JP5682631B2

JP5682631B2 - 燃料噴射弁

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Publication number: JP5682631B2
Application number: JP2012549505A
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: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: CN103261664A; US20130270368A1; WO2012086003A1; EP2657508A1; CN103261664B; JPWO2012086003A1; EP2657508A4

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。

国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０５６３７２特開平１０−１４１１８３号公報特開２００６−１７７１７４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。このような旋回流はノズルボディ内の螺旋状の通路を燃料が通過する間に、旋回流生成部により燃料へ強い旋回流を発生させている。ところが、旋回流を生成するための流路を通過する間に燃料は流路抵抗を受けて圧損が生じるため流速が低下する。従って、燃圧の低い始動時には、旋回流を形成できるほどの流速が得られず、微細気泡が発生できないため、噴霧を微粒化することができない。

そこで、本発明は、始動直後から燃料へ旋回する流れを付与し、微細気泡を含む噴霧を形成して燃料を微粒化する燃料噴射弁を提供す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、燃料導入路から導入される燃料を蓄える圧力室と、前記シート部よりも基端側であって、前記圧力室よりも先端側に形成された中継室と、前記圧力室と前記中継室とを接続し、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第１燃料通路と、前記中継室と、前記ニードルのリフト時に前記シート部と前記ニードルとの間に形成されるシート隙間と、を接続する螺旋状の第２燃料通路と、を備え、前記第２燃料通路の前記中継室側の開口部は、前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅が大きく、前記ノズルボディの内周面に接する方向の幅が小さく形成され、前記第２燃料通路の前記シート部側の開口部は、前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅が小さく、前記ノズルボディの内周面に接する方向の幅が大きく形成されたことを特徴とする。

螺旋状の第１燃料通路と第２燃料通路との間に中継室を設けたことにより、燃料に旋回する流れを付与する螺旋状の通路の長さを短くすることができる。これにより、通路を通過する際の燃料の圧損が低減するため、噴孔へ供給する旋回流の流速の低下が抑制される。これにより、燃圧の低い始動時から、強力な旋回流を発生させて、微細気泡を含む燃料を噴射することができる。また、燃料の圧損が低減するため、燃料を圧送するポンプの駆動損失を低減し、燃料を高圧にするためのコストを低下できる。特に、第２燃料通路の中継室側の開口部において、ノズルボディの内周面に接する方向の幅が小さく形成されたことにより、第２燃料通路の数を増やすことができる。これにより、旋回流の噴出し数が増えるので、噴孔内の旋回流が均質となり、混合気が均質となる。また、第２燃料通路のシート部側の開口部における前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅を小さくしたことにより、流路抵抗を低減できる。このように流路抵抗を減少することにより、圧損により流速の低下が抑制される。このため、燃圧の低い噴射直後から噴孔において旋回流を発生できる。これにより、噴射の初期から微細気泡を含む噴霧が形成できる。

本発明の燃料噴射弁は、燃圧の低い始動時から、強力な旋回流を発生させて、微細気泡を含む燃料を噴射することができる。

燃料噴射弁の概略構成を断面にして示した説明図である。図１の燃料噴射弁の先端部分を拡大して示した説明図である。旋回流生成部材の外観を示した説明図である。図３における矢示Ｂ方向から見た旋回流生成部材を示した説明図である。第１燃料通路を拡大して示した説明図である。第２燃料通路を拡大して示した説明図である。比較例の燃料噴射弁の先端を断面にして示した説明図である。比較例の燃料噴射弁の噴射燃料量と噴射時間との関係についての実測値と理論値とを示した説明図である。比較例の燃料噴射弁の噴霧の様子を示した説明図である。実施例２の旋回流生成部材に形成された螺旋溝を拡大して示した説明図である。実施例２の旋回流生成部材を先端側から見た説明図である。実施例３の旋回流生成部材の外観を示した説明図である。図１２のＨ−Ｈ断面を示した説明図である。図１２の旋回流生成部材を矢示Ｊ方向から見た状態を示した説明図である。実施例３の燃料噴射弁の先端部を断面にして示した説明図である。図１５のシート隙間をさらに拡大した説明図である。他の実施例の旋回流生成部材のテーパ部の螺旋溝の断面形状を示した説明図である。

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。

本発明の実施例１に係る燃料噴射弁１の内部構成について詳細に説明する。図１は燃料噴射弁１の概略構成を断面にして示した説明図である。図２は図１の燃料噴射弁１の先端部分を拡大して示した説明図である。燃料噴射弁１は、ノズルボディ１０、ニードル２０、旋回流生成部材３０を備えている。以下の説明において、先端側とはニードル２０が閉弁するときの移動方向、すなわち図面中の下側を示す。基端側とはニードル２０が開弁するときの移動方向、すなわち図面中の上側を示す。

ノズルボディ１０は中空円筒状部材である。ノズルボディ１０の先端には噴孔１１が設けられている。噴孔１１は軸Ａに沿う方向に形成されている。ノズルボディ１０にはニードル２０が着座するシート部１２が設けられている。ノズルボディ１０は、先端側に旋回流生成部材３０を収納するように形成されている。また、ノズルボディ１０の内径は、シート部１２から噴孔１１へ向けてテーパ状に連続的に縮小している。

ニードル２０は、ノズルボディ１０内に摺動自在に配置されている。ニードル２０は、ノズルボディ１０との間に燃料導入路２１を形成するとともに、ノズルボディ１０内のシート部１２に着座する。ニードル２０の摺動方向は軸Ａの方向と一致し、軸Ａはニードル２０の中心軸と一致する。

旋回流生成部材３０は中空円筒状の部材である。旋回流生成部材３０はノズルボディ１０の内部に組み込まれ圧入固定されている。図３は旋回流生成部材３０の外観を示した説明図である。図４は図３における矢示Ｂ方向から見た旋回流生成部材３０を示した説明図である。旋回流生成部材３０は径の変わらない円筒部３１と、先端へ向かって径の縮小するテーパ部３２とを備えている。テーパ部３２は、円筒部３１よりも先端側となるように配置されている。旋回流生成部材３０の外周面３３には切欠部３４が形成されている。切欠部３４は、円筒部３１とテーパ部３２との境界に相当する位置に形成されている。切欠部３４は軸Ａ周りの全周に亘って形成されている。円筒部３１の外周面３３に軸Ａを中心に螺旋を描くように、螺旋溝３５が設けられている。また、テーパ部３２の外周面３３に軸Ａを中心に螺旋を描くように螺旋溝３６が設けられている。螺旋溝３５は複数形成することができるが、本実施例では一本だけが形成されている。螺旋溝３６は螺旋溝３５よりも多く形成されていればよい。望ましくは、螺旋溝３６は３本以上あるとよい。本実施例では、螺旋溝３６は４本形成されている。

図１に示すように、旋回流生成部材３０の基端側３７とノズルボディ１０の内周面１４とにより圧力室１３が区画される。この圧力室１３には、燃料導入路２１が接続されている。圧力室１３は、燃料導入路２１から導入される燃料を蓄える。

さらに、燃料噴射弁１は、中継室５０、第１燃料通路６０、及び第２燃料通路７０を備えている。図２に示すように、中継室５０は切欠部３４とノズルボディ１０の内周面１４とにより区画されている。圧力室１３は旋回流生成部材３０よりも基端側に位置し、シート部１２はテーパ部３２よりも先端側に位置するので、中継室５０はシート部１２よりも基端側であって、圧力室１３よりも先端側に形成されている。

第１燃料通路６０は、螺旋溝３５とノズルボディ１０の内周面１４とにより区画されることにより形成されている。第１燃料通路６０は、圧力室１３と中継室５０とを接続する螺旋状の通路である。このため、燃料へニードル２０周りに旋回する流れを付与する。また、第１燃料通路６０は、断面形状が三角形となるように形成される。特に、断面の三角形の底辺が軸Ａから遠くに位置するように形成される。本実施例では旋回流生成部材３０の円筒部３１に螺旋溝３５が１本だけ形成されているため、第１燃料通路６０は１本である。この第１燃料通路６０は１本だけであるため、噴射に必要な燃料を供給するために、流路断面積が大きく形成されている。この第１燃料通路６０は複数形成することもできる。

第２燃料通路７０は、螺旋溝３６とノズルボディ１０の内周面１４とにより区画され形成されている。第２燃料通路７０は、中継室５０と、ニードル２０のリフト時にシート部１２とニードル２０との間に形成されるシート隙間１５と、を接続する螺旋状の通路である。このため、第２燃料通路７０も燃料へニードル２０周りに旋回する流れを付与する。第２燃料通路７０の断面形状は四角形である。この第２燃料通路７０は、複数形成することができる。特に、第２燃料通路７０の数は、第１燃料通路６０の数よりも多く形成される。本実施例では、旋回流生成部材３０のテーパ部３２に４本の螺旋溝３６が設けられているため、４本の第２燃料通路７０が形成されている。

このように、ノズルボディ１０の内部に配置する旋回流生成部材３０に螺旋溝３５、３６を設けることにより第１燃料通路６０、及び第２燃料通路７０の形成が容易にできる。このため、生産性の向上、及びコストダウンができる。また、旋回流生成部材３０の内周面３８をニードル２０が摺動可能に貫通する。従って、旋回流生成部材３０の内周面３８はニードル２０を案内するニードルガイドとして機能する。

次に、第１燃料通路６０と第２燃料通路７０とについてさらに詳しく説明する。図５は第１燃料通路６０を拡大して示した説明図である。図６は第２燃料通路７０を拡大して示した説明図である。図５、図６において、燃料は紙面の奥から手前へ向かうように流れる。図５と図６とを比較すると、第２燃料通路７０は、第１燃料通路６０と比較して、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が小さい。ここで、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅とは、図５の矢示Ｃの方向、及び図６の矢示Ｄの方向を示す。これらの矢示Ｃ、及び矢示Ｄは、ともにノズルボディ１０の内周面１４に直交する。なお、直交するとは、製造誤差に相当する範囲も含み、完全な直交のみを示すものではない。さらに、第２燃料通路７０は、第１燃料通路６０と比較して、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が小さいということを本実施例の形状に即して説明すると、次のようになる。すなわち、第２燃料通路７０を形成する螺旋溝３６は、第１燃料通路６０を形成する螺旋溝３５よりも浅く形成されている（ｄ_１＞ｄ_２）。螺旋溝３６の溝深さｄ_２は、ニードル２０の最大リフト時のシート隙間１５と同等となるように形成されている。

さらに、燃料噴射弁１は駆動機構４０を備えている。駆動機構４０はニードル２０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２０へ適切な圧力を付与する弾性部材など、ニードル２０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。駆動機構４０がニードル２０を基端側へリフトすることにより、ニードル２０がシート部１２から離間する。これにより、シート隙間１５へ燃料が供給され、噴孔１１へと続く燃料の通路が開通する。噴孔１１への燃料の通路が開通することにより、圧力室１３から噴孔１１へ連通する第１燃料通路６０、中継室５０、第２燃料通路７０内の燃料が開放されて噴孔１１へ流れ込む。

次に、燃料噴射弁１における燃料の流れと燃料の噴射について説明する。圧力室１３内に蓄えられた燃料は、第１燃料通路６０へ流れ込む。第１燃料通路６０は軸Ａの周りに螺旋を描くため、第１燃料通路６０を通る燃料は軸Ａ周りに旋回する流れが付与される。これにより、燃料の旋回流が発生する。この第１燃料通路６０が燃料へ付与する旋回成分により、燃料の旋回速度が決定される。

第１燃料通路６０を通りぬけた燃料は中継室５０へ流れ込む。中継室５０は第１燃料通路６０を通過することにより発生した燃料の旋回流を安定させる。中継室５０は軸Ａ周りの全周に亘って形成されているため、燃料が軸Ａ周りの全周に広がり、旋回流が軸Ａ周りの全周に亘って一様となる。

中継室５０内で安定した旋回流は、第２燃料通路７０へ流れ込む。第２燃料通路７０も螺旋状に形成されているため、第２燃料通路７０を通る燃料に、さらに旋回する流れが付与される。第２燃料通路７０を通過した燃料の旋回流は、シート隙間１５へ供給される。シート部１２から噴孔１１へ向けてノズルボディ１０の内部はテーパ状に連続的に縮小しているため、燃料の通る流路が絞られて燃料が加速する。これにより、燃料の旋回流が加速し、噴孔１１内に強い旋回流が形成され、旋回流が旋回する中心、すなわち、軸Ａ付近に負圧が発生する。負圧が発生するとノズルボディの外部の空気がノズルボディ内に吸引され、噴孔１１内に気柱が発生する。この発生した気柱の界面から気泡が生成し、生成した気泡は気柱の周囲を流れる燃料に混入し、気泡混入流となる。この気泡混入流は、気泡混入流の外周側を流れる燃料流とともに噴射される。

このとき噴射された燃料流及び気泡混入流は、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液膜へ遷移する。噴霧液膜は噴孔１１から離れるほど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。

次に、本実施例の燃料噴射弁１の構成により得られる効果について説明する。本実施例の燃料噴射弁１では、中継室５０が第１燃料通路６０と第２燃料通路７０との間に設けられたことにより、螺旋状の通路の長さを短くすることができる。これにより、通路を通過する際の燃料の圧損が低減するため、噴孔へ供給する旋回流の流速の低下が抑制できる。すなわち、燃圧の低い始動時から、強力な旋回流を発生させて、微細気泡を含む燃料を噴射することができる。また、燃料の圧損が低減するため、燃料を圧送するポンプの駆動損失を低減し、燃料を高圧にするためのコストを低下できる。また、第１燃料通路６０は１本のみなので、旋回流が軸Ａ周りの全周に亘って一様ではない。中継室５０は軸Ａ周りの全周に亘って形成されているため、燃料が軸Ａ周りの全周に広がり、旋回流が軸Ａ周りの全周に亘って一様となる。

さらに、燃料噴射弁１の第１燃料通路６０は１本だけであるが、噴射に必要な燃料流量を確保するため、第１燃料通路６０の流路断面積が大きい。第１燃料通路６０の流路断面積が大きいため、通路を複数形成した場合と比較して、流体が接触する壁面が減少する。このため、流路抵抗が小さく、第１燃料通路６０を通過する燃料の圧損が低減できる。これにより、燃料ポンプにおいて燃料へ付与する圧力を低下し、燃料ポンプの駆動損失の低減、及びコストの低下が実現できる。さらに、燃料の圧力が低くできるため、始動時のような低燃圧の状態でも旋回流を発生することができる。従って、始動時から微細気泡が混入した噴霧を形成して噴霧を微粒化できる。また、第１燃料通路６０の断面形状である三角形の重心が軸Ａから離れて位置するため、燃料の旋回径をより大きくし、旋回速度をより増加できる。

次に、比較例の燃料噴射弁と比較しながら、第２燃料通路７０の効果を説明する。初めに、比較例の燃料噴射弁１００について説明する。図７は、比較例の燃料噴射弁１００の先端を断面にして示した説明図である。比較例の燃料噴射弁１００には、螺旋状の燃料通路１０１が形成されている。燃料通路１０１はニードル１０２に設けられた螺旋溝１０３とノズルボディ１０４の内周壁１０５とにより形成されている。燃料噴射弁１００におけるニードル１０２の最大リフト量Ｅは０．０６〜０．１ｍｍ程度である。ニードルのリフト量が０．１ｍｍである場合、ニードル１０２のリフトにより、ニードル１０２の先端側のテーパ面１０６とノズルボディ１０４との間に形成されたシート隙間１０７の間隔Ｆは０．０７１ｍｍとなる。一方、ニードル１０２に設けられた螺旋溝１０３の深さＧは０．４ｍｍほどであるため、流路が深い燃料通路１０１から流路が浅いシート隙間１０７へ燃料が流れ込む際に大きな抵抗となり、図８に示すように、噴射する燃料量が理論値よりも大きく減少してしまう。さらに、燃料噴射弁１００は螺旋状の燃料通路１０１が２本形成されているため、図９に示すように、噴孔１０８から噴出される旋回流ｓが２本の筋となり、噴霧が斑となる。このため、燃料が微粒化した際にも燃料の粒子ｐが存在する領域と存在しない領域が生じ、不均一となる。

次に、燃料噴射弁１の第２燃料通路７０の効果について説明する。第２燃料通路７０は、第１燃料通路６０と比較して、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が小さい。これにより、第２燃料通路７０からシート隙間１５へ流れ込む燃料の流路抵抗が減少する。特に、第２燃料通路７０を形成する螺旋溝３６の深さがニードル２０の最大リフト時のシート隙間１５と同等であるため、シート隙間１５に流れ込む燃料への抵抗を最小にできる。これにより、効率よく高速の旋回流と気柱を発生させて微細気泡を含む噴霧を噴射できる。また、噴射する燃料量を理論値に近づけることができる。さらに、本実施例の燃料噴射弁１はシート隙間１５へ燃料を供給する第２燃料通路７０の数を第１燃料通路６０の数よりも多くすることにより、旋回流の噴き出し数を増やしている。旋回流の噴き出し数が増えるほど、噴孔１１内の旋回流が均質となり、噴射された気泡を含む噴霧が均等に分散するため、混合気を均質にできる。第２燃料通路７０を４本備えているため、旋回流が４本形成できる。このため、噴き出す噴霧が比較例の２本の場合に比べて均質となり、燃料の微粒子を均等に分布させることができる。なお、第２燃料通路７０は数が多いほど、燃料の微粒子を均等に分布させることができる。このような噴き出し数は、少なくとも３本以上であることが望ましい。また、第２燃料通路７０の断面形状を四角形とすることにより、螺旋溝３６の深さをより浅くできる。これにより、ニードル２０の開弁の初期と終期のようなリフト量が小さい時点でも、旋回流が抵抗なくシート隙間１５へ流れ込む。このため、燃料の噴き始めと噴き終わりにおいても微細気泡を含む噴霧が形成できる。すなわち、粗大液滴の発生を抑制できる。

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２の構成は、概ね実施例１の燃料噴射弁１の構成と同様である。ただし、燃料噴射弁２は、旋回流生成部材２３０のテーパ部２３２に形成された螺旋溝２３６の構成が異なっている点で、燃料噴射弁１と異なる。なお、その他の構成は、燃料噴射弁１と同一であるため、燃料噴射弁１と同一の構成要素については、同一の番号を用いて詳細な説明は省略する。

図１０は、本実施例の旋回流生成部材２３０に形成された螺旋溝２３６を拡大して示した説明図である。図１１は、旋回流生成部材２３０を先端側から見た説明図である。図１０に示すように、螺旋溝２３６は、中継室５０を形成する切欠部３４側の深さが深く、先端側、すなわちシート隙間１５へ向かうほど浅く形成されている（ｄ_３＞ｄ_４＞ｄ_５）。また、中継室５０側、すなわち切欠部３４側の通路幅が狭く、先端側に向かうほど通路幅が広く形成されている（ｗ_１＜ｗ_２）。第２燃料通路７０は、旋回流生成部材２３０の螺旋溝２３６とノズルボディ１０の内周面１４とにより区画されることにより形成される。このため、第２燃料通路７０の中継室５０側の開口部は、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が大きく、離間する方向に直交する方向の幅が小さく形成される。そして、第２燃料通路７０のシート部１２側の開口部は、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が小さく、離間する方向に直交する方向の幅が大きく形成されている。なお、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向とは、螺旋溝２３６の深さ方向、すなわち、図１０中の矢示Ｘが示す方向である。そして、離間する方向に直交する方向とは、図１０中の矢示Ｙが示す方向である。なお、ここでの直交するとは、製造誤差に相当する範囲も含み、完全な直交のみを示すものではない。螺旋溝２３６の先端側の深さはニードル２０の最大リフト時のシート隙間１５と同等である。すなわち、第２燃料通路７０のシート部１２側の開口部は、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向（矢示Ｘ方向）の幅がニードル２０の最大リフト時のシート隙間１５と同等である。

中継室５０側の開口部において、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向に直交する方向（矢示Ｙ方向）の幅を小さくすることにより、第２燃料通路の数を増やすことができる。これにより、旋回流の噴出し数が増えるので、噴孔内の旋回流が均質となり、混合気が均質となる。さらに、第２燃料通路７０の数を増やすことにより、燃料をより多く取り込める。また、第２燃料通路７０のシート部１２側の開口部における旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向（矢示Ｘ方向）の幅をシート隙間１５の間隔と同等としたことにより、流路抵抗を低減できる。このように流路抵抗を減少することにより、圧損により流速の低下が抑制される。このため、燃圧の低い噴射直後から噴孔において旋回流を発生できる。これにより、噴射の初期から微細気泡を含む噴霧が形成できる。本実施例のように、第２燃料通路７０の断面形状を四角形とすることにより、第２燃料通路７０の通路深さ、及び通路幅を容易に変更することができる。

次に、本発明の実施例３について説明する。実施例３の燃料噴射弁３の構成は、概ね実施例１の燃料噴射弁１の構成と同様である。ただし、燃料噴射弁３は、ニードル３２０、及び旋回流生成部材３３０の構成が異なっている点で、燃料噴射弁１と異なる。なお、その他の構成は、燃料噴射弁１と同一であるため、燃料噴射弁１と同一の構成要素については、同一の番号を用いて詳細な説明は省略する。

図１２は燃料噴射弁３の旋回流生成部材３３０の外観を示した説明図である。図１３は図１２のＨ−Ｈ断面を示した説明図である。図１４は図１２の旋回流生成部材３３０を矢示Ｊ方向から見た状態を示した説明図である。図１５は燃料噴射弁３の先端部を断面にして示した説明図である。図１６は図１５のシート隙間１５をさらに拡大した説明図である。ここで、図１５、図１６は、ニードル３２０の最大リフト時の状態を示している。

図１３、図１４に示すように、旋回流生成部材３３０は中空円筒状の部材である。旋回流生成部材３３０は、実施例１の旋回流生成部材３０同様の円筒部３１、テーパ部３２、切欠部３４を備えている。また、円筒部３１には、旋回流生成部材３０同様の螺旋溝３５を備えている。テーパ部３２の外周面には、軸Ａを中心に螺旋を描くように螺旋溝３３６が設けられている。螺旋溝３３６は４本形成されている。螺旋溝３３６は、実施例２の旋回流生成部材２３０のテーパ部３２に形成された螺旋溝２３６と同様に、切欠部３４側の深さが深く、先端側へ向かうほど浅く形成されている。また、切欠部３４側の通路幅が狭く、先端側に向かうほど通路幅が広く形成されている。この旋回流生成部材３３０は、図１５に示すように、ノズルボディ１０の内部に組み込まれ圧入固定される。

図１５に示すように、ニードル３２０はノズルボディ１０内に摺動自在に配置されている。ニードル３２０は、旋回流生成部材３３０の内周面３３８を摺動可能に貫通する。従って、旋回流生成部材３３０の内周面３３８はニードル３２０を案内するニードルガイドとして機能する。ニードル３２０は、ノズルボディ１０内のシート部１２に着座する。ニードル３２０の摺動方向は軸Ａの方向と一致し、軸Ａはニードル３２０の中心軸と一致する。ニードル３２０は、大径部３２１、小径部３２２、先端部３２３、テーパ部３２４を備えている。大径部３２１は旋回流生成部材３３０の内周面３３８と摺動面を形成する。小径部３２２は大径部３２１よりも先端に位置する。先端部３２３は小径部３２２よりも先端に位置し、シート部１２に着座する。先端部３２３は、シート部１２に着座する部分の形状が球形に形成されている。テーパ部３２４は大径部３２１と小径部３２２との間に位置する。

シート部１２に着座する部分の形状を球形とすることにより、ニードル３２０のリフト時のシート部１２とニードル３２０との間隔が最小となる領域を一点にすることができる。なお、実際は立体的な構造であるため点の集合が円を描く。このため、流路抵抗の要因となる絞りの部分を最小にできる。これにより、流路抵抗を抑制することができる。そして、旋回流は微細気泡を生成し得る所望の旋回速度を得られる。また、球形の先端部３２３が着座する際に、ニードル３２０が自動的に調芯されるため、ニードル３２０の閉弁を容易に行うことができる。これにより、燃料の噴き始めと噴き終わりにおいて発生しやすい粗大液滴の発生を抑制できる。

さらに、燃料噴射弁１同様に、旋回流生成部材３３０とノズルボディ１０とにより、中継室５０、第１燃料通路６０が形成されている。また、第２燃料通路３７０が螺旋溝３３６とノズルボディ１０の内周面１４とにより区画されることにより形成されている。この第２燃料通路３７０は燃料へ軸Ａ周りに旋回する流れを付与する。第２燃料通路３７０の数は、第１燃料通路６０の数よりも多く形成される。本実施例では、旋回流生成部材３３０に４本の螺旋溝３３６が設けられているため、４本の第２燃料通路７０が形成されている。燃料噴射弁２同様に、第２燃料通路３７０の中継室５０側の開口部は、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が大きく、離間する方向に直交する方向の幅が小さく形成されている。そして、第２燃料通路３７０のシート部１２側の開口部は、旋回する燃料の流れの旋回中心から離間する方向の幅が小さく、離間する方向に直交する方向の幅が大きく形成されている。なお、ここでの直交するとは、実施例２と同様に、製造誤差に相当する範囲も含み、完全な直交のみを示すものではない。

また、図１６に示すように、第２燃料通路３７０の中心を通る線Ｋ（図１６中の点線）が、ニードル３２０の最大リフト時のシート部１２とニードル３２０との間隔が最小となる箇所Ｌにおいて、シート部１２とニードル３２０との距離ｄ_ｘを等分する位置Ｍを通過するように構成されている（ｄ_ｙ＝ｄ_ｚ）。

第２燃料通路３７０内を流れる燃料は、第２燃料通路３７０の中心を通る線Ｋ上において最も速く、流量が多い。一方、第２燃料通路３７０の出口と噴孔１１との間において、シート部１２とニードル３２０の先端部３２３との間隔が最小となる箇所Ｌで最も流路が狭くなる。この間隔を等分する位置Ｍは流路の中心である。このため、第２燃料通路３７０の中心を通る線Ｋが位置Ｍを通過するとき、燃料の流路抵抗による損失を最小とすることができる。従って、上記のように、第２燃料通路３７０の中心を通る線Ｋが位置Ｍを通過するようにした構成により、噴孔１１へ供給する燃料の流量を確保し、流速の速い旋回流を供給できる。これにより、発生する気泡径を小さくして燃料をより微細な粒子とすることができる。

さらに、第２燃料通路３７０とシート部１２との間に分散室３２５が形成されている。分散室３２５は軸Ａ周りの全周に亘って形成されている。第２燃料通路３７０は４本なので、分散室３２５に流れ込む燃料の旋回流は４本である。分散室３２５は軸Ａ周りの全周に亘って形成されているため、第２燃料通路３７０から供給される燃料の旋回流を分散する。このように分散室３２５内で旋回流が軸Ａ周りに均質となるので、噴射される噴霧をさらに均質にすることができる。

さらに、ニードル３２０と旋回流生成部材３３０との間に吸引室３２６が形成されている。吸引室３２６は、ニードル３２０の小径部３２２とテーパ部３２４の外周部分と、旋回流生成部材３３０の内周面３３８とにより区画されることにより形成される円環状の空間である。この吸引室３２６は、ニードル３２０のリフト時に容積が拡大し、第２燃料通路３７０内の燃料を吸引する。

ニードル３２０がリフトすると、第２燃料通路３７０の燃料は、シート隙間１５と吸引室３２６の両方へ流れようとする。ここで、吸引室３２６が拡大する容積Ｖ_２とシート隙間１５の容積Ｖ_１の変化量について検討する。シート径ｄ_ａ、ニードル３２０の大径部３２１の径ｄ_ｂ、ニードル３２０の小径部３２２の径ｄ_ｃが、ｄ_ａ＝φ１、ｄ_ｂ＝φ３、ｄ_ｃ＝φ１．５である場合、リフト量をＬ_１として、

となる。従って、ニードル３２０がリフトした場合、シート隙間１５へ流れ込む燃料の６．７５倍の燃料が吸引室３２６へ流れ込む計算となる。従って、吸引室３２６を備えたことにより、第２燃料通路３７０を流れる燃料の流量が多くなり、ニードル２０の開弁直後から流速の速い旋回流を発生できる。このため、噴射の開始から微細気泡を含む噴霧が形成できる。さらに、ニードル３２０が元に戻る際に吸引室３２６の燃料が緩衝となり、ニードル３２０が急激に閉弁することを防ぐ。このため、ニードル３２０のバウンスが防止できる。これにより、ニードル３２０がシート部１２に着座して静止するため、燃料の漏れが抑制され、噴射後の燃料だれが防止できる。

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１乃至３において、図１７に示すように、第２燃料通路４７０を形成する旋回流生成部材４３０のテーパ部３２の螺旋溝４３６の断面形状を台形とすることができる。溝を台形とすることにより、抜き型により螺旋溝の形成が可能となるため、鋳造により生産することができる。これにより、生産性を向上し、コストダウンができる。

１、２、３燃料噴射弁
１０ノズルボディ
１１噴孔
１２シート部
１３圧力室
１５シート隙間
２０、３２０ニードル
２１燃料導入路
３０、２３０、３３０、４３０旋回流生成部材
３５螺旋溝（円筒部）
３６、２３６、３３６、４３６螺旋溝（テーパ部）
４０駆動機構
５０中継室
６０第１燃料通路
７０、３７０、４７０第２燃料通路
３２５分散室
３２６吸引室

Claims

先端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、
前記燃料導入路から導入される燃料を蓄える圧力室と、
前記シート部よりも基端側であって、前記圧力室よりも先端側に形成された中継室と、
前記圧力室と前記中継室とを接続し、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第１燃料通路と、
前記中継室と、前記ニードルのリフト時に前記シート部と前記ニードルとの間に形成されるシート隙間と、を接続する螺旋状の第２燃料通路と、
を備え、
前記第２燃料通路の前記中継室側の開口部は、前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅が大きく、前記ノズルボディの内周面に接する方向の幅が小さく形成され、
前記第２燃料通路の前記シート部側の開口部は、前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅が小さく、前記ノズルボディの内周面に接する方向の幅が大きく形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
前記第２燃料通路の数が前記第１燃料通路の数よりも多いことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
前記第２燃料通路は、前記第１燃料通路と比較して、前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅が小さいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射弁。
前記第２燃料通路の中心を通る線が、前記ニードルの最大リフト時の前記シート部と前記ニードルとの間隔が最小となる箇所において、前記シート部と前記ニードルとの距離を等分する位置を通過することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
前記ニードルにおける前記シート部に着座する部分の形状が球形である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。
前記第２燃料通路と前記シート部との間に形成され、前記第２燃料通路から供給される燃料を分散する分散室を備え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。
前記ニードルのリフト時に前記第２燃料通路内の燃料を吸引する吸引室を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
前記第１燃料通路の断面形状が三角形であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
前記第２燃料通路の断面形状が四角形であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
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、
前記第１燃料通路及び前記第２燃料通路が、前記旋回流生成部材の外周面に設けられた螺旋溝と前記ノズルボディの内周面とにより形成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
前記旋回流生成部材における前記第２燃料通路を形成する螺旋溝の断面形状を台形としたことを特徴とする請求項１０記載の燃料噴射弁。
前記第２燃料通路は、前記シート隙間へ向かうほど前記ノズルボディの内周面に直交する方向の幅が小さくなり、前記シート隙間へ向かうほど前記ノズルボディの内周面に接する方向の幅が大きくなることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項記載の燃料噴射弁。