JP4618262B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のエンジンなどに使用される内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に燃料を微粒子化して燃焼室に供給する弁構造に関するものである。

自動車のエンジンなどに燃料を噴射する燃料噴射弁は、噴射される燃料の粒子径が小さいほど、燃料蒸発が促進されるとともにエンジン内壁への燃料付着量が減少し、未燃焼燃料の排出量が低減される。そこで、近年の自動車の排出ガス規制強化に対応するため、噴射される燃料の粒子径のさらなる微粒子化が必要となっている。
弁ボディと弁部材とから構成される燃料通路を燃料が通過し、噴孔プレートに形成されている噴孔を経由して噴射される燃料噴射装置で、噴孔プレートが、第一面部と段差部を介して第一面部より弁ボディ側に位置する第二面部とを有し、第一面部に噴孔の燃料入口が開口されているものがある。この燃料噴射装置においては、第一面部に流入した燃料は、段差部に衝突し噴孔を回り込みながら、噴孔へ流入して旋回流が形成され、噴孔から噴射される燃料の微粒化が促進される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２１１６８２号公報（第１頁）

しかしながら、特許文献１の燃料噴射装置においては、噴孔プレート面上で生成される渦の中心付近に噴孔を配置しなければ噴孔内に旋回流が発生しないため、噴孔の数や位置が制限される。また、燃料の流量を増加するためには、噴孔径を大きくする必要があるが、噴孔径を大きくすると燃料流の流速が低下するため、噴射される燃料の微粒化が抑制される。そのため、燃料の流量増加と微粒化とを同時に実現することが困難であるという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成により容易に燃料の流量増加と噴射される燃料の微粒化とを同時に実現できる燃料噴射弁を得ることを目的とする。

本発明に係る燃料噴射弁は、噴孔を有する噴孔プレート、内部に燃料通路と弁座部とを有するバルブシート並びに上記弁座部に着座可能な当接部を有し、上記当接部が上記弁座部から離座又は上記弁座部に着座することにより上記燃料通路を開閉する弁部材を備えた燃料噴射弁において、上記噴孔プレートが凹部を有し、上記噴孔プレートと上記バルブシートとを密接させて、上記噴孔プレートと上記バルブシートとの間に上記燃料通路と上記噴孔とに連通する燃料キャビティを構成し、上記凹部の底面の形状が、上記燃料噴射弁の中心軸と同軸の円形状で、上記噴孔は、上記凹部の側壁面に対して窪ませて上記凹部の底面を貫通して形成され、上記噴孔の噴孔壁の延長面を上記燃料キャビティに露出させたものである。

このように構成した燃料噴射弁においては、燃料流が噴孔壁の延長面に強く押しつけられて噴孔壁に沿って流れるので、噴射される燃料が薄膜化され燃料の微粒化が促進されると共に、噴孔を設ける場所が制限されないので噴孔の数を自由に増やすことができ、燃料の流量増加も実現できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の燃料噴射弁１の全体構成を示す縦断面図である。
以下、図１の紙面における縦方向を燃料噴射弁１における軸方向とし、燃料が燃料噴射弁１内を紙面において上方向から下方向へ流れて噴射され、上側を上流側、下側を下流側として説明する。
燃料噴射弁１は、樹脂製ハウジング２の内部に、電磁コイル３と固定鉄心４と磁気通路を構成する金属板５とが配置され一体成形されている。電磁コイル３は、樹脂製のボビン３ａとボビン３ａの外周に巻線されているコイル３ｂと外部との接続のために設けられたターミナル６とにより構成される。
固定鉄心４の一端部をボビン３ａが囲繞し、また、固定鉄心４と同軸に、その一端部に磁気通路を構成する磁性パイプ９が非磁性パイプ１１を介装させて配設され、非磁性パイプ１１は固定鉄心４と磁性パイプ９とに固定されている。固定鉄心４の他端部の内部にはフィルタ１６が配設され、また、アジャスタ８が固定されており、圧縮バネ７の荷重を調整する。
また、磁気通路を構成する金属板５は、その一端が固定鉄心４に溶接で固定され、他端が磁性パイプ９に溶接され、固定鉄心４と磁性パイプ９とを磁気的に連結している。
また、可動鉄心１０が、非磁性パイプ１１を介装した磁性パイプ９内に、軸方向に移動可能に配設されている。可動鉄心１０内にニードルパイプ１２の一端部が挿入されて溶接固定され、ニードルパイプ１２の他端に、弁部材としてのボール１３が溶接固定され、アジャスタ８により調整された圧縮バネ７の付勢力により押圧するように作用し、ボ−ル１３の外周には、平坦面１３ａが軸方向に等角ピッチで５つ設けられている。また、磁性パイプ９の下流側端部内には、バルブシート１４が配設されている。

図２は、図１のＢ部における噴射部分の要部を拡大して示す断面図であり、本実施の形態の燃料噴射弁１の噴射部分において、バルブシート１４は、下流側を先細り状とする切頭円錐状に形成された弁座部１４ａと、弁座部１４ａの上流側に連なって形成され、ボール１３の直径と同等の内径を有する円筒状のガイド部１４ｂとを備え、また弁座部１４ａに連なって弁座部１４ａと同軸に円筒形の燃料通路１４ｃが穿孔されている。ボール１３は、バルブシート１４のガイド部１４ｂにガイドされ、ニードルパイプ１２の軸方向の移動に連動して、バルブシート１４の弁座部１４ａに着座および離座できるように配置され、ボール１３の先端の球状壁面１３ｂが弁座部１４ａに着座する当接部となる。

また、磁性パイプ９内のバルブシート１４の下流側端面に、円板状の噴孔プレート１７が、バルブシート１４の弁座部１４ａと同軸に密接し、噴孔プレート１７とバルブシート１４により、弁座部１４ａと同軸で、断面が円形の燃料キャビティ１９が形成され、燃料キャビティ１９によりバルブシート１４の燃料通路１４ｃと噴孔１８とを連通している。
図３は、本実施の形態の燃料噴射弁における噴孔プレート１７の斜視図である。円板状の噴孔プレート１７は、上流側面に噴孔プレート１７と同心円状の凹部１７ａを有し、噴孔１８が、凹部１７ａの側壁１７ｂに沿って、噴孔プレート１７の底面１７ｃを貫通して設けられ、噴孔プレート１７の上流側面とバルブシート１４とが密接して、バルブシート１４と噴孔プレート１７との間に凹部１７ａに相当する燃料キャビティ１９が形成されている。

上記のように構成された本実施の形態の燃料噴射弁１の動作について説明する。
まず、外部よりターミナル６を介して電磁コイル３に通電すると、固定鉄心４、金属板５、磁性パイプ９および可動鉄心１０で構成される磁気通路に磁束が発生し、可動鉄心１０が固定鉄心４に磁気吸引力により引きつけられる。これにより、可動鉄心１０と一体となっているニードルパイプ１２が、圧縮ばね７の付勢力に抗して図１中上側に移動し、このニードルパイプ１２に溶接固定されているボール１３がバルブシート１４の弁座部１４ａから離れ開弁位置をとる。
そこで、燃料は、デリバティブパイプ（図示せず）を介して燃料噴射弁１の本体に流れ込み、フィルタ１６を通過し、固定鉄心４内に配置されているアジャスタ８および圧縮ばね７、可動鉄心１０およびニードルパイプ１２の内部を通り、ついでバルブシート１４のガイド部１４ｂとボール１３の平坦面１３ａとの隙間および弁座部１４ａとボール１３の外周面との隙間を通り、さらに燃料通路１４ｃを通って燃料キャビティ１９へ供給される。燃料キャビティ１９へ供給された燃料２４は、噴孔１８へ流入し噴射される
一方、電磁コイル３への通電を停止すると、可動鉄心１０を固定鉄心４に吸引する磁気吸引力が消失する。これにより、可動鉄心１０と一体となっているニードルパイプ１２が、圧縮ばね７の付勢力により図１中、下側に移動し、ボール１３がバルブシート１４の弁座部１４ａに当接し閉弁位置をとる。そこで、燃料２４の噴孔１８からの噴射が停止される。

本実施の形態の燃料噴射弁１においては、図２に示すように、ボール１３の外周部に形成された平坦面１３ａとバルブシート１４のガイド部１４ｂとの隙間、ボール１３の球状の外周面１３ｂと弁座部１４ａとの隙間、円筒形の燃料通路１４ｃおよび燃料キャビティ１９を経て噴孔１８に至る燃料流が形成される。
図４は、本実施の形態において、噴孔１８から弁外部に噴射される燃料流の状態を模式的に示す要部断面図である。
バルブシート１４の燃料通路１４ｃから燃料キャビティ１９中央部へ流れ込んだ軸方向の燃料２４ａは、その方向を変えて、燃料キャビティ１９の径方向に放射状に流れる。燃料キャビティ１９の径方向の流れ方向を主流方向とすると、主流方向の燃料２４ｂは、燃料噴射弁１の中心軸と同心円状の凹部１７ａの側壁１７ｂに正面から衝突する。側壁１７ｂにおいて、燃料キャビティ１９に露出している、噴孔壁１８ａの延長面１８ｂに衝突した主流方向の燃料２４ｂは、噴孔壁１８ａに強く押しつけられ、噴孔壁１８ａに沿って流れる。その結果、燃料の薄膜化が促進されて噴孔出口１８ｃから噴射され、噴射される燃料粒子の微粒化が促進される。また、噴孔１８の左右から一部回り込む燃料の流れ同士がぶつかることにより、噴出する燃料流の乱れが促進されて拡散し、噴射される粒子が良好に噴霧される。
上記のように、本実施の形態においては、噴孔１８を噴孔プレート１７の凹部１７ａの側壁１７ｂに沿って任意に設けることができるので、噴孔１８を微粒化に最適な形状に設計できると共に、噴孔１８の径を大きくするのではなく噴孔１８の数を増やすことにより燃料の流量を増加することができる。

なお、本実施の形態では、噴孔プレート１７に凹部を設けることにより、バルブシート１４と共に燃料キャビティ１９を構成したが、噴孔プレート１７を平坦な円板とし、これと密接するバルブシート１４面に同様に凹部を設けても良く、この場合は、燃料キャビティ１９に露出する噴孔壁の延長面がバルブシート１４の側壁であり、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２の燃料噴射弁１は、実施の形態１の燃料噴射弁において、噴孔プレート１７が図５に示すものである他は実施の形態１の燃料噴射弁と同様である。
図５は、本実施の形態の燃料噴射弁における、噴孔プレート１７の形状を示す模式図であり、噴孔プレート１７の上流側面に凹部１７ａが形成されている。凹部１７ａの底面１７ｃの形状が、燃料噴射弁の中心軸と同軸の円形状で、その円周の一部が燃料噴射弁の半径方向から離れるに従がって広がる形状であり、凹部１７ａの側壁１７ｂの一部は燃料噴射弁１の中心軸と同軸の円から外れ、その外れた側壁１７ｂに沿って噴孔１８が設けられている。
図６は、本実施の形態の燃料噴射弁に係る燃料キャビティ１９内での燃料の流れを説明する模式図、図７は噴孔１８から弁外部に噴射される燃料流の状態を模式的に示す要部断面図である。本実施の形態においては、噴孔１８が、燃料噴射弁１の中心軸と同軸の円から外れた側壁１７ｂに沿って設けられているので、凹部１７ａの底面１７ｃにおいて、主流方向の燃料２４ｂが回り込むように噴孔１８に流れ込み、噴孔１８内で旋回しつつ噴孔壁１８ａに強く押しつけられて噴孔壁１８ａに沿って流れ、噴孔出口１８ｃから噴射される燃料の薄膜化が促進され、また、旋回流により拡散されて噴射される燃料粒子の微粒化が促進される。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３の燃料噴射弁１の先端部分の一部拡大断面図であり、噴孔プレート１７の噴孔１８を横切る断面図であり、実施の形態１の燃料噴射弁において、噴孔１８の噴孔壁１８ａの延長面１８ｂに連なり、噴孔プレート１７の、バルブシート１４との密接側の面１７ｄの一部が、燃料キャビティ１９に露出している他は実施の形態１の燃料噴射弁と同様である。
図に示すように、燃料キャビティ１９へ供給された燃料が噴孔１８へ流入する際に、噴孔壁１８ａの延長面１８ｂに連なる、噴孔プレート１７の、バルブシート１４との密接側の面１７ｄの一部が露出しているので、燃料はこの露出面１７ｄ上にも流れ、露出面１７ｄ上の燃料流２４ｄと、凹部の底面１７ｃを流れる燃料流２４ｃとが共に噴孔１８に流れ込む。この際、凹部の底面１７ｃを流れる燃料流２４ｃが噴孔壁１８ａに強く押しつけられ、噴孔壁１８ａに沿って流れ、燃料の薄膜化が促進されて噴孔出口１８ｃから噴射され、噴射される燃料粒子の微粒化が促進される。さらに、露出面１７ｄ上の燃料流２４ｄにより噴孔１８に流入する燃料流に流速差が生じ、噴孔１８から噴射される流体の乱れが大きくなってより拡散されるので、噴射される粒子の微粒化がより促進される。

なお、本実施の形態において、燃料キャビティに露出する噴孔壁１８ａの延長面１８ｂの高さが異なっていても良い。この場合、噴孔プレート１７の、バルブシートとの密接側の面１７ｄから噴孔１８へ流入する燃料量と底面１７ｃから流入する燃料量の比率を変化させることができるため、各噴孔毎に流入する燃料量を最適な比率に設定することができ、さらに噴射される燃料粒子の微粒化を促進できる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４の燃料噴射弁１は、実施の形態３の燃料噴射弁において、噴孔プレート１７が図９に示すものである他は実施の形態３の燃料噴射弁と同様である。
図９は、本実施の形態の燃料噴射弁に係る噴孔プレートの形状を模式的に示す斜視図、図１０は、図９のＣ部における、噴孔１８へ流れ込む燃料の流れ込む状態を示す斜視図である。
図に示すように、燃料キャビティ１９へ供給された燃料が噴孔１８へ流入する際に、噴孔壁１８ａの延長面１８ｂに連なる、噴孔プレート１７の、バルブシートとの密接側の面１７ｄの一部が露出しているので、燃料はこの露出面１７ｄ上にも流れ、露出面１７ｄ上の燃料流２４ｄと、凹部の底面１７ｃの流路を回り込むように流れる燃料流２４ｃとが共に噴孔１８に流れ込む。
本実施の形態において、噴孔１８へ流入する燃料量は、凹部の底面１７ｃからの燃料流２４ｃの方が、噴孔プレート１７の、バルブシートとの密接側の面１７ｄから流れ込む燃料流２４ｄより多く、噴孔１８内で燃料は旋回しつつ噴孔壁１８ａに強く押しつけられて噴孔壁１８ａに沿って流れ、噴孔出口１８ｃから噴射される。その結果、燃料の薄膜化が促進され、噴射される燃料粒子の微粒化が促進される。さらに、噴孔プレート１７の、バルブシートとの密接側の面１７ｄからの燃料流２４ｄにより、噴孔１８に流入する燃料流に流速差が生じ、噴孔１８から噴射される流体の乱れが大きくなり、より拡散されるので、噴射される粒子の微粒化がより促進される。

図１１は、本実施の形態の燃料噴射弁に係る別の噴孔プレート１７の形状を示す模式図であり、噴孔プレート１７の凹部の底面１７ｃの形状が、燃料噴射弁中心軸から半径方向にずれて設けられ、燃料噴射弁中心軸から離れるに従って、先細り形状となり、噴孔１８が、凹部１７ａの側壁に沿って底面１７ｃを貫通して設けられている。
この場合も、実施の形態３と同様に、燃料の流量や燃料流のバラツキによらず、噴孔１８内で燃料は旋回しつつ噴孔壁１８ａに強く押しつけられて燃料２４は噴孔壁１８ａに沿って流れ、噴孔出口１８ｃから噴射されるので、燃料の薄膜化が促進され、噴射される燃料粒子の微粒化が促進される。

また、上記実施の形態１〜４において数値流体シミュレーションを行った結果、図４または図８に示すように、燃料キャビティ１９の高さをＨ、燃料キャビティ１９に露出する噴孔壁１８ａの延長面１８ｂの高さをｈとすると、
０．０５≦ｈ／Ｈ≦１．０
であると、燃料が、噴孔壁１８ａに押し付けられて燃料の微粒化が促進される。また、
０．２≦ｈ／Ｈ≦１．０
であると、さらに燃料の微粒化が促進される。

さらに、上記実施の形態１〜４において、噴孔１８のピッチ径を噴孔毎に変化させても、実施の形態１〜４と同等の効果を奏することができる。

本発明の実施の形態１の燃料噴射弁１の全体構成を示す縦断面図である。 図１のＢ部における噴射部分の要部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態１の燃料噴射弁における噴孔プレートの斜視図である。 本発明の実施の形態１の燃料噴射弁において、噴孔から弁外部に噴射される燃料流の状態を模式的に示す要部断面図である。 本発明の実施の形態２の燃料噴射弁に係る噴孔プレートの形状を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態２の燃料噴射弁に係る燃料キャビティ内での燃料流れを説明する模式図である。 本発明の実施の形態２の燃料噴射弁において、噴孔から弁外部に噴射される燃料流の状態を模式的に示す要部断面図である。 本発明の実施の形態３の燃料噴射弁の先端部分の一部拡大断面図である。 本発明の実施の形態４の燃料噴射弁に係る噴孔プレートの形状を模式的に示す斜視図である。 図９のＣ部における噴孔へ流れ込む燃料の流れ込む状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４の燃料噴射弁に係る別の噴孔プレートの形状を示す模式図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、１３ 弁部材、１４ バルブシート、１４ａ 弁座部、１４ｃ 燃料通路、１７ 噴孔プレート、１７ａ 噴孔プレートの凹部、１７ｂ 凹部の側壁、１７ｃ 凹部の底面、１７ｄ バルブシートとの密接側の面、１８ 噴孔、１８ａ 噴孔壁、１８ｂ 噴孔壁の延長面、１８ｃ 噴孔出口、１９ 燃料キャビティ、２４ 燃料。

Claims (5)

1. 噴孔を有する噴孔プレート、内部に燃料通路と弁座部とを有するバルブシート並びに上記弁座部に着座可能な当接部を有し、上記当接部が上記弁座部から離座又は上記弁座部に着座することにより上記燃料通路を開閉する弁部材を備えた燃料噴射弁において、
   上記噴孔プレートが凹部を有し、
   上記噴孔プレートと上記バルブシートとを密接させて、上記噴孔プレートと上記バルブシートとの間に上記燃料通路と上記噴孔とに連通する燃料キャビティを構成し、
   上記凹部の底面の形状が、上記燃料噴射弁の中心軸と同軸の円形状で、
   上記噴孔は、上記凹部の側壁面に対して窪ませて上記凹部の底面を貫通して形成され、上記噴孔の噴孔壁の延長面を上記燃料キャビティに露出させるように設けられ、
   燃料流が、上記凹部の上記側壁に正面から衝突し、上記燃料流同士が上記噴孔の左右から回り込んでぶつかり、上記噴孔の出口から噴射されるようにしたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 噴孔を有する噴孔プレート、内部に燃料通路と弁座部とを有するバルブシート並びに上記弁座部に着座可能な当接部を有し、上記当接部が上記弁座部から離座又は上記弁座部に着座することにより上記燃料通路を開閉する弁部材を備えた燃料噴射弁において、
   上記噴孔プレートが凹部を有し、
   上記噴孔プレートと上記バルブシートとを密接させて、上記噴孔プレートと上記バルブシートとの間に上記燃料通路と上記噴孔とに連通する燃料キャビティを構成し、
   上記凹部の底面の形状が、上記燃料噴射弁の中心軸と同軸の円形状で、その円周の一部が側壁により分割された形状であり、
   上記噴孔は、上記側壁に沿って上記側壁面に対して窪ませ、上記噴孔の噴孔壁の延長面を上記燃料キャビティに露出させるように設けられ、
   燃料流が、上記燃料キャビティ中央部から上記燃料キャビティの径方向に放射状に流れ、上記凹部の円状側壁に正面から衝突した後、回り込むように上記噴孔に流れ込み、上記噴孔で旋回しつつ噴孔壁に沿って流れ噴射されるようにしたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 噴孔壁の延長面に連なる、噴孔プレートの、バルブシートとの密接側の面の一部が、燃料キャビティに露出していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 燃料キャビティに露出する噴孔壁の延長面の高さをｈ、燃料キャビティの高さをＨとすると、
   ０．０５≦ｈ／Ｈ≦１．０
   であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 噴孔が複数設けられ、上記噴孔の噴孔壁の延長面の高さが異なることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。

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