专利名称：喷孔面积可变的燃料喷嘴的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种燃料喷嘴，特别是一种喷孔面积可变的燃料喷嘴，在柴油机等的内燃机中，作为将燃料以雾化的状态供入燃烧室的手段，都使用到了燃料喷嘴。该燃料喷嘴如特开昭59-200063号公报所展示的那样，是一种在喷嘴体内收容着可沿轴线方向自由滑动的针阀，在该针阀的前端侧形成圆锥状的受压面，通过在其上作用燃料的压力而使阀门开启，从喷嘴体前端部上形成的喷孔向发动机的燃料室内喷射的结构。
然而，在这种结构中，燃料的压力、喷射量、喷射速度等一般是由供油泵来决定的，并且，喷孔的总面积不能够增减。由此，在发动机低转速时的燃料喷射压力较低、发动机在低负荷时的喷射时间较短，因而不能够持续良好的燃烧状态，对于促进燃烧、提高输出功率及燃料利用率。降低燃烧噪音或NOx等课题都非常困难。
作为与此的对策，特开平6-241142号公报中提出了一种方案，它在关闭前端的针阀下部附近的壁的圆周上设置第1喷孔群(5个)，以与此不同的圆周状设有直径不同于第1喷孔的第2喷孔群(5个)，通过针阀在阀套内的沿轴线方向的移动，对应于发动机的负荷和转速，只开启第1喷孔群，或者使第1喷孔群和第2喷孔群同时开启。
该现有技术除了由于针阀突出燃烧室而容易受热引起变形之外，由于阀套相邻喷孔，而使相对于轴线的喷射角度发生变化。因此，对于以一定的喷射角而设计的现有的燃烧室形状，便会出现没有获得最佳的燃烧的可能性。另外，为了与此对应，则会出现必需对此而设计燃烧室形状的问题。
另一方面，在特开平4-76266号公报中，提出了这样一种方案在喷嘴体的前端部上形成孔，在该孔的周围的壁上以沿圆周方向相间隔而形成有与孔连通的多个(8个)喷孔，在贯穿针阀轴芯的贯通孔中插入旋转轴，将该旋转轴的前端部位于上述孔中，在该旋转轴上设置有针阀开启时产生作用而将孔内的燃烧压力室与喷孔相连通的多个槽(4个)，通过旋转轴的旋转将喷孔的开口数在8个和4个之间切换，使喷孔的总面积对应于发动机的负荷和转速进行变更。
该现有技术由于绕着轴线旋转而调整喷孔，因此带有相对于轴线的喷射角度大致不发生变化的优点。然而，在现有技术中，由于将旋转轴本身作为旋转阀使用，因此会出现在有加工误差时使整体成为次品的问题，以及由于弯曲或者扭转等容易使旋转不能圆滑进行的问题。
并且，将孔壁做成与喷嘴轴线相平行的直筒状，作为旋转阀的旋转轴也只能做成圆柱状。因此，在燃料喷射时，固定作为旋转阀的旋转轴非常困难，对于通过旋转轴而将喷孔调整成所希望的开度，在高喷射压力作用在喷孔上时，旋转轴绕着轴线在旋转方向上稍不注意，就会由此使开口与槽的关系不对，从而无法避免喷孔面积比设定的大小要增大或者减小的问题。由于这种原因，在现有技术中会出现对应于发动机的负荷和转速而使喷孔的总面积的控制不能精确进行的问题。另外，在现有技术中由于上述燃料喷射时没有固定旋转阀的机构，驱动旋转阀的电机必需要用大型的有比较大的力矩，因而还会出现燃料喷嘴大型化的问题。
发明概述本发明的第一目的是提供一种在针阀关闭时，即，非燃料喷射时，能够通过低的扭矩很容易地使旋转阀进行旋转位置的控制(喷孔面积的变更)，在针阀开启时，即，燃料喷射时，通过燃料的喷射压力而能够使旋转阀可靠地进行位置固定的燃料喷嘴。
根据这种燃料喷嘴，可以通过小型、小力矩的执行元件实现对应于发动机负荷和转速的喷孔总面积的正确调节。另外，即使在采用小力矩的执行元件的燃料喷射中，也能够使喷孔面积可变，由此，可以很容易地进行用于控制喷射等的喷射率的控制。
本发明的第二目的是在第一目的的基础上提供一种带有相对于轴线的喷射角度大致不发生变化的喷雾曲线特性，同时平面上的喷雾数和喷雾方向大致不发生变化，能够对覆盖的喷孔面积进行无阶段限制的精细调整的燃料喷嘴。
本发明的第三目的是在第一目的和第二目的的基础上，提供一种用旋转阀喷射时其无论处于什么位置都能够自动修正，能够减少喷射时喷雾偏差的燃料喷嘴。
为了实现上述第一目的，本发明采用了下述的结构，在喷嘴体的前端部上形成有导入加压燃料的孔，在该孔的入口一侧配置有在一定的燃料压力下开闭的针阀，在划分出孔的圆周壁上沿圆周方向间隔设置有喷出加压燃料的多个喷孔，在孔内配置有旋转阀，通过将该旋转阀由执行机构旋转，而调节喷孔的开口面积，在这种形式的燃料喷嘴中上述划分出孔的周壁上带有圆锥面，喷孔开口于该圆锥面上，旋转阀带有在上端接受加压燃料的压力的受压面，在外周则带有对应于上述孔的圆锥状面倾斜角度的圆锥面，而旋转阀沿圆周方向间隔设置有多个一端开口于受压面上的燃料通路，各燃料通路对应于上述孔一侧的喷孔而开口于圆锥面部位。
孔周壁上的圆锥面和旋转阀的圆锥面带有通过燃料喷射时的喷射压力而产生大于使旋转阀沿圆周方向旋转的该驱动旋转力矩的磨擦保持力矩的角度。
根据这种结构，将直径相同或者直径不同的多个喷孔配置在带有圆锥面的孔的周壁上，旋转阀上设置有可与喷孔相连通的燃料通路，使旋转阀通过执行机构控制旋转，根据其旋转角来改变喷孔的遮蔽面积，或者使燃料通路与任意的喷孔有选择地连通。
这样，旋转阀带有在上端承受加压燃料的压力的受压面，在外周上带有对应于孔周壁的圆锥面的倾斜角度的圆锥面。因此，一旦针阀开启，作用到了燃料喷射压力，在旋转阀与孔周壁之间产生了大于旋转阀旋转力矩的磨擦力，即，旋转阀通过喷射压力因与孔的周壁的力学关系以强的磨擦力而被固定。
由此，加压燃料便能够从预定开口面积的喷孔中或者被选择的开口面积的喷孔中正确喷雾。因此，由于由燃料喷射压力而固定住了旋转阀，在燃料喷射时之外，当然在设定成任意的喷孔开口面积而喷射燃料时，也能够通过旋转阀的旋转而使喷孔可变，由此便能够很容易地进行控制喷射率等的控制。另外，旋转阀由于有与孔内壁紧贴的面密封，高压燃料便不能从燃料通路的开口沿圆周方向流动。
另外，为了完成第二目的，本发明在上述结构的基础上将划分孔周壁的各喷孔的孔径制成相同，将旋转阀的燃料通路的圆锥面上的开口制成与喷孔的直径相同或者更大，对应于旋转阀的旋转量而使各喷孔的开度形成渐进的变化。
根据这种结构，喷孔由于采用的一种孔径，使得加工容易。另外，由于对这一种孔径的喷孔开度进行调节，从各个喷孔始终进行喷雾，从而使平面上的喷雾方向大致不发生变化。另外，由于能够对喷雾量进行精细的变化，因此能够对应于发动机的负荷和转速进行最适合的喷雾。
为了实现第三目的，本发明在旋转阀的驱动轴线上设置有旋转角检测机构，将该旋转角检测机构的输出侧连接在驱动执行机构用的控制器上，来自旋转角检测机构的信号在非燃料喷射时和/或燃料喷射中驱动执行元件，从而对旋转阀的旋转角进行修正。
由此，旋转阀位置固定性能的灵敏度十分灵活，能够对应于发动机的负荷和转速进行最适合的喷雾。
本发明在下面表示的是特定的有代表性的具体实施例，作为本领域的技术人员应当明白，在本发明思想和范围之内可以做出各种变更、变形。
附图简述图1是本发明第1实施例的纵向剖视图；图2是图1的部分放大图；图3是表示图1的针阀从闭合状态变为开启状态的部分放大图；图3-A是图3的部分放大图；图4-A是将喷孔开启1/2状态时沿图3的X-X线的剖视图；图4-B是在图4-A的状态下示出了一个喷孔的正视图；图5-A是表示喷孔全开状态的沿图3的X-X线的剖视图；图5-B是在图5-A的状态下示出了一个喷孔的正视图；图6是图1～图5中旋转阀的立体图；图7是表示在第1实施例中使用另外的旋转阀的实例的部分放大剖视图；图8是图7中旋转阀的立体图；图9是在第1实施例中表示使用了另外的旋转阀的实例的部分放大剖视图；图10是图9中旋转阀的立体图；图11-A是应用第1实施例的适用于喷孔选择型燃料喷嘴的选择了大直径喷孔状态的横向剖视图；图11-B是表示选择了小直径喷孔状态的相同燃料喷嘴的横向剖视图；
图12是作为旋转阀而使用图6所示的情况下表示旋转阀参数的说明图；图12-A是图12中表示燃料通路中的力的说明图；图13是喷孔遮蔽时表示旋转阀周围的力学关系的说明图；图14是作为旋转阀而使用了图7所示的情况下表示旋转阀参数的说明图；图15是作为旋转阀而使用了图6和图7所示的情况下的力矩曲线图；图16是表示本发明第2实施例的纵向侧视剖视图；图17是图16的部分放大图；图18-A是沿图17中Y-Y线的横向剖视图；图18-B是从图18-A状态下旋转旋转阀而选择喷孔的处于中途状态的横向剖视图；图18-C是选择与图18-A不同的喷孔状态的横向剖视图；图19是第2实施例中表示旋转阀一个实例的立体图；图20-A是第2实施例中表示旋转阀另一个实例的平面图；图20-B沿图20-A中Z-Z线的剖视图；图21是第2实施例中表示旋转阀的另一个实例的剖视图；图22是本发明中喷孔控制的流程图。
优选实施例的详细说明以下根据
本发明的实施例。
图1～图10表示的是本发明第1实施例。
在图1中，1是喷嘴座本体，2是通过O形密封环以燃油密封方式嵌合固定在喷嘴座本体1上端部上的驱动头，3是连接在喷嘴座本体1下端的喷嘴体，通过固定螺母5结合在喷嘴座本体1上。4是喷嘴体3内插入的针阀(阀针)。
上述喷嘴座本体1的轴线上贯穿设置有从下端向上端直径依次扩大的第1穴100a至第3穴100c，在从第1穴100a到第2穴100b的区域中，可滑动地插装有推杆101。
另外，从第3穴100c到第2穴100b的区域中内嵌有与第3穴100c的阴螺纹相旋合的调整螺钉102，在该调整螺钉102和推杆101之间安装有喷嘴弹簧103。
上述喷嘴体3在外部纵向中间部分上带有嵌合在保持螺母5的袋孔底部的台阶部30，通过该台阶部30在下方设置有穿过保持螺母5而伸出的筒状主要部分31，在该主要部分31上形成有通过锥形部而形成喷孔的前端部32。
另一方面，喷嘴体3的轴线上从上端向下端形成有与上述喷嘴座本体1的第1穴100a同心的导向孔300，以及直径比该导向孔300要大的油腔301，在该油腔301的下方贯穿设置有比该导向孔300的直径要小的导流孔302。
在该导流孔302的下端形成有如图2和图3及图3-A所示的圆锥状密封面303。通过前端部的周壁而划分出与该密封面303相接的对加压燃料进行导向的有底孔34。
上述喷嘴座本体1的一侧部上设置有与进口连接器相连接的加压燃料口104，该加压燃料口104通过穿过喷嘴座本体1以及喷嘴体3的通路孔105、305与上述油腔301相连通，在此将加压燃料导入。
针阀4带有上端与上述推杆101相对的配合部41，另外，在外周带有在导向孔300中滑动连接的导向部40，导向部40的末端设置有接受油腔301内的燃料压力的受压部42，从该受压部42向着下方设置有如图2所示的在导流孔302之间用于形成筒状的燃料通路A的细轴部43。该细轴部43的下端形成有与上述密封面303相接合及分离的圆锥状密封面44。
划分出上述孔34的周壁的内侧形成有如图2和图3以及图3-A所示的与密封面303滑动连接的尖头状圆锥面341，并且，圆锥面341的下端形成半球状的端壁面。
在与划分出上述孔34的圆锥面341相对应的区域中，以相等的间隔在同一圆周上配置有如图4-A和图4-B所示的通到孔34内的多个喷孔35。上述喷孔35在该实施例中有5个，是沿着圆周以62°的间隔形成放射状。各喷孔35的轴线与喷嘴的轴线可以做成直角，在该实施例中则相对于喷嘴的轴线带有预定的倾斜角度。与喷孔35的轴线呈直角的断面形状在实施例中为圆形，做成多边形也是可以的。在做多边形断面形状的情况下能够使单位旋转角度的喷孔面积变化量达到最大。
在上述孔34上配置有旋转阀7。该旋转阀7通过设置于针阀4与调整螺钉102上的贯通孔的驱动轴系8由安装在驱动用驱动头2上的执行元件9进行驱动，而绕着喷嘴的轴线旋转。
下面对该结构进行详细说明，在针阀4的轴线上形成有如图2所示的从下端在较短的范围内的第1孔45a，在该第1孔45a的末端区域设置有圆锥状面451和短孔452，该短孔452与比第1孔45a的直径要大的第2孔45b相连通。第2孔45b通到针阀4的上端。这样，在推杆101的轴线上形成有与上述第2孔45b直径大致相同的第3孔45c，在调整螺钉102的轴线上从下端向着上端形成有第4孔45d。第4孔45d为了防止驱动轴的污染，其上端部区域的直径比除此之外的地方做得小一些。
驱动轴系8在该实施例中带有延伸到驱动头2的轴本体8a以及联接销8b和联轴器10，旋转阀7通过上述联轴器10与上述联轴器销8b相连接。
上述轴本体8a具有从上述第4孔45d延伸到第2孔45b的下端部区域的长度。
联轴器销8b带有可自由旋转地嵌入第2孔45b中的大直径部80。这样，上述联轴器销8b的上端与轴本体8a的下端通过十字头型等允许轴线方向偏斜型式的联轴节部811、801以传递旋转力的方式相连接。
联轴器10不仅允许由针阀4的提升而产生的旋转阀7的轴线方向的偏斜，而且还将旋转力矩或保持力矩传递到旋转阀7上，因而采用了十字头型联轴节。更详细地说，联轴器10带有缓慢嵌入第1孔45a中的直径的圆柱部，在该圆柱部的下端侧形成有与后述旋转阀7沿轴线方向相对滑动而连接的槽10b。联轴器10的圆柱部上端形成有如图2和图3所示的密封上述圆锥状面451的圆锥状面10c，从该圆锥状面10c的上端延伸出嵌入短孔452中短轴部10d，该短轴部10d的上端形成有突片10e，该突片10e与大直径部80下端所设的槽相配合，传递力矩。
上述执行元件9固定在设置于驱动用驱动头2上的空部200中。执行元件9带有可任意旋转(最好是可逆旋转)以及保持在预定旋转位置特性，例如，采用步进电机或者伺服电机。这样，其输出轴与上述轴本体8a的上端部直接连接，或者通过传动部件，例如偏心销或者齿轮等进行连接。
上述旋转阀7在图2至图6中示出了一个实例(第1实例)。图6表示的是旋转阀7单体的状态。旋转阀7带有在上端针阀4开启时作用加压燃料的压力的平坦状受压面74。在该受压面74的中央部一体形成有突片70，该突片70可沿上下方向相对滑动地嵌入上述联轴器10的槽10b中。
上述旋转阀7带有以比上述受压面74更靠下的与上述孔34的圆锥面341相一致的角度呈尖头状倾斜的圆锥面72，由该圆锥面72和圆锥面341作为磨擦座面。圆锥面72以下端不接触孔34的底面的方式限制高度尺寸。
这样，上述旋转阀7上在一端形成有开口于受压面74的多条燃料通路73。这些燃料通路73的另一端开口分别与设置于上述孔34的圆锥面341上的喷孔35相连。燃料通路73必需有让与轴线呈直角的断面与喷孔35的直径相同或更大的尺寸。
燃料通路73在第1实例中是开口于圆锥面72上的5条槽，该槽与孔34的圆锥面341上所设的喷孔35相对应，沿圆周方向以62°间隔形成。上述各槽其槽底735做成与旋转阀7的圆锥面72的曲线角度大致平行。这样，各槽的下端终结于喷孔35正下方的位置。
图7和图8表示的是采用第1实施例的旋转阀7的另一实例(第2实例)。该例中的旋转阀7也是将燃料通路73由槽构成，各槽如图7所示的那样，槽底735与喷嘴轴线形成平行状。其它的结构与图2至图6所示的状态相同，对应部分用相同的符号表示，在此省略对其的说明。
图9和图10表示的是采用第1实施例的旋转阀7的其它实例(第3实例)。在该例中，燃料通路73不用槽，而是由孔构成，在圆周上以预定的间隔(该例中以62°)贯穿设置有放射状的可与喷孔35相连通的多个(该例中为5个)横孔730，从旋转阀7的受压面74通过横孔730贯通设置有多条纵孔731。燃料通路73必需带有与喷孔35相等或更大的直径。其它的结构与图2至图6所示的状态相同，相应的部分由相同的符号表示，在此省略对其的说明。
图11-A和图11-B表示的是采用本发明第1实施例的通过旋转阀7的旋转而选择多种直径的喷孔中任意一个的型式的例子。
在该实例中，从圆锥面341沿半径方向所设的喷孔35带有在圆周上以90°间隔贯穿设置有4个第1喷孔35a，与该第1喷孔35a在圆周上相隔45°相位而贯穿设置的4个第2喷孔35b，第1喷孔35a的孔径做得比第2喷孔35b要小。旋转阀7不使用做为例子的第1实例的结构，而使用图7～图10所示的第2实例或第3实例的结构也是可以的。
另外，在第1实施例中，孔34并非必需将整体做成圆锥面。即，如后述第2实施例所示，从座面303的末端到中部位置形成与喷嘴轴线平行的直筒面，从该直筒面的末端形成上述小头状倾斜的圆锥面341也是可以的。在这种情况下，旋转阀7也从受压面74到中间部位形成与喷嘴轴线平行的直筒面，从该末端开始形成圆锥面72。这些均包含在本发明中。
在任一上述第1到第3实例的形式中，孔34的圆锥面341与旋转阀7的圆锥面72的倾斜角度通常选择在50°-70°的范围内。图中所示的角度是60°。
再者，在图2～图10中，喷孔35的数目和燃料通路73的数目分别为5个，当然并不限于此，4个或6个或其以上也是可以的。另外，图11-A、B的喷孔35的数目总共为8个，旋转阀7的燃料通路73为4个，多于或少于此数都是可以的。例如，第1喷孔35a和第2喷孔35b为3个，旋转阀7的燃料通路73做成3个也是可以的。另外，喷孔35的孔径不做成2种，而做成大、中、小3种也是可以的。
通过上述执行元件9而旋转旋转阀7的时刻一般是在没有由发动机缸内压力使驱动轴系8上作用轴线方向的力期间，即，最好在发动机进气冲程或者排气冲程中。
为了对所述的旋转定时进行控制，在执行元件9上电气连接着由CPU构成的控制器12，其输入部分上分别连接有发动机或者燃料喷射泵转速检测传感器120(或者旋转角度检测传感器)和燃料喷射泵齿条传感器等形式的负荷检测传感器121。由此，将来自转速检测传感器120的信号始终输入到控制器12中，在判别发动机的上述冲程时，将驱动信号从执行元件9中输出。这样，将来自负荷检测传感器121的信号同时输入，通过将负荷和转速的数据预先形成的预定图象对执行元件9中的预定驱动量(驱动旋转角度)，例如，低速、低负荷时→中速、中负荷时→高速、高负荷时依次逐渐增加旋转角度而进行驱动控制。
因此，在本发明中，在上述驱动系中设置有旋转角检测机构11。该旋转角检测机构11在每次燃料喷射时检测出旋转角度，将该旋转角度信号作为所馈信号送到控制器12中，在旋转阀7中与设定的角度有误差时，从控制器12将驱动信号输出到执行元件9中，从而具有进行修正的手段。
旋转角检测机构11是电位计、编码器、视准仪等任意产品。在本实施例中采用的是电位计，在轴本体8a上固定有旋转部件110，该旋转部件110与固定在电位计本体111的轴上的旋转部件112直接或者通过皮带等传动元件相连接。另外，在用视准仪的情况下，则将与喷孔数相对应的正多边形(该实例中为正5边形)的反射片固定在轴本体8a上，另一方面，在驱动头2的壁上安装着与反射片相对的照射光线的光源，从该光源的附近沿着驱动头2的内壁安装着由光电转换元件，即受光元件列构成的受光部。受光部设置在将360°除以喷孔数的角度范围(该实例中为72°)内，输出一侧连接在上述控制器12上。另外，安装旋转角度检测机构11的驱动轴系并不限于必需在轴本体8a上。在执行元件9与轴本体相反的一侧设置与轴本体8a同轴的输出轴，在其上安装旋转角检测机构11的旋转部件也是可以的。
因此，旋转阀7由执行元件9在喷射前、喷射中以及喷射后如图22所示的那样进行流程图中的一连串的动作。但是，在本发明中，由于旋转阀7的受压面74上作用着加压燃料的压力，使圆锥面72和孔34的圆锥面341由于磨擦力而保持住位置，因此即使在燃料喷射中也能够旋转旋转阀7。
图12～图15示出了施加在第1实施例中的旋转阀7上的力矩。
图12和图12-A表示的是使用图2～图6所示第1实例(在此称为型式1)的情况下的力学关系。
现在把燃料的喷射压力称为P，在产生该力的情况下通过在旋转阀7的圆锥面72与孔34的圆锥面341上产生的磨擦力而形成保持力矩，如以下所述。
即，磨擦系数由μ表示，受压面半径为r1，圆锥面72的下端半径为r2，旋转阀与孔的圆锥面72、341相对于喷嘴轴线的倾斜角度为α，由于μ是由材料所确定的参数，因此μ’＝μ/(sinα+μcosα)。
旋转阀7上所受的力由于与受压面74的面积有关，由喷射压力产生的力F成为F＝πr12P。
然而，在该例中旋转阀7的燃料通路73做成槽状，由于其槽底735与圆锥面72的倾斜角度做成平行，因此产生了图12-A所示的反力R。因此，如果将槽底735的面积由A表示，则由喷射压力所施加的力F满足F＝(πr12P)-(A×P×sinα)。
这样，施加于旋转阀7上的保持力矩T2(Nm)由式(1)表示，其中有效磨擦半径为rd。
T2＝μ’·{(πr12P)-(A×P×sinα)}·rd…式(1)下面，对喷孔35被遮蔽的情况下通过燃料喷射压力而产生的旋转阀旋转的最大力矩进行说明。将与如图13所示的B-B’断面上的力相平衡的由于绕B-B’断面的运动方程式而作用于旋转阀7上的外力，即，绕θ方向的旋转力称为F，此时B-B’断面上的燃料的速度由V表示，在V的半径方向的分速度由Vr表示，V的θ方向上的分速度由Vθ表示，B-B’断面前后的流速变化由ΔV表示，流量为Q，密度为p，流量系数为C(通常在0.6～1.0)，喷孔数为n，喷孔直径为d，这时旋转阀7上作用的力的最大值Fθ为Fθ)＝π/2·d2·C2·ΔP因此，旋转力矩T1(Nm)由式(2)表示T1＝(π/2·d2·C2·ΔP)rd×n…式(2)因此，通过选定满足T1＜T2的旋转阀7的r1、r2、α等便能够仅由燃料的喷射压力使旋转阀7的位置固定。另外，槽底735的倾斜角度通过设定成除了与圆锥面72平行之外的形式，从而能够通过喷射压力来变更作用于旋转阀7上的力F，由此便能够变更旋转力矩。
图14是作为旋转阀7的采用图7和图8的第2实例(在此称为型式2)的情况下作用于旋转阀7上的力。在这种情况下，由于燃料通路的槽底735与喷嘴轴线平行，所以旋转阀的保持力矩T2(Nm)由下面的式(1’)表示。
T2＝μ’·π{(r13+r12·r2)/2} P…式(1’)另外，由燃料喷射压力而作用于旋转阀上的旋转力矩T1(Nm)由式(2’)表示。
T1＝(π/2·d2·C2·ΔP·rd)×n…式(2’)因此，在这种情况下选定满足T1＜T2的旋转阀的r1、r2、α等便能够仅由燃料的喷射压力使旋转阀7的位置固定。
图15表示的是型式1和型式2中力矩的曲线图，与由燃料流产生的最大力矩相比旋转阀7与孔壁的磨擦力产生的力矩比任何的喷射压力都要高，从而能够有效地将旋转阀固定在所希望的旋转角度上。再者，在燃料通路73是图9和图10所示的第3实例的孔形的情况下，旋转阀7的保持力矩与型式2大致相同。
图16～图21示出了本发明的第2实施例。该第2实施例是将孔34的喷孔35的直径做成不同种类，通过这些多个不同种类的由旋转阀7遮蔽的喷孔35而对喷孔的总面积进行调节。
图16示出了其整体，图17则是其主要部位的放大图。在该第2实施例中，有底状的孔34从座面303的末端延伸到所需的位置带有与喷嘴轴线平行的直筒状面340，从该直筒面340的末端形成尖头状的倾斜的圆锥面341，圆锥面341的下端形成水平而后弯曲状的端壁。
这样，如图17和图18所示，孔34所划分出的周壁上在圆周方向以一定的间隔设置有在对应圆锥面341区域中穿过孔34的多个喷孔35。在该实施例中，喷孔35在圆周上以90°的间隔带有贯穿的4个第1喷孔35a，和以与该第1喷孔35a在圆周上相差45°相位而贯穿设置的4个第2喷孔35b，第1喷孔35a的孔径比第2喷孔35b的孔径要小。
对此，旋转阀7带有上端接受加压燃料的压力的平坦状受压面74，因此，接着该受压面74的外周带有与上述孔34的直筒面340相对应直径的直筒面71，从该直筒面71的下端以对应于上述圆锥面341角度而形成具有尖头状倾斜的作为面接触部分的圆锥面72，圆锥面72的下端形成不与孔34的底壁相接触的非水平状圆形端面。
这样，上述旋转阀7中设置有一端开口于上述圆锥面72上而另一端开口于受压面74上的燃料通路73。
在该实施例中，燃料通路73由孔构成，围住上述孔的周壁的喷孔35a、35b上可连通的多个(本实例中有4个)横孔730以预定的间隔(该实例中为90°)沿放射状贯穿设置于圆周上，同时，从受压面74通过横孔730贯穿设置有多个纵孔731。
上述燃料通路73必需带有与喷孔35的最大直径相同或更大的直径。而且，与燃料通路73的轴线呈直角的断面形状不只是圆形，制成与上述喷孔相同的多边形等也是可以的。
图20-A、20-B表示的是第2实施例的旋转阀7的另一实例。
在该实施例中，燃料通路73由孔构成，而且一端开口于圆锥面72上，在该实施例中燃料通路73由与旋转阀7的轴线相交叉的多个(本实例中有4个)斜孔732构成，各斜孔732以预定的间隔(该实例中为90°)分别开口于圆周上，斜孔732的另一端(上端)开口于受压面74。在该实施例的情况下，喷孔35也与斜孔732相同，轴线是倾斜的。上述燃料通路73必需带有与喷孔35的最大直径相等或更大的直径。
图21表示的是第2实施例的旋转阀7的再一实例。
该实例由于与第1实施例的图6或图8相对应，其燃料通路73不是由孔而是由多条(该实例中为4条)槽733构成。
即，各槽733在圆周上每隔一定的间隔(在该实例中为90°)，形成以下端到达比喷孔35更靠前的位置的方式从直筒面71过渡到圆锥面72的形式。各槽733的宽度必需具有与喷孔35的最大直径相同或更大的尺寸。
另外，在该第2实施例中，喷孔35由4个第1喷孔35a和4个第2喷孔35d构成，旋转阀7的燃料通路73也做成4个，比这更多或者更少也是可以的。例如，第1喷孔35a和第2喷孔35b分别做成3个，旋转阀的燃料通路73也做成3个，这也是可以的。另外，喷孔35不用两种孔径，而做成大、中、小三种也是可以的。
在该第2实施例中，孔34和旋转阀7具有与第1实施例所示的相同形状也是可以的。即，孔34上不设直筒面340，而形成从座面303直接连接圆锥面341，旋转阀7上不设直筒面71，而是从受压面74立即形成圆锥面72也是可以的。
该第2实施例的孔34和旋转阀7的圆锥面341、72的倾斜角度一般情况下最好选择在50～70°的范围内。而且，旋转阀保持力矩与旋转力矩的关系很明显与上述第1实施例的情况相同，在此省略对其的说明。
上述旋转阀7与第1实施例相同，由针阀4和穿过调整螺钉102的驱动轴系8和驱动头2上安装的执行元件9来旋转预定的旋转角。
该驱动轴系8在第2实施例中也由轴本体8a和联轴器销8b以及联轴器10构成。其具体结构可以与实施例1相同，在本实施例中有其它不同的结构。
即，如图17所示，在从针阀的下端到中间位置在轴线方向上形成第1孔45a，从该第1孔45a的末端形成比其更细的第2孔45b，从该第2孔45b的末端直到推杆101的上端形成与第1孔45a直径相同的第3孔45c，调整螺钉102上从下端到上端形成第4孔45d。第4孔45d形成为防止驱动轴污染而使上部区域比其外的直径略微减小的型式。
轴本体8a带有从上述第4孔45d延伸到第3孔45c下端部区域的长度，直径比第3孔45c略细。
联轴器销8b由于带有座部的功能，因而具有在第1孔45a的末端可旋转地精密配合的大直径部(面密封部)80，从该大直径部80的末端向上方设有滑动相嵌于第2孔45b中的细直径部81。这样，细直径部81与大直径部80的交界部位上形成了止挡用的阶梯部82，它通过与第1孔45a的上端面相接触而形成与针阀4一体上下运动。
因此，上述细直径部81的上端与驱动轴本体8a的下端以通过十字头形等允许有轴线方向偏斜型式的联轴器部811、801来传递旋转力的方式进行连接。
联轴器10以允许旋转阀7的轴线方向相对滑动的方式与上述联轴器销8b的大直径部80相连接。联轴器10在实施例中采用了十字头形联轴节。该联轴器10带有比第1孔45的孔径要小的外径，上半部的槽10a中嵌入有从联轴器销8b的大直径部伸出的突片800，与上述槽10a差90°相位的下半部槽10b上嵌合有形成于旋转阀7的受压面74上的突片70。
当然，突片与槽的关系相反也是可以的。而且联轴器上半部与下半部同时是突片或者槽也是可以的，在这种情况下，联轴器销8b和旋转阀7上设置有与其对应的槽或者突片。
执行元件9采用了步进电机或者伺服电机，通过其输出轴和轴本体8a的上端部直接连接或者通过传动部件(例如齿轮、偏心销等)90相连接。由执行元件9来旋转旋转阀7的时刻与实施例1相同，一般情况下是在没有因发动机缸内压力而产生在驱动轴轴线方向上的力期间，也就是最好在发动机进气冲程或排气冲程中。
其旋转定时的控制与第1实施例相同。即，如图16所示将执行元件9与CPU等构成的控制器12电器连接，其输入部分中输入来自发动机或者燃料喷射泵转速检测传感器(或者是旋转角度检测传感器)120的信号，在判别发动机处在上述冲程中时则将驱动信号输出到执行元件9中。这样，控制器中同时输入有由燃料喷射泵的齿条传感器等负荷检测传感器121的信号。将由负荷和转速等数据预先形成的预定图形输入到控制器12中，根据该图形对执行元件施加预定的驱动量(驱动转角)。
例如，在低速、低负荷时，第1喷孔35a位于与燃料通路73相一致的位置，在高速、高负荷时，第2喷孔35b替换到与燃料通路73相一致的位置，如此来施加驱动量。这一点与改变同一直径喷孔35的遮蔽面积型式的第1实施例不同。
另外，在该第2实施例中也可以设置如图16所示的驱动轴系8例如轴本体8a上的旋转角度检测机构11.作为该旋转角度检测机构11，可以从编码器、视准仪、电位计等中任选。
由于其它结构与第1实施例相同，相同的部分或相同的部件用与第1实施例相同的符号表示，在此省略对其的说明。
另外，驱动轴系8并不限于第1实施例和第2实施例的形态。即，驱动轴系8仅由省去联轴器销8b的轴本体8a和联轴器10构成也是可以的。在这种情况下，联轴器10的上端部可沿轴线方向相对滑动地配合在轴本体8a的下端部上。
下面对本发明的实施例的作用进行说明。
在第1实施例中，加压燃料从图中未示的燃料喷射泵经管路送到加压燃料口34，通过通路孔105、305挤入油槽301中，由此下至环状燃料通路106中。
其燃料压力同时作用在位于油槽301中的针阀4的受压面42上，燃料压力一旦超过弹簧103设定的压力，针阀4便升起，针阀下端部的座面44从喷嘴体3的座面303上离开，从而使阀开启。这时的状态如图3所示，加压燃料进入孔34中，流入旋转阀7的燃料通路73中。这样，如果燃料压力降低，由弹簧103的弹力而将针阀4压下，从而使阀关闭。
在发动机启动的时刻，针阀4关闭，旋转阀7的各燃料通路73不与孔34周壁上贯通的喷孔35对应，各喷孔35通过燃料通路73之间的圆锥面部分分别被遮蔽。在启动的时刻，由于不从控制器12将驱动信号送到执行元件9中，因而处于保持模式。
这样，在发动机进气冲程或者排气冲程过程中，来自转速检测传感器120和负荷检测传感器121的发动机或者燃料喷射泵转速(或者旋转角度)和负荷的信息信号一旦被送到控制器12中，便算出与此相对应的旋转角。这样，与之对应的驱动量信号便被送到执行元件9中，执行元件9的驱动力传递到轴本体8a上，其旋转力矩从联轴器销8b和联轴器10传递到旋转阀7上，旋转阀7便例如沿顺时针方向旋转所需的旋转角度。
在该旋转过程中，旋转阀7上由于不施加轴线方向上的负荷，因此圆锥面72不与孔34的圆锥面341强制接触，因此能够很容易并且圆滑地旋转所希望的旋转角度。
这时，通过旋转角度检测机构11检测出轴本体8a的实际旋转角度位置。该旋转角检测信号反馈到控制器12中，在控制器12中判定与设定的角度有无误差，在有误差的情况下从控制器12将驱动信号送至执行元件9中，由此使轴本体8a微小驱动，对旋转阀7的位置进行修正。一旦确定出设定的旋转角度中的位置，便从控制器12向执行元件9发出保持信号，使旋转阀7保持在该位置上。
图4-A、图4-B是旋转旋转阀7使燃料通路73的边缘位于喷孔35的直径一半的部位的状态，即，表示的是喷孔开度为1/2的状态。在该状态下，旋转阀7的圆锥面72处于部分遮住喷孔35的位置。另外，图5-A和图5-B表示的是进一步让旋转阀7旋转，使燃料通路73正对喷孔35，喷孔35的开度为全开的状态。
这样，在该状态下一旦燃料压力变高，针阀4被开启，高压燃料就会从旋转阀7的受压面74的各开口通过各燃料通路73流入设定开度的喷孔35中喷雾。
在该喷射时，燃料喷射压力作用在旋转阀7上端的受压面74上。由此，旋转阀7被沿轴线方向向下推动，其外周的圆锥面72与孔34的圆锥面341处于强力面接触的密封状态，在此由磨擦力而形成固定力。由该磨擦产生的固定力如上述公式(1)(2)所表明的那样，通过喷孔35上的喷射压力比使旋转阀7在旋转轴方向驱动的力要大。
由此，针阀4关闭时为改变喷孔而旋转预定角度的旋转阀7在针阀开启时，即，燃料喷射时其位置始终是固定的。
因此，孔34的喷孔35由于对旋转阀7施加一个转角而被遮蔽，从而能够对喷孔的面积进行任意的无级变化。例如，在低负荷时，随着喷孔面积的减小而使燃料喷射压力提高，喷射时间延长。由此可以促进喷雾的微粒化，有望增大喷雾的空气过剩率，从而减少NOx。另外，在高负荷时，随着喷孔面积的增加，燃料喷射压力变低，喷射时间变短。由此使得高负荷时所必需流量的喷雾整体均匀分散供给，从而产生出稳定的高输出力的燃料。另外，由于用燃料喷射压力来固定旋转阀7，因而执行元件9可以使用小型、小力矩的产品，由此避免了喷嘴尺寸的增大，能够很容易地配置或者安装到发动机上。
再有，在用比保持力还要强的外力来移动旋转阀7的位置的情况下，若在该位置针阀4是关闭的，则在该喷射后通过旋转角度检测机构11检测出来。其反馈信号被送到控制器12中，通过来自控制器12的信号来驱动执行元件9进行修正，旋转阀7便会返回到上次喷射时所设定的旋转角位置上，并保持在该状态。由于通过这种方法可以不断检测出旋转阀7的位置进行修正，因此能够减少每次喷射的喷雾误差。
另外，由于如上所述可以由燃料喷射压力来固定旋转阀7的位置，一旦旋转7的保持力矩T2与旋转该旋转阀的力矩T1的关系，即T2-T1处于很小的范围，只要通过从外部施加超过T1和T2之间的差值ΔT这样较小的力矩便能够即使在燃料喷射中通过旋转旋转阀7而改变喷孔35的开口面积，由此能够很容易地进行控制器等的喷射率的控制。
另外，旋转阀7与孔34由于由圆锥面72、341共同进行面密封，从而防止了燃料的一部分沿着孔34和旋转阀外周面之间从圆周方向流出，即，喷孔之间的燃料泄漏，从而能够以正确分配的喷雾量进行喷雾。
在该第1实施例中，联轴器10的圆锥面10c和第1孔45a的圆锥面451相互紧贴，由此通过磨擦力更进一步地对旋转阀7进行固定。另外，圆锥面10c、451通过面密封而防止了燃料通过联轴器销8b的外周向上方泄漏。从而能够保持住预定的喷射压力进行喷雾。
另外，作为旋转阀7的燃料通路73如图2～图6所示，在将槽底做成与圆锥面72平行的情况下(第1实例)，与图7和图8所示的将槽底做成与喷嘴轴线平行的情况(第2实例)相比，由于受压面74的面积增大，因而能够有相对较大的旋转阀7的保持力矩。
在实施例2中，旋转阀7旋转位置的控制，即，喷孔35的选择是在进气冲程或者排气冲程期间进行的，从控制器向执行元件9输送驱动信号，对应于发动机或者燃料喷射泵的转速(或者转角)以及负荷使输出轴驱动预定的旋转角，从而将其传递到轴本体8a上。
例如，在发动机启动的低负荷、低转速时，由于旋转旋转阀到图18-A的位置，从而使各燃料通路73(在该例中为横孔730)分别与小孔径的第1喷孔35a相连通而遮蔽住第2喷孔35b。另外，在发动机高负荷、高转速时，从图18-A的状态向图18-B所示的逆时针方向(或者是顺时针方向)旋转旋转阀7，由于保持在图18-C的状态下，由此使燃料通路73的各横孔730分别与大孔径的第2喷孔35b相连通而将第1喷孔35a遮蔽住。
通过上述喷孔的切换，在低负荷时随着喷孔面积的减小而使燃料喷射压力高压化，从而延长喷射时间。由此能够促进喷雾的微粒化，并有望增大喷雾空气的过剩率，从而减少NOx。另外，在高负荷时，随着喷孔面积的增加而使燃料喷射压力低压化，从而缩短了喷射时间。由此使高负荷时所需流量的喷雾以整体均匀分散的方式供给，从而进行稳定的高出力的燃烧。
在该实施例中，旋转阀7不做成柱状或者直筒状，也可以做成过渡到宽的面积的圆锥面72，孔34也可以做成与该圆锥面72相对应的圆锥面341。这样，在该圆锥面341上配置喷孔35，在圆锥面72上开出燃料通路73的端口。
为此，在上述燃料喷射时，通过将燃料喷射压力作用在受压面74上而将旋转阀7通过相对的圆锥面341、72的强力接触的磨擦力而固定住，保持在该位置上。
由此，高压燃料便能够从所选择的燃料喷孔35中喷射出来。即，在图18-A中仅从小直径的4个第1喷孔35a中喷射，在图18-C中则仅从大直径的4个第2喷孔35b中喷射。因此，形成了按照所选择的喷孔进行喷射，并且可以对喷孔的总面积进行有效的正确调整，通过由所选择的喷孔进行有效地喷雾，便能够实现NOx、烟雾、HC的降低以及燃料利用率的提高。
在该第2实施例中通过按如图22所示的流程图进行旋转阀7的旋转控制当然也能够减少每次喷射的喷雾误差，另外，能够在喷射中切换喷孔，将所选择的喷孔的开度调节到任意大小。
再有，联轴器销8b在带有与针阀4一体上下的大直径部80时，大直径部80还具有面密封部的功能。由此也能够防止从驱动轴系泄漏燃料，使得喷射时的喷射压力降低或者喷射量不足。
另外，在第1实施例和第2实施例中，在将旋转阀7的燃料通路73做成图6～图8以及图21所示的槽形时，还具有燃料通路73加工容易，能够降低成本的优点。
本发明可以用作以柴油机为代表的内燃机中促进燃烧、提高输出及燃料利用率、降低燃烧噪音或者NOx的排出用的燃料喷嘴。
权利要求
1.一种喷孔面积可变的燃料喷嘴，在喷嘴体的前端部上形成有导入加压燃料的孔，在该孔的入口一侧配置有在一定的燃料压力下开闭的针阀，在划分出孔的圆周壁上沿圆周方向间隔设置有喷出加压燃料的多个喷孔，在孔内配置有旋转阀，通过将该旋转阀由执行机构旋转，而调节喷孔的开口面积，其特征在于(i)上述划分出孔的周壁上带有圆锥面，喷孔开口于该圆锥面上；(ii)旋转阀带有在上端接受加压燃料的压力的受压面，在外周则带有对应于上述孔的圆锥状面倾斜角度的圆锥面，而旋转阀沿圆周方向间隔设置有多个一端开口于受压面上的燃料通路，各燃料通路对应于上述孔一侧的喷孔而开口于圆锥面部位。
2.如权利要求1所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于孔周壁上的圆锥面和旋转阀的圆锥面带有通过燃料喷射时的喷射压力而产生大于使旋转阀沿圆周方向旋转的该驱动旋转力矩的磨擦保持力矩的角度。
3.如权利要求1或2所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于将划分孔周壁的各喷孔的孔径制成相同，将旋转阀的燃料通路的圆锥面上的开口制成与喷孔的直径相同或者更大，对应于旋转阀的旋转量而使各喷孔的开度形成渐进的变化。
4.如权利要求1或2所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于将划分出孔的周壁的喷孔直径做成至少2种，以相邻的喷孔不同直径的方式配置成列，旋转阀的燃料通路圆锥面上的开口带有与上述喷孔最大直径相同或更大的直径，通过旋转阀的旋转而选择这些不同直径的喷孔。
5.如权利要求1～4之一所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于旋转阀的燃料通路由与圆锥面和受压面相连通的槽构成。
6.如权利要求5所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于槽底面的角度与圆锥面的角度大致平行。
7.如权利要求5所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于槽底面的角度与旋转阀的轴线大致平行。
8.如权利要求1～4之一所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于旋转阀的燃料通路由孔构成。
9.如权利要求1所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于旋转阀的受压面通过联轴器与驱动轴系相连接，该驱动轴系构成由执行元件驱动的形式。
10.如权利要求9所述的喷孔面积可变的燃料喷嘴，其特征在于联轴器与延伸到针阀前端区域的穴中的驱动轴系相连接，并且在针阀的穴内表面上形成圆锥面，将该圆锥面作为联轴器的圆锥面的座。
11.一种喷孔面积可变的燃料喷嘴，在喷嘴体的前端部上形成有导入加压燃料的孔，在该孔的入口一侧配置有在一定的燃料压力下开闭的针阀，在划分出孔的圆周壁上沿圆周方向间隔设置有喷出加压燃料的多个喷孔，在孔内配置有旋转阀，通过将该旋转阀由执行机构旋转，而调节喷孔的开口面积，其特征在于(i)上述划分出孔的周壁上带有圆锥面，喷孔开口于该圆锥面上；(ii)旋转阀带有在上端接受加压燃料的压力的受压面，在外周则带有对应于上述孔的圆锥状面倾斜角度的圆锥面，而旋转阀沿圆周方向间隔设置有多个一端开口于受压面上的燃料通路，各燃料通路对应于上述孔一侧的喷孔而开口于圆锥面部位。(iii)在连接旋转阀与执行元件的驱动轴线上设置有旋转角检测机构，将该旋转角检测机构的输出侧连接在驱动执行机构用的控制器上，来自旋转角检测机构的信号在非燃料喷射时和/或燃料喷射中驱动执行元件，从而对旋转阀的旋转角进行修正。
全文摘要
本发明涉及一种将燃料喷入内燃机中的喷嘴,特别是一种在喷嘴体的前端带有孔,在孔中配置旋转阀,通过对旋转阀的旋转角度进行控制以改变喷孔的面积的燃料喷嘴,其中在划分出孔的周壁上带有一圆锥面,旋转阀在其上端带有承受加压燃料压力的受压面,在外周带有与上述孔的圆锥面的倾斜角度相应的角度的圆锥面,并且在一端沿圆周方向间隔设置有开口于受压面上的多条燃料通路,各燃料通路开口于与上述孔一侧的喷孔相对应的圆锥面部位上。由此通过喷射压力在旋转阀和喷嘴体之间产生出大于旋转阀旋转力矩的摩擦力矩,从而通过燃料的喷射压力将旋转阀固定在任意位置。
文档编号F02M61/00GK1187233SQ96194632
公开日1998年7月8日 申请日期1996年6月6日 优先权日1996年6月6日
发明者长谷川敏行, 野崎真哉, 宫本武司, 雨森雅典, 小林孝 申请人:株式会社杰克赛尔