WO2017060945A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

燃料噴射弁（１００）は、ソレノイド装置（４）で駆動されるプランジャ（９）と、プランジャの下流側に配置され、開口部（１２ｂ）を有している弁座（１２）と、分岐部（２）と導入部（１８）と円筒部（１９）と旋回部（２０）を有する放射状の窪み（１３ａ）が上流側に加工され、円筒部の下流側には噴孔（１４）が開口されている噴孔プレート（１３）と、を備えている。導入部は、一端が分岐部と接続され、他端は円筒部および旋回部に接続されており、旋回部は、円筒部を一部取り巻いてから円筒部に外接する終端面（Ｌ）で閉じており、この旋回部の終端面は、導入部の中心軸に対して角度θだけ傾いていて、この角度θは、０°以上、４５°以下の範囲に収まっていて、しかも導入部の幅Ｗ１に対する旋回部の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が、０．３以上、０．７以下の範囲に収まっている。

Description

燃料噴射弁

　この発明は、燃料噴射弁に関わり、特に、内燃機関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。

　自動車などの内燃機関では、燃料噴射弁を使って燃料の供給量を制御している。近年、内燃機関に対する排出ガス規制が強化されており、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るようになっている。特許文献１、２が示す先行技術では、燃料の微粒化を図るために、燃料噴射弁に旋回流れを形成することが検討されている。

　特許文献１に係る燃料噴射弁は、長手軸線に関して対称的に形成された弁ケーシングを備えている。弁ケーシングの内部には、弁座面と協働する弁閉鎖部材が配置されている。弁座面の下流には中央開口が設けられており、中央開口から半径方向へ少なくとも２つの接線方向通路が延びている。各々の接線方向通路はそれぞれ各スワール室に接線方向で開口している。燃料のための定量開口は、それぞれ、スワール室の中央から外側へ通じている。

　案内通路によって整流及び加速された燃料は、流れがスワール室へ流入する。燃料は、スワール室で旋回流れとなり、その後、噴孔内を旋回しながら噴孔プレート出口から噴射される。噴出物は中空円錐状の噴霧となっていて、微粒化が促進するとされている。このような構成においては、スワール室に一方向からのみ燃料が流入するため、スワール流れが非均質になる。噴孔内壁に形成される燃料液膜は、厚さに偏りが生じるため、噴射後の微粒化度合は十分であるとはいえない。

　特許文献２に係る燃料噴射弁には、弁開口に対して半径方向の間隔を置いて配置された単一の噴射孔が存在している。該単一の噴射孔の渦流形成室に、互いに鏡像対称的に配置された円弧状の２つの渦流形成通路が案内されている構成となっている。このような構成では、旋回室へ案内される通路が二つであるために旋回流が均質になっていて、微粒化が向上している。更なる微粒化を図るには多噴孔化が望ましいが、二つの通路が、レイアウト性を低くし、多噴孔化を困難にしている。

特開１９８９－２７１６５６号公報 国際公開第２０１３／０２３８３８号公報

　旋回室に対し二つの対向する流路を設けた方式は、スワール流れの均質性は良好であるが、通路が二つあるためにレイアウト性が低く、多噴孔化による微粒化を図ることが困難であった。よって、レイアウト性が良好でありつつも、均質なスワール流れを生じさせる構造が望まれている。

　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、ソレノイド装置で駆動される弁とこのプランジャの下流側に配置される弁座とを備えている燃料噴射弁において、燃料の流れの均質性を維持しながら、更なる燃料の微粒化を図ることを目的としている。

　本発明による燃料噴射弁は、ソレノイド装置で駆動されるプランジャと、プランジャの下流側に配置され、開口部を有している弁座と、分岐部と導入部と円筒部と旋回部を有する放射状の窪みが上流側に加工され、円筒部の下流側には噴孔が開口されている噴孔プレートと、を備え、導入部は、一端が分岐部と接続され、他端は円筒部および旋回部に接続されており、旋回部は、円筒部を一部取り巻いてから円筒部に外接する終端面で閉じており、この旋回部の終端面は、導入部の中心軸に対して角度θだけ傾いていて、この角度θは、０°以上、４５°以下の範囲に収まっていて、しかも導入部の幅Ｗ１に対する旋回部の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が、０．３以上、０．７以下の範囲に収まっていることを特徴とする。

　本発明に係わる燃料噴射弁は、円筒形状の円筒部と、その外周側に旋回部を設け、噴孔は円筒部の中心に開口しており、旋回部の終端部を円筒部の外周部の終端面Ｌとし、終端面Ｌと導入部の中心軸が成す角度θを0°≦θ≦45°とすることで、円筒部において導入部から直接流入する流れＡと、旋回部を経由して円筒部に流入する流れＢとが対向することになる。また、導入部の幅をＷ１、旋回部の幅をＷ２としたとき、0.3　≦　Ｗ２　/　Ｗ１　≦　0.7とすることで、両者の流れの強さは略均等になる。

　以上により、一方向のみからの流れでスワール流れを形成する場合と比べ、スワール流れが均質なものとなる。その結果、噴孔内壁に形成される燃料液膜厚さが均一になるため、微粒化度合が良好になる。さらに、旋回室に対して二つの独立した対向する流路を設けた方式と比較すると、同等の微粒化効果が得られながらも、コンパクトな形状になっている。これにより、多噴孔化が容易になることから、一つの噴孔あたりの噴射流量が減る。噴射後形成される燃料液膜が薄膜化されることによって、更なる微粒化を図ることが出来る。

実施の形態による燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。 燃料噴射弁の先端部を表す断面図（図２Ａ）と燃料噴射弁の噴孔プレートを表す平面図（図２Ｂ）である。 噴孔プレートに形成された窪みを表す平面図である。 噴孔プレートに形成された、導入部と円筒部と旋回部を表す拡大図である。 角度θ、導入部の幅Ｗ１および旋回部の幅Ｗ２の関係を表している図である。 円筒部と旋回部に発生する２つの燃料流れを示している図である。 終端面Ｌと導入部の中心軸が成す角度θと、微粒化の相関を示した図である。 導入部の幅Ｗ１と旋回部の幅Ｗ２の比と、微粒化の相関を示した図である。 導入部の幅Ｗ１と円筒部の直径Ｄ１の関係を説明している図である。 実施の形態２の燃料噴射弁における２つの燃料流れを示した図である。 実施の形態３による窪みの平面図（図１１Ａ）と断面図（図１１Ｂ）である。 実施の形態３の燃料噴射弁における２つの燃料流れを示した図である。 実施の形態４による噴孔プレートに形成された窪みを表す平面図である。

　本発明の実施の形態に係わる燃料噴射弁について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、燃料噴射弁の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態による燃料噴射弁の断面を示している。燃料噴射弁１００では、燃料供給口から導入された燃料が、燃料噴出口から噴霧状に微粒化されて吐出される。燃料噴射弁１００は、駆動回路１、ソレノイド装置４、ハウジング５、コア６、アーマチュア８、プランジャ９、弁本体１１、弁座１２、噴孔プレート１３などから構成されている。燃料噴射弁１００の駆動回路１には、エンジンの制御装置から動作信号および停止信号が送られてくる。駆動回路１は、これらの信号に従って、ソレノイド装置４に駆動電流を供給し、プランジャ９を駆動する。駆動電流は、アーマチュア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を発生する。弁座１２は、プランジャ９の下流側に配置されている。

　ハウジング５は、磁気回路のヨーク部分に相当する。コア６は、磁気回路の固定鉄心部分に相当する。アーマチュア８は、磁気回路の可動鉄心部分に相当する。ソレノイド装置４は、コイル７および圧縮バネ１６を備えている。プランジャ９は、弁体１０とボール１５とで構成されている。弁本体１１は、コア６の外径部に圧入後、溶接されている。アーマチュア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。噴孔プレート１３には板厚方向に貫通する複数の噴孔１４が設けられている。プランジャ９のボール１５には、複数の面取部が形成されている。

　図２Ａは、燃料噴射弁１００の燃料噴出口（弁体先端部）を拡大した図である。同図には、ボール１５と弁座１２と噴孔プレート１３が表示されている。弁座１２と噴孔プレート１３は、溶接ビード１３ｂで結合されている。弁座１２には、中央部に弁座開口部１２ｂが設けられている。燃料噴射弁１００が閉状態では、プランジャ９のボール１５は、弁座シート部１２ａを押圧している。噴孔プレート１３には板厚方向に貫通する複数の噴孔１４が設けられている。窪み１３ａは、噴孔プレート１３の上流側の一部を窪ませることにより形成されている。図２Ｂは、噴孔プレート１３に形成されている窪み１３ａの形状を表している平面図である。噴孔プレート１３は、放射状の窪み１３ａが上流側に加工されている。複数の噴孔１４は、窪み１３ａと繋がっている。燃料は、弁座開口部１２ｂを通過すると、窪み１３ａに導入され、複数の噴孔１４から噴霧状に噴射される。

　次に燃料噴射弁１００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１００の駆動回路１に動作信号が送られてくると、ソレノイド装置４のコイル７に電流が通電され、アーマチュア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。アーマチュア８は、コア側へ吸引され、アーマチュア８と一体構造である弁体１０が弁座シート部１２ａから離れて、隙間が形成される。燃料は、弁体１０の先端部に溶接されたボール１５の面取部１５ａから弁座シート部１２ａと弁体１０の隙間を通って、複数の噴孔１４から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１００の駆動回路１に動作の停止信号が送られてくると、ソレノイド装置４のコイル７への駆動電流の通電が停止する。コイル電流の減少により、磁気回路中の磁束が減少する。弁体１０を閉弁方向に押している圧縮バネ１６により、ボール１５および弁体１０と弁座シート部１２ａの隙間は閉じ状態となり、燃料噴射が終了する。アーマチュア８および弁体１０は、弁本体１１のガイド部１１ａで摺動し、開弁状態ではアーマチュア８の上面８ａがコア６の下面と当接する。

　噴孔プレート１３の上流側に形成されている窪み１３ａの詳細形状を、図３を用いて説明する。窪み１３ａは、分岐部２と導入部１８と燃料室１７から構成されている。燃料室１７は、噴孔１４を取り巻いている。導入部１８は、弁座開口部１２ｂから燃料室１７へ燃料を導入する。分岐部２から、複数の導入部１８が枝分かれしている。噴孔１４は、燃料室１７に形成されている。燃料は、弁座シート部１２ａに形成されている弁座開口部１２ｂから、分岐部２を経由して導入部１８に進入する。導入部１８の中心軸は、弁座中心から放射状に延びている。分岐部２は、弁座開口部１２ｂの中に納まっている。

　図４は、燃料室１７の構成を詳細に表している。燃料室１７は、円筒形状を有する円筒部１９と、円筒部１９の外周のうち略半周を囲む旋回部２０から構成されている。噴孔１４は、円筒部１９の中心に開口されている。導入部１８は、円筒部１９と旋回部２０の両方に通じている。旋回部２０終端面Ｌは、円筒部１９の外周に外接しており、旋回部２０の終端部となっている。導入部１８は、中心軸３を有する。導入部１８は、一端が分岐部２と接続され、他端は円筒部１９および旋回部２０に接続されている。従って、噴孔プレート１３は、分岐部２と導入部１８と円筒部１９と旋回部２０を有する放射状の窪み１３ａが上流側に加工され、円筒部１９の下流側には噴孔１４が開口されている。旋回部２０は、円筒部１９を一部取り巻いてから円筒部１９に外接する終端面で閉じている。

　次に、図５を使って、燃料室１７と導入部１８の大きさについて説明する。導入部１８は、幅Ｗ１を有している。旋回部２０は幅Ｗ２を有している。角度θは、旋回部２０の終端面Ｌと導入部１８の中心軸３が成す角度を表している。旋回部２０は、外周部が導入部１８の内壁と接することで導入部１８と連続している。旋回部２０の終端部は、円筒部１９の外周部の終端面Ｌになっている。本実施の形態による燃料噴射弁１００では、0.3　≦　Ｗ２　/　Ｗ１　≦　0.7の関係にある。角度θは、0°≦θ≦45°の関係を満足する。

　図６は、噴孔プレート１３に加工されている窪み１３ａで生じる燃料の流れの方向を表している。図には、導入部１８から、円筒部１９および旋回部２０に流入する、２つの代表的な燃料のルートが表示されている。流れ２１は、導入部１８から円筒部１９に直入する流れを表している。これに対し、流れ２２は、導入部１８から旋回部２０を経由する流れを表している。

　本実施の形態による燃料噴射弁１００では、導入部１８から円筒部１９に直入する流れ２１と、導入部１８から旋回部２０を経由する流れ２２が対向して円筒部１９に流れ込む。導入部１８から円筒部１９に直入する流れ２１は、噴孔方向に引き寄せられながら円筒部１９に流れ込んでいる。ここで、均質な旋回流れを作るためには、二つの流れを完全に対向させることが重要になる。

　図７は、終端面Ｌと導入部１８の中心軸３が成す角度θと、微粒化の相関を示した図である。仕様Ａおよび仕様Ｂに対して、噴射後の燃料粒径を測定した結果を表している。終端面Ｌと導入部１８の中心軸が成す角度θの大きさ調整し、旋回部２０を経由する流れ２２が円筒部１９に流れ込む角度を変えることで、二つの流れを完全に対向させることが出来る。終端面Ｌと導入部１８の中心軸が成す角度θの最適値は、円筒部１９の径や旋回部２０の幅Ｗ２、導入部１８の幅Ｗ１などによって異なるが、同図で示すように、どちらの仕様においても、0°≦θ≦45°の範囲において燃料噴霧の微粒化が良好となった。

　図８は、導入部１８の幅Ｗ１と旋回部２０の幅Ｗ２の比Ｗ２　/　Ｗ１と、微粒化の相関を示した図である。対向する二つの流れの強さは、ある程度均等であることが望ましい。旋回部２０を経由する流れの強さは、導入部１８の幅Ｗ１に対する旋回部２０の幅Ｗ２の比Ｗ２　/　Ｗ１によって変わる。同図で示すように、0.3　≦　Ｗ２　/　Ｗ１　≦　0.7の範囲に設定することで、二つの流れの強さのバランスが良好となり燃料噴霧の微粒化が良好になった。

　円筒部１９に流入した対向する二つの燃料流れは噴孔１４へ向かう。燃料噴射弁１００は、噴孔内壁に沿った厚さが均一な薄い液膜を作り出すことによって、微粒化度合が良好かつ、微粒化度合のばらつきの小さい燃料粒子を噴射する。以上のように、対向する二方向からの流れによって旋回流れを作り出すことにより、均質性の高い旋回流が生じるため、噴孔内壁に沿った液膜厚さも均質なものとなる。したがって、一方向からの流れによって旋回流れを作り出す方式と比較すると、燃料液膜の厚さの偏りによる微粒化の低下を解消することが出来るため、微粒化度合が向上している。

　また、旋回室に対して独立した二つの対向流路を設ける方式に対しては、同等の微粒化効果を得られつつも、燃料室の形状が単純な構成となり、レイアウト性が向上している。これにより多噴孔化が容易になるため、エンジンが要求する流量に対して、一つの噴孔あたりに割り当てられる噴射量を減らすことが出来る。噴孔あたりの噴射量が減ることによって、噴孔内壁に沿った液膜厚さは薄くなるため、噴射される燃料粒子の微粒化度合は更に良好なものとなる。

　すなわち、本実施の形態に係る燃料噴射弁は、弁座を開閉するための弁体を有し、制御装置より動作信号を受けて弁体を動作させることにより、燃料が弁体と弁座シート部の間を通過後、弁座下流側の弁座開口部に装着された噴孔プレートに複数設けられた噴孔から噴射される燃料噴射弁である。噴孔プレートの上流側端面を窪ませる形で、複数の燃料室と、弁座開口部から燃料室へ燃料を導入する導入部が形成されており、燃料室は、円筒形状の円筒部と、旋回部から構成されており、噴孔は円筒部の中心に開口している。

　旋回部は円筒部の外周部のうち略半周を囲んでおり、導入部の幅をＷ１、旋回部の幅をＷ２としたとき、0.3　≦　Ｗ２　/　Ｗ１　≦　0.7　の関係にある。また、旋回部は外周が導入部の内壁と接することで導入部と連続しており、円筒部の外周部の終端面Ｌが旋回部の終端部となっている。終端面Ｌと導入部の中心軸が成す角度θは、0°≦θ≦45°の関係にあることを特徴とする。

実施の形態２．
　図９は、実施の形態２に係る燃料噴射弁１００における窪み１３ａを示している。円筒部１９は、直径Ｄ１を有している。均質な旋回流れを作るためには、導入部１８から円筒部１９に直入する流れ２１および、導入部１８から旋回部２０を経由する流れ２２が、円筒部１９に形成される旋回流れと衝突せずにスムーズに円筒部１９に流れ込むことが望ましい。すなわち、それぞれの流れの円筒部１９への流入領域を、円筒部の半径Ｄ１／２よりも小さくする必要がある。

　本実施の形態に係る燃料噴射弁１００では、図１０で示すように、導入部１８から円筒部１９に直入する領域は幅Ｗ１－Ｗ２を有し、旋回部２０を経由する流れが円筒部１９に流入する領域は幅Ｗ２を有している。それぞれの流入領域が円筒部１９の半径Ｄ１／２よりも小さくなるようにすれば、それぞれの流れは円筒部１９に形成される旋回流れと衝突することなく円筒部１９へ流れ込む。

　よって、円筒部１９の直径をＤ１、導入部１８の幅をＷ１、旋回部２０の幅をＷ２としたとき、　Ｗ１－Ｗ２≦Ｄ１／２、Ｗ２≦Ｄ１／２とすることで、それぞれの流れは円筒部に形成される旋回流れと衝突することなく、スムーズに円筒部１９で旋回流れを生み出すことが出来る。これにより、旋回流れの均質度が向上するため、噴射される燃料粒子の微粒化度合は更に良好になる。

実施の形態３．
　図１１Ａは、実施の形態３に係る燃料噴射弁における窪み１３ａの平面図を示している。図１１Ｂは、実施の形態３に係る燃料噴射弁における窪み１３ａの断面図を示している。実施の形態１、２の構成では、円筒部に流入した流れが噴孔１４に直入するため、旋回が不十分な状態で燃料が噴射されて、液膜の薄膜化が十分に行われない可能性がある。そこで実施の形態３では、円筒部１９の底面を、導入部１８および旋回部２０の底面よりも深くしている。これにより、導入部１８から円筒部１９に直入する流れ２１と、導入部１８から旋回部２０を経由する流れ２２は、円筒部へ流入後に円筒部の底面に向かうため、噴孔方向へ引き寄せられる流れが緩和される。

　図１２は、本実施の形態に係る窪み１３ａで生じる燃料の流れを表している。図には、導入部１８から、円筒部１９および旋回部２０に流入する、２つの燃料のルートが表示されている。同図で示すように、燃料は二つの流れによって円筒部１９で十分な旋回流れを作った後に噴孔内へ流入することから、噴孔内壁に作られる燃料液膜は更に薄膜化され、噴射される燃料粒子の微粒化度合は更に良好になる。

実施の形態４
　実施の形態１～３では、導入部１８を、弁座の中心を基点とした放射状の直線形状としているが、発明の要旨を逸脱しない範囲で湾曲形状に変更しても同様の効果を得る事が出来る。例えば、整流を目的として導入部を延長するために、屈折した導入部の形状としても同様の効果を奏する。具体的には、図１３で示すように、導入部１８は屈折部１８ａを有している。

　なお、本発明は、その発明の範囲内において、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　駆動回路、２　分岐部、３　中心軸、４　ソレノイド装置、５　ハウジング、６　コア、７　コイル、８アーマチュア、９　プランジャ、１０　弁体、１１　弁本体、１２　弁座、１２ａ　弁座シート部、１３　噴孔プレート、１４　噴孔、１５　ボール、１６　圧縮バネ、１７　燃料室、１８　導入部、１９　円筒部、２０　旋回部、２１　流れ、２２　流れ、１００　燃料噴射弁

Claims (5)

1. 　ソレノイド装置で駆動されるプランジャと、
   前記プランジャの下流側に配置され、開口部を有している弁座と、
   分岐部と導入部と円筒部と旋回部を有する放射状の窪みが上流側に加工され、前記円筒部の下流側には噴孔が開口されている噴孔プレートと、を備え、
   前記導入部は、一端が前記分岐部と接続され、他端は前記円筒部および前記旋回部に接続されており、
   前記旋回部は、前記円筒部を一部取り巻いてから前記円筒部に外接する終端面で閉じており、
   この旋回部の終端面は、前記導入部の中心軸に対して角度θだけ傾いていて、
   この角度θは、０°以上、４５°以下の範囲に収まっていて、しかも
   前記導入部の幅Ｗ１に対する前記旋回部の幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が、０．３以上、０．７以下の範囲に収まっていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 　前記円筒部の半径は、前記導入部の幅Ｗ１と前記旋回部の幅Ｗ２の差よりも大きいかまたは等しくて、しかも、前記旋回部の幅Ｗ２よりも大きいかまたは等しいことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 　前記円筒部の深さは、前記導入部の深さおよび前記旋回部の深さよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
4. 　前記導入部は、直線状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 　前記導入部は、屈折部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。

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