JP6239317B2 - 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、旋回室を有する燃料噴射弁において、旋回室の側面と上面及び下面からなる縁がエッジ状に形成されたものが開示されている。

また、特許文献２には「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形成された内周壁を有する旋回室２２と、旋回室２２に燃料を導入する旋回用通路２１と、旋回室２２に開口する燃料噴射孔２３とを備えた燃料噴射弁」の開示がある。

米国特許第6783085号 特開2012-158995

上記特許文献１に代表される旋回室を備えたインジェクタでは、要求される噴霧形状（噴霧角）を達成するためには旋回室に流入する通路の断面積や旋回室の径、燃料噴射孔の径を変更する必要があり、それに伴って燃料の静的噴射量が変わってしまう課題があった。

本発明は上記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、燃料の静的噴射量を変化させずに、要求される噴霧角を達成するための設計を簡易に行うことが出来る燃料噴射弁を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射弁は、オリフィスプレートにおいて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形成された内周壁を有する旋回室と、前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路と、前記旋回室に開口する燃料噴射孔とを有する燃料噴射弁において、旋回室の側面と上面及び下面からなる旋回室の縁（角部）が、特許文献１に示すようなエッジ形状ではなく、Ｒ形状や凸形状、テーパ形状などにすることで、旋回室中心と旋回室の内壁の距離が縮小するように旋回室の縁を形成したことを特徴とする。

本発明によると、旋回室の中心から旋回室内壁までの距離を縮小させ、旋回室内壁の形状を周方向（旋回）速度を誘起するのに最適な形状から変化させることで、周方向速度を低下させ、燃料噴射孔から流出する噴霧の噴霧角を小さくすることが出来る。この時、旋回用通路、旋回室、燃料噴射孔の設計寸法の変更は無いため、静的噴射量への影響は小さい。

本発明に係る燃料噴射弁の全体構成を弁軸心に沿う断面で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用いられる、オリフィスプレートの平面図である。 従来の旋回室形状と燃料流れ場を説明する為の図である。 本発明の構造を備えた旋回室の断面図である。 図５における旋回室高さ方向の位置による旋回室の内壁形状の差を表す図である。 本発明の構造を備えた旋回室内の燃料流れ場を表す図である。 本発明に係る燃料噴射弁に用いられる、旋回用通路が連結したオリフィスプレートの平面図である。 旋回室上面の縁に本発明の構造を備えた旋回室内の燃料流れ場を表す図である。 旋回室上面及び下面の縁に本発明の構造を備えた旋回室内の燃料流れ場を表す図である。 旋回室下面の縁に凸構造を備えた旋回室の断面図である。 旋回室下面の縁にテーパ構造を備えた旋回室の断面図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本発明の一実施例について、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（図２参照）、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、２３ｄ（図３参照）を有するオリフィスプレート２０を備えている。本実施例では４孔の燃料噴射孔を例として説明するが、孔数は４に限らない。例えば２孔、３孔、５孔、６孔、８孔、１０孔、１２孔等も同様である。

また、コア７の中心には、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、２３ｄ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各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ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の内部を通して各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ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によって被覆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゜であり、上述したボールとのシート性を極めて高く維持できるものである。

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、また、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、燃料漏れの無い噴射量制御を可能としている。以って、コストパフォーマンスに優れた弁体構造としている。

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２０ａがノズル体２の下面２ａ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、各々燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ（図３参照）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とオリフィスプレート２０に設けられた旋回用通路２１ａによって、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａへの燃料の流路が構成されることになる。

本実施例で示す旋回室２２ａの内周壁は、弁軸心線に垂直な平面（断面）上で周方向角度と共に変化する曲率を持つらせん曲線を描くように形成されている。ただし、旋回用通路２１ａと旋回室２２ａの内周壁形状において、曲率が変化している部分を「旋回室」と定義する。

次に、オリフィスプレート２０の構成について、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る燃料噴射弁１におけるノズル体２の下端部に位置するオリフィスプレート２０の平面図である。

オリフィスプレート２０には９０°の間隔で４つの旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが配置されている。

旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの下流端は、それぞれ旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに連通するよう接続されている。

旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ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、２１ｄを旋回燃料供給通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと呼んでもよい。

旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ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。

旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの接続部は燃料流れの衝突を考慮して厚み２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを形成している。

また、旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの中心には燃料噴射孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄがそれぞれ開口している。

ノズル体２とオリフィスプレート２０とは、図示していないが、治具等を用いて両者の位置決めが簡単且つ容易に実施されように構成されており、組み合わせ時の寸法精度が高められている。

また、オリフィスプレート２０は切削加工やプレス成形（塑性加工）により製作される。なお、この方法以外に、放電加工や電鋳法、エッチング加工など比較的応力の加わらない加工精度の高い方法が考えられる。

まず従来構造の課題を説明するために、図４を用いて旋回室２２ａと燃料噴射孔２３ａ内の燃料流れ場を説明する。以下では旋回用通路２１ａ、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａからなる流路を代表して説明するが、旋回室２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、燃料噴射孔２３ｂ、２３ｃ、２３ｄからなる流路も同様である。

図４は図３のＡ−Ａ断面における旋回室２２ａと燃料噴射孔２３ａの拡大図である。図はノズル体２、オリフィスプレート２０、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａ、燃料流れＦから構成されている。

図４を用いて従来構造における燃料の流れ場について説明する。図に示すように旋回室２２ａで旋回した燃料Ｆは旋回しながら燃料噴射孔２３ａへ流れ込み、燃料噴射孔２３ａの壁面に沿って薄い液膜を形成し、噴霧角θの噴霧となって流出する。旋回室２２ａは旋回室内で効率強く旋回するように、例えば特許文献２に示されるように、周方向速度（旋回流の速度）の誘起に最適な形状として設計されている。従来の旋回室構造では周方向速度を維持するため、旋回室縁はエッジ形状で加工されていた。この時、例えば噴霧角θを調整したい場合、旋回用通路２１ａ、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａの設計寸法を変更する必要があり、それに伴って燃料の静的噴射量も大きく変わってしまうことが課題であった。

次に図５〜図６を用いて本発明の構造を詳細に説明する。

図５はノズル体２、オリフィスプレート２０、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａの拡大断面図であり、旋回室２２ａの側面と下面からなる縁に設けた、旋回室の中心から旋回室内壁までの距離を縮小させる流路構造３１ａを説明するための図である。図６は図５のＢ−Ｂ位置、及びＢ'−Ｂ'位置での断面形状を比較した図である。

本発明では図５に示すように、旋回室２２ａ下面の縁に沿って流路構造３１ａを設ける。これによって図６のＢ−Ｂ位置、及びＢ'−Ｂ'位置での断面形状で示すように、流路構造３１ａを設けたＢ'−Ｂ'位置では旋回室中心から旋回室内壁までの距離が縮小している。例えば旋回室２２ａを周方向速度の誘起に最適な形状とした場合、流路構造３１ａを設けて旋回室の内壁形状を変化させ、周方向速度を低下させることで噴霧角の調整が可能である。その際に旋回用通路２１ａや燃料噴射孔２３ａの断面積（流路面積）は変わらないため，燃料の静的噴射量への影響は小さい。よって本発明は噴霧角を調整する機構として優れている。

次に本発明によって生じる燃料の流れ場について図７を用いて説明する。開弁時，燃料Ｆは燃料噴射室４から旋回用通路２１ａに流入し、その後旋回室２２ａによって周方向速度が誘起される。旋回室２２ａの下面の縁には上記で述べた流路構造３１ａを設けていることから、旋回室の上面側では周方向速度が大きいが、下面側では周方向速度を低下させることが出来る。これにより燃料噴射孔２３ａに流れ込む燃料の周方向速度も低下するため、結果として燃料噴霧の噴霧角θは小さくなる。

本発明の構造を得るための加工について説明する。流路構造３１ａによる周方向速度低下の効果を得るためには高い加工精度を必要としないため、切削加工、プレス加工等、加工方法に関わらず低コストでの量産が可能である。

上記で説明した流路構造３１ａは、オリフィスプレート２０に加工される旋回室の形状によらず適用することができる。また例えば図８に示すように各旋回用通路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを連結部２４で連結したオリフィスプレート２０の流路形状においても、図３のオリフィスプレート２０の流路形状の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例では、旋回室２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの側面と上面または／および下面が接している縁において、旋回室の内壁形状が同様に変化するような流路構造として説明したが、各旋回室の内壁形状異ならせるような流路構造とすることで、さらに細かな噴霧形状等の制御が可能となる。

第２の実施例について説明する。旋回室形状を変更するように旋回室上面に設けた流路構造、及び燃料流れ場を図９に示す。図９は図７と同様の、旋回室２２０ａ及び燃料噴射孔２３０ａの断面図である。旋回室２２０ａがノズル体２に設けられ、ノズルプレート２０には燃料噴射孔２３０ａが設けられた場合は、旋回室２２０ａの加工の都合上、流路構造３２ａは旋回室の上面に設けられる。流路構造３２ａは旋回室の中心から旋回室内壁までの距離を縮小させる。基本的な燃料噴射弁構造は実施例１と同一なため、説明を省略する。なお、旋回室２２０ａ、燃料噴射孔２３０ａからなる流路を代表して説明するが、旋回室及び燃料噴射孔を複数持つ場合は、いずれの流路も同様である。

本実施例によって生じる燃料及び空気の流れ場について図９を用いて説明する。開弁時，燃料Ｆは燃料噴射室から旋回用通路に流入し、その後旋回室２２０ａによって周方向速度が誘起される。旋回室２２０ａの上面の縁には旋回室の内壁形状を変化させる流路構造３２ａを設けることで、実施例１と同様のメカニズムによって旋回室上面近傍の周方向速度が低下する。ただし実施例１のように旋回室下面の縁に流路構造３１ａを設ける場合に比べて、周方向速度が低下する領域が燃料噴射孔から離れているため、効果はやや小さい。

次に旋回室上面及び下面に旋回室形状が変化する流路構造を設けた場合の燃料流れ場を図１０に示す。旋回室２２１ａがノズル体２とノズルプレート２０の両方に設けられた場合、流路構造は旋回室の上面及び下面に設けることが出来る。基本的な燃料噴射弁構造は実施例１と同一なため、説明を省略する。

図１０は図７と同様の、旋回室２２１ａ及び燃料噴射孔２３１ａの断面図であり、旋回室の上面及び下面の縁の両方に旋回室の内壁形状を変更する流路構造を持つ場合である。図はオリフィスプレート２０と、ノズル体２、オリフィスプレート２０とノズル体２に設けた旋回室２２１ａ、燃料噴射孔２３１ａ、旋回室下面に設けた流路構造３３ａと、旋回室上面に設けた流路構造３４ａ、流れ場を表す燃料流れＦからなる。

本実施例によって生じる燃料及び空気の流れ場について図１０を用いて説明する。開弁時，燃料Ｆは燃料噴射室から旋回用通路に流入し、その後旋回室２２１ａによって周方向速度が誘起される。しかし、旋回室２２１ａの縁には旋回室の内壁形状を変化させる流路構造３３ａ及び３４ａを設けているため、実施例１と同様のメカニズムによって旋回室上面及び下面近傍で周方向速度が低下する。これにより噴霧角θの調整が可能である。また、図７や図９のように片側のみに流路構造を設けた場合と比べて周方向速度を低下させる領域が広いことから、噴霧角θの調整幅は大きい。

第３の実施例について説明する。図１１、図１２は、図５と同様に、旋回室の内壁形状を変化させる凸構造３５ａ及びテーパ構造３６ａを説明するための図である。基本的な燃料噴射弁構造は実施例１と同一なため、説明を省略する。

実施例１及び実施例２で示した、旋回室の内壁形状を変化させる流路構造はＲ形状であったが、他の形状でも同様の効果を得ることができる。ここでは図１１で示す凸構造及び図１２で示すテーパ構造について説明する。

図１１はオリフィスプレート２０、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａおよび凸構造３５ａからなる。旋回室２２ａの内壁形状を変化させる構造としてお凸形状を用いているため、例えば電鋳によるノズルプレート２０の成形を行う場合に適した形状である。噴霧角の調整メカニズムについては実施例１と同様なため省略する。

図１２はオリフィスプレート２０、旋回室２２ａ、燃料噴射孔２３ａおよびテーパ構造３６ａからなる。噴霧角の調整メカニズムについては実施例１と同様なため省略する。

凸構造３５ａ及びテーパ構造３６ａは実施例２のように旋回室上面の縁、もしくは旋回室上面及び下面両方に設置することでも周方向速度を低下させる効果を得ることができる。

実施例１と実施例２で示した流路構造がＲ形状の場合、図１１で示した凸構造の場合、もしくは図１２で示すテーパ構造の選択については、ノズルプレート２０の加工方法に応じて適切な形状を選択すればよい。

１ 燃料噴射弁
２ ノズル体
２ａ ノズル体の下面
３ 弁座面
３ａ シート部
４ 燃料噴射室
５ 燃料導入孔
６ 弁体
７ コア
８ スプリング
９ スプリングアジャスタ
１０ ヨーク
１１ 電磁コイル
１２ 燃料通路
１３ 薄肉パイプ
１４ フィルター
１５ 樹脂モールド
２０ オリフィスプレート
２０ａ オリフィスプレート上面
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 旋回用通路
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２０ａ、２２１ａ 旋回室
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３０ａ、２３１ａ 燃料噴射孔
２４ 旋回用通路の連結部
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 厚み形成部
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ
‐旋回室の縁に設ける流路構造
Ｆ 燃料流れ

Claims (6)

1. 内周壁が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形成されている旋回室と、前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路と、前記旋回室に開口する燃料噴射孔とを有する燃料噴射弁において、前記内周壁の側面と上面および下面が接している縁全域において、前記旋回室の上面および下面近傍において前記旋回室の上面または下面に近づくにつれて前記旋回室の径が小さくなるようなＲ形状、凸形状、またはテーパ形状となるように、前記内周壁の内壁形状が変化するような流路構造を持つことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１記載の燃料噴射弁であって、
   前記流路構造は、前記内周壁の側面と上面とが接している縁に設けられることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２記載の燃料噴射弁であって、
   前記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形成された内周壁を有する旋回室と、前記旋回室に燃料を導入する旋回用通路と、前記旋回室に開口する燃料噴射孔とを複数有することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項２に記載の、旋回室の内壁形状が変化するように、旋回室の縁に設けられた流路構造が、Ｒ形状、凸形状、テーパ形状をしていることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項２に記載の、旋回室の内壁形状が変化するように、旋回室の縁に設けられた流路構造が、Ｒ形状、凸形状、テーパ形状をしていること-を特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項２記載の燃料噴射弁であって、
   第一の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形成された内周壁を有する旋回室と、第二の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形成された内周壁を有する旋回室とは、旋回室の側面と上面または下面が接している縁において、旋回室の内壁形状が異なるような流路構造を持つことを特徴とする燃料噴射弁。