JP6113324B1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の燃料噴射弁において、噴射される燃料の微粒化促進を目的とするものである。【解決手段】噴孔プレートの上流側端面に、旋回室と、旋回室に連通する燃料導入路が形成されており、噴孔は旋回室に開口しており、旋回室の直径をＤ、燃料導入路の幅をＷ、下流側端部における燃料導入路の中心軸を直線状に延長した線と旋回室の中心との距離をＬとしたときに、Ｌ＜（Ｄ−Ｗ）／２の関係となる燃料噴射弁【選択図】図４

Description

この発明は、自動車の内燃機関などへの燃料供給に使用される燃料噴射弁に係り、特に噴霧特性における微粒化の促進を図った燃料噴射弁に関するものである。

近年、自動車の内燃機関などの排出ガス規制が強化される中、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の微粒化が求められている。例えば、特許文献１が示す先行技術では、旋回流れを形成することにより微粒化を図るために検討がなされている。
すなわち、特許文献１では、弁ケーシング内に、弁座面と協働する弁閉鎖部材が配置されている形式のものにおいて、弁座面の下流に中央開口が設けられており、中央開口から半径方向へ少なくとも２つの接線方向通路が延びており、各接線方向通路がそれぞれ各スワール室に接線方向で開口しており、燃料のための定量開口がそれぞれ、上記スワール室の中央から外側へ通じていることを特徴とする長手軸線に関して対称的に形成された弁ケーシングを有する構成となっている。案内通路によって整流及び加速された流れがスワール室へ流入し、燃料はスワール室で旋回流れとなり、その後噴孔内を旋回しながら噴孔プレート出口から噴射された噴霧は、中空円錐状の噴霧となって微粒化が促進するとされている。

特開平１−２７１６５６号公報

このような旋回流れを利用した微粒化方式では、旋回流れによって噴孔内で液膜の剥離が生じるために、噴孔内が燃料で満たされる方式と比較すると、噴孔一つあたりの燃料噴射流量が少ない。さらに、旋回室や燃料通路があるためにレイアウト性が悪く、多噴孔化が難しい。これらの問題によって、旋回流れを利用した微粒化方式では大排気量のエンジンが要求する大きな流量を得る事が難しい。
また、噴孔より上流側に通路およびスワール室が設けられていることで、他の微粒化方式よりもデッドボリュームが大きいために、噴射開始直後に燃料の整流化及び加速が不十分な燃料が噴射されてしまい、噴射初期の燃料噴霧の微粒化が悪化する問題があった。
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、旋回方式の微粒化方式を採用することで微粒化が良好でありながらも、噴射流量が大きく、かつデッドボリュームの小さい燃料噴射弁を提供する。

この発明に係わる燃料噴射弁は、弁座を開閉するための弁体、弁座の開口部に装着され、噴孔が設けられている噴孔プレートを備え、弁体を動作させることにより燃料が弁座と弁体との間を通過し、噴孔プレートの噴孔から噴射されるものであって、噴孔が開口している円筒形状の複数の旋回室と、この複数の旋回室に燃料を導入する第一燃料導入路とが噴孔プレートに形成されており、旋回室の直径をＤ、第一燃料導入路の幅をＷ、下流側端部における第一燃料導入路の中心軸を直線状に延長した線と旋回室の中心との距離をＬとしたとき、
Ｌ＜（Ｄ−Ｗ）／２
の関係を満たすことを特徴とする。

この発明の燃料噴射弁により、旋回室の径を小さくすることなく、大きな噴射流量を得る事が出来る。また、旋回室の径を縮小する必要が無いため、噴孔の加工性が良好になる。さらに、デッドボリュームを小さくすることが出来るため、噴射初期から微粒化が良好な噴霧を得る事が出来る。

実施の形態1の燃料噴射弁の断面図である。 実施の形態１の燃料噴射弁先端部の断面図と平面図である。 実施の形態１の燃料噴射弁先端部の平面図を拡大した図である。 実施の形態１の燃料噴射弁先端部の平面図の寸法関係を示した図である。 実施の形態１の燃料噴射弁先端部の燃料流れを示した図である。 従来の燃料噴射弁先端部の平面図の寸法関係を示した図である。 従来の燃料噴射弁先端部の燃料流れを示した図である。 実施の形態２の燃料噴射弁先端部の平面図である。 実施の形態３の燃料噴射弁先端部の平面図である。 実施の形態４の燃料噴射弁先端部の平面図である。 実施の形態５の燃料噴射弁先端部の平面図である。

実施の形態１．
図１に実施の形態１の燃料噴射弁の断面図を示す。図２、図３、図４は、この実施の形態１の燃料噴射弁の先端部を示し、図２で先端部の断面図と平面図を、図３で平面図の拡大図を、図４で平面図の寸法関係を示している。図において、１は燃料噴射弁を示しており、４はソレノイド装置、５は磁気回路のヨーク部分であるハウジング、６は磁気回路の固定鉄心部分であるコア、７はコイル、８は磁気回路の可動鉄心部分であるアマチュア、９は弁装置であり、弁装置９は弁体１０と弁本体１１と弁座１２で構成されている。弁本体１１はコア６の外径部に圧入後、溶接されている。アマチュア８は弁体１０に圧入後、溶接されている。弁座１２には噴孔プレート１３が結合されている。噴孔プレート１３には板厚方向に貫通する複数の噴孔１４が設けられている。各実施の形態において、同一符号を付している構成は、同一または相当の構成を示す。

次に動作について説明する。エンジンの制御装置（図示せず）より燃料噴射弁１の駆動回路（図示せず）に動作信号が送られると、燃料噴射弁１のコイル７に電流が通電され、アマチュア８、コア６、ハウジング５、弁本体１１で構成される磁気回路に磁束が発生し、アマチュア８はコア６側へ吸引動作し、アマチュア８と一体構造である弁体１０が弁座シート部１２ａから離れて隙間が形成されると、燃料は弁体１０先端部に溶接されたボール１５の面取部１５ａから弁座シート部１２ａと弁体１０の隙間を通って、複数の噴孔１４からエンジン吸気通路（図示せず）に噴射される。次にエンジンの制御装置より燃料噴射弁の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル７の電流の通電が停止し、磁気回路中の磁束が減少して弁体１０を閉弁方向に押している圧縮ばね１６により弁体１０と弁座シート部１２ａ間の隙間は閉じた状態となり、燃料噴射が終了する。弁体１０はアマチュア側面８ａで弁本体１１とのガイド部と摺動し、開弁状態ではアマチュア上面８ｂがコア６の下面と当接する。

実施の形態１では図２、図３、図４のように、噴孔プレート１３の上流側端面の一部を窪ませることで、複数の旋回室１７と、弁座開口部１２ｂから旋回室１７へ燃料を導入する燃料導入路１８が形成されており、旋回室１７の中央に噴孔１４が開口している。旋回室１７は、燃料導入路１８の幅よりも大きな径をもつ円筒形状になっている。燃料導入路１８は上流側が弁座開口部１２ｂに、下流側が旋回室１７へ連通しており、燃料導入路１８の中心軸の延長線は、旋回室１７の中心と交差しないように配置されている。燃料導入路１８と旋回室１７の底面は、噴孔プレート１３の上流側端面からの深さが同一な平面としている。

以上のような構成にすることで、燃料導入路１８から旋回室１７へ流れ込んだ燃料は、旋回流れを生じながら噴孔へ流れ込む。噴孔内部においても旋回流れが保たれることで、液膜の剥離が生じ、噴孔内壁に沿った薄い液膜が形成され、薄い液膜を噴孔から噴射する事で微粒化が促進される。
さらに旋回室１７およびそれに対応する噴孔１４が複数設けられていることで、噴孔１４が一つだけ設けられている構成と比較すると、噴孔一つあたりの噴射流量を低減出来ることから、噴孔内壁に沿って形成される液膜はさらに薄膜化され、微粒化は更に良好になる。

しかしながら、前述した通り、旋回流れを利用した微粒化方式では、旋回流れによって噴孔内で液膜の剥離が生じるために、噴孔内が燃料で満たされる方式と比較すると、噴孔一つあたりの燃料噴射流量が少なく、さらに燃料導入路と旋回室のレイアウト性により多噴孔化が難しいことから、大排気量のエンジンが要求する大きな流量を得る事が難しい問題があった。図６に従来の旋回方式の燃料噴射弁を示す。図６のように燃料導入路１８が直線状であり、かつ燃料導入路１８の壁面が旋回室１７の壁面と接線の関係となるように連通している場合には、燃料導入路１８の中心軸を直線状に延長した線１９と旋回室１７の中心との距離Ｌ、旋回室１７の直径Ｄ、燃料導入路１８の幅Ｗの関係は、Ｌ= (Ｄ−Ｗ)/２となる。この場合、図７で示すように、旋回室１７の内壁に沿った燃料流れが形成さ
れる。

一般的な旋回方式の燃料噴射弁の流量予測にはポテンシャル理論に基づく式が適用可能であり、流量ｑと燃料導入路の断面積Ｓｉ、噴孔径ｒｅ、旋回室径ｒｉ,噴孔内部に形成される空洞部と噴孔径の比ｋの関係はｑ∝ｋ,Ｓｉ,ｒｅ/ｒｉ となる。よって、要求噴射流量の大きいエンジンに搭載するために噴射流量を増加させる手段として、燃料導入路の断面積Ｓｉを増やす方法と、旋回室径ｒｉを減少させる方法と、噴孔径ｒｅを増加させる方法が挙げられる。燃料導入路の断面積Ｓｉを増やした場合、デッドボリュームが増加するために、噴射開始直後に燃料の整流化及び加速が不十分な燃料が噴射されてしまい、噴射初期の燃料噴霧の微粒化が悪化する問題があった。
また、旋回室径ｒｉを減少させた場合は噴孔内部での燃料流れの角速度が低下し噴霧の広がり角が小さくなるが、噴孔径ｒｅを増加させた場合は噴孔内部での燃料流れの角速度が増加し噴霧の広がり角が大きくなる。よって、適切な噴霧の広がり角としつつ大きな噴射流量を得るためには、旋回室径ｒｉと噴孔径ｒｅの適切な寸法の組み合わせを見出す必要がある。しかしながら、噴孔を加工する際に生じる位置ずれ、ダレ、破断面といった理由から、噴孔の加工性を考慮すると、噴孔の外周部と旋回室内壁部の間には間隔を設ける必要があり、旋回室径ｒｉの減少および噴孔径ｒｅの増加を同時に実施すると噴孔外周部と旋回室内壁部の間隔が狭くなってしまうため、噴射流量の増加には限度があった。

そのため実施の形態１では図４で示すように、旋回室１７の直径をＤとし、燃料導入路１８の幅をＷとし、燃料導入路１８の下流側端部における燃料導入路１８の中心軸を直線状に延長した線１９と、旋回室１７の中心との距離をＬとしたときに、Ｌ＜（Ｄ−Ｗ）/２の関係を満たすようにしている。ここで、燃料導入路１８は一定の幅Ｗを持つ領域で定義され、燃料導入路１８の下流端部は旋回室１７と交差し一定の幅Ｗでは無くなる位置を示している。線１９と旋回室１７の中心との距離Ｌを従来の関係よりも小さくすることで、図５で示すように、燃料導入路１８から旋回室１７に流入する燃料流れ２０は、旋回室１７の中心に近い位置に流れ込むこととなり、旋回室１７の内壁に囲まれた領域よりも狭い範囲で旋回流れが生じる。よって、前述したポテンシャル理論に基づく式において旋回
室１７の径を縮小した場合と同様に狭い範囲で旋回流れが生じるため、旋回室の径を小さくすることなく、大きな噴射流量を得る事が出来る。
また、旋回室１７の径を縮小する事で大きな流量を得る手段と比較すると、旋回室１７の径を縮小する必要が無く、噴孔１４の外周部と旋回室１７内壁部の間に間隔を確保することが出来るため、噴孔１４の加工性が良好になる。
さらに、燃料導入路１８の断面積を増やすことで大きな流量を得る手段と比較すると、デッドボリュームを小さくすることが出来るため、噴射初期から微粒化が良好な噴霧を得る事が出来る。

実施の形態２
図８に実施の形態２の燃料噴射弁の先端部を示す。燃料噴霧の微粒化のためには、噴孔内壁に沿って薄く均質な液膜を形成することが重要となるが、噴孔１４に発生する旋回流れに偏りがあると、噴孔内壁に形成される液膜が局所的に厚くなり、微粒化性能が損なわれる恐れがある。そこで実施の形態２では、燃料導入路１８と異なる方向から旋回室１７へ燃料を導入する第二燃料導入路２１を有している。このとき、燃料導入路１８から旋回室１７に流れ込んだ燃料が作り出す旋回方向と、第二燃料導入路２１から旋回室１７に流れ込んだ燃料が作り出す旋回方向が同一となるような位置で、燃料導入路１８と第二燃料導入路２１が旋回室１７へ連通している。これにより、二方向から燃料が旋回室１７へ流れ込むことから、一方向のみから燃料が旋回室１７へ流れ込む場合に対して、噴孔１４の内壁に形成される液膜厚さは均一になり、燃料噴霧の微粒化度合が良好になる。

また、噴孔１４は旋回室１７の中心に開口しており、噴孔１４の直径をｄとし、燃料導入路１８の下流側端部における燃料導入路１８の中心軸を直線状に延長した線１９と、旋回室１７の中心との距離をＬとしたときに、Ｌ＜ｄ/２の関係となるような構成としている。言い換えれば図８の視点で見たときに、噴孔１４の外周部と線１９が交差するようにしている。これにより、燃料流れの一部が燃料導入路１８から噴孔１４に直接流入することで、噴孔１４の内部を通過する燃料流れは噴孔プレート１３の板厚方向への速度成分が大きくなるために、さらに大きな噴射流量を得る事が出来る。
このとき噴孔１４の内部を通過する燃料流れの周方向への速度成分が失われると旋回流れが発生しなくなる恐れがあるが、第二燃料導入路２１が設けられていることで旋回流れが発生し易くなっており、微粒化性能が損なわれることは無い。

実施の形態３
図９に実施の形態３の燃料噴射弁の先端部を示す。一つの旋回室に対し二つの燃料導入路を設けた場合、二つの燃料導入路の対向する角度については、１８０°程度に対向させた場合に噴孔１４の内壁に形成される液膜厚さの均一度が最も良好になる。そこで実施の形態３では、燃料導入路１８および第二燃料導入路２１を、互いが対向する方向から旋回室１７に連通させていることで、噴孔１４の内壁に形成される液膜厚さはより均一になり、燃料噴霧の微粒化度合はさらに良好になる。
また、図９で示す構成では燃料導入路１８と第二燃料導入路２１の弁座開口部への連通部分を共通化している。共通化することによりデッドボリュームが削減され、噴射初期から微粒化が良好な噴霧を得る事が出来る。

実施の形態４
図１０に実施の形態４の燃料噴射弁の先端部を示す。実施の形態４では第二燃料導入路２１の壁面が旋回室１７の壁面と接線の関係となるように連通している。このような構成にした場合でも、燃料導入路１８から旋回室１７へ流入した燃料流れによって、第二燃料導入路２１から旋回室１７へ流入する燃料流れが旋回室１７の中央方向へ引き寄せられ、旋回室１７の内壁よりも小さい範囲で旋回流れが生じる事から、実施の形態１から３で示した燃料噴射弁と同様の効果を得る事が出来る。

実施の形態５
図１１に実施の形態５の燃料噴射弁の先端部を示す。実施の形態５では燃料導入路１８が湾曲しながら旋回室１７へ連通している。このような形状においても、燃料導入路１８の下流側端部において燃料導入路１８の中心軸を直線状に延長した線１９と、線１９と旋回室１７の中心との距離Ｌと、旋回室１７の直径Ｄと、燃料導入路１８の幅Ｗの関係が、Ｌ＜（Ｄ−Ｗ）/２を満足しているため、実施の形態１から４で示した燃料噴射弁と同様の効果を得ることが出来る。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 燃料噴射弁、４ ソレノイド装置、５ ハウジング、６ コア、７ コイル、８ アマチュア、９ 弁装置、１０ 弁体、１１ 弁本体、１２ 弁座、１２ａ 弁座シート部、１２ｂ 弁座開口部、１３ 噴孔プレート、１４ 噴孔、１５ 弁体先端部、１６ 圧縮バネ、１７ 旋回室、１８ 燃料導入路、１９ 燃料導入路中心軸延長線、２０ 燃料流れ、２１ 第二燃料導入路

Claims (4)

1. 弁座、前記弁座を開閉するための弁体、前記弁座の開口部に装着され、噴孔が設けられている噴孔プレートを備え、前記弁体を動作させることにより燃料が前記弁座と前記弁体との間を通過し、前記噴孔プレートの噴孔から噴射される燃料噴射弁であって、前記噴孔が開口している円筒形状の複数の旋回室と、前記複数の旋回室に燃料を導入する第一燃料導入路とが前記噴孔プレートに形成されており、前記旋回室の直径をＤ、前記第一燃料導入路の幅をＷ、下流側端部における前記第一燃料導入路の中心軸を直線状に延長した線と前記旋回室の中心との距離をＬとしたとき、
   Ｌ＜（Ｄ−Ｗ）／２
   の関係を満たすことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記第一燃料導入路と異なる方向から前記旋回室へ燃料を導入する第二燃料導入路が前記噴孔プレートに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記第一燃料導入路および前記第二燃料導入路は、互いに対向する方向から前記旋回室に連通されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記噴孔は前記旋回室の中心に開口しており、前記噴孔の直径をｄとしたとき、
   Ｌ＜ｄ／２
   の関係を満たすことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
   
   

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