JP4294020B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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この発明は、自動車のエンジンなどに使用される内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に燃料の微粒子化を促進できる弁構造に関するものである。
従来の燃料噴射弁では、複数の噴孔を有するプレートと、噴孔の上流に弁座を設けたバルブシートと、このバルブシートに設けられた円筒形燃料通路と、この円筒形燃料通路と噴孔との間に構成された燃料キャビティと、弁座に離着する弁部材とを備えており、弁部材の動作により加圧された燃料は、弁座から円筒形燃料通路を通り、燃料キャビティ内を弁座の中心軸から外周方向へ水平に流れて噴孔に到達し、この噴孔を通過して噴射されていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−39036号公報
この種の燃料噴射弁においては、燃料噴射粒子径が小さいほど、燃料蒸発が促進されるとともに、エンジン内壁への燃料付着量が減少し、未燃焼の燃料排出量が低減される。そこで、近年の自動車の排出ガス規制強化に対応するため、燃料噴射粒子径のさらなる微粒子化が必要となっている。
しかし、従来の燃料噴射弁では、噴孔内は燃料流で満たされているので、噴孔から噴出される燃料が噴孔断面と同等の円形断面を持つ液柱形状となってしまい、液柱となった燃料は微粒子化されにくいという問題があった。
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、燃料噴射粒子径の微粒子化を促進することができる燃料噴射弁を得ることを目的とする。
この発明による燃料噴射弁は、切頭円錐状のシート部がその頭部を下方に向けて設けられ、かつ上記シート部の頭部に該シート部と同軸に穿設された円筒形燃料通路を有するバルブシートと、上記シート部に着座可能な当接部を有し、該当接部が上記シート部に着座する閉弁位置と上記シート部から離座する開弁位置との間で上記バルブシートに往復移動可能に支持された弁部材と、上記バルブシートの下面に密接して配設され、上記円筒形燃料通路の径方向外側に穿設された複数の噴孔を有するプレートと、を備えている。そして、上記バルブシートと上記プレートとの間に配設され上記円筒形燃料通路と上記複数の噴孔のそれぞれを連絡する複数の燃料通路は、それぞれ、上記噴孔との接続部の面積が該噴孔の最小流路断面積より小さく、かつその通路終端面が、該通路終端面と上記円筒形燃料通路の中心との距離が上記噴孔に近づくにつれ長くなるテーパ形状に形成されている
この発明によれば、燃料通路を通過した燃料が噴孔に流入する際、噴孔の最小流路断面積が燃料通路と噴孔との接続部の流路断面積より大きいので、噴孔内は燃料で満たされず、燃料が噴孔壁面に沿って広がりながら、噴孔出口に向かう。そこで、噴孔出口から噴出される燃料は薄膜化された液膜形状となり、燃料噴射粒子の微粒子化が促進される。
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図、図2はこの発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁の先端部分を示す要部拡大断面図、図3はこの発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁における燃料通路および噴孔の構成を模式的に示す斜視図、図4はこの発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁における燃料通路を通過し噴孔から弁外部に噴出される燃料の流れを模式的に示す要部断面図、図5は図4のV−V矢視断面図である。
図1において、燃料噴射弁1は、電磁コイル3、固定鉄心4および磁気通路を構成する金属板5が樹脂製ハウジング2の内部に配置され、樹脂製ハウジング2と一体に成形されて構成されている。この電磁コイル3は、樹脂製のボビン3a、ボビン3aの外周に巻線されているコイル3bおよび外部との接続のために設けられたターミナル6により構成され、ボビン3aが固定鉄心4の下端側を囲繞するように配設されて樹脂製ハウジング2と一体に成形されている。
また、磁気通路を構成する磁性パイプ9が非磁性パイプ11を介装させて固定鉄心4の下端に同軸に配設されている。この非磁性パイプ11は固定鉄心4と磁性パイプ9とに固定されている。さらに、可動鉄心10が非磁性パイプ11および磁性パイプ9内に上下に移動可能に配設されている。また、二枚の磁気通路を構成する金属板5が、その上端を固定鉄心4に溶接で固定され、下端を磁性パイプ9に溶接されて、固定鉄心4と磁性パイプ9とを磁気的に連結している。
また、圧縮バネ7が固定鉄心4の内部に配設され、アジャスタ8が圧縮バネ7の荷重を調整するように固定鉄心4の内部に固定されている。そして、ニードルパイプ12が、その上端側を可動鉄心10内に挿入されて可動鉄心10に溶接固定され、磁性パイプ9内に配設されている。さらに、弁部材としてのボール13がニードルパイプ12の下端に溶接固定されている。そして、アジャスタ8により調整された圧縮バネ7の付勢力がニードルパイプ12を下端側に押圧するように作用している。また、フィルタ16が固定鉄心4の内部の上端側に配設されている。
つぎに、この燃料噴射弁1の先端部分の構成について、図2および図3を参照しつつ説明する。なお、図2は図1に示された燃料噴射弁1の先端部分Bの一部拡大断面図であり、燃料噴射弁1の先端部分は円対称であるため、中心線から左の部分のみを示している。
バルブシート14は、下端側を先細り状とする切頭円錐状に形成されたシート部14aと、シート部14aの上部側に連なって形成されたボール13の直径と同等の内径を有する円筒状のガイド部14bとを備え、磁性パイプ9の内部の下端側に配設されている。そして、ボール13は、磁性パイプ9の内部の下端側に配置されたバルブシート14のガイド部14bにガイドされ、ニードルパイプ12の上下方向(軸方向)の移動に連動して、バルブシート14のシート部14aに着座および離座できるように配置されている。
また、ボール13の外周部は、ニードルパイプ12の軸方向に直交するボール13の半径方向に直交する平坦面13aが、ニードルパイプ12の軸方向を中心に等角ピッチで5つ形成された5角形に加工されている。そして、ボール13のニードルパイプ12の軸方向先端の球状壁面13bがシート部14aに着座する当接部を構成する。
さらに、円板状に作製されたプレート17が、シート部14aと同軸に、かつ、バルブシート14の下面に密接するように磁性パイプ9の内部の下端側に配設されている。そして、例えば6つの噴孔18がプレート17に同一円周上に等角ピッチに形成されている。
また、断面円形の燃料キャビティ19が、シート部14aと同軸にバルブシート14の下面に凹設されている。そして、断面円形の円筒形燃料通路14cが、シート部14aと同軸に、かつ、シート部14aと燃料キャビティ19とを連通するようにバルブシート14に穿設されている。さらに、矩形断面の燃料通路20が、その断面形状を変えることなく、かつ、通路方向を径方向として、各噴孔18と燃料キャビティ19とを連通するようにバルブシート14の下面に凹設されている。これにより、ボール13の外周部に形成された平坦面13aとバルブシート14のガイド部14bとの隙間、ボール13の球状の外周面とシート部14aとの隙間、円筒形燃料通路14cおよび燃料キャビティ19から燃料通路20を経て噴孔18に至る燃料通路が構成される。
ここで、燃料通路20と噴孔18の接続部の面積S1と噴孔18の最小の燃料流路断面積S2は、S1<S2を満足するように構成されている。また、燃料通路20の燃料通路終端面21は、燃料通路20の通路方向に垂直な平坦面となっている。さらに、噴孔18のシート部14aの軸心からの距離は、円筒形燃料通路14cの半径より大きくなっている。
つぎに、このように構成された燃料噴射弁1の動作について説明する。
まず、外部よりターミナル6を介して電磁コイル3に通電すると、固定鉄心4、金属板5、磁性パイプ9および可動鉄心10で構成される磁気通路に磁束が発生し、可動鉄心10が固定鉄心4に磁気吸引力により引きつけられる。これにより、可動鉄心10と一体となっているニードルパイプ12が、圧縮ばね7の付勢力に抗して図1中上方に移動し、このニードルパイプ12に溶接固定されているボール13がバルブシート14のシート部14aから離れる開弁位置をとる。
そこで、燃料は、デリバティブパイプ(図示せず)を介して上部から燃料噴射弁1の本体に流れ込みフィルタ16を通過し、固定鉄心4内に配置されているアジャスタ8および圧縮ばね7、可動鉄心10、ニードルパイプ12の内部を通り、ついでバルブシート14のガイド部14bとボール13の平坦面13aとの隙間およびシート部14aとボール13の外周面との隙間を通り、さらに円筒形燃料通路14cを通って燃料キャビティ19へ供給される。
そして、燃料キャビティ19へ供給された燃料24は、図4に示されるように、燃料通路20を通過し、燃料通路終端面21および噴孔壁22に衝突する。この時、燃料通路20と噴孔18との接続部の面積S1より噴孔18の燃料流路断面積S2の方が大きいので、噴孔18内は燃料24で満たされず、燃料24は、図4および図5に示されるように、噴孔壁22に沿って広がりながら、噴孔出口23に向かい、燃料24は噴孔出口23から液膜形状となって噴出される。
また、電磁コイル3への通電を停止すると、可動鉄心10を固定鉄心4に吸引する磁気吸引力が消失する。これにより、可動鉄心10と一体となっているニードルパイプ12が、圧縮ばね7の付勢力により図1中下方に移動し、ボール13がバルブシート14のシート部14aに当接する閉弁位置をとる。そこで、燃料24の噴孔出口23からの噴出が停止される。
このように、この実施の形態1によれば、噴孔18の燃料流路断面積S2を燃料通路20と噴孔18との接続部の面積S1より大きくしているので、燃料24が噴孔出口23から薄膜化された液膜形状となって噴出され、燃料噴射粒子の微粒化が促進される。
さらには、噴孔出口23から噴出される燃料24は、噴出直前に燃料通路終端面21および噴孔壁22に衝突することにより燃料24内に大きな乱れが発生するため、噴孔出口より噴出する燃料液膜の形状の乱れが大きくなり、その結果燃料噴射粒子の微粒化が促進される。
実施の形態2.
図6はこの発明の実施の形態2に係る燃料噴射弁おける燃料通路および噴孔の構成を模式的に示す斜視図である。
図6において、燃料通路20Aは、その通路深さが、燃料通路20の通路深さより浅く形成されている。つまり、燃料通路20Aの最小流路断面積S3と、燃料通路20Aと噴孔18との接続部の面積S1は、S3<S1となるように構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においては、燃料通路20Aの最小流路断面積S3が燃料通路20Aと噴孔18との接続部の面積S1より小さく形成されているので、燃料24が燃料通路20Aを流通する際に、燃料24は燃料通路20Aの最小流路断面積の部位で絞られて流速を増して下流側に流れる。そこで、燃料通路20Aを通過した燃料24を燃料通路終端面21および噴孔壁22に強く衝突させることができるため、燃料24は噴孔壁22に沿って広がりやすくなり、噴孔出口23から噴出される燃料の薄膜化が促進され、燃料噴霧粒子の微粒化が促進される。
さらには、燃料24が燃料通路終端面21および噴孔壁22に強く衝突するため、燃料24内に大きな乱れが発生し、噴孔出口23より噴出する燃料液膜の形状の乱れが大きくなり、その結果燃料噴射粒子の微粒化が促進される。
実施の形態3.
上記実施の形態1では、燃料通路20が各噴孔18と燃料キャビティ19とを連通するように放射状にバルブシート14の下面に凹設されていたが、この実施の形態3では、図7に示されるように、燃料キャビティ19を省略し、燃料通路20がバルブシート14に設けられた円筒形燃料通路14cの開口部と各噴孔18とを直接連通するように放射状にバルブシート14の下面に凹設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においても、上記実施の形態1と同様に、噴孔18の燃料流路断面積S2を燃料通路20と噴孔18との接続部の面積S1より大きくしているので、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
なお、上記実施の形態3では、上記実施の形態1の燃料噴射弁において、燃料キャビティを省略するものとして説明しているが、上記実施の形態2の燃料噴射弁において、燃料キャビティを省略するようにしても、同様の効果が得られる。
実施の形態4.
上記実施の形態1では、噴孔18の真上に位置する燃料通路20の燃料通路終端面21が燃料通路20の通路方向に対して垂直な平坦面に形成されていたが、この実施の形態4では、図8に示されるように、噴孔18の真上に位置する燃料通路20Bの燃料通路終端面21Bが、燃料通路20Bの通路方向に対して所定の傾きをもつテーパ形状の平坦面に形成され、燃料通路20Bを流通する燃料24の流れ方向を噴孔壁22に向かうように変えるように構成されている。つまり、通路終端面21Bは、通路終端面21Bと円筒形燃料通路14cの中心との距離が噴孔18に近づくにつれ長くなるテーパ形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においては、通路終端面21Bと円筒形燃料通路14cの中心との距離が噴孔18に近づくにつれ長くなるテーパ形状に形成されているので、燃料通路20Bを通過する燃料24は、燃料通路終端面21Bで噴孔壁22に向かうように曲げられる。これにより、燃料通路20Bを通過する燃料24は直接噴孔壁22に衝突するようになる。そこで、燃料24が、噴孔壁22に沿って広がりやすくなり、噴孔出口23から噴出される燃料24の薄膜化がさらに促進される。また、噴孔出口23から噴出される燃料24は、噴出直前に噴孔壁22に衝突することにより燃料流内に大きな乱れが発生するため、噴孔出口より噴出する燃料液膜の形状の乱れが大きくなり、その結果燃料噴射粒子の微粒化が一層促進される。
なお、上記実施の形態4では、実施の形態1の燃料噴射弁において、通路終端面をテーパ形状に形成するものとして説明しているが、実施の形態2、3の燃料噴射弁において、通路終端面をテーパ形状に形成するようにしても、同様の効果が得られる。
実施の形態5.
上記実施の形態4では、噴孔18の真上に位置する燃料通路20Bの燃料通路終端面21Bが燃料通路20Bの通路方向に対して所定の傾きをもつテーパ形状の平坦面に形成されていたが、この実施の形態5では、図9に示されるように、燃料通路20Cの通路深さを噴孔18に向かって漸次浅くなるように形成し、燃料通路20Cの底面全体が、即ちプレート17の上面に対向する面全体がテーパ形状の平坦面に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態4と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においても、燃料通路20Cを通過する燃料24は、燃料通路20Cのテーパ形状の底面(通路終端面に相当)により噴孔壁22に向かうように曲げられるので、上記実施の形態4と同様の効果が得られる。
実施の形態6.
上記実施の形態1では、燃料通路20が燃料キャビティ19から噴孔18の真上に至るように形成されていたが、この実施の形態6では、図10に示されるように、噴孔18と同形状の円筒状の噴孔入口部25をバルブシート14の下面に噴孔18の真上に位置するように凹設し、燃料通路20が燃料キャビティ19と各噴孔入口部25とを連通するようにバルブシート14の下面に凹設されている。ここで、燃料通路20と噴孔18との接続部の面積S1は、燃料通路20と噴孔入口部25との接続部の面積に相当し、燃料通路20の流路断面積である。
なお、他の構成は上記実施の形態5と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においては、噴孔18の噴孔壁22は噴孔入口部25の壁面と同一面位置となっているので、燃料通路20を通過する燃料24を、噴孔入口部25の壁面および噴孔壁22に直接衝突させることができる。そこで、燃料24は、噴孔壁22に沿って広がりやすくなり、噴孔出口23から噴出される燃料24の薄膜化がさらに促進される。また、噴孔出口23から噴出される燃料24は、噴出直前に噴孔壁22に衝突することにより燃料流内に大きな乱れが発生するため、噴孔出口より噴出する燃料液膜の形状の乱れが大きくなり、その結果燃料噴射粒子の微粒化が一層促進される。
実施の形態7.
上記実施の形態1では、燃料通路20が、その矩形断面形状を変えることなく、かつ、通路方向を径方向として、各噴孔18と燃料キャビティ19とを連通するようにバルブシート14の下面に凹設されていたが、この実施の形態7では、図11に示されるように、燃料通路20Dが、その矩形断面形状の通路幅のみを燃料キャビティ19から噴孔18に向かって漸次広くする口開き形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においても、上記実施の形態1と同様に、噴孔18の燃料流路断面積S2を燃料通路20Dと噴孔18との接続部の面積S1より大きくしているので、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
なお、上記実施の形態7では、実施の形態1の燃料噴射弁において、燃料通路を噴孔に向かって口開き形状に形成するものとして説明しているが、実施の形態2〜5の燃料噴射弁において、燃料通路を噴孔に向かって口開き形状に形成するようにしても、同様の効果が得られる。
実施の形態8.
上記実施の形態1では、燃料通路20が、その矩形断面形状を変えることなく、かつ、通路方向を径方向として、各噴孔18と燃料キャビティ19とを連通するようにバルブシート14の下面に凹設されていたが、この実施の形態8では、図12に示されるように、燃料通路20Eが、その矩形断面形状の通路幅のみを燃料キャビティ19から噴孔18に向かって漸次狭くする先細り形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においても、上記実施の形態1と同様に、噴孔18の燃料流路断面積S2を燃料通路20Eと噴孔18との接続部の面積S1より大きくしているので、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
なお、上記実施の形態8では、実施の形態1の燃料噴射弁において、燃料通路を噴孔に向かって先細り形状に形成するものとして説明しているが、実施の形態2〜5の燃料噴射弁において、燃料通路を噴孔に向かって先細り形状に形成するようにしても、同様の効果が得られる。
実施の形態9.
上記実施の形態1では、燃料通路20が、その矩形断面形状を変えることなく、かつ、通路方向を径方向として、各噴孔18と燃料キャビティ19とを連通するようにバルブシート14の下面に凹設されていたが、この実施の形態9では、図13に示されるように、燃料通路20Fの通路壁面が、その噴孔18の真上を除く領域で、その通路幅を部分的に変えて凹凸面形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
このように構成された燃料噴射弁においても、上記実施の形態1と同様に、噴孔18の燃料流路断面積S2を燃料通路20Fと噴孔18との接続部の面積S1より大きくしているので、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
また、この実施の形態9によれば、燃料通路20Fの通路壁面が凹凸面形状に形成されているので、燃料24が燃料通路20F内を通過する際に、燃料流内に大きな乱れが発生する。これにより、噴孔出口23より噴出する燃料液膜の形状の乱れが大きくなり、その結果燃料噴射粒子の微粒化が促進される。
なお、上記実施の形態9では、実施の形態1の燃料噴射弁において、燃料通路の通路壁面を凹凸面形状に形成するものとして説明しているが、実施の形態2〜6の燃料噴射弁において、燃料通路の通路壁面を凹凸面形状に形成するようにしても、同様の効果が得られる。
なお、上記各実施の形態では、燃料通路をプレートと相対するバルブシートの下面に凹設するものとして説明しているが、燃料通路は、バルブシートと相対するプレートの上面に凹設するようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、燃料通路が矩形断面を有するものとして説明しているが、燃料通路の断面形状は矩形に限定されるものでなく、例えば半円であってもよい。
また、上記各実施の形態では、噴孔が円筒形燃料通路の中心を円中心とする同一円周上に等角ピッチに形成されているものとして説明しているが、噴孔は、必ずしも円筒形燃料通路の中心を円中心とする同一円周上に等角ピッチに形成されている必要はない。さらに、噴孔の個数も6つに限定されるものではない。
この発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁の先端部分を示す要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁における燃料通路および噴孔の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る燃料噴射弁における燃料通路を通過し噴孔から弁外部に噴出される燃料の流れを模式的に示す要部断面図である。 図4のV−V矢視断面図である。 この発明の実施の形態2に係る燃料噴射弁における燃料通路および噴孔の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態3に係る燃料噴射弁における燃料通路および噴孔の構成を模式的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態4に係る燃料噴射弁における燃料通路と噴孔との接続部周りを模式的に示す要部断面図である。 この発明の実施の形態5に係る燃料噴射弁における燃料通路と噴孔との接続部周りを模式的に示す要部断面図である。 この発明の実施の形態6に係る燃料噴射弁における燃料通路と噴孔との接続部周りを模式的に示す要部斜視図である。 この発明の実施の形態7に係る燃料噴射弁における燃料通路と噴孔との接続部周りを噴孔出口側からみた状態を模式的に示す要部平面図である。 この発明の実施の形態8に係る燃料噴射弁における燃料通路と噴孔との接続部周りを噴孔出口側からみた状態を模式的に示す要部平面図である。 この発明の実施の形態9に係る燃料噴射弁における燃料通路と噴孔との接続部周りを噴孔出口側からみた状態を模式的に示す要部平面図である。
符号の説明
13 ボール(弁部材)、14 バルブシート、14a シート部、14c 円筒形燃料通路、17 プレート、18 噴孔、20,20A,20B,20C,20D,20E,20F 燃料通路、21,21B 通路終端面。

Claims (3)

  1. 切頭円錐状のシート部がその頭部を下方に向けて設けられ、かつ上記シート部の頭部に該シート部と同軸に穿設された円筒形燃料通路を有するバルブシートと、
    上記シート部に着座可能な当接部を有し、該当接部が上記シート部に着座する閉弁位置と上記シート部から離座する開弁位置との間で上記バルブシートに往復移動可能に支持された弁部材と、
    上記バルブシートの下面に密接して配設され、上記円筒形燃料通路の径方向外側に穿設された複数の噴孔を有するプレートと、を備え、
    上記バルブシートと上記プレートとの間に配設され上記円筒形燃料通路と上記複数の噴孔のそれぞれを連絡する複数の燃料通路は、それぞれ、上記噴孔との接続部の面積が該噴孔の最小流路断面積より小さく、かつその通路終端面が、該通路終端面と上記円筒形燃料通路の中心との距離が上記噴孔に近づくにつれ長くなるテーパ形状に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  2. それぞれの上記燃料通路は、流路断面積の最小値が該燃料通路と上記噴孔との接続部の面積より小さいことを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射弁。
  3. それぞれの上記燃料通路は、その壁面が凹凸形状に形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料噴射弁。
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