JP2007040111A

JP2007040111A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2007040111A
Application number: JP2005222332A
Authority: JP
Inventors: Eiji Ishii; 英二石井; Yoshio Okamoto; 良雄岡本; Masahiro Soma; 正浩相馬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-01
Also published as: JP4306656B2

Abstract

【課題】噴射孔形状および噴射孔近傍で効果的に微粒化性能を向上させた燃料噴射弁と内燃機関を提供する。
【解決手段】噴射孔を２つの流路で構成し、１番目流路と２番目流路の傾斜角を変えて設定して、１番目流路からの高速流れを２番目流路の内壁へ衝突させることにより、噴射孔内に薄い液膜を形成し、液膜噴射時の分裂促進により噴霧の微粒化性能を向上する。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に係り、微粒化に優れた燃料噴霧を形成する技術に関するものである。

従来技術では燃料噴射弁の噴射孔において、噴射孔を等しい孔径をもって直線状に延設された等径部と、テーパ状に拡径した拡径部とによって構成している（特許文献１参照）。この特許文献１では、燃料が等径部から拡径部へ流れる際の拡散効果を利用して噴霧の微粒化が図られている。また、噴孔上流の流れが流れ込む側の噴孔内壁に突起部を設けることで、噴孔内に薄い液膜を形成して噴霧の微粒化を図るものがある（特許文献２参照）。

特開平２００１−２１４８３９号公報。特開平２００１−２６３２０６号公報。

従来技術では、噴射孔を等径部とテーパ状の拡径部で構成したり、噴孔上流の流れが流れ込む側の噴孔内壁に突起部を設けることにより、噴霧の粒径を小さくしている。しかし、効果的な燃料消費量の低減、および燃焼の未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量の低減のため、さらに微粒化を促進する必要がある。

本発明の目的は、微粒化性能を向上できるようにした燃料噴射弁と、微粒化を向上した燃料噴霧により、燃料消費量の低減或いは燃焼の未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量の低減を図った内燃機関を実現するための燃料噴射弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として噴射孔をその入口側と出口側とを結ぶ方向において形状の異なる２つの流路（例えば、等径部と拡径部の組合せ）で構成し、かつ噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の流路内壁に関して、１番目（上流側）流路の内壁よりも２番目（下流側）流路の内壁の方が流路側に突出して設定されている。これにより、１番目の流路を通過した燃料が、２番目の流路に進入する際に２番目流路の内壁に衝突するため、流れの衝突力により薄い液膜が噴射孔内壁に形成され、この薄い液膜が噴射孔の外へ放出されることで噴霧の微粒化が向上される。

本発明によれば、噴射孔を形状の異なる２つの流路で構成し、かつ噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の流路内壁に関して、１番目流路の内壁よりも２番目流路の内壁の方が流路側に設定することにより、流れの持つ流路内壁への衝突力により薄い液膜が噴射孔内壁に形成され、この薄い液膜が噴射孔の外へ放出されることで噴霧の微粒化が向上される。

以下、この発明の最良の実施形態について図１〜図１９を参照しながら説明する。以下の説明において、弁体の軸線を含み、かつその軸線に平行な面を縦断面と呼ぶことにする。

図１は、燃料噴射弁の一実施例である通常時閉型の電磁式燃料噴射弁の構造を示す縦断面図である。（但し、本実施例の効果は電磁式燃料噴射弁に限定されるものではない。）図１の燃料噴射弁は、電磁コイル１０９を取り囲む磁性体のヨーク１０５と、電磁コイル１０９の中心に位置し一端がヨーク１０５と接触したコア１０６と、前記電磁コイル１０９が励磁されると所定量リフトする弁体１０２と、弁体１０２に対接するシート面１１０と、弁体１０２とシート面１１０の隙間を通って流れる燃料を噴射する燃料噴射室１０１、および燃料噴射室１０１の下に複数の噴射孔１０７を有するプレート部材１１１を備えている。
コア１０６の中心には、弁体１０２をシート面１１０に押圧する弾性部材としてのスプリング１０８が備えてある。コイル１０９に通電されていない状態においては、弁体１０２とシート面１１０とが密着している。燃料は図示しない燃料ポンプによって圧力を付与された状態で燃料供給口より供給され、弁体１０２とシート面１１０の密着位置まで燃料噴射弁の燃料通路１０４は燃料で満たされている。コイル１０９に通電され、磁力によって弁体１０２が変位してシート面１１０から離れると、燃料は燃料噴射室１０１で軸中心付近に集約されたのち、プレート部材１１１に設けられた複数の噴射孔１０７よりエンジンの吸気ポート等に向けて噴射される構造になっている。

図２はノズル部の縦断面図であり、また図３はプレート部材１１１に設けられた噴射孔１０７の配置の一例を示す。燃料は図３に示す噴射孔１０７から矢印３０１と矢印３０２の２方向へ噴射され、その結果、図２に示す噴霧２０１が形成される。

本発明の第１の特徴は、図４に示すように形状の異なる２つの流路（図４(a)等径部４０３と拡径部４０４の組合わせ、図４(b)等径部４０７と拡径部４０８の組合せ）で構成し、かつ２つの流路の中心軸（図４(a)等径部の中心軸４０１と拡径部の中心軸４０２、図４(b)等径部の中心軸４０５と拡径部の中心軸４０６）はそれぞれ異なった傾斜角に設定されていることである。これにより、１番目の等径部を通過した燃料が、２番目の拡径部に進入する際に２番目拡径部の内壁に衝突するために、流れの衝突力により薄い液膜が２番目拡径部の内壁に形成され、この薄い液膜が噴射孔外へ放出されることで噴霧の微粒化が向上される。また形状の異なる２つの流路は、図５のように、噴射孔は２つの拡径部の組合せ（図５(a)拡径部５０３と拡径部５０４の組合わせ、もしくは図５(b)拡径部５０７と拡径部５０８の組合わせ）で構成されてもよい。更に図８に示すように噴射孔を内径の異なる２つの円筒形８０３と円筒形８０４で構成し、２つの円筒形の中心軸８０１と中心軸８０２はオフセットされ、かつ２つの中心軸の傾斜角が異なるような構成にしてもよい。図４、図５、図８で示した実施例と同様な効果が得られる他の実施形態としては、図１０(a)のように噴射孔の内壁に関して、噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の噴射孔内壁１００３に、その上流端から下流端に至る途中から下流端までの間において、突起部１００２を設けても図１０(b)と同様な噴霧の微粒化効果が得られる。

本実施例の作用と効果を、図６から１０を用いて説明する。図６(a)は図４(a)の噴射孔に関して、噴射孔を構成する２つ流路の中心軸４０１と中心軸４０２を含む断面図を示したものである。図６(a)に示すように、噴射孔入口から進入する流れはまず１番目流路の内壁６０２（図中の１番目流路の右側壁面）に衝突し、その後、２番目流路の内壁面６０３（図中の２番目流路の右側壁面）に衝突する。次に図６(b)に示すように、噴射孔の内壁６０２と内壁６０３に衝突する流れ６０４は、噴射孔内壁への衝突後は横へ広がる流れ６０５を形成する。この結果、噴射孔内には薄い液膜６０６が形成される。特に本発明では１番目流路の内壁６０２よりも２番目流路の内壁６０３の方が流路側に突出している（内壁６０２の傾斜角６０１よりも内壁６０３の傾斜角は流路側に傾いている）ため、１番目流路を通過する高速の流体を２番目流路の内壁６０３へ衝突させることで、１番目流路の内壁６０２へ流れを衝突させるだけの構造よりもより薄い液膜を噴射孔内に形成することが可能である。この薄い液膜６０６は噴射孔の外へ噴射されると容易に粒径の小さい液滴へと分裂するために噴霧の微粒化が促進される。

一方、本発明を放射流型の燃料噴射弁へ適用した場合の実施形態を図７(a)に示す。図７(a)は図４(b)の噴射孔に関して、噴射孔を構成する２つ流路の中心軸４０５と中心軸４０６を含む断面図を示したものである。図７(a)に示すように、噴射孔入口から進入する流れはまず１番目流路の内壁７０２（図中の１番目流路の左側壁面）に衝突し、その後、２番目流路の内壁面７０３（図中の２番目流路の左側壁面）に衝突する。次に図７(b)に示すように、噴射孔の内壁７０２と内壁７０３に衝突する流れ７０４は、噴射孔内壁への衝突後は横へ広がる流れ７０５を形成する。この結果、噴射孔内には薄い液膜７０６が形成される。

図８は本発明における噴射孔を構成する２つの流路を２つの円筒形８０３と８０４で構成した場合の実施例であり、図９は図８における噴射孔を構成する２つ流路の中心軸８０１と中心軸８０２を含む断面図を示したものである。本実施例では２つの円筒形の中心軸はオフセットされ、かつ２つの中心軸の傾斜角が異なっている。本実施例でも図６(a)で示した実施例と同様に、噴射孔内への液膜形成による噴霧の微粒化効果を得ることが可能である。

図６、図７、図９の実施例では噴射孔を構成する２つの流路を別々のプレート部材で製作する例を示しているが、単一プレート部材に対してドリル加工や放電加工を用いても製作が可能である。

以上の実施例の作用と効果は噴射孔に２つの流路を構成する場合のものである。１つの流路のみを用いる場合の実施例は前記のように、噴射孔の内壁に関して、噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の噴射孔内壁に、その上流端から下流端に至る途中から下流端までの間において、突起部を設けるものである。図１０(a)に実施例の作用と効果を示す。図１０(a)に示すように噴射孔入口から進入する流れはまず噴射孔の内壁１００３（図中の流路の右側壁面）に衝突し、その後、内壁１００３側に設けた突起部１００２に衝突する。ここで突起部は内壁１００３の傾斜角よりも流路側に突出している。次に図１０(b)に示すように、噴射孔の突起部１００２に衝突する流れ１００４は、突起部１００２への衝突後は横へ広がる流れ１００５を形成する。この結果、噴射孔内には薄い液膜１００６が形成される。

図１７と図１８は、本発明の燃料噴射弁のプレート部材１１１よりも上流の構造をそれぞれ、放射流型、フラット弁型にした実施例のノズル部の縦断面図を示している。

図１７の放射流型では弁体１０２とシート面１１０の隙間を通って流れる燃料を一度縮流する燃料縮流部１７０１があり、この燃料縮流部１７０１の下に燃料を外周方向に流す燃料外周放射室１７０２、および燃料外周放射室１７０２の下に複数の噴射孔１０７を有するプレート部材１１１を備えているのが特徴である。

図１８のフラット弁型は弁体１８０１を前述の図２に示したボール弁型ではなくフラット型にしており、さらに弁体１８０１が上下して燃料をシートするシート面１８０２が弁体１８０１とプレート部材１１１の間にあるのが特徴である。

放射流型、フラット弁型のいずれの型も図２に示した燃料噴射弁と比較して同等あるいはそれ以上の微粒化性能を出すことが可能である。

図１９は、図１に示した本発明にかかる燃料噴射弁１９０１を、内燃機関に搭載した一例を示すものである。燃料噴射弁は前記実施例に示したものと同様の電磁式燃料噴射弁を用いているので、その構成要素の説明は省略する。図１９に示した内燃機関は、シリンダヘッド１９０２、吸気弁１９０３、燃料と空気との混合気に点火する点火プラグ１９０４、ピストン１９０５、シリンダ１９０６、排気弁１９０７、シリンダ１９０６内に空気を導入する吸気ポート１９０８、燃焼ガスをシリンダ１９０６内から排気する排気ポート１９０９から構成されている。また、燃料噴射弁１９０１には、噴射弁を駆動するための電流を供給するためのコネクタ１９１０が設置されている。

なお、図１９において、吸気弁１９０３は閉弁した状態で示してある。しかしながら、実際には、燃料噴射弁１９０１から燃焼室１９１１に対して燃料が噴霧状に噴射される際、吸気弁１９０３は開弁している。ここで、燃料噴射弁１９０１の噴射開始時期は、吸気弁１９０３が実際に開弁しているタイミングでも良いが、燃料の飛行時間を考慮して吸気弁１９０３が実際に開弁を開始する前でも良い。この場合噴射開始時の燃料は吸気弁１９０３が実際開弁するタイミングで吸気弁１９０３に到達するよう飛行時間が設定される。更に、許容できる範囲内であれば、噴射開始時の燃料が吸気弁１９０３が実際に開弁を開始する前に吸気弁１９０３に到達するように噴射開始時期を設定することもできる。

上記実施例では、電磁式燃料噴射弁について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本実施例と同等の作用効果が得られる範囲で、電磁式以外の燃料噴射弁に汎用的にも適用されるものである。また、本発明はポート噴射式の燃料噴射弁についての実施例であるが、多孔式の筒内噴射インジェクタにおいても同様に燃料の微粒化が可能である。

上記の各実施例によれば、噴射孔もしくは噴射孔の近傍に微粒化のための手段が構成されるため、効果的な微粒化が可能である。

上記のことより本発明の燃料噴射弁を備えた実施例の内燃機関では、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の微粒化性能が優れているため、燃焼の未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ）の排出量を低減できる。

本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の縦断面図である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部の縦断面図である。本発明の燃料噴射弁における実施例のプレート部材の噴射孔入口側から見た平面図である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部を円筒形と円錐形で構成した例である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部を２つの円錐形で構成した例である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部を円筒形と円錐形で構成した際に、それぞれの中心軸を含む断面図である。本発明の燃料噴射弁のプレート部材より上流の構造を放射流型にした場合の実施例のノズル部を、円筒形と円錐形で構成した際に、それぞれの中心軸を含む断面図である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部を２つの円筒形で構成した例である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部を２つの円筒形で構成した際に、それぞれの中心軸を含む断面図である。本発明の燃料噴射弁における実施例のノズル部に、噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の噴射孔内壁に突起部を設けた例である。本発明の燃料噴射弁のプレート部材よりも上流の構造を放射流型にした実施例のノズル部の縦断面図である。本発明の燃料噴射弁のプレート部材よりも上流の構造をフラット弁型にした実施例のノズル部の縦断面図である。本発明の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した実施例の部分断面図である。

符号の説明

１０１…燃料噴射室、１０２…弁体、１０３…ノズル部、１０４…燃料通路、１０５…ヨーク、１０６…コア、１０７…噴射孔、１０８…スプリング、１０９…コイル、１１０…シート面、１１１…プレート部材、２０１…噴霧、３０１…噴射方向、３０２…噴射方向、４０１…円筒形の中心軸、４０２…円錐形の中心軸、４０３…円筒形、４０４…円錐形、４０５…円筒形の中心軸、４０６…円錐形の中心軸、４０７…円筒形、４０８…円錐形、５０１…円錐形の中心軸、５０２…円錐形の中心軸、５０３…円錐形、５０４…円錐形、５０５…円錐形の中心軸、５０６…円錐形の中心軸、５０７…円錐形、５０８…円錐形、６０１…１番目流路の延長線、６０２…１番目流路の内壁へ流れが衝突する側、６０３…２番目流路の内壁へ流れが衝突する側、６０４…噴射孔内壁へ衝突する流れ、６０５…噴射孔内で広がる流れ、６０６…噴射孔内の燃料液膜、７０１…１番目流路の延長線、７０２…１番目流路の内壁へ流れが衝突する側、７０３…２番目流路の内壁へ流れが衝突する側、７０４…噴射孔内壁へ衝突する流れ、７０５…噴射孔内で広がる流れ、７０６…噴射孔内の燃料液膜、８０１…円筒形の中心軸、８０２…円筒形の中心軸、８０３…円筒形、８０４…円筒形、１００１…流路の延長線、１００２…突起部、１００３…噴射孔内壁、１００４…噴射孔内壁へ衝突する流れ、１００５…噴射孔内で広がる流れ、１００６…噴射孔内の燃料液膜、１７０１…燃料縮流分、１７０２…燃料外周放射室、１８０１…弁体、１８０２…シート面、１９０１…燃料噴射弁、１９０２…シリンダヘッド、１９０３…吸気弁、１９０４…点火プラグ、１９０５…ピストン、１９０６…シリンダ、１９０７…排気弁、１９０８…吸気ポート、１９０９…排気ポート、１９１０…コネクタ、１９１１…燃焼室。

Claims

板厚方向に貫通する複数の噴射孔を有するプレート部材と、前記プレート部材の上流側に弁座と、前記弁座との間で燃料通路の開閉を行う弁体と、前記弁体を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁において、
噴射孔をその入口側と出口側とを結ぶ方向において形状の異なる２つの流路で構成し、かつ噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の流路内壁に関して、上流側流路の内壁面から下流側流路の内壁面を流路内側に突出させたことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１に記載の燃料噴射弁において、噴射孔を構成する２つの流路を等径部と拡径部で構成し、等径部を円筒形で形成し、かつ拡径部を円錐形の一部で形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１に記載の燃料噴射弁において、噴射孔を構成する２つの流路を２つの拡径部で構成し、かつ拡径部を円錐形の一部で形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１に記載の燃料噴射弁において、噴射孔を構成する２つの流路を内径の異なる２つの円筒で構成し、２つの円筒形の中心軸はオフセットされ、かつ２つの中心軸の傾斜角が異なることを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、噴射孔を構成する２つの流路を別々のプレート部材で構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
板厚方向に貫通する複数の噴射孔を有するプレート部材と、該プレート部材の上流側に弁座と、該弁座との間で燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁において、
噴射孔の内壁に関して、噴射孔入口から進入する流れが衝突する側の噴射孔内壁に、その上流端から下流端に至る途中から下流端までの間において、突起部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。