WO2014148218A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

　連通路の側面部と底部との間の角部の断面形状を曲面形状とし、スワール付与室を軸方向から見たときにスワール付与室が膨出する側の連通路の側面部を第一側面部とし、スワール付与室が膨出する側と反対側の連通路の側面部を第二側面部とし、第一側面部と底部との間の断面形状の半径をｒ１とし、第二側面部と底部との間の断面形状の半径をｒ２としたときに、半径ｒ１は半径ｒ２よりも大きくなるように連通路を形成した。

Description

燃料噴射弁

　本発明は、エンジンの燃料噴射に用いられる燃料噴射弁に関する。

　この種の技術としては、下記の特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報には、スワール室を有する燃料噴射弁において、スワール室の底部の角がエッジ状に形成されたものが開示されている。

米国特許第６７８３０８５号明細書

　中央室とスワール室とを繋ぐ通路内を通過する燃料は、通路の側面部および底部付近で流速が低下する。上記特許文献１に記載の技術では、通路の側面部と底部との間はエッジとなっており、側面部と底部の面積が大きい。そのため、通路内の燃料の流速が不均一となり、噴射後の燃料の微粒化を阻害するおそれがあった。
　　本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、通路内の燃料の流速を均一化させ、噴射後の燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射弁を提供することである。

　上記目的を達成するため本願発明では、連通路の側面部と底部との間の角部の断面形状を曲面形状とし、スワール付与室を軸方向から見たときにスワール付与室が膨出する側の連通路の側面部を第一側面部とし、スワール付与室が膨出する側と反対側の連通路の側面部を第二側面部とし、第一側面部と底部との間の断面形状の半径をｒ１とし、第二側面部と底部との間の断面形状の半径をｒ２としたときに、半径ｒ１は半径ｒ２よりも大きくなるように連通路を形成した。

　本発明により、通路内の燃料の流速を均一化させ、噴射後の燃料の微粒化を促進することができる。

実施例１の燃料噴射弁の軸方向断面図である。 実施例１の燃料噴射弁のノズルプレート付近の拡大断面図である。 実施例１のノズルプレートの斜視図である。 実施例１のノズルプレートの平面図および断面図である。 実施例１の連通路、スワール付与室の模式断面図である。 実施例１のスワール室および燃料噴射孔の斜視図に燃料の流れを記載した図である。 実施例１の連通路内の燃料の流速のシミュレーション結果である。 実施例１の連通路内の燃料の流れとスワール付与室内の燃料の流れの模式図である。 実施例１の連通路内の燃料の流れとスワール付与室内の燃料の流れのシミュレーション結果である。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。 他の実施例のノズルプレートの斜視図である。

　〔実施例１〕
　　実施例１の燃料噴射弁１について説明する。
　　［燃料噴射弁の構成］
　　図１は燃料噴射弁１の軸方向断面図である。この燃料噴射弁１は、自動車用ガソリンエンジンに用いられるものであって、インテークマニホールド内に向けて燃料を噴射する、所謂低圧用の燃料噴射弁である。
　　燃料噴射弁１は、磁性筒体２と、磁性筒体２内に収容されるコア筒体３と、軸方向に摺動可能な弁体４と、弁体４と一体に形成された弁軸５と、閉弁時に弁体４により閉鎖される弁座６を有する弁座部材７と、開弁時に燃料が噴射される燃料噴射孔を有するノズルプレート８と、通電時に弁体４を開弁方向に摺動させる電磁コイル９と、磁束線を誘導するヨーク１０とを有している。

　磁性筒体２は、例えば電磁ステンレス鋼等の磁性金属材料により形成された金属パイプ等からなり、深絞り等のプレス加工、研削加工等の手段を用いることにより、図１に示すように段付き筒状をなして一体に形成されている。磁性筒体２は、一端側に形成された大径部１１と、大径部１１よりも小径であって他端側に形成された小径部１２とを有している。
　　小径部１２には、一部を薄肉化した薄肉部１３が形成されている。小径部１２は、薄肉部１３より一端側にコア筒体３を収容するコア筒体収容部１４と、薄肉部１３より他端側に弁部材１５（弁体４、弁軸５、弁座部材７）を収容する弁部材収容部１６とに分けられている。薄肉部１３は、後述するコア筒体３と弁軸５が磁性筒体２に収容された状態で、コア筒体３と弁軸５との間の隙間部分を取り囲むように形成されている。薄肉部１３は、コア筒体収容部１４と弁部材収容部１６との間の磁気抵抗を増大させ、コア筒体収容部１４と弁部材収容部１６間を磁気的に遮断している。

　大径部１１の内径は弁部材１５に燃料を送る燃料通路１７を構成しており、大径部１１の一端部には燃料を濾過する燃料フィルタ１８が設けられている。燃料通路１７にはポンプ４７が接続されている。このポンプ４７は、ポンプ制御装置５４により制御されている。
　　コア筒体３は中空部１９を有する円筒形に形成されており、磁性筒体２のコア筒体収容部１４に圧入されている。中空部１９には、圧入等の手段により固定されたばね受２０が収容されている。このばね受２０の中心には軸方向に貫通した燃料通路４３が形成されている。
　　弁体４の外形は略球体状に形成されており、周上に燃料噴射弁１の軸方向に対して並行に削られた燃料通路面２１を有している。弁軸５は大径部２２と、外形が大径部２２より小径に形成された小径部２３とを有している。

　小径部２３の先端には弁体４が溶接により一体に固定されている。なお図中の黒半円や黒三角は溶接箇所を示している。大径部２２の端部にはばね挿入孔２４が穿設されている。このばね挿入孔２４の底部は、ばね挿入孔２４よりも小径に形成されたばね座り部２５が形成されるとともに、段部のばね受部２６が形成されている。小径部２３の端部には燃料通路孔２７が形成されている。この燃料通路孔２７はばね挿入孔２４と連通している。小径部２３の外周と燃料通路孔２７とは貫通した燃料流出孔２８が形成されている。
　　弁座部材７は、略円錐状の弁座６と、弁座６より一端側に弁体４の径とほぼ同型に形成された弁体保持孔３０と、弁体保持孔３０から一端開口側に向かうにつれて大径に形成された上流開口部３１と、弁座６の他端側に開口する下流開口部４８とが形成されている。

　弁軸５および弁体４は、磁性筒体２に軸方向摺動可能に収装されている。弁軸５のばね受部２６とばね受２０との間にコイルバネ２９が設けられ、弁軸５および弁体４を他端側に付勢している。弁座部材７は磁性筒体２に挿入され、溶接により磁性筒体２に固定されている。弁座６は、約角度４５°で弁体保持孔３０から下流開口部４８へ向かって径が小さくなるように形成され、閉弁時には弁体４が弁座６に座るようになっている。
　　磁性筒体２のコア筒体３の外周には電磁コイル９が挿嵌されている。すなわち、電磁コイル９はコア筒体３の外周に配置されることとなる。電磁コイル９は、樹脂材料により形成されたボビン３２と、このボビン３２に巻回されたコイル３３とから構成されている。コイル３３は、コネクタピン３４を介して電磁コイル制御装置５５に接続されている。
　　電磁コイル制御装置５５は、クランク角を検出するクランク角センサからの情報に基づいて計算した燃焼室側に燃料を噴射するタイミングに応じて、電磁コイル９のコイル３３に通電して燃料噴射弁１を開弁させる。

　ヨーク１０は中空の貫通孔を有し、一端開口側に形成された大径部３５と、大径部３５より小径に形成された中径部３６と、中径部３６より小径に形成され他端開口側に形成された小径部３７から構成されている。小径部３７は、弁部材収容部１６の外周に嵌合されている。中径部３６の内周には電磁コイル９が収装されている。大径部３５の内周には連結コア３８が配置されている。
　　連結コア３８は磁性金属材料等により略Ｃ字状に形成されている。ヨーク１０は、小径部３７および連結コア３８を介して大径部３５において磁性筒体２と接続しており、すなわち電磁コイル９の両端部で磁性筒体２と磁気的に接続されていることとなる。ヨーク１０の他端側先端には、燃料噴射弁１をエンジンの吸気ポートと接続するためのＯリング４０を保持し、かつ磁性筒体先端を保護するためのプロテクタ５２が取り付けられている。

　コネクタピン３４を介して電磁コイル９に給電されると磁界が発生し、この磁界の磁力によって、弁体４および弁軸５をコイルばね２９の付勢力に抗して開弁させる。
　　燃料噴射弁１の図１に示すように、大部分が樹脂カバー５３により被覆されている。樹脂カバー５３に被覆されている部分は、磁性筒体２の大径部１１の一端部を除いた部分から小径部１２の電磁コイル９設置位置まで、電磁コイル９とヨーク１０の中径部３６との間、連結コア３８の外周と大径部３５との間、大径部３５の外周、中径部３６の外周、およびコネクタピン３４の外周である。コネクタピン３４の先端部分は樹脂カバー５３が開口して形成されており、コントロールユニットのコネクタが差し込まれるようになっている。
　　磁性筒体２の一端部外周にはＯリング３９が、ヨーク１０の小径部３７の外周にはＯリング４０が設けられている。
　　弁座部材７の他端側にはノズルプレート８が溶接されている。このノズルプレート８には、燃料にスワール（旋回流）を与える複数のスワール室４１と、各スワール室４１に燃料を分配する中央室４２と、スワール室４１においてスワールが与えられた燃料が噴射される燃料噴射孔４４が形成されている。

　［ノズルプレートの構成］
　　図２は燃料噴射弁１のノズルプレート８付近の拡大断面図である。図３はノズルプレート８の斜視図である。図４はノズルプレートを軸方向一端側（弁座部材７と当接する側）から見た図（図４（ａ））、およびＡ－Ａ断面図（図４（ｂ））である。なお、図１の燃料噴射弁１の軸方向断面図は、図４（ａ）のＢ－Ｂに示す位置で切断した断面図である。
　　ノズルプレート８の一端側側面にはスワール室４１が形成されている。スワール室４１は４つ形成されており、それぞれ連通路４５とスワール付与室４６とから構成されている。各連通路４５はノズルプレート８の中心付近で接続している。連通路４５はノズルプレート８の中心付近から放射状に延びた溝によって形成されている。つまり、連通路４５は溝の底となる底部４５ａと、底部４５ａに対して立設する側面部４５ｂ，４５ｃとを有する。連通路４５の先にはスワール付与室４６が形成されている。スワール付与室４６は有底凹状に形成されている。つまり、スワール付与室４６は底となる底部４６ａと底部４６ａに立設する側面部４６ｂとを有する。スワール付与室４６の底部４６ａには、ノズルプレート８の他端側に貫通する燃料噴射孔４４が形成されている。スワール付与室４６の側面部４６ｂは、ノズルプレート８の一端側から見ると螺旋状に形成されている。
　　スワール付与室４６を軸方向から見たときにスワール付与室４６が膨出する側の連通路４５の側面部を第一側面部４５ｂ、スワール付与室４６が膨出する側と反対側の連通路４５の側面部を第二側面部４５ｃとする。第二側面部４５ｃは、スワール付与室４６の側面部４６ｂと接線方向に接続している。

　連通路４５の底部４５ａと第一側面部４５ｂとの間、底部４５ａと第二側面部４５ｃとの間、スワール付与室４６と底部４６ａと側面部４６ｂとの間は、ノズルプレート８の軸方向に平行な断面においてＲ形状（曲線形状）となるように形成されている。図５は連通路４５の模式断面図である。
底部４６と第一側面部４５ｂとの間の断面形状の半径をｒ１、底部４６と第二側面部４５ｃとの間の断面形状の半径をｒ２とする。このとき、半径ｒ１が半径ｒ２よりも大きくなるように形成されている。なお、スワール付与室４６の底部４６ａと側面部４６ｂとの間の断面形状の半径はｒ２となるように形成されている。
　　ノズルプレート８は切削、プレス、エッチング等によって作成されており、スワール室４１、燃料噴射孔４４が一枚のプレートに一体に形成されている。

　［作用］
　　（閉弁時の燃料の流れ）
　　電磁コイル９のコイル３３に通電されていないときには、弁体４が弁座６に座るようにコイルバネ２９により弁軸５を他端側に付勢している。そのため弁体４と弁座６との間が閉鎖され、ノズルプレート８側には燃料は供給されないようになっている。
　　（開弁時の燃料の流れ）
　　図６はスワール室４１および燃料噴射孔４４の斜視図に燃料の流れを記載した図である。
　　電磁コイル９のコイル３３に通電されているときには、コイルバネ２９の付勢力に抗して電磁力により弁軸５が一端側に引き上げられる。そのため、弁体４と弁座６との間が解放され、燃料がノズルプレート８側に供給される。
　　ノズルプレート８に供給された燃料はまず中央室４２に入り、中央室４２の底部と衝突することで軸方向の流れから径方向の流れに変換されて各連通路４５に流れ込む。連通路４５はスワール付与室４６の接線方向に接続しているため、連通路４５を通過した燃料はスワール付与室４６の内側面に沿って旋回する。
　　スワール付与室４６において燃料に旋回力（スワール力）が付与されて、旋回力を持った燃料は燃料噴射孔４４の側壁部分に沿うように旋回しながら噴射される。そのため、燃料噴射孔４４から噴射された燃料は、燃料噴射孔４４の接線方向に飛散する。燃料噴射孔４４から噴射された直後の燃料噴霧は、燃料噴射孔４４開口部のエッジ部分によって略中空円錐状の噴霧表面で燃料が膜状となる液膜状態となる。その後、膜状であった燃料噴霧が次第に分裂し始めて液糸状態となる。そして更に分裂が進み、燃料が粒状に分裂した液滴状態となる。

　（連通路内の流速の均一化）
　　図７は連通路４５内の燃料の流速のシミュレーション結果である。図７（ａ）は底部と側面部との間の断面形状をＲ状としてものの結果、図７（ｂ）は底部と側面部との間の断面形状をエッジ状としたものの結果を示す。
　　図７に示すように、連通路４５の底部と側面部との間の断面形状をＲ形状とすることで、流速が速い領域が広がり、連通路４５内の流れがスムーズになっていることが分かる。これは、断面形状がエッジ状である場合に比べてＲ状である場合には、燃料が底部または側面部と接する面積を小さくすることができ、圧力抵抗が減少するためである。

　（スワール付与室内への流れ込み改善）
　　図８は連通路４５内の燃料の流れとスワール付与室４６内の燃料の流れの模式図である。図８（ａ）は連通路４５の第一側面部４５ｂ側の半径ｒ１を、連通路４５の第二側面４５ｃ側の半径ｒ２よりも大きくしたときの燃料の流れ、図８（ｂ）は連通路４５の第一側面部４５ｂ側の半径ｒ１と、連通路４５の第二側面部４５ｃ側の半径のｒ２とを等しくしたときの燃料の流れを示す。
　　燃料の主な流れは、第一側面４５ｂ側の半径を大きくすることで、第一側面４５ｂから離れた位置を流れることとなる。これにより、スワール付与室４６内の旋回流に対して、連通孔４５からスワール付与室４６に流入する燃料が干渉する位置を遠くすることができ（距離Ｌ１＞距離Ｌ２）、連通路４５からスワール付与室４６への燃料の流れをスムーズにすることができる。

　図９は連通路４５内の燃料の流れとスワール付与室４６内の燃料の流れのシミュレーション結果である。図９（ａ）は連通路４５の第一側面部４５ｂ側の半径ｒ１を、連通路４５の第二側面４５ｃ側の半径ｒ２よりも大きくしたときの結果、図９（ｂ）は連通路４５の第一側面部４５ｂ側の半径ｒ１と、連通路４５の第二側面部４５ｃ側の半径のｒ２とを等しくしたものの結果を示す。
　　図９（ｂ）に比べて図９（ａ）では、連通路４５からスワール付与室４６にかけて、流速の早い領域が広がっていることが分かる。連通孔４５からスワール付与室４６に流入する燃料が干渉する位置を遠くすることで、連通路４５からスワール付与室４６への燃料の流れをスムーズにすることができる。

　（デッドボリュームの削減）
　　デッドボリュームとは、燃料噴射弁１の閉弁時に、下流開口部４８、スワール室４１、燃料噴射孔４４に燃料が残留する体積のことを指す。燃料噴射弁１が燃料を噴射するインテークマニホールド内が負圧になると、残留した燃料が減圧沸騰し、目標燃料流量に対して、流量がばらつく原因となる。なおエンジンのシリンダ内に直接燃料を噴射する高圧用の燃料噴射弁の場合は、シリンダ内が負圧になることがないためデッドボリュームの影響は一般的には無い。
　　ところで流体は一般的に、流路の中心付近が最も流速が速く、流路の壁に近いほど流速が遅い。つまり、連通路４５の底部４５ａと側面部４５ｂ，４５ｃとの間の角部やスワール付与室４６の底部４６ａと側面部４６ｂとの間の角部をエッジ状に形成すると、角部は壁に囲まれているため燃料の流速が特に遅い。すなわち、角部付近を流れる燃料は、燃料の微細化促進への貢献が小さいにも関わらず、デッドボリュームの増大の要因となっていた。
　　実施例１では、連通路４５の底部４５ａと側面部４５ｂ，４５ｃとの間、およびスワール付与室４６の底部４６ａと側面部４６ｂとの間の断面形状をＲ形状とすることにより、連通路４５、スワール付与室４６のうち、微細化促進への貢献が小さい燃料が溜まる部分の体積を削ることができ、燃料微細化に影響を及ぼすことなくデッドボリュームを削減することができる。

　［効果］
　　実施例１の燃料噴射弁１の効果について説明する。
　　開閉弁可能に設けられた弁体４と、閉弁時に弁体４が座る弁座６が形成されるとともに、下流側に下流開口部４８を有する弁座部材７と、弁座部材７の下流も設けられたノズルプレート８と、ノズルプレート８の弁座部材７側に凹状に形成され、内部で燃料を旋回させて旋回力を付与するスワール付与室４６と、スワール付与室４６の底部に形成され外部に貫通する燃料噴射孔４４と、ノズルプレート８の弁座部材７側に凹状に形成され、スワール付与室４６と弁座部材７の下流開口部４８とを連通する連通路４５と、を備えた燃料噴射弁１において、
　連通路４５の底部４５ａと側面部４５ｂ，４５ｃとの間の角部の断面形状を曲面形状とし、スワール付与室４６を軸方向から見たときにスワール付与室４６が膨出する側の連通路４５の側面部を第一側面部４５ｂとし、スワール付与室４６が膨出する側と反対側の連通路４５の側面部を第二側面部４５ｃとし、底部４５ａと第一側面部４５ｂとの間の断面形状の半径をｒ１とし、底部４５ａと第二側面部４５ｃとの間の断面形状の半径をｒ２としたときに、半径ｒ１は半径ｒ２よりも大きくなるように連通路４５を形成した。
　　よって、連通路４５内で流速が速い領域が広がり、連通路４５内の流れをスムーズにすることができる。また、第一側面部４５ｂから離れた位置を燃料が流れることとなり、スワール付与室４６内の旋回流に対して連通路４５からスワール付与室４６に流入する燃料が干渉する位置を遠くすることができ、連通路４５からスワール付与室４６への燃料の流れをスムーズにすることができる。

　〔他の実施例〕
　　以上、本願発明を実施例１に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は実施例１に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

　（スワール室の数の変更）
　　実施例１の燃料噴射弁１では、スワール室４１を４つ形成したが、スワール室４１の個数は燃料噴射量の設計に応じて適宜変更しても良い。
　　図１０はノズルプレート８の斜視図である。例えば、図１０に示すようにスワール室４１を２つ形成するようにしても良い。
　　図１１はノズルプレート８を示す図であり、例えば、図１１に示すようにスワール室４１を６つ形成するようにしても良い。

１　　燃料噴射弁
４　　弁体
６　　弁座
７　　弁座部材
８　　ノズルプレート
４４　　燃料噴射孔（噴射孔）
４５　　連通路
４５ａ　　底部
４５ｂ　　第一側面部
４５ｃ　　第二側面部
４６　　スワール付与室
４８　　下流開口部（開口部）

Claims (1)

1. 　弁体と、
   　閉弁時に前記弁体が座る弁座が形成された弁座部材と、
   　前記弁座部材の他端側に形成され、燃料に旋回力を付与する複数のスワール付与室と、
   　各スワール付与室に連通して前記旋回力が付与された燃料を噴射する燃料噴射孔を形成したノズルプレートと、
   　前記ノズルプレートの前記弁座部材側に凹状に形成され、前記スワール付与室と前記弁座部材の前記開口部とを連通する連通路と、
   　を設け、
   　前記連通路の側面部と底部との間の角部の断面形状を曲面形状とし、
   　前記スワール付与室を軸方向から見たときに前記スワール付与室が膨出する側の前記連通路の側面部を第一側面部とし、前記スワール付与室が膨出する側と反対側の前記連通路の側面部を第二側面部とし、
   　前記第一側面部と前記底部との間の断面形状の半径をｒ１とし、前記第二側面部と前記底部との間の断面形状の半径をｒ２としたときに、
   　前記半径ｒ１は前記半径ｒ２よりも大きくなるように前記連通路を形成したことを特徴とする燃料噴射弁。

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