JP2008248844A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の噴射角ばらつきを低減する燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】バルブボディ１１，２０，２１とニードル３０とを備え、バルブボディ１１の内面とニードル３０の外面との間に、軸方向に延びる環状の第１燃料通路２６ａと、第１燃料通路２６ａの下流端から環状内側に延びるとともに噴孔２５と連通する第２燃料通路２６ｂと、が形成され、複数の噴孔２５のうち第２燃料通路２６ｂと連通する入口部２５ｂは、バルブボディの中心線Ｊ１を中心とした同一の仮想円Ｋ上に配置されており、仮想円Ｋの直径をＤｐ、ニードル３０の外径をＤｓとした場合に、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３（条件（１））を満たすように構成する。この条件（１）から外れると噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなってしまうことが、本発明の発明者が行なった試験及び数値解析により明らかになった。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。

従来この種の燃料噴射弁は、バルブボディ内部の収容室にニードルを収容して構成されている。バルブボディは略円筒形状であり、燃料を噴射する複数の噴孔が軸方向の先端に形成されている。また、ニードルは、バルブボディの弁座部に着座することにより噴孔からの燃料噴射を遮断し、弁座部から離座することにより噴孔からの燃料噴射を許容する（特許文献１及び特許文献２参照）。

そして、バルブボディの内面とニードルの外面との間に、以下に説明する第１燃料通路及び第２燃料通路が形成されている。図２に例示されるように、第１燃料通路２６ａは軸方向に延びる環状の通路であり、第２燃料通路２６ｂは、第１燃料通路２６ａの下流端から環状内側に延びるとともに噴孔２５と連通する。これにより、燃料噴射弁に供給された燃料は、第１燃料通路２６ａを軸方向に流通（矢印Ｙ１参照）した後、第２燃料通路２６ｂにて環状内側に方向転換され（矢印Ｙ２参照）、その後噴孔２５の入口部２５ｂにて軸方向に方向転換されて噴孔２５内に流入し（矢印Ｙ３参照）、噴孔２５の出口部２５ａから噴射される。

そして、出口部２５ａから噴射される燃料の噴射方向が所望の方向となるように、バルブボディ２１の中心線Ｊ１に対する噴孔２５の中心線Ｊ２の傾きαｈが設定されている。以下、バルブボディ２１の中心線Ｊ１に対する燃料の主流の噴射方向の傾きを噴射角αｓと呼ぶ。
特開平１１−７０３４７号公報 特開２０００−３１４３５９号公報

ここで、本発明の発明者は上記従来の燃料噴射弁について、実際に燃料を噴射して噴射角αｓを計測する試験を行なった。すると、同一の燃料噴射弁について噴射角αｓが常に同じ値になるわけではなく、噴射角αｓの計測値にはばらつきがあり、噴孔２５の傾きαｈと噴射角αｓとが噴射する毎に一致していない場合があることが分かった。そして、所望の噴射角αｓで噴射されていない場合には、噴射された燃料の燃焼効率が低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料の噴射角ばらつきを低減する燃料噴射弁を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、燃料の噴射角を噴孔の傾きに近づけることを実現した燃料噴射弁を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、バルブボディとニードルとを備え、バルブボディの内面とニードルの外面との間に、軸方向に延びる環状の第１燃料通路と、第１燃料通路の下流端から環状内側に延びるとともに噴孔と連通する第２燃料通路と、が形成され、複数の噴孔において第２燃料通路と連通する入口部は、バルブボディの中心線を中心とした同一の仮想円上に配置されており、仮想円の直径をＤｐ、ニードルの外径をＤｓとした場合に、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３を満たすことを特徴とする。

ここで、本発明の発明者は、上記構成の燃料噴射弁について、Ｄｓ／Ｄｐの値をパラメータとして変更しつつ実際に燃料を噴射して噴射角αｓを計測する試験を行なった。図５は試験結果を示すグラフであり、グラフの縦軸は、噴孔の傾きαｈに対する噴射角αｓのばらつき度合いを示す標準偏差σである。この試験結果によれば、Ｄｓ／Ｄｐの値を１．５より小さくした場合及び３より大きくした場合には、噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなってしまうとの知見が得られる。

因みに、このような試験結果となった理由を発明者は次のように考察した。すなわち、第２燃料通路のうちバルブボディの中心線近傍部分（以下、単に中心部分と呼ぶ）では、第１燃料通路の環状全域から流入した燃料が衝突し、中心部分の燃料（図２に例示される斜線部分Ｐ１の燃料）は他の部分に比べて高圧となる。そして、このように高圧となった燃料Ｐ１は中心部分をふらつくように移動するため、Ｄｐの値を小さくしてＤｓ／Ｄｐ＞３にすると、噴孔入口部のうち中心部分に近い側の燃料圧力が不安定となる。その影響により、Ｄｓ／Ｄｐ＞３にすると噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなると考察される。

また、ニードルが弁座部に着座する毎に、バルブボディの中心線に対するニードルの中心線は厳密には異なる位置となる。つまり、ニードルが図２の右側にずれて着座することもあれば左側にずれて着座することもある。すると、第２燃料通路のうち弁座部に対応する部分は、ニードルの着座位置に応じて通路断面積が変化することとなり、弁座部対応部分の燃料圧力はニードルの着座毎に変動する。そのため、Ｄｐの値を大きくしてＤｓ／Ｄｐ＜１．５にすると、噴孔入口部のうち弁座部に近い側の燃料圧力が不安定となる。その影響により、Ｄｓ／Ｄｐ＜１．５にすると噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなると考察される。

以上により、上記知見に基づき本発明は１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３を満たすように構成されているので、噴射角αｓのばらつきを低減することができ、ひいては、噴射された燃料の燃焼効率向上を図ることができる。

また、１．６５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦２．８０を満たすようにすれば、図５の試験結果に示されるように、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３の場合に比べて噴射角αｓばらつきをより一層低減でき、好適である。

ところで、例えばタンブル流又はスワール流のように内燃機関の燃焼室内にて噴射燃料が循環する度合いに関し、その循環度合いを高くすることは内燃機関の出力向上を図る上で望ましい。そして、上記特許文献２記載の燃料噴射弁では、噴射燃料が空中を貫き通して進む力（以下、貫徹力と呼ぶ）を高めることにより循環度合いを高めようとしているが、このように貫徹力を高めると、噴射燃料がシリンダ壁面に衝突して付着することとなる。すると、シリンダ壁面に付着した燃料がＨＣ等の未燃焼ガスとなり、所謂スモークが増加するといった問題が生じる。また、シリンダ壁面に付着した燃料によりピストンオイルが希釈されてしまうといった問題が生じる。

ここで、噴孔の出口部では、図６に例示されるように速度分布が存在する。そして、場所の違いによる速度の差のことを「速度勾配」と称して以下説明する。

上記問題に対し、本発明の発明者は、噴孔の出口部の速度分布の勾配（速度勾配）を大きくすれば、噴射燃料の貫徹力を大きくすることなく上記循環度合いを高くできることを想起した。つまり、速度勾配を大きくすれば、高速の燃料と低速の燃料とが分離しやすくなるので、噴射燃料の微粒化が促進される。そして、噴射燃料が微粒化されると、燃焼室に吸入される吸気の流れに乗って運ばれやすくなるので、燃焼室内を吸気とともに循環し、その循環度合いが高くなる。しかも、噴射圧力を高めたり噴孔を小さくすることなく噴射燃料の微粒化を促進できるので、噴射燃料の貫徹力を大きくすることなく、微粒化を促進できる。

本発明はこの点にも着目してなされたものであり、Ｄｓ／Ｄｐを大きくするほど、貫徹力を小さくできるとともに微粒化を促進できることが、発明者の試験及び数値解析により確認された（図１０参照）。そして、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３を満たすように構成すれば、噴射燃料がシリンダ壁面に付着する度合いを十分小さくできる程度に貫徹力を小さくでき、また、循環度合いを十分高めることができる程度に微粒化を促進できることが分かった。

以上により、本発明によれば、上述の噴射角αｓばらつき低減の効果に加え、貫徹力低下によりスモーク抑制及びピストンオイル希釈の問題を回避しつつ、微粒化促進により循環度合いを高めて内燃機関の出力向上を図ることができる、といった効果も発揮される。

請求項２記載の発明は、噴孔の向きは、噴孔の出口部が入口部よりもバルブボディの中心線から離れる側に位置するように傾斜していることを特徴とする。このように噴孔が傾斜している場合には、図２に例示されるように、燃料噴射弁に供給された燃料が、第２燃料通路２６ｂにて環状内側に方向転換され（矢印Ｙ２参照）、その後噴孔２５の入口部２５ｂにて軸方向に方向転換されて噴孔２５内に流入する（矢印Ｙ３参照）にあたり、噴孔２５の入口部２５ｂにて軸方向に方向転換される度合いが大きくなる。このような場合に本発明を適用すれば、上述した噴射角αｓばらつき低減の効果が顕著に発揮され、好適である。

請求項３記載の発明は、バルブボディのうち噴孔が形成されている部分の板厚寸法をｔ、噴孔の直径をｄとした場合に、１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たすことを特徴とする。

ここで、噴孔の傾きαｈと噴射角αｓとの比（αｓ／αｈ）を噴射角収縮率と定義して以下に説明すると、本発明の発明者による試験により、ｔ／ｄの値を大きくすると、ｔ／ｄ＝１．２５を境に噴射角収縮率は１００％に近づくことが分かった（図１１参照）。そして、噴射角収縮率が１００％に近いということは、燃料の噴射角αｓが噴孔の傾きαｈに近づくことを意味し、換言すれば、所望の噴射角αｈに近い噴射角αｓとなっていることを意味する。なお、ｔ／ｄの上限値４は、噴孔を形成することが極めて困難となる加工限界値である。すなわち、板厚寸法ｔを過剰に大きくした場合、或いは噴孔の直径ｄを過剰に小さくした場合には、噴孔を形成することが現実的ではなくなる。

以上の試験結果を鑑み、本発明は１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たすように構成されているので、噴射角収縮率を１００％に近づけて噴射角αｓを噴孔の傾きαｈに近づけることができ、ひいては、噴射された燃料の燃焼効率向上を図ることができる。

さらに、本発明によれば噴射角収縮率を１００％に近づけることができるので、噴孔内を流通する燃料が噴孔内の偏った部分を流通してしまうことを抑制できる。その結果、噴孔内にて燃料があまり流通せずにデポジットが溜まり易くなる部分の発生を抑制できる、といった効果も発揮される。なお、デポジットとは、残留した未燃焼燃料が燃焼以外の化学反応を起こしたり、燃料中の不純物が析出することにより生じる堆積物のことである。

請求項４記載の発明は、入口部のうちバルブボディの中心線から最も離れた部分において、第２燃料通路の壁面と噴孔内の壁面とは滑らかに連続する曲面を形成しており、曲面の半径をＲとした場合に、Ｒ≦０．０２ｍｍを満たすことを特徴とする。

本発明の発明者が行なった試験及び数値解析（図１２参照）によれば、上記曲面の半径Ｒを０．０２ｍｍより大きくした場合には、噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなってしまうとの知見が得られる。この知見に基づき本発明はＲ≦０．０２ｍｍを満たすように構成されているので、噴射角αｓのばらつきを低減することができ、ひいては、噴射された燃料の燃焼効率向上を図ることができる。また、Ｒ≦０．０２ｍｍを満たすように構成すれば上述した速度勾配を十分に大きくできることが、発明者による数値解析（図１５参照）により確認された。

請求項５記載の発明は、バルブボディとニードルとを備え、バルブボディの内面とニードルの外面との間に、軸方向に延びる環状の第１燃料通路と、第１燃料通路の下流端から環状内側に延びるとともに噴孔と連通する第２燃料通路と、が形成され、バルブボディのうち噴孔が形成されている部分の板厚寸法をｔ、噴孔の直径をｄとした場合に、１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たすことを特徴とする。

これによれば、上述したように噴射角収縮率を１００％に近づけて噴射角αｓを噴孔の傾きαｈに近づけることができ、ひいては、噴射された燃料の燃焼効率向上を図ることができる。また、上述したようにデポジットが溜まり易くなる部分の発生を抑制できるといった効果も発揮される。

なお、請求項５記載の発明では噴孔の数が１つでもよく、また、請求項６記載のように複数形成されていてもよい。

請求項７記載の発明は、噴孔のうち第２燃料通路と連通する入口部よりも出口部の方がバルブボディの中心線から離れる側に位置するように、噴孔の向きが傾斜していることを特徴とする。このように噴孔が傾斜している場合には、上述したように燃料が噴孔の入口部にて軸方向に方向転換されて噴孔内に流入する（図２中の矢印Ｙ３参照）にあたり、噴孔の入口部にて軸方向に方向転換される度合いが大きくなる。このような場合に本発明を適用すれば、上述した噴射角αｓを噴孔の傾きαｈに近づける効果が顕著に発揮され、好適である。

請求項８記載の発明は、第２燃料通路と連通する噴孔の入口部のうちバルブボディの中心線から最も離れた部分において、第２燃料通路の壁面と噴孔内の壁面とは滑らかに連続する曲面を形成しており、曲面の半径をＲとした場合に、Ｒ≦０．０２ｍｍを満たすことを特徴とする。これによれば、上述したように噴射角αｓのばらつきを低減することができ、ひいては、噴射された燃料の燃焼効率向上を図ることができる。

請求項９記載の発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関に適用されることを特徴とする。直噴式内燃機関の場合には、吸気管に燃料を噴射するポート噴射式の場合に比べて、燃料の噴射圧力が高くなる。そしてこのような高圧噴射の場合には、上述した各種効果が顕著に発揮され、好適である。

以下、本発明に係る一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料噴射弁１０の断面図であり、図２は図１の部分断面図である。燃料噴射弁１０のハウジング１１は筒状に形成されている。ハウジング１１は、第一磁性部１２、非磁性部１３及び第二磁性部１４を有している。非磁性部１３は、第一磁性部１２と第二磁性部１４との磁気的な短絡を防止する。第一磁性部１２、非磁性部１３及び第二磁性部１４は、例えばレーザ溶接などにより一体に接続されている。

ハウジング１１の軸方向の一方の端部には入口部材１５が設置されている。入口部材１５はハウジング１１の内周側に圧入されている。入口部材１５は燃料入口１６を有している。燃料入口１６には、図示しない燃料ポンプによって燃料（本実施形態ではガソリン燃料）が供給される。燃料入口１６に供給された燃料は、異物を除去する燃料フィルタ１７を経由してハウジング１１の内周側に流入する。

ハウジング１１の他方の端部には、ノズルホルダ２０が設置されている。ノズルホルダ２０は、筒状に形成され、内側にノズルボディ２１が設置されている。ノズルボディ２１は、筒状に形成され、例えば圧入あるいは溶接などにより、ノズルホルダ２０に固定されている。ノズルボディ２１は、図２に示すように先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面２２に弁座部２３を有している。また、ノズルボディ２１は、ハウジング１１とは反対側の端部近傍にノズルボディ２１を貫いて内壁面２２と外壁面２４とを接続する複数の噴孔２５を有している。燃料入口１６に供給された燃料は噴孔２５から内燃機関の燃焼室６２（図４参照）に噴射される。

図３は、ノズルボディ２１単体を示す図２のＩ矢視図であり、複数の噴孔２５は同一の仮想円Ｋ上に配置されている。仮想円Ｋの中心は、ハウジング１１、ノズルホルダ２０及びノズルボディ２１の中心線Ｊ１と一致する。なお、ノズルボディ２１のうち軸方向の先端部分は、中心線Ｊ１に対して垂直に拡がる板状に形成されており、この板厚寸法ｔが均一な板状部分２１ａに噴孔２５は形成されている。また、噴孔２５の横断面は円形であり、噴孔２５が貫通する向きは、噴孔２５の出口部２５ａが噴孔２５の入口部２５ｂよりも中心線Ｊ１の外側に位置するように傾斜している。

なお、ノズルボディ２１内面のうち、円錐状の内壁面２２と噴孔２５の入口部２５ｂとの間には、噴孔２５に向けて凹む凹部２７が形成されている。これにより、凹部２７内の燃料が複数の噴孔２５に分配されることとなる。

また、ハウジング１１、ノズルホルダ２０及びノズルボディ２１により、内部に収容室を形成するバルブボディを構成している。その収容室にはニードル３０が収容されており、ニードル３０は、ハウジング１１、ノズルホルダ２０及びノズルボディ２１の内周側に軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル３０は、ノズルボディ２１と概ね同軸上に配置されている。ニードル３０は、軸部３１、頭部３２及びシール部３３を有している。頭部３２は、軸方向において軸部３１の燃料入口１６側の端部に位置し、シール部３３は、軸部３１の噴孔２５側の端部に位置する。また、シール部３３は、図２に示すようにノズルボディ２１に形成されている弁座部２３と接触可能である。ニードル３０は、ノズルボディ２１との間に燃料が流れる燃料通路２６を形成する。

燃料噴射弁１０は、図１に示すようにニードル３０を駆動する駆動部４０を有している。駆動部４０は、スプール４１、コイル４２、固定コア４３、プレートハウジング４４及び可動コア５０を有している。スプール４１は、ハウジング１１の外周側に設置されている。スプール４１は、樹脂で筒状に形成され、外周側にコイル４２が巻かれている。コイル４２は、コネクタ４５の端子部４６に接続している。ハウジング１１を挟んでコイル４２の内周側には固定コア４３が設置されている。固定コア４３は、例えば鉄などの磁性材料により筒状に形成され、ハウジング１１の内周側に例えば圧入などにより固定されている。プレートハウジング４４は、磁性材料から形成され、コイル４２の外周側を覆っている。

可動コア５０は、固定コア４３と同軸上に配置されている。可動コア５０は、ハウジング１１の内周側に軸方向へ往復移動可能に設置されている。可動コア５０は、例えば鉄などの磁性材料から筒状に形成されている。可動コア５０は、固定コア４３とは反対側に筒部５１を有している。筒部５１には、ニードル３０の頭部３２が圧入されている。これにより、ニードル３０と可動コア５０とは一体に接続されている。なお、ニードル３０と可動コア５０とは例えば溶接などにより一体に接続してもよい。

可動コア５０は、固定コア４３側の端部において弾性部材であるスプリング１８と接触している。スプリング１８は、軸方向の一方の端部がアジャスティングパイプ１９に接している。アジャスティングパイプ１９は、例えば圧入などにより固定コア４３に固定されている。スプリング１８は、軸方向へ伸長する方向の力を有している。そのため、一端が固定されているスプリング１８は、他端側において一体の可動コア５０及びニードル３０を弁座部２３に着座する方向へ押し付ける。固定コア４３に圧入されているアジャスティングパイプ１９の圧入量を調整することにより、スプリング１８の荷重は調整される。

コイル４２に通電していないとき、可動コア５０及び可動コア５０と一体のニードル３０は弁座部２３側へ押し付けられ、シール部３３は弁座部２３に着座する。これにより噴孔２５からの燃料噴射が遮断される。コイル４２に通電すると可動コア５０が固定コア４３に吸引されてニードル３０が弁座部２３から離座し、噴孔２５から燃料が噴射される。

図４は、燃料噴射弁１０を内燃機関としてのガソリンエンジン６０に組み付けた状態を示す模式図である。本実施形態に係る、燃料噴射弁１０は、燃焼室６２内に燃料を直接噴射する直噴式の燃料噴射弁であり、ノズルホルダ２０及びノズルボディ２１が燃焼室６２内に位置するようにシリンダヘッド６１に取り付けられている。また、ノズルボディ２１は、吸気ポート６３のうち吸気バルブ６４により開閉される部分、かつ、吸気バルブ６４の吸気流れ下流側部分に位置している。

次に、ノズルボディ２１の内面とニードル３０の外面との間に形成される燃料通路２６について、図２を用いて詳細に説明する。

燃料通路２６のうち、ノズルボディ２１の内周面２１ｂとニードル３０の外周面３０ａとの間に形成される部分を第１燃料通路２６ａと呼び、円錐状の内壁面２２及び凹部２７とニードル３０の外面との間に形成される部分を第２燃料通路２６ｂと呼ぶ。第１燃料通路２６ａは軸方向に延びる環状（図３参照）であり、第２燃料通路２６ｂは、第１燃料通路２６の下流端から環状内側に延びるとともに複数の噴孔２５と連通する形状である。

そして、ノズルボディ２１及びニードル３０は、次の（１）、（２）、（３）の条件を満たすように構成されている。すなわち、仮想円Ｋの直径をＤｐ、ニードル３０の外径をＤｓとした場合に、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３を満たす（条件（１））。ノズルボディ２１の板状部分２１ａの板厚寸法をｔ、噴孔２５の直径をｄとした場合に、１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たす（条件（２））。

また、噴孔２５の入口部２５ｂのうち中心線Ｊ１から最も離れた部分において、凹部２７の壁面と噴孔２５内の壁面とは滑らかに連続する曲面２５ｒ（図２及び図３参照）を形成しており、曲面２５ｒの半径をＲとした場合に、Ｒ≦０．０２ｍｍを満たす（条件（３））。因みに、噴孔２５は、放電加工又はドリルにより板状部分２１ａに加工され、曲面２５ｒは、研磨材として機能する砥粒を凹部２７及び噴孔２５内に流動させることにより加工される。

なお、ニードル３０のうちシール部３３は円錐状の内壁面２２に対応したテーパ形状であり、テーパ面の高さ寸法をＨとした場合に、０．０５ｍｍ≦Ｈ≦０．３０ｍｍを満たすようにシール部３３を形成することが望ましい。

次に、上記条件（１）を満たすことにより得られる効果を説明する。

１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３との条件（１）を満たせば次の効果を奏することが、発明者による試験及び数値解析により明らかになった。

図５は、前述したように、一つの燃料噴射弁１０について、Ｄｓ／Ｄｐの値をパラメータとして変更しつつ実際に燃料を噴射して噴射角αｓのばらつきσを計測する試験結果のグラフである。なお、これらの試験及び数値解析の条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｒ＝０．００ｍｍ、ｔ／ｄ＝１．５。

この試験結果によれば、Ｄｓ／Ｄｐの値を１．５より小さくした場合及び３より大きくした場合には、噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなってしまうとの知見が得られる。このように、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３との条件（１）を満たす本実施形態によれば、噴射角αｓのばらつき度合いσを小さく抑えることができる。

ところで、本実施形態では図４の矢印Ｙ４に示すように、燃焼室６２内に流入した吸気がタンブル流となるように構成されている。そして、タンブル流の循環度合い（単位時間あたりに循環する回数）に関し、その循環度合いを高くすることはエンジン６０の出力向上を図る上で望ましい。そして、前述したように、循環度合いを高めるべく噴射燃料の貫徹力を高めた場合に生じるスモーク増加及びピストンオイル希釈の問題に対し、本実施形態では、噴孔２５の出口部２５ａの速度勾配を大きくすることにより、噴射燃料の貫徹力を大きくすることなく循環度合いを高くしている。

図６は速度勾配の定義を説明する図であり、図２中のＹ軸及びＺ軸が図６中のＹ軸及びＺ軸に相当する。そして、噴孔２５のＸ−Ｙ平面中の任意点での速度勾配を図６中の式（４）で表した場合、噴孔２５のＸ−Ｙ平面全体での速度勾配は式（５）に示すように定義される。以下、単に速度勾配と記載する場合は、式（５）にて定義された速度勾配のことを意味する。

図７及び図８は燃料の流速分布を数値解析した結果を示しており、図７は、仮想円Ｋの直径Ｄｐを大きくした場合（Ｄｐ＝０．９６ｍｍ）、図８は、図７に比べて仮想円Ｋの直径Ｄｐを小さくした場合（Ｄｐ＝０．５６ｍｍ）の解析結果である。図７及び図８の（ｂ）は（ａ）の出口部２５ａにおける速度分布を示す。なお、これらの数値解析の条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｄｓ＝１．５ｍｍ、Ｒ＝０．００ｍｍ、ｔ／ｄ＝１．５。

この解析結果によれば、仮想円Ｋの直径Ｄｐを小さく（Ｄｓ／Ｄｐを大きく）するほど、噴孔２５の入口部２５ｂに流入する燃料の流れＹ１０，Ｙ２０の向きは中心線Ｊ１に対して垂直の向きに近づく。その結果、出口部２５ａにおける燃料のうち中心線Ｊ１に近い位置の燃料Ｙ１１，Ｙ２１の速度と、中心線Ｊ１から離れる位置の燃料Ｙ１２，Ｙ２２の速度との差が大きくなる。つまり、速度勾配が大きくなる。

すると、高速の燃料Ｙ１１，Ｙ２１と低速の燃料Ｙ１２，Ｙ２２とをひきちぎる力が強くなるので、噴射燃料の微粒化が促進される。そして、噴射燃料が微粒化されると、燃焼室６２に吸入される吸気の流れに乗って運ばれやすくなるので、燃焼室６２内を吸気とともに循環し、その循環度合いが高くなる。しかも、噴射圧力を高めたり噴孔を小さくすることなく噴射燃料の微粒化を促進できるので、噴射燃料の貫徹力を大きくすることなく、微粒化を促進できる。

図９はＤｓ／Ｄｐと速度勾配との関係を示すグラフであり、グラフ中の実線は数値解析により得られたデータである。なお、この数値解析条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｒ＝０．００ｍｍ、ｔ／ｄ＝１．５。これらの試験及び数値解析結果により、Ｄｓ／Ｄｐを大きくするほど速度勾配が大きくなることが明らかになった。

図１０はＤｓ／Ｄｐと貫徹力及びザウター平均粒径（以下、ＳＭＤと呼ぶ）との関係を示すグラフであり、グラフ中のサンプリングデータ各７点は実際に燃料を噴射して得られた試験データであり、グラフ中の実線及び点線は数値解析により得られたデータである。なお、これらの数値解析の条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｒ＝０．００ｍｍ、ｔ／ｄ＝１．５。これらの試験及び数値解析結果により、Ｄｓ／Ｄｐを大きくするほど貫徹力が小さくなるとともにＳＭＤが小さくなることが明らかになった。

以上により、Ｄｓ／Ｄｐを大きくするほど、貫徹力を小さくできるとともに微粒化を促進できることが、発明者の試験及び数値解析により確認された。そして、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３を満たす本実施形態によれば、噴射燃料がシリンダ壁面６５に付着する度合いを十分小さくできる程度に貫徹力を小さくでき、また、循環度合いを十分高めることができる程度に微粒化を促進できる。

次に、上記条件（２）を満たすことにより得られる効果を説明する。

１．２５≦ｔ／ｄ≦４との条件（２）を満たせば次の効果を奏することが、発明者による試験により明らかになった。

図１１は、前述したように、一つの燃料噴射弁１０について、ｔ／ｄの値をパラメータとして変更しつつ実際に燃料を噴射して噴射角収縮率αｓ／αｈを計測する試験結果のグラフである。グラフ中のサンプリングデータ１１点は実際に燃料を噴射して得られた試験データである。なお、これらの数値解析の条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｒ＝０．００ｍｍ、Ｄｓ／Ｄｐ＝２．０。

この試験結果によれば、ｔ／ｄの値を大きくすると、ｔ／ｄ＝１．２５を境に噴射角収縮率は１００％に近づき、所望の噴射角αｈに近い噴射角αｓにできることが明らかになった。なお、ｔ／ｄの上限値４は噴孔２５の加工限界である。

以上により、１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たす本実施形態によれば、実際に噴射される燃料の噴射角αｓを所望の噴射角αｈに近づけることができ、ひいては、噴射された燃料の燃焼効率向上を図ることができる。さらに、噴射角収縮率を１００％に近づけることができるので、噴孔２５内のうち低速の燃料Ｙ１２，Ｙ２２が流通する部分にデポジットが溜まることを抑制できる。

次に、上記条件（３）を満たすことにより得られる効果を説明する。

Ｒ≦０．０２ｍｍとの条件（３）を満たせば次の効果を奏することが、発明者による試験及び数値解析により明らかになった。

図１２は、前述したように、一つの燃料噴射弁１０について、噴孔２５の入口部２５ｂの曲面２５ｒの半径Ｒをパラメータとして変更しつつ実際に燃料を噴射して噴射角αｓを計測する試験結果のグラフである。グラフ中のサンプリングデータ４点は実際に燃料を噴射して得られた試験データである。なお、この試験条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｄｓ／Ｄｐ＝２．０、ｔ／ｄ＝１．５。

これらの試験及び数値解析結果によれば、曲面２５ｒの半径Ｒの値を０．０２ｍｍより大きくした場合には、噴射角αｓのばらつき度合いが急激に大きくなってしまうとの知見が得られる。このように、Ｒ≦０．０２ｍｍとの条件（３）を満たす本実施形態によれば、噴射角αｓのばらつき度合いσを約１．５以下に抑えることができる。

図１３及び図１４は燃料の流速分布を数値解析した結果を示しており、図１３は、曲面２５ｒの半径Ｒを大きくした場合（Ｒ＝０．０３ｍｍ）、図１４は、図１３に比べて曲面２５ｒの半径Ｒを小さくした場合（Ｒ＝０．００ｍｍ）の解析結果である。図１３及び図１４の（ｂ）は（ａ）の出口部２５ａにおける速度分布を示す。なお、これらの数値解析の条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｄｓ／Ｄｐ＝２．０、ｔ／ｄ＝１．５。

この解析結果によれば、曲面２５ｒの半径Ｒを大きくするほど、噴孔２５の入口部２５ｂに流入する燃料の流れＹ３０，Ｙ４０の主流は、噴孔２５のうち中心線Ｊ１に近い側に位置する。その結果、出口部２５ａにおける燃料のうち中心線Ｊ１に近い位置の燃料Ｙ３１，Ｙ４１の速度と、中心線Ｊ１から離れる位置の燃料Ｙ３２，Ｙ４２の速度との差が大きくなる。つまり、速度勾配が大きくなる。

すると、高速の燃料Ｙ３１，Ｙ４１と低速の燃料Ｙ３２，Ｙ４２とをひきちぎる力が強くなるので、噴射燃料の微粒化が促進される。よって、上述したように噴射燃料の循環度合いが高くなるとともに、噴射燃料の貫徹力を大きくすることなく、微粒化を促進できる。

図１５は噴孔２５の入口部２５ｂにおける曲面２５ｒの半径Ｒと速度勾配との関係を示すグラフであり、グラフ中のサンプリングデータ３点は数値解析により得られたデータである。なお、この数値解析条件として次の項目が挙げられる。燃料の噴射圧力＝１０ＭＰａ、Ｄｓ／Ｄｐ＝２．０、ｔ／ｄ＝１．５。これらの試験及び数値解析結果により、曲面２５ｒの半径Ｒを小さくするほど速度勾配が大きくなることが明らかになった。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、上記各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。また、例えば次のように実施しても良い。
・上記実施形態では、上述の条件（１）（２）（３）全てを満たすように構成されているが、条件（１）及び条件（２）の少なくとも一方を満たすように構成してもよく、条件（２）は満たすが条件（１）を満たさない構成にした場合には、噴孔２５を一つのみにしてもよい。
・上記実施形態では、直噴式のガソリンエンジンに燃料噴射弁１０を適用させているが、直噴式のディーゼルエンジンに適用させてもよい。また、吸気ポート６３内に燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁１０に適用させてもよい。
・上記実施形態では、噴孔２５の横断面形状が真円であるが、楕円であってもよいし、スリット状であってもよい。
・上記実施形態では、第１燃料通路２６ａを形成するノズルボディ２１に噴孔２５を形成しているが、ノズルボディ２１とは別体のプレート部材を設け、そのプレート部材に噴孔２５を形成するようにしてもよい。
・本発明に係る燃料噴射弁１０の燃料噴射圧力適用範囲は３００ｋＰａ〜１００ＭＰａ、より望ましくは４００ｋＰａ〜４０ＭＰａとして好適である。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の断面図。 図１の部分断面図。 図２のＩ矢視図。 図１の燃料噴射弁をエンジンに組み付けた状態を示す模式図。 Ｄｓ／Ｄｐと噴射角αｓのばらつきσとの関係を示す試験結果。 速度勾配の定義を説明する図。 Ｄｐ＝０．９６ｍｍの場合において、燃料の流速分布を数値解析した結果を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は噴孔の出口部の横断面図。 Ｄｐ＝０．５６ｍｍの場合において、燃料の流速分布を数値解析した結果を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は噴孔の出口部の横断面図。 Ｄｓ／Ｄｐと速度勾配との関係を示すグラフ。 Ｄｓ／Ｄｐと貫徹力及びＳＭＤとの関係を示すグラフ。 噴射角収縮率αｓ／αｈとｔ／ｄとの関係を示すグラフ。 噴孔入口部の曲面の半径Ｒと、噴射角αｓのばらつきσとの関係を示すグラフ。 Ｒ＝０．０３ｍｍの場合において、燃料の流速分布を数値解析した結果を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は噴孔の出口部の横断面図。 Ｒ＝０．００ｍｍの場合において、燃料の流速分布を数値解析した結果を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は噴孔の出口部の横断面図。 噴孔入口部の曲面の半径Ｒと速度勾配との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…燃料噴射弁、１１…ハウジング（バルブボディ）、２０…ノズルホルダ（バルブボディ）、２１…ノズルボディ（バルブボディ）、２３…弁座部、２５ｂ…入口部、２５…噴孔、２６ａ…第１燃料通路、２６ｂ…第２燃料通路、３０…ニードル、Ｄｐ…仮想円Ｋの直径、Ｋ…仮想円、ｄ…噴孔直径、Ｄｓ…ニードルの外径、ｔ…ノズルボディの板状部分の板厚寸法、αｈ…噴孔の傾き（所望の噴射角）、αｓ／αｈ…噴射角収縮率、αｓ…実際に噴射された燃料の噴射角、Ｊ１…バルブボディの中心線。

Claims (9)

1. 内部に収容室を有する略円筒形状であり、燃料を噴射する複数の噴孔が軸方向の先端に形成され、前記噴孔の上流側部分に弁座部を有するバルブボディと、
   前記収容室に配置され、前記弁座部に着座することにより前記噴孔からの燃料噴射を遮断するとともに前記弁座部から離座することにより前記噴孔からの燃料噴射を許容するニードルと、
   を備え、
   前記バルブボディの内面と前記ニードルの外面との間に、前記軸方向に延びる環状の第１燃料通路と、前記第１燃料通路の下流端から環状内側に延びるとともに前記噴孔と連通する第２燃料通路と、が形成され、
   複数の前記噴孔において前記第２燃料通路と連通する入口部は、前記バルブボディの中心線を中心とした同一の仮想円上に配置されており、
   前記仮想円の直径をＤｐ、前記ニードルの外径をＤｓとした場合に、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３を満たすことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記噴孔の向きは、前記噴孔の出口部が前記入口部よりも前記バルブボディの中心線から離れる側に位置するように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記バルブボディのうち前記噴孔が形成されている部分の板厚寸法をｔ、前記噴孔の直径をｄとした場合に、１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記入口部のうち前記バルブボディの中心線から最も離れた部分において、前記第２燃料通路の壁面と前記噴孔内の壁面とは滑らかに連続する曲面を形成しており、
   前記曲面の半径をＲとした場合に、Ｒ≦０．０２ｍｍを満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
5. 内部に収容室を有する略円筒形状であり、燃料を噴射する噴孔が軸方向の先端に形成され、前記噴孔の上流側部分に弁座部を有するバルブボディと、
   前記収容室に配置され、前記弁座部に着座することにより前記噴孔からの燃料噴射を遮断するとともに前記弁座部から離座することにより前記噴孔からの燃料噴射を許容するニードルと、
   を備え、
   前記バルブボディの内面と前記ニードルの外面との間に、前記軸方向に延びる環状の第１燃料通路と、前記第１燃料通路の下流端から環状内側に延びるとともに前記噴孔と連通する第２燃料通路と、が形成され、
   前記バルブボディのうち前記噴孔が形成されている部分の板厚寸法をｔ、前記噴孔の直径をｄとした場合に、１．２５≦ｔ／ｄ≦４を満たすことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 前記噴孔は複数形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
7. 前記噴孔のうち前記第２燃料通路と連通する入口部よりも出口部の方が前記バルブボディの中心線から離れる側に位置するように、前記噴孔の向きが傾斜していることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料噴射弁。
8. 前記第２燃料通路と連通する前記噴孔の入口部のうち前記バルブボディの中心線から最も離れた部分において、前記第２燃料通路の壁面と前記噴孔内の壁面とは滑らかに連続する曲面を形成しており、
   前記曲面の半径をＲとした場合に、Ｒ≦０．０２ｍｍを満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
9. 燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関に適用されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料噴射弁。