JP6355765B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関する。

従来技術の一例として、特許文献１に開示の燃料噴射弁では、噴射弁本体内に噴射孔を開閉する球弁を備えた弁体が摺動可能に組み込まれ、前記噴射弁本体と弁体との間に、噴射弁本体側の案内面とその案内面を摺動する弁体側の摺動面とからなる上下のバルブガイド部、及び、噴射弁本体側のストッパとそのストッパに弁体の開弁時に当接する当接面が形成された弁体側のフランジが設けられた燃料噴射弁において、前記弁体側の上下の摺動面がほぼ球面状になるように形成され、前記上下のバルブガイド部における案内面と摺動面とのクリアランスをがたのない精密なはめあい状態になるように設定した燃料噴射弁が開示されている。

弁体が上下バルブガイド部の取付誤差の影響でコアの内周面に対して若干傾斜すると、コアの平滑な案内面に対してその弁体を構成するガイドリングの球面状の摺動面が接触する。即ち、ガイドリングの摺動面はこじりが生じない球面状であるため、弁体がコアの案内面に対して傾斜してもその弁体を構成するガイドリングが軸方向に滑り易い状態に保持される。このため、コアの案内面とガイドリングの摺動面との間で摩耗が生じ難くなり、弁体の摺動抵抗が経時的に変化するのを抑制できる。したがって、弁体の構成部材である球弁が燃料噴射孔を開閉する速度がほとんど変動せず、燃料噴射量の経時的な変化を抑制することができる。

別の従来技術の一例として、特許文献２に開示の燃料噴射弁では、燃料噴射弁１はノズル体２から成り、このノズル体１に弁ニードル３が配置されている。この弁ニードル３は弁閉鎖体４と作用結合されており、この弁閉鎖体４は、弁座体５に配置された弁座面６と協働してシール座を形成している。図示の実施例の燃料噴射弁１は、少なくとも１つの噴射開口７を備えた、内方に向かって開放可能な燃料噴射弁１ である。本発明により形成された燃料噴射弁１の弁閉鎖体４は、ほぼ球形状を有しているものが開示されている。

これにより、燃料噴射弁１の精確な機能形式を考慮した、ずれのない、カルダン式の弁ニードルガイドが達成される。

特開２００３−２２７４３６号公報 特表２００４−５１９６２１号公報

特許文献１、２に記載のいずれの実施例の燃料噴射弁においては、弁体の先端を球面形状とし、噴口カップとの案内部、シート部を形成していることが述べられているが、案内部と弁座部の曲率半径の大小関係や曲率中心の位置については述べられていない。

近年の排出ガス規制では、排気ガス中に含まれる粒子状物質の量、数量を低減する必要があり、常用の最高燃圧が３５ＭＰ程度まで大きくなる可能性がある。常用の最高燃圧が３５ＭＰａの場合、燃料噴射弁は例えば４５ＭＰａまで動作することが要求される。すると、シート直径によっては流体力が開弁力を上回ってしまい、必要なときに針弁の開弁を維持できず閉弁してしまう虞がある。

上記課題を解決するために本発明の燃料噴射弁は、弁座と、前記弁座に対して着座又は離座する弁体と、前記弁座の下流側に形成される噴孔と、前記弁体が着座する前記弁座の弁座シート部よりも上流側に形成され、前記弁体の下流側の被案内部を案内する案内部と、を備え、前記被案内部の軸方向と交差する交差方向の大きさに対し、前記弁体の弁体シート部の前記交差方向の大きさが０．４から０．８倍となるように形成され、前記弁体シート部と前記被案内部とは何れも球面形状で形成され、前記被案内部及び前記弁体シート部の前記球面形状の曲率半径の中心が一致するようにしたものである。

本発明によれば、常用の最高燃圧が３５ＭＰａの場合、燃料噴射弁は例えば４５ＭＰａまで動作することが要求されるとしても、流体力が開弁力を上回ることがなく、必要なときに針弁の開弁を維持できる燃料噴射弁を提供することが可能である。

本発明の実施形態による燃料噴射弁の全体断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部分の拡大断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部分の拡大断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部分の拡大断面図である。 弁体のシート径と流体力の関係示したグラフである。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部分の横断面図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

内燃機関には、運転状態に応じた適切な燃料量を燃料噴射弁の噴射時間に変換する演算を行い、燃料を供給する燃料噴射弁を駆動させる燃料噴射制御装置が備えられている。燃料噴射弁は、例えば、可動子が円筒状の可動子とこの可動子の中心部に位置する針弁とを含んで構成されており、中心部に燃料を導く燃料導入孔を有する固定子の端面と可動子の端面との間に隙間が設けられており、この隙間を含む磁気通路に磁束を供給する電磁ソレノイドを備えている。隙間を通る磁束によって可動子の端面と固定子の端面との間に生起された磁気吸引力で可動子を固定子側に引き付けて可動子を駆動し、針弁の弁体を弁座から引き離して弁座に設けた燃料通路を開くように構成されている。噴射される燃料量は、主に燃料の圧力と燃料噴射弁の噴口部の雰囲気圧力との差圧、並びに弁体を開いた状態に維持し、燃料が噴射されている時間により決定される。

電磁ソレノイドへの通電を停止すると、可動子に作用する磁気吸引力が消失し、弁体を閉鎖方向に付勢する弾性部材の力と、弁体と弁座間を流れる燃料の流速によって生じる圧力降下によって弁体及び可動子は閉鎖方向へと移動し、弁体が弁座に着座することで燃料通路を閉じる。弁体と弁座の当接により燃料がシールされ、意図しないタイミングで燃料が燃料噴射弁から漏れ出ることを防いでいる。

近年、燃料消費量低減という観点から、過給機と組み合わせて内燃機関の排気量を小さくし、熱効率の良い運転領域を使用することで車両搭載時の燃料消費量を低減させる試みが実施されている。この試みは特に燃料の気化による吸入空気充填量の向上、耐ノック特性の向上が見込まれる筒内直接噴射式の内燃機関と組み合わせることが有効である。

また幅広い車種で大幅な燃料消費量低減が求められているため、筒内直接噴射式の内燃機関の需要が増加する一方、回生エネルギの回収といったその他の燃料消費量低減に効果のあるデバイスを自動車に搭載する必要があり、総コストを低減する観点から各種デバイスのコスト低減が求められており、筒内直接噴射用の燃料噴射弁へのコスト低減要求も同様に高まっている。

一方で、内燃機関の排出ガスに含まれる成分を一層低減することも求められており、 極微量の漏れ燃料がある場合、内燃機関の停止中であっても燃料噴射弁に接続された燃料レールに残存する燃料が内燃機関内部のピストンとシリンダから構成される燃焼室に供給、蓄積され、次回内燃機関始動時に未燃燃料成分として排出される。近年の法規制値は、このような未燃燃料成分が排気ガスとして排出されると満足できないレベルにまで厳格化されている。燃料噴射弁には製品寿命に渡って漏れ燃料を限りなくゼロにすることが要求されており、燃料噴射弁先端からの燃料の漏れ量少なくするために、弁体と弁座が当接する部位は共に例えば１μｍ以下の形状精度が必要である。

また排出ガスに含まれる粒子状物質の量、数量を低減するという観点から、燃料噴射弁は１回の噴射あたりたとえば１から２ｍｇといった極微量の燃料を、ある定められた燃料噴霧形状で精度良く噴射することが要求されている。弁体のスムースかつばらつきの少ない動きを実現するために、弁体と弁座の上流に設けられた弁体を案内する案内部材との隙間は、例えば数μｍ程しかない。

同じく排出ガスに含まれる粒子状物質の量、数量を低減するという観点から、燃料の噴射圧力を従来の２０ＭＰａから例えば３５ＭＰａ程度まで増加させ、噴射される燃料の液滴粒径を低減、気化を促進させる試みが実施されている。

使用時の燃料圧力を増加させる場合、弁体のシート部より下流を流れる燃料の圧力降下が大きくなるため、弁体を閉弁させようとする力（以後、流体力と呼ぶ）が増加する。高い燃圧でも弁体の開弁を維持するにはシート部の直径を小さくし流体力を小さくすることが有効であることが知られている。
なお、弁体の先端が球である場合、シート径を小さくすることは案内部を含む先端の球の曲率を小さくすることになる。弁体の先端部を形成している球の曲率半径を小さくする場合、噴孔カップ側の弁体を案内する案内部の内径を小さくする必要があり、加工、製作には多くの困難が伴う。また逆にシート径を大きくしたい場合、噴孔カップ側の案内部内径も大きくする必要があり、噴孔カップの最大寸法に制約がある場合、自由に大きくすることは不可能である。

詳細は後述するが本実施例の燃料噴射弁は、弁体の案内部とシート部の曲率半径が異なり、かつ弁体のガイド部とシート部の曲率中心を一致させることで、案内部直径に依存せずシート部の直径を自由に設計できる。

したがって、燃料圧力の増加対して、弁体の案内部に対してシート部の曲率半径を独立に小さくすることができ、シート部に発生する流体の圧力差によって発生する力を低減し、従来よりも高い燃圧で弁体を開弁、保持することができる。

また燃料噴射弁に大きな流量噴射率を要求される場合でも、弁体の案内部に対してシート部の曲率半径を独立に大きくすることができるため、噴孔カップの案内部の内径を変更する必要がない。このように燃料噴射弁に対する燃料圧力や流量噴射率の様々な要求に対して大幅なコスト上昇を抑えて製作することができる。
以下、図１から図５を用いて、従来技術による燃料噴射弁と比較して、本発明に係る燃料噴射弁の一実施例の構成について説明する。図１は本発の実施形態による燃料噴射弁の縦断面図である。図２から図５は図１の噴孔カップ１１６、弁体先端部１１４Ｂを中心とした部分拡大図で、本実施例における燃料噴射弁の特徴となる部品に限定し、形状を簡略化して示したものである。図２から図５では動作や機能分かり易くするために部品の大きさや隙間の大きさは実際の比率よりも誇張されており、機能を説明するために不要な部品は省略されている。各実施形態において同一の構成要素には同一の符号が与えられており、重複する説明は省略している。

図１において、噴孔カップ支持体１０１は直径が小さい小径筒状部２２と直径が大きい大径筒状部２３とを備えている。小径筒状部２２の先端部分の内部に、案内部１１５、燃料噴射孔１１７を備えた噴孔カップ（燃料噴射孔形成部材）１１６が挿入または圧入され、噴孔カップ１１６の先端面の外周の縁部が全周溶接されることにより、小径筒状部２２に固定される。案内部１１５は後述する可動子を構成する針弁１１４Ａの先端に設けられた針弁１１４Ａが燃料噴射弁の軸方向に上下運動する際に、外周を案内する機能を有する。
噴孔カップ１１６には案内部１１５の下流側に円錐状の弁座シート部３９が形成されている。この弁座シート部３９には針弁１１４Ａの先端に設けた針弁１１４Ａが当接または離反することで、燃料の流れを遮断したり燃料噴射孔に導いたりする。噴孔カップ支持体１０１の外周には溝が形成されており、この溝に樹脂材製のチップシール１３１に代表される燃焼ガスのシール部材が嵌め込まれている。

噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の内周下端部には可動子を構成する針弁１１４Ａをガイドする針弁案内部材１１３が大径筒状部２３の絞り加工部２５に圧入固定されている。針弁案内部材１１３は中央に針弁１１４Ａをその軸方向にガイドする案内部１２７が設けられており、その周囲に複数個の燃料通路１２６が穿孔されている。細長い形状の針弁１１４Ａは針弁案内部材１１３の案内部１２７によって径方向の位置を規定され、かつ軸方向にまっすぐに往復運動するようガイドされる。なお、開弁方向は弁軸方向の上、閉弁方向は弁軸方向の下に向かう方向である。

針弁１１４Ａの弁体先端部１１４Ｂが設けられている端部とは反対の端部には針弁１１４Ａの直径より大きい外径を有する段付き部１２９を有する頭部１１４Ｃが設けられている。段付き部１２９の上端面には針弁１１４Ａを閉弁方向に付勢するスプリング１１０の着座面が設けられており、頭部１１４Ｃと併せてスプリング１１０を保持する。

可動子は針弁１１４Ａが貫通する貫通孔１２８を中央に備えた可動子１０２を有する。可動子１０２と針弁案内部材１１３との間に可動子１０２を開弁方向に付勢するゼロスプリング１１２が保持されている。

頭部１１４Ｃの段付き部１２９の直径より貫通孔１２８の直径の方が小さいので、針弁１１４Ａを噴孔カップ１１６の弁座に向かって押付けるスプリング１１０の付勢力もしくは重力の作用下においては、ゼロスプリング１１２によって保持された可動子１０２の上側面と針弁１１４Ａの段付き部１２９の下端面が当接し、両者は係合している。これによりゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に逆らう上方への可動子１０２の動きあるいは、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に沿った下方への針弁１１４Ａの動きに対して両者は協働して動くことになる。しかし、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に関係なく針弁１１４Ａを上方へ動かす力、あるいは可動子１０２を下方へ動かす力が独立して両者に作用したとき、両者は別々の方向に動くことができる。

噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の内周部には固定コア１０７が圧入され、圧入接触位置で溶接接合されている。この溶接接合により噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。固定コア１０７は中心に針弁１１４Ａの段付き部１２９の直径よりわずかに大きい直径の貫通孔１０７Ｄが燃料導入通路として設けられている。

固定コア１０７の下端面や、可動子１０２の上端面及び衝突端面にはメッキを施して耐久性を向上させることがある。可動子に比較的軟らかい軟磁性ステンレス鋼を用いた場合においても、硬質クロムメッキや無電解ニッケルメッキを用いることで、耐久信頼性を確保することができる。

針弁１１４Ａの頭部１１４Ｃに設けられた段付き部１２９の上端面に形成されたスプリング受け面には初期荷重設定用のスプリング１１０の下端が当接しており、スプリング１１０の他端が固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内部に圧入される調整子５４で受け止められることで、スプリング１１０が頭部１１４Ｃと調整子５４の間に保持されている。調整子５４の固定位置を調整することでスプリング１１０が針弁１１４Ａを弁座シート部３９に押付ける初期荷重を調整することができる。

噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の外周にはカップ状のハウジング１０３が固定されている。ハウジング１０３の底部には中央に貫通孔が設けられており、貫通孔には噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３が挿通されている。ハウジング１０３の外周壁の部分は噴孔カップ支持体１０１の大径筒状部２３の外周面に対面する外周ヨーク部を形成している。ハウジング１０３によって形成される筒状空間内には環状を成すように巻回された電磁コイル１０５が配置されている。コイル１０５は半径方向外側に向かって開口する断面がＵ字状の溝を持つ環状のコイルボビン１０４と、この溝の中に巻きつけられた銅線で形成される。コイル１０５の巻き始め、巻き終わり端部には剛性のある導体１０９が固定されており、固定コア１０７に設けた貫通孔より引き出されている。この導体１０９と固定コア１０７、噴孔カップ支持体１０１の大径筒部２３の外周はハウジング１０３の上端開口部内周から絶縁樹脂を注入して、モールド成形され、樹脂成形体１２１で覆われる。かくして、電磁コイル（１０４、１０５）の周りにトロイダル状の磁気通路が形成される。

導体１０９の先端部に形成されたコネクタ４３Ａには高電圧電源、バッテリ電源より電力を供給するプラグが接続され、図示しないコントローラによって通電、非通電が制御される。コイル１０５に通電中は、磁気回路１４０を通る磁束によって磁気吸引ギャップにおいて可動子１１４の可動子１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生し、可動子１０２がスプリング１１０の設定荷重を超える力で吸引されることで上方へ動く。このとき可動子１０２は針弁の頭部１１４Ｃと係合して、針弁１１４Ａと一緒に上方へ移動し、可動子１０２の上端面が固定コア１０７の下端面に衝突するまで移動する。その結果、針弁１１４Ａの先端の弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９より離間し、燃料が燃料通路１１８を通り、噴孔カップ１１６先端にある噴射孔１１７から内燃機関の燃焼室内に噴出する。

針弁１１４Ａの先端の弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９より離間し、上方に引き上げられている間、細長い形状の針弁１１４Ａは針弁案内部材１１３の案内部１２７と、噴孔カップ１１６の案内部１１５の２箇所によって弁軸方向に沿ってまっすぐに復動するようガイドされる。

電磁コイル１０５への通電が断たれると、磁束が消滅し、磁気吸引ギャップにおける磁気吸引力も消滅する。この状態では、針弁１１４Ａの頭部１１４Ｃを反対方向に押す初期荷重設定用のスプリング１１０のばね力がゼロスプリング１１２の力に打ち勝って可動子１１４全体（可動子１０２、針弁１１４Ａ）に作用する。その結果、可動子１０２はスプリング１１０のばね力によって、弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９に接触する閉弁位置に押し戻される。

針弁１１４Ａの先端の弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９に接触し閉弁位置にある間、細長い形状の針弁１１４Ａは針弁案内部材１１３の案内部１２７のみによりガイドされており、噴孔カップ１１６の案内部１１５とは接触していない。

このとき、頭部１１４Ｃの段付き部１２９が可動子１０２の上面に当接して可動子１０２を、ゼロスプリング１１２の力に打ち勝って針弁案内部材１１３側へ移動させる。弁体先端部１１４Ｂが弁座シート部３９に衝突すると、可動子１０２は針弁１１４Ａと別体であるため、慣性力によって針弁案内部材１１３方向への移動を継続する。このとき針弁１１４Ａの外周と可動子１０２の内周との間に流体による摩擦が発生し、弁座シート部３９から再度開弁方向に跳ね返る針弁１１４Ａのエネルギが吸収される。慣性質量の大きな可動子１０２が針弁１１４Ａから切り離されているので、跳ね返りエネルギ自体も小さくなる。また、針弁１１４Ａの跳ね返りエネルギを吸収した可動子１０２は自らの慣性力がその分だけ減少し、ゼロスプリング１１２を圧縮した後に受ける反発力も小さくなるため、可動子１０２自体の跳ね返り現象によって針弁１１４Ａが開弁方向に再び動かされる現象は発生し難くなる。かくして、針弁１１４Ａの跳ね返りは最小限に抑えられ、電磁コイル（１０４、１０５）への通電が断たれた後に弁が開いて、燃料が不作為に噴射される、いわゆる二次噴射現象が抑制される。

図２は針弁１１４Ａが閉弁状態にある際の燃料噴射弁の先端を拡大した断面図である。弁体先端部１１４Ｂの被案内部２０１は噴孔カップ１１６の案内部２０２との間に僅かな隙間があり、図３に示す可動子が開弁状態にあるとき、弁体先端部１１４Ｂの径方向の位置を規定する。弁体先端部１１４Ｂの被案内部２０１の形状は直径φＤの球面の一部である。噴孔カップ１１６の弁座シート部３９と当接する弁体先端部１１４Ｂの弁体シート部２０３の形状は直径φＳの球面の一部である。

図３は針弁１１４Ａが開弁状態にある際の燃料噴射弁の先端を拡大した断面図である。噴孔カップ１１６の上流部４０１は高圧（例えば２０ＭＰａ）の燃料で満たされている。噴孔カップ１１６の弁座シート部３９と弁体先端部１１４Ｂの弁体シート部２０３の間には隙間４０２が存在する。噴孔カップ１１６の外部４０３は内燃機関の気筒内の圧力であり、例えば０．１ＭＰａ程度である。上流部４０１と外部４０３の圧力差により、燃料噴射弁の燃料は隙間４０２から噴孔１１７にかけてその流速を大きくして外部４０３に流れ出る。すなわち上流部４０１に比べて、弁体先端部１１４Ｂのシート直径φＡより下流の領域では燃料の圧力は大幅に小さくなっており、針弁１１４Ａにはシート直径φＡの面積に、上流部４０１とシート直径φＡより下流の領域の燃料圧力差分を乗じた力（以降、流体力と呼ぶ）が図３の下流方向に加わることになる。

図６は燃料噴射弁の先端部分の横断面図を示す。弁体先端部１１４Ｂ付近に流れた燃料は外周側流路５００を流れ、弁体先端部１１４Ｂの下流側に流れる。外周側流路５００は弁体先端部１１４Ｂの被案内部２０１と軸方向において対応する位置にあり、内周側に凹むように形成される。また外周側流路５００は隣り合う被案内部２０１同士の間に形成される。

図５は針弁１１４Ａの弁体シート部２０３の直径φＡに対して、弁体が開弁中に発生する流体力を記したものである。常用の最高燃圧が２０ＭＰａの場合、燃料噴射弁は例えば３０ＭＰａまで動作することが要求される。シート直径がφＡ２のとき、流体力はＦｃ１となり、図１の中の燃料噴射弁のコイル１０５に通電した際に、固定コア１０７が可動子１０２を引き付ける力（以後、磁気吸引力）からスプリング１１０の設定荷重を差し引いた力Ｆｏ（以後、開弁力と呼ぶ）を下回り、針弁１１４Ａは開弁を維持できる。

一方、前述したように近年の排出ガス規制では、排気ガス中に含まれる粒子状物質の量、数量を低減する必要があり、常用の最高燃圧が３５ＭＰ程度まで大きくなる可能性がある。常用の最高燃圧が３５ＭＰａの場合、燃料噴射弁は例えば４５ＭＰａまで動作することが要求される。シート直径がφＡ２のとき、流体力はＦｃ２となり、開弁力Ｆｏを上回るため、針弁１１４Ａは開弁を維持できず閉弁してしまう。

一方シート直径をφＡ２からφＡ１に縮小すると、シート直径φＡ１の面積も小さくなるため流体力はＦｃ３に低下する。このとき開弁力Ｆｏが流体力はＦｃ３を上回るため、針弁１１４Ａは開弁を維持することが可能となる。

すなわち、本実施例の燃料噴射弁は、弁座シート部３９と弁座シート部３９に対して着座又は離座する弁体１１４と、弁座シート部３９の下流側に形成される噴孔１１７と、弁体１１４の弁体シート部２０３が着座する弁座シート部３９弁よりも上流側に形成され、弁体１１４の下流側の被案内部２０１を案内する案内部２０２と、を備える。そして前記案内部２０２の軸方向と交差する交差方向の大きさに対し、弁座シート部３９の交差方向の大きさが０．４から０．８倍となるように形成されることを特徴とするものである。

すなわち、本発明者らは鋭意検討の末、案内部２０２の軸方向と交差する交差方向の大きさ、すなわち直径φＧを２ｍｍとして、これに対して弁座シート部３９の交差方向の大きさ、すなわち直径φＡを１．６ｍｍ以下とすることで、最高燃圧が３５ＭＰ程度においても針弁１１４Ａの開弁を維持可能となることを突き止めたものである。

一方で弁座シート部３９の交差方向の大きさ、すなわち直径φＡを０．８ｍｍ以下とすると、噴孔１１７が噴孔カップ１１６に形成することが難しい。つまり、弁座シート部３９のさらに内周側において、噴孔カップ１１６には噴孔１１７を形成する必要があり、直径φＡを０．８ｍｍ以下とするとこの噴孔１１７の形成が極めて困難になる。

またシート直径φAを小さくしすぎると、弁体シート部２０３と弁座シート部３９の接触面積が小さくなり、接触圧力は大きくなる。接触圧力が大きい場合、弁体シート部２０３と弁座シート部３９に高い強度を有する材料が必要となるため、できるだけ安価に燃料噴射弁を製造するという観点からは好ましくない。

なお、上記構成と対応して弁体１１４の被案内部２０１の軸方向と交差する交差方向の大きさ（直径）に対し、弁体シート部２０３の交差方向の大きさ（直径）が０．４から０．８倍となるように形成されるものである。

弁体シート部２０３と弁座シート部３９とは線接触することが好ましいが、ミクロで見れば面接触となる。この場合、弁体シート部２０３、又は弁座シート部３９のシート径φＡの測定は、面接触している箇所の中央部を用いて測定することで本実施例の作用、効果を得ることが可能である。案内部２０２又は被案内部２０１の大きさ（直径φＧ）についても同様であり、接触面が線接触でない場合には、接触部分の中央部を用いて測定すれば良い。

このように弁体先端部１１４Ｂの弁体シート部２０３を形成する直径φＳの球面の直径（曲率半径の２倍）を小さくすることで、シート直径φＡも小さくなり、流体力が低下し開弁力を下回るため、高い燃料圧力でも弁体の開弁を維持することができる。

また弁体先端部１１４Bの弁体シート部２０３を形成する直径φＳの球面の直径を大きくすることで、シート直径φＡも大きくなり、弁体のストロークが等しい場合でも流路面積が増加し、より大きな噴射率となる。よって高い燃料圧力で弁体の開弁を維持させたい場合のみならず、噴射量を増大させたい場合にも本発明は有効である。

なお、上記構成と対応して、弁体シート部２０３の曲率半径を、被案内部２０１の曲率半径の０．７〜１．５倍とすることで、同様にシート直径φＡを被案内部２０１とは独立に小さくする、または大きくすることができ、同様の効果を得ることが可能である。

図４は本発明の燃料噴射弁の針弁１１４Ａが、燃料噴射弁内部でわずかに傾いた状態を模式的に示している。針弁１１４Ａは燃料噴射弁内部で、噴孔カップ１１６とは対極方向の、例えば図１に示す案内部１２７でも径方向の位置を規制されている。燃料噴射弁に使用される部品は工業的に僅かながらもバラつきを有しており、寸法精度及び組立精度によって弁体はわずかに傾いている。噴孔カップ１１６の案内部２０２の軸を３０１、針弁１１４Ａの軸を３０２とするとき、前記２つの部品の傾きはθとなる。なお図３中のθは理解を助けるために実際の傾きより誇張して表現している。

本発明における燃料噴射弁の弁体先端部１１４Ｂの特徴は、被案内部２０１は球面直径φＤと弁体シート部２０３の球面直径φＳの中心部が同一の３０３となっている点である。この特徴から被案内部２０１と弁体シート部２０３は異なる球面直径でありながら、針弁１１４Ａの傾きθに対し、同一の中心３０３を軸に回転する。
すなわち、弁座シート部３９に当接する弁体１１４の弁体シート部２０３と被案内部２０１とは何れも球面形状で形成され、弁体シート部２０３の曲率半径と被案内部２０１の曲率半径とが異なるように形成されるものである。そのうえで、被案内部２０１及び弁体シート部２０３の曲率半径の中心が一致することを特徴とするものである。なお、噴孔１１７は下流側先端に設けられた噴孔カップ１１６に形成されており、噴孔カップ１１６に弁体１１４の下流側の被案内部２０１を案内する案内部２０２が形成される。

針弁１１４Ａがθ傾いた場合でも、弁体シート部２０３は直径φＳの球面上で、噴孔カップ１１６の弁座シート部３９と当接するため、シート性には何ら影響がない。また、被案内部２０１を形成している直径φＤの球面も、弁体シート部２０３の直径φＳの球面と同じ中心３０３を軸に回転するため、弁体の被案内部２０１と噴孔カップの案内部２０２の間の距離は変化しない。よって弁体の閉弁中に被案内部２０１と噴孔カップの案内部２０２が接触し、弁体の弁体シート部２０３と噴孔カップ１１６の弁座シート部３９の間に発生する圧力が大きく低下し、燃料が僅かにもれ出てしまうこともない。

弁体先端部１１４Ｂの被案内部２０１の球面直径と弁体シート部２０３の球面直径が同一であると、高い燃料圧力でも弁体の開弁を維持できるように球面直径を小さくした場合、図３に示す噴孔カップ１１６の案内部２０２の内径φＧも小さくする必要がある、しかしながら例えばφＧが２ｍｍ程度である場合、それ以上φＧを小さくすることは加工精度の維持やバリの除去に困難が伴い、加工コストが増加し、使用燃料圧力の増加には安価なコストで対応できない。

本実施例の燃料噴射弁の弁体の先端１１４Ｂの形状は、弁体先端部１１４Ｂの被案内部２０１や弁体シート部２０３は外径加工であり、球面直径を部分的に変更することは可能であり、加工コストの上昇も小さい。よって噴孔カップ１１６の案内部２０２の内径φＧを変更せずに、高い燃料圧力下で弁体の開弁を維持できるように、弁体先端部の弁体シート部２０３のシート直径φＡを小さくすることができ、かつ弁体の傾きθに対しても弁体の閉弁中に被案内部２０１と噴孔カップの案内部２０２が接触し、弁体の弁体シート部２０３と噴孔カップ１１６の弁座シート部３９の間に発生する圧力が大きく低下し、燃料が僅かにもれ出てしまうという事象も発生させずに、高い燃料圧力に対応できる燃料噴射弁を提案するものである。

なお、弁体シート部２０３の曲率半径を、被案内部２０１の曲率半径以下とすることがより好ましい。その理由は前述した図５の説明の通り、弁体のシート部２０３の曲率半径を小さくすることで、シート部に発生する流体の圧力差によって発生する力を低減し、従来よりも高い燃圧で弁体を開弁、保持させる場合でも、被案内部２０１内径は従来から小さくする必要がなく、加工性、製作コストは従来並にできるからである。

発明者らの実験データによると、弁体シート部２０３の曲率半径を０．８５〜０．９５とし、被案内部の曲率半径を０．９５〜１．０５とすると、その効果が極めて良好に現れることが分かった。

なお、本実施例は、前記実施形態に限定されるものではない。また、本実施例の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

２２…噴孔カップ支持体小径筒状部
２３…噴孔カップ支持体大径筒状部
３９…シート部材のシート部
４３Ａ…コネクタ
１０１…噴孔カップ支持体
１０２…可動子
１０３…ハウジング
１０４…ボビン
１０５…ソレノイド
１０７…固定子
１０７Ｄ…固定子貫通孔（燃料通路）
１０９…導体
１１０…スプリング
１１２…ゼロスプリング
１１３…肩部
１１４Ａ…針弁
１１４Ｂ…弁体先端部
１１４Ｃ…スプリングガイド用突起
１１５…案内部位
１１６…噴孔カップ
１１７…燃料噴射孔
１２１…樹脂成形体
１２６…燃料通路
１２７…案内部
１２８…貫通孔
１３６…隙間
２０１…弁体先端の被案内部
２０２…噴孔カップの案内部
２０３…弁体先端の弁体シート部
３０１…噴孔カップの軸
３０２…弁体の軸
３０３…球面直径の中心
４０１…噴孔カップの上流部
４０２…隙間

Claims (7)

1. 弁座と、
   前記弁座に対して着座又は離座する弁体と、
   前記弁座の下流側に形成される噴孔と、
   前記弁体が着座する前記弁座の弁座シート部よりも上流側に形成され、前記弁体の下流側の被案内部を案内する案内部と、を備え、
   前記被案内部の軸方向と交差する交差方向の大きさに対し、前記弁体の弁体シート部の前記交差方向の大きさが０．４から０．８倍となるように形成され、
   前記弁体シート部と前記被案内部とは何れも球面形状で形成され、
   前記被案内部及び前記弁体シート部の前記球面形状の曲率半径の中心が一致する
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 弁座と、
   前記弁座に対して着座又は離座する弁体と、
   前記弁座の下流側に形成される噴孔と、
   前記弁体が着座する前記弁座の弁座シート部よりも上流側に形成され、前記弁体の下流側の被案内部を案内する案内部と、を備え、
   前記弁座シート部に当接する前記弁体の弁体シート部と前記被案内部とは何れも球面形状で形成され、前記弁体シート部の曲率半径と前記被案内部の曲率半径とが異なるように形成され、
   前記被案内部及び前記弁体シート部の曲率半径の中心が一致する
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記被案内部の直径に対し、前記弁体シート部の直径が０．４から０．８倍となるように形成される
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
   前記噴孔は下流側先端に設けられた噴孔カップに形成され、
   前記噴孔カップに前記弁体の下流側の被案内部を案内する案内部が形成される
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
   前記弁体シート部の曲率半径を、前記被案内部の曲率半径の０．７〜１．５倍とする
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
   前記弁体シート部の曲率半径を、前記被案内部の曲率半径以下とする
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
   前記弁体シート部の曲率半径を０．８５〜０．９５、前記被案内部の曲率半径を０．９５〜１．０５とし、
   ただし、前記弁体シート部の曲率半径を０．９５とする場合には、前記被案内部の曲率半径を０．９５よりも大きくする
   ことを特徴とする燃料噴射弁。

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