JP7026751B1 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴孔出口に設けられた凹部が円筒形状であるため、底面と側面の接続部がコーナーとなってよどみ部ができ、噴射燃料量のばらつきを発生させる。【解決手段】弁体の先端部と密着する弁座部に中心軸に対して放射状に複数設けられた噴孔を備え、前記弁体をスライドさせることによって前記噴孔から燃料を噴射する燃料噴射装置であって、前記噴孔は前記燃料の流れの下流側に向かって前記中心軸に対して軸方向外側に傾斜し、前記噴孔の出口には下流側に向かって連続して滑らかに広がる開口面を有する凹部が設けられ、前記噴孔の径方向内側の噴孔長よりも径方向外側の噴孔長が短く形成されている。【選択図】 図２

Description

本願は、燃料噴射装置に関するものである。

内燃機関の燃料供給系に使用される燃料噴射装置に関し、高精度な噴射量を実現して、内燃機関の排出ガス性能を向上させることが望まれている。このような背景技術として、特許文献１に記載された燃料噴射装置が知られている。本文献では、係る燃料噴射装置において、中心軸の周りに放射状に複数の噴孔を設け、各噴孔の外径側の噴孔長さは内径側の噴孔長さより短くなるよう、各噴孔の出口に凹部が形成されており、噴孔出口位置において凹部は径方向外側にオフセットして開口している。弁座からの燃料は噴孔入口部での流れの剥離領域により、燃料が径方向内側の噴孔壁に強く押付けられることで形成される液膜がさらに薄くなり、その後、噴孔内の流れは噴孔の曲率に沿った流れとなり、噴孔出口から三日月状の液膜として放射される。噴孔内には、径方向外側の短い噴孔長の噴孔出口より、剥離領域による負圧部分にエアが流れ込み、噴孔入口部での燃料剥離を促進し、前記壁面流を薄膜化するのに寄与する。このように形成された燃料流を噴射することにより、微粒化した噴霧を実現している。

特開２０１１－７４７７８号公報（図２から図４）

特許文献１では、閉弁直前の燃料流速が低いタイミングでは、噴孔内での燃料の剥離現象が止まり、燃料が液状のまま流れ出る。この燃料の流れは低速のため、噴孔出口と凹部の境界部で離脱しにくく、凹部の底面に回りこみ付着する。凹部に付着した燃料は次の噴射時に噴孔内へのエアの吸入作用によって一部は噴孔内に搬送される。しかし特許文献１では凹部が円筒形状であるため、凹部の底面と側面の接続部がコーナーとなってよどみ部ができる。このコーナーのよどみ部がエアの吸入の死角となり燃料が搬送されず継続的に燃料の一部が残留するため、噴射燃料量のばらつきを発生させるという課題があった。
本願は、噴射燃料量のばらつきが少なく、安定した燃料噴射の行うことができる燃料噴射装置を得ることを目的とする。

本願に係わる燃料噴射装置は、制御装置からの動作信号を受けて中心軸の上をスライドさせるように構成された弁体と、前記弁体の先端部と密着する弁座部に前記中心軸に対して放射状に複数設けられた噴孔と、を備え、前記弁体をスライドさせることによって前記噴孔から燃料を噴射する燃料噴射装置であって、前記噴孔は前記燃料の流れの下流側に向かって前記中心軸に対して軸方向外側に傾斜し、前記噴孔の出口には下流側に向かって連続して滑らかに広がる開口面を有する凹部が設けられ、前記噴孔の径方向内側の噴孔長よりも径方向外側の噴孔長が短く形成されており、前記噴孔の中心軸の方向に、噴孔の径方向内側の噴孔の出口の位置が、径方向外側の噴孔の出口の位置よりも下流側に設けられているものである。

本願によれば、燃料の噴孔出口には、下流側に向かって連続して滑らかに広がる開口面を有する凹部が設けられている。そのため、閉弁直前の燃料流速が低速になるタイミングで、凹部底面に燃料が付着しても、次回の噴射によるエアの吸入作用でよどみ部に燃料が留まることなく噴孔内に取り込まれるので、噴射燃料量のばらつきが少なく、安定した燃料噴射の行うことができる。
また、噴孔の中心軸の方向に、噴孔の径方向内側の噴孔の出口の位置が、径方向外側の噴孔の出口の位置よりも下流側に設けられているので、エアの導入を促進しつつ燃料流が径方向内側の噴孔の内面壁に強く押付けられ液膜が薄くなり、噴射燃料の微粒化が向上する。

実施の形態１に係わる燃料噴射装置を示す断面図である。 実施の形態１に係わる燃料噴射装置の弁体周辺の拡大図である。 実施の形態１に係わる燃料噴射装置の噴孔配置を示す平面図である。 実施の形態１に係わる燃料噴射装置の噴孔周辺を示す模式図である。 実施の形態２に係わる燃料噴射装置の噴孔周辺を示す模式図である。 実施の形態３に係わる燃料噴射装置の噴孔周辺を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は本実施例に係わる燃料噴射装置を示す断面図である。図１において、燃料噴射装置１は、外部より電流を供給されて磁気吸引力を発生するソレノイド装置２、ソレノイド装置２の内部に設けられた磁性体よりなるコア３、コア３の内部に配置されたスプリング４、ソレノイド装置２の内周に配置されているホルダ５、ホルダ５の内部に配置されて往復動作可動なニードル６、ニードル６の構成部品で磁性材よりなるアマチュア６１、アマチュア６１に結合されているパイプ６２、パイプ６２に結合されている球状の弁体６３、弁体６３と当接する弁座部７ａを有するバルブシート７、バルブシート７に結合されたプレート８よりなる。これらの構成部品は燃料噴射装置１の可動部の中心軸Ｃに対して軸対称に配置されている。以降の説明においては、この中心軸Ｃに対して、径方向の内側または外側、軸方向という表現で、方向を示す。

ニードル６は、アマチュア６１にパイプ６２を圧入後、溶接により結合され、弁体６３もパイプ６２に溶接される。コア３はホルダ５に圧入後溶接されている。バルブシート７はバルブシート７の下流側に位置するプレート８と結合されており、プレート８とホルダ５が溶接されていることでバルブシート７が固定されている。プレート８には中心軸Ｃを中心として放射状に複数の噴孔９が開口している。
ソレノイド装置２へ通電されて磁界が発生すると、アマチュア６１に電磁力が作用してニードル６はコア３側に吸引される。ニードル６は、アマチュア６１のアマチュア摺動部６１ａと、弁体６３の弁体摺動部６３ａでガイドされて軸方向に移動する。本実施の形態ではホルダ５内周と面するアマチュア６１の外周部がアマチュア摺動部６１ａとなっている。また、バルブシート７は、弁体６３を包むように円柱状の内周面を有し、この面と接する弁体６３の外周部が弁体摺動部６３ａとなっている。ニードル６のコア３側への軸方向の可動限界は、アマチュア６１がコア３に当接する位置となっている。

ソレノイド装置２への通電停止後に、ニードル６はコア３の内部に備えられているスプリング４の弾性力により、アマチュア摺動部６１ａと弁体摺動部６３ａにガイドされて軸方向に移動する。ニードル６のコア３から離れる側への軸方向の稼働限界は、弁体６３がバルブシート７の弁座部７ａに密着して着座する位置となっている。
燃料は、ソレノイド装置２が制御装置からの動作信号を受けて燃料噴射装置１の中心軸Ｃに沿ってニードル６をスライドさせ、弁体６３を弁座部７ａから引き離すことにより噴孔９から噴射される。燃料は、燃料噴射装置１の上流の入口部１３から入り、スプリング４、パイプ６２を経て、弁体６３の弁体面取り部６３ｂとバルブシート７の間を通って、プレート８に設けられた噴孔９から中心軸Ｃの径方向外側に広がった方向に噴射される。また、制御装置からの動作信号が停止し、ソレノイド装置２の磁力がなくなってニードル６がスプリング４によってスライドし、弁体６３を弁座部７ａに密着させることにより、燃料噴射が停止する。

図２は、燃料噴射時の弁体６３の周辺を拡大した拡大図である。図２において、弁体６３は、弁座部７ａから離間した位置にあり、その間を燃料１１が燃料流１１ａとなって噴孔９に向けて流れている。噴孔９は、図３のプレート８の平面図に示すように、中心軸Ｃの中心から放射線状に設けられている。噴孔９の下流側には凹部１０が形成されており、図２の１１ｂのように噴孔９の出口から噴射された燃料１１は、燃料噴射流１１ｂとなって軸方向外側に向けて放出される。

図４は、図３のＡＡ断面を示す模式図であり、プレート８の内部の構造と、噴孔９の周辺の燃料１１とエア１２の流れを示す。噴孔部の製造については、圧延で製造されたステンレスの薄板を順送プレスに投入し、プレート８の下流側となる面側に鍛圧加工にて凹部１０を形成する。噴孔部材をプレート８としており、薄板の圧延材を使用すれば圧延材の製造ロット内では硬度、板厚が安定しており、鍛圧加工で製造された凹部１０の形状精度が高められる。また噴孔９の加工と凹部１０の加工は別工程によるが、薄板の圧延材の順送プレスで製造することができ、噴孔９と凹部１０との相対位置を高い精度で、かつ比較的短時間で大量に製作できる。これらにより、製品間の差異が少ない安定した量産品質のプレート８を低コストで製造できる。

凹部１０は、最深部となる底面１０ａが球面状で最深部から段差なしに連続的に滑らかに広がる側面１０ｂをもつ立体形状１０ｃを有する金型を、プレート８に垂直方向に鍛圧して形成される。凹部１０の立体形状を凹部軸１０ｄの軸対称の形状とすることで、金型の製作が容易となり、金型の回転ずれによる形状変化がないため製品バラツキの少ない高精度な凹部１０が形成される。また、金型の先端部を旋盤等で比較的容易に製作できるので低コスト化が図れる。凹部１０を放電加工等で製作する場合でも、放電金型の回転による凹部形状の変化がなく、放電金型も比較的容易に製作できるので同様な効果が得られる。噴孔９はプレート８の垂直方向に対してパンチを２０度傾斜させて打ち抜いて形成される。噴孔９と凹部１０は順送プレスにて別工程で製造されるため、凹部１０の形状は噴孔諸元とは関係なく任意に設計でき、相対位置の精度も高い加工が可能となる。

噴孔軸９ｃの噴孔９の出口位置に対して凹部１０の立体形状１０ｃの凹部軸１０ｄは外径方向外側にオフセットして配置され、立体形状１０ｃにより切り取られた噴孔９の出口部は、噴孔９の径方向内側の噴孔長９ａに対して径方向外側の噴孔長９ｂが短くなっている。このように噴孔長を形成することで、燃料噴射時における燃料の剥離現象が加速される。

図４に、燃料噴射時におけるプレート８の内部での燃料の流れを示す。図において、開弁状態となると、弁座部７ａからの燃料流１１ａは噴孔９の径方向外側の入口部９ｄで剥離領域１２ａを発生させる。燃料流１１ａにより径方向内側の噴孔９の内壁面に強く押付けられて液膜が形成され、その後噴孔内の流れは噴孔９の曲率に沿った流れとなり、噴孔９の出口から燃料噴射流１１ｂとして三日月状の液膜となって放射される。
また、凹部１０は下流に連続的に滑らかに広がる側面１０ｂをもつ軸対称形状に形成されており、凹部１０の立体形状１０ｃによって噴孔９の出口部は切り取られ、凹部１０の内部に開口している。噴孔９の径方向内側の内面と、当該内面と接する凹部１０の面との角度θが１２０度以下に形成されている。このように噴孔９と凹部１０との角度θを形成することで、燃料噴射時に燃料噴射流１１ｂが凹部１０の径方向外側の側面に回り込むような回り込み流れ１１ｃを防ぐことができる。このため定常噴射状態で、燃料１１は噴孔９の内壁面から凹部１０の側面に回り込まずに噴孔９の出口から正常に燃料噴射流１１ｂとして噴射され、燃料噴射流１１ｂは噴孔９の傾斜角によって設計された噴射方向にコントロールされる。

また、凹部１０によって切り取られていることによって、噴孔９の径方向内側の噴孔長９ａよりも径方向外側の噴孔長９ｂが短くなるように形成されているので、燃料流１１ａによる剥離領域１２ａが安定して発生するようになっている。この剥離領域１２ａの部分は周囲に対して負圧となり、周囲のエア１２を取り込んでエア１２の流れを発生させる。このエア１２は、薄膜化された燃料流１１ａと混ざり合って噴射燃料の微粒化を促進するとともに、燃料噴射流１１ｂとして噴射される。そのため、燃料噴射中に、エア１２の流れが凹部１０の側面に沿って定常的に発生することになる。

通電が終了して弁体６３がバルブシート７の弁座部７ａに着座する直前は燃料流速が低速になる。このとき、剥離領域１２ａが消滅し、径方向外側の噴孔９の内壁面にも燃料が液体のまま流れる。低速の燃料１１は凹部１０の側面に回りこみ付着する。凹部１０の側面が下流に向かって連続して滑らかに広がる形状であるため、凹部１０に付着する燃料１１の容積は比較的小さくなる。また、次の燃料噴射時に、凹部１０の側面上を通って噴孔９に吸入されるエア１２の流れに搬送されて、凹部１０の側面に付着していた燃料も噴孔内に吸入されるため、凹部１０の内部での燃料１１の残留が抑制される。これにより噴射燃料量のばらつきが抑制される。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１と異なる部分について説明する。図５は実施の形態２に係わる燃料噴射装置１の噴孔９の周辺を示す模式図である。図において、凹部１０は底面１０ａを有し、側面１０ｂは底面から下流に向けて広がるテーパ面であり、底面１０ａと側面１０ｂとはラウンド形状により接続されている。凹部１０の底面１０ａは実施の形態１よりやや径方向外側に移動し、凹部１０によって切り取られた噴孔９の出口のうちで噴孔軸９ｃより内径側は凹部１０の側面のみにより切り取られている。弁体６３の中心軸Ｃの軸方向に対し、凹部１０の側面１０ｂの傾斜角θｂは噴孔９の傾斜角θａより大きくなっている。

実施の形態２によるプレート８を製造する場合、凹部１０の底面１０ａを平面として凹部１０の深さの測定を容易にしたので、量産時には高精度に寸法管理ができるようになる。鍛圧で凹部１０を形成する場合、金型先端の立体形状が凸形状となっていると、深さ測定時の測定位置ずれによる測定値誤差が大きく、プレート材のロット変更時に、簡単に正確にリセス深さを調整できなかった。凹部１０の底面１０ａを平面とすることで安定してリセス深さを測定することが可能となり、正確なリセス深さに調整することが簡単にできるようになった。

実施の形態２によれば、ソレノイド装置２への通電が終了して弁体６３がバルブシートの弁座部７ａに着座する直前の噴射流速が低速となる状態において、凹部１０への燃料付着は少なくなる。凹部１０の底面１０ａと側面１０ｂをラウンド形状で接続したので凹部１０の内面の表面積が減少し付着量は抑制される。また、次の燃料噴射時に凹部１０の側面上を通って噴孔９に吸入されるエア１２の流れによって、底面１０ａと側面１０ｂの接続部がラウンド形状となっておりコーナーによるよどみ部がないので、付着燃料はエア１２により搬送され、噴孔９の内に吸引されて残留が抑制される。これにより噴射燃料量のばらつきが抑制される。
また前記凹部１０の傾斜角θｂを噴孔９の傾斜角θａより大きくしたので、噴孔９からの燃料噴射流１１ｂと凹部１０の側面とが干渉することを防止できる。

実施の形態２において、径方向内側の噴孔長９ａは、噴孔９の径方向外側の出口を通り噴孔軸９ｃに垂直な面９ｅより下流側に長くなっている。噴孔軸９ｃに沿って径方向内側の噴孔９の内面と径方向外側の噴孔内面とが対面する部分が噴孔９における最小流路となって燃料流量を決定するオリフィス部となるが、燃料流量の安定のためにはオリフィス部の長さを所定の長さ以上とする必要がある。径方向外側の噴孔長９ｂを噴孔９の内径の１／２として燃料流量の安定のための最小のオリフィス部の長さを確保したうえで、径方向内側の噴孔長９ａをオリフィス長さより下流側に延長することにより、エア１２の導入を促進しつつ燃料流１１ａが径方向内側の噴孔９の内面壁に強く押付けられることで形成される液膜がさらに薄くなり、噴射燃料の微粒化が向上する。

実施の形態３．
実施の形態３について、実施の形態１および実施の形態２と異なる点のみを説明する。図６は、実施の形態３に係わる燃料噴射装置１の噴孔９の周辺を示す模式図である。実施の形態３においては、噴孔軸９ｃから径方向外側の噴孔９の出口と凹部１０との接続位置１０ｅを上流側に持ち上げられた形状としている。実施の形態２の図５に示したように凹部１０の側面１０ｂ形状をテーパ形状とすると、円筒形状である噴孔９と凹部１０との接続位置１０ｅが下流側に湾曲してしまう。特に噴孔軸９ｃの付近で下流側への湾曲が大きくなるので、定常噴射時に主にエア１２を導入する噴孔９の径方向外側から噴孔軸９ｃ付近までの噴孔長が比較的長くなり、エア導入量が減少してしまっていた。実施の形態３では、図６に示すように凹部１０の形状を平面状の底面１０ａと下流側に連続して広がるお椀形状の曲面からなる側面１０ｂを持っているものである。このような凹部１０の形状とすることで噴孔軸９ｃから径方向外側の噴孔９の出口までの、噴孔９の出口と凹部１０との接続位置１０ｅの径方向内側と径方向外側を結んだライン１０ｆに対して上流側に湾曲することになり、ライン１０ｆより噴孔長の短い部分１０ｇができてエア１２の流入量が増え、噴孔９の径方向外側の入口部９ｄでの剥離領域１２ａを大きくすることができる。これにより、液膜がさらに薄くなり、噴射燃料の微粒化が向上する。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 燃料噴射装置、２ ソレノイド装置、３ コア、４ スプリング、５ ホルダ、６ ニードル、６１ アマチュア、６１ａ アマチュア摺動部、６２ パイプ、６３ 弁体、６３ａ 弁体摺動部、６３ｂ 弁体面取り部、７ バルブシート、７ａ 弁座部、８ プレート、９ 噴孔、９ａ 噴孔長、９ｂ 噴孔長、９ｃ 噴孔軸、９ｄ 入口部、９ｅ 面、１０ 凹部、１０ａ 底面、１０ｂ 側面、１０ｃ 立体形状、１０ｄ 凹部軸、１０ｅ 接続位置、１０ｆ ライン、１０ｇ 部分、１１ 燃料、１１ａ 燃料流、１１ｂ 燃料噴射流、１１ｃ 回り込み流れ、１２ エア、１２ａ 剥離領域、Ｃ 中心軸、θ 角度、θａ 傾斜角、θｂ 傾斜角。

Claims (9)

1. 制御装置からの動作信号を受けて中心軸の上をスライドさせるように構成された弁体と、
   前記弁体の先端部と密着する弁座部に前記中心軸に対して放射状に複数設けられた噴孔と、を備え、
   前記弁体をスライドさせることによって前記噴孔から燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
   前記噴孔は前記燃料の流れの下流側に向かって前記中心軸に対して軸方向外側に傾斜し、
   前記噴孔の出口には下流側に向かって連続して滑らかに広がる開口面を有する凹部が設けられ、
   前記噴孔の径方向内側の噴孔長よりも径方向外側の噴孔長が短く形成されており、
   前記噴孔の中心軸の方向に、噴孔の径方向内側の噴孔の出口の位置が、径方向外側の噴孔の出口の位置よりも下流側にあることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記噴孔および前記凹部は、前記弁座部に設けられたプレートで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記凹部は、軸対称の形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記噴孔の径方向内側の内面と、当該内面と接する前記凹部の面との角度が１２０度以下に形成されていること特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
5. 前記噴孔の出口は、前記凹部の内側に開口していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
6. 前記凹部は、球面状の底面と下流側に広がる側面とから形成されており、前記底面と前記側面との接続部に段差がない形状を有していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
7. 前記凹部は、平面状の底面と下流側に広がるテーパ面とから形成されており、前記底面と前記テーパ面との接続部はラウンド形状を有していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
8. 前記テーパ面の前記中心軸の軸方向に対する傾斜角は、前記噴孔の前記軸方向に対する傾斜角よりも大きくしたことを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射装置。
9. 前記凹部は、平面状の底面と下流側に広がるお椀形状の曲面とから形成されており、前記噴孔の出口と前記凹部の接続位置が径方向外側で上流側に持ち上げられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。

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