JP4310402B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、内燃機関を「エンジン」という。）に用いられる燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁においては、例えば排気中の有害物質の低減および燃費の向上などの観点から噴射される燃料の微粒化が重要な要素である。特に、エンジン始動時のようにエンジンが冷えているとき、燃料の微粒化を促進することにより炭化水素（以下、ＨＣ）の排出が低減される。燃料の微粒化を図る従来技術として、特許文献１に開示されているノズルが公知である。

米国ＵＳ２００３／０１２７５４０Ａ１公開公報

特許文献１に開示されているノズルでは、複数の噴孔を有する噴孔部材の上流側に扁平な空間を形成している。弁座を通過し円錐面状の壁面に沿って流れた燃料は、弁ボディの端部で絞り込まれる。端部で絞り込まれた燃料を扁平な空間に導くことにより、燃料の流れに微小な乱れを誘起し、燃料の微粒化を図っている。

しかしながら、扁平な空間は軸に垂直な断面が円形状である。そのため、噴孔には、周囲から均等に燃料が流入する。周囲から均等に噴孔へ燃料が流入する結果、噴孔からは液柱状の噴霧が噴射される。液柱状の噴霧の場合は、低燃圧での微粒化が不十分で、さらに、燃料の噴射方向の制御が困難であるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、微粒化を促進するとともに、燃料の噴射方向の制御が容易な燃料噴射弁を提供することにある。

請求項１記載の発明では、弁ボディと噴孔部材との間には燃料室が形成されている。燃料室は、長軸および短軸を有する形状であり、長軸が弁ボディの開口部よりも長く、短軸が弁ボディの開口部よりも短い。そのため、燃料室の弁ボディに垂直な断面は略帯状となる。これにより、弁座を通過し開口部から燃料室へ流入する燃料は、弁ボディの中心軸側から径方向外側へ向けて長軸に沿った方向へ流れる。また、燃料室における燃料は、燃料室の短軸方向において中心側ほど大きな速度を有し、中心から遠ざかるほど小さな速度となる。これにより、燃料室から噴孔へ流れる燃料には速度分布が形成される。この速度分布のある流れの中に噴孔が存在すると、噴孔両端の速度差のために、燃料は旋回しながら噴孔へ流入する。燃料が旋回しながら噴孔へ流入することにより、燃料はその旋回力によって噴孔を形成する噴孔部材の内壁に沿って液膜を形成する。その結果、噴孔からは液膜状の燃料が噴射される。液膜状の燃料は液膜の分離が促進される。したがって、さらなる微粒化を促進することができる。また、液膜状の燃料は、噴孔を形成する噴孔部材の内壁に沿って流れるため、噴孔から噴射される燃料は噴孔の中心軸の延長線上に噴霧を形成する。したがって、燃料の噴射方向を容易に制御することができる。

請求項１記載の発明では、具体的に、噴孔が、燃料室の長軸の中心線を挟んで両側に配置され、かつ、燃料室の短軸の中心線を挟んで両側に配置されている。
請求項２記載の発明では、燃料室は弁ボディの凹部によって形成される。そのため、既存の噴孔部材を設計の変更をすることなく用いることができる。したがって、構造の複雑化および部品点数の増大を招くことなく、燃料の微粒化を促進し、燃料の噴射方向を容易に制御することができる。
請求項３記載の発明では、燃料室は噴孔部材の凹部によって形成される。そのため、既存の弁ボディを設計の変更をすることなく用いることができる。したがって、構造の複雑化および部品点数の増大を招くことなく、燃料の微粒化を促進し、燃料の噴射方向を容易に制御することができる。

請求項４記載の発明では、燃料室は弁ボディと噴孔部材との間に設置される燃料室形成部材によって形成される。そのため、既存の弁ボディおよび噴孔部材を設計の変更をすることなく用いることができる。また、要求される燃料の噴射特性に合わせて燃料室の形状を容易に変更することができる。
請求項５または６記載の発明では、燃料室は矩形状または長円形状である。これにより、燃料室は簡単な形状となる。したがって、燃料室を形成するための加工を容易にすることができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による燃料噴射弁（以下、燃料噴射弁を「インジェクタ」という。）を図２に示す。第１実施形態によるインジェクタ１０は、ガソリンエンジンの燃焼室に吸入される吸気が流れる図示しない吸入ポートに設置され、吸入ポートを流れる吸気に燃料を噴射する。なお、インジェクタ１０は、直噴式のエンジンに適用してもよい。インジェクタ１０を直噴式のエンジンに適用する場合、インジェクタ１０はエンジンのシリンダヘッドに搭載される。また、インジェクタ１０は、ディーゼルエンジンのインジェクタとして適用してもよい。

インジェクタ１０のハウジング１１は筒状に形成されている。ハウジング１１は、第一磁性部１２、非磁性部１３および第二磁性部１４を有している。非磁性部１３は、第一磁性部１２と第二磁性部１４との磁気的な短絡を防止する。第一磁性部１２、非磁性部１３および第二磁性部１４は、例えばレーザ溶接などにより一体に接続されている。なお、ハウジング１１を磁性部材により筒状に一体物に成形し、熱加工することにより非磁性部１３に対応する部分を非磁性化してもよい。

ハウジング１１の軸方向の一方の端部には入口部材１５が設置されている。入口部材１５はハウジング１１の内周側に圧入されている。入口部材１５は燃料入口１６を有している。燃料入口１６には、図示しない燃料ポンプから燃料が供給される。燃料入口１６に供給された燃料は、燃料フィルタ１７を経由してハウジング１１の内周側に流入する。燃料フィルタ１７は、燃料に含まれる異物を除去する。

ハウジング１１の他方の端部には、ノズルホルダ２０が設置されている。ノズルホルダ２０は、筒状に形成され、内側に弁ボディ２１が設置されている。弁ボディ２１は、筒状に形成され、軸方向において燃料入口１６とは反対側の端部に図１に示すように開口部２２を有している。なお、図１では、ノズルホルダ２０の記載は省略している。弁ボディ２１は、例えば圧入あるいは溶接などによりノズルホルダ２０に固定されている。弁ボディ２１は、先端の開口部２２に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁２１ａを有している。弁ボディ２１は、円錐状の内壁２１ａに弁座２３を有している。弁ボディ２１の開口部２２側の端部には、噴孔部材としての噴孔プレート３０が設置されている。噴孔プレート３０は、弁ボディ２１の先端部を覆っている。噴孔プレート３０が形成する噴孔３１は、噴孔プレート３０を軸方向に貫いて弁ボディ２１側の面と弁ボディ２１とは反対側の面とを接続している。

弁部材としてのニードル２４は、図２に示すようにハウジング１１、ノズルホルダ２０および弁ボディ２１の内周側に軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル２４は、弁ボディ２１と概ね同軸上に配置されている。ニードル２４は、軸方向の一方の端部側すなわち燃料入口１６とは反対側の端部にシール部２５を有している。シール部２５は、弁ボディ２１に形成されている弁座２３と接触可能である。ニードル２４は、弁ボディ２１との間に燃料が流れる燃料通路２６を形成する。

インジェクタ１０は、ニードル２４を駆動する駆動部４０を有している。駆動部４０は、スプール４１、コイル４２、固定コア４３、プレートハウジング４４および可動コア４５を有している。スプール４１は、ハウジング１１の外周側に設置されている。スプール４１は、樹脂で筒状に形成され、外周側にコイル４２が巻かれている。コイル４２は、コネクタ４６の端子部４７に接続している。固定コア４３は、ハウジング１１を挟んでコイル４２の内周側に設置されている。固定コア４３は、例えば鉄などの磁性材料から筒状に形成され、ハウジング１１の内周側に例えば圧入などにより固定されている。磁性部材であるプレートハウジング４４は、コイル４２の外周側を覆っている。スプール４１およびコイル４２の外周側は、コネクタ４６を一体に形成する樹脂モールド４８により覆われている。

可動コア４５は、ハウジング１１の内周側に軸方向へ往復移動可能に設置されている。可動コア４５は、例えば鉄などの磁性材料から筒状に形成されている。可動コア４５は、固定コア４３とは反対側の端部においてニードル２４と一体に接続している。可動コア４５は、固定コア４３側の端部において付勢手段であるスプリング１８と接触している。スプリング１８は、一方の端部が可動コア４５に接しており、他方の端部が固定コア４３に圧入されているアジャスティングパイプ１９に接している。スプリング１８は、軸方向へ伸びる力を有している。そのため、可動コア４５およびニードル２４は、スプリング１８により弁座２３に着座する方向へ押し付けられる。固定コア４３に圧入されているアジャスティングパイプ１９の圧入量を調整することにより、スプリング１８の荷重は調整される。コイル４２に通電していないとき、可動コア４５およびニードル２４は弁座２３方向へ押し付けられ、シール部２５は弁座２３に着座する。

次に、噴孔プレート３０の近傍について詳細に説明する。
噴孔プレート３０は、図１、図３および図４に示すように弁ボディ２１の先端側すなわちハウジング１１と反対側に取り付けられている。なお、図１、図３および図４では、ノズルホルダ２０の記載は省略している。噴孔プレート３０は、筒部３２および底部３３を有する円筒状に形成されている。噴孔プレート３０は、筒部３２が弁ボディ２１の外周壁とノズルホルダ２０の内周壁との間に挟まれており、底部３３が弁ボディ２１の外底面とノズルホルダ２０の内底面との間に挟まれている。噴孔３１は底部３３を貫いている。

弁ボディ２１は、燃料入口１６とは反対側の端部すなわち噴孔プレート３０側の端部に略円形状の開口部２２を有している。弁座２３が形成されている内壁２１ａは、ハウジング１１とは反対側の端部が開口部２２に接続している。弁ボディ２１は、噴孔プレート３０側の端部に噴孔プレート３０とは反対側すなわち弁座２３側へ窪む凹部２７を有している。すなわち、弁ボディ２１は、噴孔プレート３０側の端部に段差を有している。これにより、弁ボディ２１の先端に噴孔プレート３０を取り付けると、弁ボディ２１と噴孔プレート３０との間には燃料室５０が形成される。

燃料室５０は、弁ボディ２１側が開口部２２に接続している。また、燃料室５０には、噴孔３１の燃料入口側の端部が開口している。これにより、ニードル２４が図２の上方へ移動したとき、燃料通路２６から弁座２３とシール部２５との間を通過した燃料は、開口部２２を経由して燃料室５０に流入する。そして、燃料室５０に流入した燃料は、燃料室５０の内部において弁ボディ２１の中心軸から径方向外側へ流れ噴孔３１へ流入する。

燃料室５０は、図３に示すように弁ボディ２１の軸に垂直な断面が長軸および短軸を有する長円形状である。また、燃料室５０は、弁ボディ２１の軸方向の長さすなわち厚みが小さく、扁平な形状を有している。燃料室５０の長軸の長さは、弁ボディ２１の開口部２２の内径よりも長く設定されている。これに対し、燃料室５０の短軸の長さは、弁ボディ２１の開口部２２の内径よりも短く設定されている。これにより、開口部２２から燃料室５０へ流入した燃料は、図３の矢印に示すように燃料室５０の長軸方向に沿って流れる。

噴孔プレート３０は、複数の噴孔３１を有している。本実施形態の場合、噴孔プレート３０は四つの噴孔３１を有している。複数の噴孔３１は、燃料室５０の長軸方向の中心線Ｃ１を挟んで両側に配置されている。一方、噴孔３１は、燃料室５０の短軸方向の中心線Ｃ２を挟んで両側に配置されている。なお、噴孔３１は、中心軸Ｃ２を対称軸として非対称に配置してもよい。

弁座２３とシール部２５との間を通過した燃料は、弁ボディ２１の円錐状の内壁２１ａに沿って流れる。そのため、燃料は弁ボディ２１の内壁２１ａによって絞り込まれながら開口部２２へ流れる。燃料は、開口部２２を通過して燃料室５０へ流入することにより、弁ボディ２１の中心軸側から径方向外側へ長軸方向の流れを形成する。このとき、燃料室５０を流れる燃料は、開口部２２によって絞り込まれ後に燃料室５０へ流入するため、燃料室５０の短軸方向の中心部すなわち中心軸Ｃ２に近い側ほど流速が大きくなる。一方、燃料室５０を流れる燃料は、燃料室５０の短軸方向の中心から遠いすなわち燃料室５０を形成する側壁５１側ほど流速が小さくなる。その結果、燃料室５０を流れる燃料には、速度分布が形成される。図３に示す矢印の長さは、燃料室５０を流れる燃料の向きおよび流速を模式的に示したものである。

燃料に速度分布が形成されることにより、噴孔３１の入口すなわち燃料室５０側の開口部の周辺では燃料室５０の中心軸Ｃ２側から側壁５１へ向かって旋回する燃料の流れが形成される。そのため、燃料は、旋回しながら噴孔３１へ流入する。燃料が旋回しながら噴孔３１へ流入することにより、燃料は噴孔３１の内部において噴孔３１を形成する噴孔プレート３０の内壁に沿った液膜状の流れとなる。その結果、噴孔３１から噴射される燃料は、中空の略円錐形の液膜状の噴霧を形成する。

また、旋回する燃料は噴孔３１を形成する噴孔プレート３０の内壁に沿って流れるため、噴孔３１から噴射される燃料は噴孔３１の中心軸の延長線上に噴霧を形成する。そのため、噴孔３１の角度を調整することにより、噴霧の形成位置が制御される。また、噴孔３１から噴射する燃料は液膜状の噴霧を形成するため、噴霧は容易に分裂する。その結果、噴射される燃料の微粒化が促進される。

次に、上記構成によるインジェクタ１０の作動について説明する。
コイル４２への通電が停止されているとき、固定コア４３と可動コア４５との間には磁気吸引力が発生しない。そのため、可動コア４５は、スプリング１８の押し付け力によりニードル２４とともに固定コア４３と反対側へ移動している。その結果、コイル４２への通電が停止されているとき、ニードル２４のシール部２５は弁座２３に着座している。したがって、燃料は噴孔３１から噴射されない。

コイル４２に通電されると、コイル４２に発生した磁界によりプレートハウジング４４、ノズルホルダ２０、第一磁性部１２、可動コア４５、固定コア４３および第二磁性部１４には磁束が流れ、磁気回路が形成される。これにより、固定コア４３と可動コア４５との間には磁気吸引力が発生する。固定コア４３と可動コア４５との間に発生する磁気吸引力がスプリング１８の押し付け力よりも大きくなると、可動コア４５および可動コア４５と一体のニードル２４は固定コア４３側へ移動する。その結果、ニードル２４のシール部２５は弁座２３から離座する。

燃料入口１６からインジェクタ１０の内部へ流入した燃料は、燃料フィルタ１７、入口部材１５の内周側、アジャスティングパイプ１９の内周側、可動コア４５の内周側、可動コア４５の内側と外側とを接続する接続孔４９、ハウジング１１と可動コア４５との間、ニードル２４とノズルホルダ２０との間を経由して燃料通路２６へ流入する。燃料通路２６の燃料は、弁座２３とシール部２５との間から燃料室５０を経由して噴孔３１へ流入する。これにより、噴孔３１から燃料が噴射される。

コイル４２への通電を停止すると、固定コア４３と可動コア４５との間の磁気吸引力は消滅する。これにより、可動コア４５および可動コア４５と一体のニードル２４はスプリング１８の押し付け力により固定コア４３とは反対側へ移動する。そのため、シール部２５は再び弁座２３に着座し、燃料通路２６と燃料室５０との間の燃料の流れは遮断される。したがって、燃料の噴射は終了する。

以上、説明した本発明の第１実施形態では、弁座２３と噴孔３１との間に燃料室５０を形成している。燃料室５０は、弁ボディ２１の軸に垂直な断面が長円形状に形成されている。そのため、開口部２２で絞られた後に燃料室５０へ流入する燃料は、燃料室５０において長軸方向に沿って流れる。このとき、燃料室５０の短軸方向における中心すなわち中心軸Ｃ２側ほど燃料の流速が大きくなる。これにより、燃料室５０から噴孔３１へ流入する燃料は旋回流を形成する。その結果、噴孔３１から噴射される燃料は、液膜状の噴霧を形成する。したがって、燃料の微粒化を促進することができる。特に、本実施形態のように、インジェクタ１０から吸気ポートを流れる吸気に燃料を噴射する場合、燃料の圧力を高めることなく燃料の微粒化を促進することができる。また、直噴式のガソリンエンジンにインジェクタ１０を適用する場合、エンジン始動時のように燃料の圧力が低いときでも、燃料の微粒化が促進される。その結果、エンジンからの排気に含まれるＨＣおよびスモークの発生を低減することができる。

また、旋回する燃料は噴孔３１を形成する噴孔プレート３０の内壁に沿って流れる。そのため、噴孔３１から噴射される燃料は、噴孔３１の中心軸の延長線上に噴霧を形成する。これにより、噴孔３１の角度を調整することにより、噴霧の形成位置が調整される。したがって、燃料噴霧の形成位置を容易に制御することができる。

第１実施形態では、燃料室５０は弁ボディ２１の凹部２７によって形成されている。これにより、噴孔プレート３０の設計を変更することなく、弁座２３と噴孔３１との間に燃料室５０が形成される。したがって、既存の噴孔プレート３０を用いることができ、構造の複雑化および部品点数の増大を招くことがない。また、燃料室５０を長円形状とすることにより、燃料室５０を形成する弁ボディ２１の凹部２７を容易に加工することができる。

（第２、第３実施形態）
本発明の第２実施形態および第３実施形態によるインジェクタの噴孔の近傍をそれぞれ図５または図６に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態では、図５に示すように噴孔プレート３０は燃料室５０を形成する凹部３４を有している。凹部３４は、噴孔プレート３０の弁ボディ２１側の端部に設置されている。これにより、弁ボディ２１と噴孔プレート３０との間には燃料室５０が形成される。
第２実施形態では、弁ボディ２１の設計を変更することなく、弁座２３と噴孔３１との間に燃料室５０が形成される。したがって、既存の弁ボディ２１を用いることができ、構造の複雑化および部品点数の増大を招くことがない。

第３実施形態では、図６に示すように弁ボディ２１と噴孔プレート３０との間に燃料室形成部材６０が設置されている。燃料室形成部材６０は、燃料室５０に対応する開口部６１を有している。弁ボディ２１と噴孔プレート３０との間に燃料室形成部材６０を設置することにより、弁座２３と噴孔３１との間に燃料室５０が形成される。
第３実施形態では、燃料室形成部材６０を追加する必要があるものの、弁ボディ２１および噴孔プレート３０の設計を変更する必要がない。したがって、既存の弁ボディ２１および噴孔プレート３０を用いることができる。また、開口部６１の形状を変更することにより、燃料室５０の形状は容易に変更される。これにより、インジェクタ１０を適用するエンジンの要求にあわせて、燃料室５０の形状を容易に変更することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態によるインジェクタの噴孔の近傍を図７に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第４実施形態では、図７に示すように燃料室５０の形状が第１実施例と異なる。第４実施形態では、燃料室５０は矩形状に形成されている。矩形状の燃料室５０は、長軸および短軸を有する帯状である。第４実施形態では、第１実施形態と同様に、燃料室５０における燃料の流れには速度の分布が生じる。これにより、噴孔３１に流入する燃料は旋回流を形成する。

第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態では長円形状の燃料室について、第４実施形態では矩形状の燃料室について説明した。しかし、長軸および短軸を有する帯状の形状であれば、燃料室５０は長円形状または矩形状である必要はない。
また、本発明の複数の実施形態では、噴孔プレート３０に噴孔３１を四つ形成する場合について説明した。しかし、噴孔プレート３０に形成する噴孔３１は四つに限らずそれ以外でもよい。噴孔３１の数は、インジェクタ１０を適用するエンジンに応じて適宜選択可能である。

図３のＩ−Ｉ線で切断した断面図である。 本発明の第１実施形態によるインジェクタを示す断面図である。 図１の矢印III方向から見た矢視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図である。 本発明の第２実施形態によるインジェクタの要部を示す図であって、図１に対応する位置における断面図である。 本発明の第３実施形態によるインジェクタの要部を示す図であって、図１に対応する位置における断面図である。 本発明の第４実施形態によるインジェクタの要部を示す図であって、図３に対応する矢視図である。

符号の説明

１０ インジェクタ（燃料噴射弁）、２１ａ 内壁、２１ 弁ボディ、２２ 開口部、２３ 弁座、２７ 凹部、３０ 噴孔プレート（噴孔部材）、３１ 噴孔、３４ 凹部、５０ 燃料室、６０ 燃料室形成部材

Claims (6)

1. 軸方向の一方の端部に設置される開口部、および前記開口部に接続する円錐状の内壁に弁座を有する弁ボディと、
   前記弁ボディの前記開口部側の端部に設置され、燃料が噴射される噴孔を形成し、前記噴孔の入口側において前記弁ボディとの間に長軸および前記長軸よりも短く前記長軸に対し垂直に交差する短軸を有する形状であって前記長軸が前記開口部の内径よりも長く前記短軸が前記開口部の内径よりも短い燃料室を形成する噴孔部材とを備え、
   前記噴孔部材は、前記円錐状の内壁によって絞り込まれまがら前記燃料室へ燃料が流入することで前記長軸方向外側へ向かう流れに速度分布を生じ、当該速度分布によって旋回しながら前記噴孔へ燃料が流入するように、前記燃料室の長軸の中心線を挟んで両側に配置され、かつ、前記燃料室の短軸の中心線を挟んで両側に配置される噴孔を形成することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記弁ボディは、前記噴孔部材側の端部に前記噴孔部材とは反対側へ窪んで前記燃料室を形成する凹部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記噴孔部材は、前記弁ボディ側の端部に前記弁ボディとは反対側へ窪んで前記燃料室を形成する凹部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
4. 前記弁ボディと前記噴孔部材との間に設置され、前記弁ボディの前記噴孔側の端部と、前記噴孔部材の前記弁ボディ側の端部とともに前記燃料室を形成する燃料室形成部材をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
5. 前記燃料室は、矩形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
6. 前記燃料室は、長円形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料噴射弁。

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