JPH05240126A

JPH05240126A - 燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JPH05240126A
Application number: JP7307792A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村; Shogo Suzuki; 省伍鈴木; Hidenori Kita; 英紀北; Yoshio Sekiyama; 惠夫関山; Masahiro Yukioka; 雅洋行岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1992-02-26
Publication date: 1993-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、軽量化して噴射時のレスポンスを
向上させると共に、シール性能を確保した燃料噴射ノズ
ルを提供する。【構成】この燃料噴射ノズルは、針弁２を金属とセラ
ミックスから成る複合材、例えば、Ａｌ合金と、Ａｌ
Ｎ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂のうちのいずれ
か１種以上とを含むセラミックスから製作し、ノズル本
体１をジルコニアで製作する。針弁２を構成する複合材
の熱膨張係数をノズル本体１の熱膨張係数より小さく且
つ熱膨張係数差が２×１０^{- 6}／℃以下に設定でき、シ
ール性を向上させる。また、針弁２を構成する複合材の
比重を５以下に設定して針弁２を軽量化を図り、燃料噴
射時のレスポンスを向上させ、且つ二次噴射の発生を防
止してスモークの発生を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼室等に噴孔から
燃料を噴射する燃料噴射ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃焼室に燃料を噴霧する燃料噴射
ノズルは、例えば、図２に示す構造を有している。この
燃料噴射ノズルは、ノズル本体３０、該ノズル本体３０
の筒体先端部３７に形成された複数個の噴孔３２及び該
噴孔３２を開閉するための針弁３１から成る。ノズル本
体３０は、金属材料或いはセラミックスで製作された筒
体上部３４と筒体下部３５から成り、筒体上部３４には
燃料通路３３が形成され、該燃料通路３３の端部には燃
料溜まり４２が形成されている。また、筒体下部３５の
穴部の内周面３９と針弁３１の外周面４１との間には、
燃料溜まり４２と連通する環状燃料通路３６が形成され
ている。噴孔３２は、針弁３１の往復運動によって針弁
３１の先端のテーパ面が筒体先端部３７の弁座部４０に
接離することで開閉される。

【０００３】また、燃料噴射ノズルとして、実開昭５９
−１９４５６８号公報に開示されたものがある。該燃料
噴射ノズルは、ノズル本体の内部に摺動自在に収容した
針弁の本体をセラミック材により構成すると共に、前記
ノズル本体に形成された弁座部に燃料遮断時に当接する
弁部を金属により構成したものである。

【０００４】また、ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズ
ルとして、特開昭６１−８７９６５号公報に開示された
ものがある。該燃料噴射ノズルは、母材をセラミック材
料で構成し、前記母材の表面の少なくとも一部分に金属
若しくは金属間化合物を拡散させてなることを特徴とす
るものである。母材としては、窒化ケイ素、ジルコニ
ア、炭化ケイ素、アルミナ等が使用されている。また、
金属は母材のセラミックスと同等か、若しくはそれより
高い弾性率を持つものであり、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｂｅ，Ｍ
ｏ，Ｗ等である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常のディ
ーゼルエンジン等に用いられている燃料噴射ノズルは、
ノズル本体及びニードルバルブ即ち針弁は、Ｃｏ−Ｍｏ
鋼等の合金鋼を材料として作成されているが、近年では
セラミックスを材料として耐摩耗性、シール性を向上さ
せる燃料噴射ノズルが開発されている。

【０００６】しかしながら、ノズルホルダ即ちノズル本
体を合金鋼で製作した場合に、軽量化の点で問題があ
る。そこで、ノズル本体をセラミックスで製作する場合
に、ノズル本体と針弁との間の熱膨張差及び摺動特性、
耐摩耗性、シール性、強度、遮熱性、製造コスト等を考
慮すると、ノズル本体及び針弁をジルコニアＺｒＯ₂で
製作することが最適であると考えられるが、ジルコニア
は比重が６．１と大きく、二次噴射抑制のため、針弁を
ジルコニアで製作することは不適当であり、針弁を軽量
化することが望まれている。また、針弁を軽量化するた
め、比重の小さい窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄を使用した場合
には、ノズル本体をジルコニアで製作していると、針弁
との間で熱膨張係数が相違し、両者間にギャップが生
じ、シール性が損なわれるという問題がある。

【０００７】また、前掲特開昭６１−８７９６５号公報
に開示されたディーゼル機関の燃料噴射ノズルは、セラ
ミックスの表面近傍のマイクロクラック、未焼結部分の
欠陥により曲げ応力、破壊脆性強度等の材料強度が大き
く影響されるので、セラミックスの母材の表面に金属材
料をコーティングし、該金属材料に残る圧縮応力によっ
て噴射ノズル全体としての強度を高めたものであり、噴
射ノズルの軽量化を図ってレスポンスを向上させるとい
うものではない。

【０００８】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、燃料圧でリフトして開弁可能な針
弁、該針弁の往復動可能な穴部と燃料流路とを形成し且
つ先端部に噴孔を形成したノズル本体を有する燃料噴射
ノズルにおいて、針弁とノズル本体との材料を選定する
ことで軽量化を達成し、針弁のレスポンスを向上させる
と共に、ノズル本体と針弁との熱膨張係数をほぼ同程度
に構成してシール性能の低下を防止することができる燃
料噴射ノズルを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するため、次のように構成されている。即ち、こ
の発明は、燃料圧でリフトして開弁可能な針弁、及び該
針弁の往復動可能な穴部と燃料流路とを形成し且つ先端
部に噴孔を形成したノズル本体を有する燃料噴射ノズル
において、前記針弁を金属とセラミックスから成る複合
材で製作し、且つ前記ノズル本体をセラミックスで製作
したことを特徴とする燃料噴射ノズルに関する。

【００１０】また、この燃料噴射ノズルにおいて、前記
ノズル本体がジルコニアで作製されているものである。

【００１１】また、この燃料噴射ノズルにおいて、前記
針弁を構成する前記複合材の熱膨張係数は、前記ノズル
本体のセラミックスの熱膨張係数より小さく且つ熱膨張
係数差が２×１０^{- 6}／℃以下である。

【００１２】また、この燃料噴射ノズルにおいて、前記
針弁を構成する前記複合材の比重が５以下である。

【００１３】また、この燃料噴射ノズルにおいて、前記
針弁を構成する前記複合材は、Ａｌ合金と、ＡｌＮ，Ａ
ｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂のうちのいずれか１種
以上とを含むセラミックスから成るものである。

【００１４】また、この燃料噴射ノズルにおいて、前記
ノズル本体に形成した前記燃料流路をテーパ状に形成し
たものである。

【００１５】また、この燃料噴射ノズルにおいて、前記
ノズル本体の前記先端部に形成した前記噴孔の断面形状
が円以外の異形噴孔に形成したものである。

【００１６】

【作用】この発明による燃料噴射ノズルは、上記のよう
に構成されており、次のように作用する。即ち、この燃
料噴射ノズルは、針弁を金属とセラミックスから成る複
合材で製作し、前記ノズル本体と前記ノズルチップとを
セラミックスで製作したので、前記ノズル本体と前記針
弁との間の熱膨張差及び摺動特性、遮熱性、強度、製造
コスト等を改善することができ、特に、前記針弁の軽量
化を達成し、燃料噴射時の前記針弁のレスポンスを大幅
に向上させることができ、スモーク、パティキュレー
ト、ＨＣの発生を抑制することができる。しかも、燃料
噴射ノズルとしての要求される強度を確保できるので、
噴射ノズルが液体圧、熱負荷等を受けてもクラック、亀
裂等の損傷を受けることがない。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による燃料
噴射ノズルの実施例を説明する。図１はこの発明による
燃料噴射ノズルの一実施例を示す概略断面図である。

【００１８】この発明による燃料噴射ノズルは、燃料圧
でリフトして開弁可能なニードルバルブ即ち針弁２、及
び該針弁２の往復動可能な中空穴即ち穴部５を形成し且
つ先端部即ちノズルチップ３に噴孔６を形成したノズル
本体１を有している。針弁２がノズル本体１の穴部５の
摺動面１１に挿入されることによって、穴部５のテーパ
状の内壁面１２と針弁２の外周面１０との間にテーパ状
の環状燃料流路９が形成される。また、ノズル本体１に
は、燃料噴射装置等からの燃料を導入するためのテーパ
状の燃料流路４が形成され、該燃料流路４は環状燃料流
路９に連通するように形成されている。針弁２の先端部
にはテーパ面７が形成され、該テーパ面７はノズル本体
１に形成されたテーパ状のシート面８に着座するように
構成されている。ノズル本体１の先端部即ちノズルチッ
プ３には、針弁２が挿入されることで燃料溜まりが形成
され、先端部のノズルチップ２には噴孔６が開口してい
る。従って、ノズル本体１内を針弁２が燃料圧を受けて
往復運動することで、テーパ面７とシート面８とが接離
して噴孔６が開閉作動される。

【００１９】この燃料噴射ノズルは、特に、針弁２を金
属とセラミックスから成る複合材で製作し、ノズル本体
１をセラミックスで製作したことを特徴とするものであ
る。また、ノズル本体１のセラミックスとしては、ジル
コニアＺｒＯ₂が使用されている。針弁２を構成する複
合材は、Ａｌ合金と、ＡｌＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ
₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂のうちのいずれか１種以上（言い換え
れば、ＡｌＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄又はＳｉＯ₂或
いはこれらの二種以上）とを含むセラミックスから成る
ものである。

【００２０】この燃料噴射ノズルについては、針弁２を
上記セラミックスで構成することによって、針弁２を構
成する複合材の比重を５以下、好ましくは３程度にする
ことができ、軽量化することができる。更に、針弁２の
熱膨張係数をジルコニアとほぼ同じ値、９××１０^{- 6}
／℃に構成することができる。また、ノズル本体１をジ
ルコニアで製作し、針弁２を上記複合材を選定して製作
することによって、複合材の熱膨張係数は、ノズル本体
１のジルコニアの熱膨張係数より小さく且つ熱膨張係数
差が２×１０^{- 6}／℃以下であるように構成することが
できる。

【００２１】更に、ノズル本体１内で針弁２は往復運動
するが、上記材料を選定することによって、ノズル本体
１への針弁２のスティックを防止でき、スムースな針弁
のリフト作動を行わせることができる。また、ノズル本
体１に形成した燃料流路４及び環状燃料流路９をテーパ
状に形成し、燃料の流動速度を低減させることなく、上
昇させて噴孔６からの噴射速度を上昇させることができ
る。更に、ノズル本体１の先端部即ちノズルチップ３に
形成した噴孔６の断面形状が円以外の異形噴孔に形成す
ることが好ましく、噴孔６を異形噴孔に形成することに
よって、ペネトレーションの大きい噴射を可能し、空気
利用率を向上してスモーク、パティキュレート、ＨＣ等
の発生を抑制することができる。

【００２２】次に、この燃料噴射ノズルを製作する製造
方法について説明する。この燃料噴射ノズルにおける針
弁２の製作に当たって、窒化アルミニウムＡｌＮ粉末を
ＣＩＰ（ｃｏｌｄｉｓｏｓｔａｔｉｃａｌｐｒｅｓ
ｓ：冷間等方加工プレス）により丸棒状に成形した後
に、その成形体をＮ₂ガス雰囲気中で焼成し、多孔質焼
結体を得た。この時、ＡｌＮ粉末の成形圧と成形体の焼
成温度をコントロールすることによって、多孔質焼結体
の気孔率を約３５〜７０％の範囲で異なる多孔質焼結体
を数種作製した。次いで、上記で得た多孔質焼結体を、
約８００℃の加熱によって溶湯状にしたＡｌ−Ｓｉ合金
中に加圧しながら浸漬した後、炉冷してＡｌＮの多孔質
焼結体の気孔中にＡｌを含浸した複合体を作製した。該
複合体に所定の加工を施して針弁２を作製した。

【００２３】また、窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄、炭化ケイ素
ＳｉＣウィスカーに、酸化ケイ素ＳｉＯ₂粉末を添加し
たものを原料とし、上記と同様にＣＩＰにより丸棒状に
成形した後、加熱焼成して気孔率のことなる多孔質焼結
体を作製した。更に、この多孔質焼結体にＡｌ−Ｓｉ系
の合金を鋳造含浸して得た複合体を加工して針弁２を製
作した。

【００２４】他方、ノズル本体１の製作について説明す
る。ノズル本体１は、ノズル本体部とノズルチップ部３
を別々に製作した。ノズルチップ３は、ジルコニアＺｒ
Ｏ₂粉末を用いてスリップキャスティング法によって成
形して成形体を作製し、該成形体を脱脂して大気中で焼
成してノズルチップ焼成体を作製した。また、ノズル本
体部は、ジルコニアＺｒＯ₂粉末を用いて射出成形法に
よって成形して成形体を作製し、該成形体を脱脂して大
気中で焼成してノズル本体部焼成体を作製した。次い
で、ノズルチップ焼成体とノズル本体部焼成体とをソル
ダー剤を用いて化学的な接合によって一体構造に構成し
てノズル本体１を作製した。

【００２５】次いで、上記製造方法で作製したノズル本
体１の摺動面即ち針弁２が挿入される穴部５の内壁面即
ち摺動面１１とシート面８に機械加工を施し、針弁２の
挿入時のクリアランスを１μｍ以下に加工した。

【００２６】表１に示すものは、上記の製造方法によっ
て作製した燃料噴射ノズルにおける針弁２の材料の熱膨
張係数ＣＴＥ及びその材料を用いてのポンプテスターに
よるシール性のテスト結果を示すものである。表１は、
この燃料噴射ノズルにおける針弁の組成に対応する熱膨
張係数とシール性の状態を示すものである。

【表１】

【００２７】表１において、ＡｌＮ／ＡＣ８Ａについて
は、ＡｌＮは窒化アルミニウムを示し、ＡＣ８ＡはＡｌ
−Ｓｉ系合金を示すものであり、ＡｌＮの気孔中にＡｌ
−Ｓｉ系合金を含浸させた複合体を示す。同様に、Ｓｉ
₃Ｎ₄／ＡＣ８Ａについては、Ｓｉ₃Ｎ₄は窒化ケイ素
を示し、ＡＣ８ＡはＡｌ−Ｓｉ系合金を示すものであ
り、Ｓｉ₃Ｎ₄の気孔中にＡｌ−Ｓｉ系合金を含浸させ
た複合体を示す。また、ＳｉＣ／ＡＣ８Ａについては、
ＳｉＣは炭化ケイ素を示し、ＡＣ８ＡはＡｌ−Ｓｉ系合
金を示すものであり、ＳｉＣの気孔中にＡｌ−Ｓｉ系合
金を含浸させた複合体を示す。ＣＴＥは熱膨張係数を示
す。シール性については、×は不良であり、〇は良好な
ものを示す。

【００２８】図２の表から分かるように、ノズル本体１
をジルコニアＺｒＯ₂（詳しくは、部分安定化ジルコニ
アＺｒＯ₂）で製作しているので、その熱膨張係数は
９．５〜１０×１０^{- 6}／℃であるから、シール性が良
好（表では〇印で示す）であるのは、ノズル本体１と針
弁２との熱膨張係数の差は、２×１０^{- 6}／℃以下に構
成する必要があることが分かる。

【００２９】更に、ノズル本体１と針弁２との熱膨張係
数の差が２×１０^{- 6}／℃以下の範囲内になるようにし
て製作した燃料噴射ノズルを、エンジンに組み込んでベ
ンチテストを行ったところ、１０００時間のテストに対
しても、燃料噴射ノズルの破損は発生せず、針弁２の軽
量化を達成し、シール性、噴射率を向上させ、スモーク
の発生が従来の燃料噴射ノズルに比較して２５％低減さ
れることが分かった。また、噴霧パターンの観察によれ
ば、この軽量な針弁２を使用すれば、二次噴射が起きて
いないことが確認された。

【００３０】

【発明の効果】この発明による燃料噴射ノズルは、上記
のように構成されており、次のような効果を有する。即
ち、この燃料噴射ノズルは、針弁を金属とセラミックス
から成る複合材で製作し、且つ前記ノズル本体をセラミ
ックスで製作したので、前記針弁を構成する前記複合材
の熱膨張係数は、前記ノズル本体のセラミックスの熱膨
張係数より小さく且つ熱膨張係数差が２×１０^{- 6}／℃
以下に設定でき、シール性を向上させることができる。
また、前記針弁を構成する前記複合材の比重を５以下に
設定することができ、前記針弁を軽量化でき、燃料噴射
時のレスポンスを向上させることができ、二次噴射の発
生を防止でき、スモークの発生を低減することができ
る。しかも、摺動特性、耐摩耗性等を向上させることが
できる。

【００３１】また、前記ノズル本体をジルコニアで製作
し、前記針弁の前記複合材をＡｌ合金と、ＡｌＮ，Ａｌ
₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂のうちのいずれか１種以
上とを含むセラミックスから製作することによって、前
記針弁と前記ノズル本体との熱膨張係数をほぼ同程度に
構成でき、燃焼室の温度上昇時に前記ノズル本体と前記
針弁との間のシール性能の低下は発生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による燃料噴射ノズルの一実施例を示
す概略断面図である。

【図２】従来のセラミック製噴射ノズルの一例を示す断
面図である。

【符号の説明】

１ノズル本体２針弁３ノズルチップ４燃料流路５穴部６噴孔７テーパ面８テーパ面９環状燃料流路１０針弁の外周面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関山惠夫神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞセラミックス研究所内 (72)発明者行岡雅洋神奈川県藤沢市土棚８番地株式会社いすゞセラミックス研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料圧でリフトして開弁可能な針弁、及
び該針弁の往復動可能な穴部と燃料流路とを形成し且つ
先端部に噴孔を形成したノズル本体を有する燃料噴射ノ
ズルにおいて、前記針弁を金属とセラミックスから成る
複合材で製作し、且つ前記ノズル本体をセラミックスで
製作したことを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項２】前記ノズル本体がジルコニアで作製され
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。
【請求項３】前記針弁を構成する前記複合材の熱膨張
係数は、前記ノズル本体のセラミックスの熱膨張係数よ
り小さく且つ熱膨張係数差が２×１０^{- 6}／℃以下であ
ることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項４】前記針弁を構成する前記複合材の比重が
５以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴
射ノズル。
【請求項５】前記針弁を構成する前記複合材は、Ａｌ
合金と、ＡｌＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂の
うちのいずれか１種以上とを含むセラミックスから成る
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項６】前記ノズル本体に形成した前記燃料流路
をテーパ状に形成したことを特徴とする請求項１に記載
の燃料噴射ノズル。
【請求項７】前記ノズル本体の前記先端部に形成した
前記噴孔の断面形状が円以外の異形噴孔に形成したこと
を特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。