JPH0530987B2

JPH0530987B2 -

Info

Publication number: JPH0530987B2
Application number: JP58163004A
Authority: JP
Inventors: Kyomi Kawamura; Akinori Saito; Masatoshi Yamada; Kenji Imai; Masanobu Kimura
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1983-09-05
Filing date: 1983-09-05
Publication date: 1993-05-11
Also published as: US4629127A; JPS6056165A; DE3432663A1; GB2148387B; GB2148387A; GB8422265D0

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、デイーゼルエンジンのような燃料噴
射式内燃機関に用いられ、接線通路ならびに渦巻
室により燃料を旋回させると共に噴射孔を通じて
ほぼ円錐状の燃料噴霧を供給する間欠式渦巻噴射
弁の改良に関する。

この種の間欠式渦巻噴射弁のうち特開昭56−
2457号公報に記載のものは、弁体に設けた弁孔に
針弁を摺嵌する構造であるため、弁孔と針弁との
間に所定の隙間が必須である。そして、従来の間
欠式渦巻噴射弁は、ニードル弁に施した螺旋溝の
傾斜角と中心角との数値限定に関し該数値を満た
す螺旋溝を流通する流体の圧力損失を低減して噴
霧特性を改善したものである。前記隙間は、従来
にあつては高圧燃料の洩れを防ぐ観点から約２〜
5μｍといつた極力小さい値とするか、流体力学
的手段を施すといつた設計、製造手法を採用して
いた。しかしこの隙間をきびしく管理することは
容易ではなくまた精度の均一化を図ることは難し
い。

一方、この種の間欠式渦巻噴射弁は、噴霧角が
大きいので、燃料粒が内燃機関の燃焼室又は吸気
管の壁面に付着することがあり、燃料粒の壁面へ
の付着を防止するため、噴霧角を燃焼室又は吸気
管の形状ないし寸法に適した角度にする必要があ
る。ところが、従来の間欠式渦巻噴射弁は、噴霧
角を簡単に所望の角度にすることができない。

一方、エンジン側から見れば噴射ポンプの駆動
損失を低減し、かつ同一噴射量のときその噴射期
間を出来るだけ短くすることが要求されるので、
噴射孔や燃料通路の流路抵抗は極力小さくしたい
ので噴射孔はあまり小さくできないのが現状であ
る。

また、燃料粒の噴霧が円錐状になつて中心部に
空洞が形成されるので、この空洞を経て噴射孔に
炭素のような異物が侵入して噴射孔が詰まること
があり、異物の噴射孔への侵入を防止する必要が
ある。ところが、従来の間欠式渦巻噴射弁は、異
物の噴射孔への侵入を防止することができない。

そこで、本発明者らは、上記のような従来の隙
間、噴霧角、噴射孔等の状況からしてこれを改良
せんがための数次の実験、回析を行つた結果、特
に前記隙間の要件が噴霧角や流量係数に重大な影
響を及ぼすのを見出した。そして、従来は隙間を
単に燃料洩れ防止の観点からしか考慮しなかつた
のに対し、かかる隙間を本発明者らは渦巻噴射弁
の性能を左右する必須要件として捉えた。すなわ
ち、前記噴霧角、流量係数、到達距離等といつた
渦巻噴射弁に関する最適性能を発揮するために、
上記隙間の面積Acと共に、噴射孔径de、接線通
路面積Ag等の最適諸元をもたらす画期的な設計
製造手法を確立し従来にはない最適諸元を具備し
た間欠式渦巻噴射弁を案出した。

本発明の主たる目的は、弁体に設けた弁孔に軸
方向往復動自在に摺嵌した針弁と、該弁孔の先端
には針弁の先端部を当接して着座する弁孔の弁座
部に連通した噴射孔と、該噴射孔の上流で弁孔と
針弁の間に形成した渦巻室とより成り、針弁を着
座位置から開弁方向に移動させたとき燃料を針弁
の周囲に渦巻状に供給して噴射孔から燃料をほぼ
円錐状に噴射する間欠式渦巻噴射弁において、前
記弁孔と針弁との間に燃料を流通可能で当該燃料
に針弁の軸方向に沿う軸方向成分を付与し渦巻室
に連通する隙間通路を設けると共に、針弁と弁体
との間に燃料に針弁の軸回り旋回運動させる旋回
速度成分を付与し、渦巻室に連通する接線通路を
設け、前記渦巻室において燃料の旋回速度成分に
対して軸方向成分を作用させ燃料噴霧が燃焼室壁
面に到達しないように燃料の噴霧角を調整したこ
とを特徴とする間欠式渦巻噴射弁を提供すること
にある。

上記の状況からして本発明は、前記隙間面積
Ac、噴射孔径de等々を考慮して所望の噴霧角や
流量係数、到達距離を得ることができ、また内燃
機関の運転条件にマツチングすることができる間
欠式渦巻噴射弁を提供することである。

また、本発明のその他の目的は、構造簡単で、
製作及び組付けが容易であり、精度は高く均一
で、かつ微粒化特性が良好で圧力損失の少ない高
性能なまた、噴射孔への異物の侵入を防止するこ
とができる間欠式渦巻噴射弁を提供することであ
る。

詳述すれば、本発明の間欠式渦巻噴射弁は、弁
体に設けた弁孔に針弁を摺嵌し、針弁の先端部が
当接する弁孔の弁座部に噴射孔を連設し、針弁が
弁孔の弁座部から離脱して開弁したときに燃料に
旋回運動を付与する接線通路を設け噴射孔を通じ
てほぼ円錐状に燃料噴霧する間欠式渦巻噴射弁に
おいて、燃料の噴霧角をαとし、噴霧孔の孔径を
deとし、接線通路の面積をAgとし、弁孔と針弁
との隙間面積をAcとし、接線通路の中心線と針
弁の中心軸とのなす角をθとすると、α≦20〜
75° de＝0.3〜1.2mmAgsinθ／Ac＋Agcosθ≦5.66の関
係を満たすことを特徴とする間欠式渦巻噴射弁であ
る。さらに本発明は前記deを0.4〜1.0mmとし、前
記αを70°以下とすると、 0.4mm≦de≦0.9mmにあつては、 Agsinθ／Ac＋Agcosθ≦5.66 0.9mm＜de≦1.0mmにあつてはAgsinθ／Ac＋Agcosθ≦ １／de−0.8−4.34の関係を満たすことを特徴とする間欠式渦巻噴射弁である。

なお、Agsinθ／Ac＋AgcosθはAc＝０のとき最大となり、θも最大値をとる。このときθが80°以上で
は接線通路の巻数が多くなり、流路抵抗となる。
また製造上、θ＞80°での製造は困難である。そ
こでθ＝80°とし、Ac＝０のときのAgsinθ／Ac＋Agcos
θ の値をとると5.66となる。

上記構成からなる本発明の間欠式渦巻噴射弁
は、渦巻室への燃料の流入が接線通路のみでなく
弁孔と針弁との嵌合する隙間からも流入すること
を前提としている。その隙間はかなりの隙間（燃
料を通すのに充分な隙間、たとえば10μｍ以上）
を有するものを対象としており隙間を大きくとる
ものである。またその隙間から針弁軸方向に沿つ
て渦巻室に流下し軸方向成分を有する流体は渦巻
室内に接線通路を通じて供給され旋回速度成分を
有する旋回流を減衰させるものであり、本発明で
はこの軸方向成分を有する直通流で意図的に旋回
を減衰させ、燃料を狭角噴射可能にしたものであ
る。そしてこの隙間面積と渦巻室内の旋回流減衰
効果の関係により噴射角を大きく変えることは数
次の実験によつて案出したものである。詳述すれ
ば、本発明の間欠式渦巻噴射弁は弁孔と針弁との
隙間面積を積極的に有効利用するものであり、隙
間面積を大きくすることによつて、流量係数を大
きくすることができ当該部位を流下する軸方向成
分を、接線通路を旋回流通する旋回速度成分より
も大として燃料噴霧角を狭くすることができる。
例えば噴射孔の孔径de、接線通路角度θを固定
し、燃料の噴霧角αを変えないで流量係数を大き
くするにはまず、隙間面積Acを大きくする。こ
の隙間面積Acの増加による燃料の噴霧角αの減
少分を補うには、 Agsinθ／Ac＋Agcosθの関係を一定に保つ。

つまり、 Agsinθ／Ac＋Agcosθ＝sinθ／Ac／Ag＋cosθ であるので、Ac／Agの関係を一定にすることによつて達成できるのである。このため、本発明の間欠
式渦巻噴射弁はこれを適用する例えば直接噴射式
デイーゼルエンジンにマツチング可能な燃料の噴
霧角（20°≦α≦75°）が得られる。

さらに上記エンジンでは直接噴射されて燃料が
燃焼されるため、この燃料を噴射している期間が
エンジンの性能に直接影響するのである。本発明
はこの噴射期間を定める流量係数を前記噴霧角と
同時に得られるように弁孔と針弁との隙間面積を
積極的に有効利用したものである。すなわち、本
発明はかなりのクリアランスの存在を必須とする
がゆえ、製作、加工を容易にする所定の隙間面積
Ac（燃料を通すのに充分であつて、Ac＞０）を
選択することにより、このAcに対応する広範囲
の噴霧角αのうちから所望するいずれかの噴霧角
αを特定することができ、多種多様な用途適用条
件に対応し、選択範囲を大幅に拡大することがで
きる。そして、本発明は前記Acとαに対応する
de，Ag，θを選別すればよく、間欠式渦巻噴射
弁本来の設計諸元に融通性をもたらし、その製
作、加工を容易にすることができる。従つて、本
発明の間欠式渦巻噴射弁は接線通路を通じての燃
料の旋回流を前記クリアランスを通じての燃料流
れにより減衰させ、両者の調和をはかつて所望す
る噴霧角αで噴射することができその性能向上を
図ることができる。

本発明の間欠式渦巻噴射弁は、前記数値関係を
満たすことによりすなわち、燃料の噴霧角α、噴
射孔径de、接線通路の面積Ag、弁体と針弁との
隙間面積Acおよび接線通路の中心線と針弁の中
心軸とのなす角θとを考慮して所望の噴霧角、流
量係数、到達距離をもたらすことができる。

ところで本発明の間欠式渦巻噴射弁における数
値関係をエンジン側から見れば以下の通りであ
る。すなわち、従来、ピストン頂面に凹所を形成
して燃焼室を構成する直接噴射式内燃機関は、渦
巻室や予燃焼室を有する内燃機関に比べて該室と
燃焼室との連絡孔が無く、圧縮比も比較的低くと
れるので、機関の摩擦損失が少なく、燃料消費量
も少ないという利点を有するため、大型機関では
よく使われている。しかしながら、シリンダ径の
小さな小型機関においては、大型機関に比べて混
合気形成に問題がある。すなわち、従来の直接噴
射式内燃機関においては、ピストン頂面に形成し
た凹所のほぼ中央に燃料噴射弁を配設し、複数の
噴口より放射状に複数の噴霧を噴射する。機関の
吸入時に吸気弁や吸気通路などによつて発生させ
た吸気渦流は圧縮行程末期においても存続し、凹
所内で燃料噴霧を渦流旋回方向におし流しながら
混合気を形成する。該凹所の直径は、ピストンま
たはシリンダの直径の40％ないし70％の範囲内の
ものが一般に使われている。したがつて、ピスト
ンの直径が100mm以下の小型機関では、凹所径は
小さくなり、しかも圧縮比を大きくとろうとする
と一層凹所の径が小さくなる。よつて燃料噴射弁
の複数の噴口から放射状に噴射した燃料噴霧は、
凹所の内側壁面に衝突し、壁面に液膜として付着
して、または粗大粒として残存するので有効に燃
焼しないため燃焼のために有効な混合気が減少
し、出力および燃費の低下、吐煙発生の問題があ
つた。かかる問題を解決するために、内側壁面に
燃料が衝突しないような貫徹力の小さい渦巻噴射
弁を用いることが提案された。しかしながら、従
来の設計、製造手法による渦巻噴射弁では噴霧角
が大きすぎるために噴霧は燃焼室、壁面には衝突
しないが、ピストン上面に付着してしまうととも
に、噴霧の貫徹力も極端に小さくなり、燃料粒が
燃焼室内で静止してしまう。燃料粒が燃焼室内で
静止していると、燃焼ガスに包まれ、燃焼が進行
しない。したがつて燃料粒は燃焼が終わるまで燃
焼室内で突き進んでいく力を持つ必要がある。こ
のように燃料を直接噴射する内燃機関に用いる渦
巻噴射弁としては、噴霧角が75°以下のものを使
う必要がある。従来このような小さな噴霧角を与
える渦巻噴射弁を設計、製造する手法は見出され
ていなかつた。

すなわち、従来の間欠式渦巻噴射弁は、針弁に
おいて先端の円錐面と上流側の円錐面との間に液
密に嵌合する円筒面を形成し、圧力室からの液体
が螺旋溝に沿つて針弁と先端の円錐面との間に形
成された渦巻室内に旋回運動をしながら噴射孔よ
り噴射される構成である。従つて従来の間欠式渦
巻噴射弁は、前記螺旋溝の施されている円筒面と
円筒面とが液密に嵌合され、すなわち、該螺旋溝
以外からは液体の渦巻室内への流入はありえない
ことを前提としており、これを満たすには前記円
筒面と円筒面との間の隙間をおよそ２〜5μｍ以
下のほぼゼロのクリアランス面積にする必要があ
る。そして、従来の間欠式渦巻噴射弁にあつては
燃料の噴霧角を決定する主な要素としては、噴射
孔（孔径、長さ等）と螺旋溝（針弁に対する溝の
傾斜角、溝の幅と深さと長さ等）である。また、
従来の間欠式渦巻噴射弁はその流量係数も噴射孔
と螺旋溝の２つの要素によつて決定付けられる。
すなわち、従来の間欠式渦巻噴射弁では所望の燃
料噴霧角を得るには、噴射孔と螺旋溝のいずれか
一方の要素を決定するとおのずと他方の要素が一
義的に決定される。また、それと同時に流量係数
も決まる。この流量係数が決まると噴射量の最大
値が定まり噴射期間が決まることになる。この噴
射期間はエンジンの燃焼期間を定め出力や排気特
性に強く影響する。このため燃料の噴霧角と流量
係数とを別個独立に決定できることは、間欠式渦
巻噴射弁を適用するエンジンの性能向上に対して
極めて重要なことである。

この点から、従来の間欠式渦巻噴射弁は適用す
べき各種エンジンに対し適切にマツチングする所
望の燃料噴霧角と流量係数を得るには実用上の制
約が生ずるのである。そして、従来の間欠式渦巻
噴射弁は、クリアランスをほぼゼロとしこれらへ
の燃料流入を皆無としているがゆえに高度な製
作、加工技術を強いられかつ所望の噴霧角を得る
には限定されたde，Ag，θを定めなければなら
ず、噴射弁の設計諸元には融通性に事欠く。

そこで本発明者は、各種の実験、解析から内燃
期間に用いられる間欠式渦巻噴射弁の諸元をも考
慮して、前述した有効限度を見出したのである。

すなわち、本発明の間欠式渦巻噴射弁を使用す
る直接デイーゼルエンジンにマツチングする噴霧
角（α≦75°）を満たすには４つのパラメータ
（噴射孔直径de、渦巻室への接線通路の面積Ag、
噴射弁の弁孔と針弁との隙間面積Ac、渦巻室へ
の燃料流入角度θ）によつて限定される。

ところで、間欠式渦巻噴射弁には、燃料に旋回
を与えるために第１図々示のように針弁の周囲に
接線通路として接線溝４を設けたものＡや、第２
図々示のように渦巻室５に接線的に連通する接線
ポート６によるものＢや、第３図々示のようにノ
ズルボデー７の内腔８と針弁１の間に隔壁部材９
を設けこの周囲に接線溝１０を設けたものＣがあ
る。これら間欠式渦巻噴射弁Ａ，Ｂ，Ｃは、針弁
１を摺動可能とするためには第１図ないし第３
図々示のように弁孔２と針弁１との間に隙間δが
必要である。この隙間δから渦巻室５へ洩れ混む
燃料は図中のＹ方向の流れであるため、接線溝
４，１０又は、ポート６を燃料が通ることによつ
て形成される渦巻室５の旋回を阻害する。その結
果、渦巻噴射弁Ａ，Ｂ，Ｃから噴出する噴霧の噴
霧角が小さくなる。流体の運動から考察すると第
４図、第５図に示すように隙間δを通る流速を
Vc、渦巻室５の接線溝４又はポート６を通る流
速をVg、渦巻室５への接線溝４又はポート６の
面積をAg、噴射弁の弁孔にと針弁１との隙間面
積をAc、渦巻室５への燃料流入角度をθとする
と、旋回方向の運動量は、ｍ・Vr＝ρ・Ag・Vg（Vg・sinθ） ……(1) ここでρは燃料の密度である。

軸Ｙ方向の運動量は、ｍ・Vr＝ρ・Ac・Vc²＋ρ・Ag・ Vg（Vg・cosθ） ……(2) となる。

式(1)と(2)との比をとるとｍ・Vr／ｍ・Vy＝ρAgVg（Vg sinθ）／ρAcVc²＋ρAgV
g（cosθ） Vr／Vg＝AgVg₂sinθ／Ac・Vc２＋AgVg²（co
sθ）……(3) となる。

速度Vrは旋回速度成分であり、速度Vyは軸Ｙ
方向速度成分である。そしてVr，Vyは噴霧角に
影響を与え、旋回速度Vrが大きい程、また軸Ｙ
方向速度Vyが小さい程、噴霧角は大きくなる。
一般的に、Vc＝Vgなので式(3)を書き直すと、 Vr／Vy＝Agsinθ／Ac＋Agcosθ ……(4) となる。

各種の実験解析で得た結果を基に式(4)の
Agsinθ／Ac＋Agcosθと噴霧角αで整理すると第６図のようになる。

ここで直噴デイーゼルエンジンにマツチングす
るα≦75°の噴霧角を有する噴射弁は第６図を基
にして前述の４つのパラメータを含む第７図の斜
線で表される範囲の噴射弁諸元で示される。

ここでαが20°未満であると燃料噴霧が燃焼室
壁面に衝突してその結果、噴霧粒の粗大化、壁面
上での液膜化等の悪影響が生ずる。また、αが
75°を越えるとピストン上部や凹所開口縁等に燃
料噴霧が直接付着して前述と同様な不都合を生ず
る。さらに噴射孔の直径はカーボンのかみ込み等
を考慮して0.3mm≦de≦1.2mmとなる。ここでdeが
0.3mm未満では流路抵抗が大きいため流量が出に
くく噴射期間が長くなり燃焼に悪影響を及ぼし、
他方deが1.2mmを越えるとカーボンのかみ込みが
生じやすくなる。

次に、本発明の実施例について説明する。

第１実施例（第８図乃至第１０図参照）本第１実施例の間欠式渦巻噴射弁はノズルボデ
ー７の基端面に穿設した弁孔２に針弁１を摺嵌
し、針弁１の基端面に螺旋ばね１１を弾接し、弁
孔２の先端部に針弁１の円錐状先端部１２が当接
する円錐状弁座部１３を設け、円錐状弁座部１３
からノズルボデー７の先端面に開口する噴射孔１
４を設け、針弁１の円柱状本体部と円錐状先端部
１２の境界付近の回りに位置するノズルボデー７
に円環状の渦巻室５を形成し、ノズルボデー７の
基端面に穿設した各供給通路１５の先端部から渦
巻室５の外周部にその接続方向に沿つた接線通路
として接線ポート６を設け、各供給通路１５と各
接線ポート６を経て渦巻室５に供給された燃料の
圧力が上昇すると、針弁１が螺旋ばね１１に抗し
て弁孔２の弁座部１３から離脱し、針弁１の先端
部１２と弁孔２の弁座部１３間の隙間を経て渦巻
室５が噴射孔１４に連通して開弁するように装置
し、供給通路１５、接線ポート６、渦巻室５およ
び針弁１の先端部１２と弁孔２の弁座部１３間の
隙間によつて、開弁時に噴射孔１４に燃料を渦巻
状ないし螺旋状に供給する通路を構成している。
更に、燃料の噴霧角をαとし、噴射孔１４の孔径
をdeとし、接線ポート６の面積をAgとし、弁孔
２と針弁１との隙間面積をAcとし、接線ポート
６の中心線と針弁１の中心軸とのなす角をθとす
ると、 α≦20〜75° de＝0.3〜1.2mm Agsinθ／Ac＋Agcosθ≦5.66 の関係に設定してある。なお最適値としてはα＝
45°，de＝0.6mm， Agsinθ／Ac＋Agcosθ≦0.17 本第１実施例の間欠式渦巻噴射弁においては、
従来困難とされていた所望の噴霧角が得られる。
しかも、間欠式渦巻噴射弁を所望の通りに加工す
るのは非常に簡単であるので、前記噴霧角等を簡
単に所望の値にすることができる。また、噴射孔
への異物の侵入が防止される。

第２実施例（第１１図と第１２図参照）本第２実施例の間欠式渦巻噴射弁は、前例のそ
れが噴射孔１４に供給する燃料に旋回力を付与す
るのにノズルボデー７に設けた接線通路を用いた
ポートタイプであるのに対し、噴射孔１４に供給
する燃料に旋回力を付与するのに針弁１に設けた
接線溝２を用いたスクリユータイプである。その
他の点は、前記実施例のそれと同様又はほぼ同様
であるので、第１１図と第１２図に第８図と第９
図におけるのと同一の符号を付して説明を省略す
る。

前記deを0.4〜1.0mmとし、前記αを20°〜70°とすると、 0.4mm≦de≦0.9mmにあつては Agsinθ／Ac＋Agcosθ≦5.66 0.9mm＜de≦1.0mmにあつては Agsinθ／Ac＋Agcosθ≦１／de−0.8−4.34 の関係を満たすように設定してある。なお最適範
囲としては、α＝40〜50°，de＝0.4〜0.9mmまたde
＝0.4mmにあつては Agsinθ／Ac＋Agcosθ≧0.72，さらに de＝0.8mmにあつては Agsinθ／Ac＋Agcosθ＝０〜0.13 である。

第２実施例の間欠式渦巻噴射弁においては前述
とほぼ同様な作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明を適用する間欠式
渦巻噴射弁をそれぞれ示す概要図、第６図ないし
第７図は本発明の間欠式渦巻噴射弁における最適
諸元をそれぞれ示す線図、第８図ないし第１０図
は本発明の第１実施例の間欠式渦巻噴射弁の縦断
面図ないし横断面図、第１１図は本発明の第２実
施例の間欠式渦巻噴射弁の縦断面図、第１２図は
第２実施例の間欠式渦巻噴射弁の開弁時の縦断面
図である。１……針弁、２……弁孔、１３……弁座部、１
４……噴射孔、１２……先端部、５……渦巻室、
１５……供給通路、６……接線ポート、４……接
線溝。

Claims

【特許請求の範囲】１弁体に設けた弁孔に、軸方向往復動自在に摺
嵌した針弁と、該弁孔の先端には針弁の先端部を
当接して着座する弁孔の弁座部に連通した噴射孔
と、該噴射孔の上流で弁孔と針弁の間に形成した渦
巻室とより成り、針弁を着座位置から開弁方向に
移動させたとき燃料を針弁の周囲に渦巻状に供給
して噴射孔から燃料をほぼ円錐状に噴射する間欠
式渦巻噴射弁において、前記弁孔と針弁との間に燃料を流通可能で当該
燃料に針弁の軸方向に沿う軸方向成分を付与し渦
巻室に連通する隙間通路を設けると共に針弁と弁体との間に燃料に針弁の軸回り旋回運
動させる旋回速度成分を付与し、渦巻室に連通す
る接線通路を設け、前記渦巻室において燃料の旋回速度成分に対し
て軸方向成分を作用させ、燃料噴霧が燃焼室壁面
に到達しないように燃料の噴霧角を調整したこと
を特徴とする間欠式渦巻噴射弁。