JP2014181611A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料の微粒化を促進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】 燃料噴射孔をスワール付与室に連通する中間孔と、中間孔に連通し、中間孔の径よりも大径に形成した制御孔と、から構成し、中間孔を弁座部材の他端側に当接する中間プレートに形成し、制御孔を中間プレートの他端側に当接するノズルプレートに形成するようにした。
【選択図】 図2

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、弁座体に段付形状をした噴射開口部が形成されている燃料噴射弁が開示されている。

特表2006-509157号公報

上記特許文献1の燃料噴射弁では、噴射開口部が一体部材の弁座体に形成されているため噴射開口部を精度良く形成することが困難であった。噴射開口部の形状や位置の精度が悪化すると噴射する燃料の噴霧角度や噴霧量がばらつき、燃料の微粒化を促進させることができないおそれがあった。
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、燃料の微粒化を促進させ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、燃料噴射孔をスワール付与室に連通する中間孔と、中間孔に連通し、中間孔の径よりも大径に形成した制御孔と、から構成し、中間孔を弁座部材の他端側に当接する中間プレートに形成し、制御孔を中間プレートの他端側に当接するノズルプレートに形成するようにした。

本発明により、中間孔および制御孔を精度高く形成することができ、燃料の微粒化を促進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の燃料噴射弁の中間プレートおよびノズルプレート付近の拡大断面図である。 実施例1の中間プレートの斜視図である。 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に燃料の流れを記載した図である。 実施例1のノズルプレートを軸方向から見た図である。 実施例1の燃料噴射孔から噴射された液膜状態の噴霧の範囲を示す図である。 実施例1の燃料噴射孔から噴射された液膜状態の噴霧の範囲を示す図である。 他の実施例の中間プレートの斜視図である。 他の実施例の中間プレートを示す図である。 他の実施例の中間プレートを示す図である。 他の実施例の中間プレートを示す図である。 他の実施例の中間プレートを示す図である。 他の実施例の燃料噴射弁の中間プレートおよびノズルプレート付近の拡大断面図である。 他の実施例の燃料噴射弁の中間プレートおよびノズルプレート付近の拡大断面図である。

〔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中間プレート49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の他端側には中間プレート49とノズルプレート8が溶接されている。中間プレート49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により旋回力が与えられた燃料が噴射される中間孔51が形成されている。ノズルプレート8には、ノズルプレート8と中間プレート49とが一体に接合されたときに、中間孔51に連通するように形成された制御孔56が形成されている。中間孔51と制御孔56により燃料噴射孔44を構成している。

［中間プレートおよびノズルプレートの構成］
図2は燃料噴射弁1の中間プレート49および中間プレート49付近の拡大断面図である。図3は中間プレート49の斜視図である。図4は中間プレート49の斜視図である。
中間プレート49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、中間プレート49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は中間プレート49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中間孔51が形成されている。
ノズルプレート8には、貫通孔である制御孔56が形成されており、制御孔56は中間孔51よりも大径に形成されている。また制御孔56の軸方向長さは、中間孔51の軸方向長さよりも長く形成されている。ノズルプレート8と中間プレート49とを一体に接合した際に、中間孔51と制御孔56は連通しつつも、中間孔51の軸と制御孔56の軸はオフセットしている。中間孔51の軸に対する制御孔56の軸のオフセット方向は、連通しているスワール付与室46と隣り合う別の制御孔56から離れる方向である。
中間プレート49は、加工性が高い材質の材料から形成されており、例えばアルミニウム合金、樹脂、ゴムなどから形成されている。ノズルプレート8は強度が高い材質の材料から形成されており、例えば炭素鋼などから形成されている。
中間プレート49とノズルプレート8とが接合されて一体に形成された後に、弁座部材7に溶接によって接合されている。中間プレート49とノズルプレート8との接合は溶接に限らず、例えば摩擦攪拌接合などでも良い。

［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、中間プレート49、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、燃料が中間プレート49側に供給される。
中間プレート49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（中間孔51、制御孔56）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。

（中間孔の成形精度向上）
燃料噴射孔44は、中間孔51と制御孔56とから構成されている。中間孔51は径の大きさにより噴霧する燃料の量を調整し、制御孔56は燃料の噴霧形状および噴霧方向を調整する。中間孔51と制御孔56とを一枚の部材に加工しようとすると、加工精度が悪化するおそれがあった。特に噴霧する燃料の量を制御するためには中間孔51の加工精度が求められる。
そこで実施例1では、中間孔51を中間プレート49に、制御孔56をノズルプレート8に形成するようにした。中間孔51と制御孔56を別部材に形成することにより、中間孔51と制御孔56の加工精度を高めることができる。
また実施例1では、中間プレート49を加工性が高い材質の材料から形成し、ノズルプレート8を強度が高い材質の材料から形成するようにした。これにより、中間孔51の加工精度を高めることができ、また燃料噴射弁1の外部に露出するノズルプレート8により強度を確保することができる。

（燃料噴霧の干渉抑制）
図6は中間プレート49を軸方向から見た図であり、ハッチング部分は溶接箇所を示す。前述のように、中間プレート49はノズルプレート8と一体に接合された後に、弁座部材7に溶接されている。スワール付与室46を溶接箇所に設けることができないことは当然のこと、スワール付与室46の熱変形を抑制するため、スワール付与室46を溶接箇所に接近して設けることもできない。そのため、中間プレート49内にスワール付与室46を設けることができる範囲は限られる。
図7は中間孔51と制御孔56を同軸上に設けた場合の燃料噴射孔44から噴射された液膜状態の噴霧の範囲を示す模式図である。燃料噴射孔44の距離が近いと、図7に示すように隣り合う燃料噴射孔44から噴射された燃料噴霧が液膜状態で接触することとなる。燃料噴霧が液膜状態で接触すると液膜が厚くなり、最終的に液滴状態となったときの粒径が大型化してしまう。粒径が大きいと吸気ポート内での燃料の気化が十分に行われず、内燃機関の燃焼効率を悪化させることとなる。更に内燃機関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。すなわち、燃料噴射孔44同士の距離はできるだけ離れていた方が望ましい。
そこで実施例1では、中間孔51の軸に対して制御孔56の軸を、隣り合う別の制御孔56から離れる方向にオフセットさせるようにした。図8は中間孔51の軸に対して制御孔56の軸をオフセットさせた場合の燃料噴射孔44から噴射された液膜状態の噴霧の範囲を示す模式図である。中間孔51の軸に対して制御孔56の軸をオフセットさせることにより、制御孔56の側面のうち中間孔51の軸と近い側では、燃料噴霧は制御孔56の上部（中間孔51側）に接触し、制御孔56から噴射された燃料噴霧の広がりが小さくなる。中間孔51の軸に対して制御孔56の軸を、隣り合う別の制御孔56から離れる方向にオフセットさせることにより、隣り合う制御孔56から噴射される燃料噴霧が液膜状態で接触することを抑制することができる。

（燃料噴射孔における抵抗抑制）
実施例1では、中間孔51により噴霧する燃料の量を調整し、制御孔56によって燃料の噴霧形状および噴霧方向を調整するようにした。したがって、噴霧する燃料の量を調節するためには中間孔51の径の大きさが重要であって、軸方向長さは噴霧する燃料の量の調節にはさほど影響しない。
一方、制御孔56は燃料の噴霧形状および噴霧方向を調節するため、径の大きさも重要であるが、軸方向長さも形状および方向に影響してくる。そのため、制御孔56の軸方向長さは短くすることが困難である。
そこで、中間孔51の軸方向長さを短くして燃料噴射孔44全体として抵抗を小さくするようにした。
（中間プレートおよびノズルプレートの溶接作業の容易化）
実施例1では、中間プレート49とノズルプレート8とを接合して一体とした後に、弁座部材7に溶接するようにした。これにより、中間プレート49およびノズルプレート8の溶接作業を容易化することができる。

［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) 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スワール付与室46と、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と、を有し、燃料噴射孔44を、スワール付与室46に連通する中間孔51と、中間孔51に連通し、中間孔51の径よりも大径に形成した制御孔56と、から構成し、中間孔51を弁座部材7の他端側に当接する中間プレート49に形成し、制御孔56を中間プレート49の他端側に当接するノズルプレート8に形成するようにした。
よって、中間孔51と制御孔56を別部材に形成することにより、中間孔51と制御孔56の加工精度を高めることができる。したがって、燃料の微粒化を図ることができる。
(2) 中間孔51の軸に対して制御孔56の軸を、隣り合う別の制御孔56から離れる方向にオフセットして設けた。
よって、隣り合う制御孔56から噴射される燃料噴霧が液膜状態で接触することを抑制することができる。したがって、燃料の微粒化を図ることができる。
(3) 中間孔51の軸方向長さに対して制御孔56の軸方向長さを長く形成した。
よって、中間孔51における抵抗を減少させることができる。したがって、燃料の微粒化を図ることができる。
(4) 中間プレート49とノズルプレート8とを別の材質の材料から形成した。
よって、中間プレート49とノズルプレート8の特性に応じて材料を選択することができる。
(5) 中間プレート49とノズルプレート8とを別の材質の材料から形成し、中間プレート49を加工性が高い材質の材料により形成し、ノズルプレート8を強度が高い材質の材料により形成した。
よって、中間孔51の加工精度を高めることができ、また燃料噴射弁1の外部に露出するノズルプレート8により強度を確保することができる。

〔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9は中間プレート49の斜視図である。例えば、図9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。
図10は中間プレート49の斜視図である。例えば、図10に示すようにスワール室41を４つ形成するようにしても良い。
図11は中間プレート49の斜視図である。例えば、図11に示すようにスワール室41を６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12はスワール室41を３つ形成したときの中間プレート49の斜視図である。図13はスワール室41を２つ形成したときの中間プレート49の斜視図である。例えば、図12、図13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。
（中間プレートの変更）
実施例1の燃料噴射弁1では中間プレート49に中央室42、スワール室41および中間孔51を形成したが、中央室42およびスワール室41は中間プレート49に形成しないようにしても良い。
図14は燃料噴射弁1の中間プレート49およびノズルプレート8付近の拡大断面図である。例えば、図14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、中間プレート49には中間孔51のみを形成するようにしても良い。

（第二中間プレートの追加）
実施例1の燃料噴射弁1では中間プレート49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、中央室42およびスワール室41は中間プレート49に形成しないようにしても良い。
図15は燃料噴射弁1の中間プレート49およびノズルプレート8付近の拡大断面図である。例えば、図15に示すように第二中間プレート50に中央室42、スワール室41を形成し、中間プレート49には中間孔41のみを形成するようにしても良い。

（中間プレートとノズルプレートの形状の変更）
実施例1ではの燃料噴射弁1では中間プレート49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、中央室42およびスワール室41は中間プレート49に形成しないようにしても良い。
例えば、ノズルプレート8に中央室42、スワール室41、中間孔51および制御孔56を形成し、中間プレート49には、弁座部材7の開口部と中央室42とを連通する、中央室42の径よりも小さい連通孔のみを形成するようにしても良い。
その場合、ノズルプレート8を加工性が高い材質の材料から形成し、中間プレート49を強度が高い材質の材料から形成するようにした。これにより、複雑な形状であるスワール室41を容易に加工することができる。またノズルプレート8を強度が高い中間プレート49により補強することができる。

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
45 連通路
46 スワール付与室
49 中間プレート
51 中間孔
56 制御孔

Claims (6)

1. 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スワール付与室と、
   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と、
   を有し、
   前記燃料噴射孔を、前記スワール付与室に連通する中間孔と、前記中間孔に連通し、前記中間孔の径よりも大径に形成した制御孔と、から構成し、
   前記中間孔を、前記弁座部材の他端側に当接する中間プレートに形成し、
   前記制御孔を、前記中間プレートの他端側に当接するノズルプレートに形成す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、
   前記中間孔の軸に対して前記制御孔の軸を、隣り合う別の制御孔から離れる方向にオフセットして設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項1または請求項2に記載の燃料噴射弁において、
   前記中間孔の軸方向長さに対して前記制御孔の軸方向長さを長く形成した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、
   前記中間プレートと前記ノズルプレートとを別の材質の材料から形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 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、
   前記中間プレートと前記ノズルプレートとを別の材質の材料から形成し、
   前記中間プレートを前記ノズルプレートより加工性が高い材質の材料により形成し、前記ノズルプレートを前記中間プレートより強度が高い材質の材料により形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 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、
   前記中間プレートと前記ノズルプレートとを別の材質の材料から形成し、
   前記ノズルプレートを前記中間プレートより加工性が高い材質の材料により形成し、前記中間プレートを前記ノズルプレートより強度が高い材質の材料により形成したことを特徴とする燃料噴射弁。

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