JP2012154264A

JP2012154264A - 燃料噴射弁

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Publication number: JP2012154264A
Application number: JP2011014689A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Okamoto; 良雄岡本; Yoshito Yasukawa; 義人安川; Masanori Ishikawa; 正典石川; Nobuaki Kobayashi; 信章小林; Takahiro Saito; 貴博斎藤; Noriyuki Maekawa; 典幸前川
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: US20120193454A1; CN102619664A; DE102012201187A1; JP5277264B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、旋回燃料の周方向における旋回強さの均一性を高めた燃料噴射弁を提供することにある。
【解決手段】燃料の噴射と噴射の停止を行うために協働して燃料通路の開閉を行う弁体３及び弁座１０と、弁座１０を有するノズル体４と、弁体３と弁座１０とが接触するシート部１０ａの下流に設けられた旋回用通路２１と、旋回用通路２１と燃料噴射孔２３とが接続された旋回室２２と、を備えた燃料噴射弁において、旋回室２２の燃料噴射孔２３に対向する壁面部４ａに、旋回室２２の容積を拡張する凹部（バッファ）２４を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関で使用される燃料噴射弁に係り、特に、複数個の燃料噴射孔を有し、そして各々の燃料噴射孔より旋回燃料を噴射して微粒化性能を向上させ得る燃料噴射弁に関する。

複数個の燃料噴射孔から噴射される燃料の微粒化を、旋回流れを利用して促進する従来技術として、特許文献１に記載された燃料噴射弁が知られている。

この燃料噴射弁では、弁体と協働する弁座の下流端が前端面に開口する弁座部材と、この弁座部材の前端面に接合されるインジェクタプレートとの間に、前記弁座の下流端に連通する横方向通路と、この横方向通路の下流端が接線方向に開口するスワール室とを形成し、このスワール室でスワールを付与された燃料を噴射させる燃料噴射孔を前記インジェクタプレートに穿設し、前記燃料噴射孔を前記スワール室の中心から前記横方向通路の上流端側に所定距離オフセットして配置する。

また、この燃料噴射弁では、スワール室の内周面の曲率を、スワール室の内周面に沿う方向の上流側から下流側に向かって増加させている。また、スワール室の内周面を、スワール室に基礎円を持つインボリュート曲線に沿って形成している。

この様な構成により、各々の燃料噴射孔からの燃料の微粒化を効果的に促進させることができる。

特開２００３−３３６５６２号公報

周方向においてスワール強さが対称（均等）となる旋回燃料を燃料噴射孔より噴射させるためには、燃料噴射孔の出口部において旋回流れを対称とするために、スワール室（旋回室）形状や横方向通路（旋回用通路）を含めた流路形状の工夫が必要になる。

特に、旋回用通路の断面形状が矩形状で旋回の中心軸に沿う方向の通路高さが低い場合には、旋回室内や燃料噴射孔においてスワール強さの対称性（均一性）が損なわれる。このようなケースでは、旋回用通路の流路断面内における旋回室中心側の燃料の流出が、外周側に対して燃料噴射孔入口部に早く到達して噴射するために、旋回室内及び燃料噴射孔出口において、旋回強さが周方向において不均一になる。

本発明の目的は、旋回燃料の周方向における旋回強さの均一性を高めた燃料噴射弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射弁は、燃料の噴射と噴射の停止を行うために協働して燃料通路の開閉を行う弁体及び弁座と、前記弁座を有するノズル体と、前記弁体と前記弁座とが接触するシート部の下流に設けられた旋回用通路と、前記旋回用通路と燃料噴射孔とが接続された旋回室と、を備えた燃料噴射弁において、前記旋回室の前記燃料噴射孔に対向する壁面部に、前記旋回室の容積を拡張する凹部（バッファ）を設ける。

前記凹部は、その断面が台形状の空間形状をなしており、台形状の上辺の長さ（直径に相当）を下方に対向位置する燃料噴射孔の直径と略等しくするとよい。

また、凹部の高さ（深さ）は旋回室の高さより小さくするとよい。

本発明によると、旋回室に流入した燃料は、この旋回室上部に設けた凹部（バッファ）側への流れ込み（吸い上げ作用）によって一旦上方に引き上げられる流れとなる。凹部（バッファ）のない状態では旋回室内に強い横流れ（旋回用通路の通路方向に向かう流れ）が生じているが、この凹部（バッファ）への吸い上げ作用による誘引流れでこの横流れが緩和されて、結果として、旋回室内及び燃料噴射孔内に十分な旋回流れが形成される。

これによって、燃料噴射孔の出口においては、周方向において均一な液膜（十分な旋回強さによって薄膜化されている）が形成されて微粒化を促進させることができる。

本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁の全体構成の断面図である。第１実施例に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した断面図である。第１実施例に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部に位置するオリフィスプレートを下方より視た図である。第１実施例に係る凹部を説明するための図で、旋回室と燃料噴射孔との位置関係を説明するための図である。第１実施例に係る旋回室内の流れの様子（速度ベクトル）を説明するための模式図である。凹部（バッファ）２４が無い場合の旋回室内の流れの様子（速度ベクトル）を説明するための模式図である。本発明の第２実施例に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した断面図である。

本発明の第１及び第２実施例に係る燃料噴射弁について、図１乃至図７を用いて以下説明する。

本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁について、図１乃至図６を参照しながら以下詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁の弁軸心に沿う方向における縦断面図である。図２は、第１実施例に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部を拡大した縦断面図である。図３は、第１実施例に係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部に位置するオリフィスプレートを下方より視た図である。図４は、第１実施例に係る凹部（バッファ）を説明するための図で、旋回室及び燃料噴射孔との位置関係を説明するための図である。図５は、本発明の第１実施例に係る旋回室内の流れ状態（速度ベクトルで示す）を説明するための図である。図６は、凹部（バッファ）が無い場合の旋回室内の流れ状態（同じく速度ベクトルで示す）を説明するための図である。

図１において、燃料噴射弁１は、電磁コイル９を取り囲む磁性体のヨーク６と、電磁コイル９の中心に位置し、一端がヨーク６と接触したコア７と、所定量リフトする弁体３と、この弁体３に接する弁座面１０と、弁体３と弁座面１０の隙間を通って流れる燃料の通過を許す燃料噴射室２、および燃料噴射室２の下流に複数個の燃料噴射孔２３ａ，２３ｂ（図２参照）を有するオリフィスプレート２０を備えている。

また、コア７の中心には、弁体３を弁座面１０に押圧する弾性部材としてのスプリング８が配置されている。

コイル９に通電されていない状態では、弁体３と弁座面１０とが密着している。この状態では、燃料通路が閉じられているため、燃料は燃料噴射弁１内部に留まり、複数個設けられている燃料噴射孔２３ａ，２３ｂからの燃料噴射は行われない。

一方、コイル９への通電があると、電磁力によって弁体３が対面するコア７の下端面に接触するまで移動する。この開弁状態では弁体３と弁座面１０の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれて複数個の燃料噴射孔２３ａ，２３ｂから燃料が噴射される。

なお、通路５はコア７内に設けた燃料通路であり、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料を燃料噴射弁１内に導く通路である。

燃料噴射弁１の動作は、上述したように、コイル９への通電（噴射パルス）に伴って、弁体３の位置を開弁状態と閉弁状態に切り替えることで、燃料の供給量を制御している。

燃料供給量の制御にあたっては、特に、閉弁状態では燃料漏れがない弁体設計が施されている。この種の燃料噴射弁では、弁体３にボール（ＪＩＳ規格品の玉軸受用鋼球）を用いることが多い。このボールは、真円度が高く鏡面仕上げが施されており、シート性向上に有益である。

一方、ボールが密着する弁座面１０の角度は９０゜程度（８０゜〜１００゜）である。この弁座角は、その部位（シート位置）付近を研磨し、且つ真円度を高くするために最適な角度であり、上述したボールとのシート性を極めて高く維持できるものである。

なお、弁座面１０を有するノズル体４は、焼入れによって硬度が高められており、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。

このような弁体の構成により、燃料漏れのない噴射量制御を可能としている。また、コストパホーマンスに優れた弁体構造を提供できる。

図２は、本発明の第１の実施形態の主要部分である凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂをノズル体４に形成したものであり、該ノズル体４の下端部近傍を拡大した断面図である。旋回用通路２１ａ，２１ｂ，旋回室２２ａ，２２ｂ，燃料噴射孔２３ａ，２３ｂ，凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂ近傍については、図３のII−II矢視断面で示している。

尚、明細書及び特許請求の範囲における記載に当たっては、上下関係は図１に基づいており、オリフィスプレート２０が通路５に対して下側に位置するようにして図１を見た場合の上下関係に基づいて説明している。

ノズル体４の下端部（オリフィスプレート２０との対向面４ａ）に、弁座面１０のシート径ΦＳより小径の燃料導入孔１１と、燃料導入孔１１とはやや離れた位置に凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂが設けてある。

ノズル体４の下端部に凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂを設けることの良い点は、オリフィスプレート２０との位置決めが簡単且つ容易に実施されることで組合せ時の寸法精度が高められること、また、部品点数の削減によりコスト低減が図れることである。

この凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂはノズル体４を焼入れする前に塑性加工等により成形される。なお、ノズル体４の焼入れ後に成形する場合は放電加工等の比較的応力のかからない加工方法が良い。

この凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂに対しては、各々の凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂに連通する旋回室２２ａ，２２ｂと、凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂに対向する位置に設けられる燃料噴射孔２３ａ，２３ｂが燃料流路として形成されている。

本実施形態では旋回用通路２１と旋回室２２と燃料噴射孔２３と凹部（バッファ）２４との組合せを２個設けているが、さらに増加させることにより、噴霧の形状や噴射量のバリエーションの自由度を高めてもよい。

次に、オリフィスプレート２０及びノズル体４を用いて形成される旋回用通路２１，旋回室２２，燃料噴射孔２３及び凹部（バッファ）２４からなる燃料通路の構成について、図３乃至図４を用いて詳細に説明する。図３は、図２を下方より視た図である。

弁座面１０の中央に設けられた燃料導入孔１１に旋回用通路２１ａ，２１ｂが連通するように接続されている。

１つの旋回用通路２１ａは旋回室２２ａの接線方向に連通開口してなり、旋回室２２ａの中心部に燃料噴射孔２３ａが開口している。

同様に、１つの旋回用通路２１ｂが旋回室２２ｂの接線方向に連通開口してなり、旋回室２２ｂの中心部に燃料噴射孔２３ｂが開口している。

旋回室２２ａ，２２ｂは円形であってもよいし、旋回室の内周面の曲率が旋回室の内周面に沿う方向の上流側から下流側に向かって増加するようにしてもよいし、旋回室に基礎円を持つインボリュート曲線に沿って旋回室の内周面を形成してもよい。

燃料噴射孔２３ａ，２３ｂの開口方向（燃料の流出方向）は、実施例では噴射弁軸と平行で下方に向かうようになっているが、所望方向に傾斜させて噴霧を拡散（各々の噴霧を遠ざけて干渉を抑制する）させても良い。

図４を用いて、凹部（バッファ）２４を有する旋回室の設計方法について述べる。図４（ａ）は、図２に記載した旋回用通路２１ａと旋回室２２ａと燃料噴射孔２３ａと凹部（バッファ）２４ａとを組合せた燃料通路部分だけを抜き出して記載した図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の燃流通路部分のＢ−Ｂ矢視断面図である。図４（ｃ）は凹部（バッファ）２４ａを燃料噴射孔２３ａ側から見た平面図である。

上記した様に、旋回用通路２１ａ，２１ｂと旋回室２２ａ，２２ｂと燃料噴射孔２３ａ，２３ｂと凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂとの組合せは２個に限るものではなく、さらに多くの組合せを有していても良い。もちろん１個であっても問題ない。従って、各組合せを区別する添え字ａ，ｂを省略し、旋回用通路，旋回室，燃料噴射孔，凹部（バッファ）をそれぞれ旋回用通路２１，旋回室２２，燃料噴射孔２３，凹部（バッファ）２４と記載する場合もある。

旋回通路２１ａの横断面（流れ方向に垂直な断面）は矩形（長方形）であり、プレス成形に有利な寸法に設計されている。特に、旋回通路２１ａの幅Ｗに比べて高さＨＳを小さくすることで加工性を有利にしている。

旋回通路２１ａに流入する燃料はこの矩形部が絞り（最小断面積）となっているため、弁座面１０のシート部１０ａから燃料噴射室２，燃料導入孔１１を経てこの旋回用通路２１ａに至るまでの燃料通路部分（旋回用通路２１ａよりも上流側の燃料通路部分）で圧力損失は生じ無いように設計されている。特に、燃料導入孔１１は急激な曲がり圧損が生じないような大きさに設計している。

いわゆる燃料の圧力エネルギーが効率的に旋回速度エネルギー変換されるようになっている。

また、この矩形部で加速された流れは十分な旋回強さ、いわゆる旋回速度エネルギーを維持しつつ、下流の燃料噴射孔２３ａに導かれる。

凹部（バッファ）２４はノズル体４のオリフィスプレート２０と対向する面４ａに凹部２４ａ，２４ｂとして形成されている。凹部２４ａと凹部２４ｂとは同じ構造であるので、凹部２４ａについて説明する。

凹部２４ａ，２４ｂの開口面２４ａａ及び底面２４ａｂはそれぞれ円形状をしており、開口面２４ａａと底面２４ａｂとは平行な面であり、それぞれの面２４ａａと２４ａｂはそれぞれの中心２４ａａｏと２４ａｂｏが各面に垂直な同じ軸線２７上に存在するように形成されている。

凹部２４の開口面２４ａａの径は底面２４ａｂの径φＤに対して小さく形成されており、凹部（バッファ）２４は軸線２７に平行な断面が図４（ａ）に示すように台形形状である。

本実施例では、凹部２４の底面２４ａｂが燃料噴射孔２３ａの入口開口面２３ａａとほぼ同じ径に形成されており、凹部２４の開口面２４ａａは燃料噴射孔２３ａの入口開口面２３ａａよりも大きな径に形成され、かつ燃料噴射孔２３ａの入口開口面２３ａａをノズル体４の下端面４ａに投影した場合に、凹部（バッファ）２４ａの開口面２４ａａの縁が燃料噴射孔２３ａの入口開口面２３ａａの投影領域を取り囲むように凹部（バッファ）２４ａが形成されている。

また、本実施例では、開口面２４ａａの中心２４ａａｏと底面２４ａｂの２４ａｂｏとを含む軸線２７は燃料噴射孔２３ａの中心軸線２８と一致している。燃料噴射孔２３ａをオリフィスプレート２０のプレート面に対して垂直でなく傾斜させて形成する場合は、燃料噴射孔２３ａの中心軸線２８は軸線２７と一致しないが、燃料噴射孔２３ａの入口開口面２３ａａ上で燃料噴射孔２３ａの中心軸線２８と軸線２７とが交わるように構成すると良い。少なくとも、軸線２７が燃料噴射孔２３ａの入口開口面２３ａａと交差するように凹部２４ａを形成するのが良い。

燃料の旋回強さ（スワール数Ｓ）は式（１）で示される。

ここに、ｄは燃料噴射孔の直径、ＬＳは旋回通路Ｗの中心線と旋回室ＤＳの中心間距離、ｎは旋回通路の個数で本実施形態では１個である。

また、ｄｓは旋回通路を水力直径に換算したもので式（２）で示され、Ｗは旋回通路の幅、ＨＳは旋回通路の高さである。

ここに、旋回室２２ａの大きさは、上述したが、燃料流れによる摩擦損失や室内壁での摩擦損失の影響が極力小さくなるように、その直径ＤＳが決められている。その大きさは水力直径ｄｓの４倍から５倍程度が最適値と言われており、本実施例でも適用している。

燃料噴射孔２３ａの直径は十分大きい。これは内部に形成される空洞２５ａ（図５参照）を十分大きくするために有効に作用する。いわゆる、ここでの旋回速度エネルギーを損失することなく噴射燃料の薄膜化に作用させることができる。

また、燃料噴射孔２３ａの形成部における板厚（この場合旋回室の高さを除くオリフィスプレート２０の板厚と同じ）に対する噴射孔直径の比を小さくしているので、旋回速度エネルギーの損失も極めて小さい。もって、燃料の微粒化特性が極めて優れることになる。

さらに、燃料噴射孔２３ａの形成部における板厚に対する噴射孔直径の比が小さいのでプレス加工性が向上する。このような構成ではコスト効果は勿論であるが、加工性の向上によって寸法バラツキが抑えられるので、噴霧形状や噴射量のロバスト性が格段に向上する。

図５乃至図６は、旋回室内の燃料流れの可視化を行ったもので、速度ベクトルの大きさとその向きで流れの様子を表現している。

図５は本発明の燃料流れの可視化結果で、図６は凹部（バッファ）２４が無い場合の燃料流れの可視化結果である。

まず、図６に示す流れの結果によると、旋回通路２１ａから流入した燃料は旋回室２２ａ内で加速し、強い横流れが噴射孔２３ａに流入する流れ態様となっている。噴射孔２３ａにおいては、図の左側より右側において、より強い流れが多く発生している。その結果として、噴射孔２３ａの内部に形成される空洞（キャビティ）２６ａは非対称な形状になっている。いわゆる、燃料噴射孔２３ａの出口部では噴射燃料の液膜分布が非対称な形状になっている。

一方、図５に示す本発明による流れの結果を見ると、旋回通路２１ａから流入した燃料は旋回室２２ａの上部に設けた凹部（バッファ）２４ａ側に一旦吸い上げられるために、従来例のような強い横流れが発生し難く、その強い横流れは大幅に緩和されている。

凹部（バッファ）２４ａは燃料噴射孔２３ａに対向して設けているので、流れの速度ベクトルも吸い上げ効果によって下流側（出口側）に向かうに従い対称形をなしている。その結果、噴射孔２３ａの内部に形成される空洞２５ａ（キャビティ）も対称な形状になっている。いわゆる、燃料噴射孔２３ａの出口部では噴射燃料の液膜分布は対称になっている。

また、周方向に均一化されることにより従来例に比して薄膜化されている。このような薄膜状の燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発となるので、分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。

上記説明では、旋回用通路２１ａ，旋回室２２ａ，燃料噴射孔２３ａ，凹部（バッファ）２４ａの組合せについて説明したが、旋回用通路２１ｂ，旋回室２２ｂ，燃料噴射孔２３ｂ，凹部（バッファ）２４ｂについても同様であることは言うまでも無い。

本発明の第２実施例に係る燃料噴射弁について、図７を参照して以下詳細に説明する。図７は、本発明の第２実施例に係る燃料噴射弁におけるノズル体４の下端部に位置する中間プレート３０の構成を説明するための図である。

第１の実施形態に係る燃料噴射弁と異なる点は、ノズル体４とオリフィスプレート２０との間に中間プレート３０を介在させ、この中間プレート３０におけるオリフィスプレート２０と対向する面３０ａに凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂを設けた…である。この中間プレート３０とオリフィスプレート２０とを、あらかじめ位置合わせし組立て調整した後にシートバルブ４に固定することができる。あらかじめ組立て調整するので、部組品において噴霧形状や噴射量の特性を測定できるため、個体ばらつき等を修正することができるので、ロバスト性の高い噴射ノズル体とすることができる。

中間プレート３０には、凹部（バッファ）２４ａ，２４ｂが設けてあり、それぞれ燃料噴射孔２３ａ，２３ｂに対向する位置に設けられており、第１実施例と同様な作用効果が得られる。

また、中間プレート３０は所望の板厚を有しており、その中心部には燃料導入孔３２が形成されている。この燃料導入孔３２の直上部には、燃料導入孔１１が同軸的に配置されており、この燃料導入孔１１からの燃料が下流において急峻な流れとならないように整流する役目を果たしている。

以上説明したように、本発明の各実施例にかかる燃料噴射弁は、複数の燃料噴射孔からそれぞれ旋回燃料を噴射する際に、各々噴射燃料の対称性を確保して均一な薄膜を形成することにより微粒化を促進させるというものである。

そのために、燃料噴射孔２３に対向する旋回室２２の壁面部に、旋回室空間を拡張する凹部（バッファ）２４を設けている。

旋回室２２に流入した燃料は、この旋回室上部に設けた凹部（バッファ）２４側への流れ込み（吸い上げ作用）によって、一旦上方に引き上げられる流れとなる。凹部（バッファ）２４のない状態では旋回室２２内に強い横流れが生じているが、この凹部（バッファ）２４への吸い上げ効果による誘引流れでこの強い横流れが緩和されて、旋回室２２内及び燃料噴射孔２３内に、十分な且つ対称な旋回流れが形成され燃料の薄膜化が図られる。

このように薄膜化した燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発に行われるので、分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。

また、凹部（バッファ）２４を単純な流路構成として加工を容易にしたことや、組合せ嵌合を実施して組立て性を向上したことや、微調整加工を必要とせず不良品の発生をなくしたこと、等によってコストパホーマンスに優れた、安価な燃料噴射弁とすることができる。

１燃料噴射弁
３弁体
４ノズル体
５燃料通路
１０弁座面
１１燃料導入孔
２０オリフィスプレート
２１ａ，２１ｂ旋回用通路
２２ａ，２２ｂ旋回室
２３ａ，２３ｂ燃料噴射孔
２４ａ，２４ｂ凹部（バッファ）
３０中間プレート

Claims

燃料の噴射と噴射の停止を行うために協働して燃料通路の開閉を行う弁体及び弁座と、前記弁座を有するノズル体と、前記弁体と前記弁座とが接触するシート部の下流に設けられた旋回用通路と、前記旋回用通路と燃料噴射孔とが接続された旋回室と、を備えた燃料噴射弁において、
前記旋回室の前記燃料噴射孔に対向する壁面部に、前記旋回室の容積を拡張する凹部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記凹部は、その断面が台形状の空間形状をなしており、前記台形状を構成する上辺の長さが前記燃料噴射孔の直径と略等しいことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
前記凹部の高さが前記旋回室の高さより小さいことを特徴とする燃料噴射弁。