JP2008138531A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射孔が傾斜した構造においても、簡単な構成で、燃料噴霧の均一性が確保できるようにする。
【解決手段】弁シート面９１と、傾斜した軸心を持つ噴射孔９３と、弁シート面と噴射孔との間に位置し円錐状のテーパ面９２とを有する弁座９、弁シート面に離接して噴射孔への燃料の供給を制御する弁体３１、弁体を作動させる作動装置を備え、噴射孔９３の開口部の一部がテーパ面９２に連接され、開口部の他の一部が弁シート面９１に連接され、且つ、噴射孔がテーパ面側に連接されている部位での該噴射孔とテーパ面とが成す角度θ１と、噴射孔が弁シート面側に連接されている部位での該噴射孔と弁シート面とが成す角度θ２との関係が、θ１≧θ２となるように構成した。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車用エンジンなどの内燃機関の燃焼室に燃料を供給するための燃料噴射弁に関するものである。

例えば筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁において、燃料噴射弁のレイアウトの制約上、あるいは、燃料に旋回エネルギーを与えて、旋回エネルギーを燃料の霧化に効果的に利用するために、燃料噴射弁の軸心に対し噴射孔を傾けた構造とする場合がある。
このような構造においては、噴射孔が軸心に対し傾いていることから、噴射孔の上流から噴射孔内へ流入する際の燃料の流入角度が周方向で異なるため、角度変化大側の燃料流れが角度変化小側の燃料流れに対し曲がり損失による流れの抵抗が大となる。よって角度変化大側の燃料流量は、角度変化小側の燃料流量よりも小となる。これによって燃料噴霧は周方向で不均一な噴霧となり、この燃料噴霧の不均一性は、エンジンシリンダ内での空気と燃料の混合性を悪化させる要因となり、最終的にエンジンの排ガス悪化の要因のひとつとなる。

このような点に鑑み、従来においても、傾斜した噴射孔内での燃料の流速差や、流速の低下を少なくし、また、燃料の流れのよどみの発生を抑制するものとして、例えば、特開２００２−３６４４９７号公報（以下、特許文献１と称す。）、特開２０００−３０３９３４号公報（以下、特許文献２と称す。）、再公表特許ＷＯ２００４／０７０２００号公報（以下、特許文献３と称す。）などで示される燃料噴射弁が提案されている。

図３、図４は、特許文献１に示される従来の燃料噴射弁の、弁座付近の部分拡大図、および弁座内での燃料の流れを模式的に示す図である。
図３、図４において、弁本体は、弁体３１、ニードル弁７、旋回体８、および噴射孔９３を有する弁座９の各部品がアッセンブルされた構造を有し、旋回体８は、図示しない燃料供給管から供給される燃料に旋回エネルギーを与えて、それを弁座９の噴射孔９３に供給する。図４に示されるように、旋回体８によって旋回エネルギーを与えられた燃料は、弁座９内において、弁シート面（弁着座面）９１、テーパ面９２、噴射孔９３の内壁面を沿って、旋回しながら下流側へと流れ、噴射孔出口より噴射される。

噴射孔９３は燃料噴射弁の中心軸に対し傾斜した構造となっており、この噴射孔９３の傾斜にともない燃料の流れが噴射孔内で軸対象とならず、噴霧が非対称（不均一）になるが、これに対し特許文献１の燃料噴射弁においては、噴射孔９３の長さを全内周面にわたって略等しくなるように形成することで、噴射孔内の膜厚を略対称とし、噴霧分布を均一化することを狙いとしている。
ただし、この特許文献１においては、噴射孔９３へ流入する際の燃料流れが、曲がり損失の左右差によって不均一化となることに対する抑制について、何等具体的な考慮がなされてはいない。（詳細は後述する。）

また、特許文献２には、球状凹面に形成された燃料噴射室に、燃料噴射弁の中心軸に対し傾斜した噴射孔が開口された構造において、噴射孔入口に面取りを形成し、内角側の面取り量を外角側の面取り量よりも大きくすることで、内角側での曲がり損失による流速の低下を少なくし、噴霧形状の均一化を図るようにしたものが開示されている。

さらに、特許文献３には、傾斜した噴射口を有する燃料噴射弁において、円錐流路と噴射口との間に、円錐流路と同軸の円筒面を持つ円筒状の中間流路を設け、噴射口を、弁座面の円錐面と中間流路の円筒面とに接続し、燃料の流れのよどみの発生を抑制するようにしたものが開示されている。

特開２００２−３６４４９７号公報 特開２０００−３０３９３４号公報 再公表特許ＷＯ２００４／０７０２００号公報

特許文献１において、燃料噴射孔が傾斜することによる燃料流れ不均一化の発生原因の一つに、噴射孔へ流入する際の燃料流れの曲がり損失が周方向（図では左右）で不均一になることがある。この点について図４を用いて説明する。
弁座９内を流れる燃料は、旋回体８によって付与された旋回エネルギーにより、弁シート面９１、テーパ面９２、噴射孔９３内において内壁面を沿って流れる。この燃料流れをＣ１、Ｃ２で示す。燃料流れＣ１、Ｃ２は、弁シート面９１とテーパ面９２とのつなぎ部Ａ１、Ａ２、テーパ面９２と噴射孔９３とのつなぎ部Ｂ１、Ｂ２において、流れの角度変化によって流れの曲がり損失による速度低下（流量低下）が生じる。このとき、噴射孔９３が傾斜していることにより、テーパ面９２から噴射孔９３への流入時の曲がり損失が、図４中左側（Ｂ１）と図４中右側（Ｂ２）とで異なり、これによって、流れの周方向の不均一が発生する。これは噴射孔９３が傾斜したことにより、必然的に生じるものであるが、特許文献１の燃料噴射弁においては、これに対する対策が示されておらず、噴霧不均一化の抑制としては不十分である。

また、特許文献２においては、燃料噴射弁の軸心に対し傾斜した噴射孔の入口に面取り加工を施すものであるから、面取り加工も、燃料噴射弁の軸に対し傾斜した軸での加工となるため、仮に面取り量が周方向で均一であったとしても、加工性が悪い。加えて、内角側と外角側で異なる面取り量を施すものであるから、面取り加工は噴孔の軸に対してもオフセットを有する軸での加工となり、さらに加工性は悪くなる。
さらに、面取り加工時には、噴射孔との位置合わせをする必要が生じる。
このように、特許文献２においては、面取り加工の加工性の点から問題がある。

また、特許文献３においては、弁座面と噴射孔の間の中間流路は円筒面で形成されている。従って、噴射孔がテーパ面側に開口している部位での噴射孔とテーパ面の角度θ１と、噴射孔が弁着座面に開口している部位での噴射孔と弁着座面との角度θ２との関係を、
θ１＞θ２の角度構成にすることは困難である。

すなわち、通常燃料噴射弁の噴射孔の傾斜角度は、燃料噴射方向の要求仕様（エンジン側要求仕様）によって決定される。また、弁座面のテーパ角度も、弁座の流路面積、耐久性その他を考慮して設定されるものである。よって、両者の角度設定には基本的に自由度はない。従って、弁座面と噴射孔のなす角度であるθ２には、基本的に自由度はないものである。更に、特許文献３の中間流路は円筒面で形成されているため、中間流路と噴射孔のなす角度θ１にも自由度はない。
以上の理由により、特許文献３の燃料噴射弁においては、θ１＞θ２の角度構成にすることは困難である。

この発明は、上記のような従来装置の問題点を解消するためになされたもので、燃料噴射弁の軸心に対し噴射孔が傾斜した構造においても、簡単且つ安価な構成により、燃料噴霧の均一性が確保できるようにした燃料噴射弁を提供することを目的とする。

この発明に係わる燃料噴射弁は、燃料の流れの方向に沿って円錐流路を形成する弁シート面と、前記円錐流路の下流側で連通して前記円錐流路の軸心に対して傾斜した軸心を持つ噴射孔と、前記弁シート面と噴射孔との間に位置し円錐状のテーパ面とを有する弁座、前記弁シート面に接触部で離接して前記噴射孔への燃料の供給を制御する弁体、前記弁体を作動させる作動装置を備えた燃料噴射弁であって、前記噴射孔の燃料導入側の開口部の一部が前記テーパ面に連接され、前記噴射孔の燃料導入側の開口部の他の一部が前記弁シート面に連接され、且つ、噴射孔がテーパ面側に連接されている部位での該噴射孔とテーパ面とが成す角度θ１と、噴射孔が弁シート面側に連接されている部位での該噴射孔と弁シート面とが成す角度θ２との関係が、θ１≧θ２となるように構成したものである。

この発明の燃料噴射弁によれば、燃料噴射弁の軸心に対し、噴射孔が傾斜した構造であっても、簡単な構成により、燃料噴霧の均一性を向上させることができる。

また、加工性が容易で、低コストでの製作が可能な燃料噴射弁を得ることができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１の燃料噴射弁について、図１、図２を参照して説明する。
図１は、実施の形態１の燃料噴射弁の全体構成を示す断面構成図、図２は、図１の弁座付近の部分拡大図で、噴射孔内での燃料の流れを説明するものである。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。
図１において、燃料噴射弁１は、外部ハウジング２、弁本体３、電磁コイル６１によって後述のニードル弁７を作動せしめる弁作動装置６を備えている。
また、弁本体３は、弁体３１、ニードル弁７、旋回体８、および、噴射孔９３を有する弁座９の各部品が組み合わされた構造を有し、旋回体８は、図示しない燃料供給管から供給される燃料に旋回エネルギーを与えて、それを弁座９の噴射孔９３に供給する機能をなす。

図２に示すように、弁座９には、ニードル弁７が着座し弁シール性を確保するための弁シート面９１、燃料を噴射するための噴射孔９３、弁シート面９１と噴射孔９３との間に配置された円錐状のテーパ面９２が形成されている。ここで、噴射孔９３は燃料噴射弁１の軸心に対し傾斜している。
噴射孔９３は、燃料導入側の開口部の一部（図２中左側）がテーパ面９２に開口しており、燃料導入側の開口部の他の一部（図２中右側）が弁シート面９１に開口している。
従って、本来、テーパ面９２は、図２中右側は噴射孔９３により切り取られた形となるが、図２では説明のため、破線にて図中右側にもテーパ面を記載している。
なお、テーパ面９２は、燃料噴射弁１の軸心を中心軸とした円錐状の形である。

旋回体８によって旋回力を付与された燃料は、弁座９の内壁面を沿うように、弁シート面９１⇒テーパ面９２⇒噴射孔９３へと流れ、噴射孔出口より噴射される。
このとき、燃料流れの角度が変わる部位Ａ１、Ｂ１、Ｂ３においては、流体の流れが曲げられることによる曲がり損失が発生し、流速が低下する。

噴射孔９３が傾斜することによる燃料流れの不均一は、噴射孔９３が傾斜したことで噴射孔入口において燃料の流入角度が周方向で異なり、これによって周方向の曲がり損失に差ができることで流速（流量）に差ができることに起因するが、この実施の形態１においては、図２中左側にのみ弁シート面９１と噴射孔９３との間にテーパ面９２を構成したことにより、従来曲がり損失が大となっていた左側の流れの曲がり損失を低減している。
ここで、噴射孔９３内へ流入する際の曲がり損失を決定する曲がり角度は、図２中左側では角度θ１、図２中右側では角度θ２となるが、実施の形態１においては、θ１＞θ２としている。

以上のように、この発明の実施の形態１においては、噴射孔９３の上流に中間流路として円錐状のテーパ面９２が構成してあり、噴射孔９３は、燃料導入側の開口部の一部（図２中左側）はテーパ面９２に、燃料導入側の開口部の他の一部（図２中右側）は弁シート面９１に開口する構造としている。これによって、図２中、左側の流れの曲がり損失をテーパ面９２によって低減できるため、噴射孔９３が傾斜したことによる燃料噴霧の不均一性を低減することができる。

ここで、噴射孔９３に燃料が流入する際の曲がり損失は、図２中左側では、噴射孔９３とテーパ面９２とがなす角度θ１によって決まり、図２中右側では、噴射孔９３とシート面９１とがなす角度θ２によって決まるため、噴射孔９３へ流入する際の流れ損失を、図中左側と右側とで同等とするためには、θ１＝θ２が望ましい。
ただし、図２中左側の流れは、弁シート面９１とテーパ面９２との角度差による流れ損失の影響を多少受けるため、噴射孔入口部においては、左側の流れの方が右側の流れに対し若干流速が落ちていると考えられる。よって、その影響を考慮すると、θ１＞θ２とし、噴射孔入口での曲がり損失を、左側の曲がり損失＜右側の曲がり損失とすることで、噴射孔内の流れを均一化することが可能となる。

なお、弁シート面９１とテーパ面９２との角度差で生じる流れ損失による噴射孔入口部での流れ速度への影響度については、弁シート面９１とテーパ面９２の角度差の大きさ、テーパ面９２の長さ等により変化するため、θ１とθ２の角度差は適宜設計すればよい。
この場合、この実施の形態１においては、弁シート面９１と噴射孔９３の間の中間流路が円錐状のテーパ面とされているので、θ１とθ２の角度差を容易且つ任意に設定することができる。
また、弁シート面９１とテーパ面９２との角度差で生じる流れ損失の影響度が小さく、燃料噴射弁の噴霧性能に与える影響度が微小の場合は、θ１＝θ２としても問題はない。

さらに、円錐状のテーパ面９２を、燃料噴射弁１と同軸上に配置することで、通常の切削加工、研削加工等により容易に加工することができる。また、燃料噴射弁１と同軸上であることから、テーパ面９２と噴射孔開口部との周方向位置決めが不要である。これらによって、加工性が容易で、低コストでの燃料噴射弁の製作が可能となる。

この発明の実施の形態１における燃料噴射弁の全体構成を示す概略断面構成図である。 この発明の実施の形態１における噴射孔内での燃料の流れを説明するための弁座付近の部分拡大図である。 従来の燃料噴射弁の一例を示す弁座付近の部分拡大図である。 図３の弁座内での燃料の流れを模式的に示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、３ 弁本体、６ 弁作動装置、６１電磁コイル、７ ニードル弁、
８ 旋回体、９ 弁座、９１ 弁シート面、９２ テーパ面、 ９３ 噴射孔、
Ａ１ 弁シート面とテーパ面との角度変化部、Ｂ１ テーパ面と噴射孔との角度変化
部、Ｂ３ 弁シート面と噴射孔との角度変化部。

Claims (2)

1. 燃料の流れの方向に沿って円錐流路を形成する弁シート面と、前記円錐流路の下流側で連通して前記円錐流路の軸心に対して傾斜した軸心を持つ噴射孔と、前記弁シート面と噴射孔との間に位置し円錐状のテーパ面とを有する弁座、前記弁シート面に接触部で離接して前記噴射孔への燃料の供給を制御する弁体、前記弁体を作動させる作動装置を備えた燃料噴射弁であって、前記噴射孔の燃料導入側の開口部の一部が前記テーパ面に連接され、前記噴射孔の燃料導入側の開口部の他の一部が前記弁シート面に連接され、且つ、噴射孔がテーパ面側に連接されている部位での該噴射孔とテーパ面とが成す角度θ１と、噴射孔が弁シート面側に連接されている部位での該噴射孔と弁シート面とが成す角度θ２との関係が、θ１≧θ２となるように構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記噴射孔と前記弁シート面との間に位置する円錐状のテーパ面を、前記弁体の軸心上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。

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