JP2015214892A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射ノズル出口近傍に残留した燃料が炭化してデポジットとして付着して、噴霧形状や噴射流量が変化するのを防止する。【解決手段】弁体と接して燃料をシートする円錐座面と、前記円錐座面に複数の燃料噴射孔入口開口部を有し、前記燃料噴射孔の入口と出口の中心を結ぶ噴孔軸が、複数の異なる円錐面に沿う様に構成された噴射ノズルにおいて、前記噴射ノズルの出口側に、噴射ノズルとしては機能しない（噴霧の形状制御および流量制御としては機能しない）座グリ部を形成し、前記座グリ部の口径は下流に行くほど大きくなるように形成して、かつ前記噴射ノズルと前記座グリ部の間に段差部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。【選択図】図３

Description

本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、弁が弁座と当接することで燃料の漏洩を防止し、弁が弁座から離れることによって噴射を行なう、燃料噴射弁に関する。

本技術分野の背景技術としては例えば特許文献１がある。本公報には、燃料噴孔の出口側近傍の面粗度を粗く形成し、燃料噴孔の出口側の断面積を入口側の断面積よりも大きく形成することで、出口部に積極的にデポジットを体積させ、燃料入口側（計量部）へのデポジット付着を抑制している。

また別の背景技術としては例えば特許文献２がある。本公報には、燃料噴孔の先端面から外周面にかけて連続的に撥油被膜で被覆し、かつ燃料噴孔の先端領域の噴孔を段付き形状にして、弁座寄りの噴口に対して先端部の噴口の口径を大きくすることで、燃料噴霧流が噴孔先端領域で噴口内壁に付着しないようにして、デポジットの発生を防止している。

特開２００７−３２１５９２号公報 特開２００７−３２４２１号公報

自動車エンジン用燃料噴射装置では、燃料噴射中もしくは噴射後に、噴射ノズル出口近傍に残留した燃料が炭化してデポジットとして付着する問題がある。このデポジットは、噴射装置の使用時間と伴に噴射ノズルの出口の一部を塞ぐぐらいまで成長し、噴霧形状や噴射流量の変化を引き起こす。そこで、燃料噴射中もしくは噴射後に、噴射ノズル出口近傍に残留する燃料を低減する必要がある。

上記特許文献１では、燃料噴孔の出口側近傍の面粗度を粗く形成し、燃料噴孔の出口側の断面積を入口側の断面積よりも大きく形成することで、出口部に積極的にデポジットを体積させ、燃料入口側（計量部）へのデポジット付着を抑制している。しかしこの技術では、噴射ノズル出口にデポジットを付着させる構造ために、徐々にデポジットが噴射ノズル出口を塞ぐように成長し、結果として噴霧形状や噴射流量の経時変化を引き起こすという課題がある。

また特許文献２では、燃料噴孔の先端面から外周面にかけて連続的に撥油被膜で被覆し、かつ燃料噴孔の先端領域の噴孔を段付き形状にして、弁座寄りの噴口に対して先端部の噴口の口径を大きくすることで、燃料噴霧流が噴孔先端領域で噴口内壁に付着しないようにして、デポジットの発生を防止している。しかしこの技術では、燃料噴孔の先端領域に設けた段付き形状部に、噴霧から飛散した燃料が段角部の表面張力効果で残留する。そのため結果として段付き形状部にデポジットが発生して、噴霧形状や噴射流量の経時変化を引き起こす課題がある。

本発明の目的は、噴射ノズル出口近傍に残留する燃料を低減することにより、噴射ノズル内および噴射ノズル出口近傍に発生するデポジットを防止して、噴霧形状や噴射流量の経時変化が無い燃料噴射装置を提供することである。

本発明の目的は、例えば噴射ノズルの出口側に所定の座グリを形成し、ノズルと座グリとの間に段部を設けることで達成される。

本発明によれば、噴射ノズル内および噴射ノズル出口の近傍に発生するデポジットを防止して、噴霧形状や噴射流量の経時変化が無い燃料噴射装置を実現することで、排気性能や燃費性能を高めた内燃機関を実現することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る燃料噴射弁の実施例を示す断面図である。 本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の近傍を拡大した断面図である。 図２の噴射ノズル近傍を拡大した断面図である（第１実施例）。 図３の噴射ノズルにおいて、噴射ノズル出口近傍の残留燃料を低減するメカニズムを説明する図である。 従来の噴射ノズル構造における、噴射ノズル出口近傍の残留燃料分布である。 従来の噴射ノズル構造において、座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面に凹部を設けた場合の、噴射ノズル出口近傍の残留燃料分布である。 本発明の第１実施例において、座グリ部の下流側出口のR部を面取り部とした例である（第２実施例）。 本発明の第１実施例において、座グリ部の下流側出口のR部を無くした例である（第３実施例）。 本発明の第１実施例において、座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面に設けた凹部を取り除いた例である（第４実施例）。 本発明の第１実施例において、座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面に設けた凹部の外周側端面を曲面で構成した例である（第５実施例）。 本発明の第１実施例において、座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面に設けた凹部の外周側に窪みを形成した例である（第６実施例）。 本発明の第１実施例において、座グリ部を前記噴射ノズル中心軸に対して非対称とした例である（第７実施例）。 本発明の第１実施例において、座グリ部の側壁を曲面とした例である（第８実施例）。

本発明の第１の実施例に係わる燃料噴射弁について、図１乃至図６を用いて以下説明する。
（噴射弁基本動作説明）
図１において、燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射弁の内部に供給される。図１に示す電磁式燃料噴射弁１００は、通常時閉型の電磁駆動式であって、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１がスプリング１１０によって付勢されてシート部材１０２に押し付けられ、燃料がシールされるようになっている。このとき、筒内噴射用燃料噴射弁では、供給される燃料圧力がおよそ１ＭＰａ乃至３５ＭＰａの範囲である。

図２は弁体の先端に設けられた噴射ノズルの近傍を拡大した断面図である。燃料噴射弁が閉弁状態にあるときには、弁体１０１はノズル体１０４に溶接などで接合されたシート部材１０２に設けられた円錐面からなる弁座面２０３と当接することによって燃料のシールを保つようになっている。このとき、弁体１０１側の接触部は球面２０２によって形成されており、円錐面の弁座面２０３と球面２０２の接触はほぼ線接触の状態になっている。図１に示したコイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成するコア１０７、ヨーク１０９、アンカー１０６に磁束密度を生じて、空隙のあるコア１０７とアンカー１０６の間に磁気吸引力を生じる。磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と前述の燃料圧力による力よりも大きくなると、弁体１０１はガイド部材１０３、弁体ガイド１０５にガイドされながらアンカー１０６によってコア１０７側に吸引され、開弁状態となる。

開弁状態となると、弁座面２０３と弁体の球面部２０２との間に隙間を生じ、燃料の噴射が開始される。燃料の噴射が開始されると、燃料圧力として与えられたエネルギは運動エネルギに変換されて燃料の噴射ノズル２０１に至り噴射される。

図３は図２の噴射ノズル２０１近傍を拡大した断面図である。
（流れ、効果説明）
図４は、第１実施例の噴射ノズルにおいて、噴射ノズル出口近傍の残留燃料を防止するメカニズムを説明する図である。本噴射ノズルでは、図３に示す矢印３０１の方向から燃料が噴射ノズル２０１へ流入する。噴射ノズル２０１を通過した燃料は座グリ部２０６に噴射される。そして、燃料は噴射ノズル２０１を出ると同時に液滴へ分裂して噴霧形態に変化し、座グリ部を通過した後、空気中に噴射される。

本実施例の第１の特徴は、座グリ部２０６の口径は下流に行くほど大きくなるように形成したことである。

これにより、噴射ノズル２０１から出た噴霧の外縁が、座グリ部２０６の内壁面と僅かに接触するようになり、その結果、座グリ部内壁のクリーニング４０４が可能となり、座グリ部２０６の内壁面への異物付着や残留燃料４０５を防ぐことが可能である。また、座グリ部２０６を形成することのメリットとして、オリフィスカップ１０２の板厚が同じでも、座グリ部２０６の深さを変えることで、噴射ノズル２０１の長さを自在に変更出来ることである。噴射ノズル２０１の長さは噴霧形状に大きく影響するため、噴射ノズル２０１の長さを自在に変更出来るのは大きなメリットである。

第１実施例では、噴射ノズル２０１と座グリ部２０６の間には段差部２０５が設けられており、この段差部２０５により噴霧発生位置が固定され、ショットバラツキの少ない安定した噴霧の形成が実現される。さらに段差２０５により、弁体１０１が閉弁する間際の燃料だれを減らすことが可能である。この理由は、段差部２０５で生じる表面張力効果（メニスカス効果）で、閉弁間際の低速化した燃料がトラップされるからである。段差部２０５の幅は、噴射ノズル２０１の内径よりも小さく（１５パーセント以下が望ましい）、トラップされる燃料は僅かである。

第１実施例では、座グリ部２０６の下流側出口にR部２０７を形成し、かつR部もしくは面取り部より上流側に撥油被膜３０２および３０３が形成されている。さらに、座グリ部２０６の下流側出口に位置するオリフィスカップ１０２の表面において、噴射ノズル２０１を中心とした凹部２０８を、噴射ノズル２０１毎に設けている。前者の効果により、燃料４０１は噴射ノズル内にのみ残留し、燃料界面は４０３のように形成される。また前記のクリーニング４０４の後に、座グリ部２０６出口付近およびオリフィスカップ１０２の表面の凹部２０８に残留燃料がある場合、残留燃料は凹部２０８の外縁溝部２０９で生じる表面張力効果（メニスカス効果）により、凹部２０８の外縁溝部２０９の方へ引き寄せられて、座グリ部２０６の出口から離れた位置に液膜４０２を形成する。以上の２つの効果により、座グリ部２０６の内部および出口近傍での残留燃料を防ぐことが可能となり、噴霧形状や噴射流量を変化させるデポジットの防止が出来る。

図５と図６を用いて、従来構造での残留燃料分布について説明する。
図５は、燃料噴孔の先端領域の噴孔を段付き形状にして、弁座寄りの噴口に対して先端部の噴口の口径を大きくすることで、燃料噴霧流が噴孔先端領域で噴口内壁に付着しないようにしている。しかし燃料噴射が繰り返されると、噴霧の燃料噴孔の先端領域に設けた段付き形状部に、噴霧から飛散した燃料が段角部の表面張力効果で残留していき、最終的に噴孔内の燃料５０１の界面形状は５０３のように座グリ部出口近傍に形成される。この結果、座グリ部にデポジットが発生してしまう課題がある。また図５の形状では、座グリ部出口がエッジ５０４になっている。表面張力効果により、燃料はエッジ部５０４に引き寄せられるため、座グリ部出口周囲に残留燃料の液膜５０１が生成されてデポジット化する課題がある。

また、座グリ部の先端面から外周面にかけて連続的に撥油被膜で被覆してしまうと、座グリ部内壁に生じた残留燃料が外周面へ移動出来ず、さらに残留燃料が増加する課題がある。

図６は、座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面において、噴射ノズルを中心とした凹部を形成した場合の残留燃料分布を示したものである。この形状では、凹部に残留した燃料は、凹部外縁２０９と座グリ部出口のエッジ５０４にトラップされるため、液膜６０１は図４の液膜４０２ものより大きく成長する課題がある。

本実施例で示した噴射ノズル構造は、筒内噴射エンジン用の燃料噴射装置を例として記載されているが、ポート噴射エンジン用の燃料噴射装置においても効果が得られる。以後説明する実施例に関しても同様である。

図７は第２実施例を示すものであり、本発明の第１実施例において、R部２０７を面取り部７０１に変えることで加工を容易にしたもので、第１実施例と同様に残留燃料の防止効果が得られる。

図８は第３実施例を示すものであり、本発明の第１実施例において、座グリ部の下流側出口のR部を無くすことで加工を容易にした例であり、第１実施例と同様に残留燃料の防止効果が得られる。図８では座グリ部２０６出口にエッジ部８０１があるが、凹部２０８の外縁部にあるエッジ２０９の方が表面張力効果（メニスカス効果）が大きいので、液膜は図４の４０２のように形成される。

図９は第４実施例を示すものであり、オリフィスカップ表面の凹部２０８を無くすことで加工を容易にした例であり、第１実施例と同様に座グリ部内の残留燃料の防止効果が得られる。

図１０は第５実施例を示すものであり、オリフィスカップ表面の凹部２０８の外周側端面を曲面１００１で構成した例であり、第１実施例と同様に残留燃料の防止効果が得られる。

図１１は第６実施例を示すものであり、座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面に設けた凹部の外周側に窪み１１０１を形成した例である。これにより、凹部の残留燃料を凹部の外周側に引き寄せる効果が強くすることが出来、更なる残留燃料の防止効果が得られる。図１１では、凹部の外周端面は曲面となっているが、図３の２０９のようにエッジ状でもよい。

図１２は第７実施例を示すものであり、座グリ部を前記噴射ノズル中心軸に対して非対称とした例である。噴射ノズル２０１から出る噴霧は、前記ノズル中心軸に対して非対称である場合が多く、座グリ部２０６のクリーニング効果を高めるためには、噴射ノズルの噴霧形状に合わせて座グリ部２０６の内壁のテーパ度を変えるのが理想である。本形状により、更なる残留燃料の防止効果が得られる。

図１３は第８実施例を示すものであり、座グリ部の内壁を曲面で形成したことで、座グリ部の内壁とR部を一貫して加工したもので、第１実施例と同様に残留燃料の防止効果が得られる。

また、上述した実施例は以下のようにも記載できる。すなわち、弁体と接して燃料をシートするシート部とこのシート部に複数のノズルを有し、ノズルの出口側に、座グリ部を形成し、座グリ部の口径は下流に行くほど大きくなるように形成して、かつノズルと座グリ部の間に段差部を設ける。また、座グリの開口角は、複数のノズルで異ならせることもできる。これによりより正確な噴霧形状をデザインできる。

１００・・・電磁式燃料噴射弁
１０１・・・弁体
１０２・・・弁座部材
１０３・・・ガイド部材
１０４・・・ノズル体
１０５・・・弁体ガイド
１０６・・・可動子
１０７・・・磁気コア
１０８・・・コイル
１０９・・・ヨーク
１１０・・・付勢スプリング
１１１・・・コネクタ
１１２・・・燃料供給口
２０１・・・噴射ノズル
２０２・・・弁体の球面
２０３・・・弁座面
２０４・・・燃料噴射弁の鉛直方向の中心軸
２０５・・・段差部
２０６・・・座グリ部
２０７・・・R部
２０８・・・凹部
２０９・・・外縁部
３０１・・・燃料の流入方向
３０２・・・撥油被膜
３０３・・・撥油被膜
３０４・・・撥油被膜の無い表面
４０１・・・噴射ノズル内の燃料
４０２・・・液膜
４０３・・・噴射ノズル内の液膜界面
４０４・・・燃料噴霧による座グリ部内壁のクリーニング効果
４０５・・・座グリ部の内壁面への異物付着や残留燃料
５０１・・・液膜
５０２・・・噴射ノズルと座グリ部の残留燃料
５０３・・・座グリ部の残留燃料の界面
５０４・・・座グリ部出口のエッジ
６０１・・・液膜
７０１・・・面取り部
８０１・・・座グリ部出口のエッジ
１００１・・凹部の外周側端面の曲面
１１０１・・凹部の外周側の窪み
１２０１・・噴射ノズル中心軸に対して非対称とした座グリ部
１３０１・・座グリ部の内壁を曲面としてもの

Claims (10)

1. 弁体と接して燃料をシートする円錐座面と、前記円錐座面に複数の燃料噴射孔入口開口部を有し、前記燃料噴射孔の入口と出口の中心を結ぶ噴孔軸が、複数の異なる円錐面に沿う様に構成された噴射ノズルにおいて、
   前記噴射ノズルの出口側に、座グリ部を形成し、前記座グリ部の口径は下流に行くほど大きくなるように形成して、かつ前記噴射ノズルと前記座グリ部の間に段差部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１の前記噴射ノズルにおいて、
   前記座グリ部を前記噴射ノズル中心軸に対して非対称としたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１もしくは請求項２の前記噴射ノズルにおいて、
   前記座グリ部の下流側出口より上流側に撥油被膜を形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１もしくは請求項２の前記噴射ノズルにおいて、
   前記座グリ部の下流側出口にR部もしくは面取り部を形成し、かつR部もしくは面取り部より上流側に撥油被膜を形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項３もしくは請求項４の燃料噴射弁において、
   前記座グリ部の下流側出口に位置するオリフィスカップ表面において、前記噴射ノズルを中心とした凹部を、前記噴射ノズル毎に設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項５の燃料噴射弁において、
   前記凹部において、外周側に窪みを形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項１の燃料噴射弁において、
   座グリ部の内壁を曲面で形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
8. 請求項１記載の燃料噴射弁であって、
   前記座グリは、噴射ノズルとしては機能しない、または噴霧の形状制御および流量制御としては機能しないことを特徴とする燃料噴射弁。
9. 弁体と接して燃料をシートするシート部と、
   前記シート部に複数のノズルを有し、
   前記ノズルの出口側に、座グリ部を形成し、前記座グリ部の口径は下流に行くほど大きくなるように形成して、かつ前記ノズルと前記座グリ部の間に段差部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
10. 請求項９記載の燃料噴射弁であって、
    前記座グリの開口角は、前記複数のノズルで異なることを特徴とする燃料噴射弁。