JP2010053796A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】
内燃機関に用いるインジェクタにおいて、燃料の流れによって弁体に作用する力を低減する。
【解決手段】
燃料噴射弁の弁体先端の形状もしくは弁座面の形状を、弁体円筒面からシートを形成する球面までの間の形状を、円弧で接続した場合よりも、弁体先端と円錐面で形成される弁座面との隙間が大きくなるように設定する。弁体の外側で弁座面から、流路断面積が急拡大することによって、静圧の低下によって受圧する弁体の部分を低減し、弁体に作用する力を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、弁が弁座と当接することで燃料の漏洩を防止し、弁が弁座から離れることによって噴射を行う、燃料噴射弁に関する。

特許３７３７１２２号公報には、弁体側の球面と弁座側の円錐面が当接することによって燃料シールを行う燃料噴射弁であって、弁シャフトの円筒部分に続いて円形の移行区分が設けられ、該円形の移行区分からシール座が狭帯域の球面として形成される燃料噴射弁が開示されている。

特許３７３７１２２号公報

内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁として、電磁式の燃料噴射弁が一般的に用いられている。ここでは、電磁式燃料噴射弁を例として課題を説明する。電磁式の燃料噴射弁は、通常時は付勢スプリングなどによって弁体が弁座面に押し付けられて閉状態となる、通常時閉型の電磁弁である。コイルへの通電によって電磁力が発生すると、弁体と弁座面とが離間して隙間を生じ、開状態となる。

ここで、開状態においては、弁体と弁座との隙間を燃料が通る際に流速が増大し、あるいは圧損が増大して、弁体の先端の静圧は低下する。このため、開状態の弁体は、燃料圧力によって閉弁方向に押されることになる。

このような閉弁方向の力に抗って開状態を維持するためには、コイルに投入する電流を増加させて磁気吸引力を増加させるか、使用する燃料圧力の範囲を低く設定するか、あるいは付勢スプリングによる力を一定値よりも小さくする必要がある。これらの対策のうち、コイルに投入できる電力は、コイルの発熱およびそれに伴う寿命の劣化や樹脂部材の熱的劣化のために、限界がある。また、エンジンの燃焼性能に影響するため、使用可能な燃料圧力の範囲は広いことが望ましい。

ここで、付勢スプリングによる力を弱く設定してしまうと、弁体を閉弁させるために作用する力が小さくなり、応答性を低下させてしまうという問題がある。閉弁の過程では、付勢スプリングの力と燃料による流体的な力によって弁体は閉弁動作を行うが、作動可能な最大の燃料圧力（最大作動燃圧）が大きくなるように付勢スプリングによる力を小さく設定すると、小さい燃料圧力では弁体が閉弁のための力を十分に受けることができず、閉弁に要する時間が長くなり、すなわち閉弁遅れ時間が長くなってしまう。

閉弁遅れ時間は、閉弁動作に関する燃料噴射弁の応答遅れ時間であり、制御可能な最小噴射量を決定する遅れ時間である。すなわち、付勢スプリング力が小さくなると、閉弁遅れ時間が長くなり、制御可能な最小噴射量が大きくなってしまうという問題がある。

したがって、制御可能な最小噴射量を十分に小さくするためには、閉弁遅れ時間を短くするために、付勢スプリング力を大きく設定する必要がある。ここで、最大作動燃圧が小さくならないためには、弁体に作用する流体的な力を減らすことが必要となる。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、弁体に作用する流体的な力を減じることを目的とする。

なお、上記の説明では電磁式燃料噴射弁を例にとって説明を行ったが、本発明の効果は電磁式のみではなく、ピエゾ素子や超磁歪素子によって弁を駆動する際においても同様の課題を解決する効果がある。

上記課題を解決するために、本発明では、弁体のシール部を成す球面部分から弁体の円筒部分と平行になる部分の範囲で、弁座と弁体のスキマが、球面部分の終端と円筒部分とを繋ぐ円弧と弁座を成す円錐面との距離より広がるように、弁体またはシート部材の形状を形成する。燃料によって弁体に作用する力の多くの部分は、弁体の先端において流体（燃料）の流速が増大して動圧が増加し、ベルヌーイの定理によって静圧が低下するか、もしくは弁体の先端において生じる圧力損失のために静圧が低下した結果、弁体先端が受圧面として作用する力である。したがって、これらの力を減じようとすると、燃料の流速を下げる必要があるか、流速の高い範囲を狭くして低下した静圧を受圧する範囲を狭める必要がある。本発明では、弁体先端のシール部分近傍で、燃料の流速が速い範囲を減じることによって、弁体先端で静圧が低下する範囲を低減し、あるいは発生する圧力損失を低減できる。この結果、弁体に作用させる付勢スプリング力を増大させることができ、閉弁遅れ時間を低減した応答性の良い燃料噴射弁を得ることができる。

本発明によれば、弁体に作用する燃料の流れによる力を低減することができ、燃料噴射弁が作動できる最大の燃料圧力を高めることができるか、あるいは付勢スプリング力を高く設定することで低圧時などにおいても応答性の良い燃料噴射弁を得ることができる。この結果、例えば制御可能な最小噴射量が小さい燃料噴射弁を得ることができ、燃費，排気，出力のいずれかの性能を高めた内燃機関を実現する燃料噴射弁を提供できる。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

図１は、本発明にかかる燃料噴射弁の例として、電磁式燃料噴射弁の例を示す断面図である。図１に示した電磁式燃料噴射弁は、筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁の例であるが、本発明の効果は、ポート噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁や、ピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁においても有効である。

図１において、燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射弁の内部に供給される。図１に示す電磁式燃料噴射弁は、通常時閉型の電磁駆動式であって、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１がスプリング１１０によって付勢されて弁座部材１０２に押し付けられ、燃料がシールされるようになっている。このとき、筒内噴射用燃料噴射弁では、供給される燃料圧力がおよそ２ＭＰａ乃至２５ＭＰａの範囲である。

図２は弁体の先端に設けられた噴射孔の近傍を拡大した断面図である。燃料噴射弁が閉弁状態にあるときには、弁体１０１は弁座部材１０２に設けられた円錐面からなる弁座２０３と当接することによって燃料のシールを保つようになっている。このとき、弁体１０１側の接触部は球面２０２によって形成されており、円錐面の弁座２０３と球面２０２の接触はほぼ線接触の状態になっている。弁体１０１と弁座２０３とには、相互の接触部にそれぞれシール部が構成され、燃料噴射孔２０１はこれらのシール部から見て燃料の流れ方向において下流側に位置するように、弁座部材１０２に形成されている。ここで、閉弁状態の時には燃料圧力にシート直径を有する円（接触部が成す円）の面積を乗じた力が弁体１０１に作用した状態となる。

図１に示したコイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成するコア１０７，ヨーク１０９，アンカー１０６に磁束密度を生じて、空隙のあるコア１０７とアンカー１０６の間に磁気吸引力を生じる。磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と前述の燃料圧力による力よりも大きくなると、弁体１０１はアンカー１０６によってコア１０７側に吸引され、開弁状態となる。

開弁状態となると、弁座２０３と弁体の球面２０２との間に隙間を生じ、燃料の噴射が開始される。燃料の噴射が開始されると、燃料圧力として与えられたエネルギは運動エネルギに変換されて噴射孔２０１に至り噴射される。

尚、弁体１０１はアンカー１０６と共にノズルホルダ１０４に内包されている。弁体１０１は、シール部が形成された先端部側に設けられたガイド部材１０３と、アンカー１０６が設けられた基端部側に設けられた弁体ガイド１０５とによって、２箇所でその駆動方向にガイドされている。ガイド部材１０３と弁体ガイド１０５とは、弁体の中心軸方向（弁軸心方向）において、２箇所で弁体１０１をガイドするように、ノズルホルダ１０４に設けられている。

図３は、開弁状態にある燃料噴射弁の先端における流れの状態と、燃料の流れによって弁体に作用する力を示した模式図である。図３は、本発明を用いない通常の燃料噴射弁において弁体３０１が受ける力を図示したものである。

弁体３０１が変位して開弁状態にあるとき、弁体３０１と弁座部材３０２の間の隙間を燃料が通過する。ここで、弁体３０１と弁座部材３０２の隙間は、比較的小さく設定することが、変位量を抑制する上で重要となる。すなわち、応答性のよい燃料噴射弁とするためには、変位量が大きくなり過ぎないことが重要である。このため、狭い隙間を通過する燃料の流速３０３は大きくなる。

一般的に、燃料の流速が大きくなると動圧（ρｖ²）／２（但しρは流体の密度、ｖは流速）が増加し、動圧に比例して圧力損失は大きくなる。このように圧力損失が生じると、弁体より下方の圧力が低下する。また、ベルヌーイの定理により、流速が高まることによって動圧が増大すると、流速が高い部位での静圧が低下する。

弁体は、その上流側（例えばスプリング１１０との接触位置）などで供給された燃料圧力を受圧しており、下流側（すなわち弁座部材１０２側）の燃料の圧力によって押し返され、その差分が弁体に作用する力となっている。したがって、弁体の先端で動圧に変換されることによる静圧の低下と、圧損による静圧の低下によって、矢印３０５に示すような圧力が弁体に作用し、弁体を閉弁方向に引き下げる力として作用する。

本実施例では、このように弁体を閉弁方向に引き下げる力を低減するために、弁体の外形を図４に示すような形状にする。図４は、弁体の近傍を図２よりも更に拡大した図である。弁体１０１の先端は、円筒面で構成されてガイド部を成す円筒部２０６よりも下流側で、円筒部２０６よりも細径の円筒面で構成された円筒部２０５を有し、円筒部２０５の下流側は円錐面２０４に連なるようになっている。円錐面２０４はシールを形成する球面２０２に滑らかに接続されており、球面２０２よりも下流側は球面２０２よりも尖った形状となっている。

球面２０２には弁座２０３のシート部２０３ａと接触するシート部２０２ａが構成されており、２０３ａの上流側の２０２ｂから下流側の２０２ｃに亘る範囲に球面部が形成されている。この球面部の中心はＯで示す位置である。本実施例では、球面２０２の半径は円筒部２０５の円筒面の半径に等しい。

弁座２０３の上流側には、弁座２０３を構成する円錐面より広い角度の広角円錐面２０３ｂが形成されており、広角円錐面２０３ｂは円筒部２０５を成す円筒面よりも弁軸心と直交する方向の内側（弁軸心側）で弁座２０３を形成する円錐面と交わる。

ここで、図４に示した断面図上で、弁体先端のシールを形成する球面２０２と円筒部２０５の円筒面に平行な仮想円筒面２０５ａとを円弧（上流側に向けて延長した仮想球面）で接続した場合には、二点鎖線２０２ｄ（仮想球面）のような線になる。本実施例では円筒部２０５と球面２０２との間に円錐面２０４を設けているため、シートを形成する弁座２０３の円錐面と弁体１０１との隙間が、弁体１０１の先端形状を二点鎖線２０２ｄのようなプロファイルにした場合と比較して、広くなる。ここで、弁体１０１と弁座２０３（広角円錐面２０３ｂを含む）との隙間とは、弁体１０１と弁座２０３（広角円錐面２０３ｂを含む）との最短距離のことである。以下の説明において、弁座２０３は広角円錐面２０３ｂを含むものとする。

図５は、弁体１０１の先端と弁座２０３を成す円錐面間の流路断面積を縦軸にとり、横軸に半径方向の位置を取ったグラフである。横軸は、流れ方向を右側にとっており、したがって右側が燃料噴射弁の中心軸（弁軸心）側となる。

燃料噴射弁の中心軸側に流れが向かうと、半径の小さい方向に向かうことになるため、流体通路断面積は本質的に直線的に狭くなっていく傾向を有している。

流れ方向の位置に沿って説明すると、図４に示した位置４０１のように、弁体の円筒面２０５の円筒面に平行な仮想円筒面２０５ａよりも半径方向に大きい位置では、図５の点５０１より左方の位置に示されるように、隙間は極めて大きい状態になっている。これに対して、仮想円筒面２０５ａと球面２０２を円弧（仮想球面）２０２ｄで接続する弁体形状とした場合には、点４０２のように弁体と弁座２０３の隙間の位置において、図５における線５０５に示すような隙間面積となる。尚、点４０３は弁座２０３に垂直でかつ球面２０２のシール部２０２ａを通る線上に位置する。

本実施例では、円筒部２０５から球面２０２までの間の弁体部分に、仮想円筒面２０５ａと球面２０２を円弧（仮想球面）２０２ｄで接続する弁体形状とした場合よりも弁体１０１と弁座２０３との隙間を大きくするような隙間拡大部を設ける。例えば、図４に示すように円錐面２０４を設けるとよい。円錐面２０４を設けた場合の弁体１０１と弁座２０３との間の隙間面積は、図５の５０６のように、５０５で示される隙間面積に対して大きくなる。

尚、図５において、破線５０７は球面２０２の端部２０２ｂの位置に対応し、破線５０４は広角円錐面２０３ｂの端部位置に対応する。破線５０４から左側に広角円錐面２０３ｂが設けられている。

本実施例においては、広角円錐面２０３ｂを設けることによっても、弁体１０１と弁座２０３との間の隙間面積を、弁座２０３を単一の円錐面で構成した場合と比べて、大きくしている。このとき、弁体１０１は仮想円筒面２０５ａと球面２０２とを円弧（仮想球面）２０２ｄで接続した弁体形状であっても良い。広角円錐面２０３ｂを設けずとも、弁体１０１の円錐面２０４だけでも、弁体１０１と弁座２０３との間の隙間面積を大きくできることは前述の通りである。

円錐面２０４を設ける場合には、球面２０２は弁座２０３と当接する位置（シート位置）より上流側まで設けられ、球面２０２と円錐面２０４が滑らかに接続されていると良い。

このように、弁体１０１の先端の面と弁座２０３との距離を大きく取ることによって、弁体１０１と弁座２０３との間の流体通路断面積が広い領域を大きく取ることができる。すなわち図４に示す点４０２のように、弁体１０１の表面と弁座２０３の隙間を、仮想円筒面２０５ａと球面２０２を円弧（仮想球面）２０２ｄで接続する弁体形状とした場合と比較して、図５の点５０２に示すように、広く取ることができる。このため、燃料の流速が遅い範囲を大きく取ることができる。流速の遅い領域を拡大できる結果、圧損を低減することができると共に、ベルヌーイの定理によって静圧が低下する範囲を低減することができる。特に、弁体１０１の先端形状は回転体の形状として形成することが一般的であるから、シート位置よりも外側の表面が広い。したがって、シート位置よりも外側での静圧の低下を抑制すると、弁体１０１に作用する力を低減する効果が大きい。球面２０２と円筒面２０５の間の弁体形状を本実施例のようにすることで、弁体１０１に作用する力を低減することができる。

弁体１０１に作用する力を低減することによって、燃料圧力によって弁体１０１が閉弁しようとする力を低減することができ、結果として燃料噴射弁が動作可能な燃料圧力の範囲を高圧側に設定できるようになる。この結果、高圧で使用することによってより微粒化した燃料を噴射する燃料噴射弁を提供できる。また、燃料圧力の使用範囲が広く、したがって可変燃料圧力で使用することによって噴射量の流量範囲の広い燃料噴射弁を提供できる。

あるいは、スプリング１１０のプリセット荷重を大きくしても、動作可能な燃料圧力の範囲を維持することができる。このようにスプリング１１０のプリセット荷重を大きくした場合には、燃料噴射弁の閉弁動作を早くすることができる。燃料噴射弁の閉弁動作に要する時間は、制御可能な最小噴射量を決定するため、スプリング１１０１のプリセット荷重を大きくすると、燃料噴射弁の制御可能な最小噴射量を小さくすることができる。この結果、より小さい噴射量を必要とする運転条件に対応できる燃料噴射弁を提供できるようになる。

なお、本実施例では、図５で示した円筒面が開始される点５０１より外側の範囲を拡大し、シート円錐面６０４と弁体１０１の表面の距離が狭くなる範囲を縮小するために、円筒部２０５は弁体の摺動ガイド面２０６より細い円筒面として設けてある。摺動ガイド部２０６の円筒面と円筒部２０５の円筒面とが一致していた場合においても、本実施例の効果を得ることができるが、円筒面２０５が摺動ガイド面２０６よりも細い径であることによって、静圧の低下の影響を受ける断面積をより減じることができる。

図６は、本発明に係る第二の実施例を示す、弁体６０１の近傍の拡大断面図である。第二の実施例では、シート円錐面６０４のシート位置より上流側に、シート円錐面６０４より開き角の大きい円錐面を設けるか、あるいは面６０６のように平面部を設ける。このように、平面部６０６を設ける方法は、特に弁体６０１が円筒面からなるシャフト部６０７と球体６０２によって構成されている場合に有効である。一般に、球体はベアリングとして供給されるため、比較的容易に高精度かつ硬度が高い球体を得やすいというメリットがある。その一方で、球体６０２とガイド面となるシャフト部６０７は溶接などによって接合されているため、接合後に加工することには困難が伴う。本発明の第二の実施例によれば、弁体側に加工を施さずに、シート部材側に加工を施すことで、弁体とシート円錐面の隙間を拡大し、弁体作用する力を低減するという効果を得られる。

弁体６０１に球体６０２を用いた場合には、シャフト部６０７と平行になる位置６０３からシート位置までの範囲で、弁体（球体６０２）とシート円錐面６０４の隙間の流路断面積が、点６０３からシート位置までを円弧で接続した場合よりも拡大するようなシート部材形状にする。

平面部６０６が設けられ、平面部６０６とシート円錐面６０４の交点が、弁体６０１に用いられる球面の円筒と平行になる位置６０３の径よりも内径側で、シート位置の径より外側に設定されていることにより、シートの油密性を確保しながらシート円錐面６０４と球体６０２の隙間の流路断面積が拡大する。

図７は、隙間の断面積変化を示す弁体近傍の拡大図と、流路断面積の関係を示すグラフを図示したものである。図７（ａ）に示すように、球体６０２の円筒と平行になる位置６０３と同一径の流体通路上の点７０１ａでは、図７（ｂ）の点７０１ｂに示すように流路断面積は広い。球体６０２とシート円錐面６０４が成す隙間は、線７０５のように球面の内側に向かうに従って狭くなる曲線となる。

これに対し、本実施例によれば、平面６０６とシート円錐面６０４の交点での流路上の点７０２ａより外側で、弁体とシート円錐面の間の隙間を線７０６で示すように拡大できる。すなわち、平面６０６が設けられていることによって、本来隙間が線７０５のように狭隘になってしまう領域においても、線７０６で示すように広い通路断面積とすることができる。

この結果、シート位置７０３ｂよりも外側（流れ方向の上流側）で、流体通路の狭隘によって生じる速い流速が生じる範囲を狭めることができる。このため、動圧の増大による静圧の低下や、圧力損失を抑えることができ、その影響範囲を狭めることによって、弁体６０１に作用する閉弁方向の力を低減できる。

本発明に係る燃料噴射弁の実施形態を示す断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の近傍を拡大した断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端に作用する力を示した模式図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の形状を詳細に示した拡大図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体と弁座の隙間を示したグラフである。 本発明の第二実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端近傍を拡大した断面図である。 本発明の第二実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の流路断面積の変化を示した図である。

符号の説明

１０１，３０１ 弁体
１０２，３０２ 弁座部材
１０３ ガイド部材
１０４ ノズルホルダ
１０５ 弁体ガイド
１０６ アンカー
１０７ 磁気コア
１０８ コイル
１０９ ヨーク
１１０ スプリング
１１１ コネクタ
１１２ 燃料供給口
２０１ 噴射孔
２０２ 弁体の球面
２０３ 弁座
２０４ 円錐面
２０５ 円筒部
２０６ 摺動円筒面
３０３〜３０６ 矢印
６０１ 弁体
６０２ 球体
６０３ 円筒と平行になる球体面の位置
６０４ シート円錐面
６０５ シート部材
６０６ 平面部
６０７ シャフト部

Claims (6)

1. 円錐面によって形成される弁座面と、前記弁座面との間で当接して燃料をシールする弁体と、前記弁体が前記弁座面から離れることによって開弁する燃料噴射弁において、
   前記弁体は、前記弁座との当接部位が球面で構成され、燃料の流れ方向において前記当接部位の上流側に円筒面を有し、
   前記弁体または前記弁座面の少なくともいずれか一方に、前記当接部位と前記円筒面との間の弁体部分と前記弁座面との間の隙間の大きさを、前記球面を前記円筒面と平行になる位置まで設けかつ前記弁座面を単一の円錐面で構成した場合と比べて大きくなるように形成した隙間拡大部を設けた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、前記円筒面は弁体の最も先端側に設けたガイド部を構成することを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、弁体の最も先端側に設けたガイド部よりもさらに先端側に円筒面を有し、前記円筒面と前記当接部位との間に円錐面を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載の燃料噴射弁において、前記円筒面は、前記ガイド部の外径よりも細い径で構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、前記円錐面の上流に前記円錐面より広い角度の広角円錐面を有し、前記広角円錐面は前記円筒部を成す円筒面よりも弁軸心と直交する方向の内側で弁座を形成する円錐面と交わることを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、前記円錐面の上流に平面部を有し、前記平面部は前記円筒部を成す円筒面よりも弁軸心と直交する方向の内側で弁座を形成する円錐面と交わることを特徴とする燃料噴射弁。

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