JP3854447B2 - 燃料噴射装置および燃料噴射装置の設計方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料に旋回エネルギ−を与えてそれを自動車用エンジンなどの内燃機関の燃焼室内に供給するための燃料噴射装置、およびその設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射装置として、従来からニードル弁やボール弁などの弁体を有する筒状の弁本体の出口に燃料噴射口を有する弁座を設け、外部から供給される燃料を燃料旋回体により旋回させて上記燃料噴射口に供給する技術が特開平１０−４７２０８号公報や特開平１０−２０５４０８号公報などで知られている。これらの技術においては、弁体の先端部の一部が弁座の一部と離接することにより燃料旋回体と燃料噴射口との連通路が開閉される。この連通路が全開状態であるときの弁体と弁座との隙間の最小開口面積をＳ1 とし、燃料噴射口の軸に直交する断面積をＳ2 とすると、燃料の流量はＳ1 およびＳ2 が大きい程多くなる。
【０００３】
ところで最小開口面積Ｓ1 が燃料噴射口の断面積Ｓ2 より大きいと、噴射の初期に燃料噴射口から旋回エネルギー量の乏しい燃料が多量に噴射され、これらの燃料は旋回エネルギー量が乏しいために噴霧の拡散性並びに燃料の微粒子化が不十分であってエンジンのシリンダー内での燃焼性が悪くなる問題がある。一方、その逆に最小開口面積Ｓ1 が断面積Ｓ2 より小さいと、上記の問題は解消あるいは軽減する。しかし上記Ｓ1 が上記Ｓ2 より過度に小さいと、燃料の上記連通路における流動抵抗が大きいために燃料旋回体により付与された燃料の旋回エネルギーが減衰して噴霧角のバラツキが大きくなり、あるいは噴霧の拡散性並びに燃料の微粒子化が不十分となってエンジンのシリンダー内での燃焼性が悪くなる問題がある。
【０００４】
旋回エネルギーを有する燃料は、燃料噴射口を通過する際にこの燃料噴射口の断面積Ｓ2 の全てを満たして流動するのではなく、主として燃料噴射口の内壁の近傍に寄って流動して燃料噴射口の内部には空洞が生じる。特開平１０−４７２０８号公報では、上記空洞を持続せしめて旋回燃料の流れを安定化させる目的から、Ｓ2 をＳ1 より大きくする技術を開示しているが、Ｓ1 が過少である場合の上記問題については言及がない。一方、特開平１０−２０５４０８号公報では、特開平１０−４７２０８号公報の場合とは逆にＳ2 をＳ1 より小さくする技術を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した斯界の諸問題並びに従来技術の現状に鑑み、本発明は燃料の旋回エネルギーの低下を軽減して、燃料の微粒子化や燃焼性を向上し得る燃料噴射装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料噴射装置は、（１）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置において、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交する平均断面積Ｓ3より大きくなるように、平均断面積Ｓ 3 は、下式にて求められるものであることを特徴とする燃料噴射装置。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
（２）上記（１）において、燃料旋回室は、燃料旋回体と弁体と弁座の各壁により囲繞されて形成されているものである。
（３）上記（１）において、燃料旋回室は円形環状であり、スワール溝は上記燃料旋回室の接線方向に延在するものである。
（４）上記（１）において、燃料旋回体と弁座とが当接する面は、軸に対して傾斜しているものである。
（５）上記（４）において、軸に対する傾斜角は、４５°以上〜９０°未満である。
（６）上記（１）において、スワール溝は、その溝断面形状が非方形であり、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいものである。
本発明による燃料噴射装置の設計方法は、（７）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置の運転方法において、上記弁座のシート角θ、上記燃料噴射口の内径Ｄｅ、上記スワール溝の総断面積Ａ、上記スワール溝の中心線の上記燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および上記弁座と上記燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交し、且つ下式にて求められる平均断面積Ｓ3より大きくなるように、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさを調節することを特徴とするものである。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍 の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
【０００７】
【発明の実施の態様】
実施の態様１．
図１〜図５は、いずれも本発明の実施の態様１を説明するための説明図であって、図１は燃料噴射装置の断面図であり、図２は燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図であり、図３は図２のIII − III線に沿った断面図であり、図４は図２のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は弁座の部分拡大断面図である。図３および図４では、燃料旋回体のそれぞれ弁座側面および燃料受入側面の各平面図が示されている。
【０００８】
図１〜図５において、１は燃料噴射装置、２は燃料噴射装置１の外部ハウジング、３は燃料噴射弁、４は燃料供給管、５はエンジンのシリンダーヘッド、６は電磁コイル６１その他を有し、弁体の一例たるニードル弁７を作動せしめる弁作動装置である。燃料噴射装置１の先端は、エンジンのシリンダーヘッド５の燃料噴射装置挿入孔５１に挿入設置されている。燃料噴射弁３は、弁ホルダ３１、ニードル弁７、燃料旋回体８、および燃料噴射口９１を有する弁座９の各部品がアセンブルされた構造を有し、燃料旋回体８は燃料供給管４から供給される燃料に旋回エネルギ−を与えてそれを弁座９の燃料噴射口９１に供給する機能をなす。８３は、燃料旋回体８の筒孔であって、ニードル弁７の先端部は筒孔８３に挿通されてその最先端は燃料噴射口９１の入口に達している。
【０００９】
燃料旋回体８の外周壁は、図３と図４とから分かる通り六角形を呈し、このために円筒状を呈する弁ホルダ３１の内壁と燃料旋回体８の外周壁との間には６個の片面凸レンズ形の隙間８４が生じる。これら隙間８４は、燃料通路として機能する。燃料旋回体８の弁座側面８１上には、上記６個の隙間８４の各開口端のそれぞれから燃料旋回体８の筒孔８３の方向に向かう６個の、溝断面形状が方形のスワール溝８５が設けられており、燃料旋回体８と弁座９との間には各スワール溝８５と弁座９の表面壁にて形成される６個のスワール通路８７（図３参照）が存在する。また燃料旋回体８の筒孔８３の開口端には、筒孔８３と同心円状に環状溝８８が設けられており、この環状溝８８と弁座９の表面壁とニードル弁７の側壁とで円形環状の燃料旋回室８９（図２参照）が形成されている。６個のスワール通路８７は、図３に示す通り、燃料旋回室８９の接線方向に延在して燃料旋回室８９に、また燃料旋回室８９は燃料噴射口９１にそれぞれ連通している。
【００１０】
燃料供給管４から供給される燃料は、燃料旋回体８の燃料受入側面８２に到ると６個の隙間８４に分かれて燃料旋回体８の弁座側面８１に到り、ついでスワール通路８７を経る間に旋回エネルギ−が付与されて燃料旋回室８９に到り、最後に弁座９の燃料噴射口９１から噴射される。その際、ニードル弁７は、燃料旋回体８の筒孔８３内を軸方向に往復動することにより弁座９に離接して燃料旋回室８９と燃料噴射口９１との連通路を開閉する。
【００１１】
つぎに燃料に旋回エネルギーを付与する機構について説明する。前述のようにスワール通路８７中を流れる燃料は、このスワール通路８７の長さがその通路の断面積に対して比較的長く設定されており、具体的には通路長を通路の内径で除した比は２以上としているので、スワール通路８７の出口部の流速分布はほぼ均一化されている。なおその際、スワール通路８７の通路内径は、該通路の断面積に等しい円形通路の径とする。スワール通路８７より流出する燃料の流速Ｖ１は下式（１）となる。
Ｖ１ ＝Ｑ／Ａ ・・・ （１）
ここに、Ｑは燃料旋回体８に供給される燃料の静的流量（ｍ３ ／ｓ）であり、Ａはスワール通路８７の総断面積（ｍ２ ）である。図３の例では、Ａは６個のスワール通路８７の各断面積の和となる。
スワール通路８７の出口から流出した燃料は、燃料旋回室８９で合流して旋回運動をなし、その時の旋回流の渦度Ｅ１は下式（２）となる。
Ｅ１ ＝Ｖ１ Ｄｉ ・・・ （２）
ここに、Ｄｉはオフセット量（各スワール通路８７の中心線と、燃料旋回室８９の中心を通り上記スワール通路８７の中心線と平行な線との間の距離）の２倍の長さ（ｍ）である。
【００１２】
燃料旋回室８９で旋回流となった燃料は、燃料旋回室８９からニードル弁７と弁座９との間の隙間を通って燃料噴射口９１に入り、そこで旋回運動を起こしながら燃料噴射口９１の外へ噴射される。図５において梨地Ｆは燃料噴射口９１の前後における燃料の流れを示し、９２はニードル弁７の全開状態におけるニードル弁７と弁座９との間の最小開口部を示し、θは弁座９のシート角を示す。
【００１３】
旋回エネルギーを有する燃料は、前記した通り、燃料噴射口９１を通過する際にこの燃料噴射口９１の断面積Ｓ2の全てを満たして流動するのではなく、主として燃料噴射口９１の内壁の近傍に寄って流動し、ために燃料噴射口９１の内部には空洞が生じる。燃料噴射口９１内におけるの燃料流Ｆは、かくしてドーナツ状の断面を呈し、燃料流Ｆのその流れに直交する平均断面積をＳ3とする。また前記の最小開口部９２においてニードル弁７が全開状態における開口面積（最小開口面積）をＳ1とすると、下式（３）が成立するように最小開口面積Ｓ1を設定する。
Ｓ3＜Ｓ1＜Ｓ2 ・・・ （３）
最小開口面積Ｓ1 を燃料噴射口９１の断面積Ｓ2 より小さくすることにより、噴射の初期に燃料噴射口９１から旋回エネルギー量の乏しい燃料が多量に噴射されることが防止され、また最小開口面積Ｓ1を燃料流Ｆの平均断面積Ｓ3より大きくすることにより燃料旋回体８により付与された燃料の旋回エネルギーの減衰が軽減する。かくして、燃料旋回室８９から燃料噴射口９１に至る連通路において燃料の渦度が維持される自由渦の原理が成立し、その結果、燃料は十分な旋回エネルギーを保持した状態で燃料噴射口９１から外へ噴射され、その際に燃料は良好に拡散し、また微細化が進んで本発明の前記課題が達成される。
【００１４】
燃料噴射口９１の断面積Ｓ2は、燃料噴射口９１の内径を実測することにより求めることができる。一方、最小開口面積Ｓ1 と燃料流Ｆの平均断面積Ｓ3とは、燃料噴射装置の詳細構造並びにその運転条件が定まれば実質的に一定となるので実測することができ、あるいは後記の方法で算出してもよい。最小開口面積Ｓ1は、最小開口部９２の全開状態におけるニードル弁７の弁座９からの離隔高さＹに依存するが、それはニードル弁７の軸方向のストローク量を調節することにより所望の大きさに設定することができる。
【００１５】
最小開口面積Ｓ1 は、ニードル弁７が全開状態における最小開口部９２でのニードル弁７と弁座９との間の法線上の線分Ｙ（上記離隔高さＹに相当。図５参照）を軸の回りに回転したときに得られる截頭円錐体の斜面の面積として、即ち下式（４）により算出することができる。
Ｓ1 ＝π〔（Ｒ＋Ｙ）２ −Ｒ２ 〕ｃｏｓ（θ／２） ・・・ （４）
ここにＲは、上記截頭円錐体の截頭部の斜面の長さ( 図５参照）であり、θは弁座のシート角である。
【００１６】
以下に、燃料流Ｆの平均断面積Ｓ3 を算出する方法を説明する。自由渦の原理より渦度が一定であるので、上記式（２）から下式（５）および下式（６）が成立する。
Ｖ１ Ｄｉ＝Ｖ２ Ｄｃ ・・・ （５）
Ｓ3 ＝π（Ｄｅ２ −Ｄｃ２ ）／４ ・・・ （６）
ここに、Ｖ２ は燃料噴射口９１内における燃料の流速であり、Ｄｃは燃料噴射口９１内における燃料の空洞径である。Ｖ２は、燃料噴射口９１内での流体の損失が少なく、燃料旋回体８の上流側に供給されるポテンシャルエネルギーたる燃料圧力Ｐ／ρが燃料噴射口９１の出口においてほとんど運動エネルギーたるＶ２ ２ ／（２ｇ）に変換されるように設計されている。したがってＶ２については、ベルヌイの定理により下式（７）が、また下式（７）より下式（８）がそれぞれ成立する。
Ｖ２ ２ ／（２ｇ）＝Ｐ／ρ ・・・ （７）
Ｖ２ ＝√（２ｇＰ／ρ） ・・・ （８）
ここに、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２ ）であり、Ｐは燃料旋回体８に供給される燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ２ ）であり、ρは上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ３ ）である。しかして、上記式（１）、式（６）、および式（８）から下式（９）が成立する。
Ｓ3 ＝（π／４）｛Ｄｅ２ −Ｑ２ ｓｉｎ２ ΘＤｉ２ ρ／（２ｇＰＡ２ )｝
・・・ （９）
ここに、Θは、弁座９と燃料旋回体８とが当接する面の軸に対する角度（°）であって、図２では９０°である。
最小開口面積Ｓ1は、上記式（４）から明らかなように、上記離隔高さＹ、上記截頭円錐体の截頭部の斜面の長さＲ、および上記弁座のシート角θに依存しする。一方、平均断面積Ｓ3は、上記式（９）から明らかなように、燃料旋回体に供給される燃料の圧力Ｐ、燃料旋回体に供給される燃料の静的流量Ｑ、燃料の密度ρ、燃料噴射口の内径Ｄｅ、スワール溝の総断面積Ａ、スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θに依存する。
上記式（４）および式（９）において、長さＲ、シート角θ、内径Ｄｅ、総断面積Ａ、長さＤｉ、および角度Θのそれぞれは、本発明の燃料噴射装置の構造に関する構造因子であり、一方、離隔高さＹ、燃料静的流量Ｑ、上記圧力Ｐ、および上記密度ρは、本発明の燃料噴射装置の設計方法に関する運転因子である。
しかして本発明の燃料噴射装置においては、上記運転因子の各大きさのもとで上記構造因子の各大きさを設定することにより、上記平均断面積Ｓ3が前記式（３）を満たすようにすることができる。また本発明の燃料噴射装置の運転方法においては、上記構造因子の各大きさに応じて上記運転因子の各大きさを調節することにより、上記平均断面積Ｓ3が前記式（３）を満たすようにすることができる。
【００１７】
実施の態様２．
図６は、本発明の実施の態様２における燃料旋回体およびその近傍部分の断面図であって、８９は燃料旋回室である。なお図６およびそれに後続する諸図については、前記図１〜図５と同じ部位については同じ符号を付している。
【００１８】
前記実施の態様１においては燃料旋回室８９は、燃料旋回体８に設けられた環状溝８８と弁座９の表面壁とニードル弁７の側壁とで形成されていた。これに対して実施の態様２における燃料旋回室８９は、燃料旋回体８の側壁とニードル弁７の側壁と弁座９の表面壁とで囲繞された、断面が三角形のものである。しかして実施の態様２は、燃料旋回室８９の形成方法において実施の態様１と異なり、実施の態様１のように燃料旋回体８への環状溝８８の形成が省略できて、燃料旋回体８の製造コストが軽減する利点がある。
【００１９】
実施の態様３．
図７〜図８は、いずれも本発明の実施の態様３を説明するための説明図であって、図７は前記図３に対応する断面図である。図７には燃料旋回体の弁座側面の平面図が示されており、図８は図７におけるVIII−VIII線に沿った拡大断面図である。図７〜図８において、８５は燃料旋回体８に設けられたスワール溝である。前記実施の態様１における各スワール溝８５は、溝断面形状が方形であったが、実施の態様３における各スワール溝８５は、溝断面形状が図８に示す通りＶ字状を呈している。燃料旋回体８は、焼結体などの型を用いて製造されるが、スワール溝８５の溝断面形状が方形であると、この型の溝部分の強度確保が必要となるが、Ｖ字状溝であるとかかる強度確保の程度が少なくて済む。また溝断面形状が方形のスワール溝８５の場合、その溝底の壁面付近では燃料の流速が溝中央部と比較して遅くなる。これに対して、Ｖ字状溝であると溝底の容積が小さく、低流速となる燃料の比率が小さいので燃料の平均流速が方形断面溝のそれより高く、しかして燃料旋回体８による燃料への旋回エネルギー付与効率が向上する利点もある。
【００２０】
Ｖ字状溝に限らず、溝断面形状が非方形を呈し、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいもの、例えば、Ｕ字状、半円状、あるいはその他の、溝底の容積が小さくなる溝断面形状のスワール溝でもＶ字状溝と同様の上記長所がある。
【００２１】
実施の態様４．
図９〜図１０は、いずれも本発明の実施の態様４を説明するための説明図であって、図９は燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図であり、図１０は図９のX −X 線に沿った断面図である。図１０では、燃料旋回体の弁座側面の平面図が示されている。実施の態様４は、実施の態様１とは燃料旋回体８と弁座９とが当接する面は、軸に対して角度Θで傾斜している点においてのみ異なり、その場合の前記平均断面積Ｓ3も前記の式（９）で求めることができる。但し、実施の態様１では角度Θは９０°であり、ｓｉｎΘ２ の項は１であったが、実施の態様４ではその項は１より小さい値となる。
【００２２】
燃料旋回体８と弁座９とが当接する面を軸に対して傾斜を付けると、スワール溝８５、しかしてスワール通路８７も傾斜することになり、このためにスワール通路８７から燃料旋回室８９を経てニードル弁７と弁座９との間の隙間（連通路）に至る燃料流路の角度変化が実施の態様１の場合より緩やかとなるので、燃料流の流動抵抗が小さくなり、この結果、燃料流が一層安定化する効果がある。一方、燃料旋回体８による燃料への旋回エネルギー付与能率は、Θが９０°から小さくなるにしたがって低下するので、角度Θは４５°〜９０°の範囲とし、燃料流の安定化を重視する観点からは角度Θは４５°以上〜９０°未満とすることが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の燃料噴射装置は、以上説明した通り（１）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置において、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交する平均断面積Ｓ3より大きくなるように、平均断面積Ｓ 3 は、下式にて求められるものであることを特徴とするもにである。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の 長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
このために、上記燃料旋回室から燃料噴射口に至る連通路において燃料の渦度が維持される自由渦の原理が成立し、その結果、燃料は十分な旋回エネルギーを保持した状態で燃料噴射口から外へ噴射され、その際に燃料の微細化が進んで本発明の前記課題が達成される。また前記特開平１０−２０５４０８号公報に記載された従来の燃料噴射装置における弁体のように不要に大きなストロークに設定にした場合に比べて弁体の応答性が早くなり、特に筒内噴射用の燃料噴射装置に要求される高応答性の実現が可能となる。また平均断面積Ｓ 3 を前記式で求めることができると、本発明の燃料噴射装置の詳細構造と供給燃料の諸条件から計算により前記連通路が全開状態であるときの弁体と弁座との間の最小開口面積Ｓ 1 を、ひいては弁体のストローク量の最適値を求めることができる。
【００２４】
また（２）燃料旋回室は、燃料旋回体と弁体と弁座の各壁により囲繞されて形成されるので、燃料旋回体に燃料旋回室形成のための環状溝などを設ける必要がなく、燃料旋回体の製造コストが軽減する利点がある。
【００２５】
また本発明において、燃料旋回室は環状であればその環状の形状は円形、楕円形、多角形、あるいはその他であってよく、また燃料旋回室に対するスワール溝の延在方向については特に制限はないが、（３）燃料旋回室は円形環状を呈し、スワール溝は上記燃料旋回室の接線方向に延在することにより、燃料の流動抵抗を最小に保持し得て、燃料旋回体による旋回エネルギーの付与機能を最大限に活かすことができる。
【００２６】
また（４）燃料旋回体と弁座とが当接する面は、軸に対して傾斜しており、例えば、（５）上記の傾斜角が４５°以上〜９０°未満であると、スワール通路も傾斜することになり、このためにスワール通路から燃料旋回室を経てニードル弁と弁座との間の連通路に至る燃料流路の角度変化が緩やかとなるので、燃料流の流動抵抗が小さくなり、この結果、燃料流が一層安定化する効果がある。
【００２７】
またさらに、（６）スワール溝は、その溝断面形状が非方形を呈し、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいと、燃料旋回体の焼結体などの型を用いた製造が容易となり、且つ溝底の容積が小さくて低流速となる燃料の比率が小さいので燃料の平均流速が方形断面溝のそれより高く、よって燃料旋回体による燃料への旋回エネルギー付与効率が向上する。
【００２８】
本発明の燃料噴射装置の設計方法は、以上説明した通り、（７）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置の運転方法において、上記弁座のシート角θ、上記燃料噴射口の内径Ｄｅ、上記スワール溝の総断面積Ａ、上記スワール溝の中心線の上記燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および上記弁座と上記燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交し、且つ下式にて求められる平均断面積Ｓ3より大きくなるように、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさを調節することを特徴とするものである。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。このために、本発明の前記燃料噴射装置（１）と同様の効果が得られえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の燃料噴射装置の断面図。
【図２】 実施の形態１における燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図。
【図３】 図２のIII − III線に沿った断面図。
【図４】 図２のIV−IV線に沿った断面図。
【図５】 実施の形態１における弁座の部分拡大断面図。
【図６】 本発明の実施の形態２における燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図。
【図７】 本発明の実施の形態３における燃料旋回体の弁座側面の平面図を含む一部拡大断面図。
【図８】 図７におけるVIII− VIII 線に沿った拡大断面図。
【図９】 本発明の実施の態様４における燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図。
【図１０】 図９のX −X 線に沿った断面図。
【符号の説明】
１は燃料噴射装置、３ 燃料噴射弁、７ ニードル弁、８ 燃料旋回体、
８５ スワール溝、８７ スワール通路、８９ 燃料旋回室、９ 弁座、
９１燃料噴射口、Ｓ1 弁体と弁座との間の最小開口面積、
Ｓ2 燃料噴射口の断面積、Ｓ3 燃料噴射口におけるの燃料流の平均断面積。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料に旋回エネルギ−を与えてそれを自動車用エンジンなどの内燃機関の燃焼室内に供給するための燃料噴射装置、およびその設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射装置として、従来からニードル弁やボール弁などの弁体を有する筒状の弁本体の出口に燃料噴射口を有する弁座を設け、外部から供給される燃料を燃料旋回体により旋回させて上記燃料噴射口に供給する技術が特開平１０−４７２０８号公報や特開平１０−２０５４０８号公報などで知られている。これらの技術においては、弁体の先端部の一部が弁座の一部と離接することにより燃料旋回体と燃料噴射口との連通路が開閉される。この連通路が全開状態であるときの弁体と弁座との隙間の最小開口面積をＳ1 とし、燃料噴射口の軸に直交する断面積をＳ2 とすると、燃料の流量はＳ1 およびＳ2 が大きい程多くなる。
【０００３】
ところで最小開口面積Ｓ1 が燃料噴射口の断面積Ｓ2 より大きいと、噴射の初期に燃料噴射口から旋回エネルギー量の乏しい燃料が多量に噴射され、これらの燃料は旋回エネルギー量が乏しいために噴霧の拡散性並びに燃料の微粒子化が不十分であってエンジンのシリンダー内での燃焼性が悪くなる問題がある。一方、その逆に最小開口面積Ｓ1 が断面積Ｓ2 より小さいと、上記の問題は解消あるいは軽減する。しかし上記Ｓ1 が上記Ｓ2 より過度に小さいと、燃料の上記連通路における流動抵抗が大きいために燃料旋回体により付与された燃料の旋回エネルギーが減衰して噴霧角のバラツキが大きくなり、あるいは噴霧の拡散性並びに燃料の微粒子化が不十分となってエンジンのシリンダー内での燃焼性が悪くなる問題がある。
【０００４】
旋回エネルギーを有する燃料は、燃料噴射口を通過する際にこの燃料噴射口の断面積Ｓ2 の全てを満たして流動するのではなく、主として燃料噴射口の内壁の近傍に寄って流動して燃料噴射口の内部には空洞が生じる。特開平１０−４７２０８号公報では、上記空洞を持続せしめて旋回燃料の流れを安定化させる目的から、Ｓ2 をＳ1 より大きくする技術を開示しているが、Ｓ1 が過少である場合の上記問題については言及がない。一方、特開平１０−２０５４０８号公報では、特開平１０−４７２０８号公報の場合とは逆にＳ2 をＳ1 より小さくする技術を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した斯界の諸問題並びに従来技術の現状に鑑み、本発明は燃料の旋回エネルギーの低下を軽減して、燃料の微粒子化や燃焼性を向上し得る燃料噴射装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料噴射装置は、（１）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置において、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交する平均断面積Ｓ3より大きくなるように、平均断面積Ｓ 3 は、下式にて求められるものであることを特徴とする燃料噴射装置。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
（２）上記（１）において、燃料旋回室は、燃料旋回体と弁体と弁座の各壁により囲繞されて形成されているものである。
（３）上記（１）において、燃料旋回室は円形環状であり、スワール溝は上記燃料旋回室の接線方向に延在するものである。
（４）上記（１）において、燃料旋回体と弁座とが当接する面は、軸に対して傾斜しているものである。
（５）上記（４）において、軸に対する傾斜角は、４５°以上〜９０°未満である。
（６）上記（１）において、スワール溝は、その溝断面形状が非方形であり、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいものである。
本発明による燃料噴射装置の設計方法は、（７）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置の運転方法において、上記弁座のシート角θ、上記燃料噴射口の内径Ｄｅ、上記スワール溝の総断面積Ａ、上記スワール溝の中心線の上記燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および上記弁座と上記燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交し、且つ下式にて求められる平均断面積Ｓ3より大きくなるように、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさを調節することを特徴とするものである。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍 の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
【０００７】
【発明の実施の態様】
実施の態様１．
図１〜図５は、いずれも本発明の実施の態様１を説明するための説明図であって、図１は燃料噴射装置の断面図であり、図２は燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図であり、図３は図２のIII − III線に沿った断面図であり、図４は図２のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は弁座の部分拡大断面図である。図３および図４では、燃料旋回体のそれぞれ弁座側面および燃料受入側面の各平面図が示されている。
【０００８】
図１〜図５において、１は燃料噴射装置、２は燃料噴射装置１の外部ハウジング、３は燃料噴射弁、４は燃料供給管、５はエンジンのシリンダーヘッド、６は電磁コイル６１その他を有し、弁体の一例たるニードル弁７を作動せしめる弁作動装置である。燃料噴射装置１の先端は、エンジンのシリンダーヘッド５の燃料噴射装置挿入孔５１に挿入設置されている。燃料噴射弁３は、弁ホルダ３１、ニードル弁７、燃料旋回体８、および燃料噴射口９１を有する弁座９の各部品がアセンブルされた構造を有し、燃料旋回体８は燃料供給管４から供給される燃料に旋回エネルギ−を与えてそれを弁座９の燃料噴射口９１に供給する機能をなす。８３は、燃料旋回体８の筒孔であって、ニードル弁７の先端部は筒孔８３に挿通されてその最先端は燃料噴射口９１の入口に達している。
【０００９】
燃料旋回体８の外周壁は、図３と図４とから分かる通り六角形を呈し、このために円筒状を呈する弁ホルダ３１の内壁と燃料旋回体８の外周壁との間には６個の片面凸レンズ形の隙間８４が生じる。これら隙間８４は、燃料通路として機能する。燃料旋回体８の弁座側面８１上には、上記６個の隙間８４の各開口端のそれぞれから燃料旋回体８の筒孔８３の方向に向かう６個の、溝断面形状が方形のスワール溝８５が設けられており、燃料旋回体８と弁座９との間には各スワール溝８５と弁座９の表面壁にて形成される６個のスワール通路８７（図３参照）が存在する。また燃料旋回体８の筒孔８３の開口端には、筒孔８３と同心円状に環状溝８８が設けられており、この環状溝８８と弁座９の表面壁とニードル弁７の側壁とで円形環状の燃料旋回室８９（図２参照）が形成されている。６個のスワール通路８７は、図３に示す通り、燃料旋回室８９の接線方向に延在して燃料旋回室８９に、また燃料旋回室８９は燃料噴射口９１にそれぞれ連通している。
【００１０】
燃料供給管４から供給される燃料は、燃料旋回体８の燃料受入側面８２に到ると６個の隙間８４に分かれて燃料旋回体８の弁座側面８１に到り、ついでスワール通路８７を経る間に旋回エネルギ−が付与されて燃料旋回室８９に到り、最後に弁座９の燃料噴射口９１から噴射される。その際、ニードル弁７は、燃料旋回体８の筒孔８３内を軸方向に往復動することにより弁座９に離接して燃料旋回室８９と燃料噴射口９１との連通路を開閉する。
【００１１】
つぎに燃料に旋回エネルギーを付与する機構について説明する。前述のようにスワール通路８７中を流れる燃料は、このスワール通路８７の長さがその通路の断面積に対して比較的長く設定されており、具体的には通路長を通路の内径で除した比は２以上としているので、スワール通路８７の出口部の流速分布はほぼ均一化されている。なおその際、スワール通路８７の通路内径は、該通路の断面積に等しい円形通路の径とする。スワール通路８７より流出する燃料の流速Ｖ１は下式（１）となる。
Ｖ１ ＝Ｑ／Ａ ・・・ （１）
ここに、Ｑは燃料旋回体８に供給される燃料の静的流量（ｍ３ ／ｓ）であり、Ａはスワール通路８７の総断面積（ｍ２ ）である。図３の例では、Ａは６個のスワール通路８７の各断面積の和となる。
スワール通路８７の出口から流出した燃料は、燃料旋回室８９で合流して旋回運動をなし、その時の旋回流の渦度Ｅ１は下式（２）となる。
Ｅ１ ＝Ｖ１ Ｄｉ ・・・ （２）
ここに、Ｄｉはオフセット量（各スワール通路８７の中心線と、燃料旋回室８９の中心を通り上記スワール通路８７の中心線と平行な線との間の距離）の２倍の長さ（ｍ）である。
【００１２】
燃料旋回室８９で旋回流となった燃料は、燃料旋回室８９からニードル弁７と弁座９との間の隙間を通って燃料噴射口９１に入り、そこで旋回運動を起こしながら燃料噴射口９１の外へ噴射される。図５において梨地Ｆは燃料噴射口９１の前後における燃料の流れを示し、９２はニードル弁７の全開状態におけるニードル弁７と弁座９との間の最小開口部を示し、θは弁座９のシート角を示す。
【００１３】
旋回エネルギーを有する燃料は、前記した通り、燃料噴射口９１を通過する際にこの燃料噴射口９１の断面積Ｓ2の全てを満たして流動するのではなく、主として燃料噴射口９１の内壁の近傍に寄って流動し、ために燃料噴射口９１の内部には空洞が生じる。燃料噴射口９１内におけるの燃料流Ｆは、かくしてドーナツ状の断面を呈し、燃料流Ｆのその流れに直交する平均断面積をＳ3とする。また前記の最小開口部９２においてニードル弁７が全開状態における開口面積（最小開口面積）をＳ1とすると、下式（３）が成立するように最小開口面積Ｓ1を設定する。
Ｓ3＜Ｓ1＜Ｓ2 ・・・ （３）
最小開口面積Ｓ1 を燃料噴射口９１の断面積Ｓ2 より小さくすることにより、噴射の初期に燃料噴射口９１から旋回エネルギー量の乏しい燃料が多量に噴射されることが防止され、また最小開口面積Ｓ1を燃料流Ｆの平均断面積Ｓ3より大きくすることにより燃料旋回体８により付与された燃料の旋回エネルギーの減衰が軽減する。かくして、燃料旋回室８９から燃料噴射口９１に至る連通路において燃料の渦度が維持される自由渦の原理が成立し、その結果、燃料は十分な旋回エネルギーを保持した状態で燃料噴射口９１から外へ噴射され、その際に燃料は良好に拡散し、また微細化が進んで本発明の前記課題が達成される。
【００１４】
燃料噴射口９１の断面積Ｓ2は、燃料噴射口９１の内径を実測することにより求めることができる。一方、最小開口面積Ｓ1 と燃料流Ｆの平均断面積Ｓ3とは、燃料噴射装置の詳細構造並びにその運転条件が定まれば実質的に一定となるので実測することができ、あるいは後記の方法で算出してもよい。最小開口面積Ｓ1は、最小開口部９２の全開状態におけるニードル弁７の弁座９からの離隔高さＹに依存するが、それはニードル弁７の軸方向のストローク量を調節することにより所望の大きさに設定することができる。
【００１５】
最小開口面積Ｓ1 は、ニードル弁７が全開状態における最小開口部９２でのニードル弁７と弁座９との間の法線上の線分Ｙ（上記離隔高さＹに相当。図５参照）を軸の回りに回転したときに得られる截頭円錐体の斜面の面積として、即ち下式（４）により算出することができる。
Ｓ1 ＝π〔（Ｒ＋Ｙ）２ −Ｒ２ 〕ｃｏｓ（θ／２） ・・・ （４）
ここにＲは、上記截頭円錐体の截頭部の斜面の長さ( 図５参照）であり、θは弁座のシート角である。
【００１６】
以下に、燃料流Ｆの平均断面積Ｓ3 を算出する方法を説明する。自由渦の原理より渦度が一定であるので、上記式（２）から下式（５）および下式（６）が成立する。
Ｖ１ Ｄｉ＝Ｖ２ Ｄｃ ・・・ （５）
Ｓ3 ＝π（Ｄｅ２ −Ｄｃ２ ）／４ ・・・ （６）
ここに、Ｖ２ は燃料噴射口９１内における燃料の流速であり、Ｄｃは燃料噴射口９１内における燃料の空洞径である。Ｖ２は、燃料噴射口９１内での流体の損失が少なく、燃料旋回体８の上流側に供給されるポテンシャルエネルギーたる燃料圧力Ｐ／ρが燃料噴射口９１の出口においてほとんど運動エネルギーたるＶ２ ２ ／（２ｇ）に変換されるように設計されている。したがってＶ２については、ベルヌイの定理により下式（７）が、また下式（７）より下式（８）がそれぞれ成立する。
Ｖ２ ２ ／（２ｇ）＝Ｐ／ρ ・・・ （７）
Ｖ２ ＝√（２ｇＰ／ρ） ・・・ （８）
ここに、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２ ）であり、Ｐは燃料旋回体８に供給される燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ２ ）であり、ρは上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ３ ）である。しかして、上記式（１）、式（６）、および式（８）から下式（９）が成立する。
Ｓ3 ＝（π／４）｛Ｄｅ２ −Ｑ２ ｓｉｎ２ ΘＤｉ２ ρ／（２ｇＰＡ２ )｝
・・・ （９）
ここに、Θは、弁座９と燃料旋回体８とが当接する面の軸に対する角度（°）であって、図２では９０°である。
最小開口面積Ｓ1は、上記式（４）から明らかなように、上記離隔高さＹ、上記截頭円錐体の截頭部の斜面の長さＲ、および上記弁座のシート角θに依存しする。一方、平均断面積Ｓ3は、上記式（９）から明らかなように、燃料旋回体に供給される燃料の圧力Ｐ、燃料旋回体に供給される燃料の静的流量Ｑ、燃料の密度ρ、燃料噴射口の内径Ｄｅ、スワール溝の総断面積Ａ、スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θに依存する。
上記式（４）および式（９）において、長さＲ、シート角θ、内径Ｄｅ、総断面積Ａ、長さＤｉ、および角度Θのそれぞれは、本発明の燃料噴射装置の構造に関する構造因子であり、一方、離隔高さＹ、燃料静的流量Ｑ、上記圧力Ｐ、および上記密度ρは、本発明の燃料噴射装置の設計方法に関する運転因子である。
しかして本発明の燃料噴射装置においては、上記運転因子の各大きさのもとで上記構造因子の各大きさを設定することにより、上記平均断面積Ｓ3が前記式（３）を満たすようにすることができる。また本発明の燃料噴射装置の運転方法においては、上記構造因子の各大きさに応じて上記運転因子の各大きさを調節することにより、上記平均断面積Ｓ3が前記式（３）を満たすようにすることができる。
【００１７】
実施の態様２．
図６は、本発明の実施の態様２における燃料旋回体およびその近傍部分の断面図であって、８９は燃料旋回室である。なお図６およびそれに後続する諸図については、前記図１〜図５と同じ部位については同じ符号を付している。
【００１８】
前記実施の態様１においては燃料旋回室８９は、燃料旋回体８に設けられた環状溝８８と弁座９の表面壁とニードル弁７の側壁とで形成されていた。これに対して実施の態様２における燃料旋回室８９は、燃料旋回体８の側壁とニードル弁７の側壁と弁座９の表面壁とで囲繞された、断面が三角形のものである。しかして実施の態様２は、燃料旋回室８９の形成方法において実施の態様１と異なり、実施の態様１のように燃料旋回体８への環状溝８８の形成が省略できて、燃料旋回体８の製造コストが軽減する利点がある。
【００１９】
実施の態様３．
図７〜図８は、いずれも本発明の実施の態様３を説明するための説明図であって、図７は前記図３に対応する断面図である。図７には燃料旋回体の弁座側面の平面図が示されており、図８は図７におけるVIII−VIII線に沿った拡大断面図である。図７〜図８において、８５は燃料旋回体８に設けられたスワール溝である。前記実施の態様１における各スワール溝８５は、溝断面形状が方形であったが、実施の態様３における各スワール溝８５は、溝断面形状が図８に示す通りＶ字状を呈している。燃料旋回体８は、焼結体などの型を用いて製造されるが、スワール溝８５の溝断面形状が方形であると、この型の溝部分の強度確保が必要となるが、Ｖ字状溝であるとかかる強度確保の程度が少なくて済む。また溝断面形状が方形のスワール溝８５の場合、その溝底の壁面付近では燃料の流速が溝中央部と比較して遅くなる。これに対して、Ｖ字状溝であると溝底の容積が小さく、低流速となる燃料の比率が小さいので燃料の平均流速が方形断面溝のそれより高く、しかして燃料旋回体８による燃料への旋回エネルギー付与効率が向上する利点もある。
【００２０】
Ｖ字状溝に限らず、溝断面形状が非方形を呈し、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいもの、例えば、Ｕ字状、半円状、あるいはその他の、溝底の容積が小さくなる溝断面形状のスワール溝でもＶ字状溝と同様の上記長所がある。
【００２１】
実施の態様４．
図９〜図１０は、いずれも本発明の実施の態様４を説明するための説明図であって、図９は燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図であり、図１０は図９のX −X 線に沿った断面図である。図１０では、燃料旋回体の弁座側面の平面図が示されている。実施の態様４は、実施の態様１とは燃料旋回体８と弁座９とが当接する面は、軸に対して角度Θで傾斜している点においてのみ異なり、その場合の前記平均断面積Ｓ3も前記の式（９）で求めることができる。但し、実施の態様１では角度Θは９０°であり、ｓｉｎΘ２ の項は１であったが、実施の態様４ではその項は１より小さい値となる。
【００２２】
燃料旋回体８と弁座９とが当接する面を軸に対して傾斜を付けると、スワール溝８５、しかしてスワール通路８７も傾斜することになり、このためにスワール通路８７から燃料旋回室８９を経てニードル弁７と弁座９との間の隙間（連通路）に至る燃料流路の角度変化が実施の態様１の場合より緩やかとなるので、燃料流の流動抵抗が小さくなり、この結果、燃料流が一層安定化する効果がある。一方、燃料旋回体８による燃料への旋回エネルギー付与能率は、Θが９０°から小さくなるにしたがって低下するので、角度Θは４５°〜９０°の範囲とし、燃料流の安定化を重視する観点からは角度Θは４５°以上〜９０°未満とすることが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の燃料噴射装置は、以上説明した通り（１）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置において、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交する平均断面積Ｓ3より大きくなるように、平均断面積Ｓ 3 は、下式にて求められるものであることを特徴とするもにである。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の 長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
このために、上記燃料旋回室から燃料噴射口に至る連通路において燃料の渦度が維持される自由渦の原理が成立し、その結果、燃料は十分な旋回エネルギーを保持した状態で燃料噴射口から外へ噴射され、その際に燃料の微細化が進んで本発明の前記課題が達成される。また前記特開平１０−２０５４０８号公報に記載された従来の燃料噴射装置における弁体のように不要に大きなストロークに設定にした場合に比べて弁体の応答性が早くなり、特に筒内噴射用の燃料噴射装置に要求される高応答性の実現が可能となる。また平均断面積Ｓ 3 を前記式で求めることができると、本発明の燃料噴射装置の詳細構造と供給燃料の諸条件から計算により前記連通路が全開状態であるときの弁体と弁座との間の最小開口面積Ｓ 1 を、ひいては弁体のストローク量の最適値を求めることができる。
【００２４】
また（２）燃料旋回室は、燃料旋回体と弁体と弁座の各壁により囲繞されて形成されるので、燃料旋回体に燃料旋回室形成のための環状溝などを設ける必要がなく、燃料旋回体の製造コストが軽減する利点がある。
【００２５】
また本発明において、燃料旋回室は環状であればその環状の形状は円形、楕円形、多角形、あるいはその他であってよく、また燃料旋回室に対するスワール溝の延在方向については特に制限はないが、（３）燃料旋回室は円形環状を呈し、スワール溝は上記燃料旋回室の接線方向に延在することにより、燃料の流動抵抗を最小に保持し得て、燃料旋回体による旋回エネルギーの付与機能を最大限に活かすことができる。
【００２６】
また（４）燃料旋回体と弁座とが当接する面は、軸に対して傾斜しており、例えば、（５）上記の傾斜角が４５°以上〜９０°未満であると、スワール通路も傾斜することになり、このためにスワール通路から燃料旋回室を経てニードル弁と弁座との間の連通路に至る燃料流路の角度変化が緩やかとなるので、燃料流の流動抵抗が小さくなり、この結果、燃料流が一層安定化する効果がある。
【００２７】
またさらに、（６）スワール溝は、その溝断面形状が非方形を呈し、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいと、燃料旋回体の焼結体などの型を用いた製造が容易となり、且つ溝底の容積が小さくて低流速となる燃料の比率が小さいので燃料の平均流速が方形断面溝のそれより高く、よって燃料旋回体による燃料への旋回エネルギー付与効率が向上する。
【００２８】
本発明の燃料噴射装置の設計方法は、以上説明した通り、（７）複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置の運転方法において、上記弁座のシート角θ、上記燃料噴射口の内径Ｄｅ、上記スワール溝の総断面積Ａ、上記スワール溝の中心線の上記燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および上記弁座と上記燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交し、且つ下式にて求められる平均断面積Ｓ3より大きくなるように、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさを調節することを特徴とするものである。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。このために、本発明の前記燃料噴射装置（１）と同様の効果が得られえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の燃料噴射装置の断面図。
【図２】 実施の形態１における燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図。
【図３】 図２のIII − III線に沿った断面図。
【図４】 図２のIV−IV線に沿った断面図。
【図５】 実施の形態１における弁座の部分拡大断面図。
【図６】 本発明の実施の形態２における燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図。
【図７】 本発明の実施の形態３における燃料旋回体の弁座側面の平面図を含む一部拡大断面図。
【図８】 図７におけるVIII− VIII 線に沿った拡大断面図。
【図９】 本発明の実施の態様４における燃料旋回体およびその近傍部分の拡大断面図。
【図１０】 図９のX −X 線に沿った断面図。
【符号の説明】
１は燃料噴射装置、３ 燃料噴射弁、７ ニードル弁、８ 燃料旋回体、
８５ スワール溝、８７ スワール通路、８９ 燃料旋回室、９ 弁座、
９１燃料噴射口、Ｓ1 弁体と弁座との間の最小開口面積、
Ｓ2 燃料噴射口の断面積、Ｓ3 燃料噴射口におけるの燃料流の平均断面積。
Claims (7)
- 複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置において、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交する平均断面積Ｓ3より大きくなるように、平均断面積Ｓ 3 は、下式にて求められるものであることを特徴とする燃料噴射装置。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。 - 燃料旋回室は、燃料旋回体と弁体と弁座の各壁により囲繞されて形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
- 燃料旋回室は円形環状であり、スワール溝は上記燃料旋回室の接線方向に延在することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
- 燃料旋回体と弁座とが当接する面は、軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
- 軸に対する傾斜角は、４５°以上〜９０°未満であることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射装置。
- スワール溝は、その溝断面形状が非方形であり、溝底またはその近傍部は溝の単位長さ当たりの容積が溝上部のそれより小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
- 複数のスワール溝を有する筒状の燃料旋回体、上記燃料旋回体の上記複数のスワール溝が存在する面に当接すると共に燃料噴射口を有する弁座、上記燃料旋回体と上記弁座との間に形成されて上記複数のスワール溝と上記燃料噴射口とに連通する環状の燃料旋回室、上記燃料旋回体の筒孔内を軸方向に往復動することにより弁座に離接して上記燃料旋回室と上記燃料噴射口との連通路を開閉する弁体とを備えた燃料噴射装置の運転方法において、上記弁座のシート角θ、上記燃料噴射口の内径Ｄｅ、上記スワール溝の総断面積Ａ、上記スワール溝の中心線の上記燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さＤｉ、および上記弁座と上記燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度Θの各大きさに応じて、上記連通路が全開状態であるときの上記弁体と上記弁座との間の最小開口面積Ｓ1は、上記燃料噴射口の軸に直交する断面積Ｓ2より小さく、上記燃料噴射口における燃料流の流れ方向に直交し、且つ下式にて求められる平均断面積Ｓ3より大きくなるように、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力Ｐ、上記燃料旋回体に供給される上記燃料の静的流量Ｑ、上記燃料の密度ρ、および上記弁体の全開状態における上記弁座からの離隔高さＹの各大きさを調節することを特徴とする燃料噴射装置の設計方法。
Ｓ 3 ＝（π／４）｛Ｄｅ ２ −Ｑ ２ ｓｉｎ ２ ΘＤｉ ２ ρ／（２ｇＰＡ ２ ) ｝
但し、Ｄｅ：燃料噴射口の内径（ｍ）、
Ｑ：燃料旋回体に供給される燃料の静的流量（ｍ ３ ／ｓ）、
Ａ：スワール溝の総断面積（ｍ ２ ）、
Ｄｉ：上記スワール溝の中心線の燃料旋回室の中心に対するオフセット量の２倍の長さ（ｍ）、
Θ：弁座と燃料旋回体とが当接する面の軸に対する角度（°）、
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ ２ ）、
Ｐ：上記燃料旋回体に供給される上記燃料の圧力（ｋｇｆ／ｍ ２ ）、
ρ：上記燃料の密度（ｋｇ／ｍ ３ ）。
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