JP2017106338A

JP2017106338A - インジェクタ

Info

Publication number: JP2017106338A
Application number: JP2015238700A
Authority: JP
Inventors: 征二松田; Seiji Matsuda; 正幸加茂; Masayuki Kamo; 禎之木村; Yoshiyuki Kimura
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-15

Abstract

【課題】インジェクタに関し、燃料の微粒化を促進する。【解決手段】燃料の流路を開閉する弁体１の弁座２にテーパ部５を設け、弁体１と弁座２との接触箇所よりも下流側において下流に向かって円錐状に広がる流路を形成する。平面状に形成されたプレート６をテーパ部５の下流端に当接させる。プレート６において、テーパ部５との接触箇所よりも内周側の位置に噴孔８を形成する。また、テーパ部５の軸線Ｃを含む断面において、軸線Ｃと噴孔８の中心軸Ｐとのなす角度θ2を、軸線Ｃとテーパ部５とのなす角度θ1よりも小さくする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの吸排気通路内や気筒内に燃料を噴射するインジェクタに関する。

従来、エンジンに燃料を供給するためのインジェクタにおいて、噴孔（噴口）から噴射された燃料が迅速に微粒化しやすい構造を採用することで、燃料と空気との混合性を改善する技術が知られている。例えば、弁体と弁座との接触箇所よりも下流側に流路断面積が狭められたスロート部を形成し、燃料の流速を増大させることで微粒化を促進する技術が知られている。また、インジェクタの先端に設けられたオリフィスプレートに微細な噴孔を穿孔し、オリフィスプレートから噴射される直前の燃料圧力を調圧することで、燃料の霧化を促進する技術も知られている。噴射燃料を十分に霧化することで、排気エミッションや燃費が改善されうる（特許文献１，２参照）。

特開2002-004983号公報特開2014-009653号公報

しかしながら、既存のインジェクタの先端構造では、オリフィスプレートの上流側における燃料の流れがスロート部から噴孔へと向かう一方向の流れになりやすい。このような構造は、噴孔を通過する燃料の流速を高めるには有利であるといえるものの、噴孔を通過した燃料の液柱を分裂させるには必ずしも有利であるとはいえず、エンジンの作動状態や燃料圧力によっては燃料の微粒化が阻害されうる。

なお、近年のエンジンには、複数の吸気ポートのそれぞれにインジェクタを配置し、気筒にできるだけ近い位置で燃料を噴射するマルチインジェクションタイプのものが存在する。このようなエンジンでは、一個のインジェクタで複数のポートに燃料を噴射するシングルインジェクションタイプのエンジンと比較して、インジェクタから気筒までの距離が短縮される。そのため、燃料噴霧の迅速な微粒化に対する要求が高くなり、既存のインジェクタを用いたのでは、その要求に対応しにくいという実情もある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、燃料の微粒化を促進することができるインジェクタを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）ここで開示するインジェクタは、燃料の流路を開閉する弁体の弁座に形成され、前記弁体と前記弁座との接触箇所よりも下流側において前記下流に向かって円錐状に広がる流路を形成するテーパ部を備える。また、内表面が平面状に形成されて前記テーパ部の下流端に当接するプレートを備える。さらに、前記プレートに穿孔され、前記テーパ部との接触箇所よりも内周側に配置された噴孔を備える。前記テーパ部の軸線を含む断面において、前記軸線と前記噴孔の中心軸とのなす角度が、前記軸線と前記テーパ部とのなす角度よりも小さい。
すなわち、前記軸線と前記中心軸とのなす角度（噴射角）をθ₂とし、前記軸線と前記テーパ部とのなす角度（テーパ角）をθ₁とおけば、θ₂＜θ₁である。

（２）前記噴孔よりも前記プレートの上流外周側において前記プレート及び前記テーパ部に挟まれた袋小路状の空洞をなし、前記インジェクタの軸線を含む断面で三角形状に形成された空洞部を備えることが好ましい。
（３）前記テーパ部よりも上流側に設けられ、前記燃料の流路断面積が最も狭められた箇所を含むスロート部を備え、前記スロート部の表面と前記テーパ部の表面とのなす角度が鈍角に形成されることが好ましい。すなわち、前記スロート部の表面と前記テーパ部の表面とのなす角度をθ₃とおけば、90°＜θ₃＜180°であることが好ましい。

（４）前記スロート部の表面と前記テーパ部の表面とを滑らかに接続する曲面状の接続部を備えることが好ましい。
（５）前記テーパ部に沿った前記燃料の流れを前記噴孔に向かう方向へと案内する案内部を備えることが好ましい。

噴孔の角度をテーパ部の角度よりも小さくすることで、噴孔に流入しようとする燃料の流れと、テーパ部に沿った燃料の流れとの衝突によって生じる乱れを大きくすることができ、噴孔を通過した燃料の液柱を分裂させやすくすることができる。したがって、燃料の迅速な微粒化を促進することができる。

インジェクタの内部構造を模式的に示す断面図である。図１の要部拡大断面図である。図２の要部拡大断面図である。変形例としてのインジェクタを説明するための断面図である。変形例としてのインジェクタを説明するための図（図４のＡ矢視図）である。

図面を参照して、実施形態としてのインジェクタについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．装置構成］
本実施形態のインジェクタ１０の先端部における内部構造を、図１に例示する。このインジェクタ１０は、車両に搭載されるエンジンの燃料噴射弁である。中空筒状に形成されたハウジング１１の内部には、弁体１（バルブ），弁座２（バルブシート），プレート６（オリフィスプレート）が設けられる。弁体１は、弁座２に対して離接方向に移動可能に設けられ、図示しないソレノイドによって駆動される。

弁体１を弁座２に接触させることにより、インジェクタ１０の先端側への燃料の流通が遮断される。一方、弁体１を弁座２から離間させることにより、弁体１と弁座２との隙間の大きさや燃料の圧力，隙間の開放時間などに応じた量の燃料がインジェクタ１０の先端から噴射される。なお、ソレノイドの作動状態は、車両に搭載されるエンジン制御装置（電子制御装置）によって制御される。弁体１の駆動構造は任意であり、公知の構造を適用することができる。また、弁体１の形状についても任意であり、図１に示すような球状のものを使用してもよいし、あるいは円筒状のものや円錐状のもの、テーパ状，円錐状のものなどを使用してもよい。

弁座２は、ラバールノズル状の流路を形成する部材である。図２に示すように、弁座２には、燃料の流路断面積を下流に向かって絞り込む部位であるノズル部３と、最小断面積の部位を形成するスロート部４と、その下流側の流路を急速に拡大させるテーパ部５とが設けられる。これらのノズル部３，スロート部４，テーパ部５は、弁体１よりもインジェクタ１０の先端側（図１中の下方）に配置される。

ノズル部３は、弁体１と接触したときに燃料の流れを封止する部位である。ノズル部３の表面形状は、弁体１の表面に接触しうる円錐面状であり、インジェクタ１０の軸線Ｃを含む断面においてほぼ直線状とされる。図２中に破線で示すラインは、ノズル部３の表面を延長した仮想線である。軸線Ｃを挟んで右側の仮想線と左側の仮想線とが交差する位置は、プレート６の内表面よりも下方（すなわち、プレート６の内表面よりもインジェクタ１０の先端側）に設定される。また、弁体１とノズル部３との接触箇所の形状はほぼ円形とされる。これにより、接触箇所に作用する圧力がほぼ均等となり、シール性が向上する。また、弁体１とノズル部３とを非接触にすることで、燃料がインジェクタ１０の先端側に向かって流通する。このとき、燃料の流通速度は、ノズル部３によって形成される先細りの流路を通過する際に増速する。

スロート部４は、ノズル部３の下流側（先端側）に隣接して設けられ、燃料の流路断面積が最も狭められた箇所を含む部位である。スロート部４の表面形状は、円筒面状又は円錐面状に形成される。スロート部４の内側の流路断面積（口径）は、インジェクタ１０の噴射能力に応じて設定される。軸線Ｃに沿って眺めたときのスロート部４の形状は円形である。

テーパ部５は、スロート部４の下流側（先端側）に隣接して設けられ、インジェクタ１０の先端側（下流側）に向かって円錐状に広がる流路を形成する部位である。テーパ部５の表面形状は円錐面状であり、インジェクタ１０の軸線Ｃを含む断面においてほぼ直線状となる。また、テーパ部５の表面をなす円錐面の中心軸は、インジェクタ１０の軸線Ｃと同軸である。したがって、インジェクタ１０の軸線Ｃのことをテーパ部５の軸線Ｃと読み替えることができる。

図２中に細実線で示すラインは、テーパ部５の表面を延長した仮想線である。テーパ部５の軸線Ｃを含む断面において、この仮想線と軸線Ｃとのなす角度θ₁（テーパ角）は90°よりも小さい角度に設定される。好ましくは、スロート部４とテーパ部５とで挟まれる角度θ₃が鈍角（90°よりも大きく180°よりも小さい角度）になるように、テーパ角θ₁の大きさが設定される。本実施形態ではテーパ角θ₁の取りうる範囲が例えば45°≦θ₁＜90°とされる。なお、スロート部４とテーパ部５とで挟まれる角度θ₃（拡径角度）が90°を越える角度に設定されると、燃料の流れがスロート部４を通過した後にテーパ部５の表面から剥離しにくくなり、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れが形成されやすくなるとともに、流体の剥離に伴うエネルギ損失が抑制される。

テーパ部５の下流側には、平面状のプレート６が設けられる。プレート６は、その内表面がテーパ部５の下流端に当接した状態で、ハウジング１１の内部に取り付けられる。プレート６の内表面は、軸線Ｃに対して垂直に配置される。また、図２に示すように、プレート６には平面部７と複数の噴孔８とが設けられる。平面部７は、プレート６の内表面をなす部分であり、凹凸のない平滑な平面状に形成される。噴孔８は中空円空状の孔として形成され、プレート６の平面部７とテーパ部５との接触箇所よりも内周側に配置される。

噴孔８の中心軸Ｐと軸線Ｃとのなす角度θ₂（噴孔角）は、少なくともテーパ角θ₁よりも小さい角度に設定される。すなわち、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れが、その方向を保ちつつ噴孔８から流出することがないように、流れの方向が内周側に折れ曲がるように流路方向が設定される。また、噴孔８の向きは、少なくともプレート６よりも上流側（インジェクタ１０の基端側）で中心軸Ｐが軸線Ｃと交わるように、外周側に向かって開放される。すなわち、噴孔角θ₂は少なくとも0°よりも大きい角度に設定される。これにより、複数の噴孔８のそれぞれから噴射される燃料噴霧同士の干渉が抑制され、燃料の微粒化が促進される。

図２に示すように、テーパ部５とプレート６とに挟まれた空間は、おおむね円錐状の空間となる。特に、噴孔８よりもプレート６の上流外周側（円錐底面の外縁部近傍）に着目すると、テーパ部５とプレート６とによって挟まれた袋小路状の空洞部９が形成される。空洞部９の形状は、軸線Ｃを通る断面で三角形状である。

空洞部９は、図３中に白抜き矢印で示すように、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１をプレート６の内表面に沿って半径方向内側へと還流させる機能を持つ。還流した燃料の流れ２１は、図３中に黒矢印で示す燃料の流れ２２や、斜線矢印で示す燃料の流れ２３に対して、噴孔８の近傍で衝突し、流体の運動に乱れを生じさせる。

ここで、流れ２２はスロート部４から噴孔８に向かう燃料の流れを表し、流れ２３はプレート６の内表面に沿った燃料の流れを表す。噴孔８をテーパ部５とプレート６との接触箇所よりも内周側に配置することで、燃料の流れ２１を方向転換させる空間的余地が生じ、噴孔８から噴射される直前の燃料が乱流拡散しやすくなる。これにより、噴孔８から噴射された燃料の液柱分裂が促進され、すなわち燃料の微粒化が促進される。

［２．作用，効果］
（１）上記のインジェクタ１０によれば、噴孔角θ₂をテーパ角θ₁よりも小さくすることで、噴孔８に流入しようとする燃料の流れ２２，２３と、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１との衝突によって生じる乱れを大きくすることができ、噴孔８を通過する燃料の微粒化を促進することができる。これにより、例えばポート壁面や筒内壁面への燃料付着を抑制することができ、燃焼安定性や燃費を改善することができる。

また、ポート噴射で吸気ポートに各インジェクタを設けるマルチインジェクションを適用する場合には、吸気ポート下流側（燃焼室側）への設置が可能となり、燃料の直入率を上昇させることができ、高負荷時におけるノッキングの発生を防止することができる。また、プレート６の内表面を平面状に形成することで、プレート６の内表面に沿った燃料の流れ２３を確実に生成することができ、噴孔８に流入しようとする燃料の流れ２２や、テーパ部５に沿った燃料の流れ２１と衝突させることができる。これにより、噴孔８を通過する燃料の微粒化を促進することができる。

（２）上記のインジェクタ１０には、テーパ部５とプレート６とに挟まれた袋小路状の空洞部９が三角形状に形成される。これにより、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１を効率的に半径方向内側へと還流させることができる。したがって、噴孔８の近傍で複数の燃料の流れ２１，２２，２３を容易に衝突させることができ、燃料の微粒化を促進することができる。

（３）上記のインジェクタ１０では、スロート部４とテーパ部５との間の拡径角度θ₃が鈍角に設定される。これにより、スロート部４を通過した燃料の流れがテーパ部５の表面から剥離しにくくすることができ、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１を強めることができる。これにより、複数の燃料の流れ２１，２２，２３を衝突させることによって生じる乱れを大きくすることができ、燃料の微粒化を促進することができる。

［３．変形例］
上述の実施形態では、断面が三角形状の空洞部９において、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１を還流させる構造を例示したが、燃料の流れ２１をより積極的に噴孔８の近傍へと案内させるための構造を追加することも考えられる。例えば、図４に分解して示すように、プレート６の内表面に突起状の案内部１２を形成し、燃料の流れ２１が噴孔８に向かう方向へと案内させてもよい。

この場合、案内部１２の形状は、図５に示すようにプレート６の上面視においてテーパ部５との接触箇所から噴孔８に向かって突出した形状とする。これにより、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１を噴孔８の近傍に集中させることができ、複数の燃料の流れ２１，２２，２３を衝突させることによって生じる乱れをより大きくすることができる。なお、燃料の流れ２１を案内するための案内部１２は、プレート６の内表面に凹溝として形成してもよいし、テーパ部５の表面に突起，凸条，凹溝として形成してもよい。

また、上述の実施形態では、スロート部４とテーパ部５との取り合い部分（接続部分）を鈍角に尖った形状に形成したものを例示したが、図４に示すように角を丸めてもよい。すなわち、スロート部４とテーパ部５との間を曲面状の接続部１３で滑らかに接続してもよい。このような構造により、スロート部４を通過した燃料がテーパ部５の表面から剥離しにくくなり、テーパ部５の表面に沿って流通しやすくなる。つまり、テーパ部５の表面に沿った燃料の流れ２１を強めることができ、噴孔８の近傍における燃料の流れの乱れを強めることができる。したがって、噴孔８を通過する燃料の微粒化をさらに促進することができる。

１弁体
２弁座
３ノズル部
４スロート部
５テーパ部
６プレート
７平面部
８噴孔
９空洞部
１０インジェクタ
１１ハウジング
１２案内部
１３接続部
Ｃ軸線
Ｐ中心軸
θ₁ テーパ角
θ₂ 噴孔角
θ₃ 拡径角度

Claims

燃料の流路を開閉する弁体の弁座に形成され、前記弁体と前記弁座との接触箇所よりも下流側において前記下流に向かって円錐状に広がる流路を形成するテーパ部と、
内表面が平面状に形成されて前記テーパ部の下流端に当接するプレートと、
前記プレートに穿孔され、前記テーパ部との接触箇所よりも内周側に配置された噴孔とを備え、
前記テーパ部の軸線を含む断面において、前記軸線と前記噴孔の中心軸とのなす角度が、前記軸線と前記テーパ部とのなす角度よりも小さい
ことを特徴とする、インジェクタ。
前記噴孔よりも前記プレートの上流外周側において前記プレート及び前記テーパ部に挟まれた袋小路状の空洞をなし、前記インジェクタの軸線を含む断面で三角形状に形成された空洞部を備える
ことを特徴とする、請求項１記載のインジェクタ。
前記テーパ部よりも上流側に設けられ、前記燃料の流路断面積が最も狭められた箇所を含むスロート部を備え、
前記スロート部の表面と前記テーパ部の表面とのなす角度が鈍角に形成される
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のインジェクタ。
前記スロート部の表面と前記テーパ部の表面とを滑らかに接続する曲面状の接続部を備える
ことを特徴とする、請求項３記載のインジェクタ。
前記テーパ部に沿った前記燃料の流れを前記噴孔に向かう方向へと案内する案内部を備える
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のインジェクタ。