JP2013160213A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に用いる燃料噴射弁において、耐久性を向上させながら、噴霧の微粒化を促進する。
【解決手段】変位可能な弁体１０１と、弁体１０１と当接して燃料をシートする弁座面２０３と、弁座面と弁体とが当接する位置よりも下流側に設けられた燃料噴射孔２０１とを有する燃料噴射弁において、弁座面の下流側に燃料噴射孔の入口開口が形成された噴射孔開口形成面２０５を有し、弁座面と燃料噴射弁中心軸とのなす角度が、噴射孔開口形成面と燃料噴射弁中心軸とのなす角度よりも大きく構成されており、噴射孔開口形成面と弁体との間に形成される燃料流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って一定となる領域を形成した状態で、弁体を開弁状態に維持可能にした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、弁が弁座と当接することで燃料の漏洩を防止し、弁体が弁座面から離れることによって噴射を行う、燃料噴射弁に関する。

特許文献１には、噴孔の中心線と噴孔が開口するプレート内面の垂線のなす角に違いを設けることで燃料噴射のタイミングを変化させる技術が開示されている。特許文献２には弁体の燃料噴射孔上部を凹ませることで、噴霧の微粒化を向上させる燃料噴射弁に関する技術が開示されている。

特開２００５−１３９９８７号公報 特開２０１０−３８１２６号公報

近年、自動車の排ガス規制が強化されており、この排ガス規制の強化に対応するため、筒内（燃焼室内）での燃料の気化を促進する必要があり、燃料噴霧を微粒化することが求められている。また、各部品には経年変化に対する、耐久性の向上が求められる。

上記従来技術においては、弁座面と噴孔開口面のなす角が違う構造が開示されているが、噴霧の微粒化を向上させることに関する課題の開示はなく、検討が十分ではない。また、弁体の燃料噴射孔上部を凹ませることで、微粒化を促進する技術も開示され、燃料の流れに関する検討もされているが、噴射孔面との関係についての記載は十分ではなく、弁体に凹みがあることで、弁体と弁座面が当接する点よりも下流の体積が増加し、閉弁後に噴射されうる燃料が増加することが懸念される。

本発明の目的は、筒内に直接噴射された場合に気化し易い、微粒化された噴霧を噴射できる、経年変化の少ない燃料噴射装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、変位可能な弁体と、前記弁体と当接して燃料をシートする弁座面と、前記弁座面と前記弁体とが当接する位置よりも下流側に設けられた燃料噴射孔とを有する燃料噴射弁において、前記弁座面の下流側に燃料噴射孔の入口開口が形成された噴射孔開口形成面を有し、前記弁座面と燃料噴射弁中心軸とのなす角度が、前記噴射孔開口形成面と燃料噴射弁中心軸とのなす角度よりも大きく構成されており、前記噴射孔開口形成面と前記弁体との間に形成される燃料流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って一定となる領域を形成した状態で、弁体を開弁状態に維持可能にした。

このとき、前記領域は、前記弁座面と前記弁体とが当接する位置よりも下流側で、かつ前記燃料噴射孔の入口開口が形成された部位を含んでその上流側に位置する。

また、前記弁座面及び前記噴射孔開口形成面は円錐面で構成するとよい。

また、前記燃料流路の断面積は、噴射孔開口形成面に垂直な方向における前記噴射孔開口形成面と前記弁体との間の距離と、この距離にある前記噴射孔開口形成面上の位置から燃料噴射弁中心軸に下ろした垂線の長さとの積によって定義するとよい。

このとき、前記燃料噴射孔より燃料噴射弁中心軸側に、前記積の値が小さくなる部位を設けるとよい。

本発明によれば、燃料噴射弁としての耐久性を向上させながら、燃料噴射弁から噴射される噴霧の微粒化を促進し、気化を促進することで筒内での燃料付着を低減することができ、排気性能を高めた内燃機関を実現する燃料噴射弁を提供できる。

本発明に係る燃料噴射弁の実施例を示す断面図である。 本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の近傍を拡大した断面図である。 本発明の第１実施例との比較のための従来図である。 本発明の第１実施例に係る任意の位置における流路断面積の関係を示した拡大図である。 本発明の第２実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の近傍を拡大した断面図である。 本発明の第２実施例に係る任意の位置における流路断面積の関係を示した拡大図である。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

本発明の第１の実施例に係る燃料噴射弁について、図１乃至図４を用いて以下説明する。

図１は、本発明に係る燃料噴射弁の例として、電磁式燃料噴射弁の例を示す断面図である。図２は、第１の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。図３は、図２と比較するためのノズル体の例である。図４は、図２における噴射孔開口形成面での位置における燃料通路断面積との関係を示す図である。なお、図１に示した電磁式燃料噴射弁１００は、筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁の例であるが、本発明の効果は、ポート噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁や、ピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁においても有効である。

［噴射弁基本動作説明］
図１において、燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射弁の内部に供給される。図１に示す電磁式燃料噴射弁１００は、通常時閉型の電磁駆動式であって、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１がスプリング１１０によって付勢されてシート部材１０２に押し付けられ、燃料がシールされるようになっている。このとき、筒内噴射用燃料噴射弁では、供給される燃料圧力がおよそ１ＭＰａ乃至３５ＭＰａの範囲である。

図２は燃料通路の下流端部に設けられた燃料噴射孔２０１の近傍を拡大した断面図である。電磁式燃料噴射弁１００が閉弁状態にあるときには、弁体１０１はその先端部がノズル体１０４に溶接などで接合されたシート部材１０２に設けられた円錐面からなる弁座面２０３と当接することによって燃料のシールを保つようになっている。このとき、弁体１０１側の接触部（弁体側当接部２０２）は略球面状に形成された球面部位２０２ａによって形成されており、円錐面状の弁座面２０３と球面状の弁体側当接部２０２との接触はほぼ線接触の状態になっている。球面状の弁体側当接部２０２は、弁体の軸心方向（弁軸心方向）に沿う断面において、少なくとも弁座面２０３との弁体側当接部２０２を含む部分が円弧状に形成されており、その円弧状を含む曲面で形成された凸状部が弁体１０１の先端部に周方向に沿って環状（リング状）を成すように形成されている。尚、本実施例においては、弁体の軸心は燃料噴射弁中心軸２１５と一致している。

図１に示したコネクタ１１１を介してコイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成するコア（固定コア）１０７、ヨーク１０９、アンカー１０６に磁束密度を生じて、空隙のあるコア１０７とアンカー１０６の間に磁気吸引力を生じる。磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と前述の燃料圧力による力よりも大きくなると、弁体１０１はガイド部材１０３、弁体ガイド１０５にガイドされながらアンカー１０６によってコア１０７側に吸引され、開弁状態となる。

開弁状態となると、弁座面２０３と弁体１０１の弁体側当接部２０２との間に隙間を生じ、燃料の噴射が開始される。燃料の噴射が開始されると、燃料圧力として与えられたエネルギは運動エネルギに変換されて燃料噴射孔２０１に至り噴射される。

［拡大図特徴説明］
次に、シート部材１０２及び弁体１０１の詳細形状について図２を用いて説明する。
図２は、燃料噴射弁下端部の拡大図である。シート部材１０２には、弁体側当接部２０２と当接する点（弁座面側当接部）２０４を有する弁座面２０３と、複数の燃料噴射孔２０１が開口している噴射孔開口形成面２０５とが構成されている。本実施例では、噴射孔開口形成面２０５も円錐面で構成されている。弁体１０１は、弁座面２０３と当接する弁体側当接部２０２を有する球面部位２０２ａと燃料噴射弁中心軸２１５へ向かう噴射孔開口面２０５上部に位置する弁体先端面２０６より構成されている。弁座面２０３と噴射孔開口面２０５の燃料噴射弁中心軸２１５に対する傾き角の関係は、噴射孔開口形成面２０５と燃料噴射弁中心軸２１５のなす角αよりも弁座面２０３と燃料噴射弁中心軸２１５のなす角βの方が大きくなっている（例えばβは６０°、αは４５°）。すなわち、円錐状の弁座面２０３と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角度が、噴射孔開口形成面２０５と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角度よりも、燃料噴射孔入口側から測定した場合に、大きくなるように構成されている。

また、弁体先端面２０６は、弁体１０１が弁座面２０３から変位した場合（弁座面側当接部２０４と弁体側当接部２０２との間の距離がＳｔになった場合）、下記Ａ点からＤ点までが以下の様に構成されていることを特徴とする。弁座面側当接部２０４より流入した燃料が至る噴射孔開口形成面２０５のＡ点における、燃料噴射弁中心軸２１５からの距離ＲＡと噴射孔開口形成面２０５と垂直方向の弁体先端面２０６との隙間ｈＡとの積（流路断面積と呼ぶ）と、燃料噴射孔２０１の燃料噴射弁中心軸２１５側のＤ点における、燃料噴射弁中心軸２１５からの距離ＲＤと噴射孔開口形成面２０５と垂直方向の弁体先端面２０６との隙間ｈＤとの積（流路断面積）とが、一定になるように構成されている。

噴射孔開口形成面２０５と弁体先端面２０６との間に形成される流路断面積は弁体１０１のストロークによって変化する。このとき、ストロークによってＡ点における流路断面積とＤ点における流路断面積とが同じになったり異なったりする。例えば圧電素子等を用いて弁体を任意のストローク位置で開弁維持できる燃料噴射弁にあっては、燃料の流れる方向において流路断面積が一定となる領域が形成されるストローク位置をフルストローク（最大ストローク）までの間で任意に選択して、噴射孔開口形成面２０５の形状と弁体先端面２０６の形状とを設計できる。また、弁体を任意のストローク位置で開弁維持できない構成の燃料噴射弁にあっては、ストローク量を決めるストッパによって弁体の変位が規制された状態（フルストロークの状態）において、燃料の流れる方向において流路断面積が一定となる領域が形成されるように、噴射孔開口形成面２０５の形状と弁体先端面２０６の形状とを設計すればよい。上記のように、本発明に係る実施例においては、噴射孔開口形成面２０５と弁体１０１との間に形成される流路断面積が燃料の流れる方向に沿って一定となる領域を形成した状態で、弁体１０１を開弁状態に維持可能であることが求められる。

［流れ、効果説明］
上記のように燃料噴射孔を構成したことによる作用効果を、図２乃至図４を用いて説明する。図３は本実施例における図２と比較するために、本実施例ではない形態で燃料噴射孔を構成した場合の流れの様子を説明した図である。図３において図２と同一の番号が割り付けられているものは、本実施例と同一の機能構成効果を有するものである。図４は、弁座面、噴射孔開口面の各位置における流路断面積の変化の様子を示した図である。

始めに、噴射孔開口形成面２０５と弁体先端面２０６の本実施例における構成による効果を説明する。弁座面２０３の弁座面側当接部２０４と弁体１０１の弁体側当接部２０２との隙間Ｓｔを流れた燃料は弁座面２０３と弁体１０１の隙間（Ａ点ではｈＡ）を燃料噴射孔２０１に流れ込み（矢印２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ）、矢印２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃで示すように噴射される。本実施例では、弁座面２０３と弁体１０１とが当接する位置、すなわち弁座面側当接部２０４及び弁体側当接部２０２の下流側であって燃料噴射孔２０１の入口開口面が形成される部位を含んでその上流側に、噴射孔開口形成面２０５と弁体先端面２０６とで構成される流路断面積（ＲＡとｈＡの積やＲＤとｈＤの積）が、図４に実線４０１で示されるように、燃料の流れる方向（噴射孔開口形成面２０５が円錐面の場合はその母線に沿う方向）において一定となる流路領域が形成されているために、燃料は流速の損失が無く燃料噴射孔２０１に流れ込むことが可能となる。よって、噴射される燃料の速度が遅くならず、微粒化を促進することが可能となる。弁体先端面２０６が図２中点線で示されるように噴射孔開口形成面２０５と平行な場合２２１は流路断面積が燃料噴射孔２０１に向けて狭まるため（図４における点線４０３）圧力損失により流速が低減してしまい、噴霧の微粒化を向上することができない。また、弁体先端面２０６の下流側が噴射孔開口形成面２０５に対して本実施例よりも燃料噴射弁上端側（図の上側）へ開いて構成されている２２２の場合も、流路断面積が燃料噴射孔２０１に向けて拡大されることになるため（図４における点線４０２）、流速が落ち同様に噴霧の微粒化を向上できない。

次に、弁座面２０３と噴射孔開口形成面２０５の本実施例における構成による効果を図２、図３を用いて説明する。

燃料噴射弁に要求される燃料量を達成する場合、燃料噴射孔２０１の径を同一とすれば、同一の流路断面積（ＲＡとｈＡとの積やＲＤとｈＤとの積）を構成する必要がある。弁座面２０３と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角βが大きい方が、燃料噴射弁中心軸２１５からの任意の位置における、流路断面積を大きくすることが可能となり、弁体１０１と弁座面２０３との隙間Ｓｔを小さくすることが可能となる。すなわち、弁体１０１の閉弁時の衝撃力が減少することになり、耐久性に優れる燃料噴射弁となる。

一方で、図３に示すように、弁座面と噴射孔開口形成面とが同一面３０３の場合、弁座面３０３と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角度が大きい（例としてβ）と以下のような課題が生じる。弁体１０１とシート部材１０２との隙間を流れ噴射孔２０１へ流入する燃料３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃは急激に曲がり流入することになる。そこで、燃料流れ３１０ａは燃料噴射孔２０１内の上流側２０１ｂにおいて大きく剥離した領域３１２を構成し、燃料が噴射されてしまう。この場合、剥離領域にある燃料は流速が遅いため噴霧の微粒化が進まない。それに対して、図２に示すように、噴射孔開口形成面２０５と燃料噴射弁中心軸２１５の角度が小さい場合には、弁体１０１とシート部材１０２の隙間を流れ燃料噴射孔２０１へ流入する燃料２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃは曲がり流入するが、角度が緩くなるために、燃料流れ２１０ａによって、噴射孔２０１内の上流側２０１ｂにおいて構成される剥離領域２１２が小さくなり燃料噴射孔出口において剥離領域は無く噴射されるために、流速の遅い領域は無く、噴霧の微粒化が促進される。すなわち、噴射孔開口形成面２０５と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角は小さい方が良いといえる。本実施例のように、弁座面２０３と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角βを大きく、噴射孔開口面２０５と燃料噴射弁中心軸２１５とのなす角αを小さくすることにより、燃料噴射弁としての耐久性を維持しながら、噴霧の微粒化を向上させることが可能となり、排気特性の内燃機関を提供することが可能となる。

［その他］
本実施例において、燃料噴射孔は円筒状の場合を説明したが、本燃料噴射孔が出口に向かい直線的または曲率を有し拡大縮小する場合においても、同様の作用効果が得られ、本発明の効果が損なわれるものではない。また、本実施例において座面及び噴射孔開口形成面は直線として構成されたが、曲面を有していたとしても、弁体との当接面と噴射孔の開口する面の接線と燃料噴射弁の中心軸のなす角が実施例の関係になっていれば、同様の作用効果を得られる。

本発明の第２の実施例に係る燃料噴射弁について、図５、図６を用いて以下説明する。図５は本実施例における燃料噴射弁の燃料噴射孔の構成を示す断面図であり、図２と同一の番号が割り当てられているものは、実施例１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。図６は本実施例によって構成される位置と流路断面積の関係を示した図である。

第１の実施例と異なる点は、燃料噴射孔２０１と燃料噴射弁中心軸２１５の間において弁体５０１に突起部５０２があることである。その他の構成については、実施例１と同様である。

このような構成であると図６の実線６０１に示されるように、噴射孔開口面２０５のＤ点からＣ点に向かって、流路断面積が小さくなる。なお、実施例１のように突起部の無い場合は点線４０１となる。このような構成とすることで、燃料噴射弁が閉弁した後に燃料噴射弁の中心軸側からの燃料の流れ込みが抑えられ、閉弁後に流速の遅い燃料が流出することを防ぐことができ、流速の遅い粗大な噴霧が噴射されず、噴霧の微粒化を促進することが可能となり、排気特性の良い内燃機関を提供することが可能となる。

［その他］
本実施例において、燃料噴射孔は円筒状の場合を説明したが、本燃料噴射孔が出口に向かい直線的または曲率を有し拡大縮小する場合においても、同様の作用効果が得られ、本発明の効果が損なわれるものではない。また、本実施例において座面及び噴射孔開口形成面は直線として構成されたが、曲面を有していたとしても、弁体との当接面と噴射孔の開口する面の接線と燃料噴射弁の中心軸のなす角が実施例の関係になっていれば、同様の作用効果を得られる。

１０１、５０１ 弁体
１０２ シート部材
１０３ ガイド部材
１０４ ノズル体
１０５ 弁体ガイド
１０６ アンカー
１０７ コア
１０８ コイル
１０９ ヨーク
１１０ スプリング
１１１ コネクタ
１１２ 燃料供給口
２０１ 燃料噴射孔
２０３，３０３ 弁座面
２０５ 噴射孔開口形成面
２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ 燃料流れ
２１２，３１２ 燃料剥離領域
２１５ 燃料噴射弁中心軸
４０１，４０２，４０３，６０１ 位置と流路断面積の関係
５０２ 弁体凸部

Claims (5)

1. 変位可能な弁体と、前記弁体と当接して燃料をシートする弁座面と、前記弁座面と前記弁体とが当接する位置よりも下流側に設けられた燃料噴射孔とを有する燃料噴射弁において、
   前記弁座面の下流側に燃料噴射孔の入口開口が形成された噴射孔開口形成面を有し、
   前記弁座面と燃料噴射弁中心軸とのなす角度が、前記噴射孔開口形成面と燃料噴射弁中心軸とのなす角度よりも大きく構成されており、
   前記噴射孔開口形成面と前記弁体との間に形成される燃料流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って一定となる領域を形成した状態で、弁体を開弁状態に維持可能にした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、
   前記領域は、前記弁座面と前記弁体とが当接する位置よりも下流側で、かつ前記燃料噴射孔の入口開口が形成された部位を含んでその上流側に位置する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、
   前記弁座面及び前記噴射孔開口形成面は円錐面で構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料流路の断面積は、噴射孔開口形成面に垂直な方向における前記噴射孔開口形成面と前記弁体との間の距離と、この距離にある前記噴射孔開口形成面上の位置から燃料噴射弁中心軸に下ろした垂線の長さとの積によって定義されることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項４に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔より燃料噴射弁中心軸側に、前記積の値が小さくなる部位を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。