JP2012132332A - 燃料噴射弁及び燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴孔からの燃料噴射初期の時点から気泡を含んだ燃料を噴射し、噴射後にその気泡を崩壊させることによって燃料の微粒化を図ることを課題とする。
【解決手段】燃料噴射弁は、噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内のシート部に着座するニードルと、前記シート部よりも上流側に設けられ、前記燃料導入路から導入される燃料に前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する螺旋溝が設けられた旋回流生成部と、前記シート部よりも下流側に設けられ、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ前記噴孔へ燃料を供給する旋回増速部と、を備える。前記螺旋溝の下流側先端部は、前記ニードルが前記シート部に着座した状態で、前記シート部まで延びている。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料噴射弁に関する。

近年、内燃機関に関し、ＣＯ_２低減及びエミッション低減のため、過給リーン、大量ＥＧＲ及び予混合自着火燃焼の研究が盛んに行われている。これらの研究によると、ＣＯ_２低減及びエミッション低減の効果を最大限に引き出すには、より燃焼限界近傍において安定した燃焼状態を得る必要がある。また、石油燃料の枯渇化が進む中、バイオ燃料など多種の燃料でも安定して燃焼できるロバスト性が要求される。このような安定した燃焼を得るのに最も重要な点は混合気の着火ばらつきを低減することや膨張行程で燃料を燃やしきる速やかな燃焼が必要とされる。

また、内燃機関の燃料供給において、過度応答性の向上、気化潜熱による体積効率向上や低温での触媒活性化用の大幅な遅角燃焼のために燃焼室内へ燃料を直接噴射する筒内噴射方式が採用されている。ところが、筒内噴射方式を採用することにより、噴霧燃料が液滴のまま燃焼室壁に衝突して起こるオイル希釈や、液状燃料で噴射弁の噴孔周りに生成されるデポジットによる噴霧悪化により燃焼変動が助長されていた。

このような筒内噴射方式の採用により生じるオイル希釈や噴霧悪化の対策をするとともに、着火ばらつきを低減し安定した燃焼を実現するには、燃焼室内の燃料が速やかに気化するように、噴霧を微粒化することが重要となる。

燃料噴射弁から噴射される噴霧の微粒化には薄膜化した液膜のせん断力によるもの、流れの剥離で発生するキャビテーションによるもの、超音波の機械的振動で表面に付着した燃料を微粒化するものなどが知られている。

特許文献１には、ノズル本体の中空穴の壁面と針弁の摺動面との間に形成された螺旋状通路を通った燃料を環状チャンバである燃料溜まりにおいて回転流とする燃料噴射ノズルが提案されている。この燃料噴射ノズルは、燃料溜まり内で回転する燃料を燃料溜まりの下流に設けられ、末広のテーパ面を有する単噴孔から燃料を噴射する。噴射された燃料は分散され、空気との混合が促進される。

特許文献２には、気泡発生流路と気泡保持流路との圧力差を利用して発生させた気泡を混合した燃料を噴射し、噴射後の燃料において気泡が崩壊するエネルギーにより燃料を微粒化する燃料噴射弁が記載されている。

このように、燃料噴射ノズル、燃料噴射弁に対し、種々の提案がされている。

特開平１０−１４１１８３号公報 特開２００６−１７７１７４号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された燃料噴射ノズルは、旋回する燃料を加速させて燃料の噴霧を拡散することができるが、燃料中に気泡を発生させることによる燃料の微粒化は考慮されていない。また、特許文献２に開示された燃料噴射弁は、シート部が気泡保持流路よりも下流側に配置された構成となっている。このため、噴射初期は一旦気泡保持流路に保持された燃料が噴射されることになる。閉弁状態時に気泡保持流路に保持される燃料の気泡混合率は低く、噴射初期の微粒化は困難であり、燃料は液状のままシリンダ壁に衝突することが懸念される。液状の燃料がシリンダ壁に衝突することは、オイル希釈の原因となる。

そこで本発明は、噴孔からの燃料噴射初期の時点から気泡を含んだ燃料を噴射し、噴射後にその気泡を崩壊させることによって燃料の微粒化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射弁は、噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内のシート部に着座するニードルと、前記シート部よりも上流側に設けられ、前記燃料導入路から導入される燃料に前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する螺旋溝が設けられた旋回流生成部と、前記シート部よりも下流側に設けられ、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ前記噴孔へ燃料を供給する旋回増速部と、を備え、前記螺旋溝の下流側先端部は、前記ニードルが前記シート部に着座した状態で、前記シート部まで延びていることを特徴としている。

螺旋溝が、シート部まで延びていることにより、ニードルがシート部から離座した直後に旋回流が発生する。この結果、噴孔からの燃料噴射初期の時点から気泡を含んだ燃料を噴射することができる。ここで、螺旋溝の下流側先端部がシート部まで延びている状態とは、シート部がある程度の幅があり、シート部が帯状に分布しているときは、ニードルが着座した状態でその帯状のシート部内に下流側先端部が位置している状態を含む。また、下流側先端部がシート部の直上に位置している状態も含む。要は、着座した状態のときに燃料が漏れないように閉弁状態とすることができるとともに、ニードルが離座した直後から旋回流をシート部下流へ導入することができればよい。

前記ニードルは、先端部に半球形状部を備え、前記螺旋溝は、前記下流側先端部に向かって、溝深さが徐々に浅くなることが望ましい。ニードルの先端部に半球形状部を備えることにより、燃料通路となるニードルとノズルボディとの隙間を徐々に拡大することができる。すなわち、ニードルがリフトした場合、燃料通路となる隙間は、半球形状部の半径方向で形成される。このため、燃料流路が急激に拡大することを抑制することができる。仮に、ニードルの先端部をテーパ状とすると、燃料流路となるニードルとノズルボディとの隙間は、両者のテーパ面間距離となる。この場合、ニードルがリフトし始めると、燃料流路の面積が一気に増大する。この結果、燃料流路中の螺旋溝を流れる燃料の割合が減少することになり、旋回流生成の効果が抑制されてしまう。ニードルの先端部に半球形状部を備え、燃料流路の面積が徐々に増大することにより、ニードルの小リフト時においても、螺旋溝の効果を維持し、旋回流生成の効果を適切に得ることができる。

また、前記螺旋溝の溝深さが、前記下流側先端部に向かって、徐々に浅くなることにより、旋回増速部へ滑らかに旋回流を導入することができる。仮に、急激に溝深さが浅くなるなど、螺旋溝の形状が急激に変化すると、当該箇所で旋回流を妨げる渦が生じるおそれがある。螺旋溝の下流側先端部に向かって徐々に溝深さを浅くすれば、燃料は、上流側から螺旋溝に沿って流れることにより生成された旋回流を維持したまま旋回増速部へ導入される。

本明細書開示の燃料噴射装置は、上記の燃料噴射弁を備えるとともに、前記燃料噴射弁による燃料噴射量が少ないときに、前記ニードルのリフト量を小さくするとともに、前記燃料噴射弁による燃料噴射量が多いときに、前記ニードルのリフト量を大きくするリフト量変更手段を備えたことを特徴とする。

一般的に燃料噴射量の調整は、燃料噴射弁の開弁時間τによって規定される。これに対し、リフト量変更手段を用いてニードルのリフト量を変更することにより、旋回流を発生させるために有利な条件とすることができる。例えば、燃料噴射量が少ない場合に、リフト量を小さくすれば、まず、ニードルがリフトすることによって生じる隙間面積を含めた全燃料通路面積に対する螺旋溝の面積の割合が大きくなる。これにより、効率よく旋回流を生成することができる。また、リフト量を小さくすることにより、燃料噴射量が少量の場合であっても噴射期間を長く設定することができるようになる。この結果、旋回流生成部全体の螺旋溝を十分に利用することができるようになる。これにより、発生気泡径を小さくし、少ない燃料噴射量のときでも燃料の微粒化を図ることができる。

一方、燃料噴射量が多い場合に、リフト量を大きくすれば、必要な燃料流量を確保し易くなる。また、噴射期間を短くすることができるため、燃料の気化、混合、燃焼を考慮して、所望のタイミングで噴射する自由度が大きくなる。これらを考慮して噴射のタイミングを適切に設定することにより燃焼効率を高めることができる。

本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、噴孔からの燃料噴射初期の時点から気泡を含んだ燃料を噴射し、噴射後にその気泡を崩壊させることによって燃料の微粒化を図ることができる。

図１は、実施例の燃料噴射弁を搭載したエンジンシステムの一構成例を示す説明図である。 図２は、実施例の燃料噴射弁の要部を断面として示す説明図である。 図３は、比較例の燃料噴射弁の先端部を断面とし拡大して示す説明図である。 図４は、実施例の燃料噴射弁が小リフト状態であるときの先端部を拡大して示す説明図である。 図５は、実施例の燃料噴射弁が大リフト状態であるときの先端部を拡大して示す説明図である。 図６は、リフト量変更手段の構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料噴射弁３０を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジン１０００の一部の構成のみが示されている。

図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１０００を備えており、エンジン１０００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。エンジンシステム１は、エンジン１０００の燃焼室１１内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えている。エンジンＥＣＵ１０は、制御部の機能を備える。エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。

エンジン１０００は、車両に搭載されるエンジンであって、燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。ピストン１２は、エンジン１０００のシリンダに摺動自在に嵌合されている。そして、ピストン１２は、コネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。

吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入した吸入空気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定し燃料噴射弁５０に信号を送る。燃料噴射弁５０は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。燃料噴射弁５０より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合される。そして、吸入空気と混合された燃料は、点火プラグ１８によって点火されることで燃焼し、燃焼室１１内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１０００は動力を得る。

燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１０００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。吸気通路１４には、サージタンク２２が配置されている。

吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。

排気通路１６には、ターボチャージャ１９が設置されている。ターボチャージャ１９は、排気通路１６を流通する排気ガスの運動エネルギーを利用してタービンを回転させ、エアクリーナーを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラーへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラーで冷却された後に一旦サージタンク２２に貯留され、その後、吸気通路１４へと導入される。この場合、エンジン１０００は、ターボチャージャ１９を備える過給機付エンジンに限られず、自然吸気（Ｎａｔｕｒａｌ Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）エンジンであってもよい。

ピストン１２は、その頂面にキャビティを有する。キャビティは、燃料噴射弁５０の方向から点火プラグ１８の方向へと連続するなだらかな曲面によってその壁面が形成されており、燃料噴射弁５０から噴射された燃料を壁面形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導く。この場合、ピストン１２は、その頂面の中央部分に円環状にキャビティが形成されるリエントラント型燃焼室等、エンジン１０００の仕様に応じて任意の位置・形状でキャビティを形成することができる。

燃料噴射弁５０は、吸気ポート１３下部の燃焼室１１に装着されている。燃料噴射弁５０は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、燃料ポンプから燃料流路を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ５１先端部に設けられた噴孔５３より燃焼室１１内へ直接噴射する。噴射された燃料は、燃焼室１１内で霧化し吸入空気と混合されつつキャビティの形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導かれる。燃料噴射弁５０のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。

この燃料噴射弁５０は、吸気ポート１３下部に限られず燃焼室１１の任意の位置に設置することができる。例えば、燃焼室１１の中央上側から噴射するように配置することもできる。

なお、エンジン１０００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、その他、燃料噴射弁によって噴射可能などのような燃料を用いるエンジンであってもよい。エンジンシステム１は、エンジン１０００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。

次に、本発明の一実施例である燃料噴射弁５０の内部構成について、比較例である燃料噴射弁３０とともに詳細に説明する。図２は実施例の燃料噴射弁５０の要部を断面として示した説明図である。図３は、比較例の燃料噴射弁３０の先端部分を断面として示した説明図である。図４は、実施例の燃料噴射弁５０が小リフト状態であるときの先端部を拡大して示す説明図である。図５は、実施例の燃料噴射弁５０が大リフト状態であるときの先端部を拡大して示す説明図である。

実施例の燃料噴射弁５０は、ノズルボディ５１、ニードル５２、駆動機構６０を備えている。駆動機構６０はニードル５２の摺動動作を制御する。駆動機構６０は、圧電素子、電磁石などを用いたアクチュエータやニードル５２へ適切な圧力を付与する弾性部材など、ニードル５２が動作するのに適する部品を備えた従来から知られる機構である。以下の説明において、先端側とは図面中の下側を示し、基端側とは図面中の上側を示すこととする。

ノズルボディ５１の先端部には噴孔５３が設けられている。噴孔５３はノズルボディ３１の先端においてノズルボディ５１の軸に沿う方向に形成された単噴孔である。ノズルボディ５１の内部には、ニードル５２が着座するシート部５４が形成されている。ニードル５２は、ノズルボディ５１内に摺動自在に配置されることによって、ノズルボディ５１との間に燃料導入路５５を形成する。そして、ニードル５２は、ノズルボディ５１内のシート部５４に着座することによって燃料噴射弁５０を閉弁状態とする。ニードル５２は、駆動機構６０により上方に引き上げられ、シート部５４から離座することによって開弁状態となる。シート部５４は、噴孔５３から奥まった位置に設けられている。このため、ニードル５２が開弁状態にある場合、閉弁状態にある場合のいずれの場合であっても、噴孔３３は、外部と連通した状態となる。燃料噴射弁５０を燃焼室１１に露出した状態で装着する場合は、噴孔５３は、燃焼室１１と連通した状態となる。

燃料噴射弁５０は、シート部４よりも上流側に設けられ、燃料導入路５５から導入される燃料にニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部５２ａを備えている。旋回流生成部５２ａは、ニードル５２の先端部に設けられている。旋回流生成部５２ａは、ニードル５２の基端側と比較して径が拡大されている。旋回流生成部５２ａは、その先端部に半球形状部５２ｃを備えている。その半球形状部５２ｃがシート部５４に着座する。このように、旋回流生成部５２ａは、開弁時及び閉弁時にシート部５４よりも上流側に位置する。

旋回流生成部５２ａは、螺旋溝５２ｂを備えている。燃料導入路５５から導入される燃料がこの螺旋溝５２ｂを通過することによって、燃料の流れに旋回成分が付与され、燃料の旋回流が生成される。この螺旋溝５２ｂの下流側先端部５２ｂ１は、ニードル５２がシート部５４に着座した状態で、シート部５４まで延びている。ここで、螺旋溝５２ｂの下流側先端部５２ｂ１は、シート部５４の直上に位置し、ニードル５２がシート部５４に着座したときに燃料が漏れないように閉弁状態とすることができる。

螺旋溝５２ｂの下流側先端部５２ｂ１は、半球形状部５２ｃに位置している。螺旋溝５２ｂの溝深さは、下流側先端部５２ｂ１に向かって、徐々に浅くなっている。そして、最終的に、下流側先端部５２ｂ１において、深さは０となる。すなわち、上流側から流れてくる燃料を円滑にシート部５４の下流側に流すことができる形状となっている。

燃料噴射弁５０は、シート部５４よりも下流側に設けられ、旋回流生成部５２ａにおいて生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ噴孔５３へ燃料を供給する旋回増速部５６を備えている。旋回増速部５６は、シート部５４よりも下流部に位置する最小絞り部に向かって内周径が縮径して形成されている。ここで、最小絞り部は、シート部５４よりも下流部において、最も内周径が小さい位置に相当する。本実施例において、最小絞り部は、図２、図４及び図５に示すように、噴孔５３となっている。最小絞り部は、噴孔５３の開口部に限定されない。

旋回増速部５６は、シート部５４と噴孔５３との間に形成され、旋回流生成部５２ａを通過して旋回状態となった燃料の旋回速度を加速させる。旋回速度生成部５２ａで生成された旋回流の回転半径を徐々に狭める。旋回流は、縮径された狭い領域に流入することで、旋回速度が増す。旋回速度が増した旋回流は、噴孔５３内に気柱を形成する。

旋回増速部５６内で旋回流が加速すると、噴孔５３から旋回増速部５６内に強い旋回流が形成され、強い旋回流が旋回する中心に負圧が発生する。負圧が発生するとノズルボディ５１の外部の空気がノズルボディ５１内に吸引される。これにより噴孔５３内に気柱が発生する。こうして発生した気柱と燃料との界面において気泡が生成する。生成した気泡は気柱の周囲を流れる燃料に混入し、気泡混入流として外周側を流れる燃料流とともに噴射される。

このとき燃料流及び気泡混入流は、旋回流の遠心力により、中心から拡散するコーン状の噴霧が形成される。従って、噴孔５３から離れるほどコーン状の噴霧の径は大きくなるため、噴霧液膜が引き伸ばされて薄くなる。そして、液膜として維持できなくなり分裂する。この後、分裂後の噴霧は微細気泡の自己加圧効果によって径が小さくなり崩壊に至り超微細化噴霧となる。このように、燃料噴射弁５０により噴射された燃料の噴霧が微粒化されるため、燃焼室内における速やかな火炎伝播が実現され、安定した燃焼が行われる。

このように燃料噴霧の超微細化を図ることにより、燃料の気化が促進されると、ＰＭ（Particulate Matter）や、ＨＣ（炭化水素）の低減を図ることができる。また、熱効率も改善される。さらに、気泡が燃料噴射弁５０から噴射された後に破壊されることになるので、燃料噴射弁５０内のＥＧＲエロージョンを抑制することができる。

なお、燃料噴射弁５０が、燃焼室１１に装着された場合、噴孔５３に導入される気体は燃焼室１１内で混合気が燃焼した後の既燃ガスとなる。このように、本実施例の燃料噴射弁は、気柱を形成するために燃料噴射弁５０内に気体を導入する各別な構造を備える必要がないため、簡易な構成とすることができ、コスト面でも有利である。

本実施例の燃料噴射弁５０は、燃料の旋回流の遠心力によって噴霧角を広角とすることができる。これにより、空気との混合を促進することができる。また、噴霧に気泡、すなわち、圧縮性ガスを含むため、音が伝搬する臨界速度（音速）が小さくなる。燃料の流速は、音速を越えることができないという物理的性質のため、音速が遅くなると、燃料の流速が遅くなる。燃料の流速が遅くなると、ペネトレーションが小さくなってボア壁におけるオイル希釈が抑制されるという効果がある。また、気泡を含むことによって燃料の流速が遅くなると、同じ燃料噴射を確保するために噴孔径を大きく設定することになる。噴孔には、デポジットが堆積する。そして、このデポジット堆積に起因して噴射量が変化する。しかしながら、噴孔径が大きく設定され、噴射量が多くなると、デポジット堆積に起因する噴射量の変化（噴射変化量）に対する感度が低下する。すなわち、噴射量に対する噴射変化量の割合が低下することになるため、デポジット堆積に起因する噴射量の変化の影響が小さくなる。

また、燃料噴射弁５０は、旋回増速部５６により旋回半径を徐々に縮径するため、最小絞り部となる噴孔５３において旋回流が安定し、安定して気柱が発生する。安定して気柱が発生すると気柱の界面で発生する微細気泡の気泡径のバラツキが抑制される。また、微細気泡を含む燃料噴射の揺らぎが抑制される。この結果、噴射された微細気泡が圧壊（破裂）して形成される燃料粒の粒度分布が縮小し、均質な噴霧を得ることができる。また、気柱が安定して形成されることにより、エンジン１０００のサイクル間で燃料の粒度の変動が少ない噴霧を得ることができる。これらは、ＰＭ低減、ＨＣ低減、熱効率向上に資する。さらに、エンジン１０００の燃焼変動の少ない安定した運転が可能となることから、燃費向上、有害排気ガス低減、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の増加、Ａ／Ｆ（空燃比）のリーン化が可能となる。

本実施例の燃料噴射弁は、旋回流生成部５２ａで燃料を旋回させ、気柱を形成することによって微細気泡を生成する。ここで、燃料の旋回周波数と気泡径は相関関係を有する。また、気泡径と燃料噴射後の気泡の圧壊時間は相関関係を有する。

本実施例の燃料噴射弁５０は、旋回流生成部５２ａと、旋回増速部５６、噴孔５３の中心軸を一致させているが、これらの中心軸は必ずしも一致していなければならないものでない。燃料噴射弁５０のエンジン１０００への設置の都合や、その他の要求に基づいて、中心軸がずれることは許容される。

比較例の燃料噴射弁３０は、実施例の燃料噴射弁５０と同様に、ノズルボディ３１、ニードル３２、噴孔３３及びシート部３４を備える。また、燃料噴射弁３０には、燃料導入路３５が形成されている。また、燃料噴射弁５３は、旋回流生成部３２ａ、螺旋溝３２ｂを備える点においても燃料噴射弁３０と共通する。しかしながら、燃料噴射弁３０は、以下の点で燃料噴射弁５０と異なる。すなわち、燃料噴射弁５０は、その先端部に、半球形状部５２ｃを備えているのに対し、燃料噴射弁３０は、その先端部にテーパ部３２ｃを備えている。また、燃料噴射弁５０が備える螺旋溝５２ｂの下流側先端部５２ｂ１は、ニードル５２が着座した状態でシート部５４の直上に位置している。これに対し、燃料噴射弁３０が備える螺旋溝３２ｂの下流側先端部３２ｂ１は、シート部３４から距離を隔てた位置に配置されている。

このように、燃料噴射弁３０では、下流側先端部３２ｂ１とシート部３４との間に距離を隔てているため、開弁後に即座に旋回流が発生し難いことがある。また、燃料噴射弁３０では、燃料流路が急激に拡大し、螺旋溝３２ｂを通過する燃料の割合が少なくなってしまう。この結果、旋回流の生成の効果が弱まるおそれがある。

これに対し、実施例の燃料噴射弁５０の下流側先端部５２ｂ１は、ニードル５２がシート部５４に着座した状態で、シート部５４まで延びている。このため、開弁直後から、螺旋溝５２ｂを通過した燃料による旋回流生成効果を得ることができる。この結果、噴霧開始時から気泡を内包する燃料を噴射することができ、燃料の微粒化が可能となる。このように粗大液滴の発生が抑制され、粒度分布の揃った噴霧が可能となることにより、ＨＣやスモークの発生が抑制される。また、燃料全体の気化を促進されることから燃焼効率が高められる。

また、螺旋溝５２ｂの溝深さが、下流側先端部５２ｂ１に向かって、徐々に浅くなっている。これにより、螺旋溝５２ｂを通過した燃料が整流された状態で旋回増速部５６へ流入することができる。この結果、乱れの少ない旋回流が生成され、効率よく微細気泡を発生させることができる。

また、燃料噴射弁５０は、図４に示すようにニードル５２の小リフト状態のときであっても、半球形状部５２ｃとノズルボディ５１との隙間は大きくなり（図４中、隙間大の表示）、燃料が流通することができる。螺旋溝５２ｂの下流側先端部５２ｂ１は、半球形状部５２ｃに位置している。このため、燃料は、螺旋溝５２ｂを通過することによる旋回流生成効果を享受することができる。このとき、半球形状部５２ｃとノズルボディ５１との距離は比較例の燃料噴射弁３０よりは短く、螺旋溝５２ｂを流れる燃料の割合も大きい。このため、旋回流生成効果が大きい。

図６は、燃料噴射弁５０を備えた燃料噴射装置８０のブロック図である。燃料噴射装置８０は、エンジンＥＣＵ１０と、燃料噴射弁５０を含んでいる。燃料噴射弁５０は、駆動機構６０と、ストッパ移動機構７０を備えている。ストッパ移動機構は、リフト量変更手段の一例である。燃料噴射弁５０は、内部にストッパ７１を備えており、このストッパ７１の位置によってリフト量を調整することができる。ストッパ移動機構７０は、ニードル５２の駆動機構６０と同様に、圧電素子、電磁石などを用いたアクチュエータを備え、ストッパ７１を軸方向に移動させることができる。エンジンＥＣＵ１０の指令により、燃料噴射量が少ないときは、ストッパ７１が先端側に位置するようにストッパ移動機構７０が動作する。燃料噴射量が多いときは、ストッパ７１が基端側に位置するようにストッパ移動機構７０が動作する。ストッパ７１が基端側に移動することにより、図５に示すように燃料噴射弁５０は、大リフト状態となることができる。

燃料噴射量が少ない場合に、リフト量を小さくすることにより、まず、ニードル５２がリフトすることによって生じる隙間面積を含めた全燃料通路面積に対する螺旋溝５２ｂの面積の割合が大きくなる。これにより、効率よく旋回流を生成することができる。また、リフト量を小さくすることにより、燃料噴射量が少量の場合であっても噴射期間を長く設定することができるようになる。この結果、旋回流生成部５２ａ全体の螺旋溝５２ｂを十分に利用することができるようになる。これにより、発生気泡径を小さくし、少ない燃料噴射量のときでも燃料の微粒化を図ることができる。

一方、燃料噴射量が多い場合に、ニードル５２のリフト量を大きくすれば、必要な燃料流量を確保し易くなる。また、噴射期間を短くすることができるため、燃料の気化、混合、燃焼を考慮して、所望のタイミングで噴射する自由度が大きくなる。これらを考慮して噴射のタイミングを適切に設定することにより燃焼効率を高めることができる。なお、リフト量変更手段は、ニードル５２のリフト量を変更できるものであれば、他の構成であってもよい。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、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。

１ エンジンシステム
３０、５０ 燃料噴射弁
３１、５１ ノズルボディ
３１ｂ、５１ｂ 螺旋溝
３１ｂ１、５１ｂ１ 下流側先端部
３２、５２ ニードル
３２ａ、５２ａ 旋回流生成部
３２ｂ、５２ｂ 螺旋溝
３３、５３ 噴孔（最小絞り部）
３４、５４ シート部
３５、５５ 燃料導入路
３６、５６ 旋回増速部
７０ ストッパ移動機構
７１ ストッパ
８０ 燃料噴射装置
１０００ エンジン

Claims (3)

1. 噴孔が設けられたノズルボディと、
   前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内のシート部に着座するニードルと、
   前記シート部よりも上流側に設けられ、前記燃料導入路から導入される燃料に前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する螺旋溝が設けられた旋回流生成部と、
   前記シート部よりも下流側に設けられ、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ前記噴孔へ燃料を供給する旋回増速部と、を備え、
   前記螺旋溝の下流側先端部は、前記ニードルが前記シート部に着座した状態で、前記シート部まで延びていることを特徴とした燃料噴射弁。
2. 前記ニードルは、先端部に半球形状部を備え、前記螺旋溝は、下流側先端部に向かって、溝深さが徐々に浅くなることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 請求項１又は２記載の燃料噴射弁を備えるとともに、
   前記燃料噴射弁による燃料噴射量が少ないときに、前記ニードルのリフト量を小さくするとともに、前記燃料噴射弁による燃料噴射量が多いときに、前記ニードルのリフト量を大きくするリフト量変更手段を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。

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