JP5678966B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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には、ノズル本体の中空穴の壁面と針弁の摺動面との間に形成された螺旋状通路を通った燃料を環状チャンバである燃料溜まりにおいて回転流とする燃料噴射ノズルが提案されている。この燃料噴射ノズルは、燃料溜まり内で回転する燃料を燃料溜まりの下流に設けられ、末広のテーパ面を有する単噴孔から燃料を噴射する。噴射された燃料は分散され、空気との混合が促進される。

特許文献２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燃料噴射弁が記載されている。

このように、燃料噴射ノズル、燃料噴射弁に対し、種々の提案がされている。

特開平１０−１４１１８３号公報 特開２００６−１７７１７４号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された燃料噴射ノズルは、燃料の噴霧を拡散することができるが、燃料中に気泡を発生させることによる燃料の微粒化は考慮されていない。また、特許文献２に開示された燃料噴射弁は、シート部が気泡保持流路よりも下流側に配置されている。このため、噴射初期は一旦気泡保持流路に保持された燃料が噴射されることになる。閉弁状態時に気泡保持流路に保持される燃料の気泡混合率は低く、噴射初期の微粒化は困難であり、燃料は液状のままシリンダ壁に衝突することが懸念される。液状の燃料がシリンダ壁に衝突するとオイル希釈の原因となる。

そこで本発明は、噴孔からの燃料噴射時においても燃料中に気泡を保持し、噴射後にその気泡を崩壊させることによって燃料の微粒化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射弁は、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、前記シート部よりも上流側に設けられ、前記燃料導入路から導入される燃料に前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部と、前記シート部よりも下流側に設けられ、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ前記噴孔へ燃料を供給する旋回増速部と、を備えたことを特徴とする。

燃料による旋回流を増速させることによって、旋回流の中心部に気柱を発生させることができる。発生した気柱と燃料との境界において微細気泡が発生する。発生した微細気泡は、噴孔から噴射され、その後、破裂、崩壊して噴霧燃料を微細化する。このように、噴霧燃料の微粒化が図られる。

燃料噴射弁は、その先端が燃焼室内に露出するようにエンジンに装着される。このため、噴孔は、燃焼室内に開口されることになる。このため、噴孔から燃焼室内の既燃ガスが噴孔内に入り込み、噴孔内に気柱を生成することができる。このように、噴孔の開口の近傍に気柱が生成されることにより、燃料噴射弁内で微細気泡が生成される。この結果、別途、微細気泡を発生させるための装置を準備する必要がない。

前記旋回増速部は、前記シート部よりも下流部に位置する最小絞り部に向かって内周径が縮径して形成される。旋回流生成部において生成された旋回流の旋回径を狭めることにより、旋回速度を加速、増大することができる。旋回速度が増大すると、旋回流の旋回が安定し、その結果、噴霧の揺らぎを抑制して安定した噴射が可能となる。最小絞り部は、噴孔の開口であってもよい。

前記噴孔は、前記ニードルと対向する位置に設けられ、前記ニードルは、燃焼室側先端部に前記噴孔と対向する貯気室を備えることができる。貯気室を設けることにより、貯気室内の空気（気体）と旋回流によって燃焼室内から吸引された気体とを結合させることができる。これにより、気柱が成長し、気体と燃料との境界面積が増大し、微細気泡の発生量が増大する。この結果、燃料噴霧の微細化が促進される。

前記ニードルは、燃焼室側先端部に多孔質部材を備え、当該多孔質部材は、前記噴孔に向かって延びるとともに、前記噴孔と対向する開口を備えることができる。

多孔質部材に燃焼室内の気体を通過させることにより、微細な気体を燃料に供給することができる。これにより、例えば、燃圧が低く、旋回速度が増大し難いような状態のときであっても、微細気泡を発生させ、燃料の微粒化を図ることができる。

前記多孔質部材の燃焼室側先端部の外径は、先端に向かうに従って縮径された形状とすることができる。燃料室側先端部の形状を例えばテーパ形状としたり、Ｒを設けた曲線形状としたりして、その外径を縮径することにより、噴射される燃料がその形状に沿って噴孔の中心に集まる効果（コアンダ効果）を得ることができる。この結果、噴霧角を縮小することができる。微細な噴霧を形成するためには、旋回流の旋回速度を高める等の措置が有効である。ただし、その一方で、旋回速度の向上に伴って遠心力が増大すると、噴霧角も大きくなる。このため、噴孔の形状がストレートであっても、燃料の旋回状態によっては噴霧角が大きくなることがある。燃料噴射弁は、搭載するエンジンの形式によっては、あまり噴霧角が大きくならない方が有利な場合がある。このような場合に、多孔質部材の燃焼室側先端部の外径を先端に向かうに従って縮径することは有効である。これにより、噴霧の微粒化を図りつつ、噴霧角が拡大することを抑制することができる。

前記ノズルボディは、前記噴孔が開口した周囲を燃焼室側に突出させた形状を採用することができる。噴孔が開口するノズルボディの先端の形状が、噴孔の開口から側方に平面的に広がっていると、噴孔から噴射された燃料はコアンダ効果でノズルボディの先端形状に従って側方に這うように広がろうとする。このため噴霧角が拡大することがある。本願の燃料噴射弁は、燃料の旋回速度を速めて燃料の微粒化を促進するものである。燃料の旋回速度が速まると遠心力が高まり噴霧角が大きくなる。このため、噴霧角が必要以上に大きくなるおそれがある。ノズルボディの、噴孔が開口した周囲を燃焼室側に突出させることによってコアンダ効果を抑制し、この結果、噴霧角の広がりを抑制することができる。この結果、安定して混合気の均質化を図ることができる。

前記旋回流生成部は、螺旋溝を備え、当該螺旋溝の前記ニードルの摺動方向と直交する方向との角度θは、０＜θ≦４９°であり、前記最小絞り部の径は、前記旋回流生成部の径の７〜１９％であり、前記螺旋溝の燃料流路面積と前記最小絞り部の流路面積との比は、０．４〜１．３である構成とすることができる。噴孔から噴射される微細気泡は、噴射後所定時間に崩壊（圧壊）することが求められる。圧壊しないままの微細気泡は、燃焼室の壁面へ付着するため、これを回避するためである。一般的な車両用のエンジンの諸元を考慮すると、微細気泡は、噴射後６ｍ秒経過までに圧壊することが望ましい。実験の結果、上記の条件であれば、想定時間内に微細気泡を圧壊することができることが判明している。

本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、燃料による旋回流を増速させることによって、旋回流の中心部に気柱を発生させ、微細気泡を発生させることができる。微細気泡は、噴孔から噴射され、その後、圧壊、破裂して噴霧燃料を微細化する。

図１は、実施例の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す説明図である。 図２は、実施例の燃料噴射弁の要部を断面として示す説明図である。 図３は、実施例の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図であり、図３（Ａ）は開弁状態を示す図であり、図３（Ｂ）は閉弁状態を示す図である。 図４は、燃料噴射弁内に生成される気柱を示す説明図である。 図５は、燃料噴射弁内に気柱が生成される様子を模式的に示す説明図である。 図６は、燃料の旋回周波数と気泡径及び圧壊時間との関係を示すグラフである。 図７は、他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図８は、さらに他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図９は、さらに他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図１０は、燃料噴射弁内に生成される気柱を示す説明図である。 図１１は、さらに他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図１２は、図１１に示す燃料噴射弁の内部の様子を模式的に示す説明図である。 図１３は、さらに他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図１４は、さらに他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図１５は、さらに他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。 図１６は、燃料噴射弁の各部の寸法の一例を示す説明図である。 図１７は、螺旋溝角と気泡の圧壊時間との関係を示すグラフの一例である。 図１８は、最小絞り部の径の螺旋径に対する比と気泡の圧壊時間との関係を示すグラフの一例である。 図１９は、螺旋溝面積の最小絞り部の面積に対する比と気泡の圧壊時間との関係を示すグラフの一例である。 図２０は、他の燃料噴射弁の先端部分を示す説明図である。

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。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。

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１０００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１０００を備えており、エンジン１０００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。エンジンシステム１は、エンジン１０００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（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。

エンジン１０００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１０００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１０００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１０００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１０００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（Ｎａｔｕｒａｌ Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）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１０００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１０００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、その他、燃料噴射弁によって噴射可能などのような燃料を用いるエンジンであってもよい。エンジンシステム１は、エンジン１０００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の要部を断面として示した説明図である。図３は、実施例の燃料噴射弁の先端部分を示した説明図であり、図３（Ａ）は開弁状態を示す図であり、図３（Ｂ）は閉弁状態を示す図である。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。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。以下の説明において、先端側とは図面中の下側を示し、基端側とは図面中の上側を示すこととする。

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た単噴孔である。ノズルボディ３１の内部には、ニードル３２が着座するシート部３４が形成されている。ニードル３２は、ノズルボディ３１内に摺動自在に配置されることによって、ノズルボディ３１との間に燃料導入路３６を形成する。そして、ノズルボディ３１内のシート部３４に着座することによって図３（Ｂ）に示すように燃料噴射弁３０を閉弁状態とする。ニードル３２は、駆動機構４０により上方に引き上げられ、シート部３４から離座することによって図３（Ａ）に示すように開弁状態となる。シート部３４は、噴孔３３から奥まった位置に設けられている。このため、ニードル３２が開弁状態にある場合、閉弁状態にある場合のいずれの場合であっても、噴孔３３は、外部と連通した状態となる。燃料噴射弁３０を燃焼室１１に露出した状態で装着する場合は、噴孔３３は、燃焼室１１と連通した状態となる。

燃料噴射弁３０は、シート部３４よりも上流側に設けられ、燃料導入路３６から導入される燃料にニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部３２ａを備えている。旋回流生成部３２ａは、ニードル３２の先端部に設けられている。旋回流生成部３２ａは、ニードル３２の基端側と比較して径が拡大されている。旋回流生成部３２ａの先端部分がシート部３４に着座する。このように、旋回流生成部３２ａは、開弁時及び閉弁時にシート部３４よりも上流側に位置する。

旋回流生成部３２ａは、螺旋溝３２ｂを備えている。燃料導入路３６から導入される燃料がこの螺旋溝３２ｂを通過することによって、燃料の流れに旋回成分が付与され、燃料の旋回流ｆｓが生成される。

燃料噴射弁３０は、シート部３４よりも下流側に設けられ、旋回流生成部３２ａにおいて生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ噴孔３３へ燃料を供給する旋回増速部３５を備えている。旋回増速部３５は、シート部３４よりも下流部に位置する最小絞り部に向かって内周径が縮径して形成されている。ここで、最小絞り部は、シート部３４よりも下流部において、最も内周径が小さい位置に相当する。本実施例において、最小絞り部は、図３（Ａ）や図３（Ｂ）に示すように、噴孔３３となっている。最小絞り部は、噴孔３３の開口部に限定されない。

旋回増速部３５は、シート部３４と噴孔３３との間に形成され、旋回流生成部３２ａを通過して旋回状態となった燃料の旋回速度を加速させる。旋回流生成部３２ａで生成された旋回流の回転半径を徐々に狭める。旋回流ｆｓは、縮径された狭い領域に流入することで、旋回速度が増す。旋回速度が増した旋回流ｆｓは、図４に示すように噴孔３３内に気柱ＡＰを形成する。旋回増速部３５の内周壁面は、図３（Ａ）や図３（Ｂ）に示すように、中心側に向かって凸状の曲面を備えている。ここで、この気柱ＡＰの形成及び気柱ＡＰの形成に基づく微細気泡の生成について、図５を参照しつつ説明する。

図５は、噴孔３３内に生成される気柱ＡＰを示す説明図である。旋回増速部３５内で旋回流が加速すると、噴孔３３から旋回増速部３５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内に吸引される。これにより噴孔３３内に気柱ＡＰが発生する。こうして発生した気柱ＡＰと燃料との界面において気泡が生成する。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から離れるほどコーン状の噴霧ｓの径は大きくなるため、噴霧液膜が引き伸ばされて薄くなる。そして、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。

このように燃料噴霧の超微細化を図ることにより、燃料の気化が促進されると、ＰＭ（Particulate Matter）や、ＨＣ（炭化水素）の低減を図ることができる。また、熱効率も改善される。さらに、気泡が燃料噴射弁３０から噴射された後に破壊されることになるので、燃料噴射弁３０内のＥＧＲエロージョンを抑制することができる。

なお、燃料噴射弁３０が、燃焼室１１に装着された場合、噴孔３３に導入される気体は燃焼室１１内で混合気が燃焼した後の既燃ガスとなる。このように、本実施例の燃料噴射弁は、気柱ＡＰを形成するために燃料噴射弁３０内に気体を導入する各別な構造を備える必要がないため、簡易な構成とすることができ、コスト面でも有利である。

本実施例の燃料噴射弁３０は、燃料の旋回流の遠心力によって噴霧角を広角とすることができる。これにより、空気との混合を促進することができる。また、噴霧に気泡、すなわち、圧縮性ガスを含むため、音が伝搬する臨界速度（音速）が小さくなる。燃料の流速は、音速を越えることができないという物理的性質のため、音速が遅くなると、燃料の流速が遅くなる。燃料の流速が遅くなると、ペネトレーションが小さくなってボア壁におけるオイル希釈が抑制されるという効果がある。また、気泡を含むことによって燃料の流速が遅くなると、同じ燃料噴射を確保するために噴孔径を大きく設定することになる。噴孔には、デポジットが堆積する。そして、このデポジット堆積に起因して噴射量が変化する。しかしながら、噴孔径が大きく設定され、噴射量が多くなると、デポジット堆積に起因する噴射量の変化（噴射変化量）に対する感度が低下する。すなわち、噴射量に対する噴射変化量の割合が低下することになるため、デポジット堆積に起因する噴射量の変化の影響が小さくなる。

また、燃料噴射弁３０は、旋回増速部３５により旋回半径を徐々に縮径するため、最小絞り部となる噴孔３３において旋回流ｆｓが安定し、安定して気柱ＡＰが発生する。安定して気柱ＡＰが発生すると気柱ＡＰの界面で発生する微細気泡の気泡径のバラツキが抑制される。また、微細気泡を含む燃料噴射の揺らぎが抑制される。この結果、噴射された微細気泡が圧壊して形成される燃料粒の粒度分布が縮小し、均質な噴霧を得ることができる。また、気柱ＡＰが安定して形成されることにより、エンジン１０００のサイクル間で燃料の粒度の変動が少ない噴霧を得ることができる。これらは、ＰＭ低減、ＨＣ低減、熱効率向上に資する。さらに、エンジン１０００の燃焼変動の少ない安定した運転が可能となることから、燃費向上、有害排気ガス低減、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の増加、Ａ／Ｆ（空燃比）のリーン化が可能となる。

本実施例の燃料噴射弁は、旋回流生成部３２ａで燃料を旋回させ、気柱ＡＰを形成することによって微細気泡を生成する。ここで、燃料の旋回周波数と気泡径は相関関係を有する。また、気泡径と燃料噴射後の気泡の圧壊時間は相関関係を有する。そこで、これらの要素の関係を図６を参照しつつ説明する。

気泡は、噴孔３３から噴射された後、ボア壁に到着する前に圧壊することが望ましい。噴射後、圧壊するまでの時間として３ｍｓ（３ｍ秒）以下であることが要求されるとすると、気泡径は、４μｍ以下であることが求められる。そして、４μｍ以下の気泡径を実現するためには、２６００Ｈｚ前後の旋回周波数とすることが求められる。旋回流生成部３２ａ及び旋回増速部３５は、このように、求められる圧壊時間に応じた旋回周波数を実現するように設けられる。本実施例の燃料噴射弁３０は、旋回増速部３５を備えることにより、このような旋回周波数を実現している。

本実施例の燃料噴射弁３０は、旋回流生成部３２ａと、旋回増速部３５、噴孔３３の中心軸を一致させているが、これらの中心軸は必ずしも一致していなければならないものでない。燃料噴射弁３０のエンジン１０００への設置の都合や、その他の要求に基づいて、中心軸がずれることは許容される。

つぎに、実施例２について図７を参照しつつ説明する。図７は、実施例２の燃料噴射弁５０の先端部分を示す説明図である。燃料噴射弁５０の基本的な構成は、実施例１の燃料噴射弁３０と共通する。すなわち、燃料噴射弁５０は、ノズルボディ５１、ニードル５２、噴孔５３及びシート部５４を備える。また、燃料噴射弁５０には、燃料導入路５６が形成されている。また、燃料噴射弁５０は、旋回流生成部５２ａ、螺旋溝５２ｂを備える点においても燃料噴射弁３０と共通する。燃料噴射弁３０と燃料噴射弁５０とは、以下の点で異なる。すなわち、旋回増速部５５の形状が旋回増速部３５と異なる。旋回増速部３５の内周壁面は、図３（Ａ）や図３（Ｂ）に示すように、中心側に向かって凸状の曲面を備えている。これに対し、旋回増速部５５は、すり鉢状となっている。このようなすり鉢状であっても、シート部５４よりも下流部に位置する最小絞り部（噴孔５３）に向かって内周径が縮径しているため、旋回流生成部５２ａで生成された旋回流を加速できる。これにより、気柱ＡＰが形成される点は、燃料噴射弁３０の場合と同様である。また、その他の効果においても燃料噴射弁５０は、燃料噴射弁３０と共通する。

つぎに、実施例３について図８を参照しつつ説明する。図８は、実施例３の燃料噴射弁７０の先端部分を示す説明図である。燃料噴射弁７０の基本的な構成は、実施例１の燃料噴射弁３０と共通する。すなわち、燃料噴射弁７０は、ノズルボディ７１、ニードル７２、噴孔７３及びシート部７４を備える。また、燃料噴射弁７０には、燃料導入路７６が形成されている。また、燃料噴射弁７０は、旋回流生成部７２ａ、螺旋溝７２ｂを備える点においても燃料噴射弁３０と共通する。燃料噴射弁３０と燃料噴射弁７０とは、以下の点で異なる。すなわち、旋回増速部７５の形状が旋回増速部３５と異なる。旋回増速部３５の内周壁面は、図３（Ａ）や図３（Ｂ）に示すように、中心側に向かって凸状の曲面を備えている。これに対し、旋回増速部７５は、円錐に類似の形状となっている。このような円錐に類似の形状であっても、シート部７４よりも下流部に位置する最小絞り部（噴孔７３）に向かって内周径が縮径しているため、旋回流生成部７２ａで生成された旋回流を加速することができる。これにより、気柱ＡＰが形成される点は、燃料噴射弁３０の場合と同様である。また、その他の効果においても燃料噴射弁７０は、燃料噴射弁３０と共通する。

つぎに、実施例４について図９、図１０を参照しつつ説明する。図９は、実施例４の燃料噴射弁９０の先端部分を示す説明図である。図１０は、燃料噴射弁９０内に生成される気柱ＡＰを示す説明図である。燃料噴射弁９０の基本的な構成は、実施例１の燃料噴射弁３０と共通する。すなわち、燃料噴射弁９０は、ノズルボディ９１、ニードル９２、噴孔９３及びシート部９４を備える。また、燃料噴射弁９０には、燃料導入路９６が形成されている。また、燃料噴射弁９０は、旋回流生成部９２ａ、螺旋溝９２ｂを備える点においても燃料噴射弁３０と共通する。また、旋回増速部９５を備える点も共通する。燃料噴射弁３０と燃料噴射弁９０とは、以下の点で異なる。すなわち、燃料噴射弁９０の噴孔９３は、ニードル９２と対向する位置に設けられ、ニードル９２は、燃焼室側先端部に噴孔９３と対向する貯気室９２ｃを備えている。貯気室は、ニードル９２内に設けられた空胴部である。このように噴孔９３と対向する貯気室９２ｃを設けることにより、以下の効果を得ることができる。

図１０に示すように噴孔９３内の旋回流が発生させた負圧によって外部（燃焼室側）から吸引した既燃ガスと貯気室９２ｃ内の残留ガスとが合体して気柱ＡＰが形成される。このため、気柱ＡＰの長さが増大する。この結果、気柱ＡＰの界面面積が増大し、気泡生成量が増加する。気泡生成量が増加すると噴霧中の気泡密度が高まり、燃料による気泡の膜厚が薄くなる。膜厚が薄くなれば、破裂時間（圧壊時間）が短縮される。また、噴霧粒径もさらに小さくなるとともに、均質化される。これにより燃焼室周囲に液滴燃料が到達しないため、ノッキングが抑制される。

さらに、気柱ＡＰ自体も安定して形成される。これによっても噴霧粒径の粒度分布が縮小し、均質化する。この結果、エンジン１０００のサイクル間で燃料の粒度の変動が少ない噴霧を得ることができる。これらは、ＰＭ低減、ＨＣ低減、熱効率向上に資する。さらに、エンジン１０００の燃焼変動の少ない安定した運転が可能となることから、燃費向上、有害排気ガス低減、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の増加、Ａ／Ｆ（空燃比）のリーン化が可能となる。

また、ニードル９２に空胴部である貯気室９２ｃを形成することにより、可動部品であるニードル９２の重量を低減することができる。ニードル９２が軽量化されると、ニードル９２の応答性が改善される。また、ニードル９２を駆動する駆動機構４０に要求される出力が低下するため、コストダウンとなる。

つぎに、実施例５について図１１、図１２を参照しつつ説明する。図１１は、実施例５の燃料噴射弁１１０の先端部分を示す説明図である。図１２は、図１１に示す燃料噴射弁１１０の内部の様子を模式的に示す説明図である。燃料噴射弁１１０の基本的な構成は、実施例１の燃料噴射弁３０と共通する。すなわち、燃料噴射弁１１０は、ノズルボディ１１１、ニードル１１２、噴孔１１３及びシート部１１４を備える。また、燃料噴射弁１１０には、燃料導入路１１６が形成されている。また、燃料噴射弁１１０は、旋回流生成部１１２ａ、螺旋溝１１２ｂを備える点においても燃料噴射弁３０と共通する。また、旋回増速部１１５を備える点も共通する。燃料噴射弁３０と燃料噴射弁１１０とは、以下の点で異なる。すなわち、燃料噴射弁１１０のニードル１１２は、燃焼室側先端部に多孔質部材１１７を備えている。この多孔質部材１１７は、噴孔１１３に向かって延びるとともに、噴孔１１３と対向する開口１１７ａを備えている。多孔質部材１１７は、ニードル１１２の昇降に伴って、旋回増速部１１５内をニードル１１２の軸線方向に沿って移動する。多孔質部材１１７は、両端が開口し、内部が貫通した状態の筒状部材であってもよいし、有底筒状部材であってもよい。図１１は、有底筒状部材の例を示している。また、ニードル１１２は、実施例５のように貯気室を設けてもよい。多孔質部材１１７を両端開口の筒状部材として、これと貯気室とを組み合わせてもよい。多孔質部材１１７は、ニードル１１２の先端部に接着により装着されているが、他の方法、例えば、圧入や、ねじ込み等により装着することもできる。

多孔質部材１１７を設けることにより、以下の効果を得ることができる。すなわち、図１２に示すように、多孔質部材１１７の開口１１７ａから多孔質部材１１７内へ導入された既燃ガスが、矢示１１８で示すように多孔質部材１１７の微細孔を通過して多孔質部材１１７の外側で旋回する燃料に供給される。このため、低燃圧で噴孔１１３内の旋回流の速度が低下するような条件のときであっても、微細気泡を発生させ、旋回流に微細気泡を混入することができる。

なお、実施例５の多孔質部材１１７の外形寸法は、噴孔１１３の径の１／４以上に設定されている。これは、以下の理由による。実験によると、気柱ＡＰの直径の噴孔径に対する比率は、０．１２程度であった。一般に、多孔質部材１１７の内側から微細孔を通過する気体は、多孔質部材１１７の外側に気体が存在していると気体同士で即結合する。このため、気泡は形成されない。気泡を発生させるためには、多孔質部材１１７の外側には液体が存在してなければならない。これを考慮すれば、多孔質部材１１７の外径は噴孔１１３において形成される気柱ＡＰの直径よりも大きくなければならない。この条件を満たすことができる寸法として、実施例５における多孔質部材１１７の外径は、噴孔１１３の径の１／４以上に設定されている。

また、多孔質部材１１７の外側に燃料が存在している場合であっても、その旋回速度が低下している場合は、多孔質部材１１７の微細孔を通過する気体同士が結合し易くなることも考えられる。しかしながら、旋回中心に負圧が発生する程度の旋回流であれば、気体が結合する前に気泡は燃料中に分散されると考えられる。また、超微細気泡は、剛体球と同様に気泡同士の衝突や乱気流との相互作用に際しても変形や合体が起こらない。これは、実験によって確認されている。このため、燃料中に対象の微細気泡を混入することが可能である。

つぎに、実施例６について図１３を参照しつつ説明する。図１３は、実施例６の燃料噴射弁１１０の先端部分を示す説明図である。実施例６は、実施例５とほぼ共通する。このため、共通する構成要素には、図面上同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。実施例６は、多孔質部材１１７の先端部の形状が実施例５と異なっている。すなわち、実施例６における多孔質部材１１７の燃焼室側先端部１１７ｂの外径は、先端に向かうに従って縮径されている。すなわち、図１３に拡大して示すようにＲ形状（半球形状）となっている。燃焼室側先端部１１７ｂの形状は、例えばテーパ形状であってもよい。このように、燃焼室側先端部１１７ｂの外径を、先端に向かうに従って縮径することにより、以下のような効果を得ることができる。

すなわち、コアンダ効果により、燃料を矢示１１９で示すように燃焼室側先端部１１７ｂの形状に沿わせ、噴霧角を狭くすることができる。この結果、噴霧軌跡１２０を噴霧軌跡１２１のように狭くすることができる。

微細な噴霧を形成するためには、旋回流ｆｓの旋回速度を高める等の措置が有効である。ただし、その一方で、旋回速度の向上に伴って遠心力が増大すると、噴霧角も大きくなる。このため、噴孔の形状がストレートであっても、燃料の旋回状態によっては噴霧角が大きくなることがある。燃料噴射弁は、搭載するエンジンの形式によっては、あまり噴霧角が大きくならない方が有利な場合がある。このような場合に、多孔質部材１１７の燃焼室側先端部１１７ｂの外径を先端に向かうに従って縮径することが有効である。これにより、噴霧の微粒化を図りつつ、噴霧角が拡大することを抑制することができる。

つぎに、実施例７について図１４を参照しつつ説明する。図１４は、実施例７の燃料噴射弁１３０の先端部分を示す説明図である。燃料噴射弁１３０の基本的な構成は、実施例１の燃料噴射弁３０と共通する。すなわち、燃料噴射弁１３０は、ノズルボディ１３１、ニードル１３２、噴孔１３３及びシート部１３４を備える。また、燃料噴射弁１３０には、燃料導入路１３６が形成されている。また、燃料噴射弁１３０は、旋回流生成部１３２ａ、螺旋溝１３２ｂを備える点においても燃料噴射弁３０と共通する。また、旋回増速部１３５を備える点も共通する。燃料噴射弁３０と燃料噴射弁１３０とは、以下の点で異なる。すなわち、燃料噴射弁１３０のノズルボディ１３１は、噴孔１３３が開口した周囲を燃焼室側に突出させた形状となっている。具体的には、ノズルボディ１３１の先端に向かって外径が縮径するようにテーパ面１３１ａが形成されている。

旋回流を強めると微細な噴霧が形成されるが、その一方で、噴霧角が広がる。ノズルボディの先端部の形状によっては、コアンダ効果によって噴射された噴霧がノズルボディの外壁面に沿って広がる。この結果、さらに噴霧角が拡大する。このように噴霧角が広がりすぎると、噴霧が燃焼室壁面を這うような状態で広がり、混合気の均質化が損なわれるおそれがある。そこで、ノズルボディ１３１の、噴孔１３３が開口した周囲を燃焼室側に突出させることによってコアンダ効果を抑制する。この結果、噴霧角の広がりを抑制することができ、安定して混合気の均質化を図ることができる。

つぎに、実施例８について図１５を参照しつつ説明する。図１５は、実施例８の燃料噴射弁１５０の先端部分を示す説明図である。燃料噴射弁１５０の基本的な構成は、実施例７の燃料噴射弁１３０と共通する。すなわち、燃料噴射弁１５０は、ノズルボディ１５１、ニードル１５２、噴孔１５３及びシート部１５４を備える。また、燃料噴射弁１５０には、燃料導入路１５６が形成されている。また、燃料噴射弁１５０は、旋回流生成部１５２ａ、螺旋溝１５２ｂを備える点においても燃料噴射弁１３０と共通する。また、旋回増速部１５５を備える点も共通する。さらに、燃料噴射弁１５０のノズルボディ１５１は、噴孔１５３が開口した周囲を燃焼室側に突出させた形状となっている点でも、燃料噴射弁１３０と共通する。ただし、その具体的な形状において両者は相違する。すなわち、燃料噴射弁１３０が、ノズルボディ１３１の先端に向かって外径が縮径するテーパ面１３１ａを備えているのに対し、燃料噴射弁１５０は、凸部１５１ａを備えている。このような凸部１５１ａを備えた燃料噴射弁１５０も、燃料噴射弁１３０と同様にコアンダ効果を抑制することができる。この結果、噴霧角の広がりを抑制し、安定して混合気の均質化を図ることができる。

実施例９では、燃料噴射弁の各部の諸元について、図１６乃至図１９を参照しつつ説明する。図１６は、燃料噴射弁３０の各部の寸法の一例を示す説明図である。図１７は、螺旋溝角θと気泡の圧壊時間との関係を示すグラフの一例である。図１８は、最小絞り部の径Ｄhの螺旋径Ｄｓに対する比と気泡の圧壊時間との関係を示すグラフの一例である。図１９は、螺旋溝面積Ａｇの最小絞り部の流路面積Ａｈに対する比と気泡の圧壊時間との関係を示すグラフの１例である。なお、本実施例では、実施例１で説明した燃料噴射弁３０を用いて各部の諸元を説明しているが、他の実施例においても同様の諸元を採用することができる。

ここでは、エンジン１０００が車両用であることを考慮し、一般的な車両エンジンのボア径が１８０ｍｍ以下であることを考慮して諸元を決定することとする。また、諸元は、燃焼室の中央に装着された燃料噴射弁３０の噴孔３３から噴射された微細気泡がボア壁に到達する以前に圧壊するように決定される。ボア径が１８０ｍｍである場合は、噴射された噴霧がボア壁に到達するまでに６ｍｓであるため、噴孔３３から噴射後６ｍｓ以内に微細気泡が圧壊することが要求される。これを考慮して諸元が決定される。各諸元は一定の範囲を備えており、適用されるエンジン１０００の諸元に応じて適宜変更することができる。例えば、ボア径が９０ｍｍであれば、ボア壁に到達する時間は半分の３ｍｓとなるため、圧壊時間が３ｍｓ以下となるように各諸元が決定される。なお、ボア壁への到達時間は、燃圧２ＭＰａで、噴霧初速が約４５ｍ／ｓであり、平均噴霧速度は約１５ｍ／ｓとして算出している。

≪螺旋溝角θ≫
まず、螺旋溝角θの範囲について説明する。旋回流生成部３２ａは、螺旋溝３２ｂを備えている。ここで、この螺旋溝３２ｂがニードル３２の摺動方向（中心軸ＡＸ方向）との直交する方向ＰＬとの角度を螺旋溝角θとする。図１７を参照すると、圧壊時間６ｍｓとなる螺旋溝角θは、
０＜θ≦４９°
となる。なお、圧壊時間を３ｍｓ以下に設定したい場合は、０＜θ≦４２°程度に設定すればよい。

≪最小絞り部の径Ｄｈの螺旋径Ｄｓに対する比≫
実施例の燃料噴射弁３０において、最小絞り部の径Ｄｈは、噴孔径に相当する。螺旋径Ｄｓは、旋回流生成部３２ａの径に相当する。図１８を参照すると、圧壊時間６ｍｓとなる最小絞り部の径Ｄｈの螺旋径Ｄｓに対する比は、７〜１９％である。

旋回流が１／（Ｄｈ／Ｄｓ）^２の比率で増速されながら螺旋溝３２ｂから噴孔３３へと流入する。これにより旋回中央部に負圧が発生し、燃料室内の既燃ガスを吸入して気柱を発生させる。

≪螺旋溝面積Ａｇと最小絞り部の流路面積Ａｈとの比≫
螺旋溝面積Ａｇは図１６に示すように螺旋溝３２ｂの燃料流路面積である。最小絞り部の流路面積Ａｈは、噴孔３３の流路面積である。図１９を参照すると、圧壊時間６ｍｓとなる螺旋溝面積Ａｇと最小絞り部の流路面積Ａｈとの比は、０．４〜１．３である。

以上、説明したように諸元を決定することができる。各諸元は、求められる圧壊時間が実現できるように設定することができる。なお、燃圧が上昇すれば気泡径は小さくなるので、諸元の許容範囲が広がる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、上記実施例は、いずれもニードルに螺旋溝を備えた旋回流生成部を有していたが、例えば、図２０に示すようにノズルボディ１６１の内周壁に螺旋溝１６１ａを設け、これにより、燃料の旋回流を発生させるようにしてもよい。

１ エンジンシステム
３０、５０、７０、９０、１１０、１３０、１５０ 燃料噴射弁
３１、５１、７１、９１、１１１、１３１、１５１、１６１ ノズルボディ
３２、５２、７２、９２、１１２、１３２ ニードル
１３１ｂ 先端突出部
３２ａ、５２ａ、７２ａ、９２ａ、１１２ａ、１３２ａ 旋回流生成部
３２ｂ、５２ｂ、７２ｂ、９２ｂ、１１２ｂ、１３２ｂ、１６１ａ 螺旋溝
９２ｃ 貯気室
３３、５３、７３、９３、１１３、１３３、１５３ 噴孔（最小絞り部）
３４、５４、７４、９４、１１４、１３４、１５４ シート部
３５、５５、７５、９５、１１５、１３５、１５５ 旋回増速部
３６、５６、７６、９６、１１６、１３６、１５６ 燃料導入路
１１７ 多孔質部材
１１７ａ 開口
１１７ｂ 燃焼室側先端部
１２０、１２１ 噴霧軌跡
１０００ エンジン
ＡＰ 気柱
ｆ１ 燃料流
ｆ２ 気泡混入流
ｆｓ 旋回流
θ 旋回溝角
Ag 螺旋溝面積
Ｄｓ 螺旋径
Ｄｈ 最小絞り径（噴孔径）
Ａｈ 最小絞り部の流路面積(噴孔面積)

Claims (7)

1. 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、
   前記シート部よりも上流側に設けられ、前記燃料導入路から導入される燃料に前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部と、
   前記シート部よりも下流側に設けられ、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回速度を増大させて、気柱を発生させつつ前記噴孔へ燃料を供給する旋回増速部と、を備え、
   前記噴孔は、前記ニードルと対向する位置に設けられ、前記ニードルは、燃焼室側先端部に前記噴孔と対向する貯気室を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 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、
   前記シート部よりも上流側に設けられ、前記燃料導入路から導入される燃料に前記ニードルの摺動方向に対して旋回する流れを付与する旋回流生成部と、
   前記シート部よりも下流側に設けられ、前記旋回流生成部において生成された旋回流の旋回速度を増大させつつ前記噴孔へ燃料を供給する旋回増速部と、を備え、
   前記ニードルは、燃焼室側先端部に多孔質部材を備え、当該多孔質部材は、前記噴孔に向かって延びるとともに、前記噴孔と対向する開口を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 前記噴孔は、前記ニードルと対向する位置に設けられ、前記ニードルは、燃焼室側先端部に前記噴孔と対向する貯気室を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記旋回増速部は、前記旋回流生成部において生成された旋回流の回転半径を徐々に狭めるように前記シート部よりも下流部に位置する最小絞り部に向かって内周径が縮径して形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記多孔質部材の燃焼室側先端部の外径は、先端に向かうに従って縮径されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃焼噴射弁。
6. 前記ノズルボディは、前記噴孔が開口した周囲を燃焼室側に突出させたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
7. 前記旋回流生成部は、螺旋溝を備え、当該螺旋溝の前記ニードルの摺動方向と直交する方向との角度θは、０＜θ≦４９°であり、前記最小絞り部の径は、前記旋回流生成部の径の７〜１９％であり、前記螺旋溝の燃料流路面積と前記最小絞り部の流路面積との比は、０．４〜１．３であることを特徴とした請求項４に記載の燃料噴射弁。

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