JP2002221128A - 噴射弁 - Google Patents
噴射弁Info
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- JP2002221128A JP2002221128A JP2001017075A JP2001017075A JP2002221128A JP 2002221128 A JP2002221128 A JP 2002221128A JP 2001017075 A JP2001017075 A JP 2001017075A JP 2001017075 A JP2001017075 A JP 2001017075A JP 2002221128 A JP2002221128 A JP 2002221128A
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Abstract
口側形状を工夫し、液膜の形成を容易にし、かつその広
がりを抑えて、噴霧の微粒化を促進する。 【解決手段】 内部を燃料通路1aとするバルブボディ
3内にニードル4を配し、弁座3bから離座させること
により燃料通路1aを開放して、噴孔プレート2の噴孔
21から燃料を噴射する。噴孔21は略楕円形断面で、
入口側の面積より出口側の面積が大きくなるテーパ形状
を有し、入口側の中心より流体出口側の中心が外周側に
位置するように、両中心を結ぶ噴孔軸線を傾斜させてあ
る。この噴孔21形状により、燃料を各噴孔21内周面
に沿って薄い膜状とし、かつ噴射させる液膜の広がりを
抑制して、微粒化できる。
Description
の燃料噴射弁に適用される噴射弁に関するものであり、
詳しくは、流体噴射用の噴孔を形成した噴孔プレートを
備える噴射弁に関する。
低減のために、燃料の気化率を向上させ、ポートやシリ
ンダ内壁に付着する燃料を低減することが求められてい
る。燃料噴射弁においては、特に、噴霧の高微粒化の要
望があり、例えば、エアアシスト式の噴射弁も提案され
てあるが、コスト低減の面からはエアアシスト式のよう
な複雑な付加的装置を設けることは不利である。このた
め、ニードルが収容されるバルブボディの下流側に、微
小径の噴孔を複数形成した噴孔プレートを設置して、各
々の噴孔から噴射される燃料の微粒化を図っている。
微小径の個々の噴孔からは良好な微粒化噴霧が得られる
が、一定の噴射量を得るには、噴孔が微細であるほど噴
孔数が増加することになる。このため、隣接する噴孔間
の間隔が狭くなり、隣接する噴孔を通過した燃料が合体
してしまい、微粒化が阻害される不具合があった。この
不具合は、隣接する噴孔間の間隔を広くすれば解消する
が、噴孔プレートに形成できる噴孔数が限られる結果、
径を十分微小化することができなくなり、各々の噴孔の
微粒化度合いを上げられない。そして、微粒化が十分な
されない噴霧の特徴として、噴孔出口直下で噴射された
燃料の一部が芯状の塊となり、それが下流においても分
裂しないために粒径の大きな噴霧となることが判明して
いる。
には、噴射された燃料同士の合体を回避しつつ、しかも
各々の噴孔での微粒化度合いを上げることが必要にな
る。つまり、噴孔形状を工夫して、噴孔出口直下の燃料
の塊をなるべく小さく、好適には、薄い膜状にして下流
での分裂を促進すること、隣接する噴孔からの噴霧との
合体を回避できるように噴霧の広がりを抑制することが
望まれる。
の噴霧を得るために、噴孔にテーパをつけることが考え
られる。噴孔の出口側が広がる円錐形状とすることによ
って、噴霧が噴孔の内周面に沿って広がり、薄い膜状に
噴射されることが期待できる。しかしながら、テーパ形
状によって形成される液膜状の噴霧は、噴孔の出口形状
に左右されるために、出口形状により噴霧の広がり幅が
決まる。一般には、径方向に広がる噴霧になりやすく、
折角各々の噴孔の微粒化度合いを向上させても、隣接す
る噴孔の噴霧と合体して、結果的に微粒化が阻害される
といった問題がある。
に形成される噴孔の最適な形状を検討し、特に、出口側
形状を工夫することによって、液膜の形成を容易にし、
かつその広がりを抑えて、噴霧の微粒化を促進すること
を目的とする。
は、内部に設けた流体通路の端部に下流側へ向けて縮径
するテーパ面を形成して弁座としたバルブボディと、上
記弁座に着座することにより上記流体通路を閉塞し、上
記弁座から離座することにより上記流体通路を開放する
弁部材と、上記弁座の下流側に配置され、上記弁部材の
開弁時に上記流体通路から流出する流体を噴射するため
の噴孔を有する噴孔プレートを備えている。上記噴孔プ
レートに設けられる上記噴孔は、少なくとも流体出口側
の開口形状が略楕円形であるとともに、流体入口側の面
積より流体出口側の面積が大きくなるテーパ形状に形成
してあり、かつ、流体入口側の中心より流体出口側の中
心が上記噴孔プレートの外周側に位置するように、両中
心を結ぶ噴孔軸線を上記噴孔プレートの中心軸に対して
傾斜している。
ーパ形状とし、噴孔軸線を外周側へ傾斜させることで、
流入する燃料が噴孔内周面に沿って外周側へ広がりやす
くなり、噴孔出口で薄い膜状となるのを促進する。ま
た、少なくとも出口形状を略楕円形とすることで、隣接
する噴孔との間隔を広くし、かつ噴射される液膜の短軸
方向への広がりを抑制することができる。よって、噴孔
出口で燃料の一部が芯状の塊となるのを防止し、燃料の
液膜化を良好に行うとともに、その広がりを抑えて、噴
霧を微粒化することができる。
おいて、流体入口側と流体出口側の中心のずれ方向を、
流体出口側の上記開口の長軸方向と略一致させる。
に対し、楕円の長軸方向でかつ外周側にずれるようにす
ると、より効果的に、隣接する噴孔からの噴霧との合体
を防止して、噴霧の微粒化を促進することができる。
記開口形状を、流体出口側の上記開口の長軸の長さをL
1 、短軸方向の最大幅をL2 とした時に、最大幅L2 を
とる位置と上記噴孔プレートの中央部よりの長軸上の点
Aとの距離xが、(1/2)・L1 ≦x<L1 の範囲と
なる形状とする。
に、その短軸方向の幅が最大となる位置が、長軸の1/
2の位置より外周側となるように形状を設定すると、上
記噴孔から噴射される液膜の広がりを抑制する効果が高
く、短軸方向に隣接する噴孔からの噴霧との合体を防止
して、微粒化を向上させる。
端面において、上記噴孔の開口縁近傍に、噴射される膜
状流体の広がりを抑制する半円形断面の広がり抑制手段
を設ける。
の上記広がり抑制手段を設けると、噴射される液膜が上
記広がり抑制部材の表面に沿って広がり、その頂部付近
で剥離する。これによって液膜の広がりを抑制して隣接
する噴霧の合体を防止することができる。
に第2の噴孔プレートを設けて上記噴孔に連通する略同
一またはそれより大きい貫通穴または貫通溝を形成し、
噴射される膜状流体の広がりを抑制する広がり抑制手段
とする。
穴または貫通溝の内壁が、液膜の広がりを抑制するた
め、これによっても流体の広がりを抑制して隣接する噴
霧の合体を防止することができる。
機関の燃料噴射弁に適用した第1の実施の形態を示す。
図3は燃料噴射弁1の概略構成を示すもので、燃料噴射
弁1は、内燃機関の各気筒に燃料を供給するために、図
略の吸気管から各気筒への分岐部にそれぞれ取り付けら
れている。燃料噴射弁1の先端(図の下端)は該吸気管
内に突出しており、供給された燃料は、吸気との混合気
となって各気筒に供給される。燃料噴射弁1の筒状ハウ
ジング11内には略円筒状の固定鉄心61が設けてあ
り、その一端(下端)611はハウジング11の先端部
111近くまで延びている。固定鉄心61の他端(上
端)612はハウジング11の基端112より突出して
図略の燃料タンクと接続されている。また、ハウジング
11の先端部111に接して、磁性材料からなる段付き
の磁性パイプ62が配設してあり、その小径部621が
ハウジング11内に挿通位置して、固定鉄心61の一端
611との間に非磁性材料でなる非磁性パイプ63を挟
持している。
方から環状のスペーサ64を介してバルブボディ3が嵌
設してある。バルブボディ3に軸方向に形成された貫通
穴3aは、流体通路としての燃料通路1aの一部を構成
するもので、先端側を逆円錐状に形成して弁部材である
ニードル4が着座する弁座3bとしてある。ニードル4
は、燃料噴射弁1を軸方向に貫通する燃料通路1aの下
端部内に配設してあり、バルブボディ3内に位置する先
端部41には弁座3bに着座する逆円錐状のシート部4
aが設けてある。燃料通路1aは、固定鉄心61、非磁
性パイプ63、磁性パイプ62、スペーサ64の各内部
空間とバルブボディ3の貫通穴3aによって形成され、
燃料は、図略の燃料タンクから燃料通路1aを通って弁
部に供給される。
3の貫通穴3a内を摺動するガイド部411を有すると
ともに、基部42外周には、固定鉄心61の一端611
に対向し磁性パイプ62および非磁性パイプ63内を摺
動する可動コア57が溶接により連結されている。ま
た、ハウジング11の下端部内周面に沿って、磁性材料
からなる略円筒状のヨーク51が同軸に設けてあって、
固定鉄心61、非磁性パイプ63、磁性パイプ62の外
周に同軸に設けた樹脂製の略円筒状のスプール52と対
向している。そして、スプール52周りに巻回した電磁
コイル53への通電を制御することによって、可動コア
57を上方へ吸引し、可動コア57と一体のニードル4
を上昇させるようにしてある。なお、電磁コイル53
は、ハウジング11側面より突出するコネクタ12に設
けられたターミナル54と電気的に接続してあり、ター
ミナル54に接続される図略の電子制御装置から給電さ
れるようになっている。
してあり、ニードル4を先端方向(閉弁方向)へ付勢し
ている。固定鉄心61内には、また、円筒状のアジャス
ティングパイプ56が螺入してあり、軸方向位置を調節
することにより、スプリング55のニードル4への付勢
力が調整される。なお、ニードル4のガイド部411お
よび基部42は、外周の複数箇所を切削して摺動面との
間に空隙を形成してあり、燃料の流通を容易にしてい
る。また、固定鉄心61内には他端612側にフィルタ
65が設けられて、燃料噴射弁1に流入する燃料中のゴ
ミ等を除去するようになっている。
21が形成された噴孔プレート2が設置してある。そし
て、電磁コイル53への通電により可動コア57が上方
へ吸引され、ニードル4が弁座3bから離座すると、燃
料通路1aから噴孔21を経て燃料が噴射される。電磁
コイル53への通電が停止されると、ニードル4が弁座
3bに着座し、燃料通路1aを閉塞されて燃料噴射が停
止される。本発明の特徴は、この噴孔プレート2の噴孔
形状にあり、以下、これについて詳述する。
板形で、その板面の複数箇所を貫通して、略楕円形の断
面形状を有する噴孔21が設けてある(ここでは、板面
の4箇所(縦2×横2)に楕円の長軸方向が略一致また
は平行となるように並列配置している)。噴孔形状を略
楕円形とすることで、短軸方向に隣接する噴孔21間の
間隔を比較的大きくでき、また、後述する形状の制御に
より噴霧の微粒化を促進できる。各噴孔21は、図1
(B)のように、噴孔プレート2の入口側端面(上面)
における開口面積より出口側端面(下面)の開口面積が
大きいテーパ形状を有し、かつ入口側の中心と出口側の
中心を結ぶ噴孔軸線が、噴孔プレート2の中心軸に対し
て傾斜するように設けられる。
に流入した燃料は、噴孔内周面21aに沿って広がりな
がら流れ、噴孔出口21bで薄い膜状になって噴射され
ることが、可視化試験によって確認されている。形成さ
れる液膜7は、噴孔プレート2の中心側から出口形状に
沿って外周側へ広がる馬蹄形状となる。一方、図2のよ
うに、噴孔軸線を傾斜させただけでテーパ形状を有して
いない噴孔21´では、図2のように、燃料が噴孔内周
面に十分広がらず、噴孔21´直下で芯状の塊8となっ
て噴射されるのを確認した。このように、噴孔軸線を傾
斜させ、かつテーパ形状とすることで、燃料の液膜化を
良好に行うことができる。
出口側の中心が噴孔プレート2の外周側に位置するよう
に設定する。具体的には、例えば図1(A)では、噴孔
21の入口側開口と出口側開口における長軸方向を一致
させたまま、入口側の中心に対して出口側の中心を外周
側にずらして配置している。これにより、長軸方向(図
の左右方向)に隣接する2つの噴孔21は、両中心のず
れ方向が反対方向となり、噴霧が離れる方向に噴射され
るため、噴霧が合体することはない。短軸方向(図の上
下方向)に隣接する2つの噴孔21からの噴霧は平行に
噴射されるが、噴孔21の出口21b形状を適切に設定
することによって、噴射後の液膜の広がりを抑制して噴
霧の合体を防止できる。これを図4〜6を用いて説明す
る。
噴孔21から噴射される液膜の広がりの様子を示すもの
で(図4(A)のB−B断面)、噴射される液膜の広が
りが大きいと、噴霧が合体して微粒化が阻害される。各
噴孔21における液膜の広がり(噴孔プレート2の下面
から3mmの位置)と噴霧粒径(SMD)の関係を図5
(B)に示し、液膜の広がりが大きいほど噴霧粒径(S
MD)が大きくなっていること、すなわち、各噴孔21
で良好な液膜で生成されても、噴霧粒径(SMD)が大
きくなって、微粒化が阻害されることが分かる。なお、
この時の噴孔間隔は限界設計まで広げたものである。こ
のように、多噴孔の設計とした場合、隣接する噴孔21
との間隔が制限されるため、噴霧同士の合体による噴霧
粒径(SMD)の増大を防ぐには、液膜の広がりを抑制
する必要がある。そこで、本発明者等は、液膜の広がり
と噴孔形状について検討し、噴孔21の出口21b形
状、特に、短軸方向の最大幅L2 の位置が大きく影響す
ることを見出した。
概略形状を示し、長軸の長さ(長軸上の点A、点B間の
距離)をL1 、短軸方向の最大幅をL2 とする。また、
プレート中心よりの点Aと最大幅L2 をとる位置との距
離をxとし、xと液膜の広がりおよび噴霧粒径(SM
D)との関係を調べて、それぞれ図6(A)、(B)に
示した。図6(A)に明らかなように、点A、点Bの中
間位置〔x=(1/2)・L1 〕まではxが点Aから離
れるほど、液膜の広がりは小さくなっており、点A、点
Bの中間位置より外周側で液膜の広がりはほぼ一定とな
る。また、噴霧粒径(SMD)も同様の傾向を示してい
る(図6(b))。従って、各噴孔21の出口21b形
状を、xが(1/2)・L1 ≦x<L1 の範囲、好まし
くは、(1/2)・L1 <x<L1 の範囲となるような
略楕円形に形成するのがよい。
薄い液膜を効果的に形成し、しかも隣接する噴孔21か
らの噴霧合体を回避することが可能であり、高い微粒化
効果が得られる。なお、短軸方向に隣接する2つの噴孔
21は必ずしも平行である必要はなく、噴霧合体を回避
可能な範囲であれば、例えば入口側より出口側の間隔が
狭くなるように配置されていてもよい。上記のように形
状を設定することで、個々の噴孔21からの噴霧の広が
りが最小限に抑制されるので、同様の効果が得られる。
の形態における噴孔プレート2形状を示す。噴孔プレー
ト2以外の燃料噴射弁1の基本構成は上記第1の実施の
形態と同様であるため図示を省略する。本実施の形態に
おいて、噴孔プレート2は、上記第1の実施の形態と同
様、略楕円形断面の複数の噴孔21を有している。さら
に、噴孔プレート2の出口側端面には、長軸方向に隣接
する2つの噴孔21に渡って、その出口21bの両側周
縁に沿うように長軸方向に延びる、半円形断面の広がり
抑制手段としての棒状部材22を溶接固定してある。
短軸方向において、噴孔21の出口21bから噴射され
る液膜は、棒状部材22の表面に沿って広がろうとし
(コアンダ効果)、半円の頂部付近で剥離するために、
結果として、液膜の広がりを所定範囲に抑制することが
できる。よって、隣接する噴霧の合体を防止し、微粒化
が向上できる。
の形態における噴孔プレート2形状を示す。噴孔プレー
ト2以外の燃料噴射弁1の基本構成は上記第1の実施の
形態と同様であるため図示を省略する。本実施の形態に
おいて、噴孔プレート2は、上記第1の実施の形態と同
様の構成であり、これに加えて、噴孔プレート2の出口
側端面に、各噴孔21の形成位置にその出口形状より僅
かに大きい広がり抑制手段としての貫通穴24を設けた
第2の噴孔プレート23を溶接固定してある。貫通穴2
4は入口側と出口側が同一形状でテーパを有しておら
ず、両プレート2、23の衝合部には段差が形成され
る。
噴孔21の出口21bから噴射される液膜は、第2の噴
孔プレート23の貫通穴24の内壁面25によって広が
りが抑制され、特に短軸方向における液膜の広がりを所
定範囲に抑制することができる。よって、隣接する噴霧
の合体を防止し、微粒化が向上できる。なお、図8
(C)のように、長軸方向に隣接する2つの噴孔21に
対応して、第2の噴孔プレート23の出口側端面の2箇
所に、短冊状の貫通溝26を設けることもでき、同様の
効果が得られる。
の形態における噴孔プレート2形状を示す。噴孔プレー
ト2以外の燃料噴射弁1の基本構成は上記第1の実施の
形態と同様であるため図示を省略する。本実施の形態に
おいて、噴孔プレート2は、上記第1の実施の形態とほ
ぼ同様の構成であり、これに加えて、噴孔プレート2の
出口側端面に、各噴孔21の出口21b両側周縁に沿う
ように、長軸方向に延びる半円形断面の広がり抑制手段
としての棒状突起27を設けてある。この棒状突起27
は、噴孔21の加工後に、噴孔プレート2を塑性変形さ
せて該当箇所を隆起させることによって形成される。
噴孔21の出口21aから噴射される液膜は、短軸方向
において棒状突起27の表面に沿って広がろうとし、上
記第2の実施の形態と同様に、半円の頂部付近で剥離す
る結果、液膜の広がりを所定範囲に抑制することができ
る。よって、隣接する噴霧の合体を防止し、微粒化が向
上できる。
レート2の4箇所に設け、隣接する噴孔の長軸方向が一
致あるいは平行となるように配置したが、噴孔21の数
や配置はこれに限るものではない。噴孔21の数や配置
が変更された場合、例えば放射状に配置された場合で
も、本発明第2〜第4の実施の形態に示す棒状部材22
等、広がり抑制手段を設置することで、噴孔21出口直
後の液膜の広がりを制御できるので、液膜の広がりを抑
える働きを加えて複数孔から形成される噴霧全体の広が
りを制御することが可能である。
孔プレートの拡大図(上方視図)、(B)は(A)のA
−A線断面図、(C)は第1の実施の形態の噴孔プレー
トから噴射される噴霧の状態を示す図である。
の状態を示す図である。
の全体断面図である。
トの拡大図(上方視図)、(B)は噴孔の出口形状を示
す拡大図である。
(B)は液膜の広がりと噴霧粒径(SMD)の関係を示
す図である。
とる位置と液膜の広がりの関係を示す図、(B)は最大
幅L2 をとる位置と噴霧粒径(SMD)の関係を示す図
である。
孔プレートの拡大図(上方視図)、(B)は(A)のC
−C線断面図である。
孔プレートの拡大図(上方視図)、(B)は(A)のC
−C線断面図、(C)は第2の噴孔プレートの他の形状
例を示す図である。
孔プレートの拡大図(上方視図)、(B)は(A)のC
−C線断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 内部に設けた流体通路の端部に下流側へ
向けて縮径するテーパ面を形成して弁座としたバルブボ
ディと、上記弁座に着座することにより上記流体通路を
閉塞し、上記弁座から離座することにより上記流体通路
を開放する弁部材と、上記弁座の下流側に配置され、上
記弁部材の開弁時に上記流体通路から流出する流体を噴
射するための噴孔を有する噴孔プレートとを備える噴射
弁であって、上記噴孔を、少なくとも流体出口側の開口
形状が略楕円形であるとともに、流体入口側の面積より
流体出口側の面積が大きくなるテーパ形状に形成し、か
つ、流体入口側の中心より流体出口側の中心が上記噴孔
プレートの外周側に位置するように、両中心を結ぶ噴孔
軸線を上記噴孔プレートの中心軸に対して傾斜させたこ
とを特徴とする噴射弁。 - 【請求項2】 上記噴孔において、流体入口側と流体出
口側の中心のずれ方向を、流体出口側の上記開口の長軸
方向と略一致させた請求項1記載の噴射弁。 - 【請求項3】 上記噴孔の流体出口側の上記開口形状
を、流体出口側の上記開口の長軸の長さをL1 、短軸方
向の最大幅をL2 とした時に、最大幅L2 をとる位置と
上記噴孔プレートの中央部よりの長軸上の点Aとの距離
xが、(1/2)・L1 ≦x<L1 の範囲となる形状と
する請求項1または2記載の噴射弁。 - 【請求項4】 上記噴孔プレートの出口側端面におい
て、上記噴孔の開口縁近傍に、噴射される膜状流体の広
がりを抑制する半円形断面の広がり抑制手段を設けた請
求項1ないし3のいずれか記載の噴射弁。 - 【請求項5】 上記噴孔プレートの下流側に第2の噴孔
プレートを設けて上記噴孔に連通する略同一またはそれ
より大きい貫通穴または貫通溝を形成し、噴射される膜
状流体の広がりを抑制する広がり抑制手段とした請求項
1ないし3のいずれか記載の噴射弁。
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