JP6348006B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンという。）の燃焼室に直接燃料を噴射する手段として好適な燃料噴射ノズルに関するものである。

［従来の技術］
従来より、例えばディーゼルエンジン、燃料噴射型のガソリンエンジン等のエンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射手段としては、噴孔を有する有底筒状のノズルボデーと、このノズルボデーに往復摺動可能に収容され、噴孔に至る燃料流路を開閉するニードルとを基本構成とする燃料噴射ノズルが専ら賞用されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、周知の一般的な燃料噴射ノズルとして、例えば特許文献１で紹介されているノズルについて、その中枢機能部を示す図８にしたがって概説する。
燃料噴射ノズルは、主として、ノズルボデー１００とニードル２００との２部材から構成されている。
ノズルボデー１００は、ニードル２００をその軸線方向へ往復摺動可能に収容保持する摺動孔１１０を有し、その下端部に円錐状のシート面１２０およびサック室１３０が形成されている。そして、このサック室１３０には、エンジンの燃焼室に開口する噴孔１４０が設けられている。
ニードル２００は、先端部分に円錐角が異なる第１の円錐面２１０と第２の円錐面２２０とが設けられ、この両円錐面２１０、２２０の交線（稜線）にシート部２３０が形成されている。このシート部２３０が、ノズルボデー１００のシート面１２０に対して離座・着座することで、噴孔１４０に通じる燃料流路（第２燃料通路１５０）を開閉する。

［従来技術の問題点］
ところで、近年、エンジンの高性能化、環境改善や省エネ推進等に呼応して、この種の燃料噴射ノズルに対しても、様々な厳しい要求が課せられており、噴射量精度の向上および燃料の噴射圧力の高圧化等に向けての種々な改善策が提案され、試行もしくは実用に供されている。
かかる改善の要点は、中枢機能部品（ノズルボデー１００およびニードル２００）自体の構造を複雑かつ高価なものにすることなく、諸要求を如何に満足していくかが課題であり、目下のところ、ニードル２００の先端に第３の円錐面を追加する手段が有望視されている。
つまり、図８において、第２の円錐面２２０の下端側に円錐角がさらに大きい第３の円錐面２４０を積極的に設けることで、第２の円錐面２２０の下流側における流路面積（第２燃料通路１５０の流路面積）を拡大して、噴孔１４０から高圧燃料を素早く噴霧させることにより、噴射量精度の向上および燃料の噴射圧力の高圧化を図ろうとするものである。

しかしながら、上述の改善策について、本発明者らが実証実験等の研究を重ねたところ、かかる改善策のままでは、必ずしも期待通りの効能が得られないという意外な事実が判明した。その原因を究明すると、
（１）第３の円錐面２４０を積極的に設けることで、第２燃料通路１５０において、第２の円錐面２２０の下流側における流路面積を拡大できるため、ニードル２００のシート部２３０が、ノズルボデー１００のシート面１２０から離座する開弁時に、第２の円錐面２２０に沿って流れる燃料を素早くサック室１３０から噴孔１４０へ送り込むことができ、所期の効果が得られるものと考えられていた。
（２）ところが、第３の円錐面２４０を追加したことによる燃料の流れをつぶさに観察してみると、図３（ｂ）に示すように、開弁により第２燃料通路１５０に供給された燃料が、第２の円錐面２２０から第３の円錐面２４０に沿って流れる過程において、とりわけ、第３の円錐面２４０の表面から燃料の流れが剥離していく所謂流れ剥離現象Ｘが認められ、その結果、サック室１３０内にキャビテーションＹが発生し、流量係数が低下してしまうことが分かった。

特開２００４−０２７９５５号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡潔、かつ、安価な構成にもかかわらず、第３の円錐面に対する燃料流れの剥離を防いで性能向上を図ることができる燃料噴射ノズルを提供することにある。

請求項１に記載の発明（燃料噴射ノズル）は、基本構成として、先端部分に噴孔を有するノズルボデーと、このノズルボデー内に往復摺動可能に収容され、噴孔への燃料量を調整するニードルとを備えている。
そして、ノズルボデーは、ニードルを嵌挿する摺動孔、および、円錐形状のシート面を有し、また、ニードルは、先端に向かって順次円錐角が大きくなる３段の円錐面（第１、第２、第３の円錐面）を有している。

特に、本発明では、ニードルに設けられた３段の円錐面のうち、上流側に位置する第１の円錐面と第２の円錐面との境界部分にシート部を形成して、このシート部がノズルボデーのシート面に着座することで、噴孔に通じる燃料流路を遮断する構成に加え、ノズルボデーのシート面に対し、ニードルの下流側に位置する第２の円錐面および第３の円錐面とそれぞれ対抗する２つの箇所において、当該両円錐面を取り囲むように（環状に囲繞する）凹部を形成していることを特徴とする。また、凹部は、両円錐面を取り囲むように円環状に形成された複数の溝で構成されている。

上記構成の本発明によれば、ノズルボデーのシート面に対して特定の箇所に凹部を形成しているため、この凹部に積極的に乱流を生じさせることで燃料の流れをニードル側にシフトさせることができ、第２の円錐面から第３の円錐面への燃料流通過程における流れ剥離現象を抑制することができる。その結果、キャビテーションの発生によって流量係数が低下する事態を防ぐことができ、高性能の燃料噴射ノズルを提供することができる。
また、ノズルボデーのシート面に凹部を形成するだけであり、簡潔、かつ、安価な構成の燃料噴射ノズルを提供することができる。

本発明が適用される燃料噴射ノズルの全体構成を示す模式的縦断面図である（実施例）。 本発明の第１実施形態に係る燃料噴射ノズルの説明に供するもので、ノズル先端部の拡大断面図である（実施例１）。 上記燃料噴射ノズルの作用説明に供するもので、（ａ）は本発明のノズル先端部の拡大断面図、（ｂ）は従来のノズル先端部の拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料噴射ノズルの説明に供するもので、ノズル先端部の拡大断面図である（実施例２）。 本発明の第３実施形態に係る燃料噴射ノズルの説明に供するもので、ノズルボデーの先端部の拡大断面図である（参考例）。 本発明の第４実施形態に係る燃料噴射ノズルの説明に供するもので、ノズル先端部の拡大断面図である（実施例３）。 本発明の主要部をなす凹部の説明に供するもので、（ａ）〜（ｆ）は凹部の断面形状例を示す模式的断面図である（変形例）。 従来の燃料噴射ノズルの先端部の断面図である（従来技術）。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例にしたがって詳細に説明する。

図面に示す各実施例は、本発明を適用する燃料噴射ノズルの代表例として、ディーゼルエンジン用燃料噴射ノズルを示しており、以下の説明では、まず、燃料噴射ノズルの基本構成を概説したのち、本発明の各実施例における特徴的な構成・作用効果について順次説明する。
なお、各実施例において、同一または均等部分には、同一符号を付し、重複説明を省略することとする。

まず、本発明を適用する燃料噴射ノズルの基本的な構成について、図１に基づいて説明する。
燃料噴射ノズル１は、燃料噴射ポンプ（図示せず）により加圧された燃料を、エンジンの燃焼室内に噴射供給する手段であり、中枢機能部品として、ノズルボデー２と、このノズルボデー２に収容されるニードル３との２部材を備えている。
これらの部品は、いずれも例えば炭素鋼等の耐熱金属材料により作製されており、個々の全体形状としては、ノズルボデー２が略円筒形状に形成されているのに対し、ニードル３が略円柱形状に形成されている。

そして、ニードル３は、３段の円錐面からなる先端部４（以下、ニードル先端部４といい、その詳細構造については後述する。）と、ニードル先端部４の同軸上に形成され、径の小なる径小部５と、径小部５の同軸上に形成され、径小部５よりも大径の径大部６との、３つの主要構成要素から構成されている。

一方、ノズルボデー２は、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射するための噴孔７、ニードル先端部４が着座する円錐形状のシート面８、および、シート面８よりも燃料の流れ方向の下流側に位置し、有底室を形成するサック室９を有している。そして、サック室９に噴孔７が設けられている。
以下、燃料の流れ方向の上流または下流を、単に上流または下流と呼ぶ。

また、ノズルボデー２は、ニードル３を収容する摺動孔として、シート面８よりも上流側でニードル２の径小部５を所定の径方向クリアランスを保って収容する第１の孔１０、および、この孔１０よりも上流側でニードル３の径大部６を軸方向に往復摺動自在に収容する第２の孔１１を備えている。そして、油溜り室１２は、第１の孔１０と第２の孔１１との間に形成されて燃料を一時的に蓄えるものであり、燃料孔１３は、油溜り室１２へ燃料を導くものである。なお、径小部５と第１の孔１０との隙間が、油溜り室１２から下流側への燃料供給を行なう第１燃料通路１４をなしている。

上記構成において、ニードル３は、スプリング等のニードル付勢手段（図示せず）によって、図示下方（閉弁方向）に常時付勢されているため、ニードル先端部４がノズルボデー２のシート面８に着座し、サック室９を閉鎖している。そして、ニードル先端部４は、油溜り室１２および第１燃料通路１４の燃料圧力がニードル付勢手段による付勢力より大きくなったときにシート面８から離座（開弁）し、サック室９を開放する。なお、この離座（開弁）により第２燃料通路１５が形成され、第１燃料通路１４からサック室９へ向かって燃料供給がなされる。
かくして、加圧された燃料が、第１燃料通路１４、第２燃料通路１５を経由して、噴孔７からエンジンの燃焼室に供給されるわけであるが、この燃料噴射過程において、ニードル先端部４のところで、前述の図３（ｂ）に基づいて説明したごときキャビテーション問題が発生する。

本発明は、かかる問題を解決する手段として、ノズルボデー２およびニードル３の構造を大幅に変更することなく、上記の燃料経路、とりわけ、第２燃料通路１５の流路構造を工夫するだけの簡潔かつ安価な手段を採用することで、高性能の燃料噴射ノズル１の提供を実現するものである。
以下、実施例１〜実施例３として示す３つの具体的実施形態について順次説明する。

〔実施例１〕
この実施例１は、第２燃料通路１５の流路構造をノズルボデー２側の構造の工夫によって改善する一実施形態を示すもので、図１に加え、図２および図３をも参照しながら説明する。

〔構成〕
ニードル３は、ニードル先端部４が図２に示すごとき３段構造の円錐面を備えている。つまり、ニードル先端部４には、上流側から下流側に向かう軸方向に沿って、第１の円錐面４１、第２の円錐面４２、および、第３の円錐面４３の３つの円錐面が順次形成されている。これらの円錐面４１〜４３は、その円錐角が下流側（先端）に向かって順次大きくなっていく関係にあり、第１の円錐面４１が一番小さい円錐角を有し、第３の円錐面４３が一番大きい円錐角を有している。そして、上流側に位置する第１の円錐面４１と第２の円錐面４２との境界部分（稜線）にシート部４４が形成されており、このシート部４４がノズルボデー２のシート面８に着座（閉弁）することで、噴孔７に通じる第２燃料通路１５を遮断する。

一方、ノズルボデー２のシート面８には、ニードル先端部４を取り囲むように、その円錐面に対向させて凹部２０が設けられている。この凹部２０は、直径が順次小さくなる３つの円環状の溝２１、２２、２３で構成されており、各溝２１、２２、２３が上流側から下流側にかけての軸方向に沿って階段状に並設されている。また、各溝２１、２２、２３の相互間には隙間としてシート面８の一部分８１、８２が存在している。

しかして、ノズルボデー２の各溝（以下、環状溝とも呼ぶ。）２１〜２３とニードル３のニードル先端部４（円錐面４１〜４３）との関係は、次のようになっている。
第１の環状溝２１は、第２の円錐面４２と対向し当該円錐面を囲繞しており、第２の環状溝２２は、第２と第３の両円錐面４２、４３の境界部分を挟んで当該両円錐面と対向し当該両面を囲繞しており、第３の環状溝２３は、第３の円錐面４３と対向し当該円錐面を囲繞している。
なお、各環状溝２１、２２、２３は、いずれも図７（ａ）に示すごとき断面形状、つまり、直角三角形の角部をＲ面に形成した三角形状をなしている。

以上により、第２燃料通路１５は、３段構造の円錐面を備えるニードル先端部４のうち、下流側の２つの円錐面４２、４３（ニードル３側）と、３つの環状溝２１〜２３を有するシート面８（ノズルボデー２側）とによって形成される特異な断面形状の環状流路構造を呈する。

〔作用〕
次に、上記構成の燃料噴射ノズル１の作用を説明する。
燃料噴射ポンプから所定の時期に所定量の燃料が吐出されると、この燃料は燃料孔１３を経由して油溜り室１２および第１燃料通路１４に供給される。そして、油溜り室１２内および第１燃料通路１４内の燃料圧力が、ニードル付勢手段による付勢力よりも大きくなると、ニードル先端部４はそのシート部４４がシート面８から離座（開弁）する。
これにより、第２燃料通路１５が開放されるため、油溜り室１２、第１燃料通路１４、第２燃料通路１５、サック室９および噴孔７よりなる燃料経路が連通状態となり、油溜り室１２→第１燃料通路１４→第２燃料通路１５→サック室９→噴孔７の順に流れる燃料の流れが形成され、噴孔７からエンジンの燃焼室内へ燃料が噴射される。

この燃料の流通過程において、燃料は第２燃料通路１５を通過する際に、図３（ａ）に示すごとく各環状溝２１、２２、２３で乱流Ｚが発生する。この乱流Ｚによって生じる乱流エネルギーにより、燃料の主流Ｑがニードル３側にシフトされるため、ニードル先端部４において、第２の円錐面４２から第３の円錐面４３に沿う燃料の流れは第３の円錐面４３から剥離することなく、円錐面に沿って円滑に流下する。したがって、図３（ｂ）に示すごときキャビテーションＹが発生しなくなり、流量係数の低下を惹起しないため、燃料は噴孔７から良好に噴霧される。

〔効果〕
上述のごとく実施例１の燃料噴射ノズル１には、ノズルボデー２のシート面８において、ニードル先端部４と対向する特定の箇所、つまり、第２の円錐面４２と対向する箇所と第３の円錐面４３に対向する箇所との２箇所にわたって、当該両円錐面４２、４３を環状に囲繞する凹部２０（環状溝２１〜２３）が形成されている。
これにより、燃料は、第２燃料通路１５を流れるときに、各溝２１〜２３で発生する乱流Ｚによって主流Ｑがニードル３側にシフトされ、第２の円錐面４２から確実に第３の円錐面４３に沿って流下するため、図３（ｂ）に示すごとき流れ剥離現象ＸおよびキャビテーションＹが生じるのを防いで、燃料を噴孔７から良好に噴霧させることができる。
また、ノズルボデー２のシート面８に凹部２０（環状溝２１〜２３）を形成するだけで、第２燃料通路１５として特異な断面形状の流路構造を構築しているため、ノズルボデー２自体を製作し易い安価な構造とすることができる。

〔実施例２〕
次に、本発明を適用した燃料噴射ノズル１の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。
本実施例は、上記実施例１と同様に、ノズルボデー２のシート面８には凹部２０として３つの円環状の溝２１、２２、２３を形成しているものの、これら環状溝の配列構造を変更したものである。

本実施例の凹部２０は、図４に示すように、次のような特徴を有している。
ノズルボデー２のシート面８には、凹部２０として、直径が順次小さくなる３つの円環状の溝２１、２２、２３が、上流側から下流側にかけての軸方向に沿って階段状に並設されている。そして、上、下流側（軸方向）に隣り合う環状溝、つまり溝２１と溝２２、および溝２２と溝２３とは、その上下面で完全に重畳しており、したがって、凹部２０は、３つの溝が軸方向に一体的に連なって１つの階段状シート面８３を形成している。
なお、本実施例の凹部２０には、実施例１のようなシート面８の一部分８１，８２（図２参照）は全く存在しない。

上記構成の燃料噴射ノズル１においても、ノズルボデー２のシート面８に対して、ニードル先端部４と対向する特定の箇所に（第２の円錐面４２と対向する箇所と第３の円錐面４３に対向する箇所との２箇所にわたって）、当該両円錐面４２、４３を環状に囲繞する凹部２０が形成されている。特に、かかる凹部２０は、一面の階段状シート面８３であるため、階段状シート面８３で集中的により大きな乱流を生じさせることができる。
したがって、本実施例の燃料噴射ノズル１においても、実施例１と同様な燃料噴射性能の向上を図ることができる。

〔参考例〕
次に、参考例の燃料噴射ノズル１の形態について図５を参照しながら説明する。
参考例は、上述した２つの実施例１、２に比して、ノズルボデー２のシート面８に設ける凹部２０自体の構造を変えたものである。

参考例の凹部２０は、図５に示すように、次のような特徴を有している。
ノズルボデー２のシート面８には、凹部２０として、直径が順次小さくなる３つの円環状ディンプル列２４、２５、２６が、上流側から下流側にかけての軸方向に沿って並設されている。したがって、最上流側の第１のディンプル列２４が最大径、最下流側の第３のディンプル列２６が最小径をなしている。
そして、各ディンプル列２４〜２６は、仮想線で示すようなニードル先端部４との位置関係、つまり、図２に示す実施例１の環状溝２１〜２３と同様なニードル先端部４との位置関係で配列されている。即ち、第１のディンプル列２４は、第２の円錐面４２と対向し当該面を囲繞しており、第２のディンプル列２５は、第２と第３の両円錐面４２、４３の境界部分を挟んで当該両円錐面と対向し当該両面を囲繞しており、第３のディンプル列２６は、第３の円錐面４３と対向し当該面を囲繞している。
なお、各ディンプル列２４〜２６は、適宜の断面形状、例えば、図７（ｃ）に示す球面状の断面形状を有するディンプル（凹み）２７を多数個円環状に配列することで構成されている。

上記構成の燃料噴射ノズル１においても、ノズルボデー２のシート面８に対して、実施例１の環状溝２１〜２３と同様に、ニードル先端部４と対向する特定の箇所に（第２の円錐面４２と対向する箇所と第３の円錐面４３に対向する箇所との２箇所にわたって）、当該両円錐面４２、４３を環状に囲繞する凹部２０（ディンプル列２４〜２６）が形成されている。
したがって、燃料が第２燃料通路１５を流れるときに、各ディンプル列２４〜２６で発生する乱流によって主流がニードル３側にシフトされ、第２の円錐面４２から確実に第３の円錐面４３に沿って流下するため、燃料を噴孔７から良好に噴霧させることができる。
また、ディンプル列２４〜２６は、ノズルボデー２のシート面８にプレスによる打刻等によって形成することができるため、第２燃料通路１５として特異な断面形状の流路構造を安価に製造することができる。
かくして、参考例の燃料噴射ノズル１においても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

〔実施例３〕
次に、本発明を適用した燃料噴射ノズル１の第３実施形態について図６を参照しながら説明する。
上述の本実施例１、２は、いずれも、ノズルボデー２側のみに凹部２０を設けたが、本実施例は、ニードル３側にも凹部を設けることで、第２燃料通路１５の流路構造を変えたものである。

本実施例の燃料噴射ノズル１は、図６に示すように、次のような特徴を有している。
ノズルボデー２のシート面８には、凹部２０として、実施例１と同様、３つの環状溝２１、２２、２３が設けられているが、これに加えて、ニードル３のニードル先端部４にも、上記凹部２０と対向するように凹部３０を形成している。
この凹部３０は、２つの円環状の溝３１、３２で構成されており、第１の環状溝３１と第２の環状溝３２とは、第２の円錐面４２と第３の円錐面４３との境界部分を挟んでそれぞれの円錐面４２，４３に設けられている。
これにより、対向する３つの環状溝２１、２２、２３（ノズルボデー２側）と２つの環状溝３１、３２（ニードル２側）とは、第２燃料通路１５に沿って交互（千鳥状）に配置される。
なお、凹部３０をなす環状溝３１、３２の断面形状には、一例として、図７（ｂ）のごとき球面形状を採用している。

上記構成の燃料噴射ノズル１においては、ノズルボデー２側の凹部２０に加え、ニードル３側にも凹部３０を設けているため、燃料が第２燃料通路１５を流れるときに、第２燃料通路１５に沿ってその両側で乱流を生じさせることで、主流を第３の円錐面４３に沿って円滑にサック室９に誘導することができ、高圧燃料を噴孔７から良好に噴射させることができる。
特に、本実施例では、両凹部２０、３０に発生する乱流エネルギーの相乗作用により、上記実施例１、２に比して性能向上効果を助長できる。

［変形例］
以上、３つの実施例について詳述したが、凹部２０、３０の形状・配置構造は本発明の精神を逸脱しない範囲で種々変更することができるものであり、その一部について説明する。

（１）凹部２０、３０の断面形状は、図７（ａ）、（ｂ）の例示形状に限定されることなく、図７（ｃ）のごとく直角三角形の角部をＣ面に形成した三角形状、図７（ｄ）のごとく開口部分も滑らかに形成した球面形状、図７（ｅ）のごとく開口角が広角をなす三角形状、図７（ｆ）のごとく開口角が鋭角をなす三角形状等、所望する乱流生成状況に応じて種々の形状を選択することができる。
（２）軸方向に複数並置する凹部２０、３０は、例示のごとき並置数に限定されるものではないが、第３の円錐面４３に対する流れ剥離現象Ｘを効果的に抑制するためには、実験・研究によれば、第２の円錐面４２と第３の円錐面４３との少なくとも２箇所にわたって並置することが肝要である。

以上の実施形態では、供給される燃料の圧力でニードル３がリフトされる形態のディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル１に本発明を適用したが、ニードルを電磁力により駆動する形態等他の形態のものにも適用することができることは勿論であり、またディーゼルエンジン以外の燃料噴射型のガソリンエンジン用の燃料噴射ノズルにも同様に適用することができる。

１…燃料噴射ノズル、２…ノズルボデー、３…ニードル、４…ニードル先端部、７…噴孔、８…シート面、１０、１１…摺動孔、１５…第２燃料通路（燃料経路）、２０…凹部、２１、２２、２３…円環状の溝、２４、２５、２６…ディンプル列、４１、４２、４３…第１、第２、第３の円錐面、４４…シート部。

Claims (3)

1. 先端部分に噴孔（７）を有するノズルボデー（２）と、このノズルボデー（２）内に往復摺動可能に収容され、前記噴孔（７）への燃料量を調整するニードル（３）とを備える燃料噴射ノズル（１）において、
   前記ノズルボデー（２）は、前記ニードル（３）を往復摺動可能に嵌挿する摺動孔（１０、１１）、および、この摺動孔（１０、１１）と前記噴孔（７）との間に形成された円錐形状のシート面（８）を有しており、
   前記ニードル（３）は、先端に向かって順次円錐角が大きくなる第１、第２、第３の円錐面（４１、４２、４３）、および、前記第１の円錐面（４１）と前記第２の円錐面（４２）との境界部分に形成され、前記シート面（８）に着座することで、前記噴孔（７）に通じる燃料経路（１５）を遮断するシート部（４４）を有しており、
   前記シート面（８）には、前記第２の円錐面（４２）と対向する箇所と前記第３の円錐面（４３）に対向する箇所との２箇所にわたって、当該両円錐面（４２、４３）を環状に囲繞する凹部（２０）が形成されており、
   前記凹部（２０）は、前記両円錐面（４２、４３）を取り囲むように円環状に形成された複数の溝（２１、２２、２３）で構成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
2. 請求項１に記載した燃料噴射ノズル（１）において、
   前記複数の溝（２１、２２、２３）は、隣り合う溝が軸方向に重畳していることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載した燃料噴射ノズル（１）において、
   前記第２の円錐面（４２）および前記第３の円錐面（４３）には、前記凹部（２０）に対向するように、凹部（３０）が形成されていることを特徴とする燃料噴射ノズル（１）。

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