JP5492133B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃料噴射に用いられる燃料噴射弁に関する。

この種の技術としては、下記の特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報には、スワール室(swirl chambers 3）の底面にオリフィス孔(orifice holes 34)が形成されているものが開示されている。このオリフィス孔は燃料を噴射する方向に向かって円錐状に拡径している。

米国特許６７８３０８５号公報

上記特許文献１に記載の技術では、オリフィス孔が燃料を噴射する方向に向かって円錐状に拡径しているため燃料噴霧の広がり面積が大きい。燃料噴霧の広がり面積が大きいと燃料噴霧同士が干渉する可能性が高まり、燃料の微粒化が促進できないおそれがある。燃料噴霧の広がり面積を小さくするためには、オリフィス孔の軸方向長さを確保する必要があるが、オリフィス孔の体積が大きくなり、閉弁時に燃料が残留する体積（デッドボリューム）の増大につながるおそれがあった。
本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、燃料噴霧の微粒化向上させつつ、デッドボリューム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する。

上記目的を達成するため本願発明では、燃料噴射孔の側面形状と、ノズルプレートの軸方向とが成す角を、一端側から他端側に向かうにつれて小さくなるように形成した。

本発明により、燃料噴霧の微粒化向上させつつ、デッドボリュームを小さくすることができる。

実施例１の燃料噴射弁の軸方向断面図である。 実施例１の燃料噴射弁のノズルプレート付近の拡大断面図である。 実施例１のノズルプレートの拡大図である。 実施例１の燃料噴射孔付近を拡大したノズルプレートの部分断面図である。 実施例１の燃料噴霧の広がりを示す図である。 実施例１のノズルプレートの板厚と燃料噴射孔の出口における燃料の流速との関係を示すグラフである。 実施例１の燃料噴霧の広がりを示す図である。 実施例１の燃料噴射孔の体積を比較する図である。

〔実施例１〕
実施例１の燃料噴射弁1について説明する。
［燃料噴射弁の構成］
図１は燃料噴射弁1の軸方向断面図である。この燃料噴射弁1は、自動車用ガソリンエンジンに用いられるものであって、インテークマニホールド（吸入管）内に向けて燃料を噴射する、所謂低圧用の燃料噴射弁である。
燃料噴射弁1は、磁性筒体2と、磁性筒体2内に収容されるコア筒体3と、軸方向に摺動可能な弁体4と、弁体4と一体に形成された弁軸5と、閉弁時に弁体4により閉鎖される弁座6を有する弁座部材7と、開弁時に燃料が噴射される燃料噴射孔を有するノズルプレート8と、通電時に弁体4を開弁方向に摺動させる電磁コイル9と、磁束線を誘導するヨーク10とを有している。

磁性筒体2は、例えば電磁ステンレス鋼等の磁性金属材料により形成された金属パイプ等からなり、深絞り等のプレス加工、研削加工等の手段を用いることにより、図１に示すように段付き筒状をなして一体に形成されている。磁性筒体2は、一端側に形成された大径部11と、大径部11よりも小径であって他端側に形成された小径部12とを有している。
小径部12には、一部を薄肉化した薄肉部13が形成されている。小径部12は、薄肉部13より一端側にコア筒体3を収容するコア筒体収容部14と、薄肉部13より他端側に弁部材15（弁体4、弁軸5、弁座部材7）を収容する弁部材収容部16とに分けられている。薄肉部13は、後述するコア筒体3と弁軸5が磁性筒体2に収容された状態で、コア筒体3と弁軸5との間の隙間部分を取り囲むように形成されている。薄肉部13は、コア筒体収容部14と弁部材収容部16との間の磁気抵抗を増大させ、コア筒体収容部14と弁部材収容部16間を磁気的に遮断している。

大径部11の内径は弁部材15に燃料を送る燃料通路17を構成しており、大径部11の一端部には燃料を濾過する燃料フィルタ18が設けられている。燃料通路17にはポンプ47が接続されている。このポンプ47は、ポンプ制御装置54により制御されている。
コア筒体3は中空部19を有する円筒形に形成されており、磁性筒体2のコア筒体収容部14に圧入されている。中空部19には、圧入等の手段により固定されたばね受20が収容されている。このばね受20の中心には軸方向に貫通した燃料通路43が形成されている。
弁体4の外形は略球体状に形成されており、周上に燃料噴射弁1の軸方向に対して並行に削られた燃料通路面21を有している。弁軸5は大径部22と、外形が大径部22より小径に形成された小径部23とを有している。

小径部23の先端には弁体4が溶接により一体に固定されている。なお図中の黒半円や黒三角は溶接箇所を示している。大径部22の端部にはばね挿入孔24が穿設されている。このばね挿入孔24の底部は、ばね挿入孔24よりも小径に形成されたばね座り部25が形成されるとともに、段部のばね受部26が形成されている。小径部23の端部には燃料通路孔27が形成されている。この燃料通路孔27はばね挿入孔24と連通している。小径部23の外周と燃料通路孔27とは貫通した燃料流出孔28が形成されている。
弁座部材7は、略円錐状の弁座6と、弁座6より一端側に弁体4の径とほぼ同型に形成された弁体保持孔30と、弁体保持孔30から一端開口側に向かうにつれて大径に形成された上流開口部31と、弁座6の他端側に開口する下流開口部48とが形成されている。

弁軸5および弁体4は、磁性筒体2に軸方向摺動可能に収装されている。弁軸5のばね受部26とばね受20との間にコイルバネ29が設けられ、弁軸5および弁体4を他端側に付勢している。弁座部材7は磁性筒体2に挿入され、溶接により磁性筒体2に固定されている。弁座6は、角度45°で弁体保持孔30から下流開口部48へ向かって径が小さくなるように形成され、閉弁時には弁体4が弁座6に座るようになっている。
磁性筒体2のコア筒体3の外周には電磁コイル9が挿嵌されている。すなわち、電磁コイル9はコア筒体3の外周に配置されることとなる。電磁コイル9は、樹脂材料により形成されたボビン32と、このボビン32に巻回されたコイル33とから構成されている。コイル33は、コネクタピン34を介して電磁コイル制御装置55に接続されている。
電磁コイル制御装置55は、クランク角を検出するクランク角センサからの情報に基づいて計算した燃焼室側に燃料を噴射するタイミングに応じて、電磁コイル9のコイル33に通電して燃料噴射弁1を開弁させる。

ヨーク10は中空の貫通孔を有し、一端開口側に形成された大径部35と、大径部35より小径に形成された中径部36と、中径部36より小径に形成され他端開口側に形成された小径部37から構成されている。小径部37は、弁部材収容部16の外周に嵌合されている。中径部36の内周には電磁コイル9が収装されている。大径部35の内周には連結コア38が配置されている。
連結コア38は磁性金属材料等により略Ｃ字状に形成されている。ヨーク10は、小径部37および連結コア38を介して大径部35において磁性筒体2と接続しており、すなわち電磁コイル9の両端部で磁性筒体2と磁気的に接続されていることとなる。ヨーク10の他端側先端には、燃料噴射弁1をエンジンの吸気ポートと接続するためのOリング40を保持し、かつ磁性筒体先端を保護するためのプロテクタ52が取り付けられている。

コネクタピン34を介して電磁コイル9に給電されると磁界が発生し、この磁界の磁力によって、弁体4および弁軸5をコイルばね29の付勢力に抗して開弁させる。
燃料噴射弁1の図１に示すように、大部分が樹脂カバー53により被覆されている。樹脂カバー53に被覆されている部分は、磁性筒体2の大径部11の一端部を除いた部分から小径部12の電磁コイル9設置位置まで、電磁コイル9とヨーク10の中径部36との間、連結コア38の外周と大径部35との間、大径部35の外周、中径部36の外周、およびコネクタピン34の外周である。コネクタピン34の先端部分は樹脂カバー53が開口して形成されており、コントロールユニットのコネクタが差し込まれるようになっている。
磁性筒体2の一端部外周にはOリング39が、ヨーク10の小径部37の外周にはOリング40が設けられている。
弁座部材7の他端側にはノズルプレート8が溶接されている。このノズルプレート8には、燃料にスワール（旋回流）を与える複数のスワール室41と、各スワール室41に燃料を分配する中央室42と、スワール室41においてスワールが与えられた燃料が噴射される燃料噴射孔44が形成されている。

［ノズルプレートの構成］
図２は燃料噴射弁1のノズルプレート8付近の拡大断面図である。図３はノズルプレート8を軸方向一端側（上流側）から見た平面図である。なお、図２は図３のA-Aの位置で切断された図である。図２、図３を用いてノズルプレート8の構成について説明する。
ノズルプレート8の一端側側面にはスワール室41と中央室42が形成されている。スワール室41は２つ形成されており、それぞれ連通路45とスワール付与室46とから構成されている。各連通路45はノズルプレート8の中心付近で接続し、接続部分に中央室42が形成されている。連通路45の先にはスワール付与室46が形成され、連通路45はスワール付与室46の接線方向に接続している。スワール付与室46は内側面と底部とを有する有底円形凹状に形成されているおり、底部には貫通孔である燃料噴射孔44が形成されている。

［燃料噴射孔の詳細］
図４は燃料噴射孔44付近を拡大したノズルプレート8の部分断面図である。図４を用いて燃料噴射孔44について説明する。
燃料噴射孔44の側面は、所謂釣り鐘状に形成されている。燃料噴射孔44の側面形状をより詳細に説明すると図４に示すように、燃料噴射孔44の側面上の点P1から点P6における接線と、ノズルプレートの軸方向を示す線Sとが成す角度α1から角度α6は、点P1から点P6にかけて小さくなるように形成されている。言い換えると、燃料噴射孔44の側面上の点Pにおける接線と、ノズルプレート8の軸方向を示す線Sとが成す角度αは、一端側（上流側）から他端側（下流側）に向かうにつれて小さくなるように形成されている。

また、燃料噴射孔44の側面上の点Pにおける接線と、ノズルプレート8の軸方向を示す線Sとが成す角度αが所定値（実施例１では角度α3）より大きい部分の軸方向長さ（実施例１では長さL1）を、燃料噴射孔44の側面上の点Pにおける接線と、ノズルプレート8の軸方向を示す線Sとが成す角度αが所定値（角度α3）以下の部分の軸方向長さ（長さL2）よりも短くなるように形成した。さらに詳しくは、上記所定値（角度α3）で規定されるノズルプレート8の軸方向長さL1は、図２におけるノズルプレート8に形成されているスワール付与室46の軸方向長さL3よりも短くなるように形成した。

［作用］
（閉弁時の燃料の流れ）
電磁コイル9のコイル33に通電されていないときには、弁体4が弁座6に座るようにコイルバネ29により弁軸5を他端側に付勢している。そのため弁体4と弁座6との間が閉鎖され、ノズルプレート8側には燃料は供給されないようになっている。
（開弁時の燃料の流れ）
電磁コイル9のコイル33に通電されているときには、コイルバネ29の付勢力に抗して電磁力により弁軸5が一端側に引き上げられる。そのため、弁体4と弁座6との間が解放され、燃料がノズルプレート8側に供給される。

ノズルプレート8に供給された燃料はまず中央室42に入り、中央室42の底部と衝突することで軸方向の流れから径方向の流れに変換されて各連通路45に流れ込む。連通路45はスワール付与室46の接線方向に接続しているため、連通路45を通過した燃料はスワール付与室46の内側面に沿って旋回する。
スワール付与室46において燃料に旋回力（スワール力）が付与されて、旋回力を持った燃料は燃料噴射孔44の側壁部分に沿うように旋回しながら噴射される。そのため、燃料噴射孔44から噴射された燃料は、燃料噴射孔44の接線方向に飛散する。燃料噴射孔44から噴射された直後の燃料噴霧は、燃料噴射孔44開口部のエッジ部分によって薄い液膜状態で円錐状に広がる。その後、液膜状態の燃料が分離して微粒化した液滴となる。
これにより燃料の気化を促進することができ、特に低温始動時の窒素酸化物等の発生を低減することができる。

（燃料噴霧の微粒化向上）
燃料の微粒化を図るためには、燃料噴射孔44から噴射される燃料の液膜を薄くすることと、燃料噴射孔44の出口における燃料の流速を速くすることが必要である。燃料噴射孔44から噴射される燃料の液膜を薄くするためには、燃料噴射孔44を円筒状に形成するよりも、燃料を噴射する方向に向かって拡径している方が良い。また、燃料噴射孔44の出口における燃料の流速を速くするためには、ノズルプレート8の板厚Tを薄くした方が良い。
図５は、円錐状の燃料噴射孔44を設けたノズルプレート8の板厚を厚く（板厚T1）したときの燃料噴霧の広がりと、板厚を薄く（板厚T0）したときの燃料噴霧の広がりとを比較した図である。図５において、いずれの燃料噴射孔44の出口開口部の面積SはS1で同面積であり、出口開口部の角度θはθ1で同角度である。

図５に示すように、板厚T0のときの燃料噴霧の広がりの面積S3は、板厚T1のときの燃料噴霧の広がりの面積S2に比べて広くなっている。燃料噴霧の広がりが大きいと、別の燃料噴射孔44から噴射された燃料噴霧と干渉する可能性が高くなり、燃料の微粒化が阻害されてしまう。つまり、ノズルプレート8の板厚を薄くすることで燃料噴射孔44の出口における燃料の流速Vを速くすることができるものの、燃料噴霧の広がりが大きくなり燃料噴霧同士が干渉する可能性が高まり、燃料の微粒化が促進できないおそれがある。
そこで実施例１の燃料噴射弁1では、燃料噴射孔44の側面上の接線と、ノズルプレート8の軸方向とが成す角度を、一端側から他端側に向かうにつれて小さくなるように形成した。すなわち、燃料噴射孔44の側面を釣り鐘状に形成した。

図６は、ノズルプレート８の板厚Tと燃料噴射孔44の出口における燃料の流速Vとの関係を示すグラフである。図６には、燃料噴射孔44の側面を釣り鐘状に形成した場合と、円錐状に形成した場合の板厚Tと流速Vとの関係をそれぞれ示している。図６に示すように、例えば燃料噴射孔44の出口における燃料の流速を流速V0とするように設計する場合、円錐状に形成した燃料噴射孔44ではノズルプレート8を板厚T0としなければならないが、釣り鐘状に形成した燃料噴射孔44ではノズルプレート8を板厚T1まで厚くすることができる。

図７は、ノズルプレート8を板厚T1としたときの釣り鐘状に形成した燃料噴射孔44から噴射された燃料噴霧の広がりと、円錐状に形成した燃料噴射孔44から噴射された燃料噴霧の広がりとを比較した図である。図７において、いずれの燃料噴射孔44の出口開口部の面積はS1で同面積であり、出口開口部の角度θはθ1で同角度である。
図７に示すように、釣り鐘状に形成した燃料噴射孔44から噴射された燃料噴霧の広がりの面積Sも、円錐状に形成した燃料噴射孔44から噴射された燃料噴霧の広がり面積SもS2で同面積とすることができる。つまり、燃料噴射孔44を釣り鐘状とすることによって、燃料噴射孔44の出口における燃料の流速Vを確保しつつ、燃料噴霧の広がりを押さえることができ、燃料の微粒化を促進することができる。

また、燃料噴射孔44を釣り鐘状とすることによって、デッドボリュームを小さくすることができる。デッドボリュームとは、燃料噴射弁1の閉弁時に、下流開口部48、中央室42、スワール室41、燃料噴射孔44に燃料が残留する体積のことを指す。燃料噴射弁1が燃料を噴射するインテークマニホールド内が負圧になると、残留した燃料が減圧沸騰し、燃料噴射の精度悪化や、不完全燃焼による炭化水素の増大、低パルス制御時の開閉弁の応答性の悪化、燃料噴射初期の噴霧粒子の粗大化を引き起こす原因となる。なおエンジンのシリンダ内に直接燃料を噴射する高圧用の燃料噴射弁の場合は、シリンダ内が負圧になることがないためデッドボリュームの影響は一般的には無い。
図８は釣り鐘状の燃料噴射孔44の体積と円錐状の燃料噴射孔44の体積とを比較した図である。図８では、釣り鐘状の燃料噴射孔44と円錐状の燃料噴射孔44とは、ノズルプレート8の高さ、出口開口部の面積Sおよび角度θはいずれも同じ値に設定している。
図８に示すように、釣り鐘状に形成した燃料噴射孔44は、円錐状に形成した燃料噴射孔44に比べて体積がΔVoだけ小さくすることができる。つまり、燃料噴射孔44を釣り鐘状とすることによって、デッドボリュームを小さくすることができる。

また、釣り鐘状に形成した燃料噴射孔44では、円錐状に形成した燃料噴射孔44と比べて上流側の体積が大きくなる。
そこで実施例１の燃料噴射弁1では、燃料噴射孔44の側面上における接線と、ノズルプレート8の軸方向とが成す角度αが所定値より大きい部分の軸方向長さL1を、角度αが所定値以下の部分の軸方向長さL2よりも短くなるように形成した。
これにより燃料噴射孔44の体積増大を抑制し、デッドスペースを小さくすることができる。
また、スワール付与室46において旋回力（スワール力）が付与された燃料は、燃料噴射孔44に流入するが、その旋回エネルギーは、円錐状に形成した燃料噴射孔（図４にaで示す）と比較して、燃料が側壁部分（図４にbで示す）に沿って燃料が流れるため、急激に失われることがない。すなわち、ノズルプレート８の軸方向長さL1までは、旋回エネルギーを保ち、そのエネルギーを徐々に軸方向の噴射エネルギーに変換しつつ、軸方向長さL2以降では、主に燃料の噴射エネルギーを軸方向に与えるものである。

［効果］
実施例１の燃料噴射弁1の効果について以下に列記する。
（１）摺動可能に設けられた弁体4と、閉弁時に弁体4が座る弁座6が一端側に形成された弁座部材7と、弁座部材7の他端側に形成され、燃料にスワールを付与する複数のスワール付与室46と、各スワール付与室46に連通して前記スワールが付与された燃料を噴射する燃料噴射孔44を形成した円盤状のノズルプレート8と、を備え、内燃機関の吸気管に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁1において、燃料噴射孔44の側面上の接線と、ノズルプレート8の軸方向とが成す角度を、一端側から他端側に向かうにつれて小さくなるように形成した。
よって、燃料噴射孔44の出口における燃料の流速Vを確保しつつ、燃料噴霧の広がりを押さえることができ、燃料の微粒化を促進することができる。また、デッドボリュームを小さくすることができる。

（２）燃料噴射孔44の側面上の接線と、ノズルプレート8の軸方向とが成す角度が所定値より大きい部分の軸方向長さは、燃料噴射孔44の側面形状と、ノズルプレート8の軸方向とが成す角が所定値以下の部分の軸方向長さよりも短くなるように形成した。
よって、燃料噴射孔44の体積増大を抑制し、デッドスペースを小さくすることができる。
また、燃料噴射孔44に流入した燃料の旋回力を徐々に燃料噴射孔44の軸方向に変換することができるため、旋回エネルギーが失われることがない。したがって、比較的高い流速Ｖを維持した燃料は、その微粒化を促進しつつ、噴霧の広がりを抑制することができる。

〔他の実施例〕
以上、本願発明を実施例１に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は実施例１に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
実施例１の燃料噴射弁1ではスワール室41を２つ形成したが、スワール室41の個数は燃料噴射量の設計に応じて適宜変更しても良い。
また実施例１の燃料噴射弁1では中央室42に対して連通路45を径方向に伸ばしているが、連通路45を中央室42の接線方向に伸ばすようにしても良い。

1 燃料噴射弁
4 弁体
6 弁座
7 弁座部材
8 ノズルプレート
44 燃料噴射孔
46 スワール付与室

Claims (1)

1. 摺動可能に設けられた弁体と、
   閉弁時に前記弁体が座る弁座が一端側に形成された弁座部材と、
   前記弁座部材の他端側に形成され、燃料にスワールを付与する複数のスワール付与室と、
   各スワール付与室に連通して前記スワールが付与された燃料を噴射する燃料噴射孔を形成した円盤状のノズルプレートと、
   を備え、内燃機関の吸気管に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔の側面上の接線と、前記ノズルプレートの軸方向とが成す角度を、一端側から他端側に向かうにつれて小さくなるように形成したことを特徴とする燃料噴射弁。

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