JP4610631B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関し、特に直噴式エンジンに用いるのに好適な燃料噴射弁に関するものである。

特許文献１に開示されている燃料噴射弁は、第１噴口の下流側出口に、第１噴口よりも大径の第２噴口を同軸に設けた構造であり、この構造においては、第２噴口の深さを変えることによって第１噴口の長さを調整することができる。これにより、第１噴口の長さＬと直径Ｄの比Ｌ／Ｄを調整することができるので、噴霧形状の自由度を向上させることが可能である。また、第１噴口の開口端が直接バルブシート端面に開口していないので、カーボン等のデポジットが第１噴口に付着することを抑制することができる。

特開平９−２７３４５８号公報

しかしながら、特許文献１のように、第１噴口軸の同軸上に第２噴口軸を配置する場合、第１噴口の傾斜角度によっては、第２噴口内壁長さに長い部分（長辺）と短い部分（短辺）が生じ、第１噴口から噴射された噴霧が第２噴口内壁の長辺側に干渉しやすくなる。噴霧との干渉を避けるためには、第２噴口の深さを浅く広く設定しなくてはならないが、それにより第１噴口のＬ／Ｄの設定自由度が小さくなり、また噴口の傾斜角度によっては、第２噴口内壁長さが全周にわたって確保できず、短辺側の長さがゼロとなり、耐デポジット性が悪化する等の問題がある。

従ってこの発明の目的は、第１噴口のＬ／Ｄの設定自由度を大きくでき、耐デポジット性を維持できる燃料噴射弁を提供することである。

本発明によれば、燃料噴射弁は、電磁ソレノイド装置と、この電磁ソレノイド装置により作動されて、バルブシートの弁座に対して離接して、バルブシートの端面に対して傾斜した軸心を持つ噴口からの燃料の噴射を制御する弁体を有する弁本体とを備え、上記噴口が、上記弁座の下流側に設けられた第１噴口と、上記第１噴口よりも下流側に設けられ、上記第１噴口よりも大径の第２噴口とを備えた燃料噴射弁において、上記第１噴口の中心軸と上記第２噴口の中心軸とは平行であり、上記第２噴口の底壁は上記第１噴口の中心軸に対して直交しており、上記バルブシートの中心軸と上記第２噴口の中心軸とを含む垂直平面が上記第２噴口の内壁と交わる長辺線の最大長さをＭ１とし、上記垂直平面が上記第２噴口の内壁と交わる短辺線の最小長さをＭ２とし、上記垂直平面内で測った上記第１噴口の内壁から上記第２噴口の長辺線までの距離をＷ１とし、上記垂直平面内で測った上記第１噴口の内壁から上記第２噴口の短辺線までの距離をＷ２として、Ｍ１＞Ｍ２のときＷ１＞Ｗ２となるように第２噴口の中心軸を第１噴口の中心軸に対して偏心させたことを特徴とするものである。

燃料噴霧パターンと第２噴口内壁との間の距離を広げることができるので、噴霧燃料が干渉することなく第２噴口の深さをより深く設定することができ、第１噴口の自由度を向上させると共に、耐デポジット性に有利な形状とすることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の燃料噴射弁の一実施の形態を示す断面図であり、図２は図１の円Ａで囲んだ部分の拡大断面図であり、図３は図２の噴口の部分の拡大断面図であり、図４は図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見た噴口の位置関係を示す図である。

これらの図において、燃料噴射弁１は、電磁力を発生させるソレノイド部２と、弁本体３とを備えている。ソレノイド部２には、固定鉄心であるコア４、非磁性部材で構成されるリング５、ホルダ６およびハウジング７から磁気回路が構成されており、ハウジング７内にはターミナル８に接合されたコイル９が収納されている。弁本体３は、弁座１１ｂと、少なくとも一つ以上の噴口１０を有するバルブシート１１とガイド１２が固定されたボディ１３と、可動鉄心であるアマチュア１４を有し、ボディ１３とガイド１２に摺動可能に挿入され開閉動作するニードルである弁体１５とを備えている。弁本体３とバルブシート１１の弁座１１ｂとの間のシール力は、コア４内部に設置されていてロッド１７の長さにより所定のスプリング力に設定されるスプリング１６のスプリング力と、シート径１８（図２）により定められるシート面積に燃圧が印加されることによって生じる流体圧力とによって決定される。

図示しない制御コントローラからの開弁信号によりコイル９が励磁されると、可動鉄心であるアマチュア１４が固定鉄心であるコア４に吸引され、スプリング力と燃圧により発生した流体力の合計であるシール力を吸引力が上回った時点で開弁する。その際、シート部の開口面積は弁体１５がストッパ１９に当接することで規制されるリフト量により決定される。閉弁時は制御コントローラからの閉弁信号によりコイル９の励磁が無くなり、スプリング力によって閉弁されることになる。

燃料の流れについては、図示しない燃料ポンプより高圧に印加された燃料が、図示しないデリバリーパイプを経由して燃料噴射弁１まで高圧燃料が供給される。閉弁時は燃料噴射弁１内部の弁体１５とバルブシート１１の弁座１１ｂまで高圧燃料で満たされることになる。図示しない制御コントローラからの開弁信号により弁体１５が開弁し、まずシート部下流のキャビティ２０に高圧燃料が流入する。キャビティ２０が高圧燃料で満たされた後、噴口１０から燃焼室内にそれぞれ所定の方向に向かって噴射される。

噴口１０の構成について説明する。噴口１０は第１噴口２１と、第１噴口２１に接続されたより大径の第２噴口２２とを備え、第１噴口２１の入口はキャビティ２０に開口しており、第２噴口２２は第１噴口２１の下流側に連通して設けられ、第２噴口２２の出口はバルブシート１１の燃焼室側のバルブシート端面１１ａに傾斜して開口している。

第１噴口２１の長さをＬ、直径をＤ、第２噴口２２の深さをＭ、直径をＥとすると、Ｍ＞Ｄの関係である。また、第２噴口２２の深さＭを変えることにより第１噴口２１の長さＬを調整することができるので、第１噴口のＬ／Ｄを任意に設定することができる。Ｌ／Ｄによって噴霧形状をコントロールすることが可能であり、一般的にＬ／Ｄが小さいと噴霧角度αが大きくなり、Ｌ／Ｄが大きいと噴霧角度αは小さくなることが知られている。なお、Ｌ／Ｄの設定は各噴口それぞれに異なった設定で適用できる。

また、特に直噴エンジンにおいては、噴口にカーボン等のデポジットが堆積することによって噴口面積が減少し、流量が小さくなる問題があるが、本構造においては、流量を決定する第１噴口２１が直接バルブシート端面１１ａに開口していないため、燃焼の火炎が第１噴口２１に接触しにくくなり、第１噴口２１の温度の上昇を緩和できる。そのため、デポジットの堆積を抑制することができる。さらに、第１噴口２１の中心軸２１ａと第２噴口２２の中心軸２２ａは平行であり、第２噴口２２の底壁２２ｂは、第１噴口２１の中心軸２１ａに直交している。これにより、第１噴口２１の、底壁２２ｂへの開口縁の形状が円となり、開口縁から噴霧が均一に噴射されるため、噴霧形状の安定化が図れる。

図３および４において、噴口１０は、弁座１１ｂ（図２）の下流側でキャビティ２０に連通して設けられた円筒形の第１噴口２１と、この第１噴口２１よりも下流側に接続されて、第１噴口２１よりも大径の円筒形の第２噴口２２とを備えている。また、第１噴口２１の中心軸２１ａと第２噴口２２の中心軸２２ａとは互いに平行で、バルブシート１１の燃焼室に面したバルブシート端面１１ａに対して角度θだけ傾斜している。また、第２噴口２２が第１噴口２１に接続された端部、すなわち第２噴口２２の底壁２２ｂは、平坦な端面となっていて、第１噴口２１の中心軸２１ａに対して直交している。

第２噴口２２の内壁は円筒面であって、傾斜したバルブシート１１のバルブシート端面１１ａに交わっているため、内壁の軸方向長さがその周方向位置に応じて相違していて、最大長さ（内壁長辺の長さ）Ｍ１と、最小長さ（内壁短辺の長さ）Ｍ２とが形成される。図３および４に示すように、最大長さＭ１および最小長さＭ２は、第２噴口２２の中心軸２２ａとバルブシート１１の中心軸１１ｂを含む垂直平面２２ｃが第２噴口２２の内壁の円筒面に交わる長辺線ｍ１および短辺線ｍ２の長さとして現れる。この例では、垂直平面２２ｃは平面であるバルブシート１１のバルブシート端面１１ａに垂直な面となる。

図示の燃料噴射弁においては、垂直平面２２ｃ上の第１噴口２１の内壁の位置から第２噴口２２の長辺線ｍ１までの中心軸２２ａに垂直な方向の距離をＷ１、垂直平面２２ｃ上の第１噴口２１の内壁の位置から第２噴口２２の短辺線ｍ２までの垂直な方向の距離をＷ２とすると、Ｍ１＞Ｍ２のとき、Ｗ１＞Ｗ２となるように第２噴口２２の中心軸２２ａを第１噴口２１の中心軸２１ａに対して偏心ｅさせてある。換言すれば、第２噴口２２の第１噴口２１に対する偏心ｅは垂直平面２２ｃ内で長辺線ｍ１の方向に（Ｗ１−Ｗ２）／２の大きさである。

このような中心軸２１ａと２２ａとの間の偏心ｅにより、第１噴口２１から噴射される燃料の噴霧パターン２４の外郭表面と、長辺線ｍ１と短辺線ｍ２との間のそれぞれのバルブシート端面１１ａに沿った距離Ｎ１およびＮ２を確保することができ、噴霧パターン２４との干渉に対する余裕ができるので、第２噴口の深さＭをさらに深く設定することが可能となり、噴口のＬ／Ｄの設定範囲を広げることができる。このようにして、第１噴口２１と第２噴口２２とが軸整列した従来のものに比較してＮ１が大きくなりＮ２が小さくなっている。

ここで、第２噴口２２は図５に示すように、第２噴口２２の深さＭを調整するだけであれば、必ずしも全周にわたって円筒形の内壁を有する必要がなく、短辺線ｍ２が無く、最小長さＭ２＜０となってもよい。しかしこの場合、Ｍ２＜０となる箇所から燃焼時の火炎が第２噴口内に進入しやすくなるため、第１噴口２１の温度が上昇し、耐デポジット性が悪化する。耐デポジット性の悪化を防止するためには、第２噴口２２の内壁の最小長さＭ２＞０として、全周にわたり円筒形の内壁を有する形状とすればよい。

また、図２に示すように、第２噴口２２の形状を円柱状とすることにより、同一加工ツールで第２噴口２２の直径Ｅを変えずに深さＭのみを容易に変えることができるので、加工性の面で有利である。

なお、噴霧パターン２４の角度をαとした場合、噴霧パターン２４と第２噴口２２との干渉を回避するためには、第２噴口２２の長辺線ｍ１の長さはｔａｎ^−１（Ｗ１／Ｍ１）＞α／２、かつ短辺線ｍ２の長さはｔａｎ^−１（Ｗ２／Ｍ２）＞α／２である必要があり、噴霧干渉を防ぐための最適な寸法は図６に示すとおり、ｔａｎ^−１（Ｗ１／Ｍ１）＝ｔａｎ^−１（Ｗ２／Ｍ２）すなわちＷ１／Ｍ１＝Ｗ２／Ｍ２の場合である。よって、第１噴口２１と第２噴口２２の偏心ｅは、Ｗ１／Ｍ１＝Ｗ２／Ｍ２となるよう設定することが望ましい。この場合、噴霧干渉がおこる噴霧角度α未満の噴霧パターン２４の角度に設定すれば、噴霧パターン２４と第２噴口２２との干渉を回避できる。換言すれば、図６に示すものは、燃料噴霧パターンの外郭部と噴口の開口部とがほぼ一致した場合であり、第２噴口２２の深さＭを最も深く設定できる形態である。

実施の形態２．
図７には、この発明の燃料噴射弁の第２の実施形態を示す。この例では、バルブシート１１のバルブシート端面１１ａは平面でなく、円錐形の凸形状になっていて、円錐面である。この場合も同様に、Ｗ１＞Ｗ２となる方向（最大長さＭ２の長辺線ｍ１から最短長さＭ１の短辺線ｍ２の方向）に、第２噴口２２の中心軸２２ａを偏心量ｅだけ偏心させることにより、噴霧パターン２４の干渉を避けることができるので、第２噴口２２の深さＭをより深く設定できるようになる。この場合も、バルブシート１１のバルブシート端面１１ａが平面ではないが、このバルブシート端面１１ａの中心軸１１ｃと第２噴口２２の中心軸２２ａとを通る垂直平面２２ｃと第２噴口２２の円筒形の内壁面とが交わる線が長辺線ｍ１および短辺線ｍ２となる。

実施の形態３．
図８にはこの発明の燃料噴射弁の第３の実施形態を示す。この例では、第２噴口２２の底壁２２ｂと円筒形内壁２２ｄとの間にテーパ壁２２ｅが接続されていて、第２噴口２２と噴霧パターン２４との間にできるデッドボリューム２３を小さくすることができる。このように、第２噴口２２は、少なくとも一部が円柱形状であるようにすることも、少なくとも一部が出口側に向かって末広がりとなるテーパ形状であるようにすることもできる。

このような構成により第２噴口２２の容積が小さくできるので、噴射後に第２噴口２２内に残留する燃料量を少なくできる。残留燃料はデポジットの生成材料であるため、本実施形態により第２噴口２２内に堆積するデポジットの量を減らすことができる。第２噴口内のデポジット堆積量を減らした方がよい理由は、第２噴口２２の内壁にデポジットが堆積すると、デポジットの厚み分だけ噴霧パターン２４が干渉されやすくなるためである。

この発明の燃料噴射弁の一実施の形態を示す断面図である。 図１の円Ａで囲んだ部分の拡大断面図である。 図２の噴口部分の拡大断面図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 最小長さＭ２＜０とした場合の噴口を示す拡大断面図である。 燃料噴霧パターンの外郭部と噴口の開口部とがほぼ一致した場合を示す拡大断面図である。 この発明の燃料噴射弁の別の実施の形態においてバルブシート端面が円錐形である場合の噴口部分の拡大断面図である。 この発明の燃料噴射弁の更に別の実施の形態において第２噴口がテーパ壁を持つ場合の噴口部分の拡大断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、２ 電磁ソレノイド装置、３ 弁本体、１０ 噴口、１１ バルブシート、１１ｂ 弁座、１１ｃ 中心軸、１５ 弁体、２１ 第１噴口、２１ａ 中心軸、２２ 第２噴口、２２ａ 中心軸、２２ｂ 底壁、２２ｃ 垂直平面、２２ｅ 内壁、ｅ 偏心、ｍ１ 長辺線、ｍ２ 短辺線。

Claims (6)

1. 電磁ソレノイド装置と、この電磁ソレノイド装置により作動されて、バルブシートの弁座に対して離接して、バルブシートの端面に対して傾斜した軸心を持つ噴口からの燃料の噴射を制御する弁体を有する弁本体とを備え、
   上記噴口が、上記弁座の下流側に設けられた第１噴口と、上記第１噴口よりも下流側に設けられ、上記第１噴口よりも大径の第２噴口とを備えた燃料噴射弁において、
   上記第１噴口の中心軸と上記第２噴口の中心軸とは互いに平行であり、共に上記バルブシートの端面に対して傾斜しており、
   上記第２噴口の底壁は、上記第１噴口を全周に亘って囲み、上記第１噴口の中心軸に対して直交した平面であり、
   上記バルブシートの中心軸と上記第２噴口の中心軸とを含む垂直平面が上記第２噴口の内壁と交わる長辺線の最大長さをＭ１とし、上記垂直平面が上記第２噴口の内壁と交わる短辺線の最小長さをＭ２とし、上記垂直平面内で測った上記第１噴口の内壁から上記第２噴口の長辺線までの距離をＷ１とし、上記垂直平面内で測った上記第１噴口の内壁から上記第２噴口の短辺線までの距離をＷ２として、Ｍ１＞Ｍ２のときＷ１＞Ｗ２となるように第２噴口の中心軸を第１噴口の中心軸に対して偏心させたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 上記第２噴口は上記第１噴口に対して上記垂直平面内で長辺線の方向に（Ｗ１−Ｗ２）／２だけ偏心していることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
3. Ｗ１／Ｍ１＝Ｗ２／Ｍ２の関係としたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃料噴射弁。
4. Ｍ２＞０としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
5. 上記第２噴口は、少なくと一部が円柱形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
6. 上記第２噴口は、少なくとも一部が出口側に末広がりとなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。

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