JP4529992B2 - 噴孔プレートおよびそれを備えた燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、噴孔プレートおよびそれを備えた燃料噴射弁に関し、例えば内燃機関に燃料を噴射する噴孔プレートおよびそれを備えた燃料噴射弁に適用して好適なものである。

燃料噴射弁としては、例えば内燃機関の気筒に燃料を直接噴射するものが知られている（特許文献１参照）。この種の燃料噴射弁では、噴孔から噴射させた燃料を噴孔直下で気筒の燃焼室内に拡散させる必要がある。

特許文献１の開示する技術では、少なくとも４個以上の複数の噴孔を一重の環状に配置し、複数の噴孔から噴射される燃料噴霧を、全体として中空円錐状に形成している。この技術では、噴孔の軸を、板厚方向に延びる噴孔プレートの中心軸に対して噴孔入口側から噴孔出口側に向かうほど離間するように傾斜させている。

上記噴孔は横断面形状が円形であり、上記の如く、噴孔軸が噴孔プレート軸に対して傾斜していることから、噴孔出口の開口形状は楕円状に形成されている。
特開２０００−３８９７４号公報

特許文献１の技術による燃料噴射弁では、噴孔プレートに形成される噴孔が燃焼室内の高温ガスに晒される環境にあるため、燃料噴射後に噴孔の周囲に吹き残った残留燃料が、デポジット（炭素系の化合物）に変質して堆積すると、噴孔を塞ぐおそれがある。噴孔を塞ぐようなことがなくとも、噴孔は燃料微粒化のために１００μｍ程度の微細な孔であるため、デポジットが噴孔内部までに浸入する程度に成長すると、燃料噴霧状態に悪影響を及ぼすなど、燃料噴射特性としての燃料噴射量が低下もしくは変動する場合がある。

発明者らは、上記噴孔プレートにおけるデポジット生成を鋭意研究し、その結果、以下の事項を見出した。

即ち、噴孔出口側の周縁部に一様にデポジットが成長するのではなく、噴孔出口側の上記楕円状の開口部のうちの、長径方向の外側周縁部にデポジットが成長し、固着し易いことを見出した。この噴孔出口側の開口部の縦断面において、長径方向の外側周縁部は、噴孔内周面に対して鈍角に形成されており、鋭角に形成された長径方向の内側周縁部に比べて噴射切れが悪いことから、燃料噴射後に燃料が吹き残ってしまうのである。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、噴孔の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に吹き残ってしまう燃料の低減が可能な噴孔プレートおよびそれを備えた燃料噴射弁を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。

即ち、請求項１乃至４に記載の発明では、内燃機関へ燃料を噴射する噴孔が形成された噴孔プレートであって、噴孔の孔軸が、板厚方向に延びる噴孔プレートの中心軸に対して、入口側から出口側に向かうほど離間するように傾斜し、噴孔プレートの内燃機関の燃焼室に臨む噴孔の出口部は、孔軸に略直交する外周縁部が形成されている噴孔プレートにおいて、
環状に複数配置される噴孔は、段差部が形成される噴孔プレートにおいて当該段差部により板厚が変化する遷移領域に、形成されており、これら各噴孔の外周縁部は、噴孔プレートにおける段差部のうち孔軸に略直交する面に、形成されていることを特徴とする。

これによると、噴孔プレートの内燃機関の燃焼室に臨む噴孔の出口部を、孔軸に略直交する外周縁部に形成しているので、噴孔の出口側の周長を最短化することができる。これにより、燃料噴射後に吹き残る燃料の低減が図れる。

しかも、噴孔内周面に対する外周縁部の角部角度は略直角に形成されるため、従来技術の如く鈍角になる部分が生じるのを回避可能であるので、噴射切れの向上が図れ、これにより更に燃料噴射後に吹き残る燃料の低減ができる。

したがって、噴孔出口側の周縁部に、燃料噴射後に吹き残ってしまう燃料の低減ができる。それ故、燃料噴射後に吹き残った燃料がデポジットに成長する場合があったとしても、燃料噴射後に吹き残る燃料自体が低減されるので、デポジット固着量の低減ができる。

上記噴孔プレートの中心軸に対して孔軸が傾斜して形成される噴孔において、請求項２に記載の如く、中心軸に対する前記孔軸の傾斜角が、２５°〜６０°の範囲にあることが好ましい。

これによると、噴孔から噴射される燃料の微粒化向上を図るととともに、燃料噴射後に吹き残る燃料の低減が図れる。上記傾斜角が２５°未満の場合には周長自体の低減効果が小さい。しかも噴孔プレートの噴孔の入口側から流入する燃料は、その傾斜角が小さい故に高い乱れエネルギーを内包しないため、高い乱れエネルギーを利用した燃料微粒化が図れない。また、上記傾斜角を大きくすることで上記乱れエネルギーを高めることは可能であるが、上記傾斜角が６０°を越える場合には、噴孔プレートの中心軸に対して孔軸を傾斜させた状態で噴孔を加工するのが困難となる。

また、上記噴孔が例えば一重の環状に配置される場合において、噴孔は噴孔プレートの板厚の遷移領域に形成されており、これら各噴孔の外周縁部は、噴孔プレートにおける孔軸に略直交する面に形成されていることが好ましい。

これによると、環状配置された噴孔の各外周縁部を孔軸に略直交する面に形成することで、その孔軸に略直交する面が、遷移領域において噴孔が環状配置される周方向に沿って、噴孔の各外周縁部を含む連続面に形成される。

なお、請求項３の記載の如き孔軸に略直交する面は、円錐面台の側面等の略円錐面の一部であるので、円錐面を利用して、噴孔出口側の上記角部角度が直角より鋭角側に僅かに小さく形成される部位を、外周縁部に多く形成することが可能である。

また、請求項４の記載の如き孔軸に略直交する面は、各外周縁部に応じた複数の平面部分を有する多面体を構成しているので、環状配置された噴孔の各外周縁部を、孔軸に直交する面に確実に形成することができる。

請求項５に記載の燃料噴射弁は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の噴孔プレートを備えているので、噴孔の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に吹き残ってしまう燃料を低減することができる。

以下、本発明の噴孔プレートを、具体化した実施形態を図面に従って説明する。

（第１の実施形態）
燃料噴射弁は、
（ａ）燃料通路を形成する内周面に環状の弁座を有する略筒形状を呈する弁ボディと、
（ｂ）この弁ボディ内において軸方向に移動可能に設けられ、弁座に着座することで弁ボディ内において燃料通路を閉じ、弁座から離座することで弁ボディ内において燃料通路を開く弁部材と、
（ｃ）弁座の燃料下流側に設けられ、弁部材の離座により燃料通路から供給された燃料を噴射する噴孔が形成された噴孔プレートとを備えている。

本発明を燃料噴射弁に適用した第１の実施形態を、図１から図３に従って説明する。燃料噴射弁は、例えばガソリン用内燃機関（以下、エンジン）の燃焼室に燃料を直接噴射するものである。この燃焼噴射弁の基本構造は周知なものであり、例えば図３に示すように、弁ボディ１、弁部材としてのニードル２、噴孔プレート３とを備えている。以下の説明において、実施例説明のために、燃料噴射弁の燃料噴射側を下方、その反対側を上方として説明するが、実際のエンジンへの搭載方向とは関係ないものである。

弁ボディ１は、燃料噴射弁のハウジングの一部であり、エンジンの気筒ごとに設けられている燃焼室に燃料噴射弁が露出するように、例えばエンジンシリンダヘッドに取り付けられるインジェクタハウジング（以下、ハウジング）の下部に固定されたものである。上記ハウジングは、略筒状を呈するものであり、上側に外部から燃料が供給される燃料入口が設けられ、外部から加圧圧送された燃料が燃料入口を介してハウジング内に供給される。

上記弁ボディ１は、略筒形状を呈するものであり、弁ボディ１の内周には、上記ハウジング内に供給された燃料が導かれる燃料通路４が形成されている。この燃料通路４を形成する弁ボディ１の内周面には、ニードル２が着座する環状の弁座５が形成されており、弁座５は、弁ボディ１の下部をテーパ状に縮径した形状の弁座円錐面によって形成されている。

ニードル２は、略棒状を呈しており、上記ハウジング内（弁ボディ１内を含む）において軸方向に変位可能に設けられている。

また、燃料噴射弁には、上記ハウジング内においてニードル２を軸方向（上下方向）へ駆動変位させる駆動手段が内蔵されている。この駆動手段は、駆動アクチュエータ（例えば、電磁アクチュエータ、ピエゾアクチューエータ等）によりニードル２を軸方向へ直接駆動するタイプであってもよいし、ニードル２を軸方向へ駆動するための油圧を電動バルブ（例えば、電磁弁、ピエゾアクチューエータ弁等）で制御する油圧駆動タイプであってもよい。

ニードル２の下部は円柱形状を呈しており、その下端には、弁ボディ１の弁座５に着座して弁ボディ１内において燃料通路４を閉塞可能な当接部６が設けられている。この当接部６は、ニードル２の下部の円柱面と、ニードル２の下端に設けられたニードル円錐面との境部によって設けられている。なお、ニードル円錐面の円錐角は、上記弁座円錐面の円錐角より大きいものである。このニードル円錐面の下端、即ちニードル２の下端は平坦に設けられており、ニードル２が弁座５に着座した状態で、ニードル２の下端が噴孔プレート３に接触しないように設けられている。

噴孔プレート３は、弁座５の燃料下流側に設けられるものであり、溶接やリテーニングナット等の固定技術により、弁ボディ１の下端面に密着して固定されている。

噴孔プレート３には、図１（ａ）の噴孔プレートを下面（燃料下流側）３ｂからみた平面図に示すように、複数（本実施例では、８個）の噴孔７が設けられており、噴孔７は、上面（弁ボディ１内に連通する面であって、燃料上流側の面）３ａと、下面（外部にある燃焼室に臨む面）３ｂとを連通するように、噴孔プレート３に開けられている。

噴孔７の数は８個に限るものではなく、２個以上であれば何れでもよい。上記８個の噴孔は、噴孔プレート３の板厚方向に沿って延びる中心軸３ｊを中心として同一円周上に形成されている。即ち、上記複数の噴孔７が、一重の円環状に配置されている。

また、上記噴孔プレート３は略板状に形成されており、上記噴孔が明けられている部位には他の部位より肉厚に形成された段差部３１が形成されている。噴孔７は、段差部３１、即ち略板状の噴孔プレート３の肉厚が変化する遷移領域に形成されている。

図１（ｂ）の噴孔周りを拡大した断面図に示すように、段差部７は、下面３ｂにおいて下方（燃焼室）に向けて突出する凸部であり、上記中心軸３ｊを中心として形成された円錐台状に形成されている。この段差部３１は、先端面３１ａと開口面３１ｂを有している。

噴孔７の出口７１は、図２（ａ）の断面図に示すように、円錐台状の段差部３１のうち、円錐面を形成する開口面３１ｂに開けられており、噴孔プレート３の肉厚の遷移領域に開口している。この開口面３１ｂは噴孔７の孔軸７ｊに対して略直交している。ここで、開口面３１ｂと孔軸７ｊが略直交するとは、開口面３１ｂと孔軸７ｊとがなす第１角度（以下、出口角度）φが、９０°（直角）を中心として８０°〜１００°の範囲にあることである。

これにより、噴孔プレート３の噴孔７の出口７１側の端部（以下、出口部）は、その出口７１の周辺に形成され、孔軸７ｊに対して略直交する開口面３１ｂに形成されている。即ち、噴孔プレート３における噴孔７の出口部は、孔軸７ｊに対して略直交する外周縁部で形成される。

そのような噴孔７の出口７１側の周長は、同一孔径に対して最短の長さになるように形成される。即ち、図７の比較例と比較するように、比較例の出口が楕円形状にあるの対し、本願発明の出口７１の形状は、図２（ｂ）の斜視図に示すように、円形状であるので周長は最短となる。

ここで、図２（ｂ）および図７の噴孔７、９０７は、同一孔径を有するストレート孔で形成されており、比較例における楕円状の噴孔９０７において長径Ｄ１、短径Ｄ２（Ｄ１＞Ｄ２）のうちの、短径Ｄ２は、本願発明の出口７１の直径Ｄと同じ大きさである。

また、上記孔軸７ｊは、図２に示すように、上記噴孔プレート３の中心軸３ｊに対して噴孔７の入口７２から出口７１に向かうほど離間するように傾斜している。その孔軸７ｊと中心軸３ｊとがなす第２角度（以下、傾斜角）θは、２５°〜６０°の範囲に設定されていることが好ましい。

本実施形態では、噴孔プレート３の下面（燃焼室に臨む面）３ｂに形成される噴孔７の出口部を、孔軸７ｊに略直交する開口面３１ｂ即ち外周縁部に形成しているので、噴孔７の出口７１側の周長を最短化することができる。これにより、燃料噴射後に吹き残る燃料の低減が図れる。

しかも、噴孔７の内周面に対する開口面３１ａ（外周縁部）の角部角度は略直角に形成されるため、図７（ｂ）の比較例の長径Ｄ２方向の外側の角部の如く、鈍角になる部分が生じるのを回避可能である。鈍角になるのを回避できる故に、噴射切れの向上が図れ、これにより更に燃料噴射後に吹き残る燃料低減ができる。

したがって、噴孔７の出口７１側の周縁部に、燃料噴射後に吹き残ってしまう燃料の低減ができる。それ故、燃料噴射後に吹き残った燃料がデポジットに成長する場合があったとしても、燃料噴射後に吹き残る燃料自体が低減されるので、デポジット固着量の低減がされる。

また、本実施形態では、噴孔７の孔軸７ｊと噴孔プレート３の中心軸７ｊのなす傾斜角θが、２５°〜６０°の範囲に設定されている。これにより、噴孔７の出口７１側の周縁部において、デポジット固着量の低減ができるとともに、噴孔７から噴射される燃料の微粒化が図れる。

上記傾斜角θが２５°未満の場合には、図６に示すように周長自体の低減効果が小さい。しかも噴孔プレート３の噴孔７の入口７２側から流入する燃料（例えば図３の実線に示す燃料流れ）は、その傾斜角θが小さい故に高い乱れエネルギーを内包しないため、高い乱れエネルギーを利用した燃料微粒化が図れない。

上記傾斜角θを大きくすることで上記乱れエネルギーを高めることは可能であるが、傾斜角が６０°を越える場合には、噴孔プレート３の中心軸３ｊに対して孔軸７ｊを傾斜させた状態で噴孔７を加工するのが困難となる。

また、本実施形態では、上記開口面３１ｂは、円錐台状の段差部３１における円錐面の一部である。これにより、円錐面を利用して、円錐面状の開口面３１ｂの周方向側と噴孔７の内周面がなす角部角度は、上記角部角度φで形成される直角より鋭角側に僅か小さく形成される。即ち円錐面状の開口面３１ｂと噴孔７の内周面がなす角部角度が直角より鋭角側に小さく形成される部位を、噴孔７の出口７１側の外周縁部に、多く形成することが可能である。鈍角になるのを確実に回避できる故に、噴射切れの向上が一層できる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰返さない。

第２の実施形態を図４に示す。第２の実施形態は、噴孔プレート３の段差部３１において、開口面を、噴孔７の数に応じた平面部分を有する多面体に形成する一例を示すものである。図４は、本実施形態に係わる噴孔プレートを示す平面図である。図５は、図４の噴孔プレートに形成された噴孔周りを示す拡大断面図である。

図４に示すように、段差部３１は、複数（本実施例では、８個）の平面部分を有する多面体に形成されており、各平面部分は、開口面１３１ｂに相当している。

これにより、環状配置された８個の噴孔７の外周縁部を、その噴孔７ごとに確実に、孔軸７ｊに直交する開口面１３１ｂに形成することができる。

（他の実施形態）
以上説明した本実施形態では、孔軸７ｊに直交する出口７１側の開口面３１ｂ、１３１ｂを、段差部３１に形成された円錐台状の円錐面、あるいは多面体の平面部分に形成するものとして説明した。噴孔プレートに噴孔を形成する部位としては、これらの段差部に限らず、噴孔プレートの板厚が変化する遷移領域に形成してもよい。この場合、環状配置された噴孔に応じて孔軸に略直交する面に形成することで、その孔軸に略直交する開口面は、遷移領域において噴孔が環状配置される周方向に沿って、噴孔の各外周縁部を含む連続面に形成される。
（２）以上説明した本実施形態において、本願発明の噴孔プレート３を、噴孔プレートを有し、燃料を燃焼室に直接噴射する燃料噴射弁に適用した。このような燃料噴射弁では、噴孔プレート３の下面（燃焼室に臨む面）３ｂに形成される噴孔７の出口部を、孔軸７ｊに略直交する開口面３１ｂ、１３１ｂに形成しているので、噴孔７の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に吹き残ってしまう燃料を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係わる噴孔プレートを示す図であって、図１（ａ）は燃料流れの下流側からみた平面図、図１（ｂ）は断面図である。平面図である。 図１（ｂ）中の噴孔プレートに形成された噴孔周りを示す拡大図であって、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中の噴孔の出口側からみた斜視図である。 図１の噴孔プレートを適用した燃料噴射弁の燃料噴射部を示す断面図である。 第２の実施形態に係わる噴孔プレートを示す平面図である。 図４の噴孔プレートに形成された噴孔周りを示す拡大断面図である。 噴孔プレートの中心軸に対する噴孔の孔軸の傾斜角の適用範囲を示すグラフである。 比較例の噴孔プレートに形成された噴孔周りを示す拡大図であって、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）中の噴孔の出口側からみた斜視図である。

符号の説明

１ 弁ボディ
２ ニードル（弁部材）
３ 噴孔プレート
３ａ 上面（噴孔入口側の端面）
３ｂ 下面（噴孔出口側の端面、燃焼室に臨む端面）
３ｊ 中心軸
３１ 段差部
３１ａ 先端面
３１ｂ 開口面（孔軸に直交する面）
４ 燃料通路
５ 弁座
６ 当接部
７ 噴孔
７ｊ 孔軸
７１ 入口
７２ 出口

Claims (5)

1. 内燃機関へ燃料を噴射する噴孔が形成された噴孔プレートであって、
   前記噴孔の孔軸が、板厚方向に延びる前記噴孔プレートの中心軸に対して、入口側から出口側に向かうほど離間するように傾斜し、前記噴孔プレートの前記内燃機関の燃焼室に臨む前記噴孔の出口部は、前記孔軸に略直交する外周縁部が形成されている噴孔プレートにおいて、
   環状に複数配置される前記噴孔は、段差部が形成される前記噴孔プレートにおいて当該段差部により板厚が変化する遷移領域に、形成されており、これら各噴孔の前記外周縁部は、前記噴孔プレートにおける前記段差部のうち前記孔軸に略直交する面に、形成されていることを特徴とする噴孔プレート。
2. 前記中心軸に対する前記孔軸の傾斜角は、２５°〜６０°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の噴孔プレート。
3. 前記噴孔プレートの前記内燃機関の燃焼室に臨む端面において、
   前記孔軸に略直交する面は、略円錐面の一部であることを特徴とする請求項２に記載の噴孔プレート。
4. 前記噴孔プレートの前記内燃機関の燃焼室に臨む端面において、
   前記孔軸に略直交する面は、前記各外周縁部に応じた複数の平面部分を有する多面体を構成していることを特徴とする請求項２に記載の噴孔プレート。
5. 弁部材と、
   前記弁部材に着座および離座する弁座と、
   前記弁座の燃料下流側に配置されて燃料を噴射する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の噴孔プレートと、
   を備えていることを特徴とする燃料噴射弁。

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