(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に設けた流体通路の端部に下流側へ向けて縮径するテーパ面を形成して弁座としたバルブボディと、上記弁座に着座することにより上記流体通路を閉塞し、上記弁座から離座することにより上記流体通路を開放する弁部材と、上記弁座の下流側に配置され、上記弁部材の開弁時に上記流体通路から流出する流体を噴射するための噴孔を有する噴孔プレートとを備える噴射弁であって、上記噴孔を、少なくとも流体出口側の開口形状が略楕円形であるとともに、流体入口側の面積より流体出口側の面積が大きくなるテーパ形状に形成し、かつ、流体入口側の中心より流体出口側の中心が上記噴孔プレートの外周側に位置するように、両中心を結ぶ噴孔軸線を上記噴孔プレートの中心軸に対して傾斜させ、流体入口側と流体出口側の中心のずれ方向を、流体出口側の上記開口の長軸方向と略一致させたことを特徴とする噴射弁。
【請求項２】
上記噴孔の流体出口側の上記開口形状を、流体出口側の上記開口の長軸の長さをＬ1 、短軸方向の最大幅をＬ2 とした時に、最大幅Ｌ2 をとる位置と上記噴孔プレートの中央部よりの長軸上の点Ａとの距離ｘが、（１／２）・Ｌ1 ≦ｘ＜Ｌ1 の範囲となる形状とする請求項１記載の噴射弁。
【請求項３】
上記噴孔プレートの出口側端面において、上記噴孔の開口縁近傍に、噴射される膜状流体の広がりを抑制する半円形断面の広がり抑制手段を設けた請求項１または２記載の噴射弁。
【請求項４】
上記噴孔プレートの下流側に第２の噴孔プレートを設けて上記噴孔に連通する略同一またはそれより大きい貫通穴または貫通溝を形成し、噴射される膜状流体の広がりを抑制する広がり抑制手段とした請求項１または２記載の噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、内燃機関の燃料噴射弁に適用される噴射弁に関するものであり、詳しくは、流体噴射用の噴孔を形成した噴孔プレートを備える噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジン性能向上、エミッション低減のために、燃料の気化率を向上させ、ポートやシリンダ内壁に付着する燃料を低減することが求められている。燃料噴射弁においては、特に、噴霧の高微粒化の要望があり、例えば、エアアシスト式の噴射弁も提案されてあるが、コスト低減の面からはエアアシスト式のような複雑な付加的装置を設けることは不利である。このため、ニードルが収容されるバルブボディの下流側に、微小径の噴孔を複数形成した噴孔プレートを設置して、各々の噴孔から噴射される燃料の微粒化を図っている。
【０００３】
このような噴孔プレートを使用した場合、微小径の個々の噴孔からは良好な微粒化噴霧が得られるが、一定の噴射量を得るには、噴孔が微細であるほど噴孔数が増加することになる。このため、隣接する噴孔間の間隔が狭くなり、隣接する噴孔を通過した燃料が合体してしまい、微粒化が阻害される不具合があった。この不具合は、隣接する噴孔間の間隔を広くすれば解消するが、噴孔プレートに形成できる噴孔数が限られる結果、径を十分微小化することができなくなり、各々の噴孔の微粒化度合いを上げられない。そして、微粒化が十分なされない噴霧の特徴として、噴孔出口直下で噴射された燃料の一部が芯状の塊となり、それが下流においても分裂しないために粒径の大きな噴霧となることが判明している。
【０００４】
従って、噴射燃料のさらなる微粒化のためには、噴射された燃料同士の合体を回避しつつ、しかも各々の噴孔での微粒化度合いを上げることが必要になる。つまり、噴孔形状を工夫して、噴孔出口直下の燃料の塊をなるべく小さく、好適には、薄い膜状にして下流での分裂を促進すること、隣接する噴孔からの噴霧との合体を回避できるように噴霧の広がりを抑制することが望まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、例えば、膜状の噴霧を得るために、噴孔にテーパをつけることが考えられる。噴孔の出口側が広がる円錐形状とすることによって、噴霧が噴孔の内周面に沿って広がり、薄い膜状に噴射されることが期待できる。しかしながら、テーパ形状によって形成される液膜状の噴霧は、噴孔の出口形状に左右されるために、出口形状により噴霧の広がり幅が決まる。一般には、径方向に広がる噴霧になりやすく、折角各々の噴孔の微粒化度合いを向上させても、隣接する噴孔の噴霧と合体して、結果的に微粒化が阻害されるといった問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、噴射弁の噴孔プレートに形成される噴孔の最適な形状を検討し、特に、出口側形状を工夫することによって、液膜の形成を容易にし、かつその広がりを抑えて、噴霧の微粒化を促進することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明請求項１の噴射弁は、内部に設けた流体通路の端部に下流側へ向けて縮径するテーパ面を形成して弁座としたバルブボディと、上記弁座に着座することにより上記流体通路を閉塞し、上記弁座から離座することにより上記流体通路を開放する弁部材と、上記弁座の下流側に配置され、上記弁部材の開弁時に上記流体通路から流出する流体を噴射するための噴孔を有する噴孔プレートを備えている。上記噴孔プレートに設けられる上記噴孔は、少なくとも流体出口側の開口形状が略楕円形であるとともに、流体入口側の面積より流体出口側の面積が大きくなるテーパ形状に形成してあり、かつ、流体入口側の中心より流体出口側の中心が上記噴孔プレートの外周側に位置するように、両中心を結ぶ噴孔軸線を上記噴孔プレートの中心軸に対して傾斜している。
【０００８】
このように、上記噴孔を下流側へ広がるテーパ形状とし、噴孔軸線を外周側へ傾斜させることで、流入する燃料が噴孔内周面に沿って外周側へ広がりやすくなり、噴孔出口で薄い膜状となるのを促進する。また、少なくとも出口形状を略楕円形とすることで、隣接する噴孔との間隔を広くし、かつ噴射される液膜の短軸方向への広がりを抑制することができる。よって、噴孔出口で燃料の一部が芯状の塊となるのを防止し、燃料の液膜化を良好に行うとともに、その広がりを抑えて、噴霧を微粒化することができる。
【０００９】
ここで、請求項１では、上記噴孔において、流体入口側と流体出口側の中心のずれ方向を、流体出口側の上記開口の長軸方向と略一致させる。
【００１０】
上記噴孔の出口側の中心が、入口側の中心に対し、楕円の長軸方向でかつ外周側にずれるようにすると、より効果的に、隣接する噴孔からの噴霧との合体を防止して、噴霧の微粒化を促進することができる。
【００１１】
請求項２では、上記噴孔の流体出口側の上記開口形状を、流体出口側の上記開口の長軸の長さをＬ1 、短軸方向の最大幅をＬ2 とした時に、最大幅Ｌ2 をとる位置と上記噴孔プレートの中央部よりの長軸上の点Ａとの距離ｘが、（１／２）・Ｌ1 ≦ｘ＜Ｌ1 の範囲となる形状とする。
【００１２】
上記噴孔の出口形状を略楕円形とし、さらに、その短軸方向の幅が最大となる位置が、長軸の１／２の位置より外周側となるように形状を設定すると、上記噴孔から噴射される液膜の広がりを抑制する効果が高く、短軸方向に隣接する噴孔からの噴霧との合体を防止して、微粒化を向上させる。
【００１３】
請求項３では、上記噴孔プレートの出口側端面において、上記噴孔の開口縁近傍に、噴射される膜状流体の広がりを抑制する半円形断面の広がり抑制手段を設ける。
【００１４】
上記噴孔の出口側周縁近傍に、半円形断面の上記広がり抑制手段を設けると、噴射される液膜が上記広がり抑制部材の表面に沿って広がり、その頂部付近で剥離する。これによって液膜の広がりを抑制して隣接する噴霧の合体を防止することができる。
【００１５】
請求項４では、上記噴孔プレートの下流側に第２の噴孔プレートを設けて上記噴孔に連通する略同一またはそれより大きい貫通穴または貫通溝を形成し、噴射される膜状流体の広がりを抑制する広がり抑制手段とする。
【００１６】
上記第２の噴孔プレートを設けた上記貫通穴または貫通溝の内壁が、液膜の広がりを抑制するため、これによっても流体の広がりを抑制して隣接する噴霧の合体を防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１ないし図６に、本発明を内燃機関の燃料噴射弁に適用した第１の実施の形態を示す。図３は燃料噴射弁１の概略構成を示すもので、燃料噴射弁１は、内燃機関の各気筒に燃料を供給するために、図略の吸気管から各気筒への分岐部にそれぞれ取り付けられている。燃料噴射弁１の先端（図の下端）は該吸気管内に突出しており、供給された燃料は、吸気との混合気となって各気筒に供給される。燃料噴射弁１の筒状ハウジング１１内には略円筒状の固定鉄心６１が設けてあり、その一端（下端）６１１はハウジング１１の先端部１１１近くまで延びている。固定鉄心６１の他端（上端）６１２はハウジング１１の基端１１２より突出して図略の燃料タンクと接続されている。また、ハウジング１１の先端部１１１に接して、磁性材料からなる段付きの磁性パイプ６２が配設してあり、その小径部６２１がハウジング１１内に挿通位置して、固定鉄心６１の一端６１１との間に非磁性材料でなる非磁性パイプ６３を挟持している。
【００１８】
磁性パイプ６２の大径部６２２内には、下方から環状のスペーサ６４を介してバルブボディ３が嵌設してある。バルブボディ３に軸方向に形成された貫通穴３ａは、流体通路としての燃料通路１ａの一部を構成するもので、先端側を逆円錐状に形成して弁部材であるニードル４が着座する弁座３ｂとしてある。ニードル４は、燃料噴射弁１を軸方向に貫通する燃料通路１ａの下端部内に配設してあり、バルブボディ３内に位置する先端部４１には弁座３ｂに着座する逆円錐状のシート部４ａが設けてある。燃料通路１ａは、固定鉄心６１、非磁性パイプ６３、磁性パイプ６２、スペーサ６４の各内部空間とバルブボディ３の貫通穴３ａによって形成され、燃料は、図略の燃料タンクから燃料通路１ａを通って弁部に供給される。
【００１９】
ニードル４は、先端部４１にバルブボディ３の貫通穴３ａ内を摺動するガイド部４１１を有するとともに、基部４２外周には、固定鉄心６１の一端６１１に対向し磁性パイプ６２および非磁性パイプ６３内を摺動する可動コア５７が溶接により連結されている。また、ハウジング１１の下端部内周面に沿って、磁性材料からなる略円筒状のヨーク５１が同軸に設けてあって、固定鉄心６１、非磁性パイプ６３、磁性パイプ６２の外周に同軸に設けた樹脂製の略円筒状のスプール５２と対向している。そして、スプール５２周りに巻回した電磁コイル５３への通電を制御することによって、可動コア５７を上方へ吸引し、可動コア５７と一体のニードル４を上昇させるようにしてある。なお、電磁コイル５３は、ハウジング１１側面より突出するコネクタ１２に設けられたターミナル５４と電気的に接続してあり、ターミナル５４に接続される図略の電子制御装置から給電されるようになっている。
【００２０】
固定鉄心６１内にはスプリング５５が配設してあり、ニードル４を先端方向（閉弁方向）へ付勢している。固定鉄心６１内には、また、円筒状のアジャスティングパイプ５６が螺入してあり、軸方向位置を調節することにより、スプリング５５のニードル４への付勢力が調整される。なお、ニードル４のガイド部４１１および基部４２は、外周の複数箇所を切削して摺動面との間に空隙を形成してあり、燃料の流通を容易にしている。また、固定鉄心６１内には他端６１２側にフィルタ６５が設けられて、燃料噴射弁１に流入する燃料中のゴミ等を除去するようになっている。
【００２１】
バルブボディ３の先端面には、複数の噴孔２１が形成された噴孔プレート２が設置してある。そして、電磁コイル５３への通電により可動コア５７が上方へ吸引され、ニードル４が弁座３ｂから離座すると、燃料通路１ａから噴孔２１を経て燃料が噴射される。電磁コイル５３への通電が停止されると、ニードル４が弁座３ｂに着座し、燃料通路１ａを閉塞されて燃料噴射が停止される。本発明の特徴は、この噴孔プレート２の噴孔形状にあり、以下、これについて詳述する。
【００２２】
図１（Ａ）のように、噴孔プレート２は円板形で、その板面の複数箇所を貫通して、略楕円形の断面形状を有する噴孔２１が設けてある（ここでは、板面の４箇所（縦２×横２）に楕円の長軸方向が略一致または平行となるように並列配置している）。噴孔形状を略楕円形とすることで、短軸方向に隣接する噴孔２１間の間隔を比較的大きくでき、また、後述する形状の制御により噴霧の微粒化を促進できる。各噴孔２１は、図１（Ｂ）のように、噴孔プレート２の入口側端面（上面）における開口面積より出口側端面（下面）の開口面積が大きいテーパ形状を有し、かつ入口側の中心と出口側の中心を結ぶ噴孔軸線が、噴孔プレート２の中心軸に対して傾斜するように設けられる。
【００２３】
この時、図１（Ｃ）のように、各噴孔２１に流入した燃料は、噴孔内周面２１ａに沿って広がりながら流れ、噴孔出口２１ｂで薄い膜状になって噴射されることが、可視化試験によって確認されている。形成される液膜７は、噴孔プレート２の中心側から出口形状に沿って外周側へ広がる馬蹄形状となる。一方、図２のように、噴孔軸線を傾斜させただけでテーパ形状を有していない噴孔２１´では、図２のように、燃料が噴孔内周面に十分広がらず、噴孔２１´直下で芯状の塊８となって噴射されるのを確認した。このように、噴孔軸線を傾斜させ、かつテーパ形状とすることで、燃料の液膜化を良好に行うことができる。
【００２４】
噴孔２１の傾斜方向は、入口側の中心より出口側の中心が噴孔プレート２の外周側に位置するように設定する。具体的には、例えば図１（Ａ）では、噴孔２１の入口側開口と出口側開口における長軸方向を一致させたまま、入口側の中心に対して出口側の中心を外周側にずらして配置している。これにより、長軸方向（図の左右方向）に隣接する２つの噴孔２１は、両中心のずれ方向が反対方向となり、噴霧が離れる方向に噴射されるため、噴霧が合体することはない。短軸方向（図の上下方向）に隣接する２つの噴孔２１からの噴霧は平行に噴射されるが、噴孔２１の出口２１ｂ形状を適切に設定することによって、噴射後の液膜の広がりを抑制して噴霧の合体を防止できる。これを図４〜６を用いて説明する。
【００２５】
図５（Ａ）は、短軸方向に隣接する２つの噴孔２１から噴射される液膜の広がりの様子を示すもので（図４（Ａ）のＢ−Ｂ断面）、噴射される液膜の広がりが大きいと、噴霧が合体して微粒化が阻害される。各噴孔２１における液膜の広がり（噴孔プレート２の下面から３ｍｍの位置）と噴霧粒径（ＳＭＤ）の関係を図５（Ｂ）に示し、液膜の広がりが大きいほど噴霧粒径（ＳＭＤ）が大きくなっていること、すなわち、各噴孔２１で良好な液膜で生成されても、噴霧粒径（ＳＭＤ）が大きくなって、微粒化が阻害されることが分かる。なお、この時の噴孔間隔は限界設計まで広げたものである。このように、多噴孔の設計とした場合、隣接する噴孔２１との間隔が制限されるため、噴霧同士の合体による噴霧粒径（ＳＭＤ）の増大を防ぐには、液膜の広がりを抑制する必要がある。そこで、本発明者等は、液膜の広がりと噴孔形状について検討し、噴孔２１の出口２１ｂ形状、特に、短軸方向の最大幅Ｌ2 の位置が大きく影響することを見出した。
【００２６】
図４（Ｂ）は、各噴孔２１の出口２１ｂの概略形状を示し、長軸の長さ（長軸上の点Ａ、点Ｂ間の距離）をＬ1 、短軸方向の最大幅をＬ2 とする。また、プレート中心よりの点Ａと最大幅Ｌ2 をとる位置との距離をｘとし、ｘと液膜の広がりおよび噴霧粒径（ＳＭＤ）との関係を調べて、それぞれ図６（Ａ）、（Ｂ）に示した。図６（Ａ）に明らかなように、点Ａ、点Ｂの中間位置〔ｘ＝（１／２）・Ｌ1 〕まではｘが点Ａから離れるほど、液膜の広がりは小さくなっており、点Ａ、点Ｂの中間位置より外周側で液膜の広がりはほぼ一定となる。また、噴霧粒径（ＳＭＤ）も同様の傾向を示している（図６（ｂ））。従って、各噴孔２１の出口２１ｂ形状を、ｘが（１／２）・Ｌ1 ≦ｘ＜Ｌ1 の範囲、好ましくは、（１／２）・Ｌ1 ＜ｘ＜Ｌ1 の範囲となるような略楕円形に形成するのがよい。
【００２７】
以上のようにすれば、各噴孔２１において薄い液膜を効果的に形成し、しかも隣接する噴孔２１からの噴霧合体を回避することが可能であり、高い微粒化効果が得られる。なお、短軸方向に隣接する２つの噴孔２１は必ずしも平行である必要はなく、噴霧合体を回避可能な範囲であれば、例えば入口側より出口側の間隔が狭くなるように配置されていてもよい。上記のように形状を設定することで、個々の噴孔２１からの噴霧の広がりが最小限に抑制されるので、同様の効果が得られる。
【００２８】
図７（Ａ）、（Ｂ）に本発明の第２の実施の形態における噴孔プレート２形状を示す。噴孔プレート２以外の燃料噴射弁１の基本構成は上記第１の実施の形態と同様であるため図示を省略する。本実施の形態において、噴孔プレート２は、上記第１の実施の形態と同様、略楕円形断面の複数の噴孔２１を有している。さらに、噴孔プレート２の出口側端面には、長軸方向に隣接する２つの噴孔２１に渡って、その出口２１ｂの両側周縁に沿うように長軸方向に延びる、半円形断面の広がり抑制手段としての棒状部材２２を溶接固定してある。
【００２９】
このようにすると、図７（Ｂ）のように、短軸方向において、噴孔２１の出口２１ｂから噴射される液膜は、棒状部材２２の表面に沿って広がろうとし（コアンダ効果）、半円の頂部付近で剥離するために、結果として、液膜の広がりを所定範囲に抑制することができる。よって、隣接する噴霧の合体を防止し、微粒化が向上できる。
【００３０】
図８（Ａ）、（Ｂ）に本発明の第３の実施の形態における噴孔プレート２形状を示す。噴孔プレート２以外の燃料噴射弁１の基本構成は上記第１の実施の形態と同様であるため図示を省略する。本実施の形態において、噴孔プレート２は、上記第１の実施の形態と同様の構成であり、これに加えて、噴孔プレート２の出口側端面に、各噴孔２１の形成位置にその出口形状より僅かに大きい広がり抑制手段としての貫通穴２４を設けた第２の噴孔プレート２３を溶接固定してある。貫通穴２４は入口側と出口側が同一形状でテーパを有しておらず、両プレート２、２３の衝合部には段差が形成される。
【００３１】
このようにすると、図８（Ｂ）のように、噴孔２１の出口２１ｂから噴射される液膜は、第２の噴孔プレート２３の貫通穴２４の内壁面２５によって広がりが抑制され、特に短軸方向における液膜の広がりを所定範囲に抑制することができる。よって、隣接する噴霧の合体を防止し、微粒化が向上できる。なお、図８（Ｃ）のように、長軸方向に隣接する２つの噴孔２１に対応して、第２の噴孔プレート２３の出口側端面の２箇所に、短冊状の貫通溝２６を設けることもでき、同様の効果が得られる。
【００３２】
図９（Ａ）、（Ｂ）に本発明の第４の実施の形態における噴孔プレート２形状を示す。噴孔プレート２以外の燃料噴射弁１の基本構成は上記第１の実施の形態と同様であるため図示を省略する。本実施の形態において、噴孔プレート２は、上記第１の実施の形態とほぼ同様の構成であり、これに加えて、噴孔プレート２の出口側端面に、各噴孔２１の出口２１ｂ両側周縁に沿うように、長軸方向に延びる半円形断面の広がり抑制手段としての棒状突起２７を設けてある。この棒状突起２７は、噴孔２１の加工後に、噴孔プレート２を塑性変形させて該当箇所を隆起させることによって形成される。
【００３３】
このようにすると、図９（Ｂ）のように、噴孔２１の出口２１ａから噴射される液膜は、短軸方向において棒状突起２７の表面に沿って広がろうとし、上記第２の実施の形態と同様に、半円の頂部付近で剥離する結果、液膜の広がりを所定範囲に抑制することができる。よって、隣接する噴霧の合体を防止し、微粒化が向上できる。
【００３４】
上記各実施の形態では、噴孔２１を噴孔プレート２の４箇所に設け、隣接する噴孔の長軸方向が一致あるいは平行となるように配置したが、噴孔２１の数や配置はこれに限るものではない。噴孔２１の数や配置が変更された場合、例えば放射状に配置された場合でも、本発明第２〜第４の実施の形態に示す棒状部材２２等、広がり抑制手段を設置することで、噴孔２１出口直後の液膜の広がりを制御できるので、液膜の広がりを抑える働きを加えて複数孔から形成される噴霧全体の広がりを制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態における噴孔プレートの拡大図（上方視図）、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、（Ｃ）は第１の実施の形態の噴孔プレートから噴射される噴霧の状態を示す図である。
【図２】テーパ形状を有しない噴孔から噴射される噴霧の状態を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁の全体断面図である。
【図４】（Ａ）は第１の実施の形態における噴孔プレートの拡大図（上方視図）、（Ｂ）は噴孔の出口形状を示す拡大図である。
【図５】（Ａ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｂ）は液膜の広がりと噴霧粒径（ＳＭＤ）の関係を示す図である。
【図６】（Ａ）は噴孔の出口形状において最大幅Ｌ2 をとる位置と液膜の広がりの関係を示す図、（Ｂ）は最大幅Ｌ2 をとる位置と噴霧粒径（ＳＭＤ）の関係を示す図である。
【図７】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態における噴孔プレートの拡大図（上方視図）、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態における噴孔プレートの拡大図（上方視図）、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（Ｃ）は第２の噴孔プレートの他の形状例を示す図である。
【図９】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態における噴孔プレートの拡大図（上方視図）、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
１  燃料噴射弁（噴射弁）
１ａ  燃料通路（流体通路）
２  噴孔プレート
２１  噴孔
２１ａ  内周面
２１ｂ  出口（開口）
２２  棒状部材（広がり抑制手段）
２３  第２の噴孔プレート
２４  貫通穴（広がり抑制手段）
２５  内壁面
２７  貫通溝（広がり抑制手段）
２７  棒状突起（広がり抑制手段）
３  バルブボディ
３ｂ  弁座
４  ニードル（弁部材）
【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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