JP2011074778A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用の燃料噴射弁において、大きい流量仕様や大きい噴射仕様に対しても、燃料噴霧の微粒化を低コストで実現する。
【解決手段】噴孔プレートの上流側端面の中央部を下流側へ窪ませた薄肉部を形成し、弁座シート面の下流側へ延長した仮想円錐面と前記薄肉部の外周側の噴孔プレート上流側端面が交差して１つの仮想円を形成するように噴孔プレートを配置し、噴孔入口部は前記薄肉部より外側かつ前記弁座の最小内径である弁座開口内壁より内側の噴孔配置面に配置している。
【選択図】図２

Description

本発明は主に内燃機関の燃料供給系に使用される燃料噴射弁に関し、特に噴霧特性における微粒化の促進や噴霧形状ばらつきの抑制、および流量特性における流量精度の向上や雰囲気圧変化に対する変化量の抑制を図ることができる電磁式燃料噴射弁に関するものである。

近年、自動車などの排出ガス規制が強化される中、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の微粒化向上が求められている。燃料噴霧の微粒化については各種の検討がなされており、例えば、弁座シート部からの燃料流れの主流に対して内側に噴孔入口部を配置し、かつ噴孔直上のキャビティ流路面積を急激に縮小するようにすることにより、噴孔入口における突入角が大きい燃料流れを促進し、過度な噴霧拡散を抑制しつつ微粒化するようにしたものがある（例えば特許文献１を参照）。

また、噴孔プレートの噴孔を、燃料噴射弁軸心Ｘに対して径方向内側の噴孔長さよりも径方向外側の噴孔長さを短くすることにより、簡単な構造で燃料噴射の微粒化を行ったものがある（例えば特許文献２を参照）。

特開２００７−１００５１５号公報 特開２００４−１３７９３１号公報

図１は一般的な燃料噴射弁１の全体構成を示す断面図であり、ソレノイド装置２、磁気回路のヨーク部分であるハウジング３、磁気回路の固定鉄心部分であるコア４、コイル５、磁気回路の可動鉄心部分であるアマチュア６、弁装置７で構成されている。上記弁装置７は弁体８と弁本体９と弁座１０で構成され、弁本体９はコア４の外径部に圧入後、溶接されており、アマチュア６は弁体８に圧入後、溶接されている。弁座１０には噴孔プレート１１が溶接部１１ａで弁座下流側に結合された状態で、弁体９に挿入後、溶接部１１bで結合されている。また噴孔プレート１１には板厚方向に貫通する複数の噴孔１２がプレス成形されている。

図８〜図１１は上記特許文献１の特に図５に相当する燃料噴射弁先端部の詳細断面図であり、次に図１をも参照して燃料噴射弁の動作を説明する。エンジンの制御装置（図示せず）より燃料噴射弁１の駆動回路に動作信号が送られると、コイル５に電流が通電され、アマュア６、コア４、ハウジング３、弁本体９構成される磁気回路に磁束が発生し、アマチュア６はコア４側へ吸引動作し、アマチュア６と一体構造である弁体８が弁座シート面１０aから離れて間隙１７aが形成される。

このとき燃料は弁体８端部に溶接されたボール１３の面取り部１３aから弁座シート面
１０aと弁体８との隙間を通って、複数の噴孔１２からエンジン吸気管に噴射される。次
にエンジンの制御装置より燃料噴射弁の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル５の電流の通電が停止し、磁気回路中の磁束が減少して弁体８を閉弁方向に押している圧縮ばね１４により弁体先端部１３と弁座シート面１０a間の隙間１７aは閉じられ、燃料噴射が終了する。弁体８は６aで弁本体９とのガイド部と摺動し、開弁状態ではアマチュア
上面６bがコア４の下面と当接する。

上記特許文献１の方式では、噴孔プレート中央部に下流側へ突出する凸部１１dが設け
られ、前記弁座シート面１０aの下流側へ延長した仮想円錐面１０bと前記前記凸部の外周側の噴孔配置面１１cが交差して１つの仮想円１５（図８を参照）を形成するように噴孔
プレート１１を配置しているため、前記シート面１０aに沿って流れてきた燃料が噴孔入
口部１２aに突入後、噴孔内壁１２eに押付けられて噴孔の曲率に沿った流れ１６d（図１
０を参照）に変換される。このとき、噴孔内で三日月状の液膜を形成するには最適な噴孔長さが必要で、長すぎると燃料は噴孔内を一周して筋状噴霧となり、短すぎても噴孔の曲率に沿った流れへの変換が十分でなく、筋状噴霧となってしまうだけでなく、所望する噴射角より小さくなってしまう問題があった。

また前記弁体軸心１３eと噴孔の中心を通る断面において、噴孔入口部１２aの燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２cを通り前記弁座シート面１０aと平行な第１の平行線１８aと
、同じく噴孔入口の径方向外側１２dを通り前記弁座シート面１０aと平行な第２の平行線１８bの距離は、前記弁座シート面１０aと噴孔が配置されている平面１１cとで形成される角度θが９０°のとき最大となり、０°のとき最小となる。

特許文献１（先行例１）の構造では、噴孔入口部１２aは弁体軸心に直交する平
面１１c上に配置されているため、前記弁座シート面１０aと前記噴孔配置面１１cのなす
角θは大きく、前記平行線同士の距離も大きい。そのため噴孔入口部１２aの燃料噴射弁
軸心Ｘの径方向内側１２cに衝突した燃料と噴孔入口部１２aの径方向外側１２dを通過し
て噴孔壁の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２eに衝突する燃料とでは、噴孔出口まで距
離が異なるため、両方に対して微粒化に最適な噴孔長さが存在しない構造となっている。

特に大流量仕様へ適用するためには、噴孔レイアウト性の問題から噴孔数の増加ではなく、噴孔径の拡大が必要となる場合があり、噴孔径の拡大により噴孔入口部１２aにおけ
る燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２cと外側１２dの距離が大きくなり、噴霧粒径が悪化する問題を抱えている。また大きい噴射角を実現するためには噴孔傾斜角を大きくする必要があり、その場合、噴孔入口形状の扁平率が大きくなるため、噴孔入口部１２aにおけ
る燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２cと外側１２dの距離が大きくなり、噴霧粒径が悪化する問題を抱えている。

一方、図１２〜図１５は上記特許文献２（先行例）の燃料噴射弁先端部の詳細断面図であり、図１をも参照してこの燃料噴射弁の動作を説明する。このタイプの燃料噴射弁は、前述したように噴孔プレートの噴孔を燃料噴射弁軸心Ｘに対して径方向内側の噴孔長さよりも径方向外側の噴孔長さを短く構成したものであるが、噴孔プレート１１の上流側端面１１cは平面のため、燃料流れにおいて弁体８と弁座１０のすきまを通って直接噴孔に向
かう主流１６ａおよび１６bと噴孔間を通過して噴孔プレート中心で対向する流れによっ
てＵターンする放射状のＵターン流れ１６cとが噴孔直上で正面衝突し、前記主流が減速
する構造となっている。

このように主流が減速すると、噴孔の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側の内壁１２eに燃
料が押し付けられる力が弱まり、噴孔内で形成される液膜が厚くなるため、噴霧が悪化する問題を抱えている。また、燃料流れに乱れを発生させると、その乱れエネルギーにより噴孔から噴射される燃料液膜の分裂を促進する効果があるが、一度液膜から分裂して形成された液滴は表面張力の影響によりさらに分裂することが難しい。

このため、噴孔内で三日月状の液膜を形成して噴霧を微粒化する方式では、噴孔から三日月状に噴射された液膜が広がることで液膜をさらに薄くしてから液膜を分裂させた方が
より微粒化が促進することが噴霧観察結果より判明しており、燃料流れにおける乱れが小さい方が微粒化にとって有利である。
以上のように上記特許文献２の燃料噴射では、前記正面衝突により噴孔入口部で燃料流れに乱れが発生するため、噴霧粒径が悪化する問題を抱えている。

このような問題に対して、図１６〜図１９に示すような上記特許文献１に特許文献２の凹部を組み合わせた構造にすると、噴孔入口部１２aの燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１
２cに衝突した燃料の噴孔出口までの距離と、噴孔入口部１２aの径方向外側１２dを通過
して噴孔壁の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２eに衝突する燃料の噴孔出口までの距離
をそれぞれ最適化するのに有効な手段と考えるが、量産性において以下の問題点がある。

すなわち、噴孔プレートの加工は、量産性を考慮して加工コストおよび加工精度に優れたプレス加工にて、フープ材と呼ばれる帯状の板材を順送加工する方法がコスト面および品質面で最良の加工方法であり、また１気筒あたり２バルブのエンジンに対応した左右対称の２スプレータイプの燃料噴射弁の場合、噴孔形状も左右対称となるため、金型費削減や品質の向上、工場のスペース効率化のため、片側の噴孔加工後にフープ材を巻き取ってから、同じ金型を使って反対側の噴孔を加工している。

また噴孔加工以外にも噴孔加工後のバリ取り工程や洗浄工程、フープ材からプレートを切り出す工程等があり、各工程を一列につなげると工場のスペース効率の悪化や各工程ごとの製品検査、加工不良時の対応等の煩雑さの問題があり、また各工程を独立にするため、フープ材からプレートを切り出す最終工程以外では、各工程ごとにフープ材を巻き取っている。上記特許文献１のように噴孔プレート中央部に凸部を有する構造では、前記凸部成形後のフープ材の巻き取りは、前記凸部とプレートが干渉するため不可能であり、噴孔プレート中央部の凸部の成形は、フープ材からプレートを切り出す最終工程の直前に行なう必要がある。

図１６〜図１９に示すような上記特許文献１に特許文献２の凹部を組み合わせた構造では、前記凹部の形成は噴孔変形を考慮して噴孔加工の前工程で実施する必要があり、全工程は図２０のステップとなる。図において、５０はフープ材、６０はパイロットピンガイドを示している。ステップ１にて各噴孔に対応した凹部を例えば鍛圧成形により成形する。ステップ２では例えばプレス抜き加工により噴孔加工（片側）を行う。ステップ３ではプレス抜き加工により噴孔加工（反対側）を行い、噴孔加工後、例えばブラシ加工によりバリとりを行い、その後、洗浄を実施する。

続いて、ステップ４では張り出し成形によりプレート中央部の凸部成形を行う。そして最後のステップ５によりプレス抜き、絞り加工等により噴孔プレートの切り出しを行う。なお、上記各ステップ間の移動はフープ材１００を巻き取ることによりなされることは言うまでもない。図２１は上記噴孔プレートの張り出し成形時の詳細を示す拡大構造図で、（Ａ）図は張り出し成形前の状態、（Ｂ）図は張り出し成形中の状態を示す。図において、７０はパンチ、７１はパンチガイド、８０はダイス、８１はダイスガイド、１１は噴孔プレート、２０は凹部である。

また（Ａ）図中、Ｙは噴孔プレート１１の下流側端面に凹部２０を成形する際に形成されたプレート上流端面の変形部（隆起部）を示している。噴孔プレートの張り出し成形金型となるダイス８０の両側にダイスガイド８１を設置し、この上に各噴孔に対応した凹部２０を成形した噴孔プレート１１を載置する。次に、パンチガイド７１がストロークし、噴孔プレート１１の外周部を挟む。

このとき、上記プレート上流端面の変形部Ｙにより、プレート１１とパンチガイド７１
の間に隙間Ｇが発生する。従って、その後の噴孔プレート中央部の凸部の張り出し成形において、（Ｂ）図のようにパンチ７０がストロークし、噴孔プレート中央部の凸部を成形開始する。この際、上記隙間Ｇの存在により金型で噴孔プレートを十分に押さえることができず、絞り成形となってしまい（Ｂ）図の前記凸部周辺の噴孔に変形部Ｚが成形されてしまう問題がある。

この噴孔変形の問題を解決するためには、噴孔加工あるいは各噴孔に対応した凹部成形の前工程で前記凸部を成形する必要があるが、図２０で説明したとおり前記凸部成形後はフープ材の巻き取りができないため、各工程を一列につなげる必要があり、コストや品質管理の面で課題がある。
この発明は内燃機関用の燃料噴射弁において、大きい流量仕様に対しても、噴孔入口部での燃料流れに乱れを発生させることなく燃料噴霧微粒化を低コストで実現せんとするものである。

本発明に係わる燃料噴射弁は、前記噴孔プレートの上流側端面の中央部を弁体先端部とほぼ平行となるように窪ませた薄肉部を設け、弁座シート面の下流側へ延長した仮想円錐面と前記薄肉部の外周側の噴孔プレート上流側端面が交差して１つの仮想円を形成するように噴孔プレートを配置している。

噴孔入口部の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向外側を通過して噴孔壁の径方向内側に衝突する燃料の噴孔出口までの距離と、噴孔入口部の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側に衝突した燃料の噴孔出口までの距離をそれぞれ最適化することができ、大流量仕様や噴霧角大仕様においても、噴孔入口部での燃料流れに乱れを発生することなく良好な噴霧の微粒化特性が得られるものである。

燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の燃料噴射弁先端部の詳細断面図である。 図２の矢印Jから見た部分平面図である。 図２のＭ部拡大図である。 図２のＫ−Ｋ線断面拡大図である。 図２のＬ−Ｌ線断面拡大図である。 噴孔入口部の形状と噴霧平均粒径との関係を示す特性図である。 先行例１の燃料噴射弁先端部の詳細断面図である。 図８の矢印Ａから見た部分平面図である。 図８のＢ−Ｂ線断面拡大図である。 図８のＣ−Ｃ線断面拡大図である。 先行例２の燃料噴射弁先端部の詳細断面図である。 図１２の矢印Ｄから見た部分平面図である。 図１２のＥ−Ｅ線断面拡大図である。 図１２のＦ−Ｆ線断面拡大図である。 先行例１に先行例２の凹部を組合わせた燃料噴射弁先端部の詳細断面図である。 図１６の矢印Ｇから見た部分平面図である。 図１６のＨ−Ｈ線断面拡大図である。 図１６のＩ−Ｉ線断面拡大図である。 先行例１に先行例２の凹部を組合わせた燃料噴射弁の噴孔プレートの加工工程を示す図である。 図１６の方式による噴孔プレートの張り出し成形時の状態を示す詳細構造図である。

実施の形態１．
図１乃至図６に実施の形態１の燃料噴射弁の各部断面図を示す。図１に示す燃料噴射弁の構成および動作は、従来技術において説明したものと同一であるので重複説明は省略する。図２は実施の形態１の燃料噴射弁先端部の詳細断面図であり、図３は図２の矢印Ｊから見た部分平面図であり、図４は図２のＭ部拡大図、図５はＫ−Ｋ線断面拡大図、図６はＬ−Ｌ線断面拡大図である。図中、図８〜図１９と同一符号は同一または相当部分を示している。

実施の形態１になる燃料噴射弁は、噴孔プレート１１の上流側端面１１cの中央部をプレス加工により前記弁体先端部１３とほぼ平行となるように下流側へ窪ませた薄肉部１１eを備え、噴孔プレート１１を前記弁座シート面１０aの下流側へ延長した仮想円錐面１０bと前記薄肉部１１eの外周側の噴孔プレート上流側端面１１cが交差して１つの仮想円１５（図３を参照）を形成するように配置している。

また、前記噴孔の入口部１２aは前記薄肉部１１eより外側かつ前記弁座の最小内径である弁座開口内壁１０cより内側に配置され、かつ前記噴孔の出口部１２bは入口部１２aに
対して燃料噴射弁軸心Ｘの径方向外側に配置されている。（図４を参照）
これにより、弁体開弁時において、弁体先端部１３と弁座シート面１０a間の隙間１７aから各噴孔の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側の壁１２eへ向かう燃料主流として、噴孔入口
部１２aの燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２cに衝突する燃料流れ１６aと噴孔入口部１
２aの径方向外側１２dを通過して噴孔壁の燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２eに衝突す
る燃料流れ１６bが形成される。

また、噴孔プレート上流側端面１１cから弁体先端部１３への弁座軸方向の距離で表さ
れるキャビティ高さは、噴孔プレート中心から薄肉部最外径１１dまではほぼ一定となっ
ているのに対し、薄肉部最外径１１ｄから弁座開口内壁１０cまで増加しているため、開
弁時の燃料主流１６aおよび１６bは、薄肉部の最外径部１１dから薄肉部のキャビティ形
状に沿って放射されるＵターン流れ１６cの下へ潜り込むことができ、燃料主流とＵター
ン流れが正面衝突しないため、燃料主流が減速せず、また燃料の乱れも小さい構造となっている。

これにより、噴孔入口部１２aでの流れ剥離により、燃料が噴孔壁１２eに強く押付けられることで形成される液膜１９a（図５を参照）がさらに薄くなり、その後噴孔内の流れ
は噴孔の曲率に沿った流れ１６dとなり、噴孔出口１２bから三日月状の液膜１９bとして
放射され、微粒化を促進することが可能である（図６を参照）。

さらに噴孔入口部１２aの中心と前記弁体先端部１３の弁座軸方向の距離で表される噴
孔直上高さｈと噴孔入口径ｄの比率ｈ／ｄが噴霧平均粒径（μｍ）に与える影響を調べた実験結果によると、図７のようになった。図７から明らかなように、開弁状態において、ｈ≦１．５ｄの関係にすることで、燃料主流が速い流速を維持したまま噴孔入口部１２a
で流れ方向を急変するため、微粒化を促進することが可能であることが分かった。

また前記各噴孔は燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側の噴孔長さＬ1（図４を参照）よりも
径方向外側の噴孔長さＬ2が短くなるように、前記噴孔の出口部に対応して、それぞれ凹
部２０がプレス形成されており、前記各噴孔は、前記凹部の底面２０aを跨ぐようにプレ
ス形成されている。

これにより、大流量仕様への対応による噴孔径の拡大や大噴霧角仕様への対応による噴孔傾斜角の拡大により、噴孔入口部１２aにおける燃料噴射弁軸心Ｘの径方向内側１２cと外側１２dの距離が大きくなっても、噴孔入口部１２aの燃料噴射弁軸心Ｘの径方向外側１２dを通過して噴孔壁の径方向内側１２eに衝突する燃料の噴孔出口までの距離と、噴孔入口部の径方向内側１２cに衝突した燃料の噴孔出口１２bまでの距離をそれぞれ最適化することができるため、流量仕様や噴霧仕様に関係なく、噴霧の微粒化が可能である。

更に実施の形態１の燃料噴射弁にあっては、図４の拡大図にて示されるように前記噴孔１２の流路において、噴孔入口部１２aから前記凹部２０までの間に最小断面積となる円
柱部分１２fを確保した構造としている。
流量は前記円柱部分１２fの断面積によって決まるため、上記最小断面積となる円柱部分
１２fを確保することにより、噴孔１２と前記凹部２０の位置ばらつきによる流量ばらつ
きを抑制することができる効果がある。

また、実施の形態１の燃料噴射弁にあっては、噴孔プレート下流側に前記凹部２０をプレス成形した際に発生するプレート上流側の変形部分１１gとの干渉を避けるため、前記
弁座に座グリ１０dを設けた構造としている。
上記座グリ１０dの形成により、図２の溶接箇所１１aにて噴孔プレート１１と弁座１０をレーザー溶接する際に、噴孔の外周部の溶接箇所での隙間の発生を抑制することができるため、溶接ばらつきを改善することができる。

また、実施の形態１の燃料噴射弁にあっては、噴孔プレート中央部に凸部を形成せずに、噴孔プレートの上流側端面の中央部を弁体先端部とほぼ平行となるように窪ませた薄肉部を成形したので、噴孔プレート中央部に薄肉部を成形した後でもフープ材の巻き取りが可能となるため、噴孔加工あるいは各噴孔に対応した凹部成形の前工程で前記凸部を成形することができ、噴孔プレートの量産性を向上させることができる。

１ 燃料噴射弁、 ２ ソレノイド装置、 ３ ハウジング、
４ コア、 ５ コイル、 ６ アマチュア、 ７ 弁装置、
８ 弁体、 ９ 弁本体、 １０ 弁座、 １１ 噴孔プレート、
１２ 噴孔、 １３ 弁体先端部、 １４ 圧縮バネ、
１５ 仮想円、 １６ 燃料流れ、 １７ キャビティ、
１９ 液膜、 ２０ 凹部。

Claims (6)

1. 弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けてこの弁体を動作させることで、弁座下流側に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁において、前記噴孔プレートの上流側端面の中央部をプレス加工により下流側へ窪ませた薄肉部を設け、前記弁座シート面の下流側へ延長した仮想円錐面と前記薄肉部の外周側の噴孔プレート上流側端面が交差して１つの仮想円を形成するように噴孔プレートを配置したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記噴孔の入口部は、前記薄肉部より外側かつ前記弁座の最小内径である弁座開口内壁より内側に配置され、かつ前記噴孔の出口部は入口部に対して燃料噴射弁軸心の径方向外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記噴孔入口部の中心と前記弁体先端部の弁座軸方向の距離で表される噴孔直上高さｈと噴孔入口径ｄの関係が、開弁状態において、ｈ≦１．５ｄとなるようにしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記各噴孔は燃料噴射弁軸心の径方向内側の噴孔長さよりも径方向外側の噴孔長さが短くなるように、前記噴孔の出口部に凹部をプレス形成し、かつ前記各噴孔は、前記凹部の底面を跨ぐようにプレス形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
5. 前記噴孔の流路において、前記噴孔入口部から前記凹部までの間に最小断面積となる円柱部分を確保したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料噴射弁。
6. 前記弁座には、噴孔プレート下流側に前記凹部をプレス成形した際に発生するプレート上流側の変形部分に対応した座グリを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料噴射弁。

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