JP4230503B2

JP4230503B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP4230503B2
Application number: JP2006322952A
Authority: JP
Inventors: 直也橋居; 敬士中野; 毅宗実
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008138529A

Description

この発明は、燃料噴射弁に関し、特に自動車のシリンダへ燃料を噴射して供給する燃料噴射弁の噴孔部分の改良に係るものである。

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噴霧の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号公報では、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噴孔に対向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ている。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とし、ｈ＜１．５ｄの関係を有する構成としている。それにより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、均等に噴孔に向かう流れとなっている。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、微粒化を促進する燃料噴射弁が開示されている。

特許第３１８３１５６号公報（００３６欄、図１１）

しかしながら前記特許文献１に示されたものは、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垂線距離ｈによって変化し、また垂線距離ｈは弁体のリフト量の影響を受けるため、特にリフト量大が要求される大流量仕様の場合、垂線距離ｈの増大によりｈ＜１．５ｄの関係を維持するためには噴孔径ｄを大きくする必要があり、噴霧微細化の点で不利な燃料噴射弁となり、さらに垂線距離ｈは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という問題点がある。

またさらに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を噴孔直上で衝突させているが、流体の持つポテンシャルエネルギの一部を乱れエネルギに使うため、噴孔からの噴射速度が減少し、噴霧と大気の剪断による微粒化効果が減少するため、大きな微粒化効果が期待できないといった問題点がある。

また負圧下での噴射では噴射終了後にキャビティ内の燃料が吸い出されることになるが、前記特許文献１に示されたものでは、流体エネルギの損失が大きいため、噴射速度が最後まで持続せずに、噴孔プレートと平行かつ外向きのＵターン流れの影響が強まって、噴射方向よりも外側に粗悪な粒径噴霧を噴射したり、噴孔出口から離脱できずに噴孔プレート出口側端面に燃料が付着し、その付着燃料が次の噴射によって粗悪粒径となって吹き飛ばされるスプラッシング現象が発生する。これによって、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という問題点がある。

この発明は上記課題を解決することにあり、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を抑制しつつ、燃料噴霧の微粒化を向上させ、さらに負圧下での噴霧粒径の悪化を抑制することにある。

この発明の燃料噴射弁は、先端部分に配置された弁本体内部に弁体、および開口部を有する弁座が設けられており、弁座の燃料流の下流側には、複数の噴孔を有する噴孔プレートが接合されているとともに、複数の噴孔が弁座の開口部より内側に配置されるよう設けられており、
弁体の先端部が弁座に接離することにより、噴孔から燃料噴射を断続するものであり、弁座の開口部内側の噴孔プレート上には、平面部とその周辺に所定の開き角度を有する円錐台側面部とで形成された皿形状の案内プレートが設けられており、この案内プレートの皿形状部分が弁体の先端部と対向し、かつ案内プレートの円錐台側面部が噴孔プレートの複数の噴孔上をオーバハングして覆うよう配置されているとともに、噴孔の中心点を上部に伸延し、案内プレートの円錐台側面部の所定の開き角度によって決定される案内プレートの円錐台側面部に当るまでの垂線距離をＨとし、このＨを噴孔径φｄに対して、Ｈ＜ｄとし、燃料は弁体の先端部が弁座から離れることによって形成される弁体先端部と弁座間の第１の流路と、案内プレートの円錐台側面部と弁座との間に形成される第２の流路を通り、噴孔プレートの複数の噴孔から噴射されるものである。

この発明の燃料噴射弁は、先端部分に配置された弁本体内部に弁体、および開口部を有する弁座が設けられており、弁座の燃料流の下流側には、複数の噴孔を有する噴孔プレートが接合されているとともに、複数の噴孔が弁座の開口部より内側に配置されるよう設けられており、
弁体の先端部が弁座に接離することにより、噴孔から燃料噴射を断続するものであり、弁座の開口部内側の噴孔プレート上には、平面部とその周辺に所定の開き角度を有する円錐台側面部とで形成された皿形状の案内プレートが設けられており、この案内プレートの皿形状部分が弁体の先端部と対向し、かつ案内プレートの円錐台側面部が噴孔プレートの複数の噴孔上をオーバハングして覆うよう配置されているとともに、噴孔の中心点を上部に伸延し、案内プレートの円錐台側面部の所定の開き角度によって決定される案内プレートの円錐台側面部に当るまでの垂線距離をＨとし、このＨを噴孔径φｄに対して、Ｈ＜ｄとし、燃料は弁体の先端部が弁座から離れることによって形成される弁体先端部と弁座間の第１の流路と、案内プレートの円錐台側面部と弁座との間に形成される第２の流路を通り、噴孔プレートの複数の噴孔から噴射されるので、第１の流路を経た燃料流は、第２の流路を形成する案内プレートによって制御され、一方向の燃料流が噴孔に流入するため流入力が強化される。そのため噴孔入口部では液膜が形成され、噴孔径内壁に沿った流れとなり、空気との混合を促進して噴孔出口から速い速度で噴射されるため燃料微粒化が促進される。また、燃料がスムースな流れとなるよう制御されるため噴孔プレート出口側端面に燃料が付着しないという効果がある。

実施の形態１．
以下、この実施の形態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、この燃料噴射弁１の下部には図示省略したシリンダがある。電磁力を発生するソレノイド装置２は、磁気回路のヨーク部分をなすハウジング３、固定鉄心部をなすコア４、コイル５、可動鉄心であるアマチュア６で構成される。弁装置７は、主に弁本体９の内部であって、燃料噴射弁１の先端部分に設けられた弁座１０と、この弁座１０の燃料流下流側に接合された噴孔プレート１１と、前記弁体８のロッド８ａ先端に設けられたボール１３と、ロッド８ａの後端側に設けられた圧縮バネ１４とで構成されている。

弁本体９はコア４の先端外径部に圧入、溶接されている。アマチュア６の内径には弁体８が圧入、溶接されている。弁座１０の先端には、噴孔プレート１１が溶接、結合された状態で弁本体９の先端部の内径に挿入、溶接結合されている。噴孔プレート１１の板厚方向には図２で後述の貫通する複数の噴孔１１ａが設けられている。

前記ボール１３には面取り部１３ａが設けられている。コイル５への通電が無い状態では、弁体８は弁体８に設けられたロッド８ａを介し圧縮バネ１４により弁座シート部１０ａにボール１３が押し付けられ後述する第１の燃料の流路が閉じた状態となる。コイル５の通電によりアマチュア６に一体化された弁体８が上方向に移動すると、弁座シート１０ａとボール１３は離れ、後述する燃料の流れる第１の流路が形成される。尚、アマチュア６は上面６ａがコア４に当接することで弁体８のストローク量が設定される。

この実施の形態１の特徴とする噴孔プレート１１と噴孔１１ａおよび弁座１０、ボール１３の詳細な位置、構造の説明を以下に行う。
図２（ａ）は、弁座１０の弁座シート部１０ａ、噴孔プレート１１、ボール１３および噴孔プレート１１上でボール１３との間に設置された案内プレート１８の各要素部位を拡大した断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ矢視による案内プレート１８の平面図を示す。噴孔プレート１１上には、この実施の形態１の１実施例として、燃料噴射弁１の中心線Ｙ−Ｙに対して所定の角度θ_１で外側に向う直径φｄの複数の噴孔１１ａが所定の円径φＰの円周上に設けられている。

案内プレート１８は皿形状をなし、弁座１０の開口部１０ｂに皿形状部がボール１３と対向し、中心線Ｙ−Ｙと同軸になるよう配置されている。この案内プレート１８の皿形状は、平面部１８ａと、この平面部１８ａにつながる周辺に所定の開き角度θ_２の円錐台側面部１８ｂとによって形成されており、ステンレス製等の薄板より成形される。
円錐台側面部１８ｂは、噴孔プレート１１の所定円径φＰの円周上に設けられた複数の噴孔１１ａ上をオーバハングして覆うよう設けられており、この円錐台側面部１８ｂと弁座１０との間には、燃料が流れる第２の流路ＦＬ２が形成される。図２（ａ）は弁体８と一体化のアマチュア６がコイル５の通電によりコア４側に吸引されて上方向に移動し、弁座シート部１０ａからボール１３が離れた状態を示している。この状態でボール１３と弁座シート部１０ａとの間に燃料の流れる第１の流路ＦＬ１が形成されている。
図２（ｂ）に示すように複数の噴孔１１ａには第２の流路ＦＬ２から燃料が流れ込む。なお、弁体８のロッド８ａの先端部にボール１３を設けた例を示したが、ボール１３に限ることなく、弁座シート部１０ａで弁閉時に燃料流を遮断するとともに、弁開時に第１の流路ＦＬ１を形成する機能を有する弁体先端部であればよい。

なお、また図２（ａ）に示すように、噴孔プレート１１の所定の円径円周上に設けた噴孔１１ａの中心点Ｃを上部方向に伸延し、円錐台側面部１８ｂの所定の開き角度θ_２によって決定される案内プレート円錐台側面部１８ｂに当る点までの垂線距離Ｈは、噴孔１１ａの径φｄに対してＨ＜ｄの関係を有している。このことにより複数の噴孔１１ａ間を通過して噴孔プレート１１の平面部１８ａからＵターンして噴孔１１に向う流れ、つまり第２の流路ＦＬ２に対向する流れを抑制可能である。

次に動作について説明する。
図示省略したエンジンの制御装置より燃料噴射弁１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、アマチュア６と一体構造である弁体８のボール（先端部）１３が弁座シート部１０ａから離れて間隙が形成される。すなわち第１の燃料の流路ＦＬ１が形成される。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、つまり第１の流路ＦＬ１を通って、次に案内プレート１８と弁座１０とによって形成された第２の流路ＦＬ２を経由して複数の噴孔１１ａから図示省略したエンジン吸気管に噴射される。次にエンジンの制御装置１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、すなわち第１の流路ＦＬ１が閉じて燃料噴射が終了する。弁体８は弁本体９の内径に設けた摺動部９ａ、９ｂがガイド部をなして摺動し、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。前記摺動部９ｂは弁座面シート部１０ａ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い。この実施の形態１では弁体８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。このような弁体８に摺動部（ガイド部）９ａ、９ｂを設けているので弁体８のリフト量が大となっても弁体８の芯振れが発生しにくく、その結果第１の流路ＦＬ１の流路断面積にリフト量大による影響は生じない。

このようにこの実施の形態１では図２のように、噴孔１１ａは弁座１０の最内壁１０ｄより内側に配置し、かつ弁体８の先端面と弁座１０の内壁および噴孔プレート１１で形成されるキャビティ１７の中に、燃料流れを制御する皿形状の案内プレート１８を上流側に向けて燃料噴射弁１軸心と同軸となるように設置している。これによりキャビティ１７内の燃料流れは第１、第２の流路ＦＬ１、ＦＬ２で制御され、さらに案内プレート１８の円錐台側面部１８ｂと噴孔プレート１１に挟まれた流路面積は噴孔１１ａへ向かうに従って縮小するため燃料噴射弁１の軸心方向への流れが強化される。しかも燃料噴射弁１の軸心から噴孔１１ａへの燃料流れは案内プレート１８が抑制し、一方向からの噴孔への流入が強化されるため、図３（ｂ）に示すように噴孔１１ａの入口での流れ剥離により液膜１９を形成し燃料は噴孔壁１１ｂに押付けられる。このことで噴孔１１ａ内の流れは噴孔径ｄの曲率に沿った流れ１６ｄとなる。ここで図３（ａ）は図２と同じ図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面、図３（ｃ）はＣ−Ｃ断面を示す。さらに噴孔１１ａ内で空気２０との混合を促進しつつ、噴孔１１ａ出口から図３（ｃ）の如く三日月状の液膜１９ａとして拡散させることで、燃料は薄い液膜となって速い速度で噴射されるため大気との剪断が強化され、微粒化が促進される。

また負圧下で噴射終了後にキャビティ１７内の燃料が吸い出される際、案内プレート１８により燃料がスムーズに排出されるため、噴孔１１ａの出口側端面へ燃料が付着し難く、スプラッシングが抑制される効果もある。

また噴孔１１ａの中心点Ｃを延長した線が、案内プレート１８に到る噴孔プレート１１と案内プレート１８との垂線方向の距離Ｈは、弁体８のリフト量の影響を受けないため、リフト量大が要求される大流量仕様の場合でも噴霧粒径の悪化を招くことはなく、また摺動部９ｂを設けているため開弁時における弁体８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、燃料噴射弁１ごとの流量精度や噴霧特性のばらつきを抑制できる効果がある。さらに大流量仕様の場合においては、微粒化特性を悪化させずに、開弁時の弁体８先端と弁座シート部１０ａの隙間、すなわち第１の流路ＦＬ１での圧力損失を、噴孔１１ａ部での圧力損失に対して十分に小さくするようにリフト量を大きくすることが可能なため、リフト量変化に対する流量ばらつきを小さくできる効果もある。

実施の形態２．
次に実施の形態２を説明する。
図４（ａ）の噴孔プレート１１と弁座１０部分の拡大図、および図４（ａ）のＡ矢視図４（ｂ）に示すように噴孔プレート１１の複数の噴孔１１ａは、弁座１０の最内壁１０ｄより内側に所定の円径φＰの円周上に配置されている。噴孔プレート１１上に設けた案内プレート１８Ｎは、実施の形態１と同様の平面部１８ａとその周辺に所定の開き角度θ_２を有する円錐台側面部１８ｂとで形成された皿形状と、前記円錐台側面部１８ｂより大径でつなぎ部１８ｅを介して一体的につながる外円周部１８ｃを備えている。
この案内プレート１８Ｎは次のようにして作製される。すなわち図４（ａ）に示す外円周部径φＤの噴孔プレート１８Ｎは、円錐台側面部１８ｂの外径に相当する個所に図４（ｂ）の平面図の上、下部位に示すつなぎ部１８ｅを除く円周約１６０°〜１７０°にわたり切れ目１８ｄを入れ、所定の開き角θ_２の円錐台側面部１８ｂを形成するよう曲げ起こす。

一方、円錐台側面部１８ｂにつなぎ部１８ｅを介して一体的につながる外径φＤの外円周部１８ｃは、弁座１０の弁座底部１０ｃに設けられた段付き部１０ｄに当接して、弁座１０の弁座底部１０ｃと噴孔プレート１１との間に設けられている。このような案内プレート１８Ｎは外円周部１８ｃが弁座１０の段付き部１０ｄによって、正確にセンタリングして設置されるとともに、実施の形態１と同様の燃料の微粒化、スプラッシング抑制、リフト量変化に対する流量ばらつきを小さくできる効果がある。

実施の形態３．
実施の形態３を図５に示す。
図５（ａ）は噴孔プレート１１、弁座１０、ボール１３、案内プレート１８の配置関係を示す部分図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ矢視図である。案内プレート１８は、バネ材よりなる薄板で作製されたもので円錐台側面部１８ｂをボール１３に弁体８の開閉にかかわらず常時接触させる構成を有している。これによりボール１３、弁座１０、案内プレート１８とで囲まれたキャビティ１７の容積の低減が可能となり、シリンダ負圧時や高温時にキャビティ１７内の燃料がなくなることによって発生する温度負圧特性の悪化を低減することが可能である。

実施の形態４．
なお、前記実施の形態１〜３の噴孔プレート１１に設けた複数の噴孔１１ａは燃料噴射弁１の中心線Ｙ−Ｙに対して所定の角度θ_１を有し、中心線Ｙ−Ｙに対し外側に向かうよう設けた例を示したが、これに限らず図６に示すように、中心線Ｙ−Ｙに対して噴孔１１ａが平行に、あるいは図７に示すように所定の角度θ_１を有し中心線Ｙ−Ｙに対し内側に向かうように設けてもよい。さらにまた複数の噴孔１１ａを中心線Ｙ−Ｙに対し外向きと平行、外向きと内向き、内向きと平行等を適宜数ずつ設けた組み合わせや、配置や、外向き、内向き、平行を混在した組み合わせ、配置であっても、前記実施の形態１と同じ効果を奏する。

この発明の実施の形態１〜３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図である。この発明の実施の形態１の噴孔プレートと案内プレートを拡大した図である。この発明の実施の形態１の噴孔部での燃料の流れを示す説明図である。この発明の実施の形態２の噴孔プレートと案内プレートを拡大した図である。この発明の実施の形態３の案内プレートを拡大した図である。この発明の実施の形態４の噴孔プレートを説明する図である。この発明の実施の形態４の噴孔プレートを説明する図である。

符号の説明

１燃料噴射弁、８弁体、９弁本体、１０弁座、１０ｂ弁座開口部、
１０ｃ弁座底部、１１噴孔プレート、１１ａ噴孔、
１３ボール（弁体の先端部）、１８，１８Ｎ案内プレート、１８ａ平面部、
１８ｂ円錐台側面部、１８ｃ外円周部、ＦＬ１第１の流路、ＦＬ２第２の流路、
θ_１噴孔傾斜角、θ_２円錐開き角。

Claims

燃料噴射弁であって、この燃料噴射弁の先端部分に配置された弁本体内部に弁体、および開口部を有する弁座が設けられており、前記弁座の燃料流の下流側には、複数の噴孔を有する噴孔プレートが接合されているとともに、前記複数の噴孔が前記弁座の開口部より内側に配置されるよう設けられており、
前記弁体の先端部が前記弁座に接離することにより、前記噴孔から燃料噴射を断続するものであり、前記弁座の開口部内側の前記噴孔プレート上には、平面部とその周辺に所定の開き角度を有する円錐台側面部とで形成された皿形状の案内プレートが設けられており、この案内プレートの皿形状部分が前記弁体の先端部と対向し、かつ前記案内プレートの円錐台側面部が前記噴孔プレートの複数の噴孔上をオーバハングして覆うよう配置されているとともに、前記噴孔の中心点を上部に伸延し、前記案内プレートの円錐台側面部の所定の開き角度によって決定される前記案内プレートの円錐台側面部に当るまでの垂線距離をＨとし、このＨを前記噴孔径φｄに対して、Ｈ＜ｄとした燃料は、前記弁体の先端部が前記弁座から離れることによって形成される前記弁体先端部と弁座間の第１の流路と、前記案内プレートの円錐台側面部と前記弁座との間に形成される第２の流路を通り、前記噴孔プレートの複数の噴孔から噴射されることを特徴とする燃料噴射弁。
前記案内プレートは、皿形状をなす円錐台側面部より大径で一体的につながる外円周部を備え、この外円周部が前記弁座の底部と噴孔プレートとの間に挿入されており、
前記外円周部より内径側において、前記円錐台側面部が扇状に切り起こされて形成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。
前記案内プレートがバネ性を有するとともに、前記案内プレートの円錐台側面部の先端部分が、前記弁体の先端部に常時接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記弁体の先端部が、面取り部を有するボールであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記噴孔プレートの噴孔は、弁本体中心線に対して所定の角度で外向きとなるよう設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃焼噴射弁。
前記噴孔プレートの噴孔は、弁本体中心線に対して平行となるよう設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃焼噴射弁。
前記噴孔プレートの噴孔は、弁本体中心線に対して所定の角度で内向きとなるよう設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃焼噴射弁。
前記噴孔プレートの噴孔は、前記請求項５と請求項６に記載による中心線に対する向きを、または請求項５と請求項７、または請求項６と請求項７とを適宜組み合わせた配置でもって設けられているもの、あるいは請求項５〜請求項７を適宜組み合わせ配置して設けられたものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
前記案内プレートは、皿形状をなす円錐台側面部より大径で一体的につながる外円周部を備え、この外円周部が前記弁座の底部と噴孔プレートとの間に挿入されているとともに、
前記外円周部より内径側において、前記円錐台側面部が扇状に切り起こされて形成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。