JP2013167161A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射孔から噴射される燃料噴射特性の変化を安定させることができる燃料噴射弁を提供すること。
【解決手段】 スワール付与室と弁座部材の開口部とを連通する連通路内を流れる流量から燃料が均等に流れる管路を想定しその管路の直径をda、燃料を外部に噴射する噴射孔の直径をd0としたときに、da/d0に対する噴射孔から噴射された燃料の噴霧角度の特性を用いて連通路および噴射孔を設計するようにした。
【選択図】 図７

Description

本発明は、エンジンの燃料噴射に用いられる燃料噴射弁に関する。

この種の技術としては、下記の特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報には、弁座部材に通路プレートとインジェクタプレートが溶接された燃料噴射弁が開示されている。通路プレートには、側孔、横方向通路、スワール室が形成され、インジェクタプレートには燃料噴射孔が形成されている。

特開２００３−３３６５６１号公報

燃料噴射弁は、エンジンの吸気ポートに対して様々な角度で取り付けられ、その取り付け角度に応じて燃料噴霧角度を設定することで、噴射燃料が吸気ポートへ付着することを抑制する必要がある。上記特許文献１に記載の技術では、所望の燃料噴霧角度を得るためには、様々な形状のインジェクタプレート、通路プレートを用いて実験等により燃料噴霧角度を設定するしかなく、設計時に多くの工数を費やす必要があった。
本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、所望の燃料噴霧角度を得ることができる形状の特性を見出し、その特性を用いて設計できる燃料噴射弁を提供することである。また、その特性により、噴霧同士の干渉による噴霧の微粒化特性の悪化を抑制することが可能な燃料噴射弁を提供することである。

上記目的を達成するため本願発明では、スワール付与室と弁座部材の開口部とを連通する連通路内を流れる流量から燃料がほぼ均等に流れる管路を想定しその管路の直径をda、燃料を外部に噴射する噴射孔の直径をd0としたときに、da/d0に対する噴射孔から噴射された燃料の噴霧角度の特性を用いて連通路および噴射孔を設計するようにした。また、前記da/d0に対する噴霧角度の特性を用いて連通路および噴射孔を設計する方法と併せて、噴射孔から噴射された噴霧同士が、液膜部分で干渉することを抑制するように、噴射孔の間隔を設計するようにした。

本発明により、設計時の工数を抑制することができる。

実施例１の燃料噴射弁の軸方向断面図である。 実施例１の燃料噴射弁のノズルプレート付近の拡大断面図である。 実施例１のノズルプレートの斜視図である。 実施例１のスワール室および燃料噴射孔の斜視図である。 実施例１のスワール室および燃料噴射孔の平面図である。 実施例１の吸気ポートに対する燃料噴射弁の取り付け角度の例について説明する図である。 実施例１のda/d0およびL/d0と燃料噴霧角度θ1の関係を示すグラフである。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。 他の実施例の燃料噴射弁のノズルプレート付近の拡大断面図である。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。 他の実施例の燃料噴射弁のノズルプレート付近の拡大断面図である。 他の実施例の中間プレートの斜視図である。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。 他の実施例のスワール室および燃料噴射孔の斜視図である。 他の実施例のスワール室および燃料噴射孔の斜視図である。 他の実施例のスワール室および燃料噴射孔の斜視図である。

〔実施例１〕
実施例１の燃料噴射弁1について説明する。
［燃料噴射弁の構成］
図１は燃料噴射弁1の軸方向断面図である。この燃料噴射弁1は、自動車用ガソリンエンジンに用いられるものであって、インテークマニホールド内に向けて燃料を噴射する、所謂低圧用の燃料噴射弁である。
燃料噴射弁1は、磁性筒体2と、磁性筒体2内に収容されるコア筒体3と、軸方向に摺動可能な弁体4と、弁体4と一体に形成された弁軸5と、閉弁時に弁体4により閉鎖される弁座6を有する弁座部材7と、開弁時に燃料が噴射される燃料噴射孔を有するノズルプレート8と、通電時に弁体4を開弁方向に摺動させる電磁コイル9と、磁束線を誘導するヨーク10とを有している。

磁性筒体2は、例えば電磁ステンレス鋼等の磁性金属材料により形成された金属パイプ等からなり、深絞り等のプレス加工、研削加工等の手段を用いることにより、図１に示すように段付き筒状をなして一体に形成されている。磁性筒体2は、一端側に形成された大径部11と、大径部11よりも小径であって他端側に形成された小径部12とを有している。
小径部12には、一部を薄肉化した薄肉部13が形成されている。小径部12は、薄肉部13より一端側にコア筒体3を収容するコア筒体収容部14と、薄肉部13より他端側に弁部材15（弁体4、弁軸5、弁座部材7）を収容する弁部材収容部16とに分けられている。薄肉部13は、後述するコア筒体3と弁軸5が磁性筒体2に収容された状態で、コア筒体3と弁軸5との間の隙間部分を取り囲むように形成されている。薄肉部13は、コア筒体収容部14と弁部材収容部16との間の磁気抵抗を増大させ、コア筒体収容部14と弁部材収容部16間を磁気的に遮断している。

大径部11の内径は弁部材15に燃料を送る燃料通路17を構成しており、大径部11の一端部には燃料を濾過する燃料フィルタ18が設けられている。燃料通路17にはポンプ47が接続されている。このポンプ47は、ポンプ制御装置54により制御されている。
コア筒体3は中空部19を有する円筒形に形成されており、磁性筒体2のコア筒体収容部14に圧入されている。中空部19には、圧入等の手段により固定されたばね受20が収容されている。このばね受20の中心には軸方向に貫通した燃料通路43が形成されている。
弁体4の外形は略球体状に形成されており、周上に燃料噴射弁1の軸方向に対して並行に削られた燃料通路面21を有している。弁軸5は大径部22と、外形が大径部22より小径に形成された小径部23とを有している。

小径部23の先端には弁体4が溶接により一体に固定されている。なお図中の黒半円や黒三角は溶接箇所を示している。大径部22の端部にはばね挿入孔24が穿設されている。このばね挿入孔24の底部は、ばね挿入孔24よりも小径に形成されたばね座り部25が形成されるとともに、段部のばね受部26が形成されている。小径部23の端部には燃料通路孔27が形成されている。この燃料通路孔27はばね挿入孔24と連通している。小径部23の外周と燃料通路孔27とは貫通した燃料流出孔28が形成されている。
弁座部材7は、略円錐状の弁座6と、弁座6より一端側に弁体4の径とほぼ同型に形成された弁体保持孔30と、弁体保持孔30から一端開口側に向かうにつれて大径に形成された上流開口部31と、弁座6の他端側に開口する下流開口部48とが形成されている。

弁軸5および弁体4は、磁性筒体2に軸方向摺動可能に収装されている。弁軸5のばね受部26とばね受20との間にコイルバネ29が設けられ、弁軸5および弁体4を他端側に付勢している。弁座部材7は磁性筒体2に挿入され、溶接により磁性筒体2に固定されている。弁座6は、角度45°で弁体保持孔30から下流開口部48へ向かって径が小さくなるように形成され、閉弁時には弁体4が弁座6に座るようになっている。
磁性筒体2のコア筒体3の外周には電磁コイル9が挿嵌されている。すなわち、電磁コイル9はコア筒体3の外周に配置されることとなる。電磁コイル9は、樹脂材料により形成されたボビン32と、このボビン32に巻回されたコイル33とから構成されている。コイル33は、コネクタピン34を介して電磁コイル制御装置55に接続されている。
電磁コイル制御装置55は、クランク角を検出するクランク角センサからの情報に基づいて計算した燃焼室側に燃料を噴射するタイミングに応じて、電磁コイル9のコイル33に通電して燃料噴射弁1を開弁させる。

ヨーク10は中空の貫通孔を有し、一端開口側に形成された大径部35と、大径部35より小径に形成された中径部36と、中径部36より小径に形成され他端開口側に形成された小径部37から構成されている。小径部37は、弁部材収容部16の外周に嵌合されている。中径部36の内周には電磁コイル9が収装されている。大径部35の内周には連結コア38が配置されている。
連結コア38は磁性金属材料等により略Ｃ字状に形成されている。ヨーク10は、小径部37および連結コア38を介して大径部35において磁性筒体2と接続しており、すなわち電磁コイル9の両端部で磁性筒体2と磁気的に接続されていることとなる。ヨーク10の他端側先端には、燃料噴射弁1をエンジンの吸気ポートと接続するためのOリング40を保持し、かつ磁性筒体先端を保護するためのプロテクタ52が取り付けられている。

コネクタピン34を介して電磁コイル9に給電されると磁界が発生し、この磁界の磁力によって、弁体4および弁軸5をコイルばね29の付勢力に抗して開弁させる。
燃料噴射弁1の図１に示すように、大部分が樹脂カバー53により被覆されている。樹脂カバー53に被覆されている部分は、磁性筒体2の大径部11の一端部を除いた部分から小径部12の電磁コイル9設置位置まで、電磁コイル9とヨーク10の中径部36との間、連結コア38の外周と大径部35との間、大径部35の外周、中径部36の外周、およびコネクタピン34の外周である。コネクタピン34の先端部分は樹脂カバー53が開口して形成されており、コントロールユニットのコネクタが差し込まれるようになっている。
磁性筒体2の一端部外周にはOリング39が、ヨーク10の小径部37の外周にはOリング40が設けられている。
弁座部材7の他端側にはノズルプレート8が溶接されている。このノズルプレート8には、燃料にスワール（旋回流）を与える複数のスワール室41と、各スワール室41に燃料を分配する中央室42と、スワール室41においてスワールが与えられた燃料が噴射される燃料噴射孔44が形成されている。

［ノズルプレートの構成］
図２は燃料噴射弁1のノズルプレート8付近の拡大断面図である。図３はノズルプレート8の斜視図である。図２、図３を用いてノズルプレート8の構成について説明する。
ノズルプレート8の一端側側面にはスワール室41と中央室42が形成されている。中央室42は、ノズルプレート8の中心付近に有底の円形凹状に形成されている。スワール室41は３つ形成されており、それぞれ連通路45とスワール付与室46とから構成されている。各連通路45はノズルプレート8の中心付近で接続し、接続部分に中央室42が形成されている。連通路45の先にはスワール付与室46が形成され、連通路45はスワール付与室46の接線方向に接続している。スワール付与室46は内側面と底部とを有する有底凹状に形成されているおり、その断面は螺旋状に形成されている。スワール付与室46の底部には貫通孔である燃料噴射孔44が形成されている。

［スワール室および燃料噴射孔の詳細］
図４はスワール室41および燃料噴射孔44の斜視図、図５はスワール室41および燃料噴射孔44の平面図である。
図４に示すように、連通路45の幅をW、高さをHとし、燃料噴射孔44の軸方向長さをLとする。また図５に示すようにスワール付与室46の径をD、燃料噴射孔44の直径をd0とする。なおスワール付与室46の径は、連通路45と接続する部分のスワール付与室46の内壁の曲率を基に円を形成したときの直径をDとしている。
また連通路45の等価流量直径をdaとしている。燃料は連通路45内を均等に流れているわけではなく、連通路45の内壁付近では燃料の流量は、中心の流量と比べて小さくなる。等価流量直径daは、連通路45を流れる流量から燃料が均等に流れる管路を想定し、その管路の直径としているものであり、次の式により求めることができる。

スワール室41は、設定したい燃料噴霧角度θ1に応じて設計される。ここで燃料噴霧角度θ1とは、図４に示すように燃料噴霧の広がり角度のことを示す。
ここで図４を用いて、燃料噴霧状態を定義する。燃料噴霧の液膜状態とは、燃料噴射孔44から燃料が噴射された直後に形成される略中空円錐状の噴霧表面で燃料が膜状となっている状態を示す。燃料噴霧の液糸状態とは、膜状であった燃料噴霧が次第に分裂し始めた状態を示す。燃料噴霧の液滴状態とは、液糸よりさらに分裂が進み、燃料が粒状に分裂した状態を示す。

図６は、吸気ポートに対する燃料噴射弁1の取り付け角度の例について説明する図である。吸気ポートに対する燃料噴射弁1の取り付け角度が浅い（図６（ａ））ときには、燃料噴霧角度を小さくすることで噴射燃料が吸気ポートに付着することを抑制することができる。一方、吸気ポートに対する燃料噴射弁1の取り付け角度が深い（図６（ｂ），（ｃ））ときには、燃料噴霧角度を大きくすることで噴射燃料が吸気ポートに付着することを抑制することができる。
図７は、da/d0およびL/d0と燃料噴霧角度θ1の関係を示すグラフである。図７に示すように、da/d0と燃料噴射角度θ1とは負の相関を持っており、その関係は線形特性に近似できる。またda/d0が同じであれば、L/d0が大きいほど燃料噴霧角度θ1は小さくなる。吸気ポートに対する燃料噴射弁1の角度に応じた所望する燃料噴霧角度となるようにda/d0およびL/d0設定する。同じ燃料噴霧角度θ1であっても、複数のda/d0とL/d0の組み合わせを選択することができるが、これは他の設計寸法に応じて適宜選択すればよい。
また、噴霧の微粒化特性の悪化抑制は、da/d0とL/d0による噴霧角度の設計と併せて、噴霧孔の間隔を調整すれば良い。これも他の設計寸法や寸法制限に応じて適宜選択すればよい。因みに寸法限界とは、連通路45、スワール付与室46、燃料噴射孔44を配列可能な範囲制限や、部材強度などによる板厚の限界値などである。

［作用］
（閉弁時の燃料の流れ）
電磁コイル9のコイル33に通電されていないときには、弁体4が弁座6に座るようにコイルバネ29により弁軸5を他端側に付勢している。そのため弁体4と弁座6との間が閉鎖され、ノズルプレート8側には燃料は供給されないようになっている。
（開弁時の燃料の流れ）
図４を用いて開弁時の燃料の流れについて説明する。
電磁コイル9のコイル33に通電されているときには、コイルバネ29の付勢力に抗して電磁力により弁軸5が一端側に引き上げられる。そのため、弁体4と弁座6との間が解放され、燃料がノズルプレート8側に供給される。

ノズルプレート8に供給された燃料はまず中央室42に入り、中央室42の底部と衝突することで軸方向の流れから径方向の流れに変換されて各連通路45に流れ込む。連通路45はスワール付与室46の接線方向に接続しているため、連通路45を通過した燃料はスワール付与室46の内側面に沿って旋回する。
スワール付与室46において燃料に旋回力（スワール力）が付与されて、旋回力を持った燃料は燃料噴射孔44の側壁部分に沿うように旋回しながら噴射される。そのため、燃料噴射孔44から噴射された燃料は、燃料噴射孔44の接線方向に飛散する。燃料噴射孔44から噴射された直後の燃料噴霧は、燃料噴射孔44開口部のエッジ部分によって薄い液膜状態で円錐状に広がる。その後、液膜状態の燃料が分離して微粒化した液滴となる。
これにより燃料の気化を促進することができ、燃焼効率が良くなったことで低温始動時の窒素酸化物等の発生を低減することができる。

（燃料噴霧角度の設定）
前述したように、噴射燃料が吸気ポートに付着することを抑制するために、吸入ポートに対する燃料噴射弁1の取り付け角度に応じて燃料噴霧角度θ1を設定する必要がある。
しかしながら従来では、様々な形状のスワール室41を作成して、実験等により燃料噴霧角度θ1を設定するしかなく、設計時に多くの工数を費やす必要があった。
今回、図７に示すよう燃料噴射角度θ1は、da/d0に対して負の相関を持つことが明らかになり、これは線形特性に近似できる。この特性を用いて所望の燃料噴射角度θ1に対してda/d0を設定することができるため、燃料噴射弁1の開発工数を抑制することができる。
また、燃料噴射角度θ1のda/d0に対する特性は、L/d0毎に設定することができる。そのため、設計自由度を高めることができる。
また、噴霧の微粒化特性を考慮した際に、噴霧同士が液膜部分で接触することを抑制するように、噴射角度とのバランスを見ながら、燃料噴射孔44を設定することができる。

［効果］
実施例１の燃料噴射弁1の効果について以下に列記する。
（１）摺動可能に設けられた弁体4と、閉弁時に弁体4が座る弁座6が形成されるとともに、下流側に下流開口部48を有する弁座部材7と、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与するスワール付与室46と、スワール付与室46の底部に形成され外部に貫通する燃料噴射孔44と、スワール付与室46と弁座部材7の下流開口部48とを連通する連通路45と、を備えた燃料噴射弁1において、連通路45内を流れる流量から燃料が均等に流れる管路を想定しその管路の直径をda、燃料噴射孔44（噴射孔）の直径をd0としたときに、燃料噴射孔44から噴射された燃料の噴霧角度（燃料噴射角度θ1）が所望の角度となるようにda/d0を設定して、連通路45および燃料噴射孔44を設計した。
よって、所望の燃料噴射角度θ1に対してda/d0を設定することができるため、燃料噴射弁1の開発工数を抑制することができる。
（２）da/d0に対する燃料噴霧角度θ1の特性を線形特性とした。
よって、設計時に所望の燃料噴射角度θ1に対してのda/d0を設定しやすくなり、燃料噴射弁1の開発を容易にすることができる。
（３）噴射孔の長さをLとしたときに、da/d0に対する燃料噴霧角度θ1の特性を、L/d0毎に設定した。
よって、連通路45および燃料噴射孔44の設計自由度を高くすることができる
（４）燃料噴射孔44の間隔を、前記（１）〜（３）で容易に設計することができた燃料噴射角度θ1をもとに、噴霧同士が液膜部分で接触することを抑制できる間隔に設定した。
よって、噴霧の微粒化の特性の悪化を抑制した噴霧の設計自由度を高くすることができる。

〔他の実施例〕
以上、本願発明を実施例１に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は実施例１に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
（スワール室の数の変更）
実施例１の燃料噴射弁1ではスワール室41を３つ形成したが、スワール室41の個数は燃料噴射量の設計に応じて適宜変更しても良い。
図８はノズルプレート8の斜視図である。例えば、図８に示すようにスワール室41を２つ形成するようにしても良い。

（中央室の形状の変更）
実施例１の燃料噴射弁1では中央室42を円形凹状に形成したが、中央室42の形状は異なっても良い。
図９はスワール室41を３つ形成したときのノズルプレート8の斜視図である。図１０はスワール室41を２つ形成したときのノズルプレート8の斜視図である。例えば、図９、図１０に示すように各連通路45を直接接続し、その接続部分を中央室42としても良い。
（ノズルプレートの変更）
実施例１の燃料噴射弁1ではノズルプレート8に中央室42、スワール室41および燃料噴射孔44を形成したが、ノズルプレート8にこれら全てを形成しないようにしても良い。
図１１は燃料噴射弁1のノズルプレート8付近の拡大断面図、図１２はノズルプレート8の斜視図である。例えば、図１１、図１２に示すように、弁座部材7の他端側に中央室42、スワール室41を形成し、ノズルプレート8には燃料噴射孔44のみを形成するようにしても良い。

（中間プレートの追加）
実施例１の燃料噴射弁1ではノズルプレート8に中央室42、スワール室41および燃料噴射孔44を形成したが、ノズルプレート8にこれら全てを形成しないようにしても良い。
図１３は燃料噴射弁1のノズルプレート8付近の拡大断面図、図１４は中間プレート50の斜視図、図１５はノズルプレート8の斜視図である。例えば、図１３ないし図１５に示すように、中間プレート50に中央室42、スワール室41を形成し、ノズルプレート8には燃料噴射孔44のみを形成するようにしても良い。
（スワール付与室の変更）
実施例１の燃料噴射弁1では、スワール付与室46の形状として図５のように螺旋状のものを示したが、スワール付与室46の形状は、燃料に旋回力を与えるように略円形を形成していれば良い。
図１６、図１７はスワール室41および燃料噴射孔44の平面図である。例えば、図１６に示すように、スワール付与室46をほぼ真円に形成するようにしても良い。また図１７に示すように、燃料噴射孔44の位置はスワール付与室46の中心からずれていても良い。
（連通路の変更）
実施例１の燃料噴射弁1では連通路45を図５のように形成していたが、吸入ポートに対する燃料噴射弁1の取り付け角度に応じて燃料噴霧角度を得られるのであれば変更しても良い。
図１８はスワール室41および燃料噴射孔44の平面図である。例えば、図１８に示すように、連通路45の幅を実施例１に比べて太めに形成するようにしても良い。

1 燃料噴射弁
4 弁体
6 弁座
7 弁座部材
8 ノズルプレート
44 燃料噴射孔（噴射孔）
45 連通路
46 スワール付与室
48 下流開口部（開口部）

Claims (4)

1. 摺動可能に設けられた弁体と、
   閉弁時に前記弁体が座る弁座が形成されるとともに、下流側に開口部を有する弁座部材と、
   内部で燃料を旋回させて旋回力を付与するスワール付与室と、
   前記スワール付与室の底部に形成され外部に貫通する複数の噴射孔と、
   前記スワール付与室と前記弁座部材の前記開口部とを連通する連通路と、
   を備えた燃料噴射弁において、
   前記連通路内を流れる流量から燃料が均等に流れる管路を想定しその管路の直径をda、前記噴射孔の直径をd0としたときに、
   前記噴射孔から噴射された燃料の噴霧角度が所望の角度となるようにda/d0を設定して、前記連通路および前記噴射孔を設計し、各々の前記噴射孔から噴射される噴霧のうち少なくとも一方が液膜より下方で接触するよう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da/d0に対する前記噴霧角度の特性は線形特性であ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、
   前記噴射孔の長さをLとしたときに、前記da/d0に対する前記噴霧角度の特性は、L/d0毎に設定されることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、
   前記噴射孔から噴射された燃料の噴霧角度が、互いの噴射孔から噴射された噴霧同士の液膜部分が接触しない噴霧角度となるように前記da/d0を設定したことを特徴とする燃料噴射弁。

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