JP5605325B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

この発明は、燃料噴射弁に係り、特に、内燃機関の内部に燃料を噴射するうえで好適な燃料噴射弁に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関に用いられる燃料噴射弁が開示されている。この従来の燃料噴射弁は、燃料を外部に噴出する複数の噴孔が形成された噴孔プレート（計量プレート）を備えている。噴孔軸は、噴孔の入口側から出口側に向かうにつれ、噴孔プレートの外側（噴孔に流入する燃料の主流れ方向の上流側）に向けて傾斜している。また、噴孔には、燃料の上記主流れ方向の上流側の噴孔内壁面に、噴孔入口縁部から噴孔出口縁部に及ぶ凹部が形成されている。

特開２０１０−０６５５４１号公報 特開２００５−１０６００６号公報

内燃機関の性能向上および排気エミッション低減のためには、燃料の蒸発を促進させ、吸気ポートやシリンダ壁面に付着する燃料の量を低減することが求められている。そのために、燃料噴射弁に対しては、燃料噴霧の微粒化が高く要求されている。上記特許文献１に記載の燃料噴射弁では、上述した構成を採用することにより、噴孔入口での燃料の剥離を促進させて噴孔内の燃料の乱れを強くしている。これにより、噴孔出口から噴出される燃料を薄膜化させて燃料噴霧の微粒化を促進させている。このような構成を有する燃料噴射弁において、更なる燃料噴霧の微粒化を図るための方策として、噴孔径を小さくすることなどが考えられる。しかしながら、小噴孔径化には限界があり、また、ある噴孔径以下になると、逆に噴霧粒径が大きくなってしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過度な小噴孔径化を必要とせずに、燃料噴霧の微粒化効果を良好に向上させることが可能な燃料噴射弁を提供することを目的とする。

第１の発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁であって、
前記燃料噴射弁の内部に形成され、燃料が流れる燃料通路と、
燃料の噴射を受ける噴射空間と前記燃料通路とを区画する部材であって、前記燃料通路から前記噴射空間に向けて燃料を噴出する噴孔が少なくとも１つ形成された噴孔形成部材と、を備え、
前記噴孔は、入口側の部位の通路断面積に対して出口側の部位の通路断面積が当該噴孔に向かう燃料の主流れ方向の上流側に向かって広くなるように形成され、
前記噴孔の少なくとも出口側の通路断面形状は、燃料の前記主流れ方向を短軸方向とするオーバル形状であり、
前記噴孔は、前記噴孔の内部に流入してきた燃料を受け止める側の部位であって当該オーバル形状の長軸に平行な直線部と、当該直線部の両端側にそれぞれ存在する曲線部と、前記直線部とそれぞれの前記曲線部との間にクロソイド曲線で形成された接続部と、を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記噴孔形成部材は、略円板状のプレートであって、
燃料の前記主流れ方向は、前記プレートの外側から当該プレートの中心側に向かう方向であり、
前記噴孔の少なくとも出口側の通路断面形状は、前記プレートの中心側から当該プレートの外側に向かう方向を短軸方向とするオーバル形状であることを特徴とする。

第１の発明によれば、入口側の部位の通路断面積に対して出口側の部位の通路断面積が燃料の上記主流れ方向の上流側に向かって広くなるように噴孔が形成されているので、噴孔内の流れは、噴孔内に流入してきた燃料を受け止める（燃料が衝突する）側に偏ったものとなる。これにより、噴孔の出口から噴出される燃料が良好に薄膜化されるので、燃料噴霧の微粒化を促進することができる。また、本発明によれば、噴孔の少なくとも出口側の通路断面形状が、燃料の上記主流れ方向を短軸方向とするオーバル形状とされている。これにより、噴孔内に流入したうえで噴孔の内壁面に衝突して押し広げられることによって薄膜化した燃料が、噴孔内で或いは噴孔から噴出された後に合体するのを抑制することができる。更に、本発明によれば、オーバル形状を有する噴孔は、上記直線部とそれぞれの上記曲線部との間にクロソイド曲線で形成された接続部を備えている。これにより、噴孔内に流入した燃料が直線部から曲線部に向けて移動する際に、クロソイド曲線を用いて形成された接続部を通過することになる。その結果、接続部によって曲率が緩やかに変化しながら直線部から曲線部に向けて燃料が導かれるようになる。その結果、急激な曲率変化による過度な遠心力が働かないので、流体（燃料）が有するエネルギーをロスすることなく流体が押し広げられ、燃料が噴孔に沿って薄膜化し易くなる。以上のように、本発明によれば、過度な小噴孔径化を必要とせずに、燃料噴霧の微粒化効果を良好に向上させることが可能となる。

第２の発明によれば、噴孔形成部材として略円板状のプレートを備え、燃料の上記主流れ方向がプレートの外側から当該プレートの中心側に向かう方向である構成を有する燃料噴射弁において、上記第１の発明による効果を好適に奏することができる。

本発明の実施の形態１の燃料噴射弁における燃料噴射側の先端部の構成を表した断面図である。 図１に示す噴孔の構成をより詳しく説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の燃料噴射弁１０における燃料噴射側の先端部の構成を表した断面図である。尚、図１は、噴孔プレート１８の中心線（ニードル弁１４の中心線）を通り、かつ、一部の噴孔２２の短軸を通る平面で、燃料噴射弁１０の先端部を切断して示す図である。

図１に示す燃料噴射弁１０は、内燃機関の内部（好ましくは吸気ポート内）に燃料を噴射するうえで好適な燃料噴射弁である。ただし、燃料噴射弁１０は、内燃機関の筒内に直接燃料を噴射できるように内燃機関に搭載されていてもよい。

図１に示すように、燃料噴射弁１０は、略円筒状の弁ボディ１２を備えている。弁ボディ１２の内部には、略円柱状のニードル弁１４が往復移動自在に配置されている。弁ボディ１２の内周面とニードル弁１４の外周面との間には、燃料が流通する燃料通路１６が形成されている。燃料通路１６には、図１における燃料通路１６の上方側から高圧の燃料が供給されるようになっている。

ニードル弁１４の先端付近の弁ボディ１２の内周面には、ニードル弁１４が着座可能なシート部１２ａが形成されている。より具体的には、ニードル弁１４は、燃料噴射弁１０が備える電磁石（図示省略）が磁力を発していない場合には、シート部１２ａに着座するように構成されている。この場合には、シート部１２ａの下流側に向けての燃料の流れが遮断される。一方、ニードル弁１４は、励磁電流の供給を受けて電磁石が磁力を発した場合には、シート部１２ａから離座するように構成されている。その結果、シート部１２ａの上流に蓄えられていた高圧の燃料がシート部１２ａの下流側に供給される。

また、燃料噴射弁１０の先端部には、シート部１２ａの下流側の燃料通路１６と、燃料の噴射を受ける噴射区間（ここでは、吸気ポート内部）２０とを区画する部材として、略円板状の噴孔プレート１８が設置されている。噴孔プレート１８には、複数の噴孔２２が形成されている。図１においては、噴孔プレート１８の中心側から径方向外側に向けて所定の角度間隔をおいて放射状に配置される複数の噴孔２２のうちの４つの噴孔２２を図示している。ただし、噴孔プレート１８上における複数の噴孔２２は、放射状に配置されるものに限らず、格子状など任意のパターンで配置されるものであってもよい。

図２は、図１に示す噴孔２２の構成をより詳しく説明するための図である。より具体的には、図２（Ａ）は、図１中の噴孔２２の拡大図であり、図２（Ｂ）は、噴孔２２周りの噴孔プレート１８を図２（Ａ）に示すＡ−Ａ線で切断して表した断面図（出口側から噴孔２２を見た図）である。尚、図２においては、色が濃いほど、燃料がより集まっていることを表している。

図１に示す構成を有する燃料通路１６では、ニードル弁１４がシート部１２ａから離座した時に、シート部１２ａの上流側の高圧の燃料が噴孔プレート１８の径方向外側から噴孔プレート１８の中心側に向けて勢い良く流れることになる。従って、図２中に示すように、噴孔プレート１８の外側から噴孔プレート１８の中心側に向かう燃料の流れが、噴孔２２に対して流入する燃料における最も強い流れの方向となる。以下、本明細書中においては、このような燃料の流れ方向のことを、「燃料の主流れ方向」と称する。

図２（Ｂ）に示すように、噴孔２２は、燃料の主流れ方向を短軸方向とするオーバル状の断面形状を有している。ここでは、図示を省略しているが、噴孔２２は、入口側の部位から出口側の部位にかけて、図２（Ｂ）に示すようなオーバル状の断面形状を有するものとする。

そのうえで、噴孔２２は、入口側の部位の通路断面積に対して出口側の部位の通路断面積が燃料の主流れ方向の上流側に向かって広くなるように形成されている。より具体的には、噴孔２２は、入口側から出口側に向かうにつれ、通路断面積が燃料の主流れ方向の上流側に向かって広くなるように形成されている。更に付け加えると、このような噴孔形状を得るために、本燃料噴射弁１０の噴孔２２では、図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを組み合わせて見ると分かるように、入口側から出口側に向かって広がるテーパー形状が採用され、かつ、噴孔２２の噴孔軸（入口における噴孔２２の中心点と出口における噴孔２２の中心点とを結んで得られる直線）が、噴孔２２の入口側から出口側に向かうにつれ、燃料の主流れ方向の上流側（本実施形態では、噴孔プレート１８の径方向外側）に向かって近づくように傾斜する構成が採用されている。

本燃料噴射弁１０は、更に次のような構成を有することを特徴としている。すなわち、上記オーバル形状を有する噴孔２２は、図２（Ｂ）に示すように、噴孔２２内に流入してきた燃料を受け止める（燃料が衝突する）側（本実施形態では、噴孔プレート１８の中心側）の部位であって当該オーバル形状の長軸に平行な直線部２２ａと、当該直線部２２ａの両端側（長軸方向側）にそれぞれ存在する所定の曲率の曲線部２２ｂと、前記直線部２２ａとそれぞれの前記曲線部２２ｂとの間にクロソイド曲線で形成された接続部２２ｃと、を含むように構成されている。

次に、以上説明した構成を有する燃料噴射弁１０の効果について説明する。
先ず、燃料噴射弁１０では、既述したように、噴孔２２は、入口側から出口側に向かうにつれ、通路断面積が燃料の主流れ方向の上流側に向かって広くなるように形成されている。このような構成（説明の便宜上、「構成Ａ」と称する）を採用することで、噴孔２２内の流れは、図２（Ａ）に示すように、噴孔２２内に流入してきた燃料を受け止める（燃料が衝突する）側（噴孔プレート１８の中心側）に偏ったものとなる。その結果、噴孔２２の入口での燃料の剥離を促進し、噴孔２２内の燃料の乱れを促進することができる。これにより、噴孔２２の出口から噴出される燃料が良好に薄膜化されるので、燃料噴霧の微粒化を促進することができる。

上記のような構成Ａを有する燃料噴射弁１０において、更なる燃料噴霧の微粒化を図るための方策として、噴孔径を小さくすることなどが考えられる。しかしながら、小噴孔径化には限界があり、また、ある噴孔径以下になると、逆に噴霧粒径が大きくなってしまう。より具体的には、噴孔を小さくすると、一定の燃料噴射量を確保するためには噴孔数を多くする必要が生ずる。その結果、噴孔間の距離が狭くなり、隣接する噴孔から噴出した燃料同士が合体してしまうことが懸念される。
また、小噴孔径化を図ることで噴孔出口径も小さくなる。このため、噴孔内の燃料の乱れを利用して薄膜化した燃料が、噴孔内で或いは噴孔から噴出した後に合体し、筋状の噴霧となってしまうことが懸念される。
更には、小噴孔径化によって噴孔表面積が広くなるため、噴孔内壁面へのデポジットの堆積量に対する流量低下割合が大きくなってしまうことが懸念される。

以上のことから、燃料噴射弁により噴射される燃料の更なる微粒化を図るためには、噴霧の合体の回避、噴孔内における燃料の薄膜化の促進、および、薄膜化した燃料の合体による筋状噴霧化の回避による燃料噴霧の微粒化効果の向上と、耐デポジット性の向上とが好適に両立されていることが望ましい。

上記要求を満たすべく、本実施形態の燃料噴射弁１０における噴孔２２は、上記構成Ａに加え、既述した追加的な構成（以下、説明の便宜上、「構成Ｂ」と称する）を備えている。すなわち、先ず、燃料の主流れ方向を短軸方向とするオーバル状の断面形状を有している。これにより、図２（Ｂ）に示すように、噴孔２２内に流入したうえで噴孔プレート１８の中心側の噴孔２２の内壁面に衝突して押し広げられることによって薄膜化した燃料が、噴孔２２内で或いは噴孔２２から噴出された後に合体するのを回避（抑制）することができる。

更に、上記オーバル形状を有する噴孔２２は、図２（Ｂ）を参照して既述したように、噴孔２２内に流入してきた燃料を受け止める（燃料が衝突する）側（本実施形態では、噴孔プレート１８の中心側）の部位であって当該オーバル形状の長軸に平行な直線部２２ａと、当該直線部２２ａの両端側（長軸方向側）にそれぞれ存在する所定の曲率の曲線部２２ｂと、前記直線部２２ａとそれぞれの前記曲線部２２ｂとの間にクロソイド曲線で形成された接続部２２ｃと、を含むように構成されている。これにより、噴孔２２内に流入した燃料が直線部２２ａから曲線部２２ｂに向けて移動する際に、クロソイド曲線を用いて形成された接続部２２ｃを通過することになる。その結果、接続部２２ｃによって曲率が緩やかに変化しながら直線部２２ａから曲線部２２ｂに向けて燃料が導かれるようになる。その結果、急激な曲率変化による過度な遠心力が働かないので、流体（燃料）が有するエネルギーをロスすることなく流体が押し広げられ、燃料が噴孔２２に沿って薄膜化し易くなる。

以上のような構成Ｂを更に備えたことにより、本燃料噴射弁１０によれば、必要以上の小噴孔径化をすることなく噴霧の微粒化が可能となり、燃料噴霧の微粒化効果の向上と耐デポジット性の向上とを好適に両立できるようになる。

ところで、上述した実施の形態１における噴孔２２では、図２（Ａ）入口側から出口側に向かって広がるテーパー形状が採用され、かつ、噴孔２２の噴孔軸が、噴孔２２の入口側から出口側に向かうにつれ、燃料の主流れ方向の上流側に向かって近づくように傾斜する構成が採用されている。しかしながら、本発明における噴孔は、入口側の部位の通路断面積に対して出口側の部位の通路断面積が当該噴孔に流入する燃料の主流れ方向の上流側に向かって広くなるように形成されたものであれば、上記のようにテーパー形状によるものに限定されない。すなわち、例えば、噴孔における燃料の主流れ方向の上流側の内壁面は、図２（Ａ）中に断面で示すように直線的に広がるものに限らず、曲線的に広がるものであってもよいし、段階的（段付き状）に広がるものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、噴孔プレート１８の径方向外側から中心側に向かう燃料の流れが各噴孔２２に対して燃料の主流れ方向となる基本構成を有する燃料噴射弁１０に対して適用した噴孔２２の構成を例に挙げて説明を行った。ここで、燃料噴射弁の基本構成次第では、燃料の主流れ方向は、上述した方向になるとは限らない。例えば、シート部の上流側においてニードル弁の周囲に形成される燃料通路が、ニードル弁の周方向の一部に対して広げられた燃料溜まり部を有するものである場合には、そのような燃料溜まり部から下降して噴孔プレートに導入される燃料の流れが、噴孔プレート上において強い流れとなる。このため、このような場合であれば、径方向全体からではなく、燃料溜まり部の位置に応じて定まる特定の噴孔プレート外側方向から噴孔プレート中心側に向かう燃料の流れが、上記燃料の主流れ方向となる。また、燃料噴射弁の基本構成次第では、例えば、噴孔プレートの中央部位に燃料が導入され、その結果として、噴孔プレートの中心側から外側に向かう燃料の流れ方向が本発明でいう「燃料の主流れ方向」となることも考えられる。本発明の燃料噴射弁では、上記のように各燃料噴射弁の基本構成に応じて異なり得る燃料の主流れ方向との関係で、噴孔の構成が特定されている。つまり、本発明における燃料噴射弁の噴孔は、種々の燃料噴射弁において想定される燃料の主流れ方向に応じて特定された向きで所定の噴孔形成部材に形成されるものである。

また、上述した実施の形態１においては、燃料噴射弁１０の先端に設けられた略円板状の噴孔プレート１８に複数の噴孔２２が形成された構成を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における噴孔形成部材は、上記のような噴孔プレート１８であるものに限定されず、噴孔が形成されるものであれば、例えば、燃料噴射弁の燃料噴射側の先端に位置する弁ボディであってもよい。また、本発明における噴孔２２の数は、特に限定されるものではなく、任意の複数であってもよく、或いは１つであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、図２に示すように、噴孔２２に流入してきた燃料を受け止める側（燃料が衝突する側）の部位が上述したオーバル形状で形成されている例について説明した。しかしながら、本発明における噴孔においてオーバル状に形成される部位は、必ずしも噴孔の入口から出口にかけての全体でなくてもよく、スムーズに燃料を広げるうえで重要な噴孔の出口側の部位のみであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、噴孔プレート１８が前記第１の発明における「噴孔形成部材」および前記第２の発明における「プレート」にそれぞれ相当している。

１０ 燃料噴射弁
１２ 弁ボディ
１２ａ 弁ボディのシート部
１４ ニードル弁
１６ 燃料通路
１８ 噴孔プレート
２２ 噴孔
２２ａ 噴孔の直線部
２２ｂ 噴孔の曲線部
２２ｃ 噴孔の接続部

Claims (2)

1. 燃料を噴射する燃料噴射弁であって、
   前記燃料噴射弁の内部に形成され、燃料が流れる燃料通路と、
   燃料の噴射を受ける噴射空間と前記燃料通路とを区画する部材であって、前記燃料通路から前記噴射空間に向けて燃料を噴出する噴孔が少なくとも１つ形成された噴孔形成部材と、を備え、
   前記噴孔は、入口側の部位の通路断面積に対して出口側の部位の通路断面積が当該噴孔に向かう燃料の主流れ方向の上流側に向かって広くなるように形成され、
   前記噴孔の少なくとも出口側の通路断面形状は、燃料の前記主流れ方向を短軸方向とするオーバル形状であり、
   前記噴孔は、前記噴孔の内部に流入してきた燃料を受け止める側の部位であって当該オーバル形状の長軸に平行な直線部と、当該直線部の両端側にそれぞれ存在する曲線部と、前記直線部とそれぞれの前記曲線部との間にクロソイド曲線で形成された接続部と、を含むことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記噴孔形成部材は、略円板状のプレートであって、
   燃料の前記主流れ方向は、前記プレートの外側から当該プレートの中心側に向かう方向であり、
   前記噴孔の少なくとも出口側の通路断面形状は、前記プレートの中心側から当該プレートの外側に向かう方向を短軸方向とするオーバル形状であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。

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