JP3924949B2 - 燃料噴射ノズル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ノズルに関し、特に内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジンという）用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ノズルボディにバルブニードルを往復移動可能に収容し、バルブニードルの当接部がノズルボディに形成した弁座部に着座ならびに弁座部から離座することにより、噴孔から噴射する燃料を断続するエンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルが知られている。
【０００３】
このような燃料噴射ノズルにおいては、燃料消費量の低減、排気エミッションの向上、エンジンの安定した運転性等の観点から、噴孔から噴射される「燃料の微粒化」が重要な要素であり、特に筒内直接噴射式エンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルの場合、「燃料の微粒化」は最も重要な要素の一つである。筒内直接噴射式エンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルとして、ノズルボディ内部に旋回流（スワール）を形成することにより、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御をするようにしたスワール式燃料噴射ノズルが知られている。
【０００４】
上記のスワール式燃料噴射弁として、例えば▲１▼実開平５−２４９５６号公報に開示されるように、燃料をスワールにするための部材をノズルボディ内部に設けた燃料噴射ノズル、▲２▼特開平３−１７５１４８号公報に開示されるように、バルブニードルに燃料スワール機構を設けた燃料噴射ノズル、▲３▼米国特許第５，１７０，９４５号公報に開示されるように、バルブニードルのリフトにより燃料の噴霧形状を変化させる燃料噴射ノズルが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、▲１▼実開平５−２４９５６号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、燃料をスワールにするための部材としてスワール孔を有するスワーラと、スワールを形成するスワール形成室の容積を可変する圧電素子とをノズルボディの内部に設けているので、圧電素子に通電するための手段を配設しなければならず、部品点数および組付工数が増大し、製造コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
また、▲２▼特開平３−１７５１４８号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、弁座部がエンジン筒内にさらされているため、弁座部にカーボン等が付着し当接部と弁座部との油密を確保するのが困難であるという問題があった。さらに、ニードルバルブの傘部の角度で燃料の噴霧角が決定されるため、噴霧角の可変機構を有することができないという問題があった。
【０００７】
また、▲３▼米国特許第５，１７０，９４５号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、バルブニードルのリフトに応じて噴霧角を大きくする方向にしか噴霧特性を制御することができないという問題があった。さらに、バルブニードルの初期リフト状態において、スワールの旋回力が比較的弱いとき、バルブニードルの僅かな偏芯により噴霧形状が変形し、噴霧形状の対称性が崩れるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、燃料の噴霧角が可変である燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことが可能な燃料噴射ノズルを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の燃料噴射ノズルによると、燃料のスワールを形成するスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口面積をバルブニードルの摺動により変化させるので、バルブニードルのリフト位置に応じて上記の燃料入口通路の開口面積を変えることにより、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、例えば低速低負荷時にスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口面積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口面積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
さらに、本発明の請求項１記載の燃料噴射ノズルによると、低速低負荷時におけるバルブニードルのリフト量から高速高負荷時におけるバルブニードルのリフト量まで、燃料入口通路の開口面積と、当接部と弁座部との開口面積との比が所定の一定値となるので、バルブニードルのリフトに応じて、ノズルボディの周方向と軸方向との燃料の速度比が変化しない。このため、低速低負荷時から高速高負荷時まで、噴霧角を一定に保つことができる。したがって、バルブニードルのリフトに対する噴霧角の変化を小さくすることができ、燃料噴射ノズルの個体間のばらつきを抑えることができる。
【００１０】
本発明の請求項２記載の燃料噴射ノズルによると、ノズルボディの内壁と、バルブニードルの外壁と、スワール形成部材の内壁とでスワール形成室を形成し、バルブニードルの摺動によりスワール形成室の容積を変化させるので、バルブニードルのリフト位置に応じてスワール形成室の容積を変えることにより、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、例えば低速低負荷時にスワール形成室の容積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール形成室の容積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
ここで、エンジンの負荷状態に応じて噴霧角および噴霧の到達距離をどのように設定するかは、エンジンの燃焼室の形状に依存する。
【００１１】
本発明の請求項３記載の燃料噴射ノズルによると、バルブニードルの初期リフト状態において、バルブニードルの大径部の小径部側端部がスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口部の一部を塞ぐので、バルブニードルのリフト位置に応じてスワール形成室に繋がる入口通路の開口面積を確実に変えることができる。したがって、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を確実に得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明をディーゼルエンジン用燃料噴射弁に適用した第１実施例を図１〜図６に示す。
【００１４】
図４に示す燃料噴射弁１は、図示しないディーゼルエンジンの燃焼室内へ段階的に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、ノズルホルダ１８、リテーニングナット１７、ディスタンスピース１６、燃料噴射ノズル１０からなる外郭形成部材を備えている。燃料噴射弁１は、ノズルホルダ１８、ディスタンスピース１６および燃料噴射ノズル１０がリテーニングナット１７により固定されている。
【００１５】
ノズルホルダ１８は、燃料インレット３０を有しており、軸方向に貫通する第１スプリング収容室４０および第２スプリング収容室５０が形成されている。燃料インレット３０は、図示しない高圧ポンプから図示しない燃料配管が接続されており、高圧ポンプから燃料噴射ノズル１０内に高圧燃料が供給されている。燃料インレット３０の内部には燃料通路３１が形成されている。
【００１６】
第１スプリング収容室４０内には、第１スプリング４１、スペーサ４２およびプレッシャピン２８のフランジ部２９が収容されている。第１スプリング４１は、一方の端部がプレッシャピン２８のフランジ部２９に当接し、他方の端部がスペーサ４２に当接している。第１スプリング４１はバルブニードル２０を図４に示す下方向に付勢している。
【００１７】
第２スプリング収容室５０内には、第２スプリング５１、スペーサ５２、スプリングキャップ５３およびスプリング座５４が収容されている。第２スプリング５１は、一方の端部がスプリング座５４に当接し、他方の端部がスペーサ５２に当接している。スペーサ５２はスプリングキャップ５３に当接し、スプリングキャップ５３はスプリング収容室５０の内壁に形成された段差部５０ａに当接しているので、第２スプリング５１はスプリング座５４をディスタンスピース１６に押付ける方向に付勢している。
【００１８】
ディスタンスピース１６は、縮径部１６ａを有しており、ディスタンスピース１６内にはスペーサ４６が設けられている。このスペーサ４６と縮径部１６ａとの距離でバルブニードル２０の最大リフト量が規制される。また、スペーサ４６とスプリング座５４との距離で初期リフト量が規制される。
【００１９】
燃料噴射弁１の噴孔側に燃料噴射ノズル１０が設けられており、燃料噴射ノズル１０は、ノズルボディ１１と、このノズルボディ１１の内部に軸方向に往復摺動可能に収容されるバルブニードル２０と、ノズルボディ１１の内部に圧入により固定されるスワール形成部材としてのスワーラ６０とから構成される。
【００２０】
ノズルボディ１１は、有底の中空円筒形状であって、内部に案内孔１４、弁座部１３、噴孔１２、燃料通路孔３４、燃料溜り３３、燃料供給孔３２が形成されている。
【００２１】
案内孔１４は、ノズルボディ１１の内部に軸方向に延びており、一方の端部がノズルボディ１１の開口端１５に接続しており、他方の端部側が燃料溜り３３に接続している。案内孔１４の内壁は、ノズルボディ１１の開口端１５から燃料溜り３３の近傍まで概略同一内径に形成されている。
【００２２】
図１に示すように、弁座部１３は、円錐台面を有し、大径側の一端が燃料通路孔３４に連続し、小径側の他端側が噴孔１２に接続している。この弁座部１３に後述するバルブニードル２０の当接部２１が当接可能である。噴孔１２は、ノズルボディ１１の先端部にノズルボディ１１の内外を連通する通路として形成されている。噴孔１２は弁座部１３に入口部が開口している。
【００２３】
図４に示すように、燃料通路孔３４は、ノズルボディ１１の内部に軸方向に延びており、一方の端部が弁座部１３に接続しており、他方の端部側が燃料溜り３３に接続している。燃料溜り３３は、案内孔１４と燃料通路孔３４とを接続する内壁に環状に形成されている。燃料溜り３３には、外部から燃料を供給する燃料供給孔３２が接続されている。
【００２４】
ニードル弁２０は、中実円柱形状であって、首部２７、摺動部２６、円錐台部２５、大径部２４、小径部２３および円錐部２２からなる。
バルブニードル２０の反噴孔側端部に首部２７が形成されており、首部２７の外径はスペーサ４６の内径よりも僅かに小さい。
【００２５】
摺動部２６は、外径が同一径で、クリアンスを介して案内孔１４に遊嵌合し、軸方向に往復移動することが可能である。摺動部２６は、一端が首部２７に接続し、他端が円錐台部２５に接続している。円錐台部２５は、大径側の一端が摺動部２６に接続し、小径側の他端が大径部２４に接続している。大径部２４は、外径が同一径で、クリアンスを介してスワーラ６０に遊嵌合し、軸方向に往復移動することが可能である。大径部２４は、一端が円錐台部２５に接続し、他端が小径部２３に接続している。大径部２４の小径部２３に接続する端面に大径部端面２４ａが形成されている。
【００２６】
図１に示すように、小径部２３の外径は大径部２４の外径よりも小さい。小径部２３は、一端が大径部端面２４ａに接続しており、他端が当接部２１を介して円錐部２２に接続している。小径部２３と円錐部２２との接続部分は円形状であり、この円形状の部分が弁閉時に弁座部１３と当接する当接部２１である。弁閉時、当接部２１が弁座部１３に着座することにより噴孔からの燃料噴射が遮断される。
【００２７】
図２および図３に示すように、スワーラ６０は中空円筒形状であって、溝部６１と、スワール孔６２とが形成されている。溝部６１はスワーラ６０の外壁に一方の端部から他方の端部まで軸方向に連続して４箇所形成されている。４箇所の溝部６１は、それぞれの中心軸が略９０°間隔となっている。スワール孔６２は、溝部６１を形成するスワーラ６０の外壁からスワーラ６０の内壁までを貫通するように、周方向斜めかつ軸方向水平にほぼ同一内径でストレート状に４箇所形成されている。４箇所のスワール孔６２は、軸方向位置が略同一である。スワール孔６２の反溝部側には後述するスワール室７０に開口する開口部６２ａが形成されている。
【００２８】
図１に示すように、上記の構成のスワーラ６０がノズルボディ１１内に圧入により固定され、バルブニードル２０がノズルボディ１１内に収納されることにより、ノズルボディ１１の弁座部１３を形成する内壁と、ニードル弁２０の大径部端面２４ａおよび小径部２３を形成する外壁と、スワーラ６０の内壁とでスワール形成室としてのスワール室７０が形成される。スワール室７０はスワール孔６２を経由して燃料供給孔３２に連通している。ここで、スワール孔６２はスワール室７０に繋がる燃料入口通路を構成している。図１に示す弁閉状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面、すなわち大径部２４の小径部２３側端部がスワール孔６２の開口部６２ａの一部を塞いでいる。
【００２９】
次に、上記構成の燃料噴射弁１の作動を説明する。
(1) 高圧ポンプから所定量の燃料が所定の時期に圧送され、高圧燃料が燃料配管を経由して燃料インレット３０に供給される。この高圧燃料は、燃料通路３１、燃料供給孔３２、燃料溜り３３を経由して燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内に蓄えられる。燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力が増大し、この圧力が第１スプリング４１の付勢力に打勝つ圧力に達すると、バルブニードル２０は図４の上方にリフトし、弁座部１３から当接部２１が離間して開弁する。そして、スワール室７０でスワールが形成され、このスワールとなった燃料が弁座部１３と当接部２１との開口部を通って噴孔１２から噴射される。図５に示すように、低速低負荷時においては、バルブニードル２０のリフト量が比較的小さいので、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔６２の開口部６２ａの一部を塞いでおり、スワール孔６２の開口面積は比較的小さく、かつスワール室７０の容積は比較的小さい。このため、低速低負荷時の燃料噴霧ＱLの噴霧角θLは比較的大きく、燃料噴霧ＱLの到達距離は比較的小さい。
【００３０】
(2) 燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力がさらに増大すると、バルブニードル２０のリフト量が増大し、スペーサ４６がスプリング座５４に当接する。この状態がバルブニードル２０の初期リフト状態である。この初期リフト状態においては、スワール孔６２の開口面積は上記の(1)よりも増大している。しかし、スワール孔６２の開口部６２ａの一部は、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面により、まだ塞がれた状態になっている。そして、燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力が第１スプリング４１の付勢力と第２スプリング５１の付勢力との合力に打勝つ圧力に達すると、スペーサ４６がディスタンスピース１６の縮径部１６ａに当接し、バルブニードル２０はフルリフト状態に達する。このフルリフト状態においては、スワール孔６２の開口部６２ａは全開状態となってスワール孔６２の開口面積は最大となり、スワール室７０の容積は最大となる。このため、図６に示すように、高速高負荷時の燃料噴霧ＱHの噴霧角θHは比較的小さく、かつ燃料噴霧ＱHの到達距離は比較的大きくなる。
【００３１】
(3) 高圧ポンプの燃料圧送が終わりに近づくと、燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力が低下し、第１スプリング４１および第２スプリング５１の付勢力によりバルブニードル２０が図４の下方に移動し、当接部２１が弁座部１３に着座して燃料噴射を終了する。
【００３２】
次に、スワール孔６２の開口面積をＡswとし、弁座部１３と当接部２１との開口面積をＡseとしたとき、バルブニードル２０のリフト量ｈと、開口面積比Ａsw／Ａseおよび噴霧角θとの関係を図７を用いて説明する。
【００３３】
図７に示すように、低速低負荷時においては、開口面積比Ａsw／Ａseが所定の一定値αとなり、弁座部１３と当接部２１との開口部を流れる燃料速度と、スワール孔６２の開口部６２ａからスワール室７０に流入する燃料速度との速度比が一定となる。このため、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHに至る途中まで、スワール室７０内の周方向速度成分が比較的大きくなり、弁座部１３と当接部２１との開口部から噴孔１２へ旋回エネルギの比較的大きな燃料流れを供給することができる。したがって、低速低負荷時においては、図５に示すように、比較的大きな噴霧角θLを得ることができる。さらに、高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHに近づくにしたがって、開口面積比Ａsw／Ａseが所定の一定値αからしだいに増加すると、スワール室７０内の周方向速度成分が比較的小さくなり、噴霧角θがしだいに小さくなる。したがって、高速高負荷時においては、図６に示すように、比較的小さな噴霧角θHとなり、比較的大きな到達距離を得ることができる。
【００３４】
次に、図１に示す第１実施例のスワール孔６２の開口部６２ａが弁閉時において、全開状態となっている比較例について、図１６および図１７を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００３５】
比較例においては、図１６に示すように、弁閉時において、バルブニードル１２０の大径部１２４の大径部端面１２４ａ近傍の壁面、すなわち大径部１２４の小径部１２３側端部はスワール孔６２の開口部６２ａを塞いでいない。したがって、スワール孔６２の開口部６２ａは、弁閉時において、全開状態となっている。
【００３６】
図１６に示す比較例においては、スワール孔６２の開口面積は、バルブニードル１２０のリフト量に関係なく一定である。つまり、図１７に示すように、バルブニードル１２０のリフト量に応じて弁座部１３と当接部１２１との開口面積が大きくなるにしたがって、スワール孔６２の開口部からスワール室７０に流出する燃料速度が開口面積比Ａsw／Ａseに逆比例して増加し、スワール室７０内の周方向速度成分がしだいに増加する。したがって、噴霧角θの変化は、バルブニードル１２０のリフトにしたがい増加する方向にしか設定することができない。さらに、バルブニードル１２０のリフトに敏感に反応し、燃料噴射ノズルの個体間のばらつきを低減することが困難である。さらにまた、スワール室７０の容積が比較的大きいので、慣性質量が比較的大きくなり、燃料噴射開始時において、燃料のスワールを形成することが遅れ、噴射初期に燃料噴霧が広がらないという問題がある。
【００３７】
一方、第１実施例においては、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔６２の開口面積およびスワール室７０の容積を変えることができるので、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、低速低負荷時にスワール孔６２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール孔６２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【００３８】
さらに第１実施例においては、バルブニードル２０の初期リフト状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔６２の開口部６２ａの一部を塞ぐので、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔６２の開口面積を確実に変えることができる。したがって、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角θおよび噴霧の到達距離を確実に得ることができる。
【００３９】
さらにまた、第１実施例においては、バルブニードル２０の外周にスワーラ６０を設けているので、バルブニードル２０の当接部２１の偏芯を防止することができる。したがって、バルブニードル２０をノズルボディ１１と同軸に維持し、噴霧の形状が変形するのを防止することができる。
【００４０】
（第２実施例）
図１および図２に示す第１実施例の４箇所のスワール孔６２のうち２箇所を他の２箇所と軸方向位置をずらして形成した第２実施例について、図８および図９を用いて説明する。第１実施例と同一構成部分に同一符号を付す。
【００４１】
図８および図９に示すように、スワール形成部材としてのスワーラ９０は中空円筒形状であって、溝部９１と、スワール孔９２および９３とが形成されている。溝部９１はスワーラ９０の外壁に一方の端部から他方の端部まで軸方向に連続して４箇所形成されている。４箇所の溝部９１は、それぞれの中心軸が略９０°間隔となっている。スワール孔９２および９３は、溝部９１を形成するスワーラ９０の外壁からスワーラ９０の内壁までを貫通するように、周方向斜めかつ軸方向水平にほぼ同一内径でストレート状に４箇所形成されている。互いに対向する２箇所のスワール孔９２と、やはり互いに対向する２箇所のスワール孔９３とは、軸方向位置がずれている。スワール孔９２および９３の反溝部側にはスワール室７０に開口する開口部９２ａおよび９３ａが形成されている。ここで、スワール孔９２および９３はスワール室７０に繋がる燃料入口通路を構成している。
【００４２】
図８に示す弁閉状態において、バルブニードル２０の大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔９２の開口部９２ａを塞いでおり、スワール孔９３の開口部９３ａを塞いでいない。すなわち、スワール孔９２の開口部９２ａは全閉状態にあり、スワール孔９３の開口部９３ａは全開状態にある。そして、バルブニードル２０の初期リフト状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔９２の開口部９２ａの一部を塞ぎ、バルブニードル２０のフルリフト状態において、スワール孔９２の開口部９２ａは全開状態となる。
【００４３】
第２実施例においては、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔９２の開口面積およびスワール室７０の容積を変えることができるので、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、低速低負荷時にスワール孔９２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール孔９２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【００４４】
さらに第２実施例においては、バルブニードル２０の初期リフト状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔９２の開口部９２ａの一部を塞ぐので、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔９２の開口面積を確実に変えることができる。したがって、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を確実に得ることができる。
【００４５】
（第３実施例）
次に、図１に示す第１実施例のスワール孔６２の開口部６２ａの形状を方形状とした第３実施例について、図１０および図１１を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００４６】
図１０に示すように、スワーラ１６０は中空円筒形状であって、溝部１６１と、スワール孔１６２とが形成されている。溝部１６１はスワーラ１６０の外壁に一方の端部から他方の端部まで軸方向に連続して４箇所形成されている。４箇所の溝部１６１は、それぞれの中心軸が略９０°間隔となっている。スワール孔１６２は、溝部１６１を形成するスワーラ１６０の外壁からスワーラ１６０の内壁までを貫通するように、周方向斜めかつ軸方向水平にほぼ同一内径でストレート状に４箇所形成されている。４箇所のスワール孔１６２は、軸方向位置が略同一である。スワール孔１６２の反溝部側にはスワール室７０に開口する開口部１６２ａが形成されている。ここで、スワール孔１６２はスワール室７０に繋がる燃料入口通路を構成している。
【００４７】
第３実施例においては、スワーラ１６０のスワール孔１６２の開口部１６２ａの形状が方形状である。さらに、バルブニードル２０のリフトにしたがって、スワール孔１６２の開口面積は弁座部１３と当接部２１との開口面積と同等に増加する。このため、図１１に示すように、低速低負荷時においては、開口面積比Ａsw／Ａseが所定の一定値βとなり、弁座部１３と当接部２１との開口部を流れる燃料速度と、スワール孔１６２の開口部１６２ａからスワール室７０に流入する燃料速度との速度比が一定となる。これにより、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHまで、スワール室７０内の周方向速度成分が比較的大きくなり、弁座部１３と当接部２１との開口部から噴孔１２へ旋回エネルギの比較的大きな燃料流れを供給することができる。したがって、低速低負荷時から高速高負荷時まで、比較的大きな噴霧角θLおよびθHを得ることができる。
【００４８】
さらに、第３実施例においては、バルブニードル２０のリフトに対する噴霧角θの変化を小さくすることができ、燃料噴射ノズルの個体間のばらつきを抑えることができる。
【００４９】
（第４実施例）
次に、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの形状を逆台形状とした第３実施例について、図１２および図１３を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００５０】
第４実施例においては、図１２に示すように、スワーラ２６０は中空円筒形状であって、溝部２６１と、スワール孔２６２とが形成されている。スワーラ２６０のスワール孔２６２の開口部２６２ａの形状は逆台形状である。開口部２６２ａの短辺である下辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの下辺の長さと略同等である。また、開口部２６２ａの長辺である上辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの上辺の長さよりも長い。したがって、スワール孔２６２の開口面積は、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口面積よりも大きい。さらに、バルブニードル２０のリフトにしたがって増加するスワール孔３６２の開口面積の増加率は、弁座部１３と当接部２１との開口面積の増加率よりも大きい。このため、図１３に示すように、バルブニードル２０のリフトにしたがって、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHまで、開口面積比Ａsw／Ａseがしだいに増加する。これにより、バルブニードル２０のリフト量に応じて弁座部１３と当接部２１との開口面積が大きくなるにしたがって、スワール孔２６２の開口部からスワール室７０に流出する燃料速度が開口面積比Ａsw／Ａseに逆比例して減少し、スワール室７０内の周方向速度成分がしだいに減少する。したがって、低速低負荷時に比較的大きい噴霧角θLを得ることができ、高速高負荷時に比較的小さい噴霧角θHを得ることができる。そして、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角θおよび噴霧の到達距離を得ることができる。
【００５１】
（第５実施例）
次に、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの形状を台形状とした第３実施例について、図１４および図１５を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００５２】
第５実施例においては、図１４に示すように、スワーラ３６０は中空円筒形状であって、溝部３６１と、スワール孔３６２とが形成されている。スワーラ３６０のスワール孔３６２の開口部３６２ａの形状は台形状である。開口部３６２ａの長辺である下辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの下辺の長さと略同等である。また、開口部３６２ａの短辺である上辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの上辺の長さよりも短い。したがって、スワール孔３６２の開口面積は、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口面積よりも小さい。さらに、バルブニードル２０のリフトにしたがって増加するスワール孔３６２の開口面積の増加率は、弁座部１３と当接部２１との開口面積の増加率よりも小さい。このため、図１５に示すように、バルブニードル２０のリフトにしたがって、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHまで、開口面積比Ａsw／Ａseがしだいに減少する。これにより、バルブニードル２０のリフト量に応じて弁座部１３と当接部２１との開口面積が大きくなるにしたがって、スワール孔３６２の開口部からスワール室７０に流出する燃料速度が開口面積比Ａsw／Ａseに逆比例して増加し、スワール室７０内の周方向速度成分がしだいに増加する。したがって、低速低負荷時から高速高負荷時まで比較的大きい噴霧角θLおよびθHを得ることができる。そして、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角θおよび噴霧の到達距離を得ることができる。
上記第５実施例では、スワール孔３６２の開口部３６２ａの形状を台形状としたが、三角形状であってもよいのはもちろんのことである。
【００５３】
以上説明した本発明の複数の実施例では、バルブニードル２０のフルリフト状態において、スワール孔の開口部が全開状態となる構成としたが、本発明にいては、スワール孔の開口部が全開状態となった後もバルブニードルがさらにリフトする構成としてもよい。スワール孔の開口部が全開状態となった後にバルブニードルがさらにリフトする場合、弁座部と当接部との開口面積はスワール孔の開口部の全開後にもさらに増加するので、スワール室内の周方向速度成分はしだいに増加し、噴霧角θはしだいに増加する。
【００５４】
本発明の複数の実施例では、スワール孔の数を４個に設定したが、本発明では、スワール孔の数は２個以上であればよい。
また、本発明の複数の実施例では、ディーゼルエンジン用の燃料噴射弁に本発明の燃料噴射ノズルを適用したが、ガソリンエンジン用の燃料噴射弁に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルを示すものであって、図４の主要部拡大図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】本発明の第１実施例のスワーラを示す斜視図である。
【図４】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルを適用した燃料噴射弁を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルの低速低負荷時における作動を説明するための縦断面図である。
【図６】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルの高速高負荷時における作動を説明するための縦断面図である。
【図７】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図８】本発明の第２実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図９】図７のVIII−VIII線断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１１】本発明の第３実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の第４実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図１４】本発明の第５実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１５】本発明の第５実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図１６】比較例の燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１７】比較例の燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
１０ 燃料噴射ノズル
１１ ノズルボディ
１２ 噴孔
１３ 弁座
２０ バルブニードル
２１ 当接部
２３ 小径部
２４ 大径部
２４ａ 大径部端面
４１ 第１スプリング
５１ 第２スプリング
６０ スワーラ（旋回流形成部材）
６１ 溝部
６２ スワール孔（燃料入口通路）
６２ａ 開口部
７０ スワール室（旋回流形成室）
９０ スワーラ（旋回流形成部材）
９１ 溝部
９２、９３ スワール孔（燃料入口通路）
９２ａ、９３ａ 開口部
１６０、２６０、３６０ スワーラ（旋回流形成部材）
１６２、２６２、３６２ スワール孔（燃料入口通路）
１６２ａ、２６２ａ、３６２ａ 開口部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射ノズルに関し、特に内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジンという）用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ノズルボディにバルブニードルを往復移動可能に収容し、バルブニードルの当接部がノズルボディに形成した弁座部に着座ならびに弁座部から離座することにより、噴孔から噴射する燃料を断続するエンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルが知られている。
【０００３】
このような燃料噴射ノズルにおいては、燃料消費量の低減、排気エミッションの向上、エンジンの安定した運転性等の観点から、噴孔から噴射される「燃料の微粒化」が重要な要素であり、特に筒内直接噴射式エンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルの場合、「燃料の微粒化」は最も重要な要素の一つである。筒内直接噴射式エンジン用燃料噴射弁の燃料噴射ノズルとして、ノズルボディ内部に旋回流（スワール）を形成することにより、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御をするようにしたスワール式燃料噴射ノズルが知られている。
【０００４】
上記のスワール式燃料噴射弁として、例えば▲１▼実開平５−２４９５６号公報に開示されるように、燃料をスワールにするための部材をノズルボディ内部に設けた燃料噴射ノズル、▲２▼特開平３−１７５１４８号公報に開示されるように、バルブニードルに燃料スワール機構を設けた燃料噴射ノズル、▲３▼米国特許第５，１７０，９４５号公報に開示されるように、バルブニードルのリフトにより燃料の噴霧形状を変化させる燃料噴射ノズルが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、▲１▼実開平５−２４９５６号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、燃料をスワールにするための部材としてスワール孔を有するスワーラと、スワールを形成するスワール形成室の容積を可変する圧電素子とをノズルボディの内部に設けているので、圧電素子に通電するための手段を配設しなければならず、部品点数および組付工数が増大し、製造コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
また、▲２▼特開平３−１７５１４８号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、弁座部がエンジン筒内にさらされているため、弁座部にカーボン等が付着し当接部と弁座部との油密を確保するのが困難であるという問題があった。さらに、ニードルバルブの傘部の角度で燃料の噴霧角が決定されるため、噴霧角の可変機構を有することができないという問題があった。
【０００７】
また、▲３▼米国特許第５，１７０，９４５号公報に開示される燃料噴射ノズルにおいては、バルブニードルのリフトに応じて噴霧角を大きくする方向にしか噴霧特性を制御することができないという問題があった。さらに、バルブニードルの初期リフト状態において、スワールの旋回力が比較的弱いとき、バルブニードルの僅かな偏芯により噴霧形状が変形し、噴霧形状の対称性が崩れるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、燃料の噴霧角が可変である燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことが可能な燃料噴射ノズルを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の燃料噴射ノズルによると、燃料のスワールを形成するスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口面積をバルブニードルの摺動により変化させるので、バルブニードルのリフト位置に応じて上記の燃料入口通路の開口面積を変えることにより、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、例えば低速低負荷時にスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口面積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口面積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
さらに、本発明の請求項１記載の燃料噴射ノズルによると、低速低負荷時におけるバルブニードルのリフト量から高速高負荷時におけるバルブニードルのリフト量まで、燃料入口通路の開口面積と、当接部と弁座部との開口面積との比が所定の一定値となるので、バルブニードルのリフトに応じて、ノズルボディの周方向と軸方向との燃料の速度比が変化しない。このため、低速低負荷時から高速高負荷時まで、噴霧角を一定に保つことができる。したがって、バルブニードルのリフトに対する噴霧角の変化を小さくすることができ、燃料噴射ノズルの個体間のばらつきを抑えることができる。
【００１０】
本発明の請求項２記載の燃料噴射ノズルによると、ノズルボディの内壁と、バルブニードルの外壁と、スワール形成部材の内壁とでスワール形成室を形成し、バルブニードルの摺動によりスワール形成室の容積を変化させるので、バルブニードルのリフト位置に応じてスワール形成室の容積を変えることにより、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、例えば低速低負荷時にスワール形成室の容積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール形成室の容積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
ここで、エンジンの負荷状態に応じて噴霧角および噴霧の到達距離をどのように設定するかは、エンジンの燃焼室の形状に依存する。
【００１１】
本発明の請求項３記載の燃料噴射ノズルによると、バルブニードルの初期リフト状態において、バルブニードルの大径部の小径部側端部がスワール形成室に繋がる燃料入口通路の開口部の一部を塞ぐので、バルブニードルのリフト位置に応じてスワール形成室に繋がる入口通路の開口面積を確実に変えることができる。したがって、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を確実に得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明をディーゼルエンジン用燃料噴射弁に適用した第１実施例を図１〜図６に示す。
【００１４】
図４に示す燃料噴射弁１は、図示しないディーゼルエンジンの燃焼室内へ段階的に燃料を噴射する燃料噴射弁であって、ノズルホルダ１８、リテーニングナット１７、ディスタンスピース１６、燃料噴射ノズル１０からなる外郭形成部材を備えている。燃料噴射弁１は、ノズルホルダ１８、ディスタンスピース１６および燃料噴射ノズル１０がリテーニングナット１７により固定されている。
【００１５】
ノズルホルダ１８は、燃料インレット３０を有しており、軸方向に貫通する第１スプリング収容室４０および第２スプリング収容室５０が形成されている。燃料インレット３０は、図示しない高圧ポンプから図示しない燃料配管が接続されており、高圧ポンプから燃料噴射ノズル１０内に高圧燃料が供給されている。燃料インレット３０の内部には燃料通路３１が形成されている。
【００１６】
第１スプリング収容室４０内には、第１スプリング４１、スペーサ４２およびプレッシャピン２８のフランジ部２９が収容されている。第１スプリング４１は、一方の端部がプレッシャピン２８のフランジ部２９に当接し、他方の端部がスペーサ４２に当接している。第１スプリング４１はバルブニードル２０を図４に示す下方向に付勢している。
【００１７】
第２スプリング収容室５０内には、第２スプリング５１、スペーサ５２、スプリングキャップ５３およびスプリング座５４が収容されている。第２スプリング５１は、一方の端部がスプリング座５４に当接し、他方の端部がスペーサ５２に当接している。スペーサ５２はスプリングキャップ５３に当接し、スプリングキャップ５３はスプリング収容室５０の内壁に形成された段差部５０ａに当接しているので、第２スプリング５１はスプリング座５４をディスタンスピース１６に押付ける方向に付勢している。
【００１８】
ディスタンスピース１６は、縮径部１６ａを有しており、ディスタンスピース１６内にはスペーサ４６が設けられている。このスペーサ４６と縮径部１６ａとの距離でバルブニードル２０の最大リフト量が規制される。また、スペーサ４６とスプリング座５４との距離で初期リフト量が規制される。
【００１９】
燃料噴射弁１の噴孔側に燃料噴射ノズル１０が設けられており、燃料噴射ノズル１０は、ノズルボディ１１と、このノズルボディ１１の内部に軸方向に往復摺動可能に収容されるバルブニードル２０と、ノズルボディ１１の内部に圧入により固定されるスワール形成部材としてのスワーラ６０とから構成される。
【００２０】
ノズルボディ１１は、有底の中空円筒形状であって、内部に案内孔１４、弁座部１３、噴孔１２、燃料通路孔３４、燃料溜り３３、燃料供給孔３２が形成されている。
【００２１】
案内孔１４は、ノズルボディ１１の内部に軸方向に延びており、一方の端部がノズルボディ１１の開口端１５に接続しており、他方の端部側が燃料溜り３３に接続している。案内孔１４の内壁は、ノズルボディ１１の開口端１５から燃料溜り３３の近傍まで概略同一内径に形成されている。
【００２２】
図１に示すように、弁座部１３は、円錐台面を有し、大径側の一端が燃料通路孔３４に連続し、小径側の他端側が噴孔１２に接続している。この弁座部１３に後述するバルブニードル２０の当接部２１が当接可能である。噴孔１２は、ノズルボディ１１の先端部にノズルボディ１１の内外を連通する通路として形成されている。噴孔１２は弁座部１３に入口部が開口している。
【００２３】
図４に示すように、燃料通路孔３４は、ノズルボディ１１の内部に軸方向に延びており、一方の端部が弁座部１３に接続しており、他方の端部側が燃料溜り３３に接続している。燃料溜り３３は、案内孔１４と燃料通路孔３４とを接続する内壁に環状に形成されている。燃料溜り３３には、外部から燃料を供給する燃料供給孔３２が接続されている。
【００２４】
ニードル弁２０は、中実円柱形状であって、首部２７、摺動部２６、円錐台部２５、大径部２４、小径部２３および円錐部２２からなる。
バルブニードル２０の反噴孔側端部に首部２７が形成されており、首部２７の外径はスペーサ４６の内径よりも僅かに小さい。
【００２５】
摺動部２６は、外径が同一径で、クリアンスを介して案内孔１４に遊嵌合し、軸方向に往復移動することが可能である。摺動部２６は、一端が首部２７に接続し、他端が円錐台部２５に接続している。円錐台部２５は、大径側の一端が摺動部２６に接続し、小径側の他端が大径部２４に接続している。大径部２４は、外径が同一径で、クリアンスを介してスワーラ６０に遊嵌合し、軸方向に往復移動することが可能である。大径部２４は、一端が円錐台部２５に接続し、他端が小径部２３に接続している。大径部２４の小径部２３に接続する端面に大径部端面２４ａが形成されている。
【００２６】
図１に示すように、小径部２３の外径は大径部２４の外径よりも小さい。小径部２３は、一端が大径部端面２４ａに接続しており、他端が当接部２１を介して円錐部２２に接続している。小径部２３と円錐部２２との接続部分は円形状であり、この円形状の部分が弁閉時に弁座部１３と当接する当接部２１である。弁閉時、当接部２１が弁座部１３に着座することにより噴孔からの燃料噴射が遮断される。
【００２７】
図２および図３に示すように、スワーラ６０は中空円筒形状であって、溝部６１と、スワール孔６２とが形成されている。溝部６１はスワーラ６０の外壁に一方の端部から他方の端部まで軸方向に連続して４箇所形成されている。４箇所の溝部６１は、それぞれの中心軸が略９０°間隔となっている。スワール孔６２は、溝部６１を形成するスワーラ６０の外壁からスワーラ６０の内壁までを貫通するように、周方向斜めかつ軸方向水平にほぼ同一内径でストレート状に４箇所形成されている。４箇所のスワール孔６２は、軸方向位置が略同一である。スワール孔６２の反溝部側には後述するスワール室７０に開口する開口部６２ａが形成されている。
【００２８】
図１に示すように、上記の構成のスワーラ６０がノズルボディ１１内に圧入により固定され、バルブニードル２０がノズルボディ１１内に収納されることにより、ノズルボディ１１の弁座部１３を形成する内壁と、ニードル弁２０の大径部端面２４ａおよび小径部２３を形成する外壁と、スワーラ６０の内壁とでスワール形成室としてのスワール室７０が形成される。スワール室７０はスワール孔６２を経由して燃料供給孔３２に連通している。ここで、スワール孔６２はスワール室７０に繋がる燃料入口通路を構成している。図１に示す弁閉状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面、すなわち大径部２４の小径部２３側端部がスワール孔６２の開口部６２ａの一部を塞いでいる。
【００２９】
次に、上記構成の燃料噴射弁１の作動を説明する。
(1) 高圧ポンプから所定量の燃料が所定の時期に圧送され、高圧燃料が燃料配管を経由して燃料インレット３０に供給される。この高圧燃料は、燃料通路３１、燃料供給孔３２、燃料溜り３３を経由して燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内に蓄えられる。燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力が増大し、この圧力が第１スプリング４１の付勢力に打勝つ圧力に達すると、バルブニードル２０は図４の上方にリフトし、弁座部１３から当接部２１が離間して開弁する。そして、スワール室７０でスワールが形成され、このスワールとなった燃料が弁座部１３と当接部２１との開口部を通って噴孔１２から噴射される。図５に示すように、低速低負荷時においては、バルブニードル２０のリフト量が比較的小さいので、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔６２の開口部６２ａの一部を塞いでおり、スワール孔６２の開口面積は比較的小さく、かつスワール室７０の容積は比較的小さい。このため、低速低負荷時の燃料噴霧ＱLの噴霧角θLは比較的大きく、燃料噴霧ＱLの到達距離は比較的小さい。
【００３０】
(2) 燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力がさらに増大すると、バルブニードル２０のリフト量が増大し、スペーサ４６がスプリング座５４に当接する。この状態がバルブニードル２０の初期リフト状態である。この初期リフト状態においては、スワール孔６２の開口面積は上記の(1)よりも増大している。しかし、スワール孔６２の開口部６２ａの一部は、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面により、まだ塞がれた状態になっている。そして、燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力が第１スプリング４１の付勢力と第２スプリング５１の付勢力との合力に打勝つ圧力に達すると、スペーサ４６がディスタンスピース１６の縮径部１６ａに当接し、バルブニードル２０はフルリフト状態に達する。このフルリフト状態においては、スワール孔６２の開口部６２ａは全開状態となってスワール孔６２の開口面積は最大となり、スワール室７０の容積は最大となる。このため、図６に示すように、高速高負荷時の燃料噴霧ＱHの噴霧角θHは比較的小さく、かつ燃料噴霧ＱHの到達距離は比較的大きくなる。
【００３１】
(3) 高圧ポンプの燃料圧送が終わりに近づくと、燃料通路孔３４、スワール孔６２およびスワール室７０内の燃料圧力が低下し、第１スプリング４１および第２スプリング５１の付勢力によりバルブニードル２０が図４の下方に移動し、当接部２１が弁座部１３に着座して燃料噴射を終了する。
【００３２】
次に、スワール孔６２の開口面積をＡswとし、弁座部１３と当接部２１との開口面積をＡseとしたとき、バルブニードル２０のリフト量ｈと、開口面積比Ａsw／Ａseおよび噴霧角θとの関係を図７を用いて説明する。
【００３３】
図７に示すように、低速低負荷時においては、開口面積比Ａsw／Ａseが所定の一定値αとなり、弁座部１３と当接部２１との開口部を流れる燃料速度と、スワール孔６２の開口部６２ａからスワール室７０に流入する燃料速度との速度比が一定となる。このため、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHに至る途中まで、スワール室７０内の周方向速度成分が比較的大きくなり、弁座部１３と当接部２１との開口部から噴孔１２へ旋回エネルギの比較的大きな燃料流れを供給することができる。したがって、低速低負荷時においては、図５に示すように、比較的大きな噴霧角θLを得ることができる。さらに、高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHに近づくにしたがって、開口面積比Ａsw／Ａseが所定の一定値αからしだいに増加すると、スワール室７０内の周方向速度成分が比較的小さくなり、噴霧角θがしだいに小さくなる。したがって、高速高負荷時においては、図６に示すように、比較的小さな噴霧角θHとなり、比較的大きな到達距離を得ることができる。
【００３４】
次に、図１に示す第１実施例のスワール孔６２の開口部６２ａが弁閉時において、全開状態となっている比較例について、図１６および図１７を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００３５】
比較例においては、図１６に示すように、弁閉時において、バルブニードル１２０の大径部１２４の大径部端面１２４ａ近傍の壁面、すなわち大径部１２４の小径部１２３側端部はスワール孔６２の開口部６２ａを塞いでいない。したがって、スワール孔６２の開口部６２ａは、弁閉時において、全開状態となっている。
【００３６】
図１６に示す比較例においては、スワール孔６２の開口面積は、バルブニードル１２０のリフト量に関係なく一定である。つまり、図１７に示すように、バルブニードル１２０のリフト量に応じて弁座部１３と当接部１２１との開口面積が大きくなるにしたがって、スワール孔６２の開口部からスワール室７０に流出する燃料速度が開口面積比Ａsw／Ａseに逆比例して増加し、スワール室７０内の周方向速度成分がしだいに増加する。したがって、噴霧角θの変化は、バルブニードル１２０のリフトにしたがい増加する方向にしか設定することができない。さらに、バルブニードル１２０のリフトに敏感に反応し、燃料噴射ノズルの個体間のばらつきを低減することが困難である。さらにまた、スワール室７０の容積が比較的大きいので、慣性質量が比較的大きくなり、燃料噴射開始時において、燃料のスワールを形成することが遅れ、噴射初期に燃料噴霧が広がらないという問題がある。
【００３７】
一方、第１実施例においては、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔６２の開口面積およびスワール室７０の容積を変えることができるので、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、低速低負荷時にスワール孔６２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール孔６２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【００３８】
さらに第１実施例においては、バルブニードル２０の初期リフト状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔６２の開口部６２ａの一部を塞ぐので、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔６２の開口面積を確実に変えることができる。したがって、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角θおよび噴霧の到達距離を確実に得ることができる。
【００３９】
さらにまた、第１実施例においては、バルブニードル２０の外周にスワーラ６０を設けているので、バルブニードル２０の当接部２１の偏芯を防止することができる。したがって、バルブニードル２０をノズルボディ１１と同軸に維持し、噴霧の形状が変形するのを防止することができる。
【００４０】
（第２実施例）
図１および図２に示す第１実施例の４箇所のスワール孔６２のうち２箇所を他の２箇所と軸方向位置をずらして形成した第２実施例について、図８および図９を用いて説明する。第１実施例と同一構成部分に同一符号を付す。
【００４１】
図８および図９に示すように、スワール形成部材としてのスワーラ９０は中空円筒形状であって、溝部９１と、スワール孔９２および９３とが形成されている。溝部９１はスワーラ９０の外壁に一方の端部から他方の端部まで軸方向に連続して４箇所形成されている。４箇所の溝部９１は、それぞれの中心軸が略９０°間隔となっている。スワール孔９２および９３は、溝部９１を形成するスワーラ９０の外壁からスワーラ９０の内壁までを貫通するように、周方向斜めかつ軸方向水平にほぼ同一内径でストレート状に４箇所形成されている。互いに対向する２箇所のスワール孔９２と、やはり互いに対向する２箇所のスワール孔９３とは、軸方向位置がずれている。スワール孔９２および９３の反溝部側にはスワール室７０に開口する開口部９２ａおよび９３ａが形成されている。ここで、スワール孔９２および９３はスワール室７０に繋がる燃料入口通路を構成している。
【００４２】
図８に示す弁閉状態において、バルブニードル２０の大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔９２の開口部９２ａを塞いでおり、スワール孔９３の開口部９３ａを塞いでいない。すなわち、スワール孔９２の開口部９２ａは全閉状態にあり、スワール孔９３の開口部９３ａは全開状態にある。そして、バルブニードル２０の初期リフト状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔９２の開口部９２ａの一部を塞ぎ、バルブニードル２０のフルリフト状態において、スワール孔９２の開口部９２ａは全開状態となる。
【００４３】
第２実施例においては、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔９２の開口面積およびスワール室７０の容積を変えることができるので、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を得ることができる。このため、低速低負荷時にスワール孔９２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的小さくし、高速高負荷時にスワール孔９２の開口面積およびスワール室７０の容積を比較的大きくすることにより、低速低負荷時に大きい噴霧角および小さい到達距離とし、高速高負荷時に小さい噴霧角および大きい到達距離とすることができる。したがって、部品点数を増加することなく簡単な構成で、燃料微粒化の促進をし、噴霧特性の制御を行うことができる。そして、燃料消費量を低減し、排気エミッションを向上させ、エンジンの安定した運転性を得ることができる。
【００４４】
さらに第２実施例においては、バルブニードル２０の初期リフト状態において、大径部２４の大径部端面２４ａ近傍の壁面がスワール孔９２の開口部９２ａの一部を塞ぐので、バルブニードル２０のリフト位置に応じてスワール孔９２の開口面積を確実に変えることができる。したがって、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角および噴霧の到達距離を確実に得ることができる。
【００４５】
（第３実施例）
次に、図１に示す第１実施例のスワール孔６２の開口部６２ａの形状を方形状とした第３実施例について、図１０および図１１を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００４６】
図１０に示すように、スワーラ１６０は中空円筒形状であって、溝部１６１と、スワール孔１６２とが形成されている。溝部１６１はスワーラ１６０の外壁に一方の端部から他方の端部まで軸方向に連続して４箇所形成されている。４箇所の溝部１６１は、それぞれの中心軸が略９０°間隔となっている。スワール孔１６２は、溝部１６１を形成するスワーラ１６０の外壁からスワーラ１６０の内壁までを貫通するように、周方向斜めかつ軸方向水平にほぼ同一内径でストレート状に４箇所形成されている。４箇所のスワール孔１６２は、軸方向位置が略同一である。スワール孔１６２の反溝部側にはスワール室７０に開口する開口部１６２ａが形成されている。ここで、スワール孔１６２はスワール室７０に繋がる燃料入口通路を構成している。
【００４７】
第３実施例においては、スワーラ１６０のスワール孔１６２の開口部１６２ａの形状が方形状である。さらに、バルブニードル２０のリフトにしたがって、スワール孔１６２の開口面積は弁座部１３と当接部２１との開口面積と同等に増加する。このため、図１１に示すように、低速低負荷時においては、開口面積比Ａsw／Ａseが所定の一定値βとなり、弁座部１３と当接部２１との開口部を流れる燃料速度と、スワール孔１６２の開口部１６２ａからスワール室７０に流入する燃料速度との速度比が一定となる。これにより、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHまで、スワール室７０内の周方向速度成分が比較的大きくなり、弁座部１３と当接部２１との開口部から噴孔１２へ旋回エネルギの比較的大きな燃料流れを供給することができる。したがって、低速低負荷時から高速高負荷時まで、比較的大きな噴霧角θLおよびθHを得ることができる。
【００４８】
さらに、第３実施例においては、バルブニードル２０のリフトに対する噴霧角θの変化を小さくすることができ、燃料噴射ノズルの個体間のばらつきを抑えることができる。
【００４９】
（第４実施例）
次に、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの形状を逆台形状とした第３実施例について、図１２および図１３を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００５０】
第４実施例においては、図１２に示すように、スワーラ２６０は中空円筒形状であって、溝部２６１と、スワール孔２６２とが形成されている。スワーラ２６０のスワール孔２６２の開口部２６２ａの形状は逆台形状である。開口部２６２ａの短辺である下辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの下辺の長さと略同等である。また、開口部２６２ａの長辺である上辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの上辺の長さよりも長い。したがって、スワール孔２６２の開口面積は、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口面積よりも大きい。さらに、バルブニードル２０のリフトにしたがって増加するスワール孔３６２の開口面積の増加率は、弁座部１３と当接部２１との開口面積の増加率よりも大きい。このため、図１３に示すように、バルブニードル２０のリフトにしたがって、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHまで、開口面積比Ａsw／Ａseがしだいに増加する。これにより、バルブニードル２０のリフト量に応じて弁座部１３と当接部２１との開口面積が大きくなるにしたがって、スワール孔２６２の開口部からスワール室７０に流出する燃料速度が開口面積比Ａsw／Ａseに逆比例して減少し、スワール室７０内の周方向速度成分がしだいに減少する。したがって、低速低負荷時に比較的大きい噴霧角θLを得ることができ、高速高負荷時に比較的小さい噴霧角θHを得ることができる。そして、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角θおよび噴霧の到達距離を得ることができる。
【００５１】
（第５実施例）
次に、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの形状を台形状とした第３実施例について、図１４および図１５を用いて説明する。その他は、第１実施例と同一構成であり、同一構成部分に同一符号を付す。
【００５２】
第５実施例においては、図１４に示すように、スワーラ３６０は中空円筒形状であって、溝部３６１と、スワール孔３６２とが形成されている。スワーラ３６０のスワール孔３６２の開口部３６２ａの形状は台形状である。開口部３６２ａの長辺である下辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの下辺の長さと略同等である。また、開口部３６２ａの短辺である上辺の長さは、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口部１６２ａの上辺の長さよりも短い。したがって、スワール孔３６２の開口面積は、図１０に示す第３実施例のスワール孔１６２の開口面積よりも小さい。さらに、バルブニードル２０のリフトにしたがって増加するスワール孔３６２の開口面積の増加率は、弁座部１３と当接部２１との開口面積の増加率よりも小さい。このため、図１５に示すように、バルブニードル２０のリフトにしたがって、低速低負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈLから高速高負荷時におけるバルブニードル２０のリフト量ｈHまで、開口面積比Ａsw／Ａseがしだいに減少する。これにより、バルブニードル２０のリフト量に応じて弁座部１３と当接部２１との開口面積が大きくなるにしたがって、スワール孔３６２の開口部からスワール室７０に流出する燃料速度が開口面積比Ａsw／Ａseに逆比例して増加し、スワール室７０内の周方向速度成分がしだいに増加する。したがって、低速低負荷時から高速高負荷時まで比較的大きい噴霧角θLおよびθHを得ることができる。そして、エンジンの負荷状態に応じて、所望の噴霧角θおよび噴霧の到達距離を得ることができる。
上記第５実施例では、スワール孔３６２の開口部３６２ａの形状を台形状としたが、三角形状であってもよいのはもちろんのことである。
【００５３】
以上説明した本発明の複数の実施例では、バルブニードル２０のフルリフト状態において、スワール孔の開口部が全開状態となる構成としたが、本発明にいては、スワール孔の開口部が全開状態となった後もバルブニードルがさらにリフトする構成としてもよい。スワール孔の開口部が全開状態となった後にバルブニードルがさらにリフトする場合、弁座部と当接部との開口面積はスワール孔の開口部の全開後にもさらに増加するので、スワール室内の周方向速度成分はしだいに増加し、噴霧角θはしだいに増加する。
【００５４】
本発明の複数の実施例では、スワール孔の数を４個に設定したが、本発明では、スワール孔の数は２個以上であればよい。
また、本発明の複数の実施例では、ディーゼルエンジン用の燃料噴射弁に本発明の燃料噴射ノズルを適用したが、ガソリンエンジン用の燃料噴射弁に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルを示すものであって、図４の主要部拡大図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】本発明の第１実施例のスワーラを示す斜視図である。
【図４】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルを適用した燃料噴射弁を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルの低速低負荷時における作動を説明するための縦断面図である。
【図６】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルの高速高負荷時における作動を説明するための縦断面図である。
【図７】本発明の第１実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図８】本発明の第２実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図９】図７のVIII−VIII線断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１１】本発明の第３実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の第４実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図１４】本発明の第５実施例による燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１５】本発明の第５実施例による燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【図１６】比較例の燃料噴射ノズルを示す縦断面図である。
【図１７】比較例の燃料噴射ノズルのバルブニードルのリフト量と開口面積比および噴霧角との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
１０ 燃料噴射ノズル
１１ ノズルボディ
１２ 噴孔
１３ 弁座
２０ バルブニードル
２１ 当接部
２３ 小径部
２４ 大径部
２４ａ 大径部端面
４１ 第１スプリング
５１ 第２スプリング
６０ スワーラ（旋回流形成部材）
６１ 溝部
６２ スワール孔（燃料入口通路）
６２ａ 開口部
７０ スワール室（旋回流形成室）
９０ スワーラ（旋回流形成部材）
９１ 溝部
９２、９３ スワール孔（燃料入口通路）
９２ａ、９３ａ 開口部
１６０、２６０、３６０ スワーラ（旋回流形成部材）
１６２、２６２、３６２ スワール孔（燃料入口通路）
１６２ａ、２６２ａ、３６２ａ 開口部
Claims (3)
- 噴孔の上流に弁座部を設けたノズルボディと、
前記ノズルボディに往復摺動可能に支持され、前記弁座部に着座可能な当接部を有し、前記当接部が前記弁座部から離座ならびに前記弁座部に着座することにより燃料の遮断および流通を行うバルブニードルと、
前記ノズルボディ内に形成され、燃料の旋回流を形成する旋回流形成室と、
前記ノズルボディ内に形成され、前記旋回流形成室に繋がる燃料入口通路とを備え、
前記バルブニードルの摺動により前記燃料入口通路の開口面積を変化させ、
低速低負荷時における前記バルブニードルのリフト量から高速高負荷時における前記バルブニードルのリフト量まで、前記燃料入口通路の開口面積と、前記当接部と前記弁座部との開口面積との比が所定の一定値となることを特徴とする燃料噴射ノズル。 - 前記バルブニードルの外周に設けられ、前記燃料入口通路を形成する内壁を有する旋回流形成部材を備え、
前記ノズルボディの内壁と、前記バルブニードルの外壁と、前記旋回流形成部材の内壁とで前記旋回流形成室を形成し、
前記バルブニードルの摺動により前記旋回流形成室の容積を変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射ノズル。 - 前記バルブニードルは、前記旋回流形成部材と遊嵌合する大径部と、この大径部と前記当接部との間に前記大径部よりも小さい外径で形成される小径部とを有し、
前記バルブニードルの初期リフト状態において、前記大径部の前記小径部側端部が前記燃料入口通路の開口部の一部を塞ぐことを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射ノズル。
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