JP2017036678A - 電磁式弁 - Google Patents

Abstract

【課題】小流量化しながら噴霧の長さを短くするとともにノズルの先端の強度を確保することができる電磁式弁を提供する。
【解決手段】電磁弁は、弁体１１４と、弁体１１４が着座するシート部４と、弁体１１４の下流側に設けられ、複数の噴射孔１１７が形成される固定弁１１６を備える。固定弁１１６の下流側先端部１１６ａは、弁体１１４の中心軸Ｃを通る軸方向断面において外周側から内周側に向かって厚みが増加するように形成される。複数の噴射孔１１７の軸方向長さＬは、下流側先端部１１６ａにおいて最も厚みが大きくなる部位の厚みｄｍａｘよりも長くなるように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁式弁に関する。

内燃機関、特にガソリンを用いた自動車用筒内噴射システムに用いられる電磁式燃料噴射弁においては、排気ガス・燃費に対する規制や要求を満足するため、噴射された燃料が燃焼室である筒内のシリンダやピストン等の壁面に液体のまま付着しないことが望まれる。液体のまま壁面へ付着した燃料はその後の燃焼がしにくく、未燃炭化水素やすすとなって排気ガス中に含まれることになるからである。

そのため電磁式燃料噴射弁が噴射する燃料で構成される噴霧において噴射方向の長さ（以降、噴霧長さと記載）が短い方が壁面付着による排気ガス性能の悪化を抑制することができる。ただし、噴霧長さが短すぎるとエンジン筒内全体へ燃料が到達せず、燃料の均質性が悪化する。局所的に燃料の濃い部分や薄い部分ができると燃焼が安定して行われず出力の低下につながる。

そのため噴霧長さはエンジンや求める性能により適切な長さに定める必要がある。また、市場動向として燃費向上のためエンジンのダウンサイジング化が進んでいる。筒内の小型化により必要とされる燃料は小流量化し、また適切な噴霧長さは短い傾向にある。そのため、小流量化と共に噴霧を短くする技術が必要である。

噴霧はポンプによって加圧された燃料が電磁式燃料噴射弁から圧力によって生ずる初速をもって筒内へ噴射されることで形成され、雰囲気中のガスを貫通して進行することで抵抗を受けながら減速していく。噴霧長さを短くするための手段として、雰囲気中のガスによる抵抗を大きくするために噴霧の進行方向への広がり角を広くする手段がある。つまり、雰囲気中のガスと貫通する面積を広げて抵抗を増やすことにより噴霧長さを短くする手段である。

噴霧の広角化については噴孔の長さＬと噴孔径Ｄの比であるＬ／Ｄを短くする手段が開示されている（例えば、特許文献１参照）。Ｌ／Ｄを短くすることで整流化される前に燃料が噴孔を通過し、流れが乱れたまま噴射される。噴孔の中心軸に対して径方向に向かって流れる燃料が増加することにより、噴霧が進行方向に対して径方向に広がることになる。

ここで、ノズル先端に設けられたR状突起面に拡開部端面を有する噴孔が備えられた構造が開示されている（例えば、特許文献２参照）。拡開部の深さを調整することで整流作用のある噴孔長さＬを調整することができる構造である。さらに、前記R状突起面と上流側に対向する面には凹部が設けられている。前記凹部は弁体先端の中心部と空隙を介して対向している。前記空隙が狭すぎると残った燃料により液体のはりつき力が発生して開弁時の応答性を悪化させる。そのため、前記凹部により空隙の体積を増加させて液体のはりつき力を低下させている。

特開2005-121034号公報 特開2010-53726号公報

小流量化しながら噴霧の長さを短くするには噴孔径Ｄを小さくし、Ｌ／Ｄを小さくする必要がある。つまり、従来よりもさらに噴孔長さＬを短くする必要がある。一方、前記特許文献１の拡開部を深くすると噴孔長さＬを短くできるが、深すぎると噴霧と拡開部端面が接触して噴霧の広がりが阻害される。そのため、噴孔部周辺の板厚自体を薄くする必要があるが強度とトレードオフとなる課題があった。

特に、前記凹部によりノズルの先端の肉厚はもともと薄いが、噴孔部周辺の板厚を薄くすることに伴いさらに薄くなり強度不足になる。

本発明の目的は、小流量化しながら噴霧の長さを短くするとともに噴射される液体の張り付きを抑制しつつノズルの先端の強度を確保することができる電磁式弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、弁体と、前記弁体が着座する座部と、前記弁体の下流側に設けられ、複数の噴孔が形成される噴孔形成部を備えた電磁弁において、前記噴孔形成部の下流側先端部は、前記弁体の中心軸を通る軸方向断面において外周側から内周側に向かって厚みが増加するように形成され、前記複数の噴孔の軸方向長さは、前記下流側先端部において最も厚みが大きくなる部位の厚みよりも長くなるように形成される。

本発明によれば、小流量化しながら噴霧の長さを短くするとともに噴射される液体の張り付きを抑制しつつノズルの先端の強度を確保することができる。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。

第１及び第２の実施形態による燃料噴射弁の全体を示す断面図である。 第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端の斜視図である。 第１の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端の断面図である。 第２の実施形態による燃料噴射弁のノズル先端の断面図である。

以下、図面を用いて、本発明の第１〜第２の実施形態による燃料噴射弁（電磁式弁）の構成及び作用効果について説明する。なお、各図において、同一符号は同一部分を示す。

最初に、第１及び第２の実施形態による燃料噴射弁の全体構成について図１を用いて説明する。以降の図は説明のため寸法を誇張して描いており、実際の縮尺とは異なる。

図１の固定コア１０７上部には加圧して燃料を供給するための図示しない高圧ポンプと、前記高圧ポンプと固定コア１０７上部とを連結する配管が配置されている。この配管を介して、高圧ポンプから固定コア１０７中心部の燃料通路である貫通孔へ加圧された状態で燃料が供給される。弁体１１４の上端面にはスプリング５５の着座面が設けられている。

スプリング５５の弁体１１４との逆側の上端面には調整子５４が当接している。調整子５４は固定コア１０７に固定されている。

弁体１１４はガイド部材１１５と可動子ガイド１１３によって、上下に往復運動できるように保持されている。

弁体１１４は電磁コイル１０５に通電していない閉弁状態においてはスプリング５５の付勢力によってノズル１０１の先端に設けられた固定弁１１６と当接しており、前記高圧ポンプから供給された燃料の流れを燃料噴射孔１１７から遮断している。なお、本実施形態では、固定弁１１６はノズル１０１と一体であるが別体であってもよい。

電磁コイル１０５は固定コア１０７の外周部に配置されている。電磁コイル１０５に通電することにより、固定コア１０７、ハウジング１０３、ノズル１０１、および、弁体１１４と一体構造である可動コア１０２を介して矢印１２２で示すトロイダル状の磁気通路が形成されている。

また、導体１０９の先端部に形成されたコネクタ１２３にはバッテリ電圧により電力を供給するプラグが接続される。図示しないコントローラは、導体１０９を通じて電磁コイル１０５の通電、非通電を制御する。

電磁コイル１０５に通電中は磁気通路１２２を通る磁束によって可動コア１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生する。可動コア１０２が吸引されることで上方へ動き、固定コア１０７の下端面に衝突するまでのストローク量分を移動する。

その結果、弁体１１４が固定弁１１６からストローク量分だけ離れて開弁状態となり、固定コア１０７中心部の燃料通路である貫通孔から供給された燃料を噴射孔１１７から燃焼室内へ噴射する。

電磁コイル１０５への通電が断たれると磁気通路１２２の磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。この状態では弁体１１４を閉弁方向に押すスプリング５５のばね力が弁体１１４に作用する。その結果、弁体１１４は固定弁１１６に接触する閉弁位置に押し戻される。固定弁１１６の構成については以下により説明する。なお、図１では、固定弁１１６を模式的に表示している。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図２、３を用いて説明する。

図３に示すように、固定弁１１６はノズル１０１の先端部のテーパ面５とテーパ面上のシート部４（座部）を備える。つまり、閉弁位置では弁体１１４先端の球面部とノズル１０１先端のテーパ面５が接触する円環状のシート部４により燃料がシールされている。テーパ面５上でシート部４の下流側には１つ以上の噴射孔１１７が備えられている。

換言すれば、燃料噴射弁（電磁弁）は、弁体１１４と、弁体１１４が着座するシート部４（座部）と、弁体１１４の下流側に設けられ、複数の噴射孔１１７（噴孔）が形成される固定弁１１６（噴孔形成部）を備える。

噴射孔１１７はシート面５に開口部を持つ円筒形状の噴射孔小径部１、前記噴射孔小径部１よりも下流側で大径の噴射孔中径部２、さらに下流側に拡径された噴射孔大径部３により構成されている。図２の例では、噴射孔１１７（１１７Ａ〜１１７Ｅ）は５つある。

開弁期間中に燃料は、図３に示す噴射孔小径部１の円筒部の内壁にそって流れ、エンジン筒内へ噴射される。噴射孔中径部２および噴射孔大径部３の内径と深さは、噴射孔小径部１の燃料出口から噴射された燃料がそれぞれの円筒部には接触しないように定められている。

噴射される燃料の噴霧長さは噴射孔小径部１の径Ｄと長さＬの比であるＬ／Ｄ値の影響を受ける。Ｌ／Ｄを小さくすることで整流化される前に燃料が噴射孔小径部１を通過し、流れが乱れたままエンジン筒内へ噴射される。つまり、噴射孔小径部１の中心軸に対して径方向に向かって流れる燃料が増加することにより、噴霧が進行方向に対して径方向に広がることになる。エンジン筒内の雰囲気ガスに噴射された燃料が貫通する面積が広がり、抵抗が増えることにより噴霧長さが短くなる。

径Ｄはエンジンで必要な流量から定められ、長さＬはエンジンで必要な噴霧長さから定められている。一方、噴射孔１１７（噴孔）の軸方向長さＬ’は、固定弁１１６（噴孔形成部）の上流側入口の中心と下流側出口の中心との繋ぐ線の長さで定義される。

本実施形態では、噴射孔１１７（噴孔）は、固定弁１１６（噴孔形成部）の上流側から噴射孔小径部１（第１流路）と噴射孔小径部１の径よりも大きい噴射孔中径部２（第２流路）とで構成される。図３に示すように、噴射孔中径部２の下流側端面Ｓにより下流側出口が形成される。

好ましくは、噴射孔１１７（噴孔）の軸方向長さＬ’に対して、固定弁１１６（噴孔形成部）の下流側出口の径Ｄ’（噴射孔中径部２の径）の関係Ｌ’／Ｄ’が0.8〜1.5の範囲となるように構成される。これにより、噴霧が進行方向に対して径方向に効果的に広がる。

なお、噴射孔１１７（噴孔）が噴射孔小径部１（第１流路）のみから構成される場合、噴射孔小径部１の径Ｄと長さＬの比であるＬ／Ｄが0.8〜1.5の範囲となるように構成されるようにすればよい。

図３に示すように、テーパ面５の噴射孔１１７より中心側には、弁体１１４の先端に空隙を設けるため凹部６が備えられている。弁体１１４の先端と対向するシート面５の狭い隙間に液体があると表面張力により弁体１１４とシート面５が貼りつく。この液体の貼りつき力が大きいと開弁時に大きな吸引力が必要であり、また開弁時の応答性が低下するといった悪影響を生じる。

前記凹部６は、弁体１１４とシート面５の間に発生する液体の貼りつき力を抑制するために備えられている。凹部６は加工性を良くするためＲ部６Ａと平面部６Ｂにより構成されている。

噴射孔大径部３はエンジン筒内に臨むＲ部７の面上に開口している。Ｒ部７の噴射孔大径部３より中心側にはＲ部７よりもエンジン筒内側に膨出し、Ｒ部７より曲率の小さいＲ部８が備えられている。ノズル１０１の先端中心部は凹部６により薄肉になるためＲ部８により必要な板厚を確保している。

ここで、Ｒ部７と８を形成後に噴射孔大径部３を加工するが、噴射孔大径部３の開口部が曲率の異なる２つの曲面をまたいでしまうと、噴射孔大径部３の加工性が悪化する。上記のように噴射孔大径部３より中心側にＲ部８を設けることで生産性を損なうことなくＲ部８を有することができる。

換言すれば、図３に示すように、固定弁１１６（噴孔形成部）において、下流側先端部１１６ａの外周側に複数の噴射孔１１７（噴孔）が形成され、弁体１１４の軸方向において、下流側先端部１１６ａと前記複数の噴射孔１１７とが重ならないように配置される。

エンジン筒内からの燃焼圧を受ける場合、板厚が一定であれば中心部分の応力が最も大きくなる。応力をできるだけ均一化して最大応力の値を抑制し、強度を向上させるためにＲ部６ＡとＲ部８で構成される部位の肉厚に対して、それより中心側に向かうに従い肉厚が厚く、あるいは少なくとも同じになるように寸法が定められている。そのような構成とするため、具体的には曲率をＲ部６Ａ≦Ｒ部８としている。

換言すれば、図３に示すように、固定弁１１６（噴孔形成部）の下流側先端部１１６ａは、弁体１１４の中心軸Ｃを通る軸方向断面において外周側から内周側に向かって厚みが増加するように形成される。つまり、下流側先端部１１６ａの最も下流側の先端部における厚みｄｍａｘが他の部位に比べて厚みが大きくなるように形成される。これにより、下流側先端部１１６ａの最も下流側の先端部の強度を確保することができる。

また、複数の噴射孔１１７（噴孔）の軸方向長さＬ’は、下流側先端部１１６ａにおいて最も厚みが大きくなる部位の厚みｄｍａｘよりも長くなるように形成される。これにより、噴射孔１１７（噴孔）の周辺の強度が確保される。

さらに、固定弁１１６（噴孔形成部）の下流側先端部１１６ａは平面部６Ｂ（上流側表面）とＲ部８（下流側表面）とを有する。厚みｄｍａｘは、弁体１１４の中心軸Ｃを通る軸方向断面において、平面部６Ｂ（上流側表面）の接線Ｔと直交する方向の平面部６Ｂ（上流側表面）とＲ部８（下流側表面）との間の長さで定義される。なお、本実施形態では、固定弁１１６（噴孔形成部）の上流側表面が平面であるため接線Ｔは平面に含まれる。

以上説明したように、本実施形態によれば、小流量化しながら噴霧の長さを短くするとともに噴射される液体の張り付きを抑制しつつノズルの先端の強度を確保することができる。

詳細には、上記の構成とすることで凹部６の機能を阻害せず必要なノズル先端の板厚を設けて、さらに生産性を損なうことなくＬ／Ｄ（Ｌ’／Ｄ’）を従来よりも小さくすることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図４を用いて示す。第１の実施形態の場合と同様の部位の説明と符号は省略する。Ｒ部７の面上に設けられた膨出部８はＲ部８Ａとそれより中心側の平面部８Ｂで構成される。

ここでも、Ｒ部６ＡとＲ部８で構成される部位の肉厚に対して、それより中心側に向かうに従い肉厚が厚く、あるいは少なくとも同じになるように寸法が定められている。そのため、曲率はＲ部６Ａ≦Ｒ部８Ａとしている。また、平面部６Ｂと平面部８Ｂで構成される部位の板厚はＲ部６ＡとＲ部８Ａで構成される板厚の最小値よりも厚く構成される。

上記の構成とすることで凹部６の機能を阻害せず必要なノズル先端の板厚を設けて、さらに生産性を損なうことなくＬ／Ｄ（Ｌ’／Ｄ’）を従来よりも小さくすることができる。

また、Ｒ部７とＲ部８の境界は生産性を向上するために、なめらかなＲでつないでもよい。

換言すれば、図４に示すように、固定弁１１６（噴孔形成部）は、弁体１１４の中心軸Ｃを通る軸方向断面において曲面形状の下流側先端部１１６ａと、下流側先端部１１６ａの外周側に形成され曲面形状の外周部１１６ｂとが繋がって形成される。複数の噴射孔１１７（噴孔）は外周部１１６ｂに形成される。

詳細には、固定弁１１６（噴孔形成部）は、下流側先端部１１６ａと外周部１１６ｂとの間に曲率変化点Ｐが形成され、弁体１１４の中心軸Ｃを通る軸方向断面において下流側先端部１１６ａに対し外周部１１６ｂの方が曲率が大きい。

このとき、前記のなめらかなＲ上に噴射孔大径部３が重なっても良い。境界をつなぐような、なめらかなＲであればＲ部８と正接に近く曲率変化が小さいため噴射孔大径部の加工性が悪化しないためである。

以上説明したように、本実施形態によれば、小流量化しながら噴霧の長さを短くするとともに噴射される液体の張り付きを抑制しつつノズルの先端の強度を確保することができる。また、噴射孔大径部３の加工性が良好となる。

また、全体の構成については電磁式燃料噴射弁を用いて説明したが、それ以外のソレノイド形式の開閉弁である電磁弁についても同様である。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明の実施形態は以下の態様であってもよい。

（１）ノズル先端に内面から外面に貫通し外面側先端に段付き拡開部を備えた複数の噴孔と、当該噴孔の段付き拡開部で囲まれたノズル先端の中央内底面から先端側に向かって設けられた凹部と、当該段付き拡開部の下流側端面もしくはその端面を超えてノズル先端側へ設けられた前記凹部の底部とを備え、当該凹部は噴孔部近傍の最薄部から中心側に向かって板厚が増加、もしくは一定となることを特徴とする電磁弁。

（２）（１）において、当該凹部と対向するノズル先端部に当該噴孔部より外周側の面に対して突起形状の膨出部があることを特徴とする電磁弁。

（３）（１）〜（２）において、当該膨出部と当該膨出部より外周側の面は曲率の異なる曲面を有し、双方の境目には曲率変曲点があることを特徴とする電磁弁。

（４）（１）〜（３）において、当該変曲点の外周側に複数の当該噴孔があることを特徴とする電磁弁。

１…噴射孔小径部
２…噴射孔中径部
３…噴射孔大径部
４…シート部
５…テーパ面
６…凹部
６Ａ…Ｒ部
６Ｂ…平面部
７…Ｒ部
８…Ｒ部
８Ａ…Ｒ部
８Ｂ…平面部
５４…調整子
５５…スプリング
１０１…ノズル
１０２…可動コア
１０３…ハウジング
１０５…電磁コイル
１０７…固定コア
１１３…可動子ガイド
１１４…弁体
１１５…ガイド部材
１１６…固定弁
１１７…噴射孔
１１７Ａ〜Ｅ…噴射孔
１２２…磁気通路
１２３…コネクタ

Claims (9)

1. 弁体と、
   前記弁体が着座する座部と、
   前記弁体の下流側に設けられ、複数の噴孔が形成される噴孔形成部を備えた電磁弁において、
   前記噴孔形成部の下流側先端部は、前記弁体の中心軸を通る軸方向断面において外周側から内周側に向かって厚みが増加するように形成され、
   前記複数の噴孔の軸方向長さは、前記下流側先端部において最も厚みが大きくなる部位の厚みよりも長くなるように形成されることを特徴とする電磁弁。
2. 下流側に設けられ、複数の噴孔が形成される噴孔形成部を備えた電磁弁において、
   前記噴孔形成部の下流側先端部は、前記弁体の中心軸を通る軸方向断面において外周側から内周側に向かって厚みが増加するように形成され、
   前記下流側先端部の最も下流側の先端部における厚みが他の部位に比べて厚みが大きくなるように形成されることを特徴とする電磁弁。
3. 請求項１又は２に記載の電磁弁において、
   前記噴孔形成部の下流側先端部は上流側表面と下流側表面とを有し、
   前記厚みは、前記弁体の中心軸を通る軸方向断面において、上流側表面の接線と直交する方向の前記上流側表面と前記下流側表面との間の長さで定義されることを特徴とする電磁弁。
4. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記噴孔の軸方向長さは、前記噴孔形成部の上流側入口の中心と下流側出口の中心との繋ぐ線の長さで定義されることを特徴とする電磁弁。
5. 請求項４に記載の電磁弁において、
   前記噴孔は、前記噴孔形成部の上流側から第１流路と前記第１流路の径よりも大きい第２流路とで構成され、
   前記第２流路の下流側端面により前記下流側出口が形成されることを特徴とする電磁弁。
6. 請求項１又は２に記載の電磁弁において、
   前記噴孔形成部において、前記下流側先端部の外周側に前記複数の噴孔が形成され、前記弁体の軸方向において、前記下流側先端部と前記複数の噴孔とが重ならないように配置されることを特徴とする電磁弁。
7. 請求項１又は２に記載の電磁弁において、
   前記噴孔形成部は、前記弁体の中心軸を通る軸方向断面において曲面形状の前記下流側先端部と、前記下流側先端部の外周側に形成され曲面形状の外周部とが繋がって形成され、前記複数の噴孔は前記外周部に形成されることを特徴とする電磁弁。
8. 請求項７に記載の電磁弁において、
   前記噴孔形成部は、前記下流側先端部と前記外周部との間に曲率変化点が形成され、前記弁体の中心軸を通る軸方向断面において前記下流側先端部に対し前記外周部の方が曲率が大きいことを特徴とする電磁弁。
9. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記噴孔の軸方向長さＬ’に対して、前記噴孔形成部の下流側出口の径Ｄ’の関係Ｌ’／Ｄ’が0.8〜1.5の範囲となるように構成されることを特徴とする電磁弁。

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