JP4146483B2

JP4146483B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP4146483B2
Application number: JP2006315357A
Authority: JP
Inventors: 毅宗実; 雅之青田; 史也茶園; 穣井倉; 章男新宮; 学平井; 宏一尾島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008128130A

Description

この発明は、内燃機関のシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射式のガソリンエンジン用の燃料噴射弁に関するもので、特に燃料噴射口が設けられたバルブシートの改良に係るものである。

従来の燃料噴射ノズルの一つの構造例として、燃料を規定の噴霧形状に噴射するために、バルブシートの燃料噴射室の球状凹面の壁部を傾斜状に貫通する噴口の入口側縁部に、球状凹面となだらかに連続する面取り面を形成し、この面取り面の内角側の面取り量を外角側の面取り量よりも大きい構造とし、この形状によって噴口の入口側端縁部の内角側では面取り面の面取り量が大きいため、燃料の流れに縮流が発生しにくく、流速の低下が少なくなり、内角側／外角側を流れる燃料との流速の差を減少させることが示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−３０３９３４号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されたバルブシートは、噴口の入口側縁部の球状凹面に連続する面取り面の内角側面取り量が外角側面取り量より大きく設定され、その半径ｒが徐々に変化するよう切削加工やレーザ加工で形成していることが示されているが、この特許文献１に示された加工方法では、面取り半径ｒ寸法の正確性を確保することが容易でない。また複数の噴射弁のバルブシートにおいてｒ寸法のバラツキも発生しやすい。とりわけ半径ｒが徐々に変化するよう加工することは、前記ｒ寸法の正確な加工が特別困難であり、そのためバラツキ発生の要因となる。
このように寸法の正確性や精度の確保に難点を有するバルブシートでは、規定の噴霧形状に噴射することは容易でないという問題点を有している。

この発明は、前記のような課題を解決するものであって、バルブシートの噴射口を加工の容易な形状とすることで所望の噴霧形状を得ることを目的としている。

この発明に係る燃料噴射弁は、一端に噴射口が設けられたバルブシートを配置した燃料噴射弁であって、
バルブシートの噴射口が、燃料噴射弁の弁本体中心線に対して同心で所定の開き角度θ_１を有するとともに、バルブシート上面から所定の深さにあるシート面底部を有して開口され弁本体が接離するシート面と、このシート面の下流側にあって弁本体中心線に対して所定の傾斜角θ_２を有するとともに、シート面底部につながりバルブシート下面まで貫通して開口された噴口と、
バルブシート上面において、噴口の傾斜する方向と同じ方向の弁本体中心線と直交する線上であって、弁本体中心点から所定の偏心量ｅだけ離れた点を基点とする所定の半径Ｒ_０で形成する円周上の線とシート面とをつなぐ線がバルブシート上面に対し所定の角度θ_３でもってなすテーパ面とで形成されており、かつこのテーパ面が弁本体中心線に直交する線上の偏心量ｅを設定した側で最大のテーパ面長さ値を、反対側で最小のテーパ面長さ値を有するように、円周に沿って連続して減少していくよう形成されているものである。

この発明に係る燃料噴射弁は、一端に噴射口が設けられたバルブシートを配置した燃料噴射弁であって、
バルブシートの噴射口が、燃料噴射弁の弁本体中心線に対して同心で所定の開き角度θ_１を有するとともに、バルブシート上面から所定の深さにあるシート面底部を有して開口され弁本体が接離するシート面と、このシート面の下流側にあって弁本体中心線に対して所定の傾斜角θ_２を有するとともに、シート面底部につながりバルブシート下面まで貫通して開口された噴口と、
バルブシート上面において、噴口の傾斜する方向と同じ方向の弁本体中心線と直交する線上であって、弁本体中心点から所定の偏心量ｅだけ離れた点を基点とする所定の半径Ｒ_０で形成する円周上の線とシート面とをつなぐ線がバルブシート上面に対し所定の角度θ_３でもってなすテーパ面とで形成されており、かつこのテーパ面が弁本体中心線に直交する線上の偏心量ｅを設定した側で最大のテーパ面長さ値を、反対側で最小のテーパ面長さ値を有するように、円周に沿って連続して減少していくよう形成されているので、テーパ面からシート面に流入時に発生する燃料噴霧の円周方向の不均一と、シート面から噴口に流入時に発生する噴霧の不均一とが打ち消し合い、噴口から噴射される燃料の円周方向の不均一が解消されて、円周方向に均一な所望の円錐状の噴霧分布を得ることができるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は燃料噴射弁１の全体断面を示し、図１の下部には図示省略のシリンダがある。電磁力を発生させるソレノイド部２は、固定鉄心であるコア４、非磁性部材で構成されるリング５、ホルダ６およびハウジング７でもって磁気回路を構成し、ターミナル８に収納されたコイル９の各要素によって構成されている。
弁本体３は燃料に旋回流を発生させるスワラ１０とバルブシート１１が固定されたボディ１４と、アマチュア１６を有する弁体であるニードル１５で構成されており、前記ニードル１５がボディ１４とスワラ１０に摺動可能に挿入されバルブシート１１に接離するよう動作する。ニードル１５のバルブシート１１に対するシール力は、コア４内部に設置されているスプリング１７がロッド１８により設定される所定のスプリング力とバルブシート径によるバルブシート面積に燃圧が印加されることによって生じる流体力によって決定される。

次に図示しない制御コントローラからの開弁信号によりコイル９が励磁される事で、ニードル１５がつながるアマチュア１６と固定鉄心であるコア４間とに吸引力が発生し、スプリング１７によるスプリング力と燃圧により発生した流体力の和より吸引力が上回った時点でニードル１５の先端がバルブシート１１より離れ、つまり開弁する。その際、シート部の開口面積はニードル１５がストッパ１９に当接する事で規制されるリフト量により決定される。ニードル１５の先端がバルブシート１１に接するつまり、閉弁時は制御コントローラからの閉弁信号によりコイル９の励磁が無くなりスプリング力によって閉弁される事になる。
ここで燃料の流れについては、図示しない燃料ポンプより高圧に印加された燃料が、図示しないデリバリーパイプを経由して燃料噴射弁１まで高圧燃料（例えば燃圧は１０ＭＰａ）が供給される。閉弁時は燃料噴射弁１内部のニードル１５とバルブシート１１のシート部まで高圧燃料で満たされる事になる。図示しない制御コントローラからの開弁信号によりニードル１５が開弁し、スワラー１３により旋回力を付与された燃料が、バルブシート１１に設けられた噴口１１ｃより所定の方向に向かって噴射される。

この発明の実施の形態１の主要部であるバルブシート１１を図２によって詳説する。
図２（ａ）はバルブシート１１のみを示す断面図であり、図２（ｂ）はその平面図を示す。図において、バルブシート１１に設けられた燃料の噴射口５０は、この図２では図示省略したニードル１５が接離するシート面１１ａ部と、テーパ面１１ｂ部と、噴口１１ｃ部とより形成されている。

シート面１１ａは、図１に示す燃料噴射弁１を構成する弁本体３の中心線Ｙ−Ｙに対して同心で、所定の開き角度θ_１でバルブシート上面１１Ｕから所定の深さＨをシート面底部１１ｄとして開口されることにより、シート面１１ａが形成されている。前記シート面１１ａの下流側で弁本体３の中心線Ｙ−Ｙに対して、所定の噴口傾斜角度θ_２でバルブシート下面１１Ｌに達するよう貫通された直径ｄを有する噴口１１ｃが形成されるとともに、前記シート面１１ａの上流側で、前記噴口１１ｃが傾斜する方向（図２ｂにおていは中心線Ｙ−Ｙの左側）の中心線Ｙ−Ｙと直交するＸ−Ｘ線上であって、弁本体３の中心点Ｃから、所定の偏心量ｅだけ離れた点を基点として所定の半径Ｒ_０で形成するバルブシート上面１１Ｕの円周上の線と、前記シート面１１ａとをつなぐ線が、バルブシート上面１１Ｕに対して所定のテーパ角度θ_３を有してなすテーパ面１１ｂが形成されている。このテーパ面１１ｂは、図２（ｂ）の例では中心線Ｙ−Ｙと直交するＸ−Ｘ線上の左側、つまり偏心量ｅを設定した側で最大のテーパ面長さ値を有するとともに、円周に沿って連続して減少していくように設けられている。すなわち図２（ｂ）のＸ−Ｘ軸上の最左側のテーパ面１１ｂは最大のテーパ面長さｌｍを有し、Ｘ−Ｘ軸上最右側のテーパ面１１ｂは最も短いテーパ面長さｌｓを有している。

このような図２に示す実施の形態１によるバルブシート１１を備えた燃料噴射弁１では、弁本体３の中心線上に設けたシート面１１ａに対して、テーパ面１１ｂを偏心してシート面１１ａの上流側に設けているため、燃料がテーパ面１１ｂからシート面１１ａに流入する際、円周方向に燃料分布の不均一が生じる。またシート面１１ａから噴口１１ｃへの燃料の流れにも偏りが発生する。

その理由を、この実施の形態１によるバルブシート１１の構造特性に基づいて説明する。テーパ面１１ｂとシート面１１ａとの交点の代表的位置を図２（ａ）および図３のＡ、Ｂ部位に示す。部位Ａは、最大テーパ面長さｌｍを有する個所、部位Ｂは最小テーパ面長さｌｓを有する個所である。部位Ａを経る流路には燃料流路抵抗ｒ_１が、部位Ｂを経る流路には燃料流路抵抗ｒ_２が存在する。図３に示すように、ニードル１５がバルブシート１１から離れた開弁状態においてニードル１５とバルブシート１１との隙間に存在する流路長は部位Ａ側が部位Ｂ側に比べ短い。従って部位Ａ側を経由して流れる燃料流路抵抗は部位Ｂ側のそれと比べて小さい。つまりｒ_１＜ｒ_２である。この抵抗ｒ_１，ｒ_２はテーパ面１１ｂの円周上にわたって連続的に変化する。テーパ面１１ｂからシート１１ａに流入する燃料はこの抵抗ｒ_１，ｒ_２によって影響され、流れの分布が円周上において連続的に差を有する。すなわちバルブシート上面１１Ｕに注入された燃料流は、部位Ａ、部位Ｂでそれぞれ縮流が発生する。部位Ｂ側は部位Ａ側に比較して流路抵抗が大きいため、部位Ａ側より流速が低下する。このように燃料流速に差が生じ、シート面１１ａの全体では円周上において流速差が発生する。
一方、シート面底部１１ｄと噴口１１ｃの交点である部位Ｃ、Ｄにはそれぞれ燃料流路抵抗ｒ_３，ｒ_４が存在する。部位Ｃの形状変化＞部位Ｄの形状変化のため、ｒ_３＞ｒ_４となり、その為燃料流速の分布が円周上において連続的に差を有する。

この実施の形態１によるバルブシート１１において、バルブシート１１に流入する燃料がバルブシート１１の上流のテーパ面１１ｂからシート面１１ａ、噴口１１ｃを経由して流れるとき、例えば図２（ａ）に示すバルブシート断面を流れる場合を想定すると、上記したような流路抵抗ｒ_１＋ｒ_３を経る流路とｒ_２＋ｒ_４を経る流路がある。

噴口１１ｃから噴射される燃料の円周方向の均一性を向上した所望の円錐状の噴霧分布とするには、前記流路抵抗ｒ_１＋ｒ_３＝ｒ_２＋ｒ_４とすることで、噴口１１ｃに燃料が流入する際の円周上の流速の不均一性が互いに打ち消し合う作用を得ることができる。
前記それぞれの流路抵抗ｒ_１〜ｒ_４は、シート面開き角度θ_１、噴口傾斜角度θ_２、テーパ角度θ_３をそれぞれ適切に設定することによって定めることができる。

なお、図２における噴射口５０を構成する各部の寸法は、シリンダの種類、大きさ、シリンダに対する燃料噴射弁１のレイアウト等によって様々な数値をとるが、例えばシート面開き角度θ_１は４５°〜８０°、噴口傾斜角度θ_２は１０°、テーパの片側開きをなすテーパ角度θ_３はシート面開き角度θ_１より大きい値、すなわちθ_３＞１／２（θ_１）で、例えばθ_１＝９０°のとき、５０°〜６０°する。また、偏心量ｅ＝０．１〜０．３^ｍｍ、Ｒ_０＝２〜２．２^ｍｍ程度とし、噴口径ｄ＝０．３〜１．３^ｍｍφである。

以上の説明によるバルブシート１１内の燃料流を図３にて模式的に示す。図から判るようにＡ部位側の流路抵抗ｒ_１＜Ｂ部位側の流路抵抗ｒ_２であるのでＡ部位側の燃料流速＞Ｂ部位側の燃料流速となるが、Ｃ部位側の流量抵抗ｒ_３＞Ｄ部位側の流量抵抗ｒ_４であるので、Ｃ部位側の燃料流速＜Ｄ部位側の燃料流速となり、結局燃料の流れが噴口１１ｃ入口で均一化され、噴口１１ｃからの噴射は所望の円錐状の噴霧分布が得られる。
当然のことながら、所望の噴霧分布は、シリンダ容量、燃料噴射弁サイズ等から設定される前記θ_１〜θ_３を最適化することによって得られる。

なお、本実施の形態１のテーパ面１１ｂを設けたことによる噴口１１ｃからの噴射される噴霧分布をより理解し易くするために、テーパ面の無いバルブシートの場合の噴霧分布を図４に示す。
図３と図４との比較から、中心軸に対して偏心してテーパ面を設けた本実施の形態１による噴霧分布状態の改善は明らかである。

実施の形態２．
実施の形態２は、バルブシート１１をメタルインジェクション（ＭＩＭ）法にて製作したものである。
メタルインジェクション法とは、周知のように金属性の微粉末と樹脂製のバインダとを混練し、この混練した材料をインジェクタから射出成形した後、バインダを溶剤で除去し、成形体を焼結する製造法である。
前記実施の形態１に示したバルブシート１１をメタルインジェクションで製作すると、偏心したテーパ面の製作が容易に、かつ安価になるという効果がある。

この発明の実施の形態１、２は、内燃機関のシリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁に利用可能である。

この発明の実施の形態１の燃料噴射弁の全体断面を示す図である。この発明の実施の形態１のバルブシートを示す図である。この発明の実施の形態１のバルブシート内の燃料流を模式的に示す図である。偏心したテーパ面の無いバルブシート内の燃料流を模式的に示す図である。

符号の説明

１燃料噴射弁、３弁本体、１１バルブシート、１１ａシート面、
１１ｂテーパ面、１１ｃ噴口、１１ｄシート面底部、１１Ｌバルブシート下面、
１１Ｕバルブシート上面、５０噴射口、ｅ偏心量、Ｒ_０半径、
θ_１シート面開き角度、θ_２噴口傾斜角度、θ_３テーパ角度、
Ｙ−Ｙ弁本体中心線。

Claims

一端に噴射口が設けられたバルブシートを配置した燃料噴射弁であって、
前記バルブシートの噴射口が、前記燃料噴射弁の弁本体中心線に対して同心で所定の開き角度θ_１を有するとともに、前記バルブシート上面から所定の深さにあるシート面底部を有して開口され前記弁本体が接離するシート面と、このシート面の下流側にあって前記弁本体中心線に対して所定の傾斜角θ_２を有するとともに、前記シート面底部につながり前記バルブシート下面まで貫通して開口された噴口と、
前記バルブシート上面において、前記噴口の傾斜する方向と同じ方向の前記弁本体中心線と直交する線上であって、弁本体中心点から所定の偏心量ｅだけ離れた点を基点とする所定の半径Ｒ_０で形成する円周上の線と前記シート面とをつなぐ線がバルブシート上面に対し所定の角度θ_３でもってなすテーパ面とで形成されており、かつこのテーパ面が前記弁本体中心線に直交する線上の前記偏心量ｅを設定した側で最大のテーパ面長さ値を、反対側で最小のテーパ面長さ値を有するように、円周に沿って連続して減少していくよう形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
前記バルブシートが、メタルインジェクション法で製作されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。