JP4856482B2 - 噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射器に用いられる噴射ノズルに関する。さらに詳細には、制限されない本発明の一態様は、少なくとも１つの弁が１つ以上のノズル出口を通る燃焼室への燃料噴射を制御するように操作可能である圧縮点火内燃機関に用いられる噴射ノズルに関連している。

厳しさを増す環境規制によって、炭化水素、酸化窒素（ＮＯｘ）、一酸化炭素、等の車両排気物質のレベルを低減するように、大きな圧力が自動車製造業者に課せられている。周知の排気物質を低減させる有効な方法は、燃料を高噴射圧力（例えば、約２０００バール）で燃焼空間に供給すること、燃料の噴霧を最適化して燃焼効率を改善し排気ガス中の炭化水素のレベルを低減させるために、小径のノズル出口を採用することにある。上記の手法は、燃料効率を改良し、有害なエンジン排気物質を低減させるのに有効ではあるが、ノズル出口の直径の縮小化が、高エンジン負荷時における高燃料噴射流量の要件と相反し、車両性能を損なう欠点が付随する。

いわゆる「可変オリフィスノズル」（ＶＯＮ）は、燃料を燃焼空間に噴射するのに用いられるオリフィスの数（従って、全オリフィス面積）を異なるエンジン負荷に対して変更することを可能とする。このような噴射ノズルは、典型的には少なくとも２つのノズル出口の組を有し、第１及び第２弁が、燃料噴射を２つの出口の組の片方のみを通して行なうかまたは両方を同時に通して行なうかを制御するように、操作可能である。本出願人による同時係属中の欧州特許出願第０４２５０９２８号に記載されているようなこの種の既知の噴射ノズルでは、第１（上側）ノズル出口の組への燃料流れは、外側弁によって制御され、第２（下側）ノズル出口の組への燃料流れは、内側弁によって制御されている。内側弁は、第１ノズル出口の組を通る燃料の流れが充分な量に達した後でのみ、外側弁によって持ち上げられる。この種の噴射ノズルは、比較的低いエンジン負荷時においてエンジン排気物質を最適化させるために、小さい全ノズル出口面積を選択することができる。一方、比較的高いエンジン負荷時において全燃料流れを増大させるために、大きい全ノズル出口面積を選択することができる。

このようなノズルは、種々の点で有益であるが、関連する問題を有している。例えば、もし弁が完全な同心で持ち上がらない場合、外側弁のノズル本体に最も近接した側において流体圧が著しく低くなることに伴い、高い横方向負荷が生じ得る。条件によっては、これらの横方向負荷は、外側弁の閉鎖を妨げるほど高くなることがある。

本発明の一態様は、上記設計の利点を有すると共に、横方向負荷の問題の軽減または解消に寄与する可変オリフィスノズルに関する。

この目的を達成するために、本発明は、内燃機関用の噴射ノズルを提供している。この噴射ノズルは、シート面を画成し、及び第１ノズル出口を有するノズル本体と、ノズル本体内に収容され、第１ノズル出口を通る燃料噴射を制御するように、シート面によって画成された外部シートと係合可能である外側弁部材とを備えている。外側弁部材には、内部孔面を有する孔が設けられている。インサート部材がこの孔内に収容され、内部孔面に対して環状間隙を画成している。外側弁部材は、環状間隙を通って第１ノズル出口に向かう燃料流れを制御するように、インサート部材の表面によって画成された内部シートと係合可能になっている。この構成において、外側弁部材は、内部シートから離脱されるのと同時に外部シートから離脱されるように配置され、これによって、ノズルから噴出されるべき燃料は、常に、外側弁部材と外部シートとの間の第１経路（Ａ）と、環状間隙を通る第２経路（Ｂ）に沿って同時に流れるようになっている。

前述の特徴の組合せを有する噴射ノズルは、特別の利得をもたらすことが見出されている。例えば、外側弁部材には、内部及び外部シートの両方が設けられ、一方がノズル本体によって画成され、他方が外側弁孔内のインサート部材によって画成されている。内部シートを画成するインサート部材を設けることによって、（２つの外部シートを設ける場合のように）異なる軸方向高さに配置させなければならないシートに対する制約が存在しないので、内部及び外部シートを略同一または同等の軸方向位置に配設することができる。これは、出口の近くの不均一な横方向力に晒される弁部材の垂直面積が減少することを意味している。さらに、少なくとも外側弁部材が着座している場合に、外部シートと内部シートは、ノズル本体の軸方向に対して略同位置に配置されるようにすることができる。

インサート部材は、環状間隙を画成するように孔の内径に配置される部分球ヘッドを備えているとよい。好ましくは、内部シートは、部分球ヘッドの表面によって画成されるようになっている。インサート部材に部分球ヘッドを設けることは、弁部材用の内部シートのいかなる位置ずれも、球の中心回りに傾斜して移動可能であるヘッドによって調節されることを意味している。内部シートを球の中心に近接して配置させることができるので、再位置合わせを妨げる内部シートのトルクは、最小限に抑制されることになる。

一実施形態において、噴射ノズルは、ノズル本体内に設けられた第２ノズル出口を備え、インサート部材は、孔内で摺動可能でかつ第２出口を通る燃料噴射を制御するようにシート面によって画成されたインサートシートと係合可能である内側弁部材になっている。

さらに、環状部材が内部シートと係合可能であるように孔内に収容されていることが好適である。環状部材は、外側弁部材の本体とは別体の要素であることが想定されている。代替的に、外側弁部材が機械加工されることにより、環状部材が外側弁部材と一体に形成されていてもよい。

噴射ノズルは、内側弁部材に連結されたスリーブ部材をさらに備え、外側弁部材が所定距離よりも大きく軸方向に移動するときに、環状部材がスリーブ部材と係合し、内側弁部材に軸方向運動を与えるように構成されていてもよい。

好ましくは、環状部材とスリーブ部材は、互いに対向する端面を有し、これらの端面が、外側弁部材と内側弁部材がそれぞれのシートに着座した状態で、所定距離だけ離間されるように構成されている。

一実施形態において、内部シートと係合する環状部材の端面は、実質的に平坦になっている。しかし、内部シートと係合する環状部材の端面が切頭円錐状であることが有益である場合もある。切頭円錐状の端面は、部分球ヘッドの平坦な上面に対して特徴的な環状のシートラインを生成し、平面度の誤差に対する許容度が高く、汚れを捕捉し難い改良されたシールをもたらすことになる。

さらに、内側弁部材が弁ステムを備え、内部シートが部分球ヘッドと弁ステムとの間に画成された肩部によって画成されることが好ましい。

本発明の他の実施形態において、インサート部材は、移動可能な弁部材の形態を取っていない。その代わりに、インサート部材は、ノズル動作の全段階中、インサートシートと係合が維持されている。

また、この実施形態において、外側弁部材は、内部シートと係合可能であるように外側弁部材の孔内に収容される環状部材を備えているとよい。

好ましくは、ノズル本体には、インサートシートを通過した燃料の漏れが生じた場合に該燃料を流出させ得る排出通路が設けられている。

本発明の各実施形態において、噴射ノズルは、インサート部材をインサートシートに付勢する手段をさらに備えているとよい。例えば、インサート部材をインサートシートに付勢する手段は、燃料を孔に流入させ流体圧による閉鎖力をインサート部材に加えることを可能とする外側弁部材に形成された少なくとも１つの開口を含んでいるとよい。加えて、インサート部材をインサートシートに付勢させるために、バネが設けられてもよい。

前述の実施形態では、外側部材が着座していないとき、外部シートを通過して第１ノズル出口に至る流路と、内部シートを通過して第１ノズル出口に至る補助流路とが形成されるようになっている。補助流路は、インサート部材に設けられる少なくとも１つの通路を含み得る。

第２の態様において、本発明は、内燃機関に用いられる噴射器を提供している。この噴射器は、前述の噴射ノズルと、その噴射ノズルを操作するためのアクチュエータとを備えている。

燃焼室に送給される燃料の量の制御を最適化するために、アクチュエータは、圧電アクチュエータであると好ましい。しかし、電磁アクチュエータのような他の種類のアクチュエータを用いることもできる。

本発明の第１態様の好ましい及び／または任意選択的な特徴が、本発明の第２態様においても、単独または適切な組合せで、設けられてもよいことが理解されるだろう。

以下、添付の図面を参照しながら実施例に基づいて本発明を説明する。

以下の説明において「上側」及び「下側」という用語は、図面に示される噴射ノズルの方向に対して用いられている。同様に「上流」及び「下流」という用語は、燃料入口ラインから燃料出口に向かってノズルを通る燃料の流れの方向に対して用いられている。

図１は、本発明による噴射ノズル４が組み込まれている総称的に２で表示される圧電燃料噴射器を示している。図２は、この噴射ノズルをさらに詳細に示している。燃料噴射器２は、本出願人による米国特許第６，７７６，３５４号に記載されているような形式のものである。

噴射ノズル４は、ニードルの形態にある外側弁部材１０が摺動可能に収容されている軸方向孔８が設けられたノズル本体６を備えている。ノズル本体６は、（図１には示されていない）第１及び第２ノズル出口の組１２、１４を備え、これらのノズル出口の組１２、１４を通して、使用時に、燃料が燃焼室内に噴射され得るようになっている。

燃料は、例えば、１つ以上の他の噴射器にも燃料を供給するように配置されたコモンレールまたは他の適切な圧力燃料源から、噴射器入口１６を介して噴射器２に供給されるようになっている。加圧燃料は、入口通路１８と蓄圧容積部２０を介して、入口１６から環状チャンバー２２に通じている。この環状チャンバー２２は、孔８内において、ノズル本体６と外側弁ニードル１０の上端領域１０ａとの間に画成されている。上端領域１０ａは、ノズル本体孔８の直径と実質的に等しい直径を有している。従って、使用時に、これらの部分間の協働作用は、外側弁ニードル１０が孔８内で往復運動するとき、その外側弁ニードル１０の運動を案内するのを促進するように働くことになる。上側領域１０ａ内に機械加工された螺旋溝２４が、燃料を環状チャンバー２２から孔８を通して外側弁ニードル１０の先端に向かって配置されたノズル送給チャンバー２６内に通じさせる流路をもたらしている。送給チャンバー２６は、出口１２、１４の上流の領域において、外側弁ニードル１０の外面とノズル本体孔８との間に画成されている。

ノズル本体孔８は、その閉止端に向かい袋容積部２０で終端する円錐状シート面２８を画成している。シート面２８は、外部シート３２を画成している。外側弁ニードル１０の先端領域１０ｂが、第１ノズル出口の組１２を通る燃料噴射を制御するように、この外部シート３２と係合可能になっている。

図１に示されるように、外側弁ニードル１０の移動は、圧電アクチュエータ４０によって制御されるようになっている。圧電アクチュエータ４０は、蓄圧容積部２０内に配置された圧電要素のスタック４２と、該スタック４２の両端に電圧を印加するための電気コネクタ４４とを備えている。使用時において、蓄圧容積部２０は、噴射ノズル４への供給通路の一部をなし、高圧燃料で満たされると流体負荷がスタック４２に加わり、これによってスタック４２の操作効率を増大させるようになっている。圧電アクチュエータ４０は、流体増幅装置４６を介して外側弁ニードル１０に連結され、外側弁ニードル１０の移動は、スタック４２を伸張または収縮させるべくスタック４２に印加される電圧を変化させることにより制御されるようになっている。スタック４２の両端の電圧が低下すると、スタック４２は、その長さを減少するように収縮し、それにより外側弁ニードル１０に後退力が加わることになる。逆に、電圧が増大すると、スタック４２の長さが増大し、外側弁ニードル１０をシート面２８と係合させるように付勢する力が加わることになる。

外側弁ニードル１０は、（図１にのみ示される）閉鎖バネ４５の形態にある弾性部材によって外部シート３２の方に付勢され、閉鎖バネ４５によって与えられる力に抗して外部シート３２から離れて移動するように、アクチュエータによって操作可能になっている。

図２では、１つの出口が各出口の組１２、１４に示されているが、典型的には、各組１２、１４は、複数の出口を備えていることを、ここで述べておく必要がある。従って、この明細書の趣旨として、「出口」という用語は、１つ以上の出口を意味すると解釈されるべきである。

噴射ノズル４は、内側弁ニードルの形態にあるインサート部材５０を備えている。このインサート部材５０は、外側弁ニードル１０の先端領域１０ｂに設けられた軸方向の盲孔である外側弁孔５２に摺動可能に取り付けられている。ノズルの下端は、図３により明確に示されている。
図３において、内側弁ニードル５０は、略円錐状に尖った先端に向かって先細形状をなす部分球ヘッド５０ａを備えるように形成されている。上側ステム領域５０ｂが、部分球ヘッド５０ａから上方に延在し、ヘッド５０ａの直径よりも小さい直径を有する略均一の断面をその長さに沿って有している。

部分球ヘッド５０ａは、ステム５０ｂに連なる最大径部において、内側孔５２の開口内に収容されその内径のほぼ全体に配置される上面を画成している。しかし、部分球ヘッド５０ａの直径は、外側弁孔５２の直径よりも僅かに小さく、ヘッド５０の周囲と孔５２の内向き面との間に環状間隙５５が画成されるようになっている。

部分球ヘッド５０ａの上面は、実質的に平坦で、外側弁ニードル１０用の内部シート５６をなす肩部を画成している。従って、外側弁ニードル１０は、２つのシート、すなわち、外部シート３２と内部シート５６とを有していることになる。

図２及び図３に示される非噴射位置において、内側弁ニードル５０は、内側弁シートと呼ばれるインサートシート６０に着座している。この内側弁シート６０は、第１出口の組１２の下方の位置で、シート面２８の領域によって画成されている。従って、外側弁ニードル１０と内部及び外部シート５６、３２との間の係合が第１出口１２への燃料流れを制御すると共に、部分球ヘッド５０ａと内側弁シート６０との間の係合が第２出口１４への燃料流れを制御することになる。

ステム領域５０ｂの上端は、外側弁孔５２の閉止端に画成されたチャンバー６２内に収容されている。チャンバー６２は、外側弁ニードル１０に設けられた横断穿孔の形態にある半径方向通路６４を介してノズル本体孔８と連通している。従って、ノズル本体８内の加圧燃料は、外側弁孔５２とチャンバー６２内に流入することができる。その結果、チャンバー６２内の燃料圧は、内側弁ニードル５０に作用し、内側弁ニードル５０を内側弁シート６０に付勢する手段をもたらすことになる。
前述したように、内側弁シート６０に接近または離反する内側弁ニードル５０の動作によって、第２出口の組１４を通る燃料噴射を制御するようになっている。しかし、外側弁ニードル１０と異なり、内側弁ニードル５０は、圧電スタック４２により直接作動されるようになっていない。その代わりに、後に詳述するように、外側弁ニードル１０が所定距離を越えて上方に（すなわち、外部シート３２から離れて）移動した時点で、この外側弁ニードル１０の運動が内側弁ニードル５０に伝達され、内側弁ニードル５０を内側弁シート６０から離れて上方に移動させるようになっている。

この目的を達するために、外側弁ニードル１０は、外側弁孔５２内に収容される環状部材またはリング７０をさらに備えている。リング７０は、別体の部品であり、リング７０の外面と外側弁孔５２の内面との間の摩擦接触によって、外側弁ニードル１０に連結されている。すなわち、リング７０は、外側弁孔５２に締まり嵌めされている。外側弁ニードル１０とリング７０は、共に可動弁手段を形成している。リング７０は、上端面７０ａと下端面７０ｂとを備えている。

閉位置において、リング７０の下端面７０ｂは、部分球ヘッド５０ａの上面によって画成された内部シート５６と係合している。従って、内側弁ニードル５０は、チャンバー６２内の高圧燃料と一緒に作用するリング７０によって、内側弁シート６０に対して保持されている。これが、図３に示される位置である。

リング７０の内径は、内側弁ステム５０ｂの外径よりも大きく、これにより、ステム５０ｂは、リング７０に挿通され、該リング７０に対して隙間を画成している。従って、燃料は、リング７０の内面とステム領域５０ｂの外面との間の隙間を通過して流れることになる。リング７０の上端面７０ａには、後述するように、燃料がリング７０の中心部に流入するのを可能にする、長穴または溝の形態にある燃料通路７１が画成されている。

外側弁ニードル１０から内側弁ニードル５０に運動を伝達するために、ステム領域５０ｂは、内側弁ニードル５０とは別体の部品であるスリーブの形態にある実質的に管状の部材７２を有している。スリーブ７２は、外側弁孔５２の内径よりも小さい外径を有し、これにより、内側弁ニードル５０は、孔５２内を自在に摺動できるようになっている。さらにスリーブ７２は、ステム領域５０ｂの外径と実質的に等しい内径を有し、摩擦接触によりステム５０ｂに締まり嵌めされ、ステム５０ｂに連結されている。そして、スリーブ７２の下端面７２ａは、リング７０の上端面７０ａと対向して配置されている。この目的について、以下に詳細に説明する。

外側弁ニードル１０と内側弁ニードル５０の両方が着座しているとき、スリーブ７２の下端面７２ａとリング７０の上端面７０ａとは、製造時に予め定められる距離「Ｌ」だけ離間されている。この距離「Ｌ」は、外側弁ニードル１０が運動を内側弁ニードル５０に伝えるべくスリーブ７２と係合する以前に、内部シート５６および外部シート３２から持ち上がるのに必要な量を決定している。つまり、スリーブ７２の下端面７２ａとリング７０の上端面７０ａは、内側弁ニードル５０と外側弁ニードル１０の両方が図３に示されるように着座したとき、最大距離（すなわち、所定距離「Ｌ」）だけ離間した状態にある。

使用時において、図１に示されるように、高圧下の燃料が、コモンレールから入口１６、入口通路１８、及びスタック容積部２０を介して、ノズル本体孔８（従って、送給チャンバー２６）に送給されるようになっている。初期段階では、圧電アクチュエータ４０は、スタック４２が伸張状態にあるように、比較的高通電レベルに通電されている。このような状況では、外側弁ニードル１０は、閉鎖バネ４５の付勢力によって内部シート５６及び外部シート３２に対して保持されている。内側弁ニードル５０は、チャンバー６２内の燃料の圧力と内部シート５６に当接しているリング７０とによって内側弁シート６０に対して保持されている。

図４を参照すると、燃料を第１（上側）出口の組１２のみを通して噴射するために、スタックが、第１中間通電レベルに減電されて収縮され、その結果、持上げ力が外側弁ニードル１０に伝達されることになる。従って、外側弁ニードル１０は、その内部シート５６及び外部シート３２から離れて移動するように付勢され、外部シート３２を通過して第１出口１２に至る燃料流路Ａを開くことになる。外側弁ニードル１０が外部シート３２から持ち上がるときに開く出口１２への流路「Ａ」は、図示の断面では、単一の矢印で示されているが、外側弁ニードル１０の周りの環状流路であることが理解されるだろう。

リング７０の下端面７０ｂが内部シート５６から離脱されると、第１燃料流路「Ａ」に加えて第２燃料流路「Ｂ」が形成されることになる。燃料は、この燃料流路「Ｂ」に沿って、送給チャンバー２６から、半径方向穿孔６４とリング７０の上端面７０ａに設けられた通路７１を通過して、リング７０とステム領域５０ｂとの間に画成された環状間隙に流れるようになっている。リング７０が内部シート５６から離脱されているので、燃料は、この環状間隙を通りシート５６を越え、外側弁孔５２の開口との間の環状間隙５５を通過して第１出口１２に流れることになる。

スタック４２のこの最初の減電中に、外側弁ニードル１０は、（図２に示される）距離「Ｌ」以下の距離を移動するようになっている。リング７０は、外側弁ニードル１０にとともに移動し、リング７０の上端面７０ａが対向するスリーブ７２の下端面７２ａに接近することになる。図４は、リング７０が距離Ｌだけ正確に移動し、スリーブ７２に接触した状態を示している。仮に、外側弁ニードル１０の移動距離が所定距離「Ｌ」未満である場合、内側弁ニードル５０の運動は外側弁ニードル１０から分離しているので、内側弁ニードル５０は、チャンバー６２内の加圧燃料の作用によって、内側弁シート６０に緊密に着座した状態に維持される。従って、燃料は、内側弁ニードル５０の着座した部分球ヘッド５０ａを越えて第２出口１４に流れることができない。

上記の条件は、比較的低出力用途に最適な燃料噴射を示している。何故なら、比較的少量の燃料が、比較的小さい第１出口の組１２のみを通って噴射されるからである。

ここで、もし第１出口１２を通る噴射を終了させる必要がある場合、スタック４２がその最初の通電レベルに再通電され、スタック４２を伸張させることになる。その結果、（図１に示される）閉鎖バネ４５の付勢力の作用により、外側弁ニードル１０が、円錐シート面２８によって画成された外部シート３２と、部分球ヘッド５０ａによって画成された内部シート５６の両方と再係合されることになる。

図５は、噴射器の操作の次の段階または代替的段階中の噴射ノズルを示している。この段階において、スタック４２は、第２通電レベルまでさらに減電され、スタック長さをさらに縮小させる。その結果、外側弁ニードル１０は、所定距離「Ｌ」よりも大きい更なる量だけ、内部シート５６及び外部シート３２から離れるように付勢されることになる。このような状況では、リング７０の上端面７０ａがスリーブ７２の下端面７２ａと係合され、外側弁ニードル１０の運動を内側弁ニードル５０に伝達または連結させることになる。その結果、内側弁ニードル５０は、内側弁シート６０から持ち上がることになる。

内側弁ニードル５０が内側弁シート６０から持ち上がると、送給チャンバー２６内の燃料は、内部シート５６及び外部シート３２を通過して第１出口１２に流れるのみならず、内側弁シート６０を通過して袋容積部３０に至り、第２（すなわち、下側）出口１４から燃焼室内に流れることができる。第２出口１４を通る流れは、第１出口１２を通る燃料流れを補充し、高エンジン出力モードに適する高燃料噴射率をもたらすことになる。

前述したように、スタック４２が再び高通電レベルに通電されると、噴射は終了することになる。代替的に、通電レベルが第１レベルまで僅かに増大されることにより、外側弁ニードル１０が持ち上げられたまま、内側弁ニードル５０を内側弁シート６０に戻し、第２出口１４への流路のみを閉鎖するようにしてもよい。

前述したノズルの特別の利点は、第２流路「Ｂ」が噴射ノズル４の流れ効率を改良する点にある。何故なら、外側弁ニードル１０を所定レベルまで持上げたときの燃料の流れ面積が、従来のＶＯＮと比較して大きくなるからである。加えて、第２流路「Ｂ」は、シート３２、５６、６０の上流と下流の位置間の圧力降下を減少させ、外側弁ニードル１０に作用する横方向負荷を低減させるのに寄与することになる。

さらに、前述の配置構造は、外側弁ニードル１０への横方向負荷を実質的に均衡させる効果を有している。説明のための例示にすぎないが、図６は、外側弁ニードル１０が外部シート３２から偏心して持上げられ、その結果、第１領域「Ｃ」におけるノズル本体孔８と外側弁ニードル１０との間の隙間が径方向において反対側の領域「Ｄ」における隙間よりも大きい想定例を示している。なお、図６における要素と隙間の尺度は、明瞭にするために誇張されている。領域ＣとＤを通って流れる燃料は、Ｆ１の方向において横方向負荷を生じることになる。しかし、比較的低いニードルの持上げ中では、部分球ヘッド５０が着座した状態で保持されているので、ステム領域５０ｂと外側弁孔５２との間の環状間隙８０（第２燃料流路「Ｂ」）を通って流れる燃料は、Ｆ１と逆向きのＦ２の方向に横方向力を生じ、その結果、均衡力をもたらすことになる。従って、外側弁ニードル１０に作用する正味の横方向力は、実質的に減少し、これによって、外側弁ニードル１０が偏心して持ち上がる傾向が低減されることになる。

外側弁ニードル１０が内側弁シート６０と係合している部分球面を有する要素（内側弁ニードル５０）に着座していることによって、さらに別の利点が得られる。内側弁ニードル５０は、部分球の性質によって、球の中心回りに回転または傾斜し、その上面の内部シート５６のどのような位置ずれをも補正することが可能である。部分球ヘッド５０ａの中心は、内部シート５６（すなわち、部分球ヘッド５０ａの「平坦な上面」である内部シート５６）から短距離しか離間していないので、シート５６の摩擦により内側弁ニードル５０に作用する、再位置合わせを妨げるようなトルクが、最小限に抑制されることになる。内部シート５６は、部分球ヘッド５０ａの上面に画成されているが、これは、外側弁ニードル１０が着座している状態で、外部シート３２と内部シート５６とが、噴射ノズル４の長軸に沿って略一列に並び、外側弁ニードル１０が持上げられたときでも、比較的わずかな量（最大でも、所定の持上げ距離Ｌ）しか軸方向に離間されないことを意味している。

図７は、本発明の第２実施形態を示している。この実施形態では、リング７０の下端面７０ａは、平坦ではなく、部分球ヘッド５０ａの平坦な上面に対して特徴的な環状のシートライン５６を生じさせるために、水平に対してある角度で傾斜している（すなわち、この下端面７０ａは、切頭円錐状になっている）。シート５６を、面接触ではなく、特徴的な環状ラインにすることによって、平面度の誤差に対する許容度が高く、汚れを捕捉し難い改良されたシールをもたらす可能性が高くなる。部分球ヘッド５０ａを、傾斜面を有するように作製すると共に、リング７０の下端面７０ａを平坦にすることも可能ではあることが理解されるだろう。しかし、この変更例は、切頭円錐面が同心度の誤差を生じやすいので、作製がより困難になる可能性がある。

より高く持ち上げられる状態、例えば、外側弁ニードル１０がその内部シート５６及び外部シート３２からさらに持ち上げられる場合、部分球ヘッド５０ａと外側弁孔５２との間の隙間が内部シート５６における隙間よりも狭くなり、内部シートの絞りの有効点が外側弁穴５２の周囲の方に移動する。すなわち、外側弁ニードル１０がより高く持ち上げられると、部分球ヘッド５０ａの周面と外側弁孔５２の内面との間に形成される通路が、リング７０の下端面７０ａと内部シート５６との間の間隙よりも相対的に小さくなり、前記通路を通る燃料流れが最も絞られることになる。

図７における噴射ノズル４の操作は、図２〜５におけるのと同様の方法で実施されるとよい。

図８及び図９は、本発明の第３実施形態を示している。この実施形態は、前述した実施形態と概して同様なので、同様の部品には同様の番号を付し、ここでは再び説明しない。

第３実施形態は、ノズル本体４が、燃焼室への１つの出口の組１００しか備えていない一方で、軸方向に延在する付加的出口または排出口１０２を備えている点において異なっている。この付加的出口１０２の機能については後述する。他の変更点は、内側弁ニードル５０が、部分球外面１０５と平坦な上面１０６とを有する実質的に静止した部分球インサート部材１０４に置き換えられている点にある。部分球面１０５は、インサートシート６０に着座し、外側弁孔５２の最下端開口内に収容されている。

この実施形態において、外側弁ニードル１０の孔５２は、図７に示されるのと同様の切頭円錐状下面１１０ａを有するリング１１０を備えている。しかし、平坦な下面を有するリング１１０が同様に用いられてもよい。従って、切頭円錐状下面１１０ａは、外側弁ニードル１０用の内部環状シートライン１１２を画成している。ノズル４が非噴射位置にあるとき、リング１００は、インサート部材１０４によって画成された内部シート５６に着座している。

インサート部材１０４の外周の直径は、外側弁孔５２の直径よりも小さく、狭い環状の流路が、インサート部材１０４の周囲と外側弁孔５２の内面との間に画成されている。この間隙の寸法は、充分な中心力を外側弁ニードル１０に与える目的と充分な燃料流れを間隙に通す目的を調和させるように選択される。

リング１１０が外側弁孔５２内において僅かに位置ずれしている場合、インサート部材１０４は、その球の中心回りに回転または傾斜することによってインサートシート６０への着座角度を調整することができ、これによって、その平坦な上面１０６をリング１１０の角度に合わせ、位置ずれを解消することができる。従って、ノズル出口の組１００は、外側弁ニードル１０の外部及び内部シート３２、５６の両方において、高圧燃料から効果的にシールされることになる。

高圧燃料が、半径方向穿孔６４を介して外側弁孔５２に入り、リング１１０を介して部分球インサート部材１０４に伝達される（図８には示されていない）バネ４５の力と共に、インサート部材１０４をインサートシート６０に対して適所に保持するように働くことになる。ノズル本体６の軸方向出口１０２は、インサート部材１０４の下方に、インサートシート６０を通過してノズル本体６の先端内に向かう燃料の漏れを簡単かつ確実に燃焼室内に排出させる排出口をもたらしている。このようにして、インサート部材１０４は、その下方に捕捉される燃料によってインサートシート６０から持ち上がるのが阻止されるようになっている。

図９を参照すると、出口１００を通る燃料を噴射することが望まれるとき、外側弁ニードル１０が（図９には示されていない）圧電スタック４２によって後退され、リング１０４を内部シート５６から離脱させることになる。このような状況では、外部シート３２を通過する第１環状流路「Ｅ」と、内部シート５６を通過する第２環状流路「Ｆ」とが開き、高圧燃料が出口１００を通って燃焼室内に流れることができる。

部分球インサート部材１０４が外側弁孔５２内の高圧燃料によって内側シート６０に効果的に着座しているので、燃料は、インサートシート６０を超えて出口１０２に流れることができない。

以下、第１実施形態による内側及び外側弁部材５０、１０をノズル本体６内に組み込む方法について、前述の図１〜７とそこに示される番号を全体的に参照しながら説明する。

最初に、リング７０の下端面７０ｂが部分球ヘッド５０ａによって画成された内部シート５６と当接するように、リング７０を内側弁ニードル５０のステム領域５０ｂに遊嵌する。リング７０が配置された状態で、そのリング７０が内側弁ニードル５０に保持されるように、ステム領域５０ｂをスリーブ７２に嵌入する。所定距離「Ｌ」を設定するために、厚み「Ｌ」を有するシムのようなスペーサ工具（図示せず）を、リング７０の上端面７０ａに配置し、シムと当接するまでスリーブ７２を押し込む。シムを取り出せば、必要な間隔である距離「Ｌ」が、リング７０の上端面７０ａとスリーブ７２の下端面７２ａとの間に確保されることになる。

内側弁ニードル５０、リング７０、及びスリーブ７２の組立に続いて、この内側弁ニードル・リング・スリーブ組立体を、外側弁ニードル１０の孔５２内に押し込む。次いで、外側弁ニードル１０がその内部シート５６及び外部シート３２と係合し、かつ内側弁ニードル５０が内側弁シート面６０と係合するように、内側弁ニードル５０及び外側弁ニードル１０をノズル本体孔８内に挿入する。ノズル４の組立に続いて、内側弁ニードル５０及び外側弁ニードル１０のシートにおける効果的なシールを確立するために、シート載置操作が行なわれる。シート載置操作は、所定の一定軸方向力を外側弁ニードル１０に作用させ、外側弁ニードル１０を外部シート３２上に「載置」する段階を含んでいる。所定の一定軸方向力を外側弁ニードル１０に作用させる代わりに、載置操作が動的になされてもよい。

図８及び図９の実施形態の作製に関して、外側弁ニードル１０が内部シート５６及び外部シート３２の両方と同時に接触し、出口１００への効果的なシールをもたらすのを確実にするために、全ての要素をノズル本体６内に組み込み、出口１００からの流体の流出を終了させるシールが形成されるまで、外側弁ニードル１０に負荷を作用させ、リング１１０をその最終位置に押し込む。代替的に、外側弁ニードル１０を、該外側弁ニードル１０が所定の力でシートと接触するまで、孔内に押し込むこともできる。前述の方法は、第１実施形態の作製において採用されてもよいことが理解されるだろう。

本発明を実施する者及び当業者であれば、請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正及び改良が本発明に対してなされ得ることが理解されるだろう。例えば、第１、第２及び第３実施形態では、内側弁ニードル５０は、外側弁孔５２内の高圧燃料と部分球ヘッド５０ａに当接しているリング７０とによって、そのシート６０と係合するように押し付けられている。しかし、使用に伴ってリング７０の下端面７０ａが磨耗し、内側弁５０及び外側弁１０の着座状態においてシート５０に隙間が成長し、内側弁ニードル５０によって確立されたノズル本体６へのシールが損なわれることがある。これに対処するために、内側弁ニードル５０に更なる付勢力を与える、螺旋バネのような弾性部材（図示せず）をチャンバー６２内に設けることが望ましい。このようなバネは、スリーブ７２の上端面に当接し、これらの部品間の摩擦結合を介して内側弁ニードル５０に付勢力が伝達されるようになっているとよい。代替的に、バネは、チャンバー６２内に配置される別体の当接部材に当接していてもよい。

さらに、リング７０とスリーブ７２は、摩擦接触によって外側弁ニードル１０と内側弁ニードル５０に連結されているが、この連結が、例えば、接着または半田付けのような代替的手段によって達成されてもよいことが理解されるだろう。

加えて、図８及び９を参照して述べた実施形態における排出口１０２は、軸方向に配置されているが、必ずしもそうである必要ではないことが理解されるべきである。例えば、排出口１０２が出口１００と平行であってもよく、また、ノズル本体６の中心軸に対して傾斜していてもよいことが理解されるべきである。

本発明の噴射ノズルは、圧電アクチュエータを有する噴射器内に用いられるのに適していると説明したが、噴射器が弁を移動させるための代替的形態にあるアクチュエータを備えることも充分にあり得ることが理解されるべきである。例えば、圧電アクチュエータの代わりに、外側弁が電磁アクチュエータによって移動されてもよい。

ノズル本体６は、外側弁ニードル１０と内側弁ニードル５０用の外部シート３２とインサートシート６０をそれぞれ画成するとして説明したが、ノズル本体６は、これらの面を画成するために、ライニング板、スリーブ、または同等物を備えていてもよい。同様に、リング７０は、内部シート５６と係合する外側弁ニードル１０の面を画成するために、その下端面７０ａにカバー板を備えることもできる。また、内側弁ニードル５０またはインサート部材１０４のいずれかが、内部シート５６を画成するために、カバー板または同等物を備えることもできる。他の変形例において、外側弁孔５２は、内部孔面を画成するために、ライニングスリーブまたは同等の要素を備えていてもよい。

代替的実施形態において、内側弁ニードル５０は、リング７０が外側弁ニードル１０の一体部品を形成するように構成されてもよい。

本発明の実施形態による噴射ノズルが組み込まれ得る燃料噴射器の部分断面図である。 非噴射位置にある本発明の第１実施形態による噴射ノズルの部分断面図である。 図２における噴射ノズルの拡大部分断面図である。 第１噴射位置にある図２及び図３の噴射ノズルの部分断面図である。 第２噴射位置にある図２の噴射ノズルの部分断面図である。 外側弁ニードルが偏心して持ち上がる状況における線Ａ−Ａに沿った図５の噴射ノズルの断面図である。 非噴射位置にある本発明の第２実施形態による噴射ノズルの拡大部分断面図である。 非噴射位置にある本発明の第３実施形態による噴射ノズルの拡大部分断面図である。 第１噴射位置にある図８の噴射ノズルの部分断面図である。

符号の説明

２ 燃料噴射器
４ 噴射ノズル
６ ノズル本体
８ 軸方向孔
１０ 外側弁ニードル
１０ａ 上端領域
１０ｂ 先端領域
１２ 第１ノズル出口の組
１４ 第２ノズル出口の組
１６ 噴射器入口
１８ 入口通路
２０ 蓄圧容積部
２２ 環状チャンバー
２４ 螺旋溝
２６ 送給チャンバー
２８ シート面
３０ 袋容積部
３２ 外部シート
４０ 圧電アクチュエータ
４２ スタック
４４ 電気コネクタ
４５ 閉鎖バネ
４６ 流体増幅装置
５０ インサート部材（内側弁ニードル）
５０ａ 部分球ヘッド
５０ｂ ステム領域
５２ 外側弁孔
５５ 環状間隙
５６ 内部シート
６０ 内側弁シート
６２ チャンバー
６４ 半径方向通路
７０ リング
７０ａ 上端面
７０ｂ 下端面
７１ 燃料通路
７２ スリーブ
７２ａ 下端面
８０ 環状間隙
１００ 単一出口の組
１０２ 排出口
１０４ 部分球ヘッド
１０５ 部分球外面
１０６ 上面
１１０ リング
１１０ａ 円錐状下面
１１２ 環状シートライン
Ｌ 所定距離
Ａ 第１燃料流路
Ｂ 第２燃料流路
Ｃ 第１領域
Ｄ 第２領域
Ｅ 第１環状流路
Ｆ 第２環状流路
Ｆ１、Ｆ２ 方向

Claims (21)

1. シート面（２８）を画成し、第１ノズル出口（１２）を有するノズル本体（６）と、
   前記ノズル本体（６）内に収容され、前記第１ノズル出口（１２）を通る燃料噴射を制御するように、前記シート面（２８）によって画成された外部シート（３２）と係合可能であり、内部孔面を有する孔（５２）が設けられた外側弁部材（１０）と、
   前記孔（５２）内に収容され、前記内部孔面に対して環状間隙（５５）を画成するインサート部材（５０；１０４）であって、前記環状間隙（５５）を通って前記第１ノズル出口（１２）に向かう燃料流れを制御するように、前記外側弁部材（１０）が、前記インサート部材（５０；１０４）の表面によって画成された内部シート（５６）と係合可能であるようなインサート部材（５０；１０４）と
   を備え、
   前記外側弁部材（１０）は、前記内部シート（５６）から離脱されるのと同時に前記外部シート（３２）から離脱されるように配置され、これによって、噴射される燃料が、常に、前記外側弁部材（１０）と前記外部シート（３２）との間の第１経路（Ａ）と、前記環状間隙（５５）を通る第２経路（Ｂ）とに沿って同時に流れるように構成されている、内燃機関用の噴射ノズル。
2. 前記インサート部材（５０；１０４）は、前記環状間隙（５５）を画成するように前記孔（５２）の内径に配置される部分球ヘッド（５０ａ；１０５）を備えている、請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記内部シート（５６）は、前記部分球ヘッド（５０ａ）の表面によって画成されている、請求項２に記載の噴射ノズル。
4. 前記部分球ヘッド（５０ａ）は、ノズル動作の少なくともある期間中、前記シート面（２８）によって画成されたインサートシート（６０）に係合されている、請求項２または３に記載の噴射ノズル。
5. 前記ノズル本体（６）内に設けられた第２ノズル出口（１４）をさらに備え、前記インサート部材（５０）は、前記孔（５２）内で摺動可能であって、前記第２ノズル出口（１４）を通る燃料噴射を制御するように前記インサートシート（６０）と係合可能な内側弁部材である、請求項４に記載の噴射ノズル。
6. 前記外側弁部材（１０）は、前記内部シート（５６）と係合可能であるように前記孔（５２）内に収容された環状部材（７０）を備えている、請求項５に記載の噴射ノズル。
7. 前記内側弁部材（５０）に連結されたスリーブ部材（７２）をさらに備え、前記外側弁部材（１０）が所定距離（Ｌ）より大きく軸方向に移動するときに、前記環状部材（７０）が前記スリーブ部材（７２）と係合し、前記内側弁部材（５０）に軸方向運動を与えるように構成されている、請求項６に記載の噴射ノズル。
8. 前記環状部材（７０）および前記スリーブ部材（７２）は、互いに対向する端面（７０ａ；７２ａ）を有し、前記各端面（７０ａ；７２ａ）が、前記外側弁部材（１０）と前記内側弁部材（５０）がそれぞれのシート（３２、５６、６０）に着座した状態で、前記所定距離（Ｌ）だけ離間されるように構成されている、請求項７に記載の噴射ノズル。
9. 前記内部シート（５６）と係合する前記環状部材（７０）の端面（７０ｂ）が、実質的に平坦である、請求項８に記載の噴射ノズル。
10. 前記内部シート（５６）と係合する前記環状部材（７０）の端面（７０ｂ）が、切頭円錐状である、請求項８に記載の噴射ノズル。
11. 前記内側弁部材（５０）は、弁ステム（５０ｂ）を備え、前記内部シート（５６）は、前記部分球ヘッド（５０ａ）と前記弁ステム（５０ｂ）との間に画成された肩部によって画成されている、請求項５〜１０のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
12. 前記インサート部材（１０４）は、ノズル動作の全段階中、前記インサートシート（６０）との係合が維持されている、請求項４に記載の噴射ノズル。
13. 前記外側弁部材（１０）は、前記内部シート（５６）と係合可能であるように前記孔（５２）内に収容された環状部材（１１０）を備えている、請求項１２に記載の噴射ノズル。
14. 前記ノズル本体（６）には、前記インサートシート（６０）を通過した燃料の漏れが生じた場合に前記燃料を流出させ得る排出通路（１０２）が設けられている、請求項１２または１３に記載の噴射ノズル。
15. 前記インサート部材（５０、１０４）を前記インサートシート（６０）側に付勢する手段をさらに備えている、請求項４〜１４のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
16. 前記インサート部材（５０、１０４）を前記インサートシート（６０）側に付勢する前記手段は、燃料を前記孔（５２）に流入させ流体圧による閉鎖力を前記インサート部材（５０、１０４）に付与しうるように前記外側弁部材（１０）に形成された少なくとも１つの開口（６４）を含んでいる、請求項１５に記載の噴射ノズル。
17. 前記インサート部材（５０、１０４）を前記インサートシート（６０）側に付勢する前記手段は、バネを含んでいる、請求項１５または１６に記載の噴射ノズル。
18. 前記外側部材（１０）が非着座状態にあるとき、前記外部シート（３２）を通過して前記第１ノズル出口（１２）に至る流路（Ａ）と、前記内部シート（５６）を通過して前記第１ノズル出口（１２）に至る補助流路（Ｂ）とが形成される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
19. 前記外部シート（３２）と前記内部シート（５６）とが、少なくとも前記外側弁部材（１０）が着座状態にあるとき、前記ノズル本体（６）の軸方向に対して略同位置にある、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の噴射ノズル。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載された噴射ノズル（４）と、前記噴射ノズル（４）を操作するためのアクチュエータ（４０）とを備えている、内燃機関用の噴射器。
21. 前記アクチュエータ（４０）が、圧電アクチュエータである、請求項２０に記載の噴射器。

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