JP5875442B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関で使用される燃料噴射弁に係り、特に、複数個の燃料噴射孔を有し、各々の燃料噴射孔より旋回燃料を噴射して微粒化性能を向上させ得る燃料噴射弁に関する。
複数個の燃料噴射孔から噴射される燃料の微粒化を、旋回流れを利用して促進する従来技術として、特許文献1に記載された燃料噴射弁が知られている。
この燃料噴射弁では、弁体と協働する弁座の下流端が前端面に開口する弁座部材と、この弁座部材の前端面に接合されるインジェクタプレートとの間に、前記弁座の下流端に連通する横方向通路と、この横方向通路の下流端が接線方向に開口するスワール室とを形成し、このスワール室でスワールを付与された燃料を噴射させる燃料噴射孔を前記インジェクタプレートに穿設し、前記スワール室の内周面の曲率半径を、スワール室の内周面に沿う方向の上流側から下流側に向かって減少させている。すなわち、曲率をスワール室の内周面に沿う方向の上流側から下流側に向かって増加させている。また、スワール室の内周面を、スワール室に基礎円を持つインボリュート曲線に沿って形成している。
また、この燃料噴射弁では、通路プレートの厚肉部とインジェクタプレートの重なり面が、弁座の軸線に対してV字状に傾斜した二つの斜面に形成され、燃料噴射孔は互いに反対方向に傾斜配置される二組に分けられている。
この様な構成により、各々の燃料噴射孔からの燃料の微粒化を効果的に促進させることができる。また、燃料の噴射方向を変えることができる。
また一方、旋回力を利用して微粒化を促進すると共に、複数孔に分散して空気との混合を良好にする従来技術として、特許文献2に記載された燃料噴射弁が知られている。
特開2004−278464号公報 特開平7−35001号公報
旋回力を付与された燃料を噴射すると、噴霧は中空円錐状になることが知られている。また、この様な噴霧は液膜状態から液糸分裂を経て液滴化され、微粒化噴霧となることも知られている。
エンジンに搭載するにあたっては、装着性の観点から燃料噴射弁にはスリム化が求められており、その噴射部は小径寸法のノズル部となるために、性能面や加工組立て等において、噴射性能を引き出すための様々な工夫が必要になる。
特許文献1に記載された従来技術では、通路プレートの構成において、横方向通路とこの通路に連通するスワール室を有する部位を厚肉部とし、この厚肉部の外周部を薄肉部とする。そして、燃料噴射孔を有する薄板状のインジェクタプレートをこの薄肉部に重ねて外周固定する。その溶接時(レーザ溶接が知られている)に、外周部に投入するエネルギーを効率良く使用して固定できるようにしている。また、噴射特性の自由度を高める方法として、この厚肉部とインジェクタプレートの重なり面をV字状することにより噴射方向を変えられるようにしている。
このような構成では、外周部の溶接固定は所望の目標通り実施されるものの、薄板状のインジェクタプレートの変形(湾曲する)を防止することが難しい。
その結果、横方向通路やスワール室の上部に微小な隙間が生ずることになる。
特に、横方向通路は旋回燃料の生成に重要な部位であり、隙間が生ずることによって燃料漏れが発生して旋回力が低下する。また、隙間のばらつきによって、各々の燃料噴射孔に供給される燃料の旋回強さにばらつきが生ずることになる。さらに、噴射孔出口部における旋回流の対称性が損なわれてしまう懸念がある。
その結果、微粒化性能が損なわれたり、噴霧形状が変わったりする。さらには、噴射方向制御においてロバスト性が損なわれることになる。
特許文献2に記載された従来技術では、微粒化した燃料を拡散するための構成は示されているものの、高精度な加工が要求される旋回用通路や旋回室の加工方法や組立て方法等については開示されていない。
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、旋回燃料を噴射する燃料噴射孔を有するプレート状の部材をノズル体に組み込む際に発生する微小変形等の問題を解消すると共に、燃料噴射孔を近接配置した時に問題となる噴霧干渉を解消して、微粒化性能と形状制御性に優れた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に、燃料の噴射と停止を行うために開閉可能な弁体と、該弁体と密着して燃料の噴射の停止を行うことが可能な弁座面を有するノズル体と、前記弁座面の燃料流れに対して下流に配置され燃料が通過する旋回用通路と、該旋回用通路の下流に配置される旋回室と、旋回燃料を噴射する燃料噴射孔を有するオリフィスプレートと、を備えた燃料噴射弁において、前記ノズル体における前記オリフィスプレート側の端面は、前記旋回用通路と対向する第一の面と、前記旋回室と対向する第二の面と、を有し、前記第一の面は、前記第二の面と重なる平面よりも前記オリフィスプレート側に配置されるようにした。
このとき、前記オリフィスプレートにおける前記ノズル体側の面は、前記第一の面と対向する第三の面と、前記第二の面と対向する第四の面と、を有し、前記第三の面は、前記第四の面と重なる平面よりも前記ノズル体側に配置されると良い。
また、前記ノズル体における前記オリフィスプレート側の端面は、前記オリフィスプレート側に向かって凸状となる傾斜面であると良い。
さらには、前記旋回室の断面がインボリュート曲線又は螺旋曲線で形成されていると良い。
本発明によると、前記オリフィスプレートの該旋回用通路の傾斜面と、これに対応するノズル体の傾斜面とが隙間なく密着して固定されるので、該旋回用通路を通過する燃料漏れが阻止される。従って、燃料は効果的に旋回室に供給されるので、各々燃料噴射孔に十分な旋回力が付与される。
また、ノズル体と該ノズル体を覆うオリフィスプレートが凸状をなすので、この傾斜面に直交して加工される燃料噴射孔より噴射される噴霧は、互いに干渉(液膜状態での干渉)することがなく効率的に微粒化し所定の方向に噴射される。
本発明に係る燃料噴射弁の全体構成を示した縦断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁におけるノズル体の近傍を示す縦断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁におけるノズル体単体の形状を説明するための断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁におけるスワールプレートを示す断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁における旋回室と旋回用通路と燃料噴射孔との関係を説明するための平面図である(図4のA方向視図)。 本発明に係るノズル体とスワールプレートの嵌合状態部分を示す拡大断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁におけるノズル体の他の実施形態を説明するための縦断面図である。 本発明に係るノズル体とスワールプレートの圧入状態を示す拡大断面図である。
本発明の実施例について、図1乃至図8を用いて説明する。
本発明の第1の実施例について、図1乃至図8を用いて以下説明する。
図1は、本発明に係る燃料噴射弁1の全体構成を示した縦断面図である。
図1において、燃料噴射弁1は、ステンレス製の薄肉パイプ13にノズル体2、弁体6を収容し、この弁体6を外側に配置した電磁コイル11で往復動作(開閉動作)させる構造である。以下、構造の詳細について説明する。
電磁コイル11を取り囲む磁性体のヨーク10と、電磁コイル11の中心に位置し、一端がヨーク10と磁気的に接触したコア7と、所定量リフトする弁体6と、この弁体6に接する弁座面3と、弁体6と弁座面3の隙間を通って流れる燃料の通過を許す燃料噴射室4、および燃料噴射室4の下流に複数個の燃料噴射孔23a、23b、23c(図2と図4乃至図5参照)を有するオリフィスプレート20を備えている。
また、コア7の中心部には、弁体6を弁座面3に押圧する弾性部材としてのスプリング8が備えてある。このスプリング8の弾性力はスプリングアジャスタ9の弁座面3方向への押し込み量によって調整される。
コイル11に通電されていない状態では、弁体6と弁座面3とが密着している。この状態では燃料通路が閉じられているため、燃料は燃料噴射弁1内部に留まり、複数個設けられている各々燃料噴射孔23a、23b、23cからの燃料噴射は行われない。
一方、コイル11への通電があると、電磁力によって弁体6が対面するコア7の下端面に接触するまで移動する。
この開弁状態では弁体6と弁座面3の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれて複数個の燃料噴射孔23a、23b、23cから燃料が噴射される。
なお、燃料噴射弁1には入口部にフィルター14を有する燃料通路12が設けられており、この燃料通路12はコア7の中央部を貫通する貫通孔部分を含み、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料を燃料噴射弁1の内部を通して燃料噴射孔23a、23b、23cへと導く通路である。また、燃料噴射弁1の外側部分は樹脂モールド15によって被服され電気絶縁されている。
燃料噴射弁1の動作は、上述したように、コイル11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ることで、燃料の供給量を制御している。
燃料供給量の制御にあたっては、特に、閉弁状態では燃料漏れがない弁体設計が施されている。
この種の燃料噴射弁では、弁体6に真円度が高く鏡面仕上げが施されているボール(JIS規格品の玉軸受用鋼球)を用いておりシート性の向上に有益である。
一方、ボールが密着する弁座面3の弁座角は、研磨性が良好で真円度を高精度にできる最適な角度80゜から100゜に設定してあり、上述したボールとのシート性を極めて高く維持できる寸法条件を選択している。
なお、弁座面3を有するノズル体2は、焼入れによって硬度が高められており、さらに、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。
このような弁体6の構成により、燃料漏れのない噴射量制御を可能としている。
図2は、本発明に係る燃料噴射弁1におけるノズル体2の近傍を示す縦断面図である。図2に示すように、オリフィスプレート20はその上面がノズル体2の下面に接触しており、この接触部分の外周をレーザ溶接してノズル体2に固定されている。
尚、本明細書及び特許請求の範囲において上下方向は図1を基準としており、燃料噴射弁1の弁軸心方向において燃料通路12側を上側、燃料噴射孔23a、23b、23c側を下側とする。
ノズル体2の下端部には、弁座面3のシート部3aの径φSより小径の燃料導入孔5が設けられている。弁座面3は円錐形状をしており、その下流端中央部に燃料導入孔5が形成されている。弁座面3の中心線と燃料導入孔5の中心線とは弁軸心に一致するように、弁座面3と燃料導入孔5とが形成されている。燃料導入孔5によってノズル体2の下端面にオリフィスプレート20の中央穴(中央孔)25に連通する開口が形成される。
先に図5を用いて、オリフィスプレート20に形成される複数個の燃料通路の構成を概説する。
中央穴25はオリフィスプレート20の中央部に設けられた凹形状溝部であり、旋回用通路21a、21b、21cが放射状に延びており、その上流端が中央穴25の内周面に開口している。
旋回用通路21a、21b、21cの下流端は旋回室22a、22b、22cに連通するよう接続されている。旋回用通路21a、21b、21cは旋回室22a、22b、22cにそれぞれ燃料を供給する燃料通路であり、この意味において旋回用通路21a、21b、21cを旋回燃料供給通路21a、21b、21cと呼んでも良い。
旋回室22a、22b、22cの壁面は、上流側から下流側に向かって曲率が次第に大きくなるように(曲率半径が次第に小さくなるように)形成されている。このとき、曲率は連続的に大きくしても良いし、所定の範囲で曲率が一定になるようにしながら上流側から下流側に向かって段階的に次第に大きくなるようにしても良い。上流側から下流側に向かって曲率が連続的に大きくなる曲線の代表例として、インボリュート曲線(形状)又はらせん曲線(形状)がある。本実施例では、旋回室22a、22b、22cは、らせん曲線に基づいて形成しているが、該らせん中心(渦中心)には燃料噴射孔23a、23b、23cがそれぞれ開口している。
なお、旋回室22a、22b、22cにインボリュート曲線を使用する場合、インボリュート曲線の基礎円の中心と燃料噴射孔23aの中心とが一致するように構成すると良い。
また、旋回用通路21a、21b、21cの側壁の下流端と旋回室22a、22b、22cの内周壁の終端は所定の厚みを有する接続面(R部)を構成している。この厚み部の大きさは0.01ミリメートルから0.1ミリメートル程度の範囲を許容しており、好ましくは0.02ミリメートルから0.06ミリメートル程度を優先的に採用すると良い。
この厚みを形成することによって、旋回室22a、22b、22cを周回した燃料と旋回用通路21a、21b、21cより流入した燃料の衝突が緩和され、それぞれの旋回室22a、22b、22cのらせん壁面に沿うスムースな流れが形成される。
旋回用通路21a、21b、21cの流れ方向に垂直な断面形状は矩形(長方形)であり、旋回用通路21a、21b、21cの幅に比べて高さを小さくすることで、プレス成形に有利な寸法となるように設計されている。
旋回用通路21a、21b、21cに流入する燃料は、この矩形部が絞り(最小断面積)となっているため、弁座面3のシート部3aから燃料噴射室4、燃料導入孔5、オリフィスプレート20の中央穴25を経てこの旋回用通路21a、21b、21cに至るまでの圧力損失は無視できるように設計されている。
特に、燃料導入孔5およびオリフィスプレート20の中央穴25は急激な曲がり圧損が生じないよう、所望大きさの燃料通路となるように設計している。
従って、燃料の圧力エネルギーがこの旋回用通路21a、21b、21c部分で効率的に旋回速度エネルギー変換されるようになっている。
また、この矩形部で加速された燃料流れは十分な旋回強さ、いわゆる旋回速度エネルギーを維持しつつ、下流の燃料噴射孔23a、23b、23cに導かれる。
なお、旋回室22a、22b、22cの大きさは、燃料流れによる摩擦損失や室内壁での摩擦損失の影響が極力小さくなるように、その直径が決められている。その大きさは水力直径の4倍から6倍程度が最適値とされており、本実施例でもこの方法を適用している。
また、本実施例では旋回用通路21と旋回室22及び燃料噴射孔23を組み合わせた燃料通路を3等分して設けているが、さらに増加させることにより、噴霧の形状や噴射量のバリエーションの自由度を高めても良い。
次に、図3乃至図4を用いて、旋回用通路21a、21b、21cと旋回室22a、22b、22cの加工方法及び組立て方法について詳細に説明する。
図3はノズル体2の形状を示す断面図である。また、図4はオリフィスプレート20の断面図である。
ノズル体2には、中心部に位置する燃料導入孔5と、この燃料導入孔5より上流側に向って傾斜する旋回用通路の合わせ面2a、旋回室の合わせ面2bと、この旋回室の合わせ面2bに続いて凹部状の内側壁面2c及び底部壁面2d、外側壁面2eが形成されている。
旋回用通路の合わせ面2aは、オリフィスプレート20を挿入固定した際に形成される旋回用通路21a、21b、21cに対応する面である。
また、旋回室の合わせ面2bは、オリフィスプレート20を挿入固定した際に形成される旋回室22a、22b、22cに対応する面である。
旋回用通路の合わせ面2aは旋回室の合わせ面2bと同一面として形成されておらず、旋回室の合わせ面2b側が僅かに上側に位置している。従って、両者の間には僅かな段差(数十ミクロン程度)が形成されている。
この段差の位置は、図4の矢印A方向より投影した燃料通路の説明に用いた図5に示される仮想円26aで示される。この仮想円26aは、旋回室22a、22b、22cにおける弁軸心側の壁面よりやや内側(弁軸心側)になるように位置決めされている。
これにより旋回用通路21a、21b、21cが旋回用通路の合わせ面2aにより、旋回用通路21a、21b、21c終端まで覆うことができ、旋回用通路21a、21b、21cからの燃料漏れを低減することができる。
オリフィスプレート20は、下側に向かって凸形状をなしており、その中央部下方外面は中心部に位置する中央穴25より小径の押圧面26が形成されている。
押圧面26は、オリフィスプレート20をノズル体2へ組み付けた後、弁体6とのストローク調整時に使用する押圧部である。
また、傾斜面の外周部には押圧面29が形成されている。
押圧面29は、オリフィスプレート20をノズル体2へ組み付けた時に使用する押圧部である。
また一方、上方内側には中央穴25に連通し径方向に延びる旋回用通路21a、21b、21cと、それぞれの旋回用通路21a、21b、21cに接続される旋回室22a、22b、22cが形成されている。
旋回用通路の合わせ面20aと旋回室の合わせ面20bは同面でも構わないが、好ましくは僅かな段差が形成されていると良い。その場合、旋回室の合わせ面20bが旋回用通路の合わせ面2aの下側方向に僅かにずれるように設計されると良い。
これにより旋回用通路の合わせ面20aと旋回用通路の合わせ面2aの面が当接して旋回用通路21a、21b、21cからの燃料漏れを低減することができる。
オリフィスプレート20の外形部はノズル体2に形成される凹部の外側壁面2e部と嵌め合い寸法に形成されており、この外側壁面2e部に案内されて挿入固定される。オリフィスプレート20をノズル体2に圧入固定する際には、外周側の平面部を押圧面として使用する。
オリフィスプレート20を圧入固定すると、オリフィスプレート20の旋回用通路の合わせ面20aとノズル体2の旋回用通路の合わせ面2aが密着することになり、その合わせ面は隙間が無いに等しくなるように密着度を上げて形成される。
一方、オリフィスプレート20の旋回室の合わせ面20bとノズル体2の旋回室の合わせ面2bとの合わせ面には僅かな隙間ができるように形成されている。
この様な構成により、旋回用通路21a、21b、21cを流れる燃料は旋回室22a、22b、22cに向かって、少なくとも旋回用通路21a、21b、21cから漏れることなく全て供給される。従って、それぞれの旋回室22a、22b、22cには燃料は、圧力を保ったまま流入することになるので旋回力が強くなる。
なお、旋回室22a、22b、22cの旋回室の合わせ面2bの下面には僅かな隙間δ3(図6参照)が形成されるが、この部位での燃料の旋回流動はなく燃料は上部隙間に滞まった状態になり旋回室22a、22b、22cの流れを阻害することはない。
図6に、ノズル体2とオリフィスプレート20の嵌合状態部分を示す拡大断面図を示している。
オリフィスプレート20の内周側の壁面20cは、ノズル体2の凹部状の内側壁面2cの径より大径に形成されている。これによって、挿入固定する際に、両者の間には隙間δ1が形成されることになる。
また、オリフィスプレート20の上側の外周端面20dとノズル体2の凹部状の底面2dの間にも僅かな隙間δ2が形成されている。
これらの隙間にはδ2>δ1の関係を持たせており、オリフィスプレート20を圧入固定する時に発生する余計な変形を吸収できるように設計されている。
図8を用いて説明すると、ノズル体2へオリフィスプレート20を圧入すると、最初に旋回用通路の合わせ面20aと旋回用通路の合わせ面2aが当接し、更に押圧するとδ2の隙間がδ1より大きいため、底部壁面2dに凸面20dが当接することなく旋回用通路の合わせ面20aと旋回用通路の合わせ面2aの密着性を高めつつ、29を押圧することができる。
この時20cは、わずかに変形するがδ1の隙間により変形量は吸収できるようになっている。
なお、ノズル体2の旋回用通路の合わせ面2aと旋回室の合わせ面2b間は段差で形成されているが、微小Rなどで連続的に繋がっていても何ら構わない。
本実施例に係る燃料噴射弁の第2の実施例について、図7を参照して以下説明する。図7はノズル体近傍を示す縦断面図である。
第1の実施例に係る燃料噴射弁と異なる点は、下端部に設けた燃料導入孔を複数個設けている点であり、これによって、燃料噴射室からの燃料の流通経路が複数個所になるという点である。
図に示すように、この燃料導入孔35aは上流側が燃料噴射室4に連通している。また、燃料導入孔35aはオリフィスプレート30に形成される旋回用通路31aに連通している。
この様な構成により、燃料通路の急峻な曲がりを防ぐことができるため、流れ損失が極めて小さく燃料は燃料導入孔35aから旋回用通路31aを経て下流の旋回室に至る。従って、効果的に旋回力が付与されて燃料噴射孔の出口部においては、均一な燃料薄膜が噴射されることになる。その結果、燃料の微粒化特性が極めて優れると共に、第1の実施例と同様な作用効果が得られることになる。
上記実施例では、以下のような作用効果も合わせ持っている。
燃料噴射室4と燃料導入孔35aで決まる燃料通路の体積を十分小さくすることができる。従って、燃料噴射室4及び燃料導入孔35aから旋回室に至る流れに余分な経路がないため渦等の乱れが発生せず、噴射量のロバスト性や噴霧の形状制御が格段に向上する。
以上説明したように、本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁は、旋回燃料を形成するオリフィスプレートの該旋回用通路の傾斜面と、これに対応するノズル体の傾斜面とが隙間なく密着して固定されるので、該旋回用通路を通過する燃料の通路外への漏れが阻止される。従って、燃料は効果的に旋回室に供給されるので、各々燃料噴射孔に均等でかつ十分な旋回力が付与される。
また、ノズル体と該ノズル体を覆うオリフィスプレートが凸状をなすので、この傾斜面に直交して加工される燃料噴射孔より噴射される噴霧は、互いに干渉することなく噴射され、燃料噴射孔を近接して配置した時に問題となる液膜状態での干渉を避けることができ、微粒化性能と形状制御性に優れた燃料噴射弁を提供することができる。
1 燃料噴射弁
2 ノズル体
2a、20a 旋回用通路の合わせ面
2b、20b 旋回室の合わせ面
3 弁座面
4 燃料噴射室
5 燃料導入孔
6 弁体
20 オリフィスプレート
21a、21b、21c 旋回用通路
22a、22b、22c 旋回室
23a、23b、23c 燃料噴射孔
25 中央穴
26、29 押圧面

Claims (5)

  1. 燃料の噴射と停止を行うために開閉可能な弁体と、
    該弁体と密着して燃料の噴射の停止を行うことが可能な弁座面を有するノズル体と、
    前記弁座面の燃料流れに対して下流に配置され燃料が通過する旋回用通路と、
    該旋回用通路の下流に配置される旋回室と、
    旋回燃料を噴射する燃料噴射孔を有するオリフィスプレートと、を備えた燃料噴射弁において、
    前記ノズル体における前記オリフィスプレート側の端面は、前記旋回用通路と対向する第一の面と、前記旋回室と対向する第二の面と、を有し、
    前記第一の面は、前記第二の面と重なる平面よりも前記オリフィスプレート側に配置され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において、
    前記オリフィスプレートにおける前記ノズル体側の面は、前記第一の面と対向する第三の面と、前記第二の面と対向する第四の面と、を有し、
    前記第三の面は、前記第四の面と重なる平面よりも前記ノズル体側に配置されることを特徴とする燃料噴射弁。
  3. 請求項1又は2に記載の燃料噴射弁において、
    前記ノズル体における前記オリフィスプレート側の端面は、前記オリフィスプレート側に向かって凸状となる傾斜面であることを特徴とする燃料噴射弁。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料噴射弁において、
    前記ノズル体は、前記第二の面の外周に凹部が形成され、
    前記オリフィスプレートは、前記凹部に挿入固定されることを特徴とする燃料噴射弁。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料噴射弁において、
    前記旋回室の断面がインボリュート曲線又は螺旋曲線で形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
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