(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に設けられた噴孔と、前記噴孔に連通するサック室と、前記サックに連通するガイド孔とを備えたボディと、
前記ガイド孔内に前記ガイド孔の軸方向に摺動自在に嵌合されて前記サック室内と前記ガイド孔内の空間との連通遮断を切り替えるニードルと、を備えたノズルであって、
前記ニードルの前記ガイド孔に嵌合している軸部の外周部には前記軸部よりも径方向において内側に前記ニードルの軸方向に伸びる平面部が設けられ、
前記ガイド孔と前記ニードルの前記平面部とにより囲まれる空間が前記サック室へ燃料を供給する燃料通路を形成し、
前記平面部および前記ガイド孔のうちで前記平面部と前記ニードルの径方向において対向する部分である通路部の少なくともどちらか一方に、前記燃料通路に対して凹である凹部および前記燃料通路に対して凸である凸部のうち少なくとも前記凹部を備え、
前記凹部は前記ニードルの軸方向と直交する方向に伸びる断面Ｖ字状あるいは断面Ｕ字状の溝であることを特徴とするノズル。
【請求項２】
前記溝は互いに平行に複数個形成されることを特徴とする請求項1に記載のノズル。
【請求項３】
先端に設けられた噴孔と、前記噴孔に連通するサック室と、前記サックに連通するガイド孔とを備えたボディと、
前記ガイド孔内に前記ガイド孔の軸方向に摺動自在に嵌合されて前記サック室内と前記ガイド孔内の空間との連通遮断を切り替えるニードルと、を備えたノズルであって、
前記ニードルの前記ガイド孔に嵌合している軸部の外周部には前記軸部よりも径方向において内側に前記ニードルの軸方向に伸びる平面部が設けられ、
前記ガイド孔と前記ニードルの前記平面部とにより囲まれる空間が前記サック室へ燃料を供給する燃料通路を形成し、
前記平面部および前記ガイド孔のうちで前記平面部と前記ニードルの径方向において対向する部分である通路部の少なくともどちらか一方に、前記燃料通路に対して凹である凹部および前記燃料通路に対して凸である凸部のうち少なくとも前記凸部を備え、
前記凸部は前記ニードルの軸方向と直交する方向に伸びる断面Ｖ字状あるいは断面Ｕ字状の突出壁であることを特徴とするノズル。
【請求項４】
前記突出壁は互いに平行に複数個形成されることを特徴とする請求項３に記載のノズル。
【請求項５】
前記凹部および前記凸部は前記燃料通路の少なくとも上流側端部近傍に形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に取り付けられてその燃焼室内に燃料を噴射するためのノズルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のノズルとして、たとえば燃料噴射装置であるインジェクタに装着されて、ボディ内に軸方向に移動自在に嵌合されたニードルを移動させることにより、ボディの先端部に形成された噴孔からの燃料噴射を制御するノズルが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１におけるノズルは、先端に設けられた噴孔と、この噴孔に連通するサック室と、サックに連通するガイド孔とを備えたボディと、ガイド孔内にガイド孔の軸方向に摺動自在に嵌合されてサック室内とガイド孔内の空間との連通遮断を切り替えるニードルと、を備え、ニードルのガイド孔に嵌合している軸部の外周部には軸部よりも径方向において内側にニードルの軸方向に伸びる平面部が設けられ、ガイド孔とニードルの平面部とにより囲まれる空間がサック室へ燃料を供給する燃料通路を形成している。ボディにはサック室の上流側に弁座が設けられ、ニードルには、この弁座と当接する弁部が設けられている。ニードルには、その両端部に作用する燃料圧力によりニードルの軸方向の力が作用している。ニードルの一端であるサック室側端部においては、弁部に作用する燃料圧力により弁部が弁座から離れる方向の力が作用している。一方、ニードルの他端である弁部と反対側端部においては、端面に作用する燃料圧力により弁部を弁座へ押し付ける方向の力が作用している。
【０００４】
ニードルの一端であるサック室側端部に作用する燃料圧力は、常時高圧、たとえばコモンレール圧力と同等の圧力となっている。一方、ニードルにおける弁部と反対側端部である制御側端部に作用する燃料圧力は、コモンレール圧力と同等の高圧および燃料タンク内圧力と同等の低圧のどちらか一方に、電磁弁あるいはピエゾ素子等の電気アクチュエータの作動により切り替えられる。制御側端部圧力が高圧に切り替えられると、弁部が弁座から離れる方向の力よりも弁部を弁座へ押し付ける力が大きくなり、ニードルが移動して弁部が弁座に当接し、サック室内とガイド孔内との連通が遮断されサック室への燃料供給が遮断されるので噴孔から燃料は噴射されない。制御側端部圧力が低圧に切り替えられると、弁部が弁座から離れる方向の力が弁部を弁座へ押し付ける力を上回り、ニードルが移動して弁部が弁座から離れ、サック室内とガイド孔内とが連通してサック室内へ燃料が供給されるので噴孔から燃料が噴射される。
【特許文献１】特開２０００−１６１１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のノズルにおいて、燃料は、ガイド孔とニードルの平面部とにより囲まれる空間からなる燃料通路を通過してサック室へ供給される。この燃料通路を燃料が流れる際の全圧力損失、すなわち燃料通路の流方向の両端間における圧力損失は、層流損失および乱流損失の和になる。従来のノズルの場合、燃料通路における燃料の流れは層流状態である。したがって、従来のノズルにおいては、燃料通路の全圧力損失は層流損失となっている。層流損失は、燃料通路の断面形状を円環状と近似すると（数１）のように表される。
（数１）１２μｌ／πｄｈ３
ここで、μは燃料の粘性係数、ｌは燃料通路長さ、πは円周率、ｄは円環の代表直径、ｈは円環の幅である。（数１）から明らかなように、燃料の粘性係数が変化すると層流損失の大きさが変化する。
【０００６】
ところで、ノズルを通過する燃料温度はエンジンの運転時間経過や運転条件により変化する。たとえば、冬季の寒冷地域において、エンジン始動時には−１０℃前後であるが、始動後運転時間が経過するに連れて上昇し、全負荷運転状態では１１０℃以上に達する。一方、無負荷時、つまりアイドリング運転中においては７０℃程度まで低下する。したがって、エンジン運転中においても、７０℃〜１１０℃の間で変動することになる。
【０００７】
また、燃料の粘性係数は温度に依存し、燃料温度が高くなるほど粘性係数は低下する。
【０００８】
以上から、従来のノズルにおいては、燃料通路の全圧力損失は、燃料温度が上昇するに連れて、燃料の粘性係数が小さくなるので層流損失が減少して、小さくなる。すなわち、ノズルのサック室内の燃料圧力は、燃料温度が上昇するに連れて高くなる。
【０００９】
そうすると、ニードルのサック室側端部において燃料圧力により作用する弁部が弁座から離れる方向の力の大きさが増大する。すなわち、燃料温度が上昇するに連れて、ニードルの制御側端部圧力を高圧に切り替えてニードルを弁座に当接させて噴射を停止する際に、ニードルが弁座に向かって移動する動きに対する抵抗が増大することになる。このため、燃料温度が上昇するに連れて、噴孔から燃料噴射が開始してからニードルの弁部がボディの弁座に当接するまでの時間、言い換えると噴孔からの燃料噴射が停止するまでの時間が長くなり、言い換えると、燃料噴射量が増加することになり、エンジンのトルク特性や排気成分が変化するという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、その目的は、燃料温度変化に伴う燃料通路の全圧力損失の大きさの変動を抑制して、燃料温度変化による燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、先端に設けられた噴孔と、噴孔に連通するサック室と、サックに連通するガイド孔とを備えたボディと、ガイド孔内にガイド孔の軸方向に摺動自在に嵌合されてサック室内とガイド孔内の空間との連通遮断を切り替えるニードルと、を備えたノズルであって、ニードルのガイド孔に嵌合している軸部の外周部には軸部よりも径方向において内側にニードルの軸方向に伸びる平面部が設けられ、ガイド孔とニードルの平面部とにより囲まれる空間がサック室へ燃料を供給する燃料通路を形成し、平面部およびガイド孔のうちで平面部とニードルの径方向において対向する部分である通路部の少なくともどちらか一方に、燃料通路に対して凹である凹部および燃料通路に対して凸である凸部のうち少なくとも凹部を備え、凹部はニードルの軸方向と直交する方向に伸びる断面Ｖ字状あるいは断面Ｕ字状の溝であることを特徴としている。
【００１２】
上述の構成によれば、燃料通路内を燃料が流れる場合、燃料が凹部の開口部を通過するときに、あるいは燃料が凸部を乗り越えるときに、凹部あるいは凸部の下流側に剥離により渦が発生する。これにより、燃料通路内の流れ状態が層流から乱流に変化する。燃料通路の全圧力損失は層流損失および乱流損失の和として表される。このうち層流損失は、燃料温度が上昇すると、それに連れて燃料の粘性係数が小さくなるので減少する。一方、乱流損失は、燃料温度が上昇すると、それに連れて燃料の粘性係数が小さくなり流速が増大するので、凹部あるいは凸部における渦発生が促進されて増大する。すなわち、燃料温度が上昇するに連れて、層流損失は減少していくのに対して乱流損失は反対に増加していく。したがって、燃料温度上昇に伴う全圧力損失の変動割合が従来のノズルの場合に比べて小さくなるので、燃料温度上昇に伴うサック室内燃料圧力の変動割合を従来のノズルの場合に比べて小さくできる。したがって、ニードルの制御側端部圧力を高圧に切り替えてニードルを弁座に当接させて噴射を停止する際に、ニードルが弁座に向かって移動する動きに対する抵抗の大きさを従来のノズルの場合に比べて小さくできる。これにより、燃料温度の変化に伴う、噴孔からの燃料噴射が開始されてからニードルの弁部がボディの弁座に当接して噴孔からの燃料噴射が停止するまでの時間の変動割合を、従来のノズルの場合に比べて小さくすることができる。したがって、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを提供することができる。加えて、ニードルの平面部あるいはボディのガイド孔内周へ溝を設ける加工は、通常容易に行うことができる。したがって、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを、そのコスト上昇を抑制しつつ製作することができる。
【００１３】
さらに、本発明の請求項２に記載のノズルのように、溝を互いに平行に複数個形成する構成とすれば、燃料通路における燃料流れを乱流状態とするための渦を発生させる部位が増えることになり、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを確実に実現することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、先端に設けられた噴孔と、噴孔に連通するサック室と、サックに連通するガイド孔とを備えたボディと、ガイド孔内にガイド孔の軸方向に摺動自在に嵌合されてサック室内とガイド孔内の空間との連通遮断を切り替えるニードルと、を備えたノズルであって、ニードルのガイド孔に嵌合している軸部の外周部には軸部よりも径方向において内側にニードルの軸方向に伸びる平面部が設けられ、ガイド孔とニードルの平面部とにより囲まれる空間がサック室へ燃料を供給する燃料通路を形成し、平面部およびガイド孔のうちで平面部とニードルの径方向において対向する部分である通路部の少なくともどちらか一方に、燃料通路に対して凹である凹部および燃料通路に対して凸である凸部のうち少なくとも凸部を備え、凸部はニードルの軸方向と直交する方向に伸びる断面Ｖ字状あるいは断面Ｕ字状の突出壁であることを特徴としている。
【００１９】
上述の構成によっても、燃料通路内を燃料が流れる場合、燃料が凹部の開口部を通過するときに、あるいは燃料が凸部を乗り越えるときに、凹部あるいは凸部の下流側に剥離により渦が発生する。これにより、燃料通路内の流れ状態が層流から乱流に変化する。燃料通路の全圧力損失は層流損失および乱流損失の和として表される。このうち層流損失は、燃料温度が上昇すると、それに連れて燃料の粘性係数が小さくなるので減少する。一方、乱流損失は、燃料温度が上昇すると、それに連れて燃料の粘性係数が小さくなり流速が増大するので、凹部あるいは凸部における渦発生が促進されて増大する。すなわち、燃料温度が上昇するに連れて、層流損失は減少していくのに対して乱流損失は反対に増加していく。したがって、燃料温度上昇に伴う全圧力損失の変動割合が従来のノズルの場合に比べて小さくなるので、燃料温度上昇に伴うサック室内燃料圧力の変動割合を従来のノズルの場合に比べて小さくできる。したがって、ニードルの制御側端部圧力を高圧に切り替えてニードルを弁座に当接させて噴射を停止する際に、ニードルが弁座に向かって移動する動きに対する抵抗の大きさを従来のノズルの場合に比べて小さくできる。これにより、燃料温度の変化に伴う、噴孔からの燃料噴射が開始されてからニードルの弁部がボディの弁座に当接して噴孔からの燃料噴射が停止するまでの時間の変動割合を、従来のノズルの場合に比べて小さくすることができる。したがって、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを提供することができる。加えて、ニードルの平面部へ突出壁を設ける加工は、切削加工あるいは放電除去加工等により容易に行うことができる。したがって、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを、そのコスト上昇を抑制しつつ製作することができる。
【００２３】
さらに、本発明の請求項４に記載のノズルのように、突出壁を互いに平行に複数個形成する構成とすれば、燃料通路における燃料流れを乱流状態とするための渦を発生させる部位が増えることになり、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを確実に実現することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、凹部および凸部は燃料通路の少なくとも上流側端部近傍に形成されることを特徴としている。
【００２５】
このような構成によれば、燃料通路の上流側端部近傍で燃料流れに渦を発生させ、この渦が燃料通路の下流側へ流れていくので、燃料通路の全長にわたって燃料流れを確実に乱流状態とすることができる。したがって、燃料温度の変動に伴う燃料噴射量変動を抑制可能なノズルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明が適用されたノズルの一実施形態をエンジンの燃料噴射弁１００に組み込まれたノズル１を例に各図を参照して説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
燃料噴射弁１００は、たとえば、ディーゼルエンジンに搭載されるコモンレール式燃料噴射装置に用いられるものであり、図示しないコモンレールから供給される高圧燃料をエンジンの燃焼室に噴射するものである。
【００２９】
燃料噴射弁１００は、図１に示すように、ノズル１、プレート７、および、図示しないピエゾアクチュエータ、バルブ装置、ロアボディなどを収容し積層し、リテーニングナット１０１を図示しないロアボディに締結して形成されている。
【００３０】
燃料噴射弁１００へは、図示しないコモンレールから図示しない配管を介して高圧燃料が供給されている。
【００３１】
ノズル１は、図1に示すように、ボディ２、ニードル３、スプリングシート４、コイルスプリング５およびシリンダ６から構成されている。
【００３２】
ボディ２は、図１に示すように、金属材料から直径が段階的に変化する円柱状に形成され、内部にはボディ２の一端側に開口し且つ外周と同軸上のノズル孔２ｄが形成されている。ボディ２のノズル孔２ｄの開口端側端面、つまり図１において上側の端面に、図１に示すように、プレート７を密着させて配置することにより、ノズル孔２ｄは閉ざされた空間となる。ボディ２のノズル孔２ｄの開口端側端面と反対側の端部、つまり図１において下側の端部には、ノズル孔２ｄ内空間とボディ２の外側空間とを連通する貫通孔である噴孔２ｃが形成されている。ノズル孔２ｄには、噴孔２ｃよりもノズル孔２ｄの開口端側に、後述するニードル３が当接可能な弁座２ｂが形成されている。弁座２ｂは、噴孔２ｃからノズル孔２ｄの開口端に向かうに連れてその直径が大きくなる円錐面状に形成されている。ノズル孔２ｄには、弁座２ｂよりもノズル孔２ｄの開口端側に、ニードル３をボディ２の軸方向において摺動自在に嵌合し支持するガイド孔２ａが形成されている。ノズル孔２ｄには、ニードル３、スプリングシート４、コイルスプリング５、およびシリンダ６が収容されている。
【００３３】
ニードル３は、金属材料から略円柱状に形成されている。ニードル３は、ボディ２のノズル孔２ｄ内において、図２に示すように、ニードル３の軸部３ｄがガイド孔２ａと軸方向に摺動自在に嵌合しつつ収容されている。ニードル３の噴孔２ｃ側の先端部には、ボディ２の弁座２ｂと当接可能な弁部３ｂが設けられている。弁部３ｂは、ニードル３の軸方向において噴孔２ｃに向かうに連れて直径が小さくなる円錐面状に形成されている。ボディ２のノズル孔２ｄにニードル３が嵌合した状態で、弁座２ｂをなす円錐面と弁部３ｂをなす円錐面とは互いに同軸上であり、弁座２ｂをなす円錐面の中心角は弁部３ｂをなす円錐面の中心角よりも大きく設定されている。ニードル３が噴孔２ｃに近づくように軸方向に移動すると、やがてニードル３の弁部３ｂとボディ２の弁座２ｂが当接する。両者の接触状態は円形の線接触となっている。ニードル３の弁部３ｂとボディ２の弁座２ｂとが当接すると、すなわち閉弁状態において、ノズル孔２ｄの噴孔２ｃに臨む部分とニードル３とに囲まれた空間として、図１に示すように、サック室Ｓが形成される。ニードル３の弁部３ｂがボディ２の弁座２ｂから離れているとき、すなわち開弁時にはサック室Ｓはノズル孔２ｄと連通し、ニードル３の弁部３ｂとボディ２の弁座２ｂとが当接している閉弁時にはサック室Ｓはノズル孔２ｄから遮断されている。
【００３４】
ニードル３の軸部３ｄの外周部には、軸部３ｄよりもニードル３の径方向において内側に平面部３ａが設けられている。平面部３ａは、ニードル３の軸方向において軸部３ｄの全長に亘って形成されている。すなわち、平面部３ａは、軸部３ｄの外周にたとえば切削加工を施して平面を形成するようにして設けられている。平面部３ａは、本発明の第１実施形態によるノズル１においては、図２に示すように、軸部３ｄの外周に等角度間隔で４面形成されている。つまり、軸部３ｄを成す円筒面は、４つの平面部３ａにより等角度間隔に４分割されている。４分割されたこれらの円筒面がガイド孔２ａと嵌合している。
【００３５】
ニードル３の平面部３ａとボディ２のガイド孔２ａとに囲まれる空間、すなわちニードル軸方向断面形状が、図２に示すように、略半月形である空間が燃料通路Ｐを構成している。後述するプレート７の燃料供給孔７ａを介してノズル孔２ｄ内に燃料が流入すると、これらの燃料通路Ｐも燃料で満たされる。そして、ニードル３が軸方向に移動して開弁状態となると、ノズル孔２ｄ内の燃料はサック室Ｓから噴孔２ｃを経てノズル１の外部、つまりエンジンの燃焼室内に噴射される。このとき、プレート７の燃料供給孔７ａを介してノズル孔２ｄ内に流入した燃料は、燃料通路Ｐを流れてサック室Ｓへ至る。
【００３６】
ニードル３の平面部３ａには、図１に示すように、燃料通路Ｐに対して凹である凹部３ｃが形成されている。凹部３は、図３に示すように、平面部３ａよりもニードル３の径方向において内側に形成されている。凹部３ｃの燃料通路Ｐ上流側端部および下流側端部には、図２に示すように、端面３ｃ１、端面３ｃ２がそれぞれ形成されている。
【００３７】
ニードル３には、軸部３ａよりも軸方向において弁部３ｂと反対側に、図１に示すように、軸部３ａ側から順番にスプリングシート４、コイルスプリング５、シリンダ６が直列にニードル３の外側に嵌合されている。ノズル１が燃料噴射弁１００に組み付けられた状態においてコイルスプリング５は圧縮状態となっており、その弾性変形反力により、ニードル３の弁部３ｂがボディ２の弁座２ｂに当接して閉弁しているとともに、シリンダ６がプレート７に押圧接触している。このとき、ニードル３のプレート７側端面とプレート７との間には、図１に示すように、隙間Ｃが形成されている。
【００３８】
プレート７は、たとえば金属材料により円盤状に形成されている。プレート７には、図１に示すように、燃料供給孔７ａ、制御孔７ｂ、制御孔７ｃが形成されている。燃料噴射弁１００の完成状態において、燃料供給孔７ａは、図１に示すように、ボディ２のノズル孔２ｄとシリンダ６の外周面との間の空間に連通している。制御孔７ｂは、図１に示すように、シリンダ６の内周面とニードル３の端面およびプレート７により囲まれた空間Ｂに連通している。制御孔７ｃは、図１に示すように、ボディ２のノズル孔２ｄとシリンダ６の外周面との間の空間に連通している。燃料供給孔７ａへは、燃料噴射弁１００を構成する図示しないロアボディを介して、図示しないコモンレールから高圧燃料が供給されている。制御孔７ｂおよび制御孔７ｃは、燃料噴射弁１００を構成する図示しない弁機構に連通している。この弁機構は、燃料噴射弁１００を構成する図示しないロアボディを介して、図示しない外部の低圧燃料通路に連通している。また、この弁機構は、燃料噴射弁１００を構成する図示しないピエゾアクチュエータにより駆動されて作動する。図示しない弁機構は、図示しないピエゾアクチュエータにより駆動されて、制御孔７ｂと制御孔７ｃとを連通する停止モードと、制御孔７ｂを上述した図示しない外部の低圧燃料通路に連通し且つ制御孔７ｃを遮断する噴射モードとを切り替えている。
【００３９】
停止モードにおいては、制御孔７ｂと制御孔７ｃとが連通しているので、空間Ｂは制御孔７ｃおよび制御孔７ｂを介してノズル孔２ｄ内空間に連通している。すなわち、空間Ｂ内の燃料圧力は、ノズル孔２ｄ内の燃料圧力、つまり高圧となっている。ここで、停止モード時にニードル３の軸方向に作用する力について説明する。ニードル３には、ニードル３の弁部３ｂ側端面の弁座２ｂとの当接部よりも外周側部分において燃料圧力から受ける開弁方向（図１において上向き）の力Ｆ１、ニードル３のプレート７側端面において燃料圧力から受ける閉弁方向（図１において下向き）の力Ｆ２、圧縮状態にあるコイルスプリング４による弾性力から受ける閉弁方向（図１において下向き）の力Ｆ３、の３つの力が作用している。これら３つの力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の間には、（Ｆ２＋Ｆ３＞Ｆ１）なる関係が成立している。これにより、３つの力の合成力Ｆｔの作用方向は閉弁方向（図１において下向き）となり、ニードル３がボディ２の弁座２ｂに着座し、噴孔２ｃからの燃料噴射は行われない。
【００４０】
噴射モードにおいては、制御孔７ｂが図示しない外部の低圧燃料通路に連通し且つ制御孔７ｃが遮断されている。すなわち、空間Ｂが制御孔７ｂを介して外部の低圧燃料通路に連通するので、ニードル３のプレート７側端面において燃料圧力から受ける閉弁方向（図１において下向き）の力が、停止モード時におけるＦ２よりも減少してＦ４となる。そうすると、ニードル３に作用する３つの力Ｆ１、Ｆ４、Ｆ３の関係は、（Ｆ４＋Ｆ３＜Ｆ１）となる。これにより、３つの力の合成力Ｆｔの作用方向は開弁方向（図１において上向き）となり、ニードル３がボディ２の弁座２ｂから離れて、高圧燃料が燃料通路Ｐを経てサック室Ｓへ流入し噴孔２ｃから噴射される。ここで、ニードル３がボディ２の弁座２ｂから離れた瞬間に、ニードル３が弁部３ｂ側端部において燃料圧力から受ける開弁方向（図１において上向き）の力は、燃料圧力を受ける面積が弁部３ｂ側端面全体に増えるため、Ｆ１からＦ５へ増大する。したがって、噴射モードの燃料噴射中におけるニードル３に作用する３つの力Ｆ５、Ｆ４、Ｆ３の関係は、（Ｆ４＋Ｆ３＜Ｆ５＞Ｆ１）となる。
【００４１】
噴射モードで燃料噴射中に、燃料噴射弁１００の図示しない弁機構が停止モードに切り替えられると、ニードル３に作用する３つの力Ｆ５、Ｆ２、Ｆ３の関係は、（Ｆ２＋Ｆ３＜Ｆ５）となり、ニードル３が閉弁方向（図１において下向き）に移動する。さらに、ニードル３が弁座２ｂに着座すると、ニードル３が弁部３ｂ側端部において燃料圧力から受ける開弁方向（図１において上向き）の力はＦ５からＦ１に減少し、ニードル３に作用する３つの力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の関係は、（Ｆ２＋Ｆ３＜Ｆ１）となり、閉弁状態が維持される。
【００４２】
次に、本発明の第１実施形態によるノズル１の特徴である、燃料通路Ｐの構成、すなわちニードル３の平面部３ａに凹部３ｃを設けたことの作用および効果について説明する。
【００４３】
先ず、図４に示すように、平面部３ａに凹部３ｃが無い場合、つまり従来のノズル１０２の場合について説明する。従来のノズル１０２においては、燃料は燃料通路Ｐ内を図４中の矢印で示すように流れ、その流れ状態は層流である。燃料通路Ｐにおける全圧力損失ΔＰは、乱流損失ＬＴと層流損失ＬＬの和である。したがって、従来のノズル１０２においては、燃料通路Ｐの全圧力損失ΔＰは層流損失ＬＬとなる。層流損失ＬＬは、燃料通路の断面形状を円環状と近似すると（数２）のように表される。
（数２）ＬＬ＝１２μｌ／πｄｈ３
ここで、μは燃料の粘性係数、ｌは燃料通路長さ、πは円周率、ｄは円環の代表直径、ｈは円環の幅である。（数２）によれば、燃料の粘性係数が変化すると層流損失の大きさが変化することがわかる。すなわち、燃料の粘性係数が小さくなるに連れて層流損失ＬＬは減少する。ところで、燃料通路内の燃料温度はエンジンの運転時間経過や運転条件により変化する。たとえば、冬季の寒冷地域において、エンジン始動時には−１０℃前後であるが、始動後運転時間が経過するに連れて上昇し、全負荷運転状態では１１０℃以上に達する。一方、無負荷時、つまりアイドリング運転中においては７０℃程度まで低下する。したがって、エンジン運転中においても、７０℃〜１１０℃の間で変動することになる。また、燃料の粘性係数は温度に依存し、燃料温度が高くなるほど粘性係数は低下する。したがって、従来のノズル１０２においては、図５に示すように、燃料通路の全圧力損失ΔＰ、つまり層流損失ＬＬは、燃料温度が上昇するに連れて減少し、所定の温度変化に対応する全圧力損失ΔＰの変化幅ｄＰが大きくなる。このため、燃料通路のサック室側端部の圧力は、燃料温度が上昇するに連れて、上昇する。これにともなって、ニードルのサック室側端部において燃料圧力により作用する弁部が弁座から離れる方向の力の大きさが増大する。すなわち、燃料温度が上昇するに連れて、ニードルの制御側端部圧力を高圧に切り替えてニードルを弁座に当接させて噴射を停止する際に、ニードルが弁座に向かって移動する動きに対する抵抗が増大することになる。このため、燃料温度が上昇するに連れて、噴孔から燃料噴射が開始してからニードルの弁部がボディの弁座に当接するまでの時間、言い換えると噴孔からの燃料噴射が停止するまでの時間が長くなり、言い換えると、燃料噴射量が増加することになり、エンジンのトルク特性や排気成分が変化するという問題が生じる。
【００４４】
これに対して、本発明の第１実施形態によるノズル１の場合、燃料は燃料通路Ｐ内を図３中の矢印で示すように流れる。すなわち燃料通路Ｐを平面部３ａに沿ってきた燃料流れは、凹部３ｃの端面３ｃ１において燃料通路Ｐの断面積が急拡大するために、端面３ｃ１の近くで、図３に中において矢印で示すように、渦が発生する。それにより、燃料通路Ｐ内の流れ状態は乱流となる。この場合、燃料通路Ｐの全圧力損失ΔＰは乱流損失ＬＴと層流損失ＬＬとの和となる。層流損失ＬＬは、先に説明したように、燃料温度が上昇するに連れて減少する。一方、乱流損失ＬＴは、層流損失ＬＬが減少して流速が増大することによって増加する。すなわち、本発明の第１実施形態によるノズル１の場合、燃料温度上昇に連れて層流損失ＬＬは減少するのに対して乱流損失ＬＴは増大する。したがって、両者の和である全圧力損失ΔＰは、図６中において一点鎖線で示すように変化し、その所定の温度変化に対応する全圧力損失ΔＰの変化幅ｄＰは、従来のノズル１０２の場合と比べて小さくなる。これにより、燃料温度上昇に伴うニードル３の弁部３ｂ付近の燃料圧力上昇度合いを、従来のノズル１０２の場合に比べて小さくすることができる。したがって、従来のノズル１０２における問題、すなわち燃料温度が上昇するに連れて、燃料噴射が停止するまでの時間が長くなって燃料噴射量が増加し、エンジンのトルク特性や排気成分が変化するという問題の発生を防止することができる。
【００４５】
また、本発明の第１実施形態によるノズル１においては、凹部３は、燃料通路Ｐのほぼ全長にわたって設けられている。言い換えると、燃料通路Ｐの上流側端部近傍には確実に対応して形成されている。これにより、燃料流れが燃料通路Ｐに至ると直ちに凹部３ｃにより流路断面積が急拡大して渦が発生し、これらの渦が燃料通路Ｐの下流側へ流れることで、燃料通路Ｐのほぼ全域において流れ状態を乱流流れとすることができる。したがって、燃料通路Ｐにおける全圧力損失ΔＰが燃料温度上昇に伴って大きく変動することを抑制することができる。
【００４６】
また、本発明の第１実施形態によるノズル１においては、ニードル３が開弁状態のときに、燃料通路Ｐ内の燃料流れが凹部３ｃの端面３ｃ２に衝突することにより、ニードル３に対して閉弁方向（図１において下向き）の力Ｆ６が作用する。燃料噴射弁１００の図示しない弁機構が噴射モードから停止モードに切り替えられたときのニードル３に作用する各力の関係は、（Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ６＜Ｆ５）となる。このように、燃料通路Ｐ内の燃料流れが凹部３ｃの端面３ｃ２に衝突してニードル３に及ぼす力は、ニードル３の閉弁動作を助長する役割を果たすので、これによっても、燃料温度上昇に伴う燃料噴射期間増大を抑制することができる。
【００４７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるノズル１は、本発明の第１実施形態によるノズル１に対して燃料通路Ｐの構成を変更したものである。
【００４８】
本発明の第２実施形態によるノズル１においては、凹部として、図７に示すように、ニードル３の軸方向に直交する方向に伸びる断面略Ｕ字条の溝３ｅを複数個、具体的には３本設けている。溝３ｅは、燃料通路Ｐの上流側、つまり、図７において上側の端部近傍をはじめとして、燃料通路Ｐの途中に設けられている。
【００４９】
この場合、燃料流れが燃料通路Ｐに至ると最上流側の溝３ｅ（図７において一番上側の溝３ｅ）により流路断面積が急拡大して渦が発生する。さらに最上流側の溝３ｅの下流側に位置する２つの溝３ｅにおいても、同様に渦が発生する。これにより、燃料通路Ｐのほぼ全域において流れ状態を乱流流れとすることができる。したがって、本発明の第１実施形態によるノズル１の場合と同様に、燃料通路Ｐにおける全圧力損失ΔＰが燃料温度上昇に伴って大きく変動することを抑制することができる。
【００５０】
なお、本発明の第２実施形態によるノズル１において、溝３ｅの断面形状を略Ｕ字状としているが、Ｕ字状に限定する必要は無く、たとえば、図８（ａ）に示すようなＶ字状、あるいは図８（ｂ）に示すような半円形状としてもよい。また、本発明の第２実施形態によるノズル１において、溝３ｅの個数を３本としているが、３本に限る必要は無く、２本あるいは４本以上であっても良い。
【００５１】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるノズル１は、本発明の第１実施形態によるノズル１に対して燃料通路Ｐの構成を変更したものである。
【００５２】
本発明の第３実施形態によるノズル１においては、凹部として、図９に示すように、ニードル３の平面部３ａに内壁面形状が球面状である穴３ｆを複数個設けている。複数の穴３ｆは、燃料通路Ｐの上流側、つまり、図９において上側の端部近傍をはじめとして、燃料通路Ｐの途中に至るまで規則的に配置されている。穴３ｆは、その断面形状が図１０に示すように、半円状であり、たとえば、先端が半球状の電極を用いて放電加工等により形成される。
【００５３】
この場合、燃料流れが燃料通路Ｐに至ると最上流側の各穴３ｆ（図９において一番上側の各穴３ｆ）により流路断面積が急拡大して渦が発生する。さらに最上流側の穴３ｆよりも下流側に位置する各穴３ｆにおいても、同様に渦が発生する。これにより、燃料通路Ｐのほぼ全域において流れ状態を乱流流れとすることができる。したがって、本発明の第１実施形態によるノズル１の場合と同様に、燃料通路Ｐにおける全圧力損失ΔＰが燃料温度上昇に伴って大きく変動することを抑制することができる。
【００５４】
なお、本発明の第３実施形態によるノズル１において、穴３ｆの断面形状を半円状としているが、半円状に限定する必要は無く、たとえば、図１１（ａ）に示すようなＵ字状、あるいは図１１（ｂ）に示すようなＶ字状としてもよい。また、本発明の第３実施形態によるノズル１において、穴３ｆを燃料通路Ｐの途中まで設けているが、燃料通路Ｐの全長にわたって形成してもよい。さらに、穴３ｆの直径および深さ寸法、個数配置密度等は、適用されるニードル３における燃料流速等に応じて適宜選定されるものである。
【００５５】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態によるノズル１は、本発明の第１実施形態によるノズル１に対して燃料通路Ｐの構成を変更したものである。
【００５６】
本発明の第４実施形態によるノズル１においては、ニードル３の平面部３ａに、凹部に替えて、燃料通路Ｐ側に凸である凸部を形成している。本発明の第４実施形態によるノズル１においては、凸部として、図１２に示すように、ニードル３の軸方向と直交する方向に伸びる突起壁３ｈを複数個、具体的には３列設けている。突起壁３ｈは、燃料通路Ｐの上流側、つまり、図１２において上側の端部近傍をはじめとして、燃料通路Ｐの途中に設けられている。突起壁３ｈの断面形状は、図１３に示すように、略Ｕ字状である。
【００５７】
この場合、燃料流れが燃料通路Ｐに至ると最上流側の突起壁３ｈ（図１２において一番上側の突起壁３ｈ）を乗り越えたところで渦が発生する。さらに最上流側の突起壁３ｈの下流側に位置する２つの突起壁３ｈにおいても、同様に渦が発生する。これにより、燃料通路Ｐのほぼ全域において流れ状態を乱流流れとすることができる。したがって、本発明の第１実施形態によるノズル１の場合と同様に、燃料通路Ｐにおける全圧力損失ΔＰが燃料温度上昇に伴って大きく変動することを抑制することができる。
【００５８】
なお、本発明の第４実施形態によるノズル１において、突起壁３ｈの断面形状を略Ｕ字状としているが、略Ｕ字状に限定する必要は無く、先に説明した、溝３ｅおよび穴３ｆの場合と同様に、半円形状、あるいはＶ字状等としてもよい。また、本発明の第３実施形態によるノズル１において、突起壁３ｈの個数を３列としているが、必要に応じて増減してもよい。
【００５９】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態によるノズル１は、本発明の第４実施形態によるノズル１に対して燃料通路Ｐの構成を変更したものである。
【００６０】
本発明の第５実施形態によるノズル１においては、ニードル３の平面部３ａに形成される凸部として、突起壁３ｈに替えて、図１４に示すように、ニードル３の平面部３ａに外壁面形状が球面状の突起３ｊを複数個設けている。複数の突起３ｊは、燃料通路Ｐの上流側、つまり、図１４において上側の端部近傍をはじめとして、燃料通路Ｐの途中に至るまで規則的に配置されている。突起３ｊは、その断面形状が図１５に示すように半円状である。
【００６１】
この場合、燃料流れが燃料通路Ｐに至ると最上流側の各突起３ｊ（図１４において一番上側の各突起３ｊ）を乗り越えたところで渦が発生する。さらに最上流側の突起３ｊの下流側に位置する各突起３ｊにおいても、同様に渦が発生する。これにより、燃料通路Ｐのほぼ全域において流れ状態を乱流流れとすることができる。したがって、本発明の第１実施形態によるノズル１の場合と同様に、燃料通路Ｐにおける全圧力損失ΔＰが燃料温度上昇に伴って大きく変動することを抑制することができる。
【００６２】
なお、本発明の第５実施形態によるノズル１において、突起３ｊの断面形状を半円状としているが、半円状に限定する必要は無く、たとえば、Ｕ字状、あるいはＶ字状としてもよい。また、本発明の第５実施形態によるノズル１において、突起３ｊを燃料通路Ｐの途中まで設けているが、燃料通路Ｐの全長にわたって形成してもよい。さらに、突起３ｊの直径および深さ寸法、個数配置密度等は、適用されるニードル３における燃料流速等に応じて適宜選定されるものである。
【００６３】
なお、以上説明した各実施形態およびその変形例等によるノズル１においては、一つのニードル３の平面部３ａに凹部のみ、あるいは凸部のみを形成しているが、一つのニードル３の平面部３ａに凹部および凸部の両方を混在させて形成してもよい。
【００６４】
また、以上説明した各実施形態およびその変形例等によるノズル１においては、燃料通路Ｐ側に凹である凹部あるいは凸である凸部を、ニードル３の平面部３ａに形成しているが、凹部あるいは凸部を、ボディ２のガイド孔２ａに設ける構成としてもよい。さらには、燃料通路Ｐ側に凹である凹部あるいは凸である凸部を、ニードル３の平面部３ａおよびボディ２のガイド孔２ａの両方に設ける構成としてもよい。
【００６５】
また、以上説明した各実施形態およびその変形例等によるノズル１が装着された燃料噴射弁１００の弁機構（図示せず）を駆動するアクチュエータをピエゾアクチュエータ（図示せず）としたが、他の種類のアクチュエータ、たとえば電磁ソレノイド等であってもよい。
【００６６】
また、以上説明した各実施形態およびその変形例等によるノズル１が装着された燃料噴射弁１００をコモンレール式燃料噴射装置に用いられるものとしたが、他の種類の燃料噴射装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態におけるノズル１を備える燃料噴射弁１００の断面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】従来のノズル１０２の断面図である。
【図５】燃料通路Ｐにおける圧力損失と燃料温度との関係を示すグラフである。
【図６】燃料通路Ｐにおける圧力損失と燃料温度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態におけるノズル１の部分断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第２実施形態におけるノズル１の変形例によるノズル１の部分断面図、（ｂ）は、本発明の第２実施形態におけるノズル１の他の変形例によるノズル１の部分断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態におけるノズル１のニードル３の部分斜視外観図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の第３実施形態におけるノズル１の変形例によるノズル１の部分断面図、（ｂ）は、本発明の第３実施形態におけるノズル１の他の変形例によるノズル１の部分断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態におけるノズル１のニードル３の部分斜視外観図である。
【図１３】図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】本発明の第５実施形態におけるノズル１のニードル３の部分斜視外観図である。
【図１５】図１２のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１    ノズル
２    ボディ
２ａ    ガイド孔
２ｂ    弁座
２ｃ    噴孔
２ｄ    ノズル孔
３    ニードル
３ａ    平面部
３ｂ    弁部
３ｃ    凹部
３ｃ１、３ｃ２    端面
３ｄ    軸部
３ｅ    溝
３ｆ    穴
３ｈ    突起壁
３ｊ    突起
４    スプリングシート
５    コイルスプリング
６    シリンダ
７    プレート
７ａ    燃料供給孔
７ｂ    制御孔
７ｃ    制御孔
１００    燃料噴射弁
１０１    リテーニングナット
Ｂ    空間
Ｃ    隙間
Ｐ    燃料通路
Ｓ    サック室
【図１】
0004760815.tif 000002
【図２】
0004760815.tif 000003
【図３】
0004760815.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004760815.tif 000006
【図６】
0004760815.tif 000007
【図７】
0004760815.tif 000008
【図８】
0004760815.tif 000009
【図９】
0004760815.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004760815.tif 000013
【図１３】
0004760815.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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