JP5614459B2

JP5614459B2 - 燃料噴射弁

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Publication number: JP5614459B2
Application number: JP2012549506A
Authority: JP
Inventors: 小林　辰夫; 辰夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: US20130256429A1; EP2657507A4; CN103261663A; CN103261663B; JPWO2012086004A1; WO2012086004A1; EP2657507A1

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に開示されている噴霧を微粒化する燃料噴射弁では、ニードルに設けられた螺旋溝の形成された旋回流生成部により噴射する燃料へ強い旋回流を与えて旋回流の中心部の圧力を低下するとともに、旋回流の中心部へ空気を供給する。燃料の旋回流に空気が供給されることにより微細気泡が生成され、微細気泡を含んだバブル燃料が噴射される。そして、噴射後に微小気泡が破裂するエネルギーを利用して噴霧を微粒化する。

特許文献２には、噴射弁の弁体に設けた螺旋状通路により燃料に旋回成分を与え、噴霧の広がりを高めて燃料を分散させ空気との混合を促進する噴射弁が提案されている。特許文献３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ことが記載されている。さらに、特許文献４には、螺旋状にねじられた多角体で構成されたスワール部材をノズルボディ内に組み込み、多角体とノズルボディ壁面とで形成された螺旋経路に燃料を案内することでスワールを得ることが開示されている。

国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０５６３７２特開平１０−１４１１８３号公報特開２００６−１７７１７４号公報特表２００４−５１８０５２号公報

上記の通り、噴射する燃料に強い旋回流を与えるとともに、旋回流の中心部へ空気を供給することにより微細気泡を含むバブル燃料が形成できる。このバブル燃料では、気泡が破裂することにより燃料の噴霧の微粒化が図られる。ところで、このように生成される気泡径は、より強い旋回流を形成するほど燃料の噴霧の微粒化に効果的である。強い旋回流を形成するには燃料に付与する旋回成分を大きくする必要がある。旋回成分を大きくするには旋回成分を付与する螺旋状の通路径を大きくすることになる。ところが、燃料に旋回成分を付与する従来の技術では、螺旋状の通路をニードル弁に設けた構成（特許文献１、２）、またはニードル弁とともに移動する部材に設けた構成（特許文献４）であるため、可動部品であるニードル弁の重量が大きくなる。このため、リフト時のニードル弁の応答性の悪化、ニードル弁を駆動するための電力消費量の増加、さらには、噴射弁自体の大型化が生じていた。

そこで、本発明は、微細気泡を含む燃料の噴射により燃料の噴霧を微粒化し、安定した燃焼を実現する燃料噴射弁において、ニードルの軽量化を図ることを目的とする。

かかる課題を解決する本発明の燃料噴射弁は、先端部に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、前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入され前記噴孔へ供給される燃料へ前記ニードル周りに旋回する流れを付与する螺旋状の燃料通路と、前記シート部と前記噴孔との間に形成され、前記燃料通路を通過後の旋回する燃料を加速し、前記燃料の旋回中心に負圧を発生させることにより気柱を発生させる加速部と、を備え、前記燃料通路が前記ニードルの外周面よりも外側に形成されたことを特徴とする。

微細気泡を生成するのに十分な旋回流を発生させるために必要な螺旋状の燃料通路をニードルとは異なる部位に設けた構成とすることができる。このため、螺旋状の燃料通路を設けていた従来のニードルに比べ、ニードルの径を縮小し、ニードルを軽量にすることができる。これにより、ニードルの応答性の向上、ニードルの稼働に係る消費電力の抑制、及び燃料噴射弁の小型化が可能となる。

上記の燃料噴射弁は、前記ノズルボディの内側における前記燃料導入路と前記シート部との間に旋回流生成部材を備え、前記旋回流生成部材を前記ニードルが摺動可能に貫通し、前記燃料通路が前記ノズルボディの内周側面、及び／または前記旋回流生成部材の外周側面に設けられた螺旋溝により形成される構成とすることができる。

旋回流生成部材に螺旋溝を設けることにより旋回流を形成する燃料通路を形成するため、螺旋溝の加工がより容易となり生産性の向上、及びコストダウンができる。

上記の燃料噴射弁は、前記燃料通路が前記ノズルボディ内部を貫通するように形成された構成とすることができる。ノズルボディに燃料通路を形成することでも、微細気泡を生成するための旋回流を形成することができる。このようにノズルボディに燃料通路を形成するので、ニードル径を縮小してニードルを軽量にできる。

上記の燃料噴射弁は、前記燃料通路の下流側が半球面に沿って形成された構成とすることができる。半球面に沿うように燃料通路が形成されることにより、螺旋半径を徐々に縮小することができる。これにより、燃料の旋回速度をシート部近傍まで効率良く増幅することができる。さらに、ニードル開弁時から旋回流を発生することができる。

上記の燃料噴射弁は、前記燃料通路の断面積を一定とすることができる。螺旋状の燃料通路の断面積を一定とすることにより、燃料の縮流を抑制するため、流量抵抗が小さくなり低燃圧化を図るとともに、旋回流の速度を維持できる。

上記、旋回流生成部材を備える燃料噴射弁は、前記ニードルのリフト量が小さい場合、前記ニードルのみが移動し、前記ニードルのリフト量が大きい場合、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する移動機構を備えることができる。ニードルの移動とともに旋回流生成部材が移動すると、流量抵抗による燃料の圧損が低下できる。したがって、この構成によると、ニードルのリフト量が小さい場合、すなわち燃料の噴射量が少ない場合、旋回流の増幅を図り、ニードルのリフト量が大きい場合、すなわち燃料の噴射量が多い場合、圧損を低減し燃料流量を確保することができる。

前記移動機構は、前記ニードルに設けられた鍔部と、前記旋回流生成部材の内周側面に形成され、前記鍔部が摺動自在に移動する凹部と、前記凹部の先端面と前記鍔部の先端面との間に設けられ、前記旋回流生成部材を前記ニードルに対して先端側へ押付ける弾性部材と、を備え、前記ニードルのリフト時に、前記凹部の基端面と前記鍔部の基端面とが当接すると、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する構成とすることができる。この構成によると、特別な制御をすることなく、ニードルのリフト量に応じて旋回流生成部材のリフト量を定めることができる。すなわち、燃料の噴射量に応じて、旋回流の強度及び燃料流量を調整することができる。

本発明の燃料噴射装置は、微細気泡を生成する旋回流を発生させる螺旋状の燃料通路をニードルの側面よりもニードル軸から離間して形成することにより、燃料通路をニードルとは異なる部位に設けた構成とすることができる。これにより、螺旋状の燃料通路を設けていた従来のニードルに比べ、ニードルの径を縮小し、ニードルを軽量にすることができる。この結果、ニードルの応答性の向上、ニードルの稼働に係る消費電力の抑制、及び燃料噴射弁の小型化が可能となる。

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した図である。燃料噴射弁の概略構成を断面にして示した図である。燃料噴射弁の先端部分を拡大した図である。燃料噴射弁の噴孔付近を拡大して示した図である。実施例２における燃料噴射弁の旋回流生成部材近傍を断面にして示した図である。旋回流生成部材の外観を示した図である。ニードルのみがリフトした状態の実施例３における燃料噴射弁の図である。ニードルとともに旋回流生成部材とがリフトした状態の実施例３における燃料噴射弁の図である。気泡径、及び燃料圧との関係を示した図である。螺旋溝をノズルボディの内周側面に設けた燃料噴射弁の図である。螺旋溝を旋回流生成部材の外周側面及びノズルボディの内周側面に設けた燃料噴射弁の図である。

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。

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１００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１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１０を備えている。エンジンシステム１は、エンジン１００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（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（ＮｏｎＶｏｌａｔｉｌｅＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。

エンジン１００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１００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３０に信号を送る。燃料噴射弁３０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３０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１００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１００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１００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（ＮａｔｕｒａｌＡｓｐｉｒａｔｉｏｎ）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３０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３０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１００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３０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３０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３１先端部に設けられた噴孔３３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３０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３０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１００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、エンジンシステム１は、エンジン１００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３０の内部構成について詳細に説明する。図２は燃料噴射弁３０の概略構成を断面にして示した説明図である。図３は図２の燃料噴射弁３０の先端部分を拡大した説明図である。燃料噴射弁３０は、ノズルボディ３１、ニードル３２、駆動機構４０を備えている。以下の説明において、先端側とは閉弁するときのニードル３２の移動方向、すなわち図面中の下側を示し、基端側とは開弁するときのニードル３２の移動方向、すなわち図面中の上側を示す。

ノズルボディ３１の先端部には噴孔３３が設けられている。噴孔３３はノズルボディ３１の先端においてノズルボディ３１の軸に沿う方向に形成されている。ノズルボディ３１の内部には、ニードル３２を案内するニードルガイド３４が形成されている。さらに、ノズルボディ３１の噴孔３３とニードルガイド３４との間にシート部３５が設けられている。ニードル３２は、ノズルボディ３１内に摺動自在に配置され、ノズルボディ３１との間に燃料導入路３６を形成するとともに、ノズルボディ３１内のシート部３５に着座する。

燃料導入路３６の先端側には燃料を蓄える調整室３７が形成されている。この調整室３７は、ニードルガイド３４の基端側に位置する。調整室３７内の燃料は、燃料導入路３６から導入される。

また、ノズルボディ３１には調整室３７とシート部３５の先端側とを連通するように燃料通路３８が形成されている。燃料通路３８はニードル３２の外周面３２１よりも外側に形成されている。特に、燃料通路３８はニードル３２の軸を中心に螺旋を描くように形成された通路である。さらに、燃料通路３８は、ニードル３２の外周面３２１よりもニードル３２の軸から離間した位置に形成されている。言い換えると、この燃料通路３８は燃料噴射弁３０の中心側に位置するニードル３２に設けられているのではなく、燃料噴射弁３０の外周側に位置するノズルボディ３１に設けられている。さらに、この燃料通路３８は、シート部３５の上流側（基端側）に形成され、燃料導入路３６から導入され噴孔３３へ供給される燃料へニードル３２の周りに旋回する流れを付与する。

また、この燃料通路３８の下流側は半球面ｈｓに沿って形成されている。燃料通路３８の燃料の流れる下流側、すなわち、シート部３５側は半球面に沿って形成されることにより、燃料通路３８の螺旋半径が徐々に縮小する。このように螺旋半径が徐々に縮小するため、シート部３５側の開口を通過するまで、燃料の旋回する方向の流れが効率よく形成される。

また、ノズルボディ３１の内部において、シート部３５と噴孔３３との間に加速部３９が形成されている。加速部３９は、燃料通路３８を通過後の旋回する燃料を加速する。加速部３９が位置するシート部３５と噴孔３３との間のノズルボディ３１の内径は、シート部３５から噴孔３３へ向けて連続的に縮小されているため、燃料の通る流路が絞られる。このため、加速部３９を通る燃料が加速する。

駆動機構４０はニードル３２の摺動動作を制御する。駆動機構４０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３２へ適切な圧力を付与する弾性部材など、ニードル３２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。

ところで、燃料噴射弁３０においてニードル３２がシート部３５に着座している場合、燃料の噴射が停止している。この状態からニードル３２が基端側に移動し、シート部３５から離間すると、調整室３７と噴孔３３とが連通して燃料が噴射される。このとき、調整室３７の燃料が燃料通路３８を通り、加速部３９へ供給される。この燃料通路３８を通る燃料は螺旋状に形成された通路を通過するため、螺旋に沿うように旋回する流れが生み出される。さらに、この旋回成分を持った燃料の流れは、流路が絞られた加速部３９において加速する。

次に、加速部３９内における現象について図４を参照しつつ説明する。図４は燃料噴射弁３０の噴孔３３付近を拡大して示した説明図である。加速部３９内で旋回流が加速すると、噴孔３３、及び加速部３９内に強い旋回流ｆｓが形成され、強い旋回流ｆｓ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３１の外部の空気がノズルボディ３１内に吸引され、噴孔３３、及び加速部３９内に気柱ｐが発生する。こうして発生した気柱ｐの界面から気泡が生成する。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ｆ_２として外周側を流れる燃料流ｆ_１とともに噴射される。

このとき燃料流ｆ_１及び気泡混入流ｆ_２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ｓが形成される。従って、噴孔３３から離れるほど噴霧ｓの径が大きくなるため、噴霧液膜が引き伸ばされて薄くなり、やが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３０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。

上記の通り、本実施例の燃料噴射弁３０は、ニードル３２の側面よりもニードル３２の軸から離間して形成された螺旋状の燃料通路３８を備えることにより、燃料の流れに強力な旋回成分を付与する。これにより、ニードル３２を大型化することなく、燃料の噴霧を微粒化し、安定した燃焼を実現する。

このように、ニードル３２の重量増加が抑えられることにより以下の利点がある。すなわち、ニードルが重い場合、ニードルの動作について応答性が悪いが、本実施例のようにニードル３２が軽量であるならば応答性が良い。特に、燃料を間欠的に噴射する場合、過度応答性が大幅に向上する。さらに、応答性が良いと噴射開始時においてニードル３２がリフトし始めた時点でも速やかに旋回流を発生できるため、噴射開始から気泡を含む噴霧を生成し、燃料の微粒化ができる。特に、燃料通路３８の下流側を半球面に沿って形成したことにより、ニードル開弁直後から旋回流が発生することにより、噴射開始直後から微細気泡を含む噴霧を噴射することができる。

また、ニードル３２の径を拡大しないため、ニードル３２とニードルガイド３４との間のクリアランスを小さくできる。クリアランスが小さければ、燃料の流入が抑制されるため、螺旋状の燃料通路３８へ導入する燃料へ付与する圧力を小さくすることができる。これにより、燃料の圧損が減少し、燃料ポンプの駆動損失が低減されてコストダウンできる。

また、ニードル３２が軽量なため、ニードル３２を駆動するために必要な電力消費量を抑制できる。また、燃料噴射弁自体の大型化が抑えられるので、小型エンジンへの搭載ができる。

なお、ノズルボディ３１内に螺旋状の燃料通路３８を形成するには、コイル状螺旋部材を調整室３７と噴孔３３で支え、ロストワックス法で鋳造しコイル状螺旋部材が消失することにより、空洞部分として燃料通路３８を形成することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。実施例２の燃料噴射弁５０の構成は、概ね実施例１の燃料噴射弁３０の構成と同様である。ただし、燃料噴射弁５０は、ノズルボディ５１の内部に旋回流生成部材６０を備えている点で実施例１の燃料噴射弁３０と異なる。以下の燃料噴射弁５０の説明において、実施例１の燃料噴射弁３０と同一の構成要素については、同一の番号を用いて説明する。

図５は燃料噴射弁５０の旋回流生成部材６０近傍の概略構成を断面にして示した説明図である。また、図６は旋回流生成部材６０の外観を示した説明図である。燃料噴射弁５０のノズルボディ５１の先端には実施例１の燃料噴射弁３０と同様の噴孔３３、シート部３５、加速部３９が形成されている。また、燃料導入路３６は、ニードル３２とノズルボディ５１との間に形成されており、燃料導入路３６の先端側には燃料を蓄える調整室３７が形成されている。ノズルボディ５１の内部は、ニードルガイド３４が形成されていない代わりに、円筒状に形成された旋回流生成部材６０を内部に収納するように形成されている。旋回流生成部材６０は、ノズルボディ５１の内側における燃料導入路３６とシート部３５との間に組み付けられる。ニードル３２は、ノズルボディ５１内に摺動自在に配置され、ノズルボディ５１内のシート部３５に着座する。さらに、旋回流生成部材６０は、その内周側面６１をニードル３２が摺動可能に貫通する。すなわち、旋回流生成部材６０の内周側面６１はニードル３２を案内するニードルガイドとして機能する。

さらに、旋回流生成部材６０の外周側面６２には、螺旋溝６３が設けられている。旋回流生成部材６０は、ノズルボディ５１の内部に組み込み圧入固定される。これにより、旋回流生成部材６０の螺旋溝６３とノズルボディ５１の内周側面５４とにより、螺旋状の燃料通路５８が形成される。このように、ノズルボディ５１とは別体の旋回流生成部材６０を組み込むことによっても、燃料噴射弁５０にニードル３２の側面よりもニードル３２の軸から離間して形成された螺旋状の燃料通路５８を備えることができる。

また、旋回流生成部材６０の外周面は、ニードル３２の軸上に中心を持つ半球の法線上に加工され、螺旋溝６３は一定の深さで形成されている。従って、螺旋状の燃料通路５８の断面積は通路のいずれの位置においても一定であり、燃料の縮流を抑制する。このため、燃料通路５８内の流量抵抗が小さくなり、燃圧の低下が抑制される。

また、この旋回流生成部材６０の螺旋溝６３の下流側は半球面ｈｓに沿って形成されている。このため、燃料通路５８の燃料の流れる下流側は半球面に沿って形成されることにより、燃料通路５８の螺旋半径が徐々に縮小する。このように螺旋半径が徐々に縮小するため、シート部３５側の出口を通過するまで燃料の旋回する方向の流れが効率よく形成される。

燃料噴射弁５０は、ニードル３２の外周面よりも外側に形成された螺旋状の燃料通路５８を備えることにより、燃料の流れに強力な旋回成分を付与する。従って、ニードル３２を大型化することなく、実施例１の燃料噴射弁３０と同様に燃料の噴霧を微粒化し、安定した燃焼を実現する。これにより、ニードル３２の重量増加が抑えられ、上記燃料噴射弁３０と同様のニードル３２の応答性の向上、噴射開始早期からの燃料の微粒化、燃料ポンプの駆動損失低減によるコストダウン、ニードル３２の駆動に必要な電力消費量の抑制、及び、燃料噴射弁自体の大型化抑制による小型エンジンへの搭載の利点がある。

さらに、燃料噴射弁５０では、ノズルボディ５１とは別の構造物である旋回流生成部材６０とを組み合わせて螺旋状の燃料通路５８を備える。これにより、螺旋溝６３の加工が容易となるので生産性を向上できる。また、旋回流生成部材６０の外周に形成するため、螺旋溝６３の面粗度を向上できる。このため、流量抵抗が小さくなり、燃圧を低下することができる。このように別の構造物から構成することにより、部品点数が増えるものの材料の選択自由度が高まる。さらに生産性が向上できるのでコストを低下できる。

次に、本発明の実施例３について説明する。図７、図８は実施例３の燃料噴射弁７０の先端部を断面に示した説明図である。図７はニードル３２のみがリフトした状態を示し、図８はニードル３２とともに旋回流生成部材６０がリフトした状態を示している。実施例３の燃料噴射弁７０の構成は、概ね実施例２の燃料噴射弁５０の構成と同様である。ただし、燃料噴射弁７０は、移動機構８０を備えている点で実施例２の燃料噴射弁５０と異なる。また、実施例２の旋回流生成部材６０は、ニードル３２とともにリフトすることはないが、本実施例の旋回流生成部材６０は、ニードル３２とともにリフトすることがある。以下の燃料噴射弁７０の説明において、燃料噴射弁５０と同一の構成要素については、同一の番号を用いて説明する。

移動機構８０は、ニードル３２に設けられた鍔部８１と、旋回流生成部材６０の内周側面６１に形成され、鍔部８１が摺動自在に移動する凹部８２と、ニードル３２に対して旋回流生成部材６０を先端側へ押付けるスプリング（弾性部材）８３と、を備えている。スプリング８３は、凹部８２の先端面８２１と鍔部８１の先端面８１１との間に設けられている。さらに、旋回流生成部材６０の外周側面６２はノズルボディ５１の内周側面５４に対し、摺動可能となっている。なお、その他の構成は実施例２の燃料噴射弁５０と同様であり、同一の構成要素について説明は省略する。

次に、ニードル３２のリフト量と移動機構８０の動作との関係を説明する。燃料噴射弁７０は燃料の噴射量をニードル３２のリフト量により調整する。従って、噴射量が少ない場合ニードル３２のリフト量が小さく、噴射量が多い場合ニードル３２のリフト量が大きくなる。燃料噴射弁７０は、燃料の噴射量が少ない場合、すなわち、ニードル３２のリフト量が小さい場合、図７に示すように、ニードル３２がリフトしても鍔部８１の基端面８１２が凹部８２の基端面８２２に到達しない。このため、ニードル３２のみがリフトする。この場合、燃料は燃料通路５８の全通路を通り、加速部３９へ供給されて噴射される。したがって、ニードル３２のリフト量が小さい場合には、燃料は螺旋状の通路を長く通過するため、旋回流がより強化される。

一方、燃料噴射弁７０は、燃料の噴射量が多い場合、すなわち、ニードル３２のリフト量が大きい場合、図８に示すように、ニードル３２がリフトして鍔部８１の基端面８１２が凹部８２の基端面８２２に当接する。さらに、ニードル３２がリフトすることにより、旋回流生成部材６０がニードル３２ととともにリフトする。この場合、旋回流生成部材６０とノズルボディ５１とにより形成されていた燃料通路５８の下流側が開放され、流路断面積が拡大する。これにより、流路抵抗による燃料の圧損が低減される。

ここで、螺旋状に形成された溝面積による影響について説明する。図９は気泡径、及び燃料圧との関係を示した説明図である。図９において、破線は気泡径と溝面積との関係を示し、実線は燃料圧と溝面積との関係を示している。図９に示すように、螺旋状の燃料通路５８の断面積（溝面積）が小さいほど、旋回流の流速が速く、発生する気泡の径も小さくなる。ところが、流路による圧損は通路の断面積と長さとで決定されるため、溝面積が小さくなるほど燃料の圧損が大きくなる。このため、通路面積を縮小するほど燃料圧力を高めなければならない。

本実施例の燃料噴射弁７０は燃料流量の少ないリフト量の小さい動作時には、螺旋状の全燃料通路で旋回流を加速し、気泡径の微小化を促進する。一方、燃料流量の多いリフト量の大きい動作時には、燃料通路の一部において旋回流を生成することにより、圧損を小さくし燃圧の上昇を抑制する。これにより、燃料流量の多い場合でも、低い燃圧で燃料流量を確保しつつ、微細気泡を生成する旋回速度も同時に確保する。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

例えば、上記実施例２において、図１０に示すように、旋回流形成部材に替えてノズルボディ５１の内周側面５４側に螺旋溝９１を設けることにより、螺旋状の燃料通路９２を形成することとしてもよい。また、図１１に示すように、旋回流生成部材の外周側面６２に螺旋溝６３を設け、かつノズルボディ５１の内周側面５４に螺旋溝９１を設けることにより、螺旋状の燃料通路９５を形成するようにしてもよい。

１エンジンシステム
３０、５０、７０燃料噴射弁
３１、５１ノズルボディ
３２ニードル
３３噴孔
３４ニードルガイド
３５シート部
３６燃料導入路
３７調整室
３８、５８、９２、９５燃料通路
３９加速部
４０駆動機構
６０旋回流生成部材
６３、９１螺旋溝
８０移動機構
８１鍔部
８２凹部
８３スプリング（弾性部材）
ｆｓ旋回流
ｆ_１燃料流
ｆ_２気泡混入流
ｈｓ半球面
ｓ噴霧

Claims

先端部に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、
前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入され前記噴孔へ供給される燃料へ前記ニードル周りに旋回する流れを付与する螺旋状の燃料通路と、
前記シート部と前記噴孔との間に形成され、前記燃料通路を通過後の旋回する燃料を加速し、前記燃料の旋回中心に負圧を発生させることにより気柱を発生させる加速部と、
を備え、
前記燃料通路が前記ニードルの外周面よりも外側に形成されるように、前記燃料通路が前記ノズルボディ内部を貫通することを特徴とする燃料噴射弁。
先端部に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、
前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入され前記噴孔へ供給される燃料へ前記ニードル周りに旋回する流れを付与する螺旋状の燃料通路と、
前記シート部と前記噴孔との間に形成され、前記燃料通路を通過後の旋回する燃料を加速し、前記燃料の旋回中心に負圧を発生させることにより気柱を発生させる加速部と、
前記ノズルボディの内側における前記燃料導入路と前記シート部との間に旋回流生成部材と、
前記ニードルのリフト量が小さい場合、前記ニードルのみが移動し、前記ニードルのリフト量が大きい場合、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する移動機構と、を備え、
前記旋回流生成部材を前記ニードルが摺動可能に貫通し、
前記燃料通路が前記ノズルボディの内周側面、及び／または前記旋回流生成部材の外周側面に設けられた螺旋溝により形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
前記移動機構は、
前記ニードルに設けられた鍔部と、
前記旋回流生成部材の内周側面に形成され、前記鍔部が摺動自在に移動する凹部と、
前記凹部の先端面と前記鍔部の先端面との間に設けられ、前記旋回流生成部材を前記ニードルに対して先端側へ押付ける弾性部材と、
を備え、
前記ニードルのリフト時に、前記凹部の基端面と前記鍔部の基端面とが当接すると、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する請求項２記載の燃料噴射弁。
前記燃料通路の下流側が半球面に沿って形成されたことを特徴とする請求項１又は２項記載の燃料噴射弁。
前記燃料通路の断面積を一定としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の燃料噴射弁。