JP4196194B2 - 噴孔部材およびそれを用いた燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、流体が噴射される噴孔を有した噴孔部材およびそれを用いた燃料噴射弁に関する。

従来、噴孔入口側から噴孔出口側に向けて広がっており、流体噴射方向に向けて中心軸線から離れる方向に噴孔軸線が傾斜した噴孔を有する噴孔部材が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１において、噴孔部材に形成した複数の噴孔から流体を噴射し噴霧を形成する場合、各噴孔から噴射される流体噴霧が衝突し噴霧の微粒化が妨げられないように、各噴孔から噴射される流体の噴射角度を調整する必要がある。例えば図１３に示すように、板状の噴孔部材３００に形成された噴孔３０２、３０４、３０６から噴射される流体噴霧３１２、３１４、３１６により２個の流体噴霧３１８を形成し２方向噴射を行う場合、噴孔部材３００の中心軸線３２０側に噴射する噴孔ほど噴射角度を小さくしている。図１３の（Ａ）は噴孔部材３００の噴孔出口側から見た噴孔３０２、３０４、３０６、ならびに流体噴霧３１２、３１４、３１６を示している。各噴孔の噴射角度は、各噴孔の中心軸線３２０側の内周側内壁面が中心軸線３２０と形成する噴孔傾斜角度を変更することにより調整される。

特開２００１−３１７４３１号公報

ここで、図１３に示されるように、複数の噴孔３０２、３０４、３０６から噴射される流体噴霧３１２、３１４、３１６により形成される１群としての流体噴霧３１８を微粒化するためには、前述したように、各流体噴霧３１２、３１４、３１６が互いに衝突することを防止するとともに、流体噴霧３１２、３１４、３１６がそれぞれ微粒化されている必要がある。そのためには、各噴孔を流体が通過するときに流体が噴孔内壁面に沿って流れ、液膜を形成して噴射されることが望ましい。液膜として流体が噴射されると、流体噴霧の微粒化が促進される。

しかしながら、図１３に示す流体噴霧３１８同士で形成する噴霧角度が要求性能によって小さくなると、中心軸線３２０側に噴射する噴孔３０２の場合、噴孔傾斜角度が小さくなり噴孔内壁面に沿って流体が流れにくくなることがある。噴孔内壁面に沿って流体が流れないと、流体が噴孔で広がって液膜となりにくいので、噴孔から噴射される流体噴霧の微粒化が妨げられる。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、流体噴霧を微粒化する噴孔部材およびそれを用いた燃料噴射弁を提供することを目的とする。

本願発明者は、上記目的を達成するために試行錯誤を繰り返した結果、噴孔入口側から噴孔出口側に向けて広がる噴孔の広がり角度（以下、「噴孔入口および噴孔出口の外縁は楕円形状を呈し、当該楕円の長径方向に平行な前記噴孔軸線を含む断面に垂直な方向から見たときの、噴孔入口側から噴孔出口側に向けて広がる噴孔の広がり角度」をテーパ角度という）を変更すれば、各噴孔から噴射される流体の噴射角度を調整できることを見出し、この知見に基づいて、各噴孔からの噴霧干渉の防止、および噴孔内壁面に沿った流体流れの促進をそれぞれ実現できるという結論に達し、本願発明を成したのである。

すなわち請求項１から７記載の発明によると、中心軸線に垂直な方向のうち特定の方向から見た場合に、板厚方向に沿った噴孔部材の中心軸線側に噴射する噴孔ほどテーパ角度を大きくしている。
この構成によると、テーパ角度を大きくするほど噴射角度を小さくできる。したがって、テーパ角度を変更して各噴孔の噴射角度を調整することにより各噴孔からの噴霧が干渉することを防止できる。
しかも、噴孔傾斜角度を小さくしなくても噴霧の干渉を防止できるので、噴孔傾斜角度を適宜設定することによって、噴孔内壁面に沿った流体流れを良好に促進することも容易である。

請求項２記載の発明によると、中心軸線に対して内側の噴孔内壁面が中心軸線から離れる方向に傾斜しているので、内周側内壁面に沿って流体が流れ液膜なって噴射される。したがって、微粒化を促進できる。
請求項３記載の発明によると、中心軸線に対して内側の噴孔内壁面が中心軸線と形成する噴孔傾斜角度閘₁が各噴孔で等しいので、例えばパンチで各噴孔を形成する場合、同じ角度の案内治具に沿って各噴孔をパンチすることができる。したがって、噴孔の形成が容易である。
請求項４記載の発明によると、噴孔傾斜角度閘₁を閘₁≧１５ーとしたので、各噴孔を流れる流体が噴孔内壁面に沿って流れ液膜となって噴射されるために必要な噴孔傾斜角度を確保できる。

請求項５記載の発明によると、テーパ角度θ₂をθ₂≧１５°としたので、流体が噴孔内壁面に沿って流れ液膜となって噴射されるために必要な噴孔内壁面の面積を確保できる。
請求項６記載の発明によると、噴孔の入口孔径をｄ、噴孔部材の厚みをｔとすると、０．５≦ｔ／ｄ≦１．２である。０．５＞ｔ／ｄであると、噴孔から噴射される流体噴霧の方向がばらついて安定しない。ｔ／ｄ＞１．２であると、噴孔を通過する間に流体が互いに付着して均一な液膜にならず、流体噴霧の微粒化が妨げられる。つまり、０．５≦ｔ／ｄ≦１．２の関係を保つことにより、所定方向に流体を噴射し、かつ流体噴霧を十分に微粒化することができる。
請求項７記載の発明によると、燃料噴射弁が燃料を噴射する噴孔部材として請求項１から６に記載された噴孔部材を用いるので、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を微粒化できる。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による噴孔部材をガソリンエンジンの燃料噴射弁に用いた例を図２および図３に示す。燃料噴射弁１０は、吸気管に設置されており、燃焼室の２個の吸気入口に向けて噴射ノズル１２から燃料を二方向に向けて噴射する。
図２に示すように、燃料噴射弁１０の噴射ノズル１２は、弁ボディ１４、弁部材としてのノズルニードル２０および噴孔部材としての噴孔プレート３０で構成されている。流体室としての燃料室１７は、ノズルニードル２０の先端面２１と、噴孔プレート３０の噴孔入口側端面３６と、弁ボディ１４の内周面１５とで仕切られており、扁平な略円板状に形成されている。

燃料通路１８を形成する内周面１５にはノズルニードル２０が着座可能な弁座１６が形成されている。ノズルニードル２０が弁座１６に着座すると、燃料通路１８が閉塞され噴孔プレート３０に形成された噴孔からの燃料噴射が遮断される。
弁ボディ１４の燃料下流側端部に、薄い円板状に形成された噴孔部材としての噴孔プレート３０が配設されている。図２は噴孔の断面形状が理解しやすいように折れ曲がった切断面による断面を示している。噴孔プレート３０は、弁ボディ１４の燃料下流側端面と当接しており、弁ボディ１４とレーザ溶接されている。図１の（Ａ）に示すように、噴孔プレート３０には、噴孔１００、１０２、１０４が合計１２個形成されている。噴孔の数は１２個に限るものではなく、２個以上であれば何個でもよい。

噴孔プレート３０の板厚方向に沿った中心軸線２００を中心として内周側の同一円周上に４個の噴孔１００が形成され、外周側の同一円周上にそれぞれ４個の噴孔１０２、１０４が計８個形成されている。噴孔１００、１０２、１０４は燃料噴射方向に向け噴孔プレート３０の中心軸線２００から離れるように形成されている。図５および図６に示すように、燃料噴射弁１０は６個ずつの各噴孔から噴射される燃料噴霧１１０、１１２、１１４によりそれぞれ２個の燃料噴霧１２０を形成し、２方向噴射を行う。

次に各噴孔１００、１０２、１０４について説明する。まず、噴孔１００、１０２、１０４に共通な構成を噴孔１０４を例にして図４に基づいて説明する。図４は、噴孔１０４の噴孔入口の中心と噴孔出口の中心とを結ぶ噴孔軸線２０２を含み噴孔プレート３０と直交する仮想面で切断したときの噴孔プレート３０の断面を示している。噴孔軸線２０２を含み噴孔プレート３０と直交する仮想面と、噴孔を形成する噴孔プレート３０の噴孔内壁面３２との２本の交線３３、３４は、噴孔軸線２０２と同じく燃料噴射方向に向けて中心軸線２００から離れる方向に傾斜している。つまり、噴孔内壁面３２の第１の交線３３を含む内周側内壁面および第２の交線３４を含む外周側内壁面は、噴射方向に向かうにしたがい中心軸線２００から離れるように傾斜している。中心軸線２００側にある第１の交線３３が中心軸線２００と形成する噴孔傾斜角度をθ₁、図４の断面において、第１の交線３３と第２の交線３４とが形成する角度、すなわち噴孔入口から噴孔出口に向けて広がる噴孔１００のテーパ角度をθ₂とすると、θ₁≧１５°、θ₂≧１５°である。θ₁は、特許請求の範囲に記載した噴孔の内周側内壁面が中心軸線と形成する噴孔傾斜角度を表す。

また、第１の交線３３よりも外周側に位置する第２の交線３４と噴孔プレート３０の噴孔入口側端面３６との交点から第１の交線３３までの距離である噴孔１００の入口孔径をｄ、噴孔プレート３０の厚みをｔとすると、０．５≦ｔ／ｄ≦１．２である。
図１の（Ａ）は図２においてＩ方向、つまり噴孔出口側から見た噴孔プレート３０を示している。したがって、図１の（Ａ）に見える面は、噴孔プレート３０の噴孔出口側端面３８である。図１の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示す断面は、図４と同じ断面条件により示される噴孔１００、１０２、１０４の断面である。噴孔１００、１０２、１０４において中心軸線２００と各噴孔の内周側内壁面とが形成する噴孔傾斜角度θ₁₁、θ₁₂、θ₁₀は等しく１５°以上である。また、噴孔１００、１０２、１０４のテーパ角度をθ₂₁、θ₂₂、θ₂₀とすると、θ₂₂＞θ₂₁＞θ₂₀である。つまり、図５に示すように中心軸線２００側に噴射する噴孔ほど噴孔のテーパ角度θ₂が大きくなっている。噴孔傾斜角度θ₁が同じであれば、テーパ角度θ₂が大きくなると二方向に噴射される燃料噴霧が形成する噴霧角度αは、図７に示すように小さくなる。つまり、噴孔から噴射される燃料は、テーパ角度θ₂が大きくなると中心軸線２００に対する噴射角度が小さくなり中心軸線２００側に近づく。言い換えると、噴孔傾斜角度θ₁を変更することなく、テーパ角度θ₂を変更することにより燃料噴霧の噴霧角度αを調整できる。したがって、小さい噴霧角度αが要求される場合にも、噴孔傾斜角度θ₁を小さくせずテーパ角度θ₂を大きくすればよい。また、テーパ角度θ₂が大きくなると、図８の（Ｂ）に示すように噴霧が微粒化される。

次に、噴孔プレート３０の厚みをｔとし、望ましい燃料噴霧の粒径を約８５μｍ以下としたときのθ₁、θ₂、ｔ／ｄの望ましい範囲を示す。
（ａ）θ₂＝２４°、ｔ／ｄ＝０．６７に設定し、θ₁の値を変化させると、図８の（Ａ）に示すように、θ₁≧１５°の範囲で粒径が約８５μｍ以下になる。θ₁を大きくすることにより、第１の交線３３を含む中心軸線２００側の噴孔内壁面３２に案内される燃料が液膜となって広がり燃料噴霧が微粒化されやすくなっている。

（ｂ）θ₁＝３６°、ｔ／ｄ＝０．６７に設定し、θ₂の値を変化させると、図８の（Ｂ）に示すように、θ₂≧１５°の範囲で粒径が約８５μｍ以下になる。θ₂を大きくすることにより噴孔内壁面３２の面積が大きくなる。したがって、燃料が液膜となって広がり燃料噴霧が微粒化されやすくなっている。
（ｃ）θ₁＝３６°、θ₂＝２４°に設定し、ｔ／ｄの値を変化させると、図８の（Ｃ）に示すように、０．５≦ｔ／ｄ≦１．２の範囲で粒径が約８５μｍ以下になる。０．５＞ｔ／ｄであると、噴孔から噴射される燃料噴霧の方向がばらつき安定しない。ｔ／ｄ＞１．２であると、噴孔を通過する間に燃料が互いに付着して均一な液膜にならず、燃料噴霧の微粒化が妨げられる。つまり、０．５≦ｔ／ｄ≦１．２の関係を保つことにより、所定方向に燃料を噴射し、かつ燃料噴霧を十分に微粒化することができる。

燃料噴霧の微粒化に対する３個のパラメータθ₁、θ₂、ｔ／ｄの各特性を調べるため、他の２個のパラメータ値を固定した。しかし、他の２個のパラメータ値を前述した値に固定する必要はなく、θ₁≧１５°またはθ₂≧１５°または０．５≦ｔ／ｄ≦１．２であれば燃料噴霧の微粒化をより促進できる。

次に、噴孔プレート３０に噴孔１００、１０２、１０４を形成する製造方法について説明する。
各噴孔の内周側内壁面の噴孔傾斜角度に応じたガイドのガイド面に沿って、各噴孔のテーパ角度に応じたテーパ角度を有するパンチで噴孔プレート３０の母材を打ち抜くことにより、噴孔が形成される。噴孔の噴射角度を調整する場合はパンチを交換し噴孔のテーパ角度を変更すればよいので、噴孔の加工が容易で製造コストが安価である。

これに対し各噴孔の内周側内壁面の噴孔傾斜角度を変更して噴射角度を調整する場合、ガイドを交換しパンチをガイドするガイド面の角度を変更する必要がある。そのため、種々のガイド角度を有するガイドを用意して噴孔の噴射角度を調整しなければならないので、噴孔の加工が煩雑であり製造コストの増加を招く。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による噴孔プレートを図９に示す。第１実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。
噴孔プレート３０には、内周側の同一円周上に噴孔１３０が４個形成され、噴孔１３０の外周側の同一円周上に噴孔１３２が４個形成されている。噴孔１３０、１３２は燃料噴射方向に向け噴孔プレート３０の中心軸線２００から離れるように形成されている。噴孔１３０、１３２の噴孔傾斜角度θ₁₀、θ₁₁は等しく１５°以上であり、テーパ角度θ₂₀、θ₂₁の関係はθ₂₁＞θ₂₀である。つまり、図１０に示すように、中心軸線２００側に噴射する噴孔１３０の方が噴孔１３２よりもテーパ角度θ₂が大きい。そして、合計４個の噴孔１３０、１３２から噴射される燃料噴霧１４０、１４２によりそれぞれ２個の燃料噴霧１４４が形成され、２方向噴射が行われる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による噴孔プレートを図１１に示す。
噴孔プレート３０には、同一円周上に噴孔１５０、５１２が合計８個形成されている。噴孔１５０、１５２は燃料噴射方向に向け噴孔プレート３０の中心軸線２００から離れるように形成されている。噴孔１５０、１５２の噴孔傾斜角度θ₁₀、θ₁₁は等しく１５°以上であり、テーパ角度θ₂₀、θ₂₁の関係はθ₂₁＞θ₂₀である。つまり、図１２に示すように、中心軸線２００側に噴射する噴孔１５０の方が噴孔１５２よりもテーパ角度θ₂が大きい。そして、合計４個の噴孔１５０、１５２から噴射される燃料噴霧１６０、１６２によりそれぞれ２個の燃料噴霧１６４を形成し、２方向噴射が行われる。

以上説明した上記複数の実施形態では、噴孔傾斜角度θ₁が同じであればテーパ角度θ₂を大きくするほど中心軸線２００に燃料噴霧が近づく特性を利用し、各噴孔のテーパ角度θ₂を変更することにより二方向噴射の噴霧角度αを調整している。小さな噴霧角度αの二方向噴霧を実現する場合、中心軸線側に噴射する噴孔ほど噴孔傾斜角度θ₁を小さくすれば噴霧角度αは小さくなるが、噴孔傾斜角度θ₁が小さくなると噴霧の微粒化が妨げられる。一方、テーパ角度θ₂が大きくなると、前述したように噴霧は微粒化される。そこで上記複数の実施形態では中心軸線２００側に燃料を噴射する噴孔ほど噴孔傾斜角度θ₁を変更することなくテーパ角度θ₂を大きくすることにより中心軸線２００側に近づけて燃料を噴射する。これにより、噴霧角度αが小さくなっても燃料噴霧を微粒化できる。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では二方向噴射の燃料噴射弁について説明したが、一方向に噴射する燃料噴射弁に本発明の噴孔部材を用いてもよい。噴孔の噴孔傾斜角度θ₁を変更することなくテーパ角度θ₂を変更することにより、燃料噴霧の微粒化を妨げることなく複数の噴孔から噴射された噴霧により構成される１個の燃料噴霧の内周側の広がり角度を調整できる。

また上記複数の実施形態では、噴孔の内周側内壁面および外周側内壁面は噴孔軸線と同じく噴射方向に向かうにしたがい中心軸線から離れる方向に傾斜しているが、内周側内壁面が中心軸線と平行かあるいは噴射方向に向かうにしたがい中心軸線に近づくように傾斜してもよい。
上記複数の実施形態では、燃料噴霧を微粒化するために、θ₁、θ₂、ｔ／ｄの望ましい設計値を示した。しかし、噴孔の噴孔軸線が燃料噴射方向に向けて噴孔部材の中心軸線２００から離れるように傾斜しており、噴孔が噴孔入口側から噴孔出口側に向けて広がっており、中心軸線側に噴射する噴孔ほどテーパ角度が大きいのであれば、前述した設計値以外の値を採用してもよい。
上記複数の実施形態では、ガソリンエンジンの燃料噴射弁に本発明の噴孔部材を用いた。これ以外にも、流体を微粒化して噴射したいのであれば、どのような用途に本発明の噴孔部材を用いてもよい。

（Ａ）は本発明の第１実施形態による噴孔プレートを噴孔出口側からみた図であり、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は各噴孔の断面図である。 第１実施形態による噴射ノズルを示す縦断面図である。 第１実施形態の燃料噴射弁を示す正面図である。 噴孔を示す断面図である。 各噴孔の噴射方向を示す説明図である。 （Ａ）は二方向噴射を示す説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。 テーパ角度と噴霧角度との関係を示す特性図である。 （Ａ）はθ₁と燃料粒径との関係を示し、（Ｂ）はθ₂と燃料粒径との関係を示し、（Ｃ）はｔ／ｄと燃料粒径との関係を示す特性図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態による噴孔プレートを噴孔出口側からみた図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は各噴孔の断面図である。 各噴孔の噴射方向を示す説明図である。 （Ａ）は本発明の第３実施形態による噴孔プレートを噴孔出口側からみた図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は各噴孔の断面図である。 各噴孔の噴射方向を示す説明図である。 従来の各噴孔の噴射方向を示す説明図である。

符号の説明

１０ 燃料噴射弁、１４ 弁ボディ、１５ 内周面、１６ 弁座、１８ 燃料通路、２０ ノズルニードル（弁部材）、３０ 噴孔プレート（噴孔部材）、３２ 噴孔内壁面、１００、１０２、１０４、１３０、１３２、１５０、１５２ 噴孔、２００ 中心軸線、２０２ 噴孔軸線

Claims (7)

1. 流体を噴射する流体噴射弁に用いられ、複数の噴孔を備えた板状の噴孔部材であって、
   前記噴孔は噴孔入口側から噴孔出口側に向けて広がり、前記噴孔の噴孔軸線は流体噴射方向に向かうにしたがい前記噴孔部材の板厚方向に沿った中心軸線から離れるように傾斜しており、噴孔入口および噴孔出口の外縁は楕円形状を呈し、当該楕円の長径方向に平行な前記噴孔軸線を含む断面に垂直な方向から見たときの、噴孔入口側から噴孔出口側に向けて広がる前記噴孔の広がり角度は、前記中心軸線に垂直な方向のうち特定の方向から見た場合に前記中心軸線側で噴射する噴孔ほど大きいことを特徴とする噴孔部材。
2. 前記噴孔部材の軸方向断面において、前記中心軸線に対して内側の噴孔内壁面および前記中心軸線に対して外側の噴孔内壁面は噴射方向に向かうにしたがい前記中心軸線から離れる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１記載の噴孔部材。
3. 前記中心軸線に対して内側の噴孔内壁面が前記中心軸線と形成する噴孔傾斜角度をθ1とすると、各噴孔のθ1は等しいことを特徴とする請求項１または２記載の噴孔部材。
4. 前記中心軸線に対して内側の噴孔内壁面が前記中心軸線と形成する噴孔傾斜角度をθ1とすると、θ1≧１５°であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の噴孔部材。
5. 前記広がり角度をθ2とすると、θ2≧１５°であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の噴孔部材。
6. 前記噴孔の入口孔径をｄ、前記噴孔部材の厚みをｔとすると、
   ０．５≦ｔ／ｄ≦１．２
   であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の噴孔部材。
7. 燃料通路を形成する内周面に弁座を有する弁ボディと、
   前記弁座の燃料通路下流側に配置され前記燃料通路から流出する燃料を噴射する請求項１から６のいずれか一項記載の噴孔部材と、
   前記弁座に着座することにより前記燃料通路を閉塞し、前記弁座から離座することにより前記燃料通路を開放する弁部材と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射弁。

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