JP3873511B2 - 直噴式燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の直噴式（筒内直接噴射式）燃料噴射弁に関し、特に、燃料に付与する旋回力（スワール強度）を可変とすると共に、噴射率を可変とすることのできる燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スワール強度を可変とすると共に、噴射率及び噴霧角を可変とするものとして、特開平８−１７７６８４号公報に記載のスワール型燃料噴射弁がある。
【０００３】
このスワール型燃料噴射弁は、噴口への燃料通路として、燃料へ大きな旋回力を付与する強スワール通路（広角噴霧用通路）と、これにより付与される旋回力を弱める方向に燃料を供給する弱スワール通路（狭角噴霧用通路）とを備え、弱スワール通路の開口部を針弁リフトによって開閉するものである。
【０００４】
特に、低リフト時には、針弁の側部により弱スワール通路の開口部を閉じて、低噴射率及び広噴霧角となるように強スワール通路のみを開口し、高リフト時には、弱スワール通路の開口部を開いて、高噴射率及び狭噴霧角となるようにすることを特徴とするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の可変リフトによる可変スワール強度の燃料噴射弁にあっては、燃料噴射時の大きな圧力変動により、針弁前後の圧力バランスがくずれ、針弁の動きが不安定になることで、スワール通路の開口面積が不安定になり、噴射率、噴霧角が不安定になることが問題となる。
【０００６】
特に、針弁のリフト量を大きくすると応答性が悪化するため、あまり大きなリフト量はとれず、小リフトの中でスワール通路の開口部を開閉するため、針弁リフトの不安定さは、噴射率と噴霧角に大きな影響を与える。
【０００７】
また、小リフトの中でスワール通路の開口部を開閉するため、位置及び面積精度の良いスワール通路の開口部を設置する必要があり、加工が難しい。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、可変リフトを用いず、スワール強度と共に、噴射率を安定して変化させることができる直噴式燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、直噴式燃料噴射弁において、噴口への燃料通路として、燃料へ大きな旋回力を付与する強スワール通路と、この強スワール通路により付与される旋回力を弱める方向に燃料を供給する弱スワール通路とを備え、前記強スワール通路と前記弱スワール通路は、共に、前記噴口の入口側に連なるテーパ状のシート部の上方に配置されるスワールチップの外周部に形成されて、前記シート部とその上方のスワールチップの底面との間に形成される円錐状空間に対し、針弁の軸線方向の同一高さ位置で開口するものとし、前記弱スワール通路の途中に、針弁とは別の、燃料圧力に応じて開閉する弁装置を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、前記弁装置は、チェック弁であることを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記弁装置は、前記弱スワール通路の途中に配置される弁ガイドの中に摺動可能に収納されて、スプリングにより上流側に付勢される弁体を有し、該弁体は、上流側に臨む受圧面積大の大径端、下流側に臨む受圧面積小の小径端を持ち、大径端及び小径端にかかる燃料圧力とスプリング荷重とがバランスする位置へストロークすることで、上流側と下流側との連通路を開閉することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明では、前記連通路は、前記弁ガイドに設けられて、一端が前記弁体より上流側に開口し、他端が弁ガイド内面に開口する入口側連通路と、前記弁体に設けられて、一端が大径端側の円筒面に開口し、他端が小径端側の端面に開口する出口側連通路とから構成され、前記弁体のストロークにより、前記入口側連通路の前記弁ガイド内面における開口部と前記出口側連通路の前記弁体大径端側円筒面における開口部とが一致したときに、開通することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明では、前記連通路は、通路面積を異ならせて複数設けられ、前記弁体のストロークにより、開通する連通路を切換えることを特徴とする。
請求項６に係る発明では、噴口の下流側に噴霧角を規制する噴霧ガイドを持つことを特徴とする。
【００１２】
請求項７に係る発明では、前記噴霧ガイドは、噴口の出口側に連ねてテーパ状に形成されることを特徴とする。
請求項８に係る発明では、前記噴霧ガイドは、針弁にピントル部として形成されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、弱スワール通路の途中に、針弁とは別の、燃料圧力に応じて開閉する弁装置を設けて、弱スワール通路の開閉を行うことで、可変リフトを用いずに、スワール強度と共に、噴射率を安定して変化させることができる。従って、低噴射量時でも長時間噴射し、気化の促進された筒内流動に乗りやすい噴霧とすることで、壁面付着低減と燃焼安定領域拡大とを達成し、これによりＨＣ低減、燃費低減等の燃焼改善を行うことができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、弁装置として、チェック弁を用いることで、可変リフトを用いず、簡単な構成で実施できる。
請求項３に係る発明によれば、弁装置として、大径端及び小径端を持つ弁体を有するもの、すなわち圧力脈動のキャンセル機構を有するものを用いることで、燃料噴射時の圧力脈動をキャンセルでき、安定性が更に向上する。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、連通路の構成によって、圧力脈動のキャンセル機能を阻害することがない。
請求項５に係る発明によれば、弁体のストロークにより、スワール強度及び噴射率を段階的に変化させることができる。
【００１６】
請求項６〜８に係る発明によれば、スワール強度及び噴射率を変化させても、噴霧角をほぼ一定に保つことができ、壁面付着低減と燃焼安定領域拡大とを達成し、これによりＨＣ低減、燃費低減等の燃焼改善を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図１及び図２は本発明の第１実施形態を示している。
【００１８】
燃料噴射弁のケーシング１内には燃料が導入される燃料溜まり２が形成されている。燃料溜まり２の底部にはテーパ状のシート部３が形成され、該シート部３の中央に噴口４が形成されている。
【００１９】
ケーシング１内の針弁５は、その先端側の周縁部がシート部３に着座して、噴口４を塞ぐようになっている。
ここで、燃料溜まり２の底部にその内周面に嵌合しかつ針弁５を摺動自在に案内するように環状のスワールチップ６を配置し、スワールチップ６の底面とその下方のテーパ状のシート部３との間に円錐状空間７を形成している。
【００２０】
スワールチップ６には、その外周面に上下方向に溝状に形成されると共に、その下端に連なって底面に針弁５の軸線に対しオフセットして斜めに溝状に形成される強スワール通路８が複数設けられている。従って、強スワール通路８は、スワールチップ６上側の燃料溜まり２から燃料を導いて、スワールチップ６下側のシート部３との間の円錐状空間７に吐出し、この空間７において燃料にスワール流を生じさせる。
【００２１】
また、ケーシング１の壁部には、燃料溜まり２から燃料を導いて、スワールチップ６下側のシート部３との間の円錐状空間７に燃料を供給可能な弱スワール通路９が設けられている。弱スワール通路９は、その出口側で通路方向が針弁５の軸線に沿ってわずかに傾斜しているだけで、強スワール通路８により円錐状空間７に形成されるスワール流を弱めることができる。尚、スワールチップ６には、弱スワール通路９の出口側に対応する部分に切欠き部１０を形成してある。
【００２２】
ここで、弱スワール通路９の途中（入口側）には、燃料圧力に応じて開閉する弁装置１１を設けてある。
本実施形態では、弁装置１１として、チェック弁を用いており、これは、ボール弁１２と、リターンスプリング１３とから構成されている。
【００２３】
次に作用を説明する。
燃料噴射弁は、針弁５がリフトし、針弁５がシート部３から離れると、その隙間を通って燃料が流れ出す。このとき、シート部３上流のスワールチップ６に設けられた強スワール通路８により導かれる燃料は、スワールチップ６とシート部３との間の円錐状空間７にて旋回しながら、噴口４を通過して、噴射される。
【００２４】
ここにおいて、燃料圧力がある設定値Ｐｓ未満のときは、弁装置（チェック弁）１１は閉じたままである。従って、弱スワール通路９が閉じられているため、スワールチップ６には強スワール通路８のみが開口することで、強スワールが燃料に加えられ、広噴霧角になると共に、低噴射率となる。
【００２５】
次に、燃料圧力がある設定値Ｐｓ以上のときは、燃料噴射時のスワールチップ６下流（シート部３上流）の圧力低下により、弁装置（チェック弁）１１において、ボール弁１２がスプリング１３の荷重に抗して開く。従って、弱スワール通路９が開かれるため、スワールチップ６には強スワール通路８と弱スワール通路９とが開口することで、弱スワール通路９からの燃料によってスワールが弱められ、狭噴霧角になると共に、高噴射率となる。
【００２６】
図３はスワールチップ下流（シート部上流）の燃圧を測定したデータである。スワール型燃料噴射弁において、噴射直後にスワールチップ下流の燃圧は大きく変動する。図中Ａはスワールチップ下流の燃圧の平衡値、Ｂは圧力変動によるスワールチップ下流の燃圧の最小値であり、本データの場合、平衡値に対し約２５％変動している（Ｂ／Ａ≒０．７５）。この圧力変動により針弁前後の圧力バランスがくずれ、針弁リフトは安定しないため、従来例（特開平８−１７７６８４号）のように針弁リフトでスワール通路を開閉する場合、針弁リフトの不安定さ＝スワール通路開口面積の不安定さとなり、噴射率は不安定になる。
【００２７】
この点、スワール通路の開閉をその通路途中（上流側）で針弁とは別の燃料圧力に応じて開閉する弁装置により行うことで、スワール通路開口面積を安定させることができ、噴射率を安定して変化させることができる。
【００２８】
特に本実施形態では、燃料圧力に応じて開閉する弁装置として、チェック弁を用いることで、可変リフトを用いず、簡単な構成で可変噴射率の燃料噴射弁を作ることができる。
【００２９】
図４及び図５は本発明の第２実施形態を示している。
図４においては、弱スワール通路９には、燃料圧力に応じて開閉する弁装置２０を設けてあり、この弁装置２０以外は図１と同じである。尚、図４のＡ−Ａ断面図は図２と同じである。
【００３０】
弁装置２０の詳細を図５に示す。
弱スワール通路９の途中に弁ガイド２１が配置され、この弁ガイド２１の中に弁体２２が摺動可能に収納されて、リターンスプリング２３により上流側に付勢されている。
【００３１】
弁体２２は、上流側に臨む受圧面積大の大径端２４、下流側に臨む受圧面積小の小径端２５を持ち、大径端２４及び小径端２５にかかる燃料圧力とスプリング２３の荷重とがバランスする位置へストロークすることで、上流側と下流側との連通路（２６，２７）を開閉する。
【００３２】
前記連通路は、前記弁ガイド２１に設けられて、一端が前記弁体２２より上流側に開口し、他端が弁ガイド２１内面に開口する入口側連通路２６と、前記弁体２２に設けられて、一端が大径端２４側の円筒面に開口し、他端が小径端２５側の端面に開口する出口側連通路２７と、から構成される。そして、前記弁体２２のストロークにより、前記入口側連通路２６の前記弁ガイド内面における開口部２８と前記出口側連通路２７の前記弁体大径端側円筒面における開口部２９とが一致したときに、開通する。
【００３３】
尚、図５において、３０，３１はＯリング、３２は大気開放通路である。
次に作用を説明する。
燃料噴射弁は、針弁５がリフトし、針弁５がシート部３から離れると、その隙間を通って燃料が流れ出す。このとき、シート部３上流のスワールチップ６に設けられた強スワール通路８により導かれる燃料は、スワールチップ６とシート部３との間の円錐状空間にて旋回しながら、噴口４を通過して、噴射される。
【００３４】
ここにおいて、燃料圧力がある設定値Ｐｓ未満のときは、弱スワール通路９の弁装置２０において、弁体２２がスプリング２３により上方に移動していて、入口側連通路２６の開口部２８と出口側連通路２７の開口部２９とが合致せず、連通路２６，２７は遮断された状態となる。従って、弱スワール通路９が閉じられているため、スワールチップ６には強スワール通路８のみが開口することで、強スワールが燃料に加えられ、広噴霧角となると共に、低噴射率となる。
【００３５】
次に、燃料圧力がある設定値Ｐｓ以上のときは、弱スワール通路９の弁装置２０において、弁体２２が、その大径端２４及び小径端２５にかかる燃料圧力（大径端側の受圧面積と小径端側の受圧面積との差による燃料圧力）と、スプリング２３の荷重とがバランスする所まで移動し、入口側連通路２６の開口部２８と出口側連通路２７の開口部２９とが合致して、連通路２６，２７は開通した状態となる。従って、弱スワール通路９が開かれるため、スワールチップ６には強スワール通路８と弱スワール通路９とが開口することで、弱スワール通路９からの燃料によってスワールが弱められ、狭噴霧角となると共に、高噴射率となる。
【００３６】
本実施形態によれば、燃料噴射時の圧力を大径端２４側と小径端２５側の両方へ導くことで、圧力脈動をキャンセルすることができ、安定性を更に向上させることができる。
【００３７】
図６は図５に示した弁装置のスプリング荷重の設定例を示すもので、大径端直径３ｍｍ、小径端直径２．５ｍｍの場合である。
弁体は、（小径端側受圧面積×燃圧＋スプリング荷重＝大径端側受圧面積×燃圧）となる位置に、移動する。
【００３８】
図中Ａは大径端側が受ける燃圧力（＝大径端側受圧面積×燃圧）、Ｂは小径端側が受ける燃圧力（＝小径端側受圧面積×燃圧）であり、Ｃは燃圧力のバランス荷重（＝Ａ−Ｂ）である。
【００３９】
従って、燃圧１ｋｇｆ／ｍｍ² 以上で、弁体をストロークさせるためには、図６のＣ線に基づき、スプリング荷重を２ｋｇｆに設定する。
図７は図５に示したような圧力キャンセル機構の効果を示すデータで、圧力キャンセル機構有りの方が、無しのものより、弁体にかかる荷重変動を約１／２から１／３に低減できることを示している。
【００４０】
図８は本発明の第３実施形態を示す弁装置の詳細図である。
本実施形態では、連通路２６，２７は、開口面積を異ならせて２つ設けられる。すなわち、第１入口側連通路２６Ａ及び第１出口側通路２７Ａと、第２入口側連通路２６Ｂ及び第２出口側通路２７Ｂと、が設けられ、そのうち、第１出口側通路２７Ａ中にオリフィス３３を設けてある。
【００４１】
従って、弁体２２のストロークが小さいときは、第１入口側連通路２６Ａの開口部２８Ａと第１出口側連通路２７Ａの開口部２９Ａとが合致して、第１連通路２６Ａ，２７Ａのみが開通した状態となり、このときはオリフィス３１により通路面積が小である。
【００４２】
そして、弁体２２のストロークが大きくなると、第２入口側連通路２６Ｂの開口部２８Ｂと第２出口側連通路２７Ｂの開口部２９Ｂとが合致して、第２連通路２６Ｂ，２７Ｂも開通した状態となり、これにはオリフィスがないため通路面積が大である。
【００４３】
従って、弁体２２のストロークにより、スワール強度及び噴射率を段階的に変化させることができ、また、噴射率をより大きく変化させることができる。
図９は本実施形態において燃圧の変化により噴射率が段階的に変化する様子を示している。
【００４４】
図１０は本発明の第４実施形態を示す燃料噴射弁全体の断面図である。
本実施形態は、噴口４の下流側に噴霧角を規制する噴霧ガイド４１を持たせたもので、この噴霧ガイド４１は、ケーシング１に噴口４の出口側に連ねてテーパ状に形成されており、壁面に燃料を沿わせることで噴霧角を一定に保つことができる。
【００４５】
図１１は本発明の第５実施形態を示す燃料噴射弁全体の断面図である。
本実施形態は、噴口４の下流側に噴霧角を規制する噴霧ガイド４２を持たせたもので、この噴霧ガイド４２は、針弁５にピントル部として形成されており、ピントル部ヘの衝突で噴霧角を一定に保つことができる。
【００４６】
従って、第４又は第５実施形態によれば、スワール強度及び噴射率を変化させても、噴霧角をほぼ一定に保つことができ、壁面付着低減と燃焼安定領域拡大とを達成し、これによりＨＣ低減、燃費低減等の燃焼改善を行うことができる。
【００４７】
尚、図１０及び図１１では弁装置（チェック弁）１１を用いる例としたが、弁装置２０を用いてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す燃料噴射弁全体の断面図
【図２】 図１のＡ−Ａ断面図
【図３】 スワールチップ下流の燃圧の変化の様子を示す図
【図４】 第２実施形態を示す燃料噴射弁全体の断面図
【図５】 弁装置の詳細断面図
【図６】 スプリング荷重の設定例を示す図
【図７】 圧力キャンセル機構の効果を示す図
【図８】 第３実施形態を示す弁装置の詳細断面図
【図９】 燃圧と噴射率との関係を示す図
【図１０】 第４実施形態を示す燃料噴射弁全体の断面図
【図１１】 第５実施形態を示す燃料噴射弁全体の断面図
【符号の説明】
１ ケーシング
２ 燃料溜まり
３ シート部
４ 噴口
５ 針弁
６ スワールチップ
７ 円錐状空間
８ 強スワール通路
９ 弱スワール通路
１１ 弁装置（チェック弁）
２０ 弁装置
２１ 弁ガイド
２２ 弁体
２３ リターンスプリング
２４ 大径端
２５ 小径端
２６，２６Ａ，２６Ｂ 入口側連通路
２７，２７Ａ，２７Ｂ 出口側連通路
２８，２８Ａ，２８Ｂ 開口部
２９，２９Ａ，２９Ｂ 開口部
３３ オリフィス
４１ 噴霧ガイド
４２ 噴霧ガイド

Claims (8)

1. 直噴式燃料噴射弁において、
   噴口への燃料通路として、燃料へ大きな旋回力を付与する強スワール通路と、この強スワール通路により付与される旋回力を弱める方向に燃料を供給する弱スワール通路とを備え、
   前記強スワール通路と前記弱スワール通路は、共に、前記噴口の入口側に連なるテーパ状のシート部の上方に配置されるスワールチップの外周部に形成されて、前記シート部とその上方のスワールチップの底面との間に形成される円錐状空間に対し、針弁の軸線方向の同一高さ位置で開口するものであり、
   前記弱スワール通路の途中に、針弁とは別の、燃料圧力に応じて開閉する弁装置を設けたことを特徴とする直噴式燃料噴射弁。
2. 前記弁装置は、チェック弁であることを特徴とする請求項１記載の直噴式燃料噴射弁。
3. 前記弁装置は、前記弱スワール通路の途中に配置される弁ガイドの中に摺動可能に収納されて、スプリングにより上流側に付勢される弁体を有し、該弁体は、上流側に臨む受圧面積大の大径端、下流側に臨む受圧面積小の小径端を持ち、大径端及び小径端にかかる燃料圧力とスプリング荷重とがバランスする位置へストロークすることで、上流側と下流側との連通路を開閉することを特徴とする請求項１記載の直噴式燃料噴射弁。
4. 前記連通路は、前記弁ガイドに設けられて、一端が前記弁体より上流側に開口し、他端が弁ガイド内面に開口する入口側連通路と、前記弁体に設けられて、一端が大径端側の円筒面に開口し、他端が小径端側の端面に開口する出口側連通路とから構成され、前記弁体のストロークにより、前記入口側連通路の前記弁ガイド内面における開口部と前記出口側連通路の前記弁体大径端側円筒面における開口部とが一致したときに、開通することを特徴とする請求項３記載の直噴式燃料噴射弁。
5. 前記連通路は、通路面積を異ならせて複数設けられ、前記弁体のストロークにより、開通する連通路を切換えることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の直噴式燃料噴射弁。
6. 噴口の下流側に噴霧角を規制する噴霧ガイドを持つことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直噴式燃料噴射弁。
7. 前記噴霧ガイドは、噴口の出口側に連ねてテーパ状に形成されることを特徴とする請求項６記載の直噴式燃料噴射弁。
8. 前記噴霧ガイドは、針弁にピントル部として形成されることを特徴とする請求項６記載の直噴式燃料噴射弁。

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