JP5935724B2

JP5935724B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP5935724B2
Application number: JP2013044505A
Authority: JP
Inventors: 秀和大村; 正則宮川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: JP2014173447A

Description

本発明は、内燃機関において燃料を放射状に噴射する燃料噴射弁に、関する。

従来、燃料入口側から燃料出口側へ向かうほど外周側へ傾斜する燃料噴孔を、弁ハウジングの周方向に並べて形成し、弁ハウジング内に収容した弁部材の往復移動により、当該燃料噴孔を開閉して燃料噴孔からの燃料噴射を断続させる燃料噴射弁が、知られている。

例えば特許文献１の燃料噴射弁では、燃料噴孔のいずれをも貫くピッチ円が定義されている。かかる定義下、ピッチ円上にて隣り合う燃料噴孔から噴射された燃料噴霧同士は、互いに衝突干渉し易く、その結果として噴霧粒径の粗大化を招いてしまうため、燃料噴霧の微粒化が困難となる。

そこで、特許文献２の燃料噴射弁では、燃料噴孔としての外噴孔を貫く外仮想円と、その内周側にて燃料噴孔としての内噴孔を貫く内仮想円とが、同心状に定義されている。かかる定義下において複数ずつ設けられる外噴孔と内噴孔とは、弁ハウジングの周方向に交互に配列されることで、外仮想円と内仮想円との間にて互いに隣接している。このように隣接する外噴孔と内噴孔とから噴射された燃料噴霧同士は、互いに衝突干渉し難くなることで、噴霧粒径の粗大化を抑制し得るので、燃料噴霧の微粒化が可能となる。

特開平８−２７７７６３号公報特開平１１−７０３４７号公報

しかし、特許文献２の燃料噴射弁では、外仮想円と内仮想円との径方向間隔が大きいことにより、互いに隣接する外噴孔と内噴孔とから噴射された燃料噴霧間では、コアンダ効果による引き寄せ力が小さくなってしまう。その結果、燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）を制御することが困難となっている。

また、特許文献２の燃料噴射弁では、外仮想円と内仮想円との径方向間隔が大きいことにより、燃料入口よりも上流側での燃料流れには、外噴孔と内噴孔とで大きな差が生じる。その結果として、外噴孔と内噴孔とから噴射の燃料噴霧の粒径にも大きな差が生じてしまうことは、燃料噴霧の微粒化を妨げることになる。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料噴霧のペネトレーション制御性を高めると共に、燃料噴霧の微粒化を促進する燃料噴射弁を、提供することにある。

上述の課題を解決するために本発明者らは、外仮想円とその内周側同心状の内仮想円とがそれぞれ貫くように配列された外噴孔と内噴孔とにつき、配列形態の鋭意研究を行なってきた。その結果、燃料出口側において外噴孔の開口縁部と内噴孔の開口縁部との位置関係を最適化することで、それら外噴孔及び内噴孔から噴射される燃料噴霧のペネトレーション制御性を高めると共に、当該燃料噴霧の微粒化を促進することが可能になった。

そこで本発明は、内燃機関において燃料を放射状に噴射する燃料噴射弁（１）であって、燃料入口（１７０）側から燃料出口（１７１）側へ向かうほど外周側へ傾斜する燃料噴孔（１７）を、周方向に並べて形成する弁ハウジング（１０）と、燃料噴孔へ燃料を導く燃料通路（１５）と、弁ハウジング内に収容され、往復移動することにより、燃料噴孔を開閉して燃料噴孔からの燃料噴射を断続する弁部材（４０）とを備え、外仮想円（１３４ａ）の内周側に同心状の内仮想円（１３４ｂ）を定義したとき、燃料出口側における開口縁部（１７４）のうち弁ハウジングでの最内周側に位置する最内周縁部（１７４ａ）が内仮想円上に設けられると共に、当該最内周縁部よりも外周側において外仮想円が貫く外噴孔（１７ａ）と、燃料出口側における開口縁部（１７４）のうち弁ハウジングでの最外周側に位置する最外周縁部（１７４ｂ）が外仮想円上に設けられると共に、当該最外周縁部よりも内周側において内仮想円が貫く内噴孔（１７ｂ）とは、燃料噴孔として複数ずつ設けられ、弁ハウジングの周方向に交互に配列され、外噴孔と内噴孔とは、周方向において一定間隔（Ｉ）毎に交互に配列され、弁ハウジングの中心軸（１３２）とは同一の縦断面上にて傾斜する孔軸（１７２）まわりに、共通形状を有し、外噴孔と内噴孔とは、中心軸に対する孔軸の傾斜角度（θ）を共通とし、燃料入口側にて各外噴孔の孔軸と交差する外ピッチ円（１３５ａ）と、燃料入口側にて各内噴孔の孔軸と交差する内ピッチ円（１３５ｂ）とを定義したとき、外ピッチ円と内ピッチ円との間に想定される仮想ピッチ円（１３５’）には、燃料入口側にて外噴孔が外周側から接し且つ燃料入口側にて内噴孔が内周側から接することを特徴とする。

かかる本発明によると、外仮想円とその内周側同心状の内仮想円とがそれぞれ燃料出口側にて貫く燃料噴孔として、複数ずつ設けられる外噴孔と内噴孔とは、弁ハウジングの周方向に交互に配列される。その結果、外噴孔と内噴孔とは、周方向にて互いに隣接する配列形態となるので、それら外噴孔と内噴孔とから噴射された燃料噴霧同士は、互いに衝突干渉し難くなる。これによれば、噴霧粒径の粗大化を抑制し得るので、燃料噴霧の微粒化が可能となる。

さらに、本発明による各燃料噴孔の燃料出口側では、外噴孔の開口縁部のうち弁ハウジングでの最内周側に位置する最内周縁部が内仮想円上に設けられると共に、内噴孔の開口縁部のうち弁ハウジングでの最外周側に位置する最外周縁部が外仮想円上に設けられる。その結果、外噴孔の最内周縁部より外周側を貫く外仮想円と、内噴孔の最外周縁部より内周側を貫く内仮想円とでは、それら仮想円の径方向間隔が可及的に小さくなる。これによれば、互いに隣接する外噴孔と内噴孔とから噴射された燃料噴霧間にて、コアンダ効果による引き寄せ力を増大し得ると共に、上流側での燃料流れの差による粒径差を低減し得る。故に、引き寄せ力の増大により燃料噴霧のペネトレーション制御性を高めると共に、噴霧粒径差の低減により燃料噴霧の微粒化を促進することが可能となる。

一実施形態の燃料噴射弁を示す縦断面図である。一実施形態の燃料噴孔を示す拡大平面図である。図２の燃料噴孔を示す拡大縦断面図であって、図２のIII−III線断面図である。図２の燃料噴孔を示す拡大縦断面図であって、図２のIV−IV線断面図である。図２に対して比較想定される仮想噴孔を示す拡大平面図である。図２の燃料噴孔の特徴を説明するための図であって、図２に対応する拡大平面図である。一実施形態の燃料噴孔による作用効果を説明するための模式図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁１を示している。燃料噴射弁１は、内燃機関としてのガソリンエンジンに設置され、当該ガソリンエンジンの吸気ポートへ燃料を噴射する。尚、かかる適用形態以外にも、例えば燃料噴射弁１は、ガソリンエンジンの燃焼室へ燃料を噴射するものであってもよい。

（基本構成）
まず、燃料噴射弁１の基本構成について、詳細に説明する。燃料噴射弁１は、弁ハウジング１０、固定コア２０、可動コア３０、弁部材４０、弾性部材５０及び駆動部６０を備えている。

弁ハウジング１０は、パイプ部材１１、バルブボデー１２及びノズル部材１３等から構成されている。円筒状のパイプ部材１１は、第一磁性部１１０、非磁性部１１１及び第二磁性部１１２を、軸方向の開弁側から閉弁側へ向かってこの順に有している。金属磁性体からなる各磁性部１１０，１１２と、金属非磁性体からなる非磁性部１１１とは、例えばレーザ溶接等により同軸上に結合されている。かかる結合構造により非磁性部１１１は、第一磁性部１１０と第二磁性部１１２との間にて磁束の短絡を遮断している。

第一磁性部１１０は、燃料ポンプ（図示しない）からの燃料供給を受ける供給入口１４を、形成している。第二磁性部１１２は、円筒状の金属からなるバルブボデー１２に同軸上に外嵌固定されている。バルブボデー１２は、上流側から導かれる燃料を下流側へと流通させるように、燃料通路１５をパイプ部材１１と共同して形成している。それと共にバルブボデー１２は、燃料通路１５に露出する弁座１６を、有している。有底円筒状の金属からなるノズル部材１３は、第二磁性部１１２とは反対側にてバルブボデー１２に同軸上に外嵌固定されている。ノズル部材１３は、複数の燃料噴孔１７を底部に有している。各燃料噴孔１７は、弁座１６よりも下流側において燃料通路１５と連通していると共に、外部（本実施形態では、吸気ポート）へ向かって放射状に開口している。

円筒状の金属磁性体からなる固定コア２０は、第一磁性部１１０及び非磁性部１１１に同軸上に内嵌固定されている。固定コア２０には、円筒状の金属からなるアジャスティングパイプ２２が同軸上に圧入固定されている。固定コア２０は、上流側の供給入口１４から流入した燃料を下流側へと流出させるように、固定通路２４をアジャスティングパイプ２２と共同して形成している。

円筒状の金属磁性体からなる可動コア３０は、非磁性部１１１及び第二磁性部１１２内に同軸上に収容され、固定コア２０よりも閉弁側にて軸方向に往復移動可能となっている。有底円筒状の金属非磁性体からなる弁部材４０は、第二磁性部１１２内及びバルブボデー１２内に跨って同軸上に収容され、可動コア３０に対して閉弁側にて内嵌固定されることで軸方向に往復移動可能となっている。弁部材４０は、上流側の固定通路２４から流出する燃料を下流側の燃料通路１５へと導くように、可動通路４２を可動コア３０と共同して形成している。

弁部材４０は、弁座１６よりも上流側にて往復移動するシート部４４を、閉弁側の底部に有している。弁部材４０は、開弁側への移動によりシート部４４を弁座１６から離座させることで、各燃料噴孔１７を燃料通路１５に対して開放する。その結果、燃料通路１５の燃料が各燃料噴孔１７から外部（本実施形態では、吸気ポート）へ放射状に噴射される。また一方で弁部材４０は、閉弁側への移動によりシート部４４を弁座１６に着座させることで、各燃料噴孔１７を燃料通路１５に対して閉塞する。その結果、各燃料噴孔１７からの噴射が停止する。このように弁部材４０は、往復移動により各燃料噴孔１７を開閉することで、それら各燃料噴孔１７からの燃料噴射を断続可能となっている。

弾性部材５０は、金属からなる圧縮コイルスプリングであり、固定コア２０及び可動コア３０の各通路２４，４２内に同軸上に収容されている。弾性部材５０は、固定コア２０内のアジャスティングパイプ２２と、可動コア３０との間に挟持されている。かかる挟持構造により弾性部材５０は、要素２２，３０間での圧縮に応じて弾性復原力を発生することで、可動コア３０を弁部材４０と共に閉弁側へと付勢する。

駆動部６０は、ソレノイドコイル６１、スプール６２、ターミナル６３及びコネクタ６４等から構成されている。ソレノイドコイル６１は、円筒状の樹脂からなるスプール６２に金属線材を巻回すことで、形成されている。ソレノイドコイル６１は、スプール６２を介して磁性部１１０，１１２及び非磁性部１１１に同軸上に外嵌固定されている。金属からなるターミナル６３は、樹脂からなるコネクタ６４に埋設され、外部の制御回路（図示しない）と内部のソレノイドコイル６１との間を電気接続する。かかる電気接続によりソレノイドコイル６１への通電は、制御回路によって制御可能となっている。

以上の如く構成される燃料噴射弁１の開弁作動では、制御回路によって通電されるソレノイドコイル６１が励磁することで、第一磁性部１１０、固定コア２０、可動コア３０、及び第二磁性部１１２に磁束が案内される。その結果、互いに対向するコア２０，３０間には、可動コア３０を開弁側の固定コア２０へ向かって吸引するように、磁気吸引力が発生する。すると、弁部材４０と共に可動コア３０は、弾性部材５０の付勢に抗して開弁側へと駆動されるため、固定コア２０に衝突して係止される。このとき弁部材４０は、シート部４４を弁座１６から離座させるので、各燃料噴孔１７から燃料が噴射される。

一方、こうした開弁作動後の閉弁作動では、制御回路によって通電停止されるソレノイドコイル６１が消磁するので、コア２０，３０間の磁気吸引力が消失する。すると、弁部材４０と共に可動コア３０は、弾性部材５０により閉弁側へと駆動されるため、弁部材４０の底部をバルブボデー１２に衝突させて係止させる。その結果として弁部材４０は、シート部４４を弁座１６に着座させるので、各燃料噴孔１７から燃料噴射が停止する。

（燃料噴孔の形成形態）
次に、燃料噴孔１７の形成形態について、詳細に説明する。

図２〜４に示す弁ハウジング１０のうち、ノズル部材１３の底部がなす円板状のノズルプレート１３０において各燃料噴孔１７は、当該プレート１３０の中心軸１３２まわりとなる周方向（以下、単に「周方向」ともいう）に並んでいる。各燃料噴孔１７は、燃料入口１７０側から燃料出口１７１側へ向かうほど拡径するテーパ孔形状を、孔軸１７２まわりの共通形状として有している。かかる共通形状の各燃料噴孔１７はいずれも、燃料入口１７０側から燃料出口１７１側へ向かうほどノズルプレート１３０の外周側へ傾斜している。ここで各燃料噴孔１７の孔軸１７２は、中心軸１３２とは同一の縦断面（図３，４の縦断面）上にて傾斜し、当該中心軸１３２との間に一定の角度θを挟んでいる。即ち各燃料噴孔１７の孔軸１７２は、中心軸１３２に対して共通の傾斜角度θをもって交差している。

図２に示すように弁ハウジング１０には、外仮想円１３４ａとその内周側の内仮想円１３４ｂとが互いに同心状に且つノズルプレート１３０と同心状に定義されている。各燃料噴孔１７は、燃料出口１７１側にて外仮想円１３４ａにより貫かれる外噴孔１７ａと、燃料出口１７１側にて内仮想円１３４ｂにより貫かれる内噴孔１７ｂとのうち、いずれかに振り分けられている。かかる振り分けにより各々複数ずつ（図２では五つずつ）となっている外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとは、図６に示すように、周方向において一定間隔Ｉ毎に交互に配列されている。尚、一定間隔Ｉは、中心軸１３２及び孔軸１７２を含む縦断面間の周方向の距離である。

本発明者らは、こうした外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとの配列形態につき、鋭意研究を行なってきた。その結果、燃料出口１７１側において外噴孔１７ａの開口縁部１７４と内噴孔１７ｂの開口縁部１７４との位置関係を図２の如く最適化することで、それら外噴孔１７ａ及び内噴孔１７ｂから噴射される燃料噴霧のペネトレーション制御性を高めると共に、当該燃料噴霧の微粒化を促進することが可能になった。

即ち、図２〜４に示すように、外噴孔１７ａの燃料出口１７１側では、開口縁部１７４のうち弁ハウジング１０（ノズルプレート１３０）での最内周側に位置する最内周縁部１７４ａが内仮想円１３４ｂ上に設けられ、当該最内周縁部１７４ａよりも外周側を外仮想円１３４ａが貫いている。それと共に、内噴孔１７ｂの燃料出口１７１側では、開口縁部１７４のうち弁ハウジング１０（ノズルプレート１３０）での最外周側に位置する最外周縁部１７４ｂが外仮想円１３４ａ上に設けられ、当該最外周縁部１７４ｂよりも内周側を内仮想円１３４ｂが貫いている。

さらに本実施形態では、先述した特許文献１に準じて図５の如く燃料入口１７０側にて孔軸１７２に仮想ピッチ円１３５’が交差する複数の仮想噴孔１７’を比較想定することで、外噴孔１７ａ及び内噴孔１７ｂの配列形態が設定されている。具体的に、図６に示すように、燃料入口１７０側にて各外噴孔１７ａの孔軸１７２と交差する外ピッチ円１３５ａと、燃料入口１７０側にて各内噴孔１７ｂの孔軸１７２と交差する内ピッチ円１３５ｂとを定義する。かかる定義下において、外ピッチ円１３５ａの半径Ｒａと内ピッチ円１３５ｂの半径Ｒｂとは、仮想ピッチ円１３５’の半径Ｒ’との間に近似式Ｒ’≒（Ｒａ＋Ｒｂ）／２を満たすように、設定されている。こうした設定により、各燃料噴孔１７（１７ａ，１７ｂ）から図７の如く噴射される燃料噴霧１８（同図ではハッチングを付して模式的に示す）については、それらを重ね合わせた全体としての噴霧形状を例えば従来製品に近づけながら、以下に詳述の作用効果を発揮することが可能となる。

（作用効果）
以下、以上説明した燃料噴射弁１の作用効果を説明する。

燃料噴射弁１によると、外仮想円１３４ａとその内周側同心状の内仮想円１３４ｂとがそれぞれ燃料出口１７１側にて貫く燃料噴孔１７として、複数ずつ設けられる外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとは、弁ハウジング１０の周方向に交互に配列される。その結果、外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとは、周方向にて互いに隣接する配列形態となるので、それら外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとから噴射された燃料噴霧１８同士は、互いに衝突干渉し難くなる。これによれば、噴霧粒径の粗大化を抑制し得るので、燃料噴霧１８の微粒化が可能となる。

また、各燃料噴孔１７の燃料出口１７１側では、外噴孔１７ａの開口縁部１７４のうち弁ハウジング１０での最内周側に位置する最内周縁部１７４ａが内仮想円１３４ｂ上に設けられる。それと共に、各燃料噴孔１７の燃料出口１７１側では、内噴孔１７ｂの開口縁部１７４のうち弁ハウジング１０での最外周側に位置する最外周縁部１７４ｂが外仮想円１３４ａ上に設けられる。これらの結果、外噴孔１７ａの最内周縁部１７４ａより外周側を貫く外仮想円１３４ａと、内噴孔１７ｂの最外周縁部１７４ｂより内周側を貫く内仮想円１３４ｂとでは、それら仮想円１３４ａ，１３４ｂの径方向間隔が可及的に小さくなる。これによれば、互いに隣接する外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとから噴射された燃料噴霧１８間にて、コアンダ効果による引き寄せ力を増大し得ると共に、上流側での燃料流れの差による粒径差を低減し得る。故に、引き寄せ力の増大により燃料噴霧１８のペネトレーション制御性を高めると共に、噴霧粒径差の低減により燃料噴霧１８の微粒化を促進することが可能となる。

さらに、周方向において一定間隔（Ｉ）毎に交互に配列される外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとは、弁ハウジング１０の中心軸１３２と同一の縦断面上にて傾斜する孔軸１７２まわりに共通形状を有するので、形成容易である。それと共に、中心軸１３２に対する孔軸１７２の傾斜角度θが共通する外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとについては、形成容易性が高いだけでなく、各々から噴射される燃料噴霧１８の粒径差を確実に低減し得る。これらによれば、外噴孔１７ａ及び内噴孔１７ｂの形成容易性を高めた構成において、燃料噴霧１８の微粒化促進効果を高めることが可能となる。

またさらに、燃料入口１７０側から燃料出口１７１側へ向かうほど拡径するテーパ孔形状を共通形状とした外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとでは、燃料が孔内壁に沿って液膜状に広がることで、小粒径の燃料噴霧１８が噴射され易くなる。これによれば、燃料噴霧１８の微粒化促進効果を高めることが可能となる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

具体的には、変形例１として外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとの共通形状を、説明したテーパ孔状以外、例えば燃料入口１７０側から燃料出口１７１側へ向かって一定径のストレート孔形状等としてもよい。

変形例２としては、縁部１７４ａ，１７４ｂの位置関係が説明の如く最適化される限りにおいて、燃料噴孔１７の形状を、外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂで異ならせてもよいし、外噴孔１７ａ同士で異ならせてもよいし、内噴孔１７ｂ同士で異ならせてもよい。

変形例３としては、縁部１７４ａ，１７４ｂの位置関係が説明の如く最適化される限りにおいて、中心軸１３２に対する孔軸１７２の傾斜角度θを、外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとで異ならせてもよいし、外噴孔１７ａ同士で異ならせてもよいし、内噴孔１７ｂ同士で異ならせてもよい。

変形例４としては、縁部１７４ａ，１７４ｂの位置関係が説明の如く最適化される限りにおいて、燃料入口１７０側から燃料出口１７１側へ向かうほど外周側へ傾斜するのであれば、外噴孔１７ａと内噴孔１７ｂとのうち少なくとも一方を、孔軸１７２が中心軸１３２とは異なる断面上にて傾斜するように、形成してもよいい。

１燃料噴射弁、１０弁ハウジング、１７燃料噴孔、１７ａ外噴孔、１７ｂ内噴孔、１８，２０１８燃料噴霧、１３０ノズルプレート、１３２中心軸、１３４ａ外仮想円、１３４ｂ内仮想円、１７０燃料入口、１７１燃料出口、１７２孔軸、１７４開口縁部、１７４ａ最内周縁部、１７４ｂ最外周縁部、Ｐ共通ピッチ、θ 傾斜角度

Claims

内燃機関において燃料を放射状に噴射する燃料噴射弁（１）であって、
燃料入口（１７０）側から燃料出口（１７１）側へ向かうほど外周側へ傾斜する燃料噴孔（１７）を、周方向に並べて形成する弁ハウジング（１０）と、
前記燃料噴孔へ前記燃料を導く燃料通路（１５）と、
前記弁ハウジング内に収容され、往復移動することにより、前記燃料噴孔を開閉して前記燃料噴孔からの燃料噴射を断続する弁部材（４０）とを備え、
外仮想円（１３４ａ）の内周側に同心状の内仮想円（１３４ｂ）を定義したとき、
燃料出口側における開口縁部（１７４）のうち前記弁ハウジングでの最内周側に位置する最内周縁部（１７４ａ）が前記内仮想円上に設けられると共に、当該最内周縁部よりも外周側において前記外仮想円が貫く外噴孔（１７ａ）と、
燃料出口側における開口縁部（１７４）のうち前記弁ハウジングでの最外周側に位置する最外周縁部（１７４ｂ）が前記外仮想円上に設けられると共に、当該最外周縁部よりも内周側において前記内仮想円が貫く内噴孔（１７ｂ）とは、
前記燃料噴孔として複数ずつ設けられ、前記弁ハウジングの周方向に交互に配列され、
前記外噴孔と前記内噴孔とは、周方向において一定間隔（Ｉ）毎に交互に配列され、前記弁ハウジングの中心軸（１３２）とは同一の縦断面上にて傾斜する孔軸（１７２）まわりに、共通形状を有し、
前記外噴孔と前記内噴孔とは、前記中心軸に対する前記孔軸の傾斜角度（θ）を共通とし、
燃料入口側にて各前記外噴孔の孔軸と交差する外ピッチ円（１３５ａ）と、燃料入口側にて各前記内噴孔の孔軸と交差する内ピッチ円（１３５ｂ）とを定義したとき、
前記外ピッチ円と前記内ピッチ円との間に想定される仮想ピッチ円（１３５’）には、燃料入口側にて前記外噴孔が外周側から接し且つ燃料入口側にて前記内噴孔が内周側から接することを特徴とする燃料噴射弁。
前記外噴孔と前記内噴孔とは、燃料入口側から燃料出口側へ向かうほど拡径するテーパ孔形状を、共通形状として有することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。