燃料噴射弁
【課題】燃料の微粒化及び噴霧の拡散により貫徹力を低下した燃料噴射弁を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料噴射弁１は、先端部に設けられた複数の噴孔２５から燃料を噴射するノズルボディ２を備え、噴孔２５が、噴孔２５の中央部に断面の直径Ｄ０の小径部２５０と、小径部２５０の上流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が縮小する第１テーパ部２５１と、小径部２５０の下流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が拡大する第２テーパ部２５２と、を有し、第１テーパ部２５１の噴孔長をＬ１、上流端における断面の直径をＤ１、第２テーパ部２５２の噴孔長をＬ２、下流端における断面の直径をＤ２とした場合に、０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８（１）、０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８（２）、及び０＜（Ｄ２−Ｄ０）／Ｌ２（３）の関係を満たすことを特徴とする。
【解決手段】燃料噴射弁１は、先端部に設けられた複数の噴孔２５から燃料を噴射するノズルボディ２を備え、噴孔２５が、噴孔２５の中央部に断面の直径Ｄ０の小径部２５０と、小径部２５０の上流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が縮小する第１テーパ部２５１と、小径部２５０の下流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が拡大する第２テーパ部２５２と、を有し、第１テーパ部２５１の噴孔長をＬ１、上流端における断面の直径をＤ１、第２テーパ部２５２の噴孔長をＬ２、下流端における断面の直径をＤ２とした場合に、０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８（１）、０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８（２）、及び０＜（Ｄ２−Ｄ０）／Ｌ２（３）の関係を満たすことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関し、特に、内燃機関の気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射装置が知られている。このような燃料噴射装置は噴孔を設けた燃料噴射弁を備え、燃料噴射弁の噴孔を筒内に向けて配置することにより、筒内への燃料噴射を実現する。しかしながら、内燃機関の気筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁では、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力が大きい場合、ピストンやシリンダライナに燃料が付着することがある。
【０００３】
シリンダライナに付着した燃料は、シリンダライナ上に油膜を形成しているエンジンオイルに溶解し、エンジンオイルと共にクランクケースへ流出する。これによってエンジンオイルが希釈されて、粘度や潤滑性能が低下する。また、シリンダライナに付着した燃料噴霧が気化されずに筒内に残存することにより、燃焼室内の空燃比が変化し、ＨＣの排出量が増加する。これに対して、特許文献１、２には、燃料の貫徹力を抑制するための構成が開示されている。
【０００４】
引用文献１の燃料噴射装置は、同一円周上に所定の角度間隔を持って配置された噴射孔が上流側から下流側へと進むにつれて通路径が増加するテーパ部とテーパ部の下流端と連続する第１の等径部とを有する。引用文献１の燃料噴射装置の構成によると、各噴射孔から噴射された燃料が互いに衝突しあい混合することにより、噴射方向が乱され噴射ノズル側に巻き上がる噴霧が形成され、噴射される燃料の貫徹力が低下し、微粒化される。
【０００５】
引用文献２の燃料噴射ノズルは、ノズル本体に設けられた噴射孔の横断面が、内燃機関の燃焼室に向かって、最初は細まり、その後に再び拡がっていることを特徴とする。引用文献２の燃料噴射ノズルの構成によると、噴射孔の細まったスロート領域ではより高い速度が生ぜしめられ、燃料噴射ノズルの拡がったディフューザ部分では小さな粒子を有するスプレの形成が可能となる。これにより、燃料噴流の比較的高い速度に基づき最大分配領域がノズルから離れる方向へずらされるという不都合が、燃料噴射ノズルの拡がったディフューザ部分によって阻止される。また、燃料噴流速度への燃料噴流圧の最適な変換が得られることにより、キャビテーション傾向も減じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１５１０１８号公報
【特許文献２】特表２００２−５２７６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１の噴射ノズルに設けられた噴射孔は、噴射孔入口部で燃料が剥離し、テーパ部を設けた効果が低下してしまう。また、ニードル弁の開弁時初期の低圧噴射時に噴霧を微粒化する能力が低い。さらに、特許文献２の燃料噴射ノズルはキャビテーション傾向を減じるため、キャビテーション気泡の崩壊による噴霧を微粒化する効果が得られにくい。このため、このような燃料噴射弁は依然として改善の余地がある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料の微粒化及び噴霧の拡散により貫徹力を低下した燃料噴射弁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決する本発明の燃料噴射弁は、先端部に設けられた複数の噴孔から燃料を噴射するノズルボディを備え、前記噴孔は、前記噴孔の中央部に所定の断面径を有する小径部と、前記小径部の上流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が縮小する第１テーパ部と、前記小径部の下流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が拡大する第２テーパ部と、を有し、前記小径部の断面の直径をＤ０、前記第１テーパ部の噴孔長をＬ１、前記第１テーパ部の上流端における前記噴孔の断面の直径をＤ１とした場合に、
０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８ （１）
の関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
このような構成により、噴孔を流れる燃料は、燃料の流れる方向に縮小する第１テーパ部においてキャビテーション気泡が発生し、発生したキャビテーション気泡が崩壊することにより、燃料の微粒化が図られる。このキャビテーション気泡の崩壊により、噴孔内の流れに乱れが生じるため、噴霧の貫徹力が低下できる。さらに、このように微粒化された燃料は流れ方向に拡大する第２テーパ部により噴霧が拡散されるため、貫徹力が低下できる。
【００１１】
また、上記の燃料噴射弁において、
０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８ （２）
の関係を満たすこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料噴射弁は、キャビテーションを発生させる第１テーパ部と、噴霧角を広げる第２テーパ部を備えたことにより、燃料の微粒化を図るとともに、噴霧を拡散し、貫徹力を低下する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例の燃料噴射弁を断面にして内部の概略構造を示した説明図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の噴孔の周辺を拡大して示した説明図である。
【図３】噴霧の長さの増減割合についてＫ１ファクタの影響について示した説明図である。
【図４】噴霧の長さの増減割合についてＫ２ファクタの影響について示した説明図である。
【図５】噴霧の長さの増減割合についてＫ３ファクタの影響について示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【実施例】
【００１５】
図１は本実施例の燃料噴射弁１を断面にして内部の概略構造を示した説明図である。燃料噴射弁１はノズルボディ２とニードル３とを備えている。この燃料噴射弁１は内燃機関に組み付けられる。特に、燃料噴射弁１は内燃機関の備える気筒内に燃料を噴射するように組み付けられる。このような内燃機関は自動車を始めとする輸送機械やその他動力機関に用いられる。以下の説明において、先端側とはニードル３が閉弁するときの移動方向、すなわち図面中の下側を示し、基端側とはニードル３が開弁するときの移動方向、すなわち図面中の上側を示すこととする。
【００１６】
ノズルボディ２は有底円筒状の部材であり、内部に中空部２１と、燃料溜り室２２と、高圧燃料通路２３と、シート部２４と、噴孔２５とが設けられている。中空部２１内にはニードル３が摺動可能に配置されている。高圧燃料通路２３は、燃料噴射弁１の外部と燃料溜り室２２とを接続し、燃料噴射弁１の外部から燃料溜り室２２へ高圧燃料を供給する。噴孔２５は、ノズルボディ２に複数設けられており、複数の噴孔２５はノズルボディ２の軸線に中心を有し、この軸線に直交する円の円周上に等間隔に設けられている。ノズルボディ２は先端部に設けられた複数の噴孔２５から燃料を噴射する。
【００１７】
ニードル３は大径円柱部３１と小径円柱部３２とを備えている。小径円柱部３２は大径円柱部３１の先端側に位置する。ニードル３がノズルボディ２内に組み込まれた際に、ニードル３の大径円柱部３１と小径円柱部３２との接合部が燃料溜り室２２に位置する。ニードル３の大径円柱部３１は、ノズルボディ２の中空部２１の壁面にガイドされて摺動する。ニードル３の小径円柱部３２はノズルボディ２の中空部２１との間で燃料供給路４１を形成する。燃料供給路４１は、燃料溜り室２２からノズルボディ２の先端部、すなわち、噴孔２５へ燃料を供給する。
【００１８】
ニードル３の先端部３３は先端へ向かってテーパ状に細くなる形状をしている。ニードル３の先端部３３はノズルボディ２のシート部２４に着座する。ニードル３が着座した状態では、燃料の噴射が停止され、ニードル３がシート部２４から離間した状態で、燃料が噴孔２５から噴射される。
【００１９】
燃料噴射弁１は、ノズルボディ２の基端側に駆動機構５を備えている。駆動機構５は、背圧室５１、オリフィス５２、バルブ５３、ソレノイド５４、スイッチ５５を備えている。駆動機構５はニードル３の摺動動作を制御する機構である。背圧室５１はニードル３の基端に位置する。背圧室５１には高圧燃料通路２３から高圧燃料が供給される。背圧室５１はオリフィス５２により収納室５６と連通されている。バルブ５３は収納室５６内で基端側へ移動可能に収納されている。バルブ５３はスプリング５７により、先端側へ付勢されている。
【００２０】
スイッチ５５のＯＮ／ＯＦＦ操作は、コントロールユニットにより行われる。コントロールユニットは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、内燃機関の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りして内燃機関を制御する。すなわち、コントロールユニットは、燃料噴射弁１の燃料噴射時にスイッチ５５をＯＮにしてソレノイド５４へ通電し、燃料噴射弁１の燃料噴射停止時にスイッチ５５をＯＦＦにしていソレノイド５４への通電を遮断する。
【００２１】
スイッチ５５がＯＮされると、ソレノイド５４が通電されてバルブ５３が基端側へ引上げられる。バルブ５３が引上げられることにより、背圧室５１内の燃料がオリフィス５２から抜け出て背圧室５１内の圧力が低下する。これにより、ニードル３にかかる燃料の圧力バランスが変化する。すなわち、ニードル３を基端側へ押し付ける力より先端側に押し付ける力が強まるため、ニードル３が基端側へ移動し、ニードル３がシート部２４から離間する。これにより、燃料が噴孔２５へ供給されて噴射される。
【００２２】
次に、ノズルボディ２の噴孔２５について詳細に説明する。図２は図１における噴孔２５の周辺を拡大して示した説明図である。噴孔２５は、噴孔２５の中央部に所定の断面径を有する小径部２５０と、小径部２５０の上流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が縮小する第１テーパ部２５１と、小径部２５０の下流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が拡大する第２テーパ部２５２を有する。小径部２５０は、噴孔２５において流路が最も狭い箇所である。第１テーパ部２５１は、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が縮小している。また、第１テーパ部２５１の上流端、すなわち、ノズルボディ２の内部側の端部にはＲが形成されている。第２テーパ部２５２は、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が拡大している。
【００２３】
次に、噴孔２５へ流れ込み噴射される燃料の態様を説明する。ニードル３がリフトし、噴孔２５の上流端（入口）から燃料が進入する際、燃料流に剥離が生じ、キャビテーション気泡ｃｂが発生する。発生したキャビテーション気泡ｃｂは、通路の径が縮小する第１テーパ部２５１において崩壊する。これにより、噴孔２５内の燃料が微粒化されるとともに、燃料流が大きく乱れる。燃料が微粒化されることにより、噴射された後の噴霧ｆｓが微粒化される。さらに、燃料流が乱れることにより、燃料の流れる方向の速度が減衰して噴霧ｆｓの貫徹力が低下する。このように第１テーパ部２５１で流れの乱れた燃料は、通路の径が拡大する第２テーパ部２５２において広がるため、噴霧角が広がる。噴射される燃料の噴霧角が広がるため、噴霧ｆｓが拡散し、噴霧ｆｓの貫徹力が低下する。上記の第１テーパ部２５１において、特に、キャビテーション気泡ｃｂの崩壊のエネルギーは数万気圧とかなり大きなものであるため、燃料の初期分裂が促進され、噴霧ｆｓの微粒化に大きな影響を与える。このキャビテーション気泡ｃｂの崩壊による噴霧ｆｓの微粒化は、ニードル３がリフトを開始した噴射の初期から発生する。このため、燃料の圧力の低い噴射初期から微粒化され、貫徹力の低下された噴霧ｆｓが実現される。
【００２４】
さらに、噴孔２５の形状について、噴霧の長さの増減割合との関係とともに具体的に説明する。小径部２５０の断面の直径をＤ０、第１テーパ部２５１の噴孔長をＬ１、第１テーパ部２５１の上流端、すなわち、ノズルボディ２の内部側における噴孔２５の断面の直径をＤ１、第２テーパ部２５２の噴孔長をＬ２、第２テーパ部２５２の下流端、すなわち、ノズルボディ２の外部側における噴孔２５の断面の直径をＤ２とした場合、噴孔２５は、
０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８ （１）
０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８ （２）
０＜（Ｄ２−Ｄ０）／Ｌ２ （３）
の関係を満たすように形成される。
ここで、
Ｋ１ ＝ （Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１ （４）
Ｋ２ ＝ （Ｄ２−Ｄ０）／Ｌ２ （５）
Ｋ３ ＝ Ｌ１／Ｄ０ （６）
とする。Ｋ１からＫ３は噴霧の長さを決定する無次元数である。Ｋ１ファクタは第１テーパ部２５１により定まる因子である。Ｋ２ファクタは第２テーパ部２５２の形状により定まる因子である。Ｋ３ファクタは小径部２５０の径と位置により定まる因子である。
【００２５】
次に、図３から図５を参照しながら、Ｋ１からＫ３と噴霧の長さの増減割合との関係を説明する。図３は噴霧の長さの増減割合についてＫ１ファクタの影響について示した説明図である。図４は噴霧の長さの増減割合についてＫ２ファクタの影響について示した説明図である。図５は噴霧の長さの増減割合についてＫ３ファクタの影響について示した説明図である。図３から図５の関係はニードルがフルリフト（全開）するタイミングでの噴霧の長さを計測したものである。具体的には、噴射開始後１．２ｍｓのタイミングで計測した値を用いている。また、噴霧の長さの増減割合の計測は、噴孔数が３の場合と、噴孔数が１０の場合とにおいて行い、噴射圧１２０ＭＰａまで連続的に計測して確認した。また、１２０ＭＰａまでの計測結果から、１２０ＭＰａ以上の場合も依然普遍的に効果があると推定する。
【００２６】
図３によると、Ｋ１ファクタの値が０から０．０２８の間で噴霧の長さが減少することが示されている。すなわち、Ｋ１ファクタの値が０から０．０２８の値である場合（上記（１）式が満たされる場合）、噴霧の長さが縮小する。したがって、式（１）を満たすことにより、噴霧の貫徹力が低下する。
【００２７】
図４によると、Ｋ２ファクタの値が０以上であれば、噴霧の長さが減少することが示されている。すなわち、Ｋ２ファクタの値が０以上である場合（上記（３）式が満たされる場合）、噴霧の長さが縮小する。したがって、式（３）を満たすことにより、噴霧の貫徹力が低下する。また、図４に示すように、Ｋ２ファクタが大きくなるほど、噴霧の長さが縮小する。Ｋ２ファクタは、第２テーパ部２５２の下流端における噴孔２５の断面の直径Ｄ２を大きくするほど、大きくなる。このため、噴霧の長さを縮小するには、第２テーパ部２５２の下流端における噴孔２５の断面の直径Ｄ２を大きくすることが望ましい。しかしながら、直径Ｄ２を大きくしすぎると、隣り合う噴孔と干渉してしまう。このため、直径Ｄ２は、隣り合う噴孔との間に干渉が生じない程度に最大の値をとることができる。
【００２８】
図５によると、Ｋ３ファクタの値が０から５．８の間で噴霧の長さが減少することが示されている。すなわち、Ｋ３ファクタの値が０から５．８の値である場合（上記（２）式が満たされる場合）、噴霧の長さが縮小する。したがって、式（２）を満たすことにより、噴霧の貫徹力が低下する。
【００２９】
上記の通り、式（１）から式（３）を満たすように形成された噴孔２５から噴射される燃料噴霧は、燃料流に生じたキャビテーション気泡の崩壊により微粒化され、さらに、噴霧が拡散されることにより、貫徹力が低下する。噴霧の貫徹力が低下することにより、内燃機関のピストンやシリンダライナに燃料が付着することが抑制される。これにより、オイル希釈による性能悪化や壁面付着により生じるＨＣの増加を抑制できる。
【００３０】
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。
【符号の説明】
【００３１】
１ 燃料噴射弁
２ ノズルボディ
２５ 噴孔
２５０ 小径部
２５１ 第１テーパ部
２５２ 第２テーパ部
３ ニードル
ｃｂ キャビテーション気泡
ｆｓ 噴霧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関し、特に、内燃機関の気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射装置が知られている。このような燃料噴射装置は噴孔を設けた燃料噴射弁を備え、燃料噴射弁の噴孔を筒内に向けて配置することにより、筒内への燃料噴射を実現する。しかしながら、内燃機関の気筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁では、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力が大きい場合、ピストンやシリンダライナに燃料が付着することがある。
【０００３】
シリンダライナに付着した燃料は、シリンダライナ上に油膜を形成しているエンジンオイルに溶解し、エンジンオイルと共にクランクケースへ流出する。これによってエンジンオイルが希釈されて、粘度や潤滑性能が低下する。また、シリンダライナに付着した燃料噴霧が気化されずに筒内に残存することにより、燃焼室内の空燃比が変化し、ＨＣの排出量が増加する。これに対して、特許文献１、２には、燃料の貫徹力を抑制するための構成が開示されている。
【０００４】
引用文献１の燃料噴射装置は、同一円周上に所定の角度間隔を持って配置された噴射孔が上流側から下流側へと進むにつれて通路径が増加するテーパ部とテーパ部の下流端と連続する第１の等径部とを有する。引用文献１の燃料噴射装置の構成によると、各噴射孔から噴射された燃料が互いに衝突しあい混合することにより、噴射方向が乱され噴射ノズル側に巻き上がる噴霧が形成され、噴射される燃料の貫徹力が低下し、微粒化される。
【０００５】
引用文献２の燃料噴射ノズルは、ノズル本体に設けられた噴射孔の横断面が、内燃機関の燃焼室に向かって、最初は細まり、その後に再び拡がっていることを特徴とする。引用文献２の燃料噴射ノズルの構成によると、噴射孔の細まったスロート領域ではより高い速度が生ぜしめられ、燃料噴射ノズルの拡がったディフューザ部分では小さな粒子を有するスプレの形成が可能となる。これにより、燃料噴流の比較的高い速度に基づき最大分配領域がノズルから離れる方向へずらされるという不都合が、燃料噴射ノズルの拡がったディフューザ部分によって阻止される。また、燃料噴流速度への燃料噴流圧の最適な変換が得られることにより、キャビテーション傾向も減じられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１５１０１８号公報
【特許文献２】特表２００２−５２７６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１の噴射ノズルに設けられた噴射孔は、噴射孔入口部で燃料が剥離し、テーパ部を設けた効果が低下してしまう。また、ニードル弁の開弁時初期の低圧噴射時に噴霧を微粒化する能力が低い。さらに、特許文献２の燃料噴射ノズルはキャビテーション傾向を減じるため、キャビテーション気泡の崩壊による噴霧を微粒化する効果が得られにくい。このため、このような燃料噴射弁は依然として改善の余地がある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料の微粒化及び噴霧の拡散により貫徹力を低下した燃料噴射弁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決する本発明の燃料噴射弁は、先端部に設けられた複数の噴孔から燃料を噴射するノズルボディを備え、前記噴孔は、前記噴孔の中央部に所定の断面径を有する小径部と、前記小径部の上流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が縮小する第１テーパ部と、前記小径部の下流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が拡大する第２テーパ部と、を有し、前記小径部の断面の直径をＤ０、前記第１テーパ部の噴孔長をＬ１、前記第１テーパ部の上流端における前記噴孔の断面の直径をＤ１とした場合に、
０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８ （１）
の関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
このような構成により、噴孔を流れる燃料は、燃料の流れる方向に縮小する第１テーパ部においてキャビテーション気泡が発生し、発生したキャビテーション気泡が崩壊することにより、燃料の微粒化が図られる。このキャビテーション気泡の崩壊により、噴孔内の流れに乱れが生じるため、噴霧の貫徹力が低下できる。さらに、このように微粒化された燃料は流れ方向に拡大する第２テーパ部により噴霧が拡散されるため、貫徹力が低下できる。
【００１１】
また、上記の燃料噴射弁において、
０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８ （２）
の関係を満たすこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料噴射弁は、キャビテーションを発生させる第１テーパ部と、噴霧角を広げる第２テーパ部を備えたことにより、燃料の微粒化を図るとともに、噴霧を拡散し、貫徹力を低下する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例の燃料噴射弁を断面にして内部の概略構造を示した説明図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の噴孔の周辺を拡大して示した説明図である。
【図３】噴霧の長さの増減割合についてＫ１ファクタの影響について示した説明図である。
【図４】噴霧の長さの増減割合についてＫ２ファクタの影響について示した説明図である。
【図５】噴霧の長さの増減割合についてＫ３ファクタの影響について示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【実施例】
【００１５】
図１は本実施例の燃料噴射弁１を断面にして内部の概略構造を示した説明図である。燃料噴射弁１はノズルボディ２とニードル３とを備えている。この燃料噴射弁１は内燃機関に組み付けられる。特に、燃料噴射弁１は内燃機関の備える気筒内に燃料を噴射するように組み付けられる。このような内燃機関は自動車を始めとする輸送機械やその他動力機関に用いられる。以下の説明において、先端側とはニードル３が閉弁するときの移動方向、すなわち図面中の下側を示し、基端側とはニードル３が開弁するときの移動方向、すなわち図面中の上側を示すこととする。
【００１６】
ノズルボディ２は有底円筒状の部材であり、内部に中空部２１と、燃料溜り室２２と、高圧燃料通路２３と、シート部２４と、噴孔２５とが設けられている。中空部２１内にはニードル３が摺動可能に配置されている。高圧燃料通路２３は、燃料噴射弁１の外部と燃料溜り室２２とを接続し、燃料噴射弁１の外部から燃料溜り室２２へ高圧燃料を供給する。噴孔２５は、ノズルボディ２に複数設けられており、複数の噴孔２５はノズルボディ２の軸線に中心を有し、この軸線に直交する円の円周上に等間隔に設けられている。ノズルボディ２は先端部に設けられた複数の噴孔２５から燃料を噴射する。
【００１７】
ニードル３は大径円柱部３１と小径円柱部３２とを備えている。小径円柱部３２は大径円柱部３１の先端側に位置する。ニードル３がノズルボディ２内に組み込まれた際に、ニードル３の大径円柱部３１と小径円柱部３２との接合部が燃料溜り室２２に位置する。ニードル３の大径円柱部３１は、ノズルボディ２の中空部２１の壁面にガイドされて摺動する。ニードル３の小径円柱部３２はノズルボディ２の中空部２１との間で燃料供給路４１を形成する。燃料供給路４１は、燃料溜り室２２からノズルボディ２の先端部、すなわち、噴孔２５へ燃料を供給する。
【００１８】
ニードル３の先端部３３は先端へ向かってテーパ状に細くなる形状をしている。ニードル３の先端部３３はノズルボディ２のシート部２４に着座する。ニードル３が着座した状態では、燃料の噴射が停止され、ニードル３がシート部２４から離間した状態で、燃料が噴孔２５から噴射される。
【００１９】
燃料噴射弁１は、ノズルボディ２の基端側に駆動機構５を備えている。駆動機構５は、背圧室５１、オリフィス５２、バルブ５３、ソレノイド５４、スイッチ５５を備えている。駆動機構５はニードル３の摺動動作を制御する機構である。背圧室５１はニードル３の基端に位置する。背圧室５１には高圧燃料通路２３から高圧燃料が供給される。背圧室５１はオリフィス５２により収納室５６と連通されている。バルブ５３は収納室５６内で基端側へ移動可能に収納されている。バルブ５３はスプリング５７により、先端側へ付勢されている。
【００２０】
スイッチ５５のＯＮ／ＯＦＦ操作は、コントロールユニットにより行われる。コントロールユニットは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、内燃機関の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りして内燃機関を制御する。すなわち、コントロールユニットは、燃料噴射弁１の燃料噴射時にスイッチ５５をＯＮにしてソレノイド５４へ通電し、燃料噴射弁１の燃料噴射停止時にスイッチ５５をＯＦＦにしていソレノイド５４への通電を遮断する。
【００２１】
スイッチ５５がＯＮされると、ソレノイド５４が通電されてバルブ５３が基端側へ引上げられる。バルブ５３が引上げられることにより、背圧室５１内の燃料がオリフィス５２から抜け出て背圧室５１内の圧力が低下する。これにより、ニードル３にかかる燃料の圧力バランスが変化する。すなわち、ニードル３を基端側へ押し付ける力より先端側に押し付ける力が強まるため、ニードル３が基端側へ移動し、ニードル３がシート部２４から離間する。これにより、燃料が噴孔２５へ供給されて噴射される。
【００２２】
次に、ノズルボディ２の噴孔２５について詳細に説明する。図２は図１における噴孔２５の周辺を拡大して示した説明図である。噴孔２５は、噴孔２５の中央部に所定の断面径を有する小径部２５０と、小径部２５０の上流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が縮小する第１テーパ部２５１と、小径部２５０の下流側で小径部２５０と連続し、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が拡大する第２テーパ部２５２を有する。小径部２５０は、噴孔２５において流路が最も狭い箇所である。第１テーパ部２５１は、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が縮小している。また、第１テーパ部２５１の上流端、すなわち、ノズルボディ２の内部側の端部にはＲが形成されている。第２テーパ部２５２は、上流側から下流側に向かって噴孔２５の断面径が拡大している。
【００２３】
次に、噴孔２５へ流れ込み噴射される燃料の態様を説明する。ニードル３がリフトし、噴孔２５の上流端（入口）から燃料が進入する際、燃料流に剥離が生じ、キャビテーション気泡ｃｂが発生する。発生したキャビテーション気泡ｃｂは、通路の径が縮小する第１テーパ部２５１において崩壊する。これにより、噴孔２５内の燃料が微粒化されるとともに、燃料流が大きく乱れる。燃料が微粒化されることにより、噴射された後の噴霧ｆｓが微粒化される。さらに、燃料流が乱れることにより、燃料の流れる方向の速度が減衰して噴霧ｆｓの貫徹力が低下する。このように第１テーパ部２５１で流れの乱れた燃料は、通路の径が拡大する第２テーパ部２５２において広がるため、噴霧角が広がる。噴射される燃料の噴霧角が広がるため、噴霧ｆｓが拡散し、噴霧ｆｓの貫徹力が低下する。上記の第１テーパ部２５１において、特に、キャビテーション気泡ｃｂの崩壊のエネルギーは数万気圧とかなり大きなものであるため、燃料の初期分裂が促進され、噴霧ｆｓの微粒化に大きな影響を与える。このキャビテーション気泡ｃｂの崩壊による噴霧ｆｓの微粒化は、ニードル３がリフトを開始した噴射の初期から発生する。このため、燃料の圧力の低い噴射初期から微粒化され、貫徹力の低下された噴霧ｆｓが実現される。
【００２４】
さらに、噴孔２５の形状について、噴霧の長さの増減割合との関係とともに具体的に説明する。小径部２５０の断面の直径をＤ０、第１テーパ部２５１の噴孔長をＬ１、第１テーパ部２５１の上流端、すなわち、ノズルボディ２の内部側における噴孔２５の断面の直径をＤ１、第２テーパ部２５２の噴孔長をＬ２、第２テーパ部２５２の下流端、すなわち、ノズルボディ２の外部側における噴孔２５の断面の直径をＤ２とした場合、噴孔２５は、
０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８ （１）
０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８ （２）
０＜（Ｄ２−Ｄ０）／Ｌ２ （３）
の関係を満たすように形成される。
ここで、
Ｋ１ ＝ （Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１ （４）
Ｋ２ ＝ （Ｄ２−Ｄ０）／Ｌ２ （５）
Ｋ３ ＝ Ｌ１／Ｄ０ （６）
とする。Ｋ１からＫ３は噴霧の長さを決定する無次元数である。Ｋ１ファクタは第１テーパ部２５１により定まる因子である。Ｋ２ファクタは第２テーパ部２５２の形状により定まる因子である。Ｋ３ファクタは小径部２５０の径と位置により定まる因子である。
【００２５】
次に、図３から図５を参照しながら、Ｋ１からＫ３と噴霧の長さの増減割合との関係を説明する。図３は噴霧の長さの増減割合についてＫ１ファクタの影響について示した説明図である。図４は噴霧の長さの増減割合についてＫ２ファクタの影響について示した説明図である。図５は噴霧の長さの増減割合についてＫ３ファクタの影響について示した説明図である。図３から図５の関係はニードルがフルリフト（全開）するタイミングでの噴霧の長さを計測したものである。具体的には、噴射開始後１．２ｍｓのタイミングで計測した値を用いている。また、噴霧の長さの増減割合の計測は、噴孔数が３の場合と、噴孔数が１０の場合とにおいて行い、噴射圧１２０ＭＰａまで連続的に計測して確認した。また、１２０ＭＰａまでの計測結果から、１２０ＭＰａ以上の場合も依然普遍的に効果があると推定する。
【００２６】
図３によると、Ｋ１ファクタの値が０から０．０２８の間で噴霧の長さが減少することが示されている。すなわち、Ｋ１ファクタの値が０から０．０２８の値である場合（上記（１）式が満たされる場合）、噴霧の長さが縮小する。したがって、式（１）を満たすことにより、噴霧の貫徹力が低下する。
【００２７】
図４によると、Ｋ２ファクタの値が０以上であれば、噴霧の長さが減少することが示されている。すなわち、Ｋ２ファクタの値が０以上である場合（上記（３）式が満たされる場合）、噴霧の長さが縮小する。したがって、式（３）を満たすことにより、噴霧の貫徹力が低下する。また、図４に示すように、Ｋ２ファクタが大きくなるほど、噴霧の長さが縮小する。Ｋ２ファクタは、第２テーパ部２５２の下流端における噴孔２５の断面の直径Ｄ２を大きくするほど、大きくなる。このため、噴霧の長さを縮小するには、第２テーパ部２５２の下流端における噴孔２５の断面の直径Ｄ２を大きくすることが望ましい。しかしながら、直径Ｄ２を大きくしすぎると、隣り合う噴孔と干渉してしまう。このため、直径Ｄ２は、隣り合う噴孔との間に干渉が生じない程度に最大の値をとることができる。
【００２８】
図５によると、Ｋ３ファクタの値が０から５．８の間で噴霧の長さが減少することが示されている。すなわち、Ｋ３ファクタの値が０から５．８の値である場合（上記（２）式が満たされる場合）、噴霧の長さが縮小する。したがって、式（２）を満たすことにより、噴霧の貫徹力が低下する。
【００２９】
上記の通り、式（１）から式（３）を満たすように形成された噴孔２５から噴射される燃料噴霧は、燃料流に生じたキャビテーション気泡の崩壊により微粒化され、さらに、噴霧が拡散されることにより、貫徹力が低下する。噴霧の貫徹力が低下することにより、内燃機関のピストンやシリンダライナに燃料が付着することが抑制される。これにより、オイル希釈による性能悪化や壁面付着により生じるＨＣの増加を抑制できる。
【００３０】
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。
【符号の説明】
【００３１】
１ 燃料噴射弁
２ ノズルボディ
２５ 噴孔
２５０ 小径部
２５１ 第１テーパ部
２５２ 第２テーパ部
３ ニードル
ｃｂ キャビテーション気泡
ｆｓ 噴霧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に設けられた複数の噴孔から燃料を噴射するノズルボディを備え、
前記噴孔は、
前記噴孔の中央部に所定の断面径を有する小径部と、
前記小径部の上流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が縮小する第１テーパ部と、
前記小径部の下流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が拡大する第２テーパ部と、
を有し、
前記小径部の断面の直径をＤ０、前記第１テーパ部の噴孔長をＬ１、前記第１テーパ部の上流端における前記噴孔の断面の直径をＤ１とした場合に、
０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８ （１）
の関係を満たすことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８ （２）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項１】
先端部に設けられた複数の噴孔から燃料を噴射するノズルボディを備え、
前記噴孔は、
前記噴孔の中央部に所定の断面径を有する小径部と、
前記小径部の上流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が縮小する第１テーパ部と、
前記小径部の下流側で前記小径部と連続し、上流側から下流側に向かって前記噴孔の断面径が拡大する第２テーパ部と、
を有し、
前記小径部の断面の直径をＤ０、前記第１テーパ部の噴孔長をＬ１、前記第１テーパ部の上流端における前記噴孔の断面の直径をＤ１とした場合に、
０＜（Ｄ１−Ｄ０）／Ｌ１＜０．０２８ （１）
の関係を満たすことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
０＜Ｌ１／Ｄ０＜５．８ （２）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４５０４８（Ｐ２０１２−１４５０４８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３７０（Ｐ２０１１−４３７０）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]