JPWO2006025114A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

燃料噴射弁において、微粒化性能に優れ、噴霧の形状を種々のエンジン方式に適合できるよう調整可能とする。このために、燃料の噴射と噴射の停止を行うために開閉可能な弁体と、この弁体と接触して燃料の噴射の停止を行うことが可能な弁座を設け、弁体と弁座の下流に燃料を噴射する噴射孔を複数備える燃料噴射弁において、弁座から噴射孔に至る燃料通路に、燃料に旋回力を付与する旋回力付与手段を設け、複数の噴射孔を、噴射孔を有する面内で、疎に配置された部分と密に配置された部分とを有するように配置する。

Description

本発明は内燃機関で使用される燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁による燃料の微粒化を促進する技術が、特開２００２−９８０２８号公報および特開２００３−３３６５６１号公報に開示されている。これらの技術では、弁体と弁座の下流側に横方向（径方向）に分岐した複数の燃料通路を設け、各燃料通路の下流側端部のそれぞれに旋回室（スワール室、渦流室）と噴射孔とを設けている。この燃料通路は旋回室に対してオフセットしており、旋回室及び噴射孔内部に旋回流が生じ、噴射孔から流出する燃料が液膜を形成する。

旋回室を有する燃料噴射弁による燃料の微粒化という観点では、燃料圧力として与えられたエネルギが、出来る限り微粒化に寄与できるように設計することが必要である。微粒化のエネルギは分裂の段階においては流速として与えられるので、噴射孔内での流速が高いことが必要である。従来技術においては、微粒化性能を高める手段として、弁体および弁座の下流に旋回室を設けているが、噴射孔内での流速を高める構成についての配慮が十分とは言えない。
また、従来技術においては嘖霧形状を調整する手段について開示されていない。複数の噴射孔に対して旋回室を設けることは、弁座より下流にある燃料通路の体積（デッドボリウム）を増加させ、閉弁後も噴射が続く期間が増加してしまうという問題を生じることがある。従来技術では、噴霧形状を調整しながら、デッドボリウムの増加を抑える噴射孔や燃料通路の配置について、開示されていない。
特に、低燃費および高出力を狙う筒内直接噴射式ガソリンエンジン（以下、筒内噴射エンジンと称する）では、燃焼方式、燃焼室形状、燃焼室の寸法などによって、それぞれに適した形状に形成された燃料の噴霧が必要とされる。一方で、筒内噴射エンジンでは、燃料の噴射から点火までの時間が短く、従って燃料が蒸発するための時間は短い。このため、同量の燃料、に対してより大きい表面積を得て蒸発を促進するために燃料の微粒化が必要とされている。
噴霧形状と燃料の微粒化は、エンジンの排気中の未燃燃料成分（以下ＨＣと称する）や窒素酸化物（以下ＮＯｘと称する）の量、及び燃費に影響を与える。
例えば、噴霧の形状や燃料液滴の粗さによってはシリンダ内壁やピストン冠面に付着し、付着した燃料のうち蒸発しなかった分については燃焼せずに排出されてしまうために燃費を悪化させたりＨＣを増加させたりする。
あるいは吸気行程に噴射を行うような運転状態においては、開弁状態にある吸気弁と噴霧との干渉が起こる可能性がある。吸気弁に付着した燃料の一部は燃焼室に流入しないため、燃焼室内における空燃比の制御の正確性が損なわれる可能性がある。空燃比制御が正確に行われない場合、排気系にある酸素濃度センサなどからのフィードバック制御によって、燃料噴射弁に与えられる噴射量の指令値が大きくなりすぎ、結果としてＨＣ排出増加の原因となることがある。
また、燃料噴射弁を燃焼室の中心に置くレイアウトの場合には、噴霧と点火プラグの位置関係、および燃料の微粒化が重要となる。点火プラグに直接液体燃料や粗い燃料液滴が衝突すると、点火プラグの燻りの原因となることがある。
このように、筒内噴射エンジンの燃費および排気性能向上のためには、微粒化特性を改善することと、噴霧の形状を制御することが重要である。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁による微粒化性能を向上することと、噴霧形状の調整を可能にして、エンジンにとって望ましい噴霧を実現する燃料噴射弁を供給することを目的とする。
上記記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、燃料噴射弁の弁座から複数の噴射孔に至る燃料通路に、燃料に旋回力を付与する旋回力付与手段を設け、前記複数の噴射孔は噴射孔を有する面内で疎に配置された部分と密に配置された部分とを有することにより、噴霧形状の調整を可能にする。
また、前記旋回力付与手段のうち少なくとも一つは他の旋回力付与手段とは異なる旋回力を付与するように設けことで、噴霧形状の調整を可能にする。
微粒化に対しては、前記旋回力付与手段と前記弁座を連通させる燃料通路の断面積が最小となる部分の総合計が、前記噴射孔の断面積の総合計より大きいことを特徴とすることで、噴射孔における流速を増大させ、微粒化性能を向上させる。
本発明によれば、複数の噴射孔を有する燃料噴射弁において、各噴射孔から流出する燃料に旋回を与えることで微粒化を促進するとともに、噴射孔の配置に疎密を設けることで筒内噴射エンジンにとって望ましい形状の噴霧を得られる燃料噴射弁を供給できる。
また、複数の噴射孔に対して夫々旋回室を配置する際に生じるデッドボリウムの増加を抑制しながら、上記の効果を得られる燃料噴射弁を供給できる。

第１図は、本発明に係る燃料噴射弁の第一実施例の構造を示す断面図である。
第２図は、本発明に係る燃料噴射弁の第一実施例の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。
第３図は、第一実施例の燃料噴射弁による噴霧の模式図である。
第４図は、第一実施例の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した例を示す模式図である。
第５図は、本発明に係る第二実施例の燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。
第６図は、第二実施例の燃料噴射弁による噴霧の模式図である。
第７図は、第二実施例の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した例を示す模式図である。
第８図は、本発明に係る第三実施例の燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。
第９図は、第三実施例の燃料噴射弁を燃焼室中央に配置した例及び噴霧形状を示す模式図である。
第１０図は、第四実施例の燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。
第１１図は、第四実施例の燃料噴射弁によって形成される噴霧の形状を示す模式図である。

第１図は、本発明に係る燃料噴射弁の第一の実施形態を示す断面図である。第１図に示された燃料噴射弁は、通常時閉型の電磁式燃料噴射弁であり、コイル１１２に通電されていない状態においては、弁体１１０と弁座１０４とが密着しており、燃料は噴射されない。燃料は図示しない燃料ポンプによって圧力を付与された状態で燃料供給口より供給され、燃料流入口１１５から弁体１１０と弁座１０４との密着位置まで燃料で満たされている。コイル１１２に通電され、弁体ガイド１０３に支持された弁体１１０が第１図上方に変位することによって弁体１１０は弁座１０４から離れると、燃料は弁座１０４と弁体１１０の隙間を通ってその下流にある複数の噴射孔（例えば噴射孔１０１）から噴射される。
第２図は噴射孔１０１および弁座１０４の近傍を拡大した断面図である。Ａ−Ａ断面図は、噴射孔に至る横方向通路が形成された燃料通路プレート２０２の断面図である。燃料は弁体１１０と弁座１０４を通過した後、横方向通路２０４に流入し、複数の噴射孔への燃料通路である旋回通路を通って旋回室に達し、旋回室で旋回力を付与された後に各噴射孔から噴射される。例えば噴射孔１０１に対しては、旋回通路２０７から流入した燃料は、旋回室２０８で矢印２１１の方向に旋回力を付与され、噴射孔１０１から流出する。旋回通路２０７はほぼ円形の旋回室２０８の中心に対してオフセットして設けられているため、矢印２１１の方向の旋回流が旋回室内に生じる。
このように、噴射孔において燃料に旋回力が生じるように噴射孔上流の流れを形成させると、噴射される燃料は円錐状の液膜から分裂するため、旋回力を付与しなかった場合と比較して燃料をより小さい液滴に分裂させることができる。
複数設けられた噴射孔はＡ−Ａ断面内で、噴射孔が密に配置された部分と疎に配置された部分を有するように配置されている。例えば、噴射孔１０１、２０９ａ、２０９ｂの近傍では単位面積あたりの噴射孔の数が少なく、また近傍の噴射孔との距離が長い、疎な配置である。また、噴射孔２０５、２０６の近傍では単位面積あたりの噴射孔の数が多く、また近傍の噴射孔との距離が短い、密な配置である。
また、夫々の噴射孔は第２図のＢ−Ｂ断面に示すように、弁体の軸２１０に対する角度が異なるように設けられている。第２図に示す例では、噴射孔２０５は弁体軸とほぼ平行に設けられているのに対し、噴射孔１０１は傾斜角度を持って設けられている。
更に、噴射孔１０１と噴射孔２０５とでは、燃料に与えられる旋回力が異なるように旋回通路および旋回室が設けられている。噴射孔１０１に流入する旋回室２０８には、旋回室２０８の中心に対するオフセットが小さい旋回通路２０７が連なっている。旋回室の中心に対してオフセットを小さくすることで、旋回室２０８において付与される燃料の角運動量が減少し、噴射孔１０１から流出する燃料の旋回力は小さくなる。また、噴射孔２０６に対して設けられている旋回室２１２は、旋回室２１２の中心に対するオフセットが大きい旋回通路２１３が連なっている。旋回室２１２の中心に対するオフセットが大きいことで、噴射孔２０６から流出する燃料に付与される角運動量が増大する。このように、旋回通路の旋回室中心に対するオフセット量によって、噴射孔における旋回力を調整することができる。なお、旋回力は旋回室において与えられた角運動量と、噴射孔から流出する軸方向運動量との比によって決定されるので、噴射孔の大きさ、旋回通路の断面積、旋回室の大きさによっても旋回力を調整することができる。
また、噴射孔の疎密を設けるために、疎に配置されている噴射孔１０１、２０９ａ、２０９ｂは弁体の中心軸に近く、密に配置されている噴射孔２０６は弁体の中心軸から遠くなるように設けてある。噴射孔を密に設けることは、噴射孔の上流に旋回流を形成させるための流路が存在するため、単純に孔の配置を密にするだけでは成立しない。
噴射孔を密に設けるためには、幾何学的な制約から弁体の中心軸から遠ざけて配置する必要がある。また、噴射孔が密な部位には燃料の流量も大きくなるため、横方向通路２０４から旋回通路に流入する部位の断面積が小さくなり過ぎないように燃料通路を設計する必要がある。密に配置される噴射孔に流入する旋回通路と横方向通路２０４とが連なる部位の断面積を確保するためには、横方向通路２０４と旋回通路とが連なる部位が弁体の中心から遠い位置に設けられることが必要である。
第２図の例では、密に配置される噴射孔２０６に連なる旋回通路２１３は、弁体中心から遠い位置で横方向位置と連なるように設けられている。
逆に、疎に配置される噴射孔に流入する旋回通路と横方向通路２０４とが連なる部位は、弁体に近いほうが良い。疎に配置される噴射孔１０１に連なる旋回通路２０８は弁体中心に近い位置で横方向通路２０４と連なっている。このような構成にすることで、横方向通路２０４の体積を減少させ、弁座１０４より下流の体積を減少させることができる。弁座下流の体積は、弁体が閉じた後に燃料通路に残留する燃料の量に関係し、閉弁後の圧力変動などによって噴射が起こる二次噴射の量と関連している。二次噴射は燃料噴射弁に付着する堆積物の量などに関係するため、少ないほうがよく、二次噴射を低減するためには弁座下流の体積が小さいほうが良い。
このようにして、噴射孔の配置に疎な部分と密な部分とを設けることと、噴射孔の角度が異なるような噴射孔の組が設けられることにより、噴霧形状が燃焼コンセプトや燃焼室形状に適合するように調整することができる。
燃料通路プレート２０２は、パンチ等による打ち抜き、切削加工、ワイヤカット放電加工、電極による放電加工、およびエッチングプロセスによる加工によって製造することができる。エッチングプロセスによって燃料通路プレート２０２を形成する場合には、燃料通路プレートの材質を単結晶シリコンとすると加工が容易である。
また、燃料通路プレート２０２と噴射孔プレート２０３はピン２１４のような部材を使用すると、位置決めが容易である。第２図では、ピン２１４は別部材として設けられているが、噴射孔プレート２０３または燃料通路プレート２０２と一体としても良い。または、燃料通路プレート２０２と噴射孔プレート２０３を一体の部品として製造しても良い。燃料通路プレートと噴射孔プレートを一体として製造すると、噴射孔と燃料通路プレート上の旋回室との位置決めが不要となり、製造コストを削減できる。このように一体部材とした燃料通路プレートと噴射孔プレートを製造する場合には、パンチによる切削加工、塑性加工、電極による放電加工、あるいはエッチングプロセスによって燃料通路および旋回通路を形成した後に、噴射孔を切削（ドリル）、パンチ、放電加工などで穿孔すると良い。
第３図は、第２図に示された燃料噴射弁の例から噴射される噴霧の様子を示した図である。噴射孔１０１は弁体の軸に対して傾斜して設けられているため、噴射孔１０１から噴射される燃料の噴霧３０２も傾斜する。また、噴射孔１０１に付与される旋回力は小さいため、噴霧３０２の広がりは小さくなり、また角運動量に対して噴射孔の軸方向の運動力が大きくなるため、噴霧はより遠くへ到達するようになる。一方、噴射孔２０５は傾斜がないように設けられているため、噴射孔２０５から噴射される噴霧３０１は殆ど傾斜せずに流出する。また、噴射孔２０５に付与されている旋回力は大きいため、噴霧３０１の拡がりは大きくなり、噴霧３０２と比較して到達距離は短くなる。
Ｅ−Ｅ断面は、噴霧の横断面図である。噴霧３０２は噴霧の拡がりが小さいため、噴霧の空間的分布が密になりやすく、噴霧３０１は噴霧の拡がりが大きいため噴霧の空間的分布が疎となる。また、噴霧３０４や噴霧３０３は、夫々他の噴射孔（例えば噴射孔２０６や２０９ａなど）から噴射された燃料によって構成される。夫々の噴射孔の角度および旋回力を調整することで、このような噴霧を得ることができる。
第３図に示したような噴霧は、第４図に示すようなエンジンに使用すると良い。第４図は筒内噴射ガソリンエンジンの断面図である。第４図に示したエンジンは、燃料噴射弁を吸気ポート近傍に設け、点火プラグを燃料室中央に配置した吸気２弁式のエンジンであり、吸気行程に燃料を噴射する方式を採用した燃焼コンセプトのエンジンである。
吸気行程に燃料を噴射する場合、吸気弁４０４が開いた状態で燃料を噴射する。このとき、吸気ポートからの空気流動は、一般に矢印４０６で示すようなピストン４０７に向かう強い流れが生じることが分かっている。
吸気弁４０４が開いた状態で燃料を噴射することになるので、吸気ポート近傍に設けられた燃料噴射弁４０１からの噴霧は吸気弁４０４に衝突しやすくなる。ここで、燃料噴射弁４０１に、第３図で示したような噴霧を用い、点火プラグ４０３の方向に噴霧３０２が向かうように取り付けると、第３図中の燃料が希薄な部分３０５の位置が丁度吸気弁４０４の位置に相当するようになる。このため、吸気弁４０４に衝突し付着する燃料を抑制することができる。吸気弁４０４への燃料の付着は、空燃比の制御の正確さを損ない排気中の未燃燃料成分を増加させる原因に成り得るが、第３図に示すような本発明に係る燃料噴射弁を用いることでこの問題を回避することができる。
また、第３図で示された噴霧３０２は噴霧の拡がりが狭く、燃料液滴の空間密度が高いので、吸気による流れ４０６に抗って燃焼室中央へ向かうようになる。このため、燃料と空気との混合の状態をより均質にすることができる。この結果、燃焼時における混合気の濃淡を減らすことができ、燃料が濃い部分や温度が高い部分で生じ易い窒素酸化物の生成を押さえることができる。
更に、第３図における噴霧３０１は噴霧の拡がりが大きく、到達距離が短いため、吸気流れ４０６によって噴霧がピストン４０７へ付着するのを抑制する効果が期待できる。ピストン４０７の冠面に付着した燃料は、燃焼時にはピストン表面での冷却による消炎効果により未燃燃料成分として排出されることがあるが、第３図に示すような燃料噴射弁を用いることによってこの問題を回避することができる。

第５図は、本発明に係る第二の実施形態として噴射孔を楕円状に配置した例である。第５図に示した噴射孔配置の場合、第６図のＧ−Ｇ断面のような扁平な噴霧形状を得られる。線５０７および５０６は直交する線であるが、線５０６から線５０７にむけた時計回りの範囲に配置された噴射孔の数は弁体中心軸５０８を挟んで２個ずつである（例えば噴射孔５０２）。また、線５０６から線５０７にむけた反時計回りの範囲に配置された噴射孔の数は弁体中心軸５０８を挟んで４個ずつである（例えば噴射孔５０１）。すなわち、燃料噴射弁の弁体軸を中心として周方向の密度に着目すると、噴射孔５０２の近傍は噴射孔が疎な配置であり、噴射孔５０１の近傍は密な配置である。
噴射孔が楕円状に配置されているのは、噴射孔が密な部位では弁体中心軸５０８から遠く、噴射孔が疎な部位では近く配置した結果である。このような配置によって、密に配置された噴射孔に流入する旋回通路と横方向通路５０４とが連なる部位での断面積を確保することができると共に、デッドボリウムを大きくすることなく疎な噴射孔の配置を混在させることができる。
また、第６図のＦ−Ｆ断面に示されるように噴射孔の角度は夫々異なっており、外側に配置された噴射孔（例えば噴射孔５０１）ほど弁体中心軸の外側に向かって傾斜がつけられている。このような傾斜によって、噴霧の断面はＧ−Ｇ断面に示すような扁平状となる。
第６図に示した噴霧は、第７図に示すようなエンジンに用いると効果的である。第７図は、圧縮行程に燃料を噴射し、燃焼室内に燃料の濃い部分と薄い部分とを形成して着火させる成層燃焼を行うコンセプトの筒内噴射ガソリンエンジンの例である。
燃料噴射弁７０１には第５図および第６図に示した燃料噴射弁が用いられており、噴霧形状は扁平な形状となる。また、燃料噴射弁７０１の取り付け角度に対して噴霧７０６が傾いており、点火プラグ７０３の方向へ向かうようになっているのは、第５図のＣ−Ｃ断面において噴射孔が傾斜しているためである。このように、噴射孔の傾斜を設けることで、燃料噴射弁の取り付け角度に制約されることなく噴霧の形成される方向を調整することができる。
第５図のように、複数の噴射孔を備え、夫々に旋回力を付与する流路を設けた燃料噴射弁による噴霧液滴は非常に小さいため、噴射される雰囲気気体との摩擦によって減速し易い。このため、第７図に示すような圧縮行程噴射を行うエンジンに用いた場合には、噴霧の到達距離が短くなる。この結果、点火プラグ７０３の近傍に燃料液滴もしくは蒸発した燃料と空気との混合気が滞在する時間が長くなり、燃焼安定性が向上する。燃焼安定性が向上することで、点火タイミングおよび噴射タイミングの設定の自由度が向上し、より熱効率の高いタイミングで点火させることが可能となる。この結果として、エンジンの熱効率が向上し、燃費が低減される。また、このようなエンジンを自動車に搭載した場合には、燃焼安定性が高いためにエンジンの負荷および回転数の広い範囲にわたって成層燃焼をおこなわせることができ、燃費を低減することができる。
一方で、噴霧が扁平になっていることにより、燃料とピストン７０７との衝突を軽減し、未燃燃料成分の排出を押さえることができる。圧縮行程で燃料噴射を行う場合には燃料噴射弁７０１とピストンの７０７の距離が短く、また噴射後の時間の経過と共にピストンは近づくので、ピストン７０７方向に向かう燃料は少ないほうが良い。
一般的な筒内噴射ガソリンエンジンでは、燃焼安定性を確保するためにピストンに燃料を衝突させて点火プラグへ混合気を導く方法が採られているが、第５図に示すような燃料噴射弁を用いればピストンへの燃料の衝突を回避しながら燃焼安定性を高めることができる。

第８図は一部分に噴射孔が密な部分を有する噴射孔を配置した、本発明に係る第三の実施例を示す断面図である。
噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇ弁体中心軸の周方向に均等な配置となっており、その傾斜は弁体中心軸の外側を向くように設定されている。その一方で、噴射孔８０２ａ、ｂ、ｃは弁体の内側を向かうように噴射孔の角度が設定されており、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇとは異なっている。また、噴射孔８０２ａは近傍の噴射孔との距離が噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇと比較して近接して設けられており、密な配置となっている。
このような噴射孔の配置に対して適正な流量を噴射孔８０２ａに供給するために、弁体の中心軸から離れた位置に噴射孔８０２ａが設けられている。また、噴射孔８０２ａに連なる旋回通路８０６と横方向通路８０４が連なる位置を弁体中心軸から離して設けてあることにより、横方向通路８０４から旋回通路８０６に流入する部位での断面積を確保し、適正な流量を８０２ａに供給できるようになっている。
一方で、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇの配置を弁体中心軸から離すことなく噴射孔を設けると良い。このようにすることで、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇに夫々連なる旋回通路（例えば旋回通路８０７）と横方向通路８０４とが連なる位置は、前記の噴射孔８０２ａに連なる旋回通路８０６と比較して弁体中心軸に近づけて設けることができる。この結果、横方向通路８０４の体積を増やすことなく、すなわちデッドボリウムを増やすことなく噴霧の形状の調整が可能になっている。
また、噴射孔の傾斜角度が噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇと８０２ａ、ｂ、ｃとで異なっていることにより、噴霧形状の制御を容易にしている。
第８図に示した燃料噴射弁は、第９図に示すようなエンジンに使用すると良い。第９図は、燃料噴射弁を燃焼室中央付近に配置した筒内噴射ガソリンエンジンの例である。このような配置によるエンジンは、主に燃焼安定性を向上して成層燃焼が可能な運転条件の範囲を広げて燃費を低減すると共に、可燃空燃比となっている混合気の領域中の均質度合いを高めて窒素酸化物などの排気を低減する狙いがある。
第９図のように燃料噴射弁を燃焼室中央に配置した場合には、点火プラグ９０３と燃料噴射弁９０２の距離が短くなる。点火プラグ９０３を配置する位置は、点火時の火炎伝播時間を短縮するために燃焼室中央に近いことが望ましい。しかしながら、点火プラグと燃料噴射弁の距離が接近しすぎると、燃料噴射弁から噴射された燃料が液体のまま点火プラグに衝突してしまい、点火プラグの汚損の原因となることがある。一方で、燃料の噴射方向の変更などにより点火プラグと異なる方向に燃料を噴射すると、混合気が点火プラグ近傍に形成され難くなり、燃焼安定性を確保することが困難となる。
本発明に係る燃料噴射弁によれば、第９図のＪ−Ｊ断面に示すような噴霧が可能となる。ほぼ均質な噴霧９０１と、ほとんど燃料が分布しない部位９０４を形成することができる。
このように、ほとんど燃料が分布しない部位が設けられることにより、点火プラグの汚損を防ぎながら点火プラグの近傍に混合気を形成させることが可能となり、燃焼安定性を高めることができる。
このような形状の噴霧は、第８図に示された本発明に係る実施例によって実現できる。噴霧の分布が少ない領域９０４は、噴射孔８０２ａ，ｂ，ｃの噴射孔の方向が弁体中心の側を向き、８０１ａ乃至８０１ｇとは異なる方向を向いていることによって実現される。ここで、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇは噴霧の外縁部のみを形成するようになるが、噴射孔８０２ａ、ｂ、ｃによって噴霧中心付近に燃料を分布させ、なおかつ噴霧の分布が少ない領域９０４には噴霧が向かわなくなる。
第９図のＪ−Ｊ断面にあるような噴霧を形成する第８図のような実施形態により、燃料噴射弁を燃焼室中央付近に配置させたエンジンに対しても、適切な噴霧形状を形成する燃料噴射弁を供給することができる。この結果として、エンジンの燃焼安定性を高め、燃費を低減すると共に、排気の低減を実現することができる。

第四の実施例は、実施例三で示されたような燃料噴射弁を燃焼室中央に配置するようなエンジンに適した噴霧を、より簡便に形成できる噴射孔配置の例である。
第１０図は、３つの噴射孔を設けた場合の噴射孔の配置を示す断面図である。燃料通路１００２、旋回通路１００５、噴射孔１００３は夫々噴射孔プレート１００１に設けられている。第１０図のように、噴射孔の数を減らした場合、実施例１乃至３に示した場合と比較して夫々の噴射孔から噴射される燃料の流量を大きくする必要がある。したがって、個々の噴射孔の断面積は十分に大きい。
また、噴射孔に至る燃料通路および旋回通路の断面積もそれぞれ十分に大きいことが要求されるため、第１０図のように一つの噴射孔に対して複数の旋回通路を設けるとよい。例えば、第１０図では噴射孔１００３に対して旋回通路１００６と旋回通路１００５が設けられている。このように、一つの噴射孔に対して複数の旋回通路を設けることで、燃料通路１００２を大きくすることなく旋回通路と燃料通路１００２とが連なる位置での断面積の総計を大きくとることができ、結果としてデッドボリウムの増加を抑制できる。
このような噴射孔が３つの場合においても、噴射孔の配置に疎密を設けると良い。第１０図では、噴射孔１００３と隣接する噴射孔１００７ａ、１００７ｂとは、周方向の角度１０１０ａおよび１０１０ｂに示す角度だけ離れている。これに対し、噴射孔１００７ａにおいては隣接する噴孔と周方向の角度１０１０ａ、１０１０ｃだけ離れており、周方向の角度１０１０ｃは１０１０ａおよび１０１０ｂより大きい。すなわち、噴射孔１００７ａおよび１００７ｂの噴射孔は、噴射孔１００３に比べて、疎に配置されている。
このように噴射孔の疎密を設けることで、噴射孔に通ずる旋回通路の配置の自由度を高めることができる。第１０図において、噴射孔１００７ａ、１００７ｂには夫々２つずつの旋回通路が設けられているが、何れも周方向の角度１０１０ｃの範囲内に旋回通路が設けることができる。このように、周方向の角度１０１０ｃの範囲内に旋回通路が設けられることにより、燃料通路１００２と旋回通路とが連なる部位での断面積を大きくとることができ、燃料通路１００２の周辺部に旋回通路と連なっていない無駄な部分を減らすことができる。この結果、燃料通路１００２の体積は小さくて済み、結果としてデッドボリウム低減が可能となる。
また、噴射孔の配置に疎密を設けるとともに、疎な噴射孔を弁体中心軸に近く、密な噴射孔を弁体中心軸から離して配置してある。このような配置により、噴射孔１００７ａ、１００７ｂは燃料通路１００２に近接して設けることでデッドボリウムの増加を抑制しながら、噴射孔１００７ａ、１００７ｂに二つずつの旋回通路を連ねることが可能となっている。また噴射孔１００７ａ、１００７ｂは疎に配置されているため、周方向の角度１０１０ｃが広く、旋回通路の配置に自由度が高くなっており、旋回通路の助走距離を十分取りながら噴射孔を弁体中心軸に近づけることができる。
一方で、密に配置された噴射孔１００３は弁体中心軸から離して配置されていることにより、旋回通路１００６、１００５の長さを十分にとることができ、十分な流量を与えながら、噴射孔１００３に注入する燃料に十分な旋回力を付与することができるようになっている。
このような噴射孔の配置によって得られる噴霧は、第１１図に示すような形状となる。夫々の噴射孔からは略円錐形の噴霧（例えば噴霧１１０１）が生じ、これらの噴霧はＰ−Ｐ断面で観察すると３つの円状となる。ここで、噴霧濃度の疎な部分１１０２が生じるように第１０図中の噴射孔１００７ａ、１００７ｂの角度を設定しておくことで、第９図に示したような燃料噴射弁を燃焼室中央に配置したエンジンへの適用が可能となる。すなわち、噴霧濃度の疎な部分１１０２が存在することによって点火プラグの濡れや燻りを回避しやすくなる。
したがって、第１０図および第１１図に示したような噴射孔の数が３つ程度と少ない場合においても、本発明を用いることにより、エンジンに適合できる噴霧を形成することが可能となる。

本発明は内燃機関で使用される燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁による燃料の微粒化を促進する技術が、特開２００２−９８０２８号公報および特開２００３−３３６５６１号公報に開示されている。これらの技術では、弁体と弁座の下流側に横方向（径方向）に分岐した複数の燃料通路を設け、各燃料通路の下流側端部のそれぞれに旋回室（スワール室，渦流室）と噴射孔とを設けている。この燃料通路は旋回室に対してオフセットしており、旋回室及び噴射孔内部に旋回流が生じ、噴射孔から流出する燃料が液膜を形成する。

特開２００２−９８０２８号公報 特開２００３−３３６５６１号公報

旋回室を有する燃料噴射弁による燃料の微粒化という観点では、燃料圧力として与えられたエネルギが、出来る限り微粒化に寄与できるように設計することが必要である。微粒化のエネルギは分裂の段階においては流速として与えられるので、噴射孔内での流速が高いことが必要である。従来技術においては、微粒化性能を高める手段として、弁体および弁座の下流に旋回室を設けているが、噴射孔内での流速を高める構成についての配慮が十分とは言えない。

また、従来技術においては噴霧形状を調整する手段について開示されていない。複数の噴射孔に対して旋回室を設けることは、弁座より下流にある燃料通路の体積（デッドボリウム）を増加させ、閉弁後も噴射が続く期間が増加してしまうという問題を生じることがある。従来技術では、噴霧形状を調整しながら、デッドボリウムの増加を抑える噴射孔や燃料通路の配置について、開示されていない。

特に、低燃費および高出力を狙う筒内直接噴射式ガソリンエンジン（以下、筒内噴射エンジンと称する）では、燃焼方式，燃焼室形状，燃焼室の寸法などによって、それぞれに適した形状に形成された燃料の噴霧が必要とされる。一方で、筒内噴射エンジンでは、燃料の噴射から点火までの時間が短く、従って燃料が蒸発するための時間は短い。このため、同量の燃料に対してより大きい表面積を得て蒸発を促進するために燃料の微粒化が必要とされている。

噴霧形状と燃料の微粒化は、エンジンの排気中の未燃燃料成分（以下ＨＣと称する）や窒素酸化物（以下ＮＯｘと称する）の量、及び燃費に影響を与える。

例えば、噴霧の形状や燃料液滴の粗さによってはシリンダ内壁やピストン冠面に付着し、付着した燃料のうち蒸発しなかった分については燃焼せずに排出されてしまうために燃費を悪化させたりＨＣを増加させたりする。

あるいは吸気行程に噴射を行うような運転状態においては、開弁状態にある吸気弁と噴霧との干渉が起こる可能性がある。吸気弁に付着した燃料の一部は燃焼室に流入しないため、燃焼室内における空燃比の制御の正確性が損なわれる可能性がある。空燃比制御が正確に行われない場合、排気系にある酸素濃度センサなどからのフィードバック制御によって、燃料噴射弁に与えられる噴射量の指令値が大きくなりすぎ、結果としてＨＣ排出増加の原因となることがある。

また、燃料噴射弁を燃焼室の中心に置くレイアウトの場合には、噴霧と点火プラグの位置関係、および燃料の微粒化が重要となる。点火プラグに直接液体燃料や粗い燃料液滴が衝突すると、点火プラグの燻りの原因となることがある。

このように、筒内噴射エンジンの燃費および排気性能向上のためには、微粒化特性を改善することと、噴霧の形状を制御することが重要である。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁による微粒化性能を向上することと、噴霧形状の調整を可能にして、エンジンにとって望ましい噴霧を実現する燃料噴射弁を供給することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、燃料噴射弁の弁座から複数の噴射孔に至る燃料通路に、燃料に旋回力を付与する旋回力付与手段を設け、前記複数の噴射孔は噴射孔を有する面内で疎に配置された部分と密に配置された部分とを有し、前記密に配置された噴射孔は前記疎に配置された噴射孔と比較して、前記弁体の中心軸からの距離が遠い位置に配置されたことにより、噴霧形状の調整を可能にする。

微粒化に対しては、前記旋回力付与手段と前記弁座を連通させる燃料通路の断面積が最小となる部分の総合計が、前記噴射孔の断面積の総合計より大きいことを特徴とすることで、噴射孔における流速を増大させ、微粒化性能を向上させる。

本発明によれば、複数の噴射孔を有する燃料噴射弁において、各噴射孔から流出する燃料に旋回を与えることで微粒化を促進するとともに、噴射孔の配置に疎密を設けることで筒内噴射エンジンにとって望ましい形状の噴霧を得られる燃料噴射弁を供給できる。

また、複数の噴射孔に対して夫々旋回室を配置する際に生じるデッドボリウムの増加を抑制しながら、上記の効果を得られる燃料噴射弁を供給できる。

以下、実施例を説明する。

図１は、本発明に係る燃料噴射弁の第一の実施形態を示す断面図である。図１に示された燃料噴射弁は、通常時閉型の電磁式燃料噴射弁であり、コイル１１２に通電されていない状態においては、弁体１１０と弁座１０４とが密着しており、燃料は噴射されない。燃料は図示しない燃料ポンプによって圧力を付与された状態で燃料供給口より供給され、燃料流入口１１５から弁体１１０と弁座１０４との密着位置まで燃料で満たされている。コイル１１２に通電され、弁体ガイド１０３に支持された弁体１１０が図１上方に変位することによって弁体１１０は弁座１０４から離れると、燃料は弁座１０４と弁体１１０の隙間を通ってその下流にある複数の噴射孔（例えば噴射孔１０１）から噴射される。

図２は噴射孔１０１および弁座１０４の近傍を拡大した断面図である。Ａ−Ａ断面図は、噴射孔に至る横方向通路が形成された燃料通路プレート２０２の断面図である。燃料は弁体１１０と弁座１０４を通過した後、横方向通路２０４に流入し、複数の噴射孔への燃料通路である旋回通路を通って旋回室に達し、旋回室で旋回力を付与された後に各噴射孔から噴射される。例えば噴射孔１０１に対しては、旋回通路２０７から流入した燃料は、旋回室２０８で矢印２１１の方向に旋回力を付与され、噴射孔１０１から流出する。旋回通路２０７はほぼ円形の旋回室２０８の中心に対してオフセットして設けられているため、矢印２１１の方向の旋回流が旋回室内に生じる。

このように、噴射孔において燃料に旋回力が生じるように噴射孔上流の流れを形成させると、噴射される燃料は円錐状の液膜から分裂するため、旋回力を付与しなかった場合と比較して燃料をより小さい液滴に分裂させることができる。

複数設けられた噴射孔はＡ−Ａ断面内で、噴射孔が密に配置された部分と疎に配置された部分を有するように配置されている。例えば、噴射孔１０１，２０９ａ，２０９ｂの近傍では単位面積あたりの噴射孔の数が少なく、また近傍の噴射孔との距離が長い、疎な配置である。また、噴射孔２０５，２０６の近傍では単位面積あたりの噴射孔の数が多く、また近傍の噴射孔との距離が短い、密な配置である。

また、夫々の噴射孔は図２のＢ−Ｂ断面に示すように、弁体の軸２１０に対する角度が異なるように設けられている。図２に示す例では、噴射孔２０５は弁体軸とほぼ平行に設けられているのに対し、噴射孔１０１は傾斜角度を持って設けられている。

更に、噴射孔１０１と噴射孔２０５とでは、燃料に与えられる旋回力が異なるように旋回通路および旋回室が設けられている。噴射孔１０１に流入する旋回室２０８には、旋回室２０８の中心に対するオフセットが小さい旋回通路２０７が連なっている。旋回室の中心に対してオフセットを小さくすることで、旋回室２０８において付与される燃料の角運動量が減少し、噴射孔１０１から流出する燃料の旋回力は小さくなる。また、噴射孔206に対して設けられている旋回室２１２は、旋回室２１２の中心に対するオフセットが大きい旋回通路２１３が連なっている。旋回室２１２の中心に対するオフセットが大きいことで、噴射孔２０６から流出する燃料に付与される角運動量が増大する。このように、旋回通路の旋回室中心に対するオフセット量によって、噴射孔における旋回力を調整することができる。なお、旋回力は旋回室において与えられた角運動量と、噴射孔から流出する軸方向運動量との比によって決定されるので、噴射孔の大きさ，旋回通路の断面積，旋回室の大きさによっても旋回力を調整することができる。

また、噴射孔の疎密を設けるために、疎に配置されている噴射孔１０１，２０９ａ，
２０９ｂは弁体の中心軸に近く、密に配置されている噴射孔２０６は弁体の中心軸から遠くなるように設けてある。噴射孔を密に設けることは、噴射孔の上流に旋回流を形成させるための流路が存在するため、単純に孔の配置を密にするだけでは成立しない。

噴射孔を密に設けるためには、幾何学的な制約から弁体の中心軸から遠ざけて配置する必要がある。また、噴射孔が密な部位には燃料の流量も大きくなるため、横方向通路204から旋回通路に流入する部位の断面積が小さくなり過ぎないように燃料通路を設計する必要がある。密に配置される噴射孔に流入する旋回通路と横方向通路２０４とが連なる部位の断面積を確保するためには、横方向通路２０４と旋回通路とが連なる部位が弁体の中心から遠い位置に設けられることが必要である。

図２の例では、密に配置される噴射孔２０６に連なる旋回通路２１３は、弁体中心から遠い位置で横方向位置と連なるように設けられている。

逆に、疎に配置される噴射孔に流入する旋回通路と横方向通路２０４とが連なる部位は、弁体に近いほうが良い。疎に配置される噴射孔１０１に連なる旋回通路２０８は弁体中心に近い位置で横方向通路２０４と連なっている。このような構成にすることで、横方向通路２０４の体積を減少させ、弁座１０４より下流の体積を減少させることができる。弁座下流の体積は、弁体が閉じた後に燃料通路に残留する燃料の量に関係し、閉弁後の圧力変動などによって噴射が起こる二次噴射の量と関連している。二次噴射は燃料噴射弁に付着する堆積物の量などに関係するため、少ないほうがよく、二次噴射を低減するためには弁座下流の体積が小さいほうが良い。

このようにして、噴射孔の配置に疎な部分と密な部分とを設けることと、噴射孔の角度が異なるような噴射孔の組が設けられることにより、噴霧形状が燃焼コンセプトや燃焼室形状に適合するように調整することができる。

燃料通路プレート２０２は、パンチ等による打ち抜き，切削加工，ワイヤカット放電加工，電極による放電加工、およびエッチングプロセスによる加工によって製造することができる。エッチングプロセスによって燃料通路プレート２０２を形成する場合には、燃料通路プレートの材質を単結晶シリコンとすると加工が容易である。

また、燃料通路プレート２０２と噴射孔プレート２０３はピン２１４のような部材を使用すると、位置決めが容易である。図２では、ピン２１４は別部材として設けられているが、噴射孔プレート２０３または燃料通路プレート２０２と一体としても良い。または、燃料通路プレート２０２と噴射孔プレート２０３を一体の部品として製造しても良い。燃料通路プレートと噴射孔プレートを一体として製造すると、噴射孔と燃料通路プレート上の旋回室との位置決めが不要となり、製造コストを削減できる。このように一体部材とした燃料通路プレートと噴射孔プレートを製造する場合には、パンチによる切削加工，塑性加工，電極による放電加工、あるいはエッチングプロセスによって燃料通路および旋回通路を形成した後に、噴射孔を切削（ドリル），パンチ，放電加工などで穿孔すると良い。

図３は、図２に示された燃料噴射弁の例から噴射される噴霧の様子を示した図である。噴射孔１０１は弁体の軸に対して傾斜して設けられているため、噴射孔１０１から噴射される燃料の噴霧３０２も傾斜する。また、噴射孔１０１に付与される旋回力は小さいため、噴霧３０２の広がりは小さくなり、また角運動量に対して噴射孔の軸方向の運動力が大きくなるため、噴霧はより遠くへ到達するようになる。一方、噴射孔２０５は傾斜がないように設けられているため、噴射孔２０５から噴射される噴霧３０１は殆ど傾斜せずに流出する。また、噴射孔２０５に付与されている旋回力は大きいため、噴霧３０１の拡がりは大きくなり、噴霧３０２と比較して到達距離は短くなる。

Ｅ−Ｅ断面は、噴霧の横断面図である。噴霧３０２は噴霧の拡がりが小さいため、噴霧の空間的分布が密になりやすく、噴霧３０１は噴霧の拡がりが大きいため噴霧の空間的分布が疎となる。また、噴霧３０４や噴霧３０３は、夫々他の噴射孔（例えば噴射孔２０６や２０９ａなど）から噴射された燃料によって構成される。夫々の噴射孔の角度および旋回力を調整することで、このような噴霧を得ることができる。

図３に示したような噴霧は、図４に示すようなエンジンに使用すると良い。図４は筒内噴射ガソリンエンジンの断面図である。図４に示したエンジンは、燃料噴射弁を吸気ポート近傍に設け、点火プラグを燃料室中央に配置した吸気２弁式のエンジンであり、吸気行程に燃料を噴射する方式を採用した燃焼コンセプトのエンジンである。

吸気行程に燃料を噴射する場合、吸気弁４０４が開いた状態で燃料を噴射する。このとき、吸気ポートからの空気流動は、一般に矢印４０６で示すようなピストン４０７に向かう強い流れが生じることが分かっている。

吸気弁４０４が開いた状態で燃料を噴射することになるので、吸気ポート近傍に設けられた燃料噴射弁４０１からの噴霧は吸気弁４０４に衝突しやすくなる。ここで、燃料噴射弁４０１に、図３で示したような噴霧を用い、点火プラグ４０３の方向に噴霧３０２が向かうように取り付けると、図３中の燃料が希薄な部分３０５の位置が丁度吸気弁４０４の位置に相当するようになる。このため、吸気弁４０４に衝突し付着する燃料を抑制することができる。吸気弁４０４への燃料の付着は、空燃比の制御の正確さを損ない排気中の未燃燃料成分を増加させる原因に成り得るが、図３に示すような本発明に係る燃料噴射弁を用いることでこの問題を回避することができる。

また、図３で示された噴霧３０２は噴霧の拡がりが狭く、燃料液滴の空間密度が高いので、吸気による流れ４０６に抗って燃焼室中央へ向かうようになる。このため、燃料と空気との混合の状態をより均質にすることができる。この結果、燃焼時における混合気の濃淡を減らすことができ、燃料が濃い部分や温度が高い部分で生じ易い窒素酸化物の生成を押さえることができる。

更に、図３における噴霧３０１は噴霧の拡がりが大きく、到達距離が短いため、吸気流れ４０６によって噴霧がピストン４０７へ付着するのを抑制する効果が期待できる。ピストン４０７の冠面に付着した燃料は、燃焼時にはピストン表面での冷却による消炎効果により未燃燃料成分として排出されることがあるが、図３に示すような燃料噴射弁を用いることによってこの問題を回避することができる。

図５は、本発明に係る第二の実施形態として噴射孔を楕円状に配置した例である。図５に示した噴射孔配置の場合、図６のＧ−Ｇ断面のような扁平な噴霧形状を得られる。線
５０７および５０６は直交する線であるが、線５０６から線５０７にむけた時計回りの範囲に配置された噴射孔の数は弁体中心軸５０８を挟んで２個ずつである（例えば噴射孔
５０２）。また、線５０６から線５０７にむけた反時計回りの範囲に配置された噴射孔の数は弁体中心軸５０８を挟んで４個ずつである（例えば噴射孔５０１）。すなわち、燃料噴射弁の弁体軸を中心として周方向の密度に着目すると、噴射孔５０２の近傍は噴射孔が疎な配置であり、噴射孔５０１の近傍は密な配置である。

噴射孔が楕円状に配置されているのは、噴射孔が密な部位では弁体中心軸５０８から遠く、噴射孔が疎な部位では近く配置した結果である。このような配置によって、密に配置された噴射孔に流入する旋回通路と横方向通路５０４とが連なる部位での断面積を確保することができると共に、デッドボリウムを大きくすることなく疎な噴射孔の配置を混在させることができる。

また、図６のＦ−Ｆ断面に示されるように噴射孔の角度は夫々異なっており、外側に配置された噴射孔（例えば噴射孔５０１）ほど弁体中心軸の外側に向かって傾斜がつけられている。このような傾斜によって、噴霧の断面はＧ−Ｇ断面に示すような扁平状となる。

図６に示した噴霧は、図７に示すようなエンジンに用いると効果的である。図７は、圧縮行程に燃料を噴射し、燃焼室内に燃料の濃い部分と薄い部分とを形成して着火させる成層燃焼を行うコンセプトの筒内噴射ガソリンエンジンの例である。

燃料噴射弁７０１には図５および図６に示した燃料噴射弁が用いられており、噴霧形状は扁平な形状となる。また、燃料噴射弁７０１の取り付け角度に対して噴霧７０６が傾いており、点火プラグ７０３の方向へ向かうようになっているのは、図５のＣ−Ｃ断面において噴射孔が傾斜しているためである。このように、噴射孔の傾斜を設けることで、燃料噴射弁の取り付け角度に制約されることなく噴霧の形成される方向を調整することができる。

図５のように、複数の噴射孔を備え、夫々に旋回力を付与する流路を設けた燃料噴射弁による噴霧液滴は非常に小さいため、噴射される雰囲気気体との摩擦によって減速し易い。このため、図７に示すような圧縮行程噴射を行うエンジンに用いた場合には、噴霧の到達距離が短くなる。この結果、点火プラグ７０３の近傍に燃料液滴もしくは蒸発した燃料と空気との混合気が滞在する時間が長くなり、燃焼安定性が向上する。燃焼安定性が向上することで、点火タイミングおよび噴射タイミングの設定の自由度が向上し、より熱効率の高いタイミングで点火させることが可能となる。この結果として、エンジンの熱効率が向上し、燃費が低減される。また、このようなエンジンを自動車に搭載した場合には、燃焼安定性が高いためにエンジンの負荷および回転数の広い範囲にわたって成層燃焼をおこなわせることができ、燃費を低減することができる。

一方で、噴霧が扁平になっていることにより、燃料とピストン７０７との衝突を軽減し、未燃燃料成分の排出を押さえることができる。圧縮行程で燃料噴射を行う場合には燃料噴射弁７０１とピストンの７０７の距離が短く、また噴射後の時間の経過と共にピストンは近づくので、ピストン７０７方向に向かう燃料は少ないほうが良い。

一般的な筒内噴射ガソリンエンジンでは、燃焼安定性を確保するためにピストンに燃料を衝突させて点火プラグへ混合気を導く方法が採られているが、図５に示すような燃料噴射弁を用いればピストンへの燃料の衝突を回避しながら燃焼安定性を高めることができる。

図８は一部分に噴射孔が密な部分を有する噴射孔を配置した、本発明に係る第三の実施例を示す断面図である。

噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇ弁体中心軸の周方向に均等な配置となっており、その傾斜は弁体中心軸の外側を向くように設定されている。その一方で、噴射孔８０２ａ，ｂ，ｃは弁体の内側を向かうように噴射孔の角度が設定されており、噴射孔８０１ａ乃至801gとは異なっている。また、噴射孔８０２ａは近傍の噴射孔との距離が噴射孔８０１ａ乃至
８０１ｇと比較して近接して設けられており、密な配置となっている。

このような噴射孔の配置に対して適正な流量を噴射孔８０２ａに供給するために、弁体の中心軸から離れた位置に噴射孔８０２ａが設けられている。また、噴射孔８０２ａに連なる旋回通路８０６と横方向通路８０４が連なる位置を弁体中心軸から離して設けてあることにより、横方向通路８０４から旋回通路８０６に流入する部位での断面積を確保し、適正な流量を８０２ａに供給できるようになっている。

一方で、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇの配置を弁体中心軸から離すことなく噴射孔を設けると良い。このようにすることで、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇに夫々連なる旋回通路（例えば旋回通路８０７）と横方向通路８０４とが連なる位置は、前記の噴射孔８０２ａに連なる旋回通路８０６と比較して弁体中心軸に近づけて設けることができる。この結果、横方向通路８０４の体積を増やすことなく、すなわちデッドボリウムを増やすことなく噴霧の形状の調整が可能になっている。

また、噴射孔の傾斜角度が噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇと８０２ａ，ｂ，ｃとで異なっていることにより、噴霧形状の制御を容易にしている。

図８に示した燃料噴射弁は、図９に示すようなエンジンに使用すると良い。図９は、燃料噴射弁を燃焼室中央付近に配置した筒内噴射ガソリンエンジンの例である。このような配置によるエンジンは、主に燃焼安定性を向上して成層燃焼が可能な運転条件の範囲を広げて燃費を低減すると共に、可燃空燃比となっている混合気の領域中の均質度合いを高めて窒素酸化物などの排気を低減する狙いがある。

図９のように燃料噴射弁を燃焼室中央に配置した場合には、点火プラグ９０３と燃料噴射弁９０２の距離が短くなる。点火プラグ９０３を配置する位置は、点火時の火炎伝播時間を短縮するために燃焼室中央に近いことが望ましい。しかしながら、点火プラグと燃料噴射弁の距離が接近しすぎると、燃料噴射弁から噴射された燃料が液体のまま点火プラグに衝突してしまい、点火プラグの汚損の原因となることがある。一方で、燃料の噴射方向の変更などにより点火プラグと異なる方向に燃料を噴射すると、混合気が点火プラグ近傍に形成され難くなり、燃焼安定性を確保することが困難となる。

本発明に係る燃料噴射弁によれば、図９のＪ−Ｊ断面に示すような噴霧が可能となる。ほぼ均質な噴霧９０１と、ほとんど燃料が分布しない部位９０４を形成することができる。

このように、ほとんど燃料が分布しない部位が設けられることにより、点火プラグの汚損を防ぎながら点火プラグの近傍に混合気を形成させることが可能となり、燃焼安定性を高めることができる。

このような形状の噴霧は、図８に示された本発明に係る実施例によって実現できる。噴霧の分布が少ない領域９０４は、噴射孔８０２ａ，ｂ，ｃの噴射孔の方向が弁体中心の側を向き、８０１ａ乃至８０１ｇとは異なる方向を向いていることによって実現される。ここで、噴射孔８０１ａ乃至８０１ｇは噴霧の外縁部のみを形成するようになるが、噴射孔８０２ａ，ｂ，ｃによって噴霧中心付近に燃料を分布させ、なおかつ噴霧の分布が少ない領域９０４には噴霧が向かわなくなる。

図９のＪ−Ｊ断面にあるような噴霧を形成する図８のような実施形態により、燃料噴射弁を燃焼室中央付近に配置させたエンジンに対しても、適切な噴霧形状を形成する燃料噴射弁を供給することができる。この結果として、エンジンの燃焼安定性を高め、燃費を低減すると共に、排気の低減を実現することができる。

第四の実施例は、実施例三で示されたような燃料噴射弁を燃焼室中央に配置するようなエンジンに適した噴霧を、より簡便に形成できる噴射孔配置の例である。

図１０は、３つの噴射孔を設けた場合の噴射孔の配置を示す断面図である。燃料通路
１００２，旋回通路１００５，噴射孔１００３は夫々噴射孔プレート１００１に設けられている。図１０のように、噴射孔の数を減らした場合、実施例１乃至３に示した場合と比較して夫々の噴射孔から噴射される燃料の流量を大きくする必要がある。したがって、個々の噴射孔の断面積は十分に大きい。

また、噴射孔に至る燃料通路および旋回通路の断面積もそれぞれ十分に大きいことが要求されるため、図１０のように一つの噴射孔に対して複数の旋回通路を設けるとよい。例えば、図１０では噴射孔１００３に対して旋回通路１００６と旋回通路１００５が設けられている。このように、一つの噴射孔に対して複数の旋回通路を設けることで、燃料通路１００２を大きくすることなく旋回通路と燃料通路１００２とが連なる位置での断面積の総計を大きくとることができ、結果としてデッドボリウムの増加を抑制できる。

このような噴射孔が３つの場合においても、噴射孔の配置に疎密を設けると良い。図
１０では、噴射孔１００３と隣接する噴射孔１００７ａ，１００７ｂとは、周方向の角度１０１０ａおよび１０１０ｂに示す角度だけ離れている。これに対し、噴射孔１００７ａにおいては隣接する噴孔と周方向の角度１０１０ａ，１０１０ｃだけ離れており、周方向の角度１０１０ｃは１０１０ａおよび１０１０ｂより大きい。すなわち、噴射孔1007ａおよび１００７ｂの噴射孔は、噴射孔１００３に比べて、疎に配置されている。

このように噴射孔の疎密を設けることで、噴射孔に通ずる旋回通路の配置の自由度を高めることができる。図１０において、噴射孔１００７ａ，１００７ｂには夫々２つずつの旋回通路が設けられているが、何れも周方向の角度１０１０ｃの範囲内に旋回通路が設けることができる。このように、周方向の角度１０１０ｃの範囲内に旋回通路が設けられることにより、燃料通路１００２と旋回通路とが連なる部位での断面積を大きくとることができ、燃料通路１００２の周辺部に旋回通路と連なっていない無駄な部分を減らすことができる。この結果、燃料通路１００２の体積は小さくて済み、結果としてデッドボリウム低減が可能となる。

また、噴射孔の配置に疎密を設けるとともに、疎な噴射孔を弁体中心軸に近く、密な噴射孔を弁体中心軸から離して配置してある。このような配置により、噴射孔１００７ａ，１００７ｂは燃料通路１００２に近接して設けることでデッドボリウムの増加を抑制しながら、噴射孔１００７ａ，１００７ｂに二つずつの旋回通路を連ねることが可能となっている。また噴射孔１００７ａ，１００７ｂは疎に配置されているため、周方向の角度
１０１０ｃが広く、旋回通路の配置に自由度が高くなっており、旋回通路の助走距離を十分取りながら噴射孔を弁体中心軸に近づけることができる。

一方で、密に配置された噴射孔１００３は弁体中心軸から離して配置されていることにより、旋回通路１００６，１００５の長さを十分にとることができ、十分な流量を与えながら、噴射孔１００３に注入する燃料に十分な旋回力を付与することができるようになっている。

このような噴射孔の配置によって得られる噴霧は、図１１に示すような形状となる。夫々の噴射孔からは略円錐形の噴霧（例えば噴霧１１０１）が生じ、これらの噴霧はＰ−Ｐ断面で観察すると３つの円状となる。ここで、噴霧濃度の疎な部分１１０２が生じるように図１０中の噴射孔１００７ａ，１００７ｂの角度を設定しておくことで、図９に示したような燃料噴射弁を燃焼室中央に配置したエンジンへの適用が可能となる。すなわち、噴霧濃度の疎な部分１１０２が存在することによって点火プラグの濡れや燻りを回避しやすくなる。

したがって、図１０および図１１に示したような噴射孔の数が３つ程度と少ない場合においても、本発明を用いることにより、エンジンに適合できる噴霧を形成することが可能となる。

本発明に係る燃料噴射弁の第一実施例の構造を示す断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁の第一実施例の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。 第一実施例の燃料噴射弁による噴霧の模式図である。 第一実施例の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した例を示す模式図である。 本発明に係る第二実施例の燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。 第二実施例の燃料噴射弁による噴霧の模式図である。 第二実施例の燃料噴射弁を内燃機関に搭載した例を示す模式図である。 本発明に係る第三実施例の燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。 第三実施例の燃料噴射弁を燃焼室中央に配置した例及び噴霧形状を示す模式図である。 第四実施例の燃料噴射弁の噴射孔近傍を拡大した断面図及び燃料通路プレートの断面図である。 第四実施例の燃料噴射弁によって形成される噴霧の形状を示す模式図である。

符号の説明

１０１，２０５，２０６，２０９ａ，２０９ｂ，５０１，５０２，８０１ａ〜８０１ｇ，１００３，１００７ａ，１００７ｂ 噴射孔
１０３ 弁体ガイド
１０４ 弁座
１１０ 弁体
１１２ コイル
１１５ 燃料流入口
２０２ 燃料通路プレート
２０３，１００１ 噴射孔プレート
２０４，５０４，８０４ 横方向通路
２０７，２１３，８０６，８０７，１００５，１００６ 旋回通路
２０８，２１２ 旋回室
２１０ 弁体の軸
２１４ ピン
３０１，３０２，３０３，３０４，７０６，９０１，１１０１ 噴霧
４０１，７０１，９０２ 燃料噴射弁
４０３，７０３，９０３ 点火プラグ
４０４ 吸気弁
４０６ 流れ
４０７，７０７ ピストン
５０８ 弁体中心軸
９０４ ほとんど燃料が分布しない部位
１００２ 燃料通路
１１０２ 噴霧濃度の疎な部分

Claims (4)

1. 燃料の噴射と噴射の停止を行うために開閉可能な弁体と、前記弁体と接触して燃料の噴射の停止を行うことが可能な弁座を設け、前記弁体と前記弁座の下流に燃料を噴射する噴射孔を複数備える燃料噴射弁において、
   前記弁座から前記噴射孔に至る燃料通路に、燃料に旋回力を付与する旋回力付与手段を設け、
   前記複数の噴射孔は噴射孔を有する面内で疎に配置された部分と密に配置された部分とを有することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 燃料の噴射と噴射の停止を行うために開閉可能な弁体と、前記弁体と接触して燃料の噴射の停止を行うことが可能な弁座を設け、前記弁体と前記弁座の下流に燃料を噴射する噴射孔を複数備える燃料噴射弁において、
   前記弁座から前記噴射孔に至る燃料通路に、燃料に旋回力を付与する旋回力付与手段を設け、
   前記旋回力付与手段のうち少なくとも一つは他の旋回力付与手段とは異なる旋回力を付与するように設けられたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、前記密に配置された噴射孔は前記疎に配置された噴射孔と比較して、前記弁体の中心軸からの距離が遠い位置に配置されたことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、前記旋回力付与手段と前記弁座を連通させる燃料通路の断面積の最小部分の総合計が、前記噴射孔の断面積の総合計より大きいことを特徴とする燃料噴射弁。

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