JP2004270682A - 燃料噴射計量ディスクの斜角でないオリフィスによるほぼ円形のスプレーパターン制御及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】縦軸に平行な軸を有し、斜角でない、または真っ直ぐなオリフィスを用いて燃料スプレーの標的への命中及び分布を制御する燃料計量手段を提供する。
【解決手段】
計量オリフィスは、縦軸の周りに配置され、密封表面の計量ディスク上への投射により画定される第２の仮想円よりも大きい第１の仮想円を画定して、全ての計量オリフィスが第２の仮想円またはボルト円の外側であってその円の１つの象限内に位置するようにする。弁座オリフィスと計量ディスクとの間には、縦軸を横切る仮想平面上において複数の一様な半径を有する流れ領域を形成する一体的なスプレーパターンを燃料噴射器が縦軸に沿って発生できるようにするチャンネルが形成されている。従って、好ましい実施例の燃料噴射器は、斜角のある計量オリフィスに頼らずとも縦軸を中心とする燃料噴射器またはその計量手段の配向角度に感応せず、しかも標的への命中、分布制御及び霧化を所望の態様で行う。複数の一様な半径を有する流れ領域を発生する方法も提供される。
【選択図】 図３

Description

現代の自動車用燃料系統の大部分は、各燃焼室へ導入する燃料を正確に計量する燃料噴射器を用いている。さらに、燃料噴射器は、噴射時に燃料を霧化して、夥しい数の微小粒子にすることにより、噴射燃料の表面積を増加して、燃焼前に、通常は周囲空気である酸化剤と完全に混合されるようにする。燃料を計量・霧化すると、燃焼放出物が減少し、エンジンの燃料効率が増加する。従って、一般的な法則として、燃料の計量及び標的命中精度が高くなればなるほど、また燃料の霧化が進めば進むほど、燃焼生成物が少なくなり、燃料効率が増加する。

電磁式燃料噴射器は、燃料計量装置へ作動力を与えるためにソレノイド組立体を使用する。燃料計量装置は、通常はプランジャータイプの閉鎖部材であり、この部材は、弁座と接触して燃料が計量オリフィスを経て燃焼室へ流入するのを阻止する閉位置と、弁座から持ち上げられて燃料が計量オリフィスを経て燃料室へ流入するのを許容する開位置との間で往復運動する。

燃料噴射器は通常、吸気弁の上流であって吸気マニホルド内またはシリンダーヘッドの近くに取付けられている。吸気弁がシリンダーの吸気ポートを開くと、燃料が吸気ポートの方へ噴射される。１つの状況では、燃料スプレーを吸気弁ヘッドまたはステムに命中させることが望ましいが、別の状況では、燃料スプレーを吸気弁でなくて吸気ポートに命中させるのが望ましい。いずれの状況においても、燃料スプレーが標的へ命中するか否かはスプレーパターンまたは円錐パターンにより左右される。円錐パターンの開度が大きい場合、スプレーされる燃料はその意図した標的の方でなくて吸気ポートの表面に当たる。逆に、円錐パターンの開度が小さい場合、燃料は霧化せず、再び収束して液体流になることがある。何れの場合も、不完全燃焼により排気ガスが増加するという望ましくない結果が生じる。

標的への命中及びスプレーパターンの条件を複雑にしているのは、各エンジンの設計に特有なシリンダーヘッドの形状、吸気系統の幾何学的形状及び吸気ポートである。その結果、燃料スプレーを特定の円錐パターンで標的に命中させるように設計された燃料噴射器は、１つのタイプのエンジンでは極めて良好に機能するが、異なるタイプのエンジンに取付けると排気ガス及び運転性能の上で問題を生じることがある。さらに、種々の形式のエンジン（例えば、直列４気筒、直列６気筒、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ１２、Ｗ８など）を用いて製造される車両が増加するにつれて、排気ガス規制がますます厳しくなり、各エンジンの燃料噴射器の燃料計量条件、スプレー制御条件及びスプレーまたは円錐パターン条件が厳しくなる。

斜角でない計量オリフィスを円形に並べてスプレーパターンを発生させると流れパターンがかなり一様でないものになることが判明しているが、これは燃料噴射器から所定距離離れた縦軸を横切る目標領域へ燃料を噴射すると分かる。換言すれば、かかる噴射器の計量オリフィスを円形に並べると目標領域上に仮想的に円形で対称的な流れパターンが発生するはずであるが、斜角でない計量オリフィス、噴射器の弁座オリフィス及び縦軸のそれぞれの同心性間に相互作用があるため噴射器はそのような流れパターンを発生しない。場合によっては、仮想的に円形の流れ領域内の種々の部分へより多くの燃料が送られて、仮想的に円形の流れ領域に「ローブ」が形成されることがある。流れ領域にローブが形成されると、燃料噴射器及びその取り付け機構の調整、またローブのある仮想的に円形の流れ領域の一様でない燃料分布の補償能力を備えた、または備えていない特別仕様の燃料噴射器の調整が必要となり、コストが上昇する傾向がある。

燃料噴射器の縦軸に対してある角度を有するように形成された公知の計量オリフィス（即ち、斜角のある計量オリフィス）を縦軸の周りに円形に配列すると、大きな対称性と、種々のタイプのエンジンに使用して受け入れ可能なレベルの燃料霧化度（Sauter平均直径、SMDとして量化可能）が得られるような燃料噴射器を構成する上で大きな自由度が得られる。しかしながら、斜角のある計量オリフィスの製造には、現在、斜角のないオリフィスに比べると、特殊な機械や熟練作業者が必要であり、非常に非効率である。

斜角でない計量オリフィスを使用して燃料スプレーの標的への命中及びスプレーの分布を制御できる燃料噴射器が開発されると有利である。エンジンが１つのタイプから別のタイプへ変わっても霧化度の高い燃料スプレーの特定の円錐パターンが得られるように正確な標的命中条件を変更できる燃料噴射器が開発されると有利である。さらに、円形に配列された斜角でない計量オリフィスにより横方向の平面上に縦軸の中心から複数の一様な半径の流れ領域を形成するが、対称的な円形パターンの流れ領域を発生するための特殊な調整や構成変更が不要である燃料噴射器が開発されると有利である。

発明の概要

本発明は、燃料噴射器の斜角でない計量オリフィスによる受入れ可能な燃料霧化レベルでの燃料スプレーの標的命中及び分布制御をで行う。本発明は、縦軸を中心とする燃料噴射器の配向角度とは無関係に縦軸からの複数の一様な半径を有する流れ領域が形成されるように、噴射器の燃料スプレーパターンを燃料噴射器の下流における複数の一様な半径を有する流れ領域に近似させることができる。好ましい実施例における燃料噴射器は、ハウジングと、弁座と、閉鎖部材と、計量ディスクとを有する。ハウジングは、縦軸に沿って入口と出口の間を延びる通路を備えている。弁座は、入口に向いており弁座オリフィスを形成する密封表面、出口に向いており密封表面から離隔した端部表面、及び弁座オリフィスと端部表面との間を縦軸にほぼ斜めに延びる第１のチャンネル表面を有する。閉鎖部材は、通路内にあって密封表面に隣接し、１つの位置において弁座オリフィスを介する燃料の流れをほぼ阻止する。閉鎖部材の近くに設けられた磁気アクチュエーターは、作動されると弁座の密封表面から離脱して燃料流が通路を通過できるように閉鎖部材を位置決めする。計量ディスクは、弁座に隣接し、第１のチャンネル表面に対向して流れチャンネルを形成する第２のチャンネル表面を有する。計量ディスクは、第１の仮想円の外側に位置する少なくとも２つの計量オリフィスを有する。少なくとも２つの計量オリフィスは、縦軸を中心としてほぼ等しいアーク距離だけ互いに離隔している。各計量オリフィスは、第２のチャンネル表面と第２のチャンネル表面から離隔した第３の表面との間を縦軸にほぼ平行に延びるため、閉鎖部材を作動位置に作動されると、計量オリフィスを流れる燃料により、縦軸に垂直な仮想平面と交差して縦軸からほぼ一様な半径を有する流れ領域を画定する一体的なスプレーパターンが発生する。

本発明の別の局面によると、縦軸からほぼ一様な半径を有する流れ領域を画定する一体的なスプレーパターンを発生させる方法が提供される。燃料噴射器は、縦軸に沿って入口と出口の間を延びる通路と、弁座と、計量ディスクとを有する。弁座は、入口に向いており弁座オリフィスを形成する密封表面を有する。弁座は、出口に向いており密封表面から離隔した端部表面と、弁座オリフィスと端部表面との間を縦軸にほぼ斜めに延びる第１のチャンネル表面とを有する。閉鎖部材は、通路内にあって密封表面に隣接し、１つの位置において弁座オリフィスを介する燃料の流れをほぼ阻止する。閉鎖部材の近くに設けられた磁気アクチュエーターは、作動されると弁座の密封表面から離脱して燃料流が通路を通過できるように閉鎖部材を位置決めする。計量ディスクは、少なくとも２つの計量オリフィスを有する。各計量オリフィスは、第１のチャンネル表面に対向する第２のチャンネル表面と外側表面との間を縦軸にほぼ平行に延びる。この方法は、部分的に、縦軸にほぼ平行に計量ディスクの第２の表面及び外側表面を貫通する計量オリフィスがほぼ等しいアーク距離だけ離隔するように、計量オリフィスを第１の仮想円の外側に配置し、燃料噴射器が作動されると少なくとも２つの計量オリフィスに燃料を流して、縦軸に垂直な仮想平面と交差する燃料流路により仮想平面上において縦軸からほぼ一様な半径の流れ領域が画定されるようにするステップより成る。

図１−７は好ましい実施例を示す。詳説すると、図１は、好ましい実施例の計量ディスク１０を備えた燃料噴射器１００を示す。燃料噴射器１００は、燃料入口管１１０、調整管１１２、フィルター組立体１１４、コイル組立体１１８、コイルばね１１６、アーマチャー１２４、閉鎖部材１２６、非磁性外殻部１１０ａ、第１のオーバーモールド１１８、弁本体１３２、弁本体外殻部１３２ａ、第２のオーバーモールド１１９、コイル組立体ハウジング１２１、閉鎖部材１２６の案内部材１２７、弁座１３４及び計量ディスク１０を有する。

案内部材１２７、弁座１３４及び計量ディスク１０は、例えば、クリンピング、溶接、接合またはリベット締めのような適当な結合方法により燃料噴射器１００の出口端部に結合されたスタックを形成する。アーマチャー１２４及び閉鎖部材１２６は接合されて、アーマチャー／閉鎖部材弁組立体を形成する。当業者は、単一のコンポーネントとしてこの組立体を形成できることに注意されたい。コイル組立体１２０は、電磁コイル１２２が巻回されるプラスチック製ボビンを含む。

コイル１２２の各端部はそれぞれ端子１２２ａ、１２２ｂに接続されるが、これらの端子は、オーバーモールド１１８の一体的部分として形成された周囲部１１８ａと共に、燃料噴射器をその噴射器を作動させる電子制御回路（図示せず）に接続する電気コネクターを形成する。

燃料入口管１１０は強磁性体でよく、露出した上端部に燃料入口開口を有する。フィルター組立体１１４を調整管１１２の開いた上端部の近くに嵌合することにより、燃料が調整管１１２に流入する前に入口開口を通過する燃料からある特定サイズより大きい粒状物質をろ過できるようにする。

較正済み燃料噴射器では、調整管１１２は燃料入口管１１０内の或る軸方向位置に位置決めされているが、この位置において、予荷重ばね１１６を圧縮して、アーマチャー／閉鎖部材弁組立体を押圧し、閉鎖部材１２６の丸い先端部を弁座１３４と接触させて、この弁座の中央開口を閉じるような所望の偏倚力を発生させる。好ましくは、燃料入口管１１０と調整管１１２とを共にクリンプして、較正後の相対的軸方向位置が維持されるようにする。

調整管１１２を通過した燃料は、入口管１１０とアーマチャー１２４の対向端部により画定され、予荷重ばね１１６を収容する空間内に流入する。アーマチャー１２４は、この空間１２５を弁本体１２０の通路１１３と連通させる通路１２８を有し、案内部材１２７は燃料通路の開口１２７ａ、１２７ｂを含む。これにより、燃料は空間１２５から通路１１３、１２８を介して弁座１３４へ流入することができる。

非強磁性外殻部１１０ａは、レーザーを用いた密封溶接などにより入口管１１０の下端部に入れ子式に嵌合し結合することができる。外殻部１１０ａは、燃料入口管１１０の下端部の管状首部上に入れ子式に結合する管状首部を有する。外殻部１１０ａは、この首部から半径方向外方に延びる肩部を有する。弁本体の外殻部１３２ａは強磁性体でよく、好ましくはレーザーを用いた密封溶接により非強磁性外殻部１１０ａに流体の漏洩がないように結合することができる。

弁本体１３０の上端部は弁本体外殻部１３２ａの下端部の内側に嵌合し、これら２つの部品は、好ましくはレーザー溶接により流体が漏れないように結合される。アーマチャー１２４は、軸方向往復移動するように弁本体１３０の内壁により案内される。アーマチャー／閉鎖部材弁組立体をさらに軸方向に案内するのは、閉鎖部材１２６が貫通する部材１２７の中央案内孔である。

燃料噴射器１００の出口端部近くの弁計量手段の構成要素を説明する前に、燃料噴射器１００の好ましい実施例による弁座及び計量ディスクは、斜角のあるオリフィスを用いずに燃料スプレーパターン（即ち、燃料スプレーの分離）の標的を選択するのを可能にすることに注意されたい。さらに、これらの好ましい実施例によると、円錐パターン（即ち、開度が大きいかまたは小さい円錐スプレーパターン）を、計量オリフィスの内壁面の好ましい空間的方向を縦軸に平行（即ち、該壁面を該縦軸に平行）にして選択することができる。

燃料噴射器の燃料計量手段の拡大図である図２Ａを参照して、この計量手段は閉鎖部材１２６、弁座１３４及び計量ディスク１０を有する。閉鎖部材１２６は、アーマチャーから遠い方の端部に位置する表面が球状の部材１２６ａを有する。球状部材１２６ａは弁座表面１３４ａ上の弁座１３４と係合して、これら２つの部材間にほぼ線接触の密封部を形成する。弁座表面１３４ａは、弁座オリフィス１３５の方へ半径方向下方且つ内方にテイパーしているため、縦軸Ａ−Ａに対して傾斜している。図２Ａ及び３に示すように、密封部は、弁座表面１３４ａと球状部材１２６ａとの接触係合により形成される密封円１４０により画定することができる。弁座１３４は、ほぼ計量ディスクの縦軸Ａ−Ａに沿って延びて、ほぼ円筒形の壁１３４ｂにより形成される弁座オリフィス１３５を有する。弁座オリフィス１３５の中心線１３５ａはほぼ縦軸Ａ−Ａ上に位置するのが好ましい。本願中の用語「上流」及び「下流」は燃料噴射器の入口から出口へのほぼ１つの方向における燃料流について、一方、用語「内方」及び「外方」は、縦軸Ａ−Ａの方へ、またそれから離れる方向を意味するものである。縦軸Ａ−Ａは、燃料噴射器の縦軸と一致する計量ディスクの縦軸として定義する。

弁座１３４は、円筒壁１３４ｂの下流において、部分１３４ｃに沿って計量ディスクの第１の表面１３４ｅの方へテイパーしている。この第１の表面１３４ｅは、計量ディスクの第２の表面または外側表面１３４ｆから厚さ「ｔ」だけ離隔している。部分１３４ｃのテイパーは、例えば、直線状のテイパー１３４（図２Ｂ）または複合曲面のドームを形成する曲線状のテイパー１３４ｃ´（図２C）のような、直線状かまたは縦軸Ａ−Ａに関して曲線状でよい。

１つの好ましい実施例において、部分１３４ｃのテイパーは、弁座オリフィス１３５から少なくとも１つの計量オリフィス１４２を過ぎる半径方向の点までテイパー角度βで下方及び外方に直線的にテイパーするものである。弁座１３４は、この点から、縦軸に沿い、好ましくはそれに平行に延びて、円筒形の壁１３４ｄを形成する。壁１３４ｄは下方に延びた後、ほぼ半径方向に延びて、縦軸Ａ−Ａに垂直であるのが好ましい底面１３４ｅを形成する。あるいは、部分１３４ｃは、弁座１３４の表面１３４ｅまで貫通することができる。テイパー角度βは、縦軸Ａ−Ａを横断する平面に関して約１０度であるのが好ましい。図２Cに示す別の好ましい実施例において、このテイパーは、燃料流の速度を一定にするよう厳密な制御が必要な用途に好適な二次の曲線状テイパーである。しかしながら、一般的に、直線状のテイパー１３４ｃは好ましい実施例において所期の目的を達成するに好適であると思われる。

計量ディスク１０の外周に近いその内側表面１４４は、ほぼ環状の接触領域に沿って底面１３４ｅと係合する。弁座オリフィス１３５は、その外周、即ち、少なくとも１つの計量オリフィス１４２のそれぞれの中心を結ぶ仮想線により画定される「ボルト円」１５０の完全に内側に位置するのが好ましい。即ち、弁座１３５の表面の仮想延長部は、その上に計量オリフィスが隣接オリフィス間のアーク距離が等しくなるように配設されたボルト円１５０の内側にあるのが好ましい仮想オリフィス円１５１（図４Ａ）を発生させる。

テイパーする弁座表面１３４ａの断面で見た仮想延長部は、計量ディスク上で収束して仮想円１５２（図２Ｂ及び４）を発生させる。さらに、これらの仮想延長部は、計量ディスク１０の断面内にある仮想頂点１３９ａに収束する。１つの好ましい実施例において、弁座表面１３４ｂの仮想円１５２は、計量オリフィスのボルト円１５０内にある。ボルト円１５０は、全体的に仮想円１５２の外側にあるのが好ましい。少なくとも１つの計量オリフィス１４２は全て仮想円１５２の外側にあり、各計量オリフィスの端縁部はその仮想円の境界の一部の上にあってもよいがその仮想円の内側に入らないのが好ましい。少なくとも２つの計量オリフィス１４２は、縦軸を中心として等間隔に配設された６乃至１０個の計量オリフィスより成るのが好ましい。

図２Ａに示すように、弁座１３４の弁座オリフィス１３５と計量ディスク１０の内側表面１４４との間には、ほぼ環状の制御速度チャンネル１３６が形成される。詳述すると、このチャンネル１４６は、好ましくは円筒形の表面１３４ｂと、好ましくは直線テイパー状の表面１３４ｃとの間の内側端縁部１３８ａと、好ましくは円筒形の表面１３４ｄと底面１３４ｅとに近い外側端縁部１３８ｂとの間に形成される。図２Ｂ及びＣに示すように、このチャンネルは、弁座に近い内側端縁部１３８ａから少なくとも１つの計量オリフィス１４２へ外方の外側端縁部１３８ｂへ延びるにつれて断面積を変化させるため、弁座オリフィスと少なくとも１つの計量オリフィスとの間で燃料流に半径方向の速度を付与する。

換言すると、制御速度チャンネル１４６がこのチャンネルを流れる流体に一定の速度を与える特定の関係について、物理的な解析方法を発見した。この関係によると、チャンネル１４６は、π定数と、大きな高さｈ₁と、対応の半径方向距離がＤ₁との積により決まる第１の円筒形領域から、π定数と、小さな高さｈ₂と、対応の半径方向距離がＤ₂とにより決まるほぼ等しい円筒形領域へ、外方へテイパーしている。好ましくは、高さｈ₁、距離Ｄ₁及びπの積は、テイパーにより決まる、高さｈ₂、距離Ｄ₂及びπの積にほぼ等しく（即ち、Ｄ₁＊ｈ₁＊π＝Ｄ₂＊ｈ₂＊πまたはＤ₁＊ｈ₁＝Ｄ₂＊ｈ₂）、このテイパーは直線状または曲線状である。この距離Ｄ₂は、高さｈ₂が大きくなればなるほど大きなテイパー角度βが必要となり、高さｈ₂が小さくなればなるほど小さなテイパー角度βが必要になるという点でテイパーと関係があると思われる。好ましくは直線状の壁１３４ｄと計量ディスク１０の内側表面との間に、長さＤ₂の好ましくは円筒状の環状空間１４８が形成される。図２Ａ及び３に示すように、制御速度チャンネル１４６により切頭体が弁座オリフィス１３５の下流に形成されるが、この切頭体は、環状空間１４８により形成される好ましくは直角の円筒体と接触する。

別の好ましい実施例において、環状空間１４８の円筒体は使用せずに、制御速度チャンネル１４６の一部を形成する切頭体だけを形成する。即ち、チャンネルの表面１３４ｃは、図２Ｂ及び２Ｃの点線で示すように、計量ディスク１０に接触する表面１３４ｅまで延びる。この実施例において、高さｈ₂は、距離Ｄ₂を縦軸Ａ−Ａからその横方向の所望の点までの延長し、計量ディスク１０と距離Ｄ2の所望の点との間の高さｈ₂を測定することにより決定することが可能である。この実施例のチャンネル表面は弁座の嚢体積を増加する傾向があり、これは種々の燃料噴射器にとって望ましくないと思われる。好ましくは、チャンネル表面１３４ｃまたは１３４ｃ´と交差する横方向の平面を各計量オリフィス１４２の半径方向において最も外側の円周の少なくとも２５ミクロン外側の位置と交差させることにより、所望の距離Ｄ₂を決めることが出来る。

制御速度チャンネル１４６を流れる燃料に一定の速度を与えると、スプレーを標的に的中させ分布させる際の弁座オリフィス１３５又は縦軸に対する少なくとも２つの計量オリフィス１４２の位置決め感度が最小限に抑えられると思われる。即ち、製造公差により、弁座オリフィス１３５又は縦軸に対する計量オリフィス１４２のアレイの同心性を受入れ可能なレベルにするのは容易ではない。好ましい実施例の特徴によると、ボルト円１５０上の計量オリフィス１４２のアレイと弁座オリフィス１３５との間の同心性のばらつきに対する感度が低く、しかも縦軸を中心とする燃料噴射器の回転方向位置とは無関係に複数の一様な半径を有する流れ領域を提供できると思われる燃料噴射器の計量ディスクが得られる。さらに、実験室の中では、動作パラメータ（例えば、燃料圧力、燃料タイプ、周囲及び燃料温度）が同じであるが好ましい実施例の構成を備えていない斜角のないオリフィスを用いる公知の燃料噴射器と比較すると、これらの好ましい実施例の燃料噴射器は燃料を所望の標的に命中させ分布させると共に好ましい実施例の燃料噴射器の燃料スプレーの霧化度が（Sauter平均直径で）ほぼ１０乃至１５パーセント増加することが判明している。さらに、霧化度、標的命中、分布制御及び回転方向の配向に対する低感度の課題が達成されただけでなく、これらの計量手段は、例えば、打抜き加工、鋳造、スタンピング、圧印加工及び溶接のような実証済みの方法により、また特殊な機械や熟練したオペレータを必要とせずに製造することができる。

弁座１３５を流れる燃料に半径方向速度成分を付与することにより、各計量オリフィスのスプレー分離角θ及び少なくとも２つの計量オリフィスを介する結合スプレーパターンの円錐サイズα（図７Ａでは１つの円錐の夾角αとして説明されている）を図２Ｄにおいて半径方向速度のほぼ線形の関数として変化できることを発見した。即ち、チャンネルを流れる燃料の半径方向速度成分ば増加するとスプレー分離角θが増加し、チャンネルを流れる燃料の半径方向速度成分ば減少するとスプレー分離角θが減少する。例えば、図２Dに示す好ましい実施例において、オリフィス１３５から制御速度チャンネル１４６を少なくとも２つの計量オリフィス１４２へ流れる燃料の半径方向速度成分を毎秒８ｍから毎秒１３ｍに変化させると、スプレー分離角θはそれに応じて約１３度から約２６度に変化する。半径方向速度成分は、好ましくは、燃料計量手段の形状（制御速度チャンネル１４６のＤ₁、ｈ₁、Ｄ₂またはｈ₂を含む）を変化させるか、燃料噴射器の流量を変化させるか、またはその両方を組合せることにより、変化することができる。１つになったスプレーパターンは少なくとも２つの計量オリフィスのうち各計量オリフィスの各スプレーパターンを集合することにより発生されることに注意されたい。

さらに、好ましい構成の制御速度チャンネル１４６を介する流れは速度がほぼ一定で、燃料流の半径方向速度成分の関数として分離角θで末広がりになるだけでなく、計量オリフィス１４２を介する流れにより計量オリフィス内に２つの渦が生じることを発見した。計量オリフィスが発生する少なくとも２つの渦は、計量オリフィスを介する流体流の真の性質を表すと思われるコンピューターによる流体動力学により弁座副組立体の好ましい形状をモデリングすると確認できる。例えば、図４Ｂに示すように、弁座オリフィス１３５から半径方向外方に流れる流線は、一般的に、オリフィス１４２ｇの近くでほぼ内方に曲がるため、計量オリフィス１４２ｇの周囲部内に少なくとも２つの渦流１４３ａ、１４３ｂが形成され、これらの渦流が各計量オリフィス１４２からの燃料流のスプレー霧化を増加すると思われる。さらに、図３に示すように、少なくとも２つの計量オリフィスを設けることにより、計量ディスクを通過する燃料流は、縦軸に垂直な仮想平面１６２と交差して複数の一様な半径を有する流れ領域１６４を形成する１つの円錐パターン１６１を形成する。複数の一様な半径を有する流れ領域１６４は、縦軸Ａ−Ａを中心としてほぼ対称的である（図６Ａ−Ｃ及び図７Ａ−７Ｂ）。

さらに、燃料スプレーの円錐サイズαはアスペクト比ｔ／Ｄと関係があることも発見した。ここで、「ｔ」はオリフィスの貫通長さに等しく、「Ｄ」はオリフィスの内側表面間の直径方向最大距離である。比率ｔ／Ｄは０．３から約１．０に変化することができる。アスペクト比を増加または減少させると、円錐サイズはそれに応じて狭くまたは広くなる。距離Ｄが一定に保たれる場合、厚さ「ｔ」が大きければ大きいほど、円錐サイズは狭くなる。逆に、厚さ「ｔ」が小さければ小さいほど、円錐サイズθは広くなる。詳述すると、円錐サイズαは、好ましい実施例の図５Ａに示すように、アスペクト比ｔ／Ｄと線形で逆数の関係を有する。ここでは、その比率が約０．３から約０．８に変化すると、円錐サイズαはほぼ線形且つ逆数の関係で約２２度から約８度に変化する。従って、円錐サイズα（スプレー分離角θのほぼ２倍）は、上述したように速度チャンネル１４６と空間１４８を形成するかまたはアスペクト比ｔ／Ｄを変化させることにより得られ、一方、流れ領域１６４の対称性は縦軸を中心として等間隔に配置された多数の計量オリフィスの数により得られると思われる。貫通長さ「ｔ」（即ち、縦軸Ａ−Ａに沿う計量オリフィスの長さ）を図２Ｂにおいて計量ディスク１０の厚さにほぼ等しいものとして示すが、計量ディスクの厚さは計量オリフィス１４２の貫通長さ「ｔ」とは異なるものでよいことに注意されたい。

計量ディスク１０は、少なくとも２つの計量オリフィス１４２を有する。図４に示すように、各計量オリフィス１４２の中心は仮想「ボルト円」１５０上にある。分かり易くするために、図３及び４Ａにおいて、各計量オリフィスに符号１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ・・・などを付す。各計量オリフィス１４２は円形であり、距離Dが円形オリフィスの直径（即ち、円形の開口の直径方向における内側壁面間の距離）にほぼ等しいのが好ましいが、例えば、正方形、矩形、弓形またはスロットのような他の形状のオリフィスを用いてもよい。計量オリフィス１４２は、好ましくは円形列を形成するが、１つの好ましい実施例では、この円は仮想円１５２とほぼ同心的である。弁座オリフィスの仮想円１５１（図４Ａ）は、オリフィス１３５を計量ディスク上に投射して弁座オリフィス仮想円１５１が仮想円１５２の外側で、第１及び第２の仮想円１５０の両方に対してほぼ同心的となるように形成する。計量オリフィス１４２及びチャンネルの好ましい構成により、弁座オリフィス１３５から計量ディスクの方へ、縦軸から離れる任意の半径方向に延びる燃料流路「Ｆ」を、１つの計量オリフィスへ向けることができる。

制御速度チャンネル及びアスペクト比ｔ／Ｄによって決まる半径方向速度及び円錐サイズをそれぞれ調整してスプレーを標的に命中させるだけでなく、別の好ましい実施例では、斜角でないオリフィスの開口１４２の空間的配向により、ボルト円１５０に沿う計量オリフィス１４２の間のアーク距離「Ｌ」を変化させて、燃料のスプレーパターンの形状を決定することができる。図６Ａ−６Ｃは、計量オリフィス１４２をそれらの間のアーク距離が少しずつ増加するよう配列して、円錐サイズがそれに応じて減少し流れ領域１６４の対称性が受け入れ可能なレベルになるようにする効果を示す。この効果は、計量ディスク１０aからスタートして計量ディスク１０ｃへ移動すると分かる。

図６Ａにおいて、計量オリフィス間のアーク距離Ｌ₁が比較的大きいと、広い円錐パターンが形成される。燃料スプレーの円錐パターンは、仮想平面（縦軸と垂直な）と交差して縦軸を中心とする複数のほぼ一様な半径を有する流れ領域を画定する。流れ領域１６４は、縦軸から延びる大きさがほぼ一様な複数の半径Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃等を有する。図６Ｂにおいて、計量オリフィス１４２を図６Ａのアーク距離Ｌ₁より小さいアーク距離Ｌ2に等しい間隔で配置すると、比較的狭い円錐パターンが形成される。図６Ｃにおいて、計量オリフィス１４２を計量オリフィス１４２間のさらに小さいアーク距離Ｌ₃の等間隔で配置すると、さらに狭い円錐パターンが形成される。各流れ領域はほぼ一様な複数の半径Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃等を有するため、これらの半径により画定される流れ領域は、縦軸を中心とする燃料噴射器の配向角度とは無関係に噴射器を作動位置に装着できるようにする適当な断面形状に近づくことを注意されたい。用語「ほぼ一様な」は、任意の半径がそれ以外の任意の半径と比較して最大±２０％のばらつきがあることを示す。最も好ましい実施例において、この半径は一定で、ばらつきがなくいため、流れ領域の形状は円形の断面に近づく。アーク距離は、最も近い内側壁面間またはボルト円１５１上の隣接する計量オリフィスの端縁部間の直線距離でよいことに注意されたい。この直線距離は、計量オリフィスの厚さ「ｔ」より大きいかそれに等しいのが好ましい。

アーク距離の調整を上述したプロセスに関連して行うことにより、斜角でない計量オリフィス（縦軸Ａ−Ａにほぼ平行なほぼまっすぐな孔の開口）を使用して燃料噴射器のスプレー形状を特定のタイプのエンジンに適合させながら（大きいスプレー角度による狭いスプレーパターンから広いスプレーパターンへ、しかしながら小さい曲げ角θで）好ましい実施例の燃料噴射器を縦軸の周りの配向角度に対して感応しないようにすることができる。

動作について説明すると、燃料噴射器１００は最初は図１に示す非噴射器位置にある。この位置では、燃料入口管１１０の環状端部表面１１０ｂとアーマチャー１２４の対向環状端部表面１２４ａとの間に作動ギャップが存在する。コイルハウジング１２１と管１２とは７４で接触し、コイル組立体１８のステーター構造を形成する。非強磁性外殻部１１０ａにより、電磁コイル１２２を付勢すると、磁束はアーマチャー１２４を含む経路をたどる。磁気回路は、本体外殻部１３２ａにレーザーを用いる密封溶接により結合されたハウジング３４の軸方向下端部からスタートして、本体外殻部１３２ａ、本体１３０及びアーマチャー１２４へのアイレット及びアーマチャー１２４から作動ギャップ７２を横切って入力管１１０を通り、ハウジング１２１へ戻る。

電磁コイル１２２が付勢されると、アーマチャー１２４にかかるばね力が克服されるため、アーマチャーは入口管１１０の方へ引き寄せられ、作動ギャップ７２が減少する。このため、閉鎖部材１２６が弁座１３４から離脱して燃料噴射器を開き、本体１３２内の加圧燃料が弁座オリフィス及び計量ディスク１０のオリフィスを流れる。ここでは、一部が燃料噴射器内に、また一部が燃料噴射器の外側に位置するようにアクチュエーターを取付けることを注意されたい。コイルの付勢が終了すると、予荷重ばね１１６がアーマチャー／閉鎖部材弁を弁座１３４上に押圧して閉じる。

上述したように、１つの円錐パターンを発生させる方法を含む好ましい実施例は、図示説明した燃料噴射器に限定されず、例えば、１９９６年２月２７日発行の米国特許第５，４９４，２２５号に記載された燃料噴射器、または２００２年４月２５日付けで公開された米国特許出願第２００２／００４７０５４ Ａ１号に記載されたモジューラー型燃料噴射器のような他の燃料噴射器と併用可能である。これらの特許文献はそれら全体を本願の一部として引用する。

本発明をある特定の実施例に関連して説明したが、図示説明した実施例に対する多数の変形例及び設計変更が頭書の特許請求の範囲において規定される本発明の思想及び範囲から逸脱することなく可能である。従って、本発明は図示説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲の文言及びその均等物により規定される全範囲を享受する。

燃料噴射器の好ましい実施例である。 図１の燃料噴射器の出口端部の拡大断面図である。 燃料計量手段の好ましい実施例の拡大図であり、燃料計量手段の種々のコンポーネント間の種々の関係を示す。 燃料計量手段の好ましい実施例の拡大図であり、燃料計量手段の種々のコンポーネント間の種々の関係を示す。 計量オリフィスからのスプレーの分離角と燃料計量手段の半径方向速度成分との間のほぼ線形の関係を示す。 燃料スプレーが縦軸に垂直な仮想平面と交差してほぼ円形の断面を形成する図２Ａの燃料噴射器の出口端部の斜視図である。 ボルト円上に配置された計量ディスクの好ましい実施例を示す。 計量オリフィスを流れる流体の流れの特徴的な２つの渦を示す。 特定構成の燃料噴射器の各計量オリフィスの比率ｔ／Ｄとスプレー円錐サイズの関係を示す。 計量オリフィスの数を増加しそれに応じてほぼ一体的なスプレーパターンの夾角を減少することにより流れ領域の形状を円に近似させる仕方を示す。 計量オリフィスの数を増加しそれに応じてほぼ一体的なスプレーパターンの夾角を減少することにより流れ領域の形状を円に近似させる仕方を示す。 計量オリフィスの数を増加しそれに応じてほぼ一体的なスプレーパターンの夾角を減少することにより流れ領域の形状を円に近似させる仕方を示す。 燃料噴射器とその作動時に発生する一体的なスプレーパターンを示す。 燃料噴射器とその作動時に発生する一体的なスプレーパターンを示す。

Claims (22)

1. 縦軸に沿って入口と出口の間を延びる通路を備えたハウジングと、
   入口に向いており弁座オリフィスを形成する密封表面、出口に向いており密封表面から離隔した端部表面、及び弁座オリフィスと端部表面との間を縦軸にほぼ斜めに延びる第１のチャンネル表面を有する弁座と、
   通路内にあって、密封表面に接触して弁座オリフィスを介する燃料の流れをほぼ阻止する閉鎖部材と、
   閉鎖部材近くにあり、作動されると閉鎖部材を弁座の密封表面から離脱させて燃料流が通路を流れ閉鎖部材を通過できるようにする磁気アクチュエーターと、
   弁座に隣接する計量ディスクとより成り、
   計量ディスク上に密封表面を投射すると縦軸の周りに第１の仮想円が画定され、計量ディスクは第１のチャンネル表面に対向して流れチャンネルを形成する第２のチャンネル表面を有し、計量ディスクは第１の仮想円の外側において縦軸の周りにおいて等しいアーク距離で離隔した少なくとも２つの計量オリフィスを有し、各計量オリフィスは第２のチャンネル表面と計量ディスクの外側表面との間を縦軸にほぼ平行に延び、少なくとも１つの計量オリフィスは縦軸に平行にそれと交差する第１及び第２の互いに垂直な平面により画定される１つの象限上に位置するため、磁気アクチュエーターが作動されて閉鎖部材を移動させると、計量オリフィスを流れる燃料により、縦軸に垂直な仮想平面と交差して仮想平面上で縦軸からほぼ一様な半径を有する流れ領域を画定する一体的なスプレーパターンが発生する燃料噴射器。
2. 少なくとも２つの計量オリフィスは、第１の仮想円の外側でその第１の仮想円とほぼ同心的な第２の仮想円上に位置するほぼ円形の６つの計量オリフィスより成る請求項１の燃料噴射器。
3. 少なくとも２つの計量オリフィスは、第１の仮想円の外側でその第１の仮想円とほぼ同心的な第２の仮想円上に位置するほぼ円形の８つの計量オリフィスより成る請求項１の燃料噴射器。
4. 計量ディスクの外側表面は計量ディスクの第２のチャンネル表面から少なくとも５０ミクロンの第１の厚さだけ離隔し、第１のアーク距離は少なくとも第１の厚さにほぼ等しい隣接する計量オリフィスの最も近い端縁部間の直線距離である請求項３の燃料噴射器。
5. 計量ディスクの第１の厚さは、ほぼ７５、１００、１５０、２００ミクロンより成る群から選択される厚さである請求項４の燃料噴射器。
6. 計量ディスクの第１の厚さは約１２５ミクロンである請求項４の燃料噴射器。
7. 少なくとも２つの計量オリフィスはアスペクト比が約０．３と１．０の間にある少なくとも２つの計量オリフィスより成り、アスペクト比は、第２のチャンネルと外側表面の間の各計量オリフィスの長さを各計量オリフィスの任意の２つの直径方向内側表面間の縦軸に対して垂直な最大距離で割算した値にほぼ等しい請求項１の燃料噴射器。
8. アスペクト比は、１つの円錐の夾角にほぼ線形的に逆数関係を有する請求項６の燃料噴射器。
9. 第１のチャンネル表面は、縦軸からほぼ第１の距離のところに位置し、縦軸に沿って計量ディスクとの間でほぼ第１の間隔を有する内側端縁部と、縦軸からほぼ第２の距離のところに位置し、縦軸に沿って計量ディスクとの間でほぼ第２の間隔を有する外側端縁部とより成り、第１の距離と第１の間隔の積は第２の距離と第２の間隔の積にほぼ等しい請求項１の燃料噴射器。
10. 密封表面の投射はさらに収束して計量ディスク内の仮想頂点となり、流れチャンネルは第１の部分から延びる第２の部分より成り、第２の部分はチャンネルが縦軸に沿って延びると一定の断面積を有する請求項１の燃料噴射器。
11. 第２の距離は縦軸を横切る平面とチャンネル表面との交差部にあり、その交差部は計量オリフィスの半径方向外側の少なくとも２５ミクロンのところに位置する請求項１０の燃料噴射器。
12. 流れ領域は計量ディスクの外側表面から縦軸に沿って少なくとも５０ミリメートルのところにある請求項１の燃料噴射器。
13. 流れチャンネルの第１の部分は、縦軸を横切る平面に関して約１０度のテイパーを有するほぼ円錐台形のチャンネルより成る請求項１の燃料噴射器。
14. 縦軸に沿って入口と出口の間を延びる通路と、入口に向いており弁座オリフィスを形成する密封表面、出口に向いており密封表面から離隔した端部表面、及び弁座オリフィスと端部表面との間を縦軸にほぼ斜めに延びる第１のチャンネル表面を有する弁座と、通路内にある閉鎖部材と、閉鎖部材に隣接し、作動されると燃料が通路から閉鎖部材を過ぎて弁座オリフィスを通過するのを許容するように閉鎖部材を位置決めする磁気アクチュエーターとより成り、計量ディスクは少なくとも２つの計量オリフィスを有する燃料噴射器により複数の一様な半径を有する流れ領域を発生させる方法であって、
    縦軸にほぼ平行に計量ディスクの第２の表面及び外側表面を貫通する計量オリフィスがほぼ等しいアーク距離だけ離隔するように、計量オリフィスを第１の仮想円の外側に配置し、
    燃料噴射器が作動されると少なくとも２つの計量オリフィスに燃料を流して、縦軸に垂直な仮想平面と交差する燃料流路により仮想平面上において縦軸からほぼ一様な半径の流れ領域が画定されるようにするステップより成る流れ領域の発生方法。
15. 計量オリフィスを配置するステップは、縦軸に沿って形成される流路のほぼ一体的なスプレーパターンを第１のアーク距離及び少なくとも２つの計量オリフィスのアスペクト比のうちの１つの関数として発生させるステップを含み、ほぼ一体的なスプレーパターンのサイズは燃料噴射器の下流におけるほぼ一体的なスプレーパターンの外周部の夾角により決定され、アスペクト比は、計量ディスクの第２のチャンネル表面と外側表面の間の各計量オリフィスの長さを各計量オリフィスの任意の２つの直径方向内側表面間の縦軸に対して垂直な最大距離で割算した値にほぼ等しい請求項１４の方法。
16. 前記発生ステップは、
    スプレーパターンのほぼ円錐形のサイズを減少するように第１のアーク距離を増加し、
    スプレーパターンのほぼ円錐形のサイズを増加するように第１のアーク距離を減少するステップのうち１つのステップより成る請求項１５の方法。
17. 夾角はほぼ１０度と２０度の間の角度であり、第１のアーク距離は計量ディスクの第２の表面と外側表面の間の距離に少なくともほぼ等しい距離である請求項１５の方法。
18. 燃料を流すステップは、
    夾角を減少するようにアスペクト比を増加し、
    夾角を増加するようにアスペクト比を減少するステップのうち１つにより夾角を変化させるステップより成る請求項１５の方法。
19. 燃料を流すステップは、少なくとも２つの計量オリフィスから外方へ燃料の霧化が促進されるように少なくとも２つの計量オリフィスの円周内に少なくとも２つの渦を発生させるステップより成る請求項１４の方法。
20. 燃料を流すステップは、第１のチャンネル表面を、縦軸からほぼ第１の距離のところに位置し、縦軸に沿って計量ディスクとの間でほぼ第１の間隔を有する内側端縁部と、縦軸からほぼ第２の距離のところに位置し、縦軸に沿って計量ディスクとの間でほぼ第２の間隔を有する外側端縁部との間において、第１の距離と第１の間隔の積が第２の距離と第２の間隔の積にほぼ等しくなるように形成するステップより成る請求項１４の方法。
21. 第２の距離は縦軸を横切る平面とチャンネル表面との交差部にあり、その交差部は計量オリフィスの半径方向外側の少なくとも２５ミクロンのところに位置する請求項２０の方法。
22. 燃料を流すステップは、燃料を縦軸に沿って計量ディスクの外側表面から少なくとも５０ミリメートルのところの仮想平面上の流れ領域に亘ってほぼ一様に分布させるステップより成る請求項１４の方法。

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