JP2013194725A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁が向いている方向に障害物があったときに、障害物に燃料が付着することを抑制し、内燃機関の燃焼効率を向上させることができる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】ノズルプレートを軸方向から見て、燃料噴射孔のスワール付与室側の開口部の軸と、燃料噴射孔の吸気ポート側の開口部の軸とをずらして配置し、二又の吸気ポートに向かって燃料を2方向に噴射するようにした。
【選択図】図３

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、スワール室が形成された通路プレートと、スワール室に開口する燃料噴孔が形成されたインジェクタプレートとが弁座部材に溶接された燃料噴射弁が開示されている。

特許３７８４７４８号公報

上記特許文献１の燃料噴射弁では、燃料噴孔とほぼ同心円状に燃料が広がって噴霧されるため、燃料噴射弁が向いている方向に障害物があったときには、障害物に燃料が付着し、内燃機関の燃焼効率が悪化するおそれがあった。
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、障害物に燃料が付着することを抑制することができる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、ノズルプレートを軸方向から見て、燃料噴射孔のスワール付与室側の開口部の軸と、燃料噴射孔の吸気ポート側の開口部の軸とをずらして配置し、二又の吸気ポートに向かって燃料を2方向に噴射するようにした。

本発明により、障害物に燃料が付着することを抑制し、内燃機関の燃焼効率を向上させることができる。

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平面図である。 実施例１のシリンダヘッドとシリンダブロックの一部を示す断面図である。 実施例１のスワール室および燃料噴射孔の斜視図に燃料の流れを記載した図である。 実施例１の燃料噴射孔から噴射された燃料が広がる方向について説明する図である。 実施例１の燃料噴射孔内を旋回する燃料の様子を示す図である。 実施例１の燃料噴射孔の下流側開口部の燃料液膜を示す図である。 実施例１のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 実施例１の吸気ポートの模式図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。 他の実施例のノズルプレートを上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。

〔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、吸気ポート49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、自生筒体2内を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側開口部31と、弁座6の他端側に開口する下流側開口部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、約角度45°で弁体保持孔30から下流側開口部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を軸方向一端側（上流側）から見た平面図である。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2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。なお、スワール付与室46は、ノズルプレート8を上流側から見た状態で、燃料がスワール付与室46内を左回りに旋回するように形成されている。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。
各燃料噴射孔44は円筒形に穿設できる工具によって、ノズルプレート8の軸方向に対して斜め方向に穿設されている。これにより燃料噴射孔44のスワール付与室46側の上流側開口部44aの軸とその反対側の下流側開口部44bの軸はずれて配置されていることとなる。なお、各燃料噴射孔44は、ノズルプレート8を上流側から見た状態で、上流側開口部44aの中心（上流側開口部中心44c）と下流側開口部44bの中心（下流側開口部中心44d）とを通る直線が連通路45の軸線とほぼ垂直に交わり、上流側開口部中心44cから下流側開口部中心44dへ向かう方向（以下、この方向のことを方向Aと記載する）は連通路45側に向くように形成されている。

［燃料噴射弁の取り付け位置］
図４はシリンダヘッド51とシリンダブロック59の一部を示す断面図である。実施例１のエンジンは4バルブ式のものであって、1つの燃焼室56に対して吸気側に2つのバルブ50、排気側にも2つのバルブ57が設けられている。シリンダヘッド51内には、燃焼室56に空気と燃料の混合気を送る吸気ポート49と、燃焼室56内の排気を排出する排気ポート58が形成されている。吸気ポート49は、１本の管が途中で２本に分離しており分離点に壁49aが形成されている。そして分離後のそれぞれの管にバルブ50が設けられている。燃料噴射弁1は、吸気ポート49の壁49aよりも上流側に燃料を噴射するようにシリンダヘッド51に取り付けられている。

［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５はスワール室41および燃料噴射孔44の斜視図に燃料の流れを記載した図である。
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。このとき燃料はノズルプレート8を上流側から見た状態で左回りに旋回する。
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略中空円錐状の噴霧表面で燃料が膜状となる液膜状態となる。その後、膜状であった燃料噴霧が次第に分裂し始めて液糸状態となる。そして更に分裂が進み、燃料が粒状に分裂した液滴状態となる。

（燃料噴射の2方向化）
従来、燃料噴射孔は、ノズルプレートの軸方向と平行に穿設されており、燃料噴射孔から噴射された燃料噴霧は円錐状に広がって、燃料は吸入ポート全体に向け噴霧されるようになっていた。しかし、現在の多くの車両のエンジンでは、４バルブ式のものが採用されており、吸気ポートが途中で二又に分かれるようになっているため、二又に分かれる部分の壁に多くの燃料が付着していた。吸入ポートの壁に燃料が付着すると液滴となっていた燃料同士が合体し、ある程度粒径が大きくなったところで壁を伝って燃焼室内に入ることとなる。燃料の粒径が大きいと燃焼室内での燃料の気化が十分に行われず、エンジンの燃焼効率を悪化させることとなる。さらにエンジンの燃焼効率が悪化することで低温始動時の窒素酸化物等の発生量が多くなるおそれがある。
そこで実施例１では、ノズルプレート8を軸方向から見て、燃料噴射孔44のスワール付与室46側の上流側開口部44aの軸と、燃料噴射孔44の吸気ポート49側の下流側開口部44bの軸とをずらして配置するようにした。これにより、燃料噴射弁1から2方向に燃料を噴霧することが可能となった。以下、詳しく説明する。

図６は燃料噴射孔44から噴射された燃料が広がる方向について説明する図である。図６に示すように、燃料噴霧は、方向A（ノズルプレート8を上流側から見た状態で、上流側開口部中心44cから下流側開口部中心44dに向かう方向）に対して、燃料の旋回方向に約90度回転した方向に広がる。

燃料噴霧が上記のように広がる理由について説明する。図７は燃料噴射孔44内を旋回する燃料の様子を示す図である。図８は燃料噴射孔44の下流側開口部44bの燃料液膜を示す図である。
スワール付与室46内を旋回した燃料は燃料噴射孔44の周壁に沿って液膜が形成される。燃料の旋回中心には空気が進入して空洞が形成される。燃料噴射孔44内を燃料が下流側に移動するときには、燃料には旋回方向の力に加えて下流方向への力も作用する。そのため、ノズルプレート8の軸線と平行な直線L1に対する旋回中心線L2の傾きαは、燃料噴射孔44の軸線L3の傾きβに対して小さくなる。つまり下流側開口部44bでは、方向Aの液膜の厚さが、方向Aの反対側の液膜の厚さよりも大きくなる（図８の範囲B）。
範囲Bに示した液膜は下流側開口部44bの接線方向に飛び出すため、方向Aに対して燃料の旋回方向に約90度回転した方向に燃料噴霧が広がることとなる。
図９はノズルプレート8を上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。図９に示すように、実施例１ではノズルプレート8にスワール室41を2つ設けているため、2方向に燃料を噴霧することが可能となる。
図１０は吸気ポート49の模式図である。実施例１の燃料噴射弁1では、2方向に燃料を噴霧することが可能となったため、吸気ポート49の壁49aを避けて燃料を噴霧することができる。

［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）エンジンの燃焼室56内に空気および燃料の混合気を供給する吸気ポート49内であって、吸気ポート49が二又に分かれる部分よりも上流側で燃料を噴射する燃料噴射弁1において、弁体4と、閉弁時に弁体4が座る弁座6が一端側に形成された弁座部材7と、弁座部材7の他端側に形成され、燃料に旋回力を付与する複数のスワール付与室46と、各スワール付与室46に連通して旋回力が付与された燃料を噴射する燃料噴射孔44を形成したノズルプレート8と、を設け、ノズルプレート8を軸方向から見て、燃料噴射孔44のスワール付与室46側の上流側開口部44aの軸と、燃料噴射孔44の吸気ポート49側の下流側開口部44bの軸とをずらして配置し、二又の吸気ポート49に向かって燃料を2方向に噴射するようにした。
これにより、2方向に燃料を噴霧することが可能となり、吸気ポート49の壁49aを避けて燃料を噴霧することができる。そのため、吸気ポート49の壁49aに燃料が付着することを抑制することが可能となり、液滴の粒径が小さい状態で燃焼室内に空気と燃料の混合気を供給することができる。よって、燃焼室内での燃料の気化を促進することが可能となり、エンジンの燃焼効率を向上させることができる。更に、エンジンの燃焼効率を向上することで、低温始動時の窒素酸化物等の発生を抑制することができる。
（２）燃料噴射孔44を、ノズルプレート8の軸方向に対して燃料噴射孔44の軸が傾斜するように形成した。
これにより燃料噴射孔44の上流側開口部44aの軸と下流側開口部44bの軸とをずらして配置する形状を、例えばプレス加工、ドリル切削加工、放電加工等、加工方法によらず容易に傾斜した燃料噴射孔44を１回の加工で形成することが可能となり、加工性を向上させることができる。

〔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。
（旋回方向の変更）
図１１、図１２はノズルプレート8を上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。実施例１の燃料噴射弁1では、ノズルプレート8を上流側から見た状態で、スワール付与室46を、燃料がスワール付与室46内を左回りに旋回するように形成した。この構成を、図１１に示すように、ノズルプレート8を上流側から見た状態で、スワール付与室46を燃料がスワール付与室46内を右回りに旋回するように形成しても良い。また図１２のように、ノズルプレート8を上流側から見た状態で、一方のスワール付与室46を燃料がスワール付与室46内を左回りに旋回するように形成し、他方のスワール付与室46を燃料がスワール付与室46内を右回りに旋回するように形成しても良い。

（スワール室の配置の変更）
図１２〜図１６はノズルプレート8を上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。実施例１の燃料噴射弁1では、スワール室41をノズルプレート8の中心に対して点対称となるように配置した。この構成を、図１２〜図１６に示すようにスワール室41をノズルプレート8の中心に対して点対称とならないように配置しても良い。
（スワール室の数の変更）
図１７〜図２７はノズルプレート8を上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。実施例１の燃料噴射弁1では、スワール室41を２つ設けた。この構成を図１７〜図１９に示すようにスワール室41を３つ設けても良いし、図２０〜図２７に示すようにスワール室41を４つ設けても良い。
（中央室の有無）
図２８はノズルプレート8を上流側から見た平面図と燃料噴霧の方向を示す図である。実施例１の燃料噴射弁1では中央室42を設けていたが、図２８に示すように中央室42を設けないようにしても良い。今回の課題の解決方法において、中央室42の有無は影響しない。同様に、図１１から図１２における形状についても中央室42を設けない形状としても良い。

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
46b 延長壁
48 下流側開口部（開口部）

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室内に空気および燃料の混合気を供給する吸気ポート内であって、前記吸気ポートが二又に分かれる部分よりも上流側で燃料を噴射する燃料噴射弁において、
   弁体と、
   閉弁時に前記弁体が座る弁座が一端側に形成された弁座部材と、
   前記弁座部材の他端側に形成され、燃料に旋回力を付与する複数のスワール付与室と、
   各スワール付与室に連通して前記旋回力が付与された燃料を噴射する燃料噴射孔を形成したノズルプレートと、
   を設け、
   前記ノズルプレートを軸方向から見て、前記燃料噴射孔の前記スワール付与室側の開口部の軸と、前記燃料噴射孔の前記吸気ポート側の開口部の軸とをずらして配置し、前記二又の吸気ポートに向かって燃料を2方向に噴射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、
   前記燃料噴射孔を、前記ノズルプレートの軸方向に対して前記燃料噴射孔の軸が傾斜するように形成したことを特徴とする燃料噴射弁。

Images