JP6203115B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、高圧燃料の噴射を行う噴孔を備えた燃料噴射ノズルに関する。
なお、以下では、説明の便宜上、ニードルのリフトアップ方向（開弁方向）を「上」、噴射終了時にニードルが移動する閉弁方向を「下」と称して説明するが、この上下方向は天地方向を示すものではない。

（従来技術）
高圧燃料の供給を受けるノズルボディと、このノズルボディの内部において直線方向（上下方向）に移動可能に配置されるニードルとを備える燃料噴射ノズルが知られている。ニードルがリフトアップされると高圧燃料の供給側と噴孔とが連通して、噴孔から燃料が噴射される。

（従来技術の問題点）
ニードルがリフトアップされて噴孔から高圧燃料を噴射する際、噴孔内にてキャビテーションが発生する場合がある。
高圧燃料は、上方から下方へ流れて噴孔に流入するため、高圧燃料の急激な曲がりにより、キャビテーションは、噴孔の上面付近（曲がりによる低圧部付近）で発生し、噴孔の上面に沿って流れる｛図２（ａ）のハッチング範囲αを参照｝。
曲がりによる低圧部で発生したキャビテーションは、噴孔の通路途中で圧力が回復する辺りで崩壊する。キャビテーションが崩壊する際、局所的に大きな衝撃圧が生じる。このため、噴孔の内壁にキャビテーションの崩壊に伴うエロージョン（キャビテーションエロージョン）が発生する不具合がある。

一方、キャビテーションの崩壊を防ぐために、噴孔の途中から噴孔出口まで噴孔の孔径を広げることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。
しかし、噴孔の孔径を途中から拡径すると、噴孔から燃料が拡散噴射されることになり、噴霧貫徹力が損なわれてしまう。

このように、従来技術では、キャビテーションエロージョンを防止しようとすると噴霧貫徹力が損なわれてしまい、噴霧貫徹力を維持しようとするとキャビテーションエロージョンが生じてしまうという二律背反が生じてしまう不具合がある。

特開２００４−０１９４８１号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、噴霧貫徹力を損なうことなくキャビテーションエロージョンを防止できる燃料噴射ノズルの提供にある。

本発明は、噴孔（３）の上側のみと連通し、噴孔（３）の通路途中からノズルボディ（１）の外壁面に至る減圧孔（７）を設けている。
減圧孔（７）によって噴孔（３）の通路途中の上側に低圧部（高圧圧力への回復を抑制する範囲）を設けることにより、キャビテーションの崩壊を防ぐことができる。これにより、キャビテーションエロージョンを防ぐことができる。また、キャビテーションの崩壊が起きたとしても、減圧孔（７）によってキャビテーションの崩壊箇所の圧力が下げられるため、キャビテーションの崩壊に伴う衝撃圧を緩和することができ、エロージョンの発生を防ぐことができる。

一方、噴孔（３）に流入した高圧燃料は、段差や拡径の無い噴孔（３）の下面押し付けられて流れる。即ち、噴孔（３）に流入した高圧燃料は、段差や拡径の無い噴孔（３）の下面にガイドされて噴孔（３）出口に向かうため、噴霧貫徹力が損なわれる不具合がない。

このように、本発明の燃料噴射ノズルは、噴霧貫徹力を損なうことなくキャビテーションエロージョンを防止することができる。

（ａ）燃料噴射ノズルの要部断面図、（ｂ）噴孔および減圧孔の穴形状の説明図である（実施例１）。 （ａ）噴孔内に生じるキャビテーションの説明図、（ｂ）「噴孔入口から距離」と「キャビテーションの崩壊開始位置およびキャビテーションの崩壊量」の関係を示すグラフである。 「噴孔に補助噴孔を設けた場合の噴霧貫徹力」と「噴孔のみの場合の噴霧貫徹力」の関係を示すグラフである。 （ａ）燃料噴射ノズルの要部断面図、（ｂ）噴孔および減圧孔の穴形状の説明図である（実施例２）。 （ａ）燃料噴射ノズルの要部断面図、（ｂ）噴孔および減圧孔の穴形状の説明図である（実施例３）。 （ａ）燃料噴射ノズルの要部断面図、（ｂ）噴孔および減圧孔の穴形状の説明図である（実施例４）。 （ａ）燃料噴射ノズルの要部断面図、（ｂ）噴孔および減圧孔の穴形状の説明図である（実施例５）。 （ａ）燃料噴射ノズルの要部断面図、（ｂ）噴孔および減圧孔の穴形状の説明図である（実施例６）。

発明を実施するための形態を以下の実施例において説明する。

本発明の具体的な一例（実施例）を、図面を参照して説明する。なお、以下の実施例は具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

［実施例１］
図１〜図３を参照して実施例１を説明する。
燃料噴射装置は、加圧された高圧燃料をエンジンの各気筒へ噴射するものであり、以下では具体例としてディーゼルエンジン用の燃料噴射装置を説明する。

ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置は、コモンレール（燃料蓄圧容器）、サプライポンプ、インジェクタ、制御装置（ＥＣＵ＋ＥＤＵ等）を用いて構成される。
コモンレールは、サプライポンプから加圧された高圧燃料の供給を受けて、高圧燃料を蓄圧する容器であり、蓄圧した高圧燃料はインジェクタに供給される。

サプライポンプは、フィードポンプ（低圧ポンプ）によって燃料タンクから吸い上げた燃料を高圧に圧縮してコモンレールへ圧送する高圧ポンプを備える。
なお、サプライポンプには、高圧ポンプによる燃料の圧送量を調整する調量弁が搭載されている。そして、この調量弁と、コモンレールに搭載される減圧弁とが制御装置によって調整されることで、コモンレールの燃料圧力が制御装置の算出した目標圧力に調整される。

インジェクタは、エンジンの各気筒毎に搭載されて燃料を各気筒内に噴射供給するものであり、制御装置によって通電が開始されるとコモンレールに蓄圧された高圧燃料の噴射を行い、通電が停止されると噴射の停止が行われる。

インジェクタは、加圧燃料の供給を受ける空間βが内部に設けられるノズルボディ１と、このノズルボディ１の内部において直線方向（上下方向）に移動可能に配置されるニードル２とを備え、ニードル２の直線方向の移動により加圧燃料の供給側と、ノズルボディ１に形成された噴孔３との間を開閉する燃料噴射ノズルを備える。

なお、ニードル２の駆動形式は問うものではなく、電磁弁によって制御される油圧によりニードル２を駆動する２ウェイインジェクタ、ピエゾアクチュエータによって制御される油圧によりニードル２を駆動するピエゾインジェクタ、電磁アクチュエータによってニードル２を直接駆動する電磁駆動式インジェクタなど、種々適用可能なものである。

ノズルボディ１は、エンジンに組み付けられるインジェクタボディにリテーニングナット等を介して締結される。ノズルボディ１の内部には、上方から下方へ向けて燃料を導くノズル孔が形成されており、ノズル孔とニードル２との間にコモンレールから高圧燃料の供給を受ける空間β（燃料溜等）が形成される。
ノズル孔の下端には、円錐形状の弁座４が設けられており、この弁座４をなす円錐面に燃料噴射用の噴孔３が１つまたは複数設けられる。

ニードル２は、上下方向へ延びるシャフト形状を呈するものであり、ノズル孔の中心部において上下方向へ駆動可能に支持される。
ニードル２の下端には、テーパ角の異なる複数の円錐を組み合わせた弁部５が設けられている。具体的に弁部５は、複数段の円錐であり、その境界部には弁座４に着座するシート線６が形成されている。シート線６より上側の広がり角度は、弁座４の広がり角度より小さいものであり、シート線６より下側の広がり角度は、弁座４の広がり角度より大きいものである。

そして、弁部５が弁座４に着座する際は、弁部５のシート線６が弁座４に着座して加圧燃料の供給側と噴孔３との連通を遮断し、ニードル２がリフトアップして弁部５が弁座４から離座すると加圧燃料の供給側と噴孔３とが連通して高圧燃料が噴孔３から噴射される。

ノズルボディ１の下端には、エンジンの燃焼室に露出する円錐部が設けられており、噴孔３は円錐部の内外を貫通して設けられる。具体的に、噴孔３は、円錐部の内壁面（弁座４をなす円錐面）から円錐部の外壁面まで斜めに貫通形成される軸穴であり、刃具（ドリル刃等）による切削加工や放電加工等により形成される。

（実施例１の特徴技術）
高圧燃料を噴孔３から噴射する際、図２（ａ）のハッチング範囲αに示すように、噴孔３の上面付近においてキャビテーションが発生する場合がある。具体的には、極めて高圧の燃料が上方から下方へ流れて噴孔３に流入した際、高圧燃料の急激な曲がりにより、噴孔３の上面付近の低圧部でキャビテーションが発生する。
噴孔３内で発生したキャビテーションは、何ら対策を施さない場合、噴孔３の通路途中で圧力が高圧に回復する辺りで崩壊する。キャビテーションが崩壊する際、局所的に大きな衝撃圧が発生し、噴孔３の内壁にエロージョンが生じてしまう。なお、噴孔３の噴孔入口から下流側の距離とキャビテーションの崩壊量との関係を図２（ｂ）に示す。

そこで、この実施例の燃料噴射ノズルは、キャビテーションが崩壊する領域の流路を上方へ拡大することで、キャビテーションの発生領域の圧力回復を抑えて、キャビテーションの崩壊を抑制する。
キャビテーションが崩壊する領域の流路面積を上方へ拡大する手段は、ノズルボディ１に形成する減圧孔７によって設けられる。この減圧孔７は、噴孔３の上側のみと連通し、噴孔３の通路途中からノズルボディ１の外壁面に至る軸穴であり、噴孔３と同様、刃具による切削加工や放電加工等により形成される。

減圧孔７の上流端（減圧孔７の奥端）は、噴孔入口から下流側に距離Ｌ１だけ離れた位置に設けられる。そして、減圧孔７は、距離Ｌ１の位置からノズルボディ１の外壁面まで設けられる。
具体的に、噴孔３の噴孔入口から減圧孔７の上流端までの距離をＬ１、
噴孔３の噴孔入口から噴孔３内におけるキャビテーションの崩壊開始位置までの距離をＬｃとした場合、
Ｌ１＜Ｌｃ
の関係を満足するように設けられる。

一例として、噴孔３の噴孔入口から噴孔出口までの噴孔長をＬ、
噴孔３の噴孔入口から減圧孔７の上流端までの距離Ｌ１とした場合、
０．１＜Ｌ１／Ｌ＜１
の関係を満足するように設けられる。

噴孔３の上側と減圧孔７の下側とを連通する手段として、減圧孔７の中心軸が、噴孔３の中心軸より上方へオフセットして設けられる。
具体的に、噴孔３の孔径をｄ１、
減圧孔７の孔径をｄ２、
噴孔３の中心軸から減圧孔７の中心軸までのオフセット寸法（ずれ量）をＬ２とする。

なお、この実施例では、噴孔３と減圧孔７の重なり幅Ｌ３を大きくするとともに、減圧孔７による減圧効果を高めるべく、
ｄ１＜ｄ２
の関係に設ける例を示すが、一例であって限定するものではない。

（実施例１の効果１）
この実施例１の燃料噴射ノズルは、上述したように、噴孔３の上側のみと連通し、噴孔３の通路途中からノズルボディ１の外壁面に至る減圧孔７を設けている。
噴孔３の通路途中の上側に減圧孔７による低圧部を設けることにより、キャビテーションの崩壊を防ぐことができる。これにより、キャビテーションエロージョンを防ぐことができる。また、キャビテーションの崩壊が起きたとしても、減圧孔７によってキャビテーションの崩壊箇所の圧力が下げられるため、キャビテーションの崩壊に伴う衝撃圧を緩和することができ、エロージョンの発生を防ぐことができる。

一方、減圧孔７は、噴孔３の上側のみに設けられるため、噴孔３に流入した高圧燃料は、段差や拡径の無い噴孔３の下面押し付けられて流れる。即ち、噴孔３に流入した高圧燃料は、段差や拡径の無い噴孔３の下面にガイドされて噴孔出口に向かって流れるため、噴霧貫徹力が損なわれる不具合がない。

このように、この実施例１の燃料噴射ノズルは、噴霧貫徹力を損なうことなくキャビテーションエロージョンを防止することができる。即ち、インジェクタの噴射性能を維持したまま、インジェクタの長期信頼性を高めることができる。

（実施例１の効果２）
この実施例１の燃料噴射ノズルは、上述したように、噴孔３の噴孔入口から減圧孔７の上流端までの距離をＬ１、噴孔３の噴孔入口から噴孔３内におけるキャビテーションの崩壊開始位置までの距離をＬｃとした場合、「Ｌ１＜Ｌｃ」の関係に設けられる。
即ち、減圧孔７の上流端の位置が、キャビテーションの崩壊開始位置より上流側に設けられる。これにより、キャビテーションの崩壊位置よりも上流側から減圧孔７によって噴孔３内を減圧することができ、噴孔３内で発生したキャビテーションの崩壊を抑えて噴孔３の外部へ導くことができる。

（実施例１の効果３）
この実施例１の燃料噴射ノズルは、噴孔３の上側において噴孔３と減圧孔７が連通するとともに、噴孔３の下面形状が減圧孔７に影響されない円弧形状に設けられる。このため、噴孔３の下面に沿って流れる高圧燃料は減圧孔７に影響されないため、噴霧貫徹力が損なわれる不具合がない。

図３に「減圧孔７を設けた場合」と「減圧孔７を設けない場合」の噴霧貫徹力（噴霧到達距離）の計測結果を示す。
この実施例の燃料噴射ノズルは、上述したように、噴孔３の下面形状が減圧孔７に影響されない円弧形状に設けられる。このため、この実施例１の燃料噴射ノズルの噴霧貫徹力Ａは、減圧孔７を設けない参考例の噴霧貫徹力Ｂと比較して低下しておらず、逆に４％増加する結果が得られた。この測定結果からも、減圧孔７を設けても噴霧貫徹力が損なわれないことが解る。

［実施例２］
図４を参照して実施例２を説明する。なお、以下の各実施例において、上記実施例１と同一符号は、同一機能物を示すものである。
実施例２の燃料噴射ノズルは、噴孔３と減圧孔７の連通部を、噴孔３の円弧の接線と、減圧孔７の円弧の接線とを繋いだ形状に設けるものである。
このように設けることで、噴孔３と減圧孔７とを滑らかに繋げることができ、噴孔３内における燃料流れの乱れを抑えることができる。

［実施例３］
図５を参照して実施例３を説明する。
実施例３の燃料噴射ノズルは、
噴孔３の孔径をｄ１、
減圧孔７の孔径をｄ２、
噴孔３の中心軸から減圧孔７の中心軸までのオフセット寸法をＬ２とした場合、
ｄ１＝ｄ２
で且つ、
Ｌ２＜（ｄ１＋Ｄ２）／２
の関係を満足するように設けられる。
このように設けることで、噴孔３と減圧孔７とを同一の加工具（刃具または放電電極など）で形成することができ、減圧孔７の加工性を向上させることができる。

［実施例４］
図６を参照して実施例４を説明する。
上記の各実施例では、減圧孔７の形状を円筒形状（軸穴形状）に設ける例を示した。
これに対し、この実施例４は、減圧孔７の形状を、多角柱形状（例えば、矩形溝形状）に設けたものである。
このように、減圧孔７の形状を多角柱形状で設けても、上述した減圧孔７と同様の効果を得ることができる。

［実施例５］
図７を参照して実施例５を説明する。
上記の各実施例では、噴孔３の中心軸に対して減圧孔７の中心軸を平行に設ける例を示した。
これに対し、この実施例５は、噴孔３の中心軸に対して減圧孔７の中心軸を傾斜した設けたものであり、図７中では噴孔３の中心軸に対する減圧孔７の中心軸を傾斜角をθで示す。

［実施例６］
図８を参照して実施例６を説明する。
上記の各実施例では、弁座４（具体的には、シート線６が着座する部位より下側の円錐面）に噴孔入口が形成される噴孔３に減圧孔７を設ける例を示した。
これに対し、この実施例６は、弁座４の下部に形成されたサック室８（サックボリューム）に噴孔入口が形成される噴孔３に減圧孔７を設けるものである。
このように、サック室８に形成された噴孔３に減圧孔７を設けても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例では、噴孔３の孔径ｄ１と減圧孔７の孔径ｄ２の関係が「ｄ１＜ｄ２」または「ｄ１＝ｄ２」の例を示したが、限定するものではなく「ｄ１＞ｄ２」であっても良い。

上記の実施例では、噴孔入口が「弁座４」または「サック室８」に設けられる噴孔３に減圧孔７を設ける例を示したが、噴孔入口が「弁座４」と「サック室８」の境界部に設けられる噴孔３に減圧孔７を設けても良い。

１ ノズルボディ
２ ニードル
３ 噴孔
７ 減圧孔
β 加圧燃料の供給を受ける空間

Claims (4)

1. 加圧燃料の供給を受ける空間（β）が内部に設けられるノズルボディ（１）と、このノズルボディ（１）の内部において直線方向に移動可能に配置されるニードル（２）とを備え、
   前記ニードル（２）の直線方向の移動により、加圧燃料の供給側と、前記ノズルボディ（１）に形成された噴孔（３）との間を開閉する燃料噴射ノズルにおいて、
   加圧燃料の供給側と前記噴孔（３）との間を開く方向に前記ニードル（２）が移動する方向を上、加圧燃料の供給側と前記噴孔（３）との間を閉じる方向に前記ニードル（２）が移動する方向を下とした場合、
   前記ノズルボディ（１）には、前記噴孔（３）に連通する減圧孔（７）が設けられており、
   前記減圧孔（７）が前記連通孔（３）に連通する範囲は、前記噴孔（３）の通路途中から前記ノズルボディ（１）の外壁面に至るまでであり、
   前記減圧孔（７）の中心軸は、前記噴孔（３）の中心軸より上方に設けられており、
   前記減圧孔（７）は、前記噴孔（３）の下面形状に影響を与えない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、
   前記噴孔（３）の噴孔入口から前記減圧孔（７）の上流端までの距離をＬ１、
   前記噴孔（３）の噴孔入口から前記噴孔（３）内におけるキャビテーションの崩壊開始位置までの距離をＬｃとした場合、
   Ｌ１＜Ｌｃ
   の関係を満足することを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記噴孔（３）と前記減圧孔（７）の連通部は、前記噴孔（３）の円弧の接線と、前記減圧孔（７）の円弧の接線とを繋いだ形状に設けられることを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記噴孔（３）の孔径をｄ１、
   前記減圧孔（７）の孔径をｄ２とした場合、
   ｄ１＝ｄ２
   の関係を満足することを特徴とする燃料噴射ノズル。

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