JP6268185B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関する。

自動車等の内燃機関においては、エンジン制御ユニットからの電気信号により駆動する電磁式の燃料噴射弁が広く用いられている。

この種の燃料噴射弁は、吸気配管に取り付けられ燃焼室内部に間接的に燃料を噴射するポート噴射と呼ばれるものと、直接的に燃料を燃焼室内部へ噴射する直接噴射タイプと呼ばれるものとが存在する。

後者の直接噴射タイプにおいては、噴射した燃料が形成する噴霧形状が燃焼性能を決定することになる。そこで、所望の燃焼性能を得るために噴霧形状の最適化が必要となる。ここで、噴霧形状の最適化とは、噴霧方向及び噴霧長さと言い換えることもできる。

燃料噴射弁として、移動可能に設けられた弁体と、弁体を駆動するための駆動手段と、弁体が離接する弁座と、弁座の下流に設けられた複数のオリフィスとを備えたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−３０５７２号公報

燃料噴射弁から噴出される噴霧は、ほぼ噴孔が加工される軸方向へ噴出されることが知られている。特許文献１に記載された燃料噴射弁のように、噴孔（オリフィス）が複数あるタイプの燃料噴射弁では、噴孔方向の加工精度をあげることが求められる。また、燃焼室内の大きさ、ピストン表面の形状、空気制御用のバルブ（吸入バルブや排気バルブ）との干渉をなるべく避け、排気ガス成分（特に未燃焼ガス成分であるすすなど）の発生を低減するために、各噴孔から噴出される噴霧の長さを短く制御することが求められている。

特許文献１に記載の燃料噴射弁では、複数の噴孔の噴霧長さについては配慮されていない。各噴孔の噴霧長さを制御する方法として、複数の噴孔の穴径を変えることが考えられる。一般には、噴霧長さを長くする噴孔では穴径の寸法を大きく設定し、噴霧長さを短くする噴孔では穴径の寸法を小さく設定することで、各噴孔の噴霧長さを制御することが可能である。

しかし、複数の噴孔の穴径を変える場合には各噴孔に応じた穴径を加工ツールを複数用意して、噴孔毎に異なるツールを使って加工を行う必要があり燃料噴射弁の製造コストも高くなる。

また、複数の噴孔を加工する際に異なるツールを使用するためには、ツールを交換するか、噴孔を形成する素材を他の加工装置に移す必要がある。このため、ツールと素材との間に相対的な位置ずれが生じる可能性があり、噴孔の加工精度が低下する可能性がある。

本発明の目的は、噴孔から噴出される噴霧長さを制御することで燃焼室内およびピストンへの燃料付着を抑制でき、排気性能（特に未燃焼成分の抑制）の向上が可能な燃料噴射弁を提供することである。

本発明の目的は、その一例として、複数の噴孔の内、コネクタ部の中心を軸として、中心軸上に設定された第１の噴孔から噴出される噴霧長さを短くするとともに、それ以外の噴孔から噴出される噴霧長さを制御することで達成できる。

本発明によれば、噴孔から噴出される噴霧長さを制御することで燃焼室内およびピストンへの燃料付着を抑制でき、排気性能（特に未燃焼成分の抑制）の向上が可能な燃料噴射弁の提供が可能となる。

本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図。 ガイド部材を示す上面図と側面図。 オリフィスカップ近傍と従来のガイド部材を示す縦断面図 図３のＡ−Ａ断面で、シート部を上流より示す図。 図４のシート部近傍の拡大図と噴孔への流入・流出への状態を示す図。 図５の噴孔７１の横断面図。 図５の噴孔７１の出口部８１のコンター図。 図５の噴孔７２の横断面図。 図５の噴孔７２の出口部８２のコンター図。 本発明の実施例に係るねじれ角をもつシート部近傍の拡大図と噴孔への流入・流出への状態を示す図。 本発明の実施形態を表すガイド部材を示す上面図と側面図。

本実施例では、噴孔の入口は上流側の径が下流側よりも大きな略円錐状面に開口するように各噴孔が形成されている。略円錐状面には弁体が接触するシート部が構成されており、シート部の下流に噴孔の入口が形成されている。
シート部上流には弁体をガイドする部材が噴孔を形成するカップ形状の部材に固定されて、ガイド部材の外周面もしくは内部に溝が形成されている。ガイド部材に構成された溝は燃料噴射弁の中心軸線に対して一定のねじれ角をもつ構成である。この燃料通路溝は複数構成されても良いが、各ねじれ角はほぼ同じ角度で設定され、燃料通路形状は上流流路面積よりも小さくシート部流路面積より大きく設定されれば任意の形状でよい。
このねじれた燃料通路により、弁体が開弁している間の燃料はねじれ、すなわち旋回成分を付与されることになる。この旋回成分を均一にするためにも、前記燃料通路溝のねじれ角はほぼ同じ角度で設定され、燃料通路形状は燃料噴射弁軸線に対して略対称に設定される。
燃料流れがほぼ均一な旋回成分をもつことにより、噴孔入口での流入方向がある角度をもって変化する。しかしながら噴孔出口の方向は予め決められていることから、流体はこの噴孔出口方向へと向かうことになる。そこで、噴孔入口での流入方向と噴孔出口の方向とが成す角度をα（０度〜９０度）で定義すると、αが小さい角度の場合は燃料流れにねじれが生じず噴孔軸に沿った流れが支配的になる。そのため、噴孔出口から噴出される噴霧は軸方向に沿って噴出され噴孔出口方向へ長い噴霧ペネトレーションを形成する。
しかし角度αが大きい場合には、噴孔へ流入した流れはねじれをもった成分を強制的に与えられることから、噴孔軸に垂直な流れ成分（すなわち面内流速）が増加する傾向にある。この面内流速が増加すると噴孔出口から噴出される噴霧は、軸方向に沿った噴霧と軸に垂直な成分をもつベクトルをもつことになる。そのため、噴孔出口において軸に垂直な成分により、軸に垂直な方向へ拡がる方向へ噴霧が噴出され、噴霧が広がる傾向となる。さらに噴孔軸方向の噴霧速度は相対的に遅くなるため、噴孔軸方向への噴霧ペネトレーションは短くなることが期待できる。
このように、噴孔入口と噴孔出口方向の成す角度を大きく設定することにより、噴霧ペネトレーションを短くすることが可能である。

一方、コネクタ部の中心を軸として、中心軸上に設定された噴孔の場合、それ以外の噴孔より角度αを大きく出来ない場合が考えられ、この場合噴霧ペネトレーションが長くなってしまう。このため第１の噴孔に隣り合うように設定された第２の噴孔および前記噴孔以外に設定された第３の噴孔において、各孔間ピッチ角が不均一で、かつ、第２の噴孔への流体流入角を小さくすることで角度αを小さくし第２の噴孔へ流入する流れを強くすることでが第１の噴孔の噴霧ペネトレーションを短くすることが可能である。

以下、本実施例を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。本実施例の燃料噴射弁は、ガソリン等の燃料をエンジンの気筒（燃焼室）に直接噴射する燃料噴射弁である。

燃料噴射弁本体１は、中空の固定コア２、ハウジングを兼ねるヨーク３、可動子４、ノズルボディ５を有する。可動子４は、可動コア４０と可動弁体４１からなる。固定コア２、ヨーク３、可動コア４０は、磁気回路の構成要素となる。

ヨーク３とノズルボディ５と固定コア２とは、溶接により結合される。この結合態様は、種々のものがあるが、本実施例では、ノズルボディ５の一部内周が、固定コア２の一部外周に嵌合した状態でノズルボディ５と固定コア２とが溶接結合されている。さらに、このノズルボディ５の一部外周をヨーク３が囲むようにしてノズルボディ５とヨーク３とが溶接結合されている。ヨーク３の内側には電磁コイル６が組み込まれる。電磁コイル６は、ヨーク３と樹脂カバー２３とノズルボディ５の一部によって、シール性を保って覆われている。

ノズルボディ５の内部には、可動子４が軸方向に移動可能に組み込まれている。ノズルボディ５の先端には、ノズルボディの一部となるオリフィスカップ７が溶接により固定されている。オリフィスカップ７は、後述する噴孔（オリフィス）７１〜７６と、シート部７Ｂを含む円錐面７Ａを有する。

固定コア２の内部には、可動子４をシート部７Ｂに押し付けるばね８と、このばね８のばね力を調整するアジャスタ９とフィルタ１０とが組み込まれている。

ノズルボディ５内部及びオリフィスカップ７内部には、可動子４の軸方向の移動を案内するガイド部材１２が設けられている。ガイド部材１２はオリフィスカップ７に固定されている。なお、可動子４の軸方向の移動を可動コア４０の近くで案内するガイド部材１１が設けられており、可動子４は上下配置のガイド部材１１と１２とにより、軸方向の移動を案内されている。

本実施例の弁体（バルブロッド）４１は、先端が先細りのニードルタイプのものを示すが、先端に球体を設けたタイプのものであってもよい。

燃料噴射弁内の燃料通路は、固定コア２の内部と、可動コア４０に設けた複数の孔１３と、ガイド部材１１に設けた複数の孔１４と、ノズルボディ５の内部と、ガイド部材１２に設けた複数の側溝１５と、シート部７Ｂを含む円錐面７Ａとで構成される。

樹脂カバー２３には、電磁コイル６に励磁電流（パルス電流）を供給するコネクタ部２３Ａが設けられ、樹脂カバー２３により絶縁されたリード端子１８の一部がコネクタ部２３Ａに位置する。

このリード端子１８を介して、外部駆動回路（図示せず）によりヨーク３に収納された電磁コイル６を励磁すると、固定コア２、ヨーク３及び可動コア４０が磁気回路を形成し、可動子４は固定コア２側にばね８の力に抗して磁気吸引される。この時、弁体４１はシート部７Ｂから離れ開弁状態になり、外部高圧ポンプ（図示せず）で予め昇圧（１ＭＰa以上）されている燃料噴射弁本体１内の燃料が、噴孔７１〜７６から噴射される。

電磁コイル６の励磁をオフすると、ばね８の力で弁体４１がシート部７Ｂ側に押し付けられ閉弁状態になる。
ここで、ガイド部材１２からシート部７Ｂを通り噴孔７１〜７５へ流入する主燃料通路について説明する。ガイド部材１２より下流へ流体が流れる際、ガイド部材１２と可動弁体４１とで形成される僅かな隙間ＡＡと、ガイド部材１２に設けた複数の側溝１５とに流れが分断されるが、隙間ＡＡの面積は側溝１５により形成される面積より遥かに小さく、側溝１５に流体の流れは集中する。そのため、側溝１５を通り、シート部７Ｂを通り噴孔７１〜７５の流れを主燃料通路と呼ぶ。
図２に示すように、ガイド部材１２の側溝１５は、燃料噴射弁軸Ｏ１に平行方向になるよう燃料通路を形成している。その為、燃料が側溝１５を通過した後の流体はシート部７Ｂに向かうにつれ流路面積の減少とともに縮流していくが、流れのベクトルはオリフィスカップ７の円錐面に沿う方向と燃料噴射弁軸Ｏ１とほぼ同じ方向で通過していく。
図４に図３のＡ−Ａ断面を示す。オリフィスカップ７を上流側からみた状態で、シート部７Ｂを表すように弁体４１を除いた状態をしめす。このシート部７Ｂ近傍の流体流れを図５に示す。前述のように流れは円錐面および燃料噴射弁軸Ｏ１とほぼ同じ方向で進むため、シート部７Ｂを通過する際にはほぼ放射状に円錐面外側から燃料噴射弁中心方向へ流体が流入する形態となる。噴孔７１〜７５への流入矢印１０１〜１０５はほぼ燃料噴射弁中心軸方向に向く。
ここで、図５に噴孔７１〜７５の入口を実線８１〜８５、出口を点線９１〜９５で示し、噴孔出口方向を矢印２０１〜２０５で表す。また、噴孔入口８１と噴孔出口９１の中心を通る軸線をＯ１０１とする。同様に各噴孔の中心軸線をＯ１０２、Ｏ１０３、Ｏ１０４、Ｏ１０５とする。軸線Ｏ１０３と燃料噴射弁軸線Ｏ１を通る面での噴孔７１内部流れを図６、軸線Ｏ１０３に垂直で噴孔出口９３を通る面での流れを図７に表す。
噴孔７３ では、流入方向１０３・出口方向２０３がほぼ一致していることから、図６における軸線Ｏ１０３方向の速度成分が大きい。そのため、噴孔出口９３からの流体は鉛直軸方向の速い速度成分を持ったまま噴出される。
一方噴孔７１では、流入方向１０１・出口方向２０１にて形成する角度α（α；０度〜９０度）が付与されている。この角度αにより噴孔内部の流体にねじれる効果が発生する。このねじれにより、軸線Ｏ１０１方向に垂直な面成分方向の速度（以下、面内流速と呼ぶ）が付与されることがわかる。この面内流速が付与されることで、噴孔出口８１から流体が噴出される際に、軸線Ｏ１０１方向の速度が低減し、軸線Ｏ１０１に垂直な面方向すなわち広がり方向に流体が進むことになる。軸線Ｏ１０１と燃料噴射弁軸線Ｏ１を通る面での噴孔７１内部流れを図８、軸線Ｏ１０１に垂直で噴孔出口９１を通る面での流れを図９に表す。
噴孔７３においてねじれ角αを積極的に与えることが出来ない場合、その他の噴孔の配置によって噴孔７３に流入する流れを抑制する本発明の実施例を以下に示す。

図１０に示すように、噴孔７３の場合、それ以外の噴孔より角度αを大きく出来ない場合が考えられ、この場合噴霧ペネトレーションが長くなってしまう。このため７３の噴孔に隣り合うように設定された７２と７４の噴孔およびそれ以外に設定された７１と７５の噴孔において、各噴孔間ピッチ角がβ１、β２と不均一で、かつ、７３の噴孔と７２および７４の噴孔との間のピッチ角β１を小さくすることで角度αを小さくし７２と７４の噴孔へ流入する流れを強くすることで噴孔７３の噴霧ペネトレーションを短くすることが可能である。
一方で図１０に示す噴孔７１，７５のピッチ角β２は７２と７４の噴孔のピッチ角β１より大きくすることで角度αを大きくし噴霧ペネトレーションを短くすることが可能である。各噴孔の軸線に垂直で噴孔出口を通る面での流れを図１１に表す。図１１の左右の図を比較すると噴孔７３では、軸線Ｏ１０３方向の速度成分が抑えられていることがわかる。これは７２と７４の噴孔へのピッチ角β１を小さくし、噴孔７２と７４へ流入する流れを強くすることができるためである。

１ 燃料噴射弁本体
２ 中空のコア
３ ヨーク
４ 可動子
５ ノズルボディ
６ 電磁コイル
７ オリフィスカップ
８ バネ
９ アジャスタ
１０ フィルタ
１１ ガイド
１２ ガイド部材（ＰＲガイド）
１３ 燃料通路（アンカー）
１４ 燃料通路（ロッドガイド）
１５ 側溝（ＰＲガイド）
１８ リード端子
２３ 樹脂カバー
２３Ａ コネクタ部
４０ 可動コア
４１ 可動弁体
７１〜７５ 噴孔
７Ａ 円錐面
７Ｂ 弁座部
８１〜８５ 噴孔入口
９１〜９５ 噴孔出口
１０１〜１０５ 従来ガイド部材による噴孔流入方向
２０１〜２０５ 噴孔出口方向
Ｏ１ 燃料噴射弁中心軸
Ｏ１０１〜Ｏ１０５ 噴孔中心軸

Claims (1)

1. 複数の噴孔と、前記噴孔の上流側に設けられたシート部と、前記シート部と接触することにより閉弁状態となり、前記シート部から離れることによって開弁状態となる弁体と、を備え、前記複数の噴孔及び前記シート部は前記シート部に対して前記複数の噴孔が燃料噴射弁の中心軸側に位置するようにして円錐面上に設けられた、自動車の内燃機関に用いられる燃料噴射弁において、
   前記複数の噴孔は、噴孔の入口中心と出口中心とを通る噴孔軸線の方向と噴孔に流入する燃料の流入方向とが一致する第１の噴孔と、前記第１の噴孔に隣り合うように設定され噴孔の入口中心と出口中心とを通る噴孔軸線の方向と噴孔に流入する燃料の流入方向とが一致しないようにねじれ角度を設けた第２の噴孔と、前記第２の噴孔に隣り合うように設定され噴孔の入口中心と出口中心とを通る噴孔軸線の方向と噴孔に流入する燃料の流入方向とが一致しないようにねじれ角度を設けた第３の噴孔と、を含み、
   前記第１の噴孔と前記第２の噴孔との間のピッチ角は、前記第２の噴孔と前記第３の噴孔との間のピッチ角よりも小さく設定され、
   前記第２の噴孔におけるねじれ角度は、前記第３の噴孔におけるねじれ角度よりも小さく設定されていることを特徴とする燃料噴射弁。

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