JP2004232509A

JP2004232509A - 流体噴射装置

Info

Publication number: JP2004232509A
Application number: JP2003019939A
Authority: JP
Inventors: Tatsusuke Yamamoto; 辰介山本; Yoshitomo Oguma; 義智小熊; Shingo Mizuno; 伸吾水野; Yoshihisa Wakamatsu; 良尚若松
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】噴射開始時においても噴霧を微粒化する噴射装置を提供する。
【解決手段】スワール孔１０６は、環状通路１０４が形成されている軸方向位置からニードル３０の弁軸線２００と直交する方向に、弁ボディ２０の周壁を貫通して直線状に延びて６個形成されている。スワール孔１０６の出口は、スワール室１０８に開口している。スワール室１０８は、ニードル３０の摺動部３２、非摺動部３４および弁座２４の上流側の内周壁２２により囲まれた環状の空間である。ニードル３０の摺動部３２は円柱状に形成されており、弁ボディ２０の支持部２８に往復移動可能に支持されている。摺動部３２の下流側底面３３はスワール孔１０６に沿っており、弁軸線２００に対し直交している。下流側底面３３と、スワール孔１０６の出口開口周縁の上流端とは一致している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体にスワール流れを形成して噴射する流体噴射装置（以下、「流体噴射装置」をインジェクタという。）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば内燃機関の燃料噴射用のインジェクタにおいて、燃料噴霧を微粒化し燃焼性を向上することにより、排ガス中の有害成分を低減することが望まれている。燃料噴霧の微粒化を実現する一例として、スワール式のインジェクタが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
スワール流れにより燃料噴霧を微粒化する特許文献１に開示されているようなインジェクタにおいては、噴孔を開閉するニードルの周囲に形成されるスワール室にスワール孔から燃料が流入し、ニードルが弁座から離座することによりスワール室でスワール流れとなった燃料流れが噴孔から噴射される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４７３１７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のニードルのようにニードルを支持する支持部材と摺動する摺動部をニードルの先端付近まで軸方向に長く形成すると、ニードルの加工コストが上昇する。摺動部の下流側に支持部材と摺動しない非摺動部を形成すれば、摺動部の軸長を短くしてニードルの加工コストを低減できる。しかし、摺動部の下流側に非摺動部を形成すると摺動部の下流側に形成されるスワール室の容積が大きくなり、インジェクタの作動停止中に噴孔が遮断された状態でスワール室に滞留する燃料量が多くなる。その結果、インジェクタを作動させ燃料噴射を開始するときにスワール室に滞留していた燃料がスワール流れとならず、噴孔から棒状の流れとなって噴射されることがある。すると、インジェクタの作動停止後の燃料噴射開始時において燃料噴霧が微粒化されないという問題が生じる。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、噴射開始時においても噴霧を微粒化するインジェクタを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１から７記載のインジェクタによると、支持部材と摺動する弁部材の摺動部の下流側底面はスワール孔に沿って形成されている。スワール孔からスワール室に流入する流体流れに摺動部の下流側底面が沿っているので、スワール室に流入する流体流れに対し摺動部の下流側底面が傾斜している構成のものに比べ、スワール孔の出口開口周縁よりも上流側に形成される傾斜部分のスワール室の容積を低減できる。スワール室全体の容積を低減できるので、噴孔が遮断された状態でスワール室に滞留する流体量を低減できる。したがって、インジェクタの噴射開始時における噴霧の微粒化を促進できる。
また、摺動部の下流側底面はスワール孔に沿っているので、スワール孔からスワール室に流入する流体流れをスワール孔の傾斜角度に沿って摺動部の下流側底面が案内できる。
【０００７】
本発明の請求項２記載のインジェクタによると、スワール孔は弁部材の弁軸線に直交しているので、スワール孔からスワール室に流入するスワール流れのエネルギーは軸方向ではなく回転方向に向かう。したがって、噴孔から噴射される噴霧の微粒化が促進される。
【０００８】
本発明の請求項３記載のインジェクタによると、弁部材が弁座に着座しているとき、スワール孔の出口開口周縁の上流端は下流側底面とほぼ一致している。スワール孔の出口開口よりも上流側のスワール室の容積をほぼ０にできるので、噴孔が遮断された状態でスワール室に滞留する流体量を低減できる。したがって、噴射開始時における噴霧の微粒化を促進できる。
また、スワール室に流入する流体流れを摺動部の下流側底面によりスワール孔の傾斜角度に沿わせてより確実に案内できる。
【０００９】
本発明の請求項４記載のインジェクタによると、弁ボディ、支持部材およびスワール部材は一部材である。弁ボディの弁座と弁部材を往復移動可能に支持する支持部とを高精度に軸合わせできるので、弁部材と弁座、ならびに弁部材と支持部の軸ずれを防止できる。したがって、弁部材と弁座との液密性が向上し、且つ支持部が弁部材を滑らかに往復移動可能に支持できる。さらに、弁座から弁部材が離座したときには、弁座と弁部材との間に形成される開口面積をできるだけ周方向に均等とすることができる。その結果として、スワール室から噴孔に向かうスワール流れを周方向に均質にして、できるだけ均質な噴霧を形成できる。
【００１０】
本発明の請求項５記載のインジェクタによると、噴孔の噴孔軸線は弁軸線に対して傾斜しており、弁部材の先端は噴孔軸線と弁軸線との交点近傍に位置している。弁部材の先端と噴孔入口との間に形成される所謂サック室の容積を低減できるので、スワール流れの回転方向のエネルギーが低減することを抑制し、噴霧の微粒化を促進できる。
【００１１】
弁部材の先端が噴孔入口に進入していると、弁部材のリフト開始時に弁部材と弁座との間に形成される開口面積が小さくなる。すると、噴射総量に対し弁部材と弁座との間に形成される環状開口を流れる流体流量の差が周方向の開口面積のばらつきに大きく影響される。したがって、弁部材のリフト量が小さい噴射初期または微量噴射時において、噴孔から噴射される噴霧方向がばらつく恐れがある。これに対し本発明の請求項６記載のインジェクタによると、弁部材の先端は噴孔の入口よりも上流側に位置している。弁部材の先端が噴孔内に進入してる場合に比べ、弁部材のリフト開始時に弁部材と弁座との間に形成される開口面積は大きくなる。噴射総量に対し弁部材と弁座との間に形成される環状開口を流れる流体流量の差が小さくなるので、噴孔から噴射される噴霧方向が一定する。
【００１２】
本発明の請求項７記載のインジェクタによると、スワール室の横断面積をＳ_１、スワール孔の総断面積をＳ_２とすると、Ｓ_２≦Ｓ_１≦３．５×Ｓ_２である。Ｓ_２は噴射量によって決定される値である。したがって、Ｓ_２≦Ｓ_１を満たすことにより噴射量を確保しつつ、Ｓ_１≦３．５×Ｓ_２を満たすことによりスワール室の横断面積、つまりスワール室の容積を低減している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図に基づいて説明する。
本発明のインジェクタをガソリンエンジンの直噴式の燃料噴射装置に適用した一実施例を図１および図２に示す。
図１に示すように、インジェクタ１０の弁ボディ２０は有底円筒状に形成されており、弁ハウジング１２の端部内壁に溶接により固定されている。弁ボディ２０の内周壁２２は、燃料流れ方向の噴孔２６側に向けて縮径する内周面２３を有している。弁部材としてのニードル３０の当接部３７が着座可能な弁座２４は内周面２３に形成されている。当接部３７が弁座２４に着座すると、噴孔２６からの燃料噴射が遮断される。ニードル３０の往復移動方向に沿った弁軸線２００に対して内周面２３が形成する角度は、弁座２４から噴孔２６に向かう途中で小さくなっている。つまり、弁座２４から噴孔２６に向かう内周面２３は２段の凸状テーパ面である。
【００１４】
連通路１０２は、弁ボディ２０の外周壁を面取りすることにより周方向に等角度間隔に軸方向に延びて３個形成されている。連通路１０２は、弁ボディ２０の上流側に形成されている燃料通路１００と連通している。連通路１０２よりも噴孔２６側の弁ボディ２０の外周壁に、各連通路１０２と連通している環状通路１０４が形成されている。
【００１５】
スワール孔１０６は、環状通路１０４が形成されている軸方向位置からニードル３０の弁軸線２００と直交する方向に、弁ボディ２０の周壁を貫通して直線状に延びて６個形成されている。６個のスワール孔１０６のうち周方向に隣接している２個のスワール孔１０６の入口は、各連通路１０２側に開口している。スワール孔１０６の出口は、当接部３７と摺動部３２との間にニードル３０の外周に形成されているスワール室１０８に開口している。スワール室１０８は、ニードル３０の摺動部３２、非摺動部３４および弁座２４の上流側の内周壁２２により囲まれた環状の空間である。
【００１６】
弁ボディ２０の内周壁２２に形成されている支持部２８はスワール孔１０６よりも上流側に位置し、ニードル３０の摺動部３２を往復移動可能に支持している。弁ボディ２０は、特許請求の範囲に記載した弁ボディ、支持部材およびスワール部材を兼ねている。
【００１７】
ニードル３０の摺動部３２は円柱状に形成されており、弁ボディ２０の支持部２８に往復移動可能に支持されている。摺動部３２の下流側に形成されている非摺動部３４は摺動部３２よりも小径であり支持部２８と非摺動である。非摺動部３４は、摺動部３２の下流側に連続している円柱部３６と、円柱部３６から先端向かい縮径して先細りの円錐状の先端部３８を有している。円柱部３６と先端部３８との間に当接部３７が形成されている。先端部３８の先端は、噴孔２６の上流側に位置し、弁軸線２００と噴孔軸線２１０との交点近傍に位置している。弁軸線２００は往復移動方向に沿ったニードル３０の中心軸線であり、噴孔軸線２１０は噴孔２６の入口および出口の中心を通る軸線である。
摺動部３２の下流側底面３３はスワール孔１０６に沿っており、弁軸線２００に対し直交している。下流側底面３３と、スワール孔１０６の出口開口周縁の上流端とは一致している。
【００１８】
図２に示すように、筒部材４０は弁ハウジング１２の反噴孔側内周壁に挿入され、溶接により弁ハウジング１２に固定されている。筒部材４０は、噴孔２６側から第１磁性筒部４２、非磁性筒部４４および第２磁性筒部４６により構成されている。非磁性筒部４４は第１磁性筒部４２と第２磁性筒部４６との磁気的短絡を防止する。
【００１９】
可動コア５０は磁性材料で円筒状に形成されており、ニードル３０の反噴孔側の端部３９と溶接により固定されている。可動コア５０はニードル３０とともに往復移動する。可動コア５０の筒壁を貫通する流出孔５２は、可動コア５０の筒内外を連通する燃料通路を形成している。
固定コア５４は磁性材料で円筒状に形成されている。固定コア５４は筒部材４０内に挿入されており、筒部材４０と溶接により固定されている。固定コア５４は可動コア５０に対し反噴孔側に設置され可動コア５０と向き合っている。
【００２０】
アジャスティングパイプ５６は固定コア５４に圧入され、内部に燃料通路を形成している。スプリング５８は一端部でアジャスティングパイプ５６に係止され、他端部で可動コア５０に係止されている。アジャスティングパイプ５６の圧入量を調整することにより、可動コア５０に加わるスプリング５８の荷重を変更できる。スプリング５８の付勢力により可動コア５０およびニードル３０は弁座２４に向けて付勢されている。
【００２１】
コイル６０はスプール６２に巻回されている。ターミナル６５はコネクタ６４にインサート成形されており、コイル６０と電気的に接続している。コイル６０に通電すると、可動コア５０と固定コア５４との間に磁気吸引力が働き、スプリング５８の付勢力に抗し可動コア５０は固定コア５４側に吸引される。
【００２２】
フィルタ７０は固定コア５４の燃料上流側に設置されており、インジェクタ１０に供給される燃料中の異物を除去する。固定コア５４内にフィルタ７０を通して流入した燃料は、アジャスティングパイプ５６内の燃料通路、可動コア５０内の燃料通路、流出孔５２、燃料通路１００を順次通過する。ニードル３０が弁座２４から離座すると、燃料通路１００、連通路１０２、環状通路１０４からスワール孔１０６を通過しスワール室１０８に流入した燃料はスワール流れを形成し、当接部３７と弁座２４との間に形成される開口を通り噴孔２６から噴射される。
【００２３】
ここで、インジェクタ１０の作動停止後の燃料噴射開始時の燃料噴霧の微粒化について、図３に示す比較例と比較して本実施例の効果を説明する。図３に示す比較例において、本実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。
図３に示すニードル３０２の摺動部３０４の下流側底面３０５は、噴孔２６に向けて縮径するテーパ面である。弁ボディ２０に形成されているスワール孔１０６は弁軸線２００に対し直交している。摺動部３０４の下流側底面３０５はテーパ面であり、スワール孔１０６は弁軸線２００に直交して形成されているので、下流側底面３０５はスワール孔１０６に沿っておらず、径方向外側に向けてスワール流れから離れ傾斜している。したがって、テーパ状に形成された下流側底面３０５の外周に位置するスワール室３１０は、スワール室３１０でスワール流れを形成する目的からすると効率の低い部分である。また、スワール孔１０６からスワール室３１０に流入するスワール流れを下流側底面３０５が弁軸線２００と直交する方向に案内する効果は低い。
【００２４】
インジェクタ３００の作動停止中、ニードル３０２は弁座２４に着座しているので、スワール室１０８に燃料が滞留している。インジェクタ３００が作動を開始しニードル３０２が弁座２４から離座する燃料噴射開始時において、スワール室１０８に滞留していた燃料はスワール流れとならずに噴孔２６から噴射される。スワール室１０８に滞留している燃料量が多い、つまりスワール室１０８の容積が大きいほど、燃料噴射開始時において噴孔２６から噴射される噴霧は微粒化しにくい。
【００２５】
これに対し本実施例では、ニードル３０の摺動部３２の下流側底面３３がスワール孔１０６に沿っている。さらに、スワール孔１０６の出口開口周縁の上流端に下流側底面３３が一致している。スワール孔１０６の出口開口周縁の上流側にスワール室１０８が形成されていないので、スワール室１０８の容積を低減できる。インジェクタ１０の作動停止中にスワール室１０８に滞留する燃料量が低減するので、燃料噴射開始時に噴孔２６から噴射される噴霧の微粒化を促進できる。
また、下流側底面３３がスワール孔１０６に沿っているので、スワール孔１０６からスワール室１０８に流入するスワール流れを下流側底面３３が弁軸線２００と直交する方向に案内できる。
【００２６】
次に、スワール室１０８の横断面積Ｓ_１と、６個のスワール孔１０６の総断面積Ｓ_２との関係について説明する。
環状のスワール室１０８の横断面積Ｓ_１は、弁軸線２００と直交する図１の（Ｂ）に示された断面におけるスワール室１０８の断面積である。スワール孔１０６の断面積はスワール孔１０６の流路面積である。スワール室１０８の外径をＤ_１、内径をＤ_２とすると、Ｓ_１＝π（Ｄ_１ ^２−Ｄ_２ ^２）／４である。また、スワール孔１０６の流路径をｄとすると、Ｓ_２＝（πｄ^２／４）×６である。
【００２７】
スワール室１０８の横断面積Ｓ_１が大きいと、スワール室１０８の容積が大きくなる。その結果、インジェクタ１０の作動停止中、ニードル３０が弁座２４に着座した状態でスワール室１０８に滞留する燃料量が多くなる。本実施例では、スワール室１０８の横断面積Ｓ_１を小さくするため、Ｓ_２≦Ｓ_１≦３．５×Ｓ_２となるようにＳ_１を設定している。Ｓ_２は燃料噴射量で決定される値であり、燃料噴射量を確保するため、Ｓ_１はＳ_２以上であることが望ましい。また、Ｓ_１を小さくし燃料噴射開始時の燃料噴霧の微粒化を促進するため、Ｓ_１はＳ_２の３．５倍以下に設定されている。このようにＳ_２に対しＳ_１を設定することにより、所望の燃料噴射量を確保しつつ、インジェクタ１０の作動停止後の燃料噴射開始時において噴霧の微粒化を促進できる。
【００２８】
さらに本実施例では、下流側底面３３がスワール孔１０６に沿っているので、燃料噴射開始後のインジェクタ１０の燃料噴射において、スワール孔１０６からスワール室１０８に流入する燃料が下流側底面３３に案内され、弁軸線２００と直交する方向に向かう。スワール流れは軸方向ではなく回転方向に案内されるので、噴霧の微粒化を促進できる。
【００２９】
本実施例では、下流側底面３３とスワール孔１０６を弁軸線２００に対し直交する方向に形成したが、ニードルの摺動部の下流側底面がスワール孔に沿っているのであれば、下流側底面およびスワール孔は弁軸線に向かい噴孔側に傾斜していてもよい。また、スワール孔の出口開口周縁の上流端から下流側底面が上流側に離れていてもよい。
本実施例では、弁軸線２００と噴孔軸線２１０の交点の上流側近傍にニードル３０の先端部３８の先端が位置している。先端部３８と噴孔入口との間に形成される所謂サック室の容積が小さくなるので、燃料噴霧の微粒化を促進できる。
【００３０】
本実施例では、ニードル３０が着座する弁座２４、弁座２４の上流側近傍でニードル３０を往復移動可能に支持する支持部２８、ならびにスワール流れを形成するスワール孔１０６が一部材である弁ボディ２０で構成されている。一部材である弁ボディ２０において、弁座２４と支持部２８との軸心合わせは高精度に容易に行える。ニードル３０においても当接部３７と摺動部３２との軸心合わせは高精度に容易に行える。したがって、弁座２４と当接部３７の軸ずれ、ならびに支持部２８と摺動部３２との軸ずれを防止する。これにより、当接部３７が弁座２４に着座したときの液密性が高く、且つ摺動部３２が支持部２８と滑らかに摺動する。
【００３１】
さらに、弁座２４と当接部３７との同軸度が高いので、ニードル３０が弁座２４から離座したときに弁座２４とニードル３０との間に形成される開口面積は周方向に等しい。したがって、噴孔に２６に向かうスワール流れの流量は周方向に均一である。さらに、スワール孔１０６に燃料を供給する３個の連通路１０２のそれぞれに向け６個のスワール孔１０６のうち２個ずつが開口しているので、各スワール孔１０６に流入する燃料流量は等しい。したがって、噴孔２６から噴射される噴霧は均質である。
【００３２】
前述したように本実施例では、弁座２４、ニードル３０を往復移動可能に支持する支持部２８、ならびにスワール流れを形成するスワール孔１０６を一部材である弁ボディ２０で構成した。これに対し、弁座を形成する弁ボディ、ニードル３０を往復移動可能に支持する支持部材、およびスワール孔を有するスワール部材をそれぞれ別部材にしてもよい。
【００３３】
また本実施例では、スワール孔１０６は弁座２４と支持部２８との間に形成され、弁座２４の上流側近傍に位置している。さらに、弁座２４から噴孔２６に向かう内周面２３は２段の凸状のテーパ面である。スワール孔１０６の出口から噴孔２６までスワール流れが流れる流路容積が小さくなるので、スワール孔１０６の出口から噴孔２６に向かうスワール流れのエネルギーの低減を抑制できる。
【００３４】
また、スワール孔１０６は弁ボディ２０の周壁を直線状に貫通しているので、スワール孔１０６を流れる燃料が受ける流路抵抗は小さくスワール流れのエネルギーの低減を抑制できる。さらに、スワール孔１０６はニードル３０の軸線に対し直交しているので、スワール流れのエネルギーはニードル３０の軸方向に向かわず回転方向に向かう。噴孔２６に向かうスワール流れの回転方向のエネルギーが増加するので、噴孔２６から噴射される噴霧の微粒化が促進される。
【００３５】
本実施例では、連通路１０２を３個、スワール孔１０６を６個にしたが、連通路１０２およびスワール孔１０６の数は、本実施例の数に限らずいくつにしてもよい。なお、スワール孔１０６の数が連通路１０２の倍数であり、各連通路１０２に向け等しい数のスワール孔１０６の入口が開口していると好適である。
本実施例では内燃機関の燃料噴射用のインジェクタに本発明のスワール式インジェクタを適用したが、燃料噴射用のインジェクタ以外にも、スワール流れを噴射するインジェクタであれば本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本実施例によるインジェクタの噴孔周辺を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】本実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図３】本実施例の比較例によるインジェクタの噴孔周辺を示す断面図である。
【符号の説明】
１０インジェクタ（流体噴射装置）
２０弁ボディ
２２内周壁
２４弁座
２６噴孔
２８支持部
３０ニードル（弁部材）
３２摺動部
３３下流側底面
３４非摺動部
３７当接部
３８先端部
１０２連通路
１０６スワール孔
１０８スワール室
２００弁軸線
２１０噴孔軸線

Claims

流体が噴射される噴孔と、
前記噴孔の上流側に弁座を有する弁ボディと、
前記弁座に着座することにより前記噴孔からの流体流れを閉塞し、前記弁座から離座することにより前記噴孔からの流体流れを開放する弁部材と、
前記弁部材を往復移動可能に支持する支持部材と、
流体にスワール流れを形成するよう、スワール孔が形成されたスワール部材とを備え、
前記弁部材は、前記支持部材に摺動する摺動部、ならびに前記摺動部の下流側に位置し前記支持部材とは非摺動になるように形成された非摺動部を有し、
前記摺動部、前記非摺動部、前記弁座の上流側に位置する前記弁ボディの内周壁、および前記スワール部材により囲まれたスワール室に前記スワール孔からのスワール流れを流入する流体噴射装置であって、
前記摺動部の下流側底面は前記スワール孔に沿って形成されていることを特徴とする流体噴射装置。
前記スワール孔および前記下流側底面は前記弁部材の往復移動方向に沿った弁軸線に直交していることを特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
前記弁部材が前記弁座に着座しているとき、前記スワール孔の出口開口周縁の上流端は前記下流側底面とほぼ一致していることを特徴とする請求項１または２記載の流体噴射装置。
前記弁ボディ、前記支持部材および前記スワール部材は一部材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の流体噴射装置。
前記弁部材の先端部は先細りであり、前記噴孔の噴孔軸線は前記弁部材の往復移動方向に沿った弁軸線に対して傾斜しており、前記先端部の先端は前記噴孔軸線と前記弁軸線との交点近傍に位置していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の流体噴射装置。
前記弁部材の前記先端は前記噴孔の入口よりも上流側に位置していることを特徴とする請求項５記載の流体噴射装置。
前記スワール室の横断面積をＳ_１、前記スワール孔の総断面積をＳ_２とすると、Ｓ_２≦Ｓ_１≦３．５×Ｓ_２であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の流体噴射装置。