WO2014119472A1 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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清隆 小倉
石井　英二
石川　亨
相馬　正浩
秀治 江原
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection valve used in an internal combustion engine, which is an electromagnetic fuel injection valve whose opening and closing is performed by electromagnetic force.
  • the present invention relates to a fuel injection valve used for a spark ignition type internal combustion engine (gasoline engine) that uses gasoline or the like as an internal combustion engine, in particular, a system that directly injects fuel into a combustion chamber (direct injection engine).
  • ignition may fail if the air-fuel ratio, which is the mixture ratio of air and fuel, is too large or too small. Further, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is larger or smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, the air is excessive or the fuel is excessive, so that nitrogen oxides are generated or unburned fuel components ( HC) may occur. For this reason, the fuel injection amount is adjusted so that the fuel amount is injected so that the air-fuel ratio becomes a predetermined value, and the fuel is supplied to the combustion chamber.
  • the air-fuel ratio which is the mixture ratio of air and fuel
  • the fuel injection hole of the fuel injection valve is directly exposed in the combustion chamber of the engine.
  • the fuel is sprayed directly into the combustion chamber by the fuel injection valve.
  • the timing at which fuel is injected generally ranges from the intake stroke to the compression stroke, where the fuel mixes with air to form an air-fuel mixture.
  • fuel is injected into an intake port during an exhaust stroke, and after that, the air-fuel mixture is ignited after being sucked into the combustion chamber in the intake stroke, whereas in a direct injection engine, There is a difference that the time from the injection to the formation of the air-fuel mixture is short, and the injection destination is the combustion chamber.
  • the fuel mixture concentration formed inside the combustion chamber of a direct injection engine may cause local concentration of fuel concentration, and this concentration of fuel concentration often produces nitrogen oxides and unburned fuel components. May contribute.
  • the concentration of the fuel is locally increased near the wall surface. This may cause unburned fuel components (HC) to be generated, or the unburned fuel components may change to soot in a state of lack of oxygen and cause soot to be discharged. .
  • HC unburned fuel components
  • a direct injection gasoline engine is required to have a high degree of freedom in designing the spray shape.
  • a multi-hole nozzle that has a plurality of spray holes that form sprays and can set each spray direction to a desired direction is effective.
  • one factor that increases the adhesion of the fuel spray to the combustion chamber wall as described above is that the penetration force of the fuel spray injected from the fuel injection valve is large.
  • the spray having a large penetration reaches a position far from the injection point in a short time. For this reason, the spray having a large penetration may reach the combustion chamber wall surface and adhere to the fuel before the fuel is injected and sufficiently mixed with air.
  • Patent Document 1 discloses a method of attenuating penetration by reducing the flow rate of injected fuel.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and includes a valve seat that forms a gap with a valve body, and fuel passes through the gap, and a plurality of downstream seats are provided downstream of the gap.
  • a valve seat that forms a gap with a valve body, and fuel passes through the gap, and a plurality of downstream seats are provided downstream of the gap.
  • the flow rate of the fuel in the gap formed by the valve body and the valve seat was set to be larger than the value obtained by multiplying the square root of the pressure applied to the fuel by 28.
  • a spray nozzle with a short spray penetration can be obtained.
  • FIG. 1 shows the 1st Example of the fuel injection valve which concerns on this invention. It is sectional drawing of the fuel injection valve which concerns on this invention, Comprising: It is the figure which expanded the needle
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing valve operation when the injection hole of the fuel injection valve according to the present invention is elliptical, and a schematic diagram viewed from the arrow c in the cc cross section. It is a figure showing the relationship between the flow velocity in a seat part and penetration.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a fuel injection valve according to the present invention.
  • the electromagnetic fuel injection valve shown in FIG. 1 is an ON / OFF valve that controls the injection and stop of fuel by opening and closing the gap with the valve seat 101 when the valve body 102 moves up and down.
  • the valve body 102 When the coil 103 is not energized, the valve body 102 is urged in the direction of the valve seat 101 by the urging spring 104, and the valve is in a closed state.
  • a magnetic attractive force is generated between the magnetic core 113 and the movable element 106, and the movable element 106 is displaced together with the valve body 102 in the direction of the magnetic core 113 to open the valve.
  • a gap is formed between the valve seat 101 and the valve body 102, and the fuel passes through this gap to reach the injection hole 107 and is injected from the injection hole 107.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the injection nozzle in which the vicinity of the injection hole 107 of the fuel injection valve according to the present invention is enlarged.
  • a part of the valve body 102 is formed as a spherical surface
  • the valve seat 101 is formed as a conical surface.
  • the valve body 102 comes into contact with the valve seat 101 at the seat portion 201.
  • the seat portion 201 when the valve is open, the distance between the seat surface 203 and the surface of the valve body 102 is the smallest.
  • valve open state In a state where the valve is open (valve open state), the flow passage area of the seat portion 201 is the smallest immediately upstream and immediately downstream. For this reason, the flow rate of the fuel in the seat portion 201 is maximized in the range immediately upstream and immediately downstream. This flow velocity is the seat portion flow velocity.
  • the fuel After the fuel reaches a high speed in the seat portion 201, the fuel flows into the injection hole 107.
  • the fuel that has flowed in has a flow velocity component (axial flow velocity) in the direction of the axis 202 of the injection hole inside the injection hole 107 and a flow velocity component (flow velocity in the spreading direction) perpendicular to the axis 202 of the injection hole. It is injected to the outside of 107.
  • the fuel after being injected becomes a mist-like spray and travels while spreading.
  • the penetration can be defined by the reach of the spray after a certain time. By measuring the penetration, it is possible to know whether the spray is easy to reach far or stay at a short distance.
  • the spray penetration is strongly influenced by the initial velocity when fuel is ejected from the injection hole and the air resistance that the droplets receive after ejection.
  • the initial velocity at the time of ejection is the main factor that determines penetration, and the axial flow velocity of the nozzle hole corresponds to this initial velocity. In order to shorten the penetration, this initial speed needs to be small.
  • Air resistance is affected by spray spread.
  • the distance between the droplets being sprayed increases, making it less susceptible to the effects of air flow formed by droplets in the vicinity of a droplet. Since the air flow formed by neighboring droplets is close to the velocity of a certain droplet itself, the more affected by the air flow formed by neighboring droplets, the smaller the relative velocity between the droplet and air, Therefore, the air resistance becomes small. Conversely, if the influence of the air flow formed by neighboring droplets is small, the air resistance tends to increase.
  • the spray spreads and the distance between the droplets is large, the air resistance received by the droplets is likely to increase, and therefore the penetration is easily shortened.
  • the spreading direction flow velocity in the injection hole may be increased.
  • the flow velocity in the seat portion 201 is increased.
  • the pressure loss in the seat portion 201 increases, and the injection amount (static flow) per unit time of the injection valve decreases as it is. Therefore, in order to obtain a predetermined static flow, the total cross-sectional area of the injection hole 107 is increased according to the design value of the flow velocity at the seat portion 201.
  • the total cross-sectional area thereof should be designed to be large.
  • the flow velocity (unit m / s) at the seat portion is a static flow Q (m 3 / s) where A (m 3 ) is the fuel passage area of the gap formed by the seat surface 203 and the surface of the valve body 102. ) Is divided by A.
  • the seat surface 203 has a conical surface shape as in this embodiment and this surface and the surface of the valve body 102 are in contact with each other to open and close the valve, the apex angle ⁇ (°) of the conical surface is also provided.
  • the flow of fuel becomes a decelerating flow from the seat portion 201 toward the nozzle hole 107. That is, the flow velocity in the nozzle hole 107 is smaller than the flow velocity in the seat portion 201.
  • the flow in the deceleration flow tends to be unstable. For this reason, the flow in the nozzle hole 107 tends to have many turbulence components due to the deceleration flow, and the flow velocity distribution in the nozzle holes is easily made uniform by the turbulence components. That is, as in the flow velocity distribution shown in FIG.
  • FIG. 3A shows an example in which the flow velocity 303a in the seat portion 201 is slow.
  • the flow velocity distribution 302a is as follows. In the vicinity of the nozzle hole inner wall 301a, the gradient is gentle, and the non-uniform flow velocity distribution is likely to have a large maximum flow velocity.
  • the difference between the fast flow velocity and the slow flow velocity is small, and when the flow rate per unit time from the injection hole is constant, it is faster than when smoothing is not performed.
  • the effect of reducing the portion that becomes the flow velocity or reducing the maximum value of the flow velocity can be obtained.
  • a large flow velocity region and a large maximum flow velocity cause an increase in penetration. That is, the penetration can be shortened by obtaining a smooth flow velocity distribution that can reduce the fast flow velocity region and the maximum value of the flow velocity.
  • the present invention by increasing the sheet portion flow velocity, the flow velocity distribution in the injection hole is smoothed, and the penetration is shortened.
  • the flow velocity vector in the seat portion 201 is directed in a direction different from the nozzle hole axis direction.
  • the increase in the flow velocity in the seat portion 201 has an effect of increasing the flow velocity of the direction component different from the direction of the injection hole shafts 202a and 202b, that is, the flow velocity component in the spreading direction at the inlet portion of the injection hole 107.
  • the increase in the turbulence component at the nozzle hole 107 due to the above-described deceleration flow and the flow velocity of the spreading direction component at the outlet of the nozzle hole 107 cause a transition to a turbulent flow at the inlet portion of the nozzle hole 107. Is more conducive.
  • the turbulence component in the nozzle hole 107 increases, the flow velocity distribution is smoothed, and the maximum flow velocity is reduced.
  • the component of the flow velocity spreading direction increases due to the turbulent component at the nozzle hole outlet.
  • the relationship between the flow velocity and the penetration in the seat portion 201 is as shown in FIG. 6, and a region where the penetration is rapidly shortened particularly in a region where the flow velocity is high appears.
  • the horizontal axis is a value obtained by dividing the flow velocity in the seat portion 201 by the square root of the fuel pressure (seat portion flow velocity characteristic value), and the vertical axis is the penetration at a certain fuel pressure. As shown in FIG. 6, when the seat flow velocity characteristic value exceeds 28, the penetration can be rapidly reduced regardless of the fuel pressure.
  • the cross-sectional area A is a denominator appearing in the equation (1) and can be expressed as the equation (2).
  • A Ds ⁇ Y ⁇ ⁇ ⁇ Sin ( ⁇ / 2 ⁇ (2) That is, the flow velocity at the seat portion 201 can be increased by reducing the maximum lift amount Y of the valve body 102, reducing the seat diameter Ds, or reducing the seat angle ⁇ .
  • applying an R shape 401 to the inlet portion of the injection hole 107 ′ as shown in FIG. 4 so as to reduce the pressure loss at the injection hole 107 is effective for obtaining a desired static flow.
  • the R shape 401 at the inlet portion of the nozzle hole 107 ′ as shown in FIG. 4 suppresses the separation of the flow at the inlet of the nozzle hole 107 ′, and the effective sectional area of the nozzle hole is widened to reduce the pressure loss of the nozzle hole.
  • a desired static flow can be obtained even if a higher flow velocity is set in the sheet portion 201.
  • the effect of suppressing the separation of the flow at the inlet R of the nozzle hole 107 ′ increases the uniformity of the flow velocity in the nozzle hole 107 ′, and can reduce the maximum flow velocity, which is effective for shortening the penetration. Furthermore, by improving the flow rate uniformity in the nozzle hole 107 ′ by suppressing the separation of the flow, the amount of fuel discharged at a low flow rate is reduced, and the coarse particles formed by these low flow rate fuels are suppressed, and the atomization is reduced. The effect to improve is also acquired.
  • the diameter of the nozzle hole 107 may be set large. Even when the diameter of the injection hole 107 is set to be large, pressure loss due to the injection hole 107 can be suppressed, and a desired static flow can be easily obtained even when the flow velocity at the seat portion 201 is increased.
  • the total cross-sectional area of the plurality of injection holes 107 may be set larger than the fuel passage cross-sectional area A (formula (2)) in the seat portion 201. When such a fuel passage cross-sectional area is set, the flow from the seat portion 201 toward the nozzle hole 107 becomes a decelerating flow, which not only easily induces flow disturbance, but also the average flow velocity itself at the nozzle hole 107. Therefore, the penetration can be shortened.
  • the cross section of the injection hole 507 elliptical as shown in FIG.
  • a non-circular injection hole 507 having a cross-sectional shape such as an ellipse
  • a direction A perpendicular to the surface 501 at the point where the surface 501 where the injection hole 507 is drilled and the axis 502 of the injection hole intersect.
  • the area of the injection hole inlet shape 503 when viewed from above is smaller than the area of the injection hole outlet shape 504 when the elliptical injection hole 507 is viewed from the axial direction b of the injection hole. It is good to set the cross-sectional shape.
  • the inlet shape 503 when an elliptical nozzle hole is set is closer to a perfect circle than the outlet shape 504. That is, by the perforation of such an elliptical injection hole, it is possible to obtain an effect of increasing the cross-sectional area from the injection hole inlet to the injection hole outlet, and therefore the flow is decelerated toward the injection hole outlet inside the injection hole. The effect can be obtained. As a result, the flow velocity at the nozzle hole outlet is suppressed, and penetration can be suppressed.
  • the major axis and the minor axis are set in the axial direction when the major axis of the ellipse is projected onto a plane perpendicular to the axis 508 of the valve body.
  • the major axis 506 may be shifted from the axial center 508 of the valve body. (In FIG. 5, the projected major axis 506 is displaced from the axis 508 of the valve element.
  • the segment a connecting the nozzle hole center o and the valve element axis 508 on the projection surface and the major axis 506 In this way, by making the cross section of the injection hole 507 elliptical and increasing the cross sectional area only in a specific direction, even if the flow velocity at the sheet portion 201 is high, the desired amount of deviation ⁇ is 90 °. A flow rate can be obtained. Further, by setting the projected major axis offset from the axial center 508 of the valve body, the direction of the longest portion of the cross-sectional shape of the injection hole 507 coincides with the inflow direction from the seat portion 201. You can avoid doing it.
  • penetration can be shortened by increasing the flow velocity in the seat portion 201, and desired rectification can be obtained by selecting an appropriate nozzle hole shape.

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Abstract

　燃料噴射弁において、噴射される燃料の貫徹力が抑制された噴霧を得る。　弁体との間で隙間を形成する弁座を備え、前記隙間を燃料が通過し、前記隙間よりも下流に複数個の噴射孔を備え、圧力が印加された燃料が該噴射孔から流出する燃料噴射弁において、　前記弁体と前記弁座が形成する前記隙間における燃料の流速がメートル毎秒で表わされる時、前記燃料圧力の平方根に２８を乗じた値よりも前記流速が大きくなるように設定することにより、前記隙間における流速を増大させ、前記噴射孔内での流速分布を均一化させることにより、ペネトレーションの増大を抑制する。

Description

燃料噴射弁
　本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、該噴射弁の開閉が電磁力によって行われる電磁式燃料噴射弁のものに関する。
　内燃機関としてガソリンなどを燃料とする、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）のうち、特に燃焼室内に直接燃料を噴射する方式のエンジン（直噴エンジン）に用いる燃料噴射弁に関する。
　ガソリンエンジンでは、空気と燃料の混合比である空燃比が大きすぎたり小さすぎる場合には点火できなくなることがある。また、混合気の空燃比が理論空燃比に対して大きい場合や小さい場合には、空気が過剰であったり燃料が過剰であったりするために、窒素酸化物が生じたり、未燃燃料成分（ＨＣ）が生じる原因になることがある。このため、空燃比が所定の値になるような燃料量を噴射するように、燃料噴射量が調整されて燃料が燃焼室に供給される。
　直噴エンジンでは、燃料噴射弁の燃料噴射孔はエンジンの燃焼室に直接露出して設置されている。燃料は、燃料噴射弁によって噴霧状となって燃焼室に直接噴射される。燃料が噴射されるタイミングは、一般的には吸気行程から圧縮行程の範囲であり、ここで燃料は空気と混合して混合気を形成する。一般的なポート噴射エンジンでは、燃料は排気行程中の吸気ポートに噴射され、その後に吸気行程で混合気が燃焼室に吸入されしかる後に点火される方式であるのに対して、直噴エンジンでは噴射してから混合気を形成するまでの時間が短く、なおかつ噴射される先が燃焼室であるという差異がある。
　このため、直噴エンジンの燃焼室の内部で形成される混合気には、燃料濃度の濃淡が局所的に生じることがあり、この燃料濃度の濃淡がしばしば窒素酸化物や未燃燃料成分の生成の一因となることがある。
　特に、燃焼室に直接噴射された燃料が、ピストン冠面、シリンダ壁面、エンジンヘッド壁面やバルブなどの燃焼室壁面に到達し、付着してしまうと、燃料の濃度が壁面の付近で局所的に上昇し、これが未燃燃料成分（ＨＣ）の発生原因になってしまったり、あるいは酸素不足の状態で未燃燃料成分がすすに変質し、すすが排出される原因になってしまう場合があった。
　この問題に対応するために、燃料噴霧がバルブや燃焼室壁面に衝突し難いように、噴霧の形状を燃料の噴射点と燃焼室の形状に合わせて調整する必要がある。このため、直噴ガソリンエンジンでは噴霧形状の設計自由度が高いことが求められる。噴霧形状の設計自由度を高めるためには、噴霧を形成する噴射孔が複数あり、それぞれの噴射方向を所望の方向に設定できるマルチホールノズルが有効である。
　また、前述したような燃焼室壁面への燃料噴霧の付着を増大させてしまう一因として、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が大きいことが挙げられる。ペネトレーションが大きい噴霧は、噴射点から遠い位置に短時間で到達してしまう。このため、ペネトレーションが大きい噴霧は、燃料が噴射されて十分に空気と混合するよりも前に、燃焼室壁面に到達し、付着してしまう場合がある。
　特許文献１にある方法は、このような問題に対処する方法の一つである。特許文献１には、噴射される燃料の流速を減じてペネトレーションを減衰させる方法について開示されている。
特開２０００－３４５９４４号
　　特許文献１記載の方法では、弁体と弁座との隙間より下流の燃料通路体積が大きく、弁の開閉時間によって計量された燃料のうち、一部分は燃焼室に噴射されずに該下流の燃料通路体積部分に残留してしまう量が多くなるおそれがあった。多くの燃料が残留すると、残留した燃料が燃焼行程（膨張行程）における高温にさらされて蒸発し、周囲に空気が不足するために未燃燃料成分として排出される原因となったり、内部に残留した未燃燃料が高温によって分子量を増し、すす状の固形物として内部に溜まり易くなってしまう可能性がある。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、弁体との間で隙間を形成する弁座を備え、前記隙間を燃料が通過し、前記隙間よりも下流に複数個の噴射孔を備え、圧力が印加された燃料が該噴射孔から流出する燃料噴射弁において、
　前記弁体と前記弁座が形成する前記隙間における燃料の流速が、前記燃料に印加された圧力の平方根に２８を乗じた値よりも大きくなるように設定した。
　噴霧のペネトレーションが短い噴射ノズルを得られるようになる。
本発明に係る燃料噴射弁の第一の実施例を示す断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁の断面図であって、閉弁状態にある状態の可動子近傍を拡大した図である。 本発明に係る燃料噴射弁の断面図であって、流速が遅い場合の開弁状態にある状態の可動子近傍を拡大した図である。 本発明に係る燃料噴射弁の断面図であって、流速が早い場合の開弁状態にある状態の可動子近傍を拡大した図である。 本発明に係る燃料噴射弁の弁動作を表わす模式図である。 本発明に係る燃料噴射弁の噴射孔を楕円にした場合の弁動作を表わす模式図及びｃ－ｃ断面でｃ矢印から見た模式図である。 シート部における流速とペネトレーションの関係を表した図である。
　図１は、本発明に係る燃料噴射弁の例を示す断面図である。図１に示した電磁式燃料噴射弁は、弁体１０２が上下動することによって、弁座１０１との隙間が開閉し、燃料の噴射と停止を制御するＯＮ／ＯＦＦ弁である。
　コイル１０３への通電が為されていない状態では、弁体１０２は付勢ばね１０４によって弁座１０１の方向に付勢され、弁は閉じた状態である。コイル１０３に通電を開始すると、磁気コア１１３と可動子１０６の間に磁気吸引力が生じ、可動子１０６は弁体１０２と共に磁気コア１１３の方向に変位して弁が開く。このとき、弁座１０１と弁体１０２の間には隙間を生じ、燃料はこの隙間を通過して噴射孔１０７に至り、噴射孔１０７から噴射される。
　図２は、本発明に係る燃料噴射弁の噴射孔１０７の近傍を拡大した噴射ノズルの断面図である。図２に示した燃料噴射弁の噴射ノズルでは、弁体１０２は一部分が球面として形成され、弁座１０１は円錐面として形成されている。弁が閉じた状態（閉弁状態）で、弁体１０２は、シート部２０１で弁座１０１と接触するようになっている。シート部２０１では、弁が開いた状態の時に、シート面２０３と弁体１０２の表面とのなす距離が最も狭まるようになっている。弁が開いた状態（開弁状態）では、シート部２０１の流路面積が、その直上流、および直下流で最も小さくなるようになっている。このため、シート部２０１における燃料の流速は、その直上流および直下流の範囲で最も大きくなるようになっている。この流速が、シート部流速である。
　燃料はシート部２０１で高速になった後、噴射孔１０７に流入する。流入した燃料は、噴射孔１０７の内部で噴射孔の軸２０２方向の流速の成分（軸方向流速）と、噴射孔の軸２０２に垂直な流速成分（広がり方向流速）とを持ちながら、噴射孔１０７の外側へと噴射される。
　噴射された後の燃料は、霧状の噴霧となって、広がりを持ちながら進行する。ここで、ペネトレーションは一定時間後の噴霧の到達距離で定義することができる。ペネトレーションを測ることによって、噴霧が遠くまで到達し易いか、短い距離で留まり易いかを知ることができる。
　噴霧のペネトレーションは噴射孔から燃料が噴出した時の初速度と、噴出後に液滴が受ける空気抵抗の影響を強く受ける。噴出時の初速度はペネトレーションを決定づける主要因であり、噴孔の軸方向流速がこの初速度に該当する。ペネトレーションを短くするためには、この初速度が小さいことが必要になる。
　また、液滴が受ける空気抵抗も、ペネトレーションに影響を与える因子である。空気抵抗は、噴霧の広がりの影響を受ける。噴霧が広がって噴射されると、噴霧中の液滴間の距離が広がり、ある液滴の近隣の液滴が形成する空気流動の影響を受けにくくなる。近隣の液滴が形成する空気流動は、ある液滴自体の速度に近いので、近隣の液滴が形成する空気流動の影響を受ければ受けるほど、液滴と空気との相対速度は小さくなり、したがって空気抵抗は小さくなってしまう。逆に、近隣の液滴が形成する空気流動の影響が小さければ、空気抵抗は大きくなる傾向がある。このことから、噴霧が広がって液滴同士の距離が大きいと、液滴が受ける空気抵抗が大きくなり易く、したがってペネトレーションを短くし易くなる。噴霧を広げ、短いペネトレーションを得るためには、噴射孔内での広がり方向流速を大きくすればよい。
　このように、短いペネトレーションを得るためには、軸方向流速を低減し、広がり方向流速を増やすことが有効である。
　本発明では、軸方向流速の低減と広がり方向流速の増大を両立させるために、シート部２０１における流速の増大させる構成にした。シート部２０１における流速を増大させると、シート部２０１部分での圧力損失が大きくなり、そのままでは噴射弁の単位時間当たりの噴射量（静流）は低下する。そこで所定の静流を得るために、シート部２０１での流速の設計値に応じて噴射孔１０７の総断面積を大きくする。一般的な多孔式の燃料噴射弁では、噴射孔は複数あり、これらの総断面積が大きくなるように設計するとよい。
　シート部での流速（単位ｍ／ｓ）は、シート面２０３と弁体１０２の表面とが為す隙間部の燃料通路面積をＡ（ｍ3）としたときに、静流Ｑ（ｍ3／ｓ）をＡで除すことで算出できる。また、本実施例のようにシート面２０３が円錐面状であり、この面と弁体１０２の表面とが接触して弁を開閉する場合には、また、円錐面の頂角θ（゜）（シート角）と弁のリフト量Ｙ（ｍ）、およびシート面２０３と弁体１０２との接触位置が形成する円径Ｄｓ（ｍ）（シート径）を用いて、シート部流速ｖを次の（１）式のように計算できる。
ｖ＝Ｑ／｛Ｄｓ・Ｙ・π・Ｓｉｎ（θ／２｝）　　　　・・・（１）
この関係は、シート面が本実施例のような円錐面でない場合には、弁体１０２の接触部と接する面と、噴射弁の軸が為す角度の二倍をθとして用いて計算することもできる。また、弁体１０２とシート面２０３との接触部の円が複数ある場合や、円が幅を持っている場合には、最も小さい円の値を用いることで、シート部に生じる流速の最も大きい値を評価できるようになる。
　このようにしして計算されるシート部２０１での流速が大きく、噴射孔１０７の断面積が大きい場合には、静流を噴射孔の総断面積で除した値で評価できる噴射孔１０７における平均軸方向流速を小さくすることができる。この平均軸方向流速は、噴射される燃料の初速であるから、平均軸方向流速が小さいことによって短いペネトレーションを得られる。
　また、このようにシート部２０１における流速が大きく、噴孔１０７出口での噴射初速が遅い場合には、燃料の流れはシート部２０１から噴孔１０７へ向かう減速流れとなる。すなわち、シート部２０１における流速よりも噴孔１０７における流速の方が小さい状態になる。一般的に、減速流れでの流れは不安定になり易い。このため、減速流れによって噴孔１０７での流れは乱れの成分を多く持ちやすくなり、この乱れ成分によって噴孔内の流速分布は一様化されやすくなる。すなわち、図３（ｂ）に示す流速分布のように、噴孔内壁面３０１ｂから噴孔中心軸２０２ｂに至る位置までの噴孔軸方向流速の流速分布３０２ｂが、噴孔内壁面３０１ｂの近傍で勾配が大きく噴孔中心軸２０２ｂの周囲では平滑化され易い。図３（ａ）はシート部２０１での流速３０３ａが遅い場合の例であり、シート部２０１での流速３０３ｂが速い場合を示した図３（ｂ）と比較して、流速の分布３０２ａは、噴孔内壁３０１ａの近傍で勾配が緩く、最大流速が大きい不均一な流速分布となり易い。
　図３（ｂ）のように平滑化された流速分布では、速い流速と遅い流速の差が小さくなり、噴射孔からの単位時間当たりの流量が一定の時には、平滑化されない場合に比べて、速い流速になる部分を減らせたり、流速の最大値を減らす効果が得られる。噴孔内の流速分布に置いて、速い流速領域や流速の最大値が大きいことは、ペネトレーションの増大の原因となる。すなわち、速い流速領域や流速の最大値を小さくできる平滑化された流速分布を得ることで、ペネトレーションは短縮できる。このように、本発明によれば、シート部流速を増大させることで、噴射孔内での流速分布を平滑化し、ペネトレーションが短縮される。
　また、シート部２０１における流速ベクトルは、噴孔軸方向とは異なる方向を向いている。このため、シート部２０１における流速の増大は、噴孔１０７の入口部において、噴射孔の軸２０２ａ、２０２ｂの方向とは異なる方向成分の流速、すなわち広がり方向の流速成分を増大させる効果がある。広がり方向の流速成分が増大することで、噴射された燃料は分散し、噴霧液滴間の距離が大きくなり、したがって雰囲気気体による抵抗が大きくなって、ペネトレーションが抑制されるようになる。
　噴射孔に流入した流速は、噴射孔の内部で整流されて広がり方向の速度成分が失われてしまうと考えられるが、広がり方向成分の流速が十分な状態で流入させられれば、広がり方向成分の流速を持たせたまま流出させられる。
　特に、上述の減速流れによる噴孔１０７での乱れ成分の増加や、噴孔１０７の出口での広がり方向成分の流速は、噴孔１０７の入口部分での流れの乱流への遷移が起こることでより助長される。
　すなわち、噴孔入口で乱流への遷移が起こると、噴孔１０７内での乱れ成分が増加して流速の分布が平滑化され、最大流速が小さくなる。また、乱流への遷移によって噴孔出口における乱れ成分によって流速の広がり方向成分が大きくなる。
　この結果、シート部２０１における流速とペネトレーションとの関係は図６のようになり、特に流速が速い領域で急激にペネトレーションが短縮される領域が現れる。横軸は、シート部２０１における流速を燃料圧力の平方根で除して正規化した値（シート部流速特性値）であり、縦軸はある燃料圧力でのペネトレーションである。図６のように、シート部流速特性値が２８を超えると、燃料圧力に依らずペネトレーションを急激に減少させられる。
　すなわち、シート部２０１の隙間における燃料の流速がメートル毎秒で表わされる時、燃料圧力の平方根に２８を乗じた値よりも流速が大きくなるように設定されることで、ペネトレーションが短いノズルを得ることができる。
　このようにシート部２０１での流速を高めるためには、シート部２０１の流体通路としての断面積Ａが小さくなるように、設定すると良い。断面積Ａは、（１）式に現れる分母であり、（２）式のように表わせる。
　　　Ａ＝Ｄｓ・Ｙ・π・Ｓｉｎ（θ／２｝　　　　　・・・（２）
すなわち、弁体１０２の最大リフト量Ｙを小さくしたり、シート径Ｄｓを小さくしたり、シート角θを小さくすることによって、シート部２０１での流速を高めることができる。
　なお、このようにシート部２０１の隙間を小さくするのみでは、シート部２０１での圧力損失が大きくなり、所望の単位時間当たりの噴射量（静流）を得られない場合がある。
　このように、シート部２０１での流速を速めた場合でも所望の静流を得るためには、噴射孔１０７での圧力損失が小さくなるように設定することが有効である。
　例えば、噴射孔１０７での圧力損失が小さくなるように、図４に示すように噴射孔１０７’の入口部分にＲ形状４０１を付与することは、所望の静流を得るために有効である。図４のような噴孔１０７’入口部分のＲ形状４０１によって、噴孔１０７’入口における流れの剥離が抑制され、噴射孔の有効断面積が広がって噴射孔の圧力損失が低減される。この結果、より高いシート部２０１での流速を設定しても、所望の静流を得ることができるようになる。また、噴孔１０７’入口Ｒによる流れの剥離の抑制効果によって、噴孔１０７’内の流速の均一性が増し、最大流速を小さくすることができ、したがってペネトレーション短縮に有効である。更に、この流れの剥離抑制による噴孔１０７’内の流速均一性の向上によって、遅い流速のまま排出される燃料が減り、これらの流速の低い燃料が形成する粗大粒を抑制し、微粒化を向上させる効果も得られる。
　あるいは、噴孔１０７の径を大きく設定しても良い。噴孔１０７の径を大きく設定した場合にも、噴孔１０７による圧力損失を抑制でき、シート部２０１での流速を速めた場合にも所望の静流を得やすくなる。特に、複数ある噴孔１０７の総断面積が、シート部２０１における燃料通路断面積Ａ（（２）式）よりも大きく設定されているとよい。このような燃料通路断面積の設定になっている場合には、シート部２０１から噴孔１０７に向かう流れは減速流れとなり、流れの乱れを誘起し易くなるばかりか、噴孔１０７における平均流速自体を低減することができるため、ペネトレーションを短縮できるようになる。
　あるいは、所望の静流を得ながらペネトレーションを短縮する方法として、図５に示すように、噴射孔５０７の断面を楕円にする方法がある。断面形状が楕円などの非円形の噴射孔５０７を穿孔する場合には、前記噴射孔５０７が穿孔されている面５０１と前記噴射孔の軸５０２が交わる点において、前記面５０１と垂直な方向Ａから眺めた時の噴射孔の入口形状５０３が為す面積が、楕円の噴射孔５０７を噴射孔の軸方向ｂから眺めた時の噴射孔の出口形状５０４が為す面積よりも小さくなるように噴孔の断面形状を設定すると良い。このように噴孔断面形状を設定することにより、噴射孔入口の流入部が弁体との間の隙間として形成する入口通路面積が、噴孔出口面積よりも小さくなる。このように楕円噴孔を設定した時の入口形状５０３は出口形状５０４よりもより真円に近くなる。すなわち、このような楕円噴射孔の穿孔により、噴孔入口から噴孔出口に向かって断面積が拡大する効果を得ることができ、したがって、噴孔内部で噴孔出口に向かって流れが減速する効果を得られるようになる。このことによって、噴孔出口部での流速が抑制され、ペネトレーションを抑制できる。
　また、噴射孔の断面が楕円になるように設定した場合の長径短径の軸方向の設定は、楕円の長径軸を弁体の軸芯５０８と垂直な面に投影した時に、この投影された長径軸５０６が弁体の軸芯５０８からずらされているようにするとよい。（図５では投影された長径軸５０６が弁体の軸芯５０８からずらされており、この投影面上での噴孔出口中心ｏと弁体軸芯５０８を結んだ線分ａと長径軸５０６のずれ量θは９０゜である。）このように噴射孔５０７の断面を楕円にし、特定の方向にのみ断面積が増えるようにすることで、シート部２０１での流速が速い場合でも所望の流速を得ることができるようになる。また、前記の投影された長径軸が弁体の軸芯５０８からずらされて設定されることにより、噴孔５０７の断面形状のうち最も長い部分の方向が、シート部２０１からの流入方向と一致することを避けられる。断面形状の長手部位の方向がシート部２０１からの流入方向と一致している場合には、大きな剥離領域が形成されて噴射孔断面積が有効に使われない場合があるが、噴孔断面形状の長手方向がシート部２０１からの流入方向からずらされていることによって、大きな剥離領域の形成を避けられるとともに、噴孔５０７の断面内で噴孔軸と直交する方向の流速成分が増えるようになり、噴孔５０７内での流速分布を均一に保ちやすくなり、かつ噴孔５０７出口での広がり方向流速成分を増大させられるようになる。
　このように、本発明によれば、シート部２０１における流速を増大させることでペネトレーションを短縮できると共に、適切な噴孔形状を選定することによって所望の整流を得ることもできる。
１０１…弁座
１０２…弁体
１０３…ガイド部材
１０４…筒状部材
１０５…ガイド部材
１０６…可動子
１０８…磁気コア
１０９…コイル
１１０…付勢ばね
１１１…コネクタ
１１２…燃料入口
２０１…シート部
２０２、２０２ａ、２０２ｂ…噴射孔の軸
２０３…シート面
３０１ａ、３０１ｂ…噴射孔内壁
３０２ａ、３０２ｂ…流速分布
３０３ａ、３０３ｂ…シート部流速
４０１…入口部Ｒ
５０１…シート面
５０２…噴射孔の軸
５０３…噴射孔の入口形状
５０４…噴射孔の出口形状
５０６…長径軸
５０７…噴射孔
５０８…弁体の軸芯

Claims (5)

  1. 　弁体との間で隙間を形成する弁座を備え、前記隙間を燃料が通過し、前記隙間よりも下流に複数個の噴射孔を備え、圧力が印加された燃料が該噴射孔から流出する燃料噴射弁において、
    　前記弁体と前記弁座が形成する前記隙間における燃料の流速が、前記燃料に印加された圧力の平方根に２８を乗じた値よりも大きくなるように設定されたことを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 　請求項１に記載の燃料噴射弁であって、前記噴射孔の入口にＲ形状を設け、前記隙間における燃料の流速を高めたことを特徴とする燃料噴射弁。
  3. 　請求項１乃至２に記載の燃料噴射弁であって、前記噴射孔の総断断面積は前記隙間における流路断面積よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
  4. 　請求項１乃至３に記載の燃料噴射弁であって、前記噴射孔の断面形状が楕円状に穿孔されたことを特徴とする燃料噴射弁。
  5. 　請求項４に記載の燃料噴射弁であって、前記噴射孔の軸と前記噴射孔が穿孔されている面とが交わる位置において、該面と垂直な方向から前記噴射孔を見た時の前記噴射孔の入口形状が為す面積よりも、前記噴射孔の出口の形状を噴射孔の軸の方向から見た時の断面積の方が大きくなるように設定されたことを特徴とする燃料噴射弁。
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