JP5320116B2

JP5320116B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP5320116B2
Application number: JP2009065803A
Authority: JP
Inventors: 貴博齋藤
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: JP2010216412A

Description

本発明は、内燃機関へ燃料を供給する燃料噴射弁に関する。

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、噴孔プレートに形成した噴孔を、入口側開口面積よりも出口側開口面積が大きいテーパ形状とし、かつ入口側中心と出口側中心を結ぶ噴孔軸線を噴孔プレートの中心軸に対して傾斜するようにしている。この燃料噴射弁によれば、噴孔内周面に沿って燃料が広がりながら流れ、噴孔出口で薄い膜状となって燃料が噴射される。

特許第４１３４９６６号公報

しかしながら、上記した燃料噴射弁では、噴孔をテーパ状としたことで形成される液膜状の噴霧は、該噴孔の周壁部の形状に左右されるため、一つの周壁面では広がる面積が限られ、液膜を薄くするのに限界がある。そのため、結果的に燃料の微粒化が阻害されてしまう。

そこで、本発明は、燃料噴出孔内において燃料を薄い液膜状となし、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、燃料噴出孔の内壁面を、燃料室に流れ込んだ燃料を衝突させて内壁面の周方向へ燃料を薄膜として押し広げる少なくとも２つの曲面で構成された燃料噴出孔の内方へ突出する突起部を設け、この突起部を燃料噴射孔内に燃料が流れ込む向きに向けた。

本発明の燃料噴射弁によれば、燃料噴出孔の内壁面を少なくとも２つの曲面で構成された燃料噴出孔の内方へ突出する突起部を設け、この突起部を燃料噴射孔内に燃料が流れ込む向きに向けたので、燃料が燃料噴出孔へ流入するときに、燃料が内壁面に衝突して内壁面の周方向へ押し広がるように拡散するため、内壁面に薄い液膜ができ易くなる。したがって、本発明によれば、液膜化された燃料を、燃料噴出孔を通過させる際に空気と接触させて剪断し、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の燃料噴射弁におけるプレートの拡大平面図である。図４は図３のプレートに形成された燃料噴出孔を示す図である。図５は図３のＡ−Ａ線位置における拡大断面図である。図６は図４の燃料噴出孔を入口側から見た時の図である。図７は図４の燃料噴出孔を出口側から見た時の図である。図８は図４の燃料噴出孔の内壁面にぶつかる燃料の流れ状態を示す図である。図９は実施形態２の燃料噴射弁における燃料噴出孔を示す図である。図１０は実施形態２の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示す図である。図１１は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴出孔を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１２は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１３は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１４は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１５は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴出孔を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１６は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１７は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１８は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１９は実施形態５の燃料噴射弁における燃料噴出孔の配列状態を示す図である。

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の燃料噴射弁におけるプレートの拡大平面図、図４は図３のプレートに形成された燃料噴出孔を示す図、図５は図３のＡ−Ａ線位置における拡大断面図、図６は図４の燃料噴出孔を入口側から見た時の図、図７は図４の燃料噴出孔を出口側から見た時の図、図８は図４の燃料噴出孔の内壁面にぶつかる燃料の流れ状態を示す図である。

燃料噴射弁１は、図１及び図２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の下流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燃料噴出孔を有したプレート９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燃料噴出孔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、複数個の燃料噴出孔から燃料が噴射される。噴射される燃料は、弁座７の先端に固定されたプレート９に形成された燃料噴出孔によって微粒化されて噴射される。なお、燃料噴出孔に関する説明は、後述するものとする。

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、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。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８を参照して詳細に説明する。前記プレート９は、図３に示すように円板形状をなし、前記弁座７の先端に固定されている。このプレート９には、複数個の燃料噴出孔１５が形成されている。燃料噴出孔１５は、前記燃料室８と対向する部位に形成され、その中心に２箇所と、その中心の２箇所を取り囲むように平面視略楕円形状をなすように所定間隔をおいて配置されている。

かかる燃料噴出孔１５は、図４及び図５に示すように、同一の形状をなす２つの楕円孔１６、１７を、弁体６が可動する可動軸線１８に対して左右方向にそれぞれ角度θ傾けてプレート９の一面（燃料室８と対向する面）９ａから他面（燃料室８との対向面とは反対側の面）９ｂへとハの字状となるように斜めに貫通させて形成されている。この燃料噴出孔１５の燃料入口側の開口形状は、図６に示すように、２つの楕円孔１６、１７を、その一部が重なるようにずれた略ひょうたん形状とされている。２つの楕円孔１６、１７の重なり部位を二点鎖線で示す。また、燃料噴出孔１５の燃料出口側の開口形状は、図７に示すように、２つの楕円孔１６、１７が傾斜していることから燃料入口側の開口形状と相似形状で且つ燃料入口側の開口形状よりも大とされている。

この燃料噴出孔１５は、２つの楕円孔１６、１７を同一位置に重ねるのではなくその各孔の中心をずらした位置に孔の一部を重ねて形成し且つ可動軸線１８に対して左右にそれぞれハの字形状に傾けて形成しているので、燃料入口側から燃料出口側に向かって互いに離れる方向へ傾斜した２つの曲面として構成される内壁面１９、２０を有する。これら２つの内壁面１９、２０の交わった部位Ａ（図６、７の斜線で示す主な衝突部位）は、燃料室８に流れ込んだ燃料を衝突させてその両側に曲面とされる各内壁面１９、２０の周方向へ燃料を薄膜として押し広げるための突起部２１、２２とされている。かかる突起部２１、２２は、燃料噴出孔１５の内方へ互いに向き合うように突出されている。

このように構成された燃料噴射弁１によれば、弁体６が弁座面１３から離れて開弁すると、燃料室８に流れ込んだ燃料は、図８の矢印Ａで示すように、プレート９に形成された燃料噴出孔１５の突起部２１に衝突する。すると、燃料は、突起部２１に衝突することによって、その突起部２１の両側に形成された内壁面１９、２０の周方向へ矢印Ｂ及び矢印Ｃで示すようにそれぞれ左右に押し広がるように拡散する。このように、燃料噴出孔１５に少なくとも２つの曲面を形成し、その２つの曲面の合致部が突起部２１となるため、該突起部２１で燃料噴出孔１５内に導入されてくる燃料を分断でき、その両側の内壁面１９、２０の周方向へ燃料を押し広げるように拡散させることが可能となる。

また、この燃料噴射弁１によれば、燃料噴出孔１５の内壁面を２つの曲面で構成していることから、それぞれの内壁面１９、２０に対して燃料が周方向へ広がるように拡散する。したがって、燃料は２つの内壁面１９、２０にそれぞれ広がることから１つの内壁面の場合に比べて燃料の広がる面積が増える。その結果、より多くの領域に燃料が広がることにより燃料の液膜が更に薄くなり、燃料噴出孔１５の出口から噴射する際、空気と接触し剪断されて燃料の微粒化を促進することができる。

微粒化された燃料は、２つの内壁面１９、２０が燃料入口側から燃料出口側へ向かって互いに離れる方向に傾斜する傾斜面とされているため、それぞれの内壁面１９、２０に沿って燃料噴霧が２方向に噴射されることになる。噴霧燃料が２方向に噴射されることで、より一層微粒化することができる。さらに、燃料噴出孔１５の内壁面１９、２０を燃料入口側から燃料出口側に向かって傾斜させたため、傾斜させた分だけ内壁面１９、２０の面積を増やすことができ、増えた面積に燃料を広げることが可能となる。これに加えて、傾斜された内壁面１９、２０が異なる２方向に傾斜され、燃料噴霧がそれぞれの内壁面１９、２０に沿って２方向に噴射されるため、それぞれの内壁面１９、２０に燃料が分散されることから燃料がより一層薄膜化され易くなる。

また、本実施形態の燃料噴射弁１によれば、燃料噴出孔１５の燃料入口側の開口形状を２つの楕円孔１６、１７をずらしてプレート９に形成するだけで、これら楕円孔１６、１７の重なり部位に形成される突起部２１、２２と２つの内壁面１９、２０を同時に形成することができる。

「実施形態２」
図９は実施形態２の燃料噴射弁における燃料噴出孔を示す図、図１０は実施形態２の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示す図である。

図９の燃料噴出孔１５は、燃料入口側の開口形状を、２つの同一形状の楕円孔１６、１７を完全に重ねて１つの楕円とする一方で、燃料出口側の開口形状を、２つの楕円孔１６、１７の一部を重ねるようにしたひょうたん形状としている。また、この燃料噴出孔１５では、２つの曲面で構成される内壁面１９、２０を燃料入口側から燃料出口側に向かってそれらの対向距離が次第に離れるように傾斜させている。また、この燃料噴出孔１５の内壁面には、燃料室８に流れ込んだ燃料を衝突させてその両側に曲面となる各内壁面１９、２０の周方向へ燃料をそれぞれ薄膜として押し広げるための突起部２１、２２が設けられている。

図１０の燃料噴出孔１５は、図９の燃料噴出孔１５に比べて、燃料入口側の開口形状は同一とするが、燃料出口側の開口形状を、２つの楕円孔１６、１７の重なり度合いを大きくしている。

図９及び図１０で示す何れの燃料噴出孔１５の場合も実施形態１と同様、燃料が突起部２１、２２に衝突してその両側の２つの曲面で構成される内壁面１９、２０の周方向へ押し広がるように拡散することで燃料が薄膜化され、燃料噴出孔１５の出口から噴射する際、薄膜燃料が空気と接触し剪断されることにより微粒化される。

なお、図９及び図１０では、燃料噴出孔１５の燃料入口側の開口形状を楕円形状としたが、２つの円形を完全に一致させた形状、或いは２つの円形をずらしたひょうたん形状としてもよい。

「実施形態３」
図１１は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴出孔を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図、図１２は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図、図１３は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図、図１４は実施形態３の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。

図１１の燃料噴出孔１５は、実施形態１の図４で示した燃料噴出孔１５における燃料入口側の開口形状を同一形状とする一方で、燃料出口側の開口形状を異なるものとしている。具体的には、図１１の燃料噴出孔１５は、燃料出口側の開口形状を、燃料入口側の開口形状と同一の形状とし、且つ突起部２１、２２を挟んだ両側の２つの曲面で構成される内壁面１９、２０を傾斜面とせずにストレート形状としている。別の見方をすると、図１１の燃料噴出孔１５は、燃料入口側の開口形状を維持したまま燃料出口側の開口形状をなし、平面視ひょうたん形状のストレート孔として形成されている。

図１２の燃料噴出孔１５は、図１１の燃料噴出孔１５に対して楕円孔１６、１７の数を１つ増やし、その３つの楕円孔１６、１７、２３をそれぞれ重なるようにずらして横一列に配列させた形状としている。その他の形状は、図１１の燃料噴出孔１５と同一である。この図１２の燃料噴出孔１５では、２つの突起部２１、２２に加えて更に新たに２つの突起部２４、２５と、２つの内壁面２６、２７が増え、合計４つの突起部２１、２２、２４、２５と４つの曲面で構成される内壁面１９、２０、２６、２７を有する。したがって、図１２の燃料噴射孔１５では、増加した突起部２４、２５及び内壁面２６、２７により、燃料の広がる面積が更に増えることになり、より多くの領域に燃料が広がることにより燃料の液膜が更に薄くなる。その結果、燃料噴出孔１５の出口から燃料を噴射する際、薄膜化された燃料が空気と接触し剪断されて燃料の微粒化を促進することができる。

図１３の燃料噴出孔１５は、燃料入口側の開口形状及び燃料出口側の開口形状を共に平面視ハート形状としている。詳述すると、図１３の燃料噴出孔１５は、燃料入口側の開口形状と燃料出口側の開口形状を同一のハート形状とし、且つ突起部２１、２２を挟んだ両側の２つの曲面で構成される内壁面１９、２０を傾斜面とせずにストレート形状としている。

図１４の燃料噴出孔１５は、図１３の燃料噴出孔１５の２つの楕円孔１６、１７の中央に、もう１つの楕円孔２８を重ねるようにずらして配列させた形状としている。この図１４の燃料噴出孔１５では、２つの突起部２１、２２に加えてもう１つの突起部２９と、２つの内壁面１９、２０に加えてもう１つの内壁面３０が増え、合計３つの突起部２１、２２、２９と３つの曲面で構成される内壁面１９、２０、３０を有する。その他の形状に関しては、図１３の燃料噴出孔１５と同一である。

以上、図１１〜図１４で示した実施形態２の燃料噴射弁は、何れも燃料噴出孔１５を、燃料出口側の開口形状と燃料入口側の開口形状を同一の形状としている。こうすることで、プレート９に孔加工する加工作業が容易になる。

「実施形態４」
図１５は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴出孔を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図、図１６は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図、図１７は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図、図１８は実施形態４の燃料噴射弁における燃料噴射孔の他の例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその斜視図である。

図１５の燃料噴出孔１５は、実施形態３の図１１で示した燃料噴出孔１５に対して、曲面で構成される内壁面１９、２０を燃料入口側から燃料出口側に向かって次第にその対向距離を広げるように傾斜させ、出口側の開口面積を入口側の開口面積よりも大としている。

図１６の燃料噴出孔１５は、実施形態３の図１２で示した燃料噴出孔１５に対して、曲面で構成される内壁面１９、２０、２６を燃料入口側から燃料出口側に向かって次第にその対向距離を広げるように傾斜させ、出口側の開口面積を入口側の開口面積よりも大としている。

図１７の燃料噴出孔１５は、実施形態３の図１３で示した燃料噴出孔１５に対して、曲面で構成される内壁面１９、２０を燃料入口側から燃料出口側に向かって次第にその対向距離を広げるように傾斜させ、出口側の開口面積を入口側の開口面積よりも大としている。

図１８の燃料噴出孔１５は、実施形態３の図１４で示した燃料噴出孔１５に対して、曲面で構成される内壁面１９、２０、３０を燃料入口側から燃料出口側に向かって次第にその対向距離を広げるように傾斜させ、出口側の開口面積を入口側の開口面積よりも大としている。

以上、図１５〜図１８で示した実施形態４の燃料噴射弁は、何れも燃料噴出孔１５を、燃料出口側の開口形状を燃料入口側の開口形状に対して相似形とし、且つ燃料出口側の開口面積が燃料入口側の開口面積よりも大となるように内壁面を入口側から出口側に向かって裾広がりに傾斜させた形状としている。こうすることで、実施形態４の燃料噴射弁では、実施形態３の図１１〜図１４の燃料噴出孔１５よりも内壁面の面積が増え、より多くの領域に燃料が広がることにより燃料の液膜が更に薄くなり、燃料噴出孔１５の出口から燃料を噴射する際、薄膜化された燃料が空気と接触し剪断されて燃料の微粒化を促進することができる。

「実施形態５」
図１９は実施形態５の燃料噴射弁における燃料噴出孔の配列状態を示す図である。実施形態５では、燃料噴出孔１５をプレート９の燃料室８と対向する部位に複数設け、各燃料噴出孔１５の内壁面に突起部２１を設け、その突起部２１を各燃料噴出孔１５内に燃料が流れ込む向きに向けている。図１９では、燃料が流れる向きを矢印Ｄで示しており、その燃料流れ向きと一致し且つ流れ方向に突起部２１が向かって突出するように各燃料噴出孔１５をプレート９に形成している。

実施形態５の燃料噴射弁によれば、各燃料噴出孔１５へ流れ込む燃料は、その流れ方向Ｄの延長上に設けられた突起部２１に衝突するため、この突起部２１で燃料が分断されてその両側の曲面で構成される各内壁面１９、２０の周方向へ回り込むように押し広がることになる。その結果、燃料の液膜が薄くなり、燃料噴出孔１５の出口から燃料が噴射する際、薄膜化された燃料が空気と接触し剪断されて燃料の微粒化を促進することができる。

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…プレート
１２…弁
１３…弁座面
１５…燃料噴出孔
１６、１７、２３、２８…楕円孔
１８…可動軸線
１９、２０、２６、２７、３０…内壁面
２１、２２、２４、２５、２９…突起部

Claims

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下流に導入される燃料室と、該燃料室の下流に設けられた複数の燃料噴出孔を有した円板形状のプレートと、を備え、
前記燃料噴出孔の内壁面を、前記燃料室に流れ込んだ燃料を衝突させて前記内壁面の周方向へ燃料を薄膜として押し広げる少なくとも２つの曲面で構成することによって前記燃料噴出孔の内方へ突出する突起部を設け、
該突起部を前記燃料噴射孔内に燃料が流れ込む向きに向けた、
ことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
前記燃料噴出孔は、燃料入口側の開口形状を、１つ以上の円形又は楕円が完全に重なるか又はずれた形状とし、且つ、前記内壁面を２つ以上有した
ことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項２に記載の燃料噴射弁であって、
前記燃料噴出孔は、燃料出口側の開口形状を、燃料入口側の開口形状と同一又は相似形とした
ことを特徴とする燃料噴射弁。