JP2003148299A - 燃料噴射弁およびそれを搭載した内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】噴射孔近傍で効果的に噴射流速を大きくした
り、噴射孔の上流側で効果的に渦流れを形成したり、噴
射孔の外部で燃料を衝突させたりすることにより、微粒
化性能を向上できるようにした燃料噴射弁およびそれを
搭載した内燃機関を提供する。 【解決手段】燃料外周放射室２０１のプレート部材１１
１に対向する壁を傾斜壁面２０２にすることで、燃料が
外周方向に流れて行くに従って、流路断面積も小さくな
るように構成した。あるいはプレート部材１１１の上流
側に対向する燃料外周放射室２０１の壁面に段差６０１
を設置して、渦７０１を作るように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に燃料を
噴射する燃料噴射弁に係り、微粒化に優れた燃料噴霧を
形成する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車用エンジン等に用いられ
る燃料噴射弁は、軸方向に燃料通路が設けられた筒状の
ノズル部と、該ノズル部の先端部内周側に設けられたオ
リフィスを囲んで内周側に弁座が設けられた弁座部材
と、前記ノズル部の燃料通路内に挿通して設けられた基
端側が吸着部となり先端側が弁部となった弁体と、前記
ノズル部の基端側に設けられて通電することによって該
弁体の吸着部を吸引し該弁体を開弁する電磁アクチュエ
ータとから構成されている。このような内燃機関の燃料
噴射弁の例として、例えば特開２００１−２７１６９号
公報、あるいは特開２００１−４６９１９号公報に記載
されたものがある。燃料噴射弁では燃料消費量の低減、
燃焼の未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量の低減、エ
ンジンの安定した運転性能の観点から燃料の微粒化が重
要な要素の１つである。

【０００３】このような従来技術による燃料噴射弁で
は、ノズル部の先端部に位置して弁座部材を覆うプレー
ト部材が設けられ、その中央側には、弁座部材のオリフ
ィスから流出する燃料を微粒化して噴射する複数の噴射
孔が形成されている。そして、弁体の開弁時には、ノズ
ル部内に供給される燃料が各噴射孔からエンジンの吸気
ポート等に向けて噴射される。この場合、プレート部材
に設けられた複数の噴射孔の個数や大きさ、および板厚
方向に貫通する噴射孔の角度を調整することにより噴射
された燃料の流速をできる限り大きくし、噴霧粒径を小
さくするなどの制御を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来技術
の燃料噴射弁においては、複数の噴射孔の個数や大き
さ、および板厚方向に貫通する噴射孔の角度を調整する
ことにより、噴霧粒径を制御しているため、プレート部
材の寸法により加工できる噴射孔の個数、大きさや角度
が規定されてしまい、噴霧粒径を小さくするのには限界
があり、必ずしも充分な微粒化性能を得ることができな
いという課題があった。

【０００５】それにより、このような燃料噴射弁を搭載
した内燃機関では、効果的な燃料消費量の低減、および
燃焼の未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量の低減にも
限界がある。

【０００６】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明の目的は、複数の噴射孔の個数や
大きさ、および板厚方向に貫通する噴射孔の角度を調整
して微粒化性能を向上させる手段に加えて、さらに噴射
孔近傍で効果的に噴射流速を大きくしたり、噴射孔の上
流側で効果的に渦流れを形成したり、噴射孔の外部で燃
料を衝突させたりすることにより、微粒化性能を向上で
きるようにした燃料噴射弁およびそれを搭載した内燃機
関を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、板厚方向に貫通する複数の噴射孔を有する
プレート部材と、該プレート部材の上流側に燃料外周放
射室と、該燃料外周放射室の上流側に燃料縮流部と、該
燃料縮流部の上流側に弁座と、該弁座との間で燃料通路
の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段とを備
えた燃料噴射弁において、前記プレート部材の壁面とそ
の上流側に対向する前記燃料外周放射室の壁面との距離
が、前記プレート部材の外周方向に行くに従って、短く
なっていくことを特徴とする燃料噴射弁を構成する。

【０００８】また上記課題を解決するために本発明は、
板厚方向に貫通する複数の噴射孔を有するプレート部材
と、該プレート部材の上流側に燃料外周放射室と、該燃
料外周放射室の上流側に燃料縮流部と、該燃料縮流部の
上流側に弁座と、該弁座との間で燃料通路の開閉を行う
弁体と、該弁体を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射
弁において、前記プレート部材の上流側に対向する前記
燃料外周放射室の壁面に段差を設置したことを特徴とす
る燃料噴射弁を構成する。

【０００９】さらに上記課題を解決するために本発明
は、前記に記載した燃料噴射弁において、前記プレート
部材の各噴射孔を介して外部に噴射される燃料を互いに
衝突させるように、前記プレート部材に一定の傾斜角を
有する複数の噴射孔を設置したことを特徴とする燃料噴
射弁を構成する。

【００１０】以上のような構成とすることで、噴射され
た燃料の噴霧粒径を小さくすることが可能となり、該燃
料噴射弁の多様な内燃機関への適合を容易ならしめるも
のである。多様な内燃機関への適合が容易となること
で、内燃機関の効率を向上することができ、また内燃機
関からの排出ガス中の未燃燃料成分などを抑制する効果
が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の最良の実施形態
について図１〜図１１を参照しながら説明する。以下の
説明において、弁体の軸線を含み、かつその軸線に平行
な面を縦断面と呼ぶことにする。

【００１２】図１は、本発明の燃料噴射弁の構造を示す
縦断面図の一例として、通常時閉型の電磁式燃料噴射弁
を示す。（但し、本発明の効果は電磁式燃料噴射弁に限
定されるものではない。）図１に示された本実施形態の
燃料噴射弁は、電磁コイル１０９を取り囲む磁性体のヨ
ーク１０５と、電磁コイル１０９の中心に位置し一端が
ヨーク１０５と接触したコア１０６と、前記電磁コイル
１０９が励磁されると所定量リフトする弁体１０２と、
この弁体１０２に対接するシート面１１０と、弁体１０
２とシート面１１０の隙間を通って流れる燃料を縮流す
る燃料縮流部１０１、燃料縮流部１０１の下に燃料を外
周方向に流す燃料外周放射室、および燃料外周放射室の
下に複数の噴射孔１０７を有するプレート部材１１１を
備えている。また、コア１０６の中心には、弁体１０２
をオリフィス１０１のシート面１１０に押圧する弾性部
材としてのスプリング１０８が備えてある。コイル１０
９に通電されていない状態においては、弁体１０２とシ
ート面１１０とが密着している。燃料は図示しない燃料
ポンプによって圧力を付与された状態で燃料供給口より
供給され、弁体１０２とシート面１１０の密着位置まで
燃料噴射弁の燃料通路１０４は燃料で満たされている。
コイル１０９に通電され、磁力によって弁体１０２が変
位してシート面１１０から離れると、燃料は燃料縮流部
１０１で軸中心付近に集約されたのち、プレート部材１
１１に沿って外周方向に放射流状に流れて、複数の噴射
孔１０７よりエンジンの吸気ポート等に向けて噴射され
る構造になっている。

【００１３】図２は本発明の燃料噴射弁における実施例
１のノズル部の縦断面図である。本発明の特徴は、燃料
を外周方向に流す役目をしている燃料外周放射室２０１
のプレート部材１１１に対向する壁を、傾斜壁面２０２
にしていることである。このようにすることで、燃料が
プレート部材１１１の中心から外周方向に流れて行くに
従って、プレート部材１１１と傾斜壁面２０２との距離
が短くなって行き、それに伴って流路断面積が小さくな
って行く。また、図３に本発明の燃料噴射弁における実
施例１のプレート部材１１１の噴射孔出口側から見た平
面図を示す。プレート部材１１１には、複数の噴射孔１
０７が設けられており、弁体１０２が開弁したときに流
出する燃料を微粒化し、燃料の噴射方向を噴射方向３０
１と３０２の２方向に制御する役目をしている。実施例
１では１０個の噴射孔が設けられている。

【００１４】これ以降に、本発明による燃料噴射弁の作
用と効果を、従来例による噴射弁を用いた場合と比較し
て説明する。図４に本発明の燃料噴射弁における実施例
１のノズル部の縦断面図および流れの様子を従来例と比
較して示す。（Ａ）が本発明の燃料噴射弁であり、
（Ｂ）が従来例による燃料噴射弁である。（Ａ）の本発
明の燃料噴射弁の場合には、燃料外周放射室２０１のプ
レート部材１１１に対向する壁を傾斜壁面２０２にする
ことで、燃料がプレート部材１１１の中心から外周方向
に流れて行くに従って、プレート部材１１１と傾斜壁面
２０２との距離が短くなって行き、流路断面積も小さく
なって行く。これにより、燃料外周放射室２０１でプレ
ート部材１１１に沿って外周方向に放射流状に流れてき
た燃料は、プレート部材１１１と傾斜壁面２０２の間
で、徐々に加速される。そのため、各噴射孔１０７から
噴射される燃料の流速ベクトル４０２は大きくなり、よ
り微粒化が促進されて噴霧粒径が小さくなった状態で、
エンジンの吸気ポートに向けて噴射される。これに対し
て、（Ｂ）の従来例による燃料噴射弁の場合には、燃料
外周放射室２０１のプレート部材１１１に対向する壁が
水平壁面４０３であるため、各噴射孔１０７から噴射さ
れる燃料の流速ベクトル４０４は、（Ａ）の燃料の流速
ベクトル４０２に比べて小さくなっている。この点が
（Ａ）の本発明の燃料噴射弁での燃料の流れ方と異なっ
ているところである。

【００１５】図５に本発明の燃料噴射弁における実施例
１の噴射孔１０７の出口での流速分布を示す。Ｖzは鉛
直下向きを正にとった場合の鉛直方向の流速を示したも
のである。（Ｂ）の従来例による燃料噴射弁の場合に
は、噴射孔１０７の出口での流速分布が破線で示してあ
るように、噴射孔１０７が斜めに貫通している。そのた
め、放物線形状ではなく偏りをもった流速分布になって
いる。これに対して、実線で示してある（Ａ）の本発明
の燃料噴射弁の場合にも、（Ｂ）同様に偏りをもった流
速分布になっているが、流速ベクトルの大きさが（Ｂ）
に比べて大きくなっているのが特徴である。このように
噴射孔出口での流速ベクトルが大きくなるため、噴射燃
料の微粒化がより増長されて、噴霧粒径を小さくするこ
とができる。

【００１６】なお、今まで述べてきた実施例１の燃料噴
射弁では、弁体１０２がボール弁であったが、弁体１０
２はボール弁以外に円錐形状など他の形状でも構わな
い。

【００１７】上記のことより実施例１の燃料噴射弁は、
燃料外周放射室２０１のプレート部材１１１に対向する
壁を傾斜壁面２０２にすることで、燃料がプレート部材
１１１の中心から外周方向に流れて行くに従って、プレ
ート部材１１１と傾斜壁面２０２との距離が短くなって
行き、流路断面積も小さくなる。そのため、噴射孔近傍
で燃料が加速されて、噴射された燃料の噴霧粒径がより
小さくなり、微粒化を促進することできる。

【００１８】図６は本発明の燃料噴射弁における実施例
２のノズル部の縦断面図である。ノズル部以外は実施例
１と同様の電磁式燃料噴射弁を用いているので、その構
成要素の説明は省略する。図６に示すように実施例２で
は、プレート部材１１１の上流側に対向する燃料外周放
射室２０１の壁面に段差６０１を設置していることが特
徴である。

【００１９】これ以降に、本発明の燃料噴射弁における
実施例２の作用と効果を、図７と８を用いて説明する。
図７に本発明の燃料噴射弁における実施例２のノズル部
の縦断面図および流れの様子を示す。燃料外周放射室２
０１でプレート部材１１１に沿って中心から外周方向に
放射流状に流れる燃料の１部は、段差６０１に衝突し
て、渦７０１を形成する。

【００２０】図８に渦７０１による微粒化促進の様子を
示す。燃料外周放射室２０１内で発生した渦７０１は燃
料の流れ８０１に乗って各噴射孔１０７から噴射され
る。渦７０１があると、渦が無い場合に比べて燃料と空
気の気液界面８０２の乱れを促進する効果があるため、
噴霧粒子８０３の粒径が小さくすることができる。

【００２１】なお、今まで述べてきた実施例２の燃料噴
射弁では、燃料外周放射室２０１のプレート部材１１１
に対向する壁が水平壁面４０３であった。しかし、図９
に示すように燃料外周放射室２０１のプレート部材１１
１に対向する壁を傾斜壁面２０２にしても構わない。

【００２２】上記のことより実施例２の燃料噴射弁は、
プレート部材１１１の上流側に対向する燃料外周放射室
２０１の壁面に段差６０１を設置しているため、燃料外
周放射室２０１内で渦７０１が発生する。そして、この
渦７０１が燃料と空気の気液界面８０２の乱れを促進
し、噴霧粒子８０３の粒径がより小さくなり、微粒化を
促進することできる。

【００２３】図１０は本発明の燃料噴射弁における実施
例３のプレート部材１０１７の噴射孔出口側から見た平
面図である。プレート部材１０１７以外は実施例１ある
いは実施例２と同様の電磁式燃料噴射弁を用いているの
で、その構成要素の説明は省略する。

【００２４】実施例３では８個の噴射孔１００１〜１０
０８がプレート部材１０１７に設けられている。プレー
ト部材の各噴射孔を介して外部に噴射される燃料が互い
に衝突するように、プレート部材１０１７に一定の傾斜
角を有する各噴射孔１００１〜１００８を設置している
ことが特徴である。

【００２５】噴射孔１００１から噴射方向１００９に噴
射された燃料と、噴射孔１００２から噴射方向１０１０
に噴射された燃料が衝突するようになっている。同様に
噴射孔１００７から噴射方向１０１５に噴射された燃料
と、噴射孔１００８から噴射方向１０１６に噴射された
燃料が衝突するようになっている。各噴射孔１００１〜
１００８を介して外部に噴射された燃料が互いに衝突す
ると、衝突の効果により、微粒化をより促進することが
できる。

【００２６】上記のことより実施例３の電磁式燃料噴射
弁は、噴射孔の外部で燃料を互いに衝突させることで、
微粒化をより促進することができる。

【００２７】なお、上記実施例１から３では、電磁式燃
料噴射弁について説明したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、本実施例と同等の作用効果が得られる
範囲で、電磁式以外の燃料噴射弁に汎用的にも適用され
るものである。

【００２８】図１１は、図１に示した本発明にかかる燃
料噴射弁１１０１を、内燃機関に搭載した一例を示すも
のである。燃料噴射弁は実施例１から３に示したものと
同様の電磁式燃料噴射弁を用いているので、その構成要
素の説明は省略する。図１１に示した内燃機関は、シリ
ンダヘッド１１０２、吸気弁１１０３、燃料と空気との
混合気に点火する点火プラグ１１０４、ピストン１１０
５、シリンダ１１０６、排気弁１１０７、シリンダ１１
０６内に空気を導入する吸気ポート１１０８、燃焼ガス
をシリンダ１１０６内から排気する排気ポート１１０９
から構成されている。また、燃料噴射弁１１０１には、
噴射弁を駆動するための電流を供給するためのコネクタ
１１１０が設置されている。

【００２９】なお、図１１において、吸気弁１１０３は
閉弁した状態で示してある。しかしながら、実際には、
燃料噴射弁１１０１から燃焼室１１１１に対して燃料が
噴霧状に噴射される際、吸気弁１１０３は開弁してい
る。ここで、燃料噴射弁１１０１の噴射開始時期は、吸
気弁１１０３が実際に開弁しているタイミングでも良い
が、燃料の飛行時間を考慮して吸気弁１１０３が実際に
開弁を開始する前でも良い。この場合噴射開始時の燃料
は吸気弁１１０３が実際開弁するタイミングで吸気弁１
１０３に到達するよう飛行時間が設定される。更に、許
容できる範囲内であれば、噴射開始時の燃料が吸気弁１
１０３が実際に開弁を開始する前に吸気弁１１０３に到
達するように噴射開始時期を設定することもできる。

【００３０】上記のことより本発明の燃料噴射弁を備え
た実施例４の内燃機関では、燃料噴射弁から噴射された
燃料噴霧の微粒化性能が優れているため、燃焼の未燃ガ
ス成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量を低減できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、燃料噴射弁において
は、プレート部材に対向する壁を傾斜壁面にすること
で、流路断面積が小さくなって行くため、噴射孔近傍で
燃料が加速されて、微粒化を促進することできる。ま
た、プレート部材の上流側に対向する燃料外周放射室の
壁面に段差を設置することで、燃料外周放射室内で渦が
発生し、この渦が燃料と空気の気液界面の乱れを促進す
るため、微粒化を促進することできる。また、各噴射孔
の外部で燃料を互いに衝突させるようにプレート部材に
各噴射孔を設置することで、衝突効果による微粒化を促
進することできる。さらに、本発明の燃料噴射弁を搭載
した内燃機関においては、燃料噴射弁から噴射された燃
料噴霧の微粒化性能が優れているため、燃焼の未燃ガス
成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量を低減できる。

【符号の説明】

１０１…燃料縮流部、１０２…弁体、１０３…ノズル
部、１０４…燃料通路、１０５…ヨーク、１０６…コ
ア、１０７…噴射孔、１０８…スプリング、１０９…コ
イル、１１０…シート面、１１１…プレート部材、２０
１…燃料外周放射室、２０２…傾斜壁面、３０１…噴射
方向、３０２…噴射方向、４０１…燃料の流速ベクト
ル、４０２…燃料の流速ベクトル、４０３…水平壁面、
４０４…燃料の流速ベクトル、６０１…段差部、７０１
…渦、８０１…燃料の流れ、８０２…気液界面、８０３
…噴霧粒子、１００１…噴射孔、１００２…噴射孔、１
００３…噴射孔、１００４…噴射孔、１００５…噴射
孔、１００６…噴射孔、１００７…噴射孔、１００８…
噴射孔、１００９…噴射方向、１０１０…噴射方向、１
０１１…噴射方向、１０１２…噴射方向、１０１３…噴
射方向、１０１４…噴射方向、１０１５…噴射方向、１
０１６…噴射方向、１０１７…プレート部材、１１０１
…燃料噴射弁、１１０２…シリンダヘッド、１１０３…
吸気弁、１１０４…点火プラグ、１１０５…ピストン、
１１０６…シリンダ、１１０７…排気弁、１１０８…吸
気ポート、１１０９…排気ポート、１１１０…コネク
タ、１１１１…燃焼室。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の縦断面
図である。

【図２】本発明の燃料噴射弁における実施例１のノズル
部の縦断面図である。

【図３】本発明の燃料噴射弁における実施例１のプレー
ト部材の噴射孔出口側から見た平面図である。

【図４】本発明の燃料噴射弁における実施例１のノズル
部の縦断面図および流れの様子を従来例と比較して示し
た図である。

【図５】本発明の燃料噴射弁における実施例１の噴射孔
出口での流速分布を示した図である。

【図６】本発明の燃料噴射弁における実施例２のノズル
部の縦断面図である。

【図７】本発明の燃料噴射弁における実施例２のノズル
部の縦断面図および流れの様子を示した図である。

【図８】渦流れによる微粒化促進の様子を示した図であ
る。

【図９】本発明の燃料噴射弁における実施例２のノズル
部の縦断面図である。

【図１０】本発明の燃料噴射弁における実施例３のプレ
ート部材の噴射孔出口側から見た平面図である。

【図１１】本発明の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した実
施例４の部分断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 博雅 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 3G066 AB02 BA03 BA04 CC10 CC15 CC24 CC26 CC48 CE22

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板厚方向に貫通する複数の噴射孔を有する
   プレート部材と、該プレート部材の上流側に燃料外周放
   射室と、該燃料外周放射室の上流側に燃料縮流部と、該
   燃料縮流部の上流側に弁座と、該弁座との間で燃料通路
   の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段とを備
   えた燃料噴射弁において、前記プレート部材の壁面とそ
   の上流側に対向する前記燃料外周放射室の壁面との距離
   が、前記プレート部材の外周方向に行くに従って、短く
   なっていくことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】板厚方向に貫通する複数の噴射孔を有する
   プレート部材と、該プレート部材の上流側に燃料外周放
   射室と、該燃料外周放射室の上流側に燃料縮流部と、該
   燃料縮流部の上流側に弁座と、該弁座との間で燃料通路
   の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段とを備
   えた燃料噴射弁において、前記プレート部材の上流側に
   対向する前記燃料外周放射室の壁面に段差を設けたこと
   を特徴とする燃料噴射弁。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の燃料噴射弁におい
   て、前記プレート部材の各噴射孔を介して外部に噴射さ
   れる燃料を互いに衝突させるように、前記プレート部材
   に一定の傾斜角を有する複数の噴射孔を設けたことを特
   徴とする燃料噴射弁。
4. 【請求項４】シリンダと、このシリンダの中で往復運動
   するピストンと、前記シリンダ内に空気を導入する吸気
   手段と、燃焼ガスを前記シリンダ内から排気する排気手
   段と、前記シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
   と、この燃料噴射弁に燃料タンクから燃料を供給する燃
   料供給手段と、前記吸気手段によって前記シリンダ内に
   導入した空気と前記燃料噴射弁によって前記シリンダ内
   に噴射された燃料との混合気に点火する点火装置とを備
   えた内燃機関において、前記燃料噴射弁として、請求項
   １乃至３のいずれかに記載された燃料噴射弁を備えたこ
   とを特徴とする内燃機関。