JP6342780B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁のノズルの噴孔の燃料流出口周辺には、噴射された燃料の一部が残留する。この残留した燃料は、燃料の性質や周囲の温度変化などによって固形化し、燃料流出口周辺にデポジットとして堆積する。特に、筒内直接噴射式エンジンではノズルが燃焼室に設けられるため、デポジットの堆積を招きやすい。燃料流出口周辺にデポジットが付着すると、燃料噴射量の低下あるいは噴霧形状の変化を招くおそれがある。

これに対して、特許文献１に開示された燃料噴射弁は、ノズル先端面における燃料流出口の周囲に形成された案内溝を有し、燃料流出口の周辺に付着して液滴に成長した燃料を毛細管現象により案内溝に浸透させることによって、燃料流出口から燃料を遠ざける。

特開２００６−７０７５５号公報

ところが、特許文献１に開示された燃料噴射弁では、毛細管現象を利用して燃料を案内溝に浸透させるため、当該案内溝を微細な溝にせざるを得ない。そのため、案内溝に保持しておける燃料の量が少なく、また、案内溝に保持された燃料が固形化してしまった場合には燃料流出口から燃料を遠ざけることができなくなる。したがって、燃料流出口周辺のデポジットの堆積を十分に防ぐことができない。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、噴孔の燃料流出口周辺へのデポジットの堆積を抑制可能な燃料噴射弁を提供することである。

本発明による燃料噴射弁は、燃料通路を有する筒状のボディと、ボディ内で軸方向へ移動可能なニードルと、ボディの端部に設けられ、ニードルが当接可能な弁座を形成し、ニードルが弁座から離れるとき燃料通路に連通する噴孔を有するノズルと、ニードルを軸方向へ駆動可能な駆動部と、エンジンの取り付け部に対するノズルの相対回転位置を決める位置決め手段とを備える。
ノズルは、噴孔の燃料流出口が底面に開口している溝を有する。エンジンの燃焼室に吸入されてノズル付近を流れる吸気の流れ方向を特定流れ方向とすると、位置決め手段は、溝の延出方向が特定流れ方向と一致するよう取り付け部に対するノズルの相対回転位置を決める。

このように構成することで、ノズルに向かって流れる吸気が積極的にノズルの溝に取り入れられることによって、噴孔の燃料流出口付近の吸気流れ速度が高まり、溝内の吸気の流れにより燃料流出口付近の燃料を吹き飛ばすことができる。したがって、燃料流出口周辺へのデポジットの堆積を抑制可能である。

本発明の第１実施形態による燃料噴射弁が取り付けられたエンジンの要部の断面図である。 図１の燃料噴射弁の縦断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であって、閉弁状態のノズルを拡大して示す断面図である。 開弁状態のノズルを拡大して示す断面図である。 図１においてシリンダヘッドを矢印Ｖ方向から見た図である。 図１の燃料噴射弁およびデリバリパイプ等を拡大して示す図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 図２のノズル先端部を矢印ＩＸ方向から見た図である。 第１実施形態と比較形態とで、燃料流出口付近の吸気流れ速度を比較する図である。 本発明の第１実施形態の変形例による燃料噴射弁が取り付けられたシリンダヘッドをピストン側から見た図である。 本発明の第２実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部を示す図である。 本発明の第３実施形態による燃料噴射弁のノズル先端部を示す図である。 図１３のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を図１に示す。燃料噴射弁１０は、エンジン１００のシリンダヘッド１１０に取り付けられ、燃焼室１０２に燃料を直接噴射する。つまり、エンジン１００は筒内直接噴射式エンジンである。シリンダヘッド１１０は、特許請求の範囲に記載の「取り付け部」に相当する。

吸気ポート１０３を通じて燃焼室１０２に吸入される空気（吸気）は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料と混合され、点火プラグ１０４の放電により燃焼および膨張した後、排気ポート１０５を通じて外部へ排気される。

（全体構成）
先ず、燃料噴射弁１０の全体構成について図２〜図４を参照して説明する。
燃料噴射弁１０は、ボディ２０、ニードル４０、ノズル３０、可動コア５１、コイル５２、固定コア５３、スプリング５４およびハウジング６０等を備えている。

ボディ２０は、第１筒部材２１、第２筒部材２２および第３筒部材２３から構成されている。第１筒部材２１、第２筒部材２２および第３筒部材２３は、その順で軸方向へ連なるように配置されて互いに接合されている。第１筒部材２１および第３筒部材２３は磁性材料から作られている。一方、第２筒部材２２は非磁性材料から作られている。

ノズル３０は、有底筒状であり、第１筒部材２１のうち第２筒部材２２とは反対側の端部に固定されている。ノズル３０の底部３１は複数の噴孔３２を有している。また、底部３１の内壁には、噴孔３２を取り囲むよう環状の弁座３３が形成されている。

ニードル４０は、ボディ２０およびノズル３０の内側で軸方向へ往復移動可能である。ニードル４０とボディ２０との間、および、ニードル４０とノズル３０の筒部３４との間には、筒状空間２５が形成されている。ニードル４０のうちノズル３０側の端部は、弁座３３に接近および離間可能なシール部４１を形成している。シール部４１は、弁座３３から離間すると、筒状空間２５と噴孔３２とを接続するシール部通路４２を弁座３３との間に形成する。ニードル４０のうちノズル３０とは反対側の端部は、鍔部４３を形成している。また、当該端部は、端面から軸方向へ延びる有底穴４４と、有底穴４４から径方向外側に貫通する通孔４５とを有している。筒状空間２５は、特許請求の範囲に記載の「燃料通路」を構成している。

可動コア５１は、第１筒部材２１および第２筒部材２２の内側であって、ニードル４０の鍔部４３に対してノズル３０側に設けられている筒状部材であり、磁性材料から作られている。可動コア５１の内側にはニードル４０が挿入されている。可動コア５１は、ボディ２０およびニードル４０に対して軸方向へ相対移動可能であり、ノズル３０とは反対側に移動したときニードル４０の鍔部４３に当接可能である。

コイル５２は、第２筒部材２２および第３筒部材２３の外側を取り囲むように設けられており、通電されると磁力を生じる。
固定コア５３は、第３筒部材２３の内側であって、可動コア５１に対してノズル３０とは反対側に設けられている筒状部材であり、第３筒部材２３に固定されている。固定コア５３は磁性材料から作られている。

スプリング５４は、ニードル４０の鍔部４３と、固定コア５３の内側に圧入固定されたアジャスティングパイプ５５との間に設けられている圧縮コイルスプリングであり、ニードル４０を閉弁方向へ付勢している。

第３筒部材２３のうち第２筒部材２２とは反対側の端部には、燃料導入パイプ５６が接続されている。外部から燃料導入パイプ５６に供給された燃料は、固定コア５３の内部空間５７と、ニードル４０の有底穴４４および通孔４５とを経由して筒状空間２５まで流れる。

ハウジング６０は、コイル５２の外側に設けられている筒状の金属ハウジング６１と、金属ハウジング６１に対して燃料導入パイプ５６側に設けられている樹脂ハウジング６２とを有する。樹脂ハウジング６２は、筒状のベース部６３と、コイル５２を通電するための端子６４を収容しているコネクタ部６５とを形成している。

以上のように構成された燃料噴射弁１０では、コイル５２が通電されると、固定コア５３、可動コア５１、第１筒部材２１および第３筒部材２３により磁気回路が形成され、可動コア５１が固定コア５３に磁気吸引される。これにより、ニードル４０は、鍔部４３に当接する可動コア５１によって開弁方向へ移動させられる。このとき、ニードル４０のシール部４１は、図４に示すように弁座３３から離間した状態（開弁状態）となる。開弁状態においては、筒状空間２５の燃料は、シール部通路４２を経由して噴孔３２に流入したのち、燃料流出口７１から燃焼室１０２へ噴射される。

また、コイル５２への通電が停止されると、ニードル４０は、スプリング５４によって閉弁方向へ移動させられる。このとき、ニードル４０のシール部４１は、図３に示すように弁座３３に当接した状態（閉弁状態）となる。閉弁状態においては、筒状空間２５が噴孔３２に対して閉鎖され、燃料の噴射が停止される。
可動コア５１、コイル５２、固定コア５３、およびスプリング５４は、ニードル４０を軸方向へ駆動可能な駆動部５０を構成している。

（特徴構成）
次に、燃料噴射弁１０の特徴構成について図１、図３〜図９を参照して説明する。
以下の説明において、図１、図５に示すようにエンジン１００の燃焼室１０２に吸入されてノズル３０付近を流れる吸気の流れ方向を「特定流れ方向Ｆ」と記載する。図１には、便宜上、後述のデリバリパイプ１１０および付勢部材１１４を図示していない。

図６に示すように、シリンダヘッド１１０は、燃焼室１０２に開口している段付き状の取り付け孔１０６を有する。燃料噴射弁１０は、取り付け孔１０６に挿入されており、金属ハウジング６１が取り付け孔１０６の段部に当接することによってそれ以上の挿入が阻止されている。

デリバリパイプ１１０は、図示しない燃料ポンプから圧送される燃料を複数の燃料噴射弁１０に供給する配管であり、主管部１１１と、主管部１１１からシリンダヘッド１１０側に突き出している枝管部１１２と、ボルト１０７によってシリンダヘッド１１０のボス部１０８に締結されている固定部１１３とを有する。燃料噴射弁１０は、燃料導入パイプ５６が枝管部１１２に挿入されることによってデリバリパイプ１１０に接続されている。

図６〜図８に示すように、枝管部１１２の先端面と金属ハウジング６１の段部との間には付勢部材１１４が介装されている。付勢部材１１４は、燃料噴射弁１０をシリンダヘッド１１０に押し付けることによって当該燃料噴射弁１０のがたつきを抑制している。

枝管部１１２は、当該枝管部１１２の先端面から主管部１１１側に延びている切欠き１１５を有する。樹脂ハウジング６２のコネクタ部６５は、切欠き１１５を通じて枝管部１１２の内側から外側へ突き出している。燃料噴射弁１０は、シリンダヘッド１１０に固定されたデリバリパイプ１１０の切欠き１１５にコネクタ部６５の基端部７０が嵌合することによって、ノズル３０の軸心ＡＸ１まわりの回転が規制されている。基端部７０は、シリンダヘッド１１０に対するノズル３０の相対回転位置を決める「位置決め手段」である。

図３、図９に示すように、ノズル３０は、噴孔３２の燃料流出口７１が底面７２に開口している溝７３を有する。溝７３の延出方向は特定流れ方向Ｆと一致している。図６、図７に示すように、基端部７０は、デリバリパイプ１１０の切欠き１１５の内壁面と係合することによって、溝７３の延出方向が特定流れ方向Ｆと一致するようシリンダヘッド１１０に対するノズル３０の相対回転位置を決めている。言い換えれば、ノズル３０は、溝７３の延出方向が特定流れ方向と一致するようにシリンダヘッド１１０に取り付け可能である。ノズル３０付近を流れる吸気の流れ方向である特定流れ方向Ｆは、例えば実験やシミュレーションによって求められる。

図３、図９に示すように、溝７３の底面７２は、中央が周囲と比べて凸となっており、凸部７４およびその周囲の最深部７５を有する。燃料流出口７１は、凸部７４に開口しており、軸方向において溝７３の縁７６と最深部７５との間に位置している。本実施形態では、凸部７４は縁７６よりも突き出しておらず、したがって燃料流出口７１は溝７３内に位置している。

図９に示すように、溝７３の幅は、燃料流出口７１に対する特定流れ方向Ｆの上流側から当該燃料流出口７１に向かうにしたがって狭くなっており、また、燃料流出口７１から特定流れ方向Ｆの下流側に向かうにしたがって広くなっている。これにより、溝７３内の流れは燃料流出口７１付近で加速する。

図３、図９に示すように、ノズル３０の軸心ＡＸ１から燃料流出口７１までの最長距離を第１距離Ｓ１とし、軸心ＡＸ１から溝７３の縁７６までの最短距離を第２距離Ｓ２とすると、第２距離Ｓ２は第１距離Ｓ１よりも長い。また、溝７３の側壁面７７と噴孔３２の中心線ＡＸ２とは互いに交差していない。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、ノズル３０は、噴孔３２の燃料流出口７１が底面７２に開口している溝７３を有する。樹脂ハウジング６２のコネクタ部６５の基端部７０は、溝７３の延出方向が特定流れ方向Ｆと一致するようシリンダヘッド１１０に対するノズル３０の相対回転位置を決める。

このように構成することで、ノズル３０に向かって流れる吸気が積極的にノズル３０の溝７３に取り入れられることによって、噴孔３２の燃料流出口７１付近の吸気流れ速度が高まる。図１０に示す実験結果から明らかなように、第１実施形態は、溝７３の無い比較形態と比べて、燃料流出口７１付近の吸気流れ速度が高まる。したがって、溝７３内の吸気の流れにより燃料流出口７１付近の燃料を吹き飛ばすことができ、燃料流出口７１周辺へのデポジットの堆積を抑制可能である。

また、第１実施形態によると、溝７３の無い比較形態と比べて、燃料流出口７１に対する特定流れ方向の下流側における流れの淀みが減少し、当該下流側で燃料が溜まることを抑制可能である。
また、燃料流出口７１付近の吸気流れ速度が高まることにより、ノズル先端部の冷却効果を得ることができる。

また、第１実施形態では、燃料流出口７１は、軸方向において溝７３の縁７６に対して最深部７５側に位置している
このように構成することで、燃料流出口７１を溝７３内に位置させることができ、燃料流出口７１付近の燃料を溝７３内の吸気流れにより吹き飛ばすことができる。

また、第１実施形態では、溝７３の幅は、燃料流出口７１に対する特定流れ方向Ｆの上流側から当該燃料流出口７１に向かうにしたがって狭くなっている。
このように構成することで、燃料流出口７１に対する特定流れ方向Ｆの上流側よりも燃料流出口７１付近の吸気流れを速くすることができる。したがって、燃料流出口７１付近の吸気流れ速度をより高めることができる。

また、第１実施形態では、ノズル３０の軸心ＡＸ１から溝７３の縁７６までの最短距離である第２距離Ｓ２は、軸心ＡＸ１から燃料流出口７１までの最長距離である第１距離Ｓ１よりも長い。また、第１実施形態では、溝７３の側壁面７７と噴孔３２の中心線ＡＸ２とは互いに交差していない。
このように構成することで、噴孔３２から噴射される燃料とノズル３０の外壁との干渉を避けることができる。

［第１実施形態の変形例］
第１実施形態の変形例では、図１１に示すように、ノズル３０は、燃焼室１０２の中央部から外れた位置に設けられている。このように、ノズル３０が燃焼室１０２の中央部以外に設けられていても、ノズル３０の先端部に溝７３が形成され、その溝７３の延出方向が吸気流れに沿うように設定されることによって、燃料流出口７１付近の吸気流れ速度を高めることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図１２に示すように、溝８０の幅は、燃料流出口７１から特定流れ方向Ｆの下流側に向かって一気に広くなっている。つまり、燃料流出口７１に対して特定流れ方向Ｆの下流側には溝がほとんど形成されていない。このような溝８０を有するノズル３０であっても、溝８０の無い比較形態と比べて燃料流出口７１付近の吸気流れ速度が高まる。したがって、第１実施形態と同様に、溝８０内の吸気の流れにより燃料流出口７１付近の燃料を吹き飛ばすことができ、燃料流出口７１周辺へのデポジットの堆積を抑制可能である。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態では、図１３、図１４に示すように、溝９０の底面９１は、燃料流出口７１に対する特定流れ方向Ｆの上流側から当該燃料流出口７１に向かうにしたがって溝９０の深さを浅くしている斜面９２を含む。このような溝９０を有するノズル３０であっても、溝９０の無い比較形態と比べて燃料流出口７１付近の吸気流れ速度が高まる。さらに、第３実施形態では、第１実施形態と比べて、底面９１が斜面９２を有する分、溝９０の入口において吸気がスムーズに溝９０に取り入れられ、燃料流出口７１付近の吸気流れ速度がより高まる。したがって、溝９０内の吸気の流れにより燃料流出口７１付近の燃料を吹き飛ばすことができ、燃料流出口７１周辺へのデポジットの堆積を抑制可能である。

［他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、位置決め手段は、樹脂ハウジングのコネクタ部の基端部に限らず、他の部位に設けられてもよい。
前述の実施形態では、位置決め手段は、シリンダヘッドに固定されたデリバリパイプと係合することによってシリンダヘッドに対するノズルの相対回転位置を決めていた。これに対し、本発明の他の実施形態では、位置決め手段は、シリンダヘッドと直接的に係合してもよい。また、本発明の他の実施形態では、位置決め手段は、燃料噴射弁をシリンダヘッドに押し付ける付勢部材と係合してもよい。また、本発明の他の実施形態では、位置決め手段は、燃料噴射弁の構成部材をシリンダヘッドまたはデリバリパイプ等に固定する固定具から構成されてもよい。

本発明の他の実施形態では、ハウジングは全てが樹脂製であってもよい。
本発明の他の実施形態では、各噴孔は同一円周上に配置されていなくてもよい。要するに、各噴孔は、溝の底面に燃料流出口が開口するようランダムに配置され得る。
前述の実施形態では、ボディとノズルとが別体に形成される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、ボディとノズルとを一体に形成することとしてもよい。

本発明の他の実施形態では、駆動部は、電磁式に限らず、例えばピエゾ式等の他の形式のものであってもよい。
本発明の他の実施形態では、燃料噴射弁は、筒内直接噴射式エンジンに限らず、例えばポート噴射式エンジン等の他の形式のエンジンに用いられてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・・燃料噴射弁 ２０・・・・ボディ
２５・・・・燃料通路 ３０・・・・ノズル
３２・・・・噴孔 ３３・・・・弁座
４０・・・・ニードル ５０・・・・駆動部
７０・・・・基端部（位置決め手段） ７１・・・・燃料流出口
７２、９１・・・底面 ７３、８０、９０・・・溝
１００・・・エンジン １０１・・・シリンダヘッド（取り付け部）
１０２・・・燃焼室 Ｆ・・・・・特定流れ方向

Claims (6)

1. 燃料通路（２５）を有する筒状のボディ（２０）と、
   前記ボディ内で軸方向へ移動可能なニードル（４０）と、
   前記ボディの端部に設けられ、前記ニードルが当接可能な弁座（３３）を形成し、前記ニードルが前記弁座から離れるとき前記燃料通路に連通する噴孔（３２）を有するノズル（３０）と、
   前記ニードルを軸方向へ駆動可能な駆動部（５０）と、
   エンジン（１００）の取り付け部（１０１）に対する前記ノズルの相対回転位置を決める位置決め手段（７０）と、
   を備え、
   前記ノズルは、前記噴孔の燃料流出口（７１）が底面（７２、９１）に開口している溝（７３、８０、９０）を有し、
   前記エンジンの燃焼室（１０２）に吸入されて前記ノズルの付近を流れる吸気の流れ方向を特定流れ方向（Ｆ）とすると、
   前記位置決め手段は、前記溝の延出方向が前記特定流れ方向と一致するよう前記取り付け部に対する前記ノズルの相対回転位置を決めることを特徴とする燃料噴射弁（１０）。
2. 前記燃料流出口は、軸方向において前記溝の縁（７６）に対して当該溝の最深部（７５）側に位置し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. 前記溝の幅は、前記燃料流出口に対する前記特定流れ方向の上流側から当該燃料流出口に向かうにしたがって狭くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記底面（９１）は、前記燃料流出口に対する前記特定流れ方向の上流側から当該燃料流出口に向かうにしたがって前記溝（９０）の深さを浅くしている斜面（９２）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記ノズルの軸心から前記燃料流出口までの最長距離を第１距離（Ｓ１）とし、前記軸心から前記溝の縁までの最短距離を第２距離（Ｓ２）とすると、
   前記第２距離は前記第１距離よりも長いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
6. 前記溝の側壁面（７７）と前記噴孔の中心線（ＡＸ２）とは互いに交差していないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。

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