JP5258644B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関へ燃料を供給する燃料噴射弁に関し、詳細には、噴射する燃料の微粒化促進技術に関する。

例えば、自動車用エンジン等に用いられる燃料噴射弁は、電磁コイル等のアクチュエータによって弁体をケーシング内で移動させ弁座から離座させることにより燃料通路を開弁し、該燃料通路に供給される燃料をエンジンの吸気管に向けて噴射する。このような構成を有する燃料噴射弁では、燃料消費量の低減、排気エミッションの向上、エンジンの安定した運転性等の観点から、噴射燃料の微粒化を促進させる必要がある。

特許文献１に記載された燃料噴射弁では、燃料噴出孔を形成したプレートを平板形状とし、その平板形状とされたプレートに二重同心円上の各位置に噴出孔をそれぞれ形成することで、噴射燃料の微粒化を促進させている。

また、特許文献２及び特許文献３に記載の燃料噴射弁では、燃料噴出孔を有するプレートを燃料流れの上流側に凸形状とし、その凸形状とされる傾斜面に噴出孔を形成している。この燃料噴射弁では、燃料噴出孔の上流における燃料の流れ方向を孔入口で急激に変えることにより、孔内壁に燃料を押し付けて該燃料の液膜を効果的に形成し、その液膜化された燃料を燃料噴出孔を通過する際に空気と接触させて剪断することにより、燃料の微粒化を促進させている。

特許第３３７７００４号公報 特開２００５−１５５５４７号公報 特開２００７−１４６８２８号公報

しかしながら、上記した燃料噴射弁構造では、燃料噴出孔を有するプレートと弁体との隙間が、弁体の挙動又は他の構成部品の形状により変化して、燃料噴出孔への流れ込みが乱れることにより、微粒化された燃料の粒径がばらついてしまう。

そこで、本発明は、弁体の挙動や弁体及び弁座の形状に依存することなく噴出孔内において効率的に液膜を形成し、噴射燃料の微粒化を促進することのできる燃料噴射弁を提供することを目的とする。

本発明の燃料噴射弁においては、燃料室の下流に設けられた２枚のプレートである上流プレートと下流プレートを円板形状とし、その円板中心部に燃料室に向かって突出する凸部と、その凸部に少なくもと１つ以上の噴出孔を設ける。そして、これら上流プレートと下流プレートを、互いの平坦部同士を重ね合わせた時に、両プレートの凸部間に燃料を外周から凸部中心に向かって横流れを生じさせる燃料通路を構成し、上流プレートに設けられた噴出孔の傾斜は、弁軸線に向かっていて、前記下流プレートに設けられた噴出孔の傾斜は、弁軸線から離間する方向になっている。

本発明の燃料噴射弁によれば、弁体の挙動や弁体及び弁座の形状に関係無く、上流プレートと下流プレートの凸部間に形成された燃料通路におけるプレートに沿った乱れの少ない燃料流れが生じ、下流プレートに設けられた噴出孔で急激に燃料の流れ方向が変えられ、該噴出孔の内壁に燃料が押し付けられることにより液膜を形成することができる。したがって、本発明によれば、液膜化された燃料を噴出孔を通過させる際に空気と接触させ剪断させて燃料の微粒化を促進させることができる。

図１は実施形態１の燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。 図２は図１の燃料噴射弁の先端部分を拡大して示す断面図である。 図３は図２の燃料噴射弁先端部分の噴出孔近傍部を拡大して示す断面図である。 図４（Ａ）は上流プレートの平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図５（Ａ）は下流プレートの平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図６は図３で示す燃料通路内における燃料流れを説明するための要部拡大断面図である。 図７は実施形態２の燃料噴射弁先端部分の噴出孔近傍部を拡大して示す断面図である。 図８は図７で示す燃料通路内における燃料流れを説明するための要部拡大断面図である。 図９は実施形態３の燃料噴射弁先端部分の噴出孔近傍部を拡大して示す断面図である。 図１０（Ａ）は図９の上流プレートの平面図、図１０（Ｂ）は図９の下流プレートの平面図である。 図１１は図９で示す燃料通路内における燃料流れを説明するための要部拡大断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「実施形態１」
図１は実施形態１の燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図２は図１の燃料噴射弁の先端部分を拡大して示す断面図、図３は図２の燃料噴射弁先端部分の噴出孔近傍部を拡大して示す断面図、図４（Ａ）は上流プレートの平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図５（Ａ）は下流プレートの平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図６は図３で示す燃料通路内における燃料流れを説明するための要部拡大断面図である。

燃料噴射弁１は、図１から図３に示すように、筒体形状をなすハウジング２と、ハウジング２の先端に固定される磁性体からなるヨーク３と、ヨーク３の内側に配置される電磁コイル４と、電磁コイル４のコイル軸中心に配置される円筒状のコア５と、このコア５の前方に配置され、電磁コイル４によって発生した磁力により所定量リフト（所定量上昇）される弁体６と、弁体６が着座及び接離する弁座７と、弁体６がリフトされた時に該弁体６と弁座７との間に形成される隙間を通って流れる燃料が該弁体６の前方に導入される燃料室８と、この燃料室８の下流に設けられた複数の噴出孔を有した上流プレート９及び下流プレート１０と、を備えている。

前記ハウジング２及びコア５の中心には、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料が供給される燃料通路１１が形成されている。この燃料通路１１には、弁体６の先端に設けた弁１２を、弁座７に形成した弁座面１３に押圧するための弾性部材であるスプリング１４が配置されている。スプリング１４は、コア５と弁体６との間に設けられており、常に弁体６を弁座７側へ押圧するように付勢している。

この燃料噴射弁１では、電磁コイル４に通電されていない状態では、弁体６の先端に設けられた弁１２と弁座面１３とが密着する。この状態（閉弁状態）では、燃料通路１１が閉じられるため、燃料は、燃料噴射弁１の内部に留まり、複数個設けられている噴出孔１８からの燃料噴射は行われない。一方、電磁コイル４への通電があると、電磁力によって弁体６の上端がコア５の下端面に接触するまで移動する。この状態（開弁状態）では、弁１２と弁座面１３との間に隙間ができるため、燃料通路１１が開かれて燃料室８へ燃料が導入され、複数個の噴出孔１８から燃料が噴射される。噴射される燃料は、２枚の上流プレート９及び下流プレート１０に形成された噴出孔１７、１８によって微粒化されて噴射される。

このように、本実施形態の燃料噴射弁１は、電磁コイル４への通電（噴射パルス）に伴って弁体６の位置を開弁状態と閉弁状態に切り替えて燃料供給量を制御することができる。燃料噴射量を制御するにあたっては、特に、開弁状態において、燃料漏れがない弁体設計が必至となる。そのため、本実施形態の燃料噴射弁１では、弁体６の弁１２にボールを用いている。ボールは、例えば日本工業規格のＪＩＳ規格品である玉軸受用鋼球を用いる。このボールは、真円度が高く鏡面仕上げが施されており、シール性が好適であること、大量生産により低コストであること、等の多くの利点を備えている。

また、弁１２として構成する場合、ボールの直径は例えば３〜４ｍｍ程度のものを使用する。これは、可動弁として機能するので軽量化を図るためである。また、ボールが密着する弁座面１３の開き角度は、例えば８０度〜１００度の範囲、好ましくは９０度程度とすることが望ましい。この弁座角は、その部位（シール位置）付近を研磨し且つ真円度を高くするために最適な角度、つまり研削機械をベストコンディションで使用できる角度であり、弁１２であるボールとのシール性を極めて高く維持できる。なお、弁座７は、焼き入れによって硬度が高められている。また、このように弁体部を構成することにより、燃料漏れのない噴射量制御が可能となる。また、本実施形態によれば、コストパフォーマンスに優れた弁体構造を使用できる。

次に、本実施形態の特徴構成について、図３から図６を参照して詳細に説明する。燃料室８の下流に設けられた２枚のプレートは、燃料噴射方向の上流側に配置される上流プレート９と、燃料噴射方向の下流側に配置される下流プレート１０とからなり、前記弁座７の先端面に固定される。これら上流プレート９と下流プレート１０は、何れも円板形状とされ、その円板中心部に前記燃料室８に向かって突出する凸部１５、１６と、その凸部１５、１６に少なくとも１つ以上の噴出孔１７、１８を形成している。

上流プレート９の中心部に形成される凸部１５は、燃料室８と対応して設けられており、前記弁１２に向かって突出するように平面視円形状且つ側面視球面形状とされている。下流プレート１０の凸部１６は、上流プレート９の凸部１５の形状を維持したまま相対的にその大きさを小さくしている。具体的には、上流プレート９の凸部１５の外径寸法をＤ１とし、下流プレート１０の凸部１６の外径寸法をＤ２とした時に、Ｄ１＞Ｄ２なる関係とされている。また、下流プレート１０の凸部１６の高さＨ２が、上流プレート９の凸部１５の高さＨ１よりも低く形成されている。具体的には、下流プレート１０の凸部１６の平坦部１０ａからの高さをＨ２とし、上流プレート９の凸部１５の平坦部９ａからの高さをＨ１とした時に、Ｈ１＞Ｈ２なる関係とされている。

前記したような寸法関係にある凸部１５、１６を有した上流プレート９と下流プレート１０は、互いの中心位置Ｏ１、０２を一致させ、平坦部９ａ、１０ａ同士を重ね合わせて弁座７の先端面に溶接され固定されている。これら上流プレート９と下流プレート１０の凸部１５、１６間には、燃料を凸部１５の外周側から凸部１５、１６の中心に向かって横方向へ流れ（横流れ）を生じさせる隙間が形成される。前記隙間は、本実施形態の燃料通路１９となる。下流プレート１０の凸部１６は、上流プレート９の凸部１５に対して接触することなく僅かな距離を置いて非接触とされるため、両プレート９、１０の凸部１５、１６間には、前記した燃料通路１９が形成されることになる。

また、上流プレート９の凸部１５には、その凸部１５の裾野近傍部に複数個の噴出孔１７が形成されている。これら噴出孔１７は、上流プレート９の中心位置Ｏ１を中心とした同心円２０上の位置に所定間隔を置いて板厚方向に貫通している。本実施形態では、８個の噴出孔１７を、同心円２０上に等間隔で設けられている。また、前記噴出孔１７は、弁体６が可動する可動軸線２１に対して、噴出孔１７の軸孔がその可動軸線２１に向かうように傾斜して前記上流プレート９に形成されている。

一方、下流プレート１０の凸部１６には、この下流プレート１０の中心位置Ｏ２と凸部１６の裾野部位との間に複数個の噴出孔１８が形成されている。下流プレート１０に形成される噴出孔１８は、燃料噴射弁１の内部から外部へと最終的に噴射される燃料噴出口として機能する。本実施形態では、噴出孔１８は、下流プレート１０の中心位置Ｏ２を中心とした同心円２２上に等間隔で設けられている。また、前記噴出孔１８は、その軸孔が上流プレート９の噴出孔１７とは逆向きに、弁体６が可動する可動軸線２１から離れる方向へ傾斜して前記下流プレート１０に形成されている。この噴出孔１８の傾斜角度は、可動軸線２１に対するなす角度θを９０度未満としている。また、下流プレート１０に設けられた噴出孔１８は、上流プレート９に設けられた噴出孔１７の内側に配置されている。

上流プレート９と下流プレート１０にそれぞれ形成された噴出孔１７、１８の位置関係は、上流プレート９の噴出孔１７の出口側における開口周縁と下流プレート１０の噴出孔１８の入口側における開口周縁の燃料横流れ方向における最短距離Ｌ１が、上流プレート９と下流プレート１０の凸部１５、１６間における最短距離Ｌ２以上離れるように配置されている。或いは、弁体６が可動する可動軸線２１と噴出孔１８の入口側における開口周縁の燃料流れ方向における最短距離Ｌ３とＬ１が、Ｌ１＞Ｌ３となるように配置されている。

燃料室８内に供給された燃料は、図６の矢印で示すように、上流プレート９に形成された噴出孔１７から上下プレート間に形成された流路の狭い燃料通路１９に流れ込む。そして、燃料は、両プレート９、１０の凸部１５、１６の外周から凸部中心に向かって前記可動軸線２１と略直角方向に流れる。これにより、燃料は横流れとなり、下流プレート１０の噴出孔１８が設けられた位置において、鋭角に流れの向きを変える。これは、上流プレート９に形成された噴出孔１７と下流プレート１０に形成された噴出孔１８の傾斜向きを互いに逆向きとし且つそれぞれの噴出孔１７、１８を横流れを生じさせるに足る距離Ｌ１離間させて設けたためである。

燃料は、下流プレート１０の噴出孔１８において急激にその流れの向きを鋭角に変えると、この噴出孔１８の内壁面１８ａに押し付けられることにより膜厚の薄い液膜となる。液膜化された燃料は、噴出孔１８を通過する際に、空気と触れて剪断され微粒化される。

このように構成された燃料噴射弁１によれば、下流プレート１０に形成された噴出孔１８を通過する燃料は、弁体６及び弁座７の形状や、弁体６の挙動に関係無く、常に上流プレート９の凸部１５と下流プレート１０の凸部１６との間の燃料通路１９を外周から凸部中心へプレート面に沿って流れ、下流プレート１０に設けられた噴出孔１８で鋭角に流れの向きを変更させられることとなるので、より薄い液膜が形成され、噴出孔１８より噴射する際、燃料の微粒化が促進できる。

また、本実施形態の燃料噴射弁１によれば、下流プレート１０の凸部１６は、上流プレート９の凸部１５の形状を維持したまま相対的にその大きさを小さくしているので、下流プレート１０の凸部１６と上流プレート９の凸部１５に挟まれた隙間（燃料通路１９）がほぼ均一となり、より乱れの少ない燃料流れを生じさせることができる。これに対して、平坦なプレートを二枚重ね合わせて、これらプレート間に燃料通路となる隙間を設ける場合、二枚のプレート間に必要隙間分の厚みを持ったスペーサを入れる必要があり、レーザ溶接の悪化が懸念される。しかしながら、本実施形態によれば、上記のようなスペーサ部品を用意したり高度な加工をしなくても、上流プレート９の平坦部９ａと下流プレート１０の平坦部１０ａを直接重ね合わせるだけで、両プレート９、１０の凸部１５、１６間に燃料通路１９となる隙間を簡単に形成することができる。

また、本実施形態の燃料噴射弁１によれば、上流プレート９の噴出孔１７の出口側における開口周縁と下流プレート１０の噴出孔１８の入口側における開口周縁の燃料横流れ方向における最短距離Ｌ１を、上流プレート９と下流プレート１０の凸部１５、１６間における対向距離Ｌ２以上離れるように両プレート９、１０の噴出孔１７、１８をそれぞれ配置させたので、上流プレート９の噴出孔１７を通過した燃料に対して下流プレート１０の噴出孔１８入口では、液膜形成に必要なプレートに沿った燃料流れ（メインの流れは層流）を確実に生じさせることができる。

また、本実施形態の燃料噴射弁１によれば、下流プレート１０に形成した噴出孔１８を、弁体６の可動軸線２１から離れる方向へ傾斜させているので、燃料通路１９内を外周から凸部中心に向かって流れる燃料の流れ方向を前記噴出孔１８にて鋭角にその向きを変更させることができる。これにより、燃料を噴出孔１８の内壁面１８ａに強く押し付けることができ、より液膜を形成し易くなる。

また、本実施形態の燃料噴射弁１によれば、上流プレート９の噴出孔１７をそのプレートの中心部を中心とした同心円２０上に配置し、下流プレート１０の噴出孔１８を上流プレート９の噴出孔１７よりもその内側に配置しているので、燃料通路１９内を外周から凸部中心に向かって流れる燃料の流れ方向を前記噴出孔１８にて鋭角にその向きを変更させることができる。これにより、燃料を噴出孔１８の内壁面１８ａに強く押し付けることができ、より液膜を形成し易くなる。

「実施形態２」
図７は実施形態２の燃料噴射弁先端部分の噴出孔近傍部を拡大して示す断面図、図８は図７で示す燃料通路内における燃料流れを説明するための要部拡大断面図である。

実施形態２の燃料噴射装置１は、上流プレート９と下流プレート１０の凸部１５、１６の形状を、実施形態１の凸部１５、１６の形状とは異なる形状としている。その他の構成は、実施形態１と同一構成としている。

この実施形態２では、上流プレート９の凸部１５と下流プレート１０の凸部１６間の燃料通路１９は、凸部１５先端（可動軸線２１）に行くに従って通路断面積が徐々に小さく形成されている。凸部先端部では、上流プレート９の凸部１５の下面に対して下流プレート１０の凸部１６の上面を接触させている。また、下流プレート１０の凸部１６の外径Ｄ２は、上流プレート９の凸部１５の外径Ｄ１よりも小さくされている。

このように構成された実施形態２では、燃料が上流プレート９の噴出孔１７から燃料通路１９内に導入されて下流プレート１０に設けられた噴出孔１８に向かって流れる時、凸部先端部（言い換えれば下流プレート１０の中心部）に近づくにつれ、燃料流路１９が狭まるために、流速が速くなり、該噴出孔１８の内壁面１８ａに対して燃料がより強く押し付けられることになる。これにより、燃料は、膜厚の薄い液膜となり、噴出孔１８を通過する際に空気と触れ剪断されることによって微粒化され易くなる。特に、実施形態２では、上流プレート９の凸部１５に下流プレート１０の凸部１６が接触して燃料通路１９が凸部先端に行くに従って狭くなっているので、実施形態１に比べて燃料通路１９内での燃料の流速をより一層高めることができる。

この実施形態２の燃料噴射弁１によれば、実施形態１と同様、弁体６及び弁座７の形状や、弁体６の挙動に関係無く、常に上流プレート９の凸部１５と下流プレート１０の凸部１６との間の燃料通路１９に外周から凸部中心へプレート面に沿って燃料を流し、下流プレート１０の噴出孔１８で鋭角に流れの向きを変更させて、燃料の微粒化を促進させることができる。また、実施形態２の燃料噴射弁１によれば、前記した最短距離Ｌ１、Ｌ３の関係がＬ１＞Ｌ３なら更に燃料の微粒化が促進される。

「実施形態３」
図９は実施形態３の燃料噴射弁先端部分の噴出孔近傍部を拡大して示す断面図、図１０（Ａ）は図９の上流プレートの平面図、図１０（Ｂ）は図９の下流プレートの平面図、図１１は図９で示す燃料通路内における燃料流れを説明するための要部拡大断面図である。

実施形態３の燃料噴射弁１は、上流プレート９と下流プレート１０の凸部１５、１６の形状を、実施形態１の凸部１５、１６の形状とは異なる形状としている。その他の構成は、実施形態１と同一構成としている。

この実施形態３では、上流プレート９の凸部１５と下流プレート１０の凸部１６を、共に平面視で菱形形状とし、且つその中心位置Ｏ１、Ｏ２の部位を燃料室８に向かって突出させている。そして、上流プレート９の凸部１５の大きさ（上流プレート９の対角線３０）を、下流プレート１０の凸部１６の大きさ（下流プレート１０の対角線３１）よりも大とし、それら凸部１５、１６間に燃料通路１９を形成するための隙間を設けている。また、凸部中心部では、上流プレート９の凸部１５の下面に対して下流プレート１０の凸部１６の上面を接触させている。このため、燃料通路１９は、外周から凸部先端部に近づくにつれて通路幅が狭くなっている。

このように構成された実施形態３では、実施形態２と同様、燃料が上流プレート９の噴出孔１７から燃料通路１９内に導入されて下流プレート１０に設けられた噴出孔１８に向かって流れる時、凸部先端部に近づくにつれ、燃料流路１９が狭まるために、流速が速くなり、該噴出孔１８の内壁面１８ａに対して燃料がより強く押し付けられることになる。これにより、燃料は、膜厚の薄い液膜となり、噴出孔１８を通過する際に空気と触れ剪断されることによって微粒化され易くなる。

この実施形態３の燃料噴射弁１によれば、実施形態１、２と同様、弁体６及び弁座７の形状や、弁体６の挙動に関係無く、常に上流プレート９の凸部１５と下流プレート１０の凸部１６との間の燃料通路１９に外周から凸部中心へプレート面に沿って燃料を流し、下流プレート１０の噴出孔１８で鋭角に流れの向きを変更させて、燃料の微粒化を促進させることができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。

本発明は、内燃機関へ燃料を供給する燃料噴射弁に利用することができる。

１…燃料噴射弁
４…電磁コイル
５…コア
６…弁体
７…弁座
８…燃焼室
９…上流プレート
１０…下流プレート
１１…燃料通路
１２…弁
１３…弁座面
１５…上流プレートの凸部
１６…下流プレートの凸部
１７、１８…噴出孔
１９…燃料通路
２１…可動軸線

Claims (3)

1. 電磁コイルによって発生した磁力により燃料通路内を往復運動する弁体と、該弁体が着座及び離座する弁座と、前記弁体が前記弁座から離れて上昇した時に前記弁体と前記弁座との間に形成される隙間を通って流れる燃料が前記弁体の前方に導入される燃料室と、該燃料室の下流に設けられた上流プレート及び下流プレートと、を備え、
   前記上流プレート及び下流プレートは、円板形状とされ、その円板中心部に前記燃料室に向かって突出する凸部と、その凸部に少なくとも１つ以上の噴出孔を有し、その円板の互いの平坦部同士を重ね合わせた時に、両プレートの凸部間に燃料を外周から凸部中心に向かって横流れを生じさせる燃料通路を構成し、
   前記上流プレートに設けられた噴出孔の傾斜は、弁軸線に向かっていて、
   前記下流プレートに設けられた噴出孔の傾斜は、弁軸線から離間する方向になっている、
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   前記上流プレートに形成された噴出孔を出て前記燃料通路を流れる燃料を、前記下流プレートに形成された噴出孔で鋭角にその流れの向きを変える、
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁であって、
   前記下流プレートの凸部は、前記上流プレートの凸部の形状を維持したまま相対的にその大きさを小さくした、
   ことを特徴とする燃料噴射弁。

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