JP4209803B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

この発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関に使用される燃料噴射弁に関するものである。

従来の燃料噴射弁の燃料噴射ノズルは、例えば、流体通路を形成するとともに流体下流側に向け縮径する内周面を有し、その内周面に弁座を有する弁ボディと、弁座の流体通路下流側に配置され、流体通路から流出する流体を噴射する複数の噴孔を有する噴孔プレートと、弁座に着座することにより流体通路を閉塞し、弁座から離座することにより流体通路を開放する弁部材とを備えている。弁ボディ先端面と噴孔プレートとの間には平坦な円板状の燃料室（流体室）が形成されており、この外径は弁座が着座する内周面が形成する流体下流側開口よりも大径であり、かつ、噴孔の径をｄとすると複数の噴孔を配置している領域の外周側にｄ以上広がって形成している。そして、噴孔は流体噴射方向に向けノズルの中心軸から離れる方向に所定角度傾斜している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−４６９１９号公報（第２頁、図１）

従来の燃料噴射弁の燃料噴射ノズルは以上のように構成されているので、筒内直接噴射用に使用する場合、燃料噴射ノズル先端の噴孔プレートは、高温な燃焼ガスや火炎により加熱されるが、そのすぐ内側に設けられている燃料室を流れる燃料によって冷却される。しかし、噴孔は流体噴射方向に向けノズルの中心軸から離れる方向に所定角度傾斜しているので、噴孔出口部は噴孔入口部より燃料噴射弁軸心に対し外周側に配置されることになるため、噴孔出口部は冷却されにくい構造となっている。このため噴孔内の温度が高温になり、噴射後に噴孔内に残留する燃料がカーボンデポジットとなって堆積し、流量低下および噴霧変化を引き起こす場合がある。複数の噴霧で形成される噴霧角を広げようとすると、噴孔出口側がより外側へ広がることになり噴孔部へのデポジット付着が増大するため、噴霧角の拡大と性能劣化の防止の両立が困難であった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、噴孔の配置と傾きを工夫することにより、噴孔内のカーボンデポジットの生成を抑制し、噴射性能を向上させる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、中空円筒状の弁本体と、この弁本体の下流側先端部に設けられ中心部に下流に向けて縮径する開口部を有する弁座と、弁本体内を軸方向に移動し弁座の開口部に離接することにより開口部を開閉する弁体と、弁座の下流面に設けられ複数の噴孔を有する噴孔プレートと、弁座の下流面と噴孔プレートとの間に円板状に形成
されて開口部と噴孔とを連通するキャビティと、を備えた燃料噴射弁において、噴孔の入口部を開口部の下流側開口径よりも外周側に配置し、かつ噴孔の出口部を噴孔の入口部よりも燃料噴射弁の軸心側に配置し、噴孔を燃料噴射弁の軸方向に直角な平面に投影したときに、燃料噴射弁の軸心と噴孔の入口部中心とを結ぶ線を基準線として、噴孔の入口部中心と噴孔の出口部中心とを結ぶ線が基準線となす角をαとするとき、αを９０°＜α＜ｌ８０°の内の所定の角度としたものである。

この発明の燃料噴射弁によれば、噴孔入口部を開口部の下流側開口径よりも外周側に配置し、かつ噴孔出口部を噴孔入口部よりも燃料噴射弁軸心側に配置し、噴孔を燃料噴射弁の軸方向に直角な平面に投影したときに、燃料噴射弁の軸心と噴孔の入口部中心とを結ぶ線を基準線として、噴孔の入口部中心と噴孔の出口部中心とを結ぶ線が基準線となす角をαとするとき、αを９０°＜α＜ｌ８０°の内の所定の角度としたことにより、噴孔出口部は効率よく冷却されるため、噴射時に噴孔内に残留する燃料がカーポンデポジットになるのを抑制でき、燃料の流量低下および噴霧変化を防ぐことができる。また、噴霧方向に捻れを与えることができ、噴霧流が互いに衝突するのをさけることができる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による燃料噴射弁を示す正面断面図である。図に従って先ず燃料噴射弁の全体構成について説明する。図において、燃料は燃料噴射弁１内を図の上方から下方に流れるので、図の上方を上流側、下方を下流側と呼ぶことにする。図に示すように、燃料噴射弁１の下流先端部には弁装置２を備えており、この弁装置２は、小径円筒部３ａと大径円筒部３ｂとを有する段付中空円筒形の弁本体３と、弁本体３の下流側先端部に設けられ中心部に下流に向けて縮径する開口部を有する弁座４と、弁本体３内にあって軸方向に移動し弁座４の開口部の傾斜面に接離することにより開口部を開閉する弁体５と、弁座４の内側に当接して設けられ弁体５を摺動可能に支持するガイド６と、弁座４の下流面に設けられて複数の噴孔７を有する噴孔プレート８と、弁座４の下流面と噴孔プレート８との間に形成されたキャビティ９と、更に、弁本体３の上流側に設けられて弁体５の移動量を規制するストッパ１０とで構成されている。

弁体５の上流側にはアマチュア１１が溶接等により固着されており、弁体５と一体で移動する。アマチュア１１の軸線上にアマチュア１１と対向し所定の間隔を保って中空円筒状のコア１２が配置され、このコア１２の中空部１２ａにはスリーブ１３が位置調整されて固定されている。そして、スリーブ１３に一端を係止した圧縮ばね１４によって、弁体５を弁座４へ押圧する方向に付勢している。また、コア１２の周囲にはボビン１５に巻回されたコイル１６とコネクタ１７とを備えたソレノイド装置が配置されている。

そして、アマチュア１１の外周には所定の間隙を保ってヨーク１８が設けられており、この上流側は、ボビン１５とコイル１６とを包み込んでコア１２に接続され、コア１２と一体で磁気回路を構成する。ヨーク１８の下流側は、ストッパ１０を介して弁本体３の大径円筒部３ｂが挿入されており、先端に設けた結合部１８ａを大径円筒部３ｂと小径円筒部３ａとの肩部上に折り曲げて、かしめ等により弁本体３を固定している。このように、ヨーク１８は弁本体３，アマチュア１１，ボビン１５およびコイル１６等を収納するハウジングも兼ねている。ヨーク１８と同軸上に、コア１２とコネクタ１７部とを収納するハウジング１９が設けられており、このハウジング１９の上流側は図示しない燃料供給管に接続され、燃料フィルタ２０を介してコア１２の中空部１２ａに燃料が導入されるようになっている。

弁装置２の先端部の構造を更に詳細に説明する。図２は図１の弁装置先端部Ａ部の拡大断面図である。図の（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。図に示すように、ガイド６は弁本体３の内径部に圧入され、続いて、中心部に下流に向けて縮径する開口部４ａを有する弁座４が圧入された後、溶接部４ｂで弁本体３に結合する。更に、弁座４の下流側に噴孔プレート８が圧入されて、溶接部８ａで結合されている。噴孔プレート８には板厚方向に貫通する複数の噴孔７が設けられている。そして、弁座４の下流面と噴孔プレート８との間に円板状をしたキャビティ９が形成され、このキャビティ９によって弁座４に設けた開口部４ａと噴孔７とが連通されている。キャビティ９の内周径は開口部４ａの下流側の開口径ｄｖ（以下、弁座下流側開口径と略す）よりは大径であり、このキャビティ９は噴孔７に通ずる燃料通路でもある。また、ガイド６と弁本体３との間には、軸方向の燃料通路となる外周隙間６ａが形成され、ガイド６の下面には弁座４の中心孔４ａへ通じるガイド溝６ｂが形成されている。
なお、弁座４，噴孔プレート８の圧入部の形状やガイド６の形状は一例であり本図に限定するものではない。また、キャビティ９は弁座４の下面に凹部状に形成したものを示したが、例えば噴孔プレート８側に凹部状に形成しても良い。

噴孔プレート８に設けた複数の噴孔７は、弁座下流側開口径ｄｖよりも燃料噴射弁の軸心に対し外周側に噴孔の入口部を配置し、かつ、噴孔の出口部を入口部より軸心側に配置している。すなわち、図２（ａ）に示すように、噴孔７の軸心は、下流側に向けて燃料噴射弁１の軸心側へ所定の傾斜角βで傾斜させている。従って、複数の噴射孔７から傾斜して噴射された噴霧は、図のように噴霧角γの広がりを持って噴霧されることになる。なお、後述のように、噴孔７は三次元的に傾斜しているが、便宜上二次元断面図で表示している。噴霧角γも、実際は三次元的に広がる噴霧の広がり角である。

図３は、更に噴孔部を拡大した断面図である。図の（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）を矢印Ｃから見た噴孔部分の図である。なお、（ａ）は（ｂ）に折れ線で示すＤ−Ｄの断面を示している。先の説明のように、噴孔出口部７ｂを噴孔入口部７ａより燃料噴射弁の軸心側に配置し、噴孔７を軸線に対しβだけ傾斜させている。更に、図（ｂ）に示すように、噴孔７を燃料噴射弁の軸方向と直角な平面に投影した時に、燃料噴射弁の軸心と噴孔入口部７ａ中心を結ぶ線（軸心から噴孔入口部へ向かう線）を基準線として、噴孔入口部７ａ中心と噴孔出口部７ｂ中心とを結ぶ線（噴孔入口部中心から噴孔出口部中心へ向かう線）が基準線となす角をαとするとき、αを９０°＜α＜ｌ８０°のうちの所定の角度になるように角度を持たせて噴孔を形成している。こうすることで、噴霧方向に捻れを与えて噴霧同士の衝突をさけることができる。また、傾斜角βと組み合わせて、それぞれ独自に、または両方共に変化させることにより、噴霧角γを自由に設計できる。なお、図（ｂ）でαが１８０°＜α＜２７０°場合は、捻れ方向が逆になるだけで実質上は上記と同一なので、９０°＜α＜ｌ８０°と表現するなかに含むものとする。

次に動作について説明する。例えばエンジンの制御装置から燃料噴射弁１の駆動回路（図示せず）に動作信号が送られると、燃料噴射弁１のコイル１６に通電され、アマュア１１，コア１２，ヨーク１８で構成される磁気回路に磁束が発生し、アマチュア１１はコア１２側へ吸引動作し、アマチュア１１と一体構造である弁体５が弁座４から離れて間隙が形成される。これにより、高圧の燃料は、コア１２の中空部１２ａから弁本体３内部を通りガイド６の外周と弁本体３との間の外周隙間６ａからガイド６下面に形成されたガイド溝６ｂを経由し弁座４の開口部４ａに流入し、キャビティ９内を径方向に流れて各噴孔７へ分配され、最後に噴孔７からエンジン筒内へと噴射される。次にエンジンの制御装置より燃料噴射弁１の駆動回路（図示せず）に動作の停止信号が送られると、コイル１６への通電が停止し、磁気回路中の磁束が減少して弁体５を閉弁方向に押圧している圧縮ばね１４により弁座４の開口部４ａが閉じられ燃料噴射が終了する。弁体５は５ａ，５ｂでガイドされて摺動し、開弁状態では弁体５のフランジ部上面がストッパ１０の下面と当接するようになっている。

筒内直接噴射用に使用する燃料噴射弁の場合、燃料噴射によって高温の燃焼ガスや火炎のために噴孔プレート８が加熱される。このとき噴孔も加熱されて高温になれば、噴孔内に残留する燃料がカーボンデポジットとなって堆積する。しかしながら、本実施の形態の噴孔は、図３のように、噴孔入口部７ａを弁座下流側開口径ｄｖより外周側に配置し、かつ噴孔出口部７ｂを噴孔入口部７ａより燃料噴射弁軸心側に配置しているので、キャビティ９内を中心部から矢印で示すように放射状に流れる燃料によって噴孔７が効率よく冷却される。図４は、筒内直接噴射用に使用する場合、高温の燃焼ガスや火炎により噴孔プレート８が加熱されたときの、噴孔プレート８下流端面の温度分布を示す図である。図のグラフに示すように、中心部から噴孔入口部７ａに至る噴孔プレート８下流端面は、その上に形成したキャビティ９内をキャビティ内周壁９ａへ向かって流れる燃料によって効率よく冷却されている。噴孔入口部７ａより外周側では急激に温度が上昇する。噴孔出口部７ｂを噴孔入口部７ａより燃料噴射弁軸心側に配置することにより、噴孔７は噴孔プレート８の冷却された面内に存在するので、噴孔７が効率よく冷却されることになる。

以上のように、本実施の形態の発明によれば、複数の噴孔の噴孔入口部を弁座下流側開口径よりも外周側に配置し、かつ噴孔出口部を噴孔入口部より燃料噴射弁軸心側に配置したので、筒内直接噴射用に使用する場合、高温の燃焼ガスや火炎により噴孔プレートが加熱されても、噴孔がキャビティ内の燃料で効率よく冷却されて高温になるのを防止できる。このため、噴孔内に残留する燃料がカーボンデポジットになるのを抑制でき、燃料の流量低下および噴霧変化を防止できる。

また、噴孔を燃料噴射弁の軸方向に直角な平面に投影した時に、燃料噴射弁軸心と噴孔入口中心とを結ぶ線を基準線として、噴孔入口部中心と噴孔出口部中心とを結ぶ線が基準線となす角をαとするとき、αを９０°＜α＜ｌ８０°の内の所定の角度としたので、上記の効果に加え、噴霧方向に捻れを与えることができ、噴霧流が互いに衝突するのをさけることができる。また、傾斜角βと組み合わせて適宜変化させることにより、複数の噴霧で形成される噴霧角γを自由に選択できるので、噴霧角を燃焼形態に適合した値に設計することができる。

実施の形態２．
図５は実施の形態２による燃料噴射弁の弁装置先端部分の拡大断面図である。燃料噴射弁全体の構成については実施の形態１で説明した図１と同様なので、説明は省略する。図の（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ方向から見た噴孔部分の図である。なお、噴孔は３次元的に傾斜しているので、分かりやすくするため（ａ）は（ｂ）の折れ線Ｆ−Ｆ断面を示している。

図のように、キャビティ９は弁座下流側開口径ｄｖより大きい外径を有し、弁座下面に円板状に形成されている。噴孔プレート２１に設ける噴孔２２は実施の形態１と同様に、噴孔入口部２２ａを弁座下流側開口径ｄｖより外周側に位置させ、かつ噴孔出口部２２ｂを噴孔入口部２２ａより燃料噴射弁軸心側に位置するように形成している。すなわち、傾斜角βを有している。また、燃料噴射弁軸心と噴孔入口部２２ａ中心を結ぶ線を基準線として、噴孔入口部２２ａ中心と噴孔出口部２２ｂ中心とを結ぶ線が基準線に対しαの角度を有している。
本実施の形態の特徴とするところは、噴射孔出口部２２ｂの内径を噴孔入口部２２ａの内径より大きくし、噴孔を下流に向けて広がる末広がり形状としている点である。

図６は、噴孔から燃料が噴射されたときの燃料の流れを示す図である。なお、燃料の流れは右側の噴孔も同様であるが、図面の表示を省略している。図のように、噴孔入口部で剥離して噴孔壁に衝突した燃料流れが、噴孔壁を覆うような液膜を形成し、さらに（ｂ）のＧ−Ｇ断面図に示すように噴孔出口部近傍では液膜が噴孔壁面に薄く広げられた状態となって筒内燃焼室に噴射される。

以上のように、本実施の形態の発明によれば、噴項を末広がり状に形成したので、噴孔入口部で剥離した燃料流れが噴孔出口部近傍では液膜となって薄く広げられて噴射されるので、良好な微粒化効果と噴霧分配性が得られる。それによって、実施の形態１の効果に加え、噴霧の集中によるＡ／Ｆの局所リッチを回避できることから燃焼性が向上し、燃料消費および排気ガスを低減したエンジン性能が得られる。

実施の形態３．
図７は実施の形態３による燃料噴射弁の弁装置の先端部分の拡大断面図である。（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＨ方向から見た噴孔部分の図である。なお、（ａ）は（ｂ）の折れ線Ｊ−Ｊ断面を示している。燃料噴射弁全体の構成は、実施の形態１で説明した図１と同様なので、説明は省略する。図において、中心線から右側が実施の形態３によるもので、中心線から左側は、比較説明のために示すものである。キャビティ９は弁座下流側開口径ｄｖより大きい外径を有し弁座下面と噴孔プレート２３との間に円板状に形成されている。これまでの実施の形態と同様に、噴孔プレート２３に設けられた噴孔２４は、噴孔入口部２４ａは弁座下流側開口径ｄｖより外周側に位置し、かつ噴孔出口部２４ｂを噴孔入口部２４ａより燃料噴射弁軸心側に位置するように形成している。
本実施の形態の噴孔の特徴は、噴孔径をｄｈ、噴孔入口部２４ａ外周とキャビティ９の内周壁９ａとの距離をｄｃとするとき、ｄｃ＜ｄｈとなるように噴孔入口部２４ａを配置したことである。

次に、この作用について説明する。燃料がキャビティ９内を周方向へ矢印２５のように進み噴孔入口部２４ａに流入するが、このとき、噴孔入口部２４ａとキャビティ９内周壁９ａとの距離を狭くしているので、内周壁方向から噴孔入口部２４ａへの流れ込みを抑えることができ、噴孔入口部２４ａでの燃料流れ剥離を強化できる。もし、噴孔入口部とキャビティ内壁との距離が噴孔径より大きい場合は、図の中心線左側に示すように、噴孔プレート２３中心側から噴孔入口部２４ａ側への燃料の流れ２５とキャビティ内周壁９ａ側から噴孔入口部２４ａへの流れ２６とが合流し、噴孔が図のように傾いているために、噴孔入口部での燃料剥離があまり起こらなくなり、噴霧の微粒化が促進されにくい。

以上のように、本実施の形態の発明によれば、噴孔径をｄｈ、噴孔入口部外周とキャビティ内周壁との距離をｄｃとするとき、ｄｃ＜ｄｈとなるように噴孔入口部を配置したことにより、噴孔入口部での燃料流れ剥離を阻害するキャビティ内周壁方向から噴孔入口部への流れ込みを抑えることができるので、実施の形態１の効果に加え、噴孔入口部での燃料流れ剥離を強化して微粒化を促進することができる。

なお、噴孔の形状は、実施の形態２のように、出口側に向けて末広がり形状とすれば、実施の形態２の効果も加えることができる。

燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関に使用される燃料噴射弁に適用して効果を得られる。

この発明の実施の形態１による燃料噴射弁を示す正面断面図である。 図１の弁装置先端部の拡大断面図である。 図２の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の噴孔プレート下流端面の温度分布を示す図である。 この発明の実施の形態２による燃料噴射弁の弁装置先端部の拡大断面図である。 この発明の実施の形態２による燃料噴射弁の噴射孔から燃料が噴射されたときの燃料の流れを示す図である。 この発明の実施の形態３による燃料噴射弁の弁装置先端部の拡大断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁 ３ 弁本体
４ 弁座 ５ 弁体
７，２２，２４ 噴孔 ７ａ，２２ａ，２４ａ 噴孔入口部
７ｂ，２２ｂ，２４ｂ 噴孔出口部 ８，２１，２３ 噴孔プレート
９ キャビティ ９ａ キャビティ内周壁。

Claims (3)

1. 中空円筒状の弁本体と、この弁本体の下流側先端部に設けられ中心部に下流に向けて縮径する開口部を有する弁座と、上記弁本体内を軸方向に移動し上記弁座の上記開口部に離接することにより上記開口部を開閉する弁体と、上記弁座の下流面に設けられ複数の噴孔を有する噴孔プレートと、上記弁座の下流面と上記噴孔プレートとの間に円板状に形成されて上記開口部と上記噴孔とを連通するキャビティと、を備えた燃料噴射弁において、
   上記噴孔の入口部を上記開口部の下流側開口径よりも外周側に配置し、かつ上記噴孔の出口部を上記噴孔の入口部よりも上記燃料噴射弁の軸心側に配置し、
   上記噴孔を上記燃料噴射弁の軸方向に直角な平面に投影したときに、上記燃料噴射弁の軸心と上記噴孔の入口部中心とを結ぶ線を基準線として、上記噴孔の入口部中心と上記噴孔の出口部中心とを結ぶ線が上記基準線となす角をαとするとき、αを９０°＜α＜ｌ８０°の内の所定の角度としたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１記載の燃料噴射弁において、上記噴孔の出口部の内径を上記噴孔の入口部の内径より大きくして末広がり形状としたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１又は請求項２記載の燃料噴射弁において、上記噴孔の入口部の噴孔径をｄｈ、上記噴孔の入口部外周と上記キャビティの内周壁との距離をｄｃとするとき、ｄｃ＜ｄｈとなるように上記噴孔の入口部を配置したことを特徴とする燃料噴射弁。

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