JP2008095644A - 燃料噴射弁およびそれを搭載した内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
複数孔の噴霧流にそれぞれ擾乱を付加することで微粒化を促進し、かつそれぞれの噴霧を干渉させないようにすることにより、高分散で微粒化の良い２方向噴霧を形成し、内燃機関からの炭化水素等の排出を抑える。
【解決手段】
弁体３と、弁体３と離接するノズル体５と、複数の燃料噴射孔７，８，９，１０を有する噴孔プレート６とを備え、弁体３とノズル体５のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁１において、曲面の接触点（位置）における接線と噴孔プレート６との交点よりも外周側に燃料噴射孔を少なくとも２個以上有するようにして、燃料噴射孔７ｃ上流で擾乱を発生させ噴霧内部に入り込んだ渦３２の崩壊によって燃料の微粒化を促進し、かつ噴孔間距離Ｌを噴孔径Ｄに対して所定値以上離間することにより噴霧の干渉を抑制し、微粒化の良い燃料噴射弁とした。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関に搭載され、内燃機関に燃料を供給するための燃料噴射弁に関するものである。

近年、自動車の排ガス規制が強化されてきており、自動車用内燃機関に搭載される燃料噴射弁には噴霧を微粒化すると共に、狙い通りの位置（吸気弁の２方向）へ噴射することで吸気管等への壁面付着を抑制し、内燃機関からの有害排出ガスＨＣ（炭化水素）を低減することが要求されている。

従来の燃料噴射弁には、比較的簡単な構成で流体の微粒化を促進する方法が開示されている。この微粒化方式は噴孔で液膜を形成し、その広がりながらの分裂により微粒化を促進するというものである（特許文献１参照）。

また別の文献には、燃料噴射孔を有する噴孔プレートをお椀型とすることにより変形を抑制して、噴霧状態の不良を防ぎ、的確に噴霧を指向させることができる燃料噴射弁について開示されている（特許文献２参照）。

特開２００４−３５１８号公報 特開平９−３１７６０７号公報

上記従来技術においては、単一または一組の燃料噴射孔からの燃料を微粒化して噴射することは可能である。しかしながら、２方向噴霧を形成する際に、複数の噴霧同士が干渉することにより、微粒化が損なわれることに対しての課題の記述は十分ではない。また、後者については、噴霧を安定化して得る方法については開示されているが、ノズル内の燃料流れに基づく、微粒化の促進方法については明らかにされていない。

一方、筆者等の内燃機関を用いた燃焼実験によると、燃料の噴射方向は内燃機関の２つの吸気弁中心より内側寄りに指向され、しかも吸気弁上で燃料液膜が薄くかつ広く分散されていると燃焼の改善効果があるという結果が得られている。

本発明の第１の目的は、微粒化した噴霧を干渉させないことにより粗大粒の発生を防ぐことと、高分散な２方向噴霧を形成することにある。

上記目的を達成ために本発明では、以下のような手段を用いることにした。
弁座と、前記弁座と離接する弁体と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、前記曲面の接触点（位置）における接線と、前記噴孔部材との交点よりも外周側に前記燃料噴射孔を少なくとも２個以上有する。
また、弁座と、前記弁座と離接する弁体と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、前記弁体が前記弁座から離接される時に、流入する燃料流れが指向する方向と、前記噴孔部材との交点よりも外周側に前記燃料噴射孔を少なくとも２個以上有する。
また、下流側に向かって縮径する円錐状に形成された弁座面と、前記弁座面と離接する弁体と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備える燃料噴射弁において、前記弁体と前記弁座の接触点（位置）における、前記弁体の対応面（シート面）の座面方向、すなわち円錐形状をした弁座面を下流側に延長した仮想面と、前記噴孔部材との交点よりも外周側に前記燃料噴射孔を少なくとも２個以上有する。
このような構成とすることで、弁体とノズル体が接触している状態から、弁体が離座したことによって生じる隙間から、燃料がノズル体の傾斜部を流れる。そして、シート下流の燃料室を形成する隔壁にて燃料に剥離が生じる。この剥離による擾乱（渦）が噴霧の内部に侵入し、その崩壊によって液膜から液滴への分裂が促進される。
上記構成において、燃料噴射孔の最短の間隔Ｌと孔径Ｄの比Ｌ／Ｄが４以上となるようにするとよい。筆者等の噴霧観察によれば、それぞれの噴孔から噴射される噴霧が分裂するまでに孔径の約４倍程度噴霧が広がることが判明している。このような構成にすることで、燃料噴射孔を出た噴霧が分裂にいたる前に干渉することを抑制でき、微粒化の促進された２方向噴霧を形成できる。

さらに本発明では、弁体と、前記弁体と離接する弁座と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、前記複数の燃料噴射孔から噴射される噴霧が２つの方向を指向する噴霧を形成し、２つの方向を含む面の垂直な方向から見た、それぞれの噴霧の広がり角θ２と、２つの方向を含む面を水平方向より見た噴霧の広がり角θ３との合計(分散角)が３０°以上となる。
また、弁体と、前記弁体と離接する弁座と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、前記複数の燃料噴射孔から噴射される噴霧が２つの方向を指向する噴霧を形成し、２つの方向を含む面の垂直な方向から見た、それぞれの噴霧の広がり角θ２と、２つの方向を含む面を水平方向より見た噴霧の広がり角θ３との関係がθ２＜θ３となる。
また、弁体と、前記弁体と離接する弁座と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、前記複数の燃料噴射孔から噴射される噴霧が２つの方向を指向する噴霧を形成し、それぞれの噴霧の下流での特定位置での断面を通過する流量積分値を、同じく特定位置での噴霧の最大広がり幅（正面よりみた最外位置）で除した平均ピーク高さｈａと流量分布のピーク高さＨとの比Ｈ／ｈａが２以下となる。
このような構成とすることで、微粒化した噴霧の干渉が避けられるために粗大粒の発生が抑制され、微粒化された高分散な２方向噴霧を得ることが出来る。

さらに本発明では、複数の吸気ポートをそれぞれ開閉する複数の吸気弁と、前記吸気弁の上流側に位置され内燃機関制御装置からの制御信号に基づいて駆動される、請求項５項記載の燃料噴射弁とを備えた内燃機関の燃料噴射弁であって、前記複数の燃料噴射弁から前記吸気ポートの中心に向かう２方向の噴霧のそれぞれが、前記吸気弁の傘部内に収まる縦長の楕円形を形成する。
このような構成とすることで、空気流速の早い吸気弁内側に縦長に広く薄膜状に噴霧が分散することになる。よって、内燃機関内に供給される際に、この早い流れによって微粒化が促進され易くなり、壁面付着が抑制されて燃焼後に排出されるＨＣが低減される。

本発明によると、弁体と弁座のシート位置からの接線の延長線と噴孔部材の交点よりも外周側に燃料噴射孔を配設したので、燃料噴射孔の上流に出来る擾乱により形成される渦が、噴流内部に入り崩壊することで、液膜の分裂を促し粒子径の小さな噴霧を実現することが出来る。また分裂距離までに少なくとも隣り合う噴霧が干渉しないために、高分散な噴霧を実現できる。よって、微粒化の良い高分散な２方向噴霧を実現することが出来る。
このような微粒化の良い高分散な噴霧は、吸気弁上での燃料液膜の薄膜化を促進し、燃焼室内に燃焼性の良い混合気を形成する。特に、縦長噴霧を形成すると、吸気弁内寄りの空気流速の早い吸気流れによって燃焼室の中央（点火プラグ周り）に燃料噴霧が引き寄せられ燃焼室内壁面への付着が抑制される。もって、効果的な燃料を得て内燃機関からの有害排出ガスを低減することができる。

以下、実施例を説明する。

図１〜図１１及び図２４，図２５を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１において、燃料噴射弁１は、例えば自動車のエンジンとして利用される内燃機関に燃料を供給するものである。燃料噴射弁１は、通常閉じているマルチホールインジェクタである。ケーシング２は、プレス加工や切削加工等により細長く薄肉部がある段差付の一体構造よりなる円筒状に形成される。素材はフェライト系ステンレス材料にチタンのような柔軟性のある材料を加えたもので、磁性特性を有している。ケーシング２の一端面には燃料供給口２ａが、他端面には複数の燃料噴射孔７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，８，
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，１０を有する噴孔プレート６が固着されるノズル体５が設けられている。ケーシング２の外側には、電磁コイル１４と電磁コイル１４を包囲する磁性材のヨーク１６が設けられている。一方内側には、ケーシング２内に挿入された後に電磁コイル１４の内側に位置されるコア１５と、コア１５の先端側に対面して空隙をもち軸方向に動くことが可能なように取り付けられ、磁性材料からなる金属粉末をＭＩＭ
(Metal Injection Molding) 等の工法により射出成形し製造されるアンカー４と、アンカー４に挟持されて軸方向に延材する中空の弁体３と、弁体３の先端に固設され弁体３の先端が離接する台座としてのノズル体５と、ノズル体５の先端側面に配設された噴孔プレート６が設けられている。この噴孔プレート６には、燃料噴射孔７ａ乃至７ｅ，８，９ａ乃至９ｅ，１０が厚み方向に貫通して形成されている。噴孔プレート６はノズル体５と接する面を溶接により接合されており、ノズル体５はケーシング２と溶接により接合されている。

コア１５の内部には、弾性部材としてのスプリング１２が配設されている。スプリング１２は、弁体３の先端をノズル体５に形成された下流方向に縮径する円錐状の弁座面に押し付ける力を与える。この、スプリング１２に連続して押し付け力を調整するスプリングアジャスタ１３が配設されている。また、燃料供給口２ａには、フィルタ２０が配設されており、燃料に含まれる異物を除去する。さらに燃料供給口２ａの外周には、供給される燃料をシールするためのＯリング２１が取り付けられている。

樹脂カバー２２は、例えば樹脂モールド等の手段によりケーシング２とヨーク１６を覆うように設けられたものであり、電磁コイル１４に電力を供給するためのコネクタ２３を内設している。

プロテクタ２４は、燃料噴射弁１の先端部に設けられた、例えば樹脂材料等よりなる筒状部材をなしていて、ケーシング２より径方向外向きに突出している。また、Ｏリング
２５はケーシング２の先端側外周に装着されている。Ｏリング２５はヨーク１６とプロテクタ２４との間に抜き止め状態で配置され、例えばケーシング２の先端側を内燃機関の吸気管に設けられた取り付け部（図示しない）等に取り付けた場合に、これらの間をシールするものである。

このように構成される燃料噴射弁１は、電磁コイル１４が非通電状態であるときはスプリング１２の押し付け力に起因して、弁体３の先端がノズル体５に密着する。このような状態では、弁体３とノズル体５の間に隙間、つまり燃料通路が形成されないから、燃料供給口２ａから流入した燃料はケーシング２内部に留まる。

電磁コイル１４に噴射パルスとしての電流を印加すると、磁性材よりなるヨーク１６と、コア１５と、アンカー４とで磁気回路が形成される。弁体３は、電磁コイル１４の電磁力によって、コア１５の下端面に接触するまで移動する。弁体３がコア１５側に移動すると、弁体３とノズル体５の間に燃料通路が形成される。ケーシング２内の燃料は、弁体３の周辺より流入した後、燃料噴射孔７ａ乃至７ｅ，８，９ａ乃至９ｅ，１０から噴射される。燃料噴射量の制御は、電磁コイル１４に間欠的に印加する噴射パルスに応じて、弁体３を軸方向に移動することにより、開弁状態と閉弁状態の切り替えのタイミングを調整することで行っている。

次に、本発明に係わる主要部品について、図２乃至図４を用いて、簡潔に説明する。

図２に示されるように、弁体３はボール弁を使用している。ボールには、例えば、JIS規格品の玉軸受用鋼球を用いている。このボールは、真円度が高く鏡面仕上げが施されており、シート性を高めるのに好適であること、また、大量生産により低コストであること、等がその採用のポイントである。また、弁体として構成する場合は、ボールの直径は３〜４mm程度のものを使用する。これは、可動弁として機能するので軽量化を図るためである。

また、ノズル体５において、弁体３と密着するシート位置３０を含む傾斜面の角度は
９０゜程度（８０゜〜１００゜）である。弁軸心を基準にすると、弁軸心に対して４５゜程度（４０゜〜５０゜）傾いている。この傾斜角は、シート位置３０付近を研磨し、且つ真円度を高くするために最適な角度（研削機械をベストコンディションで使用できる）であり、上述した弁体３とのシート性を極めて高く維持できるものである。なお、シート位置３０を含む傾斜面を有するノズル体５は、焼入れによって硬度が高められており、また、脱磁処理により無用な磁気が除去されている。このような弁体構成により、燃料漏れのない噴射量制御が可能となる。また、コストパフォーマンスに優れた弁体構造を提供できる。

本明細書では、シート位置３０を含む下流方向に縮径する円錐状の面（弁軸心に対して傾いた傾斜面）を弁座面と呼ぶ。

また、噴孔プレート６は、本実施形態の弁体３が球形であるためにその形状と合致させるために、下凸の形としている。下凸形状にするために、凸面を形成するための製造工程においてパンチによる押し出しを行っている。本実施形態においては、弁体３との形状をそろえるためにパンチ径は６〜９mmとしている。

図３に示されるように、噴孔プレート６は貫通してあけられた複数(例えば孔は１２個)の燃料噴射孔７ａ乃至７ｅ，８，９ａ乃至９ｅ，１０を有する。外側の燃料噴射孔７ａ乃至７ｅ、と内側の燃料噴射孔８で一つの噴霧群を形成し、外側の燃料噴射孔９ａ乃至９ｅ、と内側の燃料噴射孔１０でもう一つの噴霧群を形成する。それぞれの燃料噴射孔の孔径については、孔径が小さい場合には燃料噴射弁１の流量を維持するために孔数を増やす必要があり、加工の難易性により孔あけコストが高くなる。一方、孔径が大きい場合には、大きな穴から燃料が噴射されることになるので微粒化が促進されにくくなる。したがって、燃料噴射孔の孔径は所定の値に設計する必要があり、本実施形態においては１００〜
２００μｍ程度としている。図中の符号Ｌは燃料噴射孔９ｃと燃料噴射孔９ｄの中心間距離を示している。

図４に示されるように、燃料噴射弁１からは２方向噴霧１８ａ，１８ｂが形成される。２方向噴霧の噴霧角は、次のように定義（１つの例）している。２つの方向を含む面の垂直な方向から見た、それぞれの噴霧１８ａ，１８ｂの中心線がなす角度をθ１、それぞれの噴霧１８ａ，１８ｂの広がり角をθ２、その直角方向よりみた噴霧１９の広がり角θ３としている。

以下に、本発明に係わる第一の実施形態について、最初に微粒化促進の方法について説明する。

図５に示すように、弁体３とノズル体５のシート位置３０からの接線の延長線（図中の仮想線）と噴孔プレート６の交点Ｐよりも、燃料噴射弁１の中心軸を内側とした場合に、燃料噴射孔７ｃが外周側にあることを特徴としている。

燃料は、シート位置３０で接触している弁体３がノズル体５から離れることにより形成される、ノズル体５と弁体３の隙間からシート位置３０を含む傾斜部を流れる。さらに、シート下流の燃料室を形成する隔壁１１を通過した後、燃料流れには剥離が生じ、擾乱
（渦）を形成する。すなわち、シート位置３０からの接線の延長線とシート下流の燃料室を形成する隔壁１１と噴孔プレート６で囲まれる領域に渦３１が発生する。燃料噴射孔
７ｃがこの渦３１の直下にあるので、噴射される噴霧の内部に渦が入り込む。入り込んだ渦３２は噴霧中で崩壊して、液滴への分裂を促す。なお、本実施形態では燃料噴射孔７ｃについてのみの記述であるが、図３に示される交点Ｐの仮想線１７よりも外周に配設される燃料噴射孔７ａ，７ｂ，７ｄ，７ｅ，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅでも同様の効果が得られる。なお、図３において、中央部分に配置されている燃料噴射孔８，１０は、擾乱による微粒化効果は弱くなるが、燃料噴射孔上部隙間の流速の速い燃料が流れ込むことによる微粒化も加わって、結果として２方向噴霧としての微粒化に大きな影響を与えるものではない。

筆者等の噴霧観察により、渦の崩壊により噴霧が液滴になる分裂距離（Ｌｂ）において、本実施形態による燃料噴射弁１の噴霧は、噴孔に対して約４倍程度の広がりを持つことが判明した。よって、本実施形態において同じ噴霧群に含まれる、隣り合う燃料噴射孔の最短の中心間距離をＬ(例えば図３中では燃料噴射孔９ｃと燃料噴射孔９ｄの中心間距離)、燃料噴射孔の直径をＤとした場合の比Ｌ／Ｄを４以上としている。

従来の燃料噴射弁では、図２４に噴霧の模式図を示すように、燃料噴射孔を出た噴霧が分裂距離Ｌｂ′にいたる前に干渉を起こしてしまうことがあった。しかしながら、本実施形態のように配置することで、図５に示したように、それぞれの噴霧が分裂距離Ｌｂまでに干渉することなく分裂が促進できるので、微粒化の良い２方向噴霧を形成できる。

ここに、燃料噴射孔の上流流れに影響する、噴孔プレート６と弁体３の間に形成される隙間について記述する。上記隙間が狭い場合には、ノズル体５のシート下流の燃料室を形成する隔壁１１で発生した剥離流による擾乱（渦）の影響を十分に得られず微粒化が促進されないことや、絞りになり流れに圧損などが生じることも考えられる。その一方で、上記隙間が広い場合には、ノズル体５のシート下流の燃料室を形成する隔壁（弁座面と噴孔プレート６との間に形成された壁面）１１で発生した剥離流による擾乱（渦）が減衰してしまい、微粒化の効果が減ることになる。よって、本実施形態において上記隙間は所定の値が望ましく、弁体３がノズル体５と離れている場合に１５０〜３００μｍ程度としている。

ここに、シート下流の燃料室を形成する隔壁１１の形成方法に影響を及ぼすシート高さ
Ｈｓ，シート径Ｄｓ，ノズル体口径Ｄｉについて、図６を用いて説明する。

図６において、シート径は本実施形態で使用するボール弁３のボール径により所望の値がある。ノズル体５のシート位置３０を含む傾斜面の角度は９０゜程度 (８０゜〜100゜)（弁軸心を基準にすると、弁軸心に対して４５゜程度（４０゜〜５０゜）傾いている）であるので、ボール弁３でシールを行うためには、シート径Ｄｓは２〜３mmとなる。また、シート高さＨｓはノズル体５の端面を切削する等により調節される。燃料噴射弁１の開閉動作の際にノズル体５は、ボール弁３により衝撃を受けることになるので、その衝撃力に耐えることが必要となる。また、シート高さＨｓはシート下流の燃料室を形成する隔壁
１１の高さにも影響を与える。燃料噴射孔７ｃ上で発生した渦３１が燃料噴射孔７ｃ内に入り込むためには、シート下流の燃料室を形成する隔壁１１の高さは低すぎても渦を活用できず、高すぎても渦の力を減衰させてしまう。

筆者等の様々な実験解析や数値計算によると、シート高さＨｓは３５０〜５５０μｍ、シート下流の燃料室を形成する隔壁１１の高さは２５０〜４５０μｍ程度の高さであることが望ましいと判明した。また、ノズル体口径Ｄｉは、強度を考えると１.５〜２.５mm程度が望ましい。

なお、本実施形態においては燃料噴射孔の直径が同じである場合のみを記載しているが、燃料噴射弁の流量の調整等により各燃料噴射孔の直径に違いがある場合もある。その場合は、最も大きい燃料噴射孔の直径Ｄｍａｘと最も短い燃料噴射孔の中心間距離Ｌの比Ｌ／Ｄｍａｘが４以上とすればよい。

なお、本実施形態において、燃料噴射孔中心間距離を議論する場合、形成される一つの噴霧群の中で噴霧が干渉しなければ良いことになるので、噴射方向が異なる燃料噴射孔間の中心距離（例えば、燃料噴射孔７ａと燃料噴射孔９ａ）は燃料噴射孔の中心間距離Ｌと燃料噴射孔の直径Ｄの比Ｌ／Ｄが４以上で無くとも良い。

また、噴孔プレート６の厚さは、次の２つの点に留意している。１つは、燃料噴射孔の上流側で形成された擾乱によって生成される渦３１の力をどれだけ噴霧内部に送り込めるかという点である。もう１つは狙いの向きへ噴射する点である。板厚が厚い場合には燃料をガイドする役割を持ち狙い通りの位置へ噴射できるが、燃料噴射孔７ｃ内に入り込んだ渦が噴射されるまでに減衰してしまい、噴射後の分裂力が小さくなってしまう。また逆に、薄すぎる場合には、燃料が燃料噴射孔７ｃの傾斜している向きよりも内側に噴射されるため狙い通りの位置へ噴射することが難しくなる。よって、燃料プレートの厚さには、ある一定の範囲にあることが望ましい。本実施形態においては、７０〜１２０μｍとしている。

次に、本発明に係わる第一の実施形態について、噴霧形成方法とその性能について、図７乃至図１１及び図２５を用いて説明する。

まず、図１０に示す噴霧角の測定装置について説明する。燃料噴射弁１は噴霧角測定装置５０の上部に固定される。その燃料噴霧は、下方１００mmの位置に設けた２つの燃料捕捉部５１にて捕集する。この燃料捕捉部５１は燃料を受止める格子状の穴（５mm程度）を有している。また、燃料捕捉部５１は、燃料補足部移動レール５２上を図示しない自動送り装置機構により移動する。捕集した燃料の計測は、図示しない液面センサにより計測し、燃料流量をデータ処理して図８に示すような分布率を求める。この際の試験条件は、測定燃料はｎ−Heptane 、燃料噴射圧力は３００ｋＰａである。

この装置によって得られる分布率から噴霧角（もう１つの例）を求めている。θ１は、二方向噴霧の各々の噴霧がなす角の中心線同士がなす角度と定義している。θ２は、二方向噴霧の一方の噴霧についての累積流量を算出し、その流量が５％から９５％までとなる角度と定義している。θ３は、二方向噴霧を直角方向から見た時の噴霧に対してθ２と同様の方法で定義している。本発明では、θ２とθ３の合計を分散角と定義している。

また、後述する分散指数は、それぞれの噴霧の下流での特定位置（ここでは燃料噴射孔より１００mm下）を通過する流量積分値を、同じく特定位置での噴霧の最大広がり幅（正面よりみた最外位置）で除した平均ピーク高さｈａと流量分布のピーク高さＨとの比Ｈ／ｈａとしている。

図７に、分散角と、粒径の関係を示す。分散角が３０°以上になると粒径がほぼ一定になる。分散角を３０°以上にすると、噴霧の干渉が抑制され微粒化が促進する。粒径は、５０〜６０μｍとほぼ一定になる。よって、微粒化の良い高分散な２方向噴霧を得ることができる。

この高分散な２方向噴霧は、筆者等が考案した分散指数（Ｈ／ｈａ）により定義される。図８を用いて、得られた知見を説明する。図８の上側の分布図は２方向噴霧を形成した流量分布を示し、下側の分布図は二方向噴霧を形成する面に対して直角方向からみた燃料流量分布を示している。図で示される燃料分布の、分散指数（Ｈ／ｈａ）は２以下となることが判明した。

図９に分散角と分散指数（Ｈ／ｈａ）の関係を示す。上記方法で計測した噴霧角における分散角（θ２＋θ３）が３０°以上となる燃料噴射弁においては、分散指数(Ｈ／ｈａ)はすべて２以下となることが判明した。なお、図２５で示される従来の燃料噴射弁では、分散指数（Ｈ／ｈａ）を計算すると３.３ になる。このように、分散指数が小さいということは、噴霧が高分散化していることになる。

以上のことからも、本実施形態の燃料噴射弁では、噴霧同士の干渉が抑制され、高分散な２方向噴霧となっていることがわかる。

なお、筆者等の定義する噴霧角θ３は、燃料噴射孔７ａ，７ｅ，９ａ，９ｅを動かすことで噴霧角を変更することが可能となる。例えば、図１１の矢印に示すように、燃料噴射孔７ａ，７ｅ，９ａ，９ｅをより外側に配置することで噴霧角を広げることが可能となる。そうすると、燃料噴射孔はシート下流の燃料室を形成する隔壁１１（仮想線を１１ａに示す）に近接するので、燃料噴射孔７ａ，７ｅ，９ａ，９ｅ上部に発生する擾乱を利用して微粒化を促進できる。つまり微粒化性能を維持したまま、噴霧の干渉を抑制できるので、粗大粒の発生を抑制し高分散な２方向噴霧を得ることが可能となる。上記説明は、燃料噴射孔７ａ，７ｅ，９ａ，９ｅをより外側に配置する場合であるが、内側に配置することによっても、擾乱を利用した微粒化が可能な範囲であれば同様の作用効果を得ることができる。なお、噴霧角θ３については、燃料噴射孔を傾斜させることによっても調整可能であるが、燃料噴射孔の傾斜が急になると加工が難しくなるということもあり、燃料噴射孔の形成については加工性との両面から適宜選択している。

なお、本実施形態において燃料噴射孔の数は１２個としたが、孔数の増減は燃料噴射弁の流量に依存するもので、本発明の作用効果は１２孔に限られるものではない。

本発明を適用した燃料噴射弁の第２の実施形態について、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、燃料噴射孔の配置を示したものであり、図１３は燃料噴射孔近傍を拡大したものでＢ−Ｂ断面図に相当する。図３，図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第一の実施形態と異なる点は、すべての燃料噴射孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅがノズル体５と弁体３のシート位置
３０からの接線の延長線と噴孔プレート２６の交点Ｐａよりも外周にあることである。

このことにより、すべての燃料噴射孔の噴孔上流で擾乱（渦）６０を形成できる。よって、噴霧内部に侵入した渦が崩壊することにより、微粒化が促進される。小流量で微粒化を促進した燃料噴射弁を実現する場合に好適である。

本発明を適用した燃料噴射弁の第３の実施形態について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態における燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍の拡大断面図である。図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第一の実施形態と異なる点は、噴孔プレートの凸部開始点６１ａがノズル体５のシート下流の燃料室を形成する隔壁１１よりも外周側にあることである。噴孔プレート６１はパンチによる押し込み量を大きくすることによって、シート下流の燃料室を形成する隔壁
１１よりも外周側に噴孔プレートの凸部開始点６１ａを配設している。特に、本実施形態においては、シート下流の燃料室を形成する隔壁１１位置よりも外周にも擾乱(渦)６４ｂが形成されるため、シート位置３０からの接線と噴孔プレート６１の交点Ｐｂよりも外周にある燃料噴射孔６２を更に外周側に配設することが可能となる。そうすると干渉の問題がより解決される。よって、燃料噴射孔同士の間隔を広げることができ、孔数を増加することも可能となり、大流量で微粒化を促進した燃料噴射弁を実現する場合に好適である。

以下、ノズル体および弁体に関する他の第４乃至第９の実施形態について説明する。

本発明を適用した燃料噴射弁の第４の実施形態について、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態における燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍の拡大断面図である。図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第１の実施形態と異なる点は、ノズル体６５のシート下流の燃料室を形成する隔壁６６が燃料噴射孔７ｃに向かって拡径している点である。ノズル体６５には、切削加工等により形成される燃料噴射弁１の燃料噴射孔７ｃに向かって拡径したシート下流の燃料室を形成する隔壁６６が存在する。特に、本実施形態においては、シート下流の燃料室を形成する隔壁６６が拡径しているため、擾乱（渦）の形成領域が広がる。あるいはまた、燃料噴射孔７ｃより外周側にも擾乱（渦）６８が形成される。外周側に形成される擾乱（渦）
６８を効果的に利用するには、シート位置６７からの接線と噴孔プレート６の交点Ｐｃよりも外周にある燃料噴射孔７ｃを更に外側に配設すると良い。そうすると干渉の問題がより解決される。よって、燃料噴射孔同士の間隔を広げることができ、孔数を増加することも可能となり、大流量で微粒化を促進した燃料噴射弁を実現する場合に好適である。

本発明を適用した燃料噴射弁の第５の実施形態について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態における燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍の拡大断面図である。図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第１の実施形態と異なる点は、ノズル体６９のシート下流の燃料室を形成する隔壁７０が燃料噴射孔７ｃに対して縮径している点である。ノズル体６９には、切削加工等により形成される燃料噴射弁１の燃料噴射孔７ｃに対して縮径しているシート下流の燃料室を形成する隔壁７０が存在する。このような構成をとることによっても、図１６に示されたノズル体６９と弁体３のシート点７１からの接線の延長線と噴孔プレート６の交点Ｐｄよりも燃料噴射孔７ｃが外周側に配設されるため、燃料噴射孔７ｃの噴孔上流で擾乱（渦）
７２を形成し、微粒化が促進される。

本発明を適用した燃料噴射弁の第６の実施形態について、図１７を用いて説明する。図１７は、本実施形態における燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍の拡大断面図である。図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第１の実施形態と異なる点は、ノズル体７３と弁体３が接するシート位置７５を含むノズル体７３の傾斜面とシート下流の燃料室を形成する隔壁７４の間に、ノズル体７３の底面に対して略平行なステップ状の座面７３ａを有することである。

本実施形態のような構成をとることで、燃料は、ノズル体７３と弁体３が離接した隙間を通りシート位置７５を含むノズル体７３の傾斜面を流れ、ステップ状の座面７３ａに衝突する。その後、衝突した流れにはシート下流の燃料室を形成する隔壁７４において剥離流が発生するとともに、図中の矢印７７で示されるように、シート位置７５の接線の延長線と噴孔プレート６の交点Ｐｅよりも外周にある燃料噴射孔７ｃ内に流れこむ。

このような構成は、座面７３ａに衝突した燃料が燃料噴射孔上流で強力な擾乱（渦）
７６を生成することになる。したがって、微粒化を促進した燃料噴射弁を実現する場合に好適である。

本発明を適用した燃料噴射弁の第７の実施形態について、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施形態における燃料噴射弁の先端の拡大断面図である。図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同一もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第１の実施形態と異なる点は、噴孔プレート７８がフラットであることである。

本実施形態において、噴孔プレート７８がフラットな形状をしているため、製作工程が低減され、コストを安くできる。このような構成とすることによっても、実施形態１と同様にノズル体５と弁体３のシート位置３０からの接線の延長線と噴孔プレート７８の交点Ｐｆよりも燃料噴射孔７９が外周側に配設されている。このことにより、シート点３０を含む斜面を流れた燃料にはシート下流の燃料室を形成する隔壁１１で剥離が生じ、燃料噴射孔７９の噴孔上流で擾乱（渦）８１が形成される。よって、噴霧内部に侵入した渦が崩壊することにより、微粒化が促進される。

本発明を適用した燃料噴射弁の第８の実施形態について、図１９（ａ）及び図１９(ｂ)を用いて説明する。図１９（ａ）は、本実施形態における燃料噴射弁の先端の拡大断面図であり、図１９（ｂ）は更に燃料噴射孔近傍を拡大した図である。図１８と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態７と同様もしくは同等の機能を有するものであり説明を省略する。

第７の実施形態と異なる点は、弁体８２の先端が略フラットであることである。

本実施形態において、弁体８２は先端形状が略フラットな構造であり、切削加工等によって成型している。

このような構成にすることによっても、実施形態１と同様に燃料噴射孔７９が、図１９（ｂ）に示したように、ノズル体５と弁体８２のシート位置８３からの接線の延長線と噴孔プレート７８の交点Ｐｇよりも外周側に配設されている。

このことにより、シート位置８３を含む斜面を流れた燃料にはシート下流の燃料室を形成する隔壁１１で剥離が生じ、燃料噴射孔７９の噴孔上流で擾乱（渦）８４が形成される。よって、噴霧内部に侵入した渦が崩壊することにより、微粒化が促進される。なお本実施形態でも、第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

本発明を適用した燃料噴射弁の第９の実施形態について、図２０（ａ）及び図２０(ｂ)を用いて説明する。図２０（ａ）は、本実施形態における燃料噴射弁の先端の拡大断面図であり、図２０（ｂ）は更に燃料噴射孔近傍を拡大した図である。図２及び図５と同一の番号が割り当てられているものは、実施形態１と同様の働きをするものであり、説明を省略する。第１から第８の実施形態では弁体が曲面を有し、ノズル体が傾斜部を持つことにより、互いに密着し燃料のシートしている。

本実施形態が異なる点は、弁体８５がニードル弁のように傾斜部を持ち、ノズル体８６が曲面を有していることである。

このような構成をとることによっても、図２０（ｂ）に示されるように、実施形態１と同様に燃料は弁体８５とノズル体８６のシート位置８７からの接線の延長線と噴孔プレート６との交点Ｐｈよりも燃料噴射孔７ｃが外周にあるため、燃料噴射孔７ｃの上流で擾乱（渦）８８が形成される。よって、噴霧内部に侵入した渦が崩壊することにより、微粒化が促進される。なお本実施形態でも、第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。

図２１乃至図２３を用いて、本実施形態の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した例を説明する。

図２１は、本発明の実施形態に係わる燃料噴射弁を内燃機関に搭載した場合の断面図である。内燃機関１０１は、燃料噴射弁１を取り付ける吸気ポート１０６と、外部から空気を取り込む経路となる吸気管１０５と、燃料噴射弁１が噴霧９０を噴射する吸気弁１０７と、燃料を燃焼させる燃焼室１０２と、燃焼室の混合気を圧縮するシリンダ１０３と、圧縮された混合気に点火する点火プラグ１０４と、燃焼された排気ガスが図示しない触媒に排出されるための開閉弁となる排気弁１０８とから構成される。

図２２は図２１をＣ方向から見た図である。図２２に示すように燃料噴射弁１の噴霧
９０は、内燃機関１０１の吸気弁１０７に噴射される。噴霧９０は、吸気弁１０７上に指向されるが、吸気弁１０７では縦長に付着する。

微粒化の良い高分散な噴霧によって、吸気弁１０７上に薄膜を形成すると良好な燃焼結果が得られる。より好ましくは、吸気弁１０７上に縦長に噴射しておくことである。その理由は、吸気弁１０７が開いた際に、流速の比較的速い内側の空気流に引き寄せられ、確実に点火プラグ１０４へ燃料が向かうと同時に、ポート壁面への燃料が付着して燃焼時にリッチ混合気を形成してしまうことを抑制できるためである。そのようにすると、内燃機関からの有害排出ガスＨＣの低減を図ることが出来ると同時に安定した内燃機関の駆動を得ることが出来るようになる。

図２３には、エンジンベンチ試験，車両搭載試験を行い、ＨＣの配出量を計測した結果を示す。従来の燃料噴射弁はθ２とθ３が共に小さい場合であるが、これに比べて、本発明の一実施形態であるθ２とθ３が共に大きい場合には、すなわち高分散噴霧にすると、ＨＣの低減効果が得られることが分かった。また、本発明の別の実施形態であるθ２と
θ３が共に大きく、かつθ２よりθ３が大きい場合、つまり縦長噴霧にすると、更にＨＣが低減する。縦長噴霧が良い理由は、前述したが、吸気弁１０７が開いた際に、流速の比較的速い内側の空気流に引き寄せられ、確実に点火プラグ１０４へ燃料が向かうと同時に、ポート壁面に燃料が付着して燃焼時にリッチ混合気を形成してしまうことを抑制できるためである。

以上のように、高分散な２方向噴霧を形成すると共に噴霧を縦長に形成することによって、内燃機関からのＨＣ等の排出を低減することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係わる、燃料噴射弁の全体構成の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図であり、図３に示すＡ−Ａ断面に相当する。 本発明の第１の実施形態に係わる、燃料噴射孔の配置図である。 本発明の第１の実施形態に係わる、燃料噴射弁噴霧角の定義を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係わる、燃料噴射孔近傍での燃料流れ及び噴霧形状を模式的に示したものである。 本発明の第１の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端での各部寸法の関係を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係わる、噴霧の分散角と粒径の関係を実測した結果である。 本発明の第１の実施形態に係わる、燃料流量の分布を実測した結果である。 本発明の第１の実施形態に係わる、噴霧の分散角と分散指数の関係を実測した結果である。 本発明の第１の実施形態に係わる、噴霧角の測定装置を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係わる、噴霧角を調整するための手段を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係わる、燃料噴射孔の配置図である。 本発明の第２の実施形態に係わる、図１２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第５の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第６の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第７の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第８の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第９の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端の拡大断面図である。 本発明の第１０の実施形態に係わる、燃料噴射弁の噴霧および、内燃機関の断面図である。 本発明の第１０の実施形態に係わる、図２１をＣ方向から見た図である。 本発明の第１０の実施形態に係わる、燃料噴射弁を用いて内燃機関からのＨＣの排出量を測定した実験結果である。 従来の実施形態に係わる、燃料噴射弁先端から噴射される噴霧形状を模式的に示したものである。 従来の実施形態に係わる、燃料流量の分布を実測した結果である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ ケーシング
３ ボール弁
５，６５，６９，８６ ノズル体
６，２６，６１，７８ 噴孔プレート
７，８，９，１０，２７，２８，６２，６３，７９，８０ 燃料噴射孔
１１，６６，７０，７４ シート下流の燃料室を形成する隔壁
１２ スプリング
１３ スプリングアジャスタ
１４ 電磁コイル
１５ コア
１６ ヨーク
３０，６７，７１，７５，８３，８７ シート位置
３１，６０，６４，６８，７２，７６，８１，８４，８８ 擾乱（渦）
５０ 噴霧角の測定装置
８２ フラット弁
８５ ニードル弁
１０１ 内燃機関
１０２ 燃焼室
１０３ シリンダ
１０４ 点火プラグ
１０５ 吸気管
１０６ 吸気ポート
１０７ 吸気弁
１０８ 排気弁

Claims (8)

1. 弁座と、前記弁座と離接する弁体と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、
   前記曲面の接触位置における接線と前記噴孔部材との交点よりも外周側に前記燃料噴射孔を少なくとも２個以上有することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 弁座と、前記弁座と離接する弁体と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、
   前記弁体が前記弁座から離接される時に、流入する燃料流れが指向する方向と、前記噴孔部材との交点よりも外周側に前記燃料噴射孔を少なくとも２個以上有することを特徴とする燃料噴射弁。
3. 下流側に向かって縮径する円錐状に形成された弁座面と、前記弁座面と離接する弁体と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備える燃料噴射弁において、
   前記弁体と前記弁座面との接触位置における、前記弁体の対応面（シート面）の座面方向と、前記噴孔部材との交点よりも外周側に前記燃料噴射孔を少なくとも２個以上有することを特徴とする燃料噴射弁。
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、前記燃料噴射孔の最短の間隔Ｌと孔径Ｄの比Ｌ／Ｄが４以上となることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 弁体と、前記弁体と離接する弁座と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、
   前記複数の燃料噴射孔から噴射される噴霧が２つの方向を指向する噴霧を形成し、
   ２つの方向を含む面の垂直な方向から見た、それぞれの噴霧の広がり角θ２と、２つの方向を含む面を水平方向より見た噴霧の広がり角θ３との合計が３０°以上となることを特徴とする燃料噴射弁。
6. 弁体と、前記弁体と離接する弁座と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、
   前記複数の燃料噴射孔から噴射される噴霧が２つの方向を指向する噴霧を形成し、
   ２つの方向を含む面の垂直な方向から見た、それぞれの噴霧の広がり角θ２と、２つの方向を含む面を水平方向より見た噴霧の広がり角θ３との関係がθ２＜θ３となることを特徴とする燃料噴射弁。
7. 弁体と、前記弁体と離接する弁座と、複数の燃料噴射孔を有する噴孔部材とを備え、前記弁体と前記弁座のうち少なくとも一方が相互の接触位置に曲面を有する燃料噴射弁において、
   前記複数の燃料噴射孔から噴射される噴霧が２つの方向を指向する噴霧を形成し、
   それぞれの噴霧の下流での特定位置での断面を通過する流量積分値を、同じく特定位置での噴霧の最大広がり幅（正面より見た最外位置）で除した平均ピーク高さｈａと流量分布のピーク高さＨとの比Ｈ／ｈａが２以下となることを特徴とする燃料噴射弁。
8. 複数の吸気ポートをそれぞれ開閉する複数の吸気弁と、前記吸気弁の上流側に位置され内燃機関制御装置からの制御信号に基づいて駆動される、請求項５項記載の燃料噴射弁とを備えた内燃機関の燃料噴射装置であって、
   前記複数の燃料噴射弁から前記吸気ポートの中心に向かう２方向の噴霧のそれぞれが、前記吸気弁の傘部内に収まる縦長の楕円形を形成することを特徴とする燃料噴射弁及びそれを搭載した内燃機関の燃料噴射装置。
   

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