(57)【要約】【課題】  筒内噴射式ガソリンエンジンに用いる多孔式の燃料噴射弁において、燃料流量の増大と微粒化性能の向上を両立する。【解決手段】  シート部２０３ａの直下において流路断面積が拡大するような環状窪み２０４を弁体１０５に施し、噴孔２０１の入口は環状窪み２０４によって少なくとも部分的に覆われるように形成し、環状窪みの最深部３０４から下流へ向かって、弁体１０５の表面と弁座面２０２との隙間が狭まるような流路形状とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの噴孔を備えたシート部材と、前記噴孔の上流側で前記シート部材に施された円錐型の弁座と、前記弁座のシート部に着座および離座を行うことによって燃料通路の開閉を制御する弁体と、前記弁体の運動を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁において、
前記弁体は、前記シート部と当接する球面が前記シート部下流まで形成され、前記球面のシート部よりも下流の位置で、環状窪みを形成する面とつながっており、
少なくとも前記環状窪みの一部分は、前記噴孔を少なくとも部分的に覆うように形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記接線と前記環状窪みの最深部との距離が、前記弁体の離座時と着座時における変位差よりも大きく設けられた弁体を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
前記シート部球面と前記環状窪みが滑らかな曲線で接続されていることを特徴とする弁体を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、
前記噴孔近傍における流路断面積は、前記シート部に流入する際に絞られた後、前記弁体のシート部下流に形成された前記環状窪みにより拡大し、前記環状窪みの最深部から下流へ向かって、前記弁体と前記弁座との隙間が狭まることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
少なくとも２つの噴孔を備えたシート部材と、前記噴孔の上流側で前記シート部材に施された円錐型の弁座と、前記弁座から上流側に設けられた、前記弁座のシート部に着座および離座を行うことによって燃料通路の開閉を制御する弁体と、前記弁体の運動を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁において、
前記弁体のシート部と当接する部位が球面状に形成され、
前記シート部材は、前記弁座の下流に環状窪みが設けられており、前記環状窪みと前記弁座との段差が、噴孔よりも上流に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射弁において、
前記環状窪みが円錐面としてシート部材に形成され、該環状窪みの円錐角が、前記弁座の円錐角よりも大きくなるように形成されていることを特徴とするシート部材を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料噴射弁において、
前記噴孔近傍における流路断面積は、前記シート部に流入する際に絞られた後、前記弁座のシート部下流に形成された前記環状窪みにより拡大し、前記環状窪みと前記弁座との段差から下流へ向かって、前記弁体と前記シート部材との隙間が狭まることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項８】
少なくとも２つの噴孔を備えたシート部材と、前記噴孔の上流側で前記シート部材に施された円錐型の弁座と、前記弁座のシート部に着座および離座を行うことによって燃料通路の開閉を制御する弁体と、前記弁体の運動を駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁において、
前記弁体は、前記シート部と当接する球面が前記シート部下流まで形成され、前記球面のシート部よりも下流の位置で環状窪みを形成する面とつながっており、少なくとも前記環状窪みの一部分は、前記噴孔を少なくとも部分的に覆うように形成されており、
前記シート部材は、前記弁座の下流に環状窪みが設けられ、前記環状窪みと前記弁座との段差が前記噴孔よりも上流側に形成されており、
シート部材に設けられた前記環状窪みと前記弁座との段差が、弁体のシート部における接線と、前記接線から垂直方向に深さをとった最深部との距離よりも短くなるように形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項９】
請求項５乃至８に記載の燃料噴射弁において、
前記噴孔近傍における流路断面積は、前記シート部に流入する際に絞られた後、前記シート部材および前記弁体のシート部下流に形成された前記環状窪みにより拡大し、前記弁体の環状窪みの最深部から下流へ向かって、前記弁体と前記シート部材との隙間が狭まることを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用燃料噴射弁に関し、特に、燃料流量の増大と微粒化性能の向上を両立することができる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁においては、例えば特開２００５−２０１２７２号公報に開示されているように、オリフィス上流に弁体を備え、前記弁体がオリフィスに着座および離座を行うことによって弁の開閉を制御する内開き型であって、弁体表面により噴孔の入口が被覆されているような多孔式噴射弁において、二つのシート部を有し、前記シート部は弁体の中に画定された流路によって連通状態にあって、二つのシート部が当接面から解離すると、二つのシート部を経由して燃料をノズルへ流入させ、第一および第二のシート部の間に環状溝を設けることによって、流量を増大させる方法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２０１２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
筒内噴射式ガソリンエンジンにおいては、排出される二酸化炭素量の低減のために、植物由来の燃料であるアルコール燃料への対応が求められている。アルコール燃料は単位量当りの発熱量がガソリンに比べて低いため、ガソリンを燃料として用いた場合と同等の出力を得るためには、より多くの燃料を筒内に供給する必要がある。
【０００５】
一方では、自動車の運動性能向上のために高出力化も求められており、高出力化のためには筒内に供給する燃料の量を増加させる必要があり、中でも高回転時には短期間でより多くの燃料を噴射することが求められている。このため、燃料噴射弁においては、燃料流量の増大が求められている。
【０００６】
また、排出ガス低減の観点から、燃料の微粒化性能の向上も求められている。微粒化性能を向上させる、すなわち噴射された燃料の液滴の粒径を小さくするためには、噴孔径を縮小することが有効な手段の一つである。
【０００７】
しかしながら、噴孔径を縮小すると流路断面積が縮小するため、燃料流量が低下する。したがって、流量の増大と微粒化性能の向上との両立が課題となっている。
【０００８】
前記の特開２００５−２０１２７２号公報で開示される多孔式噴射弁では、二つのシート部を有し、二つのシート部の間に環状溝を設けることにより、流量を増大させる技術が開示されている。
【０００９】
しかしながら、開示されている従来技術は、弁体ストローク量の大きいディーゼルエンジン用の噴射弁に関するものであり、筒内噴射式ガソリンエンジンに用いる噴射弁における課題およびその解決方法については、以下記述するように、必ずしも十分開示されていない。
【００１０】
筒内噴射式ガソリンエンジンに用いる噴射弁では、通常弁体ストローク量がディーゼルエンジン用噴射弁のストローク量よりも小さく設定される場合が多い。このため、弁体と弁座面との間隙で高速な流れが発生し、噴孔入口部で剥離が発生する。剥離が生じると、燃料が安定して流れる領域が縮小してしまうため、噴孔の入口損失が増大し、流量が減少する。このため、流量の増大のためには、噴孔径を大きくせざるを得ず、微粒化性能との両立が難しかった。
【００１１】
また、筒内噴射式ガソリンエンジンに用いる噴射弁は、一般にディーゼルエンジン用噴射弁に比べ、製作に費やすコストを低く抑える必要がある。このため、寸法公差を小さくすることが困難である。このために、ディーゼエンジンル用噴射弁で一般に用いられる燃料シールであるテーパシールに対し、筒内噴射式ガソリンエンジン用噴射弁では、安価な構成で燃料の油密を保持するために球面シールを用いることが多い。従来技術では、前記球面シールの噴射弁において、流量を増大する方法は必ずしも十分に開示されていなかった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、比較的弁体ストローク量の小さい多孔式噴射弁の噴孔内の燃料流れが安定する領域を拡大し、噴孔内に流入する燃料流量の増大と微粒化性能の向上との両立を図ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明では弁体の球面部をシート部より下流まで形成し、前記シート部直下において流路断面積が拡大するような環状窪みを前記弁体に設け、噴孔の入口は前記環状窪みによって少なくとも部分的に覆われるように形成する。この際に、前記環状窪みの深さは、前記弁体のストローク量より深くなるように設定する。
【００１４】
また、前記環状窪みの最深部から下流へ向かって、前記弁体の表面とシート部材の弁座面との隙間が狭まるような流路形状とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料噴射弁によれば、燃料噴射弁の流量増大と微粒化性能の向上を両立させることができ、二酸化炭素や有害ガスの排出が少ない内燃機関に対応した技術を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料噴射弁１００の構成を示す断面図の一例である。この燃料噴射弁１００は、たとえば筒内噴射式ガソリンエンジンの気筒内への燃料供給に用いられているものである。図２は、図１に示す燃料噴射弁１００の先端部近郊を拡大した断面図である。
【００１８】
燃料は、図示しない燃料ポンプにより加圧され、図示しない高圧配管を経由して燃料供給口１０８から燃料噴射弁１００内に供給される。コイル１０１への通電がない状態では、弁体１０５がスプリング１０４に付勢されて、弁体に設けられた球面シート部２０３ａが、シート部材１０６の弁座面２０２上に密着するために、燃料が漏れ出ないようになっている。
【００１９】
コネクタ１１０よりコイル１０１へ電流を供給すると、図１の断面図上でコイル１０１を中心として、コア１０３，アンカ１０２，ハウジング１０９，ノズルホルダ１０７を通過する磁束が発生する。コア１０３とアンカ１０２との間に磁気吸引力が生じる。その磁気吸引力がスプリング１０４の付勢力を上回ると、弁体１０５とアンカ１０２が共にコア１０３の方向に変位し、開弁する。開弁時、弁体１０５の球面部２０３ａと弁座面２０２との間に隙間が生じるため、燃料通路が開かれて、シート部材１０６に穿孔された少なくとも２つの噴孔２０１に燃料が流入し、噴射が開始される。
【００２０】
図２は、弁体１０５が上方にリフトした状態の、いわゆる開弁状態を示している。図３は、寸法及び部位を説明するための図である。シート部２０３ａにおいて、弁体１０５の表面形状は球面（以下、シート球面２０５とする）となっており、シート球面２０５は弁座面２０２と接触してシール部を形成するシート部２０３ａの下流まで形成されている。このシート球面２０５のシート部２０３ａよりも下流の位置で、環状窪み２０４を形成する面がつながっており、噴孔２０１の入口が環状窪み２０４によって少なくとも部分的に覆われるように、噴孔２０１と環状窪み２０４の位置関係が設定されている。ここで、環状窪み２０４は、弁体１０５のシート部２０３ａにおける接線３０５と、弁体１０５のシート部２０３ａにおける接線３０５から垂直方向に深さをとった最深部３０４との距離である最大窪み深さＨ（図３に図示）が、開弁時と閉弁時の弁体の変位差であるストローク量Ｓｔ（図３に図示）よりも大きくなるように設けられている。
【００２１】
ここで、球面２０５から窪み２０４への曲面の接続は、滑らかな曲面で接続されていることが望ましい。滑らかな曲面で接続することによって、加工時のバリ等を抑制することができる。
【００２２】
しかしながら、環状窪み２０４を設けることによって、噴射後の燃料が溜まる空間であるデッドボリウムが新たに増大し、噴射終了後も慣性力により噴射が続き、粗大な液滴が発生する原因となることがあるため、有害排出ガスの増大を招くことがある。
【００２３】
この問題を解決するために、環状窪み２０４より下方で、シート球面２０５よりも弁体先端２０６を突出させ、弁体１０５の先端形状２０６を、弁座面２０２との隙間が狭まるように形成する。
【００２４】
以上の弁体形状によって構成される燃料噴射弁によると、シート部２０３ａの近傍の流れ方向の位置と、流路断面積の関係は図４に示すように変化する。ここで、図４に矢印で示された符号３０１，３０２，３０３及び３０６は、弁座面２０２と弁体１０５の表面との間隙における流路位置であり、図３に示している。
【００２５】
図４に示すように、本発明に係る燃料噴射弁では、シート部２０３ａ上流の流路位置３０６から、シート部２０３ａ近傍の流路位置３０１に向かって、流路断面積は隙間の狭隘化と径方向位置縮小の効果により減少し、流路位置３０１では弁体１０５のストロークによって決まる断面積に絞られる。シート部近傍の流路位置３０１からシート部２０３ａの直下の流路位置３０２にかけては、環状窪みにより流路断面積が拡大するか、もしくは断面積の減少傾向が弱くなる。そして、環状窪みの最深部２０７から下方にある流路位置３０３へ向かって、弁体１０５の表面との弁座面２０２との隙間が狭まる流路形状となる。
【００２６】
以上のような、本発明による燃料噴射弁における燃料流れとその作用効果について、図５（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
【００２７】
図５（ａ）は、通常の筒内噴射式ガソリンエンジン用多孔式噴射弁の噴孔２０１近傍における燃料流れの概略図である。
【００２８】
通常の多孔式噴射弁では、弁体１０５のストローク量が小さいため、弁体１０５と弁座面２０２との間隙で高速な横流れ５１２が発生するため、噴孔２０１入口部で流れの剥離５１１が発生する。剥離５１１が生じると、噴孔２０１の断面積のうち、燃料が安定して流れる領域が縮小してしまうため、噴孔２０１の入口損失が増大し、流量が減少する。
【００２９】
このように、剥離が横流れに起因することから、シート部５０１周辺の間隙部５０２における燃料の横流れ流速５１２を意図的に低減し、噴孔２０１入口部での剥離５１１を抑制することによって、噴孔２０１径を拡大せずに流量の増大を図ることができると推測される。
【００３０】
図５（ｂ）は、本発明による燃料噴射弁による、噴孔近傍の流れの概略図である。本発明による燃料噴射弁においては、シート部２０３ａの直下に流路断面積が拡大するように環状窪み２０４を設けたことによって、噴孔２０１に流入する際の燃料の横流れ流速５１３を低下させることができる。
【００３１】
その結果、剥離５１１の発生を抑制できるか、もしくは剥離５１４のように小規模の剥離渦に抑えることができるため、噴孔２０１の入口損失を低減できる。この結果、噴孔２０１の径を縮小した場合でも、流量を維持することができる。このように、噴孔２０１の径を縮小して流量を維持した場合、本発明を用いることによって噴射後の粒径を縮小できる。また、従来と同等の噴孔２０１径とした場合において、より多くの流量を確保することができる。このように、噴孔２０１の径を変えずに流量を増やすことによって、粒径を粗大化させずに流量を増加させられる。
【００３２】
このように、本発明によれば、燃料流量の増大と微粒化性能の向上の両立が実現する。
【００３３】
また、環状窪み２０４の下流において、弁座面２０２と弁体１０５の表面との隙間が下流に沿って狭くなる構成となっているため、環状窪み２０４によるデッドボリウムの増大を抑制することが可能となる。
【００３４】
以上の作用効果により、二酸化炭素や有害ガスの排出が少ない内燃機関に対応した燃料噴射弁を提供することができる。
【実施例２】
【００３５】
図６は、本発明に係る第二の実施形態を示す燃料噴射弁の先端近傍を拡大した断面図である。図７は図６と同一図であり、寸法及び部位を説明するための図である。
【００３６】
本発明に係る第二の実施例では、第一の実施例で記述した弁体１０５を備えた燃料噴射弁において、シート部材６０４に設けられた弁座面６０１がシート部６０６ｂの下流まで設けられ、その下流に第二の環状窪み６０２が設けられている。噴孔６０３は、第二の環状窪み６０２の範囲に穿孔されている。弁体１０５側と弁座面６０１側を両方とも窪ませる構成であるため、第一の実施例の場合よりもシート部６０６ａ直下での流路断面積の拡大を顕著にできる。
【００３７】
その結果、第一の実施例で示した噴射弁よりも、噴孔６０３入口での横流れ流速を減じることができ、噴孔６０３入口の圧力損失を減らすことができるため、さらに流量を増大できるようになる。
【００３８】
ただし、弁体１０５と弁座面６０１の双方に環状窪みを設ける場合は、弁座面６０１と第二の環状窪み６０２との段差Ｈ２（図７に図示）は、弁体１０５のシート部６０６ａにおける接線６０７と、弁体１０５のシート部６０６ａにおける接線６０７から垂直方向に深さをとった最深部３０４との距離である最大窪み深さＨ１（図７に図示）よりも、短くなるように構成するとよい。弁体１０５の表面よりも弁座面６０１の方が、中心線に対して外側に配置されているため、デッドボリウムの増加を最小限に抑えることができる。
【００３９】
このように、シート部材６０４側に環状窪みを設ける場合には、シート面６０１の開き角β（図７に図示）よりも大きい開き角α（図７に図示）となるように設け、シート部６０６ｂの下流で段付きになるようにする。シート面６０１の開き角βより第二の環状窪み６０２の開き角αが大きいことにより、噴孔６０３下流でのデッドボリウムを低減できる。また、段付き部６０５が噴孔６０３の上流に形成されることで、剥離が段付き部６０５に生じて、噴孔内にはスムーズに流入させることができる。
【００４０】
以上の構成によって、第一の実施例に示した場合と同等、もしくはそれ以上の効果を達成した燃料噴射弁を提供できるようになる。
【実施例３】
【００４１】
図８は、本発明に係る第三の実施形態を示す燃料噴射弁の先端近傍を拡大した断面図である。
【００４２】
本発明に係る第三の実施例は、第二の実施例に記載のシート部材６０４と同様の構成のシート部材７０１を備えていることを特徴としている。
【００４３】
この構成によって、シート部直下７０５ａ直下において、第一の実施例の場合と同等に、流路断面積を拡大することができる。その結果、第一の実施例で示した噴射弁と同等に、噴孔７０４入口での横流れ流速を減じることができ、噴孔７０４入口の圧力損失を減らすことができるため、流量を増大できるようになる。
【００４４】
また、シート面７０３の開き角θより円錐面７０２の開き角γが大きい構成であることより、噴孔７０４下流でのデッドボリウムを低減できる。
【００４５】
この結果として、第一の実施例に示した場合と同等の効果を達成した燃料噴射弁を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による燃料噴射弁の全体構成の断面図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の先端部近郊を拡大して示す断面図である。
【図３】図１の燃料噴射弁の先端部近郊を拡大して示す断面図である。
【図４】シート部近傍における流れ方向の位置と流路断面積との関係を説明するための図である。
【図５】従来の多孔式の燃料噴射弁と本発明の燃料噴射弁の噴孔内における燃料流れを説明するための図である。
【図６】第二の実施例の断面図である。
【図７】第二の実施例の断面図である。
【図８】第三の実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１００  燃料噴射弁
１０１  コイル
１０２  アンカ
１０３  コア
１０４  スプリング
１０５  弁体
１０６  シート部材
１０７  ノズルホルダ
１０８  燃料供給口
１０９  ハウジング
１１０  コネクタ
２０１  噴孔
２０２  弁座面
２０３ａ  弁体側シート部
２０３ｂ  弁座面側シート部
２０４  環状窪み
２０５  シート球面
２０６  弁体先端
３０１  流路位置１
３０２  流路位置２
３０３  流路位置３
３０４  環状窪みの最深部
３０５  弁体シート部における接線
３０６  流路位置４
５０１ａ  従来の多孔式噴射弁の弁体側シート部
５０１ｂ  従来の多孔式噴射弁の弁座面側シート部
５０２  従来の多孔式噴射弁の間隙部
５０３  従来の多項式噴射弁の弁体
５１１  従来の多孔式噴射弁の噴孔内での剥離
５１２  従来の多孔式噴射弁の間隙部における横流れ流速
５１３  本発明の噴射弁の間隙部における横流れ流速
５１４  本発明の噴射弁の噴孔内での剥離
６０１  実施例２における弁座面
６０２  実施例２における第二の環状窪み
６０３  実施例２における噴孔
６０４  実施例２におけるシート部材
６０５  実施例２における弁座面と第二の環状窪みとの段差
６０６ａ  実施例２における弁体側シート部
６０６ｂ  実施例２における弁座面側シート部
６０７  実施例２における弁体側シート部の接線
７０１  実施例３におけるシート部材
７０２  実施例３における第二の環状窪み
７０３  実施例３における弁座面
７０４  実施例３における噴孔
７０５ａ  実施例３における弁体側シート部
７０５ｂ  実施例３における弁座面側シート部
【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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