JP6144185B2 - 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、燃料を噴射する燃料噴射ノズルとして、円筒状のボディと、ボディの内周に軸方向に移動可能に収容されるニードルとを備えるものが周知である。そして、この燃料噴射ノズルは、ニードルがボディの内周で軸方向に移動することで燃料通路の燃料の噴射を開始または停止する。
つまり、ボディの内壁には、ニードルのシート部が離着するシート位置が設けられ、さらに、シート位置よりも軸方向の一端側の内壁には、燃料の噴孔が複数開口している。そして、シート部がシート位置から離座することで、噴孔を通じてボディの内周から外部に燃料が導かれて噴射される。
このような燃料噴射ノズルにおいて、ニードルは、シート部をシート位置に付勢する付勢手段および燃料通路に連通する背圧室の燃料の背圧により閉弁方向に付勢され、燃料通路の燃料の燃料圧により開弁方向に付勢されている。そして、所定のアクチュエータによりニードルを付勢手段の付勢力および背圧に抗して開弁方向に駆動し、シート部がシート位置から離座することにより燃料の噴射が行われる。
近年、この燃料噴射ノズルを開弁駆動または閉弁駆動する所定のアクチュエータとしてピエゾアクチュエータを用いるものが公知となっている(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、燃料の噴射の行われている開弁状態のときには、新たにシート部の内周側も燃料が開弁方向に付勢するため、ニードルを開弁方向に付勢する付勢力が増加している。このため、この増加する開弁方向の力を考慮に入れ、閉弁を確実にすべく、付勢手段の付勢力を予め大きくしておかなければならない。このことは付勢手段の付勢力に抗してニードルを駆動するピエゾアクチュエータの出力増大の必要性を招き、ピエゾアクチュエータの大型化に結びついてしまう問題があった。
近年、ディーゼルエンジンに搭載され直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルにおいては、噴霧微粒化等のため噴射圧を数百MPaもの高圧にする検討が行われている。このように噴射圧(燃料通路の燃料圧)および背圧が高圧となった場合、シート部の内周側の受圧面積が小さくても開弁時に開弁方向の付勢力が急上昇してしまうため上記問題は特に顕著なものとなる虞がある。
特開2010−19214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、燃料通路の燃料圧を高めても、ピエゾアクチュエータの大型化を抑制することができる燃料噴射ノズルの構造を提供することにある。
本願の第1発明によれば、燃料噴射ノズルは、円筒状のボディと、ボディの内周に軸方向に移動可能に収容されるニードルとを備える。そして、ボディには、噴孔およびこの噴孔に所定の燃料供給源から供給された燃料を導く燃料通路を有している。また、ニードルにはボディのシート位置に離着座する円状のシート部を有している。
そして、燃料噴射ノズルは、シート部がシート位置に着座する閉弁方向にニードルを付勢する付勢手段、燃料通路に連通しニードルに背圧を及ぼす燃料の流出入する背圧室、およびシート部がシート位置から離座する開弁方向にニードルを駆動する力を発生するピエゾアクチュエータを備える。
そして、シート部がシート位置に着座した閉弁状態において、燃料通路の燃料は、シート部の外周側でニードルに対し開弁方向に燃料圧を及ぼし、燃料通路の背圧室に分流する位置より燃料の流れ下流側に燃料通路の流路断面積を狭くする絞りを設けている(以下、絞りの燃料流れ下流側の燃料通路の燃料がニードルに対して開弁方向に及ぼす燃料圧をノズル圧と呼ぶことがある。)。
また、燃料噴射ノズルは、シート部がシート位置から離座し、ニードルのシート部の内周側に燃料が入り込む開弁状態のときに燃料通路の燃料がニードルを開弁方向に付勢する受圧面積が増加する。そして、開弁状態のときに燃料通路の燃料がニードルを開弁方向に付勢する力と、閉弁状態のときに燃料通路の燃料がニードルを開弁方向に付勢する力とが等しい。
これにより、シート部がシート位置から離座しシート部の内周側に燃料が入り込む開弁状態において、絞りの燃料の流れ上流側よりも下流側の燃料圧が低下するので、開弁状態においてノズル圧の付勢力が絞りのない場合よりも減少する。
このため、付勢手段の付勢力を絞りのない場合より小さくしても確実に閉弁することができるので、ピエゾアクチュエータの大型化を抑制することができる。
この結果、燃料通路の燃料圧を高めても、ピエゾアクチュエータの大型化を抑制することができる。
さらに、開弁状態のときに燃料通路の燃料がニードルを開弁方向に付勢する力と、閉弁状態のときに燃料通路の燃料がニードルを開弁方向に付勢する力とが等しいため、開弁して受圧面積がシート部内周側に拡大してもノズル圧による付勢力が閉弁状態から増加しないため、付勢手段の付勢力をより小さくしても閉弁することができる。
本願の第2発明によれば、燃料噴射ノズルは、閉弁状態のときに、燃料通路の燃料がニードルを開弁方向に付勢する受圧面積と背圧室の燃料がニードルを閉弁方向に付勢する受圧面積とが等しい。
これにより、閉弁状態のときには、ニードルに作用する力のバランスに関してノズル圧の付勢力と背圧の付勢力とが等しくなる。
このため、ピエゾアクチュエータは、付勢手段の付勢力のみに抗して開弁方向にニードルを駆動すればよく、ピエゾアクチュエータの大型化を抑制することができる。
本願の第発明によれば、燃料噴射ノズルは、絞りの燃料の流れ上流側の燃料の圧力と絞りの燃料の流れ下流側の燃料の圧力の許容される最小圧力差をPm(N/m)、燃料の体積弾性率をK(N/m)、開弁状態から閉弁状態までに噴孔から噴射される燃料の最小噴射量をVm(mm)とすると、開弁状態において、燃料通路の絞りの燃料の流れ方向下流側と噴孔との間の容積が(K・Vm)/Pm(mm)以下となる。
燃料の噴射量が少ない場合、短時間で開弁状態から閉弁状態に移行してしまうため絞りの燃料流れ下流側において燃料の体積膨張が不十分となり、絞りの燃料の流れ上流側の燃料の圧力と絞りの燃料の流れ下流側の燃料の圧力の差が小さくなってしまう。このため、燃料の噴射量が十分の場合における絞りの上下流側における圧力差の存在を前提とした付勢手段の付勢力では、燃料の噴射量が少ない場合に確実に閉弁できない虞があった。そこで上記条件の構成を採用する。
これにより、燃料の噴射量が少ない場合であっても、付勢手段の付勢力によって確実に閉弁できる圧力差を絞りの上下流側で確保できる。
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断面図である(実施例1)。 燃料噴射ノズルの要部断面図である(実施例2)。
以下、発明を実施するための形態を実施例に基づいて説明する。
〔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、2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ピエゾアクチュエータ2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、250MPa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。
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、円筒状のボディ3と、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弁体としてのニードル4とを備える。そして、ノズル1は、ニードル4がボディ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、ボディ3は、噴孔5および噴孔5に蓄圧容器から供給された燃料を導く燃料通路6が設けられている。このため、燃料通路6には蓄圧容器の内部と概ね等しい圧力の燃料が供給されている。
なお、ボディ3は軸方向一端側から第1ボディ3a、第2ボディ3b、第3ボディ3cおよび第4ボディ3dをこの順に接続することで形成されている。
ニードル4は、軸方向一端側から第1ニードル4a、第2ニードル4bおよび第3ニードル4cによって構成されており、軸方向一端側からこの順に当接している。ここで、第1ニードル4aは第1ボディ3aおよび第2ボディ3b内に収容され、第2ニードル4bおよび第3ニードル4cはそれぞれ第2ボディ3b内に収容され、第1ニードル4a、第2ニードル4bおよび第3ニードル4cは一体として軸方向に移動する。
ここで、第1ニードル4aは、第1ボディ3aにより軸方向に摺動自在に支持される摺動軸部4d、および、実質的に弁部として機能する円錐状の軸方向一端部4eを有し、摺動軸部4dと軸方向一端部4eとの間は軸方向に長い円柱部4fをなす。
第1ボディ3a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、第1ボディ3a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7をなす。なお、燃料溜まり7は燃料通路6の一部を構成している。
そして、第1ボディ3aの内周の内、燃料溜まり7の軸方向他端側の領域は、摺動軸部4dを摺動自在に支持するための摺動孔8をなし、燃料溜まり7の軸方向一端側の領域は、軸方向一端部4eおよび円柱部4fを収容して円環筒状の流路9を形成する。なお、流路9は燃料通路6の一部を構成している。
また、第2ニードル4bは、摺動軸部4dより径大の円柱体であり、第2ボディ3bに設けられた摺動孔10に軸方向に摺動自在に支持されている。そして、第2ボディ3bの内壁と第2ニードル4bの軸方向一端面によって囲まれる部分が後述する圧力制御室11を形成している。なお、圧力制御室11には摺動軸部4dの軸方向他端部の一部が侵入している。
第3ニードル4cは、第2ニードル4bより径小の円柱体であり、第2ボディ3bに設けられた摺動孔12に軸方向に摺動自在に支持されている。そして、第2ボディ3bの内壁と第3ボディ3cによって囲まれる背圧室13に第3ニードル4cの軸方向他端面が露出している。なお、背圧室13と燃料通路6は連通路14によって連通し、背圧室13には、ニードル4に背圧を及ぼす燃料が流出入している。
そして、第2ボディの内周の摺動孔10と摺動孔12の間は、摺動孔10と同径であり、後述する付勢手段であるスプリング15を収容するスプリング室16をなしている。
ここで、シート位置20、シート部21および噴孔5の配置に関して図2を用いて詳説する。
まず、シート位置20は、第1ボディ3aの軸方向一端近傍の内壁の一部であり、軸方向一端部4eに設けられたシート部21が離着する。
ここで、軸方向一端部4eの外周面は、3つの異なる円錐面22a、22b、22cが軸方向一端から軸方向他端側に同軸に連続するものであり、円錐面22a〜22cは、それぞれの母線と第1ニードル4aの軸αとの間に形成される角度が軸方向一端側ほど大きくなっている。そして、円錐面22a、22b同士の交線23a、および円錐面22b、22c同士の交線23bは軸αに垂直な円であり、交線23bがシート部21として機能し、シート位置20は円形である。
また、噴孔5は、シート位置20よりも軸方向一端側で第1ボディ3aの内壁に開口し、シート部21がシート位置20から離座することで第1ボディ3aの内周から外部に燃料を導く。つまり、シート部21がシート位置20から離座することで、シート部21とシート位置20との間に隙間が形成され、この隙間を通って燃料通路6から噴孔5に燃料が導入されて第1ボディ3aの外部に噴射が開始される。
そして、シート部21がシート位置20に着座することにより、燃料が遮断され、噴孔5からの燃料の噴射が停止する。
なお、噴孔5は、軸αと同軸である第1ボディ3aの軸βの周囲に等角度間隔で放射状に複数本設けられている。また、噴孔5は、第1ボディ3aを直線的に貫通し、外周側ほど軸方向一端側に傾斜している。
ここで、ニードル4にはシート部21がシート位置20に着座する閉弁方向に付勢する付勢力がスプリング15により作用している。スプリング15は、第2ニードル4bの軸方向他端面を軸方向一端側に付勢することにより、ニードル4を閉弁方向に付勢している。
ここで、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としてのピエゾアクチュエータ2について図1を用いて説明する。
ピエゾアクチュエータ2は、印加される電圧に応じて軸方向に伸長するものであり、電圧変化に対する応答性が良いという利点があるが、出力を増大させにくく、出力増大のため大型化するとコストが大幅に上昇するという問題もある。
ピエゾアクチュエータ2は、第4ボディ3dに設けられた収容室31内に収容され固定されている。なお、収容室31は0.1Mpa程度の圧力の燃料(以下、低圧燃料と呼ぶことがある。)の収められた燃料容器(図示せず。)と連通路32を介して連通しており、収容室31の内部は低圧燃料で満たされている。なお、収容室31とスプリング室16とは連通路33を介して連通しており、スプリング室16内も低圧燃料で満たされている。
そして、軸方向一端側に板状体34が接続固定されている。よって、板状体34は、ピエゾアクチュエータ2の軸方向の伸長に伴って軸方向に移動する。
そして、第3ボディ3c内には板状体34を介してピエゾアクチュエータ2により直接駆動されるピストン40が収容されている。ピストン40は、円柱体であり、第3ボディ3cに設けられた摺動孔41に軸方向に摺動自在に支持されている。また、摺動孔41の底とピストン40の軸方向一端面との間に加圧室42が形成されている。そして、加圧室42には、ピストン40を軸方向他端側、すなわち加圧室42の容積を拡大する方向に付勢する板ばね43が設けられている。
なお、加圧室42と圧力制御室11とは連通路44を介して連通している。
ここで、ピストン40には、軸方向に貫通し、収容室31と加圧室42とを連通する連通路47が設けられている。連通路47の途中には、加圧室42の方の圧力が低い場合、収容室31からの燃料の流入を許可し、加圧室42の方の圧力が高い場合、加圧室42から収容室31への燃料の流出を阻止する逆止弁48が備えられている。
このため、加圧室42は、収容室31との差圧がなくなるように低圧燃料で満たされている。なお、加圧室42と圧力制御室11は、連通路44を介して連通しているため、圧力制御室11内も低圧燃料で満たされている。
よって、圧力制御室11、スプリング室16および加圧室42は、それぞれ概ね等しい圧力の低圧燃料で満たされている状態となっている。
ここで、ピエゾアクチュエータ2の動作について説明する。
ピエゾアクチュエータ2は、ECU等(図示せず。)により制御され、電圧が印加されると軸方向一端側に伸長する。そして、軸方向一端側に接続された板状体34も軸方向一端側に移動する。そして板状体34は連通路47を閉塞するとともに、ピストン40を板ばね43の付勢力に抗して軸方向一端側に押圧する。
この際、逆止弁48により加圧室42から収容室31への燃料の流出が規制されるため、加圧室42、連通路44および圧力制御室11の圧力が増加し、圧力制御室11とスプリング室16との間で圧力差が生じる。そして、この圧力差により第2ニードル4bを軸方向他端側に付勢する付勢力が生じる。
また、ニードル4を軸方向他端側に付勢する付勢力として、シート部21がシート位置20に着座した閉弁状態において、燃料通路6の燃料が、シート部21の外周側でニードル4に対し開弁方向に燃料圧を及ぼす付勢力が考えられる。
よって、ニードル4を軸方向一端側に付勢する背圧による付勢力とスプリング15による付勢力の総和を、ニードル4を軸方向他端側に付勢する燃料通路の燃料圧による付勢力と圧力制御室11とスプリング室16との間の圧力差による付勢力の総和が上回った場合、シート部21がシート位置20から離座する。
よって、ピエゾアクチュエータ2はシート部21がシート位置20から離座する開弁方向にニードル4を駆動する力を発生している。
そして、ピエゾアクチュエータ2の電圧印加が解かれた際は、ピエゾアクチュエータ2は元の長さに戻り、板ばね43の付勢力で加圧室42も元の状態に戻る。
ここで、ノズル1の特徴的な構成を、図2を用いて説明する。
ノズル1は、燃料通路6の背圧室13に分流する位置より燃料の流れ下流側に燃料通路6の流路断面積を狭くする絞り50が設けられている。
そして、ノズル1は、閉弁状態のときに、燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する受圧面積S1と背圧室13の燃料がニードル4を閉弁方向に付勢する受圧面積S2とが等しくなっている。
また、ノズル1は、シート部21がシート位置20から離座し、ニードル4のシート部21の内周側に燃料が入り込む開弁状態のときに燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する受圧面積がS1’に増加している。そして、開弁状態のときに燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する力と、閉弁状態のときに燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する力とが等しくなっている。
すなわち、閉弁状態の時の絞り50の燃料流れ下流側の燃料通路の燃料圧をP1、開弁状態の時の絞り50の燃料流れ下流側の燃料通路の燃料圧をP1’とすると
P1×S1=P1’×S1’
の関係が成り立っている。
〔実施例1の効果〕
ノズル1は、燃料通路6の背圧室13に分流する位置より燃料の流れ下流側に燃料通路6の流路断面積を狭くする絞り50が設けられている。
これにより、シート部21がシート位置20から離座しシート部21の内周側に燃料が入り込む開弁状態において、絞り50の燃料の流れ上流側よりも下流側の燃料圧が低下するので、開弁状態においてノズル圧(絞り50の燃料流れ下流側の燃料通路6の燃料がニードル4に対して開弁方向に及ぼす燃料圧)の付勢力が絞りのない場合よりも減少する。
このため、スプリング15の付勢力を絞り50のない場合より小さくしても確実に閉弁することができるので、ピエゾアクチュエータ2の大型化を抑制することができる。
この結果、燃料通路6の燃料圧を高めても、ピエゾアクチュエータ2の大型化を抑制することができる。
また、ノズル1は、閉弁状態のときに、燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する受圧面積S1と背圧室13の燃料がニードル4を閉弁方向に付勢する受圧面積S2とが等しくなっている。
これにより、閉弁状態のときには、ニードル4に作用する力のバランスに関してノズル圧の付勢力と背圧の付勢力とが等しくなる。
このため、ピエゾアクチュエータ2は、スプリング15の付勢力のみに抗して開弁方向にニードル4を駆動すればよく、ピエゾアクチュエータ2の大型化を抑制することができる。
さらに、ノズル1は、開弁状態のときに燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する力と、閉弁状態のときに燃料通路6の燃料がニードル4を開弁方向に付勢する力とが等しくなっている。
これにより、開弁して受圧面積がシート部21内周側に拡大してもノズル圧による付勢力が閉弁状態から増加しないため、スプリング15の付勢力をより小さくしても閉弁することができるため、ピエゾアクチュエータ2の大型化をより抑制することができる。
〔実施例2〕
実施例2のノズル1によれば、図3に示すように、絞り50の燃料の流れ上流側の燃料の圧力と絞り50の燃料の流れ下流側の燃料の圧力の許容される最小圧力差をPm(N/m)、燃料の体積弾性率をK(N/m)、開弁状態から閉弁状態までに噴孔5から噴射される燃料の最小噴射量をVm(mm)とすると、開弁状態において、燃料通路6の絞り50の燃料の流れ方向下流側と噴孔5との間の容積Vが(K・Vm)/Pm(mm)以下となっている。
より具体的には、K=1.49×10(N/m
Pm=30×10(N/m
Vm=3(mm
とした場合、容積Vは149(mm)=0.149(cc)となる。
これにより、燃料の噴射量が少ない場合であっても、スプリング15の付勢力によって確実に閉弁できる圧力差を絞り50の上下流側で確保できる。
1 ノズル(燃料噴射ノズル) 2 ピエゾアクチュエータ 3 ボディ
4 ニードル 5 噴孔 6 燃料通路 13 背圧室 15スプリング(付勢手段)
20 シート位置 21シート部 50絞り

Claims (3)

  1. 燃料を噴射する燃料噴射ノズル(1)において、
    噴孔(5)およびこの噴孔(5)に所定の燃料供給源から供給された燃料を導く燃料通路(6)を有する円筒状のボディ(3)と、
    前記ボディ(3)の内周に軸方向に移動可能に収容され、前記ボディ(3)のシート位置(20)に離着座する円状のシート部(21)を有するニードル(4)と、
    前記シート部(21)が前記シート位置(20)に着座する閉弁方向に前記ニードル(4)を付勢する付勢手段(15)と、
    前記燃料通路(6)に連通し、前記ニードル(4)に背圧を及ぼす燃料が流出入する背圧室(13)と、
    前記シート部(21)が前記シート位置(20)から離座する開弁方向に前記ニードル(4)を駆動する力を発生するピエゾアクチュエータ(2)とを備え、
    前記シート部(21)が前記シート位置(20)に着座した閉弁状態において、前記燃料通路(6)の燃料は、前記シート部(21)の外周側で前記ニードル(4)に対し前記開弁方向に燃料圧を及ぼし、
    前記燃料通路(6)の前記背圧室(13)に分流する位置より燃料の流れ下流側に前記燃料通路(6)の流路断面積を狭くする絞り(50)を設け、
    前記シート部(21)が前記シート位置(20)から離座し、前記ニードル(4)の前記シート部(21)の内周側に燃料が入り込む開弁状態のときに前記燃料通路(6)の燃料が前記ニードル(4)を前記開弁方向に付勢する受圧面積が増加し
    前記開弁状態のときに前記燃料通路(6)の燃料が前記ニードル(4)を前記開弁方向に付勢する力と、前記閉弁状態のときに前記燃料通路(6)の燃料が前記ニードル(4)を前記開弁方向に付勢する力とが等しいことを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。
  2. 請求項1に記載の燃料噴射ノズル(1)において、
    前記閉弁状態のときに、前記燃料通路(6)の燃料が前記ニードル(4)を前記開弁方向に付勢する受圧面積(S1)と前記背圧室(13)の燃料が前記ニードルを前記閉弁方向に付勢する受圧面積(S2)とが等しい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に記載の燃料噴射ノズル(1)において、
    前記絞り(50)の燃料の流れ上流側の燃料の圧力と前記絞りの燃料の流れ下流側の燃料の圧力の許容される最小圧力差をPm(N/m )、燃料の体積弾性率をK(N/m )、前記開弁状態から前記閉弁状態までに前記噴孔(5)から噴射される燃料の最小噴射量をVm(mm )とすると、
    前記開弁状態において、前記燃料通路(6)の前記絞り(50)の燃料の流れ方向下流側と前記噴孔(5)との間の容積(V)が(K・Vm)/Pm(mm )以下となることを特徴とする燃料噴射ノズル(1)。




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