JP2000320431A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】弁座の上流で旋回燃料を得る燃料噴射弁に関
し、燃料にかける圧力を増加させることなく、広範囲で
しかも線形的な流量制御を可能にする。 【解決手段】オリフィス８の上流側に形成されるシート
面９を有するノズル体と、シート面９に対して接触また
は離れた状態に駆動される弁体（例えばボール６）と、
シート面９の上流側に位置し燃料に旋回力を付与するた
めの燃料旋回素子３７とを備え、燃料旋回素子３７が、
燃料に旋回流を発生させるために弁本体６の軸中心より
偏心する径方向溝４９を有し、この径方向溝４９の流路
幅が燃料の流れ方向に対して縮小する溝形状になるよう
に加工する。あるいは径方向溝４９の両側壁のなす角度
が所定の角度θになるように加工し、径方向溝４９の流
路幅が燃料の流れ方向に対して連続的に縮小する溝形状
になるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射弁、特に
筒内噴射用燃料噴射装置に係り、特に、燃料流に旋回手
段により旋回エネルギーを与えて燃料噴射孔から噴射す
る形式の燃料噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の中でガソリンエンジンでは、
従来電磁式燃料噴射装置を用いて吸気ポート内に燃料を
噴射するエンジンが普及している。そして、この吸気ポ
ート内において、吸気された空気と燃料とを混合して、
燃焼室内でこの混合気を着火、燃焼して動力を発生させ
ている。一方、内燃機関の中で、主に軽油等を燃料とす
るディーゼルエンジンでは、燃焼室内に直接燃料を噴射
して、この燃料を燃焼室内の圧縮空気によって自然発火
させて動力を得ている。ところで、上述のようなガソリ
ンエンジンにおいても燃焼室に直接燃料を噴射して、内
燃機関の応答性を改善するような筒内燃焼型が提案され
ている。

【０００３】このような筒内噴射型のガソリンエンジン
では、高圧の燃料を効率良く噴射する燃料噴射弁とし
て、燃料流に旋回エネルギーを与えて燃料噴射孔から噴
射する形式のものが、数種提案されている。それらの燃
料噴射装置の一般的構造は、例えば特開平１０−２６０
６２号公報および特開平１０−４７２０８号公報に記載
されているように、弁体（ニードルバルブ、ボールバル
ブ等）及び弁座を備えた燃料噴射弁本体と、燃料流に旋
回エネルギーを与える燃料旋回素子とから構成されてい
る。

【０００４】この燃料旋回素子には、軸方向溝と、燃料
に旋回力を与える径方向溝とが形成されている。鉛直下
向きに軸方向溝を通ってきた燃料は、径方向溝入口部で
その流れの方向を９０°変えて、水平方向に径方向溝内
を流れる。４本あるいは６本からなる径方向溝は、軸中
心を通らず中心から偏心した位置に形成されている。こ
れにより径方向溝内で燃料には旋回力が与えられ、燃料
は噴射弁出口から旋回しながら大気中に広がって行く。
燃料に付与された旋回力の強さは、噴射弁出口での燃料
の噴霧角や噴霧形状、および燃料の微粒化の度合を決定
している。また、燃料の計量は径方向溝を出た後、弁と
弁座間のストローク（数１０μｍの環状すき間）の調整
で行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料噴射装置においては、軸方向溝を通ってきた燃料
が、鉛直下向きに軸方向溝を通り、径方向溝入口部でそ
の流れの方向を９０°変えて、水平方向に径方向溝内に
入るとき、溝の断面積が急激に縮小していた。そのた
め、径方向溝入口部での圧力損失が大きくなり、流体抵
抗が増加していた。このような径方向溝入口部での流体
抵抗の増加は、弁のストローク調節による広範囲でしか
も線形的な流量制御を阻害する要因になっていた。すな
わち、弁のストロークを大きくして噴射流量を増加させ
ようとしても、径方向溝入口部での流体抵抗が大きいた
め、流量の増加を抑制する効果が働き、燃料にかける圧
力を増加させることなく、広範囲でしかも線形的な流量
制御ができなかった。

【０００６】本発明は、上記従来技術における課題を解
決することを目的とし、弁座の上流で旋回燃料を得る燃
料噴射装置に関し、燃料にかける圧力を増加させること
なく、広範囲でしかも線形的な流量制御が可能する燃料
噴射装置を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、燃料旋回素子が、燃料に旋回流を発生させるために
弁本体の軸中心より偏心した位置に旋回溝を有し、旋回
溝の流路幅が燃料の流れ方向に対して連続的に縮小する
溝形状を有する構成とした。

【０００８】また、旋回溝の両側壁のなす角度が所定の
角度θになるように加工され、旋回溝の流路幅が燃料の
流れ方向に対して連続的に縮小する溝形状とする。

【０００９】さらに、旋回溝の両側壁の方向が燃料旋回
素子の内壁面の接線方向になるように、かつ旋回溝の両
側壁のなす角度が所定の角度θ（５°＜θ＜３０°）に
なるように加工し、旋回溝の流路幅が燃料の流れ方向に
対して連続的に縮小する溝形状とした。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
用いて説明する。

【００１１】図１は、本発明の第１の実施例の電磁式燃
料噴射装置の縦断面図を示している。図２は、図１の燃
料旋回素子、バルブガイド組立構造を示す拡大断面図を
示したものである。図３は、図２のＡ矢視平面図を示し
たものである。

【００１２】図１に示す燃料噴射装置１は、電磁コイル
組立体１６と、電磁コイル１５を取り囲む磁性体のヨー
ク３と、電磁コイル１５の中心に位置し一端がヨーク３
と接触したコア２と、前記電磁コイル１５が励磁される
と所定量リフトする可動子に係るボール弁４Ａと、この
ボール弁４Ａに対接して常時は閉じておりボール弁４Ａ
のリフト時に開口する弁座に係るシート面９、燃料噴射
孔に係るオリフィス８、および燃料に旋回力を与える燃
料旋回素子３７を有してノズル体を構成するバルブガイ
ド７とを備えている。そして、ボール弁４Ａは、少なく
とも、磁性体のプランジャ４とロッド５とボール状弁体
であるボール６とが一体的に形成されている。

【００１３】本実施例の燃料噴射装置１は、シングルポ
イント燃料噴射装置用のもので、以下、詳細に説明を進
める。この燃料噴射装置１は、コントロールユニツト
（図示せず）で演算され求められたデユーテイのＯＮ−
ＯＦＦ信号で、シート部の開閉を行うことにより燃料の
噴射を行うものである。磁気回路は、有底筒状のヨーク
３、ヨーク３の開口端を閉じる栓体部２ａとヨーク３の
中心に延びる柱状部２ｂとから成るコア２、およびコア
２に空隙を隔てて対面するプランジャ４とで構成され
る。コア２の柱状部２ｂの中心には、ボール弁４Ａをバ
ルブガイド７に形成されたオリフィス８のシート面９に
押圧する弾性部材としてスプリング１０を挿入保持する
ための穴が開けてある。

【００１４】スプリング１０の上端はセツト荷重を調整
するためにコア２の中心に挿通されたスプリングアジャ
スタ１１の下端に当接している。コア２とスプリングア
ジャスタ１１との間のすき間から外部に燃料が流出する
のを防ぐために両者間にＯリング１２が設けられてい
る。また、コア２とヨーク３の間には、コア２とヨーク
３のすき間から外部に燃料が流出するのを防ぐためＯリ
ング１３が介装されている。

【００１５】磁気回路を励磁する電磁コイル１５はボビ
ン１４に巻かれ、その外側をプラスチツク材でモールド
されている。これらから成る電磁コイル組立体１６の端
子１８は、コア２のつば部に設けた孔１７に挿入され、
端子１８とコア２との間にはＯリング１９が介装されて
いる。燃料噴射装置１の外側のモールド樹脂（以下、ヨ
ークモールドと称す）１９ａが成形時に燃料噴射装置１
内部に入らないようにするためのカラー２０が孔１７の
入口にかぶせられる。

【００１６】燃料や燃料蒸気の通路として、コア２との
すき間２１、上部通路２２、下部通路２３が設けてあ
る。ヨーク３の外周には、環状溝２５が形成されてい
る。環状溝２５には、燃料噴射装置１と筐体（図示しな
いソケツトと）のすき間から、燃料が流出するのを防ぐ
Ｏリング２４が保持されている。ヨーク３の回りには、
燃料が流入する流入通路２６、及び燃料噴射装置１の中
に貯まった気泡を含む余分な燃料を流出させる流出通路
２７が開けられている。

【００１７】また、ヨーク３の有底部にはボール弁４Ａ
を受容するプランジャ受容部２８が開けられている。さ
らに、プランジャ受容部２８の径より大径で、そこにス
トッパ２９およびバルブガイド７を受容するバルブガイ
ド受容部３０がヨーク３の先端まで貫設されている。さ
らに、ヨーク３外周には、流入通路２６から燃料中、又
は配管中の塵埃や異物がバルブシート側への侵入を防止
する環状フイルタ３１が設けられている。コイル１５へ
コントロールユニツトからの信号を伝える端子３２は端
子１８に接合されている。これら端子３２はモールド樹
脂によって電磁弁組体の上端にモールドされ、モールド
コネクタ３３を形成している。

【００１８】ボール弁４Ａは、磁性材製のプランジャ４
と、一端がプランジャ４と接合されたロッド５とロッド
５の他端に接合されたボール６と、プランジャ４の上端
開口部に固定された非磁性材からなるガイドリング３４
とから構成されている。ガイドリング３４は、コア２の
先端に開けられた中空部の内壁面３５で、また、ボール
６はバルブガイド７の中空部の内壁面３６に挿入される
円筒状の燃料旋回素子３７の内壁面３８で、それぞれガ
イドされている。

【００１９】バルブガイド７には、ボール６をガイドす
る円筒状の燃料旋回素子３７に引きつづいて、ボール６
をシートするシート面９が形成されており、シート面９
の中央にはオリフィス８（燃料噴射孔）が穿設されてい
る。さらに、バルブガイド７には、オリフィス８の出口
側の一部の平坦部を除いてシート面９側に所望の傾き角
をもつて傾斜するテーパ面が形成されている。図示しな
いソケツトとバルブガイド７の外周面との間には、燃料
をシールするＯリング３９が介装されている。本実施例
では、バルブガイド７の外周に環状溝のＯリング受容部
４０が形成されている。

【００２０】次に、燃料噴射装置１の組立方法および流
量の調整方法について説明する。まず、電磁石部の組体
の組立方法について説明する。

【００２１】電磁コイル組立体１６の端子１８部にＯリ
ング１９をつけた後、コア２のつば部の孔１７に端子１
８を挿入し、次に端子１８の上からカラー２０を挿入す
る。その後、コア２の栓体部外周下部にＯリング１３を
取り付けヨーク３内に嵌入する。この状態で、ヨーク３
内周上端縁のコア当接面部４１を軸方向に押圧し、コア
２の栓体部の外周に設けた溝４２に、ヨーク３の材料を
塑性流動によって半径方向に流し込み、その緊迫力で固
定する。いわゆるメタルフローによる接合を行う。

【００２２】ボール弁４Ａは、そのボール６を燃料旋回
素子３７の内壁面３８でガイドすると共にコア２の先端
内壁面３５で非磁性材のガイドリング３４をガイドし
て、結局２個所でガイドして軸方向に進退することにな
るため、ヨーク３のバルブガイド７の受容部の内径とコ
ア２の内壁面３５との同軸度が正確に得られる必要があ
る。そこで、バルブガイド７の受容部３０の内径及びコ
ア２の内壁面３５を精度よく支持した状態でメタルフロ
ーを行う。その後、端子１８に端子３２をカシメ、はん
だ付けまたは溶接等により固定し、樹脂によりモールデ
イングを行う。

【００２３】次に、バルブガイド組立体の組立てについ
て説明する。

【００２４】バルブガイド組立体は、ボール弁４Ａと燃
料旋回素子３７とバルブガイド７とから成る。ボール弁
４Ａは、ボール６と焼入れ硬化したステンレス材製のロ
ッド５とを抵抗溶接あるいはレーザ溶接等により溶接接
合する。次いでロッド５の他端とプランジャ４とロッド
５の外周に設けた溝４３にメタルフローによってプラン
ジャ４の内壁を流動圧着することにより固定する。ま
た、ガイドリング３４とプランジャ４の結合は、プラン
ジャ４のボール弁側の面４４を雇で受けて、プランジャ
４の先端内周縁のガイドリング当接部４５を軸方向に押
圧し、ガイドリング７に半径方向の緊迫力を与えること
によってメタルフローによる結合を行うことができる。

【００２５】本発明の特徴点である燃料旋回素子３７
は、焼結合金を用いて円筒状に型成形され、バルブガイ
ド７の内壁面３６に圧着固定される。すなわち、燃料旋
回素子３７の外周面４６（４ケ所）をバルブガイド７の
溝４７にメタルフローによって流動圧着する（図２、３
参照）。

【００２６】この燃料旋回素子３７には、図２、３に示
すように、軸方向溝４８と、燃料に旋回力を与える径方
向溝４９とが形成されている。鉛直下向きに軸方向溝４
８を通ってきた燃料は、径方向溝４９の入口部でその流
れの方向を９０°変えて、水平方向に径方向溝４９の内
部を流れる。径方向溝４９は、軸中心を通らず中心から
偏心した位置に形成されている。図３において、記号Ｌ
が径方向溝４９の軸心に対する偏心量を表わしている。
これにより、径方向溝内で燃料には旋回力が与えられ、
燃料は噴射弁出口から旋回しながら大気中に広がって行
く。

【００２７】本実施例の燃料旋回素子３７は、流路の圧
力損失について次のように設計製作されている。すなわ
ち、図３に示すように、径方向溝４９の入口部から出口
部まで流路幅が燃料の流れ方向に対して連続的に縮小す
るような形状に加工して、燃料が流体力学的に流れやす
くして剥離の発生を防ぎ、圧力損失の増大をできるだけ
防ぐように設計してある。

【００２８】図４及び図５は、径方向溝内４９の燃料の
流れの様子を示したものである。図４は従来の燃料旋回
素子の径方向溝の形状および流れの様子を示した図であ
り、図５は本発明の燃料旋回素子の径方向溝の形状およ
び流れの様子を示している。

【００２９】図４に示した従来の溝形状の場合、鉛直下
向きに軸方向溝４８を通ってきた燃料は、径方向溝４９
の入口部でその流路幅が急激に縮小する。このため、燃
料流れのはく離領域５６が発生し、圧力損失による流路
抵抗が増加する溝形状になっている。

【００３０】これに対して、図５に示した本発明による
溝形状の場合、径方向溝４９の入口部でその流路幅が急
激に縮小しないように、径方向溝４９の入口部から出口
部まで流路幅が燃料の流れ方向に対して連続的に縮小す
るような形状に加工している。そのため、燃料が溝形状
に沿って流れ、剥離の発生を防ぎことができ、圧力損失
が小さくなる。

【００３１】上記のように、組みたてられたバルブガイ
ド組立体を図１に示すストッパ２９と共に、電磁石組体
のヨーク３のバルブガイド受容部３０へ挿入し両者を組
立てる。両者の固定は、バルブガイド７外周に設けた溝
５３に、ヨーク３の先端内周壁をメタルフローにて塑性
流動により流れ込ませて固定する。その際、ストッパ２
９は、可動部が吸引されたときプランジヤ４の先端とコ
ア２の先端とが直接接触しないように、所定のギヤツプ
（エアギヤツプと称す）を持つ厚みに設定する。

【００３２】次に、電磁石組体のコア２の中心に設けた
穴にバルブガイド７とは反対方向から、先端にスプリン
グ１０を保持し、外周にＯリング１２を取り付けたアジ
ヤスタ１１を挿入すると共に、ヨーク３の外周にフイル
タ３１およびＯリング２４を取り付け、図示しない雇へ
一旦収納して、そこで噴射流量の試験に入る。

【００３３】噴射流量試験は、可動部をフルストローク
させた状態で測定し、そのときの噴射流量が規定の噴射
量になることを確認する。

【００３４】その後、一定周期、一定開弁時間の噴射流
量を規定の噴射流量になるように、可動部の応答性をス
プリング１０の荷重を変化させて決定し、しかる後、コ
ア２の上部突出部５４の外周をモールド樹脂の孔から半
径方向に押圧し、アジヤスタ１１の溝部５５にコア２の
内壁を組み込ませることにより固定する。

【００３５】図８は、流体数値解析より求めた結果、及
び上記のような手順で測定した本実施例の電磁式燃料噴
射弁の噴射量特性を示したものである。図８において、
横軸は弁のストロークＳを示しており、縦軸は燃料の噴
射流量Ｑを示している。図中の凡例には実施例１および
従来例の場合の結果を示している。図から明らかなよう
に、実施例１の電磁式燃料噴射装置は従来の燃料噴射装
置と比較して、燃料にかける圧力を増加させることな
く、広範囲に、しかも線形的に流量制御できる。

【００３６】図６は本発明の燃料旋回素子の第２の実施
例の径方向溝の形状を示した図である。本燃料旋回素子
は第１の実施例と同じ電磁式燃料噴射装置に用いること
ができるため、その構成要素の説明は省略する。

【００３７】図６に示すように、第２の実施例では、燃
料旋回素子の径方向溝の両側壁のなす角度θを約θ＝３
０°になるように加工した。また、径方向溝の流路幅が
燃料の流れ方向に対して連続的に縮小する溝形状にして
いる。そのため、燃料が溝形状に沿って流れ、剥離の発
生を防ぎことができ、圧力損失が小さくなっている。な
お径方向溝の両側壁のなす角度θは、溝内部を流れる燃
料の流速によって最適な値を選定するようにしている。
また、径方向溝と軸方向溝の接合部は、面取りを行うこ
とが望しい。

【００３８】図８は、先の実施例等と一緒に実施例２と
して第２の実施例の構成とした場合の測定結果を示して
有る。図から明らかなように、実施例２の電磁式燃料噴
射装置は、第１の実施例よりは若干劣るが、従来の燃料
噴射弁と比較して、燃料にかける圧力を増加させること
なく、広範囲でしかも線形的な流量制御が可能になった
ことが明らかである。

【００３９】図７は本発明の第３の実施例の燃料旋回素
子の径方向溝の形状を示した図である。電磁式燃料噴射
装置は第１の実施例と同じものを用いている。

【００４０】図７に示すように第３の実施例では、径方
向溝の両側壁の方向が燃料旋回素子の内壁面の接線方向
になるように、かつ径方向溝の両側壁のなす角度が所定
の角度θ＝２０°になるように加工してある。また、径
方向溝の流路幅が燃料の流れ方向に対して連続的に縮小
する溝形状になっている。そのため、燃料が溝形状に沿
って流れ、剥離の発生を防ぎことができ、圧力損失が小
さくなっている。なお径方向溝の両側壁のなす角度θ
は、溝内部を流れる燃料の流速によって、５°＜θ＜３
０°の範囲で最適な値を選定するようにしている。ま
た、径方向溝と軸方向溝の接合部は、面取りを行うこと
が望しい。

【００４１】図８に本実施例の測定結果も実施例３とし
て記載してある。図から明らかなように、実施例３は、
実施例１、２とは劣るが、従来の燃料噴射弁と比較し
て、燃料にかける圧力を増加させることなく、広範囲で
しかも線形的な流量制御が可能になったことが明らかで
ある。

【００４２】なお、上記実施例１から３では、シングル
ポイント燃料噴射装置用の電磁式燃料噴射弁について説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本
実施例と同等の作用効果が得られる範囲で、燃料噴射弁
に汎用的に適用されるものである。また、上記実施例で
は、弁体としてボール弁の例を説明したが、本発明の弁
体はボール弁に限定されるものではない。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、弁
座の上流で旋回燃料を得る燃料噴射弁に関し、燃料にか
ける圧力を増加させることなく、広範囲でしかも線形的
な流量制御が可能になる。また、本燃料噴射弁をエンジ
ンに適用すれば、実用上の効果がきわめて高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の電磁式燃料噴射弁の縦断面
図である。

【図２】本発明の第１の実施例の燃料旋回素子の断面図
である。

【図３】図２のＡ矢視平面図である。

【図４】従来の燃料旋回素子の径方向溝の形状および流
れの様子を示した図である。

【図５】本発明の第１の実施例の燃料旋回素子の径方向
溝の形状および流れの様子を示した図である。

【図６】本発明の第２の実施例の燃料旋回素子の径方向
溝の形状を示した図である。

【図７】本発明の第３の実施例の燃料旋回素子の径方向
溝の形状を示した図である。

【図８】弁のストロークと燃料噴射量の関係を示した図
である。

【符号の説明】

２…コア、３…ヨーク、４…プランジャ、４Ａ…ボール
弁、５…ロッド、６…ボール、７…バルブガイド、８…
オリフィス、９…シート面、１５…電磁コイル、１６…
電磁コイル組立体、３４…ガイドリング、３７…燃料旋
回素子、３８…内壁面、４６…燃料旋回素子の外周面、
４８…軸方向溝、４９…径方向溝、５６…燃料流れのは
く離領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮島 歩 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 岡崎 勉 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 3G066 AA01 AB02 AD10 BA00 BA51 CC06U CC14 CC15 CC20 CC21 CC43 CD28 CD30 CE22 CE31 DA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料噴射孔とこの燃料噴射孔の上流側に形
   成される弁座とを有するノズル体と、前記弁座に対して
   接触または離れた状態に駆動される弁体と、前記弁座の
   上流側に位置し燃料に旋回力を付与するための燃料旋回
   素子とを備えた燃料噴射装置において、 前記燃料旋回素子が、燃料に旋回流を発生させるために
   弁本体の軸中心より偏心した位置に旋回溝を有し、前記
   旋回溝の流路幅が燃料の流れ方向に対して縮小する溝形
   状を有することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 【請求項２】前記請求項１に記載の燃料噴射装置におい
   て、 前記旋回溝の両側壁のなす角度が所定の角度θになるよ
   うに加工され、前記旋回溝の流路幅が燃料の流れ方向に
   対して連続的に縮小する溝形状を有することを特徴とす
   る燃料噴射装置。
3. 【請求項３】前記請求項２に記載の燃料噴射装置におい
   て、 前記旋回溝の両側壁の方向が前記燃料旋回素子の内壁面
   の接線方向になるように、かつ前記旋回溝の両側壁のな
   す角度が所定の角度θ（５°＜θ＜３０°）になるよう
   に加工され、前記旋回溝の流路幅が燃料の流れ方向に対
   して連続的に縮小する溝形状を有することを特徴とする
   燃料噴射装置。