JP2016089660A

JP2016089660A - 燃料噴射装置

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Publication number: JP2016089660A
Application number: JP2014222140A
Authority: JP
Inventors: 山岡　士朗; Shiro Yamaoka; 士朗山岡; 清隆小倉; Kiyotaka Ogura; 敦士中井; Atsushi Nakai; 淳司高奥; Junji Takaoku; 亮草壁; Akira Kusakabe; 義人安川; Yoshito Yasukawa; 助川　義寛; Yoshihiro Sukegawa; 義寛助川
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】内燃機関に用いる燃料噴射装置において、経年変化による噴霧特性変化が少ない燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料の噴孔２０１と弁座２０３とが設けられたシート部材１０２と、弁座２０３に当接および離間して噴孔２０１からの燃料噴射を制御する弁体とを備えた燃料噴射装置において、噴孔２０１は、シート部材１０２の内側に開口する第一の噴孔部２０１ａと、第一の噴孔部２０１ａの出口に連通する第二の噴孔部２０１ｂとを備えており、第一の噴孔部２０１ａの延在長さ(L1)と第一の噴孔部２０１ａの孔径(D1)との比(L1/D1)と、第一の噴孔部２０１ａの延在長さ(L1)と第二の噴孔部２０１ｂの延在長さ(L2)との和(L1+L2)と第二の噴孔部２０１ｂの孔径(D2)との比((L1+L2)/D2)との関係を、(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)にする。【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、弁体が弁座と当接することで燃料の漏洩を防止し、弁体が弁座面から離れることによって燃料の噴射を行う、燃料噴射装置に関する。

特許文献１には、燃料の微粒化促進と、エンジン壁面への燃料付着を避けるための低ペネトレーション化を実現する手段として、燃料噴射弁の噴孔入口に丸面取り部を設けた構造と、噴孔延在長さ(L)と噴孔径(D)の比L/Dを3以下とする技術が開示されている（要約参照）。

特開２０１３−１９９８７６号公報

自動車の排ガス規制が年々強化されている。特に、筒内噴射型のエンジンシステムにおいては、筒内（燃焼室内）での燃料の気化促進が重要であり、燃料噴霧を微粒化できる燃料噴射装置が望まれている。さらにこれらの装置には、経年変化に対する性能の耐久性向上が併せて求められる。

特許文献1においては、燃料の微粒化促進と、エンジン壁面への燃料付着を避けるための低ペネトレーション化を実現する手段として、燃料噴射弁の噴孔入口に丸面取り部を設けた構造と、噴孔延在長さ(L)と噴孔径(D)の比L/Dを３以下とする技術が開示されている。しかし、燃料噴射装置の噴孔は、高温の燃焼ガスにさらされるため、噴孔近辺に燃料が残留するような場合に、これが炭化して固着し、噴霧の形状変化や噴孔の詰まりといった現象を発生することがある。この結果、狙いである燃料微粒化や低ペネトレーションの性能を保つことができず、エンジンの排気を悪化させることが懸念される。

本発明の目的は、筒内に直接噴射する形式のエンジンに用いる燃料噴射装置において、経年変化による噴霧特性変化が少ない燃料噴射装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射装置は、燃料の噴孔と弁座とが設けられたシート部材と、弁座に当接および離間して噴孔からの燃料噴射を制御する弁体とを備えており、この噴孔をシート部材の内側に開口する第一の噴孔部と、この第一の噴孔部に連通して噴孔径の異なる部分を第二の噴孔部とで構成した場合、第一の噴孔部の延在長さ(L1)と第一の噴孔部の孔径(D1)との比(L1/D1)と、第一の噴孔部の延在長さ(L1)と第二の噴孔部の延在長さ(L2)の和(L1+L2)と第二の噴孔部の孔径(D2)との比((L1+L2)/D2)との関係を、(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)としている。
この時、(L1/D1)、((L1+L2)/D2)は共に３以下であることが望ましい。噴孔を通る燃料が、噴孔出口近傍に衝突することを大幅に低減できるため、噴孔近傍の残留燃料、および残留燃料が高温ガスにさらされて炭化する現象を抑制できる。すなわち、この現象が引き起こす噴霧の形状変化や噴孔の詰まりを避けることが出来るため、排気性能の経年変化を防止又は抑制することが可能な燃料噴射装置を提供することが出来る。

本発明によって、噴霧特性(微粒化、低ペネトレーション)の経年変化がを防止又は抑制した燃料噴射装置を提供でき、エンジンの排気性能や運転性能を悪化させることのない内燃機関を実現することができる。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例を示す断面図である。図1の燃料噴射装置の弁体先端の近傍を拡大した断面図である。本発明の第一の実施形態における、任意の燃料噴孔の断面図である。本発明の第一の実施形態における、任意の燃料噴孔の寸法と第二噴孔部入口に付着する噴霧燃料付着量の関係図である。本発明の第二の実施形態における、任意の燃料噴孔の断面図である。本発明の第二の実施形態の変更例における、任意の燃料噴孔の断面図である。本発明の第三の実施形態における、任意の燃料噴孔の断面図である。本発明の第三の実施形態の変更例における、任意の燃料噴孔の断面図である。本発明の第三の実施形態における、任意の燃料噴孔の寸法と第三噴孔部入口に付着する噴霧燃料付着量の関係図である。

図１〜４を用いて、本発明に係る燃料噴射装置の第一の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る燃料噴射装置の一例として、電磁式燃料噴射装置の例を示す断面図である。この燃料噴射装置１００は、筒内直接噴射式エンジンに用いられる、通常時閉型の電磁駆動式の燃料噴射装置である。コイル１０８への通電が絶たれると、スプリング１１０の付勢力によって弁体１０１がシート部材１０２に押し付けられ、燃料がシールされる。このような状態を閉弁状態と呼ぶ。燃料は、燃料供給口１１２から燃料噴射装置１００の内部に供給される。

図２は、燃料噴射装置１００の先端に設けられた燃料噴孔の近傍を拡大した断面図である。ノズル体１０４の先端にはシート部材１０２が溶接などで接合されている。シート部材１０２の内側には円錐面が形成されており、後に詳述する燃料噴孔２０１が複数設けられている。燃料噴孔２０１よりも図２における図示上方の円錐面は、弁座面２０３である。閉弁状態では、弁体１０１は、シート部材１０２の弁座面２０３と当接して燃料をシールする。なお、弁体１０１側の弁座面２０３との接触部（以下、球面部と呼ぶ）２０２は球面によって形成されている。そのため、円錐面の弁座面２０３と球面部２０２とは線接触する。

なお、弁体１０１の軸芯は燃料噴射装置１００の中心軸２０４と一致している。

図１に示すコイル１０８に通電されると、燃料噴射装置１００の磁気回路を構成する固定コア１０７、ヨーク１０９、アンカー（可動コア）１０６に磁束が生じ、空隙を挟んで対向する固定コア１０７とアンカー１０６との間に磁気吸引力を生じる。この磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と燃料圧力による力との合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、図示上方に移動する。このような状態を開弁状態と呼ぶ。燃料噴射装置１００が開弁状態となると、弁座面２０３と弁体１０１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が運動エネルギに変換されて燃料が燃料噴孔２０１に至り、エンジン筒内に直接噴射される。

図３は、本発明の第一の実施形態における、任意の燃料噴孔の断面図である。線３０１ａ〜３０１ｉは噴孔に流れ込む燃料流れを示しており、弁座面２０３に開口する噴孔部分を第一の噴孔部２０１ａ、これと連接して燃焼室(図示しない)に開口する噴孔部分を第二の噴孔部２０１ｂとしている。第一の噴孔部２０１ａは第二の噴孔部２０１ｂに対して上流側に位置するため、上流側噴孔部２０１ａと呼ぶ場合もある。また、第二の噴孔部２０１ｂは第一の噴孔部２０１ａ対して下流側に位置するため、下流側噴孔部２０１ｂと呼ぶ場合もある。

燃料噴孔２０１ａを流れる燃料３０１ｄ〜３０１ｆは噴孔部２０１ｂにて、３０１ｇ〜３０１ｉのように広がり、燃焼室に供給される。この時、この燃料が第二の噴孔部出口（第二の噴孔部２０１ｂの出口開口縁）３０３ａ、３０３ｂに衝突すると、コアンダ効果によって噴孔壁やシート部材１０２の燃焼室側に燃料が残ってしまうことがある。これは、第一の噴孔部２０１ａの出口であれば、次回噴射の燃料流れによって、燃料が残留することは殆どないが、第二の噴孔部出口３０３ａ、３０３ｂの場合は、燃料流れよりも高温の燃焼ガスにさらされる影響が強く出てしまい、燃料が炭化してその場に堆積する。

一旦、炭化燃料が堆積すると、そこを核として堆積量が増大し、燃料流路の狭隘化や詰まりを起こすことがある。特に、特許文献１に公開されているようなＬ/Ｄ設定にして、整流化を進めずに噴孔軸方向の速度成分を小さくしてペネトレーションを下げる構造では、第一の噴孔部２０１ａから噴射された燃料が噴孔径方向に広がって、第二の噴孔部出口３０３ａや３０３ｂに衝突しやすくなるという特性を持つ。これにより、噴孔近傍での炭化燃料堆積を起こしやすく、噴霧が経年変化しやすくなる。

そこで本発明では、燃料噴孔部２０１ａの延在長さをＬ１、燃料噴孔部２０１ａの直径をＤ１、燃料噴孔部２０１ｂの延在長さをＬ２、燃料噴孔部２０１ｂの直径をＤ２とした場合に、(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)となるよう、第二の噴孔部２０１ｂを設定する。L1/D1が３以内、かつ供給燃料圧力が５０ＭＰａ以内である場合、第二の燃料噴孔部２００１ｂの出口３０３ａ、３０３ｂに燃料が衝突することは殆どなく、燃料残留に起因する炭化燃料堆積を大幅に低減することが可能となる。

図４には、この第一の噴孔部２０１ａと第二の噴孔部２０１ｂにおいて、上述の関係を満たした場合の第二噴孔部２０１ｂの入口に付着する噴霧燃料付着量の関係の一例を示している。少なくとも、(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)、すなわち ((L1+L2)/D2)/ (L1/D1)≦1の領域では、径方向に広がった第二の噴孔部２０１ｂの燃料が、第二の噴孔部２０１ｂの出口３０３ａ、３０３ｂに衝突することはなく、噴孔付近に燃料が付着(残留)することに起因する排気悪化等を招くことは殆どない。この線４０１の傾きや付着発生点は供給燃料圧力や弁体１０１の動作状態によって決まる。また、((L1+L2)/D2)/ (L1/D1)の成立下限値は、シート部材１０２に存在する他の噴孔２０１の位置やシート部材１０２の材料、肉厚等との関係で決まる。

以上、本発明の第一の実施形態に係る作用効果として、当該燃料噴射装置の経年変化等によらず、燃料噴霧のロバスト性を維持することができ、噴霧特性変化に起因する排気悪化やエンジン運転性能悪化を抑制可能な燃料噴射装置を提供することが出来る。

図５Ａは、本発明に係る第二の実施形態における、任意の燃料噴孔５０５の断面図を示している。本実施形態においても、燃料噴孔５０５を第一の噴孔部（上流側噴孔部）５０５ａと第二の噴孔部（下流側噴孔部）５０５ｂとで構成している。本実施形態では、第一の実施形態の燃料噴孔２０１を燃料噴孔５０５に変更している。燃料噴射装置のその他の構成は第一の実施形態と同様である。

本実施形態の特徴は、第一の実施形態の燃料噴孔２０１に対して、第二の噴孔部５０５ｂの一部にテーパ部（テーパ面）５０６を設けていることである。

テーパ部５０６は、噴孔部５０５ｂの入口から出口に向かって燃料通路の断面積が広がるように、噴孔部５０５ｂの軸方向（入口から出口に向かう方向）において、一部、もしくはすべての範囲に形成される。第一の実施形態に比べて、第二の噴孔部５０５ｂ内のデッドボリュームを減らして、流れの滞留による燃料残留を防ぐという目的がある。この時のＬ１、Ｌ２、Ｄ１、Ｄ２の関係は((L1+L2)/D2)/(L1/D1)≦1であり、図４と同等、もしくはそれ以上の噴霧燃料付着の低減効果を得ることができる。

図５Ｂは、本発明に係る第二の実施形態の変更例における、任意の燃料噴孔５０５’の断面図を示している。本実施形態の第二の噴孔部５０５ｂの一部に形成したテーパ部５０６に替えて、湾曲面５０６’を形成している。図５Ｂの断面図においては、湾曲面５０６’は円弧或いは曲線で描かれる。デッドボリュームを減らす効果はテーパ部５０６よりも劣るが、第一の実施形態に対しては優れている。

図６Ａは、本発明に係る第三の実施形態における、任意の燃料噴孔の断面図を示している。特徴は、第二の噴孔６０５ｂに連通する第三の噴孔６０５ｃを設けていることである。本実施形態では、第一の実施形態の燃料噴孔２０１を燃料噴孔６０５に変更している。燃料噴射装置のその他の構成は第一の実施形態と同様である。

本実施形態においては、燃料噴孔６０５を第一の噴孔部６０５ａと第二の噴孔部６０５ｂと第三の噴孔部６０５ｃとで構成している。第一の噴孔部６０５ａは最も上流側に位置する噴孔部（上流側噴孔部）であり、第三の噴孔部６０５ｃは最も下流側に位置する噴孔部（下流側噴孔部）である。第二の噴孔部６０５ｂは第一の噴孔部６０５ａと第三の噴孔部６０５ｃとの中間に位置して第一の噴孔部６０５ａと第三の噴孔部６０５ｃとに連接される中間の噴孔部（中間噴孔部）である。

第一の実施形態に比べて、第二の噴孔部６０５ｂ内のデッドボリュームを減らすのと同時に、この燃料噴射装置を生産する際のドリルやレーザーでの穴あけ精度を向上することが出来るため、生産性が高く、形状ロバストな燃料噴射装置を提供することが出来る。この時、これまでの実施形態と同様、噴孔部出口６０３ａ、６０３ｂ、また６０４ａ、６０５ｂに噴射燃料を衝突させないことがポイントであり、図６のような各噴孔部の延在長さＬ１〜Ｌ３、各噴孔径Ｄ１〜Ｄ３である時に、(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)であり、さらに(L1/D1)≧((L1+L2+L3)/D3)となるよう、第二の噴孔部６０５ｂ、および第三の噴孔部６０５ｃの寸法を設定する。これにより、第一の実施形態と同様の噴霧燃料付着低減効果が得られ、噴孔近傍での燃料残留に起因する炭化燃料堆積を大幅に低減することが可能となる。

なおこの時の第二の噴孔６０５ｂ、第三の噴孔６０５ｃの形状は、第二の実施形態のように、一部もしくはすべてを噴孔出口に向かって広がるテーパ状にすることでもかまわない。第二の噴孔部６０５ｂと第三の噴孔部６０５ｃとのうち、いずれか一方の噴孔部にテーパ部を設けてもよい。

図６Ｂは、本発明に係る第三の実施形態の変更例における、任意の燃料噴孔６０５’の断面図を示している。本実施形態の第二の噴孔部６０５ｂ’及び第三の噴孔部６０５ｃ’に湾曲面６０６，６０７を形成している。図６Ｂの断面図においては、湾曲面６０６，６０７は円弧或いは曲線で描かれる。デッドボリュームを減らす効果はテーパ部を形成した場合よりも劣るが、図６Ａに示す形状に対しては優れている。

湾曲面は、第二の噴孔部６０５ｂ’又は第三の噴孔部６０５ｃ’のいずれか一方にのみ設けてもよい。また、第二の噴孔部６０５ｂ’と第三の噴孔部６０５ｃ’とのうち、いずれか一方に湾曲面を設け、他方にテーパ部を設けてもよい。

図７には、この第一の噴孔部６０５ａ、第二の噴孔部６０５ｂ，６０５ｂ’、第三の噴孔部６０５ｃ，６０５ｃ’において、上述の関係を満たした場合の第三の噴孔部６０５ｃ，６０５ｃ’の入口に付着する噴霧燃料付着量の関係の一例を示している。少なくとも、(L1/D1)≧((L1+L2+L3)/D3)、すなわち ((L1+L2+L3)/D3)/ (L1/D1)≦1の領域では、径方向に広がった第二の噴孔６０５ｂの燃料が、第二の噴孔出口６０３ａ、６０３ｂに衝突することはほとんどなく、さらにこの燃料が第三の噴孔出口６０４ａ、６０４ｂに衝突することはほぼない。すなわち、噴孔付近に燃料が付着(残留)することに起因する排気悪化等を招くことは殆どない。この線７０１の傾きや付着発生点は供給燃料圧力や弁体１０１の動作状態によって決まる。また、((L1+L2+L3)/D3)/ (L1/D1)の成立下限値は、シート部材１０２に存在する他の噴孔位置やシート部材１０２の材料、肉厚等との関係で決まる。

以上、本発明の第三の実施形態に係る作用効果として、第一の実施形態の作用効果を維持したまま、生産性を向上することが可能である。

本発明の第一、第二、第三の実施形態に係る燃料噴射装置は、電磁式の例で紹介したが、ピエゾ素子などの他の駆動形態で実施する形式でも本発明の範疇であることは言うまでもない。

１０１…弁体、１０２…シート部材、１０３…ガイド部材、１０４…ノズル体、１０５…弁体ガイド、１０６…アンカー、１０７…コア、１０８…コイル、１０９…ヨーク、１１０…スプリング、１１１…コネクタ、１１２…燃料供給口、２０１，５０５，６０５…燃料噴孔、２０１ａ，２０１ｂ，５０５ａ，５０５ｂ，５０５ｂ’，６０５ａ，６０５ｂ，６０５ｃ，６０５ｂ’，６０５ｃ’…燃料噴孔部、２０２…球面部、２０３…弁座面、２０５…弁座面２０３の頂点、３０１ａ〜ｉ、５０１ａ〜ｉ、６０１ａ〜ｉ…燃料流れ、３０２，５０２，６０２…燃料噴射弁中心軸、３０３ａ，３０３ｂ，５０３ａ，５０３ｂ，６０３ａ，６０３ｂ，６０４ａ，６０４ｂ…燃料噴孔出口、４０１，７０１…燃料噴孔の寸法と噴孔近傍への燃料噴霧燃料付着量の関係線。

Claims

燃料の噴孔と弁座とが設けられたシート部材と、前記弁座に当接および離間して前記噴孔からの燃料噴射を制御する弁体とを備えた燃料噴射装置において、
前記噴孔は、前記シート部材の内側に開口する第一の噴孔部と、前記第一の噴孔部の出口に連通する第二の噴孔部とを備えており、
前記第一の噴孔部の延在長さ(L1)と前記第一の噴孔部の孔径(D1)との比(L1/D1)と、前記第一の噴孔部の延在長さ(L1)と前記第二の噴孔部の延在長さ(L2)との和(L1+L2)と前記第二の噴孔部の孔径(D2)との比((L1+L2)/D2)との関係が、(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)であることを特徴とする燃料噴射装置。
請求項１に記載の燃料噴射装置において、
前記第二の噴孔部の出口に連通する第三の噴孔部を備えており、
前記第一の噴孔部の延在長さ(L1)と前記第一の噴孔部の孔径(D1)との比(L1/D1)と、前記第一の噴孔部の延在長さ(L1)と前記第二の噴孔部の延在長さ(L2)と前記第三の噴孔部の延在長さ(L3)との和(L1+L2＋L3)と前記第三の噴孔部の孔径(D3)との比((L1+L2＋L3)/D3)との関係が、(L1/D1)≧((L1+L2+L3)/D3)であることを特徴とする燃料噴射装置。
請求項２に記載の燃料噴射装置において、
(L1/D1)≧((L1+L2)/D2)、かつ (L1/D1)≧((L1+L2+L3)/D3)であることを特徴とする燃料噴射装置。
請求項１に記載の燃料噴射装置において、
前記第二の噴孔部は、噴孔部の入口から出口に向かって燃料通路の断面積が広がるように形成されたテーパ面又は湾曲面を、噴孔部の軸方向における一部の範囲、もしくは全ての範囲に有する形状であることを特徴とする燃料噴射装置。
請求項２に記載の燃料噴射装置において、
前記第二の噴孔部又は前記第三の噴孔部の少なくともいずれか一方の噴孔部は、噴孔部の入口から出口に向かって燃料通路の断面積が広がるように形成されたテーパ面又は湾曲面を、噴孔部の軸方向における一部の範囲、もしくは全ての範囲に有する形状であることを特徴とする燃料噴射装置。