JP6329867B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

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Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射ノズル(以下、略してノズルと呼ぶことがある。)に関する。
従来から、例えば、内燃機関に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁では、燃料を噴射するノズルと、このノズルを開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータとを備えるものが周知である(例えば、特許文献1参照)。また、燃料噴射弁に用いられるノズル(燃料噴射ノズル)では、円筒状のノズルボディと、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードルとを備えるものが公知である。そして、このノズルは、ニードルがノズルボディの内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。
図12に示すように、ノズルJ1は、ノズルボディ101の内壁の一部であって、ニードル102が離着するシート位置を有するとともに、軸方向先端に向かって縮径するテーパ状のシート面105と、シート面105よりも先端側に形成されるサック室106とを備える。そして、サック室106には噴孔107の入口の開口107aが設けられており、ニードル102がシート位置から離座することで、噴孔107を通じてノズルボディ101の内周から外部に燃料が導かれて噴射される。すなわち、ニードル102のリフト時に、燃料は、シート面105を沿って流れた後、サック室106に流入し、サック室106から噴孔107を通じて噴射される。
ところで、ノズルJ1では、燃料がシート面105を沿って流れた後にサック室106へ流入して、噴孔107へ流入する。このため、サック室106を形成するサック内壁110とシート面105との境界、及び、サック内壁110と噴孔107の内周面との間の角部で燃料流れの剥離が生じやすくなってしまう。この場合、サック内壁110に近接した位置でキャビテーションが発生して噴孔107内に侵入したり、噴孔107内でキャビテーションが発生したりすることで、流量係数が低下する虞がある。
そこで、噴孔内へのキャビテーションの侵入や噴孔内でのキャビテーションの発生を抑えて、流量係数の低下を抑制するための技術が求められている。
なお、特許文献2には、噴霧のばらつきを抑制する目的で、サック内壁に径方向内側に突出する環状の突起が設けられた燃料噴射ノズルが開示されている。
このノズルJ2(図13参照)によれば、この突起120により、シート面105に沿って流れる燃料はサック室106の中央に集められるため、結果的に、サック室106に流入する際の燃料流れの剥離によって生じるキャビテーションの位置はサック内壁110から遠ざかる。
しかしながら、この構成では、燃料が突起120を回り込んで、突起120よりも径方向外側に開口する噴孔107の入口の開口107aに向かわなければならないため、突起120の下面120a付近に燃料流れの剥離によるキャビテーションが生じてしまう。そして、このキャビテーションが噴孔107内に侵入してしまうという問題が生じる。
特開平8−144895号公報 特開2008−309079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、燃料噴射ノズルにおいて、噴孔内へのキャビテーションの侵入や噴孔内でのキャビテーションの発生を抑えて、流量係数の低下を抑制することを目的とする。
本発明の燃料噴射ノズルは、ノズルボディ、ニードル、シート面、サック室、及び噴孔の入口の開口を備える。
ノズルボディには、燃料を噴射する複数の噴孔が形成されている。
ニードルは、ノズルボディの内周に軸方向に移動可能となるように収容される。
シート面は、ノズルボディの内壁の一部であって、軸方向先端に向かって縮径するテーパ状を呈し、ニードルに設けられたシート部が離着するシート位置を有する。
サック室は、シート面よりも先端側に接続するノズルボディの内壁に囲まれて形成される空間であって、噴孔が接続している。
噴孔の入口の開口は、サック室を形成する内壁に設けられている。
サック室を形成する内壁は、軸方向に延びる円筒面、および円筒面の先端に接続する半球面を有し、ノズルボディの内周先端を袋状に閉じている。または、サック室を形成する内壁は、テーパ面であり、テーパ面上に開口が形成されている。
また、サック室を形成する内壁とシート面とは、シート面からサック室を形成する内壁に向かって縮径するように設けられたノズルボディの軸方向に垂直な平面、もしくはシート面よりもテーパ比が大きなテーパ面でなる接続面によって接続されている。
そして、接続面の径方向内側端は、径方向において噴孔の入口の開口の位置と同じ位置、もしくは、噴孔の入口の開口の位置より径方向外側に位置している。
これによれば、燃料はシート面に沿って流れた後、接続面によって径方向中心に向かうようにガイドされながらサック室へ流入する。このため、燃料はサック室の径方向中心を経由した後に噴孔へ向かうため、噴孔の流路軸に沿って燃料を噴孔へ導入することができる。
このため、噴孔の入口の開口付近での燃料流れの剥離を低減でき、噴孔内でのキャビテーション発生を抑制できる。
なお、本発明においても、シート面に沿って流れた後にサック室へ流入する際の燃料流れの剥離によって、サック室内でのキャビテーションは発生する。しかしながら、接続面によって燃料が径方向内側にガイドされているため、サック室内のキャビテーション発生位置を、サック室を形成する内壁から遠ざけることができる。すなわち、噴孔の入口の開口から遠ざけることができる。
このため、サック室内で生じたキャビテーションが噴孔内に侵入するのを抑制することができる。
燃料噴射ノズルの全体を示す断面図である(実施例1)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例1)。 図2の部分拡大図である(実施例1)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例1)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例1)。 実施例1の作用効果を説明する説明図である(実施例1)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例2)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例3)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(参考例)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例4)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(実施例5)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(従来例)。 燃料噴射ノズルの要部を示す部分断面図である(従来例)。
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
〔実施例1〕
〔実施例1の構成〕
実施例1の燃料噴射ノズル1(以下、ノズル1と呼ぶ。)の構成を、図1〜図3を用いて説明する。
ノズル1は、開弁して燃料を噴射するものであり、ノズル1を開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータ(図示せず。)とともに燃料噴射弁を構成する。そして、燃料噴射弁は、例えば、内燃機関(図示せず。)に搭載され、100MPaを超える高圧の燃料を気筒内に直接噴射するために用いられる。
なお、アクチュエータは、例えば、ノズル1の弁体(後記するニードル2)に作用する背圧を増減して弁体を駆動するものであり、コイル(図示せず。)への通電により発生する磁気力を利用して背圧室(図示せず。)を開閉することで背圧を増減する。
そして、燃料噴射弁は、例えば、燃料を高圧化して吐出する燃料供給ポンプ(図示せず。)、および、燃料供給ポンプから吐出された燃料を高圧状態で蓄圧する蓄圧容器(図示せず。)とともに蓄圧式の燃料供給装置を構成し、蓄圧容器から高圧の燃料を分配されて気筒内に噴射する。
ノズル1は、図1に示すように、円筒状のノズルボディ3と、ノズルボディ3の内周に軸方向に移動可能となるように収容されてノズルボディ3に形成された噴孔4を開閉する弁体として機能するニードル2とを備える。そして、ノズル1は、ニードル2がノズルボディ3の内周で軸方向に移動することで燃料の噴射を開始または停止する。
ここで、ニードル2は、ノズルボディ3により軸方向に摺動自在に支持される摺動軸部2a、および、実質的に弁部として機能する円錐状の先端部2bを有し、摺動軸部2aと先端部2bとの間は軸方向に長い円柱部2cをなす。
ノズルボディ3の内周は、軸方向に長い円筒状をなし先端が閉じられている。また、ノズルボディ3の内周の一部は、局部的に径方向に拡大され、噴射すべき燃料が一時的に溜まる燃料溜まり5をなす。
そして、ノズルボディ3の内周の内、燃料溜まり5の軸方向後端側の領域は、摺動軸部2aを摺動自在に支持するための摺動孔6をなし、燃料溜まり5の軸方向先端側の領域は、先端部2bおよび円柱部2cを収容して円環筒状の燃料通路7を形成する。
なお、ノズルボディ3には、蓄圧容器から受け入れた燃料を燃料溜まり5に導くための燃料通路8が、別途、燃料溜まり5に接続している。
また、ノズル1は、以下に示すシート面11とサック室12とを備える。
シート面11は、ノズルボディ3の内壁面の一部であり、軸方向先端に向かって縮径するテーパ状を呈し、ニードル2に設けられたシート部13が離着するシート位置15を有する面である。
すなわち、ノズルボディ3の先端近傍の内壁は、軸方向先端側ほど小径となる円錐面でなるシート面11を有し、シート位置15はこのシート面11上に設けられている。
なお、先端部2bの外周面は、例えば、3つの異なる円錐面17a、17b、17cが先端から軸方向後端側に同軸に連続するものであり、円錐面17a〜17cは、それぞれの母線とニードル2の軸αとの間に形成される角度が先端側ほど大きくなっている。そして、円錐面17aの頂部がニードル2の先端をなしている。
また、円錐面17a、17b同士の交線18a、および円錐面17b、17c同士の交線18bは軸αに垂直な円であり、交線18bがシート部13として機能し、シート位置15は円形である。
サック室12は、シート面11よりも軸方向先端側のノズルボディ3の内壁に囲まれて形成される空間である。そして、サック室12を形成するノズルボディ3には、ノズルボディ3の内外を貫通する噴孔4が設けられている。
本実施例のサック室12はいわゆるミニサック型であって、サック室12を形成するノズルボディ3の内壁(以下、サック内壁20と呼ぶ)は、軸方向に延びる円筒面21、および円筒面21の先端に接続する半球面22を有し、ノズルボディ3の内周先端を袋状に閉じている。
そして、サック内壁20には、噴孔4の入口側の開口4aが設けられている。
噴孔4は、ノズルボディ3の周方向に複数個並んで設けられており、サック内壁20には複数の開口4aが周方向に例えば等間隔に設けられている。
以上の構成によって、シート部13がシート位置15から離座すると、シート部13とシート位置15との間に隙間が形成され、シート面11に沿ってサック室12へ燃料が流れ、開口4aから噴孔4内に導入されて、ノズルボディ3の外部に噴射される。
〔本実施例の特徴〕
本実施例のノズル1では、サック内壁20とシート面11とが、以下に説明する接続面25により接続されている。
接続面25は、シート面11の先端から先端に向かって縮径してサック内壁20の後端に接続する面である。
接続面25はシート面11よりも大きいテーパ比で先端に向かって縮径するテーパ面でなっている。すなわち、サック室12の後端の内径はシート面11の先端径よりも小さくなっており、その間が上述の接続面25で接続されている。
そして、接続面25の径方向内側端25aは、径方向において開口4aの位置と同じ位置、もしくは開口4aの位置より径方向外側に位置している。
以下、さらに具体的に説明する。
本実施例の接続面25は、シート面11の先端(径方向内側端)とサック内壁20の後端(円筒面21の後端)とを接続するテーパ面である。
そして、この接続面25のテーパ比は、シート面11のテーパ比よりも大きい。なお、テーパ比とは、{軸方向後端の径大側の径方向寸法−軸方向先端の径小側の径方向寸法}/{軸方向長さ}であって、軸方向に対する縮径度合いのことである。
言い換えると、接続面25のテーパ角は、シート面11のテーパ角よりも大きい。
さらに言い換えると、ノズルボディ3の軸βに垂直な平面を平面Hと仮定した場合に、平面Hに対する接続面25の傾斜角θ1は、平面Hに対するシート面11の傾斜角θ2よりも小さい(図3参照)。
なお、本実施例の接続面25は先端側に向かって縮径したテーパ面であればよい。図3に示す本実施例では、接続面25はシート面11と同軸の円錐面であった。しかし、図4に示すような径方向外側に凸の曲面であってもよいし、図5に示すような径方向内側に凸の曲面であってもよい。
そして、接続面25の径方向内側端25aは、径方向における開口4aの位置、すなわち、噴孔4の流路軸Zと開口4aの開口面とが交差する位置Yよりも、径方向外側に位置している。なお、径方向において位置Yと接続面25の径方向内側端25aとが同じ位置であってもよい。
また、本実施例のノズル1では、ニードル2の全リフト領域において、噴孔4へ流入する燃料の最大流量を規定する絞り部26が、シート面11とニードル2との間に形成されている。すなわち、絞り部26を接続面25とニードル2との間に形成しないようにしている。
本実施例のように、径方向において接続面25にもニードル2が対向している場合は、接続面25とニードル2との間に絞り部26を形成することも考えられる。しかし、絞り部26を接続面25とニードル2との間に形成してしまうと、最小絞り面積が縮小してしまうため、絞り部26を接続面25とニードル2との間ではなく、シート面11とニードル2との間に形成することが好ましい。
例えば、本実施例では、シート面11と交線18aの間の流路面積S1と、シート面11と接続面25との境界とニードル2との間の流路面積S2と、接続面25とサック内壁20との境界とニードル2との間の流路面積S3との関係が、
S1≦S2≦S3
を満たしている(図3参照)。
これによれば、絞り部26が接続面25とニードル2との間に形成されることがない。
なお、流路面積S1は、シート面11と交線18aとの間に形成される燃料の流れに垂直な環状の面の面積であり、流路面積S2は、シート面11と接続面25との境界とニードル2との間に形成される燃料の流れに垂直な環状の面の面積であり、流路面積S3は、接続面25とサック内壁20との境界とニードル2との間に形成される燃料の流れに垂直な環状の面の面積である。
〔本実施例の作用効果〕
本実施例の作用効果を図6を用いて説明する。
ニードル2がリフトすると、燃料はまずシート面11に沿って先端へ向かって流れる。
その後、接続面25に到達すると、θ1がθ2よりも小さいために、シート面11を沿う流れが径方向内側へ曲げられる。そして、燃料は接続面25にガイドされながらサック室12の径方向中心へ向かうようにサック室12へ流れ込む。
このため、燃料はサック室12の径方向中心寄りの領域を経由した後に噴孔4へ向かう。すなわち、サック室12に流入する際の燃料の主流の流線が従来よりもサック室12の径方向中心へ寄る。これにより、燃料を噴孔4の流路軸Zに沿って噴孔4へ導入することが可能となる。
この結果、開口4a付近での燃料流れの剥離を低減でき、噴孔4内でのキャビテーション発生を抑制できる。
また、本実施例においても、シート面11に沿って流れた後にサック室12へ流入する際の燃料流れの剥離によって、サック室内でのキャビテーションは発生する。しかしながら、接続面25によって燃料が径方向内側にガイドされているため、サック室12内のキャビテーション発生位置を、サック内壁20から遠ざけることができる。すなわち、開口4aから遠ざけることができる。
このため、サック室12内で生じたキャビテーションが噴孔4内に侵入するのを抑制することもできる。
なお、接続面25を設けない従来のノズルJ1(図12参照)の場合には、シート面105に沿って流れた燃料がサック内壁110近くを経由して噴孔107に流れ込もうとする。すなわち、噴孔107の流路軸に対して傾いた方向に向かう流れによって燃料が噴孔107に流入することになり、サック内壁110と噴孔107の内周面との間の角部で燃料流れの剥離が生じ、噴孔107内にキャビテーションが生じてしまう。
また、サック室12内のキャビテーション発生位置は、サック内壁20近傍である。
本実施例では、接続面25を設けることにより、従来例と比較して、開口4a付近での燃料流れの剥離を低減でき、噴孔4内でのキャビテーション発生を抑制できる。また、サック室12内のキャビテーション発生位置を開口4aから遠ざけて、サック室12内で生じたキャビテーションが噴孔4内に侵入するのを抑制することができる。
また、接続面25の径方向内側端25aは、径方向において開口4aの位置Yと同じ位置、もしくは開口4aの位置Yより径方向外側に位置している。
すなわち、接続面25は、従来のノズルJ2(図13参照)の場合のような突起120とは異なっている。ノズルJ2では、燃料が突起120を回り込む際にキャビテーションを生じて噴孔107に入り込むような現象は生じていたが、本実施例では、そのような現象は生じない。
また、本実施例のノズル1では、ニードル2の全リフト領域において、噴孔4へ流入する燃料の最大流量を規定する絞り部26が、シート面11とニードル2との間に形成されている。すなわち、絞り部26を接続面25とニードル2との間に形成しないようにしている。
これによれば、絞り部26を接続面25とニードル2との間に形成してしまうことによる、最小絞り面積の縮小を防ぐことができる。
〔実施例2〕
実施例2のノズル1を実施例1とは異なる点を中心に図7を用いて説明する。なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、サック室12がテーパサック型である。すなわち、サック内壁20がテーパ面であり、このテーパ面上に開口4aが形成されている。
本実施例によっても、実施例1と同様の作用効果を奏する。
〔実施例3〕
実施例3のノズル1を実施例1とは異なる点を中心に図8を用いて説明する。なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
実施例1では、先端部2bの外周面が、円錐面17a〜17cからなっていたが、本実施例では円錐面17b、17cからなっている。そして、円錐面17cを有する円錐台形の頂部がニードル2の先端をなしている。
すなわち、実施例1では径方向において接続面25にもニードル2が対向していたが、本実施例では、ニードル2の全リフト領域において接続面25にニードル2が対向していない。
このため、絞り部26を接続面25とニードル2との間に形成してしまうことはない。
本実施例によっても、実施例1と同様の作用効果を奏する。
参考例
参考例のノズル1を実施例1とは異なる点を中心に図9を用いて説明する。なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
なお、図9では、ニードル2の描画を省略している。
参考例では、接続面25とシート面11との間に、シート面11の径方向内側端から軸方向先端側に向かって延びる円筒面29が形成されている。
すなわち、シート面11の先端(径方向内側端)と接続面25の後端との間にシート面11の先端と同径の円筒面29が形成されている。
参考例によっても、実施例1と同様の作用効果を奏することができる。
加えて、本参考例によれば、シート面11を砥石Tで研磨する場合に、円筒面29の内側に砥石Tを逃がすことができるため、砥石Tの偏磨耗を避けることができる。
実施例4
実施例4のノズル1を実施例1とは異なる点を中心に図10を用いて説明する。なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、接続面25が、ノズルボディ3の軸βに垂直な平面である。すなわち、シート面11の先端から径方向内側に向かって形成された平面である。
本実施例においても、実施例1と同様の作用効果を奏する。
実施例5
実施例5のノズル1を実施例1とは異なる点を中心に図11を用いて説明する。なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、接続面25が2段のテーパ状の曲面からなっている。
軸方向後端側が径方向外側に凸の曲面であり、軸方向先端側が径方向内側に凸の曲面となっている。
本実施例によっても実施例1と同様の作用効果を奏する。
また、軸方向後端側を径方向外側凸の曲面とすることで、参考例における円筒面29と同様に、砥石Tを逃がす効果も奏することができる。
また、円錐面による多段テーパ面で接続面25を構成してもよい。
1 燃料噴射ノズル
2 ニードル
3 ノズルボディ
4 噴孔
4a 噴孔の入口の開口
11 シート面
12 サック室
13 シート部
15 シート位置
25 接続面

Claims (5)

  1. 燃料を噴射する複数の噴孔(4)が形成されたノズルボディ(3)と、
    前記ノズルボディ(3)の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル(2)と、
    前記ノズルボディ(3)の内壁の一部であって、軸方向先端に向かって縮径するテーパ状を呈し、前記ニードル(2)に設けられたシート部(13)が離着するシート位置(15)を有するシート面(11)と、
    前記シート面(11)よりも先端側において前記ノズルボディ(3)の内壁に囲まれて形成される空間であって、前記噴孔(4)が接続するサック室(12)と、
    前記サック室(12)を形成する内壁(20)に設けられる前記噴孔(4)の入口の開口(4a)と
    を備える燃料噴射ノズルであって、
    前記サック室(12)を形成する内壁(20)は、軸方向に延びる円筒面(21)、およびこの円筒面(21)の先端に接続する半球面(22)を有し、前記ノズルボディ(3)の内周先端を袋状に閉じており、
    前記サック室(12)を形成する内壁(20)と前記シート面(11)とは、前記シート面(11)から前記サック室(12)を形成する内壁(20)に向かって縮径するように設けられた前記ノズルボディ(3)の軸方向に垂直な平面、もしくは前記シート面(11)よりもテーパ比が大きなテーパ面でなる接続面(25)によって接続されており、
    前記接続面(25)の径方向内側端(25a)は、径方向において前記開口(4a)の位置(Y)と同じ位置、もしくは前記開口(4a)の位置(Y)より径方向外側に位置していることを特徴とする燃料噴射ノズル。
  2. 燃料を噴射する複数の噴孔(4)が形成されたノズルボディ(3)と、
    前記ノズルボディ(3)の内周に軸方向に移動可能となるように収容されるニードル(2)と、
    前記ノズルボディ(3)の内壁の一部であって、軸方向先端に向かって縮径するテーパ状を呈し、前記ニードル(2)に設けられたシート部(13)が離着するシート位置(15)を有するシート面(11)と、
    前記シート面(11)よりも先端側において前記ノズルボディ(3)の内壁に囲まれて形成される空間であって、前記噴孔(4)が接続するサック室(12)と、
    前記サック室(12)を形成する内壁(20)に設けられる前記噴孔(4)の入口の開口(4a)と
    を備える燃料噴射ノズルであって、
    前記サック室(12)を形成する内壁(20)は、テーパ面であり、このテーパ面上に前記開口(4a)が形成され、
    前記サック室(12)を形成する内壁(20)と前記シート面(11)とは、前記シート面(11)から前記サック室(12)を形成する内壁(20)に向かって縮径するように設けられた前記ノズルボディ(3)の軸方向に垂直な平面、もしくは前記シート面(11)よりもテーパ比が大きなテーパ面でなる接続面(25)によって接続されており、
    前記接続面(25)の径方向内側端(25a)は、径方向において前記開口(4a)の位置(Y)と同じ位置、もしくは前記開口(4a)の位置(Y)より径方向外側に位置してい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に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
    前記ニードル(2)の全リフト領域において、前記噴孔(4)へ流入する燃料の最大流量を規定する絞り部(26)が、前記シート面(11)と前記ニードル(2)との間に形成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料噴射ノズルにおいて、
    前記ニードル(2)の全リフト領域において、前記接続面(25)と前記ニードル(2)とが径方向に対向しないことを特徴とする燃料噴射ノズル。
  5. 請求項1〜4のいずれか1つに記載の燃料噴射ノズルにおいて、
    前記接続面(25)と前記シート面(11)との間に、前記シート面(11)の径方向内側端から軸方向先端側に向かって延びる円筒面(21)が形成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
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