JP4129018B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンに使用される燃料噴射弁に関し、特に、過度な噴霧拡散を抑制しつつ燃料噴霧の微粒化を向上させるようにした燃料噴射弁に関するものである。

近年、自動車などの排出ガス規制が強化される中、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧噴射方向の自由度および微粒化の向上が求められている。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おり、例えば、特許第３１８３１５６号公報（以下、特許文献１と称す。）には、弁座シート部下流側の流体の主流方向と噴孔プレートが交差する仮想包絡線より内側に噴孔を配置し、かつ弁体先端部のシート部内側でかつ噴孔に対抗する部分が噴孔プレートに対して平行な平坦面とし、噴孔は、噴孔プレートに対して所定角度傾斜させ、また、噴孔径をｄ、開弁状態の弁体平坦面と噴孔プレートの垂線距離をｈとすると、ｈ＜１．５ｄの関係を有する構成とした流体噴射ノズルが開示されている。
そしてこの噴射ノズルによれば、弁座シート部から燃料が流出した後、弁体平坦面と噴孔プレートに挟まれたキャビティ内で流れは噴孔プレートに沿った流れに変換され、噴孔に直接向かう流れと、噴孔間を通過して噴孔プレート中心で対向する流れによってＵターンして噴孔に向かう流れを生じ、結果として均等に噴孔に向かう流れを作ることができる。これにより噴孔直上での燃料流れ同士の衝突を誘起することができ、微粒化を促進することができるとされている。

特許第３１８３１５６号公報

前記特許文献１に記載のものは、弁座シート部から流出した燃料流れを、弁体平坦面と噴孔プレートに挟まれたキャビティ内で噴孔プレートに平行な流れに変換することを燃料噴霧の微粒化に利用しているが、噴孔に突入する燃料流速は、キャビティ高さばらつきの影響を受けやすく、特許文献１で定義するキャビティ高さは、加工ばらつきの影響や開弁時における弁体の傾きによる影響を受けるため、燃料噴射弁ごとの流量精度や噴霧特性がばらつきやすくなる欠点がある。

また噴孔プレート中心方向への流れと、噴孔間を通過して噴孔プレート中心で対向する流れによってＵターンして噴孔に向かう流れが噴孔直上で衝突させる手段は、微粒化には効果があるものの、噴霧が拡散しやすくなり噴霧の指向性が低下する。このために、吸気ポート壁面に噴霧が付着し、液膜となって燃焼室へ入り込むことで、排ガスの悪化やエンジン出力の制御性の悪化を招く恐れがあった。

この発明は、上記のような従来装置の課題を解消するために成されたものであって、ガソリンエンジン用燃料噴射弁において、流量精度や噴霧特性のばらつきの抑制と、噴霧の指向性を維持しつつ、燃料噴霧の微粒化を向上するようにした燃料噴射弁を得ることを目的とする。

この発明に係わる燃料噴射弁は、弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けてこの弁体を動作させることで、弁座下流側に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁において、弁体先端部に前記噴孔プレートとほぼ平行な平坦面を有し、弁座シート部下流側の内壁の延長と噴孔プレート上流側平面が交差する仮想包絡線の内側かつ前記弁体先端の平坦部より外側に前記噴孔の噴孔入口部を配置し、噴孔入口径ｄに対し、開弁状態における前記弁体先端の平坦部と前記噴孔プレート上流側平面の垂線距離ｈが、ｈ＜ｄの関係を有し、かつ前記噴孔は前記噴孔プレート板厚方向に対して所定角度傾斜して形成すると共に、前記弁座シート部の挟み角をαとすると、前記シート面下流側に挟み角βなるテーパ面を設け、α＞βの関係とし、前記シート面下流側の挟み角βなるテーパ面に、複数のディンプルまたは複数の環状溝を設けたものである。

また、この発明に係わる燃料噴射弁は、弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けてこの弁体を動作させることで、弁座下流側に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁において、開弁状態において前記弁体の先端部上に前記噴孔プレート上流側平面の延長が交差する仮想包絡線を有するように、弁体先端部とほぼ平行に下流側に突出する凸部を前記噴孔プレート中央部に設け、かつ噴孔入口径ｄに対し、開弁状態における前記弁体先端部と前記噴孔プレート中央部の最短距離ｒが、r＜ｄの関係を有し、弁座シート部下流側の内壁の延長と噴孔プレート上流側平面が交差する仮想包絡線の内側かつ前記噴孔プレート外周側の平面部に前記噴孔の噴孔入口部を配置し、かつ前記噴孔は前記噴孔プレート板厚方向に対して所定角度傾斜して形成するよう構成したものである。

この発明の流体噴射弁によれば、弁座シート部からの燃料流れの主流に対して内側に噴孔入口部が配置され、かつ噴孔直上のキャビティ流路面積は急激に縮小するため、噴孔入口へ突入角が大きい燃料流れが強化され、過度な噴霧拡散を抑制しつつ、微粒化された燃料噴霧を得ることができる。

また、キャビティにおける噴孔直上流路の一面は高精度なボールで構成されるため、噴孔直上流路の寸法ばらつきが小さく、かつ開弁時における弁体の傾きによるキャビティ高さの不均等が発生しないため、噴孔直上のキャビティ流速のばらつきも小さく、流量精度（静的流量）および噴霧特性（噴霧形状・噴霧粒径）のばらつきを抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の燃料噴射弁の断面図、図２は、実施の形態１の燃料噴射弁先端部の詳細断面図である。
図１において、１は燃料噴射弁を示しており、２はソレノイド装置、３は磁気回路のヨーク部分であるハウジング、４は磁気回路の固定鉄心部分であるコア、５はコイル、６は磁気回路の可動鉄心部分であるアマチュア、７は弁装置であり、弁装置７は弁体８と弁本体9と弁座10で構成されている。
弁本体9は、コア４の外径部に圧入後、溶接されている。アマチュア６は、弁体８に圧入後、溶接されている。弁座１０には、噴孔プレート１１が溶接部１１ａで弁座下流側に結合された状態で、弁体９に挿入後、溶接部１１ｂで結合されている。噴孔プレート１１には、図２に示されるように、板厚方向に貫通する複数の噴孔１２が設けられている。

次に図１の燃料噴射弁の開閉動作について説明する。
エンジンの制御装置より燃料噴射弁の駆動回路に動作信号が送られると、燃料噴射弁１のコイル５に電流が通電され、アマュア６、コア４、ハウジング３、弁本体９で構成される磁気回路に磁束が発生し、アマチュア６はコア４側へ吸引される。これによって、アマチュア６と一体構造である弁体８が弁座シート部１０ａから離れて間隙が形成され、燃料は弁体８先端部に溶接されたボール１３の面取り部１３ａから弁座シート部１０ａと弁体８の隙間を通って、複数の噴孔からエンジン吸気管に噴射される。
次にエンジンの制御装置より燃料噴射弁の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル５の電流の通電が停止し、磁気回路中の磁束が減少して弁体８を閉弁方向に押している圧縮ばね１４により、弁体８と弁座シート部１０ａ間の隙間は閉じ状態となり、燃料噴射が終了する。
弁体８は、アマチュア側面６ａ、ガイド１３ｂで弁本体９のガイド部と摺動し、開弁状態ではアマチュア上面６ｂがコア４の下面と当接する。前記ガイド１３ｂは、弁座面に対する弁体８の径方向の非同軸度（振れ）を規制する手段であるので、クリアランスはなるべく小さく設定されるのが好ましく、本実施の形態１では、弁体の耐久磨耗を許容限度以内とするため、１０μｍ以下（片側隙間５μｍ以下）としている。

次に、この発明の実施の形態１の燃料噴射弁の要部の構成および作用について、図２〜図４を用いて説明する。
実施の形態１の燃料噴射弁は、図２に示すように、弁体先端部に、噴孔プレート１１とほぼ平行な平坦面１３ｃを有し、弁座シート部１０ａ下流側の内壁の延長１０ｂと噴孔プレート上流側平面１１ｃが交差する仮想包絡線１５の内側で、かつ弁体先端の平坦部１３ｃより外側に位置する噴孔プレートの部分に、噴孔１２の噴孔入口部１２ａを配設している。
また、噴孔入口径ｄに対し、開弁状態における弁体先端の平坦部１３ｃと前記噴孔プレート上流側平面の垂線距離ｈが、ｈ＜ｄの関係を有するよう構成され、かつ噴孔１２は、噴孔プレート板厚方向に対して所定角度傾斜して形成されている。

図３は、燃料噴射弁先端部の流路面積の変化を示すものである。
上記のように構成された実施の形態１の燃料噴射弁においては、図２および図３に示すように、弁体先端１３と弁座１０および噴孔プレート１１で囲まれたキャビティ１７内の燃料流れは、噴孔プレート１１に到達後から弁体先端の平坦部１３ｃまではキャビティ流路面積は急激に縮小するため、仮想包絡線１５の中心方向への流れ１６ａが強化され、しかもｈ＜ｄの関係により、噴孔間を通過して噴孔プレート中心で対向する流れによってＵターンして噴孔に向かう流れ１６ｂを抑制することによって、一方向からの噴孔への流入が強化される。

このため、図４に示すように、噴孔入口部１２ａでの流れ剥離により液膜２２ａが形成され、燃料は噴孔壁１２ｂに押付けられることで噴孔内の流れは噴孔の曲率に沿った流れ１６ｄとなり、噴孔内で空気２３との混合を促進しつつ（図４（ｂ））、噴孔出口から三日月状の液膜２２として拡散させることで（図４（ｃ））、過度な噴霧拡散を抑制しつつ微粒化を促進することが可能となる。

また、キャビティ１７における噴孔直上流路の一面はボールで構成されているため、弁体先端平面部１３ｃよりも寸法ばらつきが小さく、かつ開弁時における弁体の傾きによるキャビティ高さの不均等が発生しないため、噴孔直上のキャビティ流速のばらつきも小さく、流量特性（静的流量）および噴霧特性（噴霧形状・噴霧粒径）のばらつきが小さいものとなる。

さらに、実施の形態１の燃料噴射弁によれば、弁座シート部下流のデッドボリュームが小さいため、噴射開始時に加速されずに噴射される噴霧粒径が大きい初期噴霧の噴射量も少なく、高温負圧下におけるデッドボリューム内の燃料蒸発量も少ないため、雰囲気変化に伴う流量特性（静的流量・動的流量）および噴霧特性（噴霧形状・噴霧粒径）の変化を抑制することができる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、吸気弁を狙うための噴霧の指向性が良好でかつ空気と混合しやすい噴霧特性のため、排気エミッションおよび燃料消費量を低減できる燃料噴霧が得られる燃料噴射弁を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２の燃料噴射弁の断面図である。なお、図中、図１〜図４との同一符号は、同一または相当部分を示す。
実施の形態２の燃料噴射弁は、図５に示すように、開弁状態において弁体の先端部上に噴孔プレート上流側平面の延長１１ｄが交差する仮想包絡線を有するように、弁体先端部とほぼ平行に下流側に突出する凸部１１ｅを前記噴孔プレート中央部に設け、かつ噴孔入口径ｄに対して、開弁状態における弁体先端部と噴孔プレートの最短距離ｒが、r＜ｄの関係を有し、弁座シート部下流側の内壁の延長１０ｂと噴孔プレート上流側平面１１ｃが交差する仮想包絡線１５の内側かつ噴孔プレート外周側の平面部に噴孔入口部を配置し、かつ噴孔は、噴孔プレート板厚方向に対して所定角度傾斜させたものである。

この実施の形態２によっても実施の形態１と同様に、燃料噴霧の過度な拡散を抑制しつつ微粒化を促進させることができ、実施の形態１と同様の効果を得る事ができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３の燃料噴射弁の断面図である。
実施の形態３の燃料噴射弁は、図６に示すように、弁座シート部の挟み角をαとすると、シート面下流側に挟み角βなるテーパ面１８を設け、α＞βの関係としたものである。
なお、その他の構成は実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

この実施の形態３によれば、噴孔プレート１１へ向かう燃料流れの主流１６ａを、噴孔入口１２ａよりも外周側へ誘導し衝突させることによって、噴孔プレートに沿った流れ１６ｃに変換することができ、噴孔入口１２ａへの突入角γを大きくできるため、噴孔入口部での流れの剥離がさらに強化され、液膜が薄くなるため、燃料噴霧の微粒化が促進される効果がある。
なお、この実施の形態３は、実施の形態１に限らず、実施の形態２の燃料噴射弁にも適用可能なことは勿論である。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４の燃料噴射弁の断面図である。
実施の形態４の燃料噴射弁は、図７に示すように、弁座シート面下流側にシート角αに対して、α＞βとなるように設けた挟み角βなるテーパ面１８上において、複数のディンプル１９を設けたものである。
なお、その他の構成は実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

この実施の形態４によれば、テーパ面１８上に小さな渦２０が発生し、渦により弁座シート面１０ｃを通過した燃料流れがテーパ面１８で剥離しにくくなるため、燃料流れの主流１６ａをさらにテーパ面側に誘導することができる。その結果、噴孔プレート１１との衝突を噴孔入口１２ａよりもさらに外周側へ誘導できるため、噴孔入口１２ａへ流入する燃料流れがより噴孔プレート１１に平行な流れとなり、噴孔入口１２ａへの突入角γをさらに大きくでき、燃料噴霧の微粒化が強化される。
なお、この実施の形態４は、実施の形態１に限らず、実施の形態２の燃料噴射弁にも適用可能なことはいうまでもない。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５の燃料噴射弁の断面図である。
実施の形態５の燃料噴射弁は、上述した実施の形態４のディンプルの変わりに、図８に示すように、複数の溝２１をテーパ面１８に設けたものであり、実施の形態４と同様の効果が得られるものである。

この発明の実施の形態１における燃料噴射弁の断面図である。 この発明の実施の形態１における燃料噴射弁先端部の詳細断面図である。 この発明の実施の形態１における燃料噴射弁先端部の流路面積の変化を説明する図である。 この発明の実施の形態１における燃料噴射弁噴孔から噴射される燃料噴霧の状態を示す図である。 この発明の実施の形態２における燃料噴射弁の断面図である。 この発明の実施の形態３における燃料噴射弁の断面図である。 この発明の実施の形態４における燃料噴射弁の断面図である。 この発明の実施の形態５における燃料噴射弁の断面図である。

符号の説明

１：燃料噴射弁、２：ソレノイド装置、３：ハウジング、４：コア、５：コイル、
６：アマチュア、７：弁装置、８：弁体、９：弁本体、１０：弁座、
１１：噴孔プレート、１２：噴孔、１３：弁体先端部、１４：圧縮バネ、
１５：仮想包絡線、１６：燃料流れ、１７：キャビティ、１８：テーパ面、
１９：ディンプル、２０：渦、２１溝、２２：液膜、２３：空気

Claims (5)

1. 弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けてこの弁体を動作させることで、弁座下流側に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁において、弁体先端部に前記噴孔プレートとほぼ平行な平坦面を有し、弁座シート部下流側の内壁の延長と噴孔プレート上流側平面が交差する仮想包絡線の内側かつ前記弁体先端の平坦部より外側に前記噴孔の噴孔入口部を配置し、噴孔入口径ｄに対し、開弁状態における前記弁体先端の平坦部と前記噴孔プレート上流側平面の垂線距離ｈが、ｈ＜ｄの関係を有し、かつ前記噴孔は前記噴孔プレート板厚方向に対して所定角度傾斜して形成すると共に、前記弁座シート部の挟み角をαとすると、前記シート面下流側に挟み角βなるテーパ面を設け、α＞βの関係とし、前記シート面下流側の挟み角βなるテーパ面に、複数のディンプルまたは複数の環状溝を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けてこの弁体を動作させることで、弁座下流側に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁において、開弁状態において前記弁体の先端部上に前記噴孔プレート上流側平面の延長が交差する仮想包絡線を有するように、弁体先端部とほぼ平行に下流側に突出する凸部を前記噴孔プレート中央部に設け、かつ噴孔入口径ｄに対し、開弁状態における前記弁体先端部と前記噴孔プレート中央部の最短距離ｒが、r＜ｄの関係を有し、弁座シ
   ート部下流側の内壁の延長と噴孔プレート上流側平面が交差する仮想包絡線の内側かつ前記噴孔プレート外周側の平面部に前記噴孔の噴孔入口部を配置し、かつ前記噴孔は前記噴孔プレート板厚方向に対して所定角度傾斜して形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 前記弁座シート部の挟み角をαとすると、前記シート面下流側に挟み角βなるテーパ面を設け、α＞βの関係としたことを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記シート面下流側の挟み角βなるテーパ面に、複数のディンプルを設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。
5. 前記シート面下流側の挟み角βなるテーパ面に、複数の環状溝を設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。

Images