JP4748045B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射ノズルに関する。

従来から、底部に噴孔を有する筒状のノズルボデーを備える燃料噴射ノズルが知られている（特許文献１参照）。この燃料噴射ノズルは、ノズルボデー内にニードルを有し、ニードルを上記噴孔よりも上流側のシート部に離着座させることで、ノズルボデー内に満たされた燃料を噴孔から噴射したり停止したりする制御を行っている。
特開２００５−２５６７５９号公報

噴射した燃料の燃焼を良好する方法として、燃料噴射ノズルのノズルボデーに供給される燃料の圧力を高めることが行われている。ノズルボデーに供給される燃料の圧力が高められると、ニードルをシート部から離座させたとき、底部には燃料の圧力が作用するため底部の強度を確保する必要がある。また、燃料の圧力が高められることにより、ニードルをシート部に押し付ける力も大きくしなければならないため、この点においても、底部の強度を確保する必要がある。

ところが、底部の強度を向上させるべく、単に底部を肉厚構造にすると、噴孔の出口部が底部の外壁から離れてしまい、ノズルボデーの中心軸と噴孔の中心軸とのなす角である開き角が肉薄構造のものと比べ狭くなる。単に底部を肉厚構造とすると、噴孔の設計自由度が低下するという問題が発生する。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、噴孔の設計自由度の低下を抑制しつつ、ノズルボデーの底部の強度を向上させられる燃料噴射ノズルを提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、噴孔と、噴孔よりも上流側に形成され、弁体が離着座するシート部と、シート部の下流側に位置するサック室とが形成される底部を有するノズルボデーを備える燃料噴射ノズルであって、ノズルボデーの内壁面には、シート部の上流側に凹部が形成されており、底部は、先端に行くほど内径が小さくなるような円錐面となっており、凹部は、円錐面の中間部に形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、凹部に燃料が導入されると、凹部よりも下流側のノズルボデーの底部には、凹部から底部の中心軸に向かう応力が発生する（圧縮方向の応力）。このため、従来技術のように燃料圧や、弁体の押圧力が底部に作用することにより底部内に発生する径方向（底部の中心軸から離れる方向）の応力（引張方向の応力）を相殺、または低減できる。これにより、噴孔の設計自由度を狭くすることなく、ノズルボデーの底部の強度を向上させられる。また、底部は、先端に行くほど内径が小さくなるような円錐面となっており、凹部は、円錐面上に形成されているので、凹部をシート部の近傍に設けることができ、底部の強度の向上の効果を更に高められる。

請求項２に記載の発明によれば、凹部は、環状となっていることを特徴としている。この構成によれば、凹部から底部の中心軸に向かう応力を、底部の中心軸付近で互いに打ち消しあえ、底部の中心軸付近に不要な応力が発生するのを抑制できる。

請求項３に記載の発明によれば、凹部は、ノズルボデーの軸線に対して線対称となるように複数個形成されていることを特徴としている。この構成によっても、凹部から底部の中心軸に向かう応力を、底部の中心軸付近で互いに打ち消しあえ、底部の中心軸付近に不要な応力が発生するのを抑制できる。

請求項４に記載の発明によれば、凹部の周縁部には、面取部が形成されていることを特徴としている。この構成によれば、凹部の周縁部に発生する応力集中を緩和できる。

（第１実施形態）
本発明が適用された燃料噴射弁の一例を図１から図４を参照して説明する。

燃料噴射弁１の全体構成を図１を参照して説明する。燃料噴射弁１は、例えばディーゼルエンジン用の蓄圧式燃料噴射装置に用いられるものであり、図示しない蓄圧装置から供給される高圧燃料をエンジン燃焼室に噴射するものである。この燃料噴射弁１は、図１に示すように、燃料噴射ノズル２（以下、単に噴射ノズルという）、ロアボデー３、ピストン４、オリフィスプレート５、電磁弁６より構成されている。

噴射ノズル２は、上端面から下端近傍までノズル孔２２が形成され、下端部（請求項に記載の底部に相当）２３に噴孔２４を有するノズルボデー２１と、ノズル孔２２の内部で摺動自在に支持されるニードル（請求項に記載の弁体に相当）２５とから構成されている。このニードル２５は、ニードル２５の上部の周囲に配設されたコイルスプリング２６によって下方（閉弁方向）へ付勢されている。また、噴射ノズル２は、リテーニングナット７によりロアボデー３の下部に締結されている。なお、噴射ノズル２の詳細は後述する。

ロアボデー３には、ピストン４を挿入するシリンダ孔３１、蓄圧装置から供給された高圧燃料を噴射ノズル２へ導く高圧通路３２とオリフィスプレート５へ導く高圧通路３３、および電磁弁６の内部でリークした燃料を低圧側へ排出する低圧通路３４とシリンダ孔３１の下部内でリークした燃料を電磁弁６の低圧側へ導く低圧通路３５等が形成されている。

ピストン４は、ロアボデー３の略中心部に形成されたシリンダ孔３１に摺動自在に挿入され、その下端がニードル２５に連接されている。ピストン４の上側は、シリンダ孔３１との間に微細な摺動クリアランスを介して挿通されるものであり、後述する圧力制御室３６に蓄圧された燃料が、ピストン４とシリンダ孔３１の摺動クリアランスから、シリンダ孔３１の下側の低圧側へリークするのを抑制するように設けられている。

オリフィスプレート５は、シリンダ孔３１の上端に開口するロアボデー３の端面上に配置されるものであり、ピストン４の上端面、オリフィスプレート５の下面、シリンダ孔３１で囲まれる空間によって圧力制御室３６が形成される。圧力制御室３６は、オリフィスプレート５に形成された流入通路の入口オリフィス５１を介して高圧燃料が供給されるとともに、オリフィスプレート５に形成された排出通路の出口オリフィス５２を介して低圧側に連通するものである。

電磁弁６は、出口オリフィス５２を開閉するものであり、ボール弁６３が下端に装着された可動バルブ６４、この可動バルブ６４を上下方向へ摺動自在に保持するとともにオリフィスプレート５をロアボデー３の上部に組み付けるバルブボデー６１、可動バルブ６４を下方（閉弁方向）へ付勢するスプリング６５、および可動バルブ６４を上方（開弁方向）へ駆動するソレノイド６６等を内蔵するものであり、ロアボデー３の上部に組み付けられ、アッパーボデー６２によってロアボデー３の上部に結合固着されている。

ソレノイド６６は、通電により起磁力を発生するコイル６７と、コイル６７の発生する起磁力によって可動バルブ６４を吸引する固定子コア６８と、可動バルブ６４を吸引した際に可動バルブ６４に当接して、可動バルブ６４のリフト上限を設定するストッパ６９とを備える。なお、固定子コア６８とストッパ６９によってステータが構成されるものであり、固定子コア６８とストッパ６９は一体に設けられるものであっても良い。可動バルブ６４は、固定子コア６８に磁気吸引される円盤部と、バルブボデー６１によって軸方向へ摺動自在に支持されるシャフトとを一体化したものである。

蓄圧装置から燃料噴射弁１に供給される高圧燃料は、噴射ノズル２のノズル孔２２と圧力制御室３６とに導入される。コイル６７がＯＦＦの場合は、スプリング６５の付勢力によって可動バルブ６４が下方に押し付けられ、ボール弁６３が出口オリフィス５２を塞ぐようにオリフィスプレート５の上面に着座する状態にあり、圧力制御室３６の圧力が高圧に保たれる。圧力制御室３６の高圧圧力は、ピストン４を介してニードル２５に作用し、コイルスプリング２６とともにニードル２５を下方（閉弁方向）へ強く付勢する（下向きの力）。

一方、噴射ノズル２のノズル孔２２に供給された高圧燃料は、ニードル２５の受圧面に作用し、ニードル２５を上方（開弁方向）へ付勢する（上向きの力）。しかし、ボール弁６３が出口オリフィス５２を塞ぐ状態のときは、ニードル２５を下方へ押し下げる下向きの力が上回っているため、ニードル２５はリフトすることなく噴孔２４を閉じるので燃料は噴射されない。

コイル６７がＯＮされると、スプリング６５の付勢力に抗して可動バルブ６４が上方に移動して、ボール弁６３がオリフィスプレート５の上面から上方へリフトする。そして、出口オリフィス５２は開かれ、出口オリフィス５２が低圧通路３４と連通する。これにより、圧力制御室３６の燃料が出口オリフィス５２を通って低圧通路３４より排出され、圧力制御室３６の圧力が低下する。

圧力制御室３６の圧力が所定の開弁圧力まで低下すると、ニードル２５を上方へ押し上げる上向きの力が上回り、ニードル２５がリフトして噴孔２４が開かれ、燃料の噴射が開始される。

コイル６７が再びＯＦＦされると、スプリング６５の付勢力によって可動バルブ６４が下方に押し付けられ、ボール弁６３が出口オリフィス５２を塞ぐようにオリフィスプレート５の上面に着座する。ボール弁６３が出口オリフィス５２を閉じることによって、再び圧力制御室３６の燃料圧力が上昇する。

そして、圧力制御室３６の圧力が所定の閉弁圧力まで上昇すると、ニードル２５を下方へ押し下げる下向きの力が上回り、ニードル２５が押し下げられて噴孔２４が閉じ、噴射が終了する。

次に、本実施形態における噴射ノズル２の細部を図２および図３を参照して説明する。ノズルボデー２１のノズル孔２２の下端部２３には、内径が下端部２３に行くほど小さくなる円錐面７１が形成されている。この円錐面７１の略中心部には、ニードル２５が円錐面７１に着座したときに、ニードル２５の下端面２５ａ、ノズル孔２２で囲まれる空間によってサック室７２が形成される。円錐面７１には、ニードル２５の下端面２５ａが離着座するシート部７３が形成されている。

シート部７３の下流側には複数の噴孔２４が形成されている。噴孔２４は、サック室７２の内壁に入口が開口して、ノズルボデー２１の下端部２３を貫通し、出口が下端部２３の外壁に開口している。

ニードル２５の下端面２５ａは、略円錐形状となっている。下端面２５ａは、下端面２５ａがシート部７３に着座したとき、シート部７３と当接する部分以外は、下端面２５ａと円錐面７１との間に隙間が形成されるような形状となっている。

円錐面７１のシート部７３の上流側には、凹部７４が形成されている。この凹部７４は、図３に示すように環状に形成され、凹部７４の底面７５はノズル孔２２の軸線と略平行となるように、凹部７４の側面７６は、ノズル孔２２の軸線と略直角となるように形成されている。

凹部７４の周縁部７７、すなわち、凹部７４に側面７６と円錐面７１との境界部分は、面取り加工が施されており、燃料圧力が周縁部７７に作用しても応力集中を抑制できる。なお、周縁部７７は、球面に加工されていても良い、これによっても燃料圧力が作用することによる応力集中を抑制できる。

次に、凹部７４の作用効果について説明する。高圧通路３２からニードル２５とノズル孔２２との隙間を介して円錐面７１に形成された凹部７４に高圧の燃料が供給されると、燃料圧力は、凹部７４の底面７５および側面７６に作用する。すると、側面７６には、図２の実線の矢印で示す方向（軸線方向）の応力が発生する。特に、下側の側面７６周辺には、下端部２３の軸線に向かう応力が発生する。このため、凹部７４よりも下側の下端部２３には、いわゆる圧縮方向（実線の矢印）の応力が発生する。

一方、ニードル２５がシート部７３から離座し、高圧の燃料が円錐面７１全面に作用すると、下端部２３には、いわゆる引張方向（破線の矢印）の応力が発生する。この応力は、ニードル２５がシート部７３に着座している状態であっても発生する。

本実施形態では、シート部７３よりも上流側に凹部７４が形成されているため、高圧の燃料を作用させることで、下端部２３に、従来の噴射ノズルでは発生させることができない圧縮方向の応力を発生させられる。

このため、上記圧縮方向の応力によって、燃料が円錐面７１に作用したときや、ニードル２５がシート部７３に着座したときに発生する引張方向の応力を相殺、または低減できる。この構成によれば、下端部２３を肉厚構造としなくとも、下端部２３の燃料圧に対する、またはニードル２５の押し付け力に対する強度を向上させられる。

したがって、下端部２３を肉厚構造とすることによる噴孔２４の開き角の狭角化を回避でき、噴孔２４の設計自由度の低下を抑制できる。よって、噴孔２４の設計自由度の低下を抑制しつつ、ノズルボデー２１の下端部２３の強度を向上できる。

また、本実施形態では、図３に示すように、凹部７４が環状となっているため、下側の側面７６周辺に発生した応力を下端部２３の軸線付近で互いに打ち消しあうことができ、下端部２３の軸線付近に不要な応力の発生を抑制できる。

また、凹部７４は、上述したように底面７５および側面７６を有する凹部７４に限らず、凹部７４の軸方向断面の形状が三角形のものであっても良いし、半球状のものであっても良い。これらの形状のものであっても、下端部２３に圧縮方向の応力を発生させることが可能である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図４を参照して説明する。ここでは、第１実施形態と異なる部分のみについて説明する。第１実施形態と同じ機能を有する部品および部分については、第１実施形態と同じ符号を付与する。

第２実施形態では、凹部７４ａを環状とせずに、図４に示すように、所定間隔を隔てて複数個形成するようにしても良い。凹部７４ａを複数個形成する場合、互いの凹部７４ａは、下端部２３の軸線に対して線対称となるように形成される。

このように、凹部７４ａを形成しても、凹部７４ａにて発生した応力は、下端部２３の軸線付近で互いに打ち消しあうことができ、下端部２３の軸線付近に不要な応力の発生を抑制できる。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、凹部７４ａの周縁部７７ａに、面取り加工、または球面加工を施すようにしても良い。また、凹部７４ａの軸方向断面の形状を三角形や半球状のものとしても良い。

本発明の第１実施形態における燃料噴射弁の断面図である。 図１の噴射ノズル部分の要部断面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線部分の断面図である。 本発明の第２実施形態における噴射ノズル部分の要部断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、２ 燃料噴射ノズル、３ ロアボデー、４ ピストン、５ オリフィスプレート、６ 電磁弁、７ リテーニングナット、２１ ノズルボデー、２２ ノズル孔、２３ 下端部（底部）、２４ 噴孔、２５ ニードル（弁体）、２５ａ 下端面、２６ コイルスプリング、３１ シリンダ孔、３２ 高圧通路、３３ 高圧通路、３４ 低圧通路、３５ 低圧通路、３６ 圧力制御室、５１ 入口オリフィス、５２ 出口オリフィス、６１ バルブボデー、６２ アッパーボデー、６３ ボール弁、６４ 可動バルブ、６５ スプリング、６６ ソレノイド、６７ コイル、６８ 固定子コア、６９ ストッパ、７１ 円錐面、７２ サック室、７３ シート部、７４ 凹部、７５ 底面、７６ 側面、７７ 周縁部

Claims (4)

1. 噴孔と、前記噴孔よりも上流側に形成され、弁体が離着座するシート部と、前記シート部の下流側に位置するサック室とが形成される底部を有するノズルボデーを備える燃料噴射ノズルであって、
   前記ノズルボデーの内壁面には、前記シート部の上流側に凹部が形成されており、
   前記底部は、先端に行くほど内径が小さくなるような円錐面となっており、
   前記凹部は、前記円錐面の中間部に形成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
2. 前記凹部は、環状となっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
3. 前記凹部は、前記ノズルボデーの軸線に対して線対称となるように複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
4. 前記凹部の周縁部には、面取部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料噴射ノズル。

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