JP2013194615A

JP2013194615A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2013194615A
Application number: JP2012063000A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Nakai; 裕貴中居; Masahiro Soma; 正浩相馬; Takaki Itaya; 隆樹板谷
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: WO2013140835A1; JP5838107B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃料噴射孔を複数有する燃料噴射弁に関して、生産性及び信頼性の低下を最小限に抑えつつ、燃料噴射孔毎に燃料噴霧のペネトレーションを設定することができるようにする。
【解決手段】弁座１１３と当接することによって燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体１０３と、弁体の駆動手段と、弁座と弁体との当接部よりも下流側に位置する複数の燃料噴射孔１１４と、弁座と弁体との当接部よりも上流側でかつ前記当接部の近傍で弁体の動きをガイドするガイド１１２と、ガイドの上流側と下流側とを連通する燃料流路３０２〜３０５とを有する燃料噴射弁において、ガイドの上流側と下流側とを連通する燃料流路を、その断面積の分布が、弁体の中心軸線を囲む周方向に、不均一になるように配置する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、駆動手段として磁気吸引力を用いることにより、弁体の開閉を行う各種燃料噴射弁に関する。燃料噴射弁の用途は、燃焼室の側面に取り付ける直噴燃料噴射弁に限らず、燃料噴射弁をプラグわきに配置する直上燃料噴射弁、吸気管に配置する吸気ポート噴射まで対応する。

特開平１０−３２５３７８号公報には、ノズルボディに設けた燃料溜りの燃料圧力の上昇にともなってニードルをリフトさせることにより、燃料溜りの燃料をノズルサックの法線に沿う複数個の噴口（燃料噴射孔）から燃焼室に噴射させるようにしたホール式の燃料噴射ノズルにおいて、ノズルサックから燃焼室に至る主通路と、該主通路の途中から分岐して燃焼室に至る副通路で前記噴口を構成したことを特徴としたホール型燃料噴射ノズルが開示されている。このホール型燃料噴射ノズルでは、主通路から噴射された燃料による燃料噴霧のペネトレーションと副通路から噴射された燃料による燃料噴霧のペネトレーションとが異なる。

特開２００４−１００５３６号公報には、弁座と、この弁座との間で燃料通路の開閉を行う可動弁と、コイルを有して前記可動弁を駆動する駆動手段とを備え、前記燃料通路を開閉して燃料を噴射するインジェクタにおいて、燃料を噴射するオリフィス（燃料噴射孔）の上流側に、燃料に旋回力を与える燃料旋回部材を有すると共に、インジェクタの軸心に対し、オリフィスを非平行に配置し、かつ、前記オリフィスに対し、前記オリフィスの出口面を非垂直に形成することにより、燃料噴霧の長さをコントロールすることを特徴とするインジェクタが開示されている。

特開平１０−３２５３７８号公報特開２００４−１００５３６号公報

自動車の内燃機関向けの燃料噴射弁においては、噴射された燃料噴霧の形状が、エンジンの燃焼性能に影響することが知られている。筒内噴射型エンジン用のインジェクタでは、燃料噴射時の燃焼室壁面付着を避けるため、筒内の燃焼室の形状に合わせた最適形状およびペネトレーション（貫通力）の燃料噴霧を噴射することが要求されている。特に、昨今のエンジンのダウンサイジング化もあり、ペネトレーションを低減することが望まれ、燃焼室内において燃料噴霧が指向する場所によってペネトレーションを小さくすることも望まれる。燃料噴射孔を２個以上有するようなマルチホールタイプの燃料噴射弁では、燃料噴射孔毎にペネトレーションが異なるため、燃料噴射孔毎にペネトレーションを制御できることが望ましい。

一方で、燃料噴霧のペネトレーションは、噴射時の燃料の速度、燃料噴射孔面積に依存し、これらが大きくなるほどペネトレーションは長くなる。従って、要求される噴射量を満足しつつ、燃料速度、燃料噴射孔面積（≒孔径）を制御してやる必要がある。後者の燃料噴射孔面積で制御しようとすると、１個の燃料噴射弁でも燃料噴射孔の径が多種類となるため、生産性及び信頼性が低下する。このため、前者の燃料速度を制御する方法が望ましい。

上記２つの従来の燃料噴射弁では、複数の燃料噴射孔が複雑な構成をしていたり、１個の燃料噴射孔しか備えていないなど、複数の燃料噴射孔において燃料速度を個々に異ならせ、各燃料噴射孔から噴射される燃料噴霧のペネトレーションを異ならせることができる燃料噴射弁を、生産性及び信頼性を高めて提供することについての配慮が十分ではなかった。

本発明の目的は、燃料噴射孔を２個以上有するようなマルチホールタイプの燃料噴射弁に関して、生産性及び信頼性の低下を最小限に抑えつつ、燃料噴射孔毎の燃料の流速を個別に設定し、さらには燃料噴射孔毎の燃料噴霧のペネトレーションを設定することができる燃料噴射弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、弁座と当接することによって燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記弁体の駆動手段と、前記弁座と前記弁体との当接部よりも下流側に位置する複数の燃料噴射孔と、前記弁座と前記弁体との当接部よりも上流側でかつ前記当接部の近傍で前記弁体の動きをガイドするガイドと、前記ガイドの上流側と下流側とを連通する燃料流路とを有する燃料噴射弁において、前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路を、その断面積の分布が、弁体の中心軸線を囲む周方向に、不均一になるように配置したものである。

前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路は前記ガイドを形成する部材に形成するとよい。前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路を複数設け、各燃料流路の周方向における配置の間隔を不等間隔にするとよい。前記ガイドの上流側と下流側とを連通する複数の前記燃料流路のうち、少なくとも２つの燃料流路において横断面積が異なるようにするとよい。周方向に１８０度ずつ２つの角度範囲に分割した場合に、前記ガイドの上流側と下流側とを連通する複数の前記燃料流路の全てが、一方の角度範囲に存在するようにするとよい。前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路を一つだけ設けてもよい。

本発明によれば、燃料噴射孔を２個以上有するようなマルチホールタイプの燃料噴射弁に関して、生産性及び信頼性の低下を最小限に抑えつつ、燃料噴射孔毎の燃料の流速を個別に設定し、さらには燃料噴射孔毎の燃料噴霧のペネトレーションを設定することができる。これにより、エンジンの燃焼性能を最適に設定することができる。

電磁式燃料噴射弁の実施形態を示す断面図。電磁式燃料噴射弁の可動子及び弁体の衝突部近傍を拡大した断面図。本発明との比較例である燃料噴射弁におけるＰＲガイド部近傍の断面図。本発明に係る燃料噴射弁におけるＰＲガイド部近傍の断面図。本発明に係るシート上流ボリューム図。

以下、実施例を説明する。

図１は、電磁式燃料噴射弁の縦断面図であり、図２は磁気吸引力を発生する磁気コア１０１と可動子１０２の近傍を拡大した拡大図である。図１及び図２に示した燃料噴射弁は通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射弁）であり、コイル１０５に通電されていない状態では第１の付勢ばね１０６によって弁体１０３は弁座１１３が形成されたノズル１１１に密着させられ、弁は閉じた状態になっている。この閉弁状態においては、可動子１０２は第２の付勢ばね１０８によって開弁方向に付勢され、弁体１０３の拡径部１０３ａの下端面に接触している。そして、可動子１０２と磁気コア１０１との間には隙間がある状態となっている。この隙間の大きさが開弁時の弁体１０３のリフト量と一致し、これをストロークと呼ぶ。弁体１０３を磁気コア１０１側でガイドする第１の弁体ガイド１０４が弁体１０３を内包するハウジング１１０に固定されており、この第１の弁体ガイド１０４が第２の付勢ばね１０８のばね座を構成している。また、弁体１０３を燃料噴射孔側でガイドする第２の弁体ガイド１１２も弁体１０３を内包するハウジング１１０に固定されており、第２の弁体ガイド１１２には燃料配管側から燃料噴射孔側へと燃料を供給する燃料通路３０２〜３０５（図４参照）が設けられている。なお、第１の付勢ばね１０６は弁体１０３に設けられた拡径部１０３ａの上端面とバネ押さえ１０７との間に設けられており、第１の付勢ばね１０６による付勢力は、磁気コア１０１の内径に固定されるバネ押さえ１０７の押し込み量によって組み立て時に調整されている。

コイル１０５と磁気コア（単にコアとも言う）１０１とは弁体１０３の駆動手段となる電磁石を構成する。第１の付勢ばね１０６は駆動手段による駆動力の向きとは逆向き（閉弁方向）に弁体１０３を付勢する。また第２の付勢ばね１０８は第１の付勢ばね１０６による付勢力よりも小さい付勢力で可動子１０２を駆動力の向き（開弁方向）に付勢する。

コイル１０５に電流が流れると、磁気コア１０１、可動子１０２、ヨーク１０９から構成される磁気回路に磁束が生じ、可動子１０２と磁気コア１０１との間の隙間にも磁束が通過する。この結果、可動子１０２には磁気吸引力が作用し、生じた磁気吸引力と第２の付勢ばね１０８による付勢力の和が、燃料圧力による力と第１の付勢ばね１０６による付勢力を超えたときに可動子１０２は磁気コア１０１の側に変位する。可動子１０２が変位する際には、可動子側の衝突面２０２と弁体側の衝突面（拡径部１０３ａの下端面）２０１との間で力を伝達し、弁体１０３も同時に変位することで、弁体１０３は開弁状態となる。

開弁状態からコイル１０５に流れている電流を停止すると、磁気回路を流れる磁束が減少し、可動子１０２と磁気コア１０１との間で働く磁気吸引力が低下する。ここで、弁体１０３にはたらく第１の付勢ばね１０６による付勢力は可動子側の衝突面２０１及び弁体側の衝突面２０２を介して可動子１０２に伝達される。このため、磁気吸引力と第２の付勢ばね１０８による付勢力の和を、燃料圧力による力と第１の付勢ばね１０６による付勢力の和が上回ると可動子１０２および弁体１０３は閉弁方向に変位し、弁は開弁状態となる。

図１及び図２で示されているように、弁体１０３が段付の棒状に形成されて弁体側の衝突面（当接面ともいう）２０１を形成すると共に、可動子１０２側は中心に弁体１０３の最外径よりも細い孔が設けられていることによって可動子側の衝突面（当接面ともいう）２０２を形成する。この結果、弁体側の衝突面２０１と可動子側の衝突面２０２との間で力の伝達がなされるため、可動子１０２と弁体１０３が分離された別部品として与えられた場合であっても電磁弁の基本的な開閉動作を行うことができる。衝突面２０１、２０２は可動子１０２の弁体１０３に対する駆動力の向きの相対変位を規制する規制手段となる。

可動子１０２側の衝突面２０２は第２の付勢ばね１０８による付勢力のみで弁体１０３側の衝突面２０１に当接する。また、可動子１０２は、弁座と当接して静止した状態から駆動力を受けた場合、動き始めるよりも前に、可動子１０２側の衝突面２０２が弁体１０３側の衝突面２０１に当接している。このとき、弁体１０３は弁座から離れる向きの移動については特にストッパを設けておらず、第１の付勢ばね１０６が縮みきった状態になったときそれ以上の移動を規制されることになる。すなわち弁座から離れる向きの移動を第１の付勢ばね１０６によってのみ規制されている。

図３は、本発明に係る第２の弁体ガイド１１２との比較例である第２の弁体ガイド１１２′を示している。この比較例における第２の弁体ガイドの図は、図１のＡ−Ａ矢視断面と同じ断面で示してある。この比較例では、全ての燃料流路（又は燃料通路とも言う）３０１の形状を同一にして、且つ周方向に等間隔に配置している。この燃料流路３０１の形状及び配置では、周方向に非周期的に流速分布を生じさせることはできず、噴霧パターンに応じた流速の制御を行うことはできず、燃料噴孔毎にペネトレーションを異ならせることは困難である。

図４は、図１のＡ−Ａ矢視断面であり、本発明に係る第２の弁体ガイド１１２に形成した燃料流路（又は燃料通路とも言う）３０２、３０３、３０４、３０５の形状及び配置を示している。流路毎に流路の横断面（流れ方向に垂直な断面）の面積を異ならせている。また、各燃料流路（又は燃料通路とも言う）３０２〜３０５を周方向に不均一（非周期的）に配置している。具体的には、弁体１０３或いはその中心軸線１１５（燃料噴射弁の中心軸線と一致している）を囲む周方向において、１８０度ずつに２分割した角度範囲のうち、一方の角度範囲θａ側に４個の燃料流路３０２〜３０５を配置し、他方の角度範囲θｂ側には燃料流路を配置していない。また、角度範囲θａ側に配置した４個の燃料流路３０２〜３０５については、燃料流路３０２と燃料流路３０３との間の角度間隔θ₁、燃料流路３０３と燃料流路３０４との間の角度間隔θ₂、燃料流路３０４と燃料流路３０５との間の角度間隔θ₃はそれぞれ異なるように不等間隔で配置している。こうすることにより、角度範囲θａ側には大きな流路総断面積が確保され、一方で角度範囲θｂ側は流路断面積が確保されていないため、角度範囲θａ側の燃料噴射孔に流れ込む燃料の速度と角度範囲θｂ側の燃料噴射孔に流れ込む燃料の速度とに差が生じることとなる。流路の総断面積が大きく確保されているほうが噴射孔に流れ込む燃料速度も大きく、流路の総断面積が小さいほうが速度も小さい。従って、噴霧のペネトレーションを短くしたい側の流速を落とすために、そちら側の燃料流路の総断面積を小さくすればよい。燃料流路３０２〜３０５の下流側では整流作用が働く場合がある。全ての燃料流路３０２〜３０５を角度範囲θａ側に配置することにより、燃料流路３０２〜３０５の下流側の流れに極端な偏りを生じさせることができ、各燃料噴射孔１１４に流入する燃料の流速を確実に異ならせ、噴霧のペネトレーションを異ならせることが容易になる。

尚、燃料流路を燃料流路３０２と燃料流路３０３との２つで構成する場合、燃料流路３０２と燃料流路３０３のいずれか一方の燃料流路（例えば燃料流路３０２）から見て、周方向右回りにとった他方の燃料流路（例えば燃料流路３０３）までの角度間隔と、周方向左回りにとった他方の燃料流路（例えば燃料流路３０３）までの角度間隔とが異なっていれば、燃料通路は周方向に不均一に配置され、或いは不等間隔に配置されていることになる。この場合も、複数の燃料噴射孔１１４から噴射される燃料噴霧のペネトレーションが異なっていることが必要である。

本実施例では、角度範囲θｂ側には燃料流路を設けていないが、角度範囲θｂ側に燃料流路を設けてもよい。複数の燃料噴射孔１１４に流入する燃料の流速に速度差が生じ、結果として複数の燃料噴射孔１１４から噴射される燃料噴霧のペネトレーションに所望の差が生じるように、適宜燃料流路の横断面積、数、角度間隔を決めればよい。尚、少なくとも２つの燃料噴射孔１１４の間で、燃料噴霧のペネトレーションに差が生じるようにすれば良く、全ての燃料噴霧のペネトレーションの間で差が生じている必要はない。

この燃料通路は１ヶであっても燃料噴射弁の軸心に対し偏芯させて配置すれば同じ効果となる。

更に、この１ヶまたは複数個の燃料通路は円形に限るものではない。また、弁体１０３をガイドするガイド面（案内面）を切り欠くような形態で設けられてもよい。または、第２の弁体ガイド１１２の外周面を切り欠くような形態で設けられてもよい。あるいは、弁体の先端にボールを設けたボール弁とし、第２の弁体ガイド１１２がボール弁の球面をガイドするようにし、第２の弁体ガイド１１２によってガイドされる球面部分と球面部分との間に平面あるいは凹部で形成された切り欠き部を設けて燃料流路を形成した形態であってもよい。シート部のすぐ上流側に位置する弁体のガイド部材或いはガイド部に形成した燃料流路が、上記のいずれのような形態であっても、同様な効果が得られるようにすればよい。

また、図５に本実施例のシート部上流ボリュームの設定方法を示す。弁体１０３と弁座１１３とが当接し、この当接部において燃料通路が閉じられている。この当接部は、弁体１０３側に構成される環状の当接部１０３ｂと、弁座１１３側に構成される環状の当接部１１３ａとによって構成されており、当接部１０３ｂと当接部１１３ａとがシート部を構成する。

シート部上流ボリュームとは、第２の弁体ガイド１１２の下面から弁体１０３と弁座１１３との当接面であるシート部までの領域を言う。従来はこの領域で流速が平均化されることにより、第２の弁体ガイド１１２の燃料流路は、燃料噴射孔への流入速度に影響しないと考えられてきた。しかしながら、今回の研究でシート部上流ボリューム３０６の値が１５mm³以下の場合、第２の弁体ガイド１１２の燃料流路が燃料噴射孔への流入速度に影響を与えるということが明らかとなった。従って、シート部上流ボリュームが１５mm³以下のときには、第２の弁体ガイド１１２の燃料流路の横断面積、形状及び配置を制御してやることにより、噴霧のペネトレーションを制御することが可能である。

弁体１０３を動かす駆動力は本実施例ではコイルを用いた電磁力を使ったものであるが、ピエゾ、磁歪で発生するものにおいても適応できる。

１０１磁気コア
１０２可動子（アンカ）
１０３弁体
１０４第１の弁体ガイド
１０５コイル
１０６第１の付勢ばね
１０７バネ押さえ
１０８第２の付勢ばね
１０９ヨーク
１１０ハウジング
１１１ノズル
１１２第２の弁体ガイド
２０１弁体側衝突部
２０２アンカ側衝突部
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５ガイド部の燃料流路
３０６シート部上流ボリューム（１５mm³以下）

Claims

弁座と当接することによって燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記弁体の駆動手段と、前記弁座と前記弁体との当接部よりも下流側に位置する複数の燃料噴射孔と、前記弁座と前記弁体との当接部よりも上流側でかつ前記当接部の近傍で前記弁体の動きをガイドするガイドと、前記ガイドの上流側と下流側とを連通する燃料流路とを有する燃料噴射弁において、
前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路を、その断面積の分布が、弁体の中心軸線を囲む周方向に、不均一になるように配置され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、
前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路は前記ガイドを形成する部材に形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項２に記載の燃料噴射弁において、
前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路は複数設けられており、各燃料流路の周方向における配置の間隔が不等間隔であることを特徴とする燃料噴射弁。
請求項３に記載の燃料噴射弁において、
前記ガイドの上流側と下流側とを連通する複数の前記燃料流路のうち、少なくとも２つの燃料流路において横断面積が異なることを特徴とする燃料噴射弁。
請求項４に記載の燃料噴射弁において、
周方向に１８０度ずつ２つの角度範囲に分割した場合に、前記ガイドの上流側と下流側とを連通する複数の前記燃料流路の全てが、一方の角度範囲に存在する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、
前記ガイドの上流側と下流側とを連通する前記燃料流路を一つだけ設けたことを特徴とする燃料噴射弁。