JP2013185522A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射目標範囲に応じて燃料噴射の分布を設定することができる燃料噴射弁を提供すること。
【解決手段】 燃料噴射目標範囲の形状に応じて、燃料噴射孔の出口の燃料の液膜の厚さ分布を設定することとした。
【選択図】 図５

Description

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、スワール室が形成された通路プレートと、スワール室に開口する燃料噴孔が形成されたインジェクタプレートとが弁座部材に溶接されているものが開示されている。

特開２００３−３３６５６２号公報

上記特許文献１に記載の技術では、燃料噴孔出口が円形に形成されているため、燃料噴孔から噴射された燃料は円錐状に広がる。そのため、燃料噴射目標範囲が円形状でない場合、その範囲に十分に燃料を噴射することができないおそれがあった。
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、燃料噴射目標範囲に応じて燃料噴射の分布を設定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、燃料噴射目標範囲の形状に応じて、燃料噴射孔出口の燃料の液膜の厚さ分布を設定することとした。

本発明により、燃料の噴霧形状を円形以外にすることができる。

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のノズルプレートを軸方向一端側（上流側）から見た平面図である。 実施例１のスワール室および燃料噴射孔部分の拡大図である。 実施例１の燃料噴射孔内を旋回する燃料の様子を示す図である。 実施例１の燃料噴射孔入口の燃料液膜を示す図である。 実施例１の燃料噴射孔出口の燃料液膜を示す図である。 比較例の噴射先の燃料の分布量を示す等量線である。 実施例１の噴射先の燃料の分布量を示す等量線である。 実施例１のシリンダ内での燃料の流れを説明する図である。 実施例１のシリンダ内での燃料の流れを説明する図である。 実施例１の燃料を噴射する範囲について示した図である。 他の実施例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。 他の実施例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〕
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、吸気ポート49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44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の大部分は樹脂カバー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を軸方向一端側（上流側）から見た平面図である。ノズルプレート8の構成について、図２、図３を用いて説明する。なお図２のノズルプレート8の断面は、図３に示すA-A断面を示している。
ノズルプレート8の一端側側面にはスワール室41と中央室42が形成されている。スワール室41は２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、接続部分に中央室42が形成されている。連通路45の先にはスワール付与室46が形成され、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。スワール付与室46は内側面と底部とを有する有底円形凹状に形成されているおり、底部には貫通孔である燃料噴射孔44が形成されている。
各燃料噴射孔44は円筒形に穿設できる工具によって、ノズルプレート8の軸方向に対して斜め方向に穿設されている。これにより各燃料噴射孔44は、ノズルプレート8の軸方向に垂直な断面において楕円形状となっている。

［作用］
（開弁時の燃料の流れ）
図４はスワール室41および燃料噴射孔44部分の拡大図であり、燃料噴射孔44から燃料が噴射される様子を示している。
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薄い液膜状態で円錐状に広がる。その後、液膜状態の燃料が分離して微粒化した液滴となる。
これにより燃料の気化を促進することができ、特に低温始動時の窒素酸化物等の発生を低減することができる。

（燃料の噴射範囲）
図５は燃料噴射孔44内を旋回する燃料の様子を示す図である。図６は燃料噴射孔44の入口44aの燃料液膜を示す図である。図７は燃料噴射孔44の出口44bの燃料液膜を示す図である。
スワール付与室46内を旋回した燃料は燃料噴射孔44の周壁に沿って液膜が形成される。燃料の旋回中心には空気が進入して空洞が形成される。このとき、燃料噴射孔入口44aの燃料の液膜分布と燃料噴射孔出口44bの燃料の液膜分布が異なる。すなわち、図６に示す燃料噴射孔入口44aの液膜の厚さの偏りに対して、図７に示す燃料噴射孔出口44bの液膜の厚さの偏りは大きくなる。言い換えると、図６に示す燃料噴射孔入口44aの液膜の厚さaとbとの差に対して、図７に示す燃料噴射孔出口44bの液膜の厚さaとbとの差は大きくなる。
液膜が円量噴射出口44bから噴射されると、図７に一点鎖線で示した範囲の液膜は、点線で示す位置に飛び出す。すなわち、出口44bにおける液膜の偏りは噴射先の燃料の偏りとなる。

図８および図９は噴射先の燃料の分布量を示す等量線である。図８は燃料噴射孔出口44bの液膜の厚さを周上で均一としたときの等量線、図９は実施例１の燃料噴射弁1により燃料を噴射したときの等量線である。
図８に示すように、燃料噴射孔出口44bの液膜の厚さを周上で均一としたときには、燃料は略円形状に分布し、燃料の分布量は中心付近が最も多い。一方、図９に示すように、実施例１の燃料噴射弁1により燃料噴射孔出口44bの液膜の厚さを周上で不均一としたときには、燃料は三日月状に分布し、燃料の分布量が最も多い位置は中心付近から離れている。つまり、燃料噴射孔出口44bの液膜の厚さを周上で不均一とすることにより、燃料の噴射範囲を円形以外とするとこができる。

（燃料噴射目標範囲）
従来、燃料噴孔はノズルプレートの軸方向と平行に穿設されており、燃料噴射孔出口は円形に形成されているため、燃料噴孔から噴射された燃料は円錐状に広がる。しかし、燃料の噴射目標範囲が円形状でない場合には、その範囲に十分に燃料を噴射することができないおそれがあった。
ここで、燃料の噴射目標範囲が円形状でない場合の例を示す。
図１０および図１１は燃料噴射弁1からインテークマニホールド49内に燃料を噴射する位置による、シリンダ56内での燃料の流れを説明する図である。図１０はバルブ50の外側（点火プラグ57から遠い位置）に燃料を噴射したときのシリンダ56内の燃料の流れを示す図、図１１はバルブ50の内側（点火プラグ57から近い位置）に燃料を噴射したときのシリンダ56内の燃料の流れを示す図である。

図１０に示すように、バルブ50の外側に燃料を噴射したときにはシリンダ56の壁に向かって燃料が噴射されるためシリンダ56の壁に燃料が付着しやすく、付着した燃料は燃焼に寄与しにくく、良い燃焼を得ることができない。
一方、図１１に示すように、バルブ50の内側に燃料を噴射したときにはシリンダ56の壁から離れた位置に燃料が噴射されるためシリンダ56の壁に燃料が付着しにくく、また点火プラグ57の近辺に燃料を集めやすいため、良い燃焼を得ることができる。
すなわち良い燃焼を得るためには、バルブ50の内側に燃料を噴射したい。図１２は燃料を噴射する範囲について示した図である。バルブ50の内側に燃料を噴射する際、図１２にドットの範囲に示すようにバルブ50の周に沿って三日月状の範囲に燃料を噴射する必要がある。
そこで、実施例１の燃料噴射弁1のように、燃料噴射孔44を円形の工具によってノズルプレート8の軸方向に対して斜め方向に穿設することにより、燃料は図９に示すように三日月状に分布し、燃料の噴射目標範囲に十分に燃料を噴射することができる。

〔効果〕
実施例１の燃料噴射弁1の効果について以下に列記する。
（１）摺動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が一端側に形成された弁座部材7と、弁座部材7の他端側に形成され、燃料にスワールを付与する複数のスワール付与室46と、各スワール付与室46に連通してスワールが付与された燃料を噴射する燃料噴射孔44を形成したノズルプレート8と、を設け、燃料を噴射する位置の形状に応じて、燃料噴射孔出口44bの燃料の液膜の厚さ分布を設定するようにした。
よって、燃料の噴射範囲を円形以外にすることができる。
（２）燃料噴射孔44の断面を楕円状に形成するようにした。
よって、燃料噴射孔出口44bにおける燃料の液膜の厚さ分布に偏りを持たせることができる。

〔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。
図１３および図１４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。
実施例１の燃料噴射弁1ではスワール室41を２つ形成したが、図１３、図１４に示すようにスワール室41を４つ形成しても良いし、それ以上形成しても良い。またスワール室41を４つ形成した場合、スワール付与室46の向きは図１３に示すように互いに外側を向くようにしても良いし、図１４に示すように互いに内側を向くようにしても良い。
また実施例１では、燃料噴射孔44を、ノズルプレート8の軸方向に対して傾斜して形成することにより、燃料噴射孔出口44bにおける燃料の液膜の厚さ分布に偏りを持たせるようにしたが、他の構成により燃料噴射孔出口44bにおける燃料の液膜の厚さ分布に偏りを持たせるようにしても良い。
また実施例１では燃料の噴射分布を三日月状にしたが、燃料噴射目標範囲に応じて適宜設定しても良い。

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
44b 燃料噴射孔出口
46 スワール付与室

Claims (2)

1. 摺動可能に設けられた弁体と、
   閉弁時に前記弁体が座る弁座が一端側に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、燃料にスワール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スワール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、
   を設け、
   燃料噴射目標範囲の形状に応じて、前記燃料噴射孔の出口の燃料の液膜の厚さ分布を設定することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔は楕円に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。

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