JP2555115B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料噴射弁に係り、特に、噴射特性および
可動弁をオンオフする時間により噴射量を制御するとき
のオンオフ時間に対する噴射量の線形性に優れた、自動
車等の内燃機関用に好適な燃料噴射弁に関するものであ
る。

［従来の技術］ 自動車等の内燃機関に用いられる燃料噴射弁は、噴射
燃料をできるかぎり微粒化することと、噴射量を広範囲
で精密に制御することが要求される。

従来のこの種の装置として関連するものには、例えば
特開昭55−104564号公報に記載されているように、燃料
に噴射を、オン、オフする電磁駆動のボール弁とその下
流に噴射孔とを備え、ボール弁がリフトしたとき流れる
燃料に旋回力を与え、この旋回エネルギにより噴射孔か
ら噴射する燃料を微粒化するようになっていた。

そして、燃料の噴射量はボール弁を駆動する電磁駆動
源へのパルス状の信号の時間幅を変えることにより、一
定量ボール弁がリフトし燃料が噴射している時間を制御
することで行うものであった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術の燃料噴射弁では、燃料噴射期間の噴射
燃料の状態と微粒化、特に噴射燃料の平均液滴粒径が小
さいことと、燃料噴射信号に対する噴射量の線形性や正
確さが求められていたが、その過渡的な特性については
十分な配慮がなされていなかった。

すなわち、従来の燃料噴射弁では、噴射している時間
の平均液滴粒径の微粒化の向上に主眼がおかれ、可動弁
がリフトし、最大リフトに達するまでの過渡時における
噴射燃料の微粒化についての配慮が十分ではなかった。
このことは可動弁における駆動源の種類を問わず発生す
る問題である。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、本発明の目的は、駆動源の種類，構成を
限定することなく、燃料噴射弁の可動弁リフトに対し
て、噴射流量、平均液滴粒径とも、最大可動弁リフトに
達するまでの間に安定領域が得られ、弁可動の過渡時に
おける噴霧の微粒化を向上し、エンジンの過渡性能、ア
イドリング性能、燃料消費率等を向上させうる燃料燃料
噴射弁を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る燃料噴射弁
の構成は、駆動源となる構成体と、駆動源により作動し
所定量リフトする可動弁体と、この可動弁体に対接して
常時は閉じており弁体のリフト時に開口する可変絞りで
ある燃料導出口と固定絞りである燃料噴射孔とを具備し
たバルブガイドと、前記可動弁体のリフト量を制限する
ストッパ部材と、前記燃料導出口に連通する燃料流路と
を備えた燃料噴射弁において、前記燃料導出口を通過す
る燃料に旋回力を与える複数の旋回流路を、該複数の旋
回流路の総断面積が該旋回流路の上流の燃料流路の総断
面積より小さく且つ前記燃料導出口の開口面積より大き
くなるように、前記バルブガイドに形成するとともに、
前記可動弁体の最大リフト時の前記燃料導出口の開口面
積をA₁、前記燃料噴射孔の流路面積をA₂としたとき、A₁
とA₂の比σ（＝A₁/A₂）を、σ＞１となるように設定し
たものである。

［作用］ 上記の技術的手段による働きを第３図および第４図を
参照して説明する。

第３図は、可動弁リフトと各特性値との関係を示す線
図で、（ａ）は絞り面積比σの線図、（ｂ）は噴射流量
Ｑの線図、（ｃ）は噴射燃料の平均液滴粒径ｄmの線
図、（ｄ）は噴射孔出口の旋回速度ｖθの線図、第４図
は、ボール弁まわりの燃料のフローパターンを示す模式
図で、（ａ）はσ＜１のとき、（ｂ）はσ＞１のときを
示す。

常時はばね力等で閉じられ、駆動源によりある一定量
リフトする可動弁と、その下流側に固定絞りの噴射孔を
備えた燃料噴射弁について、可動弁上流側の燃料供給圧
力をほぼ一定として可動弁をリフトしたおき、可動弁リ
フトをｘ、その最大リフトをｘmax、最大リフト時の可
動弁部開口面積すなわち燃料導出口の開口面積をA₁、可
動弁下流側の固定絞りである噴射孔の流路面積をA₂、A₁
とA₂との絞り面積比をσ（＝A₁/A₂）で表わしたとき、
可動弁リフトｘに対する絞り面積比σ、噴射流量Ｑ、噴
射燃料の平均液滴粒径ｄmの関係を実験で求めると、第
３図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すようになった。

第３図では、代表的な例として可動弁リフトｘと絞り
面積比σとの関係が、０＜ｘ＜ｘmaxでσ＞１となる絞
り構成とした場合をケース１として実線で示し、０＜ｘ
＜ｘmaxでσ＜１、かつ、ｘmaxで最大流量Ｑmaxをケー
ス１と同条件の絞り構成とした場合をケース２として破
線で示した。

より具体的に、例えば可動弁を第４図に示すボール弁
として説明すれば、ボール弁１の上流側燃料圧力はケー
ス1,2とも同一とし、ボール弁の最大リフトｘmaxもケー
ス1,2とも同一条件としたとき、A₂＞A₁の場合がケース
２となるものである。すなわち、ケース２ではA₁のみが
絞られた状態となる場合であり、さらに、この絞り構成
で、ケース１のQmax値とケース２のQmax値とが同一にな
るようにボール弁のシート径を選定した場合をケース２
としている。

第３図（ｂ）に示すように、ケース１では、σ＝１の
弁リフトx₁で噴射流量Ｑ≒Qmaxに達し、σ＞１では流量
飽和の特性となる。一方、ケース２では、ｘ＝ｘmaxで
も流量は増加傾向にある。

また、第３図（Ｃ）に示す噴射燃料の平均液滴粒径ｄ
mは、可動弁リフト開始時は、ケース1,2とも大きいが、
それがｘの増加に従って小さくなり、ケース１ではｘ＞
x₁で安定した大きさになるのに対し、ケース２では変化
を続けることがわかった。これは、絞り部のエネルギ損
失の大小によるものである。

例えば、第４図は、可動弁の弁体としてボール弁１を
用い、ボール弁１のシート２およびボール弁１の下流側
に固定絞りである噴射孔３を備えた燃料噴射弁のフロー
パターンを計算して模式的に示したものである。

第４図（ａ）は、第３図に示したケース２、すなわち
σ＜１に対応し、第４図（ｂ）は、第３図に示したケー
ス１、すなわちσ＞１に対応するものである。

第４図（ａ）では、ボール弁１の下流部に渦Ｆが生
じ、流れにはく離が生じているので、ここにエネルギ損
失が生じている。これに対し、第４図（ｂ）では、流れ
がスムースで安定していることがわかった。したがっ
て、σ＜１の領域では、ボール弁１の下流でのエネルギ
損失が大きく燃料が流れ難くなることがわかった。

また同様にして、ボール弁１を通過する燃料に同じ旋
回速度を与えた場合の弁リフトｘと噴射孔出口の旋回速
度ｖθとの関係を第３図（ｄ）に示した。

第３図（ｄ）においても、ケース１のσ＞１では、旋
回速度がｘ＞x₁で飽和する特性になるのに対し、ケース
２のσ＜１では、ｘ＝ｘmaxでも増加傾向にある特性と
なることがわかった。

したがって、σ＞１とすれば、噴射流量、平均液滴粒
径とも、可動弁リフトに対して、最大可動弁リフトに達
するまでの間に安定領域が得られる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図，第２図および第５
図を参照して説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁
の縦断面図、第２図は、第１図のＢ−Ｂ矢視断面図であ
る。

第１図に示す燃料噴射弁は、駆動源となる構成体とし
て磁気回路構成と、磁気回路を励磁するコイル組立体15
とを有し、その励磁により所定量リフト（上昇）する可
動弁体（以下単に可動弁という）と、可動弁に対向し可
動絞り構成するためのシート２および固定絞りである燃
料噴射孔３を具備するバルブガイド９と、可動弁のリフ
ト量を制限するストッパ29と、燃料流路とを主要構成要
素としている。

磁気回路構成は、有底筒状のヨーク４、このヨーク４
の開口端を閉じてヨーク４の中心に延びる柱状栓状のコ
ア５、およびそのコア５に空隙を隔てて対向するプラン
ジャ６とからなる。

コア５の柱状部の中心には穴が開けてあり、その中
に、プランジャ６と非磁性材料で形成されたガイドリン
グ７と可動弁を構成するロッド８と弁体に係るボール弁
１とで固定されてなる可動部を、バルブガイド９に形成
された燃料導出口のシート２に押圧する弾性部材として
のばね10を挿入保持するように構成されている。ばね10
の上端はセット荷重を調整するためにコア５の中心に挿
通されたアジヤスタ11の下端に当接している。コア５と
アジャスタ11との間のすき間から外部に燃料が流出する
のを防ぐために両者間にＯリング12が設けられている。

磁気回路を励磁するコイル13は、ボビン14に巻かれて
おり、これらからなるコイル組立体15の端子16はコア５
のつば部に設けた孔17に挿入され、端子16とコア５との
間にはＯリング18が介装されている。穴17の入口には内
部保護のためのカラー20がかぶせられ、その外側にモー
ルド樹脂19が成形装備される。

燃料や燃料蒸気の通路としてコア５とボビン14との間
のすき間21、上部通路22、下部通路23が形設されてい
る。

ヨーク４の外周には、環状溝24が形成されており、こ
の燃料噴射弁と筺体としてのソケット（図示せず）との
隙間から燃料が流出するのを防ぐＯリング25がそこに保
持されている。

ヨーク４のまわりには、燃料が流入する流入通路26お
よび当該燃料噴射弁内にたまった気泡を含む余分な燃料
を流出させる流出通路27が設けられている。また、ヨー
ク４の底部には可動部を受容するプランジャ受容部28が
開けられており、さらにプランジャ受容部28の径より大
径でそこにストッパ29およびバルブガイド９を受容する
バルブガイド受容部30がヨーク先端まで形成されてい
る。

また、ヨーク４の外周には、燃料流入通路26から燃料
中や配管中の塵埃や異物がバルブシート側へ侵入するの
を防ぐ環状フィルタ31が装備されている。

電磁コイル13へ、図示しない制御ユニットから信号を
伝える端子32は、電磁コイル13の前記端子16に接続され
ている。これら端子はモールド樹脂によってモールドさ
れモールドコネクタ33を形成する。

可動弁を構成する可動部の上端にあるガイドリング７
は、コア５の先端に開けられた中空部の内壁34によっ
て、またボール弁１はバルブガイド９のガイド部35によ
ってそれぞれガイドされている。

バルブガイド９には、ボール弁１をガイドする筒状の
ガイド部35に引き続いて、ボール弁１をシールするシー
ト２が形成されており、シート２の中央には燃料噴射孔
３が穿設されている。Ｏリング36はソケット（図示せ
ず）とバルブガイド９の外周面との間で燃料をシールす
るものである。

また、Ｏリングは、このほか、ボビン14とヨーク４と
の間、ボビン14とコア５との間にも、それぞれＯリング
37,38が介装され、燃料の流出を防いでいる。

39は、ボール弁１部の燃料導出口へ供給される燃料の
通路で、この燃料通路39は、第２図に示すように、燃料
の流れに旋回が生じるように、シート２の円周の切線方
向に複数個、バルブガイド９に形成されている。

可動弁体を構成するボール弁１がシート２から離れて
上昇し燃料導出口を形成する最大リフトは、ロッド８の
つば端面40とストッパ29の下面41との隙間で定まり、ボ
ール弁１が最大にリフトしてもプランジャ６とコア５と
が接触しないように構成されている。

ボール弁１のリフトをｘ、その最大リフトをｘmax、
ボール弁部のシート２の径をｄ、シート２の半頂角を
θ、噴射孔の直径をＤとするとき（第４図（ｂ）参
照）、ボール弁１の最大リフト時の燃料導出口部の開口
面積A₁は次式で与えられる。

A₁＝πdxmaxsinθ ……（１） 噴射孔の面積A₂は で表わされ、A₁とA₂との比（絞り面積比）を σ＝A₁/A₂ ……（３） で表わすとき、０＜ｘ＜ｘmaxでσ＞１となるよう、そ
れぞれの寸法を設定する。

このとき、複数の燃料通路39の総断面積をA₃とすれ
ば、ボール弁１の直前での圧力損失をできるだけ防ぐた
め、A₃＞3A₁であることが望ましい。さらに複数の燃料
通路39の上流側にある下部通路23、プランジャ６外周の
燃料通路42、ストッパ29を一部切欠いて形成した燃料通
路43の総断面積はA₃以上にすることは言うまでもない。

以上のとおり構成された本実施例の燃料噴射弁の動作
を説明する。

燃料噴射弁は、電磁コイル13に与えられる電気的なオ
ン，オフ信号により、可動部（可動弁）を操作して、バ
ルブシートの開閉を行い、それによって燃料の噴射を行
うものである。

電気信号は電磁コイル13にパルスとして与えられ、噴
射量の大小により、そのパルス幅が制御ユニットにより
制御される。弁部は、常時はばね10の圧縮力によりボー
ル弁１がシート２に押しつけられ閉じている。そして、
電磁コイル13に電流が流されると、コア５、ヨーク４、
プランジャ６で磁気回路が構成され、プランジャ６がコ
ア５側にばね10のばね力に抗して吸引される。プランジ
ャ６がリフトすると、これと一体となっているボール弁
１もリフトして、バルブガイド９のシート２からボール
弁１が離れ、ここに燃料通路39を通って旋回力の与えら
れた燃料が流入し、噴射孔２から噴流となって流出す
る。詳述すれば、燃料は、図示しないが燃料ポンプや燃
圧レギュレータにより加圧調整され、フュエルギャラリ
からソケットを経て環状フィルタ31を介して流入通路26
から内部に流入し、コイル組立体15の下部通路23、プラ
ンジャ６の外周の燃料通路42、ストッパ29を一部切欠い
て形成した燃料通路43、ボール弁１の外側部のバルブガ
イド９に形成した複数の燃料通路39を通って、シート２
の開口部、すなわち可変絞りである燃料導出口へ供給さ
れ、開弁時に噴射孔３から、例えば内燃機関の吸気管内
（図示せず）に噴射される。

電磁コイル13が消勢されると可動部（可動弁）はばね
10に押されて、ボール弁１をシート２に閉じる方向に押
し下げ、ボール弁１がシート２を閉塞する。

第５図は、可動弁リフトおよび燃料流量の過渡特性等
を示す線図である。

前述の一連の動作で、電磁コイル13にパルス状の信号
を入力したときのボール弁１の挙動は、第５図の第１象
限に示すようになる。第５図の第１象限は、横軸に時間
ｔ、縦軸にボール弁１のリフトｘを示すもので、各パル
ス幅τ_１〜τｉにおけるボール弁１の挙動を重ねて示し
たものである。

ボール弁１は、パルス幅の極微小な領域τ_１〜τ_３で
は、当該ボール弁１がストッパ29に届くところまでリフ
トしていない応答を示し、τ₄,τｉは、ボール弁１がス
トッパ29に衝突（詳しくはボール弁１と一体をなすロッ
ド８のつば端面41がストッパ29の下面41と衝突）した応
答を示す。

このようにボール弁の挙動はパルス幅により異なり、
いずれもそのリフトの立ち上りにある時間を必要とする
傾斜を持つ特性で、かつ、ストッパ29に衝突したとき
と、逆にボール弁１がシート２に衝突したときにはバウ
ンドが生じる。

本実施例によれば、このような弁挙動をもつ燃料噴射
弁の弁リフトに対する噴射流量Ｑおよび噴射燃料の平均
液滴径ｄmは、第５図の第２象限に実線で示すように、
ｘ＜ｘmax（x₁点：σ＝１のｘ）でいずれも安定した領
域に入る。

したがって、過渡時の平均液滴径ｄmは、すばやく安
定した小径領域に達し、エンジンの特性を向上させる。
なお、同図破線は第３図のケース２と同様に場合を示し
たものである。

以上の結果、本実施例の燃料噴射弁では、エンジンの
過渡特性やアイドリング性能が向上し、燃料消費率が向
上した。

なお、前述の実施例では、可動弁体をボール弁とし、
電磁駆動される燃料噴射弁について説明したが、本発明
は、可動弁の形状、燃料導出口、燃料噴射孔の形状、弁
駆動手段について特に前記実施例に限定されるものでは
ない。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、駆動源の種類，
構成を限定することなく、可動弁部に至るまでの燃料の
流れ損失が無く、燃料噴射弁の可動弁リフトに対して、
噴射流量、平均液滴粒径とも、最大可動弁リフトに達す
るまでの間に安定領域が得られ、弁可動の過渡時におけ
る噴霧の微粒化を向上し、エンジンの過渡性能、アイド
リング性能、燃料消費率等を向上させうる燃料燃料噴射
弁を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の縦断面
図、第２図は、第１図のＢ−Ｂ矢視断面図、第３図は、
可動弁リフトと各特性値との関係を示す線図で、（ａ）
は絞り面積比の線図、（ｂ）は噴射流量の線図、（ｃ）
は噴射燃料の平均液滴粒径の線図、（ｄ）は噴射孔出口
の旋回速度の線図、第４図は、ボール弁まわりの燃料の
フローパターンを示す模式図、第５図は、可動弁リフト
および燃料流量の過渡特性等を示す線図である。 １……ボール弁、２……シート、３……噴射孔、４……
ヨーク、５……コア、６……プランジャ、８……ロッ
ド、９……バルブガイド、10……ばね、15……コイル組
立体、23……下部通路、26……流入通路、29……ストッ
パ、39,42,43……燃料通路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内山 恭一 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 石川 亨 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社日立製作所佐和工場内 (56)参考文献 特開 平１−159460（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】駆動源となる構成体と、駆動源により作動
   し所定量リフトする可動弁体と、この可動弁体に対接し
   て常時は閉じており弁体のリフト時に開口する可変絞り
   である燃料導出口と固定絞りである燃料噴射孔とを具備
   したバルブガイドと、前記可動弁体のリフト量を制限す
   るストッパ部材と、前記燃料導出口に連通する燃料流路
   とを備えた燃料噴射弁において、 前記燃料導出口を通過する燃料に旋回力を与える複数の
   旋回流路を、該複数の旋回流路の総断面積が該旋回流路
   の上流の燃料流路の総断面積より小さく且つ前記燃料導
   出口の開口面積より大きくなるように、前記バルブガイ
   ドに形成するとともに、 前記可動弁体の最大リフト時の前記燃料導出口の開口面
   積をA₁、前記燃料噴射孔の流路面積をA₂としたとき、 A₁とA₂の比σ（＝A₁/A₂）を、σ＞１となるように設定
   した ことを特徴とする燃料噴射弁。