(57)【要約】【課題】低温時および高温時のいずれにおいても最適な噴霧形状とするに好適な燃料噴射弁を提供する。【解決手段】燃料通路のバルブシート６と弁体７とからなる開閉弁３の下流に、複数の燃料噴射孔１６を備えて燃料の噴霧状態を規制するノズルプレート５を備えた燃料噴射弁１であり、前記ノズルプレート５を温度上昇に応じて周辺部に対して中央部が燃料噴出方向に湾曲するバイメタルにより構成し、低温時に燃料の噴霧角度を挟角とし、温度上昇時に燃料の噴霧角度を拡大させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料通路のバルブシートと弁体とからなる開閉弁の下流に、複数の燃料噴射孔を備えて燃料の噴霧状態を規制するノズルプレートを備えた燃料噴射弁であり、
前記ノズルプレートを温度上昇に応じて周辺部に対して中央部が燃料噴出方向に湾曲するバイメタルにより構成し、低温時に燃料の噴霧角度を挟角とし、温度上昇時に燃料の噴霧角度を拡大させることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記ノズルプレートは、低温時に周辺部に対して中央部が開閉弁のある上流側に窪んだ皿バネ状に成形されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記ノズルプレートは、温度上昇時に周辺部より中央部が燃料噴射方向に凸状となることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記燃料噴射弁は、吸気ポート内に燃料を噴射する吸気ポート内噴射式エンジンに適用されるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記ノズルプレートは、外周部がロウ付けにより燃料噴射弁のハウジングに固定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に、吸気ポートへの燃料噴射に好適な燃料噴射弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から吸気ポート内に燃料を噴射する方式のエンジンでは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）を低減するため、吸気ポート内壁面に燃料が付着するのを防止する燃料噴射弁が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、燃料噴射弁を、噴霧角度が広く貫通力の低い主噴霧と、噴霧角度が狭く貫通力の高いリード噴霧を噴射可能な燃料噴射弁で構成している。
【特許文献１】特開２００３−１２０４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例では、ノズルプレートに設ける噴射孔を、噴霧角度が広く貫通力の低い主噴霧のための噴射孔と噴霧角度が狭く貫通力の高いリード噴霧のための噴射孔とで形成するようにしているため、低温時および高温時のいずれにおいても噴霧形状が一定であり、主噴霧の一部は常に吸気ポート内壁面に付着することとなり、冷機時・始動時に吸気ポート内壁面に付着した燃料が吸気ポート内で気化されることなく液膜の状態のまま燃焼室に入り未燃炭化水素（ＨＣ）として排出されるという解決課題があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、低温時および高温時のいずれにおいても最適な噴霧形状とするに好適な燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料通路のバルブシートと弁体とからなる開閉弁の下流に、複数の燃料噴射孔を備えて燃料の噴霧状態を規制するノズルプレートを備えた燃料噴射弁であり、前記ノズルプレートを温度上昇に応じて周辺部に対して中央部が燃料噴出方向に湾曲するバイメタルにより構成し、低温時に燃料の噴霧角度を挟角とし、温度上昇時に燃料の噴霧角度を拡大させるようにした。
【発明の効果】
【０００７】
したがって、本発明では、ノズルプレートを温度上昇に応じて周辺部に対して中央部が燃料噴出方向に湾曲するバイメタルにより構成し、低温時に燃料の噴霧角度を挟角とし、温度上昇時に燃料の噴霧角度を拡大させるようにしたため、冷機時・始動時ではエンジン温度で決まるノズルプレート形状にて吸気ポートの壁面に付着し難い挟角となる最適な噴霧を形成させて、排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素を低減させる一方、暖機後はエンジン内の熱を受けて湾曲されて噴霧角度を広げ且つその噴霧粒径を小さくして、吸気ポート壁面での気化潜熱効果により充填効率を向上させ、出力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の燃料噴射弁を各実施形態に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１〜図９は、本発明を適用した電磁式燃料噴射弁の第１実施形態を示し、図１は第１実施例の電磁式燃料噴射弁の要部の断面図および噴射孔の正面図、図２は第１実施形態の燃料噴射弁に使用するノズルプレートの断面図、図３〜図８は夫々動作状態および動作特性を示し、図９は第２実施例の燃料噴射弁の要部の断面図および噴射孔の正面図である。
【００１０】
図１において、第１実施例の電磁式燃料噴射弁１は、主にエンジンの吸気ポート内に燃料を噴射する燃料供給方式のエンジンに利用されるものであり、ハウジング本体２と、ハウジング本体２内に設けられる弁装置３と、弁装置３を駆動するソレノイド装置４と、弁装置３の下流に設けられて噴射する燃料の噴霧角度や噴霧形状を設定するノズルプレート５とを備えている。この燃料噴射弁１は、燃料を噴射する先端部が内燃機関のシリンダヘッド若しくはそれに連なる吸気マニホールドに設けられる吸気ポートに開口させて設けた噴射弁挿入孔Ａに挿入した状態でシリンダヘッド若しくは吸気マニホールドに固定される。そして、図示しない燃料供給管から内部に高圧の燃料が供給される。
【００１１】
前記弁装置３は、筒状の内側ハウジング２Ａ内に固定されたバルブシート６と、このバルブシート６に着座する弁体７と、弁体７を後述するソレノイド装置４のアマチュア１０に連結する弁棒７Ａとを備える。前記バルブシート６は、外周面が密に内側ハウジング２Ａに嵌合された状態で内側ハウジング２Ａ内に固定され、内周側には、先端側から小径孔部６Ａと、この小径孔６Ａに連ねて徐々に内径が拡大されて弁体７が着座するテーパ状のシート部６Ｂと、シート部６Ｂの後端に連ねて弁体７を外周から保持する大径孔部６Ｃと、を備える。前記大径孔６Ｃの後端は徐々に拡径された部分を備えている。前記弁体７は、概略球形体をなし、前記バルブシート６の大径孔６Ｃにその外周部が案内されて内側ハウジング２Ａの軸方向に移動可能であり、前記バルブシート６のシート部６Ｂに着座可能に構成されている。
【００１２】
前記ソレノイド装置４は、前記弁装置３の弁体７と弁棒７Ａを介して連結され、前記内側ハウジング２Ａ内を摺動移動可能に挿入されたアマチュア１０と、前記内側ハウジング２Ａ内に固定された中空のコア１１と、内側ハウジング２Ａ外周に嵌合されたコイル１２と、このコイル１２を収容して、内側ハウジング２Ａのコア１１およびアマチュア１０を収容する外周領域に密着固定された外周ハウジング２Ｂとを備える。前記外周ハウジング２Ｂは、前記コイル１２を取囲み、アマチュア１０およびコア１１外周に内側ハウジング２Ａを介して接触することにより、これらにより磁気回路を構成する。前記外側ハウジング２Ｂには、シリンダヘッド等の噴射弁挿入孔Ａに挿入された際に燃料噴射弁１を位置決めするフランジ２Ｃを備え、このフランジ２Ｃの背面とコイル収容部分との間に設けた環状溝２Ｄに嵌合させたシールリング２Ｄを噴射弁挿入孔Ａの内周に接触させてシール状態で固定される。
【００１３】
前記アマチュア１０は、内蔵するスプリング１３により弁装置３に向かって付勢され、弁棒７Ａを介して弁体７をバルブシート６に着座させるようにしている。また、コイル１２に駆動電流が供給された際には、前記磁気回路が形成されて、アマチュア１０はスプリング１３に抗してコア１１側に駆動されてコア１１に接触されることにより、弁装置３の弁体７をバルブシート６から離間させて弁装置３を開放するよう機能する。
【００１４】
前記ノズルプレート５は、前記弁装置３のバルブシート６の先端側端面にレーザ溶接Ｂ等により固定され、図２に示すように、２枚の金属プレート１５Ａ、１５Ｂを貼り合せて接合することにより構成され、その中央領域に複数の燃料噴射孔１６を備える。前記２枚の金属プレート１５Ａ、１５Ｂの内のバルブシート６側に配置される金属プレート１５Ａは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の熱膨張率が比較的低い低膨張の金属により構成し、先端側に配置される金属プレート１５Ｂは、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金等の熱膨張率が比較的高い高膨張の金属により構成した、所謂「バイメタル」により構成している。この「バイメタル」により構成したノズルプレート５は、例えば、湾曲係数が、１１．５×１０-6［／℃］に設定している。また、このノズルプレート５の板厚は、２枚の金属プレート１５Ａ、１５Ｂを貼り合せた状態で、例えば、０．１［ｍｍ］程度に形成するが、弁装置３がソレノイド装置４により開放されて、高圧の燃料圧が加わった際に変形する場合には、この変形を生じない程度に、その板厚を増加させる考慮も必要である。
【００１５】
従って、前記ノズルプレート５は、燃料噴射弁１の先端が比較的低温である冷機時や始動時においては、図２に示す平面状であるが、エンジンが暖機された段階においては、中央が先端側に膨張して突出するよう熱変形される。
【００１６】
以上の構成の電磁式燃料噴射弁の動作について以下に説明する。
【００１７】
電磁式燃料噴射弁１は、ソレノイド装置４のコイル１２に通電されない状態においては、図１に示すように、スプリング１３による付勢力によりアマチュア１０が弁装置３側に押圧され、弁棒７Ａを介して弁体７をバルブシート６に着座させた閉弁状態となっており、弁体７の背面まで導入された燃料は閉弁状態の弁装置３によりその噴出が遮断された状態にあり、ノズルプレート５には燃料が供給されていない。
【００１８】
外部からソレノイド装置４のコイル１２に通電すると、アマチュア１０、コア１１、外側ハウジング２Ｂで構成された磁気通路に磁束が発生し、アマチュア１０はスプリング１３の付勢力に抗してコア１１側に吸引される。そして、アマチュア１０と一体の弁体７をバルブシート６のシート部６Ｂより離間させ、アマチュア１０端面がコア１１に当接する位置まで上昇させる。
【００１９】
弁体７の上動に伴い、その背面に導入されている燃料がバルブシート６のシート部６Ｂと弁体７との隙間を経由してバルブシート６の小径孔６Ａ側に供給され、ノズルプレート５背面に達し、ノズルプレート５の燃料噴射孔１６を介して噴霧状態となって噴出される。
【００２０】
ノズルプレート５の燃料噴射孔１６より噴出された燃料の噴霧方向は、冷機時および始動時においては、図３に示すように、ノズルプレート５が平面状をなしているため、低温時における噴霧角度（組立時における噴霧角度でもある）により燃料が噴霧される。図４の破線で示す領域は、燃料噴射弁１により噴射された燃料噴霧の拡がり状態を示しており、噴霧された燃料微粒子の全てが吸気バルブＩＶの弁体に向かって進むよう、ノズルプレート５の燃料噴射孔１６の噴射角度を設定している。
【００２１】
即ち、従来一般に設定されるように、燃料の噴霧角度を低温時から高温時までの全運転範囲において望ましい設定角度（広角設定）とした場合の吸気ポートへの燃料付着率に対して、本実施形態における燃料噴射弁１による設定角度（挟角設定）とした場合における吸気ポート部Ｐへの燃料付着率を低減することができる。その結果として、排気ガス中に含まれる未燃焼炭化水素量も低減させることができる。この場合における燃料付着率とは、電磁燃料噴射弁１から噴射された燃料量に対する吸気ポート壁面に付着した燃料量の比率である。
【００２２】
図５は、本発明者による実験によって、低温となる始動時における噴霧角度と排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣ）量の関係を測定した結果を示す特性図である。本発明者の実験によれば、燃料噴射角度を広角設定から挟角設定に変更することにより、ポート壁面への燃料付着率を６［％］低減させることによって、排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣ）量を約１０［％］低減させることができた。
【００２３】
前記暖機運転若しくは運転状態の継続によりエンジンが暖機されると、シリンダヘッドの温度も上昇され、その熱を受けて燃料噴射弁１の温度も上昇される。ノズルプレート５は熱膨張の異なる金属シート１５Ａ、１５Ｂを貼り合せた「バイメタル」で形成していることにより、熱膨張率の大きい側の金属プレート１５Ｂが存在する側に湾曲する。即ち、ノズルプレート５では、図６に示すように、温度上昇の結果として、吸気ポートが存在する前方側に湾曲され、その結果として、ノズルプレート５に設けられている燃料噴射孔１６同士の角度（燃料噴射角度）が増加され、広角化する。ノズルプレート５の燃料噴射孔１６より噴射される燃料の噴霧角度は、燃料噴射孔１６同士の角度が広角化されたことにより広くなる。噴霧された燃料の一部は、図４の実線に示すように、吸気ポートＰの壁面に接触し、温度上昇された壁面による気化潜熱効果により気化されて吸気弁ＩＶを経由して燃焼室に吸入され、その結果として充填効率が向上され、出力トルクも向上される。
【００２４】
図７は燃料噴射弁１により噴霧される燃料の噴霧角度と噴霧粒径との関係を示す特性図であり、図８は噴霧された燃料の粒径と出力トルクとの関係を示す特性図である。図７によれば、本実施形態のように、噴霧角度を増加させることにより、噴霧された燃料の粒径を小さくすることができる。本出願人の試験によれば、噴霧角度を１０［ｄｅｇ］拡大させると噴霧粒径は２０［μｍ］低減された結果を得ている。
【００２５】
また、図８に示すように、噴霧粒径を小さくする、即ち、噴霧角度を広角化することにより、吸気ポートのポート壁面による気化潜熱効果により充填効率が向上し、エンジンの出力を向上させることができる。本出願人の試験によれば、噴霧角度を１０［ｄｅｇ］増大させ、噴霧粒径を２０［μｍ］縮小させるとエンジン出力が４［％］向上される結果を得ている。
【００２６】
図９に示す第２実施例の電磁式燃料噴射弁１Ａにおいては、図１に示す第１実施例の燃料噴射弁１において、ノズルプレート５をバルブシート６の先端側平面にレーザ溶接Ｂにより固定することに代えて、ノズルプレート５の外周を内側ハウジング２Ａの内周にロウ付けＣで固定するようにしたものである。この固定方法においては、ノズルプレート５の外周縁が固定されることとなり、ノズルプレート５の温度に対する変形領域が拡大されることとなり、高温時における燃料噴射孔１６同士で形成する燃料噴射角度をより広角化することができる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の燃料噴射弁１においては、燃料噴射孔１６を備えるノズルプレート５の構成材料１５Ａ、１５Ｂの熱膨張率を表面側材料１５Ｂと裏面側材料１５Ａとで異ならせたバイメタルにより構成して温度に依存してその形状を異ならせるようにし、低温時において燃料噴霧角度を狭く設定した燃料噴射孔１６による燃料噴射により、排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣ）の含有量を低減させる一方、暖機後の高温状態においては、ノズルプレート５の熱変形を利用して燃料噴霧角度が広くなった燃料噴射孔１６による燃料噴射により、噴霧角度の広角化、噴霧粒径の縮小化により、吸気ポート壁Ｐの気化潜熱効果により充填効率を向上させエンジン出力を向上させることができる。即ち、温度状況に応じて排気ガスに含まれる未燃焼ガスの低減と出力向上とを両立させる最適な噴霧形状を提供することができる。
【００２８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２９】
（ア）燃料通路のバルブシート６と弁体７とからなる開閉弁３の下流に、複数の燃料噴射孔１６を備えて燃料の噴霧状態を規制するノズルプレート５を備えた燃料噴射弁１であり、前記ノズルプレート５を温度上昇に応じて周辺部に対して中央部が燃料噴出方向に湾曲するバイメタルにより構成し、低温時に燃料の噴霧角度を挟角とし、温度上昇時に燃料の噴霧角度を拡大させるようにした。したがって、冷機時・始動時ではエンジン温度で決まるノズルプレート５形状にて吸気ポートの壁面に付着し難い挟角となる最適な噴霧を形成させて、排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素を低減させる一方、暖機後はエンジン内の熱を受けて湾曲されて噴霧角度を広げ且つその噴霧粒径を小さくして、吸気ポート壁面での気化潜熱効果により充填効率を向上させ、出力を向上させることができる。
【００３０】
（イ）燃料噴射弁１は、吸気ポート内に燃料を噴射する吸気ポート内噴射式エンジンに適用されるものであることにより、上記（ア）の効果を発揮させることができ。
【００３１】
（第２実施形態）
図１０〜図１５は、本発明を適用した電磁式燃料噴射弁の第２実施形態を示し、図１０は電磁式燃料噴射弁の要部の断面図および噴射孔の正面図、図１１は第２実施形態の燃料噴射弁に使用するノズルプレートの断面図、図１２はノズルプレートの温度−変位量の特性図、図１３は低温時における燃料噴射状態の説明図、図１４は高温時における燃料噴射状態の説明図、図１５は第２実施例の電磁式燃料噴射弁の要部の断面図および噴射孔の正面図である。本実施形態においては、ノズルプレートを皿バネ状バイメタルにより構成した構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置・部材には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００３２】
図１０において、第２実施形態における燃料噴射弁１Ｂは、バルブシート６の先端側端面に固定するノズルプレート５Ａが、低温時にバルブシート６側に中央領域が突出して湾曲した皿バネ状をなし、高温時にバルブシート６側から中央領域が離れるよう湾曲する皿バネ状バイメタルを用いる構成において、第１実施形態と相違し、その他の構成は第１実施形態と同様に構成している。
【００３３】
図１０に示す第１実施例の電磁燃料噴射弁１Ｂにおいては、ノズルプレート５Ａの周縁近傍を円周状にバルブシート６の端面にレーザ溶接Ｂにより固定したものであり、図１５に示す第２実施例の電磁燃料噴射弁１Ｃにおいては、ノズルプレート５Ａの周縁を内側ハウジング２Ａの内周面にロウ付けＣにより固定したものである。なお、バルブシート５Ａの端面は、低温時における皿バネ状形状を許容するために、端面の中央部が窪ませて形成している。
【００３４】
前記ノズルプレート５Ａは、２枚の熱膨張率の相違する金属プレート１７Ａ、１７Ｂを接合したバイメタルであると共に皿バネ状に成形したものであり、図１１に示すように、低温時に中央部が上側に凸となるよう湾曲しており、図１２に示すように、雰囲気温度の上昇が反転温度を超えた際に、図１１の鎖線で示す形状、即ち、中央部が下側に凸となるよう湾曲する状態に反転され、それ以上の温度上昇においても、反転状態が維持される。また、雰囲気温度が低下する場合においても、復帰温度に達するまでは反転状態を維持し、復帰温度を超えて低下した場合に、破線で示す反転状態から実線で示す低温時形状に反転復帰するよう形状変化される。
【００３５】
上記のように、ノズルプレート５Ａの低温時形状と高温時形状とは、大きく形態が反転して変化することにより、低温時においては、図１３に示すように、燃料噴射孔１６より噴射される燃料の噴霧角度をより一層挟角状態とすることができる一方、高温時においては、図１４に示すように、燃料噴射孔１６より噴射される噴霧角度をより一層広角状態とすることができる。
【００３６】
従って、冷機時および始動時には、ノズルプレート５Ａの燃料噴射孔１６から挟角状態で燃料噴霧を噴射でき、噴霧が吸気ポートの壁面に付着することを低減でき、排気中に含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣ）の排出量をより一層低減させることができる。
【００３７】
また、暖機後等の高温時においては、ノズルプレート５Ａの燃料噴射孔１６からより一層広角状態で微粒化された燃料噴霧が噴射され、噴霧された微粒化燃料の一部は、吸気ポートの壁面に接触し、温度上昇された壁面による気化潜熱効果により気化されて吸気弁を経由して燃焼室に吸入され、その結果として充填効率が向上され、出力トルクも向上される。
【００３８】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００３９】
（ウ）ノズルプレート５Ａは、低温時に周辺部に対して中央部が開閉弁３がある上流側に窪んだ皿バネ状に成形されていることにより、低温時においては燃料の噴霧角度を一層狭くでき、噴霧燃料を吸気ポートＰの壁面に確実に付着させない狭角に設定することができ、始動時・冷機時における排気ガス中に含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣ）の排出量を低減させることができる。
【００４０】
（エ）また、ノズルプレート５Ａは、暖機後における温度上昇時に周辺部より中央部が燃料噴射方向に凸状となることにより、高温時には低温時とは異なり、燃料の噴霧角度を大きくする（＝広角設定）ことができ且つ粒径を小さくすることができることから、噴霧された微粒化燃料の一部は、吸気ポートＰの壁面に接触し、温度上昇された壁面による気化潜熱効果により気化されて吸気弁を経由して燃焼室に吸入され、その結果として充填効率が向上され、出力トルクも向上でき、低温時の排気ガス特性と高温時における出力特性との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態の第１実施例を示す電磁式燃料噴射弁の要部の断面図（Ａ）および噴射孔の正面図（Ｂ）。
【図２】同じくノズルプレートの断面図。
【図３】低温状態でのノズルプレート形状および燃料噴霧状態を示す説明図。
【図４】低温時および高温時における燃料噴射領域を説明する概略図。
【図５】低温時におけるポート壁面への燃料付着率の変化に対する排気ガス中の未燃焼炭化水素排出量の変化を示す特性図。
【図６】高温状態でのノズルプレート形状および燃料噴霧状態を示す説明図。
【図７】燃料噴射弁により噴霧される燃料の噴霧角度と噴霧粒径との関係を示す特性図。
【図８】噴霧された燃料の粒径と出力トルクとの関係を示す特性図。
【図９】一実施形態の第２実施例を示す電磁式燃料噴射弁の要部の断面図（Ａ）および噴射孔の正面図（Ｂ）。
【図１０】本発明の第２実施形態の第１実施例を示す電磁式燃料噴射弁の要部の断面図（Ａ）および噴射孔の正面図（Ｂ）。
【図１１】第２実施形態の燃料噴射弁に使用するノズルプレートの断面図。
【図１２】ノズルプレートの温度−変位量の特性図。
【図１３】低温時における燃料噴射状態の説明図。
【図１４】高温時における燃料噴射状態の説明図。
【図１５】第２実施形態の第２実施例を示す電磁式燃料噴射弁の要部の断面図（Ａ）および噴射孔の正面図（Ｂ）。
【符号の説明】
【００４２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  燃料噴射弁
２  ハウジング本体
３  弁装置
４  ソレノイド装置
５、５Ａ  ノズルプレート
６  バルブシート
７  弁体
１５Ａ、１５Ｂ、１７Ａ、１７Ｂ  金属プレート
１６  燃料噴射孔
【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】
2008014156.tif 000011
【図１０】
2008014156.tif 000012
【図１１】
2008014156.tif 000013
【図１２】
2008014156.tif 000014
【図１３】
2008014156.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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