JP2007247620A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】
筒内噴射エンジンに用いる複数の噴射孔を有する燃料噴射弁において、各噴射孔から噴射される噴霧の形状を調整する。
【解決手段】
複数の噴射孔２０３が弁座１０４と弁体１１０とが接触して開閉を行う部位の範囲よりも外側に穿孔され、燃料通路２０４は噴射孔へ至る過程で複数ある噴射孔に対して夫々独立に設けられるように分岐し、夫々の噴射孔に独立に設けられた燃料通路２０４の入口の断面積は噴射孔２０３の流体通路断面積よりも大きくなるように設けられるとともに、流体通路と噴射孔とが為す角度によって噴霧の形状を調整する。
【選択図】図３

Description

内燃機関において用いられる燃料噴射弁に関する。

特開２００２−１１５６２７号公報には、長円状の溝によって成る流体通路の幅中央に噴射孔設けるとともに、噴射孔や流体通路の形状を変更して噴孔上流の流れを制御するためのプレートの製造方法が開示されている。

特開２００５−０５４６５６号公報には、噴射孔がシート部より外側に配置され、ノズルに至る流体通路は半長円上の溝によって形成され、この流体通路の幅中央に噴射孔が穿孔されている燃料噴射弁が開示されている。

特開２００２−１１５６２７号公報 特開２００５−０５４６５６号公報

筒内直接噴射式の内燃機関においては、圧縮行程中に燃料を噴射して混合気中に燃料の濃い部分と薄い部分とを作り、全体として希薄な混合気に着火させることで燃費を低減する成層燃焼を行わせる運転モードがある。

成層燃焼においては、燃費を向上させるためにより薄い混合気に安定して着火できること、すなわち燃焼安定性が要求される。燃焼安定性を確保するためには、点火プラグの近傍に可燃範囲にある濃い混合気を形成できることが必要である。成層燃焼を行わせる場合は燃料を圧縮行程に噴射するため、比較的高い雰囲気圧力中で燃料を点火プラグに到達させる必要がある。このため、成層燃焼における燃焼安定性を確保するためには、十分な量の燃料を点火プラグの方向に向かわせて、点火プラグに到達させる必要がある。

その一方で、全ての量の燃料を点火プラグに指向させてしまうと、点火プラグ近傍の燃料がリッチとなり、かえって燃焼安定性が低下することがある。また、過度に濃くなって噴射された燃料は点火プラグや対向するシリンダ壁面や排気弁に付着してススを発生させる原因やＨＣ（未燃燃料成分）の排出原因になることがある。

このため、点火プラグに指向する燃料と、燃焼室内に分散する燃料を適切に配分して燃料を噴射することが、エンジンの燃焼安定性と排気性能の両立を図る上で重要になる。

このような課題に対応するために、特許文献１及び特許文献２においては複数の噴射孔を設けた燃料噴射弁により、複数の噴霧の方向を夫々調整することによって燃焼室内における噴霧の量の適切に配分する方法が提案されている。

しかしながら、特許文献１や特許文献２には、それぞれの噴射孔から噴射される噴霧の形状を調整する方法については開示されていない。成層燃焼においては、燃焼室内における燃料の濃度の分布を空間的に適切に分散あるいは集中させられることが重要なのであり、噴霧に求められる性質は必ずしも噴射方向だけではない。複数の噴射孔を使い、噴射方向を制御することで噴霧の断面形状についてはコントロールすることができるが、噴霧の貫徹力や、夫々の噴射孔から噴射される噴霧の広がりについてはコントロールすることが難しい。例えば、特許文献１，２で開示されている方法を用いれば点火プラグの方向に適切な量の燃料を指向させることは可能だが、点火プラグの近傍に滞留させたり、その濃度と空間的な広がりを調節することは難しい。また、点火プラグに指向しない噴霧についても、噴射する方向によって対向するシリンダ壁面までの距離が異なるため、必ずしも噴射方向だけの制御では十分な噴霧形状制御ができるわけではなかった。

本発明の目的は、エンジンの燃焼安定性と低排気性の両立が可能な燃料噴射弁を提供することにある。

上記の問題を解決するために、本発明では、燃料を噴射する噴射孔を複数個備え、噴射孔の上流に、弁座と、弁座との隙間が開閉することで燃料通路の開閉を行う弁体と、弁体を駆動する駆動手段を備えた燃料噴射弁において、噴射孔は弁座と弁体とが接触して開閉を行う部位の範囲よりも外側に穿孔され、燃料通路は噴射孔へ至る過程で複数ある噴射孔に対して夫々独立に設けられるように分岐し、夫々の噴射孔に独立に設けられた燃料通路の入口の断面積は噴射孔の流体通路断面積よりも大きくなるように設けられるとともに、流体通路と噴射孔とが為す角度によって噴霧の形状を調整する。

流体通路と噴射孔とが為す角度によって、複数ある噴射孔の夫々の形状を調整し、噴霧の広がりを調整することにより、筒内噴射式エンジンの点火プラグの方向には適度に集中させると共に、シリンダ壁面側では噴霧を広げて貫徹力を弱め、付着を抑制できる燃料噴射弁が可能になる。

本発明に係る燃料噴射弁を用いることによって、エンジンの燃焼安定性と低排気性の両立が可能になる。

以下、実施例を説明する。

図１は、本発明に係る噴射孔の構造を備えた燃料噴射弁の一例を示す断面図である。図１の燃料噴射弁は通常時閉式の電磁弁となっており、通常時はスプリングによって付勢された弁体１１０の先端と弁座プレート１０２は密着し、燃料供給口１１５より供給された燃料が漏れ出ないようになっている。コネクタ１１４よりコイル１１２へ電流が供給されるとコア１１３に磁界を生じ、コア１１３とアンカ１０８との間に磁気吸引力を生じ、弁体１１０がアンカ１０８と共にコア１１３の側に変位する。このとき、弁体１１０と弁座プレート１０２の間に隙間を生じ、ノズルプレート１１６に穿孔された複数の噴射孔より燃料が噴射されるようになっている。

図２は、弁座プレート１０２およびノズルプレート１１６の近傍を拡大した断面図である。燃料は弁体ガイド１０３とノズル部材１０５の間に設けられた隙間部及び流入溝205を通過して弁座部１０４に至る。弁座部１０４を通過した燃料は燃料通路２０２を通り、ノズルプレート２０１に溝として設けられ弁座プレート１０２との間で流体通路として形成された独立燃料通路２０４を通過し、噴射孔２０３に至る。

噴射孔は複数設けられており、それぞれの噴射孔には独立した燃料通路がノズルプレート２０１に溝として設けられている。図３はそれぞれの噴射孔及び独立燃料通路の配置と夫々の噴射孔が穿孔されている方向を示した拡大図である。シート部１０４から燃料通路２０２に至った燃料は、図３のＡ−Ａ断面図上において円３０１と各燃料通路２０４ａ乃至２０４ｄとが重なる部分を燃料通路への入口として、夫々の燃料通路へと流下する。夫々の燃料通路は、弁体の軸から円３０１の外側へ向かうように設けられており、また夫々の噴射孔はシート部１０４の位置を示す円３０３よりも外側になるように穿孔されている。シート部１０４は閉弁時に弁体１１０と接触して燃料の流出を止める部位であり、Ａ−Ａ断面図上では円３０３に示す円形となる。

このように、独立の燃料通路を夫々の噴射孔に設ける場合には、シート部１０４から独立燃料通路に至るまでの燃料通路が必要となる。しかしながら、シート部１０４より下流の噴射孔に至るまでの燃料通路が持つ体積はデッドボリウムと呼ばれ、燃料の噴射停止後にも燃料が残留したり、残留した燃料が粗大流となって流出する後だれの原因となる可能性がある。したがって、燃料噴射弁としてはこのデッドボリウムが小さいことが望ましい。

その一方で、複数ある噴射孔は、夫々の噴射孔の間隔が狭まりすぎると、噴霧間の距離も小さくなってしまい、噴霧同士が噴射後に干渉して所望の噴霧を得難くなる問題がある。したがって、複数の噴射孔を有する燃料噴射弁においては、噴射孔間の間隔は一定以上の大きさを有している必要がある。

そこで、本実施例では燃料通路が円３０１の外側へ向かって燃料が流れるように設け、噴射孔がシート１０４よりも外側に穿孔できるようにしている。このように外側に噴射孔を穿孔した場合にはデッドボリウムが大きくなり易いが、本発明では一旦燃料通路２０２に示すようにシート部１０４よりも狭い燃料通路を通過させてから独立の燃料通路204ａ乃至２０４ｄに燃料を導くことによって、シート部１０４の下流に生じるデッドボリウムを小さくすることができる。また、燃料通路２０２から独立の燃料通路への入口を示す円３０１と独立燃料通路２０４ａ乃至２０４ｄとの重なり部分の断面積が、夫々の独立燃料通路２０４ａ乃至２０４ｄの流路断面積（シート部材２０１に形成される溝の断面積）とほぼ等しいように製作することで、最小限のデッドボリウムで独立の燃料通路へ燃料を導くことができる。

図４および図５は、本実施例による燃料通路と噴射孔の穿孔方向との関係によって、噴霧の形状がコントロールできることを示した、燃料通路近傍の拡大図である。

図４は、独立した流体通路２０４ａを通過して燃料が噴射孔２０３ａに流入する様子を示した模式図である。描かれている矢印４０１乃至４０４は、燃料が流入する経路を示している。燃料は燃料通路２０４ａの方向に沿って噴射孔２０３ａに向かって流下するが、噴射孔２０３ａの周囲では燃料は矢印４０３，４０４に示すように噴射孔入口の側方に廻り込み、また矢印４０２に示すように噴射孔入口の反対側にも廻り込む。したがって、噴射孔２０３ａに対してはあらゆる方向から燃料が流入し、その流入速度の分布には偏りを生じる。噴射孔２０３ａに流入した燃料は噴射孔の形状に沿って液柱状になるが、燃料通路２０４ａから流入する際の流速の偏りにより、この液柱は噴射孔２０３ａの出口４０７から燃料が噴射される際には変形する。したがって、噴射孔２０３ａの入口において流入する燃料の流速の偏りを制御することによって、噴射孔の出口における液柱（もしくは液膜）の形状を調整することが可能になる。本実施例によれば、噴射孔の穿孔方向と燃料通路の方向の相対関係によって、噴射される液柱の形状を制御し、噴霧形状を調整することが可能になる。

図５は燃料通路の方向と噴射孔の方向との相対位置関係によって噴霧形状をコントロールで切ることを示した図である。図５において、噴射孔の方向は、噴射孔の軸を、燃料通路を含む平面に投影した場合の燃料の進行方向を示すものとする。

図５（ａ）は、燃料通路の方向と噴射孔の方向が一致している場合の例である。燃料通路の方向は矢印５０３で示される方向であり、噴射孔の軸を燃料通路を含む面（すなわち図５が描画されている面）に投影した軸５０２と一致している。したがって噴射孔の方向と燃料通路がこの面内で為す角度は０度の場合を示している。図５（ａ）に示したように、噴射孔の方向と燃料通路が為す角度が０乃至２０度の範囲にあり、燃料通路の方向と噴射孔の方向が略一致しているような条件では、噴射孔の入口における燃料の流入速度の偏りは、矢印５０３乃至５０６に示すようになる。すなわち、燃料通路に沿った流れの方向である矢印５０３と噴射孔の軸５０２がほぼ一致しており、矢印５０４と矢印５０６で示される流速によって液柱が押されながら燃料は噴孔出口へと至る。このため、液柱は対向する流速成分である矢印５０４と５０６で示される燃料の流れに押されることで、噴孔から流出する際には噴射孔の軸方向５０２の直交方向に押しつぶされ、噴射孔の軸方向502に引き伸ばされた形状となる。したがって、得られる噴霧形状は噴霧５０７のような形状となる。

図５（ｂ）は、燃料通路５１１の軸５１０と噴射孔の軸を燃料通路を含む平面に投影した軸５１２が為す角度が６０度から１２０度の範囲にあり、燃料通路の軸５１０に対して横向きに噴射孔が設けられている場合を示した図である。噴射孔と燃料通路が為す角度がこのように横向きであるような場合、噴射孔に流入する流速の偏りは、矢印５１３乃至
５１６の長さに示すようになる。最も大きい流速の成分である燃料通路に沿った流速成分５１３は、噴射孔の軸の方向５１２とは一致していない。したがって、噴孔内の液柱は最も大きい流速成分５１３によって噴孔壁面に押し付けられるようになる。このため、液柱は矢印５１３の方向に押しつぶされ、結果として噴射孔の軸方向５０２に引き伸ばされた形状となるため、噴霧形状は噴霧５１７に示すような形状を呈する。ここで、側方に廻り込む流速の成分５０４及び５０６によって引き伸ばされる図５（ａ）における効果よりも、大きい流速成分５１３によって引き伸ばされる図５（ｂ）における効果の方が大きいため、噴霧５０７よりも噴霧５１７に示す噴霧の方が、噴射孔の軸方向により大きく引き伸ばされた形状となる。

図５（ｃ）は、燃料通路５２１の方向と一致した矢印５２３と噴射孔の軸を燃料通路を含む平面に投影した軸５２２が為す角度が１５０度から１８０度の範囲にあり、燃料通路の方向とほぼ反対の方向に噴射孔が穿孔されている場合の流速の偏りと噴霧形状との関係を示す図である。図５（ｃ）に示したように燃料通路の方向と反対方向噴射孔が穿孔されている場合、噴射孔の入口で最も卓越した流速成分である矢印５２３とは逆の方向に燃料の流れは曲げられる。このため、噴射孔内の液柱は、矢印５２３で示される成分によって噴孔内壁に押し付けられた状態で噴射されることになる。したがって、液柱は噴射孔の方向５２２とは直交する方向に引き伸ばされ、得られる噴霧も噴霧５２７のように噴射孔の穿孔方向と直交する方向に引き伸ばされた形状となる。

以上のように、燃料通路と噴射孔の穿孔方向との相対的な位置関係によって、複数の噴射孔を有する燃料噴射弁において、夫々の噴射孔から噴射される噴霧の形状を調整することが可能になる。

図６は、本実施例によって複数の孔から噴射される噴霧を調整し、筒内噴射エンジンに適する様に噴霧を配置した例である。図６に示した燃料噴射弁は、噴霧６０１が点火プラグへ指向する様にエンジンに取り付けて使用することを想定した噴霧形状を形成する。図６（ａ）に示されるように、点火プラグへ指向させる噴霧６０１は燃料通路６０５と噴射孔６０６の組から得られる噴霧である。噴霧６０１を形成する燃料通路６０５と噴射孔
６０６は、為す角度が一致（０度）の関係になるように設けてあり、噴霧は噴射孔の穿孔方向に広がりを持つ噴霧６０１のような形状になる。穿孔方向に広がりを持っていることによって、点火プラグと噴霧６０１の位置関係のずれた場合においても、噴霧の広がりの範囲に燃料が存在することで燃焼安定性を確保し易くなる効果がある。また、噴霧は適度に集中した状態で噴射できるので、貫徹力を確保し易くなる。

これに対して、点火プラグに指向しない噴霧６０２乃至６０４は、燃焼室の壁面やピストンに付着してススやＨＣの排出原因になることがあることから、貫徹力が小さく、かつ広がりを持っていることが望ましい。そこで、噴射孔６０８は燃料通路６０７に対して横方向に穿孔され、噴射孔の軸と燃料通路の軸とが為す角度がおよそ９０度〜１２０度の範囲にあるように調整してある。このように、噴射孔の軸と燃料通路の軸とが横向きになっていることによって、噴霧６０２のように噴霧６０１よりも噴射孔の穿孔方向に引き伸ばされた形状の噴霧を得ることができる。このことは、噴射孔６０９によって形成される噴霧６０３も同様であり、噴霧６０１よりも噴射孔の穿孔方向に引き伸ばされた噴霧６０３が得られる。燃料通路６１０と噴射孔６１１の組によって得られる噴霧６０４は、噴射孔の穿孔方向に対して直交する方向に調整された噴霧である。燃料通路６１０と噴射孔611の穿孔方向は逆向き（１８０度）の関係になるように設けてあり、得られる噴霧は噴射方向と直交する方向に広げられている。このように、噴霧を広げることによって燃料の集中度合いを減じることができるとともに、噴霧の貫徹力を小さく抑えることができる。

更に、図６（ａ）に示した以上に噴霧の貫徹力を減じたい場合には図６（ｂ）の燃料通路６１３，６１６のように燃料通路同士の為す角度を不均等にして各噴射孔からの噴霧形状を調整することができる。燃料通路６１３と噴射孔６１４の組が為す角度は、図６(ａ)燃料通路６０７の方向と噴射孔６０８の方向が為す角度よりも大きくし、９０度に近づけるように設けることで、より噴射孔方向に引き伸ばされた噴霧が得られるようになっている。すなわち、噴霧６１２は噴霧６０２よりも噴射孔方向に引き伸ばされ、分散度が高い噴霧となっている。また、燃料通路６１６と噴射孔６１７が為す角度も図６−（ａ）に示された噴射孔６０９が燃料通路と為す角度よりも９０度に近づけることによって、噴霧
６１５のように噴射方向に引き伸ばされた噴霧を得ることができる。このように、燃料通路と噴射孔とが為す角度が９０度に近づくように燃料通路を配置することにより、形成される噴霧の広がりを増して高い分散度と低い貫徹力の噴霧が得られるようになる。

このように、本発明に係る実施例によれば燃料通路の方向と噴射孔の方向によって噴霧を調整することによって、噴霧の広がりを噴射孔毎に調整することが可能になる。筒内噴射エンジンに用いる場合には、点火プラグに指向させる噴霧と比較して少ない集中度合いで貫徹力も小さい噴霧を燃焼室内に供給することができるようになる。点火プラグに指向する噴霧以外の部位の貫徹力を抑えて分散させることにより、燃焼室内に付着してすすやＨＣの排出の原因になることを防止できる。

本発明に係る燃料噴射弁の実施形態を示す断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び正面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の噴射孔近傍の拡大図及び燃料通路と噴射孔の位置関係を示す断面図である。 燃料通路と噴射孔の入口に生じる流速の偏りの様子を説明する模式図である。 燃料通路の方向と噴射孔の方向の相対関係によって噴霧形状を調整できることを示す図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の燃料通路と噴射孔の配置と噴霧形状を示す図である。

符号の説明

１０１，２０３，６０６，６０８，６０９，６１１，６１４，６１７…噴射孔、１０２…弁座プレート、１０３，１０６…弁体ガイド、１０４…シート部、１０５…ノズル、
１０７…ノズルホルダ、１０８…アンカ、１０９…ジョイントパイプ、１１１…ヨーク、１１２…コイル、１１３…コア、１１４…コネクタ、１１５…燃料供給口、２０１…ノズルプレート、２０２，２０４，５０１，５１１，５２１，６０５，６０７,６１０,６１３、２０５…流入溝、３０１…円、３０２…弁体の軸、３０３…シート部の径、４０１〜
４０４…矢印、４０５…流入通路の円、４０６…燃料通路入口、４０７…噴射孔出口、
５０２，５１２，５２２…噴射孔の投影軸、５０３〜５０６，５１３〜５１６，５２３〜５２６…流速を示す矢印、５０７，５１７，５２７，６０１〜６０４，６１２，６１５…噴霧、５１０…燃料通路の軸、６１６…燃料通路。

Claims (6)

1. 燃料を噴射する噴射孔を複数個備え、前記噴射孔の上流に、弁座と、前記弁座との隙間が開閉することで燃料通路の開閉を行う弁体と、前記弁体を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁において、
   前記噴射孔は前記弁座と前記弁体とが接触して開閉を行う部位の範囲よりも外側に穿孔され、燃料通路は噴射孔へ至る過程で複数ある噴射孔に対して夫々独立に設けられるように分岐し、夫々の噴射孔に独立に設けられた燃料通路の入口の断面積は、該噴射孔の流体通路断面積よりも大きくなるように設けられるとともに、前記流体通路と前記噴射孔とが為す角度によって噴霧の形状を調整することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記複数の燃料通路は同一平面内に配置され、前記燃料通路への燃料入口は前記弁体の軸の中心側にあり、燃料は前記弁体の軸の中心から外側に向かって流れるように構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料通路における燃料の進行方向を零度として進行方向を１８０度とするように角度を取るとき、
   前記燃料通路を含む平面に前記噴射孔の軸を投影して得られる平面上の投影軸と、前記燃料通路の軸とが平面内で為す角度が０度から２０度の範囲にあるように噴射孔が穿孔されることによって、前記噴射孔から噴射される噴霧の形状が、前記噴射孔の投影軸の方向に引き伸ばされた扁平状に調整された噴射孔を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料通路における燃料の進行方向を零度として進行方向を１８０度とするように角度を取るとき、
   前記燃料通路を含む平面に前記噴射孔の軸を投影して得られる平面上の投影軸と、前記燃料通路の軸とが平面内で為す角度が６０度から１２０度の範囲にあるように噴射孔が穿孔されることによって、前記噴射孔から噴射される噴霧の形状が、前記噴射孔の投影軸の方向に引き伸ばされた扁平状に調整された噴射孔を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料通路における燃料の進行方向を零度として進行方向を１８０度とするように角度を取るとき、
   前記燃料通路を含む平面に前記噴射孔の軸を投影して得られる平面上の投影軸と、前記燃料通路の軸とが平面内で為す角度が１５０度から１８０度の範囲にあるように噴射孔が穿孔されることによって、前記噴射孔から噴射される噴霧の形状が、前記噴射孔の投影軸と直交する方向に引き伸ばされた扁平状に調整された噴射孔を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料通路は、前記噴射孔が穿孔されている部材と同一の部材に溝として設けられ、前記弁座を有する部材と密着させて使用することで、前記溝が燃料通路として作用するようにしたことを特徴とする燃料噴射弁。
   

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