JP6186130B2 - 燃料噴射弁及び燃料噴射弁の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンエンジン等の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なう、燃料噴射弁に関する。

下記従来技術には、燃料噴孔に流入した燃料が燃料噴射孔の入口から出口に至る間，流れの進路を屈曲させることなく，体積の膨張及び収縮を受け得るようにして，燃料ポンプの吐出圧力を特別高めることなく，噴射燃料の微粒化を促進させ得ることが開示されている。近年、自動車の排ガス規制が強化されてきており、自動車用内燃機関には有害排出ガスＨＣ（炭化水素）やすすなどの粒子状物質を低減することが求められている。これらの排出物は、筒内の壁面や吸気弁等に衝突付着した燃料が、火炎が伝播しにくく未燃状態を引き起こしたり、局所的にリッチになる事によって発生する。これらを抑制するためには、筒内の壁面に噴霧が衝突しないように噴霧自体を短くする事と、吸気弁等に噴霧が衝突しないように噴霧をレイアウトする自由度が高い事が必要である。上記従来技術においては、噴射孔では燃料流路の断面積が流れ方向に変化することで、（噴射方向の速度成分とは別に）噴射孔の中心軸と垂直な断面内に旋回速度成分が発生し、燃料が噴射孔から出た際に前記旋回速度成分により噴霧が拡散し、その結果、噴霧を短くすることが可能である。

特開２０１０−１１２１９６号公報

従来発明では噴射孔内の旋回速度成分の分布が噴射方向に対して対称（噴射孔の中心軸線を噴射孔の前記断面へ投影した直線に対して、断面内の旋回速度成分の分布が対称形）となり、その結果、方向が正反対の旋回速度成分が打ち消し合い、十分な噴霧の拡散効果が得られないという課題がある。

本発明の目的は、筒内に燃料を直接噴射した場合に吸気弁や筒内壁面に付着する燃料を低減することで有害物質の排出量を低減することが可能な、噴霧形状を構成する自由度が高く、噴霧の到達距離の短い燃料噴射装置を提供することである。

以上の課題を解決するために、本発明では以下の様な手段を用いることとした。

弁体と接して燃料をシートする円錐座面と、前記円錐座面に複数の燃料噴射孔の入口開口部を有したシート部材において、
前記燃料噴射孔の入口開口部の入口断面と平行な平面で構成された、噴射孔出口に位置する出口断面において、前記出口断面の楕円長軸方向が、前記噴孔軸を前記出口断面上に投影して得られる燃料噴射方向の直線に対して０度より大きく、かつ直交するまでの傾斜角を持つ前記噴射孔が設けられたシート部材を有する燃料噴射弁の構成とした。

本発明によれば、噴霧の到達距離を短くすることが可能になると同時に噴霧のレイアウト性を高め筒内での吸気弁等への付着を無くすことができ、排気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。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る燃料噴射弁の実施例を示す断面図である。 本発明の第１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。 図１のノズル体の下端部を下方から見た噴射孔の配置例である。 図２のノズル体の下端部に配置された噴射孔に本発明を適用した例である。 図４の本発明を適用した噴射孔を、噴射孔の入口側から出口側を見た場合の、噴射孔の入口断面と噴射孔の出口断面である（第一実施例）。 図５に対応した、従来技術での噴孔入口の断面と噴孔出口の断面である。 本発明による噴霧の到達距離の短縮効果を示す図。 図４の本発明を適用した噴射孔を、噴射孔の入口側から出口側を見た場合の、噴射孔の入口断面と噴射孔の出口断面である（第二実施例）。 図４の本発明を適用した噴射孔を、噴射孔の入口側から出口側を見た場合の、噴射孔の入口断面と噴射孔の出口断面である（第三実施例）。 図４の本発明を適用した噴射孔を、噴射孔の入口側から出口側を見た場合の、噴射孔の入口断面と噴射孔の出口断面である（第一実施例を応用した例）。 図５における、噴孔入口の断面と噴孔出口の断面における旋回速度成分。 従来技術における、噴孔出口の断面における旋回速度成分。

本発明の第１の実施例に係わる燃料噴射弁について、図１乃至図７および図１１と図１２を用いて以下説明する。

図１に示した電磁式燃料噴射弁１００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。

（■噴射弁基本動作説明）
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１００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シート部材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１ＭＰａ乃至３５ＭＰａ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はノズル体１０４に溶接などで接合されたシート部材１０２に設けられた円錐面からなる弁座面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、円錐面の弁座面２０３と球面２０２の接触はほぼ線接触の状態になっている。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はガイド部材１０３、弁体ガイド１０５にガイドされながらアンカー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、弁座面２０３と弁体の球面部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燃料噴射孔２０１に至り噴射される。
図３は図１のシート部材１０２の下端部を下方から見た噴射孔の配置例を示す。燃料噴射弁の鉛直方向の中心軸２０４とシート部材１０２の下端部の交点３０２を中心に６つの噴射孔３０１が配置されている。

（■流れ、効果説明）
図４は、図２のシート部材１０２の下端部に配置された噴射孔２０１に本発明を適用した例である。図４に示した矢印の範囲は、噴射孔２０１の入口開口部の入口断面４０１と出口断面４０２を示し、出口断面４０２は前記入口断面４０１と平行な平面で構成される。入口断面４０１と出口断面４０２の中心は噴射孔２０１の中心軸４０３と一致し、かつ出口断面４０２は噴射孔２０１の実質的出口開口部４０４と噴射孔の中心軸４０３の交点を含む。

図５は、図４の本発明を適用した噴射孔を、噴射孔の入口側から出口側を見た場合の、噴射孔の入口断面４０１と噴射孔の出口断面４０２の位置関係を示す。入口断面４０１と出口断面４０２は楕円形状で構成される。噴射孔の中心軸４０３を出口断面へ投影した直線で示される燃料の噴射方向５０２に対して、出口断面４０２の楕円長軸の方向５０４ａ、５０４ｂは、０度よりも大きな傾斜角β５０５を持ち、かつ前記傾斜角β５０５は、出口断面の楕円形状は燃料の噴射方向５０２を示す直線に対して線対称（直交）とならない傾斜角とする（すなわち、βは０度と９０度の間の値（図５の５０５ａ）を取り、またβは図５で示した反時計回り以外に、時計回りにも値（図５の５０５ｂ）をとる）。

入口断面４０１へ流入する燃料は、まずシート部材１０２の中心３０２に向かう流れ方向５０１から流れ込む。そして噴射孔内では燃料の噴射方向５０２の向きに流れ、その後噴射孔から噴射される。入口断面４０１への流入方向５０１と噴射方向５０２の間には、ひねり角α５０３が定義される。

一方、図６は従来技術における入口断面６０１と出口断面６０２の関係を示す。従来技術では入口断面６０１の楕円長軸と出口断面６０２の楕円長軸の方向は燃料の噴射方向５０２と一致しており、傾斜角βは０度である。

本発明の効果に関して図１１を用いて説明する。図中の矢印は入口断面４０１と出口断面４０２の断面内での旋回速度成分を示す。入口断面４０１の断面内では旋回速度成分１１０１と旋回速度成分１１０２のように、流入方向５０１に対してほぼ線対称に形成される。そして出口断面４０２では、図５で示した流入方向５０１と噴射方向５０２で定義される、ひねり角α５０３および噴射方向５０２と出口断面４０２の長軸方向５０４ａ、５０４ｂで定義される、傾斜角β５０５ａ、５０５ｂの作用により、旋回速度成分１１０３と旋回速度成分１１０４のように異なる強さの旋回速度分布が断面内に形成される。前記の異なる強さの旋回速度成分は、噴射後に大気中で互いに打ち消し合ってゼロにならず、噴霧の拡散効果得られて噴霧の到達距離を短くすることにつながる。図７はひねり角α５０３と傾斜角β５０５が噴霧の到達距離に及ぼす効果を示したものである。噴霧の到達距離７０２はひねり角α５０３の増加と伴に短くなり、最短距離になった後、増加に転じる。一方、傾斜角β５０５の効果を付加することにより、全てのひねり角α５０３での噴霧の到達距離を７０１のように傾斜角β＝０に比べて短くすることが可能である。そのため、ひねり角αが０度か１８０度の噴射孔でも効果的に噴霧の到達距離を短くすることが可能である。一方、従来技術では図１２に示すように、例えばひねり角α５０３が０度か１８０度の場合、出口断面１２０３では旋回速度成分の１２０２aと１２０２bが噴射方向１２０１に対して線対称に形成される。線対称な旋回速度成分は燃料が噴射された後、互いに打ち消し合う作用を持つため、噴霧の拡散効果が弱くなり、噴霧の到達距離が長くなる。

本発明により噴霧の到達距離を短くすることが可能であるが、更に噴霧液滴の微粒化を促進することも可能である。本発明により噴霧の拡散効果が得られ、燃料と空気の接触面積が増加する。この結果、空気による剪断効果が増加して、噴霧の微粒化が促進される。また図８では出口方向に噴射孔断面積が増加する末広がり流路と、前記の傾斜角β５０５の効果が合わさっており、噴霧の到達距離の短縮と噴霧の微粒化の促進に関して大きな効果が得られる。この効果は他の実施例においても同様である。

本実施例で示した噴射孔形状は、レーザー加工において、出口断面と入口断面の楕円輪郭に沿ってレーザーを照射することにより加工可能である。また本実施例において、噴孔の入口断面および出口断面は楕円形状の場合で説明したが、図１０に示すように楕円輪郭の一部に凹凸がある場合でも同様な作用効果が得られる。また、本実施例においては座面にある燃料噴射孔の入口は燃料噴射弁の中心軸から等距離に略等間隔に構成されているが、各燃料噴射孔入口の燃料噴射弁中心軸からの距離、燃料噴射孔同士の間隔が異なったとしても本実施例における作用効果が損なわれるものではない。また、本実施例に燃料噴射孔は６孔の場合の説明がなされているが、燃料噴射孔数が異なる場合でも同様の作用効果をもち効果が損なわれるものではない。同様に同じ燃料噴射孔数で異なる噴霧形状を構成する場合でも本発明により得られる作用効果が損なわれるものではない。

本発明の第２の実施例に係わる燃料噴射弁について、図３、図５、図８を用いて以下説明する。図８は本実施例における噴射孔の入口断面８０１と出口断面８０２の位置関係を示すものであり、実施例１の説明で使用した図と同一の番号が割り当てられているものは、実施例１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

図８では噴射孔の入口断面８０１が真円形状で構成されている。以下で本発明の効果について説明する。図３は、図１のシート部材１０２の下端部を下方から見た噴射孔の配置例であるが、各噴射孔は噴射方向が異なり、そのために噴射孔入口の断面が噴射孔毎に異なる。その結果、各噴射孔からの噴射流量が噴射孔毎に違いを生じる。噴射孔の入口断面の形状が楕円形であると、図５に示した燃料の流入方向５０１によって、流入損失が異なり噴射流量が変わる。そこで本発明では、各噴射孔の入口断面を図８のように真円形状とすることで、各噴射孔の噴射流量の変化を防ぐことが可能である。また入口断面８０１を真円形状とすることで、出口断面８０２への断面積拡大率が大きくなり、かつ真円では噴射孔内壁の曲率が一定なために、実施例１で示した旋回速度成分が強くなり、噴霧の拡散効果をより強めることが可能である。よって、実施例１で説明した出口断面８０２の長軸方向５０４と噴射方向５０２で定義される傾斜角β ５０５による出口断面内の旋回速度成分の効果と合わせて、噴霧の到達距離を更に短くすることが可能である。

また本実施例において、噴孔の入口断面は真円形状および出口断面は楕円形状の場合で説明したが、図１０に示したように真円と楕円の輪郭の一部に凹凸がある場合でも同様な作用効果が得られる。

本発明の第３の実施例に係わる燃料噴射弁について、図９を用いて以下説明する。図９は本実施例における噴射孔の入口断面９０１と出口断面９０２の位置関係を示すものであり、実施例１の説明で使用した図と同一の番号が割り当てられているものは、実施例１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

図９では、噴射孔が２つの流路で構成され、第１の流路は、前記入口断面と同じ面積の断面を、前記噴孔軸を中心に出口方向にスライドさせて得られる楕円柱からなり、第２の流路は、入口側から出口側に向かうに従い流路断面積が増加するテーパ形状から構成される。またテーパ形状のパートの出口断面９０２の楕円長軸９０４は噴射方向５０２に対して傾斜角β５０５を持つ。本実施例で示した構造でも、実施例１で示した発明と同一の効果を得ることが可能である。

更に、図９で示した噴射孔の入口断面９０１を、実施例２で示したのと同様に、真円形状にすることで、実施例２と同様な効果を得ることが可能である。
また本実施例において、噴孔の入口断面および出口断面は楕円形状の場合で説明したが、図１０に示すように楕円輪郭の一部に凹凸がある場合でも同様な作用効果が得られる。

本実施例で示した噴射孔形状は、レーザー加工に加えて、パンチによる加工が可能である。まず噴射孔入口側から楕円柱状のピンで開口し、次に噴射孔出口側からテーパ形状のピンを押しつけることにより形成が可能である。

実施例１、実施例２、実施例３で示した本発明は、以下の手法によって更に噴霧の到達距離を短縮することが可能である。

一つ目は、噴射孔上流におけるシート部流速を早める方法である。噴孔上流のシート部流速の方向は、噴射孔の入口断面に平行に近いため、シート部流速が速くなると入口断面の旋回速度成分も早くなり、その結果、噴霧の拡散効果が増加して噴霧の到達距離が短縮される。

二つ目は、シート部上流の速度分布を旋回流などで修正する方法である。実施例１から実施例３で説明したように、噴射孔内での旋回速度成分の形成には、噴射孔の入口断面への燃料の流入方向と燃料の噴射方向の成すひねり角α５０３が影響する。そこで、シート部上流の速度分布を旋回流などで、噴射孔の入口断面への燃料の流入方向を変更することでひねり角α５０３をコントロールすることが可能となり、噴霧の到達距離を短縮することができる。

１００・・・電磁式燃料噴射弁
１０１・・・弁体
１０２・・・シート部材
１０３・・・ガイド部材
１０４・・・ノズル体
１０５・・・弁体ガイド
１０６・・・可動子
１０７・・・磁気コア
１０８・・・コイル
１０９・・・ヨーク
１１０・・・付勢スプリング
１１１・・・コネクタ
１１２・・・燃料供給口
２０１・・・噴射孔
２０２・・・弁体の球面
２０３・・・弁座面
２０４・・・燃料噴射弁の鉛直方向の中心軸
４０１・・・入口断面
４０２・・・出口断面
４０３・・・噴射孔の中心軸
４０４・・・出口開口部
５０１・・・燃料の流入方向
５０２・・・燃料の噴射方向
５０３・・・ひねり角α
５０４・・・噴射孔の出口断面の楕円長軸方向
５０５，５０５ａ、５０５ｂ・・・傾斜角β
６０１・・・入口断面
６０２・・・出口断面
７０１・・・噴霧の到達距離
７０２・・・噴霧の到達距離
８０１・・・入口断面
８０２・・・出口断面
９０１・・・入口断面
９０２・・・出口断面
９０３・・・楕円柱部とテーパ部の境界線
１００１・・・入口楕円形状
１００２・・・出口楕円形状
１１０１・・・入口断面での旋回速度成分
１１０２・・・入口断面での旋回速度成分
１１０３・・・出口断面での旋回速度成分
１１０４・・・出口断面での旋回速度成分
１２０１・・・噴射孔の噴射方向
１２０２a・・・出口断面での旋回速度成分
１２０２b・・・出口断面での旋回速度成分
１２０３・・・出口断面

Claims (12)

1. エンジンのシリンダ内部に直接、燃料を噴射する燃料噴射弁において、
   弁体と、
   前記弁体と接して燃料をシートする座面を有し、前記座面の下流側において前記弁体の中心軸に対して０度より大きい角度を有するように開口する燃料噴射孔が形成されるシート部材と、を備え、
   前記燃料噴射孔は、前記弁体の軸方向から見て前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心とを結んだ直線と、前記燃料噴射孔の入口断面の中心と前記入口断面と平行な平面で構成される出口断面の中心とを結んだ中心軸とでなす角度αが０度＜角度α＜９０度で構成され、かつ、前記燃料噴射孔の前記中心軸と前記出口断面の長軸とでなす角度βが０度＜角度β＜９０度で構成され、
   前記角度αおよび前記角度βは、前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心と結んだ直線に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の傾斜方向が、前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記出口断面の長軸の傾斜方向と同じ方向となるように設けられたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１において、
   前記弁体の軸方向に沿って上流側から下流側に向かって見た場合に、
   前記角度αは、前記燃料噴射孔の前記中心軸が前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心と結んだ直線に対して反時計回りに傾斜するように設けられ、
   前記角度βは、前記出口断面の長軸が前記燃料噴射孔の中心軸に対して反時計回りに傾斜するように設けられたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔は、前記入口断面の少なくとも一部が真円形状に形成され、前記出口断面の少なくとも一部が楕円形状に形成されることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔は、前記角度αに対し、前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心とを結んだ直線と前記出口断面の長軸とでなす角度の方が大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔の前記入口断面は、前記燃料噴射孔の入口開口部と一致することを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔の前記出口断面の中心は、前記燃料噴射孔の出口開口部の中心と一致することを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項６に記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射孔の前記入口断面は、前記燃料噴射孔の入口開口部と一致することを特徴とする燃料噴射弁。
8. 請求項１〜３の何れかに記載の燃料噴射弁において、
   前記角度αは０度及び９０度に対して４５度に近い角度となるように構成されることを特徴とする燃料噴射弁。
9. 請求項１〜３の何れかに記載の燃料噴射弁において、
   前記角度βは０度及び９０度に対して４５度に近い角度となるように構成されることを特徴とする燃料噴射弁。
10. 弁体と接して燃料をシートする座面を有し、前記座面の下流側において前記弁体の中心軸に対して０度より大きい角度を有するように開口する燃料噴射孔が形成されるシート部材と、を備えた燃料噴射弁の製造方法において、
    前記燃料噴射孔を前記弁体の軸方向から見て前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心とを結んだ直線と、前記燃料噴射孔の入口断面の中心と前記入口断面と平行な平面で構成される出口断面の中心とを結んだ中心軸とでなす角度αが０度＜角度α＜９０度となるように構成し、かつ、前記燃料噴射孔の前記中心軸と前記出口断面の長軸とでなす角度βを０度＜角度β＜９０となるように構成し、前記角度αおよび前記角度βは、前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心と結んだ直線に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の傾斜方向が、前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記出口断面の長軸の傾斜方向と同じ方向となるように設けられ、かつ、
    前記燃料噴射孔をレーザ加工により形成することを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。
11. 弁体と接して燃料をシートする座面を有し、前記座面の下流側において前記弁体の中心軸に対して０度より大きい角度を有するように開口する燃料噴射孔が形成されるシート部材と、を備えた燃料噴射弁の製造方法において、
    前記燃料噴射孔を前記弁体の軸方向から見て前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心とを結んだ直線と、前記燃料噴射孔の入口断面の中心と前記入口断面と平行な平面で構成される出口断面の中心とを結んだ中心軸とでなす角度αが０度＜角度α＜９０度となるように構成し、かつ、前記燃料噴射孔の前記中心軸と前記出口断面の長軸とでなす角度βを０度＜角度β＜９０となるように構成し、前記角度αおよび前記角度βは、前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心と結んだ直線に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の傾斜方向が、前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記出口断面の長軸の傾斜方向と同じ方向となるように設けられ、かつ、
    前記燃料噴射孔を、上流側の第１の流路と、下流側で前記第１の流路よりも断面積の大きい第２の流路とで形成され、前記第２の流路はパンチ加工により形成することを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。
12. 弁体と接して燃料をシートする座面を有し、前記座面の下流側において前記弁体の中心軸に対して０度より大きい角度を有するように開口する燃料噴射孔が形成されるシート部材と、を備えた燃料噴射弁の製造方法において、
    前記燃料噴射孔を前記弁体の軸方向から見て前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心とを結んだ直線と、前記燃料噴射孔の入口断面の中心と前記入口断面と平行な平面で構成される出口断面の中心とを結んだ中心軸とでなす角度αが０度＜角度α＜９０度となるように構成し、かつ、前記燃料噴射孔の前記中心軸と前記出口断面の長軸とでなす角度βを０度＜角度β＜９０となるように構成し、前記角度αおよび前記角度βは、前記弁体の中心と前記燃料噴射孔の入口断面の中心と結んだ直線に対する前記燃料噴射孔の前記中心軸の傾斜方向が、前記燃料噴射孔の中心軸に対する前記出口断面の長軸の傾斜方向と同じ方向となるように設けられ、かつ、
    前記燃料噴射孔を、上流側の第１の流路と、下流側の第２の流路とで形成され、前記第２の流路は入口側から出口側に向かうに従い流路断面積が増加するテーパ形状から形成することを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。