JPH11107888A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料噴射弁から燃料を旋回させて噴射するこ
とにより燃料噴霧を円錐形に拡開する形状とするとき
に、中心部の密度が低下するのを防止する。 【解決手段】 スワール溝１４を有する燃料噴射弁のニ
ードル３の先端部に傘部１５を設けて、それに中心軸９
の方向のスリット状の切り欠き１７を形成する。燃料は
スワール溝１４によって旋回流となって噴孔６から噴射
されることにより円錐形に拡開する燃料噴霧を発生する
が、その燃料噴霧は傘部１５の上面に衝突して更に大き
く拡開する。そして、燃料噴霧の一部は切り欠き１７を
通って中心軸９の方向に沿って燃料噴霧の中心部へ導か
れるので、中心部の密度低下が防止される。なお、傘部
１５を設けない場合は切り欠き１７をニードル３の先端
部の外周部に直接に形成する。切り欠き１７はスリット
状のものに限られない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直噴式内燃機関に用
いるのに適した螺旋状のスワール溝を有する燃料噴射弁
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】螺旋状のスワール溝を有するニードルを
備えた燃料噴射弁が知られている。この種の燃料噴射弁
においては、ニードルはシート部より上流においてノズ
ルボデーとの間に僅かなクリアランスを有する摺動部を
備えており、その摺動部には螺旋状のスワール溝が複数
設けられている。

【０００３】このような燃料噴射弁では、噴射される燃
料はスワール溝を通過することにより溝の方向への慣性
が与えられるため、ニードルの軸線を中心とした旋回流
が生成される。このようにして旋回流となった燃料が噴
孔から外部へ噴射されるとき、慣性力によって燃料噴霧
の流れが噴孔内の旋回の方向に向かって拡開するように
噴射される。その結果、噴霧全体としては旋回流の無い
場合に比べて噴霧角が広くなる。

【０００４】このような広い噴霧角が得られる燃料噴射
弁は、瞬時に広範囲に混合気を形成する必要がある直噴
式内燃機関に適していると考えられるため、従来からそ
のような機関に多く用いられている。

【０００５】しかしながら、従来の燃料噴射弁が噴射す
る噴霧の分布状態を観測すると、旋回流の慣性力が働く
外側に噴霧が多く分布し、中心部の密度が小さくなると
いう状態になり、いわば中空ドーナツ状の噴霧の分布状
態になるという傾向が見られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、燃料噴霧
に旋回流を生じさせる従来の燃料噴射弁によれば、燃料
噴霧は慣性力によって拡開して中心部の密度が低い中空
ドーナツ状の分布となるので、これを密度が均一な分布
にする必要がある。

【０００７】従って本発明は、スワール溝によって生成
した燃料の旋回流を弱めないで噴孔に導くとともに、そ
の燃料を噴霧が密度均一の分布になるように噴射するこ
とができる燃料噴射弁を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記事項を解決
するために請求項１に記載の手段をとる。請求項１の構
成によれば、螺旋状のスワール溝を有するニードルを備
えた燃料噴射弁において、ニードル先端部の外周の一部
に形成された切り欠き部を有するため、ニードルが上昇
して燃料を噴射している時に、スワール溝を通ることに
よって旋回流となってシート部の下方に流れ込む燃料
は、旋回しながら軸方向に流れ、ノズルの先端の噴孔か
ら燃料噴霧となって半径方向に拡がるが、燃料噴霧の一
部はニードルの先端部に形成された切り欠き部に進入す
ることによって軸方向に転向されて中心部に向かうた
め、全体として噴霧の分布が均一になる。

【０００９】本発明の手段の採用により、噴孔の向きと
は無関係に広い噴霧角を有する燃料噴霧の均一分布が得
られるので、エンジンへの搭載の自由度が大幅に増加
し、さらに従来は気流による噴霧の拡がりにも半ば依存
していた混合気の形成に気流の助けが不要となるため、
それに費やされる時間も不要となり、結果として噴射時
期の設定の自由度が増加する。さらに、旋回流が強いと
粘性や表面張力の影響を受けにくくなることから、噴霧
の微粒化も同時に達成されるため、スモークや未燃ガス
の生成の無い良好な燃焼を実現することができるという
効果がある。

【００１０】本発明においては、請求項２に記載されて
いるように、噴孔の外側に位置するニードルの先端部に
実質的に円板状の傘部を設けると共に、この傘部の周縁
部に切り欠きを形成することができる。噴孔の外側とな
るニードルの先端部にこのような傘部を設けると、スワ
ール溝を通過することによって旋回流となった燃料が噴
孔を通って放射状に拡開する燃料噴霧を形成するとき
に、傘部の上面に衝突して更に大きく拡開する。他方に
おいて、切り欠きがその傘部に形成されているため、燃
料噴霧の一部が確実に中心軸の方向へ転向するように導
かれて、中心部の密度低下を防止することができる。

【００１１】本発明においては、ニードルの先端部に直
接に、或いは噴孔の外側となるニードルの先端部に設け
られた傘部に形成する切り欠きを、具体的に中心軸と平
行な１個以上のスリットや、中心軸と平行な切除面を形
成する１個以上の切除箇所として形成することができ
る。

【００１２】また、本発明においては、ニードルの先端
部、或いは噴孔の外側となるニードルの先端部に設けら
れた傘部に形成する切り欠きを少なくとも２個以上設け
ると共に、それらの切り欠きをニードルの先端側の面に
形成された溝によって連通することができる。それによ
って切り欠きへ導入された一部の燃料噴霧が、溝を伝っ
てニードルの先端側へ回り込み、燃料噴霧の中心部の密
度低下を防止するばかりでなく、その密度分布をより均
一なものとすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は本発明の燃料噴射弁
の実施形態の一部を示すための、中心軸に沿った縦断正
面図で、図１（ｂ）はその要部の横断平面図である。こ
の燃料噴射弁５０の全体の構造は図２に示されており、
図１に示すものは図２中のＩの部分に相当する。

【００１４】図１及び図２に示すように、ノズルサブア
ッセンブリー１において、ノズルボデー２の中心にはノ
ズルニードル３が挿通され、その周囲に形成された油溜
まり４は燃料入口５を通して加圧された燃料を受け入れ
る。ノズルボデー２はその下端の噴孔６に接続するテー
パー状のシート面７と、その上部において油溜まり４に
接続する円筒形の摺動面８を備えている。これらはすべ
てノズルボデー２の中心軸９と同じ中心軸を有する。

【００１５】ノズルニードル３は、ノズルボデー２のシ
ート面７のテーパー角に対して僅かに大きいテーパー角
を有するテーパー面１０を有しており、その上部の円柱
面１１との境界となっている円環状のシート部１２によ
って、ノズルボデー２のテーパー状シート面７と密着可
能である。円柱面１１の上方には、ノズルボデー２の摺
動面８との間に僅かなクリアランスを有するように円柱
形に拡径した摺動面１３が形成され、摺動面１３の外周
には中心軸９と平行でない螺旋状のスワール溝１４が複
数設けられている。

【００１６】ノズルボデー２及びニードル３とも、摺動
面８，１３より上方の形状、構造は、既存の燃料噴射弁
と同様なものであってよい。即ち、図２に示す実施形態
としての燃料噴射弁５０は、ニードル３を駆動する圧電
素子５１とピストン５２、燃料を受け入れて燃料入口５
へ供給する供給ポート５３等を備えているが、これらは
いずれも既存のものと同じであって本発明の特徴とする
ものではないから、それらについての説明は省略する。

【００１７】本発明の特徴として、図示の実施形態にお
けるニードル３の先端部には、円板状のニードル傘部１
５が配置される。傘部１５を支持するために、ニードル
３の先端には噴孔６を通過する延長軸部１６が形成され
るが、その周囲及び傘部１５の上面には燃料噴霧の通過
する間隙が残されている。そして、傘部１５の外周の例
えば４個所には中心軸３の方向にスリット状の切り欠き
１７が設けられる。

【００１８】なお、図１に示す実施形態では、傘部１５
の直径は噴孔６の直径よりも少し小さいが、逆に傘部１
５の方を噴孔６よりも大径としてもよい。また、傘部の
上面に傾斜した面とり１８や断面円弧状のＲを施すこと
もできる。更に切欠き１７の数は１以上で自由に選択す
ることができ、図３に示す例では６個としている。

【００１９】次に、図１及び図２に示す実施形態の作動
を説明する。図３に示す実施形態も同様である。図１
（ａ）はニードル３が上昇して開弁した燃料噴射状態を
示している。この状態において、燃料はは図１（ａ）中
の矢印で示すように流れる。なお、図２はニードル３が
下降して、そのシート部１２がノズルボデー２のシート
面７に密着することにより閉弁し、噴射が停止した状態
を示している。

【００２０】図１（ａ）に示す燃料噴射状態において、
図示しない燃料ポンプによって加圧されて供給ポート５
３から噴射弁５０内に流入した燃料は、燃料入口５から
摺動面８及び１３の上方の油溜まり４に蓄えられてい
る。噴射により噴孔６から外部へ排出された燃料に相当
する量を補うために、燃料は油溜まり４からスワール溝
１４を通過してシート面７の方向へ流れるが、スワール
溝１４は螺旋状となっているため、通過する燃料にはス
ワール溝１４に沿った方向に慣性が作用する。従って、
スワール溝１４から下方に流出した燃料には慣性方向の
旋回流が発生する。このようにして燃料が噴孔６から噴
射されている間は、燃料噴霧は常に旋回流を呈する。こ
の場合、旋回流の中心は、概ねノズル中心軸９を延長し
た方向に生じる。

【００２１】燃料噴霧は噴孔６内での旋回流の方向に慣
性力が与えられているので、その方向に進行し、傘部１
５の上面に衝突して放射状に拡開するので広い噴霧角が
得られる。また、傘部１５の上面に衝突しないで切り欠
き１７へ流入した一部の燃料噴霧は、切り欠き１７内を
ノズル中心軸９の方向に直進するため、全体の噴霧角が
広角でありながら中心部にも燃料噴霧が分布し、全体と
して概ね均一な分布となる。

【００２２】図４は、本発明の特徴とするニードル傘部
１５の他の実施形態を示すもので、この例では円形の傘
部１５の周縁部の２箇所１９，２０が切除されている。
言うまでもなく、切除箇所の数は２箇所に限らず、１箇
所であっても、或いは３箇所以上であってもよい。ま
た、図４に２１，２２として示すように、傘部１５の周
縁部の一部に切除箇所１９，２０を形成する場合に、そ
れらの切除面に接続するようにニードル３の延長軸部１
６の一部を切除することもある。傘部１５の切除面は図
示例の場合は中心軸９と平行になっているが、切除面を
中心軸９に対して傾斜させるか、或いは適当な曲面とし
て形成してもよい。

【００２３】このようにして円板状の傘部１５の一部に
切除箇所を形成すると、噴孔６から噴射される燃料噴霧
がスワール溝１４を通って旋回しながら傘部１５の上面
に衝突することにより全体として放射状に拡散する時
に、傘部１５の上面に衝突しない燃料噴霧の一部が切除
箇所１９，２０等を通って中心部へ回り込むので、燃料
噴霧の中心部の密度低下を解消することができる。

【００２４】図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の特徴と
するニードル傘部１５の更に他の実施形態を示すもの
で、この場合は図３に示した実施形態と同様に、ニード
ル傘部１５の周縁部に中心軸９に平行な切り欠き１７が
６個形成されている他に、それら周縁部の切り欠き１７
を相互に半径方向に接続する溝２３が傘部１５の下面に
形成されている点に特徴がある。なお、溝２３は傘部１
５の下面が平面である場合に傘部１５の周縁部で深く中
心部で浅くなるように、底面が傾斜した溝として形成す
ることもできる。言うまでもなく、傘部１５の下面は平
面であるとは限らず下方に突出する円錐面や曲面等とす
ることもできるから、そのような場合の溝２３の深さは
概ね一定としてもよい。

【００２５】図５に示す実施形態のように傘部１５に周
縁部の切り欠き１７の他にそれらを接続する溝２３を設
けると、切り欠き１７を通って燃料噴霧が中心部へ回り
込む時に溝２３を通ることができるので、流れが更に円
滑になるという効果がある。それによって燃料噴霧の中
心部の密度低下をより確実に補償することができると共
に、その密度分布を均一にすることができる。

【００２６】なお、以上の実施形態ではニードルの先端
部（延長軸部１６）に円板状の傘部１５を設けて、その
傘部１５の周縁部の一部に切り欠き１７や、切除箇所１
９，２０等を形成しているが、傘部１５がなくても、燃
料はスワール溝１４を通過することによって旋回するた
めに、噴孔６から噴射される時に放射状に拡開する燃料
噴霧となるので、本発明においては円板状の傘部１５を
設けることを常に必須の要件とするものではなく、例え
ばニードルの延長軸部１６の先端部に直接に中心軸９の
方向に切り欠きや切除箇所を設けることによっても、概
ね同様な作用効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すもので、（ａ）
は燃料噴射弁の一部の縦断正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ
−Ｂ線における横断平面図である。

【図２】実施形態の燃料噴射弁の全体構成を例示する縦
断正面図である。

【図３】第２の実施形態の要部を示す下面図である。

【図４】第３の実施形態の要部を示す下面図である。

【図５】第４の実施形態の要部を示すもので、（ａ）は
正面図、（ｂ）はその下面図である。

【符号の説明】

１…ノズルアッセンブリー ２…ノズルボデー ３…ノズルニードル ４…油溜まり ６…噴孔 ７…テーパー状のシート面 ８…ノズルボデー側の摺動面 ９…中心軸 １０…ニードルのテーパー面 １２…ニードルのシート部 １３…ニードル側の摺動面 １４…スワール溝 １５…ニードル傘部 １６…延長軸部 １７…切り欠き １８…面取り １９，２０…切除箇所 ２３…傘部下面の溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 康夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端の内部と外部とを連通する噴孔を有
   するノズルボデーと、前記ノズルボデーに形成されたシ
   ート面に対して円環状に密着することができるシート部
   を有すると共に前記シート部の上流側において前記ノズ
   ルボデーに形成された円筒形の摺動面に対して僅かなク
   リアランスをもって係合する摺動部に螺旋状のスワール
   溝を形成されたニードルを備えている燃料噴射弁におい
   て、前記ニードルの先端部の外周の少なくとも一部に、
   燃料噴霧の一部の流れを前記ノズルボデー及び前記ニー
   ドルの中心軸の方向に導く切り欠きが設けられているこ
   とを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 前記噴孔の外側に位置する前記ニードル
   の先端部に実質的に円板状の傘部が形成され、前記傘部
   の周縁部の少なくとも１箇所に前記切り欠きが設けられ
   ていることを特徴とする請求項１に記載された燃料噴射
   弁。
3. 【請求項３】 前記切り欠きが、前記中心軸と平行な１
   個以上のスリットからなることを特徴とする請求項１又
   は２に記載された燃料噴射弁。
4. 【請求項４】 前記切り欠きが、前記中心軸と平行な切
   除面を形成する１個以上の切除箇所からなることを特徴
   とする請求項１又は２に記載された燃料噴射弁。
5. 【請求項５】 前記切り欠きが少なくとも２個設けられ
   ると共に、それらの切り欠きがニードルの先端側の面に
   形成された溝によって連通していることを特徴とする請
   求項１ないし４のいずれかに記載された燃料噴射弁。