JP3915347B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【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、燃料流に旋回手段により旋回エネルギーを与えて燃料噴射孔から噴射する形式の筒内噴射用の燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の中で、ガソリンエンジンは、従来電磁式燃料噴射弁を用いて吸気ポート内に燃料を噴射するエンジンが普及している。そして、この吸気ポート内において、吸気された空気と燃料とを混合して、燃焼室内でこの混合気を着火、燃焼して動力を発生させている。一方、内燃機関の中で、主に軽油等を燃料とするディーゼルエンジンでは、燃焼室内に直接燃料を噴射して、この燃料を燃焼室内の圧縮空気によって自然発火させて動力を得ている。ところで、上述のようなガソリンエンジンにおいても燃焼室に直接燃料を噴射して、内燃機関の応答性を改善するような筒内燃焼型が提案されている。
【０００３】
このような筒内噴射型のガソリンエンジンでは、高圧の燃料を効率良く噴射する燃料噴射弁として、燃料流に旋回エネルギーを与えて燃料噴射孔から噴射する形式のものが、数種提案されている。それらの燃料噴射弁の一般的構造は、例えば特開平１０−２６０６２号公報および特開平１０−４７２０８号公報に記載されているように、弁体（ニードルバルブ、ボールバルブ等）及び弁座を備えた燃料噴射弁本体と、燃料流に旋回エネルギーを与える燃料旋回素子とから構成されている。
【０００４】
この燃料旋回素子には、軸方向溝と、燃料に旋回力を与える径方向溝とが形成されている。鉛直下向きに軸方向溝を通ってきた燃料は、径方向溝入口部でその流れの方向を９０°変えて、水平方向に径方向溝内を流れる。４本あるいは６本からなる径方向溝は、弁本体の軸中心を通らず中心から偏心した位置に形成されている。これにより径方向溝内で燃料には旋回力が与えられ、燃料は噴射弁出口から旋回しながら大気中に広がって行く。弁本体の軸中心から径方向溝の最外壁までの距離をＲ、径方向溝の幅をＷとした場合、燃料に付与された旋回エネルギーの強さは、弁本体の軸中心から径方向溝の中心までの距離で定義される偏心量L＝Ｒ−Ｗ/２に比例している。すなわち、より大きな旋回エネルギーを得るためには、径方向溝をなるべく弁本体の軸中心から離して設置すること、および溝幅Ｗを小さくするのが良い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料噴射弁においては、径方向溝の高さＨと幅Ｗの比が１より小さいため、すなわち溝高さＨに比べ溝幅Ｗが大きかったため、弁本体の軸中心から径方向溝の最外壁までの距離Ｒが決まっている場合、径方向溝の偏心量L＝Ｒ−Ｗ/２を小さくする傾向にあった。そのため、必ずしも燃料流に大きな旋回エネルギーを与えているとは限らなかった。
【０００６】
また、従来の燃料噴射弁においては、径方向溝の断面形状が矩形および円形であり、溝断面中心に対して対称形であった。そのため、径方向溝内で燃料流を溝の最外壁に偏らせてより多く流し、径方向溝の偏心量Lをより大きくすることができなかった。そのため、必ずしも燃料流に大きな旋回エネルギーを与えているとは限らなかった。
【０００７】
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、燃料流に大きな旋回エネルギーを与え、それにより噴射角度の増大、および燃料の微粒化を促進することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、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、前記弁座に対して接触または離れた状態に駆動される弁体と、前記弁座の上流側に位置し燃料に旋回力を付与するための燃料旋回素子とを備え、前記燃料旋回素子の前記弁座側の端面には前記弁体の軸中心より偏心した位置に燃料に旋回力を付与するための径方向溝が形成された燃料噴射弁において、前記径方向溝の断面形状を、前記径方向溝の断面中心と前記径方向溝の最外壁との距離が前記径方向溝の溝幅の半分の長さよりも小さくなるように、前記断面中心に対して非対称形に構成する。
【００１０】
前記径方向溝の断面形状を断面中心に対して非対称形にするために、径方向溝の断面形状を台形にするとよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の最良の実施形態について図１〜図９を参照しながら説明する。
【００１２】
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の燃料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、燃料旋回素子の径方向溝からオリフィスまでの流路の斜視図である。
【００１３】
図１に示す燃料噴射弁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、電磁コイル１５が励磁されると所定量リフトする可動子であるボール弁４Ａと、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ィス８、及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、可動子に係るボール弁４Ａは、少なくとも、磁性体のプランジャ４と、ロッド５と、ボール状の弁体であるボール６とが一体的に形成されている。
【００１４】
本実施形態の燃料噴射弁１は、シングルポイント燃料噴射装置用のもので、以下、詳細に説明する。この燃料噴射弁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ャ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ィス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。
【００１５】
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ャスタ１１の下端に当接している。コア２とスプリングアジャスタ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。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。
【００１６】
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。燃料噴射弁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、燃料噴射弁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。
【００１７】
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が形成されており、燃料噴射弁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ためのＯリング２４が、そこに保持されている。ヨーク３の周りには、燃料が流入する流入通路２６及び燃料噴射弁１の中に溜まった気泡を含む余分な燃料を流出させるための、流出通路２７が開けられている。
【００１８】
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ャ受容部２８が開けられている。さらにそこには、プランジャ受容部２８の径より大径のストッパ２９及びバルブガイド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、モールド樹脂によっ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。
【００１９】
ボール弁４Ａは、磁性材製のプランジャ４と、一端がプランジャ４に接合されたロッド５と、ロッド５の他端に接合されたボール６と、プランジャ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。
【００２０】
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の中央にはオリフィス８（燃料噴射孔）が穿設されている。さらに、バルブガイド７にはオリフィス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。本実施例では、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。
【００２１】
次に、燃料噴射弁の組立方法及び燃料旋回素子３７の構造について説明する。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をつけた後、コア２のつば部の孔１７に端子１８を挿入する。次に、端子１８の上からカラー２０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っ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。
【００２２】
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をガイドしている。結局２個所でガイドして軸方向に進退することになる。このため、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、及びコア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。
【００２３】
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ッド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、ロッド５の他端とプランジャ４とロッド５の外周に設けた溝４３に、メタルフローによってプランジャ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とプランジャ４の結合は、プランジャ４のボール弁側の面４４を雇で受けて、プランジャ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ってメタルフローによる結合を行うことができる。
【００２４】
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って流動圧着する（図２参照）。
【００２５】
この燃料旋回素子３７には、図２に示すように、軸方向溝４８と、燃料に旋回力を与える径方向溝４９とが形成されている。鉛直下向きに軸方向溝４８を通ってきた燃料は、径方向溝４９の入口部でその流れの方向を９０°変えて、水平方向に径方向溝４９の内部を流れる。
【００２６】
図３は、本発明の燃料噴射弁における実施例１の燃料旋回素子３７の径方向溝４９からオリフィス８までの流路の斜視図を示している。径方向溝４９は、弁本体の軸中心を通らず、中心から偏心した位置に形成されている。これにより、径方向溝内で燃料には旋回力が与えられ、燃料はオリフィス８から旋回しながら大気中に広がって行く。径方向溝４９は、溝高さＨが溝幅Ｗよりも大きくなるように加工した。径方向溝４９の溝高さＨと溝幅Ｗの関係について、図４に示す。（ａ）は従来の溝形状の一例であり、Ｗ／Ｈ＝２の場合、すなわちＷ＞Ｈとなっているものを示している。それに対して、（ｂ）は本発明の溝形状の一例であり、Ｗ／Ｈ＝０．５の場合、すなわちＷ＜Ｈとなっているものを示している。弁本体の軸中心から径方向溝４９の最外壁５６までの距離をＲとすると（図５参照）、燃料に付与された旋回エネルギーは、径方向溝の偏心量L＝Ｒ−Ｗ/２に比例する。このことより、Ｒが一定のもとで、燃料流に大きな旋回エネルギーを与えるために、溝幅Ｗを小さくするようにし、その分高さＨを大きくしている。なお、溝の断面積ＷＨは従来の燃料噴射弁と同じである。
【００２７】
上記のような、燃料旋回素子３７を備えたバルブガイド組立体を、図１に示すストッパ２９と共に、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、ストッパ２９は、可動部が吸引された時、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。
【００２８】
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。それとほぼ同時に、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、図示しない雇へ一旦収納して、そこで噴射流量の試験に入る。
【００２９】
次に、噴射流量試験について説明する。まず可動部をフルストロークさせた状態で測定し、その時の噴射流量が規定の噴射量になることを確認する。その後、一定周期、一定開弁時間の噴射流量を規定の噴射流量になるように、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する。しかる後、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て固定する。上記のような手順で本実施例の電磁式燃料噴射弁の組立てが完了する。
【００３０】
次に、本実施例の電磁式燃料噴射弁内部流路の流体解析の結果を、従来の燃料噴射弁と比較して図５および６示す。図５は、燃料旋回素子の径方向溝４９からオリフィス８までの流路の平面図および流れの様子を示したものである。（ａ）は従来の溝形状の一例であり、Ｗ／Ｈ＝２の場合、すなわちＷ＞Ｈとなっているものを示している。それに対して、（ｂ）は本発明の溝形状の一例であり、Ｗ／Ｈ＝０．５の場合、すなわちＷ＜Ｈとなっているものを示している。図中の速度ベクトルより、本実施例で示した燃料噴射弁（ｂ）の方が、径方向溝４９からオリフィス８に至るまでの燃料流の旋回エネルギーが大きいことがわかる。また図６は、オリフィス８の出口での燃料流の旋回速度を示したものである。横軸はオリフィス８の壁から中心までの半径方向の距離を表わしており、縦軸は旋回速度を表わしている。図中の実線は本実施例で示した燃料噴射弁（ｂ）を、破線は従来の燃料噴射弁（ａ）の結果を示している。
【００３１】
図５、６から明らかなように、径方向溝４９の高さＨを幅Ｗより大きくした本実施例の電磁式燃料噴射弁は、従来の燃料噴射弁と比較して、燃料流に大きな旋回エネルギーを与えることができる。これにより、オリフィス８から噴射する燃料の噴射角度を大きくすることができ、かつ燃料の微粒化を促進することが可能である。
【００３２】
なお、本実施例では径方向溝４９の溝断面形状を矩形としているが、矩形以外でもよく、例えば図７に示すような楕円形としてもよい。この場合、楕円の長径を高さＨに、短径を幅Ｗとして考える。
【００３３】
図８は本発明の燃料噴射弁における、実施例２の燃料旋回素子の径方向溝の形状を示した図である。実施例１と同様の電磁式燃料噴射弁を用いているので、その構成要素の説明は省略する。
【００３４】
図８に示すように本実施例では、燃料旋回素子の径方向溝の断面形状が断面中心に対して非対称形になるように加工している。（ａ）は溝の形状が矩形で、溝断面中心に対して対称形になっているものである。この場合、溝断面中心Ｐと溝の最外壁５６との距離は溝幅Ｗの半分であるＷ／２になっている。（ｂ）は本発明の溝形状の一例であり、 溝の形状が溝断面中心に対して非対称形になっている。実施例の溝は矩形と円の１／４の形状の組み合わせによりできており、断面積は（ａ）と等しくＷＨになっている。この場合、溝断面中心Ｐと溝の最外壁５６との距離は溝幅Ｗの半分であるＷ／２よりも小さくなっている。（ａ）と（ｂ）は同じ溝幅Ｗであるが、（ｂ）の本発明の方が、溝断面中心Ｐが最外壁５６により近くなっている。すなわち、（ｂ）の方が溝の偏心量Ｌが大きくなっていることになる。
【００３５】
上記の構成とすることより、本実施例の電磁式燃料噴射弁は、溝の断面形状が矩形の燃料噴射弁と比較して、燃料流により大きな旋回エネルギーを与えることができる。そして、これによりオリフィス８から噴射する燃料の噴射角度を大きくすることができ、かつ燃料の微粒化を促進することが可能である。
【００３６】
図９は、本発明の燃料噴射弁における実施例３の燃料旋回素子の径方向溝の形状を示した図である。実施例１と同様の電磁式燃料噴射弁を用いているので、その構成要素の説明は省略する。図９に示すように実施例３では、燃料旋回素子の径方向溝の断面形状が断面中心に対して台形になるように加工されている。本実施例では、径方向溝の最外壁５６側の高さＨ’、それに対向する最内壁側の高さをＨ（Ｈ’ ＞Ｈ）、溝幅をＷとしている。この場合、溝断面中心Ｐと溝の最外壁５６との距離はＷ／２よりも小さく、従来溝（図４（ａ）参照）と比較して溝の偏心量Ｌが大きくなっている。
【００３７】
上記の構成とすることより本実施例の電磁式燃料噴射弁は、従来の燃料噴射弁と比較して、燃料流により大きな旋回エネルギーを与えることができる。そして、これによりオリフィス８から噴射する燃料の噴射角度を大きくすることができ、かつ燃料の微粒化を促進することが可能である。
【００３８】
なお、上記実施例１から３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。
【００３９】
【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、燃料流に大きな旋回エネルギーを与えることができる。これにより、燃料噴射孔から噴射する燃料の噴射角度を大きくすることができ、かつ燃料の微粒化を促進することが可能である。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の燃料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】本発明の燃料噴射弁における実施例１の燃料旋回素子の径方向溝からオリフィスまでの流路の斜視図である。
【図４】径方向溝の溝高さと溝幅の関係を示した図である。
【図５】燃料旋回素子の径方向溝からオリフィスまでの流路の平面図及び流れの様子を示した図である。
【図６】本発明の燃料噴射弁における実施例１の燃料旋回素子のオリフィス出口での旋回速度分布を従来の燃料噴射弁と比較して示した図である。
【図７】本発明の燃料噴射弁における実施例１の燃料旋回素子において、径方向溝の溝断面形状を楕円形とした場合を示している。
【図８】本発明の燃料噴射弁における実施例２の燃料旋回素子の径方向溝の形状を示した図である。
【図９】本発明の燃料噴射弁における実施例３の燃料旋回素子の径方向溝の形状を示した図である。
【符号の説明】
２…コア、３…ヨーク、４…プランジャ、４Ａ…ボール弁、５…ロッド、６…ボール、７…バルブガイド、８…オリフィス、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、４９…径方向溝の最外壁。

Claims (2)

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、前記弁座に対して接触または離れた状態に駆動される弁体と、前記弁座の上流側に位置し燃料に旋回力を付与するための燃料旋回素子とを備え、前記燃料旋回素子の前記弁座側の端面には前記弁体の軸中心より偏心した位置に燃料に旋回力を付与するための径方向溝が形成された燃料噴射弁において、
   前記径方向溝の断面形状を、前記径方向溝の断面中心と前記径方向溝の最外壁との距離が前記径方向溝の溝幅の半分の長さよりも小さくなるように、前記断面中心に対して非対称形にしたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、前記旋回溝の断面形状が台形であることを特徴とする燃料噴射弁。

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