JP2002266722A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 旋回素子を用いた旋回成分の付与による適切
な噴霧の形成と針弁リフト量の可変制御による噴射量の
高精度な制御とを両立させる。 【解決手段】 針弁１の外周に、針弁１の接線方向に向
かう燃料通路２２を備えた旋回素子３が配設されてお
り、その出口開口部が２２ａが針弁１の外周面１ａに臨
んでいる。閉弁時には、針弁１の外周面１ａによって出
口開口部２２ａ全体が覆われている（Ａ）。針弁１がリ
フトして噴孔１２が開くと、燃料通路２２を通して燃料
が流れ、噴孔１２から旋回成分を伴って噴射されるが、
フルリフトであれば、（Ｃ）のように、出口開口部２２
ａ全体が開放されるのに対し、リフト量が低リフトに制
限されているときには、（Ｂ）のように、出口開口部２
２ａが外周面１ａによって部分的に覆われ、実質的な通
路面積が狭められるので、流速低下が回避され、旋回成
分が十分に強く付与される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば筒内直接
噴射式４サイクル火花点火内燃機関に好適な燃料噴射弁
に関し、特に、燃料噴霧の適宜な噴霧角を確保するため
に、噴孔を通流する燃料流れに旋回成分を付与するよう
にした燃料噴射弁の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃料噴射弁の一つとして、噴
孔内に旋回流を生起させることで、噴霧角を拡げ、かつ
噴射燃料の微粒化を促進するようにした燃料噴射弁、い
わゆるスワール噴射弁が、従来から知られている。

【０００３】この旋回流の生成方法として代表的なもの
は、噴孔の上流側において針弁の外周に旋回素子（いわ
ゆるスワラ）を配置したものであって、この旋回素子に
は、噴孔に対し偏心した方向へ向かう複数本の燃料通路
が、例えば凹溝状に形成されており、これらの燃料通路
を通して噴孔の略接線方向から燃料が流れ込むことによ
って、旋回成分を付与するようになっている。

【０００４】一方、電磁式燃料噴射弁における燃料噴射
量を、微小流量から大流量まで広い範囲に亘って一層精
度良く制御するために、燃料噴射時における針弁リフト
量を複数段階ないしは連続的に可変制御する技術が、例
えば特開平５−３２１７８６号公報などによって、提案
されている。なお、この公報に記載の燃料噴射弁は、や
はり針弁の外周に旋回素子を具備し、噴霧に旋回成分を
付与するスワール噴射弁の構成となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような旋回素子
を用いたスワール噴射弁に、針弁リフト量を可変制御す
る技術を適用した場合に、リフト量の大きな高リフト制
御時に比較して、リフト量が小さな低リフト制御時の噴
孔内の旋回流強さが大幅に低下し、その結果、低リフト
制御時に、所望の噴霧角と燃料微粒化とを達成できなく
なる、という問題が生じる。以下、これを、図２，図３
を参照してより詳しく説明する。

【０００６】図２は、一般的な電磁式のスワール噴射弁
において、噴射パルス時間を変化させた場合の流量特性
を示している。噴孔内の燃料流れに旋回成分を付与する
ことで噴霧を形成するスワール噴射弁においては、噴孔
内に、燃料が旋回することで空洞が生じ、噴孔部分の実
開口面積が小さくなる。その結果、流量は、噴孔部分が
絞りとなり、ある一定以上のリフト量では、リフト量変
化に伴う流量変化は小さくなる。つまり、図２に示すよ
うに、リフト量を、Ａ（小）、Ｂ（中）、Ｃ（大）の３
段階に変化させた場合に、リフト量をＢ（中）からＣ
（大）へと大きくしても、流量の変化量は小さい。これ
に対し、リフト量をＢ（中）からＡ（小）へと小さくす
ると、流量変化量は大きい。これは、リフトが小さい
と、針弁と弁座面との間の通路面積が小さくなり、ここ
が流量を規制するためである。すなわち、流量をリフト
量によって大きく変化させようとする場合には、噴孔部
分における実開口面積に対して、針弁と弁座面との間の
通路面積を十分に小さく設定する必要がある。なお、低
リフト量とすることで、最小噴射パルス幅を短くするこ
とが可能となるので、特性Ａのように、最小噴射量はさ
らに小さくなる。

【０００７】一方、リフト量を小さくすると、図３に示
すように、噴霧角が小さくなる。なお、図中のリフト量
Ａ，Ｂ，Ｃは、図２のリフト量に対応している。上述し
たように低リフト時は針弁と弁座面との間の通路面積が
小さくなって絞りとなるので、この絞りとなる位置より
も上流の圧力が高くなる。そのため、上流側に配置され
ている旋回素子における凹溝状の燃料通路の前後圧力差
が小さくなり、この燃料通路を流れる燃料の流速が低下
する結果、十分な旋回成分が付与されずに噴霧角が小さ
くなってしまう。つまり、例えば図のＡ〜Ｂの間でリフ
ト量を変化させるとすると、噴霧角が大きく変化するこ
とになる。なお、同様の理由により、リフト量が一定の
条件下で、旋回素子の燃料通路の通路面積を変化させる
と、図４のように噴霧角が変化する。

【０００８】このように、噴射量制御のためにリフト量
を可変にするに際して、流量の変化量を大きく確保する
ことと、良好な噴霧の形成とは、トレードオフの関係と
なり、両立させることが困難であった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に係る発明は、噴孔に対し偏心した方向
へ向かう燃料通路が形成された旋回素子を針弁の外周に
配置して、噴孔内の燃料流れに旋回成分を付与するよう
にした燃料噴射弁において、上記針弁のリフト量を変化
させるリフト量制御手段と、この針弁のリフト量の変化
に応じて上記旋回素子の上記燃料通路の通路面積を変化
させる通路面積制御手段と、を備え、上記旋回素子にお
ける上記燃料通路の総通路面積が、リフトした針弁と弁
座面との間の通路面積に対し常に略同等以下となるよう
に構成されていることを特徴としている。

【００１０】図４に示したように、リフト量が一定の場
合に、旋回素子の燃料通路の通路面積を大きくすると、
燃料の流速が低下する結果、噴霧角は小となり、逆に通
路面積を小さくすれば、燃料の流速が高くなって、噴霧
角が大となる。

【００１１】図５は、旋回素子における燃料通路の通路
面積（燃料通路が複数の場合には総通路面積）とリフト
量（針弁と弁座面との間の通路面積に対応する）とに対
する噴霧角の変化を示している。なお、図中の直線Ｍ
は、旋回素子の燃料通路の総通路面積と針弁と弁座面と
の間の通路面積とが互いに等しい線を示す。この図に示
すように、ある旋回素子の燃料通路面積に対して、リフ
ト量を大きくしていくと、噴霧角も増加していくが、針
弁と弁座面との間の通路面積が旋回素子の燃料通路面積
と略等しくなると、リフト量をさらに増やしても、噴霧
角は実質的に一定となる。これは、旋回素子の燃料通路
面積に対して針弁と弁座面との間の通路面積が大きくな
ると、前述した針弁と弁座面との間の通路が絞りとなる
ことによる影響が殆どなくなるためである。そして、旋
回素子の燃料通路面積が小さいほど噴霧角は大となる。
従って、上記リフト量制御手段によってリフト量を小さ
くする場合には、これに対応して、上記通路面積制御手
段によって旋回素子の燃料通路面積を小さくすることに
より、燃料通路内での流速を十分に高く維持でき、噴霧
角の低下を回避できる。特に、旋回素子の燃料通路の総
通路面積が、リフト量に対応する針弁と弁座面との間の
通路面積以下で、かつ両者がなるべく等しいものとなる
図５の直線Ｍ付近に保つことが、より少ないリフト量で
流量と噴霧角とを良好に制御できることになり、効果的
である。

【００１２】この請求項１の発明をより具体化した請求
項２の発明では、上記通路面積制御手段は、燃料通路の
出口開口部が針弁の外周面に臨んで位置し、針弁のリフ
ト量に応じて上記出口開口部が上記外周面により部分的
に覆われることで、燃料通路の通路面積を変化させる構
成となっていることを特徴としている。

【００１３】この構成では、閉弁時には、旋回素子の燃
料通路の出口開口部が、針弁の外周面によって実質的に
塞がれている。そして、針弁がリフトすると、針弁先端
側の小径部ないしは凹部に上記出口開口部が開放され、
燃料が通流するようになるが、針弁のリフト量に応じ
て、出口開口部が部分的に覆われ、該燃料通路の実質的
な通路面積がリフト量に応じて得られる。

【００１４】請求項２の発明をさらに減縮した請求項３
の発明では、上記出口開口部は、針弁の中心軸に対し直
交する方向の幅寸法が、針弁のリフト方向に沿って徐々
に大となるように形成されている。上述したように、上
記出口開口部は、リフト量が小さいと針弁の外周面によ
って大きく覆われた状態となり、リフト量が大きいと、
覆われる面積が小さくなるが、上記のように幅寸法が高
リフトほど大となるように形成されていると、リフト量
の変化に対する開口面積変化が大となる。

【００１５】また、請求項４の発明では、上記リフト量
制御手段は、上記針弁と平行に摺動可能に構成されると
ともにノズルボディに当接して位置決めされる第１スト
ッパと、この第１ストッパを上記ノズルボディへ向けて
付勢する第１スプリングと、上記針弁を常時閉方向へ付
勢する第２スプリングと、上記第１ストッパに所定の間
隙を介して対向するように上記針弁の中間部に形成され
た受け部と、上記針弁の一部と当接してフルリフト量を
規制する第２ストッパと、を備え、高低２段階にリフト
量を変化させるように構成されている。つまり、針弁が
リフトしたときに、まず、第１ストッパに当接し、針弁
のリフト方向への力が比較的小さければ、この第１スト
ッパにより、リフト量が低リフトに規制される。針弁の
リフト方向への力が、第１，第２スプリングのばね力を
含む閉弁力を上回れば、針弁は第１ストッパとともにさ
らにリフトするので、第２ストッパにより規制される高
リフトに達する。

【００１６】この請求項４の発明を具体化した請求項５
の発明では、上記針弁を吸引するコイルへの電流制御に
より、上記第１ストッパにより規定される低リフトと、
上記第２ストッパにより規定される高リフトと、が切り
換えられる。

【００１７】

【発明の効果】この発明によれば、旋回素子を用いて噴
霧角の拡大および噴霧の微粒化を図った燃料噴射弁にお
いて、噴射量の高精度な制御のために針弁リフト量の可
変制御を適用した場合に問題となる低リフト時の噴霧角
の低下および微粒化の悪化を回避することができる。つ
まり、旋回成分の付与による適切な噴霧の形成と針弁リ
フト量の可変制御による噴射量の高精度な制御とを両立
させることが可能となる。

【００１８】特に、請求項２の発明によれば、針弁自体
を利用して旋回素子の燃料通路面積を機械的に可変制御
することができ、極めて簡単な構成でもって、低リフト
時の旋回流強さの低下を回避することが可能となる。

【００１９】さらに請求項３の発明によれば、リフト量
の変化に対する開口面積変化が大となり、低リフト時に
通路面積を十分に小さくして強い旋回成分を付与するこ
とが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００２１】図１は、この発明に係る筒内直接噴射式内
燃機関用の電磁式燃料噴射弁を示している。図示するよ
うに、針弁１は、ノズルボディ２内に摺動可能に配設さ
れており、先端部がノズルボディ２先端中心の噴孔１２
を開閉している。ノズルボディ２内の先端部には、上記
針弁１の外周を囲むように、後述する旋回素子３が取り
付けられている。上記ノズルボディ２の基端側には、カ
ップ状をなす第１ストッパ４が摺動可能に配設されてい
る。この第１ストッパ４は、ノズルボディ２に摺動可能
に嵌合しており、第１スプリング５によってノズルボデ
ィ２のフランジ部２ａに押し付けられている。針弁１
は、第２スプリング６のばね力によって閉方向へ付勢さ
れているが、中間部に大径となった受け部１３が形成さ
れており、この受け部１３と上記第１ストッパ４との間
に、低リフト時のリフト量に相当する第１間隙Δ１が設
けられている。

【００２２】上記ノズルボディ２は、ノズルナット１１
によって、磁性体からなるノズルホルダ９に固定されて
おり、該ノズルホルダ９の端部に燃料入口１４が形成さ
れているとともに、該ノズルホルダ９内部にコイル１０
が配置されている。上記第１ストッパ４を貫通した上記
針弁１の基端部には、上記コイル１０の磁力を受けるよ
うに、磁性体からなるアーマチュア７が固定されてい
る。上記アーマチュア７の端面は、ノズルホルダ９に形
成された第２ストッパ８に対向しており、両者間に、針
弁１のフルリフト量に相当する第２間隙Δ２が設けられ
ている。

【００２３】従って、コイル１０により発生する磁力が
十分に大きい場合には、針弁１は、第１ストッパ４に当
接した後も、該第１ストッパ４とともにリフトし、フル
リフトに至る。しかし、コイル１０により発生する磁力
が比較的小さい場合には、針弁１は、第１ストッパ４に
よってリフトが規制され、第１間隙Δ１により定まる低
リフト状態となる。

【００２４】上記旋回素子３は、図７〜図９に示すよう
に、ノズルボディ２の内周面に密に嵌合する円筒状をな
し、かつ内周面は、針弁１の外周面１ａにごく僅かな間
隙を介して近接している。そして、ノズルボディ２内周
面と接する外周面に、軸方向に沿った燃料導入溝２１が
凹設されているとともに、この燃料導入溝２１に交差す
るように、ノズルボディ２の底面と接する端面に、内周
面に至る燃料通路２２が溝状に凹設されている。この燃
料通路２２は、直線状をなし、かつ噴孔１２に対し偏心
した方向へ向かうように、換言すれば針弁１の接線方向
に沿って形成されている。これにより、燃料導入溝２１
および燃料通路２２を通って噴孔１２へ流れ込む燃料の
流れは、旋回成分を有するものとなる。また、上記燃料
通路２２の出口開口部２２ａは、針弁１の外周面１ａに
臨んでおり、閉弁時には、該外周面１ａによって実質的
に閉塞されている。この実施例では、上記燃料通路２２
は、図９のように、矩形の断面形状を備えており、出口
開口部２２ａも同様の形状となっている。上記燃料通路
２２および燃料導入溝２１は、複数本、例えば９０度間
隔で４箇所に設けられている。

【００２５】また、上記針弁１は、図７に示すように、
先端の円錐形部分におけるシート線２３が噴孔１２上流
の弁座面２４に着座するようになっているが、上記シー
ト線２３は上記外周面１ａよりも小径となっており、こ
の小径部分と上記外周面１ａとの境界、つまり外周面１
ａの端縁２５が、閉弁時には、ちょうどノズルボディ２
の底面の高さ位置に位置するようになっている。

【００２６】次に、上記実施例の作用を図６を参照して
説明する。

【００２７】図６の（Ａ）に示すように、まず閉弁時に
は、針弁１の外周面１ａによって燃料通路２２の出口開
口部２２ａ全体が覆われている。なお、この状態では、
噴孔１２が閉じているので、燃料は流れない。

【００２８】そして、針弁１がリフトして噴孔１２が開
くと、燃料通路２２を通して燃料が流れ、噴孔１２から
旋回成分を伴って噴射されることになるが、リフト量が
フルリフトであれば、図６の（Ｃ）のように、出口開口
部２２ａ全体が開放される。

【００２９】これに対し、リフト量が低リフトに制限さ
れているときには、図６の（Ｂ）に示すように、針弁１
の外周面１ａの端縁２５が出口開口部２２ａと交差し、
該出口開口部２２ａが外周面１ａによって部分的に覆わ
れた状態となる。従って、燃料通路２２の実質的な通路
面積が狭められ、ここを流れる燃料の流速低下が回避さ
れて、旋回成分を十分に強く付与することができる。な
お、前述したように、この低リフト時における旋回素子
３の総通路面積が、針弁１と弁座面２４との間の通路面
積と略同等ないしはそれ以下となるように、燃料通路２
２の寸法等が設定されている。

【００３０】図９に示したような燃料通路２２の断面形
状の場合には、図１２の特性ａのように、基本的に、リ
フト量に比例した形で通路面積が変化することになる。

【００３１】これに対し、上記燃料通路２２の断面形状
ひいては出口開口部２２ａの形状を、図１０あるいは図
１１に示すように、台形状とすることもできる。つま
り、出口開口部２２ａの開口形状としては、その幅寸法
が、針弁１のリフト方向に沿って徐々に大となってい
る。このような構成とすれば、図１２の特性ｂのよう
に、リフト量の変化に対する通路面積の変化が大とな
る。従って、リフト量の僅かな減少に対して、通路面積
を十分に狭めることができる。

【００３２】図１３は、上記のような燃料噴射弁におい
て、リフト量の２段階制御を実現するための電流制御を
説明するもので、低リフトに制御する際の印加電流波形
とフルリフトとする際の印加電流波形とを対比して示し
ている。図示するように、低リフト時の電流波形は、燃
圧による閉弁力と第１スプリング５の付勢力とに打ち勝
って開弁できるだけの立ち上がり電流波形を与え、その
後、短時間で低電流に保持する。このような電流制御に
より、第２スプリング６の付勢力に打ち勝ってフルリフ
トに達してしまうことがないようにする。一方、フルリ
フト（高リフト）時には、さらに大きな立ち上がり電流
を与え、燃圧による閉弁力と第１、第２スプリング５，
６の付勢力とに打ち勝って、フルリフトに達するように
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る燃料噴射弁の一実施例を示す断
面図。

【図２】一般的なリフト量と流量特性との関係を示す特
性図。

【図３】従来の燃料噴射弁におけるリフト量と噴霧角と
の関係を示す特性図。

【図４】リフト量を一定とした場合の旋回素子の通路面
積と噴霧角との関係を示す特性図。

【図５】リフト量と旋回素子の通路面積とが噴霧角に与
える影響をまとめて示す特性図。

【図６】この発明の実施例における針弁による通路面積
制御作用の説明図。

【図７】旋回素子および針弁の要部拡大図。

【図８】図７のＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図９】図７のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図１０】他の実施例を示す図９と同様の断面図。

【図１１】さらに他の実施例を示す図９と同様の断面
図。

【図１２】リフト量と通路面積との関係を示す特性図。

【図１３】リフト量を２段階に制御するための印加電流
を示す波形図。

【符号の説明】

１…針弁 ３…旋回素子 ４…第１ストッパ ５…第１スプリング ６…第２スプリング ８…第２ストッパ ２２…燃料通路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 噴孔に対し偏心した方向へ向かう燃料通
   路が形成された旋回素子を針弁の外周に配置して、噴孔
   内の燃料流れに旋回成分を付与するようにした燃料噴射
   弁において、 上記針弁のリフト量を変化させるリフト量制御手段と、 この針弁のリフト量の変化に応じて上記旋回素子の上記
   燃料通路の通路面積を変化させる通路面積制御手段と、 を備え、 上記旋回素子における上記燃料通路の総通路面積が、リ
   フトした針弁と弁座面との間の通路面積に対し常に略同
   等以下となるように構成されていることを特徴とする燃
   料噴射弁。
2. 【請求項２】 上記通路面積制御手段は、燃料通路の出
   口開口部が針弁の外周面に臨んで位置し、針弁のリフト
   量に応じて上記出口開口部が上記外周面により部分的に
   覆われることで、燃料通路の通路面積を変化させる構成
   となっていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射
   弁。
3. 【請求項３】 上記出口開口部は、針弁の中心軸に対し
   直交する方向の幅寸法が、針弁のリフト方向に沿って徐
   々に大となるように形成されていることを特徴とする請
   求項２記載の燃料噴射弁。
4. 【請求項４】 上記リフト量制御手段は、上記針弁と平
   行に摺動可能に構成されるとともにノズルボディに当接
   して位置決めされる第１ストッパと、この第１ストッパ
   を上記ノズルボディへ向けて付勢する第１スプリング
   と、上記針弁を常時閉方向へ付勢する第２スプリング
   と、上記第１ストッパに所定の間隙を介して対向するよ
   うに上記針弁の中間部に形成された受け部と、上記針弁
   の一部と当接してフルリフト量を規制する第２ストッパ
   と、を備え、高低２段階にリフト量を変化させるように
   構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   かに記載の燃料噴射弁。
5. 【請求項５】 上記針弁を吸引するコイルへの電流制御
   により、上記第１ストッパにより規定される低リフト
   と、上記第２ストッパにより規定される高リフトと、が
   切り換えられることを特徴とする請求項４記載の燃料噴
   射弁。