JP5336451B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃料噴射弁として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、スワール室においてスワールを付与した燃料を各燃料噴孔から噴射する燃料噴射弁が開示されている。この燃料噴射弁の燃料噴孔は、燃料噴射孔の内径よりも板厚が薄いインジェクタプレートに穿設されている。

特許第３７１５２５３号公報

燃料噴射孔の内径に対する軸長を短くすることにより、噴射した燃料の粒径を小さくすることが可能となる。しかしながら、燃料噴射孔の内径よりも軸長を短くするとプレートの強度を確保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、燃料の粒径を小さくするとともに、プレートの強度を確保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発明では、スワール付与室側に固定されたノズルプレートに形成され、各スワール付与室に連通する連通孔と、連通孔と連通するとともに外部に開口し連通孔の径よりも大きい拡径部とから構成される燃料噴射孔を設け、燃料噴射孔とスワール付与室とを同軸上に形成した。

本発明により、燃料の粒径を小さくするとともにプレートの強度を確保することができる。

実施例１の燃料噴射弁の軸方向断面図である。 実施例１のスワール室付近の拡大断面図である。 実施例１の弁座部材を軸方向他端側から見た平面図である。 実施例１のノズルプレートを軸方向から見た平面図である。 実施例１の燃料噴射孔部分の拡大断面図である。 実施例１の円筒形状に形成した燃料噴射孔の平面図と燃料噴射孔内の燃料の流れのイメージを示す図である。 実施例１の燃料噴射孔の軸長と、燃料噴射孔から噴射される燃料粒径との関係を示す図である。 実施例１の拡径部を形成した燃料噴射孔の平面図と燃料噴射孔内の燃料の流れのイメージを示す図である。 実施例２のスワール室付近の拡大断面図である。 実施例２の燃料噴射孔部分の拡大断面図である。 他の実施例のスワール室付近の拡大断面図である。 他の実施例のスワール室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、自動車用エンジン等に用いられるものである。
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噴射孔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、一端開口側に向かうにつれて大径に形成された開口部31とが設けられている。
また弁座部材7の他端側には、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に燃料を分配する燃料分配室42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、弁座6に弁体4が座るように磁性筒体2に挿入され、磁性筒体2に溶接により固定されている。

弁座部材7の他端側にはノズルプレート8が設けられ、このノズルプレート8は弁座部材7と溶接により固定されている。ノズルプレート8には、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。
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を介して大径部35において磁性筒体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をコイルバネ29の付勢力に抗して開弁させる。

燃料噴射弁1の図１に示すように、磁性筒体2の大径部11の一端部を除いた部分、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の外周は樹脂カバー53により被服されている。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が、ヨーク10の小径部37の外周にはOリング40が設けられている。

［スワール室の構成］
図２は燃料噴射弁1のスワール室41付近の拡大断面図である。図３は弁座部材7を図２においてA矢視した平面図である。
弁座部材7の他端側にはスワール室41と燃料分配室42が形成されている（図３参照）。燃料分配室42は弁座部材7の軸の同芯上に円形凹状に形成されている。開弁時には燃料が燃料分配室42に導かれることとなる。
スワール室41は、導入通路41aとスワール付与室41bとから構成されている。導入通路41aは燃料分配室42から放射状に延びて形成されている。放射状に延びた導入通路41aの先にはスワール付与室41bが形成されている。スワール付与室41bは円形凹状に形成されている。導入通路41aは、スワール付与室41bの接線上でスワール付与室41bに接続されている。

［ノズルプレートの構成］
図４はノズルプレート8を軸方向側から見た平面図である。図４ではスワール室41と燃料分配室42の位置を点線で示している。図５は燃料噴射孔44部分の拡大断面図である。
ノズルプレート8には、軸方向に貫通する燃料噴射孔44が形成されている。この燃料噴射孔44は、スワール室41に連通する連通孔44aと、連通孔44aに連通するとともに外部に開口しており、連通孔44aよりも拡径した拡径部44bとから構成されている。
拡径部44bは、連通孔44a側から開口部に向かって円錐状に拡径している。この拡径部44bの開き角度δは45度以上、120度以下に形成されている。
連通孔44aは、スワール付与室41bの径よりも小さく形成されている。図５において、連通孔44aの軸長Lは、ノズルプレート8の板厚Tに対して２分の１以下、より好ましくは４分の１以下に形成されている。または、連通孔44aの軸長Lは、連通孔44aの径の2倍(2×D)以下、より好ましくは連通孔44aの径D以下となるように形成されている。

［作用］
次に実施例１の燃料噴射弁1の作用について説明する。
（燃料噴射孔の軸長と燃料粒径との関係）
図６は円筒形状に形成した燃料噴射孔44の平面図（図６（ａ））と燃料噴射孔44内の燃料の流れのイメージ（図６（ｂ））を示す図である。図７は燃料噴射孔44の軸長と、燃料噴射孔44から噴射される燃料粒径との関係を示す図である。図７（ａ）は従来の燃料噴射孔44、すなわち拡径部を有しない円筒形状の中空部に形成された燃料噴射孔44を示している。ここで、燃料噴射孔44の軸長をL、燃料噴射孔44の径をDとする。図７（ｂ）は、L/Dに対する燃料噴射孔44から噴射された燃料の粒径の変化率を示すグラフである。図７（ｂ）では、L/Dが2.0のときの燃料の粒径を基準として粒径の変化率を表している。

ここで燃料の微粒化について説明する。開弁すると弁体4と弁座6との間から燃料が燃料分配室42に供給される。燃料分配室42に供給された燃料は、導入通路41aを通りスワール付与室41bに流れ込む。スワール付与室41bに流れ込んだ燃料は、スワール付与室41b内を旋回して旋回エネルギーを持ったまま燃料噴射孔44に供給される噴射される。旋回エネルギーを持つ燃料は、燃料噴射孔44の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、図６（ｂ）に示すように燃料噴射孔44の軸方向のベクトルXと、燃料噴射孔44の外周接線方向のベクトルYとの合成ベクトルZを保持して飛散する。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の開口部におけるエッジ部分（図６のE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。
燃料の粒径は小さいほど燃料の気化を促進することができるが、図７に示すように、L/Dが小さくなるほど粒径は小さくなっていることが分かる。前述のように、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（図６のE部分）によって薄い液膜状態で円錐状に広がる。この液膜が薄いほど液滴の粒径を小さくすることができる。液膜を薄くするためには、燃料噴射孔44開口部での燃料の旋回力が大きくなければならないが、図６において燃料噴射孔44の軸長Lが長くなれば、燃料と燃料噴射孔44の内壁との間の摩擦が大きくなり、燃料の旋回力を低減させることとなる。つまり、液滴の粒径を小さくするためには、燃料噴射孔44の軸長を短くすれば良い。
そのためにはノズルプレート8の板厚を薄くする必要がある。しかしながらノズルプレート8の強度確保の面から板厚を十分に薄くすることはできない。

（燃料の微粒化）
そこで実施例１の燃料噴射弁1では、燃料噴射孔44をスワール室41に連結する円筒状の連通孔44aと、この燃料噴射孔44と連通するとともに燃料噴射弁１の外部に向かって徐々に拡径された状態で外部に開口した連通孔44a径よりも大きい拡径部44bとから構成するようにした。なお実施例１では、拡径部44bは全周にわたって燃料噴射孔44の外部に向かって拡径しているが、例えばノズルプレート8の中心側の連通孔44bは軸方向にストレートに形成しても良い。
図８は、円筒形状に形成した燃料噴射孔44の平面図（図８（ａ））と燃料噴射孔44内の燃料の流れのイメージ（図８（ｂ））を示す図である。旋回エネルギーを持つ燃料は、連通孔44aの壁を沿うように旋回しながら通過し（図８（ｂ）の矢印）、連通孔44aの拡径部44b側の開口部におけるエッジ部分（図８のE部分）によって薄い液膜状態で円錐状に広がる（図８の矢印）。拡径部44bは連通孔44aよりも大きいため、円錐状に広がった液膜に拡径部44bが当接することを抑制することができる。つまり燃料噴射孔44の内、燃料が直接接するのは主に連通孔44aのみであり、拡径部44bとはほとんど接しない。よって、燃料と燃料噴射孔44の内壁との間の摩擦を小さくすることが可能となる。

そのため、連通孔44aの開口部での燃料の旋回力を大きくすることができ、連通孔44aの開口部におけるエッジ部分によって薄い液膜を形成することが可能となる。したがって、液滴化した燃料の粒径を小さくすることができ、燃料の気化を促進することができる。
また連通孔44aの軸長はノズルプレート8の板厚に関係なく設定することができるため、ノズルプレート8の板厚を確保することができ、ノズルプレート8の強度を保つことができる。

さらに実施例１の燃料噴射弁1では、連通孔44aの軸長をノズルプレート8の２分の１より短い長さに形成した。
よって、ノズルプレート8の強度を確保しつつ、燃料の粒径を小さくすることができる。
さらに実施例１の燃料噴射弁1では、連通孔44aの軸長をノズルプレート8の４分の１より短い長さに形成した。
よって、ノズルプレート8の強度を確保しつつ、燃料の粒径を小さくすることができる。
さらに実施例１の燃料噴射弁1では、連通孔44aの軸長を連通孔44aの径以下に形成した。
よって、ノズルプレート8の強度を確保しつつ、燃料の粒径を小さくすることができる。

［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41bと、スワール付与室41b側に固定されたノズルプレート8に形成され、スワール付与室41bに連通する連通孔44aと、連通孔44aと連通するとともに外部に開口し連通孔44aの径よりも大きい拡径部44bとから構成される燃料噴射孔44を設けた。
よって、燃料の粒径を小さくするとともに、ノズルプレート8の板厚を確保することができ、ノズルプレート8の強度を保つことができる。

（２）連通孔44aの径を、スワール付与室41bの径より小さく形成した。
よって、燃料の粒径を小さくすることができる。
（３）連通孔44aの軸長を、ノズルプレート8の板厚より小さく形成した。
よって、ノズルプレート8の強度を確保しつつ、燃料の粒径を小さくすることができる。
（４）連通孔44aの軸長を、連通孔44aの径よりも小さく形成した。
よって、ノズルプレート8の強度を確保しつつ、燃料の粒径を小さくすることができる。

（５）連通孔44aの軸長を、連通孔44aの径の２倍よりも小さく形成した。
よって、ノズルプレート8の強度を確保しつつ、燃料の粒径を小さくすることができる。
（６）拡径部44bは円錐状に形成され、拡径部44bの円錐の開き角度を45度以上120度以下とした。
よって、連通孔44aから円錐状に広がった液膜が拡径部44bに当接することを抑制することができ、燃料と燃料噴射孔44の内壁との間の摩擦を小さくすることができる。

〔実施例２〕
実施例２の燃料噴射弁1について説明する。実施例１の燃料噴射弁1では、燃料噴射孔44の拡径部44bを、連通孔44a側から開口部に向かって円錐状に拡径するように形成した。実施例２では、燃料噴射孔44の拡径部bを円筒状に形成した点で、実施例１の燃料噴射弁1と異なる。図９は燃料噴射弁1のスワール室41付近の拡大断面図である。図１０は、燃料噴射孔44部分の拡大断面図である。
ノズルプレート8には、軸方向に貫通する燃料噴射孔44が形成されている。この燃料噴射孔44は、スワール室41に連通する連通孔44aと、連通孔44aに連通するとともに外部に開口しており、連通孔44aよりも拡径した拡径部44bとから構成されている。
拡径部44bは、連通孔44aよりも大径の円筒状に形成されている。連通孔44aの径をD、連通孔の軸長をL、ノズルプレート8の板厚をT、連通孔44aの開口端と拡径部44bの開口端を結ぶ線が燃料噴射孔44の軸方向に対してなす角度をθとすると、拡径部44bの径dが、
d=D+2(T-L)tanθ （22.5≦θ≦60）
となるように形成されている。

［作用］
拡径部44bは連通孔44aよりも径が大きいため、円錐状に広がった液膜に拡径部44bが当接することを抑制することができる。つまり燃料噴射孔44の内、燃料が直接接するのは主に連通孔44aのみであり、拡径部44bとはほとんど接しない。よって、燃料と燃料噴射孔44の内壁との間の摩擦を小さくすることが可能となる。

［効果］
（７）拡径部44bは円筒状に形成され、連通孔44aの軸長をL、連通孔44bの径をD、ノズルプレート9の板厚をTとしたとき、拡径部44aの円筒の径dを
d=D+2(T-L)tanθ （22.5≦θ≦60）
となるように形成した。
よって、連通孔44aから円錐状に広がった液膜が拡径部44bに当接することを抑制することができ、燃料と燃料噴射孔44の内壁との間の摩擦を小さくすることができる。

〔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各実施例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。
例えば、燃料噴射孔44の連通孔44aの軸長は2分の１または４分の１以下にするのであれば、どんなに短くとも良い。図１１は燃料噴射弁1のスワール室41付近の拡大断面図である。図１１に示すように、連通孔44aの軸長をできるだけ短くし、ゼロに近づけるようにしても良い。
また実施例１の燃料噴射弁1では弁座部材7にスワール室41を形成するようにしていたが、中間プレート50を設けてこの中間プレート50にスワール室41を形成するようにしても良い。図１２は燃料噴射弁1のスワール室41付近の拡大断面図である。図１２に示すように、中間プレート50にスワール室41を形成し、ノズルプレート8とともに中間プレート50を弁座部材7に溶接する。

1 燃料噴射弁
4 弁体
7 弁座部材
8 ノズルプレート
41 スワール室
44 燃料噴射孔
44a 連通孔
44b 拡径部

Claims (8)

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、
   前記スワール付与室側に固定されたノズルプレートに形成され、前記各スワール付与室に連通する連通孔と、前記連通孔と連通するとともに外部に開口し前記連通孔の径よりも大きい拡径部とから構成される燃料噴射孔と、
   を設け、
   前記燃料噴射孔と前記スワール付与室とを同軸上に形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 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、
   前記スワール付与室側に固定された中間プレートと、
   前記中間プレートに形成され、前記各スワール付与室に連通する連通孔と、前記連通孔と連通するとともに外部に開口し前記連通孔の径よりも大きい拡径部と、から構成される燃料噴射孔が形成されたノズルプレートと、
   を設け、
   前記燃料噴射孔と前記スワール付与室とを同軸上に形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記連通孔の径は、前記スワール付与室の径より小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 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において、
   前記連通孔の軸長は、前記ノズルプレートの板厚より小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、
   前記連通孔の軸長は、前記連通孔の径よりも小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、
   前記連通孔の軸長は、前記連通孔の径の２倍よりも小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項５または請求項６に記載の燃料噴射弁において、
   前記拡径部は円錐状に形成され、前記拡径部の円錐の開き角度を45度以上120度以下としたことを特徴とする燃料噴射弁。
8. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記拡径部は円筒状に形成され、前記連通孔の軸長をL、前記連通孔の径をD、前記ノズルプレートの板厚をTとしたとき、前記拡径部の円筒の径dを
   d=D+2(T-L)tanθ （22.5≦θ≦60）
   としたことを特徴とする燃料噴射弁。

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