(57)【要約】    【課題】  比較的簡素な構造によって針弁１１の偏芯量を小さくし、各噴孔５間での燃料噴霧のばらつきを抑制する。    【解決手段】  本体２と針弁１１との間に形成される燃料通路の先端側に、本体２の径方向外側の瞬間的な力を抑制する調芯ガイド部材８を配置する。調芯ガイド部材８は、外側と内側との２つの部材９，１０により一体に構成され、外側部材９は剛性体であり、内側部材１０は弾性材料である。外側部材９は本体２に固定される。このため調芯ガイド部材８（特に内側部材１０）は、針弁１１がリフトする時に瞬間的に発生する偏芯力を吸収して針弁１１を調芯させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略テーパ状に縮径する先端部の内面に形成されるシール面に複数の噴孔が形成された本体と、前記本体内に挿入され、燃料を供給する側である根元部にて調芯される一方、先端部にて前記シール面と接するか否かにより燃料噴射の有無を制御する針弁と、を有する燃料噴射弁において、
前記本体と前記針弁との間に形成される燃料通路の先端側に、前記針弁にかかる径方向外側の瞬間的な力を吸収する調芯ガイド部材を配置したことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記調芯ガイド部材は、微細な空隙を多数有することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記調芯ガイド部材は、弾性材料にて構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記調芯ガイド部材は、液体を含んだゲル状の高分子材料にて構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記ゲル状の高分子材料として、合成ポリペプチドまたは人工軟骨用材料を用いることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記調芯ガイド部材は、剛性体にて構成された支持部材を一部に有することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記調芯ガイド部材は、前記本体に固定されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記調芯ガイド部材は、前記本体に固定される側を剛性体にて構成したことを特徴とする請求項７記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記調芯ガイド部材と前記針弁との間隔が、前記針弁の先端部における半径に対して０．２％以下であることを特徴とする請求項７または請求項８記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
前記調芯ガイド部材は、前記針弁に固定されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項１１】
前記調芯ガイド部材は、前記針弁に固定される側を剛性体にて構成したことを特徴とする請求項１０記載の燃料噴射弁。
【請求項１２】
前記調芯ガイド部材は、外周側が前記本体に対して摺動可能な径であることを特徴とする請求項１０または請求項１１記載の燃料噴射弁。
【請求項１３】
前記調芯ガイド部材は、円周方向に複数個形成することで構成したことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料噴射弁においては非特許文献１および特許文献１に記載のものがある。
非特許文献１には、略テーパ状に縮径する先端部の内面に形成されるシール面に複数の噴孔が形成された本体と、この本体内に挿入され、燃料を供給する側である根元部（第１ガイド）にて調芯される一方、先端部にてシール面と接するか否かにより燃料噴射の有無を制御する針弁と、本体と針弁との間の燃料通路に配置されたガイド部材（第２ガイド）と、を有することが記載されている。
【０００３】
この燃料噴射弁では、ガイド部材により針弁の先端部の偏芯を小さくすることで、各噴孔から噴射される燃料噴霧のばらつきを小さくするという効果が確認されている。
しかしながら、これは量産を考えた場合には数ミクロンの加工を実現しなくてはならず製造コストが高くなるとともに、実用化に際してはある程度ガイド部材にも偏芯量が生じてしまうことを妥協しなくてはならず、燃料噴霧のばらつきを十分に抑制できないという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、特許文献１には、針弁の先端部に、先端に行くに従い細くなる部材（調芯端部を有する調芯ピン）を設けることが記載されている。
【非特許文献１】G.RENNER著「Effect of Common Rail Injector Design on the Emission Characteristics of Passenger Car DI Diesel Engines」、1998年、第４回COMMODIA、ｐ.447〜482
【特許文献１】特開平１１−２９４３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料噴射弁によって偏芯を抑える効果はある程度得られるものの、針弁が閉じている時に燃料の漏れが生じることや、針弁のリフト時にすぐに偏芯してしまうおそれがある。
さらに、このような問題以外にも、構造が複雑になるだけでなく、加工上の偏芯量はどこかで吸収する必要があり、燃料噴霧のばらつきが低コストで改善できないといった問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、比較的簡素な構造によって針弁の偏芯量を小さくし、各噴孔間での燃料噴霧のばらつきを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため本発明では、本体と針弁との間に形成される燃料通路の先端側に、針弁にかかる径方向外側の瞬間的な力を吸収する調芯ガイド部材を配置した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、調芯ガイド部材により針弁にかかる径方向外側の瞬間的な力を吸収することで針弁の調芯ができ、各噴孔間での燃料噴霧のばらつきを抑制できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
燃料噴射弁の各噴孔からの燃料噴霧のばらつきメカニズムに関しては、従来多くの研究が行われてきた。とりわけ、針弁によって噴孔を覆うようないわゆるサックレスノズルにおいては直噴ディーゼルエンジンの排気性能および燃費性能を両立できることから多くのエンジンで採用されている。
しかし、各噴孔からの燃料噴霧のばらつきが発生すると、スモークの発生により性能が悪化するため、これを防止する研究がされ多くの方策が検討されてきた。最近では、低リフト（５０μｍ未満）における針弁の偏芯が燃料噴霧のばらつきに大きな影響を与えることが明らかとなってきており、針弁の先端の偏芯量を小さくするためにガイド部材などが考えられている（非特許文献１参照）。
【００１０】
本願出願人は、これに加えて、針弁が偏芯することにより発生する燃料噴霧のばらつきメカニズムを解明し、針弁のリフト時に偏芯を大きくするような力が発生することを解明した。
図１１は、このメカニズムを解析するため、針弁のリフト時に加わる径方向外側の負荷（Ｎ）を、サックレスノズルであるＶＣＯノズル（Valve Covered Orifice nozzle）と、サックノズル（Sac nozzle）とについて示している。なお、正の負荷は径方向外側の負荷（針弁を偏芯させる力）であり、負の負荷は径方向内側の負荷（針弁を調芯させる力）を示している。図示の通り、ＶＣＯノズルでは、サックノズルと比較して燃料噴射開始時に瞬間的に大きな力が作用していることが判る。これは、針弁が低リフト時に偏芯すると、各噴孔までの燃料通路の面積が異なるため、更なる偏芯力が働くことを示している。
【００１１】
また、偏芯量がある値になると燃料噴霧のばらつきが小さくなる事実も解明した。本発明は、このメカニズムを基に発明されたものである。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射弁１の断面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ線における断面図である。図３は、図２のＹ−Ｙ線における断面図であり、後述する調芯力が作用している状態を示す図である。なお、燃料噴射弁１は、直接噴射式ディーゼルエンジン用のものとして説明する。
【００１２】
燃料噴射弁１の本体２は、内孔３により中空に形成されている。燃料噴射弁１には、本体２に形成された内孔３に針弁１１が挿入されている。本体２の先端部２ａ（図１の下端部）は略テーパ状に縮径しており、先端部２ａの内面（内孔３）も縮径して形成されている。本体２の先端部２ａの内面には、針弁１１のシート部（先端部）１２が着座可能なシール面４が形成されており、このシール面４に複数の噴孔（貫通孔）５が円周方向に形成されている。ここでは噴孔５の数は５つとしている。噴孔５は、内孔３の最下端部に形成された盲孔（サックホール）６の近傍に形成されている。
【００１３】
本体２の燃料供給側（図１の上側）には、針弁１１の根元部１３にて針弁１１を調芯するよう縮径部（摺動部）２ｂが形成されている。本体２の縮径部２ｂは、針弁１１の根元部１３と摺動可能な径となっている。
本体２には、縮径部２ｂの下側において針弁１１の外周面１１ａと本体２の内孔（内周面）３との間の空間と連通する燃料供給路７が形成されており、図示しない燃料ポンプから燃料が供給される。
【００１４】
針弁１１の先端部は、本体２の先端側に向かって略円錐状に形成されたシート部１２が形成されている。針弁１１のシート部１２は、複数の傾き（図１では３つの傾き）を持った円錐形状に形成されており、先端に向かって針弁１１の軸心に対する円錐の傾き角度が急になっている。針弁１１の最先端は盲孔６に収容されている。
図２に示すように、本体２と針弁１１との間は燃料通路となっており、これらの先端側には、針弁１１にかかる径方向外側の瞬間的な力を吸収する調芯ガイド部材８が配置されている。調芯ガイド部材８は、円周方向所定間隔に複数個形成することで構成されている。言い換えれば、調芯ガイド部材８には、円周方向に複数の空間部が形成されている。この中空部は、燃料通路として形成される。調芯ガイド部材８と針弁１１との間には、僅かの間隔（クリアランス）を設けている。
【００１５】
調芯ガイド部材８は、剛性体（金属など）にて構成された支持部材を一部に有して形成されている。支持部材は、調芯ガイド部材８における径方向外側に形成された外側部材９である。外側部材９は、外周面が本体２に固定されることで調芯ガイド部材８を一定位置に固定する。
外側部材９の内側には、内側部材１０が接合されて形成している。外側部材９は剛性体、内側部材１０は弾性材料でそれぞれ構成される。調芯ガイド部材８は、本体２（針弁１１）の先端部付近、すなわち内孔３が縮径する付近において、本体２の軸方向所定長さで形成されている。内側部材１０（調芯ガイド部材８）と針弁１１との間には、僅かの間隔を設けている。この間隔の詳細については後述する。
【００１６】
調芯ガイド部材８は、微細な空隙を多数有して形成されている。具体的には、微細な空隙としてポータスタイプ（多孔質）や、調芯ガイド部材８の軸方向に複数の小さい貫通孔を形成してもよい。この場合、調芯ガイド部材８を通過する燃料の一部が部材８内の貫通孔を流れる。
調芯ガイド部材８に有する微細な空隙は、内側部材１０にのみ形成してもよく、さらに外側部材９に形成してもよい。
【００１７】
なお、調芯ガイド部材８は、全体を弾性体で構成してもよく、また本体２と一体として形成してもよい。
次に、上記構成の作用について説明する。
図１に示すように、針弁１１が本体２の先端部２ａの内面に着座している場合には、針弁１１の先端部であるシート部１２が本体２のシール面４に当接して噴孔５をシールする。一方、針弁１１がリフトしている場合には、針弁１１のシート部１２と本体２のシール面４とが離れるため、燃料が噴孔５から噴射される。これにより燃料噴射の有無が制御される。
【００１８】
ここで針弁１１がリフトする際には、針弁１１が根元側および先端側の２つの位置において偏芯しないようにされている。
前述の通り、本体２の縮径部２ｂは、針弁１１の根元部１３と摺動可能な径となっているため、針弁１１がリフトする際に、根元部１３を偏芯させないための第１ガイドとしての機能を有する。
【００１９】
燃料は、針弁１１の根元側の燃料供給路７から調芯ガイド部材８を通過して流れ、噴孔５から噴射される。この流れは、針弁１１が閉弁の状態（着座状態）では発生しないが、針弁１１が僅かでも上昇（リフト）を開始すると発生する。
従来ではこのような燃料の流れにより、針弁１１を径方向外側に偏芯させる瞬間的な力が発生していたが（図１１のＶＣＯノズルを参照）、この力を吸収するため、図３に示すように、燃料が調芯ガイド部材８を通過する際において、外側部材９および内側部材１０により偏芯力に対する反力が働く原理を用いている。
【００２０】
調芯ガイド部材８の内周面８ａと針弁１１の外周面１１ａとの間を流れる燃料により針弁１１に本体２の径方向内側に均等な調芯力が作用する。この調芯力は、レイノルズ方程式による圧力分布に応じて定まる。
従って、調芯ガイド部材８により、調芯ガイド部材８が針弁１１の先端部付近において偏芯しないようにする第２ガイドとして機能する。
【００２１】
このように調芯ガイド部材８を設けることで、針弁１１のリフト時に針弁１１を確実に本体２の軸心に導き、燃料噴霧のばらつきを確実に防止する。すなわち、本体２の軸心と針弁１１の軸心とを一致させることで噴孔５から噴射される燃料噴霧形状を均一にする。このような作用を実現するため、調芯ガイド部材８は後述する所定の条件で設計されることが望ましい。
【００２２】
図４は、針弁１１の偏芯量を先端部（シート部１２）における半径で除した値（％）と、各噴孔５からの燃料噴霧（流量）のばらつきの標準偏差とをプロットした図である。この図は、数値計算によるものであり、燃料噴射弁１の噴孔５は５つの場合について示すものである。なお、偏芯量を調芯ガイド部材８と針弁１１との間隔と置き換えても同様の結果が得られる。
【００２３】
偏芯量（または調芯ガイド部材８と針弁１１との間隔）が針弁１１の先端部における半径に対して０．２％以下である場合において、燃料噴霧のばらつきは非常に小さくなっていることが判る。この理由は、燃料が調芯ガイド部材８を通過する際に、調芯ガイド部材８の内周面８ａと、針弁１１の外周面１１ａとの間の流路面積が非常に小さくなるため、楔圧力により径方向内側に力が働くことで調芯作用したものと考えられる。
【００２４】
以上のことから、針弁１１のリフト量が小さい場合には、調芯ガイド部材８（特に内側部材１０）によって径方向内側に調芯力を作用させることで、径方向外側に作用する最大の偏芯量を小さくし、燃料噴霧のばらつきを低減させる。
また図５は、調芯ガイド部材８の内側部材１０として、液体を含んだゲル状の高分子材料を有する構成を示す図である。（イ）は針弁１１からの偏芯力を受けた状態、（ロ）は針弁１１からの偏芯力により内側部材１０から液体が出ている状態を示している。図６は、経過時間に対する針弁１１の偏芯力を示す図である。
【００２５】
ここで、内側部材１０のゲル状の高分子材料としては、合成ポリペプチドまたは人工軟骨用材料を用いる。なお、外側部材９は弾性体や剛性体（金属など）によって形成する。一方、外側部材９は弾性体や剛性体（金属など）によって形成する。
なお、調芯ガイド部材８の全体を、液体を含んだゲル状の高分子材料として構成してもよい。
【００２６】
針弁１１の低リフト（５０μｍ未満）の場合には、針弁１１に径方向外側の偏芯力が作用する。この偏芯力は、図５（ロ）および図１１に示すように瞬間的（スパイク状）に発生する。この時間幅は０．５μｍ程度である。
調芯ガイド部材８の内側部材１０は液体を含んでいるため、スパイク状の偏芯力に対して強いダンピング作用が働き、偏芯の助長を抑制する。
【００２７】
なお、図７〜図９は、調芯ガイド部材８に燃料通路を確保するために、貫通孔を形成した図を示している。
図７では、調芯ガイド部材８の外側部材９に、円周方向に等しい間隔で６つの貫通孔９ａを形成することで燃料通路を形成している。図８では、調芯ガイド部材８の外側部材９に、円周方向に等しい間隔で４つの貫通孔９ａを形成することで燃料通路を形成している。なお、外側部材９に形成される貫通孔９ａの数や大きさは問わない。
【００２８】
また図９では、図８に示した貫通孔９ａに加えて、調芯ガイド部材８の内側部材１０に、円周方向に等しい間隔で４つの貫通孔１０ａを形成することで燃料通路を形成している。言い換えれば、内側部材１０は、円周方向所定間隔に複数個形成されている。
なお、内側部材１０の貫通孔１０ａの数や大きさは問わない。さらに、本体２の噴孔５から十分な燃料噴霧が可能な程度の燃料供給が可能であれば、内側部材１０にのみ貫通孔１０ａを形成し、外側部材９には貫通孔９ａを形成してもよい。
【００２９】
また、調芯ガイド部材８（外側部材９）の外周を固定することについて説明したが、固定することは必須ではない。すなわち、単に調芯ガイド部材８を、本体２と針弁１１との間に形成される燃料通路の先端側に配置することで、軸方向の位置を規制するものであればよい。この場合には、調芯ガイド部材８の軸方向の上下に、円周方向所定間隔で複数のストッパーを設け、調芯ガイド部材８を軸方向の所定の位置に配置してもよい。
【００３０】
本実施形態によれば、略テーパ状に縮径する先端部２ａの内面（内孔３）に形成されるシール面４に複数の噴孔５が形成された本体２と、この本体２内に挿入され、燃料を供給する側である根元部２ｂにて調芯される一方、先端部１２にてシール面４と接するか否かにより燃料噴射の有無を制御する針弁１１と、を有する燃料噴射弁１において、本体２と針弁１１との間に形成される燃料通路の先端側に、針弁１１にかかる径方向外側の瞬間的な力（偏芯力）を吸収する調芯ガイド部材８を配置した。このため、針弁１１にかかる径方向外側の瞬間的な力をダンピング効果（調芯ガイド部材８の抵抗力）により吸収することで針弁１１の調芯ができ、噴孔５からの燃料噴霧のばらつきを防止できる。そして、数ミクロン程度の加工精度を確保する必要がなく、比較的簡素な構成であるため、製造コストの削減も可能である。
【００３１】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、微細な空隙（ポーラス、貫通孔）を多数有する。このため、空隙には燃料が含まれる状態となっており、針弁１１に径方向外側の負荷が瞬間的にかかったとき、調芯ガイド部材８が針弁１１の更なる偏芯を抑制できる。
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、弾性材料にて構成した。このため、針弁１１の偏芯力に対する反力（調芯力）を十分に確保でき、各噴孔５からの燃料噴霧のばらつきを防止できる。
【００３２】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、液体を含んだゲル状の高分子材料にて構成した。このため、このため、針弁１１が偏芯した際にゲル状の高分子材料中の全ての液体が瞬時に吹き出ることが防止できる（ダンピング作用）。これは針弁１１の偏芯力は瞬間的なものであるため、有効なものである。
また本実施形態によれば、ゲル状の高分子材料として、合成ポリペプチドまたは人工軟骨用材料を用いた。このため、適切な材料であり、十分に針弁１１の偏芯を抑制することができる。
【００３３】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、剛性体にて構成された支持部材を一部に有する。このため、調芯ガイド部材８を、本体２と針弁１１との間に安定して配置することができる。
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、本体２に固定される。このため、調芯ガイド部材８を一定の位置（本体２と針弁１１との間に形成される燃料通路の先端側）に固定することができる。
【００３４】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、本体２に固定される側（外側部材９）を剛性体（金属など）にて構成した。このため、調芯ガイド部材８の固定が容易にできる。
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８と針弁１１との間隔が、針弁１１の先端部（シート部１２）における半径に対して０．２％以下である。このため、図４に示すように、燃料噴霧のばらつきを非常に小さくすることができる。
【００３５】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、円周方向に複数個形成することで構成した。このため、針弁１１が円周方向外側のいずれの方向に瞬間的な偏芯力が加わったとしてもこれを十分に吸収でき、各噴孔５からの燃料噴霧のばらつきを抑制することができる。さらに、燃料通路を十分に確保することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について図１０を用いて説明する。
【００３６】
本実施形態では、調芯ガイド部材８は、内周側が針弁１１に固定され、外周側が本体２に対して摺動可能な径となっている。
調芯ガイド部材８は、円周方向所定間隔で複数個の部材から構成する。調芯ガイド部材８は、外側部材９と内側部材１０とが一体として構成されている。
この場合、外側部材９は、微細な空隙を多数有して形成している。また、外側部材９は、弾性材料または液体を含んだゲル状の高分子材料（例えば、合成ポリペプチドまたは人工軟骨用材料）にて構成してもよい。
【００３７】
調芯ガイド部材８は、剛性体にて構成された支持部材を一部に有している。本実施形態での支持部材は、調芯ガイド部材８における径方向内側に形成された内側部材１０である。この内側部材１０（調芯ガイド部材８）は、内周面が針弁１１に固定されている。この時、外側部材９は、本体２の内孔３（内周面）と摺動可能な外径（例えば、本体２と調芯ガイド部材８との間隔が、針弁１１の先端部（シート部１２）における半径に対して０．２％以下）となっている。
【００３８】
針弁１１がリフトする時には、針弁１１に固定された調芯ガイド部材８も一緒にリフトする。そして、調芯ガイド部材８の外側部材９が本体２の内孔３と摺動することで、外側部材９と内孔３との間がほぼ均一となり針弁１１に瞬間的に径方向外側の力が作用した場合においても、調芯ガイド部材８（特に外側部材９）が十分に偏芯力を吸収する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態に係る燃料噴射弁を示す図
【図２】図１のＸ−Ｘ線における断面図
【図３】図２のＹ−Ｙ線における断面図
【図４】各噴孔からの燃料噴霧のばらつきの標準偏差を示す図
【図５】調芯ガイド部材に瞬間的な力がかかった状態を示す図
【図６】経過時間に対する針弁の偏芯力を示す図
【図７】調芯ガイド部材を示す断面図
【図８】調芯ガイド部材を示す断面図
【図９】調芯ガイド部材を示す断面図
【図１０】第２の実施形態に係る燃料噴射弁を示す図
【図１１】ＶＣＯノズルにかかる負荷を示す図
【符号の説明】
【００４０】
１    燃料噴射弁
２    本体
３    内孔
５    噴孔
８    調芯ガイド部材
８ａ  内周面
９    外側部材
９ａ  貫通孔
１０    内側部材
１０ａ  貫通孔
１１    針弁
１１ａ  外周面
１２    シート部
１３    根元部
【図１】
2006002657.tif 000003
【図２】
2006002657.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006002657.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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