(57)【要約】【課題】多孔及び多方向噴射型の燃料噴射弁において、最適な位置に燃料を噴霧できエンジン性能や排気性能の向上に貢献できる多孔噴射式燃料噴射弁を提供する。【解決手段】噴射孔７１〜７６は、それぞれが噴射弁本体の中心線に対して傾斜角を有しており、且つそれぞれの噴射孔の傾斜角は、噴射される燃料噴霧９１〜９６の重心位置の目標傾斜角に所定のオフセット量を与えられている。この所定のオフセット量は、燃料噴霧の重心位置の目標方角に対する位置ずれを補正する補正量に基づき設定されている。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多方向に燃料を噴射する多孔の噴射孔を有する内燃機関用の燃料噴射弁において、
前記多孔の噴射孔は、それぞれが噴射弁本体の中心線に対して傾斜角を有しており、且つそれぞれの噴射孔の傾斜角は、噴射される燃料噴霧の重心位置が目標方角になるよう所定のオフセット量を与えられており、この所定のオフセット量は、燃料噴霧の重心位置の目標方角に対する位置ずれを補正する補正量に基づき設定されていることを特徴とする多孔噴射型燃料噴射弁。
【請求項２】
前記多孔の噴射孔から噴射される多方向の燃料噴霧は、前記噴射弁本体の中心線の回りを囲み、その燃料噴霧で囲まれる内側の圧力が燃料噴霧形態の外側よりも小さくなる差圧を生じさせる燃料噴霧パターンである請求項１記載の多孔噴射型燃料噴射弁。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、先端外面に凸状曲面部が形成され該凸状曲面部の反対側内面に弁座を含む円錐状凹面が形成されているノズル部材を有し、このノズル部材に前記オフセット量の与えられた前記多孔の噴射孔が設けられ、それぞれの噴射孔の入口が前記円錐状凹面に前記噴射軸本体中心線の回りの同一円周線上に配置され、出口が前記凸状曲面部に配設されている請求項１又は２記載の多孔噴射型燃料噴射弁。
【請求項４】
前記多孔の各噴射孔の中心線の２次元座標（ＸＦ´，ＹＦ´）は、前記噴射弁本体の中心線上の２次元座標を基準座標（０，０）、各噴射孔から噴射される燃料噴霧の目標方角の重心位置の２次元座標を（ＸＦ、ＹＦ）、燃料噴霧の位置ずれを（ΔＸＦ、ΔＹＦ）とした場合に、次の一次近似の補正式
ＸＦ´＝ＸＦ＋ΔＸＦ
ＹＦ´＝ＹＦ＋ΔＹＦ
に基づき設定されている請求項１ないし３のいずれか１項記載の多孔噴射型燃料噴射弁。
【請求項５】
前記多孔の噴射孔は、それぞれが噴射弁本体の中心軸に対して５°〜５０°の傾斜角を有している請求項１ないし４のいずれか１項記載の多孔噴射型燃料噴射弁。
【請求項６】
前記多孔噴射型燃料噴射弁は、燃料噴霧を内燃機関の気筒内に直接噴射する筒内噴射内燃機関用である請求項１ないし５のいずれか１項記載の多孔噴射型燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁に係り、特に多孔噴射孔から燃料を多方向に噴射する多孔噴射型燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用内燃機関（以下、「エンジン」と称する）に用いられる燃料噴射弁においては、複数のオリフィス（多孔ノズル）から多方向に燃料を噴射する多孔噴射型燃料噴射弁が実用化されている（例えば、特許文献１）。特に燃料をエンジンの気筒（燃焼室）内に直接噴射する筒内用の多孔噴射型燃料噴射弁においては、所望の燃焼性能を得るためには、気筒内の最適の位置に燃料を噴霧して、気筒内に適切な混合気をする必要がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７７８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
筒内噴射式エンジンに装着される多孔噴射式の燃料噴射弁においては、噴射孔としての各オリフィスが燃料噴射弁の中心線に対して傾きもって設定された場合には、噴射された燃料噴霧が所望の方角に対して、ずれが生じることが本願発明者の実験から確認された（このずれが生じる現象については、「発明を実施するための最良の形態」の項で後述する）。特に、各オリフィスが燃料噴射弁の軸に対して５°〜５０°の傾きもって設定された場合には、その傾向が大きくなることが確認された。このような燃料噴霧の位置ずれは、筒内の燃料噴霧分布や均質度合いに影響を及ぼし、エンジン性能や排気性能に悪影響を及ぼす原因となる。
【０００５】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多孔及び多方向噴射型の燃料噴射弁において、最適な位置に燃料を噴霧できエンジン性能や排気性能の向上に貢献できる多孔噴射式燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基本的には、次のように構成される。
【０００７】
多方向に燃料を噴射する多孔の噴射孔を有する内燃機関用の燃料噴射弁において、噴射孔は、それぞれが噴射弁本体の中心線に対して傾斜角を有しており、且つそれぞれの噴射孔の傾斜角は、噴射される燃料噴霧の重心位置が目標方角になるよう所定のオフセット量を与えられている。この所定のオフセット量は、燃料噴霧の重心位置の目標方角に対する位置ずれを補正する補正量に基づき設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
所定のオフセット量を有する多孔の噴射孔により、目標とする最適な位置に燃料を噴霧できエンジン性能や排気性能の向上に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好ましい実施形態を図面に示した実施例により説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。本実施例の噴射弁は、ガソリン等の燃料をエンジンの気筒（燃焼室）に直接噴射する燃料噴射弁である。
【００１１】
噴射弁本体１は、中空の固定コア２、ハウジングを兼ねるヨーク３、可動子４、ノズルボディ５を有する。可動子４は、可動コア４０と可動弁体４１からなる。固定コア２、ヨーク３、可動コア４０は、磁気回路の構成要素となる。
【００１２】
ヨーク３とノズルボディ５と固定コア２とは、溶接により結合される。この結合態様は、種々のものがあるが、本実施例では、ノズルボディ５の一部内周が、固定コア２の一部外周に嵌合した状態でノズルボディ５と固定コア２とが溶接結合されている。さらに、このノズルボディ５の一部外周をヨーク３が囲むようにしてノズルボディ５とヨーク３とが溶接結合されている。ヨーク３の内側には電磁コイル６が組み込まれる。電磁コイル６は、ヨーク３と樹脂カバー２３とノズルボディ５の一部によって、シール性を保って覆われている。
【００１３】
ノズルボディ５の内部には、可動子４が軸方向に移動可能に組み込まれている。ノズルボディ５の先端には、ノズルボディの一部となるオリフィスプレート７が溶接により固定されている。オリフィスプレート７は、後述する噴射孔（ノズルホール）となるべき多孔のオリフィス７１〜７６と、弁座部７Ｂを含む円錐面７Ａを有する。
【００１４】
固定コア２の内部には、可動子４を弁座７Ｂに押し付けるばね８と、このばね８のばね力を調整するアジャスタ９とフィルタ１０とが組み込まれている。
【００１５】
ノズルボディ５内部には、可動子４の軸方向の移動を案内する上下配置のガイド部材１１と１２とが設けられる。ガイド部材１２は、ノズルボディ５の先端側の内周に設けた段差部２１とノズルボディ５の先端に固定したオリフィスプレート７との間に介在する。
【００１６】
本実施例の弁体（バルブロッド）４１は、先端が先細りのニードルタイプのものを示すが、先端に球体を設けたタイプのものであってもよい。
【００１７】
噴射弁内の燃料通路は、固定コア２の内部と、可動コア４０に設けた複数の孔１３と、ガイド部材１１に設けた複数の孔１４と、ノズルボディ５の内部と、ガイド部材１２に設けた複数の孔１５と、弁座７Ｂを含む円錐面７Ａとで構成される。
【００１８】
樹脂カバー２３には、電磁コイル６に励磁電流（パルス電流）を供給するコネクタ部２３Ａが設けられ、樹脂カバー２３により絶縁されたリード端子１８の一部がコネクタ部２３Ａに位置する。
【００１９】
このリード端子１８を介して、外部駆動回路（図示せず）によりヨーク３に収納された電磁コイル６を励磁すると、固定コア２、ヨーク３及び可動コア４０が磁気回路を形成し、可動子４は固定コア２側にばね８の力に抗して磁気吸引される。この時、弁体４１は、弁座部７Ｂから離れ開弁状態になり、外部高圧ポンプ（図示せず）で予め昇圧（１０ＭＰa以上）されている噴射弁本体内の燃料が、多孔の噴射孔７１〜７６を介して噴射する。
【００２０】
電磁コイル６の励磁をオフすると、ばね８の力で弁体４１が弁座７Ｂ側に押し付けられ閉弁状態になる。
【００２１】
ここで、ノズル部材の一部となるオリフィスプレート７及び多孔の噴射孔（オリフィス）７１〜７６の構造について説明する。
【００２２】
図２は、噴射弁本体におけるオリフィスプレート７付近を示す縦断面図であり、図３はその内側を噴射弁本体の軸方向から見た平面図である。図４は、オリフィスプレート７単品を示す斜視図である。
【００２３】
オリフィスプレート（ノズル部材）７の先端外面に球面状の凸状曲面部７Ｃが形成され、凸状曲面部７Ｃの反対側内面に弁座７Ｂを含む円錐状凹面７Ａが形成されている。このオリフィスプレート７に、多孔のオリフィス（噴射孔）７１〜７６が設けられる。この多孔のオリフィスの数については、任意の数に設定されるが、本実施例では、６個のオリフィス７１、７２、７３、７４、７５、７６からなる。オリフィス７１〜７６の入口７１Ａ〜７６Ａが円錐状凹面７Ａに弁座７BのシートラインL1より下流となる位置で、噴射軸本体中心線Ｏ１の回りの同一円周線(噴射孔基準ピッチ円)L2上で等間隔に配置される。
【００２４】
凸状曲面部７Ｃ側には、オリフィス７１〜７６の中心線Ｏ２上に一致或いは略一致する中心線を有する円形開口を有する凹部８１、８２、８３、８４、８５、８６が設けられる。
【００２５】
この凹部８１〜８６の径はオリフィス７１〜７６の径よりも大きく、凹部８１〜８６の底面はオリフィス中心線Ｏ２及び凹部中心線に対して直角或いは略直角の面よりなる。この凹部８１〜８６の底面にオリフィス７１〜７６の出口７１Ｂ〜７６Ｂが開口している。すなわち、出口７１Ｂ〜７６Ｂは、凸状曲面部７Ｃ側に配設されている。
【００２６】
オリフィス長さは、噴射される燃料噴霧のペネトレーションの長さを決定する要素になる。凹部８１〜８６の深さを適時変更することにより、オリフィスプレート７の厚みを変えることなくオリフィス７１〜７６の長さを最適に設定することができ、噴射燃料の噴霧形状を最適にし、オリフィスの加工性を容易にすることができる。さらに、オリフィスプレート７の厚みを、オリフィス長に応じて変える必要性がないので、オリフィスプレート７の剛性を維持することができる。よって、このような構造のオリフィスプレートは、圧力の大きい１０ＭＰａ以上の高燃圧タイプの噴射弁に好適である。
【００２７】
オリフィス７１〜７６毎に凹部８１〜８６の深さが異なり、オリフィス長が異なっている。また、これらのオリフィスのうち隣り合うオリフィスの傾斜角、すなわち噴射弁本体中心線O1に対するオリフィスの傾き角（噴射弁本体中心線O1に対する各オリフィス中心線O2のなす角度）も異なる。オリフィスの指向する方向は、エンジンの仕様により種々様々であり、例えば噴射弁のエンジンへの装着状態において、一つは点火プラグ（図示せず）周辺を向き、残りの一部はピストン（図示せず）の冠面側に向き、さらに残りの一部は点火プラグとピストンとの間の中間位置に向くように設定される。したがって、オリフィス７１〜７６の出口７１Ｂ〜７６Ｂは、入口７１Ａ〜７６Ａのような同一ピッチ円上になくまた、等間隔配置とはならない。
【００２８】
図５に噴射弁から噴射される多孔噴霧９１〜９６の形状例を示し、また、図６に上記多孔噴霧９１〜９６をノズル先端から４０ｍｍ離れた位置での噴射弁と対向する位置からみた図を示す。図５では、筒内噴射を想定して、シリンダの吸気バルブ（ツインバルブ）５０との位置関係によって噴霧９１〜９６の横断面図を示している。燃料噴霧は、吸気バルブ５０と干渉することなく、目標位置に向かって噴射されるように設定してある（この詳細は後述する）。９１´〜９６´は、燃料噴霧の各重心位置を示す。
【００２９】
図５及び図６に示す燃料噴霧パターンは、噴霧配置を多方向に向けて広範囲な噴射を実現でき、しかもバルブへの燃料噴霧付着率を低減することで、燃焼室内の混合気の均質性が向上する噴霧パターンである。
【００３０】
多孔の噴射孔７１〜７６は、それぞれが噴射弁本体の中心線Ｏ１に対して傾斜角θを有しており、且つそれぞれの噴射孔の傾斜角θは、噴射される燃料噴霧９１〜９６の重心位置９１´〜９６´の目標方角の角度よりも傾斜角が増す方向に所定のオフセット量を与えられている。この所定のオフセット量は、燃料噴霧９１〜９６の重心位置９１´〜９６´の目標方角に対する位置ずれを補正する補正量に基づき設定されている。以下、この所定のオフセット量設定について説明する。
【００３１】
オフセット量を設定するためには、噴射される燃料噴霧の重心位置を確認する必要がある。その方法は、ＳＡＥ−Ｊ２７１５でも様々な方法が検討されているが、未だ標準となる確認方法は確立されていない。ここでは、噴霧の横断面画像を撮影し、噴霧の濃淡を輝度情報に置き換えて画像処理で噴霧の重心位置を求める、輝度重心位置法を用いる。
【００３２】
まず、図７に示すような撮影装置を用いて噴霧の横断面画像を撮影する。
【００３３】
図７において、１００はレーザー装置、１０１はレーザー装置から出射されるレーザーシート、１０２及び１０３は互いに垂直配置されたCCDカメラ、１０４はレーザー駆動回路、１０５は燃料噴射空間となる圧力室、１０６は窒素ガスタンク、１０７は燃料タンク、１０８は噴射弁駆動回路、１０９は本測定装置の機器全体を制御するパソコンである。
【００３４】
この撮影装置は、噴霧を噴射方向に対して垂直なレーザーシート１００で照射し、ＣＣＤカメラ１０１、１０２によって噴霧の横断面画像を記録することができる。原理上レーザーシート１００の位置を変えることで、ノズル先端から任意の位置の断面画像を撮影可能であるが、本例では、点火プラグ位置相当の平面上（基準平面）の横断面画像とする。レーザーの発光時間は、噴射パルスからの経過時間（Ｔｄ）を制御して任意時刻の噴霧の断面を撮影することができるよう調整する。
【００３５】
多孔噴射タイプの噴霧は、噴射方向が三次元的に広がるため、レーザーシートまでの距離はそれぞれの噴霧で一様ではなく、全ての噴霧が同時刻にレーザーシート位置に到達するとは限らない。そこで、図８に示すようにレーザー発光時間（Ｔｄ）を変更した画像を数枚撮影し、その画像を積算・平均化することで全ての噴霧を一枚の横断面画像に収めることができる。
【００３６】
この画像ファイルを輝度の二次元配列情報ｗ（ｘ，ｙ）に置き換える。この一連の流れは、図８に示す通りである。さらに図９に示すように３Ｄ−ＣＡＤで噴霧パターン平面上の各噴霧の予測分布範囲を計算し、範囲内の輝度情報から各噴霧の重心位置を求める。重心位置は、以下に示す通りに計算する。
【００３７】
【数１】
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【００３８】
図１０、図１１、図１２は、噴射孔のパターン（傾斜角）を三つのパターンで設定した試作噴射弁の噴霧重心位置を、上記手法で測定した結果である。これらの結果を観察すると、三つのパターン共に目標（設計上）の噴霧パターンに対して、実際の全ての噴霧の重心位置が噴射弁中心側に引き寄せられる（以下、これを「内側にずれる」と称する）傾向がある。つまり、多孔噴射タイプの燃料噴霧は、実際には、噴射弁の軸方向と平行に飛ばないことがわかった。
【００３９】
この現象を明らかにし、検証・解決するためにＱＦＤの一手法であるＦＴＡを用いて要因分析を行なった。ＦＴＡの結果、次の二つの現象が主要因として挙げられる。
（ａ）噴射孔の傾斜角による影響
可動弁体４１によって絞られた流れの向きと噴射孔の軸線（中心線）のなす角度（流れの変化角）は約４５°〜９０°の範囲で変化する。従って、場合によっては燃料の流れが噴射孔入口で急激に変化することになり、噴射孔内の流れは元の流れの影響を受けて内側に流れようとするので、噴霧の重心位置が噴射弁中心側に寄る原因になる。
（ｂ）噴射孔出口近傍の空気流動による影響
噴射孔から噴射された燃料の粒子は、周辺の接する空気を引っ張りながら噴射方向に移動する。そのため、噴霧の周辺空気は、流動を始める。一方、噴射孔出口近傍では、噴霧が密集しており噴霧の内側は閉鎖された空間に近い状態であるので、噴霧の外側と内側に空気密度の疎密が生じる。すると、噴霧の外側と内側で差圧が生じ、空気は噴霧の間を抜けて、密から疎の方向へ流れる。このとき、噴霧は、この空気流動の影響を受け内側方向に力を受ける。したがって、噴射孔出口近傍の空気流動が、噴霧の重心位置を内側に寄せる原因になる。すなわち、多孔の噴射孔から噴射される多方向の燃料噴霧は、噴射弁本体の中心軸線の回りを囲み、その燃料噴霧で囲まれる内側の圧力が燃料噴霧形態の外側よりも小さくなる差圧を生じさせる燃料噴霧パターンとなる。
【００４０】
したがって、[噴射孔の傾斜角＝噴霧の目標方角]の条件だけで噴射孔を設計した場合には、実際の噴霧の重心位置は目標となる規定位置（目標方角）からずれてしまう。そこで、噴霧の重心位置が規定位置になるように、噴射孔を形成する際に補正をかけなければならない。
【００４１】
図１３は、多孔噴霧の規定の重心位置と測定した噴霧重心位置のX方向のずれ量の関係例を示している。図１４は、多孔噴霧の規定の重心位置と測定した噴霧重心位置のX方向のずれ量の関係を示している。この規定の重心位置とずれ量の関係から一次近似の補正式を求め噴射孔に対して補正をかける。噴射弁本体の軸線上の２次元座標を基準座標（０，０）とした場合に、各噴射孔から噴射される燃料噴霧の目標方角の重心位置（規定位置の重心位置）の２次元座標を（ＸＦ、ＹＦ）、燃料噴霧の位置ずれを（ΔＸＦ、ΔＹＦ）とした場合に、次の一次近似の補正式が成立する。
【００４２】
ＸＦ´＝ＸＦ＋ΔＸＦ＝ＸＦ＋（０．２１ΔＸＦ−２．６４）
ＹＦ´＝ＹＦ＋ΔＹＦ＝ＹＦ＋（０．２０ΔＹＦ−０．２７）
本実施例においては、このＸＦ´、ＹＦ´に噴射孔（オリフィス７１〜７６）及び凹部（８１〜８６）の中心線が一致するように噴射孔の傾斜角及びを補正して、噴射孔を形成している。
【００４３】
図１５に上記した噴霧の設計位置とずれ量の関係と、それに基づきオフセット量をセットして補正する模式図を示す。噴射孔のオフセット量を上記一次近似式より算出しフィードバックすることで、上記した燃料噴霧のずれる分を相殺でき、それにより噴霧設計位置と噴霧重心位置とを略一致させることが可能になる。
【００４４】
噴射孔を成形する場合には、次のような工程で行われる。まずオリフィスプレート７となるべきブランクを固定する。このブランクには、予め凸状曲面部７Cが切削或いはプレス加工などで形成されている。このブランクにプレス加工により凹部８１を凸状曲面部４C側からパンチにより袋穴状に押し出し加工する。その後にオリフィス７１形成用のパンチを用いて、凹部８１の底面側から該底面と直角にオリフィスとなるべき袋穴を押し出し加工する。この凹部８１及びオリフィス７１の形成時に補正量を有する傾斜角となるようにプレス加工が行われる。その後にブランクの上記押し出し加工と反対側の面に弁座７Bを含む円錐面７Aを切削加工により形成することで、同時にオリフィス７１が開通する。残りの凹部８２〜８６及びオリフィス７２〜７６についても同様に加工成形される。なお、この加工成形自体は周知であるので、詳細は省略する。
【００４５】
図１６にこの補正方法を用いて形成した噴射孔の噴霧重心位置を測定した結果を示す。この結果より、補正した噴射孔から噴射された噴霧の重心位置が、目標方角（規定位置）の噴霧パターン上にあるので、この補正が有効であることが確認された。
【００４６】
本実施例によれば、所定のオフセット量を有する多孔の噴射孔により、目標とする最適な位置に燃料を噴霧できエンジン性能や排気性能の向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図。
【図２】噴射弁本体におけるオリフィスプレート付近を示す縦断面図。
【図３】オリフィスプレートの内側を噴射弁本体の軸方向から見た平面図。
【図４】オリフィスプレート単品を示す斜視図。
【図５】噴射弁から噴射される多孔噴霧の形状例を示す図。
【図６】シリンダの吸気バルブ（ツインバルブ）との位置関係によって多孔噴霧の横断面図を示す図。
【図７】撮影装置を用いて多孔噴霧の横断面画像を撮影する状態を示した図。
【図８】上記多孔噴霧の横断面画像を得る手法を示す説明図。
【図９】上記多孔噴霧の重心位置を求める手法を示す説明図。
【図１０】噴射孔のパターン（傾斜角）をＡパターンで設定した試作噴射弁の噴霧重心位置を、上記手法で測定した結果を示す図。
【図１１】噴射孔のパターン（傾斜角）をＢパターンで設定した試作噴射弁の噴霧重心位置を、上記手法で測定した結果を示す図。
【図１２】噴射孔のパターン（傾斜角）をＣパターンで設定した試作噴射弁の噴霧重心位置を、上記手法で測定した結果を示す図。
【図１３】多孔噴霧の規定の重心位置と測定した噴霧重心位置のX方向のずれ量の関係を示す図。
【図１４】多孔噴霧の規定の重心位置と測定した噴霧重心位置のX方向のずれ量の関係を示す図。
【図１５】噴射孔から噴射される噴霧の設計位置とずれ量の関係とを示し、且つそれに基づきオフセット量をセットして補正する模式図。
【図１６】本実施例の補正手法を用いて形成した噴射孔の噴霧重心位置を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
【００４８】
１…噴射弁本体、５…ノズル、７…オリフィスプレート、７１〜７６…多孔噴射孔（オリフィス）、７A…円錐面、７B…弁座、７C…凸状曲面部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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