JP4985546B2

JP4985546B2 - 燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JP4985546B2
Application number: JP2008145960A
Authority: JP
Inventors: 勇介本江
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-06-03
Also published as: JP2009293440A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルに関するものである。

ディーゼルエンジンにおいて低エミッションと高出力を両立させるために、ディーゼルエンジンの運転条件に応じて燃料の噴射率を変化させることが要求されている。この要求を実現するために、噴孔面積を２段階に変更することが可能な燃料噴射ノズルが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料噴射ノズルは、インナニードルとアウタニードルとを備え、低エミッションが要求される低負荷領域では、アウタニードルのみがリフトして複数の噴孔のうちの一部の噴孔からのみ燃料を噴射させ、高出力が要求される高負荷領域ではインナニードルもリフトして複数の噴孔から燃料を噴射させるようになっている。

また、この燃料噴射ノズルは、制御室を形成するシリンダに、アウターニードルのピストン部が摺動自在に挿入され、制御室の燃料の圧力が高圧のときにはその圧力によってアウタニードルが閉弁作動し、制御室の燃料の圧力が低圧に切り替えられるとアウタニードルが開弁作動するようになっている。
特開２００６−１５２８９３号公報

しかしながら、従来の燃料噴射ノズルは、シリンダの外周面には常時高圧の燃料の圧力が作用しているため、制御室の燃料の圧力が低圧に切り替えられた際に、制御室の燃料の圧力とシリンダの外周面に作用する圧力との圧力差によりシリンダが変形（収縮）して、アウタニードルとシリンダとの間のクリアランスが減少する。これにより、アウタニードルのリフト中に摺動不良が発生し、高リフト時に上昇しにくくなり、噴射量が抑えられるという問題がある。

一方、摺動不良を回避するために、アウタニードルとシリンダとの間のクリアランスを大きくする（通常２μｍ程度に設定されるものを、例えば１０μｍ程度に設定する）と、シリンダの外周部と制御室との間のリークが大きくなり、アウタニードルの上昇時に制御室の圧力が低下しにくくなり、またアウタニードルの下降時には制御室の圧力が上昇し易くなるため、噴射量が減少してしまうという問題がある。また、アウタニードルの下降時には制御室の圧力が上昇し易くなるため、閉弁速度が上昇して、燃料噴射ノズルの弁座の耐摩耗性能が悪くなる。

本発明は上記点に鑑みて、シリンダにニードルのピストン部が摺動自在に挿入される燃料噴射ノズルにおいて、シリンダの変形に起因するニードルの摺動不良やクリアランスからのリークの増大を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料の出口となる噴孔（１１３２、１１３３）およびこの噴孔（１１３２、１１３３）が開口する弁座（１１３１）を有するノズルボデー（１１３）と、燃料の圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室（１１７）を形成するとともに、外周面に高圧の燃料の圧力が作用するシリンダ（１１５）、一端側が弁座（１１３１）と接離して噴孔（１１３２、１１３３）を開閉するとともに、他端側に形成されたピストン部（１１１１）がシリンダ（１１５）に摺動自在に挿入されるニードル（１１１）とを備え、制御室（１１７）の圧力とシリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときのシリンダ（１１５）の内周面が、制御室（１１７）に近い側から遠い側に向かって径が小さくなる円錐状に形成されることにより、制御室（１１７）の圧力とシリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、シリンダ（１１５）とピストン部（１１１１）との間のクリアランスは、制御室（１１７）に近い側が遠い側よりも大きくなるように構成され、制御室（１１７）の圧力とシリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、シリンダ（１１５）における制御室（１１７）に近い側の内径と制御室（１１７）から遠い側の内径との差は、制御室（１１７）の圧力が低圧に切り替えられた状態のときの、シリンダ（１１５）における制御室（１１７）に近い側の縮径量と制御室（１１７）から遠い側の縮径量との差に等しく設定されていることを特徴とする。

これによると、制御室（１１７）の燃料の圧力が低圧に切り替えられた際の、制御室（１１７）の燃料の圧力とシリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力との圧力差によるシリンダ（１１５）の変形により、ニードル（１１１）とシリンダ（１１５）との間のクリアランスは、制御室（１１７）に近い側が遠い側よりも大きく減少し、その結果、制御室（１１７）に近い側のクリアランスと遠い側のクリアランスが略等しくなる。したがって、シリンダ（１１５）の変形に起因するニードル（１１１）の摺動不良やクリアランスからのリークの増大を防止することができる。

請求項２に記載の発明では、燃料の出口となる噴孔（１１３２、１１３３）およびこの噴孔（１１３２、１１３３）が開口する弁座（１１３１）を有するノズルボデー（１１３）と、燃料の圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室（１１７）を形成するとともに、外周面に高圧の燃料の圧力が作用するシリンダ（１１５）と、一端側が弁座（１１３１）と接離して噴孔（１１３２、１１３３）を開閉するとともに、他端側に形成されたピストン部（１１１１）がシリンダ（１１５）に摺動自在に挿入されるニードル（１１１）とを備え、ピストン部（１１１１）が、制御室（１１７）に近い側から遠い側に向かって径が大きくなる円錐状に形成されることにより、制御室（１１７）の圧力とシリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、シリンダ（１１５）とピストン部（１１１１）との間のクリアランスは、制御室（１１７）に近い側が遠い側よりも大きくなるように構成され、制御室（１１７）の圧力とシリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、ピストン部（１１１１）における制御室（１１７）に近い側の外径と制御室（１１７）から遠い側の外径との差は、制御室（１１７）の圧力が低圧に切り替えられた状態のときの、シリンダ（１１５）における制御室（１１７）に近い側の縮径量と制御室（１１７）から遠い側の縮径量との差に等しく設定されていることを特徴とする。

これによると、請求項１に記載の発明と同様の効果が得られる。また、シリンダ（１１５）の内周面を円錐状にする場合よりも、ピストン部（１１１１）の外周面を円錐状にする方が、加工が容易である。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る燃料噴射ノズルを備える燃料噴射装置の構成を示す模式的な図である。

図１に示すように、燃料噴射制御装置は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）に燃料を噴射する燃料噴射弁１、高圧燃料を蓄える蓄圧器２、燃料を低圧状態で蓄える燃料タンク３、燃料タンク３から吸い上げた燃料を高圧にして蓄圧器２に供給するサプライポンプ４、および燃料噴射弁１やサプライポンプ４の作動を制御する制御回路（図示せず）を備えている。

燃料噴射弁１は、開弁時に燃料を噴射する燃料噴射ノズル１１、燃料噴射ノズル１１のアウターニードル１１１およびインナニードル１１２を駆動する駆動部１２を備えている。

燃料噴射ノズル１１は、金属製の有底円筒状のノズルボデー１１３内に、円筒状のアウターニードル１１１が摺動自在に挿入され、アウターニードル１１１内に、円柱状のインナニードル１１２が摺動自在に挿入されている。

ノズルボデー１１３の一端側にはテーパ状の弁座１１３１が形成され、この弁座１１３１に、高圧燃料をエンジンに噴出させる第１噴孔１１３２、および第２噴孔１１３３が開口している。なお、第１噴孔１１３２は、第２噴孔１１３３よりも上流側に位置している。

ノズルボデー１１３と駆動部１２との間には、円盤状のプレート１１４が挟持されている。ノズルボデー１１３の他端側には拡径孔部１１３４が形成されており、この拡径孔部１１３４の内径はアウターニードル１１１の外径よりも十分大きく設定されている。

アウターニードル１１１の一端側にはテーパ状のシート面が形成され、アウターニードル１１１の往復動に伴ってアウターニードル１１１のシート面が弁座１１３１に接離することにより、第１噴孔１１３２が開閉される。

インナニードル１１２の一端側は、アウターニードル１１１から突出しており、その突出した部位にテーパ状のシート面が形成され、インナニードル１１２の往復動に伴ってインナニードル１１２のシート面が弁座１１３１に接離することにより、第２噴孔１１３３が開閉される。インナニードル１１２の他端側は、アウターニードル１１１から突出しており、その突出した部位に鍔部１１２１が形成されている。

拡径孔部１１３４には、円筒状のシリンダ１１５と、第１ばね１１６が配置されている。第１ばね１１６は、アウターニードル１１１とシリンダ１１５とに挟持されており、アウターニードル１１１を閉弁向きに付勢するとともに、シリンダ１１５をプレート１１４に押し付けている。

アウターニードル１１１の他端側にはピストン部１１１１が形成され、このピストン部１１１１がシリンダ１１５に摺動自在に挿入されている。そして、プレート１１４の内周部、シリンダ１１５の内周部、アウターニードル１１１の他端部、およびインナニードル１１２の他端部によって、制御室１１７が形成されている。制御室１１７には、インナニードル１１２を閉弁向きに付勢する第２ばね１１８が配置されている。また、アウターニードル１１１およびインナニードル１１２は、制御室１１７の圧力によって閉弁向きに付勢される。

駆動部１２は、駆動部ボデー１２１を備え、駆動部ボデー１２１には、蓄圧器２に接続される高圧燃料通路１２１１が形成されている。そして、蓄圧器２から供給される高圧燃料は、高圧燃料通路１２１１、プレート１１４の貫通孔１１４１、シリンダ１１５の外周側の空間等を介して、第１噴孔１１３２および第２噴孔１１３３側に供給されるようになっている。また、第１噴孔１１３２および第２噴孔１１３３側に供給される燃料の圧力によって、アウターニードル１１１およびインナニードル１１２は、開弁向きに付勢される。

駆動部ボデー１２１には、高圧燃料通路１２１１から分岐して制御室１１７に接続される分岐高圧燃料通路１２１２と、制御室１１７を燃料タンク３に接続する低圧燃料通路１２１３が形成されている。また、駆動部ボデー１２１内には、分岐高圧燃料通路１２１２と低圧燃料通路１２１３を制御室１１７に選択的に接続する制御弁１２２が収容されている。

図２および図３は、燃料噴射ノズルにおける制御室１１７近傍を拡大して示す断面図である。より詳細には、図２は、制御室１１７が分岐高圧燃料通路１２１２に接続されて、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しくなっているときの状態を示しており、図３は、制御室１１７が低圧燃料通路１２１３に接続されて、制御室１１７の圧力よりもシリンダ１１５の外周面に作用する圧力が高くなっているときの状態を示している。

本実施形態では、シリンダ１１５の内周面は、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときには、図２に示すように、制御室１１７に近い側から遠い側（すなわち、ピストン部１１１１が挿入されている側）に向かって径が小さくなる円錐状になっている。一方、アウターニードル１１１のピストン部１１１１の外径は、制御室１１７の圧力やシリンダ１１５の外周面に作用する圧力に拘わらず、一定である。したがって、シリンダ１１５とピストン部１１１１との間のクリアランスは、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときには、制御室１１７に近い側が遠い側よりも大きくなっている。具体的には、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、シリンダ１１５とピストン部１１１１との間のクリアランスは、制御室１１７に近い側で約２μｍ、制御室１１７から遠い側で約１０μｍとしている。

次に、上記構成になる燃料噴射制御装置の作動を説明する。図１において、サプライポンプ４はエンジンにより駆動されて、燃料タンク３から吸い上げた燃料を高圧にして蓄圧器２に供給する。また、蓄圧器２内の燃料圧力が目標圧力になるように、サプライポンプ４の燃料吐出量が制御回路により制御される。

そして、制御弁１２２が分岐高圧燃料通路１２１２と制御室１１７とを接続した状態では、制御室１１７に高圧燃料が導入され、その圧力によりアウターニードル１１１およびインナニードル１１２が閉弁向きに付勢され、アウターニードル１１１およびインナニードル１１２が弁座１１３１に当接して第１噴孔１１３２および第２噴孔１１３３が閉じられている。このときには、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しいため、シリンダ１１５とピストン部１１１１との間のクリアランスは、図２に示すように、制御室１１７に近い側が遠い側よりも大きくなっている。

一方、制御弁１２２が低圧燃料通路１２１３と制御室１１７とを接続した状態では、制御室１１７の圧力は低圧（略大気圧）になり、その圧力によりアウターニードル１１１およびインナニードル１１２を閉弁向きに付勢する力はほぼ０になる。そして、第１噴孔１１３２および第２噴孔１１３３側に供給される燃料の圧力によってアウターニードル１１１が開弁向きに付勢され、アウターニードル１１１が第１ばね１１６抗してリフトすることにより、アウターニードル１１１が弁座１１３１から離れて第１噴孔１１３２が開かれ、第１噴孔１１３２から燃料が噴射される。

また、アウターニードル１１１のリフトにより、アウターニードル１１１がインナニードル１１２の鍔部１１２１に係合し、その後アウターニードル１１１およびインナニードル１１２が第１ばね１１６および第２ばね１１８に抗してリフトすることにより、インナニードル１１２も弁座１１３１から離れて第２噴孔１１３３が開かれ、第１噴孔１１３２および第２噴孔１１３３から燃料が噴射される。

このときには、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力との圧力差により、シリンダ１１５が縮径するように変形する。具体的には、シリンダ１１５のうち制御室１１７に面する部位の変形量が、ピストン部１１１１が挿入された部位の変形量よりも大きい。このため、シリンダ１１５とピストン部１１１１との間のクリアランスは、制御室１１７に近い側が遠い側よりも大きく減少する。なお、図３の破線は、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しくなっているときの、シリンダ１１５の内周面の形状を示している。

ここで、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、シリンダ１１５における制御室１１７に近い側の内径と制御室１１７から遠い側の内径との差は、制御室１１７の圧力が低圧に切り替えられた状態のときの、シリンダ１１５における制御室１１７に近い側の縮径量と制御室１１７から遠い側の縮径量との差に等しく設定されている。

その結果、制御室１１７の圧力が低圧に切り替えられた状態のときには、図３に示すように、制御室１１７に近い側のクリアランスと遠い側のクリアランスが略等しくなる。そして、このときのクリアランスが適切な値になるように、シリンダ１１５が変形していないときのクリアランスを設定しておくことにより、シリンダ１１５の変形に起因するアウターニードル１１１の摺動不良やクリアランスからのリークの増大を防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４および図５は第２実施形態に係る燃料噴射ノズルにおける制御室近傍を示す要部の断面図である。より詳細には、図４は、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しくなっているときの状態を示しており、図５は、制御室１１７の圧力よりもシリンダ１１５の外周面に作用する圧力が高くなっているときの状態を示している。

本実施形態では、制御弁１２２（図１参照）が分岐高圧燃料通路１２１２（図１参照）と制御室１１７とを接続した状態、すなわち、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときには、図４に示すように、シリンダ１１５の内径は一定である。一方、アウターニードル１１１のピストン部１１１１の外周面は、制御室１１７の圧力やシリンダ１１５の外周面に作用する圧力に拘わらず、制御室１１７に近い側から遠い側に向かって径が大きくなる円錐状になっている。

したがって、シリンダ１１５とピストン部１１１１との間のクリアランスは、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときには、制御室１１７に近い側が遠い側よりも大きくなっている。

一方、制御弁１２２が低圧燃料通路１２１３（図１参照）と制御室１１７とを接続した状態、すなわち、制御室１１７の圧力よりもシリンダ１１５の外周面に作用する圧力が高い状態では、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力との圧力差により、シリンダ１１５が縮径するように変形する。具体的には、シリンダ１１５のうち制御室１１７に面する部位の変形量が、ピストン部１１１１が挿入された部位の変形量よりも大きい。このため、シリンダ１１５とピストン部１１１１との間のクリアランスは、制御室１１７に近い側が遠い側よりも大きく減少する。なお、図５の破線は、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しくなっているときの、シリンダ１１５の内周面の形状を示している。

ここで、制御室１１７の圧力とシリンダ１１５の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、ピストン部１１１１における制御室１１７に近い側の外径と制御室１１７から遠い側の外径との差は、制御室１１７の圧力が低圧に切り替えられた状態のときの、シリンダ１１５における制御室１１７に近い側の縮径量と制御室１１７から遠い側の縮径量との差に等しく設定されている。

その結果、図５に示すように、制御室１１７に近い側のクリアランスと遠い側のクリアランスが略等しくなる。そして、このときのクリアランスが適切な値になるように、シリンダ１１５が変形していないときのクリアランスを設定しておくことにより、シリンダ１１５の変形に起因するアウターニードル１１１の摺動不良やクリアランスからのリークの増大を防止することができる。

また、本実施形態のように、ピストン部１１１１の外周面を円錐状にする方が、シリンダ１１５の内周面を円錐状にする場合よりも、加工が容易である。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、ニードルがアウターニードル１１１とインナニードル１１２とに分割された形式の燃料噴射ノズル１１を示したが、本発明は、ニードルがアウターニードル１１１とインナニードル１１２とに分割されていない形式の燃料噴射ノズル１１にも適用することができる。

また、上記各実施形態では、プレート１１４とシリンダ１１５を別体にしたが、プレート１１４とシリンダ１１５を一体に形成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料噴射ノズルを備える燃料噴射装置の構成を示す模式的な図である。図１の燃料噴射ノズルの要部を示す断面図である。図２とは異なる作動条件下での作動状態を示す燃料噴射ノズルの要部断面図である。本発明の第２実施形態に係る燃料噴射ノズルを示す要部の断面図である。図４とは異なる作動条件下での作動状態を示す燃料噴射ノズルの要部断面図である。

符号の説明

１１１ニードル
１１３ノズルボデー
１１５シリンダ
１１７制御室
１１１１ピストン部
１１３１弁座
１１３２噴孔
１１３３噴孔

Claims

燃料の出口となる噴孔（１１３２、１１３３）およびこの噴孔（１１３２、１１３３）が開口する弁座（１１３１）を有するノズルボデー（１１３）と、
燃料の圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室（１１７）を形成するとともに、外周面に高圧の燃料の圧力が作用するシリンダ（１１５）と、
一端側が前記弁座（１１３１）と接離して前記噴孔（１１３２、１１３３）を開閉するとともに、他端側に形成されたピストン部（１１１１）が前記シリンダ（１１５）に摺動自在に挿入されるニードル（１１１）とを備え、
前記制御室（１１７）の圧力と前記シリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの前記シリンダ（１１５）の内周面が、前記制御室（１１７）に近い側から遠い側に向かって径が小さくなる円錐状に形成されることにより、前記制御室（１１７）の圧力と前記シリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、前記シリンダ（１１５）と前記ピストン部（１１１１）との間のクリアランスは、前記制御室（１１７）に近い側が遠い側よりも大きくなるように構成され、
前記制御室（１１７）の圧力と前記シリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、前記シリンダ（１１５）における前記制御室（１１７）に近い側の内径と前記制御室（１１７）から遠い側の内径との差は、前記制御室（１１７）の圧力が低圧に切り替えられた状態のときの、前記シリンダ（１１５）における前記制御室（１１７）に近い側の縮径量と前記制御室（１１７）から遠い側の縮径量との差に等しく設定されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
燃料の出口となる噴孔（１１３２、１１３３）およびこの噴孔（１１３２、１１３３）が開口する弁座（１１３１）を有するノズルボデー（１１３）と、
燃料の圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室（１１７）を形成するとともに、外周面に高圧の燃料の圧力が作用するシリンダ（１１５）と、
一端側が前記弁座（１１３１）と接離して前記噴孔（１１３２、１１３３）を開閉するとともに、他端側に形成されたピストン部（１１１１）が前記シリンダ（１１５）に摺動自在に挿入されるニードル（１１１）とを備え、
前記ピストン部（１１１１）が、前記制御室（１１７）に近い側から遠い側に向かって径が大きくなる円錐状に形成されることにより、前記制御室（１１７）の圧力と前記シリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、前記シリンダ（１１５）と前記ピストン部（１１１１）との間のクリアランスは、前記制御室（１１７）に近い側が遠い側よりも大きくなるように構成され、
前記制御室（１１７）の圧力と前記シリンダ（１１５）の外周面に作用する圧力とが等しい状態のときの、前記ピストン部（１１１１）における前記制御室（１１７）に近い側の外径と前記制御室（１１７）から遠い側の外径との差は、前記制御室（１１７）の圧力が低圧に切り替えられた状態のときの、前記シリンダ（１１５）における前記制御室（１１７）に近い側の縮径量と前記制御室（１１７）から遠い側の縮径量との差に等しく設定されていることを特徴とする燃料噴射ノズル。