WO2022163494A1

WO2022163494A1 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: WO2022163494A1
Application number: PCT/JP2022/002001
Authority: WO
Inventors: 徹也吉村
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2022-08-04
Also published as: US20240018928A1; JP2022116857A

Abstract

燃料噴射弁は、ノズル（１０）とニードル（３０）とを備える。ノズル（１０）は、弁軸（Ｚ）を中心として設けられ、サック室（１８０）、複数の噴孔、及び弁座（１７）を有する。複数の噴孔のうち少なくとも１つの噴孔である特定噴孔（１３）について、噴孔出口（１６）は、長軸（Ｈａ）及び短軸（Ｈｂ）を有する扁平形状である。噴孔入口（１５）の中心と噴孔出口（１６）の中心とを結ぶ噴孔軸（Ｈｏ）の方向に投影したとき、噴孔軸（Ｈｏ）を通る噴孔出口（１６）の長軸（Ｈａ）方向の断面（Ｓａ）において噴孔出口（１６）の断面長さ（Ｌｏａ）は噴孔入口（１５）の断面長さ（Ｌｉａ）より長い。且つ、噴孔軸（Ｈｏ）を通る噴孔出口（１６）の短軸（Ｈｂ）方向の断面（Ｓｂ）において噴孔出口（１６）の断面長さ（Ｌｏｂ）は噴孔入口（１５）の断面長さ（Ｌｉｂ）より短い。噴孔入口（１５）の面積（Ａｉ）は噴孔出口（１６）の面積（Ａｏ）より大きい。

Description

燃料噴射弁

関連出願の相互参照

　本出願は、２０２１年１月２９日に出願された特許出願番号２０２１－０１３２５２号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、燃料噴射弁に関する。

　燃焼効率向上のためには均質な混合気の形成が有効である。従来、複数の噴孔を用いて空間全体に噴射する技術や、均質な混合気形成のため噴霧の広拡散を図る技術が知られている。例えば特許文献１に開示された燃料噴射弁は、入口から出口に向かい流路が拡大する円錐状のテーパ噴孔を有している。特許文献１の技術では噴孔壁面に流れを押し付けて流体を液膜状にし、テーパにより広角化して噴射することで噴霧を広げる。

特開２０１８－３１２７５号公報

　テーパ噴孔における液膜広角方向は、サック底角度、噴孔角度及び噴孔長により一義的に決まる。複数のテーパ噴孔による噴霧の長手方向が周方向に連なって弁軸周りの空間を囲むような噴霧配置になると、周方向に隣り合う噴霧同士の隙間が狭くなり、空気が供給されにくくなる。そのため、噴霧の径方向内側の空間の負圧が大きくなり、噴霧が弁軸側に引き寄せられて収縮する。したがって、狙った方向に噴霧を配置することができない。また、噴霧収縮を回避するために噴霧の周方向間隔を広げると、空間全体への噴霧配置が困難となる。

　本開示の目的は、噴孔からの噴霧を広角化し、且つ、噴霧配置をより空間全体に近づけられる燃料噴射弁を提供することにある。

　本開示の燃料噴射弁は、ノズルとニードルとを備える。ノズルは、弁軸を中心として設けられ、サック室、複数の噴孔、及び弁座を有する。サック室は、燃料通路の底に設けられている。複数の噴孔は、サック室の底面に形成された噴孔入口からノズル外壁に形成された噴孔出口に貫通し、燃料通路内の燃料が噴射される。弁座は、サック室の周囲に環状に形成されている。ニードルは、ノズルの内側で弁軸に沿って往復移動可能に設けられ、弁座を開閉して燃料の噴射及び遮断を切り替える。

　複数の噴孔のうち少なくとも１つの噴孔である特定噴孔は、以下の要件を満たす。

　＜１＞噴孔出口は、長軸及び短軸を有する扁平形状である。

　＜２＞噴孔入口の中心と噴孔出口の中心とを結ぶ噴孔軸の方向に投影したとき、噴孔軸を通る噴孔出口の長軸方向の断面において噴孔出口の断面長さは噴孔入口の断面長さより長い。且つ、＜３＞噴孔軸を通る噴孔出口の短軸方向の断面において噴孔出口の断面長さは噴孔入口の断面長さより短い。

　＜４＞噴孔入口の面積は噴孔出口の面積より大きい。

　これにより本開示では、特定噴孔の形状及び配置のみで噴霧広角化を実現し、且つ噴霧広角方向を決める機能を有する。広角化された複数の噴霧間に周方向の隙間を確保し、弁軸周りの空間に空気が供給されるようにすることで、噴霧収縮を回避し、噴霧配置をより空間全体に近づけることができる。

　特定噴孔は、噴孔出口の面積に対する噴孔入口の面積である面積比が１．５以上であることが好ましい。これにより、作動状態で噴孔出口が液密状態となり、テーパ角度と液密角度と実噴射角度とがほぼ一致する。そのため、広角噴射安定性が向上し、設計し易さが向上する。よって、噴霧広角角度を噴孔角度で設定可能となる。

　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、本実施形態による燃料噴射弁の全体構成を示す断面図であり、図２は、図１のＩＩ部拡大断面図であり、図３Ａは、図２のＩＩＩａ方向矢視図であり、図３Ｂは、図２のＩＩＩｂ方向矢視図であり、図４Ａは、噴孔出口の長軸方向での特定噴孔の模式的断面図であり、図４Ｂは、噴孔出口の短軸方向での特定噴孔の模式的断面図であり、図５は、特定噴孔の模式的斜視図であり、図６は、特定噴孔の噴孔軸方向（図４ＡのＶＩ方向）の投影図であり、図７は、比較例の燃料噴射弁におけるノズル底部の断面図であり、図８は、図７のテーパ噴孔部拡大図であり、図９は、図７のＩＸａ－ＩＸａ断面、及び、ＩＸｂ－ＩＸｂ断面図であり、図１０は、図７のＸ方向矢視図であり、図１１は、図１０に対応する噴霧の側面模式図であり、図１２は、図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ断面図であり、図１３は、テーパ角が小さいときの噴霧配置の模式図であり、図１４は、テーパ角が大きいときの噴霧配置の模式図であり、図１５は、図１３、図１４に対応する噴霧の側面模式図であり、図１６は、本実施形態による課題解決の考え方を説明する噴霧配置の模式図であり、図１７Ａは、特定噴孔の面積比が小さい形態の噴孔軸方向の投影図であり、図１７Ｂは、特定噴孔の面積比が大きい形態の噴孔軸方向の投影図であり、図１８は、面積比に対するテーパ角度、液密角度及び実噴射角度の関係を示す図であり、図１９Ａは、テーパ角度の定義を説明する特定噴孔の断面図であり、図１９Ｂは、液密角度の定義を説明する特定噴孔の断面図であり、図２０は、ＣＦＤ解析による実噴射角度を説明する特定噴孔の断面図であり、図２１は、噴孔入口形状のバリエーションを示す図であり、図２２は、噴孔出口形状のバリエーションを示す図であり、図２３Ａは、第１実施形態による噴孔出口配置の図であり、図２３Ｂは、第１実施形態による噴霧配置の図であり、図２４Ａは、第２実施形態による噴孔出口配置の図であり、図２４Ｂは、第２実施形態による噴霧配置の図であり、図２５Ａは、第３実施形態による噴孔出口配置の図であり、図２５Ｂは、第３実施形態による噴霧配置の図であり、図２６Ａは、第４実施形態による噴孔出口配置の図であり、図２６Ｂは、第４実施形態による噴霧配置の図であり、図２７Ａは、第５実施形態による噴孔出口配置の図であり、図２７Ｂは、第５実施形態による噴霧配置の図である。

　以下、燃料噴射弁の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の燃料噴射弁は、ガソリンエンジン等のエンジンに搭載され、エンジンの燃焼室に燃料を噴射する。本実施形態の説明では、噴孔出口配置及び噴霧配置のバリエーションに関してのみ第１～第５実施形態に区別し、それ以外の事項は共通に説明する。

　［燃料噴射弁の全体構成］
　最初に図１、図２を参照し、燃料噴射弁７０の全体構成を説明する。全体構成は、特許文献１の従来技術と共通するものであり、適宜、詳細な説明を省略する。燃料噴射弁７０は、ノズル１０、ハウジング２０、ニードル３０、可動コア３７、固定コア４１、コイル４５、スプリング４２、４３等を備えている。可動コア３７、固定コア４１及びコイル４５は、ニードル３０を開弁方向または閉弁方向に移動させることが可能な駆動部として機能する。

　ノズル１０は、弁軸Ｚを中心として設けられ、ノズル筒部１１、ノズル底部１２、複数の噴孔１３、及び、弁座１７等を有している。略円筒状のノズル筒部１１は、内側に燃料通路１００を形成する。ノズル底部１２は、ノズル筒部１１の一端を塞いでいる。ノズル底部１２に形成された複数の噴孔１３は、燃料通路１００内の燃料を噴射する。弁座１７は、ノズル底部１２のノズル筒部１１側の面において噴孔１３の周囲に環状に形成されている。噴孔１３について詳しくは後述する。

　ハウジング２０は、第１筒部材２１、第２筒部材２２、第３筒部材２３、インレット部２４等を有している。第１筒部材２１、第２筒部材２２及び第３筒部材２３は、いずれも略円筒状の部材であって、第１筒部材２１、第２筒部材２２、第３筒部材２３の順に同軸となるよう配置され、互いに接続している。インレット部２４の一端は第３筒部材２３の端部に接続しており、他端に図示しない配管が接続される。インレット部２４の内側には、燃料中の異物を捕集するフィルタ２５が設けられている。

　ハウジング２０の内側には、燃料通路１００が形成されている。インレット部２４から流入した燃料は、燃料通路１００を経由し、ノズル筒部１１の内側を通って噴孔１３から噴射される。本実施形態の燃料噴射弁７０の使用時に想定される燃料通路１００内の燃料の圧力は、例えば２０ＭＰａ程度である。

　ニードル３０は、ノズル１０の内側で弁軸Ｚに沿って往復移動可能に設けられている。ニードル３０は、棒状に形成されたニードル本体３０１、シート部３１、大径部３２、鍔部３４等を有している。シート部３１は、ニードル本体３０１のノズル１０側の端部に形成され、弁座１７に当接可能である。

　大径部３２は、ニードル本体３０１の弁座１７側の端部のシート部３１近傍に形成されている。大径部３２は、外径がニードル本体３０１の弁座１７側の端部の外径より大きく設定されている。大径部３２は、外壁がノズル１０のノズル筒部１１の内壁と摺動するよう形成されている。燃料は、大径部３２の外壁の周方向の複数箇所に形成された切欠き部３３を流通可能である。鍔部３４は、ニードル本体３０１のシート部３１とは反対側の端部から径外方向へ突出するように形成されている。

　ニードル３０は、シート部３１が弁座１７に当接すると噴孔１３を閉じ、シート部３１が弁座１７から離間すると噴孔１３を開く。以下、ニードル３０が弁座１７から離間する方向を開弁方向といい、ニードル３０が弁座１７に当接する方向を閉弁方向という。

　可動コア３７は、磁気安定化処理が施されたフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。可動コア３７は、ハウジング２０の第１筒部材２１及び第２筒部材２２の内側において、ニードル本体３０１に対し軸方向に相対移動可能に設けられている。

　固定コア４１は、磁気安定化処理が施されたフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。固定コア４１は、可動コア３７に対しインレット部２４側において、ハウジング２０の第２筒部材２２及び第３筒部材２３の内側に設けられている。

　固定コア４１の内側には、円筒状のアジャスティングパイプ５４が圧入されている。スプリング４２は、例えばコイルスプリングであり、固定コア４１の内側のアジャスティングパイプ５４とニードル３０の鍔部３４との間に設けられている。スプリング４２は、ニードル３０とともに可動コア３７を閉弁方向に付勢する。

　コイル４５は、略円筒状に形成され、ハウジング２０のうち特に第２筒部材２２及び第３筒部材２３の径方向外側を囲むようにして設けられている。また、コイル４５の径方向外側には、コイル４５を覆うようにして筒状のホルダ２６が設けられている。

　外部の制御装置からコネクタ部４７の端子４８を介してコイル４５に通電されると、磁気絞り部である第２筒部材２２を避けて、可動コア３７、第１筒部材２１、ホルダ２６、第３筒部材２３及び固定コア４１に磁気回路が形成される。そのため、固定コア４１と可動コア３７との間に磁気吸引力が発生し、可動コア３７は、ニードル３０とともに固定コア４１側に吸引される。これにより、ニードル３０が開弁方向に移動し、シート部３１が弁座１７から離間して開弁する。その結果、噴孔１３が開放され、噴孔１３から燃料が噴射される。このようにコイル４５は、通電により可動コア３７を固定コア４１側に吸引し、ニードル３０を開弁方向に移動させる。

　可動コア３７が固定コア４１側に吸引されている状態でコイル４５への通電を停止すると、ニードル３０及び可動コア３７は、スプリング４２の付勢力により、弁座１７側へ付勢される。これにより、ニードル３０が閉弁方向に移動し、シート部３１が弁座１７に当接し、閉弁する。その結果、噴孔１３が閉塞される。

　スプリング４３は、例えばコイルスプリングであり、可動コア３７を固定コア４１側、すなわち、開弁方向に付勢する。スプリング４３の付勢力は、スプリング４２の付勢力よりも小さい。そのため、コイル４５に通電されていないとき、ニードル３０は、スプリング４２によりシート部３１が弁座１７に押し付けられ、閉弁状態となる。

　インレット部２４から流入した燃料は、固定コア４１及びアジャスティングパイプ５４の内側、ニードル３０とハウジング２０の内壁及び筒部１１の内壁との間の燃料通路１００を通り、噴孔１３に導かれる。なお、燃料噴射弁７０の作動時、可動コア３７及びニードル３０の周囲は燃料で満たされた状態となるため、可動コア３７及びニードル３０は、ハウジング２０の内側で軸方向に円滑に往復移動可能である。

　図２に、図１のＩＩ部拡大断面に相当する噴孔１３の軸方向断面を示す。なお、図２にはニードル３０の図示を省略する。ノズル１０のノズル底部１２は、サック室１８０、複数（例えば６つ）の噴孔１３、及び弁座１７を有する。

　サック室１８０は、燃料通路１００の底に設けられている。複数の噴孔１３は、サック室１８０の底面１８に形成された噴孔入口１５からノズル外壁１９に形成された噴孔出口１６に貫通している。噴孔１３を通って燃料通路１００内の燃料が噴射される。噴孔壁面１４は、噴孔入口１５と噴孔出口１６とを接続する。弁座１７は、サック室１８０の周囲に環状に形成されている。弁座１７は、ノズル筒部１１側からサック室１８０側に向かうに従い弁軸Ｚに近付くようテーパ状に形成されている。

　［特定噴孔の構成］
　複数の噴孔のうち、本実施形態において好ましい条件を満たす形状の１つ以上の噴孔１３を「特定噴孔」と定義する。本実施形態では、複数の噴孔が全て特定噴孔１３である構成を例として説明するが、その他の実施形態では、複数の噴孔の中に特定噴孔１３以外の一般噴孔が含まれていてもよい。続いて図３Ａ～図６を参照し、特定噴孔１３の形状の詳細について説明する。

　図３Ａには、図２のサック室底面１８側から視た噴孔入口１５の配置を示す。図３Ｂには、図２のノズル外壁１９側から視た噴孔出口１６の配置を示す。この配置例では６つの特定噴孔１３が弁軸Ｚを中心として放射状に配置されている。説明の便宜上、図３Ａ、図３Ｂの紙面において弁軸Ｚを含み左右方向の一点鎖線で表される平面を基準面Ｓｘとし、弁軸Ｚを含み上下方向の一点鎖線で表される平面を対称面Ｓｙとする。基準面Ｓｘ及び対称面Ｓｙの用語は、図２３Ａ～図２７Ｂを参照して後述する噴孔配置バリエーションの説明で用いられる。

　図４Ａ～図６に示すように、特定噴孔１３は下記の要件＜１＞～＜４＞を満たす。本実施形態では６つの噴孔１３は全て特定噴孔であるため、以下、特にことわらない限り「噴孔１３」は特定噴孔を意味するものとして解釈する。また、図４Ａ～図６に例示する代表的な特定噴孔１３の形状例を「基本例」という。図４Ａ～図６では、噴孔周囲の実体部が無いものとして噴孔１３のみを模式的に図示する。各特定噴孔１３の噴孔入口１５の中心と噴孔出口１６の中心とを結ぶ直線を噴孔軸Ｈｏと定義する。

　＜１＞噴孔出口１６は、長軸Ｈａ及び短軸Ｈｂを有する扁平形状である。なお、基本例の噴孔出口１６の形状は長円形であり、図２２の噴孔出口１６２に相当する。また、基本例の噴孔入口１５の形状は円形である。その他の噴孔入口１５及び噴孔出口１６の形状バリエーションについては図２１、図２２を参照して後述する。

　＜２＞図６に示すように噴孔軸Ｈｏの方向に投影したとき、噴孔軸Ｈｏを通る噴孔出口１６の長軸方向の断面Ｓａにおいて噴孔出口１６の断面長さＬｏａは噴孔入口１５の断面長さＬｉａより長い。且つ、＜３＞噴孔軸Ｈｏを通る噴孔出口１６の短軸方向の断面Ｓｂにおいて噴孔出口１６の断面長さＬｏｂは噴孔入口１５の断面長さＬｉｂより短い。

　要件＜２＞、＜３＞では、少なくとも噴孔軸Ｈｏを通る断面Ｓａ、Ｓｂについての噴孔入口１５及び噴孔出口１６の断面長さを比較している。ただし、噴孔入口１５と噴孔出口１６との重複範囲における断面Ｓａと平行な長軸方向の断面、及び、断面Ｓｂと平行な短軸方向の断面に対しても、同様の関係が拡張可能である。そこで、要件＜２＞、＜３＞を拡張した要件＜２ｅｘ＞、＜３ｅｘ＞は下記のように表される。

　＜２ｅｘ＞噴孔軸Ｈｏの方向に投影したとき、噴孔入口１５と噴孔出口１６との重複範囲における噴孔出口１６の長軸方向の全ての断面において噴孔出口１６の断面長さは噴孔入口１５の断面長さより長い。且つ、＜３ｅｘ＞噴孔入口１５と噴孔出口１６との重複範囲における噴孔出口１６の短軸方向の全ての断面において噴孔出口１６の断面長さは噴孔入口１５の断面長さより短い。

　＜４＞噴孔入口１５の面積Ａｉは噴孔出口１６の面積Ａｏより大きい。つまり、「噴孔出口１６の面積Ａｏに対する噴孔入口１５の面積Ａｉの比」を面積比（＝Ａｉ／Ａｏ）と定義すると、面積比は１．０より大きい。好ましくは、面積比は１．５以上である。そのの根拠は、図１７Ａ～図２０を参照して後述する。

　ここで図５を参照し、特定噴孔１３の製造方法に由来する噴孔壁面１４の形状的特徴について補足する。本実施形態の特定噴孔１３はレーザ加工により形成される。このとき、レーザ加工の特性によって、噴孔壁面１４は、噴孔入口１５から噴孔出口１６までの噴孔長の全範囲における、噴孔軸Ｈｏを通る噴孔出口１６の長軸方向の断面Ｓａ及び短軸方向の断面Ｓｂにおいて、略直線で構成されている。なお、「略直線」とは、当該技術分野の製造常識に照らして実質的に直線と認識される線形状を意味する。

　ただし、噴孔入口１５付近及び噴孔出口１６付近は、レーザ加工以外の加工で下穴加工されたり後処理されたりする可能性も考えられる。その範囲は、当該技術分野の製造常識から、噴孔入口１５側及び噴孔出口１６側のそれぞれについて噴孔長の２０％以内であると推定される。この点を考慮すると、噴孔壁面１４は、噴孔入口１５から噴孔出口１６までの噴孔長に対し少なくとも「噴孔入口側の２０％範囲及び噴孔出口側の２０％を除く範囲」における、噴孔軸Ｈｏを通る噴孔出口１６の長軸方向の断面Ｓａ及び短軸方向の断面Ｓｂにおいて、略直線で構成されている。

　［本実施形態の課題］
　次に図７～図１６を参照し、本実施形態において着目する課題、及び、課題解決の考え方について説明する。図７～図１５には、噴孔入口から噴孔出口に向かって噴孔内径が拡径する従来技術のテーパ噴孔の構成を比較例として示す。本実施形態の特定噴孔１３との区別のため、比較例のテーパ噴孔の符号を「６３」とする。また、比較例の噴孔壁面、噴孔入口、噴孔出口の符号をそれぞれ「６４」、「６５」、「６６」とする。なお、ノズル底部１２、サック室底面１８、ノズル外壁１９等については本実施形態の符号を共用する。

　（１．テーパ噴孔広角メカニズム）
　図７～図９を参照する。図８にサック底角度α及び噴孔角度βの定義を示す。サック底角度αは、弁軸Ｚに直交する平面Ｐに対するサック室底面１８の角度である。噴孔角度βは、平面Ｐに対する噴孔６３の弁軸Ｚ側の内壁の角度である。なお、特許文献１に準じ、弁軸Ｚに対する噴孔６３の弁軸Ｚ側の内壁の角度（＝９０°－β）を噴孔角度と定義してもよい。

　図７、図８の破線矢印は本来の流れＦｎを示し、実線矢印は実際の流れＦｒを示す。本来、燃料はサック室底面１８に垂直方向に流れようとするが、図８の（＊１）部にて流れ方向に噴孔壁面６４が設けられているため、実際の燃料は噴孔壁面６４に押し付けられながら流れる。このとき、壁面６４との衝突により燃料が押し広げられ、（＊２）部にて噴霧が広角化する。

　図９に、図７のＩＸａ－ＩＸａ断面及びＩＸｂ－ＩＸｂ断面における燃料の流れ方向を示す。ＩＸａ－ＩＸａ断面からＩＸｂ－ＩＸｂ断面に向かって、噴孔６３の内径は拡大する。ＩＸａ－ＩＸａ断面の位置では、燃料が噴孔壁面６４に押し付けられて薄膜化する。ＩＸｂ－ＩＸｂ断面の位置では、テーパにより燃料が広角化する。

　広角化方向は、サック底角度α、噴孔角度β及び噴孔長により決まる。ただし噴孔長に関しては、噴孔径に対して噴孔長が極端に短い場合、燃料の流れ方向が変わる前に噴孔出口１６に達してしまう可能性があるが、燃料の流れ方向が変わるのに十分な程度の長さであれば、それ以上は広角化方向に影響しない。したがって、広角化方向は、サック底角度α及び噴孔角度βによりほぼ一義的に決まると考えてもよい。

　（２．テーパ噴孔による広角化噴孔形状）
　図１０～図１２を参照する。図１０に、複数（例えば６つ）のテーパ噴孔６３を弁軸Ｚに対して放射状に配置した例を示す。図中、適宜、テーパ噴孔の符号「６３」又は噴霧の符号「Ｍ」等を一箇所のみに記載し、他の箇所の記載を省略する。図１０において、実線矢印は噴孔入口６５から噴孔軸Ｈｏに沿って噴孔出口６６に向かう方向を示し、破線の両矢印は燃料の広角化方向を示す。図１１には噴霧Ｍの側面視を示し、図１２には図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ断面を示す。破線で示すように、テーパ角が小さいときの噴霧断面は略円形である。テーパ角が大きいと広角化により噴霧断面は楕円になり、複数の噴霧が弁軸Ｚ周りの空間を囲むように配置される。

　（３．テーパ噴孔広角化噴霧における課題）
　図１３～図１５を参照する。図１２に基づき図１３に示すように、テーパ角が小さいとき、噴霧の径方向内側に形成される弁軸Ｚ周りの空間（以下、「内側空間」）と、噴霧の径方向外側の空間（以下、「外側空間」）とを連通する隙間が、周方向に隣接する噴霧同士の間に形成される。内側空間では噴射により空気が排出されるが、この隙間を通って外側空間から内側空間に空気が導入される。すなわち、この隙間が空気供給路として機能するため、内側空間に生じる負圧は小さい。したがって、図１５に示すように、テーパ角が小さいとき、噴霧は弁軸Ｚから離れる方向に広がっている。

　これに対し図１４に示すように、テーパ角が大きいとき、噴霧が広角化することにより周方向に連なって内側空間を囲むような噴霧配置になると、周方向に隣り合う噴霧同士の間の空気供給路が狭くなり、内側空間に空気が供給されにくくなる。破線矢印は、空気供給路が狭いことを表す。そのため、内側空間に生じる負圧が大きくなり、図１５に矢印で示すように、噴霧が弁軸Ｚ側に引き寄せられて収縮する。したがって、狙った方向に噴霧を配置することができない。また、噴霧収縮を回避するために噴霧の周方向間隔を広げると、空間全体への噴霧配置が困難となる。

　（４．課題解決の考え方）
　以上のような比較例の課題を解決する本実施形態の考え方について、図１６を参照して説明する。本実施形態では噴霧の長軸が弁軸Ｚに対して放射方向を向くように、噴霧広角方向を比較例に対して９０°回転させる。これにより、周方向に隣接する噴霧同士の間に空気供給路が確保される。こうして噴霧広角方向の自由度を上げることで、広角化と空気供給路確保とを両立する。つまり、流れを使わずに、噴霧回転方向のみで噴霧広角方向を決める構造とするものである。

　このような考え方に基づいて考案されたのが、図３～図６に例示される特定噴孔１３の噴孔形状及び噴孔配置である。本実施形態の燃料噴射弁７０は、特定噴孔１３の形状及び配置のみで噴霧広角化を実現し、且つ噴霧広角方向を決める機能を有する。広角化された複数の噴霧間に周方向の隙間を確保し、弁軸Ｚ周りの空間に空気が供給されるようにすることで、噴霧収縮を回避し、噴霧配置をより空間全体に近づけることができる。

　［噴孔入口と噴孔出口との面積比の設定］
　次に図１７Ａ～図２０を参照し、特定噴孔１３における噴孔入口１５と噴孔出口１６との面積比の好ましい設定について説明する。噴孔軸Ｈｏ方向の投影図である図６を基準として、図１７Ａには面積比が小さい形態を示し、図１７Ｂには面積比が大きい形態を示す。具体的には噴孔出口１６の面積Ａｏを一定とし、噴孔入口１５の面積Ａｉのみを変更する。図１８に、面積比０．５～２．２の範囲での面積比に対するテーパ角度θｔ、液密角度θｆ及び実噴射角度θｒｉの関係を示す。

　図１９Ａに示すように、テーパ角度θｔは、長軸Ｈａ方向の断面における噴孔１３の角度の設計値である。図１９Ｂに示すように、液密角度θｆは、出口液体面積が入口液体面積に等しいと仮定して、液体を弁軸Ｚ側の内壁に寄せた場合の稜線角度であり、簡易計算で算出される。噴孔１３の全部が液密になると、液密角度θｆはテーパ角度θｔに一致する。すなわち、液密角度θｆはテーパ角度θｔ以下である。

　図１９Ａ、図１９Ｂにおける二点鎖線の枠は、図２０のＣＦＤ解析領域である。実噴射角度θｒｉは、図２０に例示するＣＦＤ（数値流体力学）解析結果から得られる、液体のみの領域と液体気体混合領域との境界線がなす角度である。図２０において密のハッチングを付した部分が液体領域であり、白抜きの部分が気体領域であり、疎のハッチングを付した部分が液体気体混合領域である。

　図１８に示すように、テーパ角度θｔは面積比が大きくなるに連れて減少する。液密角度θｆは、面積比が１．５未満の範囲では面積比が大きくなるに連れて増加し、面積比が１．５のときテーパ角度θｔに一致する。面積比が１．５以上の範囲では、液密角度θｆは、面積比が大きくなるに連れてテーパ角度θｔと共に減少する。

　ＣＦＤ解析による実噴射角度θｒｉは、面積比が０．９から１．０の範囲で０°付近の値から１０°以上まで急増し、面積比が１．０から１．５の範囲に最大値が現れる。面積比が１．５以上の範囲では、実噴射角度θｒｉは、面積比が大きくなるに連れてテーパ角度θｔとほぼ同様に減少する。

　以上のことより、単純計算による面積比に基づくと、面積比１．０を境界として、面積比１．０以下の範囲が噴孔出口液体気体混合領域となり、面積比が１．０より大きい範囲が噴孔出口液密領域となる。そして、噴孔出口液密領域は噴霧広角化領域である。つまり、噴孔入口１５の面積Ａｉが噴孔出口１６の面積Ａｏより大きい範囲で噴霧広角化が実現される。

　また、ＣＦＤ解析に基づくと、面積比１．５を境界として、面積比１．５未満の範囲が噴孔出口液体気体混合領域となり、面積比１．５以上の範囲が噴孔出口液密領域となる。面積比が１．０より大きく１．５未満の範囲では実噴射角度θｒｉとテーパ角度θｔとが異なるため、不安定領域である。一方、面積比が１．５以上の範囲では、テーパ角度θｔと液密角度θｆとが等しく、且つ、テーパ角度θｔと実噴射角度θｒｉともほぼ同等であるため、噴霧安定広角化領域となる。

　噴霧安定広角化領域では、作動状態で噴孔出口１６が液密状態となる瞬間が存在する。また、広角噴射安定性が向上し、設計し易さが向上する。よって、サック底角度α及び噴孔角度βにより噴霧広角化角度を設定可能となる。なお、図１８に示す面積比の最大値である２．２よりさらに面積比が大きくなっても同様の効果が得られ、面積比の上限を考慮する必要はない。ただし、噴孔出口面積Ａｏが極端に小さくなれば要求噴射量を噴射できなくなるため、要求噴射量に応じた噴孔出口面積Ａｏを確保した上で面積比が１．５以上となるように噴孔入口面積Ａｉを決めることが好ましい。

　［噴孔入口形状及び噴孔出口形状のバリエーション］
　図４Ａ～図６に例示した基本例の噴孔入口１５の形状は円形であり、扁平形状である噴孔出口１６の形状は長円形である。ここでは、基本例を含む噴孔入口形状のバリエーションを図２１に示し、噴孔出口の扁平形状のバリエーションを図２２に示す。これらの形状バリエーションは、噴霧特性や製造工程等を考慮して適宜選択されてよい。また、１つの燃料噴射弁の中で複数の噴孔入口形状や噴孔出口形状が混在してもよい。

　図２１の上から一番目に、基本例の噴孔入口形状として円形の噴孔入口１５１を示す。円形とすることにより、噴孔入口側のレイアウトの自由度が向上する。上から二番目には、噴孔出口１６の長軸に対する位相が９０°である楕円の噴孔入口１５２を示す。三番目には、噴孔出口１６の長軸に対する位相が９０°である長円の噴孔入口１５３を示す。四番目には、噴孔出口１６の長軸に対する位相がずれた（すなわち位相が０°と９０°との間の角度である）楕円の噴孔入口１５４を示す。

　図２２の上から一番目に、長方形の噴孔出口１６１を示す。上から二番目には、基本例の噴孔出口形状として長円形の噴孔出口１６２を示す。長円形の噴孔はトラック噴孔とも呼ばれる。三番目には楕円の噴孔出口１６３、四番目には台形の噴孔出口１６４、五番目には三角形の噴孔出口１６５を示す。台形の噴孔出口１６４では長い方の底辺側、三角形の噴孔出口１６５では底辺側（すなわち図の右側）が主に径方向外側に配置されると想定される。

　［噴孔出口配置及び噴霧配置のバリエーション］
　次に図２３Ａ～図２７Ｂを参照し、噴孔出口配置及び噴霧配置のバリエーションについて、第１～第５実施形態として説明する。各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図２３Ａ、図２４Ａ、図２５Ａ、図２６Ａ、図２７Ａには噴孔出口配置を示し、図２３Ｂ、図２４Ｂ、図２５Ｂ、図２６Ｂ、図２７Ｂには対応する噴霧配置を示す。特定噴孔の符号「１３」、及び、噴霧の符号「Ｍ」は一箇所のみに記載し、他の箇所の記載を省略する。

　各実施形態は、燃料噴射弁７０のエンジン搭載方式や狙う噴霧の大きさ等によって選択される。燃料噴射弁７０がシリンダヘッドの中央に搭載される方式をセンター搭載式といい、特許文献１の図１１に参照される。燃料噴射弁７０が燃焼室側方のシリンダブロックに傾斜して搭載される方式をサイド搭載式といい、特許文献１の図２に参照される。

　図２３Ａ、図２４Ａ、図２５Ａに示すように、第１、第２、第３実施形態では６つの噴孔出口が弁軸Ｚを中心として対称配置されている。これらの噴孔出口配置では燃料が中心から放射状に噴射されるため、センター搭載式の燃料噴射弁に適している。特に第１、第２実施形態の噴孔出口配置Ｈａｒ１、Ｈａｒ２では、全ての噴孔１３は、噴孔出口１６１、１６４の長軸が弁軸Ｚに対して放射方向に配置されている。また、噴孔出口配置Ｈａｒ１、Ｈａｒ２は対称面Ｓｙに対して対称である。

　第１実施形態の噴孔出口配置Ｈａｒ１では長方形の噴孔出口１６１が放射状に配置されている。長方形の噴孔出口１６１は長円の噴孔出口１６２や楕円の噴孔出口１６３に置き換えられてもよい。以下の実施形態でも同様である。これに対応して図２３Ｂに示すような放射状の噴霧配置Ｍａｒ１が形成される。この噴霧配置Ｍａｒ１では周方向に隣接する噴霧同士の間に空気が導入される隙間が確保されるため、噴霧収縮を防止し、狙った方向に噴霧を配置可能である。

　第２実施形態の噴孔出口配置Ｈａｒ２では台形の噴孔出口１６４が放射状に配置されている。台形の噴孔出口１６４は三角形の噴孔出口１６５に置き換えられてもよい。これに対応して図２４Ｂに示すような放射状の噴霧配置Ｍａｒ２が形成される。この噴霧配置Ｍａｒ２では、第１実施形態の噴霧配置Ｍａｒ１に比べ、周方向の噴霧範囲がより拡がる。

　第３実施形態の噴孔出口配置Ｈａｒ３では、１つおきに配置された３つの噴孔１３は、噴孔出口１６１の長軸が弁軸Ｚに対して放射方向に配置されている。つまり、複数の特定噴孔１３のうち２つ以上の特定噴孔１３は、噴孔出口１６１の長軸が弁軸Ｚに対して放射方向に配置されている。他の３つの噴孔１３は、噴孔出口１６１の長軸が放射方向と直交方向に配置されている。また、噴孔出口配置Ｈａｒ３は対称面Ｓｙに対して対称である。これに対応して図２５Ｂに示すように、Ｙ字配置と三角形配置とを組み合わせた噴霧配置Ｍａｒ３が形成される。この噴霧配置Ｍａｒ３では均一性の向上が図られる。

　次に図２６Ａに示すように、第４実施形態の噴孔出口配置Ｈａｒ４では５つの噴孔出口が中心に対して非対称に配置されており、サイド搭載式の燃料噴射弁に適している。詳しくは、弁軸Ｚを通る基準面Ｓｘの一方（図の上方）側では３個の噴孔出口１６１が放射状に中心として対称配置されており、基準面Ｓｘの他方（図の下方）側では２個の噴孔出口１６１が基準面Ｓｘと平行に配置されている。また、噴孔出口配置Ｈａｒ４は対称面Ｓｙに対して対称である。これに対応して図２６Ｂに示すように、基準面Ｓｘの一方（図の上方）側を中心とした噴霧配置Ｍａｒ４が形成される。そのため、サイド搭載式における燃焼室と燃料噴射弁との位置関係に応じて、所望の空間に噴霧配置Ｍａｒ４を配置することができる。

　第１～第４実施形態はモデル的な配置を想定しているが、現実的な設計では、エンジン搭載における他部品との干渉を避けたり、より精密な噴霧配置を狙ったりする等の理由により、理想的な配置からの微修正が求められる場合がある。そこで、図２７Ａに示す第５実施形態の噴孔出口配置Ｈａｒ５では、例えば２つ以上の噴孔出口の長軸が、弁軸Ｚからずれたの任意の軸Ｚｓ１、Ｚｓ２に対して放射方向に配置されている。

　このように、本実施形態による特定噴孔１３の噴孔出口配置は、厳密に弁軸Ｚを中心とした放射状でなくてもよいし、厳密に対称面Ｓｙに対して対称でなくてもよい。ただし、第５実施形態の配置は全くランダムというわけではなく、全体として概略的に、弁軸Ｚを中心として放射状に配置されている。

　（他の実施形態）
　（ａ）本開示の燃料噴射弁において複数の噴孔が全て特定噴孔でなくてもよく、上述の通り、複数の噴孔の中に特定噴孔以外の一般噴孔が含まれていてもよい。要するに、複数の噴孔のうち少なくとも１つの噴孔が特定噴孔の要件を満たせばよい。例えば図１６において１つの特定噴孔により噴霧広角方向を回転させれば、その周方向両側に空気供給路が確保されるため、噴霧収縮を回避することができる。

　（ｂ）図４Ａ、図４Ｂ、図５に示す基本例の特定噴孔１３の形状は一例である。噴孔出口１６の長軸Ｈａ方向断面、短軸Ｈｂ方向断面における対向する壁面１４同士の角度等は、図示例に限らず、どのように設定されてもよい。

　（ｃ）燃料噴射弁における各部材の構成は図１に示すものに限らず、同様の機能が得られるように変更されてもよい。例えば隣接する同材質の部材は、別体に形成されてもよいし、一体に形成されてもよい。

　（ｄ）本開示の燃料噴射弁は、直噴式のガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンやポート噴射式のガソリンエンジン等に適用されてもよい。

　以上、本開示はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

　本開示は実施形態に準拠して記述された。しかしながら、本開示は当該実施形態および構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例および均等の範囲内の変形をも包含する。また、様々な組み合わせおよび形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせおよび形態も本開示の範疇および思想範囲に入るものである。

Claims

　弁軸（Ｚ）を中心として設けられ、燃料通路（１００）の底に設けられたサック室（１８０）、前記サック室の底面（１８）に形成された噴孔入口（１５）からノズル外壁（１９）に形成された噴孔出口（１６）に貫通し、前記燃料通路内の燃料が噴射される複数の噴孔、及び、前記サック室の周囲に環状に形成された弁座（１７）を有するノズル（１０）と、
　前記ノズルの内側で前記弁軸に沿って往復移動可能に設けられ、前記弁座を開閉して燃料の噴射及び遮断を切り替えるニードル（３０）と、
　を備え、
　前記複数の噴孔のうち少なくとも１つの噴孔である特定噴孔（１３）について、
　噴孔出口は長軸（Ｈａ）及び短軸（Ｈｂ）を有する扁平形状であり、
　噴孔入口の中心と噴孔出口の中心とを結ぶ噴孔軸（Ｈｏ）の方向に投影したとき、前記噴孔軸を通る噴孔出口の長軸方向の断面（Ｓａ）において噴孔出口の断面長さ（Ｌｏａ）は噴孔入口の断面長さ（Ｌｉａ）より長く、且つ、前記噴孔軸を通る噴孔出口の短軸方向の断面（Ｓｂ）において噴孔出口の断面長さ（Ｌｏｂ）は噴孔入口の断面長さ（Ｌｉｂ）より短く、
　噴孔入口の面積（Ａｉ）は噴孔出口の面積（Ａｏ）より大きい燃料噴射弁。
　前記特定噴孔は、噴孔出口の面積に対する噴孔入口の面積である面積比が１．５以上である請求項１に記載の燃料噴射弁。
　前記特定噴孔は、噴孔入口の形状が円形である請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
　前記ノズルは、複数の前記特定噴孔を有する請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
　複数の前記特定噴孔のうち２つ以上の前記特定噴孔は、噴孔出口の長軸が任意の軸に対して放射方向に配置されている請求項４に記載の燃料噴射弁。
　全ての前記特定噴孔は、噴孔出口の長軸が任意の軸に対して放射方向に配置されている請求項５に記載の燃料噴射弁。
　前記特定噴孔の壁面（１４）は、噴孔入口から噴孔出口までの噴孔長に対し少なくとも噴孔入口側の２０％範囲及び噴孔出口側の２０％を除く範囲における、前記噴孔軸を通る噴孔出口の長軸方向の断面及び短軸方向の断面において、直線で構成されている請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
　前記特定噴孔の壁面は、噴孔入口から噴孔出口までの噴孔長の全範囲における、前記噴孔軸を通る噴孔出口の長軸方向の断面及び短軸方向の断面において、直線で構成されている請求項７に記載の燃料噴射弁。