JP6745986B2

JP6745986B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP6745986B2
Application number: JP2019515017A
Authority: JP
Inventors: 翔太川▲崎▼; 宗実　毅; 毅宗実; 啓祐伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: WO2018198309A1; CN110537015B; JPWO2018198309A1; CN110537015A

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噴霧燃料の微粒化が求められており、旋回流れを利用して微粒化を図る方式に関して様々な検討がなされている。
従来の技術では、燃料噴射弁の中心軸線に対して傾斜した方向に燃料を噴射する場合に、弁体が接離する弁座の下流側に、燃料噴射孔を開口した板状部材を設け、その旋回室の底面が、燃料の噴射方向に対して垂直となるように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５-１６９０８４号公報

従来の燃料噴射弁は、旋回室の底面を軸に垂直な面に対して傾斜させて形成する必要があり、旋回室の底面を軸に垂直となるように形成する場合よりも加工の難易度が高く、生産性が低いことが懸念される構成であった。
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、燃料噴射弁の軸に対して傾斜した方向に燃料を噴射する場合において、燃料の噴射特性が良好であり、かつ、生産性が高い燃料噴射弁を提供することを目的とする。

この発明に係わる燃料噴射弁は、流路の軸方向に燃料を供給する燃料供給部、上記燃料供給部の下流側に設けられ、上記燃料供給部から供給された燃料を、上記軸に直交する面内にて複数の方向に分岐させて、燃料に旋回力を与える旋回室に誘導するとともに、上記軸に直交する上記旋回室の底面に穿たれた、上記軸に対して傾斜する噴孔から噴射する噴孔プレートを備え、上記噴孔は、燃料を流入させる入口部の中心が、上記軸に直交する面内において、上記旋回室の燃料の旋回中心から上記噴孔の傾斜方向と逆向きにオフセットされるとともに、燃料を噴出させる出口部の中心が、上記旋回中心の真下に位置するように設けられていることを特徴とするものである。

この発明の燃料噴射弁によれば、旋回室の底面を軸に直交して設けるため、加工が容易であり、噴孔の出口部の中心が旋回中心に近づくようにオフセットされているため、噴孔内に生ずる燃料の旋回中心の空洞部を中心として、噴孔の出口部近傍の内周面に接して流下する燃料液膜の厚さを周方向に均等化させることができ、燃料の噴霧特性を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の軸方向に沿った断面図である。図１の燃料噴射弁の吸気ポートへの配置例を示す断面図である。図３（ａ）は、図１の燃料噴射弁の下流部の拡大断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ-Ａ線における平面図である。図３（ｂ）の噴孔プレートの分岐流路の拡大平面図である。図５（ａ）は、図４の領域Ａ１の拡大図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ-Ｂ線における断面図である。図６（ａ）は、図４の領域Ａ１の燃料の流れを示す拡大図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ-Ｃ線における断面図である。図４の領域Ａ２の拡大図である。本発明の実施の形態２に係る燃料噴射弁の要部断面図である。本発明の実施の形態３に係る燃料噴射弁のＨ字形の分岐流路を示す平面図である。本発明の実施の形態４に係る燃料噴射弁のＩ字形の分岐流路を示す平面図である。本発明の実施の形態５に係る燃料噴射弁のＸ字形の分岐流路を示す平面図である。図１２（ａ）は、比較例となる燃料噴射弁の旋回室の拡大平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤ-Ｄ線における断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における燃料噴射弁１について、図１から図７を用いて説明する。
図１は、燃料噴射弁１の、軸（中心軸線）方向に沿った断面図であり、図２は、燃料噴射弁１から噴射される燃料が霧状となって拡散する吸気ポート２２の断面図である。
図１に示すように、本発明による燃料噴射弁１は、上流部に位置する燃料供給部１ａから、下流部に位置する噴孔プレート１３に対し、軸方向に燃料が供給される。そして、噴孔プレート１３内にて燃料流路が複数に分岐され、図２に示すように、複数の方向、例えば二方向に燃料が噴射される構成となっている。

以下、より詳細に燃料噴射弁１について説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態１による燃料噴射弁１は、主に、ソレノイド装置４、磁気回路のヨーク部分であるハウジング５、磁気回路の固定鉄心部分であるコア６、コイル７、磁気回路の可動鉄心部分であるアマチュア８、弁装置９を含む構成となっている。弁装置９は弁体１０と弁本体１１と弁座１２で構成される。弁本体１１は、コア６の外径部に圧入後、溶接され、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。燃料噴射弁１の噴孔プレート１３に至るまでの燃料流路を燃料供給部１ａとする。噴孔プレート１３には板厚方向に貫通するように複数の噴孔１４（燃料噴射孔）が設けられている。

次に、燃料噴射弁１の動作について説明する。
エンジンの制御装置より燃料噴射弁１の駆動回路に動作信号が送られると、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する。この磁束により、アマチュア８はコア６側へ吸引され、アマチュア８と一体構造である弁体１０が弁座シート部から離れて隙間が形成される（開弁状態となる）。開弁状態となると、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１２と弁体１０の隙間を通って、複数の噴孔１４を介してエンジン吸気通路に噴射される。

次に、エンジンの制御装置より燃料噴射弁１の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル７における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１２との間の隙間は閉じる（閉弁状態となる）。閉弁状態となると、燃料噴射は終了する。
弁の開閉動作にともなって、弁体１０は、アマチュア８と一体であるため、アマチュア外側面部８ａが弁本体１１のガイド部と摺動し、開弁状態ではアマチュア上面部８ｂがコア６の下面と当接する。

本発明の実施の形態１による燃料噴射弁１は、図２に示すように、内燃機関に吸気を導入する吸気ポート２２の二又に分かれる位置よりも上流側に取り付けられる。二又に分かれた吸気ポート２２の下流側には吸気バルブ２３が設けられ、離間して設けられた２つの吸気バルブ２３に向かって、一つの噴孔プレート１３に設けられた複数の噴孔１４から噴霧燃料２１が噴射される。

図３（ａ）に、図１の燃料噴射弁の下流部の弁座１２および噴孔プレート１３の拡大断面図を、図３（ｂ）に、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った、噴孔プレート１３の十字形に設けられた分岐流路１８の平面図を示す。弁座１２の開口端となる弁座開口部１２ｂの中心は、噴孔プレート１３の十字形の分岐流路１８の中心に位置合わせされて設けられている。
また、図４に、図３（ｂ）の噴孔プレート１３の分岐流路の拡大平面図を示す。
図３、図４に示すように、噴孔プレート１３の上流側端面を一定の深さとなるように窪ませ、凹部を形成する要領で、燃料に旋回力を付与する複数の旋回室１７と、旋回室１７へ燃料を導入する分岐流路１８が形成されている。そして、旋回室１７と分岐流路１８の底面は、燃料噴射弁１の中心軸に対し直交するように、軸に垂直に設けられている。

噴孔１４は、燃料噴射弁１の軸に対して傾斜した燃料の噴射方向である２方向のいずれかの向きに傾斜して設けられている。そして、軸に垂直な面内において、噴孔１４の入口部は、旋回室１７の中心（燃料の旋回中心１７ａ）に対して噴孔１４の入口部から出口部へ向かう傾斜方向と逆方向にオフセットされて設けられている。図４において、領域Ａ１、領域Ａ４で示す旋回室形成部は、噴孔１４の入口部が旋回の中心位置から紙面右側にオフセットされ、紙面左側に燃料を噴射し、領域Ａ２、領域Ａ３で示す旋回室形成部は、噴孔１４の入口部が燃料旋回の中心位置から紙面左側にオフセットされ、紙面右側に燃料を噴射する。
つまり、噴孔プレート１３に設けられる４つの噴孔１４のうち、二つの噴孔１４の入口部のオフセット方向が、旋回室１７に至る分岐流路１８の燃料の導入方向に平行となるように設けられ、残りの二つの噴孔１４の入口部のオフセット方向が、旋回室１７に至る分岐流路１８の燃料の導入方向に対して角度をもつように（例えば直角をなすように）設けられている。

さらに、図５（ａ）に、図４の領域Ａ１の拡大図を、図５（ｂ）に、図５（ａ）のＢ-Ｂ線における断面図を示すように、噴孔１４は、旋回室１７の中心位置となる旋回中心１７ａと、噴孔１４の出口中心１４ｂが一致するように、噴孔１４の入口中心１４ａがオフセットして配置されている。紙面上（軸方向に直交する面内）において、燃料は、分岐流路１８から導入方向１８ａに沿って旋回室１７に導入され、旋回室１７内を旋回し、オフセット方向（旋回中心１７ａから噴孔１４の入口中心１４ａに向かう方向）１４ｃに相反する燃料噴射方向２１ａに噴射される。図５の例では、分岐流路１８の導入方向１８ａは、オフセット方向１４ｃ、燃料噴射方向２１ａに直交する。
また、旋回室１７は円筒形状であり、この場合は円筒の中心を旋回室１７の中心（旋回中心１７ａ）として定義される。

旋回流れを利用した噴霧燃料の微粒化方式では、旋回室１７の中心を基点として旋回流れが発生する。旋回流れが発生すると、旋回室１７の中心位置に軸方向に沿って燃料が存在しない空洞部が発生する。燃料の空洞部は噴孔１４の内部にも同方向に生じ、噴孔１４内において空洞部の周囲には旋回する液膜化した燃料が存在し、噴孔１４の出口部から噴射される噴霧燃料は微粒化された状態となる。
しかし、噴孔１４の出口中心１４ｂが旋回中心１７ａと合致せず、離間している場合、液膜の厚さが噴孔１４の周方向に不均一となり、燃料の微粒化の障害となってしまう。

ここで、本発明の燃料噴射弁１に対する比較例として、噴孔１４０の入口中心１４０ａがオフセットされていない構造、つまり旋回中心１７ａと噴孔１４０の入口中心１４０ａとを合致させた構造の燃料噴射弁について説明する。
図１２（ａ）は、比較例として示す燃料噴射弁の要部平面図であり、軸に対して傾斜する噴孔１４０の入口中心１４０ａが、旋回室１７の旋回中心１７ａに合致する場合を例示しており、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＤ−Ｄ断面図を示している。
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、噴孔１４０の入口中心１４０ａと旋回中心１７ａとは一致しているが、噴孔１４０の出口部に向かうにつれて、傾斜した噴孔１４０の軸方向に沿って旋回中心１７ａから離れていくため、噴孔１４０の出口中心１４０ｂと旋回中心１７ａとは離間し、噴孔１４０の出口部において噴孔１４０の内周に形成される燃料液膜の厚さは不均一となっていた。

これに対し、本願発明による燃料噴射弁１では、図６（ａ）に、図４の領域Ａ１における噴孔１４を中心とした燃料の流れ２０を示すように、噴孔１４の入口中心１４ａを旋回室１７の旋回中心１７ａに対して、軸に垂直な面内において、噴孔１４の入口部から出口部へ向かう傾斜方向と逆方向にオフセットさせ、なおかつ噴孔１４の出口中心１４ｂを旋回室１７の旋回中心１７ａに近づけて設けている。図６（ａ）に示すように、噴孔１４の入口中心１４ａをオフセットしても、旋回室１７に導入される燃料１９は、旋回室１７の旋回中心１７ａに生じる空洞部の周囲を旋回し、旋回力をもった燃料１９は、噴孔１４の内壁を取り巻く要領で燃料液膜１９ａを形成する。燃料液膜１９ａは、噴孔１４内を流下し、噴孔１４の出口部の内周に沿って均一な厚さに薄く形成された状態となる。噴孔１４の入口中心１４ａをオフセットさせたことにより噴孔１４の出口中心１４ｂを、旋回中心１７ａに生じる空洞部に合致させる方向に移動させることができる。よって、空洞部が噴孔１４の出口部近傍の内壁を露出させることがないため、噴孔１４の出口部近傍の内壁にて燃料液膜１９ａの剥離が発生せず、噴射後の燃料の微粒化特性が良好となる。
なお、噴孔１４の出口中心１４ｂを旋回室１７の旋回中心１７ａと一致させることで、出口部における燃料液膜の膜厚均等化が最も良好な状態となることは言うまでもない。

ここで、噴孔１４の入口部のオフセット量は、旋回室１７の旋回中心１７ａが噴孔１４の入口部の範囲内に含まれるように、「噴孔オフセット量＜噴孔１４の半径（噴孔１４の断面は円形）」の関係を満たすように設定することが望ましい。噴孔オフセット量が上記の噴孔オフセット量を超える大きさに設定された場合、噴孔１４の入口部において液膜が形成されない剥離部分が生じることがあり、噴孔１４の出口部における液膜厚さの均等性が失われる場合がある。

さらには、旋回室１７は円筒形状の空洞である例を示したが、この形状に限るものではない。円筒以外の形状の旋回室１７における中心位置は、旋回流れが発生したときの旋回の中心位置（旋回中心１７ａ）となる。対数らせん形状の旋回室１７の場合は、対数らせん曲線の基点の位置が旋回室１７の中心として定義される。また、複数の曲率を持つ曲線により構成される旋回室形状の場合は、最も小さい曲率を持つ曲線の中心が旋回室１７の中心として定義される。

このような実施の形態１による燃料噴射弁１は、噴孔１４の傾きを考慮し、噴孔１４の入口中心１４ａを旋回中心１７ａからオフセットさせた構造であるため、噴孔１４の出口部において旋回する液膜化した燃料の膜厚を均一化させることができ、噴射燃料の微粒化を促進させることが可能である。そして、旋回室１７と分岐流路１８の底面を、燃料噴射弁１の中心軸線に対して垂直な平面に沿って、つまり、噴孔プレート１３の上面を一定深さに掘り下げて形成すればよく、複雑な加工を必要としないため、生産性が向上する。

なお、図５および図６では、図４の領域Ａ１の旋回室形成部を例示しており、分岐流路１８における燃料の流れと噴射される燃料の流れは、軸に直交する面（例えば紙面）内において直交し、旋回室１７における燃料の旋回は一回転未満となっていた。
しかし、図７に、図４の領域Ａ２の拡大平面図を示すように、領域Ａ２の旋回室形成部で、燃料の流れと噴射される燃料の流れが平行となり、旋回室１７における燃料の旋回はほぼ一回転する状態となる。よって領域Ａ２では、領域Ａ１のものよりも燃料に強い旋回力を与えられる構成となっている。つまり、旋回室１７において生じる燃料の旋回力の強弱によって、領域Ａ２、領域Ａ４に位置する噴孔１４から噴出される燃料の噴射力は、領域Ａ１、領域Ａ３に位置する噴孔１４から噴出される燃料の噴射力よりも強くなる。
同方向に燃料を噴射する領域Ａ１と領域Ａ４、または領域Ａ２と領域Ａ３において、燃料の旋回力に強弱をつけることによって、燃料噴霧の分裂位置に差が生じ、噴霧された粒子同士の干渉が生じにくくなり、集合噴霧における燃料の微粒化がより促進されるという効果が得られる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２の燃料噴射弁１について、図８を用いて説明する。
上述の実施の形態１では、直線的に伸びる噴孔１４を、傾斜した流路方向に沿って同じ開口寸法に形成した例を示していた。しかし、旋回室１７の底面に対し噴孔１４を傾斜させた場合、旋回室１７の底面と噴孔１４の内周面がなす角度が鋭角となる部分が生じる。そのなす角が鋭角となる部分においては、燃料液膜１９ａにて噴孔１４の内壁が覆われない、燃料流れの剥離部分が生じてしまい、噴孔１４の内周面に沿った燃料液膜１９ａの形成が不十分な状態となり、噴射後の燃料微粒化特性が悪化するという懸念があった。

図８は、本発明の実施の形態２による燃料噴射弁１を示す要部断面図であり、一つの噴孔１４の拡大断面図である。図８に示すように、噴孔１４の入口部において、開口寸法を調整し、旋回室１７の底面と噴孔１４とのつなぎ部分にてより広い開口寸法を採用するものとし、噴孔１４の入口部を曲面形状とする。つまり、噴孔１４の入口部の径を広げ、旋回室１７の底面と噴孔１４の内周面とが鋭角をなす部分や、なす角が鈍角となる部分を含む角部を失くしてＲを設け、滑らかな曲面形状の入口部とする。これにより、噴孔１４の入口部における燃料流入状態を改善して燃料液膜１９ａの剥離を抑制することができ、燃料の微粒化をより良好に行うことが可能となる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３の燃料噴射弁１について、図９から図１１を用いて説明する。
上述の実施の形態１では、噴孔プレート１３に設けた分岐流路１８の平面形状が十字形である例を示していた。しかし、分岐流路１８は、それ以外の形状に形成することも可能である。
図９は、噴孔プレート１３の分岐流路１８を示す平面図であり、分岐流路１８がＨ字形に設けられた状態を示している。分岐流路１８がＨ字形である場合、軸から等距離に離間した４つの旋回室１７は、噴孔１４の入口部の中心位置が旋回室１７の中心位置よりも、分岐流路１８の上流側にオフセットされ、そのオフセット方向が分岐流路１８における燃料の導入方向に平行となるように設けられている。よって、旋回室１７に流入した燃料の大部分が旋回室１７で一周した後に噴孔１４に流入するため、旋回室１７において燃料が十分な旋回力を得られる構成となっている。そのため、噴射後の燃料の微粒化状態が良好となる。

図１０は、噴孔プレート１３のＩ字形の分岐流路１８を示す平面図であり、分岐流路１８の端部には、各々、旋回方向の相反する２つの旋回室１７が隣接して配置された状態を例示している。このＩ字形状の分岐流路１８を採用した場合においても、燃料が分岐流路１８から旋回室１７へ導入される方向と、噴孔１４が傾斜する方向が、軸に垂直な面内においてほぼ一致し、噴孔１４の入口部のオフセット方向が、旋回室１７に至る分岐流路１８の燃料の導入方向に平行となるように設けられている。よって、噴孔１４の入口部の中心位置が、分岐流路１８の燃料通路の上流側にオフセットされる。この場合においても、旋回室１７にて燃料は十分な旋回力を得ることができ、噴射燃料の微粒化促進を図ることができる。このように、２つの旋回室１７に対し、一つに統合された分岐流路１８を設けても良い。

図１１は、噴孔プレート１３のＸ字形の分岐流路１８を示す平面図であり、このＸ字形の分岐流路１８の端部には、軸から等距離に離間した４つの旋回室１７が、噴孔１４の入口部の中心位置が旋回室１７の中心位置から、分岐流路１８の流路に対して角度をもってオフセットして設けられる。このように、分岐流路１８が、燃料供給部１ａの弁座開口部１２ｂの中心を通るように構成されている。この場合においても、個々の旋回室１７では、軸に直交する面内において、噴孔１４の入口部の中心位置が、燃料が噴射される方向と逆方向にオフセットされるため、噴孔１４の出口部において液膜を均一化することができ、噴射後の燃料の微粒化状態が良好となる。
なお、図１１に示すように、同方向に燃料を噴射する二つの噴孔１４に至る二本の分岐流路１８が交差する角度は鋭角である。よって、燃料が分岐流路１８から旋回室１７へ流入する方向と、噴孔１４が傾斜する方向は、軸に直交する面内において略一致していると言える。

なお、本発明は、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、１ａ燃料供給部、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、８ａアマチュア外側面部、８ｂアマチュア上面部、９弁装置、１０弁体、１１弁本体、１２弁座、１２ｂ弁座開口部、１３噴孔プレート、１４噴孔、１４ａ入口中心、１４ｂ出口中心、１４ｃオフセット方向、１５ボール、１５ａ面取部、１６圧縮ばね、１７旋回室、１７ａ旋回中心、１８分岐流路、１８ａ導入方向、１９燃料、１９ａ燃料液膜、２０燃料の流れ、２１噴霧燃料、２１ａ燃料噴射方向、２２吸気ポート、２３吸気バルブ

Claims

流路の軸方向に燃料を供給する燃料供給部、
上記燃料供給部の下流側に設けられ、上記燃料供給部から供給された燃料を、上記軸に直交する面内にて複数の方向に分岐させて、燃料に旋回力を与える旋回室に誘導するとともに、上記軸に直交する上記旋回室の底面に穿たれた、上記軸に対して傾斜する噴孔から噴射する噴孔プレートを備え、
上記噴孔は、燃料を流入させる入口部の中心が、上記軸に直交する面内において、上記旋回室の燃料の旋回中心から上記噴孔の傾斜方向と逆向きにオフセットされるとともに、燃料を噴出させる出口部の中心が、上記旋回中心の真下に位置するように設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
上記噴孔プレートに供給された燃料は、上記噴孔プレートの上面に設けられた凹部よりなる分岐流路を介して上記旋回室に導かれ、
上記分岐流路と上記旋回室の底面は、一続きの平坦面により構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
上記旋回室は、上記軸から等距離に離間された四つの異なる位置に設けられ、
隣り合う二つの上記旋回室から同方向に、上記噴孔プレートから二又に分かれるように燃料が噴射されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料噴射弁。
上記噴孔の上記入口部を、曲面形状としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
上記旋回室の上記分岐流路の平面形状は十字形、Ｉ字形、Ｈ字形、Ｘ字形のいずれかであることを特徴とする請求項２記載の燃料噴射弁。
上記旋回室は円筒形状であり、上記円筒形状の中心が燃料の旋回中心となることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の燃料噴射弁。