JP2008291738A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】噴孔の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に噴孔の周縁部に吹き残る燃料の滞留を抑制する燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】燃料の噴射を行なう噴孔31が形成された噴孔形成部23を備え、噴孔形成部23における燃料流れの下流側端面23bに開口する噴孔31の孔軸31jが、下流側端面23bに対して傾斜して設けられ、かつ噴孔出口31bから内燃機関へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁において、下流側端面23bにおいて噴孔出口31bの周縁部には、下流側端面23bと孔軸31jとが形成する交差角が鈍角側にある噴孔出口(外側出口角部31b2側の外側周縁部の領域において、噴孔出口31bを突出させる段差部25が、噴孔出口31bに近接して設けられており、噴孔出口31bと段差部25bの間に挟み込まれる周縁部の最短端面23beの長さLeは、50〜200μmの範囲に設定されている。
【選択図】 図3

Description

本発明は、燃料噴射弁に関し、例えば内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に適用して好適なものである。
燃料噴射弁としては、例えば内燃機関の気筒に燃料を直接噴射するものが知られている(特許文献1参照)。この種の燃料噴射弁では、噴孔から噴射させた燃料を噴孔直下で気筒の燃焼室内に拡散させる必要がある。
特許文献1の開示する技術では、少なくとも4個以上の複数の噴孔を一重の環状に配置し、複数の噴孔から噴射される燃料噴霧を、全体として中空円錐状に形成している。この技術では、噴孔の軸を、板厚方向に延びる噴孔プレートの中心軸に対して噴孔入口側から噴孔出口側に向かうほど離間するように傾斜させている。
上記噴孔は横断面形状が円形であり、上記の如く、噴孔軸が噴孔プレート軸に対して傾斜していることから、噴孔出口の開口形状は楕円状に形成されている。
特開2000−38974号公報
特許文献1の技術による燃料噴射弁では、噴孔プレートに形成される噴孔が燃焼室内の高温ガスに晒される環境にあるため、燃料噴射後に噴孔の周囲に吹き残った残留燃料が、デポジット(炭素系の化合物)に変質して堆積すると、噴孔を塞ぐおそれがある。噴孔を塞ぐようなことがなくとも、噴孔は燃料微粒化のために200μm程度の微細な孔であるため、デポジットが噴孔内部までに浸入する程度に成長すると、燃料噴霧状態に悪影響を及ぼすなど、燃料噴射特性としての燃料噴射量が低下もしくは変動する場合がある。
発明者らは、上記噴孔プレートにおけるデポジット生成を鋭意研究し、その結果、以下の事項を見出した。
即ち、噴孔出口側の周縁部に一様にデポジットが成長するのではなく、噴孔出口側の上記楕円状の開口部のうちの、長径方向の外側周縁部にデポジットが成長し、固着し易いことを見出した。この噴孔出口側の開口部の縦断面において、長径方向の外側周縁部は、噴孔内周面に対して鈍角に形成されており、鋭角に形成された長径方向の内側周縁部に比べて噴射切れが悪いことから、燃料噴射後に燃料が吹き残ってしまうのである。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、噴孔の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に噴孔の周縁部に吹き残る燃料の滞留を抑制する燃料噴射弁を提供することにある。
発明者らは、デポジット生成を鋭意研究しその結果、噴孔出口側の周縁部に一様にデポジットが成長するのではなく、噴孔出口側の楕円状の開口部において、長径方向の外側周縁部にデポジットが成長し、固着し易いこと(以下、第1の知見)を見出した。
そして、この長径方向の外側周縁部にデポジットが生成し易いのは、噴孔内周面が鈍角(広角とも称する)即ち噴孔の孔軸に対して周縁部の下流側端面が鈍角に形成されており、鋭角(狭角とも称する)に形成された長径方向の内側周縁部に比べて噴射切れが悪いことから、燃料噴射後に燃料が吹き残ってしまうからであると、発明者らは考えている。
そこで、本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。
即ち、請求項1乃至10に記載の発明では、燃料の噴射を行なう噴孔が形成された噴孔形成部を備え、噴孔形成部における燃料流れの下流側端面に開口する噴孔の孔軸が、下流側端面に対して傾斜して設けられ、かつ噴孔出口から内燃機関へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁において、
下流側端面において噴孔出口の周縁部には、
下流側端面と孔軸とが形成する交差角が鈍角側にある噴孔出口の領域において、噴孔出口を突出させる段差部が、噴孔出口に近接して設けられており、
噴孔出口と段差部の間に挟み込まれる周縁部の最短端面の長さは、50〜200μmの範囲に設定されていることを特徴とする。
これによると、下流側端面と孔軸とが形成する交差角が鈍角側にある噴孔出口の領域において、噴孔出口と段差部との間に挟み込まれて形成される周縁部の端面長は、50〜200μmの範囲と極めて短く設定されているので、噴孔出口、周縁部、および段差部で形成される突出領域の断面形状は、いわゆるピン角に形成される。
即ち、噴射噴射後に燃料が噴き残り易い上記鈍角側にある噴孔出口の領域に、噴孔出口、周縁部、および段差部で形成される上記ピン角状の突出領域を設けるので、噴き残った燃料を、上記ピン角状の突出領域の段差部側に跨がらせて付着させることができる。それ故に、突出領域以外の外部へ即ち段差部側へ噴き残った燃料を容易に移動させることが可能である。
また、上記ピン角状の突出領域に付着する燃料は、ピン角である故に、平坦面に付着する燃料よりも表面張力により弾かれ易いので、このようなピン角状の突出領域に付着する燃料の大きさは比較的微細な液粒に限られる。
例え噴き残った燃料の大きさが、上記ピン角状の突出領域を跨ぐ程度の微細な液粒ではなく、比較的大きな液粒である場合であったとしても、この比較的大きな液粒は、上記ピン角状の突出領域を中心とした拡大された周辺領域に付着することになる。このように付着液粒は上記ピン角状の突出領域を常に跨いでいるので、比較的大きな液粒も段差部側へ移動する。
なお、ここで、一般に、ピン角は、例えば角部などの突出領域を尖らせるものであり、製造過程において、突出領域を尖らせることでバリが生じ易くなる。また、突出領域を「尖らせる」ことに拘りすぎると、例えば噴孔出口をも過加工してしまう可能性があるため、噴孔出口自体の形状を損なうおそれがある。噴孔出口形状を損なわれてしまうと、狙い通りの噴孔からの燃料噴射特性が得られない。
これに対し請求項1に記載の如き上記ピン角状の突出領域は、上記噴孔出口と段差部との間に挟まれる周縁部の端面長を、上記範囲の如く僅かに残す程度に設定することで、バリが生じにくく、かつピン角の狙い過ぎ等で噴孔出口形状が損なわれるのを回避するものである。
従って請求項1に記載の発明では、噴孔の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に噴孔の周縁部に吹き残る燃料の滞留を抑制することができる。
なお、上記噴き残った燃料が段差部側以外へ移動する場合も考えられるが、この場合、付着液粒が噴孔出口内側へ移動するもの、および付着液粒が噴孔出口を跨いで留まるもののいずれかであるため、次回の燃料噴射時に、このような微細な付着液粒は、噴孔から噴射される燃料と共に、燃料噴射弁外へ持ち去られ、内燃機関に供給する噴射燃料として消費される。
ここで、上記最短端面の長さを50〜200μmの範囲に設定したのは、以下の理由からである。上記最短端面の長さが50μm未満の場合には、上記ピン角状の突出領域を「尖らせる」ことに拘りすぎるため、例えば噴孔出口をも過加工してしまい噴孔出口形状が損なわれるおそれがあるからである。
また、上記最短端面の長さが200μmを越える場合には、発明者が得た下記の第2の知見より噴孔を閉塞するおそれのあるデポジット生成を抑制できない可能性があるからである。即ち発明者らは、第1の知見に基づき燃料噴射後に燃料が吹き残り難い上記突出領域の形状を鋭意研究しその結果、上記第2の知見として、最短端面の長さを200μm以下に形成する段差部とすることで、噴孔を閉塞するおそれのあるデポジット生成を抑制できることを見出した。
特に、上記段差部において、請求項2に記載の発明の如く、前記最短端面に対する段差量は、100〜300μmの範囲に設定されていることが好ましい。
これによると、最短端面に対する段差部の段差量を100〜300μmの範囲に設定することで、上記ピン角状の突出領域を跨ぐ付着燃料を噴孔出口から引き離し、段差部側に溜めておくことが可能な付着燃料量を効率的に確保できます。上記段差部の段差量が100μm未満の場合には、付着燃料を噴孔出口から引き離し、段差部側に付着燃料を溜めて段差部側でデポジットを連続に生成するという段差部の機能が十分得られない。
また、段差部の段差量を大きくすると、噴孔出口から引き離して溜めておくことが可能な付着燃料量を増大させることは可能であるが、上記段差部の段差量が300μmを越える場合には、燃料噴射弁、特に噴孔形成部における強度確保が図れないおそれがある。
また、上記段差部は、請求項3に記載の発明の如く、最短端面の外側に延びる傾斜面に形成され、最短端面に対する傾斜面の離れ角は、30°〜90°の範囲にあることが好ましい。
これによると、上記ピン角状の突出領域の段差部、即ち周縁部(最短端面)の外側に延びる傾斜面を跨ぐ微細な付着液粒には、その液粒が微細である故に、重力に比べて表面張力が支配的に作用する。即ち、重力の影響を受けにくく表面張力の影響を受け易い微細な付着液粒は、最短端面に対して上記範囲の離れ角を有する傾斜面に沿って噴孔出口の外側へ流出し易くなる。
上記傾斜面の離れ角が30°未満の場合には、周縁部(最短端面)に対する傾斜面の離れ角が小さいため、傾斜面に沿って噴孔出口の外側へ流出し易くする表面張力が十分得られない。
また、傾斜面の離れ角を大きくすると、付着液粒を傾斜面に沿って傾斜面の外側へ移動させる表面張力の作用力を大きくするのは可能であるが、上記傾斜面の離れ角が90°を越える場合には、上記下流側端面において、周縁部(最短端面)とは反対側の傾斜面の角部と、その傾斜面の角部に接続する下流側端面の部分とで鋭角な角部が形成されるおそれがある。この鋭角な角部は、その鋭角である故に毛細管現象により液粒を溜め易くするため、上記表面張力の作用力を阻害するおそれがある。その結果、付着液粒を角部から更に外側へ移動させにくくなる。
また、上記段差部は、請求項4または請求項9に記載の発明の如く、係斜面から外側に向かって延びる凹状の溝部であることが好ましい。
これによると、段差部を上記鈍角側にある噴孔出口の領域の全体に設ける必要はなく、係斜面から外側に向かって延びる凹状の溝部に限定することできる。そのため、噴孔ごとに段差部を設ける場合であっても、溝部の如き局部的な加工に限定されるので、段差部を設けるための必要加工工数の低減が図れる。
しかも、例えば凹状の溝部の溝幅を比較的小さく形成することで、毛細管現象により係斜面から外側に向かって延びる溝部方向に付着液粒を浸透させることが可能である。これにより、付着液粒を噴孔出口から効果的に引き離すことができる。
特に、上記凹状の溝部の溝幅は、請求項9に記載の発明の如く、噴孔出口の口径以上に形成されていることが好ましい。
これにより、上記鈍角側にある噴孔出口の領域に、噴孔出口の口径以上の溝幅を有する溝部からなる段差部を対峙させることが可能である。このような噴孔出口の口径以上の溝幅と傾斜面からなる段差部は、噴孔出口に噴き残る付着液粒を、傾斜面沿って効率的に噴孔出口の外側へ移動させることが可能である。
また、請求項5乃至7に記載の発明の如く、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、燃料噴射弁の中心軸に対する噴孔の孔軸の傾斜角は、5°〜40°の範囲にあることを特徴とする。
一般に内燃機関に燃料を直接噴射する燃料噴射弁は、その気筒ごとに取り付けられ、その気筒の燃焼室内へ向けて噴射から燃料を噴射する。噴孔から噴射される燃料噴霧は、燃焼室内に拡散させる必要がある。
これに対し請求項5乃至7に記載の発明では、燃焼室を形成する気筒内の内壁面に上記燃料噴霧の燃料が付着することなく、燃焼室内に拡散した燃料噴霧を形成することができる。上記噴孔の孔軸の傾斜角が5°未満または40°越える場合には、上記燃料噴霧の燃料が内壁に付着するおそれがある。
特に、上記噴孔を一重の環状に配置し、かつ上記燃料噴射弁の中心軸に対して噴孔の孔軸が入口側から出口側に向かうほど離間するように傾斜した燃料噴射弁である場合において、請求項6に記載の発明の如く、噴孔形成部において、噴孔の外周側に、円環状の段差部が設けられていることが好ましい。
これによると、段差部を、上記鈍角側にある噴孔出口の領域ごとに別個に設ける必要がないので、段差部を形成する加工工数の低減が図れる。
また、上記段差部は、請求項7または請求項10に記載の発明の如く、係斜面に沿って周方向に向かって円環状に延びる凹状の溝部であることが好ましい。
これによると、段差部が円環状に延びる凹状の溝部であることを利用して、上記ピン角状の突出領域を中心として突出領域から離れる方向となる両周方向に、係斜面に沿って延びる凹状の溝部が形成される。これにより、例えば上記ピン角状の突出領域を跨ぐ付着液粒を、周縁部の最短端面より傾斜面の外側へ移動させるとともに、溝部での毛細管現象を利用することで、突出領域から両周方向に形成された溝部沿って付着液粒を噴孔出口から効果的に引き離すことができる。
また、上記凹状の溝部の溝幅は、請求項10に記載の発明の如く、噴孔出口の口径の1/2以下に形成されていることが好ましい。
これによると、上記凹状の溝部の溝幅を噴孔出口の口径の1/2以下に設定することで、比較的微細な溝幅を形成することができるため、溝部での毛細管現象の作用力を高めることができる。
しかも、上記ピン角状の突出領域を跨ぐ付着液粒が周縁部の最短端面より傾斜面の外側へ移動する際に、その付着液粒を突出領域を挟んで両周方向に形成された溝部に分岐させ、分岐した溝部に沿って浸透させることで、口径の1/2という比較的小さい流路断面積を有する溝部に付着液粒を効果的に引き込むことができる。
また、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、請求項8に記載の発明の如く、周縁部の最短端面の長さは、噴孔出口の口径以下に形成されていることが好ましい。
一般に、上記ピン角状の突出領域を形成する周縁部の最短端面の長さは、長ければ長いほど、バリを生じないようにすることができる。しかしながら、上記最短端面の長さが、噴孔から噴射される燃料噴霧の液粒サイズより大きくなると、上記ピン角状の突出領域に付着する液粒が段差部側へ跨ぐことが難しくなる。また、微粒化向上の目的のため、噴孔は例えば200μm程度の比較的微細な孔径に形成する必要がある。
これに対し請求項8に記載の発明では、周縁部の最短端面の長さを、噴孔出口の口径以下に限定することで、噴き残った燃料の液粒を上記ピン角状の突出領域の段差部側へ跨ぐことを可能にするとともに、噴孔から噴射される燃料の微粒化向上が確保される。
以下、本発明の燃料噴射弁を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の燃料噴射弁を示す断面図である。図2は、本実施形態の燃料噴射弁の要部を示す図であって、図1中のII部の断面図である。図3は、図2中の噴孔形成部を示す拡大断面図である。図4は、図2中の噴孔形成部を燃料下流側からみた平面図である。図5は、図1の燃料噴射弁に係わる内燃機関の気筒への取付け位置の一例を示す断面図である。
なお、図6は、図1の燃料噴射弁の噴射及び噴射停止の過程を説明する図であって、図6(a)は噴射状態、図6(b)は噴射停止直後、図6(c)は噴射停止状態、図6(d)は燃焼室内の燃焼ガス等の高温ガスに晒されている状態の一例を示す模式的断面図である。図7は、図4の噴孔形成部の平面図であって、噴き残った付着燃料がデポジットに成長した成長例の一例を説明する説明図である。
燃料噴射弁1は、内燃機関の各気筒の中央部に搭載(以下、センタ搭載)あるいは燃料噴射弁の中心軸を傾斜させて搭載(以下、傾斜搭載)されており、いずれも搭載方法においても、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧全体Fが気筒内の燃焼室内に拡散するように、その燃料噴霧全体を例えば略中空円錐状に形成するものである。なお、燃料噴霧全体Fは、燃料噴射弁に設けられた各噴孔から噴射される燃料の噴霧fからなる噴霧群である。
即ち、図5に示すように、燃料噴射弁1は、その長手方向即ち中心軸1jがシリンダブロック(エンジンヘッドとも呼ぶ)10に傾斜し、かつ燃料噴射弁1の先端部側が燃焼室14内に臨むように取り付けられている。そして、燃焼室14は、シリンダブロック10の内壁面と、シリンダヘッド11の内壁面と、ピストン12の上端面(以下、内壁面)とで区画されており、燃料噴射弁1は、その上記燃料噴霧全体Fを、その中心軸Fjが燃料噴射弁1の中心軸線1jに対してピストン12の上端面側に向けるように、傾斜させて噴射している。このような搭載にするのは、燃焼室14の各壁面あるいは点火プラグ13に燃料噴霧の燃料が付着するのを抑制するためである。
なお、燃料噴射弁1の内燃機関への上記搭載方法は、このような傾斜搭載に限らず、センタ搭載であってもよい。
燃料噴射弁1は、図1に示すように、ハウジングとしての筒部材4、弁ハウジング2、および弁ボディ20と、弁ボディ20内に着座および離座する弁部材としてのニードル5と、電磁駆動装置としてのコイル7、固定コア62、および可動コア6とを含んで構成されている。上記ハウジング内には燃料通路が形成されており、図1中の一端側より外部から燃料が供給されるとともに、他端側即ち燃料噴射弁1の先端部から燃料が噴射されるものである。
筒部材4は弁ハウジング2の反噴孔側内周壁に挿入され、溶接等により弁ハウジング2に気密に固定されている。筒部材4は、弁ボディ20側から第1磁性筒部41、非磁性筒部42および第2磁性筒部43を備え、非磁性筒部42により第1磁性筒部41と第2磁性筒部43との磁気的短絡を防止するものである。
弁ボディ20は、図1および図2に示すように有底筒状に形成され、燃料流れ方向(図2において下側の方向)に向けて縮径する内周面を成す円錐面21を有しており、この円錐面21には、ニードル5に着座および離座可能な弁座22が形成されている。
また、図2に示すように、燃料噴射弁1の先端部即ち弁ボディ20の底部24は、弁座22に対し燃料流れの下流側に配置され、かつ噴孔31が形成された噴孔形成部23を備えている。なお、噴孔形成部23の詳細については後述する。
ニードル5は、弁ボディ20内を軸方向移動可能に弁ボディ20に支持されており、噴孔側の端部52側は、上記弁座22に離座および着座可能な当接部53を有している。上記弁座22と当接部53は、上記燃料通路に供給される燃料が噴孔31へ向かう燃料流れを流通および遮断するシート部を構成する。
可動コア6は磁性材料で略円筒状に形成され、ニードル5の反噴孔側の端部51と溶接等により固定され、ニードル5と共に往復移動する。可動コア6の筒壁を貫通する流出孔61は、可動コア6の筒内外を連通する燃料通路を形成する。
固定コア62は磁性材料で円筒状に形成され、筒部材4内に挿入されて筒部材4と溶接等により固定されている。固定コア62は、可動コア6の反噴孔側に、可動コア6に対向して配置されている。
固定コア62内には、アジャスティングパイプ64が圧入されており、アジャスティングパイプ64は、内部に上記燃料通路の一部を形成する。また、スプリング63は、アジャスティングパイプ64と可動コア6の間に挟み込まれて可動コア62およびニードル5を弁座方向に向けて付勢しており、その付勢力がアジャスティングパイプ64の圧入量を調整することで調整されている。
また、固定コア62の燃料上流側には、フィルタ8が設けられており、フィルタ8は、燃料噴射弁1に供給されて上記燃料通路内を流通する燃料中の異物を除去する。燃料噴射弁1に供給される燃料は、2MPa〜20MPaの範囲内の所定圧に設定され、当該所定圧の燃料が噴孔31より噴射される。
電磁コイル7は、図示しないコイルを巻回するスプール71にコイルが巻回され、コイル端末がコネクタ73にインサート成形されたターミナル72に電気的に接続されている。電磁コイル7は、コイルに通電すると、発生した電磁吸引力により可動コア6と固定コア62との間に磁気吸引力を作用させ、スプリング63の付勢力に抗し可動コア6を固定コア62側に吸引する。また、コイルへの通電を停止すると、電磁吸引力が消失するので、スプリング63の付勢力によってニードル5が弁座22方向に移動する。このようにコイルへの通電および通電停止することで、ニードル5の当接部53が弁座22から離座および着座し、その弁座22下流にある噴孔31から噴射される燃料(燃料噴霧f)が噴射および噴射停止される。
次に、噴孔形成部23の詳細を、図2から図4に従って説明する。以下の説明において、実施例説明のために、燃料噴射弁の燃料噴射側(燃料下流側)を下方、その反対側を上方として説明するが、実際のエンジンへの搭載方向とは関係ないものである。
噴孔形成部23は、図2の噴孔形成部を下方からみた平面図に示すように、複数(本実施例では、8個個)の噴孔31が設けられており、噴孔31は、上面(弁ボディ20内に連通する面であって、燃料上流側の面)23aと、下面(外部にある燃焼室14に臨む面)23bとを連通するように、噴孔形成部23に開けられている。
この上面23a及び下面23bが形成される部位は、弁ボディ20の底部24において噴孔31が内外に貫通される領域(以下、平板状領域)であり、平板状領域が弁ボディ20と一体となっている。なお、噴孔形成部23は、このように弁ボディ23と一体に形成されているものに限らず、弁ボディとは別個に形成された平板状の噴孔形成部材(例えば、噴孔プレート)が弁ボディの下端面側に固定されるものであってもよい。
噴孔形成部23において上記平板状領域の板厚tは、0.3mm〜0.5mmの範囲に設定されている。
また、噴孔31の数は8個に限るものではなく、2個以上であれば何れでもよい。上記8個の噴孔31は、噴孔形成部23即ち上記平板状領域の板厚方向に沿って延びる中心軸1jを中心として同一円33周上に形成されている。即ち、上記複数の噴孔8が、一重の円環状に配置されている。
上記中心軸1jに対して噴孔31の孔軸31jは、噴孔入口31aから噴孔出口31bに向かうほど離間するように傾斜している。その孔軸31jと中心軸1jとがなす第1角度(以下、第1傾斜角)θは、5°〜40°の範囲に設定されている。第1傾斜角θをこのような角度範囲に設定することにより、燃焼室14の上記内壁面に燃料噴霧の燃料が付着することなく、燃焼室14内に拡散した燃料噴霧を形成することができる。噴孔31の孔軸31jの第1傾斜角が5°未満または40°越える場合には、上記燃料噴霧の燃料が内壁面に付着するおそれがある。
噴孔31の形状は、図3に示すように、断面が円状でかつストレート孔であり、その孔径Dが200μm程度の微細な孔に形成されている。
上記噴孔31は上記第1傾斜角θでもって上面23aおよび下面23bを貫通しているため、上面23aおよび下面23bに形成される噴孔入口31aおよび噴孔出口31bの開口形状は、楕円状となる。ここで、噴孔出口31bの楕円状の開口の大きさを、長径をD1、および短径をD2とすると、上記平板状領域の径方向に、長径D1、周方向に、短径D2が形成される。
上記楕円状の噴孔出口31bにおいて、上記長径方向の外側周縁部は、噴孔31の内周面31cと下面23aとで形成される角部(以下、外側出口角部)31b2が鈍角に形成され、上記長径方向の内側周縁部は、噴孔31の内周面31cと下面23aとで形成される角部(以下、内側出口角部)31b1が鋭角に形成されている。
言い換えると、図3中に示すように、上記ストレート孔である噴孔31の孔軸31jと下面23aとがなす交差角が鈍角側θa(広角側とも呼ぶ)に上記外側出口角部31b2が形成され、その交差角が鋭角側θb(狭角側とも呼ぶ)に上記内側出口角部31b1が形成されている。
ここで、発明者らは、デポジット生成を鋭意研究しその結果、噴孔出口31b側の周縁部全周にわたって一様にデポジットが成長するのではなく、噴孔出口31a側の楕円状の開口部において、上記外側出口角部31b2側の外側周縁部の領域にデポジットが成長し、固着し易いことを見出した(図16参照)。なお、この発明者らが得た知見を、以下第1の知見と称する。
そして、この上記外側出口角部側の外側周縁部の領域にデポジットが生成し易いのは、上記外側出口角部31b2が鈍角即ち噴孔31の孔軸31jに対して周縁部の下流側端面23bの部分(本実施例の端面23be側が対応)が鈍角に形成されており、鋭角に形成された上記内側出口角部31b1側の外側周縁部の領域に比べて噴射切れが悪いことから、燃料噴射後に燃料が吹き残ってしまうからであると、発明者らは考えている。
さらに、発明者らは、上記第1の知見に基づき燃料噴射後に燃料の吹き残りを抑制する突出領域の形状を鋭意研究しその結果、下記噴孔出口31b、最短端面23be、および段差部25で形成される突出領域Eにおいて、最短端面23beの長さLeを200μm以下に形成する段差部25とすることで、噴孔31を閉塞するおそれのあるデポジット生成を抑制できることを見出した。なお、この発明者らが得た知見を、以下第2の知見と称する。
そこで、発明者らは、図3に示すように、上記外側出口角部31b2側の外側周縁部の領域において、噴孔出口31bを突出させる段差部25を、噴孔出口31bに近接して設けた。そして、噴孔出口31bの上記外側出口角部31b2側と、段差部25との間に挟み込まれる上記外側周縁部の端面(以下、最短端面)23beの長さLeを、50〜200μmの範囲に設定した。
即ち、上記外側周縁部の最短端面23beの長さLeが50〜200μmの範囲と極めて短く設定されているので、図3の拡大断面図において噴孔出口31b、最短端面23be、および段差部25で形成される突出領域Eの断面形状は、図2に示す如く、いわゆるピン角に形成される。これにより、燃料噴射後に燃料が吹き残り易い上記上記外側出口角部31b2側の外側周縁部での最短端面23beを含む領域に、上記ピン角状の突出領域Eを設けることができる。
上記段差部25は、図3および図4に示すように、上記最短端面23bの外側に延びる傾斜面25aと、最短端面23hを延長した仮想面との段差量がhである段差面25bとで形成されている。この段差部25の段差量hは、100〜300μmの範囲に設定した。
また、図4に示すように、上記傾斜面25aは噴孔31の外側に円環状に形成されており、例えば8個の噴孔出口31bの図示しない仮想の外接円から、上記最短端面23beの長さLeに相当する距離だけ離間した部位に、円錐面状に設けられている。
次に、上述の構成を有する燃料噴射弁1においてデポジット成長を抑制する効果を、図6および図7に従って説明する。
図6(a)の燃料噴射状態において、燃料噴射弁1は、外部から供給された燃料が弁ボディ20内を通過し、噴孔形成部23の噴孔出口31bから噴射される。噴孔出口31bから噴射された燃料が燃料噴流となって燃料噴霧fを形成する。燃料噴射期間中は、噴孔31から噴射される燃料噴流によって燃料噴流の周囲にある空気(燃焼室14内の吸気などのガス)が図6(a)中の矢印方向に持ち去られ、矢印方向に流れるガス流体の流れが形成されるが、燃料の噴射停止後においては、燃料噴流がなくなるため、上記ガス流体の流れはなくなる。
図6(b)から図6(d)に示される状態は噴射が停止されており、図6(b)は噴射停止直後、図6(c)は噴射停止状態、図6(d)は噴孔形成部23の下面23b側が燃焼室内で発生した燃焼ガス等の高温ガスに晒されている状態を示している。
図6(b)の噴射停止直後に示すように、噴孔31内に吹き残った燃料が外側出口角部31b2側に比較的微細な液粒となって付着する場合がある。
この付着液粒は、実験により以下のように3通りの付着状態になることを確認した。即ち、第1の付着状態は噴孔31の内周面31cに噴き残って留まるもの、第2の付着状態はピン角状の突出領域Eに付着するもの、第3の付着状態は突出領域Eの更に外側へ飛散して付着するものである。
第1の付着状態では、次回噴射時に噴き残った燃料は、噴孔31の噴孔入口31aへ流入した燃料の燃圧による流体エネルギーにより吹き飛ばされる。なお、噴き残った燃料は、内燃機関の燃焼サイクルにおいて1サイクルのみ燃焼ガスに晒されるだけであるので、ねその一部がデポジット化したとしても容易に内周面31cから上記流体エネルギーにより除去可能である。
第3の付着状態では、噴き残った液粒がその付着部位でデポジットに成長する可能性はあるが、成長したデポジットが噴孔31の内部へ侵入するおそれはほとんどない。
ここで、第2の付着状態では、付着液粒がその突出領域Eの段差部25側の傾斜面25aを跨ぐように付着することを実験により確認した。
第2の付着状態において、噴き残った燃料を、上記ピン角状の突出領域Eの段差部25側の傾斜面25aに跨がらせて付着させることができる故に、図6(c)に示すように、噴き残った燃料の付着液粒を、突出領域E以外の外部へ即ち段差部25側の傾斜面25aへ容易に移動させることが可能である。これにより、第3の付着状態と同様に、付着液粒を噴孔出口31bから引き離すことができる。
また、このとき、上記ピン角状の突出領域Eに付着する燃料は、ピン角である故に、図15(b)の比較例に示すような平坦面923bに付着する燃料よりも表面張力により弾かれ易いので、このようなピン角状の突出領域Eに付着する燃料の大きさは比較的微細な液粒に限られる。
例え噴き残った燃料即ち付着液粒の大きさが、上記ピン角状の突出領域Eを跨ぐ程度の微細な液粒ではなく、比較的大きな液粒である場合であったとしても、この比較的大きな液粒は、上記ピン角状の突出領域Eを中心とした拡大された周辺領域に付着することになる。このように付着液粒は上記ピン角状の突出領域Eを常に跨いでいるので、比較的大きな液粒も段差部25側の傾斜面25aへ移動する。
このように段差部25側の傾斜面25aへ移動した付着液粒は、図6(d)に示すように高温ガスに晒される。そして、その付着液粒は、燃焼サイクルで繰り返し高温ガスに晒されることによりデポジットに成長するが、デポジットに成長する付着液粒は噴孔出口31bから引き離されているので、噴孔出口31bの内部に成長したデポジットが侵入するおそれはほとんどない(図7参照)。
一方、比較例では、図15(c)の如く付着液粒が噴孔31の内周面31cに付着したまま、平坦面923bに沿って拡がるおそれがあり、比較的大きな付着液粒が形成されるおそれがある。このため、比較例では、図15(d)および図16に示すように、噴孔出口31bの内部に成長したデポジットが侵入し易い。
ここで、上記最短端面23beに対する傾斜面25aの第2傾斜角(以下、離れ角)αは、30°〜90°の範囲に設定されていることが好ましい。
これにより、最短端面23beに対して上記範囲の離れ角αを有する傾斜面25aは、その傾斜面25aに沿って微細な付着液粒を、噴孔出口31bの外側へ効果的に流出させられる。上記ピン角状の突出領域Eにおいて、上記最短端面23beの外側に延びる傾斜面25aを跨ぐ微細な付着液粒には、その液粒が微細である故に、重力に比べて表面張力が支配的に作用する。このような微細な付着液粒は、重力の影響を受けにくく表面張力の影響を受け易いからである。
上記傾斜面の離れ角αが30°未満の場合には、最短端面23beに対する傾斜面25aの離れ角αが小さ過ぎるため、付着液粒を傾斜面25aに沿って噴孔出口31bの外側へ流出し易くする表面張力が十分得られない。
また、上記離れ角αを大きくすると、付着液粒を傾斜面25aに沿って外側へ移動させる表面張力の作用力を大きくするのは可能であるが、離れ角が90°を越える場合には、噴孔形成部23の下面23bにおいて、最短端面23beとは反対側の傾斜面25aの角部と、その傾斜面25aに接続する段差面25bとで鋭角な角部が形成されるおそれがある。この鋭角な角部は、その鋭角である故に毛細管現象により液粒を溜め易くするため、上記表面張力の作用力を阻害するおそれがある。その結果、付着液粒を角部から更に段差部面25bの外側へ移動させにくくなる。つまり段差部25で付着液粒を噴孔出口31bから引き離す効果が阻害されるおそれがある。
なお、ここで、一般に、「ピン角」は、例えば角部などの突出領域を尖らせるものであり、製造過程において、突出領域を尖らせることでバリが生じ易くなる。また、突出領域を「尖らせる」ことに拘りすぎると、例えば噴孔出口をも過加工してしまう可能性があるため、噴孔出口自体の形状を損なうおそれがある。噴孔出口形状を損なわれてしまうと、狙い通りの噴孔からの燃料噴射特性が得られない。
これに対し本実施形態では、上記ピン角状の突出領域Eを以下のように定義している。即ち、突出領域Eは、上記噴孔出口31bと段差部25との間に挟まれる最短端面23beを、上記50〜200μmの範囲の如く僅かに残す程度に設定することで、バリが生じにくく、かつピン角の狙い過ぎ等で噴孔出口31bの形状が損なわれるのを回避するものである。
従って本実施形態では、噴孔31の周縁部にデポジットが成長し固着するのを抑制するために、燃料噴射後に噴孔31の周縁部に吹き残る燃料の滞留を抑制することができる。
なお、上記噴き残った燃料が段差部25側以外へ移動する場合も考えられるが、この場合、第1の付着状態に対応する付着液粒が噴孔出口31b内側へ移動するもの、および第1の付着状態の変形例に相当する付着液粒が噴孔出口31bを跨いで留まるもののいずれかであるため、次回の燃料噴射時に、このような微細な付着液粒は、噴孔31から噴射される燃料と共に、燃料噴射弁1外へ持ち去られ、内燃機関に供給する噴射燃料として消費される。
ここで、上記最短端面23beの長さLeを50〜200μmの範囲に設定したのは、以下の理由からである。上記最短端面23beの長さLeが50μm未満の場合には、上記ピン角状の突出領域Eを「尖らせる」ことに拘りすぎるため、例えば噴孔出口31bをも過加工してしまい噴孔出口形状が損なわれるおそれがあるからである。
また、上記最短端面23beの長さLeが200μmを越える場合には、発明者が得た上記第2の知見より噴孔31を閉塞するおそれのあるデポジット生成を抑制できない可能性があるからである。
なお、上記第2の知見は、以下のように見出した。噴孔形成部23の下流側端面23bに付着する燃料の付着液粒の大きさは、燃料性状、および下流側端面23bを形成する構成材により規定されるものと発明者らは考えている。そこで、発明者らは、燃料をガソリンとし、上記構成材をステンレス鋼材(SUS材)としたときにおける噴孔出口31bの形状に着目しこれを検討した。この結果、最短端面23beの長さLeを200μm以下に形成することで、噴孔31を閉塞する許容量以上のデポジット生成を抑制できるとの知見を得た。また、燃料種別の変更や、上記構成材を特別な構成材に変更しない限り、最短端面23beとして最大設定される長さ(Lemax)の200μmに対して、±10〜20%程度の変動値内にある。
また、以上説明した本実施形態では、上記最短端面23beに対する段差部25の段差量hを100〜300μmの範囲に設定するので、上記突出領域Eを跨ぐ付着燃料を噴孔出口31bから引き離し、段差部25側に溜めておくことが可能な付着燃料量を効率的に確保できます。上記段差部25の段差量hが100μm未満の場合には、付着燃料を噴孔出口31bから引き離し、段差部25側に付着燃料を溜めて段差部25側でデポジットを連続に生成するという段差部の機能が十分得られない。
また、段差部25の段差量hを大きくすると、噴孔出口31bから引き離して溜めておくことが可能な付着燃料量を増大させることは可能であるが、上記段差部25の段差量hが300μmを越える場合には、燃料噴射弁1、特に噴孔形成部23における強度確保が図れないおそれがある。
また、以上説明した本実施形態では、上記噴孔形成部23において、噴孔31の外側に、上記傾斜面25aが円環状に形成されているため、傾斜面25aつまり段差部25を、鈍角側にある噴孔出口31bの領域ごとに別個に設ける必要がないので、段差部25を形成する加工工数の低減が図れる。上述した鈍角側とは、噴孔の出口側における開口部の外周側、つまり中心軸1jから遠ざかる側を示す。
また、以上説明した本実施形態において、上記最短端面23beの長さLeは、噴孔出口31bの口径即ち長径D1以下に形成されていることが好ましい。
一般に、上記ピン角状の突出領域Eを形成する周縁部の最短端面23beの長さLeは、長ければ長いほど、バリを生じないようにすることができる。しかしながら、上記最短端面23beの長さLeが、噴孔31から噴射される燃料噴霧の液粒サイズより大きくなると、上記ピン角状の突出領域Eに付着する液粒が段差部25側の傾斜面25aへ跨ぐことが難しくなる。また、微粒化向上の目的のため、噴孔31は例えば200μm程度の比較的微細な孔径に形成する必要がある。
これに対し本実施形態では、最短端面23beの長さLeを、噴孔出口31bの長径D1以下に限定することで、噴き残った燃料の液粒を上記ピン角状の突出領域Eの段差部25側へ跨ぐことを可能にするとともに、噴孔31から噴射される燃料の微粒化向上が確保される。
(第2の実施形態)
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第1の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰返さない。
第2の実施形態を図8に示す。第2の実施形態は、段差部125を、傾斜面25aに沿って周方向に向かって円環状に延びる凹状の溝部とした一例を示すものである。図8は、実施形態の燃料噴射弁の要部を示す断面図である。図9は、図8中の噴孔形成部を示す拡大断面図である。図10は、図8中の噴孔形成部を示す平面図である。
図9に示すように、最短端面23beから外側に延びる傾斜面25aは、図示しない離れ角αが90°で設定されている。なお、この傾斜面25aの離れ角αは、90°に限らず、30°〜90°までのいずれの角度であってもよい。
このような段差部125は、図9および図10に示すように、上記傾斜面25aと、これに周方向に対向する第2傾斜面125cと、傾斜面25aと第2傾斜面125cとを繋ぐ円環状の段差面125bとを備えている。なお、段差部125は、下面23bを、噴孔31側でかつ最短端面23beを含む第1下面23b1と、第2下面123b2とに二分割している。
これによると、段差部125が円環状に延びる凹状の溝部であることを利用して、上記ピン角状の突出領域Eを中心として突出領域Eから離れる方向となる両周方向に、係斜面25aに沿って延びる凹状の溝部が形成される。これにより、例えば上記突出領域Eを跨ぐ付着液粒を、内周面31cおよび最短端面23beより傾斜面25aの外側へ移動させるとともに、溝部での毛細管現象を利用することで、突出領域Eから両周方向に形成された溝部沿って付着液粒を噴孔出口31bから効果的に引き離すことができる。
また、本実施形態において、上記凹状の溝部の溝幅Ldは、図9および図10に示すように、噴孔出口31bの長径D1の1/2以下に形成されていることが好ましい。
これによると、上記凹状の溝部の溝幅Ldを噴孔出口31bの長径D1の1/2以下に設定することで、比較的微細な溝幅を形成することができるため、溝部での毛細管現象の作用力を高めることができる。
しかも、上記ピン角状の突出領域Eを跨ぐ付着液粒が最短端面23beより傾斜面25aの外側へ移動する際に、その付着液粒を突出領域Eを挟んで両周方向に形成された溝部に分岐させ、分岐した溝部に沿って浸透させられるので、上記長径D1の1/2という比較的小さい流路断面積を有する溝部に付着液粒を効果的に引き込むことができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態を図11に示す。第3の実施形態は、段差部225を、係斜面225aから外側に向かって延びる凹状の溝部とした一例を示すものである。図11は、実施形態の燃料噴射弁の要部を示す断面図である。図12は、図11中の噴孔形成部を示す拡大断面図である。図13は、図11中の噴孔形成部を示す平面図である。図14は、図13中のXIII方向からみた矢視図である。
図12および図13に示すように、最短端面23beから外側に延びる傾斜面225aは、噴孔31の噴孔出口31bごとに、設けられている。
これによると、段差部225を上記鈍角側にある噴孔出口31bの領域の全体に設ける必要はなく、係斜面225aから外側に向かって延びる凹状の溝部に限定することできる。そのため、噴孔31ごとに段差部225を設ける場合であっても、上記溝部の如き局部的な加工に限定されるので、段差部を設けるための加工工数の低減が図れる。
しかも、例えば凹状の溝部の溝幅W(図14参照)を比較的小さく形成することで、毛細管現象により係斜面225aから外側に向かって延びる溝部方向に付着液粒を浸透させることが可能である。これにより、付着液粒を噴孔出口31bから効果的に引き離すことができる。
ここで、上記凹状の溝部の溝幅Wは、図14に示すように、噴孔出口31bの孔径D(即ち短径D2)以上に形成されていることが好ましい。
これにより、上記鈍角側にある噴孔出口の領域に、噴孔出口31bの孔径D以上の溝幅Wを有する溝部からなる段差部225を対峙させることができる。このような噴孔出口31bの孔径D以上の溝幅Wと傾斜面225aからなる段差部225は、噴孔出口31bに噴き残る付着液粒を、傾斜面225a沿って効率的に噴孔出口31の外側へ移動させることができる。
(他の実施形態)
(1)以上説明した本実施形態では、噴孔31が形成された噴孔形成部23を、弁ボディ20と一体と一体になっているものとして説明した。噴孔形成部は、このように弁ボディ23と一体に形成されているものに限らず、弁ボディとは別個に形成され、弁ボディの下端面側に固定される平板状の噴孔形成部材(例えば、噴孔プレート)であってもよい。
(2)以上説明した本実施形態では、複数の噴孔31が、噴孔形成部23の下面23bに一重の円環状に配置されるものとして説明したが、一重の円環状に配置されるものに限らず、噴孔が2個以上であれば何れでもよく、単に平板状領域に配置されているものであってもよい。
本発明の第1の実施形態の燃料噴射弁を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態の燃料噴射弁の要部を示す図であって、図1中のII部の断面図である。 図2中の噴孔形成部を示す拡大断面図である。 図2中の噴孔形成部を燃料下流側からみた平面図である。 図1の燃料噴射弁に係わる内燃機関の気筒への取付け位置の一例を示す断面図である。 図1の燃料噴射弁の噴射及び噴射停止の過程を説明する図であって、図6(a)は噴射状態、図6(b)は噴射停止直後、図6(c)は噴射停止状態、図6(d)は燃焼室内の燃焼ガス等の高温ガスに晒されている状態の一例を示す模式的断面図である。 図4の噴孔形成部の平面図であって、噴き残った付着燃料がデポジットに成長した成長例の一例を説明する説明図である。 第2の実施形態の燃料噴射弁の要部を示す断面図である。 図8中の噴孔形成部を示す拡大断面図である。 図8中の噴孔形成部を示す平面図である。 第3の実施形態の燃料噴射弁の要部を示す断面図である。 図11中の噴孔形成部を示す拡大断面図である。 図11中の噴孔形成部を示す平面図である。 図13中のXIII方向からみた矢視図である。 比較例の燃料噴射弁の噴射及び噴射停止の過程を説明する図であって、図15(a)は噴射状態、図15(b)は噴射停止直後、図15(c)は噴射停止状態、図15(d)は燃焼室内の燃焼ガス等の高温ガスに晒されている状態の一例を示す模式的断面図である。 比較例の噴き残った付着燃料がデポジットに成長した成長例の一例を説明する説明図である。
符号の説明
1 燃料噴射弁
1j 中心軸
2 弁ハウジング(ハウジング)
20 弁ボディ(ハウジング)
21 円錐面
22 弁座
23 噴孔形成部
23a 上面(上流側面)
23b 下面(下流側面)
23be 最短端面
24 底部
25 段差部
25a 傾斜面(下面の一部)
25b 段差面(下面の一部)
31 噴孔
31a 噴孔入口
31b 噴孔出口
31b1 内側出口角部
31b2 外側出口角部
31c 内周面
31j 孔軸
4 筒部材(ハウジング)
5 ニードル(弁部材)
53 当接部
6 可動コア
62 固定コア
7 電磁コイル

Claims (10)

  1. 燃料の噴射を行なう噴孔が形成された噴孔形成部を備え、
    前記噴孔形成部における燃料流れの下流側端面に開口する前記噴孔の孔軸が、前記下流側端面に対して傾斜して設けられ、かつ
    当該噴孔出口から内燃機関へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁において、
    前記下流側端面において前記噴孔出口の周縁部には、
    前記下流側端面と前記孔軸とが形成する交差角が鈍角側にある前記噴孔出口の領域において、前記噴孔出口を突出させる段差部が、前記噴孔出口に近接して設けられており、
    前記噴孔出口と前記段差部の間に挟み込まれる前記周縁部の最短端面の長さは、50〜200μmの範囲に設定されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 前記段差部において前記最短端面に対する段差量は、100〜300μmの範囲に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射弁。
  3. 前記段差部は、前記最短端面の外側に延びる傾斜面に形成され、
    前記最短端面に対する前記傾斜面の離れ角は、30°〜90°の範囲にあることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料噴射弁。
  4. 前記段差部は、前記係斜面から外側に向かって延びる凹状の溝部であることを特徴とする請求項3に記載の燃料噴射弁。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、
    前記燃料噴射弁の中心軸に対する前記噴孔の前記孔軸の傾斜角は、5°〜40°の範囲にあることを特徴とする燃料噴射弁。
  6. 前記噴孔は、一重の環状に配置され、かつ前記燃料噴射弁の中心軸に対して前記噴孔の前記孔軸が入口側から出口側に向かうほど離間するように傾斜しており、
    前記噴孔形成部において、前記噴孔の外周側に、円環状の前記段差部が設けら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. 前記段差部は、前記係斜面に沿って周方向に向かって円環状に延びる凹状の溝部であることを特徴とする請求項6に記載の燃料噴射弁。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、
    前記周縁部の前記最短端面の長さは、前記噴孔出口の口径以下に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  9. 請求項4に記載の燃料噴射弁であって、
    前記係斜面から外側に向かって延びる凹状の溝部において、前記凹状の溝部の溝幅は、前記噴孔出口の口径以上に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  10. 請求項7に記載の燃料噴射弁であって、
    前記円環状に延びる凹状の溝部において、前記凹状の溝部の溝幅は、前記噴孔出口の口径の1/2以下に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
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