JP2007107459A - 燃料噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単な構造で複数の噴孔から燃料を拡散噴霧できる燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】 先端部に略円錐形状のシート面11ST及び該シート面に円周方向に沿って形成された複数の噴孔12を備えたノズルボディ10と、前記ノズルボディ内に移動可能に配置され前記シート面に当接可能な先端部を有するニードル弁20とを備えた燃料噴射装置1Aであり、前記噴孔12の中心軸方向を、前記ノズルボディの前記中心軸CTに対して偏心させている。これにより、噴孔の入口部分の形状が楕円形状となり、噴孔内へ進入する燃料の流れに偏流を発生させることができ、出口部分での燃料の噴霧形状を拡散状態にできる。
【選択図】 図1

Description

本発明は内燃機関で使用される燃料噴射装置に関する。特に、燃料の拡散噴霧を行うことができ、また噴霧形状を変更できる燃料噴射装置に関する。
近年、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関の負荷状態に応じて、噴孔から噴射させる燃料の噴霧形状を変更する技術が多く検討されている。内燃機関の負荷状態に応じて燃料の噴霧形状を最適に変更できれば、燃料消費量の低減、排気エミッションの向上等を図ることができる。
例えば特許文献1は、ニードル弁とノズルボディ間のシート部上流側に、旋回流形成部材及び円筒状の旋回流形成室を設けた燃料噴射装置を開示する。この装置は、内燃機関の負荷状態に応じてニードル弁のリフト量を変更して旋回流形成室に通じる燃料入口通路の開度が調整される。この結果、ノズルボディの下端に形成した噴孔から噴射する燃料の噴霧形状を変更できる。
また、特許文献2はノズルボディの先端に周方向に沿って複数の噴孔を配置した燃料噴射装置を開示する。この燃料噴射装置は燃料が流入し易いように、噴孔の入口側の開口形状を拡大した非対称な形状としている。この開口形状は専用の加工用ニードルを用いて形成されている。このように噴孔の入口部分を非対称にすると噴孔内において燃料の旋回流を形成できる。そして、旋回流は噴孔出口部において噴孔径の接線方向に運動量をもつことから噴霧角を大きくした噴霧を行うことができる。
特開2000−145584号公報 特開2002−349393号公報
しかしながら、特許文献1で開示する装置は、燃料の旋回流を形成するために特別な部材(旋回流形成部材)をニードル弁とノズルボディとの間に配置するので装置構造が複雑となる。また、特許文献1で開示されている装置は、ノズルボディの下端に設けた1個の噴孔から燃料を噴射しており、ノズルボディの側部に設けた複数の噴孔から噴射する燃料の噴霧形状を制御する技術については開示がない。
これに対して、特許文献2で開示する装置は噴孔が複数配置され、噴孔入口部の形状が非対称となっているので、噴孔内に流入した燃料に旋回流を形成させて噴霧形状を調整することもできる。しかしながら、特許文献2で開示する装置の場合には、専用の加工用ニードルを準備しなければ製造できないのでコストが上昇してしまう。さらに、砥粒を含む研削用流体を流すことによって非対称な入口を形成するので研削用流体も準備することが必要となるので、この点でも製造コストが上昇する。
また、研削用流体の流速、圧力等によって形成される入口形状が複雑に変化してしまう。噴孔入口の形状が不安定であると期待した噴霧形状を形成できないことになる。そのため入口部分を非対称に加工するときには、厳しい加工管理を行うことが必要となる。そのためノズルボディ加工工程が煩雑となるので、この点でも製造コストが上昇してしまう。
したがって、本発明の目的は、簡単な構造で複数の噴孔から燃料を拡散噴霧できる燃料噴射装置を提供することであり、また噴霧形状を変更できる燃料噴射装置を提供することである。
上記目的は、先端部に略円錐形状のシート面及び該シート面に円周方向に沿って形成された複数の噴孔を備えたノズルボディと、前記ノズルボディ内に移動可能に配置され前記シート面に当接可能な先端部を有するニードル弁とを備えた燃料噴射装置において、前記噴孔の中心軸方向を、前記ノズルボディの前記中心軸に対して偏心させた燃料噴射装置により達成できる。
本発明によると、噴孔の中心軸方向がノズルボディの中心軸に対して偏心しているので、ノズルボディの内壁面に現れる噴孔の入口部分の形状が楕円形状となる。このように入口部分の形状が楕円状であると真円に近い場合と比較して、噴孔内へ進入する燃料の流れに偏流を発生させることができる。偏流となった燃料は噴孔内で旋回流となる。よって、この燃料噴射装置は、噴孔の出口部分での燃料の噴霧形状を拡散状態とすることができる。
さらに、前記噴孔の出口部分が拡径されている構造を採用してもよい。このような構造を採用すると、出口部分から噴射する燃料を更に拡散させて噴霧することができる。
また、前記ニードル弁を前記中心軸方向に移動してリフト量を変更するニードル移動機構を更に備え、前記ニードル弁が前記ニードル移動機構によりリフト量が小さい低リフト位置とリフト量が大きい高リフト位置とに移動可能とすると、内燃機関の状態に応じて噴霧形態を拡散噴霧、柱状噴霧に簡単に切換えることができる。
本発明によると、噴孔の中心軸方向をノズルボディの中心軸から偏心するように設定するという簡単な構造で、燃料を拡散噴霧する燃料噴射装置を提供できる。このような燃料噴射装置はコストの上昇を伴うことなく製造できる。また、ニードル移動機構を更に備えことで噴霧形状を変更できる燃料噴射装置を提供できる。
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。
図1は実施例1に係る燃料噴射装置1Aの噴孔の周辺部を拡大して示した図であり、(A)は燃料噴射装置1Aの縦断面図、(B)はノズルボディに形成した噴孔の配置関係を模式的に示した平面図である。なお、(A)は(B)でのA−A線の断面図となる。燃料噴射装置1Aは、内部に空間を有している円筒形状のノズルボディ10と、このノズルボディ10内に収納され中心軸CTに沿ってAX方向へ往復動可能に配置されているニードル弁20とを含んでいる。
ノズルボディ10のノズル側となる先端部(図1で下側)は略円錐形状に形成されている。よって、ノズルボディ10の内壁面11は、上側が円筒状で、下端が円錐状となっている。この円錐状の内壁面11の上側部分はニードル弁20が着座するシート面11STとなっている。このシート面11STよりも先端側にノズルボディ10の周方向に沿って所定間隔で複数(例えば6〜12個、図示では8個)の噴孔12が配置されている。この噴孔12は、通常とは異なる新規な配置形態となっている。この点については後に詳述する。
ニードル弁20の先端部は、ノズルボディ10の内壁面11と対応して略円錐形状に形成されている。この円錐状の先端部にはノズルボディ10側のシート面11STに着座するシート部21が形成されている。ニードル弁20はノズルボディ10の中心軸CTに沿って往復動する。ニードル弁20が下降してシート部21がシート面11STに接触したときが閉弁状態である。この燃料噴射装置1Aは、後述するようにニードル弁を中心軸CTに沿ってAX方向に移動させる共に、ニードル弁の移動量(リフト量)を変更できるニードル移動機構を備えている。このニードル移動機構によって、比較的小さいリフト量で上方へ移動されたときのニードル弁20の位置を低リフト位置と称し、大きなリフト量で上方へ移動されたときのニードル弁20の位置を高リフト位置と称して説明する。
図2はノズルボディ10に形成した噴孔12の配置形態を説明するために示した図であり、(A)は本実施例1の噴孔12について示した図、(B)は一般的な噴孔の形態を比較として示した図である。従来にあっては、例えば8個の噴孔を形成する場合には、軸線X1〜X4がノズルボディ100の中心軸CTを通るように設定されていた。そのため複数の噴孔112は中心軸CTを中心にして放射状であり、ノズルボディ100の周方向へほぼ等間隔という形態が一般的であった。これらの噴孔112は、例えば放電加工やレーザ加工などをノズルボディ100に施すことによって形成されていた。このような噴孔112は、直径0.2mm未満の細い貫通路であり、噴孔112の入口部分の形状(横断面形状)は真円に近い円形形状となっていた。
図2(B)で示す噴孔112に対して、図2(A)で示す実施例1の噴孔12は、その中心軸方向がノズルボディの中心軸CTに対して偏心するように形成されている。より具体的に説明すると、(A)の各噴孔12の軸線Y1〜Y4は、(B)で示す一般的な位置にある噴孔112の軸線Xから所定距離tだけ平行にシフト(オフセット)している。
ここでノズルボディの内部側から噴孔の入口部形状を見ると、図2(B)の場合には真円に近い形状となる。これに対して図2(A)の場合は楕円形状となる。図3はノズルボディ10の内側から先端部を覗いたときの様子を模式的に示した図であり、入口部分12NPの形状が楕円形状になっている。このように(A)と(B)とで噴孔の入口部形状に差が出るのは、円筒パイプを軸線に対して垂直に切断した場合には切口が真円に近い円形形状となり、軸線に対して斜めに切断した場合には切口が楕円形状となるのと同じ理由からである。
図4は、燃料噴射装置1Aのニードル弁20のリフト量を変更したときに噴霧形状が変化する様子を模式的に示した図である。(A)が低リフト時、(B)が高リフト時の状態を示している。図4(A)で示すように、低リフト時においては燃料FEが噴孔12内に流入するときに入口部分12NPが楕円形状となっているので流れ込みに不均一が生じ偏流を発生させる。この偏流に基づいて、図5で示すように、噴孔12内で燃料FEの旋回流が形成される。その結果、噴孔12の出口部分12TPから放出される燃料は、微粒で噴霧角が広い拡散噴霧の状態となる。このように燃料噴射装置1Aは、低リフト位置で噴霧形状を拡散噴霧とするこができる。
一方、図4(B)で示す高リフト位置においては、ニードル弁20とノズルボディ10の内壁面11との間隔が広がるので、より多くの燃料FEが規制を受けることなく噴孔12の入口部分12NPに流れ込む。この場合には噴孔12内に入る燃料FEへ形状による影響が小さくなる。よって、燃料FEはほとんど偏流を生じることなく出口部分12TPへ向かって真直ぐに流れる。その結果、噴孔12の出口部分12TPから放出される燃料は噴霧角が小さい柱状噴霧の状態となる。
以上のように燃料噴射装置1Aは低リフト位置で拡散噴霧を行え、ニードル弁20のリフト量を変更するだけで噴霧形状を簡単に変更できる。次に燃料噴射装置1Aが備えているニードル移動機構について説明する。図6は、ニードル移動機構が確認し易いように示した燃料噴射装置1Aの断面図である。
燃料噴射装置1Aは、図示しない燃料パイプと接続される燃料供給口13を上端に有している。燃料噴射装置1Aは、前述したようにノズルボディ10と、この内部に配置されるニードル弁20を含んでいる。ノズルボディ10は円筒状の本体部10aと、この本体部10aの先端側に一体に接続されているノズル部10bとにより形成されている。ノズルボディ10は本体部10aからノズル部10bまで連続している空間14を内部に有している。不図示の燃料パイプから燃料供給口13へ流入した燃料FEはこの空間14内を通過して下まで流れ、下端に配置されている複数の噴孔12から噴射される。
上記空間14内にニードル弁20が配置している。ノズルボディ10の本体部10a側の空間内には第1磁気回路M1及び第2磁気回路M2が配置されている。第1磁気回路M1は、円筒状の第1磁性コアM1aと、この第1磁性コアM1a内に埋め込まれた第1コイルM1cとから構成される第1電磁石(M1a,M1c)を有している。また、第1磁気回路M1は、円環状の磁性体(アーマチャ)M1bを備えている。アーマチャM1bの開口内に相対移動可能にニードル弁20が位置している。アーマチャM1bは第1スプリングS1を介してニードル弁20に固定されているストッパ部材15に接続され、ニードル弁20と弾性的に結合している。
上記第1磁気回路M1の上側には、同様の構成を備えた第2磁気回路M2が形成されている。第2磁気回路M2は、円筒状の第2磁性コアM2aと、この第2磁性コアM2a内に埋め込まれた第2コイルM2cとから構成される第2電磁石(M2a,M2c)を有している。また、第2磁気回路M2は、円環状の磁性体(アーマチャ)M2bを備えている。アーマチャM2bの開口内にはニードル弁20が固定されており、アーマチャM2bは第2スプリングS2を介してインジェクタ本体部10a内の上部と弾性的に接続されている。
また、燃料噴射装置1Aは外部と電気的に接続するためのコネクタ16を備えている。このコネクタ16を介して、例えば燃料噴射装置1Aが装着されるディーゼルエンジン側のECU(electronic control unit:電子制御装置)17と接続される。燃料噴射装置1AはECU17により、ディーゼルエンジンの負荷状態に応じて駆動が制御される。ECU17によって上記第1磁気回路M1のみが駆動されたときに前述した低リフト状態が形成される。また、ECU17によって第1磁気回路M1及び第2磁気回路M1が駆動されたときに前述した高リフト状態が形成される。
以上のような構成を有する燃料噴射装置1Aは、噴孔の中心軸方向をノズルボディ10の中心軸CTから偏心するようにして噴孔12を形成するという簡単な構成でニードル弁20の低リフト時に燃料を広拡散噴霧できる。なお、ノズルボディ10は金属材により形成されている。このノズルボディ10の先端部に例えばレーザ加工、放電加工、ドリル加工やプレス加工等を施すことで噴孔12を形成できる。従来においては、レーザの照射方向等をノズルボディ10の中心軸に設定していたが、この照射位置等を所定距離tだけ平行にシフトさせて同様の開口加工を行えば実施例1のノズルボディ10を簡単に製造できる。よって、従来の設備をそのまま流用してノズルボディ10に噴孔12を形成できるので、燃料噴射装置1Aはコスト上昇を伴うことなく製造できる。
上記燃料噴射装置1Aは種々の態様で利用可能である。例えば、エンジン負荷が比較的低い第1の運転領域では予混合圧縮自着火燃焼で運転を実行し、またエンジン負荷が比較的高い第2の運転領域では通常燃焼(拡散燃焼)で運転を実行する、という態様での利用が可能である。この場合には、第1の運転領域ではニードル弁を低リフト位置に設定して燃料を高拡散・低貫徹力で噴射させる。一方、第2の運転領域ではニードル弁を高リフト位置に設定して燃料を低拡散・高貫徹力で噴射させるようにすればよい。
また、エンジン負荷が比較的低い運転領域において、燃焼初期に予混合圧縮自着火燃焼を実行し、燃焼後期には通常燃焼を実行するという態様での利用も可能である。この場合には、燃焼初期においてニードル弁を低リフト位置に設定して燃料を高拡散・低貫徹力で噴射させる。一方、燃焼後期ではニードル弁を高リフト位置に設定して燃料を低拡散・高貫徹力で噴射させるようにすればよい。このように燃料噴射装置1Aから噴射させる燃料の噴射形態を制御すると、燃費を向上させることができる共に、排気エミッションの向上を図ることができる。
次に、実施例2に係る燃料噴射装置1Bについて説明する。基本的な構造は前述した実施例1の燃料噴射装置1Aと同様であるので、異なる部分について説明する。図7(A)は実施例2に係る燃料噴射装置1Bのノズルボディ30の噴孔周辺部を拡大して示した平面図であり、(B)は比較のため示した実施例1に係る燃料噴射装置1Aのノズルボディ10の噴孔周辺部を拡大して示した平面図である。
実施例2のノズルボディ30に形成した噴孔32は、ノズルボディ10に形成した噴孔12を更にα度傾斜(回転)させている。より具体的には、噴孔32の軸線Z1〜Z4は、実施例1の噴孔12の軸線Y1〜Y4に対してα度傾斜してある。このように噴孔方向を傾斜させるとノズルボディ30の内面に現れる楕円形状を適宜に変更できる。楕円形状を変更することにより、入口部分で発生させる偏流を調整できる。なお、本実施例2は実施例1で示した噴孔12(図1(B))をα度傾斜させた場合について説明したが、比較例として示した従来のノズルボディ100の噴孔112(図2(B))を傾斜させた場合も、結果として本実施例の噴孔32を形成することができる。この点からも明らかなように燃料噴射装置1Bのノズルボディ30に形成する噴孔32は、噴孔形成する際のレーザ加工、放電加工等の方向を所定角回転させるという簡単な変更で形成できる。よって、本実施例の燃料噴射装置1Bは簡易、低コストにて製造できる。なお、この実施例2は中心軸CTに垂直な面内で噴孔12をα度傾斜させる(回転させる)場合を例示しているがこのような形態に限らない。中心軸CTに対して斜めとなる面内でα度傾斜させてもよい。この場合には内壁面11に現れる楕円形状は傾斜した状態となる。要するに、噴孔12の方向が中心軸CTから偏心しており、ノズルボディ10の内壁面11に現れる形状が楕円形状となればよい。
以下で示す実施例は、噴孔12の出口部形状に変更を加えてさらに高い拡散噴霧を行えるように改良した燃料噴射装置である。なお、実施例1の燃料噴射装置1Aと同一部位には同じ符号を付すことで、重複する説明を省略する。図8は噴孔12の出口部分12TPに加工を施して、拡径した実施例3の燃料噴射装置について示している。(A)は出口部分12TPに面取り加工を施してテーパ形状に形成した燃料噴射装置1Cを示し(B)は出口部分12TPに面取り加工を施して段付き形状に形成した燃料噴射装置1Dを示している。
図8で示す燃料噴射装置のように噴孔12の出口部分12TPを拡径すると、噴孔12内を旋回しながら進行してきた燃料がこの出口部分(終端部)で多量の空気を巻込む状態となる。このように噴孔12の終端部で空気を巻込むと、燃料の噴霧形態をさらに拡散させる状態を形成できる。よって、前述した実施例の燃料噴射装置よりさらに高拡散噴霧を行うことができる。また、空気の巻込みに伴って、燃料の微粒化が促進されることになるので燃焼改善も図ることができる。なお、図8では一例として、出口部分12TPをテーパ状、段付き状に形成した場合を示しているが、このような形状に限定するものではない。出口部分12TPが噴孔12本来の管径より拡径されればよい。
図9は、実施例4の燃料噴射装置1Eについて示している。この燃料噴射装置1Eは、出口部分12TPを含むようにノズルボディ10の外側に全周溝35を設けている。図9(A)は燃料噴射装置1Eの断面図、(B)はノズルボディ10の外観の一部を示した図である。全周溝35の径は噴孔12の径より大きく形成されている。そのため燃料噴射装置1Eの出口部分12TPは、全周溝35により拡径される。よって、燃料噴射装置1Eも上記実施例3の燃料噴射装置1C、1Dの場合と同様に、出口部分12TPで空気を巻込み燃料の噴霧形態をさらに広く拡散することができる。なお、図9では一例として全周溝の断面が円弧状である場合を示すが、このような形状に限定するものではない。全周溝の断面形状は、実施例3の場合のようにテーパ形状、段付き形状としてもよい。要するに、出口部分12TPが全周溝35により拡径される形態が実現されていればよい。
図10は、実施例5の燃料噴射装置1Fについて示している。この燃料噴射装置1Fは、噴孔12の出口部分を拡径するためのプレート40がノズルボディ10本体の外側に接合されている。このプレート40には、噴孔12が対面する位置に噴孔12の出口部分12TPに連続し、拡径する開口41が設けられている。よって、この燃料噴射装置1Fも実施例3の燃料噴射装置1C、1Dの場合と同様に、開口41で空気を巻込み燃料の噴霧形態をさらに広く拡散することができる。このようなプレート40はノズルボディ10の先端部を覆う形状となるので、略円錐形状となる。プレート40は、ノズルボディ10本体との接合部分45をレーザ溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、拡散摩擦溶接などの接合技術を用いて接続すればよい。なお、本実施例の構造は、噴孔12の出口部分を拡径する部分をプレート40側に分離して形成した構造となる。プレート40に形成する開口41の噴霧形状を変更は容易に行える。よって、開口41の形状の異なるプレート40を複数準備しておけば、噴霧形状が異なる燃料噴射装置を容易に製造できる。
なお、上述した実施例では、ニードル弁20のリフト量を変更することにより噴霧形状を変更できる燃料噴射装置を例示しているが、ニードル弁20の軸方向位置を低リフト位置に固定すれば常に拡散噴霧を行なう燃料噴射装置とするこができる。このような常時拡散噴霧型とした燃料噴射装置は例えば直噴型のガソリンエンジン等に採用できる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
実施例1に係る燃料噴射装置1Aの噴孔の周辺部を拡大して示した図であり、(A)は燃料噴射装置の縦断面図、(B)はノズルボディに形成した噴孔の配置関係を模式的に示した平面図である。 燃料噴射装置1Aのノズルボディに形成した噴孔の配置形態を説明するために示した図であり、(A)は実施例1の噴孔について示した図、(B)は一般的な噴孔の形態を比較として示した図である。 燃料噴射装置1Aのノズルボディの内側から先端部を覗いたときの様子を模式的に示した図である。 燃料噴射装置1Aのニードル弁のリフト量を変更したときに噴霧形状が変化する様子を模式的に示した図であり、(A)は低リフト時、(B)は高リフト時の状態を示した図である。 噴孔内で燃料が旋回流を形成する様子を模式的に示した図である。 ニードル移動機構が確認し易いように示した燃料噴射装置1Aの断面図である。 (A)は実施例2に係る燃料噴射装置1Bのノズルボディの噴孔周辺部を拡大して示した平面図であり、(B)は比較のため示した実施例1に係る燃料噴射装置1Aのノズルボディの噴孔周辺部を拡大して示した平面図である。 実施例3に係る燃料噴射装置1C、1Dの噴孔の周辺部を拡大して示した図である。 実施例4に係る燃料噴射装置1Eの噴孔の周辺部を拡大して示した図である。 実施例5に係る燃料噴射装置1Fの噴孔の周辺部を拡大して示した図である。
符号の説明
1(A〜F) 燃料噴射装置
10 ノズルボディ
11 内壁面
11ST シート面
12 噴孔
12NP 噴孔の入口部分
12TP 噴孔の出口部分
20 ニードル弁
21 シート部
CT ノズルボディの中心軸
FE 燃料
AX 軸方向

Claims (3)

  1. 先端部に略円錐形状のシート面及び該シート面に円周方向に沿って形成された複数の噴孔を備えたノズルボディと、前記ノズルボディ内に移動可能に配置され前記シート面に当接可能な先端部を有するニードル弁とを備えた燃料噴射装置において、
    前記噴孔の中心軸方向を、前記ノズルボディの前記中心軸に対して偏心させたことを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 前記噴孔の出口部分が拡径されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射装置。
  3. 前記ニードル弁を前記中心軸方向に移動してリフト量を変更するニードル移動機構を更に備え、前記ニードル弁が前記ニードル移動機構によりリフト量が小さい低リフト位置とリフト量が大きい高リフト位置とに移動可能とされている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料噴射装置。
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