JPWO2007013165A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

それぞれの噴口に安定した噴霧特性（粒径、方向性、噴霧の広がり角、貫徹力）を提供し、又噴口に向かう燃料の流れ同士が干渉し合うことなく、更にそれぞれの噴口で任意に噴霧特性を変更できるようにする。燃料に旋回力を与えるスワラー１１を設け、ニードル弁１６のシール部下流のキャビティ２０内で旋回流を形成し、オリフィスプレート１４に複数の噴口１３を設け、噴口１３のキャビティ２０側の開口部を燃料噴射弁１の中心軸に対して略同径上に設置することにより、噴口１３の開口部に対し、流入角度をつけた早い流速の燃料を流入させることが可能となり、また噴口１３の開口部近傍では噴口断面積に対し、片側のみに速い流速を持った燃料が流入するので、噴口１３内には縮流が発生し、微粒化も促進される事になる。

Description

本発明は、燃料噴射弁に関するものである。

従来の筒内に直接噴射する燃料噴射弁として、筒内の空気流動に影響されずに、任意の目的位置に対し噴射することができ、更に複数の小径の噴口を有する燃料噴射弁があった。このような燃料噴射弁では、それぞれに異なる目的位置に対し噴射するためには、弁のシール部から多数の噴口までに至るキャビティの形状及び噴口の方向を変更することにより対応をしていた。

しかし、この場合、それぞれの噴口の配置及び噴口の方向により、キャビティから噴口に流れる燃料の流れが異なるため、それぞれの噴口において安定した噴霧特性（粒径、方向性、噴霧の広がり角、貫徹力）を得るためには、実験等を繰り返し行う事が必要であり多大な時間が必要であった。

例えば従来からある燃料噴射弁として、弁座に形成された穴及びキャビティを有する弁本体と、キャビティに溶接により接合されるとともに複数の噴口を有するプレートと、弁本体の中心軸線に沿って上下動し、穴を開閉する弁体とから構成されるようなものがあり、噴口プレートとキャビティの形状を工夫することにより噴霧の微粒化を図るものがあった（特許文献１参照）。

このような燃料噴射弁においては、噴口の形状及び噴口の角度をそれぞれの噴口において別々に設定すると、キャビティから噴口への燃料の流れがそれぞれの噴口毎に変わってしまい、それぞれの噴口によって噴霧特性（粒径、方向性、噴霧の広がり角、貫徹力）が異なってしまうという問題が生じる。

更にはニードルの先端部に旋回手段を設けた燃料噴射ノズルが存在していた（特許文献２参照）。

この場合、燃料に旋回力が発生したとしても、噴口がキャビティの中心にあるため、異なる位置に噴射するための噴口を構成する事は困難であり、且つ旋回力の強さは遠心力に大きく影響されるので、キャビティの中心部では旋回力は小さくなってしまう。またキャビティの径に対し、噴口径は明らかに小さく、噴口に燃料が流入する際に、キャビティ内で発生した旋回力が大きく低下してしまうため、有効な旋回力を得る事が出来ないという問題が生じる。

又計量プレートに複数の噴口を設けるとともに、計量プレートの上面には旋回流発生溝が設けられた燃料噴射弁もあった（特許文献３参照）。

このような旋回流発生溝を設けただけでは、旋回流発生溝を通過せずに直接噴口に流れ込む燃料が発生する可能性があり、またそれぞれの噴口上流において旋回流を発生させるために旋回発生溝を設けた場合において、噴口ピッチを小さくすると、隣り合う噴口に向かう燃料の流れ同士が干渉してしまい、特性のばらつきが発生してしまうという問題点があった。

また旋回溝と噴口とを同一の計量プレートに設置することが必要となり、従って噴口プレートが大型化してしまうという寸法的な問題も生じる。そして噴口プレートの大型化は高燃圧で使用する際に、受圧面積が増大し、信頼性が低下する等の問題が生じてしまうのである。

特許第３６５５９０５号 特開平８−１５８９８９号公報 特開２００４−３４０１２１

解決しようとする問題点は、それぞれの噴口において安定した噴霧特性（粒径、方向性、貫徹力）を得ることができず、又それぞれの噴口に向かう燃料の流れ同士が干渉し合うという点である。更にそれぞれの噴口で任意に噴霧特性を変更できない点も問題となる。

本発明においては、燃料に旋回力を与える部材を設け、弁のシール部下流のキャビティ内で旋回流を形成し、流速の速いキャビティ外周部の略同径上にすべての噴口を配置することを特徴とする。このように構成することにより、噴口の開口部に対し、流入角度をつけた速い流速の燃料を流入させる事が可能となる。

この場合、噴口の開口部に流入する際の燃料の流入面積は小さくなり、更に噴口に流入する際の流速は高くなる。また噴口の開口部近傍では噴口断面積に対し、片側のみに早い流速を持った燃料が流入するので、噴口内には縮流が発生し、微粒化も促進される事になる。この現象は噴口の開口部のみにおいて発生し、それぞれの噴口の方向を変えても同様の結果を得ることができるものである。

これにより燃料の圧力が比較的低い場合において、それぞれに異なる所定の目的物に対し、噴口方向を設定しても、それぞれの噴口は安定した噴霧特性（粒径、方向性、貫徹力）を簡単に得る事が可能となる。

本発明は、それぞれの噴口で噴射の対象となる目的位置が異なっても、それぞれの噴口で噴霧特性（粒径、方向性、噴霧の広がり角、貫徹力）がばらつくことを抑制し、安定した噴霧を簡単に得ることができるという利点がある。更に従来装置においては、微粒化を実現するために、高燃圧（例えば２０ＭＰａ）を発生させることが必要とされていたが、本発明においては、低い圧力（例えば１２ＭＰａ）で従来と同程度の効果を得ることができるという利点も有する。

実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による燃料噴射弁を示す断面図、図２は先端部を示す断面図である。図において、燃料噴射弁１は電磁力を発生させるソレノイド装置２及び弁本体３から構成されている。ソレノイド装置２においては、固定子鉄心であるコア４、非磁性部材で構成されるリング５、ホルダ６及びハウジング７によって磁気回路が構成され、ターミナル８に結合されたコイル９が収納されている。

弁本体３においては、弁ボディ１０が設けられており、この弁ボディ１０には、燃料に旋回力を発生させるスワラー１１と、シート部１２ａ及び円筒部１２ｂを有するバルブシート１２、並びに複数の噴口１３を有するとともに、流量を計測するオリフィスプレート１４が固定されている。

可動鉄心であるアマチュア１５を有する弁体であるニードル弁１６が弁ボディ１０とスワラー１１内において摺動可能に支持され、上下動することにより、弁は開閉動作される。コア４内部に設置されているスプリング１７の押圧力はロッド１８により調整されており、弁体１６のシール力は、スプリング１７の押圧力と弁体１６に燃料の圧力が印加される事によって生じる流体力によって決定される。

図示しない制御装置からの開弁信号により、コイル９に電流が供給されることによって、可動鉄心であるアマチュア１５が固定鉄心であるコア４に吸引され、スプリング１７の押圧力と燃料圧力により発生した流体力よりこの吸引力が大きくなった時点で開弁する。その際、シート部１２ａの開口面積については、ニードル１６がストッパ１９に当接するまでの距離がニードル１６のリフト量となるので、シート部１２ａの開口面積はこのリフト量によって決定されることとなる。閉弁時は制御装置からの閉弁信号により、コイル９に流されていた電流が遮断され、スプリング１７の押圧力によって閉弁されることになる。

ここで燃料の流れについては、図示しない燃料ポンプにより高圧（例えば燃圧は１２ＭＰａ）に印加された燃料が、図示しないデリバリーパイプを経由して、燃料噴射弁１に供給される。閉弁時は燃料噴射弁１内部のニードル弁１６とバルブシート１２のシート部１２ａまで高圧燃料で満たされる事になる。図示しない制御装置からの開弁信号により、ニードル１６が開弁し、まずシート部１２ａ下流のバルブシート１２とオリフィスプレート１４で構成されるキャビティ２０に高圧燃料は流入する。キャビティ２０が高圧燃料で満たされた後、それぞれの噴孔１３からそれぞれ所定の目的位置に向って燃料が噴射される。

図３は燃料の流れの様子を説明するための燃料噴射弁の先端部を示す断面図、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。燃料噴射弁１内部を流れる燃料は、旋回流を発生させるスワラー１１を通過する際に強い旋回力を与えられ、ニードル弁１６とバルブシート１２のシート部１２ａを経由してキャビティ２０に流入する。その際、キャビティ２０全体に安定した旋回流が発生することとなり、旋回力が与えられた燃料は、遠心力により螺旋状の流れとなり、外周部に押し付けられ、キャビティ２０の外周部近傍でその流速が最大となる。

本発明ではキャビティ２０に面するそれぞれの噴口１３の開口部を、キャビティ２０の下流側の外周部に設置しているので、噴口１３の開口部に対し、一定の流入角を有し、最大の速度を有する燃料が流入する。即ちキャビティ２０内全体に形成され、かつ安定した主流を有した燃料が各噴口１３に流入することとなる。図５（ａ）は噴口１３の開口部を示す平面図、図５（ｂ）は噴口１３を示す斜視図であり、図６（ａ）は従来の噴口の開口部を示す平面図、図６（ｂ）は従来の噴口を示す斜視図である。

図５に示すように、燃料は燃料噴射弁１の中心から離れる方向に向かって噴口１３に流れ込むので、噴口１３においては、キャビティ２０側の開口部近傍では、燃料が流れ込む側の壁面の流速が早く、その反対側の流速が遅くなり、噴口１３内部で燃料が撹拌された状態となる。

本発明においては、オリフィスプレート１４により流量を計測しており、燃料噴射弁１の内部で発生する圧力損失は噴口１３内で最大となる。よって燃料が噴口１３から流出しても、キャビティ２０内における旋回流は影響を受けない。このため、それぞれの噴口１３においは、開口部から噴出口までの角度に関係なく、安定した燃料が流入するため、噴口１３の方向を変更したとしても、目的位置に対する方向のみが変更される事になり、噴霧特性（粒径、噴霧の広がり角、貫徹力）は影響を受けず、それぞれの個々の目的位置に対応した噴口１３を容易に設定することができる。そしてそれぞれの噴口１３の開口部から噴出口に至る角度を任意に設定することにより、様々な噴霧特性を設定することができる。

噴口１３の内部を燃料が流れることにより、従来装置に比べて低い燃料圧力により、燃料を微粒化することが可能になる。更に図２に示すように、キャビティ２０の形状において、略円筒部１２ｂの内径はニードル弁１６との当接点であるシート部１２ａにおける径よりも小さく設定されるとともに、略円筒部１２ｂの内径よりもバルブシート１２とオリフィスプレート１４との当接径φｅが大きくなるよう形成し、外周側に向かって流路面積が徐々に小さくなるように構成する、即ち、例えばキャビティ２０の下流側がテーパ形状になるように構成する。

これにより遠心力によりキャビティ２０の外周面に押し付けられた燃料は更に加圧されるとともに、それぞれの噴口１３の軸線に対し燃料の流入角度を大きくすることができる。これにより更に燃料の微粒化を促進することができる。

図７（ａ）、（ｂ）はテーパ部を示す拡大断面図であり、図７（ａ）は図２において示されたテーパ部を示す拡大断面図である。図７（ｂ）に示すように、略円筒部１２ｂとテーパ部との接合部を円弧状に構成し、滑らかにつなぐことにより、燃料が略円筒部１２ｂからテーパ部に流れる際に、燃料の剥離が発生することを抑制することができるようになる。このように構成することにより、噴口１３直上付近における燃料圧力及び流速を大きくすることができ、燃料の微粒化を更に促進することができるようになる。

以上のように構成することにより、従来では２０ＭＰａ程度の燃料圧力が必要であったのに対し、本発明では１２ＭＰａ程度の燃料圧力で同程度の効果を得ることができる。

図８は燃料噴射弁の先端部を示す断面図、図９は図８のＢ−Ｂ線断面図であり、図において、Ｃはテーパ角、ｇは噴口１３の弁軸方向に対する傾斜角、ｍは噴口１３の径方向に対する傾斜角、φｄは噴口１３のピッチ径、φｅはバルブシート１２とオリフィスプレート１４との当接部の径、φｆは略円筒部１２ｂの内径、φｈは噴口１３の内径、ｊは噴口１３の最外径と当接径φｅとの間の隙間、ｋは噴口１３のピッチ間距離である。

キャビティ２０の内部における燃料の流速及び傾斜角、並びに噴口１３直上における燃料の圧力は略円筒部１２ｂの形状、テーパ角Ｃ、及び噴口１３のピッチ径φｄの影響を受ける。例えばテーパ角Ｃが小さい場合、噴口１３直上における燃料圧力が低下し、逆にテーパ角Ｃが大きい場合、キャビティ２０の壁に燃料が衝突する際の抵抗が大きくなるので流速が上がらなくなる。

又略円筒部１２ｂの内径と噴口１３のピッチ径φｄとの比においても上記と同様の問題が生じる。試験結果によれば、テーパ角Ｃが１２０°〜１５０°の場合に燃料圧力及び流速の両者の均衡を適切に図ることができることが判明している。

バルブシート１２とオリフィスプレート１４との当接部と噴口１３の最外径部が接近してしまうと、キャビティ２０の壁面近傍においては壁面抵抗により燃料の速度が低下してしまうという問題がある。そこでバルブシート１２とオリフィスプレート１４との当接径φｅと噴口１３の最外径のピッチ径φｄ１との間にある程度の差を設ける必要がある。

試験結果によれば、上記差として、略噴口径φｈ程度の差を設けることが必要であることが判明している。又試験結果によれば、略円筒部１２ｂの内径φｆと噴口１３のピッチ径φｄとの比については、１．５〜２．０に設定することが適切であることも判明している。更にキャビティ２０側に面する噴口１３の開口部における最内径のピッチ径φｄ２を略円筒部内径φｆよりも大きくなるよう形成する必要がある。略円筒部内径φｆの範囲内においては、遠心力による効果が低く、流速も高くないからである。

又キャビティ２０がシート部１２ａの下流側に構成されているので、キャビティ２０の容量を大きくすると、開弁後にキャビティ２０内に高圧の燃料を充填するのに長時間必要となり、噴射するまでの時間が長くなってしまうという問題がある。更に開弁後においては、キャビティ２０内に残った燃料がエンジンのシリンダ内部に滴下するという問題もある。そこでキャビティ２０の略円筒部１２ｂの内径φｆは０．６ｍｍ〜１．０ｍｍに形成するのが適切であることが判明している。

又略円筒部１２ｂの断面積が噴口１３の総断面積に比べて小さくなると、燃料の旋回力は低下してしまう。そこで円筒部１２ｂの断面積は噴口１３の総断面積の１．５倍以上にする必要がある。

噴口１３の配置については、噴口１３開口部の、隣り合う噴口ピッチ間距離ｋが小さい値となると、隣り合う噴口１３へ流入する燃料同士がお互い干渉し合うこととなり、噴口１３に流入する燃料の流入角度及び速度のばらつきが噴口１３間において生じてしまう。よって噴霧特性においてもばらつきが生じるので、噴口１３のピッチ間距離ｋは噴口径φｈの２．５倍以上に設定する必要がある。

図１０は噴口１３の直径をＤ（＝φｈ）、噴口１３の長さをＬとした場合、Ｌ／Ｄと噴霧特性（粒径、噴霧の広がり角、貫徹力）との関係を示すグラフである。図１０に示すように、Ｌ／Ｄが大きくなると粒径特性及び貫徹力は向上するが、噴霧の広がり角は小さくなることが判る。従ってエンジンの仕様によってＬ／Ｄを調整することが必要となってくる。

本発明では図５に示した噴口１３内部の流れの様子から判別できるように、Ｌ／Ｄの設定を変更することにより、噴口１３の噴出口で形成される燃料の流れが変化するため、Ｌ／Ｄを変更するだけで比較的広範囲に噴霧特性（粒径、噴霧の広がり角、貫徹力）を変更する事が可能となる。

筒内噴射用エンジンの設計に関しては、例えば、燃料噴射弁１をエンジンのセンターに設置するセンターインジェクション方式では、燃料噴射弁１と点火プラグまでの距離が近いので（例えば１５ｍｍ程度）、Ｌ／Ｄを小さく設定し、噴口１３の内部で燃料が整流化される前に噴出させ、貫徹力を抑え、噴霧の広がり角が大きい噴霧形態を形成させる事が可能となる。

また燃料噴射弁１がエンジンのサイドに設定してあるサイドインジェクション方式では、燃料噴射弁１と点火プラグまでの距離が遠いので（例えば４０ｍｍ程度）、Ｌ／Ｄを大きくする事で、噴口１３の内部で燃料をある程度、整流化させた状態で噴出させ、貫徹力のある、噴霧角の狭い噴霧形態を形成させる事が可能となる。本発明品では、前者はＬ／Ｄは２〜４程度、後者はＬ／Ｄは４〜６程度に設定するのが適当である。

噴口１３の配置に関しては、それぞれの噴口１３の中心線を噴出口から延長した線同士がお互い交差しないように、噴口１３の角度を調整することもできる。このように構成することにより、各噴口から噴射された燃料がお互い衝突することがなくなり、単一の目的位置に対して単一の噴射口が対応することとなるので、効率がよくなる。

実施の形態２．
図１１はこの発明の実施の形態２による燃料噴射弁の先端部を示す断面図であり、本実施形態においては、オリフィスプレート１４の一部に凹部１４Ｃを設けることにより、一部の噴口１３の長さＬを他の噴口の長さと異なるように構成したものである。以上のように構成することにより、Ｌ／Ｄが変化することとなるので、一部の噴口１３の噴霧特性を変更することができる。

実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３による燃料噴射弁の先端部を示す断面図であり、本実施形態においては、バルブシートとオリフィスプレートを一体に構成し、バルブシート１２に噴口１３を設けたものである。以上のように構成することにより、それぞれの噴口１３により形成される噴霧形態の設定範囲が狭いものとなるが、部品点数を削減することができ、コストを削減することができるようになる。

実施の形態４．
図１３はこの発明の実施の形態４による燃料噴射弁の先端部を示す断面図であり、本実施形態においては、ニードル弁１６の一部に旋回溝２１を設けたものである。以上のようにニードル弁１６に旋回発生手段を設けることにより、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

燃料噴射弁を示す断面図である。（実施の形態１） 燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。（実施の形態１） 燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。（実施の形態１） 図３のＡ−Ａ線断面図である。（実施の形態１） 噴口の開口部を示す平面図（ａ）、噴口を示す斜視図（ｂ）である。（実施の形態１） 従来の噴口の開口部を示す平面図（ａ）、噴口を示す斜視図（ｂ）である。 テーパ部を示す拡大断面図である。（実施の形態１） 燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。（実施の形態１） 図８のＢ−Ｂ線断面図である。（実施の形態１） Ｌ／Ｄと噴霧特性との関係を示すグラフである。（実施の形態１） 燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。（実施の形態２） 燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。（実施の形態３） 燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。（実施の形態４）

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ ソレノイド装置
１０ 弁ボディ
１１ バルブシート
１２ｂ 略円筒部
１３ 噴口
１４ オリフィスプレート
１６ 弁体
２０ キャビティ

Claims (15)

1. 弁ボディの内部に摺動可能に支持される弁体と、上記弁体が離接するバルブシートと、このバルブシートの上流側に設置されるとともに燃料に旋回力を与える旋回手段と、上記弁体を動作させるためのソレノイド装置とを有する燃料噴射弁において、上記バルブシートの下流側端面とオリフィスプレートとを密着固定することによりキャビティを形成するとともに、上記オリフィスプレートに複数の噴口を設け、上記噴口の上記キャビティ側の開口部を燃料噴射弁の中心軸に対して略同径上に設置したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 上記噴口の角度は任意であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 上記バルブシートに設けられた略円筒部の内径はシート径よりも小さく形成されるとともに、上記略円筒部の内径よりも上記バルブシートと上記オリフィスプレートとの当接径が大きくなるように形成することにより、外周側に向かって流路面積が徐々に小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料噴射弁。
4. 上記キャビティの下流側をテーパ形状に構成したことを特徴とする請求項３記載の燃料噴射弁。
5. 上記略円筒部とテーパ部との接合部を円弧状に形成したことを特徴とする請求項４記載の燃料噴射弁。
6. テーパ角が１２０°〜１５０°となるように形成したことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料噴射弁。
7. 上記キャビティ側に面する上記噴口の開口部の最内径のピッチ径を上記略円筒部内径よりも大きくなるよう形成するとともに、上記バルブシートと上記オリフィスプレートとの当接径を上記開口部の最外径のピッチ径よりも大きくなるよう形成したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
8. 上記バルブシートと上記オリフィスプレートとの当接径と、上記開口部の最外径のピッチ径との差が略噴口径であることを特徴とする請求項７記載の燃料噴射弁。
9. 上記略円筒部の内径を０．６ｍｍ〜１．０ｍｍに形成するとともに、上記噴口のピッチ径は上記略円筒部の内径の１．５〜２．０倍に形成したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
10. 上記キャビティ側に面する上記噴口のピッチ間距離は上記噴口径の２．５倍以上であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
11. 上記噴口の中心線を噴出口から延長した線がお互い交差しないように上記噴口を配置したことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
12. 上記バルブシートと上記オリフィスプレートを一体に構成したことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
13. 燃料噴射弁をエンジンのセンターに設置する場合、上記噴口の直径をＤ、上記噴口の長さをＬとすると、２≦Ｌ／Ｄ≦４となるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
14. 燃料噴射弁をエンジンのサイドに設置する場合、上記噴口の直径をＤ、上記噴口の長さをＬとすると、４≦Ｌ／Ｄ≦６となるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
15. 上記弁体の一部に、旋回溝を設けたことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
    

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