JP5170059B2

JP5170059B2 - インジェクタ

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Publication number: JP5170059B2
Application number: JP2009248854A
Authority: JP
Inventors: 智行柴田; 剛史溝渕; 則夫山本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP2011094526A; DE102010039616A1

Description

本発明は、エンジンに燃料を噴射供給するインジェクタに関する。

従来から、インジェクタにより噴射される燃料の噴霧を微粒化して燃料と空気との混合を促進する技術が、様々な面から検討されている。そして、このような噴霧微粒化を促す方法の１つとして、噴孔における燃料流を液膜状に形成するとともに、この燃料流の液膜を薄膜化することが検討されている。

例えば、特許文献１に記載のインジェクタによれば、噴孔を有するプレートにより弁ボディの先端部が形成され、弁体の先端部には、プレートに向かって伸びるピンが設けられている。また、ピンの後方には、後端側に向かって拡径する着座面が設けられ、この着座面が弁ボディの被着座面に対して線状かつ環状に離着することで、噴孔が弁ボディ内の燃料流路に対して開閉される。

これにより、着座面が被着座面から離座して、燃料流路から噴孔に向かって燃料が流れるようになると、着座面と被着座面との間を通過した燃料は、ピンに押し付けられ集約されて噴孔に流入する。このため、噴孔における燃料流が液膜状になって噴霧微粒化が促されている。

また、特許文献２に記載のインジェクタによれば、弁体の先端部が球面状に設けられ、着座面も球面状に設けられている。そして、球面状の着座面がテーパ状の被着座面に対して線状かつ環状に離着することで、噴孔が弁ボディ内の燃料流路に対して開閉される。
これにより、燃料流路から噴孔に向かって燃料が流れるようになると、着座面と被着座面との間を通過した燃料は、噴孔の内壁面の内で内周側の部分に押し付けられ集約される。このため、噴孔における燃料流が液膜状になって噴霧微粒化が促されている。

しかし、噴霧微粒化に対する要請は極めて高く、噴孔内の燃料流をさらに薄膜化する要望は極めて旺盛である。この点、特許文献１、２に記載のインジェクタは集約回数が１回のみであり、さらに、特許文献２に記載のインジェクタは、燃料を集約する場所（噴孔の内壁面の内周側の部分）への燃料流の指向性が低いので、両方ともに更なる改善の余地が大きいものと考えられる。

特許第２５５３１２０号公報特許第４１２９０１８号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、インジェクタにおいて、噴孔における燃料流をさらに薄膜化して噴霧微粒化をより一層促進することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載のインジェクタは、先端に噴孔を有する弁ボディと、弁ボディに収容される弁体とを備え、弁ボディに弁体を収容することで、弁体の外周と弁ボディの内周との間に燃料流路を形成し、弁体を弁ボディの内部で軸方向に移動させて弁ボディに離着させることで、噴孔を燃料流路に対して開閉する。

また、弁体の先端部には、弁ボディの被着座面に離着するための着座面が設けられ、着座面が被着座面に対して線状かつ環状に離着することで、噴孔が燃料流路に対して開閉される。さらに、弁体の先端部には、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度だけ着座面よりも急勾配になって着座面に連続して内周側に伸びるガイド面が設けられ、噴孔の内壁面の内で内周側の部分は、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度だけガイド面に対して外周側に向かって傾斜している。
また、ガイド面の下流端は、噴孔の内壁面の内で内周側の部分の上流端よりも外周側にあり、着座面とガイド面との接続部は、上流側から下流側に向かって勾配が急になるように、弁体の軸芯を含む断面上でＲ状をなす。さらに、ガイド面を下流側に延長した延長面は、噴孔の内壁面の内で内周側の部分に交差している。

これにより、着座面が被着座面から離座して、燃料流路から噴孔に向かって燃料が流れるようになると、着座面と被着座面との間を通過した燃料は、ガイド面に押し付けられ集約されて噴孔に流入する。また、噴孔に流入した燃料は、噴孔の内壁面の内周側の部分に押し付けられてさらに集約される。このため、噴孔における燃料流をさらに薄膜化して噴霧微粒化をより一層促進することができる。

なお、ガイド面および噴孔の内周側部分で２回集約することによる微粒化効果は、ガイド面で１回集約することによる微粒化効果と、噴孔の内周側部分で１回集約することによる微粒化効果との単なる足し合わせ以上の効果であり、請求項１の手段は、噴孔における燃料流を薄膜化して噴霧微粒化を促進する点において、極めて有効な手段である。

また、ガイド面の下流端を、噴孔の内壁面の内で内周側の部分の上流端よりも外周側に配置することにより、２回目の集約場所である噴孔の内周側部分への燃料流の指向性を高めることができる。このため、噴孔内の燃料流をさらに薄膜化して噴霧微粒化を促進することができる。

また、着座面とガイド面との接続部を、上流側から下流側に向かって勾配が急になるように、弁体の軸芯を含む断面上でＲ状にすることにより、ガイド面を通過する際の燃料の圧力損失を低減できるので、ガイド面における燃料の集約に伴う圧力損失を抑制できる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載のインジェクタによれば、ガイド面は、上流側から下流側に向かって円錐状に縮径している。
この手段は、ガイド面の一態様を示すものである。

インジェクタの全体構成図である（参考例）。噴孔の配置を示す説明図である（参考例）。インジェクタの要部構成図である（参考例）。（ａ）は液膜厚さと噴霧粒径との相関図であり、（ｂ）は液膜厚さの薄膜化を示す説明図である（参考例）。インジェクタの要部構成図である（実施例）。インジェクタの要部構成図である（変形例）。

実施形態のインジェクタは、先端に噴孔を有する弁ボディと、弁ボディに収容される弁体とを備え、弁ボディに弁体を収容することで、弁体の外周と弁ボディの内周との間に燃料流路を形成し、弁体を弁ボディの内部で軸方向に移動させて弁ボディに離着させることで、噴孔を燃料流路に対して開閉する。

また、弁体の先端部には、弁ボディの被着座面に離着するための着座面が設けられ、着座面が被着座面に対して線状かつ環状に離着することで、噴孔が燃料流路に対して開閉される。さらに、弁体の先端部には、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度だけ着座面よりも急勾配になって着座面に連続して内周側に伸びるガイド面が設けられ、噴孔の内壁面の内で内周側の部分は、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度だけガイド面に対して外周側に向かって傾斜している。

また、ガイド面の下流端は、噴孔の内壁面の内で内周側の部分の上流端よりも外周側にあり、着座面とガイド面との接続部は、上流側から下流側に向かって勾配が急になるように、弁体の軸芯を含む断面上でＲ状をなす。さらに、ガイド面を下流側に延長した延長面は、噴孔の内壁面の内で内周側の部分に交差している。なお、ガイド面は、上流側から下流側に向かって円錐状に縮径している。

〔参考例の構成〕
参考例のインジェクタ１の構成を、図１を用いて説明する。
インジェクタ１は、例えば、ガソリンエンジン（図示せず）の各気筒に搭載されて、燃焼室（図示せず）に直接的に燃料を噴射するものである。また、インジェクタ１は、例えば、２０ＭＰａもの高圧の燃料を燃焼室に噴射して燃料噴霧を形成する。そして、燃焼室に形成された燃料噴霧は、火花放電により燃焼して出力を発生する。

インジェクタ１は、燃料を噴射するノズル部２と、ノズル部２の弁体（ニードル弁３）を駆動する電磁ソレノイド部４と、高圧の燃料を受け入れる燃料受け入れ部５とにより構成され、燃料受け入れ部５を通じて受け入れた燃料を、内部に形成される燃料流路７〜１２を介して噴孔１４に導くとともに、ニードル弁３を駆動することにより噴孔１４を通じて噴射する。

ノズル部２は、弁体として機能するニードル弁３、先端に噴孔１４を有するとともに、ニードル弁３の摺動軸部１６を収容して摺動自在に支持するカップ状のニードル支持部材１７、ニードル弁３およびニードル支持部材１７を収容するノズルボディ１８を有する。

ここで、ニードル支持部材１７およびノズルボディ１８は、略円筒状の内部空間１９を形成する弁ボディをなし、ニードル弁３は、内部空間１９に収容されて軸方向に移動する。そして、ニードル支持部材１７およびノズルボディ１８は、内部空間１９にニードル弁３を収容することで、各々の内周面とニードル弁３の外周面との間に噴孔１４に向かう燃料流路１２、１１を形成する。

また、ニードル弁３の先端部には、ニードル支持部材１７に設けられた被着座面２１に離着するための着座面２２が設けられ、着座面２２が被着座面２１に対して線状かつ環状に離着することで、噴孔１４が燃料流路１２に対して開閉される。

ここで、被着座面２１および着座面２２は両方ともテーパ状に設けられており、着座面２２は、線状かつ環状に設けられた外周縁（以下、外周縁をシート部２３と呼ぶ。）が被着座面２１に離着することで、被着座面２１に対して離着する。そして、シート部２３が被着座面２１に離着することで、噴孔１４が燃料流路１２に対して開閉され、噴孔１４を通じての燃料噴射が開始したり停止したりする。

なお、摺動軸部１６の外周には、ニードル支持部材１７の内周面に摺接する摺接面２４と、ニードル支持部材１７の内周面に摺接しない平坦面２５とが交互に設けられている。そして、ニードル支持部材１７の内周面と平坦面２５との間に燃料の通路が形成され、この燃料の通路は燃料流路１２の一部をなす。

電磁ソレノイド部４は、軸方向に移動可能な可動コア２６、ソレノイドコイル２７への通電により、可動コア２６を軸方向後端側に磁力的に吸引する固定コア２８、可動コア２６を軸方向先端側に付勢するスプリング２９、スプリング２９の可動コア２６に対する付勢力を設定するアジャパイ３０等を備え、可動コア２６、固定コア２８、スプリング２９およびアジャパイ３０等はパイプ３１に同軸的に収容されている。

なお、ソレノイドコイル２７は、円筒状の樹脂製ボビン３４にコイル素線を、多数回、巻回することで設けられ、コネクタ端子３５を介して車載電源（図示せず）から電力の供給を受ける。また、ソレノイドコイル２７の先端側、後端側および外周側は、ヨーク３６により覆われている。

可動コア２６は、先端側に向かって段状に細径化する筒状体として設けられている。そして、可動コア２６は、後端部がパイプ３１に摺動自在に支持され、先端部がニードル弁３の後端部を挟持することで、ニードル弁３と一体となって軸方向に移動する。また、可動コア２６の外周面は、パイプ３１の内周面やニードル弁３の後端部外周面とともに燃料流路１０を形成する。なお、燃料流路１０は、パイプ３１の先端開口部を介して燃料流路１１と連通する。また、可動コア２６の内周面は燃料流路９を形成し、燃料流路９は、可動コア２６を径方向に貫通する貫通孔３７により燃料流路１０と連通する。

固定コア２８は、円筒状に設けられて外周側でパイプ３１に固定され、内周側に燃料流路８を形成するとともに燃料流路８にスプリング２９とアジャパイ３０とを収容する。なお、スプリング２９は、後端がアジャパイ３０に支持される支持端をなし、先端が可動コア２６の内周に支持されて可動コア２６を付勢する付勢端をなす。

燃料受け入れ部５は、燃料流路８に連通する燃料流路７を有し、外部から燃料を導入してフィルタ３８を経由させて燃料流路７へ導き、さらに燃料流路７から燃料流路８へ燃料を導く。

以上のような構成により、インジェクタ１に受け入れられた高圧の燃料は、燃料流路７〜１２を順次に通過して噴孔１４に導かれる。
また、ニードル弁３に作用する軸方向の力のバランスにおいて、噴孔１４の開閉に関して考慮すべき力の内、閉弁方向に作用するものは、主に、燃料圧による荷重（燃料圧荷重）およびスプリング２９による付勢力（スプリング力）であり、開弁方向に作用するものは、主に、固定コア２８により可動コア２６を軸方向後端側に磁力的に吸引する吸引力（電磁吸引力）である。

そして、ソレノイドコイル２７への通電開始により、固定コア２８、可動コア２６およびヨーク３６を通る磁気回路が形成されて電磁吸引力が発生すると、ニードル弁３に作用する軸方向の力のバランスにおいて、開弁方向に作用するものが閉弁方向に作用するものよりも大きくなる。このため、可動コア２６およびニードル弁３が軸方向後端側に移動し、着座面２２が被着座面２１から離座して噴孔１４が燃料流路１２に対して開放され、噴孔１４を通じて燃料が噴射される。

また、ソレノイドコイル２７への通電停止により電磁吸引力が発生しなくなると、ニードル弁３に作用する軸方向の力のバランスにおいて、閉弁方向に作用するものが開弁方向に作用するものよりも大きくなる。このため、可動コア２６およびニードル弁３が軸方向先端側に移動し、着座面２２が被着座面２１に着座して噴孔１４が燃料流路１２に対して閉鎖され、燃料の噴射が停止される。
なお、ソレノイドコイル２７への通電開始および通電停止は、車両に搭載された所定の電子制御装置（ＥＣＵ：図示せず）からの指令に応じて行われる。

〔参考例の特徴〕
参考例のインジェクタ１によれば、噴孔１４は、図２に示すように、ニードル支持部材１７の先端において、インジェクタ１の軸芯を中心として等角度間隔に複数設けられている。また、それぞれの噴孔１４は、ニードル支持部材１７の内外において楕円状に開口しており、先端に向かって外周側に傾斜するように、かつ、拡径するように設けられている。

また、ニードル弁３の先端部には、図３に示すように、角度θ１だけ着座面２２よりも急勾配になって着座面２２に連続して内周側に伸びるガイド面４１が設けられている。さらに、噴孔１４の内壁面の内で内周側の部分（以下、噴孔内周側壁面４２と呼ぶ。）は、角度θ２だけガイド面４１に対して外周側に向かって傾斜している。なお、角度θ１、θ２は、両方ともに０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲にある。

また、ガイド面４１の下流端は、噴孔内周側壁面４２の上流端よりも外周側にあり、ガイド面４１を下流側に延長した延長面は、噴孔内周側壁面４２に交差している。さらに、ガイド面４１は、上流側から下流側に向かって円錐状に縮径している。
なお、被着座面２１の内周側には、被着座面２１を研磨して仕上げる際の研磨具の逃がし空間４５が設けられている。

〔参考例の作用〕
参考例のインジェクタ１の作用を、図３を用いて説明する。
着座面２２が被着座面２１から離座して噴孔１４が燃料流路１２に対して開放されると、燃料流路１２から噴孔１４に向かって燃料が流れるようになる。この際、着座面２２と被着座面２１との間を通過した燃料は、ガイド面４１に押し付けられ集約されて噴孔１４に流入する。また、噴孔１４に流入した燃料は、噴孔内周側壁面４２に押し付けられてさらに集約される。この結果、燃料は噴孔１４の内壁面に沿って薄膜化され、液膜流となって噴孔１４の外に噴射される。

〔参考例の効果〕
参考例のインジェクタ１によれば、ニードル弁３の先端部には、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度θ１だけ着座面２２よりも急勾配になって着座面２２に連続して内周側に伸びるガイド面４１が設けられ、噴孔内周側壁面４２は、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度θ２だけガイド面４１に対して外周側に向かって傾斜している。また、ガイド面４１を下流側に延長した延長面は、噴孔内周側壁面４２に交差している。

これにより、着座面２２が被着座面２１から離座して、燃料流路１２から噴孔１４に向かって燃料が流れるようになると、着座面２２と被着座面２１との間を通過した燃料は、ガイド面４１に押し付けられ集約されて噴孔１４に流入する。また、噴孔１４に流入した燃料は、噴孔内周側壁面４２に押し付けられてさらに集約される。このため、噴孔１４における燃料流をさらに薄膜化して噴霧微粒化をより一層促進することができる。

ここで、図４は、ガイド面４１による集約（対策Ａと呼ぶ）のみを採用した場合、噴孔内周側壁面４２による集約（対策Ｂと呼ぶ）のみを採用した場合、対策Ａ、Ｂを両方とも採用した場合、および対策Ａ、Ｂを両方とも採用しない場合に関して、噴孔１４における燃料の液膜厚さと噴射後の噴霧粒径との相関を示したものである。

また、図４では、対策Ａ、Ｂを両方とも非採用の場合、対策Ａのみを採用の場合、対策Ｂのみを採用の場合、および対策Ａ、Ｂを両方とも採用の場合の液膜厚さを、それぞれ、ｄ０、ｄ１、ｄ２およびｄ３とし、対策Ａ、Ｂを両方とも非採用の場合、対策Ａのみを採用の場合、対策Ｂのみを採用の場合、および対策Ａ、Ｂを両方とも採用の場合の噴霧粒径を、それぞれ、ｒ０、ｒ１、ｒ２およびｒ３として表記している。

図４によれば、液膜厚さおよび噴霧粒径の両方ともに、対策Ａ、Ｂを両方とも採用の場合の低減幅は、対策Ａのみを採用した場合の低減幅と、対策Ｂのみを採用した場合の低減幅との和以上の低減幅となっている。すなわち、（ｄ０−ｄ３）は、（ｄ０−ｄ１）と（ｄ０−ｄ２）との和よりも大きく、（ｒ０−ｒ３）は、（ｒ０−ｒ１）と（ｒ０−ｒ２）との和よりも大きくなっている。

以上により、ガイド面４１および噴孔内周側壁面４２で２回集約することによる微粒化効果は、ガイド面４１で１回集約することによる微粒化効果と、噴孔内周側壁面４２で１回集約することによる微粒化効果との単なる足し合わせ以上の効果であり、ガイド面４１および噴孔内周側壁面４２で２回集約する構造は、噴孔１４における燃料流を薄膜化して噴霧微粒化を促進する点において、極めて有効な手段である。

また、ガイド面４１の下流端４３は、噴孔内周側壁面４２の上流端４４よりも外周側にある。
これにより、２回目の集約場所である噴孔内周側壁面４２への燃料流の指向性を高めることができる。このため、噴孔１４における燃料流をさらに薄膜化して噴霧微粒化を促進することができる。

〔実施例〕
実施例のインジェクタ１によれば、図５に示すように、着座面２２とガイド面４１との接続部は、上流側から下流側に向かって勾配が急になるように、ニードル弁３の軸芯を含む断面上でＲ状をなす。
これにより、ガイド面４１を通過する際の燃料の圧力損失を低減できるので、ガイド面４１における燃料の集約に伴う圧力損失を抑制できる。

〔変形例〕
インジェクタ１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。例えば、実施例のインジェクタ１によれば、噴孔１４は、ニードル支持部材１７の先端においてニードル弁３の軸芯に垂直な平面に開口していたが、図６に示すように、噴孔１４を被着座面２１と同様の傾斜面に開口させてもよい。また、ニードル弁３の着座面２２を球面状に設けてもよく、弁ボディの先端部をプレートにより設けて、プレートを貫通するように噴孔１４を設けてもよく、インジェクタ１をインテークマニホールドに装着して吸気ポートに燃料を噴射するようにしてもよい。

１インジェクタ
３ニードル弁（弁体）
１２燃料流路
１４噴孔
１７ニードル支持部材（弁ボディ）
１８ノズルボディ（弁ボディ）
２１被着座面
２２着座面
４１ガイド面
４２噴孔内周側壁面（噴孔の内壁面の内で内周側の部分）
４３下流端（ガイド面の下流端）
４４上流端（噴孔の内壁面の内で内周側の部分の上流端）
θ１、θ２角度

Claims

先端に噴孔を有する弁ボディと、この弁ボディに収容される弁体とを備え、前記弁ボディに前記弁体を収容することで、前記弁体の外周と前記弁ボディの内周との間に燃料流路を形成し、
前記弁体を前記弁ボディの内部で軸方向に移動させて前記弁ボディに離着させることで、前記噴孔を前記燃料流路に対して開閉するインジェクタにおいて、
前記弁体の先端部には、前記弁ボディの被着座面に離着するための着座面が設けられ、この着座面が前記被着座面に対して線状かつ環状に離着することで、前記噴孔が前記燃料流路に対して開閉され、
さらに、前記弁体の先端部には、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度だけ前記着座面よりも急勾配になって前記着座面に連続して内周側に伸びるガイド面が設けられ、
前記噴孔の内壁面の内で内周側の部分は、０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい範囲の角度だけ前記ガイド面に対して外周側に向かって傾斜し、
前記ガイド面の下流端は、前記噴孔の内壁面の内で内周側の部分の上流端よりも外周側にあり、
前記着座面と前記ガイド面との接続部は、上流側から下流側に向かって勾配が急になるように、前記弁体の軸芯を含む断面上でＲ状をなし、
さらに、前記ガイド面を下流側に延長した延長面は、前記噴孔の内壁面の内で内周側の部分に交差していることを特徴とするインジェクタ。
請求項１に記載のインジェクタにおいて、
前記ガイド面は、上流側から下流側に向かって円錐状に縮径していることを特徴とするインジェクタ。