(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から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との間の燃料通路の先端側に、調芯ガイド部材８を配置する。調芯ガイド部材８は、円周方向所定間隔で形成し、外周側が本体２に固定され、内周側が本体２の先端側に行くに従い径が小さくなるよう形成している。調芯ガイド部材８の内周側は、本体２の軸心に向かうようテーパ角度θを３°以下で形成した。【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、前記燃料通路の面積が前記本体の先端側に行くに従い狭くなるよう形成した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、外周側が前記本体に固定され、内周側が前記本体の先端側に行くに従い径が小さくなるよう形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３】
前記調芯ガイド部材の内周側は、前記本体の軸心に向かうようテーパ角度を３°以下で形成したことを特徴とする請求項２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
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２記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記調芯ガイド部材は、円周方向所定間隔で形成したことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記調芯ガイド部材が円周方向に占有する角度と、前記ガイド部材間の角度との関係は、前記調芯ガイド部材と前記針弁との間を流れる流量に対し、前記本体と前記針弁との間を流れる流量の方が小さくなることを特徴とする請求項５記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記調芯ガイド部材は、前記本体と一体に形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記針弁のリフト量が所定値未満の低リフトの場合には前記燃料通路の面積が一定である一方、前記所定値以上の場合には前記燃料通路の面積が大きくなることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記針弁の外周に窪みを設け、リフト量が前記所定値以上大きくなるに従い前記燃料通路の面積が大きくなることを特徴とする請求項８記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
前記針弁のリフト量の所定値は、５０μｍであることを特徴とする請求項８または請求項９記載の燃料噴射弁。
【請求項１１】
前記調芯ガイド部材は、内周側が前記針弁側に固定され、外周側が前記本体の先端側に行くに従い径が大きくなるよう形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１２】
前記調芯ガイド部材は、燃料を通す通路を有することを特徴とする請求項１〜請求項１１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、この燃料通路の面積が本体の先端側に行くに従い狭くなるよう形成した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、燃料が調芯ガイド部材を通過する際に末狭まりの空間を流れることにより発生する楔圧力を燃料噴射弁の径方向内側に均等に働かせることで針弁の調芯が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７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。
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、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、この部材８を通過する燃料通路の面積を本体２の先端側に行くに従い狭くなるよう形成している。ここでは図１，３に示すように、調芯ガイド部材８は、外周側が本体２に固定され、内周側が本体２の先端側に行くに従い径が小さくなるように形成されている。このため、調芯ガイド部材８の内周面８ａは傾斜している。
【００１５】
そして、本体２（針弁１１）の先端部付近に、本体２の軸方向所定長さで、上から下に向けて所定角度θで本体２（針弁４）の軸心に向かうように形成されている。所定角度θは３°以下としている。なお、本体２の先端部付近とは、内孔３が縮径する付近における部分をいう。また、調芯ガイド部材８は、本体２と一体として形成してもよい。
調芯ガイド部材８は、図２に示すように、円周方向所定間隔で複数個形成した部材により構成されている。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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７のＶＣＯノズルを参照）、この力を抑制するため、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、調芯ガイド部材８の内周面８ａと、針弁１１の外周面１１ａとの間の末狭まりの空間（燃料通路）を流れるときに発生する楔圧力を用いて本体２の径方向内側（調芯側）に力が働く原理を用いている。燃料流量は、末狭まる流路に非圧縮性流体が流れ込む場合においても入口側と出口側とで保存されるため、燃料の流速が増加するだけでなく圧力も発生する。
【００１９】
従って、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の楔圧力により針弁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。これにより、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。
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の内周面８ａに当接させることで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だけでなく、調芯ガイド部材８の内周面８ａと、針弁１１の外周面１１ａとの間において発生する楔圧力によって針弁が本体２の径方向内側に調芯力を受け、燃料噴霧のばらつきはさらに小さくなる。
【００２３】
ここで、調芯ガイド部材８の内周面８ａと、針弁１１の外周面１１ａとの間の流路には、ある程度の流量が流れないと圧力が発生しないが、逆にこの流路が小さい場合には、燃料噴射弁１からの流量を十分に確保できないため、調芯ガイド部材８の内周面８ａと、針弁１１との間の流路に占める面積に関しては、図２に示すような工夫が必要である。すなわち、調芯ガイド部材８が円周方向に占有する角度αと、各調芯ガイド部材８の間の角度βとの関係は、調芯ガイド部材８の内周面８ａと針弁１１の外周面１１ａとの間を流れる流Ｑα量に対し、本体２の内孔３と針弁１１の外周面１１ａとの間を流れる流量Ｑβの方が小さくなる（Ｑα＞Ｑβ）ように設計することが好ましい。このようにすれば十分な調芯力が得られる。
【００２４】
なお、調芯ガイド部材８の材料としては、弾性体や金属などによって形成する。これに換えて調芯ガイド部材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。また、調芯ガイド部材８をポーラスタイプ（多孔質）としてもよい。
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、この燃料通路の面積が本体２の先端側に行くに従い狭くなるよう形成した調芯ガイド部材８を配置した。このため、燃料が調芯ガイド部材８を通過する際に末狭まりの空間を流れることにより発生する楔圧力を燃料噴射弁１の径方向内側に均等に働かせることで針弁１１の調芯ができる。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。
【００２５】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、外周側が本体２に固定され、内周側が本体２の先端側に行くに従い径が小さくなるよう形成した。このため、調芯ガイド部材８の径方向内側に楔圧力を均等に働かせることで針弁１１の調芯ができる。
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８の内周側は、本体２の軸心に向かうようテーパ角度を３°以下で形成した。このため、楔圧力を適切な圧力分布とすることができる。
【００２６】
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に示す通り、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。
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、円周方向で均等に楔圧力を加えることができる。
【００２７】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８が円周方向に占有する角度αと、調芯ガイド部材８間の角度βとの関係は、調芯ガイド部材８と針弁１１との間を流れる流量Ｑαに対し、本体２と針弁１１との間を流れる流量Ｑβの方が小さくなる（Ｑα＞Ｑβ）。このため、楔圧力を十分に確保でき針弁１１の調芯ができる。
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、燃料を通す通路（例えば貫通孔、ポーラス）を有する。このため、燃料噴射要求が大きくなった場合においても十分に燃料を供給可能となる。
【００２８】
また本実施形態によれば、調芯ガイド部材８は、本体２と一体に形成した。
次に、本発明の第２の実施形態について図５を用いて説明する。
本実施形態では、針弁１１のリフト量が低リフト（５０μｍ）以上となり、燃料供給量が多くなった場合においても、十分な燃料供給を可能としつつ各噴孔５から噴射される燃料噴霧のばらつきを抑制することを目的としている。
【００２９】
針弁１１のリフト量が低リフトの場合には流量は小さくてよい一方、リフト量の大きい場合には流量が必要であるため、図示の通り、針弁１１の先端部側に窪みとしての円周溝２０を形成している。円周溝２０は、調芯ガイド部材８と、針弁１１のシート部１２との間に形成している。
調芯ガイド部材８の下端と、円周溝２０の上端との間の所定距離Ｌは、５０μｍとしている。これは５０μｍ未満の低リフトでは針弁１１の偏芯の影響が大きく燃料供給要求が低くなる一方、５０μｍ以上の高リフトでは針弁１１の影響が小さく燃料供給要求が高くなるためである。
【００３０】
そして、針弁１１が低リフトで燃料噴射を行っている場合には、調芯ガイド部材８を通過する燃料の量を一定にする一方、リフト量が大きくなった場合には、調芯ガイド部材８の内周面８ａと円周溝２０との間の燃料通路の面積が大きくなる。
なお、円周溝２０の形状は、針弁１１の径方向内側にＵ字状に形成されることに限定されず、例えばＶ字状であってもよい。
【００３１】
本実施形態によれば、針弁１１のリフト量が所定値未満の低リフトの場合には燃料通路の面積が一定である一方、所定値以上の場合には燃料通路の面積が大きくなる。このため、針弁１１の偏芯が大きい低リフトでは調芯ガイド部材８により調芯が抑制される一方、偏芯が少ない高リフトでは十分な燃料供給が可能となる。
また本実施形態によれば、針弁１１の外周に窪みを設け、リフト量が所定値以上大きくなるに従い燃料通路の面積が大きくなるようにした。このため、高リフトにおいて十分な燃料供給が可能となる。
【００３２】
また本実施形態によれば、針弁１１のリフト量の所定値は、５０μｍである。このため、５０μｍを境に、低リフト時（５０μｍ未満）には針弁１１の偏芯を抑制する一方、高リフト時（５０μｍ以上）には十分な燃料供給を可能とすることができる。
次に、本発明の第３の実施形態について図６を用いて説明する。
本実施形態では、調芯ガイド部材２１は、内周側が針弁１１側に固定され、外周側が本体２の先端側に行くに従い径が大きくなるよう形成している。調芯ガイド部材２１の外周面２１ａは、本体２の内孔（内周面）３との間に隙間が形成されている。
【００３３】
これにより、燃料が調芯ガイド部材２１を通過する際に、楔圧力が本体２側に加わることでこれに対する反発力により針弁１１が調芯される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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】第２の実施形態に係る燃料噴射弁を示す図
【図６】第３の実施形態に係る燃料噴射弁を示す図
【図７】ＶＣＯノズルにかかる負荷を示す図
【符号の説明】
【００３５】
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
１１    針弁
１１ａ  外周面
１２    シート部
１３    根元部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006002656.tif 000008
【図７】
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