JP3930012B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

この発明は、燃料を微粒化して噴射する燃料噴射弁に関する。

近年、自動車などの排出ガス規制が強化され、排出される有害物質を低減することが求められている。そのため、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の噴射方向の自由度および微粒化を向上させることにより燃焼の改善を図っている。その中でも、特に燃料噴霧の微粒化については各種の検討がなされている。

従来の燃料噴射弁は、弁座下流側に設けられた断面弓形形状で、複数の噴孔を有するプレートと弁座下面とでキャビティを形成し、弁座下面は燃料噴射弁の軸心に対して垂直な平面であり、かつ噴孔入口部は弁座下流側開口径より外周側に配置されている。
上記の構成により、弁座下流側開口部からキャビティに流入した燃料は流路が急拡大する際に乱流となって各噴孔に向かうため、微粒化が促進されるというものである（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の燃料噴射弁は、ニードル先端部に長手方向軸線に対してほぼ垂直に延びた端面を有し、同じく長手方向軸線に対して垂直な平面に配置された計量オリフィスと対向して配置され、かつ、計量オリフィスには、弁座の仮想延長線によって形成される仮想円よりも外周側に計量開口が設けられている。
上記の構成により、弁座下流部のデッドボリュームを抑えつつ、各噴孔に流入する角度を大きくすることができ、それにより微粒化が促進されるというものである（例えば、特許文献２参照）。

米国特許第６５０２７６１号明細書 特開２００２−２１６８６号公報

特許文献１に示す従来の燃料噴射弁では、乱流を燃料噴霧の微粒化に利用しているが、乱流はそもそも流体の粘性（温度）や流速、流路形状の影響を受けやすく不安定である。そのため、エンジン冷間時における燃料温度の低下や開弁直後および閉弁直前のレイノルズ数が減少する流量減少時に、燃料噴霧の粒径が大きくなってしまう粒径悪化、燃料噴霧ターゲッティング精度悪化および流量精度悪化を招くという問題点があった。
また、乱流を利用しているため、噴射方向や流量が噴孔位置精度や弁座下流側開口部形状のわずかなひずみ等により大きな影響を受けてしまうため、量産管理することが困難であるという問題点もあった。
さらに、弁座とプレートとの間にキャビティが形成されており、開弁直後には流速の小さい燃料が開口部からキャビティに流入するが、キャビティのデッドボリュームが大きい場合には、キャビティに流入した燃料のエネルギーのうち、デッドボリュームでロスするエネルギーも大きくなる。そのため、さらに燃料の流速は小さいものとなり、大きな粒径を持った燃料噴霧が多くなり、燃焼が悪化するという問題点もあった。
また、キャビティの環境は、低温時と高温時とで大きく異なっており、開口部からキャビティへ流入する燃料の流れやすさにばらつきが生じる。そのため、デッドボリュームが大きい場合には、それに伴って開口部からキャビティへ流入する燃料の流れやすさに対するキャビティの環境変化の影響がさらに大きくなるので、流量精度が悪化するという問題点もあった。

また、特許文献２に示す従来の燃料噴射弁では、弁座下流部のデッドボリュームを最小化し、噴孔に流入する角度および速度を増大させるという観点から、弁座シート部下流側の長手方向の厚さを極力薄くする必要があるが、弁座を薄くすることにより剛性不足を生じ、弁座シート部加工時に弁座シート部の真円度が低下し、弁漏れ量が増大するという問題点があった。
また、構造上弁座シート径を噴孔配置径よりも大きくする必要があるが、その場合は燃圧によってニードルを弁座に押しつける力が大きくなり、燃料噴射弁の外径を大きくしない限り、動作限界燃圧が低下するという問題点もあった。
また、計量オリフィスは長手方向軸線に対して垂直な平面に配置されるため、長手方向軸線と、噴孔の軸線との交差する鋭角側の角度である噴射角が大きい場合、実効的な噴孔長さＬと噴孔径Ｄとの比が大きくなってしまう。そのため、噴孔入口部で１度剥離した流れが整流されてしまい、燃料噴霧の微粒化を阻害し、噴射角によって燃料噴霧の微粒化の度合いや噴霧ペネトレーションが異なるという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、エンジン用燃料噴射弁において、噴霧ターゲッティング精度および流量精度を維持しつつ、弁漏れ量を低減し、燃料噴霧の噴射方向の自由度および微粒化を向上することができる燃料噴射弁を提供することにある。

この発明に係る燃料噴射弁は、中空状のハウジングと、ハウジングの端部に設けられた弁装置と、弁装置を電磁吸引力により駆動させるソレノイド装置とを備えた燃料噴射弁であって、弁装置は、開口部を有するとともに、下流側に突起した第１の突起部を有する弁座と、弁装置内を軸方向に往復移動可能に配設され、弁座に離接する弁体と、弁座の下流側に設けられ、燃料を外部に噴射する噴孔を有するとともに、下流側に突起した第２の突起部を有するプレートとを有し、弁座とプレートとの間には、燃料を整流するキャビティが形成され、噴孔のキャビティ側の入口部は、開口部よりも外周側に形成されているものである。

この発明の燃料噴射弁によれば、キャビティで燃料の流れが整流されるため、噴孔から噴射される燃料噴霧の噴射角、噴霧ペネトレーション、粒径および流量のばらつきが小さく、噴霧ターゲッティング精度および流量精度を維持しつつ、微粒化の促進をすることができる。
また、弁座下流部開口部を通過した燃料流れはウォール効果によりプレート斜面に沿って整流されるので、噴射角が大きい場合においても各噴孔に流入する角度を大きく設定することが可能となり、噴孔入口部の流れの剥離強化により燃料噴霧の微粒化が促進される。

また、第１の突起部を有する弁座と、第２の突起部を有するプレートとでキャビティを形成したことにより、デッドボリュームが低減され、開口部からキャビティに流入した燃料のエネルギーのうち、デッドボリュームでロスするエネルギーが少なくなるので、開弁直後に噴射される流速の小さい燃料でも、ほとんど流速を落とすことがなく微粒化が促進されるため、開弁直後に発生しやすい大きな粒径を持った燃料噴霧が少なくなり、燃焼を改善することができる。
また、デッドボリュームを低減したことにより、開口部からキャビティへ流入する燃料の流れやすさに対するキャビティの温度環境による影響が小さくなり、流量精度を向上させることができる。

また、噴孔の入口部が、開口部よりも外周側に形成されているので、弁座シート径を大きくする必要がないので、動作限界燃圧を維持することができる。
さらに、弁座シート部下の弁座軸方向長さが、燃料噴霧の微粒化に影響しない範囲で弁座シート部の剛性を確保するのに十分な長さとすることができるので、弁座シート部の真円度を容易に確保でき、弁漏れ量を低減することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の断面図である。
図２は、図１に示した弁装置８に係るＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。
図１および図２において、燃料噴射弁１は、中空状のハウジング３と、ハウジング３の端部に設けられた弁装置８と、弁装置８を電磁吸引力により駆動させるソレノイド装置２とを有している。
ソレノイド装置２は、磁気回路の固定鉄心部分であるコア４と、コア４の外周に設けられたコイル５と、磁気回路の可動鉄心部分であるアマチュア６と、弁体１１を閉弁方向に押している圧縮バネ７とを有している。

また、弁装置８は、段付中空円筒形の弁本体９と、燃料の流路である開口部１７を有する弁座１０と、アマチュア６と一体構造をなし、ソレノイド装置２により往復運動し、弁座１０と接離する弁体１１と、燃料を下流側に誘導する燃料ガイド１２と、弁体１１の上面に当接するストッパ１３と、燃料を噴射する噴孔１９を有するプレート１４とを有している。
また、燃料ガイド１２は、弁本体９から軸方向に燃料を導く外周隙間１２ａと、外周隙間１２ａとつながるガイド溝１２ｂと、ガイド溝１２ｂとつながり、開口部１７に燃料を流出させるガイド溝出口部１２ｃとを有している。

図３は、図１に示した燃料噴射弁１の弁装置８の一部を示す要部拡大図である。
図３において、弁座１０は、下流側に突起した第１の突起部１５と、弁体１１と当接する弁座シート部１６と、燃料噴霧が通過する開口部１７とを有している。
また、プレート１４の中央部には、下流側に突起した第２の突起部１８と、第２の突起部１８に設けられ、板厚方向に貫通する複数の噴孔１９とが設けられている。
ここで、弁座１０とプレート１４との間には、燃料を整流するキャビティ２０が形成されている。
さらに、弁座シート部１６下の弁座１０の軸方向長さＨは、燃料噴霧の微粒化に影響しない範囲で弁座シート部１６の剛性を確保するのに十分な長さとなっている。

なお、第１の突起部１５の立体角を立体角α１、第２の突起部１８の立体角を立体角α２としたとき、流速が落ちることを防止するため、立体角α１は立体角α２より大きくして、流れ方向に沿って随時キャビティ２０の流路断面積が小さくなるように形成されている。
なお、キャビティは、流れ方向に沿って流路断面積が一定であるように形成されていてもよい。

また、弁本体９はハウジング３の内径部に挿入後、ハウジング３の端部をかしめて結合されている。アマチュア６は弁体１１に溶接されている。燃料ガイド１２は弁本体９の内径部に圧入され、更に弁座１０が圧入された後に弁本体９に溶接されている。弁体１１の下流側にはプレート１４が弁本体９に圧入され、弁座１０とプレート１４が溶接されている。

ここで、弁体１１の一部は、弁本体９と摺動動作するガイドとしての機能を果たしている。また、開弁状態では弁体１１のフランジ上面がストッパ１３の下面と当接する。
そこで、弁本体９と弁体１１との隙間を小さく設定して、弁座シート部１６に対する弁体１１の径方向の非同軸度（振れ）を規制するのが好ましい。
そこで、本実施の形態では弁体１１の耐久磨耗を許容限度以内とするため、弁本体９と弁体１１との最も狭い箇所の隙間を弁体１１の両側をあわせて１０μｍ以下（片側隙間５μｍ以下）としている。

次に、プレート１４の製作工程を示す。
図４は、図３に示したプレート１４の製作工程を示す説明図である。
まず、工程１として、図４（ａ）に示すように、プレート１４の中央部を位置決めする。続いて、工程２として、図４（ｂ）に示すように、位置決めされたプレート１４の中央部をプレス加工して、薄肉部１４ａを形成する。
工程３では、図４（ｃ）に示すように、薄肉部１４ａに複数の噴孔１９をプレス加工により打ち抜いて形成する。続いて、工程４では、図４（ｄ）に示すように、薄肉部１４ａをプレス加工して、円錐状あるいは断面弓形状の第２の突起部１８を形成する。
最後に、工程５として、図４（ｅ）に示すように、弁本体９と嵌合する嵌合部をプレス加工により形成する。

以下、上記構成の燃料噴射弁１についての動作を説明する。
まず、エンジンの制御装置（図示せず）より燃料噴射弁１に動作信号が送られると、ソレノイド装置２のコイル５に電流が通電され、コイル５に磁束が発生する。発生した磁束は、アマチュア６、コア４、ハウジング３で構成される磁気回路を通り、アマチュア６は圧縮バネ７の付勢力に抗してコア４側へ吸引される。
アマチュア６がコア４に吸引されると、アマチュア６と一体構造である弁体１１が弁座シート部１６から離れて間隙が形成される。

また、エンジンの制御装置より燃料噴射弁１に動作の停止信号が送られると、ソレノイド装置２のコイル５への電流の通電が停止し、磁気回路中の磁束がなくなって電磁吸引力が消失して、弁体１１を閉弁方向に押している圧縮ばね１３により弁体１１と弁座シート部１６間の間隙は閉じ状態となり、燃料噴射が終了する。

アマチュア６がコア４に吸引されると、弁体１１と弁座シート部１６との間に間隙が形成され、高圧の燃料は弁本体９から外周隙間１２ａに流れ込む。外周隙間１２ａに流れ込んだ燃料は、ガイド溝１２ｂを通ってガイド溝出口部１２ｃへと流れ込む。ガイド溝出口部１２ｃに流れ込んだ燃料は、弁体１１と弁座シート部１６との間隙を通って開口部１７に流入した後、キャビティ２０に導かれる。

図５は、この発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁１の、燃料噴霧の流れを示す説明図である。
図５において、第２の突起部１８の上流側斜面と、噴孔１９の軸線との交差する鋭角側の角度を流入角βとする。
また、長手方向軸線と、噴孔１９の軸線との交差する鋭角側の角度を噴射角γとする。
また、第２の突起部１８の上流側斜面の垂線と、噴孔１９の軸線との交差する鋭角側の角度を噴孔傾斜角δとする。
なお、図中に示された矢印は、燃料噴霧の流れる方向を示している。

キャビティ２０に導かれた燃料は、体積が急激に拡大することがないために乱流とはならず、第２の突起部１８でウォール効果により、プレート１４の斜面に沿って図５の矢印で示すように整流される。
プレート１４の斜面に沿った燃料の流れは、噴孔１９の入口付近で剥離を起こし、乱流となって噴孔１９から外部に噴射される。

この発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁１によれば、第１の突起部１５および第２の突起部１８を設け、かつ、第１の突起部１５の立体角を立体角α１、第２の突起部１８の立体角を立体角α２としたとき、立体角α１が立体角α２より大きくなるようにキャビティ２０を形成している。
したがって、キャビティ２０に流入した燃料は、第２の突起部１８でウォール効果により、プレート１４の斜面に沿って整流され、上流側から流入した燃料に順次押され、噴孔１９の入り口付近で剥離を起こして乱流となるので、噴孔１９から噴射される燃料噴霧の噴射角γ、噴霧ペネトレーション、粒径および流量のばらつきが小さく、かつ、噴霧ターゲッティング精度および流量精度を維持しつつ、微粒化を促進することができる。

また、プレート１４が長手方向軸線に対して垂直な平面である場合に比べて、第２の突起部１８を設けたことにより、噴射角γが大きい場合においてもプレート１４のキャビティ２０側斜面上に配置された各噴孔１９への流入角βを大きく設定することが可能となる。
よって、噴孔１９の入口部の流れの剥離を強化することにより燃料噴霧の微粒化をさらに促進することができる。

また、第１の突起部１５を有する弁座１０と、第２の突起部１８を有するプレート１４とでキャビティ２０を形成したことにより、デッドボリュームが低減され、開口部１７からキャビティ２０に流入した燃料のエネルギーのうち、デッドボリュームでロスするエネルギーが少なくなるので、開弁直後に噴射される流速の小さい燃料でも、ほとんど流速を落とすことがなく微粒化が促進され、開弁直後に発生しやすい大きな粒径を持った燃料噴霧が少なくなり、燃焼を改善することができる。
また、デッドボリュームを低減したことにより、開口部１７からキャビティ２０へ流入する燃料の流れやすさに対するキャビティ２０の環境による影響が小さくなり、流量精度を向上させることができる。
また、噴孔１９の入口部が、開口部１７よりも外周側に形成されているので、弁座シート１６径を大きくする必要がないので、動作限界燃圧を維持することができる。
さらに、弁座シート部１６下の弁座１０の軸方向長さＨは、燃料噴霧の微粒化に影響しない範囲で弁座シート部１６の剛性を確保するのに十分な長さとなっているので、弁座シート部１６の真円度を容易に確保でき、弁漏れ量を低減することができる。

また、プレート１４の形状および噴孔１９をプレス加工により形成しているので、従来用いられてきた放電加工に比べて、コストを低減することができる。

なお、上記の説明では、第１の突起部１５および第２の突起部１８は円錐状であるとして説明したが、第１の突起部１５および第２の突起部１８をそれぞれ断面弓形形状として椀型のキャビティ２０を形成してもよい。第１の突起部１５および第２の突起部１８をそれぞれ断面弓形形状に形成したときの断面図を図６に示す。
この場合も、第１の突起部１５および第２の突起部１８を円錐状に形成した場合と同様に、微粒化促進の効果を得ることができる。
また、この場合も、燃料の流速が落ちてしまうことを防止するため、流れ方向に沿って随時キャビティ２０の流路断面積が小さくなるように形成されていることが望ましい。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る燃料噴射弁１の弁装置８の一部を示す要部拡大図である。
図８は、この発明の実施の形態２に係る燃料噴射弁１の弁装置８の一部の別の態様を示す要部拡大図である。
図７および図８において、第２の突起部１８の立体角α２は、８０°≦α２≦１４０°の範囲とし、かつ噴孔１９の噴孔傾斜角δを０°≦δ≦２０°の範囲としている。
このとき、立体角α２と噴孔傾斜角δとを組み合わせることで、噴射角γは０°≦γ≦７０°の範囲まで対応させることができる。

ここで、噴射角γを０°≦γ≦７０°の範囲まで対応させることができるということは、燃料噴射弁１が直噴エンジンの筒内に向かって取り付けられた際、筒の軸線と燃料噴射弁１の軸線とのなす鋭角である取り付け角度が大きくなる場合でも、鉛直下方向および筒の頂点に設けられた点火プラグ方向の広い範囲に燃料を噴射することが可能となるということである。

この発明の実施の形態２に係る燃料噴射弁１によれば、弁座１０の立体角α２と噴孔１９の噴孔傾斜角δを組み合わせることで、噴射角γを０°≦γ≦７０°まで対応させることが可能であるので、広い範囲にわたって燃料を噴射することができる。
また、噴射角γの変化に対する噴孔１９の実効的な噴孔１９長さＬと噴孔１９径Ｄとの比の変化は、第２の突起部１８により、プレート１４に角度をつけることができる。よって、噴孔１９の入口部付近で剥離した燃料噴霧が再度整流されることなく噴射されるので、噴射角γによる燃料噴霧の粒径レベルや噴霧ペネトレーションの変化が小さい。よって燃料噴霧の噴霧ペネトレーションおよび粒径のばらつきを抑えつつ、噴射方向の自由度を向上させる効果がある。

この発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の断面図である。 図１に示した弁装置に係るＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。 図１に示した燃料噴射弁の弁装置の一部を示す要部拡大図である。 図４（ａ）〜図４（ｅ）は、図３に示したプレートの製作工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の、燃料噴霧の流れを示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の、第１の突起部および第２の突起部をそれぞれ断面弓形形状に形成したときの断面図である。 この発明の実施の形態２に係る燃料噴射弁の、弁装置の一部を示す要部拡大図である。 この発明の実施の形態２に係る燃料噴射弁の、弁装置の一部の別の態様を示す要部拡大図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、８ 弁装置、１０ 弁座、１１ 弁体、１４ プレート、１５ 第１の突起部、１８ 第２の突起部、１９ 噴孔、２０ キャビティ。

Claims (3)

1. 中空状のハウジングと、
   前記ハウジングの端部に設けられた弁装置と、
   前記弁装置を電磁吸引力により駆動させるソレノイド装置と
   を備えた燃料噴射弁であって、
   前記弁装置は、開口部を有するとともに、下流側に突起した第１の突起部を有する弁座と、
   前記弁装置内を軸方向に往復移動可能に配設され、前記弁座に離接する弁体と、
   前記弁座の下流側に設けられ、燃料を外部に噴射する噴孔を有するとともに、下流側に突起した第２の突起部を有するプレートとを有し、
   前記弁座と前記プレートとの間には、燃料を整流するキャビティが形成され、
   前記噴孔の前記キャビティ側の入口部は、前記開口部よりも外周側に形成され、
   前記第１の突起部は立体角が立体角α１である円錐形状を有し、
   前記第２の突起部は立体角が立体角α２である円錐形状を有し、
   前記立体角α１は前記立体角α２より大きいこと
   を特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記立体角α２を８０°≦α２≦１４０°の範囲とし、かつ前記第２の突起部の上流側斜面の垂線と、前記噴孔の軸線との交差する鋭角側の角度である噴孔傾斜角δを０°≦δ≦２０°の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記プレートは、プレス加工により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。

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