JP2006132434A - 噴孔部材、燃料噴射弁、および噴孔部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 流体噴霧の微粒化を促進し、デポジットの固着を抑制し、噴霧形状を容易に制御でき、噴射流量の大流量化が可能な噴孔部材、それを用いた燃料噴射弁、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 噴孔プレート１には複数の窪み（凹部４および凸部６が形成されている部分）が形成されている。凹部４は、噴孔２の入口側の端面１ａに形成され、その深さ方向に流路面積が縮小している。凸部６は、噴孔２の出口側の端面１ｂに形成され、その突出方向に横断面の外周が縮小している。各凹部４には噴孔２の入口が少なくとも１つ開口している。噴孔２は、各凹部４の真下に形成されている凸部６の凸面６ａを通って噴孔プレート１を貫通している。つまり凸部６には噴孔２の出口が開口している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、噴孔部材と、それを用いた燃料噴射弁、および噴孔部材の製造方法に関するものであり、例えば内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジンという。）に燃料を噴射する燃料噴射弁の噴孔部材に関する。

従来、例えば燃料噴射弁において、薄板状の噴孔部材に噴孔を形成し、弁部材で噴孔からの燃料噴射を断続するものが知られている。このように噴孔を設けた噴孔部材では、燃料に限らず噴射する流体噴霧を微粒化することが求められることがある。
特許文献１には燃料噴霧の微粒化を促進するための燃料噴射弁のノズルが開示されている。特許文献１に記載のノズルは、流路面積が噴孔に向けて急激に拡大する扁平空間を噴孔の入口側に備えている。この扁平空間は、弁ボディーの下端面と噴孔部材に形成された円盤状の凹部とにより形成されている。そして噴孔は、流路面積が急激に拡大することにより扁平空間の入口に形成される段部よりも外周側の凹部の底を通って噴孔部材を貫通している。したがってバブルシートを通過した燃料は、段部を通って扁平空間の外周側に流れ、噴孔から噴射される。このノズルでは、段部において燃料流れに微小な乱れを誘起し、燃料噴霧の微粒化を図ろうとしている。

米国特許第２００３０１２７５４０号明細書

しかしながら特許文献１に記載のノズルでは、流路面積が急激に拡大する扁平空間に燃料を導いているため、バブルシートを通過してから噴孔までの流体抵抗が増大する。つまり燃料噴射に係る圧力損失が大きいため、噴射流量を容易に大流量化できない。特に、高出力化が求められている筒内噴射エンジンでは、この圧力損失が問題になる。また特許文献１に記載のノズルでは、全ての噴孔が１つの扁平空間に連通しているため、微粒化の程度、すなわち燃料噴霧の形状を噴孔毎に制御することは容易でない。
ところで、従来の流体噴射弁においては、噴孔部材にデポジットが固着するという問題もある。デポジットとは、噴孔から噴射された流体噴霧が噴孔部材に再付着し、再付着した噴霧が周囲温度などの影響によって固化したものである。デポジットが噴孔内やその近傍に固着すると噴孔形状などが変化するため、流量特性が変化してしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、流体噴霧の微粒化を促進し、デポジットの固着を抑制し、噴霧形状を容易に制御でき、噴射流量の大流量化が可能な噴孔部材、それを用いた燃料噴射弁、およびその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１から８に記載の発明では、凹部は深さ方向に流路面積が縮小するように形成され、その凹部に噴孔の入口が開口している。したがって凹部に導かれた流体は凹部の最下部に向かって流れ、その流速は凹部の最下部に近づくほど増速する。つまり流速の大きな流体流れが凹部に形成されている噴孔近傍で衝突するので、流体噴霧の微粒化を促進することができる。また、凹部に導かれてから噴孔に至るまでの流体抵抗が小さいので、噴射流量の大流量化が可能である。

また請求項１から８に記載の発明では、複数の凹部が形成されている。したがって、複数の凹部の形状をそれぞれに設計すれば、各凹部に形成されている噴孔から噴射する流体噴霧の形状を容易に制御することができる。
また請求項１から８に記載の発明では、凸部は突出方向に横断面の外周が縮小するように形成され、その凸部の凸面に噴孔の出口が開口している。したがって噴孔から噴射された流体噴霧が噴孔周辺の凸部に再付着すると、再付着した噴霧による液体は凸部の頂部に集まり液滴となる。液滴となった液体は、再付着直後の液滴となる前の液体と比較して固化しにくい。たとえ噴孔近傍で液体が液滴となったとしても、噴孔近傍の液滴は流体噴射により再び噴霧になる。したがって、請求項１から８に記載の発明によれば、噴孔部材へのデポジットの固着を抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、噴孔は凸部の頂部を除く凸面を通って噴孔部材を貫通している。そのため凸部に再付着した噴霧による液体は、噴孔から離れた凸部の頂部に集まり、噴孔内やその近傍に集まって液滴となることはない。したがって、請求項２に記載の発明によれば、デポジットが噴孔内やその近傍に固着することを防止できる。
請求項３および４に記載の発明では、凹部は円錐状または球面状に形成されている。つまり凹部の凹面はその深さ方向に滑らかに縮径している。したがって、請求項３および４に記載の発明によれば、凹部に導かれてから噴孔に至るまでの流体抵抗を低減することができる。

請求項５に記載の発明では、噴孔部材は板状に形成され、凸部は凹部の板厚方向の投影上に凹面に沿って突出している。このような凹部および凸部はプレス加工によって噴孔部材に同時に形成することができるので、噴孔部材の製造工数を低減することができる。ここで「凹部の板厚方向の投影上」とは、凸部の板厚方向の投影と凹部の板厚方向の投影とが概ね一致していることを意味する。また「凹面に沿って突出」とは、凸部の凸面が凹部の凹面と概ね相似していることを意味する。

ところで、燃料噴射弁においては、燃料の微粒化を促進することによりエンジン始動時の炭化水素（以下、ＨＣという。）の排出量を低減できることが知られている。請求項６に記載の発明によれば、燃料噴射弁に請求項１から５に記載の噴孔部材を用いているので、燃料の微粒化を促進でき、エンジン始動時のＨＣの排出量を低減することができる。
また燃料噴射弁においては、筒内の温度が高温となるので、デポジットが固着し易い。具体的には、噴孔から噴射された燃料噴霧が噴孔部材に再付着し、筒内の燃焼熱で脱水素反応を起こして炭化する。しかしながら、請求項６に記載の発明によれば、燃料噴射弁に請求項１から５に記載の噴孔部材を用いているので、デポジットの固着を抑制することができる。

請求項７および８に記載の発明によれば、プレス工程において第一金型と第二金型とで板状の母材を窪ませるので、母材に複数の凹部と複数の凸部とを同時に形成することができる。したがって、複数の窪みとその窪みが形成されている部分を貫通する噴孔とを備える噴孔部材の製造工数を低減することができる。

請求項８に記載の発明では、噴孔形成工程で母材に噴孔を形成した後に、プレス工程で
第一金型と第二金型とによって成形される部分に噴孔が位置するように板状の母材を窪ませる。したがって、噴孔形成工程で母材に形成された噴孔の噴孔角度は、プレス工程による母材の窪みにより更に大きくなる。ここで噴孔角度とは、噴孔の中心軸がプレス工程前の板状の母材の表面と垂直な仮想直線となす角度のことである。つまり請求項８に記載の発明によれば、噴霧角度が大きな噴孔部材を容易に製造することができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。尚、各実施形態で対応する構成要素には同一の符号を付し、各実施で対応する構成要素について重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を図２に示す。流体噴射弁としての燃料噴射弁１０は、筒内噴射ガソリンエンジンに用いられる直噴式の燃料噴射弁である。尚、流体噴射弁は燃料噴射弁に限定されるものではなく、直噴式の燃料噴射弁に限定されるものでもない。例えば流体噴射弁は、燃焼室に吸入される吸気に燃料を噴射するエンジン、ディーゼルエンジン等に適用してもよい。
弁ボディ１２は、弁部材であるノズルニードル２０を往復移動可能に収容している。弁ボディ１２の内周壁１３には、ノズルニードル２０が着座可能な弁座１４が形成されている。ノズルニードル２０の弁座１４と反対側の結合部２２は、可動コア３０と溶接等により結合している。

固定コア３２は、可動コア３０のノズルニードル２０と反対側に、可動コア３０と向き合って設置されている。スプリング３４は可動コア３０を固定コア３２から離れる方向、つまりノズルニードル２０が弁座１４に着座する方向に付勢している。
コイル３６に通電すると、スプリング３４の付勢力に抗して可動コア３０は固定コア３２に吸引され、ノズルニードル２０は弁座１４から離座する。

噴孔部材としての噴孔プレート１は、弁ボディ１２の底部外壁１５に設けられている。ノズルニードル２０が弁座１４に着座していると、噴孔プレート１に形成されている噴孔２（図１参照）からの燃料噴射は遮断され、ノズルニードル２０が弁座１４から離座すると、噴孔２から燃料が噴射される。

図１（Ａ）は噴孔プレート１の平面図であり、図１（Ｂ）は噴孔２ａの近傍を拡大した図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
板状の噴孔プレート１は、端面１ａが弁ボディ１２の底部外壁１５と向き合う姿勢で、弁ボディ１２に取付けられている。噴孔プレート１には複数（例えば４つ）の窪み（凹部４および凸部６が形成されている部分）が形成されている。
凹部４は噴孔プレート１の端面１ａに形成され、各凹部４には１つの噴孔２の入口が開口している。それらの噴孔２は、それぞれ凸部６の凸面６ａを通って噴孔プレート１を貫通している。燃料は凹部４に導かれて噴孔２から噴射される。噴孔プレート１の端面１ａが特許請求の範囲に記載の「噴孔の入口側の端面」に相当し、端面１ａと反対側の端面１ｂが「噴孔の出口側の端面」に相当する。

凹部４は、深さ方向に流路面積が縮小するように形成されている。具体的には例えば、凹部４は深さ方向に滑らかに縮径する球面状である。したがって凹部４に導かれた燃料は、凹部４の最下部４ｂに向かって流れ、その流速は凹部４の最下部４ｂに近づくほど増速する（図１（Ｂ）の矢印８参照）。つまり流速の大きな燃料流れが凹部４で衝突するので、燃料噴霧の微粒化を促進することができる。また凹部４に導かれてから噴孔２に至るまでの流体抵抗は小さいので、噴射流量の大流量化が可能である。

ここで、噴孔２から噴射された燃料噴霧が噴孔プレート１に再付着することがある。再付着した燃料噴霧が燃焼室内の燃焼熱により脱水素反応を起こすと、燃料噴霧が炭化したデポジットが噴孔プレート１に固着する。デポジットが噴孔２内やその近傍に固着すると噴孔２の形状などが変化するため、流量特性が変化してしまうという問題がある。

しかしながら、噴孔プレート１の端面１ｂには複数の凸部６が形成されている。凸部６は、凹部４の板厚方向の投影上に凹面４ａに沿って突出している。つまり、凸部６の板厚方向の投影（以下凸部６の投影という。）は凹部４の板厚方向の投影（以下凹部４の投影という。）と概ね一致し、凸部６の凸面６ａは凹部４の凹面４ａに概ね相似している。具体的には、凹部４の投影および凸部６の投影は同心の円形である。そして凸部６の投影の半径は、凹部４の投影の半径より概ね噴孔プレート１の板厚だけ大きい。以降では、上述のような凸部６の凹部４に対する相対的な位置を「真下」という。

各凹部４に開口している噴孔２は、その真下の凸部６の凸面６ａを通って噴孔プレート１を貫通している。つまり凸部６には噴孔２の出口が開口している。したがって、噴孔２から噴射された燃料噴霧が噴孔２の周辺の凸面６ａに再付着しても、再付着した燃料は凸部６の頂部６ｂに集まり燃料滴となる。燃料滴となった燃料は、再付着直後の燃料滴となる前の燃料よりも炭化しにくいので、デポジットの凸面６ａへの固着を抑制することができる。
また、噴孔２の出口は、凸部６の頂部６ｂを除く凸面６ａに形成されている。そのため再付着した燃料は、噴孔２から離れた頂部６ｂに集まって燃料滴となる。たとえ再付着した燃料が噴孔２近傍で液滴となったとしても、噴孔２近傍の液滴は燃料噴射により再び噴霧になる。したがってデポジットが噴孔２内やその近傍に固着することを防止できる。

次に、噴孔プレート１の製造方法について説明する。図３は噴孔プレート１の製造方法を示す模式図である。
はじめに、板状の母材１００に噴孔２を形成する。具体的には、噴孔２の中心軸線１０２と仮想直線１０４とが角度αをなすように、母材１００に噴孔２を形成する（図３（Ａ）参照）。ここで仮想直線１０４とは、母材１００の表面１００ａと垂直な仮想線である。また、角度αの上限には噴孔２の加工法による制約がある。本工程が特許請求の範囲に記載の「噴孔形成工程」に相当する。

次に、プレス加工により母材１００に凹部４および凸部６を形成する。具体的には、パンチ１２０の凸部１２２とダイ１３０の凹部１３２とが母材１００を介して嵌合し母材１００の噴孔２が形成されている部分が凸部１２２と凹部１３２との間に位置するように、母材１００をパンチ１２０とダイ１３０とで挟み込むことにより、母材１００に対してプレス加工を施す（図３（Ｂ）参照）。凸部１２２は、横断面の面積が先端ほど縮小するように、例えば半球状に形成されている。凹部１３２は母材１００の厚み分だけ凸部１２２より大きく形成されている。このように母材１００に対してプレス加工を施すことにより、母材１００に凹部４および凸部６を同時に形成することができる。また、このプレス加工によって母材１００の噴孔２が形成されている部分が窪むので、プレス加工後の噴孔２の中心軸線１０６と仮想直線１０４とがなす角度βは、角度αよりも大きくなる（図３（Ｃ）参照）。つまり、噴孔２の噴孔角度を大きくすることができるので、燃料噴射弁１０の噴霧角度を大きくすることができる。凸部１２２を有するパンチ１２０が特許請求の範囲に記載の「第一金型」に相当し、凹部を有するダイ１３０が「第二金型」に相当する。また本工程が特許請求の範囲に記載の「プレス工程」に相当する。

尚、凹部４および凸部６を形成する工程の前に噴孔２を形成するとして説明したが、凹部４および凸部６を形成する工程の後に噴孔２を形成してもよい。また凹部４および凸部６を形成する工程では、凸部１２２を有するパンチ１２０と凹部１３２を有するダイ１３０とを用いて母材１００にプレス加工を施すとして説明したが、凹部を有するパンチと凸部を有するダイとを用いてもよい。このときは、凹部を有するパンチが特許請求の範囲に記載の「第二金型」に相当し、凸部を有するダイが「第一金型」に相当する。

（第２実施形態から第４実施形態）
図４は、第２実施形態による噴孔プレート５２を示す平面図である。
噴孔プレート５２には複数（例えば４つ）の凹部４が形成されている。そして、各凹部４に複数（例えば２つ）の噴孔２が開口している。

図５は、第３実施形態による噴孔プレート５３を示す断面図であり、図１（Ｂ）と同様に噴孔２の近傍を拡大している。
噴孔プレート５３の凹部４は円錐状に形成されている。

図６は、第４実施形態による噴孔プレート５４を示す断面図である。
噴孔プレート５４には複数の凹部４が形成されている。そして、互いに異なる複数の凹部４に開口する噴孔２が１つの凸部６０の凸面６０ａを通って噴孔プレート５４を貫通している。このようにすれば、互いに異なる複数の凹部４に開口する噴孔２から噴射された燃料が噴孔プレート５４に再付着しても、再付着した燃料は１つの凸部６０の頂部６０ｂに集まるので液滴になり易い。尚、円錐状の凸部６０を例示したが、凸部６０は半球状でもよい。

以上説明した複数の実施形態によれば、流速の大きな燃料の流れが凹部４に形成されている噴孔２近傍で衝突するので、燃料噴霧の微粒化を促進することができ、エンジン始動時のＨＣの排出量を低減することができる。
また、複数の凹部４にそれぞれ噴孔２を形成しているので、各凹部４の形状をそれぞれ設計すれば、各凹部４に形成されている噴孔２から噴射する燃料噴霧の形状を容易に制御することができる。

（他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、噴孔２は凸部６、６０の頂部６ｂ、６０ｂを除く凸面６ａを通って噴孔プレート１、５１、５２、５３、５４（以下、噴孔プレートという。）を貫通するものとして説明したが、凸部６、６０の頂部６ｂ、６０ｂを通って噴孔プレートを貫通する噴孔２を形成してもよい。再付着した燃料は噴孔２近傍に集まり燃料滴となるが、燃料滴となった燃料は炭化しにくい。また噴孔２近傍の燃料滴は、燃料噴射により再び噴霧になる。したがって、デポジットの噴孔２内やその近傍への固着を抑制することができる。

また、上述の複数の実施形態では、深さ方向に滑らかに縮径する凹部４（具体的には球面状または円錐状）を噴孔プレートに形成するとして説明した。しかし、燃料噴霧を仕様どおりに微粒化できる程度であれば、凹面４ａに凹凸や段差などが形成されていてもよい。
また、上述の複数の実施形態では、突出方向に滑らかに拡径する凸部６、６０（具体的には球面状または円錐状）を噴孔プレートに形成するとして説明した。しかし、デポジットの噴孔２内やその近傍への固着を仕様どおりに抑制できる程度であれば、凸面６ａ、６０ａに凹凸や段差などが形成されていてもよい。

また、第１実施形態から第３実施形態では、凸部６は凹部４の板厚方向の投影上に凹面４ａに沿って突出するものとして説明した。しかし、技術上の阻害要因がない限り、凸面６ａが凹面４ａに相似していない形状の凸部６を噴孔プレート１に形成してもよい。例えば、球面状の凹部４と円錐状の凸部６を噴孔プレート１に形成してもよい。また、技術上の阻害要因がない限り、凹部４の真下からずれた位置に凸部６を形成してもよい。

また、第１実施形態から第３実施形態では、同一の凹部４に開口している複数の噴孔２は、その全てが真下に形成されている１つの凸部６の凸面６ａを通って噴孔プレート５２を貫通するものとして説明した。しかし、同一の凹部４に開口している複数の噴孔２がそれぞれ異なる凸部６の凸面６ａを通って噴孔プレートを貫通するように、噴孔プレートに噴孔２を形成してもよい。

（Ａ）は第１実施形態による噴孔プレートを示す平面図である。（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線による噴孔近傍の拡大断面図である。 第１実施形態による燃料噴射弁を示す断面図である。 第１実施形態による噴孔プレートの製造方法を説明する模式図である。 第２実施形態による噴孔プレートを示す平面図である。 第３実施形態による噴孔プレートを示す断面図である。 第４実施形態による噴孔プレートを示す断面図である。

符号の説明

１、５１、５２、５３、５４ 噴孔プレート（噴孔部材）、１ａ 端面（入口側の端面）、１ｂ 端面（出口側の端面）、２ 噴孔、４ 凹部（噴孔プレートの凹部）、４ａ 凹面、６、６０ 凸部（噴孔プレートの凸部）、６ａ、６０ｂ 凸面、６ｂ 頂部、１０ 燃料噴射弁（流体噴射弁）、１００ 母材、１２０ パンチ（第一金型）、１２２ 凸部（第一金型の凸部）、１３０ ダイ（第二金型）、１３２ 凹部（第二金型の凹部）

Claims (8)

1. 流体を噴射する流体噴射弁に用いられ、流体を噴射する噴孔を備えた噴孔部材において、
   前記噴孔部材は、前記噴孔の入口側の端面に深さ方向に流路面積が縮小する複数の凹部を有し、前記噴孔の出口側の端面に突出方向に横断面の外周が縮小する凸部を有し、
   各凹部には、少なくとも１つの前記噴孔が開口し、
   前記噴孔は、前記凹部の凹面と前記凸部の凸面とを通って前記噴孔部材を貫通していることを特徴とする噴孔部材。
2. 前記噴孔は前記凸部の頂部を除く前記凸面を通って前記噴孔部材を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の噴孔部材。
3. 前記凹部は円錐状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の噴孔部材。
4. 前記凹部は球面状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の噴孔部材。
5. 前記噴孔部材は、板状に形成され、複数の前記凸部を有し、
   前記凸部は、前記凹部の板厚方向の投影上に前記凹面に沿って突出していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の噴孔部材。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の噴孔部材を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
7. 流体を噴射する流体噴射弁に用いられ、流体を噴射する噴孔を備えた噴孔部材の製造方法であって、
   横断面の面積が先端ほど縮小する複数の凸部を有する第一金型と前記第一金型の前記凸部に対応する複数の凹部を有する第二金型とで、前記凸部と前記凹部とが前記噴孔部材を形成するための板状の母材を介して嵌合するようにプレス加工することによって、前記母材に窪みを形成するプレス工程と、
   前記プレス工程後に、前記母材の前記窪みが形成されている部分を貫通する前記噴孔を形成する噴孔形成工程と、
   を含むことを特徴とする噴孔部材の製造方法。
8. 流体を噴射する流体噴射弁に用いられ、流体を噴射する噴孔を備えた噴孔部材の製造方法であって、
   前記噴孔部材を形成するための板状の母材に前記母材を貫通する前記噴孔を形成する噴孔形成工程と、
   前記噴孔形成工程後に、横断面の面積が先端ほど縮小する複数の凸部を有する第一金型と前記第一金型の前記凸部に対応する複数の凹部を有する第二金型とで、前記噴孔が前記凸部と前記凹部との間に位置し前記凸部と前記凹部とが前記母材を介して嵌合するようにプレス加工することによって、前記母材に窪みを形成するプレス工程と、
   を含むことを特徴とする噴孔部材の製造方法。

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