JP2012246897A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴霧の高微粒化を可能にする燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】弁ボディ３０は、テーパ状の弁座３１、この弁座３１の下流側で軸方向に凹む凹部３４、及び弁座３１を凹部側へ延長した仮想面Ｃ上に位置する凹部３４の内壁から外壁へ通じる複数の噴孔３２を有する。ニードル弁４０は、弁座３１に着座及び離座可能な弁シート４１、及びこの弁シート４１の下流側で凹部３４側へ凸状の先端部４２を有する。弁シート４１の外径Ｄｓ、噴孔入口と先端部４２との間の距離Ａ、噴孔３２よりも中心軸側の凹部３４の内壁と先端部４２との間の距離Ｂ、噴孔入口側の内径ｄ１、および、噴孔出口側の内径ｄ２の関係は、０．０４８≦Ａ／Ｄｓ≦０．１８、Ｂ／Ｄｓ≦０．１８、ｄ２＞ｄ１、である。これにより、燃料噴射装置は、燃料の運動エネルギーを維持したまま、噴孔３２から噴射される燃料を薄い液膜にすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

従来より、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置が知られている。燃料噴射装置は、弁座及び噴孔を有する弁ボディと、この弁ボディの内側に往復移動可能に設けられたニードル弁とを備える。ニードル弁が弁座から離座すると噴孔から燃料が噴射され、弁座に着座すると噴孔からの燃料噴射が遮断される。
特許文献１に記載の燃料噴射装置は、テーパ状に形成された弁座を延長した仮想面上に噴孔の入口が設けられている。これにより、弁座を通過した燃料は、主流が噴孔入口に直接流入し、燃料の運動エネルギーが維持されたまま噴孔出口から噴射される。
特許文献２に記載の燃料噴射装置は、弁ボディの端部に板状の噴孔プレートを備えている。噴孔プレートは、テーパ状の噴孔を有している。これにより、噴孔の内周壁に燃料が案内され、噴孔出口から燃料が液膜状に噴射される。

特開２０１０−１６４０６０号公報 特開２００１−３１７４３１号公報

しかしながら、特許文献１の燃料噴射装置は、噴孔が円筒状であるので、噴孔から噴射される燃料の液膜が厚くなり、燃料噴霧の微粒化が十分にされないおそれがある。
特許文献２の燃料噴射装置は、弁座を通過した燃料が噴孔プレートの内壁に衝突した後、噴孔に流入する。このため、燃料の運動エネルギーが損失し、噴霧の微粒化が十分にされないおそれがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料噴霧の高微粒化を可能にする燃料噴射装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によると、燃料噴射装置は、弁ボディおよびニードル弁を備える。有底筒状に形成された弁ボディは、燃料の流れる燃料通路、この燃料通路を形成する内壁に設けられたテーパ状の弁座、この弁座の下流側で軸方向に凹む凹部、及び弁座を凹部側へ延長した仮想面上に位置する凹部の内壁から外壁へ通じる複数の噴孔を有する。
弁ボディの内側に往復移動可能に設けられたニードル弁は、弁座に着座及び離座可能な弁シート、及びこの弁シートの下流側で複数の噴孔と噴孔との間へ向けて凸状の先端部を有する。
弁シートの外径をＤｓとする。
弁シートが弁座から離座したとき、凹部の内壁側に位置する噴孔の入口と先端部との間の弁ボディにおける軸方向の距離をＡとする。
弁シートが弁座から離座したとき、噴孔よりも中心側の凹部の内壁と先端部との間の弁ボディにおける軸方向の距離をＢとする。
噴孔入口側の内径をｄ１、噴孔出口側の内径をｄ２とする。
このとき、Ｄｓ、Ａ、Ｂ、ｄ１およびｄ２は、
０．０４８≦Ａ／Ｄｓ≦０．１８、Ｂ／Ｄｓ≦０．１８、ｄ２＞ｄ１ の関係である。

噴孔の入口は、弁座を凹部側へ延長した仮想面上に位置するので、弁座を通過した燃料の主流が噴孔に直接流入する。これにより、燃料の運動エネルギーを維持したまま噴孔に燃料を導入することが可能になる。
Ａ／Ｄｓを小さくすると、噴孔の内周壁の中心軸が入口から出口に向けて弁ボディの中心軸から離れるように噴孔を設けたとき、弁座を通過した燃料の主流と、噴孔の中心軸とのなす角が小さくなる。これにより、燃料の主流が噴孔の内周壁に押し付けられる力が強くなり、燃料の速度勾配が大きくなる。したがって、噴孔から噴射された燃料の分裂が促進され、燃料の粒径が小さくなる。この臨界点としてＡ／Ｄｓ≦０．１８ が設定される。
但し、Ａ／Ｄｓを非常に小さくすると、速度勾配が大きくなるとともに、燃料の噴射速度が小さくなる。このため、噴孔から噴射された燃料の粒径が大きくなる。この臨界点として０．０４８≦Ａ／Ｄｓ が設定される。
また、Ｂ／Ｄｓを小さくすると、弁座を通過した燃料が先端部の中央付近を通過し、径方向反対側に位置する噴孔に流入する量が少なくなる。これにより、燃料の主流が噴孔の内周壁に押し付けられる力が強くなり、燃料の速度勾配が大きくなる。したがって、噴孔から噴射された燃料の粒径が小さくなる。この臨界点としてＢ／Ｄｓ≦０．１８ が設定される。
さらに上記構成に加え、ｄ２＞ｄ１ とすることで、燃料は運動エネルギーを維持したまま噴孔の内周壁に沿って流れる。これにより、噴孔の中心軸近傍から弁ボディにおける径外方向に位置する噴孔の内周壁近傍にかけて気相が大きく形成される。したがって、燃料噴射装置は、速度勾配を大きくするとともに、液膜を薄くすることが可能になるので、燃料噴霧を高微粒化することができる。

請求項２に記載の発明によると、噴孔の入口と出口との距離をＬとする。このとき、Ｌおよびｄ１は、Ｌ／ｄ１≧２．０ の関係である。
これにより、噴霧収縮率が許容範囲内となる。 噴霧収縮率＝実際に噴射された燃料の噴霧角（噴射角）／噴孔の傾き（目標噴射角） である。したがって、噴孔から噴射される燃料噴霧の噴射方向を制御することができる。

請求項３に記載の発明によると、複数の噴孔の入口は、弁ボディの軸を中心とした仮想円上に略等間隔で設けられる。
これにより、燃料通路から複数の噴孔に略同じ流量の燃料を導入することが可能になる。したがって、気筒内に燃料噴霧を均質に噴射し、混合気の均質性を高めることができる。

一般に、燃料噴射装置の設けられる内燃機関の気筒には、２個の吸気通路と２個の排気通路が設けられている。
そこで、請求項４に記載の発明によると、複数の噴孔は、弁ボディの軸を含む第１仮想面に対し対称に設けられる。
燃料噴射装置は、燃焼室内で一方の吸気通路と排気通路が設けられた領域と、他方の吸気通路と排気通路が設けられた領域とに、燃料噴霧を略均質に噴射することができる。

請求項５に記載の発明によると、燃料噴射装置は、内燃機関の点火プラグが設けられた気筒の燃焼室に弁ボディが露出するように設けられる。
複数の噴孔のうち点火プラグ側に位置する所定の噴孔は、噴孔の内周壁を燃焼室へ延長した仮想円錐面が、弁ボディの中心軸と所定の噴孔とを結ぶ仮想直線に垂直かつ所定の噴孔の出口外縁を通る第２仮想面に対し、弁ボディの中心軸側に位置するように設けられる。
これにより、燃料噴射装置は、燃焼室内でピストン側へ燃料を噴射することが可能になる。このため、噴孔から噴射された燃料の移動する距離が長くなり、燃料の高微粒化を促進することができる。

請求項６に記載の発明によると、所定の噴孔を除く複数の噴孔は、噴孔の内周壁の中心軸が入口から出口に向かい弁ボディの中心軸から離れるように設けられる。
これにより、弁座を通過する燃料の主流と噴孔の中心軸とのなす角が小さくなる。したがって、燃料の主流が噴孔の内周壁に押し付けられる力が強くなり、燃料の速度勾配を大きくすることができる。

請求項７に記載の発明によると、燃料噴射装置は、内燃機関の気筒の内壁、及び気筒内に往復移動可能に設けられたピストンの端面により形成された燃焼室に弁ボディが露出するように設けられる。
複数の噴孔は、ピストンが下死点にあるときの燃焼室内で、一の噴孔の内周壁を燃焼室へ延長した仮想円錐面と、他の噴孔の内周壁を燃焼室へ延長した仮想円錐面との間に空間が形成されるように設けられる。
これにより、燃焼室内に燃料噴霧を均質に噴射し、混合気の均質性を高めることができる。

請求項８に記載の発明によると、噴孔は入口側の内径ｄ１よりも出口側の内径ｄ２が大きいテーパ状に形成される。噴孔は、内周壁を燃焼室へ延長した仮想円錐面の縦断面の母線と母線とのなす角θ（以下「テーパ角θ」という）が、５＜θ＜３５（°）である。
これにより、弁座を通過した燃料の主流を噴孔に直接流入する構成の燃料噴射装置において、燃料噴霧を高微粒化することができる。

本発明の一実施形態による燃料噴射装置の断面図である。 図１のＩＩ部分の拡大図である。 図２のＩＩＩ部分の拡大図である。 図２のＩＶ方向の矢視図であり、ニードル弁を除いた図である。 図４のＶ−Ｖ線の断面図である。 本発明の一実施形態による燃料噴射装置の用いられる内燃機関の気筒の平面図である。 本発明の一実施形態による燃料噴射装置の用いられる内燃機関の断面図である。 （Ａ）本発明の一実施形態による燃料噴射装置の噴孔を流れる燃料の流速分布を示す模式図である。（Ｂ）従来の燃料噴射装置の噴孔を流れる燃料の流速分布を示す模式図である。 速度勾配、噴射速度または燃料の粒径と、Ａ／Ｄｓとの関係、および速度勾配と噴射速度との関係を示すグラフである。 速度勾配、噴射速度または燃料の粒径と、Ｂ／Ｄｓとの関係を示すグラフである。 噴霧の粒径または噴霧収縮率と、Ｌ／ｄ１との関係を示すグラフである。 燃料の粒径と噴孔のテーパ角との関係を示すグラフである。 流速勾配、噴霧の粒径または噴射角のばらつきと、Ｄｓ／Ｄｐとの関係を示すグラフである。 流量係数、面積減少率、剥離角、速度勾配または噴射速度と、弁シートと先端部とのなす角θ３との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による燃料噴射装置の用いられる内燃機関の断面図である。 本発明の他の実施形態による燃料噴射装置の用いられる内燃機関の断面図である。

以下、本発明による複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の一実施形態による燃料噴射装置を図１〜図１４に示す。本実施形態の燃料噴射装置１は、直噴式のガソリンエンジンに適用される。燃料噴射装置１は、図７に示すように、内燃機関のシリンダヘッド２に設けられる。シリンダヘッド２には、吸気通路３、排気通路４および点火プラグ５が設けられている。吸気通路３を吸気バルブ６が開閉し、排気通路４を排気バルブ７が開閉する。

燃料噴射装置１の構成を説明する。
図１に示すように、燃料噴射装置１は筒状に形成されたハウジング１０を備えている。ハウジング１０は、第１磁性部１１、非磁性部１２及び第２磁性部１３をこの順で一体に有している。非磁性部１２は、第１磁性部１１と第２磁性部１３との磁気的な短絡を防止する。
ハウジング１０の軸方向の一方の端部には入口部材１４が設けられている。入口部材１４に設けられた燃料入口１５には図示しない高圧ポンプによって加圧された燃料が供給される。燃料入口１５に供給された燃料は、燃料フィルタ１６を経由してハウジング１０の内側に流入する。

ハウジング１０の径外側に設けられたスプール１７にコイル１８が巻回されている。コイル１８の径外側にプレートハウジング１９が設けられている。コイル１８の径内側には、ハウジング１０を挟んで固定コア２０と可動コア２１とが設けられている。固定コア２０はハウジング１０に固定され、可動コア２１は軸方向に往復移動可能である。プレートハウジング１９、固定コア２０および可動コア２１は、磁性体から形成されている。
固定コア２０の内側と可動コア２１の内側に跨り、コイルスプリング２２が設けられている。コイルスプリング２２は、固定コア２０に圧入されたアジャスティングパイプ２３によって荷重が調節されている。コイルスプリング２２は、可動コア２１を固定コア２０から離れる方向に付勢している。
コネクタ２４の端子２５からコイル１８に通電されると、固定コア２０、第１磁性部１１、プレートハウジング１９、第２磁性部１３及び可動コア２１によって形成された磁気回路に磁束が流れ、可動コア２１が固定コア２０に磁気吸引される。

ハウジング１０の他方の端部に筒状のノズルホルダ２６が設けられている。ノズルホルダ２６のハウジング１０と反対側の端部に有底筒状の弁ボディ３０が設けられている。
ニードル弁４０は、ハウジング１０の内側、ノズルホルダ２６の内側、及び弁ボディ３０の内側に跨り、往復移動可能に設けられている。ニードル弁４０は、可動コア２１に固定されており、可動コア２１と共に移動する。ニードル弁４０が弁ボディ３０に形成された弁座３１から離座すると、噴孔３２から燃料が噴射され、弁座３１に着座すると噴孔３２からの燃料噴射が遮断される。

図２に示すように、弁ボディ３０は、燃料通路３３を形成する内壁に、先端に向けて内径が小さくなるテーパ状の弁座３１を有している。
弁ボディ３０は、弁座３１の下流側で軸方向に凹む凹部３４を有している。凹部３４は、縦断面が直線のテーパ状に内壁が形成され、縦断面が曲線の球面に外壁が形成されている。
弁ボディ３０は、凹部３４の内壁から外壁へ通じる複数の噴孔３２を有している。複数の噴孔３２は、その入口がテーパ状の弁座３１を凹部側へ延長した仮想円錐面Ｃ上に位置する凹部３４の内壁に設けられている。これにより、弁座３１を通過した燃料の主流が噴孔３２に直接導入される。なお、燃料の主流とは、燃料の流れのうち流量（ｍ³／ｓ）の最も多いところをいう。

ニードル弁４０は、弁ボディ３０の弁座３１に着座及び離座可能な弁シート４１を有している。また、ニードル弁４０は、弁シート４１の下流側で、複数の噴孔３２と噴孔３２との間へ向けて凸状の先端部４２を有している。弁シート４１の縦断面の母線と母線のなす角θ１（「弁シート中心角θ１」という）は、８０〜１３０（°）である。弁座３１の縦断面の母線と母線のなす角θ２（「弁座中心角θ２」という）は、弁シート中心角θ１とほぼ同じか僅かに小さい。
また、弁シート４１と先端部４２とのなす角θ３は、１８≦θ３≦２７（°）である。
ニードル弁４０の弁シート４１と、弁ボディ３０の弁座３１及び凹部３４との間に燃料室３５が形成されている。燃料通路３３から弁座３１と弁シート４１との間を通過した燃料は、燃料室３５を通り、噴孔３２に導入される。

ここで、弁シート４１の外径をＤｓとする。
ニードル弁４０が弁座３１からフルリフトした状態において、噴孔３２の入口と先端部４２との間の弁ボディ３０における軸方向の距離をＡとする。
ニードル弁４０が弁座３１からフルリフトした状態において、噴孔３２よりも中心側の凹部３４の内壁と先端部４２との間の弁ボディ３０における軸方向の距離をＢとする。
このとき、Ｄｓ、ＡおよびＢは、
０．０４８≦Ａ／Ｄｓ≦０．１８、
Ｂ／Ｄｓ≦０．１８ である。

図３に示すように、噴孔３２の内周壁を延長した仮想円錐の中心軸を、噴孔３２の中心軸Ｐという。弁ボディ３０の内壁の延長線と噴孔３２の中心軸Ｐとの交点を含む仮想円錐の内径を噴孔入口側内径ｄ１とする。弁ボディ３０の外壁の延長線と噴孔３２の中心軸Ｐとの交点を含む仮想円錐の内径を噴孔出口側内径ｄ２とする。弁ボディ３０の内壁の延長線と噴孔３２の中心軸Ｐとの交点と、弁ボディ３０の外壁の延長線と噴孔３２の中心軸Ｐとの交点との距離を噴孔長Ｌとする。
噴孔入口側内径ｄ１および噴孔出口側内径ｄ２は、ｄ１＜ｄ２ である。これにより、噴孔３２は、テーパ状に形成される。
噴孔長Ｌおよび噴孔入口側内径ｄ１は、Ｌ／ｄ１≧２．０ である。
また、噴孔３２の内周壁を延長した仮想円錐の縦断面の母線と母線とのなす角度θ（以下「テーパ角」という）は、好ましくは、５＜θ＜３５（°）であり、さらに好ましくは１５＜θ＜３５（°）であり、さらに好ましくは２０＜θ＜３０（°）である。
弁ボディの中心軸側に位置する噴孔の内壁と、弁ボディの中心軸Ｏとのなす角θ４は、
−４５＜θ４＜４５（°）であり、好ましくは、−４０＜θ４＜４０（°）である。

図４に示すように、複数の噴孔３２の入口は、弁ボディ３０の中心軸Ｏを中心とした仮想円Ｄ上に略等間隔で設けられている。これにより、燃料通路３３から燃料室３５を通り、複数の噴孔３２に略同じ流量の燃料が導入される。仮想円Ｄの直径をＤｐとすると、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３ である。なお、図４では、ニードル弁４０の外縁を破線４０で示している。
複数の噴孔３２は、中心軸Ｐが弁ボディ３０の中心軸Ｏを含む第１仮想面Ｅに対し、対称に設けられている。これにより、図６に示すように、燃焼室８内で一方の吸気通路３と排気通路４が設けられた領域αと、他方の吸気通路３と排気通路４が設けられた領域βとに、燃料噴霧が略均質に噴射される。なお、図６では、一方の領域αと他方の領域βとを一点鎖線Ｅにより概念的に分け、燃料噴霧を概念的に破線で示している。

図４に示すように、複数の噴孔３２のうち点火プラグ側に位置する噴孔３２のうち、少なくとも１つの所定の噴孔３２１は、いわゆる内開きに設けられている。点火プラグ側に位置する噴孔３２とは、弁ボディの中心軸Ｏを含み、仮想面Ｅに垂直な仮想面Ｉよりも点火プラグ側に位置する噴孔をいう。
図５に示すように、弁ボディ３０の中心軸Ｏと所定の噴孔３２１とを結ぶ仮想直線Ｆに垂直、かつ、所定の噴孔３２１の出口外縁を通る仮想面を第２仮想面Ｇとする。所定の噴孔３２１が内開きとは、所定の噴孔３２１の内周壁を燃焼室８へ延長した仮想円錐Ｈが、第２仮想面Ｇに対して弁ボディ３０の中心軸Ｏ側に位置することをいう。
これに対し、所定の噴孔３２１を除く複数の噴孔３２は、噴孔３２の内周壁の中心軸Ｐが入口から出口に向かい弁ボディ３０の中心軸Ｏから離れるように設けられる。
これにより、図７に示すように、燃料噴射装置１は、燃焼室内でピストン側へ燃料が噴射される。したがって、噴孔３２から噴射された燃料の移動する距離が長くなり、燃料の高微粒化が促進される。
また、複数の噴孔３２は、ピストン９が下死点にあるときの燃焼室内で、一の噴孔３２の内周壁を燃焼室８へ延長した仮想円錐面と、他の噴孔３２の内周壁を燃焼室８へ延長した仮想円錐面との間に空間γが形成されるように設けられる。これにより、燃焼室内に燃料噴霧が均質に噴射され、混合気の均質性が高まる。
なお、図７では、説明を簡単にするため、２個の噴孔３２の仮想円錐面のみを示している。また、図７の矢印Ｔは、タンブル流を示している。

次に、本実施形態の燃料噴射装置１の作用効果を説明する。
（１）本実施形態の燃料噴射装置１の噴孔３２を流れる燃料の流速分布を図８（Ａ）に示す。図８（Ａ）では、符号ＸおよびＹを付した部分が液相Ｘおよび液相Ｙであり、符号Ｚの部分は気相Ｚである。液相Ｘが最も流量が多く、次に液相Ｙの流量が多い。
本実施形態では、噴孔３２を入口の内径よりも出口の内径が大きいテーパ状に形成することで、図８（Ａ）に示すように、燃料は噴孔３２の内周壁に沿って流れる。このため、噴孔３２を流れる燃料は、弁ボディ３０における中心軸Ｏ側（径内方向）に位置する噴孔３２の内周壁近傍の流量が多い。液相Ｘ，Ｙは、噴孔３２の内周壁に沿って薄く広がる。そして、噴孔３２の中心軸Ｐ近傍から弁ボディ３０における径外方向に位置する噴孔３２の内周壁近傍にかけて気相Ｚが大きく形成される。
これにより、噴孔３２から燃料は薄い液膜となって噴射される。本実施形態では、噴孔３２から噴射された燃料は、燃料の運動エネルギーが維持され、速度勾配が大きいので、液膜の分裂が促進される。したがって、燃料噴霧を高微粒化することができる。
これに対し、従来の燃料噴射装置１の円筒状の噴孔３２を流れる燃料の流速分布を図８（Ｂ）に示す。図８（Ｂ）では、符号ＵおよびＶを付した部分が液相Ｕおよび液相Ｖであり、符号Ｗの部分は気相Ｗである。液相Ｕが最も流量が多く、次に液相Ｖの流量が多い。
図８（Ｂ）に示すように、従来の燃料噴射装置の円筒状の噴孔３２では、液相Ｕ、Ｖは、弁ボディ３０における径内方向に位置する噴孔３２の内周壁から噴孔３２の中心軸Ｐ近傍を流れる。弁ボディ３０における径外方向に位置する噴孔３２の内周壁近傍に小さく気相Ｗが形成される。これにより、噴孔３２から噴射される燃料の液膜が厚くなり、液膜の分裂が低減することが懸念される。

（２）速度勾配とＡ／Ｄｓとの関係、および噴射速度とＡ／Ｄｓとの関係を図９（Ａ）に示す。燃料の粒径とＡ／Ｄｓとの関係を図９（Ｂ）に示す。速度勾配と噴射速度との関係を図９（Ｃ）に示す。
噴孔３２の内周壁の中心軸Ｐが入口から出口に向けて弁ボディ３０の中心軸Ｏから離れるように噴孔３２を設けたとき、噴孔３２の入口と先端部４２との間の距離Ａを大きくすると、弁座３１を通過した燃料の主流と、噴孔３２の中心軸Ｐとのなす角が大きくなる。これにより、燃料の主流が噴孔３２の内周壁に押し付けられる力が弱くなる。したがって、図９（Ａ）に示すように、０．１８＜Ａ／Ｄｓのとき、速度勾配が小さくなる。
速度勾配が小さくなると、噴孔３２から噴射された燃料の分裂が促進されない。このため、図９（Ｂ）に示すように、０．１８＜Ａ／Ｄｓのとき、燃料噴霧の粒径が大きくなる。
なお、燃料噴霧の粒径は、ＳＭＤ（Ｓａｕｔｅｒ ｍｅａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ）によるものである。

ここで、図９（Ｃ）に示すように、速度勾配を大きくすると、噴孔出口から燃料噴霧が噴射される噴射速度が小さくなる。
このため、図９（Ａ）に示すように、Ａ／Ｄｓ＜０．０４８のとき、噴射速度が小さくなる。噴射速度が小さくなると、噴孔３２から噴射された燃料の分裂が促進されない。このため、図９（Ｂ）に示すように、Ａ／Ｄｓ＜０．０４８のとき、燃料噴霧の粒径が大きくなる。
よって、本実施形態では、噴孔３２の入口と先端部４２との間の距離Ａと、弁シート４１の外径Ｄｓとの関係を０．０４８≦Ａ／Ｄｓ≦０．１８ としている。

（３） 速度勾配とＢ／Ｄｓとの関係、および噴射速度とＢ／Ｄｓとの関係を図１０（Ａ）に示す。燃料の粒径とＢ／Ｄｓとの関係を図１０（Ｂ）に示す。
噴孔３２よりも中心側の凹部３４の内壁と先端部４２との間の距離Ｂを大きくすると、弁座３１を通過した燃料が燃料室３５の中央付近を通過し、径方向反対側に位置する噴孔３２に流入する量が多くなる。これにより、燃料の主流が噴孔３２の内周壁に押し付けられる力が弱くなる。
したがって、図１０（Ａ）に示すように、０．１８＜Ｂ／Ｄｓのとき、速度勾配が小さくなる。このため、図１０（Ｂ）に示すように、０．１８＜Ｂ／Ｄｓのとき、燃料噴霧の粒径が大きくなる。なお、距離Ｂを変えたとき、噴射速度は略一定である。
よって、本実施形態では、噴孔３２よりも中心側の凹部３４の内壁と先端部４２との間の距離Ｂと、弁シート４１の外径Ｄｓとの関係をＢ／Ｄｓ≦０．１８ としている。

（４）噴霧の粒径とＬ／ｄ１との関係を図１１（Ａ）に示し、噴霧収縮率とＬ／ｄ１との関係を図１１（Ｂ）に示す。噴霧収縮率とは、実際に噴射された燃料の噴霧角（噴射角）／噴孔の傾き（目標噴射角） をいう。
噴孔３２を流れる燃料は、弁ボディ３０の中心軸Ｏ側に位置する噴孔３２の内周壁の流量が多い。このため、噴孔３２から噴射される燃料噴霧の噴射方向は、弁ボディ３０の径内方向の噴孔３２の内周壁によって制御される。弁ボディ３０の径内方向の噴孔３２の内周壁が長ければ、噴霧収縮率が１．０に近似する。これに対し、弁ボディ３０の径内方向の噴孔３２の内周壁が短ければ、噴霧収縮率が小さくなる。したがって、図１１（Ｂ）に示すように、Ｌ＜２．０ のとき、噴霧収縮率が小さくなる。噴霧収縮率が小さくなると、気筒内に燃料噴霧を均質に噴射することが困難になる。
よって、本実施形態では、噴孔長Ｌと噴孔入口側内径ｄ１との関係を、Ｌ／ｄ１≧２．０ としている。これにより、噴孔３２から噴射される燃料噴霧の噴射方向を制御することができる。

（５）燃料の粒径と噴孔３２のテーパ角θとの関係を図１２に示す。テーパ角θとは、噴孔３２の内周壁を延長した仮想円錐の縦断面の母線と母線とのなす角θをいう。
図１２に示すように、噴孔３２のテーパ角θが、５＜θ＜３５（°）とき噴霧の粒径が小さく、１５＜θ＜３５（°）のとき噴霧の粒径がさらに小さく、２０＜θ＜３０（°）のとき噴霧の粒径がさらに小さい。
本実施形態では、噴孔３２のテーパ角θが５〜３５（°）の範囲で、燃料噴射装置１の適用されるエンジンの感度に応じ、燃料噴霧の粒径が許容範囲となるように設定される。

（６）流速勾配とＤｓ／Ｄｐとの関係を図１３（Ａ）に示し、噴霧の粒径とＤｓ／Ｄｐとの関係を図１３（Ｂ）に示し、噴射角のばらつきとＤｓ／Ｄｐとの関係を図１３（Ｃ）に示す。
図１３（Ａ）に示すように、Ｄｓ／Ｄｐの値を小さくすると、速度勾配が小さくなる。これに伴い、図１３（Ｂ）に示すように、Ｄｓ／Ｄｐの値を小さくすると、粒径が大きくなる。そして、図１３（Ｃ）に示すように、Ｄｓ／Ｄｐ＜１．５のときと、Ｄｓ／Ｄｐ＞３．０のときは、噴孔３２の角度に対する燃料噴霧の噴射角のばらつきが大きくなる。
よって、本実施形態では、噴孔入口の設けられる仮想円Ｄの直径Ｄｐと弁シート４１の外径Ｄｓとの関係を、１．５≦Ｄｓ／Ｄｐ≦３ としている。

（７）弁シート４１と先端部４２とのなす角θ３と、流量係数との関係を図１４（Ａ）に示し、角θ３と面積減少率との関係を図１４（Ｂ）に示し、角θ３と剥離角との関係を図１４（Ｃ）に示し、角θ３と速度勾配との関係を図１４（Ｄ）に示し、角θ３と噴射速度との関係を図１４（Ｅ）に示す。
図１４（Ａ）に示すように、角θ３が１８〜２７（°）の範囲で、流量係数が０．６以上になる。図１４（Ｂ）に示すように、角θ３が大きくなるに従い、燃料室３５の断面積の減少率が小さくなる。一方、図１４（Ｃ）に示すように、角θ３が大きくなるに従い、先端部４２から燃料の剥離する度合いが増加する。
また、図１４（Ｄ）に示すように、角θ３が大きくなるに従い、速度勾配が低下する。図１４（Ｅ）に示すように、角θ３が大きくなるに従い、噴射速度が大きくなる。
本実施形態では、弁シート４１と先端部４２とのなす角θ３を、１８≦θ３≦２７（°）とすることで、燃料の主流がシート部を通過した後、噴孔入口に到達するまでの燃料の運動エネルギーの損失を抑制することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による燃料噴射装置１の用いられる内燃機関を図１５に示す。以下複数の実施形態において、上述した第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態においても、複数の噴孔３２のうち点火プラグ側に位置する所定の噴孔３２１は、いわゆる内開きに設けられている。このため、燃料噴射装置１は、燃焼室内でピストン側へ燃料が噴射される。
また、複数の噴孔３２は、ピストン９が下死点にあるときの燃焼室内で、一の噴孔３２の内周壁を燃焼室８へ延長した仮想円錐面と、他の噴孔３２の内周壁を燃焼室８へ延長した仮想円錐面との間に空間γが形成されるように設けられる。これにより、燃焼室内に燃料噴霧が均質に噴射され、混合気の均質性が高まる。
なお、図１５では、説明を簡単にするため、２個の噴孔３２の仮想円錐面のみを示している。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、内燃機関の気筒の側面に燃料噴射装置を取り付けた。これに対し、本発明は、図１６に示すように、気筒の中央付近に燃料噴射装置を取り付けてもよい。
また、燃料噴射装置は、吸気通路または排気通路に取り付けてもよい。
上述した実施形態では、ガソリンエンジンに適用される燃料噴射装置について説明した。これに対し、本発明は、ディーゼルエンジンに適用してもよい。
上述した実施形態では、弁ボディに６個の噴孔を設けた。これに対し、本発明は、噴孔の個数に限定されない。
上述した実施形態では、弁ボディの先端を球状に形成した。これに対し、本発明は、弁ボディの先端は平面であってもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

１ ・・・燃料噴射装置
３０・・・弁ボディ
３１・・・弁座
３２・・・噴孔
３３・・・燃料通路
３４・・・凹部
４０・・・ニードル弁
４１・・・弁シート
４２・・・先端部

Claims (8)

1. 有底筒状に形成され、燃料の流れる燃料通路、この燃料通路を形成する内壁に設けられたテーパ状の弁座、この弁座の下流側で軸方向に凹む凹部、及び前記弁座を前記凹部側へ延長した仮想面上に位置する前記凹部の内壁から外壁へ通じる複数の噴孔を有する弁ボディと、
   前記弁ボディの内側に往復移動可能に設けられ、前記弁座に着座及び離座可能な弁シート、及びこの弁シートの下流側で複数の前記噴孔と前記噴孔との間へ向けて凸状の先端部を有するニードル弁と、を備え、
   前記弁シートの外径をＤｓ、
   前記弁シートが前記弁座から離座したとき、前記凹部の内壁側に位置する前記噴孔の入口と前記先端部との間の前記弁ボディにおける軸方向の距離をＡ、
   前記弁シートが前記弁座から離座したとき、前記噴孔よりも中心側の前記凹部の内壁と前記先端部との間の前記弁ボディにおける軸方向の距離をＢ、
   噴孔入口側の内径をｄ１、噴孔出口側の内径をｄ２とすると、
   ０．０４８≦Ａ／Ｄｓ≦０．１８、
   Ｂ／Ｄｓ≦０．１８、
   ｄ２＞ｄ１ の関係であることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記噴孔の入口と出口との距離をＬとすると、
   Ｌ／ｄ１≧２．０ の関係であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 複数の前記噴孔の入口は、前記弁ボディの軸を中心とした仮想円上に等間隔で設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
4. 複数の前記噴孔は、前記弁ボディの軸を含む第１仮想面に対し対称に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
5. 前記燃料噴射装置は、内燃機関の点火プラグが設けられた気筒の燃焼室に前記弁ボディが露出するように設けられ、
   複数の前記噴孔のうち前記点火プラグ側に位置する少なくとも１つの所定の噴孔は、前記噴孔の内周壁を前記燃焼室へ延長した仮想円錐面が、前記弁ボディの中心軸と前記所定の噴孔とを結ぶ仮想直線に垂直かつ前記所定の噴孔の出口外縁を通る第２仮想面に対し、前記弁ボディの中心軸側に位置するように設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
6. 前記所定の噴孔を除く複数の噴孔は、前記噴孔の内周壁の中心軸が入口から出口に向かい前記弁ボディの中心軸から離れるように設けられることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射装置。
7. 前記燃料噴射装置は、内燃機関の気筒の内壁、及び前記気筒内に往復移動可能に設けられたピストンの端面により形成された燃焼室に前記弁ボディが露出するように設けられ、
   複数の前記噴孔は、前記ピストンが下死点にあるときの前記燃焼室内で、一の噴孔の内周壁を前記燃焼室へ延長した仮想円錐面と、他の噴孔の内周壁を前記燃焼室へ延長した仮想円錐面との間に空間が形成されるように設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
8. 前記噴孔は入口側の内径ｄ１よりも出口側の内径ｄ２が大きいテーパ状に形成され、
   前記噴孔は、内周壁を前記燃焼室へ延長した仮想円錐面の縦断面の母線と母線とのなす角θが、５＜θ＜３５（°）であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。

Images