JP3745232B2

JP3745232B2 - 流体噴射ノズルとその流体噴射ノズルを備えた流体噴射弁

Info

Publication number: JP3745232B2
Application number: JP2001009448A
Authority: JP
Inventors: 龍司板津
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: US6708904B2; JP2002210392A; US20020092930A1; DE10201272A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体噴射弁本体の噴射口から噴射された流体の流れ方向を制御する流体噴射ノズルとその流体噴射ノズルを備えた流体噴射弁に関する。なお、流体噴射弁の代表例としては、例えば車両用のエンジン（内燃機関ともいう）に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁を挙げることができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流体噴射ノズルには、例えば、特許公開公報（特開平１１−２００９９８号公報参照）により開示されたものがある。その特許公開公報の流体噴射ノズルについて図７及び図８を参照して説明する。図７は流体噴射ノズルの周辺部を示す断面図、図８はその流体噴射ノズルの一部破断平面図である。
【０００３】
図７に示すように、燃料噴射弁本体１０１は、バルブシート１０３とバルブ１０４とを備えている。バルブシート１０３は、燃料通路を形成する内壁面に形成された弁座１０３ａ、及び、その弁座１０３ａの下流に形成された噴射口１０３ｂを有している。また、バルブ１０４は、前記弁座１０３ａに当接可能な当接部１０４ａを有している。
【０００４】
燃料噴射弁本体１０１は、バルブ１０４の当接部１０４ａがバルブシート１０３の弁座１０３ａに対し離れること（いわゆる開弁）により、バルブシート１０３の噴射口１０３ｂから燃料を噴射する。また、バルブ１０４の当接部１０４ａがバルブシート１０３の弁座１０３ａに対し当接すること（いわゆる閉弁）により前記燃料の噴射を遮断する。
【０００５】
前記バルブシート１０３の下面に燃料噴射ノズル１０５が配置されている。燃料噴射ノズル１０５は、上下２枚のプレート材１５１，１５３を備える。上側のプレート材１５１は、バルブシート１０３に面して取付けられている。上側のプレート材１５１は、板厚方向に貫通する８個の入口孔部１５１ａ（図８参照）を有している。
【０００６】
図７に示すように、下側のプレート材１５３は、上側のプレート材１５１の下流側（図７における下側）に重ねるようにして前記バルブシート１０３に取付けられている。下側のプレート材１５３は、上流側に凹面１５３ｂを有している。凹面１５３ｂは、前記上側のプレート材１５１の燃料下流側の面との間に略円板状の燃料室１５５を形成する。図８に示すように、下側のプレート材１５３は、板厚方向に貫通する４個の出口孔部１５３ａ（図８参照）を有している。
【０００７】
上記した燃料噴射ノズル１０５では、燃料噴射弁本体１０１の開弁によりバルブシート１０３の噴射口１０３ｂから噴射された燃料が上側のプレート材１５１の入口孔部１５１ａを通って燃料室１５５を通り、出口孔部１５３ａを通じて噴出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料噴射ノズル１０５によると、燃料室１５５において、上側のプレート材１５１の入口孔部１５１ａを通じて流入した燃料に対し、下側のプレート材１５３の凹面１５３ｂに沿った横方向の流れが形成される。しかしながら、入口孔部１５１ａと出口孔部１５３ａとは対応がとれておらず、１つの出口孔部１５３ａに対して全方向から燃料が流れ込むことになる。ここで、出口孔部１５３ａは凹面１５３ｂに斜めに空いているため、燃料の出口孔部１５３ａへの流入角度は各方向で異なる。出口孔部１５３ａへの鈍角方向からの流れが多くなると、安定した流れが生じて噴霧粒径の大きな液滴が多くなり、微粒化が悪くなる。
【０００９】
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、流体の微粒化を促進することのできる流体噴射ノズルとその流体噴射ノズルを備えた流体噴射弁を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、特許請求の範囲の欄に記載された構成を要旨とする流体噴射ノズルと流体噴射弁により解決することができる。
請求項１に記載された構成の流体噴射ノズルによると、流体噴射弁本体の開弁により噴射口から噴射された流体は、噴孔の入口孔部及び出口孔部を含む３段以上の孔部を通ることにより、流れ方向が段階的に制御されてから噴出される。
しかして、ノズル軸線に交差する方向に延びかつほぼ全長にわたって一定の孔幅（φｄ＜Ｗ）で形成された長孔部を流体が流れることにより、指向性をもった横方向の流れが得られる。また、長孔部の長軸線に対し出口孔部の中心線がオフセットさせたことにより、長孔部を流れてきた指向性をもった流れの中心が長孔部の終端面で正反射することによる逆流の発生が抑制される。
【００１１】
したがって、長孔部により指向性をもった横方向の流れが得られることと、その長孔部の終端面での逆流の発生が抑制されることの相乗作用によって、流体の微粒化を促進することができる。
なお、本明細書でいう「孔部」とは流体の流れ方向を制御する機能を有する孔部をいい、その機能を有しない孔部を含まない。また、本明細書でいう「入口側の孔部」には、長孔部に入口孔部が直接的に連通する場合の「入口孔部」だけでなく、長孔部に入口孔部が間接的に連通する場合の「長孔部の上流側に連通する孔部」が含まれる。
【００１２】
請求項２に記載された構成の流体噴射ノズルによると、長孔部を流れてきた指向性をもった横方向の流れが９０°以上に急激に方向を変えて出口孔部に流れ込むことにより、流体の剥離効果が増大される。
【００１３】
請求項３に記載された構成の流体噴射ノズルによると、３枚以上のプレート材を重ねることによって、３段以上の孔部を有する噴孔を容易に形成することができる。
【００１４】
請求項４に記載された構成の流体噴射弁によると、流体の微粒化を促進することのできる請求項１〜３のいずれかに記載の流体噴射ノズルを備えた流体噴射弁を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
一実施の形態を説明する。図１に燃料噴射ノズルの周辺部が正断面図で示されている。図１において、燃料噴射弁の主体をなす燃料噴射弁本体１は、バルブボデー２とバルブシート３とバルブ４とを主要構成部品として構成されている。なお、燃料噴射弁本体１は本明細書でいう流体噴射弁本体に相当する。
【００１６】
前記バルブボデー２は、ほぼ円筒状に形成されており、その先端部（図１における下端部）内に前記バルブシート３を内蔵している。
バルブシート３は、燃料通路を形成する内壁面に形成された円環状の弁座３ａ、及び、その弁座３ａの下方に形成された円形の噴射口３ｂを有している。
また、前記バルブ４は、ニードルバルブからなるもので、前記バルブシート３内に嵌挿されている。バルブ４は、前記弁座３ａに当接可能な球状の当接部４ａを有している。なお、例えばバルブボデー２は磁性を有するステンレス製であり、バルブシート３及びバルブ４はステンレス製である。
【００１７】
前記バルブ４は、軸方向（図１において上下方向）の開閉によりバルブシート３の噴射口３ｂからの流体すなわち燃料の噴射を断続する。すなわち、バルブ４の当接部４ａがバルブシート３の弁座３ａに対し離れること（いわゆる開弁）により、バルブシート３の噴射口３ｂから燃料を噴射する。また、バルブ４の当接部４ａがバルブシート３の弁座３ａに対し当接すること（いわゆる閉弁）により前記燃料の噴射を停止する。なお、燃料噴射弁本体１は、周知のものとほとんど同一構成であるから、その詳細な説明については省略する。
【００１８】
前記バルブシート３の下流側（図１における下側）には、噴射口３ｂから噴射された燃料を微粒化するための燃料噴射ノズル５が配置されている。図１の部分拡大図が図２に示されている。なお、本明細書においては、燃料噴射弁本体１に燃料噴射ノズル５を備えたものが燃料噴射弁に相当する。また、燃料噴射ノズル５は本明細書でいう流体噴射ノズルに相当し、燃料噴射弁は本明細書でいう流体噴射弁に相当する。
【００１９】
図２に示すように、燃料噴射ノズル５は、積層状をなす３枚のステンレス製のプレート材５１，５２，５３を備えている。なお説明の都合上、上流側のプレート材５１を第１のプレート材、中央のプレート材５２を第２のプレート材、下流側のプレート材５３を第３のプレート材と称する。なお、各プレート材５１，５２，５３はそれぞれ円板状に形成されている。
【００２０】
３枚のプレート材５１，５２，５３は積層状に重ねられている。燃料噴射ノズル５の外周部には、図１に示すように、上方に折り曲げられた嵌合片部５ｂが形成されている。その嵌合片部５ｂは、前記バルブシート３の下端部（図１において下端部）に嵌合されている。バルブシート３の下端面には第１のプレート材５１が接面される。
【００２１】
図１に示すように、前記第３のプレート材５３の下端面には、ほぼリング状をなすステンレス製のプレートホルダー５４が配置されている。プレートホルダー５４は、断面ほぼＬ字状に形成されている。プレートホルダー５４の一方の片部５４ａは、前記バルブシート３に対し前記３枚のプレート材５１，５２，５３を間にして例えばレーザー溶接により取り付けられている。また、プレートホルダー５４の他方の片部５４ｂは、一方の片部５４ａの外周部から図１において下方に折り曲げられており、前記バルブボデー２に対し例えばレーザー溶接により取り付けられている。
【００２２】
ところで、前記燃料噴射ノズル５は、噴孔５ａを有している（図１参照）。噴孔５ａは、燃料噴射弁本体１の噴射口３ｂから噴射された燃料の流れ方向を段階的に制御するもので、次に述べるように構成されている。
【００２３】
図２に示すように、燃料噴射ノズル５の噴孔５ａは、第１のプレート材５１に形成された入口孔部５１ａと、第２のプレート材５２に形成された長孔部５２ａと、第３のプレート材５３に形成された出口孔部５３ａとによって形成されている。図３に図２の要部拡大図、図４に燃料噴射ノズル５の要部平面図、図５に図４のＶ−Ｖ線断面図が示されている。なお、第２のプレート材５２の長孔部５２ａは、本明細書でいう「出口孔部５３ａに一端部が連通する孔部」に相当する。また、第１のプレート材５１の入口孔部５１ａは本明細書でいう「入口側の孔部」に相当する。
【００２４】
図３〜図５に示すように、前記第１のプレート材５１の入口孔部５１ａは、円形状をなしており、第１のプレート材５１を板厚方向（図３及び図５において上下方向）に貫通している。入口孔部５１ａは、前記噴射口３ｂ（図２参照）内に収まるように適数個配置されている。
【００２５】
図３〜図５に示される前記第２のプレート材５２の長孔部５２ａは、前記入口孔部５１ａと同じ数だけ配置されている。長孔部５２ａは、ノズル軸線Ｌ１（図３参照）に交差する方向（図３において左右方向）に延びるほぼ長細状に形成されており、第２のプレート材５２を板厚方向（図３及び図５において上下方向）に貫通している。
図４に示すように、長孔部５２ａの上流側の端面５２ｂ及び下流側の端面（終端面という）５２ｃは、半径Ｒの円弧状にそれぞれ形成されている。長孔部５２ａの上流側の端部（図５において右端部）は、前記第１のプレート材５１の入口孔部５１ａと連通している。なお、入口孔部５１ａは、前記半径Ｒ（図４参照）よりもやや大きい孔径で形成されている。
【００２６】
図３〜図５に示される前記第３のプレート材５３の出口孔部５３ａは、前記入口孔部５１ａ及び長孔部５２ａと同じ数だけ配置されている。出口孔部５３ａは、円形状に形成されており、第３のプレート材５３を板厚方向（図３及び図５において上下方向）に貫通している。また、出口孔部５３ａは、図３に示すように、燃料の噴出方向下流（図３において下方）にむけてノズル軸線Ｌ１から遠ざかる方向に例えば４０°の傾斜角θ１で傾斜している。これにより、出口孔部５３ａが長孔部５２ａに対し鋭角をなしており、ほぼ折り返し状をなしている。出口孔部５３ａは、前記第２のプレート材５２における長孔部５２ａの下流側の端部（図５において左端部）と連通している。
【００２７】
また、図３に示すように、長孔部５２ａから出口孔部５３ａへの燃料の流れ（図３中、矢印参照）の内側に傾斜角θ２（図５参照、本例の場合、９０°−θ１＝５０°）のエッジ部５３ｂが形成されている。なお、エッジ部５３ｂの傾斜角θ２は、鋭角になっている。
【００２８】
さらに、長孔部５２ａと出口孔部５３ａは、次の寸法関係をもって形成されている。図４において、長孔部５２ａの孔幅Ｗと出口孔部５３ａの孔径φｄとが、
φｄ＜Ｗ
の条件を満たす値に設定されている。
しかして、長孔部５２ａの長軸線Ｌ２に対し出口孔部５３ａの中心線Ｌ３がオフセット量Ｙをもってオフセットされている。そのオフセット量Ｙは、
Ｙ≦（Ｗ−φｄ）／２
の条件を満たす値に設定される。
【００２９】
なお、第１のプレート材５１の入口孔部５１ａ、第２のプレート材５２の長孔部５２ａ、第３のプレート材５３の出口孔部５３ａは、それぞれのプレート材５１，５２，５３に対するプレス加工によって形成されている。また、第３のプレート材５３の板厚は、噴射する燃料に指向性を付与するのに必要な出口孔部５３ａの長さを稼ぐことのできる大きさに設定される。なお、各プレート材５１，５２，５３のそれぞれ板厚は例えば同一に設定されている。
【００３０】
上記燃料噴射ノズル５を備えた燃料噴射弁は、ノズル軸線Ｌ１（図１参照）の上方が天上に向くようにしてエンジンに搭載される。このようにエンジンに搭載すると、燃料噴射ノズル５の噴孔５ａ内から燃料ベーパが上方へ抜けやすくなるため、燃料噴射弁の高温に対する性能を向上することができる。
【００３１】
上記した燃料噴射ノズル５によると、燃料噴射弁本体１（図１参照）の開弁により噴射口３ｂから噴射された燃料は、噴孔５ａの３段の孔部５１ａ，５２ａ，５３ａ（図２及び図３参照）を通ることにより、流れ方向が段階的に制御（図３中、矢印参照）されてから噴出（図３中、二点鎖線Ｆ参照）される。
【００３２】
しかして、ノズル軸線Ｌ１（図１参照）に交差する方向に延びかつほぼ全長にわたって一定の孔幅Ｗ（図４参照）で形成された長孔部５２ａを燃料が流れることにより、指向性をもった横方向の流れ（図４中、矢印Ｎ参照）が得られる。
また、ほぼ全長にわたって一定の孔幅Ｗで形成された長孔部５２ａの長軸線Ｌ２に対し出口孔部５３ａの中心線Ｌ３をオフセット量Ｙ（図４参照）をもってオフセットさせたことにより、長孔部５２ａを流れてきた指向性をもった横方向の流れ（図４中、矢印Ｎ参照）の中心が長孔部５２ａの終端面５２ｃで正反射することによる逆流（図５中、矢印Ｂ参照）の発生が抑制される。詳しくは、長孔部５２ａの長軸線Ｌ２に対し出口孔部５３ａの中心線Ｌ３をオフセットさせたことにより、長孔部５２ａの終端面５２ｃに燃料の流れの中心が衝突する位置が出口孔部５３ａの中心線Ｌ３上から相対的にずれる。このため、燃料の流れが長孔部５２ａの終端部で旋回流（図４中、矢印Ａ参照）を形成し、長孔部５２ａでの逆流（図５中、矢印Ｂ参照）の発生が抑制される。
したがって、長孔部５２ａにより指向性をもった横方向の流れが得られることと、その長孔部５２ａの終端面５２ｃでの逆流の発生が抑制されることの相乗作用によって、燃料の微粒化を促進することができる。
【００３３】
また、長孔部５２ａと出口孔部５３ａとの燃料の流れの内側に鋭角のエッジ部５３ｂ（図３参照）が形成されている。これにより、長孔部５２ａを流れてきた指向性をもった横方向の流れが９０°以上に急激に方向を変えて出口孔部５３ａに流れ込むことにより、燃料の剥離効果が増大される（図３中、二点鎖線Ｆ１参照）。これによっても、燃料の微粒化が促進される。
【００３４】
上記したように、燃料噴射ノズル５の噴孔５ａから噴射される燃料の微粒化が促進されることにより、燃料が広範囲に渡って空気と混合しやすく燃料の燃焼効率が増大するので、排気ガス中に排出される有害物質および燃料消費量を低減することができる。
【００３５】
なお、図６に長孔部５２ａの孔幅Ｗ（図４参照）に対する出口孔部５３ａの孔径φｄ（図４参照）の比率（Ｗ／φｄ）と噴霧粒径（ＳＭＤ）との関係を示す特性線図が示されている。図６において横軸は比率（Ｗ／φｄ）を示し、縦軸は噴霧粒径（ＳＭＤ（μｍ））を示している。なお、出口孔部５３ａの孔径φｄは、０．１４ｍｍとした。
図６の特性線Ｃが本実施の形態による噴霧粒径（ＳＭＤ（μｍ））の実験結果をまとめたものであり、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が長孔部５２ａの長軸線Ｌ２に対する出口孔部５３ａの中心線Ｌ３をオフセット量Ｙ（図４参照）を０（ゼロ）から段階的に増大させた結果である。
【００３６】
図６の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３から判るように、オフセット量Ｙを増大させるほど、噴霧粒径（ＳＭＤ（μｍ））が小さくなり、微粒化が良くなる。なお、図６の特性線Ｃからは、比率（Ｗ／φｄ）を１（Ｗ＝φｄ）に近づけるほど、噴霧粒径（ＳＭＤ（μｍ））が小さくなり、微粒化が良くなることも判る。
【００３７】
また、各孔部５１ａ，５２ａ，５３ａをそれぞれ有する３枚のプレート材５１，５２，５３を重ねることによって噴孔５ａ（図３参照）が形成されている。これにより、３段の孔部５１ａ，５２ａ，５３ａを有する噴孔５ａを容易に形成することができる。
【００３８】
また、燃料噴射ノズル５（図１参照）を備えている燃料噴射弁である。これにより、燃料の微粒化を促進することのできる燃料噴射ノズル５を備えた燃料噴射弁を提供することができる。
【００３９】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本発明は、燃料に限らず、その他の流体の流体噴射ノズル及び流体噴射弁として適用することができる。また、一つのプレート材に、相互に連通する２つの孔部、例えば入口孔部５１ａと長孔部５２ａ、又は、長孔部５２ａと出口孔部５３ａとを同時に形成しても良い。また、３段以上の孔部からなる噴孔５ａを形成するために、孔部を有するプレート材を使用したが、プレート材を使用しないで前記噴孔５ａを形成することも可能である。また、上記実施の形態では、噴孔５ａを３段の孔部５１ａ，５２ａ，５３ａによって形成したが、その噴孔５ａを４段以上の孔部によって形成してもよい。また、入口孔部５１ａ、長孔部５２ａ、出口孔部５３ａの個数、形状は上記実施の形態のものに限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の流体噴射ノズルとその流体噴射ノズルを備えた流体噴射弁によれば、長孔部により指向性をもった横方向の流れが得られることと、その長孔部の終端面での逆流の発生が抑制されることの相乗作用によって、流体の微粒化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態に係る燃料噴射ノズルの周辺部を示す正断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】燃料噴射ノズルの要部平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】長孔部の孔幅Ｗに対する出口孔部の孔径φｄの比率（Ｗ／φｄ）と噴霧粒径（ＳＭＤ）との関係を示す特性線図である。
【図７】従来例を示す流体噴射ノズルの周辺部を示す断面図である。
【図８】同、流体噴射ノズルの一部破断平面図である。
【符号の説明】
１燃料噴射弁本体（流体噴射弁本体）
３バルブシート
３ｂ噴射口
５燃料噴射ノズル（流体噴射ノズル）
５ａ噴孔
５１第１のプレート材
５１ａ入口孔部（入口側の孔部）
５２第２のプレート材
５２ａ長孔部（孔部）
５３第３のプレート材
５３ａ出口孔部（孔部）
５３ｂエッジ部
Ｌ１ノズル軸線
Ｌ２長軸線
Ｌ３出口孔部の中心線
Ｗ孔幅

Claims

開弁により流体を噴射口から噴射する流体噴射弁本体に設けられ、前記噴射口から噴射された流体の流れ方向を段階的に制御する入口孔部及び出口孔部を含む３段以上の孔部からなる噴孔を備えている流体噴射ノズルであって、
前記噴孔は、ノズル軸線に交差する方向に延びる長孔部を有し、
前記長孔部の一端部には前記出口孔部が連通され、同長孔部の他端部には入口側の孔部が連通され、
前記長孔部は、ほぼ全長にわたって一定の孔幅で形成され、
前記長孔部の孔幅（Ｗ）と前記出口孔部の孔径（φｄ）とを、
φｄ＜Ｗ
の条件を満たす値に設定し、
前記長孔部の長軸線に対し前記出口孔部の中心線をオフセットさせたことを特徴とする流体噴射ノズル。
請求項１に記載の流体噴射ノズルであって、
前記長孔部と前記出口孔部との流体の流れの内側には、鋭角のエッジ部が形成されていることを特徴とする流体噴射ノズル。
請求項１又は２に記載の流体噴射ノズルであって、各孔部をそれぞれ有する３枚以上のプレート材を重ねることによって噴孔が形成されていることを特徴とする流体噴射ノズル。
請求項１〜３のいずれかに記載の流体噴射ノズルを備えていることを特徴とする流体噴射弁。