JP5089722B2 - 燃料噴射弁および燃料噴射システム - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関に使用され、その内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に関するものである。

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の微粒化の向上が求められている。

例えば、特許文献１としての特開２００７−１８２７６７号公報では、噴孔プレートの上流に積層プレートを配置して積層プレートと噴孔プレートとの間を燃料通路とし、噴孔を燃料通路のコーナー部に配置して噴孔へ流入する燃料に旋回を与えて、噴射燃料を微粒化する手段が示されている。

また、特許文献２としての特許第４２３０５０３号公報では、噴孔プレートの上流に案内プレートを配置し、弁体と弁座の隙間から流出した燃料が案内プレート外周側の円錐側面部の下部を通って噴孔に到り、噴孔内で液膜を形成して噴射燃料を微粒化する方法が示されている。

特許文献３としての特許第４１４７４０５号公報では、噴孔径を比較的小さくして噴射燃料を微粒化する例が示されている。この公報では、比較的小さい噴孔径に合わせて噴孔長さを短くするために噴孔部の噴孔プレート厚さを薄くする一方、噴孔の近傍で噴孔より外周側に噴孔プレートの厚みが増加するテーパー状の段差部を形成し、テーパー部より外側の噴孔プレートを厚くして剛性を高め、微粒化と耐圧性を両立させている。

特開２００７―１８２７６７号公報 特許第４２３０５０３号公報 特許第４１４７４０５号公報

上述した従来の特許文献１に示された燃料噴射弁の燃料流れの様子を図２５に示す。図２６は図２５のIII−III線における断面を示し、図２７は図２５のIV−IV線における断面を示す。図２５において、弁座１１０と弁体１０８の隙間から流出した燃料の一部は直接積層プレート１５０１−１の切り欠き通路Ｃ１から積層プレート１５０１−１と噴孔プレート１１１との間の通路３０１に到る流れＫとなる。図２６または図２７において、切り欠き通路Ｃ１がない断面では弁座面１１０ａの延長線が積層プレート１５０１−１の上面と点Ｐで交わっており、燃料は積層プレート１５０１−１の上面に誘導されて積層プレート１５０１−１の上面に沿う流れＭとなり、積層プレート１５０１−１の上面を横断した後に前記切り欠き通路Ｃ１に流入する。このため、流れＭは流れ経路が長くなり圧力損失が大きい。また流れＭが切り欠き通路Ｃ１の入口で流れＫと衝突し、衝突により流れＫの流速が低下する。

上述した従来の特許文献２に示された燃料噴射弁では、案内プレートの外側が全周燃料通路となっており、また案内プレートの円錐部の角度設定により弁座面の延長線が案内プレートの円錐部の下流側を通っている。このため弁座面から流出した燃料は案内プレート
の上面に流入しにくく、文献1の問題が解決されている。ところが、案内プレートの円錐
部は噴孔への燃料流入をシート部に対して開放しており、シート部を通過した燃料は直線的に噴孔入口に達し、噴孔へ斜め上方から燃料が流入する。このため噴孔内で燃料を片側に押し付ける作用が弱く、燃料の液膜化とそれによる噴射燃料の微粒化が不十分だった。

また、特許文献２では、噴孔上部の燃料通路の高さが噴孔プレートと案内プレートの円錐部との隙間で形成されている。このため案内プレートと噴孔プレートとの位置ズレによって噴孔上部の通路高さが変化し噴孔上部の流路断面積が変化し、燃料噴射弁ごとに流量ばらつきが大きかった。

また、特許文献１では、噴孔入口側に旋回流を発生させて高微粒化噴霧を形成して内燃機関の吸気弁に指向して噴射しているが、噴霧の拡散を抑制するため高微粒化噴霧を牽引する旋回のかからない噴霧を追加しており、これによる微粒化の悪化が懸念された。

また、上述した従来の特許文献３に示された燃料噴射弁では、この燃料噴射弁を燃焼室に近接して配置した場合に問題がある。すなわち、噴孔プレートの下流側表面は燃焼室から吹き返される高温ガスにさらされるが、噴孔付近が外周部よりくぼんでいるため表面積が大きく高温ガスからの受熱が増加する。また、噴孔付近が外周部より薄肉で熱容量が小さく、さらに周辺部への熱伝導性も低い。これらの原因による噴孔の高温化により、噴孔内の残留ガソリンが噴孔内面に固着して微粒化の悪化が懸念される。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料の圧力損失、減速などの流体的なロスを減らし、さらに噴孔内での液膜化を促進し、噴射燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射弁を提供することを目的としている。

また、この発明の他の目的は、部品の位置ばらつきによる性能ばらつきへの影響を減らし、噴射燃料の流量のばらつきを小さくすることができる燃料噴射弁を提供することを目的としている。

また、この発明の他の目的は、微粒化の良好なスワール噴霧形状をコントロールし、吸気弁または吸気管の内壁への燃料付着を低減し、燃費を向上または排出されるハイドロカーボンを低減することができる燃料噴射弁を提供することを目的としている。

また、この発明の他の目的は、噴孔の高温化を抑制し、噴射燃料の微粒化の悪化を抑制することができる燃料噴射弁を提供することを目的としている。

この発明に係わる燃料噴射弁は、弁本体の先端部分に設けられ、弁座面を有する弁座と、前記弁座の弁座面のシート部で離接して燃料通路を開閉する弁体と、前記弁本体の先端部分で前記弁座の下流側に配置され、燃料を外部に噴射する複数の噴孔を有する噴孔プレートとを備えた燃料噴射弁において、前記弁座の内部で前記噴孔プレートの上面に取り付けられ、前記噴孔プレートとの間に径方向通路を形成するとともに前記弁座との間に環状通路を形成し、前記シート部からの燃料流が直線的に前記噴孔に流入しないように前記噴孔を覆う覆体部を設けたカバープレートとを備え、前記弁座面の延長線が前記カバープレートの上面と交わらないようにするとともに、前記シート部からの前記燃料は前記環状通路に流入し前記環状通路から前記径方向通路に流入し前記径方向通路を通って前記噴孔プレートの前記噴孔に供給されるものである。

また、この発明に係わる燃料噴射弁は、弁本体の先端部分に設けられ、弁座面を有する弁座と、前記弁座の弁座面のシート部で離接して燃料通路を開閉する弁体と、前記弁本体の先端部分で前記弁座の下流側に配置され、燃料を外部に噴射する複数の噴孔を有する噴孔プレートと、前記噴孔プレートは前記噴孔位置から半径方向外側に向けて実質的な厚みの増加に伴う形状変化を有するものにおいて、前記噴孔プレートの上面に前記噴孔プレー
トの熱を逃がす放熱プレートを設けたものである。

この発明に係わる燃料噴射弁は、燃料の圧力損失、減速などの流体的なロスを減らし、さらに噴孔内での液膜化を促進し、噴射燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射弁を得ることができる。

また、この発明に係わる燃料噴射弁は、噴孔の高温化を抑制し、噴射燃料の微粒化の悪化を抑制することができる燃料噴射弁を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の図２の矢視Ｉ−Ｉにおける噴孔プレートを示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の噴射部を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の噴射部を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の噴射部を示す拡大断面図である。

この発明の実施の形態２に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁の図９の矢視IＩ−IＩにおける噴孔プレートを示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁における図１０の噴射部の要部拡大図である。

この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁の噴霧特性を説明する特性図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁から噴射される噴霧状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁の図１３の矢視Ａ−Ａ線における噴霧量分布を示す分布図である。

この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁を搭載した燃料噴射システムを示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁を搭載した燃料噴射システムを示す要部構成図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁をスロットルボディに搭載した構成図である。 この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁をスロットルボディに搭載した他の構成図である。

この発明の実施の形態４に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。 この発明の実施の形態５に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。 この発明の実施の形態６に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。 この発明の実施の形態７に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。 この発明の実施の形態８に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。 この発明の実施の形態９に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。

従来の燃料噴射弁を示す要部断面図である。 従来の燃料噴射弁を示す図２５のIII−III線における断面図である。 従来の燃料噴射弁を示す図２５のIV−IV線における断面図である。

実施の形態１.
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図７に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁を示す断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の図２の矢視Ｉ−Ｉにおける噴孔プレートを示す平面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。図５はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の噴射部を示す拡大断面図である。図６はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の噴射部を示す拡大断面図である。図７はこの発明の実施の形態１に係わる燃料噴射弁の噴射部を示す拡大断面図である。

これら各図において、燃料噴射弁１は図示しない内燃機関の吸気管に取り付けられ、上部から加圧燃料が供給されている。燃料噴射弁１の下部先端は内燃機関の吸気通路内に臨んでおり、下方に向けて燃料を噴射する。

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の内部にあって、燃料噴射弁１の先端部分に設けられた弁座１０と、弁座１０の下流側に設けられた噴孔プレート１１と、弁座１０の内部で噴孔プレート１１の上流に設けられたカバープレート１８と、弁本体９と弁座１０の内面に外周が接する弁体８と、弁体８の上流に設けられた圧縮バネ１４とで構成されている。

弁体８は、中空のロッド８ａの上流側にアマチュア６が設けられており、下流側にボール１３が設けられている。

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の内面にはロッド８ａが圧入、溶接されている。ロッド８ａの下流側にはボール１３が溶接されており、ボール１３には燃料噴射弁１の中心軸Ｙに平行な面取り部１３ａが設けられている。

燃料噴射弁１の先端には、噴孔プレート１１が弁座１０の先端面及び弁本体９の内面に溶接されている。噴孔プレート１１には板厚方向に貫通する複数の噴孔１１ａが開口している。

コイル５への通電がない状態では、弁体８はロッド８ａを介して圧縮バネ１４に下方に押し付けられており、ボール面１３ｃが弁座面１０ａのシート部Ｒ１で接触しており、燃料流路が閉じた状態となっている。

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が上方向へ移動を開始すると、弁座面１０ａからボール面１３ｃが離れ、燃料流路が形成される。アマチュア６の上面６ａがコア４に当接すると、弁体８は全開のストローク状態となる。

この実施形態１の特徴とする噴孔プレート１１とカバープレート１８及び弁座１０、ボール１３の詳細な位置、構造につき、図２および図４、図５に基づいて詳細に説明する。

図３は図２の矢視Ｉ−Ｉにおける噴孔プレート１１の平面図である。噴孔プレート１１には、燃料噴射弁１の中心軸Ｙに対して下流に向けて外側に向かう１０個の噴孔１１ａが円環状に配置されている。噴孔１１ａは内燃機関の吸気弁を指向して図３の左右の２方向に向かう噴孔群に分かれている（２スプレー）。

精密プレスによって製造されるカバープレート１８は、寸法精度が高く、噴孔プレート１１の外周に対してカバープレート１８の外周面１８ｅがほぼ同軸となるよう精度よく位置決めされ、噴孔プレート１１の上面１１ｂに溶接される。

その後、噴孔プレート１１が燃料噴射弁１に組み付けられ、カバープレート１８は弁座面１０ａより内径側でボール１３の下流側に配置される。カバープレート１８の外周面１８ｅと弁座１０の内周面との間には燃料が通過する環状通路Ｃが形成されている。

カバープレート１８の上面１８ａとボール１３の下面１３ｂとの間には、偏平な隙間通路Ａが形成されている。カバープレート１８は外周側に覆体部１８ｂを有し、覆体部１８ｂの下面１８ｃは噴孔プレート１１の上面１１ｂと所定の隙間を持って平行に対面して、環状の径方向通路Ｂを形成している。

噴孔１１ａは径方向通路Ｂの入口から噴孔径Ｄと同一の距離で、径方向通路Ｂの終端面１８ｄから噴孔径Ｄの１／２の距離に開口している。

次に動作について説明する。図示は省略した内燃機関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のボール面１３ｃが弁座面１０ａから離れて両者に間隙が形成され、燃料噴射が開始される。

次に内燃機関の制御装置より燃料噴射弁１の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル５への通電が停止し、弁体８は圧縮バネ１４によって弁座１０側に押され、ボール面１３ｃと弁座面１０ａとは閉じ状態となり、燃料噴射が終了する。

弁体８の開弁時において、燃料はボール１３の面取り部１３ａと弁座１０の内面との間の中心軸Ｙに平行な通路から、ボール面１３ｃと弁座面１０ａの間を下流へ向かいシート部Ｒ１に至る。

シート部Ｒ１の上流では燃料が燃料噴射弁１の中心軸Ｙに平行に流れるため、シート部Ｒ１を通過した後において燃料は慣性により弁座面１０ａに沿う流れが主流となり、弁座面１０ａの下流端の点Ｐ１に達する。Ｐ１で弁座面１０ａは弁座１０の内周へと屈曲するため、燃料は点Ｐ１からはく離する。弁座面１０ａの延長線はカバープレート１８の側面と点Ｐ２で交わっており、点Ｐ１からはく離した燃料は点Ｐ２に向かい環状通路Ｃを通過
して、径方向に大幅な進路変更を伴わずに径方向通路Ｂに流入する。

上記によりシート部Ｒ１を通過する燃料の主流は環状通路Ｃに流入するため、隙間通路Ａへの流入は抑制される。

シート部Ｒ１と噴孔１１ａの入口の点Ｒ２を直線で結んだ線は、カバープレート１８の覆体部１８ｂに交叉しており、覆体部１８ｂはシート部Ｒ１から噴孔１１ａ入口へ燃料の直線的な流入をさえぎっている。このため噴孔１１ａに流入する燃料の少なくとも一部は、径方向通路Ｂに沿う流れとなる。

終端面１８ｄは噴孔１１ａに近接して配置され、燃料噴射弁１の中心軸Ｙ側から噴孔１１ａに流入する戻り流れの流路を閉塞させ、戻り流れの速度を低下させる。戻り流れの抑制によりシート部Ｒ１側から噴孔１１ａに流入する正面流れの速度が相対的に強められる。

正面流れの少なくとも一部が径方向通路Ｂに沿って進行した後に噴孔１１ａ内で大幅な方向変化を強制されること、正面流れが高速であることにより、噴孔１１ａ断面において燃料は燃料噴射弁１の中心軸Ｙ側の噴孔１１ａ内面に強く押し付けられる。

図５の噴孔１１ａ断面において燃料とエアの方向を矢印で表す。噴孔１１ａ入口で、低速な戻り流れは噴孔１１ａ内面に沿う流れαを形成し高速な正面流れは燃料を押し付ける流れβを形成する。エアは噴孔１１ａ出口から噴孔１１ａ入口付近に導入され燃料流れβに作用して、点Ｑを起点とした燃料のはく離を生成する。噴孔１１ａ内を進行するにともない燃料流れは押し付けられ、燃料液膜１ａは噴孔１１ａ内面の円周方向に広がりつつ噴孔１１ａ内面に沿う方向に変化していく。径方向通路高さｇに対して噴孔長さＬが適切であると、噴孔１１ａ内で薄い燃料液膜１ａの状態まで押し付けられる。そして噴射された燃料液膜１ａは、所定の距離を経て分裂を開始し微粒化された液滴が生成される。

図６に示すように、径方向通路高さｇに対して噴孔長さＬが比較的長いと、噴孔１１ａ内で燃料流れの押し付けが完了して噴孔１１ａ内面に沿った燃料液膜１ａが長くなるが、この部分が長いと燃料の乱れが増加してエアの導入量が減少する。エアの導入量の減少に伴い噴孔１１ａ入口での燃料はく離が小さくなり噴孔１１ａ内での燃料液膜１ａが厚くなるため、噴射燃料の微粒化が悪化する。また噴孔長さＬが長いと、せっかく形成された燃料液膜１ａが、表面張力のために太く戻ってしまうこともある。図７に示すように、径方向通路高さｇに対して噴孔長さＬが比較的短いと、噴孔１１ａ内での燃料流が十分に押し付けられない状態で噴射され燃料液膜１ａが形成されないので、噴射燃料の微粒化が悪化する。

実験結果によれば、噴孔径をＤ、噴孔長さをＬとしてＬ/Ｄが０．５から２の範囲にお
いて、Ｌ＜１．５×ｇかつＬ＞０．５×ｇとすれば、噴射燃料の微粒化を比較的良好な範囲とすることができる。なお、径方向通路高さｇはボール１３の位置とは無関係に設定されており、開閉弁の途中でもＬとｇの関係は一定であり噴射期間を通してＬとｇを適正値とすることができるので、噴射燃料の微粒化に有利である。

コイル５に通電が開始され、ボール１３が開弁し始めた噴射初期の状態では、ボール１３と弁座面１０ａとの隙間が小さく、この部分での圧力損失が大きいので、噴孔１１ａの上流にかかる燃料圧力は低く、微粒化の不十分な燃料が噴射される。

ボール面１３ｃの下流側には円錐状の下面１３ｂが形成され、円錐状の下面１３ｄの位置をカバープレート１８の上面１８ａに極力近接するように設定し、噴射初期においても
隙間通路Ａの隙間を極力小さくしている。

噴孔１１ａの上部位置において、カバープレート１８の上面１８ａと円錐状の下面１３ｄとの隙間をｈ、径方向通路高さをｇとしたときに、噴射初期の状態でｈ＜ｇとなるよう隙間を小さく設定している。これにより、噴射初期で、シート部Ｒ１から流出した燃料の隙間通路Ａへの流入を抑制し、シート部Ｒ１から環状通路Ｃを経由して径方向通路Ｂへ流入する燃料割合を増加させている。

カバープレート１８は噴孔プレート１１の中央に位置決めされるが、工作上の限界により若干の位置ずれが発生することがある。このため、噴孔１１ａと径方向通路上面のカバープレート１８の覆体部１８ｂの下面１８ｃとの相対位置はばらつくが、径方向通路上面のカバープレート１８の覆体部１８ｂの下面１８ｃが噴孔プレート１１の上面１１ｂに平行に形成されており、カバープレート１８の位置ばらつきが発生しても噴孔１１ａ上部の通路高さは一定となる。

噴孔１１ａ上部の高さｈと噴孔１１ａの円周長さｊの積によって定義される噴孔１１ａ上部の流路断面積Ｓは流量に影響するが、カバープレート１８の位置ばらつきにかかわらずＳが一定なため、流量ばらつきは無視できるレベルとなる。

カバープレート１８の位置ばらつきにより、噴孔１１ａと終端面１８ｄとの距離が長くなると戻り流れの流路が開放されるが、カバープレート１８の外周面１８ｅで決まる隙間通路Ａの入口から噴孔１１ａまでの距離が短くなり正面流れの経路が短縮されるため、戻り流れの促進と正面流れの促進の同時発生により、結局戻り流れの急増は抑制される。

噴孔１１ａとカバープレート１８の外周面１８ｅとの距離と、噴孔１１ａと終端面１８ｄとの距離をそれぞれ可能な限り最短に設定することにより、噴孔１１ａへの高速な正面流れと低速な戻り流れを実現し噴射燃料が微粒化されるので、径方向通路Ｂの容積Ｖ１は比較的小さく設定できる。

シート部Ｒ１からカバープレート１８の外周面１８ｅまでの通路は、流路の迂回が少なく最低限の流路断面積が確保されていれば噴射燃料の微粒化に影響はなく、シート部Ｒ１からカバープレート１８の外周面１８ｅまでの容積Ｖ２は比較的小さく設定できる。Ｖ１とＶ２の合計よりなるシート部Ｒ１から噴孔１１ａまでの容積Ｖを比較的小さく設定できるため、閉弁後排出される容積Ｖ部分の残留燃料による二次噴射の問題が軽減される。もちろん、噴孔数が１０個に限定されることはない。噴霧パターンも２スプレーに限定されることはない。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係わる燃料噴射弁を図８に基づいて説明する。図８はこの発明の実施の形態２に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図であり、噴孔プレート１１とカバープレート１８及び弁座１０、ボール１３の詳細な位置、構造につき、詳細に説明する。

シート部Ｒ１から連続するボール面１３ｃは、先端部の下面１３ｂと屈曲点Ｐ３で接続している。シート部Ｒ１から流出してボール面１３ｃに沿う燃料は、屈曲点Ｐ３ではく離する。屈曲点Ｐ３におけるボール面１３ｃの接線の延長線はカバープレート１８の側面と点Ｐ４で交わっており、点Ｐ３からはく離した燃料は点Ｐ４に向かい環状通路Ｃを経由して径方向通路Ｂに流入する。

上記によりシート部Ｒ１を通過する燃料のほとんどは環状通路Ｃに流入するため、隙間
通路Ａへの流入は大幅に抑制される。

弁体８の閉弁時において、ボール１３の先端部の下面１３ｂはカバープレート１８の上面１８ａと平行に形成されており、開弁初期においてもほぼ平行な状態となっている。このため、隙間通路Ａ全体の隙間が小さくなっており、燃料の流入が抑制されている。なおボール１３の先端部の下面１３ｂが例えば２ｄｅｇ以下のテーパー形状となっている場合でも、平行な場合と同様な効果を奏する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁を図９ないし図１１に基づいて説明する。図９はこの発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。図１０はこの発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁の図９の矢視IＩ−IＩにおける噴孔プレートを示す平面図である。図１１はこの発明の実施の形態３に係わる燃料噴射弁における図１０の噴射部の要部拡大図である。この実施形態３の特徴とする噴孔プレート１１とカバープレート１８及び弁座１０、ボール１３の詳細な位置、構造につき説明する。

噴孔プレート１１には、燃料噴射弁１の中心軸Ｙに対して下流に向けて外側に向かう４個の噴孔１１ａが配置されている。噴孔１１ａは内燃機関の吸気弁を指向して図１０の左右の２方向に向かう噴孔群に分かれている（２スプレー）。

噴孔プレート１１の上面１１ｂには溝が形成され、溝は各噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４の周囲に一部分が円弧形状を有する旋回室１１ｃと、旋回室１１ｃにつながる細長い助走通路１１ｄに分けられる。旋回室１１ｃの内面１１ｅは助走通路１１ｄの片側の側面１１ｆと接線方向に接続している。旋回室１１ｃは噴孔の周りに助走通路１１ｄの開口部を除く約２７０度の円弧形状を有している。

旋回室１１ｃと助走通路１１ｄの接続位置において、助走通路１１ｄの通路幅の中心線Ｗは旋回室１１ｃの中心に対してオフセットＥを持っている。助走通路１１ｄの燃料入口部から旋回室１１ｃとの接続位置までの長さＸ２は、助走通路１１ｄの幅Ｘ１より長く設定されている。助走通路１１ｄの通路幅の中心線Ｗは、燃料入口部におけるカバープレート１８中心からの放射線方向に対して角度θを持っている。

図１０において噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４、旋回室１１ｃおよび助走通路１１ｄは噴孔プレート１１の中心に対して上下および左右が対称に形成されている。

円盤形状のカバープレート１８がボール１３の下流側で、噴孔プレート１１の上面１１ｂに溶接されて配置される。カバープレート１８は弁座面１０ａより内径側で燃料噴射弁１の中央に配置され、カバープレート１８の外周面１８ｅと弁座１０の内周面との間には環状通路Ｃが形成されている。カバープレート１８の上面１８ａとボール１３の下面１３ｂとの間には、平行な隙間通路Ａが形成されている。カバープレート１８の覆体部１８ｂの下面１８ｃと噴孔プレート１１の溝底面１１ｇとは所定の間隔を持って平行に対面して径方向通路Ｂを形成している。

弁体８の開弁時において、シート部Ｒ１から環状通路Ｃを通過した燃料は、径方向に大幅な進路変更を伴わずに助走通路１１ｄに侵入する。助走通路１１ｄはＸ１＜Ｘ２の細長い通路としているため、助走通路１１ｄの入口でカバープレート１８の外周の法線方向からの助走通路１１ｄに侵入した燃料は、助走通路１１ｄの側面１１ｆに沿った流れに強制されて旋回室１１ｃに到る。

旋回室１１ｃの中心に対してオフセットして流入した燃料の一部は、噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４の一部が助走通路１１ｄに露出しているため噴孔入口の助走通路１１ｄ側の点ｄから約４５°時計回りに回転した点ａからほぼ接線方向で噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４に流入し、残りは旋回室１１ｃの内面１１ｅにガイドされて方向変化し、点ａと助走通路１１ｄと反対側の点ｂの間で旋回室１１ｃの内面１１ｅから噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４に流入する。点ｂよりさらに時計回りにわずかに回転した点ｃと点ｄの間で噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４に流入する燃料は、助走通路１１ｄからきた燃料が180
度以上方向変化しているため流速が低下している。

また、この間では噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４と旋回室１１ｃの内面１１ｅとの間隔が一定であり噴孔周りの流路が縮小しないため、ほとんどの燃料が噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４に流入しないで助走通路１１ｄ側に還流する。実質的には点ａから点ｂの間で噴孔１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４に流入した燃料が主流となり、噴孔内面で部分的に液膜を形成する。

遠心力で噴孔内面に押し付けられて螺旋状に運動する燃料は、噴孔入口の点ａから点ｂに対して所定角度回転した位置で噴孔出口に達する。旋回エネルギーが同じであれば回転角度は噴孔の長さに依存するため、噴孔部の噴孔プレート１１の厚さを変えることにより噴孔出口の燃料が噴射される位置を調整できる。噴射された燃料は、例えば断面が約１／２円の三日月状の液膜が、下流に向かって部分的に円錐状に広がるスワール噴霧を形成し、所定の距離を進み薄膜となって液膜分裂を開始し、微粒化された液滴が生成される。

ところで、上述した実施形態１または実施の形態２における非スワール噴霧と、スワール噴霧の液膜厚さを図１２に示す。実験結果から非スワール噴霧の場合は噴孔径φ０．２の１／２の液膜厚さｔ１＝０．１となっており、噴射後も液膜の広がりがなく、液膜厚さｔ１で液膜の分裂が開始される。スワール噴霧の場合は、噴孔内面の１／２の範囲に液膜が形成され、はさみ角１０°の部分的円錐形で噴射されると、仮に最短で噴孔出口から１ｍｍ以下で液膜が分裂するとしても、その位置では液膜厚さｔ３が０．０６と非スワール噴霧の液膜厚さｔ１の約６０％となり、微粒化度合いが改善される。種々の噴霧の液膜分裂を観察した結果、燃料圧力０．３ＭＰａのポート噴射では、最短で噴孔出口から５ｍｍ程度のところで液膜分裂が始まるようであり、スワール噴霧による微粒化効果が大きいことがわかっている。

図９の燃料噴射弁１の噴孔下流における燃料噴射弁１の中心軸Ｙに垂直な断面の右側の噴孔１１ａ―1と１１ａ―４から噴射される燃料の分布形状例を図１３および図１４に示
す。図１４（１）から図１４（３）の例は、噴孔ごとの噴孔長さをそれぞれ変えて噴孔内での液膜の回転角度を変えることにより、噴孔下流における噴霧断面形状を異なるものとしている。

燃料は、噴孔１１ａ−１と１１ａ−４からそれぞれ三日月状の噴霧断面形状で噴射され、図１４（１）では両者が中心点のほぼ反対側に形成されて中空円状に、図１４（２）では両者がほぼ重なり三日月状に、図１４（３）では両者が若干の重なり部を有したＣ形状の噴霧断面形状が形成される。公知のスワール噴霧は前記の噴霧断面形状が全周につながった円形となる中空の円錐噴霧であり、噴霧の拡散抑制や噴霧形状調整ができなかった。実施形態3では各噴孔からの三日月状の噴霧の組み合わせにより噴霧形状がコントロール
され、内燃機関の様々な要求への柔軟な対応が可能である。

ところで、上述した実施の形態３の燃料噴射弁１を搭載した吸気ポート燃料噴射システムを図１５に示す。当該燃料噴射システムは、内燃機関に装着された各種センサ３０と、
各種センサ３０からのセンサ信号に基づきプログラムに従って演算を行う制御装置３１と、制御装置３１に接続し噴射信号によって燃料噴射弁１に通電する駆動回路３２と、内燃機関の吸気管またはシリンダヘッドに搭載され２つの吸気弁２２を臨む上述した実施の形態３の燃料噴射弁１で構成される。

制御装置３１より、各種センサ３０からの入力情報に基づき運転状態に応じて駆動信号が発信されると、駆動回路３２により燃料噴射弁１に電流が通電され噴射が開始される。燃料噴射弁１は、吸気通路内壁２１に比べて高温化される吸気弁２２をねらって噴射できる位置および方向に取り付けられて、吸気弁２２の閉弁中に噴射燃料が吸気弁２２に衝突するよう通電制御される。

例えば図１４―（２）の左右噴霧の中央寄りが円弧形状となる噴霧断面を有する上述した実施の形態３の燃料噴射弁１を用いて、図１６に示す２つの吸気弁２２間の中央寄りを指向して噴射することにより、吸気弁表面２２ａの燃焼室の中央に近く高温化した部分に燃料を付着させて、より気化を促進させることができる。

なお、上述した実施の形態３の燃料噴射弁１の噴霧形態および燃圧設定、制御方法は前記に限らず、例えば吸気弁２２の開弁時に最も吸気弁２２に衝突しないように噴射することなどが可能である。これらにより、排出されるハイドロカーボンを低減したり、燃焼性向上による燃費向上を計ることができる。

つまり、従来は、多噴孔噴霧からなる集合噴霧で吸気弁を指向する２方向の噴霧を形成していたが、各噴孔からの噴射燃料とその集合する過程でのコアンダ効果（引き寄せ効果）により集合噴霧はほぼ円形に近い断面形状となり、円錐に近い噴射燃料分布となっていた。

したがって、このような噴霧の円錐噴霧角や噴射方向を適合させて排出ガスや燃費の最適化を計っていたに過ぎず、最適な断面形状の噴霧を実現していたわけではなかった。また、燃圧を切替あるいは可変化することにより噴霧形態を微妙に変化させることが可能となるので、燃圧変更による噴射率変化とあわせて混合気形成の状態を運転条件に適するように変化させることが可能となる。

また、上述した実施の形態３の燃料噴射弁１をスロットルボディ２４に搭載した構成図を図１７に示す。燃料噴射弁１はスロットルボディ２４のバタフライ弁２４ａの下流側の位置に、吸気流の下流に向かって燃料噴射するように先端部が下流側に傾斜して取り付けられる。この実施の形態では、スワール噴霧の特性を生かした微粒化された比較的貫徹力の低い噴霧を噴射するため、吸気1弁あるいは２弁などの種々の内燃機関において、噴射
方向が吸気弁をねらえない場合でも吸気管内壁面への噴霧燃料付着量を低減できる。

また、それにより、吸気管内壁面に生じる燃料流を抑制できるので、吸気弁への噴霧燃料付着も低減することが可能である。その結果、シリンダ内へ流入する微粒化混合気の燃料割合が増加して燃費が向上するだけではなく、排出されるハイドロカーボンを低減することができる。

なお、燃料噴射弁１は、スロットルボディ２４とは別に取り付けた場合でも前記の効果を得ることが可能である。

また、上述した実施の形態３の燃料噴射弁１をスロットルボディ２４に搭載した別の構成図を図１８に示す。燃料噴射弁１はスロットルボディ２４のバタフライ弁２４ａの下流側の位置に、吸気流の上流に向かって燃料噴射するように先端部が上流側に傾斜して取り
付けられている。この実施形態では、スワール噴霧の特性を生かした微粒化された比較的貫徹力の低い噴霧を一旦上流に噴射して混合気が形成される時間的空間的余裕を持たせることによって、極端に吸気ポートが短い場合などで下流方向に噴射すると気筒間の燃料量分配がアンバランスになったり、吸気ポートへの噴霧付着割合が増えたりして、結果的に混合気形成状態が悪くなり内燃機関の性能が向上しないといった状態を改善することが可能である。

更に、上述した実施の形態３のスワール噴霧の特性を生かした、左右の噴射燃料のはさみ角の大きな噴霧が可能であることから、吸気管集合部に燃料噴射弁を一本だけ配置して、各気筒の吸気弁付近への広角な噴霧を行うことが可能である。いわゆる汎用エンジン、小型エンジンにおいては、現在キャブレタから燃料噴射システムへの転換が進んでいるが、大幅なコストアップは難しいため、前記のようなシステムは製品のコストパーフォーマンスを向上されることになり、非常に有用である。なお燃料噴射弁１は、スロットルボディ２４とは別に取り付けた場合でも前記の効果を得ることが可能である。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係わる燃料噴射弁を図１９に基づいて説明する。図１９はこの発明の実施の形態４に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。

噴孔１１ａ−３，１１ａ−４は噴孔中心に対する助走通路１１ｄの通路幅の中心線のオフセットＥ２が、噴孔１１ａ−１，１１ａ−２のオフセットＥ１より小さく設定されている。燃料密度ρ、流量Ｑ、噴孔入口の平均流速Ｕ、噴孔半径Ｄ／２とした時の単位時間あたりに噴孔に流入する燃料の角運動量は、ρ×Ｑ×Ｕ×（Ｄ／２）で表される。

オフセットが小さく設定された噴孔１１ａ−３，１１ａ−４は噴孔１１ａ−１，１１ａ−２に対して、噴孔入口の平均流速Ｕが低く角運動量が小さいため、噴孔内で燃料流速の旋回成分が弱く噴孔軸方向成分が強くなる。このため噴孔ごとの噴射燃料の広がり角や噴射方向、貫徹力を変化させることができ、噴霧形状のコントロールがよりフレキシブルとなる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係わる燃料噴射弁を図２０に基づいて説明する。図２０はこの発明の実施の形態５に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。

噴孔１１ａ−３，１１ａ−４は旋回室に対する助走通路のオフセットＥ４を噴孔１１ａ−１，１１ａ−２のオフセットＥ３より小さくしている。これにより上述した実施の形態４と同様に噴孔ごとに噴射燃料の広がり角や噴射方向、貫徹力を変化させることができる。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係わる燃料噴射弁を図２１に基づいて説明する。図２１はこの発明の実施の形態６に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。

噴孔１１ａ−３，１１ａ−４は噴孔に対する旋回室のオフセットＥ６を噴孔１１ａ−１，１１ａ−２のオフセットＥ５より小さくしている。これにより上述した実施の形態４と同様に噴孔ごとに噴射燃料の広がり角や噴射方向、貫徹力を変化させることができる。

実施の形態７．
この発明の実施の形態７に係わる燃料噴射弁を図２２に基づいて説明する。図２２はこの発明の実施の形態７に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。

助走通路長さＸ２を助走通路幅Ｘ１より短くして、カバープレート１８の法線方向からの助走通路１１ｄ内に侵入した燃料は助走通路１１ｄの側面１１ｆに沿った流れに強制される前に旋回室１１ｃに導入する。これにより燃料は噴孔入口の中心に対して助走通路１１ｄ内の主流方向がオフセットして旋回室１１ｃに流入し、上述した実施の形態３と同様の作用により噴射燃料が微粒化される。

実施の形態８．
この発明の実施の形態８に係わる燃料噴射弁を図２３に基づいて説明する。図２３はこの発明の実施の形態８に係わる燃料噴射弁における噴孔プレートの平面図である。

噴孔１１ａ−３，１１ａ−４は、助走通路１１ｄの中心線と助走通路１１ｄ入口のカバープレート１８の中心点からの放射線とのなす角θ３４を噴孔１１ａ−１，１１ａ−２のなす角θ１２より小さくして、噴孔入口の中心に対する助走通路１１ｄ内の主流方向のオフセットを小さくしている。これにより上述した実施の形態４と同様に噴孔ごとに噴射燃料の広がり角や噴射方向、貫徹力を変化させることができる。

実施の形態９．
この発明の実施の形態９に係わる燃料噴射弁を図２４に基づいて説明する。図２４はこの発明の実施の形態９に係わる燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図であり、この実施の形態９の特徴とする噴孔プレート１１と放熱プレート１９及び弁座１０、ボール１３の詳細な位置、構造につき説明する。

噴孔プレート１１には、燃料噴射弁１の中心軸Ｙに対して下流に向けて外側に向かう複数の噴孔１１ａが配置されている。噴孔１１ａは内燃機関の吸気弁を指向して左右の２方向に向かう噴孔群に分かれている。噴孔１１ａの径方向外側には噴孔プレート１１の厚さの変化部１１ｃが形成され、噴孔プレート１１の外周側で厚くなっている。

噴孔プレート１１の厚さの変化部１１ｃと噴孔１１ａとの距離Ｄ１を、噴孔１１ａの厚さの変化部１１ｃと噴孔プレート１１と弁座１０の溶接部との距離Ｄ２より短くして、噴孔プレート１１は極力噴孔１１ａ周辺部のみ薄くして噴孔プレート１１の強度に余裕を持たせるとともに噴孔プレート１１による弁座１０への放熱にも有利にしている。噴孔１１ａの内側で噴孔プレート１１の上面１１ｂには放熱プレート１９が噴孔プレート１１に接触して配置され、放熱プレート１９の周囲には隙間通路Ａ、径方向通路Ｂ、環状通路Ｃが形成されている。

比較的噴孔径が小さい場合に、噴孔長さも短く対応させるため噴孔プレート１１を薄くする必要があるが、燃料に対する耐圧性を確保するため噴孔プレート１１の外周側は厚くする必要がある。

一方、排気弁と吸気弁のオーバーラップが大きい条件では高温の排気ガスが吸気通路内に侵入し噴孔プレート１１の表面も高温ガスにさらされるが、噴孔プレート１１が薄く弁座１０の接触部から離れている噴孔部およびその内部は高温化しやすい。また、噴孔プレート１１の厚さの変化部１１ｃによって受熱面積が増加し、高温化しやすい。

この実施の形態９では、噴孔プレート１１の上流に配置した放熱プレート１９により噴孔プレート１１が受けた熱を放熱させ、噴孔プレート１１の温度上昇を抑制している。また、放熱プレート１９の表面の一部は燃料流路を形成しているため、より放熱性が高まる。

噴孔プレート１１の放熱を促進することにより、噴孔部の温度上昇が抑制され、高温化による燃料の固着にともなう噴孔１１ａ内の燃料流れの変化と、それによる燃料流量変化または噴霧の変化が改善される。

この発明は、噴射燃料の微粒化を促進することができるとともに噴孔の高温化を抑制し、噴射燃料の微粒化の悪化を抑制する燃料噴射弁の実現に好適である。

１ 燃料噴射弁
８ 弁体
１０ 弁座
１０ａ 弁座面
１１ 噴孔プレート
１１ａ 噴孔
１１ｂ 上面
１１ｃ 旋回室
１１ｄ 助走通路
１８ カバープレート
１８ａ 上面
１９ 放熱プレート
Ｂ 径方向通路
Ｒ1 シート部

Claims (16)

1. 弁本体の先端部分に設けられ、弁座面を有する弁座と、前記弁座の弁座面のシート部で離接して燃料通路を開閉する弁体と、前記弁本体の先端部分で前記弁座の下流側に配置され、燃料を外部に噴射する複数の噴孔を有する噴孔プレートと、前記弁座の内部で前記噴孔プレートの上面に取り付けられ、前記噴孔プレートとの間に径方向通路を形成するとともに前記弁座との間に環状通路を形成し、前記シート部からの燃料流が直線的に前記噴孔に流入しないように前記噴孔を覆う覆体部を設けたカバープレートとを備え、前記弁座面の延長線が前記カバープレートの上面と交わらないようにするとともに、前記シート部からの前記燃料は前記環状通路に流入し前記環状通路から前記径方向通路に流入し前記径方向通路を通って前記噴孔プレートの前記噴孔に供給されることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記弁体の前記シート部から連続する面の下流端に屈曲部を形成し、燃料噴射が開始された開弁初期に、前記シート部から連続する面の延長線または前記屈曲部における前記シート部から連続する面の接線が前記カバープレートの上面と交わらないことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記各噴孔位置における前記弁体と前記カバープレートとの隙間高さをｈおよび前記径方向通路の高さをｇとしたときに、燃料噴射が開始された開弁初期にｈ＜ｇであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記弁体の先端に前記カバープレートと略平行な面を形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記噴孔の長さをＬ、噴孔径をＤとしたときに、Ｌ／Ｄが０．５から２の範囲において、少なくとも一つの噴孔において前記噴孔の長さをＬ、前記径方向通路の高さをｇとしたときに、Ｌ＜１．５×ｇかつＬ＞０．５×ｇであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
6. 前記噴孔の位置において前記径方向通路は、前記噴孔プレートの上面と略平行であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
7. 前記各噴孔に向かう各流路は、前記噴孔の周囲に形成されて少なくとも一部分が円弧形状を有する旋回室と前記旋回室に繋がる助走通路とから成り、前記旋回室あるいは前記噴孔入口の略中心に対して、前記旋回室と前記助走通路の繋がり部における前記助走通路の幅の略中心方向がオフセットしていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
8. 少なくとも一つの前記噴孔について、前記噴孔入口と前記助走通路との位置関係を、他の前記噴孔の場合とは異なるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射弁。
9. 少なくとも一つの前記旋回室について、前記旋回室と前記助走通路との位置関係、あるいは前記旋回室と前記助走通路との繋ぎ目の形状を、他の前記旋回室の場合とは異なるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射弁。
10. 少なくとも一つの前記噴孔について、前記噴孔入口と前記旋回室との位置関係を、他の前記噴孔の場合とは異なるようにしたことを特徴とする請求項7に記載の燃料噴射弁。
11. 前記各噴孔に向かう各流路は、前記噴孔の周囲に形成されて少なくとも一部分が円弧形状を有する前記旋回室と前記旋回室に繋がる前記助走通路とから成り、前記旋回室あるいは前記噴孔入口の略中心に対して、前記助走通路内の流れの主流方向がオフセットしていることを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射弁。
12. 少なくとも一つの前記噴孔について、前記噴孔入口に対する前記助走通路内の流れの主流方向を、他の前記噴孔の場合とは異なるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射弁。
13. 少なくとも一つの前記旋回室について、前記旋回室に対する前記助走通路内の流れの主流方向を、他の前記旋回室の場合とは異なるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射弁。
14. 前記各噴孔からの燃料流（噴霧流）の断面形状が、略偏平状あるいは略三日月状となっていることを特徴とする請求項７から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
15. 請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁から噴射される噴霧が、吸気流動における下流方向（吸気弁方向）に噴射するように前記燃料噴射弁を配設したことを特徴とする燃料噴射システム。
16. 請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁から噴射される噴霧が、吸気流動における上流方向（吸気弁とは反対側）に噴射するように前記燃料噴射弁を配設したことを特徴とする燃料噴射システム。

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