JP2014173478A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回流の周方向における均一性を高めた燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】上流側から下流側に向かって曲率が次第に大きくなるように形成された内周壁を有する旋回室２２ａと、弁軸方向に流入領域を有し旋回室２２ａに燃料を導入する旋回用通路２１ａと、旋回室２２ａに開口する燃料噴射孔２３ａとを備えた燃料噴射弁において、旋回用通路２１ａが旋回室２２ａの下流側に位置する燃料噴射孔２３ａ側に、旋回用通路２１ａを傾斜させて設けた。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関で使用される燃料噴射弁に係り、旋回燃料を噴射して微粒化性能を向上させ得る燃料噴射弁に関する。

複数個の燃料噴射孔から噴射される燃料の微粒化を、旋回流れを利用して促進する従来技術として、特許文献１に記載された燃料噴射弁が知られている。

この燃料噴射弁では、弁体と協働する弁座の下流端が前端面に開口する弁座部材と、この弁座部材の前端面に接合されるインジェクタプレートとの間に、前記弁座の下流端に連通する横方向通路と、この横方向通路の下流端が接線方向に開口するスワール室とを形成し、このスワール室でスワールを付与された燃料を噴射させる燃料噴射孔を前記インジェクタプレートに穿設し、前記燃料噴射孔を前記スワール室の中心から前記横方向通路の上流端側に所定距離オフセットして配置する。

この様な構成により、各々の燃料噴射孔からの燃料の微粒化を効果的に促進させることができる。

特許文献２に記載された燃料噴射弁は、不動の弁座を有する弁座体と、該弁座体と共働しかつ弁長手方向軸線に沿って軸方向に可能な弁閉鎖体と、弁座の下流に配置された孔付円板とが設けられており、該孔付円板が少なくとも１つの流入領域と少なくとも１つの流出開口とを有しており、少なくとも1つの流入領域を有する上側の機能平面が横断面で見て、少なくとも1つの流出開口を有する下側の機能平面とは異なった開口ジオメトリを備えている形式のものにおいて、弁座体が孔付円板の少なくとも1つの流入領域を部分的に直接的に下端面で覆っていて、少なくとも２つの流出開口が弁座体によって覆われている。

この様な構成により、燃料の霧化を改善する為の流れにおいてＳ字偏流が実現されていて、高い霧化品質を備えた噴霧形状を形成している。

特開２００３−３３６５６２号 特表２０００−５０８７３９号

旋回の周方向においてスワール強さが略対称（周方向の均一性が高い）となる旋回燃料を燃料噴射孔より噴射させるためには、燃料噴射孔の出口部において旋回流れを略対称（周方向の均一性が高い）とするために、スワール室（旋回室）形状や横方向通路（旋回用通路）を含めた流路形状の工夫が必要になる。特に、燃料流路の総容積は噴射特性の精度に影響（容積が大きくなると精度が悪化）するため、流路の容積を極力小さくして旋回室の周方向の流れの均一性を高める必要がある。

特許文献１や特許文献２に記載された従来技術では、弁軸方向より流入した燃料は、それぞれ直角方向に延びる横方向通路を介して旋回室に至る。このような流路構成では、燃料は横方向通路の入口部で急激に流れ方向が変化するため流路断面内に偏った流れを誘起する。このような偏った流れが十分整流されないまま旋回室に至ると、燃料噴射孔側への急峻な流れ込みが発生して、旋回流の略対称（周方向の均一性が高い）が損なわれる可能性がある。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、旋回流の周方向における均一性を高めた燃料噴射弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、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面が形成されるとともに、燃料の流れに対して下流側に開口部を有するノズル体と、ノズル体の前記開口部と連通し、燃料の流れに対して下流側に設けられた旋回用通路と、旋回用通路よりも燃料の流れに対して下流側に形成され、円筒状の内側面を有し、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与する旋回室と、旋回室の底部に円筒状に形成され外部に燃料を噴射する燃料噴射孔と、を備えた燃料噴射弁において、 旋回用通路を燃料噴射孔側に傾斜させて設けた。

燃料の旋回流の周方向における対称性が向上し、燃料の薄膜化が促進され、微粒化の良い噴霧となる。

本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁の全体構成を弁軸心に沿う断面で示した縦断面図である。 本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁におけるノズル体近傍を示す縦断面図である。 本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁におけるノズル体の下端部に位置するオリフィスプレートの平面図である。 本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁における旋回用通路の傾斜構造を示す為の部分的な拡大平面図である。 図４のB−Ｄ方向の断面図である。 図４のC方向の断面図である。 従来のオリフィスプレートにおける旋回用通路及び旋回室内の流れを説明する為の部分的な拡大平面図である。 図７のＦ方向の断面図である。 図７のE方向の断面図である。 図７のＧ方向の断面図である。 図７のＧ方向の断面図である。 本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁における旋回用通路の底面部に設けた突起部を示す為の部分的な拡大平面図である。 図１２のB方向の断面図である。 オリフィスプレートにおける旋回用通路及び旋回室内の流れを説明する為の部分的な拡大平面図である。 図１４のＧ方向の断面図である。

本発明の一実施例について、図１乃至図６を用いて以下説明する。図１は、本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁１の全体構成を弁軸心に沿う断面で示した縦断面図である。

図１において、燃料噴射弁１は、ステンレス製の薄肉パイプ１３にノズル体２、弁体６を収容し、この弁体６を外側に配置した電磁コイル１１で往復動作（開閉動作）させる構造である。以下、構造の詳細について説明する。

電磁コイル１１を取り囲む磁性体のヨーク１０と、電磁コイル１１の中心に位置し、一端がヨーク１０と磁気的に接触したコア７と、所定量リフトする弁体６と、この弁体６に接する弁座面３と、弁体６と弁座面３の隙間を通って流れる燃料の通過を許す燃料噴射室４、および燃料噴射室４の下流に複数個の燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ（図２乃至図４参照）を有するオリフィスプレート２０を備えている。

また、コア７の中心には、弁体６を弁座面３に押圧する弾性部材としてのスプリング８が備えてある。このスプリング８の弾性力はスプリングアジャスタ９の弁座面３方向への押し込み量によって調整される。

コイル１１に通電されていない状態では、弁体６と弁座面３とが密着している。この状態では燃料通路が閉じられているため、燃料は燃料噴射弁１内部に留まり、複数個設けられている各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄからの燃料噴射は行われない。

一方、コイル１１への通電があると、電磁力によって弁体６が対面するコア７の下端面に接触するまで移動する。

この開弁状態では弁体６と弁座面３の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれて各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄから燃料が噴射される。

なお、燃料噴射弁１には入口部にフィルター１４を有する燃料通路１２が設けられており、この燃料通路１２はコア７の中央部を貫通する貫通孔部分を含み、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料を燃料噴射弁１の内部を通して各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄへと導く通路である。また、燃料噴射弁１の外側部分は樹脂モールド１５によって被覆され電気絶縁されている。

燃料噴射弁１の動作は、上述したように、コイル１１への通電（噴射パルス）に伴って、弁体６の位置を開弁状態と閉弁状態に切り替えることで、燃料の供給量を制御している。燃料供給量の制御にあたっては特に、閉弁状態では燃料漏れがない弁体設計が施されている。

この種の燃料噴射弁では、弁体６に真円度が高く鏡面仕上げが施されているボール（ＪＩＳ規格品の玉軸受用鋼球）を用いておりシート性の向上に有益である。一方、ボールが密着する弁座面３の弁座角は、研磨性が良好で真円度を高精度にできる最適な角度８０゜から１００゜であり、上述したボールとのシート性を極めて高く維持できるものである。なお、弁座面３を有するノズル体２は、焼入れによって硬度が高められており、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。このような弁体６の構成により、燃料漏れの無い噴射量制御を可能としている。以って、コストパホーマンスに優れた弁体構造としている。

図２は、本発明の実施例の一つに係る燃料噴射弁１におけるノズル体２の近傍を示す縦断面図である。図２に示すように、オリフィスプレート２０はその上面２０ａがノズル体２の下面２ａに接触しており、この接触部分の外周をレーザ溶接してノズル体２に固定されている。なお、オリフィスプレート２０の断面は図３のＡ方向断面を示している。

また、本実施例において上下方向は図１を基準としており、燃料噴射弁１の弁軸心方向において燃料通路１２側を上側、各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ側を下側とする。

ノズル体２の下端部には、弁座面３のシート部３ａの径φＳより小径の燃料導入孔５が設けられている。弁座面３は円錐形状をしており、その下流端中央部に燃料導入孔５が形成されている。

弁座面３の中心線と燃料導入孔５の中心線とは弁軸芯Ｙに一致するように、弁座面３と燃料導入孔５とが形成されている。燃料導入孔５によって、ノズル体２の下端面２ａとオリフィスプレート２０の上面２０aとの接触面に、燃料通路に連通する流入開口２０ｂが各々下流に位置する燃料通路に対応して形成される。

次に、オリフィスプレート２０の構成について、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る燃料噴射弁１におけるノズル体２の下端部に位置するオリフィスプレート２０の平面図である。

オリフィスプレート２０の中心から所望離間した位置から周方向に等間隔（９０度の間隔）に配置され、径方向外周側に向けて放射状に延びる４個の旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが形成されている。これらの旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄはオリフィスプレート２０の上面２０ａ側に設けられた凹形状の燃料通路をなしている。

旋回用通路２１ａの下流端は旋回室２２ａに連通するよう接続され、旋回用通路２１ｂの下流端は旋回室２２ｂに連通するよう接続され、旋回用通路２１ｃの下流端は旋回室２２ｃに連通するよう接続され、旋回用通路２１ｄの下流端は旋回室２２ｄに連通するよう接続されている。

旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄにそれぞれ燃料を供給する燃料通路であり、この意味において旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを旋回燃料供給通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと呼んでもよい。

旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの壁面は、上流側から下流側に向かって曲率が次第に大きくなるように（曲率半径が次第に小さくなるように）形成されている。このとき、曲率は連続的に大きくしてもよいし、所定の範囲で曲率が一定になるようにしながら上流側から下流側に向かって段階的に次第に大きくなるようにしてもよい。

上流側から下流側に向かって曲率が連続的に大きくなる曲線の代表例として、インボリュート曲線（形状）又はらせん曲線（形状）や遠心送風機の設計手法に基づく曲線がある。本実施例では、らせん曲線について説明しているが、上流側から下流側に向かって曲率が次第に大きくなるとして上記のような曲線を採用しても同様に説明することができる。

次に、図４乃至図６を用いて、本発明の実施例の一つに係る旋回用通路２１ａと旋回室２２ａの形成方法及び燃料噴射孔２３ａとの関係について説明する。

図４は、傾斜構造の旋回用通路２１ａと旋回室２２ａ及び燃料噴射孔２３ａとの関係を示す拡大平面図である。図５は、図４のＢ方向断面図であり、旋回用通路２１ａの流れの様子を説明する為の図である。図６は、図４のＣ方向断面図であり、旋回用通路２１ａ及び旋回室２２ａの流れの様子を説明する為の図である。１つの旋回用通路２１ａは、旋回室２２ａの接線方向に所望の角度θを有して連通開口しており、また、旋回室２２ａの渦中心部には、燃料噴射孔２３ａが開口している。

前述したが、本実施例では、旋回室２２ａの内周壁は弁軸心線に垂直な平面（断面）上でらせん曲線を描くように形成されており、該らせん曲線よりなる旋回室２２ａを形成する上で、特徴的な構成について以下簡単に記述する。

旋回室２２ａの内壁面の延長線（接線）と旋回用通路２１ａの一方の側壁面２１ａｓの延長線が旋回室２２ａ側において交差しないように設計されている。そしてこの旋回室２２ａの内壁面の終端と旋回用通路２１ａの側壁面２１ａｓとの間には厚み形成部２４ａが設けられている。この厚み形成部２４ａは加工上必要な厚み部位である。

らせん曲線の起点（本実施例では終点と言える）は燃料噴射孔２３ａの中心と一致している。ここに、らせん壁面に沿う流れの渦中心は燃料噴射孔２３ａの中心と一致していることになる。
更に図４を用いて説明すると旋回室２２ａの内周壁は、等差螺旋の式（１）、（２）により設計されている。等差螺旋を描く時の基準円Ｘの中心ｏと旋回室２２ａを形成する時の中心ｏと燃料噴射孔２３ａの中心ｏは位置している。
（式１）
Ｒ＝Ｔ／２×（１−ａ×θ）
（式２）
ａ＝Ｗk／（Ｔ／２）／（２π）
ここでＲは、旋回室２２ａを形成する時の中心ｏと旋回室の内周壁までの距離、Ｔは等差螺旋を描く時の基準円Ｘの直径、Ｗkは旋回室２２ａの終点Ｅと旋回室２２ａの始点Ｓの距離である。

旋回用通路２１ａは燃料の通過を許す為の矩形断面を有しており、図示しないが、燃料噴射孔２３ａの直径や旋回室２２ａの大きさの基準である基準円直径について、あらかじめ実験的に求めておいた諸データの中から要求仕様に近い値を選択する。すなわち、燃料噴射弁に要求される流量や噴霧角に応じて選択される。

以下、本実施例に係る傾斜構造の構成及びその作用について説明する。
先に、図７乃至図９を用いて、旋回用通路２１ａの傾斜が無い状態での通路内の流れを、発明者らが行った解析結果を基にその特徴部分を模式化して説明する。

図７は、オリフィスプレート２０における旋回用通路２１ａ及び旋回室２２ａの流れを説明する為の部分的な拡大図である。図８は、図７のＦ方向の断面図であり、旋回用通路２１ａの長さ方向における流れの特徴部分を説明する為の図である。図９は、図７のＥ方向の断面図であり、旋回用通路２１ａ及び旋回室２２ａの高さ方向における流れの特徴部分を説明する為の図である。

旋回用通路２１ａの幅方向の流れには、旋回室２２ａの入口側において燃料が燃料噴射孔２３ａに流れやすく、２１at側に比べて速度の大きい流れ３１ｂが旋回用通路２１ａの側壁２１ａｓ側に形成される。一方、側壁２１ａｓ側に比べて速度の小さい流れ３１ｃが側壁２１at側に形成される。

これらの流れ３１ｂ、３１ｃは、弁軸方向の流れ３１ａが流入開口２０ｂより流入したのち、旋回用通路２１ａの底面２１ａｂに衝突して直角方向に曲げられるために発生する。なお、流入開口２０ｂは燃料導入孔５の開口部とオリフィスプレート２０との間に形成される略半円状の開口である。

図８に示すように、旋回用通路２１ａの底面２１ａｂに衝突した流れ３１ａは、長手方向に進む間に速度を減じた流れ３１ｅとなるが、旋回室２２ａの高さ方向へ向かう流れが弱く十分な旋回効果が得られない。また、旋回用通路２１ａの下側に向かう流れ３１ｆは、流れ３１ｅに誘起されたもので、結果として死水域３１ｉを形成する。また、旋回室２２ａの入口部の流れは、図９に示すように、旋回用通路２１ａの底面２１ａｂに沿って流れ３１ｇ、旋回室２２ａの厚み部位２４ａ側に流入する。このため、燃料噴射孔２３ａ側の流れ３１ｄ（図７参照）と強く干渉する。この干渉影響により、燃料噴射孔２３ａの入口部には、速度の大きく偏った流れ３１ｈが形成され、流れの対称性（均一な旋回流れ）を阻害している。そのため図１０に示すように、燃料噴射孔２３ａからの噴霧が非対称となる。

本発明の実施例の一つに係る旋回用通路２１ａの傾斜構造は、この様な急峻な流れを抑制すると共に、旋回室２２ａの入口部の流れをその高さ方向において整流する。 戻って、図４乃至図６を用いて旋回用通路２１ａの傾斜構造及びこれに伴う流れについて説明する。

旋回用通路２１ａは、旋回室２２ａの入口部に対して所望の角度θだけ燃料噴射孔２３a側へ傾斜している。言い換えると、旋回用通路２１ａの中心線Ｄ−Ｄは、燃料噴射孔２３aの中心を通る線分Ｃ−Ｃに直行する線分Ｂ−Ｂに対してθだけ傾斜している。この傾斜角θは10゜〜30゜が好ましい。弁軸方向より流入する流れ３０ａは、旋回用通路２１ａの底面２１ａｂに衝突したのち、旋回室２２ａの入口近傍の内周壁面に向かう流れ３０ｂ、３０ｃを形成する。ん燃料の流れ３０bの方が燃料噴射孔２３aに近いため３０ｃに比べ流速が速くなる。流速の大きい流れ３０ｂは、旋回室２２ａを旋回（周回）した流れ３０ｄとの干渉が避けられるため、十分な旋回が付与される。また、図５に示すように、流れ３０eは旋回室２２ａの入口側に向かう際に、高さ方向に整流されるため従来の様な広範囲な図８の死水域３１iは消滅する。一方、図６に示すように、旋回室２２ａの高さにおいては流速が回復しており、旋回室２２ａ内で十分な旋回が付与されて燃料噴射孔２３ａに至る。以って、燃料噴射孔２３ａの出口部において旋回流れの対称性を向上することができる。
図１２に示すように、突起部２５ａは旋回用通路２１ａの幅Ｗ方向において全領域に設けられている。また、長手方向における長さｂは旋回用通路２１ａの長さＬの１／３以下としている。

一方、図１３に示すように、旋回用通路２１ａの高さＨ方向において、突起部２５ａの高さｈは１／６以下としている。また、突起部２５ａは旋回用通路２１ａの下流側（旋回室２２ａの入口側）に位置するように形成されている。
この様な構成により、流入開口２０ａより流入した燃料は、図１４、図１５に示すように旋回用通路２１ａの底面２１ａｂから旋回室２２ａの上面方向に向かって流れ旋回室２２ａの高さ方向に整流（４１a、４１b）されるため、旋回室２２ａ内で十分な旋回が付与されて燃料噴射孔２３ａに至る。以って、燃料噴射孔２３ａの出口部において旋回流れを対称にすることができる。そのため図１１に示すように、燃料噴射孔２３ａからの噴霧の対称性が向上する。

なお、ノズル体２とオリフィスプレート２０とは、図示していないが、治具等を用いて両者の位置決めが簡単且つ容易に実施されように構成されており、組み合わせ時の寸法精度が高められている。また、オリフィスプレート２０は量産性に有利なプレス成形（塑性加工）により製作される。なお、この方法以外に、放電加工や電鋳法、エッチング加工など比較的応力の加わらない加工精度の高い方法が考えられる。この様な構成ではコスト低減効果は勿論であるが、加工性の向上によって寸法バラツキが抑えられるので、噴霧形状や噴射量のロバスト性が格段に向上する。

以上説明したように、本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁は、旋回用通路を旋回室に対して傾斜させことにより、旋回した燃料と旋回通路からの燃料との干渉影響が抑えられることによって、旋回用通路の断面内（幅方向、高さ方向）においてその流れが整流される。特に、旋回室の入口部において高さ方向に十分な速度分布が維持されて旋回室に供給されるため、らせん曲線より成る旋回室の内壁面に誘導され十分な旋回が付与される。また、この旋回流れの渦中心に配置される燃料噴射孔の入口部では均一な旋回流れが形成され、燃料の薄膜化を促進することになる。
更に厚み形成部を設けたため、旋回用通路の燃料流れと旋回室内の燃料流れの衝突が緩和され、更に均一な旋回流れが形成され、燃料の薄膜化を促進することになる。

このように均一に薄膜化した燃料噴霧は、周囲空気とのエネルギー交換が活発に行われるので、噴射直後に分裂が促進されて微粒化の良い噴霧となる。

１ 燃料噴射弁
２ ノズル体
３ 弁座面
４ 燃料噴射室
５ 燃料導入孔
１０ ヨーク
１１ コイル
２０ オリフィスプレート
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 旋回用通路
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 旋回室
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 燃料噴射孔
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 厚み形成部
２５ａ 突起部

Claims (3)

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面が形成されるとともに、燃料の流れに対して下流側に開口部を有するノズル体と、前記ノズル体の前記開口部と連通し、燃料の流れに対して下流側に設けられた旋回用通路と、前記旋回用通路よりも燃料の流れに対して下流側に形成され、円筒状の内側面を有し、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与する旋回室と、前記旋回室の底部に円筒状に形成され外部に燃料を噴射する燃料噴射孔と、を備えた燃料噴射弁において、
   前記旋回用通路を前記燃料噴射孔側に傾斜させて設け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、
   前記旋回室と前記旋回用通路の間には厚み形成部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記旋回用通路に突起部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。