WO2012086004A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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WO2012086004A1
WO2012086004A1 PCT/JP2010/072939 JP2010072939W WO2012086004A1 WO 2012086004 A1 WO2012086004 A1 WO 2012086004A1 JP 2010072939 W JP2010072939 W JP 2010072939W WO 2012086004 A1 WO2012086004 A1 WO 2012086004A1
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WO
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fuel
needle
injection valve
fuel injection
nozzle body
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/072939
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English (en)
French (fr)
Inventor
小林辰夫
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
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Publication date
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Priority to PCT/JP2010/072939 priority patent/WO2012086004A1/ja
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Priority to JP2012549506A priority patent/JP5614459B2/ja
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
    • F02M61/163—Means being injection-valves with helically or spirally shaped grooves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/008—Arrangement of fuel passages inside of injectors
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    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/46—Valves, e.g. injectors, with concentric valve bodies

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection valve.
  • In-cylinder injection system that directly injects fuel into the combustion chamber to improve transient response, increase volumetric efficiency due to latent heat of vaporization, and greatly retarded combustion for catalyst activation at low temperatures in internal combustion engine fuel supply Is adopted.
  • the fuel is burned due to the oil dilution caused by the sprayed fuel colliding with the combustion chamber wall in the form of droplets or the deterioration of the spray caused by the deposit generated around the injection valve nozzle by the liquid fuel. Fluctuations were encouraged.
  • spraying In order to take measures against oil dilution and spray deterioration caused by the adoption of such an in-cylinder injection system, and to reduce ignition variation and achieve stable combustion, spraying should be performed so that the fuel in the combustion chamber vaporizes quickly. It is important to atomize.
  • the atomization of the spray injected from the fuel injection valve is due to the shearing force of the thinned liquid film, due to cavitation caused by flow separation, or by atomizing the fuel adhering to the surface by ultrasonic mechanical vibration. Things are known.
  • a strong swirling flow is given to the fuel injected by the swirling flow generating portion formed in the spiral groove provided in the needle, and the center of the swirling flow is While reducing the pressure, air is supplied to the center of the swirling flow.
  • air is supplied to the swirling flow of fuel, fine bubbles are generated, and bubble fuel containing fine bubbles is injected.
  • spray is atomized using the energy which a microbubble bursts after injection.
  • Patent Document 2 proposes an injection valve that imparts a swirl component to fuel by a spiral passage provided in a valve body of the injection valve, enhances spray spread, disperses the fuel, and promotes mixing with air.
  • Patent Document 3 a fuel in which bubbles generated by utilizing a pressure difference between a bubble generation channel and a bubble holding channel is injected, and the fuel is atomized by energy at which the bubbles collapse in the injected fuel. It is described to do.
  • Patent Document 4 discloses that a swirl member formed of a helically twisted polygon is incorporated in the nozzle body, and the fuel is guided to a spiral path formed by the polygon and the nozzle body wall surface. Is disclosed.
  • a strong swirling flow is given to the fuel to be injected, and a bubble fuel containing fine bubbles can be formed by supplying air to the center of the swirling flow.
  • atomization of fuel spray is achieved by the bursting of bubbles.
  • generated in this way is so effective in atomization of the spray of fuel that the stronger swirl flow is formed.
  • the diameter of the spiral passage that imparts the swirl component is increased.
  • Patent Literatures 1 and 2 a configuration in which a spiral passage is provided in the needle valve
  • Patent Literature 4 a configuration in which a member that moves together with the needle valve is provided. Therefore, the weight of the needle valve that is a movable part increases. For this reason, the responsiveness of the needle valve at the time of a lift, the increase in the power consumption for driving the needle valve, and the enlargement of the injection valve itself have occurred.
  • an object of the present invention is to reduce the weight of a needle in a fuel injection valve that realizes stable combustion by atomizing fuel spray by injecting fuel containing fine bubbles.
  • a fuel injection valve of the present invention that solves such a problem is provided with a nozzle body having a nozzle hole provided at a tip thereof, and is slidably disposed within the nozzle body, and a fuel introduction path is formed between the nozzle body and the nozzle body.
  • the fuel injection valve includes a swirl flow generation member between the fuel introduction path and the seat portion inside the nozzle body, and the needle slidably penetrates the swirl flow generation member, and the fuel
  • the passage may be formed by a spiral groove provided on the inner peripheral side surface of the nozzle body and / or the outer peripheral side surface of the swirl flow generating member.
  • the fuel passage for forming the swirl flow is formed by providing the swirl flow generating member with the spiral groove, the spiral groove can be processed more easily, and the productivity can be improved and the cost can be reduced.
  • the fuel injection valve may be configured such that the fuel passage is formed in the nozzle body.
  • a swirling flow for generating fine bubbles can also be formed by forming a fuel passage in the nozzle body. Since the fuel passage is formed in the nozzle body in this way, the needle diameter can be reduced to make the needle lighter.
  • the fuel injection valve may be configured such that the downstream side of the fuel passage is formed along a hemispherical surface.
  • the spiral radius can be gradually reduced. Thereby, the turning speed of the fuel can be efficiently amplified up to the vicinity of the seat portion. Furthermore, a swirling flow can be generated from when the needle is opened.
  • the fuel injection valve can make the cross-sectional area of the fuel passage constant. By making the cross-sectional area of the spiral fuel passage constant, the fuel flow is suppressed, so that the flow resistance is reduced, the fuel pressure is reduced, and the speed of the swirling flow can be maintained.
  • the fuel injection valve provided with the swirl flow generating member moves only when the needle lift amount is small, and when the needle lift amount is large, the swirl flow generation member moves together with the needle.
  • a mechanism can be provided.
  • the swirl flow generating member moves with the movement of the needle, the fuel pressure loss due to the flow resistance can be reduced. Therefore, according to this configuration, when the needle lift amount is small, that is, when the fuel injection amount is small, the swirl flow is amplified, and when the needle lift amount is large, that is, when the fuel injection amount is large, the pressure loss is reduced. It is possible to reduce the fuel flow rate.
  • the moving mechanism includes a flange provided on the needle, a recess formed on an inner peripheral side surface of the swirl flow generating member, and the flange moves slidably, a tip surface of the recess, and the flange And an elastic member that presses the swirling flow generating member toward the distal end side with respect to the needle, and when the needle is lifted, a base end surface of the recess and a base of the flange portion When the end surface comes into contact, the swirl flow generating member may move with the needle.
  • the lift amount of the swirl flow generating member can be determined according to the lift amount of the needle without performing special control. That is, the strength of the swirl flow and the fuel flow rate can be adjusted according to the fuel injection amount.
  • the fuel passage is provided in a portion different from the needle by forming a spiral fuel passage that generates a swirling flow that generates microbubbles away from the needle shaft.
  • the diameter of a needle can be reduced and a needle can be made lightweight.
  • the responsiveness of the needle can be improved, the power consumption associated with the operation of the needle can be reduced, and the fuel injection valve can be downsized.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an engine system 1 equipped with a fuel injection valve 30 of the present invention.
  • FIG. 1 shows only a part of the configuration of the engine 100.
  • the engine system 1 shown in FIG. 1 includes an engine 100 that is a power source, and includes an engine ECU (Electronic Control Unit) 10 that comprehensively controls the operation of the engine 100.
  • the engine system 1 includes a fuel injection valve 30 that injects fuel into the combustion chamber 11 of the engine 100.
  • the engine ECU 10 has a function of a control unit.
  • the engine ECU 10 includes a CPU (Central Processing Unit) that performs arithmetic processing, a ROM (Read Only Memory) that stores programs, a RAM (Random Access Memory) and NVRAM (Non Volatile RAM) that store data and the like. Computer.
  • CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • NVRAM Non Volatile RAM
  • the engine 100 is an engine mounted on a vehicle and includes a piston 12 that constitutes a combustion chamber 11. Piston 12 is slidably fitted to a cylinder of engine 100. And the piston 12 is connected with the crankshaft which is an output shaft member via the connecting rod.
  • the intake air flowing into the combustion chamber 11 from the intake port 13 is compressed in the combustion chamber 11 by the upward movement of the piston 12.
  • the engine ECU 10 determines the fuel injection timing based on the position of the piston 12 from the crank angle sensor and the information of the cam shaft rotation phase from the intake cam angle sensor, and sends a signal to the fuel injection valve 30.
  • the fuel injection valve 30 injects fuel at an instructed injection timing in accordance with a signal from the engine ECU 10.
  • the fuel injected from the fuel injection valve 30 is mixed with the atomized and compressed intake air. Then, the fuel mixed with the intake air is burned by being ignited by the spark plug 18, expands in the combustion chamber 11, and lowers the piston 12.
  • the descending motion is changed to the shaft rotation of the crankshaft through the connecting rod, whereby the engine 100 obtains power.
  • an intake port 13 that communicates with the combustion chamber 11 and an intake passage 14 that is connected to the intake port 13 and guides intake air from the intake port 13 to the combustion chamber 11. Further, an exhaust port 15 communicating with the combustion chamber 11 and an exhaust passage 16 for guiding exhaust gas generated in the combustion chamber to the outside of the engine 100 are connected to the combustion chamber 11 of each cylinder.
  • a surge tank 22 is disposed in the intake passage 14.
  • an air flow meter, a throttle valve 17, and a throttle position sensor are installed in the intake passage 14.
  • the air flow meter and the throttle position sensor detect the amount of intake air passing through the intake passage 14 and the opening of the throttle valve 17, respectively, and transmit the detection results to the engine ECU 10.
  • the engine ECU 10 recognizes the intake air amount introduced into the intake port 13 and the combustion chamber 11 based on the transmitted detection result, and adjusts the intake air amount by adjusting the opening of the throttle valve 17.
  • a turbocharger 19 is installed in the exhaust passage 16.
  • the turbocharger 19 uses the kinetic energy of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 16 to rotate the turbine, compresses the intake air that has passed through the air cleaner, and sends it to the intercooler.
  • the compressed intake air is cooled by the intercooler, temporarily stored in the surge tank 22, and then introduced into the intake passage 14.
  • the engine 100 is not limited to a supercharged engine provided with the turbocharger 19, and may be a natural aspiration engine.
  • the piston 12 has a cavity on its top surface.
  • a wall surface of the cavity is formed by a gentle curved surface continuous from the direction of the fuel injection valve 30 to the direction of the ignition plug 18, and the fuel injected from the fuel injection valve 30 is adjacent to the ignition plug 18 along the wall shape. Lead to.
  • the piston 12 can form a cavity at an arbitrary position and shape according to the specifications of the engine 100, such as a reentrant combustion chamber in which a cavity is formed in an annular shape in the central portion of the top surface.
  • the fuel injection valve 30 is mounted in the combustion chamber 11 below the intake port 13.
  • the fuel injection valve 30 directly injects fuel supplied at a high pressure from a fuel pump through a fuel flow path into the combustion chamber 11 through an injection hole 33 provided at the tip of the nozzle body 31 based on an instruction from the engine ECU 10.
  • the injected fuel is atomized in the combustion chamber 11 and mixed with the intake air, and is guided to the vicinity of the spark plug 18 along the shape of the cavity.
  • the leaked fuel from the fuel injection valve 30 is returned from the relief valve to the fuel tank through the relief pipe.
  • the fuel injection valve 30 is not limited to the lower part of the intake port 13 and can be installed at an arbitrary position in the combustion chamber 11. For example, it can also arrange
  • the engine 100 may be any of a gasoline engine using gasoline as a fuel, a diesel engine using light oil as a fuel, and a flexible fuel engine using a fuel in which gasoline and alcohol are mixed at an arbitrary ratio.
  • the engine system 1 may be a hybrid system that combines the engine 100 and a plurality of electric motors.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing a schematic configuration of the fuel injection valve 30 in cross section.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the tip portion of the fuel injection valve 30 of FIG.
  • the fuel injection valve 30 includes a nozzle body 31, a needle 32, and a drive mechanism 40.
  • the distal end side indicates the moving direction of the needle 32 when the valve is closed, that is, the lower side in the drawing
  • the proximal end side indicates the moving direction of the needle 32 when the valve is opened, that is, the upper side in the drawing. Indicates.
  • a nozzle hole 33 is provided at the tip of the nozzle body 31.
  • the nozzle hole 33 is formed at the tip of the nozzle body 31 in a direction along the axis of the nozzle body 31.
  • a needle guide 34 for guiding the needle 32 is formed inside the nozzle body 31. Further, a seat portion 35 is provided between the nozzle hole 33 of the nozzle body 31 and the needle guide 34.
  • the needle 32 is slidably disposed in the nozzle body 31, forms a fuel introduction path 36 with the nozzle body 31, and sits on a seat portion 35 in the nozzle body 31.
  • An adjustment chamber 37 for storing fuel is formed at the front end side of the fuel introduction path 36.
  • the adjustment chamber 37 is located on the proximal end side of the needle guide 34.
  • the fuel in the adjustment chamber 37 is introduced from the fuel introduction path 36.
  • a fuel passage 38 is formed in the nozzle body 31 so as to communicate the adjustment chamber 37 and the front end side of the seat portion 35.
  • the fuel passage 38 is formed outside the outer peripheral surface 321 of the needle 32.
  • the fuel passage 38 is a passage formed so as to draw a spiral around the axis of the needle 32.
  • the fuel passage 38 is formed at a position farther from the shaft of the needle 32 than the outer peripheral surface 321 of the needle 32.
  • the fuel passage 38 is not provided in the needle 32 located on the center side of the fuel injection valve 30 but in the nozzle body 31 located on the outer peripheral side of the fuel injection valve 30.
  • the fuel passage 38 is formed on the upstream side (base end side) of the seat portion 35, and imparts a flow swirling around the needle 32 to the fuel introduced from the fuel introduction passage 36 and supplied to the injection hole 33. .
  • downstream side of the fuel passage 38 is formed along the hemispherical surface hs.
  • the downstream side of the fuel passage 38 where the fuel flows, that is, the seat portion 35 side is formed along the hemispherical surface, so that the spiral radius of the fuel passage 38 gradually decreases. Since the spiral radius gradually decreases in this way, the flow in the direction in which the fuel swirls is efficiently formed until the spiral radius passes through the opening on the seat portion 35 side.
  • an acceleration portion 39 is formed between the sheet portion 35 and the injection hole 33 inside the nozzle body 31.
  • the acceleration unit 39 accelerates the swirling fuel after passing through the fuel passage 38. Since the inner diameter of the nozzle body 31 between the seat portion 35 where the acceleration portion 39 is located and the injection hole 33 is continuously reduced from the seat portion 35 toward the injection hole 33, the flow path through which the fuel passes is restricted. It is done. For this reason, the fuel which passes through the acceleration part 39 accelerates.
  • the drive mechanism 40 controls the sliding movement of the needle 32.
  • the drive mechanism 40 is a conventionally known mechanism including components suitable for the operation of the needle 32, such as an actuator using a piezoelectric element, an electromagnet, or an elastic member that applies an appropriate pressure to the needle 32.
  • the fuel injection is stopped.
  • the adjustment chamber 37 and the injection hole 33 communicate with each other and fuel is injected.
  • the fuel in the adjustment chamber 37 passes through the fuel passage 38 and is supplied to the acceleration unit 39. Since the fuel passing through the fuel passage 38 passes through the spirally formed passage, a flow swirling along the spiral is generated. Further, the fuel flow having the swirl component is accelerated in the acceleration unit 39 in which the flow path is narrowed.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing the vicinity of the injection hole 33 of the fuel injection valve 30 in an enlarged manner.
  • a strong swirling flow fs is formed in the nozzle hole 33 and the accelerating portion 39, and a negative pressure is generated at the center where the strong swirling flow fs swirls.
  • negative pressure is generated, air outside the nozzle body 31 is sucked into the nozzle body 31, and an air column p is generated in the injection hole 33 and the acceleration unit 39. Bubbles are generated from the interface of the generated air column p. The generated bubbles are mixed into the fuel flowing around the air column, and are injected together with the fuel flow f 1 flowing on the outer peripheral side as the bubble mixed flow f 2 .
  • the fuel flow f 1 and the bubble mixed flow f 2 form a cone-shaped spray s that diffuses from the center due to the centrifugal force of the swirling flow. Accordingly, since the diameter of the spray s increases as the distance from the nozzle hole 33 increases, the spray liquid film is stretched and thinned, and eventually cannot be maintained as a liquid film and is split. Thereafter, the spray after the splitting is reduced in diameter by the self-pressurizing effect of the fine bubbles, collapses and becomes an ultrafine spray. Thus, since the spray of the fuel injected by the fuel injection valve 30 is atomized, rapid flame propagation in the combustion chamber is realized, and stable combustion is performed.
  • the fuel injection valve 30 includes the spiral fuel passage 38 formed away from the axis of the needle 32 rather than the side surface of the needle 32, thereby providing a powerful swirl component in the fuel flow. Is granted. As a result, the fuel spray is atomized and the stable combustion is realized without increasing the size of the needle 32.
  • the following advantages can be obtained by suppressing an increase in the weight of the needle 32. That is, when the needle is heavy, the responsiveness with respect to the operation of the needle is poor. However, if the needle 32 is lightweight as in this embodiment, the responsiveness is good. In particular, when fuel is intermittently injected, the excessive response is greatly improved. Furthermore, if the responsiveness is good, a swirling flow can be generated promptly even when the needle 32 starts to lift at the start of injection, so that a spray containing bubbles can be generated from the start of injection and the fuel can be atomized. In particular, since the downstream side of the fuel passage 38 is formed along the hemispherical surface, a swirling flow is generated immediately after the needle valve is opened, so that a spray containing fine bubbles can be injected immediately after the start of injection.
  • the clearance between the needle 32 and the needle guide 34 can be reduced. If the clearance is small, the inflow of fuel is suppressed, so that the pressure applied to the fuel introduced into the spiral fuel passage 38 can be reduced. Thereby, the pressure loss of the fuel is reduced, the driving loss of the fuel pump is reduced, and the cost can be reduced.
  • the needle 32 is lightweight, the power consumption required to drive the needle 32 can be suppressed. Moreover, since the fuel injection valve itself can be prevented from being enlarged, it can be mounted on a small engine.
  • the coiled spiral member is supported by the adjustment chamber 37 and the injection hole 33, cast by the lost wax method, and the coiled spiral member disappears.
  • the fuel passage 38 can be formed as a hollow portion.
  • Example 2 of the present invention will be described.
  • the configuration of the fuel injection valve 50 of the second embodiment is substantially the same as the configuration of the fuel injection valve 30 of the first embodiment.
  • the fuel injection valve 50 is different from the fuel injection valve 30 of the first embodiment in that a swirl flow generating member 60 is provided inside the nozzle body 51.
  • the same components as those of the fuel injection valve 30 of the first embodiment will be described using the same numbers.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing, in cross section, a schematic configuration in the vicinity of the swirl flow generating member 60 of the fuel injection valve 50.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing the appearance of the swirl flow generating member 60.
  • an injection hole 33, a seat portion 35, and an acceleration portion 39 similar to the fuel injection valve 30 of the first embodiment are formed.
  • the fuel introduction path 36 is formed between the needle 32 and the nozzle body 51, and an adjustment chamber 37 for storing fuel is formed at the tip side of the fuel introduction path 36.
  • the inside of the nozzle body 51 is formed so that the swirl flow generating member 60 formed in a cylindrical shape is housed therein instead of the needle guide 34 being not formed.
  • the swirl flow generating member 60 is assembled between the fuel introduction path 36 and the seat portion 35 inside the nozzle body 51.
  • the needle 32 is slidably disposed in the nozzle body 51 and is seated on the seat portion 35 in the nozzle body 51. Further, the swirl flow generating member 60 penetrates the inner peripheral side surface 61 so that the needle 32 can slide. That is, the inner peripheral side surface 61 of the swirling flow generating member 60 functions as a needle guide for guiding the needle 32.
  • a spiral groove 63 is provided on the outer peripheral side surface 62 of the swirl flow generating member 60.
  • the swirl flow generating member 60 is assembled and press-fitted and fixed inside the nozzle body 51. Accordingly, a spiral fuel passage 58 is formed by the spiral groove 63 of the swirling flow generating member 60 and the inner peripheral side surface 54 of the nozzle body 51.
  • the helical fuel passage formed in the fuel injection valve 50 so as to be separated from the axis of the needle 32 rather than the side surface of the needle 32 also by incorporating the swirl flow generating member 60 separate from the nozzle body 51. 58 can be provided.
  • the outer peripheral surface of the swirling flow generating member 60 is processed on a normal line of a hemisphere having a center on the axis of the needle 32, and the spiral groove 63 is formed with a certain depth. Accordingly, the cross-sectional area of the spiral fuel passage 58 is constant at any position in the passage, and the fuel contraction is suppressed. For this reason, the flow resistance in the fuel passage 58 is reduced, and a decrease in fuel pressure is suppressed.
  • downstream side of the spiral groove 63 of the swirling flow generating member 60 is formed along the hemispherical surface hs. For this reason, the downstream side where the fuel flows in the fuel passage 58 is formed along the hemispherical surface, so that the spiral radius of the fuel passage 58 gradually decreases. Since the spiral radius gradually decreases in this way, the flow in the direction in which the fuel swirls is efficiently formed until it passes through the outlet on the seat portion 35 side.
  • the fuel injection valve 50 includes a spiral fuel passage 58 formed outside the outer peripheral surface of the needle 32, thereby imparting a powerful swirl component to the fuel flow. Therefore, the fuel spray is atomized and the stable combustion is realized without increasing the size of the needle 32 as in the fuel injection valve 30 of the first embodiment. As a result, an increase in the weight of the needle 32 is suppressed, the responsiveness of the needle 32 similar to that of the fuel injection valve 30 is improved, the fuel is atomized from the early stage of injection, the cost is reduced by reducing the drive loss of the fuel pump, and the needle 32 There is an advantage of being mounted on a small engine by suppressing power consumption required for driving and suppressing an increase in the size of the fuel injection valve itself.
  • the fuel injection valve 50 includes a spiral fuel passage 58 in combination with a swirl flow generating member 60 that is a structure different from the nozzle body 51.
  • a spiral fuel passage 58 in combination with a swirl flow generating member 60 that is a structure different from the nozzle body 51.
  • Example 3 of the present invention will be described.
  • 7 and 8 are explanatory views showing the tip of the fuel injection valve 70 of the third embodiment in cross section.
  • FIG. 7 shows a state where only the needle 32 is lifted
  • FIG. 8 shows a state where the swirl flow generating member 60 is lifted together with the needle 32.
  • the configuration of the fuel injection valve 70 of the third embodiment is substantially the same as the configuration of the fuel injection valve 50 of the second embodiment.
  • the fuel injection valve 70 is different from the fuel injection valve 50 of the second embodiment in that the movement mechanism 80 is provided.
  • the swirl flow generating member 60 of the second embodiment does not lift together with the needle 32, but the swirl flow generating member 60 of the present embodiment may lift together with the needle 32.
  • the same components as those of the fuel injection valve 50 will be described using the same numbers.
  • the moving mechanism 80 is formed on the collar portion 81 provided on the needle 32 and the inner peripheral side surface 61 of the swirling flow generating member 60, and is swiveled with respect to the concave portion 82 on which the collar portion 81 is slidably moved.
  • a spring (elastic member) 83 that presses the flow generation member 60 toward the distal end side.
  • the spring 83 is provided between the distal end surface 821 of the recess 82 and the distal end surface 811 of the flange portion 81.
  • the outer peripheral side surface 62 of the swirling flow generating member 60 is slidable with respect to the inner peripheral side surface 54 of the nozzle body 51.
  • Other configurations are the same as those of the fuel injection valve 50 of the second embodiment, and the description of the same components is omitted.
  • the fuel injection valve 70 adjusts the fuel injection amount by the lift amount of the needle 32. Therefore, the lift amount of the needle 32 is small when the injection amount is small, and the lift amount of the needle 32 is large when the injection amount is large.
  • the fuel injection valve 70 when the fuel injection amount is small, that is, when the lift amount of the needle 32 is small, as shown in FIG. The proximal end surface 822 is not reached. For this reason, only the needle 32 is lifted. In this case, the fuel passes through all the passages of the fuel passage 58 and is supplied to the acceleration unit 39 and injected. Therefore, when the lift amount of the needle 32 is small, the fuel passes through the spiral passage for a long time, so that the swirl flow is further strengthened.
  • the fuel injection valve 70 when the fuel injection amount is large, that is, when the lift amount of the needle 32 is large, the needle 32 is lifted and the base end surface 812 of the flange 81 is recessed as shown in FIG. Abutting on the base end surface 822. Further, when the needle 32 is lifted, the swirl flow generating member 60 is lifted together with the needle 32. In this case, the downstream side of the fuel passage 58 formed by the swirling flow generating member 60 and the nozzle body 51 is opened, and the flow passage cross-sectional area is enlarged. Thereby, the pressure loss of the fuel by flow path resistance is reduced.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the bubble diameter and the fuel pressure.
  • the broken line indicates the relationship between the bubble diameter and the groove area
  • the solid line indicates the relationship between the fuel pressure and the groove area.
  • the fuel injection valve 70 of the present embodiment accelerates the swirling flow in all the spiral fuel passages and promotes the miniaturization of the bubble diameter during the operation with a small fuel flow and a small lift amount.
  • a swirl flow is generated in a part of the fuel passage, thereby reducing pressure loss and suppressing an increase in fuel pressure.
  • the swirl speed for generating fine bubbles is simultaneously secured while securing the fuel flow rate with a low fuel pressure.
  • the spiral fuel passage 92 is formed by providing the spiral groove 91 on the inner peripheral side surface 54 side of the nozzle body 51 in place of the swirl flow forming member. It is good.
  • a spiral fuel passage 95 is formed by providing a spiral groove 63 on the outer peripheral side surface 62 of the swirl flow generating member and providing a spiral groove 91 on the inner peripheral side surface 54 of the nozzle body 51. You may make it do.

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Abstract

　燃料噴射弁３０は、先端部に噴孔３３が設けられたノズルボディ３１と、ノズルボディ３１内に摺動自在に配置され、ノズルボディ３１との間に燃料導入路３６を形成するとともに、ノズルボディ３１内のシート部３５に着座するニードル３２と、シート部３５の上流側に形成され、燃料導入路３６から導入され噴孔３３へ供給される燃料へニードル３２周りに旋回する流れを付与する螺旋状の燃料通路３８と、シート部３５と噴孔３３との間に形成され、燃料通路３８を通過後の旋回する燃料を加速する加速部３９と、を備え、燃料通路３８がニードル３２の外周面よりも外側に形成される。

Description

燃料噴射弁
　本発明は、燃料噴射弁に関する。
　近年、内燃機関に関し、ＣＯ２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、ＣＯ２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。さらに、特許文献４には、螺旋状にねじられた多角体で構成されたスワール部材をノズルボディ内に組み込み、多角体とノズルボディ壁面とで形成された螺旋経路に燃料を案内することでスワールを得ることが開示されている。
国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０５６３７２ 特開平１０－１４１１８３号公報 特開２００６－１７７１７４号公報 特表２００４－５１８０５２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。ところで、このように生成される気泡径は、より強い旋回流を形成するほど燃料の噴霧の微粒化に効果的である。強い旋回流を形成するには燃料に付与する旋回成分を大きくする必要がある。旋回成分を大きくするには旋回成分を付与する螺旋状の通路径を大きくすることになる。ところが、燃料に旋回成分を付与する従来の技術では、螺旋状の通路をニードル弁に設けた構成（特許文献１、２）、またはニードル弁とともに移動する部材に設けた構成（特許文献４）であるため、可動部品であるニードル弁の重量が大きくなる。このため、リフト時のニードル弁の応答性の悪化、ニードル弁を駆動するための電力消費量の増加、さらには、噴射弁自体の大型化が生じていた。
　そこで、本発明は、微細気泡を含む燃料の噴射により燃料の噴霧を微粒化し、安定した燃焼を実現する燃料噴射弁において、ニードルの軽量化を図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、前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入され前記噴孔へ供給される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燃料通路と、前記シート部と前記噴孔との間に形成され、前記燃料通路を通過後の旋回する燃料を加速する加速部と、を備え、前記燃料通路が前記ニードルの外周面よりも外側に形成されたことを特徴とする。
　微細気泡を生成するのに十分な旋回流を発生させるために必要な螺旋状の燃料通路をニードルとは異なる部位に設けた構成とすることができる。このため、螺旋状の燃料通路を設けていた従来のニードルに比べ、ニードルの径を縮小し、ニードルを軽量にすることができる。これにより、ニードルの応答性の向上、ニードルの稼働に係る消費電力の抑制、及び燃料噴射弁の小型化が可能となる。
　上記の燃料噴射弁は、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、前記燃料通路が前記ノズルボディの内周側面、及び／または前記旋回流生成部材の外周側面に設けられた螺旋溝により形成される構成とすることができる。
　旋回流生成部材に螺旋溝を設けることにより旋回流を形成する燃料通路を形成するため、螺旋溝の加工がより容易となり生産性の向上、及びコストダウンができる。
　上記の燃料噴射弁は、前記燃料通路が前記ノズルボディに形成された構成とすることができる。ノズルボディに燃料通路を形成することでも、微細気泡を生成するための旋回流を形成することができる。このようにノズルボディに燃料通路を形成するので、ニードル径を縮小してニードルを軽量にできる。
　上記の燃料噴射弁は、前記燃料通路の下流側が半球面に沿って形成された構成とすることができる。半球面に沿うように燃料通路が形成されることにより、螺旋半径を徐々に縮小することができる。これにより、燃料の旋回速度をシート部近傍まで効率良く増幅することができる。さらに、ニードル開弁時から旋回流を発生することができる。
　上記の燃料噴射弁は、前記燃料通路の断面積を一定とすることができる。螺旋状の燃料通路の断面積を一定とすることにより、燃料の縮流を抑制するため、流量抵抗が小さくなり低燃圧化を図るとともに、旋回流の速度を維持できる。
　上記、旋回流生成部材を備える燃料噴射弁は、前記ニードルのリフト量が小さい場合、前記ニードルのみが移動し、前記ニードルのリフト量が大きい場合、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する移動機構を備えることができる。ニードルの移動とともに旋回流生成部材が移動すると、流量抵抗による燃料の圧損が低下できる。したがって、この構成によると、ニードルのリフト量が小さい場合、すなわち燃料の噴射量が少ない場合、旋回流の増幅を図り、ニードルのリフト量が大きい場合、すなわち燃料の噴射量が多い場合、圧損を低減し燃料流量を確保することができる。
　前記移動機構は、前記ニードルに設けられた鍔部と、前記旋回流生成部材の内周側面に形成され、前記鍔部が摺動自在に移動する凹部と、前記凹部の先端面と前記鍔部の先端面との間に設けられ、前記旋回流生成部材を前記ニードルに対して先端側へ押付ける弾性部材と、を備え、前記ニードルのリフト時に、前記凹部の基端面と前記鍔部の基端面とが当接すると、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する構成とすることができる。この構成によると、特別な制御をすることなく、ニードルのリフト量に応じて旋回流生成部材のリフト量を定めることができる。すなわち、燃料の噴射量に応じて、旋回流の強度及び燃料流量を調整することができる。
　本発明の燃料噴射装置は、微細気泡を生成する旋回流を発生させる螺旋状の燃料通路をニードルの側面よりもニードル軸から離間して形成することにより、燃料通路をニードルとは異なる部位に設けた構成とすることができる。これにより、螺旋状の燃料通路を設けていた従来のニードルに比べ、ニードルの径を縮小し、ニードルを軽量にすることができる。この結果、ニードルの応答性の向上、ニードルの稼働に係る消費電力の抑制、及び燃料噴射弁の小型化が可能となる。
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した図である。 燃料噴射弁の概略構成を断面にして示した図である。 燃料噴射弁の先端部分を拡大した図である。 燃料噴射弁の噴孔付近を拡大して示した図である。 実施例２における燃料噴射弁の旋回流生成部材近傍を断面にして示した図である。 旋回流生成部材の外観を示した図である。 ニードルのみがリフトした状態の実施例３における燃料噴射弁の図である。 ニードルとともに旋回流生成部材とがリフトした状態の実施例３における燃料噴射弁の図である。 気泡径、及び燃料圧との関係を示した図である。 螺旋溝をノズルボディの内周側面に設けた燃料噴射弁の図である。 螺旋溝を旋回流生成部材の外周側面及びノズルボディの内周側面に設けた燃料噴射弁の図である。
　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１００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１００を備えており、エンジン１００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１００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１００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１００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１００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１００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１００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１００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１００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、エンジンシステム１は、エンジン１００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の概略構成を断面にして示した説明図である。図３は図２の燃料噴射弁３０の先端部分を拡大した説明図である。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。以下の説明において、先端側とは閉弁するときのニードル３２の移動方向、すなわち図面中の下側を示し、基端側とは開弁するときのニードル３２の移動方向、すなわち図面中の上側を示す。
　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ている。ノズルボディ３１の内部には、ニードル３２を案内するニードルガイド３４が形成されている。さらに、ノズルボディ３１の噴孔３３とニードルガイド３４との間にシート部３５が設けられている。ニードル３２は、ノズルボディ３１内に摺動自在に配置され、ノズルボディ３１との間に燃料導入路３６を形成するとともに、ノズルボディ３１内のシート部３５に着座する。
　燃料導入路３６の先端側には燃料を蓄える調整室３７が形成されている。この調整室３７は、ニードルガイド３４の基端側に位置する。調整室３７内の燃料は、燃料導入路３６から導入される。
　また、ノズルボディ３１には調整室３７とシート部３５の先端側とを連通するように燃料通路３８が形成されている。燃料通路３８はニードル３２の外周面３２１よりも外側に形成されている。特に、燃料通路３８はニードル３２の軸を中心に螺旋を描くように形成された通路である。さらに、燃料通路３８は、ニードル３２の外周面３２１よりもニードル３２の軸から離間した位置に形成されている。言い換えると、この燃料通路３８は燃料噴射弁３０の中心側に位置するニードル３２に設けられているのではなく、燃料噴射弁３０の外周側に位置するノズルボディ３１に設けられている。さらに、この燃料通路３８は、シート部３５の上流側（基端側）に形成され、燃料導入路３６から導入され噴孔３３へ供給される燃料へニードル３２の周りに旋回する流れを付与する。
　また、この燃料通路３８の下流側は半球面ｈｓに沿って形成されている。燃料通路３８の燃料の流れる下流側、すなわち、シート部３５側は半球面に沿って形成されることにより、燃料通路３８の螺旋半径が徐々に縮小する。このように螺旋半径が徐々に縮小するため、シート部３５側の開口を通過するまで、燃料の旋回する方向の流れが効率よく形成される。
　また、ノズルボディ３１の内部において、シート部３５と噴孔３３との間に加速部３９が形成されている。加速部３９は、燃料通路３８を通過後の旋回する燃料を加速する。加速部３９が位置するシート部３５と噴孔３３との間のノズルボディ３１の内径は、シート部３５から噴孔３３へ向けて連続的に縮小されているため、燃料の通る流路が絞られる。このため、加速部３９を通る燃料が加速する。
　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。
　ところで、燃料噴射弁３０においてニードル３２がシート部３５に着座している場合、燃料の噴射が停止している。この状態からニードル３２が基端側に移動し、シート部３５から離間すると、調整室３７と噴孔３３とが連通して燃料が噴射される。このとき、調整室３７の燃料が燃料通路３８を通り、加速部３９へ供給される。この燃料通路３８を通る燃料は螺旋状に形成された通路を通過するため、螺旋に沿うように旋回する流れが生み出される。さらに、この旋回成分を持った燃料の流れは、流路が絞られた加速部３９において加速する。
　次に、加速部３９内における現象について図４を参照しつつ説明する。図４は燃料噴射弁３０の噴孔３３付近を拡大して示した説明図である。加速部３９内で旋回流が加速すると、噴孔３３、及び加速部３９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、噴孔３３、及び加速部３９内に気柱ｐが発生する。こうして発生した気柱ｐの界面から気泡が生成する。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ｆ２として外周側を流れる燃料流ｆ１とともに噴射される。
　このとき燃料流ｆ１及び気泡混入流ｆ２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から離れるほど噴霧ｓの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。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。
　上記の通り、本実施例の燃料噴射弁３０は、ニードル３２の側面よりもニードル３２の軸から離間して形成された螺旋状の燃料通路３８を備えることにより、燃料の流れに強力な旋回成分を付与する。これにより、ニードル３２を大型化することなく、燃料の噴霧を微粒化し、安定した燃焼を実現する。
　このように、ニードル３２の重量増加が抑えられることにより以下の利点がある。すなわち、ニードルが重い場合、ニードルの動作について応答性が悪いが、本実施例のようにニードル３２が軽量であるならば応答性が良い。特に、燃料を間欠的に噴射する場合、過度応答性が大幅に向上する。さらに、応答性が良いと噴射開始時においてニードル３２がリフトし始めた時点でも速やかに旋回流を発生できるため、噴射開始から気泡を含む噴霧を生成し、燃料の微粒化ができる。特に、燃料通路３８の下流側を半球面に沿って形成したことにより、ニードル開弁直後から旋回流が発生することにより、噴射開始直後から微細気泡を含む噴霧を噴射することができる。
　また、ニードル３２の径を拡大しないため、ニードル３２とニードルガイド３４との間のクリアランスを小さくできる。クリアランスが小さければ、燃料の流入が抑制されるため、螺旋状の燃料通路３８へ導入する燃料へ付与する圧力を小さくすることができる。これにより、燃料の圧損が減少し、燃料ポンプの駆動損失が低減されてコストダウンできる。
　また、ニードル３２が軽量なため、ニードル３２を駆動するために必要な電力消費量を抑制できる。また、燃料噴射弁自体の大型化が抑えられるので、小型エンジンへの搭載ができる。
　なお、ノズルボディ３１内に螺旋状の燃料通路３８を形成するには、コイル状螺旋部材を調整室３７と噴孔３３で支え、ロストワックス法で鋳造しコイル状螺旋部材が消失することにより、空洞部分として燃料通路３８を形成することができる。
　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５０の構成は、概ね実施例１の燃料噴射弁３０の構成と同様である。ただし、燃料噴射弁５０は、ノズルボディ５１の内部に旋回流生成部材６０を備えている点で実施例１の燃料噴射弁３０と異なる。以下の燃料噴射弁５０の説明において、実施例１の燃料噴射弁３０と同一の構成要素については、同一の番号を用いて説明する。
　図５は燃料噴射弁５０の旋回流生成部材６０近傍の概略構成を断面にして示した説明図である。また、図６は旋回流生成部材６０の外観を示した説明図である。燃料噴射弁５０のノズルボディ５１の先端には実施例１の燃料噴射弁３０と同様の噴孔３３、シート部３５、加速部３９が形成されている。また、燃料導入路３６は、ニードル３２とノズルボディ５１との間に形成されており、燃料導入路３６の先端側には燃料を蓄える調整室３７が形成されている。ノズルボディ５１の内部は、ニードルガイド３４が形成されていない代わりに、円筒状に形成された旋回流生成部材６０を内部に収納するように形成されている。旋回流生成部材６０は、ノズルボディ５１の内側における燃料導入路３６とシート部３５との間に組み付けられる。ニードル３２は、ノズルボディ５１内に摺動自在に配置され、ノズルボディ５１内のシート部３５に着座する。さらに、旋回流生成部材６０は、その内周側面６１をニードル３２が摺動可能に貫通する。すなわち、旋回流生成部材６０の内周側面６１はニードル３２を案内するニードルガイドとして機能する。
　さらに、旋回流生成部材６０の外周側面６２には、螺旋溝６３が設けられている。旋回流生成部材６０は、ノズルボディ５１の内部に組み込み圧入固定される。これにより、旋回流生成部材６０の螺旋溝６３とノズルボディ５１の内周側面５４とにより、螺旋状の燃料通路５８が形成される。このように、ノズルボディ５１とは別体の旋回流生成部材６０を組み込むことによっても、燃料噴射弁５０にニードル３２の側面よりもニードル３２の軸から離間して形成された螺旋状の燃料通路５８を備えることができる。
　また、旋回流生成部材６０の外周面は、ニードル３２の軸上に中心を持つ半球の法線上に加工され、螺旋溝６３は一定の深さで形成されている。従って、螺旋状の燃料通路５８の断面積は通路のいずれの位置においても一定であり、燃料の縮流を抑制する。このため、燃料通路５８内の流量抵抗が小さくなり、燃圧の低下が抑制される。
　また、この旋回流生成部材６０の螺旋溝６３の下流側は半球面ｈｓに沿って形成されている。このため、燃料通路５８の燃料の流れる下流側は半球面に沿って形成されることにより、燃料通路５８の螺旋半径が徐々に縮小する。このように螺旋半径が徐々に縮小するため、シート部３５側の出口を通過するまで燃料の旋回する方向の流れが効率よく形成される。
　燃料噴射弁５０は、ニードル３２の外周面よりも外側に形成された螺旋状の燃料通路５８を備えることにより、燃料の流れに強力な旋回成分を付与する。従って、ニードル３２を大型化することなく、実施例１の燃料噴射弁３０と同様に燃料の噴霧を微粒化し、安定した燃焼を実現する。これにより、ニードル３２の重量増加が抑えられ、上記燃料噴射弁３０と同様のニードル３２の応答性の向上、噴射開始早期からの燃料の微粒化、燃料ポンプの駆動損失低減によるコストダウン、ニードル３２の駆動に必要な電力消費量の抑制、及び、燃料噴射弁自体の大型化抑制による小型エンジンへの搭載の利点がある。
　さらに、燃料噴射弁５０では、ノズルボディ５１とは別の構造物である旋回流生成部材６０とを組み合わせて螺旋状の燃料通路５８を備える。これにより、螺旋溝６３の加工が容易となるので生産性を向上できる。また、旋回流生成部材６０の外周に形成するため、螺旋溝６３の面粗度を向上できる。このため、流量抵抗が小さくなり、燃圧を低下することができる。このように別の構造物から構成することにより、部品点数が増えるものの材料の選択自由度が高まる。さらに生産性が向上できるのでコストを低下できる。
　次に、本発明の実施例３について説明する。図７、図８は実施例３の燃料噴射弁７０の先端部を断面に示した説明図である。図７はニードル３２のみがリフトした状態を示し、図８はニードル３２とともに旋回流生成部材６０がリフトした状態を示している。実施例３の燃料噴射弁７０の構成は、概ね実施例２の燃料噴射弁５０の構成と同様である。ただし、燃料噴射弁７０は、移動機構８０を備えている点で実施例２の燃料噴射弁５０と異なる。また、実施例２の旋回流生成部材６０は、ニードル３２とともにリフトすることはないが、本実施例の旋回流生成部材６０は、ニードル３２とともにリフトすることがある。以下の燃料噴射弁７０の説明において、燃料噴射弁５０と同一の構成要素については、同一の番号を用いて説明する。
　移動機構８０は、ニードル３２に設けられた鍔部８１と、旋回流生成部材６０の内周側面６１に形成され、鍔部８１が摺動自在に移動する凹部８２と、ニードル３２に対して旋回流生成部材６０を先端側へ押付けるスプリング（弾性部材）８３と、を備えている。スプリング８３は、凹部８２の先端面８２１と鍔部８１の先端面８１１との間に設けられている。さらに、旋回流生成部材６０の外周側面６２はノズルボディ５１の内周側面５４に対し、摺動可能となっている。なお、その他の構成は実施例２の燃料噴射弁５０と同様であり、同一の構成要素について説明は省略する。
　次に、ニードル３２のリフト量と移動機構８０の動作との関係を説明する。燃料噴射弁７０は燃料の噴射量をニードル３２のリフト量により調整する。従って、噴射量が少ない場合ニードル３２のリフト量が小さく、噴射量が多い場合ニードル３２のリフト量が大きくなる。燃料噴射弁７０は、燃料の噴射量が少ない場合、すなわち、ニードル３２のリフト量が小さい場合、図７に示すように、ニードル３２がリフトしても鍔部８１の基端面８１２が凹部８２の基端面８２２に到達しない。このため、ニードル３２のみがリフトする。この場合、燃料は燃料通路５８の全通路を通り、加速部３９へ供給されて噴射される。したがって、ニードル３２のリフト量が小さい場合には、燃料は螺旋状の通路を長く通過するため、旋回流がより強化される。
　一方、燃料噴射弁７０は、燃料の噴射量が多い場合、すなわち、ニードル３２のリフト量が大きい場合、図８に示すように、ニードル３２がリフトして鍔部８１の基端面８１２が凹部８２の基端面８２２に当接する。さらに、ニードル３２がリフトすることにより、旋回流生成部材６０がニードル３２ととともにリフトする。この場合、旋回流生成部材６０とノズルボディ５１とにより形成されていた燃料通路５８の下流側が開放され、流路断面積が拡大する。これにより、流路抵抗による燃料の圧損が低減される。
　ここで、螺旋状に形成された溝面積による影響について説明する。図９は気泡径、及び燃料圧との関係を示した説明図である。図９において、破線は気泡径と溝面積との関係を示し、実線は燃料圧と溝面積との関係を示している。図９に示すように、螺旋状の燃料通路５８の断面積（溝面積）が小さいほど、旋回流の流速が速く、発生する気泡の径も小さくなる。ところが、流路による圧損は通路の断面積と長さとで決定されるため、溝面積が小さくなるほど燃料の圧損が大きくなる。このため、通路面積を縮小するほど燃料圧力を高めなければならない。
　本実施例の燃料噴射弁７０は燃料流量の少ないリフト量の小さい動作時には、螺旋状の全燃料通路で旋回流を加速し、気泡径の微小化を促進する。一方、燃料流量の多いリフト量の大きい動作時には、燃料通路の一部において旋回流を生成することにより、圧損を小さくし燃圧の上昇を抑制する。これにより、燃料流量の多い場合でも、低い燃圧で燃料流量を確保しつつ、微細気泡を生成する旋回速度も同時に確保する。
　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２において、図１０に示すように、旋回流形成部材に替えてノズルボディ５１の内周側面５４側に螺旋溝９１を設けることにより、螺旋状の燃料通路９２を形成することとしてもよい。また、図１１に示すように、旋回流生成部材の外周側面６２に螺旋溝６３を設け、かつノズルボディ５１の内周側面５４に螺旋溝９１を設けることにより、螺旋状の燃料通路９５を形成するようにしてもよい。
　１　エンジンシステム
　３０、５０、７０　燃料噴射弁
　３１、５１　ノズルボディ
　３２　ニードル
　３３　噴孔
　３４　ニードルガイド
　３５　シート部
　３６　燃料導入路
　３７　調整室
　３８、５８、９２、９５　燃料通路
　３９　加速部
　４０　駆動機構
　６０　旋回流生成部材
　６３、９１　螺旋溝
　８０　移動機構
　８１　鍔部
　８２　凹部
　８３　スプリング（弾性部材）
　ｆｓ　旋回流
　ｆ１　燃料流
　ｆ２　気泡混入流
　ｈｓ　半球面
　ｓ　噴霧

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、
    　前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入され前記噴孔へ供給される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燃料通路と、
    　前記シート部と前記噴孔との間に形成され、前記燃料通路を通過後の旋回する燃料を加速する加速部と、
    を備え、
    　前記燃料通路が前記ニードルの外周面よりも外側に形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 　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、
    　前記燃料通路が前記ノズルボディの内周側面、及び／または前記旋回流生成部材の外周側面に設けられた螺旋溝により形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
  3. 　前記燃料通路が前記ノズルボディに形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
  4. 　前記燃料通路の下流側が半球面に沿って形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
  5. 　前記燃料通路の断面積を一定とした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。
  6. 　前記ニードルのリフト量が小さい場合、前記ニードルのみが移動し、
    　前記ニードルのリフト量が大きい場合、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する移動機構を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料噴射弁。
  7. 　前記移動機構は、
    　前記ニードルに設けられた鍔部と、
    　前記旋回流生成部材の内周側面に形成され、前記鍔部が摺動自在に移動する凹部と、
    　前記凹部の先端面と前記鍔部の先端面との間に設けられ、前記旋回流生成部材を前記ニードルに対して先端側へ押付ける弾性部材と、
    を備え、
    　前記ニードルのリフト時に、前記凹部の基端面と前記鍔部の基端面とが当接すると、前記ニードルとともに前記旋回流生成部材が移動する請求項６記載の燃料噴射弁。
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