JP4483836B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに燃料を噴射供給する燃料噴射ノズルに関する。

〔従来の技術〕
従来より、低回転域での噴霧微粒化や、高回転域での高噴射率化を促進するため、開放される噴孔数を噴射量に応じて変更することができる可変噴孔式の燃料噴射ノズルが公知である。

従来の可変噴孔式の燃料噴射ノズル１００は、例えば図７〜図９に示すように、筒状に設けられ、軸方向に変位する第１ニードル１０１と、第１ニードル１０１の内周に摺動自在に支持され、軸方向に変位する第２ニードル１０２と、第１、第２ニードル１０１、１０２を収容するボディ１０３とを備える。

また、ボディ１０３の先端部内側に設けられたシート面１０４に、第１、第２ニードル１０１、１０２により開閉される第１、第２噴孔１０５、１０６が、燃料の流れる方向に対し上流側から順次に開口している。そして、第１ニードル１０１は、第１噴孔１０５の開口部よりも上流側でシート面１０４に離着することで第１噴孔１０５を開閉し、第２ニードル１０２は、第１噴孔１０５の開口部よりも下流側、かつ第２噴孔１０６の開口部よりも上流側でシート面１０４に離着することで第２噴孔１０６を開閉する。

ところで、第１、第２ニードル１０１、１０２の軸方向への変位および燃料噴射は、以下に説明するように、背圧室（図示せず）の燃料の圧力（背圧）を増減することで行われる。

つまり、第１、第２ニードル１０１、１０２の後端側には、第１、第２噴孔１０５、１０６を閉鎖する方向に第１、第２ニードル１０１、１０２に圧力を及ぼす燃料が流出入する背圧室が形成されている。一方、第１ニードル１０１の先端側の領域α（図７参照）に入り込んだ燃料は、第１ニードル１０１に対し第１噴孔１０５を開放する方向に、常時、圧力を及ぼしている（以下、第１、第２噴孔１０５、１０６を閉鎖する方向を閉方向と呼び、第１、第２噴孔１０５、１０６を開放する方向を開方向と呼ぶ）。

そして、背圧室から燃料が排出されて背圧が低減すると、第１ニードル１０１において、開方向に作用する付勢力が、閉方向に作用する付勢力よりも強くなり、第１ニードル１０１がシート面１０４から離座する。この結果、図８に示すように、燃料は、第１噴孔１０５から噴射されるとともに、第２ニードル１０２の先端側の領域βに流れ込み、第２ニードル１０２に対し開方向に圧力を及ぼすようになる。

そして、さらに背圧室から燃料が排出されて背圧が低減すると、第２ニードル１０２においても、開方向に作用する付勢力が、閉方向に作用する付勢力よりも強くなり、第２ニードル１０２がシート面１０４から離座する。この結果、図９に示すように、燃料は、第１、第２噴孔１０５、１０６の両方から噴射される。

以上により、可変噴孔式の燃料噴射ノズル１００では、要求される噴射量に応じて背圧室からの燃料の排出時間が操作され、開放される噴孔数が可変する（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この可変噴孔式の燃料噴射ノズル１００によれば、例えば、アイドル運転のように、要求される噴射量が少ない低負荷運転が続くと、第１噴孔１０５のみから燃料が噴射され、第２噴孔１０６から燃料が噴射されない状態が続く。このため、高温の燃焼ガスが第２噴孔１０６の内壁や外側の開口部の周縁に接触してデポジットが生成され、このデポジットが成長して第２噴孔１０６を閉塞する虞がある。
特開２００２−２７６５０９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、可変噴孔式の燃料噴射ノズルにおいて、例えば低負荷運転が続いても、第２噴孔の内壁や外部開口部の周縁にデポジットが成長するのを防止することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の燃料噴射ノズルは、筒状に設けられ、軸方向に変位する第１ニードルと、第１ニードルの内周に摺動自在に支持され、軸方向に変位する第２ニードルと、第１、第２ニードルを収容し、第１、第２ニードルとともに先端に向かい燃料が流れる燃料流路を内部に形成するボディとを備える。また、ボディの先端部内側に設けられたシート面に、第１ニードルにより開閉される第１噴孔、および第２ニードルにより開閉される第２噴孔が、燃料の流れる方向に対し上流側から順次に開口し、第１ニードルは、第１噴孔の開口部よりも上流側でシート面に離着することで第１噴孔を開閉し、第２ニードルは、第１噴孔の開口部よりも下流側、かつ第２噴孔の開口部よりも上流側でシート面に離着することで第２噴孔を開閉する。

そして、この燃料噴射ノズルによれば、シート面に着座する第２ニードルの部位を第２シート部、第２シート部に着座されるシート面上の部位を第２被シート部と定義すると、第２被シート部よりも下流側の燃料流路と第２被シート部よりも上流側の燃料流路とが常に連通するように、第２シート部および第２被シート部の少なくとも一方が部分的に凹状に窪んでいる。

これにより、第２シート部が第２被シート部に着座していても、第１ニードルがシート面から離座すると、微量の燃料が凹状に窪む部分を通過して第２噴孔から噴射される。このため、例えば低負荷運転が続き、第１ニードルのみがシート面との間で離着を繰り返す状態が続いても、第１噴孔から燃料が噴射されるたびに、第２噴孔からも微量の燃料が噴射される。このため、低負荷運転が続いても、第２噴孔の内壁や外部開口部の周縁にデポジットが成長するのを防止することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の燃料噴射ノズルによれば、第２ニードルには、第２シート部に交差する複数の縦溝が穿設され、複数の縦溝が第２シート部に交差することで、第２シート部が部分的に凹状に窪んでいる。
複数の縦溝により、第２ニードルがシート面から離座したときに、第２噴孔に向かう燃料の流れを乱すことができる。このため、第２噴孔から行われる通常の燃料噴射において、燃料の霧化状態を向上できる。また、第２ニードルがシート面に着座する際、縦溝に残る燃料が潤滑剤として機能するので、第２シート部の摩耗を緩和することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の燃料噴射ノズルによれば、第２ニードルには、複数の縦溝に交差するとともに、第２ニードルがシート面に着座しているときに第２噴孔の開口部に重なる横溝が穿設されている。
これにより、第２ニードルがシート面に着座しているときに、縦溝の位置と第２噴孔の開口部の位置とが重なっていなくても、縦溝に流入した燃料が、横溝を通って確実に第２噴孔から噴射される。このため、低負荷運転が続いても、第２噴孔の内壁や外部開口部の周縁にデポジットが成長するのを確実に防止することができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の燃料噴射ノズルによれば、ボディには、第２噴孔の開口部と第２被シート部とを接続する溝が穿設され、溝を第２被シート部に接続することで、第２被シート部が部分的に凹状に窪んでいる。
これにより、第２被シート部よりも下流側の燃料流路と第２被シート部よりも上流側の燃料流路とを連通させるための加工を、極めて狭い範囲に限定することができる。つまり、第２噴孔の開口部と第２被シート部との間のように、極めて狭い範囲を穿設するだけで、第２被シート部よりも下流側の燃料流路と第２被シート部よりも上流側の燃料流路とを常に連通させることができる。

最良の形態１の燃料噴射ノズルは、筒状に設けられ、軸方向に変位する第１ニードルと、第１ニードルの内周に摺動自在に支持され、軸方向に変位する第２ニードルと、第１、第２ニードルを収容し、第１、第２ニードルとともに先端に向かい燃料が流れる燃料流路を内部に形成するボディとを備える。また、ボディの先端部内側に設けられたシート面に、第１ニードルにより開閉される第１噴孔、および第２ニードルにより開閉される第２噴孔が、燃料の流れる方向に対し上流側から順次に開口し、第１ニードルは、第１噴孔の開口部よりも上流側でシート面に離着することで第１噴孔を開閉し、第２ニードルは、第１噴孔の開口部よりも下流側、かつ第２噴孔の開口部よりも上流側でシート面に離着することで第２噴孔を開閉する。

そして、この燃料噴射ノズルによれば、シート面に着座する第２ニードルの部位を第２シート部、第２シート部に着座されるシート面上の部位を第２被シート部と定義すると、第２被シート部よりも下流側の燃料流路と第２被シート部よりも上流側の燃料流路とが常に連通するように、第２シート部および第２被シート部の少なくとも一方が部分的に凹状に窪んでいる。

また、この燃料噴射ノズルによれば、第２ニードルには、第２シート部に交差する複数の縦溝が穿設され、複数の縦溝が第２シート部に交差することで、第２シート部が部分的に凹状に窪んでいる。
さらに、第２ニードルには、複数の縦溝に交差するとともに、第２ニードルがシート面に着座しているときに第２噴孔の開口部に重なる横溝が穿設されている。

最良の形態２の燃料噴射ノズルによれば、ボディには、第２噴孔の開口部と第２被シート部とを接続する溝が穿設され、溝を第２被シート部に接続することで、第２被シート部が部分的に凹状に窪んでいる。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射ノズル（以下、ノズルとする）１の構成を、図１〜図３を用いて説明する。
まず、ノズル１の全体を、図１を用いて説明する。ノズル１は、例えば、周知の電磁弁２とともにインジェクタ３を構成し、燃料を高圧状態で蓄圧するコモンレール４から、高圧の燃料の分配を受け、分配された燃料をエンジン（図示せず）の気筒内に噴射供給する。

このノズル１は、筒状に設けられ、軸方向に変位する第１ニードル６と、第１ニードル６の内周に摺動自在に支持され、軸方向に変位する第２ニードル７と、第１、第２ニードル６、７を収容するボディ８とを備える。

そして、ボディ８の先端部内側に設けられたシート面９に、第１、第２ニードル６、７により開閉される第１、第２噴孔１０、１１が、外周側から順次に開口している。また、第１ニードル６は、第１噴孔１０の開口部１２よりも外周側でシート面９に離着することで第１噴孔１０を開閉し、第２ニードル７は、開口部１２よりも内周側、かつ第２噴孔１１の開口部１３よりも外周側でシート面９に離着することで第２噴孔１１を開閉する。

第１、第２ニードル６、７の後端側には、第１、第２噴孔１０、１１を閉鎖する方向に第１、第２ニードル６、７に圧力を及ぼす燃料が流出入する背圧室１６が形成されている（以下、第１、第２噴孔１０、１１を閉鎖する方向を閉方向と呼び、第１、第２噴孔１０、１１を開放する方向を開方向と呼び、背圧室１６の燃料の圧力を背圧と呼ぶ）。

背圧室１６には、燃料流路１７を介して、コモンレール４から分配される高圧の燃料が流入する。また、背圧室１６から燃料が流出する際に通過する燃料流路１８には電磁弁２が介在し、燃料流路１８は電磁弁２の作動により開放される。そして、燃料流路１７、１８には、各々、絞り１９、２０が設けられている。絞り１９、２０は、電磁弁２を作動させ背圧室１６から燃料を流出させる際に、流出流量が流入流量よりも多くなるように設けられている。

また、第１、第２ニードル６、７には、各々、第１、第２スプリング２２、２３が取り付けられている。そして、第１、第２スプリング２２、２３による付勢力は、背圧による付勢力とともに第１、第２ニードル６、７を閉方向に付勢している。なお、第１スプリング２２は、後記するリーク室２４に収容され、第２スプリング２３は、背圧室１６に収容されている。

また、ボディ８には、コモンレール４から分配される高圧の燃料を先端の方に導く燃料流路２５が設けられている。さらに、ボディ８は、燃料流路２５から導かれた燃料を第１、第２噴孔１０、１１に導く燃料流路２６を、第１ニードル６とともに形成する。
なお、背圧室１６や燃料流路２６からリークした燃料が流入するリーク室２４が、別途設けられ、リーク室２４の燃料は、燃料流路２７を通じてノズル１の外部に流出する。

次に、ノズル１の先端部分の詳細を、図２および図３を用いて説明する。
ここで、シート面９に着座する第１ニードル６の部位を第１シート部２９、第１シート部２９に着座されるシート面９上の部位を第１被シート部３０とし、シート面９に着座する第２ニードル７の部位を第２シート部３１、第２シート部３１に着座されるシート面９上の部位を第２被シート部３２とする。

また、第１、第２ニードル６、７がシート面９から離座しているとき（図５参照）、燃料は、燃料流路２６を先端に向かって流れ、さらに順次に開口部１２、１３に向かって流れる。そこで、このような燃料の流れ方向を考慮して、第１被シート部３０よりも上流側の流路を既出の燃料流路２６とし、第１被シート部３０よりも下流側かつ第２被シート部３２よりも上流側の流路を燃料流路３４とし、第２被シート部３２よりも下流側の流路を燃料流路３５とする。すなわち、ボディ８は、第１、第２ニードル６、７とともに、先端に向かい燃料が流れる燃料流路２６、３４、３５を内部に形成する。

そして、このように燃料流路２６、３４、３５を定義すると、第１、第２噴孔１０、１１は、各々、燃料流路３４、３５に接続しており、第１、第２噴孔１０、１１は、シート面９に上流側から順次に開口している。また、第１ニードル６は、第１シート部２９が開口部１２よりも上流側の第１被シート部３０に離着することで、第１噴孔１０を開閉し、第２ニードル７は、第２シート部３１が開口部１２よりも下流側、かつ開口部１３よりも上流側の第２被シート部３２に離着することで、第２噴孔１１を開閉する。

また、燃料流路２６の最先端の領域３６は、第１被シート部３０の近傍であり、第１ニードル６の先端側の領域３６に入り込んだ燃料は、第１ニードル６に対し開方向に、常時、圧力を及ぼしている。

ここで、第２ニードル７の先端部には、図３に示すように、第２シート部３１に交差する複数の縦溝３８が穿設され、複数の縦溝３８が第２シート部３１に交差することで、第２シート部３１が部分的に凹状に窪んでいる。そして、燃料流路３４と燃料流路３５とは、第２シート部３１が部分的に凹状に窪むことで常に連通している。つまり、第２シート部３１が第２被シート部３２に着座していても、燃料流路３４と燃料流路３５とは連通している。

さらに、第２ニードル７の先端部には、複数の縦溝３８に交差するとともに、第２シート部３１が第２被シート部３２に着座しているときに開口部１３に重なる横溝３９が穿設されている。
なお、縦溝３８および横溝３９は、レーザ加工により簡便に設けることができる。

〔実施例１の作用〕
実施例１のノズル１の作用を、図面に基づき説明する。
まず、電磁弁２が作動して背圧室１６の燃料がノズル１の外部に流出すると背圧が低減する（図１参照）。これにより、第１ニードル６において、開方向に作用する付勢力（主に、領域３６の燃料圧力による付勢力）が、閉方向に作用する付勢力（主に、背圧による付勢力および第１スプリング２２による付勢力）よりも強くなり、図４に示すように、第１ニードル６がシート面９から離座する。

この結果、燃料流路２６と燃料流路３４および第１噴孔１０とが連通し、第１噴孔１０から燃料が噴射されるとともに、燃料流路３４に流れ込んだ燃料が第２ニードル７に対し開方向に圧力を及ぼすようになる。さらに、微量の燃料が、縦溝３８を介して燃料流路３４から燃料流路３５に流れ込み、第２噴孔１１から噴射される。

なお、縦溝３８に関して、設ける本数、周方向幅ａ、径方向深さｂ等（図３（ｂ）参照）は、第１ニードル６がシート面９から離座し、第２ニードル７がシート面９に着座しているときに第２噴孔１１から噴射される燃料の流量、および噴射される燃料の圧力に応じて設定される。

そして、さらに背圧室１６から燃料が流出して背圧が低減すると、第２ニードル７においても、開方向に作用する付勢力（主に、領域３６および燃料流路３４の燃料圧力による付勢力）が、閉方向に作用する付勢力（主に、背圧による付勢力および第１、第２スプリング２２、２３による付勢力）よりも強くなり、図５に示すように、第２ニードル７もシート面９から離座する。
この結果、燃料流路３４と燃料流路３５および第２噴孔１１とが完全に連通し、第２噴孔１１からの燃料の噴射量が大幅に増加する。

〔実施例１の効果〕
実施例１のノズル１によれば、燃料流路３４と燃料流路３５とが常に連通するように、第２シート部３１が部分的に凹状に窪んでいる。
これにより、第２シート部３１が第２被シート部３２に着座していても、第１ニードル６がシート面９から離座すると、微量の燃料が凹状に窪む部分を通過して燃料流路３４から燃料流路３５に流れ込み、第２噴孔１１から噴射される。このため、例えば低負荷運転が続き、第１ニードル６のみがシート面９との間で離着を繰り返す状態が続いても、第１ニードル６がシート面９から離座して第１噴孔１０から燃料が噴射されるたびに、第２噴孔１１からも微量の燃料が噴射される。この結果、低負荷運転が続いても、第２噴孔１１の内壁や外部開口部の周縁にデポジットが成長するのを防止することができる。

また、ノズル１によれば、第２ニードル７に、第２シート部３１に交差する複数の縦溝３８が穿設され、複数の縦溝３８が第２シート部３１に交差することで、第２シート部３１が部分的に凹状に窪んでいる。
複数の縦溝３８により、第２ニードル７がシート面９から離座したときに、第２噴孔１１に向かう燃料の流れを乱すことができる。このため、第２噴孔１１から行われる通常の燃料噴射において、燃料の霧化状態を向上できる。また、第２ニードル７がシート面９に着座する際、縦溝３８に残る燃料が潤滑剤として機能するので、第２シート部３１の摩耗を緩和することができる。

また、ノズル１によれば、第２ニードル７には、複数の縦溝３８に交差するとともに、第２ニードル７がシート面９に着座しているときに開口部１３に重なる横溝３９が穿設されている。
これにより、第２ニードル７がシート面９に着座しているときに縦溝３８の位置と開口部１３の位置とが重なっていなくても、縦溝３８に流入した燃料が、横溝３９を通って確実に第２噴孔１１から噴射される。このため、低負荷運転が続いても、第２噴孔１１の内壁や外部開口部の周縁にデポジットが成長するのを確実に防止することができる。

実施例２のノズル１によれば、図６に示すように、ボディ８には、開口部１３と第２被シート部３２とを接続する溝４１が穿設され、溝４１を第２被シート部３２に接続することで、第２被シート部３２が部分的に凹状に窪んでいる。
これにより、燃料流路３４と燃料流路３５とを連通させるための加工を、極めて狭い範囲に限定することができる。つまり、開口部１３と第２被シート部３２との間のように、極めて狭い範囲を穿設するだけで、燃料流路３４と燃料流路３５とを常に連通させることができる。

〔変形例〕
実施例１、２のノズル１によれば、燃料流路３４と燃料流路３５とを連通させる凹状の窪みは、線状の縦溝３８や溝４１を穿設することで設けられていたが、このような形態に限定されず、種々の形状の穴を設けることで凹状に窪ませてもよい。
また、実施例１、２のノズル１によれば、第２シート部３１および第２被シート部３２の少なくとも一方が凹状に窪んでいたが、第２シート部３１および第２被シート部３２の両方を凹状に窪めて燃料流路３４と燃料流路３５とを連通させてもよい。
さらに、実施例１のノズル１によれば、横溝３９が複数の縦溝３８に交差するように穿設されていたが、横溝３９を穿設せずに縦溝３８の本数を増やしたり縦溝３８の周方向幅ａを拡大する等して、第２ニードル７がシート面９に着座しているときに縦溝３８が開口部１３に重なるようにしてもよい。

燃料噴射ノズルの全体の構成図である（実施例１）。 第１、第２噴孔が両方とも閉鎖されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図である（実施例１）。 （ａ）は第２ニードルの先端部を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である（実施例１）。 第２噴孔のみが閉鎖されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図である（実施例１）。 第１、第２噴孔が両方とも開放されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図である（実施例１）。 （ａ）は第２噴孔のみが閉鎖されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図であり、（ｂ）は燃料噴射ノズルの先端の要部を示す構成図である（実施例２）。 第１、第２噴孔が両方とも閉鎖されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図である（従来例）。 第２噴孔のみが閉鎖されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図である（従来例）。 第１、第２噴孔が両方とも開放されている状態を示す燃料噴射ノズルの先端の構成図である（従来例）。

符号の説明

１ ノズル（燃料噴射ノズル）
６ 第１ニードル
７ 第２ニードル
８ ボディ
９ シート面
１０ 第１噴孔
１１ 第２噴孔
１２ 開口部（第１噴孔の開口部）
１３ 開口部（第２噴孔の開口部）
２６ 燃料流路
３１ 第２シート部
３２ 第２被シート部
３４ 燃料流路
３５ 燃料流路
３８ 縦溝
３９ 横溝
４１ 溝

Claims (4)

1. 筒状に設けられ、軸方向に変位する第１ニードルと、
   この第１ニードルの内周に摺動自在に支持され、軸方向に変位する第２ニードルと、
   前記第１ニードルおよび前記第２ニードルを収容し、前記第１ニードルおよび前記第２ニードルとともに先端に向かい燃料が流れる燃料流路を内部に形成するボディとを備え、
   このボディの先端部内側に設けられたシート面に、前記第１ニードルにより開閉される第１噴孔、および前記第２ニードルにより開閉される第２噴孔が、燃料の流れる方向に対し上流側から順次に開口し、
   前記第１ニードルは、前記第１噴孔の開口部よりも上流側で前記シート面に離着することで前記第１噴孔を開閉し、
   前記第２ニードルは、前記第１噴孔の開口部よりも下流側、かつ前記第２噴孔の開口部よりも上流側で前記シート面に離着することで前記第２噴孔を開閉する燃料噴射ノズルにおいて、
   前記シート面に着座する前記第２ニードルの部位を第２シート部、この第２シート部に着座される前記シート面上の部位を第２被シート部と定義すると、
   この第２被シート部よりも下流側の前記燃料流路と前記第２被シート部よりも上流側の前記燃料流路とが常に連通するように、前記第２シート部および前記第２被シート部の少なくとも一方が部分的に凹状に窪んでいることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記第２ニードルには、前記第２シート部に交差する複数の縦溝が穿設され、
   この複数の縦溝が前記第２シート部に交差することで、前記第２シート部が部分的に凹状に窪んでいることを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記第２ニードルには、前記複数の縦溝に交差するとともに、前記第２ニードルが前記シート面に着座しているときに前記第２噴孔の開口部に重なる横溝が穿設されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項１に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記ボディには、前記第２噴孔の開口部と前記第２被シート部とを接続する溝が穿設され、
   この溝を前記第２被シート部に接続することで、前記第２被シート部が部分的に凹状に窪んでいることを特徴とする燃料噴射ノズル。

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