JP3907627B2

JP3907627B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP3907627B2
Application number: JP2004012049A
Authority: JP
Inventors: 範久福冨; 直也橋居
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: JP2005207246A

Description

本発明は、燃料噴射装置に関し、詳しくは自動車用エンジンなどの内燃機関に燃料を噴射するための燃料噴射装置に関するものである。

後記の特許文献１から、噴射ノズル、特に自動車のディーゼル噴射システム用の噴射ノズルであって、噴射ノズルを貫通する少なくとも一つの噴射通路を有している形式のものにおいて、噴射ノズル（１０）が、形状接続で内外に係合し、套面（２０，２４）において接触する二つのノズル部分（１２，１４）から形成されており、前記套面（２０，２４）の少なくとも一方に噴射通路（２６）が縁の開いた凹部（２８）として構成されている噴射ノズルは後記の特許文献１から従来公知である。

なお上記のノズル部分１４は、同特許文献１の図１に示されているように、截頭円錐形を呈し、その截頭円錐面がノズル部分１２の貫通開口１８と同レベルとなるようにノズル部分１２内に設置されている。

ところで、特許文献１の技術のようにノズル部分１４の截頭円錐面がノズル部分１２の貫通開口１８と同レベルとなるように設置されていると、ノズル部分１４の側斜面（特許文献１の套面２４に相当）に設けられた複数の噴射通路２６の形状や寸法などにバラツキがあると、貫通開口１８での噴射流量の調整が困難となる問題がある。
特開平８−２５４１６８号公報（請求項１、段落番号９、図１）

本発明において解決しようとする課題は、上記従来技術における問題に鑑みて、スプレーチップに形成された複数の燃料通路となる溝の形状や寸法などに多少のバラツキがあっても、燃料噴射の均一性が改善された燃料噴射装置を開発することにある。

本発明の燃料噴射装置は、ニードル弁の離着座により開閉されると共に燃料の進行方向に沿って内径が漸次増大する截頭円錐状の円錐状内面部を有するバルブシート、上記円錐状内面部と接触する側斜面と上記側斜面に設けられて燃料通路となる複数の溝を有する截頭円錐形のスプレーチップを備えた燃料噴射装置であって、上記スプレーチップは、その截頭面が上記円錐状内面部の截頭位置より燃料流の上流側に突出していることを特徴とするものである。

上記スプレーチップをその截頭面が上記円錐状内面部の截頭位置より燃料流の上流側に突出するように設置することにより、上記円錐状内面部に装着される上記スプレーチップの上記溝の形状や寸法などに多少のバラツキがあっても、燃料噴射の均一性が改善されて自動車部品の量産製品として不良品の発生率を大幅に低減できる効果がある。

以下において、説明の順位の早い図に示されたものと同じものが後続の図に示された場合には、後続の図においては同じものには同じ符号を付して説明を省略することがある。

実施の形態１．
図１〜図１１は、本発明の燃料噴射装置における実施の形態１を説明するものであって、図１は燃料噴射装置の全体断面図、図２は図１のスプレーチップ近傍部の拡大断面図、図３は図２の底面図、図４はスプレーチップの側面図、図５は図４の平面図、図６はスプレーチップにおける燃料流路を説明するための平面図、図７は図６のVII−VII線に沿った断面図、図８は噴射された燃料スプレーの縦断面、図９は図８のIX−IX線に沿った断面図、図１０はスプレーチップにおける燃料流路を説明するための他の平面図、図１１は図１０のXI−XI線に沿った断面図ある。

図１〜図１１において燃料噴射装置1は、その先端がエンジンシリンダヘッド２の穴にシール部材３を介して挿入されており、取り付けパーツ２６により図１での上部から荷重がかけられた状態でワッシャ４上に軸方向に固定されていて、燃料をエンジンシリンダ２内に円錐形状に噴射する。燃料噴射装置1の両側には、複数のエンジンシリンダ２にわたって燃料噴射装置１に燃料を供給する燃料供給管２３が配置され、燃料供給管２３と燃料噴射装置１との間には、燃料シールのためのラバーリング２４が設けられている。

燃料噴射装置1は、ソレノイド装置５と弁装置１６により構成されている。さらにソレノイド装置５は、ヨーク６、バルブホルダー７、コア８、コイル９、コイルボビン１０、ターミナル１１、コネクタモールド１２、リング１３を含んでいる。１４はばね、１５はばね１４を固定するロッドである。弁装置１６は、バルブボディ１９、バルブボディ１９の内壁に沿って摺動するニードル１７、ニードル１７と一体化されたアマチュア１８、バルブボディ１９に固定されたガイド２０、バルブボディ１９に固定されたバルブシート２１、およびバルブシート２１に固定されたスプレーチップ２２を含んでいる。

つぎに燃料噴射装置1の動作を説明する。エンジンのマイコンより燃料噴射装置1の駆動回路に動作信号が送られると、燃料噴射装置1のターミナル１１を介してコイル９に電流が通電され、ヨーク６、バルブホルダー７、アマチュア１８、およびコア８にて構成される磁気ループに磁束が発生し、アマチュア１８はコア８側に吸引される。アマチュア１８と一体化されているニードル１７は、この吸引によってバルブシート２１のシート面２１ａとの接触部から離れ、ニードル１７とシート面２１ａとの間に隙間が生じ、即ち開弁状態となり、燃料圧力２ＭＰａ以上の高圧の燃料がエンジンシリンダ２内に円錐形状で噴射され、燃料噴射が開始される。エンジンのマイコンによりエンジンの運転状況に応じた所定の長さの駆動信号が駆動回路に送られた後、駆動信号はオフ状態となりコイル９への通電も停止され、アマチュア１８とコア８との間の電磁吸引力が消滅する。そしてニードル１７は、ばね１４の力により閉弁動作を開始し、数デシミリ秒後にはニードル１７の先端部とシート面２１ａとが再び接触して閉弁状態となり燃料噴射は終了する。

燃料管供給管２３から供給された燃料は、ニードル１７の開弁開始とともにフィルター２５から燃料噴射装置１内に流れ、当該装置１内の燃料通路を通ってバルブシート２１の上流に至る。バルブシート２１の上流からニードル１７とシート面２１ａの隙間部分を通過した燃料は、円筒状内面部２１ｂに至ってその流れの乱れがそこで収束し、ついで軸方向の流れとなってスプレーチップ２２の側斜面２２ａに設けられた溝２２ｂとバルブシート２１の円錐状内面部２１ｃとの間を通ってエンジンシリンダ２内に噴射される。なお図６〜図１１、および後記の図１４においては、燃料流や燃料部分は梨地で示し、当該梨地内の矢印は燃料流を示す。

バルブシート２１は、ニードル１７の先端部が離着座するシート面２１ａ、円筒状内面部２１ｂ、および燃料の進行方向に沿って内径が漸次増大する円錐状内面部２１ｃを含んでおり、円錐状内面部２１ｃ内にスプレーチップ２２が固定されている。スプレーチップ２２は、その側斜面２２ａ上に４つの溝２２ｂが形成されている。溝２２ｂは、その長手方向に直交する方向の断面（以下、横断面）の形状は、溝底面が円弧状を呈する構造のものであり、燃料流の上流から下流に向けてその横断面積（各箇所における溝深さＤの平均値と溝幅Ｗの積）と溝幅Ｗは逓増し、溝深さＤおよびその平均値は逓減する構造となっており、溝２２ｂと円錐状内面部２１ｃの壁面とでスプレーチップ燃料通路が形成されている。

スプレーチップ２２の截頭面２２ｄは、バルブシート２１における円筒状内面部２１ｂと円錐状内面部２１ｃとの境界A、即ち円錐状内面部２１ｃの截頭位置より燃料流の上流側に高さHだけ突出している。よって境界Aから溝２２ｂの底面に向かって垂線を下ろした箇所との間の溝部（点線で示す）が上記スプレーチップ燃料通路の実質的な入り口となるオリフィス部２２ｃとなっている。D１、D２、D３は、それぞれ溝２２ｂの截頭面２２ｄ、オリフィス部２２ｃ、および出口２２ｅにおける溝２２ｂの各溝深さであって、D１＞D２＞D３となっている。オリフィス部２２ｃと上記出口の間では、オリフィス部２２の横断面積が最小となっている。

したがって円筒状内面部２１ｂから溝２２ｂに流入した燃料は、溝２２ｂ内、即ちスプレーチップ燃料通路を通過する間に溝幅方向に広げられ且つ図７に示すように円錐状内面部２１ｃから剥離するので、溝２２ｂの出口部では液膜厚さｔは薄くなってエンジンシリンダ２内に噴射される。その結果、燃料の微粒子化が促進され４サイクルエンジンの圧縮行程内で短時間で気化することが可能となる。また図８、図９にそれぞれ噴射された燃料スプレーの縦断面及び横断面を示す。

つぎに上記高さHを設ける効果とその寸法について説明する。燃料噴射装置1の噴射流量は、例えば燃料圧力１０MPａにおいて１０００ｃｍ³／１分程度であるが、最小流路断面積部たるオリフィス部２２ｃでの４溝部を合計した総流路断面積は、０．１ｍｍ²程度となっている。このオリフィス部２２ｃでの総横断面積は、オリフィス部２２ｃの溝２２ｂでの存在位置で決定される。スプレーチップ２２は、通常、メタルインジェクションモールディングにより製作されており、その場合は製品ごとに溝深さＤの平均値のバラツキが０．００５ｍｍ程度発生するが、このバラツキ幅は、上記溝深さ平均値０.０５ｍｍの１０％と大きく、上記高さHを設けない従来技術ではエンジンが要求する噴射流量の許容バラツキ６％を越える問題がある。

上記問題に対して、オリフィス部２２ｃの位置を調整することにより、換言すると上記高さHを調節することにより噴射流量の許容バラツキ６％未満とすることが可能となる。また高さHの大きさは、それが過大であるとその下流の溝長さが短くなり過ぎて溝２２ｂの出口での燃料膜厚さのバラツキ量が大きくなりスプレーが不均一となり、逆にそれが過小であると噴射流量の許容バラツキ６％未満とすることが困難となるので、スプレーチップ２２の軸方向の長さLの１％〜４０％程度、特に５％〜３０％程度とすることが好ましい。

具体的にはスプレーチップ２２の製品ごとに、噴射流量が目標値となるようなバルブシート内径Ｅ（図７参照）のバルブシート２１を選択して対応させる。製作されたスプレーチップ２２は、溝２２ｂの溝深さＤの平均値を所定の位置にて計測し、計測値に応じて組み合わせる寸法Ｅを決定し、そのＥ寸法をもったバルブシート２２選択して両者が組付けされる。上記平均値が基準より小さい場合には、バルブシート内径Ｅの大きいものを対応させ、上記平均値が大きい場合にはＥの小さいものを対応させ、かくして上記高さHが上記の範囲内となるように調節される。図１０と図１１は、右半面が上記平均値の大きい場合、左半面は上記平均値の小さい場合を模式的に示す。

スプレーチップ２２は、バルブシート２１の円錐状内面部２１ｃに挿入された状態で下面よりレーザー溶接にてバルブシート２１と結合される。上記では、上記平均値を計測して組み合わされるバルブシート２１の内径Ｅを決定したが、スプレーチップ２２の単品でその溝２２ｂに流れ得る燃料の流量を計測して、その計測値から経験的に予測されるバルブシート２１の内径Ｅを決定するという製造方法も実現可能である。

前記メタルインジェクションモールディング以外の任意の方法、例えば焼結、冷間鍛造、切削加工、放電加工などでも製造され、その際、それらの方法で製造されたスプレーチップ２２における溝２２ｂの寸法バラツキに対しても前記と同様に対処することができる。なお実施の形態１では、バルブシート２１とバルブボディ１９は別体としているが、両者を一体とすることも可能であって、同様のことが後続の各実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
図１、図１２〜図１５は、本発明の燃料噴射装置における実施の形態２を説明するものであって、図１２は図１のスプレーチップ近傍部の拡大断面図、図１３は図１２のスプレーチップにおける燃料流路を説明するための平面図、図１４は図１３のXIV−XIV線に沿った断面図、図１５は図１３のXV−XV線に沿った断面図である。

図１２〜図１５において、スプレーチップ２２の側斜面２２ａのテーパー角は、図１３の向かって右半分の図に示すように、バルブシート２１の円錐状内面部２１ｃのテーパー角より僅かに大きくされている。バルブシート２１の底面２１ｅ（請求項４における燃料が噴射される側の壁面）のスプレーチップ２２近傍にはスプレーチップ２２を取り囲むようにリング状の掘り込み２１ｄが形成されて円錐状内面部２１ｃの下流側の一部がリング状薄肉部２１ｆとされている。スプレーチップ２２は、円錐状内面部２１ｃに軽く挿入された状態では図１３の右半分の図に示すように、上記したテーパー角の相違によりその下端Ｂのみがバルブシート２１の円錐状内面部２１ｃと接した状態となるが、この状態においては噴射流量が目標値より多くなる。

次に、噴射流量を測定しながらスプレーチップ２２の下面からの押し込み荷重を増加させると、バルブシート２１の掘り込み２１ｄの存在に基づいてリング状薄肉部２１ｆが変形してスプレーチップ２２が燃料流の上流方向へ移動する。スプレーチップ２２のこの移動に伴い、溝２２ｂの横断面形状は扁平化して溝深さは減少し溝幅は増大するが（図１３ではオリフィス部２２ｃでの横断面の変化を示す）、横断面積は漸次小さくなり、噴射流量は減少していく。そしてオリフィス部２２ｃの横断面積が所定の値となり目標噴射流量値となった位置でスプレーチップ２２への荷重増加を止めて、その位置でスプレーチップ２２はバルブシート２１にレーザー溶接などの手段で固定される。図１３の左半分の図はかく固定された状態を示す。

図１３のオリフィス部２２ｃにおける溝２２ｂの横断面形状を図１４、図１５に示す。オリフィス部２２ｃにおける溝深さＤ２は、１４図、図１５の右半面に比べて左半面のそれは小さくなっており、溝幅Ｗは逆に左半面の方が右半面に比べて若干大きくなっているが、溝深さＤ２の減少比率が大きいためＤ２とＷの積で決定される横断面積は、上記したように左半面の方が小さくなっている。なおリング状の掘り込み２１ｄは、図１５に示すように、コーナーC、コーナーDなどが面取りされた状態であってもよい。またスプレーチップ２２の軸方向位置に対する溝深さと溝幅の変化の勾配については、それぞれ調整可能な要素であり、実施の形態２では、スプレーチップ２２を燃料流の上流方向へ移動変位させて、上記とは逆に、横断面積を増加させることも可能である。上記において噴射流量の測定は燃料の代替の流体、例えばエアなどで行い、燃料の噴射流量の目標値に対応したエアの噴射流量目標値を考慮して製造することも可能である。

実施の形態３．
図１６は、本発明の燃料噴射装置における実施の形態３を説明するものであって図１のスプレーチップ近傍部の他の拡大断面図である。実施の形態３は、前記実施の形態２とは、円筒状内面部２１ｂを省略した点において異なり、その他の構成は同じである。円筒状内面部２１ｂがない図１６のような形態でも噴射燃料を調整することが可能である。即ち、バルブシート２１のシート面２１ａの下流端に円錐状内面部２１ｃを形成して両者の境界部を境界Aとし、そこをオリフィス部２２ｃとすることにより実施の形態２の場合と同様に噴射流量の調整が可能である。

実施の形態４．
図１７は、本発明の燃料噴射装置における実施の形態４を説明するものであって、図１のスプレーチップ近傍部のさらに他の拡大断面図である。実施の形態４は、前記実施の形態３とは、バルブシート２１およびスプレーチップ２２を薄くし、ニードル１７の先端部の形状を凹形部１７ａとした点において異なり、その他の構成は同じである。ニードル１７の先端部の形状を凹形状とすることにより、スプレーチップ２２の先端の干渉を回避しスプレーチップ２２をシート面２１ａに近づけて、スプレーチップ２２の溝２２ｂの全体もシート面２１ａに近づけている。直噴エンジンで実施の形態４の燃料噴射装置を使用する場合には、シリンダ内からの熱によりスプレーチップ２２の溝２２ｂが高温化してカーボン付着により噴射流量低下の問題が発生するが、溝２２ｂをシート面２１ａに近づけた形状とすることによりシート面２１ａより上流の燃料への放熱効果により溝２２ｂの高温化が抑制され、カーボン付着による噴射流量低下も抑制される。

本発明によれば、スプレーチップ２２の生産歩留まりが向上し、しかもエンジンが要求する噴射流量の許容バラツキ６％以内とすることが可能となるので、自動車生産のコストダウン面で実用化が期待される。

実施の形態１〜実施の形態４の燃料噴射装置の全体断面図である。実施の形態１での図１のスプレーチップ近傍部の拡大断面図である。図２の底面図である。実施の形態１でのスプレーチップの側面図である。図４の平面図である。実施の形態１でのスプレーチップにおける燃料流路を説明するための平面図である。図６のVII−VII線に沿った断面図である。実施の形態１での噴射された燃料スプレーの縦断面である。図８のIX−IX線に沿った断面図である。実施の形態１でのスプレーチップにおける燃料流路を説明するための他の平面図である。図１０のXI−XI線に沿った断面図である。実施の形態２での図１のスプレーチップ近傍部の拡大断面図である。図１２のスプレーチップにおける燃料流路を説明するための平面図である。図１３のXIV−XIV線に沿った断面図である。図１３のXV−XV線に沿った断面図である。実施の形態３での図１のスプレーチップ近傍部の拡大断面図である。実施の形態４での図１のスプレーチップ近傍部の拡大断面図である。

符号の説明

１燃料噴射装置、２エンジンシリンダヘッド、３シール部材、４ワッシャ、
５ソレノイド装置、６ヨーク、７バルブホルダー、８コア、９コイル、
１０コイルボビン、１１ターミナル、１２コネクタモールド、１３リング、
１４ばね、１５ロッド、１６弁装置、１７ニードル、１７ａ凹形部、
１８アマチュア、１９バルブボディ、２０ガイド、２１バルブシート、
２１ａシート面、２１ｂ円筒状内面部、２１ｃ円錐状内面部、
２１ｄリング状掘り込み、２１ｅ底面、２１ｆリング状薄肉部、
２２スプレーチップ、２２ａ側斜面溝、２２ｃオリフィス部、２２ｄ截頭面、
２３燃料供給管２３、２４ラバーリング、２５フィルター、
２６取り付けパーツ。

Claims

ニードル弁の離着座により開閉されると共に燃料の進行方向に沿って内径が漸次増大する截頭円錐状の円錐状内面部を有するバルブシート、上記円錐状内面部と接触する側斜面と上記側斜面に設けられて燃料通路となる複数の溝を有する截頭円錐形のスプレーチップを備えた燃料噴射装置であって、上記スプレーチップは、その截頭面が上記円錐状内面部の截頭位置より燃料流の上流側に突出していることを特徴とする燃料噴射装置。
上記スプレーチップの上記突出の量は、上記スプレーチップの軸方向の長さの１％〜４０％程度であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
上記バルブシートは、上記円錐状内面部の燃料流の上流側に円筒状内面部を有することを特徴とする請求項1または請求項２記載の燃料噴射装置。
上記バルブシートは、燃料が噴射される側の壁面に、上記スプレーチップの上記截頭面と反対側の面を取り囲むリング状の掘り込みを設けることにより形成されて、上記円錐状内面部への上記スプレーチップの挿入の程度を調節可能にするリング状薄肉部を有することを特徴とする請求項１および請求項２記載の燃料噴射装置。
上記ニードル弁の上記バルブシートに離着座する先端に、上記スプレーチップの截頭面が上記バルブシートのシート面に近づくように、窪みが設けられていることを特徴とする請求項1、請求項２、請求項４のいずれか一項記載の燃料噴射装置。