JP2898943B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射弁に係
り、特に燃料旋回素子を有し、広範囲にしかも直線性に
優れた流量制御が可能な旋回燃料を得るのに最適な燃料
旋回室形状を有する燃料噴射弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の装置は、例えば特開昭５５−１０
４５６４号公報記載のように、噴射弁のスプレー軸に関
して接線方向の渦巻成分を燃料に与えるための渦巻室
が、噴射弁が閉じているときにその容積が最小となつ
て、そこに残る燃料が最小となるように設計されている
こと、渦巻室へ燃料を供給するための計量用オリフイス
は、渦巻室に関して最大直径の間隔をおいて配置する方
法、および水平線に対してある角度で傾斜して配置する
方法で与えられており、接線方向渦巻成分は出口オリフ
イスの直径に関して前記計量用オリフイスの寸法を調整
することにより制御されるようになつていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の渦巻室
は、ボールとハウジングの境界で始まりボールとシート
面の境界で終わり、その容積が最小となるように設計さ
れている。しかし、このような渦巻室では毎分７００ｃ
ｍ³から９００ｃｍ³の燃料流が必要とされるシングルポ
イント用噴射弁では、その適用が懸念されることが筆者
らの実験的検討により明らかになつた。すなわち、低流
量域で“曲がり”が発生し、１ミリ秒レンジまで動特性
的にリニアな噴射弁が実現できなくなつた。

【０００４】ここに、曲がり発生の要因は、渦巻室の形
状によつて与えられるもので噴射弁が閉じているとき
に、該渦巻室に存在する燃料が開弁と同時に押し出され
るため噴射初期における弱い旋回流れと噴射後期におけ
る強い旋回流れとが噴射時期に混在し、その割合によつ
て流量係数が変化し（旋回力が変化）、直線性を損なわ
れるというものである。そこで、筆者らは、このような
燃料流のための最適な渦巻室形状について、その寸法や
渦巻室に対する旋回燃料の導入位置や旋回力等を与える
部材について詳細な実験的検討を行い、渦巻室形状の最
適化を図つた。

【０００５】本発明は、上記従来技術における課題を解
決するためになされたもので、弁座の上流で旋回燃料を
得る燃料噴射弁に関し、広範囲にしかもリニアな流量制
御が可能で、かつ、質のよい混合気を安定して供給する
ことが可能な微粒化燃料を供給しうる燃料噴射弁を提供
することを、その目的とするものである。

【０００６】

【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、燃料噴射孔とこ
の燃料噴射孔の上流側に形成される弁座とを有するノズ
ル体と、前記弁座にシートされ弁座との間で燃料通路の
開閉を行う弁体と、前記弁座の上流側に位置し前記ノズ
ル体の軸中心より偏心した径方向燃料通路を有し燃料に
旋回流を生ぜしめる燃料旋回素子と、この燃料旋回素子
の内壁面、前記弁体および弁座とで形成される燃料旋回
室とを備えた燃料噴射弁において、前記燃料旋回素子の
径方向燃料通路の軸中心に対する最外壁面寸法を、前記
燃料旋回室の内壁面の半径の６０〜９０％の範囲になる
ように選定したものである。

【０００７】噴射弁が閉じているときに、弁体とノズル
体の弁座（シート面）と燃料旋回素子の内壁面とで形成
される燃料旋回室に存在する燃料は、噴射弁が開くと同
時に、前記燃料旋回素子の旋回溝（径方向溝）から旋回
流入する燃料流によつて強制的に流れを促進され、下流
の燃料噴射孔に至るが、速やかに定常の旋回流れに置換
される。

【０００８】かかる定常の旋回流れは、前記弁体と前記
シート面との接触位置と、該シート面上方に配設される
前記燃料旋回素子を支持する前記ノズル体の支持面との
距離を０.５ｍｍ以下となるように構成することによつ
て実現される。すなわち、前記燃料旋回室の下方から旋
回燃料を供給し、燃料旋回室に存在する燃料を誘引し旋
回流れを助長させるものであり、開弁初期に加圧燃料に
押し出される弱い旋回流れ（この場合、流量係数は大き
くなり燃料は流れやすくなる）と、開弁後期の定常に至
つた強い旋回流れ（この場合、流量係数は小さくなり燃
料は流れにくくなる）との量的比率を最適化し、安定し
た流れ係数を得て、特に低流量域の曲がりを抑制するも
のである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
ないし図１７ならびに表１を参照して説明する。まず、
図１ないし図３を参照して燃料噴射弁（以下噴射弁とい
う）の構成，動作について説明する。図１は、本発明の
一実施形態を示す電磁式燃料噴射弁の縦断面図、図２
は、図１の噴射弁の燃料旋回素子，バルブガイド組立構
造を示す拡大断面図、図３は、図２のＡ矢視平面図であ
る。

【００１０】図１に示す噴射弁１は、電磁コイル組立体
１６と、電磁コイル１５を取り囲む磁性体のヨーク３
と、電磁コイル１５の中心に位置し一端がヨーク３と接
触したコア２と、前記電磁コイル１５が励磁されると所
定量リフトする可動子に係るボール弁４Ａと、このボー
ル弁４Ａに対接して常時は閉じておりボール弁４Ａのリ
フト時に開口する弁座に係るシート面９、燃料噴射孔に
係るオリフイス８、および燃料に旋回力を与える燃料旋
回素子３７を有してノズル体を構成するバルブガイド７
とを備えている。そして、前記可動子に係るボール弁４
Ａは、少なくとも、磁性体のプランジヤ４とロツド５と
ボール状弁体に係るボール６とが一体形成されている。

【００１１】本実施形態の噴射弁１は、シングルポイン
ト燃料噴射装置用のもので、以下、詳細に説明を進め
る。この噴射弁１は、コントロールユニツト（図示せ
ず）により演算されたデユーテイのＯＮ−ｏＦＦ信号で
シート部の開閉を行うことにより燃料の噴射を行うもの
である。磁気回路は、有底筒状のヨーク３、ヨーク３の
開口端を閉じる栓体部２ａとヨーク３の中心に延びる柱
状部２ｂとから成るコア２、およびコア２に空隙を隔て
て対面するプランジヤ４とで構成される。コア２の柱状
部２ｂの中心には、ボール弁４Ａをバルブガイド７に形
成されたオリフイス８のシート面９に押圧する弾性部材
としてのスプリング１０を挿入保持するための穴が開け
てある。

【００１２】スプリング１０の上端はセツト荷重を調整
するためにコア２の中心に挿通されたスプリングアジヤ
スタ１１の下端に当接している。コア２とスプリングア
ジヤスタ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。また、コア２とヨーク３の間には、コア２とヨーク
３のすき間から外部に燃料が流出するのを防ぐためＯリ
ング１３が介装されている。

【００１３】磁気回路を励磁する電磁コイル１５はボビ
ン１４に巻かれ、その外側をプラスチツク材でモールド
されている。これらから成る電磁コイル組立体１６の端
子１８は、コア２のつば部に設けた孔１７に挿入され、
端子１８とコア２との間にはＯリング１９が介装されて
いる。噴射弁１の外側のモールド樹脂（以下、ヨークモ
ールドと称す）１９ａが成形時に噴射弁１内部に入らな
いようにするためのカラー２０が孔１７の入口にかぶせ
られる。

【００１４】燃料や燃料蒸気の通路として、コア２との
すき間２１、上部通路２２、下部通路２３が設けてあ
る。ヨーク３の外周には、環状溝２５が形成されていて
噴射弁１と筐体としての図示しないソケツトとのすき間
から燃料が流出するのを防ぐＯリング２４がそこに保持
されている。ヨーク３のまわりには、燃料が流入する流
入通路２６および噴射弁１の中にたまつた気泡を含む余
分な燃料を流出させる流出通路２７が開けられている。

【００１５】また、ヨーク３の有底部にはボール弁４Ａ
を受容するプランジヤ受容部２８が開けられており、さ
らにプランジヤ受容部２８の径より大径でそこにストツ
パ２９およびバルブガイド７を受容するバルブガイド受
容部３０がヨーク３の先端まで貫設されている。さら
に、ヨーク３外周には、流入通路２６から燃料中，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
状フイルタ３１が設けられている。コイル１５へコント
ロールユニツトからの信号を伝える端子３２は端子１８
に接合されている。これら端子３２はモールド樹脂によ
つて電磁弁組体の上端にモールドされモールドコネクタ
３３を形成する。

【００１６】ボール弁４Ａは、磁性材製のプランジヤ４
と、一端がプランジヤ４と接合されたロツド５とロツド
５の他端に接合されたボール６と、プランジヤ４の上端
開口部に固定された非磁性材からなるガイドリング３４
とから構成されている。ガイドリング３４は、コア２の
先端に開けられた中空部の内壁面３５で、また、ボール
６はバルブガイド７の中空部の内壁面３６に挿入される
円筒状の燃料旋回素子３７の内壁面３８で、それぞれガ
イドされている。

【００１７】バルブガイド７には、ボール６をガイドす
る円筒状の燃料旋回素子３７に引きつづいて、ボール６
をシートするシート面９が形成されており、シート面９
の中央にはオリフイス８（燃料噴射孔）が穿設されてい
る。バルブガイド７には、さらにオリフイス８の出口側
の一部の平坦部を除いてシート面９側に所望の傾き角を
もつて傾斜するテーパ面が形成されている。図示しない
ソケツトとバルブガイド７の外周面との間には燃料をシ
ールするＯリング３９が介装されている。実施例ではバ
ルブガイド７の外周の環状溝としてＯリング受容部４０
が形成されている。

【００１８】次に、噴射弁の組立方法および流量の調整
方法について説明する。まず、電磁石部の組体の組立方
法について説明する。電磁コイル組立体１６の端子１８
部にＯリング１９をつけたのち、コア２のつば部の孔１
７に端子１８を挿入し、次に端子１８の上からカラー２
０を挿入する。その後、コア２の栓体部外周下部にＯリ
ング１３を取り付けヨーク３内に嵌入する。この状態
で、ヨーク３内周上端縁のコア当接面部４１を軸方向に
押圧し、コア２の栓体部の外周に設けた溝４２にヨーク
３の材料を塑性流動によつて半径方向に流し込み、その
緊迫力で固定する。いわゆるメタルフローによる接合を
行う。

【００１９】ボール弁４Ａは、そのボール６を燃料旋回
素子３７の内壁面３８でガイドすると共にコア２の先端
内壁面３５で非磁性材のガイドリング３４をガイドし
て、結局２個所でガイドして軸方向に進退することにな
るため、ヨーク３のバルブガイド７の受容部の内径とコ
ア２の内壁面３５との同軸度が正確に得られる必要があ
る。そこで、バルブガイド７の受容部３０の内径および
コア２の内壁面３５を精度よく支持した状態でメタルフ
ローを行う。その後、端子１８に端子３２をカシメ、は
んだ付けまたは溶接等により固定し、その後樹脂により
モールデイングを行う。

【００２０】次に、バルブガイド組立体の組立てについ
て説明する。バルブガイド組立体は、ボール弁４Ａと燃
料旋回素子３７とバルブガイド７とから成る。ボール弁
４Ａは、ボール６と焼入れ硬化したステンレス材製のロ
ツド５とを抵抗溶接あるいはレーザ溶接等により溶接接
合する。次いでロツド５の他端とプランジヤ４とロツド
５の外周に設けた溝４３にメタルフローによつてプラン
ジヤ４の内壁を流動圧着することにより固定する。ま
た、ガイドリング３４とプランジヤ４の結合は、プラン
ジヤ４のボール弁側の面４４を雇で受けて、プランジヤ
４の先端内周縁のガイドリング当接部４５を軸方向に押
圧し、ガイドリング７に半径方向の緊迫力を与えること
によつてメタルフローによる結合を行うことができる。

【００２１】燃料旋回素子３７は、焼結合金を用いて円
筒状に型成形され、バルブガイド７の内壁面３６に圧着
固定される。すなわち、燃料旋回素子３７の外周面４６
（４ケ所）をバルブガイド７の溝４７にメタルフローに
よつて流動圧着する（図２，３参照）。なお、本実施例
では、上記の如くメタルフローにて圧着固定する方法に
ついて述べているが、該燃料旋回素子３７は弾性部材に
よつて、図２に示すＡ方向より固定してもその機能は同
様に満足できる。

【００２２】この燃料旋回素子３７には、図２，３に示
すように、軸方向溝４８と径方向溝４９とが旋回溝とし
て形成されている。本実施例では、軸方向溝４８はＬ形
状のカツト面を形成した。軸方向溝４８、径方向溝４９
は、軸方向から導入される燃料通路であるが、軸方向溝
４８を通過した燃料は径方向溝４９にて軸中心に対して
偏心して導入される。図３において、記号Ｌが径方向溝
４９の軸心に対する偏心量を表わしている。これによ
り、燃料に旋回力が付与されてバルブガイド７に設けた
オリフイス８から噴出する際の燃料の微粒化が促進され
る。

【００２３】ここに、燃料旋回素子３７は、流路の圧損
と付与される燃料の旋回力について次のような配慮がな
されて設計製作される。軸方向溝４８は、径方向溝４９
に対して燃料が流体力学的に流れやすいＬ形形状にして
あり圧力損失をできるだけ防ぐように設計されている。
また、旋回力については、燃料の旋回力が静的あるいは
動的流量にできるだけ影響を及ぼさないように設計され
る。

【００２４】旋回強度を示すパラメータとして与えられ
るスワール数Ｓは次式で与えられる。

【数１】 ここに、Ｌ：溝の偏心量（図３参照） ｄｓ：流れ学的等価直径で溝幅Ｗと溝深さＨを用いて表
わされる。

【数２】 ｎ：溝の数 である。

【００２５】このスワール数Ｓの大きさが静的あるいは
動的流量に与える影響を次式によつて説明すると共に、
筆者らの実験結果と合わせて記載する。まず、流量Ｑは
（３）式で与えられる。

【数３】 ここに、Ｑ：流量 Ｃｏ：流量係数 ｄ：オリフイス径 γ：比重量 Ｐ：燃料圧力 ｆ：周波数 Ｔｉ：パルス幅 である。（３）式における流量係数Ｃｏは、（１）式に
よつて求められるスワール数Ｓの逆数で示される特性値
Ｋをもつて表わされる。これを図に表わすと図４のよう
になる。

【００２６】図４は、旋回力の逆数で示される特性値Ｋ
と燃料旋回室の流量係数Ｃとの関係を説明するための線
図である。図４から明らかなように、本実施形態では流
量係数Ｃの変化率が小さくなる領域で燃料の通過が許さ
れるように設計されている。すなわち、燃料旋回室に存
在する燃料は、開弁初期に押し出される弱い旋回流れ
（図において、流量係数Ｃ₁に該当する）と、開弁後期
の定常の旋回流れ（図において、流量係数Ｃｏに該当す
る）との量的比率の最適化を図ることによつてその影響
を小さくするようにしている。このことを図５を参照し
て説明する。

【００２７】図５は、入力信号に対するバルブ(ボール
弁)の応答動作を示す線図である。すなわち、入力信号
に基づいてボール弁が定常のリフト量Ｓｔに到達するま
での時間（遅れ時間τ）を短かくするように配慮がなさ
れている。これは、ボールの自己調心性を利用し、ガイ
ド部の長さを短かくしてボール弁４Ａの重量を軽減して
す早い応答動作を行わせたものである。したがつて、燃
料旋回室に流入する燃料の圧力（流速）が瞬時のうちに
高められ安定した燃料流れを得ることができる。このこ
とは、流量係数の変化率を小さくしていることになる。

【００２８】前記（１）式におけるスワール数Ｓの大小
は、溝の偏心量Ｌによつて選択できる。ここで、説明の
都合上、本実施例における第２の特徴について図６ない
し図９を参照して説明する。図６および図７は、燃料旋
回室に流入する燃料の流れの様子を示す模式図で、図６
は、偏心量が小さい場合、図７は、偏心量が大きい場合
を示す図、図８は、軸中心に対する溝の最外壁寸法と流
量バラツキとの関係を示す線図、図９は、溝の偏心量と
静的流量の関係を示す線図である。これらは筆者らの実
験結果を示すものである。

【００２９】本実施例における第２の特徴は、図１ない
し図３により前述した噴射弁１において、弁本体の軸方
向から導入される燃料、すなわち、燃料旋回素子３７の
軸方向溝４８に至る燃料を、弁本体の軸中心に対し偏心
して設けた径方向溝４９によつて燃料を旋回導入する場
合に、燃料旋回素子３７の前記径方向溝４９の軸中心に
対する最外壁寸法ｌｗが、燃料旋回室の最大半径、すな
わち燃料旋回素子３７の内壁面３８の半径寸法の６０〜
９０％の寸法範囲になるように選定するというものであ
る。換言すれば、燃料旋回室へ燃料を導入する場合の径
方向導入位置についての配慮がなされている。

【００３０】図６，７において、図３と同一符号は同一
部を示している。図６は、弁軸中心に対する径方向溝４
９の最外壁寸法ｌｗが小さい場合で、図７は該寸法ｌｗ
が大きい場合を示している。また、各々の図において、
黒く塗りつぶした領域は高い流速部分を示しており、白
い領域は低い流速部分、いわゆる死水域を示している。

【００３１】各々の図から明らかなように、軸中心に対
する径方向溝４９の最外壁寸法ｌｗを大きくすると、黒
く塗りつぶした領域が増加して燃料旋回室内の流れが安
定することがわかる。いわゆる、旋回力が安定する。な
お、図６，７では、径方向溝４９の幅を一定にして流れ
の模様を説明したが、寸法ｌｗを一定にして溝幅を変化
させても同様の流れの模様が観測されることは言うまで
もない。

【００３２】図８および図９に、上記に関する数値的な
実験結果の一例を示した。図８は、横軸に弁軸中心に対
する溝の最外壁寸法ｌｗをとり、縦軸に流量バラツキ
（％）をとつて両者の関係を示している。図８に示すと
おり、寸法ｌｗによつてバラツキの大きくなる領域
（ａ）および（ｃ）、安定した領域（ｂ）が存在する。

【００３３】バラツキの大きい領域（ａ）は、図６の状
態を示すもので、燃料旋回室内に存在する流速の低い部
分（死水域）が多くなるためであり、また、この死水域
が時間的に不安定になるためであろう。一方、バラツキ
の大きい領域（ｃ）は、高速流が対面する溝からの流れ
に影響を及ぼすためであると言えよう。この場合、低い
流速部分はボール６側に発生し、時間的変化と共に流れ
が不安定になるためである。この場合、特に壁面（ボー
ル）の振動がこれを助長すると言えよう。安定した領域
（ｂ）については、図７の説明によつて明らかであろ
う。

【００３４】図９は、横軸に溝の偏心量Ｌ（ｍｍ）をと
り、縦軸に静的流量Ｑ（ｃｃ／ｍｉｎ）をとつて、その
関係をオリフイス径を変えて示したものであり、燃料レ
ートが毎分あたり７００ｃｍ³程度の噴射弁を例に記述
する。基準偏心量Ｌｏに対する公差±ａにおいて、静的
流量の変化は±１％弱となつている。これは図９におけ
るハツチング部の領域に相当するが、上記したように、
本実施形態における燃料旋回室が旋回流れを安定に得る
ことができる形状に配慮されているためと言えよう。な
お、図９において、目標精度の上限値は＋３％で、下限
値は−３％であり、また公差±ａは本実施例の場合２０
μｍ程度である。

【００３５】引き続いて、本実施形態における第１の特
徴および第３の特徴について図１０ないし図１５を参照
して説明する。本実施形態における第１の特徴は、図１
ないし図３により前述した噴射弁１において、噴射弁が
閉じているときに、前記ボール弁４Ａのボール６とノズ
ル体に係るバルブガイド７のシート面９と前記ボール６
に接して装備される燃料旋回素子３７の内壁面３８とで
形成される空間領域、すなわち燃料旋回室の容積を最小
となるよりも大きい容積にしたというものである。

【００３６】また、本実施形態における第３の特徴は、
図１ないし図３により前述した噴射弁１において、ボー
ル弁４Ａのボール６とノズル体（バルブガイド７）のシ
ート面９との接触位置と、そのシート面９上方に位置す
る燃料旋回素子３７を支持する前記ノズル体の支持面７
ａとの支持面間距離ｌと、前記ボール６と前記シート面
９との接触位置（いわゆるシート位置）の半径ｒｓとの
比ｌ／ｒｓが０．３５以下、範囲で示せば０．１〜０．
３５となるように形状寸法を設定したというものであ
る。

【００３７】図１０は、ノズル体のシート位置と燃料旋
回素子との位置関係を示す拡大断面図、図１１は、図１
０における支持面間距離とシート上流の燃料旋回室の容
積との関係を示す線図である。図１０における（ａ）図
では、シート面９の延長線と燃料旋回素子３７の内壁面
３８の延長線との交点の位置に該燃料旋回素子３７の支
持面７ａが配置された場合を示している。ここに、噴射
弁が閉じているときに、バルブガイド７のシート面９と
ボール弁４Ａのボール６との接触位置、すなわちシート
位置と前記支持面７ａとの距離ｌが示される。このと
き、シート面９とボール６と燃料旋回素子３７の内壁面
３８とで形成される空間領域である燃料旋回室５０の容
積は最小となる。

【００３８】図１０の（ｂ）図では、シート位置と支持
面７ａとの距離ｌを（ａ）図にくらべて短かくした場合
で、この支持面７ａの上部に燃料の旋回空間が形成さ
れ、燃料旋回室５１の容積は増加する。また、（ｃ）図
はシート面９と支持面７ａとの距離ｌを（ａ）図にくら
べて長くした場合で、燃料旋回素子３７の下面の一部に
旋回空間が形成され、燃料旋回室５２の容積は同様に増
加する。このことは、第１１図によつて、かかる距離ｌ
とシート位置上流側の燃料旋回室容積との関係として明
確に示される。

【００３９】図１１において、横軸はシート位置と燃料
旋回素子３７の支持面７ａとの距離ｌを示しており、縦
軸はシート部上流の燃料旋回室の容積Ｖを示している。
図から明らかなように、距離ｌに対して燃料旋回室の容
積Ｖは下に凸の二次的曲線になり、ある距離ｌにて極小
容積Ｖｏとなる。図１０における（ａ）図の旋回室形状
がかかる極小容積Ｖｏに相当することは言うまでもな
い。図１１における図中の矢印（ｂ），（ｃ）は、それ
ぞれ図１０の（ｂ）図、（ｃ）図に対応し、距離ｌの変
化にともない燃料旋回室の容積は曲線的に増加するとい
えよう。

【００４０】本実施形態における第１の特徴は、図１１
のハツチング部に示され、燃料旋回室の容積は、極小値
Ｖｏが存在する距離ｌよりもｌが小さい領域でｋ倍の値
をもつように配慮される。実験の結果ではｋは少なくと
も１．２である。

【００４１】次に、筆者らの実験結果を示す図１２ない
し図１５を用いて本実施形態の第３の特徴を説明する。
図１２は、噴射量変化率の定義を説明する線図、図１３
は、シート位置と支持面間の距離と噴射量変化率との関
係を示す線図、図１４は、距離ｌとシート半径ｒｓとの
比ｌ／ｒｓと噴射量変化率との関係を示す線図、図１５
は、比ｌ／ｒｓと静的流量との関係を示す線図である。

【００４２】図１３および図１４に示す噴射量変化率
は、図１２に定義されている。図１２は、横軸にパルス
幅Ｔｉ（ｍｓ）、縦軸に燃料噴射量ｑ（ｃｃ／１０００
ｓｔ）をとつて、パルス幅の変化による燃料噴射量の変
化を示している。図から明らかなように、実用域のパル
ス幅（Ｐ−Ｑ間）を直線で結び、その直線に対する燃料
噴射量のずれΔｑとそれに対するｑｏとの比Δｑ／ｑｏ
×１００を噴射量変化率としている。

【００４３】図１３は、噴射弁が閉じているときに、バ
ルブガイド７のシート面９とボール弁４Ａのボール６と
の接触位置で示されるシート位置と燃料旋回素子３７の
支持面７ａとの距離ｌと、噴射量変化率との関係を示し
た実験結果である。動的噴射量の許容値は距離ｌが０．
５ｍｍ以下で満足できている。すなわち、距離ｌが０．
１〜０．５ｍｍとなるように形成した燃料旋回室形状に
よれば噴射量変化率は許容値６％以下となることが実験
により確かめられた。

【００４４】図１４は、距離ｌとシート位置の半径ｒｓ
との比ｌ／ｒｓと噴射量変化率の関係を示した実験結果
である。同様に、動的噴射量の許容値はｌ／ｒｓが０．
３５以下で満足できている。すなわち、ｌ／ｒｓが０．
１〜０．３５となるように形成した燃料旋回室形状によ
れば噴射量変化率は許容値６％以下となることが実験的
に確かめられた。

【００４５】また、図１５は図１４に係るｌ／ｒｓと静
的流量の関係を示したものである。燃料レートが毎分７
００ｃｍ³程度の流量が得られるオリフイス径ｄｏを例
に記述する。図中のハツチング部は許容値を示してお
り、ｌ／ｒｓが０．３５以下で満足できる。前記したよ
うに、安定した旋回流れが得られることが示されよう。
また、図から明らかなように、静的流量はオリフイス径
の選択により所望の値が得られている。したがつて、オ
リフイスを比較的精度良く製作することによつて静的流
量が与えられることになる。このことは、燃料旋回室の
構成要素であるボール弁４Ａと燃料旋回素子３７が、図
からも明らかであるが、その加工精度ならびに組立精度
を緩和して提供され安価になるということである。

【００４６】これらの結果は、先の図１０および図１１
の説明から明らかであるが、燃料旋回室形状の最適化に
よつて、開弁と同時に安定した定常旋回流れが得られ、
旋回室内の流量係数が良く安定化されていると言えよ
う。より詳しく説明すれば、本実施形態の噴射弁に係る
第１，第３の特徴を配慮した燃料旋回室の形状によつ
て、その燃料旋回室に流入する燃料は当該燃料旋回室の
下方から導かれるようになり、噴射弁が閉じているとき
に、前記燃料旋回室に存在する燃料を開弁と同時に誘引
助長して下流のオリフイス８に旋回導入する。

【００４７】さらに、該前記燃料旋回室に存在する燃料
の押出し量を少なくし、しかも燃料旋回素子３７の径方
向溝４９から流入する定常旋回燃料でもつて、かかる燃
料および径方向溝４９の上部に存在する燃料の旋回力を
ともに助長させるものである。したがつて、開弁初期の
弱い旋回流れがなくなり、安定した定常の強い旋回流れ
を得ることができて噴射量が安定することになる。

【００４８】以上説明したように、燃料旋回素子３７を
含み、この旋回素子３７の後に形成された燃料旋回室５
１が動的および静的流量の変化に与える影響は比較的少
なく、これら寸法形状の製作精度を緩くした単純な構成
によつて安価な燃料旋回素子３７および燃料旋回室５１
を形成するバルブガイド７が提供されることになる。燃
料旋回素子３７は、所望の寸法に製作されたのち、バル
ブガイド７の内壁面３６の溝４７にメタルフローによつ
て流動圧着される。

【００４９】次に、可動子に係るボール弁４Ａのストロ
ークの調整について記述する。ストロークはロツド５の
首部の受け面５ａとストツパ２９との空隙の寸法で決定
される。このストロークは、動的流量についてはボール
弁４Ａの応答動作の迅速性に影響を及ぼすが、これにつ
いては図５の説明でその対応が示されよう。また、静的
流量については、組立精度で管理され比較的余裕のある
寸法公差で決定されているのでその影響は十分小さい。

【００５０】次に、バルブガイド７に設けた燃料の噴出
口であるオリフイス８の静的流量への影響について簡単
に記述する。単一のオリフイス８を通過する燃料は、こ
れまでの説明で明らかなように安定した流量係数で導か
れている。したがつて、オリフイスを比較的精度よく製
造することによつて安定した流量を容易に得ることがで
きる。このことは第１５図の説明からも理解できよう。
なお、本実施形態の場合、前記の加工精度は±５μｍ程
度である。

【００５１】上記のように、組みたてられたバルブガイ
ド組立体を図１に示すストツパ２９とともに、電磁石組
体のヨーク３のバルブガイド受容部３０へ挿入し両者を
組立てる。両者の固定は、バルブガイド７外周に設けた
溝５３にヨーク３の先端内周壁をメタルフローにて塑性
流動により流れ込ませて固定する。その際、ストツパ２
９は、可動部が吸引されたときプランジヤ４の先端とコ
ア２の先端とが直接接触しないように、所定のギヤツプ
（エアギヤツプと称す）をもつような厚みに設定する。

【００５２】次に、電磁石組体のコア２の中心に設けた
穴にバルブガイド７とは反対方向から、先端にスプリン
グ１０を保持し外周にＯリング１２を取り付けたアジヤ
スタ１１を挿入するとともに、ヨーク３の外周にフイル
タ３１およびＯリング２４を取り付け、図示しない雇へ
いつたん収納して、そこで噴射量の試験に入る。噴射量
試験は、まず可動部をフルストロークさせた状態で測定
し、そのときの噴射量が規定の噴射量になることを確認
する。

【００５３】その後、一定周期、一定開弁時間の噴射量
を規定の噴射量になるように、可動部の応答性をスプリ
ング１０の荷重を変化させて決定し、しかるのち、コア
２の上部突出部５４の外周をモールド樹脂の孔から半径
方向に押圧し、アジヤスタ１１の溝部５５にコア２の内
壁を組み込ませることにより固定する。

【００５４】図１６は、上記のような手順で測定した本
実施形態に係る電磁式燃料噴射弁の噴射量特性を示した
ものである。図１６において、横軸はパルス幅Ｔｉを示
しており、縦軸は燃料の噴射量ｑを示している。なお、
噴射弁の駆動電圧は直流１４Ｖ、駆動周波数は１００Ｈ
ｚ、燃料はガソリンで、その供給圧力は２．５５ｋｇｆ
／ｃｍ²である。図中の点線は改善前（従来）を示し実
線は改善後（本発明）を示している。図から明らかなよ
うに、本実施形態の電磁式燃料噴射弁はパルス幅Ｔｉが
１ミリ秒以下でもリニアな特性が得られており、広範囲
に流量制御が可能になつたことが明らかである。

【００５５】次に、このような電磁式燃料噴射弁の動作
を説明する。図１に示す噴射弁１は、電磁コイル１５に
与えられる電気的なＯＮ−ＯＦＦ信号により、可動子に
係るボール弁４Ａを操作してバルブシートの開閉を行
い、それによつて燃料の噴射を行う。電気信号はコイル
１５にパルスとして与えられる。コイル１５に電流が流
されるとコア２、ヨーク３、プランジヤ４で磁気回路が
構成され、プランジヤ４がコア２側に吸引される。プラ
ンジヤ４が移動すると、これと一体になつているボール
６も移動して、バルブガイド７の弁座のシート面９から
離れオリフイス８を開放する。

【００５６】燃料は、図示しない燃料ポンプや燃圧レギ
ュレータにより加圧調整され、フイルタ３１を介して流
入通路から電磁弁組体の内部に流入し、コイル組立体１
６の下部通路２３、プランジヤ４の外周、ストツパ２９
とロツド５のすき間、燃料旋回素子３７の軸方向溝４
８，径方向溝４９を通つて、シート部へ旋回供給され、
開弁と同時にオリフイス８を通つて吸気管内に噴射され
る。一方、電磁コイル１５への電気信号が消勢される
と、ボール弁４Ａはスプリング１０に押されてバルブシ
ート側に移動し、ボール６がシート面９を閉塞するもの
である。

【００５７】以上の説明で、噴射弁の開弁から閉弁まで
の動作において、加圧燃料が旋回燃料として噴射を終え
るに至り、開口時間に応じて幾度となく安定した噴射量
を得ることができることが明らかになつたが、ここに燃
料の微粒化に寄与する点について付記する。

【００５８】燃料は、燃料旋回素子３７に至ると、その
燃料旋回素子３７に設けた軸方向溝４８、これに連通す
る径方向溝４９から弁座のシート面９に向つて流れる
が、この際に軸中心より偏心して構成される径方向溝４
９の出口において旋回流れが発生する。この旋回流れ
は、シート面９に形成される損失の少ない環状すき間を
経て下流に進むが、燃料旋回室に存在する燃料を誘引
し、自らも十分な旋回エネルギを保持したままオリフイ
ス８に至る。オリフイス８からは、十分な噴射圧，旋回
力で燃料の噴射が行われるため優れた微粒化燃料が得ら
れることになる。

【００５９】本実施形態の噴射弁によれば、シングルポ
イント燃料噴射装置用として、毎分７００ｃｍ³から９
００ｃｍ³の高燃料レートで１ミリ秒レンジになるまで
動特性的にリニアな流量制御を行うことができる。

【００６０】図１７は、図１の電磁式燃料噴射弁１を組
み込んだシングルポイント燃料噴射装置の構成図であ
る。図１７に示すように、エンジン冷却液温度，吸入空
気温度，吸入空気量，エンジンの回転速度（ＲＰＭ）な
どのエンジン動作信号は、各種センサにより検知され、
それぞれ入力ライン１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１
００ｄを経て制御ユニツト１０１へ入力される。噴射弁
１は、図示しない内燃機関の吸気マニホールドと通じた
スロツトルボデイ１０２の単一の空気流入通路１０３の
中心に配置された燃料ジヤケツト１０４内に装着されて
いる。

【００６１】エンジンに供給される空気量は、回転可能
に配置されているスロツトルバルブ１０５によつて調整
される。エンジンの動作状態を検知する場合、制御ユニ
ツト１０１は噴射に要する燃料の量を表わす電気的ＯＮ
−ＯＦＦ信号のＯＮ時間（パルス幅）を計算し、それら
信号を噴射弁１に送る。噴射弁１はパルス信号に応動し
て燃料ジヤケツト１０４周辺の空気流へ微粒化燃料を供
給する。燃料は入つてくる空気と適切に混合し吸気マニ
ホールドに放出する際に、スロツトルバルブ１０５と空
気流入通路の内壁１０６との間に形成される隙間を効率
良く通過する。かかる燃料は、燃料入口１０７により燃
料ジヤケツト１０４に流入され、その燃料ジヤケツト１
０４内の通路１０４ａを経て循環し、その後圧力レギユ
レータ１０８が所定の圧力を保持し出口通路１０４ｂに
送られてゆく。このような燃料噴射装置を用いて得られ
たエンジンテスト結果を表１に示している。

【００６２】

【数４】 Ａ／Ｆ立上り時間：アイドルからフルスロツトルにした
ときにＡ／Ｆセンサがリツチ限界（λ＝０．８）に到達
するまでの時間

【００６３】回転数の変動幅に対する平均回転数の比を
もつて表わしたアイドル時の回転数の安定性や各吸入負
圧に対するＡ／Ｆの安定化は、本実施例の燃料噴射弁を
用いることにより、従来品に比べて格段と改善されるこ
とが明らかである。このことは、図１６の噴射量特性か
らも明らかであるが、実質的にはエンジンの吸入空気量
に基づいて、噴射弁から微粒化燃料の噴射が的確に行わ
れたためで、質の良い混合気がエンジンに供給されてい
ると言えよう。アイドル回転数からフルスロツトルにし
たときに、Ａ／Ｆセンサがリツチ限界（λ＝０．８）に
到達するまでの時間が短かくなつていることからもこの
ことが裏付けされよう。以上のように、本実施形態の電
磁式燃料噴射弁によつて、エンジン性能が大幅に改善さ
れることが明らかであろう。

【００６４】なお、上記実施例では、シングルポイント
燃料噴射装置用の電磁式燃料噴射弁について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、本実施例
と同等の作用効果が得られる範囲で、燃料噴射弁に汎用
的に適用されるものである。また、上記実施例では、弁
体としてボール弁の例を説明したが、本発明の弁体はボ
ール弁に限定されるものではない。

【００６５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、弁
座の上流で旋回燃料を得る燃料噴射弁に関し、広範囲に
しかもリニアな流量制御が可能で、かつ、質のよい混合
気を安定して供給することが可能な微粒化燃料を供給し
うる燃料噴射弁を提供することができる。また、本燃料
噴射弁をエンジンに適用すれば、実用上の効果がきわめ
て高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す電磁式燃料噴射弁の
縦断面図である。

【図２】図１の噴射弁の燃料旋回素子，バルブガイド組
立構造を示す拡大断面図である。

【図３】図２のＡ矢視平面図である。

【図４】旋回力の逆数で示される特性値Ｋと流量係数Ｃ
との関係を示す線図である。

【図５】入力信号に対するバルブの応答動作を示す線図
である。

【図６】燃料旋回室に流入する燃料の流れの様子を示す
模式図で、その偏心量が小さい場合の図である。

【図７】燃料旋回室に流入する燃料の流れの様子を示す
模式図で、その偏心量が大きい場合の図である。

【図８】軸中心に対する溝の最外壁寸法と流量バラツキ
との関係を示す線図である。

【図９】溝の偏心量と静的流量の関係を示す線図であ
る。

【図１０】ノズル体のシート位置と燃料旋回素子との位
置関係を示す拡大断面図である。

【図１１】図１０における支持面間距離とシート上流の
燃料旋回室の容積との関係を示す線図である。

【図１２】噴射量変化率の定義を説明する線図である。

【図１３】シート位置と支持面間の距離と噴射量変化率
との関係を示す線図である。

【図１４】距離ｌとシート半径ｒｓとの比ｌ／ｒｓと噴
射量変化率との関係を示す線図である。

【図１５】比ｌ／ｒｓと静的流量との関係を示す線図で
ある。

【図１６】図１の電磁式燃料噴射弁の噴射量特性線図で
ある。

【図１７】図１の電磁式燃料噴射弁を組み込んだシング
ルポイント燃料噴射装置の構成図である。

【符号の説明】

２…コア、３…ヨーク、４…プランジヤ、４Ａ…ボール
弁、５…ロツド、６…ボール、７…バルブガイド、８…
オリフイス、９…シート面、１５…電磁コイル、１６…
電磁コイル組立体、３４…ガイドリング、３７…燃料旋
回素子、３８…内壁面、４８…軸方向溝、４９…径方向
溝、５０，５１，５２…燃料旋回室。

フロントページの続き (72)発明者 小菅 徳男 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 浜島 英治 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式 会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 石川 亨 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (56)参考文献 特開 昭55−104564（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−70871（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02M 61/18 310 F02M 51/06 - 51/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料噴射孔とこの燃料噴射孔の上流側に形
   成される弁座とを有するノズル体と、前記弁座にシート
   され弁座との間で燃料通路の開閉を行う弁体と、前記弁
   座の上流側に位置し前記ノズル体の軸中心より偏心した
   径方向燃料通路を有し燃料に旋回流を生ぜしめる燃料旋
   回素子と、この燃料旋回素子の内壁面、前記弁体および
   弁座とで形成される燃料旋回室とを備えた燃料噴射弁に
   おいて、 前記燃料旋回素子の径方向燃料通路の軸中心に対する最
   外壁面寸法を、前記燃料旋回室の内壁面の半径の６０〜
   ９０％の範囲になるように選定したことを特徴とする燃
   料噴射弁。