JPWO2014064766A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

燃料噴射弁において、第１の噴孔プレートには、第１の噴孔プレートの上流側端面を下流側へ凹ませてなる薄肉部が設けられている。薄肉部に設けられた第１の第１の噴孔は、第１の噴孔プレートに直交している。第１の噴孔の軸方向長さをＬ、直径をｄとしたとき、Ｌ／ｄ＜１となっている。第２の噴孔プレートの第２の噴孔は、第２の噴孔プレートに直交する軸に対して所定の角度傾斜している。第１の噴孔の出口部の開口面積は第２の噴孔の入口部の開口面積よりも小さい。第１の噴孔の出口開口全体が、第２の噴孔の入口開口の内側に配置されている。

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係り、特に噴霧特性における微粒化の促進を図った燃料噴射弁に関するものである。

近年、自動車などの燃費規制及び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燃料噴霧の微粒化が求められている。このため、従来の燃料噴射弁では、燃料を噴射する噴孔が、第１円柱状孔と、第１円柱状孔の下流側に連続して設けられた第２円柱孔とにより構成されている。また、第２円柱孔は、第１円柱孔よりも大きな径を有しており、第１円柱状孔の中心軸に対して所定の角度傾斜している（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の他の燃料噴射弁では、噴孔の入口側開口縁のうち少なくとも外周側に、噴孔の内周側内壁面に向かって燃料流れをガイドするガイド部が形成されている。このため、噴孔の入口側開口縁の外周側内壁面近傍に到達した燃料は、ガイド部のガイド作用を受けて噴孔の内周側内壁面へと導かれる。そして、噴孔が噴孔プレートの中心軸線から離れる方向へ傾斜しているので、噴孔の内周側内壁面に達した燃料は、噴孔の内壁面に沿って流れることで液膜化され、噴射によって微粒化される（例えば、特許文献２参照）。

さらに、従来の流体噴射ノズルでは、噴孔プレートが上側噴孔プレート及び下側噴孔プレートの２枚で構成されている。また、上側噴孔プレートには、その板厚方向に沿って上流噴孔が設けられている。さらに、下側噴孔プレートには、テーパ形状の下流噴孔が設けられている。そして、上流噴孔の穴径ｄ２は、下流噴孔の入口側穴径ｄ３以下となっている。これにより、加工が容易な上流噴孔を精度良く形成して流量精度を確保しつつ、下流噴孔により微粒化の向上を図っている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−１６９５７２号公報 特開２００５−１２７１８６号公報 特開２００１−３１７４３１号公報、図１３

しかし、特許文献１に示された従来の燃料噴射弁では、第１円柱状孔よりも上流側の流路の形状が定義されていない。このため、上流側の流路の形状によらず、第１及び第２円柱状孔の相対角度と孔径の大小関係とだけで第２円柱状孔の内壁で液膜を形成させるためには、上流側の流れの影響を受けないように第１円柱状孔を長くする必要がある。

また、高温負圧の環境下では、流路が絞られている弁座シート部下流から第１円柱状孔までの間で燃料が減圧沸騰し、気液二相流となる。このため、第１円柱状孔を通過する際の圧力損失が液体単相流の場合よりも増加し、噴射量が低下する。特に、上記のように第１円柱状孔を長くすると、圧力損失がさらに増大するので、温度及び雰囲気圧によって噴射量が大きく変化するという問題を抱えている。

特許文献２に示された従来の燃料噴射弁では、燃料をより確実に噴孔の内周側内壁面に向かわせるためには、特許文献１と同様にガイド部を長くする必要があるため、温度及び雰囲気圧によって噴射量が大きく変化するという問題を抱えている。

また、噴孔プレートが上流側プレート及び下流側プレートで構成されており、上流側プレートに形成されるガイド部は、下流側へ向かうほど流路面積が絞られた円形のテーパ孔状である。さらに、下流側プレートに形成された噴孔（噴孔下流部）の上流側端縁は、上流側プレートに形成された噴孔（噴孔上流部、即ちガイド部）の下流側端縁よりも大径である。このため、ガイド部で流量を調整する構造となっているが、ガイド部の流路面積は下流側へ向かうほど絞られているため、加工する上で最小流路断面であるガイド部の下流側開口径がばらつき易く、これにより噴射量がばらつき易いという問題も抱えている。

これに対して、特許文献３に示された従来の流体噴射ノズルでは、上側噴孔プレートの板厚方向に上流噴孔を形成することにより、上流噴孔の長さを短くしているが、微粒化するためには上流噴孔の噴孔数を増やしながら噴孔径を小さくする必要がある。しかし、噴孔の小径化に伴い、噴孔長さＬと噴孔径ｄとの比である噴孔Ｌ／ｄが大きくなると、温度又は雰囲気圧によって噴射量が大きく変化するので、上側噴孔プレートの板厚を薄くする必要が生じる。

一方、上側噴孔プレートの加工方法としては、低コストで精度良く加工するために、帯状のフープ材を順送プレス加工する方法がよく用いられる。しかし、上側噴孔プレートの板厚、即ちフープ材の板厚が薄いと、剛性不足となり、フープ材を順送する際にフープ材に皺が寄ってしまい、正しい位置に順送できずに工程不具合を起こす問題点がある。

また、特許文献３に示された下流噴孔は、流路面積が下流側へ向かうほど拡がっているテーパ孔であり、加工において軸方向のストローク管理を必要とするため、形状を安定させるのが難しい。このため、下流噴孔の内壁に沿って液膜を広げようとする流れにばらつきが生じ易く、噴孔から噴射される噴霧形状がばらつき易いという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、温度及び雰囲気圧による噴射量の変化を抑制しつつ、噴射される燃料の微粒化を低コストで実現することができる燃料噴射弁を得ることを目的とする。

この発明に係る燃料噴射弁は、直径が下流側へ向けて徐々に縮小されるように傾斜されているシート面と、シート面の下流側に設けられている弁座開口とを有している弁座、シート面に当接されて弁座開口からの燃料の流出を阻止するとともに、シート面から離されて弁座開口からの燃料の流出を許容する弁体、及び弁座の下流側端面に固定されており、弁座開口から流出された燃料を外部へ噴射する複数の噴孔を有している噴孔プレートを備え、噴孔プレートは、シート面を下流側へ延長した仮想円錐面と噴孔プレートの上流側端面とが交差して仮想円を形成するように配置されており、噴孔プレートは、上流側の第１の噴孔プレートと、下流側の第２の噴孔プレートとが積層されて構成されており、第１の噴孔プレートの弁座開口内に対向する部分には、第１の噴孔プレートの上流側端面を下流側へ凹ませてなる薄肉部が設けられており、薄肉部には、噴孔の上流側部分を構成する複数の第１の噴孔が設けられており、第２の噴孔プレートには、噴孔の下流側部分を構成する複数の第２の噴孔が設けられており、第１の噴孔は、第１の噴孔プレートに直交しており、第１の噴孔の軸方向長さをＬ、直径をｄとしたとき、Ｌ／ｄ＜１となっており、第２の噴孔は、第２の噴孔プレートに直交する軸に対して所定の角度傾斜しており、第２の噴孔を弁座の軸心に直交する平面に垂直に投影したとき、平面上における第２の噴孔の出口部の中心は、第２の噴孔の入口部の中心に対して弁座の軸心から離れる方向に配置されており、第１の噴孔の出口部の開口面積は第２の噴孔の入口部の開口面積よりも小さくなっており、第１の噴孔の出口開口全体が、第２の噴孔の入口開口の内側に配置されている。
また、この発明に係る燃料噴射弁は、直径が下流側へ向けて徐々に縮小されるように傾斜されているシート面と、シート面の下流側に設けられている弁座開口とを有している弁座、シート面に当接されて弁座開口からの燃料の流出を阻止するとともに、シート面から離されて弁座開口からの燃料の流出を許容する弁体、及び弁座の下流側端面に固定されており、弁座開口から流出された燃料を外部へ噴射する複数の噴孔を有している噴孔プレートを備え、噴孔プレートは、シート面を下流側へ延長した仮想円錐面と噴孔プレートの上流側端面とが交差して仮想円を形成するように配置されており、噴孔プレートは、上流側の第１の噴孔プレートと、下流側の第２の噴孔プレートとが積層されて構成されており、第１の噴孔プレートには、噴孔の上流側部分を構成する複数の第１の噴孔が設けられており、第２の噴孔プレートには、噴孔の下流側部分を構成する複数の第２の噴孔が設けられており、第１の噴孔は、流路断面積が長さ方向の全体で一定な円柱部と、円柱部の下流に隣接し流路断面積が下流へ向けて徐々に拡大された流路拡大部とから構成されており、円柱部の軸方向長さをＬ、直径をｄとしたとき、Ｌ／ｄ＜１となっており、第２の噴孔は、第２の噴孔プレートに直交する軸に対して所定の角度傾斜しており、第２の噴孔を弁座の軸心に直交する平面に垂直に投影したとき、平面上における第２の噴孔の出口部の中心は、第２の噴孔の入口部の中心に対して弁座の軸心から離れる方向に配置されており、第１の噴孔の出口部の開口面積は第２の噴孔の入口部の開口面積よりも小さくなっており、第１の噴孔の出口開口全体が、第２の噴孔の入口開口の内側に配置されている。

この発明の燃料噴射弁は、温度及び雰囲気圧による噴射量の変化を抑制しつつ、噴射される燃料の微粒化を低コストで実現することができる。

この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の軸線に沿う断面図である。 図１の弁座、噴孔プレート及びボールを拡大して示す断面図である。 図２の噴孔プレートの中央部分を示す平面図である。 図２のＩＶ部を拡大して示す断面図である。 図１の燃料噴射弁による燃料噴射時の噴霧粒径の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態２による燃料噴射弁の弁座、噴孔プレート及びボールを拡大して示す断面図である。 図６の噴孔プレートの中央部分を示す平面図である。 図６のＶＩＩＩ部を拡大して示す断面図である。 図８の流路拡大部の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による燃料噴射弁の弁座、噴孔プレート及びボールを拡大して示す断面図である。 図１０の噴孔プレートの中央部分を示す平面図である。 図１０のＸＩＩ部を拡大して示す断面図である。 この発明の実施の形態４による燃料噴射弁の弁座、噴孔プレート及びボールを拡大して示す断面図である。 図１３の噴孔プレートの中央部分を示す平面図である。 図１３のＸＶ部を拡大して示す断面図である。 図１４のＸＶＩ部を拡大して示す平面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による燃料噴射弁の軸線に沿う断面図であり、燃料は図１の燃料噴射弁の上端から下方へ流れる。図において、磁性パイプ１の上端部には、円筒状の固定鉄心２が固定されている。磁性パイプ１及び固定鉄心２は、同軸に配置されている。また、磁性パイプ１は、固定鉄心２の下流側端部に圧入されて溶接されている。

磁性パイプ１内の下端部には、弁座３と噴孔プレート４とが固定されている。噴孔プレート４には、燃料を噴射する複数の噴孔５が設けられている。噴孔５は、噴孔プレート４を板厚方向に貫通している。

また、噴孔プレート４は、複数の第１の溶接部４ａで弁座３の下流側端面に固定された状態で、磁性パイプ１に挿入された後、第２の溶接部４ｂで磁性パイプ１に固定されている。

磁性パイプ１内には、弁体であるボール６と、ボール６に溶接固定されたニードルパイプ７と、ニードルパイプ７の上流側端部（ボール６と反対側の端部）に固定されたアマチュア（可動鉄心）８とが挿入されている。アマチュア８は、ニードルパイプ７の上流側端部に圧入されて溶接されている。

アマチュア８は、磁性パイプ１内で軸方向へ摺動可能となっている。磁性パイプ１の内周面には、アマチュア８の摺動を案内するガイド部１ａが設けられている。アマチュア８が摺動することにより、ニードルパイプ７及びアマチュア８も軸方向へ一体に移動する。これにより、ボール６は、弁座３に着座・離座される。また、アマチュア８の上端面は、固定鉄心２の下端面に接離される。ボール６の外周には、面取り部６ａが設けられている。

固定鉄心２内には、ボール６を弁座３に押し付ける方向へニードルパイプ７を押圧する圧縮ばね９が挿入されている。また、固定鉄心２内には、圧縮ばね９の荷重を調整するアジャスタ１０が固定されている。さらに、燃料の導入部となる固定鉄心２の上端部には、フィルタ１１が挿入されている。

固定鉄心２の下流側端部（アマチュア８側端部）の外周には、電磁コイル１２が固定されている。電磁コイル１２は、樹脂製のボビン１３と、その外周に巻線されているコイル本体１４とを有している。磁性パイプ１と固定鉄心２との間には、磁気回路のヨーク部である金属板（磁気回路構成部材）１５が溶接固定されている。

磁性パイプ１、固定鉄心２、電磁コイル１２及び金属板１５は、樹脂製ハウジング１６に一体成型されている。樹脂製ハウジング１６には、コネクタ部１６ａが設けられている。コネクタ部１６ａ内には、コイル本体１４に電気的に接続されたターミナル１７が引き出されている。

図２は図１の弁座３、噴孔プレート４及びボール６を拡大して示す断面図、図３は図２の噴孔プレート４の中央部分を示す平面図（燃料流路に露出している部分をボール６側から見た図）である。

弁座３内には、ボール６が接離されるシート面３ａが設けられている。シート面３ａは、その直径が下流側へ向けて徐々に縮小されるように傾斜されている。また、シート面３ａの下流側で弁座３の下流側端部の中央には、噴孔プレート４に臨む円形の弁座開口３ｂが設けられている。

ボール６は、シート面３ａに当接されて弁座開口３ｂからの燃料の流出を阻止するとともに、シート面３ａから離されて弁座開口３ｂからの燃料の流出を許容する。噴孔プレート４は、シート面３ａを下流側へ延長した仮想円錐面２０ａ（図２）と噴孔プレート４の上流側端面とが交差して仮想円２０ｂ（図３）を形成するように配置されている。

噴孔プレート４は、上流側の第１の噴孔プレート２１と、下流側の第２の噴孔プレート２２とが積層されて構成されている。第１の噴孔プレート２１には、複数の第１の噴孔２１ａが設けられている。第２の噴孔プレート２２には、第１の噴孔２１ａと同数の第２の噴孔２２ａが設けられている。各第１の噴孔２１ａと各第２の噴孔２２ａは、それぞれ１対１で対応し、繋がっている。

第１の噴孔２１ａは噴孔５の上流側部分を構成し、第２の噴孔２２ａは噴孔５の下流側部分を構成している。即ち、各噴孔５は、第１の噴孔２１ａと第２の噴孔２２ａとによって構成されている。

第１の噴孔２１ａの流路断面積及び第２の噴孔２２ａの流路断面積は、それぞれ長さ方向の全体で一定である。実施の形態１では、第１の噴孔２１ａ及び第２の噴孔２２ａは、それぞれ円柱形としているが、噴孔の流路断面積が長さ方向の全体で一定であれば、流路断面が楕円であっても多角形であってもよい。

第１の噴孔２１ａは、仮想円２０ｂの周方向に互いに間隔をおいて仮想円２０ｂ上に配置されている。また、第１の噴孔２１ａの入口部は、弁座３の最小内径である弁座開口３ｂよりも弁座軸心３ｃ側に配置されている。さらに、第１の噴孔２１ａは、第１の噴孔プレート２１に対して直交している。即ち、第１の噴孔２１ａは、第１の噴孔プレート２１の板厚方向に沿って設けられている。

第１の噴孔プレート２１は、厚肉部２１ｂと、厚肉部２１ｂの中央に位置し厚肉部２１ｂよりも厚さ寸法が小さい薄肉部２１ｃとを有している。実施の形態１では、薄肉部２１ｃは、弁座開口３ｂの内側（弁座軸心３ｃ側）に対向する部分、即ち燃料と接する部分に設けられている。

また、薄肉部２１ｃは、第１の噴孔プレート２１の上流側端面を下流側へプレスして凹ませることにより形成されている。薄肉部２１ｃと厚肉部２１ｂとの間には、テーパ部２１ｄが形成されている。全ての第１の噴孔２１ａは、薄肉部２１ｃにプレス加工で設けられており、第１の噴孔２１ａの入口部が、弁座３の最小内径である弁座開口３ｂよりも弁座軸心３ｃ側に配置されているのであれば、薄肉部２１ｃの範囲は、弁座開口３ｂよりも小さくても大きくてもよい。

厚肉部２１ｂには、複数の位置決め孔２１ｅがプレス成型されている。第２の噴孔プレート２２には、位置決め孔２１ｅに嵌合される半抜き加工部２２ｂがプレス成型されている。位置決め孔２１ｅに半抜き加工部２２ｂを嵌合することにより、第１の噴孔プレート２１に対して第２の噴孔プレート２２が位置決めされている。

第２の噴孔２２ａは、第２の噴孔プレート２２に直交する軸に対して所定の角度で傾斜している。即ち、第２の噴孔２２ａは、第１の噴孔２１ａに対して傾斜している。

第１の噴孔２１ａの出口部の開口面積は、第２の噴孔２２ａの入口部の開口面積よりも小さい。即ち、第２の噴孔２２ａの入口部の開口面積は、第１の噴孔２１ａの出口部の開口面積よりも大きい。第２の噴孔２２ａは、その入口開口縁が第１の噴孔２１ａの出口開口縁を跨がないように配置されている。即ち、第１の噴孔２１ａの出口開口全体が、第２の噴孔２２ａの入口開口の内側に配置されている。

ボール６の先端部には、第１の噴孔プレート２１の上流側端面と平行（又はほぼ平行）な平坦部６ｂが設けられている。これにより、閉弁時にボール６の先端部と噴孔プレート４との干渉を回避しつつ、シート面３ａよりも下流側の弁座３の内壁と第１の噴孔プレート２１の上流側端面とボール６の先端部とで囲まれる部分のデッドボリュームが縮小されている。

図４は図２のＩＶ部を拡大して示す断面図である。第１の噴孔２１ａの軸方向長さ（薄肉部２１ｃの厚さ）Ｌは、第１の噴孔２１ａの直径ｄよりも小さい（Ｌ／ｄ＜１）。また、第２の噴孔２２ａの出口部の中心２２ｃは、第２の噴孔２２ａの入口部の中心２２ｄに対して弁座軸心３ｃから離れる方向に配置されている。即ち、第２の噴孔２２ａは、入口部よりも出口部が第２の噴孔プレート２２の径方向外側に位置するように傾斜されている。

各第１の噴孔２１ａの入口部の中心２２ｄは、仮想円２０ｂの内側に配置されている。さらに、第１の噴孔２１ａの入口部の中心２２ｄは、第１の噴孔プレート２１の平坦部６ｂに対向する部分よりも径方向外側に配置されている。

次に、燃料噴射弁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の駆動回路に動作信号が送られると、ターミナル１７を介して電磁コイル１２に電流が流され、アマチュア８、固定鉄心２、金属板１５及び磁性パイプ１で構成される磁気回路に磁束が発生する。

これにより、アマチュア８が固定鉄心２側へ吸引され、一体構造であるアマチュア８、ニードルパイプ７及びボール６が図１の上方へ移動する。そして、ボール６が弁座３から離れ、ボール６と弁座３との間に間隙が生じると、燃料は、ボール６の面取り部６ａと弁座３との隙間を通って、噴孔５からエンジン吸気管に噴射される。

次に、エンジンの制御装置より燃料噴射弁の駆動回路に動作の停止信号が送られると、電磁コイル１２への通電が停止され、磁気回路中の磁束が減少し、圧縮ばね９のばね力によりアマチュア８、ニードルパイプ７及びボール６が図１の下方へ移動する。これにより、ボール６と弁座３との間の隙間が閉じられ、燃料噴射が終了する。

燃料噴射時には、図４に示すように、シート面３ａに沿って第１の噴孔２１ａへ向かう流れ１８ａが、第１の噴孔２１ａの入口部で剥離された後、第２の噴孔２２ａの一側（第２の噴孔プレート２２の径方向内側）の内壁に衝突する。このとき、第２の噴孔２２ａの流路断面積が第１の噴孔２１ａの流路断面積よりも大きいため、第２の噴孔２２ａの内壁に沿って液膜を広げようとする流れが強化される。

しかも、第１の噴孔２１ａの入口部で剥離された燃料は、第１の噴孔２１ａの一側（第１の噴孔プレート２１の径方向内側）の内壁に押し付けられるため、その後に第２の噴孔２２ａの内壁に衝突する前の段階から、第２の噴孔２２ａの内壁に沿って液膜が広がる方向と同一方向に扁平な液膜となる。これにより、効率良く燃料の薄膜化を図ることができ、噴射される燃料の微粒化を図ることができる。

また、第１の噴孔２１ａの入口部の中心２２ｄが仮想円２０ｂの内側に配置されているので、シート面３ａに沿って第１の噴孔２１ａへ向かう流れ１８ａが、第１の噴孔２１ａの入口部でより確実に剥離される。

さらに、第１の噴孔２１ａの入口部の中心２２ｄが、第１の噴孔プレート２１の平坦部６ｂに対向する部分よりも径方向外側に配置されているので、シート面３ａに沿って第１の噴孔２１ａへ向かう流れ１８ａが、第１の噴孔プレート２１の上流側端面に対して所定の角度を持っている。この一方で、隣接する第１の噴孔２１ａ間を通った流れ１８ｂ（図３）は、第１の噴孔プレート２１の中心で、反対側から流れてきた燃料と衝突し、第１の噴孔２１ａの入口部へ向かうＵターン流れ１８ｃとなるが、Ｕターン流れ１８ｃは第１の噴孔プレート２１の上流側端面に平行な流れとなる。これにより、第１の噴孔２１ａの入口部での流れの剥離が強化され、微粒化をさらに促進することができる。

これに対して、第１の噴孔２１ａを平坦部６ｂに対向する位置に配置した場合（特許文献２）、流れ１８ａと流れ１８ｃとが正面衝突するため、流れの剥離強化の効果が得られない。

さらにまた、噴射開始時はボール６の先端部と第１の噴孔プレート２１との間の空間（デッドボリューム）内の燃料が噴孔５から排出されるため、ボール６の開弁動作完了後の定常噴射時に比べると噴射速度が小さい。また、噴射開始時の初期噴霧では、定常噴射時に比べて噴霧粒径が大きくなる傾向にある。

これに対して、実施の形態１では、デッドボリュームを小さくしたので、粒径が大きい初期噴霧の噴射量が少なくなり、図５に示すように、初期噴霧と定常噴霧とを合わせた全体の噴霧としては粒径を小さくすることができる。

また、第１の噴孔２１ａが第１の噴孔プレート２１に対して直交しているため、第１の噴孔プレート２１の板厚に対して第１の噴孔２１ａの長さを最短、即ちＬ／ｄを最小にすることができる。このため、高温負圧の環境下で、弁座３下流から第１の噴孔２１ａまでの間での減圧沸騰により燃料が気液二相流になっても、圧力損失の影響は小さく、温度及び雰囲気圧による噴射量の変化を小さくできる。

さらに、Ｌ／ｄ＜１としたことにより、第１の噴孔２１ａの入口部で燃料が剥離されて実効的なＬ／ｄがさらに小さくなり、高温負圧下でも第１の噴孔２１ａ内で燃料が充満せず、気液二相流による圧力損失の影響が小さくなり、温度及び雰囲気圧による噴射量の変化を小さくできる効果がある。

さらにまた、デッドボリュームが小さいため、高温負圧下の噴射休止中におけるデッドボリューム内の燃料蒸発量も少なくなり、温度及び雰囲気圧の変化に伴う噴射量（静的流量・動的流量）の変化が小さくなる。

また、第１の噴孔プレート２１を低コストで精度良く加工するためには、帯状のフープ材を順送プレス加工する方法が多く用いられている。しかし、雰囲気圧変化による噴射量変化の抑制及び微粒化を狙って、Ｌ／ｄが小さくなるように第１の噴孔プレート２１の板厚、即ちフープ材の板厚を薄くすると、剛性不足となり、フープ材を順送する際にフープ材に皺が寄ってしまい、正しい位置に順送できずに工程不具合を起こす問題がある。

これに対して、実施の形態１では、第１の噴孔プレート２１の中央部のみに薄肉部２１ｃを設け、その薄肉部２１ｃに第１の噴孔２１ａを設けたので、薄肉部２１ｃの周囲の厚肉部２１ｂにより剛性を確保しつつ、第１の噴孔２１ａのＬ／ｄを小さくすることができる。従って、低コストで高い生産性を維持しつつ、温度及び雰囲気圧による噴射量の変化を小さくすることができる。

さらに、燃料噴霧の微粒化メカニズムを解明するために、噴孔５から噴射された燃料を拡大撮影した結果、燃料の分裂過程では、燃料を拡散させようとする力が表面張力に打ち勝つことで、燃料が液膜→液糸→液滴と変化し分裂していることが判明している。また、一度液滴になると、表面張力の影響が大きくなるため、それ以降は分裂し難いことも判明している。

つまり、燃料を乱れの少ない薄い液膜として噴孔５から噴射し、この液膜をさらに薄く広げてから分裂させた方が、より微粒化することになる。逆に、燃料流れに乱れが生じると、燃料液膜が薄く広がる前に、厚い液膜の状態で分裂するため、分裂後の液滴も大きくなる。

これに対して、実施の形態１では、薄肉部２１ｃと厚肉部２１ｂとをテーパ部２１ｄで繋いだことにより、シート面３ａに沿って第１の噴孔２１ａへ向かう燃料の流れ１８ａにおける乱れの発生が抑制される。このため、燃料は第２の噴孔２２ａの一側の内壁に衝突した後、第２の噴孔２２ａの内壁で乱れの少ない薄い液膜に広げられて噴射され、高い微粒化効果が得られる。

さらにまた、実施の形態１では、第１の噴孔２１ａを円柱形としたので、第１の噴孔２１ａの流路断面積が軸方向で変化せず、第１の噴孔２１ａを加工する際、入口開口面積のばらつきを小さくすることができ、これにより噴射量のばらつきを小さくすることができる。

また、第２の噴孔２２ａも円柱形としたので、第２の噴孔２２ａの流路断面積が軸方向で変化せず、第２の噴孔２２ａの内壁に沿って液膜を広げようとする流れにばらつきが生じ難く、これにより噴孔５から噴射される燃料の噴霧形状のばらつきを小さくすることができる。

さらに、実施の形態１では、第１の噴孔プレート２１を加工する際、フープ材にプレス金型との位置決め用のパイロット孔が設けられ、このパイロット孔を基準として第１の噴孔２１ａがプレス成型される。また、パイロット孔を基準として位置決め孔２１ｅがプレス成型されている。

また、第２の噴孔プレート２２を加工する際にも、フープ材にプレス金型との位置決め用のパイロット孔が設けられ、このパイロット孔を基準として第２の噴孔２２ａと半抜き加工部２２ｂとがプレス成型されている。そして、半抜き加工部２２ｂを位置決め孔２１ｅに嵌合させることにより、第１の噴孔プレート２１と第２の噴孔プレート２２との位置決め精度を向上させ、噴霧形状のばらつきを小さくすることができる。

さらに、実施の形態１では、位置決め用の嵌合部（位置決め孔２１ｅ及び半抜き加工部２２ｂ）よりも弁座軸心３ｃ側に第１の溶接部４ａを設けているため、外部へ燃料が漏れない構造となっている。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２による燃料噴射弁の弁座３、噴孔プレート４及びボール６を拡大して示す断面図、図７は図６の噴孔プレート４の中央部分を示す平面図、図８は図６のＶＩＩＩ部を拡大して示す断面図である。

実施の形態１では、第１の噴孔プレート２１に薄肉部２１ｃを設けたが、実施の形態２では、薄肉部２１ｃが設けられておらず、板厚が均等な第１の噴孔プレート２３が用いられている。噴孔プレート４は、第１の噴孔プレート２３と、実施の形態１と同様の第２の噴孔プレート２２とが積層されて構成されている。

第１の噴孔プレート２３には、複数の第１の噴孔２３ａが設けられている。各噴孔５は、第１の噴孔２３ａと第２の噴孔２２ａとによって構成されている。各第１の噴孔２３ａは、流路断面積が長さ方向の全体で一定な円柱部２３ｂと、円柱部２３ｂの下流に隣接し流路断面積が下流へ向けて徐々に拡大された流路拡大部２３ｃとから構成されている（図８）。

第１の噴孔２３ａの入口部（円柱部２３ｂの入口部）は、弁座３の最小内径である弁座開口３ｂよりも弁座軸心３ｃ側に配置されており、実施の形態２では仮想円２０ｂの内側に配置されている。流路拡大部２３ｃは、円錐台の形状を有している。円錐台は、円錐を底面に平行な面で切り、小円錐の部分を取り除いた形状である。

第１の噴孔プレート２３には、半抜き加工部２２ｂが嵌合する複数の位置決め孔２３ｄがプレス成型されている。位置決め孔２３ｄに半抜き加工部２２ｂを嵌合することにより、第１の噴孔プレート２３に対して第２の噴孔プレート２２が位置決めされている。

第１の噴孔２３ａの出口部（流路拡大部２３ｃの出口部）の開口面積は、第２の噴孔２２ａの入口部の開口面積よりも小さい。即ち、第２の噴孔２２ａの入口部の開口面積は、第１の噴孔２３ａの出口部の開口面積よりも大きい。第２の噴孔２２ａは、その入口開口縁が第１の噴孔２３ａの出口開口縁を跨がないように配置されている。即ち、第１の噴孔２３ａの出口開口全体が、第２の噴孔２２ａの入口開口の内側に配置されている。

第１の噴孔２３ａの最小流路径部分である円柱部２３ｂの軸方向長さＬは、第１の噴孔２３ａ全体の長さ寸法の約１／２であり、円柱部２３ｂの直径ｄよりも小さい（Ｌ／ｄ＜１）。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような燃料噴射弁では、各第１の噴孔２３ａが円柱部２３ｂと流路拡大部２３ｃとにより構成されているため、第１の噴孔プレート２３の板厚を薄くせずに、第１の噴孔２３ａの最小流路径ｄの噴孔長さＬを小さくすることができる。このため、フープ材による順送プレス加工に適応できるだけのプレート剛性を確保しつつ、Ｌ／ｄを小さくすることができる。従って、高温負圧下でも第１の噴孔２３ａ内で燃料が充満せず、気液二相流による圧力損失の影響が小さくなり、温度及び雰囲気圧による噴射量の変化を低コストで小さくすることができる。

なお、実施の形態２では、流路拡大部２３ｃの形状を円錐台としたが、例えば図９に示すように、断面ホーン状としてもよい。

実施の形態３．
次に、図１０はこの発明の実施の形態３による燃料噴射弁の弁座３、噴孔プレート４及びボール６を拡大して示す断面図、図１１は図１０の噴孔プレート４の中央部分を示す平面図、図１２は図１０のＸＩＩ部を拡大して示す断面図である。

実施の形態１では、ボール６の先端部に平坦部６ｂを設けたが、実施の形態３では、平坦部６ｂが設けられておらず、ボール６の先端部が球面のままである。一方、実施の形態３の第１の噴孔プレート２１の薄肉部２１ｃには、閉弁時にボール６の先端部との干渉を避けるための円形のプレート開口２１ｆが設けられている。プレート開口２１ｆは、弁座軸心３ｃと同軸に配置されている。

図１０において、閉弁時のボール６の先端面６ｃは、プレート開口２１ｆ内で、薄肉部２１ｃの上流側端面を含む平面と仮想円２０ｃで交差している。全ての第１の噴孔２１ａは、プレート開口２１ｆの径方向外側の薄肉部２１ｃに配置されている。

第２の噴孔プレート２２の中央のプレート開口２１ｆに臨む部分には、下流側へ突出するように湾曲された凸部２２ｅが設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような燃料噴射弁では、閉弁時におけるボール６の先端部と噴孔プレート４との干渉を回避しつつ、シート面３ａよりも下流側の弁座３の内壁と第１の噴孔プレート２１の上流側端面とボール６の先端部とで囲まれる部分のデッドボリュームを縮小できるため、粒径が大きい初期噴霧の噴射量を少なくし、初期噴霧と定常噴霧とを合わせた全体の噴霧としては粒径を小さくすることができる。

また、高温負圧下の噴射休止中におけるデッドボリューム内の燃料蒸発量も少なくなり、温度及び雰囲気圧の変化に伴う噴射量（静的流量・動的流量）の変化が小さくなる。

なお、実施の形態２の第１の噴孔プレート２３及び第２の噴孔プレート２２に、実施の形態３で示したようなプレート開口及び凸部をそれぞれ設けてもよい。

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弁座３、噴孔プレート４及びボール６を拡大して示す断面図、図１４は図１３の噴孔プレート４の中央部分を示す平面図、図１５は図１３のＸＶ部を拡大して示す断面図、図１６は図１４のＸＶＩ部を拡大して示す平面図である。

実施の形態４の各第２の噴孔２２ａは、噴孔本体２２ｆと、噴孔本体２２ｆの下流に隣接し第２の噴孔２２ａの出口を構成する大径部２２ｇとから構成されている。噴孔本体２２ｆは、実施の形態１の第２の噴孔２２ａと同様に、第１の噴孔２１ａに対して傾斜している。即ち、噴孔本体２２ｆは、下流へ向かうに従って第２の噴孔プレート２２の径方向外側へ進むように傾斜している。

大径部２２ｇの直径は、噴孔本体２２ｆの直径よりも大きい。また、大径部２２ｇは、第２の噴孔プレート２２に直角な軸を中心とする円柱形である。

第１の噴孔２１ａの入口中心２４ａと、第２の噴孔２２ａの入口中心２４ｂと、噴孔本体２２ｆの出口中心２４ｃとは、弁座軸心３ｃに直交する平面に対してそれぞれ垂直に投影したとき、それぞれ弁座軸心３ｃを通る放射状の直線２４ｄの上に並べて配置されている。

大径部２２ｇの中心２４ｅは、上記の平面に対して垂直に投影したとき、噴孔本体２２ｆの出口中心２４ｃよりも弁座軸心３ｃから離れており、かつ直線２４ｄに対して所望する噴射方向にオフセットされている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような燃料噴射弁では、第１の噴孔２１ａの入口部で剥離された燃料流れを弁座軸心３ｃに直交する平面に垂直に投影したとき、燃料流れは弁座軸心３ｃへ向かう流れとなっいる。また、径方向外側へ傾斜する第２の噴孔２２ａを上記の平面に垂直に投影したとき、噴孔本体２２ｆは弁座軸心から放射状に向いており、上記の平面において燃料流れと噴孔本体２２ｆの方向とが正対する。

このため、第１の噴孔２１ａよりも大きい流路断面積を持つ第２の噴孔２２ａの内壁に沿って液膜を広げようとする流れがより強化され、効率良く燃料の薄膜化が図れ、微粒化する効果がある。

さらに、第２の噴孔２２ａの内壁に沿って広がる燃料液膜は、下流へ行くに従って、噴孔内壁の曲率に沿って流れの向きを変えるため、１つの噴孔出口部から噴射される単噴霧角は、第２の噴孔２２ａのＬ／ｄの影響を受ける。即ち、第２の噴孔２２ａのＬ／ｄを小さくすると、単噴霧角を大きく、第２の噴孔２２ａのＬ／ｄを大きくすると、単噴霧角を小さくすることができる。

但し、噴射方向については、第２の噴孔２２ａを上記の平面に垂直に投影したとき、第２の噴孔２２ａ全体が弁座軸心３ｃから放射状に向いていると、自由に狙った方向へ噴射することができない。

これに対して、実施の形態４では、第２の噴孔２２ａに出口部に大径部２２ｇを設け、しかも大径部２２ｇの中心２４ｄを直線２４ｄに対してオフセットさせることで、所望する噴射方向のＬ／ｄを小さくしている。また、大径部２２ｇの長さ（深さ）寸法Ｌ１を調整することで、Ｌ／ｄを最適化している。

これにより、第２の噴孔２２ａの内壁に沿って広がる燃料液膜の両端のうち、所望する噴射方向に近い側の液膜の一端が下流側へ行くに従って噴孔内壁の曲率に沿って流れの向きを変えながら、所望する噴射方向１８ｄを向いた地点で第２の噴孔２２ａから液膜を飛び出させることができる。

また、所望する噴射方向に遠い側の液膜の一端では、大径部２２ｇはなく、Ｌ／ｄが大きいため、燃料液膜は下流側へ行くに従って、噴孔内壁の曲率に沿って流れの向きを所望する噴射方向１８ｅまで変えることができる。このため、微粒化と噴射方向の自由度向上とを両立できる。

なお、直線２４ｄと所望する噴射方向とが一致する場合は、大径部２２ｇの中心２４ｅは、噴孔本体２２ｆの出口中心２４ｃよりも弁座軸心３ｃから離れているだけでよく、直線２４ｄに対してオフセットさせなくてもよい。
また、実施の形態１〜４では、第１の噴孔プレート２１，２３に位置決め孔２１ｅ，２３ｄを設け、第２の噴孔プレート２２に半抜き加工部２２ｂを設けたが、逆であってもよい。

Claims (6)

1. 直径が下流側へ向けて徐々に縮小されるように傾斜されているシート面と、前記シート面の下流側に設けられている弁座開口とを有している弁座、
   前記シート面に当接されて前記弁座開口からの燃料の流出を阻止するとともに、前記シート面から離されて前記弁座開口からの燃料の流出を許容する弁体、及び
   前記弁座の下流側端面に固定されており、前記弁座開口から流出された燃料を外部へ噴射する複数の噴孔を有している噴孔プレート
   を備えている燃料噴射弁であって、
   前記噴孔プレートは、前記シート面を下流側へ延長した仮想円錐面と前記噴孔プレートの上流側端面とが交差して仮想円を形成するように配置されており、
   前記噴孔プレートは、上流側の第１の噴孔プレートと、下流側の第２の噴孔プレートとが積層されて構成されており、
   前記第１の噴孔プレートの前記弁座開口内に対向する部分には、前記第１の噴孔プレートの上流側端面を下流側へ凹ませてなる薄肉部が設けられており、
   前記薄肉部には、前記噴孔の上流側部分を構成する複数の第１の噴孔が設けられており、
   前記第２の噴孔プレートには、前記噴孔の下流側部分を構成する複数の第２の噴孔が設けられており、
   前記第１の噴孔は、前記第１の噴孔プレートに直交しており、
   前記第１の噴孔の軸方向長さをＬ、直径をｄとしたとき、Ｌ／ｄ＜１となっており、
   前記第２の噴孔は、前記第２の噴孔プレートに直交する軸に対して所定の角度傾斜しており、
   前記第２の噴孔を前記弁座の軸心に直交する平面に垂直に投影したとき、前記平面上における前記第２の噴孔の出口部の中心は、前記第２の噴孔の入口部の中心に対して前記弁座の軸心から離れる方向に配置されており、
   前記第１の噴孔の出口部の開口面積は前記第２の噴孔の入口部の開口面積よりも小さくなっており、
   前記第１の噴孔の出口開口全体が、前記第２の噴孔の入口開口の内側に配置されている燃料噴射弁。
2. 前記第１の噴孔及び前記第２の噴孔は、それぞれ円柱形である請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 直径が下流側へ向けて徐々に縮小されるように傾斜されているシート面と、前記シート面の下流側に設けられている弁座開口とを有している弁座、
   前記シート面に当接されて前記弁座開口からの燃料の流出を阻止するとともに、前記シート面から離されて前記弁座開口からの燃料の流出を許容する弁体、及び
   前記弁座の下流側端面に固定されており、前記弁座開口から流出された燃料を外部へ噴射する複数の噴孔を有している噴孔プレート
   を備えている燃料噴射弁であって、
   前記噴孔プレートは、前記シート面を下流側へ延長した仮想円錐面と前記噴孔プレートの上流側端面とが交差して仮想円を形成するように配置されており、
   前記噴孔プレートは、上流側の第１の噴孔プレートと、下流側の第２の噴孔プレートとが積層されて構成されており、
   前記第１の噴孔プレートには、前記噴孔の上流側部分を構成する複数の第１の噴孔が設けられており、前記第１の噴孔の入口部は前記弁座の最小内径である前記弁座開口よりも前記弁座の軸心側に配置されており、
   前記第２の噴孔プレートには、前記噴孔の下流側部分を構成する複数の第２の噴孔が設けられており、
   前記第１の噴孔は、流路断面積が長さ方向の全体で一定な円柱部と、前記円柱部の下流に隣接し流路断面積が下流へ向けて徐々に拡大された流路拡大部とから構成されており、
   前記円柱部の軸方向長さをＬ、直径をｄとしたとき、Ｌ／ｄ＜１となっており、
   前記第２の噴孔は、前記第２の噴孔プレートに直交する軸に対して所定の角度傾斜しており、
   前記第２の噴孔を前記弁座の軸心に直交する平面に垂直に投影したとき、前記平面上における前記第２の噴孔の出口部の中心は、前記第２の噴孔の入口部の中心に対して前記弁座の軸心から離れる方向に配置されており、
   前記第１の噴孔の出口部の開口面積は前記第２の噴孔の入口部の開口面積よりも小さくなっており、
   前記第１の噴孔の出口開口全体が、前記第２の噴孔の入口開口の内側に配置されている燃料噴射弁。
4. 前記第１の噴孔プレートには、閉弁時に弁体の先端部との干渉を避けるためのプレート開口が設けられており、
   前記第２の噴孔プレートの前記プレート開口に臨む部分には、下流側へ突出するように湾曲された凸部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記第２の噴孔は、噴孔本体と、前記噴孔本体の下流に隣接し前記第２の噴孔の出口を構成する大径部とから構成されており、
   前記大径部の直径は、前記噴孔本体の直径よりも大きくなっており、
   前記噴孔を前記弁座の軸心に直交する平面に垂直に投影したとき、前記第１の噴孔の入口中心と、前記第２の噴孔の入口中心と、前記噴孔本体の出口中心とは、それぞれ前記弁座の軸心を通る放射状の直線の上に並べて配置されており、前記大径部の中心は、前記直線に対してオフセットされている請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
6. 前記第１の噴孔プレート及び前記第２の噴孔プレートのいずれか一方に位置決め孔が設けられており、前記第１の噴孔プレート及び前記第２の噴孔プレートの他方には、前記位置決め孔に嵌合される半抜き加工部が設けられている請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料噴射弁。

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