JP2005325800A - 流体噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の噴孔から噴射される噴霧全体が微粒化される流体噴射弁を提供する。
【解決手段】 噴孔４１の開口面積は噴孔４２に比較して大きい。そのため、噴孔４１からは弁座３２に近く圧力の高い流体が噴射される。一方、噴孔４２は開口面積が小さいため、噴孔４２へ流入する流体は絞り込まれる。これにより、弁座３２から遠い噴孔４２を流れる流体は、噴孔４２により絞り込まれて圧力が上昇する。したがって、噴孔４１および噴孔４２から噴射される流体の微粒化を全体として促進することができる。また、噴孔４１の軸Ｌ１および噴孔４２の軸Ｌ２は円錐台面３１と円錐台面５１とがなす角度の二等分線Ｌｅからずれている。そのため、二等分線Ｌｅに沿って流れる流体の主流は、噴孔４１または噴孔４２へ直接流入しない。これにより、噴孔４１および噴孔４２では主流の変化の影響を受けず、噴射される流体は安定した噴霧を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の噴射を断続する流体噴射弁に関する。

従来、流体噴射弁としては、軸方向に移動する弁部材によって流体通路を開閉し、噴孔からの流体の噴射を断続する燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料噴射弁では、弁ボディの軸方向に重ねられた二つの噴孔を有している。

特開平９−１２６０９５号公報

特許文献１に開示されている燃料噴射弁の場合、弁座に近いほど流体である燃料の圧力は高い。そのため、弁座に近い噴孔から噴射された燃料は十分に微粒化が達成されるものの、弁座から遠い噴孔から噴射された燃料は微粒化が劣る。その結果、二つの噴孔から噴射された燃料が形成する噴霧は、全体として微粒化が劣るという問題がある。
そこで、本発明の目的は、複数の噴孔から噴射される噴霧全体が微粒化される流体噴射弁を提供することにある。

請求項１記載の発明では、弁ボディの軸方向に重ねられている二つ以上の噴孔は弁座に近いほど開口面積が大きい。そのため、流体通路を通過した流体は開口面積の大きな弁座に近い噴孔を経由して噴射される。流体の圧力は弁座に近いほど高いため、弁座に近い噴孔からは圧力の高い流体が噴射される。したがって、弁座に近い噴孔からは圧力の高い流体が噴射され、微粒化を促進することができる。また、弁座から遠い噴孔の開口面積を小さくすることにより、弁座から遠い噴孔を流れる流体は絞り効果により圧力が上昇する。したがって、弁座から遠い噴孔から噴射される流体も微粒化が促進され、噴霧全体の微粒化を促進することができる。

請求項２記載の発明では、弁座に近い噴孔は弁座から遠い噴孔よりも弁ボディの周方向の長さが大きい。これにより、弁座に噴孔から噴射される流体は薄い液膜状となる。したがって、液膜の分離が促進され、流体の微粒化をさらに促進することができる。

流体通路を通過する流体は、流体通路を形成する弁ボディの内壁面と弁部材の外壁面とがなす角度を二等分する仮想二等分線に沿った部分において流量および圧力が大きくなる。すなわち、仮想二等分線に沿った流体の流れは、流体通路を流れる流体の主流となる。流体の主流が噴孔へ直接流入すると、噴孔から噴射される流体は弁部材の偏心にともなう主流の変動の影響を受けやすくなる。その結果、噴孔から噴射される流体の噴射量および噴霧の形状が不安定になる。そこで、請求項３または４記載の発明では、仮想二等分線と噴孔の軸とはずれている。これにより、流体通路を通過する流体の主流が各噴孔に直接流入することを防止できる。したがって、噴孔から噴射される流体は主流の変動の影響を受けず、噴射量および噴霧の形状を安定化させることができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による流体噴射弁（以下、流体噴射弁を「インジェクタ」という。）を図２に示す。第１実施形態によるインジェクタ１０は、例えばエンジンの排気通路に設置され排気を浄化する排気浄化装置に適用される。すなわち、インジェクタ１０は還元触媒へ流体である還元剤としての燃料を噴射する燃料噴射弁である。なお、インジェクタ１０は、排気浄化装置に限らず、エンジンの燃焼室へ燃料を噴射する直噴式のガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジン、または吸気通路を流れる吸気へ燃料を噴射する予混合式のガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジンなどに燃料を噴射する燃料噴射弁に適用してもよい。本実施形態の場合、インジェクタ１０は、排気浄化装置を構成する図示しない排気通路に設置される。また、インジェクタ１０が噴射する流体は還元剤である。本実施形態では、インジェクタ１０は、流体である還元剤の一例として燃料を噴射する例について説明する。なお、還元剤である流体としては、例えばガソリンや軽油などの燃料を適用することができる。

インジェクタ１０のハウジング１１は筒状に形成されている。ハウジング１１は、第一磁性部１２、非磁性部１３および第二磁性部１４を有している。非磁性部１３は、第一磁性部１２と第二磁性部１４との磁気的な短絡を防止する。第一磁性部１２、非磁性部１３および第二磁性部１４は、例えばレーザ溶接などにより一体に接続されている。なお、ハウジング１１を磁性材料により筒状の一体物に成形し、熱加工することにより非磁性部１３に対応する部分を非磁性化してもよい。

ハウジング１１の軸方向の一方の端部には入口部材１５が設置されている。入口部材１５はハウジング１１の内周側に圧入されている。入口部材１５は流入口１６を有している。流入口１６には、図示しないポンプから流体が供給される。流入口１６に供給された流体は、フィルタ部材１７を経由してハウジング１１の内周側に流入する。フィルタ部材１７は、流体に含まれる異物を除去する。

ハウジング１１の他方の端部には、ノズルホルダ２０が設置されている。ノズルホルダ２０は、筒状に形成され、内側に弁ボディとしてのノズルボディ３０が設置されている。ノズルボディ３０は、筒状に形成され、例えば圧入あるいは溶接などによりノズルホルダ２０に固定されている。ノズルボディ３０は、図１に示すように先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐台状の円錐台面３１に弁座３２を有している。円錐台面３１は、ノズルボディ３０の内壁面である。ノズルボディ３０は、円錐台面３１のハウジング１１とは反対側の端部に接続するサック部３３を有している。サック部３３には、噴孔４１および噴孔４２の一方の端部が開口している。噴孔４１および噴孔４２は、一方の端部がサック部３３に開口し、他方の端部がノズルボディ３０の外壁に開口している。

弁部材としてのニードル５０は、図２に示すようにハウジング１１、ノズルホルダ２０およびノズルボディ３０の内周側に軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル５０は、ノズルボディ３０と概ね同軸上に配置されている。ニードル５０は、図１に示すように円錐台面５１および円錐面５２を有している。円錐台面５１と円錐面５２との接続部はノズルボディ３０の弁座３２と接触可能なシール部５３となる。円錐台面５１および円錐面５２はニードル５０の外壁面を形成している。ニードル５０の外壁面とノズルボディ３０の円錐台面３１との間には、流体が流れる流体通路２１が形成される。

インジェクタ１０は、図２に示すようにニードル５０を駆動する駆動部６０を有している。駆動部６０は、スプール６１、コイル６２、固定コア６３、可動コア６４および磁性部材６５を有している。スプール６１は、ハウジング１１の外周側に設置されている。スプール６１は、樹脂で筒状に形成され、外周側にコイル６２が巻かれている。コイル６２は、コネクタ部２２の端子２３に接続している。ハウジング１１を挟んでコイル６２の内周側には、固定コア６３が設置されている。固定コア６３は、例えば鉄などの磁性材料により筒状に形成され、ハウジング１１の内周側に例えば圧入などにより固定されている。

可動コア６４は、ハウジング１１の内周側に軸方向へ往復移動可能に収容されている。可動コア６４は、例えば鉄などの磁性材料から筒状に形成されている。可動コア６４は、固定コア６３とは反対側の端部にニードル５０が接続している。ニードル５０のシール部５３とは反対側の端部は可動コア６４に固定されている。そのため、可動コア６４およびニードル５０は一体に軸方向へ往復移動する。

可動コア６４は、固定コア６３側の端部において付勢手段であるスプリング６６と接触している。スプリング６６は、一方の端部が可動コア６４に接しており、他方の端部がアジャスティングパイプ６７に接している。アジャスティングパイプ６７は、固定コア６３に圧入されている。アジャスティングパイプ６７の圧入量を調整することにより、スプリング６６の荷重は調整される。スプリング６６は、軸方向へ伸びる力を有している。そのため、ニードル５０および可動コア６４は、スプリング６６によりシール部５３が弁座３２へ着座する方向へ押し付けられている。磁性部材６５は、例えば鉄などの磁性材料により形成され、コイル６２の外周側を覆っている。

コイル６２に通電していないとき、可動コア６４およびニードル５０は弁座３２方向へ押し付けられ、シール部５３は弁座３２に着座する。コイル６２に通電していないとき、固定コア６３と可動コア６４との間には所定の隙間が形成されている。コイル６２に通電されると、可動コア６４は固定コア６３に吸引されるとともに、固定コア６３と可動コア６４とは互いに相対する面同士が接する。これにより、可動コア６４および可動コア６４と一体のニードル５０の移動量は制限される。すなわち、コイル６２の非通電時における固定コア６３と可動コア６４との間の距離は、ニードル５０のリフト量に対応する。

次に、噴孔４１、４２の近傍について詳細に説明する。
図１に示すように、ノズルボディ３０は円錐台面３１に弁座３２を有している。弁座３２には、ニードル５０のシール部５３が着座可能である。円錐台面３１の下流側すなわち弁座３２とは反対側の端部にはサック部３３が接続している。サック部３３は、ノズルボディ３０の内壁面により形成されている。第一実施形態の場合、サック部３３は、円錐台面３１と接続しハウジング１１とは反対側へ伸びる円筒面３３１と、円筒面３３１の円錐台面３１とは反対側に接続する半球状面３３２とから構成されている。

サック部３３を形成するノズルボディ３０の内壁面には、噴孔４１および噴孔４２の入口側が開口している。ノズルボディ３０には、ノズルボディ３０の軸方向へ重ねられている二つの噴孔４１および噴孔４２が設置されている。噴孔４１および噴孔４２は、サック部３３とは反対側の端部がノズルボディ３０の外壁に開口している。これにより、噴孔４１および噴孔４２は、ノズルボディ３０を貫いてサック部３３とノズルボディ３０の外壁とを接続している。噴孔４１および噴孔４２は、ノズルボディ３０の軸に対し所定の角度を形成している。

噴孔４１および噴孔４２は、図３に示すようにノズルボディ３０の軸方向の長さに対し周方向の長さが大きな扁平なスリット状に形成されている。すなわち、噴孔４１はノズルボディ３０の周方向の幅Ｗ１が軸方向の高さＨ１より大きく、噴孔４２は幅Ｗ２が高さＨ２より大きい。また、弁座３２に近い噴孔４１は、弁座３２から遠い噴孔４２よりも開口面積が大きい。流体通路２１を通過する流体は、弁座３２に近いすなわち流体通路２１に近くなるほど圧力が高い。そのため、噴孔４１から噴射される流体は、噴孔４２から噴射される流体よりも圧力が高い。流体は、噴射される圧力が高くなるほど微粒化が促進される。そのため、弁座３２に近い噴孔４１の開口面積を拡大することにより、噴孔４１からは圧力の高い流体が大きな流量で噴射される。

サック部３３は、弁座３２とは反対側に半球状面３３２を有している。そのため、噴孔４１および噴孔４２をノズルボディ３０の軸方向へ重ねて配置する場合、弁座３２から遠い噴孔４２は幅Ｗ２を大きくすることが困難である。特に、噴孔４１と噴孔４２とから噴射される流体が形成する噴霧の干渉を防止するために噴孔４１と噴孔４２との間の距離を大きくすると、噴孔４２の幅Ｗ２の確保は困難になる。一方、本実施形態の場合、噴孔４２に比較して噴孔４１の開口面積を拡大しているため、噴孔４１により所定の流量の大部分が確保される。そのため、噴孔４２の幅Ｗ２を必要以上に拡大することなく流体の流量は確保される。その結果、噴孔４２はノズルボディ３０の先端側へ容易に設置することができる。

噴孔４１は、ノズルボディ３０の周方向の長さすなわち幅Ｗ１を噴孔４２の幅Ｗ２よりも拡大することにより、開口面積を噴孔４２よりも拡大している。本実施形態では、噴孔４１の高さＨ１は、噴孔４２の高さＨ２とほぼ同一である。噴孔４１は、幅Ｗ１を拡大することにより、軸方向の長さすなわち高さＨ１を拡大する場合と比較してより扁平となる。そのため、噴孔４１から噴射される流体は、薄い液膜状の噴霧を形成する。これにより、噴孔４１から噴射される流体は微粒化が促進される。

本実施形態の場合、図１に示すように、噴孔４１の軸Ｌ１および噴孔４２の軸Ｌ２は、流体通路２１を流れる流体の主流とずれている。ここで、主流とは、流体通路２１を流れる流体のうち流量および流速の大きな部分をいう。この主流は、ノズルボディ３０の内壁面を構成する円錐台面３１とニードル５０の外壁面を構成する円錐台面５１とがなす角度の二等分線Ｌｅにほぼ一致する。すなわち、流体は、円錐台面３１と円錐台面５１とがなす角度の二等分線Ｌｅに沿った部分において流量および流速が最も大きくなる。そのため、流体通路２１を流れる流体は、二等分線Ｌｅに沿って主流が形成され、形成された主流は噴孔４１および噴孔４２のサック部３３側の開口に向けて流れる。

本実施形態の場合、噴孔４１の軸Ｌ１および噴孔４２の軸Ｌ２と主流が形成される二等分線Ｌｅとは、それぞれずれている。すなわち、二等分線Ｌｅを延長したとき、二等分線Ｌｅは噴孔４１の入口側開口部と噴孔４２の入口側開口部との間に交差するようになっている。これにより、流体通路２１を通過した流体は、ノズルボディ３０の軸方向において噴孔４１と噴孔４２との間に位置するノズルボディ３０の内壁面３０ａに衝突し、噴孔４１および噴孔４２へ直接流入することを防止できる。

次に、上記の構成によるインジェクタ１０の作動について説明する。
図１に示すコイル６２への通電が停止されているとき、固定コア６３と可動コア６４との間には磁気吸引力が発生しない。そのため、可動コア６４はスプリング６６の押し付け力により固定コア６３とは反対側へ移動している。その結果、コイル６２への通電が停止されているとき、ニードル５０のシール部５３は弁座３２に着座している。したがって、流体は噴孔４１および噴孔４２から噴射されない。

コイル６２に通電されると、コイル６２に発生した磁界により磁性部材６５、第一磁性部１２、可動コア６４、固定コア６３および第二磁性部１４に磁束が流れ、磁気回路が形成される。これにより、固定コア６３と可動コア６４との間には磁気吸引力が発生する。固定コア６３と可動コア６４との間に発生する磁気吸引力がスプリング６６の押し付け力よりも大きくなると、可動コア６４は固定コア６３方向へ移動する。その結果、ニードル５０のシール部５３は弁座３２から離座する。

流入口１６からインジェクタ１０の内部へ流入した流体は、フィルタ部材１７、入口部材１５の内周側、アジャスティングパイプ６７の内周側、可動コア６４の内周側、可動コア６４を貫く流体孔６８およびノズルホルダ２０の内周側を経由して流体通路２４へ流入する。流体通路２４へ流入した流体は、弁座３２から離座したニードル５０とノズルボディ３０との間に形成される流体通路２１、およびサック部３３を経由して噴孔４１および噴孔４２へ流入する。これにより、噴孔４１および噴孔４２から流体が噴射される。

コイル６２への通電を停止すると、固定コア６３と可動コア６４との間の磁気吸引力は消滅する。これにより、可動コア６４およびニードル５０はスプリング６６の押し付け力により固定コア６３とは反対側へ移動する。そのため、ニードル５０のシール部５３は再び弁座３２に着座し、流体通路２１と噴孔４１および噴孔４２との間の流体の流れは遮断される。したがって、流体の噴射は終了する。

以上、説明したように、第１実施形態では噴孔４１の開口面積は噴孔４２に比較して大きい。そのため、弁座３２に近く圧力の高い流体は噴孔４１から噴射される。また、噴孔４１からは噴孔４２に比較して多くの流体が噴射される。これにより、噴孔４１から噴射される流体は、高い圧力を利用して積極的に微粒化が図られる。一方、噴孔４２は噴孔４１に比較して開口面積が小さいため、噴孔４２へ流入する流体は噴孔４２によって絞り込まれる。これにより、弁座３２から遠い噴孔４２を流れる流体は、弁座３２付近と比較して圧力が低くても、噴孔４２により絞り込まれて圧力が上昇する。そのため、噴孔４２から噴射される流体も微粒化が図られる。したがって、噴孔４１および噴孔４２から噴射される流体の微粒化を全体として促進することができる。

特に、本実施形態のように、インジェクタ１０を排気浄化装置に適用する場合、流体の圧力は数ＭＰａ程度であり、例えば直噴式のエンジンに適用されるインジェクタと比較して流体の圧力が低い。そのため、弁座３２に近く圧力の高い流体を積極的に噴孔４１から噴射することにより、流体の圧力に関わらず流体の微粒化を促進することができる。また、流体の圧力が低い場合、所定量の流体を噴射するためには噴孔４１の面積を拡大する必要がある。本実施形態では、噴孔４１の開口面積を拡大することにより、十分な流量かつ圧力の流体を噴射することができる。

第１実施形態では、噴孔４１は幅Ｗ１を拡大することにより開口面積を拡大している。これにより、噴孔４１は扁平なスリット状となる。そのため、噴孔４１から噴射される流体は、液膜状の噴霧を形成する。したがって、流体の微粒化を促進することができる。
第１実施形態では、噴孔４１の軸Ｌ１および噴孔４２の軸Ｌ２は円錐台面３１と円錐台面５１とがなす角度の二等分線Ｌｅからずれている。そのため、流体通路２１において二等分線Ｌｅに沿って流れる流体の主流は、噴孔４１または噴孔４２へ直接流入しない。これにより、ニードル５０の偏心などにより、主流の位置が変化する場合でも、噴孔４１および噴孔４２から噴射される流体は主流の変化の影響を受けない。したがって、噴孔４１および噴孔４２から噴射される流体は安定した噴霧を形成することができる。さらに、主流が噴孔４１と噴孔４２との間においてノズルボディ３０の内壁に衝突することにより、流体が有している運動エネルギーは微粒化のエネルギーに変換される。したがって、流体の微粒化を促進することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるインジェクタの噴孔の近傍を図４に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４に示すように、第２実施形態では第１実施形態と同様に弁座３２に近い噴孔７１の開口面積は弁座３２から遠い噴孔７２よりも大きい。第２実施形態では、噴孔７１は、噴孔７２に比較してノズルボディ３０の周方向の幅Ｗ３だけでなく軸方向の高さＨ３も拡大している。すなわち、噴孔７１の幅Ｗ３および高さＨ３は、噴孔７２の幅Ｗ４および高さＨ４よりも大きい。噴孔７１の高さＨ３を拡大して開口面積を拡大することにより、噴孔７１から噴射される噴霧の形状は液柱状になるものの、噴孔７１から噴射される流体の流量は増大する。そのため、例えば圧力が比較的高い流体を噴射する場合、流体の所定の噴射量を容易に確保することができる。
また、噴孔７２は、高さＨ３を拡大して開口面積を拡大している。これにより、弁座３２に近い圧力の高い流体が積極的に噴孔７２から噴射される。したがって、流体の微粒化を促進することができる。

（その他の実施形態）
以上、説明した複数の実施形態では、サック部３３を円筒状面３３１と半球状面３３２とから構成する例について説明した。しかし、サック部３３は、単一の半球形状、あるいは単一の円筒状など、任意の形状を選択することができる。また、複数の実施形態では、二つの噴孔４１、４２または噴孔７１、７２をノズルボディ３０の軸方向へ重ねて設置する構成について説明した。しかし、二つに限らず三つ以上の噴孔をノズルボディ３０の軸方向へ重ねて設置してもよい。

本発明の第１実施形態によるインジェクタの要部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるインジェクタを示す断面図である。 図１の矢印III方向から見た矢視図である。 本発明の第２実施形態によるインジェクタを示す図であって、図３に対応する矢視図である。

符号の説明

１０ インジェクタ（流体噴射弁）、２１ 流体通路、３０ ノズルボディ（弁ボディ）、３１ 円錐台面（内壁面）、３２ 弁座、４１ 噴孔、４２ 噴孔、５０ ニードル（弁部材）、５１ 円錐台面（外壁面）、５３ シール部、７１ 噴孔、７２ 噴孔

Claims (4)

1. 内壁面に弁座を有する弁ボディと、
   前記内壁面との間に流体通路を形成する外壁面、および前記外壁面に前記弁座と接触可能なシール部を有し、前記シール部が前記弁座から離座または前記弁座に着座することにより前記流体通路を開閉する弁部材とを備え、
   前記弁ボディは、流体流れ方向において前記弁座の下流側に内壁と外壁とを接続し軸方向に重ねて配置されている二つ以上の噴孔を有し、前記弁座に近い噴孔は前記弁座から遠い噴孔よりも開口面積が大きいことを特徴とする流体噴射弁。
2. 前記弁座に近い噴孔は、前記噴孔から遠い噴孔よりも前記弁ボディの周方向の長さが大きいことを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
3. 前記流体通路を形成する前記弁ボディの前記内壁面と前記弁部材の前記外壁面とがなす角度を二等分する仮想二等分線は、前記二つ以上の噴孔のいずれの軸ともずれていることを特徴とする請求項１または２記載の流体噴射弁。
4. 内壁面に弁座を有する弁ボディと、
   外壁面に前記弁座に接触可能なシール部を有し、前記シール部が前記弁座から離座または前記弁座に着座することにより前記流体通路を開閉する弁部材とを備え、
   前記弁ボディは、流体流れ方向の下流側において前記弁座の下流側に内壁と外壁とを接続し軸方向に重ねて配置されている二つ以上の噴孔を有し、前記弁座に近い噴孔は前記弁座から遠い噴孔よりも開口面積が大きく、
   前記流体通路を形成する前記弁ボディの前記内壁面と前記弁部材の前記外壁面とがなす角度を二等分する仮想二等分線は、前記二つ以上の噴孔のいずれの軸ともずれていることを特徴とする流体噴射弁。

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