JP2014148956A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、シート部上流に旋回を与え噴霧ペネトレーションを短くする燃料噴射弁を提供することにある。
【解決手段】
噴孔入口への流入を矢印１０１ａ〜１０６a、噴孔出口方向は前記載の矢印２０１〜２０６とすると、噴孔７１の流入方向１０１ａと出口方向２０１のなす角度αを大きくすることが可能である。ねじれ角αを付与する方法は、ガイド部材１２ａの外周側に、側溝１５ａは軸線Ｏ１に対してねじれを伴うように設定される。さらに側溝１５ａの流路面積は、ガイド部材１２ａの上流の流路面積よりも小さく設定され、かつ弁体７とオリフィスカップ７との隙間で構成されるシート部７Ｂの流路面積よりは大きく設定される。
【選択図】図１１

Description

本発明は、自動車用内燃機関用の燃料噴射弁に関する。

自動車等の内燃機関においては、エンジン制御ユニットからの電気信号により駆動する電磁式の燃料噴射弁が広く用いられている。

この種の燃料噴射弁は、吸気配管に取り付けられ燃焼室内部に間接的に燃料を噴射するポート噴射と呼ばれるものと、直接的に燃料を燃焼室内部へ噴射する直接噴射タイプと呼ばれるものとが存在する。

後者の直接噴射タイプにおいては、噴射した燃料が形成する噴霧形状が燃焼性能を決定することになる。そこで、所望の燃焼性能を得るために噴霧形状の最適化が必要となる。ここで、噴霧形状の最適化とは、噴霧方向及び噴霧長さと言い換えることができる。

燃料噴射弁として、移動可能に設けられた弁体と、弁体を駆動するための駆動手段と、弁体が離接する弁座と、弁座の下流に設けられた複数のオリフィスとを備え、複数のオリフィスがノズルの中心軸線に対してそれぞれ異なる角度方向に形成された燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。
燃料噴射弁から噴出される噴霧は、ほぼ噴孔が加工される軸方向へ噴出されることが知られている。特許文献１に記載された燃料噴射弁のように、噴孔（オリフィス）が複数あるタイプの燃料噴射弁では、噴孔方向の加工精度をあげることが求められる。また、燃焼室内の大きさ、ピストン表面の形状、空気制御用のバルブ（吸入バルブや排気バルブ）との干渉をなるべく避け、排気ガス成分（特に未燃焼ガス成分であるすすなど）の発生を低減するために、各噴孔から噴出される噴霧の長さを短く制御することが求められている。

特許文献１に記載の燃料噴射弁では、複数の噴孔の噴霧長さについては配慮されていない。各噴孔の噴霧長さを制御する方法として、複数の噴孔の穴径を変えることが考えられる。一般には、噴霧長さが必要とする噴孔では穴径の寸法を大きく設定し、噴霧長さを短くしか必要としない噴孔では穴径の寸法を小さく設定することで、各噴孔の噴霧長さを制御することが可能である。

特開２００８−１０１４９９号公報

従来の噴射弁では、複数の噴孔の穴径を変える場合には各噴孔に応じた穴径を加工ツールを複数用意して、噴孔毎に異なるツールを使って加工を行う必要があり燃料噴射弁の製造コストも高くなる。本発明の目的は、各噴孔入口に旋回成分を付与し、各噴孔から噴出される噴霧長さを短く制御する燃料噴射弁を提供することにある。

本発明では、複数の噴孔と、前記噴孔の上流側に設けられたシート部と、前記シート部と接触することにより閉弁状態となり、前記シート部から離れることによって開弁状態となる弁体と、前記噴孔の入口側開口と前記シート部とが形成され上流側から下流側に向けて先細りとなる略円錐状の円錐形状部とを備えた燃料噴射弁において、
前記複数の噴孔への流体流入方向は、シート部上流部の位相からシート部へは複数の燃料通路が形成され、前記燃料通路は燃料噴射弁本体の中心軸線とはねじれの関係にあることとした。

本発明によれば、噴孔から噴出される噴霧長さを制御することで燃焼室内およびピストンへの燃料付着を抑制でき、排気性能（特に未燃焼成分の抑制）の向上が可能な燃料噴射弁の提供が可能となる。

本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図。 従来のガイド部材を示す上面図と側面図。 オリフィスカップ近傍と従来のガイド部材を示す縦断面図 図３のＡ−Ａ断面で、シート部を上流より示す図。 図４のシート部近傍の拡大図と噴孔への流入・流出への状態を示す図。 図５の噴孔７１の横断面図。 図５の噴孔７１の出口部８１のコンター図。 図５の噴孔７２の横断面図。 図５の噴孔７２の出口部８２のコンター図。 本発明の実施例に係るねじれ角をもつシート部近傍の拡大図と噴孔への流入・流出への状態を示す図。 本発明の実施形態を表すガイド部材を示す上面図と側面図。 オリフィスカップ近傍と図１１ガイド部材を示す縦断面図。 図１２のＢ−Ｂ断面で、シート部を上流より示す図。 （ａ）本発明の別実施形態を表すガイド部材を示す上面図。（ｂ）図１４ＡのＣ−Ｃ断面図。 （ａ）本発明の別実施形態を表すガイド部材を示す上面図。（ｂ）図１５ＡのＤ−Ｄ断面図

本発明に係る実施例を、以下の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。本実施例の燃料噴射弁は、ガソリン等の燃料をエンジンの気筒（燃焼室）に直接噴射する燃料噴射弁である。

燃料噴射弁本体１は、中空の固定コア２、ハウジングを兼ねるヨーク３、可動子４、ノズルボディ５を有する。可動子４は、可動コア４０と可動弁体４１からなる。固定コア２、ヨーク３、可動コア４０は、磁気回路の構成要素となる。

ヨーク３とノズルボディ５と固定コア２とは、溶接により結合される。この結合態様は、種々のものがあるが、本実施例では、ノズルボディ５の一部内周が、固定コア２の一部外周に嵌合した状態でノズルボディ５と固定コア２とが溶接結合されている。さらに、このノズルボディ５の一部外周をヨーク３が囲むようにしてノズルボディ５とヨーク３とが溶接結合されている。ヨーク３の内側には電磁コイル６が組み込まれる。電磁コイル６は、ヨーク３と樹脂カバー２３とノズルボディ５の一部によって、シール性を保って覆われている。

ノズルボディ５の内部には、可動子４が軸方向に移動可能に組み込まれている。ノズルボディ５の先端には、ノズルボディの一部となるオリフィスカップ７が溶接により固定されている。オリフィスカップ７は、後述する噴孔（オリフィス）７１〜７６と、シート部７Ｂを含む円錐面７Ａを有する。

固定コア２の内部には、可動子４をシート部７Ｂに押し付けるばね８と、このばね８のばね力を調整するアジャスタ９とフィルタ１０とが組み込まれている。

ノズルボディ５内部及びオリフィスカップ７内部には、可動子４の軸方向の移動を案内するガイド部材１２が設けられている。ガイド部材１２はオリフィスカップ７に固定されている。なお、可動子４の軸方向の移動を可動コア４０の近くで案内するガイド部材１１が設けられており、可動子４は上下配置のガイド部材１１と１２とにより、軸方向の移動を案内されている。

本実施例の弁体（バルブロッド）４１は、先端が先細りのニードルタイプのものを示すが、先端に球体を設けたタイプのものであってもよい。

燃料噴射弁内の燃料通路は、固定コア２の内部と、可動コア４０に設けた複数の孔１３と、ガイド部材１１に設けた複数の燃料通路１４と、ノズルボディ５の内部と、ガイド部材１２に設けた複数の側溝１５と、シート部７Ｂを含む円錐面７Ａとで構成される。

樹脂カバー２３には、電磁コイル６に励磁電流（パルス電流）を供給するコネクタ部２３Ａが設けられ、樹脂カバー２３により絶縁されたリード端子１８の一部がコネクタ部２３Ａに位置する。

このリード端子１８を介して、外部駆動回路（図示せず）によりヨーク３に収納された電磁コイル６を励磁すると、固定コア２、ヨーク３及び可動コア４０が磁気回路を形成し、可動子４は固定コア２側にばね８の力に抗して磁気吸引される。この時、可動弁体４１はシート部７Ｂから離れ開弁状態になり、外部高圧ポンプ（図示せず）で予め昇圧（１ＭＰa以上）されている燃料噴射弁本体１内の燃料が、噴孔７１〜７６から噴射される。

電磁コイル６の励磁をオフすると、ばね８の力で弁体４１がシート部７Ｂ側に押し付けられ閉弁状態になる。
ここで、ガイド部材１２からシート部７Ｂを通り噴孔７１〜７６へ流入する主燃料通路について説明する。ガイド部材１２より下流へ流体が流れる際、ガイド部材１２と可動弁体４１とで形成される僅かな隙間ＡＡと、ガイド部材１２に設けた複数の側溝１５とに流れが分断されるが、隙間ＡＡの面積は側溝１５により形成される面積より遥かに小さく、側溝１５に流体の流れは集中する。そのため、側溝１５を通り、シート部７Ｂを通り噴孔７１〜７６の流れを主燃料通路と呼ぶ。
図２に示すように、従来ガイド部材１２の側溝１５は、燃料噴射弁軸Ｏ１に平行方向になるよう燃料通路を形成している。その為、燃料が側溝１５を通過した後の流体はシート部７Ｂに向かうにつれ流路面積の減少とともに縮流していくが、流れのベクトルはオリフィスカップ７の円錐面に沿う方向と燃料噴射弁軸Ｏ１とほぼ同じ方向で通過していく。
図４に図３のＡ−Ａ断面を示す。オリフィスカップ７を上流側からみた状態で、シート部７Ｂを表すように弁体４１を除いた状態をしめす。このシート部７Ｂ近傍の流体流れを図５に示す。前述のように流れは円錐面および燃料噴射弁軸Ｏ１とほぼ同じ方向で進むため、シート部７Ｂを通過する際にはほぼ放射状に円錐面外側から燃料噴射弁中心方向へ流体が流入する形態となる。噴孔７１〜７６への流入矢印１０１〜１０６はほぼ燃料噴射弁中心軸方向に向く。
ここで、噴孔７１〜７６の入口を実線８１〜８６、出口を点線９１〜９６で示し、噴孔出口方向を矢印２０１〜２０６で表す。また、噴孔入口８１と噴孔出口９１の中心を通る軸線をＯ１０１とする。同様に各噴孔の中心軸線をＯ１０２とする。軸線Ｏ１０１と燃料噴射弁軸線Ｏ１を通る面での噴孔７１内部流れを図６、軸線Ｏ１０１に垂直で噴孔出口９１を通る面での流れを図７に表す。
噴孔７１ では、流入方向１０１・出口方向２０１がほぼ一致していることから、図６における軸線Ｏ１０１方向の速度成分が大きい。そのため、噴孔出口９１からの流体は鉛直軸方向の速い速度成分を持ったまま噴出される。
一方噴孔８２では、流入方向１０２・出口方向２０２にて形成する角度α（α；０度〜９０度）が付与されている。この角度αにより噴孔内部の流体にねじれる効果が発生する。このねじれにより、軸線Ｏ１０２方向に垂直な面成分方向の速度（以下、面内流速と呼ぶ）が付与されることがわかる。この面内流速が付与されることで、噴孔出口８２から流体が噴出される際に、軸線Ｏ１０２方向の速度が低減し、軸線Ｏ１０２に垂直な面方向すなわち広がり方向に流体が進むことになる。
噴孔８２で示したねじれ角αを積極的に各噴孔に与えるための本発明である実施例を以下に示す。 図１０に示すように、噴孔入口への流入を矢印１０１ａ〜１０６a、噴孔出口方向は前記載の矢印２０１〜２０６とすると、噴孔７１の流入方向１０１ａと出口方向２０１のなす角度αは図５の噴口７１に対して大きくすることが可能である。これにより噴孔内部の流体にねじれる効果が増すことがわかる。
特に本効果が顕著に現れるのは、図５で示す噴孔７１や噴孔７４のように噴孔への流入方向１０１（及び流入方向１０４）と噴孔出口方向２０１（及び出口方向２０４）にて形成する角度αがほぼ０度である場合である。
一方で図１０に示す噴孔７６の流入方向１０６ａと噴孔出口方向２０６で形成されるねじれ角度は、図５に示すねじれ角に対して小さくなる傾向である。しかし、流入方向１０６aは噴孔７６へ流入する際、ねじれ成分を伴うことにより、前記ねじれ角が小さくなる効果に対し噴孔７６内部で発生する旋回成分の効果により面内流速を付与することが可能である。
本発明である、ねじれ角αを付与する方法について述べる。図１１は本発明であるガイド部材１２ａを 上流側からの上視図と側面図を表す。ガイド部材１２ａは上流部に側溝１５ａを形成し下流側へ通じる。側溝１５ａは複数存在してもよい。上視図・側面図で示すように、側溝１５ａは軸線Ｏ１に対してねじれを伴う構造である。
図１２にガイド部材１２ａとオリフィスカップ７との組合せた断面図を示す。ガイド部材１２ａの外周はオリフィスカップ７内周面と略接する構造となり、これにより側溝１５ａとオリフィスカップ７の内周で形成される溝は主燃料通路となる。ここで可動弁体４１とガイド部材１２ａの内周面にできる隙間は、図２の構成とほぼ同等である。以上の構成により側溝１５ａを通過した燃料はガイド部材１２ａを通過した下流域にてねじれ成分をもちながら弁体４１とオリフィスカップ７の隙間を流れ、シート部７Ｂを通過し各噴口７１〜７６へと流入する。
さらに本発明ではガイド部材１２ａの側溝１５ａの流路面積は、ガイド部材１２ａの上流の流路面積よりも小さく設定される。また弁体７とオリフィスカップ７との隙間で構成されるシート部７Ｂの流路面積よりは大きく設定される。まず、上流からの流路面積を絞ることにより側溝１５ａで形成される噴霧旋回力を高める効果を期待でき、またシート部７Ｂよりも流路を大きく設定することで中間流路の局所絞りにならない範囲で使用することが必要である。側溝１５ａの流路面積は０．１８ｍｍ２より大きく８．１ｍｍ２より小さいことが条件となる。
図１４Ａは本実施例の別形態を表すガイド部材１２ｂの上面図を示す。ガイド１２ｂ上流側から下流側へ貫通する燃料通路１５ｂが構成される。燃料通路１５ｂは複数構成されていてもよい。 図１４Ｂは燃料通路１５ｂの横断面図を表している。燃料通路１５ｂの中心線Ｏ３０１は燃料噴射弁軸線Ｏ１に対してねじれの関係に構成される。燃料通路１５ｂの形状は便宜上略真円としているが、前述の流路面積の成立する範囲であれば特に形状は問わない。
図１５Ａは本実施例の別携帯を表すガイド部材１２ｃの上面図を示す。ガイド部材１２ｃの上流側から下流側へ貫通する燃料通路１５ｃが構成されており、燃料通路１５ｃは下流側出口における流路面積が絞られていても良い。図１５Ｂは燃料通路１５ｃの横断面図を示すが、ガイド部材１２ｂと同様に 中心線Ｏ３０２は燃料噴射弁軸線Ｏ１に対してねじれの関係に構成される。また、燃料通路１５ｃの形状も便宜上略深淵としているに過ぎない。
これら前述のガイド部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃは切削やプレスなどの工法にとどまらず焼結やＭＩＭ、ロストワックスなども考えられ、さらにはガイド部材（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）がオリフィスカップ７と一体化したものにおいても、本発明の効果である噴霧ペネトレーションの短縮化を十分に得ることが可能である。
また、噴霧ペネトレーションを短くする方法として、本発明のガイド部材を構成した燃料噴射弁と合わせ、弁体７とオリフィスカップ７上のシート部７Ｂとで構成される隙間（いわゆるストローク）を流れる流体速度すなわちシート部流速が一定値を超えるようにストローク量を設定する組合せにより、噴霧ペネトレーションをさらに短くすることが可能である。
さらに、本発明のガイド部材を構成した燃料噴射弁と、オリフィスカップ７に形成される噴孔入口形状を略真円に設定した場合、出口側を楕円形としさらに楕円の軸（この場合長軸、短軸どちらでも良い）を流入角度に対してねじれ角βをもたせる組合せにより、噴孔内部に流体ねじり力の効果が付与され、旋回流が強化されることで、噴霧ペネトレーションをさらに短くすることも可能である。

１ 燃料噴射弁本体
２ 固定コア
３ ヨーク
４ 可動子
５ ノズルボディ
６ 電磁コイル
７ オリフィスカップ
８ ばね
９ アジャスタ
１０ フィルタ
１１ ガイド部材
１２ ガイド部材
１３ 燃料通路
１４ 燃料通路
１５ 側溝
１８ リード端子
２３ 樹脂カバー
２３Ａ コネクタ部
４０ 可動コア
４１ 可動弁体
７１〜７６ 噴孔
７Ａ 円錐面
７Ｂ シート部
８１〜８６ 噴孔入口
９１〜９６ 噴孔出口
１０１〜１０６ 噴孔流入方向
１０１ａ〜１０６ａ 噴孔流入方向
２０１〜２０６ 噴孔出口方向
Ｏ１ 燃料噴射弁中心軸
Ｏ１０１〜Ｏ１０６ 噴孔中心軸
１２ａ ガイド部材
１５ａ ガイド部側溝
１２ｂ ガイド部材
１５ｂ ガイド部側溝
１２ｃ ガイド部材
１５ｃ ガイド部側溝

Claims (5)

1. 複数の噴孔と、前記噴孔の上流側に設けられたシート部と、前記シート部と接触することにより閉弁状態となり、前記シート部から離れることによって開弁状態となる弁体と、前記噴孔の入口側開口と前記シート部とが形成され上流側から下流側に向けて先細りとなる略円錐状の円錐形状部とを備えた燃料噴射弁において、
   前記複数の噴孔への流体流入方向は、シート部上流部からシート部へは複数の燃料通路が形成され、夫々の前記燃料通路は燃料噴射弁本体の中心軸線に対して互いに同じ傾斜をし、かつ前記燃料通路は燃料噴射弁本体の中心軸線とはねじれの関係にある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、
   前記シート部上流に弁体外周部を覆うガイド部材が構成され、
   前記ガイド部材の外周部に燃料通路が構成され、前記燃料通路は燃料噴射弁本体の中心軸線とねじれの関係に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、
   前記ガイド部材の流路面積は、ガイド部材の上流流路面積より小さく、
   前記シート部流路面積よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁
4. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記シート部上流に弁体外周部を覆うガイド部が構成され、
   前記ガイド部の外周に燃料通路が構成され、前記燃料通路は燃料噴射弁本体の中心軸線とねじれの関係にあり、
   前記燃料通路の流路面積は、ガイド部の上流流路面積より小さく、前記シート部流路面積よりも大きく、シート部とガイド部が同一の部品で形成されることを特徴とする燃料噴射弁
5. 請求項１，２の燃料噴射弁において、
   前記燃料通路の上流側流路面積よりも下流側流路面積が小さく設定されることを特徴とする燃料噴射弁