必要がある。このため、加工が複雑になり、コストアップを招くと共に、耐久性の点でも問題が生じる。

また、特許文献２に示される燃料噴射ノズルでは、アウタニードル２３０と分割スリーブ２４０とが摺動する構成であり、両者間に潤滑のために燃料を通す必要があるため、摺動抵抗を上げずに燃料リークを防止することは困難である。つまり、アウタニードル２３０と分割スリーブ２４０の円滑な動作を保証するためには、両者間の摺動隙間をある程度確保して摺動抵抗を小さくする必要がある。この場合、アウタニードル２３０と分割スリーブ２４０との摺動隙間を通る燃料が多くなるため、結果的に第２の噴孔２２０からの燃料リークが発生する。
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、簡易な構成によって噴孔からの燃料リークを確実に防止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）
本発明は、上流側に第１の噴孔、下流側に第２の噴孔を有すると共に、第１の噴孔の上流側に第１のシート面、第１の噴孔と第２の噴孔との間に第２のシート面を形成するノズルボディと、このノズルボディの内部に往復動自在に収容され、第１の噴孔を開閉する円筒形状のアウタニードルと、このアウタニードルの内側に摺動自在に挿入され、第２の噴孔を開閉するインナニードルとを有し、アウタニードルがインナニードルに先行してリフトする燃料噴射ノズルであって、アウタニードルは、第１の噴孔を閉じる閉弁時に、第１のシート面に着座して第１の噴孔の上流側を閉じる第１ピースと、この第１ピースの先端部に取り付けられて第１ピースと一体に可動し、第２のシート面に着座して第１の噴孔の下流側を閉じる第２ピースとで構成され、第１ピースは、先端部の内周側に内径を拡大した拡大内径部が形成され、第２ピースは、拡大内径部に密着して嵌め込まれ、第１ピースより撓り性あるいは弾性が良好となる機械的性質を有していることを特徴とする。

上記の構成によれば、アウタニードルの閉弁時に、第２ピースが第２のシート面に着座して第１の噴孔の下流側を閉じることにより、アウタニードルとインナニードルとの間に設けられる摺動隙間と第１の噴孔との間が液密に遮断される。その結果、前記摺動隙間を通って第１の噴孔より燃料がリークすることを防止できる。
なお、第１の噴孔の上流側と下流側とが共にシールされると、第２ピースの外周側には第１の噴孔を通じて大気圧が作用し、第２ピースの内周側には前記摺動隙間を通じて高圧が作用する。このため、第１ピースの拡大内径部に嵌め込まれた第２ピースに内周側から高圧が加わり、第２ピースを拡大内径部に押し付ける力が働く。その結果、拡大内径部と第２ピースとの間がシールされるため、拡大内径部と第２ピースとの間から燃料が漏れることを防止できる。

また、本発明の第２ピースは、第１ピースより撓り性あるいは弾性が良好となる機械的性質を有しているため、第１ピースと第２ピースとが同時に着座できない場合に、その着座タイミングのずれを吸収できる。例えば、第２ピースが第２のシート面に着座した時点で、第１ピースが第１のシート面に着座できない場合に、既に第２のシート面に着座している第２ピースが撓むことで、第１ピースと第２ピースの着座タイミングのずれを吸収でき、第１の噴孔の上流側と下流側とを隙間無く閉じることができる。この場合、アウタニードル自体にバネ構造を持たせるための複雑な加工を行う必要がなく、撓り性あるいは弾性を有する第２ピースを第１ピースの拡大内径部に嵌め込むだけの簡易な構成によって燃料リークを防止できるので、先の公知技術（特許文献１）と比較して安価であり、且つ耐久性にも優れた燃料噴射ノズルを提供できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した燃料噴射ノズルにおいて、第１ピースに形成される拡大内径部は、第１ピースの先端に向かって内径が次第に小さくなる逆テーパ形状に設けられ、第２ピースは、拡大内径部にテーパ嵌合して取り付けられることを特徴とする。
上記の構成によれば、第１ピースの拡大内径部に第２ピースをテーパ嵌合するだけの簡易な構成により、アウタニードルのリフト時、つまり第１ピースがリフトした時に、第２ピースが取り残されることなく、第１ピースと一体にリフトできる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した燃料噴射ノズルにおいて、アウタニードルは、第２ピースが第２のシート面に着座した後、第１ピースが第１のシート面に着座することを特徴とする。
この場合、第２ピースが第２のシート面に着座した後、第１ピースより撓り性あるいは弾性が良好な第２ピースが撓むことにより、第１ピースが第１のシート面に着座して、第１の噴孔の上流側と下流側とを液密に閉じることができる。

（請求項４の発明）
請求項３に記載した燃料噴射ノズルにおいて、第２ピースの内径側には、アウタニードルの閉弁時に、第２ピースの先端部が第２のシート面に沿ってシート位置を内径側へ移動できる逃げ代が確保されていることを特徴とする。
この場合、第２ピースが第２のシート面に着座した後、その第２ピースの先端部がシート面に沿ってインナニードル側（内径側）へ撓むことにより、第１ピースが第１のシート面に着座して、第１ピースと第２ピースとの着座タイミングのずれを吸収できる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの燃料噴射ノズルにおいて、第２ピースは、反シート側の端部が拡大内径部に嵌め込まれる嵌合部として設けられ、その嵌合部より先端側には、拡大内径部の内周面と第２ピースの外周面との間に隙間が確保されていることを特徴とする。
この場合、第１ピースの先端部が前記隙間分だけ内側（第２ピース側）へ変形可能となるため、第１のシート面に対する第１ピースの密着度が向上する。

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。

図１は燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である。
本実施例の燃料噴射ノズルは、例えば、ディーゼル機関用のインジェクタに用いられるもので、ノズルボディ１とニードル（後述する）とで構成される。
ノズルボディ１には、径方向の中央部を長手方向（図示上下方向）に穿設された縦孔２と、この縦孔２に通じる噴孔（第１の噴孔３と第２の噴孔４）等が設けられている。
縦孔２の下端部には、円錐状のテーパ面が形成され、更にテーパ面の下流端よりサック室２ａが凹設されている。
第１の噴孔３は、テーパ面を形成しているノズルボディ１の先端壁部を貫通して設けられ、第２の噴孔４は、サック室２ａを形成しているノズルボディ１の先端壁部を貫通して設けられている。つまり、第１の噴孔３の方が第２の噴孔４より図示上方（上流側）に位置している。

ニードルは、第１の噴孔３を開閉するためのアウタニードル５と、第２の噴孔４を開閉するためのインナニードル６とで構成され、円筒形状を有するアウタニードル５の内側にインナニードル６が同軸に且つ摺動自在に挿入されている。
アウタニードル５は、縦孔２の内部に往復動自在に収容され、図示しないスプリングにより閉弁方向（図示下方）に付勢されている。このアウタニードル５は、第１の噴孔３を閉じる閉弁時に、第１の噴孔３より上流側のテーパ面（以下、第１のシート面７と呼ぶ）に着座して、第１の噴孔３の上流側を液密に閉じる第１ピース５Ａと、この第１ピース５Ａの先端部に取り付けられ、第１の噴孔３より下流側のテーパ面（以下、第２のシート面８と呼ぶ）に着座して、第１の噴孔３の下流側を液密に閉じる第２ピース５Ｂとで構成される。

第１ピース５Ａは、アウタニードル５の主体（本体）を構成し、先端部（図示下端部）が円錐状に設けられると共に、その先端部の外周にシートライン（以下、上シート５ａと呼ぶ）が形成され、この上シート５ａが第１のシート面７に着座して、縦孔２と第１ピース５Ａとの間に形成される燃料通路９と第１の噴孔３との間を液密に遮断する。また、先端部の内周側には、内径を拡大した拡大内径部１０が形成され、この拡大内径部１０が第１ピース５Ａの先端まで形成されている。なお、拡大内径部１０は、図示上端から下端に向かって、内径が若干小さくなる逆テーパ形状に設けられている。

第２ピース５Ｂは、第１ピース５Ａの拡大内径部１０に密着して嵌め込まれる（テーパ嵌合する）環状体であり、第１ピース５Ａより撓り性あるいは弾性が良好となる機械的性質を有している。この第２ピース５Ｂは、先端部が第１ピース５Ａの上シート５ａより図示下方へ突き出ており、その先端部の外周にシートライン（以下、下シート５ｂと呼ぶ）が形成され、この下シート５ｂが第２のシート面８に着座して、第１の噴孔３の下流側を液密に閉じることができる。但し、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座するタイミングより、第２ピース５Ｂの下シート５ｂが第２のシート面８に着座するタイミングの方が若干早くなる様に設けられている。第１ピース５Ａの上シート５ａ及び第２ピース５Ｂの下シート５ｂは、第１ピース５Ａの先端部に第２ピース５Ｂを組み付けた後、両シート５ａ、５ｂを加工しても良い。

インナニードル６は、アウタニードル５の内側に所定のクリアランス（摺動隙間）を有して摺動自在に挿入され、図示しないスプリング（アウタニードル５を付勢するスプリングとは別のスプリング）により閉弁方向（図示下方）に付勢されている。このインナニードル６は、先端部（図示下端部）の外周にシートライン（以下、内シート６ａと呼ぶ）が形成され、この内シート６ａが第２のシート面８に着座して、前述の燃料通路９と第２の噴孔４との間を液密に遮断する。
なお、内シート６ａの外径（シート径と呼ぶ）は、アウタニードル５の内周を摺動する摺動部６ｂの外径より小さく設けられている。また、シート径の上流側には、シート径と同一径の小径部６ｃが設けられ、この小径部６ｃと摺動部６ｂとの間にテーパ状の段差６ｄが設けられている。

次に、燃料噴射ノズルの作動を説明する。
本実施例の燃料噴射ノズルは、アウタニードル５がインナニードル６に先行してリフトする。このアウタニードル５のリフトにより、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７から離れると、燃料通路９に供給される燃料が第１の噴孔３より噴射される。この時、第２ピース５Ｂは、第１ピース５Ａの拡大内径部１０にテーパ嵌合しているため、第１ピース５Ａのリフト時に取り残されることはなく、第１ピース５Ａと一体にリフトする。
アウタニードル５が所定のリフト量まで到達すると、アウタニードル５に続いてインナニードル６がリフトすることにより、燃料通路９からサック室２ａに流れ込んだ燃料が第２の噴孔４より噴射される。

その後、所定の噴射量が得られると、インナニードル６がアウタニードル５に先行して閉弁する。つまり、インナニードル６の内シート６ａが第２のシート面８に着座して、第２の噴孔４の上流側を閉じることにより、第２の噴孔４からの噴射が終了する。
続いて、アウタニードル５が第１の噴孔３を閉弁する。この時、図２（ａ）に示す様に、先ず第２ピース５Ｂの下シート５ｂが第２のシート面８に着座して第１の噴孔３の下流側を閉弁する。この時点で、第１ピース５Ａの上シート５ａは、未だ第１のシート面７に着座していない。

続いて、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座して、第１の噴孔３の上流側を閉弁する。この時、第２ピース５Ｂは、第１ピース５Ａより撓り性あるいは弾性が良好な機械的性質を有しているため、図２（ｂ）に示す様に、下シート５ｂが第２のシート面８上を下流側（図示矢印ａ方向）へ移動しながら、第２ピース５Ｂの先端部がインナニードル６の小径部６ｃ側（図示矢印ｂ方向）へ撓むことができる。その結果、第１の噴孔３の上流側と下流側とが確実にシールされる。

（実施例１の効果）
実施例１に記載した燃料噴射ノズルは、アウタニードル５の閉弁時に、第１の噴孔３の下流側が第２ピース５Ｂの下シート５ｂによって確実にシールされる。これにより、アウタニードル５とインナニードル６との間に設けられる摺動隙間と第１の噴孔３との間が液密に遮断されるため、摺動隙間を通って第１の噴孔３より燃料が漏れ出ることを防止できる。なお、アウタニードル５の閉弁時には、第２ピース５Ｂの下シート５ｂより外側には第１の噴孔３を通じて大気圧が作用し、第２ピース５Ｂの内周側には前記摺動隙間を通じて高圧が作用するため、第１ピース５Ａの拡大内径部１０に嵌め込まれた第２ピース５Ｂに内周側から高圧が加わり、第２ピース５Ｂを拡大内径部１０に押し付ける力が働く。その結果、拡大内径部１０と第２ピース５Ｂとの間がシールされるため、拡大内径部１０と第２ピース５Ｂとの間から燃料が漏れることはない。

また、第２ピース５Ｂは、第１ピース５Ａより撓り性あるいは弾性が良好となる機械的性質を有しているため、第２ピース５Ｂの下シート５ｂが第２のシート面８に着座した後、第２ピース５Ｂの先端部が内側へ撓むことにより、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座することができる。つまり、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座するタイミングより、第２ピース５Ｂの下シート５ｂが第２のシート面８に着座するタイミングを早く設定することで、両者の着座タイミングのずれを吸収でき、第１の噴孔３の上流側と下流側とを確実に閉じることができる。
この場合、アウタニードル５自体にバネ構造を持たせるための複雑な加工を行う必要がなく、撓り性あるいは弾性を有する第２ピース５Ｂを第１ピース５Ａの拡大内径部１０に嵌め込むだけの簡易な構成によって燃料リークを防止できるので、先の公知技術（特許文献１）と比較して安価であり、且つ耐久性にも優れた燃料噴射ノズルを提供できる。

なお、実施例１に示した燃料噴射ノズルは、第２ピース５Ｂを第１ピース５Ａの拡大内径部１０にテーパ嵌合させることで、第１ピース５Ａのリフト時に第２ピース５Ｂが取り残されることなく、第１ピース５Ａと一体にリフトできる構成であるが、テーパ嵌合以外の手段を採用することもできる。例えば、第１ピース５Ａの拡大内径部１０に第２ピース５Ｂを接着あるいは接合させても良い。または、スクリュ等で第２ピース５Ｂを第１ピース５Ａに固定することも可能である。

図３は燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である。
この実施例２に示す燃料噴射ノズルは、図３に示す様に、インナニードル６の内シート６ａが摺動部６ｂと同一径に設けられる一例である。この場合、アウタニードル５の第２ピース５Ｂは、第１ピース５Ａの拡大内径部１０にテーパ嵌合する嵌合部の内径（第１ピース５Ａの内径と同一）より、先端側の内径の方が大きく設けられている。これにより、第２ピース５Ｂの先端側の内周面とインナニードル６の外周面との間に、アウタニードル５とインナニードル６との摺動隙間より大きな隙間Ａが確保される。その結果、インナニードル６の内シート６ａが摺動部６ｂと同一径に設けられる構成であっても、第２ピース５Ｂの下シート５ｂが第２のシート面８に着座した後、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座する際に、第２ピース５Ｂの先端部が内側（インナニードル６側）へ撓むことができる。

また、第２ピース５Ｂの先端側だけでなく、図４に示す様に、第２ピース５Ｂの全長に渡って、第２ピース５Ｂの内径を第１ピース５Ａの内径より大きく形成して、インナニードル６との間に前記摺動隙間より大きな隙間Ａを設定することもできる。
これにより、実施例１と同じく、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座するタイミングより、第２ピース５Ｂの下シート５ｂが第２のシート面８に着座するタイミングを早く設定することで、両者の着座タイミングのずれを吸収でき、第１の噴孔３の上流側と下流側とを確実に閉じることができる。

図５は燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である。
この実施例３では、図５に示す様に、第２ピース５Ｂの反シート側の端部（図示上端部）を第１ピース５Ａの拡大内径部１０にテーパ嵌合する嵌合部として設け、この嵌合部より先端側には、拡大内径部１０の内周面と第２ピース５Ｂの外周面との間に隙間Ｂを設けている。
この場合、第１ピース５Ａの先端部が前記隙間Ｂ分だけ内側（第２ピース５Ｂ側）へ変形可能となるため、第１のシート面７に対する上シート５ａの密着度が向上する。

つまり、第１ピース５Ａが第１の噴孔３を確実に閉じるためには、上シート５ａが全周に渡って隙間無く第１のシート面７に当接する必要がある。しかし、例えば、上シート５ａの真円度の精度が低い場合、あるいは第１ピース５Ａが傾いている場合等には、上シート５ａが第１のシート面７に着座した時に、両者間に僅かながら隙間が生じることがある。この場合、第１ピース５Ａの上シート５ａが第１のシート面７に着座した後、第１ピース５Ａの先端部が内側へ変形することにより、上シート５ａが全周に渡って第１のシート面７に当接することができる。その結果、両者間の隙間が消滅して、第１の噴孔３の上流側を確実に閉じることができる。

燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である（実施例１）。 （ａ）下シートの着座状態を示す断面図、（ｂ）上シートと下シートの着座状態を示す断面図である（実施例１）。 燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である（実施例２）。 燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である（実施例２）。 燃料噴射ノズルの先端部を示す半断面図である（実施例３）。 燃料噴射ノズルの先端部を示す断面図である（公知技術）。 燃料噴射ノズルの先端部を示す断面図である（公知技術）。

符号の説明

１ ノズルボディ
３ 第１の噴孔
４ 第２の噴孔
５ アウタニードル
５Ａ 第１ピース
５Ｂ 第２ピース
６ インナニードル
７ 第１のシート面
８ 第２のシート面
１０ 第１ピースの拡大内径部
Ｂ 拡大内径部の内周面と第２ピースの外周面との間の隙間

Claims (5)

1. 上流側に第１の噴孔、下流側に第２の噴孔を有すると共に、前記第１の噴孔の上流側に第１のシート面、前記第１の噴孔と前記第２の噴孔との間に第２のシート面を形成するノズルボディと、
   このノズルボディの内部に往復動自在に収容され、前記第１の噴孔を開閉する円筒形状のアウタニードルと、
   このアウタニードルの内側に摺動自在に挿入され、前記第２の噴孔を開閉するインナニードルとを有し、
   前記アウタニードルが前記インナニードルに先行してリフトする燃料噴射ノズルであって、
   前記アウタニードルは、前記第１の噴孔を閉じる閉弁時に、前記第１のシート面に着座して前記第１の噴孔の上流側を閉じる第１ピースと、この第１ピースの先端部に取り付けられて前記第１ピースと一体に可動し、前記第２のシート面に着座して前記第１の噴孔の下流側を閉じる第２ピースとで構成され、
   前記第１ピースは、先端部の内周側に内径を拡大した拡大内径部が形成され、
   前記第２ピースは、前記拡大内径部に密着して嵌め込まれ、前記第１ピースより撓り性あるいは弾性が良好となる機械的性質を有していることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   前記第１ピースに形成される前記拡大内径部は、前記第１ピースの先端に向かって内径が次第に小さくなる逆テーパ形状に設けられ、前記第２ピースは、前記拡大内径部にテーパ嵌合して取り付けられることを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項１または２に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   前記アウタニードルは、前記第２ピースが前記第２のシート面に着座した後、前記第１ピースが前記第１のシート面に着座することを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項３に記載した燃料噴射ノズルにおいて、
   前記第２ピースの内径側には、前記アウタニードルの閉弁時に、前記第２ピースの先端部が前記第２のシート面に沿ってシート位置を内径側へ移動できる逃げ代が確保されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
5. 請求項１〜４に記載した何れかの燃料噴射ノズルにおいて、
   前記第２ピースは、反シート側の端部が前記拡大内径部に嵌め込まれる嵌合部として設けられ、その嵌合部より先端側には、前記拡大内径部の内周面と前記第２ピースの外周面との間に隙間が確保されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
   

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