JP2006009622A

JP2006009622A - 内燃機関の燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2006009622A
Application number: JP2004185231A
Authority: JP
Inventors: Eriko Matsumura; 恵理子松村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12
Also published as: CN1712697A; DE102005028974A1; US20050284968A1; US7306169B2

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関し、シート部下流側流路へのデポジットの付着をより効果的に抑制し、それによる燃料噴射量の低下を抑制することを目的とする。
【解決手段】先端部にシート当接部２４を有するニードル弁２０を設ける。シート当接部２４が当接するシート部２６を有するノズルボディ２２を設ける。ノズルボディ２２は、シート部２６を含むテーパ面３４と、球面状のサック壁面３６により構成される燃料受け部２８とを備える。ニードル弁２０の先端部は、テーパ面３４に比してテーパ角度の大きいテーパ状に形成された第１の突出部３８と、第１の突出部３８に比してテーパ角度の小さいテーパ状に形成された第２の突出部４０とを備える。より具体的には、第２の突出部４０を、円錐状に形成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の燃料噴射弁に係り、特に、筒内に直接燃料を噴射する直噴型の内燃機関に用いるうえで好適な燃料噴射弁に関する。

従来、例えば、特開２００２−１４７３１７号公報には、ニードル弁を動作させることで流路の開閉を行う燃料噴射弁が開示されている。この燃料噴射弁は、ニードル弁が当接するシート部の下流側の流路径をテーパ状に拡大させている。シート部下流側流路へのデポジットの付着は、流路断面積の減少による燃料噴射量の低下をもたらす。上記従来の燃料噴射弁は、上述した構成によってシート部下流の燃料の通過流量を大きくすることで、シート部下流側の流路部分に付着したカーボンデポジットの洗浄効果を高めたものである。

特開２００２−１４７３１７号公報

内燃機関の燃料噴射弁において、デポジットの付着量は、シート部下流側の流路の容積が大きいほど、当該流路内に残留する燃料量が大きくなることで増大する。上記従来の燃料噴射弁に用いられる手法によれば、シート部下流側の燃料の流れを改善させることができても、シート部下流側の流路の容積を拡大させているため、デポジットの付着を効果的に抑制することが困難である。また、上記従来の燃料噴射弁のように、シート部下流側の流路の容積を単純に拡大させると、噴霧特性の悪化が懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、シート部下流側流路へのデポジットの付着をより効果的に抑制し、それによる燃料噴射量の低下を抑制することのできる内燃機関の燃料噴射弁を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、先端部にシート当接部を有するニードル弁と、
前記シート当接部が当接するシート部を含みかつ当該シート部の下流側に所定長さを有するテーパ状に形成されたテーパ面と、前記テーパ面の下流側に形成されたサック壁面により構成される燃料受け部とを備えるノズルボディと、を備える内燃機関の燃料噴射弁であって、
前記ニードル弁の前記先端部は、
前記シート当接部の下流側に隣接し、前記テーパ面に比してテーパ角度の大きいテーパ状に形成された第１の突出部と、
前記第１の突出部から下流側に突出し、最も突出した位置が前記第１の突出部の傾斜面を延長した仮想面と前記ニードル弁の軸線との交点より下流となる位置まで及ぶように形成された第２の突出部と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記第２の突出部は、前記第１の突出部に比してテーパ角度の小さいテーパ状に形成されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記第２の突出部は、円錐状に形成されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記第２の突出部の先端形状が、球面で形成されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、第２乃至第４の発明の何れかにおいて、前記第１の突出部と前記第２の突出部との接合部の縦断面形状が、曲線で形成されていることを特徴とする。

第６の発明は、上記の目的を達成するため、先端部にシート当接部を有するニードル弁と、
前記シート当接部が当接するシート部を含みかつ当該シート部の下流側に所定長さを有するテーパ状に形成されたテーパ面と、前記テーパ面の下流側に形成されたサック壁面により構成される燃料受け部とを備える噴射弁ボディと、を備える内燃機関の燃料噴射弁であって、
前記ニードル弁の前記先端部は、
前記シート当接部の下流側に隣接し、前記ニードル弁の軸線側に凸となる曲面で形成された突出部を備えることを特徴とする。

第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、前記サック壁面は、前記ニードル弁の先端部と対向する部分が球面で形成されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、シート部に近接する下流側の流路断面積を大きく確保できるため、デポジットの付着による燃料噴射量の低下を抑制することができる。また、第２の突出部の存在により、燃料受け部の容積を減少させることができるため、燃料受け部内に生ずるデポジット量を減らすことができる。このため、本発明によれば、シート部下流側流路へのデポジットの付着を効果的に抑制し、それによる燃料噴射量の低下を抑制することができる。

第２の発明によれば、ニードル弁の先端部周りの燃料の流れを改善することができる。これにより、ニードル弁の表面に付着したデポジットの剥離力が向上され、更に、ニードル弁の表面温度が低下することで、ニードル弁へのデポジットの付着を効果的に抑制することができる。

第３の発明によれば、ニードル弁の先端部形状を、ニードル弁周りの燃料の流れ改善によるデポジット付着を低減させる効果を十分に得られる形状とすることができる。

第４の発明によれば、燃料受け部の容積をより効果的に小さくできる先端形状を得ることができる。このため、本発明によれば、燃料受け部内の残留燃料量の低減によるデポジットの付着抑制の効果を十分に得ることができる。

第５の発明によれば、上記の第２〜第４の発明に比して、ニードル弁周りの燃料の流れをより改善することができる。

第６の発明によれば、突出部の付け根の部分において、テーパ面との間で流路断面積が大きく確保される。また、先端部分において、突出部が燃料受け部内に突出されていることで、燃料受け部の容積が減少される。このため、本発明によれば、シート部下流側流路へのデポジットの付着を効果的に抑制し、それによる燃料噴射量の低下を抑制することができ、更に、上記の第５の発明に比して、ニードル弁周りの燃料の流れを更に改善させることができる。

第７の発明によれば、燃料受け部の形状を、良好な噴霧特性が得られる適切な形状とすることができる。このため、本発明によれば、噴霧特性を悪化させることなく、シート部下流側流路へのデポジットの付着を効果的に抑制し、それによる燃料噴射量の低下を抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の燃料噴射弁１０を示す縦断面図である。図１に示す燃料噴射弁１０は、例えば、内燃機関の筒内に直接燃料を噴射する直噴型のガソリン機関において好適に用いることができる。但し、本発明に係る燃料噴射弁の適用は、ガソリン機関に限るものではなく、また、直噴型の機関に限るものではない。

本実施形態の燃料噴射弁１０は、磁性体で構成された固定鉄心１２を備えている。固定鉄心１２と隣接する位置には、コイルスプリング１４によって図１中下向きに付勢される可動鉄心１６が配置されている。可動鉄心１６は、燃料噴射弁１０の内部を、その軸線方向に摺動することができる。固定鉄心１２の外周には、電磁コイル１８が設けられている。燃料噴射弁１０は、電磁コイル１８が所定の磁力を発することにより、可動鉄心１６が固定鉄心１２に引き寄せられ、また、その磁力が消滅すると、コイルスプリング１４の付勢力により可動鉄心１６が固定鉄心１２から離れるように構成されている。

可動鉄心１６には、可動鉄心１６と共に燃料噴射弁１０の内部を変位するニードル弁２０が連結されている。燃料噴射弁１０は、ニードル弁２０を取り囲むように形成されたノズルボディ２２を備えている。ノズルボディ２２は、ニードル弁２０のシート当接部２４が当接するシート部２６、ニードル弁２０と対向する位置に設けられた燃料受け部（サック）２８、および、燃料受け部２８と連通する噴孔３０を備えている。

図１に示すように、ニードル弁２０とノズルボディ２２の間には、空間３２が形成されている。この空間３２には、図示しない燃料供給源から高圧の燃料が供給されている。ニードル弁２０は、電磁コイル１８に励磁電流が供給されていないときは、ノズルボディ２２のシート部２６に着座し、噴孔３０を閉塞する。従って、この場合、噴孔３０から燃料は噴射されない。

上記の状態から、電磁コイル１８に励磁電流が供給されると、可動鉄心１６が固定鉄心１２に引き寄せられることにより、ニードル弁２０がシート部２６から離座する。その結果、ニードル弁２０の周囲に蓄えられていた高圧の燃料が燃料受け部２８に流入し、更に、噴孔３０から外部へ噴射される。

上記のように構成された燃料噴射弁１０において、シート部２６の下流側流路にカーボンデポジットが付着すると、流路断面積の減少により燃料噴射量が低下してしまう。燃料受け部２８を有する本実施形態の燃料噴射弁１０においては、燃料受け部２８の容積を減少させれば、燃料受け部２８内に残留する燃料量を減少できるため、デポジットの付着を抑制することができる。しかしながら、適切な配慮なしに単純に燃料受け部２８の容積を減少させると、目標とする噴霧特性（噴霧形状など）を得ることが困難となる。特に、直噴型の内燃機関においては、良好な噴霧特性を得ることは重要であり、そのような良好な噴霧特性を得るには、燃料受け部２８の壁面形状をデポジットの減少のためだけで安易に変更するわけにはいかない。そこで、本実施形態の燃料噴射弁１０は、このような要求を満たしつつ、燃料受け部２８を有する燃料噴射弁１０において、噴霧特性を悪化させることなく、デポジットの付着による燃料噴射量の低下を抑制すべく、以下のような構成を有している。尚、本明細書中においては、燃料噴射弁１０内部の燃料の流れ方向に基づいて、シート部２６に対して噴孔３０側を「シート部２６の下流側」、或いは、単に「下流側」と称している。

次に、本実施形態の燃料噴射弁１０の特徴的部分であるノズルボディ２２周辺の詳細な構造を、図２を参照して説明する。
図２は、図１に示す燃料噴射弁１０のノズルボディ２２の周辺を拡大して表した縦断面図である。図２に示すように、ノズルボディ２２は、シート部２６を含むテーパ面３４を備えている。テーパ面３４は、シート部２６の下流側に所定の長さを有している。テーパ面３４の下流側には、サック壁面３６が形成されている。サック壁面３６は、良好な噴霧特性を確保すべく、ニードル弁２０に対向する部分が球面で形成されている。上述した燃料受け部２８は、このようなサック壁面３６によって形成された空間である。また、上述した噴孔３０は、サック壁面３６に、ニードル弁２０の軸線に対して所定の傾斜角度が与えられた軸線を中心とする円筒状に形成されている。

ニードル弁２０の先端部には、シート当接部２４の下流側に、第１の突出部３８と第２の突出部４０とが設けられている。第１の突出部３８は、そのテーパ角度がテーパ面３４のテーパ角度に比して大きいテーパ状に形成されている。第２の突出部４０は、第１の突出部３８の下流側に突出し、最も突出した位置が第１の突出部３８の傾斜面を延長した仮想面とニードル弁２０の軸線との交点Pより下流となる位置まで及ぶように形成されている。より具体的には、第２の突出部４０は、そのテーパ角度が第１の突出部３８のテーパ角度に比して小さいテーパ状に形成されている。本実施形態の第２の突出部４０は、このような要件を満たす形状として、第１の突出部３８から更に下流側に突出する円錐状の突起として形成されている。このように、本実施形態のニードル弁２０は、シート当接部２４の下流側に、異なるテーパ角度によって２段で構成されたテーパ状の突起を有している。

以上説明した通り、本実施形態の燃料噴射弁１０は、テーパ面３４に比してテーパ角度の大きい第１の突出部３８を備えたことにより、シート部２６に近接する下流側の流路断面積を大きく確保することができるため、デポジットの付着による燃料噴射量の低下を抑制することができる。そして、第１の突出部３８より更に下流側に突出する第２の突出部４０を備えたことにより、燃料受け部２８の容積を減少させることができる。このため、燃料受け部２８内に残留する燃料量を低減でき、燃料受け部２８内に生ずるデポジット量を減らすことができる。

また、本実施形態の燃料噴射弁１０は、第２の突出部４０が第１の突出部３８のテーパ角度に比して小さいテーパ状に形成されていることにより、更に付け加えると、その好適な形状例として、先端形状が鋭角となる円錐状とされていることにより、シート部２６から燃料受け部２８に流入した燃料の流れが改善される。より具体的には、ニードル弁２０の先端部形状がこのような２段のテーパ形状とされていることにより、燃料受け部２８内に生ずる渦が小規模に抑制され、燃料がニードル弁２０の表面から剥離せずに安定して流れるようになる。言い換えれば、ニードル弁２０の表面に付着したデポジットの剥離力を向上させることができ、それに加えて、ニードル弁２０の表面温度が低下することと合わせて、ニードル弁２０へのデポジットの付着を効果的に抑制することができる。そのうえ、サック壁面３６が球面で形成されていることにより、噴霧特性を悪化させることもない。

このため、本実施形態の燃料噴射弁１０によれば、噴霧特性を悪化させることなく、シート部２６の下流側流路（ニードル弁２０の先端部およびテーパ面３４）へのデポジットの付着を効果的に抑制し、それによる燃料噴射量の低下を抑制することができる。そして、本実施形態の燃料噴射弁１０によれば、噴霧特性の決定に重要な燃料受け部２８の形状を変更することなく、上述した効果を得ることができる。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図３は、本発明の実施の形態２において用いられるニードル弁５０の先端部形状を示す縦断面図である。図３に示すように、本実施形態のニードル弁５０の先端部は、第１の突出部５２と第２の突出部５４との接合部の縦断面形状が、曲面で形成、より具体的には、円弧で形成されている点を除き、上述した実施の形態１と同様の構成を有している。図３に示す構成によれば、燃料受け部２８に流入した燃料が、上述した実施の形態１の構成に比して、より剥離等が抑制された状態で、ニードル弁５０の先端部に沿ってより安定して流れるようにすることができる。

ところで、上述した実施の形態１または２において、図２に示すニードル弁２０を有する燃料噴射弁１０、または、図３に示すニードル弁５０を有する燃料噴射弁によれば、上記の如く、噴霧特性を悪化させることなく、デポジットの付着を効果的に抑制することができる。このような構成を有するニードル弁２０、５０によれば、ニードル弁の先端部形状を調整することによって、噴霧特性の変更が可能となる。例えば、噴霧貫徹力（噴霧の到達距離を表す指標）を小さくしたい場合には、図２に示すニードル弁２０であれば、第２の突出部４０のテーパ角度を大きくするとよく、また、図３に示すニードル弁５０であれば、第１の突出部５２と第２の突出部５４との接合部の円弧の曲率を小さくするとよい。また、噴霧の微粒化を向上させたい場合には、第２の突出部４０、５４のテーパ角度を、噴孔３０の噴射角度（ニードル弁２０、５０の軸線と噴孔３０の軸線とが成す角度）の２倍とするとよい。上記のような手法によれば、ニードル弁２０、５０の先端部の形状を変更することにより、噴霧特性を調整することができ、これにより、内燃機関の仕様によって異なる噴霧特性が要求された場合に、ニードル弁の先端部の形状の変更により対応することが可能となる。

実施の形態３．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図４は、本発明の実施の形態３において用いられるニードル弁６０の先端部形状を示す縦断面図である。図４に示すように、本実施形態のニードル弁６０の先端部は、第２の突出部６２の先端形状が、球面で形成されている点を除き、上述した実施の形態１と同様の構成を有している。より具体的には、図４に示す構成では、第１の突出部６４のテーパ角度と第２の突出部６２のテーパ角度との角度差が、上述した実施の形態１の構成に比して大きくなるように構成し、かつ、第２の突出部６２の先端形状が、その先端位置で大きく軸線に向けて絞られるように構成している。このような構成によれば、異なるテーパ角度によって２段で構成された突起を先端部に有するニードル弁において、燃料受け部２８の容積をより効果的に小さくできる先端形状を得ることができる。このため、本実施形態のニードル弁６０によれば、燃料受け部２８内の残留燃料量の低減によるデポジットの付着抑制の効果を十分に得ることができる。

実施の形態４．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
図５は、本発明の実施の形態４において用いられるニードル弁７０の先端部形状を示す縦断面図である。図５に示すように、本実施形態のニードル弁７０の先端部は、シート当接部２４の下流側に設けられる突出部７２が、ニードル弁７０の軸線側に凸となる曲面で形成されている点を除き、上述した実施の形態１と同様の構成を有している。図５に示す構成によれば、突出部７２の付け根の部分において、テーパ面３４との間で流路断面積を大きく確保することができ、また、先端部分において、突出部７２が燃料受け部２８内に突出されていることで、燃料受け部２８の容積を減少させることができる。また、突出部７２の表面が連続する曲面で構成されていることにより、燃料受け部２８に流入した燃料が、上述した実施の形態２の構成に比して、更に剥離等が抑制された状態で、ニードル弁７０の先端部に沿って更に安定して流れるようにすることができる。

本発明の実施の形態１の燃料噴射弁を示す縦断面図である。図１に示す燃料噴射弁のノズルボディの周辺を拡大して表した縦断面図である。本発明の実施の形態２において用いられるニードル弁の先端部形状を示す縦断面図である。本発明の実施の形態３において用いられるニードル弁の先端部形状を示す縦断面図である。本発明の実施の形態４において用いられるニードル弁の先端部形状を示す縦断面図である。

符号の説明

１０燃料噴射弁
２０、５０、６０、７０ニードル弁
２２ノズルボディ
２４シート当接部
２６シート部
２８燃料受け部
３０噴孔
３４テーパ面
３６サック壁面
３８、５２、６４第１の突出部
４０、５４、６２第２の突出部
７２突出部

Claims

先端部にシート当接部を有するニードル弁と、
前記シート当接部が当接するシート部を含みかつ当該シート部の下流側に所定長さを有するテーパ状に形成されたテーパ面と、前記テーパ面の下流側に形成されたサック壁面により構成される燃料受け部とを備えるノズルボディと、を備える内燃機関の燃料噴射弁であって、
前記ニードル弁の前記先端部は、
前記シート当接部の下流側に隣接し、前記テーパ面に比してテーパ角度の大きいテーパ状に形成された第１の突出部と、
前記第１の突出部から下流側に突出し、最も突出した位置が前記第１の突出部の傾斜面を延長した仮想面と前記ニードル弁の軸線との交点より下流となる位置まで及ぶように形成された第２の突出部と、
を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
前記第２の突出部は、前記第１の突出部に比してテーパ角度の小さいテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射弁。
前記第２の突出部は、円錐状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料噴射弁。
前記第２の突出部の先端形状が、球面で形成されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料噴射弁。
前記第１の突出部と前記第２の突出部との接合部の縦断面形状が、曲線で形成されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射弁。
先端部にシート当接部を有するニードル弁と、
前記シート当接部が当接するシート部を含みかつ当該シート部の下流側に所定長さを有するテーパ状に形成されたテーパ面と、前記テーパ面の下流側に形成されたサック壁面により構成される燃料受け部とを備える噴射弁ボディと、を備える内燃機関の燃料噴射弁であって、
前記ニードル弁の前記先端部は、
前記シート当接部の下流側に隣接し、前記ニードル弁の軸線側に凸となる曲面で形成された突出部を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
前記サック壁面は、前記ニードル弁の先端部と対向する部分が球面で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射弁。